絕緣結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法研究

郭彬乾，黃慧潔，管兆杰

（1.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200063； 2.上海電器設(shè)備檢測(cè)所，上海 200063）

絕緣結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法研究

郭彬乾1,2，黃慧潔1,2，管兆杰1,2

（1.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200063； 2.上海電器設(shè)備檢測(cè)所，上海 200063）

針對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中受到綜合應(yīng)力因素的影響的特點(diǎn)，提出了一種基于綜合應(yīng)力的絕緣結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估方法， 可以有效地指導(dǎo)絕緣結(jié)構(gòu)加速壽命試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。首先通過對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效機(jī)理及應(yīng)力分析，確定影響絕緣結(jié)構(gòu)壽命的主要應(yīng)力， 選取適當(dāng)?shù)木C合應(yīng)力加速模型。其次， 確定各加速應(yīng)力水平，進(jìn)行綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。最后，基于失效數(shù)據(jù)對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評(píng)估。

絕緣結(jié)構(gòu)；綜合應(yīng)力；加速壽命試驗(yàn)；可靠性評(píng)估

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，電機(jī)在國(guó)計(jì)民生中發(fā)揮了重大的作用，電機(jī)可靠性評(píng)估和壽命的預(yù)測(cè)工作越來越受到人們的重視。電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)是電機(jī)的“心臟”，因此電機(jī)壽命在很大程度上依賴于其絕緣結(jié)構(gòu)的壽命[1]。目前，絕緣結(jié)構(gòu)的壽命評(píng)估主要是在單應(yīng)力條件下進(jìn)行，分別通過施加熱應(yīng)力和電應(yīng)力評(píng)估絕緣結(jié)構(gòu)的熱壽命和電壽命，而其在多應(yīng)力條件下的壽命評(píng)估還尚未深入展開。絕緣結(jié)構(gòu)在使用過程中受到的環(huán)境應(yīng)力是及其復(fù)雜的，包括熱、電、機(jī)械應(yīng)力等多應(yīng)力的綜合作用，實(shí)際上也正是這些應(yīng)力的綜合作用影響了絕緣結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此綜合應(yīng)力作用下絕緣結(jié)構(gòu)老化試驗(yàn)和可靠性評(píng)估方法有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值，越來越受到絕緣技術(shù)領(lǐng)域同行們的重視與關(guān)注。

1 絕緣結(jié)構(gòu)失效機(jī)理分析

絕緣結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力主要是來自與絕緣結(jié)構(gòu)的運(yùn)行溫度，絕緣結(jié)構(gòu)的熱老化過程是一種氧化化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速度可用Arrhenius理論解釋。絕緣結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中會(huì)受到電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用，會(huì)使絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生電老化，電老化的過程一般很復(fù)雜，通常局部放電是引起絕緣結(jié)構(gòu)性能下降的主要原因。電老化壽命與試驗(yàn)電壓常用負(fù)冪模型來表示[2]，電壓低于某個(gè)值時(shí)，實(shí)際上不會(huì)存在電壓引起的老化。絕緣結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的作用，使其發(fā)生機(jī)械老化，將會(huì)導(dǎo)致絕緣磨損、疲勞、裂紋和破裂等。

絕緣結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中受到熱、電、機(jī)械應(yīng)力等多應(yīng)力的綜合作用，各種應(yīng)力引起絕緣結(jié)構(gòu)失效的機(jī)理各不相同，不同應(yīng)力之間也存在著相互作用。雖然絕緣結(jié)構(gòu)受到多種應(yīng)力的綜合作用，但很難將它們同時(shí)都和絕緣結(jié)構(gòu)的壽命建立一定的關(guān)系[2]。為了簡(jiǎn)化問題，現(xiàn)只考慮對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)壽命影響最大的幾種應(yīng)力。考慮到溫度、電壓、機(jī)械等綜合應(yīng)力老化試驗(yàn)對(duì)老化設(shè)備要求較高不易進(jìn)行，在上述的理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程使用經(jīng)驗(yàn)，可采用溫度和電應(yīng)力作為加速應(yīng)力，然后在診斷試驗(yàn)中進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)、潮濕等相關(guān)試驗(yàn)。

2 溫度與電壓應(yīng)力加速模型

研究表明，絕緣材料在溫度和電應(yīng)力的同時(shí)作用下，其失效時(shí)間要比兩種應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)短得多，可見溫度和電壓綜合作用的老化并不能簡(jiǎn)單地等效于單個(gè)應(yīng)力作用下的代數(shù)疊加，在選取加速模型時(shí)需考慮溫度和電壓之間的交互作用。

