复杂工业环境下电气工程系统设计与可靠性分析

摘要：随着工业生产规模不断扩大与技术复杂度持续攀升，复杂工业环境对电气工程系统提出了更为严苛要求。本文深入探讨复杂工业环境下电气工程系统设计关键要点，从系统架构规划、设备选型、布线策略以及电磁兼容性设计等多个维度进行剖析。运用多元化可靠性分析方法，对系统可靠性进行全面评估，并提出针对性提升策略，旨在为复杂工业环境下电气工程系统设计与可靠性保障提供系统性理论指导与实践参考。

关键词：复杂工业环境；电气工程系统；可靠性分析；系统设计

1.引言

在现代工业体系中，复杂工业环境日益成为常态。其往往伴随着高电磁干扰、恶劣气候条件、高粉尘、振动冲击以及复杂空间布局限制等诸多不利因素。这些因素相互交织，给电气工程系统稳定运行带来了巨大挑战。据统计，在复杂工业环境下，电气系统故障率较常规工业环境高出 3 - 5 倍，且一旦发生故障，导致生产停滞、设备损坏甚至安全事故，造成巨大经济损失和社会影响。在大型化工企业生产流程中，电气系统突发故障引发化学反应失控，进而引发爆炸或环境污染等严重后果。因此，深入研究复杂工业环境下电气工程系统设计与可靠性分析，对于保障工业生产连续性、安全性以及提高生产效率具有至关重要意义。

2.复杂工业环境下电气工程系统设计

2.1系统架构规划

本系统采用分层分布式系统架构，将电气系统划分为设备层、控制层和管理层。设备层负责现场电气设备运行与数据采集，控制层实现对设备集中控制与逻辑运算，管理层则承担系统监控、数据处理与决策功能。层次化架构有助于降低系统复杂度，便于故障隔离与维护。在大型自动化生产线上，通过将不同工序电气设备划分到相应层次，当某一设备出现故障时，仅需在相应层次进行排查与修复，而不会对整个生产线造成大规模影响。

2.2设备选型

针对复杂工业特点环境，优先选用具备高防护等级、宽温度适应范围、抗振动、抗电磁干扰电气设备。在户外变电站电气设备选型中，选用符合上述环境适应性要求开关设备、变压器等，能够有效抵御风雨、尘埃、温度变化以及电磁干扰等不利因素影响，提高设备可靠性和使用寿命。对于关键电气设备，采用冗余设计策略，如双电源冗余、双控制器冗余等[1]。基于可靠性理论，对设备进行可靠性评估，选择可靠性指标较高设备。在数据中心电气系统设计中，服务器电源模块采用双电源冗余设计，确保当一路电源出现故障时，另一路电源能够立即接替供电，保障服务器不间断运行。

2.3布线策略

依据电气设备布局和工艺流程，规划布线路径，尽量减少线路迂回与交叉，缩短线路长度，降低线路电阻和电磁干扰。在工业厂房电气布线设计中，结合厂房建筑结构和生产设备分布情况，采用放射式与树干式相结合布线方式，优化线路走向，确保线路整齐、美观与高效。将动力线路、控制线路和信号线路分别布置在不同线槽或线管中，避免相互干扰。对布设在复杂工业环境中电气线路，采取防护措施，如穿金属管、铠装电缆、防爆管等。

2.4电磁兼容性设计

识别电气系统中电磁干扰源，如变频器、电机、开关电源等，采取相应抑制措施，如安装滤波器、屏蔽罩、优化接地系统等。例如，对于变频器产生电磁干扰，通过在其输入端和输出端安装合适滤波器，能够有效抑制变频器对电网和其他电气设备电磁干扰，降低干扰强度 30 - 40dB 以上。对易受电磁干扰影响设备，如传感器、通信模块、控制系统等，进行电磁屏蔽和接地处理，提高其抗干扰能力。在工业自动化控制系统中，对各类传感器信号线采用屏蔽电缆，并确保屏蔽层可靠接地，同时将传感器安装在远离强电磁干扰源位置，以保证传感器信号准确采集和传输，确保控制系统稳定运行。

3.复杂工业环境下电气工程系统可靠性分析方法

3.1故障模式与影响分析（FMEA）

对电气系统中各个部件和子系统进行全面故障模式分析，识别发生故障类型，如短路、断路、过载、接触不良、参数漂移等。例如，在电机驱动系统中，存在故障模式包括电机绕组短路、轴承损坏、驱动器过流保护故障等。分析每种故障模式对系统功能和性能影响程度，确定其严重度等级。对于严重度高故障模式，优先考虑采取相应改进措施。以电机绕组短路为例，该故障导致电机无法正常运转，甚至引发火灾等严重后果，其严重度等级评定为高，因此需要采取有效短路保护措施和定期绝缘检测等措施，降低故障发生概率和影响后果。

