核电厂电气设备热老化试验方法探析

摘要：核安全级电气设备执行安全功能的能力可能受到环境条件和运行条件随时间变化的影响，因此核安全级电气设备的鉴定技术是保障核电厂经济运行和延长现有核电厂运行寿命的必要手段，核安全级电气设备的加速热老化试验作为鉴定试验的一个过程至关重要，本文主要介绍了目前常用的加速热老化试验方法，包括直接选取活化能获得的热寿命评定、基于热寿命曲线的热寿命评定等，并对其差异及主要应用领域进行分析，为核安全级电气设备热老化鉴定的方法选择提供依据。

关键词：核电厂；核安全级；热老化；活化能

设备的设计寿命是指设备在一组规定的在役条件下，可以预计的性能满足要求的时间［1］。设备鉴定是指通过一系列方法，如试验、分析或运行经验等手段获得数据，证明在特定的环境条件和运行条件下，该设备能正常运行，且各项参数在裕度范围内［2］。安全级设备执行安全功能的能力可能受到环境条件和运行条件随时间变化的影响，我们应从设备的设计、功能、材料和环境条件等方面进行审查，以确定显著的老化机理。显著老化机理是指在正常和异常的运行环境下，使设备在安装寿期内性能劣化趋势明显的老化机理。了解构成安全级电气设备的具体材料在其受到环境和运行应力影响下的反应，是判断设备对老化机理的敏感性和由此产生的老化效应的一种方法。这些机理可以适用于电子元件以及电气设备。EJ/T1197-2007《核电厂安全技术电气设备质量鉴定试验方法与环境条件》中规定，标准质量鉴定程序是通过执行一个每种类型设备所特有的专项质量鉴定大纲来实施的。质量大纲通常包括以下一系列试验：基准试验、极限运行条件下的试验、评价设备性能随时间变化的试验、事故和事故后环境条件的试验。其中评价设备性能随时间变化的试验包括以下试验：高温、低温、交变湿热、长期运行、热老化、辐照、振动老化等［1］。这些试验是为了检验设备的机械强度、评价其耐久性。由于非金属元器件会随着温度和时间的变化出现劣化，加速热老化试验主要用于电气设备部件中的非金属元器件的热寿命评估。因此核级电气设备的加速热老化试验是鉴定试验至关重要的一个过程，本文主要介绍了目前几种常用试验方法，并对其差异及主要应用领域进行分析。

1加速热老化原理介绍

阿伦尼乌斯公式是化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式，材料的热氧化分解过程可以用阿仑尼乌斯公式进行表述［3］。k（T）=Aexp（-Ead/RT）（1）式中：k（T）——反应速率常数；Ead——活化能，单位为J/mol；T——温度，单位为K；R——气体常数，单位为J/（mol·K）。阿伦纽斯模型是目前最为成熟和广泛使用的热老化模型，其主要假设是，在一定温度作用下发生的化学反应与材料性能的劣化程度之间存在着一定的关系，反应速率取决于运行温度以及材料的活化能参数。在一定的温度范围内，可通过提高温度，缩短作用时间的方法来等效地获得材料的劣化程度。

2核级电气设备加速热老化评定方法

2.1直接选取活化能获得的热寿命评定

该方法是基于阿伦尼乌斯定律，通过对有机材料施加热应力，进行人工加速老化。此方法在确定产品活化能的前提下，通过使用条件确定加速老化条件，可用以确定设备的鉴定寿命。在使用此方法时，材料活化能数据是确定加速热老化量的关键，应注意材料活化能的选择应有代表性。当设备由多种有机材料构成时，应在由各种材料活化能计算得出的加速老化时间中选择最为保守的数值。此方法对于不同的产品，也有不同的活化能取值方法。加速因子t1/t2应按公式（2）计算。t1/t2=exp［φ（1/T1-1/T2）/λ］（2）式中：t1——合格寿期的时间，单位为h；t2——加速老化的时间，单位为h；T1——正常使用环境温度的数值，单位为K；T2——加速老化温度的数值，单位为K；φ——材料的活化能，单位为eV；λ——0.00008617eVK·-1。此方法主要用于元器件产品，此类产品的有机绝缘材料的组成相对简单，热老化寿命时间相对较短，一般为20年及以下。常见绝缘材料的活化能见表1。选择加速试验条件时也应注意试验时间不应过短或者温度不应过高，试验时间过短，激发不了材料的老化效应；试验温度过高，超过了绝缘材料的分解温度，老化机理将被改变。实践经验表明，加速因子t1/t2应小于250；加速老化时间不应低于1000h。在活化能未知时，可选择不大于0.8eV的数值［4］。表2分别计算了运行温度40℃，热老化温度85℃下等效6年、8年和10年的老化寿命。

