電子式電能表可靠性分預(yù)計分析方法

江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室電子式電能表可靠性

預(yù)計分析方法江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室第一章：可靠性概述1.1可靠性介紹1.2可靠性工程的組成第二章：基本概念2.1可靠性定義2.2可靠度定義2.3失效率定義2.4失效率浴盆曲線2.5MTTF（平均壽命）2.6可靠壽命分析江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室第三章：電能表可靠性預(yù)計模型第四章：可靠性預(yù)計手冊的對比和選擇4.1各預(yù)計手冊特點和局限性4.2GJB/Z299C和Telcordia

SR-332手冊的對比4.3可靠性預(yù)計手冊選擇第五章：TelcordiaSR-332可靠性預(yù)計方法介紹

第六章：預(yù)計實例及分析6.1預(yù)計實例6.2電能表可靠性預(yù)計的意義及提高可靠性的措施江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室一、可靠性介紹隨著電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，其可靠性備受關(guān)注。電子產(chǎn)品的發(fā)展與可靠性密切相關(guān)。(1)電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度在不斷增加。

電子產(chǎn)品的可靠性決定于所用元器件的可靠性，一般說來，電子制造設(shè)備所用的元器件數(shù)量越多，其可靠性問題就越嚴重，為保證設(shè)備或系統(tǒng)能可靠地工作，對元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。(2)對電子產(chǎn)品的使用環(huán)境要求日益嚴酷。

現(xiàn)已從實驗室到野外，從熱帶到寒帶，從陸地到深海，從高空到宇宙空間，經(jīng)受著不同的環(huán)境條件，除溫度、濕度影響外，海水、鹽霧、沖擊、振動、宇宙粒子、各種輻射等對電子元器件的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品失效的可臺皂性增大。(3)電子制造設(shè)備的裝置密集度不斷增加。

電子產(chǎn)品正朝小型化、微型化方向發(fā)展，其結(jié)果導(dǎo)致裝置密度的不斷增加，從而使內(nèi)部溫升增高，散熱條件惡化。而電子元器件將隨環(huán)境溫度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人們的極大重視。1.1可靠性的重要性可靠性已經(jīng)列為產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標加以考核和檢驗。長期以來，人們只用產(chǎn)品的技術(shù)性能指標作為衡量電子產(chǎn)品質(zhì)量好壞的標志，這只反映了產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個方面，還不能反映產(chǎn)品質(zhì)量的全貌。因為，如果產(chǎn)品不可靠，即使其技術(shù)性能再好也得不到發(fā)揮。從某種意義上說，可靠性可以綜合反映產(chǎn)品的質(zhì)量。

本次講座以電子式電能表為例介紹可靠性預(yù)計和分析方法。

1.2可靠性工程的組成可靠性設(shè)計可靠性工程可靠性試驗可靠性預(yù)計可靠性分析硬件可靠性軟件可靠性二、可靠性基本概念2.1可靠性定義

可靠性：可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定時間、規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力?？煽啃砸?guī)定條件產(chǎn)品工作的環(huán)境條件產(chǎn)品工作的負荷條件產(chǎn)品的工作方式規(guī)定時間

