智能電網(wǎng)繼電保護(hù)控制設(shè)備硬件可靠性設(shè)計(jì)及測(cè)試

岳峰，史志偉，董金才，牟晉力

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)、智能電廠、分布式能源的快速發(fā)展，對(duì)于繼電保護(hù)控制設(shè)備的處理能力、通信能力、擴(kuò)展能力等提出了更高的要求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)軟硬件集成度和復(fù)雜度日益提高，對(duì)設(shè)備可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)[1-3]；另外，繼電保護(hù)控制設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，常見(jiàn)的諸如戶外柜、匯控柜、預(yù)制艙、保護(hù)小室等，隨著層次化保護(hù)控制系統(tǒng)逐步推進(jìn)，要求設(shè)備就地化[4-9]靠近一次電氣設(shè)備安裝運(yùn)行的趨勢(shì)越發(fā)明顯，設(shè)備運(yùn)行的溫度和電磁兼容環(huán)境將更為惡劣，這就要求設(shè)備必須具備廣泛的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性。同時(shí)針對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)維和投資周期特點(diǎn)，要求設(shè)備在長(zhǎng)達(dá)12年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)無(wú)故障穩(wěn)定運(yùn)行[10]。針對(duì)上述種種需求和挑戰(zhàn)，提供堅(jiān)強(qiáng)可靠的繼電保護(hù)控制設(shè)備至關(guān)重要。

1 繼電保護(hù)控制設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)

繼電保護(hù)控制設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。對(duì)于傳統(tǒng)站應(yīng)用(常規(guī)采樣/常規(guī)跳閘方式)，中央處理器(CPU)模件采集AC模件通過(guò)母板傳輸?shù)男‰妷盒盘?hào)，獲取采樣值，并從IO總線接收DI模件采集的開(kāi)關(guān)量輸入。對(duì)于光差線路保護(hù)，還通過(guò)通信模件(帶光纖接口)接入對(duì)側(cè)線路數(shù)據(jù)，匯總成設(shè)備的輸入量。CPU模件對(duì)輸入量計(jì)算和分析，并根據(jù)定值判斷設(shè)備應(yīng)該做出的動(dòng)作行為，通過(guò)IO總線把命令發(fā)送到TRIP模件執(zhí)行。對(duì)于220 kV以上電壓等級(jí)智能站應(yīng)用，通常為常規(guī)采樣/數(shù)字跳閘方式，則由CPU模件發(fā)送通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?goose)跳閘命令，由通信模件轉(zhuǎn)發(fā)給智能終端來(lái)跳閘。

圖1 繼電保護(hù)控制設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)

2 繼電保護(hù)控制設(shè)備硬件可靠性設(shè)計(jì)

2.1 采樣系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

模擬量采樣系統(tǒng)作為繼電保護(hù)設(shè)備中極為重要的組成部分，直接關(guān)乎保護(hù)設(shè)備是否能夠正確獲取一次電壓、電流值，影響算法判據(jù)和動(dòng)作正確性，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)帶來(lái)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，因此其可靠性設(shè)計(jì)首當(dāng)其沖。

對(duì)于可靠性要求高的場(chǎng)合，保護(hù)設(shè)備中通常配置雙CPU插件，主從CPU分別完成模擬量采樣，實(shí)現(xiàn)復(fù)采冗余，且主從CPU之間交互采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)CPU插件上采樣系統(tǒng)異常，會(huì)判定主從CPU采樣不一致，閉鎖出口避免誤動(dòng)。硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 雙CPU采樣系統(tǒng)框圖

對(duì)于有些場(chǎng)合保護(hù)設(shè)備中只配置1塊CPU插件，則由單CPU實(shí)現(xiàn)主采和復(fù)采，為了實(shí)現(xiàn)最大程度的硬件冗余，主采和復(fù)采回路的模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、參考電壓、運(yùn)放電源等采用雙套配置。硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 單CPU采樣系統(tǒng)框圖

為了進(jìn)一步提高采樣可靠性，避免由于某個(gè)采樣電路電源軌故障導(dǎo)致的采樣數(shù)據(jù)整體出錯(cuò)，設(shè)計(jì)中增加了額外的采樣電源軌監(jiān)視電路，該電路獨(dú)立于ADC采樣電路，主要用來(lái)監(jiān)視運(yùn)放雙極性供電電源、ADC芯片供電電源、ADC外部參考電壓等多個(gè)電源軌是否正常，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)電源軌電壓異常超出設(shè)定門檻時(shí)，將發(fā)出告警并閉鎖保護(hù)，可有效避免由于設(shè)備內(nèi)部模擬量采樣電路異常造成的誤動(dòng)。

