电力元器件腐蚀环境可靠性评价与寿命预测技术研究论文

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　　摘要：电力元器件在投入使用过程中受腐蚀环境应力的干扰和影响，严重制约着工业制造装备、设备系统可靠运行。为保证电力元器件的安全可靠运行，需在较短周期内实现对电力元器件进行可靠性评价和寿命预测。通过开展电源模块现场服役环境的监测以及获取工作参数，针对性地设计人工加速试验，并利用灰色关联度分析方法建立人工加速条件与现场服役条件之间良好关联度，通过研究电源模块关键性能参数演变规律，开展电力元器件腐蚀环境可靠性评价与寿命预测技术研究。试验结果表明人工加速试验与现场试验关联度为0.648，相关性良好，电源模块在两种条件下试验时间的关系为T现场=1.11T，可靠性评价和寿命预测结果偏差小于±5%。由此可见，利用相关性较好的人工加速试验能够快速实现对长期服役于现场的电力元器件可靠性和寿命的精准评价和预测。

　　关键词：电力元器件；腐蚀环境；灰色关联度；可靠性

　　Abstract:Electric power components are subjected to the interference and influence of corrosion environmental stress in the process of putting into use,which seriously restricts the reliable operation of industrial manufacturing equipment and equipment system.In order to ensure the safe and reliable operation of electronic and power components,it is necessary to realize the reliability evaluation and life prediction of power electronic components in a short period.By monitoring the field service environment of power modules and obtaining working parameters,the artificial acceleration test is designed specifically and a good correlation degree between artificial acceleration conditions and field service conditions is established by using grey correlation degree analysis method.By studying the evolution law of key performance parameters of power modules,research on reliability evaluation and life prediction technology for corrosion environment of power components is carried out.Test results show that the correlation between the artificial acceleration test and the field test is 0.648,and the correlation is good.The relationship between the test time of the power module under the two conditions is TField=1.11TAcc,and the deviation between the results of reliability evaluation and life prediction is less than±5%.Thus,the accurate evaluation and prediction of the reliability and life of the power components in the field for a long time can be realized by using the artificial accelerated test with good correlation.

　　Key words:power components;corrosion environment;grey relational degree;reliability

　　0引言

　　随着科技日新月异的快速发展，工业制造装备、设备系统日趋复杂和精密，工业、军事和民用等部门和行业对装备、设备等产品质量要求日益提高，电力元器件是组成工业装备和设备不可或缺的元件和器件，其可靠性是装备安全稳定运行的基础和前提，是制约装备高质量建设的“瓶颈”[1-2]。由于装备制造和设备功能需求的多样性以及服役环境的复杂性，元器件在投入使用过程中受环境应力的干扰和影响，会导致出现更多难以控制的问题，如此一来，元器件的失效将直接转化为整机系统的失效，严重制约着整机系统的正常使用[3-6]。因此，电力元器件的可靠性问题受到了越来越广泛的重视，尤其是对工业制造装备，具有十分重要的意义。

　　当前已有许多电力元器件的可靠性评价和寿命预测方法被提出和应用，对其可靠性评价和寿命预测取得了一定的效果[7-8]。但这些评价和预测方法大多是基于从元器件产品研发设计阶段来进行的，只是按最低标准要求元器件的性能参数不允许超过规定的限值。实际上，它们仅能评价产品质量的优劣，已经不能满足指导实际安全生产的需求，这些方法普遍采用高浓度腐蚀剂人工加速试验进行，未考虑与现场服役环境之间的关联性，这会导致人工加速试验结果与现场试验结果存在较大偏差。

　　工业设备系统中用到的电力元器件种类繁多，功能各不相同，电源模块是一种集电源转换、智能供电管理、故障检测为一体的典型电力元器件[10-13]，因此，本文选用电源模块作为研究对象，采用灰色关联度的相关性分析方法[14-15]，建立现场服役环境试验与人工加速试验两种试验条件之间的良好相关性，研发和设计了与实际现场服役环境条件契合度较高的人工加速试验方法，实现对电力元器件产品的可靠性评价和寿命预测，该技术不仅可有效缩短试验周期，而且使得评价和预测结果更加准确。

