低壓計量箱故障分類及影響因素相關分析研究

張旭，韓冬軍，李玉宏

（1.國網冀北電力有限公司物資分公司,北京 100075；2.煙臺東方威思頓電氣有限公司,山東 煙臺 264003）

低壓計量箱不僅是國網公司的窗口形象，而且是智能電能表、采集終端和斷路器等計量設備和關鍵元件的第一層防護。在實際應用中，低壓計量箱的規格、尺寸繁雜，工藝水平參差不齊，投入運行后，不到2 年就容易出現破損、腐蝕和老化等質量問題，這不僅難以給計量設備提供良好的運行環境，而且也不能勝任新時期用電信息智能采集和管理的需求，可能造成不好的社會影響和額外的經濟損失。

目前，國外未見開展低壓計量箱故障分析相關工作的文獻報道。國內學者對電能計量裝置的故障分析有一定研究。例如：文獻[1]采用層次分析法與灰色聚類相結合，通過定性與定量分析來評估低壓計量箱運行狀態，確定低壓計量箱的健康狀況；文獻[2]強調讓電力企業、上游生產廠商和下游用戶共同參與到低壓計量箱的管理中，并圍繞技術規范、產品驗收、現場安裝和運行維護等4 大核心環節，建立了設計、生產、驗收、安裝和運維為一體的資產全壽命周期管理體系。此項工作在運維中談及故障分析，但是沒有深入分析故障原因。

目前，國內現場使用的低壓計量箱主要存在3 類主要故障：1）箱體銹蝕及涂層損毀，影響低壓計量箱的美觀度，有損企業形象；2）導線端子和保護裝置等電氣部件燒毀，存在嚴重安全隱患，容易造成觸電、起火等事故；3）箱門及門鎖破損，導致低壓計量箱無法進行正常防護，不能勝任反竊電管理的需求。由于缺乏對低壓計量箱各類故障數據分類的方法和處理手段，難以進行計量箱故障分析工作，且對計量箱故障的成因還不清晰，因此，本文根據低壓計量箱的實際運行數據開展故障及其影響因素相關分析，收集各類低壓計量箱故障情況，并進行故障情況匯總分析，研究低壓計量箱故障因子，為低壓計量箱的故障分析提供依據。

1 低壓計量箱關鍵部件失效模式和影響評估

本文根據運行工況，應用部件關鍵性評估（component criticality assessment，CCA）[3]確定影響低壓計量箱產品質量、運行安全和使用功能的關鍵部件，在此基礎上，應用失效模式與影響評估（failure mode and effects analysis，FMEA）[4-7]對低壓計量箱的關鍵部件進行風險評估，研究低壓計量箱關鍵部件功能失效的模式，并評估各類失效模式的風險程度。最后，收集典型環境區域的故障樣本數據，以確定的關鍵部件失效模式為指導，對故障分類。

1.1 部件關鍵性評估

在系統或者設備當中，各個設備所起的作用不同，對整體質量或者功能影響程度也不同。為了確定單獨部件的所有潛在風險及其對產品的影響，需要進行部件關鍵性評估，從而在此基礎上進一步開展風險評估，根據不同的風險類型采取不同的降低風險的措施并驗證。

部件關鍵性評估是針對直接影響系統的部件或設備的關鍵程度進行評估，確定其在系統中的風險情況，并制定控制措施降低風險。部件關鍵性評估以單部件進行，并將對產品質量有影響的設備或部件歸類為關鍵部件或非關鍵部件。關鍵部件是指系統某個部件的數據、控制、運動、接觸、報警和故障對產品質量參數（安全、特性、功能、質量和純度）有直接影響；非關鍵部件則對以上情況存在間接影響或無影響。通過CCA 法可以顯著縮小確認工作的范圍，從而實現對關鍵性部件和非關鍵部件的確認與調試。評估歸類問題可選擇表1 所示的依據，也可以依據產品特性制定。

