基于內(nèi)部溫度的繼電保護(hù)裝置時(shí)變失效率研究

師元康，姜振超，趙書濤

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基于內(nèi)部溫度的繼電保護(hù)裝置時(shí)變失效率研究

師元康1，姜振超2，趙書濤1

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 河北 保定071003；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

時(shí)變失效率是繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo)之一。隨著在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，特別是新一代智能變電站的建設(shè)使得繼電保護(hù)裝置的溫度參數(shù)成為可觀測(cè)指標(biāo)。從繼電保護(hù)裝置的溫度指標(biāo)入手，對(duì)繼電保護(hù)裝置的時(shí)變失效率進(jìn)行研究。首先將Arrhenius模型與Weibull分布模型相結(jié)合，建立了繼電保護(hù)裝置內(nèi)部主要功能模塊在考慮運(yùn)行溫度下的時(shí)變老化失效率。然后利用串聯(lián)模型將各模塊的老化失效率和偶然失效率融合，得到了繼電保護(hù)裝置整體的時(shí)變失效率模型。隨后在算例中建立了某省網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的時(shí)變失效率模型，并以某臺(tái)保護(hù)裝置為例，簡(jiǎn)要分析了運(yùn)行溫度差異以及裝置內(nèi)部模塊更換對(duì)失效率的影響。結(jié)果表明，運(yùn)行溫度對(duì)保護(hù)裝置的失效率影響顯著，且溫度差異的影響會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的推移逐漸擴(kuò)大。最后針對(duì)實(shí)際情況提出了改善運(yùn)行溫度的相關(guān)建議。

新一代智能變電站；繼電保護(hù)；失效率；模塊；溫度

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，近年來大型互聯(lián)電網(wǎng)頻繁發(fā)生重大事故，繼電保護(hù)作為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道防線，其可靠運(yùn)行意義重大。因此，如何通過開展繼電保護(hù)的狀態(tài)檢修工作以保障其可靠運(yùn)行已成為電力系統(tǒng)研究熱門課題，也是目前有待解決的重要問題之一。

狀態(tài)評(píng)估是繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的核心環(huán)節(jié)，而失效率是狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo)之一。目前大部分研究都將繼電保護(hù)裝置本體作為一個(gè)整體，在失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)其失效率的總體分布進(jìn)行分析，僅有少量研究對(duì)繼電保護(hù)裝置內(nèi)部器件的失效做了簡(jiǎn)要分析[1-3]或提出基于內(nèi)部監(jiān)測(cè)量的狀態(tài)評(píng)估方法[4]。由于繼電保護(hù)裝置屬于可維修設(shè)備，事實(shí)上許多繼電保護(hù)裝置的內(nèi)部模塊經(jīng)過了更換，且更換時(shí)間不盡相同，若以繼電保護(hù)裝置整體進(jìn)行分析則難以考慮此類情況。而本文以內(nèi)部模塊為單元進(jìn)行分析，便可以根據(jù)待評(píng)估個(gè)體的具體情況進(jìn)行評(píng)估分析。更重要的是，現(xiàn)有研究在繼電保護(hù)裝置失效率的影響因素對(duì)其影響的分析方面還不夠深入，文獻(xiàn)[5]從區(qū)域和環(huán)境差異方面對(duì)失效率的影響做了定性分析，文獻(xiàn)[6]雖然提出了溫變失效率模型，但模型缺乏依據(jù)且應(yīng)用此模型得到的失效率明顯偏離實(shí)際。

新一代智能變電站的建設(shè)使得繼電保護(hù)裝置的溫度參數(shù)成為可觀測(cè)指標(biāo)，在此背景下，本文將Arrhenius模型與Weibull分布模型相結(jié)合，建立了主要功能模塊的時(shí)變老化失效率，然后利用串聯(lián)模型將各模塊老化失效率和偶然失效率融合得到了繼電保護(hù)裝置整體的時(shí)變失效率模型。最后，在算例中以某省網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置的實(shí)際情況為例，簡(jiǎn)要分析運(yùn)行溫度差異以及裝置內(nèi)部模塊更換對(duì)某臺(tái)裝置的失效率的影響。

