雙采樣光學(xué)電流互感器的可靠性與適用性分析

于文斌，肖智宏，劉穎，尹東，高旭，申洪明，張效

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；3. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053；4. 國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

與傳統(tǒng)電流互感器相比，電子式電流互感器具有體積小、重量輕、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，并且易與開(kāi)關(guān)設(shè)備集成設(shè)計(jì)和安裝，有助于推動(dòng)電力設(shè)備向小型化、集成化和智能化方向發(fā)展[1-3]。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，基于Faraday磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器(optical current transformer，OCT)一直是電子式電流互感器的研究熱點(diǎn)[4-8]。OCT主要包括全光纖OCT(fiber-optic current transformer，F(xiàn)OCT)和磁光玻璃OCT(magnet-optic current transformer，MOCT)。目前，對(duì)于OCT的原理和關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，已有相當(dāng)規(guī)模的OCT產(chǎn)品在智能電網(wǎng)中得到應(yīng)用。但是由于產(chǎn)品工藝和質(zhì)量等原因，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，特別是可靠性和適用性問(wèn)題，使得OCT一直不能大規(guī)模推廣應(yīng)用到工程實(shí)踐中[9-10]。

在OCT的可靠性方面，文獻(xiàn)[11]介紹了一些有關(guān)OCT可靠性的標(biāo)準(zhǔn)和程序，但并未針對(duì)OCT的可靠性進(jìn)行具體分析研究；文獻(xiàn)[12]從光路結(jié)構(gòu)的角度分析了影響MOCT長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的因素；文獻(xiàn)[13-14]設(shè)計(jì)了MOCT的可靠性試驗(yàn)內(nèi)容和程序，并對(duì)光學(xué)電流傳感頭的可靠性評(píng)估和壽命計(jì)算方法進(jìn)行了研究，獲得了光學(xué)電流傳感頭的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[15]建立了按照功能部件劃分的OCT自頂而下的狀態(tài)參數(shù)分解層次模型，并設(shè)計(jì)了一種采用軟件同步時(shí)分復(fù)用技術(shù)的OCT運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[16]基于故障模式與影響分析法構(gòu)建了FOCT的故障樹(shù)和故障特征空間，并建立了故障診斷專家系統(tǒng)；文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了FOCT的自診斷功能；文獻(xiàn)[18]分析了光學(xué)組件常見(jiàn)的失效模式，對(duì)FOCT光學(xué)組件的壽命及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了加速老化測(cè)試。上述研究主要集中在OCT可靠性的定性分析、故障診斷和光學(xué)組件的可靠性數(shù)據(jù)獲取等方面，但對(duì)于OCT的系統(tǒng)可靠性幾乎沒(méi)有涉及。

互感器作為智能變電站中一次系統(tǒng)的傳感元件，是繼電保護(hù)信息采集的源頭。由于繼電保護(hù)的特殊性，其可靠性不容忽視，繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于保證系統(tǒng)安全運(yùn)行起著非常重要的作用。在電力系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，繼電保護(hù)的誤動(dòng)作是應(yīng)該杜絕的。Q/GDW 441—2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“智能變電站中電子式互感器的二次轉(zhuǎn)換器(A/D采樣回路)損壞，不應(yīng)引起保護(hù)誤動(dòng)作跳閘”為保證繼電保護(hù)的可靠性，該規(guī)范對(duì)電子式互感器提出了雙重化配置要求：電子式互感器內(nèi)由2路獨(dú)立的采樣系統(tǒng)進(jìn)行采集，每路采樣系統(tǒng)應(yīng)采用雙A/D系統(tǒng)接入合并單元(merging unit，MU)，每個(gè)MU輸出2路數(shù)字采樣值由同一路通道進(jìn)入同一套保護(hù)裝置，保護(hù)裝置根據(jù)電子式互感器的雙A/D模擬量采樣值做相應(yīng)處理，提高可靠性[19]。OCT顯然也必須滿足此規(guī)范要求。文獻(xiàn)[20]針對(duì)繼電保護(hù)雙重化配置的工程應(yīng)用要求，提出了一種采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)2路相互獨(dú)立采樣系統(tǒng)的方案，解決了FOCT采樣系統(tǒng)的雙重化要求，但缺少對(duì)該方案工程適用性的分析。

