塑壳断路器可靠性理论与验证试验方法

陆俭国 李 奎 杜太行 季慧玉

（1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130 2.上海电器科学研究所（集团）有限公司 上海 200063）

1 引言

低压电器通常是指在低压配电系统与控制系统中起开关、控制、保护、检测、显示和报警等作用的电气设备。控制类低压电器的可靠性研究相对成熟[1]，其可靠性理论及试验方法得到人们的广泛认同。从20 世纪90年代开始，研究者们开始对保护类电器进行研究，由于保护类电器的工作特点与控制类电器不同，人们提出了各种可靠性指标体系和可靠性考核方法。到本世纪初，对于剩余电流动作保护器、过载继电器、小型断路器等保护类电器的可靠性理论研究基本成熟，考核指标体系也基本确立[2-6]。同时，塑壳断路器的可靠性试验装置及试验方法的研究也在进行中[7-10]。塑壳断路器是低压电器中的重要设备，用于低压配电回路、电动机或其它用电设备中，负责接通、承载以及分断正常条件或非正常条件（如短路）下的电流。随着对塑壳断路器需求数量的增长，对其性能、质量提出新要求，其可靠性对用电设备和电网运行的影响也越来越大。

塑壳断路器主要功能为：分断正常线路或用电设备、实现线路或用电设备过载保护、对短路故障实现瞬动保护。塑壳断路器的这三个主要功能的影响因素不完全相同，用一个指标考核不能反映塑壳断路器的可靠性。塑壳断路器分断正常线路或用电设备，很多情况下其负荷较低，和无载的机械操作相似，其可靠性可以用操作失效率指标进行考核。塑壳断路器在线路或用电设备过载情况下动作，主要是受塑壳断路器过载电流感测元件和执行机构的影响，其可靠性可以用过载保护成功率指标进行考核。塑壳断路器对短路故障进行保护，其影响部分是短路电流感测元件和执行机构，其可靠性可以用瞬动保护成功率指标进行考核。塑壳断路器用于强电回路的开闭，可以通过产品的电寿命试验等保证强电下的可靠性，这样即可以降低可靠性试验费用，又考核了塑壳断路器主要功能的可靠性。

本文在对塑壳断路器可靠性理论分析的基础上，提出了塑壳断路器的可靠性验证试验方案，并根据塑壳断路器的工作特点，提出塑壳断路器的可靠性试验方法和试验程序，为塑壳断路器可靠性考核的实施奠定基础。

2 塑壳断路器的可靠性抽样理论与验证试验方案

2.1 塑壳断路器的操作可靠性抽样理论

塑壳断路器可靠性体系中，包含两个不同指标，即：失效率和成功率。如何检验塑壳断路器的机械操作失效率是否满足要求，需要通过抽样检验实现。抽样方案的OC 曲线表示接受概率与产品失效率间的关系，如图1 所示。

由图1 可知

式中λ0—合格失效率水平；

λ1—批失效率容限；

α—生产者风险率；

β—使用者风险率。

图1 失效率抽样方案的OC 曲线Fig.1 OC curve of the sample plan of failure rate

由参数λ0、λ1、α和β确定的抽样方案为四参数抽样方案，只由λ1和β确定的抽样方案为双参数抽样方案。在失效率服从指数分布的条件下，失效率的四参数抽样方案可由式（2）确定

式中T—试验截尾次数；

Ac—合格判定数。

失效率的验证试验方案可以采用四参数（λ0、λ1、α、β）确定，由此确定的方案既保证了生产者风险，也保证了使用者风险。

从使用者角度考虑，希望控制使用者的风险，在失效率等级确定时，是要保证产品的最大失效率不大于一定的值。同时，生产者也希望在失效率等级确定时有多种方案可以选择，生产者根据自己产品的可靠性，可以综合考虑试验费用、试验时间及被拒收可能性。因此，在理论上也可以采用两参数（λmax、β）确定失效率的验证试验方案，λmax是最大失效率，在图1 中对应着λ1。由λmax、β确定失效率的验证试验方案是以保证试品真实失效率低于最大失效率为前提的。失效率等级验证试验方案可以由式（3）确定

