馮凌云

(廣州蓄能水電廠,廣東 廣州 510950)

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抽水蓄能電站繼電器故障機(jī)理及可靠性分析

馮凌云

(廣州蓄能水電廠,廣東 廣州 510950)

摘要：繼電器是二次回路上的重要元件，在蓄能電站中應(yīng)用廣泛，數(shù)量巨大，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此有必要對(duì)其故障模式和可靠性進(jìn)行詳細(xì)分析并制定相應(yīng)的維護(hù)對(duì)策.以廣州蓄能水電廠A廠近年來的繼電器故障情況為例，通過對(duì)故障模式的詳細(xì)分析,明確了蓄能電站中繼電器失效的主要形式，并應(yīng)用威布爾分布理論對(duì)繼電器的可靠性進(jìn)行了評(píng)估.根據(jù)評(píng)估結(jié)果，提出了一種基于可靠度壽命的蓄能電站繼電器的維護(hù)策略，經(jīng)廣州蓄能水電廠的實(shí)踐應(yīng)用，結(jié)果表明，其維護(hù)效果較好.

關(guān)鍵詞：抽水蓄能;繼電器;故障機(jī)理;可靠性;維護(hù)策略;威布爾分布;浴盆曲線;平均秩次法

抽水蓄能電站在二次控制回路中使用了大量的繼電器應(yīng)用于機(jī)組的保護(hù)與控制，以廣州蓄能水電廠(以下簡稱廣蓄)A廠為例，單臺(tái)300 MW可逆式抽水蓄能機(jī)組僅用于機(jī)組控制的繼電器就多達(dá)300余個(gè).該廠自1993年投產(chǎn)以來，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，由繼電器導(dǎo)致的機(jī)組故障愈加頻繁.因此，如何保證繼電器的可靠性，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，已成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn).本文通過分析廣蓄A(yù)廠繼電器的故障模式及原因,明確繼電器失效的主要形式，并利用威布爾分布模型，聯(lián)合最小二乘法及平均秩次法，得到繼電器可靠性分析模型和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此提出一種維護(hù)策略并予以應(yīng)用，以期為電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保證.

1繼電器故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

繼電器在蓄能電站中應(yīng)用廣泛，種類繁多.按照封裝形式不同，繼電器可分為不能打開外殼的全密封式、能夠打開外殼的封閉式和不多見的無外殼的敞開式[1].依據(jù)安裝方式來劃分，主要有固定式和插拔式兩類.固定式繼電器的接線端子和繼電器設(shè)計(jì)在一個(gè)本體上，維護(hù)時(shí)需要解接線.插拔式繼電器配有底座，回路接線固定在底座上，繼電器插拔方便，易于維護(hù).按照使用功能分類，繼電器又可分為啟動(dòng)繼電器、中間繼電器、雙穩(wěn)態(tài)繼電器、時(shí)間繼電器等幾類.廣蓄A(yù)廠二次控制回路中主要使用的是MTI廠的封閉式可插拔的中間繼電器、雙穩(wěn)態(tài)繼電器和時(shí)間繼電器.

統(tǒng)計(jì)2002年至2014年13 a間廣蓄A(yù)廠的故障繼電器，并按照故障后果對(duì)繼電器故障總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表1.

表1　繼電器故障后果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1知，在這13 a機(jī)組運(yùn)行期間共發(fā)生了74次繼電器故障.根據(jù)中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司2014年版電力事故事件調(diào)查規(guī)程要求，1臺(tái)機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)(失去備用狀態(tài))4 h以下定性為電力生產(chǎn)安全五級(jí)事件[2].表1中導(dǎo)致蓄能水電機(jī)組發(fā)電啟動(dòng)失敗、抽水啟動(dòng)失敗、停機(jī)失敗、故障跳機(jī)、機(jī)組不可用等可能產(chǎn)生考核事件的繼電器故障次數(shù)高達(dá)56次，占故障總數(shù)的75.7%.繼電器故障對(duì)機(jī)組的影響不產(chǎn)生考核事件的次數(shù)為18次，僅占故障總數(shù)的24.3%.由此可見，繼電器是否可靠工作關(guān)系到電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)繼電器的故障原因進(jìn)行分析并制定有效的維護(hù)策略.

