真空斷路器可靠性的評價(jià)及管理對策

郭東藝

廈門ABB開關(guān)有限公司，福建 廈門 361009

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，真空斷路器作為供配電設(shè)備的核心設(shè)備之一，其可靠性對供電穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，成為用戶十分關(guān)注的問題。同時(shí)，真空斷路器的可靠性管理也逐步成為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的指南。因此，真空斷路器的可靠性是今后產(chǎn)品競爭的焦點(diǎn)[1]，也是衡量使用者對產(chǎn)品的滿意度或?qū)ζ髽I(yè)的信賴度的重要指標(biāo)。

1 產(chǎn)品可靠性的定義

《電力可靠性基本名詞術(shù)語》（DL/T 861—2020）[2]對“產(chǎn)品可靠性”的解釋如下：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定的功能的能力。其中，“規(guī)定的條件”包括操作、維修護(hù)理、環(huán)境條件；“規(guī)定的時(shí)間”是指定的產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間，是決定產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵；“規(guī)定的功能”是產(chǎn)品手冊中給出的產(chǎn)品能夠正常運(yùn)行的特性標(biāo)準(zhǔn)[3]。

從廣義上看，可靠性是在產(chǎn)品規(guī)定的條件及壽命周期內(nèi)，完成規(guī)定功能的可能性。簡而言之，就是以概率來表示產(chǎn)品或者設(shè)備具有的持續(xù)工作的能力。從狹義上看，可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間跨度內(nèi)、在相應(yīng)的條件下，持續(xù)完成所要求的功能的概率。概率、性能、時(shí)間和條件這四個要素是產(chǎn)品可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2 真空斷路器可靠性的基本要求

真空斷路器是配電系統(tǒng)的核心部件之一，其可靠性與電網(wǎng)的安全性密切相關(guān)。真空斷路器在運(yùn)行時(shí)，如果其下游側(cè)發(fā)生故障，真空斷路器會執(zhí)行故障切除指令，防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大。如果真空斷路器存在可靠性缺陷，會無法及時(shí)作出反應(yīng)，這勢必會危及配電系統(tǒng)安全，從而造成經(jīng)濟(jì)損失，設(shè)備缺陷造成的事故還有可能危及操作者的人身安全。因此，需要將所使用的真空斷路器的可靠性缺陷的發(fā)生概率降至最低。

人們結(jié)合不同的使用場合，對真空斷路器提出了各種可靠性指標(biāo)。在實(shí)際使用時(shí)，用戶對于真空斷路器可靠性的理解與真實(shí)情況存在一定的差異，甚至期望產(chǎn)品有更加豐富的功能。例如，當(dāng)用戶進(jìn)行非正規(guī)操作甚至錯誤操作時(shí)，產(chǎn)品需要有一定的預(yù)防能力，能夠適用于更多的使用場景或環(huán)境等?；诖?，真空斷路器的可靠性有以下幾點(diǎn)基本要求。

（1）真空斷路器在運(yùn)行期間應(yīng)該保持穩(wěn)定。真空斷路器的運(yùn)行穩(wěn)定是指當(dāng)使用條件的實(shí)質(zhì)沒有發(fā)生變化時(shí)，真空斷路器的基本功能、性能等也應(yīng)該趨于穩(wěn)定。就算使用條件發(fā)生一定的變化，真空斷路器參數(shù)的變化也應(yīng)該在技術(shù)范圍內(nèi)。

（2）可以適應(yīng)周圍環(huán)境。真空斷路器與其他產(chǎn)品有一定的差異，其需要具備一定的耐環(huán)境變化的能力。真空斷路器在運(yùn)行時(shí)會遇到正常使用條件以及特殊使用條件，這對真空斷路器提出了較高的要求。真空斷路器在實(shí)際使用時(shí)，往往會面對多種復(fù)雜的環(huán)境，如地鐵、隧道等的施工場合，其施工周期長，施工環(huán)境較惡劣，濕度、塵埃等也會對真空斷路器的性能產(chǎn)生一定的影響。高可靠性的真空斷路器應(yīng)該能夠經(jīng)受環(huán)境的考驗(yàn)，并確保能夠正常工作。

