濕熱海上風電關鍵電器部件人工模擬環境試驗方法研究

余 暢，周德棕，陳俊生，阮紅梅，黃建業，王釗桐，郭力

（1.南方海上風電聯合開發有限公司，珠海市 519080 ；2.中國電器科學研究院有限公司工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663 3.威凱檢測技術有限公司，廣州 510700； 4.中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

引言

接插件是電路板中重要的配套元器件，包括接頭和插座，通過它們接插在一起，連接兩個有源器件，在電路板中，大量的接插件分布于各個系統和部位，擔負著電能傳輸、信號控制與傳遞的任務[1-2]。任何一個接插件故障都將導致整個電路或某一控制設備無法正常工作或停役。在濕熱海洋大氣環境中，海上風電電氣設備用電路板接插件將受到高溫、高濕、鹽霧的威脅，當鹽霧沉積到接插件表面時，將對其性能產生一定的影響，容易造成接觸不良、絕緣不良、電阻變化超過規定值等問題[3-6]。

針對上述情況，如何快速有效地對電路板接插件整體性能進行評價，并對制定針對性的預防或控制措施做指導，顯得尤為重要。目前，對電路板接插件進行的性能評價試驗中，大部分是單一樣品的靜態試驗（不帶電）。電路板接插件在實際工作時，將有電流通過，接插件兩端將產生微小的電壓。單一樣品的靜態試驗，不能反映電流和電壓對電路板接插件性能的影響[7-9]，因此，十分有必要開展電路板接插件帶電工況下的性能評價試驗研究，分析電路板接插件帶電腐蝕和常規腐蝕的差異，以便采取適當的防護措施。正確評估接插件材料的腐蝕狀態，從而有效指導接插件材料的設計、維護和更換

本文將對我國典型的濕熱海洋大氣環境溫度、濕度、海洋粒子沉降量等環境條件數據進行采集，分析服役環境的變化規律，并根據變化規律設計人工模擬環境加速試驗方法，通過開展接插件在不同人工模擬環境加速試驗方法以及自然環境暴露試驗，分析接插件在人工模擬環境加速試驗和自然暴露試驗的腐蝕行為規律及差異，進而篩選出環境模擬相關性好的人工模擬環境加速試驗方法，從而為接插件材料的選材設計、維護和更換提供科學依據。

1 實驗

1.1 實驗樣品

將插針式的接線端子焊接在30 mm*30 mm的電路板上，形成電路板接插件樣品，如圖 1所示。插針式接線端子的螺釘為鋼，其它為銅鍍錫材質。電路板采用FR-4環氧樹脂，厚1.6 mm，單面印刷，采用無鉛焊錫。

1.2 試驗方法

1.2.1 接插件自然環境暴露試驗

海南三亞試驗站為典型的濕熱海洋大氣環境，將插針式接插件樣品投放到三亞試驗站進行戶外自然加速試驗，避免雨水和陽光照射。如圖 2所示。試驗時間為2017年1月至3月，每個月取樣，并檢查外觀，測試接觸電阻和絕緣電阻。

圖 1 電路板接插件樣品

圖 2 接插件自然環境暴露試驗

1.2.2 人工模擬環境加速試驗

根據濕熱海洋環境條件變化規律，設計了3種人工模擬環境加速試驗方法，表 1列出了人工模擬環境條件、取樣周期、取樣數量和檢測項目。鹽霧試驗的鹽溶液為5 %的NaCl溶液，鹽霧沉降量為1.0-2.0 ml/80cm2*h。圖 3是人工模擬環境加速試驗圖片。

1.2.3 電路板接插件電性能測試

采用YD2512直流低電阻測試儀對電路板接插件的接觸電阻進行測試，測試電流為直流50 mA，采用ZC-90 A絕緣電阻測試儀對電路板接插件的絕緣電阻進行測試，測試電壓為500 V，保持時間為1 min，電路板接插件進行接觸電阻和絕緣電阻測試前，先將樣品放在溫度為35±5 ℃的空氣循環烘箱中處理2 h。

2 結果與討論

2.1 濕熱海洋大氣自然環境條件分析

圖 3 人工模擬環境加速試驗

表1 人工模擬環境加速試驗

圖4 1~3月份溫度的瞬時變化

圖5 1~3月份濕度的瞬時變化

采用HMP155溫度相對濕度傳感器對海南三亞試驗站2017年1月至3月溫濕度條件進行連續收集，并統計平均值、最高值、最低值以及潮濕時間（相對濕度＞80 %）[10]等。

