高原鐵路電子元器件應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)探討

鮑才讓太 張紅州 金 亮

高原環(huán)境對電子產(chǎn)品的性能及應(yīng)用具有重要影響。在青藏鐵路現(xiàn)場，就經(jīng)常出現(xiàn)電解容器鼓包、產(chǎn)品爬電距離不足、絕緣耐壓測試不通過等問題。例如，青藏公司平安驛站某型號聯(lián)鎖出現(xiàn)CPCI 電源故障，原因是其內(nèi)部起濾波作用的電解電容器嚴(yán)重鼓包，導(dǎo)致電壓輸出產(chǎn)生波動；而某廠家提供的普通型點(diǎn)燈單元應(yīng)用到高原后，出現(xiàn)爬電距離不足，后需通過增加灌封措施改善整機(jī)絕緣。這些例子都是由于電子元器件產(chǎn)品沒有適應(yīng)高原嚴(yán)酷的環(huán)境條件而導(dǎo)致出現(xiàn)的典型問題。

目前，鐵路電子產(chǎn)品元器件在高原應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)還存在空白，為此青藏公司專門立項(xiàng)，重點(diǎn)分析了高原環(huán)境對電子元器件的影響，并結(jié)合現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)形成了應(yīng)用于高原的電子元器件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品的高原特殊環(huán)境適應(yīng)能力。本文根據(jù)青藏公司科研項(xiàng)目，討論了鋁電解電容器、膜電容器、晶振和變壓器4 種元器件受高原特殊環(huán)境的影響，并給出了元器件標(biāo)準(zhǔn)對優(yōu)化高原信號設(shè)備的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高原環(huán)境特點(diǎn)

圖1 為根據(jù)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)，繪制出的西寧、格爾木、昌都、玉樹、拉孜、改則、五道梁等地海拔高度與大氣壓力、年最低氣溫、平均相對濕度的曲線圖。圖1 顯示隨著海拔的增高，大氣壓力成線性降低，最低溫度和相對濕度也有不同程度的降低，年最低氣溫均在-25℃以下，五道梁的氣壓值僅為56.12 kPa，幾乎是平原的一半。

《TB/T 3213-2009 高原機(jī)車車輛電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)條件》中給出的高原環(huán)境條件，可作為鐵路電子元器件和產(chǎn)品進(jìn)行高原試驗(yàn)的參考依據(jù)。當(dāng)選取溫度試驗(yàn)指標(biāo)時，可以適當(dāng)留有余量，以保證元器件能夠適應(yīng)使用地點(diǎn)的極端環(huán)境?？傊?，青藏高原環(huán)境有以下特點(diǎn)：氣壓低、氣溫低、氣溫日變化大、絕對濕度低、太陽輻射強(qiáng)等。

圖1 青藏高原部分地區(qū)氣壓、氣溫、相對濕度圖

2 高原環(huán)境對電子元器件的影響

2.1 對密封的影響

低氣壓會增大有腔體器件的內(nèi)外壓差，引起外觀變形、爆裂，使氣體或液體從密封容器的結(jié)合處向外泄漏，因此用于高原的密封性產(chǎn)品要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整密封體內(nèi)的壓力，并通過壓力試驗(yàn)，檢查有無開裂、變形和泄漏等。

圖2 給出了導(dǎo)致電容器出現(xiàn)底部或橡膠塞鼓起故障的因素分析，分別從電應(yīng)力和熱應(yīng)力兩方面分析了可能的故障原因。當(dāng)處于高原低氣壓的使用環(huán)境下，橡膠塞密封的鋁電解電容器內(nèi)外部的氣壓差會對電容器的密封產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致防爆閥打開，橡膠塞密封失效，電解液泄露，影響性能參數(shù)。

2.2 對絕緣強(qiáng)度的影響

圖2 液態(tài)鋁電解電容器故障原因分析

由帕邢定律可知，氣體間隙擊穿電壓是電極距離和大氣壓乘積的函數(shù)，通常寫成V=f（pd），其中，p 是氣體的壓力，d 是電極的距離。根據(jù)該函數(shù)可繪制出如圖3 所示的帕邢曲線，當(dāng)電極間距d一定時，擊穿電壓與大氣壓強(qiáng)的關(guān)系是先反相關(guān)，后正相關(guān)。在高原地區(qū)，大氣壓強(qiáng)均處在帕邢曲線的右半支，即擊穿電壓隨大氣壓強(qiáng)的降低而減小。故產(chǎn)品和元器件的絕緣強(qiáng)度隨海拔高度的升高而減小。

圖3 空氣中帕邢曲線

2.3 對溫升的影響

海拔增高，空氣密度降低，使以空氣對流為主要散熱方式的產(chǎn)品散熱困難，溫升增加。如圖2 所示，在溫升增加的條件下，鋁電解電容器一方面會加速其內(nèi)部電解液的揮發(fā)，影響電容器性能，表征為電容器容量發(fā)生衰減、損耗增大等；另一方面，電容器內(nèi)外部壓差進(jìn)一步增大，對電容器密閉性能、防爆性能造成影響，表征為電容器發(fā)生殼體變形、電解液泄漏等。

