电气设备在线监测与故障诊断-第6章1.ppt

1、电气设备在线监测与故障诊断Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Equipment,第六章： 故障分析与模型的建立,故障,设备的“病”,=,诊断,确定类型,推测原因,预计后果,实施在线监测的第一步,设备的组件多种多样，而设备的故障千差万别。我们不可能对所有的可能发生故障的组件，都进行检测。,如何对设备关键部位实施有针对性地监测，是成功的关键。,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。,

2、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。,法国电气公司曾以3500倍的出厂价格收购用户的失效集成芯片。,19831991年大连电力局对线路绝缘子共测111万片次，共发现414片

3、零值，平均劣化率很低；而且从未发现过同一绝缘子串中同时有两片零值的。,这样情况下，是否还需每年进行普测？,1997年至今，某市电力局对变压器油做过简化试验30多万份，共发现酸价不合格的情况4份、闪点不合格的1份。,这些试验项目的有效性如何？,某电力局对继电保护装置动作情况的统计见表。 19821998年,那么是否还要对不同电压等级的继电保护装置沿用相同的检修周期？,沿海城市对7回66kV线路进行了自然积污研究，每个季度进行盐密测量，结果7年没有一条回路发生过污闪，而且从盐密看，旱季积污增多、雨季结束几乎清零，并不存在年度累积效应。 因此对一般污秽地区的线路是否需要每两年都进行清扫工作？,从现场

4、收集的大量故障数据与资料大多数是分散和无规律的。,故障数据统计的困难,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 。,现场人员的错误记录。,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,寻找问题的薄弱环节 1 分析系统中最需要监测的设备,进行故障分析的目的,1998年全国主要电力设备非计划停运情况,寻找问题的薄弱环节 1 分析系统中最需要监测的设备,进行故障分析的目的,2 分析

5、设备最需要监测的环节,3 提出最有效的监测项目。,全国变压器事故部位分类表,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，为了保证在线监测和故障诊断的有效性，我们需要将分析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,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

6、%的因素,直方图法,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150 ppm (体积分数) H2含量150 ppm C2H2含量5 ppm,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）

7、,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。,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

8、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（Fault Tree Analysis）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设备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

9、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。,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

10、=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),与门结构故障树,或门结构故障树,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（(X)1）。,当系统中任一个底事件发生时，则顶事件发生。,故障树的结构函数则可表示为,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

11、Ci中每一事件都发生时，顶事件就发生，则称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处理的基本故障，代表系统中的薄弱环节。 故障树的结构函数则可表示为,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

12、事件有多少种可能性。,矿业配电系统,1. 2 电力变压器 3.4 下井电缆 5 分段开关,等效网络,故障树最小割集的求解,上行算法 下行算法,一、上行算法,D = X4+X5 C = X3 (X4+X5) B = X1+ C = X1+X3X4+X3X5,G = X3+X5 F = X4 (X3+X5) E = X2+ F = X2+X3X4+X4X5, (X) = A = BE = (X2+X3X4+X4X5) (X1+X3X4+X3X5) = X1 X2+ X1 X3X4 + X1 X4X5+X2X3X4 +X3X4 + X3X4X5 + X2X3X5 + X3X4X5 = X1 X2+

13、(1 + X1 + X2 + X5 )X3X4 + X2X3X5 + X1 X4X5 = X1 X2+ X3X4 + X2X3X5 + X1 X4X5, (X) = X1 X2+ X3X4 + X2X3X5 + X1 X4X5,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 , X5,2 下行算法,A = B E,逻辑“或” 增加割集的数目,逻辑“与” 增大割集的容量。,= X1 X2+ X1 X3X4 + X1X4X5+ X2X3X4 + X3X4 +X3X4X5 +X2X3X5 + X3X4X5,令每一个基本

14、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,令每一个基本事件对应一个素数

15、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,令每一个基本事件对应一个素数ni，则割集对应

16、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

17、=X3 , X4,C3=X2 , X3 , X5,C4=X1 , X4 , X5,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,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) =0.0027,Q2 = P(Ci) = P(C1 C2) +

18、 P(C2 C3) + P(C3 C4) + P(C1 C3)+ P(C1 C4)+ P(C2 C4) =0.0000038,可见, Q1 Q2 Q3 Q4,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(X1 X2) = q1q2=0.0001 QC2 = P(X3 X4) = q3q4=0.0025 QC3 = P(X1 X4 X5) = q1 q4q5 =0.00005 QC4 = P(X2 X3 X5) = q2 q3q5=0.00005,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(X1 X2) = q1q2=0.0001 QC2 = P(X3 X4) = q3q4=0.0025 QC3 = P(X1 X4 X5) = q1 q4q5 =0.00005 QC4 = P(X2 X3 X5) = q2 q3q5=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。,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