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异常工作和故障试验检测

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发布时间：2025-07-24 01:45:39 更新时间：2025-07-23 01:45:39

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

异常工作和故障试验检测的重要性

在现代工业生产和产品研发领域，确保设备、系统或产品在极端或非预期工况下的安全性与可靠性至关重要。异常工作和故障试验检测正是针对这一需求而发展起来的关键性评估手段。它不同于常规的功能性测试，而是刻意模拟产品在实际使用中可能遇到的超出设计边界的条件、人为误操作、单一或复合故障模式，目的是评估产品在这些不利情境下的反应机制、潜在风险以及自我防护能力。这类试验是产品安全认证（如CE、UL、CCC等）的核心要求之一，也是提升产品质量、预防安全事故、保护用户生命财产安全和维护企业声誉的重要保障。通过主动“制造”故障和异常，在产品投放市场前充分暴露其潜在弱点，可以有效驱动设计改进，显著降低后期召回、维修及法律风险的成本。

核心检测项目

异常工作和故障试验通常涵盖一系列针对不同潜在风险的专项测试，主要检测项目包括但不限于：

电气异常： 模拟过电压、欠电压、电压骤升骤降、电源中断、反极性、短路（元件间、输入/输出端口）、接地故障、绝缘失效等。
机械异常： 如过载运行、堵转（对电机类产品）、卡死、机械部件强制位移或失效模拟、冲击、振动超限等。
热异常： 散热失效模拟（如风扇停转、风道阻塞）、局部过热（如加热元件失控）、环境温度超限、热循环冲击等。
环境应力异常： 超出产品额定范围的湿度、温度、气压、盐雾、粉尘等严酷环境条件。
功能异常： 模拟控制信号错误、传感器失效、软件故障、逻辑错误、通讯中断等。
使用者误操作： 模拟非正常顺序操作、错误输入、强制拆卸安全防护装置等。
单一故障条件（SFC）评估： 在设备中模拟单一元件（如电阻、电容、晶体管、保险丝）或单一保护装置（如热熔断体、限温器）失效，评估系统是否仍能保持安全状态（不发生火灾、触电、机械危险等）。

关键检测仪器

进行异常工作和故障试验需要专业、精密的仪器设备来精确模拟故障、施加异常应力并实时监测产品的响应：

可编程交流/直流电源： 用于精确模拟各种异常电源条件（如电压波动、波形失真、中断）。
故障注入设备/开关矩阵： 用于自动或手动在电路特定节点注入短路、开路等故障。
大电流发生装置： 用于模拟输出短路、接地故障等需要大电流的场景。
高精度温度监控与记录系统： 包括热电偶、热像仪（红外热像仪）、温度巡检仪等，监测关键部件和外壳温度。
数据采集系统（DAQ）： 同步采集多通道的电压、电流、温度、压力、流量、振动等参数。
绝缘电阻测试仪、耐压测试仪： 在试验前后及过程中评估绝缘系统的完整性，防止触电风险。例如使用Fluke 1507绝缘电阻测试仪或Hipotronics AC/DC耐压测试仪（可达5kV以上）。
泄漏电流测试仪： 监测产品在异常条件下可能产生的危险接触电流。例如使用Chroma 11020系列。
环境试验箱： 如恒温恒湿箱、快速温变箱、温度冲击箱、盐雾试验箱等，用于模拟异常环境应力。
机械负载装置： 如测功机、扭矩传感器、力传感器等，用于模拟过载、堵转等机械异常。
安全观察设备： 高速摄像机（记录起火、爆炸等瞬态事件）、有毒有害气体检测仪、火焰探测器等。

主要检测方法

异常工作和故障试验的实施需要严谨的方法学指导：

故障模式与影响分析（FMEA）： 作为试验设计的起点，识别潜在的故障模式及其影响，确定高风险项目优先测试。
边界条件分析法： 确定产品规格书中的关键参数（电压、电流、温度、转速等）边界，在边界及略超出边界处施加应力。
单一故障注入法： 在产品正常运行状态下，依次、单独地注入预设的故障（如短接特定元器件引脚、断开保护装置），观察和记录系统反应。
组合应力法： 在施加电气故障（如短路）的同时，可能叠加环境应力（如高温），以考察更严苛条件下的综合效应。
逐步加压/加载法： 对于过压、过流、过载等测试，逐步增加应力水平直至发生故障或达到预定极限，记录临界点。
失效判据监测： 在整个试验过程中，持续监测关键安全指标，如：
- 外壳、绕组、关键元器件温升是否超过限值（依据材料等级，如Class A: 105K）。
- 是否有明火、持续电弧或可燃性气体/颗粒物产生。
- 绝缘电阻是否崩溃（如低于2MΩ），耐压测试是否击穿。
- 接触电流（泄漏电流）是否超过安全限值（如0.5mA AC, 2mA DC）。
- 外壳是否因内部压力、熔融金属等产生危险变形或破裂。
- 保护装置（保险丝、断路器、热熔断体）是否按预期动作。
试验后检查： 试验结束后，对产品进行全面的目视检查、功能测试和电气安全测试（绝缘、耐压），评估其是否还能恢复基本功能或是否已永久性损坏。

遵循的检测标准

异常工作和故障试验的实施必须严格依据相关的国际、国家、行业或特定产品的安全标准，这些标准明确规定了测试项目、条件、方法、判据和仪器要求。主要标准包括：

通用安全标准：
- IEC/EN/UL 62368-1：音视频、信息和通信技术设备安全标准（取代60950-1和60065），其第4章和第5章对异常工作和故障条件有详细规定。
- IEC/EN 60335-1：家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求，第19章专门规定“异常工作”。
- IEC/EN 61010-1：测量、控制和实验室用电气设备的安全要求，第9章规定“机械危险的防护”和第10章规定“耐机械应力”。
特定产品标准： 如针对医疗器械的IEC 60601-1，针对工业设备的IEC 60204-1，针对信息设备的GB 4943.1等，都包含专门的异常工作和故障试验章节。
基础安全标准：
- IEC/EN 60529：外壳防护等级（IP代码）。
- IEC/EN 60068系列：环境试验方法（如温度、湿度、振动）。
- IEC/EN 60950：信息技术设备安全（虽被62368-1取代，但部分产品仍适用）。
国家强制性认证标准： 如中国的GB 4706.1（家电）、GB 8898（音视频）等，其异常工作章节通常等同采用IEC/EN标准。