2003 IKE 41-0

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PIKE-icon-IKE-20-50 Read document   塑膠物語: 絕緣耐熱等級和熱老化試驗

Analysis  │ Introduction  │ Advanced  │
 ageing; insulation; test; analysis; material
PlasTerm.Equation.Figure.Table
   ..邱昌容•劉耀南•謝大榮
 
絕緣耐熱等級和熱老化試驗 (temperature classification and thermal ageing test of electrical insulation) 耐熱等級表示絕緣的最高允許工作溫度。絕緣材料在此溫度下工作﹐能在預定使用期內保持其性能不超出允許的範圍。  絕緣耐熱等級 絕緣材料的耐熱等級和對應的工作溫度如下表 耐熱等級與對應的工作溫度 。


耐熱等級一般根據常規熱老化試驗確定。常規熱老化試驗方法是通過提高溫度使絕緣加速老化﹐通常在三個或四個溫度下求取絕緣的壽命﹐並作出熱壽命曲線(下圖- 熱壽命圖及相對溫度指數 )。


根據經驗﹐結合理論指導﹐可以從阿倫尼烏斯方程導出絕緣壽命的對數與其熱力學溫度的倒數呈線性關係
         

式中 L  為絕緣壽命 (小時)﹐T 為熱力學溫度 (K)﹐A、B 為常數。眾熱壽命線外推到工作溫度可求出絕緣的壽命﹐也可以外推到規定的壽命值以求出耐熱等級。

熱老化試驗 絕緣的熱老化試驗有以下兩種。
  • 絕緣結構的熱老化試驗﹕用模擬樣品 (如模型線圈) 或實樣 (如小電機) 作試樣。除提高運行溫度外﹐常增加熱衝擊、機械振動、受潮等組成老化週期﹐如以 升溫→熱暴露→降溫→機械振動→受潮   試驗為一個循環。為使熱以外的因素保持恆定﹐不同老化溫度下的循環數應相等或接近相等。一般根據材料的主要用途採用試樣在試驗中某一關鍵功能參數 (例如絕緣被擊穿)來標誌壽終。
  • 絕緣材料的熱老化試驗﹕用單一材料 (如薄膜) 或材料的簡單組合 (如漆包線) 作試樣。在恆溫下老化﹐選用絕緣材料在使用中所承擔的主要功能參數作為壽終的判據。當所選評定壽命的參數下降到規定值時﹐試驗所經歷的時間即為該溫度下的壽命。材料的壽命試驗一般只能求取相對壽命。只有用已知耐熱等級的材料與之同時進行試驗並進行對比才能求得其耐熱等級。例如﹐用耐熱等級為 B 級 (130℃  ) 的材料與被測材料M同時進行熱老化試驗﹐得出熱壽命圖 (見上圖: 熱壽命圖及相對溫度指數 )。圖中為材料的工作溫度下的壽命。由圖知﹐材料 M 的耐熱等級為 180℃  ﹐即 H 級。

各種絕緣結構與絕緣材料的熱老化試驗的試樣、試驗條件和評定壽命的參數等均按相關標準規定。


長期耐熱性參數
由於電工設備中不同部位的絕緣並不都在最高設計溫度下運行﹐所以應根據各部位的實際工作溫度選擇相應耐熱等級的絕緣材料組成絕緣系統﹐以提高經濟合理性。為區分絕緣材料和絕緣結構的長期耐熱性﹐又提出了以下幾種評定材料長期耐熱性的參數。
  • 溫度指數 (TI)﹕這是指熱壽命圖上對應於一定壽命 (通常取 20000 小時) 的溫度值 (下圖: 溫度指數及半壽命溫度 )。
  • 相對溫度指數 (RTI)﹕當被測材料與溫度指數已知的參考材料承受相同的老化程序和診斷手段的比較試驗時﹐從已知 TI 所對應的時間獲得 (如上圖)。K 是參考材料﹐其 TI 為 130℃  ﹐則被測材料 M 的相對溫度指數為 180℃  。
  • 半壽命溫差 (HIC)﹕在熱壽命圖上對應於 TI (或 RTI) 的壽命與半壽命的溫度之差

HIC = TI - (TI)'

式中 (TI) 為對應於半壽命的溫度。HIC (下圖) 與壽命線的斜率有關﹐這一斜率與材料的活化能有關。



進展
以上諸參數也都通過常規熱老化試驗確定。由於常規試驗費時太長(約1年)﹐又研究、開發了一些新的加速熱老化試驗方法﹐其中較為成熟的是熱重法﹐其依據是材料熱老化過程中因化學或物理變化會引起重量或熱量變化。熱重法中的點斜法係利用熱分析技術求得熱老化反應的活化能﹐由此可求得壽命線的斜率﹐同時選一高溫點做一 功能性壽命﹐即可做出熱壽命圖﹔或配合一常規試驗可求出材料的溫度指數。此法所需試驗時間短 (約需一個月)﹐但可靠性不如常規法。
此外﹐絕緣的熱行為 (包括機械的、電氣的和化學的)在低溫或超溫下常有很大變化。隨著超導技術的發展﹐以超導工作溫度為參考點的低溫電工絕緣的熱性能試驗也越來越受到重視。



耐高溫絕緣材料 (high-temperature endurable insulating material)
通常指在絕緣耐熱等級為 F 級及以上具有良好的耐熱性和熱穩定性的電絕緣材料﹐它們能經受長期工作溫度和反復過載的短時溫升而不喪失其所需介電性能和力學性能。提高絕緣材料的耐熱性將能使電工設備運行可靠﹐壽命提高﹐減小體積或提高容量。提高絕緣材料耐熱性的途徑有增加分子鏈的剛性﹐即使其含有較多的笨環和雜環﹔提高結晶性聚合物的結晶度﹔增加 交聯樹脂的交聯密度。提高絕緣材料熱穩定性的途徑有﹐在高分子鏈中避免弱鍵﹐使之具有較高的鍵能﹔在高分子鏈中避免連續的亞甲基 (-CH2-) 等易於氧化、裂解的基團的存在﹐並儘量引入較大比例的芳雜環結構。現在已開發了一系列耐高溫絕緣材料﹐例如以 Kapton 為代表的聚醯亞胺。它以均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚為原料。聚醯亞胺玻璃化溫度為 285℃﹐能在 250℃  左右長期使用﹐短期使用溫度可達 480℃ ﹐將聚醯亞胺製成的薄膜和鋁片一起加熱﹐在鋁片開始熔化時﹐亞胺薄膜不但能保持原狀﹐而且還有一定的強度。商品名為Upilex的新型聚醯亞胺是採用聯苯四甲酸酐代替均苯四甲酸酐作為酸組分﹐其玻璃化溫度高於 500℃﹐熱分解溫度達 640℃ 。雙馬來醯亞胺係樹脂﹐經 180℃  固化和 230℃ ∼246℃  後固化﹐能得到耐 200℃ ∼230℃  的製品。由對苯二甲醛和三甲基啶合成的 PSP 樹脂在 250℃  可耐 1 萬小時﹐即使在 400℃  也能耐 10 小時。

採用有機與無機填料的複合﹐如用碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、磷酸鹽纖維的複合﹐可取得更高的耐熱、高強度絕緣材料。目前環氧玻璃纖維複合材料是製造印刷電路板的主要材料。具有更高耐熱性的﹐以聚苯硫醚 (PPS)、聚醚醚酮 (PEEK) 為基材的注射成型印刷電路板已開始應用。

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  更新期別: 2003IKE41-0. Date: 2003/11/27.
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