2.2基于热寿命曲线的热寿命评定

电动机、发电机、变压器等产品由多种绝缘材料组成，由于需要评定的热寿命时间较长，一般为40年或者60年，如果直接选取0.8eV，热老化时间将达到上万个小时。因此需要选取一个合适的活化能是确定此类产品热寿命最关键的一步。这里以电机为例进行试验过程的说明。电机的失效时间和热力学温度符合阿伦尼乌斯方程。lgτ=A+B/T（3）式中：τ——热寿命时间，h；A——常数；B——与活化能有关的常数；T——温度，K。下面介绍2种热老化活化能的确定方法。2.2.1多温度点热老化法。电机的老化试验一般用绝缘系统来进行，需要选取其有代表性的材料组成绝缘系统，包括电磁线、浸渍漆、柔软复合材料、绝缘套管、引拔槽楔、绑扎带、引接线等，不仅要考虑单一绝缘材料的耐温等级，还要考虑上述产品的相容性，是最复杂的绝缘系统［5］。我们可依据GB/T17948/IEC60034-18-1系列标准对其进行热寿命评定。一般选取三到四个温度点进行老化，两个温度点之间的间隔一般不小于10K，不大于20K。热老化试验用模型线圈为样品，散绕绕组模型一般每个温度至少选取10个样品（GB/T17948.1-2000版要求至少选取10个样品，2018版要求至少选取5个样品，由于散绕绕组模型在制样过程中受外界人为因素的影响较大，建议选取10个样品），成型绕组模型一般每个温度点至少选取5个样品。5个样品是满足统计置信度的最小推荐数量。按照以下程序进行试验。（1）质量保证试验外观检查及耐压试验。外观检查主要检查模型线圈表面是否平整，漆膜是否有破坏，端部是否有变形等现象，以防止该缺陷影响产品的性能。耐压试验：模型线圈应经受持续的耐电压试验，试验应全部通过。一般散绕绕组按如表3选择，持续时间为10min。成型绕组选择2UN进行试验，持续时间1min。（2）初始诊断试验进行诊断分周期的全部试验，包括振动试验、潮湿试验、耐压试验，按顺序进行。以上试验全部合格以后，试样投入到热老化试验循环中。（3）热老化分周期选择的最低老化温度应至少得到5000h的平均寿命，最高温度应至少得到100h的平均寿命。通常按照28~35d或者更长的暴露周期选定最低老化温度。此外，至少应选择两个较高的老化温度点，温差间隔为20K或者更大。当用多于四个老化温度点进行试验时，可采用少于20K的温差间隔。最高温度应产生至少100h的平均寿命。为使因外推引起的误差为最小，最低试验温度应不高于外推求得温度的25K。（4）诊断分周期每个试样按振动试验、潮湿试验、耐压试验顺序进行诊断试验。振动试验在振动台上进行，参数见表4。潮湿试验：应产生可见凝露，暴露时间为48h，试品的温度控制在15~35℃范围内［6，7］。对于完全封闭的绝缘结构，可能另外需要进行浸水试验。耐压试验：在潮湿试验完成且试品温度接近室温后进行，试样应保持潮湿。试验电压的选择同质量保证试验。试样任一形式连续两个周期击穿即记录为失效。对热老化试验结果进行阿仑尼乌斯坐标（寿命的对数—绝对温度的倒数）的线性回归分析，得到绝缘系统的热寿命方程。以上试验方法至少需要10个月的时间（通常需要12个月甚至更长的时间）才能完成全部。2.2.2单温度点热老化试验（热重分析法）。如绝缘材料或绝缘系统的主要成分为浸渍漆和漆布，可依据JB/T1544-2015标准，通过Tg快速确定其活化能，并通过单温度点（为了节省时间，一般选取高温点）来验证活化能。试验时间约3~4个月。用单温度点法确定活化能，需将整个绝缘系统中的全部组分材料磨成粉末，混合均匀后，取8~20mg，进行热失重试验，得到热失重曲线，取失重5%~50%（间隔5%）所对应的10个温度值，按下列经验公式（4）计算该材料的活化能Ep。EP=E0+RC0∑n=110tnæèçöø÷ΔWWan12（4）式中：E0——常数，单位为J/mol；R——气体常数，8.314J/（K·mol）；C0——系数；tn——对应于每个W/Wa的温度值的数值，单位为℃；ΔW/Wa——失重百分数；ΔW——试样在tn下的失重量的数值，单位为mg；Wa——试样总是重量的数值，单位为mg；E0，RC0按试验条件取值，依据JB/T1544。

3方法对比分析

方法1：直接选取活化能获得的热寿命评定，需要根据产品材质进行特征活化能的选取，或者选择标准EJ/T1197-2007推荐保守值。由于并不是所有材料均有已知活化能，大部分鉴定均需选择标准推荐保守值，因此对于产品的鉴定可能存在裕度过高的可能，或者可能产品活化能低于保守值，一定程度上存在鉴定不可靠的风险，因此目前该方法仅广泛应用于元器件的热寿命鉴定。方法2：基于热寿命曲线的热寿命评定——多点法。该方法是国际通用的试验方法，需先对产品模型进行加速热寿命试验，确认热寿命方程，根据热寿命方程再对成品进行热老化鉴定试验，本方法的热寿命方程根据实际试验结果获得，可靠度较高，但整体鉴定时间较长，样品需求量较大。目前主要应用于活化能较高但不确定的产品，例如核电电机的鉴定等。基于热寿命曲线的热寿命评定——单点法。该方法是参考我国行业标准，利用热重分析的方法快速得到活化能结果，结合单点热老化试验结果确认热寿命方程，根据热寿命方程再对成品进行热老化鉴定试验。该方法的整体鉴定时间较短，但是该试验方法还未得到国际上的广泛认可，只能作为参考使用。

4结论

目前核电电气产品中的非金属零部件的活化能数据库较少，大部分需要依据标准推荐保守值或长期试验的方法获得，后续根据运行经验和长期试验结果，可汇总完善实际活化能数据库，一方面可以降低产品设计裕度，另一方面可以缩短鉴定时间和费用。

作者:徐学敏 单位:上海电器设备检测所有限公司