Güvenilirlik test yöntemlerinin araştırılması ve topraklı prizler için optimum test yönteminin tespiti
Investigation of reliability test methodologies and determination of optimum reliability test method for socket-outlet with earth
Yazar: BURAK ŞAL
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde prizler, hayatın bir çok alanında elektrik enerjisini doğru yönlendirmek ve yararlanmak amacıyla kullanılan elektrik devre elemanlarıdır. Ülkemizde anma şebeke gerilimi 220 Volt olduğundan, prizler bu gerilimde değerinde çalışırlar ve topraklı, topraksız ve  kesintisiz güç kaynaklı (UPS) prizler olmak üzere üçe ayrılırlar. Yapı olarak, topraksız prizlerle karşılaştırıldığında, topraklı prizlerde, insan hayatını tehlikeye sokacak olan kaçak akımların toprağa akıtılmasını sağlayan bağlantı bulunmaktadır. UPS prizler ise, istenmeyen kesintileri ve öngörülen toleransın ötesinde yüksek ve düşük gerilimleri engelleyen priz tipidir. Topraklı prizler, hem yaygınlık hem de kullanım yerleri açısından toplumun büyük bir kesiminin yakından tanıdığı priz tipleridir ve bu çalışmada bu prizlere odaklanılmıştır.
Birinci bölümde, topraklı prizlerin iç yapıları ve arıza mekanizmaları incelenmiştir. Topraklı prizlerde oluşan arızalar, yüksek ısı kaynaklı, gerilim kaynaklı ve mekanik kaynaklı şeklinde sınıflandırılmış ve bu sınıflandırmaya uygun arıza mekanizmaları incelenmiştir. Daha sonra uluslararası bir topraklı priz üreticisinin, belirli yıllara ait saha verileri dikkate alınarak değerlendirmeler yapılmıştır. Saha verilerinde gözlemlenen arızalar, yapılan temel topraklı priz arıza sınıfları ile eşleşdirilmiş ve her bir arıza türüne göre arıza oranları hesaplanmıştır.
İkinci bölümde ise hızlandırılmış test yöntemleri incelenmiştir. Buna göre, öncelikle arıza hızlarının sınır değerlerinin belirlenmesini sağlayan ve böylelikle üretim ve ar-ge gibi yüksek giderli yatırımları azaltabilen HALT (Highly Accelerated Life Testing) test yöntemi tanıtılmıştır. Sonrasında, arıza oranlarının ve dolayısıyla güvenilirliğin kestirimini sağlayan ALT (Accelerated Life Testing) ve CALT (Calibrated Accelerated Life Testing) yöntemleri ile ilgili bilgiler verilmiştir.
Üçüncü bölümde, hızlandırılmış test yöntemleri ve güvenilirlik hesabı için  kullanılan parametreler incelenmiştir. Bu parametrelerden, hızlandırma faktörü; sıcaklık, gerilim,  ve mekanik (titreşim) arıza sınflamaları kapsamında incelenmiştir. Her bir temel arıza sınflaması için, literatürde bulunan hesaplamalar kullanılarak, hızlandırma faktörünün farklı koşullarda belirlenmesi sağlanmıştır.Güvenilirliğin kestirimi için gerekli olan sınırlar oranı, güven aralığı, güven düzeyi ve doğruluk gibi bazı istatistiksel parametreler, temel örneklerle açıklanmıştır.
Dördüncü bölümde ise, üçüncü bölümde anlatılan iki faklı hızlandırılmış test yönteminin güvenilirlik parametreleri, farklı koşullarda hesaplanılarak  birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Hesaplamalar sonrasında gelen sonuçlar ile ALT yönteminde kullanılacak ürün sayısı hesaplanmıştır. CALT yönteminde ise literatürde bulunan, daha önceki çalışmalarda belirlenen ürün sayısı kullanılmıştır. Son olarak, her iki test yönteminde, belirlenen ürün sayılarından sonra, test içerinde kullanılacak ürün sayısı ile ilişkili olarak,, birim ve toplam test zamanları ve bunların doğruluk oranları da hesaplanarak birbirleriyle karşılaştırılmıştır. 
Parametrelerin tamamlanmasından sonra her iki test yöntemi için, hızlandırma faktörü, arızaya kadar geçen ortalama süre; MTTF, sınırlar oranı ve gözlem süresi değerleri girdi olarak kabul edilmiş, çıktı olarak ise toplam test ürünü sayısı, birim test süresi, toplam test süresi ve bu büyüklüklerin hesabındaki doğruluk parametresi alınmıştır. Bu çıktılar, tüm elektrik ve elektronik cihazların olası arıza oranı aralığı içerisinde, %10, %1 ve %0,1 şeklinde üç örnek değer için, her üç temel arıza profilinde bazı girdi değerleri değiştirilerek karşılaştırılmıştır. Son olarak farklı örnekler kullanılarak,  hangi test yönteminin, hangi koşullarda daha verimli olduğu belirlenmiştir.
5. bölümde ise, 1. bölümde yer alan saha verileri kullanılarak, 4. Bölümde optimum aralıkları belirlenmiş test yöntemlerinin, değişik zorlanmalara göre profilleri oluşturulmuş ve topraklı prizler için en verimli sonucu veren bir test yöntem kombinasyonu hazırlanmıştır. Bu sonuç, analitik örneklerle desteklenerek verilmiştir.