表1 部件關鍵性評估依據Tab.1 Evaluation basis of component key performance

1.2 失效模式與影響評估

在開展低壓計量箱的關鍵部件失效模式與影響評估之前，首先需要明確統一的評分標準。FMEA評分標準中各要素的定義、水平和數值會隨著不同的風險情況和項目要求而變化。為了避免一套評分標準中的各個風險要素所生成的風險優先度（risk priority number，RPN）值產生偏移，需要通過一些實例來驗證該套評分標準是否適用于系統[3]。

1.2.1 FMEA 法評分標準

本文采用5 分制評分標準評價低壓計量箱，如表2 所示。其中：可能性(P)指某一特定潛在失效發生的概率；嚴重性(S)指潛在失效發生對產品質量和人員安全的影響程度；可檢測性(D)指檢測到潛在失效發生的可能性。表2 對S、P、D 這3 項內容進行了從1 到5 的分數測評。分數值越高表示計量箱的失效模式與影響評估的風險越大。

表2 低壓計量箱FMEA 法評分標準Tab.2 FMEA scoring standard for low-voltage metering box

1.2.2 FMEA 風險級別判定標準

表3 為低壓計量箱的風險等級判定表。根據風險評分劃分為4 個對應的風險等級，當風險評分值≤18時，表示風險可以接受，僅需加強管理和制定相關措施防止風險升級。當風險評分值>18時，表示風險不能接受，需要立即采取相應風險控制措施，降低風險等級。

表3 低壓計量箱風險等級判定表Tab.3 Risk rating determination table of low-voltage metering box

2 低壓計量箱故障及影響因素相關分析

本文采用典型相關分析的方法建立低壓計量箱故障多應力相關分析模型，對低壓計量箱故障及其影響因素進行相關分析，研究各類影響因素與故障的潛在相關性。

2.1 典型相關分析理論

典型相關分析是一種利用2 組變量中的2 個綜合變量之間的相關關系來反映2 組變量之間的整體相關性的多元統計分析方法[4]。它的基本原理是：從2 組變量中取出具有代表性的2 個綜合變量，然后利用它們之間的相關關系反映2 組指標之間的總體相關性。為消除度量不同和數量級不同帶來的影響，做典型相關分析前，一般對原始數據做標準化處理[8-12]。

2.2 低壓計量箱故障與影響因素的相關分析模型

為了采用典型相關分析的方法對低壓計量箱故障與影響因子之間相關性進行分析，需要建立故障數據和影響因素數據數學描述，即建立分析模型。由于各類因素之間、各類故障之間同樣存在相關性，因此建立可研究各類相關性的相關分析模型，建立過程如圖1 所示。

圖1 相關分析邏輯框圖Fig.1 Block diagram of the correlation analysis logic

1）確定典型相關分析的目標。收集典型區域低壓計量箱的運行情況，分析研究低壓計量箱故障與影響因素之間的相關性。

2）設計典型相關分析。假定測得2 組變量的數據：x=(x1,x2,···,xq)（低壓計量箱影響因素）和y=(y1,y2,···,yp)（低壓計量箱故障因子）。這里x=(x1,x2,···,xq)=（鹽霧，溫度，濕度，粉塵，雨水浸入，陽光輻射，遭受撞擊，振動，雷擊，用電過流或短路，竊電高發，物業管理水平），y=(y1,y2,···,yp)=（箱體開裂破損，箱體外觀褪色，箱體涂層磨損，箱體銹蝕，箱體變形，···）。具體含義如表4 和表5 所示。

表4 低壓計量箱影響因素Tab.4 Influencing factors of low-voltage metering box

表5 低壓計量箱故障因子Tab.5 Fault factor of low-voltage metering box

3）檢驗典型相關分析的基本假定。假定上述2 組變量線性相關，即環境因子和故障因子線性相關。相關分析矩陣為

4）推導典型函數并評價整體擬合情況。一個典型函數包括一對變量，分別為自變量和因變量，在進行相關分析過程中，變量組中的典型變量的最大數量等于最小數據組中的變量數。一般情況下，典型函數是在某一水平上具有典型相關系數的顯著函數。

