一文看懂可靠性试验(HALT)及可靠性评估技术

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什么是可靠性试验？


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1 R+ t" N: T, z- @9 _& S) g可靠性试验是指通过试验测定和验证产品的可靠性。研究在有限的样本、时间和使用费用下，找出产品薄弱环节。可靠性试验是为了解、评价、分析和提高产品的可靠性而进行的各种试验的总称。
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" O( B6 I8 Q5 {& i1 y2 Q大部分人有一个认识：提高产品的可靠性，会增加成本。

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6 z! N% F# N) q; q, \为什么开展可靠性试验
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1、现阶段，我国装备与国际先进设备相比，面临一个重要问题：长期质量的差距。
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2、产品可靠性不足引发事故，造成生命财产损失。

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% e& b! p8 F! }; ?8 k$ @! r3、电力产品的新特点，给可靠性提出新的挑战。

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7 z; b4 p+ z1 y" l1 L4、“一带一路” 对中国产品走向世界提出了更严酷的可靠性需求。
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0 g; z1 L) Q7 w7 G" l! [/ m7 j5、国家和大客户对可靠性的需求和要求不断增强。
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国家层面：

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& h' ~; h' l/ v中国制造2025明确提出：使重点产品的环境可靠性，使用寿命达到国际同类产品先进水平。国家十三五科技规划中，设立了继电保护可靠性技术和应用的研究课题。
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0 e$ G2 N! n7 v5 w/ ]2 m大客户层面：
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6 l. G1 t' H1 g$ j国家电网：在就地化保护入网检测中，首次引入可靠性试验，验证产品可靠性设计水平和寿命指标。在关于新型一、二次设备（例如：电子式互感器）的科研项目中，增加了可靠性验证和寿命评估等相关研究课题。
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南方电网：在自动化产品入网检测中，要求厂家开展和提供关键元器件可靠性试验，明确选型原则。在配电自动化终端方面深化研究，提出高可靠免维护的目标，并引入环境和可靠性理念和手段进行验证。



有哪些可靠性试验方法

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可靠性试验分类方法很多，可以从标准角度归纳并分析。


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( n/ H" J; f1 A# Z( I: P' f! Y1、定时截尾试验
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0 W' H. b0 W5 I0 k2 X% A# |定时截尾试验是指事先规定一个试验时间，当试验达到所规定的时间就停止。样本中出现故障的样品数是随机的，事先无法知道。
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案例：假设在一批数量为N的产品中，任意抽取数量为n的样本，规定试验截止时间为T0。按上述方法进行可靠性试验，设出现故障的序号为r，记录第r个故障发生的时刻Tr。如果到规定的截尾时刻T0还没有出现r个故障，即Tr≥T0，则判定可靠性试验合格或接受；如果在规定的试验截止时间T0以前，已出现r个故障，即Tr<T0，则认为该产品不合格或拒收。

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2、序贯试验


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( \0 j7 T( @5 M: ^2 p+ B又称序贯分析，对现有样本一个接着一个或一对接着一对地展开试验，循序而连贯地进行，直至出现规定的结果便适可而止结束试验。

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特点：这种试验既可避免盲目加大试验样本数而造成浪费，又不致于因试验样本个数太少而得不到结论-节约样本（比一般试验方法节约样本30~50%）。常用的序贯试验法有对分法、0.618法、分数法、抛物线法、爬山法和分批试验法等。


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3、可靠性增长试验
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通过对产品施加真实的或模拟的综合环境应力，暴露产品的潜在缺陷并采取纠正措施，使产品的可靠性达到预定要求的一种试验，它是一个有计划的试验-分析-改进（TAAF）的过程。



, m7 t9 S6 b$ p. Y/ {. K注意：可靠性增长活动不是针对设计低劣的产品的，而是针对经过认真设计仍然由于某些技术原因达不到要求的产品。

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; k  _- R& s4 |  D+ F8 z切记：可靠性增长的核心是消除影响设计缺陷。但是，把可靠性水平寄托在增长活动上的态度是错误的。



4、加速试验
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5、高加速试验（HALT）

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4 `5 p! V6 e& j+ y5 c* s( r1 j高加速寿命试验（简称HALT试验）是由美国军方所延伸出的设计质量验证与制造质量验证的定性试验方法，利用快速高、低温变换的震荡体系来揭示电子和机械装配件设计缺陷和不足。
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HALT试验箱可提供-100℃～＋200℃的温度区间，温变速率可达到70℃～100℃/min。同时，提供六轴向随机振动（振动强度0～75Grms，频率范围1Hz～1MHz。），在低频范围内传递较高的振动能量，激发大型产品潜在的缺陷。
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" K$ c9 ~! v: iHALT优势1：快速检测缺陷，消除故障机会。
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HALT优势2：评估失效率和MTBF，验证标准。
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# s* D( e  U$ e+ [  F) u. x+ o基本概念

