机械与电子可靠性在真空断路器中的应用

机械与电子可靠性在真空断路器中的应用石飞，林莘，徐建源（沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110023）摘要：文章对目前中压电网领域应用十分广泛的ZN63(VS1)型真空断路器的可靠性进行了研究,建立了机械可靠性分析的一般理论方法，同时应用马尔可夫过程对其电子元件进行了可靠性分析，提出了对电子元件进行可靠性筛选试验时试验时间的确定方法，对工程实际具有一定的应用价值。关键词：真空断路器；机械可靠性；电子可靠性1真空断路器机械可靠性分析方法近年来，我国电力系统不断向高电压、远距离、大容量方向发展，在提高系统经济性的同时，可靠性问题也突出起来。真空断路器作为电力系统中一种极为重要的保护控制设备在中压电网中得到了非常广泛的应用，断路器生产厂和广大用户都极为关注其可靠性问题。但由于各方面的原因，目前我国对高压断路器可靠性的研究还是一项空白，还没有形成一套完整的高压断路器的可靠性理论［1］。笔者在进行了大量的实际调研和理论分析的基础上对产量和用量都很大的真空断路器的机械可靠性和电子可靠性进行了研究，希望对提高真空断路器的可靠性有所帮助，特别是对电子元件进行可靠性筛选试验中试验时间的确定方法在工程实际中有一定的应用价值。文章中所述的ZN63（VS1）型真空断路器是由我国自行研制的额定电压为12kV的户内真空断路器，它采用了一体化布置的结构，减少了中间传动环节，使断路器机械操作可靠性大为提高，用户可以不经调试直接投入运行。通过对断路器故障原因的调查发现，真空断路器灭弧室的故障率较低［2］，很少发生由于灭弧室故障而导致的断路器故障，这主要是由于各灭弧室生产企业的整体生产工艺水平较高。可能发生的故障主要集中在其所配的弹簧机构上，机械可靠性成为进一步提高断路器可靠性水平的关键性问题。为了进一步提高断路器的可靠性，对其弹簧机构建立机械可靠性分析的一般数学模型是非常必要的。图1给出了弹簧操动机构的原理图［3］。图1弹簧操动机构原理图由图1可见，弹簧操动机构主要由储能系统、驱动系统、脱扣系统、二次元件及驱动部分和本体组成。通过调研发现，影响机械可靠性的是储能系统中的合闸弹簧及传动部分，驱动系统中的传动主轴，脱扣系统中的合闸脱扣半轴、分闸脱扣半轴及分闸电磁铁，二次元件及驱动部分的辅助开关。对真空断路器而言，任意功能的失效都会引起断路器的故障，所以可以将弹簧操动机构看成串联系统，其可靠度可由下式计算［4］(1)式中，R为弹簧机构的可靠度；Ri为第i个功能单元的可靠度。若各单元寿命服从指数分布，则式（1）可写成（2）(3)式中，λ为VS1弹簧机构系统的失效率；λi为各单元的失效率。从式(2)可以看出，串联系统的可靠度小于任一单元的可靠度。要提高系统的可靠度就必须提高各功能单元的可靠度，尤其是那些对系统可靠度影响大的单元。所以，要想从根本上提高断路器的可靠性就必须从设计入手，在设计过程中就对各功能单元尤其是可靠性薄弱的单元采用可靠性技术，努力提高各功能单元的可靠度，包括对机械零部件和二次回路的电子元件进行认真的可靠性筛选，选用标准化的元件，对机械零件进行机械可靠性设计，对经常故障的电子元件可采用元件冗余技术、降额使用来提高可靠度等。2真空断路器电子元件可靠性分析以往人们对断路器可靠性的研究主要集中在机械可靠性方面，其实电子元件的可靠性也是影响断路器可靠性的主要因素。可靠性理论中的马尔可夫过程是分析电子元件可靠性的有力工具，它是一种特殊的随机过程，它的显著特点是随机变量在tn时的概率与tn-1时随机变量的取值有关，而与tn-1以前的过程无关，它要求随机变量服从指数分布，因此马氏过程在机械、电子元件可靠性和系统可靠性的分析中得到了广泛的应用。应用马氏过程一方面可以得到元件或系统在各状态（工作状态或故障状态）的状态概率，另一方面，通过马氏过程可以计算出元件或系统达到平稳工作状态（状态概率不再改变）所需的时间以及平稳工作状态的概率（即稳态可靠度）大小［5］。这样在对电子元件进行可靠性筛选试验时就不必像过去那样根据经验来确定试验时间或对元件进行加速寿命试验，而是可以依据元件达到平稳工作状态所需的时间来确定应对元件进行试验的时间。一般电子零件都有两种状态，即工作状态(X=0)，简称“0”状态；停运（故障）状态(X=1)，简称“1”状态，工作状态由于故障而转移到停运状态，停运状态由于修理而恢复到工作状态，通常将这样的状态转移过程抽象为可靠性分析中的“两态”模型，其状态模型见图2［6］。图2状态转移图图2中，λ为故障率；μ为修复率；Δt为状态转移的时间间隔。根据可靠性原理得知电子元件的寿命服从指数分布，可以应用马氏过程来求取其状态概率进而进行可靠性分析。文章从VS1型真空断路器的生产厂和用户那里收集了一些关于断路器可靠性方面的资料，其中包括有关出厂试验方面的数据，失效统计、失效原因分析等方面的资料，有关整机和重要零部件的可靠性数据，还有一些在实际运行中统计的可靠性数据。从收集的资料发现，断路器电子元件中的微动开关故障率较高，成为影响断路器可靠性的重要原因之一。