事故樹分析在大型電力事故（事件）調查中的應用

蕭鏡輝 梁偉民 呂 濤 徐偉東

（1. 廣東電網有限公司東莞供電局，廣東 東莞 523012；2. 深圳市佳保安全股份有限公司，廣東 深圳 518067）

隨著社會經濟的發展，城鄉用電需求持續增長，導致電網結構日益復雜，一旦發生大型電力事故（事件），將嚴重影響居民生活以及企業生產的正常秩序。科學地分析已知大型電力事故（事件），能有效確定電力系統中各種不安全因素，以及各因素可能帶來的風險，從而幫助管理者采取有效措施，保障電力系統安全運行。

電力事故（事件）調查通常以調查者自身經驗為主導，往往關注某些單一環節，對事故的分析僅限于查清事故原因，從而采取相應措施，預防事故再次發生。這種調查方式往往側重于找出事故的顯著原因，因而難以反映出事故（事件）的發展過程，調查結果也不足以為安全措施的制定提供全面科學依據。因此，需對事故（事件）進行系統全面分析，確定引起事故發生的基本原因事件。

事故樹分析（FTA）作為安全科學中常用分析方法，通過逆向邏輯進行演繹分析，對危險性進行系統的辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的間接原因[2]。利用該方法分析大型電力事故（事件），能直觀反映各事件間的因果關系，引導人員逐級向下分析，并通過定性分析確定系統危險性。

Bowtie一種風險分析和風險管理的工具，通過識別風險、分析風險因素、設置風險屏障、采取風險控制和控制措施，有效預防事故發生。該方法可以對危害事件發生的原因、后果、屏障建立是否充足提供一個可視化的評估。

本文基于實際電力事故，對其進行事故樹分析，并結合Bowtie可視化功能，對分析的結果和防護措施進行可視化展示，從而為日常的安全管理提供科學和可信的參考依據。

1 方法概述

1.1 事故樹分析方法

事故樹分析主要基于演繹分析的思想，按因果關系逐層深入分析，確定可能引起頂上事件發生的基本事件，并將所有事件通過樹形圖的形式展現出來。

利用事故樹進行定性分析時，通常先求出事故樹的最小割集和最小徑集，再通過計算得到基本事件的結構重要度大小。

1）最小割集：可能導致頂上事件發生的最小基本事件集合。

2）最小徑集：本身不發生即可防止頂上事件發生的最小基本事件集合。

3）結構重要度：各基本事件影響頂上事件發生的重要程度。

本文選用常用結構重要度算法進行近似計算：

式中，Iφ(i)為第i個基本事件的結構重要度系數；k為最小割集總數；kj為第j個最小割集；nj為第i個基本事件所在的kj割集的基本事件數。

1.2 BowTie風險分析

BowTie風險分析方法是基于屏障防護理論的一套風險分析方法。該方法借鑒了事故樹及事件樹的分析流程，同時又加入了屏障理論的思想，從危險、頂級事件、威脅和后果的相互關系詳細說明風險。在事故樹分析的基礎上，應用該方法對事故風險進行分析，評估應對措施并制定安全防護措施/屏障，可直觀判別對策措施的有效性。

1.3 Bow-tie可視化事故樹分析

本文在事故樹分析的基礎上，結合 BowTie風險分析方法及工具，確定圖1所示分析步驟[1-3]。

圖1 事故樹&BowTie分析步驟

2 大型電力事故（事件）案例分析

以某市220kV母線失壓事件為例，該事件發生時，運行人員正在進行母線側部分刀閘機構箱更換、刀閘機構箱二次回路連鎖調試、刀閘直流接觸電阻測試等工作，工作時需要部分線路及母線停電檢修。檢修中發生某刀閘短路故障，并引起#1、#2、#3主變重瓦斯誤動，從而擴大跳閘范圍。事后共導致425條配網線路失壓，其中涉及兩個重要用戶。

2.1 事故樹分析

第一步，確定頂上事件。針對該事件，確定“大面積停電”為頂上事件。

第二步，調查或分析造成頂上事件的各種原因：首先分析造成頂上事件的直接原因，一般從人為因素、機器設備或環境原因等角度進行分析。經過調查與分析發現，此次事故的直接原因為設備故障：#1，#2，3#主變重瓦斯誤動。

對于該類電力事故（事件），結合安全系統人-機-環三要素，可從安全意識、作業程序執行、電力設備及生產用具使用、人員安全防護、設備、生產用具、防護系統、自然災害、外力破壞、作業環境9個方面對進行原因分析[4-5]。值得注意的是，該事件為已發生電力事件，在利用事故樹進行分析時，基本事件往往基于調查結果進行選取，因此事故樹中為實際導致電力事件發生的中間/基本事件，而排除了部分可能事件（即在傳統事故樹分析時涉及的可能導致事故發生、實際上未發生的假設事件）。