如果以溫度和電壓同時(shí)作為加速應(yīng)力，Eyring等人在1941年提出了一個(gè)加速模型，此模型考慮了溫度與電應(yīng)力的交互作用。Mcpherson在1986年提出了廣義艾林模型，它考慮了包括溫度在內(nèi)的多種應(yīng)力與壽命特征的關(guān)系[3]。

絕緣老化模型的研究一直備受關(guān)注，出現(xiàn)了一些多應(yīng)力老化模型[4]。 Fallou于1979年提出了基于電老化指數(shù)模型的老化模型[5]，此模型沒有考慮閾值電壓的存在，若電壓在某個(gè)應(yīng)力水平之下，絕緣結(jié)構(gòu)的壽命基本上與之無關(guān)，因此并不能全面描述壽命與應(yīng)力之間的關(guān)系。Simoni在考慮到閾值電壓的存在之后，認(rèn)為絕緣材料的老化是電應(yīng)力和溫度應(yīng)力的綜合作用對(duì)其壽命產(chǎn)生累積損傷的結(jié)果，提出了描述電應(yīng)力和溫度應(yīng)力與絕緣壽命關(guān)系的加速模型[6]。此模型不僅描述了電熱老化的綜合作用對(duì)壽命的影響，而且還描述了電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。Ramu基于Eyring的物理化學(xué)反應(yīng)速率論提出了一種描述溫度和電應(yīng)力與壽命關(guān)系的模型[7]，此模型也考慮了閾值電壓?jiǎn)栴}。目前，Simoni模型是應(yīng)用較為廣泛的綜合電應(yīng)力和溫度應(yīng)力壽命模型，在使用此模型對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命評(píng)估時(shí)，閾值電壓的確定是極為關(guān)鍵的，否則評(píng)估結(jié)果有可能產(chǎn)生很大的誤差。

3 溫度-電應(yīng)力綜合加速壽命試驗(yàn)方案

3.1 加速應(yīng)力水平組合

若溫度和電應(yīng)力各取q（q≥3）個(gè)應(yīng)力水平，按照所有的應(yīng)力水平組合則需安排q2次試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間、樣品數(shù)量和費(fèi)用等都是難以承受的。為在估計(jì)精度基本保持不變的前提下減少試驗(yàn)次數(shù)和時(shí)間，可采用均勻正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)應(yīng)力水平組合[8]。在溫度和電壓各取s個(gè)應(yīng)力水平下，則只需安排s次試驗(yàn)即可，大大減少了試驗(yàn)次數(shù)。對(duì)于絕緣結(jié)構(gòu)加速壽命試驗(yàn)，Eyring模型中有四個(gè)待估計(jì)的參數(shù)，故在進(jìn)行溫度和電壓雙應(yīng)力恒加試驗(yàn)時(shí)至少要安排五組試驗(yàn)。若以Simoni模型為加速模型，至少要安排四組試驗(yàn)。當(dāng)溫度T1＜T2＜T3＜T4＜T5，電壓V1＜V2＜V3＜V4＜V5時(shí)，則加速應(yīng)力水平組合如表1所示。

表1 雙應(yīng)力五水平均勻正交設(shè)計(jì)表

在確定試驗(yàn)應(yīng)力水平時(shí)，可參考絕緣結(jié)構(gòu)的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中單應(yīng)力的加速系數(shù)、相似產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力水平的選取，必要時(shí)可開展預(yù)試驗(yàn)。最低試驗(yàn)應(yīng)力水平必須高于產(chǎn)品正常工作時(shí)的應(yīng)力水平，應(yīng)盡量接近于正常應(yīng)力水平，提高外推評(píng)估結(jié)果的可信性。在產(chǎn)品失效機(jī)理保持不變的前提下，最高試驗(yàn)應(yīng)力水平應(yīng)取的盡可能的高。

3.2 試品樣本量

在恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，通常每組試驗(yàn)的試品樣本量一般應(yīng)大于10個(gè)，不少于5個(gè)。試品在低應(yīng)力水平下不易失效，可適當(dāng)增加試品數(shù)量。

3.3 老化分周期、診斷試驗(yàn)以及失效判據(jù)

