張旭，韓冬軍，李玉宏

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司物資分公司,北京 100075；2.煙臺(tái)東方威思頓電氣有限公司,山東 煙臺(tái) 264003）

低壓計(jì)量箱不僅是國(guó)網(wǎng)公司的窗口形象，而且是智能電能表、采集終端和斷路器等計(jì)量設(shè)備和關(guān)鍵元件的第一層防護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中，低壓計(jì)量箱的規(guī)格、尺寸繁雜，工藝水平參差不齊，投入運(yùn)行后，不到2 年就容易出現(xiàn)破損、腐蝕和老化等質(zhì)量問題，這不僅難以給計(jì)量設(shè)備提供良好的運(yùn)行環(huán)境，而且也不能勝任新時(shí)期用電信息智能采集和管理的需求，可能造成不好的社會(huì)影響和額外的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國(guó)外未見開展低壓計(jì)量箱故障分析相關(guān)工作的文獻(xiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)電能計(jì)量裝置的故障分析有一定研究。例如：文獻(xiàn)[1]采用層次分析法與灰色聚類相結(jié)合，通過定性與定量分析來評(píng)估低壓計(jì)量箱運(yùn)行狀態(tài)，確定低壓計(jì)量箱的健康狀況；文獻(xiàn)[2]強(qiáng)調(diào)讓電力企業(yè)、上游生產(chǎn)廠商和下游用戶共同參與到低壓計(jì)量箱的管理中，并圍繞技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)安裝和運(yùn)行維護(hù)等4 大核心環(huán)節(jié)，建立了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、驗(yàn)收、安裝和運(yùn)維為一體的資產(chǎn)全壽命周期管理體系。此項(xiàng)工作在運(yùn)維中談及故障分析，但是沒有深入分析故障原因。

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)使用的低壓計(jì)量箱主要存在3 類主要故障：1）箱體銹蝕及涂層損毀，影響低壓計(jì)量箱的美觀度，有損企業(yè)形象；2）導(dǎo)線端子和保護(hù)裝置等電氣部件燒毀，存在嚴(yán)重安全隱患，容易造成觸電、起火等事故；3）箱門及門鎖破損，導(dǎo)致低壓計(jì)量箱無法進(jìn)行正常防護(hù)，不能勝任反竊電管理的需求。由于缺乏對(duì)低壓計(jì)量箱各類故障數(shù)據(jù)分類的方法和處理手段，難以進(jìn)行計(jì)量箱故障分析工作，且對(duì)計(jì)量箱故障的成因還不清晰，因此，本文根據(jù)低壓計(jì)量箱的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)開展故障及其影響因素相關(guān)分析，收集各類低壓計(jì)量箱故障情況，并進(jìn)行故障情況匯總分析，研究低壓計(jì)量箱故障因子，為低壓計(jì)量箱的故障分析提供依據(jù)。

1 低壓計(jì)量箱關(guān)鍵部件失效模式和影響評(píng)估

本文根據(jù)運(yùn)行工況，應(yīng)用部件關(guān)鍵性評(píng)估（component criticality assessment，CCA）[3]確定影響低壓計(jì)量箱產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行安全和使用功能的關(guān)鍵部件，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用失效模式與影響評(píng)估（failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA）[4-7]對(duì)低壓計(jì)量箱的關(guān)鍵部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究低壓計(jì)量箱關(guān)鍵部件功能失效的模式，并評(píng)估各類失效模式的風(fēng)險(xiǎn)程度。最后，收集典型環(huán)境區(qū)域的故障樣本數(shù)據(jù)，以確定的關(guān)鍵部件失效模式為指導(dǎo)，對(duì)故障分類。

1.1 部件關(guān)鍵性評(píng)估

在系統(tǒng)或者設(shè)備當(dāng)中，各個(gè)設(shè)備所起的作用不同，對(duì)整體質(zhì)量或者功能影響程度也不同。為了確定單獨(dú)部件的所有潛在風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)產(chǎn)品的影響，需要進(jìn)行部件關(guān)鍵性評(píng)估，從而在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)類型采取不同的降低風(fēng)險(xiǎn)的措施并驗(yàn)證。

