Оценка показателей сохраняемости цифровых устройств релейной защиты

Показатели сохраняемости в нормативных документах

В документе [1] требования к показателям сохраняемости цифровых устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) не установлены, поэтому некоторые изготовители микропроцессорных устройств релейной защиты в технических условиях указывают только назначенный срок хранения [2] в заводской упаковке, как это предписывалось старой редакцией документа [3]: «Срок хранения блока в упаковке и консервации изготовителя – 2 года со дня упаковывания». Условия хранения блоков заданы в [3] в соответствии с требованиями ГОСТ 23216-78 [4] в части воздействия как механических (условия С), так и климатических факторов (нижнее значение температуры – минус 45°С, верхнее значение температуры – плюс 60°С).

Действующая нормативная документация требует устанавливать не только назначенный срок хранения, но и показатели сохраняемости [2]:

• средний срок сохраняемости – Т_{с. ср};
• гамма-процентный срок сохраняемости – Т_с.γ.

Для выбора одного из двух показателей сохраняемости необходимо оценивать «возможные последствия достижения предельного состояния или отказа при хранении и (или) транспортировании». Если отказ (достижение предельного состояния) изделия после хранения (транспортирования) не приводит к катастрофическим последствиям, то рекомендуется использовать показатель Т_{с. ср.} В том случае, когда после отказа или достижения предельного состояния изделия возможны катастрофические последствия, применяется показатель  Т_с.γ..

В последнем случае предполагается, что техническое состояние изделий можно контролировать.

Кроме самого показателя сохраняемости, в документации на изделие должны быть заданы условия и режимы хранения (транспортирования) по [4].

Ряд организаций, проводящих аттестацию продукции или экспертизу документации на неё, требуют включать в технические условия помимо назначенного срока хранения оба показателя сохраняемости и даже закрепляют это требование в своих отраслевых документах.

Из-за таких требований в последнюю редакцию технических условий [3] были введены оба показателя сохраняемости, что сделало необходимым произвести выбор стандартного метода их экспериментального определения для включения в программу и методику испытаний цифровых устройств релейной защиты и проведения контрольных испытаний, подтверждающих заданные значения показателей.

Метод оценки показателей сохраняемости

Из известных методов оценки показателей сохраняемости обратим внимание на метод непосредственного хранения, установленный стандартом [5], а также рекомендованный в стандартах [6, 7] и ряде других нормативных документов.

Данный метод предполагает закладку на длительное хранение испытываемых изделий на складе завода-изготовителя. В [8] для оценки показателей сохраняемости рекомендованы следующие планы испытаний:

• для гамма-процентного срока сохраняемости – план [NUr] – план испытаний, согласно которому испытывают одновременно N объектов, отказавшие во время испытаний объекты не восстанавливают и не заменяют, испытания прекращают, когда число отказавших объектов достигло r;

• для среднего срока сохраняемости – план [NUT] – план испытаний, со­гласно которому одновременно испытывают N объектов, отказавшие во время испытаний объекты не восстанавливают и не заменяют, испытания прекращают по истечении времени испытаний или наработки T для каждого неотказавшего объекта.

Буквы в обозначениях планов испытаний означают:

N – объём выборки;

U – условие, согласно которому изде­лия в случае отказа не восстанавливают и не заменяют;

T – продолжительность испытаний;

r – число отказов или отказавших объектов.

Из описания планов испытаний [NUT] и [NUr] видно, что их принципиальное отличие от плана испытаний [NМS], использовавшегося для оценки наработки этих же изделий на отказ [9], заключается в том, что в последнем случае изделия испытывались последовательно (и не обязательно одновременно), а отказавшие изделия ремонтировались.

Между тем метод непосредственного хранения [5], являясь, на первый взгляд, самым простым способом проведения испытаний для оценки показателей сохраняемости, оказывается, в конечном счёте, экономически нецелесообразным, так как предполагает одновременный вывод из оборота зна­чительного количества изделий на срок не менее 24 месяцев. В связи с этим предлагается иной подход к оценке показателей, представленный в по­следующих разделах данной статьи на примере применения к конкретным цифровым устройствам релейной за­щиты, автоматики и сигнализации, используемым для защиты электроустановок и присоединений с напряжением от 0,4 до 220 кВ. Данный подход опирается на многолетний опыт работы ООО «НТЦ «Механотроника» с устройствами РЗА. Он использует стандартные планы испытаний и мо­жет быть распространён на другие аналогичные устройства, состоящие из компонентов, перечисленных в стандарте [5].

