控制与保护开关电器辅助模块模糊故障树分析

也须提供各种控制及报警 信号 以实现对 电器本身及 线路 工作状
态 的指示及远程控制 ， 因此辅助信号的正常工作值得关注 。现有
低 压电器可靠性 工作仅关 注电器 主体 ， 而产品质量反馈数据显示 辅 助模 块是 故障较为多发 的一个部件 ， 开展辅助模块的可靠性研 究也是 十分 重要 的。在采用传动故 障树方法进行定量分 析时 ， 一
Ｔ ＝ Ｘｌ ＋ Ｘ２ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Ｘ８ ＋ ＋ １ ＋ ０
朋 １ ＋朋 ２ ＋ ｌ ＋ＸＩ ＋ 朋 ５ ＋ １ ＋ １ ＋ １ ＋ １ ＋ Ｘ ０ ３ ４ ６ ７ ８ ９ ２
系统模块
功能
潜在失效模式 潜在失效后果
该故 障树 的最小割集即为 ２ ０个底事件 。当最小 割集数 较多 时， 顶事件故障率 Ｐ Ｔ 的项 数往 往较多 ， （） 计算较 复杂。因而在工 程上计算 时通 常只采用前几项之和作为 Ｐ Ｔ 的近似结 果。此结 （） 果通常称为故 障概率 上界 ， 并记 作 Ｐ（ ） ， Ｔ ～ 而实际 系统 的 Ｐ（ ） Ｔ 小于上界值 ， 即各最小割集 的故 障率之 和
．
Ｔ ｅ ｆ ｕ ｔ ｔ ｅ ｗａ ｈ ａ ｌ ｒ ｓ ｅ
ｅ ｔｂ ｉ ｅ ｉ ＭＥＡ ａ ｄ ＶＩ ａ ｐ ｏ ｃ ｅ ． Ｅ ｌｙ ｄ ｔ ａ ｇ ｌｒｆ ｚｙ ｎ ｍｂ ｒ ｏ ｄ ｓ ｒｂ ｅ ｆｕ ｔ ｒ ｂ ｂｌ ｙ ｏ ｅ ｂ ｓｃ ｅ ｅ ｔ ｓ ｌ ｈ ｄｗ ｔ Ｆ ａ ｓ ｈ Ａ ｐ ｒ ａ ｈ ｓ ｍｐ ｏ ｅ ｒ ｎ ｉ ｕ ａ ｚ ｕ ｅｓ ｔ ｅ ｃ ｅ ｔ ａ ｌ ｐ ｏ ａ ｉ ｔ ｆｔ ａ ｉ ｖ ｎ ｓ ｎ ｕ ｉ ｈ ｉ ｈ
据及模 糊信息时 ， 引人模糊数 能克服 数据的片面性并允许结 果存 在 一定误 差范围 。
Ｅ ｅ ｔｃ ｌ ｕｏ ｔ ｎ ２ ｌｃｒ ａ Ａ ｔ ｍａ ｉ ９ ｉ ｏ
《 气自 化 ２１年 ３ 电 动 ｝ １ 第３卷第４ ０ 期
电力 系统及其 自动化
Ｐ ｗｅ ｙ ｔ ｍ ＆ Ａ ｔ ｍａ ｉｎ ｏ ｒ ｓｅ Ｓ ｕｏ ｔ ｏ
故 障树分析方法 （ａｌＴｅ Ａ ａ ｓ ， Ｆｕ ｒ ｎｌ ｉ 简称 Ｆ Ａ ， 基 于布 ｔ ｅ ｙｓ Ｆ ）是
尔代数 和概率论的一种 图形演绎 可靠 性分析 方法 。它 将系 统最
系统模块 功能 潜在失效模式 潜在失效后果
弹失 拒、 簧效 报 报 误
不 希望发生的顶事件形成 的原 因作为分析 目标 ， 采用从整 体至局 部 按树枝状 逐渐细化分析 ， 找出故障与系统间的逻辑因果关 系并 用逻辑 与或门进行连接建成树状 图， 形象直观的表达零部件 或子 系统故 障对 系统故障的影响关系 。 通过上 文中对辅助模块 Ｆ Ａ分 析结 果 ， ＭＥ 以辅助模块 的拒动 故 障作 为 顶事 件 建 立 故 障树 ， 图 ３～６所 示 ， 得 其 结 构 函 如 并 数为：
图 ２ 辅助 触 头 示 意 图
