CN111929514A

CN111929514A - 一种电气元器件可靠性评价及寿命预测方法

Info

Publication number: CN111929514A
Application number: CN202010446061.6A
Authority: CN
Inventors: 杨阳; 陈川; 向利; 揭敢新; 王俊
Original assignee: China National Electric Apparatus Research Institute Co Ltd
Current assignee: China National Electric Apparatus Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: CN111929514B

Abstract

本发明公开了一种电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，其包括如下步骤：1)对电气元器件的触点材料的标准材料样片分别进行运行环境暴露试验和加速腐蚀试验，建立两环境试验的良好相关性，并寻求两环境试验试验时间的对应关系；2)对电气元器件进行步骤1)中的加速腐蚀试验，根据关键电气性能参数的失效判据，得到对应的加速腐蚀失效时间，并根据步骤1)中两环境试验试验时间的对应关系，得到电气元器件在实际运行环境下的失效时间。本发明先验证该电气元器件加速腐蚀试验与运行环境暴露试验的相关性，然后选用相关性良好的加速腐蚀试验对电气元器件进行可靠性评价和寿命预测，有效缩短试验周期的同时，提高了可靠性评价及寿命预测的准确性。

Description

一种电气元器件可靠性评价及寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种针对在密闭腐蚀环境下运行的电气元器件的可靠性评价及寿命预测方法，本发明所涉及的密闭环境，指有相对较稳定的温度和湿度等参数，但未采取环境控制措施的环境。

背景技术

电气元器件常配套用于工业生产各类配电系统中，其稳定可靠的运行是配电系统日常安全生产和生活用电的关键。由于近年来大气环境以及工业环境污染日趋严重，或由于工业选址等某些特殊地质因素等原因，导致其运行环境混乱复杂，电气元器件在运行中受恶劣环境约束和干扰，致使运行安全风险增大。密闭腐蚀环境所带来的隐患往往被忽视，在企业设计生产或用户安装过程中，并未针对性的考虑电气元器件的实际运行状况，当环境存在一定腐蚀性介质时，长久运行下去，会对电气元器件的关键电气性能造成不可忽视的影响，导致电气元器件性能退化，无法安全可靠运行。

当前已有许多电气元器件的可靠性评价和寿命预测方法被提出和应用，取得了良好的可靠性评价和寿命预测效果。但这些评价和预测方法大多是基于从电气元器件产品研发设计阶段来进行的，只是按最低标准要求元器件的性能参数不允许超过规定的限值。实际上，它们仅能评价产品质量的优劣。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种密闭腐蚀环境下运行的电气元器件可靠性评价及寿命预测方法。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，选择一种关键电气性能参数，以其变化评价所述电气元器件的可靠性和预测所述电气元器件的寿命，所述方法的特点在于，其包括如下步骤：

1)对所述电气元器件的触点材料的标准材料样片分别进行运行环境暴露试验和加速腐蚀试验，建立两环境试验的良好相关性，并寻求两环境试验试验时间的对应关系；

2)对所述电气元器件进行步骤1)中的加速腐蚀试验，根据所述关键电气性能参数的失效判据，得到对应的加速腐蚀失效时间，并根据步骤1)中两环境试验试验时间的对应关系，得到所述电气元器件在实际运行环境下的失效时间。

本发明主要关注密闭腐蚀环境对电气元器件可靠性及寿命的影响，考虑到腐蚀主要对电气元器件的电气性能产生影响，因此，本发明中选取一种关键电气性能参数作为电气元器件可靠性评价及寿命预测的依据。本发明主要特点在于，其先验证该电气元器件加速腐蚀试验与运行环境暴露试验的相关性，然后选用相关性良好的加速腐蚀试验对电气元器件进行可靠性评价和寿命预测，有效缩短试验周期的同时，提高了可靠性评价及寿命预测的准确性。

本发明电气元器件可靠性评价及寿命预测方法的具体步骤如下：

S1)获取电气元器件包括种类、规格型号在内的初始信息，同时获取其在准运行工况下的包括电流和电压在内的工况参数；

S2)设计加速腐蚀试验参数，包括对试验温度、试验湿度和腐蚀介质浓度的设定，也包括对设备运行工况下的电流和电压的设定；

S3)对电气元器件触点材料的标准材料样片分别进行运行环境暴露试验和加速腐蚀试验，对试验前后所述关键性能参数的变化量进行测定；

S4)采用灰色关联度计算方法，计算两环境试验的关联度γ，建立两环境试验的良好相关性；

S5)基于步骤S4)所建立的良好相关性，采用回归拟合分析方法，对步骤S3)中标准材料样片在加速腐蚀试验中的关键电气性能参数的变化百分比与试验时间建立对应关系，同时对步骤S3)中标准材料样片在运行环境暴露试验中的关键电气性能参数的变化百分比与试验时间建立对应关系，并找出相同腐蚀程度状况下，加速腐蚀试验时间T_加速与运行环境暴露试验时间T_现场的对应关系；

