تحلیل مدهای خرابی و اثرات آن (Failure Mode & Effect Analysis)
به نام خدا
انگیزه های اصلی ارزیابیهای کمی قابلیت اطمینان: اخذ بهترین تصمیم ها در چگونگی بهبود عملکرد سیستم، چگونگی مدیریت مصالحه ها بین ملاحظات فنی، اقتصادی و ایمنی.
مقدمه
ارزیابی کمی ریسک و احتمال وقوع رخدادهای نامطلوب و شدت عواقب آن برای رقابت شرکتهای برق ضروری شده است.
بخش اول روشهای ارزیابی قابلیت اطمینان در سیستم ها
روشهای ارزیابی قابلیت اطمینان
مدلسازی شبکه ای (Network Modeling)
مدلسازی مارکوف (Markov Modeling)
شبیه سازی مونت کارلو (Monte Carlo Simulation)
2
3
1
عملکرد صحیح
ازکار
افتاده
قابلیت اطمینان سیستم برحسب ترکیب منطقی احتمال وقوع رخدادهای تصادفی در سیستم ارزیابی می شود، و این مبنا در همه روشهای مختلف ارزیابی قابلیت اطمینان مشترک است.
مدلسازی شبکه (Network Modeling)
سیستمهای سری
از دیدگاه قابلیت اطمینان برای عملکرد صحیح یک سیستم سری باید همه عضوهای آن در حال کار باشد و بنابراین از کار افتادن هر عضو موجب از کارافتادگی سیستم می شود.
سیستمهای سری ضعیف ترین نوع ساختاری سیستمها از نقطه نظر قابلیت اطمینان محسوب می شوند.
1
2
Q= احتمال ازکارافتادگی سیستم
R= احتمال عملکرد سیستم (قابلیت اطمینان)
بعلت کوچک بودن Q
سیستمهای موازی
از دیدگاه قابلیت اطمینان، یک شبکه موازی با عملکرد حداقل یک عضو سالم عملکرد انتظاری خود را خواهد داشت.
1
2
سیستمهایی با n عضو
– سیستم متوالی با n عضو:
1
2
n
1
2
n
– سیستم موازی با n عضو:
مثال: سیستم سری- موازی
حل:
مفروضات مساله:
Q1 = 0.01
Q2 = 0.02
Q3 = 0.03
2
3
1
Solution (cont’d)
احتمال رخداد خرابی در سیستم:
قابلیت اطمینان سیستم برابر است:
which is also equal to RSYS = 1 – QSYS
As shown in this example, the system probability of failure and reliability are dominated by the series component 1
i.e. a series system is as good as its weakest link
ارزیابی قابلیت اطمینان در سیستم های پیچیده
از آنجا که ساختار عموم سیستمها به سادگی سیستمهای سری یا موازی نیست، برای مدلسازی و ارزیابی قابلیت اطمینان آنها شیوه های دیگری نیاز است:
تحلیل کات ست(Cut Set Analysis)
تحلیل تای ست (Tie Set Analysis)
درخت خطا (Fault Tree)
این روشها همگی در زیرمجموعه روش مدلسازی شبکه قرار می گیرد.
کات ست (Cut Set)
کات ست (Cut Set):
مجموعه ای از اجزاء سیستم که خرابی همه آنها موجب خرابی سیستم می شود:
{F, AB, CD, AED, BEC, …}
مینیمال کات ست (Cut Set):
زیرمجموعه ای از کات ست ها که حتی در صورت عملکرد یکی از آنها نمی توان با قطعیت خرابی سیستم را نتیجه گرفت:
{F, AB, CD, AED, BEC}
بر اساس مدهای خرابی سیستم عمل می کند.
تعریف 1
A
B
C
D
E
F
تعریف 2
مجموعه انقطاع (Cut Set)
در سیستم های پیچیده باید با الگوریتمی MCS را بدست آورد.
مجموعه تای ست (Tie Set)
مکمل روش کات ست است.
بر اساس مدهای درستی سیستم عمل می کند.
تشکیل همه مسیرهای اتصال غیرتکراری و متوالی عناصری که عملکرد صحیح آنها موجب عملکرد سیستم می شود.
A
B
C
D
E
F
C
F
D
F
E
D
E
C
A
B
A
B
F
F
Rsys = P(T1 U T2 U T3 U T4)
T1
T2
T3
T4
درخت خطا (Fault Tree)
روشی تصویری برای نمایش دلائل خرابی و ریشه های رخداد هر خرابی در یک تجهیز یا سیستم.