老化分周期、診斷試驗(yàn)以及失效數(shù)據(jù)的確定可參考GB/T 17948.5-2007[9]。此標(biāo)準(zhǔn)給出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在進(jìn)行多因子評(píng)定時(shí)老化分周期的持續(xù)時(shí)間、分周期個(gè)數(shù)以及分周期持續(xù)時(shí)間范圍。在每 個(gè)分周期之后，對(duì)每個(gè)試品進(jìn)行一系列的診斷試驗(yàn)，包括機(jī)械、潮濕、耐電壓和其他診斷試驗(yàn)，按順序進(jìn)行。同時(shí)此標(biāo)準(zhǔn)也給出了電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中以及診斷試驗(yàn)中是否失效的判別準(zhǔn)則。

4 絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估

絕緣結(jié)構(gòu)的壽命通常服從兩參數(shù)Weibull分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，本文只對(duì)壽命分布服從Weibull分布的情況進(jìn)行分析，對(duì)于壽命分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的情況可參考此過程進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

絕緣結(jié)構(gòu)在正常應(yīng)力水平組合（T0,V0）及應(yīng)力水平組合（Ti,Vj）下的壽命都服從Weibull分布，則其分布函數(shù)為：

其中ηij為特征參數(shù)，mij為形狀參數(shù)。

若把每組加速應(yīng)力水平組合（Ti,Vj）下的壽命tij取對(duì)數(shù)，即Xij=1ntij服從極值分布G（μij,σij），其中μij=1nηij, σij=1/mi（i=0,1,…, l; j=0,1,…, k）。

4.1 失效機(jī)理一致性檢驗(yàn)[7]

絕緣結(jié)構(gòu)在加速應(yīng)力水平下的失效機(jī)理應(yīng)與正常應(yīng)力下不變，Weibull分布的形狀參數(shù)mij反映了失效機(jī)理的變化，這意味著所有應(yīng)力水平下的形狀參數(shù)相同，可采用巴特利特法來檢驗(yàn)在各應(yīng)力水平組合（Ti,Vj）下形狀參數(shù)是否相等。

4.2 參數(shù)估計(jì)

1）在每個(gè)應(yīng)力組合下的ηij和σij的最有線性無偏估計(jì)（BLUE）

當(dāng)nij＜25時(shí)，μij和σij的BLUE為

其中：式中rij，nij分別為加速應(yīng)力水平（Ti,Vj）下的試品失效數(shù)量和試品數(shù)量。，D（nij, nij,u）為最有線性無偏估計(jì)系數(shù)，其值都可查表[10]得到。

2）加速模型參數(shù)估計(jì)

若以Eyring模型作為加速方程，把?ijη和各應(yīng)力水平組合代入（Ti,Vj）代入加速方程，然后根據(jù)多元線性回歸的方法，利用matlab對(duì)加速模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到a, b, c, d估計(jì)值則加速方程為

4.3 正常應(yīng)力水平下可靠性評(píng)估

絕緣結(jié)構(gòu)的正常工作溫度和電壓分別為T0和V0，將其代入式（10）中，得正常工作應(yīng)力下的特征壽命的估計(jì)值?η為

則其平均壽命（MTTF）為

5 結(jié)論

本文通過分析絕緣結(jié)構(gòu)在各種應(yīng)力下的失效機(jī)理，確定了溫度和電壓是影響其壽命和可靠性的兩個(gè)主要應(yīng)力，建立了溫度-電壓加速模型。采用均勻正交設(shè)計(jì)安排應(yīng)力水平組合，進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。利用巴特利特檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行失效機(jī)理的一致性檢驗(yàn)，給出了綜合應(yīng)力下絕緣結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的方法。

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郭彬乾，男，（1990-），工學(xué)碩士，上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，主要從事環(huán)境與可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究工作。

Research on Accelerated Life Test for Insulation System Based on Multi-stress Accelerated Model

GUO Bin-qian1,2, HUANG Hui-jie1,2, GUAN Zhao-jie1,2
(1.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063; 2.Shanghai Testing Institute for Electrical Equipment, Shanghai 200063)

According to the characteristics of insulation system affected by various stresses in actual use, a reliability assessment method based on multi-stress accelerated model is proposed, which can be used as a guide for design and application of accelerated life test for insulation system.Firstly, the main stress that affects the life of insulation system are determined through the analysis of the failure mechanism, and the multi-stress accelerated model is properly selected.Secondly, the accelerated stress levels are determined and the accelerated life test of insulation system is designed.Finally, reliability assessment is carried out based on the failure data of the insulation system.

insulation system; multiple s tress; accelerated life test; reliability assessment

TB114.3

A

1004-7204（2016）05-0079-04