1、-E . . ICS 29.035.01 K 15 道国和国国家标准11: ./、中华人民GB/T 29311一2012/IEC/TS 61251 : 2008 电气绝缘材料耐久性评定交流电压通则Electrical insulating materials一A. C. voltage endurance evaluation-Introduction (IEC/TS 61251: 2008 , IDT) 2012-12-31发布2013-06-01实施码叫中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会发布GB/T 29311-2012月EC/TS61251 : 2008 目次
2、前言.皿1 范围2 规范性引用文件-3 术语和定义、符号4 电压耐久性.2 5 试验方法.6 电压耐久性的评定.8 附录A(资料性附录)威布尔分布.10 参考文献.图1常规电压耐久性曲线.3 图2在电压耐久性曲线上任意点确定有差异的VEC(叫).4 图3递增应力下的电压耐久性曲线.7 I GB/T 29311-2012月EC/TS61251 : 2008 目IJ1=1 本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本标准等同采用IEC/TS61251 :2008(电气绝缘材料交流电压耐久性评价通则。本标准在技术内容上与IEC/TS61251 :2008元差异。与本标准中规范性引用文件有一
3、致性对应关系的我国文件如下:GB/T 1408(所有部分)绝缘材料电气强度试验方法lEC60243(所有部分)J;GB/T 29310-2012 电气绝缘介质击穿数据统计分析导则(lEC62539: 2007 , IT)。本标准由中国电器工业协会提出。本标准由全国电气绝缘材料与绝缘系统评定标准化技术委员会(SAC/TC301)归口。本标准负责起草单位:上海电器科学研究院。本标准参加起草单位:上海电器设备检测所、机械工业北京电工技术经济研究所、深圳市华测检测技术股份有限公司、中国电器工业协会。本标准主要起草人:张生德、赵超、康骏、管兆杰、刘亚丽、郭丽平、徐江、李波。mm GB/T 29311-2
4、012月EC/TS61251 :2008 1 范围电气绝缘材料耐久性评定交流电压通则本标准阐述了电气绝缘材料和系统在电压耐久性试验中涉及的许多因素，描述了电压耐久性曲线，列举了试验方法并解释了试验方法的限制条件，还给出了根据试验结果如何评定绝缘材料和系统的交流电压耐久性的导则及电压耐久性术语。本标准适用于材料领域，其试验结果或许不能直接适用于绝缘结构的性能。电压耐久性试验常用于对比和评定在电气系统中各种不同用途的绝缘材料。测定电气绝缘材料和系统的耐交流电压应力的能力是复杂的，许多因素影响电压耐久性试验的结果，因此本标准只试图考虑提出简单设计和分析电压耐久性的统一观点，适用于各种实际案例的某些文
5、件已经存在，其余的正在考虑中。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。IEC 60243(所有部分)绝缘材料电气强度试验方法(Electricstrength of insulating materials Test methods) IEC 62539 电气绝缘介质击穿数据统计分析导则(Guidefor the sta tistical analysis of electrical insulation breakdown data) 3 术语和定义、符号下列
6、术语和定义、符号适用于本文件。3. 1 术语和定义3. 1. 1 电压耐久性voltage endurance VE 固体绝缘材料耐电压能力的测量。注z本标准中，只考虑交流电压。3. 1.2 寿命Iife 任意专门系统发生失效或适用性丧失的时间。3. 1. 3 电寿命voltage Iife 固体绝缘材料在承受恒定电压应力下发生介质击穿的时间。1 G/T 29311-20 12/IEC/TS 61251 : 2008 3.1.4 电压耐久性系数voltage endurance coefficient VEC 双对数电压耐久性坐标图中直线斜率的倒数值。3. 1.5 试样specimen 用于评
