機(jī)械與電子可靠性在真空斷路器中的應(yīng)用

1、機(jī)械與電子可靠性在真空斷路器中的應(yīng)用石飛，林莘，徐建源 （沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽110023）摘要： 文章對(duì)目前中壓電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的ZN63(VS1)型真空斷路器的可靠性進(jìn)行了研究,建立了機(jī)械可靠性分析的一般理論方法，同時(shí)應(yīng)用馬爾可夫過程對(duì)其電子元件進(jìn)行了可靠性分析，提出了對(duì)電子元件進(jìn)行可靠性篩選試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)時(shí)間的確定方法，對(duì)工程實(shí)際具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞： 真空斷路器；機(jī)械可靠性；電子可靠性1真空斷路器機(jī)械可靠性分析方法近年來，我國電力系統(tǒng)不斷向高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量方向發(fā)展，在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，可靠性問題也突出起來。真空斷路器作為電力系統(tǒng)中一種極為重要的保護(hù)控制設(shè)

2、備在中壓電網(wǎng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，斷路器生產(chǎn)廠和廣大用戶都極為關(guān)注其可靠性問題。但由于各方面的原因，目前我國對(duì)高壓斷路器可靠性的研究還是一項(xiàng)空白，還沒有形成一套完整的高壓斷路器的可靠性理論1。筆者在進(jìn)行了大量的實(shí)際調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)量和用量都很大的真空斷路器的機(jī)械可靠性和電子可靠性進(jìn)行了研究，希望對(duì)提高真空斷路器的可靠性有所幫助，特別是對(duì)電子元件進(jìn)行可靠性篩選試驗(yàn)中試驗(yàn)時(shí)間的確定方法在工程實(shí)際中有一定的應(yīng)用價(jià)值。文章中所述的ZN63（VS1）型真空斷路器是由我國自行研制的額定電壓為12 kV的戶內(nèi)真空斷路器，它采用了一體化布置的結(jié)構(gòu)，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使斷路器機(jī)械操作可靠性大為提高

3、，用戶可以不經(jīng)調(diào)試直接投入運(yùn)行。通過對(duì)斷路器故障原因的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，真空斷路器滅弧室的故障率較低2，很少發(fā)生由于滅弧室故障而導(dǎo)致的斷路器故障，這主要是由于各滅弧室生產(chǎn)企業(yè)的整體生產(chǎn)工藝水平較高?？赡馨l(fā)生的故障主要集中在其所配的彈簧機(jī)構(gòu)上，機(jī)械可靠性成為進(jìn)一步提高斷路器可靠性水平的關(guān)鍵性問題。為了進(jìn)一步提高斷路器的可靠性，對(duì)其彈簧機(jī)構(gòu)建立機(jī)械可靠性分析的一般數(shù)學(xué)模型是非常必要的。圖1給出了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理圖3。圖1彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖由圖1可見，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、脫扣系統(tǒng)、二次元件及驅(qū)動(dòng)部分和本體組成。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，影響機(jī)械可靠性的是儲(chǔ)能系統(tǒng)中的合閘彈簧及傳動(dòng)部分，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的傳

4、動(dòng)主軸，脫扣系統(tǒng)中的合閘脫扣半軸、分閘脫扣半軸及分閘電磁鐵，二次元件及驅(qū)動(dòng)部分的輔助開關(guān)。對(duì)真空斷路器而言，任意功能的失效都會(huì)引起斷路器的故障，所以可以將彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)看成串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度可由下式計(jì)算4(1)式中，R為彈簧機(jī)構(gòu)的可靠度；Ri為第i個(gè)功能單元的可靠度。若各單元壽命服從指數(shù)分布，則式（1）可寫成 （2）(3)式中，為VS1彈簧機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的失效率；i為各單元的失效率。從式(2)可以看出，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度小于任一單元的可靠度。要提高系統(tǒng)的可靠度就必須提高各功能單元的可靠度，尤其是那些對(duì)系統(tǒng)可靠度影響大的單元。所以，要想從根本上提高斷路器的可靠性就必須從設(shè)計(jì)入手，在設(shè)計(jì)過程中就對(duì)各功能單元

5、尤其是可靠性薄弱的單元采用可靠性技術(shù)，努力提高各功能單元的可靠度，包括對(duì)機(jī)械零部件和二次回路的電子元件進(jìn)行認(rèn)真的可靠性篩選，選用標(biāo)準(zhǔn)化的元件，對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)，對(duì)經(jīng)常故障的電子元件可采用元件冗余技術(shù)、降額使用來提高可靠度等。2真空斷路器電子元件可靠性分析以往人們對(duì)斷路器可靠性的研究主要集中在機(jī)械可靠性方面，其實(shí)電子元件的可靠性也是影響斷路器可靠性的主要因素?？煽啃岳碚撝械鸟R爾可夫過程是分析電子元件可靠性的有力工具，它是一種特殊的隨機(jī)過程，它的顯著特點(diǎn)是隨機(jī)變量在tn時(shí)的概率與tn-1時(shí)隨機(jī)變量的取值有關(guān)，而與tn-1以前的過程無關(guān)，它要求隨機(jī)變量服從指數(shù)分布，因此馬氏過程在機(jī)械、電