2.2 跳閘控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)設(shè)備必須保證可靠、正確的跳閘控制，不能出現(xiàn)單一故障導(dǎo)致的誤動(dòng)。為了避免設(shè)備誤動(dòng)，跳閘繼電器出口需要啟動(dòng)信號(hào)和跳閘控制信號(hào)的共同作用方能真正出口。如圖4所示，當(dāng)保護(hù)設(shè)備配置雙CPU時(shí)，從CPU負(fù)責(zé)發(fā)啟動(dòng)信號(hào)/QD_EN(低電平有效)，主CPU通過(guò)設(shè)備內(nèi)部IO總線發(fā)跳閘命令，開(kāi)出模件收到跳閘命令后控制出口使能信號(hào)/DO_EN(低電平有效)并且發(fā)出相應(yīng)的跳閘控制信號(hào)DOn_DRV，這樣跳閘繼電器K線圈通電，觸點(diǎn)閉合。當(dāng)保護(hù)設(shè)備配置單CPU時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)、跳閘命令均由主CPU負(fù)責(zé)發(fā)出。

圖4 告警及啟動(dòng)閉鎖邏輯框圖

如圖4所示，為了防止設(shè)備在故障情況下出現(xiàn)誤動(dòng)，增加了CPU告警信號(hào)/CPU_GJ、開(kāi)出模件告警信號(hào)/IO_GJ和開(kāi)出模件復(fù)位信號(hào)/RESET對(duì)啟動(dòng)進(jìn)行閉鎖控制，即當(dāng)CPU模件發(fā)告警信號(hào)或開(kāi)出模件告警或復(fù)位時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)被拉為非有效狀態(tài)，閉鎖出口。

告警系統(tǒng)工作原理如下。

(1)CPU檢測(cè)到故障會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，該信號(hào)為開(kāi)漏形式輸出，有告警時(shí)輸出低電平。多個(gè)CPU的告警信號(hào)在母板上為“線與”關(guān)系。有一個(gè)CPU發(fā)告警，該告警總線則拉低為有效狀態(tài)。

(2)開(kāi)出模件對(duì)告警輸入信號(hào)進(jìn)行如下處理：

1)與開(kāi)出模件本身的告警信號(hào)合并，提供一體輸出；

2)如果存在告警信號(hào)有效，則閉鎖啟動(dòng)信號(hào)，跳閘繼電器無(wú)法出口，避免誤動(dòng)；

3)驅(qū)動(dòng)告警繼電器。即有告警時(shí)，告警繼電器觸點(diǎn)閉合，無(wú)告警時(shí)，告警繼電器觸點(diǎn)分開(kāi)。

2.3 開(kāi)入開(kāi)出回路可靠性設(shè)計(jì)

2.3.1 開(kāi)入回路

繼電保護(hù)設(shè)備開(kāi)入回路較為簡(jiǎn)單，主要實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)220/110 V等額定電壓開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集。通常采用的原理如圖5所示。

圖5 采用光耦的開(kāi)入回路原理

Fig.5 Block diagram of input circuit with optocoupler

對(duì)于可靠性要求非常高的場(chǎng)合，可采用冗余回路的設(shè)計(jì)方法，如雙路冗余或正反碼輸入的方式，但缺點(diǎn)是占用較大的印制板面積，單模件可實(shí)現(xiàn)的采樣通道數(shù)目降低為一半。另一種簡(jiǎn)化的方法如圖6所示，為每一組開(kāi)入增加一路用于校驗(yàn)的開(kāi)入通道(最后一路)，當(dāng)組內(nèi)DI1～DIn中只要有一路開(kāi)入為“1”時(shí)，開(kāi)入校驗(yàn)回路應(yīng)該為“1”；當(dāng)組內(nèi)DI1～DIn中所有開(kāi)入均為“0”時(shí)，開(kāi)入校驗(yàn)回路應(yīng)該為“0”。但該方法只能用于輔助校驗(yàn)，無(wú)法校驗(yàn)每個(gè)通道。

