電氣設(shè)備故障診斷概論課件：第3課 故障調(diào)查與分析

1、故障調(diào)查與分析Fault Survey and Analysis故障設(shè)備的“病”=診斷確定類型推測原因預(yù)計后果 診斷最基本的功能就是對未知故障的分類問題。 為了提高設(shè)備故障診斷的水平，需要對設(shè)備故障有一個系統(tǒng)的認(rèn)識，這不僅有助于預(yù)防自然發(fā)生的故障，同時也有利于阻止人們可能引發(fā)故障的過失行為。 有關(guān)故障的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是人們判斷和識別設(shè)備故障狀態(tài)的重要依據(jù)，如果缺乏具有本質(zhì)意義的典型故障信息，則無法得到正確的診斷知識。所以典型故障的是研究故障診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。 故障調(diào)查設(shè)備部件A部件B 零件 1零件 2 故障分析故障機(jī)理性分析故障統(tǒng)計性分析 設(shè)備故障總是由基本的部件故障引起的，如何將設(shè)備的整體故障與局部

2、的零部件故障聯(lián)系起來，是故障分析的關(guān)鍵。 現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)尤為重要，因?yàn)槭窃趯?shí)際使用的條件下獲得的，其結(jié)果遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果含有更多的信息。 法國電氣公司以3500倍的出廠價格收購用戶的失效集成芯片。全國變壓器事故部位分類表 從現(xiàn)場收集的大量故障數(shù)據(jù)與資料大多數(shù)是分散和無規(guī)律的。由于故障發(fā)生后幾乎所有的證據(jù)都不復(fù)存在，所以往往難以根據(jù)事故的原始狀態(tài)準(zhǔn)確無誤地說明究竟是什么原因使設(shè)備損壞的。因此，一般所說電力設(shè)備的擊穿原因往往是一種推測 。現(xiàn)場人員的錯誤紀(jì)錄。設(shè)備故障與生產(chǎn)工藝和運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)，由于不同時期設(shè)計的設(shè)備結(jié)構(gòu)不同，所以引發(fā)設(shè)備事故的主要故障類型也在逐漸變化 。我國電力變壓器主要故障類

3、型演變 主次圖法直方圖法故障統(tǒng)計分析法主次圖法 原則上，設(shè)備的所有這些組、部件都有可能發(fā)生故障，但其發(fā)生的概率差異很大，為了保證分析的有效性，我們將研究的范圍限制在較為常見的故障類型上。 主次圖法又稱巴雷特圖法或排列圖法，是根據(jù)故障調(diào)查結(jié)果，分析產(chǎn)品故障主要原因和主要故障模式的有效方法。發(fā)動機(jī)故障概率統(tǒng)計表相對頻數(shù)(%)故障模式發(fā)動機(jī)故障主次圖一般情況下,主次圖中主導(dǎo)因素 占累計相對故障率 0 80%的因素主要因素 占累計相對故障率80 90%的因素次要因素 占累計相對故障率90 100%的因素直方圖法 氫含量總烴含量（ppm）（ppm）臺次臺次油中溶解氣體含量分布 油中溶解氣體的注意值標(biāo)準(zhǔn)：

4、 總烴含量150 ppm (體積分?jǐn)?shù)) H2含量150 ppm C2H2含量5 ppm 失效模式、影響和危害度分析法 世界上沒有永恒的事物，更沒有絕對的可靠性，所有系統(tǒng)最終都將失效。因此更應(yīng)關(guān)注的是如何使失效頻率及損失降低到在經(jīng)濟(jì)上和社會影響上可接受的范圍之內(nèi)。這是比所謂 “無風(fēng)險”、“無事故”之類政治口號更為現(xiàn)實(shí)和合理的目標(biāo)。 失效模式、影響和危害度分析法簡稱FMECA（英文全稱）方法。FMECA故障模式分析（FMA）故障影響分析（ FEA）故障后果分析（FCA）FMECA分析的方法和步驟（一）擬定有效的故障數(shù)據(jù)收集計劃明確用途確定和培訓(xùn)數(shù)據(jù)員（二）系統(tǒng)功能邏輯分析明確定義系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)建立

5、系統(tǒng)的功能邏輯圖（三）FMECA的定性分析 FMECA通常是利用表格進(jìn)行分析的，國際電工委員會IEC的“系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)工作組”規(guī)定了FMECA最低限度內(nèi)容：1）各部件功能簡述2）列出每個部件的可能失效模式3）列出所有失效模式對系統(tǒng)工作的各種影響4）列出每一種失效模式發(fā)生的各種誘因5）估計每一種失效模式發(fā)生的概率6）列出抑制失效模式發(fā)生的各種措施。資料一般來源1. 系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)性能2. 系統(tǒng)/子系統(tǒng)/部件的功能3. 環(huán)境條件4. 系統(tǒng)/子系統(tǒng)/部件的故障模式5. 每種故障模式發(fā)生的概率系統(tǒng)的任務(wù)說明書，技術(shù)分析報告。設(shè)計圖、系統(tǒng)功能圖。系統(tǒng)使用說明書。型式試驗(yàn)報告、可靠性指標(biāo)分析。相關(guān)產(chǎn)品

