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

（1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002；2.宜昌電力勘測設計院，湖北宜昌443002）

0 引 言

故障樹分析法（Fault Tree Analysis）簡稱FTA，始于20世紀60年代的美國，主要用于對發電機組或變壓器進行故障評估，己經取得了良好的成果。故障樹分析法現己成為分析各種復雜系統可靠性的重要方法和有效工具［1］。

故障樹分析法（FTA）是指通過對所有可能造成系統故障的各種原因進行分析，然后建立運行狀態的故障樹，反過來通過故障樹來確定系統故障原因的各種組合方式以及發生的概率。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致頂事件發生的各種原因及原因組合，可以用來指導故障診斷，以改進維修運行方案［2］。故障樹的定量計算則是要計算或者估計各種故障導致頂事件發生的概率。具體的對于架空輸電線路來說，就是根據架空輸電線路的各個組成部件（基礎、水泥桿、橫擔、拉線拉盤、鐵塔、絕緣子、金具、導地線、接地）來確定故障概率。但架空輸電線路具有不同于其它電力設施的特點：線路路徑較長，線路途經環境復雜，而且容易受到各種氣象條件以及自然災害的影響［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、風偏和污閃故障。

（1）雷擊故障

輸電桿塔發生直擊或者反擊故障，導致絕緣子串發生閃絡后，絕緣子傘裙邊緣有呈直線分布燒傷印記，一般絕緣子串兩側的絕緣子燒傷最為嚴重，金具間的聯接點也會有燒傷痕跡，懸垂線夾和均壓環上均有明顯的銀色燒傷亮斑。

（2）風偏故障

風偏故障是指大風導致導線與大地或者桿塔之間發生放電的故障，分為導線對桿塔放電故障、導地線線間放電故障和導線對周邊物體放電故障。其中導線對桿塔放電故障又分導線對桿塔構件放電和跳線對桿塔放電兩種情況。

（3）污閃故障

污閃故障主要特點是在絕緣子表面發生沿面放電，而且燒傷痕跡不規則的分布在絕緣子的表面。污閃故障一般容易發生在工業發達的鹽密值偏高的重污區，瓷質絕緣子和玻璃絕緣子相比復合絕緣子易發生污閃。

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

故障樹分析法通常可以按照以下步驟進行：確定頂事件、建立故障樹、進行定性分析、定量分析、進行重要度分析及得出分析結論并確定改進措施。

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致頂事件發生（即系統故障）的部件故障的組合，故障樹的最小割集是定性評價的結果，同時也是故障樹定量評價的基礎。

（2）定性部件的重要度

定性重要度主要是給出各個元件對頂事件發生的影響大小、等級等。其方法是：在求出故障樹的最小割集后，按階數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。各個元件的共因故障敏感性高、階數高的最小割集的重要度不一定比階數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可靠性的定量結果的過程，可分為以下三方面：

（1）確定系統故障概率

故障樹是以頂事件的定量數據（故障率、失效率等）來做最后評價的。在求出最小割集后，可以根據元件的故障概率求出最小割集發生的概率，然后計算頂事件發生的概率 （即系統故障概率）［6］。

（2）元件與最小割集的定量重要度

在故障樹中，不同的底事件對頂事件發生的貢獻大小、等級都是不同的，而這可以使用底事件的重要度來描述［5］。通過底事件的重要度可以確定系統需要監控的關鍵部件、改善系統設計以及確定系統故障診斷的方案。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發生故障次數的百分比。重要度可分為概率重要度和結構重要度［6］。

a.概率重要度

概率重要度是指由于底事件發生概率變化而引起的頂事件發生概率變化的程度；部件的不可靠度變化引起系統的不可靠度變化的程度。可用數學公式表示為：

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

b.結構重要度

結構重要度指的是元件在系統中所處位置的重要程度，并且與元件本身故障率無關。可用數學表達式為：

式中，Iφi為第i個元件的結構重要度；n為系統所含元件的數量。

（3）元件的靈敏度

元件的靈敏度指元件數據變化或者模型偏差對于頂事件發生概率的影響。

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 分析結果

定性分析故障樹的目標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致系統發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｝

根據上述原則可知外力破壞、直角掛板失效和U型掛環失效等故障可直接導致頂事件發生（絕緣地線掉線）；另外，感應過電壓與雷電過電壓均可導致多種故障發生，進而導致頂事件發生，對于架空絕緣地線掉線事故的發生貢獻較大。

4 結 論

通過對輸電線路地線掉線的原因分析表明在架空輸電線路運行狀態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系建立聯系，并用最小割集對其化簡，可以得到架空輸電線路運行狀態可靠性的互不相容的最小割集，從而使得計算過程和運算量大大降低。

［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］.數據采集處理，1999，14（1）：26-29.

［2］郭永基.電力系統可靠性原理和應用［M］.北京：清華大學出版社，1986.

［3］李光輝，江全才.線路金具［M］.武漢：湖北科學技術出版社，2008.

［4］楊建強.計算機輔助故障樹分析方法研究與應用［D］.太原：太原理工大學，2006.

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

［6］宋曉通.基于蒙特卡羅方法的電力系統可靠性評估［D］.濟南：山東大學，2008.

［7］張維鈸，何金良，高玉明.過電壓防護及絕緣配合［M］.北京：清華大學出版社，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.