基于FMECA的电力电缆故障分析方法

基于FMECA的电力电缆故障分析方法

孟令闻

(国网天津市电力公司城南供电分公司，天津300061)

摘要：针对电力电缆故障查找难度大、操作条件苛刻等问题，提出基于FMECA的电力电缆故障分析方法，从技术原理、应用等方面对该方法进行分析，认为该方法实现了对电力电缆故障的细化和评估，可有效预防重大事故的发生,并给出电力电缆故障的防范措施。

关键词：电力电缆；电缆故障；FMECA；防范措施

收稿日期：2014-07-15

作者简介：孟令闻(1987-)， 男，助理工程师，主要从事高压电力电缆设备的运行、检修工作。

中图分类号：TM246

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2015)01-0015-03

Abstract:In order to solves the problems like complex site of Power cable fault, strict operation conditions,this paper puts forwards the power cable fault based on FMECA method, and analyzes this method by know-why and application, considers that different types of cable fault are detailed and evaluated by using FMECA analysis method,prevention of major accidents, puts forward the corresponding preventive measures after analyzing the FMECA tables.

Analysis Method of Power Cable Fault Based on FMECA

Meng Lingwen

(State Grid Tianjin Citysouth Electric Power Supply Company，Tianjin 300061，China)

Key words: power cable;cable fault;FMECA;preventive measures

电缆故障是指电缆在运行和试验时发生绝缘击穿、导线烧断等情况，被迫停止电力供应。在电缆故障检测技术的发展过程中，根据不同的原理形成了不同的探测技术。近年来，城市建设规模不断扩大、电缆设备类型日益增加、电缆敷设方式逐渐多样化，这些发展变化增加了电缆故障的查找难度。如何有效地防范电缆故障的发生、减少故障率，成为保障电缆安全运行的首要任务。面对这一现状，故障模式、影响和危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis，FMECA)方法的提出与应用具有十分重大的现实意义，这是一种用于可靠性设计的定性分析方法，对于防范当前电力电缆工程中的故障问题具有显著成效。

1电力电缆故障原因

电缆故障通常是多个因素共同作用的结果，如若处理不当，可能造成电气故障频繁发生，带来较大危害。在总结各类电缆故障的基础上，认为故障产生原因主要有以下几种。

1.1　机械损伤

机械损伤是造成电缆故障的首要原因，占全部故障的57%，主要包括：直接受外力损坏，如城市建设频繁作业、地下线路管理不善，造成电力电缆外力损伤事故；施工损伤，如电缆弯曲过度造成绝缘层破损，机械牵引力过大使中间接头拉断等；外界自然力造成的破坏，如由于土地下沉、滑坡等引起的过大拉力导致中间接头或电缆本体的断裂。

1.2　过电压

过电压主要分为大气过电压(雷击)和电缆内部过电压。一般情况下，对于有良好绝缘的电缆能承受3~4个大气过电压或者操作过电压，但实际故障分析表明，许多电缆终端在遭受雷击时被击穿的情况并不少见，也就是说电缆超过所能承受的电压值而导致电缆绝缘击穿。引起这种电缆绝缘击穿故障主要有以下几点：电缆屏蔽层内部有遗漏或者症痕；电缆绝缘已经严重老化；电缆绝缘层内部有杂质和气泡等[3]。

1.3　过热

引起电缆过热的原因是多方面的，既有内因又有外因。内因主要是电缆绝缘故障而使内部气隙游离导致局部过热。外因主要是电缆长期过负荷工作产生过热，如当电缆安装在比较密集的地区或者电缆隧道等通风不良处，都会使电缆过热造成整体绝缘强度下降，进而导致电缆接头处首先被击穿；橡塑绝缘电缆因过热而引起绝缘材料变质、出现裂纹等；油纸电缆因过热而引起绝缘干枯，甚至一碰就碎[4]。另外，过负荷也会引起电缆铅包加速结晶，致使铅包损伤。