Определения гамма-процентного срока сохраняемости

Отбор объектов для испытаний

Для отбора объектов, подходящих для испытаний, были проверены складские остатки предприятия по состоянию на день начала испытаний.

В результате было выявлено 14 изделий двух типов, отличающихся только ко­личеством входов и выходов, которые были переданы на хранение сразу после прохождения приёмо-сдаточных испытаний (табл. 1).

Отобранные изделия, условно обозначенные как изделия типов А и Ж, изготовлены по одному технологическому процессу, состоят из одинаковых модулей и имеют одинаковое функциональное назначение. Для изготовления изделий этих типов применены одни и те же материалы и комплектующие электрорадиоэлементы. Всё это позволяет рассматривать совокупность изделий двух типов как выборку из 14 идентичных блоков и в дальнейшем распространить результаты испытаний изделий типа А на изделия типа Ж и наоборот.

Все перечисленные в табл. 1 изделия были сняты с хранения и переданы в ОТК для проведения приёмо-сдаточных испытаний (ПСИ) по той же самой программе, по которой испытывают все новые изделия. Результаты ПСИ показали, что после хранения в течение указанного в табл. 1 промежутка времени все контролируемые параметры и характеристики этих изделий соответствуют требованиям технических условий. Поэтому отобранные изделия можно использовать для экспериментальной оценки показателей сохраняемости.

Рассмотрим, как такой подход (ис­пользование для испытаний изделий, не переданных по каким-либо причинам потребителю) позволяет получить необходимую информацию о показателях сохраняемости изделий.

Нормализация времени испытаний выборки

Как следует из табл. 1, все изделия хранились на складе разное время – от 16 до 44 месяцев. Однако, согласно требованиям стандарта [5], при непосредственном методе хранения продолжительность испытаний, то есть фактически время хранения, должна быть не менее срока сохраняемости, который составляет 24 месяца, как это и записано в технических условиях на данные изделия [10].

Для того чтобы не сократить объём выборки, отсчёт времени хранения изделий было принято начинать не с даты закладки первого блока типа Ж (рис. 1), а с даты закладки на хранение 5 блоков типа А (линия Е на рис. 1). Поэтому время хранения 9 блоков до даты закладки 5 блоков типа А (линия Е на рис. 1) в дальнейшем не учитывается. Такая процедура контроля технического состояния хранящихся изделий позволяет обеспечить выполнение главного условия выбранных планов испытаний [NUT] и [NUr] – одновременность испытаний всех N объектов выборки.

В связи с тем, что в данном случае продолжительность хранения всех блоков составила всего 16 месяцев, было принято решение возвратить все проверенные изделия на дальнейшее хранение (линия Д на рис. 1 соответствует дате проведения первых ПСИ всей выборки из 14 блоков; эти испытания проводились для того, чтобы убедиться в исправности отобранных изделий).

В соответствии с рекомендациями стандарта [5] в дальнейшем испытания этих изделий будут проводиться 1 раз в квартал до тех пор, пока срок хранения 5 изделий типа А (заложены на хранение в момент времени Е) не превысит 24 месяца (линия К на рис. 1). Напом­ним, что продолжительность хранения 24 месяца установлена в технических условиях на рассматриваемые изделия.

Оценка результатов испытаний по табличным данным

Согласно [8], исходными данными при плане испытаний [NUr] служат:

• выборочные значения срока сохраняемости t₁, t₂, t_r;
• число отказов r;
• объём выборки N.

По результатам испытаний, проведённых в момент времени Д, стали известны выборочные значения сроков сохраняемости каждого из 14 изделий (t₁ = t₂ =…= t_N = 16 месяцев). Для этой даты известны также число отказов (r = 0) и объём выборки (N = 14).

Как известно, стандарты дают разные рекомендации относительно объёма выборки, отличающиеся в зависимости от вида изделий и отрасли, в которой их используют. Чтобы не увеличивать затраты на экспериментальное определение показателей сохраняемости, стандарт [5] допускает уменьшение количества изделий в выборке, если её объём превышает 1% годового выпуска этих изделий. Так как отобранные для испытаний 14 из­делий (объём выборки) существенно меньше 1% их годового выпуска, то сокращать объём выборки не представляется возможным.

