低压电器可靠性概况及其发展
低压电器的可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力产品的可靠性是产品质量的一个重要组成部分产品的质量严格说起来应包括其性能及可靠性两个方面一个产品尽管其性能指标很高但若其可靠性不高的话就不能算是一个质量好的产品一个自动控制系统的可靠性基本上取决于该系统所用元件的可靠性同时系统的可靠性一般随系统中所用元件的数量增加而下降随着系统向大型化方向的发展一个自动控制系统所用元件的数量越来越多只要其中一个元件发生故障一般就可导致整个自动控制系统发生故障并可能造成重大经济损失所以自动控制系统中所用的电气元件的可靠性就显得越来越重要
电力系统与低压配电系统中使用了各种低压电器如果这些低压电器发生故障就导致电力系统与低压配电系统发生故障而造成停电事故甚至会危及供电线路和用电设备的安全它所造成的经济损失将更为巨大因此开展各种低压电器的可靠性研究与应用工作具有十分重要的意义
可靠性技术是在第二次世界大战后发展起来的一门新技术可靠性研究始于美国在20世纪40年代美国发现军用雷达处于故障状态的时间高达84%这就促使美国深入开展电子元件和电子设备的可靠性研究并制订了有关可靠性管理可靠性设计及可靠性试验等方面的标准到20世纪60年代美国在电子产品的可靠性研究方面已逐渐成熟这对提高美国电子产品的可靠性起到了很大作用从20世纪70年代起可靠性工作逐渐扩展到美国的机械电力电工及化工等工业部门
美国是世界上从事可靠性研究最早范围最广最有成效的国家原苏联日本德英法等国在美国之后也积极开展了可靠性工作并取得了不少进展
国外电器产品可靠性工作概况
1 可靠性标准的制订
国外的电气公司与各种国际机构如lEEIEEE等中可靠性工作都很受重视一些著名的电气公司都设有可靠性管理部门或设有专职的可靠性工程师有些产品已规定了可靠性指标有些产品虽还未规定可靠性指标但在公司内部已开展可靠性研究工作产品可靠性的高低已成为国外各公司间竞争的重要手段
IEC在1965年成立了技术委员会TC56可靠性与维修性技术委员会至今已发布了不少关于可靠性与维修性方面基础性或共性的标准如IEC300《可靠性与维修性管理》它为产品在制订可靠性与维修性时提供管理导则还作为IS09000系列标准的补充文件提供有关可靠性方面的内容还有IEC605《设备可靠性试验》与IEC706《维修性导则》 IEC605是关于设备既可指电子设备也可指电工设备或机械设备既可指元件也可指装置可靠性试验方面一套较为完整的基础性标准它规定了设备可靠性验证试验和可靠性测定试验的总原则具体程序及试验方案
在电器产品可靠性标准的制订方面IEC255电气继电器标准中的IEC255020《电气继电器的触点性能》IEC255010《电子元件质量评价系统在有或无继电器上的应用》及IEC25519《机电式有或无继电器的质量评价》等标准都有可靠性的内容IECSC41A在1988年6月发出46号文件提出在现有IEC标准的基础上应补充应用于小电流的有或无继电器的可靠性试验2002年IEC发布的标准IEC60050444《电工术语基本继电器》的44407节中也列入了12条关于可靠性方面的术语
美国于1964年发布了军用标准MILR39016《有可靠性指标的电磁继电器总规范》日本于1980年发布了日本工业标准JISC5440《有可靠性要求的控制用小型继电器通则》前苏联于1983年发布的rOCTl2434-83《低压开关电器通用技术条件》中规定了产品的可靠性要求和可靠性试验方法德国的VDE0660《低压开关电器规范》中规定产品机械寿命和电寿命的额定值是取占90%的接触器所能达到的极限通断次数这意味着用可靠寿命可靠度等于0.9的概念来考核接触器的机械寿命和电寿命
法国在工业用控制设备接触器标准NFC63100中规定对成批生产的电器特别足约定发热电流小于或等于40A的电器机械寿命足在有代表性的样机上以重复方式进行试验的制造厂在统计了试验结果后给出产品的机械寿命值这实际上也是规定了用可靠性的概念来确定接触器的机械寿命
2 可靠性试验研究
美国日本在继电器的可靠性寿命试验中已普遍采用电子计算机进行控制如日本安川公司在继电器的接触可靠性中采用了Inter8008型电子计算机进行控制的自动试验装置日本松下电器公司在继电器可靠性试验中采用了微型计算机控制的全自动试验装置日本富土通公司在舌簧继电器的可靠性试验中采用了计算机控制的试验装置该装置可同时进行200个舌簧管的寿命试验