部件關(guān)鍵性評(píng)估是針對(duì)直接影響系統(tǒng)的部件或設(shè)備的關(guān)鍵程度進(jìn)行評(píng)估，確定其在系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)情況，并制定控制措施降低風(fēng)險(xiǎn)。部件關(guān)鍵性評(píng)估以單部件進(jìn)行，并將對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有影響的設(shè)備或部件歸類為關(guān)鍵部件或非關(guān)鍵部件。關(guān)鍵部件是指系統(tǒng)某個(gè)部件的數(shù)據(jù)、控制、運(yùn)動(dòng)、接觸、報(bào)警和故障對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)（安全、特性、功能、質(zhì)量和純度）有直接影響；非關(guān)鍵部件則對(duì)以上情況存在間接影響或無影響。通過CCA 法可以顯著縮小確認(rèn)工作的范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵性部件和非關(guān)鍵部件的確認(rèn)與調(diào)試。評(píng)估歸類問題可選擇表1 所示的依據(jù)，也可以依據(jù)產(chǎn)品特性制定。

表1 部件關(guān)鍵性評(píng)估依據(jù)Tab.1 Evaluation basis of component key performance

1.2 失效模式與影響評(píng)估

在開展低壓計(jì)量箱的關(guān)鍵部件失效模式與影響評(píng)估之前，首先需要明確統(tǒng)一的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。FMEA評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中各要素的定義、水平和數(shù)值會(huì)隨著不同的風(fēng)險(xiǎn)情況和項(xiàng)目要求而變化。為了避免一套評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素所生成的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度（risk priority number，RPN）值產(chǎn)生偏移，需要通過一些實(shí)例來驗(yàn)證該套評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是否適用于系統(tǒng)[3]。

1.2.1 FMEA 法評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

本文采用5 分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)低壓計(jì)量箱，如表2 所示。其中：可能性(P)指某一特定潛在失效發(fā)生的概率；嚴(yán)重性(S)指潛在失效發(fā)生對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和人員安全的影響程度；可檢測(cè)性(D)指檢測(cè)到潛在失效發(fā)生的可能性。表2 對(duì)S、P、D 這3 項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了從1 到5 的分?jǐn)?shù)測(cè)評(píng)。分?jǐn)?shù)值越高表示計(jì)量箱的失效模式與影響評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)越大。

表2 低壓計(jì)量箱FMEA 法評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 FMEA scoring standard for low-voltage metering box

1.2.2 FMEA 風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判定標(biāo)準(zhǔn)

表3 為低壓計(jì)量箱的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定表。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分劃分為4 個(gè)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分值≤18時(shí)，表示風(fēng)險(xiǎn)可以接受，僅需加強(qiáng)管理和制定相關(guān)措施防止風(fēng)險(xiǎn)升級(jí)。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分值>18時(shí)，表示風(fēng)險(xiǎn)不能接受，需要立即采取相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施，降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表3 低壓計(jì)量箱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定表Tab.3 Risk rating determination table of low-voltage metering box

2 低壓計(jì)量箱故障及影響因素相關(guān)分析

本文采用典型相關(guān)分析的方法建立低壓計(jì)量箱故障多應(yīng)力相關(guān)分析模型，對(duì)低壓計(jì)量箱故障及其影響因素進(jìn)行相關(guān)分析，研究各類影響因素與故障的潛在相關(guān)性。

2.1 典型相關(guān)分析理論

典型相關(guān)分析是一種利用2 組變量中的2 個(gè)綜合變量之間的相關(guān)關(guān)系來反映2 組變量之間的整體相關(guān)性的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[4]。它的基本原理是：從2 組變量中取出具有代表性的2 個(gè)綜合變量，然后利用它們之間的相關(guān)關(guān)系反映2 組指標(biāo)之間的總體相關(guān)性。為消除度量不同和數(shù)量級(jí)不同帶來的影響，做典型相關(guān)分析前，一般對(duì)原始數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理[8-12]。

2.2 低壓計(jì)量箱故障與影響因素的相關(guān)分析模型

為了采用典型相關(guān)分析的方法對(duì)低壓計(jì)量箱故障與影響因子之間相關(guān)性進(jìn)行分析，需要建立故障數(shù)據(jù)和影響因素?cái)?shù)據(jù)數(shù)學(xué)描述，即建立分析模型。由于各類因素之間、各類故障之間同樣存在相關(guān)性，因此建立可研究各類相關(guān)性的相關(guān)分析模型，建立過程如圖1 所示。

