电气绝缘材料耐热性测试方法的标准化进展

刘亚丽;郭振岩;陈昊

【摘 要】电气绝缘材料是电工、电子产品发展的基础和保证,是电工、电子产品具有先进技术性的关键,对电机、变压器、电缆、高低压电器等产品的应用和发展具有重要作用。电气绝缘材料耐热性直接与其所服役的绝缘结构的可靠性指标相关。如何选择适当的测试方法标准,来准确测量绝缘材料的耐热性和快速评估绝缘材料的耐热性是绝缘材料研发和工程应用中备受关注的问题。本文介绍了测试电气绝缘材料耐热性方法的国内外标准现状,对比分析了常规热老化、加速热老化与热重点斜法之间的差异。

【期刊名称】《电气技术与经济》

【年(卷),期】2018(000)003

【总页数】3页(P45-47)

【关键词】电气绝缘材料;耐热性;标准化

【作 者】刘亚丽;郭振岩;陈昊

【作者单位】机械工业北京电工技术经济研究所;机械工业北京电工技术经济研究所;机械工业北京电工技术经济研究所

【正文语种】中 文

【中图分类】TM21

0 引言

电气绝缘材料是电工、电子产品的主要基础原材料，在绝缘系统设计和电工产品制造中，对绝缘材料要求进行绝缘性能测试。绝缘材料的绝缘性能包括电、热、机械等各种物理、化学性能，主要包括耐热性、电阻特性、介电特性、电气强度、局部放电等。在绝缘材料的研发和工程应用中，在电工、电子产品研究、设计、制造和运行中，要进行一系列绝缘性能试验。对于评估绝缘材料的耐热性，选择适当的测试方法准确测量耐热性和快速评估耐热性十分重要。

国内外评估电气绝缘材料的耐热性，多采用常规的长期热老化试验方法（简称“常规热老化”），普遍采用的方法是 IEC 60216《电气绝缘材料 耐热性》系列标准的相关部分，等同转化的国家标准为GB/T 11026系列。另外，IEC/TS 60216-7-1《电气绝缘材料 耐热性 第7-1部分：利用分析试验方法加速确定相对耐热指数（RTE）-基于活化能的计算导则》，提出了一种加速确定电气绝缘材料相对耐热指数（RTE）的方法（简称“加速热老化”）。特别的是，我国自主制定的JB/T 1544—2015《电气绝缘浸渍漆和漆布快速热老化试验方法 热重点斜法》，也提出了一种快速评估绝缘材料寿命的方法（简称“热重点斜法”）。

常规热老化方法的程序评估一种电气绝缘材料的耐热性能会耗费很长时间。因此，在

新材料开发中或在筛选现有绝缘材料产品是否可作为一种电气绝缘系统的组成材料时，常规热老化方法的使用受到限制。为了缩短热老化试验项目的时间和减少成本，工业上对快速测试相对耐热指数（RTE）/温度指数（TI）和半差（HIC）有重要需求。因此，研究和制定适合评估所有类型绝缘材料耐热性的快速热老化试验方法是工业生产中急需解决的问题。本文介绍了测试电气绝缘材料耐热性方法的国内外标准现状，对比分析了常规热老化、加速热老化与热重点斜法之间的差异。

1 电气绝缘材料耐热性测试方法的国内外标准

电气绝缘材料耐热性测试方法的国内外标准，各个标准的主要技术内容，适用的范围和对应国家标准编号见下表。

2 常规热老化与热重点斜法的对比分析

常规热老化的基本程序是选择至少三个温度点，对绝缘材料进行热老化试验，得出至少三组寿命终点对应的温度和时间数据，在对数坐标值纸上得出绝缘材料寿命曲线即耐热图，其中横坐标为开氏温度的倒数，纵坐标为相应测试温度时对应的终点寿命时间的对数。通过寿命曲线得出阿列纽斯方程中的相关系数，从而评价绝缘材料的耐热性。阿列纽斯方程为：

表 测试电气绝缘材料耐热性的国内外标准IEC标准号和标准名称 主要技术内容 适用范围 对应国家标准编号IEC 60216-1:2013 电气绝缘材料 耐热性 第 1部分：老化程序和试验结果的评估IEC 60216-2:2005 电气绝缘材料 耐热性 第 2部分：试验判断标准