按照繼電器類型對(duì)故障總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2.從表2中可以看出，全廠各控制系統(tǒng)在用的普通中間繼電器總數(shù)為1 522個(gè)，時(shí)間繼電器總數(shù)為146個(gè)，雙穩(wěn)態(tài)繼電器總數(shù)為71個(gè).經(jīng)過分析可知，雖然普通中間繼電器的故障次數(shù)最多，共53次，但只占該類繼電器總數(shù)比例的3.5%；時(shí)間繼電器與雙穩(wěn)態(tài)繼電器的故障次數(shù)較少，分別為12次和9次，占該類繼電器總數(shù)的比例分別達(dá)8.2%和12.7%.

表2　繼電器故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)故障繼電器的故障類別進(jìn)行分析，結(jié)果見表3.由表3可以看出：繼電器接觸電阻異常的故障最多，共發(fā)生54次，占總數(shù)的73%；其次是接線或底座松動(dòng)，共17次，占總數(shù)的23%；線圈損壞的故障次數(shù)最少，共發(fā)生3次，只占總數(shù)的4%.

表3　繼電器故障類別數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2繼電器故障機(jī)理分析

經(jīng)分析，蓄能電站中繼電器的故障失效模式可分為外因失效和內(nèi)因失效.所謂外因失效，是指故障原因不是由繼電器本體故障導(dǎo)致的失效，如接線松動(dòng)或底座松動(dòng)等引起的失效.所謂內(nèi)因失效，是指由繼電器本體故障導(dǎo)致的失效，如線圈損壞、接觸電阻異常等引起的失效.蓄能電站中繼電器在一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)的失效模式、失效機(jī)理分類如圖1所示.

圖1　繼電器動(dòng)作周期內(nèi)失效模式和失效機(jī)理示意圖

2.1　外因失效的機(jī)理分析

外因失效的主要表現(xiàn)形式是接線松動(dòng)和底座松動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主要原因是人為因素和環(huán)境因素導(dǎo)致的.定期檢查繼電器時(shí)未檢查和緊固接線、底座，工作結(jié)束后未將解掉的接線正確回接，是主要的人為因素；而環(huán)境因素主要是機(jī)組長期運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊引起底座與繼電器的脫離以及導(dǎo)線的松動(dòng).

2.2　內(nèi)因失效的機(jī)理分析

由觸點(diǎn)失效引起的該合不合和該斷不斷失效是繼電器內(nèi)因失效的主要形式.文中將觸點(diǎn)失效引起的該合不合失效稱之為斷開失效,觸點(diǎn)失效引起的該斷不斷失效稱之為粘接失效.按發(fā)生失效時(shí)的觸點(diǎn)類型不同，可將斷開失效分為靜合分?jǐn)嗍Ш蛣?dòng)合分?jǐn)嗍?種.靜合分?jǐn)嗍獒尫胚^程中動(dòng)觸點(diǎn)和靜合靜觸點(diǎn)不能可靠閉合;動(dòng)合分?jǐn)嗍槲线^程中動(dòng)觸點(diǎn)和動(dòng)合靜觸點(diǎn)不能可靠閉合.粘接失效分為靜合粘接失效和動(dòng)合粘接失效2種.靜合粘接失效為吸合過程中動(dòng)觸點(diǎn)和靜合靜觸點(diǎn)不能可靠分?jǐn)?而動(dòng)合粘接失效為釋放過程中動(dòng)觸點(diǎn)和動(dòng)合靜觸點(diǎn)不能可靠分?jǐn)?無論斷開失效還是粘接失效均會(huì)導(dǎo)致繼電器的接觸電阻異常，引起機(jī)組控制回路功能故障.另外，若線圈出現(xiàn)損壞或無法勵(lì)磁，將會(huì)導(dǎo)致繼電器吸合失效或釋放失效.

從電路特性、環(huán)境因素、產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素、壽命因素等對(duì)內(nèi)因失效原因進(jìn)行分析.

2.2.1電路特性

1)引發(fā)觸點(diǎn)發(fā)生靜合分?jǐn)嗷騽?dòng)合分?jǐn)嗍У脑?，主要有燃弧過程中觸點(diǎn)材料噴濺后凈損失導(dǎo)致的觸點(diǎn)不斷磨損，以及觸點(diǎn)表面聚集生成的污染膜引起的接觸電阻偏大等.