本文針對(duì)智能變電站繼電保護(hù)對(duì)電子式互感器的雙重化采樣需求，分析采用獨(dú)立雙采樣技術(shù)的FOCT和MOCT的系統(tǒng)可靠性和工程適用性。通過(guò)建立FOCT和MOCT的可靠性模型，依據(jù)中華人民共和國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》[21]，結(jié)合文獻(xiàn)給出的部分元器件試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用元器件計(jì)數(shù)法和應(yīng)力分析法，分別對(duì)FOCT和MOCT進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，獲得OCT的設(shè)備可靠性指標(biāo)和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。對(duì)采用雙套獨(dú)立和單套雙采樣2種方案構(gòu)成的雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)FOCT和MOCT的工程適用性，以期推動(dòng)OCT產(chǎn)品的工程推廣和應(yīng)用。

1 雙采樣方案簡(jiǎn)介

1.1 FOCT的雙采樣方案

為保證繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的可靠性，Q/GDW 441—2010要求電子式互感器應(yīng)具有獨(dú)立雙采樣的功能。對(duì)于FOCT，規(guī)范要求每套FOCT內(nèi)配置4個(gè)保護(hù)用傳感元件，由4路獨(dú)立的采樣系統(tǒng)進(jìn)行采集(單A/D系統(tǒng))，每2路采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)各自通道輸出至同一MU。此配置方案屬于完整的FOCT雙重化采樣方案，相位調(diào)制器、分光器、光源和光電探測(cè)器等昂貴的光學(xué)部件要準(zhǔn)備4套，在設(shè)備成本極大增加的同時(shí)，還存在配置方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、安裝繁瑣等問(wèn)題，導(dǎo)致許多用戶難以接受，推廣應(yīng)用難度較大。

為此，文獻(xiàn)[20]提出了一種采用單一光路構(gòu)建獨(dú)立雙采樣的雙反饋調(diào)制數(shù)字閉環(huán)控制方案，采取雙反饋調(diào)制器實(shí)現(xiàn)雙采樣的獨(dú)立A/D采集和D/A反饋，如圖1所示。

圖1 FOCT的獨(dú)立雙采樣設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of independent double sampling circuits for FOCT

電路部分包括2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路、2個(gè)D/A轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)字信號(hào)處理模塊。2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)光電探測(cè)器的輸出進(jìn)行獨(dú)立采樣，用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)作為數(shù)據(jù)處理模塊，基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)分別對(duì)2路獨(dú)立采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)解調(diào)處理，生成的2路解調(diào)處理信號(hào)分別輸出至2個(gè)D/A轉(zhuǎn)換電路，2個(gè)D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出數(shù)據(jù)作為相位調(diào)制信號(hào)，在相位調(diào)制器上進(jìn)行光信號(hào)的相位分時(shí)調(diào)制和閉環(huán)反饋，數(shù)字信號(hào)處理模塊分別輸出2路互相獨(dú)立、互不干擾的互感器數(shù)據(jù)至MU。工程中雙重化配置方案如圖2所示，以集成的方式使得單套雙采樣FOCT同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙套獨(dú)立FOCT產(chǎn)品的功能。

圖2 雙采樣FOCT的雙重化配置Fig.2 Schematic diagram of double configuration for FOCT with double sampling circuits

1.2 MOCT的雙采樣方案

與FOCT不同，MOCT采用開(kāi)環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)單套雙采樣的方法相對(duì)比較容易。圖3為MOCT的獨(dú)立雙采樣設(shè)計(jì)方案，主要包括LED光源、光學(xué)電流傳感器(optical current sensor，OCS)、光電探測(cè)器和信號(hào)處理電路單元。OCS采用雙光路輸出方式，分別接入2個(gè)光電探測(cè)器，信號(hào)處理電路單元包括2路相互獨(dú)立的A/D前置處理電路、2路相互獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換電路以及共用的數(shù)字信號(hào)處理模塊。2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)光電探測(cè)器的輸出進(jìn)行獨(dú)立采樣后將2路采樣數(shù)據(jù)同時(shí)輸出至數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊輸出2路互相獨(dú)立、互不干擾的互感器數(shù)據(jù)至MU。

圖3 MOCT的獨(dú)立雙采樣設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of independent double sampling circuits for MOCT

工程中雙重化配置方案如圖4所示，單套雙采樣MOCT同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙套獨(dú)立MOCT產(chǎn)品的功能。