（3）可以承受非正規(guī)操作。真空斷路器的使用中可能會出現(xiàn)非正規(guī)操作，這主要是因?yàn)椴僮髡咴诓僮鲿r(shí)疏忽某一環(huán)節(jié)或者產(chǎn)生失誤。在操作者出現(xiàn)錯誤操作時(shí)，可靠性高的真空斷路器可以糾正錯誤操作，保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，防止人員操作失誤引起重大事故，給設(shè)備和人身安全帶來隱患。

（4）使用壽命的要求。真空斷路器的使用壽命主要受到機(jī)械、電氣的操作次數(shù)以及使用年限兩個因素的影響。例如，應(yīng)用在煉鋼電弧爐的真空斷路器，在高峰期間每天的操作高達(dá)百次，經(jīng)過數(shù)月的使用就會達(dá)到其設(shè)計(jì)的機(jī)械或電氣壽命，如果使用期間發(fā)生拒動，將造成整包鋼水報(bào)廢而造成重大損失。因此，真空斷路器在操作期間的可靠性需要得到保障。此外，在配電系統(tǒng)中，真空斷路器的操作并不頻繁，在其使用期間，真空斷路器的各項(xiàng)機(jī)械和電氣參數(shù)應(yīng)該保持穩(wěn)定，不應(yīng)超出相關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定范圍。

3 真空斷路器可靠性的評價(jià)

3.1 真空斷路器可靠性的評價(jià)指標(biāo)

3.1.1 平均故障間隔時(shí)間

平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure,MTBF）是指真空斷路器壽命單位總數(shù)與故障總數(shù)之比；真空斷路器的故障率（λ=1/MTBF）是指真空斷路器服役期間發(fā)生故障的概率[4]。假如一組100 000臺產(chǎn)品樣本的MTBF計(jì)算結(jié)果為200年，那么這些斷路器每年發(fā)生故障的概率為1/200，即0.5%，也就是每年發(fā)生故障的真空斷路器大概有500臺。

3.1.2 平均故障間隔操作次數(shù)

真空斷路器的平均故障間隔操作次數(shù)（Mean Operations Between Failure, MOBF）可以借鑒汽車的可靠性評價(jià)指標(biāo)平均故障里程（MMBF）的設(shè)置方式完成設(shè)置[5]。真空斷路器是一個動態(tài)部件，其MOBF是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的可靠性，可以用于衡量真空斷路器完成預(yù)期操作壽命的可靠性。

3.2 真空斷路器可靠性的評價(jià)方式

利用Weibull分布建立可靠性分布模型，運(yùn)用Minitab進(jìn)行假設(shè)分布檢驗(yàn)，可以得到置信度，即真空斷路器的可靠性R(t)。以M1級或M2級的真空斷路器為例，其完成規(guī)定的2 000次或10 000次操作次數(shù)的生存概率可以衡量其可靠性[6]。

4 真空斷路器可靠性的管理對策

可靠性是衡量真空斷路器質(zhì)量的重要因素，使用可靠性管理技術(shù)可以有效提升真空斷路器的質(zhì)量。真空斷路器的可靠性管理應(yīng)該貫穿真空斷路器的整個產(chǎn)品壽命周期，主要包括零部件的質(zhì)量管理、生產(chǎn)過程的可靠性管理、產(chǎn)品售后管理等。其目的是在產(chǎn)品壽命周期的各個階段預(yù)測和預(yù)防所有可能發(fā)生的故障和隱患，降低產(chǎn)品全壽命周期的故障率和費(fèi)用。下面根據(jù)真空斷路器的特點(diǎn)，結(jié)合管理應(yīng)用實(shí)例，介紹用于提高真空斷路器可靠性的管理對策。

4.1 零部件的質(zhì)量管理

零部件作為真空斷路器生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其質(zhì)量直接影響真空斷路器的最終質(zhì)量及可靠性。選擇質(zhì)量優(yōu)良的零部件是真空斷路器可靠性管理的基礎(chǔ)。

