高溫高濕條件對(duì)電子式電能表影響的研究

王邦成，姜陽(yáng)，杜啟源，杜詩(shī)堯

（國(guó)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(diǎn)，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(duì)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(jì)中，對(duì)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(duì)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(yàn)性研究工作，增強(qiáng)其在濕熱氣候環(huán)境下的適應(yīng)性，是電力計(jì)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(guó)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(píng)估情況不夠完善，對(duì)于其失效機(jī)理的研究較少，因此對(duì)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(qiáng)其可靠性，以降低電能計(jì)量運(yùn)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(yàn)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(duì)數(shù) Log AF 和絕對(duì)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(gè)關(guān)系是目前被廣泛使用的反應(yīng)速率計(jì)算方法，用來對(duì)溫度應(yīng)力加速條件進(jìn)行產(chǎn)品壽命的評(píng)估的最常用的模型之一[4]。

式中：

AF —加速條件相對(duì)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(fèi)能量（或激活能）[5]。

Arrhenius 模型在討論產(chǎn)品壽命時(shí)，被應(yīng)用為“10 ℃規(guī)則”，即當(dāng)環(huán)境溫度上升10 ℃時(shí)，產(chǎn)品的壽命會(huì)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(yàn)，以研究溫度應(yīng)力對(duì)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(gè)指標(biāo)。

絕對(duì)濕度計(jì)算公式：

式中：

D —絕對(duì)濕度；

θ—溫度；

H —相對(duì)濕度。

舉個(gè)例子，當(dāng)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(dāng) H =100 %RH 時(shí)，其所含水的絕對(duì)質(zhì)量與全部充滿水時(shí)的質(zhì)量比為（350÷106）×100 %=0.035 % ，所以我們平時(shí)講的 H =100 %RH 時(shí)，其所含水的絕對(duì)質(zhì)量實(shí)際是很少的[6]。

濕度對(duì)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(duì)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(qiáng)、加速金屬氧化和腐蝕、加速化學(xué)和電 化學(xué)效應(yīng)、促進(jìn)生物活動(dòng)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(jī)涂層加速金屬腐蝕；促進(jìn)霉菌生長(zhǎng)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(xì)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(shí)，吸水率僅為 0.1 %，其使用壽命可達(dá)到數(shù)年；在溫度和濕度兩個(gè)應(yīng)力共同作用的而情況下，如20 ℃、100 %RH℃其使用壽命可長(zhǎng)達(dá) 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(duì)產(chǎn)品的壽命會(huì)有更大的[8]。

1.3 濕熱影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有的濕熱試驗(yàn)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(shí)間長(zhǎng)。降溫階段的相對(duì)濕度值保持在85 %左右，通過不同的濕熱試驗(yàn)方法，進(jìn)行濕熱試驗(yàn)條件的參數(shù)設(shè)置。采用交變濕熱試驗(yàn)（Db）和恒定濕熱試驗(yàn)（Ca）兩種方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 濕熱試驗(yàn)條件

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

2 高溫高濕條件下對(duì)電子式電能表的影響試驗(yàn)

2.1 恒定濕熱試驗(yàn)

高溫高濕條件對(duì)電子式電能表的影響試驗(yàn)主要是進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，濕熱試驗(yàn)主要分為恒定濕熱試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)兩大類。其中，恒定濕熱試驗(yàn)中典型的“雙 85”（溫度 85 ℃、相對(duì)濕度 85 %）試驗(yàn)，其本質(zhì)上是一種高加速壽命試驗(yàn)，可用于對(duì)電子式電能表高溫高濕條件下的壽命特性進(jìn)行評(píng)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(bào)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(yàn)?zāi)芨诱鎸?shí)有效暴露出電子式電能表在高溫高濕地區(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(yán)交變濕熱試驗(yàn)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(yàn)對(duì)電子式電能表的在濕熱環(huán)境下的可靠性壽命進(jìn)行評(píng)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(jì)量器具，在使用的過程中會(huì)出現(xiàn)各類型的故障。在恒定濕熱試驗(yàn)和加嚴(yán)濕熱交變?cè)囼?yàn)的過程中，對(duì)電子式電能表可能會(huì)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(cè)試10只相同型號(hào)的電能表，該測(cè)試分為6組，如表3所示。

表3 各測(cè)試點(diǎn)誤差影響量（%）

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

2.2 濕熱試驗(yàn)分析

運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，故障率越高的現(xiàn)象。按照故障統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在正常運(yùn)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(jì)量類故障率高達(dá) 5 %，總體故障率為10 %，加嚴(yán)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(dá)到加速劣化的效果，在日常電子式電能表正常運(yùn)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(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，其故障程度不斷上升，可靠程度不斷下降，當(dāng)可靠度降到一半時(shí)，其中位壽命t1/2=24 168 h，約 2.75 年，在這個(gè)使用時(shí)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(yàn)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(shí)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(duì)電子式電能表的影響是不容忽視的[15]。

3 結(jié)束語(yǔ)

濕熱試驗(yàn)中，溫度場(chǎng)和濕度長(zhǎng)達(dá)到平衡的是不一樣的，相比之下濕度場(chǎng)所需時(shí)間要長(zhǎng)了不少。目前絕大部分進(jìn)行型式試驗(yàn)的電子式電能表都能通過高低溫試驗(yàn)。若假設(shè)，進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)的電能表其本身由于表殼良好的密閉性在試驗(yàn)周期內(nèi)熱、濕擴(kuò)散不明顯，熱應(yīng)力及濕應(yīng)力分布情況尚未達(dá)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(yàn)成為了高低溫試驗(yàn)，因電能表樣品內(nèi)進(jìn)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(yàn)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(shí)增強(qiáng)濕度在交變濕熱試驗(yàn)中的影響，通過交變濕熱試驗(yàn)的方式加速暴露在真實(shí)高溫高濕氣候條件下容易出現(xiàn)的失效問題。