基于失效物理的功率器件疲劳失效机理

在功率器件的长期运行中,不断承受的温度和应力变化,加快了材料的疲劳失效。此外,新能源技术的发展对电力电子变流器的功率密度也提出了越来越高的要求,这些都给高可靠性功率器件的设计提出了新的挑战。失效物理(PoF)是在分析失效过程和疲劳机理的基础上,通过建模和仿真预测可靠性的一种方法,是研究疲劳失效的重要手段。本文首先介绍疲劳失效的基础理论。然后,从实验、仿真方法、解析模型和疲劳方式等方面介绍功率器件键合线和焊料层疲劳机理及主要研究进展,在此基础上,分析功率循环下功率器件的疲劳至失效全过程。最后,从多环境应力、动态载荷工况和可靠性设计三个方面,展望基于失效物理的电力电子可靠性研究方向。     

电力电子器件的热疲劳寿命预测

针对功率变流装置中电力电子器件因承受随机波动温度载荷而诱发的热疲劳退化问题,以焊锡层热疲劳失效这种常见的失效模式为例,提出了一种预测电力电子器件热疲劳寿命的方法。以电力电子器件热疲劳退化机理为基础, 首先建立器件的电-热耦合模型,结合运行工况实时预测器件结温及不易直接测量的焊锡层的温度载荷;随后建立器件的热-机械耦合模型,计算不同特征温度载荷周期内累积的塑性形变,作为焊锡层热疲劳寿命模型的输入参数。结合以上两种模型以及Miner线性累积损伤理论即可实现任一工况下电力电子器件热疲劳寿命的预测。末尾举例说明了方法的有效性。     

风致涡激振动作用下随桥电缆的疲劳寿命分析

桥梁的风致涡激振动是影响随桥电缆疲劳寿命的因素之一,采用有限元法对随桥电缆在风致涡激振动作用下的疲劳寿命进行分析。首先,建立桥梁的二维瞬态流-固耦合数值模型,采用动网格和用户自定义函数(UDF)技术实现桥梁的瞬态振动位移响应求解;其次,将桥梁的单位振动位移作为边界条件施加在电缆上,获取电缆在单位振动位移作用下静力学应力求解结果;最后,通过求解的应力结果与一个周期的桥梁振动位移时程构建应力时间历程,并基于材料的S-N曲线和Miner线性累积损伤理论获取电缆的疲劳寿命。结果表明：在风致涡激振动作用下,作用在随桥电缆上的作用力近似为对称等幅循环载荷;电缆的疲劳损伤最大处出现在夹具固定附近的铝护套层上,寿命循环次数达3.3×10⁵次,寿命约为206.25 h。该研究可为跨海电缆的安全可靠性设计和状态运行维护提供理论指导。     

柔直换流阀用压接式IGBT器件物理场建模及内部压强分析

压接式IGBT器件是柔性直流换流阀的核心,器件内部压强分布直接影响器件及系统可靠性,而内部压强又受各种材料及复合应力相互耦合作用,针对不同应力耦合效果及其对内部压强的影响,进行压接式IGBT器件物理场模型仿真以及器件内部最大压强分布趋势的研究。首先,基于3.3 kV/50 A压接式IGBT器件实际结构,建立了多物理场模型,分析了机械、机-热和机-热-电不同耦合模型下器件内部压强分布的差异,并获取了器件承受内部最大压强的薄弱环节及各种内部应力作用的耦合效果。然后,基于机-热-电耦合模型,分析了不同环境温度、外部压力、导通电流对压接式IGBT器件内部薄弱层最大压强及性能的影响。最后,建立了压接式IGBT器件功率循环平台,通过恒导通工况和功率循环实验验证了机-热-电耦合模型的有效性和薄弱层分析的合理性。研究结果表明,机-热-电耦合模型能更好地表征压接式IGBT器件多应力耦合作用效果,内部最大压强的薄弱环节为IGBT芯片与发射极钼层间,且内部最大压强随环境温度、外加压力和导通电流的增加而增加。     

