水汽环境对变频空调电气可靠性影响的研究

2023-05-28张晓楠

环境技术 2023年4期

张晓楠

（中认尚动（上海）检测技术有限公司，上海 200000）

引言

变频空调是随着制冷技术和电机控制、模糊控制等电控技术的日益发展成熟而新兴的一种较具有社会经济效益和科技先进性的空调器。变频技术针对使用侧所需的冷热量不同，通过调节压缩机工作频率有效地实现连续动态调节压缩机输出功率，从而调节制冷、制热功率并可在快速制冷制热之后以较小功率维持房间温度恒定，有效避免压缩机反复开停，同时降低能耗、降低室温波动，显著提升用户舒适度。当然，新产品的诞生首先引起业内人士关注的，必定是其电气可靠性。本文针对这种新高端家电产品的诞生，从水汽环境入手对其进行电气可靠性的分析，并结合可靠性设计经验，完善变频空调关于水汽环境影响方面的电气可靠性设计提出建议。

1 水汽环境下变频空调失效机理

大气环境中常见的水汽形态一般可以表现为云、雾、雨、雪、霜、露等，不同的水汽形态对家用电器的影响甚至导致失效的机理都不同，例如空调机组的化霜工况就是因为低温情况下水汽影响到机组的冷热置换能力而必须具备的一种应对方式；局部的高低温温差大容易导致凝露聚集的情况，一旦出现在电气部件集中的机组内部，对裸露部件而言即为一定的安全隐患，此时的凝露容易造成电气短路甚至引发端子打火、机组自燃等严重的电气失效状况；当然，水汽附着还可加快裸露金属端子的腐蚀程度，从另一层面造成电气可靠性的失效。

针对以上实际现象，从水的三个不同物理状态进行分析归类可得出如下结果：造成电气可靠性失效的常见形态无疑是液态水。液态水的进入，可导致电气间隙和爬电距离降低，从而降低机组的绝缘能力或导致电气短路。固态水可阻碍运动部件的正常运转，或是通过持续传导低温对元器件保护层形成破坏。例如风冷式外机的风叶被外机壳体倒挂的冰柱限位从而形成电机堵转现象，或者电源线外部结冰导致绝缘层冻裂破损等。气态水造成的较为常见的失效情况一般为凝露导致的电气短路和接线端子的腐蚀老化，如压缩机电气盒出现凝露聚集造成相间短路、压缩机进线接线端子锈蚀严重导致端子打火并烧毁整个压缩机。

实际上不单是空调产品，所有的家电产品在不同的特定环境下都会受到来自水汽在不同形态下的不同程度的影响，因而对水汽环境造成的失效机理包括：运动部件失效、绝缘失效、电气短路以及机组锈蚀等。

2 产品结构水汽环境下变频空调电气可靠性的评估

水汽的不同形态可以对变频空调的诸多元器件造成电气失效，降低机组的电气安全可靠性，而这些破坏都是通过运动部件失效、绝缘失效、电气短路和机组锈蚀等方式对机组造成的影响，所以根据它们之间的相互关系，我们可以对水汽环境所造成的危害进行量化的可控评价，并由此提出针对水汽环境下的一些电气可靠性设计思路。

2.1 运动部件失效与电机堵转试验

变频空调中做机械运动的部件主要包括压缩机、室内外的风机电机。由于压缩机缸体为全真空密封结构，运动部件所处环境与水汽隔绝，故此对于水汽环境影响下空调的运动部件失效评价主要通过风机电机的防堵转能力来判定。风机电机在受外力堵转时无转速但依然输出扭矩，此时功率因数极低而内部电流极大，根据电机的不同容量以及不同的加工工艺，此时的内部电流最高可达额定电流的5～12 倍。

因此，对于尤其是适用于复杂水汽环境的机组，通过风机电机堵转测试分析此元器件在水汽环境下的电气安全可靠性很有必要。根据国标GB 4706.1-2005 中的第19.7 章所述，通过锁住转子（当堵转转矩＜满载转矩时）或锁住运动部件的方式使其转子堵转，判定依据为最高的绕组温度不应超过表1 所示的限值。

表1 最高绕组温度

2.2 绝缘失效与耐潮湿试验

水汽环境造成变频空调绝缘失效的情况较为常见。空调在水汽环境中使用时，水汽吸附在绝缘体表面，同时由于绝缘体材料内部存在大量空穴，水汽在这些空穴的毛细管作用下进入绝缘体内部，形成导电通道，最终造成空调整体绝缘的阻值下降，甚至发生绝缘失效。