圖6 開(kāi)入校驗(yàn)回路原理

為了能實(shí)現(xiàn)同一硬件電路適應(yīng)多種額定電壓(如24，48，110，220，125，250 V等)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集，且為了避免上述方案中光耦長(zhǎng)期工作產(chǎn)生的老化問(wèn)題，提出了另一種開(kāi)關(guān)量輸入實(shí)現(xiàn)原理，如圖7所示。

圖7 采用ADC+隔離的自適應(yīng)開(kāi)入回路原理

Fig.7 Principle of adaptive input circuit using ADC and isolator

2.3.2 開(kāi)出回路

對(duì)于開(kāi)出回路，設(shè)備上電和正常運(yùn)行過(guò)程中定期進(jìn)行自檢。通過(guò)增加反饋?zhàn)詸z回路，配合相應(yīng)的自檢程序，可發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)回路短路、斷路及驅(qū)動(dòng)短路、繼電器線圈短路等異常情況。當(dāng)自檢到上述異常，則發(fā)出告警并閉鎖保護(hù)。

2.4 電磁兼容設(shè)計(jì)

隨著繼電保護(hù)設(shè)備就地化以及戶外安裝等需求的提出，對(duì)設(shè)備的電磁兼容(EMC)性能提出了更高的要求。EMC性能是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，它的解決必須是在設(shè)計(jì)之前就要各環(huán)節(jié)全面分析，往往不可能通過(guò)一個(gè)措施解決全部問(wèn)題，必須對(duì)影響設(shè)備EMC性能的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格管控，下面列出一些有效的設(shè)計(jì)方法[11-13]。

2.4.1 物料選型階段

(1)分析物料的各種電氣參數(shù)，如物料的抗靜電放電(ESD)性能、自鎖效應(yīng)(Latch-up)、安規(guī)性能等。

(2)CPU系統(tǒng)選用集成度更高的系統(tǒng)級(jí)芯片SOC(system on a chip),如ARM+FPGA的集成芯片，可簡(jiǎn)化核心處理系統(tǒng)內(nèi)部高速信號(hào)的連接，提高系統(tǒng)集成度。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化布局及走線，提高CPU系統(tǒng)的抗擾度，并減少對(duì)外輻射干擾。

(3)開(kāi)入回路選用抗浪涌和耐高溫性能的金屬氧化膜電阻，開(kāi)出回路選用DK系列繼電器提升抗浪涌和抗沖擊性能。

2.4.2 硬件設(shè)計(jì)階段

(1)優(yōu)化設(shè)備機(jī)箱本體的屏蔽性能。采用金屬密閉機(jī)箱，機(jī)箱表面做導(dǎo)電氧化處理，機(jī)箱蓋板搭接處使用導(dǎo)電簧片或?qū)щ娕菝?，插件之間采用簧片接觸減少縫隙等一系列措施提高機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性，確保設(shè)備具有良好的靜電防護(hù)和電磁屏蔽性能。

(2)確保設(shè)備外引強(qiáng)電回路的絕緣距離和空氣間隙符合GB 14598.27—2017《量度繼電器和保護(hù)裝置 第27部分:產(chǎn)品安全要求》[14]要求，提高回路與大地以及回路之間的絕緣性能。

(3)設(shè)備所有外引端口設(shè)計(jì)完善的隔離和防護(hù)電路；所有內(nèi)部接插件端口進(jìn)行良好的ESD防護(hù)。

(4)優(yōu)化設(shè)備內(nèi)插件的配置，帶有強(qiáng)電信號(hào)的插件(如開(kāi)出模件、跳閘模件、電源模件、交流模件等)與CPU類處理模件分區(qū)布置，避免強(qiáng)電回路引入的傳導(dǎo)和輻射干擾影響CPU類模件通信或其他功能。

2.5 熱設(shè)計(jì)

隨著繼電保護(hù)設(shè)備的集成度和性能需求的提高，以及多光模塊的應(yīng)用需求越來(lái)越多，設(shè)備功耗和溫升隨之增加，設(shè)備的熱控制以及熱設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一個(gè)新難點(diǎn)。

繼電保護(hù)設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性的要求限制了一些常用的散熱設(shè)計(jì)，比如設(shè)備內(nèi)禁止采用風(fēng)扇；較高的防護(hù)等級(jí)要求(IP42，IP67)則限制了機(jī)箱開(kāi)孔散熱。通常情況下，只能采用自然對(duì)流及傳導(dǎo)的方式控制設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度滿足運(yùn)行要求。因此，在板級(jí)熱耗不斷提高，部分傳統(tǒng)散熱方法又受標(biāo)準(zhǔn)所限的情況下，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的散熱設(shè)計(jì)具有較高的難度，需要行之有效的設(shè)備類產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)方法，并探求新材料新工藝的引入。

