GB T 17215.941-2012 电测量设备 可信性 第41部分：可靠性预测.pdf

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1、喧嚣ICS 17.220.20 N 22 和国国家标准圭K.、中华人民GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 电测量设备可信性第41部分:可靠性预测Electricity metering equipment-Dependability Part 4 1 : Reliability prediction 2013-06-01实施(IEC 62059-41: 2006 , IDT) 2012-12-31发布发布中华人民共和国国家质量监督检验检夜总局中国国家标准化管理委员会b草草宝飞川川岛问削/队，b珍电if，尹飞GB/T 17215.941-2012月EC620

2、59-41: 2006 目次前言.1 引言.n 1 范围2 规范性引用文件-3 术语和定义.4 一般信息5 可靠性分析方法-6 零部件应力方法可靠性预测-7 其他可信性考虑因素.8 有使用期限的元器件的使用寿命.附录A(规范性附录)可靠性预测一流程图附录B(资料性附录)其他可靠性分析和预测方法概述.10 参考文献GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 前GB/T 17215是由若干个部分组成的系列标准，GBjT17215中的电测量设备可信性拟由下列部分组成z二一第11部分z一般概念(lECjTR62059-11) ; 一一第21部分z现场仪表可信性数据收集(l

3、ECjTR62059-21) ; 一一第31-1部分z温度和湿度加速可靠性试验(lEC62059-31-1) ; 一一第32-1部分z耐久加速试验。EC62059-32-1) ; 一一第41部分z可靠性预测(lEC62059-41) ; 一一第51部分z软件可信性(lEC62059-51)。本部分为GBjT17215的第41部分。本部分按照GBjT1. 1-2009给出的规则起草。本部分使用翻译法等同采用IECjTR62059-41 :2006(电测量设备可信性第41部分z可靠性预测c英文版)。为了便于使用，本部分做了下列编辑性修改za) 用小数点代替作为小数点的逗号，飞b) IEC 6205

4、9的本部分一词，改为GBjT17215的本部分zd 删除了IECjTR62059-41: 2006的前言。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本部分由中国机械工业联合会提出。本部分由全国电工仪器仪表标准化技术委员会(SACjTC104)归口。本部分起草单位z哈尔滨电工仪表研究所、重庆电力科学试验研究院、华北电力科学研究院、江苏省计量科学研究院、上海英孚特电子技术有限公司、深圳市科陆电子科技股份有限公司、华立仪表集团股份有限公司、杭州百富电子技术有限公司、西安蓝旗电子有限公司、威胜集团有限公司、正泰仪器仪表有限责任公司、宁波三星电气股份有限公司、江苏卡欧

5、万祖电子有限公司、黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司、深圳航天泰瑞捷电子有限公司。本部分主要起草人z郑可、侯兴哲、张立华、陈克昌、薛德晋、王慧武、邵凤云、周孔均、雷惠博、高化田、陈洪波、盛泉根、胡宁、周忠样、李先怀、王思彤、李向锋、陈道升、祝拷、姚礼本、徐茂林、李俊明、洪玩伸、李亦非。I GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 百|本部分包含GB/T17215系列标准中电测量设备有关可信性问题的一部分。其主要目的是提供一个有关可靠性分析和预测方法的概述，同时规范选取用来计算计量装置预测的失效率的部件计数法。当预测的失效率这一基本参数知道以后，如果也知

6、道仪表操作员的维修行为，那么用户计量端的计量功能的可用度就可以确定出来。E GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 1 范围电测量设备可信性第41部分:可靠性预测GB/T 17215的本部分规定了有关可靠性分析和预测方法。适用于IEC/TC13范围内的用于电能测量和负荷控制的静止式电测量设备的所有类型。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 2900. 13-2008 电工术语可信性与服务质量(lEC60050 (19