DSP—數(shù)字信號(hào)處理器，digital signal processor的縮寫(xiě)。圖4 雙采樣MOCT的雙重化配置Fig.4 Schematic diagram of double configuration for MOCT with double sampling circuits

2 可靠性分析

2.1 可靠性模型

可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)理論模型較為成熟，可以參照國(guó)際通用的經(jīng)典可靠性分析模型，其基本分析模型主要有串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和串并聯(lián)模型。根據(jù)OCT的組成結(jié)構(gòu)，建立OCT的可靠性模型。

2.1.1 FOCT的可靠性模型

圖5為FOCT的可靠性框圖，主要包括高壓側(cè)光纖敏感環(huán)、傳輸光纖光纜、低壓側(cè)光路單元、低壓側(cè)信號(hào)處理單元和低壓側(cè)電源單元，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖5 FOCT的可靠性框圖Fig.5 Reliability block diagram of FOCT

圖6為FOCT高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的可靠性框圖，主要包括傳感光纖環(huán)、反射鏡和1/4波片等關(guān)鍵光器件，也構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖6 FOCT高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的可靠性框圖Fig.6 Reliability block diagram of fiber optic sensitive ring at high voltage end of FOCT

圖7為FOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖，主要包括超輻射發(fā)光二極管(superluminescent diode，SLD)光源模塊、分光器(也可采用耦合器、環(huán)形器等)和偏振器、相位調(diào)制器(直波導(dǎo)或Y波導(dǎo))和光電探測(cè)器(PIN-FET)等關(guān)鍵光器件，也構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖7 FOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖Fig.7 Reliability block diagram of optical circuit unit at low voltage end of FOCT

圖8為FOCT低壓側(cè)信號(hào)處理單元的可靠性框圖，主要包括A/D1采集模塊、A/D2采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、D/A1反饋模塊和D/A2反饋模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)復(fù)合模型。

圖8 FOCT低壓側(cè)信號(hào)處理單元的可靠性框圖Fig.8 Reliability block diagram of signal processing unit at low voltage end of FOCT

2.1.2 MOCT的可靠性模型

圖9為MOCT的可靠性框圖，主要包括高壓側(cè)OCS、傳輸光纖光纜、低壓側(cè)光路單元、低壓側(cè)信號(hào)處理單元和低壓側(cè)電源單元，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖9 MOCT的可靠性框圖Fig.9 Reliability block diagram of MOCT

圖 10為MOCT高壓側(cè)OCS的可靠性框圖，主要包括準(zhǔn)直器組、起偏器、磁光玻璃光柱和檢偏器等關(guān)鍵光器件，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖10 MOCT高壓側(cè)OCS的可靠性框圖Fig.10 Reliability block diagram of OCS at high voltage end of MOCT

圖11為MOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖，主要包括LED光源模塊和光電探測(cè)器模塊，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖11 MOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖Fig.11 Reliability block diagram of optical circuit unit at low voltage end of MOCT

圖12為MOCT低壓側(cè)信號(hào)處理單元的可靠性框圖，主要包括A/D1前置處理電路、A/D2前置處理電路、A/D1采集電路、A/D2采集電路、數(shù)字信號(hào)處理模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)復(fù)合模型。

圖12 MOCT低壓側(cè)信號(hào)處理單元的可靠性框圖Fig.12 Reliability block diagram of signal processing unit at low voltage end of MOCT

2.2 可靠性指標(biāo)計(jì)算

2.2.1 可靠性基本概念

可靠性是指產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。其中，規(guī)定功能是指在論證、研制時(shí)賦予產(chǎn)品的功效和作用，通常用產(chǎn)品的性能指標(biāo)來(lái)表征，需明確完成規(guī)定功能的含義，并準(zhǔn)確地制訂完成規(guī)定功能的標(biāo)準(zhǔn)。在某些特定條件下，有些故障并不一定影響完成規(guī)定功能的能力。因此，在判斷產(chǎn)品是否具有完成規(guī)定功能的能力時(shí)，必須規(guī)定明確的失效判據(jù)。

