基于故障樹分析法的架空輸電線路故障原因研究

陳 維，張力廣，許維忠

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.宜昌電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北宜昌443002）

0 引 言

故障樹分析法（Fault Tree Analysis）簡(jiǎn)稱FTA，始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，主要用于對(duì)發(fā)電機(jī)組或變壓器進(jìn)行故障評(píng)估，己經(jīng)取得了良好的成果。故障樹分析法現(xiàn)己成為分析各種復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的重要方法和有效工具［1］。

故障樹分析法（FTA）是指通過(guò)對(duì)所有可能造成系統(tǒng)故障的各種原因進(jìn)行分析，然后建立運(yùn)行狀態(tài)的故障樹，反過(guò)來(lái)通過(guò)故障樹來(lái)確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式以及發(fā)生的概率。故障樹分析法分為定性分析與定量分析，定性分析是指尋找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種原因及原因組合，可以用來(lái)指導(dǎo)故障診斷，以改進(jìn)維修運(yùn)行方案［2］。故障樹的定量計(jì)算則是要計(jì)算或者估計(jì)各種故障導(dǎo)致頂事件發(fā)生的概率。具體的對(duì)于架空輸電線路來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)架空輸電線路的各個(gè)組成部件（基礎(chǔ)、水泥桿、橫擔(dān)、拉線拉盤、鐵塔、絕緣子、金具、導(dǎo)地線、接地）來(lái)確定故障概率。但架空輸電線路具有不同于其它電力設(shè)施的特點(diǎn)：線路路徑較長(zhǎng)，線路途經(jīng)環(huán)境復(fù)雜，而且容易受到各種氣象條件以及自然災(zāi)害的影響［3］。

1 架空輸電線路故障模式

架空輸電線路常見的故障類型主要是雷擊故障、風(fēng)偏故障、污閃故障、覆冰故障、外力破壞、鳥害等。本文主要介紹雷擊、風(fēng)偏和污閃故障。

（1）雷擊故障

輸電桿塔發(fā)生直擊或者反擊故障，導(dǎo)致絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)后，絕緣子傘裙邊緣有呈直線分布燒傷印記，一般絕緣子串兩側(cè)的絕緣子燒傷最為嚴(yán)重，金具間的聯(lián)接點(diǎn)也會(huì)有燒傷痕跡，懸垂線夾和均壓環(huán)上均有明顯的銀色燒傷亮斑。

（2）風(fēng)偏故障

風(fēng)偏故障是指大風(fēng)導(dǎo)致導(dǎo)線與大地或者桿塔之間發(fā)生放電的故障，分為導(dǎo)線對(duì)桿塔放電故障、導(dǎo)地線線間放電故障和導(dǎo)線對(duì)周邊物體放電故障。其中導(dǎo)線對(duì)桿塔放電故障又分導(dǎo)線對(duì)桿塔構(gòu)件放電和跳線對(duì)桿塔放電兩種情況。

（3）污閃故障

污閃故障主要特點(diǎn)是在絕緣子表面發(fā)生沿面放電，而且燒傷痕跡不規(guī)則的分布在絕緣子的表面。污閃故障一般容易發(fā)生在工業(yè)發(fā)達(dá)的鹽密值偏高的重污區(qū)，瓷質(zhì)絕緣子和玻璃絕緣子相比復(fù)合絕緣子易發(fā)生污閃。

2 故障樹分析法

2.1 故障樹分析法的基本原理

故障樹分析法是指通過(guò)對(duì)可能造成產(chǎn)品故障的各種因素進(jìn)行分析，建立故障樹，確定產(chǎn)品的故障原因及其可能的組合方式，并確定發(fā)生的概率。通過(guò)故障樹分析可以幫助判斷所有可能發(fā)生的故障類別及原因；當(dāng)發(fā)生重大故障或者事故以后，故障樹分析法是故障調(diào)查的一種行之有效的手段，可以進(jìn)行系統(tǒng)全面地分析事故的原因，并能指導(dǎo)故障的診斷、改進(jìn)、使用和維修方案等［4］。

故障樹分析法通?？梢园凑找韵虏襟E進(jìn)行：確定頂事件、建立故障樹、進(jìn)行定性分析、定量分析、進(jìn)行重要度分析及得出分析結(jié)論并確定改進(jìn)措施。

2.2 故障樹的定性分析

故障樹的定性分析主要包括以下三方面：

（1）確定故障樹的最小割集

最小割集是指所有可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生（即系統(tǒng)故障）的部件故障的組合，故障樹的最小割集是定性評(píng)價(jià)的結(jié)果，同時(shí)也是故障樹定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

