王維珍，龐 雷

(浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂清 325609)

基于FMECA的電力電纜故障分析

王維珍，龐 雷

(浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂清 325609)

電力電纜發(fā)生故障，會(huì)影響電能的傳輸和分配。介紹了FMECA分析法，并采用該方法對(duì)電力電纜可能發(fā)生的電纜接頭故障、電纜接地故障進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)，提出防范措施，降低電纜發(fā)生故障的可能性，給故障診斷提供了科學(xué)依據(jù)。

電力電纜；故障分析；FMECA分析法

0 引言

1 FMECA分析方法

FMECA(failure mode effect and criticality analysis)即“故障模式、影響及危害度分析”，是用于可靠性設(shè)計(jì)的一種定性分析方法。它的基本原理是根據(jù)技術(shù)質(zhì)量要求，了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，找出系統(tǒng)潛在的薄弱環(huán)節(jié)(可能出現(xiàn)的故障模式)，分析每個(gè)故障模式可能出現(xiàn)的原因和影響，以及相關(guān)影響對(duì)系統(tǒng)安全性、任務(wù)成功性、維修及保障性等方面帶來的危害，并根據(jù)危害程度來制定相關(guān)的改進(jìn)計(jì)劃或補(bǔ)償措施。其目的在于對(duì)故障的預(yù)防和控制，消除或減少設(shè)計(jì)中存在的缺陷，提高系統(tǒng)的可靠性。FMECA主要由故障模式及影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)2部分組成。其中，F(xiàn)MEA是分析系統(tǒng)中每個(gè)潛在的故障模式及其原因、對(duì)系統(tǒng)可能帶來的影響，并將每個(gè)故障模式按其危害程度予以分類。CA主要是從風(fēng)險(xiǎn)角度對(duì)FMEA進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，既有定性分析，又有定量分析，由于系統(tǒng)故障率準(zhǔn)確值不能確定，所以主要進(jìn)行定性分析。定性危害性分析方法是將每個(gè)故障模式發(fā)生的可能性按等級(jí)進(jìn)行劃分，即根據(jù)故障出現(xiàn)概率的大小分為A，B，C，D，E 5個(gè)等級(jí)，如表1所示。其中定義內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，最后按所定義的等級(jí)對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行評(píng)定，比較其危害程度，進(jìn)而采取不同級(jí)別的改進(jìn)措施，提高工作效率。

表1 故障模式發(fā)生概率的分類

FMECA分析是一個(gè)反復(fù)迭代，并且需要逐步完善的過程。其基本步驟包括以下幾點(diǎn)：

(1) 收集被分析對(duì)象的有關(guān)資料，并對(duì)其進(jìn)行功能分析，畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

(2) 確定系統(tǒng)所有可能的故障模式，分析故障產(chǎn)生的可能原因及對(duì)系統(tǒng)所帶來的影響，并劃分其嚴(yán)重程度；

(3) 確定故障模式的檢測(cè)方法，制定與每個(gè)故障模式相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)或補(bǔ)償措施；

(4) 制作FMECA分析報(bào)告，將之前歸納和總結(jié)的故障模式、影響及危害性等填入表中，便于日后調(diào)查研究工作的開展。

綜合上述分析，如圖1所示，F(xiàn)MECA主要分析流程是：模式—原因—影響—后果—檢測(cè)—措施—評(píng)定。為了方便分析，可以根據(jù)分析對(duì)象的實(shí)際情況對(duì)報(bào)告進(jìn)行綜合選取和增刪。

XOZ平面和YOZ平面上的糾偏問題其本質(zhì)完全相同，以任一平面為基礎(chǔ)研究偏斜控制算法，即代表整套糾偏控制算法的設(shè)計(jì)。

2 電力電纜的FMECA分析

電力電纜常見的故障主要有低電阻接地或短路故障、高電阻接地或短路故障、斷線故障、閃絡(luò)故障、復(fù)合型故障等。對(duì)電力電纜進(jìn)行FMECA分析，首先根據(jù)FMECA的工作要點(diǎn)，明確需要確定的基本信息：對(duì)象或單位名稱、故障模式、故障原因、故障影響、嚴(yán)重程度、檢測(cè)方法、補(bǔ)償措施和評(píng)定(故障模式概率等級(jí))等。用表格的形式進(jìn)行描述，簡(jiǎn)明地列出所有可能存在的故障模式，不需要數(shù)值計(jì)算，方法簡(jiǎn)單，易于掌握，能夠較為全面、直接或間接地識(shí)別出設(shè)備存在的主要問題或影響其發(fā)生故障的關(guān)鍵部位，在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總結(jié)出故障發(fā)生的概率及嚴(yán)重程度。