7、1): 1990、Amend.1: 1999 And Amend. 2: 2002 ,IDT) GB/T 17215.911-2011 电测量设备可信性第11部分z一般概念(lEC/TR62059-11 : 2002 , IDT) GB/T 17215.921二2012电测量设备可信性第21部分z现场仪表可信性数据收集(lEC62059-21: 2002 , IDT) IEC 61709: 1996 电子元器件可靠性失效率和应力模型的基准条件(Electronic components-Reliability-Reference conditions for failure rates and

8、 stress models for conversion) 3 术语和定义3. 1 下列术语和定义适用于本部分。为了便于使用，以下重复列出了GB/T2900. 13-2008中的一些术语和定义。注，这里仅列出了GB/T17215.911没有包括的但与此主题相关的术语。加速试验accelerated test 为缩短观测产品应力响应所需时间段或放大给定时间段内的应力响应，施加超过参考条件中规定的应力水平的一种试验。3.2 3.3 注:为了结果的有效性，加速试验不能改变基本的故障模式和失效机制，或者它们之间的相对主次关系.lEV-191-14-07 管理延迟(对校正维修)administrati

9、ve delay (for coective maintenance) 对一个故障产品的校正维修行为因为管理方面的原因而没有实施的累积时间。lEV-191-08-09 老化失效，损耗失效ageing failure , wearout failure 发生概率随时间增大的失效，它是产品固有过程的结果。lEV-191-04-09 1 GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 3.4 3.5 3.6 3. 7 3.8 恒定失效密度期constant failure intensity period 若存在，指可修复产品寿命中失效密度近似为常数的一段时期。IEV-19

10、1-10-08J 恒定失效率期constant failure rate period 如果存在的话，指不可修复产品寿命中失效率近似为常数的一段时期。IEV-191-01-09J 待预测设备吨uipmentunder prediction号EUP在进行可靠性预测的静止式电测量设备。失效原因failure ca回E引起失效的设计制造或使用的有关事项。IEV-191-04-17 失效密度加速因于failnre intensity acceleration factor 在一个给定的起始时间由修复的固定时期所确定的时间段内，闻组不同的应力条件下得到的失效数量的比值。3.9 IEV-191-14-12

11、J (瞬间)失效率(instantaneollS) fail町erate (t) 不可修复产品瞬间失效的条件概率的比例限值，如果其存在的话，表示当.t越近于0时，(t，t+.t)时间段内产品失效瞬间的比例，失效持续时间为缸。假定失效不是发生在时间段内的起始时间。注1:瞬间失效率可以用以下方程式表示:1 F (t + .t) - F(t) !(t) (t) =lim一=一二一M .t R(t) R(t) 其中.F和f(t】分别指分布函数和失效瞬间的概率密度.R指可靠性函数.注2:在给定时间段内失效的产品盘量和在时间段起始没有失效的产品数的比例除以持续时间，就可以估算瞬间失效率.注3:在英语里，瞬

12、间失效率有时被称作风险函数飞IEV-191-1乞02J3. 10 失效率加速因子failure rate acceleration factor 加速试验条件下与规定的参比试验条件下的失效率之比值。注2两个失效率都应该在被试验产品的寿命的相同时期内。IEV-191-14-llJ 3. 11 故障fau旧. 产品不能执行规定功能的状态，预防性维修或其他计划性活动或缺乏外部资源造成的不能执行功能的情况除外。注1:故障通常是产品本身失效后的状态，但也可能在失效前就存在.注2:在英语里，术语故障也被用于电力系统现场，含义在604-02-01中绘出，其法语对应术语是default 2 GB/T 1721

13、5.941-2012/IEC 62059-41: 2006 IEV-191-05-01 3. 12 维修maintenance 所有技术和管理行为的联合，包括监督行为、试图将产品保持在或者恢复到一个可以执行其要求功能的状态。IEV-191-07-01 3. 13 维修政策maintenance policy 在一个产品的维修中，维修团队、合同等级和施加的维修等级之间相互关系的描述。IEV-191-07-03 3. 14 维修时间maintenance time 不管是人工还是自动，施加于产品上的维修行为的时间段，包括技术延迟和后勤服务延迟。注=维修可以在产品正在执行一个要求功能的同时进行。3.

