电气设备故障与检测第3课.ppt

1、故障调查与分析故障调查与分析Fault Survey and Analysis故障故障设备的设备的“病病”=诊断诊断确定类型确定类型推测原因推测原因预计后果预计后果 诊断最基本的功能就是对未知故障的诊断最基本的功能就是对未知故障的分类问题。分类问题。为了提高设备故障诊断的水平，需要为了提高设备故障诊断的水平，需要对设备故障有一个系统的认识，这不仅有对设备故障有一个系统的认识，这不仅有助于预防自然发生的故障，同时也有利于助于预防自然发生的故障，同时也有利于阻止人们可能引发故障的过失行为。阻止人们可能引发故障的过失行为。有关故障的经验数据是人们判断和识别有关故障的经验数据是人们判断和识别设备故障状

2、态的重要依据，如果缺乏具有本设备故障状态的重要依据，如果缺乏具有本质意义的典型故障信息，则无法得到正确的质意义的典型故障信息，则无法得到正确的诊断知识。所以典型故障的是研究故障诊断诊断知识。所以典型故障的是研究故障诊断技术的基础。技术的基础。故障调查故障调查设备设备部件部件A部件部件B 零件零件 1零件零件 2 故障分析故障分析故障机理性分析故障机理性分析故障统计性分析故障统计性分析 设备故障总是由基本的部件故障引起设备故障总是由基本的部件故障引起的，如何将设备的整体故障与局部的零部的，如何将设备的整体故障与局部的零部件故障联系起来，是故障分析的关键。件故障联系起来，是故障分析的关键。现场故障

3、数据尤为重要，因为是在实现场故障数据尤为重要，因为是在实际使用的条件下获得的，其结果远比实验际使用的条件下获得的，其结果远比实验室试验的结果含有更多的信息。室试验的结果含有更多的信息。法国电气公司以法国电气公司以35003500倍的出厂价格收倍的出厂价格收购用户的失效集成芯片。购用户的失效集成芯片。全国变压器事故部位分类表全国变压器事故部位分类表 n从现场收集的大量故障数据与资料大多数是分散和无规从现场收集的大量故障数据与资料大多数是分散和无规律的。律的。n由于故障发生后几乎所有的证据都不复存在，所以往往由于故障发生后几乎所有的证据都不复存在，所以往往难以根据事故的原始状态准确无误地说明究竟是

4、什么原难以根据事故的原始状态准确无误地说明究竟是什么原因使设备损坏的。因此，一般所说电力设备的击穿原因因使设备损坏的。因此，一般所说电力设备的击穿原因往往是一种推测往往是一种推测 。n现场人员的错误纪录。现场人员的错误纪录。n设备故障与生产工艺和运行环境密切相关，由于不同时设备故障与生产工艺和运行环境密切相关，由于不同时期设计的设备结构不同，所以引发设备事故的主要故障期设计的设备结构不同，所以引发设备事故的主要故障类型也在逐渐变化类型也在逐渐变化 。我国电力变压器主要故障类型演变我国电力变压器主要故障类型演变 n主次图法主次图法n直方图法直方图法故障统计分析法故障统计分析法主次图法主次图法 原

5、则上，设备的所有这些组、部件都有可能发生故原则上，设备的所有这些组、部件都有可能发生故障，但其发生的概率差异很大，为了保证分析的有效性，障，但其发生的概率差异很大，为了保证分析的有效性，我们将研究的范围限制在较为常见的故障类型上。我们将研究的范围限制在较为常见的故障类型上。主次图法又称巴雷特图法或排列图法，是根据故障主次图法又称巴雷特图法或排列图法，是根据故障调查结果，分析产品故障主要原因和主要故障模式的有调查结果，分析产品故障主要原因和主要故障模式的有效方法。效方法。发动机故障概率统计表发动机故障概率统计表123456780102030405060708090100相对频数%故障模式0246

6、8020406080100相对频数相对频数(%)故障模式故障模式发动机故障主次图发动机故障主次图一般情况下一般情况下,主次图中主次图中主导因素主导因素 占累计相对故障率占累计相对故障率 0 80%的因素的因素主要因素主要因素 占累计相对故障率占累计相对故障率80 90%的因素的因素次要因素次要因素 占累计相对故障率占累计相对故障率90 100%的因素的因素直方图法直方图法240020001600120080040000300 200 100 0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 28502450205016501250850450503002001000300 200