S6)依照步骤S2)～S5)设计的加速腐蚀试验进行试验参数设定，对所述电气元器件产品进行至少5个周期以上的加速腐蚀试验；

S7)根据所述关键电气性能参数的失效判据，得到对应的加速腐蚀失效时间，并根据步骤S5)中两环境试验试验时间的对应关系，得到所述电气元器件在实际运行环境下的失效时间。

步骤S3)中的运行环境暴露试验和加速腐蚀试验均要求开展10个周期以上。

所述标准材料样片选用材质和工艺与所述电气元器件的所述关键电气性能参数涉及部件保持一致的材料制作，其尺寸推荐如下：长度:50～90mm，宽度：10～30mm，厚度:0.5～2mm，呈矩形。

步骤S4)中，若关联度γ＞0.6，则说明所述加速腐蚀试验与所述运行环境暴露试验具有良好相关性；若关联度γ≤0.6，则对步骤S2)的加速腐蚀试验的腐蚀介质浓度进行调整，然后再重新计算关联度，直至γ＞0.6为止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过开展触点材料运行环境暴露试验与加速腐蚀试验，建立两环境试验的良好相关性，保证设计的加速腐蚀试验能有效代表该电气元器件在其运行环境中的实际腐蚀状态，然后，选用关联性良好的加速腐蚀试验来实现对电气元器件的可靠性评估和寿命预测，本发明方法不仅可有效缩短试验周期，而且，也让评估和预测结果更加准确。

具体实施方式

本发明主要关注密闭腐蚀环境对电气元器件可靠性及寿命的影响，考虑到腐蚀主要对电气元器件的电气性能产生影响，因此，本发明中选取一种关键电气性能参数作为电气元器件可靠性评价及寿命预测的依据。作为本发明电气元器件可靠性评价及寿命预测方法的优选实施方式，其具体包括有如下步骤：

S1)通过说明书、合格证或铭牌等获取电气元器件的种类、规格型号等初始信息，同时获取其在准运行工况下的电流和电压等工况参数。

S2)针对性地设计加速腐蚀试验参数，包括对试验温度、试验湿度和腐蚀介质浓度的设定，也包括对设备运行工况下的电流和电压的设定。

加速腐蚀试验参数依据对运行环境条件的精准监测设定，即对运行环境的温度(0.1℃)和湿度(0.1％RH)进行有频次的周期监测，监测周期不少于3个月，取平均值作为试验参数。

对于腐蚀介质类型和浓度(ppm)通过精密气体检测仪进行检测。一个密闭空间下检测点设置不少于5个，取平均值作为试验参数。

本发明可靠性评价及寿命预测针对的是密闭腐蚀环境下的电气元器件，这种环境的环境温度、湿度相对稳定，电气元器件工作电流、电压等也通常变化不大，电气元器件对这些条件的反应敏感性不大，腐蚀是引起电气元器件性能发生变化的最关键因素。本实施例中推荐加速腐蚀试验温度、湿度、电流和电压等参数，直接参考现场运行环境设置，腐蚀介质浓度设计为现场的10～100倍。

S3)为确保步骤S2)设计的加速腐蚀试验能在短时间内有效代表实际运行环境下电气元器件的腐蚀动力学规律，对电气元器件触点材料的标准材料样片分别进行运行环境暴露试验和加速腐蚀试验。

选用材质和工艺与关注电气元器件关键部件保持一致的材料制作标准试验样片，其尺寸推荐如下：长度:50～90mm，宽度：10～30mm，厚度:0.5～2mm，呈矩形。

运行环境暴露试验：将标准材料样片投放在电气元器件的实际运行环境中，并加载同等的电流、电压等，开展10个周期以上的运行环境暴露试验。

加速腐蚀试验：同时，依照步骤S2)所设定的试验参数，开展10个周期以上的加速腐蚀试验。

上述试验周期间隔时间依据样片材料的腐蚀规律选择。两环境试验，每个周期的试验前后均需对样片的所关注的关键性能参数的变化情况进行测定。

S4)采用灰色关联度计算方法，计算两环境试验的关联度γ，建立两环境试验的良好相关性。

若按步骤S3)计算所得的关联度γ＞0.6，则表明所设计的加速腐蚀试验与运行环境暴露试验关联性好；若γ≤0.6，则表明关联性不大，此时，需对步骤S2)的加速腐蚀试验的腐蚀介质浓度进行调整，然后再重新计算关联度，直至γ＞0.6为止，以此得到关联性较好的加速腐蚀试验与运行环境暴露试验。良好的关联性表明，在短期内该设计的加速腐蚀试验能有效代替运行环境暴露试验。

