0 引言
眾所周知，開關電器的可靠性對其能否正常工作至關重要。機械壽命對于機械方面帶來的可靠性問題，廣大電器工作者及學者通過長期研究及實踐已取得了巨大成績，技術上及產品上有了長足進步。隨著近年來智能化電器的廣泛應用，對電器可靠性方面又帶來了新的問題。
1 、12kV真空開關電器可靠性分析
1.1 真空斷路器用真空滅弧室
我國真空滅弧室的骨干生產企業(yè)有較強的技術力量和較好的設備，有豐富的真空器件生產經驗，較嚴密的質量保證體系。其中一些企業(yè)還引進了國外真空滅弧室制造技術，為生產高質量的真空滅弧室創(chuàng)造了有利條件。
近年來，真空滅弧室的質量有了很大提高[1]。得益于采用新技術、新工藝、新材料，走技術創(chuàng)新之路。主要表現(xiàn)在采用大型真空爐、用一次封排工藝、采用含碳量低的不銹鋼制造波紋管、用銅-陶瓷封接取代可伐-陶瓷封接，盡量少用或不用可伐等。
一次封排工藝不僅提高了滅弧室的質量，同時大幅度提高了生產效率，降低了生產成本。 一次封排工藝提高了真空滅弧室的真空度，有效激活吸氣劑，更加徹底除掉零件內部的氣體，有利于真空度的長期維持，也有利于用儲存檢漏法查出慢漏的真空滅弧室。一次封排工藝大大簡化了真空滅弧室的結構，減少了真空密封焊縫，降低了漏氣的可能性，在很大程度上排除了人為因素的影響，提高了產品質量的一致性。
技術進步使得真空滅弧室的直徑不斷縮小，但并沒有降低開斷能力的裕度。當前小型化真空滅弧室的開斷能力穩(wěn)定性、絕緣水平、電壽命等性能都比我國早期大直徑直空滅弧室有了顯著提高，生產成本則大大降低。真空滅弧室的小型化還有利于提高真空滅弧室的機械可靠性。漏氣是導致真空滅弧室失效的重要原因之一，在相同的工藝條件下，發(fā)生漏氣的概率與焊縫長度、玻璃-可伐(或陶瓷-可伐)封接長度成正比。 隨著真空滅弧室直徑的縮小，焊縫長度和封接長度縮短，漏氣可能減少，使得真空滅弧室的可靠性提高。
生產工藝的不斷發(fā)展提高了真空滅弧室的開斷性能及絕緣水平，批量化生產及嚴格的質量管理提高了真空滅弧室的可靠性，促進了真空滅弧室向小型化、大容量方向發(fā)展。
1.2 真空斷路器及執(zhí)行機構
12kV級真空斷路器已經基本解決了開斷能力、電壽命、開斷后的絕緣水平等問題。有關研究工作重點轉移到提高可靠性和機械壽命上來[1]。
以先進技術為依托，不斷改進和完善產品的設計是提高可靠性的重要途徑。為了做到這一點不僅需要設計和制造部門的努力，還需要使用部門的通力合作，使用部門從我國的實際需要出發(fā)，提出先進、合理的性能要求，設計、制造部門設法滿足這些要求，從而設計出技術先進、質量可靠、經濟合理的產品。
在設計中不僅要提高產品的性能指標，更要重視可靠性，特別是不能為了提高一些不太重要的性能指標而犧牲可靠性。例如有的真空斷路器為了追求觸頭合閘無彈跳，在真空滅弧室的靜端設置合閘緩沖彈簧，合閘緩沖可以減小合閘彈跳是沒有問題的，但為了保證明顯的緩沖效果，動、靜觸頭接觸后，靜觸頭必須跟隨動觸頭運動一個緩沖距離，這導致與靜觸頭連成一體的整個真空滅弧室絕緣外殼的合閘振動，這很容易造成真空滅弧室外殼損傷。真空滅弧室的靜端不是剛性固定的，因而真空滅弧室外殼在電動力的作用下可能作橫向擺動，這同樣容易引起外殼損傷。開斷電流越大，這種危險也越大。這些作用無疑將降低真空斷路器的機械可靠性。經驗表明，將合閘彈跳時間控制在某一范圍(如2ms)內，合閘彈跳是無害的。國外先進的真空斷路器也并不是沒有觸頭合閘彈跳，例如有的公司通過提高加工精度使合閘彈跳時間控制在1ms之內。犧牲產品的可靠性換取合閘無彈跳的作法是不可取的。
有的真空斷路器試圖用提高分閘速度來提高電壽命，從理論上說，提高分閘速度可以縮短最短燃弧時間，減小每次開斷所產生的電弧能量，從而提高電壽命。另一方面，提高分閘速度則會帶來一系列副作用，分閘速度提高將大大提高運動部件和支持件的機械負荷，縮短波紋管的壽命，從而降低機械壽命和機械可靠性，提高分閘速度等效于增大燃弧期間的電弧長度，不利于提高開斷能力。在電壽命已足夠長，而機械壽命和可靠性尚需進一步提高的條件下，靠提高分閘速度來提高電壽命是得不償失的。在機械壽命和可靠性還是真空斷路器薄弱環(huán)節(jié)的情況下，即使略微增長一點燃弧時間，取較低的分閘速度，以提高可靠性和機械壽命則更為合理。
