塑殼斷路器可靠性理論與驗證試驗方法

陸儉國 李 奎 杜太行 季慧玉

（1.河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130 2.上海電器科學研究所（集團）有限公司 上海 200063）

1 引言

低壓電器通常是指在低壓配電系統與控制系統中起開關、控制、保護、檢測、顯示和報警等作用的電氣設備。控制類低壓電器的可靠性研究相對成熟[1]，其可靠性理論及試驗方法得到人們的廣泛認同。從20 世紀90年代開始，研究者們開始對保護類電器進行研究，由于保護類電器的工作特點與控制類電器不同，人們提出了各種可靠性指標體系和可靠性考核方法。到本世紀初，對于剩余電流動作保護器、過載繼電器、小型斷路器等保護類電器的可靠性理論研究基本成熟，考核指標體系也基本確立[2-6]。同時，塑殼斷路器的可靠性試驗裝置及試驗方法的研究也在進行中[7-10]。塑殼斷路器是低壓電器中的重要設備，用于低壓配電回路、電動機或其它用電設備中，負責接通、承載以及分斷正常條件或非正常條件（如短路）下的電流。隨著對塑殼斷路器需求數量的增長，對其性能、質量提出新要求，其可靠性對用電設備和電網運行的影響也越來越大。

塑殼斷路器主要功能為：分斷正常線路或用電設備、實現線路或用電設備過載保護、對短路故障實現瞬動保護。塑殼斷路器的這三個主要功能的影響因素不完全相同，用一個指標考核不能反映塑殼斷路器的可靠性。塑殼斷路器分斷正常線路或用電設備，很多情況下其負荷較低，和無載的機械操作相似，其可靠性可以用操作失效率指標進行考核。塑殼斷路器在線路或用電設備過載情況下動作，主要是受塑殼斷路器過載電流感測元件和執行機構的影響，其可靠性可以用過載保護成功率指標進行考核。塑殼斷路器對短路故障進行保護，其影響部分是短路電流感測元件和執行機構，其可靠性可以用瞬動保護成功率指標進行考核。塑殼斷路器用于強電回路的開閉，可以通過產品的電壽命試驗等保證強電下的可靠性，這樣即可以降低可靠性試驗費用，又考核了塑殼斷路器主要功能的可靠性。

本文在對塑殼斷路器可靠性理論分析的基礎上，提出了塑殼斷路器的可靠性驗證試驗方案，并根據塑殼斷路器的工作特點，提出塑殼斷路器的可靠性試驗方法和試驗程序，為塑殼斷路器可靠性考核的實施奠定基礎。

2 塑殼斷路器的可靠性抽樣理論與驗證試驗方案

2.1 塑殼斷路器的操作可靠性抽樣理論

塑殼斷路器可靠性體系中，包含兩個不同指標，即：失效率和成功率。如何檢驗塑殼斷路器的機械操作失效率是否滿足要求，需要通過抽樣檢驗實現。抽樣方案的OC 曲線表示接受概率與產品失效率間的關系，如圖1 所示。

由圖1 可知

式中λ0—合格失效率水平；

λ1—批失效率容限；

α—生產者風險率；

β—使用者風險率。

圖1 失效率抽樣方案的OC 曲線Fig.1 OC curve of the sample plan of failure rate

由參數λ0、λ1、α和β確定的抽樣方案為四參數抽樣方案，只由λ1和β確定的抽樣方案為雙參數抽樣方案。在失效率服從指數分布的條件下，失效率的四參數抽樣方案可由式（2）確定

式中T—試驗截尾次數；

Ac—合格判定數。

失效率的驗證試驗方案可以采用四參數（λ0、λ1、α、β）確定，由此確定的方案既保證了生產者風險，也保證了使用者風險。

從使用者角度考慮，希望控制使用者的風險，在失效率等級確定時，是要保證產品的最大失效率不大于一定的值。同時，生產者也希望在失效率等級確定時有多種方案可以選擇，生產者根據自己產品的可靠性，可以綜合考慮試驗費用、試驗時間及被拒收可能性。因此，在理論上也可以采用兩參數（λmax、β）確定失效率的驗證試驗方案，λmax是最大失效率，在圖1 中對應著λ1。由λmax、β確定失效率的驗證試驗方案是以保證試品真實失效率低于最大失效率為前提的。失效率等級驗證試驗方案可以由式（3）確定