式（3）中有两个未知数，因此有无数种抽样方案，一般是先假定Ac值后，再确定试验截尾时间T。

2.2 塑壳断路器的保护可靠性抽样理论

塑壳断路器的保护功能有过载保护和瞬动保护，采用成功率进行考核，其理论基础是成功率的抽样理论。成功率接收概率L(R)与成功率R间的关系如图2 所示。

由图2 可知

式中R0—可接受的成功率；

R1—不可接受的成功率。

图2 成功率抽样方案的OC 曲线Fig.2 OC curve of the sample plan of success rate

由参数R0、R1、α和β确定的抽样方案为四参数抽样方案，只由R1和β确定的抽样方案为双参数抽样方案。四参数抽样方案可由式（5）确定

和失效率的验证试验方案类似，在理论上成功率的验证试验方案可以采用四参数（R0、R1、α、β）确定，也可以采用两参数（Rmin、β）确定。Rmin是最小成功率，对应图2 中的R1。从保护使用者利益及有多种方案供生产者选择，在成功率等级确定时，采用两参数Rmin、β确定成功率的验证试验方案，其方案是以保证试品真实成功率大于最小成功率为前提的，恰当的反映出成功率等级考核的目的。成功率等级验证试验方案可以由式（6）确定

式中 1-β—置信度，一般取0.9；

Rmin—成功率等级中的最小成功率；

Ac—合格判定数；

n—总试品数或总试验次数。

2.3 塑壳断路器可靠性验证试验抽样方案

可靠性高低用可靠性等级表示，每个等级对应着一个可靠性指标，即失效率数值或成功率数值。为了便于记忆，在失效率等级命名时，一般将等级数值与失效率数值中的十的负指数相对应，如操作失效率等级为四级，对应10-4；操作失效率等级为三级，对应10-3；无“亚”其系数为1，有“亚”其系数为3。在成功率等级划分时，由于瞬动保护故障比过载保护故障的危害严重，因此在相同等级下，瞬动保护成功率的数值比过载保护成功率的数值大。同时为区分瞬动保护成功率和过载保护成功率，瞬动保护成功率的名称为一级、二级、三级、四级、五级，而过载保护成功率的名称为A 级、B级、C 级、D 级、E 级。根据失效率和成功率的可靠性理论，即给出合格判定数Ac，根据式（3）可以确定失效率的抽样方案，根据式（6）可以确定成功率的抽样方案。由此确定的失效率验证试验抽样方案见表1，瞬动保护成功率验证试验抽样方案见表2，过载保护成功率验证试验抽样方案见表3。

不同的Ac对应着不同的可靠性验证试验抽样方案，在产品可靠性一定情况下，抽样方案不同，产品被接受的概率不同[1]。Ac值越大接受概率越高，生产者风险也越低。一般不推荐Ac=0，其生产者风险太高。而Ac也不宜太大，如果Ac太大，试品数量和试验时间、费用相应增加很多，因此，推荐在1～5的范围内选择Ac。

表1 操作失效率验证试验抽样方案（β=0.1）Tab.1 Sample compliance test plan of operation failure rate(β=0.1)

表2 瞬动保护成功率验证试验抽样方案（β=0.1）Tab.2 Sample compliance test plan of instantaneous protection success rate（β=0.1）

表3 过载保护成功率验证试验抽样方案（β=0.1）Tab.3 Sample compliance test plan of overload protection success rate（β=0.1）

3 塑壳断路器可靠性试验方法

3.1 塑壳断路器的可靠性试验条件

温度对塑壳断路器的操作可靠性与瞬动保护可靠性影响较小，因此可以在室温下进行这两个试验。过载保护可靠性受温度影响较大，因此要采用标准的温度条件，即：周围空气基准温度为：30℃±2℃。

在操作可靠性试验中，塑壳断路器的机构受到操作循环应力的影响，因此进行操作可靠性试验时，每小时的操作循环次数规定为120 次，在每个操作循环期间，断路器应保持闭合足够的时间，但不超过2s。

进行断路器的瞬动保护可靠性试验时，应在其短路整定电流的80%和120%下进行验证。试验电流应对称。电网电压波动、试品内阻大小不一致、试验回路电阻的变化及合闸相角不同都影响试验的准确性。特别是合闸相角对试验结果产生的影响最大。当随机地施加交流电压时，由于非周期过渡过程的存在，使试验电流具有非周期分量，每次试验时的试验电流都有差别。为了解决这个问题，需要采用选相合闸技术对试验电源进行控制，消除试验电流的非周期分量，提高试验的准确性。

过载保护可靠性试验是在基准温度下，电流整定值的1.05 倍时，即在约定不脱扣电流时，断开脱 扣器的各相极同时通电，断路器从冷态开始，即断路器在基准温度下，在小于约定时间（约定时间：In＞63A 时为2h，In≤63A 时为1h）的时间内不应发生脱扣。此外，在约定时间结束后，立即使电流上升至电流整定值的1.30 倍，即达到约定脱扣电流，断路器应在小于规定的约定时间内脱扣。