針對(duì)熱設(shè)計(jì)，控制保護(hù)設(shè)備需從器件級(jí)、板卡級(jí)、裝置級(jí)綜合考慮熱設(shè)計(jì)方案[15]：

(1)在元器件選型上，選擇低電壓、低功耗、帶功耗管理功能的器件，可關(guān)閉芯片內(nèi)部未使用硬件功能以降低功耗；功耗較大的器件，如處理器、光模塊、電源等，采用貼裝簡(jiǎn)單實(shí)用的散熱片方式進(jìn)行散熱，條件允許情況下，可將設(shè)備殼體當(dāng)作“巨大”的散熱片進(jìn)行有效的散熱，如就地化設(shè)備。權(quán)衡性能和功耗，選擇合適頻率的處理器和內(nèi)存。

(2)對(duì)于板卡級(jí)設(shè)計(jì)，提高電源電路轉(zhuǎn)換效率；優(yōu)化發(fā)熱器件布局及印制電路板PCB(printed circuit board)散熱銅箔設(shè)計(jì)；首選通過(guò)傳導(dǎo)方式傳熱到模件小面板或機(jī)箱壁。

(3)對(duì)于裝置級(jí)設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃插件位置和槽位寬度，功耗較大的電源模件、光口通信模件等靠近機(jī)箱側(cè)壁布置；機(jī)箱結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如機(jī)箱蓋板涂覆新型材料，提高上下蓋板的熱傳導(dǎo)和輻射效率；仿真優(yōu)化散熱器翅片高度、間距、鰭厚，使其散熱能力最優(yōu)；條件允許情況下，可以將機(jī)箱殼體局部設(shè)計(jì)為類似散熱翅片的方式提高散熱性能。

(4)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助專業(yè)的電子產(chǎn)品熱分析軟件icepak進(jìn)行仿真和方案評(píng)估。另外，軟件上通過(guò)程序優(yōu)化、算法優(yōu)化等方面進(jìn)一步降低整體功耗。

2.6 設(shè)備自檢及在線故障檢測(cè)

為了提高運(yùn)行的可靠性，繼電保護(hù)設(shè)備應(yīng)集成完備的自檢和在線故障檢測(cè)功能[16-18]。常見(jiàn)的功能如下。

2.6.1 工作電源監(jiān)測(cè)

保護(hù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，對(duì)內(nèi)部主要工作電源軌電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在電源超過(guò)設(shè)定的閾限時(shí)產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)部告警。這樣可有效地避免由于設(shè)備的內(nèi)部工作電源長(zhǎng)時(shí)間異常造成的設(shè)備損壞，并可避免由于設(shè)備內(nèi)部的電源異常造成的設(shè)備錯(cuò)誤動(dòng)作。

2.6.2 工作環(huán)境監(jiān)測(cè)

保護(hù)設(shè)備通過(guò)板載的溫度和濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)箱內(nèi)的溫濕度。當(dāng)出現(xiàn)溫度/濕度超出告警閾值、系統(tǒng)溫升速率過(guò)快或濕度變化異常等現(xiàn)象時(shí)，設(shè)備可輸出告警信息，提醒對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

另外，保護(hù)設(shè)備還針對(duì)內(nèi)部的核心器件的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算設(shè)備內(nèi)部核心器件的工作歷史，從而當(dāng)核心器件工作溫度過(guò)高時(shí)進(jìn)行告警。

2.6.3 通信狀態(tài)監(jiān)視

保護(hù)設(shè)備內(nèi)部通常均由多個(gè)不同的處理單元(或插件)構(gòu)建，而不同處理單元(或插件)的協(xié)同工作嚴(yán)重地依賴于設(shè)備內(nèi)部的通信總線。通過(guò)對(duì)設(shè)備內(nèi)部通信總線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷是否有丟幀、誤碼、中斷、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等情況出現(xiàn)，如有異常，及時(shí)給出告警。