圖1 相關(guān)分析邏輯框圖Fig.1 Block diagram of the correlation analysis logic

1）確定典型相關(guān)分析的目標(biāo)。收集典型區(qū)域低壓計(jì)量箱的運(yùn)行情況，分析研究低壓計(jì)量箱故障與影響因素之間的相關(guān)性。

2）設(shè)計(jì)典型相關(guān)分析。假定測(cè)得2 組變量的數(shù)據(jù)：x=(x1,x2,···,xq)（低壓計(jì)量箱影響因素）和y=(y1,y2,···,yp)（低壓計(jì)量箱故障因子）。這里x=(x1,x2,···,xq)=（鹽霧，溫度，濕度，粉塵，雨水浸入，陽(yáng)光輻射，遭受撞擊，振動(dòng)，雷擊，用電過流或短路，竊電高發(fā)，物業(yè)管理水平），y=(y1,y2,···,yp)=（箱體開裂破損，箱體外觀褪色，箱體涂層磨損，箱體銹蝕，箱體變形，···）。具體含義如表4 和表5 所示。

表4 低壓計(jì)量箱影響因素Tab.4 Influencing factors of low-voltage metering box

表5 低壓計(jì)量箱故障因子Tab.5 Fault factor of low-voltage metering box

3）檢驗(yàn)典型相關(guān)分析的基本假定。假定上述2 組變量線性相關(guān)，即環(huán)境因子和故障因子線性相關(guān)。相關(guān)分析矩陣為

4）推導(dǎo)典型函數(shù)并評(píng)價(jià)整體擬合情況。一個(gè)典型函數(shù)包括一對(duì)變量，分別為自變量和因變量，在進(jìn)行相關(guān)分析過程中，變量組中的典型變量的最大數(shù)量等于最小數(shù)據(jù)組中的變量數(shù)。一般情況下，典型函數(shù)是在某一水平上具有典型相關(guān)系數(shù)的顯著函數(shù)。

5）解釋典型變量。對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行解釋，可采用典型載荷、典型權(quán)重和典型相關(guān)載荷進(jìn)行說明。

6）驗(yàn)證模型。驗(yàn)證典型相關(guān)分析的結(jié)果，確保模型結(jié)果適用于樣本的同時(shí)，也適用于整體。

2.3 相關(guān)性分析

在進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)：當(dāng)?shù)蛪河?jì)量箱故障因子和環(huán)境因子2 個(gè)變量呈“正相關(guān)”時(shí)，該系數(shù)大于0；當(dāng)2 個(gè)變量間呈“負(fù)相關(guān)”時(shí)，該系數(shù)小于0。系數(shù)為0 則表示無關(guān)，系數(shù)為1 則表示完全正相關(guān)。相關(guān)系數(shù)越大，則相關(guān)性越強(qiáng)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本文的顯著性水平值設(shè)為0.05。

2.3.1 故障影響因素之間的相關(guān)系數(shù)

各類故障影響因素之間的相關(guān)分析結(jié)果如表6 所示。從相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù)可以得出以下結(jié)論。

表6 各類影響因素的相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of various influencing factors

1）低壓計(jì)量箱的環(huán)境因子、機(jī)械因子、電氣因子、其他因子彼此之間相關(guān)性較低。

2）環(huán)境因素內(nèi)部之間存在弱相關(guān)，主要是由于我國(guó)不同區(qū)域地理環(huán)境造成。溫度寒冷地區(qū)較為干燥，溫度較高的地區(qū)往往濕度較大。此外，沿海地區(qū)濕度和鹽霧也都相對(duì)較高。

3）其他因素內(nèi)部之間也存在弱相關(guān)，分析原因主要是物業(yè)管理水平高的區(qū)域發(fā)生竊電行為概率較低。

2.3.2 故障影響因素與故障之間的相關(guān)系數(shù)

