7-3. Влияние на изоляцию климатических и других внешних воздействий
Общая характеристика воздействия внешних факторов. В период эксплуатации, транспортировки и хранения твердая изоляция в высоковольтных конструкциях подвергается воздействию климатических, тепловых и механических факторов, которые могут способствовать ее ускоренному старению или привести к необратимым повреждениям — пробоям, нарушению сплошности в виде трещин и отслоений, эрозии поверхности и т.д.
Необратимым повреждениям в пластмассах может предшествовать общее старение под действием внешних факторов без отчетливо выраженной электрической, механической или тепловой нагрузки, что связано с продолжением процессов структурирования полимерной изоляции под воздействием внешних факторов.
Такое старение выражается в увеличении значения tgδ, уменьшении сопротивления изоляции, снижении электрической, механической и адгезионной прочности, увеличении жесткости и изменении размеров и формы, появлении микротрещин и т.д.
Для керамических материалов общее старение может характеризоваться изменением механических свойств, появлением микротрещин, изменением цвета и других свойств.
Для материалов с высокими температурами стеклования, такими как жесткие эпоксидные материалы, керамика, лейкосапфир, в которых внутренние механические напряжения и микродефекты возникают при изготовлении, в ходе эксплуатации, хранения и транспортировки происходит дальнейшее изменение электрофизических свойств, связанных с перепадами температур и внешних механических нагрузок.
Климатические факторы вызывают в полимерных наполненных материалах физические и химические превращения. Они зависят от интенсивности и длительности этих факторов. Основными следует считать влияние положительных и отрицательных температур, влажности воздуха, суточных перепадов температур, для изоляции внешней установки — солнечной радиации, агрессивных и абразивных сред, дождя, снега и т.п.
Длительное воздействие температур и радиации вызывает термоокислительную деструкцию, набухание и растрескивание, возникает разложение полимера с выделением углекислого газа. Происходит одновременно дезориентация структурных элементов полимера и, как следствие, усадка наполнителя. Усадка связующего создает внутренние напряжения в полимере, чему способствуют расхождения в значениях температурного коэффициента линейного расширения между связующим и наполнителем.
Усадочные явления наблюдаются и при увлажнении. Рентгенографическими исследованиями зафиксированы конкурирующие процессы дезориентации и доориентации молекул наполнителя при старении, приводящие, соответственно, к усадке и удлинению наполнителя. В зависимости от скорости каждого из этих процессов возможно снижение или некоторое увеличение прочности полимерного наполненного материала при хранении или эксплуатации. Полиолефины и фторлоны также отличаются необратимыми изменениями своих свойств, вследствие старения при климатических воздействиях.
Наиболее частыми являются сочетания температуры и механической нагрузки. Особенно активно влияние перепада температур через нуль и механических циклических нагрузок.
Для керамических материалов опасными являются термоциклы, которые могут иметь место в резко континентальном климате, особенно в пустынях и горных местностях.
В странах СНГ все многообразие требований к изделиям, в зависимости от условий эксплуатации в различных климатических районах с учетом места размещения, регламентируется соответствующими стандартами и другими нормативными документами (подробнее см. [98]).
В частности, предусматривается 10 видов исполнений, из которых восемь определяются различными макроклиматическими районами, а из двух оставшихся одно предусматривает эксплуатацию в любом климатическом районе на суше, а другое предназначено для всех макроклиматических районов на суше и на море.
Для каждого из десяти исполнений, с учетом места размещения, допускается пять категорий изделий.
Нормируются требования и методы испытаний изделий, в зависимости от степени жесткости климатических и механических воздействий.
Регламентируются значения температур окружающей среды, относительной влажности воздуха, наличие туманов, химических и биологических агрессивных сред, возможность быстрого перепада температур, пониженного или повышенного давления, наличия солнечной радиации и радиоактивных излучений, воздействие дождя и других осадков на изоляцию наружной установки.
Каждый из указанных факторов по-разному влияет на изменение изоляционных и герметизирующих свойств твердой изоляции.