1 繼電保護(hù)裝置時(shí)變失效率模型

1.1 繼電保護(hù)裝置各模塊失效情況分析

為了分析繼電保護(hù)裝置本體失效部位的分布情況，本研究對(duì)某省網(wǎng)所轄變電站中繼電保護(hù)裝置的失效情況按失效部位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 2008~2015年繼電保護(hù)裝置失效部位統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，CPU模塊和電源模塊是最容易出現(xiàn)失效的部分，而光模塊是從2008年傳統(tǒng)站改造之后才開始大規(guī)模投入使用，運(yùn)行時(shí)間較短，失效發(fā)生相對(duì)較少。但從繼電保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，光模塊和CPU模塊以及電源模塊的重要性相當(dāng)，故下文主要討論以上三個(gè)模塊的失效率模型。

1.2 繼電保護(hù)裝置僅考慮運(yùn)行時(shí)間的時(shí)變失效率

繼電保護(hù)裝置內(nèi)部各個(gè)模塊都是由大量的電子元器件構(gòu)成，其失效模式可分為老化失效和偶然失效。與大部分電子產(chǎn)品類似，繼電保護(hù)裝置的失效率會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間而變化，呈現(xiàn)浴盆形狀，故稱為“浴盆曲線”，如圖1所示。

圖1 失效率時(shí)變曲線

一般在繼電保護(hù)裝置運(yùn)行之前，已經(jīng)過了充分了測(cè)試，由設(shè)計(jì)缺陷、工藝質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)安裝引起的早期故障已經(jīng)提前排除[7]，所以本文假設(shè)裝置已渡過了早期失效期。在偶然失效期和耗損失效期，繼電保護(hù)裝置同時(shí)受到偶然失效和老化失效的影響，但不同時(shí)期的主導(dǎo)因素不同。在偶然失效期，失效主要由裝置瞬時(shí)缺陷和外界環(huán)境影響引發(fā)的偶然失效引，而在耗損失效期，則主要是由于元器件老化引發(fā)的失效[5]。本研究將老化失效與偶然失效分開討論，故在統(tǒng)計(jì)失效數(shù)據(jù)時(shí)按失效模式分開統(tǒng)計(jì)。

1.2.1老化失效率模型

在僅考慮時(shí)間變化的情況下，相關(guān)研究表明損耗失效期的失效率與Weibull分布切合度最高[5]，故本文采用Weibull分布對(duì)各模塊的老化失效率進(jìn)行擬合。

其失效分布函數(shù)為

進(jìn)一步得到失效密度函數(shù)為

(2)

可靠度函數(shù)為

最后得到失效率函數(shù)為

(4)

式中：為失效前運(yùn)行時(shí)間；為形狀參數(shù)；為尺度參數(shù)。

1.2.2偶然失效率模型

一般認(rèn)為，繼電保護(hù)裝置在正常工作條件下，偶然失效率可以近似看作一個(gè)常數(shù)，不隨時(shí)間和溫度而變化，即認(rèn)為偶然失效服從指數(shù)分布[8]，其失效率函數(shù)表達(dá)式如式(5)所示。

1.3 考慮溫度因素的時(shí)變失效率

經(jīng)過以上分析得到的時(shí)變失效率只能反映各個(gè)模塊的總體失效情況，而不能反映某一個(gè)模塊的實(shí)際狀況。由于繼電保護(hù)裝置各個(gè)模塊內(nèi)部集成了大量的電子元器件，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致內(nèi)部溫升，此外，各模塊之間也會(huì)發(fā)生熱交換，由于光模塊連接了大量的光纖插頭，其產(chǎn)生的熱量可顯著影響整個(gè)保護(hù)裝置的溫度。而溫度是影響電子元器件老化的最重要因素，溫度升高會(huì)加速其老化過程[7]，其中電源模塊受到溫度影響最為嚴(yán)重，其使用壽命可近似認(rèn)為取決于電解電容的使用壽命，而電解電容壽命與運(yùn)行溫度直接相關(guān)[9]。

