可靠性措施：GIS早期故障的故障和根本原因分析（FRCA）
可靠性措施：GIS早期故障的故障和根本原因分析（FRCA）
摘要：氣體絕緣開關設備（GIS）斷路器（CB）由高壓部件，控制和輔助部件以及操作機構組成。操作機制是負責GISCB中大多數故障的組件之一。盡管操作機構中的液壓油泄漏已被認為是次要故障的示例之一，但它始終困擾著客戶，因此制造商或維修服務提供商不能忽視來自他們的投訴壓力，并最終導致液壓壓力下降，電機過載和機構或斷路器故障。這項研究進行了故障和根本原因分析，并提出了如何處理早期故障的原因，例如GIS液壓操作機構的外部漏油問題。
1引言
氣體絕緣開關設備（GIS）斷路器（CB）由于其對電力系統的最重要保護作用，因此應在時間上高度可靠。操作機制是負責大多數故障的組件之一（主要故障占43％，次要故障占44％[1]），也是GISCB中必不可少的功能元素。CIGRE國際關于CB可靠性數據的國際調查中提到的較小故障的例子[2]包括液壓油泄漏，由于腐蝕或其他原因導致的少量SF6氣體泄漏以及功能特性的變化。本文對主要和次要失敗的定義也遵循CIGRE。
圖1FRCA的工藝流程圖
對操作機制故障的故障和根本原因分析仍然是GIS可靠性的主要關注主題，因為確定根本原因是一種跨越公司內部功能界限的良好工程實踐，并且是質量保證和持續可靠性改進的組成部分[3]。
在2016年6月，向客戶報告了在客戶的一個站點安裝的GIS液壓操作機構的外部漏油問題，該事件是制造商所報告的故障之一，并于2016年6月進行了調查。外部漏油是指機油從操作機構中泄漏出來，而內部漏油并沒有漏出，而是諸如速度，時間響應，液壓和內部噪音等機械特性發生了變化。
圖2油泄漏到CB中（上部）和氣壓表的壓降，數量：電動機超速2077，液壓操作機構故障后從絕緣子后部（下部）掉落
在這種情況下，對產品生命周期中的早期故障進行的調查表明，缺陷在制造過程中（例如物料搬運，零件精密加工，存儲以及在安裝之前或安裝過程中進行組裝）大部分已被浸漬。另外，導致液壓油泄漏的原因各種各樣，由于多種原因或它們的組合，可能會發生相同的故障模式。
表1失效模式及影響臨界分析
在這項研究中，為了優先考慮糾正措施的工作范圍，首先基于項目故障的嚴重性和發生頻率進行了故障模式，影響和關鍵性分析（FMECA）。進行了無損和破壞性評估，以進行詳細的失效分析[4]。失效分析的第一步是清潔和隔離可疑的元兇（失效的零件或樣本），以便在處理過程中不會造成額外的損壞。第二步是執行非破壞性評估，例如宏觀/微觀檢查/X射線衍射檢查，以發現骨折的起源或破壞部位。第三步是使用金相設備（光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡或激光光學顯微鏡）進行破壞性評估，以確定故障的根本原因。同時使用失效操作機構的液壓油進行濕化學和成分分析，以調查潛在的失效原因，并進行機械功能測試以復制失效。完成這些分析后，建議提高液壓操作機構的可靠性并采取針對外部漏油的糾正或預防措施。
2方法論與分析
圖1給出了關于GIS液壓操作機構的外部漏油問題的故障和根本原因分析（FRCA）的流程圖，作為制造商于2016年6月報告給制造商。圖2顯示了故障的影響。此報告泄漏。FRCA過程流顯示了故障分析實用性增加可靠性措施的價值的過程。
2.1失效模式和影響臨界分析
失效模式和影響臨界分析稱為自下而上分析。FMEA基于定性方法，而FMECA采用定量方法，通常被視為分析，應在設計階段實施該分析，以在可靠性性能特征方面對最終設計產生最大影響。它主要是一種質量計劃工具，用于識別故障和影響并確定系統，產品或服務上的風險的優先級。它用于建立控制，確定過程的優先級并防止過程錯誤。表1顯示了FMECA應用于液壓操作機構聲稱的故障的結果。正在研究的液壓操作機構屬于GCB的電壓率<400kV。安裝后3年內，報告了FMECA中的所有故障。表2列出了僅供內部使用的液壓操作機構的故障模式。表3列出了與維護/維修服務部門討論后確定的故障后果和嚴重程度，以進行風險分析。在FMECA中，要關注的故障模式的優先級如下：外部泄漏，內部泄漏和組裝缺陷。
2.2故障分析
故障分析是一種系統的方法，可以查找導致不希望的功能喪失的原因或根本原因。在確定根本原因之前，建議將破壞性最小化為破壞性最大。有關本研究中執行的故障分析過程，請參見圖3。為了識別或記錄異?；蛭锢頁p壞，此處進行的視覺檢查包括裸眼，立體顯微鏡和帶有數字成像設備的激光光學顯微鏡。液壓機構中的氣缸總成是發生外部漏油的故障部位，因此在本研究中需要進一步分析。氣缸組件由氣缸，襯套，桿，密封環，階梯密封件和導向裝置組成。圖4示出了氣缸組件的截面圖和零件清單的示意圖。氣缸零件的材料信息