為了提高真空斷路器的可靠性必須改善生產設施和提高管理水平。我國真空斷路器生產廠家多，部分生產廠的規(guī)模較小，生產設施落后，生產批量小。真空斷路器的生產條件、生產管理比較差，成為影響真空斷路器可靠性的一個重要原因。近幾年來，幾個主要真空斷路器生產廠的設備水平有了很大提高，他們的產量在總產量中的比重也在增大，這種發(fā)展趨勢對提高真空斷路器的可靠性是有利的。
中壓開關柜中，彈簧操動機構占有主導地位。彈簧操動機構采用手動或小功率交流電動機儲能，其合閘功不受電源電壓的影響，能獲得較高的合閘速度，又能實現(xiàn)快速自動重合閘操作。但彈簧操動機構存在以下缺點：完全依靠機械傳動，零部件數(shù)量多，傳動機構較為復雜，故障率較高，制造工藝要求較高。另外，彈簧操動機構滑動摩擦面多，在長期運行過程中，這些零部件的磨損、銹蝕、以及潤滑劑的流失、固化等都會導致操作失誤。
可靠性是考核斷路器性能的重要指標，從國際、國內的統(tǒng)計數(shù)字看，在斷路器的故障中，機械故障占絕大多數(shù)。國際大電網會議組織的國際調查表明，機械故障占總故障的 70%左右。根據對舊開關改造工程調研統(tǒng)計結果來看[2]，斷路器操動機構或開關柜連鎖機械發(fā)生的故障在許多事故統(tǒng)計報告中，所占比例約為60%～70%。可靠性的高低和零部件數(shù)量的多少有直接關系，減少零件的數(shù)量將明顯提高系統(tǒng)的可靠性。
1.3 永磁操動機構
永磁操動機構將電磁鐵與永久磁鐵有機地結合在一起，利用永久磁鐵產生的磁力將真空斷路器保持在分閘位置或合閘位置，而無需任何機械脫扣、鎖扣裝置。該機構的輸出力特性可以設計得很接近真空斷路器的負載特性(圖1)，因此可以直接和真空滅弧室相連，減少中間過渡環(huán)節(jié)，使零部件數(shù)量減到最少，提高了產品結構剛性，有助于減少觸頭彈跳。
彈簧操動機構和永磁機構的工作特性示意圖如1所示。
a、真空斷路器負載特性 b、彈簧操縱機構 c、永磁操動機構
圖1 力 --- 行程特性
由可靠性原理可知，一種設備的可靠性與組成這種設備功能串聯(lián)零部件數(shù)目成正比。永磁機構由于故障源少，電磁線圈和磁路為靜止機構，只要設計合理，沒有外力破壞，一般它不會損壞。簡單的結構和零部件的大幅減少使開關系統(tǒng)機械可靠性大幅提高，從而可以實現(xiàn)少維護或免維護運行。實驗表明，采用永磁操動的真空斷路器，機械壽命可以達到10萬次，實際壽命取決于真空滅弧室壽命 。同時，永磁操動機構中間轉換和連接機構也很少，這大大減少了動作時間的分散性。因此，永磁機構為在中壓開關領域提高性能、提高可靠性和降低成本等方面提供了一個很好的平臺。
通過控制永磁操動機構合分閘線圈電流的通電時間，就可以控制永磁操動機構動觸頭的運動曲線，可以降低分閘后動觸頭和靜止部分的沖擊力，從而提高波紋管的機械壽命。
隨著開關的閉合，較大的合閘電流會對動觸頭產生一個推斥力。因此，這時應對動觸頭施加一個更大的外力。另外，觸頭接觸后，為減少觸頭損耗(電耗)降低合閘電阻，確保開關可靠合閘，施加的外力還必須克服觸頭簧的反力。這個開關觸頭簧的反力是隨著機構行程的結束而不斷增大的。從永磁機構的外力特性(彈簧負載下的吸力特性)曲線可以看出(圖1)，隨著機構合閘行程的結束，合閘間隙不斷減小，其對外提供的合閘力恰好是在不斷增大的。
彈操機構外力特性剛相反，合閘開始時的力很大，后來，對外提供的力卻不斷減小，因此，為保證最終的力達到要求，它必須預先有更多的儲能?？梢?，用彈操機構去操作真空開關，其實際效率是很低的。
1.4 APG固封絕緣技術
APG固封技術是將真空滅弧室及導電端子等零件用環(huán)氧樹脂通過 APG 工藝包封成極柱，然后與機構組裝成斷路器。由于使用APG固封技術的斷路器有許多優(yōu)點，技術又日趨成熟，其應用越來越廣泛。
