基于性能退化的漏电保护模块可靠性仿真分析_李奎.pdf

基于性能退化的漏电保护模块可靠性仿真分析李奎，王月，赵成晨，郝运佥，刘政君，胡博凯(河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130)摘要:漏电断路器作为低压配电系统中重要的终端保护电器，在防止漏电事故、保护用电人员人身安全上发挥着重要作用。漏电保护模块由电子元器件组成，其参数偏差和退化造成的参数漂移，都会引起断路器漏电保护性能退化。文中构建漏电保护模块的仿真模型，采用灵敏度分析进行漏电保护模块关键元器件的辨识，考虑容差引起的个体间性能差异，利用 Monte-Carlo 仿真获取系统性能参数退化数据，分析由元器件退化造成的漏电保护模块性能退化，根据性能变化实现漏电保护可靠性评估，为早期设计提供决策支持。关键词:漏电保护模块;性能退化;Monte-Carlo 仿真;容差分析DOI:10 19753/j issn1001-1390 2023 04 009中图分类号:TM501文献标识码:A文章编号:1001-1390(2023)04-0064-07Simulation analysis of leakage protection module reliabilitybased on performance degradationLi Kui，Wang Yue，Zhao Chengchen，Hao Yunqian，Liu Zhengjun，Hu Bokai(State Key Laboratory of eliability and Intelligence of Electrical Equipment，HebeiUniversity of Technology，Tianjin 300130，China)Abstract:esidual current circuit breakers are important terminal protection apparatus in low-voltage distribution sys-tems，which play a major role in preventing leakage accidents and protecting the personal safety of power users The leak-age protection module is composed of electronic components，and its parameter deviation and degradation cause parameterdrift，which will cause the protection performance degradation of residual current circuit breaker Therefore，the simula-tion model of leakage protection module is established，and sensitivity analysis is adopted to identify the key components ofleakage protection module Considering the performance difference caused by tolerance，the Monte-Carlo simulation isused to obtain system performance degradation data The leakage protection module degradation caused by the degradationof components is analyzed，and the reliability evaluation of leakage protection is realized according to the performancechange，which can provide decision support for early designKeywords:leakage protection module，performance degradation，Monte-Carlo simulation，tolerance analysis基金项目:国家自然科学基金资助项目(51937004，51777056);河北省自然科学基金资助项目(E2019202124)0引言漏电断路器作为低压配电系统中重要的终端保护电器，在防止电气火灾和人身触电方面发挥着重要作用。漏电断路器由操动系统、触头系统和保护系统三大部分组成，人们对漏电断路器的机械操作可靠性和电气操作可靠性研究较多，而对保护系统的可靠性研究还需要深入。操动系统和触头系统可能导致断路器无法正常分合电路，漏电保护模块作为保护系统的核心模块，负责变换主线路中检测到的故障信号，影响断路器判断是否发生漏电事故并且准确动作。因此漏电保护模块对断路器漏电保护功能的实现具有至关重要的影响1-3。电路的故障形式与元器件密切相关，根据元器件参数漂移程度的不同，可分为软故障与硬故障两大类。软故障是指元器件参数漂移超出允许范围，表现为性能下降。硬故障是由元器件开路或短路所致，产品功能将会完全丧失。漏电保护模块的失效形式一般表现为退化失效，因此可通过性能退化数据实现可靠性评估。46第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023文献 4 融合不同温度下的在线和离线加速退化数据，进行了退化轨迹模型参数辨识，得到了经过修正的三参数温度加速模型;文献 5 等人研究了热载流子效应对电阻性能的影响，并建立了相应的阻值随时间的退化模型;文献 6收集了不同电、热等级下 VD 功率 MOSFET 的特征参数退化数据，分别针对高电场(HEF)与正向偏压温度不稳定性(PBTI)两种效应，建立了与时间有关的性能退化模型，并验证了模型的准确性;文献 7 结合多项式拟合与离散灰色理论两种分析方法的优点，对电解电容退化数据进行分析，得到了不同频率充放电方波下的电容退化模型。