摘要：智能变电站是维护电力系统正常运行的重要组成部分，必须要保证变电站能够长期处于稳定的运行状态之中。因此，我们将失效分析技术应用在智能变电站设备之中，对于维护智能变电站的稳定运行有着十分重要的作用。基于此，本文将以智能终端为例，探究失效分析技术在智能变电站中应用的具体内容，还望能对促进电力系统稳定运行提供值得借鉴的信息。
关键词：失效分析技术；智能变电站；应用
0引言
智能变电站加快了传统变电站的一二次融合，智能终端在智能变电站的一二次融合中扮演着重要的角色，是连接一次设备（断路器、刀闸等）和二次设备（保护、测控装置）的主要枢纽。智能终端设备采用了当前电力系统的新型技术。电子元器件的可靠性直接决定智能终端的可靠性，关系到智能变电站的可靠运行。为了提高智能变电站设备的可靠性，开展电子元器件的失效分析技术研究是提高智能变电站设备可靠性的最有效的手段。
1基于故障树分析的失效模型
1.1可靠性理论的几个基本概念
（1）可靠度：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率称为该产品的可靠度。（2）失效率：单位时间内失效的元器件数与元器件总数之比称为失效率，它也是时间的函数。（3）平均寿命：对于不可修复产品，平均寿命指的是平均工作时间，对于可修复产品，平均寿命指的是相邻故障间的平均工作时间。当智能变电站可靠度越高，其工作的稳定性就越好；当智能变电站的失效率越高，其内部的故障部件越多；当智能变电站平均寿命越高，其工作时间越长，故障间隔也越长。
1.2 故障树分析法
故障树可以定性了解整个事件的动态变化过程，系统地表示出种种故障与系统成功、失败的关系，也可定量计算各阶段的概率，最终了解事故发展过程中各种状态发生的概率。故障树分析可应用于某些或全部原件处于顺序逻辑、切换备用状态的系统，用于识别由某一初始事件引起的系统各种可能的输出。失效分析技术是一种系统化的可靠性分析方法。故障树分析法的基本步骤：（1）全面分析对象或系统，分别考虑其中每个的工作状态，确定初始事件，一般指系统故障、设备失效、人为失误等。（2）针对每个工作状态，分别绘制系统功能框图和可靠性框图，初始事件在左，各种事件先后写在顶端横栏，成功分支向上，失败分支向下。（3）分析每个硬件或部件的功能，找出产品、过程中的故障模式，阐明事故结果，通过故障树可得由初始事件导出的各种事件结果。（4）列出故障起因及结果，进行定量分析，根据每一时间的发生概率，计算各种途径的事故发生概率，最后求得事故发生概率，各发展途径的概率等于自初始事件开始的各事件发生概率的乘积，最终事故发生概率等于导致事故的个发展途径的概率和。（5）填写失效模式影响分析表。
2 LED失效分析方法
2.1 LED失效模式
LED失效一般包括以下三大类：短路（漏电）、开路、暗亮。短路（漏电）一般是由于模块电路中的冲击电流太大造成LED芯片性能发生变化，芯片漏电流增大引起；开路可能是静电或其他原因造成LED芯片被击穿；暗亮一般是由于LED不恰当使用致使胶体里面进水汽，影响了LED的光学效果。LED失效模式主要有：芯片失效、封装失效、热过应力失效、电过应力失效以及装配失效，其中尤以芯片失效和封装失效最为常见。
2.2 LED失效分析流程
失效分析是对判定为失效的器件进行的一种后检查和分析工作，研究器件失效的发生和影响，确定失效模式，判断失效机理，评估失效后果，提出处理及防范措施，提高器件可靠性的一种综合方法。失效分析一般遵循先非破坏性后破坏性分析的顺序，先无损分析再有损分析，先封装分析再芯片内部分析的原则进行。外观形貌检测主要用到金相显微镜、扫描声学显微镜（SAM）及X射线投射分析等手段检测器件表面污染物、裂纹及键合损伤；LED开封是采用化学药剂腐蚀方法结合等离子氧化腐蚀方法将树脂清除，开封后利用扫描电子显微镜（SEM）检查器件芯片表面缺陷、结合层缺陷以及电过载导致的烧毁腐蚀情况。
2.3失效模式与后果分析
