電氣設備的失效分析方法

李名莉，焦欣欣

（河南工業職業技術學院，河南南陽473000）

失效分析是一門新興的正在發展中的學科，近年來已開始從軍工向普通企業普及。其在提高產品質量、開展技術開發與改進、進行產品修復及仲裁處理失效事故等方面都具有很強的實際意義。失效分析是根據失效模式和現象，通過分析和驗證，模擬重現失效的現象，找出失效的原因，挖掘出失效機理的活動。失效分析方法分為有損分析、無損分析、物理分析和化學分析等。

失效是導致安全生產事故的直接原因之一。設備的失效，不僅會造成經濟損失，還可能造成重大設備事故和人員傷亡事故。為了減少或避免因失效帶來的直接和間接損失，失效分析越來越受到人們的重視，并逐步發展成為一門自成體系的分支科學。

1 失效分析概論

國際上對失效及其分析進行科學性研究，起源于第二次世界大戰期間大量艦船斷裂等武器的失效事故和自由女神像嚴重損壞等民用設施的失效事故。對設備材料失效進行科學深入的研究引起了戰后科學技術及裝備的革命和經濟發展的繁榮，因此可以說，設備材料失效分析的建立是發達國家工業革命的一個重要起點，而對失效問題的分析判斷和解決能力，則代表一個國家的科技發展水平和科學管理水平。

1.1 失效

（1）失效的定義：失效就是設備喪失規定的功能，設備或裝置不能在規定時間內履行其預定的功能。就設備可靠性試驗而言，失效可采用以下一般定義：失效是指原先為合格的設備，在規定的條件下，其中一個或幾個功能參數不能保持在規定的合格的上、下限范圍之內。失效也指設備在工作條件下的機械、結構部件或元件的破裂、斷裂或損壞狀態。

針對某一具體設備，失效的一般定義還需進一步具體化。設備的功能是靠某些性能參數去度量的。因此，有必要具體規定用以度量受試設備的那些參數，在各種試驗條件下能承受環境應力的極限范圍和失效判據。對機械件和結構件的那些性能參數，一般都比較復雜，因此，判據要規定得具體且有針對性，有人提出機械設備的零件或部件處于下列四種狀態之一時，就可定義為失效；當它完全不能工作時；仍然可以工作，但已經不能令人滿意地實現預期的功能時；受到嚴重損傷，不能可靠安全地繼續使用，必須立即從產品或裝備上拆下來進行修理或更換時；功能完整，但技術性能不能滿足要求時。

（2）失效規律：設備在工廠制成后，需要通過各種試驗來檢測其功能和性能參數，這就是通常所稱的t=0時（使用時間或次數為零）的質量。而可靠性則是指設備在規定的時間（或次數）內保持功能的能力或保持功能的時間，即為設備功能的維持性。對設備的可靠性評定要等到設備使用后，或者通過模擬使用試驗后才能進行，故稱為t>0時的質量。因此，一個設備的可靠性實際上是表示該設備的時間質量指標，與其工作時間有著密切的關系。按工作時間t可將其劃分為三個階段，即：早期失效期、偶然失效期和耗損失效期。

（3）失效分類：按設備失效的時間特征可分為早期失效、偶然失效、損耗失效。也可按功能分類，由失效的定義可知，失效的判據是看設備的功能是否喪失，因此，失效可以按功能進行分類。也可按設備材料損傷機理分類，這種分類方法主要是針對機械類設備。也可按失效的后果分類，可以分為：部分失效、完全失效、輕度失效、危險性（嚴重）失效、災難性（致命）失效。

1.2 失效分析

（1）失效分析的定義：判斷失效模式，查找失效的原因和機理，提出預防再失效對策的技術活動和管理活動稱為失效分析。

（2）失效分析的分類：失效分析按分析的目的一般可分為狹義的失效分析、廣義的失效分析、失效分析發展狀況、失效分析研究以及失效分析策略等類型。

1.3 失效樹分析法

失效樹分析法是一種邏輯分析方法，通過對可能造成系統失效的各種因素進行分析，畫出邏輯圖，從而確定系統失效的各種方式，以采取相應的糾正措施，提高系統的可靠性。

一般來說，致使設備失效的各種因素存在著諸多內在的聯系。失效樹分析法是一種常用的失效分析方法，是失效事件在一定條件下的路徑推理方法，能清晰地用圖說明系統是怎樣失效的，也是系統某一個特定失效狀態的快速照相。FTA把系統的失效與組成系統的部件的失效有機地聯系在一起，可以找出系統全部可能的失效狀態，也就是失效樹的全部最小割集。因此，使用FTA分析設備失效，在某些情況下更顯得條理分明、脈絡清晰。