汽轮机转子疲劳-蠕变损伤的非线性损伤力学分析

转子是汽轮机的核心部件，往往要在高温、复杂应力情况下工作，易产生裂纹萌生。除疲劳作用外，蠕变在转子的寿命损耗中也占有相当的比例。一般低周疲劳约占转子总寿命的80％，而蠕变则占转子总寿命的20％。事实上，对汽轮机转子而言，疲劳和蠕变往往是同时发生并存在着相互的作用。该文采用非线性损伤力学模型估算了国产600MW汽轮机高压转子在实际启停功况下的疲劳-蠕变寿命，考虑了疲劳与蠕变的耦合作用以及多轴应力的影响，并与当前汽轮机疲劳—蠕变寿命估算普遍采用的线性累积损伤理论进行了对比。结果表明：非线性连续损伤力学模型正确地反映了疲劳-蠕变交互作用以及损伤演化的非线性机制，其分析结果比现行理论方法更为准确、可靠。     

输电线路杆塔疲劳可靠性研究

结合输电杆塔的结构和环境荷载的概率分布特征,以结构疲劳损伤和设计使用寿命为控制条件,在对杆塔结构进行合理简化与风雨荷载随机分布有效建模的基础上,提出一套完整有效的分析杆塔结构在环境荷载作用下发生疲劳损伤、疲劳破坏的可靠度分析方法。以实际杆塔在模拟环境荷载条件下的疲劳可靠性分析为例,分别采用一次二阶矩法和完全分布法计算疲劳失效概率,并考察峰值分布假定、荷载组合与相关参数对结构疲劳可靠度的影响程度。分析结果表明,疲劳可靠度指标与峰值应力假定和风荷载的相干程度有关;结构失效概率随着风暴发生频次和持续时间的增长而增加,计入雨荷载时尤为如此。     

126 kV真空断路器操动机构机械可靠性研究

文中在分析讨论传统可靠性设计方法在真空断路器机械可靠性设计应用中存在局限性的基础上,提出基于失效物理和可靠性物理(PoF/RP)的真空断路器操动机构及其零部件可靠性设计方法,对操动机构内部传动部件的冲击疲劳寿命计算方法进行了理论分析。分别对126 kV单断口真空断路器弹簧操动机构、分离磁路式双稳态永磁操动机构,以及快速斥力机构在断路器合分闸操作冲击应力作用下易损部件的疲劳寿命进行了分析。计算结果显示:弹簧操动机构合分闸联锁挚子在断路器合分闸操作冲击应力的作用下其疲劳寿命计算结果为1 654次;双稳态永磁操动机构在断路器以2.5 m/s速度分闸、1.5 m/s速度合闸时,其动、静铁心在冲击应力作用下的疲劳寿命17 710次;快速斥力机构触头簧传动支撑部件在断路器以5.5 m/s速度分闸、1.3 m/s速度合闸过程中,其冲击疲劳寿命为302次;该计算结果与实验结果相近。     

风电全功率变流器参数对可靠性的影响分析

风速的随机变化使得风电变流器处理变化的功率,导致器件的温度产生波动,影响变流器的可靠运行。现有的基于一个工作状态下的风电变流器可靠性评估,无法反映负载随机变化造成器件温度波动对变流器可靠性的影响。功率器件失效的主要形式为铝键合线失效与焊料层疲劳,本文综合考虑这两种失效因素,给出了可靠性评估模型和评估方法,分析了开关频率、功率因数及散热热阻的变化对风电全功率变流器可靠性的影响,并以1MW永磁同步风力发电机为例结合实际的风速及气温数据进行了验证。实例结果表明,开关频率与散热热阻的变化对变流器可靠性的影响比较大。根据分析结论,讨论了针对风电变流器的实际工作环境,考虑风速的概率分布,对利用变频或变散热条件的控制措施以提高变流器可靠性的可行性。结果表明,可通过根据风速等工况来改变开关频率和散热条件来提高变流器的可靠性。     

