林立群　任鵬

綜上所述，對靜變電源返廠大修相較更摘要：探討靜變電源設備更新改造的方式，大修或是更換新機，提高對設備的認知程度，增強安全管理意識。

關鍵詞：靜變電源;大修;新設備更換;可行性分析

0概述

根據(jù)民航局要求，重點推進400赫茲靜變電源替代飛機APU方案，長春龍嘉國際機場計劃對T1航站樓橋載靜變電源進行更新改造。該靜變電源由威海廣泰空港設備股份有限公司出品（型號：WGJB90/90， 2003年生產(chǎn)，2005年出廠），輸出電纜為懸掛曳引式。前期零星使用，達到大修年限后，設備狀況變差，幾乎不再使用。使用期間每半年一次例行保養(yǎng)，保養(yǎng)項目為常規(guī)項目，除塵、潤滑、檢測，在2015年，按照手冊要求更換設備控制系統(tǒng)的鋰電池。

1設備狀況

根據(jù)產(chǎn)品設計預期壽命，在一般環(huán)境下，產(chǎn)品在使用8-10年后需要大修，以便獲得良好性能。理想條件下的理論設計壽命最大是20年（累加大修后的時間）。在實際使用時，推薦使用壽命（含大修后的使用時間）最高為15年。長期不通電使用的該產(chǎn)品，其內(nèi)部元器件的失效速率要比經(jīng)常使用的產(chǎn)品快。

2設備大修

2.1材料成本

早期產(chǎn)品使用的大量元器件存在采購困難的問題，且不能替代。采購元器件的費用大幅度增加。綜合考慮，大修產(chǎn)品需要更換的部件達到95%以上。

（1）元器件失效

電源內(nèi)的線路板放置的時間過長，線路板上的大多數(shù)器件接近失效。大修時需要全部換新。

電解電容失效主要原因為電解液腐蝕，一些因素會引起電解電容失效，如極低的溫度，電容溫升（焊接溫度，環(huán)境溫度，交流紋波），過高的電壓，瞬時電壓，甚高頻或反偏壓;其中溫升是對電解電容工作壽命影響最大的因素。

電容的導電能力由電解液的電離能力和粘度決定。當溫度降低時，電解液粘度增加，因而離子移動性和導電能力降低。當電解液冷凍時，離子移動能力非常低以致非常高的電阻。相反，過高的熱量將加速電解液蒸發(fā)，當電解液的量減少到一定極限時，電容壽命也就終止了。在高寒地區(qū)（一般-25℃以下）工作時，就需要進行加熱，保證電解電容的正常工作溫度。如室外型UPS，在我國東北地區(qū)都配有加熱板。

阿列紐斯方程是用來描述化學物質(zhì)反應速率隨溫度變化關系的經(jīng)驗公式。電解電容內(nèi)部是由金屬鋁等和電解液等化學物質(zhì)組成的，所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關。根據(jù)阿列紐斯方程k = Ae^（-Eα/RT）可知，溫度升高，化學反應速率（壽命消耗）增大，一般來說，環(huán)境溫度每升高10℃，化學反應速率（K 值） 將增大2-10 倍，即電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小一倍，電容工作溫度每下降10℃，其壽命增加一倍，所以，環(huán)境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

在電子產(chǎn)品中，影響電解電容壽命的因素有環(huán)境溫度T 和紋波電流Irms。電容承擔的負載功率與紋波電流成正比，負載越大，紋波電流越大（電解充放電越深），內(nèi)部氧化膜分解時發(fā)熱越厲害，修補時電解液消耗越多。

電解電容器在長期存放過程中需要定期的施加額定電壓進行激勵以保持電解液的活性，否則電容器中的電解液就會失去活性而老化，一但電解液失去活性老化，那么電解電容器也就失效了。

鋁電解電容對氯元素、溴元素等非常敏感，如果使用含鹵素的助焊劑、清洗劑、固定劑、熏蒸劑，鹵化物可能透過封口膠塞侵入電容器內(nèi)部，極易引起電容陽極腐蝕，在上電后加速電容失效。

鋁電解電容經(jīng)長時間在高溫環(huán)境下存放飯后，電容陽極氧化膜和電解液會發(fā)生化學反應，造成耐壓下降、漏電流增大。當突然上電，電容電壓接近額定電壓后，可能引起過壓失效或漏電流過大導致過熱失效。

電解電容推薦5-10年就應整體更換，其電容值下降到20%以下就認為徹底失效。

靜變電源功率模塊的直流母線并聯(lián)直流濾波電容，直流濾波電容為電解電容，輸出濾波電容、繼電器板上濾波電容的電容值也都會隨著時間降低，當偏移一定指標時，就不能起到足夠的濾波作用，在長期放置后，提前達到預期壽命，因此大修時需要更換全部的電容。輸入濾波板的作用是減小反饋到工頻電網(wǎng)的諧波，輸出濾波板的作用是減小400Hz輸出電壓的諧波，飛機要求較高的供電品質(zhì)，因此大修時，濾波板需要更換全新的。

