低压成套开关设备的可靠性研究

河北工业大学硕士学位论文低压成套开关设备的可靠性研究姓名：闫昆申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：王景芹20061201河北工业大学硕士学位论文i低压成套开关设备的可靠性研究摘要本文采用可靠度逻辑图分析方法、故障树分析方法和状态空间方法对低压成套开关设备的可靠性进行了分析研究，并以典型低压成套开关设备－低压开关控制柜MCC为例进行了可靠性分析和计算。首先应用可靠度逻辑图法对作为不可修复系统的低压成套开关设备的可靠性进行了分析研究。根据该系统的原理图画出了可靠度逻辑图，根据系统中元件的失效率计算出了该系统的可靠度。然后应用故障树法对低压成套开关设备的可靠性进行了分析研究。分析了该系统各单元的故障模式，画出了系统的故障树。通过对故障树的定性分析得到其最小割集及关键事件的重要度，通过定量计算得到该系统的可靠度。针对分析结果，提出了改进低压成套开关设备可靠性的措施。对两种分析方法的计算结果进行比较得到两种方法分析低压成套开关设备可靠性的优缺点。在把低压成套开关设备作为可修复系统处理时，应用基于马尔可夫过程的状态空间法进行了分析研究。提出了可修复系统的可靠性指标，分析了马尔可夫过程的应用条件，建立了基于马尔可夫型可修复系统的一般模型。应用此模型对低压开关控制柜MCC的碱液循环电力回路进行了分析计算，得到了碱液循环回路的可用度随维修率的变化曲线。针对随着系统元件的增多，系统的状态众多、结构复杂，使状态空间图难以画出的缺点，采用了可靠性单元法来简化系统的状态空间结构，近似计算系统的可靠性指标，从而得到了系统的可用度随维修率变化的曲线。关键词：低压成套开关设备，可靠性分析，可靠度逻辑图，故障树，状态空间低压成套开关设备的可靠性研究iiSTUDYONRELIABILITYOFLOW-VOLTAGESWITCHGEARABSTRACTInthispaper,threemethodswereusedtoanalyzethereliabilityoflow-voltageswitchgearandtoestimatethereliabilityofthetypicalequipment－MCC.First,thereliabilitylogicgraphmethodisusedtoanalyzethelow-voltageswitchgear.Thereliabilitylogicgraphoflow-voltageswitchgearisdrawnoutaccordingtoitsoperatingprinciple.Thenthereliabledegreeofthelow-voltageswitchgeariscalculatedbasedonthecomponent’sfailurerate.Secondly,faulttreeanalysesmethodisusedtoanalyzethesystems.Inthispart,faultmodeofcomponentsisanalyzed,andthefaulttreeofsystemsisdrawnout.Theminimumcutsetsandimportancedegreeareobtainedbythequalitativeanalysis,thereliabledegreeofthelow-voltageswitchgeariscalculatedbythequantitativecalculation.Thereliabilityimprovingmeasureofthelow-voltageswitchgearwasputforwardaccordingtotheanalysisresult.Thestate-spacemethodbasedonMarkovprocessisusedtoanalyzetherepairablelow-voltageswitchgear.Thereliabilityindexoftherepairablesystemswasintroduced.ThegeneralMarkovmodeloftherepairablesystemsbasedMarkovprocesswasproposedbyanalysisoftheconditionsofusingstate-spacemethod.Thereliabilityofalkaliliquorcyclecircuitwasestimatedbythismodelandtheavailableratiocurveisobtained.Thenumberofstatesandcomplexityoftheconstructionarerisingwiththenumberofthecomponentsoflow-voltageswitchgear.Thereliabilityelementsmethodisusedtoreducethecomplexityoftheconstructionandapproximativelytoestimatethereliabilityindexofthesystems.TheavailableratiocurveoftheMCCsystemisobtained.KeyWords:low-voltageswitchgear,reliabilityanalysis,reliabilitylogicgraph,faulttree,state-space原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1引言1-1-1低压成套开关设备现状及存在问题低压成套设备在低压供电系统中负责电能的控制、保护、测量、转换和分配。