ابزاری است جهت ارزیابی های کیفی رفتار تجهیز یا سیستم از نقطه نظر قابلیت اطمینان، که با استفاده از اطلاعات مربوط به قابلیت اطمینان اجزاء و روند منطقی رخداد خرابی، از پائین ترین سطح به بالا، نهایتا به ارزیابی کمی قابلیت اطمینان سیستم منجر خواهد شد.
این شیوه نوع خاصی از خرابی را به عنوان حادثه نهایی (Top event) در نظر می گیرد. ترکیب و توالی سایر رخدادها که منجر به وقوع حادثه نهایی می شود ساختار درخت معایب را بوجود می آورد.
مثال: تشکیل درخت خطا برای یک سیستم حفاظتی – سیستم حفاظتی شامل: برکر، رله، CT، باتری و سیم کشی-کنترلی. – حادثه نهایی فرضی: سیستم حفاظتی نتواند خطا را حذف کند.
سیستم حفاظتی خطا را حذف نکند
حادثه نهایی
حوادث مبنا
خرابی برکر
خرابی CT
خرابی رله
خرابی باتری
خرابی سیمکشی
گیت منطقی
مدلسازی به روش مارکوف
روشی برای مدلسازی رفتار اتفاقی سیستم.
MTTF: مدت زمان میانگین تا وقوع خرابی در سیستم.
نرخ خطا (λ): آهنگ ازکارافتادگی
MTTF=
عملکرد صحیح
ازکار
افتاده
λ
µ
تعریف 1
تعریف 2
تعداد ازکارافتادگی سیستم در یک محدوده زمانی
محدوده زمانی که سیستم در حال کار بوده
ثابت می شود
1
λ
λ=
مدلسازی به روش مارکوف
روشی برای مدلسازی رفتار اتفاقی سیستم.
MTTR: مدت زمان میانگین تعمیر سیستم
نرخ تعمیر (µ): آهنگ تعمیر
= r MTTR=
مقدار µ بسیار بزرگتر از λ است زیرا سیستم باید در وضعیت نرمال عملکرد خود باشد.
عملکرد صحیح
ازکار
افتاده
λ
µ
تعریف 3
تعریف 4
تعداد تعمیرات موفق در یک محدوده زمانی T
محدوده زمانی که سیستم در حال تعمیر بوده در یک محدوده زمانی T
µ=
ثابت می شود
1
µ
تحلیل مدهای خرابی و اثرات آن(FMEA)
تعریف ها
مدهای خرابی (Failure Mode)
تکنیکی برای درک رفتار اجزاء سیستم از نقطه نظر قابلیت اطینان، که بر بررسی اثر خرابی اجزاء بر اجزاء دیگر و کل سیستم استوار است.
تعریف 1
تعریف 2
جزء یا ترکیبی از اجزاء شبکه، یا بطور کلی راههایی که موجب خرابی و عدم عملکرد سیستم می شود.
تحلیل مدهای خرابی و اثرات آن (FMEA)
هدف از مطالعات FMEA:
اعمال عملیاتی برای شناسایی و کاهش خرابی های شبکه با درنظرگرفتن بالاترین اولویت برای آنها.
مراحل اصلی FMEA
تعریف سیستم (شبکه). شامل محدوده سیستم، توابع داخلی آن و سطوح مشترک با عوامل اثرگذار خارجی، عملکرد مطلوب سیستم و تعریف خرابی در آن.
شناسایی مدهای خرابی بالقوه در سیستم. شامل تعیین همه مسیرهایی که منجر به رخداد خرابی در هریک از توابع عملکرد سیستم می شود.
تعیین اثرات و عواقب ناشی از رخداد هر یک از مدهای خرابی. تعیین عواقبی که پس از وقوع هر مد خرابی به سیستم تحمیل می شود.
رتبه بندی اثرات منفی. شامل تعیین حساس و بحرانی ترین اجزاء سیستم که از مدهای خرابی اثر می گیرند و موجب مخدوش شدن عملکرد کل سیستم می شوند.
تعیین تمام ریشه های بالقوه مدهای خرابی.
تعیین روشهای ردیابی و شناسایی ریشه های بالقوه در وقوع مدهای خرابی.
رسیدن به روشهای پیشنهادی ممکن جهت حذف ریشه های خرابی یا کاهش حساسیت سیستم به آنها.
