低压电器的可靠性试验探讨

2018-07-10江长杰

通信电源技术 2018年4期

江长杰

0 引言

低压电器的能否正常运行直接影响电力系统能否能正常供电配电。现阶段，对于产品质量的管理也体现在可靠性和性能两个方面。随着未来电力系统的升级和优化，人们用电需求的提升，大型化系统成为未来的发展趋势。所以，系统中需要的电器元件数量也将大幅提升，其稳定性意义显而易见，是本文主要的研究方向。

1 国内外低压电器可靠性研究概述

低压电器的可靠性试验，在一些国际机构和电气企业中受到了高度重视。而这些单位通常也有专门的工程师或管理人员进行管控，企业内部也针对电气的可靠性进行了针对性研究，是企业未来发展和行业竞争的主要模式。国际电工委员会（IEC）早在1965年就成立了专门的技术委员会，并制定了相应的技术标准，如IEC300《可靠性与维修性管理》。这些制度的确定对电器设备的可靠性检验作出了明确要求，也制定了具体的程序。之后，世界各国也相继在这项工作中投入了大量研究[1]。例如，日本、美国等发达国家，已经普遍采用信息技术来分析继电器的可靠性，然后研究其寿命试验的结果，判断在不同负载电压下的加速系数，为电器的安全运行提供数据支持。

在国内，对各类继电器的失效机理与可靠性研究较多，同时在可靠性标准方面制定了很多制度，如小容量交流接触器和量度继电器方面的行业标准，且研制了各类微机控制的继电器实验装置等。目前已完成部分工作，并获得了阶段性的研究成果。然而，在设计与制造新产品以及其可靠性研究领域，我国的重视程度仍然存在很大不足，很多企业通过对其他单位生产的产品进行仿制来获得利润，而这种产品具有很低的可靠性。可见，在低压电器产品的可靠性方面，我国塑壳断路器制造企业还有很长的路要走。

2 低压电器可靠性试验原理与方案

2.1 可靠性指标

低压电器各类故障模式的可靠指标可以选择失效率λ。所谓失效率，指的是在单位时间t内，该产品失效的概率，可以使用最大失效率λmax作为断路器的可靠性指标。该指标指的是对操作失败的等级进行规定，共有四个等级，分别为四级、亚四级、三级和亚三级，具体见表1。

表1 塑壳断路器操作失效率及最大失效率λmax

继电器采用失效率作为操作可靠性的可靠性特征量时，依据其最大失效率（最小成功率）的数值，划分为三级、四级、亚五级、五级、六级、七级共六个等级。等级的名称和最大失效率见表2。

2.2 可靠性试验抽样方案

采用定数截尾试验作为电器的可靠性验证试验。抽样方案选择失效率验证抽样方案，对其操作性能的可靠性进行试验。图1为失效率的抽样特性，符合可靠性抽样理论，可将失效率λ和失效率概率L(λ)之间的关系明确表现出来。

表2 继电器操作失效率等级及最大失效率λmax

图1 失效率抽样方案的ROC曲线

图1 是合格失效率水平或是可靠性水平。当产品的真实失效率λ≤λ0时，则判定该批试品为合格；λ=λ0时，产品被误判为不合格而拒收的概率为α，α为生产者风险率，一般取为0.05或0.1。λ1为批失效率容限，当λ＞λ1时，则认为这批产品不合格；λ=λ1时，则认为产品被误判为合格而接收的概率为β，β为使用者风险，一般取为0.1。

L(λ)可用二项概率式（3）计算，即：

失效率抽样检查方案是根据给定的α、β、λ0、λ1和Ac（合格判定数）的值来确定抽样数n。

当nλt＜5及λt＜0.1时，有：

式（4）中，f(x,2Ac+2)是χ2分布的密度函数，且自由度为2Ac+2。根据χ2分布的特点，2λ1T等于χ2分布的1-β的下侧分位点，可得出：

式（5）中λ1用最大失效率等级λmax代替，令β=0.1，通过上式算出的T，即试验截尾次数Tc。设定不同的Ac，可得出相应的Tc。

2.3 可靠性试验失效判据

操作可靠性试验中的试品出现以下任意一种情况，则此试品失效。

（1）出现零部件的破坏性损坏或松动，或连接导线松动；

（2）在对断路器进行闭合操作时未能准确闭合，在进行分断操作时未能准确分断；

（3）出现触头粘结问题；

（4）分断触头回路压降低于触头回路开路电压的90%；

（5）闭合触头回路电压降超过触头回路开路电压的10%。

3 低压电器试验技术要求

3.1 试验设备的功能要求

通过分析电器性质如判断继电器的性能，考虑寿命试验的结果，应在实验设备上进行相应的调整。试验设备首先应该具备一定的监测要求，尤其是监测试验电流和接触压降。此外，当试验样品出现故障时，试验设备要对故障情况和类型进行判断，通过故障发生的形式来记录故障时间和故障类型，具有同时进行多台样品试验和监测的能力[2]。

3.2 试验设备结构设计

试验设备在结构设计上应该满足实际的电器使用要求，结构如图2所示。试验设备的结构电路共包含以下几个部分。首先，以打印机、PC机主机和键盘构成的操作系统。操作系统的作用在于记录试验过程和试验参数，然后计算和分析结果。其次，线圈驱动电路。它是基于计算机的线圈控制信号进行设置的。其次，负载电源，主要负责样品的带电负载，测量在不同电压和电阻下的负载能力。最后，通过数/模转换电路换算电压量，然后将触头电压量和换算值进行对比，利用计算机判断电器的运行状态是否出现了故障以及是否需要进行检修工作[3]。

图2 试验设备的结构

4 低压电器可靠性试验和型式试验的发展趋势

虽然从试验模式上看，我国现阶段已经取得了一定成果，但对于低压电器的可靠性研究工作，我国起步相对较晚，对于一些新产品的开发还缺乏重视。而电工行业的部分企业对于可靠性的认识程度还有所欠缺，因而未来应该做好可靠性研究工作。首先，要制定低压电器的可靠性指标，这是对产品性能进行判断核查的主要方式，同时是提升产品质量的关键因素。对于一些普遍使用的低压电器，如低压成套开关设备，需要针对性地展开可靠性试验和型式试验。试验项目包括功能单元、介电强度、保护电路连续性试验、母线短路强度和防护等级等多个方面，然后通过参数分析为电力系统的安全运转提供技术支持。此类可靠性试验希望低压电器能够保持相对较长的使用周期，从而提升产品质量。需要注意，相关企业也应该加强可靠性的管理工作，要在企业内部设定专门的管理部门，收集生产环节中因质量问题淘汰的产品信息，再将信息反馈给生产部门和管理部门，以便采取有效的应对方案。