可见基于性能退化的可靠性评估方法得到了广泛应用。漏电保护模块由电子元器件组成，在长期服役过程中，模块可靠性取决于元器件性能。针对这类高可靠性、长寿命类电子产品，传统的基于现场退化数据的可靠性预测方法无法适应目前更新换代快、研发应用时间短的特点。因此可利用典型元器件性能退化模型，结合传统可靠性分析方法与计算机仿真技术，将元器件性能退化参数值代入漏电保护模块模型，进行模块整体退化分析，在设计阶段对漏电保护模块未来可能的退化行为进行预测和评估。那么就可以为早期设计提供必要信息，从根本上提高断路器漏电保护的可靠性。文中以断路器的漏电保护模块作为研究对象，在元器件性能退化基础上，考虑模块个体间差异，根据元器件参数的概率分布，利用 Monte-Carlo 法模拟不同退化程度下元器件的参数，仿真模块输出电压，分析由元器件退化造成的模块性能退化。同时利用灵敏度分析确定对模块性能影响较大的关键元器件，针对关键元器件进行可靠性分析，既能大幅减小可靠性分析工作量，又能准确分析漏电断路器的可靠性。Monte-Carlo仿真结合参数灵敏度分析的漏电保护模块性能退化研究流程如图 1 所示。1漏电保护模块输出特性分布特征电子元器件受生产工艺、工作环境和自身退化效应的影响，其实际参数与标称参数之间总是存在一定的偏差，这就是容差。由于容差的存在，电路输出特性与设计值存在差异，造成不同产品间差异。因此，通过容差分析方法对电路进行分析，对研究电子电路输出特性的分布特征具有重要的实践与理论意义8。电子元器件容差可用均匀分布、正态分布和分段线性分布等多种分布类型进行描述，但工程实践中，大多数电子元器件容差都服从正态分布。造成元器件容差的主要因素包括以下几点:图 1漏电保护模块性能退化研究流程Fig 1esearch flow on performance degradationof leakage protection module(1)元器件的初始容差:由加工工艺导致的元器件容差，在出厂时其参数值与标称值有一定的偏差;(2)环境因素造成的偏差:由环境温度、噪声、辐射、湿度等造成的参数漂移。如运放的输出随温度的变化而变化;(3)退化效应产生的容差:随着时间的积累，元器件会出现性能降级，即由退化效应导致了参数容差变化。图2 为电子元器件参数分布变化的原理分析，x0为电子器件设计参数，实际参数是以 x0为中心的分布 9。图 2元器件容差影响因素Fig 2Factors affecting components tolerance56第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023漏电断路器主要由辅助电源、剩余电流互感器、信号调理电路、比较判断电路、脱扣执行机构等部分组成，如图 3 所示。在正常工作条件下，比较判断电路中的单片机可靠性极高，不易损坏;剩余电流互感器工作性能稳定，受外界影响较小;辅助电源由于稳压模块输出的波动会影响电路输出稳定性，但电源电压在正常范围时，其波动较小。因此漏电保护特性主要受信号调理电路的影响，本文以信号调理电路的性能退化来分析漏电保护模块的可靠性，不考虑单片机与剩余电流互感器的影响，信号调理电路如图 4 所示。图 3漏电断路器工作原理框图Fig 3Working principle block diagram of residualcurrent circuit breaker图 4 所示信号调理电路输出信号接单片机，而单片机只能接受单极电压信号，因此通过 5、6分压进行电压抬升。为减小在 0 V 电压输入时的采样误差，抬升电压略高于 1/2 电源电压(0 5Vcc+1/2LSB)，保证此时单片机 A/D 转换输出为满量程的一半。考虑电路中所有电子元器件参数偏差，设偏差范围为5%，参数分布类型为正态分布，对该电路采用Monte-Carlo 法进行容差分析。依据元器件参数分布进行随机抽样，将多次抽样值代入信号调理电路模型，模拟电路输出性能的分散性。图 4信号调理电路Fig 4Signal conditioning circuit图 5 横坐标为电路输出电压，纵坐标为输出所占比例，电路输入为 0 1 V 正弦电压源，不考虑元器件参数容差，输入电压经 5与 6的电压抬升，及 3和 4的放大，电路输出为幅值为 3 05 V 的正弦电压，峰-峰值接近 1 V。当元器件参数值按正态分布规律随机变化时，不同产品的输出电压也服从正态分布，直方图直观显示输出电压基本服从正态分布。图 5信号调理电路输出电压峰值分布图Fig 5Output voltage peak distribution of signalconditioning circuit为验证电路输出电压是否服从正态分布，仍设元器件参数正态分布，偏差范围分别为 1%、2%、5%、7%和 10%，统计仿真所得输出电压峰值数据，并对其进行 Kolmogorov-Smirnov 检验。该方法是根据样本的经验分布函数 Fn(x)与指定分布函数 G(x)来构造检验统计量 KS=max(Fn(x)G(x)，由检验统计量计算出检验值 p 并与指定的显著性水平 做比较，若 p 时，拒绝原假设。当在显著性水平 =0 05 时，表 1 为 K-S 检验法 p 值。表 1Kolmogorov-Smirnov 检验结果Tab 1Kolmogorov-Smirnov test results容差/%125710p0658 20736 40789 30885 90 765 1虽然容差不同时 p 值存在波动，但都大于 0 05，因