各類故障影響因素與故障之間的相關(guān)分析結(jié)果如表7 所示。由相關(guān)分析可以得出以下結(jié)論。

1）環(huán)境因子鹽霧與故障因子的關(guān)系。在鹽霧的腐蝕下，非金屬計(jì)量箱箱體和箱門微微發(fā)黃，金屬計(jì)量箱發(fā)生腐蝕的情況較多。此外，接線端子、接插件等計(jì)量箱的關(guān)鍵部件，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式使其更容易受到鹽霧環(huán)境的影響。

2）環(huán)境因子溫度與故障因子的關(guān)系。溫度在計(jì)量箱故障因子中主要與箱體外觀褪色、箱體涂層磨損或剝落、箱門外觀褪色、箱門涂層磨損或剝落、門鎖無法打開、接線端子氧化、接線端子螺絲松動(dòng)、接插件氧化、接插件損壞等9 種故障強(qiáng)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)超過0.5。

3）環(huán)境因子濕度與故障因子的關(guān)系。濕度在計(jì)量箱故障因子中與箱體銹蝕、箱門銹蝕、門鎖無法打開、接線端子氧化、接線端子螺絲松動(dòng)、接插件氧化、接插件損壞等7 種故障強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。

4）環(huán)境因子粉塵與故障因子的關(guān)系及環(huán)境因子之間的關(guān)系。粉塵在計(jì)量箱故障因子中與各故障因子都呈弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.1～ 0.3。

5）環(huán)境因子雨水與故障因子的關(guān)系。雨水浸入在計(jì)量箱故障因子中與接插件強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.3。在低壓計(jì)量箱的運(yùn)行過程中，要做好防雨措施。

6）環(huán)境因子陽(yáng)光輻射與故障因子的關(guān)系。陽(yáng)光輻射在計(jì)量箱故障因子中與箱體外觀褪色、箱體涂層磨損脫落、箱門銹蝕強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。

7）機(jī)械因子遭受撞擊與故障因子的關(guān)系。遭受撞擊在計(jì)量箱故障因子中與箱體開裂破損、箱體涂層磨損剝落、箱體變形、箱門開裂破損、箱門涂層磨損剝落等5 種故障強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。計(jì)量箱在遭受撞擊的情況下，容易發(fā)生變形和開裂，在計(jì)量箱的運(yùn)輸過程中，要加強(qiáng)防護(hù)措施。

8）機(jī)械因子振動(dòng)與故障因子的關(guān)系。相關(guān)分析可以得出，振動(dòng)在計(jì)量箱故障因子中與箱體開裂破損、箱門開裂破損、進(jìn)出線開關(guān)接線松動(dòng)等3 種故障強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。計(jì)量箱在振動(dòng)的情況下，容易發(fā)生變形和開裂，在計(jì)量箱運(yùn)輸過程中，要加強(qiáng)防護(hù)措施。

9）電氣因子雷擊與故障因子的關(guān)系。雷擊在計(jì)量箱故障因子中與接線端子燒毀、導(dǎo)線燒毀強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。對(duì)于安裝在多雷區(qū)的低壓計(jì)量箱，要做好防雷措施。

10）電氣因子用電過流或短路與故障因子的關(guān)系。用電過流或短路在計(jì)量箱故障因子中與接線端子燒毀、導(dǎo)線燒毀、進(jìn)出線開關(guān)破損強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。在發(fā)生過流或短路時(shí)，容易產(chǎn)生大量的熱量造成接線端子、導(dǎo)線、進(jìn)出線開關(guān)燒毀損壞。

11）其他因素竊電高發(fā)與故障因子的關(guān)系。竊電高發(fā)在計(jì)量箱故障因子中與封印缺失、門鎖損壞強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。在竊電高發(fā)地區(qū)，計(jì)量箱容易遭到破壞，造成封印缺失、門鎖損壞。

12）其他因素物業(yè)管理水平與故障因子的關(guān)系。物業(yè)管理水平在計(jì)量箱故障因子中與箱體開裂破損、箱體變形、箱門變形、封印破損或缺失、門鎖損壞、導(dǎo)線燒毀、導(dǎo)線脫落等7 種故障強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.5。放置在小區(qū)的低壓計(jì)量箱，其損壞情況與小區(qū)物業(yè)的管理水平有關(guān)。

