真空断路器可靠性的评价及管理对策

郭东艺

厦门ABB开关有限公司，福建 厦门 361009

0 引言

随着经济的发展和社会的进步，真空断路器作为供配电设备的核心设备之一，其可靠性对供电稳定性起着至关重要的作用，成为用户十分关注的问题。同时，真空断路器的可靠性管理也逐步成为相关产品设计、生产和管理的指南。因此，真空断路器的可靠性是今后产品竞争的焦点[1]，也是衡量使用者对产品的满意度或对企业的信赖度的重要指标。

1 产品可靠性的定义

《电力可靠性基本名词术语》（DL/T 861—2020）[2]对“产品可靠性”的解释如下：产品在规定的条件下、规定的时间内，完成规定的功能的能力。其中，“规定的条件”包括操作、维修护理、环境条件；“规定的时间”是指定的产品运行时间，是决定产品可靠性的关键；“规定的功能”是产品手册中给出的产品能够正常运行的特性标准[3]。

从广义上看，可靠性是在产品规定的条件及寿命周期内，完成规定功能的可能性。简而言之，就是以概率来表示产品或者设备具有的持续工作的能力。从狭义上看，可靠性是指产品在规定的时间跨度内、在相应的条件下，持续完成所要求的功能的概率。概率、性能、时间和条件这四个要素是产品可靠性的衡量标准。

2 真空断路器可靠性的基本要求

真空断路器是配电系统的核心部件之一，其可靠性与电网的安全性密切相关。真空断路器在运行时，如果其下游侧发生故障，真空断路器会执行故障切除指令，防止事故的发生或扩大。如果真空断路器存在可靠性缺陷，会无法及时作出反应，这势必会危及配电系统安全，从而造成经济损失，设备缺陷造成的事故还有可能危及操作者的人身安全。因此，需要将所使用的真空断路器的可靠性缺陷的发生概率降至最低。

人们结合不同的使用场合，对真空断路器提出了各种可靠性指标。在实际使用时，用户对于真空断路器可靠性的理解与真实情况存在一定的差异，甚至期望产品有更加丰富的功能。例如，当用户进行非正规操作甚至错误操作时，产品需要有一定的预防能力，能够适用于更多的使用场景或环境等。基于此，真空断路器的可靠性有以下几点基本要求。

（1）真空断路器在运行期间应该保持稳定。真空断路器的运行稳定是指当使用条件的实质没有发生变化时，真空断路器的基本功能、性能等也应该趋于稳定。就算使用条件发生一定的变化，真空断路器参数的变化也应该在技术范围内。

（2）可以适应周围环境。真空断路器与其他产品有一定的差异，其需要具备一定的耐环境变化的能力。真空断路器在运行时会遇到正常使用条件以及特殊使用条件，这对真空断路器提出了较高的要求。真空断路器在实际使用时，往往会面对多种复杂的环境，如地铁、隧道等的施工场合，其施工周期长，施工环境较恶劣，湿度、尘埃等也会对真空断路器的性能产生一定的影响。高可靠性的真空断路器应该能够经受环境的考验，并确保能够正常工作。

（3）可以承受非正规操作。真空断路器的使用中可能会出现非正规操作，这主要是因为操作者在操作时疏忽某一环节或者产生失误。在操作者出现错误操作时，可靠性高的真空断路器可以纠正错误操作，保持正常运转，防止人员操作失误引起重大事故，给设备和人身安全带来隐患。

（4）使用寿命的要求。真空断路器的使用寿命主要受到机械、电气的操作次数以及使用年限两个因素的影响。例如，应用在炼钢电弧炉的真空断路器，在高峰期间每天的操作高达百次，经过数月的使用就会达到其设计的机械或电气寿命，如果使用期间发生拒动，将造成整包钢水报废而造成重大损失。因此，真空断路器在操作期间的可靠性需要得到保障。此外，在配电系统中，真空断路器的操作并不频繁，在其使用期间，真空断路器的各项机械和电气参数应该保持稳定，不应超出相关技术条件的规定范围。

