第3课-电气设备在线监测与故障诊断

故障调查分析FaultSurveyAnalysis故障设备的“病”=诊断确定类型推测原因预计后果诊断最基本的功能就是对未知故障的分类问题。为了提高设备故障诊断的水平，需要对设备故障有一个系统的认识，这不仅有助于预防自然发生的故障，同时也有利于阻止人们可能引发故障的过失行为。有关故障的经验数据是人们判断和识别设备故障状态的重要依据，如果缺乏具有本质意义的典型故障信息，则无法得到正确的诊断知识。所以典型故障的是研究故障诊断技术的基础。故障调查设备部件A部件B•••零件1零件2•••故障分析故障机理性分析故障统计性分析设备故障总是由基本的部件故障引起的，如何将设备的整体故障与局部的零部件故障联系起来，是故障分析的关键。现场故障数据尤为重要，因为是在实际使用的条件下获得的，其结果远比实验室试验的结果含有更多的信息。法国电气公司以3500倍的出厂价格收购用户的失效集成芯片。全国变压器事故部位分类表从现场收集的大量故障数据与资料大多数是分散和无规律的。由于故障发生后几乎所有的证据都不复存在，所以往往难以根据事故的原始状态准确无误地说明究竟是什么原因使设备损坏的。因此，一般所说电力设备的击穿原因往往是一种推测。现场人员的错误纪录。设备故障与生产工艺和运行环境密切相关，由于不同时期设计的设备结构不同，所以引发设备事故的主要故障类型也在逐渐变化。我国电力变压器主要故障类型演变主次图法直方图法故障统计分析法主次图法原则上，设备的所有这些组、部件都有可能发生故障，但其发生的概率差异很大，为了保证分析的有效性，我们将研究的范围限制在较为常见的故障类型上。主次图法又称巴雷特图法或排列图法，是根据故障调查结果，分析产品故障主要原因和主要故障模式的有效方法。发动机故障概率统计表123456780102030405060708090100相对频数%故障模式02468020406080100相对频数(%)故障模式发动机故障主次图一般情况下,主次图中主导因素——占累计相对故障率0~80%的因素主要因素——占累计相对故障率80~90%的因素次要因素——占累计相对故障率90~100%的因素直方图法240020001600120080040000300200100004008001200160020002400285024502050165012508504505030020010003002001000050010001500200025003000氢含量总烃含量（ppm）（ppm）台次台次油中溶解气体含量分布油中溶解气体的注意值标准：总烃含量150ppm(体积分数)H2含量150ppmC2H2含量5ppm失效模式、影响和危害度分析法世界上没有永恒的事物，更没有绝对的可靠性，所有系统最终都将失效。因此更应关注的是如何使失效频率及损失降低到在经济上和社会影响上可接受的范围之内。这是比所谓“无风险”、“无事故”之类政治口号更为现实和合理的目标。失效模式、影响和危害度分析法简称FMECA（英文全称）方法。FMECA故障模式分析（FMA）故障影响分析（FEA）故障后果分析（FCA）FMECA分析的方法和步骤（一）拟定有效的故障数据收集计划明确用途确定和培训数据员（二）系统功能逻辑分析明确定义系统的各个环节建立系统的功能逻辑图（三）FMECA的定性分析FMECA通常是利用表格进行分析的，国际电工委员会IEC的“系统可靠性分析技术工作组”规定了FMECA最低限度内容：1）各部件功能简述2）列出每个部件的可能失效模式3）列出所有失效模式对系统工作的各种影响4）列出每一种失效模式发生的各种诱因5）估计每一种失效模式发生的概率6）列出抑制失效模式发生的各种措施。资料一般来源1.系统功能和结构性能2.系统/子系统/部件的功能3.环境条件4.系统/子系统/部件的故障模式5.每种故障模式发生的概率系统的任务说明书，技术分析报告。设计图、系统功能图。系统使用说明书。型式试验报告、可靠性指标分析。相关产品运行经验数据、专家经验。