關(guān)于靜變電源更換新機(jī)的可行性分析

林立群　任鵬

綜上所述，對(duì)靜變電源返廠大修相較更摘要：探討靜變電源設(shè)備更新改造的方式，大修或是更換新機(jī)，提高對(duì)設(shè)備的認(rèn)知程度，增強(qiáng)安全管理意識(shí)。

關(guān)鍵詞：靜變電源;大修;新設(shè)備更換;可行性分析

0概述

根據(jù)民航局要求，重點(diǎn)推進(jìn)400赫茲靜變電源替代飛機(jī)APU方案，長(zhǎng)春龍嘉國(guó)際機(jī)場(chǎng)計(jì)劃對(duì)T1航站樓橋載靜變電源進(jìn)行更新改造。該靜變電源由威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司出品（型號(hào)：WGJB90/90， 2003年生產(chǎn)，2005年出廠），輸出電纜為懸掛曳引式。前期零星使用，達(dá)到大修年限后，設(shè)備狀況變差，幾乎不再使用。使用期間每半年一次例行保養(yǎng)，保養(yǎng)項(xiàng)目為常規(guī)項(xiàng)目，除塵、潤(rùn)滑、檢測(cè)，在2015年，按照手冊(cè)要求更換設(shè)備控制系統(tǒng)的鋰電池。

1設(shè)備狀況

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)預(yù)期壽命，在一般環(huán)境下，產(chǎn)品在使用8-10年后需要大修，以便獲得良好性能。理想條件下的理論設(shè)計(jì)壽命最大是20年（累加大修后的時(shí)間）。在實(shí)際使用時(shí)，推薦使用壽命（含大修后的使用時(shí)間）最高為15年。長(zhǎng)期不通電使用的該產(chǎn)品，其內(nèi)部元器件的失效速率要比經(jīng)常使用的產(chǎn)品快。

2設(shè)備大修

2.1材料成本

早期產(chǎn)品使用的大量元器件存在采購(gòu)困難的問(wèn)題，且不能替代。采購(gòu)元器件的費(fèi)用大幅度增加。綜合考慮，大修產(chǎn)品需要更換的部件達(dá)到95%以上。

（1）元器件失效

電源內(nèi)的線路板放置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，線路板上的大多數(shù)器件接近失效。大修時(shí)需要全部換新。

電解電容失效主要原因?yàn)殡娊庖焊g，一些因素會(huì)引起電解電容失效，如極低的溫度，電容溫升（焊接溫度，環(huán)境溫度，交流紋波），過(guò)高的電壓，瞬時(shí)電壓，甚高頻或反偏壓;其中溫升是對(duì)電解電容工作壽命影響最大的因素。

電容的導(dǎo)電能力由電解液的電離能力和粘度決定。當(dāng)溫度降低時(shí)，電解液粘度增加，因而離子移動(dòng)性和導(dǎo)電能力降低。當(dāng)電解液冷凍時(shí)，離子移動(dòng)能力非常低以致非常高的電阻。相反，過(guò)高的熱量將加速電解液蒸發(fā)，當(dāng)電解液的量減少到一定極限時(shí)，電容壽命也就終止了。在高寒地區(qū)（一般-25℃以下）工作時(shí)，就需要進(jìn)行加熱，保證電解電容的正常工作溫度。如室外型UPS，在我國(guó)東北地區(qū)都配有加熱板。

阿列紐斯方程是用來(lái)描述化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)速率隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。電解電容內(nèi)部是由金屬鋁等和電解液等化學(xué)物質(zhì)組成的，所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關(guān)。根據(jù)阿列紐斯方程k = Ae^（-Eα/RT）可知，溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率（壽命消耗）增大，一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速率（K 值） 將增大2-10 倍，即電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小一倍，電容工作溫度每下降10℃，其壽命增加一倍，所以，環(huán)境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

在電子產(chǎn)品中，影響電解電容壽命的因素有環(huán)境溫度T 和紋波電流Irms。電容承擔(dān)的負(fù)載功率與紋波電流成正比，負(fù)載越大，紋波電流越大（電解充放電越深），內(nèi)部氧化膜分解時(shí)發(fā)熱越厲害，修補(bǔ)時(shí)電解液消耗越多。

電解電容器在長(zhǎng)期存放過(guò)程中需要定期的施加額定電壓進(jìn)行激勵(lì)以保持電解液的活性，否則電容器中的電解液就會(huì)失去活性而老化，一但電解液失去活性老化，那么電解電容器也就失效了。

