母線槽可靠性設計及平均故障間隔時間的計算

黃永生

摘 要：本文主要從母線槽可靠性設計的重要性和意義入手，介紹了可靠性的概念和必要性，平均壽命及平均故障間隔時間的概念，以及母線槽平均故障間隔時間的計算方法并舉例說明，為提高母線槽產品的安全性提供參考。

關鍵詞：可靠性；可靠性設計；平均故障間隔時間

母線槽是低壓配電系統中傳輸、分配電能的一種設備。母線槽產品在20世紀50年代由原蘇聯傳入我國。在很長一段時間內，我國僅有少數生產廠對母線槽進行小規模的生產應用。高層建筑中的供電主干線主要采用可靠性較好的普通電纜。電纜作為供電主干線比裸導線、裸排要安全可靠得多，但載流量受到限制，而且電纜敷設現場施工難度大。80年代中后期，城市發展迅速，高層、超高層建筑大批建造，建筑物的用電負荷急劇增加，電纜作為供電主干線的局限性越來越突出，特別是現場制作電纜分支接頭技術難度很大，急需一種容量大、分支方便的供電主干線取而代之。這時，大容量、易于分接的母線槽從國外引進來，并且在工程中迅速得到推廣應用。

隨著現代化工程設施和裝備的涌現，各行各業的用電量迅增，尤其是在眾多的高層建筑和大型廠房車間中，作為輸電導線的傳統電纜在大電流輸送系統中已不能滿足要求，為給用電設備傳輸電能，常采用多路電纜并聯使用，給現場安裝施工連接帶來了諸多不便。母線槽作為一種新型配電導線，與傳統的電纜相比，在大電流輸送時充分體現出它的優越性，由于新技術、新工藝在產品中的應用，大大降低了母線槽兩端部連接處及分線口插接處的接觸電阻和溫升，并在母線槽銅排包覆時使用了高質量的絕緣材料，從而提高了母線槽的安全可靠性，使整個系統更加完善。

一、母線槽可靠性設計的重要性及意義

密集型母線槽是電力主干線，一旦出現質量問題影響極大。他涉及到電能的損耗，電壓降對設備影響以及存在安全隱患等問題。母線槽運行是否可靠關鍵取決于產品的質量。可靠性設計已經成為產品質量保證、安全性保證、產品責任預防等不可缺少的依據和手段。由于母線槽產品通常在工廠分段生產后，在工地現場裝配，因此，母線槽的可靠性設計需從產品的生產和安裝兩個方面去考慮。

（一）母線槽的生產質量通常主要由以下幾個性能指標來決定

1.溫升：按標準銅鍍錫之間搭接不得超過最高允許溫升（70K），外殼溫升不得超過最高允許溫升（55K）。溫升是母線性能指標中最具代表性的，溫升高，加速了材料的老化，降低母線壽命；溫升低，可能是母線槽載流量的裕量值太大而不經濟。

（1）絕緣電阻：標準規定每一母線單元絕緣電阻不小于2 0MΩ。

（2）介電強度：母線槽及饋電箱應能耐受的工頻電壓，歷時lmin無擊穿和閃絡，空氣絕緣母線槽為2500V/lmin，密集型母線槽為3750V/lmin。

（3）短耐強度（即承載短路電流能力）母線槽應能耐受額定短時耐受電流產生的熱應力和額定峰值耐受電流所產生的電動耐受力。

（二）母線槽在安裝的過程中，應注意以下影響母線槽的安全運行的因素

1.安裝環境：母線槽不能在水管、汽管、動力管下方平行敷設， 必要時可交叉通過但不要超過兩點為好，同時母線槽在狹小的空間及配電柜內安裝時要考慮留有一定余量以利于母線槽的散熱。

2.水平安裝：在車間內敷設水平母線要留足行車工作狀態及鏟車的通過距離，水平敷設母線每隔1.5～2m加一個吊裝點。

3.垂直安裝：在平行多列敷設母線槽安裝中，每列垂直母線設一只落地彈性支架，墻面上側裝一只中間支架。

4.安裝誤差：由于高層建筑墻厚是變量，為保證垂直母線的直線性，垂直度，可以允許每層母線上端與墻面內傾2o～3o， 并禁止母線靠墻直接安裝。

5.絕緣檢測：母線槽安裝后，每條線路的絕緣電阻不得低于1MΩ。

母線槽具有安全可靠、配電效率高、散熱好、電壓降低、耐機械沖擊、運行成本低、安裝便捷、維護方便等特點，廣泛應用于數據中心機房等重要配電場所作為高效輸配電系統，也應用于大型商業廣場、樓盤、工業廠房、體育館和醫院等項目。母線槽的可靠性對于整個工程的配電系統至關重要，與我們日常生活息息相關。

