考虑间歇工作模式的电子式电能表可靠性预计
2023-03-15
来源:独旅网
8 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 考虑间歇工作模式的电子式电能表可靠性预计 武宏波 ,王思彤 (1.国网北京经济技术研究院,北京100052; 2.华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045) 摘 要:元器件应力法是当前适合于电子式电能表可靠性预计的工程实用方法,但采用工作电应力预计间歇 工作模式元器件可靠性存在不足。本文基于元器件应力法,提出了间歇工作模式下的可靠性预计模型,分析 了采用该模型的必要性;然后分析并简化了该模型,并对简化模型的精确度进行了分析;进而给出了预计思 路和基本步骤。最后,以一款单相电子式复费率CPU卡预付费电能表为例,采用本文方法推导了其可靠性指 标,验证了方法的合理性和工程实用性。 关键词:电子式电能表;失效率;可靠性预计;间歇工作模式 中图分类号:TB114.3;TB971 文献标识码:A 文章编号:1003—9171(2011)09-0008-05 Electronic Electricity Meter Reliability Prediction Considering Components’Intermittent Operation State Wu Hong—bo ,Wang Si—tong (1.State Power Economic Research Institute,Beijing 100052,China; 2.North China Electric Power Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100045,China) Abstract:Parts stress method is a practical engineering method to predict electronic electricity meter(EEM)relia— bility at present.However,there exist some deficiencies when predicting component reliability under intermittent op— eration state based on component’S operating electrical stress.Considering component intermittent operation state, this paper proposes a novel reliability prediction model and the necessity using this model is analyzed,then the model is analyzed and simplified,and the corresponding prediction procedure is proposed.Lastly,this paper takes a single— phase prepayment EEM for example,predicts its reliability characteristics,which proves the great theoretical and en— gineering value of the proposed method. Key words:electronic electricity meter;failure rate;reliability prediction;intermittent operation state 0 引言 电子式电能表可靠性定量评价方法主要包 括可靠性预计 。 、可靠性试验 和现场数据 态,例如红外通信、RS-485通信等间歇工作模式 单元的元器件处于工作状态的时间非常短暂,按 照工作模式下的应力水平预计其可靠性指标必 然会导致预计结果的保守性。因此,电子式电能 分析 。在产品设计、方案评审等阶段,由于缺 乏样品和使用数据,可靠性试验和现场数据无法 表可靠性预计过程中,需要对间歇工作模式单元 的非应力状态予以考虑,从而进行更加合理、精 确的预计。 定量分析和评价产品的可靠性。