Оценка надежности работы сигнализаторов напряжения

Задача снижения травматизма в электроэнергетике остается актуальной [1]. Одним из способов является применение электрозащитных средств [2, 3]. С 1995 г. в Вятском государственном университете ведет свою деятельность Научно-производственный центр «Электробезопасность» (НПЦ), целью которого является разработка и доведение до уровня промышленного производства новых видов электронных электрозащитных средств и устройств контроля опасных факторов. За период работы для электросетевых предприятий страны было создано более 20 новых видов изделий, промышленно производится 14, получено 20 патентов РФ.

Одним из таких изделий [4–6] являются сигнализаторы напряжения «ИВА-Н» (СН), которые используются электромонтерами для бесконтактного определения с земли наличия напряжения в воздушных линиях электропередачи 6–35 кВ. Кроме этого, данное устройство может осуществлять контроль исправности защитного заземления электрооборудования. К настоящему времени на предприятиях электроэнергетики эксплуатируется более 80 000 экземпляров СН.

Основной задачей электрозащитных средств является создание условий для безопасного обслуживания электроустановок [7, 8], коллектив НПЦ особое внимание при создании своих устройств уделяет вопросам надежности и стабильности их работы. В данной статье приведены результаты проведенных за последние годы усовершенствований конструкции, расчётов и динамика роста показателей надежности СН.

Методология

Надежность можно определить как вероятность того, что устройство будет корректно функционировать в течение указанного промежутка времени. Для ее оценки существует ряд показателей [9, 10]:

Вероятность безотказной работы P(t) -критерий надежности, который показывает, что в заданном интервале времени и при определенных условиях эксплуатации или в пределах установленной наработки не произойдёт ни одного отказа:

P(t) = ^), (1) ^ 0

где ^₀ - число изделий в начале эксплуатации; n(t) - число изделий, отказавших за время t.

Вероятность отказа Q (t) - вероятность того, что в заданном интервале времени возникнет хотя бы один отказ – рассчитывается по формуле [2]

Q(t) = 1-P(t)=^.                (2)

^ 0

Частота отказов a(t) - это отношение числа отказавших изделий за единицу времени к числу испытываемых изделий изначально, с учётом того, что все вышедшие из строя приборы не восстанавливаются [2]:

n(At) a(t) =     ,

N0^e

где n(At) - число отказов в интервале времени At.

Интенсивность отказов Z(t) - это плотность вероятности времени работы изделия до первого отказа [2]:

п

М^А^

где ^_C p = (^_^ + W ; ₊ i )/2 - среднее число исправно работавших изделий в интервале времени At; ^_^ -число изделий, исправно работавших в начале интервала времени At; N_l+1 - число изделий, исправно работавших в конце интервала времени At.

Средняя наработка до отказа Т_ср - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа [2]:

^{Т с} ₽ = W

Наработка на отказ – это важный параметр для определения срока службы устройства, который должен быть указан в технической докумен- тации на изделие и, как правило, является одним из определяющих при принятии решения о его приобретении.

СН – это устройство, содержащее электронные компоненты, которые не являются восстанавливаемыми элементами, то есть при выходе их из строя требуется замена на новые. Следовательно, расчёт показателей надёжности подобных устройств допустимо производить по методике, приведенной в [11, 12].

Для анализа и оценки надежности промышленно изготовленных партий различных модификаций СН (1997, 2010 и 2019 гг.) использовались вышеперечисленные критерии надежности, расчет которых проводился в рамках авторского контроля [13–15] на основе сведений из актов неисправностей и списаний СН, находящихся в эксплуатации на предприятиях филиала ПАО «Россети Центра и Приволжья» – «Кировэнерго». На рис. 1 представ-

а) промышленный образец 1997 г.

b) промышленный образец 2010 г.

Рис. 1. Внешний вид и печатные платы СН «ИВА-Н» разных лет

Fig. 1. Appearance and printed circuit boards of VD “IVA-N” in different years

c) промышленный образец 2019 г.

лены в н еш ни й в и д и п еч ат н ы е п лат ы п р о м ы ш л ен н ы х о б р азц о в СН , вы пу с к ав ш ихся в р азн ы е периоды.