FMECA不同阶段的资料来源分析等级表故障树分析（FTA）如何对这些故障进行归纳和组织，以便更清晰地反映故障间的因果关系。成为进一步研究的重点。故障树分析方法（FaultTreeAnalysis）简称FTA法。是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法。（一）故障树建树方法通常采用演绎法建立故障树，首先将威胁设备安全运行需尽快安排检修的情况作为顶故障。导致顶故障发生的中间级故障是按变压器主要组件故障划分的。进一步根据故障间的因果关系，可以分别找出导致中间级故障的更基本的故障原因，因而形成一系列故障子树。（二）故障树的节点符号顶事件由其它事件组合形成的事件，并且该事件是FTA最关心的位于故障树顶端的事件。底事件不能再分解或无需再进一步分析的事件，它总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件。中间事件由其它事件组合形成的事件，但位于顶事件和底事件之间的事件。（三）故障树的逻辑关系符号或门至少一个输入事件发生时，输出事件才发生。与门仅当所有输入事件都发生时，输出事件才发生。禁门如限制条件不成立，任何输入都无输出。异或门两个输入事件中仅有一个发生，输出事件才发生。表决门n个输入中有m个同时发生，输出事件才发生。条件m故障树分析的数学模型故障树的结构函数是故障树的数学表达式，它是对故障树进行定性和定量分析的基础。考虑由n个不同的独立底事件构成的故障树，化简后的故障树之顶事件的状态完全由底事件的状态Xi(i=1，2，…n)的取值所决定(共2n个状态)Xi=0,表示故障事件i不发生1,表示故障事件i发生(X)=0,表示顶事件不发生1,表示顶事件发生故障树可用布尔函数,即结构函数来表示(X)=(X1,X2,•••,Xn)Tx1xixn......Tx1xixn......与门结构故障树或门结构故障树),,min()(211ninixxxxX),,max()(211ninixxxxX与门结构函数为或门结构函数为当全部底事件都发生(即全部xi都取值1)时，则顶事件才发生（Φ(X)＝1）。当系统中任一个底事件发生时，则顶事件发生。割集设故障树由n个基本事件X1,X2,•••,Xn组成,而Ci={Xi1,Xi2，•••,Xim}为任一故障事件集合，如果Ci中每一事件都发生时，顶事件就发生，责称Ci为故障树的割集。最小割集在割集中存在一种割集，如任意去掉其中一个底事件后，便不再是割集，则这种割集被称为最小割集。割集代表了系统故障发生的一种可能模式。而最小割集则表征了系统故障的充分必要条件，它是导致故障树顶事件发生的数目最少而又最必要的底事件的集合。其意义在于它能描述系统故障时所必须要修理的基本故障，代表系统中的薄弱环节。故障树的结构函数则可表示为s=1iCsK(X)=UXi故障树分析的定性分析故障树的定性分析，主要是对原始故障树进行化简并得到其最小割集的过程。主要目的是为了找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，也即弄清系统(或设备)出现某种最不希望的故障事件有多少种可能性。2135kV母线3456kV母线6kV分段母线矿业配电系统1.2—电力变压器3.4—下井电缆5—分段开关1234x1x3x4x2x5等效网络2135kV母线3456kV母线6kV分段母线1234x1x3x4x2x5等效网络故障树节点1-2-4间不通节点1-3-4间不通AEBx1Cx3Dx4x5x2Fx4Gx3x5节点2-4和2-3-4间不通节点3-4和3-2-4间不通节点2-3-4间不通节点3-2-4间不通故障树最小割集的求解上行算法下行算法一、上行算法AEBx1Cx3Dx4x5x2Fx4Gx3x5D=X4+X5C=X3(X4+X5)B=X1+C=X1+X3X4+X3X5G=X3+X5F=X4(X3+X5)E=X2+C=X2+X3X4+X4X5(X)=A=B•E=(X2+X3X4+