電力電纜發(fā)生故障往往是由多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致電氣事故頻繁發(fā)生，帶來了相當(dāng)大的損害。電力電纜線路中2種主要材料是電纜以及電纜附件，它們質(zhì)量的好壞直接影響電力電纜線路能否安全運(yùn)行。電纜、電纜附件和電纜三叉頭的制作都有可能存在大的質(zhì)量問題，比如電纜絕緣層內(nèi)含雜質(zhì)，電纜運(yùn)輸、貯藏過程中封閉不嚴(yán)而導(dǎo)致電纜受潮，絕緣管內(nèi)有氣泡、厚度不均勻，預(yù)制電纜三叉頭剝切尺寸不準(zhǔn)確，制作人員未按照要求制作電纜接頭等。圖2為三芯交聯(lián)電纜接頭的剝切示意。

2.1 電纜接頭故障的FMECA分析

在潮濕的氣候條件下制作電纜接頭，會(huì)使接頭封裝內(nèi)混入水蒸氣而導(dǎo)致耐壓試驗(yàn)時(shí)形成閃絡(luò)性故障。在制作電纜中間接頭時(shí)，由于壓接工藝不當(dāng)或壓接質(zhì)量不高，會(huì)導(dǎo)致接頭在運(yùn)行中發(fā)熱，使電纜絕緣逐漸老化引起電纜接地、相間短路或斷相等故障。在制作電纜中間接頭時(shí)，由于接頭封裝物填充工藝不當(dāng)，會(huì)使接頭不能良好密封，電纜受潮引發(fā)電纜接頭故障。

圖1 FMECA主要分析流程

圖2 三芯交聯(lián)電纜接頭的剝切示意

表2為電纜接頭故障的FMECA分析，可以看出，電纜接頭故障主要和制作工藝水平、運(yùn)行環(huán)境有關(guān)系，如散熱不好、接觸面處理不佳和牽引力過大等因素，其中最嚴(yán)重的影響就是導(dǎo)致絕緣失效。

表2 電纜接頭故障的FMECA分析

2.2 電纜接地故障的FMECA分析

在電纜生產(chǎn)過程中，由于制造工藝不良，會(huì)造成電纜保護(hù)層破裂、電纜終端頭密封不良以及在電纜使用過程中電纜保護(hù)套被腐蝕或被異物刺穿，這些情況都會(huì)使電纜絕緣受潮，導(dǎo)致絕緣電阻降低、漏電流增大。電纜長(zhǎng)期在漏電流作用下運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，加上電纜絕緣工作環(huán)境的不良，比如在長(zhǎng)期過電壓或不良的化學(xué)環(huán)境中，導(dǎo)致其物理性能變化，引起電纜絕緣老化或者失效，造成電纜接地故障。另外電力電纜在受到雷擊或其他沖擊過電壓時(shí)，若存在電力電纜絕緣層內(nèi)含有雜質(zhì)，屏蔽層和絕緣層老化等情況，過電壓引起的接地故障情況尤為嚴(yán)重。

電纜接地故障的FMECA分析如表3所示，其中絕緣嚴(yán)重老化、絕緣層有氣泡或雜質(zhì)以及外部變形都會(huì)使電纜接地故障發(fā)生，這是由于電纜長(zhǎng)期過電壓運(yùn)行或發(fā)熱過大等因素造成的。進(jìn)一步發(fā)展下去可導(dǎo)致相間短路故障，電纜擊穿。

表3 電纜接地故障的FMECA分析

2.3 電纜斷線故障的FMECA分析

電纜機(jī)械損傷故障可占所有故障的一半以上，故障發(fā)生后，大多會(huì)造成大面積的停電事故。當(dāng)電纜直接受到機(jī)械外力損壞，比如進(jìn)行地管線施工，施工機(jī)械牽引力過大而拉斷電纜，電纜彎曲過度而造成電纜絕緣層和屏蔽層損壞，電纜切剝過程中切割過度、刀痕過深等都會(huì)對(duì)電纜造成不同程度的損壞，甚至發(fā)生斷線故障。

電纜斷線故障的FMECA分析如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)，其發(fā)生概率明顯要比前2種故障低很多，發(fā)生斷線故障的原因多為制作工藝水平不滿足要求，如結(jié)構(gòu)不完善、設(shè)備缺陷、接頭未焊或脫焊等，而最有可能造成電纜斷線故障發(fā)生的是化學(xué)腐蝕，它會(huì)直接導(dǎo)致電纜絕緣強(qiáng)度降低，絕緣老化。