3 真空断路器可靠性的评价

3.1 真空断路器可靠性的评价指标

3.1.1 平均故障间隔时间

平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure,MTBF）是指真空断路器寿命单位总数与故障总数之比；真空断路器的故障率（λ=1/MTBF）是指真空断路器服役期间发生故障的概率[4]。假如一组100 000台产品样本的MTBF计算结果为200年，那么这些断路器每年发生故障的概率为1/200，即0.5%，也就是每年发生故障的真空断路器大概有500台。

3.1.2 平均故障间隔操作次数

真空断路器的平均故障间隔操作次数（Mean Operations Between Failure, MOBF）可以借鉴汽车的可靠性评价指标平均故障里程（MMBF）的设置方式完成设置[5]。真空断路器是一个动态部件，其MOBF是指在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的可靠性，可以用于衡量真空断路器完成预期操作寿命的可靠性。

3.2 真空断路器可靠性的评价方式

利用Weibull分布建立可靠性分布模型，运用Minitab进行假设分布检验，可以得到置信度，即真空断路器的可靠性R(t)。以M1级或M2级的真空断路器为例，其完成规定的2 000次或10 000次操作次数的生存概率可以衡量其可靠性[6]。

4 真空断路器可靠性的管理对策

可靠性是衡量真空断路器质量的重要因素，使用可靠性管理技术可以有效提升真空断路器的质量。真空断路器的可靠性管理应该贯穿真空断路器的整个产品寿命周期，主要包括零部件的质量管理、生产过程的可靠性管理、产品售后管理等。其目的是在产品寿命周期的各个阶段预测和预防所有可能发生的故障和隐患，降低产品全寿命周期的故障率和费用。下面根据真空断路器的特点，结合管理应用实例，介绍用于提高真空断路器可靠性的管理对策。

4.1 零部件的质量管理

零部件作为真空断路器生产的基础，其质量直接影响真空断路器的最终质量及可靠性。选择质量优良的零部件是真空断路器可靠性管理的基础。

（1）加强关键工序的控制。真空断路器中很多机械零部件的加工工艺十分复杂，如焊接、热处理、喷漆等，并且其加工质量无法在后续的检验或实验中验证。一旦发生重大的质量事故（如批次质量事件）或产品可靠性问题，会影响真空断路器的质量。为此，需要加强对机械零部件的加工工艺关键工序的控制。

（2）进行关键零部件的可靠性验证。关键零部件的可靠性验证包括零部件的动作寿命测试、零部件的耐久环境测试、金属键的应力测试等。相关人员应该根据产品的特点和零部件的生产工序，制订相应的检验控制计划。

（3）应用统计过程控制技术（SPC）。真空断路器产品质量的波动有偶然因素（不可避免的因素）引起的正常波动，也有特殊因素（可避免的因素）引起的异常波动。由于断路器生产厂家无法时刻监控零部件的生产和质量控制，在零部件供应质量管理中需要应用统计过程控制技术（SPC），其能够帮助发现质量波动，及时纠正生产加工过程中的问题，并预防系统性问题的发生。

4.2 制造过程的可靠性管理

（1）应用可靠性管理系统。优秀的管理离不开系统的支持，在大数据时代，完善的可靠性管理数据平台和系统能够及时、快速地分析真空断路器的质量管控情况。通过可靠性管理系统的实施可以提升可靠性管理工作的效果，使真空断路器的可靠性改进工作有组织、系统地开展。

（2）落实可追溯性管理制度。可追溯性管理是质量管理中不可或缺的环节，可以有效管理生产过程，对于不合格品不仅能责任到人，而且能够对质量的改善和问题的防范提供有效的帮助。可追溯性管理可以及时有效地找出问题零部件，防止质量问题的扩大化；对于已经交付的带缺陷的产品，可追溯性管理能够提供有效的可追溯材料，及时鉴定影响范围，减少损失；同时，可追溯性管理也是提升产品质量水平，降低生产成本，提高企业效益的有效手段。可追溯性管理制度的实施离不开系统的支持，需要加强相关系统的建设。

