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，會影響電能的傳輸和分配。介紹了FMECA分析法，并采用該方法對電力電纜可能發(fā)生的電纜接頭故障、電纜接地故障進(jìn)行分析、評估和預(yù)測，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)，分析每個故障模式可能出現(xiàn)的原因和影響，以及相關(guān)影響對系統(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)計劃或補償措施。其目的在于對故障的預(yù)防和控制，消除或減少設(shè)計中存在的缺陷，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)中每個潛在的故障模式及其原因、對系統(tǒng)可能帶來的影響，并將每個故障模式按其危害程度予以分類。CA主要是從風(fēng)險角度對FMEA進(jìn)行補充和擴展，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故障模式發(fā)生的可能性按等級進(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個等級，如表1所示。其中定義內(nèi)容可以根據(jù)實際情況進(jìn)行修改，最后按所定義的等級對每個故障模式進(jìn)行評定，比較其危害程度，進(jìn)而采取不同級別的改進(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：

(1) 收集被分析對象的有關(guān)資料，并對其進(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方法，制定與每個故障模式相對應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計或補償措施；

(4) 制作FMECA分析報告，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—措施—評定。為了方便分析，可以根據(jù)分析對象的實際情況對報告進(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。

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。對電力電纜進(jìn)行FMECA分析，首先根據(jù)FMECA的工作要點，明確需要確定的基本信息：對象或單位名稱、故障模式、故障原因、故障影響、嚴(yán)重程度、檢測方法、補償措施和評定(故障模式概率等級)等。用表格的形式進(jìn)行描述，簡明地列出所有可能存在的故障模式，不需要數(shù)值計算，方法簡單，易于掌握，能夠較為全面、直接或間接地識別出設(shè)備存在的主要問題或影響其發(fā)生故障的關(guān)鍵部位，在整個系統(tǒng)中對關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測，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因素共同作用的結(jié)果，如果處理不當(dāng)，會導(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，會使接頭封裝內(nèi)混入水蒸氣而導(dǎo)致耐壓試驗時形成閃絡(luò)性故障。在制作電纜中間接頭時，由于壓接工藝不當(dāng)或壓接質(zhì)量不高，會導(dǎo)致接頭在運行中發(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，由于接頭封裝物填充工藝不當(dāng)，會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，會造成電纜保護層破裂、電纜終端頭密封不良以及在電纜使用過程中電纜保護套被腐蝕或被異物刺穿，這些情況都會使電纜絕緣受潮，導(dǎo)致絕緣電阻降低、漏電流增大。電纜長期在漏電流作用下運行會產(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，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)以及外部變形都會使電纜接地故障發(fā)生，這是由于電纜長期過電壓運行或發(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，大多會造成大面積的停電事故。當(dāng)電纜直接受到機械外力損壞，比如進(jìn)行地管線施工，施工機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、刀痕過深等都會對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，它會直接導(dǎo)致電纜絕緣強度降低，絕緣老化。

3 防范措施

通過對FMECA表格分析以及對故障的嚴(yán)重程度和概率等級的綜合考慮，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每一故障模式的影響，在運行維護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，安裝時現(xiàn)場環(huán)境要符合要求，盡量縮短組裝時間。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) 定期對電纜線路的橋架、豎井進(jìn)行檢查和維護，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) 加強對電纜溝和隧道的日常維護，如發(fā)現(xiàn)電纜溝或隧道有積水或其他異物，應(yīng)及時處理，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?。對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，必要時需降負(fù)荷運行，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。對重要的事故進(jìn)行分析試驗和研究，積累數(shù)據(jù)作為電纜線路的運行經(jīng)驗，也為產(chǎn)品或線路設(shè)計更完善化提供依據(jù)。

(6) 對電纜線路沿線有挖土工程的區(qū)域，實行挖土許可制度，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)場監(jiān)護，同時做好施工記錄。

(7) 加強技術(shù)管理工作，及時收集所敷設(shè)電纜線路的圖紙資料和文件。對電纜的出廠資料、現(xiàn)場填報的記錄、竣工試驗報告以及發(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。對包括預(yù)防性試驗擊穿或嚴(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分析方法對每個故障進(jìn)行詳細(xì)的評估，并針對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].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，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。