　　1样品与试验

　　1.1样品

　　可靠性评价和寿命预测的试验样品为某品牌电源模块，该品牌电源模块常用于大型电站内安全监测系统。接触电阻是表征电源模块接触性能以及信号传递好坏的关键电气性能参数之一，也是电源模块受腐蚀影响最直接的关键性能参数[16-17]。因此，选择接触电阻作为评价电源模块可靠运行的参考指标，具体测量方式如图1所示，选用规格为截面积为0.1 cm2、长度为15 cm的细铜线连接到位置1和位置2，接触电阻为1-2通道。

　　按照设计说明该款电源模块接触点材质为纯银，为与电源模块接触点材质保持一致性，选择高精度纯银作为研究材料，将纯银加工成尺寸为90 mm×12 mm×0.5 mm的样片，并按照标准规定的方法进行打磨处理与清洁处理，干燥保存，图2所示为纯银样品材质分析能谱结果。纯银样片样品将开展不同周期的现场挂样试验以及不同周期阶段的人工加速腐蚀试验，详细参考表1进行，定时取回对其电阻进行测试。

　　采用RM3548微电阻计对电源模块接触电阻和纯银样片电阻进行测量。

　　1.2现场服役环境参数监测

　　只有通过对电源模块服役环境参数的精准监测，才能针对性地设计加速腐蚀试验参数。本文采用温度精度0.1℃和湿度精度为0.1%的温湿度记录仪分别对电源模块现场服役环境1~5号监测点进行监测和记录，每5 min间隔记录一次，连续记录约1年，导出温湿度数据进行统计和分析，分析结果如图3所示，结果表明：该电源模块现场服役环境的整体波动不大，最高温度和最低温度之间相差未超过15℃，平均温度为22.4℃，整体平均相对湿度为69.0%。采用精度为0.1 ppm的气体检测仪检测服役环境中主要的腐蚀气体成分为硫化氢，表2所示为5个不同检测点硫化氢浓度检测值，服役环境硫化氢气体的平均值为1.5 ppm。

　　1.3人工加速试验

　　按照上述电源模块现场环境参数测量结果，人工加速试验设计为：试验温度为22.6℃，相对湿度为69%，气体浓度为1.5 ppm，同时为了保证可靠性评价和寿命预测的一致性，按照电源模块说明书中所应用额定工作模式，在开展人工加速腐蚀试验时，电源模块和纯银样片同时施加电流为2 A、电压为AC 220 V的工作模式。

　　2试验结果

　　2.1两种试验环境相关性研究

　　表3所示为纯银样片投放于电源模块现场服役环境下的前后电阻值测试结果，由表可知，不同试验周期下纯银样片试验前后电阻值都发生变化，电阻值都增大，随着试验周期的增加，电阻值变化量也逐渐增大，这是由于纯银材质遭受环境中硫化氢气体腐蚀因子影响，发生腐蚀反应，生成电阻值偏大的腐蚀产物附着于样片表面，随着时间增加，腐蚀产物堆积越多，电阻值增长幅度越大。表4所示为纯银样品开展人工加速试验后样片电阻测试结果，其电阻变化规律与现场服役环境试验结果规律一致，电阻值都随着时间增加而增大。从表3和表4的结果来看，人工加速试验的优势很明显，能在较短的试验周期内让纯银样品达到现场服役环境较长的腐蚀状态和效果。但也仅能说明人工加速具有短时间加速作用，两种试验条件的相关性反映二者之间的密切程度，两种试验条件关联度高，才能说明二者相关性一致，能够通过较短时间的人工加速试验来实现对较长时间现场服役的电力元器件的可靠性评价和寿命预测。因此，仍需对两种环境的试验结果进一步分析才能确定二者之间的关联度，才能保证人工加速试验能较好的代替现场环境对元器件开展快速评价和预测。

