高温高湿条件对电子式电能表影响的研究

王邦成，姜阳，杜启源，杜诗尧

（国网内蒙古东部电力有限公司供电服务监管与支持中心，通辽 028000）

引言

岭南地区具有热带、亚热带季风海洋性气候特点，作为高温高湿地区的代表，“炎热、潮湿、多雨”是这类地区气候的特征，而广州地区的气候情况是这类高温高湿地区的典型代表[1]。而据相关资料显示，环境温度和湿度对电子产品的可靠性能产生较大的 影响，在失效电子产品的统计中，对于温度和湿度的因素导致失效情况占总数的 60 %。而且电子式电能表内部是通过各电子式功能模块组合而成的，器件在高温、潮湿环境中容易对其造成各种不良影响，主要表现为电能表可靠性降低，平均寿命缩短，直接影响电子式电能表的功能发挥[2]。如何在现有电子式电能表产品的基础上，开展一些试验性研究工作，增强其在湿热气候环境下的适应性，是电力计量工作中一件迫切需要击破的问题所在。目前电子式电能表在全国范围内广泛应用，但在高温高湿地区等特殊地区的应用评估情况不够完善，对于其失效机理的研究较少，因此对于提高高温高湿地区电子式电能表产品在高温高湿地区的适应性，增强其可靠性，以降低电能计量运维压力，是目前需要攻克的问题[3]。

1 高湿高温条件下电子式电能表环境试验分析

1.1 温度应力的影响

1889 年瑞典物理学家阿伦纽斯（S.T.Arrhenius）在研究中发现加速因子 AF 的对数 Log AF 和绝对温度（热力学温度）T 的倒数（1/T），存在如公式（1）表示的线性关系。这个关系是目前被广泛使用的反应速率计算方法，用来对温度应力加速条件进行产品寿命的评估的最常用的模型之一[4]。

式中：

AF —加速条件相对于不同温度使用环境的加速因子；

R —反应速率；

T0—产品正常使用的热力学温度；

Ta—特定温度应力热力学温度；

Ea—与材料有关的参数，表示的是故障耗费能量（或激活能）[5]。

Arrhenius 模型在讨论产品寿命时，被应用为“10 ℃规则”，即当环境温度上升10 ℃时，产品的寿命会减少二分之一。因此，根据此模型，可以通过升温的方法开展加速寿命的试验，以研究温度应力对产品寿命的影响以及失效的问题。

1.2 湿度应力的影响

湿度则指空气中水蒸气的含有量，是干燥空气和水（水蒸气）结合到何种程度的一个指标。

绝对湿度计算公式：

式中：

D —绝对湿度；

θ—温度；

H —相对湿度。

举个例子，当θ = 85 ℃， H =100 %RH ，根据式（2）可知 D = 350 g / m3。

而如果在1 m3的容积中全部充满水，水的质量为1 000 kg，所以当 H =100 %RH 时，其所含水的绝对质量与全部充满水时的质量比为（350÷106）×100 %=0.035 % ，所以我们平时讲的 H =100 %RH 时，其所含水的绝对质量实际是很少的[6]。

湿度对产品的影响表现为在高湿或低湿的情况下，通过物理、化学作用或性能方 面对产品造成劣化或失效，具体表现为以下几方面：

1）高湿效应：产生水汽凝露、吸湿增强、加速金属氧化和腐蚀、加速化学和电 化学效应、促进生物活动等影响，导致绝缘材料电阻和热性能降低、电器短路、降低电子元器件性能；材料溶解膨胀变形；破坏有机涂层加速金属腐蚀；促进霉菌生长并破坏材料等危害。

2）低湿效应：材料失水；易产生静电；加速某些器材干裂或龟裂等后果[7]。

3）干湿交替效应：产生毛细管“呼吸”作用、金属表面干湿现象，导致加速材料返潮、加速金属电化学腐蚀等后果。这里研究背景是高温高湿气候条件，但区分研究温度湿度影响是不够的。例如，印制板基材中聚酯等酯类树脂在温度的单一应力作用情况下，如仅在150 ℃时，吸水率仅为 0.1 %，其使用寿命可达到数年；在温度和湿度两个应力共同作用的而情况下，如20 ℃、100 %RH℃其使用寿命可长达 27 年，在35 ℃、100%RH℃的作用下寿命仅有 3 日。因此湿热应力的共同作用的情况下对产品的寿命会有更大的[8]。

