加熱電纜的熱性能和壽命評(píng)定

1、加熱電纜的熱性能和壽命評(píng)定王振國(guó)一、 引言關(guān)于加熱電纜的熱性能和壽命評(píng)定,IEC標(biāo)準(zhǔn)（包括IEC 60800、IEC 62395-1和IEC 60079-30-1標(biāo)準(zhǔn)）目前尚無(wú)規(guī)定，而IEEE在其發(fā)布的IEEE 515商業(yè)用電阻伴熱器的試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中早就有了有關(guān)規(guī)定，現(xiàn)將有關(guān)章節(jié)譯錄如下，供有關(guān)方參考。筆者注：電阻伴熱器包括伴熱電纜（即通常稱加熱電纜）、伴熱墊和伴熱板。二、 IEEE 515.1-2012標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定4.2.6熱性能基準(zhǔn) 當(dāng)按4.2.6.1或4.2.6.2規(guī)定試驗(yàn)時(shí)，加熱設(shè)備樣品應(yīng)保持輸出功率水平在初始輸出功率的20或-25的范圍內(nèi)。 這些試驗(yàn)僅適用于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的

2、加熱設(shè)備。它們不適用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備。 筆者注：本節(jié)標(biāo)題在IEEE 515的早期版本中為“服務(wù)壽命性能基準(zhǔn)”。4.2.6.1基本試驗(yàn)對(duì)三個(gè)隨機(jī)選擇的代表了評(píng)價(jià)中所有加熱設(shè)備的最大輸出的樣品進(jìn)行試驗(yàn)。如果加熱設(shè)備的類型具有不同的額定電壓和輸出功率水平，則選擇各三個(gè)樣品應(yīng)能代表：a）最低的額定電壓水平和最大的額定輸出功率b）最高的額定電壓和最小的額定輸出功率樣品應(yīng)按制造者的規(guī)范規(guī)定制作終端，提供加熱長(zhǎng)度至少為0.6 m（2ft）的加熱電纜或具有代表性尺寸的表面加熱設(shè)備。試驗(yàn)的老化溫度為制造者聲明的加熱設(shè)備的最高維持溫度。樣品在老化溫度下通電處理120 h±24 h。樣品的初始輸出功率

3、用4.2.11節(jié)規(guī)定的三個(gè)方法之一測(cè)定，但當(dāng)采用4.2.11.3試驗(yàn)程序時(shí)樣品長(zhǎng)度和測(cè)定的溫度點(diǎn)個(gè)數(shù)不同。在這種情況下,在樣品額定電壓和制造者聲明的額定輸出功率的參考溫度下對(duì)樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)。樣品的輸出功率應(yīng)在制造者聲明的輸出功率范圍內(nèi)。將樣品放置到4.2.11.3規(guī)定的裝置或適當(dāng)?shù)募訜岵壑胁⑦M(jìn)行絕緣。將管子或加熱槽的溫度設(shè)定為規(guī)定的攝氏老化溫度并保持在±3（±5.4）+1的范圍內(nèi)。使加熱流體循環(huán)或采用外部加熱將試驗(yàn)裝置的溫度升高到老化溫度。并聯(lián)伴熱器在額定電壓下運(yùn)行。供電每15 min進(jìn)行一次循環(huán)，其中12 min通電，3 min斷電。樣品將如此處理共32周（5376 h）。

4、對(duì)于具有高于最高維持溫度的最高暴露溫度的加熱設(shè)備（無(wú)論是連續(xù)的還是間斷的）試樣應(yīng)在相同條件下暴露32周,除了每星期一次的8 h偏離外。8 h開(kāi)始時(shí)，樣品斷電。管子或加熱槽的溫度將升高到等于制造者聲明的最高暴露溫度的溫度。允許升高溫度時(shí)間應(yīng)不大于1 h。偏離開(kāi)始7 h后，管子或加熱槽的溫度將降低回到老化溫度，允許此操作時(shí)間應(yīng)不大于1 h。當(dāng)最高暴露溫度是基于加熱設(shè)備通電的，則加熱設(shè)備在溫度偏離時(shí)應(yīng)連續(xù)通電，但冷卻回到最高維持溫度時(shí)例外。當(dāng)最高暴露溫度是基于加熱設(shè)備斷電的，則暴露循環(huán)應(yīng)在斷電情況下進(jìn)行，8 h偏離結(jié)束時(shí)樣品恢復(fù)供電。偏離應(yīng)發(fā)生在每周的同一天。在32周試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，用與測(cè)定樣品初始輸出

