基于故障模式與后果分析以及故障樹法的電子電流互感器的可靠性

陳慧聰

摘要：電子式互感器研究過程中，需要格外注意控制其可靠性，其可靠性設計環節也是電子交流互感器開發研制中的重要環節。為了能夠提高其可靠性，基于故障模式與后果分析以及故障樹法可靠性分析，是電子式互感器研制中的關鍵環節。電子式電流互感器只有具備一定的可靠性，才能在具體的工作中發揮其巨大的功能作用。本文采用故障式與后果分析法以及故障樹分析法，對電子式電流互感器的可靠性進行詳細分析及研究，力求建立較為完善的FMEA表格，以及故障樹，并獲得故障樹的最小割集，對其可靠性進行定性分析，通過實例驗證電子式電流互感器的可靠性，為電子式電流互感器的研發提供有效的參考，保證電子式電流互感器的可靠性。

關鍵詞：電子式電流互感器；可靠性分析；故障模式與后果分析；

眾所周知，電子式電流互感器的可靠性分析是整個電子式電流互感器研發的關鍵環節，與電磁式的電流互感器的可靠性進行對比分析發現，在具體的電子式電流互感器的研發過程中，采用故障式與后果分析法，以及故障樹的分析法，可以有效分析電子式電流互感器的可靠性，建立完善的FMEA表格，以及健全的故障樹，并能得到故障樹所有的最小割集，對互感器進行有效的定性分析，明確其可靠性。之后通過互感器研制與實驗過程中的實例進行驗證，能明確其可靠性的效果，從而為電子式電流互感器的研發提供有效的參考。

一、常規電子式電流互感器與電磁式電流互感器的可靠性研究內容

（一）絕緣

電子式電流互感器與電磁式電流互感器，在其原理、結構構成等多方面都存在一定的差異性，因此，在對其可行性進行開發設計與分析時，需要考慮的內容也存在一定的差異。

就一般情況來看，電磁式電流互感器在其系統內部往往裝有一個鐵心，還有一次線圈和二次線圈，在線圈之間與鐵心之間都有絕緣將其進行隔離。該絕緣結構構成比較復雜，隨著電壓等級逐漸提高，其結構也會更加復雜。而電子式電流互感器通常是由光學器件或者Rogowski線圈和低功率電流互感器組成的。因為系統內的電子元件均懸浮于高電位側，所以在其傳感單元一、二次側的絕緣相對比較簡單，且電壓等級高低對其影響不大。

（二）鐵心

在電磁式的電流互感器中配置了鐵心，在其運行的過程中就很容易出現磁飽和、鐵磁共振、磁滯效應等不同類型的問題。在電子式電流互感器，由于其采用的鐵心性能較好，在其運行的過程中產生的二次負荷較小，因此，在其運行中不容易導致磁飽和等問題。

（三）二次側開路

在常見的電磁式電流互感器設計中，二次回路不能開路，如果是處于二次開路的情況，則其二次線圈就有很大的高壓風險。在電子式電流互感器中，其高壓側與低壓側之間沒有直接的電氣連接關系，往往是通過光纖來進行信號傳遞的傳。光纖的思維絕緣性能良好，可以保證其系統內的高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離。

（四）易耗器件

在電子式電流互感器通常會采用光學器件與電子元器件，與一般電子器件相比，這些器件都是相對易耗的元件。保障易耗器件的可靠性，對保障電子式電流互感器的可靠性也有著重要的作用。

二、電子式電流互感器的故障模式與后果分析

（一）FMEA法

所謂故障模式和后果分析法，就是在電子式電流互感器系統、設備設計的過程中，對其運行中的各個組成單元潛在的故障模式、系統設備等進行分析，并能夠根據分析的結果按照其程度進行分類。針對該潛在的故障要提出具有指向性、針對性的設計與改進措施，從而能夠有效的提升該設備的可靠性。應用FMEA法對電子式電流互感器的故障進行分析，通常是將其故障模式呈現出來，在對其后果進行分析的基礎上，對其結果進行分析。