Для изоляции стационарной и передвижной аппаратуры, работающей в диапазоне температур окружающего воздуха от -60 до +85 ° С, при относительной влажности до 100%, в условиях росы, морского тумана, при вибрационных, циклических и ударных нагрузках обычно применяются эпоксидные компаунды. Компаунды хорошо противостоят различным агрессивным средам и радиоактивным излучениям. Некоторые типы компаундов на основе циклоалифатических смол устойчивы против действия солнечной радиации. Применяются также компаунды кремний-органического ряда, ВЧ керамика, лейкосапфир, фторопласт, полиэтилен и некоторые другие полимерные материалы.
Существенное влияние на изменение свойств изоляции под действием внешних условий оказывают конструктивные особенности изделия: толщина, размеры, форма и масса изоляции, форма или размеры электродов, залить в изоляцию или механически связанных с ней.
При изменении окружающей температуры вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения различных конструкционных материалов, монолитно связанных с твердой изоляцией, возникают деформации, которые приводят к внутренним механическим напряжениям в изоляции, способным разрушить ее или привести к отслоениям от инородных залитых материалов.
Специфическое воздействие, в зависимости от формы и размеров изоляционного слоя, может оказывать повышенная влажность и тд. Все указанные моменты учитываются при проектировании высоковольтных изоляционных конструкций.
Температурные факторы старения изоляции. Изменение свойств твердой изоляции в процессе эксплуатации в значительной мере определяется тепловыми воздействиями. Срок ее службы зависит от соотношения между рабочей и допустимой температурами и может быть представлен для различных классов по допустимой температуре кривыми рис. 7-1.
Нагрев изоляции вызывает обратимые и необратимые изменения электрофизических и физико-механических свойств в зависимости от температуры и длительности ее воздействия.
Ряд параметров, которые в начале срока службы носят полностью обратимый характер (модуль Юнга, тангенс угла диэлектрических потерь и др.), с течением времени частично теряют такую способность и постепенно приобретают устойчивые изменения.
Если температура эпоксидных компаундов в первые 2—3 тысячи часов эксплуатации не превышает полуторного значения температуры
Рис. 7-1. Зависимости срока службы т от температуры для основных классов изоляции с наибольшей допустимой рабочей температурой при τ=104 ч: 1 - 105 С, 2 - 130 С, 3 - 170 С
стеклования, то происходит постепенное снижение tg δ и повышение предела прочности на растяжение, т.е. имеет место некоторое улучшение электрических и механических свойств изоляции. Это объясняется продолжающимися после основной стадии полимеризации процессами усиления сшивки длинных молекул полимеров и структурирования. В дальнейшем, под влиянием нагрева, усиливаются окислительные процессы, появляются явления деструкции, удаляются летучие продукты химических реакций или низкомолекулярные компоненты, например, пластификаторы.
Скорость разрушения изоляции под действием нагревания увеличивается при наличии других внешних условий:
влаги, агрессивных включений, усиления концентрации кислорода и других факторов, способных привести к ускорению процессов старения. Старение ускоряется также при освещении ультрафиолетовыми лучами.
На необратимые изменения в твердой изоляции под действием положительных рабочих температур влияют электрическое поле и механическая нагрузка, а нагревание граничного с диэлектриком воздуха ускорит появление ПНР и перекрытий.
Изоляционные, конструкционные и герметизирующие свойства полимеров зависят от рецептуры и технологии изготовления.
Эти свойства отражаются на способностях противостоять статическим и динамическим (ударным, вибрационным) нагрузкам, которые испытывает изделие в процессе эксплуатации в нагретом состоянии.
Вопросы расчета и проектирования твердой изоляции решаются также с учетом отрицательных температур окружающей среды, которые могут иметь место в процессе эксплуатации. Воздействие низких отрицательных температур изделия испытывают, главным образом, в условиях хранения и транспортировки.
Наиболее опасным является быстрый подъем изделий на высоту нескольких километров, когда температура окружающей среды быстро падает от положительного значения до минус 50—60 С.
