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)合開發(fā)有限公司，珠海市 519080 ；2.中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663 3.威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510700； 4.中國電器科學(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，通過它們接插在一起，連接兩個有源器件，在電路板中，大量的接插件分布于各個系統(tǒng)和部位，擔(dān)負(fù)著電能傳輸、信號控制與傳遞的任務(wù)[1-2]。任何一個接插件故障都將導(dǎo)致整個電路或某一控制設(shè)備無法正常工作或停役。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，將對其性能產(chǎn)生一定的影響，容易造成接觸不良、絕緣不良、電阻變化超過規(guī)定值等問題[3-6]。

針對上述情況，如何快速有效地對電路板接插件整體性能進(jìn)行評價，并對制定針對性的預(yù)防或控制措施做指導(dǎo)，顯得尤為重要。目前，對電路板接插件進(jìn)行的性能評價試驗中，大部分是單一樣品的靜態(tài)試驗（不帶電）。電路板接插件在實際工作時，將有電流通過，接插件兩端將產(chǎn)生微小的電壓。單一樣品的靜態(tài)試驗，不能反映電流和電壓對電路板接插件性能的影響[7-9]，因此，十分有必要開展電路板接插件帶電工況下的性能評價試驗研究，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、維護(hù)和更換

本文將對我國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)計人工模擬環(huán)境加速試驗方法，通過開展接插件在不同人工模擬環(huán)境加速試驗方法以及自然環(huán)境暴露試驗，分析接插件在人工模擬環(huán)境加速試驗和自然暴露試驗的腐蝕行為規(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)境加速試驗方法，從而為接插件材料的選材設(shè)計、維護(hù)和更換提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗樣品

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)氧樹脂，厚1.6 mm，單面印刷，采用無鉛焊錫。

1.2 試驗方法

1.2.1 接插件自然環(huán)境暴露試驗

海南三亞試驗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站進(jìn)行戶外自然加速試驗，避免雨水和陽光照射。如圖 2所示。試驗時間為2017年1月至3月，每個月取樣，并檢查外觀，測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

1.2.2 人工模擬環(huán)境加速試驗

根據(jù)濕熱海洋環(huán)境條件變化規(guī)律，設(shè)計了3種人工模擬環(huán)境加速試驗方法，表 1列出了人工模擬環(huán)境條件、取樣周期、取樣數(shù)量和檢測項目。鹽霧試驗的鹽溶液為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)境加速試驗圖片。

1.2.3 電路板接插件電性能測試

采用YD2512直流低電阻測試儀對電路板接插件的接觸電阻進(jìn)行測試，測試電流為直流50 mA，采用ZC-90 A絕緣電阻測試儀對電路板接插件的絕緣電阻進(jìn)行測試，測試電壓為500 V，保持時間為1 min，電路板接插件進(jìn)行接觸電阻和絕緣電阻測試前，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

表1 人工模擬環(huán)境加速試驗

圖4 1~3月份溫度的瞬時變化

圖5 1~3月份濕度的瞬時變化

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

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

表2 三亞試驗站2017年1~3月份海鹽粒子沉降量

通過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、相對濕度、潮濕時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、平均相對濕度、海鹽粒子沉降量相差不大，當(dāng)潮濕時間相近時，如1、2月份，環(huán)境的腐蝕性也相近。當(dāng)潮濕時間顯著增大時，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

實驗室加速試驗?zāi)軌蚩焖僭u價接插件的性能，但是對于接插件性能的評定，自然環(huán)境暴露試驗一直是最有說服力的評價方式。自然環(huán)境暴露試驗一直是其他試驗的參考[11-13]。為此我們將接插件置于海南三亞自然環(huán)境試驗站開展自然環(huán)境暴露試驗，時間為3個月，試驗后形貌圖如圖 6所示，自然暴露試驗 1個月后，外觀無明顯變化，自然暴露試驗2個月后，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3個月后，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前后的接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件接觸電阻試驗前后基本沒有明顯變化。自然暴露試驗1個月、2個月、3個月，絕緣電阻逐漸下降，分別為1011Ω數(shù)量級、109Ω數(shù)量級、106Ω數(shù)量級。

圖 6 三亞現(xiàn)場試驗后接插件的外觀

2.3 人工模擬環(huán)境試驗

圖 7人工模擬環(huán)境試驗方法一試驗后接插件的外觀形貌

電路板接插件服役環(huán)境監(jiān)測結(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月份的平均潮濕時間分別為6.0 h、7.4 h、11.6 h，3個月的平均潮濕時間約為8 h。根據(jù)濕熱海洋環(huán)境條件變化規(guī)律，設(shè)計了3種人工模擬環(huán)境加速試驗方法，具體環(huán)境條件參數(shù)如表 1所示。

2.3.1 人工模擬環(huán)境試驗方法1

圖 7列出了接插件在人工模擬環(huán)境試驗方法一試驗后的外觀形貌，插針式接插件在進(jìn)行環(huán)境試驗2d、4d、7d后，印刷線路上均沒有鹽顆粒積聚，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)境試驗方法一試驗后接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻均降為106Ω。

2.3.2 人工模擬環(huán)境試驗方法二

表4 三亞自然環(huán)境暴露試驗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)境試驗二）

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

圖 8人工模擬環(huán)境試驗方法二試驗后接插件的外觀形貌

2.3.2 人工模擬環(huán)境試驗方法三

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

圖 9人工模擬環(huán)境試驗方法三試驗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)境試驗三）

將三種人工模擬環(huán)境試驗后接插件的外觀形貌等特性與海南三亞自然環(huán)境暴露試驗后接插件的外觀形貌等特性進(jìn)行對照分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接插件在進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗方法三環(huán)境試驗后的腐蝕行為與自然環(huán)境暴露試驗相一致，由此推斷人工模擬環(huán)境試驗方法三是用來評價海上風(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)境加速試驗方法，在人工模擬環(huán)境試驗方法三下進(jìn)行試驗7d相當(dāng)于在濕熱海洋大氣自然環(huán)境暴露試驗3個月[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個月后，接觸電阻沒有發(fā)生變化，隨著自然暴露時間的延長，金屬螺釘腐蝕越來越嚴(yán)重，絕緣電阻也隨著暴露試驗的延長逐漸下降，自然暴露1個月、2個月、3個月后絕緣電阻分別為1011Ω數(shù)量級、109Ω數(shù)量級、106Ω數(shù)量級。

3）接插件進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗方法一試驗后，螺釘均發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻均降為106Ω。接插件進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗方法二試驗后，均有螺釘發(fā)生腐蝕，接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻逐漸下降，試驗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)境試驗方法三試驗后接觸電阻沒有顯著變化，隨著試驗時間的延長，螺釘銹蝕越來越嚴(yán)重，絕緣電阻逐漸下降，試驗2d、4d、7d后，絕緣電阻分別為109Ω、107Ω、106Ω。該腐蝕行為與自然環(huán)境暴露試驗相一致，由此推斷人工模擬環(huán)境試驗方法三是用來評價海上風(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)境加速試驗方法，在人工模擬環(huán)境試驗方法三下進(jìn)行試驗7d相當(dāng)于在濕熱海洋大氣自然環(huán)境暴露試驗3個月。

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