母線槽可靠性設計及平均故障間隔時間的計算

黃永生

摘 要：本文主要從母線槽可靠性設計的重要性和意義入手，介紹了可靠性的概念和必要性，平均壽命及平均故障間隔時間的概念，以及母線槽平均故障間隔時間的計算方法并舉例說明，為提高母線槽產(chǎn)品的安全性提供參考。

關鍵詞：可靠性；可靠性設計；平均故障間隔時間

母線槽是低壓配電系統(tǒng)中傳輸、分配電能的一種設備。母線槽產(chǎn)品在20世紀50年代由原蘇聯(lián)傳入我國。在很長一段時間內(nèi)，我國僅有少數(shù)生產(chǎn)廠對母線槽進行小規(guī)模的生產(chǎn)應用。高層建筑中的供電主干線主要采用可靠性較好的普通電纜。電纜作為供電主干線比裸導線、裸排要安全可靠得多，但載流量受到限制，而且電纜敷設現(xiàn)場施工難度大。80年代中后期，城市發(fā)展迅速，高層、超高層建筑大批建造，建筑物的用電負荷急劇增加，電纜作為供電主干線的局限性越來越突出，特別是現(xiàn)場制作電纜分支接頭技術難度很大，急需一種容量大、分支方便的供電主干線取而代之。這時，大容量、易于分接的母線槽從國外引進來，并且在工程中迅速得到推廣應用。

隨著現(xiàn)代化工程設施和裝備的涌現(xiàn)，各行各業(yè)的用電量迅增，尤其是在眾多的高層建筑和大型廠房車間中，作為輸電導線的傳統(tǒng)電纜在大電流輸送系統(tǒng)中已不能滿足要求，為給用電設備傳輸電能，常采用多路電纜并聯(lián)使用，給現(xiàn)場安裝施工連接帶來了諸多不便。母線槽作為一種新型配電導線，與傳統(tǒng)的電纜相比，在大電流輸送時充分體現(xiàn)出它的優(yōu)越性，由于新技術、新工藝在產(chǎn)品中的應用，大大降低了母線槽兩端部連接處及分線口插接處的接觸電阻和溫升，并在母線槽銅排包覆時使用了高質(zhì)量的絕緣材料，從而提高了母線槽的安全可靠性，使整個系統(tǒng)更加完善。

一、母線槽可靠性設計的重要性及意義

密集型母線槽是電力主干線，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題影響極大。他涉及到電能的損耗，電壓降對設備影響以及存在安全隱患等問題。母線槽運行是否可靠關鍵取決于產(chǎn)品的質(zhì)量?？煽啃栽O計已經(jīng)成為產(chǎn)品質(zhì)量保證、安全性保證、產(chǎn)品責任預防等不可缺少的依據(jù)和手段。由于母線槽產(chǎn)品通常在工廠分段生產(chǎn)后，在工地現(xiàn)場裝配，因此，母線槽的可靠性設計需從產(chǎn)品的生產(chǎn)和安裝兩個方面去考慮。

（一）母線槽的生產(chǎn)質(zhì)量通常主要由以下幾個性能指標來決定

1.溫升：按標準銅鍍錫之間搭接不得超過最高允許溫升（70K），外殼溫升不得超過最高允許溫升（55K）。溫升是母線性能指標中最具代表性的，溫升高，加速了材料的老化，降低母線壽命；溫升低，可能是母線槽載流量的裕量值太大而不經(jīng)濟。

