濕熱海上風(fēng)電關(guān)鍵電器部件人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法研究

余 暢，周德棕，陳俊生，阮紅梅，黃建業(yè)，王釗桐，郭力

（1.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開(kāi)發(fā)有限公司，珠海市 519080 ；2.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663 3.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510700； 4.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

引言

接插件是電路板中重要的配套元器件，包括接頭和插座，通過(guò)它們接插在一起，連接兩個(gè)有源器件，在電路板中，大量的接插件分布于各個(gè)系統(tǒng)和部位，擔(dān)負(fù)著電能傳輸、信號(hào)控制與傳遞的任務(wù)[1-2]。任何一個(gè)接插件故障都將導(dǎo)致整個(gè)電路或某一控制設(shè)備無(wú)法正常工作或停役。在濕熱海洋大氣環(huán)境中，海上風(fēng)電電氣設(shè)備用電路板接插件將受到高溫、高濕、鹽霧的威脅，當(dāng)鹽霧沉積到接插件表面時(shí)，將對(duì)其性能產(chǎn)生一定的影響，容易造成接觸不良、絕緣不良、電阻變化超過(guò)規(guī)定值等問(wèn)題[3-6]。

針對(duì)上述情況，如何快速有效地對(duì)電路板接插件整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)制定針對(duì)性的預(yù)防或控制措施做指導(dǎo)，顯得尤為重要。目前，對(duì)電路板接插件進(jìn)行的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，大部分是單一樣品的靜態(tài)試驗(yàn)（不帶電）。電路板接插件在實(shí)際工作時(shí)，將有電流通過(guò)，接插件兩端將產(chǎn)生微小的電壓。單一樣品的靜態(tài)試驗(yàn)，不能反映電流和電壓對(duì)電路板接插件性能的影響[7-9]，因此，十分有必要開(kāi)展電路板接插件帶電工況下的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究，分析電路板接插件帶電腐蝕和常規(guī)腐蝕的差異，以便采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。正確評(píng)估接插件材料的腐蝕狀態(tài)，從而有效指導(dǎo)接插件材料的設(shè)計(jì)、維護(hù)和更換

本文將對(duì)我國(guó)典型的濕熱海洋大氣環(huán)境溫度、濕度、海洋粒子沉降量等環(huán)境條件數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析服役環(huán)境的變化規(guī)律，并根據(jù)變化規(guī)律設(shè)計(jì)人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法，通過(guò)開(kāi)展接插件在不同人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法以及自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，分析接插件在人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)和自然暴露試驗(yàn)的腐蝕行為規(guī)律及差異，進(jìn)而篩選出環(huán)境模擬相關(guān)性好的人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法，從而為接插件材料的選材設(shè)計(jì)、維護(hù)和更換提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

將插針式的接線端子焊接在30 mm*30 mm的電路板上，形成電路板接插件樣品，如圖 1所示。插針式接線端子的螺釘為鋼，其它為銅鍍錫材質(zhì)。電路板采用FR-4環(huán)氧樹(shù)脂，厚1.6 mm，單面印刷，采用無(wú)鉛焊錫。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 接插件自然環(huán)境暴露試驗(yàn)

海南三亞試驗(yàn)站為典型的濕熱海洋大氣環(huán)境，將插針式接插件樣品投放到三亞試驗(yàn)站進(jìn)行戶外自然加速試驗(yàn)，避免雨水和陽(yáng)光照射。如圖 2所示。試驗(yàn)時(shí)間為2017年1月至3月，每個(gè)月取樣，并檢查外觀，測(cè)試接觸電阻和絕緣電阻。

圖 1 電路板接插件樣品

圖 2 接插件自然環(huán)境暴露試驗(yàn)

1.2.2 人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)

根據(jù)濕熱海洋環(huán)境條件變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了3種人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法，表 1列出了人工模擬環(huán)境條件、取樣周期、取樣數(shù)量和檢測(cè)項(xiàng)目。鹽霧試驗(yàn)的鹽溶液為5 %的NaCl溶液，鹽霧沉降量為1.0-2.0 ml/80cm2*h。圖 3是人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)圖片。

1.2.3 電路板接插件電性能測(cè)試

采用YD2512直流低電阻測(cè)試儀對(duì)電路板接插件的接觸電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電流為直流50 mA，采用ZC-90 A絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)電路板接插件的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電壓為500 V，保持時(shí)間為1 min，電路板接插件進(jìn)行接觸電阻和絕緣電阻測(cè)試前，先將樣品放在溫度為35±5 ℃的空氣循環(huán)烘箱中處理2 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱海洋大氣自然環(huán)境條件分析

