断路器机械可靠性原理

断路器机械可靠性原理

朱科举李振中

（平高集团有限公司河南省平顶山市467000）

摘要：从电力系统的要求和高压断路器成本等方面分析机械可靠性设计的重要性。对高压断路器从整体到零部件进行分析，找出需要重点考虑机械可靠性的零部件和结构，并简单介绍了计算方法。希望将机械可靠性设计引入高压电器设计领域。

关键词：高压断路器；机械可靠性；成本；静强度；疲劳强度。

1.概述

随着我国电网电压向特高压发展，电网容噩不断提升，对高压断路器的要求也越来越高。电压等级、通流能力、开断性能、机械可靠性都需要跨越式进步。一个产品的质噩好坏可以从技术性能、经济指标和可靠性三个方面来评价。可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。高压断路器除了电气性能外，还有机械性能的要求。有的电气性能实现需要机械性能提供保障。所以，高压断路器的机械可靠性是衡噩高压断路器产品质噩的一个重要指标。

2.可靠性与成本的关系

高压断路器领域的市场竞争不仅是技术的竞争，价格的竞争也异常激烈。质噩好，价格低，交货快是取得市场的关键。质噩好必须具有尤故障运行的可靠性。价格低是指用户购买产品时一次性付出的金额少，使用费用、维修费用少，尤因故障停电而造成的损失。所以只有可靠性高的产品才是价格低的产品。可见，可靠性在产品的设计、制造和使用中，具有非常重要的意义。高压断路器是变电站中的主要设备，必须具有极高的可靠性。图1是可靠性与成本的关系曲线[1]。

从图1可以看出，高压断路器产品可靠性提高，要导致研发投资费用提高，但使用费用和故障损失及维修费用会随着可靠性的提高而降低。反而言之，如果可靠性降低，就必然导致使用费用和故障损失及维修费用大大提高，高压断路器故障也可能导致大面积停电，影响人们的正常生产和生活，给社会造成不利影响，企业经济上遭受重大损失，信誉度会大大降低。所以，可靠性高的断路器才是客户和企业的最终选择。

图1曲线1-总费用；曲线2-使用费用；曲线3-故障损失及维修费用；曲线4-研发投资费用

3.机械可靠性设计

国家电网公司为提高电网运行的可靠性、经济性和安全性，提出了建设智能化电网的要求。其中在线监测就是要在故障发生前提前预防，故障发生时能及时找出故障点，在最短的时间内排除故障。所以作为高压断路器生产企业为保证其运行的可靠性应该首先从设计开始，实现高可靠性的机械性能和电气性能。

高压断路器以罐式断路器和瓷柱式断路器两种为例。罐式断路器由套管、电流互感器、灭弧室、操动机构组成。瓷柱式断路器由灭弧室、支柱、操动机构、横梁连接装配（三相机械联动时）等组成。验证高压断路器机械可靠性的主要试验是机械寿命试验。在机械寿命试验过程中，静止不动且与运动部件不直接关联的零部件可靠性高，出现问题的几率几乎为零。而运动零部件或者与运动直接关联的零部件出现问题的几率较高。在机械可靠性设计过程中可靠度最低的零部件是起决定作用的。如果我们能找出产品中可靠度最低的零部件加以改进，使其可靠度提高，该产品整体的可靠度将会提高。对千任何一个复杂的形状的零部件，要提高零部件的可靠度，必须找出该零部件的薄弱环节或应力最高的危险点，然后采取措施，使危险点的应力峰值降下去，或采用强化措施使材料的强度提高。对千高压断路器的机械可靠性设计可以采取静强度设计和疲劳强度设计来进行设计计算和设计验证。

高压断路器机械可靠度较低的环节主要表现在运动零部件和运动连接部分。运动零部件和与运动关联的零部件大致归类为拉杆、转轴、拐臂、支座等几类。从设计经验上看，所有运动零部件和与运动关联的零部件都要进行静强度的可靠性计算和验证。在静强度的可靠性性设计中，假设载荷、零部件尺寸和材料的机械性能等参数，我们可以预先给定我们要求的可靠度，载荷及强度的分布已知，可以计算出所需拉杆、转轴、拐臂、支座等横载面积。反之，也能求出零部件的静强度可靠度。作为静强度的可靠度也可以通过ANSYS或SOLIDWORKS等软件进行辅助计算。

对于运动的零部件要进行疲劳强度的可靠性设计。零部件的材料都是有疲劳极限的。材料的寿命曲线分布是一个正态分布的曲面。当考虑了所设计的零部件的应力集中系数、尺寸系数和表面加工系数后，使材料的疲劳极限分布转化成零部件的疲劳极限分布。对于随机载荷产生的工作应力，是由不同的不对称系数的应力所组成，不仅载荷本身，而且零部件的尺寸都有部分分散性，所以工作应力也是三维分布曲面。这两个三维分布（强度分布与应力分布）的交接处，给出了零部件随机应力下的破坏概率。用1减去这个破坏概率，就可以得到该零部件的可靠度[1]。

参考文献

[1]徐濒.机械强度的可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，1984

[2]黎斌.SF高压电器设计[M].北京：机械工业出版社,2003.

[3]王建华，宋政湘，耿英三.电器智能化若干关键新技术的进展[J].电气时代，2005（7）：23-25.

[4]夏道止.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5]可靠性基础编写组.可靠性基础.第四机械工业部标准化研究所，1975.