1.4　绝缘老化

绝缘老化是指绝缘材料使用一定年限后，会出现绝缘强度下降或者介质损耗角增大而导致绝缘崩馈的现象。绝缘老化常见的有热老化、电气老化、水树枝老化、化学性老化，还有一些生物老化和机械老化等。随着老化程度的不断加剧，从而引起局部放电现象，最终的发展趋势是绝缘层发生击穿。

2电力电缆故障的FMECA分析

2.1　FMECA的原理

FMECA的基本原理是根据技术质量要求，了解系统结构和运行环境，找出系统的潜在薄弱环节(可能出现的故障模式)，分析每个故障模式可能出现的原因和影响，以及每个影响对系统安全性、任务成功性、维修及保障性资源等方面带来的危害，并根据危害程度来制定相关的改进计划或补偿措施。其目的在于对故障的预防和控制，消除或减少设计中存在的缺陷，提高系统的可靠性。

FMECA主要由故障模式及影响分析(FMEA)、危害性分析(CA)两部分组成。其中，FMEA是分析系统中每个潜在故障模式及其原因并对系统可能带来的影响，以及将每个故障模式按其危害程度予以分类；CA主要是从风险角度对FMEA进行补充和扩展，既有定性分析，又有定量分析，由于系统故障率数据不能确定，在这里主要进行定性分析[5]。

定性危害性分析方法是将每个故障模式发生的可能性按等级进行划分，即根据故障出现的概率的大小分为A、B、C、D、E五个不同等级，如表1所示。其中定义内容可以根据实际情况修改，最后按所定义的等级对每个故障模式进行评定，比较其危害程度，进而采取不同级别的改进措施，提高工作效率。

表1故障模式发生概率的分类

等级概率特征发生概率A高概率20%以上B中等概率10%~20%C不常发生1%~10%D不大可能发生0.1%~1%E近乎为零0.1%以下

2.2　FMECA的应用

根据FMECA的工作要点可知，一般需要确定的基本信息有：对象或单位名称、故障模式、故障原因、故障影响、严重程度、检测方法、补偿措施和评定(故障模式概率等级)等，用表格的形式进行描述，简明地列出所有可能存在的故障模式，不需要数值计算，方法简单，易于掌握。

通过对电力电缆的FMECA分析，能够较为全面地、直接或间接识别出设备存在的主要问题或影响其发生故障的关键部位，在整个系统中对关键部位进行监测，总结出故障发生的概率及严重程度。图1为三芯交联电缆中间接头的剥切图，作为分析的基础[6]。

图1　三芯交联电缆中间接头的剥切示意

FMECA分析是一个反复迭代，并且需要逐步完善的过程，确定系统所有可能的故障模式，分析故障产生的可能原因及对系统所带来的影响，并划分其严重程度，确定故障模式的检测方法，确定每个故障模式相对应的改进设计或补偿措施，制作FMECA分析报告，将之前归纳和总结的故障模式、影响和危害性填入表中，便于日后调查研究工作的开展。

对电缆运行故障进行FMECA分析，如电缆接头故障、电缆接地故障和电缆断线故障等，分别见表2、表3、表4。

表2电缆接头故障的FMECA分析

故障模式故障原因故障影响严重程度概率等级线芯拉伤牵引力过大降低承载能力中等A管壁有氧化层接触面处理不佳降低电气性能严重C连接压力不足接触面空隙大接触电阻增大中等B绝缘材料碳化耐热性能差绝缘失效严重B

表3电缆接地故障的FMECA分析

故障模式故障原因故障影响严重程度概率等级绝缘严重老化靠近热源绝缘击穿严重B铜皮有裂痕外力损伤降低绝缘性能中等A绝缘层有杂质线芯绞合不紧降低电气性能严重C外部有变形绞合不均匀降低机械性能严重C