的选择IEC 60216-3:2006 电气绝缘材料 耐热性 第 3部分：计算耐热特征参数的规程规定了用作获得电气绝缘材料耐热特征参数的一般老化条件和程序，并规定了使用IEC 60216其他部分的详细规程和准则。规定了确定耐热性特征值测试标准的选用导则，即老化寿命终点判断标准的选择。规定了用 IE C60216-1和 IEC 60216-2获得的试验数据推导耐热特征参数的所应用的计算程序。与 IEC 60216-2、IEC 60216-3、IEC 60216-4配合使用，适用于绝缘材料耐热性的常规热老化评估。与 IEC 60216-1、IEC 60216-3、IEC 60216-4配合使用，适用于绝缘材料耐热性的常规热老化评估。与 IEC 60216-1、IEC 60216-2、IEC 60216-3配合使用，适用于绝缘材料耐热性的常规热老化评估。GB/T 11026.1—2016 GB/T 11026.2—2012 GB/T 11026.3—2017 IEC 60216-4-1:2006 电气绝缘材料 耐热性 第4-1部分：老化烘箱 单室烘箱规定了作为电气绝缘耐热性评估用的换气、电热的单室烘箱（带有或不带强迫空气循环）的最低要求，还规定了老化烘箱的验收试验和运行中的控制试验。为绝缘材料耐热性老化试验选用老化烘箱提供参考标准。适用于在比环境温度高 20～500℃的整个温度范围内或部分范围内运行的烘箱。GB/T 11026.4—2012 IEC 60216-4-2:2000 电气绝缘材料 耐热性 第4-2部分：老化烘箱 温度达300℃的精密烘箱IEC 60216-4-3:2000 电气绝缘材料 耐热性 第4-3部分：老化烘箱 多室烘箱规定了电气绝缘材料评估用和其他用途的通风与电加热精密烘箱的最低性能要求。规定了电气绝缘材料耐热性评估用或其他适度调节应用的耐热性评估用多室老化烘箱的通风与加热的基本要求。为绝缘材料耐热性老化试验选用老化烘箱提供参考标准。适用于在比环境温度高20K～300℃的整个温度范围内运行的全部或部分温度段的精密烘箱。为绝缘材料耐热性老化试验选用老化烘箱提供参考标准。适用于在比环境温度高20K～500℃的整个温度范围内或部分范围内运行的多室烘箱。GB/T 11026.5—2010 GB/T 11026.6—2010 IEC 60216-5:2008 电气绝缘材料 耐热性 第 5部分：确定绝缘材料相对耐热指数（RTE）规定了用于得出材料相对耐热指数的试验和计算程序，是对 IEC

60216-3中计算程序的补充。适用于确定绝缘材料相对耐热指数（RTE）。当热应力是老化的主要因数时，也适用于确定电气绝缘系统的热分级。GB/T 11026.7—2014 IEC 60216-6:2006 电气绝缘材料 耐热性 第 6部分：用固定时限法确定绝缘材料的耐热指数（TI和RTE）规定了使用固定时限法对绝缘材料耐热性、温度指数（TI）和相对耐热指数（RTE）进行推导的试验与计算程序。与 IEC 60216-1、IEC 60216-2、IEC 60216-5配合使用，获得绝缘材料的温度指数和相对耐热指数。适用于绝缘材料耐热性的常规热老化评估，且仅适用于破坏性试验。GB/T 11026.8—2014 IEC/TS 60216-7-1:2015 电气绝缘材料 耐热性 第7-1部分：利用分析试验方法加速确定相对耐热指数（RTE）—基于活化能计算导则通过热分析方法评估热降解反应的活化能和常规寿命试验，以得出的耐热性曲线图，规定了评估电气绝缘材料耐热性的加速程序。该测试程序适用于评估相对耐热指数（RTE）。基于耐热性预测适用于限定的单因子老化反应，尤其对于已经确定终点判断标准的绝缘材料。转化中IEC 60216-8:2013 电气绝缘材料 耐热性 第 8部分：利用简化程序计算耐热特性的导则规定了一般老化条件和简化程序用以获得耐热特性，包括温度指数（TI）、相对温度指数（RTI）和半差（HIC）。提出的程序规定了评估长期曝露于高温下绝缘材料耐热性的原则。与 IEC60216-1、IEC 60216-2、IEC 60216-5配合使用，获得绝缘材料的温度指数、相对耐热指数和半差。适用于绝缘材料耐热性的常规热老化评估。GB/T 11026.9—2016 JB/T 1544—2015 电气绝缘浸渍漆和漆布快速热老化试验方法—热重点斜法规定了漆膜柔软的电气绝缘浸渍漆和漆布的快速热老化试验方法。适用于漆膜柔软的电气绝缘浸渍漆和漆布的快速热老化试验。 —