При оценке гамма-процентного срока сохраняемости и неизвестном законе распределения значений этого параметра стандарт [8] рекомендует выбирать допустимое число отказов r по табличным данным, предполагая заданным число испытываемых объектов N, что в нашем случае соответствует объёму выборки (табл. 2). 

На основании данной таблицы можно заключить, что как при отсутствии отказавших блоков (r = 0), так и при одном отказавшем блоке (r = 1) для выборки объёмом N = 14 > 13 гамма-процентный ресурс сохраняемости характеризуется вероятностью безотказной работы за время ресурса, выраженной в процентах, γ = 80% (на­пом­ним, что это соответствует продолжительности испытаний 24 месяца – см. линию К на рис. 1).

Риск потребителя при любом исходе испытаний (r = 0 или r = 1) составит: β = 1 – q = 1 – 0,95 = 0,05, где q – доверительная вероятность для γ.

Если же во время хранения произойдёт отказ двух блоков (r = 2), то гамма-процентный срок сохраняемости останется неизменным (γ = 80%), но соглас­но табличным данным доверительная вероятность уменьшится до 0,80, а риск потребителя β вы­рас­тет до 0,2.

Оценка результатов испытаний по статистическим данным

При наличии отказов, выявленных во время испытаний, стандарт [5] рекомендует использовать для опытного вычисления γ такую формулу:

Отметим, что в случае нулевого количества отказов r при любом объёме выборки N результат определения γ по формуле (1) будет один и тот же, то есть γ = 100%.

Сравнение результатов, полученных разными способами

Для вынесения окончательной оценки определяемого показателя сохраняемости в табл. 3 сведены:

• результаты вычислений γ по формуле (1) при трёх значениях r для N = 14;
• оценки, сделанные на основании табличных данных, приведённых в [8] для N = 13.

Отметим, что увеличение количества хранящихся изделий до 15 (N = 15) по­высит табличное значение γ до 90% (при доверительной вероятности q = 0,8), если за время хранения произойдёт отказ не более одного изделия. Расчёт­ное значение этой же величины, найденное по формуле (1), при r = 1 и N =15 будет γ = 93,3%.

Проведённая оценка позволяет утверждать, что гамма-процентный ресурс сохраняемости для выборки из 14 изделий, в которой был зафиксирован один отказ, характеризуется вероятностью γ, значение которой находит­ся в диапазоне 80,0% < γ < 92,8%.

Дополнительная оценка гамма-процентного срока сохраняемости

Отбор объектов для испытаний

Для дополнительной оценки гамма-процентного срока сохраняемости были сформированы ещё две выборки.

Вторая (по сквозной нумерации) выборка была составлена из изделий, хранившихся на складе потребителя. Для составления этой выборки был проанализирован весь массив уведомлений о вводе в эксплуатацию (вкладыш в паспорт изделия, при получе­нии которого изготовитель устанавливает увеличенный гарантийный срок), поступивших изготовителю в 2011–2012 го­дах. Срок хранения изделий у потребителя определялся как разность между датой отгрузки и датой ввода в эксплуатацию. Для испытаний отбирались блоки, поступившие на один и тот же объект и хранившиеся в одинаковых условиях.

Информация о среднем сроке ввода в эксплуатацию для наибольшей по количеству изделий выборки, состоящей из 81 изделия, поставленных на один и тот же объект, сведена в табл. 4.

Отметим, что 74% поставленных изделий (заштрихованные ячейки в табл. 4) были введены в эксплуатацию в срок от 4 до 6 месяцев после отгрузки их потребителю (рис. 2).

Данное исследование подтвердило:

• наличие тенденции сокращения срока ввода в эксплуатацию изделий;
• невозможность использования вы­борки из 81 изделия для испытаний на сохраняемость из-за относительно небольшого срока их хранения у потребителя.

Проведённые ранее исследования [9] показали, что средний срок ввода изделий в эксплуатацию составлял в среднем (для разных типов и исполнений блока) не более 10 месяцев со дня отгрузки, что также не позволяет использовать эти изделия для оценки показателей сохраняемости.

