14.2. Техногенные факторы старения.

Из техногенных факторов старения, в первую очередь, выделим воздействие электрического напряжения. Это воздействие многообразно, целый ряд явлений происходит в материале: частичные разряды, дендриты, треки, дуга, водные триинги, нагрев за счет диэлектрических и джоулевых потерь.

Особенности старения неорганических диэлектриков - на переменном напряжении практически отсутствует старение, они склонны к старению на постоянном напряжении. При этом ионы, содержащиеся в диэлектрике, дрейфуют к соответствующим электродам и разряжаются на них. Катионы (например, ионы металлов) дрейфуют к катоду, анионы - к аноду. У катода образуется слой металла, причем в виде металлической веточки, растущей от электрода в теле диэлектрика. У анода структура кристалла начинает разрушаться за счет ухода оттуда ионов металла.

Органические диэлектрики малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении они стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов. Рассмотрим это чуть подробнее. Частичные разряды появляются в порах диэлектрика при достижении на размерах пор пробивного напряжения. Воздействие высокой температуры, плазмы разряда, излучения разряда ведет к разложению материала и к появлению дендрита. Это древовидное образование в теле диэлектрика с частично обугленными краями. Частичные разряды в системе "пора + дендрит" выделяют все больше энергии, что ведет к прогрессирующему росту дендрита и к последующему пробою всего промежутка.

Водный триинг или водный дендрит возникают в полимерных кабелях при одновременном действии переменного напряжения и высокой влажности. Возникает что-то вроде объемной сетки в теле диэлектрика, заполненной водой. Эта структура обладает высокой электропроводностью за счет ионизации различных вымываемых примесей из полимерного материала (стабилизаторы, пластификаторы, недополимеризованные фрагменты и т.п.). Рост водного дендрита, в конце концов, приводит к зарождению из области наиболее удлиненной части обычного электрического разряда.

Синергический эффект вызывает одновременное действие напряжения и загрязнения. Например загрязнение изоляторов ВЛ вблизи алюминиевых заводов алюминиевой пылью, вблизи цементных заводов - цементной пылью приводит к появлению перекрытий, которые в ряде случаев переходят к дуговым разрядам, эрозии изоляторов, более раннему выходу из строя. Грунтовые соль и пыль также вызывают ускоренное старение, т.к. осаждаясь на поверхности изоляторов, вызывают появление электропроводящих путей на поверхности, в особенности при последующем увлажнении.

Ускоренное старение электротехнических изделий происходит в нестандартных условиях эксплуатации: в плазменных установках, электрофизических установках, криогенных устройствах.

14.3. Коррозия материалов.

Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды.  Коррозия характерна для материалов, состав и структура которых далеки от природных. Традиционно термин "коррозия" применяют только к металлам.

Коррозия является одной из самых больших и дорогостоящих инженерных проблем человечества. Прямые потери от коррозии составляют в США более 70 млрд. долл. в год. В любой стране мира потери составляют 3-4% от валового национального продукта. Непрямые потери, в виде простоев, недоотпуска энергии, потерь газа, нефти и т.п., потерь мощности насосов, котлов, порча воды, консервов и других продуктов вообще трудно поддаются исчислению.

Мы будем рассматривать, в основном, коррозию металлов. Обязательным условием возникновения коррозии является наличие влаги, причем по влаге должна осуществляться проводимость между участками, участвующими в процессе коррозии. Основной металл, который подвергается коррозии, и который необходимо защищать от коррозии - это железо, точнее сталь. Итог коррозии - образование каверн в монолите материала, заполнение этих каверн и окружающего пространства рыхлой рыжеватой массой, состоящей из гидроксида железа Fe(OH)₂, окисленного гидроксида Fe(OH)₃. В принципе, к каждому из гидроксидов могут присоединиться несколько молекул воды, получаются гидраты окислов двух и трехвалентного железа. Цвет ржавчины, в основном определяется цветом гидроксида трехвалентного железа.

Основные механизмы коррозии железа.

Коррозия во влажной неоднородной среде (в грунте, при увлажнении туманом, дождем и т.п.). Происходит при разделении поверхности металла на участки с разными электрохимическими характеристиками (анодные и катодные зоны). Разделение на зоны может быть связано с разной степенью доступа кислорода к различным участкам, с разными концентрациями, либо разными электролитами, либо разными температурами. В анодной зоне идет выход ионов металла из кристаллической решетки в окружающую среду и соединение с присутствующими там ионами. В катодной зоне приэлектродная реакция сводится к восстановлению отрицательных гидроксильных ионов:

катодная зона: 4ОН^- = 2Н₂О + О₂ +4e^-

анодная зона: 2Fe⁺⁺ + 4ОН^- = 2Fe(OH)₂

Ионы дрейфуют от катода к аноду, там соединяются с ионами железа, образуя гидроксид.

Контактная коррозия. Происходит при контакте между собой различных металлов во влажной среде. Более "благородные" из этих металлов являются катодом в паре с менее "благородным" корродирующим анодом. Электрохимических ряд металлов, применяемых в электроэнергетике имеет следующий вид (вышерасположенные металлы более "благородны" по сравнению с нижерасположенными):