（1）絕緣電阻：標準規(guī)定每一母線單元絕緣電阻不小于2 0MΩ。

（2）介電強度：母線槽及饋電箱應能耐受的工頻電壓，歷時lmin無擊穿和閃絡，空氣絕緣母線槽為2500V/lmin，密集型母線槽為3750V/lmin。

（3）短耐強度（即承載短路電流能力）母線槽應能耐受額定短時耐受電流產(chǎn)生的熱應力和額定峰值耐受電流所產(chǎn)生的電動耐受力。

（二）母線槽在安裝的過程中，應注意以下影響母線槽的安全運行的因素

1.安裝環(huán)境：母線槽不能在水管、汽管、動力管下方平行敷設， 必要時可交叉通過但不要超過兩點為好，同時母線槽在狹小的空間及配電柜內(nèi)安裝時要考慮留有一定余量以利于母線槽的散熱。

2.水平安裝：在車間內(nèi)敷設水平母線要留足行車工作狀態(tài)及鏟車的通過距離，水平敷設母線每隔1.5～2m加一個吊裝點。

3.垂直安裝：在平行多列敷設母線槽安裝中，每列垂直母線設一只落地彈性支架，墻面上側(cè)裝一只中間支架。

4.安裝誤差：由于高層建筑墻厚是變量，為保證垂直母線的直線性，垂直度，可以允許每層母線上端與墻面內(nèi)傾2o～3o， 并禁止母線靠墻直接安裝。

5.絕緣檢測：母線槽安裝后，每條線路的絕緣電阻不得低于1MΩ。

母線槽具有安全可靠、配電效率高、散熱好、電壓降低、耐機械沖擊、運行成本低、安裝便捷、維護方便等特點，廣泛應用于數(shù)據(jù)中心機房等重要配電場所作為高效輸配電系統(tǒng)，也應用于大型商業(yè)廣場、樓盤、工業(yè)廠房、體育館和醫(yī)院等項目。母線槽的可靠性對于整個工程的配電系統(tǒng)至關重要，與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P。

二、可靠性的概念和必要性

（一）可靠性的概念

可靠性是一門學科，它涉及的范圍廣泛，是一門綜合了系統(tǒng)工程、管理工程、價值工程、人機工程、電子計算機技術、產(chǎn)品測試技術以及概率、統(tǒng)計、運籌、物理等多種學科成果的應用科學。可靠性工程起源于軍事領域，經(jīng)過半個多世紀的迅速發(fā)展，現(xiàn)在已成為涉及面非常廣的綜合性學科?？煽啃栽O計是近年來得到迅速發(fā)展和廣泛應用的一種現(xiàn)代設計方法。它把概率論和數(shù)理統(tǒng)計應用于工程設計，不僅解決了傳統(tǒng)設計不能處理的一些問題，而且能有效地提高產(chǎn)品設計水平和質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本。可靠性設計的觀念和方法已經(jīng)成為產(chǎn)品質(zhì)量保證、安全性保證、產(chǎn)品責任預防等不可缺少的依據(jù)和手段。關于可靠性，國標GB3187-82定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。

（二）可靠性的必要性

早在50年代，國外就興起可靠性技術的研究，到60、70年代，隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，可靠性問題的研究取得了長足的進展，已發(fā)展成為一門新興的工程學科。隨著可靠性基礎工作的開展和可靠性數(shù)據(jù)的不斷積累，我國的可靠性設計必將得到更為廣泛的應用和發(fā)展。

三、平均壽命和平均故障間隔時間

在討論產(chǎn)品可靠性時，有時更關心它們的壽命。平均壽命是指一批產(chǎn)品從投入運行到發(fā)生失效（或故障）的平均工作時間，用T表示。平均壽命T又稱為無故障工作時間。對不可修復的產(chǎn)品而言，T是指從開始使用到發(fā)生失效的平均時間，用MTTF（Mean Time To Failure）表示；對可修復的產(chǎn)品而言，則是指產(chǎn)品相鄰兩次故障間工作時間的平均值，用MTBF（Mean Time Between Failure）表示，即平均故障間隔時間。近幾年，隨著科學技術的進步和互聯(lián)網(wǎng)技術的日益普及，通訊和數(shù)據(jù)傳輸進入了云計算時代，通訊行業(yè)對于母線槽運行提出了穩(wěn)定和可靠性要求，在相關規(guī)范中進行了規(guī)定：產(chǎn)品平均故障間隔時間（MTBF）不小于100000小時。endprint

