摘要：研究了电力系统继电保护装置可靠性的特征量、评估方法并设计了高加速寿命试验的方法。通过对几种典型装置的环境因素的影响试验，得出试验的结果，以此来分析不同因素的影响程度。提出了继电保护装置高加速寿命试验宜选用的应力极限，并探讨了高加速寿命试验的特征量与正常环境下特征量的换算方法。
关键词：继电保护装置；高加速寿命试验
1、前言
在当今世界新一轮能源革命中，电力居于重要地位。继电保护装置作为电力系统的安全卫士就必须能在相应的环境下包括在一些极端的环境条件和恶劣的环境条件下长期可靠运行。所以怎样提高电力设备可靠性，特别是恶劣环境下继电保护装置可靠性是一个非常重要的研究课题。而在产品研发阶段就进行可靠性研究及测试是产品最终能够高可靠性运行的前提和有力保障。传统的可靠性试验(包括加速寿命试验)，因为试验周期长、失效模式多、不易找到缺陷等原因而在实际应用中作用很小。高加速寿命试验因为能在短时间内激发出产品早期缺陷并及时进行改进，从而提高产品可靠性，所以越来越受到世界各国的高度重视。
2、高加速寿命试验简介
可靠性试验按试验目的可分为工程试验和验证试验。可靠性工程试验的目的在于暴露产品的薄弱环节和缺陷，并采取纠正措施加以排除；可靠性验证试验的目的在于验证产品的可靠性定量指标。高加速寿命试验属于工程试验的范畴。传统可靠性工程试验包括环境应力筛选(ESS)、可靠性增长试验(RGT) 等。
因为传统可靠性环境试验是模拟环境试验，试验周期长，试验效率低，试验耗费大。采用强化应力激发试验可快速有效地暴露设计薄弱环节和剔除制造工艺造成的缺陷，也称可靠性激发试验，是通过恶化环境进行的试验，美国G.K.Hobbs,K.A.Gray,L.W.Condra 等人最早研究，并称为高加速寿命试验(HALT) 和高加速应力筛选试验(HASS)[1]。现已成为美国电子业界标准产品验证方法。高加速寿命试验(H A L T)与加速寿命试验(A L T)不同，加速寿命试验(A L T)是在保证失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期进行寿命试验的方法；高加速寿命试验(HALT)是通过加大不同试验应力找出产品工作极限和破坏极限，应用失效物理学对激发失效的物理、化学过程进行分析，确定这些过程与环境应力等各因素的关系，并鉴定证实其失效模式和失效机理，找出产品设计及制造的缺陷，从而不断提高产品可靠性的方法。
3、继电保护装置高加速寿命试验原理及方法
继电保护装置主要功能是正确反映电气设备的故障和不正常工作状态，自动、迅速、有选择性地通过控制断路器动作来切除系统中的故障设备，保证无故障设备继续正常运行，从而将事故限制在最小范围，以提高系统运行的可靠性。继电保护装置一般由数据采集部分、CPU逻辑处理部分(包括通信部分)、人机交互部分(包括定值整定)、执行部分和电源构成。
3.1 继电保护装置特点
因为继电保护在电力系统的主要作用是事故预防或缩小事故范围。所以首先当电力系统出现故障时，继电保护装置应能自动、快速、有选择性地将故障元件从系统中切除，使故障元件免遭损坏，保证系统其它部分继续运行。并且当系统出现了不正常工作状态时，继电保护能及时反应，并发出信号，告诉值班人员予以处理。在无值班人员的情况下，保护装置应能延时减负荷或跳闸。总结为：(1) 在不该动作时不误动，在该动作时不拒动；(2) 能以最短时限将故障或异常部分从系统中切除或隔离；(3) 在自身整定的范围内切除故障，保证最大限度地向无故障部分继续供电，不越级跳闸；(4) 能正确灵敏地反映故障。
3.2 试验原则
试验原则是先试验破坏性弱的应力类型，然后再试验破坏性强的应力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆试验方案一般采用：低温步进应力试验—高温步进应力试验—快速热循环试验—振动步进应力试验—温度与湿度综合应力测试—温度与振动综合应力测试—电应力测试(包含电流、电压过载，电源拉偏，电压跌落等)。
