《Journal of Marine Science and Engineering》：Revisiting and Innovating Concepts for Shipboard Electrical Insulation Aging and Life Under Multiple Thermal and Electrical Stresses
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随着船舶电气系统在电压等级、功率容量及运行温度等方面的持续升级，电气设备在海洋环境下的应用面临日益严峻的挑战。近年来，基于最新文献发表的研究工作已重新聚焦于电热老化现象学（electrothermal aging phenomenology）的探究，而对其深入
随着船舶电气系统在电压等级、功率容量及运行温度等方面的持续升级，电气设备在海洋环境下的应用面临日益严峻的挑战。近年来，基于最新文献发表的研究工作已重新聚焦于电热老化现象学（electrothermal aging phenomenology）的探究，而对其深入理解是现代高性能船用电气与电子部件设计的核心基础。然而，该领域存在明显的知识断层——数十年前的研究成果似乎已被遗忘。本文追溯并整合了历史研究，提出了一种创新的老化速率与寿命建模通用方法，用于量化耦合电热应力下的协同效应程度。该方法发展了老化速率的加性模型（additive model）与乘性模型（multiplicative model），并引入了修正系数（corrective coefficient），其数值反映了协同效应的程度以及分别施加电、热应力而非同时施加进行加速老化试验的可行性。研究选取了船用技术中典型的绝缘材料，包括合成纸（synthetic paper）、聚酰胺（polyamide）及交联聚乙烯（cross-linked polyethylene, XLPE），以验证所提出模型的适用性。此外，研究进一步实验探究了局部放电（partial discharge, PD）对老化速率的贡献，并对其进行了建模分析，从而将电热老化现象学拓展至外在老化（extrinsic aging，如局部放电老化）领域。
**研究背景与问题提出**
船舶电气化趋势日益显著，无论是传统动力船舶、混合动力船舶还是全电船舶，提升电能容量与功率密度已成为刚性需求。为实现这一目标并最小化设备重量，提高部件的额定电压与运行温度成为不可回避的技术路径。然而，在绝缘体积无法增加的情况下（受重量、体积及散热条件约束），更高的电压意味着绝缘材料承受更高的电场强度，这直接导致电气设备中最薄弱环节——绝缘系统——的失效风险显著增加。更为复杂的是，船舶电力系统供电方式正经历从交流正弦波到电力电子调制的交流波以及直流电压的深刻变革，不同电压波形下电场分布的差异可能进一步加速绝缘老化。
尽管20世纪50至80年代的研究已为聚合物绝缘材料的电热老化机制及相关寿命模型奠定了重要基础，但当前文献中大部分工作仅停留在定性风险警示层面，即联合应力作用下绝缘寿命可能缩短，缺乏对协同效应（synergism）的定量刻画。在此背景下，研究人员意识到有必要重新审视并更新历史研究成果，建立老化与寿命相关术语、概念及模型的统一认知框架，特别是针对 intrinsic aging（材料固有属性的整体劣化倾向）与 extrinsic aging（由设计、制造或安装缺陷引发的局部退化现象）的区分与建模。
**研究内容、结论与意义**
该论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》，核心目标是建立并验证多应力耦合下的绝缘老化速率与寿命预测模型。研究人员系统梳理了单一应力（电热）及联合应力下的老化理论基础，通过引入修正系数实现了对协同效应的定量表征。研究得出以下关键结论：不同绝缘材料对应力协同的敏感度存在显著差异，这种差异与材料的热稳定性等级、结晶特性及力学性能密切相关；修正系数的数值大小直接反映了协同效应的强弱，为加速老化试验方案的设计（分步施加或同时施加应力）提供了理论判据；局部放电作为外在老化的典型形式，其损伤密度随温度升高而增大，需在多应力模型中予以单独考量。该研究对船用电气绝缘系统在复杂电磁环境下的可靠性设计具有重要指导价值，填补了历史研究与当代需求之间的认知鸿沟。