Тем не менее анализ всего массива уведомлений о вводе в эксплуата­цию, полученных изготовителями в 2011–2012 годах, позволил выявить 15 блоков типа А, поставленных потребителю в 2006, 2007 и 2008 годах тремя партиями на один и тот же объект и хранившихся до момента их ввода в эксплуатацию не менее 24 месяцев:

• 12 блоков поставки 2006 года (от отгрузки 17.11.2006 г. до ввода в эксплуатацию прошло 66 месяцев);
• 1 блок поставки 2007 года (от отгрузки 04.10.2007 г. до ввода в эксплуатацию прошло 56 месяцев);
• 2 блока поставки 2008 года (от отгрузки 25.03.2008 г. до ввода в эксплуатацию прошло 50 месяцев).

Эти блоки хранились на складе потребителя в течение срока, превышающего 24 месяца. Условия хранения соответствовали заданным в документации на них. Всё это позволяет использовать эти 15 изделий для проведения контрольных испытаний на сохраняемость. Таким образом, объём второй выборки для дополнительных испытаний N₂ = 15, и составлена эта выборка из изделий, возвращённых изготовителю после хранения у потребителя. Эти изделия не были введены в эксплуатацию после хранения у потребителя из-за замечаний к ним, однако все замечания потребителя касались только их внешнего вида, что не влияло на электрические характеристики изделий. Причина возврата была признана необоснованной, и в соответствии с рекомендациями, изложенными в п. 2.2.3 стандарта ГОСТ 21493-76, все возвращённые изделия были допущены к контрольным испытаниям на сохраняемость.

Третью выборку составили девять изделий типа К, которые до возвращения изготовителю хранились на складе потребителя в течение 17 месяцев.

Нормализация времени испытаний выборки

При определении срока хранения изделий для второй выборки в качестве определяющего был выбран наименьший срок хранения – 50 месяцев и из него исключена продолжительность логистической задержки [2], составляющей 2 месяца. Отметим, что стандарт [5] допускает длительность такой задержки до 3 месяцев.

Таким образом, срок хранения выборки из 15 блоков составил 48 меся­цев, что соответствует удвоенному сро­ку сохраняемости, зафиксированному в технических условиях [10].

Приёмо-сдаточные испытания 15 бло­ков типа А после снятия их с хранения проводились в условиях эксплуатирующего предприятия с участием специалистов изготовителя.

Оценка результатов испытаний по табличным данным

В результате испытаний установлено, что все контролируемые параметры и характеристики изделий, составивших вторую выборку, соответствуют требованиям технических усло­вий на изделия типа А, а количество отказавших изделий равно нулю, то есть r = 0.

Значение γ на основании табличных данных для этих 15 блоков равно 90% при доверительной вероятности q = 0,8, как при r = 0, так и при r = 1.

Испытания третьей выборки, со­стоящей из изделий, возвращённых изготовителю, подтвердили их соответствие требованиям технических условий без учёта замечаний по внешнему виду. Используя данные из табл. 2, принимаем для девяти изделий типа К значение равным 80% при доверительной вероятности q = 0,8 и r = 0.

Таким образом, контрольные испытания трёх выборок блоков позволили одинаково оценить нижнюю границу γ.

Оценка среднего срока сохраняемости

Оценку среднего срока сохраняемости Т_{с. ср} произведём на примере двух выборок.

Первая выборка состоит из 14 изделий типов А и Ж. После хранения этих 14 изделий в течение 16 месяцев (линии Е и Д на рис. 1) ни одного отказа не произошло и все изделия сохранили работоспособность.

В соответствии с рекомендациями, изложенными в [8] для плана испытаний [NUT], при оценке среднего срока сохраняемости необходима такая исход­ная информация:

• выборочные значения срока сохраняемости t₁, t₂, t_d (d – допустимое число отказов);
• продолжительность испытаний Т;
• объём выборки N.

Выборочные значения срока сохраня­емости для всех испытываемых изде-лий одинаковы (t₁ = t₂ =…= t_N = 16 ме­сяцев). Продолжительность испытаний Т = 16 месяцев, а объём выборки N = N₁ = 14.

Воспользуемся табл. 5, составленной по материалам таблицы 28 из руководящих документов [8], для определения значений параметров оценки среднего срока сохраняемости при известном значении N (заштрихованная ячейка).