（1）加強(qiáng)關(guān)鍵工序的控制。真空斷路器中很多機(jī)械零部件的加工工藝十分復(fù)雜，如焊接、熱處理、噴漆等，并且其加工質(zhì)量無法在后續(xù)的檢驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)中驗(yàn)證。一旦發(fā)生重大的質(zhì)量事故（如批次質(zhì)量事件）或產(chǎn)品可靠性問題，會影響真空斷路器的質(zhì)量。為此，需要加強(qiáng)對機(jī)械零部件的加工工藝關(guān)鍵工序的控制。

（2）進(jìn)行關(guān)鍵零部件的可靠性驗(yàn)證。關(guān)鍵零部件的可靠性驗(yàn)證包括零部件的動作壽命測試、零部件的耐久環(huán)境測試、金屬鍵的應(yīng)力測試等。相關(guān)人員應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和零部件的生產(chǎn)工序，制訂相應(yīng)的檢驗(yàn)控制計(jì)劃。

（3）應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)（SPC）。真空斷路器產(chǎn)品質(zhì)量的波動有偶然因素（不可避免的因素）引起的正常波動，也有特殊因素（可避免的因素）引起的異常波動。由于斷路器生產(chǎn)廠家無法時(shí)刻監(jiān)控零部件的生產(chǎn)和質(zhì)量控制，在零部件供應(yīng)質(zhì)量管理中需要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)（SPC），其能夠幫助發(fā)現(xiàn)質(zhì)量波動，及時(shí)糾正生產(chǎn)加工過程中的問題，并預(yù)防系統(tǒng)性問題的發(fā)生。

4.2 制造過程的可靠性管理

（1）應(yīng)用可靠性管理系統(tǒng)。優(yōu)秀的管理離不開系統(tǒng)的支持，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，完善的可靠性管理數(shù)據(jù)平臺和系統(tǒng)能夠及時(shí)、快速地分析真空斷路器的質(zhì)量管控情況。通過可靠性管理系統(tǒng)的實(shí)施可以提升可靠性管理工作的效果，使真空斷路器的可靠性改進(jìn)工作有組織、系統(tǒng)地開展。

（2）落實(shí)可追溯性管理制度。可追溯性管理是質(zhì)量管理中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以有效管理生產(chǎn)過程，對于不合格品不僅能責(zé)任到人，而且能夠?qū)|(zhì)量的改善和問題的防范提供有效的幫助?？勺匪菪怨芾砜梢约皶r(shí)有效地找出問題零部件，防止質(zhì)量問題的擴(kuò)大化；對于已經(jīng)交付的帶缺陷的產(chǎn)品，可追溯性管理能夠提供有效的可追溯材料，及時(shí)鑒定影響范圍，減少損失；同時(shí)，可追溯性管理也是提升產(chǎn)品質(zhì)量水平，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益的有效手段?？勺匪菪怨芾碇贫鹊膶?shí)施離不開系統(tǒng)的支持，需要加強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)。

（3）進(jìn)行可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。真空斷路器的可靠性驗(yàn)證通常采用隨機(jī)抽取方法抽取生產(chǎn)線的成品斷路器作為樣品，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的產(chǎn)品壽命試驗(yàn)，從而在較短的時(shí)間內(nèi)獲得產(chǎn)品可靠性的評定數(shù)據(jù)，并暴露使用中可能出現(xiàn)的故障。可靠性驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)真空斷路器在設(shè)計(jì)、材料、工藝中的缺陷，驗(yàn)證真空斷路器的可靠性是否符合相關(guān)規(guī)定。根據(jù)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)暴露的缺陷，通過失效分析、質(zhì)量控制等措施，可以解決存在的問題，從而提高真空斷路器的可靠性。

4.3 產(chǎn)品售后管理

在實(shí)際使用中，許多真空斷路器發(fā)生故障的原因是在使用過程中操作者存在疏忽或失誤，即遇到了非正規(guī)操作。真空斷路器遇到非正常使用條件，如空氣的溫度、濕度、酸堿成分發(fā)生變化，空氣中塵埃對產(chǎn)品表面造成影響以及由于海拔原因產(chǎn)生氣象變化等，都會在一定程度上影響其可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些非正常使用帶來的斷路器故障或缺陷占交付缺陷的一半。因此，為了提高斷路器的可靠性和交付質(zhì)量，不僅要求斷路器有一定的抗“非”能力，也要在使用過程中避免或減少這些“非正常”的產(chǎn)生。這就意味著必須有完善的產(chǎn)品售后管理體系，以確保斷路器在現(xiàn)場的正確使用，其相關(guān)要點(diǎn)如下。

