基于可靠性分析的设备电气系统优化策略

摘要：本文深入探讨基于可靠性分析的设备电气系统优化策略，系统阐述故障树分析、蒙特卡洛模拟、模糊数学等可靠性分析方法及其应用场景。通过建立可靠性指标体系，运用多目标优化、数据驱动、物联网等策略，从设备设计、运行维护等全生命周期角度，实现电气系统可靠性提升、成本降低与性能优化。

关键词：设备电气系统；可靠性分析；优化策略

引言

随着设备自动化、智能化程度不断提升，电气系统结构日益复杂，其可靠性问题愈发凸显。故障频发不仅会导致停机损失，还可能引发安全事故。文章基于可靠性分析的设备电气系统优化研究意义重大。本文通过分析电气系统可靠性影响因素，提出针对性优化策略，提升系统可靠性，降低维护成本，为工业生产的高效稳定运行提供保障。

一、设备电气系统可靠性分析方法

1.1 故障树分析（FTA）

故障树分析（FTA）是一种自上而下的演绎式逻辑分析方法，通过图形化方式展示系统故障与各部件故障间的因果关系。在分析电动机无法启动故障时，可能涉及电源故障、电机绕组短路、控制电路故障等中间事件，每个中间事件又可进一步细分，直至找到最底层的底事件。FTA 能直观呈现故障发生路径，明确薄弱环节，广泛应用于电力系统、自动化生产线等领域，帮助工程师提前制定预防措施，提高系统可靠性。

1.2 蒙特卡洛模拟

蒙特卡洛模拟方法依赖概率统计理论和大量样本随机抽样对系统进行模拟计算，对设备电气系统的可靠性分析工作而言，该方法是针对各元件故障概率、元件故障时间等随机变量进行多次抽取，进行对系统在不同工况时的模拟，模拟电气系统中多个开关元件的随机通断状态，统计系统故障数量，从而确定电气系统的可靠性指标。该方法可以有效应对电气系统中的非线性、随机性及不确定性问题，系统不需要进行过多的假定假设，用于含分布式电源的复杂配电网、智能电网等系统可靠性分析评估，为系统规划运行调度提供参考依据。

1.3 模糊数学方法

电气系统存在很多模糊数据，例如电气元件老化的程度、环境条件对系统的干扰程度等，无法用具体数值进行描述，而模糊数学可以解决这些问题，模糊数学通过模糊集合、隶属函数等来对模糊数据进行描述。定义设备严重老化、设备一般老化、设备轻微老化等模糊集合，并通过隶属函数定义设备在每个隶属集中出现的隶属度，可以更精确和全面地对设备的可靠性进行度量，在具体的工程实践中，常用模糊综合评价法，首先明确评价因素集、评价等级集，通过主观判断或是数据统计得到对应因素的权重与隶属度矩阵，最后再得到电气系统的可靠性，应用于化工、冶金等领域电气系统的评估中。

二、设备电气系统可靠性指标体系构建

2.1 可靠性指标选取原则

具体可靠性指标需具备电气系统各个要素全面覆盖的特点，包括设备自身方面，如断路器分闸/合闸可靠性、电缆绝缘寿命，以及系统自身方面，如电力连续性、电压连续性，从而避免遗漏系统可靠性的主要指标；可测性原则指指标数据可以实测、监测或者统计得到，可以通过传感器实时检测设备电流、温度，利用检修记录统计设备故障次数，确保所获得数据真实可靠；独立性原则指多个指标之间不会出现信息冗余，避免同一个指标重复测算，一般情况下应选择其中一种，又如设备负荷率与设备绝缘电阻从不同角度描述设备的状态，可共同作为可靠性指标，再如过流保护器的导通电流、过电压保护器过电压保护后的断路开关分合闸寿命以及温度开关寿命不能同时作为可靠性指标，以免造成过度冗余。

2.2 主要可靠性指标介绍

MTBF为平均无故障间隔时间，是对设备相邻故障周期运行时间的平均值，MTBF越长则说明设备可靠性越高；MTTR为平均维修间隔时间，是设备发生故障至维修好的平均用时，MTTR越短则系统可利用率越高，减少故障导致的生产停机时间；故障率是单位时间内设备出现故障的平均次数，可用来预测设备在其整个寿命周期中的不同阶段出现故障的风险；可用度是将设备处于正常运行时间和故障维修时间综合后反映设备随时可以投入使用的可能性大小，是评估系统整体性能可靠性的重要参考依据。

2.3 指标权重确定方法

层次分析法（AHP）通过对目标层、准则层、指标层等进行层次建立，并以专家经验对各个指标之间的重要性进行两两判断构成的判断矩阵进行数学计算从而得到权重，可以把主观判断的有效性结合起来，并可以应用于缺少大量历史数据的情况。熵权法是一种基于数据的变异程度的客观赋权方法，信息熵越小，说明数据变异越大，有效信息多，其赋予权重就越大。

三、增强电气系统优化策略

3.1 增强设计的可靠性

设计环节是电气系统可靠度提升的基础，系统设计环节中应用冗余设计，对于关键电气设备或环节提供备用，双路供电设计、冗余控制等，一旦主回路有故障，备用回路切换至工作状态，降低系统停机机率。采用模块化设计，针对电气系统，将系统划分为若干单独存在，并且功能明确的模块，一旦发生故障便于维修与更换，便于后续的扩展。设计环节充分利用计算机辅助设计软件（CAD）、仿真软件等，对整个系统在各不同工况下的状态进行模拟运行，优化电路、电磁兼容性等设计，规避不合理的设计因素导致系统的可靠度。

3.2 提升电气系统控制设备的散热性能

设备产生热量在电气系统控制设备上存在一定的概率，因为设备产生了大量的热能，如果不尽快散热会导致电气系统控制设备的温度过高，加快电子元件的老化速度，从而引起设备的稳定性变差，影响控制设备使用功能的充分发挥，甚至引起设备损坏。通过优化散热设计，加大散热面积，可以在设备外部增加散热片或者散热鳍片，增加热交换速度，使用强制性散热设计，添加散热风扇、散热风机，进行空气对流，加速设备的散热，从而释放电气系统控制设备内部产生的热量。使用导热性能良好的材料，能将内部的热能迅速扩散到散热部件，降低电气系统控制设备的内部温度。

3.3 合理地选择零部件以及各元器件

电气设备中的零部件及元器件的性能和质量关系到其自身可靠性。选型时尽量选用市场应用成熟、产品质量稳定的生产商的产品，核验产品各项技术指标，充分保证设备各项指标符合电气系统各部分运行的额定电压、额定电流、额定功率等要求。对一些电气系统重要元器件满足其各项指标的要求的前提下，在选型的尺寸、过载能力、抗干扰性等方面提高要求。考虑到零部件及元器件之间兼容性的问题，防止由于电气参数匹配、接口兼容性等各种原因造成的产品间相互故障的发生。搭建供应商评估制度体系，对供应商每半年进行质量评估，确保零部件供应的质量稳定及可靠性，从根本上提高电气系统自身可靠性及整体质量水平。

结语

通过系统性评估与改进，显著提升了电气系统的稳定性与安全性。从故障模式识别到冗余设计应用，从维护策略优化到智能监测技术引入，各环节优化措施有效降低了系统故障率，延长了设备使用寿命。随着数字化与智能化技术的发展，将可靠性分析与新兴技术深度融合，有望进一步完善电气系统优化体系，为工业生产的持续高效运行注入新动能。

参考文献

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[2]李记英.电力系统继电保护与自动化装置的可靠性分析[J].海峡科技与产业，2017，（04）：88-89.