基于FMECA的電力電纜故障分析方法

基于FMECA的電力電纜故障分析方法

孟令聞

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城南供電分公司，天津300061)

摘要：針對(duì)電力電纜故障查找難度大、操作條件苛刻等問(wèn)題，提出基于FMECA的電力電纜故障分析方法，從技術(shù)原理、應(yīng)用等方面對(duì)該方法進(jìn)行分析，認(rèn)為該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力電纜故障的細(xì)化和評(píng)估，可有效預(yù)防重大事故的發(fā)生,并給出電力電纜故障的防范措施。

關(guān)鍵詞：電力電纜；電纜故障；FMECA；防范措施

收稿日期：2014-07-15

作者簡(jiǎn)介：孟令聞(1987-)， 男，助理工程師，主要從事高壓電力電纜設(shè)備的運(yùn)行、檢修工作。

中圖分類號(hào)：TM246

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1001-9898(2015)01-0015-03

Abstract:In order to solves the problems like complex site of Power cable fault, strict operation conditions,this paper puts forwards the power cable fault based on FMECA method, and analyzes this method by know-why and application, considers that different types of cable fault are detailed and evaluated by using FMECA analysis method,prevention of major accidents, puts forward the corresponding preventive measures after analyzing the FMECA tables.

Analysis Method of Power Cable Fault Based on FMECA

Meng Lingwen

(State Grid Tianjin Citysouth Electric Power Supply Company，Tianjin 300061，China)

Key words: power cable;cable fault;FMECA;preventive measures

電纜故障是指電纜在運(yùn)行和試驗(yàn)時(shí)發(fā)生絕緣擊穿、導(dǎo)線燒斷等情況，被迫停止電力供應(yīng)。在電纜故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，根據(jù)不同的原理形成了不同的探測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、電纜設(shè)備類型日益增加、電纜敷設(shè)方式逐漸多樣化，這些發(fā)展變化增加了電纜故障的查找難度。如何有效地防范電纜故障的發(fā)生、減少故障率，成為保障電纜安全運(yùn)行的首要任務(wù)。面對(duì)這一現(xiàn)狀，故障模式、影響和危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)方法的提出與應(yīng)用具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義，這是一種用于可靠性設(shè)計(jì)的定性分析方法，對(duì)于防范當(dāng)前電力電纜工程中的故障問(wèn)題具有顯著成效。

1電力電纜故障原因

電纜故障通常是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，如若處理不當(dāng)，可能造成電氣故障頻繁發(fā)生，帶來(lái)較大危害。在總結(jié)各類電纜故障的基礎(chǔ)上，認(rèn)為故障產(chǎn)生原因主要有以下幾種。

1.1　機(jī)械損傷

機(jī)械損傷是造成電纜故障的首要原因，占全部故障的57%，主要包括：直接受外力損壞，如城市建設(shè)頻繁作業(yè)、地下線路管理不善，造成電力電纜外力損傷事故；施工損傷，如電纜彎曲過(guò)度造成絕緣層破損，機(jī)械牽引力過(guò)大使中間接頭拉斷等；外界自然力造成的破壞，如由于土地下沉、滑坡等引起的過(guò)大拉力導(dǎo)致中間接頭或電纜本體的斷裂。

1.2　過(guò)電壓

過(guò)電壓主要分為大氣過(guò)電壓(雷擊)和電纜內(nèi)部過(guò)電壓。一般情況下，對(duì)于有良好絕緣的電纜能承受3~4個(gè)大氣過(guò)電壓或者操作過(guò)電壓，但實(shí)際故障分析表明，許多電纜終端在遭受雷擊時(shí)被擊穿的情況并不少見(jiàn)，也就是說(shuō)電纜超過(guò)所能承受的電壓值而導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。引起這種電纜絕緣擊穿故障主要有以下幾點(diǎn)：電纜屏蔽層內(nèi)部有遺漏或者癥痕；電纜絕緣已經(jīng)嚴(yán)重老化；電纜絕緣層內(nèi)部有雜質(zhì)和氣泡等[3]。

