（通信与信息系统专业论文）rcm理论在变压器状态评估中的应用研究.pdf

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文r c m 理论在变压器状态评估 中的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：龃日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期： l 一 ：， ， 变压器是电网中能量转换、传输的核心，其运行状态直接关系到电网运行的安 全和稳定。本论文根据r c m 理论，采用故障模式和影响分析方法，对变压器的主要 的故障模式、故障影响、故障原因以及故障检测手段进行了系统的分析。分析了用 故障树方法构建电力变压器故障树模型过程，对变压器故障树模型进行了定性和定 量分析。确定了变压器状态评估中的状态量，给出了通过层次分析法计算各故障模 式与状态量的权重的方法，弥补了专家打分时主观性太强的不足。给出了建立电力 变压器状态评估指标体系的流程图，并通过对运行变压器的状态评估实例验证了该 方法的有效性。 关键字：r c m ，变压器，故障模式及影响分析，状态评估，层次分析法 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri st h ec o r eo fe n e r g yc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o ni nt h ep o w e rg r i d ， t h eo p e r a t i n gr e l i a b i l i t yo ft r a n s f o r m e rh a sd e e pi n f l u e n c e so ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fr e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c e ( r c m ) ， u s i n gt h em e t h o do ff a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l y z e s ( f m e a ) ，t h em a i nf a u l tm o d e s ， f a u l te f f e c t ，f a u l tc a u s e sa n dt h ef a u l tm o n i t o r i n gt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e ds y n t h e t i c a l l y t h ef a u l tt r e em o d e lo ft h et r a n s f o r m e ri se s t a b l i s h e db a s eo nt h er e s u l to ff m e a c r i t e r i ao ft h et r a n s f o r m e rc o n d i t i o ne v a l u a t i o na r ed e t e r m i n e d t h ea n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) r e d u c e dt h es u b je c t i v i t yi nd e f i n i n gi m p o r t a n c ew e i g h to ff a i l u r em o d e 、 a n dc r i t e r i a t h ef l o wc h a r r to ft h ee v a l u a t i o ni n d i c e ss y s t e mo fp o w e rt r a n s f o r m e ri s g i v e n ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ee v a l u a t i o nm e t h o d i sv e r i f i e dt h r o u g he x a m p l e s w e np e n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f y u a nj i n s h a k e yw o r d s ：r c m ，t r a n s f o r m e r , f m e a ，c o n d i t i o ne v a l u a t i o n ，a h p l 1 3 本论文的研究方法及主要工作5 第二章r c m 的基本原理与f a h p 基本理论6 2 1r