由于“完成規(guī)定功能的能力”的要求不同，OCT設(shè)備與由其構(gòu)成的雙重化配置系統(tǒng)的失效定義是不同的，分別可以描述為：

a)OCT設(shè)備失效。對(duì)于OCT設(shè)備本身而言，完成規(guī)定功能的能力是指其能完成GB/T 20840.8—2007《互感器 第8部分：電子式電流互感器》規(guī)定的性能指標(biāo)要求。

b)雙重化配置系統(tǒng)失效。對(duì)于光學(xué)互感器需滿足繼電保護(hù)雙重化配置的要求而言，完成規(guī)定功能的能力是指其能滿足Q/GDW 441—2010規(guī)定“智能變電站中電子式互感器的二次轉(zhuǎn)換器(A/D采樣回路)損壞，不應(yīng)引起保護(hù)誤動(dòng)作跳閘”的規(guī)定。

度量可靠性的常用指標(biāo)有可靠度、失效率、平均壽命、可靠壽命、維修度和有效度等。本文選擇可靠度R(t)、失效率λ(t)和平均壽命θ來(lái)度量可靠性。大部分產(chǎn)品或系統(tǒng)的壽命主要服從指數(shù)分布，對(duì)于指數(shù)分布，可靠度、失效率和平均壽命之間的關(guān)系可以描述為[22]：

可靠度

(1)

平均壽命

θ=1/λ.

(2)

參照GJB/Z 299C—2006，結(jié)合部分元器件加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用元器件計(jì)數(shù)法和應(yīng)力分析法，分別對(duì)FOCT和MOCT進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，獲得OCT設(shè)備和不同雙重化配置系統(tǒng)的失效率等可靠性指標(biāo)。

2.2.2 FOCT的可靠性指標(biāo)

2.2.2.1 高壓側(cè)光纖敏感環(huán)

圖6所示高壓側(cè)光纖敏感環(huán)主要由傳感光纖環(huán)、反射鏡和1/4波片等無(wú)源光器件構(gòu)成串聯(lián)模型，器件密封在封裝殼內(nèi)，工作在較為惡劣的戶外環(huán)境，滿足軍級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。這些無(wú)源光器件目前還沒(méi)有可參考的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但其結(jié)構(gòu)均與光纖耦合器類似，可以參照光纖耦合器的失效率進(jìn)行預(yù)計(jì)。GJB/Z 299C—2006中進(jìn)口光電子器件的工作失效率λp預(yù)計(jì)模型為

λp=λbπEπQπT.

(3)

式中：λb為基本失效率；πT為溫度應(yīng)力系數(shù)；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)。

依據(jù)文獻(xiàn)[21]，表1列出了傳感光纖環(huán)、反射鏡和1/4波片的元器件失效率計(jì)算參數(shù)。

表1 高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的元器件失效率計(jì)算參數(shù)Tab.1 Failure rate parameters of components of fiber optic sensitive ring at high voltage end

對(duì)于指數(shù)分布，串聯(lián)模型的失效率λ是各組成模塊失效率λi的總和，即[22]

λ=Σλi.

(4)

于是，可得高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的工作失效率λFOSR=λp×3=0.923 4×10-6h-1。

2.2.2.2 低壓側(cè)光路單元

圖7所示FOCT低壓側(cè)光路單元主要由SLD光源模塊、分光器、偏振器、相位調(diào)制器和光電探測(cè)器等光器件構(gòu)成串聯(lián)模型，工作在維護(hù)條件較好的戶內(nèi)環(huán)境，滿足軍級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。其中：分光器和偏振器是無(wú)源光器件，結(jié)構(gòu)與光纖耦合器類似，失效率也可參照光纖耦合器；SLD光源、相位調(diào)制器和光電探測(cè)器屬于有源光電子器件。

分光器、偏振器和光電探測(cè)器的工作失效率預(yù)計(jì)模型可按式(3)計(jì)算，參照GJB/Z 299C—2006，其元器件失效率計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 低壓側(cè)光路單元部分元器件失效率計(jì)算參數(shù)Tab.2 Failure rate parameters of partial components of optical circuit unit at low voltage end

SLD光源模塊作為組件級(jí)別的有源光電子器件[23]，內(nèi)部一般包括管芯、光纖耦合點(diǎn)、制冷器和2個(gè)熱敏電阻等元器件，其失效率λSLD的預(yù)計(jì)模型可表示為

λSLD=λTUB+λCOUP+λREFG+2λTR.

