繼電保護(hù)裝置硬件可靠性試驗(yàn)研究

引言

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障,其電壓、電流采集精度一般要求不超過(guò)±0.2%,經(jīng)過(guò)光纖差動(dòng)、過(guò)流保護(hù)等邏輯判定后,實(shí)現(xiàn)100ms內(nèi)快速切除故障。

變電站周圍電磁環(huán)境惡劣,而繼電保護(hù)裝置中的集成電路工作電壓低、主頻高,對(duì)電磁干擾更加敏感。各生產(chǎn)廠家的繼電保護(hù)裝置一般在全國(guó)范圍內(nèi)通用,-40～70℃的工作溫度范圍,高濕度、高海拔等地理環(huán)境均會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提出嚴(yán)苛考驗(yàn)。繼電保護(hù)裝置的使用年限一般不低于12年,甚至要求更長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)無(wú)故障穩(wěn)定運(yùn)行,種種因素對(duì)繼電保護(hù)裝置的可靠性提出了極高的要求。

繼電保護(hù)裝置由軟件和硬件兩部分組成,軟件的缺陷不會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增加,而且經(jīng)過(guò)軟件優(yōu)化升級(jí),可靠性會(huì)逐漸提高。然而,由于元器件老化等原因,繼電保護(hù)裝置的硬件故障率會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。在影響繼電保護(hù)裝置正常運(yùn)行的因素中,裝置硬件功能的失效占裝置總故障數(shù)的57.8%。鑒于此,需對(duì)繼電保護(hù)裝置硬件進(jìn)行長(zhǎng)期可靠性試驗(yàn)。

1可靠性試驗(yàn)類型

在繼電保護(hù)裝置產(chǎn)品生命周期內(nèi),需要進(jìn)行多種不同目的的試驗(yàn),主要分為以下幾種:

(1）功能性能確認(rèn)試驗(yàn):確認(rèn)產(chǎn)品在規(guī)定的工作環(huán)境下各項(xiàng)功能是否符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求,性能參數(shù)是否符合相關(guān)指標(biāo)要求。

(2）可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn):通過(guò)發(fā)現(xiàn)故障,分析、糾正故障以及對(duì)糾正措施的有效性進(jìn)行驗(yàn)證以提高產(chǎn)品的可靠性?？煽啃栽鲩L(zhǎng)試驗(yàn)重點(diǎn)是進(jìn)行故障分析和采取有效的設(shè)計(jì)更改措施。

(3）環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn):在產(chǎn)品上施加環(huán)境強(qiáng)度應(yīng)力,以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障。環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)既適用于產(chǎn)品批量生產(chǎn)階段,也適用于產(chǎn)品研制階段。

(4）可靠性驗(yàn)收試驗(yàn):主要是在入網(wǎng)檢測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收階段,基于用戶技術(shù)協(xié)議、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等驗(yàn)證批量產(chǎn)品是否達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。

本文以可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)為重點(diǎn)研究對(duì)象。

2可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)

2.1失效機(jī)理

失效由產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)引發(fā),主要有以下兩種:

(1）系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié):系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的原因有產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、元器件選型匹配不合理、制造工藝不當(dāng)、操作方法不當(dāng)?shù)?。其在軟件、硬件中都存?對(duì)小批量產(chǎn)品制訂合適的試驗(yàn)方法即可激發(fā)失效,暴露出系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié)。

(2）殘余性薄弱環(huán)節(jié):殘余性薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的原因主要是元器件本身固有缺陷及生產(chǎn)制造工藝不受控等,從而導(dǎo)致產(chǎn)品良品率得不到保證。它只存在于硬件中,屬于偶發(fā)性故障,通過(guò)增加測(cè)試覆蓋率可以去除。

2.2可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容如圖1所示。

2.3繼電保護(hù)裝置可靠性指標(biāo)與試驗(yàn)應(yīng)力分析

2.3.1繼電保護(hù)裝置可靠性指標(biāo)

繼電保護(hù)裝置作為可修復(fù)產(chǎn)品,可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有成功率R、平均無(wú)故障時(shí)間MTBF、有效度A。

(1）成功率R:產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下完成相關(guān)功能或試驗(yàn)成功的概率。

(2）平均無(wú)故障時(shí)間MTBF:對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品,平均無(wú)故障時(shí)間為兩次故障間工作時(shí)間的平均值。

(3）有效度A:它是反映可以修復(fù)的繼電保護(hù)裝置運(yùn)行時(shí)的可靠性綜合性指標(biāo),在一定程度上還反映電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

式中:MTTR為平均修復(fù)時(shí)間,即從發(fā)現(xiàn)失效到產(chǎn)品恢復(fù)到規(guī)定功能所需時(shí)間的平均值。

2.3.2繼電保護(hù)裝置試驗(yàn)應(yīng)力分析

根據(jù)變電站、發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)不同用途的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行分析,明確產(chǎn)品的失效判據(jù)、工作應(yīng)力、工作環(huán)境,具體如表1、表2、表3所示。

2.4可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)對(duì)象的不同,以下述試驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ),進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以及裁剪、組合,目的是找出薄弱環(huán)節(jié)。

2.4.1通用試驗(yàn)項(xiàng)目

電磁兼容試驗(yàn)、高低溫環(huán)境試驗(yàn)、交變/恒定濕熱試驗(yàn)、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)、安規(guī)試驗(yàn)等。

2.4.2專用試驗(yàn)項(xiàng)目

(1）信號(hào)一致性試驗(yàn):對(duì)關(guān)鍵信號(hào)開展眼圖測(cè)試,通過(guò)時(shí)間積累,評(píng)估信號(hào)質(zhì)量、時(shí)序及長(zhǎng)期工作是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

(2）強(qiáng)化試驗(yàn):在產(chǎn)品規(guī)定極限應(yīng)力的一定范圍外進(jìn)行高低溫試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、機(jī)械試驗(yàn)等強(qiáng)化試驗(yàn),測(cè)試產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裕度。

(3）加速試驗(yàn):采用溫度步進(jìn)、快速溫度變化循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)步進(jìn)等加速應(yīng)力,尋找產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限或破壞極限。

(4）故障插入試驗(yàn):模擬運(yùn)行中插件、功能模塊、芯片發(fā)生某種典型硬件故障,測(cè)試產(chǎn)品的處理及告警機(jī)制可靠性。

2.4.3基于失效模式的特定試驗(yàn)

通過(guò)收集整理現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行失效分析,總結(jié)故障模式,開展具有針對(duì)性的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目。相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目如表4所示。

3結(jié)語(yǔ)

可靠性試驗(yàn)是提升繼電保護(hù)裝置產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段,對(duì)保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用,但也存在現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)采集應(yīng)用不足、產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中性能指標(biāo)有所降低等問(wèn)題。因此,有必要加強(qiáng)電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)的采集與分享,加快提升國(guó)產(chǎn)化元器件質(zhì)量,從而實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)整體產(chǎn)品可靠性的提升。