Тепловое старение изоляции

Диэлектрические материалы, используемые для изготовления внутренней изоляции установок высокого напряжения, при комнат­ной температуре практически инертны. Однако при рабочих темпе­ратурах (90—180 °С) в этих материалах возникают или резко ускоря­ются химические реакции, которые изменяют структуру материалов и вызывают ухудшение свойств всей изоляции в целом. Эти процессы именуют тепловым старением. Твердые диэлектрические материалы в процессе теплового старения постепенно снижают механическую прочность. Это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою.

В жидких диэлектриках в результате теплового старения образу­ются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере на­копления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определя­ются скоростями химических реакций, зависящими от температу­ры. Обычно полагают, что срок службы при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции и при разных температу­рах Т₁ и Т₂ будет выражаться:

где T— повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

Значение T для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах 8—12 °С, в среднем для изоляции тяговых электродвигате­лей составляет 10°С. Для изоляции силовых трансформаторов при­нимают T=8°С. Если же изоляция трансформаторов сильно изно­шена, то принимают T=6°С. Уравнение называют правилом Монтзингера, или правилом десяти градусов. Для ограничения теп­лового старения и обеспечения требуемого срока службы изоляцион­ной конструкции для отдельных видов изоляции, в соответствии с ГОСТ и рекомендациями Международной электротехнической комис­сии (МЭК), устанавливаются наибольшие допустимые рабочие тем­пературы. По величине допустимой рабочей температуры все изоля­ционные материалы делятся на 7 классов нагревостойкости.

Класс нагревостой­кости

Y А Е В F Н С
Наибольшая рабочая температура в:

°С 90 105 120 130 155 180 более 180

°К 363 378 393 403 428 453 более 453

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе цел­люлозы и шелка (пряжа, хлопчатобумажные и шелковые ткани, ленты, бумага, картон, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал.

К классу А принадлежат те же самые органические волокнистые материалы, пропитанные лаками или компаундами или погруженные в жидкий электроизоляционный материал, предохраняющий от досту­па кислорода воздуха, который ускоряет тепловое старение изоляции. Например, это хлопчатобумажная изоляция проводов в пропитанной лаком обмотке электрической машины или хлопчатобумажная изоля­ция обмотки маслонаполненного трансформатора. К классу А отно­сится также изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках.

К классу Е относятся пластические массы с органическим на­полнителем на основе термоактивного связующего типа фенолоформальдегидных смол (гетинакс, текстолит). К этому же классу относят­ся и лавсановые пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы, а также изоляция эмаль-проводов на таких смолах.

Итак, к первым трем классам нагревостойкости Y, А и Е относят­ся главным образом органические электроизоляционные материалы.

К классу В относятся материалы, содержащие неорганические компоненты (щепанную слюду, асбестовые и стекловолокнистые ма­териалы) в сочетании с органическими связующими и пропитываю­щими материалами. Сюда входят миканиты, стеклоткани и стеклотекстолиты на феноло-формальдегидных термоактивных смолах и эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями.

К классу F принадлежат слюдяные продукты (миканиты), изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганичес­кой подложкой с органическими связующими и пропитывающими веществами, обладающими повышенной нагревостойкостью. К таким связующим относятся эпоксидные, термореактивные, поли­эфирные и кремнийорганические смолы.

К классу Н относятся материалы, применяемые для класса F, но для изготовления которых применяют кремнийорганические смолы особо высокой нагревостойкости.

К классу С относятся чисто неорганические материалы без свя­зующих и пропитывающих органических веществ: слюда, стекло, стек­лоткани, асбест, кварц, микалекс. Из органических электроизоляци­онных материалов к классу С относятся только политэтрафторэтилен (фторопласт-4 или тефлон) и материалы на основе полиимидов.

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономически целесообразные сроки службы электрооборудования. При повышении температуры срок службы изоляции снижается. Наивысшая рабочая температура определяется на основании тща­тельного изучения поведения материала при различных темпера­турах с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий экс­плуатации, необходимой надежности и заданного срока службы.

Пример Изоляция класса Y рассчитана на работу при номи­нальной температуре Т_н = 90 °С в течение_н = 25 лет. Сколько прора­ботает изоляция, если ее рабочая температура будет равна Т - 114 °С.

Решение. По правилу Монтзингера, при повышении тем­пературы на каждые 10 °С срок службы изоляции уменьшается в 2 раза. Поэтому срок службы изоляции при температуре Т -= 114 °С будет равен:

.