5）解釋典型變量。對模型結果進行解釋，可采用典型載荷、典型權重和典型相關載荷進行說明。

6）驗證模型。驗證典型相關分析的結果，確保模型結果適用于樣本的同時，也適用于整體。

2.3 相關性分析

在進行相關性分析時：當低壓計量箱故障因子和環境因子2 個變量呈“正相關”時，該系數大于0；當2 個變量間呈“負相關”時，該系數小于0。系數為0 則表示無關，系數為1 則表示完全正相關。相關系數越大，則相關性越強。根據工程經驗，本文的顯著性水平值設為0.05。

2.3.1 故障影響因素之間的相關系數

各類故障影響因素之間的相關分析結果如表6 所示。從相關分析的相關系數可以得出以下結論。

表6 各類影響因素的相關系數Tab.6 Correlation coefficient of various influencing factors

1）低壓計量箱的環境因子、機械因子、電氣因子、其他因子彼此之間相關性較低。

2）環境因素內部之間存在弱相關，主要是由于我國不同區域地理環境造成。溫度寒冷地區較為干燥，溫度較高的地區往往濕度較大。此外，沿海地區濕度和鹽霧也都相對較高。

3）其他因素內部之間也存在弱相關，分析原因主要是物業管理水平高的區域發生竊電行為概率較低。

2.3.2 故障影響因素與故障之間的相關系數

各類故障影響因素與故障之間的相關分析結果如表7 所示。由相關分析可以得出以下結論。

1）環境因子鹽霧與故障因子的關系。在鹽霧的腐蝕下，非金屬計量箱箱體和箱門微微發黃，金屬計量箱發生腐蝕的情況較多。此外，接線端子、接插件等計量箱的關鍵部件，其復雜的結構形式使其更容易受到鹽霧環境的影響。

2）環境因子溫度與故障因子的關系。溫度在計量箱故障因子中主要與箱體外觀褪色、箱體涂層磨損或剝落、箱門外觀褪色、箱門涂層磨損或剝落、門鎖無法打開、接線端子氧化、接線端子螺絲松動、接插件氧化、接插件損壞等9 種故障強相關，其相關系數超過0.5。

3）環境因子濕度與故障因子的關系。濕度在計量箱故障因子中與箱體銹蝕、箱門銹蝕、門鎖無法打開、接線端子氧化、接線端子螺絲松動、接插件氧化、接插件損壞等7 種故障強相關，相關系數超過0.5。

4）環境因子粉塵與故障因子的關系及環境因子之間的關系。粉塵在計量箱故障因子中與各故障因子都呈弱相關，相關系數在0.1～ 0.3。

5）環境因子雨水與故障因子的關系。雨水浸入在計量箱故障因子中與接插件強相關，相關系數超過0.3。在低壓計量箱的運行過程中，要做好防雨措施。

6）環境因子陽光輻射與故障因子的關系。陽光輻射在計量箱故障因子中與箱體外觀褪色、箱體涂層磨損脫落、箱門銹蝕強相關，相關系數超過0.5。

7）機械因子遭受撞擊與故障因子的關系。遭受撞擊在計量箱故障因子中與箱體開裂破損、箱體涂層磨損剝落、箱體變形、箱門開裂破損、箱門涂層磨損剝落等5 種故障強相關，相關系數超過0.5。計量箱在遭受撞擊的情況下，容易發生變形和開裂，在計量箱的運輸過程中，要加強防護措施。

8）機械因子振動與故障因子的關系。相關分析可以得出，振動在計量箱故障因子中與箱體開裂破損、箱門開裂破損、進出線開關接線松動等3 種故障強相關，相關系數超過0.5。計量箱在振動的情況下，容易發生變形和開裂，在計量箱運輸過程中，要加強防護措施。

9）電氣因子雷擊與故障因子的關系。雷擊在計量箱故障因子中與接線端子燒毀、導線燒毀強相關，相關系數超過0.5。對于安裝在多雷區的低壓計量箱，要做好防雷措施。

10）電氣因子用電過流或短路與故障因子的關系。用電過流或短路在計量箱故障因子中與接線端子燒毀、導線燒毀、進出線開關破損強相關，相關系數超過0.5。在發生過流或短路時，容易產生大量的熱量造成接線端子、導線、進出線開關燒毀損壞。

