Какие факторы влияют на старение изоляции
Положительные диэлектрические показатели изоляции токопроводов — это важнейшие условия для нормального режима работы электроустановок и их обслуживания оперативно-ремонтным персоналом, поскольку она является промежуточным звеном между электрическим током и человеком. Электрооборудование, используемое в промышленности, на протяжении всего срока службы подвергается различным негативным воздействиям, таким как перегрузка, нагрев, вибрация, агрессивная производственная среда и др. Длительное воздействие этих вредных факторов может привести к преждевременному старению изолирующего покрытия и выходу электроустановок из строя. Подробно разберем влияние каждого .
Токовая перегрузка
При протекании электрического тока по проводам часть электроэнергии расходуется на нагрев проводника. Потери энергии, сопровождающие выделением теплоты в токопроводе по закону Джоуля -Ленца вычисляются по формуле :
R-сопротивление провода, Ом;
t- время протекания тока, с.
Исходя из этого выражения, очевидно, что количество выделенной теплоты пропорционально квадрату силы, если пренебречь постоянным сопротивлением провода за определенное время. С ростом нагрузки на валу электродвигателя величина электрического тока в его обмотках возрастает, происходит перегрев изоляции, приводящий к быстрому ее старению.
Как температура влияет на нагрев проводника
Любой метал, способный проводить электрический ток, обладает удельным сопротивлением, вызванным внутренним строением его кристаллической решетки. При нагревании металла его атомы начинают двигаться хаотичней и с большей скоростью, создавая дополнительное противодействие движению электронов под действием электромагнитного поля.
Чтобы узнать, как меняется внутреннее сопротивление металла при нагреве, необходимо воспользоваться следующей формулой:
R0-сопротивление при 20 °С, Ом;
α-температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/град;
t1— конечная температура, °С;
t0 -температура 20 °С.
Используя данное выражение, можно вычислить, что сопротивление медного провода, нагретого до 100 0 С, увеличится в 1,32 раза.
Влияние температуры
Нагрев или охлаждение приводит к изменению физического состояния: расширению или возвращению в исходное состояние. При этом диэлектрик при повышении температуры становится менее твердым, тем самым, более подвержен механическим повреждениям. Кроме того, при тепловом воздействии происходит высыхание изоляции, что приводит к трещинам и скалыванию изолирующего слоя, и, соответственно, электрическому пробою.
Влажность
Как известно, вода является одним из лучших растворителей. Молекулы воды могут вступать в химические реакции с разными видами диэлектриков, что приводит к образованию электролитов, разрушению и размягчению изолирующего покрытия. Не стоит забывать, что влажность приводит к коррозии самих металлов, клемм, выступающих в качестве проводников. Что касается полимерных диэлектриков, таких как изоляционные лаки, применяемые в качестве изоляции обмоток асинхронных двигателей, то увлажнение и последующая ее сушка приводит к образованию пустот, тем самым снижая сопротивление изоляции.
Пыль, оседая на корпуса электроприборов, электрических машин и аппаратов, а также на кабели, препятствует отводу теплоты от нагретых поверхностей, что приводит к перегреву. Кроме того, пыль может иметь в своем составе токопроводящие частицы, создавая токопроводящие мостики для прохождения электрического тока между изолированными жилами. Также, пыль может впитывать в себя влагу, что создает негативное воздействие.
Напряжение
На отдельных участках кабелей, обмоток, где сопротивление их изоляции низкое или ее целостность нарушена, приложенное напряжение проявляется в виде дуговых разрядов. Это искрение сопровождается потрескиванием, которое можно увидеть в темноте. Поэтому, значительные колебания напряжение в сети, вызванные неравномерной нагрузкой по фазам и ударами молний в линии электропередач, могут привести к пробою изоляции и выходу из строя оборудования.
Источник
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. Давайте же рассмотрим факторы, влияющие на старение 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.
Источник
Факторы, определяющие электрическую прочность изоляции кабелей. Старение изоляции кабелей.
В процессе длительной эксплуатации происходит старение изоляции, выражается в уменьшении кратковременной электрической прочности и ухудшении других электрических характеристик изоляции.
Причинами ухудшения внутренней изоляции является:
1) электрическое старение вследствие развития частичных разрядов при перенапряжении или рабочем напряжении;
2) тепловое старение и окисление изоляции;
3) увлажнение изоляции.
Кроме этих возможны другие причины старения: механическое старение и повреждения под влиянием электродинамических усилий, вибрации больших механических нагрузок и т.д., химические под воздействием органических кислот, окислов азота и других агрессивных веществ, а также под влиянием электролитических процессов.
