加速寿命试验与电能表的可靠性试验方法

1、455162008 12Electrical Measurement &InstrumentationVol.45 No516Dec. 200S325603:现行电能表相关标准对电能表的可靠性与寿命提出了和关耍求，然而，相应的测试 方法非常费时。本文在介绍了可靠性与加速寿命试验的一般理论基础上，结合电能我的 应用环境，甘次提出采用高温筒湿坏境实现加速妤命测试的方法川以评估电能农的可靠 性,该方法在实验室中用10台样机进行10天左右的时间，可以验证电能表10年的平均寿 命，从而大大可以减少试验时间并在浙江正泰仪表公司内部开展了验证 在此某础上，本 文还探讨影响电子式电能表寿命的LCI)、电池和电

2、容等元器件的寿命评定方法,:可靠性；加速寿命试验；加速因子：MTBF； MTTF:TM933: A：1OO1-139Q 2008)12-0063-04Accelerated life test and method for reliability test of kWh meterPU Zhi-yongJJN Ke(Zhejiang Cliint Instrument & Meter Co., Ltd., Wenzliou 325603, Zhejiangt China)Abstract: The requirements for reliability anl mean-life of kW

3、h meter have l)een proposed in newly -issued Chinese national standards and induslry standards However, the testing inetlnxl still takes very long time. On the basis of the general theory of reliability and accelerated life test, a new testing inethooraton within about 10 days, which greatly reduces

4、 testing time This method has also been verified in Chint Instalment & Meter Company. This paper also proposes the different methods for evaluation the mean-life of some critical components including LCD, battery and capacitors in a static kWh meter.KeV words: reliability, accelerated life tesL acce

5、lerated facton MTBF, MTTE-63 - 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 455162008 12Electrical Measurement &Instrumentation-# - 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 455162008 12Electrical Measurement &Instrumenta

6、tion电能表的可靠性特征帚规定为平均寿命。可喩性 是应用r贸易结算的电能表的一个关键指标，文献|1| 从电测与仪农行业总体角度捉出了电磁兼容、可靠性 等方而的发展展望。虽然在国家标准GBAT 15284- 2002多费率电能表特殊要求严和GB/T 17215.301- 2007多功能电能表特殊要求卢中祁对电能表的平 均寿命提出了耍求，同时，各省由的招标技术规范1 亦多对平均寿命提出了指标性耍求，比如，GB 15284-2002中提出“电能衷的其平均寿命(MTTF)应 不低JTO年，相应的平均寿命卜限值(“2应不低I- 2.19xlO4h”, 一般的，国内对电子式电能表的平均寿 命要求均为10

7、年；但是，在上述标准或技术规范中却 很少给出几体的可靠性评估方法，比如,GB/T 15284- 2002中规定的测试方法就是简单的描述为“可常性验 证试验按JWT 50070规定的方法进行”。其实，如果严格按照机械行业标准JBC 50070- 2002(111能农可靠性耍求及考核方法艸规定的方法开-# - 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 45516Dec. 2(MW-# - 1994-2010 China Academic Journal Electronic

8、Publishing House. All rights reserved, 45516-# - 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 45516展试验，即使是对J记经生产多年、质昴良好H性能 稳定的产品，考核其平均寿命是否满足10年的指标耍 求，采用标准推荐的垠人样本数吊43台,完成试脸依然 需要1360小时以上，约两个月时间;对J洪他类产品的 试验时何更长，因此，在实践中，测试机构很少对牛产 厂家提供的电能表开展町靠性指标的测试与验证本文通过介绍可靠性与加速寿命试

9、验的一般理 论X,结合电能表的相关规定，TT次提出采用加速寿 命测试的方法，验证电能表的平均寿命，并在此基础 上,着重探讨影响电子式电能表寿命的几个元器件的 寿命评定方法。11.1 MTBF MTTFMTBF (Mean Time Between Failure)即 丫均故障 间隔时间，是衡磺一个产品(尤其是电器产品)的可靠 性指标，单位为“小时”C它反映了产品的时间质昼，是 体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体來 说,是指相邻两次故障Z间的半均匸作时Mo MTBF仅 适用丁可修理产品。MTTF (Mean Time To Failure),即平均无故障时 间，是产胡在失效前的平均工作

10、时间，单位为“小时”, 它也体现了产胡在规定时间内保持功能的一种能力。 MTTF仅适用J；不可修理产品。由电能表本少价值不高，经过10年ft至更长时 间的运行，拆卜来的电能表一般不再进行修理，从这 个意义上说，电能表属不可修理产品，可靠性特征 量采用MTTF,1.2 MTBF/Mm在实际丁作中，很多时候并不需耍精确地知道某 个产品的MTRF/1TTF,只需耍知道是否町以接受此 产胡，比如，电子式电能衣的平均寿命规定为10年，我 们并不需耍准确测试该电能表的实际寿命，只盂耍判 断该电能表的平均寿命是否达到10年，屈可旅性验 证试验。这时，只需要对产品进行摸拟运行测试，当产 品通过了测试时，就认为