（2）定性部件的重要度

定性重要度主要是給出各個(gè)元件對(duì)頂事件發(fā)生的影響大小、等級(jí)等。其方法是：在求出故障樹的最小割集后，按階數(shù)從小到大順序依次排列，從而確定元件的定性重要度［8］。

（3）確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關(guān)。各個(gè)元件的共因故障敏感性高、階數(shù)高的最小割集的重要度不一定比階數(shù)低的最小割集的重要度小。

2.3 故障樹的定量分析

故障樹的定量分析是指求系統(tǒng)可靠性的定量結(jié)果的過(guò)程，可分為以下三方面：

（1）確定系統(tǒng)故障概率

故障樹是以頂事件的定量數(shù)據(jù)（故障率、失效率等）來(lái)做最后評(píng)價(jià)的。在求出最小割集后，可以根據(jù)元件的故障概率求出最小割集發(fā)生的概率，然后計(jì)算頂事件發(fā)生的概率 （即系統(tǒng)故障概率）［6］。

（2）元件與最小割集的定量重要度

在故障樹中，不同的底事件對(duì)頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)大小、等級(jí)都是不同的，而這可以使用底事件的重要度來(lái)描述［5］。通過(guò)底事件的重要度可以確定系統(tǒng)需要監(jiān)控的關(guān)鍵部件、改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及確定系統(tǒng)故障診斷的方案。定量重要度可以給出特定元件或者特定最小割集引起的系統(tǒng)發(fā)生故障次數(shù)的百分比。重要度可分為概率重要度和結(jié)構(gòu)重要度［6］。

a.概率重要度

概率重要度是指由于底事件發(fā)生概率變化而引起的頂事件發(fā)生概率變化的程度；部件的不可靠度變化引起系統(tǒng)的不可靠度變化的程度?？捎脭?shù)學(xué)公式表示為：

式中，Δgi（t）為概率重要度；Fi（t）為元、部件不可靠度；g［→F（t）］為頂事件發(fā)生概率；Fs（t）為系統(tǒng)不可靠度：

b.結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度指的是元件在系統(tǒng)中所處位置的重要程度，并且與元件本身故障率無(wú)關(guān)?？捎脭?shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Iφi為第i個(gè)元件的結(jié)構(gòu)重要度；n為系統(tǒng)所含元件的數(shù)量。

（3）元件的靈敏度

元件的靈敏度指元件數(shù)據(jù)變化或者模型偏差對(duì)于頂事件發(fā)生概率的影響。

3 絕緣地線掉線故障樹分析

3.1 建立故障樹

按照上述分析建立故障樹如圖1所示。

圖1 地線掉線故障樹

3.2 分析結(jié)果

定性分析故障樹的目標(biāo)就是求出故障樹的最小割集，而求出故障樹的最小割集即找出導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的所有可能的故障模式。故障樹最小割集的求法主要分為下行法和上行法。

本文使用上行法確定導(dǎo)致地線掉線的最小割集為：

｛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｝

根據(jù)上述原則可知外力破壞、直角掛板失效和U型掛環(huán)失效等故障可直接導(dǎo)致頂事件發(fā)生（絕緣地線掉線）；另外，感應(yīng)過(guò)電壓與雷電過(guò)電壓均可導(dǎo)致多種故障發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致頂事件發(fā)生，對(duì)于架空絕緣地線掉線事故的發(fā)生貢獻(xiàn)較大。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)輸電線路地線掉線的原因分析表明在架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)可靠性分析的故障樹模型中，將影響架空輸電線路可靠性的基本因素按照邏輯關(guān)系建立聯(lián)系，并用最小割集對(duì)其化簡(jiǎn)，可以得到架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)可靠性的互不相容的最小割集，從而使得計(jì)算過(guò)程和運(yùn)算量大大降低。

［1］王 巍，崔海英，黃文虎.基于故障樹最小割集的診斷方法研究［J］.數(shù)據(jù)采集處理，1999，14（1）：26-29.

［2］郭永基.電力系統(tǒng)可靠性原理和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1986.

［3］李光輝，江全才.線路金具［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［4］楊建強(qiáng).計(jì)算機(jī)輔助故障樹分析方法研究與應(yīng)用［D］.太原：太原理工大學(xué)，2006.

［5］魏春榮，李艷霞.事故樹結(jié)構(gòu)重要度的求解方法［J］.黑龍江科技學(xué)院報(bào)，2012，（22）：84-89.

［6］宋曉通.基于蒙特卡羅方法的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

［7］張維鈸，何金良，高玉明.過(guò)電壓防護(hù)及絕緣配合［M］.北京：清華大學(xué)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.