7、 100 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000氢含量氢含量总烃含量总烃含量（ppm）（ppm）台次台次台次台次油中溶解气体含量分布油中溶解气体含量分布 油中溶解气体的油中溶解气体的注意值注意值标准：标准：总烃含量总烃含量150 ppm (体积分数体积分数)H2含量含量150 ppm C2H2含量含量5 ppm 失效模式、影响和危害度分析法 世界上没有永恒的事物，更没有绝对的可靠世界上没有永恒的事物，更没有绝对的可靠性，所有系统最终都将失效。因此更应关注的是性，所有系统最终都将失效。因此更应关注的是如何使失效频率及损失降低到在经济上和社会影如何使失效频率及损失降低到在

8、经济上和社会影响上可接受的范围之内。这是比所谓响上可接受的范围之内。这是比所谓“无风无风险险”、“无事故无事故”之类政治口号更为现实和合理之类政治口号更为现实和合理的目标。的目标。失效模式、影响和危害度分析法简称失效模式、影响和危害度分析法简称FMECA（英文全称）方法。（英文全称）方法。FMECA故障模式分析（故障模式分析（FMA）故障影响分析（故障影响分析（FEA）故障后果分析（故障后果分析（FCA）FMECA分析的方法和步骤分析的方法和步骤（一）拟定有效的故障数据收集计划（一）拟定有效的故障数据收集计划n明确用途明确用途n确定和培训数据员确定和培训数据员（二）系统功能逻辑分析（二）系统功

9、能逻辑分析n明确定义系统的各个环节明确定义系统的各个环节n建立系统的功能逻辑图建立系统的功能逻辑图（三）（三）FMECA的定性分析的定性分析 FMECA通常是利用表格进行分析的，国际通常是利用表格进行分析的，国际电工委员会电工委员会IEC的的“系统可靠性分析技术工作系统可靠性分析技术工作组组”规定了规定了FMECA最低限度内容：最低限度内容：1）各部件功能简述）各部件功能简述2）列出每个部件的可能失效模式）列出每个部件的可能失效模式3）列出所有失效模式对系统工作的各种影响）列出所有失效模式对系统工作的各种影响4）列出每一种失效模式发生的各种诱因）列出每一种失效模式发生的各种诱因5）估计每一种失

10、效模式发生的概率）估计每一种失效模式发生的概率6）列出抑制失效模式发生的各种措施。）列出抑制失效模式发生的各种措施。资料资料一般来源一般来源1.系统功能和结构性能系统功能和结构性能2.系统系统/子系统子系统/部件的功能部件的功能3.环境条件环境条件4.系统系统/子系统子系统/部件的故障部件的故障模式模式5.每种故障模式发生的概率每种故障模式发生的概率系统的任务说明书，技术分系统的任务说明书，技术分析报告。析报告。设计图、系统功能图。设计图、系统功能图。系统使用说明书。系统使用说明书。型式试验报告、可靠性指标型式试验报告、可靠性指标分析。分析。相关产品运行经验数据、专相关产品运行经验数据、专家经

11、验。家经验。FMECA不同阶段的资料来源不同阶段的资料来源分析等级表分析等级表故障树分析故障树分析（FTA）如何对这些故障进行归纳和组织，以便更清晰如何对这些故障进行归纳和组织，以便更清晰地反映故障间的因果关系。成为进一步研究的重点。地反映故障间的因果关系。成为进一步研究的重点。故障树分析方法（故障树分析方法（Fault Tree Analysis）简称）简称FTA法。是一种将系统故障形成的原因由总体至部法。是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法。分按树枝状逐级细化的分析方法。（一）故障树建树方法（一）故障树建树方法 通常采用演绎法建立故障树，首先将威胁设通常采用演绎

12、法建立故障树，首先将威胁设备安全运行需尽快安排检修的情况作为顶故障。备安全运行需尽快安排检修的情况作为顶故障。导致顶故障发生的中间级故障是按变压器主要组导致顶故障发生的中间级故障是按变压器主要组件故障划分的。件故障划分的。进一步根据故障间的因果关系，可以分别找进一步根据故障间的因果关系，可以分别找出导致中间级故障的更基本的故障原因，因而形出导致中间级故障的更基本的故障原因，因而形成一系列故障子树。成一系列故障子树。（二）故障树的节点符号（二）故障树的节点符号顶事件顶事件 由其它事件组合形成的事件，并且该事件由其它事件组合形成的事件，并且该事件是是FTA最关心的位于故障树顶端的事件。最关心的位于

