直流配電網(wǎng)方便接納分布式電源和為直流負荷供電，由于系統(tǒng)沒有電流過零點且切換速度要求高，對作為保護控制設(shè)備的直流斷路器可靠性提出了極大挑戰(zhàn)。目前針對直流斷路器的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計以及快速直流分斷和絕緣配合等方面，并研制出一些用于試驗和運行的樣機產(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)攻堅階段，由于投運的數(shù)量有限，更缺乏長期可靠運行的經(jīng)驗，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，目前在可靠性評估理論和運行物理數(shù)據(jù)累積方面尚缺乏足夠的基礎(chǔ)支撐。

對直流斷路器可靠性評估國內(nèi)外鮮有報道，不同拓撲結(jié)構(gòu)直流斷路器的元件類型、數(shù)量不同，導(dǎo)致失效率、可用率和修復(fù)時間的差別。徐習(xí)東等利用美國軍用手冊上電子元件失效參數(shù)對直流斷路器可靠性做了預(yù)測，但其僅計算故障率作為可靠性的單一指標，建立的部件計數(shù)法模型尚不能全面表征直流斷路器可靠程度。另外在如何辨識直流斷路器薄弱環(huán)節(jié)，以及配置合理的冗余來提高直流斷路器可靠性方面也尚未展開深入研究。因此對直流斷路器設(shè)計合理性、運行可靠性的研究已成為當今直流輸配電網(wǎng)飛速發(fā)展亟需解決的問題之一。

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)移的隨機過程，在負荷預(yù)測及微電網(wǎng)可靠性評估方面得以廣泛應(yīng)用，對研究設(shè)備剩余壽命預(yù)測與檢修決策及繼電保護冗余設(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理、拓撲結(jié)構(gòu)和冗余設(shè)計有關(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)移的隨機概率，并通過薄弱環(huán)節(jié)及冗余分析為直流斷路器設(shè)計提供依據(jù)。

首先對三種不同拓撲的直流斷路器進行部件故障事件分析，然后結(jié)合故障樹分析法及馬爾科夫過程得到狀態(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，提升直流斷路器可靠性的關(guān)鍵在于合理的設(shè)計。

圖4 機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的比較

總結(jié)

目前直流斷路器投運數(shù)量少、運行數(shù)據(jù)缺乏，給設(shè)備可靠運行和檢修造成了一定困難。利用部件參數(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)計算電氣設(shè)備的可靠性指標，可以預(yù)測其穩(wěn)定狀態(tài)到故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，并及時發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，有助于實現(xiàn)直流斷路器的低可用率部件有效維護。

• 1）在采用故障樹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)隨機轉(zhuǎn)移過程，通過計算和對比故障率和可靠性指標，可有效地預(yù)測不同拓撲結(jié)構(gòu)斷路器可靠性的差異。
• 2）機械式直流斷路器的薄弱環(huán)節(jié)是機械開關(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，合理設(shè)計斷路器結(jié)構(gòu)和冗余量是應(yīng)對薄弱環(huán)節(jié)故障的有效途徑，此外運行時應(yīng)加強對薄弱部位的關(guān)注和巡視，確保直流斷路器最大化正常狀態(tài)運行。
• 3）通過本文故障率和可用率的計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的機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用階段。

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