6、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)。FMECA不同階段的資料來源分析等級表 故障樹分析（FTA） 如何對這些故障進(jìn)行歸納和組織，以便更清晰地反映故障間的因果關(guān)系。成為進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。 故障樹分析方法（Fault Tree Analysis）簡稱FTA法。是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐級細(xì)化的分析方法。（一）故障樹建樹方法 通常采用演繹法建立故障樹，首先將威脅設(shè)備安全運(yùn)行需盡快安排檢修的情況作為頂故障。導(dǎo)致頂故障發(fā)生的中間級故障是按變壓器主要組件故障劃分的。 進(jìn)一步根據(jù)故障間的因果關(guān)系，可以分別找出導(dǎo)致中間級故障的更基本的故障原因，因而形成一系列故障子樹。（二）故障樹的節(jié)點(diǎn)符號頂事件 由

7、其它事件組合形成的事件，并且該事件是FTA最關(guān)心的位于故障樹頂端的事件。 底事件 不能再分解或無需再進(jìn)一步分析的事件，它總是某個邏輯門的輸入事件而不是輸出事件。 中間事件 由其它事件組合形成的事件，但位于頂事件和底事件之間的事件。 （三）故障樹的邏輯關(guān)系符號或門 至少一個輸入事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生。 與門 僅當(dāng)所有輸入事件都發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生。 禁門 如限制條件不成立，任何輸入都無輸出。異或門 兩個輸入事件中僅有一個發(fā)生，輸出事件才發(fā)生。 表決門 n個輸入中有m個同時發(fā)生，輸出事件才發(fā)生。 故障樹分析的數(shù)學(xué)模型 故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)是故障樹的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是對故障樹進(jìn)行定性和定量分析的基礎(chǔ)

8、。 考慮由n個不同的獨(dú)立底事件構(gòu)成的故障樹，化簡后的故障樹之頂事件的狀態(tài) 完全由底事件的狀態(tài)Xi (i=1，2，n) 的取值所決定(共2n個狀態(tài)) Xi =0 , 表示故障事件i不發(fā)生1 , 表示故障事件i發(fā)生 (X) =0 , 表示頂事件不發(fā)生1 , 表示頂事件發(fā)生 故障樹可用布爾函數(shù),即結(jié)構(gòu)函數(shù)來表示 (X) = (X1, X2, , Xn) 與門結(jié)構(gòu)故障樹 或門結(jié)構(gòu)故障樹 與門結(jié)構(gòu)函數(shù)為 或門結(jié)構(gòu)函數(shù)為 當(dāng)全部底事件都發(fā)生(即全部xi都取值1)時，則頂事件才發(fā)生（(X)1）。 當(dāng)系統(tǒng)中任一個底事件發(fā)生時，則頂事件發(fā)生。 割集 設(shè)故障樹由n個基本事件X1, X2, , Xn組成,而Ci =

9、Xi1 , Xi2， , Xim為任一故障事件集合，如果Ci中每一事件都發(fā)生時，頂事件就發(fā)生，責(zé)稱Ci為故障樹的割集。最小割集 在割集中存在一種割集，如任意去掉其中一個底事件后，便不再是割集，則這種割集被稱為最小割集。 割集代表了系統(tǒng)故障發(fā)生的一種可能模式。而最小割集則表征了系統(tǒng)故障的充分必要條件，它是導(dǎo)致故障樹頂事件發(fā)生的數(shù)目最少而又最必要的底事件的集合。其意義在于它能描述系統(tǒng)故障時所必須要修理的基本故障，代表系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。 故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)則可表示為s=1iCsK (X) = U Xi故障樹分析的定性分析 故障樹的定性分析，主要是對原始故障樹進(jìn)行化簡并得到其最小割集的過程。 主要目的是

10、為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，也即弄清系統(tǒng)(或設(shè)備)出現(xiàn)某種最不希望的故障事件有多少種可能性。 礦業(yè)配電系統(tǒng)1. 2 電力變壓器 3.4 下井電纜5 分段開關(guān)x1x3x4x2x5等效網(wǎng)絡(luò)x1x3x4x2x5等效網(wǎng)絡(luò)故障樹節(jié)點(diǎn)1-2-4間不通節(jié)點(diǎn)1-3-4間不通節(jié)點(diǎn)2-4和2-3-4間不通節(jié)點(diǎn)3-4和3-2-4間不通節(jié)點(diǎn)2-3-4間不通節(jié)點(diǎn)3-2-4間不通故障樹最小割集的求解上行算法下行算法一、上行算法D = X4+X5C = X3 (X4+X5)B = X1+ C = X1+X3X4+X3X5G = X3+X5F = X4 (X3+X5)E = X2+ C = X2+X3X4+X