(5)

式中：λTUB為SLD光源模塊管芯的失效率；λCOUP為光纖耦合點(diǎn)的失效率；λREFG為制冷器的失效率；λTR為熱敏電阻的失效率。

文獻(xiàn)[24]顯示，SLD光源模塊的管芯在驅(qū)動(dòng)電流100 mA、室溫25 ℃下的工作條件下正常工作106h以上，取θ=1.0×106h的平均工作壽命。根據(jù)式(2)，可得SLD光源模塊管芯的工作失效率λTUB=1.0×10-6h-1。文獻(xiàn)[23]顯示，SLD光源模塊中使用的制冷器一般為進(jìn)口產(chǎn)品，其失效率λREFG=0.004 9×10-6h-1。光纖耦合點(diǎn)的失效率參照光纖耦合器，其失效率λCOUP=0.099 4×10-6h-1。GJB/Z 299C—2006中進(jìn)口熱敏電阻的工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λp=λbπEπQπTπS.

(6)

式中πS為電應(yīng)力系數(shù)。

依據(jù)文獻(xiàn)[21]，表3列出了熱敏電阻失效率的計(jì)算參數(shù)。

表3 熱敏電阻的失效率計(jì)算參數(shù)Tab.3 Failure rate parameters of thermistor

根據(jù)式(5)計(jì)算得到SLD光源模塊的工作失效率λSLD=1.112 8×10-6h-1。

相位調(diào)制器選擇Y波導(dǎo)，根據(jù)文獻(xiàn)[25]，在溫度22 ℃下，Y波導(dǎo)的平均工作壽命θ=1.6×107h。按照指數(shù)分布來(lái)近似估算，根據(jù)式(2)可得Y波導(dǎo)的工作失效率為λY=0.062 5×10-6h-1。

于是，可得FOCT低壓側(cè)光路單元的工作失效率λOCUF=2.874 0×10-6h-1。

2.2.2.3 光纖光纜

文獻(xiàn)[26]顯示，單根光纖的工作失效率λF=0.014 0×10-6h-1。低壓側(cè)光路單元與低壓側(cè)信號(hào)處理單元之間選用國(guó)產(chǎn)單芯單模FC/PC光纖連接器連接，工作在維護(hù)條件較好的戶內(nèi)環(huán)境。GJB/Z 299C—2006中，國(guó)產(chǎn)光纖連接器的工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λp=λbπEπmπPπL.

(7)

式中：πm為傳輸模式系數(shù)；πP為端面形式系數(shù)；πL為連接系數(shù)。光纖連接器的失效率計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 光纖連接器的失效率計(jì)算參數(shù)Tab.4 Failure rate parameters of fiber optic connector

于是，可得光纖光纜的工作失效率λFOC=0.283 4×10-6h-1。

2.2.2.4 低壓側(cè)信號(hào)處理單元

圖8所示FOCT低壓側(cè)信號(hào)處理單元主要包括A/D1采集模塊、A/D2采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、D/A1反饋模塊和D/A2反饋模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)模型，工作在維護(hù)條件較好的戶內(nèi)環(huán)境，滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。A/D1采集模塊和A/D2采集模塊相同，包括A/D前置處理電路和A/D采集電路。A/D前置處理電路主要由2個(gè)運(yùn)算放大器、12個(gè)金屬膜電阻器、6個(gè)陶瓷電容器構(gòu)成串聯(lián)模型；A/D采集電路主要由1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)電壓基準(zhǔn)構(gòu)成串聯(lián)模型；數(shù)字信號(hào)處理模塊主要由1個(gè)FPGA和1個(gè)存儲(chǔ)器構(gòu)成串聯(lián)模型；D/A1反饋模塊和D/A2反饋模塊相同，主要由1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器、1個(gè)運(yùn)算放大器、4個(gè)金屬膜電阻器和1個(gè)電壓基準(zhǔn)構(gòu)成串聯(lián)模型。

其中，運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、FPGA和存儲(chǔ)器都屬于半導(dǎo)體集成電路。GJB/Z 299C—2006中，進(jìn)口半導(dǎo)體單片集成電路的工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λp=(C1πT+C2πE)πQ.

