Надежность БМАЧР в цифрах и фактах
Цифровой блок частотной разгрузки БМАЧР [1] был первым серийным изделием, полностью разработанным и производимым в России1.
Данное цифровое устройство выпускалось с 1995 по 2009 год. Всего за эти годы было выпущено 690 блоков серии БМАЧР (Л/сум), а среднегодовой выпуск Л/ср (горизонтальная линия на рис. 17)[1] [2] за весь период производства составил 46 блоков. Наибольшее число блоков было выпущено в 2004 (Л/ =107 шт.) и в 2007 (Л/ =100 шт.) годах.
На объектах электроэнергетики до сих пор работают блоки, изготовленные еще в 1995 году. По состоянию на март 2010 года наработка первых экземпляров устройства БМАЧР составила 180 месяцев (5400 дней или 131400 ч).
За все годы выпуска внешний вид блока изменился незначительно (рис. 18; а, в). Почти совсем не претерпела изменений и элементная база изделия (рис. 18, б). Как в начале производства, так и в последующие годы при изготовлении блока использовались практически только отечественные комплектующие элементы.
Столь длительный период выпуска изделия стал вызывать сложности с обеспечением производства комплектующими элементами, так как значительная часть радиоэлектронных компонентов к 2009 году или уже была снята с производства или их производство планировалось прекратить в ближайшее время.
Рис. 17. Выпуск блоков БМАЧР с 1995 по 2009 годы
Рис. 18. Блоки БМАЧР:
а - внешний вид первых изделий; б - плата МПР первых изделий; в - внешний вид новых изделий
В связи с этим в 2009 году производство первого по времени разработки отечественного цифрового устройства релейной защиты БМАЧР было завершено.
Непрерывное наблюдение все эти годы за блоками позволяет не только подвести некоторые итоги их эксплуатации, но и вынести обоснованное суждение о фактической надежности цифровых устройств.
К 2009 году изготовитель блоков БМАЧР получил всего 40 замечаний к их работе, причем первые из них поступили только через четыре года после начала эксплуатации - в 1999 году (рис. 19).
В соответствии с рекомендациями стандарта [24] из указанного количества замечаний только 35 были признаны
Рис. 19. Распределение количества замечаний по годам
Рис. 20. Уточненное распределение обращений по годам
производителем обоснованными, из чего следует, что к работе блоков предъявлялось в среднем 2,3 замечания в год (горизонтальная линия гср на рис. 19).
Повторных замечаний к работе блоков потребители не высказывали. Большинство (650 из 690 выпущенных) блоков БММРЧ не имели ни одного замечания по своей работе за все годы эксплуатации.
Здесь необходимо отметить, что 8 из 12 замечаний, высказанных к работе блоков в 2009 году, относятся к партии изделий БМАЧР, направленных в адрес одного потребителя. Все замечания к работе блоков были выявлены одновременно и оказались одинаковы для всех 8 блоков. Фактически они не имеют отношения к надежности изделия, поэтому будем рассматривать эти 8 претензий как одну.
В итоге всего к работе блоков БМАЧР за период, прошедший с момента ввода в эксплуатацию первого блока до 2009 года, было высказано только 28 замечаний, в среднем по 1,86 замечания в год (горизонтальная линия гср на рис. 20). При этом никогда не предъявлялось более 5 замечаний в год.
Для информации ниже приведен перечень элементов, отказ которых стал причиной замечаний к работе блоков БМАЧР до 2009 года:
варистор - 5[3]; предохранитель - 5[4]; резистор - 1; микросхемы - 2; реле - 2; конденсатор - 5[5]; кнопки клавиатуры - 5; резонатор кварцевый - 2.
Справедливости ради надо отметить, что в 2009 году в блоке, выпущенном почти семь лет назад (в 2002 году) был зафиксирован отказ варистора отечественного производства, отработавшего 81 месяц (58320 ч), что в 3,24 раза больше средней наработки на отказ 18000 ч, указанной в документации на блок БМАЧР [79].