11、产品达到了要求的MTBF/ MTTF,可以接受此产品卜面举例说明测试条件的确定方法。例1某种产品，耍求在90%的置信度FMTBF为 200011,如何判定此产品的町靠性是否达到了规定的 耍求？此问题可以转化为判定该产品是否能通过规定 时间的模拟运彳测试，测试时间卩由式 确定：T=A xMTBF(1)式中4为测试因子，由“在规定的时间内允许失效的 次数和“置信度”确定。根据可靠性的计算方法，苴接釆用公式如F： .4=0.5x/(l-,2(r+l)(2)式中r(l-a,2(r+l)是自由度为2G+1)的卡方分布 的d-d的分位数;“是要求的置信度,本例中为90%；r 是允许的失效数。如果允许失效2

12、次时,则测试因子/!为：/1=0.5xA2(1-0.9.2x(2+1)=0.5x1(0.1,6)=532 ；R方分布值亦可以通过EXCEL來计算，在EXCEL 中对应的函数为CHIINV.因此测试时间为：7=5.32x2000= l()644h即当产品模拟运行10644I1JU,只要出现不超过2 次失效，就可认为此产品达到了耍求的可靠性。应当看到，106441】己超过了一年的时间，在测试 和验证过程中是不切实际的实际操作,我们可以从两 个方面去减少测试时间：(1) 增加测试的总样品数；从统计上看，上述测试 时间是所有样机的测试时间总和，即10644台时;如果 测试中有100台样机，则只需耍测试

13、到100.6h；(2) 减少允许失效的次数：允许失效的次数为1 时，同上计算后得到的测试因子A为3.89,测试时间为 7780台时。必须指出，即使对价格较低、数晟较多的产品， 如单和普通电能农，由J MITE耍求高达2190011,用基 本的MTBF/MTH验证方広，石耍人砒的测试样机和 较长的时间，这对验证电能表的可靠性指标是卄常 不方便的。1.3当产品的价格较高或耍求的MTBF/ MTTF较人 时，产品可以进行加速测试，以便缩短时间。例2某种产品，耍求在90%的置信度FMTBF为 2000011, IS单价较贵,只能提供10台产品做测试, 2000011的MTBF也需要测2000h左右,这

14、个时间人长, 应该如何处理？对一般电子产品而言，多用高温加速或用高温高 湿加速。根据阿仑尼乌斯模型(Arrhenius ModeD , 温高湿卜的加速因子A F(Accelerated Factor)的表达 式如式(3)所示：X - AF=e T，耳(3)式中E为激活能(eV)： A-为玻尔兹曼常数且&6xFkTtrival Measureinent &InstrumentationVol.45 No516Dec. 2(M10-5eV/K：T为绝对温度;尺指相对湿度，单位为: n 一般惜况卜取2 F标“指常态；卜标“指加速状态 瓦根据原材料的不同，有不同的取值,-般情况下:氧化脸破坏0.3eV

15、离子ft/SiOi中Na离子漂移）I.0-1.4eV离子性（Si-SiO2界面的慢陷阱）I.OeV由J：电迁移而断线O.ZV铝腐迪0.6-0.9rV金属间化介物生长 O.5-O.7eV根据电能表产品的特点，一般情况卜，反取 0.6eVo2国家标准GB 17215-20021级和2级静止式交 流有功电能衣严规定的电能表匸作极限温度范围划 40尤70弋（八外仪表），相对湿度年平均W75%,以自 然方式分布的30天内相对湿度为95%，,在其余时间冇 时达到的相对湿度为85%,假设室温测试条件以参比温度23七、相对湿度 75%计:在不影响电能衣整体性能并保证电能衣正常 工作的工作极限温度楓度范帀内，将

16、加速条件设定 为工作极限范围的匕限值，即高温70弋，在相对湿度 为95%和85%情况卜，根据式计算出的加速因子 分别为：化沪35.5讥沪29.7根据国标GBC 15284-2002|提出M7TF卜限值 （渤应不低2.19x100若允许I次失效，在90%的置信度卜，测试因子.4 为：4=O.5x2（O.1.4）=3.89所以耍求的室温卜的测试时间为：7=3.89x2.19x 104h=8.52x 104】在常温和高温高湿条件卜，在90%的置信度卜， 验证10年可靠性指标对应的测试时间如表1所列、1坏境条件测试时何/h冶时）10台样机对应时归J/h23C 75CRH8.52 X104852070*

17、C 85GRH240024070r 954 RH2868287在采用10台样机同时试验的情况卜，在高温70七,在相对湿度为95%和85%情况下，验证10年可靠 性指标的测试时间分别为240H和287H,约10大和12 天。应当指出，在加速试验条件卜，利用10台样机在 高温高湿的情况卜持续测试运行10天左右的时间考 核电能表的卜均寿命,这是一个可行的测试方法.浙 江正泰仪器仪农自限公诃已开展対其生产的部分电 子式电能农的试脸，试验温度为70T,相对湿度为 95%,寿命评估满足10年的可靠性耍求。当然,在测试机构和电能表厂家双方同意的情况 卜，可以适当提高测试温度，从而提高加速因子，进一 步缩短测

