IEC 61145 电气绝缘材料热 endurance 固定时间法试验方法深度技术解析

📅 标准版本：IEC 61145（已废止，被 IEC 60216-7 替代） | 适用范围：电气绝缘材料热寿命评估 | 方法类别：固定时间法（Fixed Time Method）

电气绝缘材料的长期热 endurance 性能是电机、变压器、电缆及开关设备等电力装备设计寿命的核心决定因素。在实际运行中，绝缘系统承受持续的电场、温度和机械应力耦合作用，其中热老化往往是最为主导且不可逆的劣化机制。IEC 61145 是一项具有重要历史地位的试验方法标准，它确立了基于固定时间法的绝缘材料热 endurance 评定程序，为材料筛选、绝缘系统认证和产品热等级标定提供了试验基础。虽然该标准现已被 IEC 60216-7 取代，但其核心方法论——固定时间热老化试验设计、特性诊断参数选择和 Arrhenius 统计推断——在实践中仍然广泛应用。

本文从工程试验设计和材料科学的角度，对 IEC 61145 的技术框架进行深度解析，重点讨论固定时间法的试验架构、寿命建模的关键参数、数据统计处理方法，以及在工程选材中的实际应用考量。

1. 固定时间法的试验原理与架构 🔬

与传统的固定温度热老化方法不同，IEC 61145 的固定时间法采用如下试验策略：在多个温度水平下对绝缘材料试样进行预先设定时间间隔的老化暴露，然后在每个老化周期结束时测量选定的诊断性能参数（即”终点判据”），直至性能退化到预先规定的失效阈值。这种方法的优势在于试验时间可控——每个温度点的暴露时间是固定的，通过选择足够多的温度点来覆盖材料的整个寿命范围。

1.1 温度水平与暴露时间的选择策略

标准要求至少选择 3 个（推荐 4 个） 老化温度，相邻温度间隔通常为 10–20 K。最低老化温度应能使材料寿命至少达到 5000 小时，以确保数据包含长期老化行为；最高老化温度应使寿命缩短至约 100 小时，以加速试验进程但又不至于引入非 Arrhenius 行为（如玻璃化转变或热分解机制的变化）。每个温度点的固定暴露时间根据材料特性和预期寿命选取，典型的暴露时间序列为 24 h、48 h、96 h、168 h、336 h、672 h、1344 h 等。关键约束是：每个温度下选择的固定间隔必须使材料在至少 3–4 个间隔点后达到终点判据。

⚠️ 重要注意：温度水平的选择必须避免跨越材料的玻璃化转变温度（Tg）或熔点。如果在某个温度范围内材料的降解机理发生根本性变化（例如从氧化降解转变为热裂解），Arrhenius 模型的线性假设将被打破，外推预测将完全失效。因此，建议在正式试验前通过 DSC（差示扫描量热法）或 TGA（热重分析）对试验温度范围进行预评估。

1.2 诊断性能参数与终点判据

IEC 61145 要求将一项或多项对热老化敏感的诊断性能参数作为材料退化的定量度量。常用的终点判据包括：

拉伸强度保留率： 通常取初始值的 50% 作为失效阈值，适用于薄膜、带材和层压制品。
断裂伸长率保留率： 对于弹性体类绝缘材料（如橡胶、热缩管），这通常是最灵敏的老化指标。
介电强度保留率： 反映绝缘完整性，通常取 50% 初始值为阈值。
质量损失： 适用于热分解主导的降解过程。
击穿电压/ 表面电阻率 / 介质损耗因数 tan δ： 电气性能指标，选取取决于材料最终用途。

终点判据的选择具有工程决定意义——不同的终点判据可能产生不同的热 endurance 指数（TI），因此在材料对比或绝缘系统认证时，必须在相同终点判据下进行评价。

💡 小提示：在工程实践中，建议同时测量至少两个独立的诊断参数（如力学和电气性能），以便在数据不完整时提供交叉验证。如果两个参数导出的 TI 差异超过 10 K，说明老化机理可能存在多重路径，此时应进行更深入的失效分析。

2. 寿命建模与数据统计处理 📊

IEC 61145 的数据处理方法建立在 Arrhenius 反应动力学模型之上。热老化过程的速率常数与温度之间的关系由 Arrhenius 方程描述：

log₁₀ t = A + B/T

其中 t 为达到终点判据的时间（小时），T 为绝对温度（K），A 和 B 为材料相关的经验常数。B 与活化能 Ea 满足 B = Ea / (2.303·R)。通过固定时间法的试验结果，使用线性回归分析确定 A 和 B，进而计算关键的热寿命参数。下表汇总了固定时间法的主要试验设计要素和数据处理流程：