2 電氣設備的失效分析

2.1 電氣設備失效特性

電氣設備主要包括絕緣構件、導電金屬構件和機械構件。絕緣構件起隔離電壓的作用，使電能在規定線路和設備上安全傳輸；帶電金屬構件為電能的傳輸提供良好的帶電通道；機械構件作用是指構成電氣設備所必須的金屬構架、支撐固定件、操作傳動機械裝置、調壓傳動機械裝置等。以上構件除具備自身特定功能外，還需要具備一定的機械強度以承受壓力、拉力、扭力等的作用。根據電氣設備主要構件的自身特點和性能，其失效表征主要有以下幾個方面：

（1）絕緣性能劣化。絕緣性能劣化是指在電場、熱、化學、機械力、大氣條件等因素作用下，絕緣性能變劣。主要表現在絕緣電阻顯著下降，介質損耗顯著增加，泄漏電流明顯增加，擊穿電壓明顯下降，耐電強度降低，絕緣油色譜分析數據超標等。

（2）絕緣劣化有的可逆，有的不可逆。如絕緣受潮后，性能下降，但進行干燥處理后，又恢復原有的絕緣性能，說明這種劣化是可逆的。如果絕緣在各種因素長期作用下發生一系列不可逆轉的化學構造及物理性狀的改變，導致絕緣性能不斷下降，這種劣化就是不可逆的。不可逆轉的劣化也稱絕緣老化。絕緣劣化的含義較廣，絕緣老化的含義相對窄一些，老化僅是劣化不可逆的一個方面。

（3）導電性能下降或喪失。導電性能下降或喪失主要是指導電能力變差甚至導電回路不通、電能傳輸轉換功能減弱或完全喪失。導電性能不斷下降甚至完全喪失不但會中斷電能的傳輸而且電接觸不良引起的嚴重發熱會損毀電力設備，致使其完全失效。

（4）機械性能下降或喪失。電氣設備的機械性能主要是指電氣設備使用的絕緣材料、帶電金屬材料、金屬構件材料的原有化學結構和物理性狀發生改變，造成抵抗破壞的能力減弱，最終導致機械性能降低甚至喪失。如在短路電流作用下，導體將承受電動力的沖擊，當電動力不斷作用于導體，使之超過疲勞強度，就會使導體變形、接頭松脫、支撐固件斷裂損壞。

2.2 電氣設備失效發展過程

電氣設備失效發展過程可以劃分為性能變壞期、隱性故障期、顯性故障期和設備損毀期。

（1）性能變壞期。電氣設備在正常運行條件下，性能可以保持較長時間的穩定。但在電力系統內難免會有各種不良工況出現，如短路接地、雷擊、操作過電壓、過負荷運行等，加上長期受到的電、熱、化學、環境、機械力等因素的聯合作用，電氣設備性能會隨著運行時間的增加而發生變化，變化量的積累導致設備性能由良好向惡劣發展。

（2）隱性故障期。又稱為潛伏性故障期。隨著設備性能進一步變壞，量變引起質變。剛開始故障處在潛伏期，不易被直觀發現，設備還能夠繼續運行一段時間，所以稱為隱性故障期。

（3）顯性故障期。當隱性故障發展到一定程度，超過設備能夠正常運行的臨界點時，隱性故障會迅速發展，使損害進一步擴大，設備故障現象明顯，易被直觀發現，如出現異響、異常振動、冒煙冒火、零部件嚴重變形甚至斷裂等，所以稱為顯性期故障。電氣設備出現顯性故障，說明故障隱患已經十分嚴重，隨時可能引起繼電保護動作導致設備停運，發生電網事故。

