低壓電器的可靠性試驗探討

江長杰

0 引 言

低壓電器的能否正常運行直接影響電力系統(tǒng)能否能正常供電配電。現(xiàn)階段，對于產(chǎn)品質(zhì)量的管理也體現(xiàn)在可靠性和性能兩個方面。隨著未來電力系統(tǒng)的升級和優(yōu)化，人們用電需求的提升，大型化系統(tǒng)成為未來的發(fā)展趨勢。所以，系統(tǒng)中需要的電器元件數(shù)量也將大幅提升，其穩(wěn)定性意義顯而易見，是本文主要的研究方向。

1 國內(nèi)外低壓電器可靠性研究概述

低壓電器的可靠性試驗，在一些國際機構(gòu)和電氣企業(yè)中受到了高度重視。而這些單位通常也有專門的工程師或管理人員進行管控，企業(yè)內(nèi)部也針對電氣的可靠性進行了針對性研究，是企業(yè)未來發(fā)展和行業(yè)競爭的主要模式。國際電工委員會（IEC）早在1965年就成立了專門的技術(shù)委員會，并制定了相應(yīng)的技術(shù)標準，如IEC300《可靠性與維修性管理》。這些制度的確定對電器設(shè)備的可靠性檢驗作出了明確要求，也制定了具體的程序。之后，世界各國也相繼在這項工作中投入了大量研究[1]。例如，日本、美國等發(fā)達國家，已經(jīng)普遍采用信息技術(shù)來分析繼電器的可靠性，然后研究其壽命試驗的結(jié)果，判斷在不同負載電壓下的加速系數(shù)，為電器的安全運行提供數(shù)據(jù)支持。

在國內(nèi)，對各類繼電器的失效機理與可靠性研究較多，同時在可靠性標準方面制定了很多制度，如小容量交流接觸器和量度繼電器方面的行業(yè)標準，且研制了各類微機控制的繼電器實驗裝置等。目前已完成部分工作，并獲得了階段性的研究成果。然而，在設(shè)計與制造新產(chǎn)品以及其可靠性研究領(lǐng)域，我國的重視程度仍然存在很大不足，很多企業(yè)通過對其他單位生產(chǎn)的產(chǎn)品進行仿制來獲得利潤，而這種產(chǎn)品具有很低的可靠性?？梢姡诘蛪弘娖鳟a(chǎn)品的可靠性方面，我國塑殼斷路器制造企業(yè)還有很長的路要走。

2 低壓電器可靠性試驗原理與方案

2.1 可靠性指標

低壓電器各類故障模式的可靠指標可以選擇失效率λ。所謂失效率，指的是在單位時間t內(nèi)，該產(chǎn)品失效的概率，可以使用最大失效率λmax作為斷路器的可靠性指標。該指標指的是對操作失敗的等級進行規(guī)定，共有四個等級，分別為四級、亞四級、三級和亞三級，具體見表1。

表1 塑殼斷路器操作失效率及最大失效率λmax

繼電器采用失效率作為操作可靠性的可靠性特征量時，依據(jù)其最大失效率（最小成功率）的數(shù)值，劃分為三級、四級、亞五級、五級、六級、七級共六個等級。等級的名稱和最大失效率見表2。

2.2 可靠性試驗抽樣方案

采用定數(shù)截尾試驗作為電器的可靠性驗證試驗。抽樣方案選擇失效率驗證抽樣方案，對其操作性能的可靠性進行試驗。圖1為失效率的抽樣特性，符合可靠性抽樣理論，可將失效率λ和失效率概率L(λ)之間的關(guān)系明確表現(xiàn)出來。

表2 繼電器操作失效率等級及最大失效率λmax

圖1 失效率抽樣方案的ROC曲線

圖1 是合格失效率水平或是可靠性水平。當產(chǎn)品的真實失效率λ≤λ0時，則判定該批試品為合格；λ=λ0時，產(chǎn)品被誤判為不合格而拒收的概率為α，α為生產(chǎn)者風(fēng)險率，一般取為0.05或0.1。λ1為批失效率容限，當λ＞λ1時，則認為這批產(chǎn)品不合格；λ=λ1時，則認為產(chǎn)品被誤判為合格而接收的概率為β，β為使用者風(fēng)險，一般取為0.1。

L(λ)可用二項概率式（3）計算，即：

失效率抽樣檢查方案是根據(jù)給定的α、β、λ0、λ1和Ac（合格判定數(shù)）的值來確定抽樣數(shù)n。

當nλt＜5及λt＜0.1時，有：

式（4）中，f(x,2Ac+2)是χ2分布的密度函數(shù)，且自由度為2Ac+2。根據(jù)χ2分布的特點，2λ1T等于χ2分布的1-β的下側(cè)分位點，可得出：