（二）定義系統

在應用FMEA法對電子式電流互感器進行可靠性分析以前，首先需要將該電子式電流互感器的系統各個部分進行詳細的劃分，將其劃分結果作為建FMEA表格的數據基礎。一般看來，電子式電流互感器的可靠性框圖如圖1所示。

三、電子式電流互感器故障樹分析

（一）電子式電流互感器的故障樹

在對電子式電流互感器進行故障模式和后果分析的基礎上，還可以通過構建電子式電流互感器故障樹的方式來分析其可靠性，常見的故障樹模型如下圖1至圖4所示。

（二）電子式電流互感器的故障樹分析

通過利用故障樹分析程序，可以對電子式電流互感器的故障樹進行定性分析。所謂定性分析就是，將該產品中可能導致事件所有可能故障模式都進行分析，從而可以計算出故障樹的最小割集。一般可以下行法來計算最小割集，即求由頂事件作為開端，根據邏輯關系詞逐級向下，并采取分行表示的形式；如果是或門，就需要將輸入事件分列在不同行，如果是與門，則可以將輸入事件排列在同一行內。將可能出現的故障模式依次進行分析，直到將所有可能性基本事件分解為止。

根據相關的數據分析，電子式電流互感器故障樹中，通常會有16個一階最小割集，約占所有的最小割集中的一半，一階最小割集在故障樹模分析模型中，是最小的也是最重要的割集，對電子式電流互感器故障有重要的影響。因此，在設計電子式電流互感器時，可以通過盡可能地減小一階最小割集的數目，從而減少最小割集基本事件與故障發生的概率。在設計中應該盡可能的避免出現故障樹中的以下基本事件的發生：（101）-（104），（113），（114），（122），（123），（132），

（133），（137），（143），（144），（145），（146），（147）。

此外，除了構成一階最小割集的基本事件的發生，可能會導致產品在使用時出現故障，一般的其他基本事件不會直接導致產品出現故障。目前還需要一定的條件，且需要的時間較長，通過采取一些技術性的措施，可以有效的減少故障發生的概率。

四、電子式電流互感器故障案例析

為分析電子式電流互感器的可靠性、穩定性，對其高壓側傳感頭部分的溫度進行實驗分析。在實驗初期產品的性能相對比較穩定，在高低溫反復交替試驗后，在溫度低于？18℃則產品輸出波形呈現出毛刺狀，針對該現象進行波形測試與溫度影響準確度試驗，則得出：出現該現象是由于系統輸出異常導致的，且伴隨準確度不達標問題，對應FMEA表中常見的故障模式就是電子線路老化與溫度特性變差問題，對應故障樹中的基本事件為114。確定該故障模式后，修改出現故障的相關器件并解決該問題。

為測試產品的型式，在其實驗的過程中要保持室內溫度連續12小時都保持在溫升試驗狀態，但是該實驗結果顯示無產品輸出。通過結合FMEA表和故障樹對該結果進行分析，將高實驗故障鎖定為電源系統，對應FMEA表中常見故障為為鐵心損壞或者是DC/DC模塊故障。為確保其分析的可靠性，將該產品解構，產品內部的取能線圈出現嚴重的燒蝕現象，鐵心護套、二次繞組絕緣都已經被燒毀，從而導致匝間出現短路現象，取能線圈無能量輸出，最終導致該產品不能進行正常工作。且通過本次的溫升試驗進行分析，一旦在實驗的過程中加一次大于額定電流值150%的電流就會導致產品過載運行，長時間累積就容易造成故障。

結束語

總而言之，通過對電子式電流互感器與電磁式電流互感器的可靠性進行對比分析，并以此為基礎建立新的電子式電流互感器的可靠性框圖。為保證電子式電流互感器的可靠性，通過以某一電子式電流互感器為例進行實驗，建立故障模式與后果分析、故障樹模型，并計算出其中最小的割集，從而分析影響電子式電流互感器可靠性的關鍵問題與關鍵環節。且通過實驗分析可以看出，應用基于故障模式與后果分析以及故障樹法，對開發和研制電子式電流互感器可靠性有較好的規范性作用。

參考文獻

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