圖 4-圖 5是1月至3月的溫濕度瞬時變化圖，可以看出溫度和相對濕度均呈周期性變化。三亞試驗站海洋大氣環境呈干濕交替循環，每天干濕交替循環至少1次，平均潮濕時間約8 h。其中1月份的平均溫度為23.80 ℃、平均相對濕度為72.79 %，平均潮濕時間為6.0 h；2月份的平均溫度為22.86 ℃、平均相對濕度為74.72 %，平均潮濕時間為7.4 h；3月份的平均溫度為25.25 ℃、平均相對濕度為77.99 %，平均潮濕時間為11.6 h。

表2 三亞試驗站2017年1~3月份海鹽粒子沉降量

通過海鹽粒子濾膜采集海鹽粒子沉降量數據，列于表 2，1月至3月的海鹽粒子沉降量逐漸增大，分別為0.995、1.013、1.118 mg/100 cm2·d。

綜合溫度、相對濕度、潮濕時間以及海鹽粒子沉降量分析數據，列于表 3。1-3月份的溫度、平均相對濕度、海鹽粒子沉降量相差不大，當潮濕時間相近時，如1、2月份，環境的腐蝕性也相近。當潮濕時間顯著增大時，如3月份約是1月份的2倍，環境腐蝕性顯著增大。

2.2 海南三亞自然環境暴露試驗

實驗室加速試驗能夠快速評價接插件的性能，但是對于接插件性能的評定，自然環境暴露試驗一直是最有說服力的評價方式。自然環境暴露試驗一直是其他試驗的參考[11-13]。為此我們將接插件置于海南三亞自然環境試驗站開展自然環境暴露試驗，時間為3個月，試驗后形貌圖如圖 6所示，自然暴露試驗 1個月后，外觀無明顯變化，自然暴露試驗2個月后，焊接位置附近出現白膜，金屬螺釘發生輕微腐蝕，自然暴露試驗3個月后，金屬螺釘嚴重腐蝕。

表3 腐蝕程度與環境因素的關系

表 4列出了插針式接插件試驗前后的接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件接觸電阻試驗前后基本沒有明顯變化。自然暴露試驗1個月、2個月、3個月，絕緣電阻逐漸下降，分別為1011Ω數量級、109Ω數量級、106Ω數量級。

圖 6 三亞現場試驗后接插件的外觀

2.3 人工模擬環境試驗

圖 7人工模擬環境試驗方法一試驗后接插件的外觀形貌

電路板接插件服役環境監測結果表明，濕熱海洋大氣環境主要特征為干濕交替循環，每天至少發生1次循環，1-3月份的平均潮濕時間分別為6.0 h、7.4 h、11.6 h，3個月的平均潮濕時間約為8 h。根據濕熱海洋環境條件變化規律，設計了3種人工模擬環境加速試驗方法，具體環境條件參數如表 1所示。

2.3.1 人工模擬環境試驗方法1

圖 7列出了接插件在人工模擬環境試驗方法一試驗后的外觀形貌，插針式接插件在進行環境試驗2d、4d、7d后，印刷線路上均沒有鹽顆粒積聚，螺釘均發生嚴重的腐蝕。如表 5所示，接插件在進行人工模擬環境試驗方法一試驗后接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻均降為106Ω。

2.3.2 人工模擬環境試驗方法二

表4 三亞自然環境暴露試驗前后插針式接插件接觸電阻和絕緣電阻

表5 插針式接插件的接觸電阻和絕緣電阻（人工模擬環境試驗一）

表6 插針式接插件的接觸電阻和絕緣電阻（人工模擬環境試驗二）

圖 8、表 6列出了接插件在人工模擬環境試驗方法二試驗后的外觀、接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件在進行環境試驗2d、4d、7d后，印刷線路上均沒有鹽顆粒積聚，均有螺釘發生腐蝕，接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻逐漸下降，分別為109Ω、108Ω、105Ω。

圖 8人工模擬環境試驗方法二試驗后接插件的外觀形貌

2.3.2 人工模擬環境試驗方法三

圖 9 表 7列出了接插件在人工模擬環境試驗方法三試驗后的外觀、接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件在環境試驗2d、4d、7d后，在印刷線路上均沒有鹽顆粒積聚，試驗2d后，螺釘沒有腐蝕，接觸電阻沒有顯著變化，絕緣電阻為109Ω，試驗4d后，螺釘發生腐蝕，接觸電阻沒有顯著變化，絕緣電阻為107Ω，試驗7d后，螺釘發生腐蝕，接觸電阻沒有顯著變化，絕緣電阻為106Ω。

圖 9人工模擬環境試驗方法三試驗后接插件的外觀形貌

表7 插針式接插件的接觸電阻和絕緣電阻（人工模擬環境試驗三）

將三種人工模擬環境試驗后接插件的外觀形貌等特性與海南三亞自然環境暴露試驗后接插件的外觀形貌等特性進行對照分析，結果發現接插件在進行人工模擬環境試驗方法三環境試驗后的腐蝕行為與自然環境暴露試驗相一致，由此推斷人工模擬環境試驗方法三是用來評價海上風電關鍵零部件環境模擬相關性較好的人工模擬環境加速試驗方法，在人工模擬環境試驗方法三下進行試驗7d相當于在濕熱海洋大氣自然環境暴露試驗3個月[14-15]。