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评估方法

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评估案例

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1、评估案例一：ALT评估（加速系数已知）

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; z" a2 i; Z2 _5 D1 z- {$ \4 j试验需求：产品的贮存和使用时间不小于20年；产品的年平均失效率为0.2%。


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试验方法：利用温度试验箱为被测样品施加恒定温度应力环境
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（1）加速应力试验组数和样品数：恒定应力加速寿命试验的组数选为1组，20 个样品；试验样品采用同一批次生产的；

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0 y/ n0 ~) U4 C  v- [* Y& l' s- j（2）应力水平：恒定温度应力选为90℃；加速系数取AF=25=32；


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2 ^6 W$ A4 _+ R（3）将试品放入指定温度箱并安装固定好，上电检查试品运行和各项性能指标是否正常，记录相关参数跟检测时间；
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% Z6 \$ ?% V, R3 u0 \8 F( E' o7 B（4）试验从常温开始，缓慢增加（避免温度冲击）到指定温度应力值（90℃）， 保持相应恒定温度应力值，误差不超过±5K；
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（5）定时检测试品运行情况和各项性能指标是否正常，记录相关参数跟检测时间；
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（6）试品出现失效后，记录相关参数跟检测时间，继续试验，直到失效样品数占投入样品的比例不小于50%，停止试验。



数据分析与结果判定：

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（1）统计累积失效率F(t)；

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( i& p  k" j! a0 S: U（2）在威布尔概率纸上描点作图；


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（3）利用威布尔概率纸进行分析，可以得到：a. 确定产品的失效分布规律；b. 确定产品的寿命特征值（中位寿命、特征寿命、可靠寿命等）。
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2、评估案例二：ALT评估（加速系数未知）
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3、评估案例三：HALT评估
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美国OPS AlacarteReliability Consultants的 “HALT-to-AFR计算器”，对被试对象在现场的实际失效率和MTBF进行评估，方便用户甄别不同厂家产品的优劣属性和程度，筛选优秀供应商。



0 t' S( D$ {) l6 @, Q% N! E9 m( q! J配网传感器HALT试验
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& X. |0 C# g) R! ]: S1、测试背景
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近年来，在国家电网公司的关心支持和电力行业智能配电专委会的密切配合下，配电一二次专项工作组积极开展了有关工作，组织有关科研单位和生产企业研制开发了12kV智能配电柱上开关，并且在多个省/市和地区较大规模试点应用，在支撑精益化线损管理、就地故障处理和专业化运维等方面取得了较为明显的成效。



2、测试目的

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4 Z/ e9 W6 z) w  i0 I9 G: o（1）摸底配电网10kV交流传感器的可靠性设计水平；



（2）分析产品在不同环境和应力条件下的失效规律、失效模式和失效机理;
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8 b2 c" s. R$ h% W（3）为企业改进和完善产品提供依据，提升产品性能和可靠性。

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3、样品信息
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4、试验方案

温度应力测试结果：

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$ M" g1 n% }4 V! [0 X) X
, l( O4 J! W7 @$ E厂家E：低温操作极限和高温操作极限均满足HALT试验的期望值，反映出厂家在设计产品时，充分考虑了低温和高温适应性，预留的设计裕度较大，在快速温变和低温环境下表现出很好的可靠性。
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7 c4 A% C5 l$ s2 a厂家D：在低温操作极限满足HALT试验的要求，在快速温变和低温环境下表现出较好的可靠性；高温操作极限虽符合T/CES 018-2018 的要求，但低于HALT试验的期望值，产品在高温下的可靠性设计裕度有进一步提升的空间。
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其余厂家：在-40℃和+80℃温度下失效，反应出产品可靠性设计裕度不足。



原因可能包括两个：（1）产品对低温和高温的适应性不够，精度受温度影响较大；（2）产品对 60℃以上的温度变化率适应性差，精度受影响大，且产品出现功能紊乱，在温度稳定后无法恢复正常。


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振动实验结果：5个厂家的产品在振动步进应力上均表现良好，操作极限满足HALT试验的期望值。经过6轴随机振动环境的规定时间测试，这些传感器产品的精度未受到明显影响。



! D& Y/ |6 G! O: x9 }可能的原因：传感器本身电子元器件少，内部的焊接点也少，且处于固封状态，所以对振动的适应性较强。

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3 ^) m, Z' y6 s1 b4 l! J结果分析：
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+ t( B3 N5 Z* z  G5 d0 F3 P1 P配网传感器寿命评估试验


