低压计量箱故障分类及影响因素相关分析研究

张旭，韩冬军，李玉宏

（1.国网冀北电力有限公司物资分公司,北京 100075；2.烟台东方威思顿电气有限公司,山东 烟台 264003）

低压计量箱不仅是国网公司的窗口形象，而且是智能电能表、采集终端和断路器等计量设备和关键元件的第一层防护。在实际应用中，低压计量箱的规格、尺寸繁杂，工艺水平参差不齐，投入运行后，不到2 年就容易出现破损、腐蚀和老化等质量问题，这不仅难以给计量设备提供良好的运行环境，而且也不能胜任新时期用电信息智能采集和管理的需求，可能造成不好的社会影响和额外的经济损失。

目前，国外未见开展低压计量箱故障分析相关工作的文献报道。国内学者对电能计量装置的故障分析有一定研究。例如：文献[1]采用层次分析法与灰色聚类相结合，通过定性与定量分析来评估低压计量箱运行状态，确定低压计量箱的健康状况；文献[2]强调让电力企业、上游生产厂商和下游用户共同参与到低压计量箱的管理中，并围绕技术规范、产品验收、现场安装和运行维护等4 大核心环节，建立了设计、生产、验收、安装和运维为一体的资产全寿命周期管理体系。此项工作在运维中谈及故障分析，但是没有深入分析故障原因。

目前，国内现场使用的低压计量箱主要存在3 类主要故障：1）箱体锈蚀及涂层损毁，影响低压计量箱的美观度，有损企业形象；2）导线端子和保护装置等电气部件烧毁，存在严重安全隐患，容易造成触电、起火等事故；3）箱门及门锁破损，导致低压计量箱无法进行正常防护，不能胜任反窃电管理的需求。由于缺乏对低压计量箱各类故障数据分类的方法和处理手段，难以进行计量箱故障分析工作，且对计量箱故障的成因还不清晰，因此，本文根据低压计量箱的实际运行数据开展故障及其影响因素相关分析，收集各类低压计量箱故障情况，并进行故障情况汇总分析，研究低压计量箱故障因子，为低压计量箱的故障分析提供依据。

1 低压计量箱关键部件失效模式和影响评估

本文根据运行工况，应用部件关键性评估（component criticality assessment，CCA）[3]确定影响低压计量箱产品质量、运行安全和使用功能的关键部件，在此基础上，应用失效模式与影响评估（failure mode and effects analysis，FMEA）[4-7]对低压计量箱的关键部件进行风险评估，研究低压计量箱关键部件功能失效的模式，并评估各类失效模式的风险程度。最后，收集典型环境区域的故障样本数据，以确定的关键部件失效模式为指导，对故障分类。

1.1 部件关键性评估

在系统或者设备当中，各个设备所起的作用不同，对整体质量或者功能影响程度也不同。为了确定单独部件的所有潜在风险及其对产品的影响，需要进行部件关键性评估，从而在此基础上进一步开展风险评估，根据不同的风险类型采取不同的降低风险的措施并验证。

部件关键性评估是针对直接影响系统的部件或设备的关键程度进行评估，确定其在系统中的风险情况，并制定控制措施降低风险。部件关键性评估以单部件进行，并将对产品质量有影响的设备或部件归类为关键部件或非关键部件。关键部件是指系统某个部件的数据、控制、运动、接触、报警和故障对产品质量参数（安全、特性、功能、质量和纯度）有直接影响；非关键部件则对以上情况存在间接影响或无影响。通过CCA 法可以显著缩小确认工作的范围，从而实现对关键性部件和非关键部件的确认与调试。评估归类问题可选择表1 所示的依据，也可以依据产品特性制定。

表1 部件关键性评估依据Tab.1 Evaluation basis of component key performance

1.2 失效模式与影响评估

在开展低压计量箱的关键部件失效模式与影响评估之前，首先需要明确统一的评分标准。FMEA评分标准中各要素的定义、水平和数值会随着不同的风险情况和项目要求而变化。为了避免一套评分标准中的各个风险要素所生成的风险优先度（risk priority number，RPN）值产生偏移，需要通过一些实例来验证该套评分标准是否适用于系统[3]。

