一、引言

电气设备可靠性是保障电力系统稳定运行的核心要素，其寿命评估直接关系到运维成本与安全隐患的防控。当前行业普遍采用加速寿命试验缩短测试周期，但试验设计合理性不足常导致结果失真，例如温度加载路径与实际工况偏差过大、数据采集环节忽略瞬态热冲击影响等问题频发。本文从热力学与统计学交叉视角切入，系统探讨加速试验中温度边界条件的动态模拟方法，提出基于退化轨迹相似性的加速因子计算框架，旨在建立试验条件与真实服役环境间的等效映射机制。

二、电气设备热循环可靠性加速寿命试验方法

（一）试验方案设计

电气设备在长期运行中经历的热循环过程往往成为诱发材料疲劳、连接失效的关键因素，模拟实际工况的加速寿命试验必须精准捕捉温度波动与机械应力的耦合效应。基于Arrhenius方程与Coffin-Manson模型的复合加速模型构建试验框架时，需根据设备额定工作温度、极端工况阈值设定循环温度梯度，将温升速率控制在每分钟5-15℃区间以防止热冲击导致的非典型失效。针对多材质复合结构设备，需采用红外热成像技术实时监测不同材料界面的温度滞后现象，同步采集热膨胀系数差异引发的微应变数据，建立温度-应力响应矩阵作为失效判据的修正参数。循环次数设定需突破传统等比数列递增模式，转而采用基于威布尔分布的三段式加载策略，在初始阶段以两倍额定温差进行100次快速循环以暴露焊接点缺陷，中间阶段切换为1.5倍温差进行300次中速循环观察绝缘材料蠕变，最终以额定温差进行500次循环验证累积损伤效应^[1]。

（二）数据采集与处理

数据采集需构建多维度同步监测网络捕捉关键参数演变轨迹，比如温度传感器紧密贴合关键发热元件的表面，振动传感器则固定于易发生形变的接缝或焊接点，电流互感器串接于主回路实时追踪负载波动，三者通过光纤或屏蔽电缆连接至具备隔离功能的数据采集卡，实现每秒千次级的同步采样以捕获瞬态热冲击效应。原始数据流经自适应滤波算法消除环境电磁噪声，结合小波变换分离出设备固有振动频谱与热致形变量，利用卡尔曼滤波补偿传感器迟滞误差，最终生成包含温度梯度、机械应变率、电参数偏移量的三轴时序数据集。数据处理核心在于建立多物理场耦合的退化表征模型，将标准化后的温度循环次数与绝缘电阻衰减曲线、焊点裂纹扩展速率进行非线性回归拟合，通过核主成分分析提取表征设备健康状态的隐变量。异常数据片段由动态阈值算法自动识别，例如突发的电流尖峰若与温度变化相位差超过预设范围，则判定为外部干扰予以剔除。数据融合环节引入熵权法确定各参数权重系数，结合加速因子模型将实验室热循环数据映射至实际工况，最终输出置信区间覆盖率达95%的剩余寿命概率分布图，为优化设备维护周期提供量化依据。

（三）寿命预测模型的建立

针对电气设备中金属导体、绝缘材料、焊接点的差异化响应特性，引入多物理场耦合分析框架，将温度梯度、膨胀系数差异、蠕变应变速率等参数纳入失效驱动因子体系，构建基于Arrhenius方程与Coffin-Manson准则的复合数学模型，其指数项综合考量了热冲击次数与温度幅值的非线性叠加效应。模型参数标定需结合材料微观结构分析数据，采用极大似然估计法优化活化能与疲劳指数，对于存在交互作用的多失效模式，可引入竞争失效机制权重系数，通过偏微分方程组描述不同应力水平下主导失效模式的动态转换^[2]。

