Причины старения изоляции:
Перекрытие — разряд по границе раздела двух диэлектриков в изоляционной конструкции. Основная особенность перекрытия – меньшее разрядное напряжение по сравнению с пробоем однородного диэлектрика (в частности, воздуха).
Большинство изоляционных конструкций, использующих комбинированную изоляцию воздух – диэлектрик, может быть сведено к трем характерным случаям.
Однородное поле, в котором силовые линии электрического поля параллельны поверхности раздела двух диэлектрических сред воздух – диэлектрик.
Разрядное напряжение в таких конструкциях существенно (в 1,5 – 2 раза) ниже разрядного напряжения чисто воздушного промежутка.
Снижение электрической прочности объясняется двумя причинами.
1-я причина — неплотное прилегание электродов к диэлектрику.
Между электродами и диэлектриком образуются воздушные прослойки. При плавном подъеме напряжения на такой конструкции воздушные прослойки ионизируются уже при невысоких напряжениях, так как напряженность поля в них повышается из-за перераспределения напряженностей.
Евозд /Едиэл = εдиэл /εвозд ,
где Евозд, Едиэл — напряженность поля в воздухе и диэлектрике, соответственно;
εвозд, εдиэл — диэлектрическая проницаемость воздуха и диэлектрика, соответственно.
Диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3…4 раза больше чем воздуха. Продукты ионизации выходят на края диэлектрика, искажая электрическое поле. Оно становится неоднородным, следовательно, менее прочным.
Бороться с ионизацией воздушных включений в таких конструкциях можно:
— их устранением (соединение диэлектрика с электродом жидкими твердеющими материалами — цементом, смолами и т. п.);
— устранением поля в них (покрытие контактной поверхности диэлектрика проводящими лаками, распыленным в вакууме металлом и т. п. Воздушные прослойки при этом не устраняются, но поле в воздушной прослойке отсутствует).
2-я причина снижения прочности промежутка — влага, абсорбированная поверхностью диэлектрика. Каждый диэлектрик в большей или меньшей степени абсорбирует влагу воздуха. Поэтому на поверхности диэлектрика образуется тонкий слой влаги, обладающий ионной проводимостью. При приложении напряжения ионы перераспределяются по поверхности диэлектрика, устремляясь к противоположно заряженным электродам. Поскольку проводимость тончайшего слоя влаги невелика, то такое перераспределение ионов происходит сравнительно медленно, в результате чего возле электродов напряженность поля повышается, а в середине промежутка — снижается. Как и в первом случае, происходит искажение однородного поля, приводящее к снижению прочности промежутка.
Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, эбонит, оргстекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт).
Борьба с этой причиной снижения прочности промежутка — применение, гидрофобных диэлектриков или гидрофобных покрытий диэлектрика (лаков, паст), применение ребер или юбок на поверхности диэлектрика.
Зависимость разрядного напряжения по поверхности образцов от расстояния между электродами: 1 – чисто воздушный промежуток;
4 – фарфор и стекло при неплотном прилегании электродов к диэлектрику.
Наличие загрязнений на поверхности твердого диэлектрика также снижает разрядное напряжение поверхностного разряда.
Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной (параллельной поверхности раздела двух диэлектрических сред) Eτ составляющей.
Опорный изолятор (а) и система электродов (б) с преобладанием тангенциальной составляющей электрического поля.
В этом случае гигроскопические свойства диэлектрика оказывают меньшее влияние на величину разрядных напряжений, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без того значительную неоднородность поля. Разрядное напряжение в таких конструкциях также ниже, чем в чисто воздушном промежутке.
Неоднородное поле с преобладанием нормальной (перпендикулярной поверхности раздела двух диэлектрических сред) En составляющей поля.
а б
Проходной изолятор (а) и система электродов (б) с преобладанием нормальной составляющей электрического поля.
Напряжение перекрытия проходного изолятора обычно в несколько раз меньше напряжения перекрытия опорного изолятора при одинаковой длине пути перекрытия. Это связано с близким расстоянием между разнопотенциальными электродами в проходном изоляторе и большой составляющей напряженности электрического поля, перпендикулярной поверхности твердой изоляции, из-за чего ионизация на фланце изолятора начинается при весьма небольшом напряжении.
Большая емкость между каналом разряда и близким внутренним электродом приводит к сравнительно большому емкостному току между каналом разряда и внутренним электродом, что приводит к нагреву канала и большей его стабильности.
