高原铁路电子元器件应用标准探讨

鲍才让太 张红州 金 亮

高原环境对电子产品的性能及应用具有重要影响。在青藏铁路现场，就经常出现电解容器鼓包、产品爬电距离不足、绝缘耐压测试不通过等问题。例如，青藏公司平安驿站某型号联锁出现CPCI 电源故障，原因是其内部起滤波作用的电解电容器严重鼓包，导致电压输出产生波动；而某厂家提供的普通型点灯单元应用到高原后，出现爬电距离不足，后需通过增加灌封措施改善整机绝缘。这些例子都是由于电子元器件产品没有适应高原严酷的环境条件而导致出现的典型问题。

目前，铁路电子产品元器件在高原应用的标准还存在空白，为此青藏公司专门立项，重点分析了高原环境对电子元器件的影响，并结合现行的国家标准、行业标准，总结形成了应用于高原的电子元器件技术标准，进而增强产品的高原特殊环境适应能力。本文根据青藏公司科研项目，讨论了铝电解电容器、膜电容器、晶振和变压器4 种元器件受高原特殊环境的影响，并给出了元器件标准对优化高原信号设备的现实意义。

1 高原环境特点

图1 为根据实际气象数据，绘制出的西宁、格尔木、昌都、玉树、拉孜、改则、五道梁等地海拔高度与大气压力、年最低气温、平均相对湿度的曲线图。图1 显示随着海拔的增高，大气压力成线性降低，最低温度和相对湿度也有不同程度的降低，年最低气温均在-25℃以下，五道梁的气压值仅为56.12 kPa，几乎是平原的一半。

《TB/T 3213-2009 高原机车车辆电工电子产品通用技术条件》中给出的高原环境条件，可作为铁路电子元器件和产品进行高原试验的参考依据。当选取温度试验指标时，可以适当留有余量，以保证元器件能够适应使用地点的极端环境。总之，青藏高原环境有以下特点：气压低、气温低、气温日变化大、绝对湿度低、太阳辐射强等。

图1 青藏高原部分地区气压、气温、相对湿度图

2 高原环境对电子元器件的影响

2.1 对密封的影响

低气压会增大有腔体器件的内外压差，引起外观变形、爆裂，使气体或液体从密封容器的结合处向外泄漏，因此用于高原的密封性产品要适当地调整密封体内的压力，并通过压力试验，检查有无开裂、变形和泄漏等。

图2 给出了导致电容器出现底部或橡胶塞鼓起故障的因素分析，分别从电应力和热应力两方面分析了可能的故障原因。当处于高原低气压的使用环境下，橡胶塞密封的铝电解电容器内外部的气压差会对电容器的密封产生破坏，进而导致防爆阀打开，橡胶塞密封失效，电解液泄露，影响性能参数。

2.2 对绝缘强度的影响

图2 液态铝电解电容器故障原因分析

由帕邢定律可知，气体间隙击穿电压是电极距离和大气压乘积的函数，通常写成V=f（pd），其中，p 是气体的压力，d 是电极的距离。根据该函数可绘制出如图3 所示的帕邢曲线，当电极间距d一定时，击穿电压与大气压强的关系是先反相关，后正相关。在高原地区，大气压强均处在帕邢曲线的右半支，即击穿电压随大气压强的降低而减小。故产品和元器件的绝缘强度随海拔高度的升高而减小。

图3 空气中帕邢曲线

2.3 对温升的影响

海拔增高，空气密度降低，使以空气对流为主要散热方式的产品散热困难，温升增加。如图2 所示，在温升增加的条件下，铝电解电容器一方面会加速其内部电解液的挥发，影响电容器性能，表征为电容器容量发生衰减、损耗增大等；另一方面，电容器内外部压差进一步增大，对电容器密闭性能、防爆性能造成影响，表征为电容器发生壳体变形、电解液泄漏等。

2.4 对元器件结构的影响

高原空气温度的日温差大，较大的温度变化使产品机械机构变形、开裂，破坏结构的密封，造成涂层开裂脱落等。例如印制板的组装，由于不同元器件与原材料的热膨胀系数不同，当产生较大温度变化时，不同元器件与原材料发生热胀冷缩的程度不同，存在较大机械应力，长时间收缩变化的不匹配，会造成焊点开裂等问题。另外，频繁的热胀冷缩对原材料本身产生影响，加速材料老化，缩短使用寿命。

2.5 盐湖特殊条件对元器件等的腐蚀

高原盐湖地区，土壤盐分含量高、土质腐蚀性强，空气干燥、大风烟尘、盐颗粒污染严重。酸碱性的气候环境均有卤素、硫等腐蚀性物质存在，加上空气流通等因素影响，有害物质随时可能对电容器造成侵蚀。如电容器所用的密封橡胶件、裸露的金属端子、组装配件等均有可能发生锈蚀或腐蚀。一方面会造成其密封结构的破坏，有害物质侵入电容器腔体内，对电极箔产生腐蚀损伤，铝氧化膜降低电容器的耐压，甚至腐蚀断电容器电极箔，造成电容器开路失效；另一方面，金属端子和组装配件锈蚀，会造成接触不良的故障。

