機械與電子可靠性在真空斷路器中的應(yīng)用

1、機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行了研究,建立了機械可靠性分析的一般理論方法，同時應(yīng)用馬爾可夫過程對其電子元件進行了可靠性分析，提出了對電子元件進行可靠性篩選試驗時試驗時間的確定方法，對工程實際具有一定的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞： 真空斷路器；機械可靠性；電子可靠性1真空斷路器機械可靠性分析方法近年來，我國電力系統(tǒng)不斷向高電壓、遠距離、大容量方向發(fā)展，在提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時，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，目前我國對高壓斷路器可靠性的研究還是一項空白，還沒有形成一套完整的高壓斷路器的可靠性理論1。筆者在進行了大量的實際調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上對產(chǎn)量和用量都很大的真空斷路器的機械可靠性和電子可靠性進行了研究，希望對提高真空斷路器的可靠性有所幫助，特別是對電子元件進行可靠性篩選試驗中試驗時間的確定方法在工程實際中有一定的應(yīng)用價值。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)，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，使斷路器機械操作可靠性大為提高

3、，用戶可以不經(jīng)調(diào)試直接投入運行。通過對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。可能發(fā)生的故障主要集中在其所配的彈簧機構(gòu)上，機械可靠性成為進一步提高斷路器可靠性水平的關(guān)鍵性問題。為了進一步提高斷路器的可靠性，對其彈簧機構(gòu)建立機械可靠性分析的一般數(shù)學(xué)模型是非常必要的。圖1給出了彈簧操動機構(gòu)的原理圖3。圖1彈簧操動機構(gòu)原理圖由圖1可見，彈簧操動機構(gòu)主要由儲能系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、脫扣系統(tǒng)、二次元件及驅(qū)動部分和本體組成。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，影響機械可靠性的是儲能系統(tǒng)中的合閘彈簧及傳動部分，驅(qū)動系統(tǒng)中的傳

4、動主軸，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)動部分的輔助開關(guān)。對真空斷路器而言，任意功能的失效都會引起斷路器的故障，所以可以將彈簧操動機構(gòu)看成串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度可由下式計算4(1)式中，R為彈簧機構(gòu)的可靠度；Ri為第i個功能單元的可靠度。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)計入手，在設(shè)計過程中就對各功能單元

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，包括對機械零部件和二次回路的電子元件進行認真的可靠性篩選，選用標準化的元件，對機械零件進行機械可靠性設(shè)計，對經(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斷路器可靠性的研究主要集中在機械可靠性方面，其實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過程，它的顯著特點是隨機變量在tn時的概率與tn-1時隨機變量的取值有關(guān)，而與tn-1以前的過程無關(guān)，它要求隨機變量服從指數(shù)分布，因此馬氏過程在機械、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算出元件或系統(tǒng)達到平穩(wěn)工作狀態(tài)（狀態(tài)概率不再改變）所需的時間以及平穩(wěn)工作狀態(tài)的概率（即穩(wěn)態(tài)可靠度）大小5。這樣在對電子元件進行可靠性篩選試驗時就不必像過去那樣根據(jù)經(jīng)驗來確定試驗時間或?qū)υM行加速壽命試驗，而是可以依據(jù)元件達到平穩(wěn)工作狀態(tài)所需的時間來確定應(yīng)對元件進行試驗的時間。一般電子零件都有兩種狀態(tài)，即工作狀態(tài)(X=0)，簡稱“0”狀態(tài)；停運（故障）狀態(tài)(X=1)，簡稱“1”狀態(tài)，工作狀態(tài)由于故障而轉(zhuǎn)移到停運狀態(tài)，停運狀態(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)概率進而進行可靠性分析。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)出廠試驗方面的數(shù)據(jù)，失效統(tǒng)計、失效原因分析等方面的資料，有關(guān)整機和重要零部件的可靠性數(shù)據(jù)，還有一些在實際運行中統(tǒng)計的可靠性數(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。因此很有必要對微動開關(guān)運用馬氏過程加

8、以分析，以確定其達到平穩(wěn)工作狀態(tài)時的可靠度以及達到該狀態(tài)所需經(jīng)歷的時間，這樣就可以為對其進行可靠性篩選試驗時確定試驗時間。通過對收集到的斷路器微動開關(guān)故障數(shù)據(jù)的計算和對生產(chǎn)廠的實際調(diào)研，得到微動開關(guān)的失效率大約為0.2，維修率大約為0.8。隨機數(shù)學(xué)中馬氏過程狀態(tài)方程的一般表達式為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，并補充初始條件p0(0)+p1(0)=1得 (6)（7）當(dāng)失效率為0.2，維修率為0.8時，由式（6）和式（7）計算得到的結(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，達到穩(wěn)態(tài)可靠度所經(jīng)歷的時間大約為10 h。因此在對微動開關(guān)做可靠性篩選試驗時，如果微動開關(guān)連續(xù)工作10 h不失效，則證明該微動開關(guān)合格，可以用于產(chǎn)品上。為了進一步說明失效率和維修率對微動開關(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）計算其穩(wěn)態(tài)可靠度及達到該可靠度所需的時間，計算得到的結(jié)果見圖46。圖3=0.2,=0.8時的p

10、0(t)、p1(t)圖4=0.2,=0.2時的p0(t)、p1(t)圖5=0.6,=0.8時的p0(t)、p1(t)圖6=0.6,=0.2時的p0(t)、p1(t)3結(jié)果分析下面對圖36進行分析：（1） 由圖3可見，如果微動開關(guān)的失效率較低(=0.2)，而維修率較高(=0.8)時，則經(jīng)過10h達到平穩(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，它的可靠性水平高，這也是我們在選擇元件時經(jīng)常把握的原則。（2） 由圖4可見，如果微動開關(guān)的失效率低(=0.2)，且維修率也低(=0.2)時，則要經(jīng)過24h運行才達到平穩(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，如果微動開關(guān)的失效率高(=0.6)，且維修率也高(=0.8)時，則經(jīng)過8h運行就達到平穩(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，如果微動開關(guān)的失效率高(=0.6)，而維修率低(=0.2)時，工作狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率很低，結(jié)論與實際情況相符。（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，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可靠性水平，必須對影響斷路器可靠性的電子元件進行可靠性篩選試驗。試驗時間的確定是關(guān)鍵問題，通過馬氏過程計算的達到穩(wěn)態(tài)可靠度的時間為我們提供了問題的解答。當(dāng)電子元件試驗到平穩(wěn)狀態(tài)時間時，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必不可少的工作。通過對高壓開關(guān)的可靠性研究，建立一套完整的適合高壓開關(guān)特點的可靠性理論體系，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)，我們在收集大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對真空斷路器機械可靠性和電子可靠性的研究，提出了一些看法和結(jié)論，希望對工程實際有一定的幫助。 (3) 由于高壓斷路器中電子元器件數(shù)量較多，在加強對元件可靠性