周 康，韋 樸，劉傳清*，潘海瑞，袁 航

(1.南京工程學院電氣工程學院,江蘇 南京 211167；2.南京工程學院通信工程學院,江蘇 南京 211167)

在全球能源互聯網的快速建設與發(fā)展的環(huán)境下,電網運行狀態(tài)的實時感知需求不斷深化。具體體現為電網各個環(huán)節(jié)重要設備運行參數的在線監(jiān)測和實時信息掌控,物聯網[1]作為信息感知和“物物互聯”重要技術手段,在智能電網的各個環(huán)節(jié)中都發(fā)揮重要作用,尤其在高電位側的狀態(tài)監(jiān)測領域更是如此。輸變電設備物聯網高電位監(jiān)測節(jié)點需要更加安全可靠的供能技術和通信技術的支撐。電力系統自動化和智能電網的發(fā)展,使得輸變電設備中智能電子設備和監(jiān)測的傳感器的應用日益廣泛[2-3]。通常,傳感器和電子設備采用低壓直流供電,但在中高壓電氣設備的復雜工作環(huán)境下,常規(guī)通過人工補充傳感器節(jié)點能量的方法不再適用,其代價也是非常巨大的；受地理因素、高壓絕緣等條件的限制,用戶設備監(jiān)測傳感器的電源一般不能由低壓端直接提供,導致電源供給成為制約在線監(jiān)測系統發(fā)展急需突破的難題。因此,為保證監(jiān)測裝置穩(wěn)定有效的工作,高電位監(jiān)測傳感器的供電問題亟待解決。

基于以上現狀,我們研制了激光供能系統,完成對高壓側的電源供給。由于可靠性問題是所有電子元器件最重要的問題[4],作為激光供能系統的關鍵設備,激光供能系統內部所有電子元器件的可靠性對整個激光供能系統有著至關重要的作用。因此,對激光供能系統的可靠性研究也是很有必要的。在19 世紀60 年代對于單應力加速模型的研究便已經開始了,例如關于溫度的Eyring 模型[1],Arrhenius 模型等[2]。20 世紀以來,研究者們對于電應力的研究也有了很大進展,提出的模型有指數模型以及逆冪律模型[5]。

許多電子元器件的理論壽命能達到數萬小時,但是在激光供能系統的實際的應用過程中,我們發(fā)現系統內部的電子元器件的實際使用壽命卻遠遠低于廠商所提供的有效使用時間,所以電子元器件的可靠性問題亟待解決,這樣才能更加可靠地將這些器件應用于激光供能的系統中。

針對以上的情況,對激光供能系統建立了溫度-電應力的雙應力的可靠度數學模型,并且考慮到溫度或電應力也會在一定范圍發(fā)生變化,所以將雙應力其中的一個應力也作為變量進行可靠度的預測。與之前的單應力的加速模型[6]相比,該模型的適用范圍更廣,限制條件更少。與現有的許多的多應力模型[7]相比,不僅僅局限于單個電子元器件,而是針對整個系統的可靠度,實用性也更好。

1 激光供能系統壽命預估模型的建立

研制的激光供能系統原理圖如圖1 所示,該系統主要由高壓側的能量接收模塊以及低壓側激光供能模塊2 個主要部分組成,兩個模塊通過光纖進行連接。低壓側的激光供能模塊主要由大功率激光二極管(High Power Laser Diode,HPLD)及其驅動電路、溫控單元、雙向光纖通信單元和一個微處理器組成。其中雙向光纖通信單元采用垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting laser,VCSEL)及光電接收單元組成。微處理器實現對所有模塊的控制,并實現對外的以太網通信。

圖1 激光供能系統結構框圖

高壓側的光電接收模塊主要功能是完成光電能量轉換,該模塊主要由光電池、能量管理單元、光電接收單元、雙向光纖通信單元和低功耗微處理器單元組成。能量管理單元采用最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術,實現電源的最大功率穩(wěn)壓輸出,雙向光纖通信單元通過VCSEL和光電接收單元完成和低壓側的數據處理和數據通信,微處理器可以控制以上所有單元,起到調控的作用。由于整個系統的供能和數據通信都采用了光纖作為介質,所以整個激光供能系統有著良好的抗干擾能力,安全可靠,實用性強。

