母线槽可靠性设计及平均故障间隔时间的计算

黄永生

摘 要：本文主要从母线槽可靠性设计的重要性和意义入手，介绍了可靠性的概念和必要性，平均寿命及平均故障间隔时间的概念，以及母线槽平均故障间隔时间的计算方法并举例说明，为提高母线槽产品的安全性提供参考。

关键词：可靠性；可靠性设计；平均故障间隔时间

母线槽是低压配电系统中传输、分配电能的一种设备。母线槽产品在20世纪50年代由原苏联传入我国。在很长一段时间内，我国仅有少数生产厂对母线槽进行小规模的生产应用。高层建筑中的供电主干线主要采用可靠性较好的普通电缆。电缆作为供电主干线比裸导线、裸排要安全可靠得多，但载流量受到限制，而且电缆敷设现场施工难度大。80年代中后期，城市发展迅速，高层、超高层建筑大批建造，建筑物的用电负荷急剧增加，电缆作为供电主干线的局限性越来越突出，特别是现场制作電缆分支接头技术难度很大，急需一种容量大、分支方便的供电主干线取而代之。这时，大容量、易于分接的母线槽从国外引进来，并且在工程中迅速得到推广应用。

随着现代化工程设施和装备的涌现，各行各业的用电量迅增，尤其是在众多的高层建筑和大型厂房车间中，作为输电导线的传统电缆在大电流输送系统中已不能满足要求，为给用电设备传输电能，常采用多路电缆并联使用，给现场安装施工连接带来了诸多不便。母线槽作为一种新型配电导线，与传统的电缆相比，在大电流输送时充分体现出它的优越性，由于新技术、新工艺在产品中的应用，大大降低了母线槽两端部连接处及分线口插接处的接触电阻和温升，并在母线槽铜排包覆时使用了高质量的绝缘材料，从而提高了母线槽的安全可靠性，使整个系统更加完善。

一、母线槽可靠性设计的重要性及意义

密集型母线槽是电力主干线，一旦出现质量问题影响极大。他涉及到电能的损耗，电压降对设备影响以及存在安全隐患等问题。母线槽运行是否可靠关键取决于产品的质量。可靠性设计已经成为产品质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段。由于母线槽产品通常在工厂分段生产后，在工地现场装配，因此，母线槽的可靠性设计需从产品的生产和安装两个方面去考虑。

（一）母线槽的生产质量通常主要由以下几个性能指标来决定

1.温升：按标准铜镀锡之间搭接不得超过最高允许温升（70K），外壳温升不得超过最高允许温升（55K）。温升是母线性能指标中最具代表性的，温升高，加速了材料的老化，降低母线寿命；温升低，可能是母线槽载流量的裕量值太大而不经济。

（1）绝缘电阻：标准规定每一母线单元绝缘电阻不小于2 0MΩ。

（2）介电强度：母线槽及馈电箱应能耐受的工频电压，历时lmin无击穿和闪络，空气绝缘母线槽为2500V/lmin，密集型母线槽为3750V/lmin。

（3）短耐强度（即承载短路电流能力）母线槽应能耐受额定短时耐受电流产生的热应力和额定峰值耐受电流所产生的电动耐受力。

（二）母线槽在安装的过程中，应注意以下影响母线槽的安全运行的因素

1.安装环境：母线槽不能在水管、汽管、动力管下方平行敷设， 必要时可交叉通过但不要超过两点为好，同时母线槽在狭小的空间及配电柜内安装时要考虑留有一定余量以利于母线槽的散热。

2.水平安装：在车间内敷设水平母线要留足行车工作状态及铲车的通过距离，水平敷设母线每隔1.5～2m加一个吊装点。

3.垂直安装：在平行多列敷设母线槽安装中，每列垂直母线设一只落地弹性支架，墙面上侧装一只中间支架。

4.安装误差：由于高层建筑墙厚是变量，为保证垂直母线的直线性，垂直度，可以允许每层母线上端与墙面内倾2o～3o， 并禁止母线靠墙直接安装。

5.绝缘检测：母线槽安装后，每条线路的绝缘电阻不得低于1MΩ。

母线槽具有安全可靠、配电效率高、散热好、电压降低、耐机械冲击、运行成本低、安装便捷、维护方便等特点，广泛应用于数据中心机房等重要配电场所作为高效输配电系统，也应用于大型商业广场、楼盘、工业厂房、体育馆和医院等项目。母线槽的可靠性对于整个工程的配电系统至关重要，与我们日常生活息息相关。

