基于故障模式與后果分析以及故障樹法的電子電流互感器的可靠性

陳慧聰

摘要：電子式互感器研究過程中，需要格外注意控制其可靠性，其可靠性設(shè)計環(huán)節(jié)也是電子交流互感器開發(fā)研制中的重要環(huán)節(jié)。為了能夠提高其可靠性，基于故障模式與后果分析以及故障樹法可靠性分析，是電子式互感器研制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電子式電流互感器只有具備一定的可靠性，才能在具體的工作中發(fā)揮其巨大的功能作用。本文采用故障式與后果分析法以及故障樹分析法，對電子式電流互感器的可靠性進(jìn)行詳細(xì)分析及研究，力求建立較為完善的FMEA表格，以及故障樹，并獲得故障樹的最小割集，對其可靠性進(jìn)行定性分析，通過實例驗證電子式電流互感器的可靠性，為電子式電流互感器的研發(fā)提供有效的參考，保證電子式電流互感器的可靠性。

關(guān)鍵詞：電子式電流互感器；可靠性分析；故障模式與后果分析；

眾所周知，電子式電流互感器的可靠性分析是整個電子式電流互感器研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與電磁式的電流互感器的可靠性進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，在具體的電子式電流互感器的研發(fā)過程中，采用故障式與后果分析法，以及故障樹的分析法，可以有效分析電子式電流互感器的可靠性，建立完善的FMEA表格，以及健全的故障樹，并能得到故障樹所有的最小割集，對互感器進(jìn)行有效的定性分析，明確其可靠性。之后通過互感器研制與實驗過程中的實例進(jìn)行驗證，能明確其可靠性的效果，從而為電子式電流互感器的研發(fā)提供有效的參考。

一、常規(guī)電子式電流互感器與電磁式電流互感器的可靠性研究內(nèi)容

（一）絕緣

電子式電流互感器與電磁式電流互感器，在其原理、結(jié)構(gòu)構(gòu)成等多方面都存在一定的差異性，因此，在對其可行性進(jìn)行開發(fā)設(shè)計與分析時，需要考慮的內(nèi)容也存在一定的差異。

就一般情況來看，電磁式電流互感器在其系統(tǒng)內(nèi)部往往裝有一個鐵心，還有一次線圈和二次線圈，在線圈之間與鐵心之間都有絕緣將其進(jìn)行隔離。該絕緣結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較復(fù)雜，隨著電壓等級逐漸提高，其結(jié)構(gòu)也會更加復(fù)雜。而電子式電流互感器通常是由光學(xué)器件或者Rogowski線圈和低功率電流互感器組成的。因為系統(tǒng)內(nèi)的電子元件均懸浮于高電位側(cè)，所以在其傳感單元一、二次側(cè)的絕緣相對比較簡單，且電壓等級高低對其影響不大。

（二）鐵心

在電磁式的電流互感器中配置了鐵心，在其運行的過程中就很容易出現(xiàn)磁飽和、鐵磁共振、磁滯效應(yīng)等不同類型的問題。在電子式電流互感器，由于其采用的鐵心性能較好，在其運行的過程中產(chǎn)生的二次負(fù)荷較小，因此，在其運行中不容易導(dǎo)致磁飽和等問題。

（三）二次側(cè)開路

在常見的電磁式電流互感器設(shè)計中，二次回路不能開路，如果是處于二次開路的情況，則其二次線圈就有很大的高壓風(fēng)險。在電子式電流互感器中，其高壓側(cè)與低壓側(cè)之間沒有直接的電氣連接關(guān)系，往往是通過光纖來進(jìn)行信號傳遞的傳。光纖的思維絕緣性能良好，可以保證其系統(tǒng)內(nèi)的高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離。

（四）易耗器件

在電子式電流互感器通常會采用光學(xué)器件與電子元器件，與一般電子器件相比，這些器件都是相對易耗的元件。保障易耗器件的可靠性，對保障電子式電流互感器的可靠性也有著重要的作用。

二、電子式電流互感器的故障模式與后果分析

（一）FMEA法

所謂故障模式和后果分析法，就是在電子式電流互感器系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)計的過程中，對其運行中的各個組成單元潛在的故障模式、系統(tǒng)設(shè)備等進(jìn)行分析，并能夠根據(jù)分析的結(jié)果按照其程度進(jìn)行分類。針對該潛在的故障要提出具有指向性、針對性的設(shè)計與改進(jìn)措施，從而能夠有效的提升該設(shè)備的可靠性。應(yīng)用FMEA法對電子式電流互感器的故障進(jìn)行分析，通常是將其故障模式呈現(xiàn)出來，在對其后果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對其結(jié)果進(jìn)行分析。

（二）定義系統(tǒng)

在應(yīng)用FMEA法對電子式電流互感器進(jìn)行可靠性分析以前，首先需要將該電子式電流互感器的系統(tǒng)各個部分進(jìn)行詳細(xì)的劃分，將其劃分結(jié)果作為建FMEA表格的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。一般看來，電子式電流互感器的可靠性框圖如圖1所示。