3.2 塑壳断路器可靠性试验的失效判据

3.2.1 操作可靠性试验的失效判据

操作可靠性试验过程中，当某试品出现下列任意一种情况时，即认为该试品发生失效。

（1）触头接通时其两引出端间的电压降超过触头回路开路电压10%。

（2）触头分断时触头间的电压低于触头回路开路电压的90%。

（3）试品零部件有破坏性损坏、连接导线及零部件松动。

3.2.2 瞬动保护可靠性试验的失效判据

在瞬动保护可靠性试验中，当某试品出现以下任意一种情况时，即认为该试品发生失效。

（1）断路器的两极串联后通以其短路整定电流的120%的交流电流时，断路器的分断时间大于或等于0.2s。此时认为该试品发生拒动故障。

（2）断路器的两极串联后通以其短路整定电流的80%的交流电流时，断路器分断时间小于0.2s。此时认为该试品发生误动故障。

（3）每一相极单独通以脱扣电流（按制造厂提出的数据）时，脱扣器在0.2s 内不动作，此时认为该试品发生拒动故障。

3.2.3 过载保护可靠性试验的失效判据

在过载保护可靠性试验中，当某试品出现以下任意一种情况时，即认为该试品发生失效。

（1）断路器各极同时通以约定不脱扣电流时,断路器在约定时间（大于63A 时为2h，小于等于63A 时为1h）内动作，认为该试品发生误动故障。

（2）断路器各极同时通以约定脱扣电流时,断路器未在约定时间（大于63A 时为2h，小于等于63A 时为1h）内动作，认为该试品发生拒动故障。

3.3 塑壳断路器可靠性试验时试品的检测

在操作可靠性试验中，应对试品的所有触头在试品每次操作循环的“闭合”期中间的40%时间内与“断开”期中间的40%时间内，监测触头接通时其两引出端的电压降及触头分断时触头间的电压。触头回路的电源可采用直流24V 电源，相应的触头回路的电流可为1A；触头回路的负载可采用阻性负载。

在瞬动保护可靠性试验中，当试验电流等于短路整定电流的80%时，脱扣器不动作，电流持续时间为0.2s。当试验电流等于短路整定电流的120%时，脱扣器应在0.2s 内动作。多极短路脱扣器的动作应对任意二极串联通以试验电流进行验证，但要对每个具有短路脱扣器的极作各种可能的组合进行验证。短路脱扣器的动作还应对每一相极单独验证，脱扣电流按制造厂提出的数值，脱扣器在此值时应在0.2s 内动作。因此，每台试品瞬动保护可靠性试验共进行Zn次，其中A、B 极串联，B、C 极串联，C、A 极串联，各进行nZ/6 次，A 极、B 极及C 极每一相极各进行nZ/6 次。瞬动保护可靠性试验应在操作可靠性试验前后各进行50%nf次。

在过载保护可靠性试验中，对于与周围空气温度有关的脱扣器，其动作特性应在基准温度下进行验证，脱扣器所有相极都通电。如果试验是在不同的周围空气温度下进行的，则应按制造厂的温度/电流数据进行校正。对于制造厂声明与周围空气温度无关的脱扣器，每台试品在30℃±2℃下进行nZ/2次试验，在20℃±2℃或在40℃±2℃下进行nZ/2次试验。过载保护可靠性试验应在操作可靠性试验前后各进行50%nf次。

4 塑壳断路器的可靠性验证试验程序

塑壳断路器的可靠性验证试验程序如下：

（1）选定操作失效率等级、瞬动保护成功率等级及过载保护成功率等级。塑壳断路器的三个可靠性指标之间是相互独立，可单独选择，或根据使用者要求选择。如：可以选定操作失效率等级为三级、瞬动保护成功率等级为四级、过载保护成功率等级为E 级。

（2）选定合格判定数Ac和截尾失效数rc（rc=Ac+1），在1～5的范围内选择Ac。如可以选定允许失效数Ac为1（截尾失效数rc=Ac+1=2）。

（3）根据选定的可靠性等级和Ac，由表1、表2 和表3 查出可靠性验证试验方案。在前面选定的可靠性等级和Ac情况下，由表1 得到操作失效率试验时的试验截尾时间Tc=3.89×104次，瞬动保护成功率试验时的试验截止次数nf=129 次，过载保护成功率试验时的试验截止次数nf=38 次。

（4）选定试品的试验截止时间，在操作失效率验证试验中，试验截止时间tZ应不超过产品标准中规定的机械寿命次数；在瞬动保护成功率验证试验中，试验截止次数nZ一般选30 次；在过载保护成功率验证试验中，试验截止次数nZ一般选5 次～20次。选定操作失效率试验时的试验截止时间为tZ=4000 次（塑壳断路器的机械寿命为4000 次）；选定瞬动保护成功率验证试验时的试验截止时间为nZ=30 次；选定过载保护成功率试验时的试验截止次数为nZ=20 次。