此时,应用可靠 性预计方法不仅可以定量评价产品可靠性,比对 设计方案,还可以鉴别研发方案和电路设计的潜 1 间歇工作模式的可靠性预计模型 1.1 预计模型 电子元器件的失效率与其承受的电应力紧 在问题和薄弱环节,实施可靠性增长 。在各种 可靠性预计方法中,元器件应力法是适合于电子 式电能表可靠性预计的工程实用方法 。但电 密相关。电应力会引起元器件参数漂移,加速器 件、导体和焊点的老化;较强的电应力还会引起 子式电能表并非所有元器件都一直处于工作状 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 9 器件的烧毁和击穿。因此,对于间歇工作模式的 元器件,其承受电应力和不承受电应力两种状态 (简称应力状态和非应力状态)下的失效率不同, 如图1所示。 … . I 图1 I司歇工作模式F兀器件失效翠 图中,A。 和A。 分别为元器件在应力和非应 力状态下的失效率;t。 和t。 为一个工作周期内, 元器件分别处于应力和非应力状态下的时间。 显然,由于A。 较大,依据A。 计算间歇工作模式 下的元器件失效率必然较实际情况偏大。 间歇工作模式下,元器件可靠度由下式表示 R(t)=e一 ” (1) 『n A( )dt=A。 ∑£。“+A。 ∑ 。 (2) 式中,∑ 。 和∑ 。“分别为间歇工作模式下元 器件处于应力和非应力两种状态下的累积时间。 以“元器件应力状态占空比”(简称占空比, 以K。 表示)表征间歇工作模式下元器件处于应 力状态的时间所占比例,则 K ㈩ 代入式(2)、式(1)可得 一 Ju I A( )dt=[A。 +K。 (A。 一A。 )]・f(4) 尺(£)=e一 。n 。 (5) 可见,A。 +K。 (A。 一A。 )是间歇工作模式 下的元器件等效失效率,以A 表示。即 A 。=A。Ⅱ+K。 (A。 一A。ff) (6) R(t)=e (7) 1.2考虑间歇工作模式的必要性分析 对于间歇工作模式,预计过程中必须考虑元 器件的非应力状态。否则,预计结果会存在较大 的误差。 以电能表为例,假设红外通信单元平均每月 通信1次,每次10 min,则元器件处于应力状态和 非应力状态的时间t。 、t。 分别为每年2 h和8 758 h(每年按8 760 h计算,下同)。即占空比为 K= 。 ∑ 。∑t +∑ 。 8760 :0.00023(8)2 红外通信单元某100 n电阻的额定功率为 0.1 W,应力状态的最大功率为0.1 W。基于Te1. cordia SR一332 (简称SR-332)计算其失效率 A。H=0.532FIT (9) A。 =1.954FIT (10) 式中,FIT为失效率,单位:10 /h。据式(6) A =0.533FIT (11) 分别采用A 。、A。 、A。 计算该元器件10年后 的可靠度为 尺 。(87600)=e =0.9999533 (12) 。 (87600)=e =0.9998288 (13) 尺。 (87600)=e 一=0.9999534 (14) 可见,采用A。 时的误差远大于采用A。 时的 情况。对于由大量元器件组成的系统而言,此差 别会更加明显。见表1。 表1 近似预计结果的误差分析 不同元器件数量的系统10年后的可靠度 失效率—— 1 l0O 200 由表1,采用应力状态下的失效率预计间歇 工作模式的可靠性时误差较大,结果存在明显的 保守性,元器件的非应力状态应予以考虑。 1.3等效失效率分析 采用等效失效率A 可以对间歇工作模式进 行精确预计,但需要计算元器件应力状态和非应 力状态失效率A。 和A 以及占空比K 计算 过程复杂。 由式(6)可知 ,A。 K =1 A ={A。盯+K。 (A。 一A。 )0<K。 <1 LA。Ⅱ K。H=0 (15) 可见,A 介于A。 和A。 之间,且 (1)当K。 一I时,A 。一A。 ; (2)当 。 一0时,A 。一A。 。 10 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 电子式电能表红外通信、RS485通信、操作 接口等单元占空比非常小(如式(8)所示的电阻 的占空比),等效失效率近似等于非应力状态的 失效率(见式(9)和式(11))。因此,可以考虑采 用A。 替代A 。进行间歇工作模式的可靠性预计。 1.4简化模型误差分析 采用A。 替代A 。进行近似计算可以简化预 计过程,但会引入误差。此误差与占空比 。 有 关:K 增大,误差也相应增大。为确保误差在允 许范围内,需要分析K。 与误差的关系,确定K 的约束条件。 考虑对电子式电能表可靠性预计结果的实 际要求,设定预计结果的误差限为:对于含有200 个间歇工作模式元器件的电能表,近似预计其l0 年后的可靠度时,产生的相对误差小于0.1%。 