§3.3. Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции

3.3.1. Тепловое старение твердой изоляции

Тепловое старение, т. е. постепенное ухудшение характеристик внутренней изоляции при длительном нагреве, происходит вследствие того, что при повышении температуры возникают или уско­ряются химические процессы в изоляционных материалах.

Тепловое старение твердых диэлектриков проявляется главным образом в снижении их механической прочности. В частности, у наиболее распространенных в высоковольтной изоляции материалов из целлюлозы (бумага, картон) при длительном нагреве особенно сильно снижается прочность на растяжение и излом.

Тепловое разложение (деструкция) бумаги в присутствии влаги и воздуха (кислорода) ускоряется. В случае, когда бумага пропитана минеральным маслом, скорость старения уменьшается, так как ограничивается доступ воздуха к бумаге. Однако в некоторых случаях этот эффект снижается вследствие того, что в самом масле образуются продукты, вызывающие разложение целлюлозы (например, органические кислоты, перекиси и др.).

Тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воз­действий практически не меняет ее кратковременной электрической прочности. Однако в реальных условиях эксплуатации одновре­менно с нагревом изоляция подвергается также и воздействию механических усилий. Поэтому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения непременно приводит к механическому повреждению изоляции и уже как следствие к электрическому пробою.

Большинство твердых изоляционных материалов, применяемых в электрических аппаратах и машинах высокого напряжения, также постепенно теряют механическую прочность при длительном нагреве и выходят из строя в результате пробоя, возникающего после механического повреждения.

Тепловое старение жидких диэлектриков выражается прежде всего в повышении проводимости и диэлектрических потерь. В минеральных маслах при повышении температуры развиваются окислительные процессы, в результате которых образуются органические кислоты, кетоны, альдегиды и твердые продукты (смолы). Эти продукты образуют ионы и коллоидные частицы в масле. В итоге проводимость и диэлектрические потери масла увеличиваются. Одновременно с этим снижается и электрическая прочность.

Увеличение диэлектрических потерь вызывает дополнительный нагрев изоляции и ускорение темпов ее старения. При определенных условиях рост диэлектрических потерь может привести к тепловому пробою.

Срок службы изоляции τ_т, при тепловом старении зависит от скорости химических реакций. Если принять приближенно, что эта скорость на протяжении всего времени старения остается неизменной, то

τ_т = А/ к_хим, (2.1)

где к_хим - величина, характеризующая скорость химических реакций, например количество продуктов, вступающих в реакцию в единицу времени; А - коэффициент пропорциональности.

При прочих равных условиях скорость процесса зависит от температуры Т. Для простейших химических реакций эта зависимость определяется законом Аррениуса, согласно которому

к_хим = , (2.2)

где W_a - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная.

Строго говоря, применение закона Аррениуса к сложным реакциям в изоляционных материалах неправомерно. Тем не менее опыт показывает, что выражение (2.2) дает результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными и в случае процессов, возникающих при тепловом старении изоляции.

На основании выражений (2.1) и (2.2),

τ_т = , (2.3)

где А₁ и В — постоянные.

В относительно узком интервале возможных рабочих температур зависимость τ_т=f(Т), вытекающая из выражения (2.3), может быть представлена в виде

τ_т = . (2.4)

Из выражения (2.4) следует, что отношение сроков службы изоляции при разных температурах T₁ и Т₂ будет выражено следующими уравнениями:

, (2.5)

, (2.6)

где ΔT = ln 2/a - повышение температуры, вызывающее сокраще­ние срока службы изоляции при термическом старении в два раза.

Значение ΔT в среднем составляет примерно 10°С. Поэтому при ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в два раза.

Для того чтобы ограничить скорость теплового старения и обеспечить необходимую долговечность изоляции, устанавливают предельные допустимые температуры T_paб.доп, а изоляционные конструкции выполняются таким образом, что в номинальном режиме работы температура в наиболее нагретой точке изоляции не превышает допустимую.

Нормы нагрева устанавливаются для отдельных видов электро­технического оборудования с учетом специфических условий работы.