式（3）中有兩個未知數，因此有無數種抽樣方案，一般是先假定Ac值后，再確定試驗截尾時間T。

2.2 塑殼斷路器的保護可靠性抽樣理論

塑殼斷路器的保護功能有過載保護和瞬動保護，采用成功率進行考核，其理論基礎是成功率的抽樣理論。成功率接收概率L(R)與成功率R間的關系如圖2 所示。

由圖2 可知

式中R0—可接受的成功率；

R1—不可接受的成功率。

圖2 成功率抽樣方案的OC 曲線Fig.2 OC curve of the sample plan of success rate

由參數R0、R1、α和β確定的抽樣方案為四參數抽樣方案，只由R1和β確定的抽樣方案為雙參數抽樣方案。四參數抽樣方案可由式（5）確定

和失效率的驗證試驗方案類似，在理論上成功率的驗證試驗方案可以采用四參數（R0、R1、α、β）確定，也可以采用兩參數（Rmin、β）確定。Rmin是最小成功率，對應圖2 中的R1。從保護使用者利益及有多種方案供生產者選擇，在成功率等級確定時，采用兩參數Rmin、β確定成功率的驗證試驗方案，其方案是以保證試品真實成功率大于最小成功率為前提的，恰當的反映出成功率等級考核的目的。成功率等級驗證試驗方案可以由式（6）確定

式中 1-β—置信度，一般取0.9；

Rmin—成功率等級中的最小成功率；

Ac—合格判定數；

n—總試品數或總試驗次數。

2.3 塑殼斷路器可靠性驗證試驗抽樣方案

可靠性高低用可靠性等級表示，每個等級對應著一個可靠性指標，即失效率數值或成功率數值。為了便于記憶，在失效率等級命名時，一般將等級數值與失效率數值中的十的負指數相對應，如操作失效率等級為四級，對應10-4；操作失效率等級為三級，對應10-3；無“亞”其系數為1，有“亞”其系數為3。在成功率等級劃分時，由于瞬動保護故障比過載保護故障的危害嚴重，因此在相同等級下，瞬動保護成功率的數值比過載保護成功率的數值大。同時為區分瞬動保護成功率和過載保護成功率，瞬動保護成功率的名稱為一級、二級、三級、四級、五級，而過載保護成功率的名稱為A 級、B級、C 級、D 級、E 級。根據失效率和成功率的可靠性理論，即給出合格判定數Ac，根據式（3）可以確定失效率的抽樣方案，根據式（6）可以確定成功率的抽樣方案。由此確定的失效率驗證試驗抽樣方案見表1，瞬動保護成功率驗證試驗抽樣方案見表2，過載保護成功率驗證試驗抽樣方案見表3。

不同的Ac對應著不同的可靠性驗證試驗抽樣方案，在產品可靠性一定情況下，抽樣方案不同，產品被接受的概率不同[1]。Ac值越大接受概率越高，生產者風險也越低。一般不推薦Ac=0，其生產者風險太高。而Ac也不宜太大，如果Ac太大，試品數量和試驗時間、費用相應增加很多，因此，推薦在1～5的范圍內選擇Ac。

表1 操作失效率驗證試驗抽樣方案（β=0.1）Tab.1 Sample compliance test plan of operation failure rate(β=0.1)

表2 瞬動保護成功率驗證試驗抽樣方案（β=0.1）Tab.2 Sample compliance test plan of instantaneous protection success rate（β=0.1）

表3 過載保護成功率驗證試驗抽樣方案（β=0.1）Tab.3 Sample compliance test plan of overload protection success rate（β=0.1）

3 塑殼斷路器可靠性試驗方法

3.1 塑殼斷路器的可靠性試驗條件

溫度對塑殼斷路器的操作可靠性與瞬動保護可靠性影響較小，因此可以在室溫下進行這兩個試驗。過載保護可靠性受溫度影響較大，因此要采用標準的溫度條件，即：周圍空氣基準溫度為：30℃±2℃。

在操作可靠性試驗中，塑殼斷路器的機構受到操作循環應力的影響，因此進行操作可靠性試驗時，每小時的操作循環次數規定為120 次，在每個操作循環期間，斷路器應保持閉合足夠的時間，但不超過2s。

進行斷路器的瞬動保護可靠性試驗時，應在其短路整定電流的80%和120%下進行驗證。試驗電流應對稱。電網電壓波動、試品內阻大小不一致、試驗回路電阻的變化及合閘相角不同都影響試驗的準確性。特別是合閘相角對試驗結果產生的影響最大。當隨機地施加交流電壓時，由于非周期過渡過程的存在，使試驗電流具有非周期分量，每次試驗時的試驗電流都有差別。為了解決這個問題，需要采用選相合閘技術對試驗電源進行控制，消除試驗電流的非周期分量，提高試驗的準確性。