c m 的基本原理胁2 5 1 6 2 1 1r c m 的基本观点一6 2 1 2r c m 分析中的七个基本问题8 2 1 3r c m 应用现状8 ：2f m e a 9 2 2 1f m e a 概述9 2 2 2f m e a 的一般步骤1 1 2 2 3f m e a 的特点1 2 2 3f a h p 基本原理1 3 2 3 1 层次分析法3 引1 4 2 3 2 模糊层次分析法1 5 2 4 本章小结1 5 第三章电力变压器的故障模式及影响分析1 6 3 1 变压器组成分析1 6 3 2f m e a 分析1 7 3 2 1 铁芯1 8 3 2 2 绕组1 8 3 2 3 器身1 9 3 2 4 套管2 0 3 2 5 冷却系统2 1 华北电力大学硕士学位论文目录 。3 3 建立f m e a 表格2 2 3 4 本章小结2 4 第四章电力变压器故障树及状态评估指标体系2 5 4 1 故障树2 5 4 2 故障树的构建2 5 4 2 1 故障树的构建原则2 5 4 2 2 故障树的构建方法2 6 4 2 3 故障树的构建步骤2 7 4 3 电力变压器故障树2 8 4 4 故障树分析法3 3 4 4 1 概述3 3 4 4 2 变压器故障树的定性分析3 5 4 4 3 变压器故障树的定量分析3 5 4 5 状态量3 9 4 5 1 状态量3 9 4 5 2 状态量的构成：3 9 4 5 3 确定状态量4 0 4 6 变压器状态评估指标体系4 3 4 6 1 状态评估指标体系建立的步骤4 3 4 6 2 故障模式权重的确定4 4 4 6 3 状态量权重的确定4 6 4 6 4 状态量劣化度的确定4 8 4 6 5 实例分析5 0 4 7 本章小结5 4 第五章结论5 5 参考文献5 6 致谢6 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 1 i i 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，用户对供电的可靠性要 求也日益提高，对安全稳定供电的要求也越来越高。当今电力设备在向大机组、 大容量、高电压和高自动化方向不断发展，电网管理的最基本的任务是维护好这些 设备，确保电网安全可靠运行，由于电网装置的急剧增加，其维修工作量在不断加 重，而且费用也在不断攀升，己成为电力企业最基本和最主要的成本之一，因此如 何提高设备的维修效率，减少维修成本，提高设备的安全可靠性水平，是电力企业 设备管理所不断追求的目标。 电力变压器是电力系统中重要的输变电设备之一，在电力系统中处于枢纽地位， 其运行的安全可靠性直接关系到电力系统的安全。随着电网的迅速发展，单台高电 压、大容量的变压器越来越多地投入电网运行，与此同时，由于制造、运输、安装 和维修质量等因素造成的电力变压器故障不仅影响电力系统的输电能力，还可能造 成电力系统的大规模停电，给电力系统和国民经济带来巨大损失。因此，提高电力 变压器运行的可靠性，对整个电网的安全可靠运行具有十分重要的意义u 。3 1 。 1 1 研究的目的和意义 传统的设备定期计划维修是目前电力企业设备维修的主要方式。在过去的几十 年中，定期计划维修无疑在防止设备事故的发生，保证安全可靠供电等方面起到了 很好的作用。时至今日己同显弊端，用它来指导检修实践的结果，往往在“量”上 表现为检修过剩或检修不足，有时在“质”上还表现为负效应，从而危及电网安全。 针对事后维修制存在的不足，美国从4 0 年代、日本从5 0 年代起先后采用定期维修 制，即按事先指定的检修周期按期进行停机检修。定期维修制虽然对提高设备的可 靠性起到了一定的作用，但由于未考虑设备的具体状况，且制订的检修周期往往又 比较保守，则导致出现了不必要的停机与过度维修，甚至可能会因拆卸组装等过多 而导致设备过早损坏h 1 。因此，1 9 5 4 年起美国通用电气公司开始倡导预知维修的思 想，强调以设备状态为基准进行维修，即状态维修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) ； 日本等国在7 0 年代左右也转而采用状态维修。近年来国内外的专家又相继提出了 以可靠性为中心的维修方式r c m ( r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c e ) ，即在分析 设备可靠性的基础上考虑经济效益的影响来确定对设备的维修策略。 长期以来我国电力系统电气设备检修策略主要采用以时间为标准的定期维修。 虽然定期维修一般可在维修时发现设备存在的缺陷，对保证设备安全经济运行发挥 了重大作用，但是，定期维修存在“维修过剩 和“维修不足 的缺陷，造成了维 修费用的巨大浪费和设备可靠性的下降嫡1 。因此，国内对从定期维修制到状态维修 l 华北电力大学硕士学位论文 制的转变表现出了普遍的关注。有些电业部门已迈出了这一步，如大连电业局从 1 9 9 2 年起就试行了定期维修到状态维修的转变，并初见成效。