核電廠安全級電氣設(shè)備熱老化試驗方法概述解析

徐學(xué)敏

（上海電器設(shè)備檢測所有限公司，上海 200063）

設(shè)備的設(shè)計壽命是指設(shè)備在一組規(guī)定的在役條件下，可以預(yù)計的性能滿足要求的時間［1］。

設(shè)備鑒定是指通過一系列方法，如試驗、分析或運行經(jīng)驗等手段獲得數(shù)據(jù)，證明在特定的環(huán)境條件和運行條件下，該設(shè)備能正常運行，且各項參數(shù)在裕度范圍內(nèi)［2］。

安全級設(shè)備執(zhí)行安全功能的能力可能受到環(huán)境條件和運行條件隨時間變化的影響，我們應(yīng)從設(shè)備的設(shè)計、功能、材料和環(huán)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(huán)境下，使設(shè)備在安裝壽期內(nèi)性能劣化趨勢明顯的老化機理。

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

EJ/T 1197-2007《核電廠安全技術(shù)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗方法與環(huán)境條件》中規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定程序是通過執(zhí)行一個每種類型設(shè)備所特有的專項質(zhì)量鑒定大綱來實施的。質(zhì)量大綱通常包括以下一系列試驗：基準(zhǔn)試驗、極限運行條件下的試驗、評價設(shè)備性能隨時間變化的試驗、事故和事故后環(huán)境條件的試驗。其中評價設(shè)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(shè)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(xiàn)劣化，加速熱老化試驗主要用于電氣設(shè)備部件中的非金屬元器件的熱壽命評估。因此核級電氣設(shè)備的加速熱老化試驗是鑒定試驗至關(guān)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(yīng)用領(lǐng)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(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)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(yīng)速率常數(shù)；

Ead——活化能，單位為J/mol；

T——溫度，單位為K；

R——氣體常數(shù)，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(shè)是，在一定溫度作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與材料性能的劣化程度之間存在著一定的關(guān)系，反應(yīng)速率取決于運行溫度以及材料的活化能參數(shù)。在一定的溫度范圍內(nèi)，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(shè)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(yīng)力，進行人工加速老化。此方法在確定產(chǎn)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(shè)備的鑒定壽命。

在使用此方法時，材料活化能數(shù)據(jù)是確定加速熱老化量的關(guān)鍵，應(yīng)注意材料活化能的選擇應(yīng)有代表性。當(dāng)設(shè)備由多種有機材料構(gòu)成時，應(yīng)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(shù)值。此方法對于不同的產(chǎn)品，也有不同的活化能取值方法。

加速因子t1/t2應(yīng)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(huán)境溫度的數(shù)值，單位為K；

T2——加速老化溫度的數(shù)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(chǎn)品，此類產(chǎn)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(yīng)注意試驗時間不應(yīng)過短或者溫度不應(yīng)過高，試驗時間過短，激發(fā)不了材料的老化效應(yīng)；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(jīng)驗表明，加速因子t1/t2應(yīng)小于250；加速老化時間不應(yīng)低于1000 h。在活化能未知時，可選擇不大于0.8 eV的數(shù)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(fā)電機、變壓器等產(chǎn)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(chǎn)品熱壽命最關(guān)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(xué)溫度符合阿倫尼烏斯方程。

式中：τ——熱壽命時間，h；

A——常數(shù)；

B——與活化能有關(guān)的常數(shù)；

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(tǒng)來進行，需要選取其有代表性的材料組成絕緣系統(tǒng)，包括電磁線、浸漬漆、柔軟復(fù)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(chǎn)品的相容性，是最復(fù)雜的絕緣系統(tǒng)［5］。

我們可依據(jù)GB/T 17948/IEC 60034-18-1系列標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)計置信度的最小推薦數(shù)量。

按照以下程序進行試驗。

（1）質(zhì)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(xiàn)象，以防止該缺陷影響產(chǎn)品的性能。

耐壓試驗：模型線圈應(yīng)經(jīng)受持續(xù)的耐電壓試驗，試驗應(yīng)全部通過。

一般散繞繞組按如表3選擇，持續(xù)時間為10 min。

表3 散繞繞組試驗參數(shù)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(xù)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(huán)中。

（3）熱老化分周期

選擇的最低老化溫度應(yīng)至少得到5 000 h的平均壽命，最高溫度應(yīng)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(yīng)選擇兩個較高的老化溫度點，溫差間隔為20 K或者更大。當(dāng)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(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(shù)見表4。

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

潮濕試驗：應(yīng)產(chǎn)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(nèi)［6，7］。對于完全封閉的絕緣結(jié)構(gòu)，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(yīng)保持潮濕。試驗電壓的選擇同質(zhì)量保證試驗。試樣任一形式連續(xù)兩個周期擊穿即記錄為失效。

對熱老化試驗結(jié)果進行阿侖尼烏斯坐標(biāo)（壽命的對數(shù)—絕對溫度的倒數(shù)）的線性回歸分析，得到絕緣系統(tǒng)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(tǒng)的主要成分為浸漬漆和漆布，可依據(jù)JB/T 1544-2015標(biāo)準(zhǔn)，通過Tg快速確定其活化能，并通過單溫度點（為了節(jié)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(tǒng)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(yīng)的10個溫度值，按下列經(jīng)驗公式（4）計算該材料的活化能Ep。

式中：E0——常數(shù)，單位為J/mol；

R——氣體常數(shù)，8.314 J/（K·mol）；

C0——系數(shù)；tn——對應(yīng)于每個W/Wa的溫度值的數(shù)值，單位為℃；

ΔW/Wa——失重百分?jǐn)?shù)；

ΔW——試樣在tn下的失重量的數(shù)值，單位為mg；

Wa——試樣總是重量的數(shù)值，單位為mg；E0，RC0按試驗條件取值，依據(jù)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(jù)產(chǎn)品材質(zhì)進行特征活化能的選取，或者選擇標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)推薦保守值，因此對于產(chǎn)品的鑒定可能存在裕度過高的可能，或者可能產(chǎn)品活化能低于保守值，一定程度上存在鑒定不可靠的風(fēng)險，因此目前該方法僅廣泛應(yīng)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(chǎn)品模型進行加速熱壽命試驗，確認(rèn)熱壽命方程，根據(jù)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(jù)實際試驗結(jié)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(yīng)用于活化能較高但不確定的產(chǎn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用熱重分析的方法快速得到活化能結(jié)果，結(jié)合單點熱老化試驗結(jié)果確認(rèn)熱壽命方程，根據(jù)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(rèn)可，只能作為參考使用。

4 結(jié)論

目前核電電氣產(chǎn)品中的非金屬零部件的活化能數(shù)據(jù)庫較少，大部分需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦保守值或長期試驗的方法獲得，后續(xù)根據(jù)運行經(jīng)驗和長期試驗結(jié)果，可匯總完善實際活化能數(shù)據(jù)庫，一方面可以降低產(chǎn)品設(shè)計裕度，另一方面可以縮短鑒定時間和費用。