第六章-可靠性试验

6-1可靠性的基本概念与主要特征量6-2可靠性试验分类6-3可靠性筛选试验6-4加速老化试验及其数据的分析6-5热老化试验6-6电老化试验可靠性试验产品的质量指标主要有两类性能指标产品完成规定功能的级数指标可靠性指标反映产品保持其性能指标的能力产品的功能是否能得到发挥，在很大程度上取决于产品的可靠性水平可靠度及可靠度函数可靠度R

：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，可靠度是一种用概率表示的产品特性。不可靠度F：产品在规定的条件下，在规定的时间内丧失规定的功能（即发生失效）的概率。F=1-R可靠度是时间t的函数，R(t)称为可靠度函数N:总试样数，n(t)：在t时刻失效试样数6-1可靠性的基本概念与主要特征量失效密度函数及累积失效分布函数失效密度：产品在t时刻附近的一个单位时间内的失效数与起始时刻(t=0)的工作产品数的比值。与时间t有关，记做f(t)，即失效密度函数根据f(t)可估计任意时刻的累积失效概率，即不可靠度，用F(t)表示，称为累积失效分布函数，或失效分布函数。F(t)表示失效时间ε在t以内的失效概率P失效率及失效率函数失效率及失效率函数λ(t)：失效率就等于产品在t时刻后的一个单位时间内的失效数与在时刻t尚在工作的产品数的比值失效率更直观的反映了每一时刻的失效情况，也把失效率称为失效强度失效率越低，则可靠性越高平均寿命和寿命标准离差可靠性寿命特征：与失效时间相关的产品寿命。包括平均寿命、寿命标准离差、可靠寿命等。在数学上，大多数属于表示是小分布基本特征的特征数产品的平均寿命产品从开始使用到产生失效（或故障）的平均工作时间。失效时间为随机变量，平均寿命即求失效时间的数学期望分组测量，各组中值ti，各组频数Δni，反映子样观测值的中心位置标准离差S各组平均数的离散程度总的标准离差可靠寿命给定一个可靠度值r，可以求得产品经使用后可靠度降到r时的寿命tr，称为可靠寿命r称为可靠水平可靠寿命可利用可靠度函数反解求得t0.5称为中位寿命时的可靠寿命称为特征寿命 可靠性试验，是指为评价、分析产品的可靠性而进行的试验的总称。 可靠性试验的目的是评价产品的可靠性水平，即通过规定的试验方法进行可靠性试验，并对获得的试验数据进行统计分析，从而得出该产品的可靠性指标，为产品的研制、设计和使用提出依据。 可以通过试验对失效产品进行分析，找出其失效的原因，采取相应的改进措施，进而达到提高产品可靠性的目的。6-2可靠性试验分类可靠性试验种类可靠性试验方法：对被试样品施加一定的应力，在这些应力的作用下，被试样品将反映出其性能是否稳定，其结构状态是否完整或是否有变形，从而判断产品是否失效。试验种类可分为现场使用试验和模拟试验两大类现场使用试验：最符合实际情况的试验模拟试验：将产品在工厂或实验室模拟实际工作状态进行试验非破坏性试验：较贵重的设备和系统的可靠性分析破坏性试验：不太贵重的产品寿命试验：在规定的条件下投入一定数量的试品进行寿命试验，记录失效时间，统计分析失效分布等可靠性指标临界试验：评定产品承受工作应力和环境应力影响的极限能力根据施加在产品上的负荷和环境劣化程度不同正常使用状态试验加速寿命试验根据负荷的变化恒定负荷试验变动负荷试验无负荷状态下的放置试验试验的目的筛选试验、例行试验、鉴定试验、专门的试验常用的寿命分布及其实用背景指数分布使用条件：系统由大量元器件构成；各元器件的失效互不影响，相互独立；任何一个元件失效都会造成整个系统发生故障等产品的平均寿命及方差产品的可靠度及失效率产品的可靠寿命及中位寿命威布尔分布三参数威布尔分布密度函数m称为形状参数,η称为尺度参数，t0