基于研制的激光供能系統,建立該系統的壽命預估模型。采用數學加速模型可暫不考慮其內部失效機理。

基于Nelson 的廣義對數線性模型[8]基礎上建立溫度-電應力的雙應力加速模型。設溫度應力為S1,電應力為S2,應力函數分別為y1=φ1(S1),y2=φ2(S2),所以溫度-電應力的加速模型如下:

式中:τ是壽命指標；λ0,λi均是待估參數。

溫度是常用的壽命加速應力之一,這一應力可加快電子元器件的內部的化學反應,導致腐蝕加速、絕緣破壞、金屬電遷移等退化過程[9],這些過程對電子元器件影響符合Arrhenius 模型[10],因此,我們可以根據Arrhenius 模型得到溫度和壽命的函數:

式中:τ為壽命特征,T為溫度,k為玻爾茲曼常數,A為常數,EA為電子激活能。

電應力包括電壓、電流、功率等各種因素,對電子元器件的退化過程有著至關重要的作用,電應力對電子元器件的影響符合逆冪律模型[11],同樣,我們可以得到電壓和壽命的函數:

式中:τ為壽命特征,B和n均為常數,U為電壓。

結合上式(2)和式(3),并對等式兩邊取對數,建立溫度-電應力的雙應力加速的數學模型為

式中:μ為壽命分布函數的均值參數。

由經驗可知,電子產品的壽命分布通常采用正態(tài)分布、對數正態(tài)分布以及Weibull 分布進行擬合。根據實驗數據結果得出:激光供能系統的壽命分布符合對數正態(tài)分布[12]。所以,上述溫度-電應力加速模型下的壽命函數可以使用對數正態(tài)分布進行描述。其可靠度函數R為

式中:σ為正態(tài)分布的標準差。

式中:tj為偽失效壽命。

根據對以上建立的激光功能系統樣機進行相應的加速老化實驗,得到相關老化實驗數據,代入式(4)和式(6)中,求得對應的參數為

λ0=-0.884λ1=2 922.8λ2=-1.781λ3=610.559

所以,根據以上結果得到溫度-電應力下的數學模型為

將式(7)代入式(5)中,可得到激光供能系統的可靠度函數R為

式中:? 代表公式常數量部分。

當溫度和電壓在正常應力下,即溫度取25 ℃,電壓取5 V,繪制出可靠度函數的曲線如圖2 所示。可以得知,該激光供能系統在正常應力下10 500 h以內的可靠度都高于70%,處于較可靠的運行時間。而在10 500 h 之后,系統的整個可靠度就會急劇下降,屬于不可靠的運行時間。

圖2 激光供能系統在正常應力下的可靠度曲線

2 系統測試和實驗

整個激光供能系統的實物圖如圖3 所示。圖中左側是供能系統的高電位側,右側是低電位側。傳光光纖采用芯徑為62.5 μm 的多模光纖,通信光纖采用纖芯為50 μm 的多模光纖。高電位部分的光電池采用的是武漢凹偉能源科技有限公司的光電池,其型號為LPC-6P-ST-A,開路電壓(Voc)為6.9 V,短路電流(Isc)為842.3 mA,峰值功率(Pmax)為5 018.51 mW,峰值電壓(Vpmax)為6.17 V,峰值電流(Ipmax)為813.96 mA,光電轉化效率大概在30%。光電池將接收到的光能轉化為電能,然后能量管理單元通過最大功率點跟蹤的方法將輸出功率最大化,供給輸出端使用。

圖3 激光供能系統實物圖

低電位部分的大功率激光器同樣也采用武漢凹偉能源科技有限公司的激光器,型號為LDS-825-A,閾值電流(Ith)為1.25 A,波長(wavelength)為821.3 nm,斜率效率(slope)為1.06 W/A,半高寬(FWHM)為2.3 nm。大功率激光器的右側是一個溫控單元,通過半導體制冷片和熱敏電阻保證激光器的恒溫。

激光供能系統的低壓側通過串口將整個供能系統接入上位機,在上位機界面完成對供能系統的控制,同時也可以對整個系統的實時參數進行監(jiān)測,了解整個系統的運行情況。圖4 為上位機實時監(jiān)測畫面。左側顯示為低壓側的監(jiān)測數據,可以在上位機上看見激光二極管和制冷片的實時電流和溫度,以及低壓側的環(huán)境條件(溫度、濕度)和系統功率。右側顯示為高壓測的數據,同樣可以實時監(jiān)測到主從光電池的各項數據(電流、電壓、功率、能量轉化效率)、主從電池、最大功率點跟蹤單元和系統負載的各項數據(電壓、電流、功率),以及高壓側的環(huán)境條件(溫度、濕度)和系統效率。

圖4 上位機實時監(jiān)測圖

根據研制的激光供能系統實際運行數據獲得的壽命預估模型來預測整個系統在不同的應力條件下的可靠度曲線。由于在整個激光供能系統的實際的運行過程中,單應力的情況基本不太能滿足實際工作條件的需求,溫度和電壓這兩個應力往往不可能保持恒定不變,所以我們需要考慮到電壓的變化以及溫度的變化情況。

首先考慮電壓恒定、溫度變化的情況,設定電壓恒定為5 V,分別選擇25 ℃、50 ℃和75 ℃3 種溫度梯度來預估整個激光供能系統的時效可靠性,如圖5所示,在25 ℃運行條件下,系統運行了10 500 h,可靠度從100%降為了70%；在50 ℃運行條件下,系統運行3 900 h,可靠度從100%降為了70%；在75 ℃運行條件下,系統僅運行了1 700 h,可靠度就從100%降為了70%。由此可見,在25 ℃～75 ℃溫度范圍內,隨著溫度的升高,系統的可靠運行時間(70%可靠度)大幅降低,溫度從25 ℃升高到75 ℃,系統壽命縮短了5/6 以上。所以,我們需要盡可能將該系統長期置于溫度較低的運行環(huán)境中,防止系統老化過快,壽命大幅縮短。

圖5 激光供能系統在不同溫度梯度下的可靠度曲線

其次考慮溫度恒定、電壓變化的情況,設定溫度恒定為25 ℃,分別選擇1 V、3 V 和5 V 3 種電壓梯度來預估整個激光供能系統的時效可靠性。如圖6所示,在5 V 運行條件下,系統運行了10 500 h,可靠度從100%降為了70%；在3 V 運行條件下,系統運行9 200 h,可靠度從100%降為了70%；在1 V 運行條件下,系統僅運行了6 900 h,可靠度就從100%降為了70%。由此可見,在額定電壓(5 V)電壓范圍內,隨著電壓的降低,系統的可靠運行時間(70%可靠度)也隨之降低,電壓從5 V 降低到1 V,系統壽命縮短了近1/3。所以,我們需要盡可能使該系統長期處于額定電壓的運行電壓下,防止系統可靠度下降過快,系統過早失效。

圖6 激光供能系統在不同電壓梯度下的可靠度曲線

最后,考慮電壓和溫度同時變化的情況下,分別選擇25 ℃/5 V、50 ℃/3 V、75 ℃/1 V 3 種應力條件預估整個激光供能系統的時效可靠性。如圖7 所示,在25 ℃/5 V 運行條件下,系統運行了10 500 h,可靠度從100%降為了70%；在50 ℃/3 V 運行條件下,系統運行3 600 h,可靠度從100%降為了70%；在75 ℃/1 V 運行條件下,系統僅運行了1 600 h,可靠度就從100%降為了70%。由此可見,在25 ℃/5 V～75 ℃/1 V 應力范圍內,隨著應力條件的變化,系統的可靠運行時間(70%可靠度)也隨之變化,應力條件從25 ℃/5 V 變成75 ℃/1 V,系統壽命縮短了近6/7。所以,為獲得最佳壽命曲線,系統必須長期工作在常規(guī)應力(25 ℃/5 V)條件下。

圖7 激光供能系統在不同應力條件下的可靠度曲線

3 結論

根據電力在物聯網特高壓領域的實際需求,開展大功率激光供能技術的研究,研制系統樣機。建立激光供能系統的壽命預估的數學模型,分析在各種不同的實際工作應力條件情況下,系統的真實可靠度曲線,并對可靠度曲線進行分析,發(fā)現高溫和低壓都對整個系統有著很大的損傷,會大幅減少系統的可靠壽命(70%可靠度以上的壽命)。當整個系統在常規(guī)應力(25 ℃/5 V)下時,系統的可靠壽命大約為10 500 h；在75 ℃的高溫條件下,系統的可靠壽命縮短5/6 以上；在1 V 的低壓條件下,系統的可靠壽命縮短近1/3；在75 ℃/1 V 的高溫低壓條件下,系統的可靠壽命縮短了近6/7。該模型根據供能系統實時運行的參數,對系統的壽命進行預估和分析,對提高系統可靠性,具有重要的意義。