王邦成，姜陽，杜啟源，杜詩堯

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司供電服務(wù)監(jiān)管與支持中心，通遼 028000）

引言

嶺南地區(qū)具有熱帶、亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候特點，作為高溫高濕地區(qū)的代表，“炎熱、潮濕、多雨”是這類地區(qū)氣候的特征，而廣州地區(qū)的氣候情況是這類高溫高濕地區(qū)的典型代表[1]。而據(jù)相關(guān)資料顯示，環(huán)境溫度和濕度對電子產(chǎn)品的可靠性能產(chǎn)生較大的 影響，在失效電子產(chǎn)品的統(tǒng)計中，對于溫度和濕度的因素導(dǎo)致失效情況占總數(shù)的 60 %。而且電子式電能表內(nèi)部是通過各電子式功能模塊組合而成的，器件在高溫、潮濕環(huán)境中容易對其造成各種不良影響，主要表現(xiàn)為電能表可靠性降低，平均壽命縮短，直接影響電子式電能表的功能發(fā)揮[2]。如何在現(xiàn)有電子式電能表產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開展一些試驗性研究工作，增強其在濕熱氣候環(huán)境下的適應(yīng)性，是電力計量工作中一件迫切需要擊破的問題所在。目前電子式電能表在全國范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，但在高溫高濕地區(qū)等特殊地區(qū)的應(yīng)用評估情況不夠完善，對于其失效機理的研究較少，因此對于提高高溫高濕地區(qū)電子式電能表產(chǎn)品在高溫高濕地區(qū)的適應(yīng)性，增強其可靠性，以降低電能計量運維壓力，是目前需要攻克的問題[3]。

1 高濕高溫條件下電子式電能表環(huán)境試驗分析

1.1 溫度應(yīng)力的影響

1889 年瑞典物理學(xué)家阿倫紐斯（S.T.Arrhenius）在研究中發(fā)現(xiàn)加速因子 AF 的對數(shù) Log AF 和絕對溫度（熱力學(xué)溫度）T 的倒數(shù)（1/T），存在如公式（1）表示的線性關(guān)系。這個關(guān)系是目前被廣泛使用的反應(yīng)速率計算方法，用來對溫度應(yīng)力加速條件進行產(chǎn)品壽命的評估的最常用的模型之一[4]。

式中：

AF —加速條件相對于不同溫度使用環(huán)境的加速因子；

R —反應(yīng)速率；

T0—產(chǎn)品正常使用的熱力學(xué)溫度；

Ta—特定溫度應(yīng)力熱力學(xué)溫度；

Ea—與材料有關(guān)的參數(shù)，表示的是故障耗費能量（或激活能）[5]。

Arrhenius 模型在討論產(chǎn)品壽命時，被應(yīng)用為“10 ℃規(guī)則”，即當環(huán)境溫度上升10 ℃時，產(chǎn)品的壽命會減少二分之一。因此，根據(jù)此模型，可以通過升溫的方法開展加速壽命的試驗，以研究溫度應(yīng)力對產(chǎn)品壽命的影響以及失效的問題。

1.2 濕度應(yīng)力的影響

濕度則指空氣中水蒸氣的含有量，是干燥空氣和水（水蒸氣）結(jié)合到何種程度的一個指標。

絕對濕度計算公式：

式中：

D —絕對濕度；

θ—溫度；

H —相對濕度。

舉個例子，當θ = 85 ℃， H =100 %RH ，根據(jù)式（2）可知 D = 350 g / m3。

而如果在1 m3的容積中全部充滿水，水的質(zhì)量為1 000 kg，所以當 H =100 %RH 時，其所含水的絕對質(zhì)量與全部充滿水時的質(zhì)量比為（350÷106）×100 %=0.035 % ，所以我們平時講的 H =100 %RH 時，其所含水的絕對質(zhì)量實際是很少的[6]。

濕度對產(chǎn)品的影響表現(xiàn)為在高濕或低濕的情況下，通過物理、化學(xué)作用或性能方 面對產(chǎn)品造成劣化或失效，具體表現(xiàn)為以下幾方面：

1）高濕效應(yīng)：產(chǎn)生水汽凝露、吸濕增強、加速金屬氧化和腐蝕、加速化學(xué)和電 化學(xué)效應(yīng)、促進生物活動等影響，導(dǎo)致絕緣材料電阻和熱性能降低、電器短路、降低電子元器件性能；材料溶解膨脹變形；破壞有機涂層加速金屬腐蝕；促進霉菌生長并破壞材料等危害。

2）低濕效應(yīng)：材料失水；易產(chǎn)生靜電；加速某些器材干裂或龜裂等后果[7]。

3）干濕交替效應(yīng)：產(chǎn)生毛細管“呼吸”作用、金屬表面干濕現(xiàn)象，導(dǎo)致加速材料返潮、加速金屬電化學(xué)腐蝕等后果。這里研究背景是高溫高濕氣候條件，但區(qū)分研究溫度濕度影響是不夠的。例如，印制板基材中聚酯等酯類樹脂在溫度的單一應(yīng)力作用情況下，如僅在150 ℃時，吸水率僅為 0.1 %，其使用壽命可達到數(shù)年；在溫度和濕度兩個應(yīng)力共同作用的而情況下，如20 ℃、100 %RH℃其使用壽命可長達 27 年，在35 ℃、100%RH℃的作用下壽命僅有 3 日。因此濕熱應(yīng)力的共同作用的情況下對產(chǎn)品的壽命會有更大的[8]。