重要度 ， 完成对该模块 的可靠性分析 。
１ 辅助模块组成及 功能
控制与保护开关 电器侧挂辅助模块以实现各 种工作状态 、 故 障信号 的指示及 电路控制功能 ， 图 １ 见 。主要 由以下 四大信 号模
块组成 ：
（ ）辅助触头模块—— 由多对 电气上 分开 的常开闭触 头通 １ 过 电路连接于主 电路触 头实现联 动 ， 过触头从 常开／ 通 闭状 态转 换为常 闭／ 开状态 实现对 主电路 的电气控制及指示功能 ， 图 ２ 见 。
２ 辅助模块的故障模式分析及 故障树 建立
２ １ 辅助 模块 的故 障模式 及影 响分 析 ．
故 障 模 式 及 影 响 分 析 （ ａｌ Ｍｏｅ Ｅ ｅｔＡ ａ ｓ ， 称 Ｆ ｕ ｄ ｆ ｃ ｎ ｙｉ 简 ｔ ｌ ｓ
Ｆ Ｅ ）它 以产品的元 件 、 ＭＡ ， 零件 或系 统为分 析对 象 ， 过对 逻辑 通 分析结构元件或零件在生产 、 装配及使用 中可能发生 的问题及各
图 ３ 辅助模块拒动故障故障树
图 ４。， 各信号模块子故障树 ５６
本文选用 一 Ｒ型的三角模 糊数表 示底 事件发 生概率 。模糊
数 Ａ的 Ａ截集 为
１－
ｆ １（ 卢 卢） Ｉ 一， ］ （（ ＋ 一） ｎ ） Ａ
ｉ＝ １
（ ４ ）
Ａ ＾＝ ［ ｍ — （ ）＋ Ａ，ｍ ＋ （ ）一 ］ Ａ
结合辅 助模块 原理图 、 设计 图纸及 现场 技术 员的经验 资料对
表 ５ 备妥信号模块 Ｆ Ａ分析 ＭＥ
模块进行 Ｆ Ｅ Ｍ Ａ分析后得到 Ｆ Ｅ Ｍ Ａ表 ， 见表 １ ６ —。
表 １ 辅助模块 Ｆ Ａ分析 。 ＭＥ 以典型 的Ｆ１ ２ ２辅助模块 为分析对象
可靠性工作 内容
功能
关键词 ：模糊故 障树
重要度
辅助模块
可靠性
［ 中图分类号 ］Ｔ ５ ；Ｍ５ ［ Ｍ ６ Ｔ ２ 文献标志码］Ａ ［ 文章编号 ］１０ ３ ８ （０ １ ０ ０ ２ — ４ ０ ０— ８６ ２ １ ）４— ０ ８ ０
Ｆ ｚ ｙ Ｆ ｕｔ ｅ ａｙ ｉ ｆＣＰＳ’ ｘｌ ｒ ｄ ｌ ｕ ｚ ａ ｌＴｒｅ Ａｎ ｌｓｓ ｏ Ｓ Ａｕ ｉ ｙ Ｍｏ ｕｅ ｉ ａ
《 气 动 ｝ １ 第３卷第 期 电 自 化２ １ ３ ４ ０年
电力 系统及其 自动化
Ｐ ｗｅ ｙ ｔ ｍ ＆ Ａ ｔ ｍａ ｉｎ ｏ ｒＳ ｓｅ ｕｏ ｔ ｏ
控 制 与保 护 开关 电器 辅 助模 块 模 糊 故 障 树分 析
章敏 娟 郭其 一 ２０ ３ ） ０ ３ １ （ 同济大 学 电气工程 系， 上海
Ｚ ａｇＭｉ ａ Ｇ ｏＱｙ ｈｎ ￣ｕ ｎ ｕ ｉ ｉ （ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｏｇ ｎｖ ｉ ， ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ３ １ Ｃ ｉａ Ｅｅ ｒ ａ ｇｎ ｒ ｇ Ｔｎｆ Ｕ ｉ ￣ ｔ Ｓ ａ ｇ ａ ０ ３ ， ｈｎ ） ｃｉ Ｅ ｅ ｉ ｉ ｅ ｙ ２
