浅谈船用电动机绝缘绕组加速老化试验和评估方法

王建军

(海军驻上海711所军事代表室，上海 200011)

浅谈船用电动机绝缘绕组加速老化试验和评估方法

王建军

(海军驻上海711所军事代表室，上海 200011)

介绍了船用电动机绝缘绕组的老化机理，在此基础上给出了船用电动机电气绝缘系统加速老化试验程序和评估方法，并对某船用电动机进行了加速老化试验，给出了试验评估结果。该加速老化试验和评估方法可用于指导船用电动机绝缘绕组的寿命评估。

电动机； 绝缘绕组； 加速老化； 试验

0 引 言

船用三相异步电动机是船舶辅机空压机、通风机、水泵、油泵等装备的驱动机械，是船舶重要的基本设备，其可靠性涉及动力、电力和各种机电设备的可靠性问题。由电动机的故障模式分析可知，绝缘绕组故障是导致电动机失效的致命故障。由此可见，绝缘绕组对电动机的寿命和可靠性的影响在诸多因素中较为突出。随着对船舶设备可靠性要求的逐步提高，要求船用三相异步电动机具备至少20年甚至更长的寿命指标。为了确保船用电动机满足寿命要求，作为影响船用电动机可靠性的重要因素之一的绝缘绕组，有必要对其寿命评估方法进行研究。

较之常规电动机，船用电动机由于受船舶环境的影响，绝缘承受更加严酷的机械环境。工作环境对电动机绝缘寿命的影响不可忽视。目前国内对普通中小型三相异步电动机的绝缘绕组系统均采用GB/T 17948.1—2000《旋转电机绝缘结构功能性评定 散绕绕组试验规程 热评定与分级》。该功能性评定标准中，诊断因子中的机械性能试验和潮湿试验不适用于船用电动机，已不能有效评估船用电动机的绝缘性能。本文针对船用电动机的特殊使用场合，对船用电动机绝缘绕组加速老化试验方法和评估方法进行研究，以期获得指导船用电动机可靠性评估的试验方法和评估方法。

1 绝缘绕组加速老化机理

船用电动机绝缘绕组的绝缘一般由聚酰亚胺薄膜等组成。它们都是高分子材料，在加工、储存和使用过程中，由于受到内外因素的综合作用，性能逐渐变差，以致最后丧失绝缘性能。高分子材料的老化是由内因和外因两部分原因引起的。内因主要是构成材料的基本成分——高聚物本身的结构状态和材料体系内部各组分的性质、比例等。外因是指外界的环境因素，包括物理因素、化学因素和生物因素等，其中太阳光、热、空气中的氧和湿度等是材料老化的重要因素。船用电动机应用于船舶中，其受太阳光的影响比较小，电动机运行时，其温度升高的热环境对电动机的绝缘老化则起着决定性的作用，即热老化作用。另船舶环境中的湿热、盐雾、振动等环境对船用电动机绝缘绕组的老化也有着不可忽略的影响。

船用电动机绝缘承受热老化包括作为化学降解反应、聚合、解聚、扩散等的结果而进行的化学和物理变化和由于热膨胀和(或)热收缩的力所引起的热机械作用。人们在温度对绝缘材料的性能和寿命的不良影响方面做的大量研究工作表明，绝缘材料的热老化遵循阿伦尼乌斯(Arrhenius)定律：

(1)

式中:L——寿命；a——常数；E——活化能；k——波尔兹曼常数；T——绝对温度。

2 绝缘绕组加速老化试验分析

2.1 试验原理

阿伦尼乌斯(Arrhenius)理论是加速老化试验的理论基础，对其进行对数变换，可得寿命的对数与相对应的绝缘温度的倒数之间存在线性关系。

lgτ=A+B/T

(2)

式中：τ——热寿命；T——热力学(绝对)温度；A、B——常数。

因此为尽快得到绝缘材料的寿命值，可采用提高试验温度的方式进行老化试验，即加速热老化试验。通过加速热老化试验求取寿命与温度的关系曲线，然后用外推法求取工作温度下的寿命，或求取规定寿命下对应的温度指数。

电动机的加速老化试验可采用模型线圈或整机试验进行，当电动机功率较大时，一般采用模型线圈进行加速老化试验。模型线圈的设计应体现全部的基本单元，模拟完整的绝缘结构。

本文中船用电动机加速老化试验采用模型线圈开展加速热老化试验研究，即采用能够对由高温、振动、湿热等引起的失效模式进行测试的绝缘绕组典型模型线圈，经过筛选试验后，通过对线圈进行高温加速老化试验，以确定它们的功能寿命。

2.2 试验方法

2.2.1 试验程序

(1) 样品筛选试验。样品在加速老化周期试验前，均应进行筛选试验，筛选试验程序为先振动试验，再湿热试验，然后介电性能试验。介电性能试验合格的样品，可转入下一步的周期试验，没有通过筛选试验的样品不再使用。

