0 引言
众所周知，开关电器的可靠性对其能否正常工作至关重要。机械寿命对于机械方面带来的可靠性问题，广大电器工作者及学者通过长期研究及实践已取得了巨大成绩，技术上及产品上有了长足进步。随着近年来智能化电器的广泛应用，对电器可靠性方面又带来了新的问题。
1 、12kV真空开关电器可靠性分析
1.1 真空断路器用真空灭弧室
我国真空灭弧室的骨干生产企业有较强的技术力量和较好的设备，有丰富的真空器件生产经验，较严密的质量保证体系。其中一些企业还引进了国外真空灭弧室制造技术，为生产高质量的真空灭弧室创造了有利条件。
近年来，真空灭弧室的质量有了很大提高[1]。得益于采用新技术、新工艺、新材料，走技术创新之路。主要表现在采用大型真空炉、用一次封排工艺、采用含碳量低的不锈钢制造波纹管、用铜-陶瓷封接取代可伐-陶瓷封接，尽量少用或不用可伐等。
一次封排工艺不仅提高了灭弧室的质量，同时大幅度提高了生产效率，降低了生产成本。 一次封排工艺提高了真空灭弧室的真空度，有效激活吸气剂，更加彻底除掉零件内部的气体，有利于真空度的长期维持，也有利于用储存检漏法查出慢漏的真空灭弧室。一次封排工艺大大简化了真空灭弧室的结构，减少了真空密封焊缝，降低了漏气的可能性，在很大程度上排除了人为因素的影响，提高了产品质量的一致性。
技术进步使得真空灭弧室的直径不断缩小，但并没有降低开断能力的裕度。当前小型化真空灭弧室的开断能力稳定性、绝缘水平、电寿命等性能都比我国早期大直径直空灭弧室有了显著提高，生产成本则大大降低。真空灭弧室的小型化还有利于提高真空灭弧室的机械可靠性。漏气是导致真空灭弧室失效的重要原因之一，在相同的工艺条件下，发生漏气的概率与焊缝长度、玻璃-可伐(或陶瓷-可伐)封接长度成正比。 随着真空灭弧室直径的缩小，焊缝长度和封接长度缩短，漏气可能减少，使得真空灭弧室的可靠性提高。
生产工艺的不断发展提高了真空灭弧室的开断性能及绝缘水平，批量化生产及严格的质量管理提高了真空灭弧室的可靠性，促进了真空灭弧室向小型化、大容量方向发展。
1.2 真空断路器及执行机构
12kV级真空断路器已经基本解决了开断能力、电寿命、开断后的绝缘水平等问题。有关研究工作重点转移到提高可靠性和机械寿命上来[1]。
以先进技术为依托，不断改进和完善产品的设计是提高可靠性的重要途径。为了做到这一点不仅需要设计和制造部门的努力，还需要使用部门的通力合作，使用部门从我国的实际需要出发，提出先进、合理的性能要求，设计、制造部门设法满足这些要求，从而设计出技术先进、质量可靠、经济合理的产品。
在设计中不仅要提高产品的性能指标，更要重视可靠性，特别是不能为了提高一些不太重要的性能指标而牺牲可靠性。例如有的真空断路器为了追求触头合闸无弹跳，在真空灭弧室的静端设置合闸缓冲弹簧，合闸缓冲可以减小合闸弹跳是没有问题的，但为了保证明显的缓冲效果，动、静触头接触后，静触头必须跟随动触头运动一个缓冲距离，这导致与静触头连成一体的整个真空灭弧室绝缘外壳的合闸振动，这很容易造成真空灭弧室外壳损伤。真空灭弧室的静端不是刚性固定的，因而真空灭弧室外壳在电动力的作用下可能作横向摆动，这同样容易引起外壳损伤。开断电流越大，这种危险也越大。这些作用无疑将降低真空断路器的机械可靠性。经验表明，将合闸弹跳时间控制在某一范围(如2ms)内，合闸弹跳是无害的。国外先进的真空断路器也并不是没有触头合闸弹跳，例如有的公司通过提高加工精度使合闸弹跳时间控制在1ms之内。牺牲产品的可靠性换取合闸无弹跳的作法是不可取的。