2.3.3 故障之間的相關(guān)系數(shù)

各類故障與故障之間的相關(guān)分析結(jié)果如表8所示。由相關(guān)分析可以得出以下結(jié)論。

1) 箱體故障（開裂破損、外觀褪色、涂層磨損剝落、銹蝕）與箱門故障（開裂破損、外觀褪色、涂層磨損剝落、銹蝕）具有強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

2) 箱體開裂破損與箱體變形、箱門變形、門鎖打開剝落強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

3) 箱體外觀褪色與箱體涂層磨損剝落、箱體銹蝕、箱門外觀褪色、箱門涂層磨損、箱門變形、接線端子氧化、接插件強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

4) 箱體銹蝕與箱體外觀褪色、箱體涂層磨損剝落、箱門涂層磨損剝落、接線端子氧化強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

5) 箱體變形與箱體開裂破損、箱門開裂破損、門鎖打開、導(dǎo)線松動(dòng)強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

6) 封印缺失與箱門開裂破損、門鎖打開、門鎖損壞強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

7) 門鎖打開與箱體開裂破損、箱體變形、箱門變形、導(dǎo)線脫落強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

8) 門鎖損壞與箱體開裂破損、箱體變形、箱門變形、導(dǎo)線脫落強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

9) 接線端子氧化與箱體褪色、箱體銹蝕、箱門褪色、箱門銹蝕強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

10) 接線端子氧化與箱體褪色、箱體銹蝕、箱門褪色、箱門銹蝕強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5。

3 相關(guān)建議

為了加強(qiáng)低壓計(jì)量箱質(zhì)量監(jiān)督工作，確保產(chǎn)品質(zhì)量，需要從產(chǎn)品性能檢測(cè)方面完善低壓計(jì)量箱的質(zhì)量管控工作，因此非常有必要根據(jù)低壓計(jì)量箱故障影響分析結(jié)果提出對(duì)其檢測(cè)驗(yàn)收的內(nèi)容。

1) 根據(jù)環(huán)境因素對(duì)計(jì)量箱殼體的性能影響分析結(jié)果：對(duì)于非金屬計(jì)量箱，建議進(jìn)行絕緣材料性能試驗(yàn)，包括熱穩(wěn)定性試驗(yàn)、耐熱性試驗(yàn)、耐受非正常發(fā)熱和火焰的驗(yàn)證試驗(yàn)、耐老化試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、塑料沖擊性能測(cè)定試驗(yàn)、塑料彎曲性能測(cè)定試驗(yàn)等；對(duì)于金屬計(jì)量箱，建議進(jìn)行理化性能試驗(yàn)，包括耐腐蝕試驗(yàn)、涂層附著力測(cè)定試驗(yàn)。

2) 根據(jù)機(jī)械因素對(duì)計(jì)量箱性能影響分析結(jié)果，建議進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，包括靜載能力試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)載荷試驗(yàn)、沖擊載荷試驗(yàn)。

3) 根據(jù)電氣因素對(duì)計(jì)量箱性能影響分析結(jié)果，建議進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)，包括電氣間隙、爬電距離測(cè)定、保護(hù)電路有效性驗(yàn)證、絕緣電阻測(cè)定、介電性能試驗(yàn)和電氣開關(guān)性能檢驗(yàn)。

4) 根據(jù)其他因素對(duì)計(jì)量箱性能影響分析結(jié)果，建議進(jìn)行計(jì)量箱外殼防護(hù)等級(jí)（IP 代碼）驗(yàn)證試驗(yàn)、門鎖性能試驗(yàn)和操作試驗(yàn)，同時(shí)加強(qiáng)電能計(jì)量裝置運(yùn)維管理。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)低壓計(jì)量箱故障類型和影響因素進(jìn)行了分析研究。首先，通過CCA 法確定影響低壓計(jì)量箱的關(guān)鍵部件；然后，利用FMEA 法對(duì)低壓計(jì)量箱的關(guān)鍵部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并采用典型相關(guān)分析方法，依據(jù)低壓計(jì)量箱的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)開展故障及其影響因素相關(guān)分析；最后，提出相關(guān)建議，為低壓計(jì)量箱的選用和資產(chǎn)管理提供了技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)依據(jù)。