鋁電解電容對(duì)氯元素、溴元素等非常敏感，如果使用含鹵素的助焊劑、清洗劑、固定劑、熏蒸劑，鹵化物可能透過(guò)封口膠塞侵入電容器內(nèi)部，極易引起電容陽(yáng)極腐蝕，在上電后加速電容失效。

鋁電解電容經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下存放飯后，電容陽(yáng)極氧化膜和電解液會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成耐壓下降、漏電流增大。當(dāng)突然上電，電容電壓接近額定電壓后，可能引起過(guò)壓失效或漏電流過(guò)大導(dǎo)致過(guò)熱失效。

電解電容推薦5-10年就應(yīng)整體更換，其電容值下降到20%以下就認(rèn)為徹底失效。

靜變電源功率模塊的直流母線并聯(lián)直流濾波電容，直流濾波電容為電解電容，輸出濾波電容、繼電器板上濾波電容的電容值也都會(huì)隨著時(shí)間降低，當(dāng)偏移一定指標(biāo)時(shí)，就不能起到足夠的濾波作用，在長(zhǎng)期放置后，提前達(dá)到預(yù)期壽命，因此大修時(shí)需要更換全部的電容。輸入濾波板的作用是減小反饋到工頻電網(wǎng)的諧波，輸出濾波板的作用是減小400Hz輸出電壓的諧波，飛機(jī)要求較高的供電品質(zhì)，因此大修時(shí)，濾波板需要更換全新的。

繼電器線路板的二極管，繼電器等元件已經(jīng)老化。如需大修，為了保證可靠性，直接使用新的繼電器板。

功率模塊對(duì)于靜變電源至關(guān)重要，功率模塊內(nèi)含有1個(gè)直流驅(qū)動(dòng)模塊，3塊交流驅(qū)動(dòng)模塊。交流驅(qū)動(dòng)板用于驅(qū)動(dòng)IGBT，控制IGBT完成復(fù)雜的電力變換工作，交流驅(qū)動(dòng)板的觸發(fā)電壓的穩(wěn)定對(duì)于電源的運(yùn)行穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用，電路板上電容等諸多元器件壽命達(dá)到預(yù)期，因此大修時(shí)，需要更換以上驅(qū)動(dòng)板。

輔助接口板上還有3個(gè)電解電容，用于濾波和儲(chǔ)能，考慮到元器件的壽命，需要更換整個(gè)輔助接口板。

輸出反饋板，含有電容、集成塊、電阻等，器件老化，大修時(shí)也需要換新的。

處理器模塊上的鋰電池壽命為8-10年，鋰電池電壓不足時(shí)，無(wú)法保存電源的設(shè)置參數(shù)。其上的三端穩(wěn)壓管輸出的電壓為內(nèi)部直流控制電壓，該電壓由電解電容進(jìn)行濾波，因放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電容值會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響電壓的穩(wěn)定。處理器板的元器件種類(lèi)，數(shù)量繁多，為保障可靠性，使產(chǎn)品故障率最低，大修時(shí)要換新的處理器模塊。

（2）電子封裝焊點(diǎn)失效

一般認(rèn)為， 電子封裝的失效是缺陷在熱、機(jī)械、電磁或化學(xué)載荷作用下的萌生、聚集與長(zhǎng)大的過(guò)程， 是應(yīng)力/應(yīng)變的函數(shù)， 失效同時(shí)也是材料、界面和電子封裝結(jié)構(gòu)形狀的函數(shù)。

焊接針腳有銹蝕，PCB板受熱與受潮會(huì)導(dǎo)致板材變形進(jìn)而引起焊點(diǎn)受到應(yīng)力開(kāi)裂形成虛焊，其中焊角起裂是最主要的形式，這種起裂常常發(fā)生在焊料與基板的界面， 器件引線與焊料界面的起裂比較少見(jiàn)。

根據(jù)IPC-A-610國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊點(diǎn)的要求，已經(jīng)銹蝕或開(kāi)裂的焊點(diǎn)需要重新焊接，工作量大，難度很高。

（3）電路板電化學(xué)遷移現(xiàn)象

電子封裝的小型化使得導(dǎo)線之間，焊點(diǎn)之間，連接器之間及芯片引腳之間的間距更小，由于工作環(huán)境溫度，濕度，空氣中塵土顆粒、腐蝕氣體、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的影響，很容易形成電化學(xué)遷移，從而導(dǎo)致絕緣失效。電化學(xué)遷移是電子系統(tǒng)內(nèi)一種典型的電化學(xué)腐蝕形式，發(fā)生在具有電位差且被薄層水膜連接的兩個(gè)易感導(dǎo)體之間，其中陽(yáng)極金屬溶解，溶解的金屬離子在電場(chǎng)力和濃度梯度的作用下向陰極遷移，并在陰極得電子形成金屬沉淀物，沉淀物向陽(yáng)極生長(zhǎng)，即形成樹(shù)枝狀晶體，導(dǎo)致絕緣性能下降甚至引發(fā)短路引起故障。

