水汽環境對變頻空調電氣可靠性影響的研究

張曉楠

（中認尚動（上海）檢測技術有限公司，上海 200000）

引言

變頻空調是隨著制冷技術和電機控制、模糊控制等電控技術的日益發展成熟而新興的一種較具有社會經濟效益和科技先進性的空調器。變頻技術針對使用側所需的冷熱量不同，通過調節壓縮機工作頻率有效地實現連續動態調節壓縮機輸出功率，從而調節制冷、制熱功率并可在快速制冷制熱之后以較小功率維持房間溫度恒定，有效避免壓縮機反復開停，同時降低能耗、降低室溫波動，顯著提升用戶舒適度。當然，新產品的誕生首先引起業內人士關注的，必定是其電氣可靠性。本文針對這種新高端家電產品的誕生，從水汽環境入手對其進行電氣可靠性的分析，并結合可靠性設計經驗，完善變頻空調關于水汽環境影響方面的電氣可靠性設計提出建議。

1 水汽環境下變頻空調失效機理

大氣環境中常見的水汽形態一般可以表現為云、霧、雨、雪、霜、露等，不同的水汽形態對家用電器的影響甚至導致失效的機理都不同，例如空調機組的化霜工況就是因為低溫情況下水汽影響到機組的冷熱置換能力而必須具備的一種應對方式；局部的高低溫溫差大容易導致凝露聚集的情況，一旦出現在電氣部件集中的機組內部，對裸露部件而言即為一定的安全隱患，此時的凝露容易造成電氣短路甚至引發端子打火、機組自燃等嚴重的電氣失效狀況；當然，水汽附著還可加快裸露金屬端子的腐蝕程度，從另一層面造成電氣可靠性的失效。

針對以上實際現象，從水的三個不同物理狀態進行分析歸類可得出如下結果：造成電氣可靠性失效的常見形態無疑是液態水。液態水的進入，可導致電氣間隙和爬電距離降低，從而降低機組的絕緣能力或導致電氣短路。固態水可阻礙運動部件的正常運轉，或是通過持續傳導低溫對元器件保護層形成破壞。例如風冷式外機的風葉被外機殼體倒掛的冰柱限位從而形成電機堵轉現象，或者電源線外部結冰導致絕緣層凍裂破損等。氣態水造成的較為常見的失效情況一般為凝露導致的電氣短路和接線端子的腐蝕老化，如壓縮機電氣盒出現凝露聚集造成相間短路、壓縮機進線接線端子銹蝕嚴重導致端子打火并燒毀整個壓縮機。

實際上不單是空調產品，所有的家電產品在不同的特定環境下都會受到來自水汽在不同形態下的不同程度的影響，因而對水汽環境造成的失效機理包括：運動部件失效、絕緣失效、電氣短路以及機組銹蝕等。

2 產品結構水汽環境下變頻空調電氣可靠性的評估

水汽的不同形態可以對變頻空調的諸多元器件造成電氣失效，降低機組的電氣安全可靠性，而這些破壞都是通過運動部件失效、絕緣失效、電氣短路和機組銹蝕等方式對機組造成的影響，所以根據它們之間的相互關系，我們可以對水汽環境所造成的危害進行量化的可控評價，并由此提出針對水汽環境下的一些電氣可靠性設計思路。

2.1 運動部件失效與電機堵轉試驗

變頻空調中做機械運動的部件主要包括壓縮機、室內外的風機電機。由于壓縮機缸體為全真空密封結構，運動部件所處環境與水汽隔絕，故此對于水汽環境影響下空調的運動部件失效評價主要通過風機電機的防堵轉能力來判定。風機電機在受外力堵轉時無轉速但依然輸出扭矩，此時功率因數極低而內部電流極大，根據電機的不同容量以及不同的加工工藝，此時的內部電流最高可達額定電流的5～12 倍。