美国日本等国家都在对电器产品加速寿命试验的模式方法及数据分析方法进行研究例如日本以负载电压及负载电流为加速变量进行了开关的加速寿命试验根据试验结果算出了不同负载电压和负载电流值时的加速系数
3 可靠性物理的研究
国外是从20世纪60年代才开始研究可靠性物理的美国空军ROME航空发展中心在20世纪60年代初首先开始对现场失效的元器件进行失效分析J．Vaccro首先提出用失效物理学这一概念来研究元器件的可靠性1962年起美国每年召开一次失效物理会议1967年起改称可靠性物理会议
所谓可靠性物理学就是专门研究产品失效机理的科学它对产品怎样失效及为什么失效的具体物理化学过程进行研究可以看出可靠性物理学的研究是提高产品可靠性的基础性措施美国日本等国家对可靠性物理的研究都很重视
4 可靠性学术会议
国外在可靠性学术交流方面也很活跃涉及到可靠性的国际学术会议有
IEEE霍姆电接触会议每年召开一次国际电接触会议每年召开一次国际可靠性物理会议每年召开一次国际可靠性与维修性会议每年召开一次
5 可靠性数据统计与调查
可靠性数据是进行产品可靠性设计特别足可靠性预计可靠性分析及可靠性增长的基本依据所以国外十分重视可靠性数据的建立如美国政府的一个工业数据交换中心GIDEP它包括美国及加拿大的六百多个成员单位共建立了失效数据库可靠性及维修性数据库等前苏联电工研究所建立了包括发电机变压器断路器继电保护装置等电力设备的可靠性数据库
20世纪70年代起断路器的可靠性研究工作开始受到了国际学术界的关注与重视IEEE开关设备技术委员会断路器可靠性工作小组从1971年到1985年15年间在全球范围内开展了高压断路器的可靠性研究其中一个重要部分就是对使用中的高压断路器的故障进行了第一次国际性可靠性调查此次调查中的77892个断路器来自22个国家的102个公司涉及额定电压在63kV及以上的各种类别断路器调查中发现断路器运行中的绝大多数故障70%足机械方面的原因19%是辅助电路和控制电路上的电故障而绝缘问题引起的故障占所有故障的8.3%通过分析该工作小组认为特别需要提高断路器的机械可靠性
1986年IEEE开关设备技术委员会又成立了一个新的断路器可靠性工作组其主要目的足进行第二次高压断路器可靠性国际调查此次调查于1988年1月1日起到1991年12月31日止调查中来自22个国家132个公司的70708个断路器是1978年1月1日后使的额定电压为72.5kV及以上的SF6断路器由3833张故障卡分析看出第二次调查中断路器的故障率比第一次调查时显著降低但操作机构故障机械故障仍是造成断路器故障的主要原因其次是电气控制和辅助电路故障
近年来IEEE电力系统可靠性委员会低压断路器可靠性工作组对低压断路器可靠性进行了调查调查中脱扣器和脱扣校准故障率最高为其他故障模式机械故障电触头故障的两倍或更高而IEEE工业应用学会可靠性委员会1985年对工业用断路器的可靠性进行的调查表明对于使用时间少于15年的断路器不包括塑壳式断路器来说①室外安装断路器的故障率比室内的高1.54倍②具有电子脱扣器的断路器故障分为拒闭合44%和误打开56%③具有机电脱扣器的断路器故障很大比例为拒闭合93%由此可见国外已对高低压断路器做了较细致的可靠性调查并归纳出了主要故障模式但仅限于总结调查的结果未做任何结论性评论关于断路器可靠性验证试验方法断路器可靠性指标的制订及评估方法等理论研究方面的内容未见有相关公开发表的文献
国内电器产品可靠性
工作概况
原机械工业部对电器产品的可靠性工作十分重视早在1980年原机械工业部电工局委托河北工业大学举办了两期电器新技术学习班可靠性技术是其中主要内容之一1983年10月成立了中国电工技术学会电工产品可靠性研究会在该学会组织下开展了电工产品可靠{生研究工程与学术交流活动并多次举办了电工产品可靠{生学习班及电工行业领导干部可靠性研讨班对我国电工行业的可靠性工作起了一定的促进作用原机械工业部曾多次发文召开可靠性工作会议部署在机电行业中开展限期考核机电产品可靠指标的工作从1986-1991年共发布了七批共1189种规格限期考核可靠性指标的机电产品清单其中包括继电器接触器变压器量度继电器电动机电力电子器件等产品这对推动我国电工产品的可靠性工作有很大的作用1994年原机械工业部又召开机械工业可靠性工作会议会上提出可靠性必须从产品设计抓起并规定凡是列入部或省市机械厅局开发计划和重大技术设备攻关的项目应加强可靠性设计和试验研究工作要求在立项时提出可靠性设计目标和攻关内容产品鉴定或项目验收时应对可靠性目标进行审核评定会上决定在机电产品中进一步开展可靠性认定工作