电气设备状态维修 在我国已酝酿了十余年，但至今仍处在学术讨论范围中。 状态检修是以设备的当前实际工作状况为依据，通过先进的状态监测手段、可 靠的评价手段和故障的预测手段来判断设备的状态。对故障的部位、严重程度、发 展趋势做出判断，识别故障的早期征兆，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一 定程度或故障将要发生之前进行维修1 。可见，设备状态评估是有效进行状态维修 的重要依据。 变压器状态评估是电力变压器状态维修的基础工作，且变压器属于电力部门的 重要、贵重设备，它们的安全运行直接关系到电网的安全供电。然而由于变压器是 一个复杂系统，其老化、故障机理复杂，具有不确定性，因此，变压器状态评估是 一项复杂而艰巨的任务。如变压器运行工况、历史运行记录不同，同类变压器的状 态就可能不相同；相同工况下不同类型变压器的状态也可能不同。因此研究变压器 状态与运行工况、历史运行记录的关系及其规律，准确评估变压器状态对实施变压 器状态维修，从而降低变压器维修费用和提高变压器可靠性具有重要理论意义和实 际应用价值h 。1 引。 针对于不同的故障模式对整个变压器系统造成的危害等级不同，本文在对变压 器常见的故障模式及该故障模式的影响、产生原因、监测手段等等进行了深入的分 析与探讨的基础上，结合重要度的概念，分析与计算了故障模式对电力变压器系统 所产生故障的重要度。现有的大型电力变压器状态评估方法中，对于某一类故障或 故障模式在整个电力变压器系统中所产生的危害等级不同未作详细探讨与分析，如 文献 1 1 中的状态量评分体系中，根据由常规巡检、试验所得到的状态量对变压器 安全运行的影响程度将状态量权重划分为四个等级，其系数分别为1 、2 、3 、4 ，而 未对不同故障模式下状态量权重做详细的区分。本文通过建立变压器系统状态评价 指标体系，以此来判别当变压器某一或某些状态量发生改变时，对于整个电力变压 器安全运行的影响程度有何区别。这为提高变压器状态评估的准确性、合理性，以 及为后续的制定维修策略，实现对变压器的状态维修提供了基础信息。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电力变压器维修现状 电力设备的故障率和使用时间一般符合“盆浴曲线”n 纠，如图1 - 1 所示。从图 中，可以看出早期故障期、偶然故障期和损耗故障期的故障率的变化差别很大，电 气设备采用定期检修很难“到期必修”。因此，建立一种预知性的检修方式，“当修 必修”，而非“到期必修”，已成为电力变压器检修方式的必然发展趋势。据文献 1 3 2 华北电力大学硕士学位论文 统计，实施状态检修后，设备故障率可降低7 5 ，综合检修费用可减少2 5 - - 3 0 ， 国内外一些电力企业应用电力设备状态检修的实践都能证明，这种设备检修管理策 略具有明显的社会效益和经济效益。2 0 0 7 年3 月，国家电网公司将变压器的状态检 修列入了关键技术研究框架汇编( 征求意见稿) 。 0 t lt 2t 图1 1 盆浴曲线 随着传感技术、计算机软硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专家系统 等智能系统在变压器状态监测及故障诊断中的应用，使得电力变压器状态检修有四 个发展阶段： ( 1 ) 原始的状态检修阶段 利用个别的、分散的变压器状态数据，经过专家利用专业经验进行简单的分析， 对变压器状态进行粗略的判定，并制定检修策略。这一阶段状态检修还不能代替定 期检修，状态检修和定期检修并存，而且还是以定期检修为主，状态检修只是定期 检修的补充。 ( 2 ) 初级的状态检修阶段 全面汇总所获得的变压器的状态数据( 运行数据、预防性试验数据等) 。在进行 初步的分类、整理后，由专家根据运行经验对这些状态数据进行分析、判断以确定 变压器的健康状况，并制定检修策略。 ( 3 ) 系统的状态检修阶段 全面、系统的汇总变压器的状态数据；以在线监测方式代替部分停电试验手段， 获取更为连续且更为符合实际的状态数据；所有变压器的初始状态数据经计算机进 行全面的、系统的处理，形成系统的状态数据。 ( 4 ) 完善的状态检修阶段 经长期实践确定一套完整的、有效的反映变压器健康状况的状念量，以成熟的 在线方式获取变压器的连续状态量，同时计算机系统实时处理状态数据，并以完善 的专家系统对状态数据进行复杂的分析判断，得出变压器的确切健康状态及检修策 略。 也越来越高， 维修制度和离 和应用。并且 关注。变压器 。近年来，已 家族质量史、 示设备需要立 出厂值相近， 常状态，无需 动态的分值进 未来检测数据 得到的评估值 属度向量进行 因素共同作用 此用模糊数学 确定实质上是 确定出证据对 们共同作用对 合成规则能够 得到有效的知识和不确定结论，形成综合评价。该方法运用于变压器的状态评估中， 取得了一定的成果。 ( 4 ) 神经网络法n8 擂1 ：人工神经网络是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息 处理过程，具有强大的自学能力和数据处理功能，能映射高度非线性的输入、输出 功能，因此可以很好地逼近状态信息到变压器运行状态的映射，所以在变压器的状 态评估中有着广泛的应用。但是，神经网络应用于状态评估存在着如何选取输入矢 量和训练样本集规模过大等问题。 ( 5 ) 贝叶斯网络法心0 2 ：该方法鉴于电力变压器状态信息和知识具有随机性和 不确定性的特点，运用贝叶斯网络通过不断积累完善训练样本，自动修正网络结构 参数和概率分部参数，提高变压器的状态评判。但是，这种方法的运算量十分大， 4 华北电力大学硕士学位论文 并且计算过程复杂，不利于在实际系统中的应用。 ( 6 ) 灰色层次分析法乜剀：该方法是一种通过计算变压器状态信息间的关联系数 和关联度，从整体上和动态上定量分析状态信息间的关联程度和影响程度，较有效 的为确定导致变压器状态发展变化的主要因素提供数据依据。 ( 7 ) 物元理论法乜引：物元理论主要研究事物变化的条件、规律及可变性，探索 使事物转化的方法，研究不相容问题的定性部分。为了定量描述事物，建立了可拓 集合论。作为物元分析的数学工具，可拓集用关联度来描述，将模糊集的 0 ，1 区 间拓展到( 一，+ ) 整个实数轴，能够描述事物变化区间的特征，从而使能够对 变压器的运行状态进行定性分析和定量计算。这种方法突出的优点是简单、实用。 但是文献 2 3 中，变压器状态评估模型仅仅采用单级模型，在状态评估状态量 较多的情况下，采用上述方法所建立的评估模型将很难对变压器进行状态评估，因 此，不难发现可以在变压器状态评估框架和权重两个方面还有很多地方需要改进。 1 3 本论文的研究方法及主要工作 状态维修策略和优化是实现电力变压器状态维修成功与否的关键之一。要制定 科学合理的状态维修策略，除了需要掌握变压器的运行状态之外，还需要准确掌握 变压器的运行可靠性、故障风险等相关信息。本文通过对国内外大量相关参考文献、 现场运行经验的收集、整理和研究，从变压器常见的故障模式及影响分析、运行可 靠性、故障模式重要度和建立变压器状态评估指标体系等几个方面开展研究。 本论文主要研究工作为： ( 1 ) 介绍了电力变压器的f m e a ( f a i l u r em o d ea n de f f e c t sa n a l y s i s ，故障模 式及影响分析) ，本文主要是在对电力变压器的结构和功能进行深入细致分析的基 础上，运用f m e a 方法对变压器可能的故障模式及影响进行深入分析，介绍了建立 f m e a 表格的方法。 ( 2 ) 在变压器的f m e a 分析基础上，研究利用f t a ( f a i l u r et r e ea n a l y s i s ，故 障树分析法) 方法构建电力变压器故障树。 ( 3 ) 对电力变压器故障树进行定性及定量分析，明确状态评估指标体系的各状 态量，运用模糊层次分析法确定各故障模式及状态量的重要度。研究应用r c m 理论 并结合故障重要度，使用f t a 及a h p ( a n a l y ti ch i e r a r c h yp r o c e s s ，层次分析法) 来建立电力变压器状态评估指标体系的方法。并进行实例的计算，和实际情况进行 比较。 的。甚至灾难性的故障后果。r c m 方法可有效检测和排除隐蔽性故障； ( 3 ) 使用性后果：此类故障后果影响到正常使用，如停产、产量下降、次品率提 高等； ( 4 ) 非使用性后果：只涉及直接维修费用的故障后果。 r c m 理论是从以下基本观点出发的： 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) r c m 特别注重装备可靠性、安全性的先天性。装备的固有可靠性与安全性是 由设计制造赋予的特性，有效的维修只能保持而不能提高它们。也就是说，如果装 备的固有可靠性与安全性水平不能满足使用要求，那么只有修改设计和提高制造水 平。所以想通过增加维修次数来提高这一固有水平的做法是不可取的。单位时间内 维修的次数越多，不一定可以使设备越可靠、越安全。 。 ( 2 ) 设备故障有不同的影响或后果，不同的故障模式应采取不同的对策。故障后 果的严重性是确定是否做预防性维修工作的出发点。在设备的使用中，故障是不可 避免的，但故障引发的后果却不尽相同，重要的是预防有严重后果的故障。故障后 果是由设备的设计特性来决定的，是由设计制造而赋予的固有特性。对于复杂设备， 应对会有安全性、任务性和严重经济性后果的重要产品，做预防性维修工作。对于 采用了余度技术的产品，其故障的安全性和任务性影响一般已明显降低，因此可以 从经济性方面加以权衡，确定是否需要做预防性的维修工作。尤其在电力变压器的 状态维修中，应根据不同的故障模式区分它们的危害性大小，并根据后果的严重程 度对发生不同故障模式的电力变压器进行状态评估，才可由此制定更经济更可靠的 维修策略。 ( 3 ) 设备的故障规律是不同的，应采取不同的方式控制维修工作时机。