Оценка показателей сохраняемости цифровых устройств релейной защиты

Приведена информация о показателях сохраняемости цифровых устройств релейной защиты и автоматики, показана возможность применения стандартных методов определения выбранного показателя с минимальными затратами, приведены результаты практического определения показателей сохраняемости методами, описанными в действующих стандартах.

Захаров Олег

127
В ЗАКЛАДКИ

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 – Тс. ср;
  • гамма-процентный срок сохраняемости – Тс.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 Тс. ср. В том случае, когда после отказа или достижения предельного состояния изделия возможны катастрофические последствия, применяется показатель  Тс.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, tr;
  • 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 =…= tN = 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 Тс. 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, td (d – допустимое число отказов);
  • продолжительность испытаний Т;
  • объём выборки N.

Выборочные значения срока сохраня­емости для всех испытываемых изде-лий одинаковы (t1 = t2 =…= tN = 16 ме­сяцев). Продолжительность испытаний Т = 16 месяцев, а объём выборки NN1 = 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 Тс. 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:

TΣ1 = 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 Тс. 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 Тс. 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 Тс. 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 Тс. ср = 48 месяцев при q = 0,8, d = 0 и P(t)= 0,9 (табл. 5).

Суммарный срок хранения этой вы­борки составил TΣ2 = 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



ПОДПИСАТЬСЯ НА НОВОСТИ

Будьте всегда в курсе самых свежих новостей
и узнавайте первыми о содержании нового номера

Подписка на новости

РЕКОМЕНДУЕМ