李名莉，焦欣欣

（河南工业职业技术学院，河南南阳473000）

失效分析是一门新兴的正在发展中的学科，近年来已开始从军工向普通企业普及。其在提高产品质量、开展技术开发与改进、进行产品修复及仲裁处理失效事故等方面都具有很强的实际意义。失效分析是根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效机理的活动。失效分析方法分为有损分析、无损分析、物理分析和化学分析等。

失效是导致安全生产事故的直接原因之一。设备的失效，不仅会造成经济损失，还可能造成重大设备事故和人员伤亡事故。为了减少或避免因失效带来的直接和间接损失，失效分析越来越受到人们的重视，并逐步发展成为一门自成体系的分支科学。

1 失效分析概论

国际上对失效及其分析进行科学性研究，起源于第二次世界大战期间大量舰船断裂等武器的失效事故和自由女神像严重损坏等民用设施的失效事故。对设备材料失效进行科学深入的研究引起了战后科学技术及装备的革命和经济发展的繁荣，因此可以说，设备材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点，而对失效问题的分析判断和解决能力，则代表一个国家的科技发展水平和科学管理水平。

1.1 失效

（1）失效的定义：失效就是设备丧失规定的功能，设备或装置不能在规定时间内履行其预定的功能。就设备可靠性试验而言，失效可采用以下一般定义：失效是指原先为合格的设备，在规定的条件下，其中一个或几个功能参数不能保持在规定的合格的上、下限范围之内。失效也指设备在工作条件下的机械、结构部件或元件的破裂、断裂或损坏状态。

针对某一具体设备，失效的一般定义还需进一步具体化。设备的功能是靠某些性能参数去度量的。因此，有必要具体规定用以度量受试设备的那些参数，在各种试验条件下能承受环境应力的极限范围和失效判据。对机械件和结构件的那些性能参数，一般都比较复杂，因此，判据要规定得具体且有针对性，有人提出机械设备的零件或部件处于下列四种状态之一时，就可定义为失效；当它完全不能工作时；仍然可以工作，但已经不能令人满意地实现预期的功能时；受到严重损伤，不能可靠安全地继续使用，必须立即从产品或装备上拆下来进行修理或更换时；功能完整，但技术性能不能满足要求时。

（2）失效规律：设备在工厂制成后，需要通过各种试验来检测其功能和性能参数，这就是通常所称的t=0时（使用时间或次数为零）的质量。而可靠性则是指设备在规定的时间（或次数）内保持功能的能力或保持功能的时间，即为设备功能的维持性。对设备的可靠性评定要等到设备使用后，或者通过模拟使用试验后才能进行，故称为t>0时的质量。因此，一个设备的可靠性实际上是表示该设备的时间质量指标，与其工作时间有着密切的关系。按工作时间t可将其划分为三个阶段，即：早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。

（3）失效分类：按设备失效的时间特征可分为早期失效、偶然失效、损耗失效。也可按功能分类，由失效的定义可知，失效的判据是看设备的功能是否丧失，因此，失效可以按功能进行分类。也可按设备材料损伤机理分类，这种分类方法主要是针对机械类设备。也可按失效的后果分类，可以分为：部分失效、完全失效、轻度失效、危险性（严重）失效、灾难性（致命）失效。

1.2 失效分析

（1）失效分析的定义：判断失效模式，查找失效的原因和机理，提出预防再失效对策的技术活动和管理活动称为失效分析。

（2）失效分析的分类：失效分析按分析的目的一般可分为狭义的失效分析、广义的失效分析、失效分析发展状况、失效分析研究以及失效分析策略等类型。

1.3 失效树分析法

失效树分析法是一种逻辑分析方法，通过对可能造成系统失效的各种因素进行分析，画出逻辑图，从而确定系统失效的各种方式，以采取相应的纠正措施，提高系统的可靠性。

一般来说，致使设备失效的各种因素存在着诸多内在的联系。失效树分析法是一种常用的失效分析方法，是失效事件在一定条件下的路径推理方法，能清晰地用图说明系统是怎样失效的，也是系统某一个特定失效状态的快速照相。FTA把系统的失效与组成系统的部件的失效有机地联系在一起，可以找出系统全部可能的失效状态，也就是失效树的全部最小割集。因此，使用FTA分析设备失效，在某些情况下更显得条理分明、脉络清晰。

