Теплове старіння

Сучасна тенденція до мінімізації витрат на виготовлення й експлуатацію електротехнічних і радіоелектронних пристроїв веде до підвищення питомої потужності устаткування.? При цьому спостерігається інтенсифікація нагрівання електричної ізоляції як джоулевою теплотою, так і внаслідок діелектричних втрат. Це небажане явище, тому що саме нагрівання є одним з головних факторів, що обумовлюють старіння ізоляції та її руйнування.

При нагріванні, властивості ізоляції звичайно погіршуються: зростають втрати енергії в ній, знижується пробивна напруга. Імовірність електричного або теплового пробою ізоляції при випадкових зовнішніх або комутаційних перенапругах зростає.

Зменшується й механічна міцність. Для термопластичних матеріалів при нагріванні плинність (текучість?) може зрости настільки, що відбудеться зсув струмоведучої частини. При цьому виникне несприятливий розподіл поля. Неприємні наслідки, зокрема , виникнення часткових розрядів, може викликати газовиділення в рідких діелектриках при нагріванні.

Однак, найбільш істотним наслідком нагрівання є прискорення хімічних реакцій, що ведуть до незворотного погіршення властивостей електричної ізоляції. Насамперед , це відноситься до окисних процесів. Кислотне число трансформаторного масла, наприклад, неприпустимо швидко зростає при температурі порядку 100 ºС. Настільки ж швидко зростає його провідність (рис. 42).

а б

Рис. 42. Залежність кислотного числа (а) й провідності (б)трансформаторного

масла від часу старіння при різних температурах.

У полімерних матеріалах при нагріванні поряд з окислюванням розвиваються реакції деполімеризації, “зшивання”, а, починаючи з деякої температури, піроліз (термічне розкладання) стає настільки інтенсивним, що можливо навіть виділення чистого вуглецю.

Рис. 43. Зміна механічної Рис. 44. Зміна механічної

міцності паперу в процесі міцності зволоженого паперу

теплового старіння. у процесі теплового старіння.

Найбільше повно вивчене термічне старіння целюлозних матеріалів. Установлено, що основним процесом є молекулярна деструкція. При деструкції виділяються Н₂О, СО₂ і СО у пропорції 10:2:1. Інтенсивне розкладання починається при температурах 140-150°С. Наявність кисню трохи прискорює старіння, але тільки на початковому етапі. Для целюлозних матеріалів вплив кисню досить незначний в порівнянні із впливом температури, тому що сам матеріал містить достатню кількість кисню. Це підтверджується порівняльними даними погіршення механічної міцності паперу, просоченого маслом у кисні й азоті при різних температурах (рис. 43). У той же час наявність вологи різко прискорює старіння паперу внаслідок гідролізу (рис. 44).

Окисна деструкція звичайно переважає у випадку таких матеріалів як гума, кремнійорганічні й фенольні смоли, поліетилен, полістирол, поліетилентерефталат, полікарбонат, поліпропілен. Деполімеризація переважає при термічному старінні поліхлорвінілу, поліметилметакрилату, поліізобутилену, сечовино - і меламіноформальдегідних і епоксидних смол. Для деяких матеріалів, в основному, лаків, може спостерігатися структурування?, що супроводжується втратою еластичності.

Теплове старіння електричної ізоляції супроводжується, насамперед , зміною механічних характеристик. Сильніше всього змінюються відносне подовження при розриванні й міцність на ударне вигинання. Трохи повільніше - міцність на розривання. Електричні характеристики ізоляції при тепловому старінні змінюються в ту або іншу сторону (яку?) залежно від початкового стану ізоляції.

Для зволоженої ізоляції може спостерігатися майже сталість величин провідності й tgd із зміною температури або навіть їхнє зменшення, що пов'язане з висиханням ізоляції при нагріванні. Якщо ізоляція суха, то й провідність і tgd ростуть з часом витримки?. Електрична міцність також змінюється неоднозначно. Іноді може спостерігатися деяке підвищення її зі збільшенням часу витримки ізоляції при підвищеній температурі. Внаслідок відпалу? механічних напруг в ізоляції, її підсушування, деполімеризації у випадку полімеризаційних лаків і компаундів. При тривалому старінні електрична міцність знижується, хоча іноді й у цьому випадку зниження незначне.

Таким чином, тільки зволоження ізоляції відбивається безпосередньо на її електричних характеристиках. Окисна деструкція й термодеструкція впливають більш істотно на механічні характеристики ізоляції, в порівнянні з електричними. При цьому тривале старіння при підвищеній температурі може привести до настільки значного погіршення механічних характеристик, що стає неминучим повне або часткове руйнування ізоляції при механічних навантаженнях, яким вона піддається в процесі експлуатації. Часткове механічне ушкодження, звичайно, значно погіршує електричну міцність ізоляції в результаті появлення часткових розрядів і утворення слабких в електричному відношенні дефектних місць. Саме виявлення цих слабких місць і є метою широко розповсюджених профілактичних випробувань ізоляції підвищеною напругою.