保持產(chǎn)品良好狀態(tài)保證產(chǎn)品產(chǎn)品壽命規(guī)定功能產(chǎn)品功能的實現(xiàn)產(chǎn)品對性能的承諾2.2可靠度可靠度，它是描述可靠性的定量指標。通常用R(t)表示，其數(shù)學(xué)公式可表示為：式中，P表示概率；T表示電子式電能表發(fā)生失效前的工作的時間，即電能表的壽命；t表示系統(tǒng)規(guī)定工作的時間?？煽慷鹊母怕室饬x為：產(chǎn)品發(fā)生失效前工作時間大于規(guī)定工作時間的概率。2.3失效率失效是指它喪失完成規(guī)定功能的事件。失效率又稱故障率，是產(chǎn)品可靠性的一個重要指標，其定義為：在規(guī)定條件下，產(chǎn)品在某時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，一般表示為：電能表故障率的國際慣用單位是菲特（FIT：FailuresInTime），它表示每十億產(chǎn)品小時內(nèi)的失效數(shù)，每10億小時內(nèi)出現(xiàn)一次故障即為1FIT。2.4失效率的浴盆曲線電子產(chǎn)品的失效率隨時間變化可劃分為浴盆曲線中的三個階段：早期失效期、偶然失效期和耗損失效期。失效率是時間的函數(shù)，一般情況下，失效率隨時間變化的關(guān)系可由下圖所示的浴盆曲線表示。電子產(chǎn)品在不同時期內(nèi)的失效率特點和失效原因：早期失效期，也稱為老煉期，此階段產(chǎn)品剛開始使用，失效率較高，但是隨著使用時間增加失效率迅速降低。此時失效原因大多由于設(shè)計、原材料和制造過程中的缺陷以及運輸、調(diào)試啟動不當?shù)仍蛟斐傻?。偶然失效期，也稱為使用壽命期，此階段的特點是失效率較低且較為穩(wěn)定，往往可以近似看作常數(shù)。此時是產(chǎn)品的良好使用階段，偶然失效主要原因是質(zhì)量缺陷、材料弱點、環(huán)境和使用不當?shù)纫蛩卦斐傻?。耗損期，也稱為衰老期，此階段的失效率隨使用時間的延長而急速增加，這段的失效主要是由于元器件持續(xù)置于運行和環(huán)境應(yīng)力的影響下開始老化，產(chǎn)生老化失效，失效率較高。浴盆曲線特點分析2.5MTTF（平均壽命）MTTF是R(t)的無窮積分。電子產(chǎn)品的可靠性特征量指標規(guī)定為平均壽命，對可修理的產(chǎn)品，其壽命用MTBF（meantimebetweenfailure）表示；對不可修理的產(chǎn)品用MTTF（meantimetofailure），電子式電能表的可靠性特征量規(guī)定為MTTF，它指電能表失效前工作時間的平均值。其數(shù)學(xué)表達式為：

MTTF（平均壽命）可見，指數(shù)分布下的電子式電能表使用壽命達到MTTF的概率為0.368。電子式電能表是典型的電子產(chǎn)品，可靠度服從指數(shù)分布：根據(jù)上式，可以得到MTTF與失效率的關(guān)系：電能表使用壽命到達MTTF的概率為：2.6可靠壽命分析對使用壽命達到MTTF的概率為0.368，從概率統(tǒng)計學(xué)角度可做如下解釋：

1）對于批量電能表而言，運行時間可到達MTTF的產(chǎn)品比例只有36.8%；

2）對于單臺電能表而言，其工作時間可達到MTTF的概率是36.8%；

3）該批電能表工作時間可達到MTTF的置信水平是36.8%。

可靠壽命分析以一塊電子式電能表為例，假設(shè)其系統(tǒng)失效率為7038FIT，依據(jù)公式：計算可得其平均壽命MTTF為142086小時，即16.22年。

按此計算，則此塊電能表的實際能用16.22年的概率僅為36.8%；相同型號的同一批電能表使用壽命可以達到16.22年的僅36.8%，顯然不是我們想要的。

所以我國電能表行業(yè)的標準習(xí)慣使用MTTF來描述電能表的壽命，實際上是不恰當?shù)摹?/p>

國外的電能表可靠性研究起步較早，英國燃氣和電力市場監(jiān)管機構(gòu)（OFGEM）將可靠度下降到97%時的使用時間定義為民用電能表的可用壽命。

國內(nèi)的JB/T50070-2002《電能表可靠性要求及考核方法》規(guī)定了電能表可靠性考核的試驗方法，據(jù)此推算國內(nèi)電能表的可靠度不能低于93.0%；按照DL/T448-2000《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》和DL/T830-2002《精致式單相交流有功電能表使用導(dǎo)則》推算，國內(nèi)運行中電能表的可靠度不能低于87.5%。

可靠壽命分析

此處建議，將可靠度下降到90%的使用時間作為我國電子式電能表的壽命指標。

現(xiàn)舉例說明如下：

按可靠度下降到90%的可靠壽命作為我國電子式電能表的可靠壽命指標，若要達到國網(wǎng)公司對智能電表可用壽命為10年的規(guī)定，則依據(jù)下公式計算：可靠壽命分析

