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：气体绝缘开关设备（GIS）断路器（CB）由高压部件，控制和辅助部件以及操作机构组成。操作机制是负责GISCB中大多数故障的组件之一。尽管操作机构中的液压油泄漏已被认为是次要故障的示例之一，但它始终困扰着客户，因此制造商或维修服务提供商不能忽视来自他们的投诉压力，并最终导致液压压力下降，电机过载和机构或断路器故障。这项研究进行了故障和根本原因分析，并提出了如何处理早期故障的原因，例如GIS液压操作机构的外部漏油问题。
1. 引言
气体绝缘开关设备（GIS）断路器（CB）由于其对电力系统的最重要保护作用，因此应在时间上高度可靠。操作机制是负责大多数故障的组件之一（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国际关于CB可靠性数据的国际调查中提到的较小故障的例子[2]包括液压油泄漏，由于腐蚀或其他原因导致的少量SF6气体泄漏以及功能特性的变化。本文对主要和次要失败的定义也遵循CIGRE。
图1FRCA的工艺流程图
对操作机制故障的故障和根本原因分析仍然是GIS可靠性的主要关注主题，因为确定根本原因是一种跨越公司内部功能界限的良好工程实践，并且是质量保证和持续可靠性改进的组成部分[3]。
在2016年6月，向客户报告了在客户的一个站点安装的GIS液压操作机构的外部漏油问题，该事件是制造商所报告的故障之一，并于2016年6月进行了调查。外部漏油是指机油从操作机构中泄漏出来，而内部漏油并没有漏出，而是诸如速度，时间响应，液压和内部噪音等机械特性发生了变化。
图2油泄漏到CB中（上部）和气压表的压降，数量：电动机超速2077，液压操作机构故障后从绝缘子后部（下部）掉落
在这种情况下，对产品生命周期中的早期故障进行的调查表明，缺陷在制造过程中（例如物料搬运，零件精密加工，存储以及在安装之前或安装过程中进行组装）大部分已被浸渍。另外，导致液压油泄漏的原因各种各样，由于多种原因或它们的组合，可能会发生相同的故障模式。
表1失效模式及影响临界分析
在这项研究中，为了优先考虑纠正措施的工作范围，首先基于项目故障的严重性和发生频率进行了故障模式，影响和关键性分析（FMECA）。进行了无损和破坏性评估，以进行详细的失效分析[4]。失效分析的第一步是清洁和隔离可疑的元凶（失效的零件或样本），以便在处理过程中不会造成额外的损坏。第二步是执行非破坏性评估，例如宏观/微观检查/X射线衍射检查，以发现骨折的起源或破坏部位。第三步是使用金相设备（光学显微镜，扫描电子显微镜或激光光学显微镜）进行破坏性评估，以确定故障的根本原因。同时使用失效操作机构的液压油进行湿化学和成分分析，以调查潜在的失效原因，并进行机械功能测试以复制失效。完成这些分析后，建议提高液压操作机构的可靠性并采取针对外部漏油的纠正或预防措施。
2. 方法论与分析
图1给出了关于GIS液压操作机构的外部漏油问题的故障和根本原因分析（FRCA）的流程图，作为制造商于2016年6月报告给制造商。图2显示了故障的影响。此报告泄漏。FRCA过程流显示了故障分析实用性增加可靠性措施的价值的过程。
2.1失效模式和影响临界分析
失效模式和影响临界分析称为自下而上分析。FMEA基于定性方法，而FMECA采用定量方法，通常被视为分析，应在设计阶段实施该分析，以在可靠性性能特征方面对最终设计产生最大影响。它主要是一种质量计划工具，用于识别故障和影响并确定系统，产品或服务上的风险的优先级。它用于建立控制，确定过程的优先级并防止过程错误。表1显示了FMECA应用于液压操作机构声称的故障的结果。正在研究的液压操作机构属于GCB的电压率<400kV。安装后3年内，报告了FMECA中的所有故障。表2列出了仅供内部使用的液压操作机构的故障模式。表3列出了与维护/维修服务部门讨论后确定的故障后果和严重程度，以进行风险分析。在FMECA中，要关注的故障模式的优先级如下：外部泄漏，内部泄漏和组装缺陷。
2.2故障分析
故障分析是一种系统的方法，可以查找导致不希望的功能丧失的原因或根本原因。在确定根本原因之前，建议将破坏性最小化为破坏性最大。有关本研究中执行的故障分析过程，请参见图3。为了识别或记录异常或物理损坏，此处进行的视觉检查包括裸眼，立体显微镜和带有数字成像设备的激光光学显微镜。液压机构中的气缸总成是发生外部漏油的故障部位，因此在本研究中需要进一步分析。气缸组件由气缸，衬套，杆，密封环，阶梯密封件和导向装置组成。图4示出了气缸组件的截面图和零件清单的示意图。气缸零件的材料信息。