(8)

式中：C1為電路復(fù)雜度失效率；C2為封裝復(fù)雜度失效率。

半導(dǎo)體集成電路的失效率計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 半導(dǎo)體集成單路的元器件失效率計(jì)算參數(shù)Tab.5 Failure rate parameters ofcomponents of semiconductor integrated circuit

進(jìn)口電壓基準(zhǔn)的工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λp=λbπEπQπTπS.

(9)

電壓基準(zhǔn)的失效率計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 電壓基準(zhǔn)的失效率計(jì)算參數(shù)Tab.6 Failure rate parameters of voltage reference

電阻電容一般為國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。GJB/Z 299C—2006中，國(guó)產(chǎn)金屬膜電阻的工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λp=λbπEπQπR.

(10)

式中πR為阻值系數(shù)。

國(guó)產(chǎn)NPO陶瓷電容的工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λp=λbπEπQπCVπch.

(11)

式中：πCV為電容量系數(shù)；πch為表面貼裝系數(shù)。

電阻電容的失效率計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 電阻電容的失效率計(jì)算參數(shù)Tab.7 Failure rate parameters of resistances and capacitances

計(jì)算可得：A/D前置處理電路的工作失效率λADP=0.272 3×10-6h-1；A/D采樣電路的工作失效率λADS=0.184 31×10-6h-1；數(shù)字信號(hào)處理模塊的工作失效率λDSP=0.226 6×10-6h-1；D/A反饋電路的工作失效率λDAF=0.259 2×10-6h-1。

2.2.2.5 低壓側(cè)電源單元

FOCT低壓側(cè)電源單元中的主要組件為DC/DC變換器，文獻(xiàn)[27]顯示影響DC/DC電源模塊可靠性的關(guān)鍵器件為垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和肖特基勢(shì)壘二極管，兩者的平均壽命分別為1.47×107h和4.3×107h。按照指數(shù)分布來(lái)近似估算，根據(jù)式(2)，可得低壓側(cè)電源單元的工作失效率為λPSU=0.091 3×10-6h-1。

2.2.2.6 FOCT系統(tǒng)可靠性

根據(jù)上述各個(gè)單元和模塊工作失效率的計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)一步得到FOCT的設(shè)備可靠性指標(biāo)和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。雙套獨(dú)立和單套雙采樣2種方案構(gòu)成的雙重化配置方案的差異主要是低壓側(cè)信號(hào)處理單元部分模塊是否采用雙套配置，在計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)時(shí)，雙套配置部分為并聯(lián)模型。對(duì)于指數(shù)分布，2個(gè)相同模塊構(gòu)成的并聯(lián)模型的失效率

λ=λi/(1+1/2)=2λi/3.

(12)

FOCT不同配置方案的可靠性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8、9。

表8 FOCT不同配置方案Tab.8 Different FOCT configuration schemes

計(jì)算結(jié)果表明：FOCT設(shè)備的平均壽命大于20年，基本能滿足工程使用的需求。采用雙采樣技術(shù)后的FOCT比單采樣FOCT設(shè)備平均壽命只提高了1年，這是由于FOCT的失效主要在光纖敏感環(huán)和光路單元部分。雙套獨(dú)立方案和單套雙采樣方案都能實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的雙重化配置要求，避免保護(hù)誤動(dòng)作跳閘事故的發(fā)生。但由于雙套獨(dú)立方案整個(gè)組成模塊的可靠性邏輯結(jié)構(gòu)為并聯(lián)，因此雙套獨(dú)立方案的雙重化配置的系統(tǒng)失效率要低于單套雙采樣方案，其1年時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)可靠度稍高于單套雙采樣方案。

表9 FOCT不同配置方案的系統(tǒng)可靠性Tab.9 System reliabilities with different FOCT configuration schemes

2.2.3 MOCT的可靠性指標(biāo)

2.2.3.1 高壓側(cè)OCS模塊

圖10所示高壓側(cè)OCS主要由準(zhǔn)直器組、起偏器、磁光玻璃光柱和檢偏器等無(wú)源光器件構(gòu)成串聯(lián)模型。文獻(xiàn)[14]將OCS作為一個(gè)整體，通過(guò)加速老化試驗(yàn)得到在常溫25℃下的中位壽命t0.5是50年，分布參數(shù)σ為1.27，其平均壽命θ可以表示為[22]

θ=exp(lnt0.5+σ2/2)，

(13)

