劉亞麗 郭振巖 陳 昊

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

電氣絕緣材料是電工、電子產(chǎn)品的主要基礎(chǔ)原材料，在絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電工產(chǎn)品制造中，對(duì)絕緣材料要求進(jìn)行絕緣性能測(cè)試。絕緣材料的絕緣性能包括電、熱、機(jī)械等各種物理、化學(xué)性能，主要包括耐熱性、電阻特性、介電特性、電氣強(qiáng)度、局部放電等。在絕緣材料的研發(fā)和工程應(yīng)用中，在電工、電子產(chǎn)品研究、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中，要進(jìn)行一系列絕緣性能試驗(yàn)。對(duì)于評(píng)估絕緣材料的耐熱性，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法準(zhǔn)確測(cè)量耐熱性和快速評(píng)估耐熱性十分重要。

國(guó)內(nèi)外評(píng)估電氣絕緣材料的耐熱性，多采用常規(guī)的長(zhǎng)期熱老化試驗(yàn)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)“常規(guī)熱老化”），普遍采用的方法是 IEC 60216《電氣絕緣材料 耐熱性》系列標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部分，等同轉(zhuǎn)化的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11026系列。另外，IEC/TS 60216-7-1《電氣絕緣材料 耐熱性 第7-1部分：利用分析試驗(yàn)方法加速確定相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）-基于活化能的計(jì)算導(dǎo)則》，提出了一種加速確定電氣絕緣材料相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）的方法（簡(jiǎn)稱(chēng)“加速熱老化”）。特別的是，我國(guó)自主制定的JB/T 1544—2015《電氣絕緣浸漬漆和漆布快速熱老化試驗(yàn)方法 熱重點(diǎn)斜法》，也提出了一種快速評(píng)估絕緣材料壽命的方法（簡(jiǎn)稱(chēng)“熱重點(diǎn)斜法”）。

常規(guī)熱老化方法的程序評(píng)估一種電氣絕緣材料的耐熱性能會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，在新材料開(kāi)發(fā)中或在篩選現(xiàn)有絕緣材料產(chǎn)品是否可作為一種電氣絕緣系統(tǒng)的組成材料時(shí)，常規(guī)熱老化方法的使用受到限制。為了縮短熱老化試驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)間和減少成本，工業(yè)上對(duì)快速測(cè)試相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）/溫度指數(shù)（TI）和半差（HIC）有重要需求。因此，研究和制定適合評(píng)估所有類(lèi)型絕緣材料耐熱性的快速熱老化試驗(yàn)方法是工業(yè)生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。本文介紹了測(cè)試電氣絕緣材料耐熱性方法的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，對(duì)比分析了常規(guī)熱老化、加速熱老化與熱重點(diǎn)斜法之間的差異。

1 電氣絕緣材料耐熱性測(cè)試方法的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

電氣絕緣材料耐熱性測(cè)試方法的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容，適用的范圍和對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)見(jiàn)下表。

2 常規(guī)熱老化與熱重點(diǎn)斜法的對(duì)比分析

常規(guī)熱老化的基本程序是選擇至少三個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)絕緣材料進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，得出至少三組壽命終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)值紙上得出絕緣材料壽命曲線即耐熱圖，其中橫坐標(biāo)為開(kāi)氏溫度的倒數(shù)，縱坐標(biāo)為相應(yīng)測(cè)試溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的終點(diǎn)壽命時(shí)間的對(duì)數(shù)。通過(guò)壽命曲線得出阿列紐斯方程中的相關(guān)系數(shù)，從而評(píng)價(jià)絕緣材料的耐熱性。阿列紐斯方程為：

表 測(cè)試電氣絕緣材料耐熱性的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

式中，k為化學(xué)反應(yīng)速率；A為指前因子；T為溫度，以開(kāi)氏溫度表示，單位為開(kāi)爾文（K）；Ea為反應(yīng)活化能。

熱重點(diǎn)斜法的基本程序是由常規(guī)熱老化試驗(yàn)方法做一恒溫點(diǎn)功能性試驗(yàn)，求得該溫度下的熱壽命值；由熱重曲線取得熱壽命線的斜率，快速評(píng)估材料的熱老化性能。從熱重曲線上，取失重 5%～50%所對(duì)應(yīng)的十個(gè)溫度值，按照經(jīng)驗(yàn)式（2）計(jì)算該材料的表觀熱裂解活化能Ep：