3.2故障树分析（FTA）

以电气系统某一特定顶事件为出发点，通过逻辑门将导致该顶事件发生各种基本事件连接起来，构建故障树模型。例如，以工业自动化生产线停机为顶事件，构建故障树，分析发现导致停机基本事件包括 PLC 控制器故障、传感器信号中断、电机过载保护动作、气动系统压力不足等[2]。运用布尔代数等数学方法对故障树进行定性分析，确定基本事件最小割集和最小径集，找出对顶事件发生影响最大关键因素。结合故障概率数据，对故障树进行定量分析，计算顶事件发生概率，评估系统可靠性。

3.3可靠性预计

根据电气系统结构和组成特点，选择合适可靠性模型，如串并联模型、表决模型、冗余模型等。对于由多个相互独立部件组成电气系统，可采用串并联模型进行可靠性预计；对于具有冗余设计系统，则可根据冗余方式选择相应冗余模型。例如，对于一个由双电源冗余供电电气系统，可采用冗余模型进行可靠性预计，考虑到电源切换装置可靠性，计算系统在规定时间内可靠度。收集电气系统中各类部件可靠性数据，如失效率、维修率等，运用可靠性预计方法对系统可靠性进行预计，得到系统平均故障间隔时间（MTBF）、失效率等可靠性指标。

4.复杂工业环境下电气工程系统可靠性提升策略

4.1加强维护与监测

根据电气系统运行特点和设备可靠性数据，制定科学合理预防性维护计划，定期对电气设备进行检查、清洁、紧固、润滑、更换易损件等工作。例如，对于户外高压电气设备，每季度进行一次全面检查与维护，包括检查绝缘子污秽情况、紧固螺栓、更换老化密封件等，以确保设备正常运行。安装在线监测设备，如温度传感器、振动传感器、局部放电传感器等，对电气设备关键运行参数进行实时监测，结合故障诊断算法，实现故障早期预警和快速定位。在大型变电站中，通过安装在线监测系统，实时监测变压器油温、绕组温度、局部放电情况等参数，当参数出现异常时，及时发出警报，提醒运维人员进行检查和处理，有效避免故障进一步扩大，提高系统可靠性。

4.2优化系统设计与改进（4.2）

根据故障模式与影响分析、故障树分析等可靠性分析方法得出结果，对电气系统设计进行优化和改进。例如，针对故障树分析中确定关键故障因素，采取加强设计、增加冗余、改进防护措施等方式，提高系统对关键故障抵御能力。在工业自动化控制系统中，若 FMEA 分析发现传感器信号传输线路易受电磁干扰影响而导致信号失真，可优化布线路径，增加屏蔽措施，或采用抗干扰能力强通信协议，提高传感器信号传输可靠性。

4.3人员培训与管理

对电气系统设计、安装、调试、维护和操作人员进行专业技能培训，提高其技术水平和操作熟练度，使其熟悉复杂工业环境下电气系统运行特点和维护要求，掌握故障排除和应急处理方法。例如，定期组织电气工程师参加变频器、PLC 控制系统等先进电气设备技术培训课程，学习设备编程调试、参数设置、故障诊断与维修等知识，提高其解决实际问题能力，确保电气系统正常运行。制定严格电气系统安全管理规定和责任制度，明确各岗位人员安全职责，加强安全意识教育，杜绝违规操作和人为失误导致电气系统故障[3]。在工业企业电气系统运行管理中，要求操作人员严格遵守操作规程，进行电气设备启停和操作，运维人员定期开展安全检查和隐患排查工作，对发现问题及时整改，落实责任到人，确保电气系统安全稳定运行。

5.结论

复杂工业环境下电气工程系统设计与可靠性分析是确保工业生产安全、稳定、高效运行关键环节。通过对系统架构规划、设备选型、布线策略以及电磁兼容性设计等方面深入研究，结合故障模式与影响分析、故障树分析和可靠性预计等多种可靠性分析方法综合运用，能够全面评估电气系统可靠性状况，并提出相应可靠性提升策略。加强维护与监测、优化系统设计与改进以及人员培训与管理等措施有效实施，将进一步提高电气工程系统在复杂工业环境下可靠性和稳定性，为现代工业持续发展提供坚实技术保障。

参考文献：

[1] 李强 . 复杂工业环境下电气系统可靠性设计与分析 [J]. 电气应用，2021，40（08）：65 - 72.

[2] 张明，王华 . 基于故障树分析法工业电气系统可靠性评估 [J]. 电工技术学报，2020，35（06）：1234 - 1245.

[3] 赵伟，陈刚 . 电磁兼容性设计在工业电气工程中应用研究 [J]. 电子技术与软件工程，2022，（09）：110 - 113.