（4）電源內(nèi)的電纜需要全部換新。

內(nèi)部動(dòng)力電纜的壽命與首翻期相同，大修時(shí)更換所有電纜以及內(nèi)部的導(dǎo)線等。

（5）電源內(nèi)的變壓器等需要重新檢測(cè)。

電源內(nèi)部的輸入電抗器，輸入移相器，輸出變壓器，輔助模塊變壓器需要檢驗(yàn)絕緣性能與耐壓性能。

（6）電源的其他機(jī)械結(jié)構(gòu)需要翻新。

電源內(nèi)的銅排需要除銹、電鍍。設(shè)備外殼老舊，需要清除內(nèi)部銹跡，外殼重新噴漆，成本比更換一個(gè)新罩殼要高。對(duì)于一些生銹的局部，則無(wú)法達(dá)到理想的處理效果。

操作面板破舊，按鈕卡滯需要更換。電源的支架長(zhǎng)期風(fēng)吹日曬，銹蝕，需要拆下，換成新的。

總結(jié)：舊靜變電源內(nèi)部各模塊上的電容需更換，PCB板上的焊點(diǎn)需要檢查并重新焊接，各元件絕緣電阻需要重新測(cè)量，大部分模塊需整體更換，由于生產(chǎn)時(shí)間久遠(yuǎn)，采購(gòu)困難，即使能重新生產(chǎn)，后期再進(jìn)行維護(hù)也十分困難，機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.2人工成本

（1）將靜變電源內(nèi)部的器件進(jìn)行拆下，這相比直接裝配新的靜變電源是增加的一道工序。

（2）技術(shù)工人要對(duì)拆下的散熱器進(jìn)行清理，這是增加的工序。

（3）技術(shù)工人在裝配過(guò)程中，需要重新熟悉淘汰的產(chǎn)品的圖紙，增加的工時(shí)。

（4）技術(shù)管理部門(mén)需要將早期圖紙重新下發(fā)，增加技術(shù)管理的人工成本。

（5）技術(shù)人員要對(duì)無(wú)法采購(gòu)到位的器件尋找替代型號(hào)，需要重新設(shè)計(jì)安裝布局，并做實(shí)驗(yàn)考核性能是否合格。增加了技術(shù)工程師的用工成本和試驗(yàn)器件耗損成本。

（6）一些不可控的附加成本增加，該產(chǎn)品已淘汰，重啟生產(chǎn)部分零部件會(huì)增加不可控的成本。

綜合考慮，大修產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格將比新品電源的銷(xiāo)售價(jià)格至少高出25% 。

2.3后期維護(hù)成本

（1）該產(chǎn)品已被新型電源代替，屬于落后的產(chǎn)品，已經(jīng)停產(chǎn)多年，內(nèi)部一些重要的線路板（ACM，DCM板）不會(huì)大批量生產(chǎn)，大修的時(shí)間周期較長(zhǎng)。內(nèi)部原裝的器件采購(gòu)周期長(zhǎng)，甚至停產(chǎn)。

該型號(hào)輸出接觸器已經(jīng)停產(chǎn)，其他可替代型號(hào)的接觸器，由于安裝孔不一致，需要根據(jù)安裝位置重新打孔。該接觸器若能繼續(xù)使用，則要考慮大修后的更換問(wèn)題。

（2）后期維護(hù)、維修不便。時(shí)間成本增加。

從售后服務(wù)及時(shí)率上考慮，對(duì)該批產(chǎn)品進(jìn)行大修與換新電源相比處于劣勢(shì)。

綜合考慮，大修產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將比新品電源的生產(chǎn)周期至少高出200% 。

2.4使用成本

（1）與換裝新電源在可靠性上處于劣勢(shì)。

電源的可靠性模型為串聯(lián)系統(tǒng)模型，即整機(jī)的可靠性是各部分的可靠性的綜合，大修產(chǎn)品的可靠性比新產(chǎn)品可靠性低，這意味著，大修產(chǎn)品的故障率偏高。這對(duì)于使用方也說(shuō)大大增加了管理成本。

（2）產(chǎn)品大修后，僅能夠使用2年的時(shí)間，就到達(dá)了推薦的報(bào)廢年限。這意味著產(chǎn)品折舊率非常大，使用非常不經(jīng)濟(jì)。所以，該批靜變電源沒(méi)有大修的價(jià)值。