該事件的分析如下：

1）T（大面積停電）的直接原因

主要是22035刀閘短路（A1）和#1、#2、#3主變重瓦斯誤動（A2）。

#3主變中22035刀閘在發生短路故障時，#1、#2、#3主變重瓦斯的穿越性電流產生的短路點動力引起主變繞組快速擠壓和擴張，使本體油快速往油枕方向涌動，油流經過瓦斯繼電器時，達到重瓦斯繼電器動作值，觸發重瓦斯繼電器動作，從而跳開#1、#2、3#主變三側開關，擴大跳閘范圍，造成線路的失壓，引起大面積的停電事件。

2）事件A2的原因

引起事件A2的原因主要有三個：22305刀閘短路，瓦斯繼電器動作值過小和無防重瓦斯誤動措施。三者共同組成本事故主變重瓦斯誤動的原因，若其中一項不成立，則本案例的大面積停電事件就不會發生，其關系為： A2= A5× A1× X1。

3）22305刀閘短路（A1）原因

通過分析發現，刀閘發生短路是由兩個事件組成即 22306刀閘合閘不到位（A3）和誤判斷 22306刀閘在合閘位置（A4），兩事件的同時發生導致了事件A1的發生，即A3和A4是與門關系：A1= A3× A4。

A3原因有兩個：人員進行合閘操作（X2）和刀閘有缺陷（A6），X2和 A6的同時發生導致了事件A3的發生，故兩者的關系為與門關系：A3=X3×A6；分析A6，主要由于刀閘內部生銹且阻力過大（A8）及未按廠家要求每年至少操作刀閘一次（X6）兩個原因共同導致，即兩個原因為與門關系：A6= A3× X6；分析 A8，若彈簧組件生銹（X9）和油緩沖器生銹（X10）其中任何一個發生，都會導致事件A8的發生，故兩者為或門關系：A8= X9+ X10。

分析A4，有兩個原因即刀閘缺少限位標識（X3）和刀閘位置顯示錯誤（A7），兩個原因共同發生導致A4的發生，故X3和A7的關系為與門關系，關系式表示為： A4= X3× A7；分析 A7，是由刀閘指示牌指示不準確（X7）和刀閘位置顯示二次先于一次（X8）共同造成的，故兩者的關系為與門關系：A7= X7+ X8。

分析造成A5（瓦斯繼電器動作值過小）的原因：對于瓦斯繼電器動作值過小，是由于整定值設置不正確（X4）和反措不當（X5）兩個原因共同造成的，故 X4和 X5的關系為與門關系，表達為：A5= X4× X5。

為了便于進行事故樹分析，將各事件進行編號，見表1，事故樹如圖2所示。

表1 事件符號說明

2.2 定性和定量分析

根據大面積停電事件的事故樹計算，得到其最小割集及最小徑集見表2。

表2 大面積停電事件最小割集及最小徑集表

結合公式（1）及表2中最小割集對各基本事件的結構重要度進行計算并排序，見表3。

表3 最小割集結構重要度計算結果

圖2 大面積停電事故樹

對于已發生事故進行事故樹分析時，基本事件往往基于前期調查結果進行選取且排除了可能事件，導致事故樹以與門為主，或門較少。由表2和表3可以看出，該大面積停電事故樹共有2個最小割集，9個最小徑集，但各事件間的結構重要度差別較小。通過分析其最小割集及最小徑集，能夠分析事故發生的基本事件組合及應采取的安全措施，但未能突出事件關鍵起因。此時，需對數據進行適當處理，以便為后期事故調查及原因分析提供更具指導意義的理論依據。

鑒于該種情況，結合電力事件常見分類，對10個基本事件進行重新整理并分析（見表4）。

對比表3和表4結果可見，表4中整理后的數據結構重要度差異較大，并看出設備質量不良和日常運行維護不當是該次事件發生的主要原因，與實際的調查報告也是相符的，故驗證本次事故樹的分析的正確性。

表4 基本事件整理結果

2.3 BowTie可視化分析

通過事故樹分析結果可知，此次大面積事件發生主要由設備質量不良和日常運行維護不當引起，針對這兩個原因，應制定防范措施，以避免該類事件的再次發生。

對設備質量不良和日常運行維護不當，歸根結底是由于電網運行管理缺失導致的。因此，從設備質量不良、日常運行維護不當和電網運行管理缺失三個威脅角度進行Bowtie分析，并且結合電網的日常管理進行安全防護屏障設置[6-9]。

