реферат. Скорость старения изоляции. Скорость старения изоляции

• Название: Скорость старения изоляции
• Анкор: реферат
• Дата: 20.11.2022
• Размер: 96 Kb.
• Имя файла: Скорость старения изоляции.doc
• Тип: Анализ; #802386

Тема: « Скорость старения изоляции»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….....3

1. Основные понятия и виды старения изоляции………………………………4

2 .Факторы, влияющие на старение изоляции………………………………….8

3. Критерии оценки скорости старения изоляции……………………………12

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….16

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….17

ВВЕДЕНИЕ

Надежность электрической изоляции является одним из основных показателей, определяющих безаварийность работы электротехнических устройств во время эксплуатации. Долговечность обмоток электрических машин, трансформаторов, дросселей и другой аппаратуры определяется общим состоянием изоляции. При работе в сложных и неблагоприятных условиях, изоляция всегда должна сохранять свои качества не ниже нормативных требований. Различные внешние воздействия во время эксплуатации, условия хранения и транспортировки вызывают снижение свойств изоляционных материалов устройств с течением времени.

Анализ повреждений электрических машин показывает, что изоляция обмоток является одним из наиболее важных элементов конструкции, ограничивающих работоспособность машин. Техническое состояние изоляции необходимо контролировать в процессе эксплуатации.

Длительно эксплуатируемые кабели со временем утрачивают качество своей изоляции, проще говоря, изоляция их стареет. Это происходит под влиянием ряда факторов. В итоге некоторые места проводки оказываются оголены, что чревато опасными происшествиями: случайное короткое замыкание и искрение могут привести к пожару, или по крайней мере — к электрическому травмированию людей.

При постоянной температуре с тече­нием времени механическая прочность изоляции снижается. Измеря­ется она числом перегибов, выдерживаемых изоляцией при испытании. При неизменной температуре трансформатора прочность изоляции уменьшается равномерно, затем, достигнув значения, равного при­мерно 20% начального, она снижается очень медленно . Од­нако к этому времени практически изоляция не пригодна для дальней­шей эксплуатации.

1. Основные понятия и виды старении изоляции

Изоляция электротехнических установок, согласно ГОСТ 1516.2—97, подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя изоляция — это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или га­зообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающие­ся с атмосферным воздухом и не подверженные влиянию атмос­ферных и других внешних факторов. Внешней изоляцией являют­ся воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в ат­мосферном воздухе, которые подвержены влиянию атмосферных и других внешних факторов.в

Процесс старения материалов — необратимое изменение их физико-химических, механических свойств и структуры при эксплуатации и длительном хранении. Старение обусловливает изменение исходных электрических, механических и химических свойств материала. Однако степень снижения электрической прочности, вызванная процессом старения, не велика. В то же время возникающие при этом изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к неизбежно возникающим при коротком замыкании перемещениям проводников, вызываемым динамическими усилиями, пропорциональными квадрату тока (чем и опасны токи КЗ).

На обмотки и особенно на их изоляцию в процессе эксплуатации действуют электромагнитные силы, вибрация, температура, окружающая среда и другие факторы. Совместное действие перечисленных выше факторов приводит к необратимым процессам изменения структуры и химического состава изоляции, т. е. к старению изоляции. Кроме того, в изоляции могут иметься дефекты, возникающие как в процессе изготовления материалов, из которых состоит изоляционная конструкция электрической машины или аппарата (например, булавочные отверстия или посторонние включения в слое изоляционного покрытия обмоточных проводов), так и при изготовлении самой изоляционной конструкции. Особенно часто при укладке обмоток повреждается витковая изоляция, что значительно сокращает срок их службы. Использование при укладке обмоток металлического инструмента зачастую приводит к продавливанию и прорезанию изоляционного слоя проводов. Резкие перегибы обмоточного провода при намотке также способствуют образованию в изоляции значительных механических напряжений, в результате чего возникают трещины.