1.3 濕熱影響試驗設(shè)計

所有的濕熱試驗都需要升溫和降溫，升溫后要保持高溫高濕狀態(tài)，降溫后要保持低溫高濕狀態(tài)。不同的是升溫和降溫的速度保持時間長。降溫階段的相對濕度值保持在85 %左右，通過不同的濕熱試驗方法，進行濕熱試驗條件的參數(shù)設(shè)置。采用交變濕熱試驗（Db）和恒定濕熱試驗（Ca）兩種方法進行參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 濕熱試驗條件

結(jié)果表明，Db試驗在降溫階段可以保持更好的高濕裝填，使交變濕熱試驗可以更為顯著。交變濕熱試驗時，溫度的變化范圍越大，則溫度降低中的相對濕度越高，高濕狀態(tài)的持續(xù)時間越長[9]。

2 高溫高濕條件下對電子式電能表的影響試驗

2.1 恒定濕熱試驗

高溫高濕條件對電子式電能表的影響試驗主要是進行濕熱試驗，濕熱試驗主要分為恒定濕熱試驗和交變濕熱試驗兩大類。其中，恒定濕熱試驗中典型的“雙 85”（溫度 85 ℃、相對濕度 85 %）試驗，其本質(zhì)上是一種高加速壽命試驗，可用于對電子式電能表高溫高濕條件下的壽命特性進行評估[10]。此外，由于電子式電能表具有空腔外殼，根據(jù)高溫高濕氣候分析報告的數(shù)據(jù)，溫度變化區(qū)間超過 40 ℃，不屬于溫濕度較為穩(wěn)定的環(huán)境，凝露、呼吸作用影響不可忽略，因此選擇交變濕熱試驗?zāi)芨诱鎸嵱行П┞冻鲭娮邮诫娔鼙碓诟邷馗邼竦貐^(qū)高溫高濕環(huán)境下容易出現(xiàn)的失效問題。因此，利用加嚴交變濕熱試驗力求快速有效暴露出電子式電能表在濕熱耦合應(yīng)力條件下容易出現(xiàn)的失效問題，并采用恒定濕熱“雙 85”試驗對電子式電能表的在濕熱環(huán)境下的可靠性壽命進行評估，以反映電子式電能表在高溫高濕地區(qū)的環(huán)境下所暴露的問題[11]。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電子式電能表的應(yīng)用越來越廣泛，因電子式電能表屬于電子式的計量器具，在使用的過程中會出現(xiàn)各類型的故障。在恒定濕熱試驗和加嚴濕熱交變試驗的過程中，對電子式電能表可能會出現(xiàn)的故障按出現(xiàn)的現(xiàn)象分為以下幾類，如表2所示。

表2 故障分類

每組測試10只相同型號的電能表，該測試分為6組，如表3所示。

表3 各測試點誤差影響量（%）

恒定濕熱試驗是對電子式電能表進行壽命評估的一種試驗，基于Peck 溫-濕模型，為了保證試驗的可靠性，將恒定濕熱試驗持續(xù)時間設(shè)置為1個月，在溫度85 ℃，濕度85 %的條件下進行恒定濕熱試驗，對電能表的測試樣品進行高溫高濕下的壽命特性評估，以便更好的反映測試電能表的耐濕熱性能[12]。

2.2 濕熱試驗分析

運行時間越長，故障率越高的現(xiàn)象。按照故障統(tǒng)計的經(jīng)驗，在正常運行的情況下，該電子式電能表的故障率約為0.001 6 %，在交變濕熱的高溫高濕環(huán)境中，計量類故障率高達 5 %，總體故障率為10 %，加嚴高溫高濕的交變變化使電子式電能表得故障率大大增加，反映了在高溫高濕地區(qū)電子式電能表更容易產(chǎn)生劣化的情況[13]。在大氣壓的情況下，約 27 天就能達到加速劣化的效果，在日常電子式電能表正常運行的情況下，6～8 年后電子式電能表開始出現(xiàn)不同情況的故障問題的幾率顯著提升。根據(jù)故障分布函數(shù)和可靠度的函數(shù)，隨著電子式電能表運行時間的增長，其故障程度不斷上升，可靠程度不斷下降，當可靠度降到一半時，其中位壽命t1/2=24 168 h，約 2.75 年，在這個使用時間后正常使用的電子式電能表的劣化程度不斷增大，可靠性越來越低[14]。在交變濕熱的環(huán)境下，通過 30 天的試驗已經(jīng)暴露了不同程度的質(zhì)量問題，劣化程度加速，不可靠的出現(xiàn)時間出現(xiàn)前移，開始出現(xiàn)較高的故障率，雖然故障的發(fā)具有偶然性，高溫高濕條件對電子式電能表的影響是不容忽視的[15]。

3 結(jié)束語

濕熱試驗中，溫度場和濕度長達到平衡的是不一樣的，相比之下濕度場所需時間要長了不少。目前絕大部分進行型式試驗的電子式電能表都能通過高低溫試驗。若假設(shè)，進行交變濕熱試驗的電能表其本身由于表殼良好的密閉性在試驗周期內(nèi)熱、濕擴散不明顯，熱應(yīng)力及濕應(yīng)力分布情況尚未達到平衡，元器件受潮十分輕微，則一定程度上此次交變濕熱試驗成為了高低溫試驗，因電能表樣品內(nèi)進入的潮氣量還未積攢至足以影響電能表性能的程度。這一定程度上可以解釋為什么已經(jīng)通過各種可靠性的恒定濕熱加速試驗的電子產(chǎn)品卻仍然不能保證較高可靠性的情況。因此需要切實增強濕度在交變濕熱試驗中的影響，通過交變濕熱試驗的方式加速暴露在真實高溫高濕氣候條件下容易出現(xiàn)的失效問題。