高分子材料温度指数的评定

常规法和快速法

技术专家

李园园

上海电器设备检测所 有限公司

可靠性与绝缘事业部

绝缘实验室经理

工作方向

从事绝缘材料和绝缘系统的检测技术研究以及相关标准的制修订工作

1、温度指数的定义

从耐热性关系推出的时间为20000h（或其他规定时间）时的摄氏温度的数值。（耐热图：一种表示耐热性试验中达到规定终点时间的对数与热力学（绝对）试验温度倒数关系曲线图）

2、温度指数评定的重要性

    长期运行的电气设备发生故障一般为绝缘性故障。通常情况下温度是作用于电气绝缘材料（EIM）的主要老化因子，因此绝缘材料的使用可靠性一般用其温度指数或热寿命进行评定。研究表明长期高温使用会严重损坏绝缘材料的绝缘性能，发生绝缘故障。

为防止电气设备因绝缘材料高温老化发生故障，电气设备制造过程中需根据绝缘材料的温度指数或耐热等级选择合适的绝缘材料，因此，绝缘材料的温度指数评定至关重要。

3、温度指数评定原理

    阿仑尼乌斯方程是用以评定关于化学反应速率与温度之间的关系，热氧化分解过程可以用阿仑尼乌斯方程进行表述：

对于绝缘材料，不同种类的分解试验决定了材料机械性能、电性能等与时间的依赖性，因此在绝缘材料温度指数评定中假设温度引起预设性能变化所需的时间的对数与相对应的绝对温度的倒数之间存在这线性关系，及Arrhenius关系，即关系式如下：

此方程反映了温度和寿命之间的关系，通常被称为绝缘材料的寿命方程

      4、常规温度指数评定

      绝缘材料常规温度指数评定的依据标准主要有：

GB/T 11026.1 -2016 电气绝缘 耐热性 第1部分：老化程序和试验结果的评定

GB/T 11026.2-2012 电气绝缘材料 耐热性 第2部分：试验判断标准的选择

GB/T 11026.3-2006 电气绝缘材料 耐热性 第3部分：计算耐热特征参数的规程……

常规热寿命评定法主要是将绝缘材料暴露于多个温度点下，评定每个温度点下的寿命，根据绝缘材料暴露温度以及相对应寿命，推断绝缘材料的寿命方程，从而对其温度指数进行评定。 

5、快速温度指数评定法原理

绝缘材料快速温度指数评定的依据标准如下：

IEC/TS 60216-7-1 Electrical insulation materials – Thermal endurance properties–Part 7-1: Accelerated determination of thermal endurance index (TI) and relative thermal endurance (RTE) using analytical test methods-Calculating procedures for TI and RTE based on activation energy

快速温度指数评定法主要是根据热重分析（TGA）或差示扫描量热法（DSC）分析绝缘材料的活化能，然后结合单点老化试验结果推断其寿命方程，进行温度指数评定。

5.1

热重分析（TGA）计算活化能

热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术。根据标准ISO 11358-2，测量绝缘材料不同升温速率下的热失重曲线，如图1所示。

α-转化率，β-升温速率，T-试验温度

图1 不同升温速率下的热失重曲线

根据标准ISO 11358-2可知，同一转化率下升温速率和对应温度下的关系式，如下式所示：

因此，可以得到同一转化率下logβ和1/T的关系图，如图2所示。

α-转化率，β-升温速率，T-温度

图2 logβ和1/T的关系图

根据同一转化率下logβ和1/T的线性关系，可以得到不同转化率下的活化能，如图3所示。

图3 活化能与转化率的关系曲线

5.2

差示扫描量热法（DSC）计算活化能

        氧化诱导时间反应的是一定温度下材料开始与氧气或空气接触直到发生氧化反应的时间。氧化诱导时间（OIT）通常用来评估聚合物材料的热氧化稳定性能，差示扫描量热法（DSC）可用于OIT的测量。

        氧化诱导时间是一定温度下材料开始与氧气或空气接触直到发生氧化反应的时间，间接代表材料的转化率，根据Arrhenius方程可知：

对绝缘材料进行不同温度下的氧化诱导时间测定，可以得到氧化诱导时间和试验温度的关系曲线，如图4所示。ln(t(OIT))和1/T成线性关系，其斜率为Ead/R。

A，B，C-样品种类

图4 氧化诱导时间和温度的关系图

6、评定周期比较

常规温度指数评定周期：1年左右

快速温度指数评定周期：1个月左右