二、可靠性的概念和必要性

（一）可靠性的概念

可靠性是一门学科，它涉及的范围广泛，是一门综合了系统工程、管理工程、价值工程、人机工程、电子计算机技术、产品测试技术以及概率、统计、运筹、物理等多种学科成果的应用科学。可靠性工程起源于军事领域，经过半个多世纪的迅速发展，现在已成为涉及面非常广的综合性学科。可靠性设计是近年来得到迅速发展和广泛应用的一种现代设计方法。它把概率论和数理统计应用于工程设计，不仅解决了传统设计不能处理的一些问题，而且能有效地提高产品设计水平和质量，降低产品的成本。可靠性设计的观念和方法已经成为产品质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段。关于可靠性，国标GB3187-82定义为：“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。

（二）可靠性的必要性

早在50年代，国外就兴起可靠性技术的研究，到60、70年代，随着航空航天事业的发展，可靠性问题的研究取得了长足的进展，已发展成为一门新兴的工程学科。随着可靠性基础工作的开展和可靠性数据的不断积累，我国的可靠性设计必将得到更为广泛的应用和发展。

三、平均寿命和平均故障间隔时间

在讨论产品可靠性时，有时更关心它们的寿命。平均寿命是指一批产品从投入运行到发生失效（或故障）的平均工作时间，用T表示。平均寿命T又称为无故障工作时间。对不可修复的产品而言，T是指从开始使用到发生失效的平均时间，用MTTF（Mean Time To Failure）表示；对可修复的产品而言，则是指产品相邻两次故障间工作时间的平均值，用MTBF（Mean Time Between Failure）表示，即平均故障间隔时间。近几年，随着科学技术的进步和互联网技术的日益普及，通讯和数据传输进入了云计算时代，通讯行业对于母线槽运行提出了稳定和可靠性要求，在相关规范中进行了规定：产品平均故障间隔时间（MTBF）不小于100000小时。endprint

四、母线槽平均故障间隔时间的计算方法及举例

（一）母线槽平均故障间隔时间的计算方法

平均故障间隔时间是母线槽产品可靠性度量的重要指标。在标准YD/T282-2000《通信设备可靠性通用试验方法》中详细介绍了平均故障间隔时间的计算方法，受检数量至少两台，具体步骤如下：

1.加权故障数的计算

根据责任故障严重性分级，如在理论上可以推算出加权值时，按理论值加权，如无其它根据时，推荐以下加权值：

一级故障：w1=1

二级故障：w2=0.2～0.5；

三级故障：w3=0.01～0.1。

2.总试验时间的计算

设备试验的总时间T一般如下计算：抽取的n个样品在规定条件下做寿命试验，到规定的时间t停止，则总时间应为全部的样品试验时间t的n倍。若在试验中有样品发生故障，立即修复后继续试验，如公式①；若不修复而为取出故障样品，其它样品继续试验，到规定的时间t停止，总时间如公式②。

T=nt ①

T=（n-r）t+rti ②

式中：n——试验的样品总数

t—— 试验截尾时间

r—— 发生的故障样品数

ti—— 故障样品故障前的时间

3.平均故障间隔时间（MTBF）的估计

如果有故障发生，用最后的试验总时间除以加权故障数可以求出MTBF的观测值。

MTBF=T/rw ③

式中：T——试验总时间

rw——加权故障数

（二）母线槽平均故障间隔时间的计算方法应用举例

下面通过具体的案例介绍母线槽平均故障间隔时间的计算：

在XX公司2001年年初的XX合同订单中共生产母线槽242节并于当年6月送至工地使用，維修时间、维修次数及故障类别详见下表，现可靠性指标为：常温及室内工作环境下，平均无故障工作时间（MTBF）≥100000h，试问，该合同中母线槽是否满足可靠性指标

回答：

1.加权故障数的计算

rw=3*0.5+6*0.1=2.1

2.总试验时间的计算

由于产品发生故障后，立即修复继续投入使用，故按公式①计算。

T=nt=242*17*365*24=36038640h

3.平均故障间隔时间（MTBF）的计算

MTBF=T/rw=26038640/2.1=17161257h（此时受检数量为242台）

这批母线槽的MTBF为：

MTBF=17161257/121=141828h>100000h.

由此我们可以判断这批合同的242节母线槽在长达17年使用过程中，能满足可靠性指标。

可靠性在实际工作之中有着极其重要的作用。对于母线槽来说，可靠性问题和人身安全、经济效益密切相关。因此，研究母线槽的可靠性问题，显得十分重要，非常迫切。提高母线槽的可靠性，可以防止故障和事故的发生，尤其避免灾难性的事故发生，从而保证人民生命财产安全。

参考文献：

[1]应锦春.现代设计方法[M]北京：机械工业出版社，2000.

[2]曾声奎.可靠性设计分析基础[M]北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[3]谢里阳.可靠性设计[M]北京：高等教育出版社，2013.

[4]程五一，王贵和，吕建国.系统可靠性理论[M]北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]潘勇，黄永进，胡宁.可靠性概论[M]北京：电子工业出版社，2015.

[6]YD/T282-2000，通信设备可靠性通用试验方法[S].endprint