有的真空断路器试图用提高分闸速度来提高电寿命，从理论上说，提高分闸速度可以缩短最短燃弧时间，减小每次开断所产生的电弧能量，从而提高电寿命。另一方面，提高分闸速度则会带来一系列副作用，分闸速度提高将大大提高运动部件和支持件的机械负荷，缩短波纹管的寿命，从而降低机械寿命和机械可靠性，提高分闸速度等效于增大燃弧期间的电弧长度，不利于提高开断能力。在电寿命已足够长，而机械寿命和可靠性尚需进一步提高的条件下，靠提高分闸速度来提高电寿命是得不偿失的。在机械寿命和可靠性还是真空断路器薄弱环节的情况下，即使略微增长一点燃弧时间，取较低的分闸速度，以提高可靠性和机械寿命则更为合理。
为了提高真空断路器的可靠性必须改善生产设施和提高管理水平。我国真空断路器生产厂家多，部分生产厂的规模较小，生产设施落后，生产批量小。真空断路器的生产条件、生产管理比较差，成为影响真空断路器可靠性的一个重要原因。近几年来，几个主要真空断路器生产厂的设备水平有了很大提高，他们的产量在总产量中的比重也在增大，这种发展趋势对提高真空断路器的可靠性是有利的。
中压开关柜中，弹簧操动机构占有主导地位。弹簧操动机构采用手动或小功率交流电动机储能，其合闸功不受电源电压的影响，能获得较高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作。但弹簧操动机构存在以下缺点：完全依靠机械传动，零部件数量多，传动机构较为复杂，故障率较高，制造工艺要求较高。另外，弹簧操动机构滑动摩擦面多，在长期运行过程中，这些零部件的磨损、锈蚀、以及润滑剂的流失、固化等都会导致操作失误。
可靠性是考核断路器性能的重要指标，从国际、国内的统计数字看，在断路器的故障中，机械故障占绝大多数。国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障占总故障的 70%左右。根据对旧开关改造工程调研统计结果来看[2]，断路器操动机构或开关柜连锁机械发生的故障在许多事故统计报告中，所占比例约为60%～70%。可靠性的高低和零部件数量的多少有直接关系，减少零件的数量将明显提高系统的可靠性。
1.3 永磁操动机构
永磁操动机构将电磁铁与永久磁铁有机地结合在一起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在分闸位置或合闸位置，而无需任何机械脱扣、锁扣装置。该机构的输出力特性可以设计得很接近真空断路器的负载特性(图1)，因此可以直接和真空灭弧室相连，减少中间过渡环节，使零部件数量减到最少，提高了产品结构刚性，有助于减少触头弹跳。
弹簧操动机构和永磁机构的工作特性示意图如1所示。
a、真空断路器负载特性 b、弹簧操纵机构 c、永磁操动机构
图1 力 --- 行程特性
由可靠性原理可知，一种设备的可靠性与组成这种设备功能串联零部件数目成正比。永磁机构由于故障源少，电磁线圈和磁路为静止机构，只要设计合理，没有外力破坏，一般它不会损坏。简单的结构和零部件的大幅减少使开关系统机械可靠性大幅提高，从而可以实现少维护或免维护运行。实验表明，采用永磁操动的真空断路器，机械寿命可以达到10万次，实际寿命取决于真空灭弧室寿命 。同时，永磁操动机构中间转换和连接机构也很少，这大大减少了动作时间的分散性。因此，永磁机构为在中压开关领域提高性能、提高可靠性和降低成本等方面提供了一个很好的平台。
通过控制永磁操动机构合分闸线圈电流的通电时间，就可以控制永磁操动机构动触头的运动曲线，可以降低分闸后动触头和静止部分的冲击力，从而提高波纹管的机械寿命。