據調查統計，本次大面積停電事件造成的損失主要有負荷損失、重要用戶停電和設備損壞及損失三個方面。本次大面積停電事件共損失負荷604MW，造成兩個重要用戶停電，以及主變220kV側22035刀閘三相動靜觸頭和盆式絕緣子損壞。

通過上述分析，確定設備質量不良、日常運行維護不當及電網運行管理缺失為三個威脅事件；負荷損失、重要用戶停電及設備損壞和損失為后果事件；結合電網管理實際，從電網的設備設計、風險控制、應急處置角度建立屏障和安全措施，見表 5和表6。

經過上述對威脅、防護屏障、后果及控制措施分析，建立以大面積停電為頂級事件的 Bow-tie可視化分析圖，如圖3所示。

表5 BowTie屏障

表6 BowTie安全措施

圖3 BowTie風險分析圖

2.4 結果分析

1）根據事故樹結構可知，該事件有2個割集，9個徑集，因此，事故防止途徑較多，可通過加強割集中基本事件的管理以提供系統的安全性。

2）該事件2個最小割集均為9階，說明事故模式多方原因同時發生導致，較難發生。同時，有 8個1階最小徑集以及1個2階最小徑集，說明通過對這些基本事件進行控制，能有效防止該類事件的發生。

3）根據結構重要度分析結果可知，該事件主要由設備質量不良引起，同時，日常運維不當也是其關鍵原因之一，而這兩者歸根結底是由于電網運行管理缺失導致的。

4）為防止同類大型電力事件的發生，利用BowTie對事故樹分析結果進行深入分析：設備質量不良、日常運行維護不當及電網運行管理缺失為三個威脅事件；負荷損失、重要用戶停電及設備損壞和損失為后果事件；結合電網管理實際和基于已有的研究成果，建立了安全防護措施，具體有防護屏障和控制措施，從而建立了可視化的 Bow-tie風險分析圖[10-11]。

3 結論

1）本文通過對電力事故分析，得到最小徑集9個，最小割集2個。通過最小割集，確定系統危險性；根據最小徑集，提供預防事故（事件）發生的有效途徑。

2）計算基本事件結構重要度，并根據實際需要進行適當處理，確定引起事故發生的主要及次要原因，為事故調查提供科學依據。

3）本文基于實際的電力事故，對其進行事故樹分析，最后得到此次大面積事件發生主要由設備質量不良、日常運行維護不當及電網運行管理缺失導致的。

4）利用BowTie對事故樹分析結果進行深入分析，建立了可視化的 Bow-tie分析圖，直觀的顯示威脅、防護屏障、威脅及控制措施之間關系，屏障即為控制風險的措施，為電網的安全管理提供依據。

[1] 王鵬飛. 事故樹法在腳手架施工安全分析中的應用[C]. Proceedings of 2010:Shenyang International Colloquium on Safety Science and Technology, 2010:55.

[2] 郝彩霞, 許彥, 龔聲武. 事故樹分析法在 LPG 儲罐火災爆炸事故中的應用[J]. 中國安全生產科學技術,2012, 8(1): 154-159.

[3] 吳芳, 肖雄, 吳漢斌, 等. 事故樹分析法在高處施工人員墜落事故中的應用[J]. 四川建筑科學研究,2014, 40(2): 354-357.

[4] 杜娟, 馬驍, 黃新, 等. 10kV母線失壓分析[J]. 電工技術, 2013(1): 21-22.

[5] 檀英輝, 姚文軍, 李佩軍, 等. 500kV變壓器瓦斯保護誤動分析及整改[J]. 高壓電器, 2012, 48(3):117-122.

[6] 李洪衛. 220kV變電站一條母線失壓事故處理方式及風險預控措施[J]. 電工技術, 2013(11): 38-39, 49.

[7] 王世祥. 電網大面積停電的推動關鍵因素分析及預控措施研究[J]. 華東電力, 2014, 42(1): 77-81.

[8] 劉紅巖. 仿真極限斷面下220kV母線失壓及控制措施[J]. 電力科學與工程, 2014, 30(z1): 32-34, 38.

[9] 郭全有, 樊平, 付正偉, 等. 惠州 220 kV 三棟變差動保護動作分析[J]. 電力科學與工程, 2011, 27(1):66-69.

[10] 姚建剛, 肖輝耀, 章建. 電力安全評估與管理, 8[M].北京: 中國電力出版社, 2009: 72-84.

[11] 宋守信, 吳聲聲, 陳明利. 電力安全風險管理, 4[M].北京: 中國電力出版社, 2011: 44-55.