可得，電子式電能表的系統(tǒng)失效率需要小于1202.76FIT,即平均壽命MTTF至少應(yīng)為94.9年才能滿足國網(wǎng)公司對智能電表可用壽命為10年的要求。三、電能表可靠性預(yù)計模型

依據(jù)國際電工委員會的IEC62059-41《電能計量設(shè)備可靠性-第41部分可靠性預(yù)計》和JJF1024-2006《儀器測量可靠性分析》對電子產(chǎn)品展開預(yù)計時，其基本設(shè)想是系統(tǒng)各組成部分同等重要，任何一部分的失效都假定會引起系統(tǒng)的失效，對電能表的預(yù)計同樣沿用了這個思想。

對電子式電能表進行可靠性預(yù)計時，其系統(tǒng)模型仍采用串聯(lián)模型，整表系統(tǒng)失效率等于子單元或元器件失效率的加和。

電能表可靠性預(yù)計模型以DDZY71型智能電表的為例，可靠性串聯(lián)模型可依據(jù)其主要的單元結(jié)構(gòu)劃分為七個單元，可靠性串聯(lián)模型如下：該模型中未考慮表殼、銘牌、導(dǎo)線、螺釘、PCB板、焊點；未考慮電能表軟件的可靠性。默認為在達到電能表使用壽命之前，這些部分不會影響電能表的可靠性。四、預(yù)計手冊對比和選擇電子式電能表作為一種電能計量設(shè)備，適合它的可靠性預(yù)計手冊有很多種，如：美國軍用手冊MIL-HDBK-217F、美國的可靠性研究中心的PRISM和美國可靠性信息中心的217PLUS、貝爾實驗室的TelcordiaSR-332、法國的FIDES、國際電工委員會的IEC/TR-62380、德國西門子公司的SN29500，還有我國的國軍標GJB/Z299C-2006。選擇預(yù)計手冊時，首先要較全面的了解各預(yù)計手冊的特點，然后依據(jù)產(chǎn)品所屬行業(yè)，預(yù)計產(chǎn)品所處的階段和預(yù)計的目的等因素選擇合適的預(yù)計手冊。根據(jù)應(yīng)用行業(yè)不同，預(yù)計手冊可分為軍用標準和民用標準，軍用標準為應(yīng)用于軍事領(lǐng)域而制定，制定較為嚴格;商用標準制定寬松，適用于商用電子產(chǎn)品。4.1各預(yù)計手冊特點和局限性

不同預(yù)計手冊失效率模型均有差別，所取的修正因子也各不相同，基本失效率和修正因子也由不同的行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計而來，所以適用的行業(yè)也各不相同。對這些預(yù)計手冊的特點和局限性進行比較，用于選擇一部最適用于電子式電能表可靠性預(yù)計的手冊。

1）TelcordiaSR-332

特點：由世界多家知名電子產(chǎn)品企業(yè)共同起草，由美國貝爾實驗室提出，該手冊綜合考慮了元器件計數(shù)法、實驗室試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)等信息，提供了3種預(yù)計方法，還提出了置信水平的計算方法，是目前最適合于電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計的方法。局限性：預(yù)計溫度限于30℃到65℃，低于30℃的按照30℃預(yù)計，65℃的要有對應(yīng)的溫度因子方程計算溫度因子，比較繁瑣。

2）MIL-HDBK-217F

特點：美國國防部編制，標準幾乎涵蓋所有類型的電子元器件的可靠性預(yù)計模型，是世界上最廣泛的軍用預(yù)計標準，預(yù)計方法包括元器件應(yīng)力法和元器件計數(shù)法。局限性：軍表的制定比較嚴格，用來預(yù)計商用電子商品的失效率會導(dǎo)致失效率偏高，目前已停止更新。

3）PRISM

特點：美國系統(tǒng)可靠性中心開發(fā)，綜合考慮了各種外界因素，包括生產(chǎn)、管理、工藝和各種試驗數(shù)據(jù)。局限性：該方法僅應(yīng)用于軟件，預(yù)計模型中沒有考慮到元器件的失效機理和失效模式。各預(yù)計手冊特點和局限性

