电气设备故障检测与保护控制技术研究

王万成 420321199909115115

摘要：以工业配电电气设备为研究对象，采用压电式振动传感器、PT100温度传感器、罗氏线圈电流传感器开展多源信号采集，融合改进小波包-LSTM故障检测算法，配套分级故障隔离、负载过载防护、动态自适应保护控制策略，开展工况推演、工程可行性与局限性论证。针对短路、绝缘老化、接触不良故障提取电压、电流高次谐波、振动频域等多维特征；经算法优化后故障识别准确率预计由约80%提升至94.7%，漏判率由约10%下降至3.2%。整套方案可实现故障早期识别、分级处置，降低故障扩大风险，为工业场景电气设备安全运维提供技术方案参考。

关键词：电气设备；故障检测；保护控制技术

引言：工业配电电气设备是生产系统的重要基础，故障易引发停机与安全事故。刘旭明、邓昶生指出，电气设备短路、绝缘老化、接触不良等故障频发，传统检修与保护手段难以适配复杂工况^[1]。现有技术在微弱故障识别、保护定值动态适配方面仍存在短板。本文结合多源传感采集、智能算法与保护控制开展综合研究，旨在提升电气设备故障识别水平与运行可靠性。

1故障检测技术

1.1故障特征提取

本环节选用罗氏线圈电流传感器采集回路电流信号，PT100铂电阻温度传感器采集设备绕组温度，YD100压电式振动传感器采集设备机械振动信号。针对短路故障提取电流突变幅值、2～7次高次谐波含量特征；针对绝缘老化故障提取泄漏电流、介质损耗、温度上升速率特征；针对接触不良故障提取电压波动分量、振动频谱峰值特征。从混杂工频噪声的原始信号中，通过滤波预处理剔除环境电磁干扰、正常工况波动带来的无效分量，将时域幅值、谐波畸变率、振动频域参数转化标准化特征向量。绝缘老化故障下泄漏电流超过0.5 mA、短路故障电流谐波畸变率大于18%作为特征判别的基础参考，阈值参考DL/T 596-2021《电力设备预防性试验规程》^【7】及电能质量相关行业研究结论确定。完备的多维度特征集合，直接决定后续故障检测的灵敏度与识别下限，为算法判别提供标准化输入数据。

1.2检测算法优化

本研究采用改进小波包-LSTM故障检测算法。根据同类工业配电场景下的工程运行经验，未引入改进措施的基础小波包- LST M模型在负荷剧烈波动下故障识别准确率约为80%，漏判率约为10%。本文以此作为参照基准用于说明改进后的性能提升幅度。算法改进点：利用小波包完成多频段信号分解，对高频微弱故障分量做信号增强；输入层增设工况特征归一化模块，将负荷、电压、温度等不同量纲工况参数映射至[0,1]区间，实现各维度特征无量纲统一后再送入网络，网络采用两层LSTM结构，隐藏单元数64，选用db4小波基进行四层分解，学习率0.001，优化器Adam，结合实时负荷修正模型判别权重，弱化固定阈值带来的误判缺陷。训练样本涵盖短路、绝缘劣化、接触不良多类故障样本，对早期微弱故障信号做样本增广处理^[2]。优化完成后测试得到故障识别准确率提升至约94.7%，漏判率下降至约3.2%，单组样本推理响应时间控制在22 ms以内，兼顾识别精度与响应速度，适配电气设备负荷频繁波动的复杂运行工况。

1.3多传感器融合检测

采用D-S证据理论完成多传感器数据与特征层融合。各传感器输出故障基本概率分配函数，计算电流、温度、振动证据冲突系数，冲突系数阈值设为0.6，经20组典型故障样本试算确定，用于划分证据冲突等级；冲突系数小于0.6直接执行证据组合，大于等于0.6则对冲突证据做权重衰减修正后再融合。置信阈值0.75综合权衡虚警、漏判风险，兼顾告警可靠性与故障检出能力，仅多源证据联合置信度达到该阈值才输出告警，抑制单一传感器受电磁干扰产生的异常输出，提升故障判定鲁棒性。

2保护控制策略

2.1故障隔离策略

故障隔离策略依靠伊顿VE24型真空断路器完成故障回路分断，设置两级隔离判据：发生相间短路、金属性接地等严重故障，故障电流大于2.5倍额定电流，执行快切逻辑，断路器动作分闸时间≦45ms，快速切除故障单元^【6】；对于高阻接地、轻微放电等非破坏性故障，故障电流介于1.2～2.5倍额定电流区间，执行延时隔离逻辑，延时0.4 s动作，优先保留非故障回路持续供电。故障定位完成后下发分闸指令至VE24真空断路器，断开故障回路，隔离逻辑严格区分故障严重等级，严重故障快速切断遏制电弧与过电压扩散，轻微故障延时处置，规避无意义的大范围停电，降低故障次生损害，保障系统其余部分供电连续性。

2.2负载保护策略

负载保护策略依托伊顿VE24型真空断路器实现负载异常处置，核心整定：过流保护整定值1.4倍额定电流，延时0.3 s^[6]。区分短时冲击负载与持续性故障过载的判定逻辑：瞬时电流超过1.4倍额定电流，持续时间小于3 s判定为电机启动等短时冲击负载，保护装置不触发动作；当负载电流持续超过1.2倍额定电流达到3 s，则判定为持续性故障过载。当判定为持续性故障过载，则启动功率限制或切除负载：由边缘控制器下发调控指令，优先对非关键负载支路实施降功率限流；若过载状态依旧无法消除，则向真空断路器输出分闸指令，切除故障负载回路，实现分级处置，保障系统核心重要负荷持续供电。监测负载侧电压、电流实时数据，识别负载突变、过载等工况，在设备绝缘过热损坏之前介入保护。该逻辑保留设备启动短时过载的容错能力，规避启动冲击造成误动作，实现负载侧异常工况的可靠防护，避免长期过载造成设备绝缘加速老化、器件烧毁^[3]。

