核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備熱老化試驗(yàn)方法概述解析

徐學(xué)敏

（上海電器設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 200063）

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

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

安全級(jí)設(shè)備執(zhí)行安全功能的能力可能受到環(huán)境條件和運(yùn)行條件隨時(shí)間變化的影響，我們應(yīng)從設(shè)備的設(shè)計(jì)、功能、材料和環(huán)境條件等方面進(jìn)行審查，以確定顯著的老化機(jī)理。

顯著老化機(jī)理是指在正常和異常的運(yùn)行環(huán)境下，使設(shè)備在安裝壽期內(nèi)性能劣化趨勢(shì)明顯的老化機(jī)理。

了解構(gòu)成安全級(jí)電氣設(shè)備的具體材料在其受到環(huán)境和運(yùn)行應(yīng)力影響下的反應(yīng)，是判斷設(shè)備對(duì)老化機(jī)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(jī)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(yàn)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(gè)每種類型設(shè)備所特有的專項(xiàng)質(zhì)量鑒定大綱來實(shí)施的。質(zhì)量大綱通常包括以下一系列試驗(yàn)：基準(zhǔn)試驗(yàn)、極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)、評(píng)價(jià)設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)、事故和事故后環(huán)境條件的試驗(yàn)。其中評(píng)價(jià)設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)包括以下試驗(yàn)：高溫、低溫、交變濕熱、長期運(yùn)行、熱老化、輻照、振動(dòng)老化等［1］。這些試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度、評(píng)價(jià)其耐久性。由于非金屬元器件會(huì)隨著溫度和時(shí)間的變化出現(xiàn)劣化，加速熱老化試驗(yàn)主要用于電氣設(shè)備部件中的非金屬元器件的熱壽命評(píng)估。因此核級(jí)電氣設(shè)備的加速熱老化試驗(yàn)是鑒定試驗(yàn)至關(guān)重要的一個(gè)過程，本文主要介紹了目前幾種常用試驗(yàn)方法，并對(duì)其差異及主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)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(yàn)公式，材料的熱氧化分解過程可以用阿侖尼烏斯公式進(jìn)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——?dú)怏w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(yùn)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(shí)間的方法來等效地獲得材料的劣化程度。

2 核級(jí)電氣設(shè)備加速熱老化評(píng)定方法

2.1 直接選取活化能獲得的熱壽命評(píng)定

該方法是基于阿倫尼烏斯定律，通過對(duì)有機(jī)材料施加熱應(yīng)力，進(jìn)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(shí)，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(jī)材料構(gòu)成時(shí)，應(yīng)在由各種材料活化能計(jì)算得出的加速老化時(shí)間中選擇最為保守的數(shù)值。此方法對(duì)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(jì)算。

式中：t1——合格壽期的時(shí)間，單位為h；

t2——加速老化的時(shí)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(jī)絕緣材料的組成相對(duì)簡單，熱老化壽命時(shí)間相對(duì)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(yàn)條件時(shí)也應(yīng)注意試驗(yàn)時(shí)間不應(yīng)過短或者溫度不應(yīng)過高，試驗(yàn)時(shí)間過短，激發(fā)不了材料的老化效應(yīng)；試驗(yàn)溫度過高，超過了絕緣材料的分解溫度，老化機(jī)理將被改變。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，加速因子t1/t2應(yīng)小于250；加速老化時(shí)間不應(yīng)低于1000 h。在活化能未知時(shí)，可選擇不大于0.8 eV的數(shù)值［4］。表2分別計(jì)算了運(yùn)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(shí)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(píng)定

電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等產(chǎn)品由多種絕緣材料組成，由于需要評(píng)定的熱壽命時(shí)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(shí)間將達(dá)到上萬個(gè)小時(shí)。因此需要選取一個(gè)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(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn)過程的說明。

電機(jī)的失效時(shí)間和熱力學(xué)溫度符合阿倫尼烏斯方程。

式中：τ——熱壽命時(shí)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(diǎn)熱老化法

電機(jī)的老化試驗(yàn)一般用絕緣系統(tǒng)來進(jìn)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(jí)，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(duì)其進(jìn)行熱壽命評(píng)定。一般選取三到四個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行老化，兩個(gè)溫度點(diǎn)之間的間隔一般不小于10 K，不大于20 K。