随着开关的闭合，较大的合闸电流会对动触头产生一个推斥力。因此，这时应对动触头施加一个更大的外力。另外，触头接触后，为减少触头损耗(电耗)降低合闸电阻，确保开关可靠合闸，施加的外力还必须克服触头簧的反力。这个开关触头簧的反力是随着机构行程的结束而不断增大的。从永磁机构的外力特性(弹簧负载下的吸力特性)曲线可以看出(图1)，随着机构合闸行程的结束，合闸间隙不断减小，其对外提供的合闸力恰好是在不断增大的。
弹操机构外力特性刚相反，合闸开始时的力很大，后来，对外提供的力却不断减小，因此，为保证最终的力达到要求，它必须预先有更多的储能。可见，用弹操机构去操作真空开关，其实际效率是很低的。
1.4 APG固封绝缘技术
APG固封技术是将真空灭弧室及导电端子等零件用环氧树脂通过 APG 工艺包封成极柱，然后与机构组装成断路器。由于使用APG固封技术的断路器有许多优点，技术又日趋成熟，其应用越来越广泛。
APG固封绝缘技术特点：①减少了装配高速环节，提高了机械可靠性。②消除了相间及对地绝缘易受污秽、凝露影响的缺陷。 ③防止了真空灭弧室易受外界撞击的危险。④增强了主回路的外爬距，提高了灭弧室耐受电压水平。⑤灭弧室免维护，为断路器免维护创造了条件。
环氧树脂是一种绝缘性能较好的热固性塑料，由于其分子的环氧基极性基因(-CH2—CH-)和羟基(-OH)、醚键(-O-)的粘接力强，机械强度高，有较高的耐寒、耐热、耐化学稳定性，工作温度达到120℃左右。其机械、电性能和其他树脂相比要好，固化后的双酚A型环氧具体性能数据如表1所示：
从表1数据可以看出，由于环氧树脂一系列的优良特性，做为断路器主体绝缘，可以大大提高断路器外绝缘水平，使断路器体积大幅减小。
采用环氧树脂为主绝缘，需克服工艺的收缩应力开裂及环氧树脂的耐候及安全性。通过局部放电试验，在真空浇铸样件工艺试验和电性能、机械性能考核的基础上，采用了目前最新的压铸成型，配料真空处理，用加压机加压成型，使产品压制、成型、固化一次完成。成品的密度高，机械强度高，表面质量好，并在树脂中加入超细硅粉以进一步提高电性能。在工艺过程中克服了瓷瓶尺寸误差大，机械模漏胶的难题。树脂采用了专门研制机构的耐寒树脂，可以用在-40℃的寒冷地区。
2 、智能化发展给12kV真空开关电器带来的可靠性问题分析
智能化开关电器是指开关电器具有人工智能的功能，即开关电器设备具备准确地感知信息的功能，具备处理信息及分析判断功能，还应具备对处理结果的的实施及有效的操控功能。
2.1 智能化电器的关键技术
(1)现代传感技术
随着现代光纤技术的发展，基于法拉第旋光效应的光电互感器和光学传感器(OCT)相继出现。现在已经投入使用的光学电流互感器由于测量范围宽、绝缘简单可靠、无磁饱和、无二次开路危险、抗干扰能力强、体积小、易于同微机保护接口等优点已在高压开关电器中得到了广泛应用。
数字输出口是电子式互感器对变电站通信网络的信息输入点，为实现变电站监视、计量、控制和保护装置的信息共享与系统集成提供了技术基础。电子式互感器的数字输出口负责将瞬时电流电压数字信号以指定帧格式封装，并传送给变电站的二次设备。根据IEC 60044-8标准，在数字输出口的设计中可采用以太网接入方案和点到点链接方案。
(2)微处理机技术
微处理机技术的发展，是实现智能化控制的前提。它是集成了测量、运算、决策、控制、保护及遥控等于一起的综合智能化体系。可以安装在高压开关电器内部，直接面向一次设备，完成“四遥”功能。
(3) 状态监测和故障诊断技术
电器设备在线故障检测和故障诊断技术是智能化技术发展的前提，起源于20世纪70年代，现在已经日趋完善。
(4) 现场总线技术
现场总线技术是控制、计算机、通信、网络等技术从控制层发展到工艺设备现场的结果，是一种连接现场自动化设备及控制系统的双向物理通道及通信协议
2.2 12kV智能化真空开关电器可靠性方面存在问题