相關(guān)研究表明，Weibull分布的失效率函數(shù)的形狀參數(shù)在失效機(jī)理不變的情況下是一個(gè)定值，尺度參數(shù)，又稱特征壽命，與溫度之間的關(guān)系滿足Arrhenius模型[10]，如式(6)所示。

式中：為一常數(shù)；=0.8617×10-4eV/K，為玻爾茲曼常數(shù)；為失效激活能，單位為eV；為熱力學(xué)溫度，單位為K。激活能與產(chǎn)品自身特性有關(guān)，在產(chǎn)品失效機(jī)理不發(fā)生改變的情況下可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)[11]。

將式(6)代入式(4)，即可求得隨時(shí)間和溫度變化的失效率模型，如式(7)所示。

2 失效率估算

2.1老化失效率估算

老化失效率估算的主要工作是求得式(7)中的未知參數(shù)、和。

失效激活能可通過加速壽命試驗(yàn)，利用溫度斜坡法求得，此方法用器件敏感參數(shù)退化率與應(yīng)力水平之間的關(guān)系取代了常規(guī)方法中所需的壽命特征與應(yīng)力水平的關(guān)系，由單支樣品即可得到其失效激活能[12]。

常數(shù)、形狀參數(shù)可以通過最小二乘估計(jì)法求得，最小二乘法被廣泛應(yīng)用于非線性函數(shù)參數(shù)的求取，具體包括Marquardt法、近似中位秩次法和可靠度分析法等[7]。本文基于、與數(shù)據(jù)，采用1stOpt軟件中提供的Levenberg-Marquardt(LM)法對(duì)和進(jìn)行的三維參數(shù)估計(jì)。其中，失效率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以0.5年為區(qū)間，溫度也應(yīng)取對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的平均溫度，保護(hù)小室內(nèi)空調(diào)使室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，保證了溫度取值的合理性。

2.2 偶然失效率估算

偶然失效率可直接由符合指數(shù)分布函數(shù)的最大似然估計(jì)求得[5]，如式(8)所示。

2.3繼電保護(hù)裝置整體時(shí)變失效率模型

串聯(lián)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中只要有一個(gè)元件失效，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)功能失效的系統(tǒng)，易得串聯(lián)系統(tǒng)的失效率等于各個(gè)子系統(tǒng)的失效率之和，如式(9)所示。

而繼電保護(hù)裝置與內(nèi)部各個(gè)主要功能模塊之間的關(guān)系即構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)關(guān)系，任一功能模塊發(fā)生失效都會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)裝置的失效，又由于各模塊的失效率由偶然失效率與老化失效率構(gòu)成，整理得到繼電保護(hù)裝置整體時(shí)變失效率，如式(10)所示。

(11)

3 實(shí)例分析

本研究以某省網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)溫度為基礎(chǔ)建立時(shí)變失效率模型，并以某臺(tái)待評(píng)估的繼電保護(hù)裝置為例進(jìn)行分析。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該省網(wǎng)所轄變電站在2008~2015年間，繼電保護(hù)裝置的年平均數(shù)量為12 082臺(tái)，共發(fā)生失效2 856次，其中偶然失效582次，老化失效2 274次。繼電保護(hù)裝置各模塊的年平均失效率數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖2所示，由于光模塊運(yùn)行年限較短，本研究計(jì)算了其失效數(shù)量占同批次繼電保護(hù)裝置整體失效的比例，約為17%，用繼電保護(hù)裝置整體的年平均失效數(shù)據(jù)乘以比例系數(shù)，近似得到了光模塊的年平均失效率數(shù)據(jù)。

圖2 各模塊失效率曲線

由圖2可以看出，電源模塊的老化失效情況相比于其他模塊要嚴(yán)重，由于電解液的干涸以及溫升導(dǎo)致的其他失效模式的影響，目前大部分電源模塊都會(huì)在使用5年左右后進(jìn)行更換，少數(shù)由于不能退出運(yùn)行而未及時(shí)更換的電源模塊在后續(xù)幾年表現(xiàn)出了較高的失效率。