В процессе работы на обмотки электрических машин воздействуют электродинамические и механические усилия, достигающие больших значений при пусках и реверсировании. Так, пусковые токи короткозамкнутых электродвигателей превышают номинальные в 5 — 7 раз, в связи с чем на обмотки действуют значительные электродинамические силы, значения которых пропорциональны квадрату токов. Под действием этих усилий в изоляции возникают трещины, а также механические повреждения.

Особенно опасной для изоляции обмоток электрических машин является вибрация, возникающая в связи с неуравновешенностью вращающихся частей, изгибом вала, при износе подшипников, при обрыве стержней короткозамкнутых обмоток роторов и по другим причинам. Вибрация может также передаваться на электрические машины со стороны механизмов, приводом которых они являются. Вызываемые вибрацией силы действуют на протяжении всего периода работы электрических машин и приводят к потере механической и электрической прочности изоляции обмоточных проводов и компаунда, которым пропитывают обмотку для ее цементации. Все это может также привести к повреждению изоляции. Вибрация может сократить срок службы изоляции в несколько раз.

К износу витковой изоляции может приводить трение между витками и витков о корпусную изоляцию, возникающее в электрических машинах из-за разных коэффициентов теплового расширения меди обмоток и активной стали сердечников. Обычно такое трение происходит при нагревании электрических машин во время пуска и работы, а также при охлаждении после ее выключения из сети.

Определенное влияние на техническое состояние изоляции электрических машин оказывает тепловое и электрическое старение. Важными характеристиками изоляционных конструкций электрических машин и аппаратов являются теплостойкость и нагревостойкость. Теплостойкость характеризует способность изоляционных материалов сохранять свои свойства при кратковременных нагревах, а нагревостойкость — сохранять свойства без существенного ухудшения в течение длительного периода, если температура не превышает допустимых значений, установленных для данного класса изоляции. Нагревостойкость в основном определяется скоростью старения изоляции.

Важнейшим показателем, используемым при эксплуатации, диагностировании и прогнозировании работоспособности изоляции является срок ее службы. Особое внимание со стороны исследователей было уделено установлению зависимости срока службы изоляции от температуры, при которой она работает. В результате было сформулировано «правило восьми градусов». В соответствии с этим правилом, повышение температуры на каждые восемь градусов приводит к сокращению срока служб.

Электрическому старению под действием электрических полей подвержена изоляция высоковольтных машин, причем практическое влияние полей обнаруживается в изоляции обмоток электрических машин напряжением 6 кВ и выше. Особую угрозу для проработавших определенное время электрических машин, изоляция которых имеет определенную степень старения, имеют коммутационные перенапряжения, так как электрическая прочность их изоляции понижена. Коммутационные перенапряжения могут превышать амплитудное значение питающего напряжения в 7 раз.

Большое влияние на ускорение процесса старения изоляции оказывает влага. В основном проникновение влаги в изоляцию обмоток электрических машин происходит в нерабочие периоды, особенно при остывании машин, когда давление в порах и капиллярах изоляции несколько ниже атмосферного. Проникновение влаги вызывает гидролитическое разрушение изоляционных материалов, особенно имеющих волокнистую структуру. Периодическое проникновение влаги в изоляцию и ее удаление подсушкой во время работы электрических машин способствует развитию пор в изоляции. При этом пропитка обмоток компаундирующими лаками только замедляет процесс увлажнения и подсушки изоляции, а не исключает его. Увлажнение является одной из главных причин пробоя изоляции обмоток электрических машин, особенно намотанных проводами с хлопчатобумажной оплеткой, имеющей высокую гигроскопичность. Проникающая в поры и трещины влага значительно снижает электрическую прочность изоляции. Опасным является .также увлажнение загрязненных обмоток. При увлажнении резко снижается напряжение пробоя в местах дефектов и тем самым создаются условия для возникновения дуговых разрядов при сравнительно низких значениях перенапряжений. Экспериментальные исследования показали, что при увлажнении обмоток с дефектами в изоляции сопротивление изоляции снижается в несколько десятков раз и при этом резко увеличиваются токи утечки через изоляцию. В этих случаях через дефекты в изоляции под действием напряжения проходит ток, разрушающий изоляцию, вследствие чего возникает короткое замыкание между витками обмоток или замыкание обмоток на землю. Электрические машины, имеющие такие дефекты изоляции, требуют замены обмоток, т. е. капитального ремонта.