В первых по времени изготовления блоках БМАЧР в модуле питания были применены варисторы отечественного производства, невысокая надежность которых привела к отказу модулей питания в трех блоках. После замены этого элемента на варистор импортного производства отказы блоков БМАЧР по этой причине до 2009 года не повторялись, однако за период с 2009 по 2013 год по работе блоков БМАЧР потребителями было высказано 2 замечания, которые были связаны с отказами варисторов типа 2322 594 53016 300 V ВВС «Philips». Отказы варисторов вызвали перегорание плавкой вставки.
В одном из блоков, выпущенном в 2004 году, варистор отработал 85 месяцев (более 7 лет), а в другом (год выпуска - 2007) - 41 месяц (меньше 3,5 лет). Необходимо отметить, что причиной отказа обоих варисторов типа 2322 594 53016 300 V ВВС «Philips» стало повышение напряжения оперативного питания сверх допустимого значения - 264 В.
К причинам, вызвавших замечания к работе блоков БМАЧР за этот период времени, следует отнести также 2 случая хо-
лодной пайки, приведшие к отказу блоков после некоторого периода эксплуатации.
В приведенном выше перечне элементов, приведших к отказам блоков БМАЧР, указаны отечественные резисторы и конденсаторы.
Замена этих комплектующих элементов на импортные исключила повторение таких претензий к работе блоков БМАЧР, выпущенных в последующие годы.
Серийный выпуск изделий БМАЧР был прекращен в 2009 году, но жизненный цикл изделий продолжается, как продолжается наблюдение за изделиями, находящимися в эксплуатации, и послегарантийное обслуживание выпущенных ранее изделий.
За 2009-2013 годы потребителями было предъявлено одно замечание по работе блока БМАЧР, выпущенного в 1998 году и находившегося в эксплуатации 150 месяцев (12,5 лет).
Причиной стал отказ конденсатора типа К50-35-16В-2200 мкФ+50% 20% из-за его старения.
Практически единственный элемент, оставленный в блоке БМАЧР без замены до окончания производства, - кнопки клавиатуры для навигации по меню. К работе кнопок было высказано всего 5 замечаний до 2009 года и одно в 2012 году - к блоку. Последнее замечание касалось блока, выпущенного в 2004 году и находившегося в эксплуатации 92 месяца (более 7,5 лет). Работоспособность кнопок в 5 случаях восстанавливалась после их очистки, а в блоке, выпущенном в 2004 и отработавшем 92 месяца, пришлось заменять контакт из токопроводящей резины и резиновое же кольцо.
Два замечания по работе блоков БМАЧР из 10, высказанных пользователями за 2009-2013 годы, были признаны необоснованными, так как в условиях испытательной лаборатории предприятия-изготовителя блоки выпуска 2007 года (эксплуатировался 45 месяцев) и 2009 года (не был введен в эксплуатацию, срок хранения 42 месяца), функционировали в соответствии с требованиями, установленными в технической документации.
В 2010 году поступило замечание по работе блока, выпущенного в 2009 году и находившегося в эксплуатации 1 месяц. Причина возврата блока - отказ микроконтроллера типа АТ91SAM7S256-AU-001 «Atmel».
Судьба одного из двух возвращенных блоков БМАЧР решилась на основании легенды, согласно которой первые блоки, выпущенные до 1997 года, находятся на пожизненном гарантийном обслуживании.
Учитывая состояние блока БМАЧР зав. № 0053, выпущенного в 1998 году и проработавшего более 165 месяцев (возвращен в 2012 году), было принято решение о нецелесообразности его восстановления из-за значительного старения комплектующих элементов и, как следствие, невозможности установить гарантийный срок на отремонтированный блок.
Второй из возвращенных блоков БМАЧР, зав. № 0025 (выпуск 1997 года, продолжительность эксплуатации более 173 месяцев, возвращен в 2011 году) был заменен новым блоком БМАЧР. Ремонт этого блока признан экономически нецелесообразным, так как состояние исправных элементов не позволяло дать гарантию на выполненный ремонт.