有耗损性 故障规律的产品适宜定时拆修或更换，以预防功能故障或引起多重故障；对于无耗 损性故障规律的产品，定时拆修或更换常常有害无益，而更适宜通过检查、监控， 视情况进行维修。 ( 4 ) 对设备采用不同的预防性维修工作类型，其消耗资源、费用、难度与深度是 不相同的，可加以排序。对不同产品，应根据需要选择实用而有效的工作类型，从 而在保证可靠性与安全性的前提下，节省维修资源与费用。 r c m 方法的主要研究内容为： ( 1 ) 设备功能研究： ( 2 ) f m e a 分析：利用功能框图和完成任务的要求来发现设计中潜在的薄弱环节， 分析寿命及任务剖面内的故障模式、故障原因及危害性，即对运行安全、任务完成、 维修和后勤保障的影响： ( 3 ) r c m 逻辑分析研究：、 通过故障模式分析，确定给定设备的关键元件： 对每个关键元件进行r c m 逻辑判断，选择优化的维修方法，确定是否需要重 新设计或改进： 确定维修任务、设备和周期，建立后勤分析所需数据，完成r c m 判断： 利用可获得的实际设备的可靠性、维修性数据，对维修过程进行优化。 ( 4 ) 制订合适的、有效的维修策略和维修计划。 7 国内电力企业设备状态维修主要是利用现有成熟的技术手段和方法对设备运 行状况进行监测，利用专家系统对设备在线和离线测试数据进行分析并综合判断设 备的运行状态，对设备未来的运行状态进行预测，以达到延长设备维修间隔时问、 提高设备维修合理性、降低整体维修费用的目的。所采用的技术手段主要是设备在 线检测技术和设备状态评估技术，前者主要是对变压器、开关、电容型设备、避雷 器等的电气和机械状态参数进行实时测量：后者则是通过对历史和实时数据的分 析，采用模糊数学、专家系统等技术评估和预测设备的状态，实现方式主要体现为 计算机维修管理系统( c m m s ) 。其基本模型可以用图2 1 来表示。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 国内电力系统企业状态维修策略的基本模式 对于西方发达国家而言，电力企业维修策略面临的主要问题是在设备逐步进入 老化期的情况下如何保持电网运行的高可靠性、降低设备维修费用、提高企业的竞 争力。为此，这些企业在维修方式上引入了状态维修( c b m ) ，而在整体维修策略上， 则大多转向以可靠性为中心的维修( r c m ) ，例如：法国电力公司( e d f ) 在定时和状态 维修的基础上，将逐步采用r c m 的检修策略，目标是实现“逐间隔有区别的维修， ( b a y b y b a yd i f f e r e n t i a t e dm a i n t e n a n c e ) ，即根据变电站的重要性、环境、 设备特性、电能质量的要求等，对间隔进行分类，不同的间隔采用不同的维修计划： 美国电科院( e p r i ) 在推进r c m 在美国电力企业中的应用方面进行了大量的工作，先 后在核电厂和常规电厂的设备维修中引入了r c m ，同时，根据取得的经验，以r c m 为核心，结合设备诊断和管理技术，提出了输变电设备优化维修策略和一体化解决 方案，逐步推进r c m 策略在输变电领域的应用：日本、德国、荷兰、西班牙、荷兰、 挪威、英国、波兰等国的电力企业也在探索r c m 在企业维修中的应用。 近几年来，国内电力企业由于固定投资的大量增加，设备数量增长较快，而企 业由于减人增效的需要，维修人员数量增长不大，同时，由于供电可靠性等要求的 提高，使得很多设备难以进行停电维修，因此，基于定期维修的计划预修体制已逐 步不适应现有企业的要求。此外，设备质量的提高，也使得检修策略的改变成为可 能。在这种情况下，国内供电企业以设备状态维修( 检修) 为突破口，开展了设备维 修策略改进的实践和探索。 2 2f m e a 2 2 1 f m e a 概述 r c m 是制定装备维修要求的一种过程或方法，它强调花费尽可能少的维修资 9 华北电力大学硕士学位论文 源，来保持装备的固有可靠性和安全性。为了保证设备在使用过程中的可靠性，则 首先要清楚影响设备的可靠、安全运行的各种因素，之后才能采用预防手段、措施 避免故障的产生。所以r c m 分析步骤中的第二步，故障模式及影响分析( f m e a ) 是 整个r c m 分析的出发点，通过对选定产品进行f m e a ，明确产品的功能、故障模 式、故障原因和故障影响，为最后的维修决策提供最基本信息。f m e a 是确定复杂 系统可靠性关键件和重要件的重要方法。f m e a 不仅能够给出给定约定层次上的所 有故障模式，而且能够确定它们对产品其它更高层次的影响。对变压器系统进行 f m e a ，可使设计、制造、使用及维修部门明确哪些故障模式对变压器运行安全、 维修和后勤保障有影响，其分析结果可为设计的综台评定及其可靠性、维修性和安 。全性等工作提供信息，还可为变压器设计和维修人员诊断故障提供依据。 