三、電子式電流互感器故障樹分析

（一）電子式電流互感器的故障樹

在對電子式電流互感器進(jìn)行故障模式和后果分析的基礎(chǔ)上，還可以通過構(gòu)建電子式電流互感器故障樹的方式來分析其可靠性，常見的故障樹模型如下圖1至圖4所示。

（二）電子式電流互感器的故障樹分析

通過利用故障樹分析程序，可以對電子式電流互感器的故障樹進(jìn)行定性分析。所謂定性分析就是，將該產(chǎn)品中可能導(dǎo)致事件所有可能故障模式都進(jìn)行分析，從而可以計算出故障樹的最小割集。一般可以下行法來計算最小割集，即求由頂事件作為開端，根據(jù)邏輯關(guān)系詞逐級向下，并采取分行表示的形式；如果是或門，就需要將輸入事件分列在不同行，如果是與門，則可以將輸入事件排列在同一行內(nèi)。將可能出現(xiàn)的故障模式依次進(jìn)行分析，直到將所有可能性基本事件分解為止。

根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，電子式電流互感器故障樹中，通常會有16個一階最小割集，約占所有的最小割集中的一半，一階最小割集在故障樹模分析模型中，是最小的也是最重要的割集，對電子式電流互感器故障有重要的影響。因此，在設(shè)計電子式電流互感器時，可以通過盡可能地減小一階最小割集的數(shù)目，從而減少最小割集基本事件與故障發(fā)生的概率。在設(shè)計中應(yīng)該盡可能的避免出現(xiàn)故障樹中的以下基本事件的發(fā)生：（101）-（104），（113），（114），（122），（123），（132），

（133），（137），（143），（144），（145），（146），（147）。

此外，除了構(gòu)成一階最小割集的基本事件的發(fā)生，可能會導(dǎo)致產(chǎn)品在使用時出現(xiàn)故障，一般的其他基本事件不會直接導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障。目前還需要一定的條件，且需要的時間較長，通過采取一些技術(shù)性的措施，可以有效的減少故障發(fā)生的概率。

四、電子式電流互感器故障案例析

為分析電子式電流互感器的可靠性、穩(wěn)定性，對其高壓側(cè)傳感頭部分的溫度進(jìn)行實驗分析。在實驗初期產(chǎn)品的性能相對比較穩(wěn)定，在高低溫反復(fù)交替試驗后，在溫度低于？18℃則產(chǎn)品輸出波形呈現(xiàn)出毛刺狀，針對該現(xiàn)象進(jìn)行波形測試與溫度影響準(zhǔn)確度試驗，則得出：出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于系統(tǒng)輸出異常導(dǎo)致的，且伴隨準(zhǔn)確度不達(dá)標(biāo)問題，對應(yīng)FMEA表中常見的故障模式就是電子線路老化與溫度特性變差問題，對應(yīng)故障樹中的基本事件為114。確定該故障模式后，修改出現(xiàn)故障的相關(guān)器件并解決該問題。

為測試產(chǎn)品的型式，在其實驗的過程中要保持室內(nèi)溫度連續(xù)12小時都保持在溫升試驗狀態(tài)，但是該實驗結(jié)果顯示無產(chǎn)品輸出。通過結(jié)合FMEA表和故障樹對該結(jié)果進(jìn)行分析，將高實驗故障鎖定為電源系統(tǒng)，對應(yīng)FMEA表中常見故障為為鐵心損壞或者是DC/DC模塊故障。為確保其分析的可靠性，將該產(chǎn)品解構(gòu)，產(chǎn)品內(nèi)部的取能線圈出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象，鐵心護(hù)套、二次繞組絕緣都已經(jīng)被燒毀，從而導(dǎo)致匝間出現(xiàn)短路現(xiàn)象，取能線圈無能量輸出，最終導(dǎo)致該產(chǎn)品不能進(jìn)行正常工作。且通過本次的溫升試驗進(jìn)行分析，一旦在實驗的過程中加一次大于額定電流值150%的電流就會導(dǎo)致產(chǎn)品過載運行，長時間累積就容易造成故障。

結(jié)束語

總而言之，通過對電子式電流互感器與電磁式電流互感器的可靠性進(jìn)行對比分析，并以此為基礎(chǔ)建立新的電子式電流互感器的可靠性框圖。為保證電子式電流互感器的可靠性，通過以某一電子式電流互感器為例進(jìn)行實驗，建立故障模式與后果分析、故障樹模型，并計算出其中最小的割集，從而分析影響電子式電流互感器可靠性的關(guān)鍵問題與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。且通過實驗分析可以看出，應(yīng)用基于故障模式與后果分析以及故障樹法，對開發(fā)和研制電子式電流互感器可靠性有較好的規(guī)范性作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李一泉，楊荷娟，王慧芳，王佳.電子式互感器狀態(tài)評價及可靠性計算研究[J].廣東電力，2012，11：10-15.29.

[2]杜雷，高建民，陳琨.基于故障相關(guān)性分析的可靠性配置[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，09：1973-1980.