過載保護可靠性試驗是在基準溫度下，電流整定值的1.05 倍時，即在約定不脫扣電流時，斷開脫 扣器的各相極同時通電，斷路器從冷態開始，即斷路器在基準溫度下，在小于約定時間（約定時間：In＞63A 時為2h，In≤63A 時為1h）的時間內不應發生脫扣。此外，在約定時間結束后，立即使電流上升至電流整定值的1.30 倍，即達到約定脫扣電流，斷路器應在小于規定的約定時間內脫扣。

3.2 塑殼斷路器可靠性試驗的失效判據

3.2.1 操作可靠性試驗的失效判據

操作可靠性試驗過程中，當某試品出現下列任意一種情況時，即認為該試品發生失效。

（1）觸頭接通時其兩引出端間的電壓降超過觸頭回路開路電壓10%。

（2）觸頭分斷時觸頭間的電壓低于觸頭回路開路電壓的90%。

（3）試品零部件有破壞性損壞、連接導線及零部件松動。

3.2.2 瞬動保護可靠性試驗的失效判據

在瞬動保護可靠性試驗中，當某試品出現以下任意一種情況時，即認為該試品發生失效。

（1）斷路器的兩極串聯后通以其短路整定電流的120%的交流電流時，斷路器的分斷時間大于或等于0.2s。此時認為該試品發生拒動故障。

（2）斷路器的兩極串聯后通以其短路整定電流的80%的交流電流時，斷路器分斷時間小于0.2s。此時認為該試品發生誤動故障。

（3）每一相極單獨通以脫扣電流（按制造廠提出的數據）時，脫扣器在0.2s 內不動作，此時認為該試品發生拒動故障。

3.2.3 過載保護可靠性試驗的失效判據

在過載保護可靠性試驗中，當某試品出現以下任意一種情況時，即認為該試品發生失效。

（1）斷路器各極同時通以約定不脫扣電流時,斷路器在約定時間（大于63A 時為2h，小于等于63A 時為1h）內動作，認為該試品發生誤動故障。

（2）斷路器各極同時通以約定脫扣電流時,斷路器未在約定時間（大于63A 時為2h，小于等于63A 時為1h）內動作，認為該試品發生拒動故障。

3.3 塑殼斷路器可靠性試驗時試品的檢測

在操作可靠性試驗中，應對試品的所有觸頭在試品每次操作循環的“閉合”期中間的40%時間內與“斷開”期中間的40%時間內，監測觸頭接通時其兩引出端的電壓降及觸頭分斷時觸頭間的電壓。觸頭回路的電源可采用直流24V 電源，相應的觸頭回路的電流可為1A；觸頭回路的負載可采用阻性負載。

在瞬動保護可靠性試驗中，當試驗電流等于短路整定電流的80%時，脫扣器不動作，電流持續時間為0.2s。當試驗電流等于短路整定電流的120%時，脫扣器應在0.2s 內動作。多極短路脫扣器的動作應對任意二極串聯通以試驗電流進行驗證，但要對每個具有短路脫扣器的極作各種可能的組合進行驗證。短路脫扣器的動作還應對每一相極單獨驗證，脫扣電流按制造廠提出的數值，脫扣器在此值時應在0.2s 內動作。因此，每臺試品瞬動保護可靠性試驗共進行Zn次，其中A、B 極串聯，B、C 極串聯，C、A 極串聯，各進行nZ/6 次，A 極、B 極及C 極每一相極各進行nZ/6 次。瞬動保護可靠性試驗應在操作可靠性試驗前后各進行50%nf次。

在過載保護可靠性試驗中，對于與周圍空氣溫度有關的脫扣器，其動作特性應在基準溫度下進行驗證，脫扣器所有相極都通電。如果試驗是在不同的周圍空氣溫度下進行的，則應按制造廠的溫度/電流數據進行校正。對于制造廠聲明與周圍空氣溫度無關的脫扣器，每臺試品在30℃±2℃下進行nZ/2次試驗，在20℃±2℃或在40℃±2℃下進行nZ/2次試驗。過載保護可靠性試驗應在操作可靠性試驗前后各進行50%nf次。