即 !! R二 !! <0.~(87600) 。。。 1%(16) 引入误差的原因是采用A 替代A 。预计可 靠性,根据式(6)可知 A 。一A。Ⅱ=K (A 一A。 ) (17) 可见,误差的大小还与元器件A。 与A。 的差 值有关:差值越大,误差越大。根据SR一332预计 手册,不同元器件A。 与A。 的差值有较大差异 (见表2),以A。 一A 较大的元器件为例进行分 析,才能保证分析结果的普遍适用性。 表2常用元器件A。 一A。 值 FIT 元器件 A。 一A。Ⅱ 元器件 A。 一A。Ⅱ 贴片电阻 1 42 光耦0 贴片电容0.03 TVS管 4.75 二极管0.27 热敏电阻0 三极管0.19 按键0 继电器 5.66 电池0 发光二极管0 由表2可以看出,电能表间歇工作模式单元 中应力与非应力两种状态下失效率相差最大的 元器件是继电器。因此,采用继电器失效率数 据,由式(16) :::!二!200: !:<0.A t …1%… (18)/ P 即 eq < (19) 将式(17)代入式(19),得 Kon< 一 200×5.66FIT X 87600h =0.01In(1+0.1%) (20) 因此,当电能表间歇工作模式元器件占空比 。 小于0.01时,可采用A 替代A 。进行计算, 且误差满足相应的要求。占空比0.0l对应每月 的累积工作时间为438 min,而电能表红外通信、 RSM85通信、报警、秒脉冲和功率脉冲检测等电 路单元每月工作时间远小于此值。因此,对于此 类间歇工作单元,可不考虑工作电应力的影响, 仅计算其非应力状态下的失效率,从而合理简化 预计过程。 2 间歇工作模式下元器件通用失效率 依据SR一332 ,元器件工作失效率A 由基 本失效率A。、环境应力因子7r 、温度应力因子 仃 、质量等级因子7r。、以及电应力因子7r 按照 下式计算 A BB=A c7rE7r07rs7r r (21) 式中,基本失效率A 可根据元器件类型查手册 得到;电能表工作环境对应“地面固定,未控制”, 7r =2.0;元器件质量等级一般对应SR一332中 的Ⅱ级, 7r。=1.0;工作环境温度统一取40℃, 7r =1.0。因此 A BB=A G7r07rs7rT7rE=2A( 7rs (22) 可见,元器件处于非应力状态时,同类元 器件工作失效率相同。计算得到同类元器件在 非应力状态下的通用失效率,可供直接选择使 用,从而避免复杂的失效率计算,实现准确、 快速预计。 根据SR一332,电能表用贴片电阻A =0.51, 电应力因子模型为 7r :em(Pl-Po) (23) 式中,m为电应力曲线形状参数,电能表用 贴片电阻m=1.3;P.为实际电应力比,非应力状 态时P =0;P。为参考电应力比,取50%。 因此,贴片电阻非应力状态通用失效率为 A BB=2AG7rs:0.53FIT (24) 同理可确定其它元器件的通用失效率,见 表3。 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 表3 常用元器件非应力状态通用失效率FIT 可靠性预计步骤如下: 元器件 通用失效率 元器件 通用失效率 (1)将YJ表划分为持续工作单元和间歇工 贴片电阻0.53 光耦 5.98 作单元两部分。持续工作单元包括:电压电流采 贴片电容0.05 TVS管4.10 样单元、计量单元、控制单元和电源单元;间歇工 二极管0.80 热敏电阻 1O.2O 作单元包括红外通信、RS ̄85通信、存储单元、开 三极管0.31 按键 1O.75 继电器4.07 电池 50.O0 关控制、脉冲输出、LCD显示、操作接口等单元。 发光二极管 1.78 (2)持续工作单元失效率预计 电能表电压采样单元240 kn贴片电阻的质 3考虑间歇工作模式的可靠性预计 量等级为Ⅱ级,额定功率为0.1 W,应力状态下实 际功率为0.009 W。据式(22)有: 3.1预计思路与步骤 7r :e (PI-P0):e ×( _0_5):0.59(25) 考虑间歇工作模式的可靠性预计思路是:采 根据SR一332预计模型,A =0.51,工作失效 用工作电应力预计电压电流采样单元、计量单 率A BB=0.6FIT。 元、控制单元、电源单元失效率;按照非应力状态 同理,可计算各持续工作单元的其它元器件 预计红外通信、RS485通信、操作接口等间歇工 失效率,具体结果见表4。 作模式单元失效率。 