表2液壓操作機構的故障模式
表3故障后果和嚴重程度
圖3故障分析過程
組件的組裝如表4所示。拆卸氣缸組件后，在位于襯套和活塞桿之間的階梯密封件的內表面（參見圖5和6）上發現了劃痕。有4個階梯密封，一個用于防止SF6氣體進入，另一個用于防止漏油。通過故障重復測試表明，往復運動開始后，帶有劃痕的階梯密封的氣缸組件立即泄漏。經過324次操作后，結合了舊襯套（泄漏的階躍密封件）和新桿的氣缸組件也開始泄漏。
圖7顯示了氣缸桿上的尖銳突起。最大突出高度和長度分別為29.70μm和2.0cm，而桿表面的平均粗糙度為1.9μm。它出現在圓周方向周圍。氣缸桿經過精密加工。對棒材進行粗加工和精加工熱處理后，用圓筒磨床進行拋光處理。當活塞桿在氣缸組件中進行往復運動時，活塞桿上的此突起看起來很尖銳且足夠引人注目，從而在階梯密封件的內表面上產生劃痕。
圖4氣缸組件的剖視圖和零件清單示意圖
表4氣缸總成零件的材料信息
圖5階梯密封件內表面的劃痕
圖6四步密封內表面上的劃痕（光學顯微鏡的數字圖像）
圖7氣缸桿表面缺陷的照片（上）和激光顯微鏡觀察桿缺陷的照片（下）
2.3濕化學成分分析
液壓操作機構生產過程中的清潔過程分為兩個步驟。兩者都是在機加工和磨削之后完成的。第一步是初步清潔階段，以在空氣從孔中吹出異物后消除毛刺。第二步是通過超聲波去除灰塵。如果在清潔過程之前發生圖7所示的活塞桿缺陷，則液壓油中不會殘留任何殘留物或金屬粉塵，因為它們在清潔過程中都被洗掉了。如果在清潔過程后發生，則很有可能在廢油中殘留金屬粉塵。在這種情況下，由于油中的金屬粉塵而導致的棒缺陷的形狀被認為是在縱向而不是周向上形成的。
圖8液壓油的濕化學分析結果：氣相色譜（上）和FTIR（下）
表5泄漏重復測試的分析結果
舊襯套（襯套+泄漏的密封墊），新襯套（襯套+新的密封墊）。
圖9測試操作后的泄漏重復測試假人裝置，控制器和氣缸總成附近的漏油
桿在氣缸組件中的往復運動。傅里葉變換紅外光譜（FTIR），能量色散X射線（EDX）和氣相色譜（GC）分析的結果表明，新油與用過的油之間沒有化學差異，并且油中沒有金屬物質。圖8是利用GC和FTIR對液壓油進行濕法化學分析的結果。因此，在清潔前的棒加工或組裝過程中很可能發生棒缺陷。
2.4故障重復測試
失敗重復測試是出于兩個實驗目的而進行的。一種是研究已經泄漏的氣缸組件中的泄漏現象和故障零件。另一種方法是在機構的正常工作狀態下，對帶有泄漏階梯密封件的新缸桿和襯套以及泄漏有新階梯密封件的缸桿和襯套的組合組件進行往復運動，以識別原因或根本原因。有關測試參考，請參見表5。
該測試重現了液壓操作機構的泄漏現象，并分析了氣缸桿缺陷的影響，并揭示了襯套臺階密封如何造成泄漏。注意到在氣缸組件泄漏后進行了幾次試驗后，液壓油壓力異常下降（340→200kgf/cm2）。具有新的桿和襯套且階梯密封件泄漏的操作機構的測試結果顯示，與以前的測試相比，漏油少。此外，在324次操作后，壓降為340→300kgf/cm2。在進行了500多次操作的重復測試期間，使用泄漏的桿和襯套進行了新臺階密封的測試沒有顯示任何泄漏的跡象。從這些測試中得出的分析結論是，帶有泄漏密封墊的襯套是泄漏的罪魁禍首，泄漏的原因是密封墊損壞。經過測試，拆卸了汽缸總成以進行詳細的故障分析。圖9顯示了泄漏重復測試假人裝置，控制器以及測試操作后氣缸組件附近的機油泄漏。
3結論與建議
這項研究的結果如下：
l 通過故障重復測試表明，襯套中臺階密封墊內表面的刮擦是液壓操作機構的氣缸總成外部漏油的原因。
l 在研究了氣缸總成的工作特性并進行了微觀表面分析之后，證實了這種密封刮痕是由氣缸桿表面上的圓周突起引起的，這被認為是此問題的根本原因。
l 濕化學成分分析，FTIR和EDX以及液壓油泄漏和濾油器檢查證實，在生產的最后階段，即在機加工或組裝過程中，在清潔過程之前發生了棒上的缺陷。
l 使用激光光學顯微鏡的桿表面分析得出的結論是，這種類型的突起是由于桿表面的精密加工實踐或研磨工藝不良所致。
l 考慮到維修成本，停機時間和客戶不滿，這樣的現場故障成本非常高。為了消除相同或相似的因加工過程造成缺陷的故障并提高液壓操作機構的可靠性，很少提出以下建議：定期進行車間審核和適當的培訓計劃，例如對加工人員進行質量控制和制造管理。
l 在機械加工或組裝過程中包括強制性檢查步驟。
l 引入了用于無缺陷組裝過程，處理和存儲的保證程序。
l 選擇正確的機油濾清器和濾清器更換期。
l 強調制造和裝配環境的清潔度。
l 針對上述行動項目的公司政策設置
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