4）217PLUS

特點：由美國可靠性信息分析中心發(fā)布，是PRISM的升級版，該標準考慮了設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造、管理水平甚至軟件的因素。局限性：系統(tǒng)級的可靠性預(yù)計太過復(fù)雜，適于復(fù)雜系統(tǒng)。

5）FIDES

特點：法國國防協(xié)會與商業(yè)航空公司聯(lián)合開發(fā)提出，該方法較充分地考慮了產(chǎn)品內(nèi)部和外部的各種引起失效的因素，通常是由過程評分的方法得到基本失效率。局限性：該方法較新，使用經(jīng)驗不足，分析用時冗長，分析效率低。各預(yù)計手冊特點和局限性

6）IEC/TR62380

特點：國際電工委員會提出，支持占空任務(wù)剖面極其應(yīng)用階段，可計算PCB板失效率。局限性：失效率預(yù)計模型非常復(fù)雜，分析效率低下，在國際上尚未廣泛推廣。

7）SN29500

特點：德國西門子公司的企業(yè)標準，對器件的失效率和參數(shù)更新比較及時，元器件類別全面，也提供了元器件應(yīng)力法和計數(shù)法。局限性：西門子企業(yè)標準，一般只對西門子內(nèi)部及其相關(guān)公司開放。

8）GJB/Z299C

特點：我國國軍標，參照MIL-HDBK-217F標準制定，元器件類型全面，包括國內(nèi)和國外多種器件的可靠性預(yù)計，提供了元器件應(yīng)力法和計數(shù)法。局限性：軍用標準制定比較嚴格，用來預(yù)計商用電子產(chǎn)品的失效率結(jié)果偏高。各預(yù)計手冊特點和局限性4.2GJB/Z299C和Telcordia

SR-332手冊的對比國內(nèi)并沒有適用于可靠性預(yù)計的商用標準，目前國內(nèi)運用最多的可靠性預(yù)計手冊是國軍標GJB/Z299C，該手冊包含的元器件類型全面，包括國內(nèi)和國外多種器件的可靠性預(yù)計，提供了元器件應(yīng)力法和計數(shù)法。但是軍用標準的制定對于商用電子產(chǎn)品過于嚴格，用來預(yù)計商用電子產(chǎn)品的失效率結(jié)果偏高。

TelcordiaSR-332預(yù)計手冊的制定針對于商用電子產(chǎn)品，相對寬松，還提出了置信水平的計算方法。雖然手冊中對溫度因子規(guī)定：當工作溫度低于30℃時按照30℃預(yù)計，通過對比各預(yù)計手冊表明：當溫度低于30℃時，溫度因子變化很小，基本可以忽略，只有溫度上升超過30℃時，其溫度因子變化才逐漸明顯。GJB/Z299C和Telcordia

SR-332手冊的對比

此處應(yīng)用分別應(yīng)用SR-332和GJB/Z299C對一款單相費控智能電能表展開預(yù)計，其中SR-332的置信度選為90%，預(yù)計結(jié)果如下表?！煽慷认陆档?5%時的可靠壽命?！煽慷认陆档?0%時的可靠壽命。4.3可靠性預(yù)計手冊的選擇可靠性預(yù)計手冊的選擇主要考慮以下幾個方面：手冊適用的行業(yè)、數(shù)據(jù)提出的日期和來源、預(yù)計產(chǎn)品所處的階段、預(yù)計手冊所包含的元器件類型和環(huán)境類型、可利用資源等?？紤]到電子式電能表的商用特點、預(yù)計操作性的可行性、預(yù)計手冊的應(yīng)用經(jīng)驗，還有電表廠家可提供的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造等信息的因素，對比以上各預(yù)計手冊，總結(jié)出目前最適用于電子式電能表可靠性預(yù)計的預(yù)計手冊是TelcordiaSR-332。五、TelcordiaSR-332