可得OCS的平均壽命θ=0.981 2×106h。按式(2)近似估算OCS的工作失效率λOCS=1.019 2×10-6h-1。

2.2.3.2 低壓側(cè)光路單元

圖11所示MOCT低壓側(cè)光路單元由LED光源模塊和光電探測(cè)器模塊構(gòu)成串聯(lián)模型。LED光源模塊由線性穩(wěn)壓芯片、光纖發(fā)光二極管模塊和限流電阻組成。線性穩(wěn)壓芯片為光纖發(fā)光二極管模塊提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，構(gòu)成串聯(lián)模型，工作在維護(hù)條件較好的戶內(nèi)環(huán)境。光纖發(fā)光二極管模塊采用HFBR-1414，其在常溫(25 ℃)下的工作失效率λH=0.263 0×10-6h-1。限流電阻采用國(guó)產(chǎn)金屬膜電阻，表7顯示其工作失效率λR=0.001 5×10-6h-1。線性穩(wěn)壓芯片屬于半導(dǎo)體集成單路的一種，其工作失效率按式(8)計(jì)算，表10為線性穩(wěn)壓芯片的失效率計(jì)算參數(shù)。

表10 線性穩(wěn)壓芯片的失效率計(jì)算參數(shù)Tab.10 Failure rate parameters of linear voltage stabilizer chip

計(jì)算可得LED光源模塊的工作失效率λLED=0.313 4×10-6h-1。

圖 3所示OCS模塊由2只光電探測(cè)器與信號(hào)處理電路單元連接，構(gòu)成并聯(lián)模型，工作在維護(hù)條件較好的戶內(nèi)環(huán)境。表2顯示單只光電探測(cè)器的工作失效率為λPD=1.5×10-6h-1，可得光電探測(cè)器模塊的工作失效率λPDU=1.0×10-6h-1。

于是，可得MOCT低壓側(cè)光路單元的工作失效率λOCUM=1.313 4×10-6h-1。

2.2.3.3 光纖光纜

單套OCS共需3根多模光纖，單根光纖的工作失效率[26]λF=0.014 0×10-6h-1。光纖連接器選用國(guó)產(chǎn)62.5 μm/125 μm的3芯FC/PC多模光纖連接器，其工作失效率按式(7)計(jì)算，表11為光纖連接器的失效率計(jì)算參數(shù)。

表11 光纖連接器的失效率計(jì)算參數(shù)Tab.11 Failure rate parameters of fiber optic connector

計(jì)算可得光纖光纜的工作失效率λFOC=0.200 2×10-6h-1。

2.2.3.4 信號(hào)處理電路單元

圖12所示MOCT信號(hào)處理電路單元主要包括A/D1采集模塊、A/D2采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)模型，工作在維護(hù)條件較好的戶內(nèi)環(huán)境，滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。A/D1采集模塊和A/D2采集模塊相同，包括A/D前置處理電路和A/D采集電路。A/D前置處理電路主要由4個(gè)運(yùn)算放大器、24個(gè)金屬膜電阻器、12個(gè)陶瓷電容器構(gòu)成串聯(lián)模型；A/D采集電路主要由1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)電壓基準(zhǔn)構(gòu)成串聯(lián)模型；數(shù)字信號(hào)處理模塊主要由1個(gè)DSP和1個(gè)存儲(chǔ)器構(gòu)成串聯(lián)模型。

其中，DSP屬于半導(dǎo)體集成電路，其工作失效率按式(8)計(jì)算，表12為DSP的失效率計(jì)算參數(shù)。

表12 DSP的失效率計(jì)算參數(shù)表Tab.12 Failure rate parameters of DSP

其他元器件的參數(shù)見(jiàn)表5和表6。計(jì)算可得：A/D前置處理電路的工作失效率λADP=0.544 5×10-6h-1；A/D采樣電路的工作失效率λADS=0.184 3×10-6h-1；數(shù)字信號(hào)處理模塊的工作失效率λDSP=0.215 4×10-6h-1。

2.2.3.5 低壓側(cè)電源單元

MOCT低壓側(cè)電源單元與FOCT類似，其工作失效率λPSU=0.091 3×10-6h-1。

2.2.3.6 MOCT系統(tǒng)可靠性

依據(jù)上述各個(gè)單元和模塊工作失效率的計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)一步得到MOCT的設(shè)備可靠性指標(biāo)和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。MOCT不同配置方案的可靠性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表13、14。