二、可靠性的概念和必要性

（一）可靠性的概念

可靠性是一門學科，它涉及的范圍廣泛，是一門綜合了系統工程、管理工程、價值工程、人機工程、電子計算機技術、產品測試技術以及概率、統計、運籌、物理等多種學科成果的應用科學?？煽啃怨こ唐鹪从谲娛骂I域，經過半個多世紀的迅速發展，現在已成為涉及面非常廣的綜合性學科?？煽啃栽O計是近年來得到迅速發展和廣泛應用的一種現代設計方法。它把概率論和數理統計應用于工程設計，不僅解決了傳統設計不能處理的一些問題，而且能有效地提高產品設計水平和質量，降低產品的成本?？煽啃栽O計的觀念和方法已經成為產品質量保證、安全性保證、產品責任預防等不可缺少的依據和手段。關于可靠性，國標GB3187-82定義為：“產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力”。

（二）可靠性的必要性

早在50年代，國外就興起可靠性技術的研究，到60、70年代，隨著航空航天事業的發展，可靠性問題的研究取得了長足的進展，已發展成為一門新興的工程學科。隨著可靠性基礎工作的開展和可靠性數據的不斷積累，我國的可靠性設計必將得到更為廣泛的應用和發展。

三、平均壽命和平均故障間隔時間

在討論產品可靠性時，有時更關心它們的壽命。平均壽命是指一批產品從投入運行到發生失效（或故障）的平均工作時間，用T表示。平均壽命T又稱為無故障工作時間。對不可修復的產品而言，T是指從開始使用到發生失效的平均時間，用MTTF（Mean Time To Failure）表示；對可修復的產品而言，則是指產品相鄰兩次故障間工作時間的平均值，用MTBF（Mean Time Between Failure）表示，即平均故障間隔時間。近幾年，隨著科學技術的進步和互聯網技術的日益普及，通訊和數據傳輸進入了云計算時代，通訊行業對于母線槽運行提出了穩定和可靠性要求，在相關規范中進行了規定：產品平均故障間隔時間（MTBF）不小于100000小時。endprint

四、母線槽平均故障間隔時間的計算方法及舉例

（一）母線槽平均故障間隔時間的計算方法

平均故障間隔時間是母線槽產品可靠性度量的重要指標。在標準YD/T282-2000《通信設備可靠性通用試驗方法》中詳細介紹了平均故障間隔時間的計算方法，受檢數量至少兩臺，具體步驟如下：

1.加權故障數的計算

根據責任故障嚴重性分級，如在理論上可以推算出加權值時，按理論值加權，如無其它根據時，推薦以下加權值：

一級故障：w1=1

二級故障：w2=0.2～0.5；

三級故障：w3=0.01～0.1。

2.總試驗時間的計算

設備試驗的總時間T一般如下計算：抽取的n個樣品在規定條件下做壽命試驗，到規定的時間t停止，則總時間應為全部的樣品試驗時間t的n倍。若在試驗中有樣品發生故障，立即修復后繼續試驗，如公式①；若不修復而為取出故障樣品，其它樣品繼續試驗，到規定的時間t停止，總時間如公式②。

T=nt ①

T=（n-r）t+rti ②

式中：n——試驗的樣品總數

t—— 試驗截尾時間

r—— 發生的故障樣品數

ti—— 故障樣品故障前的時間

3.平均故障間隔時間（MTBF）的估計

如果有故障發生，用最后的試驗總時間除以加權故障數可以求出MTBF的觀測值。

MTBF=T/rw ③

式中：T——試驗總時間

rw——加權故障數

（二）母線槽平均故障間隔時間的計算方法應用舉例

下面通過具體的案例介紹母線槽平均故障間隔時間的計算：

在XX公司2001年年初的XX合同訂單中共生產母線槽242節并于當年6月送至工地使用，維修時間、維修次數及故障類別詳見下表，現可靠性指標為：常溫及室內工作環境下，平均無故障工作時間（MTBF）≥100000h，試問，該合同中母線槽是否滿足可靠性指標

回答：

1.加權故障數的計算

rw=3*0.5+6*0.1=2.1

2.總試驗時間的計算

由于產品發生故障后，立即修復繼續投入使用，故按公式①計算。

T=nt=242*17*365*24=36038640h

3.平均故障間隔時間（MTBF）的計算

MTBF=T/rw=26038640/2.1=17161257h（此時受檢數量為242臺）

這批母線槽的MTBF為：

MTBF=17161257/121=141828h>100000h.

由此我們可以判斷這批合同的242節母線槽在長達17年使用過程中，能滿足可靠性指標。

可靠性在實際工作之中有著極其重要的作用。對于母線槽來說，可靠性問題和人身安全、經濟效益密切相關。因此，研究母線槽的可靠性問題，顯得十分重要，非常迫切。提高母線槽的可靠性，可以防止故障和事故的發生，尤其避免災難性的事故發生，從而保證人民生命財產安全。

參考文獻：

[1]應錦春.現代設計方法[M]北京：機械工業出版社，2000.

[2]曾聲奎.可靠性設計分析基礎[M]北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[3]謝里陽.可靠性設計[M]北京：高等教育出版社，2013.

[4]程五一，王貴和，呂建國.系統可靠性理論[M]北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]潘勇，黃永進，胡寧.可靠性概論[M]北京：電子工業出版社，2015.

[6]YD/T282-2000，通信設備可靠性通用試驗方法[S].endprint