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需求：产品的贮存和使用时间不小于20年；产品的年平均失效率为0.2%。

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标准依据：

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! n7 v0 Z' ]! t7 ^* @% P2 W（1）GB/T 2689.1-1981 恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则；
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3 W* J" d7 Q" p$ e, u0 h$ s$ x' J" O' P
& ?8 n' y& C$ z: G  [（2）GB/T 2689.2-1981 寿命试验和加速寿命试验的图估计法（用于威布尔分布）；
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0 v( J6 V# @  P9 i: Y" N1 q
, o# H2 j1 e6 M7 c/ i& D: ]# d9 O4 d（3）T/ZDG 018-2018 配电网10kV及20kV交流传感器技术条件。

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* h- }* b( L. o/ |
+ p# V& Y: s/ e; Y! c数据分析与结果判定：



（1）统计累积失效率F(t)；

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2 s: _7 q1 x! k# R7 F$ Q（2） 在威布尔概率纸上描点作图；
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+ i3 E) ?- z7 H! m1 O

9 B. e6 r3 c2 J0 h: F  {（3）利用威布尔概率纸进行分析，可以得到：a. 确定产品的失效分布规律；b. 确定产品的寿命特征值（中位寿命、特征寿命、可靠寿命等）。

( c6 B( n5 ]- |8 G5 M( k
5 ]) v- h$ U" D, K2 P5 j1 ]
" X' J2 M' C5 y试验方法：利用温度试验箱为被测样品施加恒定温度应力环境
3 Y: n" Z+ _: [* Z6 G
2 v) J# G) r) j) a& j1 v

（1）加速应力试验组数和样品数：恒定应力加速寿命试验的组数选为 1组，20个样品；试验样品采用同一批次生产的；



（2）应力水平：恒定温度应力选为90℃；加速系数取AF=25=32；


+ m9 C0 O. ]+ d8 _7 s% w* J
（3）将试品放入指定温度箱并安装固定好，上电检查试品运行和各项性能指标是否正常，记录相关参数跟检测时间；

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" M# g" m- d$ p' h, u( b. b/ T
（4）试验从常温开始，缓慢增加（避免温度冲击）到指定温度应力值 （90℃），保持相应恒定温度应力值，误差不超过±5K;


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( x: V8 r7 p2 Q# K（5）定时检测试品运行情况和各项性能指标是否正常，记录相关参数 跟检测时间；

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% P$ m; \3 |3 s（6）试品出现失效后，记录相关参数跟检测时间，继续试验，直到失效样品数占投入样品的比例不小于50%，停止试验。
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配网传感器测试意义：

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（1）首次引入HALT试验理念，快速验证10kV配网传感器的可靠性设计水平。
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4 ?8 j7 }( e2 Y# h（2）首次借助加速试验理论和寿命评估模型，验证10kV配网传感器的寿命指标。
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（3）为建立配网传感器可靠性试验、评估和标准体系积累数据，筛选优质产品及供应商。


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（4）积极探索，从可靠性领域为配网一二次融合产品提供经验支撑，助推国家在配网方面的战略部署。

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可靠性试验的驱动力
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（1）第一驱动力是企业；



（2）需要用户的要求和引导；
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（3）需要行业的刺激和支撑。
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  {, o0 O) o, E  j5 D8 k正确认识可靠性试验

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0 v# ~1 i" f- J4 g. _1 r（1）与型式试验相区分；

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（2）对企业生存竞争的意义；
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  c5 l& c4 s% d1 l（3）对行业进步的支撑作用。
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7 x3 B, h8 x" i$ ^3 ^6 m  M; Y构建可靠性体系
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（1）试验是验证和提高可靠性的重要环节，但试验不等于可靠性；

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（2）可靠性是设计和管理出来的，需要用户、企业和检测机构共同努力；
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（3）可靠性是一个系统工程，需要从设计、研发、制造、运行等各个角度入手，构建可靠性管理体系。

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假设在一批数量为N的产品中，任意抽取数量为n的样本，规定试验截止时间为T0。按上述方法进行可靠性试验，设出现故障的序号为r，记录第r个故障发生的时刻Tr。如果到规定的截尾时刻T0还没有出现r个故障，即Tr≥T0，则判定可靠性试验合格或接受；如果在规定的试验截止时间T0以前，已出现r个故障，即Tr<T0，则认为该产品不合格或拒收。

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可靠性是一个系统工程，需要从设计、研发、制造、运行等各个角度入手，构建可靠性管理体系。