表13 MOCT不同配置方案Tab.13 Different MOCT configuration schemes

表14 MOCT不同配置方案的系統(tǒng)可靠性Tab.14 System reliabilities with different MOCT configuration schemes

計(jì)算結(jié)果表明：MOCT設(shè)備的平均壽命大于30年，完全能滿足工程使用的需求。采用雙采樣技術(shù)后的MOCT比單采樣的MOCT設(shè)備平均壽命提高了2年左右，MOCT的失效主要在OCS模塊和光路單元部分。與FOCT類似，單套雙采樣方案的雙重化配置的系統(tǒng)失效率略高于雙套獨(dú)立方案，其1年時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)可靠度稍低于雙套獨(dú)立方案。

3 適用性分析

從工程適用性的角度考慮，在滿足系統(tǒng)可靠性的前提下，應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本。

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

選擇在實(shí)際工程中應(yīng)用較多的OCT產(chǎn)品進(jìn)行詢價(jià)，獲得FOCT和MOCT主要組件的成本報(bào)價(jià)。表15和表16分別為FOCT和MOCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟(jì)性比較(不含光纖絕緣子)。

由表15和表16的數(shù)據(jù)可知，采用單套雙采樣方案比采用雙套獨(dú)立方案的雙重化配置系統(tǒng)成本降低約50%。在滿足雙重化配置要求的基礎(chǔ)上，采用雙采樣技術(shù)的成本控制效果明顯，有效提升了OCT工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

表15 FOCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟(jì)性比較Tab.15 Economic comparison results of different double configuration schemes of FOCT

表16 MOCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟(jì)性比較Tab.16 Economic comparison results of different double configuration schemes of MOCT

3.2 工程適用性比較

2種OCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟(jì)性和可靠性對(duì)比見(jiàn)表17。分析數(shù)據(jù)表明：雖然采用單套雙采樣方案的雙重化配置系統(tǒng)的可靠度小幅下降，但是其成本卻幾乎是采用雙套獨(dú)立配置方案的一半。可靠性與經(jīng)濟(jì)性綜合分析表明：采用單套雙采樣方案以小幅降低產(chǎn)品可靠性的代價(jià)，大幅降低了OCT工程應(yīng)用的成本，顯著提高了OCT工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

表17 2種OCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟(jì)性和可靠性對(duì)比Tab.17 Economy and reliability comparison of two kinds double configuration schemes

不同類型OCT的經(jīng)濟(jì)性和平均壽命對(duì)比見(jiàn)表18。數(shù)據(jù)表明：MOCT較FOCT的平均壽命要高10年左右，這主要由于MOCT低壓側(cè)光路單元的組成結(jié)構(gòu)比FOCT簡(jiǎn)單，而且光源采用的是平均壽命相對(duì)較高的LED光源。而且，F(xiàn)OCT大部分光學(xué)器件依賴于進(jìn)口，組件成本比較高，使得FOCT的成本要遠(yuǎn)高于MOCT，F(xiàn)OCT的成本大約為MOCT的3倍。綜上所述，MOCT比FOCT在工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性上更具優(yōu)勢(shì)。

表18 不同類型OCT的經(jīng)濟(jì)性和平均壽命對(duì)比Tab.18 Economy and reliability comparison of different types of OCT

4 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)在運(yùn)智能變電站大多采用了常規(guī)電流互感器，根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，采用OCT的智能變電站數(shù)量尚不足5%。一方面原因是新技術(shù)的應(yīng)用需要逐步試點(diǎn)；另一方面則是由于OCT的工程應(yīng)用成本較高，難以大面積推廣。為此，本文提出了采用獨(dú)立雙采樣技術(shù)的OCT方案，以集成的方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立雙套OCT產(chǎn)品的采集功能，滿足智能變電站繼電保護(hù)對(duì)電子式互感器雙重化采樣的配置需求。本文通過(guò)建立FOCT和MOCT的可靠性模型，分別對(duì)FOCT和MOCT進(jìn)行了可靠性預(yù)計(jì)，獲得了OCT的設(shè)備可靠性指標(biāo)和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)?？煽啃耘c經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)表明，采用單套雙采樣方案以小幅降低產(chǎn)品可靠性的代價(jià)，可以大幅降低OCT的工程應(yīng)用成本，顯著提高OCT工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。