四、母線槽平均故障間隔時間的計算方法及舉例

（一）母線槽平均故障間隔時間的計算方法

平均故障間隔時間是母線槽產(chǎn)品可靠性度量的重要指標。在標準YD/T282-2000《通信設備可靠性通用試驗方法》中詳細介紹了平均故障間隔時間的計算方法，受檢數(shù)量至少兩臺，具體步驟如下：

1.加權故障數(shù)的計算

根據(jù)責任故障嚴重性分級，如在理論上可以推算出加權值時，按理論值加權，如無其它根據(jù)時，推薦以下加權值：

一級故障：w1=1

二級故障：w2=0.2～0.5；

三級故障：w3=0.01～0.1。

2.總試驗時間的計算

設備試驗的總時間T一般如下計算：抽取的n個樣品在規(guī)定條件下做壽命試驗，到規(guī)定的時間t停止，則總時間應為全部的樣品試驗時間t的n倍。若在試驗中有樣品發(fā)生故障，立即修復后繼續(xù)試驗，如公式①；若不修復而為取出故障樣品，其它樣品繼續(xù)試驗，到規(guī)定的時間t停止，總時間如公式②。

T=nt ①

T=（n-r）t+rti ②

式中：n——試驗的樣品總數(shù)

t—— 試驗截尾時間

r—— 發(fā)生的故障樣品數(shù)

ti—— 故障樣品故障前的時間

3.平均故障間隔時間（MTBF）的估計

如果有故障發(fā)生，用最后的試驗總時間除以加權故障數(shù)可以求出MTBF的觀測值。

MTBF=T/rw ③

式中：T——試驗總時間

rw——加權故障數(shù)

（二）母線槽平均故障間隔時間的計算方法應用舉例

下面通過具體的案例介紹母線槽平均故障間隔時間的計算：

在XX公司2001年年初的XX合同訂單中共生產(chǎn)母線槽242節(jié)并于當年6月送至工地使用，維修時間、維修次數(shù)及故障類別詳見下表，現(xiàn)可靠性指標為：常溫及室內(nèi)工作環(huán)境下，平均無故障工作時間（MTBF）≥100000h，試問，該合同中母線槽是否滿足可靠性指標

回答：

1.加權故障數(shù)的計算

rw=3*0.5+6*0.1=2.1

2.總試驗時間的計算

由于產(chǎn)品發(fā)生故障后，立即修復繼續(xù)投入使用，故按公式①計算。

T=nt=242*17*365*24=36038640h

3.平均故障間隔時間（MTBF）的計算

MTBF=T/rw=26038640/2.1=17161257h（此時受檢數(shù)量為242臺）

這批母線槽的MTBF為：

MTBF=17161257/121=141828h>100000h.

由此我們可以判斷這批合同的242節(jié)母線槽在長達17年使用過程中，能滿足可靠性指標。

可靠性在實際工作之中有著極其重要的作用。對于母線槽來說，可靠性問題和人身安全、經(jīng)濟效益密切相關。因此，研究母線槽的可靠性問題，顯得十分重要，非常迫切。提高母線槽的可靠性，可以防止故障和事故的發(fā)生，尤其避免災難性的事故發(fā)生，從而保證人民生命財產(chǎn)安全。

參考文獻：

[1]應錦春.現(xiàn)代設計方法[M]北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]曾聲奎.可靠性設計分析基礎[M]北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[3]謝里陽.可靠性設計[M]北京：高等教育出版社，2013.

[4]程五一，王貴和，呂建國.系統(tǒng)可靠性理論[M]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]潘勇，黃永進，胡寧.可靠性概論[M]北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[6]YD/T282-2000，通信設備可靠性通用試驗方法[S].endprint