（3）进行可靠性验证试验。真空断路器的可靠性验证通常采用随机抽取方法抽取生产线的成品断路器作为样品，按照设计要求进行的产品寿命试验，从而在较短的时间内获得产品可靠性的评定数据，并暴露使用中可能出现的故障。可靠性验证可以发现真空断路器在设计、材料、工艺中的缺陷，验证真空断路器的可靠性是否符合相关规定。根据可靠性验证试验暴露的缺陷，通过失效分析、质量控制等措施，可以解决存在的问题，从而提高真空断路器的可靠性。

4.3 产品售后管理

在实际使用中，许多真空断路器发生故障的原因是在使用过程中操作者存在疏忽或失误，即遇到了非正规操作。真空断路器遇到非正常使用条件，如空气的温度、湿度、酸碱成分发生变化，空气中尘埃对产品表面造成影响以及由于海拔原因产生气象变化等，都会在一定程度上影响其可靠性。据统计，这些非正常使用带来的断路器故障或缺陷占交付缺陷的一半。因此，为了提高断路器的可靠性和交付质量，不仅要求断路器有一定的抗“非”能力，也要在使用过程中避免或减少这些“非正常”的产生。这就意味着必须有完善的产品售后管理体系，以确保断路器在现场的正确使用，其相关要点如下。

（1）加强数据收集和反馈。可靠性数据是分析断路器在寿命周期各阶段可靠性的主要依据，可靠性数据的来源很多，设备设计、制造、使用等环节都是数据的来源。可靠性数据除了用于预测断路器的可靠性，评价其性能，也为制造商提供断路器优化和改进的依据，足见其重要性。真空断路器的可靠性数据收集目前还停留在检验、制造、返修等数据的记录，而断路器使用过程中的数据非常有限，这主要是因为缺乏系统的管理和规划。因此，需要建立可靠性信息管理系统，如客户关系管理（CRM）平台，这有助于提升断路器的可靠性，并使企业受益于客户关系的维护和保留。

（2）加强维护保养。随着断路器技术的发展，断路器的维护量和维护成本大大减少。但是部分用户对真空断路器的维护存在认识误区，错误地认为断路器完全不需要维护。对此，需要提高相关人员的认识，并加强对真空断路器的维护保养。当前，真空断路器的主要维护工作是机构性能的维护，而确保操作机构的润滑是其重点。随着断路器的不断优化和升级，通过厂家的专业维护保养和预防性维修可以有效提升断路器可靠性并延长其使用寿命。

（3）使用云服务技术。随着我国智能电网建设的深入、电网中设备数量的增加、技术水平的提高及运行标准要求的日趋严格，进一步提高真空断路器的可靠性和运行效率，大幅降低设备运行成本，对于保障各级电网的安全、可靠、高效至关重要。其中，真空断路器的在线监测和状态检修是不可或缺的一环。云服务技术是提升真空断路器可靠性的新兴技术，云服务可为客户提供远程诊断、巡检计划、快速保障、维保诊断、技术支持、质保延长等服务。远程服务中心可以结合云服务技术的优势构建一套清晰、高效的客户沟通平台，其突出特点是产品专家团队可远程实时关注开关设备的运行状况，进而在事故发生前或发展成重大缺陷前对其进行及时有效的纠正。

5 结论

真空断路器的可靠性管理是一个持续改进的过程，应通过系统的分析和跟踪，对于异常或关键点立项展开相应工作，持续提升其可靠性；真空断路器的可靠性需要用数据说话，只有基于准确的数据收集和反馈，才能得到正确的改进措施，因此需要建立相应的数据收集、分析系统；设计和生产出可靠的真空断路器产品之后，需要应用正确的使用方法和维护措施确保其可靠性的延续。通过真空断路器的全寿命周期管理，可以提升真空断路器的运行可靠性，并为制造商今后的发展创造新机遇。