熱老化試驗(yàn)用模型線圈為樣品，散繞繞組模型一般每個(gè)溫度至少選取10個(gè)樣品（GB/T 17948.1-2000版要求至少選取10個(gè)樣品，2018版要求至少選取5個(gè)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(gè)樣品），成型繞組模型一般每個(gè)溫度點(diǎn)至少選取5個(gè)樣品。5個(gè)樣品是滿足統(tǒng)計(jì)置信度的最小推薦數(shù)量。

按照以下程序進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）質(zhì)量保證試驗(yàn)

外觀檢查及耐壓試驗(yàn)。

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

一般散繞繞組按如表3選擇，持續(xù)時(shí)間為10 min。

表3 散繞繞組試驗(yàn)參數(shù)表Table 3 Parameter table of voltage withstand test for wire wound windings

成型繞組選擇2UN進(jìn)行試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間1 min。

（2）初始診斷試驗(yàn)

進(jìn)行診斷分周期的全部試驗(yàn)，包括振動(dòng)試驗(yàn)、潮濕試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)，按順序進(jìn)行。

以上試驗(yàn)全部合格以后，試樣投入到熱老化試驗(yàn)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(gè)較高的老化溫度點(diǎn)，溫差間隔為20 K或者更大。當(dāng)用多于四個(gè)老化溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)溫度應(yīng)不高于外推求得溫度的25 K。

（4）診斷分周期

每個(gè)試樣按振動(dòng)試驗(yàn)、潮濕試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)順序進(jìn)行診斷試驗(yàn)。

振動(dòng)試驗(yàn)在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，參數(shù)見表4。

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

潮濕試驗(yàn)：應(yīng)產(chǎn)生可見凝露，暴露時(shí)間為48 h，試品的溫度控制在15～35℃范圍內(nèi)［6，7］。對(duì)于完全封閉的絕緣結(jié)構(gòu)，可能另外需要進(jìn)行浸水試驗(yàn)。

耐壓試驗(yàn)：在潮濕試驗(yàn)完成且試品溫度接近室溫后進(jìn)行，試樣應(yīng)保持潮濕。試驗(yàn)電壓的選擇同質(zhì)量保證試驗(yàn)。試樣任一形式連續(xù)兩個(gè)周期擊穿即記錄為失效。

對(duì)熱老化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行阿侖尼烏斯坐標(biāo)（壽命的對(duì)數(shù)—絕對(duì)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(yàn)方法至少需要10個(gè)月的時(shí)間（通常需要12個(gè)月甚至更長的時(shí)間）才能完成全部。

2.2.2 單溫度點(diǎn)熱老化試驗(yàn)（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(diǎn)（為了節(jié)省時(shí)間，一般選取高溫點(diǎn)）來驗(yàn)證活化能。試驗(yàn)時(shí)間約3～4個(gè)月。

用單溫度點(diǎn)法確定活化能，需將整個(gè)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(jìn)行熱失重試驗(yàn)，得到熱失重曲線，取失重5%～50%（間隔5%）所對(duì)應(yīng)的10個(gè)溫度值，按下列經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算該材料的活化能Ep。

式中：E0——常數(shù)，單位為J/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/（K·mol）；

C0——系數(shù)；tn——對(duì)應(yīng)于每個(gè)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(yàn)條件取值，依據(jù)JB/T 1544。

3 方法對(duì)比分析

方法1：直接選取活化能獲得的熱壽命評(píng)定，需要根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)進(jìn)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(duì)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(xiǎn)，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(píng)定——多點(diǎn)法。該方法是國際通用的試驗(yàn)方法，需先對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行加速熱壽命試驗(yàn)，確認(rèn)熱壽命方程，根據(jù)熱壽命方程再對(duì)成品進(jìn)行熱老化鑒定試驗(yàn)，本方法的熱壽命方程根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果獲得，可靠度較高，但整體鑒定時(shí)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(jī)的鑒定等。

基于熱壽命曲線的熱壽命評(píng)定——單點(diǎn)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(diǎn)熱老化試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)熱壽命方程，根據(jù)熱壽命方程再對(duì)成品進(jìn)行熱老化鑒定試驗(yàn)。該方法的整體鑒定時(shí)間較短，但是該試驗(yàn)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(yàn)的方法獲得，后續(xù)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和長期試驗(yàn)結(jié)果，可匯總完善實(shí)際活化能數(shù)據(jù)庫，一方面可以降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度，另一方面可以縮短鑒定時(shí)間和費(fèi)用。