5、功率相同的方法測(cè)定樣品輸出功率。計(jì)算樣品初始輸出功率的百分比變化率。筆者注：文中提及的4.2.11節(jié)規(guī)定的是額定輸出功率的驗(yàn)證方法，其中4.2.11.3節(jié)規(guī)定的是熱驗(yàn)證方法。與IEC標(biāo)準(zhǔn)不同，針對(duì)四類不同的安裝類型的加熱設(shè)備，4.2.11.3節(jié)規(guī)定了不同的熱驗(yàn)證方法。對(duì)應(yīng)這四類不同的安裝類型，該標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)章節(jié)的小標(biāo)題如下：4.2.11.3.1絕緣表面（包括管子）4.2.11.3.2室外暴露表面加熱4.2.11.3.3嵌入式加熱4.2.11.3.4管道內(nèi)加熱IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了第1種類型即絕緣表面安裝類型的加熱設(shè)備的額定輸出功率的驗(yàn)證方法。4.2.6.2替代試驗(yàn)開(kāi)發(fā)該替代試驗(yàn)方法的目的在于縮短具

6、有聚合物部件的并聯(lián)結(jié)構(gòu)加熱設(shè)備按4.6.2.1規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間,但其也可用于任何并聯(lián)結(jié)構(gòu)加熱設(shè)備。不能通過(guò)本試驗(yàn)要求的產(chǎn)品應(yīng)符合4.6.2.1的要求。試驗(yàn)設(shè)備由一個(gè)能改變溫度到規(guī)定水平的金屬臺(tái)板組成。該臺(tái)板大小應(yīng)能暴露加熱設(shè)備樣品的所有部分，試樣將在正常的安裝條件下被暴露在本試驗(yàn)程序所規(guī)定的溫度水平下。試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)保證加熱設(shè)備樣品與臺(tái)板緊密接觸。試驗(yàn)設(shè)備可以提供一個(gè)樣品固定裝置。如若,在加熱設(shè)備的終端/電源部件/引出罩的外形大小超過(guò)加熱設(shè)備外形大小的場(chǎng)合,應(yīng)對(duì)固定裝置或臺(tái)板采取補(bǔ)償措施以容納終端/電源部件/引出罩。試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)能在本試驗(yàn)程序需要時(shí)向加熱設(shè)備樣品供電。樣品在非面向臺(tái)板的一

7、側(cè)應(yīng)施加熱絕緣以保證熱量從臺(tái)板向加熱設(shè)備樣品有效傳遞。當(dāng)臺(tái)板溫度低于100時(shí)，臺(tái)板溫度應(yīng)均勻控制到最大偏差±5；當(dāng)臺(tái)板溫度為100以上時(shí)，臺(tái)板溫度應(yīng)均勻控制到最大偏差為最高連續(xù)運(yùn)行溫度的5。 此處所述臺(tái)板可以是扁金屬板、金屬管或所試加熱設(shè)備大多數(shù)實(shí)際使用情況中遇到的典型金屬表面。隨機(jī)選擇三個(gè)加熱設(shè)備樣品，最小長(zhǎng)度為0.3m。加熱設(shè)備形狀不規(guī)則時(shí)，如表面加熱組件，加熱設(shè)備樣品應(yīng)至少由一個(gè)加熱組件組成。 如加熱設(shè)備為具有相同的材料（材料具有相同性能等級(jí)）和結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備產(chǎn)品范圍的一部分時(shí)，但具有不同的額定電壓和輸出功率水平時(shí)，則選擇各三個(gè)樣品應(yīng)能代表：a）最低的額定電壓水平和最大的額定輸