从20世纪80年代中期至今我国电工产品可靠性研究在电力电子电机变压器电器与继电保护装置等领域均做了不少工作其中在电器可靠性研究与应用方面大致做了以下工作
1 电器可靠性研究方面
在上海电器科学研究所成都机床电器研究所许昌继电器研究所及广州电器科学研究所等单位的组织下从20世纪80年代中期开始开展了电器可靠性研究工作电磁式中间继电器小容量交流接触器低压断路器洗衣机电冰箱的可靠性研究被列为原机械工业部重点项目以产学研相结合的方式开展了上述产品的可靠性研究通过理论分析及大量试验数据统计分析了产品的失效机理研制了一些可靠性试验装置提出了这些产品的可靠性指标及考核方法通过对这些产品的可靠性考核与早期失效机理的分析对产品设计及制造艺提出了改进措施使这些产品的可靠性得到较大幅度的提高取得了一定成效
2 电器可靠性准的制订
制订了国家标准GB／T15510《控制用电磁继电器可靠性试验通则》北京电工综合技术经济研究所和河北工业大学负责起草
制订了国家军用标准GBl0962《机床电器可靠性通则》成都机床电器研究所起草
制订了国家军用标准GJB65B一99《有可靠性指标的电磁继电器总规范》国营792厂和中国电子技术标准化研究所负责起草
家用和类似用途的小容量交流接触器的可靠性试验方法家用和类似用途的过电流保护断路器的可靠性试验方法剩余电流动作断路器的可靠性试验方法等三个标准已列入中国机械工业行业标准2003年制订计划正在制订中
3 可靠性试验装置的研制
河北工业大学建立了电器研究所检测中心该检测中心于2001年5月通过了中国实验室国家认可委员会的队可具有进行有关电器可靠性认证试验的资格并研制了微机控制的小型断路器可靠性试验装置与继电器接触器可靠性试验装置及剩余电流动作保护器可靠性试验装置河北工业大学还与许昌继电器研究所合作研制了量度继电器可靠性试验装置
4 可靠性指标的考核
有几十种规格的控制继电器中间继电器交流接触器熔断器等电器产品进行了可靠性指标的考核工作
5对电器可靠性设计进行了初步探索
河北工业大学等单位在电器电磁系统与触头的可靠性设计方面已开展了一些研究在1988年美国继电器年会与1994年第17届国际电接触会议上发展了其初步研究成果河北工业大学与清华大学合作完成的科研项目电工设备现代设计理论与试验研究中对电器电磁系统的可靠性优化设计方法进一步作了研究以河北工业大学为主要完成单位的科研成果低压电器可靠性设计与检测技术的研究获得了2000年度国家科技进步二等奖
电器产品可靠性工作的发展前景与展望
我国电器产品可靠性研究虽然在上述几方面做了一些工作取得了一些进展但由于我国电器产品可靠性研究工作起步较晚不少电器产品还未开展可靠性研究与考核工作在新产品开发时尚未认真开展可靠性设计与可靠性制造特别是我国电器行业的大多数企业对可靠性工作还重视不够可靠性工作尚未认真开展我国电器产品的可靠性水平还普遍低于发达国家产品的可靠性水平
在市场经济竞争中以优取胜以质量与可靠性取胜必将成为共识为了进一步开展电器产品的可靠性工作以提高我国电器产品的可靠性水平应进一步做好下列工作
1除了上述已制订或正在制订的几种电器产品可靠性试验方法的标准外应尽快制定其他主要电器产品如低压断路器热继电器等可靠性试验方法的行业标准
2由于可靠性试验装置是进行可靠性验证试验的必备手段所以应研制各种主要电器产品的可靠性试验装置
3开展电器产品失效分析工作失效分析是指对失效产品进行分析找出其失效模式和失效机理针对失效分析中找出的问题提出改进措施以提高电器产品可靠性
4电器生产企业应加强可靠性管理工作为了开展可靠性设计可靠性生产可靠性实验和失效分析工作必须要有健全的可靠性管理组织为了收集现场使用中的失效产品或现场失效信息也需要健全的可靠性管理组织为了把失效分析得到的信息反馈给设计部门生产部门和试验部门更需要健全的可靠性管理组织因此加强可靠性管理工作是十分必需和重要的
5应加强电器产品可靠性基础知识的普及工作与可靠性方面的人才培养有条件的电器产品研究机构及大型企业可适当培养一些电器可靠性方面的硕士和博士