14、 15 3. 16 3.17 3. 18 3. 19 IEV -191-08-01 平均修复时间mean repair time 修复时间的期望值。IEV-191-13-05 两次失效间的平均工作时间mean operating time between failures; MTBF 两次失效之间的平均工作时间的期望值。IEV-191-12-09 失效前的平均时间mean time to failure; MTTF 失效前时间的期望值。IEV-191-12-07 工作时间operating time 产品处于工作状态的时间区间。IEV-191-09-01 预测prediction 用来获得某个

15、量的预测值的计算过程。注g术语预测也经常用来描述一个量的预测值.IEV-191-16-01 3.20 3.21 冗余redundancy 在一个产品中存在的实现某一规定功能的多于一种的方法。IEV-191-15-01 参考数据reference data 一般flJJ.商一致的，可以用来作为一个预测和/或同观测到的数据进行比较的标准或基础的数据。3 GB/T 17215.941-2012/IEC 62059-41 :2006 寸。I A哇咱iEA nE 咽Avr E YEA EL内，呵，句3可靠性模型reliability model 一个用来预测或估计一个产品可靠度的数学模型。IEV-191

16、-16-02 3.23 (瞬时)修复率(instantaneous) repair rate (t) 一个条件概率的比例极限，如果其存在的话，表示当D，.t趋近于0时，校正修复行为的在一个时间段。，t十D，.t)内终止的时刻与此时间段的长度的比值。假定在此时间段的开始时刻修复行为还没有停止。IEV-191-13-02 3.24 修复时间repair time 在对一个产品进行修复行为时，实际的维修行为所占的那部分时间。IEV-191-08-16 3.25 要求的功能r叫uiredfunCtiOD 被认为是提供一个规定服务所必需的某个功能或许多功能的联合。IEV-191-01-05 3.26 (

17、稳态可用度(steady-state) availability 在一个给定的时间段内，稳态条件F稳态可用度的J平均值。注2在一定条件下，例如恒定失效率和恒定维修率时，稳态可用度可以表示为平均能工作时间与平均能工作时间和平均不能工作时间之和的比值.IEV-191-1.1-06 3.27 应力模型stress mode1 在产品可靠性或其他任何性质的测量中，用来描述有关施加的应力影响的个统计模型。IEV-191-16-10 4 一随信息可靠性预测方法用来测定在一个规定的时间段内，某EUP处于工作状态、不能工作或处于维修状态的概率。这些预测方法的结果也可以显示在一个给定的总体中，正常工作、失效或正

18、在维修的产品的百分比以及这些时间段的平均长度。可靠性预测是一个基于过去已知的信息而推导将来信息的统计过程。因此其结果经常是某些变量的概率值。为了进行可靠性预测，详细的系统信息和元器件可靠性数据是必需的。区别可修复和不可修复系统是非常重要的，因为刻画它们的特征变量有很大差别，尽管这些变量之间存在着一定的关系。例如在一个不可修复系统中，系统元器件的失效前时间决定其使用寿命，而所谓的使用寿命是指设备以某一估计的概率执行其规定功能的时间段。对于一个可修复系统，它的稳态可用度就非常重要，同时平均修复时间或维修度也变成重要的变4 GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 量

19、，因为维修费用和功能中断的频率相互依额。必须做这种区分的另外一个原因是要为变量的正确设置制定一些要求。例如，不可能不考虑维修性，包括公共服务部门的维修政策而仅仅通过观察或预测可靠性函数去制定或满足可用度的要求。在开始做任何预测之前，EUP必须被建模。一个EUP通常由几个子系统或元器件组成，在这种情况下元器件是组成系统的最小单元。元器件被定义为不可修复的，否则它们就应该被认为是子系统，因此对不可修复系统的预测方法同样适用于元器件。系统可靠性预测取决于这些元器件的可靠性，而系统可靠性计算要用元器件的可靠性数据。为了获得好的预测结果，要尽可能准确的知道元器件的可靠性。知道这些元器件的工作条件也是非常

20、重要的，因为它们影响了元器件的可靠性。一些预测方法也要求知道系统的结构信息。预测只有在以下条件下有效z在EUP内部或外部没有意外的事件发生(例如EUP被损坏h除老化外，EUP没有改变其特性;一一环境条件是恒定的，或者至少是可预料的s二一-功能性条件(如电源电压)也是恒定的或可预料的z一一EUP详细的功能要求或失效判据存在。以上的判据是确定EUP是否正常运行的唯一准则。因此，可靠性预测的结果应该同预测的假设和条件一起呈交。参见6.6。5 可靠性分析方法对任何可靠性模型，有必要对EUP作个分析以便确认所选择的模型能够得到我们想要的结果。作这种分析的方法在附录B中略述。可靠性分析方法经常用来提供现在

21、某一特定时刻或过去某一时间段内的系统可靠性信息。对可靠性分析和预测来说，有关变量、特性和参数大体是相同的。此外，可靠性分析能够也应该提供失效原因的信息。如果EUP被认为是可修复的，那么也应该精确地掌握维修之后重新投入现场使用不能工作时间段结束)的信息。6 零部件应力方法可靠性预测6. 1 概述零部件应力方法是用于预测在系统使用期间基于在工作状态下的元器件失效率的系统实效率。基本的假设是，对系统可靠性而言，所有元器件都承担相同的重要性，也就是说任何元器件的失效都被假定会引起一个系统失效。显然在许多实际情况下这一假设并不成立。在这种情况下，此方法可能导致悲观的结果。此外，对于所考虑的时间段来说，失

22、效率假定为常数，也就是假定呈一个指数失效分布。在EUP的使用寿命内，这个是可以接受的近似值。需要以下的数据z一一元器件的所有分类和每一类中元器件的数量z一一所有元器件在参比条件下的失效率;一一所有元器件的应力因子和转换模式;本身并不是串联组合的电器装置的结构信息。5 GB/T 17215.941-2012/IEC 62059-41: 2006 系统的失效率是通过将每一类中每一个元器件在它们各自的工作条件下的失效率相加得到的。此失效率的反画数是MTBF，即平均故障间隔时间。另一方面，使用寿命的终止是由元器件损坏决定，而不能基于指数模型进行估测。如果系统中构造了冗余结构，由于元器件的数量较多，在越

23、好的系统中部件计数法会显示出低的可靠性。在这种情况下，有必要将部件计数法同其他可靠性预测和分析方法联合起来。冗余子系统必须被当作单独的元素考虑，以保证失效率计算结果可以包含在串联组合的部件计数模型中。此失效率也可以用其他方法计算，例如联合概率计算多层次方法)。6.2 元器件失效率数据元器件失效率数据可以从相应的手册获得(见参考文献。使用手册数据的好处是不同生产商的系统设计易于比较。然而，元器件供应商给的数据和现场回馈的数据可以提供更精确地结果，因此推荐此种数据。对于那些不包含在所选数据库里的元器件，其数据也只能由产品供应商提供或者由前面的设计得到现场回馈。IEC 61709: 1996给出了如

24、何使用失效率数据来预测电子设备中元器件可靠性。该标准描述了参比条件和类别，以及将参比条件下失效率转换成工作条件下失效率的元器件应力模型。6.3 应力模型元器件并不是一直运行在参比条件下，在某些情况下，工作条件的不同将导致与参比条件下不同的失效率。因此，需要获得能将参比条件下的失效率转化为工作条件下(施加于元器件上的实际环境温度和电应力失效率的应力模型因子。IEC 61709: 1996第7章给出了详细的应力模型和元器件分类，可用于将参比条件下的失效率转化为工作失效率。但是，如果用于具体的元器件类型的模型越详细则应注明此模型的使用方法。失效率的变化仅可能包括在具体的元器件功能限制范围之内。计算工