4 塑殼斷路器的可靠性驗證試驗程序

塑殼斷路器的可靠性驗證試驗程序如下：

（1）選定操作失效率等級、瞬動保護成功率等級及過載保護成功率等級。塑殼斷路器的三個可靠性指標之間是相互獨立，可單獨選擇，或根據使用者要求選擇。如：可以選定操作失效率等級為三級、瞬動保護成功率等級為四級、過載保護成功率等級為E 級。

（2）選定合格判定數Ac和截尾失效數rc（rc=Ac+1），在1～5的范圍內選擇Ac。如可以選定允許失效數Ac為1（截尾失效數rc=Ac+1=2）。

（3）根據選定的可靠性等級和Ac，由表1、表2 和表3 查出可靠性驗證試驗方案。在前面選定的可靠性等級和Ac情況下，由表1 得到操作失效率試驗時的試驗截尾時間Tc=3.89×104次，瞬動保護成功率試驗時的試驗截止次數nf=129 次，過載保護成功率試驗時的試驗截止次數nf=38 次。

（4）選定試品的試驗截止時間，在操作失效率驗證試驗中，試驗截止時間tZ應不超過產品標準中規定的機械壽命次數；在瞬動保護成功率驗證試驗中，試驗截止次數nZ一般選30 次；在過載保護成功率驗證試驗中，試驗截止次數nZ一般選5 次～20次。選定操作失效率試驗時的試驗截止時間為tZ=4000 次（塑殼斷路器的機械壽命為4000 次）；選定瞬動保護成功率驗證試驗時的試驗截止時間為nZ=30 次；選定過載保護成功率試驗時的試驗截止次數為nZ=20 次。

（5）根據可靠性驗證試驗方案，確定試品數，并從批量生產的合格產品中隨機抽取n個試品。其中，瞬動保護可靠性和過載保護可靠性試驗中的試驗樣品在操作可靠性試驗中的樣品中進行抽取，當試驗樣品大于操作可靠性試驗中的試驗樣品數時，超出部分應從批量生產并經過出廠檢驗合格的產品中隨機抽取。在前面確定的可靠性驗證試驗方案，操作失效率驗證試驗的試品數為11 臺，從批量生產的塑殼斷路器中抽取11 臺進行操作可靠性試驗；瞬動保護成功率驗證試驗的試品數為6 臺，從操作可靠性試驗的試品中抽取6 臺進行瞬動保護可靠性試驗；過載保護成功率驗證試驗的試品數為3 臺，從操作可靠性試驗的試品中抽取3 臺進行過載保護可靠性試驗。

（6）進行可靠性驗證試驗，統計相關失效數r及各失效試品的相關試驗時間（失效發生時間），對試驗后檢測出的相關失效試品，其相關試驗時間按試驗結束時的時間計算。

（7）統計累積相關試驗時間或試驗次數，當相關失效數r未達到截尾失效數rc（即r≤Ac）,而累積相關試驗時間（或累積試驗次數）達到或超過了截尾時間（或超過了截尾次數），則判為試驗合格（接收）；當累積相關試驗時間（或累積試驗次數）未達到截尾時間（或超過了截尾次數），而相關失效數r達到或超過了截尾失效數rc（即r＞Ac）,則判為試驗不合格（拒收）。

5 結論

本文對塑殼斷路器的可靠性理論及可靠性驗證試驗方法進行了研究，為塑殼斷路器可靠性考核的實施奠定了基礎。主要結論如下：

（1）根據塑殼斷路器的工作特點，提出采用操作失效率、過載保護成功率、瞬動保護成功率作為其可靠性的考核指標。

（2）根據可靠性抽樣理論，提出了失效率、成功率的兩參數驗證試驗方案作為塑殼斷路器的可靠性驗證試驗方案。

（3）分析了塑殼斷路器操作可靠性試驗、瞬動保護可靠性試驗和過載保護可靠性試驗。

（4）分析了塑殼斷路器可靠性試驗時試品的檢測內容，特別是詳細規定了試驗中試品的檢測方法和試驗內容。

（5）提出塑殼斷路器可靠性驗證試驗程序，并結合實例，確定了可靠性驗證試驗方案、試品數等。

本論文提出的可靠性驗證試驗適用于250A 以下的塑殼斷路器，對于大容量的塑殼斷路器、框架式斷路器和中高壓斷路器的可靠性問題，由于其產量小、價格高、試驗費用高，還需要進一步研究其可靠性考核問題，包括抽樣方法和試驗方法等。

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