同时，变频空调属于Ⅰ类器具，虽然接地保护与基本绝缘保护同时失效的几率非常小，但是单单基本绝缘失效即可引发的跳闸保护导致机组无法正常启动，甚至由于水汽环境的加速锈蚀特性，接地保护的失效隐患如果同时暴露（锈蚀的接地端子为虚接状态），特别是金属外壳的室外机则等同于危险的带电体（此时有电压无电流），一旦人体触及则很有可能产生以人体为导体流向地表的泄漏电流，危及人身安全。根据GB 4706.1-2005 中第15.3 章的描述，需对机组进行模拟正常安装后（进线开孔保留至少一个）的耐潮湿试验。测试时应将试验工况设定为在大气温度（20～30）℃之间任意温度值t，温差变动范围1 K 以内，且相对湿度维持在（93±3）%，并在开始试验之前使机组自身温度达到潮湿箱内环温t 到t+4 的温度值之间。当在潮湿箱内进行48 h 的潮湿试验后，立即对其进行第16 章的泄漏电流和电气强度测试。据此，在沿用以上试验要求的情况下，我们通过设置多个对照试验，在通过前期48 h 测试的机组中选出有对比性的实验机组，继续对机组进行相同工况的长期性放置，并在每间隔24 h 的取样周期对实验机组进行视检及电气绝缘测量。

取一台最新产品作为样机1，再从其中选取另外一台为样机2，其中样机1 与样机2 的区别在于接地螺钉材质不同，样机1 为通用采购物料，带防锈镀层，样机2 的接地螺钉为无镀层无油漆处理的试用件；再从已运行一定时间的合格老款定频机中选取一台为样机3，样机1 与样机3 的区别在于机组外壳使用的钣金材料不同；经过21 天的测试后得出如表2 的结果。

表2 潮湿试验

2.3 机组锈蚀与盐雾试验

通过之前的实验，可以明显分析出以样机2 为原型的不带任何防锈涂层的机体及零部件在水汽环境下的耐久程度电气安全隐患相较其他两台样机要大得多。现阶段的空调工艺也已经很少会制造出不带任何水汽防护的机组，且在原材料的采购初期，对于长期与水汽环境接触的零部件更是进行过专项的检测。在国标GB/T 2423.18-2012 中，通过盐雾试验（严酷等级2）可以确定机组的防锈能力是否达标。

试验前对一坚硬的钢针施加（10±0.5）N 的力、以20 mm/s 的速度沿器具的涂层外表面进行挂擦试验，此钢针是个呈40 °的钢锥，顶部是半径为（0.25±0.02）mm的球面。刮擦5 次，其间距至少5 mm，并且离器具边缘至少5 mm。

前期准备做完后将试样放入盐雾箱，在（15～35）℃下喷盐雾2 h，每次喷雾结束后将试样转移至温度（40±2）℃，相对湿度（93±3）%贮存（20～22）h，以此为周期重复3 次（严酷等级2，如图1[3]所示）。

图1 严酷等级

图2 盐雾试验1 000 h

试验后器具应不会发生影响符合本部分要求的损坏，尤其是要满足GB 4706.1-2005 中第8 章对易触及带电部件的防护和第27 章接地措施的要求。涂层不能破损、不能从金属表面剥落。

经实际验证，此次抽取的一般机组使用的镀锌钢板均可经受以上严酷等级2 的盐雾测试，而针对特殊用途设计的变频空调，所选用的钣金材料在普通酸性盐雾试验1 000 h 后无任何锈蚀迹象（如图3 所示）。

2.4 电气短路与机组防水等级验证

水汽环境引起的不同电气线路之间或元器件内部短接，主要是由于局部液态水的凝集形成跨接短路从而造成机组电气功能失效。在变频空调的内部结构中，电气线路主要集中在机组的电器盒中，由机组外壳与电器盒共同组成防水的屏障。在国标GB 4706.1-2005 的第15.1章中，要求器具的外壳应按器具要求提供相应的防水等级。在依据GB/T 4208-2017 中第14 章的测试方法进行相应防水等级测试后立即经受GB 4706.1-2005 中第16.3章的电气强度试验，并且视检应表明在绝缘上没有导致电气间隙和爬电距离降低到低于第29 章中规定限值的水迹。

在日常依据国标测试的过程中，我们增添了外风机电机反转的测试工况，模拟中国沿海地区特有的台风、雷暴天气下，外机组经受较大风力从而风机反转、“内吸”水汽的情况，发现一些原本满足IPX4 等级的机组外壳在经历风机电机反转工况的后电气强度试验不合格。通过拆机视检发现，原本IPX4 试验用的摆管在与机组垂直方向±90 °范围内摆动淋水时原本不会被水触及到的电气盒位置，由于风机的反转向内部甩水，导致位于上部的未完全密封的电器盒内部局部产生水汽聚集，发生了电气短路。

在整机细化到对个体元器件的防水等级测试中，我们通过元器件的筛选试验以及实际售后案例汇总分析，得出目前现有IPX4 防水等级的变频空调机组在以下零部件的选型上至少应当满足以表3 情况。