В п ромышл е н ном обра з це С Н (1997 г. ) и с пол ьзов а ны в ыв од ные эл е ме нты, з а н им а ющ ие в с ю пов е рхнос ть п л а ты (рис . 1а ). На пл ате ра з м е ще ны не скол ь ко де с ят ков па с с и в н ых эл е м е нтов , ре г у ли р у ем ые ре з исторы, бипо лярные тра нзис торы и ан ал огов ые м и крос х е м ы. Д л я данного обра з ца н еобходима настройка характерис т и к у строй с тв а и учет влияния внешних условий.

a(t) =

150^4000

2,83 • 10 - ⁵.

Интенсивность отказов:

Ж) =

(150+133)/2^4000

3,0 •IO-5.

Средняя наработка до отказа, ч:

T ^C P

1 3,0^10 “^s

= 33333.

Для дальнейших расчетов приведем значение наработки до отказа к годам, при ранее указанном

допущении, год:

^ cp

33,3.

Результаты

П о ре з ул ь та та м пров е рк и эти х С Н в 2001 г. у станов л ено, что из 150 шт у к ра бочим и бы л и 133 ( с рок экс плуата ц и и окол о 4 л е т). По полученным да н ным бы л пров е ден ра с ч ё т по ка з а тел е й надежности по формулам (1)–(5).

В е роятнос ть бе з отка зной ра боты:

P(t) = ^150-17 = o₎₈₈7. 150         '

Вероятность отказа:

Q(t) = 1 - 0,887 = 0,113.

Ч а с тота отка з ов (пр и доп уще ни и, что 1 год э кс плу ата ц ии с оотв етс тву е т 1000 ч ра боты С Н):

Результаты приведённых выше и последующих расчётов обобщены в табл. 1.

Обсуждение

В результате обследования вышедших из строя СН (1997 г.) были выявлены их слабые места в электрической плате и компонентах, требующих доработки или замены. В результате этого в конструкцию были внесены изменения в элементной базе, схемотехнике, технологии производства [16].

Проведенные изменения были обобщены в виде создания СН (2010 г.). На рис. 1b изображена плата, на которой размещены SMD-компоненты.

Таблица 1

Результаты расчёта основных критериев надежности СН «ИВА-Н»

Table 1

Results of calculation of the main reliability criteria of VD “IVA-N”

Основные критерии надежности	СН (1997 г.)	СН (2010 г.)	СН (2019 г.)
Число обследованных СН, шт.	150	145	210
Число отказавших СН, шт.	17	10	7
Срок эксплуатации, год	~ 4	~ 5	~ 4
Вероятность безотказной работы P(t)	0,887	0,931	0,967
Вероятность отказа Q(t)	0,113	0,069	0,0333
Частота отказов a(t), ч-1	2,83 • 10-5	1,38- 10-5	0,833 • 10-5
Интенсивность отказов A(t), ч-1	3,0 • 10-5	1,43 • 10-5	0,847 • 10-5
Средняя наработка до отказа Тср, ч	33 333	70 000	118 000
Средняя наработка до отказа Т0, год	33,3	70	118

Качество пайки при поверхностном монтаже значительно улучшилось. Характеристики устройства за счет применения элементов с минимальным допуском разброса их параметров стали более стабильными. Вышеуказанные изменения конструкции, технологии производства СН привели к существенному снижению отказов СН.

По результатам проверки в 2015 г. установлено, что из 145 СН (2010 г.) рабочими были 135 штук (срок эксплуатации около 5 лет). По полученным данным был проведен аналогичный расчёт показателей надежности. Итоги расчётов приведены в табл. 1.

В результате обследования вышедших из строя СН (2010 г.) было принято решение перехода на электрическую схему с использованием микропроцессора (рис. 1c). Это позволило значительно снизить количество элементов схемы и, следовательно, число паек на плате [17]. Освободившееся место на плате решено было использовать для встроенной электрической антенны. К тому времени стоимость SMD-компонентов и требуемых микропроцессоров стала ниже, чем набор дискретных элементов. В итоге был создан СН (2019 г.), в состав которого входит микропроцессор, светодиодные индикаторы и несколько пассивных элементов. Устройство работает по разработанной программе и не требует дополнительных настроек. Использование процессора позволило реализовать систему контроля исправности элементов питания и снизить энергопотребление, тем самым увеличить ресурс работы устройства от одного комплекта элементов.

