1、总 第 45 卷 第 516 期2008 年 第 12 期电测与仪表Electrical Measurement &InstrumentationVol.45 No.516Dec. 20080 引 言电能表的可靠性特征量规定为平均寿命 。可靠性是应用于贸易结算的电能表的一个关键指标，文献 1从电测与仪表行业总体角度提出了电磁兼容 、可靠性等方面的发展展望 。虽然在国家标准 GB/T 15284-2002多费率电能表 特殊要求 2和 GB/T 17215.301-2007多功能电能表 特殊要求 3中都对电能表的平均寿命提出了要求，同时，各省市的招标技术规范中亦多对平均寿命提出了指标性要求，比如，
2、 GB/T15284-2002中提出 “电能表的其平均寿命（ MTTF）应不低于 10年，相应的平均寿命下限值（ m1）应不低于2.19104h”，一般的，国内对电子式电能表的平均寿命要求均为 10年；但是，在上述标准或技术规范中却很少给出具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 “可靠性验证试验按 JB/T 50070规定的方法进行 ”。其实，如果严格按照机械行业标准 JB/T 50070-2002电能表可靠性要求及考核方法 4规定的方法开加速寿命试验与电能表的可靠性试验方法浦志勇 ，林克（浙江正泰仪器仪表公司，温州 325603）摘要 ：
3、现行电能表相关标准对电能表的可靠性与寿命提出了相关要求，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，结合电能表的应用环境，首次提出采用高温高湿环境实现加速寿命测试的方法用以评估电能表的可靠性，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 。在此基础上，本文还探讨影响电子式电能表寿命的 LCD、电池和电容等元器件的寿命评定方法 。关键词 ：可靠性；加速寿命试验；加速因子； MTBF； MTTF中图分类号 ：TM933 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-
4、1390（ 2008）12-0063-04Accelerated life test and method for reliability test of kWh meterPU Zhi-yong， LIN Ke(Zhejiang Chint Instrument & Meter Co., Ltd., Wenzhou 325603, Zhejiang， China)Abstract: The requirements for reliability and mean-life of kWh meter have been proposedin newly-issued Chinese nati
5、onal standards and industry standards. However, the testingmethod still takes very long time. On the basis of the general theory of reliability andaccelerated life test, a new testing method is proposed for the reliability test of kWh meters,considering the limit working environment regulated by Chi
6、nese national standards for kWhmeters. This method can evaluate the meters 10 years of mean -life parameter with 10samples in high temperature and high relative humidity test conditions in a laboratory withinabout 10 days, which greatly reduces testing time. This method has also been verified inChin
7、t Instrument & Meter Company. This paper also proposes the different methods forevaluation the mean-life of some critical components including LCD, battery and capacitorsin a static kWh meter.Key words: reliability, accelerated life test, accelerated factor, MTBF, MTTF63- -总 第 45 卷 第 516 期2008 年 第 1
8、2 期电测与仪表Electrical Measurement &InstrumentationVol.45 No.516Dec. 2008展试验，即使是对于已经生产多年 、质量良好且性能稳定的产品，考核其平均寿命是否满足 10年的指标要求，采用标准推荐的最大样本数量 43台，完成试验依然需要 1360小时以上，约两个月时间；对于其他类产品的试验时间更长 。因此，在实践中，测试机构很少对生产厂家提供的电能表开展可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验的一般理论5-6，结合电能表的相关规定，首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
9、表寿命的几个元器件的寿命评定方法 。1 可靠性与加速寿命试验的一般理论1.1 MTBF与 MTTFMTBF (Mean Time Between Failure)，即平均故障间隔时间，是衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标，单位为 “小时 ”。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力 。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间 。MTBF仅适用于可修理产品 。MTTF (Mean Time To Failure)，即平均无故障时间，是产品在失效前的平均工作时间，单位为 “小时 ”，它也体现了产品在规定时间内保持功能的一种能力 。MTTF仅适用于不可修理产品 。