（1）加強(qiáng)數(shù)據(jù)收集和反饋?？煽啃詳?shù)據(jù)是分析斷路器在壽命周期各階段可靠性的主要依據(jù)，可靠性數(shù)據(jù)的來源很多，設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、使用等環(huán)節(jié)都是數(shù)據(jù)的來源?？煽啃詳?shù)據(jù)除了用于預(yù)測斷路器的可靠性，評價(jià)其性能，也為制造商提供斷路器優(yōu)化和改進(jìn)的依據(jù)，足見其重要性。真空斷路器的可靠性數(shù)據(jù)收集目前還停留在檢驗(yàn)、制造、返修等數(shù)據(jù)的記錄，而斷路器使用過程中的數(shù)據(jù)非常有限，這主要是因?yàn)槿狈ο到y(tǒng)的管理和規(guī)劃。因此，需要建立可靠性信息管理系統(tǒng)，如客戶關(guān)系管理（CRM）平臺，這有助于提升斷路器的可靠性，并使企業(yè)受益于客戶關(guān)系的維護(hù)和保留。

（2）加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)。隨著斷路器技術(shù)的發(fā)展，斷路器的維護(hù)量和維護(hù)成本大大減少。但是部分用戶對真空斷路器的維護(hù)存在認(rèn)識誤區(qū)，錯誤地認(rèn)為斷路器完全不需要維護(hù)。對此，需要提高相關(guān)人員的認(rèn)識，并加強(qiáng)對真空斷路器的維護(hù)保養(yǎng)。當(dāng)前，真空斷路器的主要維護(hù)工作是機(jī)構(gòu)性能的維護(hù)，而確保操作機(jī)構(gòu)的潤滑是其重點(diǎn)。隨著斷路器的不斷優(yōu)化和升級，通過廠家的專業(yè)維護(hù)保養(yǎng)和預(yù)防性維修可以有效提升斷路器可靠性并延長其使用壽命。

（3）使用云服務(wù)技術(shù)。隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的深入、電網(wǎng)中設(shè)備數(shù)量的增加、技術(shù)水平的提高及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的日趨嚴(yán)格，進(jìn)一步提高真空斷路器的可靠性和運(yùn)行效率，大幅降低設(shè)備運(yùn)行成本，對于保障各級電網(wǎng)的安全、可靠、高效至關(guān)重要。其中，真空斷路器的在線監(jiān)測和狀態(tài)檢修是不可或缺的一環(huán)。云服務(wù)技術(shù)是提升真空斷路器可靠性的新興技術(shù)，云服務(wù)可為客戶提供遠(yuǎn)程診斷、巡檢計(jì)劃、快速保障、維保診斷、技術(shù)支持、質(zhì)保延長等服務(wù)。遠(yuǎn)程服務(wù)中心可以結(jié)合云服務(wù)技術(shù)的優(yōu)勢構(gòu)建一套清晰、高效的客戶溝通平臺，其突出特點(diǎn)是產(chǎn)品專家團(tuán)隊(duì)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)關(guān)注開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)而在事故發(fā)生前或發(fā)展成重大缺陷前對其進(jìn)行及時(shí)有效的糾正。

5 結(jié)論

真空斷路器的可靠性管理是一個持續(xù)改進(jìn)的過程，應(yīng)通過系統(tǒng)的分析和跟蹤，對于異常或關(guān)鍵點(diǎn)立項(xiàng)展開相應(yīng)工作，持續(xù)提升其可靠性；真空斷路器的可靠性需要用數(shù)據(jù)說話，只有基于準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集和反饋，才能得到正確的改進(jìn)措施，因此需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集、分析系統(tǒng)；設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出可靠的真空斷路器產(chǎn)品之后，需要應(yīng)用正確的使用方法和維護(hù)措施確保其可靠性的延續(xù)。通過真空斷路器的全壽命周期管理，可以提升真空斷路器的運(yùn)行可靠性，并為制造商今后的發(fā)展創(chuàng)造新機(jī)遇。