表4电缆断线故障的FMECA分析

故障模式故障原因故障影响严重程度概率等级单线断裂接头脱焊降低承载能力严重C表面划伤模具不完善降低机械性能中等C化学腐蚀酸洗后残酸降低绝缘强度严重B电气性能不合格结构不完善降低电气性能中等C

通过表2可以看出，电缆接头发生故障的概率与制作工艺水平和运行环境有密切关系，如散热不好、接触面处理不佳和牵引力过大等因素，其中最糟糕影响的就是绝缘失效[7]。通过表3可以看出，绝缘严重老化、绝缘层有气泡或杂质以及外部变形都会造成电缆接地故障的发生，这是由于电缆长期过电压运行或太靠近热源等因素造成的，进一步发展下去将导致相间短路故障，最终趋势为电缆击穿，其严重程度不言而喻。通过表4可以看出，电缆断线故障发生概率明显要比前2种故障低很多，发生故障的原因多为制作工艺水平不满足要求，如结构不完善、设备缺陷、接头未辉或脱燥等，而最有可能造成电缆断线故障发生的是化学腐烛，直接导致电绩绝缘强度降低，最终趋势为绝缘老化。

3电力电缆故障的防范措施

防范措施是针对每一故障模式的影响，在运行维护与管理以及制作工艺等面采取相应的措施，以消除或减轻故障带来的影响，进而提高设备的可靠性。通过对FMECA表格分析以及出于对故障的严重程度和概率等级综合考虑，最大的故障模式是绝缘材料碳化、绝缘严重老化和化学腐烛，可视为关键的故障模式。为了提高电力电缆的安全性和可靠性的水平，应从日常维护与管理以及制作工艺等方面采取有效的措施加以防范，其主要内容有以下几个方面。

a. 定期对电缆线路保护区进行检查和维护。如电缆线路上的符号、标志是否完整，外露电缆是否有损害或沉降的可能性，电缆线路与铁路或排水沟交叉处是否有缺陷或未安装防护装置等。

b. 加强对电缆井、沟和隧道的日常维护工作。如发现电缆沟或隧道有积水或其他异物，应及时处理，保持沟内清洁；电缆接头是否有损伤或变形，为保持良好的散热，应保证中间接头有严格的隔离。

c. 对所有裸露的电缆设备，根据其诱蚀程度进行适当的防腐处理。对电缆排列密集或散热性差的地方定期进行温度监视，科学合理地调度，避免电缆超负荷工作。

d. 加强对电缆制作工艺的监督力度，尤其是对电缆接头的制作质量。如制作电缆接头时，应使用专门剥切工具，避免造成内部导体损伤而导致断裂。通过开展操作培训来提高安装人员技能水平和熟练度，进而降低因制作工艺带来电缆故障的问题。

4结束语

通过对电力电缆故障产生的原因及其特征进行详细总结，并采用综合分析方法对电缆故障进行解析，归纳电力电缆故障的影响因素。采用FMECA分析方法对故障树最小割集进行了细化和扩展，釆用表格的形式对每个故障进行详细的评估，并针对不同故障采取了相应的补偿措施，有效地预防重大事故的发生，为提高系统的可靠性提供了科学依据。

参考文献：

[1]高晓欣. 电力电缆故障分析与探测[D].济南: 山东大学， 2012.

[2]江日洪. 交联聚乙烯电力电缆线路[M].北京：中国电力出版社， 2009.

[3]K K Kuan. Real-time expert system for fault location on high voltage underground distribution cables[J]. IEEE Proc-C，1992，39(3): 235-240.

[4]白挺玮. 中压电网电缆运行方式及故障模型仿真分析[D]. 云南: 昆明理工大学， 2012.

[5]张栋国. 电缆故障分析与测试[D].北京: 中国电力出版社，2005.

[6]王绍印. 故障模式和影响(FEMA)[M]. 广州: 中山出版社，2003.

[7]杨春宇. 电力电缆故障分析与诊断技术的研究[D]. 大连: 大连理工大学，2013.

本文责任编辑：齐胜涛