10、由于电能表本身价值不高，经过 10年甚至更长时间的运行，拆下来的电能表一般不再进行修理，从这个意义上说，电能表属于不可修理产品，可靠性特征量采用 MTTF。1.2 基本 MTBF/MTTF的验证在实际工作中，很多时候并不需要精确地知道某个产品的 MTBF/MTTF，只需要知道是否可以接受此产品，比如，电子式电能表的平均寿命规定为 10年，我们并不需要准确测试该电能表的实际寿命，只需要判断该电能表的平均寿命是否达到 10年，属于可靠性验证试验 。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，就认为产品达到了要求的 MTBF/MTTF，可以接受此产品 。下面举例说明测试条件的确定方法 。
11、例 1 某种产品，要求在 90%的置信度下 MTBF为2000h，如何判定此产品的可靠性是否达到了规定的要求？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行测试，测试时间 T由式（ 1）确定：T=AMTBF （ 1）式中 A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，直接采用公式如下：A=0.5X2（ 1-a,2（ r+1） （ 2）式中 X2（ 1-a,2（ r+1）是自由度为 2（ r+1）的卡方分布的（ 1a）的分位数； a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次时，则测试因子 A为：A=0.5
12、X2（ 1-0.9,2（ 2+1）=0.5X2（ 0.1， 6） =5.32 ；卡方分布值亦可以通过 EXCEL来计算，在 EXCEL中对应的函数为 CHIINV。因此，测试时间为：T=5.322000=10644h即当产品模拟运行 10644h后，只要出现不超过 2次失效，就可认为此产品达到了要求的可靠性 。应当看到， 10644h已超过了一年的时间，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，则只需要测试到 100.6h；（ 2） 减少
13、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，即使对于价格较低 、数量较多的产品，如单相普通电能表，由于 MTTF要求高达 21900h，用基本的 MTBF/MTTF验证方法，需要大量的测试样机和较长的时间，这对于验证电能表的可靠性指标是非常不方便的 。1.3 加速寿命试验理论当产品的价格较高或要求的 MTBF/ MTTF较大时，产品可以进行加速测试，以便缩短时间 。例 2 某种产品，要求在 90%的置信度下 MTBF为20000h，因单价较贵，只能提供 10台产品做测试，20000h的 MTBF也需要测 2000h左右，
14、这个时间太长，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 Model），高温高湿下的加速因子 AF（ Accelerated Factor）的表达式如式（ 3）所示：AF=eEak1Tu-1Ta+（ RHan-RHnu）（ 3）式中 Ea为激活能（ eV）； k为玻尔兹曼常数，且 k=8.6G1G2G3G4 G5G6G7G8/h (G9G7) 10 G9GAGB GCGDG7G8/h 23GE 75%RH 8.52GF10c18520 70GE 85%RH 2400 240 70GE 95%RH 2868 287 64- -总 第
15、 45 卷 第 516 期2008 年 第 12 期电测与仪表Electrical Measurement &InstrumentationVol.45 No.516Dec. 200810-5eV/K； T为绝对温度； RH指相对湿度，单位为 ； n一般情况下取 2。下标 u指常态；下标 a指加速状态 。Ea根据原材料的不同，有不同的取值，一般情况下：氧化膜破坏 0.3eV离子性（ SiO2中 Na离子漂移） 1.0-1.4eV离子性（ Si-SiO2界面的慢陷阱） 1.0eV由于电迁移而断线 0.6eV铝腐蚀 0.6-0.9eV金属间化合物生长 0.5-0.7eV根据电能表产品的特点，一般情
16、况下， Ea取0.6eV。2 电能表的加速寿命试验方法国家标准 GB/T 17215-20021级和 2级静止式交流有功电能表 7规定的电能表工作极限温度范围为 -4070（户外仪表），相对湿度年平均 75，以自然方式分布的 30天内相对湿度为 95，在其余时间有时达到的相对湿度为 85。假设室温测试条件以参比温度 23、相对湿度75计；在不影响电能表整体性能并保证电能表正常工作的工作极限温度 /湿度范围内，将加速条件设定为工作极限范围的上限值，即高温 70，在相对湿度为 95和 85情况下，根据式（ 3）计算出的加速因子分别为：AF95%=35.5AF85%=29.7根据国标 GB/T 15
17、284-2002中提出 MTTF下限值（ m1）应不低于 2.19104h。若允许 1次失效，在 90%的置信度下，测试因子 A为：A=0.5X2（ 0.1,4） =3.89所以要求的室温下的测试时间为：T=3.892.19104h8.52104h在常温和高温高湿条件下，在 90%的置信度下，验证 10年可靠性指标对应的测试时间如表 1所列 。表 1 加速寿命的测试时间在采用 10台样机同时试验的情况下，在高温70，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天和 12天 。应当指出，在加速试验条件下，利用 10台样机在高温高湿的
18、情况下持续测试运行 10天左右的时间考核电能表的平均寿命，这是一个可行的测试方法 。浙江正泰仪器仪表有限公司已开展对其生产的部分电子式电能表的试验，试验温度为 70，相对湿度为95，寿命评估满足 10年的可靠性要求 。当然，在测试机构和电能表厂家双方同意的情况下，可以适当提高测试温度，从而提高加速因子，进一步缩短测试时间 。3 特殊元器件的寿命评定电子式电能表中贴片电阻 、贴片电容 、集成电路 、线路板 、机械结构件等元器件已能满足电能表 10年的平均寿命要求，比如，电子式电能表芯片已能做到在150高温下加速老化试验 3000小时后性能不老化，已远远超过了电能表的寿命要求 。但是， LCD显示