Поверхностный разряд по мере увеличения приложенного напряжения проходит несколько стадий:
1-я. При относительно низких напряжениях на электродах возникает коронный разряд в виде полоски ровного неяркого свечения. Для конструкций с преобладанием тангенциальной составляющей корона возникает при напряжении порядка (0,5÷0,6) напряжения перекрытия промежутка Unep , а для конструкций с преобладанием нормальной составляющей — (0,1÷0,2) Unep , у заземленного фланца 2 (место с наиболее высокой напряженностью).
2-я. Увеличение напряжения до величины (0,3÷0,5) Uпер приводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике многочисленных слабо светящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называемая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала вглубь промежутка.
Для конструкций с преобладанием тангенциальной составляющей напряжение появления скользящих разрядов практически совпадает напряжением перекрытия.
3-я. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением напряжения, и процесс завершается перекрытием промежутка между электродами.
Ток, проходящий по каналам скользящего разряда, замыкается на второй электрод через емкость этого канала по отношению к противоположному электроду, т.е. через поверхностную емкость. Чем больше эта емкость, тем больше ток, тем ниже напряжение возникновения скользящих разрядов Uск.
Напряжение возникновения скользящих разрядов может быть определено по эмпирической формуле
при Cуд >0,25∙10 -12 , Ф/см 2 .
Для плоского диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε толщиной d см
Контрольные вопросы
Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле. Свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление под воздействием напряжения называется электрической прочностью.
2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?
Потеря диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения называется пробоем
Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.
3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.В случае однородного поля и полной однородности материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более . Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках () близки к пробивным для объемных образцов. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты. Тепловой пробой диэлектрика обычно связан с нарушением теплового равновесия в процессе разогрева за счет джоулевых (в постоянном поле) или диэлектрических потерь (в переменном поле).
4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?
Так как ухудшается изоляция. Из-за электрического поля происходит износ диэлектрика, приводящий к пробоям.
5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной? Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности(уменьшение сопротивления) материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал.
6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?
, где 
– длина электрода, 
– поперечное сечение электрода, следовательно, наблюдается зависимость электрической прочности от формы электродов: 
, где Uпр = I * R
7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твёрдых диэлектриков
Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения
8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?
Во избежание возникновения пробоев в диэлектриках, следовательно, увеличении «жизни» их изоляционных свойств.
9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей
Лакоткань — гибкий электроизоляционный материал. Изготавливается из ткани, пропитанной лаком. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отвердевания образует на лакоткани гибкую плёнку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства. Тканевая же основа обеспечивает лакоткани механическую прочность.
Конденсаторная бумага применяется в качестве диэлектрика для электрических конденсаторов. Конденсаторная бумага отличается малой толщиной ( от 1 до 30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических примесей.
Вопрос. Как зависит электрическая прочность Епр от толщины диэлектрика, состоящего из тонких листов неоднородного материала?
Ответ. При использовании двух слоев изоляции Епр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды, С увеличением числа слоев изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.
Глава 9. Электрохимический пробой
При длительном воздействии электрического напряжения на диэлектрик в нем происходят различные электрохимические процессы, которые приводят к снижению его пробивного напряжения. При этом снижение пробивного напряжения или электрической прочности будет тем больше, чем больше время воздействия
| приложенного | напряжения. | Такая | |
| зависимость | Е пр = f ( t ) | получила в | |
литературе название «кривой жизни» (см. рис. 9.1), а само явление получило название электрохимического пробоя или электрического старения. Сущность процесса электрического старения заключается в возникновении и развитии в диэлектрике различных физико- химических процессов, вызванных воздействием электрического поля и приводящих к ухудшению его диэлектрических свойств. В результате электрохимических процессов, происшедших в диэлектрике под воздействием электрического поля (от нескольких минут до нескольких лет), возрастает его проводимость, увеличиваются диэлектрические потери, снижается кратковременная электрическая прочность. Это разрушение диэлектрика можно рассматривать как самостоятельную форму пробоя, которая в завершающей стадии, как правило, имеет тепловой характер, т.е. завершается развитием теплового пробоя. Установлено, что скорость электрического старения, механизм электрохимических процессов зависят как от условий испытания, так и от вида материала диэлектрика.
9.1. Электрическое старение органической изоляции
Экспериментально показано, что основной причиной старения органической изоляции в сильном электрическом поле являются частичные разряды, происходящие в газовых порах, имеющихся в изоляции, и в окружающем изоляцию газе. Доказательством этого являются следующие факты: 1. Резкое возрастание времени жизни изоляции при проведении ее испытаний в вакууме, где развитие частичных разрядов затруднено. 2. Резкое возрастание времени жизни изоляции при напряженностях поля, меньшей напряженности возникновения частичных разрядов.
Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой 3. Резкое уменьшение времени жизни изоляции при увеличении частоты приложенного электрического поля за счет роста интенсивности частичных разрядов. Возникновение частичных разрядов, как правило, связано с наличием в органических диэлектриках воздушных включений, которые образуются при их изготовлении, за счет усадки в процессе полимеризации и многих других причин. Под действием частичных разрядов (ЧР) могут происходить следующие процессы: 1. Образование газообразных продуктов ионизации – озона, окислов углерода, окислов азота, паров воды и др. 2. Химическое разрушение диэлектрика под действием продуктов ионизации, сопровождаемое разрывом химических связей, образованием свободных радикалов, появлением поперечных связей (сшиванием) между макромолекулами, образованием новых групп (карбоксильные, эфирные) в составе макромолекул полимера, а также углерода и др. Эти изменения прослеживаются с помощью ИК-спектроскопии. 3. Непосредственное воздействие на диэлектрик бомбардировки ионами и электронами, действие излучения, образуемыми при ЧР. 5. Повышение локальной напряженности электрического поля и температуры, возникающие в зоне ЧР. 6. Эрозия диэлектрика, ведущая к уменьшению его веса и толщи- ны. Механизм электрохимических процессов, приводящих к электрическому старению, многообразен и зависит от материала диэлектрика, однако можно указать следующие основные закономерности: а) образование химически активных продуктов при ионной проводимости (взаимодействие ионов с металлом электродов, развитие дендритов); б) процессы электролиза и электролитического разложения продуктов загрязнения, воды, пропиточной массы (взаимодействие их с материалом электродов и диэлектрика); в) разрыв химических связей, образование свободных радикалов и их последующее взаимодействие с основным диэлектриком; г) образование поперечных химических связей, повышение молекулярного веса. Указанные факторы вызывают изменение свойств диэлектрика, определяют механизм его старения и приводят к снижению мгновенного пробивного напряжения. Роль тех или иных факторов может быть
Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой различной в каждом конкретном случае в зависимости от вида диэлектрика и условий испытания. Если представить воздушное включение в виде полости, вытянутой вдоль слоев (рис. 9.2), то можно рассмотреть процесс ЧР из следующей эквивалентной схемы. При приложении к диэлектрику с воздушным включением напряжения за счет различия диэлектрической проницаемости ε и электропроводности γ самого диэлектрика и воздушного включения происходит перераспределение электрического поля. На переменном напряжении это перераспределение определяется
| соотношением | их ди- |
| электрических | прони- |
| цаемостей, | т.к. |
ε 1 Е 1 = ε 2 Е 2 , а на посто-
Рис. 9.2. Эквивалентная схема замещения диэлектрика с воздушным включением: С д – емкость диэлектрика; С в – емкость воздушного включения; С о – емкость диэлектрика без поры ние напряжения на поре достигает U пр.г.
янном напряжении – со-
| отношением | их | прово- |
| димостей, | т.е. | |
| γ 1 Е 1 = γ 2 Е 2 . | Из | этого |
следует, что наибольшая напряженность поля будет всегда иметь место в воздушном включении. При достижении напряжения U = U ни , паде- ( U вз ), т.е. происходит про-
бой емкости поры (ЧР). В соответствии с эквивалентной схемой можно найти:
| d − d г | ε г | ||
| + | = Е пр.г d г + | ( d − d г ) . | (9.1) |
| U н.и = U пр.г 1 | ε д | ||
| ε д d г | |||
| E н.и = | U пр.г | + | d | г | ( ε | − 1 ) | ||
| 1 | . | (9.2) | ||||||
| d | ||||||||
| ε d г | ||||||||
Здесь U ни – напряжение начала ионизации; ε г , ε д – диэлектрическая проницаемость газа (воздуха) и диэлектрика без включения; d , d г – общая толщина диэлектрика и толщина воздушного включения.
Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой В качестве характеристик частичных разрядов кроме напряжения начала ионизации – U ни различают также количество частичных раз- рядов в единицу времени (частота следования ЧР) – n чр ; кажущийся заряд единичного ЧР – q чр ; энергия частичного разряда W чр = q чр U чр ; ток частичного разряда I чр = q чр n чр ; мощность частичного разряда P чр = n чр W чр . Характер и интенсивность проявления частичных разрядов зависит от формы приложенного напряжения.
| На рис. 9.3 показан характер | |||||||||||||||
| проявления | частичных разрядов | на | |||||||||||||
| постоянном напряжении. | |||||||||||||||
| Из рис. 9.3 видно, что при достиже- | |||||||||||||||
| нии напряжения U ни ( U вз ) происходит | |||||||||||||||
| пробой газа в поре. За счет ионизации | |||||||||||||||
| газа происходит | шунтирование | поры | |||||||||||||
| Рис. 9.3. | Частичные разря- | образующимися | при | ионизации | |||||||||||
| электрическими зарядами и напряжение | |||||||||||||||
| ды на постоянном напряже- | на ней резко | упадет. При | U | пог | ( U | вп | ) | ||||||||
| нии | |||||||||||||||
| ионизация прекратится и заряды, | |||||||||||||||
| образовавшиеся при ионизации, будут нейтрализовываться. | |||||||||||||||
| После прекращения разряда напряжение на поре U в | будет вновь | ||||||||||||||
| возрастать в соответствии с формулой | |||||||||||||||
| − | t | ||||||||||||||
| Е | = Е | (9.3) | |||||||||||||
| в | 1 | − е τ . | |||||||||||||
| о | |||||||||||||||
Периодичность ЧР обусловлена величиной τ = RC = A ρ v ε , т.е. по- стоянной времени разряда емкости воздушного включения (временем стекания заряда). Здесь А – некоторая постоянная, отражающая размерность единиц измерения. При повышении температуры за счет увеличения проводимости (т.е. уменьшения удельного сопротивления) время стекания зарядов будет уменьшаться, что приведет к увеличению интенсивности частичных разрядов. Время между разрядами
| Е в | |||
| Т разр = | − | . | (9.4) |
| τ ln 1 | Е | ||
| о | |||
Кроме того, периодичность ЧР зависит от соотношения напряжения зажигания и напряжения погасания разряда
Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой
| Т = τ U ни − U пог , | (9.5) | ||||||||||||||
| где U ни | U m | ||||||||||||||
| – напряжение начала ионизации; | |||||||||||||||
| U пог | – напряжение погасания разряда; | ||||||||||||||
| U m | – амплитуда приложенного напряжения. | ||||||||||||||
| На рис. 9.4 показан характер проявления частичных разрядов на | |||||||||||||||
| переменном напряжении. | Из рис. 9.4 видно, что | ||||||||||||||
| периодичность, т.е. интенсив- | |||||||||||||||
| ность | частичных | разрядов | на | ||||||||||||
| переменном | напряжении значи- | ||||||||||||||
| тельно выше, чем на постоянном | |||||||||||||||
| напряжении. | Их | периодичность | |||||||||||||
| также | определяется | соотноше- | |||||||||||||
| Рис. 9.4. | Частичные | разряды | нием | напряжения | зажигания | и | |||||||||
| погасания разряда, | но в большей | ||||||||||||||
| на переменном напряжении | степени зависит | от | частоты | ||||||||||||
| приложенного | напряжения. | ||||||||||||||
| Количество частичных разрядов можно найти | |||||||||||||||
| на переменном напряжении | |||||||||||||||
| пог | |||||||||||||||
| U m − U | ; | (9.6) | |||||||||||||
| n чр = 4 f | |||||||||||||||
| U ни − U пог | |||||||||||||||
| на постоянном напряжении | |||||||||||||||
| n чр = | γ | . | (9.7) | ||||||||||||
| d 1 | |||||||||||||||
| ε o ε 1 + ε 2 | U m − U пог | ||||||||||||||
| ln | |||||||||||||||
| d 2 | |||||||||||||||
| U ни − U пог | |||||||||||||||
Здесь: γ – электропроводность диэлектрика; ε 1 , ε 2 – диэлектрическая проницаемость диэлектрика и газового включения; d 1 , d 2 – толщина диэлектрика и газового включения; f – частота приложенного напряжения. Рассматривая характер воздействия частичных разрядов на процесс старения твердых диэлектриков, можно выделить две тенденции. Увеличение интенсивности частичных разрядов в процессе старения. Эта тенденция связана с процессом эрозии (разрушения) стенок воздушного включения продуктами ионизации. Это наиболее опасная тенденция, приводящая в конечном итоге к пробою самого диэлектрика, т.е. к уменьшению срока службы. Затухание ионизации. Этот процесс связан с шунтированием воздушного включения продуктами разложения диэлектрика, окружаю-
Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой щего пору. В этом случае продукты разрушения (сажа) как бы закорачивают пору и она превращается в проводящее включение. Напряжение на поре практически падает до нуля и частичные разряды прекращаются. Это наиболее благоприятный случай, когда действие частичных разрядов оказывает слабое влияния на процесс старения. Однако замечено, что в таких порах процесс ионизации может возобновиться или перейти в развитие дендритов. При электрохимическом пробое снижение Е пр с течением времени описывается эмпирическими выражениями следующего вида:
| Е пр = А τ − n . | (9.8) | ||||||
| Е | = | А 1 | , или | τ = | A 2 | , | (9.9) |
| E m | |||||||
| пр | m τ | ||||||
где n = m 1 . Здесь А и m – постоянные, зависящие от материала диэлектрика (для бумажно-масляной изоляции m =7 ÷ 8). При изучении процесса старения полимерных пленок (ПЭ, ПС, лавсана и др.) Койков С.Н. и Цыкин А.Н. обнаружили, что при напряженности поля E > E u в зависимости lgt = f ( lgE ) наблюдается излом (рис. 9.5). При этом, как видно из рис. 9.5, в данной области наблюдается два участка, для которых справедливы уравнения
| τ | 1 | = B e − m 1 | и | τ | 2 | = B e − m 2 | , |
| 1 | 2 | ||||||
| где m 1 =3 ÷ 4, а | m 2 = 10 ÷ 12. | ||||||
Рис. 9.5. Зависимость lg τ = f(lgE) для полиэтилена
Аналогичные зависимости имеют место и для неорганической изоляции (например, в алундовой и тикондовой керамике). Зависимость времени жизни τ = f ( T ) обычно описывается урав- нением вида W τ = τ o e KT ,
где W – энергия активации. Как уже отмечалось, влияние температуры на скорость старения выражается ростом электропроводности, что приводит к увеличению
Какие факторы влияют на старение изоляции
Длительно эксплуатируемые кабели со временем утрачивают качество своей изоляции, проще говоря, изоляция их стареет. Это происходит под влиянием ряда факторов. В итоге некоторые места проводки оказываются оголены, что чревато опасными происшествиями: случайное короткое замыкание и искрение могут привести к пожару, или по крайней мере — к электрическому травмированию людей.
Конечно, применяемые ныне изоляционные материалы более долговечны, чем применяемые ранее, однако кое-где электропроводка долго не менялась, и проблема старения изоляции остается таковой.
Старение изоляции кабелей — это серьезная проблема, которая может привести к снижению надежности и безопасности работы электрооборудования и системы электроснабжения.
Давайте же рассмотрим факторы, влияющие на старение изоляции.
Изоляция кабелей подвергается воздействию различных факторов, которые могут ускорить ее старение и разрушение. К таким факторам относятся:
- Температура. Повышенная температура увеличивает скорость химических реакций, которые приводят к деградации изоляции. Кроме того, температурные циклы (перепады температуры) вызывают термические напряжения в изоляции, которые могут привести к ее трещинам и разрывам.
- Влажность. Влажность воздуха или проникновение воды в изоляцию может вызвать коррозию металлических частей кабеля, а также уменьшить электрическое сопротивление изоляции. Влажность также способствует развитию биологических процессов (грибков, плесени), которые разрушают изоляцию.
- Механические повреждения. Изоляция кабелей может быть повреждена при монтаже, эксплуатации или ремонте кабельных линий. Такие повреждения могут быть видимыми (царапины, проколы, ссадины) или скрытыми (микротрещины, деформации). Поврежденная изоляция становится более уязвимой для других факторов старения.
- Электрические нагрузки. Перегрузки, короткие замыкания, перенапряжения, гармоники и другие аномалии в электрической сети могут вызвать перегрев, искрение, дуговые разряды и другие эффекты, которые наносят ущерб изоляции кабелей.
- Химические воздействия. Изоляция кабелей может подвергаться агрессивному воздействию химических веществ, таких как кислоты, щелочи, растворители, масла и т.д. Эти вещества могут проникать в изоляцию через повреждения или диффузию и вызывать ее химическое разложение или растворение.
- Ультрафиолетовое излучение. УФ-излучение от солнца или источников света может вызвать окисление и фотохимическое разрушение изоляции кабелей. Это проявляется в потере цвета, блеска, эластичности и прочности изоляции.