因此，對于尤其是適用于復雜水汽環境的機組，通過風機電機堵轉測試分析此元器件在水汽環境下的電氣安全可靠性很有必要。根據國標GB 4706.1-2005 中的第19.7 章所述，通過鎖住轉子（當堵轉轉矩＜滿載轉矩時）或鎖住運動部件的方式使其轉子堵轉，判定依據為最高的繞組溫度不應超過表1 所示的限值。

表1 最高繞組溫度

2.2 絕緣失效與耐潮濕試驗

水汽環境造成變頻空調絕緣失效的情況較為常見。空調在水汽環境中使用時，水汽吸附在絕緣體表面，同時由于絕緣體材料內部存在大量空穴，水汽在這些空穴的毛細管作用下進入絕緣體內部，形成導電通道，最終造成空調整體絕緣的阻值下降，甚至發生絕緣失效。

同時，變頻空調屬于Ⅰ類器具，雖然接地保護與基本絕緣保護同時失效的幾率非常小，但是單單基本絕緣失效即可引發的跳閘保護導致機組無法正常啟動，甚至由于水汽環境的加速銹蝕特性，接地保護的失效隱患如果同時暴露（銹蝕的接地端子為虛接狀態），特別是金屬外殼的室外機則等同于危險的帶電體（此時有電壓無電流），一旦人體觸及則很有可能產生以人體為導體流向地表的泄漏電流，危及人身安全。根據GB 4706.1-2005 中第15.3 章的描述，需對機組進行模擬正常安裝后（進線開孔保留至少一個）的耐潮濕試驗。測試時應將試驗工況設定為在大氣溫度（20～30）℃之間任意溫度值t，溫差變動范圍1 K 以內，且相對濕度維持在（93±3）%，并在開始試驗之前使機組自身溫度達到潮濕箱內環溫t 到t+4 的溫度值之間。當在潮濕箱內進行48 h 的潮濕試驗后，立即對其進行第16 章的泄漏電流和電氣強度測試。據此，在沿用以上試驗要求的情況下，我們通過設置多個對照試驗，在通過前期48 h 測試的機組中選出有對比性的實驗機組，繼續對機組進行相同工況的長期性放置，并在每間隔24 h 的取樣周期對實驗機組進行視檢及電氣絕緣測量。

取一臺最新產品作為樣機1，再從其中選取另外一臺為樣機2，其中樣機1 與樣機2 的區別在于接地螺釘材質不同，樣機1 為通用采購物料，帶防銹鍍層，樣機2 的接地螺釘為無鍍層無油漆處理的試用件；再從已運行一定時間的合格老款定頻機中選取一臺為樣機3，樣機1 與樣機3 的區別在于機組外殼使用的鈑金材料不同；經過21 天的測試后得出如表2 的結果。

表2 潮濕試驗

2.3 機組銹蝕與鹽霧試驗

通過之前的實驗，可以明顯分析出以樣機2 為原型的不帶任何防銹涂層的機體及零部件在水汽環境下的耐久程度電氣安全隱患相較其他兩臺樣機要大得多。現階段的空調工藝也已經很少會制造出不帶任何水汽防護的機組，且在原材料的采購初期，對于長期與水汽環境接觸的零部件更是進行過專項的檢測。在國標GB/T 2423.18-2012 中，通過鹽霧試驗（嚴酷等級2）可以確定機組的防銹能力是否達標。

試驗前對一堅硬的鋼針施加（10±0.5）N 的力、以20 mm/s 的速度沿器具的涂層外表面進行掛擦試驗，此鋼針是個呈40 °的鋼錐，頂部是半徑為（0.25±0.02）mm的球面。刮擦5 次，其間距至少5 mm，并且離器具邊緣至少5 mm。

前期準備做完后將試樣放入鹽霧箱，在（15～35）℃下噴鹽霧2 h，每次噴霧結束后將試樣轉移至溫度（40±2）℃，相對濕度（93±3）%貯存（20～22）h，以此為周期重復3 次（嚴酷等級2，如圖1[3]所示）。

