基于故障树分析法的架空输电线路故障原因研究

陈 维，张力广，许维忠

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002；2.宜昌电力勘测设计院，湖北宜昌443002）

0 引 言

故障树分析法（Fault Tree Analysis）简称FTA，始于20世纪60年代的美国，主要用于对发电机组或变压器进行故障评估，己经取得了良好的成果。故障树分析法现己成为分析各种复杂系统可靠性的重要方法和有效工具［1］。

故障树分析法（FTA）是指通过对所有可能造成系统故障的各种原因进行分析，然后建立运行状态的故障树，反过来通过故障树来确定系统故障原因的各种组合方式以及发生的概率。故障树分析法分为定性分析与定量分析，定性分析是指寻找出导致顶事件发生的各种原因及原因组合，可以用来指导故障诊断，以改进维修运行方案［2］。故障树的定量计算则是要计算或者估计各种故障导致顶事件发生的概率。具体的对于架空输电线路来说，就是根据架空输电线路的各个组成部件（基础、水泥杆、横担、拉线拉盘、铁塔、绝缘子、金具、导地线、接地）来确定故障概率。但架空输电线路具有不同于其它电力设施的特点：线路路径较长，线路途经环境复杂，而且容易受到各种气象条件以及自然灾害的影响［3］。

1 架空输电线路故障模式

架空输电线路常见的故障类型主要是雷击故障、风偏故障、污闪故障、覆冰故障、外力破坏、鸟害等。本文主要介绍雷击、风偏和污闪故障。

（1）雷击故障

输电杆塔发生直击或者反击故障，导致绝缘子串发生闪络后，绝缘子伞裙边缘有呈直线分布烧伤印记，一般绝缘子串两侧的绝缘子烧伤最为严重，金具间的联接点也会有烧伤痕迹，悬垂线夹和均压环上均有明显的银色烧伤亮斑。

（2）风偏故障

风偏故障是指大风导致导线与大地或者杆塔之间发生放电的故障，分为导线对杆塔放电故障、导地线线间放电故障和导线对周边物体放电故障。其中导线对杆塔放电故障又分导线对杆塔构件放电和跳线对杆塔放电两种情况。

（3）污闪故障

污闪故障主要特点是在绝缘子表面发生沿面放电，而且烧伤痕迹不规则的分布在绝缘子的表面。污闪故障一般容易发生在工业发达的盐密值偏高的重污区，瓷质绝缘子和玻璃绝缘子相比复合绝缘子易发生污闪。

2 故障树分析法

2.1 故障树分析法的基本原理

故障树分析法是指通过对可能造成产品故障的各种因素进行分析，建立故障树，确定产品的故障原因及其可能的组合方式，并确定发生的概率。通过故障树分析可以帮助判断所有可能发生的故障类别及原因；当发生重大故障或者事故以后，故障树分析法是故障调查的一种行之有效的手段，可以进行系统全面地分析事故的原因，并能指导故障的诊断、改进、使用和维修方案等［4］。

故障树分析法通常可以按照以下步骤进行：确定顶事件、建立故障树、进行定性分析、定量分析、进行重要度分析及得出分析结论并确定改进措施。

2.2 故障树的定性分析

故障树的定性分析主要包括以下三方面：

（1）确定故障树的最小割集

最小割集是指所有可能导致顶事件发生（即系统故障）的部件故障的组合，故障树的最小割集是定性评价的结果，同时也是故障树定量评价的基础。

（2）定性部件的重要度

定性重要度主要是给出各个元件对顶事件发生的影响大小、等级等。其方法是：在求出故障树的最小割集后，按阶数从小到大顺序依次排列，从而确定元件的定性重要度［8］。

（3）确定共因故障的敏感性

元件的重要度和共因故障的敏感性正相关。各个元件的共因故障敏感性高、阶数高的最小割集的重要度不一定比阶数低的最小割集的重要度小。

2.3 故障树的定量分析

故障树的定量分析是指求系统可靠性的定量结果的过程，可分为以下三方面：

（1）确定系统故障概率

故障树是以顶事件的定量数据（故障率、失效率等）来做最后评价的。在求出最小割集后，可以根据元件的故障概率求出最小割集发生的概率，然后计算顶事件发生的概率 （即系统故障概率）［6］。