3 防范措施

通過對(duì)FMECA表格分析以及對(duì)故障的嚴(yán)重程度和概率等級(jí)的綜合考慮，危害性最大的故障模式是“絕緣材料碳化”、“絕緣嚴(yán)重老化”以及“化學(xué)腐燭”，它們均可視為關(guān)鍵的故障模式。為了提高電力電纜的安全性和可靠性，應(yīng)從日常維護(hù)與管理以及制作工藝等方面采取有效措施加以防范。

表4 電纜斷線故障的FMECA分析

制定防范措施的目的是針對(duì)每一故障模式的影響，在運(yùn)行維護(hù)與管理以及制作工藝等方面采取相應(yīng)的措施，以消除或減輕故障帶來的影響，進(jìn)而提高設(shè)備的可靠性。其主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

(1) 電纜頭和電纜附件是電纜線路中的薄弱環(huán)節(jié)，制作安裝前要制定安裝工藝及說明，要有安裝結(jié)構(gòu)圖，安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要符合要求，盡量縮短組裝時(shí)間。應(yīng)使用專門的剝切工具，避免造成內(nèi)部導(dǎo)體損傷而導(dǎo)致斷裂。安裝人員要經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)并取得上崗證，并通過開展操作培訓(xùn)來提高安裝人員技能水平和熟練度，進(jìn)而降低因制作工藝帶來的電纜故障問題。

(2) 定期對(duì)電纜線路的橋架、豎井進(jìn)行檢查和維護(hù)，檢查橋架和豎井電纜是否有損害或沉降引起損壞電纜的可能性。如果是直埋電纜，檢查線路上的標(biāo)識(shí)牌是否完整，電纜線路與馬路或排水溝交叉處是否有缺陷或存在隱患等，并做好巡視記錄。

(3) 加強(qiáng)對(duì)電纜溝和隧道的日常維護(hù)，如發(fā)現(xiàn)電纜溝或隧道有積水或其他異物，應(yīng)及時(shí)處理，保持溝內(nèi)清潔；檢查電纜接頭是否有損傷或變形，為保持良好的散熱，應(yīng)保證中間接頭有嚴(yán)格的隔離。

(4) 對(duì)所有裸露的電纜設(shè)備，根據(jù)其銹蝕程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆栏幚怼?duì)電纜排列密集或散熱性差的地方定期進(jìn)行溫度監(jiān)視，采取通風(fēng)措施，必要時(shí)需降負(fù)荷運(yùn)行，避免電纜超負(fù)荷工作。

(5) 發(fā)生電纜故障事故，要記錄維修過程，制定避免故障再次發(fā)生的措施。對(duì)重要的事故進(jìn)行分析試驗(yàn)和研究，積累數(shù)據(jù)作為電纜線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也為產(chǎn)品或線路設(shè)計(jì)更完善化提供依據(jù)。

(6) 對(duì)電纜線路沿線有挖土工程的區(qū)域，實(shí)行挖土許可制度，由電纜線路管理部門派人按電纜線路圖所示，向建設(shè)單位的施工人員進(jìn)行交底，并且進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，同時(shí)做好施工記錄。

(7) 加強(qiáng)技術(shù)管理工作，及時(shí)收集所敷設(shè)電纜線路的圖紙資料和文件。對(duì)電纜的出廠資料、現(xiàn)場(chǎng)填報(bào)的記錄、竣工試驗(yàn)報(bào)告以及發(fā)生事故后的詳細(xì)修繕記錄，進(jìn)行年度事故分析統(tǒng)計(jì)。對(duì)包括預(yù)防性試驗(yàn)擊穿或嚴(yán)重缺陷分析故障概率，制定防范措施。

4 結(jié)束語

通過對(duì)電力電纜故障產(chǎn)生原因的解析，歸納了造成電力電纜故障的因素。采用FMECA分析方法對(duì)每個(gè)故障進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估，并針對(duì)不同故障提出了相應(yīng)的防范措施，為預(yù)防重大事故的發(fā)生、提高系統(tǒng)的可靠性提供了保障。

1 王彥霞.電力電纜的故障和査找方法[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17(28)：264-266.

2015-12-03；

2016-05-08。

王維珍(1974-)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠設(shè)備管理工作，email：280083746@qq.com。

龐 雷(1985-)，男，助理工程師，主要從事發(fā)電廠設(shè)備管理工作。