式中，k为化学反应速率；A为指前因子；T为温度，以开氏温度表示，单位为开尔文（K）；Ea为反应活化能。

热重点斜法的基本程序是由常规热老化试验方法做一恒温点功能性试验，求得该温度下的热寿命值；由热重曲线取得热寿命线的斜率，快速评估材料的热老化性能。从热重曲线上，取失重 5%～50%所对应的十个温度值，按照经验式（2）计算该材料的表观热裂解活化能Ep：

式中，E0为常数，单位为焦每摩尔（J/mol）；R为气体常数，8.314J/（K·mol）；C0为系数；WΔ为试样在tn下的失重量的数值，单位为毫克（mg）； aW 为试样总失重量的数值，单位为毫克（mg）；a/W WΔ为失重百分数；tn为对应于每一个a/W WΔ的温度数值，单位为摄氏度（℃）。

其中，E0和 RC0是通过大量试验得出的经验数值，在JB/T 1544—2015中对这一经验数值有所规定。

综上，常规热老化与热重点斜法相比有以下不同电：一是进行热老化温度点个数不同。常规热老化需要进行至少三个温度点的热老化，热重点斜法只需要进行一个温度热老化；二是基于的理论公式不同。常规热老化基于阿列纽斯方程。而热重点斜法基于经验公式，公式中相关系数基于通过对于浸渍漆和漆布材料进行大量试验得出的经验系数。

4 加速热老化与热重点斜法的对比分析

IEC 60216-7-1提出了一种可以进一步缩短测试时间的非常规耐热性表征方法，即加速热老化。基本的程序是基于热分析方法（特别是热重分析法 TGA和差示扫描热量法 DSC，但不限于这些方法）评估绝缘材料热降解的活化能。在常规热老化过程所选择的最

高温度下，按照IEC 60216-1和IEC 60216-5进行单点热耐热性试验，计算与所选寿命相对应的温度，也就是估计相对耐热指数（RTE）。由于这种分析方法固有的不确定性，所以采用相对耐热指数（RTE）表征材料耐热特性，而不是采用热寿命。目前，这些方法的普遍适用性还需要经过验证。结合常规单点热老化的特性值，IEC 60216-7-1通过数学公式推导出反应活化能与相对耐热指数（RTE）之间的计算公式，如式（3）：

式中，RTE为相对耐热指数，单位为摄氏度（℃）；TLS为单点热老化试验的温度，或者相对平均终点时间的温度，单位为开尔文（K）；Ea为反应活化能；R为气体常数，8.314J/（K·mol）；tLS为单点热老化寿命时间，单位为小时（h）；tTI为温度指数TI所对应的时间，为20000h。

综上，加速热老化与热重点斜法相比有以下相同点：一是进行热老化温度点个数和推荐选取最高温度点的方式相同。均是选择单点进行热老化试验，且建议选择基于常规热老化试验的最高温度点；二是都通过活化能推导耐热特性参数。同时，存在以下不同点：一是测试的耐热特征参数不同。IEC 60216-7-1测试的是相对耐热指数（RTE），热重点斜法测试的是热老化寿命；二是基于的理论公式不同。IEC 60216-7-1基于热分析方法和常规单点热老化试验，通过数学公式推导出相对耐热指数（RTE）与反应活化能之间的关系式。热重点斜法基于经验公式，其中相关系数基于通过对于浸渍漆和漆布材料进行大量试验得出的经验系数。

4 结束语

评估电气绝缘材料的耐热性一直以来备受学术研究领域和工程实际应用界的关注和重

视，随着电工和电子产品的发展，急需一种快速评估基础绝缘原材料耐热性能或热老化寿命的方法标准。未来，在通过对IEC 60216-7-1标准平行试验验证和改进提升后，一种普遍适用的快速评估绝缘材料耐热性或热老化寿命的方法标准有望被研制成功和颁布实施。