نمونه ای از مطالعات FMEA در ترانسفورماتور
تعریف سیستم (تعیین اجزاء مختلف برای تعیین مدهای خرابی ترانسفورماتور):
ترانسفورماتور
بوشینگ
سیم پیچها
مخزن
هسته
روغن و خنک کن
تپ چنجر
گام اول
تشکیل درخت خطا برای تک تک اجزاء ترانسفورماتور
گام دوم
درخت خطا در هسته ترانسفورماتور
وظیفه هسته شارش شار مغناطیسی است.
مد خرابی: کاهش بازده ترانسفورماتور
وقوع خرابی در هسته
افت بازده
نقص مکانیکی
De Magnetization
جابجایی فولاد هسته حین شکل گیری
درخت خطا در سیم پیچهای ترانسفورماتور
خرابی سیم پیچیها
اتصال کوتاه
نقص مکانیکی
خرابی عایقها
کیفیت نامناسب روغن
جابجایی ترانس
رسیدن به نقطه داغ
ایجاد سولفید مس
اضافه ولتاژ گذرا
نقص در ساخت
اتصال کوتاه در شبکه
رعد و برق
درخت خطا در مخزن
خرابی مخزن
نشتی
آسیب تانک
نقص مکانیکی
افزایش فشار ناشی از تولید گاز
کم توجهی حین جابجایی مخزن
رعدوبرق/PD
نقص در مواد
خوردگی
Inelastic Gasket
پیری
تعمیرات ناکافی
درخت خطا در بوشیگنها
وظیفه بوشینگها ایزولاسیون الکتریکی بین مخزن و سیم پیچیها و اتصال سیم پیچیها به شبکه قدرت است.
مهمترین مد خرابی بوشینگها اتصال کوتاه است.
خرابی بوشینگ
اتصال کوتاه
آسیب مقره ها
خطا در مواد عایقی
آلودگی
نفوذ آب
فقدان تعمیرات
Inelastic Gaskets
پیری
برخورد اشیاء نظیر سنگ
بی دقتی حین بازرسی
درخت خطا در تپ چنجر ترانسفورماتور
2- تشکیل درخت خطا برای هر جزء.
بعنوان نمونه: تشکیل درخت خطا در تپ چنجر
وظیفه تپ چنجر زیر بار تنطیم ولتاژ سیم پیچهاست.
از دو قسمت تشکیل شده است:
– Diverter switch
– Tap Selector
هر یک از این دو جزء یک مد خرابی تپ چنجر است.
تشکیل درخت خطا برای اجزای تپ چنجر
خرابی سوئیچ Diverter
خرابی کنتاکت
آلودگی روغن
استفاده نامناسب
تعمیرات نامناسب
خرابی
Tap Selector
عدم توانایی در تغییر سطح ولتاژ
اشکال مکانیکی
خوردگی
پیری
خرابی تپ چنجر
مد خرابی 1
مد خرابی 2
بدست آمدن درخت خطا در ترانسفورماتور
ادغام درخت خطای تک تک اجزاء و ایجاد درخت نهایی خطا در ترانسفورماتور
ترانسفورماتور
خرابی بوشینگ
خرابی
سیم پیچها
خرابی مخزن
خرابی هسته
خرابی خنک کن
خرابی
تپ چنجر
درخت خطا بوشینگ
درخت خطا سیم پیچها
درخت خطا مخزن
درخت خطا هسته
درخت خطا خنک کن
درخت خطا تپ چنجر
گام سوم
تا اینجا ارزیابیهای کیفی مدهای خرابی و اثرات آنها در یک سیستم (ترانسفورماتور) مطالعه شد. در ادامه این این مطالعات، برای انجام ارزیابیهای کمی از نقطه نظر قابلیت اطمینان لازم است نرخ خرابی تک تک المانها محاسبه شوند و نهایتا قابلیت اطمینان سیستم مورد ارزیابی کمی قرار گیرد.
از نتایج این محاسبات می توان در اخذ استراتژیهای بهتر نگهداری و تعمیرات بهره گرفت.
با بدست آمدن همه مدهای خرابی ترانسفورماتور و دلائل رخداد آنها، در این مرحله باید هریک از اجزاء و هریک از مدهای خرابی آنها براساس حساسیت پذیری وقوع خرابی در ترانسفورماتور، رتبه بندی شوند.
مطالعات سابقه گذشته خرابیهای ترانسفورماتور در این رتبه بندی سودمند خواهد بود.
گام چهارم
گام های بعدی