В последнем из возвращенных в 2010-2013 годах блоков отказал диод RL207 «DC Components СО LTD», что в свою очередь вызвало отказ резистора С5-37В-5-8,2 Ом±Ю% ОЖО.467.540 ТУ. Блок был выпущен в 2006 году и проработал 63 месяца, а до ввода в эксплуатацию его хранили в течение 24 месяцев.
Всего за период с 1999 по август 2013 года была произведена замена или ремонт (касается клавиатуры) 33 элементов.
Рис. 21. Замененные и отремонтированные элементы в блоках БМАЧР за период с января 1999 по август 2013 года
Рис. 22. Изменение числа обращений потребителей на 100 блоков по годам выпуска блока БМАЧР:
горизонтальная линия - количество обращений на 100 блоков БМАЧР в 2013 году
Соотношение заменяемых и ремонтируемых элементов показывает круговая диаграмма на рис. 21.
Найдем значения рассмотренного ранее показателя - «количество обращений потребителя на 100 изделий, находящихся в эксплуатации» (см. рис. 21 и текст к нему) - для всех блоков БМАЧР, находящихся в эксплуатации с 1999 года (год поступления первого замечания от потребителя) по 2009 год (рис. 22).
При этом за период с 1995 по 2009 год количество блоков, находящихся в эксплуатации, принимаем равным количеству выпущенных блоков с момента начала производства, то есть количество выведенных из эксплуатации блоков не учитывается.
Допустимость такого подхода подтверждается приведенной выше информацией о наработке блоков, возвращенных потребителями за период с 2009 по 2013 год, и подтверждающей факт работы изделий, выпущенных более 15 лет назад.
Сравнение изменений числа обращений потребителей с замечаниями по работе блоков БМАЧР (см. рис. 19) с изменением этой же характеристики для изделий, разработанных позже (см. рис. 13), позволяет сделать вывод о том, что изменение элементной базы и применение более совершенных технологических процессов, обусловленное существенно большим объемом выпуска, позволили уменьшить этот пока-
Рис. 23. Суммарная наработка блоков БМАЧР на момент предъявления i-ro замечания
Рис. 24. Изменение расчетного значения А..-10'5, месяц'1
затель в несколько раз, что позволяет говорить о повышении надежности выпускаемой продукции.
Однако для корректного определения показателей надежности блока БМАЧР в соответствии с рекомендациями, изложенными в стандарте [24], используем стандартизированную характеристику - интенсивность отказов Я.
Для определения этой характеристики необходимо знать изменение наработки всей совокупности блоков Тсум на момент предъявления 1-го, 5-го, 10-го и т.д. замечания (рис. 23).
На основании известных значений суммарной наработки Гум интенсивность отказов Я для указанных точек рассчитывалась по формуле, приведенной в [24]:
Результаты расчетов отображены на диаграмме (рис. 24).
Для всей совокупности из 690 выпущенных блоков БМАЧР при 35 предъявленных к ним претензиях интенсивность отказов составила:
Рис. 25. Изменение суммарной наработки блоков БМАЧР
Рис. 26. Изменение средней наработки блоков БМАЧР
Если же для этого же количества выпущенных блоков рассматривать только 28 замечаний (см. текст к рис. 20), расчетная интенсивность отказов составит 0,00065 месяц1, то есть уменьшится примерно на 20%, пропорционально произведенному уменьшению числа замечаний.
Второй показатель надежности, который можно определить на основании информации, полученной от потребителя - наработка на отказ. Подобный подход рекомендован и в работе [15]. Сначала приведем график изменения суммарной наработки блоков Гсум в зависимости числа находящихся в эксплуатации блоков N (рис. 25)[6].