称为位置参数威布尔分布函数产品的平均寿命及方差可靠度函数及失效率函数可靠寿命及中位寿命正态分布失效概率密度函数失效分布函数可靠度函数及失效率函数 产品中潜在的缺陷导致产品的强度和寿命远低于该批产品的平均寿命，形成产品的早期失效。 可靠性筛选试验就是为了保证该批产品在使用（或装机）之前先剔除这些早期失效产品，从而使投入使用的产品具有较高的可靠性水平。 可靠性筛选试验是一种非破坏性试验。筛选后，对某些批产品来说，它的失效机理和失效分布不应该受到影响。6-3可靠性筛选试验筛选方法的依据和原则筛选效果的三个参数筛选剔除率Q=剔除的产品数/受试的产品总数从反面说明产品可靠性的成品率Q值越大，说明筛选前的可靠性越差，成品率低筛选效率ω=剔除的次品数/实际的次品数是一个0与1之间的数，越接近于1，说明筛选方法越严格，即剔除早期失效产品越少筛选损耗率L=好品损坏数/实际好品数越小越好，即错判非早期失效产品减少理想的筛选目标使筛选前后的该批产品投入使用时，其最初的失效率应该是或接近浴盆曲线上早期失效期结束及偶然失效期开始的那个拐点可靠性筛选与常规质量检验的区别可靠性筛选的目的不是检查出检测时就是坏的产品，而是假设筛选前产品已属通过检查的合格品可靠性筛选对产品进行100%的试验可靠性筛选分出的不同等级是对应于一定的寿命要求和预定的工作条件可靠性筛选试验方法分类目视筛选：人类表观化方法，如：检查产品尺寸、外观等通电筛选：如：耐电压试验，对电子元器件进行的Δ筛选环境（应力）筛选温度循环：检查产品能否经受长时间的温度交替变化，检查材料间热膨胀系数差异的影响、热适应性温度冲击筛选“温度急剧变化的筛选·机械冲击振动疲劳变频率振动可靠性筛选试验设计 可靠性筛选试验实际的目的是确定试验条件，即试验的项目、试验应力和试验时间筛选试验项目的确定着眼于对缺陷敏感的参数、应力以及对缺陷敏感的测量方法筛选试验应力的确定通过可靠性摸底试验得到失效频率与试验应力的关系，选择筛选应力筛选时间的确定应尽可能多的排除早期失效品，即要求具有早期失效产品的工作寿命大于筛选时间Ts的概率尽可能小加速老化试验按施加应力来区分恒定应力：固定不变的高于正常条件的应力应力稳定，造成失效的因素较单一，准确度高，试验相对简便且较容易取得成功，但时间时间相对来说比较长步进应力：随时间分阶段逐步增加应力序进应力：随时间而连续增加应力6-4加速老化试验及其数据的分析加速老化试验理论依据常规疲劳寿命与应力曲线，在老化试验中可以得到该种曲线，称为加速老化曲线。根据加速老化分组试验结果，将各组数据绘成不同应力水平下的分布和加速老化曲线。根据加速老化曲线可估计正常应力水平下的平均寿命失效与温度密切相关的寿命方程电气设备使用寿命与其工作的温度有密切的关系，温度升高会加速失效根据化学反应动力学理论建立寿命方程τ：在某绝对温度T条件下的寿命在单边对数坐标纸上，该方程为直线方程，对应的直线即是以温度为变量的加速老化曲线，从而可用图解法或计算法推算出产品在不同温度下的寿命失效与负荷温度密切相关的寿命方程施加于绝缘材料或绝缘系统的电应力可产生老化效应，它将引起绝缘材料或绝缘系统功能下降，直至绝缘完全被击穿破坏。