Старіння діелектриків під впливом навколишнього середовища

Ізоляція може працювати в повітрі й ґрунті, в атмосфері різних газів, у рідинному діелектрику. Найбільш несприятливі умови роботи у відкритій атмосфері. При цьому на ізоляцію діють кисень та інші агресивні гази (озон, аміак, окисли азоту, сірки), що з'являються в атмосфері в результаті забруднення її виробничою діяльністю людства, тверді частки (зокрема промисловий пил), волога, ультрафіолетові й космічні промені, радіоактивне випромінювання Землі, бактерії, цвіль і т.д.

Практично всі діелектричні матеріали здатні тією чи іншою мірою поглинати гази. Звичайно навіть самий дегазований матеріал із часом внаслідок дифузії насичується газом. Якщо газ інертний, то насичення газом істотно не позначається на властивостях матеріалу. Наявність газу починає проявлятися тільки при наявності порожнин в матеріалі або тоді, коли він, наприклад, у результаті зміни температури збирається в бульбашки, у яких можуть виникнути часткові розряди. При цьому може спостерігатися значне прискорення старіння й зниження пробивної напруги ізоляції. Якщо бульбашки відсутні, то дифузія газу в діелектрик небезпечна тільки при наявності в його складі агресивних складових і, насамперед , кисню. Вплив кисню визначається температурою й складом діелектрика й найбільш істотний у випадку органічних матеріалів. У середовищі, що містить кисень, можуть протікати реакції дегідратації з виділенням води, утворення карбонільних і карбоксильних (С = О) груп, наслідком чого є ріст tgd? , і утворення просторової структури за допомогою перекисних (-C-О-C-) містків. Реакції карбонізації можуть супроводжуватися деструкцією (розривом молекулярних ланцюжків).

Для твердої органічної ізоляції найбільш чутливими до окислювання є механічні властивості. Зі збільшенням ступеня окислювання відносне подовження при розриванні для більшості органічних матеріалів зменшується на порядок і більше. Збільшення твердості матеріалу загрожує розриванням ізоляції при нагріванні або охолодженні. Крім того, механічна міцність полімерів також істотно знижується. Для целюлозних і поліамідних (капрон) матеріалів може спостерігатися повна втрата міцності. Чутливі до окислювання також поліпропілен і поліізобутилен. Найбільшу стійкість мають поліефірні матеріали, фторопласти, полівінілфторид, полістирол, поліметилметакрилат, кремнійорганічні матеріали.

Електричні характеристики полімерів менше залежать від ступеня окислювання. Найбільш чутливою характеристикою у випадку неполярних полімерів є tgd, величина якого пропорційна кількості полярних груп (С = О). Для деяких полімерів (поліолефіни) при окислюванні спостерігається значний ріст провідності. Для інших електричні характеристики змінюються незначно.

Для твердих діелектриків швидкість окислювання часто крім реакційної здатності обмежена дифузією кисню в об’єм. Тому зі зменшенням товщини ізоляції швидкість окислювання зростає. Різко зростає швидкість окислювання з підвищенням температури.

Значно впливає окислювання на властивості масел. У результаті окислювання ізоляційного масла утворюються нестабільні перекиси, що каталітично діють на процес окислювання. В ролі каталізатора окислення може виступати також метал електродів. При окислюванні утворюється вода, що різко погіршує характеристики масла. При великій концентрації продуктів окислювання масла спостерігається їх полімеризація й утворення твердого шламу (засмолення масла). Для кількісної характеристики ступеня окислювання масла використовують кислотне число (число міліграмів КОН, необхідне для нейтралізації вільних кислот в 1 г масла). Для свіжого трансформаторного масла воно повинне бути £ 0,05 мг КОН/г, кабельного й конденсаторного £ 0,02 мг КОН/г, для бувшого в експлуатації £ 0,4 мг КОН/г.

Однак, зараз встановлено, що окислювальний процес у маслі насичується, і виміряне кислотне число не дає уявлення про ступінь засмолення масла. Враховуючи, що наявність твердих домішок також істотно впливає на величину U_np, введений прямий контроль засмолення. Кількість шламу повинна бути £ (0,15 - 0,2)%. Але і контроль засмолення не дає повного уявлення про стан масла, бо, хоча кількість шламу й збільшується в процесі експлуатації, неясно, як ураховувати шлам, що випав в осад.

Іноді для оцінки якості масла застосовують дані про величину tgd або d. Однак, якщо підвищені значення цих характеристик однозначно свідчать про погіршення електроізоляційних властивостей масла, то малі - не засвідчують його високої якості. Таким чином, об'єктивний критерій для оцінки стану масла в процесі експлуатації ще не вироблений.

