船舶電氣系統(tǒng)保護單元可靠性預(yù)計的修正方法

吳志良, 李 能, 姚玉斌, 王 丹

(大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

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

為更好地研究有關(guān)可靠性預(yù)計技術(shù)的新方法、新理論，美國電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineer, IEEE)成立專門的可靠性預(yù)計委員會。目前，系統(tǒng)可靠性預(yù)計的方法主要有元器件計數(shù)法、應(yīng)力分析法、系統(tǒng)上下限法、相似產(chǎn)品法等。文獻[3]對可靠性預(yù)計的發(fā)展史、可靠性預(yù)計的方法進行總結(jié)，并對常用的兩類重要的可靠性預(yù)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(yù)計方法。文獻[5]對最新失效率預(yù)測模型進行比較和評價。文獻[6]對艦船總體任務(wù)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(guān)方案進行總結(jié)。文獻[8]完成絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)可靠性預(yù)計模型建立，為國產(chǎn)元器件工程應(yīng)用過程中的可靠性定量分析提供技術(shù)參考。文獻[9]針對艦船裝備復(fù)雜系統(tǒng)，開展多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性建模，為可靠性評估提供技術(shù)借鑒。

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

元器件計數(shù)法是將組成系統(tǒng)的所有元器件按照可靠性串聯(lián)模型進行可靠性建模，這種處理系統(tǒng)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(tǒng)各單元、元器件的特殊性，使元器件記數(shù)法預(yù)計系統(tǒng)總失效率的預(yù)計結(jié)果往往偏大，其系統(tǒng)可靠度的預(yù)計結(jié)果往往偏小。因此，采用元器件計數(shù)法預(yù)計系統(tǒng)可靠性特征量的誤差較大，可靠性特征量預(yù)計結(jié)果的可信度相對較低，這不僅是元器件計數(shù)法預(yù)計系統(tǒng)可靠性特征量的不足，也是可靠性預(yù)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(tǒng)保護單元特點的基礎(chǔ)上提出一種誤動系數(shù)法修正傳統(tǒng)元器件計數(shù)法的修正方法，對進一步深入開展船舶電氣系統(tǒng)可靠性預(yù)計以及相關(guān)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(tǒng)發(fā)生故障時，其保護單元應(yīng)該能夠切除故障點，以保護電氣系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。這樣才能夠說明電氣系統(tǒng)的保護單元進行正確的保護動作，實現(xiàn)自身的保護功能。

如果電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，其保護單元本來應(yīng)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(fā)生“拒動”故障。

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

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

2 保護單元可靠性預(yù)計數(shù)學(xué)模型

2.1 預(yù)計保護單元可靠性的元器件計數(shù)法

文獻[10]給出的元器件計數(shù)法通用數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

Rs(t)=exp(-λst)

(3)

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

2.2 預(yù)計保護單元可靠性的誤動系數(shù)法

為獲得最合理的失效率數(shù)據(jù)，充分考慮到電氣系統(tǒng)保護單元的特點，應(yīng)用誤動系數(shù)法修正傳統(tǒng)元器件計數(shù)法的通用數(shù)學(xué)模型式(1)～式(3)，修正后的數(shù)學(xué)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(shù)；λ誤動為電氣系統(tǒng)保護單元誤動失效率。

電氣系統(tǒng)通用元器件的誤動系數(shù)有3種形式：

1)β=1(電氣系統(tǒng)非保護單元的元器件)。

2)β=0(電氣系統(tǒng)保護單元拒動失效模式下的元器件)。

3)β=α(電氣系統(tǒng)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(shù)(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(shù)，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(yīng)用算例

3.1 負壓保護單元

船舶電站自動控制分系統(tǒng)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(tǒng)SDA-22欠壓保護單元的作用是：當船舶電力系統(tǒng)發(fā)生欠壓故障時，船舶電站綜合保護系統(tǒng)經(jīng)延時確認后控制船舶發(fā)電機主開關(guān)跳閘，以保護船舶發(fā)電機。

對于船舶發(fā)電機欠壓保護的整定，我國《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2012》規(guī)定：

1)用于避免發(fā)電機不發(fā)電時閉合斷路器應(yīng)瞬時動作。

2)當電壓降低至額定電壓的70%～35%時，應(yīng)經(jīng)系統(tǒng)選擇性保護要求的延時后動作。

船舶電站的電壓參數(shù)經(jīng)降壓、分壓、整流、濾波后形成檢測電壓信號VIN，其經(jīng)電阻R1接入運算放大器N1的反相端。經(jīng)檢測電壓信號VIN與船舶電站電壓參數(shù)成正比。當船舶電站的電壓參數(shù)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(fā)出欠壓保護信號。當船舶電站發(fā)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(tài)，其輔助觸點發(fā)出欠壓保護信號。

綜上所述，如果船舶電站電網(wǎng)電壓發(fā)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(fā)生“拒動”故障。

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

如果船舶電站電壓參數(shù)運行正常，但是繼電器J的輔助觸點發(fā)出欠壓保護信號，造成船舶電站運行狀態(tài)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象表明:船舶電站欠壓保護單元發(fā)生“誤動”故障。

(1)造成保護單元發(fā)生“誤動”故障的主要原因有：晶體管T發(fā)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(fā)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(fā)生短路失效；電阻R16、R7發(fā)生開路失效；二極管V19發(fā)生開路失效；穩(wěn)壓管V11發(fā)生短路失效；變壓器Bm發(fā)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(wěn)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(fā)生“誤動”故障。

船舶電站自動控制分系統(tǒng)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(shù)法預(yù)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(lián)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(shù)方法對保護單元的可靠性進行預(yù)計，船舶電站欠壓保護單元各個可靠性特征量預(yù)計結(jié)果為

22.492 4×10-6/h

(8)

Rs(t)=exp(-λst)

(9)

(10)

3.3 誤動系數(shù)法修正保護單元可靠性預(yù)計

考慮到電氣系統(tǒng)欠壓保護單元的特點，采用誤動系數(shù)法修正傳統(tǒng)元器件計數(shù)法的通用數(shù)學(xué)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(yù)計結(jié)果為

(11)

(13)

由式(11)～式(13)可知：采用誤動系數(shù)法修正傳統(tǒng)元器件計數(shù)法的通用數(shù)學(xué)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(tǒng)保護單元的失效率僅為常規(guī)計數(shù)法預(yù)計結(jié)果的27.5%，船舶電氣系統(tǒng)保護單元平均無故障工作時間約提高到常規(guī)計數(shù)法預(yù)計結(jié)果的4倍。

4 結(jié)束語

針對船舶電氣系統(tǒng)保護單元的特點，采用誤動系數(shù)法修正傳統(tǒng)元器件計數(shù)法通用數(shù)學(xué)模型，這種修正方法其結(jié)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。