6、子元件可靠性和系統(tǒng)可靠性的分析中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用馬氏過程一方面可以得到元件或系統(tǒng)在各狀態(tài)（工作狀態(tài)或故障狀態(tài)）的狀態(tài)概率，另一方面，通過馬氏過程可以計(jì)算出元件或系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)工作狀態(tài)（狀態(tài)概率不再改變）所需的時(shí)間以及平穩(wěn)工作狀態(tài)的概率（即穩(wěn)態(tài)可靠度）大小5。這樣在對(duì)電子元件進(jìn)行可靠性篩選試驗(yàn)時(shí)就不必像過去那樣根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定試驗(yàn)時(shí)間或?qū)υM(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，而是可以依據(jù)元件達(dá)到平穩(wěn)工作狀態(tài)所需的時(shí)間來確定應(yīng)對(duì)元件進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間。一般電子零件都有兩種狀態(tài)，即工作狀態(tài)(X=0)，簡(jiǎn)稱“0”狀態(tài)；停運(yùn)（故障）狀態(tài)(X=1)，簡(jiǎn)稱“1”狀態(tài)，工作狀態(tài)由于故障而轉(zhuǎn)移到停運(yùn)狀態(tài)，停運(yùn)狀態(tài)由于修理而恢復(fù)到

7、工作狀態(tài)，通常將這樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程抽象為可靠性分析中的“兩態(tài)”模型，其狀態(tài)模型見圖26。圖2狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖2中，為故障率；為修復(fù)率；t為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)間間隔。根據(jù)可靠性原理得知電子元件的壽命服從指數(shù)分布，可以應(yīng)用馬氏過程來求取其狀態(tài)概率進(jìn)而進(jìn)行可靠性分析。文章從VS1型真空斷路器的生產(chǎn)廠和用戶那里收集了一些關(guān)于斷路器可靠性方面的資料，其中包括有關(guān)出廠試驗(yàn)方面的數(shù)據(jù)，失效統(tǒng)計(jì)、失效原因分析等方面的資料，有關(guān)整機(jī)和重要零部件的可靠性數(shù)據(jù)，還有一些在實(shí)際運(yùn)行中統(tǒng)計(jì)的可靠性數(shù)據(jù)。從收集的資料發(fā)現(xiàn)，斷路器電子元件中的微動(dòng)開關(guān)故障率較高，成為影響斷路器可靠性的重要原因之一。因此很有必要對(duì)微動(dòng)開關(guān)運(yùn)用馬氏過程加

8、以分析，以確定其達(dá)到平穩(wěn)工作狀態(tài)時(shí)的可靠度以及達(dá)到該狀態(tài)所需經(jīng)歷的時(shí)間，這樣就可以為對(duì)其進(jìn)行可靠性篩選試驗(yàn)時(shí)確定試驗(yàn)時(shí)間。通過對(duì)收集到的斷路器微動(dòng)開關(guān)故障數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)生產(chǎn)廠的實(shí)際調(diào)研，得到微動(dòng)開關(guān)的失效率大約為0.2，維修率大約為0.8。隨機(jī)數(shù)學(xué)中馬氏過程狀態(tài)方程的一般表達(dá)式為7(4)式中，表示各狀態(tài)概率的導(dǎo)數(shù)；P(t)=p1(t),p2(t)pn(t)，表示各狀態(tài)概率的行向量；A為轉(zhuǎn)移密度矩陣。由式（4）可得微動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)方程為（5）式中，p0(t)為工作狀態(tài)概率；p1(t)為故障狀態(tài)概率。應(yīng)用拉氏變換法求解式（5），假設(shè)在任意小的時(shí)間間隔(t,t+t)內(nèi)發(fā)生2次以上狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率很小，可

9、忽略不計(jì)，并補(bǔ)充初始條件p0(0)+p1(0)=1得 (6)（7）當(dāng)失效率為0.2，維修率為0.8時(shí)，由式（6）和式（7）計(jì)算得到的結(jié)果見圖3。從圖3看出，其平穩(wěn)工作狀態(tài)的概率（即穩(wěn)態(tài)可靠度）為0.8，達(dá)到穩(wěn)態(tài)可靠度所經(jīng)歷的時(shí)間大約為10 h。因此在對(duì)微動(dòng)開關(guān)做可靠性篩選試驗(yàn)時(shí)，如果微動(dòng)開關(guān)連續(xù)工作10 h不失效，則證明該微動(dòng)開關(guān)合格，可以用于產(chǎn)品上。為了進(jìn)一步說明失效率和維修率對(duì)微動(dòng)開關(guān)穩(wěn)態(tài)可靠度的影響，分別取了=0.2，=0.2；=0.6，=0.8；=0.6，=0.23組數(shù)據(jù)代入式（6）和式（7）計(jì)算其穩(wěn)態(tài)可靠度及達(dá)到該可靠度所需的時(shí)間，計(jì)算得到的結(jié)果見圖46。圖3=0.2,=0.8時(shí)的p

