塑殼斷路器可靠性理論與驗證試驗方法

摘 要：我國電氣化和自動化發展迅速，因為具有比較好的過載和短路保護功能，塑殼斷路器得到了廣泛應用。塑殼斷路器是保護類電器中最基礎的一種電器，電氣設備和電網的運行是否良好取決于塑殼斷路器的可靠性，否則容易發生問題，導致供電不正常，甚至會對電路或用電設備的產生破壞，造成經濟損失。文章通過簡單分析塑殼斷路器的故障模式，從而總結出塑殼斷路器可靠性的三個指標，分別為操作失效率，瞬動保護成功率和過載保護成功率。通過實驗對這些指標進行測試分析，對塑殼斷路器在日常生產中的應用提供理論基礎。

關鍵詞：塑殼斷路器；可靠性驗證試驗；驗證試驗程序

前言

目前關于控制類低壓電器的可靠性理論比較成熟，其測試方法也得到了人們的認可，而對保護類低壓電器可靠性研究時間短，研究不多，人們提出了各種測試可靠性的方法，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。國內通過借鑒外國成功經驗，加上自主研究，在塑殼斷路器可靠性研究取得了不少成果。但是縱觀國內生產，發現目前生產塑殼斷路器的企業技術含量不高，可靠性低，在實際使用中容易出現問題，造成不利影響，我國與發達國家的產品質量有一定的差距。所以需要通過試驗來驗證塑殼斷路器的可靠性，從理論到實際應用于生產，為我國塑殼斷路器的發展做出重要貢獻，促進了整個行業的發展。

塑殼斷路器具有三個主要功能：短路瞬動保護，過載保護，短路短延時。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確保可靠性，這樣不僅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[1]。

1 塑殼斷路器的可靠性抽樣理論與驗證試驗方案

1.1 塑殼斷路器的操作可靠性抽樣理論

塑殼斷路器可靠性研究主要是從失效率和成功率來體現的。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。抽樣試驗的OC曲線體現了接受概率與產品失效率之間的關系，如下圖所示：

失效率的試驗方案由四參數λ0λ1αβ組成，λ1β確定的抽樣方案為雙參數抽樣方案。由此確定的方案既控制了生產者風險，也控制了使用者風險。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確定失效率的驗證試驗方案， 是最大失效率，在圖中對應著λ1。由λmaxβ確定失效率的驗證試驗方案的前提是以保證試品真實失效率<最大失效率。因2λmaxT=X12-β（2Ac+2）公式中有兩個未知數，所以失效率等級驗證試驗方案可以有無數種抽樣方案，一般是先假定Ac值后，再確定試驗截尾時間T。

1.2 塑殼斷路器可靠性驗證試驗抽樣方案

為了體現可靠性的程度通常用可靠性等級來表示，每一個等級對應一定的參考數值。為了方便人們的記憶，在對失效率等級劃分時，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，無“亞”其系數為1，有“亞”其系數為3，如操作失效率為亞四級，對應3x10-4。而成功率等級劃分時，因瞬動保護造成的影響比過載保護故障造成的影響更大，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。為了區分兩者等級名稱，過載保護成功率等級從A級-E級，而瞬動保護成功率等級從1級-5級。根據可靠性抽樣理論，確定出Ac數值，根據2λmaxT=X21-β（2Ac+2）可以確定失效率的抽樣方法，在確定成功率的抽樣方法。不同的Ac表示不同的抽樣方法，在產品可靠性穩定的條件下，抽樣方法不同，產品被接受的幾率也不同。如果Ac越大，接受幾率越大，生產者的風險相對應地會小。Ac數值的大小，關系到試驗的時間和成本，所以，試驗一般在1-5中選擇。

2 塑殼斷路器可靠性試驗方法

2.1 試驗條件

2.1.1 溫度條件

塑殼斷路器操作可靠性試驗和瞬動保護性試驗對溫度幾乎沒有要求，可以在平常的室溫下進行操作，但過載保護可靠性對溫度有要求，需要在30正負2攝氏度環境中進行操作。

2.1.2 環境條件

所有的試驗需要保持環境整潔干凈，避免試驗樣品受到污染，另樣品最好靜置一段時間，保證了樣品的熱平衡。

2.1.3 安裝條件

根據樣品說明書進行安裝，保證了試驗都符合標準，需要注意的是樣品垂直面與水平面的傾斜度要小于22.5度。

2.1.4 電流條件

交流電源為220V或380V，頻率為50Hz，波形畸變因數小于5%，頻率偏差小于±5%。另電流需要對稱，電壓波動需<5%，避免因觸壓降或斷開壓降影響試驗的準確性。