开关电器的电磁环境非常恶劣。智能电器工作在这样的环境下，要保证准确、可靠的完成测量、保护、控制和操作任务，对智能电器可靠性的要求显得愈为重要。
很多因数都可能导致智能电器在可靠性方面出现问题。从大的方面讲，这些故障现象可归结为控制和操作回路出现“拒动”和“误动”现象。详细分析，引起这些故障的原因很多。例如CPU程序跑飞、保护定值的非人为因数变更、采样值受干扰影响而超出范围的变化、开出回路的误动等等，这些都会引起非常严重的后果，甚至造成不可估量的损失。
出现这些现象的原因，可归结为智能化电器和电子技术的抗干扰(EMC)特性。EMC要求包括两种含义：一方面要求智能电器在使用场合工作时，不受外界电磁干扰而引起误动作;而另一方面要求电器操作产生的电磁场不干扰附近的电子设备。目前国外对智能化电器和机电一体化产品的EMC问题非常重视，因为电磁干扰会引起这类系统失灵而误动作，造成巨大的经济损失。智能化电器和其保护、监控系统把敏感的数字电器元件处于强电流及高电压电磁场中，使这些设备的电磁抗干扰能力在设备设计和运行中已成为不可忽视的因素，因而国外智能化电器及其系统在设计初始阶段即制定严格的电磁兼容控制与管理计划。该计划主要包括产品或系统EMC分析，制定EMC设计技术指标、设计计划、标准、实施计划与测试方法等，并把这一计划作为产品或系统设计的重要一环，EMC分析和设计是为了达到EMC技术要求的关键工作，包括分析电子线路的辐射程度及抗干扰能力以及系统集成的电磁兼容性能;EMC设计包括电磁屏蔽、接地、导线间距的确定，以及考虑印刷电路板布线之间的电磁耦合等。目前随着高频电磁场数字分析和计算机硬件的发展，采用现代仿真技术取代传统的测试方法和经验分析方法，已在EMC分析中起到越来越大的作用。
2.3 微机保护装置的可靠性设计
微机继电保护装置对电力系统的安全、可靠运行有着非常重要的意义。变电站内的电磁环境异常恶劣复杂，存在着各种电磁骚扰源。最典型的骚扰源如：雷电、操作感性负荷或SF6 电器设备等引起的电快速瞬变脉冲群、静电放电、高压回路操作隔离开关及断路器引起的电气暂态现象、接地系统短路电流引起的电位升高、高压装置产生的工频电场和磁场、供电线路传来的低频传导骚扰、由于设备内部或其他电子设备产生的高频传导和辐射骚扰等。
下面从软件和硬件两个方面说明可以采用的抗干扰措施。因篇幅关系，就不一一详细说明了。
(1) 硬件系统的抗干扰设计[3][4]
硬件系统的抗干扰设计包括①电磁兼容性( EMC) 设计; ②CPU 系统可靠性;③印刷电路板(PCB) 可靠性;④ 电源可靠性这几个方面。
(2) 硬件系统抗干扰技术
硬件抗干扰是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段,一般从防和抗两方面入手来抑制干扰。具体措施有隔离、接地、屏蔽、滤波、鉴幅、提高信噪比等常用方法。
(3) 软件系统可靠性技术
因为微机系统在运行过程中,难免会受到种种不可预知的干扰,因此系统的故障和错误是客观存在的。有些无法用硬件措施来解决的故障,只能采取软件方法来抑制、消除其影响。提高微机系统运行的可靠性主要采取两种方法:一是提高硬件系统可靠性设计来抵御外界干扰的影响;二是提高软件系统可靠性设计来增强微机系统的自身防御能力。软件系统可靠性设计主要内容有:系统初始化识别的可靠性;系统自诊断和处理方案;系统界限参数的可靠性;系统控制状态容错对策;系统程序失控无扰动自恢复的安全性;系统数据抗干扰措施等。
(4) 软件系统抗干扰技术
干扰对微机系统造成的后果有: ①程序运行跑飞进入死循环; ②窜改数据信息内容; ③前向通道数据采集误差增大; ④后向通道控制状态失灵。因此,在软件编程时应加入软件抗干扰措施,及时发现、拦截和纠正其造成的影响。
