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基于故障树分析的电机保护系统的可靠性与灵敏度分析

J. Sadeh，IEEE会员，Y. Damchi，IEEE学生会员

J. Sadeh is with Electrical Engineering Department, Islamic Azad University, Gonabad Branch, Gonabad, Iran (e-mail: sadeh@um.ac.ir)

Y. Damchi is with Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

(e-mail: damchi@ieee.org)

摘要：因为电动机的可靠性低，不适当的操作会对工业设备造成严重损害，所以大型工业负载达到理想水平并保持电动机的可靠性具有特殊的重要性。 保护系统的正常运行是电力系统中判断电机是否具有理想可靠性的根据之一。 保护系统故障率的相关因素对保护电力系统的正常运行具有至关重要的作用。 因此，本课题从故障树方法出发，从可靠性角度对电动机保护系统的运行进行了研究。 确定电机保护子系统和系统的年度停机时间和故障率取决于电机保护系统的可靠性分析。 此外，使用电机保护系统组件的风险降低值指标进行灵敏度分析。

关键词：电机保护系统，可用性，年度停机时间，故障率，降低风险的指标

I. 命名规则

系统可靠性；

系统不可靠性；

组件i的可靠性；

组件i的不可靠性；

年度停机时间;

连续测试的时间间隔；

组件i的风险降低值得指数;

失败率

电流互感器;

电压互感器;

直流电源（电池）;

接线;

电阻温度检测器;

转速表。

II.背景介绍

可靠的电机性能对电厂的正常运行起着至关重要的作用[1]。将电动机的可靠性保持在理想的水平将提高设备的可靠性能。电力研究所（Electric Power Research Institute，EPRI）进行的一项研究表明，电动机故障包括轴承故障（41％），定子故障（37％），转子故障（10％）和其他部件故障（12％）。电动机上安装了不同类型的保护系统，以防止这些故障[2]。因此，保护系统的合适的操作可以显著减少电动机故障。为了最大限度地提高保护系统的可用性并将保护系统不可用性降到最低，必须进行维护和例行测试[3]。一些关于电力系统保护可靠性的研究已经完成。在文献[4]和[5]中，使用故障树方法对传输线POTT保护系统模型的可靠性进行评估。在文献[6]中，根据风险降低指标对组件进行重要性分析，并采用故障树方法确定了典型电力系统保护系统的可靠性指标。在此参考文献中，传输线路保护，总线保护，断路器失灵保护，发电机后备保护和远程跳闸保护等构成了次顶级事件。基于这些次顶级事件构建了典型电力系统保护故障的顶级事件，然后确定了保护系统不可用性。在文献[7]中，使用故障树方法分析了系统保护方案（SPS）组件的结构和可靠性对保护系统和风险指数的非期望操作率的影响。 在[8]中，已经用故障树方法对发电机定子保护可靠性进行了评估，并且已经研究了备用保护系统对保护系统不可用性的影响。 在[9]中，使用事件树和故障树方法确定了传输线路保护系统的可靠性和安全性。 传输线保护系统[3,10]和变压器保护系统[11]的最佳例行测试时间间隔已经使用马尔科夫方法确定。

在电动机保护系统减少电动机故障的重要性这一方面，本文针对保护系统不可用指标的组成部分，研究了电动机保护系统的可靠性，并根据保护系统风险的组成部分进行了灵敏度分析，减少价值指数。

III.可靠性和灵敏度分析

本文采用故障树方法对可靠性分析中的保护系统不可用性进行计算。 系统的组件可以串联或并联。 在具有两个组件的系统中，如果它们串联连接（两个组件必须可用于正确操作系统）（图1a），则它们通过OR门连接在系统的故障树中（图1b）。 因此，使用式（1）计算系统可用性和不可用性：

(1)

1. (b)

图1 两个串联元件的故障树

在具有两个组件的系统中，如果它们并联（两个组件必须不可用于系统的不正确操作）（图2a），则它们通过与门共同连接在系统的故障树中（图2b）。 因此，系统不可用性使用以下公式计算：

(2)

1. (b)

图2 两个并联元件的故障树

每年的停机时间可以使用（3）计算。 式（4）用于确定故障率（）[6]：

（3）

（4）

组件在提高系统可靠性方面的重要性是相当大的。 在本文中，风险降低价值指数用于量化电机保护系统中的部件重要性，该部分的重要性由以下等式定义[6]：

（5）

在等式 （5），和分别显示当组件i不完全可靠或者完全可靠时的系统的不可用性。

IV. 案例分析

对于电动机保护系统的可靠性分析，图3已被用作电动机保护系统。 根据图3，电机配备了不同的保护类型。 在表I中，已经引入了这些保护系统。

图3 电机保护系统原理图

表1 保护设备标号

14	欠速
27	欠压
38	轴承RTD
46	不平衡电流
47	不平衡电压
49	轴承RTD
50	瞬时过电流
51	延时过电流
50N/51N	地面过电流
52	短路器
59	过电压
81	频率
87	微分

电机保护系统的故障树如图4所示，包括五个保护子系统。 在本节的其余部分中，将解释这些子系统：

子系统1是差动保护系统。子系统2被定义为RTD保护系统。 在这个子系统中，轴承和定子RTD被认为是保护装置。 低速继电器作为保护装置在子系统3中显示为TACH保护系统。子系统4由欠压继电器，不平衡电压继电器，过压继电器和频率继电器组成，作为保护装置。 子系统5显示了由瞬时过电流继电器，延时过电流继电器作为瞬时过电流继电器的备用保护和接地过电流继电器组成的电动机过电流保护系统。

在构建故障树时，假设每个子系统的故障导致电机保护系统故障。 在图4中，延时过流继电器被认为是瞬时过电流继电器的后备保护。

在这个假设的前提下，对于在电动机保护故障树中构建的顶级事件（电动机保护系统失效），五个子系统应通过或门连接。 值得注意的是，每个子系统都有另一种操作逻辑，如图4所示。例如，在子系统1中，每个CT，接线和差分继电器的故障都会导致电机差动保护子系统故障。 因此，该子系统的故障树中的组件通过或门连接。

图4 电机保护系统故障树

V. 仿真结果

在这项研究中，电机保护系统的可靠性和灵敏度分析已经基于表II [4,8]中提供的数据进行。 值得注意的是，接线，RTD，TACH不可用性分别假设为,和。

表2 元件失败率

元件	不可用性
断路器
电流继电器
电压继电器
所有继电器
直流电源

A.基本条件

表III和IV分别显示了可靠性和敏感度分析的结果。 假定连续测试之间的时间间隔为一年，以确定电机保护系统和子系统故障率。

表3 电机保护系统和子系统的可靠性分析

系统和子系统	可靠性	Ad (h/yr)	失败率(f/yr)
电机保护系统	0.9983362	14.57	0.0033120
子系统1	0.9998650	1.18	2.7001650times;10-04
子系统2	0.9996350	3.2	7.3008720times;10-04
子系统3	0.9997350	2.32	5.3005610times;10-04
子系统4	0.9995751	3.72	8.5010050times;10-04
子系统5	0.9998750	1.09	2.5005550times;10-04

表4 电动机保护系统和子系统的灵敏度分析

元件
电机保护系统
断路器	1.2196158
CT	1.0183319
VT	1.0060368
直流源	1.0309322
W	1.0471269
RTD	1.0989269
TACH	1.0989269
50,51,50N 和 51N	1.0000060
不含50,51,50N 和 51N的继电保护器	1.0638425
子系统1
CT	1.1738944
87	3.8570755
W	1.1249871
子系统2 全文共7632字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[12154]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word