APG固封絕緣技術特點：①減少了裝配高速環(huán)節(jié)，提高了機械可靠性。②消除了相間及對地絕緣易受污穢、凝露影響的缺陷。 ③防止了真空滅弧室易受外界撞擊的危險。④增強了主回路的外爬距，提高了滅弧室耐受電壓水平。⑤滅弧室免維護，為斷路器免維護創(chuàng)造了條件。
環(huán)氧樹脂是一種絕緣性能較好的熱固性塑料，由于其分子的環(huán)氧基極性基因(-CH2—CH-)和羥基(-OH)、醚鍵(-O-)的粘接力強，機械強度高，有較高的耐寒、耐熱、耐化學穩(wěn)定性，工作溫度達到120℃左右。其機械、電性能和其他樹脂相比要好，固化后的雙酚A型環(huán)氧具體性能數(shù)據如表1所示：
從表1數(shù)據可以看出，由于環(huán)氧樹脂一系列的優(yōu)良特性，做為斷路器主體絕緣，可以大大提高斷路器外絕緣水平，使斷路器體積大幅減小。
采用環(huán)氧樹脂為主絕緣，需克服工藝的收縮應力開裂及環(huán)氧樹脂的耐候及安全性。通過局部放電試驗，在真空澆鑄樣件工藝試驗和電性能、機械性能考核的基礎上，采用了目前最新的壓鑄成型，配料真空處理，用加壓機加壓成型，使產品壓制、成型、固化一次完成。成品的密度高，機械強度高，表面質量好，并在樹脂中加入超細硅粉以進一步提高電性能。在工藝過程中克服了瓷瓶尺寸誤差大，機械模漏膠的難題。樹脂采用了專門研制機構的耐寒樹脂，可以用在-40℃的寒冷地區(qū)。
2 、智能化發(fā)展給12kV真空開關電器帶來的可靠性問題分析
智能化開關電器是指開關電器具有人工智能的功能，即開關電器設備具備準確地感知信息的功能，具備處理信息及分析判斷功能，還應具備對處理結果的的實施及有效的操控功能。
2.1 智能化電器的關鍵技術
(1)現(xiàn)代傳感技術
隨著現(xiàn)代光纖技術的發(fā)展，基于法拉第旋光效應的光電互感器和光學傳感器(OCT)相繼出現(xiàn)?，F(xiàn)在已經投入使用的光學電流互感器由于測量范圍寬、絕緣簡單可靠、無磁飽和、無二次開路危險、抗干擾能力強、體積小、易于同微機保護接口等優(yōu)點已在高壓開關電器中得到了廣泛應用。
數(shù)字輸出口是電子式互感器對變電站通信網絡的信息輸入點，為實現(xiàn)變電站監(jiān)視、計量、控制和保護裝置的信息共享與系統(tǒng)集成提供了技術基礎。電子式互感器的數(shù)字輸出口負責將瞬時電流電壓數(shù)字信號以指定幀格式封裝，并傳送給變電站的二次設備。根據IEC 60044-8標準，在數(shù)字輸出口的設計中可采用以太網接入方案和點到點鏈接方案。
(2)微處理機技術
微處理機技術的發(fā)展，是實現(xiàn)智能化控制的前提。它是集成了測量、運算、決策、控制、保護及遙控等于一起的綜合智能化體系。可以安裝在高壓開關電器內部，直接面向一次設備，完成“四遙”功能。
(3) 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術
電器設備在線故障檢測和故障診斷技術是智能化技術發(fā)展的前提，起源于20世紀70年代，現(xiàn)在已經日趨完善。
(4) 現(xiàn)場總線技術
現(xiàn)場總線技術是控制、計算機、通信、網絡等技術從控制層發(fā)展到工藝設備現(xiàn)場的結果，是一種連接現(xiàn)場自動化設備及控制系統(tǒng)的雙向物理通道及通信協(xié)議
2.2 12kV智能化真空開關電器可靠性方面存在問題
開關電器的電磁環(huán)境非常惡劣。智能電器工作在這樣的環(huán)境下，要保證準確、可靠的完成測量、保護、控制和操作任務，對智能電器可靠性的要求顯得愈為重要。
很多因數(shù)都可能導致智能電器在可靠性方面出現(xiàn)問題。從大的方面講，這些故障現(xiàn)象可歸結為控制和操作回路出現(xiàn)“拒動”和“誤動”現(xiàn)象。詳細分析，引起這些故障的原因很多。例如CPU程序跑飛、保護定值的非人為因數(shù)變更、采樣值受干擾影響而超出范圍的變化、開出回路的誤動等等，這些都會引起非常嚴重的后果，甚至造成不可估量的損失。
