第3课可靠性评估与故障分析

1、3. 电气设备的可靠性电气设备的可靠性及故障分析及故障分析3.1 电气设备可靠性电气设备可靠性3.2 电气设备故障调查电气设备故障调查3.3 设备失效的故障树分析设备失效的故障树分析3.4 以可靠性为中心的维修策略以可靠性为中心的维修策略3.1 电气设备可靠性电气设备可靠性n可靠性定义及其定量描述n可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。n描述可靠性的定量指标：n可靠度n失效率n平均寿命n 可靠度及可靠度函数可靠度及可靠度函数 产品在规定条件规定条件下和规定时间规定时间内，完成规定功能规定功能的概率概率称为可靠度。依定义可知，可靠度函数r(t)为： 00)()(nt

2、rntrn0 0 t =0=0时，在规定条件下进行工作的产品数；r(t)在在0 0到t时刻的工作时间内产品累计故障数n供电可靠率供电可靠率：在给定时间内用户用电需求得到满足的时间百分比。亦即对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数比值的百分数。 供电可靠率供电可靠率=（用户有效供电时间/统计期间时间）100% =（1用户平均停电时间/统计时间）100%n故障率（失效率）故障率（失效率）工作到某时刻尚未故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。有时也称为故障率函数或风险函数.用数学符号表示为： dttntdrts)()()(式中 故障率； )(t)(tdrt 时刻后，

3、 时间内故障的产品数； dt)(tns 残存产品数，即到t 时刻尚未故障的产品数。 分析可知，可靠度函数 、失效率函数之间的关系为：tdttetr0)()( 大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，称之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故障率随时间的变化大致可以分为三个阶段： 平均寿命平均寿命是寿命(无故障工作时间) 的平均值，一般记为mtbf（mean time between failures）。表示无故障工作时间t的期望e (t) 。当产品的可靠度为r(t)时，平均无故障时间可表示为： dttrmtbf0)(n平均寿命平均寿命供电可靠率供电可靠率：在给定时间内用户用电需求得到

4、满足的时间百分比。亦即对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数比值的百分数。用户平均停电分钟数用户平均停电分钟数saidi : 用户持续停电的总分钟数除以用户总数，单位是分钟/(用户年) 用户平均停电次数用户平均停电次数saifi ：用户持续停电的总次数除以用户总数，单位是中断次数/(用户年)n 电力系统常用的描述可靠性的指标： 电气设备的可靠性评估，不仅要对可靠性指标评估，更电气设备的可靠性评估，不仅要对可靠性指标评估，更重要的是找到提高可靠性的途径。因而要对故障或者失效重要的是找到提高可靠性的途径。因而要对故障或者失效的模式、机理和失效原因进行分析。失效模式分析就包括的模式、机理和失效原

5、因进行分析。失效模式分析就包括故障调查，电气设备失效分析最常用的是故障树方法。失故障调查，电气设备失效分析最常用的是故障树方法。失效模式、机理、原因的分析也是设备状态监测、故障诊断效模式、机理、原因的分析也是设备状态监测、故障诊断的主要内容。的主要内容。3.2 电气设备故障调查电气设备故障调查故障设备的故障设备的“病病”诊断诊断确定类型确定类型推测原因预测后果 有关故障的经验数据是人们判断和识别设备故障状态的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

6、究故障诊断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。技术的基础。 为了提高设备故障诊断的水平，需要对设备故障有一个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。有利于阻止人们可能引发故障的过失行为。 全国变压器事故部位分类表全国变压器事故部位分类表 n由于故障发生后几乎所有的证据都不复存在，所以往往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难以根据事故的原始状态准确无误地说明究竟是什

7、么原因使设备损坏的。因此，一般所说电力设备的击穿原因因使设备损坏的。因此，一般所说电力设备的击穿原因往往是一种推测往往是一种推测 。 n设备故障与生产工艺和运行环境密切相关，由于不同时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类型也在逐渐变化 。我国电力变压器主要故障类型演变我国电力变压器主要故障类型演变 3.3 设备失效的故障树分析（设备失效的故障树分析（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

8、为进一步研究的重点。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（故障树分析方法（fault tree analysis）简称）简称fta法。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。细化的分析方法。3.3.1 故障树的建树故障树的建树 通常采用演绎法建立故障树：通常采用演绎法建立故障树：n 首先将威胁设备安全运行需尽快安排检修首先将威胁设备安全运行需尽快安排检修的情况作为的情况作为顶故障顶故障。n 导致顶故障发生的导致顶故障发生的中间级故障中间级故障是按设备是按设备主要组件故障划分的。主要组件故障划分的

9、。n 进一步根据故障间的因果关系，可以分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别找出导致中间级故障的更基本的故障原因底故障底故障。或门或门 与门与门 3.3.2 故障树分析的数学模型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。树进行定性和定量分析的基础。取值 含义底事件0事件不发生1事件发生顶事件0事件不发生1事件发生 故障树可用布尔函数故障树可用布尔函数,即结构函数来表示即结构函数来表示 t (x) = t (x1, x2, , xn) 考虑由考虑由n个不同