13、故障树顶端的事件。底事件底事件 不能再分解或无需再进一步分析的事件，不能再分解或无需再进一步分析的事件，它总是某个逻辑门的输入事件而不是输出它总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件。事件。中间事件中间事件 由其它事件组合形成的事件，但位于顶事由其它事件组合形成的事件，但位于顶事件和底事件之间的事件。件和底事件之间的事件。（三）故障树的逻辑关系符号（三）故障树的逻辑关系符号或门或门 至少一个输入事件发生时，输出事件才发生。至少一个输入事件发生时，输出事件才发生。与门与门 仅当所有输入事件都发生时，输出事件才发生。仅当所有输入事件都发生时，输出事件才发生。禁门禁门 如限制条件不成立，任何输入都无输

14、出。如限制条件不成立，任何输入都无输出。异或门异或门 两个输入事件中仅有一个发生，两个输入事件中仅有一个发生，输出事件才输出事件才发生。发生。表决门表决门 n个输入中有个输入中有m个同时发生，个同时发生，输出事件才发生。输出事件才发生。条件条件m故障树分析的数学模型故障树分析的数学模型 故障树的结构函数是故障树的数学表达式，故障树的结构函数是故障树的数学表达式，它是对故障树进行定性和定量分析的基础。它是对故障树进行定性和定量分析的基础。考虑由考虑由n个不同的独立底事件构成的故障树，个不同的独立底事件构成的故障树，化简后的故障树之顶事件的状态化简后的故障树之顶事件的状态 完全由底事件完全由底事件

15、的状态的状态Xi(i=1，2，n)的取值所决定的取值所决定(共共2n个状个状态态)Xi =0 ,表示故障事件表示故障事件i不发生不发生1 ,表示故障事件表示故障事件i发生发生 (X)=0 ,表示顶事件不发生表示顶事件不发生1 ,表示顶事件发生表示顶事件发生 故障树可用布尔函数故障树可用布尔函数,即结构函数来表示即结构函数来表示 (X)=(X1,X2,Xn)Tx1xixn.Tx1xixn.与门与门结构故障树结构故障树 或门或门结构故障树结构故障树 ),min()(211ninixxxxX),max()(211ninixxxxX与门与门结构函数为结构函数为 或门或门结构函数为结构函数为 当全部底事

16、件都发生当全部底事件都发生(即全即全部部xi都取值都取值1)时，则顶事件才时，则顶事件才发生（发生（(X)1）。）。当系统中任一个底事件发当系统中任一个底事件发生时，则顶事件发生。生时，则顶事件发生。割集割集 设故障树由设故障树由n个基本事件个基本事件X1,X2,Xn组成组成,而而Ci=Xi1,Xi2，,Xim为任一故障事件集合，如为任一故障事件集合，如果果Ci中每一事件都发生时，顶事件就发生，责称中每一事件都发生时，顶事件就发生，责称Ci为故障树的割集。为故障树的割集。最小割集最小割集 在割集中存在一种割集，如任意去掉其在割集中存在一种割集，如任意去掉其中一个底事件后，便不再是割集，则这种割

17、集被称中一个底事件后，便不再是割集，则这种割集被称为最小割集。为最小割集。割集代表了系统故障发生的一种可能模式。割集代表了系统故障发生的一种可能模式。而最小割集则表征了系统故障的充分必要条件，而最小割集则表征了系统故障的充分必要条件，它是导致故障树顶事件发生的数目最少而又最它是导致故障树顶事件发生的数目最少而又最必要的底事件的集合。其意义在于它能描述系必要的底事件的集合。其意义在于它能描述系统故障时所必须要修理的基本故障，代表系统统故障时所必须要修理的基本故障，代表系统中的薄弱环节。中的薄弱环节。故障树的结构函数则可表示为故障树的结构函数则可表示为s=1 i CsK (X)=U Xi故障树分析

18、的定性分析故障树分析的定性分析 故障树的定性分析，主要是对原始故障树故障树的定性分析，主要是对原始故障树进行化简并得到其最小割集的过程。进行化简并得到其最小割集的过程。主要目的是为了找出导致顶事件发生的所主要目的是为了找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，也即弄清系统有可能的故障模式，也即弄清系统(或设备或设备)出出现某种最不希望的故障事件有多少种可能性。现某种最不希望的故障事件有多少种可能性。2135kV母线母线3456kV母母线线6kV分段分段母线母线矿业配电系统矿业配电系统1.2 电力变压器电力变压器 3.4 下井电缆下井电缆5 分段开关分段开关1234x1x3x4x2x5等效网络等效