表2液压操作机构的故障模式
表3故障后果和严重程度
图3故障分析过程
组件的组装如表4所示。拆卸气缸组件后，在位于衬套和活塞杆之间的阶梯密封件的内表面（参见图5和6）上发现了划痕。有4个阶梯密封，一个用于防止SF6气体进入，另一个用于防止漏油。通过故障重复测试表明，往复运动开始后，带有划痕的阶梯密封的气缸组件立即泄漏。经过324次操作后，结合了旧衬套（泄漏的阶跃密封件）和新杆的气缸组件也开始泄漏。
图7显示了气缸杆上的尖锐突起。最大突出高度和长度分别为29.70μm和2.0cm，而杆表面的平均粗糙度为1.9μm。它出现在圆周方向周围。气缸杆经过精密加工。对棒材进行粗加工和精加工热处理后，用圆筒磨床进行抛光处理。当活塞杆在气缸组件中进行往复运动时，活塞杆上的此突起看起来很尖锐且足够引人注目，从而在阶梯密封件的内表面上产生划痕。
图4气缸组件的剖视图和零件清单示意图
表4气缸总成零件的材料信息
图5阶梯密封件内表面的划痕
图6四步密封内表面上的划痕（光学显微镜的数字图像）
图7气缸杆表面缺陷的照片（上）和激光显微镜观察杆缺陷的照片（下）
2.3湿化学成分分析
液压操作机构生产过程中的清洁过程分为两个步骤。两者都是在机加工和磨削之后完成的。第一步是初步清洁阶段，以在空气从孔中吹出异物后消除毛刺。第二步是通过超声波去除灰尘。如果在清洁过程之前发生图7所示的活塞杆缺陷，则液压油中不会残留任何残留物或金属粉尘，因为它们在清洁过程中都被洗掉了。如果在清洁过程后发生，则很有可能在废油中残留金属粉尘。在这种情况下，由于油中的金属粉尘而导致的棒缺陷的形状被认为是在纵向而不是周向上形成的。
图8液压油的湿化学分析结果：气相色谱（上）和FTIR（下）
表5泄漏重复测试的分析结果
旧衬套（衬套+泄漏的密封垫），新衬套（衬套+新的密封垫）。
图9测试操作后的泄漏重复测试假人装置，控制器和气缸总成附近的漏油
杆在气缸组件中的往复运动。傅里叶变换红外光谱（FTIR），能量色散X射线（EDX）和气相色谱（GC）分析的结果表明，新油与用过的油之间没有化学差异，并且油中没有金属物质。图8是利用GC和FTIR对液压油进行湿法化学分析的结果。因此，在清洁前的棒加工或组装过程中很可能发生棒缺陷。
2.4故障重复测试
失败重复测试是出于两个实验目的而进行的。一种是研究已经泄漏的气缸组件中的泄漏现象和故障零件。另一种方法是在机构的正常工作状态下，对带有泄漏阶梯密封件的新缸杆和衬套以及泄漏有新阶梯密封件的缸杆和衬套的组合组件进行往复运动，以识别原因或根本原因。有关测试参考，请参见表5。
该测试重现了液压操作机构的泄漏现象，并分析了气缸杆缺陷的影响，并揭示了衬套台阶密封如何造成泄漏。注意到在气缸组件泄漏后进行了几次试验后，液压油压力异常下降（340→200kgf/cm2）。具有新的杆和衬套且阶梯密封件泄漏的操作机构的测试结果显示，与以前的测试相比，漏油少。此外，在324次操作后，压降为340→300kgf/cm2。在进行了500多次操作的重复测试期间，使用泄漏的杆和衬套进行了新台阶密封的测试没有显示任何泄漏的迹象。从这些测试中得出的分析结论是，带有泄漏密封垫的衬套是泄漏的罪魁祸首，泄漏的原因是密封垫损坏。经过测试，拆卸了汽缸总成以进行详细的故障分析。图9显示了泄漏重复测试假人装置，控制器以及测试操作后气缸组件附近的机油泄漏。
3. 结论与建议
这项研究的结果如下：
l 通过故障重复测试表明，衬套中台阶密封垫内表面的刮擦是液压操作机构的气缸总成外部漏油的原因。
l 在研究了气缸总成的工作特性并进行了微观表面分析之后，证实了这种密封刮痕是由气缸杆表面上的圆周突起引起的，这被认为是此问题的根本原因。
l 湿化学成分分析，FTIR和EDX以及液压油泄漏和滤油器检查证实，在生产的最后阶段，即在机加工或组装过程中，在清洁过程之前发生了棒上的缺陷。
l 使用激光光学显微镜的杆表面分析得出的结论是，这种类型的突起是由于杆表面的精密加工实践或研磨工艺不良所致。
l 考虑到维修成本，停机时间和客户不满，这样的现场故障成本非常高。为了消除相同或相似的因加工过程造成缺陷的故障并提高液压操作机构的可靠性，很少提出以下建议：定期进行车间审核和适当的培训计划，例如对加工人员进行质量控制和制造管理。
l 在机械加工或组装过程中包括强制性检查步骤。
l 引入了用于无缺陷组装过程，处理和存储的保证程序。
l 选择正确的机油滤清器和滤清器更换期。
l 强调制造和装配环境的清洁度。
l 针对上述行动项目的公司政策设置
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