7、估一个或多个物理性能值、具有代表性的试验对象。3. 1. 6 样晶sample 飞气 tan (J:介质损耗因数。:恒定应力下介质击穿时间的威布尔分布形状参数。Y:递增应力下介质击穿应力的威布尔分布形状参数。:介质击穿应力值。j z介质击穿时间值。4 电压耐久性4.1 电压耐久性试验- 飞飞、 . / 为了评定绝缘材料及系统的电压耐久性，要测试多个试样在交流电压下的介质击穿时间。实际上，在不同的电压下测试几组多个试样的样品可以揭示施加电压对介质击穿时间的影响。每种样品的平均介质击穿时间是在该电压下测试的所有试样的介质击穿的平均时间，一定百分比的试样的击穿时间是GB/T 29311-2012/I
8、EC/TS 61251 :2008 概率相同百分比的介质击穿的估算时间。数据的统计处理(分析法或者图像法)可以得到附加数据，例如，其他的失效百分比或者置信区间，可能的话也可以确定其分布(例如高斯、威布尔、对数正态分布等)。4.2 电应力通常，可以采用电应力(每单位厚度的电压)来代替电压，对于均匀的电场，电应力可通过电压(有效值)除以试样的厚度得出。如果不是均匀电场，应考虑最大电压值。4.3 电压耐久性CVE)曲线圄电压耐久性曲线为介质击穿时间与电应力的曲线图，在VE图中，纵坐标是电应力，为线性或对数形式;横坐标为介质击穿时间，通常为对数形式。由于电压耐久性曲线可以清晰完整地表述在规定的试验条件
9、下试样的电压耐久性评定，因此，电压耐久性曲线是电压耐久性试验的最终结果。为使试验具最大意义，材料或系统应在相同的厚度下进行对比。曲线的精确绘制需要在不同的电压下多次试验，并且一些试验需要在导致介质击穿时间长的电压下进行。电压耐久性图可能是直线也可能是曲线，在后一种情况，它的趋势可以近似为几个直线区域，有时，初始部分为短时低斜率区域，中间部分(可能很长时间)为斜率陡峭的区域，最后部分趋于水平(见图1)。不同材料或系统的电压耐久性曲线形状可能有很大的变化。Eo log E 代剖面10 击穿时间log 1 图1常规电压耐久性曲线4.4 短时电气强度通常短时电气强度通过电压的线性增加进行测量，在本标准
10、中，试验的持续时间约为几十秒到几十分钟。通过比较初始及电压暴露后的电气强度值，短时电气强度试验可用于表征试样的电老化程度。电气强度试验结果(或递增电压试验)不能直接记录在电压耐久性曲线中，代之按平均电气强度Eo(或非常接近的O.8Eo或O.9Eo)做相同应力下的恒定电压试验用以测定该恒定应力下的介质击穿时间to CEo ，to)点为VE曲线的起点，在5.5中给出了此方法的更加详细说明，然而，当使用此方法时，应注意以下事项:a) 试验应在相同的条件(温度、湿度等)、相同的试验单元和采用相同的试验方法下进行;b) 应检查并记录被试试样和试样介质击穿的条件，以备后续试验结果分析所用，试样介质击穿的条
11、件应保证在高应力下的失效模式与其他试样在较低应力下的失效模式一致。3 GB/T 29311-2012/IEC/TS 61251 :2008 4.5 电压耐久性系数(VEC)-n电压耐久性曲线的斜率是材料或系统对电应力响应的反映，n是元量纲参数。对低斜率的电压耐久性曲线，应力的很小下降会使寿命大幅度提高。斜率的倒数与式(1)中的指数n值一致，VEC值大未必具有高的电气强度。如果材料的短时电气强度高足以弥补电压耐久性的不足，可能会出现在相同应力下低VEC材料的介质击穿时间长，在认为材料具有高的电压耐久性之前，值应与高的平均电气强度有关。而最重要的是长期保持可用的电气强度。4.6 有差异的VEC(n