19、网络2135kV母线母线3456kV母母线线6kV分段分段母线母线1234x1x3x4x2x5等效网络等效网络故障树故障树节点节点1-2-4间不通间不通节点节点1-3-4间不通间不通AEBx1Cx3Dx4x5x2Fx4Gx3x5节点节点2-4和和2-3-4间不通间不通节点节点3-4和和3-2-4间不通间不通节点节点2-3-4间不通间不通节点节点3-2-4间不通间不通故障树最小割集的求解故障树最小割集的求解n上行算法上行算法n下行算法下行算法一、上行算法一、上行算法AEBx1Cx3Dx4x5x2Fx4Gx3x5D=X4+X5C=X3(X4+X5)B=X1+C =X1+X3X4+X3X5G=X3+

20、X5F=X4(X3+X5)E=X2+C =X2+X3X4+X4X5 (X)=A=BE =(X2+X3X4+X4X5)(X1+X3X4+X3X5)=X1 X2+X1 X3X4+X1 X4X5+X2X3X4+X3X4+X3X4X5+X2X3X5+X3X4X5 =X1 X2+(1+X1+X2+X5)X3X4+X2X3X5+X1 X4X5 =X1 X2+X3X4+X2X3X5+X1 X4X5 (X)=X1 X2+X3X4+X2X3X5+X1 X4X5 因此该故障树存在因此该故障树存在4个最小割集：个最小割集：C1=X1,X2 C2=X3,X4 C3=X2,X3,X5 C4=X1,X4,X51234x1

21、x3x4x2x52 下行算法下行算法AEBx1Cx3Dx4x5x2Fx4Gx3x5A=B E 逻辑逻辑“或或”增加割集的数增加割集的数目目,逻辑逻辑“与与”增大割集的容增大割集的容量。量。X1CX2FX1X3DX2X4GX1X3X4X2X4 X3X3X5X4 X5=X1 X2+X1 X3X4+X1X4X5+X2X3X4 +X3X4+X3X4X5+X2X3X5+X3X4X5 令每一个基本事件对应一个素数令每一个基本事件对应一个素数ni，则割集对，则割集对应数为割集中相应基本事件对应数的乘积，将所有应数为割集中相应基本事件对应数的乘积，将所有割集对应数按大小排列割集对应数按大小排列N1,N2,Nn

22、,将这些数彼此将这些数彼此相除。若能被整除者，就非最小割集，应被舍去；相除。若能被整除者，就非最小割集，应被舍去；留下不能被整除的，则为最小割集。留下不能被整除的，则为最小割集。如令如令 X1=2，X2=3，X3=5，X4=7，X5=11。则则 C1=X1,X2=6 ，C2=X3,X4=35，C5=X1,X3,X4=70,C6=X2,X3,X4=105,C4=X1,X4,X5=154，C3=X2,X3,X5=165，C7=X3,X4,X5=385 因此可得出故障树的因此可得出故障树的4个最小割集：个最小割集：C1=X1,X2 C2=X3,X4 C3=X2,X3,X5 C4=X1,X4,X512

23、34x1x3x4x2x5故障树的定量分析故障树的定量分析 发生概率最大的割集是最不可靠割集，包含发生概率最大的割集是最不可靠割集，包含在最不可靠割集内的事件是系统的最薄弱环节。在最不可靠割集内的事件是系统的最薄弱环节。故障树定量分析的任务，是计算基本事件和故障树定量分析的任务，是计算基本事件和顶事件的概率，并以此评价各基本事件对顶事件顶事件的概率，并以此评价各基本事件对顶事件的影响程度的影响程度,1234x1x3x4x2x5p1=0.99p2=0.99p3=0.95p4=0.95p5=0.90各基本事件发生的概率为各基本事件发生的概率为q1=q2=1-0.99=0.01q3=q4=1-0.95

24、=0.05q5=1-0.90=0.1顶事件发生的概率为顶事件发生的概率为QT=P (X)=1=P(Ci)-P(Ci,Cj)+P(Ci,Cj,Ck)-P(Ci)+=Q1-Q2+Q3-Q4+Q1=P(Ci)=P(C1)+P(C2)+P(C3)+P(C4)=0.0027 Q2=P(Ci)=P(C1 C2)+P(C2 C3)+P(C3 C4)+P(C1 C3)+P(C1 C4)+P(C2 C4)=0.0000038 可见可见,Q1 Q2 Q3 Q4 所以所以,一般取一般取QT=Q1已足够精确了已足够精确了 最小割集故障概率计算最小割集故障概率计算 求最不可靠割集，寻找系统薄弱环节。求最不可靠割集，寻找