S5)基于步骤S4)所建立的良好相关性，采用回归拟合分析方法，对步骤S3)中标准材料样片在加速腐蚀试验中的关键电气性能参数变化百分比与试验时间建立对应关系，对步骤S3)中标准材料样片在运行环境暴露试验中的关键电气性能参数变化百分比与试验时间建立对应关系，并找出相同腐蚀程度状况下，加速腐蚀试验时间T_加速与运行环境暴露试验时间T_现场的对应关系。

标准材料样片因材质、尺寸规格以及腐蚀规律一致等原因，相比于产品，其电阻值变化百分比可更好代表环境的腐蚀特性。因此，本发明选用标准材料样片来验证两环境试验的相关性。相较于产品，该方式可避免受到产品种类的条件限制和产品在生产加工过程中各项性能一致性比较分散的影响。

S6)依照步骤S2)～S5)设计的加速腐蚀试验进行试验参数设定，对电气元器件产品进行至少5个周期以上的加速腐蚀试验。试验前，先对电气元器件的关键电气性能参数进行测定，测定值记为：y₀₁,y₀₂,…y_0n，n≥5，表示周期数。试验结束后，再进行一次测量，结果记为：y₁₁,y₁₂,…y_1n。为确保加速腐蚀试验的准确性，试验采用的电气元器件需与实际产品具有相同规格型号并源于同一批次。

S7)假如以电气性能参数退化20％为失效判据，f＝|(y_0n-y_1n)|/y_0n×100％，f≥20％，即电气元器件相应的关键性能参数与其基准值相比变化了20％，则判定该电气元器件在此状态下已失效，已达不到预期的可靠性。

本发明所指电气性能参数退化，是指性能朝不利于电气元器件可靠运行方向发展，与初始性能参数数值相比，可能增大，也可能减小。

S8)若按步骤S6)电气元器件在进行5个不同周期的加速腐蚀试验后，仍未失效，即f≤20％，则需采用回归拟合方法建立电气性能退化百分比程度f与试验时间(周期)t_加速的对应函数关系，利用该函数关系找出失效阈值对应的时间，再根据步骤S5)所得到的加速试验时间与现场试验时间之间的对应关系，即可获取电气元器件产品在实际运行环境下可靠运行的时间t_现场，实现对电气元器件可靠性评价和寿命预测。

具体应用实例

本实施例提供一种低压断路器可靠性评价及寿命预测方法，步骤如下：

S1,选用某金沙江水力发电站所用全新某品牌低压断路器为可靠性评价和寿命预测的试验对象，该品牌断路器常用于密闭区域内的电气盘柜内。接触电阻是表征断路器接触性能好坏的关键电气性能参数之一，也是断路器受腐蚀影响最直接的电气性能参数。因此，本发明选择接触电阻作为断路器可靠运行的参考指标，需要在断路器合闸状态下进行测量。通过该断路器的说明书获取断路器的规格型号、触点材质和基本参数等初始信息，该发电厂准备将这批断路器应用于电流、电压分别为交流电源2A和220V的控制电路系统中。

S2,通过对运行环境条件的充分监测，针对性地设计加速腐蚀试验参数。采用温度精度0.1℃和湿度精度为0.1％的温湿度记录仪对运行环境进行每5分钟间隔记录一次，连续记录约3个月，导出温湿度数据统计分析，结果表明该运行环境的平均温度为22.6℃，平均相对湿度为60.5％。依照此，本次加速腐蚀试验的温度设置为22.6℃，相对湿度设置为60.5％。经气体检测仪检测运行环境中主要的腐蚀介质成分为硫化氢，5个不同检测点硫化氢浓度平均值为1.5ppm。

依照上述，加速腐蚀试验温度设置为22.6℃，相对湿度为60.5％，气体浓度设置为15ppm，同时在断路器上施加电流为2A，电压为220V的交流电，配置可调节负载。

S3，该款断路器触点材质为纯银，选用纯银制作标准材料样片，制样尺寸为50mm*30mm*1mm投放于电气元器件实际运行环境中，开展10d、20d、30d、60d、90d、120d、150d、180d、240d、360d不同周期的现场暴露试验，投样前，对每个样片初始电阻值进行测量，结果见下表1：