10、0(t)、p1(t)圖4=0.2,=0.2時(shí)的p0(t)、p1(t)圖5=0.6,=0.8時(shí)的p0(t)、p1(t)圖6=0.6,=0.2時(shí)的p0(t)、p1(t)3結(jié)果分析下面對(duì)圖36進(jìn)行分析：（1） 由圖3可見，如果微動(dòng)開關(guān)的失效率較低(=0.2)，而維修率較高(=0.8)時(shí)，則經(jīng)過10h達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)概率，處于工作狀態(tài)的概率為0.8，處于故障狀態(tài)的概率為0.2。顯然，當(dāng)元件的失效率低而維修率高時(shí)，它的可靠性水平高，這也是我們?cè)谶x擇元件時(shí)經(jīng)常把握的原則。（2） 由圖4可見，如果微動(dòng)開關(guān)的失效率低(=0.2)，且維修率也低(=0.2)時(shí)，則要經(jīng)過24h運(yùn)行才達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)概率，處于工作狀態(tài)和故障

11、狀態(tài)的概率均為0.5，可見盡管元件失效率低，但由于維修率也低，其工作狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率并不高，僅有0.5。（3） 由圖5可見，如果微動(dòng)開關(guān)的失效率高(=0.6)，且維修率也高(=0.8)時(shí)，則經(jīng)過8h運(yùn)行就達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)概率，處于工作狀態(tài)的概率為0.5714，處于故障狀態(tài)的概率為0.4286，可見盡管元件維修率高，但由于失效率也高，使其工作狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率同樣并不高，僅有0.5714。（4） 由圖6可見，如果微動(dòng)開關(guān)的失效率高(=0.6)，而維修率低(=0.2)時(shí)，工作狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率很低，結(jié)論與實(shí)際情況相符。（5） 縱觀上述4種情況可見，工作狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率的大小由/決定，比值越小，工作

12、狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率越大；故障狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率由/決定，比值越大，故障狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率越小。所以，在選元件時(shí)，不能僅僅重視元件的失效率或僅僅重視維修率的大小，而應(yīng)該將兩者綜合起來考慮。（6） 為提高斷路器的整機(jī)可靠性水平，必須對(duì)影響斷路器可靠性的電子元件進(jìn)行可靠性篩選試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間的確定是關(guān)鍵問題，通過馬氏過程計(jì)算的達(dá)到穩(wěn)態(tài)可靠度的時(shí)間為我們提供了問題的解答。當(dāng)電子元件試驗(yàn)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)間時(shí)，若元件仍可靠工作，則表明該元件可靠性高，可用于作為斷路器的電子元件。4小結(jié)(1) 隨著我國高壓開關(guān)行業(yè)的不斷發(fā)展，開展高壓開關(guān)可靠性方面的研究是一項(xiàng)必不可少的工作。通過對(duì)高壓開關(guān)的可靠性研究，建立一套完整

13、的適合高壓開關(guān)特點(diǎn)的可靠性理論體系，為開關(guān)生產(chǎn)廠提供理論指導(dǎo)及提高產(chǎn)品可靠性的途徑是一項(xiàng)很有意義的研究工作。(2) 開展高壓開關(guān)的可靠性研究需要收集大量的可靠性數(shù)據(jù)，我們?cè)谑占罅繑?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)真空斷路器機(jī)械可靠性和電子可靠性的研究，提出了一些看法和結(jié)論，希望對(duì)工程實(shí)際有一定的幫助。 (3) 由于高壓斷路器中電子元器件數(shù)量較多，在加強(qiáng)對(duì)元件可靠性篩選的同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中也要加強(qiáng)電子元件的可靠性設(shè)計(jì)與管理工作，特別是電路板的設(shè)計(jì)，一定要考慮到電子元件的可靠性設(shè)計(jì)問題。5參考文獻(xiàn)1徐國政，張節(jié)容等.高壓斷路器原理和應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社,2000.2林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.3王季梅.真空開關(guān)理論及其應(yīng)用.西安:西安交通大學(xué)出版社,1986.4郭永基.可靠性工程原理.北京：清華大學(xué)出版社,2002.5王世萍,朱敏波.電子機(jī)械可靠性與維修性.北京：清華大學(xué)出