25、作条件下的失效率的一般公式是z其中zref参比条件下的失效率;u 电压依赖因子zm一一电流依赖因子ET 温度依赖因子。 =ref XuX，XT 对于具体的元器件类型，并不是会用到上述的所有因子，也可能存在其他的因子，下面给出一些例子=D 是灵敏度漂移因子，适用于某些存在灵敏度漂移电路的半导体器件s因是电应力依赖因子，例如适用于继电器和开关器件(尤其在感性负载下); n 是环境依赖因子，相应地，例如适用于继电器和开关器件z时是应力剖面因子，该因子与承受非连续性应力的元器件有关，例如继电器。对于每个元器件种类，IEC61709: 1996给出了适当的公式以计算工作条件下的失效率以及相关的因子。其数

26、据库包括了参比条件下的失效率和计算公式，以及计算工作条件下的失效率的常数。注:IEC 61709没有考虑湿度、压力以及机械应力影响相关的因子，这些影响因素可以通过加速试验方法和适当的损害模型评估得到.更多的信息参见IEC62308附录B.参比失效率的典型值和计算因子公式中的常数，可以通过将各制造商提供的说明书和测试结果中给出的典型元器件参数值平均后得到。这些参数应相当可靠，但在一些案例中，这些参数并未详细说# GB/T 17215.941-2012月EC62059咱们:2006明或不能通过现场数据直接获得，因此，失效率数据预测结果常与现场数据存在差异，在可能的情况下，应尽量使用现场数据。通过引

27、人校正因子阳，可以通过现场收集的数据对预测结果进行校正，见B.2.5.此外，对于电池和LCD等特定的元器件难以给出其模型，可能需要制造商单独提供这些元器件在特定运行条件下的可靠性和预计寿命时间等信息。6.4 使用部件计量立法的失效率预测按照6.1，假定是简单的串联系统模型和恒定的失效率，那么系统的失效率就是其元器件失效率的总和，即z).=1 +).2 +3+ 因此EUP的可靠性就可以从它的元器件的失效率中预测出来。6.5 失效率预翻过程的阶段失效率预测过程包括以下阶段=一一通过预测分析设备和潜在功能z一一定义失效E一一详细说明设备的运行条件，此运行条件决定了每个元器件的运行条件。运行条件可能包

28、括z电压电路上的电压、供电电压(若二者存在区别)，电流电路上的负载电流，周围温度和其他相关条件z一一分析设备结构和冗余情况z一一测定每一个元器件应力椒况;一一从数据手册或其他相关资料中选取每个元器件的参比失效率z一一运用相关应力因子计算每个元器件的失效率;将元器件的失效率相加。注2这些都可以通过商业软件计算.6.6 结果表述当根据此标准呈报可靠性预测结果的时候，至少应该提供以下的信息=一一预测的目的，如商业决策、系统结构确定、设备设计确定等z一一预测的对象(EUP); 一一预测的对象的功能，所有隐含的功能或预测过程中未考虑的功能均应当与未考虑的原因一起列出z一一基于标准IEC61709: 19

29、96和本部分中的可靠性模型和方法的预测描述z一一预测所应用的恒定失效率时期的描述z一一失效的定义z根据GB/T17215.921-2012的有关失效定义z一一环境和工作条件为此作出的预测z一一假设的因子等级z元器件失效率数据来源参见西门子标准29500)，若用到的数据不是来源于数据手册，应陈述其来源及原因z-一一预测结果=失效率(%/年)。7 其他可信性考虑因素预测的失效率也可以用来计算其他的可靠性函数，系统可靠性函数R可以用数学表达式写为=7 GB/T 17215.941-2012/IEC 62059-41 : 2006 这里=e=2. 718 28 z t=时间间隔z=失效率。R(t) =

