电器绝缘材料热老化试验及其原理

所谓老化,是指电气设备在运行过程中,其绝缘材料或绝缘结构因承受热、电和机械应力等因素的作用使其性能逐渐变化,导致损坏的现象。 实际中可通过热老化、电老化及机械老化试验等方法,测试出绝缘材料及绝缘结构的耐老化性能,保证电气设备长期安全、可靠地运行。

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素也不相同。 例如,低压电动机,它承受的场强不高,其损坏主要是由电动机中产生的热造成的,因此,对这种电动机中的绝缘材料应进行热老化试验。 又如,高压电力电缆,其绝缘材料承受较高的电场强度,对这种材料必须进行电老化试验。 此外,各种老化因素往往会产生相互作用,为了使试验能反映设备的实际运行情况,应将各种老化因素组合起来,进行多因素老化试验。

(1）热老化试验

热老化是以热为主要老化因素,使绝缘材料或绝缘结构的性能发生不可逆变化的试验。通过热老化试验,可以研究、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。

电气设备绝缘材料、绝缘结构和产品的长期耐热性用耐热等级来表征。 属于某一耐热等级的电气产品,在该等级的温度下工作时,不仅短时间内不会有明显的性能改变,而且长期运行时绝缘也不会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8.8 中列出了国际标准下绝缘的耐热等级和极限温度。

表8.8　绝缘的耐热等级

1)热老化试验原理及试验设备

有机绝缘材料在热的作用下发生各种化学变化,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,可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。 绝缘材料寿命与温度的关系为

式中　τ——绝缘材料的寿命,h;

a,b——常数;

T——热力学温度,K。

式(8.7)表明,寿命τ 以2 为底的对数与热力学温度T 的倒数有线性关系。

老化试验是根据上述寿命与温度的关系进行的。 显然,提高试验温度可以加速材料的老化,因此,老化试验是在使用温度高的情况下求取寿命与温度的关系曲线,然后求取工作温度下的寿命,或在规定寿命指标下求取其耐热指标,即温度指数。

老化试验用的主要设备是老化恒温箱。 经验证明,绝缘材料的暴露温度升高10 ℃,热寿命降低一半。 因此,要求老化恒温箱温度上下波动小,且分布均匀。 箱内应备有鼓风装置,以防材料在空气中氧化,同时为了保证材料均匀承受温度,箱内装有转盘,材料放在转盘上。 为使温度上下波动在( ±2 ～±3)℃的范围内,恒温箱的温度控制应该灵敏可靠,一般装有防止温度超过允许范围的自动保护装置。

2)热老化试验方法

热老化试验常将温度作为变量,用提高温度来缩短试验时间,达到加速老化的目的。 而其他因素(如机械应力、潮湿、电场以及周围媒质的作用)则维持在工作条件下的最高水平,在热暴露温度改变时也维持不变。(www.xing528.com)

热暴露温度的选择很重要,选择不当将导致错误的结论。 如上所述,为验证寿命的对数与绝对温度的倒数是否存在线性关系,至少选取3 个热暴露温度。 为了避免因试验温度过高导致老化机理的改变以及温度过低导致时间过长,必须限制最高与最低试验温度。 一般规定最高试验温度下,热老化寿命不小于100 h,最低试验温度下的寿命不小于5 000 h,两试验温度间隔20 ℃左右为宜。 不同耐热等级或温度指数的绝缘材料的热暴露温度,可以参考国际电工委员会提供的参考温度进行选择。

在热老化试验过程中,经过一定时间间隔后要将绝缘材料或绝缘结构从恒温箱中取出,进行性能变化的测定,这样就把整个老化过程分为若干周期。 周期的划分视所选取的老化因素不同而不同。 例如,进行电动机模型线圈的热老化试验时,老化周期为:升温—热暴露—降温—机械振动—受潮—试验。 又如,进行绝缘材料的热老化试验时,老化周期很简单,即为:升温—热暴露—降温—试验。 为使不同试验温度下热以外的其他因素的作用保持不变,其老化周期数应相等或接近相等。 国际电工委员会建议老化周期数为10,但对于不同耐热等级,推荐了不同热暴露温度下的周期长度供参考。

(2）电老化试验

以电应力为主要老化因素使绝缘材料或绝缘结构的性能发生不可逆变化的试验,称电老化试验。 电老化效应的形式有局部放电效应、电痕效应、树枝效应和电解效应等,它们既会单独作用引起绝缘材料或绝缘结构的老化,也会联合作用引发绝缘老化。

局部放电效应产生的电老化及试验方法如下:

1)电老化机理与影响电老化寿命的因素

局部放电会引起绝缘材料性能下降,甚至绝缘完全被损坏。 绝缘材料在放电下损坏机理很复杂,在绝缘材料的破坏过程中,常常留下不可逆的破坏痕迹,使材料的电气力学性能产生明显变化。 例如,放电产生的低分子极性物质或酸类渗透到材料内部,使其体积电阻率下降,损耗因数上升;材料失去弹性而发脆或开裂;放电起始电压、放电强度逐渐下降。

不同绝缘材料的电老化寿命不同,其在放电作用下的老化速率除材料本身的结构以外,还受到频率、电场强度、温度、相对湿度和机械应力等因素的影响。 由于绝缘材料的电老化机理十分复杂,因此,目前电老化试验只能用于一定条件下绝缘材料耐放电性的比较,或求材料的相对寿命。

2)电老化试验方法

绝缘材料耐局部放电性试验是电老化试验中的一种。 其主要方法是击穿法,即在材料上加一定电压,直到材料击穿,记下所经历的时间,即失效时间;然后根据不同电压(或场强)下获得的材料失效时间绘制寿命曲线,即场强-寿命关系曲线。

恒定场强下寿命与场强的关系(即电老化寿命定律)为

式中　E——电场强度(简称“场强”),V/m(或N/C);

k——标准恒定场强下的寿命,h;

tE——被测绝缘材料在实际场强E 下的电老化寿命,h;

n——老化寿命系数,无量纲。

电老化寿命定律表明电老化寿命与场强不是线性关系。 电老化试验就是以该寿命定律为基础,在强化电场强度下,测量寿命与场强的关系曲线,求出老化寿命系数n。