IGBT模块键合线失效研究

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象,在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析,指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后,对比传统铝键合线模型,采用铜作为键合线材料,可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳,研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。     

计及疲劳累积及健康状态的风电变流器可靠性评估模型

双馈风机系统以其成熟性、稳定性和经济性在风力发电系统占据着主流地位。实际运行过程中,由随机风速和运行工况改变而引起的交变热应力,使得风电变流器可靠性逐渐降低。现有的风电变流器可靠性评估模型,大都只考虑大载荷作用或采用Miner线性疲劳累积模型,而忽略了变流器实际运行过程中小载荷作用以及健康状态对模块剩余寿命的影响。综合考虑这两种因素,采用分段式疲劳累积模型建立变流器可靠性评估模型,并设计功率循环试验对模型进行验证。同时在实际风速下对1.5MW双馈风电变流器进行算例分析,在不同健康状态下对比了开关频率、环境温度变化对双馈风电变流器可靠性的影响。结果表明,开关频率和环境温度对变流器可靠性影响较大,风电变流器故障率随着功率器件的老化显著升高。     

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件 可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。     

计及金属化膜电容器失效的MMC换流阀组件可靠性评估

换流阀组件的可靠性直接影响模块化多电平换流器(MMC)装备的运行安全,现有对换流阀组件可靠性评估大都忽略了电容器失效的影响,提出计及金属化膜电容器腐蚀失效的MMC换流阀组件可靠性评估方法。首先,基于实际电容器结构和材料属性,建立了金属化膜电容器的温度场模型,并对其温度分布规律进行比较验证。其次,在分析金属化膜电容器失效模式的基础上,以腐蚀失效为例,考虑电压和温度加速因子的影响,建立了金属化膜电容器的故障率模型。最后,结合焊接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)故障率模型,提出了计及金属化膜电容器失效的换流阀组件可靠性评估模型,对MMC换流阀的整流与逆变工况进行故障率计算和对比。结果表明:提出的模型可以较好地评估换流阀组件不同运行工况下的可靠性,电容器失效对MMC换流阀组件可靠性影响较为明显,逆变工况下组件的故障率明显高于整流运行工况。     

随机失效指标在继电保护状态评价中的研究与应用

在考虑继电保护随机失效的情况下,提出并分析了继电保护随机失效指标和随机失效率。分析表明,随机失效指标可以通过指数函数描述继电保护的可靠性。在此基础上,根据继电保护系统的实际构成,修正完善了基于随机失效指标的继电保护可靠性模型,并确定了相关随机失效率参数的确定原则。另外,假设随机失效率为常数并与时间无关,构建了实用的继电保护随机失效可靠度函数,以及设备随机失效可靠度计算方法。该方法在重庆电力公司继电保护设备状态评价分析中得到了应用。应用效果表明,该方法能够在一定条件下计算出继电保护设备的随机失效可靠度,反映设备健康状况。     

500 kV输电线路基础沉降铁塔的可靠度分析

以存在地质隐患的500 kV张恩输电塔线体系为研究对象,以基础沉降及随机风荷载为影响因子,基于矩方法计算塔线体系的可靠度。采用梁单元及悬链线索单元对输电塔、导线和绝缘子进行模拟,建立塔线耦合体系的三维有限元模型,基于等效随机静风荷载模型,利用统计矩点估计法求解前4阶统计矩,计算塔线体系的可靠度。其结果表明基础沉降对杆塔可靠度影响较大,特别是在考虑随机风荷载作为不利荷载组合时,其可靠度降低,表现为轴压失效和偏压失效,与耐张塔的构件失效模式一致,说明可靠度分析方法的可行性。结合输电线路的变形监测,深入研究地质灾害伴随的荷载随机性及变异性导致杆塔受力的不确定性,以更准确描述输电线路结构体系的可靠性和安全性。     