Abstract:
Socket-outlets with side-earth are the most common device that the any end-users can easily use to supply the electrical energy at their homes, officesr, etc. This device can be chosen by its usage areas or aesthetic purposes. Furthermore, rated voltages and the types of socket-outlets can be different for different countries. For instance, in Turkey, socket-outlets are plugged to 220 V rated system voltage. Generally, all the socket-outlets connected to Turkish low voltage power supply system operates at a voltage level of 220 V. 
On the other hand, socket-outlets used all around the world are generally classified into three main types; namelly, socket-outlet without earth, socket-outlet with earth and socket-outlet with pin earth also known as French type. Although socket-outlets without earth are cheaper than the others, socket-outlets with earth, have a system that can block the current that can danger human life. UPS socket-outlets may prevent decrease or increase of the voltage due to electricity failures. Socket-outlets with side earth have the most common usage area than the other types. Therefore, this thesis will concentrate on socket-outlets with side earth devices.
In the first section of the thesis, the structure of socket-outlet with earth will be introduced and their failure mechanisms will be classified according to field experinece. This classification is based on three different failure types as arc related failure mechanisms, high temperature related failure mechanisms, voltage related failure mechanisms and mechanic (mainly vibration) related failure mechanisms. After the explanation of the fundamental failure mechanisms of socket-outlet with earth, field data of an international socket-outlet manufacturer will be illustrated. Failures will be classified into three basic failure types that are mentioned above. It is important for this data that have to contain a different time gaps for different failure types. Although field data includes maximum two years period of observations (warranty time for a socket-outlets of this manufacturer is two years), every year's field data have six months, a year, two years period observation gaps and they are all classified according to three failure mechanisms.  Field data is enough to calculate the failure rates for each failure mechanism as well as to predict other reliability indices and parameters. As a result, failure rates will be calculated for each failure mechanism. Moreover, to validate the calculations, some of the regional habits will be explained. 
The second section of the thessis is devoted to accelerated life tests of the units. Explanations and informations are illustrated for Highly Accelerated Life Testing method ( HALT), which is used for reducing the cost of production as well as the cost of research and development investments due to its capability of finding the limit charachteristics of a given product. Furthermore, basics of Accelerated Life Testing, ALT, method and Calibrated Accelerated Life Testing, CALT, method will be introduced. All the procedure of the two test methods will be explained. ALT method's test mechanism will then be compared with of the HALT method's and their application areas will be idetified. Six sample need of CALT method will be explained. Three test points of the method will be introduced where the first test point (first level) is taken as 10-15% below the limit stress of the product, the second one is selected 10-15% below the first level and third one generally 10-15% below the second level. In summary, all test methodologies used for the life tests as well as for estimation of several reliability parameters are explained in this section. Therefore, the difference between quantitative and qualitative test methodologies are explained and their usage are limited with certain parameters.
In the third section, the parameters of the acceleretaed life test methods as well as probabilistic parameters to state the accuracy of the methods are illustrated. Acceleration factors and models used for several stress parameters such as temperature, voltage, and vibration will be introduced. In this context, Arrhenius model for temperature acceleration factor and other calculations besides model itself are explained. Bounds ratio, confidence interval and confidence level terms will be explained using simple marble example and supported by other studies in the literature. Furthermore, the method used in this thesis for accuracy evaluation will be explained. Accuracy calculation is associated with the bounds ratio since upper and lower bound has to be determined to have the accuracy. Upper and lower bound determination can change regarding the manufacturer's requests and also this can change accuracy and other calculations. Similarly, other statistical parameters that are used in the calculations will be introduced.
Section four includes comparisions of  ALT and CALT methods using their fundamental parameters. At first, the bounds ratio will be identified for both test methods and the usage of a MATLAB code "wblrnd" related to bounds ratio for accuracy calculations will be introduced. Unit test and total test times of the both test methodologies will be explained with the underlying clarification of CALT method's sample size as six. Finally, clarification is done to state the relationship between the failure rate and the mean-time-to-failure, MTTF. Regarding the results, either parameter can be chosen as input to determine another.
After the explanation of the parameters used in the comparison; acceleration factor, mean-time-to-failure, bounds ratio and warranty time will be accepted as the inputs of the computation process of the other parameters which are assumed to be the outputs for the comparison of the methods. These output parameters are sample size, unit test and total test time and also accuracy. These outputs are then compared for the prospective failure rate of  electrical or electronic products. This range is represented by three prospective failure rates of 10%, 1% and 0,1%. With the help of analytical examples, optimum range for these test methodologies are identified. These optimum ranges for both test methodologies contain, sample size, unit and total test time as well as accuracy.
The fifth section of the thessis includes the numerical results obtained for a socket-outlets with side-earth manufactured by an international company. Field data during which was given in the first section is used together with the optimum test ranges identified in section four. Since every failure mechanism has its own stress calculations and special lifetime model, individual calculations are performed for each stress. For this calculations, especially for different stress types, different acceleration models have been applied. Since, CALT uses six samples, depending on mean-time-to-failure, despite the fact that, CALT is superior to ALT, accuracy calculations show ALT is really competitive. Moreover, two test metholodies have been applied for the field data to validate the  results obtained in section four. Finally, optimum test methodology is identified for every stress level.
Finally, section six summerizes the conclusions of the study and also give advice for mathematical model to those who will iniate another optimization for some another product.