繼電保護(hù)裝置硬件可靠性試驗(yàn)研究

李文明 張鋒 柴紅偉 田冬

摘 要：繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，其工作環(huán)境惡劣，平均無故障工作時(shí)間長。現(xiàn)針對繼電保護(hù)裝置硬件可靠性的提升，闡述了可靠性試驗(yàn)的類型、失效機(jī)理及試驗(yàn)內(nèi)容，并對具體的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行了可靠性指標(biāo)與試驗(yàn)應(yīng)力分析;對裝置現(xiàn)場失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，制訂了具有針對性的硬件可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)裝置;可靠性;失效;電磁兼容;信號質(zhì)量

0 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±0.2%，經(jīng)過光纖差動、過流保護(hù)等邏輯判定后，實(shí)現(xiàn)100 ms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(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[1]，甚至要求更長時(shí)間地連續(xù)無故障穩(wěn)定運(yùn)行，種種因素對繼電保護(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，軟件的缺陷不會隨著運(yùn)行時(shí)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(hù)裝置的硬件故障率會隨著運(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%[2]。鑒于此，需對繼電保護(hù)裝置硬件進(jìn)行長期可靠性試驗(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）可靠性增長試驗(yàn)：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(jìn)行驗(yàn)證以提高產(chǎn)品的可靠性。可靠性增長試驗(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)[3]：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)檢測或現(xiàn)場驗(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。

本文以可靠性增長試驗(yàn)為重點(diǎn)研究對象。

2 可靠性增長試驗(yàn)

2.1? ? ?失效機(jī)理

失效由產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)[4]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)取Ｆ湓谲浖⒂布卸即嬖冢瑢π∨慨a(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，通過增加測試覆蓋率可以去除。

2.2? ? 可靠性增長試驗(yàn)的主要內(nèi)容

可靠性增長試驗(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，可靠性評價(jià)指標(biāo)主要有成功率R、平均無故障時(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）平均無故障時(shí)間MTBF：對于可修復(fù)產(chǎn)品，平均無故障時(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。

A=MTBF/（MTBF+MTTR）

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)場運(yùn)行特點(diǎn)對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? ? 可靠性增長試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)對象的不同，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)械振動試驗(yàn)、安規(guī)試驗(yàn)等。

2.4.2? ? 專用試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）信號一致性試驗(yàn)：對關(guān)鍵信號開展眼圖測試，通過時(shí)間積累，評估信號質(zhì)量、時(shí)序及長期工作是否滿足標(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)[5]：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)

通過收集整理現(xiàn)場問題進(jìn)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(yàn)項(xiàng)目。相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目如表4所示。

3 結(jié)語

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(biāo)有所降低等問題。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。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 微機(jī)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行管理規(guī)程：DL/T 587—2007[S].

[2] 王睿琛，薛安成，畢天姝，等.繼電保護(hù)裝置時(shí)變失效率估算及其區(qū)域性差異分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（5）：11-15.

[3] 凌剛.可靠性試驗(yàn)及其在繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用[J].電工電氣，2012（7）：42-46.

[4] 可靠性增長大綱：GB/T 15174—2017[S].

[5] 熊文澤，劉曉亮.功能安全故障插入測試技術(shù)淺析[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2020（1）：23-27.

收稿日期：2021-05-06

作者簡介：李文明（1986—），男，河南鶴壁人，工程師，從事微機(jī)繼電保護(hù)產(chǎn)品的研發(fā)測試工作。