（5）根据可靠性验证试验方案，确定试品数，并从批量生产的合格产品中随机抽取n个试品。其中，瞬动保护可靠性和过载保护可靠性试验中的试验样品在操作可靠性试验中的样品中进行抽取，当试验样品大于操作可靠性试验中的试验样品数时，超出部分应从批量生产并经过出厂检验合格的产品中随机抽取。在前面确定的可靠性验证试验方案，操作失效率验证试验的试品数为11 台，从批量生产的塑壳断路器中抽取11 台进行操作可靠性试验；瞬动保护成功率验证试验的试品数为6 台，从操作可靠性试验的试品中抽取6 台进行瞬动保护可靠性试验；过载保护成功率验证试验的试品数为3 台，从操作可靠性试验的试品中抽取3 台进行过载保护可靠性试验。

（6）进行可靠性验证试验，统计相关失效数r及各失效试品的相关试验时间（失效发生时间），对试验后检测出的相关失效试品，其相关试验时间按试验结束时的时间计算。

（7）统计累积相关试验时间或试验次数，当相关失效数r未达到截尾失效数rc（即r≤Ac）,而累积相关试验时间（或累积试验次数）达到或超过了截尾时间（或超过了截尾次数），则判为试验合格（接收）；当累积相关试验时间（或累积试验次数）未达到截尾时间（或超过了截尾次数），而相关失效数r达到或超过了截尾失效数rc（即r＞Ac）,则判为试验不合格（拒收）。

5 结论

本文对塑壳断路器的可靠性理论及可靠性验证试验方法进行了研究，为塑壳断路器可靠性考核的实施奠定了基础。主要结论如下：

（1）根据塑壳断路器的工作特点，提出采用操作失效率、过载保护成功率、瞬动保护成功率作为其可靠性的考核指标。

（2）根据可靠性抽样理论，提出了失效率、成功率的两参数验证试验方案作为塑壳断路器的可靠性验证试验方案。

（3）分析了塑壳断路器操作可靠性试验、瞬动保护可靠性试验和过载保护可靠性试验。

（4）分析了塑壳断路器可靠性试验时试品的检测内容，特别是详细规定了试验中试品的检测方法和试验内容。

（5）提出塑壳断路器可靠性验证试验程序，并结合实例，确定了可靠性验证试验方案、试品数等。

本论文提出的可靠性验证试验适用于250A 以下的塑壳断路器，对于大容量的塑壳断路器、框架式断路器和中高压断路器的可靠性问题，由于其产量小、价格高、试验费用高，还需要进一步研究其可靠性考核问题，包括抽样方法和试验方法等。

[1]陆俭国主编.电器可靠性理论及其应用.北京:机械工业出版社,1996.

[2]李奎,陆俭国.成功率定级试验方案的分析[J].机床电器,1998(1):13-15.Li Kui,Lu Jianguo.Analysis of success rate grading test plan[J].Machine Tool Electric Apparatas,1998(1):13-15.

[3]李奎,陆俭国,瞿建喜.剩余电流动作保护器的可靠性验证试验技术的研究[J].电工技术学报,2003,18(4):114-117.Li Kui,Lu Jianguo,Qu Jianxi.Study on the reliability compliance test for residual current operated protector[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2003,18(4):114-117.

[4]Luo Yanyan,Lu Jianguo,Li Zhigang.Study of reliability test and analysis for miniature circuit breakers[C].The Proceedings of 48th IEEE Holm Electrical Contacts Conference,2002:80-85.

[5]骆燕燕,陆俭国,李志刚.小型断路器可靠性筛选方法的研究[J].电工技术学报,2003,18(2):36-40.Luo Yanyan,Lu Jianguo,Li Zhigang.A study of the reliability screening test methods for miniature circuit breakers[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2003,18(2):36-40.

[6]Li Kui ,Wang Jinqin,Li Wenhua,et al.Study on reliability for overload relay[C].Proceedings of the 1st International Conference on Reliability of Electrical Products and Electrical Contacts,2004:228-232.

[7]Lu Jianguo,Du Taihang,Luo Yanyan.Study on the instantaneous reliability of low voltage circuit breakers[J].Journal of Zhejiang University(Science A),2007,8(3):370-378.

[8]Li Kui,Lu Jianguo,Wu Yi,et al.Research on overload protection reliability of moulded case circuit-breakers and its test device[J].Journal of Zhejiang University(Science A),2007,8(3):453-458.

[9]Billinton R,et al.Determination of the optimum routine test and self-checking intervals in protective relaying using a reliability model[J].IEEE Transactions on Power Systems,2002,17(3):662-669.

[10]朱云祥,刘炳彰,黄奇蜂,等.低压断路器可靠性验证试验装置[J].低压电器,2000(2):45-48.Zhu Yunxiang,Liu Bingzhang,Huang Qifeng,et al.Equipment for low voltage circuit breaker reliability test[J].Low Voltage Apparatus,2000(2):45-48.