1.2.1 FMEA 法评分标准

本文采用5 分制评分标准评价低压计量箱，如表2 所示。其中：可能性(P)指某一特定潜在失效发生的概率；严重性(S)指潜在失效发生对产品质量和人员安全的影响程度；可检测性(D)指检测到潜在失效发生的可能性。表2 对S、P、D 这3 项内容进行了从1 到5 的分数测评。分数值越高表示计量箱的失效模式与影响评估的风险越大。

表2 低压计量箱FMEA 法评分标准Tab.2 FMEA scoring standard for low-voltage metering box

1.2.2 FMEA 风险级别判定标准

表3 为低压计量箱的风险等级判定表。根据风险评分划分为4 个对应的风险等级，当风险评分值≤18时，表示风险可以接受，仅需加强管理和制定相关措施防止风险升级。当风险评分值>18时，表示风险不能接受，需要立即采取相应风险控制措施，降低风险等级。

表3 低压计量箱风险等级判定表Tab.3 Risk rating determination table of low-voltage metering box

2 低压计量箱故障及影响因素相关分析

本文采用典型相关分析的方法建立低压计量箱故障多应力相关分析模型，对低压计量箱故障及其影响因素进行相关分析，研究各类影响因素与故障的潜在相关性。

2.1 典型相关分析理论

典型相关分析是一种利用2 组变量中的2 个综合变量之间的相关关系来反映2 组变量之间的整体相关性的多元统计分析方法[4]。它的基本原理是：从2 组变量中取出具有代表性的2 个综合变量，然后利用它们之间的相关关系反映2 组指标之间的总体相关性。为消除度量不同和数量级不同带来的影响，做典型相关分析前，一般对原始数据做标准化处理[8-12]。

2.2 低压计量箱故障与影响因素的相关分析模型

为了采用典型相关分析的方法对低压计量箱故障与影响因子之间相关性进行分析，需要建立故障数据和影响因素数据数学描述，即建立分析模型。由于各类因素之间、各类故障之间同样存在相关性，因此建立可研究各类相关性的相关分析模型，建立过程如图1 所示。

图1 相关分析逻辑框图Fig.1 Block diagram of the correlation analysis logic

1）确定典型相关分析的目标。收集典型区域低压计量箱的运行情况，分析研究低压计量箱故障与影响因素之间的相关性。

2）设计典型相关分析。假定测得2 组变量的数据：x=(x1,x2,···,xq)（低压计量箱影响因素）和y=(y1,y2,···,yp)（低压计量箱故障因子）。这里x=(x1,x2,···,xq)=（盐雾，温度，湿度，粉尘，雨水浸入，阳光辐射，遭受撞击，振动，雷击，用电过流或短路，窃电高发，物业管理水平），y=(y1,y2,···,yp)=（箱体开裂破损，箱体外观褪色，箱体涂层磨损，箱体锈蚀，箱体变形，···）。具体含义如表4 和表5 所示。

表4 低压计量箱影响因素Tab.4 Influencing factors of low-voltage metering box

表5 低压计量箱故障因子Tab.5 Fault factor of low-voltage metering box

3）检验典型相关分析的基本假定。假定上述2 组变量线性相关，即环境因子和故障因子线性相关。相关分析矩阵为

4）推导典型函数并评价整体拟合情况。一个典型函数包括一对变量，分别为自变量和因变量，在进行相关分析过程中，变量组中的典型变量的最大数量等于最小数据组中的变量数。一般情况下，典型函数是在某一水平上具有典型相关系数的显著函数。