可靠性預(yù)計方法介紹

TelcordiaSR-332預(yù)計手冊不僅提供了失效率、標準差的計算方法，還給出了置信度水平的計算方法。該預(yù)計手冊為所有元器件提供了統(tǒng)一的應(yīng)用環(huán)境下的失效率預(yù)計模型，計算公式為：其中：—元器件通用是效率；—元器件質(zhì)量因子；—元器件工作電應(yīng)力因子；—元器件工作溫度應(yīng)力因子；—元器件工作環(huán)境因子；TelcordiaSR-332

可靠性預(yù)計方法介紹標準差也稱均方差，它能反映一個數(shù)據(jù)集合的離散程度。此處標準差可理解為預(yù)計的失效率偏離其真實值的程度。元器件對應(yīng)的失效率標準差計算公式為：以上相應(yīng)的個參數(shù)，都可依據(jù)電子元器件的基本信息，從于SR-332手冊中查詢得到?！骷ㄓ脴藴什?；其中：TelcordiaSR-332可靠性預(yù)計方法介紹

TelcordiaSR-332預(yù)計手冊還提供了系統(tǒng)失效率的置信度水平的計算方法。該手冊假設(shè)失效率服從G（伽馬）分布，G分布的形狀參數(shù)（shapeparameter）和尺度參數(shù)（scaleparemeter）如求法下：—系統(tǒng)失效率；其中：—系統(tǒng)失效率的標準差；TelcordiaSR-332可靠性預(yù)計方法介紹當形狀參數(shù)不大于100時，采用如下公式計算置信度：當形狀參數(shù)大于100時，采用如下公式計算置信度：TelcordiaSR-332可靠性預(yù)計方法介紹在TelcordiaSR-332失效模型的環(huán)境因子中較為敏感的是電應(yīng)力因子。標準中給出了大多數(shù)元器件的通用穩(wěn)態(tài)失效率數(shù)據(jù)列表。對于電阻、電容等元器件，可直接依據(jù)其材質(zhì)的類別和阻值容量等信息查得其基本失效率。而對于集成電路，可以依據(jù)其類別的晶體管數(shù)目、容量大小、邏輯門數(shù)及有源器件類型等信息計算相應(yīng)的失效率。此處以江蘇林洋電子股份有限公司的DDZY71型單相費控智能電能表進行可靠性預(yù)計，并對各單元進行分析其的可靠性，為提高電能表可靠性水平提供了技術(shù)依據(jù)。對DDZY71型智能電表進行可靠性預(yù)計，所需的電能表元器件詳細清單、技術(shù)設(shè)計以及制造工藝均由生產(chǎn)廠家提供。可靠性預(yù)計是根據(jù)RS-332中不同元器件的失效率預(yù)計模型，結(jié)合元器件的質(zhì)量等級、制造工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作時所承受的電、熱、環(huán)境等應(yīng)力，并考慮該型號電能表的使用環(huán)境，求得各個元器件的失效率。

六、預(yù)計實例及分析江蘇林洋電子股份有限公司生產(chǎn)的DDZY71型單相費控智能電能表作為可靠性預(yù)計的對象，該型號電能表的規(guī)格為“單相、5（60）A、220V、50Hz、1200imp/kWh、2.0級”。該表的可靠性串聯(lián)模型可依據(jù)其主要的單元結(jié)構(gòu)劃分為以下七個單元：6.1預(yù)計實例

DDZY71型單相費控智能電能表各電路單元可靠性預(yù)計結(jié)果見下表。預(yù)計實例DDZY71型單相費控智能電能表各單元的失效率所占比重如下圖。預(yù)計實例失效率最高的是按鍵與顯示單元，其次是時鐘、存儲和ESAM單元，以及電源單元。

1）按鍵與顯示單元：該單元的失效率主要來自LCD顯示器，它的失效率遠高于其他元器件。雖然該型號電能表采用了防紫外線的高性能LCD顯示器，但它是電能表中最薄弱的元器件之一，使用環(huán)境中的塵埃、溫度、濕度、腐蝕、紫外線、震動等多重外界因素都會縮短它的使用壽命，其主要失效模式表現(xiàn)為：斷碼、缺碼、殘碼、黑屏等。預(yù)計實例

2）時鐘、存儲和ESAM單元：該單元的失效率主要來自鋰電池和集成電路。鋰電池也是電能表可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)之一