晶振内部晶片的可靠工作需要较高的清洁度，但由于低压环境叠加盐湖地区污染的加速腐蚀，导致晶振泄漏，晶片污染，晶振频率稳定性变差及过早失效。

3 措施和要求

3.1 降额

元器件的降额使用是电务电子产品可靠性设计的重要准则。关于元器件的降额可参考《GJB/Z 35-1993 元器件降额准则》。该准则对电子产品的不同应用场景给出了推荐的元器件降额等级，如铁路电务电子产品可以归纳为地面保障设备，最高降额等级为Ⅱ级，最低为Ⅲ级；安全产品降额等级可定为Ⅱ级。表1 主要描述了膜电容器、铝电解电容器、变压器和晶振的降额参数。

表1 元器件参数降额

随着近几年元器件生产中新技术、新材料、新工艺的广泛应用，在应用《准则》降额时，应该参考具体元器件的规格书，综合考虑其降额量值。

3.2 选型原则

高原铁路使用的电子元器件除电气参数应满足应用要求外，在选型上还应考虑高原环境影响因素，选择质量等级高的元器件，具体选型原则如下。

1）应选择性能参数、环境适应性和质量等级能够满足产品要求的元器件。

2）应选择以往产品中表现出质量稳定、可靠性高、符合技术发展趋势的元器件和元器件厂家。

3）不应选择贮存期过久的元器件，及已经停产或即将停产的元器件。

4）尽量选择国产元器件。如必须选择国外元器件，应该尽量避免单一来源。

5）对与安全相关的关键元器件，应该选择失效率已知的元器件。

在产品研制过程中，对元器件合理选择的主要控制方法有：元器件选型准则、优选目录、筛选试验、DPA 分析等。高原铁路产品制造单位应对以上控制方法建立合理的规章制度，以切实保证产品可靠性。

3.3 元器件应用要求

高原铁路电务电子产品元器件的应用，除满足平原普通应用条件外，还应注意如下事项。

1）变压器。必须满足信号电子产品应用场景污染等级下的电气间隙和爬电距离要求。如低气压条件下保持绝缘耐压不变时，需要增大电极间距离，故需对电气间隙进行海拔修正，具体见GB/T 20626.1-2017 的相关规定。

2）印制板。可以考虑增加导线宽度，增加通流量以限制温升。由于整机产品都是多种元器件安装在印制板上，上电后多种元器件和支撑的印制板共同发热，导致其微观环境普遍比周围空气温度高。如果对元器件有严格的温升限制，应该遵照适当的设计原则进行产品设计，必要时进行产品和元器件的实际温升测试，以确定其性能的符合性。

3）晶振。尽量选择密闭封装形式，应用前应做密封试验、低气压试验、盐雾试验，适当采取防静电措施。

4）铝电解电容。模拟低气压环境，测试电容器散热和温升，不能高于规格书限值。应用后宜定期检查电容器外观，如果发现有鼓包、涨塞等现象立即更换。

总之，高原铁路电务电子产品元器件的应用，应充分考虑绝缘耐压、温升、密封、污染侵蚀等因素的影响。

3.4 产品应用

以上从元器件降额、选型、应用的角度阐述了高原特殊环境下元器件一般要求，为电务电子产品在高原可靠应用打下基础。但除元器件外，还应从产品角度考虑增强环境适应能力，这样才能切实有效地保障整机设备的可靠运用。因此，高原铁路电务产品还应从以下几点增强最终产品的环境适应性。

1）防凝露与污秽。户内产品，应该按照GB/T 32350.1-2015 污染等级PD1 来设计电气间隙和爬电距离；户外产品，应该至少按照GB/T 32350.1-2015 污染等级PD3 来设计电气间隙和爬电距离；如没有特殊应用要求，可按照OV1 来确定电气间隙。考虑具体的应用环境，提高产品的IP 防护等级。

2）材料选择。户外产品使用的材料应具有较强的抗热辐射、抗紫外线、抗寒、抗大温差的特性。

3）静电防护。高原干燥气候会加剧静电积累和静电释放频率，因而高原用电子产品在线路设计和材料选择上应采取抗静电措施。如在器件输入端加上防静电损伤的保护电路。操作场所如信号室，必须采取防静电措施。

4）热设计。温升过高可导致元器件的材料过早劣化。随着科技进步，电子设备所用的电子元器件的密度变高，产品趋于小型化，使元器件之间通过对流、辐射、传导等产生热耦合，再叠加高原效应，使热应力进一步影响产品可靠性。因此，在元器件安装布局的过程中，需进行有效的热设计，并加强散热措施。

5）冗余设计。在元器件有一定可靠性的前提下，关键安全产品仍然要采取冗余设计，尽量做到故障不停机。

6）环境试验。加强产品的环境试验，用试验设备模拟低气压、低气压低温、低气压高温等环境，验证产品的绝缘性能、散热性能等。当无法模拟低气压环境时，可以采取绝缘性能修正的方式进行试验。

7）涂层、灌封和模压。适于平原应用的电子产品应用于高原时，必须通过相应环境试验和绝缘试验。当无法通过试验时，可以采取适当增加涂层、灌封、模压的方式，改善带电组件的微观环境，减小污染等级，以弥补电气间隙或爬电距离不足等导致的试验失败。

4 阶段成果及项目意义

通过总结并形成受高原影响较大电务电子元器件的通用应用标准后，征求了行业内元器件厂家的意见，并根据意见进行了相应修订，结合实际轨道电路产品，优化了部分元器件及在高原环境的应用措施，形成新的轨道电路样机，经高原环境相关的型式试验，结果理想，为下一步高原现场试验打下基础。该应用标准将作为青藏公司的企业标准，为后续高原铁路电务电子产品元器件选型提供参考依据，进而对降低高原产品故障率和电务人员的维护压力，提供重要手段。