З огляду на значний вплив температури на експлуатаційні характеристики ізоляційних матеріалів, була проведена класифікація найпоширеніших матеріалів за нагрівостійкістю і встановлено сім класів нагрівостійкості ізоляції, кожному з яких відповідає своя найбільша припустима температура, при якій матеріал зберігає свої експлуатаційні властивості в заданих межах протягом певного часу (близько 20000 год):

(додався клас 200 і 220)

Наведена класифікація певною мірою умовна (хоча і визначається відповідним стандартом), тому що деякі матеріали залежно від умов роботи (доступ вологи, кисню) потрібно відносити до різних класів. Вона може бути покладена в основу при конструюванні високовольтних виробів, якщо при цьому не забувати про умови експлуатації, технологічну й експлуатаційну сумісності матеріалів. Останнім часом ствердилася тенденція характеризувати клас нагрівостійкості ізоляції в цілому з врахуванням зазначених факторів. Розробка нових електротехнічних матеріалів і розширення вимог до електротехнічного устаткування привели до деякого розширення переліку класів нагрівостійкості в сторону більш високих температур.

Для загальної характеристики стійкості електричної ізоляції до термічного старіння використовують поняття довговічності. Довговічність при термічному старінні це час, за який механічна міцність ізоляції знижується до значення, нижчого ніж експлуатаційні механічні навантаження. Звичайно залежність довговічності від температури записується у вигляді:

t = Aexp(B/T)

а для вузького діапазону температур

t = aexp[-b(t-t₀)]

Якщо прийняти, що процес старіння описується реакцією першого порядку?, тобто швидкості окислення, деструкції й інших руйнівних процесів залежить від концентрацій речовин, що реагують, у першому ступені, то зниження концентрації основної речовини дорівнює:

де c=c₀exp(-kt)– (розшифровка)

Відповідно до закону Ареніуса, коефіцієнт k, що характеризує швидкість реакції, змінюється з температурою експоненціально:

k = k₀ exp(-W_a /RT)

де W_a - енергія активації процесу.

Якщо прогнозований параметр z матеріалу пов'язаний з концентрацією основної речовини лінійною залежністю, то

z =a₁c=a₂exp{- k₀ exp(–W_a /RT)t},??

причому початкове значення параметра z₀=a₂.

Нехай у процесі експлуатації надійна робота обладнанні можлива за умови, що параметр z не зменшується до значень нижче z_n (розшифровка). Тоді з умови:

z =z₀ exp{- k₀ exp(-W_a /RT)t_n },

можна знайти значення довговічності матеріалу:

,

що фактично збігається з раніше записаним виразом.

Отриманий вираз для? має велику спільність?. Його можна застосовувати при різних причинах старіння ізоляції, тому що експоненціально залежать від температури й дифузія (якою визначається, наприклад, окислювання), і випаровування (зумовлює старіння композиційних матеріалів), і ін. Його можна використовувати й у випадку старіння при змінній температурі. Дійсно, з (1) і (2) можна одержати.

Нехай температура старіння змінюється дискретно (рис. 45).

Рис. 45. Приведення критерію теплового старіння

до еквівалентної температури.

Тоді . З графіка видно, що ?? З порівняння цих двох виразів маємо ?? . Враховуючи цю рівність, для часу τ₂ будемо мати

і по індукції?

Якщо температура старіння на інтервалі (t₁,t₂) змінюється неперервно, тобто T=j(t), то у вираз /1/ замість T=j(t), необхідно підставити .

При заданій функції j(t), використовуючи цю заміну, можна розрахувати t_h . Орієнтовний розрахунок довговічності проводиться за формулою Ареніуса, використовуючи середні дані для відповідного класу ізоляції (табл. 2)

Таблиця 2

Щоб одержати уявлення про вплив температури на швидкість старіння, наведемо величину температурного інтервалу, що відповідає зменшенню довговічності вдвічі для деяких класів нагрівостійкості: клас А - 8°, клас В – (8^о-І0^о), клас Н - 12°. Таким чином, чим вищий клас нагрівостійкості матеріалу, тим менш чутливий він до зміни температури. У той же час наведені оцінки свідчать про істотний вплив теплового старіння на експлуатаційну надійність діелектричних матеріалів, що потрібно враховувати при конструюванні електротехнічних виробів.