出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因，可歸結為智能化電器和電子技術的抗干擾(EMC)特性。EMC要求包括兩種含義：一方面要求智能電器在使用場合工作時，不受外界電磁干擾而引起誤動作;而另一方面要求電器操作產生的電磁場不干擾附近的電子設備。目前國外對智能化電器和機電一體化產品的EMC問題非常重視，因為電磁干擾會引起這類系統(tǒng)失靈而誤動作，造成巨大的經濟損失。智能化電器和其保護、監(jiān)控系統(tǒng)把敏感的數(shù)字電器元件處于強電流及高電壓電磁場中，使這些設備的電磁抗干擾能力在設備設計和運行中已成為不可忽視的因素，因而國外智能化電器及其系統(tǒng)在設計初始階段即制定嚴格的電磁兼容控制與管理計劃。該計劃主要包括產品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設計技術指標、設計計劃、標準、實施計劃與測試方法等，并把這一計劃作為產品或系統(tǒng)設計的重要一環(huán)，EMC分析和設計是為了達到EMC技術要求的關鍵工作，包括分析電子線路的輻射程度及抗干擾能力以及系統(tǒng)集成的電磁兼容性能;EMC設計包括電磁屏蔽、接地、導線間距的確定，以及考慮印刷電路板布線之間的電磁耦合等。目前隨著高頻電磁場數(shù)字分析和計算機硬件的發(fā)展，采用現(xiàn)代仿真技術取代傳統(tǒng)的測試方法和經驗分析方法，已在EMC分析中起到越來越大的作用。
2.3 微機保護裝置的可靠性設計
微機繼電保護裝置對電力系統(tǒng)的安全、可靠運行有著非常重要的意義。變電站內的電磁環(huán)境異常惡劣復雜，存在著各種電磁騷擾源。最典型的騷擾源如：雷電、操作感性負荷或SF6 電器設備等引起的電快速瞬變脈沖群、靜電放電、高壓回路操作隔離開關及斷路器引起的電氣暫態(tài)現(xiàn)象、接地系統(tǒng)短路電流引起的電位升高、高壓裝置產生的工頻電場和磁場、供電線路傳來的低頻傳導騷擾、由于設備內部或其他電子設備產生的高頻傳導和輻射騷擾等。
下面從軟件和硬件兩個方面說明可以采用的抗干擾措施。因篇幅關系，就不一一詳細說明了。
(1) 硬件系統(tǒng)的抗干擾設計[3][4]
硬件系統(tǒng)的抗干擾設計包括①電磁兼容性( EMC) 設計; ②CPU 系統(tǒng)可靠性;③印刷電路板(PCB) 可靠性;④ 電源可靠性這幾個方面。
(2) 硬件系統(tǒng)抗干擾技術
硬件抗干擾是應用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段,一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。具體措施有隔離、接地、屏蔽、濾波、鑒幅、提高信噪比等常用方法。
(3) 軟件系統(tǒng)可靠性技術
因為微機系統(tǒng)在運行過程中,難免會受到種種不可預知的干擾,因此系統(tǒng)的故障和錯誤是客觀存在的。有些無法用硬件措施來解決的故障,只能采取軟件方法來抑制、消除其影響。提高微機系統(tǒng)運行的可靠性主要采取兩種方法:一是提高硬件系統(tǒng)可靠性設計來抵御外界干擾的影響;二是提高軟件系統(tǒng)可靠性設計來增強微機系統(tǒng)的自身防御能力。軟件系統(tǒng)可靠性設計主要內容有:系統(tǒng)初始化識別的可靠性;系統(tǒng)自診斷和處理方案;系統(tǒng)界限參數(shù)的可靠性;系統(tǒng)控制狀態(tài)容錯對策;系統(tǒng)程序失控無擾動自恢復的安全性;系統(tǒng)數(shù)據抗干擾措施等。
(4) 軟件系統(tǒng)抗干擾技術
干擾對微機系統(tǒng)造成的后果有: ①程序運行跑飛進入死循環(huán); ②竄改數(shù)據信息內容; ③前向通道數(shù)據采集誤差增大; ④后向通道控制狀態(tài)失靈。因此,在軟件編程時應加入軟件抗干擾措施,及時發(fā)現(xiàn)、攔截和糾正其造成的影響。
一般采用自診斷、程序容錯、信息冗余、數(shù)字濾波等措施來消除干擾的影響。