击穿累积的概率分布函数为威布尔分布设定击穿概率为r时，可得反幂定律tF：在设定可靠水平r下的可靠寿命；K：常数；n：常数现在电老化寿命试验或其他失效与负荷强度密切相关的试验，都可采用上述反幂定律作为加速寿命方程，对数坐标上为线性曲线加速老化试验的试验设计正确模拟实际使用条件选择加速变量选择对主要失效机理起主导作用的应力条件选择加速老化变量的应力水平选择若干等级的应力水平来做加速老化试验，称为加速变量的水平数。最低应力水平应接近正常应力，但不能太接近最高应力水平应尽可能高，但不能改变失效机理在加速老化试验过程中应严加控制那些不是加速变量，而又能够影响失效过程的其他应力条件，使其保持正常状态下的水平试验样品的选取必须是在经过筛选和例行试验合格的同一批产品中随机的抽取寿命终了的判断要选择一个主要的功能参数，能灵敏的反映老化程度，并规定这一功能下降到某一水平时作为寿命终了加速老化试验的数据分布在概率坐标纸上分别绘制不同的加速应力水平下的寿命分布直线选用威布尔分布概率纸，或其他已知的寿命分布类型试验数据呈直线，否则说明分布不符合威布尔分布，或试验有问题试验正常，各组寿命分布直线是平行的，或者直线排列的次序和位置比较合理在对数坐标纸上绘制加速寿命直线估计正常应力水平下的寿命分布 热老化是以热为主要老化因子而使绝缘材料或绝缘结构的性能发生不可逆变化。 热老化试验用来研究、比较和确定绝缘材料或绝缘结构的长期工作温度或在一定温度下的寿命。6-5热老化试验绝缘的耐热分段耐热等级由绝缘、包括绝缘材料与绝缘结构在电机电器运行中允许的最高长期工作温度决定。属于某一耐热等级的电机电器，不仅在该等级的温度下短时间内不会有显著地性能改变，而且在该温度下长期运行时绝缘也不发生不该有的性能变化，并能承受正常运行时的温度变化。表征绝缘来料、绝缘结构和产品的长期耐热性耐热等级IEC提出温度指数表示长期耐热性说明在一个特定试验条件下的性能表现一种材料可以标注一个以上的温度指数热老化试验原则提高试验温度可以加速材料的老化。绝缘热老化试验是在比使用温度高地情况下求取寿命与温度的关系曲线，然后用外推法确定工作温度下的寿命，或在规定寿命指标下求取耐热指标，即温度指数。绝缘材料的老化过程很复杂，出现多种反应或复相反应使用外推法前，必须首先研究寿命的对数与绝对温度的倒数间是否存在线性关系。在较宽温度下，取至少3个温度，进行热暴露试验绝缘破坏过程热+机械振动+电场作用+潮气等先进行单一材料的试验，再进行绝缘系统热老化试验老化因子的选择热老化试验常把温度作为老化因子，用提高温度来缩短试验时间达到加速老化的目的。其他因子维持工作条件下的最高水平，在热暴露温度改变时也保持不变对于一般用途的绝缘材料，只以热作为老化因子。但如果材料在特殊条件下使用，或材料本身的性质特殊，则为考察某些老化因子的作用，这些因子也包括在试验规程内热暴露温度最高试验温度：该温度下热老化寿命不得大于100h最低试验温度：该温度下热老化寿命不得小于5000h试验过程经过一定时间间隔把绝缘材料或绝缘结构从恒温箱中取出，进行性能变化的测定，把整个老化过程分为若干周期，例如：升温