圖1 嚴酷等級

圖2 鹽霧試驗1 000 h

試驗后器具應不會發生影響符合本部分要求的損壞，尤其是要滿足GB 4706.1-2005 中第8 章對易觸及帶電部件的防護和第27 章接地措施的要求。涂層不能破損、不能從金屬表面剝落。

經實際驗證，此次抽取的一般機組使用的鍍鋅鋼板均可經受以上嚴酷等級2 的鹽霧測試，而針對特殊用途設計的變頻空調，所選用的鈑金材料在普通酸性鹽霧試驗1 000 h 后無任何銹蝕跡象（如圖3 所示）。

2.4 電氣短路與機組防水等級驗證

水汽環境引起的不同電氣線路之間或元器件內部短接，主要是由于局部液態水的凝集形成跨接短路從而造成機組電氣功能失效。在變頻空調的內部結構中，電氣線路主要集中在機組的電器盒中，由機組外殼與電器盒共同組成防水的屏障。在國標GB 4706.1-2005 的第15.1章中，要求器具的外殼應按器具要求提供相應的防水等級。在依據GB/T 4208-2017 中第14 章的測試方法進行相應防水等級測試后立即經受GB 4706.1-2005 中第16.3章的電氣強度試驗，并且視檢應表明在絕緣上沒有導致電氣間隙和爬電距離降低到低于第29 章中規定限值的水跡。

在日常依據國標測試的過程中，我們增添了外風機電機反轉的測試工況，模擬中國沿海地區特有的臺風、雷暴天氣下，外機組經受較大風力從而風機反轉、“內吸”水汽的情況，發現一些原本滿足IPX4 等級的機組外殼在經歷風機電機反轉工況的后電氣強度試驗不合格。通過拆機視檢發現，原本IPX4 試驗用的擺管在與機組垂直方向±90 °范圍內擺動淋水時原本不會被水觸及到的電氣盒位置，由于風機的反轉向內部甩水，導致位于上部的未完全密封的電器盒內部局部產生水汽聚集，發生了電氣短路。

在整機細化到對個體元器件的防水等級測試中，我們通過元器件的篩選試驗以及實際售后案例匯總分析，得出目前現有IPX4 防水等級的變頻空調機組在以下零部件的選型上至少應當滿足以表3 情況。

表3 零部件的選型

3 對水汽環境下的電氣可靠性防護

對于水汽環境下的電氣可靠性防護，從可靠性設計思路出發，至少可以通過此四種方法：

3.1 元器件的選用

變頻空調中處于復雜的水汽環境中，最易存在隱患的電氣盒、壓縮機、外風機電機、感溫包和膨脹閥，應當優先保證可靠性。

3.2 降額設計

水汽環境對電氣可靠性的破壞隨著時間的增長會逐漸疊加且過程不可逆，根據前期的實驗表明，除了可以選用高一級別的防水等級設計方案，在對機組的防護中，電器盒的保護是重中之重而全密封的電器盒在追求防護能力的同時必將犧牲一定的散熱能力，長期而言也影響機組的可靠性，所以對電器盒的設計也應采用適當的降額設計。

3.3 冗余設計

冗余設計即為貯備相同的元器件甚至是設計為雙系統機型。對于一些極為復雜的水汽環境，特別是海上、沿海的機組安裝環境對機組的電氣可靠性極為考驗。適當地在產品簡化和成本較低的條件下考慮冗余設計的方法，使機組的可靠性翻倍，也是一種不錯的選擇。

3.4 耐環境設計

根據我國不同地域的不同氣候類型，充分考慮當地水汽環境對機組的不良影響，選擇性地針對1～2 個方面加強防護措施，提升機組的電氣可靠性。

4 結論

變頻空調作為制冷行業節能環保的新興主力軍，在追求更快更好的制冷能力的道路上，電氣可靠性永遠是不可動搖的踏腳石。水汽環境對變頻空調的電氣可靠性有廣泛的影響，通過對這些現象的研究梳理，將復雜的水汽環境簡化為最基本的單元逐個測試評估，最終可以提高變頻空調對復雜水汽環境的適應性以及消費者的用戶體驗。