2 电气设备的失效分析

2.1 电气设备失效特性

电气设备主要包括绝缘构件、导电金属构件和机械构件。绝缘构件起隔离电压的作用，使电能在规定线路和设备上安全传输；带电金属构件为电能的传输提供良好的带电通道；机械构件作用是指构成电气设备所必须的金属构架、支撑固定件、操作传动机械装置、调压传动机械装置等。以上构件除具备自身特定功能外，还需要具备一定的机械强度以承受压力、拉力、扭力等的作用。根据电气设备主要构件的自身特点和性能，其失效表征主要有以下几个方面：

（1）绝缘性能劣化。绝缘性能劣化是指在电场、热、化学、机械力、大气条件等因素作用下，绝缘性能变劣。主要表现在绝缘电阻显著下降，介质损耗显著增加，泄漏电流明显增加，击穿电压明显下降，耐电强度降低，绝缘油色谱分析数据超标等。

（2）绝缘劣化有的可逆，有的不可逆。如绝缘受潮后，性能下降，但进行干燥处理后，又恢复原有的绝缘性能，说明这种劣化是可逆的。如果绝缘在各种因素长期作用下发生一系列不可逆转的化学构造及物理性状的改变，导致绝缘性能不断下降，这种劣化就是不可逆的。不可逆转的劣化也称绝缘老化。绝缘劣化的含义较广，绝缘老化的含义相对窄一些，老化仅是劣化不可逆的一个方面。

（3）导电性能下降或丧失。导电性能下降或丧失主要是指导电能力变差甚至导电回路不通、电能传输转换功能减弱或完全丧失。导电性能不断下降甚至完全丧失不但会中断电能的传输而且电接触不良引起的严重发热会损毁电力设备，致使其完全失效。

（4）机械性能下降或丧失。电气设备的机械性能主要是指电气设备使用的绝缘材料、带电金属材料、金属构件材料的原有化学结构和物理性状发生改变，造成抵抗破坏的能力减弱，最终导致机械性能降低甚至丧失。如在短路电流作用下，导体将承受电动力的冲击，当电动力不断作用于导体，使之超过疲劳强度，就会使导体变形、接头松脱、支撑固件断裂损坏。

2.2 电气设备失效发展过程

电气设备失效发展过程可以划分为性能变坏期、隐性故障期、显性故障期和设备损毁期。

（1）性能变坏期。电气设备在正常运行条件下，性能可以保持较长时间的稳定。但在电力系统内难免会有各种不良工况出现，如短路接地、雷击、操作过电压、过负荷运行等，加上长期受到的电、热、化学、环境、机械力等因素的联合作用，电气设备性能会随着运行时间的增加而发生变化，变化量的积累导致设备性能由良好向恶劣发展。

（2）隐性故障期。又称为潜伏性故障期。随着设备性能进一步变坏，量变引起质变。刚开始故障处在潜伏期，不易被直观发现，设备还能够继续运行一段时间，所以称为隐性故障期。

（3）显性故障期。当隐性故障发展到一定程度，超过设备能够正常运行的临界点时，隐性故障会迅速发展，使损害进一步扩大，设备故障现象明显，易被直观发现，如出现异响、异常振动、冒烟冒火、零部件严重变形甚至断裂等，所以称为显性期故障。电气设备出现显性故障，说明故障隐患已经十分严重，随时可能引起继电保护动作导致设备停运，发生电网事故。