热暴露

降温

机械振动

受潮

试验升温

热暴露

降温

试验寿命标准的确定老化标准是指老化过程中材料绝缘性能已恶化到丧失其功能的临界值标准的选择：性能参数绝缘系统：老化一段时间后加电压观察绝缘材料：该参数能反映出绝缘材料在运行中承担的主要功用，又要反映出老化过程中的主要变化，且该参数在老化过程中有明显的变化不同的材料应根据不同使用场合选取合适的参数，不能统一规定，例如：绝缘漆布——击穿电压聚酯薄膜——延伸率或抗拉伸强度数值的确定选定的终点值应该是绝缘彩使用中必须具备的选用初始值的百分数求取评定寿命的性能与试验温度下热暴露时间的函数关系或曲线，直到性能达到最大值或最小值试样形式与数量试样应尽可能模拟实际绝缘结构试验准确度依赖于每个热暴露温度下的试样数及试验结果的分散性。必须有足够多的试样。进行材料试验时，每个热暴露温度下每经一个周期最少应取5个试样进行试验试样在温度间隔相等的热暴露温度下的分配应该是不等的，两端温度下分配的试样应多于中间温度下的试样，而最低温度下的试样数应该比最高温度下的试样数多。试验准确度较高，但试验时间增加常采用各试验温度下试样平均分配的方案试验数据处理名词术语失效时间通过老化实验得到的热老化或热暴露温度下试样性能到达寿终标准所经历的时间热寿命图又称阿累尼乌斯图，由热老化试验得到的失效时间的对数于热力学（绝对）老化温度的倒数间的关系图温度指数TI耐热关系图中对应于某给定时间，通常为20000h的摄氏温度相对温度指数RTI被试材料和温度指数已知的参考材料经受相同的老化和诊断试验的对比，求得被试材料的温度指数半差HIC温度指数与对应半寿命（对应温度指数寿命的一半）点温度之差，以oC表示耐温概貌用三个温度值表示相当于热寿命图上20000h（规定的寿命）的温度值oC相当于热寿命图上5000h（规定的寿命）的温度值oC热寿命图上5000h处95%下单边置信界限的温度值非破坏性测量和耐力试验统计计算步骤1、确定失效时间试验分为连续性记录和周期性耐力试验或周期性测量2、求取回归方程y=a+bxy=lgτx=-1/T3、绘制热寿命图Y为纵坐标，x为横坐标，x从右到左增加4、求取温度指数TI或相对温度指数RTITI=b/(lg20000-a)-273RTI=TIr

