基于急停故障案例的本质安全性分析

杨建荣

（国网吉林省电力有限公司，长春 130021）

0 引言

急停控制电路逻辑清晰、结构简单，研究这类电路控制可靠性的文献几乎没有，能检索到的文献[1]不具有直接相关性且年代较久远。由于这类电路的启用机率小，大量的工业实践也很少有因其失控而引发的电气故障，所以易被设计人员忽视而疏于详细分析。随着电动助动车的大量涌现，在行驶途中需要频繁制动，急停电路使用频率急剧增大。在恩施城内突发急停故障，事发后拆卸电门锁开关、左右手把的刹车断电开关及保险开关，带回实验室检测。

1 检查与解构

1.1 开关检测结果

电门锁、保险开关动作正常。用万用表检查左右断电开关电阻见表1。结果（表中OL是显示值表示开路）表明左制动开关正常，右制动开关接通时的接触电阻异常。

表1 左右制动断电开关电阻

1.2 结构解剖分析

解构左侧开关，其内部结构如图1所示。触点的接触与释放、按钮的按下与松开都处在一个同心轴方向上。轴向上的弹簧既是按钮松开后的复位动力，又是触点接触加压的动力，结构简单、可靠性极高。

图1 左侧开关内部结构

解构右侧开关，其内部结构如图2所示。按钮按下、松开与触点接触、脱离的移动方向相互垂直，触点从断开到闭合，需经轴向弹簧释放与横向弹簧释放两个动作环节，而且触点加压的横向弹簧受制于轴向移动的影响，其弹力有限。定触点平面用肉眼可观察到高低不平，故相对左侧开关动作的可靠性很低。此为导致不到一年时间即出现开关接触不良的原因。

图2 右侧开关内部结构

2 电路安全性分析

2.1 本质安全的设计要求

GB/T 25295电气设备安全设计导则（4.2.1）指出安全要求的一般原则，在以下四种条件下电气设备的使用是安全的：①在整个生命周期；②在技术标准规定的正常使用条件时单一故障条件下；③在合理预见的设计目的；④在正确安装、运行和维护的条件下。而本质安全的电气电路设计要求则是通过设计手段使生产过程和产品性能本身具有防止危险发生的功能，即使在误操作的情况下也不会发生事故。

2.2 电路结构设计存在安全隐患

由厂方给出的电气原理图3可以看到，制动断电开关是采用并联连接形式（图中粗实线部分）。左右任何一个刹车手把制动开关自动接通，都会输出一个高电平触发信号，控制器接收到信号后就会即刻切断电机供电。表面上看，这个并联结构自动动作是合理的，但如果仔细分析前后轮刹车与左右开关的各种正常与故障组合条件下车辆的最终运行状态（见表2），则会发现存在严重的人身安全事故隐患。

图3 电气原理图

表2 动作组合结果分析

车辆仅对前轮制动时，若开关没能接触导通，则后轮上的电机仍在驱动车辆继续前行，此时前轮会由不平衡状态朝着呈90°转向的平衡位置扭转，驾驶员将在意外情形下，失去平衡而与车身同时倒地。以下暂不分析由连接刹车断电导线断线导致的无法断开电机电源的危险故障。

2.3 制动电路的实际可靠度小于设计值

助动车的行业标准要求刹车时可靠断开电机电源。设左右刹车单个开关整体接通故障率为λ1、λ2，且故障率按e−x指数分布，则电机在刹车时左右两个并联开关S1、S2的接通设计的可靠度[2]为

仅仅满足这个断电的要求是不够的，由分析得知还存在前轮制动而S2没有接通，电机电源没有断开的风险隐患项。而这个风险仅仅是由S2的接通可靠度决定，与S1的接通可靠度无关。显然相对于原设计的开关并联接通可靠度而言，此时的安全行驶可靠度降低了。假设λ1≈λ2，则其降低倍数B约为

2.4 单个制动开关接通可靠度右侧小于左侧

当仔细分析S1、S2开关触点接通的机械结构差异时，还可以看到开关接通的可靠度不仅依赖触点接触可靠度，还依赖于机械动作机构的可靠度。

设轴向滑动的可靠度为R1，横向滑动的可靠度为R2，左右开关的触点接通可靠度为R3、R4，左右开关整体动作可靠度为Rz、Ry，则

由于Rx＜ 1（x=1,2,3,4）且R4＜R3，则

显然故障率高的右侧开关不适宜用于这种安全断电的场合。不能因为机械结构上安装方便而选用却忽略分析接触不可靠所带来的隐患。尤其是开关恰好被安装在存有危险停车故障的右手把上，若按下刹车把不能预期关断电机电源，就会发生人车倒地。恩施的急停故障案例，则是驾驶员倒地后被摔进了路边的深山沟中，并因流血过多不治身亡。

3 解决途径

增加冗余的并联开关，比如在右开关上再并联一个开关，可靠度可以增加，但仅仅按下右刹车时，电机没断电的隐患依然存在。要杜绝这个危险故障产生的安全隐患，需要另辟途径。

3.1 采用串联断电电路结构

从左手把开关S1结构可以看到这个开关的触点断开的可靠度几乎为100%。故将右刹车开关也改用左开关结构形式，将原来并联常态断开的电路，改为串联常态闭合的结构形式，如图4所示。此时即便开关触点出现接触不良的故障，也仅仅是一次断开电机电源的安全故障[3]，而不会是引发车祸的危险故障。

