核電廠安全級電氣設備熱老化試驗方法概述解析

徐學敏

（上海電器設備檢測所有限公司，上海 200063）

設備的設計壽命是指設備在一組規定的在役條件下，可以預計的性能滿足要求的時間［1］。

設備鑒定是指通過一系列方法，如試驗、分析或運行經驗等手段獲得數據，證明在特定的環境條件和運行條件下，該設備能正常運行，且各項參數在裕度范圍內［2］。

安全級設備執行安全功能的能力可能受到環境條件和運行條件隨時間變化的影響，我們應從設備的設計、功能、材料和環境條件等方面進行審查，以確定顯著的老化機理。

顯著老化機理是指在正常和異常的運行環境下，使設備在安裝壽期內性能劣化趨勢明顯的老化機理。

了解構成安全級電氣設備的具體材料在其受到環境和運行應力影響下的反應，是判斷設備對老化機理的敏感性和由此產生的老化效應的一種方法。這些機理可以適用于電子元件以及電氣設備。

EJ/T 1197-2007《核電廠安全技術電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》中規定，標準質量鑒定程序是通過執行一個每種類型設備所特有的專項質量鑒定大綱來實施的。質量大綱通常包括以下一系列試驗：基準試驗、極限運行條件下的試驗、評價設備性能隨時間變化的試驗、事故和事故后環境條件的試驗。其中評價設備性能隨時間變化的試驗包括以下試驗：高溫、低溫、交變濕熱、長期運行、熱老化、輻照、振動老化等［1］。這些試驗是為了檢驗設備的機械強度、評價其耐久性。由于非金屬元器件會隨著溫度和時間的變化出現劣化，加速熱老化試驗主要用于電氣設備部件中的非金屬元器件的熱壽命評估。因此核級電氣設備的加速熱老化試驗是鑒定試驗至關重要的一個過程，本文主要介紹了目前幾種常用試驗方法，并對其差異及主要應用領域進行分析。

1 加速熱老化原理介紹

阿倫尼烏斯公式是化學反應速率常數隨溫度變化關系的經驗公式，材料的熱氧化分解過程可以用阿侖尼烏斯公式進行表述［3］。

式中：k（T）——反應速率常數；

Ead——活化能，單位為J/mol；

T——溫度，單位為K；

R——氣體常數，單位為J/（mol·K）。

阿倫紐斯模型是目前最為成熟和廣泛使用的熱老化模型，其主要假設是，在一定溫度作用下發生的化學反應與材料性能的劣化程度之間存在著一定的關系，反應速率取決于運行溫度以及材料的活化能參數。在一定的溫度范圍內，可通過提高溫度，縮短作用時間的方法來等效地獲得材料的劣化程度。

2 核級電氣設備加速熱老化評定方法

2.1 直接選取活化能獲得的熱壽命評定

該方法是基于阿倫尼烏斯定律，通過對有機材料施加熱應力，進行人工加速老化。此方法在確定產品活化能的前提下，通過使用條件確定加速老化條件，可用以確定設備的鑒定壽命。

在使用此方法時，材料活化能數據是確定加速熱老化量的關鍵，應注意材料活化能的選擇應有代表性。當設備由多種有機材料構成時，應在由各種材料活化能計算得出的加速老化時間中選擇最為保守的數值。此方法對于不同的產品，也有不同的活化能取值方法。

加速因子t1/t2應按公式（2）計算。

式中：t1——合格壽期的時間，單位為h；

t2——加速老化的時間，單位為h；

T1——正常使用環境溫度的數值，單位為K；

T2——加速老化溫度的數值，單位為K；

φ——材料的活化能，單位為eV；

λ——0.000 086 17 eV?K-1。

此方法主要用于元器件產品，此類產品的有機絕緣材料的組成相對簡單，熱老化壽命時間相對較短，一般為20年及以下。

常見絕緣材料的活化能見表1。

表1 常見的絕緣材料活化能Table 1 Activation energy of common insulating materials

選擇加速試驗條件時也應注意試驗時間不應過短或者溫度不應過高，試驗時間過短，激發不了材料的老化效應；試驗溫度過高，超過了絕緣材料的分解溫度，老化機理將被改變。

實踐經驗表明，加速因子t1/t2應小于250；加速老化時間不應低于1000 h。在活化能未知時，可選擇不大于0.8 eV的數值［4］。表2分別計算了運行溫度40℃，熱老化溫度85℃下等效6年、8年和10年的老化壽命。

表2 元器件不同等效壽命下的老化時間Table 2 Aging time of components under different equivalent life

2.2 基于熱壽命曲線的熱壽命評定

電動機、發電機、變壓器等產品由多種絕緣材料組成，由于需要評定的熱壽命時間較長，一般為40年或者60年，如果直接選取0.8 eV，熱老化時間將達到上萬個小時。因此需要選取一個合適的活化能是確定此類產品熱壽命最關鍵的一步。這里以電機為例進行試驗過程的說明。

電機的失效時間和熱力學溫度符合阿倫尼烏斯方程。

式中：τ——熱壽命時間，h；

A——常數；

B——與活化能有關的常數；

T——溫度，K。

下面介紹2種熱老化活化能的確定方法。

2.2.1 多溫度點熱老化法

電機的老化試驗一般用絕緣系統來進行，需要選取其有代表性的材料組成絕緣系統，包括電磁線、浸漬漆、柔軟復合材料、絕緣套管、引拔槽楔、綁扎帶、引接線等，不僅要考慮單一絕緣材料的耐溫等級，還要考慮上述產品的相容性，是最復雜的絕緣系統［5］。