實踐證明，采取上述抗干擾措施后，可使微機系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強，基本能適應一般智能化電器的要求。但CPU在工作時是逐條執(zhí)行指令的，這是它的致命缺陷。下面我們結合永磁機構控制器的設計說明如何從設計上克服CPU這個缺陷的。
2.4 永磁機構控制器的可靠性設計
圖2 永磁機構控制器原理框圖
智能控制器主要由五大部分組成：電源模塊、信號輸入模塊、信
號輸出模塊、專用控制芯片以及電力電子驅動模塊，原理框圖如圖2所示。
從以下幾方面著手解決永磁機構控制器的可靠性設計問題：
(1) 控制器件的選擇：
控制器的工作環(huán)境有各種很強的電磁干擾，對控制器件的要求很高。研制中使用現(xiàn)代先進的電子自動化設計技術(EDA)，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)作為智能控制部件(以下簡稱專用控制芯片)，以純硬件的方式實現(xiàn)全部的電子控制功能。該項技術的特點是以純硬件的方式實現(xiàn)全部數(shù)字邏輯功能，依靠功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，采用硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述手段，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合、以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現(xiàn)規(guī)定的電子線路系統(tǒng)功能。這種純硬件的實現(xiàn)方式在工作可靠性方面有很大的優(yōu)勢，這是因為采用EDA技術的全硬件實現(xiàn)方式由于非法狀態(tài)的可預測性以及進入非法狀態(tài)的可判斷性，從而確保了恢復正常狀態(tài)的各種措施的可行性。
控制器采用全硬件狀態(tài)機作為整個系統(tǒng)的工作調度，這就使其可以充分發(fā)揮全硬件電路容錯技術的優(yōu)勢，在運行中可以對各種狀態(tài)進行跟蹤，可以監(jiān)視各種非法狀態(tài)，由非法狀態(tài)轉入正常狀態(tài)只需要幾個微秒，因而不會因進入非法狀態(tài)而對系統(tǒng)造成影響。
(2) 電力電子電路的可靠性設計
電力電子電路是控制器的另一個關鍵部件，它的負載是一個大的電感，在開通和斷開過程中會產生很大的動態(tài)dv/dt，加之工作電流較大，使器件有可能同時受到大電流、高電壓和寄生電容中的位移電流的作用，易導致器件損壞，所以在設計中通過精心挑選管子、精心設計吸收電路和驅動電路等，確保了電力電子電路工作的可靠性。
(3) 電磁兼容性(EMC)設計
控制器在電磁兼容性方面除了外部環(huán)境產生的各種干擾以外，還需要注意的是其內部自身產生的干擾，主要是開通和關斷過程中有幅值很大的脈沖電壓和脈沖電流，會通過電源通道耦合到自身，所以應通過硬件和軟件設計加強對其濾波處理。
采用高性能的濾波器設計和抗干擾設計就能保證控制器在惡劣的電磁干擾下仍能正確可靠地運行，電磁兼容性符合IEC61000-4-x標準要求。某型智能控制器主要指標如表2：
3 、結束語
技術進步使得我們有可能采用最少的機械零件和相對便宜的價格開發(fā)出性能優(yōu)良的設備。經過分析和精心設計，新型設備的可靠性能得到很大的提高。
[1] 王季梅 真空斷路器在中國應用的經驗(一)
[2] 熊泰昌. 關于改善中壓開關裝置運行可靠性的討論. 《電氣制造》2006年第2期
[3] 李光輝，張培銘.智能化電器可靠性技術。《低壓電器》2000年第4期
[4] 諸邦田. 電子電路實用抗干擾技術. 北京:人民郵電出版社. 1994
作者簡介：
鄭士泉，從事智能化電器研究工作。
張日強，從事電器及控制研究工作。
姬 勞，從事微機測控研究工作。
楊文海，從事智能電器設計與制造工作。
（轉載）
