高海拔地區(qū)繼電保護(hù)設(shè)備缺陷及數(shù)據(jù)分析

高海拔地區(qū)繼電保護(hù)設(shè)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(hù)裝置插件失效案例，從器件失效機(jī)理著手，深入解析高海拔地區(qū)環(huán)境特征對(duì)繼電保護(hù)裝置內(nèi)部電子產(chǎn)品的影響。Keys：高海拔地區(qū)；繼電保護(hù)裝置；插件1.引言高海拔地區(qū)的環(huán)境變化會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(duì)繼電保護(hù)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(hù)裝置以往異常插件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，分析出高海拔地區(qū)特有的環(huán)境因素導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因及設(shè)備運(yùn)行年限。2.故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

以青海省從2013年到2020年的繼電保護(hù)設(shè)備裝置的市場(chǎng)故障數(shù)據(jù)，總故障記錄共有830條。統(tǒng)計(jì)分析故障數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備的主要失效插件，集中在如下幾種類型，合計(jì)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(jì)分析按照TL9000標(biāo)準(zhǔn)的按月計(jì)算年返修率的歸一化算法，對(duì)2013年1月-2021年3月反饋的失效數(shù)據(jù)，進(jìn)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(yùn)設(shè)備，在統(tǒng)計(jì)月份當(dāng)月的失效數(shù)；FRs:統(tǒng)計(jì)月份前第n-1年至第前n年的總投運(yùn)數(shù)；例如：某插件歸一化年返修率計(jì)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(jì)某類地區(qū)前第4年至前第5年投運(yùn)總數(shù):FRs5；第二步：統(tǒng)計(jì)某類地區(qū)，前第4年至前第5年投運(yùn)設(shè)備，在統(tǒng)計(jì)月份當(dāng)月的液晶屏失效數(shù):FRry5；第三步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)月份當(dāng)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(jì)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(duì)一年內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均計(jì)算。即對(duì)第三步“統(tǒng)計(jì)月份當(dāng)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(fù)以上計(jì)算過程，計(jì)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(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，各插件的年返修率成增長(zhǎng)趨勢(shì)；（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(zhǎng)趨勢(shì)，一類地區(qū)在第九年開始年返修率出現(xiàn)加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，海拔越高年返修率增長(zhǎng)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(zhǎng)趨勢(shì)，地區(qū)環(huán)境越惡劣，年返修率增長(zhǎng)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(zhǎng)趨勢(shì)，一類地區(qū)在第九年開始年返修率出現(xiàn)加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，地區(qū)環(huán)境越惡劣，年返修率增長(zhǎng)越快。2.2主要失效插件上失效器件分析針對(duì)高占比失效的插件，統(tǒng)計(jì)其使用高海拔易失效器件情況，并分析其可能的失效機(jī)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(jī)理分析液晶屏1片高溫/散熱差。濕度低，容易導(dǎo)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(dǎo)致散熱不良失效。濕度低，容易導(dǎo)致ESD損傷。晶體/晶振1片壓差大導(dǎo)致的漏氣或鼓包。濕度低，容易導(dǎo)致ESD損傷。結(jié)論和預(yù)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(shè)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(hù)裝置，其重要性不言而喻。本文根據(jù)青海地區(qū)繼電保護(hù)設(shè)備以往異常插件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，特別是對(duì)高失效占比的四種插件，在其設(shè)計(jì)研發(fā)研制階段提出預(yù)防措施如下：（1）對(duì)于液晶類插件，應(yīng)加強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)，通過高海拔試驗(yàn)，驗(yàn)證確保溫升滿足高海拔地區(qū)環(huán)境的要求。（2）對(duì)于電源插件中電解電容等器件在制造時(shí)需要對(duì)所有外購配套電源模塊進(jìn)行溫度測(cè)試和DPA評(píng)估，特別是里面主要的發(fā)熱器件。在使用時(shí)，要遠(yuǎn)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(duì)于CPU插件、通訊插件中的存儲(chǔ)芯片要加強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)離發(fā)熱源，加強(qiáng)插件生產(chǎn)中的ESD管控，在一些很重要的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)一套錯(cuò)誤檢測(cè)和校正處理方法，從而有效的預(yù)防即使出現(xiàn)軟失效也不會(huì)造成危害，不過這樣將會(huì)增加系統(tǒng)的冗余，提高成本。（4）對(duì)于CPU插件、通訊插件中的功率芯片加強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)，通過高海拔試驗(yàn)，驗(yàn)證確保溫升滿足高海拔地區(qū)環(huán)境的要求。（5）對(duì)于電源插件、CPU插件、通訊插件中的晶體/晶振做DPA分析，加強(qiáng)來料選型和檢驗(yàn)，特別增加高海拔環(huán)境檢測(cè)，確保不會(huì)因?yàn)閴翰畲髮?dǎo)致的漏氣或鼓包現(xiàn)象。Reference[1]曹寅，孫建民，謝磊蕾.運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化研究所.海拔2000m以上的低氣壓條件對(duì)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(shè)備散熱分析[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)