表2 - 1 著名的f m e a 标准、手册和规范 标准手册编号名称 发布机构 描述 g j b l 3 9 1 9 2 故障模式、影响及中国适用于中国的军工产品 危害性分析的要 求和程序 m i l - s t d 一1 6 2 9 a 故障模式、后果和美国军方具有很长认可和使用历史，适用于政府、 危害性分析军事和商业机构，可以根据故障模式的重 要等级进行危害度的计算 q s 9 0 0 0f m e aq s 9 0 0 0f m e a 手美国通用汽美国的三大汽车厂( 通用汽车、福特汽车 册车、福特汽及克莱斯勒) 制定的质量体系要求，所有 车及克莱斯直接供应商都限期建立符合这一要求的 勒质量体系，并通过认证 i s o t s1 6 9 4 9 i s o t s l 6 9 4 技术国际汽车特i s o t s1 6 9 4 9 规范符合全球汽车行业中 、规范别工作组现用的汽车质量体系要求，规定了f m e a ( i a t f ) 的工作要求 s a ej 1 7 3 9 潜在故障影响分国际汽车工由克莱斯勒、福特、通用电气等公司提出 析程师协会的适用所有汽车供应商的f m e a 工程解 释和指南 s a ea r p 5 5 8 0 故障模式、后果和国际汽车工结合了汽车行业标准和m i l s t d 1 6 2 9 ， 危害性分析程序程师协会适用于汽车和国防行业 随着f m e a 技术的推广和发展，各个国家和行业先后推出了f m e a 要求和方法， 并形成标准、规范或手册，其中比较著名的如表2 1 所示眩7 侧。这些标准可分为军工 标准和汽车行业标准两大类。军工标准中典型的f m e a 方法标准、手册和规范以美 1 0 华北电力大学硕士学位论文 国的m i l s t d 1 6 2 9 a 为代表，与我国军标g j b l 3 9 1 9 2 与其极为相似；汽车行业标 准中的典型f m e a 方法标准、手册和规范以q s 9 0 0 0 参考手册中描述的规范为代表， 其它规范、手册规定的方法与其大致相同。 2 2 2f m e a 的一般步骤 f m e a 的一般步骤如图2 2 所示。 图2 - 2f m e a 分析的步骤 ( 1 ) 定义要进行分析的系统。完整的系统定义包括定义系统边界，分辨出内在的 和表面的功能，预期的性能和故障的定义。描述产品的功能任务及产品在完成各种 功能任务时所处的环境条件，明确产品在完成不同任务时所应具备的功能、工作方 式及工作时间等。 ( 2 ) 结合对系统的影响定义故障模式。为每一个功能定义出所有可能发生的故 障。这些都是潜在的故障模式。 故障( 失效) 是系统或系统的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态， 故障模式是故障的表现形式，如过热、异响、局部放电超标、色谱超标等。而故障 模式分析是f m e a 的基础，其主要目的是找出系统中每一部件( 或功能、生产要素、 工艺流程、生产设备等) 所有可能出现的故障模式。在进行故障模式分析时，应注意 区分两类不同性质的故障，即功能故障和潜在故障。功能故障是指产品或产品的一 部分不能完成预定功能的事件或状态，即系统或系统的一部分突然、彻底地丧失了 规定的功能。潜在故障是指系统或系统的一部分将不能完成预定功能的事件或状 态，是一种指示功能故障将要发生的一种可鉴别( 人工观察或仪器检测) 的状态。 ( 3 ) 查明故障模式的潜在影响。对于每一个故障模式，确定系统上的所有可能的 后果。即“故障发生时会发生什么情况? ” 故障影响是指产品的每一个故障模式对系统部件自身或其它部件的使用、功能 和状态的影响。故障影响分析是按约定层次结构找出系统中每一可能故障模式所产 生的影响，并按这些影响的严重程度进行分类，即不仅要分析该故障模式在该部件 所在层次造成的影响，还要分析该故障模式在对该部件所在层次的更高层次造成的 影响。 局部影响是指某产品的故障模式对该产品自身和与该产品所在约定层次相同的 华北电力大学硕士学位论文 其它产品的使用、功能或状态的影响；高一层次影响是指某产品的故障模式对该产 品所在约定层次的高一层次产品的使用、功能或状态的影响；最终影响是指系统中 某产品的故障模式对初始约定层次产品的使用、功能或状态的影响。 ( 4 ) 按系统中每一可能故障模式所产生的影响影响的严重程度进行分类，即不仅 要分析该故障模式在该部件所在层次造成的影响，还要分析该故障模式在对该部件 所在层次的更高层次造成的影响。 ( 5 ) 分析产生每一故障模式的所有可能原因。故障原因分析的主要目的是分析产 生每一故障模式的所有可能原因。一般从两个方面着手：一方面是导致产品功能故 障或潜在故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因；另一方面 是由于其它产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障原因。 ( 6 ) 分析每一种失效模式是否存在特定的发现该失效模式的检测方法，从而为系 统的失效检测与隔离设计提供依据。 故障检测方法分析是分析每一种失效模式是否存在特定的发现该失效模式的检 测方法，从而为系统的失效检测与隔离设计提供依据。