Зі шкідливим впливом кисню на органічну ізоляцію можна боротися введенням у матеріал так званих антиоксидантів. За звичай це – аміни й феноли. Окисляючись самі, вони захищають основний матеріал від окислювання. Найбільш ефективними антиоксидантами є NN'–дифеніл–n–фенілендіамін, 4–трет–бутилпірокахетин, n–оксидифеніламін, феніл–b–нафтиламін і ін.

Поряд з киснем важливе місце серед атмосферних факторів займає волога. Волога з повітря може адсорбуватися на поверхні ізоляції, а також дифундувати в об’єм. Із часом установлюється рівноважне зволоження ізоляції, величина якого залежить від властивостей матеріалу й вологості навколишнього середовища. Деякі матеріали (скло, порцеляна, слюда, азбест, фторопласт, полістирол, поліетилен та ін.) зволожуються надзвичайно мало, інші (особливо волокнисті целюлозні й поліамідні, а також більшість лаків) - дуже сильно.

В загальному випадку можна констатувати, що об’єм кристалічних матеріалів при зволоженні змінюється мало, для деяких аморфних - спостерігається здуття.

Зволоження супроводжується різким погіршенням електричних характеристик ізоляція. tgd целюлозних і поліамідних матеріалів при збільшенні кількості вологи до 2% збільшується на півтора-два порядки, провідність зростає на 5-7 і більше порядків, e зростає в 2-3 рази, U_пр знижується в 5-7 разів. При зволоженні знижується в кілька разів і механічна міцність цих матеріалів. Але для деяких, наприклад для паперу, спостерігається максимум механічної міцності в залежності від ступеня зволоження.

Сильному впливу вологості піддається також трансформаторне масло (рис. 41). tgd масла зростає при зволоженні більш ніж на порядок, d на 6-7 порядків, e - приблизно в 2 рази, E_np - на порядок.

Рис. 41. Залежність електричної міцності трансформаторного масла від змісту води.

При наявності твердих гігроскопічних домішок вплив вологи на властивості масла ще більший.

У загальному випадку можна зробити висновок, що фізична абсорбція води супроводжується зміною електричних характеристик ізоляції. Якщо вода вступає в хімічну взаємодію, то має місце погіршення і механічних властивостей.

Для захисту твердих ізоляційних матеріалів від вологи звичайно використовують просочення їх маслами, парафіном, лаками й т.п. Просочувальні речовини заповнюють великі порожнечі й зменшують поверхню проникнення вологи в об’єм. Швидкість зволоження ізоляції при цьому зменшується. Але із часом встановлюється той же рівноважний ступінь зволоження, що й без просочення. Інші конструктивні заходи (наприклад, герметизація) також не завжди приводять до повного усунення впливу вологи, тому що досить часто вода є продуктом розкладання ізоляційного матеріалу в процесі старіння. Однак швидкість зволоження при цьому сильно знижується, що дозволяє підвищити термін служби ізоляції.

Агресивні газові компоненти особливо небезпечні в сполученні з вологою, коли вони утворюють кислоти або луги. Тому в районах із сильно розвинутою промисловістю доводиться удаватися до захисту ізоляції від таких впливів (фарбування, захисні покриття й т.п.).

Пилові частинки, що містяться в забрудненій атмосфері, при осадженні на поверхню ізоляції, різко спотворюють розподіл поля, збільшують поверхневу провідність, особливо при наявності вологи, сприяють руйнуванню поверхні ізоляції струмами провідності й поверхневих розрядів. Виявити забруднення порівняно легко, хоча видалити їх не завжди просто, особливо при наявності цементного пилу й інших забруднень, що міцно зчіплюються з поверхнею. Тому для зовнішньої ізоляції застосовуються спеціальні конструктивні заходи, що дозволяють зменшити вплив забруднень на працездатність конструкції.

Роль природних випромінювань, особливо ультрафіолетового, зводиться, в основному, до активації окислювальних процесів. Окисна деструкція полімерів при впливі сонячної радіації прискорюється в кілька разів. Найбільш простий спосіб захисту складається в додаванні до матеріалу барвних пігментів, що поглинають ультрафіолетове випромінення. Найчастіше застосовується газова сажа.

Вплив штучних іонізуючих випромінювань, поряд з активацією окислювання, супроводжується різким збільшенням наведеної електропровідності й утворенням великої кількості дефектів структури у твердих діелектриках і газів у рідинних. Нагромадження радіаційних ушкоджень може привести до руйнування ізоляції. У деяких випадках малі дози радіації приводять до поліпшення властивостей ізоляції (наприклад, радіаційне “зшивання” поліетилену).

З біологічно активних факторів найбільшу небезпеку являють цвіль і бактерії. Грибки, в процесі життєдіяльності, виділяють кислоти, що шкідливо впливають на ізоляцію. Бактерії іноді вживають ізоляцію як харчовий продукт. Поїдають ізоляцію, особливо на основі целюлози, і комахи, серед яких най не безпечнішими є терміти.