另外，智能變電站正常運(yùn)行依賴大量的光纖通信，故而加強(qiáng)光接口通道發(fā)送、接收功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)送、接收功率異常，及時(shí)給出告警。除此之外，設(shè)備內(nèi)部還集成了光接口器件的溫度監(jiān)測(cè)，從而可以在光接口器件溫度異常時(shí)給出狀態(tài)指示，進(jìn)而可以提前對(duì)光纖接口的工作可靠性進(jìn)行評(píng)判。

2.6.4 處理器負(fù)載監(jiān)測(cè)

當(dāng)處理器的負(fù)載過(guò)高時(shí)將嚴(yán)重影響保護(hù)功能的正常運(yùn)行。在極端的100%負(fù)載下，保護(hù)邏輯的計(jì)算以及動(dòng)作等均將被延時(shí)，嚴(yán)重影響正常的保護(hù)功能。因此，對(duì)設(shè)備的CPU負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)負(fù)荷程度給出正常、異常、告警等不同等級(jí)的狀態(tài)信息。對(duì)設(shè)備的內(nèi)存占用率進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)內(nèi)存占用程度給出正常、異常、告警等不同等級(jí)的狀態(tài)信息。

3 繼電保護(hù)控制設(shè)備硬件可靠性測(cè)試

3.1 高裕度摸底測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)備的可靠性，保證其具有足夠的設(shè)計(jì)裕度，研發(fā)測(cè)試過(guò)程中會(huì)采用超過(guò)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]最高等級(jí)試驗(yàn)要求開(kāi)展型式摸底試驗(yàn)。對(duì)于常規(guī)設(shè)備、就地化設(shè)備，建議摸底測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

3.2 HALT試驗(yàn)

高加速壽命試驗(yàn)(HALT)是一種可靠性試驗(yàn)技術(shù)[21-23]，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品逐步施加超過(guò)規(guī)范應(yīng)力的外力(如溫度、振動(dòng)、快速溫變及振動(dòng)綜合應(yīng)力等)，快速激發(fā)產(chǎn)品故障，盡可能快地找到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，從而采取措施予以糾正，最大限度地提高產(chǎn)品的可靠性?；诖?，國(guó)內(nèi)不少行業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)產(chǎn)品的HALT。鑒于保護(hù)設(shè)備對(duì)于可靠性要求極高，故而須在開(kāi)發(fā)階段引入HALT。HALT試驗(yàn)包含如下測(cè)試項(xiàng)目。

3.2.1 溫度步進(jìn)試驗(yàn)

溫度步進(jìn)分為2個(gè)階段，低溫步進(jìn)和高溫步進(jìn)。

低溫步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意如圖8所示，試驗(yàn)方法如下：

(1)設(shè)備處于通電運(yùn)行狀態(tài)，施加額定值。

(2)試驗(yàn)從設(shè)備的產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的低溫工作溫度開(kāi)始。

(3)以10 ℃的溫度步進(jìn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫。

表1 摸底試驗(yàn)推薦測(cè)試條件

注：就地化設(shè)備還有一些特殊的測(cè)試項(xiàng)目，如太陽(yáng)光輻射試驗(yàn)、

低氣壓試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、錘擊試驗(yàn)等。

圖8 低溫步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意

(4)設(shè)備在各溫度點(diǎn)駐留時(shí)間設(shè)定為20 min，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)3次的試驗(yàn)，試驗(yàn)中檢查設(shè)備運(yùn)行和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常。

(5)重復(fù)步驟(3)和(4)，直至設(shè)備失效，停止步進(jìn)試驗(yàn)。

(6)在設(shè)備失效后，將溫度應(yīng)力降低至操作極限值，檢查設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

(7)若能恢復(fù)正常運(yùn)行則重復(fù)步驟(3)和(4)，若不能恢復(fù)正常則將該溫度記為設(shè)備低溫破壞極限溫度。

高溫步進(jìn)試驗(yàn)方法同低溫步進(jìn)試驗(yàn)，示意圖如圖9所示。

3.2.2 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)

快速溫變循環(huán)試驗(yàn)曲線示意如圖10所示，試驗(yàn)方法如下：

圖9 高溫步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意

(1)設(shè)備處于通電運(yùn)行狀態(tài)，施加額定值；

(2)設(shè)定低溫限值=低溫操作極限溫度+5℃；

(3)設(shè)定高溫限值=高溫操作極限溫度-5℃；

(4)以60 ℃/min的溫度變化速率進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)；

(5)設(shè)備在各溫度極值點(diǎn)的駐留時(shí)間設(shè)定為20 min，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)3次的試驗(yàn)，試驗(yàn)中檢查設(shè)備運(yùn)行和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常；

