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绝缘材料耐久性实验

时间:2014-02-27 11:02来源:未知 作者:admin 点击:
材料在外界应力作用下,随着时间的延续,原有功能性逐渐丧失,这是材料的老化现象。当材料某项主要功能降低到某一数值,不能适应实际使用条件时,标志该材料已达到它的耐久性

 

        材料在外界应力作用下,随着时间的延续,原有功能性逐渐丧失,这是材料的老化现象。当材料某项主要功能降低到某一数值,不能适应实际使用条件时,标志该材料已达到它的耐久性极限或称为寿命终了。一般使用条件的应力作用下材料老化到寿命终止的时间,通常需要3~5a,甚至更长时间。如电机使用寿命一般为20a。为此不能待实际应用后来确定绝缘材料的作用,而是必须要有一种合理、较短的时间内获得绝缘材料老化寿命的试验方法,也就加速老化耐久性试验,以满足绝缘结构设计要求,提供材料筛选的依据。绝缘材料用于各种不同的电工产品,可起到某些方面的功能作用,例如浸渍漆在绝缘结构中主要是起到加强绝缘部件的整体性,防护绝于在哪结构受外界环境因素的侵蚀等作用。薄层绝缘材料主要用作隔电的衬垫和包扎。一种材料可能有几种用途,在不同的应用场合起着不同的功能作用,因而在老化寿命评定上也有不同的耐久性试验指标。材料耐久性试验,是一种模拟性试验,是用增加施加的老化应力的强度或频率,使之加速老化以缩短实验室时间的方法,但加强的程度以不改变原来的老化机理为限度,即耐久性试验结果与正常应力下实际寿命时间之间,应有一个稳定的转换关系。材料耐久性试验提供的只是“规定条件下的简单比较数据”,用于进行材料之间的比较,它不同于绝缘结构的寿命试验,不存在材料之间的形容性问题。进行材料之间比较,必须在同一条件下试验才有效,试验条件不同,试验方法不同,试验结果就不同,缺乏可比性。
低压电器设备材料的老化主要由热引起,评定绝缘材料长期耐热性的方法在不断发展,很长时间是用A、E、B、F、H、200℃、220℃、250℃级来划分绝缘材料和绝缘结构的耐热等级。随着绝缘材料和电工产品发展,绝缘材料和绝缘结构的耐热性既有联系又有区别,有必要分别来表示。1974年国际电工委员会推荐采用温度指数和耐热概貌来表达绝缘材料的长期耐热性。温度指数是在特定试验条件下,规定的热寿命时间所对应的温度,一般指相当于20000h的摄氏温度。到1982年国际电工委员会提出耐热指数,由两个温度值组成,第一个温度值是温度指数;第二个是半寿命温差。半寿命温差是耐热关系中,温度指数对应的寿命减少一半时,相应温度的差值。耐热指数更便于材料进行比较。热老化试验的理论依据    提高温度可以加速材料的老化。热老化试验是将材料暴露在比预计工作温度高的温度下,测定其某些性能随时间的变化,来取得热寿命,从而确定热性关系。再用外推法求取材料温度指数和半寿命温差。也可将被试材料与已有使用经验的参考材料,同时在相同条件下进行对比老化试验,有参考材料耐热关系,允许使用温度中,求取被测试材料的温度指数,成为相对温度指数。常规法评定材料的耐热指数    国内外长期沿用的试验方法是常规老化法(CA),通常是在三个温度老化,最好是四个温度老化而得到相应的寿命,这样可以通过一元线性回归分析计算出式中的两个常数,得到被测试材料的寿命线性方程,再外推到20000h,所对应的温度即为该材料长期最高工作温度,即温度指数和相应半寿命温差。耐热指数用TI-HIC来表示。