12、d)如果电压耐久线在双对数坐标系中是曲线，曲线的斜率可以通过任一点的切线进行测量。根据第5章中描述的寿命模型，对于任何电应力，且对于曲线上任意一点，有差异的电压耐久性系数叫为该点上曲线斜率的倒数值(见图2)。同白|电压耐久性曲线hh倒哥测定nd曲线1. 0 10 击穿时间log 1 圄2在电压耐久性曲线上任意点确定有差异的VEC(nd)4. 7 电气阐值应力(Et)随着应力下降，电压耐久性曲线可能趋于水平，假设一个限值应力E低于该限值时电老化可以忽略，该限值称为电气阔值应力。有时适当持续时间的试验可以监测到曲线呈水平的趋势，然而试验不是总能成功呈现这种趋势，某些绝缘材料或系统即使试验时间很长也
13、不会出现电气阔值应力。4.8 电E耐久性关系电压耐久性关系是电压寿命的数学模型，即电应力和介质击穿时间的关联公式，该式可通过VE曲线来图示。如果在双对数图上该曲线为直线，则式(1)为zL=cE-四. ( 1 ) 式中zL一一介质击穿时间;E一一一电应力;c和n是取决于温度和其他环境条件的常数。式(1)为所谓的反幕函数模型，即电压-寿命模型，通常用于处理固体电气绝缘电压耐久性数据。当在两个电应力下的介质击穿时间的数据可用时，可以采用该模型按式(2)估算n值。: = (去)叮 ( 2 ) 4 GB/T 29311-2012月EC/TS61251 : 2008 如果电压耐久性试验数据在双对数坐标纸没
14、有形成一条直线，运用反幕函数模型是不正确的;如果曲线靠近电气阔值应力丘，建议使用其他的模型，其中有如式(3)所示:L =c (E- E,)-n ( 3 ) 如果E趋于0，式(3)为反幕函数模型，当短期和中期数据在双对数坐标系中拟合成一条直线时，最好使用式(3)。此外还有另一个模型见式(4):kexp(-hE) L= ( 4 ) E-E, 此模型源自简单的指数模型，EE，时，在半对数坐标系中近似于一条直线，当E接近E，时，介质击穿时间将会趋于无穷大。在式(3)和式(4)中，常数人n，k，h和E，取决于温度和其他环境条件。式(3)和式(4)能用来生成两个新的方程，解释任意两个点(Ll，El)和(L
15、2，E2)之间的电压耐久性曲线的趋势，方程见式(5)和式(6): Ll I El - E, -n L2飞E2-E,J Lj exp-h(E1 -E2) L2 (E1 - E, )/(E2 - E ,) . ( 5 ) ( 6 ) 在双对数曲线图上对于具有直线或直线段的电压耐久性曲线的公式为式(1)和式(2)，当在双对数或半对数坐标图上以近似于线性趋势趋于阔值时，公式为式(3)、式(的、式(5)和式(6)。通过取对数，反幕函数模型变为如式(7)所示:ln(L) = ln(c) - nln(E) ( 7 ) 在双对数坐标系中式(7)为电压耐久性直线方程，其斜率为一l/n。由于斜率的倒数值等于VEC
16、，故VEC也能表示反罪函数模型的指数no5 试验方法5.1 sl言本章描述了进行电压耐久性试验的不同方法。讨论了施加电压方式(恒定或随时间增加、频率(运行频率或更高)和试验中断时间(介质击穿时间或进行破坏性诊断试验的较短时间)的差异。通常，不管上述参数如何选择，老化单元的类型或试验对象可以相同，但对于施加电压频率的选择，应使得介质损耗或局部放电产生的热量引起的温度上升小于10K。在测试材料时，老化单元或被试对象的施加应力最好是均匀的，这可以通过在边缘经圆弧过渡的具有平整表面的电极获得。为了避免试样表面局部放电，只在电极接触的区域内，试样表面要经过金属化处理。此外，为了避免沿试样表面出现闪络，试
17、样要远离电极边缘适当的距离。如果预先试验表明在一段时间之后，由于局部放电造成电极周围试样表面的损坏而无法避免闪络，这时应将电极插入与试验材料的介电常数相近的介质中。试样的形状及加工工艺取决于试验目的。对于研究目的，已进行了以空穴尺寸和形状为目的的内部降解研究，但这不是本标准的范围。对于外部放电造成的材料降解的评定与比较应按IEC60343的规定。对于绝缘系统，被试对象应充分考虑实际运行的状况。5.2 恒定应力试验5.2.1 常规电压耐久性试验在恒定应力试验中，试验期间施加在试样上的电压幅值保持不变。通常所选择的电压幅值使试样介质击穿的平均时间在几十到几千小时之间。特别是在低电压下，某些试样的介