2.4 對元器件結(jié)構(gòu)的影響

高原空氣溫度的日溫差大，較大的溫度變化使產(chǎn)品機(jī)械機(jī)構(gòu)變形、開裂，破壞結(jié)構(gòu)的密封，造成涂層開裂脫落等。例如印制板的組裝，由于不同元器件與原材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)產(chǎn)生較大溫度變化時，不同元器件與原材料發(fā)生熱脹冷縮的程度不同，存在較大機(jī)械應(yīng)力，長時間收縮變化的不匹配，會造成焊點(diǎn)開裂等問題。另外，頻繁的熱脹冷縮對原材料本身產(chǎn)生影響，加速材料老化，縮短使用壽命。

2.5 鹽湖特殊條件對元器件等的腐蝕

高原鹽湖地區(qū)，土壤鹽分含量高、土質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，空氣干燥、大風(fēng)煙塵、鹽顆粒污染嚴(yán)重。酸堿性的氣候環(huán)境均有鹵素、硫等腐蝕性物質(zhì)存在，加上空氣流通等因素影響，有害物質(zhì)隨時可能對電容器造成侵蝕。如電容器所用的密封橡膠件、裸露的金屬端子、組裝配件等均有可能發(fā)生銹蝕或腐蝕。一方面會造成其密封結(jié)構(gòu)的破壞，有害物質(zhì)侵入電容器腔體內(nèi)，對電極箔產(chǎn)生腐蝕損傷，鋁氧化膜降低電容器的耐壓，甚至腐蝕斷電容器電極箔，造成電容器開路失效；另一方面，金屬端子和組裝配件銹蝕，會造成接觸不良的故障。

晶振內(nèi)部晶片的可靠工作需要較高的清潔度，但由于低壓環(huán)境疊加鹽湖地區(qū)污染的加速腐蝕，導(dǎo)致晶振泄漏，晶片污染，晶振頻率穩(wěn)定性變差及過早失效。

3 措施和要求

3.1 降額

元器件的降額使用是電務(wù)電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計的重要準(zhǔn)則。關(guān)于元器件的降額可參考《GJB/Z 35-1993 元器件降額準(zhǔn)則》。該準(zhǔn)則對電子產(chǎn)品的不同應(yīng)用場景給出了推薦的元器件降額等級，如鐵路電務(wù)電子產(chǎn)品可以歸納為地面保障設(shè)備，最高降額等級為Ⅱ級，最低為Ⅲ級；安全產(chǎn)品降額等級可定為Ⅱ級。表1 主要描述了膜電容器、鋁電解電容器、變壓器和晶振的降額參數(shù)。

表1 元器件參數(shù)降額

隨著近幾年元器件生產(chǎn)中新技術(shù)、新材料、新工藝的廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用《準(zhǔn)則》降額時，應(yīng)該參考具體元器件的規(guī)格書，綜合考慮其降額量值。

3.2 選型原則

高原鐵路使用的電子元器件除電氣參數(shù)應(yīng)滿足應(yīng)用要求外，在選型上還應(yīng)考慮高原環(huán)境影響因素，選擇質(zhì)量等級高的元器件，具體選型原則如下。

1）應(yīng)選擇性能參數(shù)、環(huán)境適應(yīng)性和質(zhì)量等級能夠滿足產(chǎn)品要求的元器件。

2）應(yīng)選擇以往產(chǎn)品中表現(xiàn)出質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、符合技術(shù)發(fā)展趨勢的元器件和元器件廠家。

3）不應(yīng)選擇貯存期過久的元器件，及已經(jīng)停產(chǎn)或即將停產(chǎn)的元器件。

4）盡量選擇國產(chǎn)元器件。如必須選擇國外元器件，應(yīng)該盡量避免單一來源。

5）對與安全相關(guān)的關(guān)鍵元器件，應(yīng)該選擇失效率已知的元器件。

在產(chǎn)品研制過程中，對元器件合理選擇的主要控制方法有：元器件選型準(zhǔn)則、優(yōu)選目錄、篩選試驗(yàn)、DPA 分析等。高原鐵路產(chǎn)品制造單位應(yīng)對以上控制方法建立合理的規(guī)章制度，以切實(shí)保證產(chǎn)品可靠性。

3.3 元器件應(yīng)用要求

高原鐵路電務(wù)電子產(chǎn)品元器件的應(yīng)用，除滿足平原普通應(yīng)用條件外，還應(yīng)注意如下事項(xiàng)。

1）變壓器。必須滿足信號電子產(chǎn)品應(yīng)用場景污染等級下的電氣間隙和爬電距離要求。如低氣壓條件下保持絕緣耐壓不變時，需要增大電極間距離，故需對電氣間隙進(jìn)行海拔修正，具體見GB/T 20626.1-2017 的相關(guān)規(guī)定。