3.3 低温、高温步进应力试验
目前对继电保护装置没有HALT试验标准，推荐试验步骤：(1)一般高温以40 ℃为起始温度，低温以0 ℃为起始温度开始试验。(2)以5 ℃或10 ℃步进值进行降(升)温。(3)温度阶梯持续时间30 min后进行性能测试。(4)重复步骤(2)和(3)，确定试验样品的低温工作极限。(5)继续步进应力试验，直至确定试验样品的低温破坏极限。试验过程中，若试验温度达到了预期目标值，试验可终止。
4、强化应力对继电保护装置的影响
4.1 温度应力影响
影响机理：(1) 高温：热老化( 氧化、开裂、化学分解和老化)、软化、融化升华、金属膨胀系数不同引起接触电阻等发生变化。(2) 低温：脆化、结冰、机械强度减低、物理性收缩。激发出的缺陷：元器件参数漂移；电路板开路、短路；元器件安装不当；错用元器件；密封失效等。试验参数选择：上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率。
引起的典型故障：绝缘损坏、机械故障、接插件接触不良、开裂、液晶屏不显示等。
具体事例：电解电容、钽电容的电容量随温度降低而减小，等效串联电阻(E S R)随温度降低而升高，集成电路或三极管的PN节导通压降随温度升高而降低。由实验及现场经验可知对于微机继电保护装置受此影响最易失效的是电源及液晶模块。温度对电容器的影响主要是降低其使用时间，通常认为，在超过规定许用温度下工作时，每提高10 ℃使用时间就会下降一半。假设继电保护装置失效遵循最弱链条模型，即基于元器件的失效是最薄弱的。此模型在研究高温下发生的失效最为有效。
4.2振动应力影响
激发出的缺陷：粒子污染、压紧导线磨损、晶体缺陷、混装、相邻元器件短路、导线松脱、元器件粘接不良、大质量元器件紧固不当、邻近板摩擦、机箱及插件结构不合理等。试验参数选择：振动试验频率范围、交越频率、加速度幅值、每一轴线方向扫频循环数、每一次扫频循环时间、三个互相垂直方向的轴线试验持续时间。对于以上试验只能得到恶劣环境对继电保护装置可靠性有影响，但影响大小及可靠性特征值难以得到，要想得到可靠性特征值，可按做加速试验。
4.3电应力影响
激发出的缺陷：元器件选型不当，元器件参数漂移，晶体缺陷，电应力也会促使器件内部产生离子迁移、质量迁移等，造成短路、击穿断路失效等。器件在电流、电压或功率等电应力作用下，应力越强，失效速率越快，器件寿命越短。试验选择：电流、电压过载，电压跌落等
5、结束语
继电保护装置试验设备及仪器仪表主要包括：继电保护测试仪、高温试验箱、低温试验箱、低气压试验箱、潮湿试验箱、振动试验台、冲击试验台、碰撞试验台、介质强度试验装置、冲击电压试验装置、各种抗扰度试验的试验发生器及辅助设备、电磁发射试验及谐波试验设备、电力系统动态模拟试验系统及数字仿真试验设备等等。环境因素对继电保护装置可靠性影响很大，通过合理采取H A L T，基本可以激发出潜在设计缺陷，通过不断改进设计可以很大程度提高继电保护装置可靠性。
参考文献
[1]贺春,陈光华,王朋飞,贠雨含,黄建才,范瑞兆.高加速寿命试验在就地化保护装置可靠性研究中的应用[J].电力系统保护与控制,2018,46(20):181-186.
[2]王建国.继电保护装置寿命分析及寿命影响机理[J].低碳世界,2014(21):65-66.
[3]刘国平. 地区电网继电保护在线整定与评估预警方法研究[D].华北电力大学,2013.
[4]凌刚.可靠性试验及其在继电保护装置的应用[J].电工电气,2012(07):42-46.
[5]乔大雁. 微机继电保护硬件可靠性评估和筛选试验的研究[D].华北电力大学（北京）,2006.
论文作者:王保东,陈洪才
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/20
标签：应力论文; 可靠性论文; 保护装置论文; 寿命论文; 继电论文; 温度论文; 步进论文; 《防护工程》2019年第1期论文;