高海拔地区继电保护设备缺陷及数据分析

高海拔地区继电保护设备缺陷及数据分析

Summary：本文以青海地区为例，根据高海拔地区不同环境因素的恶劣程度将青海分为3类地区，并结合青海地区以往继电保护装置插件失效案例，从器件失效机理着手，深入解析高海拔地区环境特征对继电保护装置内部电子产品的影响。Keys：高海拔地区；继电保护装置；插件1.引言高海拔地区的环境变化会对电子产品会产生严重的影响，其中高海拔地区的昼夜温差大、温度高、气压低、射线等因素对继电保护装置内部插件的影响比较突出。以青海地区为例，根据高海拔地区不同环境因素的恶劣程度将青海分为3类地区：一类地区：海南州兴海（含共和）地区及海西州全域；二类地区：西宁、海东、海北及海南州其他地区；三类地区：黄南州、果洛州、玉树州。分别将三类地区继电保护装置以往异常插件的数据进行分析对比，分析出高海拔地区特有的环境因素导致异常数据出现的原因及设备运行年限。2.故障数据统计分析

以青海省从2013年到2020年的继电保护设备装置的市场故障数据，总故障记录共有830条。统计分析故障数据，可以发现继电保护设备的主要失效插件，集中在如下几种类型，合计占失效量的85.05%，为主要失效插件。（1）CPU和DSP插件共279块，占失效总数量的33.61%；（2）电源插件共150块，占失效总数量的18.07%；（3）液晶屏共103块，占失效总数量的12.41%；（4）通讯插件共174块，占失效总数量的20.96%。2.1主要失效插件年返修率统计分析按照TL9000标准的按月计算年返修率的归一化算法，对2013年1月-2021年3月反馈的失效数据，进行编程处理，求取各插件平均年返修率，归一化算法公式如下。NYR=12×FRry/FRs其中：NYR:第n年年返修率；FRry：前第n-1年至前第n年投运设备，在统计月份当月的失效数；FRs:统计月份前第n-1年至第前n年的总投运数；例如：某插件归一化年返修率计算方式如下第一步：求某类地区，第5年的归一化年返修率，先统计某类地区前第4年至前第5年投运总数:FRs5；第二步：统计某类地区，前第4年至前第5年投运设备，在统计月份当月的液晶屏失效数:FRry5；第三步：计算统计月份当月的某类地区，某插件第5年归一化年返修率:NYR5=12*FRry5/FRs5；第四步：从上面统计的每月年返修率，可以看到，由于有些月份没有失效或发货，或数据较小，因此失效率变化较大，因此我们对一年内的数据进行了平均计算。即对第三步“统计月份当月的某类地区，某插件第5年归一化年返修率NYR5”求均值=0.00149,即为最终的三类地区，某插件第5年归一化年返修率NYR；第五步：重复以上计算过程，计算不同地区、不同年份的归一化年返修率，绘制成某插件年返修率分布曲线。通过绘制曲线图发现：（1）电源插件、液晶屏、通讯插件，二类地区、三类地区比一类地区的年返修率要高；（2）随着运行时间的增长，各插件的年返修率成增长趋势；（3）液晶屏二类地区、三类地区在第五年开始年返修率出现加速增长趋势，一类地区在第九年开始年返修率出现加速增长趋势，海拔越高年返修率增长越快；（4）电源插件二类地区、三类地区在第六年开始年返修率出现加速增长趋势，地区环境越恶劣，年返修率增长越快；（5）通讯插件二类地区、三类地区在第七年开始年返修率出现加速增长趋势，一类地区在第九年开始年返修率出现加速增长趋势，地区环境越恶劣，年返修率增长越快。2.2主要失效插件上失效器件分析针对高占比失效的插件，统计其使用高海拔易失效器件情况，并分析其可能的失效机理。表1液晶插件易失效器件分析高海拔地区易失效器件失效机理分析液晶屏1片高温/散热差。湿度低，容易导致ESD损伤。芯片1片高发热器件，高海拔高温、气压低散热性差，容易导致散热不良失效。湿度低，容易导致ESD损伤。晶体/晶振1片压差大导致的漏气或鼓包。湿度低，容易导致ESD损伤。结论和预防措施随着新能源电网在青海地区大力发展，电网设备的稳定性要求愈发提高，作为保障电力系统元件的继电保护装置，其重要性不言而喻。本文根据青海地区继电保护设备以往异常插件的数据统计分析后，特别是对高失效占比的四种插件，在其设计研发研制阶段提出预防措施如下：（1）对于液晶类插件，应加强散热设计，通过高海拔试验，验证确保温升满足高海拔地区环境的要求。（2）对于电源插件中电解电容等器件在制造时需要对所有外购配套电源模块进行温度测试和DPA评估，特别是里面主要的发热器件。在使用时，要远离高热器件，特别是变压器、功率管等。并且需要足够降额，工作温度选择105℃，工作电压降额95%等。（3）对于CPU插件、通讯插件中的存储芯片要加强散热设计，远离发热源，加强插件生产中的ESD管控，在一些很重要的应用场合设计一套错误检测和校正处理方法，从而有效的预防即使出现软失效也不会造成危害，不过这样将会增加系统的冗余，提高成本。（4）对于CPU插件、通讯插件中的功率芯片加强散热设计，通过高海拔试验，验证确保温升满足高海拔地区环境的要求。（5）对于电源插件、CPU插件、通讯插件中的晶体/晶振做DPA分析，加强来料选型和检验，特别增加高海拔环境检测，确保不会因为压差大导致的漏气或鼓包现象。Reference[1]曹寅，孙建民，谢磊蕾.运行在高海拔地区电子产品安全性能变化的研究[Z].国家科技成果.[2][2]刘宁宁李正.中国电子技术标准化研究所.海拔2000m以上的低气压条件对电子产品安全性能的影响.安全与电磁兼容，2008（1）：77－79．[3][3]黄延平，曹国华，王淑坤.高海拔地区电子设备散热分析[J]．郑州大学学报