真空断路器可靠性

1.     引言

真空断路器（VCB）是开关柜的核心元件，失效影响较大，产品需要满足国家标准GB/T1984要求并通过标准要求的型式试验，除此以外，产品的可靠性也是非常重要的指标。据国网2015年统计数据，40.5kV故障率0.024次/百台·年，12kV设备故障率0.006次/百台·年，据南方电网2017年统计，35kV移开式开关柜故障率最高达0.0627次/百台·年。国家标准只要求断路器机械稳定性≥10000次，甚至30000次，但操作机构机械故障仍占设备故障率的50%以上，因此通过对真空断路器的主要运动功能单元可靠性分配，进行机构、线圈、辅助关等可靠性试验，可以有效减少因为机械部件造成的故障。

2.     可靠性指标的确定

2.1.        根据六西格玛设计可靠性指标的定义如下:

可靠性指标主要包括：

• 产品的故障率( l )和可靠性

产品的故障是指产品不能完成预期的功能，故障率是指样本中的故障数与累积操作时间的比率； 产品的可靠性是指在指定的条件下和时间段内产品履行其预期功能的概率。

• 平 均故障间隔时间MTBF

产品的平均故障间隔时间是指对于可修复产品、部件，该产品、部件的累计运行时间与故障次数之 比。 MTBF与产品的故障率互为倒数关系

• 产品的可利用率

产品的可利用率指在规定的操作条件（正常运行时间）下使用时，产品在任何时候都能实现其预期功能的可能性。

2.2.        可靠性指标的选择：

可靠性指标的确定需要考虑以下方面：

• 客户的要求、期望；

对于关键电源如数据中心的设备，要求断路器的可利用率达到99.9999%。

• 应用的环境；

对于高海拔、高温、高湿或沙尘等恶劣环境使用，需要考虑环境影响造成的可靠性降低。

• 相似产品的历史数据；

对相似产品的历史失效数据的分析，通过可靠性软件计算出产品的可靠性值，来作为新产品可靠性的指标。

• 系统和子系统的可靠性分配；

断路器作为开关柜和配电系统的子部件，需要根据整个系统可靠性指标对所有子部件进行可靠性的分配，如开关柜质保期1年内可靠性指标为95%，则相应的子部件如接地开关、联锁机构、断路器、保护等均需分配一定的可靠性指标，所有子部件可靠性指标相乘得到整个开关柜的指标95%。如表1所示：

表 1   开关柜的可靠性指标分配示例

• 系统的失效模式分析（FMEA）；

失效模式分析是根据失效发生的频率、产生后果的严重性及该失效可检出性对所有可能发生的失效进行评分，以得出失效的重要程度排序，优先顺序进行改进、预防措施。

• 设计概念（复杂性，冗余，成本，可维护性等）之间的权衡；

特别是高可靠性与成本之间的平衡，已达到     “物美价廉”的要求。

3.        GHEVac型真空断路器的可靠性指标及可靠性试验

3.1.   GHEVac 型断路器是在SecoVac型断路器基础上通过采用固封极柱升级的产品，采用相同的操作机构、摇进底盘车等，机械寿命1万次，设计使用年限40年，底盘车摇进、出3000次循环等。

3.2.        可靠性指标的确定

3.2.1.国家电网对开关设备的可靠性要求大于99.99%，而对于全寿命周期的可靠性没有定义。

3.2.2.由于GHEVac断路器是在SecoVac基础上升级产品，因此分析SecoVca历史失效数据可以作为GHEVac断路器可靠性指标的参考。 表2列出了SecoVac断路器2010~2017年的出厂数量及各年度的失效数量，表3列出了失效部位及所占比例，可以看出断路器操作机构及摇进底盘车的总失效比例67.3%，占比很大。

表2  SecoVac断路器2010~2017年的历史数据

表3 失效部件数量及占比

采用ReliaSoft 公司 Weibull++软件将上表数据代入计算可以得出：SecoVac一年质保期内可靠性99.99%@50%置信度， 40年寿命期的可靠性是76.14%@50%置信度，可靠性-时间关系曲线如1所示：

3.2.3．断路器作为核心元件，在配电回路中起到关键作用，且基于SecoVac的可靠性指标，GHEVac用固封极柱，可靠性更高，因此可靠性指标可以定义为：

a .      一年质保期内可靠性99.99%@50%置信度

b. 40年寿命期的可靠性是80%@50%置信度

c. MTBF=1.5E+06 小时

3.3.        可靠性试验

将断路器的可靠性分配到子单元中，并通过Weibull++ 计算出可靠性试验的需要的验证次数。 如表4所示，分别对子部件进行所要求的可靠性试验循环，按照相关标准验证功能性。

表 4 断路器的可靠性分配及试验次数

图2 显示试验样本数与试验次数的关系。

可靠性试验

试验按照表5进行试验；在未到达所要求的次数出现失效，则需要进行FRACAS失效原因分析，完成改进、纠正措施；然后重新清零进行试验，直到所有产品没有一次失效发生，顺利通过要求的试验循环次数。

表5 可靠性试验计划

4.        结语

随着技术、工艺水平的提供，开关设备产品质量、可靠性已大幅提高，通过对产品的可靠性定量定义，并且试验验证产品符合要求的可靠性指标，可以使产品性能更加稳定，更好的为供电系统提供了安全保障。同时通过合理、必要的在线监测设备和大数据、云计算分析，可以最大程度的减少计划停电次数，真正做到产品的从计划维护到状态维护.

附：

可靠性指标参考：

说明：本文产品型号、失效数据是根据经验编制，并非具体哪家公司产品，切勿对号入座。