2.1.5 負載條件

試驗中負載采用線性負載中的阻性負載，負載電源選用直流電流。額定電壓Ue選用DC24V，觸頭回路負載電流的數值選用1A。

2.1.6 操作可靠性激勵條件

考慮循環應力對試驗會對產生影響，在操作可靠性試驗中，循環頻率為120次/小時，每一個循環期間，需要確保有足夠的閉合時間，但不能大于兩秒，讓試品有全電流通過。

2.1.7 瞬動保護可靠性激勵條件。

在短路整定80%和120%兩種電流條件下進行試驗，因電壓的不穩定性，試品、電流自帶內阻的不同，合閘相角等都會對試驗產生影響[2]。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。為了控制合閘相角所產生的問題，需要對電流進行控制，消除非周期分類，提高試驗的準確性。

2.1.8 過載保護可靠性激勵條件

塑殼斷路器脫扣器的各相極同時通電，試品在電流整定值1.05倍和1.3倍兩種不同情況下操作，當1.05倍時，斷路器從冷態開始，在小于約定時間內不應發生脫扣現象，當1.3倍時應發生脫扣現象。

2.2 操作可靠性試驗

（1）閉合觸頭的接觸壓降UJ超過下列限值UJX，負載電流為額定電流時，接觸壓降的極限值UJX為觸頭電路額定電壓Ue的5%或者10%，負載電流為100mA時，接觸壓降的極限值UJX為0.5V。（2）斷開觸頭間電壓Uc低于極限值Ucx。（3）斷路器閉合時不動作，分開時不返回。（4）零部件損壞。

2.3 瞬動保護可靠性試驗

斷路器通過的電流I等于斷路器額定電流Ie的10倍時，斷路器的分段時間≥100ms，5倍時，分段時間<100ms。

2.4 塑殼斷路器可靠性試驗時試品的檢測

對試品的檢測分為試驗前中后進行，試驗前需要檢測試品，去除損壞試品，保證都是合格品。試驗中，針對操作可靠性試驗，觀察試品每次循環的接通期的40%時間內，閉合觸頭的接觸壓降和斷開期的40%時間內，斷開觸頭之間的電壓[3]。針對瞬動保護可靠性試驗，需要從冷態開始，對C型斷路器所有極通10Ie電流，觀察試品是否在100ms內動作，和在5Ie電流下，觀察試品的分段時間是否大于100ms。

2.5 影響可靠性因素分析

斷路器的觸頭是塑殼斷路器的重要組成部分，觸頭有導電和分段電路的作用，一般由銅基、銀合金觸點、銅編織線等組成，如果觸頭的材質質量低，遇到高溫時，會影響斷路器的分段功能，另其他輔助配套零件如彈簧，軸，緊固件，支架等質量或安裝方法也都影響著斷路器的可靠性。斷路器的脫扣部分和觸頭類似，材質，安裝方法等也直接影響斷路器過載保護的可靠性，脫扣系統出廠時需要經過調試和檢驗[4]。斷路器的外殼處于最外部，保護著里面零部件，另材質為塑料，具有一定的絕緣作用，所以也要重視外殼的質量。另斷路器品牌的選擇，安裝方法，使用方式及后續的維護等工作也一樣重要。通過分析，有許多因素對塑殼斷路器可靠性產生影響，在實際生產中，需要結合實際，針對這些注意點，加強檢查，提高產品質量，才能保證后續使用的安全性。

3 結束語

塑殼斷路器可靠性研究具有重要意義，目前市場上產品質量參差不齊，可靠性比較低，在配電系統中容易發生問題造成損失。為改善這一情況，文章通過對塑殼斷路器進行簡單研究，從塑殼斷路器的可靠性來看，最好是延長偶然失效期，在失效率升高前替換掉容易發生故障的零部件，從而延長產品的使用壽命。文章通過對塑殼斷路器可靠性指標進行總結，然后對失效率、成功率進行試驗研究，對試驗結果分析總結，并簡單探討了影響可靠性因素的原因，希望能為塑殼斷路器可靠性考核的實施做出理論基礎，從而提高技術水平，不斷創新，為開發新型斷路器做好充分準備。

參考文獻

[1]陸儉國.電器可靠性理論及其應用[M].北京：機械工業出版社，2010：89.

[2]李奎，陸儉國，瞿建喜.剩余電流動作保護器的可靠性驗證試驗技術的研究[J].電工技術學報，2003，18（4）：114-117.

[3]駱燕燕，陸儉國，李志剛.小型斷路器可靠性篩選方法的研究[J].電工技術學報，2003，18（2）：36-40.

[4]朱云祥，劉炳彰，黃奇蜂，等.低壓斷路器可靠性驗證試驗裝置[J].低壓電器，2000（2）：45-48.