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基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

时间:2015-05-10 09:32 来源:网络 作者:网络 阅读:
  • 王先强1,郝金伟2,陈新春1,谢晨晖1

    (1. 中电装备山东电子有限公司,山东 济南 250109;2. 河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450007)

    摘 要:文章基于元器件应力法,结合智能电能表的预定工作条件,对山东电子公司的DDZY9599型单相远程智能电能表进行可靠性预计,分析、预计了其可靠性指标,并给出提高智能电能表可靠性的对策。

    关键词:智能电能表;可靠性预计;元器件应力法

    中图分类号:TM933.4 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2014.08.076

    智能电能表是智能电网的重要组成部分,其稳定可靠运行不仅关系到智能电网的建设进度,还关系到广大电力用户的安全用电,因此对智能电能表可靠性的研究具有十分重要的意义。智能电能表可靠性主要包括可靠性预计、可靠性分析、可靠性试验、可靠性设计、软件可靠性等内容[1-5]。其中,可靠性预计是基于已知信息推导未来运行状况的可靠性方法,可根据智能电能表的元器件、部件等可靠性经验数据和可靠性模型,预计其可靠性。

    1 智能电能表可靠性指标

    智能电能表可靠性是指在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。智能电能表的可靠性与规定条件密切相关,当规定条件发生变化时,可靠性也会变化。常用的可靠性指标有可靠度、失效率、平均无故障工作时间MTTF和可靠寿命[6-7]。

    1.1 可靠度

    智能电能表可靠度是指在规定条件下和规定时间内,完成其规定功能的概率,其数学表达式为

    R(r) = P(T > t),(1)

    式中:T为智能电能表从开始工作到发生失效的时间;t为规定的时间。

    1.2 失效率

    智能电能表失效率指规定时间尚未失效的电能表,在该时刻后单位时间内发生失效的概率,一般用λ或λ(t)表示,单位为FIT。

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    1.3 平均无故障工作时间MTTF

    MTTF是智能电能表失效前工作时间的平均值,其数学表达式为

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    智能电能表是典型的电子产品,其运行表明经过老化筛选后失效率近似为常数,可靠度服从指数分布,即

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    1.4 可靠寿命

    可靠寿命是指可靠度R为给定值时的工作寿命,用tR表示,由式(4)可得

    tR = R-1(t) = -lnR/λ .(7)

    由式(6)可知,MTTF是可靠度0.368时的可靠寿命。因此,对于单只电能表而言,只有36.8%的概率能够保证其在MTTF内不失效,而对于大批量的电能表而言,约为36.8%的电能表能够在MTTF内不失效。智能电能表使用寿命期内一般要求90%以上的可靠度,对应的可靠寿命为t0.9。由于t0.368要远大于t0.9,因此,MTTF在概念和数值上都不等同于智能电能表的实际使用寿命,此实际使用寿命应采用“寿命+可靠度”的形式,即可靠寿命来表示。

    2 元器件应力法

    元器件应力法属于以数理统计为基础的可靠性预计方法,通过大量样品的统计分析,鉴别元器件失效模型和失效因子,将影响设备可靠性的多个因素独立化、定量化,能够反映失效率的统计平均水平,具有很强的工程实用性。其基本原理是:元器件的可靠性决定了设备的可靠性;元器件失效率恒定,可靠度服从指数分布;系统可靠性模型是串联关系,元器件失效率的加和为设备的失效率。预计模型为

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    式中:λS为设备的失效率;λP为应力法中元器件实际工况下的工作失效率;λb为基本失效率,是元器件在给定参考条件下的失效率;πi为失效率调整因子,受到表征工作环境、温度、质量等级等因素的影响。

    有很多预计手册支持元器件应力法的可靠性预计,如MIL-HDBK-217,GJB/Z 299C,Telcordia SR-332,SN 29500,RDF-2000,IEC/TR 62380等。其中,Telcordia SR-332是从贝尔通信研究中心发展起来用于评估电子设备可靠性的预计方法,是目前最通用的商用电子产品MTTF的权威性行业标准。依据IEC 62059—41 电能计量设备可靠性预计和JJF 1024—2006 测量仪器可靠性分析搭建智能电能表可靠性预计模型,可以假定所有元器件同样重要,即任何元器件的失效都会引起智能电能表的失效,其可靠性框图是串联模型,系统失效率适于采用SR-332预计手册的累加模式处理。

    目前,国内智能电能表可靠性预计的主要目的是采用可靠性预计进行样机评价和试验选型,结合智能电能表的固有特征,文章采用元器件应力分析法预计电能表的可靠性,同时,预计手册采用Telcordia SR-332。

    3 DDZY9599型智能电能表可靠性预计

    3.1 结构建模

    DDZY9599型单相远程智能电能表具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能,其原理见图1。

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    根据元器件应力法,DDZY9599型智能电能表的可靠性预计可基于以下假设条件:一是电子元器件和电能表失效率恒定,可靠度服从指数分布;二是电能表内部或外部未发生不可预见事件;三是除老化外,电能表的特性不会发生变化;四是外部环境条件恒定,或可以预见;五是功能性条件恒定,或可以预见;六是有详细的电能表性能要求和失效判据;七是不存在设计失效。同时,DDZY9599表内部电子元器件具有同等重要性,任何一个元器件失效,都会导致整表失效。