+θA-θB5、求半差热寿命图的斜率6、方差同等性的检验用巴脱来脱检验在不同温度下失效时间的对数lgt的方差的等同性7、线性回归用F分布检验回归方程的直线性如果F比表值大，认为偏离直线式显著的。如小于表值，则认为回归线是线性的8、热寿命图中时间的置信界限给定X值下y的真值的95%下单边置信界限9、计算相应于失效时间为5000h或20000h的温度y=a+bx10、计算方差系数11、求取θ5的置信界限相应于失效时间5000h的温度θ5的95%下置信界限θC12、求取耐温概貌TEP破坏性测量和耐力试验统计计算步骤1、确定失效时间只能在每个温度下绘制被测性能——测量时间图根据测得的数据绘制一条代表测量数据的最佳曲线，该曲线与寿命终点直线的交点就是在该试验温度下的失效时间破坏性测量时，每一试验温度下只能获得一个失效时间2、求取失效时间t的对数与绝对温度1/T的回归线3、y方差的粗略估计4、计算机的应用快速评定热老化寿命的方法能量分析的热分析方法差热分析法（DTA）差示扫描量热法（DSC）等温差动量热法（IDC）质量分析的热分析法热重分析法（DGA）质谱分析法（MS）红外光分析法（IR）气相色谱分析法（GC）液相色谱分析法（LC）气相色谱+质谱分析法（GC+MS)其他气体分析法（GA）分析法的优点是试验时间短、所需试样少，其中某些分析方法还非常灵敏，因而允许把使用温度包括在试验温度内。克服了惯用热老化法，即常规法试验时间长、所需试样量大以及试验温度高，因而必须外推到工作温度求取寿命的缺点分析方法把试样暴露在匀速升温或降温下，利用分析法得到谱图，把一定信号的变化作为长期耐热性的尺度。这样的近似法于惯用热老化法的根本性区别在于，它不涉及使用时间即寿命，只能用来粗略的指明方向从分析法获得的数据给出阿累尼乌斯图，配上一或二个高温下的老化常规试验，用这样的数据评定材料的热寿命性能。这种方法是假定惯用法规定的寿命终点，即寿终标准，是与一定程度的分子变化相关联的。点斜法根据分析法得到的阿累尼乌斯图，即反应速率的对数-1/T图求出反应的活化能，再用惯用法或常规法求出高温点下的寿命。寿命曲线或寿命方程可从一个寿命，即失效时间及其斜率（从活化能计算）得到阿累尼乌斯图的得到恒温老化：在恒温下用等温差动量热法（IDC）、质谱或色谱分析法和热重分析法等记录热量、释放出的反应物或重量的变化速率就是化学反映的速率，它与阿累尼乌斯反应速率常数k成比例匀速升温（或降温）老化：在匀速升温下求取活化能，必须在不同升温速率下进行几次试验等效老化过程法具有单一化学反应的老化热老化过程中只有一个化学反应，两个温度下老化必定以完全相同的方式进行，两次的曲线是一致的，仅仅是加速因子，即老化程度是不同的；物理性能的变化速率是与相应的化学反应速率相关的等效热老化过程法的基本思路使给定老化试验温度下的老化过程特性与使用温度下的相一致，即使老化过程等效其基本原理是使所涉及的每个化学反应具有相等的加速因子绝缘材料热老化过程中发生的化学反应可分为内部反应和外部反应与负荷强度相关的加速寿命试验，即电老化试验绝缘材料或绝缘系统中发生的电老化效应比较复杂，有单独的，也有联合的，主要有局部放电效应电痕效应树枝效应电解效应与上述这些效应有关的两绝缘材料相邻表面上的效应，在该处可产生相当高地切线场强6-6电老化试验电老化机理与影响电老化寿命的因素局部放电对绝缘材料有很大的危害，它引起绝缘材料性能下降，直至绝缘完全被损坏。放电产生的低分子极性物质或酸类渗透到材料内部，使其体积电阻率下降，损耗因数上升。在油浸绝缘中尤为明显材料丧失弹性而发脆或开裂等放电性能有所变化。在放电过程中，放电起始电压逐步下降 不同化学结构的绝缘材料在局部放电下的破坏机理不同，它们的电老化寿命也不同，其影响因素主要有频率：放电次数随外施电压的频率增加除频率特别高引起热击穿外，一般电老化寿命与频率成反比电场强度场强增加，放电次数增加场强增加，加快了从局部放电到击穿的进程一般电老化寿命与场强不是线性关系，而是反幂关系温度通常温度增加，有机绝缘材料的耐放电性能降低，电老化寿命缩短相对湿度在高相对湿度下，放电的结果将在材料表面生产一层半导电层，使放电产生自衰在表面放电情况下，绝缘材料的电老化寿命随相对湿度的增高而增长在一定相对湿度范围内，电老化寿命随相对湿度的增高而增长在较高的相对湿度下，电老化寿命随相对湿度的增高而缩短机械应力当材料内部存在拉伸应力时，它的耐放电性能下降压缩应力对它的耐放电性能影响不大绝缘材料耐局部放电试验 国际上评定绝缘材料耐局部放电性能的方法主要是击穿法，即在试样上加一定电压，直到试样击穿，记下所经历的时间，即失效时间；然后根据不同电压或场强下获得的材料失效时间绘制寿命曲线，即场强——寿命关系曲线。电老化寿命试验的依据——电老化寿命定律材料在恒定场强下寿命与场强的关系绝缘材料的击穿概率的分布函数属于威布尔分布不是所有情况下n都是恒定不变的，有些材料当场强在宽广范围内变化时，n是变化的，即测量数据在威布尔坐标纸上的标会并不是直线试样与电极装置局部放电可以发生在材料的不同部位，图6-24表示模拟各种放电情况可采用的各类试样与电极装置活动电极系指它与介质表面间发生放电的电极在大多数情况下，另外一个电极是不活动的，即它与试样紧密接触，且比活动电极大的多，在它的四周不发生放电I、II、III类试样与电极装置代表外部放电，承受放电的材料敞开在外，放电产生的气体可以流通I：电极直接与试品接触，金属电极的触媒作用影响试验结果II：电极不与试样接触，不会发生放电自熄III：放