我們可依據GB/T 17948/IEC 60034-18-1系列標準對其進行熱壽命評定。一般選取三到四個溫度點進行老化，兩個溫度點之間的間隔一般不小于10 K，不大于20 K。

熱老化試驗用模型線圈為樣品，散繞繞組模型一般每個溫度至少選取10個樣品（GB/T 17948.1-2000版要求至少選取10個樣品，2018版要求至少選取5個樣品，由于散繞繞組模型在制樣過程中受外界人為因素的影響較大，建議選取10個樣品），成型繞組模型一般每個溫度點至少選取5個樣品。5個樣品是滿足統計置信度的最小推薦數量。

按照以下程序進行試驗。

（1）質量保證試驗

外觀檢查及耐壓試驗。

外觀檢查主要檢查模型線圈表面是否平整，漆膜是否有破壞，端部是否有變形等現象，以防止該缺陷影響產品的性能。

耐壓試驗：模型線圈應經受持續的耐電壓試驗，試驗應全部通過。

一般散繞繞組按如表3選擇，持續時間為10 min。

表3 散繞繞組試驗參數表Table 3 Parameter table of voltage withstand test for wire wound windings

成型繞組選擇2UN進行試驗，持續時間1 min。

（2）初始診斷試驗

進行診斷分周期的全部試驗，包括振動試驗、潮濕試驗、耐壓試驗，按順序進行。

以上試驗全部合格以后，試樣投入到熱老化試驗循環中。

（3）熱老化分周期

選擇的最低老化溫度應至少得到5 000 h的平均壽命，最高溫度應至少得到100 h的平均壽命。通常按照28～35 d或者更長的暴露周期選定最低老化溫度。

此外，至少應選擇兩個較高的老化溫度點，溫差間隔為20 K或者更大。當用多于四個老化溫度點進行試驗時，可采用少于20 K的溫差間隔。最高溫度應產生至少100 h的平均壽命。

為使因外推引起的誤差為最小，最低試驗溫度應不高于外推求得溫度的25 K。

（4）診斷分周期

每個試樣按振動試驗、潮濕試驗、耐壓試驗順序進行診斷試驗。

振動試驗在振動臺上進行，參數見表4。

表4 振動試驗參數表（GB/T 17948.1-2018）Table 4 Parameter table of vibration test

潮濕試驗：應產生可見凝露，暴露時間為48 h，試品的溫度控制在15～35℃范圍內［6，7］。對于完全封閉的絕緣結構，可能另外需要進行浸水試驗。

耐壓試驗：在潮濕試驗完成且試品溫度接近室溫后進行，試樣應保持潮濕。試驗電壓的選擇同質量保證試驗。試樣任一形式連續兩個周期擊穿即記錄為失效。

對熱老化試驗結果進行阿侖尼烏斯坐標（壽命的對數—絕對溫度的倒數）的線性回歸分析，得到絕緣系統的熱壽命方程。以上試驗方法至少需要10個月的時間（通常需要12個月甚至更長的時間）才能完成全部。

2.2.2 單溫度點熱老化試驗（熱重分析法）

如絕緣材料或絕緣系統的主要成分為浸漬漆和漆布，可依據JB/T 1544-2015標準，通過Tg快速確定其活化能，并通過單溫度點（為了節省時間，一般選取高溫點）來驗證活化能。試驗時間約3～4個月。

用單溫度點法確定活化能，需將整個絕緣系統中的全部組分材料磨成粉末，混合均勻后，取8～20 mg，進行熱失重試驗，得到熱失重曲線，取失重5%～50%（間隔5%）所對應的10個溫度值，按下列經驗公式（4）計算該材料的活化能Ep。

式中：E0——常數，單位為J/mol；

R——氣體常數，8.314 J/（K·mol）；

C0——系數；tn——對應于每個W/Wa的溫度值的數值，單位為℃；

ΔW/Wa——失重百分數；

ΔW——試樣在tn下的失重量的數值，單位為mg；

Wa——試樣總是重量的數值，單位為mg；E0，RC0按試驗條件取值，依據JB/T 1544。

3 方法對比分析

方法1：直接選取活化能獲得的熱壽命評定，需要根據產品材質進行特征活化能的選取，或者選擇標準EJ/T 1197-2007推薦保守值。由于并不是所有材料均有已知活化能，大部分鑒定均需選擇標準推薦保守值，因此對于產品的鑒定可能存在裕度過高的可能，或者可能產品活化能低于保守值，一定程度上存在鑒定不可靠的風險，因此目前該方法僅廣泛應用于元器件的熱壽命鑒定。

方法2：基于熱壽命曲線的熱壽命評定——多點法。該方法是國際通用的試驗方法，需先對產品模型進行加速熱壽命試驗，確認熱壽命方程，根據熱壽命方程再對成品進行熱老化鑒定試驗，本方法的熱壽命方程根據實際試驗結果獲得，可靠度較高，但整體鑒定時間較長，樣品需求量較大。目前主要應用于活化能較高但不確定的產品，例如核電電機的鑒定等。

基于熱壽命曲線的熱壽命評定——單點法。該方法是參考我國行業標準，利用熱重分析的方法快速得到活化能結果，結合單點熱老化試驗結果確認熱壽命方程，根據熱壽命方程再對成品進行熱老化鑒定試驗。該方法的整體鑒定時間較短，但是該試驗方法還未得到國際上的廣泛認可，只能作為參考使用。

4 結論

目前核電電氣產品中的非金屬零部件的活化能數據庫較少，大部分需要依據標準推薦保守值或長期試驗的方法獲得，后續根據運行經驗和長期試驗結果，可匯總完善實際活化能數據庫，一方面可以降低產品設計裕度，另一方面可以縮短鑒定時間和費用。