5）解释典型变量。对模型结果进行解释，可采用典型载荷、典型权重和典型相关载荷进行说明。

6）验证模型。验证典型相关分析的结果，确保模型结果适用于样本的同时，也适用于整体。

2.3 相关性分析

在进行相关性分析时：当低压计量箱故障因子和环境因子2 个变量呈“正相关”时，该系数大于0；当2 个变量间呈“负相关”时，该系数小于0。系数为0 则表示无关，系数为1 则表示完全正相关。相关系数越大，则相关性越强。根据工程经验，本文的显著性水平值设为0.05。

2.3.1 故障影响因素之间的相关系数

各类故障影响因素之间的相关分析结果如表6 所示。从相关分析的相关系数可以得出以下结论。

表6 各类影响因素的相关系数Tab.6 Correlation coefficient of various influencing factors

1）低压计量箱的环境因子、机械因子、电气因子、其他因子彼此之间相关性较低。

2）环境因素内部之间存在弱相关，主要是由于我国不同区域地理环境造成。温度寒冷地区较为干燥，温度较高的地区往往湿度较大。此外，沿海地区湿度和盐雾也都相对较高。

3）其他因素内部之间也存在弱相关，分析原因主要是物业管理水平高的区域发生窃电行为概率较低。

2.3.2 故障影响因素与故障之间的相关系数

各类故障影响因素与故障之间的相关分析结果如表7 所示。由相关分析可以得出以下结论。

1）环境因子盐雾与故障因子的关系。在盐雾的腐蚀下，非金属计量箱箱体和箱门微微发黄，金属计量箱发生腐蚀的情况较多。此外，接线端子、接插件等计量箱的关键部件，其复杂的结构形式使其更容易受到盐雾环境的影响。

2）环境因子温度与故障因子的关系。温度在计量箱故障因子中主要与箱体外观褪色、箱体涂层磨损或剥落、箱门外观褪色、箱门涂层磨损或剥落、门锁无法打开、接线端子氧化、接线端子螺丝松动、接插件氧化、接插件损坏等9 种故障强相关，其相关系数超过0.5。

3）环境因子湿度与故障因子的关系。湿度在计量箱故障因子中与箱体锈蚀、箱门锈蚀、门锁无法打开、接线端子氧化、接线端子螺丝松动、接插件氧化、接插件损坏等7 种故障强相关，相关系数超过0.5。

4）环境因子粉尘与故障因子的关系及环境因子之间的关系。粉尘在计量箱故障因子中与各故障因子都呈弱相关，相关系数在0.1～ 0.3。

5）环境因子雨水与故障因子的关系。雨水浸入在计量箱故障因子中与接插件强相关，相关系数超过0.3。在低压计量箱的运行过程中，要做好防雨措施。

6）环境因子阳光辐射与故障因子的关系。阳光辐射在计量箱故障因子中与箱体外观褪色、箱体涂层磨损脱落、箱门锈蚀强相关，相关系数超过0.5。

7）机械因子遭受撞击与故障因子的关系。遭受撞击在计量箱故障因子中与箱体开裂破损、箱体涂层磨损剥落、箱体变形、箱门开裂破损、箱门涂层磨损剥落等5 种故障强相关，相关系数超过0.5。计量箱在遭受撞击的情况下，容易发生变形和开裂，在计量箱的运输过程中，要加强防护措施。

8）机械因子振动与故障因子的关系。相关分析可以得出，振动在计量箱故障因子中与箱体开裂破损、箱门开裂破损、进出线开关接线松动等3 种故障强相关，相关系数超过0.5。计量箱在振动的情况下，容易发生变形和开裂，在计量箱运输过程中，要加强防护措施。

9）电气因子雷击与故障因子的关系。雷击在计量箱故障因子中与接线端子烧毁、导线烧毁强相关，相关系数超过0.5。对于安装在多雷区的低压计量箱，要做好防雷措施。

10）电气因子用电过流或短路与故障因子的关系。用电过流或短路在计量箱故障因子中与接线端子烧毁、导线烧毁、进出线开关破损强相关，相关系数超过0.5。在发生过流或短路时，容易产生大量的热量造成接线端子、导线、进出线开关烧毁损坏。