式中，E0為常數(shù)，單位為焦每摩爾（J/mol）；R為氣體常數(shù)，8.314J/（K·mol）；C0為系數(shù)；WΔ為試樣在tn下的失重量的數(shù)值，單位為毫克（mg）；aW 為試樣總失重量的數(shù)值，單位為毫克（mg）；a/W WΔ為失重百分?jǐn)?shù)；tn為對(duì)應(yīng)于每一個(gè)a/W WΔ的溫度數(shù)值，單位為攝氏度（℃）。

其中，E0和 RC0是通過(guò)大量試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，在JB/T 1544—2015中對(duì)這一經(jīng)驗(yàn)數(shù)值有所規(guī)定。

綜上，常規(guī)熱老化與熱重點(diǎn)斜法相比有以下不同電：一是進(jìn)行熱老化溫度點(diǎn)個(gè)數(shù)不同。常規(guī)熱老化需要進(jìn)行至少三個(gè)溫度點(diǎn)的熱老化，熱重點(diǎn)斜法只需要進(jìn)行一個(gè)溫度熱老化；二是基于的理論公式不同。常規(guī)熱老化基于阿列紐斯方程。而熱重點(diǎn)斜法基于經(jīng)驗(yàn)公式，公式中相關(guān)系數(shù)基于通過(guò)對(duì)于浸漬漆和漆布材料進(jìn)行大量試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

4 加速熱老化與熱重點(diǎn)斜法的對(duì)比分析

IEC 60216-7-1提出了一種可以進(jìn)一步縮短測(cè)試時(shí)間的非常規(guī)耐熱性表征方法，即加速熱老化?；镜某绦蚴腔跓岱治龇椒ǎㄌ貏e是熱重分析法 TGA和差示掃描熱量法 DSC，但不限于這些方法）評(píng)估絕緣材料熱降解的活化能。在常規(guī)熱老化過(guò)程所選擇的最高溫度下，按照IEC 60216-1和IEC 60216-5進(jìn)行單點(diǎn)熱耐熱性試驗(yàn)，計(jì)算與所選壽命相對(duì)應(yīng)的溫度，也就是估計(jì)相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）。由于這種分析方法固有的不確定性，所以采用相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）表征材料耐熱特性，而不是采用熱壽命。目前，這些方法的普遍適用性還需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。結(jié)合常規(guī)單點(diǎn)熱老化的特性值，IEC 60216-7-1通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出反應(yīng)活化能與相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）之間的計(jì)算公式，如式（3）：

式中，RTE為相對(duì)耐熱指數(shù)，單位為攝氏度（℃）；TLS為單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)的溫度，或者相對(duì)平均終點(diǎn)時(shí)間的溫度，單位為開(kāi)爾文（K）；Ea為反應(yīng)活化能；R為氣體常數(shù)，8.314J/（K·mol）；tLS為單點(diǎn)熱老化壽命時(shí)間，單位為小時(shí)（h）；tTI為溫度指數(shù)TI所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，為20000h。

綜上，加速熱老化與熱重點(diǎn)斜法相比有以下相同點(diǎn)：一是進(jìn)行熱老化溫度點(diǎn)個(gè)數(shù)和推薦選取最高溫度點(diǎn)的方式相同。均是選擇單點(diǎn)進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，且建議選擇基于常規(guī)熱老化試驗(yàn)的最高溫度點(diǎn)；二是都通過(guò)活化能推導(dǎo)耐熱特性參數(shù)。同時(shí)，存在以下不同點(diǎn)：一是測(cè)試的耐熱特征參數(shù)不同。IEC 60216-7-1測(cè)試的是相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE），熱重點(diǎn)斜法測(cè)試的是熱老化壽命；二是基于的理論公式不同。IEC 60216-7-1基于熱分析方法和常規(guī)單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出相對(duì)耐熱指數(shù)（RTE）與反應(yīng)活化能之間的關(guān)系式。熱重點(diǎn)斜法基于經(jīng)驗(yàn)公式，其中相關(guān)系數(shù)基于通過(guò)對(duì)于浸漬漆和漆布材料進(jìn)行大量試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

評(píng)估電氣絕緣材料的耐熱性一直以來(lái)備受學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域和工程實(shí)際應(yīng)用界的關(guān)注和重視，隨著電工和電子產(chǎn)品的發(fā)展，急需一種快速評(píng)估基礎(chǔ)絕緣原材料耐熱性能或熱老化壽命的方法標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)，在通過(guò)對(duì)IEC 60216-7-1標(biāo)準(zhǔn)平行試驗(yàn)驗(yàn)證和改進(jìn)提升后，一種普遍適用的快速評(píng)估絕緣材料耐熱性或熱老化壽命的方法標(biāo)準(zhǔn)有望被研制成功和頒布實(shí)施。