2)引發(fā)觸點(diǎn)靜合粘接或動(dòng)合粘接失效的機(jī)理有2方面：一方面是由于彈跳或分?jǐn)嚯娀∫鸬膭?dòng)熔焊，當(dāng)熔焊產(chǎn)生的熔焊力大于觸點(diǎn)的分離力時(shí)，發(fā)生粘接失效；另一方面是由于燃弧引起的材料轉(zhuǎn)移效應(yīng)，包括材料堆積導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙堵塞(橋接)以及形成針刺、凹坑，使得觸點(diǎn)無法可靠分?jǐn)郲3].

2.2.2環(huán)境因素

1)廣州市大氣環(huán)境濕度大、鹽分大、粉塵多，使觸點(diǎn)受到污染，引起觸點(diǎn)接觸不良.

2)繼電器是怕熱元件，排列過密，使局部溫度過高，可靠性降低.

3)空氣中的微小水分使電氣絕緣下降,壽命縮短.

2.2.3產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素

1)廣蓄A(yù)廠在繼電器的外殼頂部設(shè)計(jì)有排氣孔，使得繼電器本體更容易受到外部環(huán)境的影響.

2)時(shí)間繼電器與雙穩(wěn)態(tài)繼電器由于功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，因此發(fā)生功能失效的概率較普通繼電器高.

2.2.4壽命因素

1)繼電器本身屬于損耗型電子器件，使用壽命有限.

2)廣蓄A(yù)廠繼電器使用年限長，大量繼電器未進(jìn)行過更換.

3)蓄能機(jī)組啟停頻繁導(dǎo)致部分關(guān)鍵繼電器頻繁動(dòng)作，使得線圈及觸點(diǎn)材料磨損加快，壽命減少.

4)頻繁定期檢查和維護(hù)也會(huì)縮短繼電器的使用壽命.

3繼電器的可靠性分析

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和故障機(jī)理分析可知，觸點(diǎn)失效是主要失效模式，應(yīng)予以重點(diǎn)研究.由于蓄能電站中各繼電器的功能作用和動(dòng)作頻率不同，使用年限也不相同，應(yīng)根據(jù)繼電器觸點(diǎn)失效形式對(duì)繼電器進(jìn)行詳細(xì)的壽命分析，以便制定維修對(duì)策.

3.1　威布爾分布

威布爾分布是瑞典物理學(xué)家 Weibull 教授提出的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，目前廣泛用于設(shè)備的可靠性分析，尤其適用于繼電器等機(jī)電類產(chǎn)品的磨損累計(jì)失效的分布形式分析，且雙參數(shù)的威布爾分布隨著參數(shù)取值的變化可表示為失效率隨時(shí)間變化的多種情況.文中采用2參數(shù)的威布爾分布來分析該蓄能電站繼電器的可靠性.

威布爾分布的失效分布函數(shù)為：

(1)

故障密度函數(shù)為：

(2)

可靠度函數(shù)為:

(3)

可靠壽命為:

tr=η(-lnR)1/β．

(4)

失效率函數(shù)為：

(5)

式中：η為尺度參數(shù)；β為形狀參數(shù)，代表失效模式.

如圖2所示，繼電器的失效率λ(t)隨時(shí)間t變化的規(guī)律符合“浴盆曲線”，當(dāng)0<β<1時(shí)，表明是早期失效期，失效率嚴(yán)格遞減；當(dāng)β=1時(shí)，表明是偶然失效期，失效率不變；當(dāng)β>1時(shí)，表明是耗損失效期，失效率嚴(yán)格遞增.

圖2　浴盆曲線

3.2　最小二乘法的威布爾分布參數(shù)估計(jì)

目前，常用的威布爾分布參數(shù)估計(jì)法主要有[4]：圖估計(jì)法、極大似然估計(jì)法和最小二乘估計(jì)法.其中最小二乘估計(jì)法操作方便且能有效實(shí)現(xiàn)分布函數(shù)的線性化，是威布爾參數(shù)估計(jì)的主要方法[5].

將式(3)左右變形，連續(xù)取2次對(duì)數(shù)可得：

ln[-lnR(t)]=βlnt-βlnη．

(6)

令：

x=lnt，y=ln[-lnR(t)]，

A=β，B=-βlnη．

則式(6)可化為：

Y=Ax+B．

(7)

對(duì)于線性回歸方程(7)，利用最小二乘法可估算出參數(shù)[6]A和B分別為：

(8)

3.3　平均秩次法

用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)，為了得到最佳的回歸直線，關(guān)鍵是提高經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)的精度[7].傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)計(jì)算方法是通過近似中位秩式(9)得到，誤差較大.