Процесс развития дефектов в межвитковой изоляции всыпных обмоток электрических машин можно представить следующим образом. Если изоляция не имеет технологических дефектов, то под действием температуры, вибрации, увлажнения, внешней среды и других факторов в течение времени происходит постепенное старение изоляции, выражающееся в ее усыхании, испарении летучих компонентов, потере эластичности, возникновении пор и трещинок. В наиболее «слабых» местах изоляции возникают местные дефекты, имеющие низкое значение напряжения пробоя. В моменты перенапряжений (атмосферных или коммутационных) в месте дефекта возникают искровые разряды, которые повторяются при каждом последующем перенапряжении, значение которого превышает напряжение пробоя места дефекта. Вследствие действия разрядов пробивное напряжение постепенно уменьшается до тех пор, когда в месте дефекта начинает возникать дуговой разряд от рабочего напряжения между витками. В этом случае происходит полное межвитковое замыкание и обмотка электродвигателя выходит из строя.

В связи с тем, что пробивное напряжение в месте дефекта после 1-го пробоя достаточно большое, а перенапряжения в витках обмоток достигают значения пробивного напряжения не часто, с момента возникновения дефекта в изоляции до полного виткового замыкания проходит определенное время.

2 .Факторы, влияющие на старение изоляции

Старение изоляции оценивается в относительных единицах. За единицу принимается старение, соответствующее работе при температуре, допускаемой нормами. Для практических расчетов для оценки процесса старения изоляции часто пользуются правилом, известным под наименованием «восьмиградусное правило».

Это правило, хотя оно и является только частным случаем общего закона старения, дает хорошее приближение к действительности в диапазоне температур, обычно допускаемых для изоляции. При более высоких температурах оно приводит к несколько преувеличенным данным старения, но остается пригодным для относительных оценок.

Смысл восьмиградусного правила сводится к тому, что повышение температуры на каждые 8° С приводит к ускорению износа (старения) изоляции вдвое. Это значит, что если, например, жилы проводников с изоляцией при перегрузке будут иметь превышение температуры 48°С вместо принятого в нормах 40°С, то их изоляция износится в 2 раза быстрее, а при температуре 56°С — в 4 раза быстрее.

Главные факторы старения изоляции таковы. Рабочее напряжение или редкое перенапряжение способны иногда вызвать в изоляции частичные разряды, что приводит к так называемому электрическому старению изоляции.

Следом идет старение вследствие теплового воздействия и окисления. Наконец, увлажнение изоляции — также довольно сильный фактор старения, который не следует упускать из виду.

Дополнительными (менее значимыми) факторами старения выступают: механические нагрузки статического или вибрационного характера, и химическое разрушительное действие продуктов электролитических реакций и органических кислот.

Электрическое старение изоляции — постепенно накапливающиеся микротрещины от разрядов

Частичные разряды приводят к постепенному разрушению большинства видов изоляции: при каждом разряде лишь часть его энергии уходит на необратимое разрушение молекулярных связей материала, в результате разрушение наступает медленно, но верно. По внешнему виду это выглядит как микротрещины в изоляции.

Скорость разрушения и его масштабы для разных материалов — разные. Органические диэлектрики, под действием частичных разрядов, выделяют проводящие соединения углерода, а также газы: водород, метан, углекислый газ, ацетилен и др. При разрыве молекулярных связей твердых диэлектриков, образуются радикалы.

Маслобарьерная и бумажно-масляная изоляция изменяет электрические характеристики и физико-химические свойства в каждой своей составляющей: электрокартон, минеральное масло и бумага — стареют, пропиточный состав разрушается, проводимость в итоге увеличивается, создаются благоприятные условия для вредоносных пробоев.

Что касается непосредственно масла, то в сильных электрических полях электроны приобретают в нем достаточно энергии для разрушения молекул углерода, в результате выделяется водород. Особенно ярко данный процесс протекает в изоляции высоковольтных линий, причем для разных типов изоляции характерна своя интенсивность разрушения (что зависит от состава изоляции).