Ａｂ ｔ ａ ｔ： ｕ ｚ ａ ｌ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｏ ｕ ｉ ａ ｙ ｍｏ ｕ ｅ ｆ Ｃｏ ｔ ｌ ａ ｄ Ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ Ｓ ｉ ｈ ｎ ｅ ｉｅ ｗａ ｒｐ ｓ ｄ ｓ ｒ ｃ Ａｎ ｆ ｚ ｙ ｆｕ ｔ ｒ ｎ ｌ ｓｓ ｆ ｒ ａ ｘｌ ｒ ｄ ｌ ｓ ｏ ｎ ｒ ｎ ｒｔ ｃｉ ｗ ｔ ｉ ｇ ｄ ｖｃ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｅ ｉ ｏ ｖ ｃ
～
（
，
３
．
２ 辅助模块的模糊故障树分析
对近 ２年产品实际工作情况 及故 障失效数据 进行 统计得 到
模糊或 门算子表达式及其截集 区间为
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ａ ＝ 一丌（ 一 ＝（一兀（ 一 一 ） Ｏ １ Ｒ １ ） １ １ （ ）， １ 一兀（一 ，一兀（ 一 ＋ ） １ ｍ）１ １ （ ））
问题 的潜在原 因进行 比较全面 的定性分析 ， 以求在设计 阶段就 消
收稿 日期 ：２ １ ００—１ ２ ２— ９
除可能导致严重后果的故障隐患 ， 提高产品质量和可靠性。
电力 系统及 其 自动化
Ｐ ｗｅ ｙ ｔ ｍ ＆ Ａｕ ｏ ｔ ｎ ｏ ｒ ｓｅ Ｓ ｔ ｍａ ｉ ｏ
《 电气 自动化》 ０ １年第 ３ ２１ ３卷 第 ４期
潜在失效模式 潜在失效后果
表 ７ 辅助触 头 ＦＶＥ １ Ａ分析 Ｉ
系统模块 功能 潜在失效模式 潜在失效后 果 拒报
表面氧化增大接触 电阻
桥触 磊蓉 液转使头程化报 报 型头 萼桥移触超变拒、 误 装配位置尺寸超差 拒报、 误报
触支弹 霁 头持簧
２２ 辅助 模块 故 障树建 立 ．
ｋ
尸 ）一 Ｐ ） ＝ （ （
＿ ） Ｐ （
（） １
３ 模糊故 障树分析
系统模块 功能 潜在失效模式 潜在失效后果
３ １ 模糊数及模糊 门算子Ｈ ・ ． ＿］
传统故 障树方法会采 用各底 事件概率 的精 确值通 过逻 辑 门 算子运算完成定量分 析得到 顶事件 的发生 概率 。在 实际工 程应 用 中， 当无法得 到底事件的精确概率而又有一定量 的现 场使用数
ｎ ｎｓ ｄ ｔｅ ｑ ａ ｉ ｔ ｌ ｓ ｍｐ ｒ ａ ｄ ｆ ｉ ｅ ｈ ｕ ｔ ａｉ ｅ ａ ａｙ ｉ ａ ｄ ｉ ｏ ｔ ｃ ｎ ｙ ｉ ｆ Ｆ Ａ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｕ ｚ — Ａ ｓ ｓ ｉ ｂ ｅ ｆｒｓ ｃ ｏ ｖ ｌ ｇ ｉ ｈ ｎ ｔ ｖ ｎ ｓｎ ｎ ａ ｅ ａ ａ ８ｓ ｏ Ｔ ｌ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗｓ ｆｚ Ｖ ｙ Ｉ ｉ ｕ ｔ ｌ ｕ ｈ ｌｗ—ｏ ｔ ｅ ａ ｏ ａ ｄ ｖｃ ｓ ｒ ｌ ｉ ｔ ａｙ ｉ． ｅ ｉｅ ’ ｅｉ ｌ ｙ ａ ｌ ｓｓ ｂ ａ ｉ ｎ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｚ ａ ｌ ｔｅ ｎ ｌｓｓ ｉ ｏ ａ ｃ ａ ｉ ａ ｙ ｍｏ ｕ ｅ ｒ ｌ ｂｌ ｙ ｙ ｒ ｓ ｆ ｚ ｆｕ ｔ ｒ ｅ ａ ａｙ ｉ ｍｐ ｒ ｎ ｅ ｕ ｙ ｔ ｘ ｉ ｕ ｌ ｒ ｄ ｌ ｅｉ ｉ ｔ ａ ｉ
伽 ＝
＝
１
表 ８ 故障树基本事件表
电力系统及其 自动化
Ｐ ｗｅ ｖ ｔ ｍ ＆ Ａｕｏ ｔ ｎ ｏ ｒＳ ｓｅ ｔ ｍａ ｉ ｏ
《 电气 自动化｝０ １ ２ １ 年第 ３ 卷 第 ４期 ３
根据 式 （ ） ４ ， 得 辅助 表 ９ 不同置信水平下 ２ 一（ ）求
模块拒 动故 障顶 事件 置 信度 为 的截 集 区间 为 ［ ． ２ ４＋０ ０ ３ ０ ０７ ．０ ８
０ 引 言
低压开关 电器在完成对 线路 的各种控制 与保护 功能 的同时
电路发生短路故障 的警示 ， 图 ４ 见 。 （ ）备妥 信号 触头—— 当主体 内部线 圈控 制 电路连 通 ， ４ 即 可通过远程 自动控制的方法实现对主体工作状态控制时 ， 带动备 妥信号推杆使备妥信号触头 闭合 ， 图 ４ 见 。
（） ３
造成辅助模块拒动故 障的各基本 事件 的故 障率均 值 ｍ。考 虑影
响失效发生 的各种随机 因素并对相关 装配及 检验操作 人员 进行
信息搜集并模糊处理后 划定置 信限 、 ， 对称 分布处 理 ， ／按 ３ 各基 本事件数据见表 ８ 。
～ ｌ一 卜 （ ＋ Ａ） Ｌ 兀（ （ 一 ） ｉ １ ｍ ） ，
般将故 障树 各底 事件 发生概 率视为精 确值 。但在 实际工 程情况
中， 对于高可靠性 的系统相 关概率值 较难取 得 ， 故 障的发生 并且
概 率往 往会 因为随机 事件 、 人为或环境因素的参与而存在一定程 度 的不 确定性 和模糊性 。为避免上述 问题 ， 本文以控 制与保护开 关 电器的辅助模 块为例 ， 结合模糊数完成故障树定量分析并求取
图 ３ 故障信号模块 图４ 短路／ 备妥信号模块
（）故 障信号模块—— 当主 电路 发生 的过 载、 流、 ２ 过 断相及 短路故 障时 ， 主体动作 带动故障信号转轮使故 障报警触 头闭合连 通故 障信号灯线路 ， 对故障做出警示 ， 图 ３ 见 。 （ ）短路信 号模块—— 当主 电路发 生短 路故 障时 ， 体动 ３ 主 作带动 短路 推杆使连通短路信号报警 电路 的触头 闭合 ， 实现对主
摘
要 ：以控制 与保护开关电器的辅助模块为例 ， 利用模糊 故障树方法 进行了可靠性分 析。简要介绍 了该 辅助模 块的基本 结构 与功 能， 通过 Ｆ Ａ及 Ｆ Ａ方法得到该模块的故 障模式并完成故障树 的建造 ， ＭＥ Ｔ 引入三角模糊数对 故障树进行定量分析及 重要 度计 算， 结果证明模糊故 障树方法相 比传统故障树分析结果 具有更高 的参考及应用价值 ， 且适用于该类低压电器的可靠性分析。