继电保护装置硬件可靠性试验研究

引言

继电保护装置是电力系统稳定运行的重要保障,其电压、电流采集精度一般要求不超过±0.2%,经过光纤差动、过流保护等逻辑判定后,实现100ms内快速切除故障。

变电站周围电磁环境恶劣,而继电保护装置中的集成电路工作电压低、主频高,对电磁干扰更加敏感。各生产厂家的继电保护装置一般在全国范围内通用,-40～70℃的工作温度范围,高湿度、高海拔等地理环境均会对继电保护装置的稳定运行提出严苛考验。继电保护装置的使用年限一般不低于12年,甚至要求更长时间地连续无故障稳定运行,种种因素对继电保护装置的可靠性提出了极高的要求。

继电保护装置由软件和硬件两部分组成,软件的缺陷不会随着运行时间的增加而增加,而且经过软件优化升级,可靠性会逐渐提高。然而,由于元器件老化等原因,继电保护装置的硬件故障率会随着运行时间的增加而增加。在影响继电保护装置正常运行的因素中,装置硬件功能的失效占装置总故障数的57.8%。鉴于此,需对继电保护装置硬件进行长期可靠性试验。

1可靠性试验类型

在继电保护装置产品生命周期内,需要进行多种不同目的的试验,主要分为以下几种:

(1）功能性能确认试验:确认产品在规定的工作环境下各项功能是否符合产品设计需求,性能参数是否符合相关指标要求。

(2）可靠性增长试验:通过发现故障,分析、纠正故障以及对纠正措施的有效性进行验证以提高产品的可靠性。可靠性增长试验重点是进行故障分析和采取有效的设计更改措施。

(3）环境应力筛选试验:在产品上施加环境强度应力,以鉴别和剔除产品工艺和元件引起的早期故障。环境应力筛选试验既适用于产品批量生产阶段,也适用于产品研制阶段。

(4）可靠性验收试验:主要是在入网检测或现场验收阶段,基于用户技术协议、行业标准等验证批量产品是否达到规定的可靠性要求。

本文以可靠性增长试验为重点研究对象。

2可靠性增长试验

2.1失效机理

失效由产品的薄弱环节引发,主要有以下两种:

(1）系统性薄弱环节:系统性薄弱环节产生的原因有产品设计缺陷、元器件选型匹配不合理、制造工艺不当、操作方法不当等。其在软件、硬件中都存在,对小批量产品制订合适的试验方法即可激发失效,暴露出系统性薄弱环节。

(2）残余性薄弱环节:残余性薄弱环节产生的原因主要是元器件本身固有缺陷及生产制造工艺不受控等,从而导致产品良品率得不到保证。它只存在于硬件中,属于偶发性故障,通过增加测试覆盖率可以去除。

2.2可靠性增长试验的主要内容

可靠性增长试验的主要内容如图1所示。

2.3继电保护装置可靠性指标与试验应力分析

2.3.1继电保护装置可靠性指标

继电保护装置作为可修复产品,可靠性评价指标主要有成功率R、平均无故障时间MTBF、有效度A。

(1）成功率R:产品在规定的工作条件下完成相关功能或试验成功的概率。

(2）平均无故障时间MTBF:对于可修复产品,平均无故障时间为两次故障间工作时间的平均值。

(3）有效度A:它是反映可以修复的继电保护装置运行时的可靠性综合性指标,在一定程度上还反映电力系统运行的可靠性。

式中:MTTR为平均修复时间,即从发现失效到产品恢复到规定功能所需时间的平均值。

2.3.2继电保护装置试验应力分析

根据变电站、发电厂现场运行特点对不同用途的继电保护装置进行分析,明确产品的失效判据、工作应力、工作环境,具体如表1、表2、表3所示。

2.4可靠性增长试验项目

根据试验目的及试验对象的不同,以下述试验项目为基础,进行试验项目的设计以及裁剪、组合,目的是找出薄弱环节。

2.4.1通用试验项目

电磁兼容试验、高低温环境试验、交变/恒定湿热试验、机械振动试验、安规试验等。

2.4.2专用试验项目

(1）信号一致性试验:对关键信号开展眼图测试,通过时间积累,评估信号质量、时序及长期工作是否满足标准规范要求。

(2）强化试验:在产品规定极限应力的一定范围外进行高低温试验、湿热试验、电磁兼容试验、机械试验等强化试验,测试产品的设计裕度。

(3）加速试验:采用温度步进、快速温度变化循环、随机振动步进等加速应力,寻找产品的设计极限或破坏极限。

(4）故障插入试验:模拟运行中插件、功能模块、芯片发生某种典型硬件故障,测试产品的处理及告警机制可靠性。

2.4.3基于失效模式的特定试验

通过收集整理现场问题进行失效分析,总结故障模式,开展具有针对性的可靠性试验项目。相关试验项目如表4所示。

3结语

可靠性试验是提升继电保护装置产品质量的重要手段,对保障电力系统稳定运行发挥了重要作用,但也存在现场故障数据采集应用不足、产品国产化过程中性能指标有所降低等问题。因此,有必要加强电网故障数据的采集与分享,加快提升国产化元器件质量,从而实现电力行业整体产品可靠性的提升。