高海拔地區(qū)繼電保護設備缺陷及數(shù)據(jù)分析

高海拔地區(qū)繼電保護設備缺陷及數(shù)據(jù)分析

Summary：本文以青海地區(qū)為例，根據(jù)高海拔地區(qū)不同環(huán)境因素的惡劣程度將青海分為3類地區(qū)，并結(jié)合青海地區(qū)以往繼電保護裝置插件失效案例，從器件失效機理著手，深入解析高海拔地區(qū)環(huán)境特征對繼電保護裝置內(nèi)部電子產(chǎn)品的影響。Keys：高海拔地區(qū)；繼電保護裝置；插件1.引言高海拔地區(qū)的環(huán)境變化會對電子產(chǎn)品會產(chǎn)生嚴重的影響，其中高海拔地區(qū)的晝夜溫差大、溫度高、氣壓低、射線等因素對繼電保護裝置內(nèi)部插件的影響比較突出。以青海地區(qū)為例，根據(jù)高海拔地區(qū)不同環(huán)境因素的惡劣程度將青海分為3類地區(qū)：一類地區(qū)：海南州興海（含共和）地區(qū)及海西州全域；二類地區(qū)：西寧、海東、海北及海南州其他地區(qū)；三類地區(qū)：黃南州、果洛州、玉樹州。分別將三類地區(qū)繼電保護裝置以往異常插件的數(shù)據(jù)進行分析對比，分析出高海拔地區(qū)特有的環(huán)境因素導致異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因及設備運行年限。2.故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

以青海省從2013年到2020年的繼電保護設備裝置的市場故障數(shù)據(jù)，總故障記錄共有830條。統(tǒng)計分析故障數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)繼電保護設備的主要失效插件，集中在如下幾種類型，合計占失效量的85.05%，為主要失效插件。（1）CPU和DSP插件共279塊，占失效總數(shù)量的33.61%；（2）電源插件共150塊，占失效總數(shù)量的18.07%；（3）液晶屏共103塊，占失效總數(shù)量的12.41%；（4）通訊插件共174塊，占失效總數(shù)量的20.96%。2.1主要失效插件年返修率統(tǒng)計分析按照TL9000標準的按月計算年返修率的歸一化算法，對2013年1月-2021年3月反饋的失效數(shù)據(jù)，進行編程處理，求取各插件平均年返修率，歸一化算法公式如下。NYR=12×FRry/FRs其中：NYR:第n年年返修率；FRry：前第n-1年至前第n年投運設備，在統(tǒng)計月份當月的失效數(shù)；FRs:統(tǒng)計月份前第n-1年至第前n年的總投運數(shù)；例如：某插件歸一化年返修率計算方式如下第一步：求某類地區(qū)，第5年的歸一化年返修率，先統(tǒng)計某類地區(qū)前第4年至前第5年投運總數(shù):FRs5；第二步：統(tǒng)計某類地區(qū)，前第4年至前第5年投運設備，在統(tǒng)計月份當月的液晶屏失效數(shù):FRry5；第三步：計算統(tǒng)計月份當月的某類地區(qū)，某插件第5年歸一化年返修率:NYR5=12*FRry5/FRs5；第四步：從上面統(tǒng)計的每月年返修率，可以看到，由于有些月份沒有失效或發(fā)貨，或數(shù)據(jù)較小，因此失效率變化較大，因此我們對一年內(nèi)的數(shù)據(jù)進行了平均計算。即對第三步“統(tǒng)計月份當月的某類地區(qū)，某插件第5年歸一化年返修率NYR5”求均值=0.00149,即為最終的三類地區(qū)，某插件第5年歸一化年返修率NYR；第五步：重復以上計算過程，計算不同地區(qū)、不同年份的歸一化年返修率，繪制成某插件年返修率分布曲線。通過繪制曲線圖發(fā)現(xiàn)：（1）電源插件、液晶屏、通訊插件，二類地區(qū)、三類地區(qū)比一類地區(qū)的年返修率要高；（2）隨著運行時間的增長，各插件的年返修率成增長趨勢；（3）液晶屏二類地區(qū)、三類地區(qū)在第五年開始年返修率出現(xiàn)加速增長趨勢，一類地區(qū)在第九年開始年返修率出現(xiàn)加速增長趨勢，海拔越高年返修率增長越快；（4）電源插件二類地區(qū)、三類地區(qū)在第六年開始年返修率出現(xiàn)加速增長趨勢，地區(qū)環(huán)境越惡劣，年返修率增長越快；（5）通訊插件二類地區(qū)、三類地區(qū)在第七年開始年返修率出現(xiàn)加速增長趨勢，一類地區(qū)在第九年開始年返修率出現(xiàn)加速增長趨勢，地區(qū)環(huán)境越惡劣，年返修率增長越快。2.2主要失效插件上失效器件分析針對高占比失效的插件，統(tǒng)計其使用高海拔易失效器件情況，并分析其可能的失效機理。表1液晶插件易失效器件分析高海拔地區(qū)易失效器件失效機理分析液晶屏1片高溫/散熱差。濕度低，容易導致ESD損傷。芯片1片高發(fā)熱器件，高海拔高溫、氣壓低散熱性差，容易導致散熱不良失效。濕度低，容易導致ESD損傷。晶體/晶振1片壓差大導致的漏氣或鼓包。濕度低，容易導致ESD損傷。結(jié)論和預防措施隨著新能源電網(wǎng)在青海地區(qū)大力發(fā)展，電網(wǎng)設備的穩(wěn)定性要求愈發(fā)提高，作為保障電力系統(tǒng)元件的繼電保護裝置，其重要性不言而喻。本文根據(jù)青海地區(qū)繼電保護設備以往異常插件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，特別是對高失效占比的四種插件，在其設計研發(fā)研制階段提出預防措施如下：（1）對于液晶類插件，應加強散熱設計，通過高海拔試驗，驗證確保溫升滿足高海拔地區(qū)環(huán)境的要求。（2）對于電源插件中電解電容等器件在制造時需要對所有外購配套電源模塊進行溫度測試和DPA評估，特別是里面主要的發(fā)熱器件。在使用時，要遠離高熱器件，特別是變壓器、功率管等。并且需要足夠降額，工作溫度選擇105℃，工作電壓降額95%等。（3）對于CPU插件、通訊插件中的存儲芯片要加強散熱設計，遠離發(fā)熱源，加強插件生產(chǎn)中的ESD管控，在一些很重要的應用場合設計一套錯誤檢測和校正處理方法，從而有效的預防即使出現(xiàn)軟失效也不會造成危害，不過這樣將會增加系統(tǒng)的冗余，提高成本。（4）對于CPU插件、通訊插件中的功率芯片加強散熱設計，通過高海拔試驗，驗證確保溫升滿足高海拔地區(qū)環(huán)境的要求。（5）對于電源插件、CPU插件、通訊插件中的晶體/晶振做DPA分析，加強來料選型和檢驗，特別增加高海拔環(huán)境檢測，確保不會因為壓差大導致的漏氣或鼓包現(xiàn)象。Reference[1]曹寅，孫建民，謝磊蕾.運行在高海拔地區(qū)電子產(chǎn)品安全性能變化的研究[Z].國家科技成果.[2][2]劉寧寧李正.中國電子技術(shù)標準化研究所.海拔2000m以上的低氣壓條件對電子產(chǎn)品安全性能的影響.安全與電磁兼容，2008（1）：77－79．[3][3]黃延平，曹國華，王淑坤.高海拔地區(qū)電子設備散熱分析[J]．鄭州大學學報