2.5使用風(fēng)險(xiǎn)

（1）大修僅針對(duì)電源產(chǎn)品自身，對(duì)于輔助部分的產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行大修，最顯著的風(fēng)險(xiǎn)源是，廊橋?qū)к壪碌撵o變電源的動(dòng)力電纜，輸出電纜，上級(jí)配電箱等。電纜在長(zhǎng)期拖拽、折彎的情況下，絕緣性能下降，外表皮裂紋，銅芯老化，電阻增加。市電供應(yīng)質(zhì)量不能保證非常穩(wěn)定，存在風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，超過(guò)額定電壓，電纜會(huì)出現(xiàn)漏電的危險(xiǎn)，對(duì)于稍大負(fù)荷的情況下，電纜就會(huì)起火，影響人身安全和飛機(jī)用電安全。一旦發(fā)生火災(zāi)，影響非常惡劣。

（2）存在不易發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)源，由于整套電源系統(tǒng)并沒(méi)有定期使用，檢查，維護(hù)，保養(yǎng)，該條件下安裝大修產(chǎn)品，存在諸多潛在的不易發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)源，而不能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，就無(wú)法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防范。一旦出現(xiàn)事故，影響必定是嚴(yán)重的。最安全可靠的方式是更換整套新的電源系統(tǒng)。

（3）由于大修產(chǎn)品在可靠性方面不如新產(chǎn)品，出現(xiàn)不宜排查的故障風(fēng)險(xiǎn)大。

2.6使用限制

越來(lái)越多的機(jī)場(chǎng)要求配備機(jī)場(chǎng)設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，保證運(yùn)行效率。舊產(chǎn)品不能滿足集中監(jiān)控的需求，不能適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展，為其新開(kāi)發(fā)增設(shè)監(jiān)控模塊費(fèi)用高昂。

3 設(shè)備更換

新機(jī)品質(zhì)比照舊機(jī)性能有很大提升，設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于2014年換用新標(biāo)，采用《飛機(jī)地面靜變電源》（MH/T6018-2014）替代原有的（MH/T6018-1999），技術(shù)要求有更大提升，當(dāng)前購(gòu)置新機(jī)執(zhí)行行業(yè)新標(biāo)。新航空器的用電量更大，需要多組靜變電源供電，對(duì)短時(shí)間內(nèi)過(guò)載要求也有提高，國(guó)際上最新機(jī)型要求達(dá)到4倍過(guò)載。

購(gòu)置新機(jī)，配置選擇更為靈活，對(duì)于輸出電纜的收放方式，可以采用主流的電動(dòng)輥筒方式，比照舊方案，提升了使用的便利性。

管控成本，可以用新機(jī)出廠檢查替代冗長(zhǎng)的換件大修的質(zhì)量管控，效果更可靠，環(huán)節(jié)更簡(jiǎn)練，成本更低廉。

集中設(shè)備監(jiān)控管理的便利，新設(shè)備更加適應(yīng)當(dāng)前的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，便于設(shè)備監(jiān)管、計(jì)費(fèi)管理、故障上傳。

4綜合對(duì)比

5總結(jié)

換新品靜變電源在制造費(fèi)用、管理費(fèi)用、生產(chǎn)周期、維護(hù)周期、風(fēng)險(xiǎn)控制、使用安全性和產(chǎn)品可靠性上均處于明顯劣勢(shì)，建議將該批次電源報(bào)廢，換裝新的靜變電源。新的靜變電源生產(chǎn)周期短，技術(shù)成熟度高，依據(jù)最新的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，維護(hù)成本低，機(jī)場(chǎng)設(shè)備管理更加方便，飛機(jī)用電更加安全可靠。

6參考文獻(xiàn)

1）IPC-A-610標(biāo)準(zhǔn)

2）鋁電解電容器工程技術(shù)，林學(xué)清，洪雪寶，廈門(mén)大學(xué)出版社，

3）電子封裝焊點(diǎn)可靠性及壽命預(yù)測(cè)方法_李曉延，嚴(yán)永長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度2005.27（4）

4）塵土中可溶性鹽導(dǎo)致高密度電路板電化學(xué)遷移失效的建模研究_謝琪

5）影響點(diǎn)解電容壽命的因素，崔萬(wàn)恒，電源世界，2004.04

6）塵土中可溶性鹽導(dǎo)致高密度電路板電化學(xué)遷移失效的建模研究，謝琪，北京郵電大學(xué)碩士論文，2017.12

7）城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)可靠性、疲勞損傷評(píng)估及維護(hù)維修方法研究，盧西偉，北京交通大學(xué)博士論文，2011.01