基于MCMC的电网安全稳定控制系统动态可靠性评估方法

现有安全稳定控制系统（稳控系统）可靠性评估方法本质上都是静态建模,由于未能体现系统内各装置的老化和检修过程而一定程度上影响了评估结果的准确性。提出一种基于马尔可夫链蒙特卡罗的稳控系统动态可靠性评估方法。首先,针对失效过程,构建四状态连续时间系数马尔可夫模型来模拟装置老化过程,并给出各状态评判方法;其次,针对修复过程,分析不同检修策略对装置状态转移的影响以体现状态检修的差异化;最后,考虑稳控装置状态转移过程的时序相关性,对稳控系统可靠性进行动态建模。以可抽象出最小单元的实际稳控系统为例,仿真对比了不同检修策略下的可靠性并对模型参数进行了灵敏度分析,评估结果表明该方法可指导稳控装置现场合理检修,并提醒工程中应格外关注对系统可靠性影响大、但随技术发展可逐渐被识别的隐性故障。     

基于Patran密封继电器的微粒碰撞噪声检测极限冲击试验条件研究

在针对微粒碰撞噪声检测（PIND）试验中,过大的冲击强度会使继电器内部组件发生疲劳损伤和塑性变形,降低器件可靠性。分析了过量冲击试验使密封继电器失效的机理,提出了极限冲击条件的力学判定方法。采用有限元软件Patran仿真分析内部各组件在不同冲击激励下的力学响应规律,研究了密封继电器PIND极限冲击条件。试验证明了所得极限冲击试验条件的有效性和实用性。     

基于改进支持向量回归的IGBT老化预测

为了准确预测绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的老化状态,提出了一种基于改进鲸鱼优化算法（IWOA）优化支持向量回归（SVR）的IGBT老化预测方法。该方法提取IGBT集电极-发射极电压信号的时频域特征,通过核主成分分析（KPCA）降维将时频域特征融合成一个综合指标来表征IGBT的老化状态;针对鲸鱼优化算法（WOA）不足,在WOA的基础上引入Sobol序列种群初始化、惯性权重和反向学习策略,增强WOA的局部搜索能力和收敛速度;利用IWOA优化SVR的惩罚因子和核参数,并构建一种基于综合指标的IGBT预测模型。利用NASA Ames实验室的IGBT老化数据集对IWOA-SVR方法进行验证,结果表明,所构建IWOA-SVR预测模型可以更准确实现对IGBT的老化预测。     

老化实验条件下的IGBT寿命预测模型

以器件功率循环为基础,在疲劳损伤理论基础上建立功率器件寿命模型,以提高变流器的运行可靠性,为功率变流器的检修维护提供理论基础。给出了器件寿命预测模型的使用价值和意义,通过分析功率器件失效机理,设计了功率循环实验平台和老化实验方案,阐述了老化实验原理并给出了老化参数提取方法。利用Weibull分布建立了器件的一维寿命模型并分析了该模型的优缺点,提出了改进的器件三维寿命模型,通过对比、分析证明了该模型的准确性,得到的Arrhenius广延指数模型更能体现器件寿命分布。     

基于发电机扭矩的轴系快速疲劳损伤评价方法研究

通过大型汽轮机组的全尺寸模型模态分析结合轴系扭振基础分析,提出了一种基于发电机扭矩的轴系扭振疲劳损伤评估方法,并采用瞬态分析的方法进行了验证。该方法可绕开测速齿轮和扭振传感器,直接利用发电机端电磁转矩进行疲劳损伤评价,同时也可与基于汽轮机机头扭角数据的轴系扭振损伤评估方法相配合,提高电厂轴系扭振疲劳损伤评估的可靠性和准确性。