В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что может привести к развитию теплового пробоя. Основной причиной электрического старения многих видов изоляции являются частичные разряды. Энергия частичного разряда тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, на нагрев диэлектрика и на излучение. На необратимое разрушение диэлектрика (разрушение молекулярной связи) расходуется только часть этой энергии.
Характер и степень разрушения изоляции частичными разрядами зависит от свойств материалов и вида изоляции. В твердом диэлектрике разрушения связаны с разрывом молекулярных связей и образования радикалов; возможен и обратный процесс. В органических диэлектриках эти выделения связаны с выделением Н2 и других газов (метан, ацетилен, СО2 и др.), возможны образования углеродистых соединений, в ряде случаев имеющих значительную проводимость. Следствием частичных разрядов во многих случаях является образование микротрещин в твердом диэлектрике.
Старение маслобарьерной и бумажно-масляной изоляции проявляется в изменении электрической и физико-химической характеристике как минерального масла, так и бумаги или электрокартона. Разрушение пропитывающего состава сопровождается увеличением его проводимости и tg d , что может завершиться пробоем.
Газовыделения в масле в сильном электрическом поле может проходить также при отсутствии частичных разрядов, это объясняется тем, что в сильных полях электроны способны приобрести энергию около 3 эВ, достаточную для разрушения молекулы углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения зависит от его химического состава.
Электрическая прочность кратковременная — характеризует способность изоляции противостоять этим воздействиям и определяется пробивным напряжением при соответствующих нормированных воздействиях.
При определении электрической прочности необходимо учитывать статистический характер пробоя. Чаще всего определяется среднее значение пробивного напряжения и среднеквадратичное его отношение. Внутренняя изоляция в большинстве случаев не восстанавливает электрическую прочность после пробоя. Получение большого числа экспериментальных данных по пробивным напряжениям наталкивает на значительные экспериментальные трудности и связано с большими затратами, поэтому приходится ориентироваться только на средние значения пробивных напряжений и грубую оценку среднеквадратичных отклонений или даже на нижнее значение пробивных напряжений.
Кратковременная электрическая прочность обычно рассматривается применительно к следующим воздействиям:
а) электрическая прочность при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты;
б) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью от сотен мкс. до десятых долей сек.
Для внутренней изоляции необходимо учитывать специфику воздействия импульсов различной формы. (Рис. 1.13-1.16)
Рисунок 1.13 Импульс
Рисунок 1.14 Импульс
Рисунок 1.15 Импульс
Рисунок 1.16 Импульс
1-3 — для имитации коммутационных и квазистационарных или длительных (5 и 4) перенапряжений.
Электрическая прочность при воздействии импульсов, соответствует внутренним перенапряжениям, может отличатся от прочности при воздействии стандартных импульсов 1.5/40, (11.2/50) мкс. Вследствие зависимости пробивного напряжения от числа импульсов, времени воздействия, крутизны фронта, времени колебательного характера импульса.
Снижение электрической прочности при колебательных импульсах напряжения по сравнению с апериодическими связано с тем, что в первом случае количество частичных разрядов, возникающих в изоляции при каждом импульсе, больше чем во втором. Частичные разряды сопровождаются газовым полем и некоторой порче изоляции. Многократное приложение импульсов напряжения приводит к накоплению разрушения (кумулятивный эффект). Количество частичных разрядов определяется изменением напряжения на изоляции за рассматриваемый отрезок времени. Такие изменения напряжения возникают при каждом изменении полярности, что и приводит к возникновению дополнительных частичных разрядов. Следствием этого является зависимость электрической прочности от декремента колебаний импульса и снижение электрической прочности с увеличением числа воздействующих импульсов.
В ряде случаев пробой изоляции наступает не непосредственно в результате воздействия повышенного напряжения, а как следствие того, что частичные повреждения изоляции могут быть вызваны воздействиями повышенного испытательного напряжения или перенапряжений в процессе эксплуатации.
Если эти повреждения заметно нарушают электрическое поле, то они продолжают развиваться и далее при рабочем напряжении и вызывают ее ускоренное старение. Таков ползущий разряд в маслобарьерной изоляции, критические частичные разряды в бумажно-маслянной изоляции, дендриты в твердой изоляции. Такие повреждения в процессе эксплуатации завершаются преждевременным пробоем изоляции.
Предельно допустимое количество импульсов заданной формы с заданной амплитудой определяется как отсутствием пробоя изоляции, так и отсутствием повреждений, недопустимых для дальнейшей длительной эксплуатации при рабочем напряжении.
Источник
