材料的评估寿命方法.pdf

电气设备在运行过程中，其绝缘材料或绝缘结构因承受热、电和机械应力等因子的作用而性能逐渐变坏，最后导致损坏，这种现象称为老化。由于各种电气设备运行的条件不同它们所承受的主要老化因子也不相同。因此，绝缘材料或绝缘结构的老化有热老化、电老化和机械老化等。例压电机、它承受的场强不高，它的损坏主要由电机中产生的热造成，因此应该对用于这种电机中的绝缘材料进行热老化试验。又如高压电力电缆，其绝缘材料承受板高的电场强度，对这种材料必须进行电老化试验。此外，各种老化因子往往有相互作用，为了使试验与实际运行相一致，应把几种老化因子组合起来，进行多因子老化试验。绝缘结构或绝缘系统是由几种不同绝缘材料构成，而材料之间又存在是否相容的问题，因此绝缘结构的耐久性与绝缘材料的不同，除了考核绝缘材料的耐老化性能以外，必须考核绝缘结构的耐老化性能，才能保证长期运行的可靠性。一般电气设备的使用期限为15～20年。要在短时期内（设半年或一年）获得或比较绝缘材料或结构的寿命的耐久性，必须强化老化因子，即进行人工加速寿命试验。这种试验都制订了国家标准，以便获得的结果可以相互比较。这种试验也有国际标准，例如IEC出版物“216”《确定绝缘材料热耐久性导则》。近年来，因新材料不断出现，通常采用的加速热老化试验时间太长，已满足不了生产需要，各国都在研究所谓快速老化试验，但这些方法还不够成熟，尚在探索中。7－1热老化试验热老化是以热为主要老化因子而使绝缘材料或绝缘结构的性能发生不可逆变化。热老化试验用来研究、比较和确定绝缘材料或绝缘结构的长期工作温度或在一定工作温度下的寿命。一、绝缘的耐热分级在电工技术中，常把电机电器的绝缘结构或绝缘系统以及绝缘材料按耐热等级分类。耐热等级由绝缘，包括绝缘材料与绝缘结构在电机电器运行中允许的最高长期工作温度决定。属于某一耐热等级的电机电器，不仅在该等级的温度下短时间内不会有显著的性能改变（如不变软、不着燃、绝缘性能没有明显降低等），而且在该温度下长期运行时绝缘也不发生不该有的性能变化，并能承受正常运行时的温度变化。表7－1绝缘的耐热分级耐热等级极限温度℃耐热等级极限温度℃Y90H180A105200200E120220220B130250250F155注：温度超过250℃，应按25℃增加，等级同样用数字表示。表7－1提供IEC出版物85第二版（1984年）规定的绝缘耐热分级和极限温度，即电机电器中绝缘结构最热点的极限温度。表中的极限温度就是允许的最高工作温度，在该温度下能够获得最经济的使用寿命。在电机电器中，绝缘结构以及所使用的绝缘材料常受许多因素的作用，例如温度、湿度、电场、机械振动、冲击、周围大气和介质以及由于温度变化产生的热冲击、热膨胀应力等。在正常运行条件下起决定作用的因素有温度、湿度、大气中的氧、电场作用、机械振动和热冲击。在低压电器中，温度是主要因素。上述分级标准适用于正常运行的电机电器，特殊条件下运行的电机电器不包括在内。我国所采用的耐热分级标准与IEC的耐热分级标准相同。迄今耐热等级这个名词已经用来表征绝缘材料、绝缘结构和产品的长期耐热性。近年来IEC出版物“216”《确定绝缘材料热耐久性导则》对绝缘材料又采用温度指数来表示其长期耐热性。由于一台电机的不同绝缘部分并不都在最高设计温度下运行，而且由不同绝缘材料构成的绝缘系统还存在着材料之间的相容性问题，因而一台电机并不需要耐热等级相同的绝缘材料来构成绝缘结构，也就是说B级电机上所用的绝缘材料并不是都属于B级材料。这样的设计技术具有经济上和性能上的优越性。此外，绝缘材料的不同性能随老化时间变化的速率是不相同的，所以用不同参数获得的材料的热耐久性是不同的。因此，IEC推荐的温度指数用来表明绝缘材料的热耐久能力是有意义的，它说明在一个特定试验条件下的性能表现。一种材料可以标注一个以上的温度指数，例如可以按其机械性能的变化给予一个温度指数，又可以按其电气性能变化给予另一个温度指数。二、热老化试验原理及试验设备1．原理有机绝缘材料在热的作用下发生着各种化学变化，包括氧化、热裂解、热氧化裂解以及缩聚等，这些化学反应的速率决定了材料的热老化寿命。因此，直到今天仍应用化学反应动力学导出的材料寿命与温度的关系作为加速热老化的理论依据。下面根据这个理论推导出绝缘材料寿命与温度的关系。dc化学反应动力学告诉我们，反应速率与反应物的浓度C有如下关系dtdckCn（7－1）dt式中n——反应级数，n=1，2，3；k——反应速率常数。设n=1，即一级反应，由式（7－1）得Clnkt（7－2）C0式中C——反应物的初始浓度；0C——时间为t（单位为s）时，反应物的浓度。设材料的性能P是浓度C的函数，即P(C)或Cf(P)，f(P)则lnkt（7－3）f(P)0式中P——材料的初始性能，P