25、系统薄弱环节。QC1=P(X1 X2)=q1q2=0.0001QC2=P(X3 X4)=q3q4=0.0025QC2=P(X1 X4 X5)=q1 q4q5=0.00005QC2=P(X2 X3 X5)=q2 q3q5=0.00005 仅从系统组件的角度看，联络开关仅从系统组件的角度看，联络开关5的故障率远的故障率远高于其他部分，但因其导致的矿井停电概率却非常高于其他部分，但因其导致的矿井停电概率却非常小。小。割集割集C2的概率最大的概率最大,所包含的事件所包含的事件X3 和和X4是下井是下井电缆，是该系统的最薄弱环节。应充分重视和加强电缆，是该系统的最薄弱环节。应充分重视和加强维修、监测工作

26、。维修、监测工作。2135kV母线母线3456kV母母线线6kV分段分段母线母线故障树的扩展应用故障树的扩展应用 故障树不仅是分析系统可靠性的有力工具，故障树不仅是分析系统可靠性的有力工具，它的应用领域还可以向故障诊断方向拓展。它的应用领域还可以向故障诊断方向拓展。故障树是一个描述故障因果关系的良好模型，故障树是一个描述故障因果关系的良好模型，体现了故障的层次和发展特性，由故障成因和后体现了故障的层次和发展特性，由故障成因和后果的关系形成一连串的因果链，加之一因多果或果的关系形成一连串的因果链，加之一因多果或一果多因情况的存在，就构成了一果多因情况的存在，就构成了“因果树因果树”或或 “因果网

27、因果网”，这就是基于故障树诊断的依据。，这就是基于故障树诊断的依据。放电性放电性故障故障存在异常存在异常待诊断设备待诊断设备正常老化正常老化氢气主导氢气主导型故障型故障局部放电局部放电受 潮受 潮不涉及固不涉及固体绝缘体绝缘放电涉及放电涉及固体绝缘固体绝缘电路电路故障故障磁路磁路故障故障围屏放电围屏放电匝间短路匝间短路引线、绕引线、绕组放电组放电悬浮放电悬浮放电有载分接开有载分接开关箱漏油关箱漏油油流带电油流带电过热性过热性故障故障分接故障分接故障绕组引线绕组引线接触不良接触不良绕组冷却绕组冷却不良不良铁芯故障铁芯故障漏 磁漏 磁正向预测正向预测 在全部或部分因果链中，凡属于在全部或部分因果链

28、中，凡属于“由因求果由因求果”的就是正问题，对应故障树由下而上的逆向搜索。的就是正问题，对应故障树由下而上的逆向搜索。是分析由已知原因将可能导致什么样的系统状态是分析由已知原因将可能导致什么样的系统状态(通常是系统故障状态通常是系统故障状态)的过程，是对系统状态或的过程，是对系统状态或故障发展可能性的估计，如事件树分析就是解决故障发展可能性的估计，如事件树分析就是解决这类问题的一种方法，属于故障预测。这类问题的一种方法，属于故障预测。反向推理反向推理 在全部或部分因果链中，凡属于在全部或部分因果链中，凡属于“由果求因由果求因”的就是逆问题，则对应故障树由上而下的正向搜的就是逆问题，则对应故障树

29、由上而下的正向搜索。是分析由于何种原因导致某个特定的系统状索。是分析由于何种原因导致某个特定的系统状态态(通常是故障模式通常是故障模式)出现的过程，是对故障原因出现的过程，是对故障原因的分析，属于故障诊断。的分析，属于故障诊断。随着运行经验的积累，制造工艺逐步得到改进，随着运行经验的积累，制造工艺逐步得到改进，旧问题将不断被解决，而随着电压等级和容量的不旧问题将不断被解决，而随着电压等级和容量的不断提高，新技术的广泛应用，新的问题也会不断产断提高，新技术的广泛应用，新的问题也会不断产生；同时由于监测手段的进步，也将使过去无法发生；同时由于监测手段的进步，也将使过去无法发现的故障隐患被挖掘出来，所以一劳永逸的方法是现的故障隐患被挖掘出来，所以一劳永逸的方法是不存在的，故障诊断技术的研究将是一个永无止境不存在的，故障诊断技术的研究将是一个永无止境的探索过程。的探索过程。Thank youThank you