1.3 湿热影响试验设计

所有的湿热试验都需要升温和降温，升温后要保持高温高湿状态，降温后要保持低温高湿状态。不同的是升温和降温的速度保持时间长。降温阶段的相对湿度值保持在85 %左右，通过不同的湿热试验方法，进行湿热试验条件的参数设置。采用交变湿热试验（Db）和恒定湿热试验（Ca）两种方法进行参数设置，如表1所示。

表1 湿热试验条件

结果表明，Db试验在降温阶段可以保持更好的高湿装填，使交变湿热试验可以更为显著。交变湿热试验时，温度的变化范围越大，则温度降低中的相对湿度越高，高湿状态的持续时间越长[9]。

2 高温高湿条件下对电子式电能表的影响试验

2.1 恒定湿热试验

高温高湿条件对电子式电能表的影响试验主要是进行湿热试验，湿热试验主要分为恒定湿热试验和交变湿热试验两大类。其中，恒定湿热试验中典型的“双 85”（温度 85 ℃、相对湿度 85 %）试验，其本质上是一种高加速寿命试验，可用于对电子式电能表高温高湿条件下的寿命特性进行评估[10]。此外，由于电子式电能表具有空腔外壳，根据高温高湿气候分析报告的数据，温度变化区间超过 40 ℃，不属于温湿度较为稳定的环境，凝露、呼吸作用影响不可忽略，因此选择交变湿热试验能更加真实有效暴露出电子式电能表在高温高湿地区高温高湿环境下容易出现的失效问题。因此，利用加严交变湿热试验力求快速有效暴露出电子式电能表在湿热耦合应力条件下容易出现的失效问题，并采用恒定湿热“双 85”试验对电子式电能表的在湿热环境下的可靠性寿命进行评估，以反映电子式电能表在高温高湿地区的环境下所暴露的问题[11]。随着智能电网的不断发展，电子式电能表的应用越来越广泛，因电子式电能表属于电子式的计量器具，在使用的过程中会出现各类型的故障。在恒定湿热试验和加严湿热交变试验的过程中，对电子式电能表可能会出现的故障按出现的现象分为以下几类，如表2所示。

表2 故障分类

每组测试10只相同型号的电能表，该测试分为6组，如表3所示。

表3 各测试点误差影响量（%）

恒定湿热试验是对电子式电能表进行寿命评估的一种试验，基于Peck 温-湿模型，为了保证试验的可靠性，将恒定湿热试验持续时间设置为1个月，在温度85 ℃，湿度85 %的条件下进行恒定湿热试验，对电能表的测试样品进行高温高湿下的寿命特性评估，以便更好的反映测试电能表的耐湿热性能[12]。

2.2 湿热试验分析

运行时间越长，故障率越高的现象。按照故障统计的经验，在正常运行的情况下，该电子式电能表的故障率约为0.001 6 %，在交变湿热的高温高湿环境中，计量类故障率高达 5 %，总体故障率为10 %，加严高温高湿的交变变化使电子式电能表得故障率大大增加，反映了在高温高湿地区电子式电能表更容易产生劣化的情况[13]。在大气压的情况下，约 27 天就能达到加速劣化的效果，在日常电子式电能表正常运行的情况下，6～8 年后电子式电能表开始出现不同情况的故障问题的几率显著提升。根据故障分布函数和可靠度的函数，随着电子式电能表运行时间的增长，其故障程度不断上升，可靠程度不断下降，当可靠度降到一半时，其中位寿命t1/2=24 168 h，约 2.75 年，在这个使用时间后正常使用的电子式电能表的劣化程度不断增大，可靠性越来越低[14]。在交变湿热的环境下，通过 30 天的试验已经暴露了不同程度的质量问题，劣化程度加速，不可靠的出现时间出现前移，开始出现较高的故障率，虽然故障的发具有偶然性，高温高湿条件对电子式电能表的影响是不容忽视的[15]。

3 结束语

湿热试验中，温度场和湿度长达到平衡的是不一样的，相比之下湿度场所需时间要长了不少。目前绝大部分进行型式试验的电子式电能表都能通过高低温试验。若假设，进行交变湿热试验的电能表其本身由于表壳良好的密闭性在试验周期内热、湿扩散不明显，热应力及湿应力分布情况尚未达到平衡，元器件受潮十分轻微，则一定程度上此次交变湿热试验成为了高低温试验，因电能表样品内进入的潮气量还未积攒至足以影响电能表性能的程度。这一定程度上可以解释为什么已经通过各种可靠性的恒定湿热加速试验的电子产品却仍然不能保证较高可靠性的情况。因此需要切实增强湿度在交变湿热试验中的影响，通过交变湿热试验的方式加速暴露在真实高温高湿气候条件下容易出现的失效问题。