湿热海上风电关键电器部件人工模拟环境试验方法研究

余 畅，周德棕，陈俊生，阮红梅，黄建业，王钊桐，郭力

（1.南方海上风电联合开发有限公司，珠海市 519080 ；2.中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510663 3.威凯检测技术有限公司，广州 510700； 4.中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

引言

接插件是电路板中重要的配套元器件，包括接头和插座，通过它们接插在一起，连接两个有源器件，在电路板中，大量的接插件分布于各个系统和部位，担负着电能传输、信号控制与传递的任务[1-2]。任何一个接插件故障都将导致整个电路或某一控制设备无法正常工作或停役。在湿热海洋大气环境中，海上风电电气设备用电路板接插件将受到高温、高湿、盐雾的威胁，当盐雾沉积到接插件表面时，将对其性能产生一定的影响，容易造成接触不良、绝缘不良、电阻变化超过规定值等问题[3-6]。

针对上述情况，如何快速有效地对电路板接插件整体性能进行评价，并对制定针对性的预防或控制措施做指导，显得尤为重要。目前，对电路板接插件进行的性能评价试验中，大部分是单一样品的静态试验（不带电）。电路板接插件在实际工作时，将有电流通过，接插件两端将产生微小的电压。单一样品的静态试验，不能反映电流和电压对电路板接插件性能的影响[7-9]，因此，十分有必要开展电路板接插件带电工况下的性能评价试验研究，分析电路板接插件带电腐蚀和常规腐蚀的差异，以便采取适当的防护措施。正确评估接插件材料的腐蚀状态，从而有效指导接插件材料的设计、维护和更换

本文将对我国典型的湿热海洋大气环境温度、湿度、海洋粒子沉降量等环境条件数据进行采集，分析服役环境的变化规律，并根据变化规律设计人工模拟环境加速试验方法，通过开展接插件在不同人工模拟环境加速试验方法以及自然环境暴露试验，分析接插件在人工模拟环境加速试验和自然暴露试验的腐蚀行为规律及差异，进而筛选出环境模拟相关性好的人工模拟环境加速试验方法，从而为接插件材料的选材设计、维护和更换提供科学依据。

1 实验

1.1 实验样品

将插针式的接线端子焊接在30 mm*30 mm的电路板上，形成电路板接插件样品，如图 1所示。插针式接线端子的螺钉为钢，其它为铜镀锡材质。电路板采用FR-4环氧树脂，厚1.6 mm，单面印刷，采用无铅焊锡。

1.2 试验方法

1.2.1 接插件自然环境暴露试验

海南三亚试验站为典型的湿热海洋大气环境，将插针式接插件样品投放到三亚试验站进行户外自然加速试验，避免雨水和阳光照射。如图 2所示。试验时间为2017年1月至3月，每个月取样，并检查外观，测试接触电阻和绝缘电阻。

图 1 电路板接插件样品

图 2 接插件自然环境暴露试验

1.2.2 人工模拟环境加速试验

根据湿热海洋环境条件变化规律，设计了3种人工模拟环境加速试验方法，表 1列出了人工模拟环境条件、取样周期、取样数量和检测项目。盐雾试验的盐溶液为5 %的NaCl溶液，盐雾沉降量为1.0-2.0 ml/80cm2*h。图 3是人工模拟环境加速试验图片。

1.2.3 电路板接插件电性能测试

采用YD2512直流低电阻测试仪对电路板接插件的接触电阻进行测试，测试电流为直流50 mA，采用ZC-90 A绝缘电阻测试仪对电路板接插件的绝缘电阻进行测试，测试电压为500 V，保持时间为1 min，电路板接插件进行接触电阻和绝缘电阻测试前，先将样品放在温度为35±5 ℃的空气循环烘箱中处理2 h。

2 结果与讨论

2.1 湿热海洋大气自然环境条件分析

图 3 人工模拟环境加速试验

表1 人工模拟环境加速试验

图4 1~3月份温度的瞬时变化

图5 1~3月份湿度的瞬时变化

采用HMP155温度相对湿度传感器对海南三亚试验站2017年1月至3月温湿度条件进行连续收集，并统计平均值、最高值、最低值以及潮湿时间（相对湿度＞80 %）[10]等。