常规老化法评定的试验程序如下:正确选用老化烘箱及制备试样  老化烘箱应能保持试验温差±2℃以内,其换气量范围在100~150次/h。正确选定参数和实效标准  选择作为评定材料热寿命的性能参数要与绝缘材料在使用中承担的主要功能相一致,同时能反应老化过程中主要变化。由于老化过程中各种性能的老化速率不等,因此材料应根据使用场所和老化机理来选择一个或几个评定热寿命的性能参数。选择合适的老化温度和周期  为了统计、检验耐热关系是否呈线性,以及保证温度外推的可靠性。选用温度不应过高,试验至少在三个或四个老化温度下进行。选择的最低老化温度实效时间中值应不少于5000h。最高老化温度实效时间中值不少于100h,各相邻老化温度的差值通常取20K。如果最高老化温度超过材料的熔点或软化点,则差值可减少,但不要少于10K。为求取温度指数,外推不超过25K。对周期性老化方式,最好在各老化温度下,是试样实效前,经历大致相等的周期数。热老化试验由中温开始为宜,可以起到探索试验的作用,判断材料的耐热性与实现估计是否相符。如果估计高了,将此温度点作为最高温度点的试验,再向低温选取老化温度。数据处理及温度指数、半差值、耐热指数的求出  常规法评定的温度指数用TI表示,必须要表明老化性能参数和失效标准,因为不同的老化性能参数和失效标准,基耐热指数不一定相同,国内对材料评定常用温度指数TI代表,而且经常忽略半差值HIC,因此表达不够完整,但均为同行业所理解。热重点写法评定材料的耐热指数    常规老化法(CA)是国际上公认的寿命试验方法,有较高的可靠性,但是试验要一年左右的时间,消耗大量的人力和物力,这对新型绝缘材料的应用很不利,为了减少试验时间,国际上对于快速方法研究进行了40余年,国际也报道了多种快速方法。热重点斜法(TPS)是其中相对正确、可靠的方法,并已上升为原第一机械工业部部颁标准方法,它是采用统计数学的方法在热重分析(TG)与CA之间建立了定量的关系式,从而可以通过TG曲线直接计算,即热寿命线的斜率。割线法    本方法可真哟喂绝缘浸渍漆和漆布热老化性能的快速筛选配方之用,但不能作评定材料温度指数的依据。热重割线法师有TG曲线直接计算而得,优点是十分简便和快速,结果可以表征材料的化学稳定性,尚能大致反映出耐热性,可以作为配方的筛选和与己知温度指数的材料做对比,但不能老评定材料的温度指数。与CA相比,误差过大,准确度仅为±30℃。由于热重割线法以化学稳定性为依据,而功能系数对新材料很难覆盖,误差甚大,不能作评定材料的依据,其中155漆用点斜法测定Td与用割线法测定Tzg可相差27℃之大。
绝缘材料在外界电应力长期作用下,导致各种性能逐渐下降的现象称为材料的电老化。产生老化的因素很多,有电导电流,介质损耗,电磁力,局部放电等多种因素。但从目前实际应用情况中反映,影响材料电老化寿命的主要是局部放电,产生原因是由于在制造过程中包含了一部分比绝缘介质容易击穿的气隙或其他杂质,在外加电压升高时,造成这部分空气或其他成分的局部击穿而产生局部放电。局部放电对绝缘材料的损害很大,但对不同材料,由于材料结构不同,局部放电使材料损坏的过程也不尽相同,如聚乙烯用于高压电缆的制造,局部放电使它加速裂解;对发电机线圈的云母绝缘则认为加剧离子轰击是损坏的主要原因。一般都用放电条件下材料的击穿场强评定电老化参数。局部放电对绝缘材料的破坏过程中,总是留下不可逆的破坏痕迹,在材料的介电、力学性能方面反映出明显的变化。放电产生的低分子极性物质或酸类渗透到材料内容,使材料体积电阻下降,损耗角正切上升,这类变化在油浸纸绝缘中尤为明显。使材料丧失弹性、发脆或开裂。放电以后有气体和粒子遗留下来,从而使材料放电起始电压逐渐降低,改变了各种放电特性。