8、出功率b）最高的額定電壓和最小的額定輸出功率 試驗(yàn)開(kāi)始前加熱設(shè)備樣品在最高的額定電壓下和制造者聲明的最高的連續(xù)運(yùn)行溫度下處理150 h。 加熱設(shè)備樣品安裝在樣品固定裝置上或直接安裝在臺(tái)板上。樣品施加最高額定電壓。臺(tái)板溫度應(yīng)為23±5。樣品的初始功率輸出通過(guò)測(cè)量加熱設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定后的電壓和電流確定。 連續(xù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備樣品當(dāng)安裝在樣品固定裝置上或直接安裝在臺(tái)板上并施加最高額定電壓時(shí)，進(jìn)行溫度循環(huán)使樣品交替暴露在相當(dāng)于23±5和最高連續(xù)運(yùn)行溫度的臺(tái)板溫度下。冷卻階段樣品可不通電。 分區(qū)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備樣品以同樣的方式進(jìn)行溫度循環(huán)，但當(dāng)樣品不處在最高連續(xù)運(yùn)行溫度時(shí)不通電。 如

9、循環(huán)溫度范圍超過(guò)350，則較低的溫度可設(shè)定為最高連續(xù)運(yùn)行溫度以下350 通電樣品應(yīng)暴露在每個(gè)溫度極限下最少15 min，溫度極限間轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)不超過(guò)15 min，一個(gè)循環(huán)為在兩個(gè)溫度極限下的一個(gè)的完整的暴露。 應(yīng)最少進(jìn)行1500個(gè)循環(huán)。 溫度循環(huán)后，臺(tái)板溫度應(yīng)升高到制造者聲明的最高暴露溫度（最高的連續(xù)或間斷的值）并保持不少于250 h。 當(dāng)聲明最高暴露溫度為“通電”時(shí)，樣品應(yīng)在最高額定電壓下通電。極限溫度暴露試驗(yàn)完成后，使用與初始測(cè)量相同的方法和臺(tái)板溫度（±1）測(cè)量加熱設(shè)備樣品的功率輸出。三、討論 1、從上述IEEE的關(guān)于加熱電纜的熱性能和壽命的評(píng)定的方法可以看出下列要點(diǎn)： 1）無(wú)論是

10、基本方法還是替代方法，加熱電纜熱性能和壽命評(píng)定試驗(yàn)方法本質(zhì)上為熱-電綜合老化方法。在基本方法試驗(yàn)中，電纜在其制造者聲明的最高維持溫度下經(jīng)受32周的熱老化試驗(yàn)，同時(shí)伴隨著進(jìn)行一個(gè)通斷電循環(huán)的電老化試驗(yàn)。在本試驗(yàn)方法中,保持老化溫度基本固定不變,但使通斷電過(guò)程循環(huán)變化。在替代方法試驗(yàn)中，電纜在最高額定電壓下進(jìn)行溫度循環(huán)使樣品交替暴露在相當(dāng)于23±5和最高連續(xù)運(yùn)行溫度的臺(tái)板溫度下共1500個(gè)循環(huán)（最長(zhǎng)歷時(shí)1500 h）。連續(xù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備樣品在冷卻階段樣品可不通電。分區(qū)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備樣品當(dāng)樣品不處在最高連續(xù)運(yùn)行溫度時(shí)不通電。與基本試驗(yàn)方法相反，在本試驗(yàn)方法中,保持施加電壓基本固定不

11、變,但使環(huán)境溫度循環(huán)變化。筆者注：我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19835自限溫伴熱帶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“熱穩(wěn)定性能”試驗(yàn)方法和要求與此替代試驗(yàn)相似，但兩者具體試驗(yàn)參數(shù)（包括溫度循環(huán)的溫度極限以及循環(huán)的周期和個(gè)數(shù)等）不同，因此試驗(yàn)結(jié)果無(wú)可比性。2）電纜熱老化的方法（包括試驗(yàn)設(shè)備的構(gòu)造和布置以及試驗(yàn)的環(huán)境條件等），在基本試驗(yàn)方法和替代試驗(yàn)方法中是不同的；不同安裝類型的電纜的熱老化的方法也是不同的。3）在基本試驗(yàn)方法中，電纜正式試驗(yàn)前先要進(jìn)行預(yù)處理；在替代試驗(yàn)方法中，電纜正式試驗(yàn)前先后要分別進(jìn)行預(yù)處理和后處理。令人十分關(guān)注的是,無(wú)論是預(yù)處理,或者是后處理,處理時(shí)的溫度都相當(dāng)高，時(shí)間都相當(dāng)長(zhǎng)；這實(shí)際上使試驗(yàn)樣品額外