(2) 样品加速老化周期试验。加速老化周期试验为周期循环试验，每一周期包含: 热老化分周期和诊断分周期，依次进行振动试验、湿热试验和介电性能试验。

2.2.2 试验样品数量和标号

试验样品共计30个，分为3组参与试验，试验样品应有清晰的标号，第一组1～10号，第二组11～20号，第三组21～30号。

2.2.3 试验应力

(1) 热老化。试品的热老化温度剖面根据电动机绝缘绕组材料的耐受温度进行选取，温度点之间温度至少相差10℃，本文针对H级绝缘电动机，选取三个温度点进行,如表1所示。

表1 H级绝缘电动机选取的3个温度点

温度的施加采用热老化箱进行加热，加热方法可以按GB/T 11026.4的规定进行试验，最大温度偏差温度为2K。

(2) 振动试验。船用电动机的振动应力剖面是根据其船用要求进行规定，与普通电动机加速老化试验中要求每一模型线圈须在振动台上经受1h的机械应力试验，取相当于1.5g加速度的振幅值不同。船用电动机的振动为复杂的自然环境(海浪、风)激励、强迫激励(螺旋桨转速、往复机械和其他装备的运行等)、船舶结构、设备安装结构和设备响应的复杂函数。船用电动机型式试验中对电动机进行随机试验和耐振试验，本文认为船用电动机的加速老化振动应力应考虑其最恶劣的振动环境进行。因此船用电动机根据其特殊应用场合，其振动试验时的振动应力剖面应按GJB 899A—2009相关规定进行，试验样品在安装架上进行振动试验，在Z轴方向上进行。

施加6h振动应力，并以3h为一个振动循环。每一个3h的振动循环中应先施加战斗损坏频谱10min；然后在其余时间内施加运输随机频谱，每振动20min停机10min，并以此重复进行。施加战斗损坏频谱时应按以下规定进行对数正弦扫描： 频率范围为4～60Hz；振幅为0.76mm±0.15mm(4～15Hz)，7.5m/s2(15～60Hz)；持续时间为10min±2min(上5min，下5min)。施加运输随机频谱时应按以下规定进行随机振动，频率范围为10～200Hz；量级(总均方根值r.m.s)为10m/s2；持续时间为22min。

(3) 湿热试验。船用电动机的湿热试验方法是根据其船用要求进行规定，与普通电动机加速老化试验中要求潮湿试验至少应持续48h，温度约为13～35℃的室温不同。本船用电动机根据其特殊应用场合，采用的是交变湿热方法，船用电动机型式试验的湿热试验为24h为一循环，共进行10个周期的湿热试验。分析船用电动机加速老化试验失效周期一般为5～10老化周期，因此船用电动机加速老化试验每个周期的交变湿热试验采用48h，2个周期进行。船用电动机的湿热试验方法应按GJB 150.9A—2009相关规定进行，试验前，试验样品应在正常大气条件下放置24h以上，即试品在湿热试验之前应恢复到室温。湿热暴露持续时间为48h；以24h为一个循环周期，按GJB 150.9A—2009相关规定进行湿热循环控制。

(4) 介电性能试验。当试品经过上述试验后，需进行介电性能试验，介电性能试验可从试验箱内取出后进行，但是介电性能试验时间不能超过30min。超过30min需参照GJB 150.9A—2009相关规定进行。

船用电动机的介电性能首先对并绕导体间，其次是线圈间，最后是对地施加试验电压，每次历时10min。

3 绝缘绕组加速老化试验评估方法

3.1 三点热寿命法

三点热寿命法是采用3个温度点进行加速老化试验，根据老化试验结果绘制温度-失效时间曲线，即得热寿命方程及回归特性曲线。其统计方案是基于GB/T 21223—2007中所述的原理，其原理可以简述如下：

(1) 到达规定终点所需的时间(终点时间)的对数平均值与热力学(绝对)温度的倒数之间呈线性关系。

(2) 终点时间的对数偏离线性关系通常呈正态分布，其反差与老化温度无关。

热老化方程的曲线绘制基于坐标系中X-值和Y-值的选取与表示。

对于每一温度组，X-值应用式(2)计算：

X=1/(θ+Θ0)

(3)

式中:θ——以摄氏度表示的温度；Θ0=273.15K。

对于每一温度组内的每一个试品，其失效时间按如下方法进行统计：

(1) 如果试品在老化周期的诊断试验中失效，那么计算其最接近终点之前的老化周期的中点时间并取该时间的对数作为Y-值；

(2) 如果试品在老化周期的诊断试验中未失效，但其所在温度组中的样品已超过50%的试样失效(试验中某温度组下5个模型线圈失效时)，则终止该温度组的老化试验。未失效的试品则认为其在下个周期的诊断试验中发生失效，即取下个周期的中点时间作为终点时间并取对数作为Y-值。