图 4-图 5是1月至3月的温湿度瞬时变化图，可以看出温度和相对湿度均呈周期性变化。三亚试验站海洋大气环境呈干湿交替循环，每天干湿交替循环至少1次，平均潮湿时间约8 h。其中1月份的平均温度为23.80 ℃、平均相对湿度为72.79 %，平均潮湿时间为6.0 h；2月份的平均温度为22.86 ℃、平均相对湿度为74.72 %，平均潮湿时间为7.4 h；3月份的平均温度为25.25 ℃、平均相对湿度为77.99 %，平均潮湿时间为11.6 h。

表2 三亚试验站2017年1~3月份海盐粒子沉降量

通过海盐粒子滤膜采集海盐粒子沉降量数据，列于表 2，1月至3月的海盐粒子沉降量逐渐增大，分别为0.995、1.013、1.118 mg/100 cm2·d。

综合温度、相对湿度、潮湿时间以及海盐粒子沉降量分析数据，列于表 3。1-3月份的温度、平均相对湿度、海盐粒子沉降量相差不大，当潮湿时间相近时，如1、2月份，环境的腐蚀性也相近。当潮湿时间显著增大时，如3月份约是1月份的2倍，环境腐蚀性显著增大。

2.2 海南三亚自然环境暴露试验

实验室加速试验能够快速评价接插件的性能，但是对于接插件性能的评定，自然环境暴露试验一直是最有说服力的评价方式。自然环境暴露试验一直是其他试验的参考[11-13]。为此我们将接插件置于海南三亚自然环境试验站开展自然环境暴露试验，时间为3个月，试验后形貌图如图 6所示，自然暴露试验 1个月后，外观无明显变化，自然暴露试验2个月后，焊接位置附近出现白膜，金属螺钉发生轻微腐蚀，自然暴露试验3个月后，金属螺钉严重腐蚀。

表3 腐蚀程度与环境因素的关系

表 4列出了插针式接插件试验前后的接触电阻和绝缘电阻。插针式接插件接触电阻试验前后基本没有明显变化。自然暴露试验1个月、2个月、3个月，绝缘电阻逐渐下降，分别为1011Ω数量级、109Ω数量级、106Ω数量级。

图 6 三亚现场试验后接插件的外观

2.3 人工模拟环境试验

图 7人工模拟环境试验方法一试验后接插件的外观形貌

电路板接插件服役环境监测结果表明，湿热海洋大气环境主要特征为干湿交替循环，每天至少发生1次循环，1-3月份的平均潮湿时间分别为6.0 h、7.4 h、11.6 h，3个月的平均潮湿时间约为8 h。根据湿热海洋环境条件变化规律，设计了3种人工模拟环境加速试验方法，具体环境条件参数如表 1所示。

2.3.1 人工模拟环境试验方法1

图 7列出了接插件在人工模拟环境试验方法一试验后的外观形貌，插针式接插件在进行环境试验2d、4d、7d后，印刷线路上均没有盐颗粒积聚，螺钉均发生严重的腐蚀。如表 5所示，接插件在进行人工模拟环境试验方法一试验后接触电阻没有显著的变化，绝缘电阻均降为106Ω。

2.3.2 人工模拟环境试验方法二

表4 三亚自然环境暴露试验前后插针式接插件接触电阻和绝缘电阻

表5 插针式接插件的接触电阻和绝缘电阻（人工模拟环境试验一）

表6 插针式接插件的接触电阻和绝缘电阻（人工模拟环境试验二）

图 8、表 6列出了接插件在人工模拟环境试验方法二试验后的外观、接触电阻和绝缘电阻。插针式接插件在进行环境试验2d、4d、7d后，印刷线路上均没有盐颗粒积聚，均有螺钉发生腐蚀，接触电阻没有显著的变化，绝缘电阻逐渐下降，分别为109Ω、108Ω、105Ω。