式（5）中λ1用最大失效率等級λmax代替，令β=0.1，通過上式算出的T，即試驗截尾次數(shù)Tc。設(shè)定不同的Ac，可得出相應(yīng)的Tc。

2.3 可靠性試驗失效判據(jù)

操作可靠性試驗中的試品出現(xiàn)以下任意一種情況，則此試品失效。

（1）出現(xiàn)零部件的破壞性損壞或松動，或連接導(dǎo)線松動；

（2）在對斷路器進行閉合操作時未能準確閉合，在進行分斷操作時未能準確分斷；

（3）出現(xiàn)觸頭粘結(jié)問題；

（4）分斷觸頭回路壓降低于觸頭回路開路電壓的90%；

（5）閉合觸頭回路電壓降超過觸頭回路開路電壓的10%。

3 低壓電器試驗技術(shù)要求

3.1 試驗設(shè)備的功能要求

通過分析電器性質(zhì)如判斷繼電器的性能，考慮壽命試驗的結(jié)果，應(yīng)在實驗設(shè)備上進行相應(yīng)的調(diào)整。試驗設(shè)備首先應(yīng)該具備一定的監(jiān)測要求，尤其是監(jiān)測試驗電流和接觸壓降。此外，當試驗樣品出現(xiàn)故障時，試驗設(shè)備要對故障情況和類型進行判斷，通過故障發(fā)生的形式來記錄故障時間和故障類型，具有同時進行多臺樣品試驗和監(jiān)測的能力[2]。

3.2 試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)該滿足實際的電器使用要求，結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)電路共包含以下幾個部分。首先，以打印機、PC機主機和鍵盤構(gòu)成的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的作用在于記錄試驗過程和試驗參數(shù)，然后計算和分析結(jié)果。其次，線圈驅(qū)動電路。它是基于計算機的線圈控制信號進行設(shè)置的。其次，負載電源，主要負責(zé)樣品的帶電負載，測量在不同電壓和電阻下的負載能力。最后，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路換算電壓量，然后將觸頭電壓量和換算值進行對比，利用計算機判斷電器的運行狀態(tài)是否出現(xiàn)了故障以及是否需要進行檢修工作[3]。

圖2 試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)

4 低壓電器可靠性試驗和型式試驗的發(fā)展趨勢

雖然從試驗?zāi)Ｊ缴峡矗覈F(xiàn)階段已經(jīng)取得了一定成果，但對于低壓電器的可靠性研究工作，我國起步相對較晚，對于一些新產(chǎn)品的開發(fā)還缺乏重視。而電工行業(yè)的部分企業(yè)對于可靠性的認識程度還有所欠缺，因而未來應(yīng)該做好可靠性研究工作。首先，要制定低壓電器的可靠性指標，這是對產(chǎn)品性能進行判斷核查的主要方式，同時是提升產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對于一些普遍使用的低壓電器，如低壓成套開關(guān)設(shè)備，需要針對性地展開可靠性試驗和型式試驗。試驗項目包括功能單元、介電強度、保護電路連續(xù)性試驗、母線短路強度和防護等級等多個方面，然后通過參數(shù)分析為電力系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)提供技術(shù)支持。此類可靠性試驗希望低壓電器能夠保持相對較長的使用周期，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量。需要注意，相關(guān)企業(yè)也應(yīng)該加強可靠性的管理工作，要在企業(yè)內(nèi)部設(shè)定專門的管理部門，收集生產(chǎn)環(huán)節(jié)中因質(zhì)量問題淘汰的產(chǎn)品信息，再將信息反饋給生產(chǎn)部門和管理部門，以便采取有效的應(yīng)對方案。

5 結(jié) 論

未來社會對電力和電器的需求將會不斷提升，而低壓電器的廣泛使用使得其可靠性試驗和型式試驗工作面臨了更大挑戰(zhàn)。通過這些工作，可以消除早期產(chǎn)生的產(chǎn)品缺陷問題，并調(diào)查產(chǎn)品質(zhì)量的各類影響因素，以便在今后的生產(chǎn)過程中達到質(zhì)量控制的最終目的，使產(chǎn)品能更好地為社會服務(wù)。

[1] 王小川，胡彥雪，李石頭.低壓成套開關(guān)設(shè)備型式試驗的問題及改進方法[J].硅谷，2014，（22）：226-227.

[2] 王 超，劉志黨.低壓成套開關(guān)設(shè)備型式試驗的問題與完善[J].電氣開關(guān)，2014，52（3）：107-108.

[3] 王曉旭，李 奎，李維濤，等.遠程控制技術(shù)在低壓電器可靠性試驗中的應(yīng)用[J].電器與能效管理技術(shù)，2010，（3）：61-63.