故障检测方法一般包括目视 检查、离线检测、在线监测等手段。故障检测一般分为事前检测与事后检测两类， 对于潜在故障模式，应尽可能采用事前检测方法。 ( 7 ) 确定每个推荐实施的补偿措施确实可以降低故障的严重程度。 补偿措施分析是针对每个故障模式的原因、影响，提出可能的补偿措施，是关 系到能否有效提高产品可靠性的重要环节。分析人员应提出并评价那些能够用来消 除或减轻故障影响的补偿措施。 补偿措施分为设计上的补偿措施和操作人员的应急补偿措施。设计补偿措施通 常包括：产品发生故障时，能继续工作的冗余设备；安全或保险装置( 如监控及报警 装置) ；可替换的工作方式( 如备用或辅助设备) ；可以消除或减轻故障影响的设计或 工艺改进( 如优选元器件、热设计、降额设计、环境应力筛选和工艺改进等) 等几大 类。操作人员补偿措施主要包括：特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的 发生；一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施等。 2 。2 3f m e a 的特点 虽然f m e a 编制工作中，每项职责都必须明确到个人，但是要完成f m e a 还得依靠 一个团队的努力。该团队需要由若干知识丰富、有很强分析能力的专家组成，如设 计、制造、装配、使用、维护、维修、服务品质和可靠度等方面有丰富经验的工程 技术专家。故f m e a 是一个团队行为。 成功实施f m e a 的最重要因素之一是其时间性。它是一个“事前行为 ，而不是 “后见之明 。为了实现最佳效益f m e a ，必须在产品的设计阶段或使用、维护过程 1 2 华北电力大学硕士学位论文 中进行有效的f m e a 分析。事先花时间很好地进行综合的f m e a 分析，能够更容易、更 低成本地对产品的生产设计或维护策略的制定进行修改，从而减轻事后修改的危 机。 f m e a 应成为促进不同部门之间充分交换意见的催化剂。从而提高整个集体的工 作水平过程。 尽管f m e a 得到了广泛的应用和认可，但从分析方法上看，f m e a 仍然是一种以经 验为主的定性归纳法，系统复杂时，很难明确确定每一故障模式的故障影响；同时， f m e a 要求对系统中每种故障模式都进行分析，当系统中元器件过多，分析工作枯燥 繁琐任务量相当巨大，通过人工进行分析实现的，分析耗时、效率不高，往往一个 完备的f m e a 表格建立起来的时候，系统设计周期早已完成；并且当人工分析复杂系 统时，难免造成遗漏和错误。 2 3f a h p 基本原理 2 3 1 层次分析法3 2 3 层次分析法( t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，以下简称a h p ) 是由美国著名 运筹学家，匹兹堡大学教授t l s a a t y 于2 0 世纪7 0 年代中期提出的。尽管a h p 有深刻 的数学原理，但它本质上是一种决策思维方式。 层次分析法a h p 是先分解后综合的系统思想。将一个复杂的无结构的问题分解为 它的各个组成部分，将这些组成部分( 或称为元素) 整理成为一种递阶层次的顺序， 按照每个元素的相对重要性给予其表示主观判断的数值；然后综合这些判断以决定 到底是哪个元素有着更大的权重和如何影响问题的最终结果，为最佳方案的选择提 供依据。a h p 体现了人们的决策思维的这些基本特征，即分解、判断、综合。a h p 作 为一种有用的决策工具有着明显的优点： ( 1 ) 适用性。用a h p 进行决策，输入的信息主要是决策者的选择与判断，决策过 程充分反映了决策者对决策问题的认识，再有很容易掌握这种方法，这就使以往决 策者与决策分析者难于互相沟通的状况得到改变。在多数情况下决策者直接使用 a h p 进行决策，这就大大增加了决策的有效性。 ( 2 ) 简洁性。了解a h p 的基本原理，掌握它的基本步骤，对于具有高中文化程度 的人并不困难，用a h p 进行决策分析可以不用计算机。一个简单计算器足以完成全 部运算，所得的结果简单明确，一目了然。 ( 3 ) 实用性。a h p 不仅能进行定量分析，也可以进行定性分析。它把决策过程中 定性与定量因素有机地结合起来，用一种统一方式进行处理。a h p 也是一种最优化 技术，从学科的隶属关系看，人们往往把a h p 归为多目标决策的一个分支。但a h p 改 变了最优化技术只能处理定量分析问题的传统观念，使它的应用范围大大扩展。，许 1 3 华北电力大学硕士学位论文 多决策问题如资源分配、冲突分析、方案评比、计划等均可使用a h p ，对某些预测、 系统分析、规划问题a h p 也不失为一种有效方法。 ( 4 ) 系统性。人们的决策大体有三种方式。第一种是因果推断方式，在相当多的 简单决策中，因果推断是基本方式，它形成了人们日常生活中判断与选择的思维基 础。事实上，对于简单问题的决策，因果推断是够用的。