Здесь стоит отметить, что пробой изоляции с образованием трещины не наступает мгновенно из-за перенапряжения в какой-то один момент. Процесс этот течет медленно: микротрещины накапливаются каждый раз при возникновении очередного перенапряжения, и лишь в завершении это выглядит как испорченная трещинами изоляция.

Тепловое старение — химические реакции, ухудшающие свойства изоляции

Понятно, что в обычных условиях при 25°C все изоляционные материалы проявляют себя нормально, они инертны при комнатной температуре. Однако электрический ток, текущий по кабелям, разогревает изоляцию вплоть до 130°C и даже выше. В таких обстоятельствах в материале изоляции медленно текут химические реакции, постепенно ухудшая ее свойства.

Диэлектрики изначально твердые — становятся со временем хрупкими, и сколь-нибудь значительная механическая нагрузка на кабель приведет к трещинам и к разрушению такой изоляции. Диэлектрики жидкие постепенно испаряются, превращаясь частично в газ, следовательно электрическая прочность такой изоляции со временем понижается. Это и сеть старение изоляции от действия тепла.

Среди различных факторов, определяющих срок службы изоляции электрических машин, одним из основных является старение изоляции под действием температуры. Это явление лучше других поддаётся количественному учёту, а поэтому сравнительно подробно исследовано.

С точки зрения температурных воздействий на изоляцию различают понятия теплоустойчивость и нагревостойкость.

Теплоустойчивостью называют способность электроизоляционного материала сохранять свои свойства на определённом уровне при относительно кратковременном перегреве. Материал не должен при этом разрушаться, менять свои химические свойства; не должны возникать пластические деформации, вытекание или разрушение связующего и т. п.

Нагревостойкость характеризует способность материала без существенного ухудшения характеристик выдерживать воздействие предельно допустимой для данного типа изоляции температуры в течение периода времени, соответствующего сроку службы машины, и при обусловленных величинах других эксплуатационных воздействий.

Как видно, с практической точки зрения нагревостойкость является более важной характеристикой изоляции, поэтому именно она положена в основу классификации изоляционных материалов.

Поскольку нагревостойкость определяется скоростью старения изоляции в условиях повышенных температур, особое значение приобретают методы расчётов скорости старения и на этой основе – срока службы изоляции.

Влага как фактор старения — окисление, способствующее утечкам

Не удивительно, что на изоляцию кабеля может попасть влага, будь это конденсат, образованный вследствие термоокислительных процессов, или просто вода из внешней среды, те же сезонные осадки.

От действия влаги снижается сопротивление изоляции, так как свободные ионы начинают способствовать повышению тока утечки. Диэлектрические потери увеличиваются, в итоге это ведет к полноценному пробою. Но даже если пробоя не случилось, влага все равно способствует перегреву изоляции, и тепловое старение не заставляет себя ждать.

Вот почему так важно, чтобы изоляция всегда оставалась бы сухой, и на крупных производствах, в связи с этим положением, непрерывно следят за влажностью изоляции, принимают меры, чтобы свести данный фактор старения к минимуму.

3. Критерии оценки скорости старения 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 при тепловом старении зависит от скорости химических реакций. Если принять приближенно, что эта скорость на протяжении всего времени старения остается неизменной

Длительная работа при температуре наиболее нагретой точки, равной 98 °С, дает нормальную скорость старения. Скорость удваивается при каждом увеличении температуры на 6°С. Уменьшение срока службы при увеличении температуры, или увеличение срока службы при ее снижении, выражается в нормальных днях (сутках), соответствующих 24 часам работы в условиях данных выше (наиболее нагретая точка 98 °С, окружающая температура 20 °С).

Потеря срока службы при любой температуре наиболее нагретой точки в течении часа, дня или месяца выражается количеством нормальных часов, дней или месяцев соответственно.

Приблизительно верным остается правило, что увеличение или снижение нагрузки на 0,8% от номинальной приводит, примерно, к такому же изменению скорости старения, как при изменении окружающей температуры на 1 °С.


