繼電保護裝置硬件可靠性試驗研究

李文明 張鋒 柴紅偉 田冬

摘 要：繼電保護裝置是電力系統穩定運行的重要保障，其工作環境惡劣，平均無故障工作時間長。現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、高海拔等地理環境均會對繼電保護裝置的穩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無故障穩定運行，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：確認產品在規定的工作環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。可靠性增長試驗重點是進行故障分析和采取有效的設計更改措施。

（3）環境應力篩選試驗[3]：在產品上施加環境強度應力，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、行業標準等驗證批量產品是否達到規定的可靠性要求。

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節[4]引發，主要有以下兩種：

（1）系統性薄弱環節：系統性薄弱環節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失效，暴露出系統性薄弱環節。

（2）殘余性薄弱環節：殘余性薄弱環節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，即從發現失效到產品恢復到規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，目的是找出薄弱環節。

2.4.1? ? 通用試驗項目

電磁兼容試驗、高低溫環境試驗、交變/恒定濕熱試驗、機械振動試驗、安規試驗等。

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范要求。

（2）強化試驗：在產品規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、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，對保障電力系統穩定運行發揮了重要作用，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測試工作。