    根据其假设条件和失效依据,将DDZY9599表的主要单元结构划分为7个模块,建立其可靠性串联模型(见图2)。

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    3.2 数学建模

    DDZY9599表可靠性数学模型为

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    式中:λS为总失效率;λPij为第i个单元第j个元器件的工作失效率;N表示DDZY9599表划分的电路模块数;Ni表示第i个单元的元器件总数;σS为λS对应的标准差;σPij为λPij对应的标准差。

    元器件失效率预计模型为

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    式中:λBij为第i个单元第j个元器件的基本失效率;σBij为λBij对应的基本标准差;πE为环境应力因子;πQ ij,πS ij,πTij分别为第i个单元第j个元器件的质量等级因子、电应力因子和温度应力因子。

    元器件失效率服从γ分布,其形状参数к和范围参数θ为

    к = (λ/σ)2,(14)

    θ = σ2/λ .(15)

    采用γ累积分布函数的反函数G-1计算P%UCL失效率

    λP%UCL = G-1(P/100,к,θ),(16)

    其中:UCL为置信上限。

    3.3 应力参数分析

    1)环境应力:根据SR-332标准,选择“地面固定,环境条件未控制”作为DDZY9599表的环境条件,πE = 2.0。

    2)电应力:根据智能电能表硬件原理图,通过计算、仿真、测量等方式获得元器件在预定工作状态下的电压、电流、功率等电应力参数;

    电应力因子πS的经验计算公式为

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    式中:m为电应力曲线形状参数,由元器件类型决定;P1为电应力比;P2为参考电应力比(50%)。

    3)温度应力:电源单元选择40 ℃,其他单元选择35 ℃。

    温度应力πT的计算公式

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    式中:T0为参考温度;T1为工作温度;Ea为活化能;к = 8.62 × 10-5 eV/K为玻尔兹曼常数。

    4)质量因子:根据实际情况,元器件质量等级分别选择Ⅱ级和Ⅲ级,对应πQ等于1.0和0.8。

    3.4 预计结果

    DDZY9599型单相远程智能电能表整表预计结果及可靠度曲线见表1、图3。

    基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计

    由表1和图3可知,DDZY9599型单相远程智能电能表在置信上限水平取90%时,工作失效率为719.46 FIT,年失效率为0.63%,MTTF为158年,可靠寿命t0.95为8.14年,使用10年后,其可靠度降低至93.89%。

    4 提高智能电能表可靠性的对策

    通过DDZY9599型单相远程智能电能表可靠性预计的结果可知,高品质的元器件材料是提高智能电能表可靠性的重要基础,这直接影响到智能电能表的质量。因此,在采购过程中应对元器件及相关配件的供应商进行评价,考察供应商的研发和品质保障能力,选用由可靠机构发布质量认证证书的元器件材料。另外,智能电能表可靠性与其设计、工艺等因素也都有着密不可分的关系。

    1)加强可靠性设计。在方案设计时,必须根据电能表工作原理和使用条件,对电能表各零件的失效机制和连带影响进行分析,制定合理的误差指标和可靠性指标。同时应提倡简化设计理念,尽量采用集成电路和规模大的芯片,并且增加保护、冗余、容错电路。

    2)采用先进的生产工艺。提高可靠性的电能表需要具有符合设计思路,与元器件、材料特性相吻合的工艺的支撑。在实际生产过程中,应该根据系统性验证工艺流程的合理性、工艺参数的正确性,加强对元器件、材料的保护措施。

    综上所述,提高智能电能表可靠性需要从设计、材料、工艺等多方面进行综合考虑。

    5 结束语

    文章基于元器件应力法,结合智能电能表的预定工作条件,通过建立智能电能表的可靠性模型和数学模型,对DDZY9599型单相远程智能电能表进行可靠性预计,结果表明,该表在置信上限水平取90%时,工作失效率为719.46 FIT,年失效率为0.63%,MTTF为158年,可靠寿命t0.95为8.14年,使用10年后,其可靠度降低至93.89%。

    参考文献:

    [1] 张增照,潘勇.电子产品可靠性预计[M].北京:科学技术出版社,2007.

    [2] 王蕴辉,于宗光,孙再吉.电子元器件可靠性设计[M].北京:科学技术出版社,2007.

    [3] Goble William M.控制系统的安全评估与可靠性[M].北京:中国电力出版社,2008.

    [4] 龚庆祥.型号可靠性工程手册[M].北京:国防工业出版社,2007.

    [5] 王少萍.工程可靠性[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

    [6] 武宏波,王思彤,罗玮,等.电子式电能表寿命问题的再探讨[J].电测与仪表,2009,46(12A):68-72.

    [7] 成功.电子设备可靠性分析与软件开发[D].西安:西北工业大学,2003:27-33.

    (责任编辑 高 远)
           转载:http://www.zhuixue.net/lunwen/shukong/50665.html 


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