1.3　過(guò)熱

引起電纜過(guò)熱的原因是多方面的，既有內(nèi)因又有外因。內(nèi)因主要是電纜絕緣故障而使內(nèi)部氣隙游離導(dǎo)致局部過(guò)熱。外因主要是電纜長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷工作產(chǎn)生過(guò)熱，如當(dāng)電纜安裝在比較密集的地區(qū)或者電纜隧道等通風(fēng)不良處，都會(huì)使電纜過(guò)熱造成整體絕緣強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致電纜接頭處首先被擊穿；橡塑絕緣電纜因過(guò)熱而引起絕緣材料變質(zhì)、出現(xiàn)裂紋等；油紙電纜因過(guò)熱而引起絕緣干枯，甚至一碰就碎[4]。另外，過(guò)負(fù)荷也會(huì)引起電纜鉛包加速結(jié)晶，致使鉛包損傷。

1.4　絕緣老化

絕緣老化是指絕緣材料使用一定年限后，會(huì)出現(xiàn)絕緣強(qiáng)度下降或者介質(zhì)損耗角增大而導(dǎo)致絕緣崩饋的現(xiàn)象。絕緣老化常見(jiàn)的有熱老化、電氣老化、水樹(shù)枝老化、化學(xué)性老化，還有一些生物老化和機(jī)械老化等。隨著老化程度的不斷加劇，從而引起局部放電現(xiàn)象，最終的發(fā)展趨勢(shì)是絕緣層發(fā)生擊穿。

2電力電纜故障的FMECA分析

2.1　FMECA的原理

FMECA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)的潛在薄弱環(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，以及每個(gè)影響對(duì)系統(tǒng)安全性、任務(wù)成功性、維修及保障性資源等方面帶來(lái)的危害，并根據(jù)危害程度來(lái)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)、危害性分析(CA)兩部分組成。其中，F(xiàn)MEA是分析系統(tǒng)中每個(gè)潛在故障模式及其原因并對(duì)系統(tǒng)可能帶來(lái)的影響，以及將每個(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)故障率數(shù)據(jù)不能確定，在這里主要進(jìn)行定性分析[5]。

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)的概率的大小分為A、B、C、D、E五個(gè)不同等級(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

等級(jí)概率特征發(fā)生概率A高概率20%以上B中等概率10%~20%C不常發(fā)生1%~10%D不大可能發(fā)生0.1%~1%E近乎為零0.1%以下

2.2　FMECA的應(yīng)用

根據(jù)FMECA的工作要點(diǎn)可知，一般需要確定的基本信息有：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。

通過(guò)對(duì)電力電纜的FMECA分析，能夠較為全面地、直接或間接識(shí)別出設(shè)備存在的主要問(wèn)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。圖1為三芯交聯(lián)電纜中間接頭的剝切圖，作為分析的基礎(chǔ)[6]。

圖1　三芯交聯(lián)電纜中間接頭的剝切示意

FMECA分析是一個(gè)反復(fù)迭代，并且需要逐步完善的過(guò)程，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(lái)的影響，并劃分其嚴(yán)重程度，確定故障模式的檢測(cè)方法，確定每個(gè)故障模式相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)或補(bǔ)償措施，制作FMECA分析報(bào)告，將之前歸納和總結(jié)的故障模式、影響和危害性填入表中，便于日后調(diào)查研究工作的開(kāi)展。

對(duì)電纜運(yùn)行故障進(jìn)行FMECA分析，如電纜接頭故障、電纜接地故障和電纜斷線故障等，分別見(jiàn)表2、表3、表4。

表2電纜接頭故障的FMECA分析

故障模式故障原因故障影響嚴(yán)重程度概率等級(jí)線芯拉傷牽引力過(guò)大降低承載能力中等A管壁有氧化層接觸面處理不佳降低電氣性能嚴(yán)重C連接壓力不足接觸面空隙大接觸電阻增大中等B絕緣材料碳化耐熱性能差絕緣失效嚴(yán)重B

表3電纜接地故障的FMECA分析

故障模式故障原因故障影響嚴(yán)重程度概率等級(jí)絕緣嚴(yán)重老化靠近熱源絕緣擊穿嚴(yán)重B銅皮有裂痕外力損傷降低絕緣性能中等A絕緣層有雜質(zhì)線芯絞合不緊降低電氣性能嚴(yán)重C外部有變形絞合不均勻降低機(jī)械性能嚴(yán)重C

表4電纜斷線故障的FMECA分析

故障模式故障原因故障影響嚴(yán)重程度概率等級(jí)單線斷裂接頭脫焊降低承載能力嚴(yán)重C表面劃傷模具不完善降低機(jī)械性能中等C化學(xué)腐蝕酸洗后殘酸降低絕緣強(qiáng)度嚴(yán)重B電氣性能不合格結(jié)構(gòu)不完善降低電氣性能中等C