3.1 繼電保護(hù)裝置失效率模型建立

由于當(dāng)前運(yùn)行的大部分變電站都不是新一代智能變電站，不具備將繼電保護(hù)裝置內(nèi)部溫度外送的條件，故無法得到不同時(shí)期的準(zhǔn)確溫度。本研究根據(jù)各模塊的運(yùn)行特點(diǎn)，分別挑選了投入運(yùn)行1~3年、4~6年和6~8年等年限區(qū)間的各10塊模塊，用紅外測(cè)溫儀器對(duì)其內(nèi)部溫度進(jìn)行了測(cè)量(保護(hù)小室室溫為20~25 ℃)。將各個(gè)模塊的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行溫度分別求平均值，得到各個(gè)模塊在不同時(shí)間點(diǎn)的近似溫度值，如表2所示。

表2 各模塊不同時(shí)間點(diǎn)的溫度統(tǒng)計(jì)

運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)表明，保護(hù)裝置的內(nèi)部溫度總體是隨運(yùn)行年限的增加而緩慢升高的。由于保護(hù)小室內(nèi)室溫相對(duì)穩(wěn)定，故本研究忽略溫度變化的局部波動(dòng)性，假設(shè)各模塊的溫度是緩慢上升的，則可近似用指數(shù)型函數(shù)表征其變化規(guī)律，如式(12)所示，但實(shí)際溫度的具體變化形式不影響本研究方法的可行性。

式中：代表溫度；代表運(yùn)行時(shí)間；、、代表未知系數(shù)。

兩邊取對(duì)數(shù)，線性化處理得到式(13)。

將各模塊數(shù)據(jù)代入，即可求得未知系數(shù)、、，進(jìn)而得到溫度的函數(shù)表達(dá)式，函數(shù)曲線如圖3所示。

利用運(yùn)行年限和與其對(duì)應(yīng)的溫度(在實(shí)際應(yīng)用中將新一代智能變電站的實(shí)測(cè)溫度處理后代入)以及失效率對(duì)式(7)中未知參數(shù)和進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。其中電源模塊、CPU模塊和光模塊的失效激活能分別取0.65 eV、1.2 eV和0.5 eV[13-15]，各模塊參數(shù)如表3所示。

圖3 各個(gè)模塊的溫度變化曲線

表3 各模塊老化失效率模型參數(shù)

各模塊的時(shí)變老化失效率變化趨勢(shì)圖如圖4所示。

圖4 各模塊時(shí)變老化失效率變化趨勢(shì)圖

該地區(qū)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行年限分類統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 某省網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行年限統(tǒng)計(jì)

將表4數(shù)據(jù)中的運(yùn)行年限按區(qū)間折中處理，加權(quán)求和后可近似得到裝置的總運(yùn)行時(shí)間，利用式(8)可求得裝置的偶然失效率為0.670×10-2次/(臺(tái)×年)。

最終得到地區(qū)繼電保護(hù)裝置考慮運(yùn)行溫度及各模塊投入時(shí)間的時(shí)變失效率，如式(15)所示。

式中：1、2、3分別代表電源模塊、CPU模塊、光模塊的溫度；1、2、3分別代表電源模塊、CPU模塊、光模塊的運(yùn)行年限。

3.2不同因素對(duì)失效率影響分析

以某臺(tái)繼電保護(hù)裝置為例，其投入運(yùn)行時(shí)間為2009年7月1日，假設(shè)2種情況。

(1) 電源模塊于2011年1月1日進(jìn)行了更換，在此基礎(chǔ)上再對(duì)其溫度設(shè)定3種假設(shè)條件：1) 溫度與圖3相同；2) 溫度變化趨勢(shì)相同，但數(shù)值比圖3低5℃；3) 溫度變化趨勢(shì)相同，但數(shù)值比圖3高5℃；