表1运行环境暴露试验结果

试验周期/d	初始电阻值/μΩ	试验后电阻值/μΩ	电阻值变化量/μΩ
				10	253	261	8
20	251	329	78
				30	250	501	251
60	261	874	613
				90	256	1954	1698
120	250	2174	1924
				150	251	3025	2774
180	247	3416	3169
				240	250	3922	3672
360	245	4101	3856

依照步骤S2所设定的试验参数，开展3d、6d、9d、12d、15d、18d、21d、24d、27d、30d不同周期阶段的加速腐蚀试验，投样前，对每个样片初始电阻值进行测量，结果见下表2：

表2加速腐蚀试验结果

S4，采用灰色关联度计算方法，计算两环境试验的关联度γ，建立两环境试验的良好相关性，计算公式如下：

根据经验ρ常取0.5，将运行环境暴露试验中样片的电阻值变化量数据序列作为参考序列X₀(k)，初始化处理后为X’₀(k)，加速腐蚀试验结果数据序列作为比较序列X_i(k)，初始化处理后为X’₁(k)，依照上述公式进行计算如下：

表3

γ＝0.648，大于0.6，可进行下一步操作。

S5，基于步骤S4所建立的良好相关性，采用回归拟合分析方法分别得到加速腐蚀试验和运行环境暴露试验的电阻值变化百分比f与试验时间T的关系分别为f_加速＝8.62lnT_加速-14.13和f_现场＝5.02lnT_现场-14.66，当二者电阻值变化百分比相等，及f_加速＝f_现场时，可获得加速腐蚀试验时间T_加速与运行环境暴露试验时间T_现场的对应关系，即T_现场＝1.11T^1.72 _加速。

S6，依照上述结果，选取全新的相同规格型号且同一批次的断路器产品进行3d、6d、9d、12d和15d共计5个周期的加速腐蚀试验。试验前，对断路器的接触电阻y₀₁,y₀₂,…y_0n一一进行测量，试验结束后，再进行一次测量为y₁₁,y₁₂,…y_1n，测量结果如下：

表4

S7，以断路器产品接触电阻值退化20％为失效判据，即f＝|(y_0n-y_1n)|/y_0n×100％，f≥20％，按照步骤S6进行的5个周期的试验的测量结果，f均未达到20％，说明本次试验的5个周期内断路器均未达到失效点，仍处于能可靠使用状态，需采取进一步措施进行预测分析。

S8，按照步骤S6所得测量结果，采用回归拟合方法建立断路器产品加速腐蚀试验时间t_加速与f的对应关系，获取接触电阻增长幅度f＝20％时对应的试验周期，即f＝0.051ln(t_加速)-0.028,当f＝20％时，t_加速为88d。依照步骤S5所得到的加速腐蚀试验时间与运行环境暴露试验试验时间的对应关系：T_现场＝1.11T^1.72 _加速，由此可预测出该款断路器产品在实际运行环境中运行寿命周期为t_现场＝2453d，说明该断路器产品在其运行环境中可靠运行时间不能超过2453d，需在到达该时间前置换，才能保证电路系统的安全可靠运行。

试验结果如下：投放至现场运行的同一批次的3个断路器产品，投入使用前的初始接触电阻测量值分别为6.17mΩ、6.12mΩ、和6.05mΩ，运行至步骤S8中所预测的2453d后，取出对其接触电阻进行再次测量，结果分别为7.41mΩ、7.60mΩ和7.24mΩ，f分别为20.10％、20.25％和19.67％，f偏差在±20％范围内。说明本发明方法可行并且能准确对该批次断路器在实际运行环境中的可靠性及寿命进行预测。

Claims

1.一种电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，选择一种关键电气性能参数，以其变化评价所述电气元器件的可靠性和预测所述电气元器件的寿命，所述方法的特点在于，其包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，其特点在于，其具体包括有步骤如下：

3.根据权利要求2所述的电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，其特点在于，步骤S3)中的运行环境暴露试验和加速腐蚀试验均要求开展10个周期以上。

4.根据权利要求2所述的电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，其特点在于，步骤S3)中，所述标准材料样片选用材质和工艺与所述电气元器件的所述关键电气性能参数涉及部件保持一致的材料制作，其尺寸如下：长度:50～90mm，宽度：10～30mm，厚度:0.5～2mm，呈矩形。

5.根据权利要求2所述的电气元器件可靠性评价及寿命预测方法，其特点在于，步骤S4)中，若关联度γ＞0.6，则说明所述加速腐蚀试验与所述运行环境暴露试验具有良好相关性；若关联度γ≤0.6，则对步骤S2)的加速腐蚀试验的腐蚀介质浓度进行调整，然后再重新计算关联度，直至γ＞0.6为止。