（4）設備損毀期。如果設備發生了嚴重故障而未及時采取補救措施任由其發展，必然導致設備損毀報廢，如避雷器遭受雷擊發生爆炸，變壓器發生短路故障致使鐵芯繞組報廢，油浸式互感器發生爆炸等。

2.3 電氣設備失效原因

電氣設備在制造、運輸、安裝、運行過程中，各種不同的因素除對電氣設備性能產生作用外，還常?；ハ嘤绊?，使設備失效過程加速。

電作用：包括局部放電、過電壓、電弧、電動力、電接觸不良等。

熱作用：運行中電氣設備在電壓、電流等各種因素作用下會發熱，如果熱量不能及時散發出去，溫升或溫度超過允許極限值，可能導致電氣設備失效。熱作用包括電氣設備的發熱機理、熱老化、熱擊穿等。

水作用：水分可以經由周圍的潮濕空氣侵入絕緣內部，也可能由于熱氧化過程在絕緣內部生成，潮氣進入的速度取決于周圍空氣的濕度及溫度、介質的吸水性能及絕緣本身的溫度和結構。絕緣受潮導致電導及介質損耗增大，水分和其他臟污物一起組成弱電解質，促使絕緣進一步發熱，加快熱老化的速度，水分的存在使局部放電產生的氮的氧化物變成硝酸、亞硝酸并腐蝕金屬，使纖維及其他絕緣發脆?？傊^緣受潮后將加速電老化和熱老化過程，縮短絕緣壽命。

機械力作用：電氣設備使用時，會受到各種機械力及重力作用。如變壓器有載調壓裝置操動機構、斷路器的操動機構、隔離開關的轉動裝置操作時的機械力作用。電氣設備支撐自身重量保持設備狀態穩定不至于斷裂或傾倒的機械應力。架空線路在自然因素作用下產生振動和舞動，線路及線路金具承受的交變應力等。機械力和外界自然力的長期聯合作用，會使電氣設備相關零部件磨損、材料老化、疲勞破壞，嚴重時導致設備失效。

大氣的影響：電氣設備通常暴露在空氣中運行，周圍環境溫濕度以及大氣壓的變化、環境污染等因素均會對設備性能產生影響。

制造工藝缺陷及其他因素：設備制造工藝缺陷也是導致電氣設備失效的重要因素，其主要表現在以下幾個方面：

（1）設備存在家族性缺陷。某些干式電流互感器在實際運行過程中頻繁出現絕緣材料炸裂損壞，經抽檢發現該批產品局部放電量超標，原因是生產工藝不過關，絕緣材料內部存在氣泡空隙。

（2）開關柜設計不合理，無防高溫爆炸措施，運行時短路故障產生的高溫使氣壓升高，高溫高壓空氣無法正常排出，導致開關柜爆炸。

（3）耦合電容器制造時帶有系統缺陷，如電容器芯子未充分烘干，留有較多的水分，或元件卷制后沒有及時轉入壓裝，在空氣中滯留時間過長，卷制中磕破電容器紙等，是運行中爆炸損壞的主要原因。電容器膠圈密封不嚴，侵入水分，一部分沉積在電容器底部，另一部分在交流電場作用下懸浮在油層表面，頂部電容器承受的電場強度較高，電容器如有氣隙，吸收水分后容易損壞。

（4）運輸、安裝過程也容易導致設備損壞失效。如變壓器運輸時，遭受異常震動和撞擊致使繞組移位變形。安裝過程中，金屬異物跌落引起鐵芯多點接地；電力電纜安裝拖拽過程中，金屬鎧甲被異物穿刺導致絕緣損壞；終端頭和中間接頭制作工藝不良，進水受潮導致短路。

（5）自然界不可抗力的破壞致使電氣設備失效。如冰雪災害，架空線路覆冰覆雪在風力的作用下產生振動和舞動，造成線路金具磨損脫落、倒桿斷線、相間閃絡等。地震、臺風、暴雨、洪水、泥石流等自然災害均會造成致命威脅和嚴重損毀。

3 結束語

綜上所述，電氣設備失效的原因多種多樣，是多種因素聯合作用的結果，不能簡單歸結為某單方面的原因。電氣設備失效分析需要根據設備具體運行情況和實際特定環境條件來作出科學的綜合分析和判斷。