图4 串联急停电路

3.2 制动电路改进前后右手把的可靠度比较

1）不考虑触点接触差异时的开关整体可靠度

刹车电路改进后，右手把电机断电信号可靠度增加值B的计算。设轴向滑动的可靠度为R1，横向滑动的可靠度为R2；改进前触点接通可靠度为R5，改进前开关闭合的整体可靠度为Rq，改进后触点断开的可靠度为Rx，改进后开关断开的整体可靠度为Rh。依据普通微动开关使用寿命均为10 000次，将改进前为确保接通的每个动作环节故障率暂且均设为λ1=0.000 01，改进后为确保接通的每个动作环节故障率均为λ2，则有λ2<<λ1。设λ2＜0.000 005，则在同一个单位t时间段内，开关整体输出的可靠度为

改进后与改进前的开关整体平均寿命[4]比值为

即改进前约为0.000 03的故障率，现在已经不存在，而且开关的平均寿命也至少增加了9倍。

2）考虑接触方式差异时的触点接触可靠度

如果仅仅考虑触点接触接通的可靠度，则在同一种使用环境下，小电流会更容易使触点的阻值变大[5]；且触点改动之前是面接触，之后是线接触的可靠度差异[6]。即在触头外加压力F相同的条件下，点接触形式下每个接触点所承受的压力最大，也就是最容易破坏接触表面的氧化膜，从而使膜电阻减小。反之，面接触的接触点数n最多，排除和破坏表面膜的能力小，膜电阻就增大。线接触介于两者之间；同时当接触压力较小如弹簧压力小于9N时，面接触的接触电阻反而比点接触或线接触的接触电阻大，接触电阻Rj与接触形式的关系见表3[7]。

表3 接触电阻Rj与接触形式的关系（铜）

在此借用这个表中面接触与线接触的阻值比：1 900/330=57，作为接触故障率λ的比值，并假设故障率与接触电阻是线性相关并且相关系数k=1，则改进后触点接通可靠度与平均寿命评估比较值分别为

改进后的开关不仅触点接通的可靠度大幅度增加，且其接通寿命也为改进前的57倍，这就意味着改进后的安全故障率也大幅度降低。

3.3 串联断电结构的可靠度

1）串联断电结构的可靠度计算式

对于输出是开关断开后的信号来讲，开关串联结构的电路如图4所示，其信号可靠度的逻辑框图[8]如图5所示。它是任一开关断开后就会有输出信号的或关系。设S1、S2开关触点断开的滑动机械结构与原左手把开关相同，设开关整体触点断开的故障率为λ，且故障率按e−x指数分布，R(t)、F(t)分别为断开可靠度与不可靠度，则电机在制动时两个串联开关断开可靠度为

图5 串联急停电路的可靠度逻辑

式中：R(t)为开关断开可靠度；RS1、RS2为左手刹和右手刹车断开的强度。

改进后的左右开关串联后的断开可靠度与改进前开关并联接通的可靠度计算式形式是一样的。同理，改进后单个制动开关断开的可靠度与改进前单个开关接通的可靠度计算式的形式也是一样的。

2）串联断电结构的可靠度及增加值

由于串联常闭与并联常开的急停开关的可靠度计算式完全相同，所以两者的可靠度完全取决于每个开关的可靠度。改进后的右开关，采用左开关结构形式，由3.2节的比较分析得，改进后单个可靠性远大于改进前的右手把开关的可靠度。而串联常闭结构的可靠度，则可由式（7）、式（12）计算得出，其可靠度与单个开关的可靠度是一致的。由于

则

而改进前，由于存在本质不安全的故障隐患，导致并联结构可靠度已经变为仅由单个开关的可靠度所决定。所以，改进后的可靠度比改进前的可靠度增加值及寿命增加的比值仍维持式（6）～式（9）中所得出的结论不变。

3.4 串联电气自动急停开关结构的一般逻辑特征

串联安全断电急停开关控制电路结构，类似于左侧开关简单可靠的急停按钮，实际上普遍应用于各类电器控制的紧急停止电路中，以及接触器需要互锁时的常闭互锁电路上[9]。

电工手册中15t/3t的交流起重机控制线路中的控制回路电源控制继电器C，零位限位开关FTK、XTK、DTK，舱口盖及横梁栏杆门上的安全开关，电机过电流继电器LJ开关需要急停控制，其常闭触点全部串联在继电器C的线圈回路中，如图6所示。

图6 15t/3t起重机控制回路电源启动急停原理图

电梯电气控制电路中电源继电器YJ，需要急停的安全钳开关、限速器断绳开关、电机过热检测开关的常闭触点也都是串联在控制电源继电器的线圈回路中，如图7所示。

图7 电梯控制电源回路启动急停原理图

翻阅其他常用生产机械电气控制电路中的急停控制，则无一例外全部采用串联常闭停止。

目前最普遍使用的LA38型按钮内部结构与手指按下状态如图8所示，动触点、按钮帽与前述的左侧开关结构类似，也是处在一个同轴中心上下移动。急停按钮则是在该开关机构基础上改变了平钮的帽子而已。

图8 按钮内部结构与手指按下状态

大量的工业应用实践表明：该串联常闭控制结构是相当可靠的，几乎没有发生过因为按钮失效不能紧急停止而导致的安全事故，也几乎没有因开关接触不良而导致的无故急停故障现象。电气控制的串联自动紧急停止设计是经得起数量与时间考验的控制结构。总结这类控制线路结构的一个共同逻辑特征为:k(jiting)，iff：U(out)=0，∃：F(t)→0，即对任意一个急停开关，当且仅当全部环节（包括中间过渡环节）以断电零电压为有用的输出信号时，则急停故障率与不可靠度趋向于零。

4 结论

串联急停才是本质安全的电路。对于急停电路，不能忽视逻辑结构的选择。采用串联常闭的逻辑结构才能避免应用中出现重大的安全事故，该结构是一个值得推广应用的急停电路结构形式。