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.
Конечно, применяемые ныне изоляционные материалы более долговечны, чем применяемые ранее, однако кое-где электропроводка долго не менялась, и проблема старения изоляции остается таковой.
Старение изоляции кабелей - это серьезная проблема, которая может привести к снижению надежности и безопасности работы электрооборудования и системы электроснабжения.
Давайте же рассмотрим факторы, влияющие на старение изоляции.
Изоляция кабелей подвергается воздействию различных факторов, которые могут ускорить ее старение и разрушение. К таким факторам относятся:
- Температура. Повышенная температура увеличивает скорость химических реакций, которые приводят к деградации изоляции. Кроме того, температурные циклы (перепады температуры) вызывают термические напряжения в изоляции, которые могут привести к ее трещинам и разрывам.
- Влажность. Влажность воздуха или проникновение воды в изоляцию может вызвать коррозию металлических частей кабеля, а также уменьшить электрическое сопротивление изоляции. Влажность также способствует развитию биологических процессов (грибков, плесени), которые разрушают изоляцию.
- Механические повреждения. Изоляция кабелей может быть повреждена при монтаже, эксплуатации или ремонте кабельных линий. Такие повреждения могут быть видимыми (царапины, проколы, ссадины) или скрытыми (микротрещины, деформации). Поврежденная изоляция становится более уязвимой для других факторов старения.
- Электрические нагрузки. Перегрузки, короткие замыкания, перенапряжения, гармоники и другие аномалии в электрической сети могут вызвать перегрев, искрение, дуговые разряды и другие эффекты, которые наносят ущерб изоляции кабелей.
- Химические воздействия. Изоляция кабелей может подвергаться агрессивному воздействию химических веществ, таких как кислоты, щелочи, растворители, масла и т.д. Эти вещества могут проникать в изоляцию через повреждения или диффузию и вызывать ее химическое разложение или растворение.
- Ультрафиолетовое излучение. УФ-излучение от солнца или источников света может вызвать окисление и фотохимическое разрушение изоляции кабелей. Это проявляется в потере цвета, блеска, эластичности и прочности 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.
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.
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.
Смотрите также:
Показатели качества изоляции - сопротивление, коэффициент абсорбции, индекс поляризации и другие
От чего зависит срок службы электродвигателей
Причины загораний в электротехнических устройствах
Нагревостойкость и огнестойкость кабеля и провода, негорючая изоляция
Как правильно выполняется проверка изоляции кабеля
Андрей Повный