试验步骤	技术要素	具体要求 / 推荐做法	工程考量
温度选择	温度水平数 ≥ 3（推荐 4）	相邻间隔 10–20 K；最低温度寿命 ≥ 5000 h，最高温度寿命 ~100 h	避免跨越 Tg/Tm；用 DSC/TGA 预扫描
暴露时间	固定间隔序列（如 24, 48, 96, 168… h）	需 ≥ 3–4 个间隔数据点达到终点判据	时间序列按对数均匀分布最佳
诊断参数	拉伸强度、伸长率、介电强度等	至少 1 项，推荐 2 项以上进行交叉验证	参数应对老化敏感且可重复测量
终点阈值	通常取初始值的 50%	可根据材料服役条件自定义	不同阈值导致 TI 差异可达 5–15 K
回归分析	Arrhenius 最小二乘线性回归	计算 TI、HIC 及 95% 置信区间	检查残差正态性和异常值
外推限制	外推不应超过最低试验温度以下 25 K	外推范围受 Arrhenius 线性假设约束	过度外推会导致严重偏差

✅ 工程要点：Arrhenius 回归分析的核心假设是降解机理在试验温度范围内保持恒定。如果数据点呈现明显的非线性趋势（例如低温端偏离回归线），这往往是降解机理变化的信号。此时不应强制进行线性拟合，而应在分段温度区间分别建模，或者引入基于 Eyring 模型（含应力项）的扩展模型来描述温度和场强的协同作用。

2.1 热 endurance 指数（TI）与半差间隔（HIC）

从 Arrhenius 回归直线的截距和斜率可以直接计算出两个最关键的热寿命参数：

热 endurance 指数（TI, Temperature Index）： 材料达到指定终点寿命（通常为 20,000 小时）所对应的温度值，单位为 °C。TI 是材料热等级标定的核心指标，直接用于绝缘系统（IEC 60085）中 E、B、F、H、N、R、S、C 等耐热等级的分类判定。
半差间隔（HIC, Halving Interval）： 使材料寿命缩短一半所需的温度升高值，单位为 K。HIC 反映了材料的寿命—温度敏感性：HIC 越小（如 5–8 K），寿命对温度变化越敏感；HIC 越大（如 12–15 K），材料的温度耐受裕度越大。从 Arrhenius 方程可导得 HIC = ln(2)/B × T₁T₂。

标准要求报告 TI 时同时给出对应的 95% 置信下限（LTL, Lower Tolerance Limit），以反映统计不确定性。当 LTL 低于 TI 超过 5 K 时，应考虑增加样本量或减少数据分散度。

3. 工程应用、标准变迁与技术演进 ⚙️

3.1 固定时间法的工程适用场景

固定时间法特别适用于以下工程场景：

新材料筛选与对比： 在研发阶段需要快速比较多个候选配方的热性能时，固定时间法比传统的 IEC 60216-1 连续老化法更节省时间，因为每个温度下的试验时间可以提前计划。
绝缘系统认证（IEC 60216-2）： 当材料的寿命较长（预期 TI > 155 °C 即 F 级以上）时，采用固定时间法可以在合理的时间窗口内完成多温度老化试验。
质量一致性验证： 在批量生产中，使用固定时间法的简化方案（选取 1–2 个特征温度、单一暴露时间）作为快速筛选试验，可以有效监控材料批次间的热性能一致性。

🚨 关键警示：固定时间法不适用于以下情形：（1）材料在老化过程中发生相变或晶型转变；（2）材料的终点性能老化曲线是非单调的（例如初期性能上升后再下降，如某些环氧树脂的后固化效应）；（3）材料的降解产物具有自催化或阻化效应，导致 Arrhenius 模型失效。在这些情况下，必须采用更全面 IEC 60216 系列或 CIGRE 推荐的基于诊断性能拐点的评价方法。

3.2 从 IEC 61145 到 IEC 60216-7 的演进

IEC 61145 已被 IEC 60216-7《电气绝缘材料——热 endurance 特性——第 7 部分：用固定时间法确定绝缘材料的相对热 endurance 指数（RTE）》所替代。两者之间技术内容的差异主要体现在以下方面：

术语更新： IEC 60216-7 引入了”相对热 endurance 指数（RTE）”的概念，强调该方法适用于将待测材料与参考材料进行比较（而非仅测定绝对 TI）。这提高了试验效率——只要参考材料的 TI 已知，可以通过较少温度点的对比试验快速获得待测材料的 RTE。
统计方法增强： 新标准要求更严格的异常值检测（如 Cochran 检验和 Grubbs 检验），并引入了非参数排序方法作为补充分析手段。
诊断参数的扩展指导： IEC 60216-7 增加了对新型诊断参数（如 FTIR 光谱老化因子、DSC 氧化诱导时间 OIT）的指导，这反映了现代分析仪器在材料老化评价中日益重要的角色。
置信区间计算规范化： 新标准明确了采用 IEC 60216-3（统计方法）中规定的计算程序，包括对截距、斜率和 TI 的不确定度评估。

尽管如此，IEC 61145 确立的固定时间法基本原理——多温度阶梯老化 + Arrhenius 回归 + TI/HIC 计算——仍然是 IEC 60216-7 的技术核心。对于已经按照 IEC 61145 试验获得的数据，在过渡期内仍然具有有效性和参考价值。

3.3 工程实践中的常见误区与建议

基于多年的绝缘材料热老化试验经验，以下是工程实践中应当特别注意的几点：

样本量不足： 每个温度点每组至少需要 5–10 个平行试样，以满足统计分析的最低要求。过少的样本会导致 TI 的置信区间过度膨胀。
温度控制精度： 老化烘箱的温度波动应控制在 ±1 K 以内（IEC 60216-4-1 要求）。在 200 °C 以上高温区，温度偏差 2 K 即可导致老化速率差异约 15%，显著影响 TI 的准确性。
忽略非热因素： 固定时间法仅考虑热老化，但实际绝缘系统在服役中还受到电场、机械应力、湿度、辐射等因素的协同作用。通过引入多应力老化模型（如 Eyring 模型、IPM 综合参数模型），可以弥补单一热老化评价的不足。
错误的外推： TI 从 5000–20000 小时数据外推到 20 年以上的服役寿命（约 175,000 小时）时，外推倍率可达 10–30 倍，必须充分评估机理恒定假设的合理性。

💡 小提示：编制绝缘材料采购技术规范时，建议明确引用相应的热 endurance 试验标准和 TI/HIC 接收判据。例如：”供应商应按 IEC 60216-7 提供漆包线漆膜的相对热 endurance 指数（RTE），RTE ≥ 180 °C（对应 H 级绝缘），HIC 应在 6–12 K 范围内。”这样可以确保供货质量的可追溯性和一致性。

常见问题 FAQ ❓

固定时间法与传统的 IEC 60216-1 连续老化法有何本质区别？

连续老化法（IEC 60216-1）在每个温度点连续暴露试样，定期取出检测直至失效，记录每个试样的确切失效时间，其数据形式为”时间—失效”；固定时间法预先设定暴露时间间隔，在每个间隔结束时一次性评估一组试样是否失效，数据形式为”固定时间点—性能残留值”。固定时间法的试验时间更容易规划和管理，但数据分辨率和统计效率通常低于连续老化法。两种方法得出的 TI 在理想条件下一致，但固定时间法的估计方差通常略大。

TI 和 RTE 有何区别？在工程选材中应优先使用哪个指标？

TI（温度指数）是材料达到 20,000 小时寿命的绝对温度值，适用于已知参考性能的新材料等级标定。RTE（相对热 endurance 指数）是将待测材料与一个已知 TI 的参考材料在相同试验条件下对比获得的相对指数，节省试验时间。在工程选材中，如果已有熟悉且经验证的参考材料，使用 RTE 可以更快地筛选候选材料；对于全新材料的认证，应优先测定 TI。需要注意：RTE 的有效性依赖于参考材料的适当选择——参考材料应与待测材料属于同一类别，老化机理相似。

如果材料的 Arrhenius 图出现明显的非线性，该如何处理？

Arrhenius 非线性通常指示在试验温度范围内降解机理发生了转变——例如从扩散控制的氧化反应转变为化学反应控制的降解，或者在高温下发生了玻璃化转变。处理方法包括：（1）识别转折温度点，在转折点两侧分别进行线性回归，报告两段各自的 TI 和 HIC；（2）在合理范围内调整温度区间，避开机理转变区；（3）采用更广义的动力学模型（如 Kissinger 法或 Flynn-Wall-Ozawa 等转化率法）分析。无论如何，直接对非线性数据进行单一直线拟合是严重错误的，会导致寿命预测的系统性偏差。

HIC 在绝缘系统设计中的实际工程意义是什么？

HIC 直接决定了绝缘系统的温度裕度设计策略。例如，两种绝缘材料 A 和 B 的 TI 均为 155 °C（F 级），但 A 的 HIC = 6 K，B 的 HIC = 12 K。这意味着在 165 °C 运行时，材料 A 的寿命仅为 TI 温度下的 1/2^(10/6) ≈ 31.5%，而材料 B 仍有 1/2^(10/12) ≈ 56.1% 的寿命。换言之，HIC 小的材料对温升更敏感——在存在热点或负载循环的应用中，这类材料需要更大的设计裕度。HIC 值也在 IEC 60085 的热等级判定中作为参考依据，通常要求 HIC 不小于 6 K 以确保工程应用的合理性。