Естественно, что изменение суммарной наработки связано и с изменением числа блоков БМАЧР, находящихся в эксплуатации (ср. с рис. 17). На основании данных, полученных от эксплуатирующих предприятий, средняя наработка на один блок для всей выборки блоков БМАЧР составила:
Это значение Тср соответствует 44640 ч, что превышает установленное в документации на блок БМАЧР значение То в 2,48 раза. Если суммарная наработка всего массива блоков БМАЧР непрерывно возрастала, то наработка на один блок БМАЧР постепенно уменьшалась от 153 месяцев для 50 блоков до 62 месяцев для всей выборки из 690 блоков (рис. 26).
Изменение наработки на один блок описывается формулой:
при достоверности аппроксимации 0,9902.
Для суждения о надежности изделия важны не только приведенная наработка на один блок, рассчитанная для всего массива изделий, находящихся в эксплуатации (см. рис. 26), но и наработка на отказ, рассчитанная для тех блоков, к работе которых были высказаны те или иные претензии в соответствующем году (рис. 27).
Линия тренда (график 7расч1), проведенная на рис. 27, показывает увеличение средней наработки на отказ Гср по годам эксплуатации.
Рис. 27. Изменение наработки блоков БМАЧР, к работе которых были замечания
В соответствии с расчетами, среднее значение наработки на отказ Гср блоков, к работе которых были предъявлены претензии, составило 52,1 месяца, что соответствует 1563 дням или 37512 ч (горизонтальная линия на рис. 27). Полученное таким образом значение наработки на отказ более чем в два раза превышает значение, указанное в технических условиях на блок БМАЧР - 18000 ч. Для окончательной оценки значения наработки на отказ блоков БМАЧР был применен метод контрольных испытаний на надежность с восстановлением объектов, основанный на рекомендациях стандарта [24]. Применение этого метода для других изделий описано в статьях [12, 15].
Для получения адекватных результатов число блоков, находящихся в эксплуатации в тот или иной момент времени, должно быть не меньше определенного по формуле:
где Гтах - предельная суммарная наработка; tM - продолжительность испытаний.
Значение Гтах рассчитывают с использованием соотношений, приведенных в табл. 4 стандарта [24], в зависимости от:
- - предельного числа претензий гпр, предъявленных к работе блоков;
- - приемочного значения наработки на отказ Гр;
- - нормированного значения наработки на отказ Гн;
- - риска поставщика а;
- - риска потребителя (3.
Рис. 28. Значения Т в зависимости от г :
max пр
верхняя линия - при Т(,=Ти=100000 ч (139 мес.); нижняя линия - при Т(1=Т =50000 ч (69,5 мес.)
Рис. 29. Зависимость минимального числа блоков от предельного числа отказов гпр
Рис. 30. Количество блоков, находящихся в эксплуатации к моменту получения i-ro замечания:
минимальное (нижняя линия) и фактическое (верхняя линия)
Рис. 31. Изменение Т
max
и суммарной наработки блоков БМАЧР при Тн=100000 ч
На рис. 28 показаны результаты расчетов для а=(3=0,05 и двух значений наработки на отказ Г(;=Гн=50000 ч при tH=69,5 месяцев (нижняя линия) и Гр=Гн=100000 ч при tM= 130 месяцев (верхняя линия).
На основании данной информации и формулы (31) была определена зависимость минимального числа блоков A/mjn (рис. 29), находящихся в эксплуатации, от предельного числа отказов для двух значений Гр=Гн=50000 ч (нижняя линия) и Г=Гн=100000 ч (верхняя линия).
Таким образом оказывается, что даже для подтверждения наработки на отказ Гн=100000 ч достаточно, чтобы наблюде-
ние проводилось над блоками, количество которых находится в диапазоне от 8 (соответствующее предельному числу отказов гпр=5) до 28 блоков для гпр=25 (рис. 30).
Как показывают графики, только для гпр=5 минимально требуемое количество блоков совпало с числом блоков БМАЧР, фактически находившихся в эксплуатации. Во всех остальных случаях количество блоков БМАЧР, находившихся в эксплуатации, значительно превышало минимально необходимое по рекомендациям стандарта [24].