图 8人工模拟环境试验方法二试验后接插件的外观形貌

2.3.2 人工模拟环境试验方法三

图 9 表 7列出了接插件在人工模拟环境试验方法三试验后的外观、接触电阻和绝缘电阻。插针式接插件在环境试验2d、4d、7d后，在印刷线路上均没有盐颗粒积聚，试验2d后，螺钉没有腐蚀，接触电阻没有显著变化，绝缘电阻为109Ω，试验4d后，螺钉发生腐蚀，接触电阻没有显著变化，绝缘电阻为107Ω，试验7d后，螺钉发生腐蚀，接触电阻没有显著变化，绝缘电阻为106Ω。

图 9人工模拟环境试验方法三试验后接插件的外观形貌

表7 插针式接插件的接触电阻和绝缘电阻（人工模拟环境试验三）

将三种人工模拟环境试验后接插件的外观形貌等特性与海南三亚自然环境暴露试验后接插件的外观形貌等特性进行对照分析，结果发现接插件在进行人工模拟环境试验方法三环境试验后的腐蚀行为与自然环境暴露试验相一致，由此推断人工模拟环境试验方法三是用来评价海上风电关键零部件环境模拟相关性较好的人工模拟环境加速试验方法，在人工模拟环境试验方法三下进行试验7d相当于在湿热海洋大气自然环境暴露试验3个月[14-15]。

3 结论

1）三亚湿热海洋大气环境1-3月份呈干湿交替循环，每天至少发生1次循环，平均潮湿时间分别为6.0 h、7.4 h、11.6 h。

2）插针式接线端子在湿热海洋环境自然暴露3个月后，接触电阻没有发生变化，随着自然暴露时间的延长，金属螺钉腐蚀越来越严重，绝缘电阻也随着暴露试验的延长逐渐下降，自然暴露1个月、2个月、3个月后绝缘电阻分别为1011Ω数量级、109Ω数量级、106Ω数量级。

3）接插件进行人工模拟环境试验方法一试验后，螺钉均发生严重的腐蚀，接触电阻没有显著的变化，绝缘电阻均降为106Ω。接插件进行人工模拟环境试验方法二试验后，均有螺钉发生腐蚀，接触电阻没有显著的变化，绝缘电阻逐渐下降，试验2d、4d、7d后，绝缘电阻分别为109Ω、108Ω、105Ω。接插件进行人工模拟环境试验方法三试验后接触电阻没有显著变化，随着试验时间的延长，螺钉锈蚀越来越严重，绝缘电阻逐渐下降，试验2d、4d、7d后，绝缘电阻分别为109Ω、107Ω、106Ω。该腐蚀行为与自然环境暴露试验相一致，由此推断人工模拟环境试验方法三是用来评价海上风电关键零部件环境模拟相关性较好的人工模拟环境加速试验方法，在人工模拟环境试验方法三下进行试验7d相当于在湿热海洋大气自然环境暴露试验3个月。

[1]梁彩凤, 侯文泰. 大气腐蚀与环境 [J]. 装备环境工程, 2004, 1(2):49～52.

[2]卓惠荣. 电器产品的防霉、防锈技术 [J] 电工电气1995(2):7～10

[3]陆锦铭. 电气防腐[J]. 中国井矿盐, 1980(2):34～35.

[4]吴学明. 户内外防腐蚀电工产品防护技术综述 [J]环境技术 1992(1):40～44.

[5]杨万均,肖敏,张燕,等.舰面电子设备机柜防护失效分析与对策研究[J]. 装备环境工程2012,9 (6): 83～87.

[6]阮红梅, 吴坤培, 王俊,等. 气相防锈技术在电器设备防腐中的应用[J]. 装备环境工程, 2015, 12(4): 32-37.

[7]薛旭, 陈捷俊.海洋性大气环境当中户外电器设备的防护新思路 科技资讯2013(16) :106～109.

[8]阮红梅, 董泽华, 石维,等. 基于电化学噪声研究缓蚀剂对从6063铝合金点蚀的影响 [J].物理化学学报 2012,28(9):2097—2107

[9]杨大宁,汪川,王振尧,等. 变电站常用金属的大气腐蚀行为及其防护[J]. 装备环境工程,2016,(01):126-129.

[10]李慧,黄海军,王俊,等.湿热沿海地区环境条件对风电机组的影响分析[J].装备环境工程, 2013,10(5).

[11]邱志斌, 阮江军, 黄道春,等. 高压隔离开关机械故障分析及诊断技术综述[J]. 高压电器, 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.