圖 3 人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)

表1 人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)

圖4 1~3月份溫度的瞬時(shí)變化

圖5 1~3月份濕度的瞬時(shí)變化

采用HMP155溫度相對(duì)濕度傳感器對(duì)海南三亞試驗(yàn)站2017年1月至3月溫濕度條件進(jìn)行連續(xù)收集，并統(tǒng)計(jì)平均值、最高值、最低值以及潮濕時(shí)間（相對(duì)濕度＞80 %）[10]等。

圖 4-圖 5是1月至3月的溫濕度瞬時(shí)變化圖，可以看出溫度和相對(duì)濕度均呈周期性變化。三亞試驗(yàn)站海洋大氣環(huán)境呈干濕交替循環(huán)，每天干濕交替循環(huán)至少1次，平均潮濕時(shí)間約8 h。其中1月份的平均溫度為23.80 ℃、平均相對(duì)濕度為72.79 %，平均潮濕時(shí)間為6.0 h；2月份的平均溫度為22.86 ℃、平均相對(duì)濕度為74.72 %，平均潮濕時(shí)間為7.4 h；3月份的平均溫度為25.25 ℃、平均相對(duì)濕度為77.99 %，平均潮濕時(shí)間為11.6 h。

表2 三亞試驗(yàn)站2017年1~3月份海鹽粒子沉降量

通過(guò)海鹽粒子濾膜采集海鹽粒子沉降量數(shù)據(jù)，列于表 2，1月至3月的海鹽粒子沉降量逐漸增大，分別為0.995、1.013、1.118 mg/100 cm2·d。

綜合溫度、相對(duì)濕度、潮濕時(shí)間以及海鹽粒子沉降量分析數(shù)據(jù)，列于表 3。1-3月份的溫度、平均相對(duì)濕度、海鹽粒子沉降量相差不大，當(dāng)潮濕時(shí)間相近時(shí)，如1、2月份，環(huán)境的腐蝕性也相近。當(dāng)潮濕時(shí)間顯著增大時(shí)，如3月份約是1月份的2倍，環(huán)境腐蝕性顯著增大。

2.2 海南三亞自然環(huán)境暴露試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)?zāi)軌蚩焖僭u(píng)價(jià)接插件的性能，但是對(duì)于接插件性能的評(píng)定，自然環(huán)境暴露試驗(yàn)一直是最有說(shuō)服力的評(píng)價(jià)方式。自然環(huán)境暴露試驗(yàn)一直是其他試驗(yàn)的參考[11-13]。為此我們將接插件置于海南三亞自然環(huán)境試驗(yàn)站開(kāi)展自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，時(shí)間為3個(gè)月，試驗(yàn)后形貌圖如圖 6所示，自然暴露試驗(yàn) 1個(gè)月后，外觀無(wú)明顯變化，自然暴露試驗(yàn)2個(gè)月后，焊接位置附近出現(xiàn)白膜，金屬螺釘發(fā)生輕微腐蝕，自然暴露試驗(yàn)3個(gè)月后，金屬螺釘嚴(yán)重腐蝕。

表3 腐蝕程度與環(huán)境因素的關(guān)系

表 4列出了插針式接插件試驗(yàn)前后的接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件接觸電阻試驗(yàn)前后基本沒(méi)有明顯變化。自然暴露試驗(yàn)1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月，絕緣電阻逐漸下降，分別為1011Ω數(shù)量級(jí)、109Ω數(shù)量級(jí)、106Ω數(shù)量級(jí)。

圖 6 三亞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后接插件的外觀

2.3 人工模擬環(huán)境試驗(yàn)

圖 7人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法一試驗(yàn)后接插件的外觀形貌

電路板接插件服役環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，濕熱海洋大氣環(huán)境主要特征為干濕交替循環(huán)，每天至少發(fā)生1次循環(huán)，1-3月份的平均潮濕時(shí)間分別為6.0 h、7.4 h、11.6 h，3個(gè)月的平均潮濕時(shí)間約為8 h。根據(jù)濕熱海洋環(huán)境條件變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了3種人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法，具體環(huán)境條件參數(shù)如表 1所示。

2.3.1 人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法1

圖 7列出了接插件在人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法一試驗(yàn)后的外觀形貌，插針式接插件在進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)2d、4d、7d后，印刷線路上均沒(méi)有鹽顆粒積聚，螺釘均發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。如表 5所示，接插件在進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法一試驗(yàn)后接觸電阻沒(méi)有顯著的變化，絕緣電阻均降為106Ω。