它深入到生产现场、公共场所、居民住宅等地点，可以说凡是使用电气设备的地方都应配备低压设备，据统计，每增加一万千瓦发电量，需要中压断路器150台、11万伏以上高压断路器3台、8－10万以上各类低压元器件和100台、套低压成套设备与之配套，因此低压成套设备是城乡电网中必不可少的关键设备[1]。我国电能的80％都是通过低压成套设备输出而消耗的。低压成套设备的发展与材料工业、低压电器、加工工艺和设备、基础设施建设和人民的生活水平有着密切的关系，所以低压成套设备的水平从一个侧面反映了一个国家的经济实力与科学技术水平。我国低压成套设备在20世纪70年代以前基本处于停滞不前的状态，主要反映在产品的品种单一、质量差、技术参数低、工艺设备落后和标准的落后（当时只有一个标准JB617）。进入20世纪90年代后，由于基础设施和电力能源投入的加大，低压成套设备市场需求量逐年增大，极大地刺激了本行业的发展。生产厂家大量增加，产品的翻新速度加快、品种增多，产品的标准也在逐步向国际标准靠拢。产品技术性能参数有了明显的提高，工厂的加工工艺及设备有了明显的改进。几百家生产厂家引进国外先进数控扳金加工设备，有些工厂还具备了柔性的加工线，其扳金加工工艺已达到国际水平。同时随着配电技术、低压元器件技术以及自动化技术的不断发展，成套开关设备也从传统的配电向智能化方向发展，进入了全新的发展阶段[2]。我国的低压配电行业在过去50年，特别是近20年中得到了巨大的发展，同时，整个行业也呈现出多元化的发展趋势。合资、独资企业的不断涌现，大批民营、集体企业得到了飞速的发展，无论是生产厂家的数量还是技术水平都有了较大的提高。我国现有各类低压成套开关设备企业2000多家，生产的产品有600多个系列，年产值约120亿元。虽然我国的低压成套设备在产量和产值方面有了很大的提高，但产品品种和性能还远远不能满足市场的需求。一方面集中在几类产品之间互相竞争很激烈；另一方面又有一些产品不能生产，其国内市场被国外厂商占据[3]。国外一些大公司在国内建立独资或合资企业，凭借其国际知名品牌、先进技术和雄厚的资金，其在中国市场所占比重正逐年加大，如MG的C45已占中国同类产品的30％。因此，国内低压电器产品市场竞争已趋白热化，许多企业已经运行艰难，加之我国已加入WTO，国外的产品因有较大的性价比对国内市场产生较大的冲击力，因此低压成套开关设备的发展一定会走向国际化，而我国的低压成套开关设备的生产技术水平与国外同类产品相比有较大的差距，其中可靠性较低是一个至关重要的原因。因此提高国内低压成套开关设备的可靠性及性能指标是我国电器行业的当务之急。1-1-2低压成套开关设备可靠性研究概况我国电器产品的可靠性研究工作起步较晚，至今仅对继电器、接触器、漏电开关、断路器、热继电器等部分电器产品进行了可靠性试验与考核工作，不少主要电器产品还未展开可靠性研究与考核，在电器新产品开发时还未展开可靠性设计与可靠性制造，特别是我国电器企业中，对电器产品可靠性工作还重视不够，一般还未设置专门的可靠性管理机构，可靠性工作还未认真展开。我国电器产品的可靠性水低压成套开关设备的可靠性研究2平普遍低于国外发达国家电器产品的可靠性水平。而我国的低压成套设备，通过监督抽查、定期监督检验、委托检验以及对高层建筑用产品的抽查检验来看，反映出来的质量问题不容忽视，存在着装置内对间接接触防护存在的质量问题；装置内元器件质量不过关；高层建筑末端配电装置质量低劣，因此国内低压成套开关设备所存在的质量问题应该引起有关单位及用户的高度重视。在我国即将加入WTO的大背景下，我国低压成套开关设备将面临更大的挑战，为了加速我国低压成套开关设备的发展，适应新的形势需要，低压电器厂家应及时分析国内外低压成套开关设备的发展动态，了解和掌握当前低压电器的新技术，使低压成套开关设备向智能化电器、可通讯电器及数字集成技术方向发展。随着低压成套开关设备的智能化、可通讯发展趋势，现代低压成套开关装置是与计算机技术、自动控制技术、传感器技术、通信技术、电力电子技术、抗干扰等技术的发展密切相关。低压成套开关设备的可靠性问题的研究涉及电器、计算机、应用数学等多学科，目前该项目的研究处于国际前沿，国内外可借鉴的文献很少。从国外来看，只有500kV的全封闭组合电器进行可靠性试验，如开断电流试验、机械寿命试验、机械操作试验和环境试验等。从国内来看，电气设备中只有对励磁装置的可靠性进行过初步研究。§1-2可靠性分析方法概述可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力[4]。可靠性技术是指与产品可靠性有关的工程方法。在近代科学技术突飞猛进的发展过程中，可靠性技术随着生产和科学技术的发展而产生，同时在不断地应用可靠性技术解决实际问题的过程中，也促进了生产和科学技术的发展。目前在工程上常用的可靠性分析方法有：可靠度逻辑图分析方法、FMECA故障模式影响和危害度分析方法、故障树分析法FTA、蒙特卡罗法、状态空间法等。可靠度逻辑图分析方法：可靠度逻辑图表示系统中各单元的功能关系和可靠度关系。表示为了完成预期任务，系统中哪些单元必须成功工作，哪些单元可以忽略不计。通常将一个单元用一个方块表示，但系统较简单时，其可靠度逻辑框图易于构成，可以采用可靠度逻辑框图分