繼電器線路板的二極管，繼電器等元件已經(jīng)老化。如需大修，為了保證可靠性，直接使用新的繼電器板。

功率模塊對于靜變電源至關重要，功率模塊內(nèi)含有1個直流驅(qū)動模塊，3塊交流驅(qū)動模塊。交流驅(qū)動板用于驅(qū)動IGBT，控制IGBT完成復雜的電力變換工作，交流驅(qū)動板的觸發(fā)電壓的穩(wěn)定對于電源的運行穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用，電路板上電容等諸多元器件壽命達到預期，因此大修時，需要更換以上驅(qū)動板。

輔助接口板上還有3個電解電容，用于濾波和儲能，考慮到元器件的壽命，需要更換整個輔助接口板。

輸出反饋板，含有電容、集成塊、電阻等，器件老化，大修時也需要換新的。

處理器模塊上的鋰電池壽命為8-10年，鋰電池電壓不足時，無法保存電源的設置參數(shù)。其上的三端穩(wěn)壓管輸出的電壓為內(nèi)部直流控制電壓，該電壓由電解電容進行濾波，因放置時間過長，電容值會發(fā)生變化，進而影響電壓的穩(wěn)定。處理器板的元器件種類，數(shù)量繁多，為保障可靠性，使產(chǎn)品故障率最低，大修時要換新的處理器模塊。

（2）電子封裝焊點失效

一般認為， 電子封裝的失效是缺陷在熱、機械、電磁或化學載荷作用下的萌生、聚集與長大的過程， 是應力/應變的函數(shù)， 失效同時也是材料、界面和電子封裝結(jié)構(gòu)形狀的函數(shù)。

焊接針腳有銹蝕，PCB板受熱與受潮會導致板材變形進而引起焊點受到應力開裂形成虛焊，其中焊角起裂是最主要的形式，這種起裂常常發(fā)生在焊料與基板的界面， 器件引線與焊料界面的起裂比較少見。

根據(jù)IPC-A-610國際標準中對焊點的要求，已經(jīng)銹蝕或開裂的焊點需要重新焊接，工作量大，難度很高。

（3）電路板電化學遷移現(xiàn)象

電子封裝的小型化使得導線之間，焊點之間，連接器之間及芯片引腳之間的間距更小，由于工作環(huán)境溫度，濕度，空氣中塵土顆粒、腐蝕氣體、電場強度等因素的影響，很容易形成電化學遷移，從而導致絕緣失效。電化學遷移是電子系統(tǒng)內(nèi)一種典型的電化學腐蝕形式，發(fā)生在具有電位差且被薄層水膜連接的兩個易感導體之間，其中陽極金屬溶解，溶解的金屬離子在電場力和濃度梯度的作用下向陰極遷移，并在陰極得電子形成金屬沉淀物，沉淀物向陽極生長，即形成樹枝狀晶體，導致絕緣性能下降甚至引發(fā)短路引起故障。

（4）電源內(nèi)的電纜需要全部換新。

內(nèi)部動力電纜的壽命與首翻期相同，大修時更換所有電纜以及內(nèi)部的導線等。

（5）電源內(nèi)的變壓器等需要重新檢測。

電源內(nèi)部的輸入電抗器，輸入移相器，輸出變壓器，輔助模塊變壓器需要檢驗絕緣性能與耐壓性能。

（6）電源的其他機械結(jié)構(gòu)需要翻新。

電源內(nèi)的銅排需要除銹、電鍍。設備外殼老舊，需要清除內(nèi)部銹跡，外殼重新噴漆，成本比更換一個新罩殼要高。對于一些生銹的局部，則無法達到理想的處理效果。

操作面板破舊，按鈕卡滯需要更換。電源的支架長期風吹日曬，銹蝕，需要拆下，換成新的。

總結(jié)：舊靜變電源內(nèi)部各模塊上的電容需更換，PCB板上的焊點需要檢查并重新焊接，各元件絕緣電阻需要重新測量，大部分模塊需整體更換，由于生產(chǎn)時間久遠，采購困難，即使能重新生產(chǎn)，后期再進行維護也十分困難，機械結(jié)構(gòu)。

2.2人工成本

（1）將靜變電源內(nèi)部的器件進行拆下，這相比直接裝配新的靜變電源是增加的一道工序。

（2）技術工人要對拆下的散熱器進行清理，這是增加的工序。

（3）技術工人在裝配過程中，需要重新熟悉淘汰的產(chǎn)品的圖紙，增加的工時。

（4）技術管理部門需要將早期圖紙重新下發(fā)，增加技術管理的人工成本。

（5）技術人員要對無法采購到位的器件尋找替代型號，需要重新設計安裝布局，并做實驗考核性能是否合格。增加了技術工程師的用工成本和試驗器件耗損成本。

（6）一些不可控的附加成本增加，該產(chǎn)品已淘汰，重啟生產(chǎn)部分零部件會增加不可控的成本。

綜合考慮，大修產(chǎn)品的銷售價格將比新品電源的銷售價格至少高出25% 。

2.3后期維護成本

（1）該產(chǎn)品已被新型電源代替，屬于落后的產(chǎn)品，已經(jīng)停產(chǎn)多年，內(nèi)部一些重要的線路板（ACM，DCM板）不會大批量生產(chǎn)，大修的時間周期較長。內(nèi)部原裝的器件采購周期長，甚至停產(chǎn)。