10、的独立底事件个不同的独立底事件构成的故障树，化简后的故障树构成的故障树，化简后的故障树之顶事件的状态之顶事件的状态 完全由底事件完全由底事件的状态的状态xi (i=1，2，n) 的取值所的取值所决定决定(共共2n个状态个状态) tx1xixn.tx1xixn.与门与门结构故障树结构故障树 或门或门结构故障树结构故障树 ),min()(211ninixxxxx与门与门结构函数为结构函数为 或门或门结构函数为结构函数为 当全部底事件都发生当全部底事件都发生(即全即全部部xi都取值都取值1)时，则顶事件才时，则顶事件才发生（发生（(x)1）。）。 当系统中任一个底事件发当系统中任一个底事件发生时，则

11、顶事件发生。生时，则顶事件发生。 ),max()(211ninixxxxx割集割集 设故障树由设故障树由n个基本事件个基本事件x1, x2, , xn组成组成,而而ci =xi1 , xi2， , xim为任一故障事件集合，如果为任一故障事件集合，如果ci中每一中每一事件都发生时，顶事件就发生，则称事件都发生时，顶事件就发生，则称ci为故障树的割集。为故障树的割集。最小割集最小割集 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。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

12、模式。而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。薄弱环节。 故障树的结构函数则可表示为故障树的结构函数则可表示为s=1 i cskt (x) = u xi3.3.3 故障树分析故障树分析 定性分析主要对原始故障树进行化简并得到其最小割集。定性分析主要对原始故障树

13、进行化简并得到其最小割集。 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，也即弄清系统式，也即弄清系统( (或设备或设备) )出现某种最不希望的故障事件出现某种最不希望的故障事件有多少种可能性。有多少种可能性。 n故障树的定性分析故障树的定性分析t (x) = x1x2x2x3+x1x3+x1x2x3 = x1x2x2x3+x1x3n故障树的定量分析故障树的定量分析 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。靠割集内的事件是系统的最薄弱环节。 故障树定量

14、分析包括顶事件的概率和重要度分析。故障树定量分析包括顶事件的概率和重要度分析。 重要度是一个设备的割集发生故障或失效时对整个设重要度是一个设备的割集发生故障或失效时对整个设备（顶事件）发生概率的贡献。备（顶事件）发生概率的贡献。3.4 3.4 以可靠性为中心的维修策略以可靠性为中心的维修策略 维修和运行是电气设备两个重要的方面维修和运行是电气设备两个重要的方面, , 我国电气设备我国电气设备传统的检修方式是定期检修传统的检修方式是定期检修, ,定期检修只依据时间而不依据设定期检修只依据时间而不依据设备技术状况来界定是否需要检修备技术状况来界定是否需要检修, ,会导致过度检修或检修不及会导致过度

15、检修或检修不及时时, ,检修成本高检修成本高, ,浪费劳动力。浪费劳动力。 国际上发达国家的经验和发展趋势表明，以可靠性为中心国际上发达国家的经验和发展趋势表明，以可靠性为中心的维修的维修(rcm) (rcm) 已在航空设备及军事装备维修领域得到了应用已在航空设备及军事装备维修领域得到了应用, ,效果显著。这种检修策略充分考虑设备的效果显著。这种检修策略充分考虑设备的状态状态、设备在电网中、设备在电网中的的重要性重要性、维修费用维修费用等等, ,在可靠性与维修费用之间寻求平衡，在可靠性与维修费用之间寻求平衡，以期用最小的维修成本来保证电气设备的可靠性。以期用最小的维修成本来保证电气设备的可靠性

16、。3.4.1 可靠性为中心维修的原理可靠性为中心维修的原理 rcmrcm（reliability centered maintenancereliability centered maintenance）是以最少的资源）是以最少的资源消耗保持设备固有可靠性和安全性的原则消耗保持设备固有可靠性和安全性的原则, ,应用逻辑决断方法应用逻辑决断方法确定设备预防性维修的过程或方法。它强调以设备的可靠性、确定设备预防性维修的过程或方法。它强调以设备的可靠性、设备的故障后果作为制定维修策略的主要依据。设备的故障后果作为制定维修策略的主要依据。 rcmrcm基本思路是基本思路是: :由设备功能与故障分析明确

17、设备各故障后果由设备功能与故障分析明确设备各故障后果, ,以规范化的逻辑决断程序确定各故障后果的预防性对策以规范化的逻辑决断程序确定各故障后果的预防性对策, ,用现用现场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安全性场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安全性和完好性的前提下和完好性的前提下, ,以最小维修停机损失和最小维修资源消耗以最小维修停机损失和最小维修资源消耗为目标为目标, ,优化设备的维修策略。优化设备的维修策略。 3.4.2 可靠性为中心的检修策略决策步骤可靠性为中心的检修策略决策步骤rcm rcm 策略决策步骤为策略决策步骤为: : n 建立设备状态分析模型建立设

18、备状态分析模型, ,分析设备状态。分析设备状态。通过对设备的运行和维修历史数据、缺陷情况的整理和分析通过对设备的运行和维修历史数据、缺陷情况的整理和分析, ,在设备预防性试验规程、各类行业标准的基础上评估设备状在设备预防性试验规程、各类行业标准的基础上评估设备状态。态。n 对设备可用率和安全性两个影响重要度评级对设备可用率和安全性两个影响重要度评级, ,分析设备功能、分析设备功能、故障模式、故障后果故障模式、故障后果(ffmea) ,(ffmea) ,确定设备在电网的重要性。确定设备在电网的重要性。n 通过逻辑判断制定维修计划。通过逻辑判断制定维修计划。 rcm rcm 策略决策具体完成以下问题，来完成检修策略策略决策具体完成以下问题