Старіння під дією механічного навантаження

У процесі експлуатації електрична ізоляція неминуче піддається впливу постійного або знакозмінного механічного навантаження. Це навантаження може мати технологічне походження або виникати внаслідок відцентрових ефектів, електродинамічних зусиль, теплового розширення, вібрації й т.п.

Під дією великого навантаження матеріал може руйнуватися, особливо якщо перед цим він довгий час піддавався впливу кисню або тепловому старінню. При тривалому змінному навантаженні, навіть для настільки еластичних матеріалів, якими є термопластичні полімери, спостерігається ефект утоми. Матеріал втрачає свої механічні властивості. У ньому утворяться тріщини.

Дуже інтенсивно розвиваються тріщини в напружених полімерних матеріалах, якщо одночасно на них впливають часткові розряди в присутності кисню.

Якщо навіть електрична ізоляція не грає одночасно роль механічного елемента конструкції, утворення тріщин супроводжується різким ростом імовірності пробою. Це пов'язане з полегшенням розвитку пробою уздовж тріщин.

Теплові деформації звичайно приводять до розшарування композиційної (твердої просоченої й склеєної лаком) ізоляції електричних машин. Саме по собі це розшарування, як і обумовлене ним зниження механічної міцності, не є реальною загрозою. Однак розшарування полегшує проникнення кисню й вологи в об’єм ізоляції, а також сприяє розвитку часткових розрядів при високій напрузі. Природно, старіння ізоляції при цьому прискорюється.

Основи статистичної теорії механічної міцності були закладені С.Н. Журковим і А.П. Александровим. В основу цієї теорії покладене уявлення про те, що у твердому тілі є велика кількість дефектів, що у різному ступеню впливають на механічну міцність. Міцність тіла, при цьому, визначається найвагомішими з них.

С.Н. Журковим було показано, що при тривалому навантаженні дефекти можуть утворюватися й у спочатку бездефектних тілах. Утворення дефектів пов’язується з термофлуктуаційними процесами. В результаті випадкової концентрації теплової енергії у твердому тілі постійно відбуваються розриви зв'язків. Під час відсутності механічного навантаження має місце рекомбінація, тобто “заліковування” розривань. Через деформацію тіла при механічному навантаженні рекомбінація розривань ускладнюється, відбувається їхнє нагромадження й утворення із часом макродефектів. Час безвідмовної роботи t , тобто інтервал часу від прикладення навантаження до руйнування, можна визначити за формулою Журкова:

,

де t₀ - стала, чисельно рівна періоду теплових коливань атомів (10^-12 - 10^-13 с); U₀ - енергія активації розривання зв'язку під час відсутності навантаження; d - механічне напруження;

g=k(pT-q) - структурно чутливий коефіцієнт матеріалу (p і q - емпіричні параметри матеріалу);

k - стала Больцмана.

Величина U₀ близька до енергії сублімації для металів і до енергії термодеструкції для полімерів і не залежить від усіляких структурних змін матеріалів, що впливають тільки на величину коефіцієнта g . Відповідно до положень статистичної теорії міцності час безвідмовної роботи визначається руйнуванням області з мінімальним значенням структурно-чутливого коефіцієнта g_min.

Експериментальні дані (рис. 62, 63) добре погоджуються з положеннями термофлуктуаційної теорії.

Рис. 62. Залежність часу безвідмовної роботи від механічного навантаження для полімерних матеріалів.

поліметилметакрилату (1), полістиролу(2), триацетат целюлози (3), поліетилену (4), віскози(5) і картону (6)

Рис. 63. Залежність часу безвідмовної роботи від механічного навантаження для паперу (1),. деревини (2), цементу (3) і склопластика (4)