В связи с ограниченностью размеров выборки проверяемых блоков в нашем случае при оценке среднего срока сохраняемости Т_{с. ср} используем нижнюю доверительную границу вероятности безотказной работы P(t). При объёме выборки N₁ = 14, q = 0,9 и d = 0 принимаем значение P(t) = 0,85 (за­штрихованная ячейка в табл. 5).

Так как выборка из 14 изделий хранилась 16 месяцев (табл. 1), то суммарный срок хранения этих изделий составил:

T_Σ1 = 16×14 = 224 месяца (более 150 000 часов).

Отметим, что в технических условиях [10] средняя наработка на отказ этих изделий составляет 125 000 часов.

На дату проведения испытаний (линия Д на рис. 1) подтверждённое предыдущими испытаниями значение среднего срока сохраняемости Т_{с. ср} составило 16 месяцев.

Если за оставшееся до даты окончания испытаний на сохраняемость время (линия К на рис. 1) не будет за­фиксировано ни одного отказа (d = 0), то средний срок сохраняемости Т_{с. ср} = 24 месяца при P(t) = 0,85.

Если же за этот период времени произойдёт отказ одного изделия (d = 1), то значение среднего срока со­­храняемости Т_{с. ср} останется прежним, но изменится значение q (уменьшится до 0,8), а P(t) станет равным 0,80.

Изделия из второй выборки (N₂ = 15) хранились у потребителя 48 ме­сяцев. При проверке после хранения отказов изделий не было зафиксировано. Поэтому средний срок сохраняемости изделий из этой выборки Т_{с. ср} = 48 месяцев при q = 0,8, d = 0 и P(t)= 0,9 (табл. 5).

Суммарный срок хранения этой вы­борки составил T_Σ2 = 15×48 = 720 меся­цев, или более 500 000 часов, что более чем в три раза превышает значение наработки на отказ, установленное в технических условиях [10].

Выводы

1. Предложен подход к оценке пока­зателей сохраняемости, позволяющий использовать стандартные планы испытаний, оценить риск потреби­теля и поставщика, доверительную вероятность, объём выборки и другие показатели по таблицам, приведённым в нормативных документах.

2. Данный подход был реализован применительно к нескольким выборкам изделий, хранившихся у изготовителя и потребителя, и позволил оценить основные показатели сохраняемости этих изделий.

3. Проведённые испытания на сохраняемость подтвердили значения показателей сохраняемости изделий, зафиксированных в технических условиях на них, доказав тем самым корректность предложенного подхода. ●

Литература

1. РД 34.35.310-97. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. – М. : ОРГРЭС, 1997.
2. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М. : ИПК Издательство стандартов, 2002.
3. ДИВГ.648228.001 ТУ. Блоки микропроцессорные релейной защиты БМРЗ: технические условия. – СПб. : Механо­троника, 1996.
4. ГОСТ 23216-78. Изделия электротехнические. Хранение, транспортирование, временная противокоррозионная защита, упаковка. Общие требования и методы испытаний. – М. : ИПК Издательство стандартов, 2002.
5. ГОСТ 21493-76. Изделия электронной техники. Требования по сохраняемости и методы испытаний. – М. : Издательство стандартов, 1994.
6. ГОСТ 2583-92. Батареи из цилиндрических марганцево-цинковых элементов с солевым электролитом. – М. : Изда­тельство стандартов, 1992.
7. РД 50-707-91. Методические указания. Изделия медицинской техники. Требо­вания к надёжности. Правила и методы контроля показателей надёжности. – М. : Издательство стандартов, 1992.
8. РД 50-690-89. Методические указания. Надёжность в технике. Методы оценки показателей надёжности по экспериментальным данным. – М. : Издательство стандартов, 1990.
9. Гондуров С.А., Захаров О.Г. Определение наработки на отказ по результатам эксплуатации [Электронный ресурс] // Всё о релейной защите. – 2009. – Режим доступа : http://rza.org.ua/article/read/Opredelenie-narabotki-na-otkaz-po-rezul-tatam-ekspluatatsii-Gondurov-S-A---Zaharov-O-G-_77.html.
10. СТО ДИВГ-050-2012. Блоки микропроцессорные релейной защиты БМРЗ: технические условия. – СПб : Механотроника, 2012.

E-mail: olgezaharov.@yandex.ru