12、經(jīng)受了一次或兩次附加的熱老化試驗(yàn)。4）標(biāo)準(zhǔn)指出，不能通過(guò)替代試驗(yàn)要求的產(chǎn)品應(yīng)符合基本試驗(yàn)的要求?；驹囼?yàn)和替代試驗(yàn)的要求孰嚴(yán)孰寬由此一目了然。 2、近有一些加熱電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一些特殊的產(chǎn)品性能試驗(yàn)要求與相應(yīng)的試驗(yàn)方法，其中一些試驗(yàn)方法貌似上述IEEE關(guān)于加熱電纜的熱性能和壽命評(píng)定的規(guī)定，但其實(shí)質(zhì)則完全不同。例如，有一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)加熱電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（下面簡(jiǎn)稱這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為“該標(biāo)準(zhǔn)”）規(guī)定有關(guān)加熱電纜樣品不進(jìn)行任何預(yù)處理也不進(jìn)行任何熱老化，但僅在室溫下進(jìn)行類同上述IEEE關(guān)于加熱電纜的熱性能和壽命評(píng)定試驗(yàn)中的基本試驗(yàn)規(guī)定的通斷電循環(huán)。通斷電循環(huán)結(jié)束，考核通斷電循環(huán)前后的輸出功率的變化并規(guī)定應(yīng)不超過(guò)20

13、。 假定一個(gè)加熱電纜產(chǎn)品同時(shí)通過(guò)了“該標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試驗(yàn)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加熱電纜熱性能和壽命評(píng)定中的基本試驗(yàn)（下面簡(jiǎn)稱該試驗(yàn)為IEEE試驗(yàn)），十分明顯，由于在“該標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試驗(yàn)中，樣品在通斷電循環(huán)前未經(jīng)預(yù)處理，在通斷電循環(huán)時(shí)沒(méi)有同時(shí)進(jìn)行熱老化，因此“該標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試驗(yàn)和IEEE試驗(yàn)兩者的試驗(yàn)條件的嚴(yán)酷程度大相徑庭，兩者試驗(yàn)后加熱電纜性能劣化的嚴(yán)重程度也有天壤之別，包括加熱電纜的老化程度和試驗(yàn)前后的輸出功率的變化都是完全不同的。由此可見(jiàn)，“該標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試驗(yàn)不能揭示加熱電纜熱性能和壽命的本質(zhì)。如果一個(gè)加熱電纜樣品無(wú)法通過(guò)“該標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試驗(yàn),那么立刻就可以斷定,該加熱電纜的質(zhì)量是低劣的；如果與IEEE試驗(yàn)的規(guī)定要求相比,則可以看出,該加熱電纜的質(zhì)量是“非?！钡土拥?。反之，如果一個(gè)加熱電纜樣品盡管花費(fèi)了32周即大半年的時(shí)間并花費(fèi)了大量的人力物力通過(guò)了“該標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試驗(yàn)，但由于未進(jìn)行IEEE規(guī)定的試驗(yàn)，當(dāng)然人們就不知道該加熱電纜樣品是否能達(dá)到IEEE基本試驗(yàn)規(guī)定的試驗(yàn)的要求，這樣人們?nèi)匀粺o(wú)法判斷該加熱電纜的熱性能和壽命是否符合要求，當(dāng)然也無(wú)法判斷該加熱電纜的整體質(zhì)量是否符合要求。從對(duì)加熱電纜的質(zhì)量進(jìn)行合格評(píng)定的角度出發(fā)，可以看出，