将获得的X-、Y-全部在坐标系中描点，直接通过数据统计软件(Excel、Origin、MATLAB等)，利用最小二乘法进行一次线性拟合，得到绝缘结构的热寿命方程及回归特性曲线。根据寿命方程，可以计算出失效时间为20a(175200h)的温度外推值。当采用已完成的试验数据计算出对应失效时间为20a(175200h)温度外推值大于电动机的最热点温度时，可认为电动机绝缘绕组的寿命满足20a要求。

3.2 热失重分析法

热失重分析法是采用绝缘绕组材料的热失重试验和绝缘绕组的单点热老化试验结合起来，求取绝缘绕组的热寿命方程及回归特性曲线。即由热失重试验求得热寿命方程的斜率，代入单点热老化试验温度和时间，获得热寿命方程,进而评估绝缘绕组的寿命。

式(2)中斜率B与活化能EP的关系：

B=EP/4.576

(4)

EP通过绝缘绕组的热失重试验求得。

热失重试验方法如下： 取适量绝缘结构试样，磨成粉末(粉末包括绝缘结构中所有绝缘材料)，用热重分析仪测试其失重过程，试验气氛为常压空气，升温速度为3℃/min。取绝缘粉末失重5%～50%(间隔5%)所对应的10个温度值，然后根据JB/T 1544—2015标准进行试样的活化能计算，再由活化能计算热寿命方程的斜率。

将斜率B和热老化试验温度和时间代入，即可获得热寿命平行线方程。通过热寿命平行线方程可以计算出失效时间为20a(175200h)的温度外推值。当温度外推值大于电动机的最热点温度时，可认为电动机绝缘绕组的寿命满足20a要求。

4 绝缘绕组加速老化试验和评估

本文采用热失重分析法进行了某电动机绝缘绕组的加速老化试验和评估。

首先针对该电动机绝缘绕组中的绝缘材料进行热失重试验，热失重试验中失重5%～50%(间隔5%)所对应的10个温度值如表2所示。

表2 热失重试验中失重5%～50%(间隔5%)所对应的10个温度值

失重/%温度值/℃失重/%温度值/℃5307103461536620377253853039135397404014540550409

根据JB/T 1544—2015标准可求得该电动机绝缘绕组活化能EP为30254.2789，斜率B为6611.5120。

其次，对绝缘绕组进行单点热老化试验，该电动机绝缘绕组经过了单点215℃的热老化试验，绝缘结构经过总计2周期(288h)的热老化试验后，可得到单点(215℃,288h)，代入单点热老化试验结果，得到A值，可求得热寿命平行线方程为

lg τ=-11.0846+6611.5120/T

在平行线方程上求出20a(175200h)对应的温度，即为寿命20a对应的温度外推值，可得温度外推值为131.8℃。该电动机正常工作的最高热点温度为105℃，低于温度外推值。表明该船用电动机绝缘寿命满足20a指标要求。

5 结 语

船用电动机的绝缘绕组关系船舶的可靠运行，通过分析船用电动机绝缘绕组的加速老化机理，根据阿伦尼乌斯(Arrhenius)理论，提出了船用电动机绝缘绕组的加速老化试验方法和评估方法，并采用热失重分析法进行了某船用电动机绝缘绕组的寿命评估。该试验方法和评估方法可用于指导船用电动机绝缘绕组的寿命评估。

[1] 旋转电机绝缘结构功能性评定 散绕绕组试验规程 热评定与分级: GB/T 17948.1—2000[S].

[2] 电气绝缘材料耐热性第4部分： 老化烘箱单室： GB/T 11026.4—2012[S].

[3] 可靠性鉴定和验收试验： GJB 899A—2009[S].

[4] 老化试验数据统计分析导则建立在正态分布的试验结果的平均值基础上的方法： GB/T 21223—2007[S].

[5] 电气绝缘浸渍漆和漆布快速热老化试验方法—热重点斜法: JB/T 1544—2015[S].

Brief Talk on the Method of Accelerated Aging Test and Evaluation for Marine Motor Insulation Winding

WANGJianjun

(Military Deputy Department in Shanghai 711 Institute, Shanghai 200011, China)

The aging mechanism of marine motor insulation winding was discussed. On this basis, the method of accelerated aging test and evaluation for marine motor electrical insulation system was given. The accelerated aging test was carried out on a marine motor with test results given. And this method was proved to be able to guide the life evaluation of the insulation winding of marine motor.

motor; insulation winding; accelerated aging; test

王建军(1976— )，工程师，研究方向为船舶动力装置、电气设备研究和监造工作。

TM 305.2

A

1673-6540(2016)12- 0100- 04

2016-10-30