(6)試驗(yàn)執(zhí)行5個(gè)循環(huán)周期。

圖10 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)曲線示意

3.2.3 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)

振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意如圖11所示，試驗(yàn)方法如下：

(1)設(shè)備處于通電運(yùn)行狀態(tài)，施加額定值；

(2)試驗(yàn)初始振動(dòng)量級(jí)為10 Grms，頻率在10～500 Hz之間。在每個(gè)振動(dòng)量級(jí)駐留以及試品功能測(cè)試完成后，再以10 Grms的振動(dòng)量級(jí)遞增進(jìn)行試驗(yàn)；

(3)試驗(yàn)在每個(gè)振動(dòng)量級(jí)的駐留時(shí)間應(yīng)設(shè)定為20 min，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)3次的試驗(yàn)，然后再對(duì)試品進(jìn)行基本功能和性能測(cè)試，檢查設(shè)備運(yùn)行和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常；

(4)直至找到試品的操作極限，停止試驗(yàn)；

(5)確定試品的操作極限后，振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行，振動(dòng)應(yīng)力步進(jìn)等級(jí)按照上面的等級(jí)設(shè)置，直至確認(rèn)試品的振動(dòng)破壞極限。

圖11 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意

3.2.4 綜合應(yīng)力試驗(yàn)

快速溫變循環(huán)與振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意如圖12所示，綜合應(yīng)力試驗(yàn)方法如下：

(1)設(shè)備處于通電運(yùn)行狀態(tài)，施加額定值；

(2)試驗(yàn)中設(shè)置的溫度循環(huán)曲線的極值應(yīng)在試品的操作極限上、下限值之內(nèi)，設(shè)備在每個(gè)溫度極值點(diǎn)駐留時(shí)間為20 min，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)3次的試驗(yàn)；

(3)組合試驗(yàn)中的初始振動(dòng)量級(jí)是振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)中破壞極限的1/5，此后每個(gè)循環(huán)中振動(dòng)量級(jí)遞增，遞增量為初始振動(dòng)量級(jí)；

(4)在每個(gè)試驗(yàn)量級(jí)駐留一段時(shí)間后，都應(yīng)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行功能/性能測(cè)試；

(5)試驗(yàn)執(zhí)行5個(gè)循環(huán)周期。

圖12 快速溫變循環(huán)與振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意

3.3 其他試驗(yàn)

3.3.1 高加速應(yīng)力篩選(HASS)

HASS[21-23]應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，是產(chǎn)品通過(guò)HALT試驗(yàn)得出操作或破壞極限值后在生產(chǎn)線上做高加速應(yīng)力篩選，一般要求100%的產(chǎn)品參加篩選。其目的是為了使生產(chǎn)的產(chǎn)品不存在任何隱含的缺陷或者至少在產(chǎn)品還沒(méi)有出廠前找到并解決這些缺陷，HASS就是通過(guò)加速應(yīng)力方式以期在短時(shí)間內(nèi)找到有缺陷的產(chǎn)品，縮短糾正措施的周期，并找到具有同樣問(wèn)題的產(chǎn)品。

3.3.2 可靠性驗(yàn)證測(cè)試(RDT)

由于電力設(shè)備的運(yùn)維和投資周期特點(diǎn)，用戶要求設(shè)備需在長(zhǎng)達(dá)12年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)無(wú)故障穩(wěn)定運(yùn)行。如何快速科學(xué)地評(píng)估產(chǎn)品壽命？在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可采用RDT以加速對(duì)產(chǎn)品壽命的評(píng)估。

RDT通常采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的方法，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力(溫度和濕度)[24-27]，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)得到產(chǎn)品在一定置信度下的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷，以便進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，以保證產(chǎn)品的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在繼電保護(hù)控制設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,參照文中提出的硬件回路設(shè)計(jì)方法，綜合EMC設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、在線故障檢測(cè)等措施，可有效提升設(shè)備的硬件可靠性。針對(duì)設(shè)備，研發(fā)階段可采用高裕度摸底測(cè)試、HALT、RDT等可靠性測(cè)試方法來(lái)驗(yàn)證其可靠性，并有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)。這種從需求、設(shè)計(jì)到驗(yàn)證的閉環(huán)開(kāi)發(fā)流程，對(duì)于提升繼電保護(hù)控制設(shè)備可靠性具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。