基于FMECA的电力电缆故障分析

王维珍，庞 雷

(浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 乐清 325609)

基于FMECA的电力电缆故障分析

王维珍，庞 雷

(浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 乐清 325609)

电力电缆发生故障，会影响电能的传输和分配。介绍了FMECA分析法，并采用该方法对电力电缆可能发生的电缆接头故障、电缆接地故障进行分析、评估和预测，提出防范措施，降低电缆发生故障的可能性，给故障诊断提供了科学依据。

电力电缆；故障分析；FMECA分析法

0 引言

1 FMECA分析方法

FMECA(failure mode effect and criticality analysis)即“故障模式、影响及危害度分析”，是用于可靠性设计的一种定性分析方法。它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，找出系统潜在的薄弱环节(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，以及相关影响对系统安全性、任务成功性、维修及保障性等方面带来的危害，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)和危害性分析(CA)2部分组成。其中，FMEA是分析系统中每个潜在的故障模式及其原因、对系统可能带来的影响，并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，由于系统故障率准确值不能确定，所以主要进行定性分析。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，即根据故障出现概率的大小分为A，B，C，D，E 5个等级，如表1所示。其中定义内容可以根据实际情况进行修改，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

FMECA分析是一个反复迭代，并且需要逐步完善的过程。其基本步骤包括以下几点：

(1) 收集被分析对象的有关资料，并对其进行功能分析，画出系统的结构图；

(2) 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；

(3) 确定故障模式的检测方法，制定与每个故障模式相对应的改进设计或补偿措施；

(4) 制作FMECA分析报告，将之前归纳和总结的故障模式、影响及危害性等填入表中，便于日后调查研究工作的开展。

综合上述分析，如图1所示，FMECA主要分析流程是：模式—原因—影响—后果—检测—措施—评定。为了方便分析，可以根据分析对象的实际情况对报告进行综合选取和增删。

XOZ平面和YOZ平面上的纠偏问题其本质完全相同，以任一平面为基础研究偏斜控制算法，即代表整套纠偏控制算法的设计。

2 电力电缆的FMECA分析

电力电缆常见的故障主要有低电阻接地或短路故障、高电阻接地或短路故障、断线故障、闪络故障、复合型故障等。对电力电缆进行FMECA分析，首先根据FMECA的工作要点，明确需要确定的基本信息：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，能够较为全面、直接或间接地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。

电力电缆发生故障往往是由多个因素共同作用的结果，如果处理不当，会导致电气事故频繁发生，带来了相当大的损害。电力电缆线路中2种主要材料是电缆以及电缆附件，它们质量的好坏直接影响电力电缆线路能否安全运行。电缆、电缆附件和电缆三叉头的制作都有可能存在大的质量问题，比如电缆绝缘层内含杂质，电缆运输、贮藏过程中封闭不严而导致电缆受潮，绝缘管内有气泡、厚度不均匀，预制电缆三叉头剥切尺寸不准确，制作人员未按照要求制作电缆接头等。图2为三芯交联电缆接头的剥切示意。

2.1 电缆接头故障的FMECA分析

在潮湿的气候条件下制作电缆接头，会使接头封装内混入水蒸气而导致耐压试验时形成闪络性故障。在制作电缆中间接头时，由于压接工艺不当或压接质量不高，会导致接头在运行中发热，使电缆绝缘逐渐老化引起电缆接地、相间短路或断相等故障。在制作电缆中间接头时，由于接头封装物填充工艺不当，会使接头不能良好密封，电缆受潮引发电缆接头故障。

图1 FMECA主要分析流程

图2 三芯交联电缆接头的剥切示意

表2为电缆接头故障的FMECA分析，可以看出，电缆接头故障主要和制作工艺水平、运行环境有关系，如散热不好、接触面处理不佳和牵引力过大等因素，其中最严重的影响就是导致绝缘失效。