3 結論

1）三亞濕熱海洋大氣環境1-3月份呈干濕交替循環，每天至少發生1次循環，平均潮濕時間分別為6.0 h、7.4 h、11.6 h。

2）插針式接線端子在濕熱海洋環境自然暴露3個月后，接觸電阻沒有發生變化，隨著自然暴露時間的延長，金屬螺釘腐蝕越來越嚴重，絕緣電阻也隨著暴露試驗的延長逐漸下降，自然暴露1個月、2個月、3個月后絕緣電阻分別為1011Ω數量級、109Ω數量級、106Ω數量級。

3）接插件進行人工模擬環境試驗方法一試驗后，螺釘均發生嚴重的腐蝕，接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻均降為106Ω。接插件進行人工模擬環境試驗方法二試驗后，均有螺釘發生腐蝕，接觸電阻沒有顯著的變化，絕緣電阻逐漸下降，試驗2d、4d、7d后，絕緣電阻分別為109Ω、108Ω、105Ω。接插件進行人工模擬環境試驗方法三試驗后接觸電阻沒有顯著變化，隨著試驗時間的延長，螺釘銹蝕越來越嚴重，絕緣電阻逐漸下降，試驗2d、4d、7d后，絕緣電阻分別為109Ω、107Ω、106Ω。該腐蝕行為與自然環境暴露試驗相一致，由此推斷人工模擬環境試驗方法三是用來評價海上風電關鍵零部件環境模擬相關性較好的人工模擬環境加速試驗方法，在人工模擬環境試驗方法三下進行試驗7d相當于在濕熱海洋大氣自然環境暴露試驗3個月。

[1]梁彩鳳, 侯文泰. 大氣腐蝕與環境 [J]. 裝備環境工程, 2004, 1(2):49～52.

[2]卓惠榮. 電器產品的防霉、防銹技術 [J] 電工電氣1995(2):7～10

[3]陸錦銘. 電氣防腐[J]. 中國井礦鹽, 1980(2):34～35.

[4]吳學明. 戶內外防腐蝕電工產品防護技術綜述 [J]環境技術 1992(1):40～44.

[5]楊萬均,肖敏,張燕,等.艦面電子設備機柜防護失效分析與對策研究[J]. 裝備環境工程2012,9 (6): 83～87.

[6]阮紅梅, 吳坤培, 王俊,等. 氣相防銹技術在電器設備防腐中的應用[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(4): 32-37.

[7]薛旭, 陳捷俊.海洋性大氣環境當中戶外電器設備的防護新思路 科技資訊2013(16) :106～109.

[8]阮紅梅, 董澤華, 石維,等. 基于電化學噪聲研究緩蝕劑對從6063鋁合金點蝕的影響 [J].物理化學學報 2012,28(9):2097—2107

[9]楊大寧,汪川,王振堯,等. 變電站常用金屬的大氣腐蝕行為及其防護[J]. 裝備環境工程,2016,(01):126-129.

[10]李慧,黃海軍,王俊,等.濕熱沿海地區環境條件對風電機組的影響分析[J].裝備環境工程, 2013,10(5).

[11]邱志斌, 阮江軍, 黃道春,等. 高壓隔離開關機械故障分析及診斷技術綜述[J]. 高壓電器, 2015(8): 33-36.

[12]Ahmed M F A, Zayan A M S, Rashed M S. Evaluation of seed coating with certain bio-agents against damping-off and root rot diseases of fennel under organic farming system[J]. Journal of Phytopathology and Pest Management, 2017, 3(3): 11-23.

[13]Yang Z, Chueh C C, Zuo F, et al. High‐Performance Fully Printable Perovskite Solar Cells via Blade‐Coating Technique under the Ambient Condition[J]. Advanced Energy Materials,2015, 5(13) 28-30.

[14]Fresnais J, Yan M, Courtois J, et al. Poly (acrylic acid)-coated iron oxide nanoparticles: Quantitative evaluation of the coating properties and applications for the removal of a pollutant dye[J]. Journal of colloid and interface science, 2013, 395: 24-30.

[15]Ahmed M F , Zayan A M , Rashed M S. Evaluation of seed coating with certain bio-agents against damping-off and root rot diseases of fennel under organic farming system[J]. Journal of Phytopathology and Pest Management, 2017, 3(3): 11-23.

[16]Yang Z, Chueh C C, Zuo F, et al. High‐Performance Fully Printable Perovskite Solar Cells via Blade‐Coating Technique under the Ambient Condition[J]. Advanced Energy Materials,2015, 5(13) 28-30.