Старение диэлектрика под действием внутренних термомеханических напряжений и внешних механических воздействий описывается формулой Журкова:



Формула Журкова имеет такой же вид, как и формула Аррениуса



τ – срок службысиловых кабелей среднего напряжения: 

W  – энергия активации процесса механической деструкции и 

W_a  – энергия активации процесса термоокислительного старения, Дж; T  – абсолютная температура;

 k  – постоянная Больцмана; 

A  – эмпирический коэффициент;

 σ  – механическое напряжение в кабельной бумаге, Н/м² ; 

γ  – структурно-чувствительный коэффициент.

В процессе теплового старения тангенс угла диэлектрических потерь растет по экспоненциальному закону:



где tgδ₀ – значение тангенса угла диэлектрических потерь при температуре, равной 20 °С,

 m – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь. Для бумажно-пропитанной изоляции температурный коэффициент принимается равным m = 0,0186 1/°С, для бумажно-пленочной – существенно меньше: m = 0,005 – 0,01 1/°С. Для чисто пленочной изоляции можно принять m = 0 1/°С.

Очевидно, что между параметрами, характеризующими механическое и тепловое старение бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей, существует корреляционная связь. Если в результате механического старения получить критические значения, соответствующие исчерпанию механического ресурса, то на основе корреляционной связи можно получить критические значения тангенса угла диэлектрических потерь бумажно-пропитанной изоляции, соответствующее исчерпанию теплового ресурса.

У изоляции в ходе эксплуатации снижаются диэлек­трические свойства. Этот процесс является следствием многих вышепере­численных факторов. В результате этого происходят необратимые процес­сы разрушения изоляционных конструкций (диэлектрик трескается, оголяются жилы проводов, кабелей и т. д.). Аппаратура с такими дефектами опасна для использования. Возможные короткие замыкания и случайное искрение может стать следствие пожара, что несет в себе опасность, как для персонала, так и для оборудования в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Продолжительное воздействие тепла, влаги, кислорода вызывает старение изоляционных материалов трансформатора, прежде всего тех, основой которых является целлюлоза (электроизоляционная бумага), а также и тех, где основой являются волокнистые текстильные материалы, пластмассы, тканевые материалы, эластомеры. Термические свойства диэлектриков, определяемые классом нагревостойкости, обусловливают срок службы трансформатора, который в зависимости от условий в процессе эксплуатации укорачивается или удлиняется. Важнейшим фактором, определяющим срок службы трансформатора, является режим работы.

Когда изоляция начинает стареть, может развиваться такое явление, как тепловой прибой, основной причиной возникновения которого становятся частичные разряды. Во время каждого такого разряда выделяется энергия, разрушающая молекулы, ионизирующая атомы, сильно нагревающая материал-диэлектрик, а также расходуемая на излучение. Ущерб, приносимый подобного рода разрядами, зависит от того, из какого материала выполнен изолирующий слой. Однако практически во всех случаях в толще последнего образуются многочисленные трещинки, особенно это касается твердых диэлектриков.

Длительная эксплуатация кабеля способствует старению изоляции, что в свою очередь приводит к снижению защитных свойств. Это происходит под воздействием различных факторов. В результате некоторые места проводки могут быть оголены, что чревато опасными различными происшествиями.

В настоящее время материалы, которые используются для изоляции более долговечны по сравнению с теми, которые использовались ранее. Однако не везде электропровода были заменены, поэтому проблема старения остается актуальной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Бернштейн Л. М. Изоляция электрических машин общего назначения – М.: Энергоиздат, 1981. – 376 с. Огоньков В.Г., Евтушенко Ю.М. 2.Электроизоляционные материалы и системы изоляции для электрических машин. В 2 кн. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 272 с.– ISBN 978-5-383-00697-9 (Кн. 1).

3.Бернштейн Л. М. Изоляция электрических машин общего назначения – М.: Энергоиздат, 1981. – 376 с.

4.Огоньков В.Г., Евтушенко Ю.М. Электроизоляционные материалы и системы изоляции для электрических машин. В 2 кн. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 272 с.– ISBN 978-5-383-00697-9 (Кн. 1).

5. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. - 616 с.