11）其他因素窃电高发与故障因子的关系。窃电高发在计量箱故障因子中与封印缺失、门锁损坏强相关，相关系数超过0.5。在窃电高发地区，计量箱容易遭到破坏，造成封印缺失、门锁损坏。

12）其他因素物业管理水平与故障因子的关系。物业管理水平在计量箱故障因子中与箱体开裂破损、箱体变形、箱门变形、封印破损或缺失、门锁损坏、导线烧毁、导线脱落等7 种故障强相关，相关系数超过0.5。放置在小区的低压计量箱，其损坏情况与小区物业的管理水平有关。

2.3.3 故障之间的相关系数

各类故障与故障之间的相关分析结果如表8所示。由相关分析可以得出以下结论。

1) 箱体故障（开裂破损、外观褪色、涂层磨损剥落、锈蚀）与箱门故障（开裂破损、外观褪色、涂层磨损剥落、锈蚀）具有强相关，相关系数大于0.5。

2) 箱体开裂破损与箱体变形、箱门变形、门锁打开剥落强相关，相关系数大于0.5。

3) 箱体外观褪色与箱体涂层磨损剥落、箱体锈蚀、箱门外观褪色、箱门涂层磨损、箱门变形、接线端子氧化、接插件强相关，相关系数大于0.5。

4) 箱体锈蚀与箱体外观褪色、箱体涂层磨损剥落、箱门涂层磨损剥落、接线端子氧化强相关，相关系数大于0.5。

5) 箱体变形与箱体开裂破损、箱门开裂破损、门锁打开、导线松动强相关，相关系数大于0.5。

6) 封印缺失与箱门开裂破损、门锁打开、门锁损坏强相关，相关系数大于0.5。

7) 门锁打开与箱体开裂破损、箱体变形、箱门变形、导线脱落强相关，相关系数大于0.5。

8) 门锁损坏与箱体开裂破损、箱体变形、箱门变形、导线脱落强相关，相关系数大于0.5。

9) 接线端子氧化与箱体褪色、箱体锈蚀、箱门褪色、箱门锈蚀强相关，相关系数大于0.5。

10) 接线端子氧化与箱体褪色、箱体锈蚀、箱门褪色、箱门锈蚀强相关，相关系数大于0.5。

3 相关建议

为了加强低压计量箱质量监督工作，确保产品质量，需要从产品性能检测方面完善低压计量箱的质量管控工作，因此非常有必要根据低压计量箱故障影响分析结果提出对其检测验收的内容。

1) 根据环境因素对计量箱壳体的性能影响分析结果：对于非金属计量箱，建议进行绝缘材料性能试验，包括热稳定性试验、耐热性试验、耐受非正常发热和火焰的验证试验、耐老化试验、温度冲击试验、塑料冲击性能测定试验、塑料弯曲性能测定试验等；对于金属计量箱，建议进行理化性能试验，包括耐腐蚀试验、涂层附着力测定试验。

2) 根据机械因素对计量箱性能影响分析结果，建议进行机械性能试验，包括静载能力试验、动态载荷试验、冲击载荷试验。

3) 根据电气因素对计量箱性能影响分析结果，建议进行电气性能试验，包括电气间隙、爬电距离测定、保护电路有效性验证、绝缘电阻测定、介电性能试验和电气开关性能检验。

4) 根据其他因素对计量箱性能影响分析结果，建议进行计量箱外壳防护等级（IP 代码）验证试验、门锁性能试验和操作试验，同时加强电能计量装置运维管理。

4 结束语

本文针对低压计量箱故障类型和影响因素进行了分析研究。首先，通过CCA 法确定影响低压计量箱的关键部件；然后，利用FMEA 法对低压计量箱的关键部件进行风险评估并采用典型相关分析方法，依据低压计量箱的实际运行数据开展故障及其影响因素相关分析；最后，提出相关建议，为低压计量箱的选用和资产管理提供了技术支撑和数据依据。