李文明 張鋒 柴紅偉 田冬

摘 要：繼電保護裝置是電力系統穩(wěn)定運行的重要保障，其工作環(huán)境惡劣，平均無故障工作時間長?，F針對繼電保護裝置硬件可靠性的提升，闡述了可靠性試驗的類型、失效機理及試驗內容，并對具體的繼電保護裝置進行了可靠性指標與試驗應力分析;對裝置現場失效現象進行分析，制訂了具有針對性的硬件可靠性試驗項目。

關鍵詞：繼電保護裝置;可靠性;失效;電磁兼容;信號質量

0 引言

繼電保護裝置是電力系統穩(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%，經過光纖差動、過流保護等邏輯判定后，實現100 ms內快速切除故障。

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。各生產廠家的繼電保護裝置一般在全國范圍內通用，-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[1]，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的57.8%[2]。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

在繼電保護裝置產品生命周期內，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：確認產品在規(guī)定的工作環(huán)境下各項功能是否符合產品設計需求，性能參數是否符合相關指標要求。

（2）可靠性增長試驗：通過發(fā)現故障，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計更改措施。

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

（4）可靠性驗收試驗：主要是在入網檢測或現場驗收階段，基于用戶技術協議、行業(yè)標準等驗證批量產品是否達到規(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

失效由產品的薄弱環(huán)節(jié)[4]引發(fā)，主要有以下兩種：

（1）系統性薄弱環(huán)節(jié)：系統性薄弱環(huán)節(jié)產生的原因有產品設計缺陷、元器件選型匹配不合理、制造工藝不當、操作方法不當等。其在軟件、硬件中都存在，對小批量產品制訂合適的試驗方法即可激發(fā)失效，暴露出系統性薄弱環(huán)節(jié)。

（2）殘余性薄弱環(huán)節(jié)：殘余性薄弱環(huán)節(jié)產生的原因主要是元器件本身固有缺陷及生產制造工藝不受控等，從而導致產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容

可靠性增長試驗的主要內容如圖1所示。

2.3? ? 繼電保護裝置可靠性指標與試驗應力分析

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產品，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：產品在規(guī)定的工作條件下完成相關功能或試驗成功的概率。

（2）平均無故障時間MTBF：對于可修復產品，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運行的可靠性。

A=MTBF/（MTBF+MTTR）

式中：MTTR為平均修復時間，即從發(fā)現失效到產品恢復到規(guī)定功能所需時間的平均值。

2.3.2? ? 繼電保護裝置試驗應力分析

根據變電站、發(fā)電廠現場運行特點對不同用途的繼電保護裝置進行分析，明確產品的失效判據、工作應力、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

根據試驗目的及試驗對象的不同，以下述試驗項目為基礎，進行試驗項目的設計以及裁剪、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：對關鍵信號開展眼圖測試，通過時間積累，評估信號質量、時序及長期工作是否滿足標準規(guī)范要求。

（2）強化試驗：在產品規(guī)定極限應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，測試產品的設計裕度。

（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力，尋找產品的設計極限或破壞極限。

（4）故障插入試驗[5]：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

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

3 結語

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

[參考文獻]

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

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

[3] 凌剛.可靠性試驗及其在繼電保護裝置的應用[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淺析[J].儀器儀表標準化與計量，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，從事微機繼電保護產品的研發(fā)測試工作。