基于Rogowski線圈的電子式電流互感器可靠性分析

崔　　超，王嫚嫚，徐瑩琳，林羅波

基于Rogowski線圈的電子式電流互感器可靠性分析

崔超1，王嫚嫚2，徐瑩琳1，林羅波1

（1.華能山東石島灣核電有限公司，山東威海264312；2.國網山東省電力公司威海供電公司，山東威海264200）

建立電子式電流互感器（ECT）的可靠性評估蒙特卡羅模型，對ECT的平均壽命、失效概率和可靠度進行模擬。結果表明，平均壽命約為62 451 h，失效概率在約3×105h后近似為零，可靠度在約5×104h時下降到0.5。通過應力分析法對ECT的平均壽命計算，結果為62 352 h。兩種方法結果一致，相對誤差約為0.15%，從而驗證所建立的蒙特卡羅模型的正確性。

電子式電流互感器（ECT）；蒙特卡羅方法；可靠性評估；平均壽命；失效概率；可靠度

0　　引言

電流互感器是電力系統中用于電流測量和繼電保護的重要設備之一，其測量準確度及可靠性對電力系統安全、穩定和經濟運行有著重要的影響。迄今，電磁式電流互感器仍在電力系統中廣泛使用，但這種電流互感器在應用上存在飽和后其二次側電流波形及幅值失真的問題。隨著光纖通信技術的快速發展，在電力系統將會較多地采用電子式電流互感器。電子式互感器能夠直接提供數字信號給計量、保護裝置，簡化二次設備，提高整個系統的準確度［1-5］。然而，電子式電流互感器最終能否全面代替傳統的電磁式電流互感器，取決于其長期運行的可靠性。

可靠性是指產品在規定的條件和時間內完成規定功能的能力。GB/T 20840.8—2007規定，制造方應按有關標準提供電子式電流互感器的可靠性和可信賴性資料［6］，其內容包括可維修各主件預期的平均無故障時間 （MTTF）和平均無故障間隔時間（MTBF），以及故障模式與后果分析（FMEA），其中MTBF通常用來表征平均壽命。電子式電流互感器已在國內電力系統中部分應用，但關于電子式電流互感器可靠性評估的理論分析鮮見報道。文獻［7］應用元件計數法和應力分析法對直流互感器的可靠性進行了評估，僅得到的平均無故障時間這一可靠性指標；而文獻［8］利用故障樹法對互感器的可靠性進行了定性分析，沒有給出具體的可靠性指標。

為此，利用蒙特卡羅方法對目前應用較多的基于Rogowski線圈電子式電流互感器進行可靠性評估與分析，并將平均壽命的評估結果與應力分析法的結果進行比較。

圖1　　電子式電流互感器的可靠性模型

1　　電子式電流互感器可靠性評估

蒙特卡羅方法是一種以概率統計為基礎的數值計算方法，也稱統計試驗方法或計算機隨機模擬方法，該方法隨計算機計算水平的不斷提高而日益受到重視［9-11］。在系統可靠性分析中，采用蒙特卡羅方法主要是利用其模擬系統的壽命過程，在此基礎上分析系統的可靠性特征。

蒙特卡羅方法的基本思想［12］是：當問題可以抽象為某個確定的數學問題時，應當首先建立一個恰當的概率模型，即確定某個隨機事件A或隨機變量X，使得待求的解等于隨機事件出現的概率或隨機變量的數學期望值，然后進行模擬實驗，即重復多次地模擬隨機事件A或隨機變量X。最后對隨機實驗結果進行統計平均，求出A出現的頻數或X的平均值作為問題的近似解。蒙特卡羅方法應用的主要步驟為：構造或描述概率過程，建立仿真模型；實現從已知概率分布抽樣生成隨機數；建立各種評估量。

1.1建立系統模型

由n個單元組成的系統，若當系統的任一單元失效時將引起系統失效，則這樣的系統用串聯系統表示［13］。對于電子式電流互感器，任何一個元器件失效都會造成整個系統的功能或性能失效，且沒有冗余器件或電路作為備份，所以電子式電流互感器可以看作為一個串聯系統。電子式電流互感器結構包括5個單元，即一次傳感單元（Rogowski線圈［14］）、高壓側處理單元［15］、光纖傳輸單元［16］、低壓側處理單元和激光供能單元［17］。基于這些單元組成的串聯系統如圖1所示。

考慮到傳統手工繞制空心線圈重復性差、準確性低的缺點和實際大規模生產的特點，一次傳感單元采用PCB型Rogowski線圈。由于低壓側根據應用的不同，需要接不同的顯示裝置，因此只評估其數據分析處理元件［18-19］。

1.2隨機變量抽樣

在每一次對系統可靠性進行評估的過程中，需要對n個基本單元的壽命進行隨機抽樣以取得它的失效時間樣本，在此基礎上進行各可靠性指標的點估算。

構成單元的器件失效時間t是一隨機變量，它服從的分布稱為失效分布（亦稱壽命分布）。對于每一器件可用指數分布作為其失效分布的近似［20-21］。一個指數分布函數可表為