Старение изоляции оценивается в относительных единицах. За единицу принимается старение, соответствующее работе при температуре, допускаемой нормами. Для практических расчетов для оценки процесса старения изоляции часто пользуются правилом, известным под наименованием «восьмиградусное правило».
Это правило, хотя оно и является только частным случаем общего закона старения, дает хорошее приближение к действительности в диапазоне температур, обычно допускаемых для изоляции. При более высоких температурах оно приводит к несколько преувеличенным данным старения, но остается пригодным для относительных оценок.
Смысл восьмиградусного правила сводится к тому, что повышение температуры на каждые 8° С приводит к ускорению износа (старения) изоляции вдвое. Это значит, что если, например, жилы проводников с изоляцией при перегрузке будут иметь превышение температуры 48°С вместо принятого в нормах 40°С, то их изоляция износится в 2 раза быстрее, а при температуре 56°С — в 4 раза быстрее.
Главные факторы старения изоляции таковы. Рабочее напряжение или редкое перенапряжение способны иногда вызвать в изоляции частичные разряды, что приводит к так называемому электрическому старению изоляции.
Следом идет старение вследствие теплового воздействия и окисления. Наконец, увлажнение изоляции — также довольно сильный фактор старения, который не следует упускать из виду.
Дополнительными (менее значимыми) факторами старения выступают: механические нагрузки статического или вибрационного характера, и химическое разрушительное действие продуктов электролитических реакций и органических кислот.
Электрическое старение изоляции — постепенно накапливающиеся микротрещины от разрядов
Частичные разряды приводят к постепенному разрушению большинства видов изоляции: при каждом разряде лишь часть его энергии уходит на необратимое разрушение молекулярных связей материала, в результате разрушение наступает медленно, но верно. По внешнему виду это выглядит как микротрещины в изоляции.
Скорость разрушения и его масштабы для разных материалов — разные. Органические диэлектрики, под действием частичных разрядов, выделяют проводящие соединения углерода, а также газы: водород, метан, углекислый газ, ацетилен и др. При разрыве молекулярных связей твердых диэлектриков, образуются радикалы.
Маслобарьерная и бумажно-масляная изоляция изменяет электрические характеристики и физико-химические свойства в каждой своей составляющей: электрокартон, минеральное масло и бумага — стареют, пропиточный состав разрушается, проводимость в итоге увеличивается, создаются благоприятные условия для вредоносных пробоев.
Что касается непосредственно масла, то в сильных электрических полях электроны приобретают в нем достаточно энергии для разрушения молекул углерода, в результате выделяется водород. Особенно ярко данный процесс протекает в изоляции высоковольтных линий, причем для разных типов изоляции характерна своя интенсивность разрушения (что зависит от состава изоляции).
Здесь стоит отметить, что пробой изоляции с образованием трещины не наступает мгновенно из-за перенапряжения в какой-то один момент. Процесс этот течет медленно: микротрещины накапливаются каждый раз при возникновении очередного перенапряжения, и лишь в завершении это выглядит как испорченная трещинами изоляция.
Тепловое старение — химические реакции, ухудшающие свойства изоляции
Понятно, что в обычных условиях при 25°C все изоляционные материалы проявляют себя нормально, они инертны при комнатной температуре. Однако электрический ток, текущий по кабелям, разогревает изоляцию вплоть до 130°C и даже выше. В таких обстоятельствах в материале изоляции медленно текут химические реакции, постепенно ухудшая ее свойства.
Диэлектрики изначально твердые — становятся со временем хрупкими, и сколь-нибудь значительная механическая нагрузка на кабель приведет к трещинам и к разрушению такой изоляции. Диэлектрики жидкие постепенно испаряются, превращаясь частично в газ, следовательно, электрическая прочность такой изоляции со временем понижается. Это и сеть старение изоляции от действия тепла.
Влага как фактор старения — окисление, способствующее утечкам
Не удивительно, что на изоляцию кабеля может попасть влага, будь это конденсат, образованный вследствие термоокислительных процессов, или просто вода из внешней среды, те же сезонные осадки.
От действия влаги снижается сопротивление изоляции, так как свободные ионы начинают способствовать повышению тока утечки. Диэлектрические потери увеличиваются, в итоге это ведет к полноценному пробою. Но даже если пробоя не случилось, влага все равно способствует перегреву изоляции, и тепловое старение не заставляет себя ждать.
Вот почему так важно, чтобы изоляция всегда оставалась бы сухой, и на крупных производствах, в связи с этим положением, непрерывно следят за влажностью изоляции, принимают меры, чтобы свести данный фактор старения к минимуму.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика