船舶電氣系統保護單元可靠性預計的修正方法

吳志良, 李 能, 姚玉斌, 王 丹

(大連海事大學 船舶電氣工程學院， 遼寧 大連 116026)

系統可靠性預計是一種預測過程，通過對系統已掌握的數據、資料等信息的研究來預測系統所能達到的可靠度或可靠性特征量。[1-2]系統可靠性預計是提高系統可靠度的重要措施之一，其技術一直備受國內外廣大科研人員廣泛關注，并對此開展大量的相關研究工作。

為更好地研究有關可靠性預計技術的新方法、新理論，美國電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineer, IEEE)成立專門的可靠性預計委員會。目前，系統可靠性預計的方法主要有元器件計數法、應力分析法、系統上下限法、相似產品法等。文獻[3]對可靠性預計的發展史、可靠性預計的方法進行總結，并對常用的兩類重要的可靠性預計方法分別詳細地進行比較和分析研究。文獻[4]綜述國外最新可靠性預計方法。文獻[5]對最新失效率預測模型進行比較和評價。文獻[6]對艦船總體任務的可靠性分配進行研究。文獻[7]對提高智能電能表可靠性的相關方案進行總結。文獻[8]完成絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)可靠性預計模型建立，為國產元器件工程應用過程中的可靠性定量分析提供技術參考。文獻[9]針對艦船裝備復雜系統，開展多狀態系統的可靠性建模，為可靠性評估提供技術借鑒。

許多國家相繼制定可靠性預計技術的標準文件。文獻[10]是美國軍用規范的電子設備可靠性預計標準手冊，也是目前世界各國廣泛參考使用的可靠性預計標準手冊。文獻[11]是我國電子設備可靠性預計標準手冊。

元器件計數法是將組成系統的所有元器件按照可靠性串聯模型進行可靠性建模，這種處理系統的方法雖然簡化可靠性建模的繁重工作，但并未考慮組成系統各單元、元器件的特殊性，使元器件記數法預計系統總失效率的預計結果往往偏大，其系統可靠度的預計結果往往偏小。因此，采用元器件計數法預計系統可靠性特征量的誤差較大，可靠性特征量預計結果的可信度相對較低，這不僅是元器件計數法預計系統可靠性特征量的不足，也是可靠性預計標準手冊至今尚未解決的實際問題。為解決這一問題，本文在充分研究、分析船舶電氣系統保護單元特點的基礎上提出一種誤動系數法修正傳統元器件計數法的修正方法，對進一步深入開展船舶電氣系統可靠性預計以及相關的可靠性建模工作提供有力的支撐。

1 保護單元的特點

當電氣系統發生故障時，其保護單元應該能夠切除故障點，以保護電氣系統恢復到正常工作狀態。這樣才能夠說明電氣系統的保護單元進行正確的保護動作，實現自身的保護功能。

如果電氣系統發生故障時，其保護單元本來應該正常動作，但由于其自身故障而未正常動作，則定義該保護單元發生“拒動”故障。

如果電氣系統本身工作正常，但其保護單元由于自身的原因(如自身發生故障)而錯誤地動作導致電氣系統工作狀態發生改變，則定義該保護單元發生“誤動”故障。

由于電氣系統保護單元發生“拒動”故障時，電氣系統也已發生故障，所以“拒動”故障僅影響電氣系統的安全性，并不影響電氣系統的可靠性。只有當電氣系統保護單元發生“誤動”故障時，“誤動”故障才導致電氣系統增加一次故障，這樣肯定影響電氣系統的可靠性。因此，針對電氣系統保護單元進行可靠性預計時，要針對具體問題具體分析，在對系統工作原理全面分析的基礎上，確定出哪些是僅影響系統安全性的拒動因素，哪些是影響系統可靠性的誤動因素，采用誤動系數法修正傳統元器件計數法的通用數學模型，更加科學地預計出電氣系統保護單元的可靠性特征量。[12]

2 保護單元可靠性預計數學模型

2.1 預計保護單元可靠性的元器件計數法

文獻[10]給出的元器件計數法通用數學模型為

(1)

(2)

Rs(t)=exp(-λst)

(3)

式(1)～式(3)中:λs為系統總的失效率；tMTBF為系統平均無故障工作時間；Rs為系統總的可靠度；n為不同的通用元器件的種類數；λQi為第i種通用元器件的質量系數；Ni為第i種通用元器件的數量；λGi為第i種通用元器件的通用失效率。

2.2 預計保護單元可靠性的誤動系數法

為獲得最合理的失效率數據，充分考慮到電氣系統保護單元的特點，應用誤動系數法修正傳統元器件計數法的通用數學模型式(1)～式(3)，修正后的數學模型為

(4)

(5)

Rs(t)=exp(-λst)

(6)

λ誤動=βλG

(7)

式(4)～式(7)中：βi為第i種通用元器件的誤動系數；λ誤動為電氣系統保護單元誤動失效率。

電氣系統通用元器件的誤動系數有3種形式：

1)β=1(電氣系統非保護單元的元器件)。

2)β=0(電氣系統保護單元拒動失效模式下的元器件)。

3)β=α(電氣系統保護單元誤動失效模式下的元器件)。

α是某種元器件在不同失效模式下的相對頻率，所用到的部分元器件α值見表1。表1中：元器件的誤動失效率λ誤動等于該元器件的通用失效率λG乘以該元器件誤動失效模式所占的百分比數(相對頻率α(%))。通常α表示某種元器件的失效模式在元器件總失效模式中所占的百分比數，很顯然，一個元器件在所有失效模式下的相對頻率α值之和等于1。

表1 誤動失效率計算

3 應用算例

3.1 負壓保護單元

船舶電站自動控制分系統SDA-22欠壓保護單元控制原理圖見圖1。[12-13]

圖1 欠壓保護單元

船舶電站自動控制分系統SDA-22欠壓保護單元的作用是：當船舶電力系統發生欠壓故障時，船舶電站綜合保護系統經延時確認后控制船舶發電機主開關跳閘，以保護船舶發電機。

對于船舶發電機欠壓保護的整定，我國《鋼質海船入級規范2012》規定：

1)用于避免發電機不發電時閉合斷路器應瞬時動作。

2)當電壓降低至額定電壓的70%～35%時，應經系統選擇性保護要求的延時后動作。

船舶電站的電壓參數經降壓、分壓、整流、濾波后形成檢測電壓信號VIN，其經電阻R1接入運算放大器N1的反相端。經檢測電壓信號VIN與船舶電站電壓參數成正比。當船舶電站的電壓參數正常時，檢測電壓信號VIN的電平高于運算放大器N1的同相端給定信號電平，輸出電壓信號Vout為高電平，繼電器J失電，其輔助觸點未發出欠壓保護信號。當船舶電站發生欠壓故障時，檢測電壓信號VIN電平低于運算放大器N1的同相端給定信號電平，輸出電壓信號Vout為低電平，繼電器J則處于得電動作狀態，其輔助觸點發出欠壓保護信號。

綜上所述，如果船舶電站電網電壓發生欠壓故障，輸入電壓信號VIN為低電平，而輸出電壓信號Vout卻為高電平，繼電器J釋放而未動作，這種情況說明保護單元發生“拒動”故障。

從船舶電站系統功能的角度分析，如果發生“拒動”故障，必將引起船舶發電機電流等參數出現大幅度波動，船舶電站綜合保護系統將進行相應的保護，本文僅限于討論船舶電站自動控制分系統SDA-22欠壓保護單元的可靠性。

如果船舶電站電壓參數運行正常，但是繼電器J的輔助觸點發出欠壓保護信號，造成船舶電站運行狀態發生改變，這種現象表明:船舶電站欠壓保護單元發生“誤動”故障。

(1)造成保護單元發生“誤動”故障的主要原因有：晶體管T發生短路失效；繼電器J輔助觸點失效；運算放大器N1輸出為高電平信號。

(2)造成運算放大器N1輸出為高電平信號的主要原因有：電阻R15、R1發生開路失效；輸入電壓信號VIN為低電平。

(3)造成輸入電壓信號VIN為低電平的主要原因有：電容C10發生短路失效；電阻R16、R7發生開路失效；二極管V19發生開路失效；穩壓管V11發生短路失效；變壓器Bm發生開路失效。

繼電器J輔助觸點失效、晶體管T短路失效、電阻R15、R1開路失效、電容C10短路失效、電阻R16、R7開路失效、二極管V19開路失效、穩壓管V11短路失效、變壓器Bm開路失效共10種元器件失效模式造成欠壓保護單元發生“誤動”故障。

船舶電站自動控制分系統SDA-22欠壓保護單元中的元器件通用失效率、各主要失效模式相對頻率α(%)以及誤動失效率的計算如表1所示。

3.2 元器件計數法預計保護單元的可靠性

共有19個通用元器件按照可靠性串聯模型組成船舶電站欠壓保護單元可靠性模型。按照一般元器件記數方法對保護單元的可靠性進行預計，船舶電站欠壓保護單元各個可靠性特征量預計結果為

22.492 4×10-6/h

(8)

Rs(t)=exp(-λst)

(9)

(10)

3.3 誤動系數法修正保護單元可靠性預計

考慮到電氣系統欠壓保護單元的特點，采用誤動系數法修正傳統元器件計數法的通用數學模型，即用保護單元的誤動失效率λ誤動代替其通用失效率λG。這樣，船舶電站欠壓保護單元各個可靠性特征量的預計結果為

(11)

(13)

由式(11)～式(13)可知：采用誤動系數法修正傳統元器件計數法的通用數學模型，以元器件的誤動失效率替代元器件的通用失效率，船舶電氣系統保護單元的失效率僅為常規計數法預計結果的27.5%，船舶電氣系統保護單元平均無故障工作時間約提高到常規計數法預計結果的4倍。

4 結束語

針對船舶電氣系統保護單元的特點，采用誤動系數法修正傳統元器件計數法通用數學模型，這種修正方法其結果更合理、更精確，為深入研究船舶電站可靠性建模工作提供更加有力的支撐。