С понижением температуры повышается хрупкость изоляции и усиливаются внутренние механические напряжения. Несмотря на некоторый рост прочности материала на растяжение при отрицательных температурах, возможность разрушения значительно возрастает. Это объясняется, в частности, тем, что при быстром перепаде температур (термоударе) релаксационные явления практически отсутствуют вследствие большой скорости изменения физического состояния, а в местах концентрации возникают особенно опасные механические напряжения.
Влияние отрицательных температур на старение связано с усилением роста микротрещин в диэлектрике под действием внутренних механических напряжений.
Влияние повышенной влажности воздуха.
Влияние влажности воздуха на электроизоляционные свойства твердых диэлектриков зависит от их гигроскопичности и влагопроницаемости, т.е. способности сорбировать влагу из окружающей среды или способности ее пропускать.
Наряду с ухудшением электроизоляционных свойств вследствие поверхностного шунтирования слоем конденсированной влаги с относительно низким сопротивлением, проникновение влаги внутрь электроизоляционных материалов резко снижает их электрическое сопротивление и электрическую прочность. Происходит увеличение диэлектрических потерь и снижение напряжения теплового пробоя, снижается механическая прочность. В некоторых случаях, в результате растворения компонентов диэлектрика или изменения его химического состава, может произойти механическое разрушение.
В керамических материалах проникновение влаги в микротрещины при последующем перепаде температур ниже нуля приводит к постепенному разрушению и выходу из строя изоляционной конструкции.
Влияние влажности воздушной среды на диэлектрические свойства изоляции усиливается при загрязнении воздуха и содержании агрессивных веществ. С увеличением влажности возрастает скорость перехода влаги из воздуха на поверхность твердого тела, особенно при снижении температуры ниже точки росы.
В присутствии центров конденсации, которыми могут быть поверхностные неоднородности, перенасыщение воздуха влагой может происходить и при более высокой температуре, чем при обычной точке росы.
Загрязнения воздуха бывают водонерастворимые или водорастворимые.
Водонерастворимые вещества в виде сажи, химически активных или абразивных веществ могут снизить поверхностное сопротивление диэлектрика, привести к разрушению его поверхности и ухудшению гидрофобности.
Из водорастворимых загрязнений воздуха наибольшую опасность представляют соли и кислоты.
Взаимодействие диэлектрика с влажной средой определяется адсорбцией влаги на поверхности, проникновением влаги в диэлектрик и поглощением влаги в объеме диэлектрика.
Адсорбционные свойства поверхности определяются смачиваемостью, которая оценивается значением краевого угла смачивания.
Адсорбция влаги на поверхности зависит от строения молекул полимерных материалов и их цепей, чистоты обработки, растворимости вещества диэлектрика или его составляющих в воде, наличия и характера загрязнений.
Влаго- и водопоглощение диэлектрика определяется количеством влаги, накопившейся в объеме диэлектрика при его контакте с влажной средой или водой. Степень насыщения водой зависит от плотности структуры, молекулярного состава, наличия и свойства наполнителя, а также от температуры и времени, в течение которого происходит водопоглощение.
На влагостойкость влияют различные эксплуатационные условия: температура, механические нагрузки, электрические поля.
Большое значение имеют технологические факторы, приводящие к появлению шероховатости, пористости, возникновению трещин, и нарушающие однородность поверхности диэлектрика. Механическая обработка после отверждения заготовки приводит к нарушению поверхностного слоя ориентированных молекул и дает обычно шероховатую, легко загрязняемую поверхность, с множеством микротрещин и микропор.
Объемное поглощение влаги материалом происходит путем диффузии. Наибольшее водопоглощение происходит при температурах 20—40°С в течение первых нескольких суток, до момента возникновения равновесного состояния.
Сравнительно более высоким водопоглощением обладают пластифицированные компаунды. Тип отвердителя оказывает незначительное влияние на изменение влаго- и водостойкости.
Изменения, появляющиеся при повышенной влажности, полностью обратимы при сушке.
Повышенная влажность оказывает влияние на сопротивление изоляции, напряженность электрического поля при перекрытии по поверхности и мало отражается на физико-механических свойствах. Во многих случаях состояние поверхности и ее способность к смачиванию может оказать серьезное влияние на гидрофобные свойства материала. Известно, что гладкая, без дефектов и нарушений поверхность эпоксидных компаундов обладает гидрофобными свойствами и снижает возможность проникновения влаги.
Срок службы диэлектриков в условиях повышенной влажности определяется физико-химическими процессами на их поверхности. Большое значение имеет начальная стадия этих процессов, в результате которых возникает шероховатая и гигроскопическая поверхность, связанная с электролитической эрозией от ЧР.
С ростом напряжения поверхностная проводимость сначала возрастает, достигает максимума и затем уменьшается. Причем с уменьшением относительной влажности максимум смещается в сторону больших напряжений.
Отмечено также увеличение скорости проникновения влаги в образцах полиэтилена, подвергшихся воздействию электрического поля.
Скорость и степень загрязнения поверхности для полимерных материалов при прочих равных условиях зависит, кроме степени ее шероховатости, от величины и знака поверхностного заряда по отношению к заряду частиц пыли. По причине легкой электризации даже такой влагостойкий диэлектрик, как фторопласт, в загрязненной пылью атмосфере покрывается коркой грязи, удаляемой только механическим путем. При повышенной влажности такая поверхность фторопласта теряет высокие электроизоляционные свойства.
Еще сильнее ухудшаются электроизоляционные свойства, если водорастворимые загрязнения попадают на механически обработанные или поврежденные участки диэлектрика.
Водорастворимые загрязнения проникают также вглубь материала, и в случае циклического изменения температуры могут накапливаться внутри.
Влияние повышенной влажности, туманов и росы на изменение электрической прочности внешней изоляции зависит от ряда других условий эксплуатации и конструктивных факторов:
от формы поверхностного слоя изоляции зависит ее способность к равномерному высыханию, и, как следствие, возможности создания локальных участков повышенной напряженности электрического поля из-за наличия отдельных увлажненных участков;
от наличия поверхностей контактов с другими материалами и положения возникающих адгезионных слоев относительно горизонтальной плоскости, которое может способствовать скоплению влаги вдоль этих слоев;
от воздействия абразивных, загрязняющих и агрессивных включений в окружающей атмосфере, от воздействия солнечной радиации, частичных разрядов и др. зависит состояние поверхности и влияние повышенной влажности на свойства изоляции.
Таким образом при проектировании и эксплуатации учитывают всю совокупность факторов, влияющих на изоляцию при воздействии повышенной влажности.
Подробно воздействие влажности и загрязнения воздуха на работоспособность изоляционных конструкций рассмотрено в [2, 43].
Влияние дождя на работоспособность изоляционных конструкций высокочастотных установок рассмотрено в гл. 5.
Радиационная стойкость.
При облучении полимерных материалов происходит одновременно поперечное сшивание и разрушение связей длинных молекул. Степень повреждения определяется поглощенной энергией и будет зависеть от типа диэлектрика, вида и интенсивности излучения.
Под воздействием радиации появляется обесцвечивание поверхности, растрескивание, образуются раковины, изменяются механические и электрические свойства. Более нагревостойкие эпоксидные компаунды и фторопласты обладают большей стойкостью к действию радиации. Теплостойкие жесткие компаунды с неорганическими наполнителями проявляют слабое изменение при воздействии на них дозы до 1000 мегарад [100].
Свойства полиэтиленов к поперечному сшиванию при радиационном облучении использованы для улучшения некоторых характеристик.
Влияние механических факторов.
В процессе эксплуатации, транспортировки и хранения твердая изоляция находится под действием статических и динамических нагрузок.
Способность изоляции противостоять этим нагрузкам, помимо ее нормативных физико-механических свойств, зависит от способа изготовления и от тех остаточных внутренних, так называемых термоупругих напряжений, которые возникают при охлаждении монолитной изоляционной конструкции. Стойкость изоляции к механическим воздействиям в значительной мере зависит от ряда конструктивных факторов, формы деталей крепления, наличия вокруг закрепленных в полимер деталей крепления демпфирующих прослоек и т.д.