30、e-At 在指定的时间区间t内，可靠度也可以用失效分布函数F的累积值表示zF(t) = 1 - R(t) 如在GB/T17215. 921-2012的附录A中所述，从失效发生到发现的最大时间段内，可靠度和可用度之间存在一定关系。为确定适当的服务水平，其前提条件主要是确定运行在用户侧的仪表的可用性。从必须的可用度图形可以看出，仪表设备必要的可靠度(或MTBF)在考虑到运行人员的维护策略下可以被计算出来，例如通过每年发现的故障、每月抄表等。通过其他的一些手段，如对于给定的仪表设备类型的可靠度图形已知，则维护策略可根据实用性需求进行调整。8 有使用期限的元器件的使用寿命为了确认恒定失效率期的结束，需

31、估测有使用期限的元器件的使用寿命。有使用期限(磨损的元器件通常为以下几种(见IEC62380): 一一锡焊(振动和热循环); 一一-功率管(接点温度循环); 一二光藕合器，发光二极管，激光二极管z-一非固体的电解电容器z一一继电器，舌簧继电器，热动继电器z开关，连接头;压敏电阻F一一电池。应使用元器件供应商所给的数据或者现场反馈的数据。IEC62380还包含有使用期限的元器件的寿命预测的公式。8 GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 附录A(规范性附录可靠性预测一流程固可靠性预测一流程图见图A.lo起始条件分析模型模型调整数据调整i 数据来源图例/ / 数据

32、或起始数据L!磊再7D 活动/fittfi o 中间结果计算/ 最终结果结果图A.1可靠性预测一流程图9 GB/T 17215.941-2012月EC62059-41: 2006 附录B资料性附录其他可靠性分析和预测方法概述B.1 可靠性分析方法B. 1. 1 网络法基本的模型是对系统和所有元器件都仅有两种状态工作/失效)的布尔条件。在许多情况下，这是一个粗略的简化模型，但是它却仅需要非常简单的数学知识就可以分析大系统。结果是最坏的情况，也就是说不会遗留隐藏着的危险。许多软件包采用这些方法。为了计算系统的可靠性，可以使用下面的方法=一元器件状态的组合原则z一一简单的逻辑串联/并联系统，如上面的

33、基本的可靠性计算z可靠性块图z将系统分解为统计上独立于其他任一个的单独的可靠性块(不是功能块!)，进而计算系统的可靠性;对于大的、复杂的或网络系统，此方法变得非常费力，因此系统可靠性的时间段估计值就可以通过使用割集和连集得到;最小-连集路径)-集合z找出连接输入和输出使系统正常运行的所有最小子集。那么系统可靠性的上限就由下式给出zR.u阳=IIRi j=1矗=1这里T是连集的数量，码是第j个连集拥有的模块数量，凡是第h个模块的可靠性。最小-割集-集合z找出切断输入和输出间所有联系(路径)从而使系统失效的所有最小子集。那么系统可靠性的下限就是=C j R内阳=1 - II (1 - Ri) 这里

34、C是割集的数量，码是第j个割集拥有的模块数量，凡是第h个模块的可靠性。注z对于高的模块可靠性，R.Rlower同时计算的R叫阳1，也就是R.upper=1 0对于低的模块可靠性.R.R.upper同时计算的R.1owe， 124 元源元器件2004-03 5 电气连接2004-06 6 电和光接头和插座1996-06 7 继电器1997-07 9 开关和按钮1992-04 10 信号和指示灯1982-05 11 触点1990-08 12 光半导体信号接收器1994-03 13 发光二极管(LED)，红外发光二极1994-03 管(IRED)和半导体激光器14 光藕合器和挡光板1994 0314

35、 . 晴.: . goNHF?ON国NFON-:-fkYH阁。华人民共和国家标准电测量设备可信性第41部分z可靠性预测GB/T 17215. 941-2012/IEC 62059-41 ,2006 国中. 导中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城区三里河北街16号(100045)A . 网址总编室，(010)64275323发行中心，(010)51780235读者服务部，(010)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销 印张1.25 字数30千字2013年5月第一次印刷开本880X 1230 1/16 2013年5月第一版* 书号，155066. 1-46626定价21. 00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68510107GB/T 17215.941-2012 打印H期:2013年5月17日F002A