Продолжительность испытаний (длительность эксплуатации) для всей выборки (690 блоков БМАЧР) составила 170 месяцев - от даты ввода в эксплуатацию первого блока БМАЧР до 01.12.2009.
Для оценки наработки на отказ по данным, полученным от эксплуатирующих предприятий, были построены графики фактического изменения суммарной наработки в зависимости от числа предъявленных претензий (верхняя линия на рис. 31) и расчетного изменения Гтах от предельного значения гпр (нижняя линия на рис. 29) для Г( = Гн=100000 ч.
При предельном числе отказов гпр=5 суммарная наработка блоков БМАЧР (819 месяцев) меньше, чем расчетное значение Гтах для Гн=100000 ч. Опираясь на полученные расчетным путем значения, можно предположить, что средняя наработка на отказ блоков БМАЧР превышает 50000 ч, так как суммарная наработка блоков БМАЧР, определенная по результатам информации, полученной от эксплуатирующих предприятий, всегда превышает расчетное значение Гтах для Гн=50000 ч.
Все это позволяет сделать один принципиальный для оценки надежности блоков БМАЧР вывод:
Средняя наработка на отказ превышает 50000 ч.
Сравнение даты выпуска и даты ввода в эксплуатацию возвращенных изготовителю блоков БМАЧР подтвердил выявленную ранее закономерность - снижение срока ввода цифровых устройств в эксплуатацию.
После снятия в 2009 году блоков БМАЧР с производства в эксплуатации осталось 690 блоков. Перед принятием решения о снятии изделия БМАЧР с производства была произведена оценка возможного количества претензий до истечения срока службы всех выпущенных изделий.
При расчетах предполагалось, что каждый год из-за окончания срока службы из эксплуатации будет выведено такое количество
Рис. 32. Прогноз изменения количества блоков и их наработки
блоков, которое было введено 15 лет назад (нижний график на рис. 32), и на основании этого рассчитывалась наработка оставшихся в эксплуатации блоков (верхний график на рис. 32).
Расчетные данные показывают, что до истечения срока службы всех выпущенных блоков БМАЧР их суммарная наработка составит 75132 месяца.
Предполагая, что рассчитанное по данным эксплуатации значение интенсивности отказов А останется неизменным, можно оценить ожидаемое количество претензий П за последующие после окончания производства 15 лет:
Наблюдение за блоками, находящимися в эксплуатации после прекращения серийного производства в 2009 году, показало, что данный прогноз достаточно пессимистичен. И прежде всего потому, что выбранное по результатам произведенной оценки значение наработки на отказ оказалось ниже фактического.
За прошедшее с 2009 года время количество замечаний по сравнению с предыдущим периодом времени осталось тем же - в среднем около 2 замечаний в год.
Опыт ремонта возвращенных за все предыдущие годы блоков БМАЧР показал, что держать в запасе съемные модули нет необходимости.
Примененный в этом изделии навесной монтаж позволил произвести ремонт блока путем замены отказавших элементов. Запас комплектующих элементов на весь оставшийся период эксплуатации необходимо поддерживать только для газосветных индикаторов и кнопок, использование которых в других изделиях прекращено.
- [1] В разработке устройства принимал участие проф. Н.В. Гуров, Рига.
- [2] В 1996 году не было выпущено ни одного изделия.
- [3] Отказы варисторов в блоках БМАЧР прекратились, когда в 2004 году произвели замену этих элементов на импортные.
- [4] Количество отказавших варисторов и предохранителей совпадает, так какпри отказе варистора сгорает вставка предохранителя, предотвращая тем самым дальнейшие повреждения в цепях питания.
- [5] Один конденсатор типа К50 отказал после 10 лет эксплуатации блока БМАЧР.
- [6] В связи с большим количеством эксплуатируемых блоков график изменения суммарной наработки блоков составлен для групп по 50 блоков.
