CNS 14954-2005 Principle aspects of functional evaluation of electrical insulation systems - Ageing mechanisms and diagnostic procedures《电气绝缘系统功能评估之原则性观点－老化历程与诊断程序》.pdf

1、 1 印行年月 94 年 12 月 本標準非經本局同意不得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 類號 ICS 29.080.30 C115014954經濟部標準檢驗局印行 公布日期 修訂公布日期 94 年 12 月 5 日 年月日 (共 8 頁 )電氣絕緣系統功能評估之原則性觀點老化歷程與診斷程序 Principle aspects of functional evaluation of electrical insulation systems - Ageing mechanisms and diagnostic procedures 1. 適用範圍 本標準簡述絕緣系統的老化歷程與在實際使用

2、下及試驗時所產生之老化特性一致性的判定方法，亦列舉功能試驗可採行之診斷技術。 當以加速功能試驗進行絕緣系統性能評估時，若試驗狀態下的老化歷程與實際使用不同時，則可能會產生錯誤的結果。老化應力的位準在使用期間增加時，將會提高產生錯誤結果的風險。在試驗時及使用時之老化歷程是否相符，須由相關設備特定規範加以確認。 這些確認程序的重要性，將隨應力程度增加而提升，關於確認的方法參考第 2 節的說明。 診斷的方法，特別是在確定試驗樣品條件改變的敏感性方面，最好在相對增幅較小的應力下進行試驗，可一併決定出系統特性之趨勢與老化速率。 功能試驗程序可能會要求選定 1 個任意的終止點準則，而此終止點準則並不相當於

3、實際的設備失效，此部分尚在研擬中。 參考第 3 節之診斷方法。 2. 老化歷程及其驗證 2.1 通則：與使用相關的老化歷程之驗證 對此方面不同的方法為： (1) 評鑑絕緣系統本身； (2) 與老化應力相關的量測法； (3) 評估試驗結果關聯性之檢查。 試驗樣品及其所產生的劣化生成物之變化以適當的診斷方法進行監測，方法係根據常識或由老化因子所引發物理或化學過程的假設來選定 (見第 3 節表 1 的說明 )。 變化可能影響： 絕緣的結構； 其電氣特性； 其機械特性； 其化合物、成分釋出及劣化生成物； 其視覺外觀或光學特性等。 應進行適當的測定以確定作用在試驗樣品上的老化應力足以代表工作狀態。 2

4、CNS 14954, C 1150 適用於所有在評估試驗中所 使用的各種老化因子 (溫度、電氣、環境與機械等因子 )，不論其是否單獨施用、依序施用或合併施用。 關於老化歷程的有用資訊可從試驗結果中得出，適當的方法為： 分析應力與時間的關係； 檢查同 1 批試驗樣品中到達終止點時間的分布； 比較各種應力位準下的失效位置，並注意它們是否在老 化應力的作用下或在施以診斷因子時發生失效。 2.2 對絕緣系統本身之探討 2.2.1 物理特性探討 在老化試驗進行中，對某些物理狀態或特性的量測，以及對各種應力位準下及在各個時間下所取得結果的比較，可以帶來有關於老化過程的適當資訊。 這些特性主要為電氣或機械特

5、 性，亦與試驗物體的內部結構有關。例如：結構的改變可因彈性、硬度的 改變而發現，部分放電的強度可由絕緣系統結構上的改變而偵測其數值。 若涉及電氣老化，特別是在頻率升高時，應合理決定介質損失的頻率函數，以避免在老化試驗中發生異常 過高的介質發熱。在某些情況下，介質發熱會導致溫度不穩定並造成老化 過程無法代表實際使用的狀況。這樣的歷程即使在電源頻率下 (通常是在較高的溫度範圍下 )亦可能發生。因此，可能須調整試驗頻率或加入溫度控制。 2.2.2 化學特性探討 試驗樣品的化學分析技術並不 像物理特性探討那麼普遍，但是在某些情況下卻可以提供關於老化過程的 有用資訊，例如，酸度升高以及劣化生成物特性改變

6、的速度可能與老化過 程有密切關係，亦適用於含有液態或氣態介質 (例如： SF6六氟化硫 )的絕緣系統。利用同樣的方法，監測抗氧化劑的消耗，可對不同應力位準下的老 化試驗進行比較。特定試驗樣品的溶解性亦可提供有關老化過程的資訊。 絕緣系統鄰近成分之間以及這 些成分與周遭環境間之擴散速度必須列入考慮，絕緣氣體可能受絕緣系統中其他成分或其容器所釋放的化合物污染。 2.2.3 物理化學特性探討 有數種方法可供選用，其中的一些範例如下。 在分析老化過程中的氣態劣化 生成物時，最廣泛使用的特性探討方法為氣相層析法或與質譜測定一併進 行。可能會在有機材料所形成的氣態劣化生成物之中發現氫、碳氧化合物 以及少量

7、的碳氫化合物，除了通常不會產生氣體的機械應力之外，大部分 情況下劣化生成物的產生並不取決於施加應力的種類。所見到的特定劣化 生成物表示在施加應力作用下實際的能量在分子程度下的損耗。 事實上，特定劣化生成物的存 在或不存在可以表示老化過程的改變。特別是當應力在分子程度上升高時，劣化生成物傾向不飽和 (例如：乙炔、丙烯 3 CNS 14954, C 1150 等 )。在某些應力位準下，可能出現全新的不飽和生成物，而不飽和生成物對飽和生成物的比例亦會隨著應力位準的提高而增加。 聚合物結晶程度的改變亦能反映老化程度。 紅外線光譜分析可以揭露絕緣材料中新結構群的資訊。 溫度分析法如微差熱分析法 (DTA

8、)或微差掃瞄熱量測定法 (DSC)，則能揭露指示老化的物性轉變溫度之改變。 光學顯微鏡檢查可用來顯示聚合物絕緣材料在微結構方面的改變。 以掃描式電子顯微鏡檢查則可顯示表面結構及其因老化所造成的改變。 其他的改變，例如聚合的程度或重量的改變，亦可用來顯示老化程度。 2.3 老化相關因子的測量 由 CNS 14953(IEC 60505)電氣絕緣系統之評估與鑑 定指引所觀察到的現象，主要與單一老化因子有關。僅加強單一因子將使問題變得額外複雜， 2 種以上的多重因子同時作用更是如此。 2.3.1 熱老化 當溫度位準為主要的老化因子 時，其加熱方式應在試驗樣品上給予適當溫度的分布。有關溫度梯度 (gr

9、adients)的部分參考 CNS 14953(IEC 60505)第3.3.4.2 節。溫度梯度會影響擴散並會受到 電介質升溫的影響，這些效應在試驗時應列入考慮，而試驗樣品可能需要加以冷卻。 對試驗樣品上預期的溫度分布加以驗證。 試驗樣品在一個恆溫之老化箱 中同時接受老化，老化溫度與預期操作溫度分布的關聯性可能相當重要。 2.3.2 電氣老化 在確認試驗樣品老化的電氣狀態上有多種不同的方法可採用。 部分放電振幅及時間變化分布 的記錄是一樣有效的診斷工具。對試驗時相關特性之分布與電氣應力於使 用上的位準進行比較，可提供對位準與頻度其強度之驗證。若在一特定電 壓位準上部分放電的振幅明顯高於實際使