（2）元件与最小割集的定量重要度

在故障树中，不同的底事件对顶事件发生的贡献大小、等级都是不同的，而这可以使用底事件的重要度来描述［5］。通过底事件的重要度可以确定系统需要监控的关键部件、改善系统设计以及确定系统故障诊断的方案。定量重要度可以给出特定元件或者特定最小割集引起的系统发生故障次数的百分比。重要度可分为概率重要度和结构重要度［6］。

a.概率重要度

概率重要度是指由于底事件发生概率变化而引起的顶事件发生概率变化的程度；部件的不可靠度变化引起系统的不可靠度变化的程度。可用数学公式表示为：

式中，Δgi（t）为概率重要度；Fi（t）为元、部件不可靠度；g［→F（t）］为顶事件发生概率；Fs（t）为系统不可靠度：

b.结构重要度

结构重要度指的是元件在系统中所处位置的重要程度，并且与元件本身故障率无关。可用数学表达式为：

式中，Iφi为第i个元件的结构重要度；n为系统所含元件的数量。

（3）元件的灵敏度

元件的灵敏度指元件数据变化或者模型偏差对于顶事件发生概率的影响。

3 绝缘地线掉线故障树分析

3.1 建立故障树

按照上述分析建立故障树如图1所示。

图1 地线掉线故障树

3.2 分析结果

定性分析故障树的目标就是求出故障树的最小割集，而求出故障树的最小割集即找出导致系统发生故障的所有可能的故障模式。故障树最小割集的求法主要分为下行法和上行法。

本文使用上行法确定导致地线掉线的最小割集为：

｛X1，X2｝，｛X1，X3｝，｛X4，X5，X6，X7｝，｛X4，X5，X6，X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11，X7，X12｝，｛X11，X7，X13，X14｝，｛X11，X8，X12｝，｛X11，X8，X13，X14｝，｛X15｝，｛X7，X17｝，｛X8，X17｝，｛X16，X17｝

根据上述原则可知外力破坏、直角挂板失效和U型挂环失效等故障可直接导致顶事件发生（绝缘地线掉线）；另外，感应过电压与雷电过电压均可导致多种故障发生，进而导致顶事件发生，对于架空绝缘地线掉线事故的发生贡献较大。

4 结 论

通过对输电线路地线掉线的原因分析表明在架空输电线路运行状态可靠性分析的故障树模型中，将影响架空输电线路可靠性的基本因素按照逻辑关系建立联系，并用最小割集对其化简，可以得到架空输电线路运行状态可靠性的互不相容的最小割集，从而使得计算过程和运算量大大降低。

［1］王 巍，崔海英，黄文虎.基于故障树最小割集的诊断方法研究［J］.数据采集处理，1999，14（1）：26-29.

［2］郭永基.电力系统可靠性原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，1986.

［3］李光辉，江全才.线路金具［M］.武汉：湖北科学技术出版社，2008.

［4］杨建强.计算机辅助故障树分析方法研究与应用［D］.太原：太原理工大学，2006.

［5］魏春荣，李艳霞.事故树结构重要度的求解方法［J］.黑龙江科技学院报，2012，（22）：84-89.

［6］宋晓通.基于蒙特卡罗方法的电力系统可靠性评估［D］.济南：山东大学，2008.

［7］张维钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［8］LI Xiaorong，Malik O P，ZHAO Zhida.A Practical Mathematical Model of Corona for Calculation of Transients on Transmission Lines［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，1989，4（2）：1 145-1 152.