影响局部放电的因素    产生局部放电,材料内部的因素主要是气隙和杂质;影响局部放电的外部因素主要是频率、场强、温度和湿度。频率提高往往会加速老化,在变频电机中不耐电晕的材料寿命甚短,而只有专门为变频电机生产的电磁线才能经受变频引起的电老化。场强很高,放电次数增加,加速了放电击穿的进度。温度提高,使有机绝缘材料耐放电能力下降,这是因为绝缘材料的电阻随温度上升而下降。所以材料的放电起始电压随温度增加而降低,放电产生化学腐蚀以及热不稳定性都随之增加,因而缩短了它的电老化寿命。但个别材料在高温下耐放电性反而有所提高。相对湿度提高,材料的电老化寿命缩短,因为绝缘电老化过程中湿度加速材料化学降解。但在一定湿度范围内,材料表面形成一层使表面放电减弱的半导体薄膜层,从而提高了材料的耐放电寿命。因此,局部放电的试验都必须在上述四个因子的作用下进行,才能使试验数据有较好的重复性和可比性。如电痕化的老化就必须规定工频电压、污染也之下进行;热电老化必须在规定工频电压、温度、相对湿度下进行。电老化试验方法恒压电老化实验法是根据IEC出版物343和ASTM D2275-75,在规定试样厚度、规定电极[Ф(6±0.3)mm]和试验环境条件(室温15~35℃,相对湿度不超过20%的干燥空气、空气流量不小于0.5L/min)下进行试验,至少在三个实验电压下确定寿命与电压关系、最高试验电压下试样寿命不小于相当工频下100h,最低试验电压试样寿命不小于相当工频下5000h。如在高频下进行,则验证材料寿命与频率成反比,而后计算工频下等值寿命。质量损失法是在电场恒定下进行电老化试验的方法,主要测量材料在一定放电强度下,质量随试验时间变化曲线,通常用来评定薄膜的放电性能。绝缘强度方法是根据性能与时间的关系方程推导出的一种电老化试验方法,用若干组试样在形同场强下老化,经受不同的老化时间取出,测定其击穿强度的平均值,作出绝缘材料的击穿强度与老化时间的曲线,取一组未经老化的试样进行匀速升压击穿试验,记录击穿强度及击穿试验时间。等效老化法是根据电场强度改变只影响老化速度而不影响老化机理的前提推导出来的方法,即老化总量相等的老化时间是等效的。电老化终点标志  电老化试验通常以电击穿作为试样寿命终点的标志,但也可采用质量损失、弹性丧失、脆性增加、电导的增加、tanδ的上升、介电强度的下降等作为材料其他性能参数变化考核的依据。这将按实验目的而定。
B级绝缘高压线圈全粉云母带的电热老化试验线圈绝缘结构  匝间绝缘结构  0.9mm×2.83mm高强度聚酯漆包双玻璃丝、包扁线双排并绕。对地绝缘  5438-1环氧桐油酸酐粉云母带0.14mm,端部手工半叠包7~8层,搭接出成正锥体,单边绝缘厚度为2.25mm。热电老化试验  试验方法  在烘箱温度130℃,电压21kV下进行(线圈表面温度为130℃,因线圈加压后升温5℃),考虑试验电压高,时间长,进行了防晕处理。热电老化后防晕层的介质损耗成倍增加,但去防晕层则几乎没有多大影响。在高压下,线圈绝缘的电晕老化是影响寿命的因素之一。绝缘结构内部的游离放电时绝缘内部的气隙造成的,起始游离电压、游离放电能量等随气隙大小不同而增减。线圈经热电老化后其起始游离电压和熄灭游离电压有所提高,但都在允许范围之内。热电老化时间对匝间击穿电压影响不大,但对地则显著下降。对地绝缘主要是环氧桐油酸酐粉云母带的绝缘,但离热老化的寿命终点13.2kV/min还余度很大。热老化试验结果显示,高线圈达到高压线圈质量评定中电热老化试验的优等品要求,即130℃,21kV,>500h。当继续至1540时线圈性能老化前后相近,保持良好。由于绝缘材料在高能电离辐射环境中的应用日益增多,工程上需要可以评价绝缘材料耐辐射能力的试验方法,不仅要详细了解辐射对绝缘材料的影响和效应,而且要了解不同类别辐射,包括电磁波、电子、中子等,与物质相互作用的机理,目前这方面工作正处于不断开发和逐步完善阶段。
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