11）其他因素竊電高發與故障因子的關系。竊電高發在計量箱故障因子中與封印缺失、門鎖損壞強相關，相關系數超過0.5。在竊電高發地區，計量箱容易遭到破壞，造成封印缺失、門鎖損壞。

12）其他因素物業管理水平與故障因子的關系。物業管理水平在計量箱故障因子中與箱體開裂破損、箱體變形、箱門變形、封印破損或缺失、門鎖損壞、導線燒毀、導線脫落等7 種故障強相關，相關系數超過0.5。放置在小區的低壓計量箱，其損壞情況與小區物業的管理水平有關。

2.3.3 故障之間的相關系數

各類故障與故障之間的相關分析結果如表8所示。由相關分析可以得出以下結論。

1) 箱體故障（開裂破損、外觀褪色、涂層磨損剝落、銹蝕）與箱門故障（開裂破損、外觀褪色、涂層磨損剝落、銹蝕）具有強相關，相關系數大于0.5。

2) 箱體開裂破損與箱體變形、箱門變形、門鎖打開剝落強相關，相關系數大于0.5。

3) 箱體外觀褪色與箱體涂層磨損剝落、箱體銹蝕、箱門外觀褪色、箱門涂層磨損、箱門變形、接線端子氧化、接插件強相關，相關系數大于0.5。

4) 箱體銹蝕與箱體外觀褪色、箱體涂層磨損剝落、箱門涂層磨損剝落、接線端子氧化強相關，相關系數大于0.5。

5) 箱體變形與箱體開裂破損、箱門開裂破損、門鎖打開、導線松動強相關，相關系數大于0.5。

6) 封印缺失與箱門開裂破損、門鎖打開、門鎖損壞強相關，相關系數大于0.5。

7) 門鎖打開與箱體開裂破損、箱體變形、箱門變形、導線脫落強相關，相關系數大于0.5。

8) 門鎖損壞與箱體開裂破損、箱體變形、箱門變形、導線脫落強相關，相關系數大于0.5。

9) 接線端子氧化與箱體褪色、箱體銹蝕、箱門褪色、箱門銹蝕強相關，相關系數大于0.5。

10) 接線端子氧化與箱體褪色、箱體銹蝕、箱門褪色、箱門銹蝕強相關，相關系數大于0.5。

3 相關建議

為了加強低壓計量箱質量監督工作，確保產品質量，需要從產品性能檢測方面完善低壓計量箱的質量管控工作，因此非常有必要根據低壓計量箱故障影響分析結果提出對其檢測驗收的內容。

1) 根據環境因素對計量箱殼體的性能影響分析結果：對于非金屬計量箱，建議進行絕緣材料性能試驗，包括熱穩定性試驗、耐熱性試驗、耐受非正常發熱和火焰的驗證試驗、耐老化試驗、溫度沖擊試驗、塑料沖擊性能測定試驗、塑料彎曲性能測定試驗等；對于金屬計量箱，建議進行理化性能試驗，包括耐腐蝕試驗、涂層附著力測定試驗。

2) 根據機械因素對計量箱性能影響分析結果，建議進行機械性能試驗，包括靜載能力試驗、動態載荷試驗、沖擊載荷試驗。

3) 根據電氣因素對計量箱性能影響分析結果，建議進行電氣性能試驗，包括電氣間隙、爬電距離測定、保護電路有效性驗證、絕緣電阻測定、介電性能試驗和電氣開關性能檢驗。

4) 根據其他因素對計量箱性能影響分析結果，建議進行計量箱外殼防護等級（IP 代碼）驗證試驗、門鎖性能試驗和操作試驗，同時加強電能計量裝置運維管理。

4 結束語

本文針對低壓計量箱故障類型和影響因素進行了分析研究。首先，通過CCA 法確定影響低壓計量箱的關鍵部件；然后，利用FMEA 法對低壓計量箱的關鍵部件進行風險評估并采用典型相關分析方法，依據低壓計量箱的實際運行數據開展故障及其影響因素相關分析；最后，提出相關建議，為低壓計量箱的選用和資產管理提供了技術支撐和數據依據。