电气工程中的故障与应对措施分析

前言

电气工程作为现代工业和民用领域的核心基础设施，其系统复杂性、设备多样性及运行环境差异性导致故障类型繁多。从供电中断、设备烧毁到信号干扰，故障不仅影响生产效率，还可能引发安全事故。本文系统分析电气工程常见故障类型、成因及应对措施，结合预防性维护与智能诊断技术，提出全生命周期管理方案。

1 电气工程常见故障类型及成因

1.1 供电系统故障

电压异常

过电压：由雷击、开关操作或谐波污染引起，导致绝缘击穿（如变压器绕组烧毁）。

欠电压：电网负荷突变或线路压降过大，引发电机堵转、接触器脱扣。

案例：某工厂因雷击导致10kV 母线电压瞬升至15kV，造成3 台变频器损坏。

频率波动

电网频率偏离额定值（如 ±0.5Hz ），影响同步电机转速稳定性，导致生产线次品率上升。

1.2 设备本体故障

绝缘故障

成因：老化（热、电应力）、潮湿、机械损伤导致绝缘电阻下降。

表现：泄漏电流超标、局部放电、相间短路。

数据：统计显示，60%的电气火灾由绝缘故障引发。

接触故障

触点氧化：开关、继电器触点接触电阻增大，引发温升（如触点温度超 120^∘C ）。

接线松动：振动环境导致螺栓连接松动，造成电弧烧蚀。

1.3 控制系统故障

信号干扰

电磁干扰（EMI）：变频器、开关电源产生的高频噪声耦合至控制线路，导致 PLC误动作。

接地环路：多设备共地时地电位差引发信号失真。

软件故障

程序错误：PLC 逻辑缺陷或HMI 参数设置错误，造成设备联动失败。

数据丢失：存储器故障导致历史记录缺失，影响故障追溯。

1.4 环境因素故障

温湿度超标

高温：变压器、电机温升超限（如A 级绝缘允许温升 65^∘C ），加速绝缘老化。

高湿：凝露导致爬电距离不足，引发闪络事故。

腐蚀性气体

化工环境中的 H₂ 、Cl⁻等腐蚀金属触点，缩短设备寿命（如接触器寿命减半）。

2 故障诊断方法与技术

2.1 传统诊断方法

外观检查

观察设备外壳变形、烧蚀痕迹、异味（如绝缘漆焦化味）。

工具：红外热像仪检测局部过热点（温差>10℃需关注）。

电气参数测量

绝缘电阻测试：使用兆欧表（如 500V/1000V 档）测量相间及对地绝缘，值应≥1MΩ/kV。

接触电阻测试：采用微欧计测量螺栓连接电阻，值应 。

2.2 智能诊断技术

在线监测系统

局部放电检测：通过超声波传感器或特高频（UHF）天线定位电缆接头放电缺陷。

振动分析：对电机轴承振动频谱分析，识别不平衡、对中不良等机械故障。

大数据与 AI 应用

故障预测模型：基于 LSTM 神经网络分析历史故障数据，预测变压器剩余寿命（准确率>85%）。

图像识别：通过摄像头+深度学习算法识别仪表读数异常（如指针偏移）。

3 典型故障应对措施

3.1 供电系统故障应对

过电压防护

避雷器配置：在 10kV 进线端安装氧化锌避雷器（标称放电电流5kA）。

浪涌保护器（SPD）：在低压配电柜安装三级SPD，限制瞬态过电压至1.5kV 以下。无功补偿优化

配置SVG（静止无功发生器）动态补偿无功，将功率因数提升至0.95 以上，减少线路压降。

3.2 设备本体故障修复

绝缘处理

局部修复：对绝缘破损部位喷涂RTV 防污闪涂料（憎水性≥HC1 级）。

整体更换：绝缘电阻 85℃时触发报警。

3.3 备件管理优化

库存策略

ABC 分类法：A 类备件（如 IGBT 模块）储备 2-3 个，B 类（如接触器）储备 5-10个，C 类（如熔断器）按需采购。

供应商协同：与核心备件供应商签订 VMI（供应商管理库存）协议，缩短供货周期。

寿命预测

对电容、电池等易耗件建立寿命模型，提前3 个月触发更换预警。

3.4 人员培训与应急演练

技能培训

每年组织电气安全操作、急救（如触电心肺复苏）及消防培训，考核通过率 100% 。

实操演练：模拟高压柜爆炸、电缆火灾等场景，提升应急响应能力。

应急预案

编制《电气故障应急处置手册》，明确断电、隔离、救援等步骤。

4 未来发展趋势

4.1 智能化：从数据感知到自主决策

（1）数字孪生驱动的预测性维护

全要素建模：通过 BIM（建筑信息模型）与电气系统数字孪生体融合，实时映射设备状态（如变压器油温、电缆绝缘电阻），模拟故障传播路径。

AI 故障推理：基于深度学习算法（如Transformer 模型）分析历史故障数据、环境参数及设备运行日志，自动生成故障根因及处置方案。

突破点：小样本学习技术解决新设备故障数据不足问题，实现“零训练数据”下的异常检测。

（2）边缘计算与5G 的实时响应

分布式智能：在开关柜、电机等设备端部署边缘计算节点，就地处理振动、温度等传感器数据，实现毫秒级故障隔离（如断路器自动跳闸）。

优势：避免云端传输延迟，提升电力系统稳定性。

5G+AR 远程协作：技术人员通过 AR 眼镜接收故障设备 3D 模型及维修指引，与远程专家实时标注故障点，降低现场操作难度。

应用场景：偏远地区变电站检修、海上风电平台维护。

4.2 绿色化：从能耗优化到全生命周期减碳

（1）低碳维护技术

无损检测替代：用红外热成像、超声波局放检测等无损手段替代传统耐压试验，减少设备停电次数及碳排放。

数据：无损检测可使变压器年停电时间减少72 小时，相当于减排CO₂ 12 吨/台。环保型修复工艺：采用干式真空压力浸渍（VPI）工艺替代含溶剂浸渍，降低VOCs排放；使用纳米银导电膏替代传统镀锡工艺，减少重金属污染。

（2）能源互联网融合

需求响应集成：将电气故障管理纳入需求响应系统，当设备预测将发生故障时，自动调整生产计划或切换备用设备，避免非计划停机导致的能源浪费。

碳足迹追踪：在电气资产全生命周期管理系统中嵌入碳计算模块，量化故障维修（如备件运输、现场施工）的碳排放，优化维护策略。

结束语

电气工程故障管理需构建“预防-诊断-修复-优化”闭环体系，通过传统方法与智能技术融合，实现从被动抢修到主动维护的转变。未来，随着数字孪生、自修复材料等技术的突破，电气系统可靠性将提升至 99.999%（“五个九”标准），为智能制造、智慧城市等场景提供坚实保障。企业应结合自身实际，制定差异化故障管理策略，平衡维护成本与运行风险，推动电气工程向安全、高效、智能方向持续演进。

参考文献：

[1]廖度君.刍议机电设备电气安装调试常见故障及应对措施[J].四川建 材,2021,47(12):25-26+28.

[2] 于 旭 光 . 热 电 厂 电 气 运 行 中 的 故 障 与 应 对 策 略 [J]. 集 成 电 路 应用,2022,39(07):208-209.