当决策问题包含了不确定 问题，则需要第二种推断方式，即概率方式。此时决策过程可视为一种随机过程。 人们需要根据各种影响决策的因素出现的概率，结合因果推断进行决策。近年来发 展起来的系统方式是第三种决策思维方式。它的特点是把问题看成一个系统，在研 究系统各组成部分相互关系以及系统所处环境的基础上进行决策。对于复杂问题系 统方式是有效的决策思维方式。相当广泛的一类系统具有递阶层次的形式。a h p 恰 恰反映了这类系统的决策特点。 但是像很多其它正在发展的理论和方法一样，a h p 不可能而且不应该是完美无缺 的。a h p 在应用上的局限性主要表现在以下三个方面： a h p 的应用主要是针对那种 方案大抵确定的决策问题，一般来说它只能从己知的方案中选优，而不能生成方案。 也就是说，应用a h p 时，事先对决策的各种方案要有比较明确的规定。( a h p 得出的 结果是粗略的方案排序。对于那种有较高定量要求的决策问题，单纯运用a h p 是不 适合的。当然，并不排斥把a h p 与其它决策方法结合起来。例如，在运用多目标规 划时，把a h p 作为目标加权的方法己为实践证明是有效的。也可以采用a h p 自身派生 出来的一些方法。例如资源分配的a h p ，成本效益分析的a h p ，使某些定量分析要求 精度不很高的问题有满意的解答。在a h p 的使用过程中，无论建立层次结构还是 构造判断矩阵，人的主观判断、选择、偏好对结果的影响极大，判断失误即可能造 成决策失误。这就使用a h p 进行决策主观成分很大。规划采用比较严格的数学计算， 以期把人的主观判断降到最低程度，但得出的结果有时往往难于被决策者接受。a h p 的本质是试图使人的判断条理化，但所得到的结果基本上依据人的主观判断。当决 策者的判断过多地受其主观偏好影响，而产生某种对客观规律的歪曲时，a h p 的结 果显然就靠不住了。要使a h p 的决策结论尽可能符合客观规律，决策者必须对所面 临的问题有比较深入和全面的认识。此外，在运用a h p 时采用群组判断方式也不失 为克服主观偏见的一个好办法。 2 3 2 模糊层次分析法 由于决策是一项复杂的社会系统工程，不能一味地寻求简单易行的方法而忽视 了决策系统的复杂性。任何一个不确定型决策问题都处于一定的社会、经济系统之 中，包含了大量相互关联同时又相互制约的复杂因素。由于社会经济系统提供信息 的不完全性，从而决定了这类决策问题是部分信息已知，而部分信息未知的模糊问 1 4 华北电力大学硕士学位论文 题。以前已有的层次分析法中，忽视了人对信息认知的模糊性，因而在构造判断矩 阵时，不能确定地认为一个元素完全属于某个标度，而不属于其它标度。 模糊性是人类思维和客观事物普遍具有的属性之一。人的认知具有不确定性， 往往不能完全确定事物所处的状态，个人无法完全接受社会经济系统所提供的决策 信息。考虑到人们对复杂问题( 事物) 的判断具有模糊性，但个人对于决策信息已有 一定的认识，因而可以指定一个大概范围，即给定一个标度的区间，也就是区间模 糊，然后在这些区间模糊的基础上，对该决策进行再认识，对区间模糊进行白化处 理。将区间模糊的白化处理方法与已有的层次分析法结合起来，形成了模糊层次分 析法口引，以下简称记为f a h p ，克服了在a h p 方法中人的主观判断、选择、偏好对结 果的影响，使其更加符合人的认知规律，f a h p 是将层次分析法的定量性和客观性的 优点与模糊综合评价法的包容性有机融合，是一种适用性更强的决策方法。 f a h p 方法作系统分析，首先将所要分析的问题层次化，根据问题的性质和要达 到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系， 将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层分析结构模型，最终归结为最低层( 方 案、措施、指标等) 相对于最高层( 总目标) 相对重要程度的权重或相对优劣次序的 问题，从而决定最佳方案。 f a h p 在实际应用过程中，分析问题是关键，如果对问题分析不透彻，对问题的 实质理解不深刻，对f a h p 解决问题的基本步骤不能掌握，则也不能正确地构造递阶 层次结构，进行两两比较和计算相对权重，最终得不到满意的决策依据和支持。因 此如果将f a h p 简单理解为只是排排序而已，而不是一种决策实用方法，那么这只是 一种肤浅的认识。 2 4 本章小结 本章主要介绍了r c m 理论的基本观点，r c m 理论所研究的七个基本问题，故障 模式及影响分析( f m e a ) ，如何通过f m e a 分析对设备的功能、功能故障、故障模式 及影响有清楚的定义和了解。最后简要介绍了层次分析法的基本原理。 油枕，油枕补偿变压器油热胀冷缩的体积，减小油与空气的接触面积，减少 油受潮和氧化的程度。 无励磁分接开关，可实现无励磁状态下的分接变换。 ( 2 ) 约定层次 根据电力变压器的一般结构，结合f m e a 分析的需要，确定电力变压器f m e a 分 析的约定层次共