失效分析主要有两种基本方法：功能法以及硬件法。功能法是每个硬件按照完成的功能输出分类，这种方法适用于硬件尚不明确的情况。硬件法是按照功能对每种故障模式进行分析，用表格列出各个部件，对发生的故障模式、原因及后果进行分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过结合两种故障分析方法，进行深入分析，可以得到如下结论：电子元件的失效率曲线是一条“浴盆曲线”，大致可以将其分为三段：初始运行期、稳定运行期、耗损期。在稳定运行期间，其失效率为一常数，保持不变。同一电站设备失误率与单位长度链路的失误率直接相关，如果假定单环网络间进行信息交换按最短路径，就不难得到备用通道。
3 LED 元器件失效分析案例探究
本文将以本公司生产的某型号 LED 元器件为例，进行失效实物分析。
3.1 IV曲线分析和万用表测试
本次实验利用 IV 曲线进行测量之后发现，LED-180 和 LED-69 是开路，其余失效的 LED 没有明显的异常反应，并且 IV 曲线处于正常，与标准 LED 之间没有明显的差别。之后经过万用表对其进行测量之后发现 LED180 和 LED69 处于无法正常工作的状态。因此，我们选择 LED180 和 LED69 作为本次失效分析的案例。
3.2 X-RAY检测
本次实验通过 X-RAY 对全部失效的 LED 封装进行无损检测之后发现，封装内没有明显的分层、芯片断裂或者打线异常的现象。
3.3超声检测
某些 LED 元器件表面有一些超声无法穿透的结构和材料，因此不能有效完成相关的失效分析，表现为反射模式和投射模式之间只有明暗度的差别。
3.4 DPA 检测分析
在经过外观检测和 X-RAY 检测之后均没有发现 LED 封装上明显的可视缺陷，只有在 IV 特性测试之中发现 LED180 和 LED69 中有开路现象存在，因此我们推断 LED180 和 LED69 中某处位置上存在着连接不良的现象。为了进一步验证该猜想的正确性和分析失效的具体原因，我们对 LED180 和 LED69 进行了解剖分析，然后再划分出三个切面与好品 LED 进行破坏性研磨观察对比，其中切面 1 位于焊接和引脚的连接处，切面 2 位于第 2 焊点和底盘的连接处、底盘和引脚的连接处，切面 3 上有三个点，分别是第 1 焊点和芯片的连接处，芯片和底盘的连接处以及底盘和引脚金属的连接处。
3.5 剖面研磨和观察
我们在对失效产品进行剖面研磨和观察的过程中发现，由于金属具有延展性，因此很多细小的断裂部分被覆盖住。当研磨的进入到怀疑区域之后我们发现芯片的第 2 焊点处有开裂的现象，这就是导致该 LED 元器件失效的主要原因。
3.6扫描电子显微镜 SEM 观察
在上一步的检查中此 LED69 界面状况成相较差，因此看起来十分不清楚，所以采用大贝勒的扫描电子显微镜对其进行进一步检测，经过检查我们发现并且确认了这个区域内出现 LED 塑料板和基板分层现象，并且这个分层还在第 2焊点处出现断裂。进一步将断裂层分为三个子区域逐一进行方法观察，我们发现区域 1 上存在着局部断裂的现象，而区域 2 既有局部断裂的现象还有分层现象，局部 3 的塑封体和底盘之间也有局部分层的现象，这些现象是导致 LED69出现失效的直接原因。
4结论
为了实现变电站的通信、网络通信平台和标准信息分享功能，先进可靠的低碳环保智能设备被应用到智能变电站，使其具有自动获取信息收集、测量、控制、保护、监视和其他基本功能，并支持如次序控制、系统智能操作、设备状态可视化、变电站区域控制等一系列先进功能。在智能变电站设备研制和建造的过程中，如果对某些关键部位的元器件进行失效机制的研究，并且利用先进的分析设备、结合最新的失效分析技术进行失效分析，能够保障这些设备在运行过程中维持长久的稳定性和可靠性，使得智能变电站能够在安全的环境中稳定运行，保障居民的用电安全。
参考文献:
[1]孙海涛.金相分析技术在核设备失效分析中的应用[J].核动力工程,2011(1).
[2]何思源,张何,刘薇等.失效分析技术在智能变电站设备中的应用[J].电力系统装备,2016(1).
[3]刁守斌.智能变电站的规划与建设[D].山东大学,2012.
论文作者:王欣源
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：变电站论文; 智能论文; 故障论文; 概率论文; 设备论文; 芯片论文; 可靠性论文; 《电力设备》2018年第19期论文;