一般采用自诊断、程序容错、信息冗余、数字滤波等措施来消除干扰的影响。
实践证明，采取上述抗干扰措施后，可使微机系统的抗干扰能力大大增强，基本能适应一般智能化电器的要求。但CPU在工作时是逐条执行指令的，这是它的致命缺陷。下面我们结合永磁机构控制器的设计说明如何从设计上克服CPU这个缺陷的。
2.4 永磁机构控制器的可靠性设计
图2 永磁机构控制器原理框图
智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模块、信
号输出模块、专用控制芯片以及电力电子驱动模块，原理框图如图2所示。
从以下几方面着手解决永磁机构控制器的可靠性设计问题：
(1) 控制器件的选择：
控制器的工作环境有各种很强的电磁干扰，对控制器件的要求很高。研制中使用现代先进的电子自动化设计技术(EDA)，采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为智能控制部件(以下简称专用控制芯片)，以纯硬件的方式实现全部的电子控制功能。该项技术的特点是以纯硬件的方式实现全部数字逻辑功能，依靠功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，采用硬件描述语言为系统逻辑描述手段，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为采用EDA技术的全硬件实现方式由于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性，从而确保了恢复正常状态的各种措施的可行性。
控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进入非法状态而对系统造成影响。
(2) 电力电子电路的可靠性设计
电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是一个大的电感，在开通和断开过程中会产生很大的动态dv/dt，加之工作电流较大，使器件有可能同时受到大电流、高电压和寄生电容中的位移电流的作用，易导致器件损坏，所以在设计中通过精心挑选管子、精心设计吸收电路和驱动电路等，确保了电力电子电路工作的可靠性。
(3) 电磁兼容性(EMC)设计
控制器在电磁兼容性方面除了外部环境产生的各种干扰以外，还需要注意的是其内部自身产生的干扰，主要是开通和关断过程中有幅值很大的脉冲电压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到自身，所以应通过硬件和软件设计加强对其滤波处理。
采用高性能的滤波器设计和抗干扰设计就能保证控制器在恶劣的电磁干扰下仍能正确可靠地运行，电磁兼容性符合IEC61000-4-x标准要求。某型智能控制器主要指标如表2：
3 、结束语
技术进步使得我们有可能采用最少的机械零件和相对便宜的价格开发出性能优良的设备。经过分析和精心设计，新型设备的可靠性能得到很大的提高。
[1] 王季梅 真空断路器在中国应用的经验(一)
[2] 熊泰昌. 关于改善中压开关装置运行可靠性的讨论. 《电气制造》2006年第2期
[3] 李光辉，张培铭.智能化电器可靠性技术。《低压电器》2000年第4期
[4] 诸邦田. 电子电路实用抗干扰技术. 北京:人民邮电出版社. 1994
作者简介：
郑士泉，从事智能化电器研究工作。
张日强，从事电器及控制研究工作。
姬 劳，从事微机测控研究工作。
杨文海，从事智能电器设计与制造工作。
（转载）