（四）加速因子的计算与应用

温度循环过程中，设备内部材料因热膨胀系数差异产生周期性应力，导致微观裂纹萌生与扩展，加速因子需通过应力幅值与循环次数的函数关系推导。阿伦尼乌斯模型通常用于描述温度与失效速率的关系，但热循环条件下需引入修正因子以表征非稳态温度梯度的影响。当设备经历高温与低温交替时，焊点、绝缘层等薄弱部位的蠕变-疲劳交互作用成为关键变量，加速因子须综合考量温度极值差、温变速率及驻留时间对材料本构行为的非线性效应。针对热循环特有的瞬态热应力特征，Coffin-Manson方程与修正的Morrow公式常作为基础框架，通过拟合不同温升幅度下的失效循环次数曲线，建立加速因子与温度波动幅度的指数关系。实际应用中需引入应力集中系数和界面接触阻抗等参数，例如在功率模块封装结构中，芯片与基板间的热失配会显著放大局部应变，此时加速因子需叠加几何约束因子以修正理论模型。验证阶段需借助有限元仿真获取热-机耦合应力场分布，结合材料S-N曲线与Paris裂纹扩展定律，构建多维加速映射关系。该方法通过量化温度剖面参数对寿命衰减的贡献权重，使实验室条件下的加速试验能够复现真实工况中的主导失效模式。

三、热循环试验中的关键问题与解决方案

（一）温度控制与均匀性问题

在热循环试验中，传统温控系统常因传感器精度不足导致温度偏差累积，试验箱内不同区域存在显著温差，尤其对于体积较大的被测设备，边缘区域温度响应滞后于核心区域，这种非均匀性热应力分布使材料疲劳特性难以真实反映实际工况。设备老化引发的加热元件功率衰减、制冷剂循环效率下降等问题，进一步加剧温度曲线的非线性波动，试验数据置信度面临严峻考验。针对温控精度难题，模糊PID算法替代传统线性控制模型成为突破口，通过建立温度误差、变化率与输出功率的三维隶属函数，结合实时反馈机制动态调整控制参数，有效抑制温度超调现象。为解决空间温度场均匀性问题，试验箱内部采用多区域独立温控模块，每个子单元配备冗余热电偶阵列，辅以高精度气流导向装置，使箱内各点温度梯度控制在±1.5℃以内。

（二）试验过程中的故障检测与诊断

传统检测手段受限于采样频率与精度，极易遗漏瞬态异常信号，例如某次试验中某型号电源模块因焊点微裂纹扩展引发间歇性断路，常规监测仅记录到电流波动却未能定位故障源。针对这一难题，解决方案需围绕高精度传感器网络与实时数据分析算法展开，采用分布式布局的微型热电偶阵列覆盖关键发热区域，同步采集温度、形变、电流等多维度参数，结合小波变换提取高频瞬态特征，例如通过分析热膨胀系数与电流谐波的相关性，可精准识别焊点脱离或绝缘层碳化等潜在缺陷；引入动态阈值调整机制，依据历史数据与实时工况自适应更新报警阈值，避免固定阈值导致的误报或漏检，例如某次实验中算法根据前期温度爬升速率自动降低阈值灵敏度，成功捕捉到电容电解质干涸前的微弱介损角变化；开发基于迁移学习的故障模式识别模型，利用跨设备试验数据构建共性特征库，显著提升对新型失效模式的泛化识别能力。

结语

热循环加速寿命试验的本质在于建立可控试验环境与自然老化过程之间的等效关系，其有效性取决于对材料退化机理的深度解析与试验参数的精准控制。基于动态响应特性的加速因子模型能够更真实反映多应力耦合效应，而采用梯度温变加载策略可有效规避传统阶跃式加热引发的局部热失衡问题。建议在试验设计中强化故障模式先验分析，通过构建材料特性数据库优化温度加载曲线，再引入边缘计算技术提升数据采集实时性。

参考文献

[1] 安东阳.姿控发动机涂层热性能试验技术与寿命预测方法研究[D].哈尔滨工业大学,2020.

[2] 周天朋,刘向勃,祝济之.电子设备热循环加速可靠性试验研究与应用[J].环境技术,2021,39(02):67-71.