該型號輸出接觸器已經(jīng)停產(chǎn)，其他可替代型號的接觸器，由于安裝孔不一致，需要根據(jù)安裝位置重新打孔。該接觸器若能繼續(xù)使用，則要考慮大修后的更換問題。

（2）后期維護、維修不便。時間成本增加。

從售后服務及時率上考慮，對該批產(chǎn)品進行大修與換新電源相比處于劣勢。

綜合考慮，大修產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將比新品電源的生產(chǎn)周期至少高出200% 。

2.4使用成本

（1）與換裝新電源在可靠性上處于劣勢。

電源的可靠性模型為串聯(lián)系統(tǒng)模型，即整機的可靠性是各部分的可靠性的綜合，大修產(chǎn)品的可靠性比新產(chǎn)品可靠性低，這意味著，大修產(chǎn)品的故障率偏高。這對于使用方也說大大增加了管理成本。

（2）產(chǎn)品大修后，僅能夠使用2年的時間，就到達了推薦的報廢年限。這意味著產(chǎn)品折舊率非常大，使用非常不經(jīng)濟。所以，該批靜變電源沒有大修的價值。

2.5使用風險

（1）大修僅針對電源產(chǎn)品自身，對于輔助部分的產(chǎn)品無法進行大修，最顯著的風險源是，廊橋?qū)к壪碌撵o變電源的動力電纜，輸出電纜，上級配電箱等。電纜在長期拖拽、折彎的情況下，絕緣性能下降，外表皮裂紋，銅芯老化，電阻增加。市電供應質(zhì)量不能保證非常穩(wěn)定，存在風險，當電壓產(chǎn)生波動，超過額定電壓，電纜會出現(xiàn)漏電的危險，對于稍大負荷的情況下，電纜就會起火，影響人身安全和飛機用電安全。一旦發(fā)生火災，影響非常惡劣。

（2）存在不易發(fā)現(xiàn)的風險源，由于整套電源系統(tǒng)并沒有定期使用，檢查，維護，保養(yǎng)，該條件下安裝大修產(chǎn)品，存在諸多潛在的不易發(fā)現(xiàn)的風險源，而不能進行風險識別，就無法進行風險防范。一旦出現(xiàn)事故，影響必定是嚴重的。最安全可靠的方式是更換整套新的電源系統(tǒng)。

（3）由于大修產(chǎn)品在可靠性方面不如新產(chǎn)品，出現(xiàn)不宜排查的故障風險大。

2.6使用限制

越來越多的機場要求配備機場設備集中監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)設備故障，保證運行效率。舊產(chǎn)品不能滿足集中監(jiān)控的需求，不能適應新時代的發(fā)展，為其新開發(fā)增設監(jiān)控模塊費用高昂。

3 設備更換

新機品質(zhì)比照舊機性能有很大提升，設備的行業(yè)標準于2014年換用新標，采用《飛機地面靜變電源》（MH/T6018-2014）替代原有的（MH/T6018-1999），技術要求有更大提升，當前購置新機執(zhí)行行業(yè)新標。新航空器的用電量更大，需要多組靜變電源供電，對短時間內(nèi)過載要求也有提高，國際上最新機型要求達到4倍過載。

購置新機，配置選擇更為靈活，對于輸出電纜的收放方式，可以采用主流的電動輥筒方式，比照舊方案，提升了使用的便利性。

管控成本，可以用新機出廠檢查替代冗長的換件大修的質(zhì)量管控，效果更可靠，環(huán)節(jié)更簡練，成本更低廉。

集中設備監(jiān)控管理的便利，新設備更加適應當前的設備監(jiān)控系統(tǒng)，便于設備監(jiān)管、計費管理、故障上傳。

4綜合對比

5總結(jié)

換新品靜變電源在制造費用、管理費用、生產(chǎn)周期、維護周期、風險控制、使用安全性和產(chǎn)品可靠性上均處于明顯劣勢，建議將該批次電源報廢，換裝新的靜變電源。新的靜變電源生產(chǎn)周期短，技術成熟度高，依據(jù)最新的標準設計，維護成本低，機場設備管理更加方便，飛機用電更加安全可靠。

6參考文獻

1）IPC-A-610標準

2）鋁電解電容器工程技術，林學清，洪雪寶，廈門大學出版社，

3）電子封裝焊點可靠性及壽命預測方法_李曉延，嚴永長，機械強度2005.27（4）

4）塵土中可溶性鹽導致高密度電路板電化學遷移失效的建模研究_謝琪

5）影響點解電容壽命的因素，崔萬恒，電源世界，2004.04

6）塵土中可溶性鹽導致高密度電路板電化學遷移失效的建模研究，謝琪，北京郵電大學碩士論文，2017.12

7）城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)可靠性、疲勞損傷評估及維護維修方法研究，盧西偉，北京交通大學博士論文，2011.01