具体预计步骤为: 表4 持续工作单元失效率预计结果 (1)划分可靠性预计单元,区分持续工作单 元和间歇工作单元; (2)按照式(21)所示预计模型,计算元器件 承受的电应力,预计持续工作单元的失效率; (3)列出间歇工作单元的元器件清单,查元 器件非应力状态通用失效率,计算间歇工作单元 的失效率; (4)总加(2)和(3)步骤计算所得的持续工 作和间歇工作单元失效率,得整表失效率; (5)计算寿命特征量,分析整表可靠性指标。 3.2预计实例 以某单相电子式复费率CPU卡预付费电能 表(简称YJ表)为例,考虑间歇工作模式,采用本 文方法预计其可靠性。该表具有IC卡预付费用 电、分时计量、设定日自动转存数据、手持终端或 PC机编程及抄表、LCD显示等功能。其结构原 理图如图2所示。 (3)间歇工作单元失效率预计 间歇工作单元贴片电阻总数为44,查表3可 知贴片电阻非应力状态通用失效率为0.53FIT。 图2 YJ表结构框图 因此间歇工作单元贴片电阻总失效率为 23.32FIT。 1 2 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 同理可计算其它元器件类型的总失效率,见 表5。 表5 间歇工作单元失效率预计结果 (4)总加(2)和(3)步骤所得的持续工作单 元和间歇工作单元失效率,得整表失效率: A l=435.35+189.53=624.88FIT (5)计算推导寿命特征量 电能表的寿命特征量主要是指可靠寿命 和平均寿命MTTF,根据定义,恒定失效率下: :R-(£):一 (26) 1 MTTF=_It (27) A YJ表寿命特征量预计结果见表6。 表6 YJ表寿命特征量 参数 可靠性特征量 A㈨ } 624.88FIT 0 97 5.56年 9.37年 19.25年 MTTF(£0 368) 182.68年 由上述分析计算过程可知:考虑间歇工作模 式的可靠性预计法一方面综合考虑了元器件的 应力状态和非应力状态的失效率水平,结果更加 精确;另一方面,由于间歇工作单元的元器件数 目占整表总元器件数的60%以上,该方法可以简 化大量元器件实际电气参数的计算过程和失效 率计算过程,从而更加精确、快速地预计电子式 电能表可靠性。 另外,由于电子式电能表多数元器件质量等 级固定,因此本文在常用元器件非应力状态通用 失效率计算时质量等级选为Ⅱ级,如果电能表的 元器件质量等级不符合Ⅱ级标准,可据实际情况 进行灵活调整。 4 结论 元器件应力法未考虑元器件的间歇工作状 态,可靠性预计结果存在保守性。本文方法是在 考虑电子式电能表间歇工作单元的基础上,建立 可靠性预计模型,并进行合理简化,进而提出的。 它不仅考虑了元器件的非应力状态,而且通过模 型的简化处理,避免了部分元器件工作电应力和 失效率的复杂计算过程,实现了电子式电能表快 速可靠性预计,提高了预计精度,具有重要的理 论价值和工程实用价值。 参考文献 [1]张艳,李红斌.用于HVDC的电子式直流互感器的可 靠性预计[J].高电压技术,2007,33(7):119-123. [2]宋启超,柳毓萍,周真.仪器仪表的可靠性预计方法及 思考[J].仪表技术,2007(6):54—56. [3]IEC 62059-41—2006,Electricity metering equipment-De— pendability—Reliability predictions[S]. [4]任晓荣,赵福宇.石油测井仪器可靠性快速评价方法 [J].仪器仪表学报,2006,27(12):1729—1733. [5]郭建英,丁喜波,孙永全,等.铂膜温度传感器可靠性 定级加速试验研究[J].仪器仪表学报,2009,30(6): 1129—1133. [6]韩雷,Arkady S Voloshin.针床式测试仪的测试可靠性 研究[J].仪器仪表学报,2006,27(3):224—228. [7]文昌俊,张业鹤.基于SDH传输系统的现场可靠性数 据分析[J].仪器仪表学报,2006,27(6)增刊:1340—1342. [8]龚庆祥.型号可靠性工程手册[M].北京:国防T业出 版社,2007:94—95. [9]Telcordia Technologies Special Report—SR 332 Issue 2・ 2006,Reliability prediction procedure for electronic equip— ment[S]. 收稿日期:20114)6—14 作者简介:武宏波(1983一),男,工程师,硕士,从事电力系统规 划分析工作。 (本文编辑 卢晓华)