2.3自适应保护控制

自适应保护控制的核心逻辑表达式：

式中：为保护动作整定电流，为设备额定电流，）为动态修正系数。该系数采用多因子加权插值求解，分别对实时负荷L、系统运行电压U、设备运行温度T做归一化处理，分配各工况因子对应的权重系数，通过加权运算得到综合修正系数k，即：

其中L’、U’、T’为归化后的工况参数，权重系数根据设备运行特性及保护配合要求，确定典型取值可设为，并可根据现场实际运行数据，进一步优化。控制系统实时采集负荷水平、系统电压、设备绕组温度，动态求解修正系数，实时更新过流保护动作阈值。系统重载运行时适当放大修正系数，轻载、高温工况下缩小修正系数，自动适配电网运行方式切换、负荷大范围波动场景。既保证故障状态下保护装置可靠动作跳闸，又规避正常工况下误跳闸问题，兼顾保护灵敏性与供电稳定性，提升整套保护系统对多变现场工况的适配能力。

3技术方案分析与可行性论证

3.1典型故障工况推演分析

本文为基于方案逻辑的理论推演，非实验或仿真结果，旨在验证所提保护控制策略在典型故障下的动作逻辑完整性与合理性。选取单相接地、相间短路、过载三类典型故障开展工况推演。发生相间短路故障时：罗氏线圈采集到突变短路电流，小波包-LSTM故障检测算法提取高次谐波特征，输出严重故障判定，下发指令至伊顿VE24真空断路器执行快速分闸，理论分闸时间可控制在≤45 ms，隔离故障回路。发生单相高阻接地故障时，故障电流幅值有限，多传感器融合完成证据判别，判定为轻微故障，触发0.4 s延时隔离，同时输出故障告警信号。发生持续性过载故障时，电流持续超过1.2倍额定电流且维持3 s以上，负载保护逻辑生效，按照1.4倍额定电流整定值完成负载切除。整套推演完整覆盖信号采集、特征提取、算法判别、保护执行全链条，验证方案逻辑链路完整通畅。

3.2工程部署可行性分析

本方案工程化部署需要的基础条件：现场具备24 V直流传感供电回路，预留PLC或边缘计算设备安装柜体，设备二次回路具备数字信号通信接口。对比传统固定阈值保护方案，本方案增加多源传感采集与智能算法单元，可解决传统方案负荷波动下误判漏判、保护定值无法跟随工况变化的现实问题。硬件层面选用工业级成熟传感器与商用真空断路器，不需要对原有一次主回路大规模改造，改造清单：新增罗氏线圈电流传感器、PT100温度传感器、YD-100压电式振动传感器，配套部署边缘计算网关；软件算法模块部署于该边缘网关，通过RS485接口、Modbus-RTU通信协议对接现有配电监控平台，完成告警、动作记录的数据上传输出，可在工矿企业配电室、厂用变电站完成落地部署，工程改造投入可控，具备实际推广条件^[4]。

3.3方案局限性分析

本方案存在明确应用局限，在高阻接地故障、强电磁脉冲强干扰环境场景性能受限：当接地故障过渡电阻超过数千欧姆级别时，故障电流信号微弱，谐波特征不显著，容易造成特征识别难度上升甚至漏判；现场变频器、大功率电机启停、接触器分合闸等设备会产生强电磁脉冲干扰，会抬升传感器原始信号噪声，会一定程度降低证据融合的置信度。另外本方案推演以设备电气、振动、温度信号为主，未引入局部放电特高频检测手段，对于设备内部早期潜伏绝缘缺陷识别能力存在短板。后续改进方向：补充特高频局部放电传感采集单元，扩充高阻接地故障样本库，优化D-S证据理论冲突处理算法，进一步提升极端工况下识别可靠性^[5]。

结束语：本文为基于方案逻辑的理论推演，非实验或仿真结果，旨在验证所提保护控制策略在典型故障下的动作逻辑完整性与可行性，针对工业配电电气设备故障检测与保护控制开展研究，采用罗氏线圈、PT100、压电振动传感器采集多维度信号，提取故障电流、谐波、温度、振动特征；运用改进小波包‑LSTM算法，基于D‑S证据理论做多传感器融合，依托伊顿VE24真空断路器构建全套保护策略，完成工况推演、可行性与局限性分析。该方案理论合理，具备工程参考价值，但对高阻接地、强电磁干扰场景适应性不足，后续将扩充样本、新增特高频传感，迭代相关算法提升极端工况处置能力。

参考文献：

[1] 刘旭明, 邓昶生. 电气设备维修常见故障分析及处理方法[J]. 移动电源与车辆, 2026, 57(2): 63-66.

[2] 王隋心. 电气一次设备过电压保护措施研究[C]//中国电力技术市场协会. 2022年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集. 北京: [出版者不详], 2022: 1023-1025.

[3] 郑浩, 练红刚. 机电设备电气故障检测方法分析[J]. 中国设备工程, 2022(4): 167-168.

[4] 白雪松. 电网复杂故障下的继电保护协调控制技术研究[J]. 科技资讯, 2025, 23(8): 90-92.

[5] 邱树明. 多端柔性直流配电网继电保护控制技术研究[J]. 电工技术, 2024(8): 103-105.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 14285-2006 继电保护和安全自动装置技术规程[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

[7] 国家能源局. DL/T 596-2021 电力设备预防性试验规程[S]. 北京: 中国电力出版社, 2021.

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