　　本文采用灰色关联度计算方法，计算两种环境试验的关联度γ，建立两种环境试验的良好相关性，计算公式如下：

　　ρ根据经验常取0.5，将现场服役环境试验中样片的电阻值变化量数据序列作为参考序列X0(k)，初始化处理后为X(k)，加速腐蚀试验结果数据序列作为比较序列Xi(k)，初始化处理后为X(k)，依照上述公式进行计算，结果如表5所示，可知γ=0.648，大于0.6，根据经验，当p=0.5时，一般认为关联度大于0.6[18]，则为满意，相关性较好。说明现场服役环境与设计的人工加速试验环境具有良好的相关性，耦合度高，人工加速试验所设计的环境条件能较好的模拟现场服役环境条件并具有一定的加速性，可以采用最优的人工加速试验条件来对电源模块的可靠性及寿命进行快速评价与预测。

　　表6中的f均未达到20%，说明本次试验的5个周期内电源模块均未达到失效点，仍处于能可靠使用状态，需采取进一步措施进行预测分析。

　　按照所得测量结果，采用回归拟合方法建立电源模块产品加速腐蚀试验时间t加速与f的对应关系，获取接触电阻增长幅度f=20%时对应的试验周期，即：

　　f=0.051 ln t加速-0.028(7)

　　当f=20%时，t加速为88天。按照式(5)，由此可预测出电源模块在实际运行环境中运行寿命周期为t现场=2 453 d，说明此款电源模块在其运行环境中可靠运行时间不能超过2 453 d，需在到达该时间前置换，才能保证设备的安全可靠运行。

　　2.3寿命预测结果偏差分析

　　为了确保寿命预测结果的准确性，两种试验条件下的结果偏差需控制在±5%以内[19]，因此，开展同一批次电源模块现场服役条件试验进行对比，选择表7中人工加速4 d、7 d和10 d，按照式(5)计算，现场服役条件试验时间分别对应为11 d、28 d和52 d，详细对比结果见表7。结果显示，现场试验与人工加速试验结果偏差均低于±5%，说明本文所涉及的可靠性评价以及寿命预测研究方法和技术手段可行并且能准确对电力元器件在实际现场服役环境中的可靠性及寿命进行预测，能在实际生产中进行应用和推广。

　　3结束语

　　电力元器件的可靠性高低和寿命长短决定着工业设备的安全运行，考虑到电力元器件现场服役环境条件复杂，尤其是一些苛刻的腐蚀环境中，本文选择电源模块作为典型电力元器件研究对象，按照电源模块现场腐蚀环境条件如环境温度、相对湿度以及腐蚀介质浓度等参数，结合其工作模式如工作电流、电压施加等，针对性地设计耦合工作模式的人工加速试验，选用与电源模块触点材质一致的纯银样品，采用灰色关联度分析方法开展人工加速试验条件与现场服役条件之间的关联度研究，基于关联度较好的前提下，开展两种实验条件下电源模块关键电气性能接触电阻变化规律的研究，实现对长期服役于现场的电力元器件可靠性和寿命的精准评价和预测。本文设计的人工加速试验能在较短时间内达到现场服役环境试验对电力元器件相同程度的腐蚀作用效果，人工加速试验条件与现场服役环境条件契合度高。采用电源模块核心部件相同材质的开展两种环境相关性分析，人工加速试验与现场试验关联度为0.648，相关性良好，电源模块在两种条件下试验时间的关系为T现场=1.11T，评价和预测结果偏差小于±5%，表明利用相关性较好的人工加速试验能够快速实现对长期服役于现场的电力元器件可靠性和寿命的精准评价和预测。

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