則相應的概率密度函數為

式中：λ為失效率，且為器件平均壽命θ的倒數，即λ=1/θ。

GJB/Z 299C—2006［22］給出了應力分析法和計數法評估電子設備可靠性所需要的各種失效模型和參數，是對許多工程設備進行可靠性預計的權威性依據。目前已獲得我國電力系統所用電子式電流互感器詳細的元器件清單及每個元器件所承受的應力數據，所以可用應力分析法分析其可靠性。根據這些參數和失效模型，計算得到的電子式電流互感器各器件的失效率如表1所示。

表1　　可靠性模型的各單元失效率

1.3可靠性指標的點估計計算

系統的主要可靠性指標有可靠度 （或不可靠度）、失效概率、系統平均壽命等。這些可靠性指標的點估算方法［23］如下。

通過N次仿真運行可獲得系統失效時間的N個樣本。首先設系統最大工作時間為tmax，將（0，tmax］分成m個區間（m的選擇要恰當），則每個時間間隔為Δt=tmax/m。設統計第k個單元在第r個時間間隔［tr-1，tr］內系統失效數用Δmr表示，則有

式中：φ（t）為系統的狀態變量；tk，j為第j次仿真中第k個單元發生失效的時刻。當仿真過程中各單元的抽樣失效時間t≥tk，j時，系統發生失效，φ（t）記為1，否則記為0，即有

式中：t為仿真過程中各單元的抽樣失效時間。若統計t≤tr內的系統失效數mr，則有

在得到了系統的失效數Δmr和mr后，則可進一步統計獲得系統的可靠度（或不可靠度）、失效概率分布和平均壽命。

1）系統不可靠度。

tr時刻系統不可靠度定義為

則系統不可靠度的點估計計算公式為

2）系統失效概率分布。

系統在tr時刻的失效概率分布為

它的點估計值為

設t為系統可靠性仿真的設計模擬時間，若t足夠大，以至于R^（t）=0，此時，系統平均壽命點估計值為：

3）系統平均壽命。

系統平均壽命定義為

2　　仿真運行

2.1仿真流程

根據圖1所示的電子式電流互感器可靠性模型及蒙特卡羅仿真原理，可得仿真的流程如圖2所示。

2.2仿真結果及分析

按上述方法和原理，在Matlab環境下對電子式電流互感器可靠性進行仿真。仿真過程中，系統的工作時間設為5×105h，并分為200個區間進行統計。仿真計算得到的系統平均壽命MTBF=62 451 h，失效概率和可靠度隨時間的變化如圖3所示。系統的失效概率最大值約為0.04，且隨時間逐漸減小，約在120個時間間隔（3×105h）后近似為零。此外，可靠度在約第20個時間間隔（5×104h）時下降到0.5。

圖2　　仿真流程

2.3應力分析法驗證

圖3　　可靠性指標

使用應力分析方法［24］預計電子設備可靠性平均壽命指標MTBF，程序如下：先劃分可靠性預計單元，建立系統可靠性模型；按工作失效率模型計算各分單元內元器件的工作失效率；將預計單元內各種類元器件的工作失效率相加，由此得出預計單元的失效率；按設備、系統的可靠性模型逐級預計設備、系統的平均壽命。

應力分析法對于每個器件的失效率

式中：λb為器件的基本失效率；πE為環境系數；πQ為質量系數；πA為應用系數；πT為溫度應力系數；πC為結構系數；πL為成熟系數；πK為種類系數。

對表1的數據進行可靠性分析，得到的系統失效率是16.037 08×10-6/h，則平均壽命MTBF=1/λ= 62 352 h。可以看到，該結果與蒙特卡羅模擬的結果一致，相對誤差約為0.15%，從而驗證了所建立蒙特卡羅模型的正確性。

3　　結語

建立基于典型的電子式電流互感器的可靠性評估蒙特卡羅模型，并應用建立的模型對該電流互感器的可靠性進行了評估。計算的平均壽命約為6.245 1×104h，失效概率在約3×105h后近似為零，可靠度在約5×104h時下降到0.5。并且基于應力分析法對所考慮的電子式電流互感器的平均壽命計算，結果為62 352 h。兩種方法模擬結果的相對誤差約為0.15%，驗證了所建立蒙特卡羅模型的正確性。

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Reliability Prediction of Electronic Current Transformer Based on Rogowski Coil

CUI Chao1，WANG Manman2，XU Yinglin1，LIN Luobo1
（1.Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Co.，Ltd.，Weihai 264312，China；2.State Grid Weihai Power Supply Company，Weihai 264200，China）

An reliability Monte Carlo model of electronic current transformer was established，by which the average life，failure probability and reliability of the current transformer were evaluated.Calculated results showed that the average life was about 62 451 hours，and the failure probability was approximately zero after 3×105hours，and the reliability dropped to 0.5 after 5×104hours.The average life of the current transformer calculated by the part stress analysis was 62 352 hours.Compared with the result by Monte Carlo method，the relative error was within 0.15%，which indicated that the Monte Carlo model was accurate and reliable.

electronic current transformer（ECT）；Monte Carlo method；reliability evaluation；average life；failure probability；reliability

TM930

A

1007-9904（2016）06-0014-04

2016-01-13

崔超（1986），男，工程師，從事電廠繼電保護及發電機勵磁系統調試工作；王嫚嫚（1987），女，工程師，從事變電站繼電保護及自動化系統檢修工作；徐瑩琳（1987），女，工程師，從事電廠繼電保護及自動化系統調試工作；林羅波（1988），女，工程師，從事電廠繼電保護及自動化系統調試工作。