18、质击穿时间太长，等到GB/T 29311-2012月EC/TS61251 : 2008 样品中的所有试样都发生介质击穿是不实际的，在这种情况下，当大部分试样发生介质击穿后，中止试验，并采用截尾数据统计方法(见IEC62539)进行处理。通常，选择3或4个不同电压进行试验，提供3或4个数据绘制电压耐久性曲线，常常4个点也不足以显示曲线的曲率，但超过4个电压点的试验数据是不经济的。数据与直线的拟合可以通过回归分析来建立(见IEC62539)，如果认为拟合程度不合理，电压耐久性曲线可拟合成其斜率负倒数为VEC的一条直线。如果曲线成弯曲形，斜率为有差异的VEC值平均。对于任何试验电压，与不同概率函数相
19、拟合的介质击穿时间都可以测试。如果数据符合威布尔分布，试验数据呈现为直线(按威布尔坐标)，直线的斜率为分布的形状参数卢(参见附录A)。在不同电压下以相同方式进行的每个试验可以核查常数卢。5.2.2 诊断测试在试验期间可以检测如tan8或局部放电诊断量，当在不同电压下获得的tan8或局部放电对时间的曲线可比时，可建立相似的电压耐久性曲线，这有助于了解老化行为，并且可以预测其他样品电压耐久性曲线的走势，如果没有这样的对比，通过tan8或者局部放电进行诊断测试，诊断老化状态的结论通常是不可信的。为了评价试样的老化状态，对保持不失效或在一定的老化时间后的试样要进行短时电气强度测试。因此短时电气强度可作
20、为一个测试由电应力造成的老化程度的诊断量。为了深入研究老化过程，可以借助于化学和微观分析，其结果通常与宏观变量有关，例如短时电气强度、导电率、tan8等。5.2.3 电气闻值检测在长时间老化暴露后，各试验点有时表明电压耐久性曲线趋于水平，此外，许多电压耐久性研究报告表明在较低的应力下的失效时间比在较高应力下以趋势外推法所期望的失效时间要长，这些结果表明存在电气阔值，也为阔值(E，)存在提供试验数据。通过提高频率的试验可以检查电压阔值，如5.3所示。另一种方法是在低应力下评定电压耐久性曲线趋势，如5.6所述。温度影响阔值应力，通常温度升高阔值降低。温度高于室温时，电压耐久性曲线通常向图的左边位移
21、，并且在相同的电应力下介质击穿时间较短。电压耐久性试验通常在室温下进行，而在较高温度下的试验可以提供有关电压耐久性的曲线形状，特别是有关阔值的存在且其取决于温度的信息。5.3 高频率下试验有时通过提高施加电压的频率来减少试验时间，工频f下的介质击穿时间Lf可以通过试验频率fh下的介质击穿时间Lh推导出来，见式(8):Lf=咔(8 ) 但式(8)的有效性没有证明，特别是如果测试频率高于工频f的10倍时。有时发现加速正比与频率比的事值高于1，这可能是在高频下材料受到的不同应力条件引起的。众所周知，介电常数和tan8 取决于频率和温度，因此与频率、介电常数和tan8乘积成正比的介质发热量会影响介质击
22、穿时间，此外，微小间隙的局部放电或材料内部和/或试样表面的缺陷在不同的频率下有不同的影响。为了确定在各种不同试验条件下的相互关系，必须进行对比试验。在高应力和低应力下的相互关系可能有所不同。因此，在解释加速频率试验时应非常谨慎。如果存在闰值应力，低应力下的高频试验可以提供迹象。如果工频测试的结果表明可能存在一个6 GB/T 29311-20 12/IEC/TS 61251 : 2008 阔值，高频试验可以在一个略低于该可能的阔值电压下进行。如果在该电压下的介质击穿时间比在较高电压下根据式(5)的电压耐久性曲线趋势得到的击穿时间长，可以确定该阔值的存在。5.4 递增应力试验旦的 v, 去=R1/