（4）设备损毁期。如果设备发生了严重故障而未及时采取补救措施任由其发展，必然导致设备损毁报废，如避雷器遭受雷击发生爆炸，变压器发生短路故障致使铁芯绕组报废，油浸式互感器发生爆炸等。

2.3 电气设备失效原因

电气设备在制造、运输、安装、运行过程中，各种不同的因素除对电气设备性能产生作用外，还常常互相影响，使设备失效过程加速。

电作用：包括局部放电、过电压、电弧、电动力、电接触不良等。

热作用：运行中电气设备在电压、电流等各种因素作用下会发热，如果热量不能及时散发出去，温升或温度超过允许极限值，可能导致电气设备失效。热作用包括电气设备的发热机理、热老化、热击穿等。

水作用：水分可以经由周围的潮湿空气侵入绝缘内部，也可能由于热氧化过程在绝缘内部生成，潮气进入的速度取决于周围空气的湿度及温度、介质的吸水性能及绝缘本身的温度和结构。绝缘受潮导致电导及介质损耗增大，水分和其他脏污物一起组成弱电解质，促使绝缘进一步发热，加快热老化的速度，水分的存在使局部放电产生的氮的氧化物变成硝酸、亚硝酸并腐蚀金属，使纤维及其他绝缘发脆。总之，绝缘受潮后将加速电老化和热老化过程，缩短绝缘寿命。

机械力作用：电气设备使用时，会受到各种机械力及重力作用。如变压器有载调压装置操动机构、断路器的操动机构、隔离开关的转动装置操作时的机械力作用。电气设备支撑自身重量保持设备状态稳定不至于断裂或倾倒的机械应力。架空线路在自然因素作用下产生振动和舞动，线路及线路金具承受的交变应力等。机械力和外界自然力的长期联合作用，会使电气设备相关零部件磨损、材料老化、疲劳破坏，严重时导致设备失效。

大气的影响：电气设备通常暴露在空气中运行，周围环境温湿度以及大气压的变化、环境污染等因素均会对设备性能产生影响。

制造工艺缺陷及其他因素：设备制造工艺缺陷也是导致电气设备失效的重要因素，其主要表现在以下几个方面：

（1）设备存在家族性缺陷。某些干式电流互感器在实际运行过程中频繁出现绝缘材料炸裂损坏，经抽检发现该批产品局部放电量超标，原因是生产工艺不过关，绝缘材料内部存在气泡空隙。

（2）开关柜设计不合理，无防高温爆炸措施，运行时短路故障产生的高温使气压升高，高温高压空气无法正常排出，导致开关柜爆炸。

（3）耦合电容器制造时带有系统缺陷，如电容器芯子未充分烘干，留有较多的水分，或元件卷制后没有及时转入压装，在空气中滞留时间过长，卷制中磕破电容器纸等，是运行中爆炸损坏的主要原因。电容器胶圈密封不严，侵入水分，一部分沉积在电容器底部，另一部分在交流电场作用下悬浮在油层表面，顶部电容器承受的电场强度较高，电容器如有气隙，吸收水分后容易损坏。

（4）运输、安装过程也容易导致设备损坏失效。如变压器运输时，遭受异常震动和撞击致使绕组移位变形。安装过程中，金属异物跌落引起铁芯多点接地；电力电缆安装拖拽过程中，金属铠甲被异物穿刺导致绝缘损坏；终端头和中间接头制作工艺不良，进水受潮导致短路。

（5）自然界不可抗力的破坏致使电气设备失效。如冰雪灾害，架空线路覆冰覆雪在风力的作用下产生振动和舞动，造成线路金具磨损脱落、倒杆断线、相间闪络等。地震、台风、暴雨、洪水、泥石流等自然灾害均会造成致命威胁和严重损毁。

3 结束语

综上所述，电气设备失效的原因多种多样，是多种因素联合作用的结果，不能简单归结为某单方面的原因。电气设备失效分析需要根据设备具体运行情况和实际特定环境条件来作出科学的综合分析和判断。