2.3.2 人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法二

表4 三亞自然環(huán)境暴露試驗(yàn)前后插針式接插件接觸電阻和絕緣電阻

表5 插針式接插件的接觸電阻和絕緣電阻（人工模擬環(huán)境試驗(yàn)一）

表6 插針式接插件的接觸電阻和絕緣電阻（人工模擬環(huán)境試驗(yàn)二）

圖 8、表 6列出了接插件在人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法二試驗(yàn)后的外觀、接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件在進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)2d、4d、7d后，印刷線路上均沒(méi)有鹽顆粒積聚，均有螺釘發(fā)生腐蝕，接觸電阻沒(méi)有顯著的變化，絕緣電阻逐漸下降，分別為109Ω、108Ω、105Ω。

圖 8人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法二試驗(yàn)后接插件的外觀形貌

2.3.2 人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三

圖 9 表 7列出了接插件在人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三試驗(yàn)后的外觀、接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件在環(huán)境試驗(yàn)2d、4d、7d后，在印刷線路上均沒(méi)有鹽顆粒積聚，試驗(yàn)2d后，螺釘沒(méi)有腐蝕，接觸電阻沒(méi)有顯著變化，絕緣電阻為109Ω，試驗(yàn)4d后，螺釘發(fā)生腐蝕，接觸電阻沒(méi)有顯著變化，絕緣電阻為107Ω，試驗(yàn)7d后，螺釘發(fā)生腐蝕，接觸電阻沒(méi)有顯著變化，絕緣電阻為106Ω。

圖 9人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三試驗(yàn)后接插件的外觀形貌

表7 插針式接插件的接觸電阻和絕緣電阻（人工模擬環(huán)境試驗(yàn)三）

將三種人工模擬環(huán)境試驗(yàn)后接插件的外觀形貌等特性與海南三亞自然環(huán)境暴露試驗(yàn)后接插件的外觀形貌等特性進(jìn)行對(duì)照分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接插件在進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三環(huán)境試驗(yàn)后的腐蝕行為與自然環(huán)境暴露試驗(yàn)相一致，由此推斷人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三是用來(lái)評(píng)價(jià)海上風(fēng)電關(guān)鍵零部件環(huán)境模擬相關(guān)性較好的人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法，在人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三下進(jìn)行試驗(yàn)7d相當(dāng)于在濕熱海洋大氣自然環(huán)境暴露試驗(yàn)3個(gè)月[14-15]。

3 結(jié)論

1）三亞濕熱海洋大氣環(huán)境1-3月份呈干濕交替循環(huán)，每天至少發(fā)生1次循環(huán)，平均潮濕時(shí)間分別為6.0 h、7.4 h、11.6 h。

2）插針式接線端子在濕熱海洋環(huán)境自然暴露3個(gè)月后，接觸電阻沒(méi)有發(fā)生變化，隨著自然暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬螺釘腐蝕越來(lái)越嚴(yán)重，絕緣電阻也隨著暴露試驗(yàn)的延長(zhǎng)逐漸下降，自然暴露1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月后絕緣電阻分別為1011Ω數(shù)量級(jí)、109Ω數(shù)量級(jí)、106Ω數(shù)量級(jí)。

3）接插件進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法一試驗(yàn)后，螺釘均發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，接觸電阻沒(méi)有顯著的變化，絕緣電阻均降為106Ω。接插件進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法二試驗(yàn)后，均有螺釘發(fā)生腐蝕，接觸電阻沒(méi)有顯著的變化，絕緣電阻逐漸下降，試驗(yàn)2d、4d、7d后，絕緣電阻分別為109Ω、108Ω、105Ω。接插件進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三試驗(yàn)后接觸電阻沒(méi)有顯著變化，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，螺釘銹蝕越來(lái)越嚴(yán)重，絕緣電阻逐漸下降，試驗(yàn)2d、4d、7d后，絕緣電阻分別為109Ω、107Ω、106Ω。該腐蝕行為與自然環(huán)境暴露試驗(yàn)相一致，由此推斷人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三是用來(lái)評(píng)價(jià)海上風(fēng)電關(guān)鍵零部件環(huán)境模擬相關(guān)性較好的人工模擬環(huán)境加速試驗(yàn)方法，在人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法三下進(jìn)行試驗(yàn)7d相當(dāng)于在濕熱海洋大氣自然環(huán)境暴露試驗(yàn)3個(gè)月。

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