23、Y. ( 9 ) 式中zR一一尺寸比率，即元件1和2的尺寸比例(面积或者体积)见式(A.2门。递增应力试验的数据通常比恒定应力试验的数据分散性小。如果电压耐久性曲线在双对数坐标图中是直线，对于递增应力直线的斜率也是一样的。递增应力试验数据和恒定应力试验数据之间的关系通过式(10)给出ztp = tc (+1) ( 10 ) 式中ztp ，tc一一分别为相同应力下递增应力和恒定应力的介质击穿时间zn 一一-VEC。n值通常在815之间，tc远小于tp0递增应力下的介质击穿时间与恒定应力下的通常较小的介G/T 29311-20 12/IEC/TS 61251 : 2008 质击穿时间具有对应关系，
24、因此，递增应力试验只在短期评定电压耐久性系数中有用。如果电压耐久性系数不是常数，从递增应力试验数据预测恒定应力下的介质击穿时间是不可能的。在任何情况下，从递增应力试验无法获得被试材料的长期运行状况信息，更不必说闰值了。5.5 确定电压耐久性曲线初始部分的预先试验在某些情况下，预先试验对于测定电压耐久性曲线的初始高压部分以及对n的初步估计是有用的。这些试验为以后设计低压试验提供数据，包括:a) 递增应力试验或者类似于一个短时电气强度试验的分步电压试验，试验中的平均介质击穿电压为Eo，失效不能是闪络，而应与在低电压和长时间情况下得到的介质击穿相似，在该试验中的介质击穿时间可能长于GB/T1408中
25、的建议值;b) 在应力E。或者接近E。的恒定应力试验，在试验过程中电压必须升至Eo，而且没有过电压;时间to应该从电压为E。的时候开始测量;使用一个零交叉开关启动试验和用一个计数器计算介质击穿的交流周期数;c) 可在略低于E。作恒定应力试验，比如0.9E。、0.8Eo。根据式(10)，递增应力下的介质击穿时间tp与恒定应力下的介质击穿时间tc的理论比值为(n十口，可由此计算电压耐久性曲线初始部分的估计值n，注意(Eo，to)点应在电压耐久性曲线上。5.6 建议的试验方法为了从电压耐久性全面描述绝缘材料或系统的特征，建议采用以下方法za) 在5.4提到的高应力下预先性能试验;b) 在低应力下的恒
26、定应力试验。在不同的应力下，足够的试验可以获得电压耐久性曲线而得到对被试材料长期运行状况可靠的预测。在任何情况下至少需要3个测试电压。其他的诊断测试也是有用的。当被试材料或系统在双对数坐标图中显示电压耐久性曲线的线性趋势，递增应力试验和低的电压升高速率对核对VEC是有用的。如果曲线显示出阁值应力的倾向，在低于预期阔值应力的5%下进行试验，经数千小时后停止，接着做一个短时电气强度试验，这个对核实阔值存在是一个有利的工具。如果实际施加的电压低于阔值，会发现电气强度不会下降。6 电压耐久性的评定6.1 VEC的重要性通过分析常规电压耐久性曲线，清楚表明在同样的纵坐标(E/Eo)值以及其他参数相同时V
27、EC越大介质击穿时间越长。换言之，当相同的E。百分值应力施加于具有不同VEC的两种材料时，VEC大的材料介质击穿时间较长。因此，VEC是绝缘材料电压耐久性评定的重要参数。因为电压耐久性线可能是曲线，因此VEC不是常数，说明测试VEC的应力范围是重要的，如果没有证明VEC是常数，应报告其平均值。在曲线的情况下，4.6中描述了有差异的系数叫，测试叫的应力范围应提供补充说明。值得注意，叫给出了曲线实际斜率的直接信息。因此，如应力从Eo降低到O.5Eo ，nd从15降到了8的说明是描述在此应力范围内电压耐久性曲线的有效方法。6.2 电气闰值应力的重要性如果考虑的材料或系统出现一个技术上感兴趣的电气阔值
28、应力(即电气阔值应力不太低以至它的8 G/T 29311-2012/IEC/TS 61251 : 2008 实际重要性可以忽略)，此阔值应力在电压耐久性试验中成为一个有用的因素。6.3 数据分散性和精度要求9 GB/T 29311-20 12/IEC/TS 61251 : 2008 A.1 介质击穿时间的威布尔分布附录A(资料性附录)威布尔分布介质击穿时间的二参数威布尔分布通常表示如式(A.l)所示:式中zP(t)一一-时间t介质击穿概率zp 一一形状参数;P(t) = 1一叫-(; ) PJ 相对于P(t)=l-l/e=O. 632的时间。通过两次取对数可得式(A.2): lnlnl/ (1
