繼電保護裝置硬件可靠性試驗研究

引言

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

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

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

1可靠性試驗類型

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

(1）功能性能確認試驗:確認產(chǎn)品在規(guī)定的工作環(huán)境下各項功能是否符合產(chǎn)品設(shè)計需求,性能參數(shù)是否符合相關(guān)指標要求。

(2）可靠性增長試驗:通過發(fā)現(xiàn)故障,分析、糾正故障以及對糾正措施的有效性進行驗證以提高產(chǎn)品的可靠性?？煽啃栽鲩L試驗重點是進行故障分析和采取有效的設(shè)計更改措施。

(3）環(huán)境應(yīng)力篩選試驗:在產(chǎn)品上施加環(huán)境強度應(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）可靠性驗收試驗:主要是在入網(wǎng)檢測或現(xiàn)場驗收階段,基于用戶技術(shù)協(xié)議、行業(yè)標準等驗證批量產(chǎn)品是否達到規(guī)定的可靠性要求。

本文以可靠性增長試驗為重點研究對象。

2可靠性增長試驗

2.1失效機理

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)計缺陷、元器件選型匹配不合理、制造工藝不當、操作方法不當?shù)?。其在軟件、硬件中都存?對小批量產(chǎn)品制訂合適的試驗方法即可激發(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,通過增加測試覆蓋率可以去除。

2.2可靠性增長試驗的主要內(nèi)容

可靠性增長試驗的主要內(nèi)容如圖1所示。

2.3繼電保護裝置可靠性指標與試驗應(yīng)力分析

2.3.1繼電保護裝置可靠性指標

繼電保護裝置作為可修復(fù)產(chǎn)品,可靠性評價指標主要有成功率R、平均無故障時間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)功能或試驗成功的概率。

(2）平均無故障時間MTBF:對于可修復(fù)產(chǎn)品,平均無故障時間為兩次故障間工作時間的平均值。

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

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

2.3.2繼電保護裝置試驗應(yīng)力分析

根據(jù)變電站、發(fā)電廠現(xiàn)場運行特點對不同用途的繼電保護裝置進行分析,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可靠性增長試驗項目

根據(jù)試驗?zāi)康募霸囼瀸ο蟮牟煌?以下述試驗項目為基礎(chǔ),進行試驗項目的設(shè)計以及裁剪、組合,目的是找出薄弱環(huán)節(jié)。

2.4.1通用試驗項目

電磁兼容試驗、高低溫環(huán)境試驗、交變/恒定濕熱試驗、機械振動試驗、安規(guī)試驗等。

2.4.2專用試驗項目

(1）信號一致性試驗:對關(guān)鍵信號開展眼圖測試,通過時間積累,評估信號質(zhì)量、時序及長期工作是否滿足標準規(guī)范要求。

(2）強化試驗:在產(chǎn)品規(guī)定極限應(yīng)力的一定范圍外進行高低溫試驗、濕熱試驗、電磁兼容試驗、機械試驗等強化試驗,測試產(chǎn)品的設(shè)計裕度。

(3）加速試驗:采用溫度步進、快速溫度變化循環(huán)、隨機振動步進等加速應(yīng)力,尋找產(chǎn)品的設(shè)計極限或破壞極限。

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

2.4.3基于失效模式的特定試驗

通過收集整理現(xiàn)場問題進行失效分析,總結(jié)故障模式,開展具有針對性的可靠性試驗項目。相關(guān)試驗項目如表4所示。

3結(jié)語

可靠性試驗是提升繼電保護裝置產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段,對保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要作用,但也存在現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)采集應(yīng)用不足、產(chǎn)品國產(chǎn)化過程中性能指標有所降低等問題。因此,有必要加強電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)的采集與分享,加快提升國產(chǎn)化元器件質(zhì)量,從而實現(xiàn)電力行業(yè)整體產(chǎn)品可靠性的提升。