(9)

式中：i為故障設(shè)備的順序號(hào)；n為樣本的總?cè)萘?

文獻(xiàn)[8]中指出，平均秩次法是提高累計(jì)分布函數(shù)精度的有效方法，其計(jì)算公式如下[9]：

(10)

Ak=Ak-1+ΔAk，

(11)

(12)

R(tk)=1-F(tk)．

(13)

式中:Ak為故障樣品的平均秩次，k為故障樣品的順序號(hào)；Ak-1為前一個(gè)故障樣品的平均秩次；ΔAk為平均秩次增量；i為所有樣品按故障前動(dòng)作次數(shù)的順序排列號(hào)；tk為第i個(gè)樣品的故障前動(dòng)作次數(shù).在故障數(shù)據(jù)已知的情況下可利用式(10)—(13)計(jì)算出一組經(jīng)驗(yàn)可靠性指標(biāo)，然后利用最小二乘法擬合回歸直線，確定威布爾分布模型的尺度參數(shù)η和形狀參數(shù)β.

3.4　繼電器壽命的計(jì)算

使用繼電器參數(shù)測(cè)試儀對(duì)廣蓄A(yù)廠30個(gè)繼電器樣品進(jìn)行10萬次可靠性動(dòng)作試驗(yàn)，在觸點(diǎn)接觸電阻不合格時(shí)停止測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果和分析計(jì)算過程列于表4中.

表4　平均秩次法計(jì)算繼電器可靠性指標(biāo)

表4中第1列為樣品的時(shí)間順序排號(hào)，第2列為故障樣品的順序號(hào)，第3列為各繼電器故障時(shí)的動(dòng)作次數(shù)，由于文中未發(fā)生故障的繼電器均比故障繼電器動(dòng)作次數(shù)多，所以i和k的數(shù)值相同.試驗(yàn)結(jié)果顯示，共有9個(gè)樣品在10萬次以內(nèi)發(fā)生了故障.運(yùn)用平均秩次法，通過式(10)—(13)計(jì)算故障繼電器的平均秩次和經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)值.以故障前動(dòng)作85 962次的繼電器為例來說明經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)值的確定.

表4中x和y的值為計(jì)算出來離散點(diǎn)的坐標(biāo)，將此坐標(biāo)值代入式(8)可得回歸系數(shù)A=8.122，B=-94.591，于是可知威布爾分布模型參數(shù)β=8.122，η=1.142 6.則廣蓄A(yù)廠繼電器的失效分布函數(shù)、故障密度函數(shù)、可靠度函數(shù)和故障率函數(shù)分別為：

得到可靠度函數(shù)曲線如圖3所示.

圖3　可靠度函數(shù)圖

由圖3可知，β=8.122>1，繼電器當(dāng)前處于損耗失效期.如果取可靠度的期望值為0.99，由式(4)可得可靠壽命為tr=64 853次，如果取可靠度的期望值為0.95，則由式(4)可得可靠壽命為tr=79 266 次.

4維護(hù)策略

根據(jù)以上的分析結(jié)果，按照不同的可靠度要求，繼電器表現(xiàn)出不同的可靠壽命，其維護(hù)策略也不盡相同.結(jié)合廣蓄A(yù)廠RTU控制邏輯圖，根據(jù)繼電器的關(guān)鍵性(是否影響蓄能機(jī)組發(fā)電、抽水、停機(jī)等各工況的成功轉(zhuǎn)換)及動(dòng)作頻率,將全部繼電器分為以下4類：

1)關(guān)鍵高頻繼電器，如機(jī)組機(jī)械剎車投入命令繼電器，其動(dòng)作次數(shù)按照每天發(fā)電3次、抽水2次、停機(jī)5次計(jì)算，則每天動(dòng)作次數(shù)為10次.

2)關(guān)鍵非高頻繼電器，如抽水工況換相刀合閘繼電器，其動(dòng)作次數(shù)按照每天抽水2次，則每天動(dòng)作次數(shù)為2次.

3)非關(guān)鍵高頻繼電器，如一次調(diào)頻動(dòng)作繼電器，其動(dòng)作次數(shù)按照每天動(dòng)作20次計(jì)算.