2）印制板?？梢钥紤]增加導(dǎo)線寬度，增加通流量以限制溫升。由于整機(jī)產(chǎn)品都是多種元器件安裝在印制板上，上電后多種元器件和支撐的印制板共同發(fā)熱，導(dǎo)致其微觀環(huán)境普遍比周圍空氣溫度高。如果對元器件有嚴(yán)格的溫升限制，應(yīng)該遵照適當(dāng)?shù)脑O(shè)計原則進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，必要時進(jìn)行產(chǎn)品和元器件的實(shí)際溫升測試，以確定其性能的符合性。

3）晶振。盡量選擇密閉封裝形式，應(yīng)用前應(yīng)做密封試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)，適當(dāng)采取防靜電措施。

4）鋁電解電容。模擬低氣壓環(huán)境，測試電容器散熱和溫升，不能高于規(guī)格書限值。應(yīng)用后宜定期檢查電容器外觀，如果發(fā)現(xiàn)有鼓包、漲塞等現(xiàn)象立即更換。

總之，高原鐵路電務(wù)電子產(chǎn)品元器件的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮絕緣耐壓、溫升、密封、污染侵蝕等因素的影響。

3.4 產(chǎn)品應(yīng)用

以上從元器件降額、選型、應(yīng)用的角度闡述了高原特殊環(huán)境下元器件一般要求，為電務(wù)電子產(chǎn)品在高原可靠應(yīng)用打下基礎(chǔ)。但除元器件外，還應(yīng)從產(chǎn)品角度考慮增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力，這樣才能切實(shí)有效地保障整機(jī)設(shè)備的可靠運(yùn)用。因此，高原鐵路電務(wù)產(chǎn)品還應(yīng)從以下幾點(diǎn)增強(qiáng)最終產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

1）防凝露與污穢。戶內(nèi)產(chǎn)品，應(yīng)該按照GB/T 32350.1-2015 污染等級PD1 來設(shè)計電氣間隙和爬電距離；戶外產(chǎn)品，應(yīng)該至少按照GB/T 32350.1-2015 污染等級PD3 來設(shè)計電氣間隙和爬電距離；如沒有特殊應(yīng)用要求，可按照OV1 來確定電氣間隙。考慮具體的應(yīng)用環(huán)境，提高產(chǎn)品的IP 防護(hù)等級。

2）材料選擇。戶外產(chǎn)品使用的材料應(yīng)具有較強(qiáng)的抗熱輻射、抗紫外線、抗寒、抗大溫差的特性。

3）靜電防護(hù)。高原干燥氣候會加劇靜電積累和靜電釋放頻率，因而高原用電子產(chǎn)品在線路設(shè)計和材料選擇上應(yīng)采取抗靜電措施。如在器件輸入端加上防靜電損傷的保護(hù)電路。操作場所如信號室，必須采取防靜電措施。

4）熱設(shè)計。溫升過高可導(dǎo)致元器件的材料過早劣化。隨著科技進(jìn)步，電子設(shè)備所用的電子元器件的密度變高，產(chǎn)品趨于小型化，使元器件之間通過對流、輻射、傳導(dǎo)等產(chǎn)生熱耦合，再疊加高原效應(yīng)，使熱應(yīng)力進(jìn)一步影響產(chǎn)品可靠性。因此，在元器件安裝布局的過程中，需進(jìn)行有效的熱設(shè)計，并加強(qiáng)散熱措施。

5）冗余設(shè)計。在元器件有一定可靠性的前提下，關(guān)鍵安全產(chǎn)品仍然要采取冗余設(shè)計，盡量做到故障不停機(jī)。

6）環(huán)境試驗(yàn)。加強(qiáng)產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)，用試驗(yàn)設(shè)備模擬低氣壓、低氣壓低溫、低氣壓高溫等環(huán)境，驗(yàn)證產(chǎn)品的絕緣性能、散熱性能等。當(dāng)無法模擬低氣壓環(huán)境時，可以采取絕緣性能修正的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

7）涂層、灌封和模壓。適于平原應(yīng)用的電子產(chǎn)品應(yīng)用于高原時，必須通過相應(yīng)環(huán)境試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)。當(dāng)無法通過試驗(yàn)時，可以采取適當(dāng)增加涂層、灌封、模壓的方式，改善帶電組件的微觀環(huán)境，減小污染等級，以彌補(bǔ)電氣間隙或爬電距離不足等導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗。

4 階段成果及項(xiàng)目意義

通過總結(jié)并形成受高原影響較大電務(wù)電子元器件的通用應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)后，征求了行業(yè)內(nèi)元器件廠家的意見，并根據(jù)意見進(jìn)行了相應(yīng)修訂，結(jié)合實(shí)際軌道電路產(chǎn)品，優(yōu)化了部分元器件及在高原環(huán)境的應(yīng)用措施，形成新的軌道電路樣機(jī)，經(jīng)高原環(huán)境相關(guān)的型式試驗(yàn)，結(jié)果理想，為下一步高原現(xiàn)場試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。該應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)將作為青藏公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)高原鐵路電務(wù)電子產(chǎn)品元器件選型提供參考依據(jù)，進(jìn)而對降低高原產(chǎn)品故障率和電務(wù)人員的維護(hù)壓力，提供重要手段。