10、用時，則必須仔細檢討這些試驗結果的有效性。 在不同的條件下增加電壓會有 不同的結果，在相同的空隙中，部分放電脈衝的振幅及影響區域將不會改變，但單位時間中脈衝 的次數將會逐步改變。在 1 個厚度相同的間隙中，直到特定的電壓範圍脈衝的大小都不會有太大的變化，但發生脈衝位置的幾何分布將會有所改變。 平板邊緣的細小空隙可能會遭受比內部更嚴重的放電 。在不規則的孔隙中，不同的位置會暴露在不同 的電壓下。此外，個別放電的特性可能會因為二次正切放電升高而改變。 介質損失是電壓的函數，每次 循環的最大放電、介質損失分析儀的顯示以及視在充電的二次速率會提供容許對部分放電強度進行整體判斷的特徵。 已知在某些小振幅

11、部分放電的 情況下，在其所發生的中間位置上，和較大 4 CNS 14954, C 1150 振幅放電的效果比較起來，可以有更顯著的劣化效果。 目前，部分放電的量測仍無法明確瞭解與樹狀放電現象的關連。 電解劣化應與溫度及濕度位準有關，這些劣化即使以交流電都能觀察到。 2.3.3 環境老化 必須注意在許多種型式的設備中，氣體及 /或液體為絕緣系統中的一部分。 必須小心防止劣化生成物 (包括水 )，以超過其在實際使用狀況中所產生的量，聚積在試驗物體上或其周圍。 對於設計用於特定環 境下之絕緣系統 (如氣體或液體 )，試驗程序應將其環境納入考量。環境的改變經常 會造成劣化歷程的改變，而這些改變應予避免

12、。例如：改變氣態環境可能會影響部分放電的強度及化學劣化歷程。 2.3.4 機械老化 在機械老化方面，在施以振動 時，應確定應力分布具有足夠的代表性，並且在振動達到預期程度前不能發生共振。 若牽涉到暫態熱機械應力，則 不只應考慮到施以溫度改變的速度，同時也要考慮到熱波動在試驗樣品上的傳播速度。 在實際使用的情況下，須注意 確定熱或機械性試驗加速時是否會在試驗物體間造成相對運動。 2.4 試驗結果之評估 2.4.1 應力時間的關係 若以評估不同的應力位準下之 試驗結果來決定壽命曲線，其與以老化歷程理論為基礎的預期形式之間， 或由先前工作經驗之間存在偏差時，則建議改變老化歷程。 在較高應力位準下可察

13、覺的斜 率變化能明顯地指出老化歷程改變。曲線的斜率於較高應力位準下有實質 改變時，在此位準下的結果應與該絕緣系統的最終評估結果無關。 2.4.2 統計分配 在同 1 批試驗樣品上個別失效時間的分布可明確地解釋為屬於 2 種以上不同的分布。在此情況下，被懷 疑的試驗樣品應確定其可能的瑕疵。若試驗樣品之間並未顯示出有物理上 的差別，則必須就整批試驗樣品進行檢討。這可能會影響到將採用何種適當類型的統計分析。 對於異常的試驗樣品將其試驗 值剔除。例如：評估的目的在於確保良好絕緣的特性。 2.4.3 失效的位置 對經試驗後的試驗樣品進行目 視檢查可提供有用的資訊。若在壽命終期的試驗樣品上可見到弱化或破損

14、 的跡象，則其位置可指示出老化過程中的變化。若已知破損的位置與老化 應力的幾何分布有關，則有時可歸納出關於試驗樣品絕緣強度的結論。 失效可能會在實際老化應力下 或在診斷應力施加時發生，原則上當在機械 5 CNS 14954, C 1150 或電氣應力下發生失效時，應以目視來進行瑕疵檢查。 例如：在耐電壓試驗中，若在 較高位準的電氣應力下，大部分的失效發生於電極的邊緣，而在較低應力 下破損的位置為隨機分布，則指示出老化歷程的改變。然而，不必將其推論為任 1 種形式的失效為實際在使用中失效的特徵。 3. 診斷技術 所有評定試驗樣品狀態及測定老化歷程的方法，與試驗中的老化過程相比，應屬老化效應較低者