**关键技术方法**
研究主要依托理论建模与加速寿命试验验证相结合的方法论体系。在模型构建方面，研究人员基于反应速率理论（reaction rate theory）发展了老化速率的加性模型与乘性模型，并引入EYRING反应速率表达式作为热老化建模基础，同时融合了逆幂律模型（inverse power model）描述电老化行为；通过推导包含修正项的通用寿命方程，实现了对协同效应的数学表征。试验验证方面，研究采用了三类典型船用绝缘材料队列：芳纶纸-聚酯复合层压材料（Nomex-Mylar laminate，样本源自文献[36]的专项试验，历时一年以上，涵盖180°C至20°C多温度层级及多电场强度水平的同步电热加速老化测试）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，样本源自文献[28]的50Hz加速寿命试验，温度覆盖20°C至100°C）以及交联聚乙烯电缆（XLPE，样本源自文献[44]的概率50%失效时间数据，温度覆盖20°C至110°C）；此外，聚丙烯（PP）及聚酰亚胺（Kapton）试样的局部放电特性参数量测数据分别引自文献[40]及文献[43]。在参数估计层面，研究采用最小二乘法拟合对数-对数坐标及半对数坐标下的寿命曲线，通过对比加性模型与乘性模型的拟合优度确定最优修正系数。
**研究结果**
**单一应力老化模型回顾与阈值特性**
研究人员首先系统阐述了单一应力下的本征老化模型。对于电老化，逆幂律模型（inverse power model）及其阈值修正形式被用于描述绝缘寿命与电场强度的关系，其中电压耐久系数（v perhaps VEC, n）为关键形状参数。试验数据显示，在双对数坐标下寿命与电场呈线性关系，但某些材料（如聚酰亚胺薄膜）表现出明显的阈值特性，即存在电场阈值E
th，低于该阈值时老化速率可忽略。类似地，热老化模型基于Arrhenius方程（Arrhenius equation）构建，同样存在温度阈值T
th的概念。研究指出，国际电工委员会标准IEC 60216所采用的外推法获取温度指数（T perhaps TI）时，若实际温度阈值高于TI，将导致对材料耐热性能的低估。
**外在老化与局部放电建模**
外在老化主要涉及局部放电（PD）对绝缘寿命的影响。研究表明，PD的存在显著降低电压耐久系数n的数值，意味着更快的老化速率。对于不同电压波形，直流下的PD老化速率低于交流，这与PD重复频率密切相关。研究提出可采用老化速率叠加原理（superposition principle）处理间歇性PD的作用，即将不同应力作用时段的老变速率积分计算总损伤。特别地，研究人员通过PP及Kapton试样的实验数据揭示了温度对PD损伤的增强机制：尽管PD起始电压（PDIV）随温度变化不显著，但PD脉冲幅值及单位时间损伤密度（D
d）随温度明显上升，这源于载流子迁移率及电离效率的温度依赖性。
**电热联合应力模型与协同效应量化**
这是本研究的核心创新部分。研究人员对比了两种应力组合情景：有限协同（superposition effect）与显著协同（synergistic effect）。对于前者，总老化速率为各应力老化速率的加权和；对于后者，需引入乘性修正。研究提出了包含修正系数（R*加性模型中为R
*a，乘性模型中为R
*m）的统一建模框架，该系数定量表征了协同效应程度。
针对Nomex-Mylar复合材料的试验结果显示：加性模型修正系数R
*a = 1.45，乘性模型修正系数R
*m = 1.03，表明该材料体系协同效应有限，乘性无修正模型已能较好描述其老化行为。这一结果归因于Nomex优异的热稳定性及Mylar较高的耐热等级，使得热降解与电致机械疲劳过程基本独立。
PET材料的电老化阈值模型拟合显示，不同温度下的阈值电场几乎重合，计算得加性修正系数为1.28，表明存在轻微协同效应。
XLPE电缆的试验结果则呈现出显著不同的特征：不同温度下的阈值电场差异明显，且接近典型中压电缆的设计场强；计算得加性修正系数高达1.91，表明强烈的协同效应。研究人员分析，这源于XLPE相对较低的热等级、半结晶结构特性及较低的杨氏模量，使得电损耗对热应力的影响以及热致机械疲劳对电老化的增强效应相互放大，形成显著的正反馈机制。
**讨论**
研究人员深入讨论了材料特性对协同效应的决定性作用。芳香族聚酰胺（如Nomex）的高热稳定性使其在试验应力条件下热降解动力学相对独立；而XLPE的橡胶类弹性体特征及半结晶结构则促进了电-热-机械多场耦合效应。这种材料差异性提示，在绝缘系统设计阶段必须针对具体材料开展定制化的多应力加速老化试验，不可简单套用统一模型。关于局部放电对整体老化模型的贡献，研究指出可在加性模型框架下将无PD电老化与有PD电老化分离处理，各自采用不同的修正系数，从而提高复杂工况下寿命预测的准确性。
**研究结论**
重访数十年前的研究成果并构建多应力老化与寿命建模的清晰框架，对于指导日益复杂的电磁环境下船用绝缘系统设计具有重要价值。本文展示了如何将电热应力整合于统一寿命模型之中，并定量评估了应力同时作用时的协同效应程度（包括存在或不存在局部放电的情形）。必须特别强调，协同效应的程度取决于材料特性与应力条件；因此，仅仅指出协同效应的存在及其可能的重要性，对于绝缘系统设计而言是显而易见且缺乏实际指导意义的。