18、试时间。3电子式电能表中贴片电阻、贴片电容、集成电路、 线路板、机械结构件等兀器件C能满足电能表10年的 平均寿命要求，比如，电子式电能农芯片已能做到在 150七高温卜力I速老化试验3000小时后性能不老化，已 远远超过了电能表的寿命耍求 但是，I.CD显示器、电 池、电解电容等尤器件的使用寿命仍然制约着电子式 电能农的平均寿命,令人欣慰的是，随着技术的进步和 工艺的持续改进，这类元器件的寿命正口益提高，3.1 LCD不同生产厂家的LCD寿命一般在5力到10力小时 Z间。由LCD寿命的制约,浙江电力公司曾在2002 年制定的多费率电能衷技术规范中，耍求在夜间关闭 I .C D以节省LC1）的使

19、用时间，从而提高电能表使用年 限。LCD的加速温度试验方法同样适用阿仑尼乌 斯模型，由J材料的不同，1CI）的激活能匕可Ikl.OrVr 根据加速系数式推算:温度70弋、相对湿度909HW 的条件卜，対应的加速系数约为28（）：如果耍求产品的 寿命为10力小时，保守估算，取加速系数为200,只要 在此条件卜，测试500小时（约20.870后，LCI）如能正 常工作，则表示该I.CD在常温条件卜可丁作10年以 上。町以类推：当温度100七相对湿度90%KHW，加速 系数约为10000,如果耍求LCD的寿命为10力小时，只 耍在此条件测试10小时,LCD工作正常，就表示LCD 在常规条件用的寿命达

20、到io万小时。因此，也有 生产丿家在止常生产时是用水蒸汽（10（n；、100%RH） 蒸煮10小时,來判定LCD的寿命足否介格即通过此条 件测试，就表示LCD在常温条件卜使用的寿命达到10 万小时。3.21972年，类国Sandia国家实验室承担矣国能源 部、航天局及核武安全委员会委托，进行电池寿命的 加速试验评价模型研究,得到的结论认为高温心储急 速试验可以快速评价电池的可兼性，该成杲结论紂到 本、以色列电池厂商的实践证明，并J1994年获得 美国“总统奖”。该结论的原理是:在高温卜，化学反应速度加快，电 池内部各化学反应加快，根据范特霍夫（、曲ilhdD定 律，温度每升高10倍，化学反应速

21、度增加27倍,：根据这 一化学反应动力学规律以及电池生产实践，一般认为电 池在601卜心储200人，就相当于在常温卜心储在电能表中应用的电池主要有支持时钟运行的 人容乗锂电池和支持停电抄表的高功率电池 高功率 抄表电池由于可更换，不存在寿命问题；而通常支持 时钟的人容磺电池，基本上均在微安（I1A）级傲小电流 工作，这实际上可以认为电池基本是处J：储存状态。 因此，电池在60*卜存储200大能满足电子式电能衣 10年的平均寿命要求。需耍指出的是，试验温度60七是一个相対较低的 温度 因为事实上，在实际使用环境卜,601的温度也 是容易达到的，例如智能仪衷出厂前的老化温度-般 就是60弋左右。即

22、使每犬只有几小时的高温环境，再 加上温度变化带來的负效应，都会使设计不良的电池 储存寿命人人缩短 由J：这-问题的严重性，有国外 著名品牌电池把进行电池评估的高温储存试验温度 提高到72XO3.3长寿命的铝电解电容的寿命是在温度105%卜使 用时间达到5000小时以上（包括5000小时）o长寿命铝电解电容的寿命与温度、外形尺寸、电 压都有直接关系,在电压不变的条件卜温度每降低 10C寿命可延长一倍，因此，对F铝电解电容而言, 加速寿命试验只要提高其工作温度即可。从应用情况来看，选用知名品牌的长寿命铝电解 电容的单相电子式电能表使用状况良好4本文酋先介绍了可靠性理论的一般概念和应用 加速寿命试验的阿仑尼巾斯模熨，并举例说明了评 估产品MTBF/MTTF的试验方法。如果应用基本的 MTBF/MTTF的试验方法,验证电能表10年平均寿命 将非常耗时。本文根据国家标准对电能表极限工作环 境的耍求，提出了采用在高温高湿的极限T作环境F 开展加速寿命试验方法评估电能表的可幕性，采用该 方法验证电能表10年平均寿命,只需要在试验室中对 10台样机持续进彳人左右的高温奇湿试验，人人降 低了试验时间。在此基础上,本文针对电子式电能表中主要影响 电能表寿命的LC1）、电池和电解电容，分别提出了不 同的寿命评佔方法。由J：电能表