15、。於使用中或老化試驗中絕緣系統特性監測的診斷程序可以下列方法分類： (1) 非破壞性； (2) 可能破壞性； (3) 破壞性。 在非破壞性試驗中，應力對老化的影響可忽略。 可能破壞性試驗若做為週期性的短時間試驗，則其應力對老化的影響較低。若任何具有可能破壞特性的應力用於連續監測老化程度時，則必須證明其對於老化的影響性與其他因子影響下所預期的老化程度比較起來可以忽略。 破壞性診斷程序係作為判斷終止點的準則，或與老化時間一起做為測定材料特性趨勢 (例如：電氣強度、機械強度 )的方法。 若採行破壞性診斷程序並將試驗結果進行統計評估時，則在破壞性試驗中必須有足夠的試驗樣品。 部分可採行的診斷程序如表

16、1 所示。 6 CNS 14954, C 1150 表 1 診斷程序 試驗性質 試驗種類 參考標準非破壞性 可能破壞性 破壞性 1. 電氣 1.1 絕緣電阻 IEC 60167 1.2 介質極化或與時間相關之非極化電流 1.3 介電常數 IEC 602501.4 介質損失及其 與隨電壓及 /或頻率而變化的情形 IEC 60250 1.5 表面電阻係數 IEC 60093 1.6 部分放電：電壓起始及消失、振幅、次數、二次速度 IEC 60270 1.7 為溫度函數的介質特性 (第 1.1節至第 1.6節 )。 1.8 耐電痕 IEC 60112 1.9 使用電壓驗證試驗 1.9.1 直流電壓

17、1.9.2 交流電壓 1.9.3 衝擊電壓 1.10 過電壓驗證試驗 (與使用電壓種類無關 ) 1.10.1 直流電壓 1.10.2 極低頻 (0.1Hz) 1.10.3 交流電壓 (50Hz/60Hz及更高的試驗頻率 ) 1.10.4 半波試驗 1.10.5 衝擊試驗 1.10.6 高頻試驗 (阻尼振盪 ) 1.11 過電壓試驗提高或維持到擊穿 2. 物理機械 IEC 60068 2.1 硬度 2.2 彈性 2.3 剛性2.4 拉力 2.5 彎曲 7 CNS 14954, C 1150 表 1(續 ) 試驗性質 試驗種類 參考標準非破壞性 可能破壞性 破壞性 2.6 扭曲 2.7 伸長 2.

18、8 壓縮 2.9 振動 2.10 撞擊 2.11 共振頻率及阻尼 2.12 接合強度 2.13 測定內部應力 2.14 重量損耗 3. 化學 3.1 分析劣化生成物 3.1.1 氣相層析法 3.1.2 質譜測定法 3.2 分析系統的成分 3.2.1 紅外線光譜分析法 3.2.2 X光繞射 3.3 環境影響 (濕氣、塵粒等 ) IEC 60068 4. 目視檢查 4.1 評估色彩及色彩的變化 4.2 表面狀態 (平滑或粗糙 ) 4.3 油、水分或其他汙染物 4.4 失效的位置及外觀 4.5 尺寸、大小 4.6 切開 4.7 目視檢查 4.8 顯微鏡檢查 8 CNS 14954, C 1150 引

19、用標準： CNS 14953 電氣絕緣系統之評估與鑑定指引 參考標準： IEC 60167 Methods of test for the determination of the insulation resistance of solid insulating materials IEC 60250 Recommended methods for the determination of the permittivity and dielectric dissipation factor of electrical insulating materials at power, audio

20、and radio frequencies including metre wavelengths IEC 60093 Methods of test for volume resistivity and surface resistivity of solid electrical insulating materials IEC 60270 High-voltage test techniques - Partial discharge measurements IEC 60112 Method for the determination of the proof and the comparative tracking indices of solid insulating materials IEC 60068 Environmental testing 相對應國際標準 ： IEC 60610 Principle aspects of functional evaluation of electrical insulation systems: Ageing mechanisms and diagnostic procedures