4)非關(guān)鍵非高頻繼電器，如尾閘油泵狀態(tài)繼電器,其動(dòng)作次數(shù)按照每2 d動(dòng)作1次，則每天動(dòng)作0.5次.

期望關(guān)鍵繼電器的可靠度為0.99，非關(guān)鍵繼電器的可靠度為0.95，則可計(jì)算出以上各類繼電器的可靠壽命，具體結(jié)果見表5.以關(guān)鍵高頻繼電器的可靠壽命計(jì)算過程為例，繼電器壽命為：64 853(次)÷10(次/d)÷365(d/a)≈17.8(a).

表5　各類繼電器在期望可靠度下的壽命

根據(jù)繼電器壽命分析結(jié)論,結(jié)合電路特性、環(huán)境因素、產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素等多方面影響，提出如下二次回路繼電器維護(hù)方案.

1)關(guān)鍵高頻繼電器每個(gè)小修周期(1 a)進(jìn)行1次定期檢查，每個(gè)大修周期(10 a)全部更換.

2)關(guān)鍵非高頻繼電器每2~3個(gè)小修周期進(jìn)行1次定期檢查，每2個(gè)大修周期全部更換.

3)非關(guān)鍵高頻繼電器每2~3個(gè)小修周期進(jìn)行1次定期檢查，不合格者予以更換.

4)非關(guān)鍵非高頻繼電器不進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)故障直接予以更換.

統(tǒng)計(jì)2002―2014年13 a間廣蓄A(yù)廠每年繼電器的故障數(shù)情況，具體如圖4所示.

圖4　廣蓄A(yù)廠繼電器故障時(shí)間分布曲線

從圖4中可以看出，從2006年起由于部分關(guān)鍵高頻關(guān)鍵繼電器與非關(guān)鍵高頻繼電器相繼達(dá)到或接近其可靠壽命，故障率持續(xù)上升,到2009年左右進(jìn)入故障高發(fā)密集期.2011年后,根據(jù)以上的維護(hù)策略，在大小修過程中陸續(xù)將部分繼電器進(jìn)行了更換，故障率開始下降.

5結(jié)語

觸點(diǎn)失效是抽水蓄能機(jī)組二次回路繼電器故障的主要模式，其失效形式符合威布爾分布.文中根據(jù)繼電器樣品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用威布爾分布模型，聯(lián)合最小二乘法及平均秩次法，求得繼電器可靠性分析模型，繼而得到各類繼電器在期望值下的可靠壽命.據(jù)此提出一種蓄能電站繼電器的維護(hù)策略，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，其維護(hù)策略初見成效.目前該維護(hù)策略的水平還是處于初步階段，以后經(jīng)過長時(shí)間的研究和實(shí)踐，不斷給予完善，以便形成更加科學(xué)有效的繼電器維修管理方法.

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

Failure Mechanism and Reliability Analysis of Relays in Pumped Storage Power Station

FENG Lingyun

(Guangzhou Pumped-storage Power Plant， Guangzhou 510950， China)

Abstract:The relay is an important component of the secondary circuit, and it is widely used in pumped storage power stations, and its performance is directly related to the safe and stable operation of power station. Therefore, it is necessary to analyze the failure mode and reliability, and furthermore formulate the corresponding maintenance strategy. In this paper, taking the relay fault conditions inAbranch of Guangzhou Pumped Storage Power Plant as an example, through the detailed analysis of the failure mode, the main form of relay failure in the pumped storage power plant is defined and the reliability of the relay is assessed based on the Weibull distribution theory. According to the assessment results, a maintenance strategy based on reliability life for the relay of pumped-storage plant is proposed．Through the practice in Guangzhou Pumped Storage Power Plant, the strategy has achieved an initial success．

Keywords:pumped storage power station; relay; failure mechanism; reliability; maintenance strategy; Weibull distribution; bathtub curve; average rank time method

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)06-0083-06

中圖分類號(hào)：TV734.4;TK730.8

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.020

作者簡介：馮凌云(1960—),男,湖北武漢人,工程師,碩士,主要從事抽水蓄能電站自動(dòng)化控制、嵌入式技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面的研究.

收稿日期:2015-09-26
創(chuàng)新項(xiàng)目：2014年中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司職工技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(K-ST2014-008-13).