直流配電網(wǎng)方便接納分布式電源和為直流負(fù)荷供電，由于系統(tǒng)沒(méi)有電流過(guò)零點(diǎn)且切換速度要求高，對(duì)作為保護(hù)控制設(shè)備的直流斷路器可靠性提出了極大挑戰(zhàn)。目前針對(duì)直流斷路器的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及快速直流分?jǐn)嗪徒^緣配合等方面，并研制出一些用于試驗(yàn)和運(yùn)行的樣機(jī)產(chǎn)品，關(guān)鍵電力電子器件串并聯(lián)的均壓、均流與觸發(fā)特性，以及其他部件的穩(wěn)定性決定了斷路器的整體可靠性。

直流斷路器研究正處在解決大容量、低損耗和低成本的技術(shù)攻堅(jiān)階段，由于投運(yùn)的數(shù)量有限，更缺乏長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，描述直流斷路器在其壽命周期內(nèi)執(zhí)行能力的確定性存在困難，目前在可靠性評(píng)估理論和運(yùn)行物理數(shù)據(jù)累積方面尚缺乏足夠的基礎(chǔ)支撐。

對(duì)直流斷路器可靠性評(píng)估國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流斷路器的元件類(lèi)型、數(shù)量不同，導(dǎo)致失效率、可用率和修復(fù)時(shí)間的差別。徐習(xí)東等利用美國(guó)軍用手冊(cè)上電子元件失效參數(shù)對(duì)直流斷路器可靠性做了預(yù)測(cè)，但其僅計(jì)算故障率作為可靠性的單一指標(biāo)，建立的部件計(jì)數(shù)法模型尚不能全面表征直流斷路器可靠程度。另外在如何辨識(shí)直流斷路器薄弱環(huán)節(jié)，以及配置合理的冗余來(lái)提高直流斷路器可靠性方面也尚未展開(kāi)深入研究。因此對(duì)直流斷路器設(shè)計(jì)合理性、運(yùn)行可靠性的研究已成為當(dāng)今直流輸配電網(wǎng)飛速發(fā)展亟需解決的問(wèn)題之一。

馬爾科夫模型作為可維修系統(tǒng)可靠性分析的重要方法，可描述為一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移的隨機(jī)過(guò)程，在負(fù)荷預(yù)測(cè)及微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方面得以廣泛應(yīng)用，對(duì)研究設(shè)備剩余壽命預(yù)測(cè)與檢修決策及繼電保護(hù)冗余設(shè)置起到一定效果。

本文考慮直流斷路器由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)移到故障狀態(tài)及經(jīng)修復(fù)后恢復(fù)正常狀態(tài)，與斷路器本身工作機(jī)理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和冗余設(shè)計(jì)有關(guān)。提出基于失效率和可用率特征參量，由馬爾科夫模型描述直流斷路器整體狀態(tài)轉(zhuǎn)移的隨機(jī)概率，并通過(guò)薄弱環(huán)節(jié)及冗余分析為直流斷路器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

首先對(duì)三種不同拓?fù)涞闹绷鲾嗦菲鬟M(jìn)行部件故障事件分析，然后結(jié)合故障樹(shù)分析法及馬爾科夫過(guò)程得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，再根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖建立Chapman-Kolmogorov方程并得到轉(zhuǎn)移矩陣，由各個(gè)狀態(tài)的概率得到直流斷路器的可用率，最后判定可靠性低的即為直流斷路器的薄弱環(huán)節(jié)，從微觀角度的冗余分析可見(jiàn)，提升直流斷路器可靠性的關(guān)鍵在于合理的設(shè)計(jì)。

圖4 機(jī)械式直流斷路器馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖7 三種直流斷路器可靠性指標(biāo)的比較

總結(jié)

目前直流斷路器投運(yùn)數(shù)量少、運(yùn)行數(shù)據(jù)缺乏，給設(shè)備可靠運(yùn)行和檢修造成了一定困難。利用部件參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算電氣設(shè)備的可靠性指標(biāo)，可以預(yù)測(cè)其穩(wěn)定狀態(tài)到故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，有助于實(shí)現(xiàn)直流斷路器的低可用率部件有效維護(hù)。

• 1）在采用故障樹(shù)分析法梳理直流斷路器失效事件的基礎(chǔ)上，建立馬爾科夫模型描述其狀態(tài)隨機(jī)轉(zhuǎn)移過(guò)程，通過(guò)計(jì)算和對(duì)比故障率和可靠性指標(biāo)，可有效地預(yù)測(cè)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)斷路器可靠性的差異。
• 2）機(jī)械式直流斷路器的薄弱環(huán)節(jié)是機(jī)械開(kāi)關(guān)部件，全固態(tài)與混合式直流斷路器中IGBT器件失效率高，在選用高質(zhì)量部件減小故障率的同時(shí)，合理設(shè)計(jì)斷路器結(jié)構(gòu)和冗余量是應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)故障的有效途徑，此外運(yùn)行時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)薄弱部位的關(guān)注和巡視，確保直流斷路器最大化正常狀態(tài)運(yùn)行。
• 3）通過(guò)本文故障率和可用率的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械式直流斷路器可靠性最高，全固態(tài)式與混合式由于部件多及電力電子器件的脆弱，目前可靠性尚不夠理想。隨著技術(shù)的發(fā)展，IGBT質(zhì)量更好、成本更低，IGBT支路數(shù)量足夠高即可使直流斷路器可靠性提升到實(shí)用階段。

限于投運(yùn)斷路器失效數(shù)據(jù)樣本有限，本文可靠性計(jì)算結(jié)果仍未完善，今后隨著直流斷路器設(shè)計(jì)、運(yùn)行及檢修的進(jìn)行和數(shù)據(jù)累積，基于馬爾科夫模型評(píng)估其可靠性也將越來(lái)越準(zhǔn)確。