По результатам проверки в 2023 г. установлено, что из 210 СН (2019 г.) рабочими были 203 штуки (срок эксплуатации около 4 лет). По полученным данным был проведен расчёт показателей надежности (см. табл. 1).

Следует отметить, что все мероприятия по совершенствованию СН проводились в тесном взаимодействии со специалистами-электроэнергетиками, которые непосредственно участвовали в эксплуатации приборов. Представленные в табл. 1 резуль- таты показывают взаимосвязь модернизации СН и улучшения показателей надежности. Используемая методика расчета показателей надежности дала возможность количественно оценить меры по совершенствованию СН на различных этапах.

Срок службы определяется календарной продолжительностью, эксплуатации объекта от начала эксплуатации до предельного состояния. Одним из показателей долговечности является гаммапроцентный срок службы Тсу - срок службы, в течение которого устройство не достигает предельного состояния с заданной доверительной ве- роятностью y процентов и определяется выражением [6]:

1 гш- J РИ J ■(6)

Полагая закон распределения времени безотказной работы элементов объекта экспоненциальным, выражение будет иметь следующий вид:

e-W7C.Y _

Логарифмируя данное выражение, получим

Т _--!-■ 1п-^_-Т -ln-^.(8)

^С.У A(t) 100 ^Ср 100

Данное выражение позволило связать показатели безотказности объекта с показателем его дол- говечности.

Для радиоэлектронных средств, к которым можно отнести и электронные электрозащитные средства, на практике принимается значение (90 < у < 95) %. Проведем расчеты для значений, равных 90,93 и 95 %.

Например, для СН (1997 г.) при заданном значении y = 90 % и использовании приведенного значения средней наработки до отказа Т₀:

Tcv = -33,3 ■ ln — = 3,5 года.

^С. ' 100

Расчеты для других значений y , а также расчеты для СН (2010 г.) и СН (2019 г.) приведены в табл. 2.

Анализ полученных результатов показал, что гамма-процентный срок службы СН (2019 г.) даже при верхнем значении доверительной вероятности Y = 95 % составляет не менее 6 лет. Эти расчеты

Таблица 2

Результаты расчёта гамма-процентного срока службы СН «ИВА-Н»

Table 2

Results of calculation of gamma-percentage service life of VD “IVA-N”

То, год Y = 90 % Y = 93 % Y = 95 % СН (1997 г.) 33,3 3,5 2,4 1,7 СН (2010 г.) 70 7,3 5,1 3,6 СН (2019 г.) 118 12,4 8,56 6,05 позволили обосновать срок службы СН и внести это значение в технические документы.

Для сравнения срок службы для указателей напряжения, также относящихся к электронным элек-трозащитным средствам, должен быть не менее 5 лет [18]. Также приведем значения сроков службы электронной техники, представленные в открытом доступе: персональный компьютер, ноутбук – 5 лет, мелкая бытовая техника – 3–4 года, современные телевизоры – 5–7 лет, смартфон – 3–4 года.

Выводы

Результаты многолетних исследований надежности СН позволили создать систему, включающую несколько этапов совершенствования, которые, в свою очередь, направлены на устранение выявленных в процессе эксплуатации недостатков, связанных с электрической схемой, использованными элементами, технологией изготовления.

Рассмотренная методика расчета показателей надежности позволяет количественно оценить ре- зультаты осуществлённых изменений конструкции СН. За более чем 20-летий период совершенствования СН показатели надежности удалось увеличить более чем в 3 раза. Срок службы при вероятности того, что устройство не достигнет предельного состояния с доверительной вероятностью Y = 95 %, составил более 6 лет.

Данная последовательность совершенствования конструкции и расчёта показателей надежности также успешно была применена для ряда других промышленно выпускаемых приборов: указателя напряжения до 1000 В «Комби» (эксплуатируется порядка 40 000 шт.) [19], цифрового ультразвукового измерителя расстояний «Даль» (20 000 шт.), касочного сигнализатора «Радиус» (90 000 шт.) [20] и др.

Улучшение показателей надёжности, в том числе увеличение срока службы приборов, создают условия для безопасного обслуживания электроустановок, сохранения жизни и здоровья обслуживающего персонала.