表2 电缆接头故障的FMECA分析

2.2 电缆接地故障的FMECA分析

在电缆生产过程中，由于制造工艺不良，会造成电缆保护层破裂、电缆终端头密封不良以及在电缆使用过程中电缆保护套被腐蚀或被异物刺穿，这些情况都会使电缆绝缘受潮，导致绝缘电阻降低、漏电流增大。电缆长期在漏电流作用下运行会产生大量的热量，加上电缆绝缘工作环境的不良，比如在长期过电压或不良的化学环境中，导致其物理性能变化，引起电缆绝缘老化或者失效，造成电缆接地故障。另外电力电缆在受到雷击或其他冲击过电压时，若存在电力电缆绝缘层内含有杂质，屏蔽层和绝缘层老化等情况，过电压引起的接地故障情况尤为严重。

电缆接地故障的FMECA分析如表3所示，其中绝缘严重老化、绝缘层有气泡或杂质以及外部变形都会使电缆接地故障发生，这是由于电缆长期过电压运行或发热过大等因素造成的。进一步发展下去可导致相间短路故障，电缆击穿。

表3 电缆接地故障的FMECA分析

2.3 电缆断线故障的FMECA分析

电缆机械损伤故障可占所有故障的一半以上，故障发生后，大多会造成大面积的停电事故。当电缆直接受到机械外力损坏，比如进行地管线施工，施工机械牵引力过大而拉断电缆，电缆弯曲过度而造成电缆绝缘层和屏蔽层损坏，电缆切剥过程中切割过度、刀痕过深等都会对电缆造成不同程度的损坏，甚至发生断线故障。

电缆断线故障的FMECA分析如表4所示，可以发现，其发生概率明显要比前2种故障低很多，发生断线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、接头未焊或脱焊等，而最有可能造成电缆断线故障发生的是化学腐蚀，它会直接导致电缆绝缘强度降低，绝缘老化。

3 防范措施

通过对FMECA表格分析以及对故障的严重程度和概率等级的综合考虑，危害性最大的故障模式是“绝缘材料碳化”、“绝缘严重老化”以及“化学腐烛”，它们均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，应从日常维护与管理以及制作工艺等方面采取有效措施加以防范。

表4 电缆断线故障的FMECA分析

制定防范措施的目的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方面采取相应的措施，以消除或减轻故障带来的影响，进而提高设备的可靠性。其主要内容有以下几个方面。

(1) 电缆头和电缆附件是电缆线路中的薄弱环节，制作安装前要制定安装工艺及说明，要有安装结构图，安装时现场环境要符合要求，尽量缩短组装时间。应使用专门的剥切工具，避免造成内部导体损伤而导致断裂。安装人员要经过相关培训并取得上岗证，并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的电缆故障问题。

(2) 定期对电缆线路的桥架、竖井进行检查和维护，检查桥架和竖井电缆是否有损害或沉降引起损坏电缆的可能性。如果是直埋电缆，检查线路上的标识牌是否完整，电缆线路与马路或排水沟交叉处是否有缺陷或存在隐患等，并做好巡视记录。

(3) 加强对电缆沟和隧道的日常维护，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；检查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。

(4) 对所有裸露的电缆设备，根据其锈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，采取通风措施，必要时需降负荷运行，避免电缆超负荷工作。

(5) 发生电缆故障事故，要记录维修过程，制定避免故障再次发生的措施。对重要的事故进行分析试验和研究，积累数据作为电缆线路的运行经验，也为产品或线路设计更完善化提供依据。

(6) 对电缆线路沿线有挖土工程的区域，实行挖土许可制度，由电缆线路管理部门派人按电缆线路图所示，向建设单位的施工人员进行交底，并且进行现场监护，同时做好施工记录。

(7) 加强技术管理工作，及时收集所敷设电缆线路的图纸资料和文件。对电缆的出厂资料、现场填报的记录、竣工试验报告以及发生事故后的详细修缮记录，进行年度事故分析统计。对包括预防性试验击穿或严重缺陷分析故障概率，制定防范措施。

4 结束语

通过对电力电缆故障产生原因的解析，归纳了造成电力电缆故障的因素。采用FMECA分析方法对每个故障进行详细的评估，并针对不同故障提出了相应的防范措施，为预防重大事故的发生、提高系统的可靠性提供了保障。

1 王彦霞.电力电缆的故障和査找方法[J].科技情报开发与经济，2007，17(28)：264-266.

2015-12-03；

2016-05-08。

王维珍(1974-)，男，工程师，主要从事发电厂设备管理工作，email：280083746@qq.com。

庞 雷(1985-)，男，助理工程师，主要从事发电厂设备管理工作。