29、 - P) =卢ln(t/以lnlnl/(1-P)J对ln(t)作图即得斜率为卢的直线。威布尔坐标纸是根据这样的坐标系刻度而特制的坐标纸。A.2 介质击穿应力的威布尔分布介质击穿应力的威布尔分布通常表示如式(A.3)所示:P(E) = 1 - exp( - mEY) 式中zy一一形状参数;m与尺寸比率R成比例(见5.的。在威布尔坐标纸上，可以得到斜率为y的直线。.( A.1 ) .( A.2 ) .( A.3 ) 如果不同尺寸的两个元件受到不同的应力El和E2，它们的介质击穿概率P相同，则有式(A.4): 1-P = exp(- m1EI) = exp(-m2E) = exp(一品n1ED.(
30、 A.4 ) 根据式(A.4)，很容易推导出5.4中的式(10)。A.3 介质击穿应力的广义威布尔分布介质击穿时间和应力的广义威布尔分布如式(A.5)表示:P (t ,E) = 1 - exp (一岛ttEY)( A.5 ) 式(A.5)中E为常数时，式(A.5)可转化为式(A.1); t为常数时，式(A.5)可转化为式(A.3)。对于递增应力(E=pt)，见式(A.的zJ;卢卡tPE=pYt(f*YJ =兰T.(A.6) 因此，在递增应力试验中，威布尔坐标纸上概率对应力的直线的斜率为(卢+y)而不是y。然而，通常情况下远大于卢，因此(卢+y)和y之间的差距小到可以忽略(y数量级为10或者更大
31、， GjT 29311-2012jIECjTS 61251 : 2008 p在1和2之间)。A.4 介质击穿时间的反喜函数模型如果在不同的应力下得到的试验数据适用相同的威布尔分布(形状参数卢和y为常数)，在恒定介质击穿概率为P时的线性方程见式(A.7): 式中:tf一-概率P的介质击穿时间。从式(A.7)中可以得到以下关系:1 - P = exp( - MtfEY) tfEY=常数因为卢和y为常数，则可得式(A.的:.( A.7 ) tf =CjE仰(A.8 ) 式(A.的为介质击穿时间的反军函数模型，设n=yj卢。因此，在给定范围内的威布尔分布的有效性证明了在相同应力范围内介质击穿时间反幕函
32、数模型的有效性，反之亦然。然而，必须注意的是卢和y为统计参数，而n不是。在某一给定的应力范围内常数n说明了在此范围内任何应力下的介质击穿机理是一致的。仅在这样的情况下，递增应力才可以应用并用于转换为式(A.的:tp = tc (n十1)( A.9 ) 11 GB/T 29311-20 12/IEC/TS 61251 : 2008 参考文献1J IEC 60343 Recommended test methods for determinig the relative resistance of insolating materials to breakdown by surface disch
33、arges test methods 12 . OONHF山NF俨a 、mHU国【NFON-=伺NH阁。华人民共和国家标准电气绝缘材料交流电压耐久性评定通则GB/T 29311一2012/IEC/TS61251 :2008 国中晤中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城区三里河北街16号(100045)网址总编室:(010)64275323发行中心:(010)51780235读者服务部:(010)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销* 印张1.25 字数25千字2013年4月第一次印刷开本880X 1230 1/16 2013年4月第一版秘书号:155066. 1-46557定价21.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68510107GB/T 29311-2012 打印日期:2013年4月24日F002