通過(guò)表2可以看出，電纜接頭發(fā)生故障的概率與制作工藝水平和運(yùn)行環(huán)境有密切關(guān)系，如散熱不好、接觸面處理不佳和牽引力過(guò)大等因素，其中最糟糕影響的就是絕緣失效[7]。通過(guò)表3可以看出，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)造成電纜接地故障的發(fā)生，這是由于電纜長(zhǎng)期過(guò)電壓運(yùn)行或太靠近熱源等因素造成的，進(jìn)一步發(fā)展下去將導(dǎo)致相間短路故障，最終趨勢(shì)為電纜擊穿，其嚴(yán)重程度不言而喻。通過(guò)表4可以看出，電纜斷線故障發(fā)生概率明顯要比前2種故障低很多，發(fā)生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、接頭未輝或脫燥等，而最有可能造成電纜斷線故障發(fā)生的是化學(xué)腐燭，直接導(dǎo)致電績(jī)絕緣強(qiáng)度降低，最終趨勢(shì)為絕緣老化。

3電力電纜故障的防范措施

防范措施是針對(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面采取相應(yīng)的措施，以消除或減輕故障帶來(lái)的影響，進(jìn)而提高設(shè)備的可靠性。通過(guò)對(duì)FMECA表格分析以及出于對(duì)故障的嚴(yán)重程度和概率等級(jí)綜合考慮，最大的故障模式是絕緣材料碳化、絕緣嚴(yán)重老化和化學(xué)腐燭，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的水平，應(yīng)從日常維護(hù)與管理以及制作工藝等方面采取有效的措施加以防范，其主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

a. 定期對(duì)電纜線路保護(hù)區(qū)進(jìn)行檢查和維護(hù)。如電纜線路上的符號(hào)、標(biāo)志是否完整，外露電纜是否有損害或沉降的可能性，電纜線路與鐵路或排水溝交叉處是否有缺陷或未安裝防護(hù)裝置等。

b. 加強(qiáng)對(duì)電纜井、溝和隧道的日常維護(hù)工作。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；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。

c. 對(duì)所有裸露的電纜設(shè)備，根據(jù)其誘蝕程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆栏幚?。?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，科學(xué)合理地調(diào)度，避免電纜超負(fù)荷工作。

d. 加強(qiáng)對(duì)電纜制作工藝的監(jiān)督力度，尤其是對(duì)電纜接頭的制作質(zhì)量。如制作電纜接頭時(shí)，應(yīng)使用專門剝切工具，避免造成內(nèi)部導(dǎo)體損傷而導(dǎo)致斷裂。通過(guò)開(kāi)展操作培訓(xùn)來(lái)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(lái)電纜故障的問(wèn)題。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電力電纜故障產(chǎn)生的原因及其特征進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)，并采用綜合分析方法對(duì)電纜故障進(jìn)行解析，歸納電力電纜故障的影響因素。采用FMECA分析方法對(duì)故障樹(shù)最小割集進(jìn)行了細(xì)化和擴(kuò)展，釆用表格的形式對(duì)每個(gè)故障進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估，并針對(duì)不同故障采取了相應(yīng)的補(bǔ)償措施，有效地預(yù)防重大事故的發(fā)生，為提高系統(tǒng)的可靠性提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]高曉欣. 電力電纜故障分析與探測(cè)[D].濟(jì)南: 山東大學(xué)， 2012.

[2]江日洪. 交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路[M].北京：中國(guó)電力出版社， 2009.

[3]K K Kuan. Real-time expert system for fault location on high voltage underground distribution cables[J]. IEEE Proc-C，1992，39(3): 235-240.

[4]白挺瑋. 中壓電網(wǎng)電纜運(yùn)行方式及故障模型仿真分析[D]. 云南: 昆明理工大學(xué)， 2012.

[5]張棟國(guó). 電纜故障分析與測(cè)試[D].北京: 中國(guó)電力出版社，2005.

[6]王紹印. 故障模式和影響(FEMA)[M]. 廣州: 中山出版社，2003.

[7]楊春宇. 電力電纜故障分析與診斷技術(shù)的研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué)，2013.

本文責(zé)任編輯：齊勝濤