(2) 內(nèi)部各個(gè)模塊均未更換，各模塊溫度與圖3相同。

則從2011年1月1日至2015年1月1日，繼電保護(hù)裝置整體的時(shí)變失效率曲線如圖5所示。

比較情況1的3種條件下的曲線，可看出對(duì)于運(yùn)行溫度較低的裝置的失效率相對(duì)較低，而且在進(jìn)入老化期后，不同溫度下運(yùn)行的繼電保護(hù)裝置的失效率的差值會(huì)越來越大，故運(yùn)行溫度也是影響失效率的重要因素。而情況2和情況1條件1的差異體現(xiàn)了考慮模塊更換因素的必要性。

4 改善設(shè)備運(yùn)行溫度分析

為了改善設(shè)備運(yùn)行溫度，減緩設(shè)備老化，針對(duì)新一代智能變電站二次設(shè)備預(yù)制艙的實(shí)際情況應(yīng)主要考慮以下3個(gè)方面。

(1) 預(yù)制艙內(nèi)環(huán)境溫度。艙內(nèi)空調(diào)的設(shè)計(jì)功率應(yīng)有適當(dāng)裕度，特別是在高溫地區(qū)應(yīng)保證在持續(xù)極端天氣下可將室溫控制在規(guī)定范圍。

(2) 屏柜散熱。新一代智能變電站內(nèi)二次屏柜靠墻放置，背部不具備散熱能力，而頂部由于空間較小導(dǎo)致散熱效果有限，可考慮改變前門設(shè)計(jì)形式，增加散熱孔。

(3) 設(shè)備自身發(fā)熱。主要需要設(shè)備廠家在設(shè)備的熱設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改善。

5 結(jié)語

新一代智能變電站實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置部分內(nèi)部監(jiān)測(cè)信息的外送，本文在此背景下，對(duì)繼電保護(hù)裝置基于監(jiān)測(cè)信息的時(shí)變失效率做了探索性研究，建立了繼電保護(hù)裝置考慮運(yùn)行溫度及模塊更換因素的時(shí)變失效率模型。最后通過算例簡(jiǎn)要分析了運(yùn)行溫度差異以及裝置內(nèi)部模塊更換對(duì)某臺(tái)裝置失效率的影響，結(jié)果表明，溫度對(duì)失效率的影響較為明顯且隨運(yùn)行時(shí)間擴(kuò)大，此外，模塊更換因素在失效率研究中也不應(yīng)忽視。

今后需要開展的工作：由于本研究的一些細(xì)節(jié)沒有相關(guān)研究可以參考或者缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文在研究過程中做了盡可能合理的近似和假設(shè)。隨著新一代智能變電站中二次系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完備以及相關(guān)研究的開展，后續(xù)研究將針對(duì)存在的不足進(jìn)行完善，并以時(shí)變失效率和其他監(jiān)測(cè)量為基礎(chǔ)建立狀態(tài)評(píng)估模型，為繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢修的實(shí)用化提供重要的參考。

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(編輯 姜新麗)

Research on time-varying failure rate of protection devices based on internal temperature

SHI Yuankang1, JIANG Zhenchao2, ZHAO Shutao1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China)

Time-varying failure rate is one of important indicators of protection devices’ state assessment. With the development of on-line monitoring technology, especially the construction of new generation smart substations makes the temperature parameter of protection devices can be observed. This paper does research on time-varying failure rate of protection devices based on the temperature indicator. The paper combines Arrhenius model with Weibull distribution model and focuses on the time-varying aging failure rate under considering the operating temperature of the modules. Then the paper integrates the aging failure rate with the occasional failure rate of each module with the series model. At last, the paper establishes the time-varying failure rate model of a certain provincial grid’s protection devices in the example, taking a device as an example, analyses the impact of operating temperature difference and replacing internal module on failure rate briefly. The result shows that temperature has significant influence on failure rate of protection device, and the influence will extend as time goes on.

a new generation of smart substation; relay protection device; failure rate; module; temperature

10.7667/PSPC150693

2015-04-24；

2015-06-28

師元康(1991-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茏冸娬炯袄^電保護(hù)；E-mail：yuankang_shi@163.com

姜振超(1981-)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茏冸娬炯袄^電保護(hù)；E-mail：jiangzhenchao@126.com

趙書濤(1967-)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。E-mail：shutaozhao@163.com