11、4X5 (X) = A = BE = (X2+X3X4+X4X5) (X1+X3X4+X3X5) = X1 X2+ X1 X3X4 + X1 X4X5+X2X3X4 +X3X4 + X3X4X5 + X2X3X5 + X3X4X5 = X1 X2+ (1 + X1 + X2 + X5 )X3X4 + X2X3X5 + X1 X4X5 = X1 X2+ X3X4 + X2X3X5 + X1 X4X5 (X) = X1 X2+ X3X4 + X2X3X5 + X1 X4X5 因此該故障樹存在4個最小割集： C1=X1 , X2 C2=X3 , X4 C3=X2 , X3 , X5 C4=X1 ,

12、X4 , X5x1x3x4x2x52 下行算法A = B E 邏輯“或” 增加割集的數(shù)目,邏輯“與” 增大割集的容量。X1CX2FX1X3DX2X4GX1X3X4X2X4 X3X3X5X4 X5= X1 X2+ X1 X3X4 + X1X4X5+ X2X3X4 + X3X4 +X3X4X5 +X2X3X5 + X3X4X5 令每一個基本事件對應(yīng)一個素數(shù)ni，則割集對應(yīng)數(shù)為割集中相應(yīng)基本事件對應(yīng)數(shù)的乘積，將所有割集對應(yīng)數(shù)按大小排列N1,N2, ,Nn,將這些數(shù)彼此相除。若能被整除者，就非最小割集，應(yīng)被舍去；留下不能被整除的，則為最小割集。 如令 X1 = 2，X2 = 3 ，X3 = 5，X4

13、= 7，X5 = 11。 則 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 因此可得出故障樹的4個最小割集： C1=X1 , X2 C2=X3 , X4 C3=X2 , X3 , X5 C4=X1 , X4 , X5x1x3x4x2x5故障樹的定量分析 發(fā)生概率最大的割集是最不可靠割集，包含在最不可靠割集內(nèi)的事件是系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。 故障樹定量分析的任務(wù)，是計算基

14、本事件和頂事件的概率，并以此評價各基本事件對頂事件的影響程度,x1x3x4x2x5p1=0.99p2=0.99p3=0.95p4=0.95p5=0.90各基本事件發(fā)生的概率為q1=q2=1-0.99=0.01q3=q4=1-0.95=0.05q5=1-0.90=0.1頂事件發(fā)生的概率為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) =0.0027 Q2 = P(Ci) = P(C1 C2) + P(C2

15、 C3) + P(C3 C4) + P(C1 C3)+ P(C1 C4)+ P(C2 C4) =0.0000038 可見, Q1 Q2 Q3 Q4 所以, 一般取QT= Q1已足夠精確了 最小割集故障概率計算 求最不可靠割集，尋找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。QC1 = P(X1 X2) = q1q2=0.0001QC2 = P(X3 X4) = q3q4=0.0025QC2 = P(X1 X4 X5) = q1 q4q5 =0.00005QC2 = P(X2 X3 X5) = q2 q3q5=0.00005 僅從系統(tǒng)組件的角度看，聯(lián)絡(luò)開關(guān)5的故障率遠(yuǎn)高于其他部分，但因其導(dǎo)致的礦井停電概率卻非常小。 割集C2

16、的概率最大,所包含的事件X3 和X4是下井電纜，是該系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)充分重視和加強(qiáng)維修、監(jiān)測工作。 故障樹的擴(kuò)展應(yīng)用 故障樹不僅是分析系統(tǒng)可靠性的有力工具，它的應(yīng)用領(lǐng)域還可以向故障診斷方向拓展。 故障樹是一個描述故障因果關(guān)系的良好模型，體現(xiàn)了故障的層次和發(fā)展特性，由故障成因和后果的關(guān)系形成一連串的因果鏈，加之一因多果或一果多因情況的存在，就構(gòu)成了 “因果樹”或 “因果網(wǎng)”，這就是基于故障樹診斷的依據(jù)。 正向預(yù)測 在全部或部分因果鏈中，凡屬于“由因求果”的就是正問題，對應(yīng)故障樹由下而上的逆向搜索。是分析由已知原因?qū)⒖赡軐?dǎo)致什么樣的系統(tǒng)狀態(tài)(通常是系統(tǒng)故障狀態(tài))的過程，是對系統(tǒng)狀態(tài)或故障發(fā)展可能性的估計，如事件樹分析就是解決這類問題的一種方法，屬于