X4X5)•(X1+X3X4+X3X5)=X1X2+X1X3X4+X1X4X5+X2X3X4+X3X4+X3X4X5+X2X3X5+X3X4X5=X1X2+(1+X1+X2+X5)X3X4+X2X3X5+X1X4X5=X1X2+X3X4+X2X3X5+X1X4X5(X)=X1X2+X3X4+X2X3X5+X1X4X5因此该故障树存在4个最小割集：C1={X1,X2}C2={X3,X4}C3={X2,X3,X5}C4={X1,X4,X5}1234x1x3x4x2x52下行算法AEBx1Cx3Dx4x5x2Fx4Gx3x5A=BE逻辑“或”增加割集的数目,逻辑“与”增大割集的容量。X1CX2FX1X3DX2X4GX1X3X4X2X4X3X3X5X4X5=X1X2+X1X3X4+X1X4X5+X2X3X4+X3X4+X3X4X5+X2X3X5+X3X4X5令每一个基本事件对应一个素数ni，则割集对应数为割集中相应基本事件对应数的乘积，将所有割集对应数按大小排列N1,N2,•••,Nn,将这些数彼此相除。若能被整除者，就非最小割集，应被舍去；留下不能被整除的，则为最小割集。如令X1=2，X2=3，X3=5，X4=7，X5=11。则C1={X1,X2}=6，C2={X3,X4}=35，C5={X1,X3,X4}=70,C6={X2,X3,X4}=105,C4={X1,X4,X5}=154，C3={X2,X3,X5}=165，C7={X3,X4,X5}=385因此可得出故障树的4个最小割集：C1={X1,X2}C2={X3,X4}C3={X2,X3,X5}C4={X1,X4,X5}1234x1x3x4x2x5故障树的定量分析发生概率最大的割集是最不可靠割集，包含在最不可靠割集内的事件是系统的最薄弱环节。故障树定量分析的任务，是计算基本事件和顶事件的概率，并以此评价各基本事件对顶事件的影响程度,1234x1x3x4x2x5p1=0.99p2=0.99p3=0.95p4=0.95p5=0.90各基本事件发生的概率为q1=q2=1-0.99=0.01q3=q4=1-0.95=0.05q5=1-0.90=0.1顶事件发生的概率为QT=P{(X)=1}=P(Ci)-P(Ci,Cj)+P(Ci,Cj,Ck)-P(Ci)+•••=Q1-Q2+Q3-Q4+•••Q1=P(Ci)=P(C1)+P(C2)+P(C3)+P(C4)=0.0027Q2=P(Ci)=P(C1C2)+P(C2C3)+P(C3C4)+P(C1C3)+P(C1C4)+P(C2C4)=0.0000038可见,Q1Q2Q3Q4所以,一般取QT=Q1已足够精确了最小割集故障概率计算求最不可靠割集，寻找系统薄弱环节。QC1=P(X1X2)=q1•q2=0.0001QC2=P(X3X4)=q3•q4=0.0025QC2=P(X1X4X5)=q1•q4•q5=0.00005QC2=P(X2X3X5)=q2•q3•q5=0.00005仅从系统组件的角度看，联络开关5的故障率远高于其他部分，但因其导致的矿井停电概率却非常小。割集C2的概率最大,所包含的事件X3和X4是下井电缆，是该系统的最薄弱环节。应充分重视和加强维修、监测工作。2135kV母线3456kV母线6kV分段母线故障树的扩展应用故障树不仅是分析系统可靠性的有力工具，它的应用领域还可以向故障诊断方向拓展。故障树是一个描述故障因果关系的良好模型，体现了故障的层次和发展特性，由故障成因和后果的关系形成一连串的因果链，加之一因多果或一果多因情况的存在，就构成了“因果树”或“因果网”，这就是基于故障树诊断的依据。放电性故障存在异常待诊断设备正常老化氢气主导型故障局部放电受潮不涉及固体绝缘放电涉及固体绝缘电路故障磁路故障围屏放电匝间短路引线、绕组放电悬浮放电有载分接开关箱漏油油流带电过热性故障分接故障绕组引线接触不良绕组冷却不良铁芯故障漏磁正向预测在全部或部分因果链中，凡属于“由因求果”的就是正问题，对应故障树由下而上的逆向搜索。是分析由已