19、器 、电池 、电解电容等元器件的使用寿命仍然制约着电子式电能表的平均寿命 。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日益提高 。3.1 LCD的寿命与加速寿命试验方法不同生产厂家的 LCD寿命一般在 5万到 10万小时之间 。由于 LCD寿命的制约，浙江电力公司曾在 2002年制定的多费率电能表技术规范中，要求在夜间关闭LCD以节省 LCD的使用时间，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于阿仑尼乌斯模型，由于材料的不同， LCD的激活能 Ea可取 1.0eV，根据加速系数式（ 3）推算：温度 70、相对湿度 90%RH的条件下，对应的加速系数约为
20、280；如果要求产品的寿命为 10万小时，保守估算，取加速系数为 200，只要在此条件下，测试 500小时（约 20.8天）后， LCD如 能正常工作，则表示该 LCD在常温条件下可工作 10年以上 。可以类推：当温度 100相对湿度 90%RH时，加速系数约为 10000，如果要求 LCD的寿命为 10万小时，只要在此条件测试 10小时， LCD 工作正常，就表示 LCD在常规条件下使用的寿命达到 10万小时 。因此，也有生产厂家在正常生产时是用水蒸汽（ 100、100%RH）蒸煮 10小时，来判定 LCD的寿命是否合格即通过此条件测试，就表示 LCD在常温条件下使用的寿命达到 10万小时
21、。3.2 电池的加速寿命试验方法1972年，美国 Sandia国家实验室承担美国能源G1G2G3G4 G5G6G7G8/h (G9G7) 10 G9GAGB GCGDG7G8/h 23GE 75%RH 8.52GF10c18520 70GE 85%RH 2400 240 70GE 95%RH 2868 287 65- -总 第 45 卷 第 516 期2008 年 第 12 期电测与仪表Electrical Measurement &InstrumentationVol.45 No.516Dec. 2008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
22、存储急速试验可以快速评价电池的可靠性，该成果结论得到日本 、以色列电池厂商的实践证明，并于 1994年获得美国 “总统奖 ”。该结论的原理是：在高温下，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（ vant Hoff）定律，温度每升高 10倍，化学反应速度增加 24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 60下存储 200天，就相当于在常温下存储 10年 。在电能表中应用的电池主要有支持时钟运行的大容量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；而通常支持时钟的大容量电池，基本上均在微安 (A)级微小电流工作，这实际上可以
23、认为电池基本是处于储存状态 。因此，电池在 60下存储 200天能满足电子式电能表10年的平均寿命要求 。需要指出的是，试验温度 60是一个相对较低的温度 。因为事实上，在实际使用环境下， 60的温度也是容易达到的，例如智能仪表出厂前的老化温度一般就是 60左右 。即使每天只有几小时的高温环境，再加上温度变化带来的负效应，都会使设计不良的电池储存寿命大大缩短 。由于这一问题的严重性，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 72。3.3 铝电解电容的加速寿命试验方法长寿命的铝电解电容的寿命是在温度 105下使用时间达到 5000小时以上（包括 5000小时） 。长寿命铝电解电容
24、的寿命与温度 、外形尺寸 、电压都有直接关系，在电压不变的条件下温度每降低10，寿命可延长一倍，因此，对于铝电解电容而言，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 结 论本文首先介绍了可靠性理论的一般概念和应用于加速寿命试验的阿仑尼乌斯模型，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要求，提出了采用在高温高湿的极限工作环境下开展加速寿命试验方法评估电能表的可靠性，采用该方法验证电能表
25、 10年平均寿命，只需要在试验室中对10台样机持续进行 10天左右的高温高湿试验，大大降低了试验时间 。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 LCD、电池和电解电容，分别提出了不同的寿命评估方法 。由于电能表在供用电双方计费中的特殊性，电能表的可靠性一直受到很大关注，对电能表的寿命评估亦非常重要 。基于加速寿命的试验方法可以为电能表平均寿命的评估提供一个准确便捷的评估途径，节省试验时间 。参 考 文 献1 唐统一 ,赵伟 . 电测与仪表技术的回顾与展望 J. 电测与仪表 , 2000,(1): 1-6.2 中华人民共和国国家标准 GB/T 15284-2002多费率电能表 特
26、殊要求 S.3 中华人民共和国国家标准 GB/T 17215.301-2007多功能电能表 特殊要求 S.4 中华人民共和国机械行业标准 JB/T 50070-2002电能表可靠性要求及考核方法 S.5 Nelson W B. Accelerated life testing-step-stress models and dataanalysis J. IEEE Transactions on Reliability, 1980, 29(2): 103-108.6 Hirose H. Estimation of threshold stress in accelerated life testing J.IEEE Transactions on Reliability, 1993, 42(4): 650-657.7 中华人民共和国国家标准 GB/T 17215-20021级和 2级静止式交流有功电能表 S.作者简介 ：浦志勇（ 1976-）男，汉族，江苏人，清华大学电机工程系硕士学历，高级工程师，现主要从事电能计量的研究与开发工作 。Email: 林克（ 1977-）男，汉族，浙江人，助理经济师，现主要从事电能计量产品的市场工作 。Email: 收稿日期： 2008-10-22（田春雨 编发）66- -