因此很有必要对微动开关运用马氏过程加以分析，以确定其达到平稳工作状态时的可靠度以及达到该状态所需经历的时间，这样就可以为对其进行可靠性筛选试验时确定试验时间。通过对收集到的断路器微动开关故障数据的计算和对生产厂的实际调研，得到微动开关的失效率λ大约为0.2，维修率μ大约为0.8。随机数学中马氏过程状态方程的一般表达式为［7］(4)式中，，表示各状态概率的导数；P(t)=［p1(t),p2(t)…pn(t)］，表示各状态概率的行向量；A为转移密度矩阵。由式（4）可得微动开关的状态方程为（5）式中，p0(t)为工作状态概率；p1(t)为故障状态概率。应用拉氏变换法求解式（5），假设在任意小的时间间隔(t,t+Δt)内发生2次以上状态转移的概率很小，可忽略不计，并补充初始条件p0(0)+p1(0)=1得(6)（7）当失效率λ为0.2，维修率μ为0.8时，由式（6）和式（7）计算得到的结果见图3。从图3看出，其平稳工作状态的概率（即稳态可靠度）为0.8，达到稳态可靠度所经历的时间大约为10h。因此在对微动开关做可靠性筛选试验时，如果微动开关连续工作10h不失效，则证明该微动开关合格，可以用于产品上。为了进一步说明失效率λ和维修率μ对微动开关稳态可靠度的影响，分别取了λ=0.2，μ=0.2；λ=0.6，μ=0.8；λ=0.6，μ=0.23组数据代入式（6）和式（7）计算其稳态可靠度及达到该可靠度所需的时间，计算得到的结果见图4～6。图3λ=0.2,μ=0.8时的p0(t)、p1(t)图4λ=0.2,μ=0.2时的p0(t)、p1(t)图5=0.6,μ=0.8时的p0(t)、p1(t)图6λ=0.6,μ=0.2时的p0(t)、p1(t)3结果分析下面对图3～6进行分析：（1）由图3可见，如果微动开关的失效率较低(λ=0.2)，而维修率较高(μ=0.8)时，则经过10h达到平稳状态概率，处于工作状态的概率为0.8，处于故障状态的概率为0.2。显然，当元件的失效率低而维修率高时，它的可靠性水平高，这也是我们在选择元件时经常把握的原则。（2）由图4可见，如果微动开关的失效率低(λ=0.2)，且维修率也低(μ=0.2)时，则要经过24h运行才达到平稳状态概率，处于工作状态和故障状态的概率均为0.5，可见尽管元件失效率低，但由于维修率也低，其工作状态的平稳状态概率并不高，仅有0.5。（3）由图5可见，如果微动开关的失效率高(λ=0.6)，且维修率也高(μ=0.8)时，则经过8h运行就达到平稳状态概率，处于工作状态的概率为0.5714，处于故障状态的概率为0.4286，可见尽管元件维修率高，但由于失效率也高，使其工作状态的平稳状态概率同样并不高，仅有0.5714。（4）由图6可见，如果微动开关的失效率高(λ=0.6)，而维修率低(μ=0.2)时，工作状态的平稳状态概率很低，结论与实际情况相符。（5）纵观上述4种情况可见，工作状态的平稳状态概率的大小由λ/μ决定，比值越小，工作状态的平稳状态概率越大；故障状态的平稳状态概率由λ/μ决定，比值越大，故障状态的平稳状态概率越小。所以，在选元件时，不能仅仅重视元件的失效率或仅仅重视维修率的大小，而应该将两者综合起来考虑。（6）为提高断路器的整机可靠性水平，必须对影响断路器可靠性的电子元件进行可靠性筛选试验。试验时间的确定是关键问题，通过马氏过程计算的达到稳态可靠度的时间为我们提供了问题的解答。当电子元件试验到平稳状态时间时，若元件仍可靠工作，则表明该元件可靠性高，可用于作为断路器的电子元件。4小结(1)随着我国高压开关行业的不断发展，开展高压开关可靠性方面的研究是一项必不可少的工作。通过对高压开关的可靠性研究，建立一套完整的适合高压开关特点的可靠性理论体系，为开关生产厂提供理论指导及提高产品可靠性的途径是一项很有意义的研究工作。(2)开展高压开关的可靠性研究需要收集大量的可靠性数据，我们在收集大量数据的基础上，通过对真空断路器机械可靠性和电子可靠性的研究，提出了一些看法和结论，希望对工程实际有一定的帮助。(3)由于高压断路器中电子元器件数量较多，在加强对元件可靠性筛选的同时，在实际生产制造过程中也要加强电子元件的可靠性设计与管理工作，特别是电路板的设计，一定要考虑到电子元件的可靠性设计问题。5参考文献［1］徐国政，张节容等.高压断路器原理和应用.北京：清华大学出版社,2000.［2］林莘.现代高压电器技术.北京：机械工业出版社，2002.［3］王季梅.真空开关理论及其应用.西安:西安交通大学出版社,1986.［4］郭永基.可靠性工程原理.北京：清华大学出版社,2002.［5］王世萍,朱敏波.电子机械可靠性与维修性.北京：清华大学出版社，2000.［6］宋保维,王晓娟.系统可靠性设计与分析.西安：西北工业大学出版社，2000.［7］郭永基.电力系统可靠性原理和应用,北京：清华大学出版社,1986.作者简介：石飞（1979-），男，硕士研究生，现从事高压电器应用及其可靠性方面的研究；林莘（1961-），女，教授，博士生导师，现从事电器理论及应用和高电压绝缘技术方面的研究；徐建源（1962-），男，教授，博士生导师，现从事电力系统及其自动化方面的研究。