Эксплуатационная надежность всех видов электротехнических устройств и комплексов в значительной степени определяется состоянием их электрической изоляции. Такая зависимость особенно характерна для силового электрооборудования и кабельных линий. Статистические исследования, проведенные в различных отраслях, убедительно подтверждают этот факт.
Так, например, доля выхода из строя асинхронных двигателей из-за отказа электрической изоляции составляет от 50 до 85%, число случаев отказов по этой причине участков кабельных электрических сетей доходит до 95% (смотрите - Рейтинг дефектов низковольтных электродвигателей и Виды повреждений кабельных линий)
На этом основании при оценке надежности большинства электротехнических систем их электроизоляционные конструкции рассматривают как наименее надежные элементы, что предопределяет повышенные требования к достоверности оценки их состояния и прогнозированию его возможного изменения.
Отказ электрической изоляции проявляется в виде ее пробоя. Различают три вида пробоя твердых диэлектриков: электрический, тепловой и электрохимический.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом. Он заключается в том, что электроны, накопив в электрическом поле энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера, производят отщепление новых электронов, что приводит к нарушению стационарного состояния молекулярной структуры диэлектрика и возникновению ударной ионизации.
Причиной возникновения теплового пробоя является возрастание кинетической энергии молекул и атомов материала диэлектрика за счет местного разогрева в переменном электрическом поле.
Электрохимический пробой имеет место как при переменном, так и при постоянном напряжении, когда в диэлектрике в условиях повышенной температуры и влажности развиваются электролитические процессы, приводящие к необратимым изменениям структуры изоляции.
Следует отметить, что такая классификация пробоев диэлектриков носит условный характер, так как в действительности при эксплуатации имеет место наличие всех перечисленных факторов, и можно говорить лишь о преобладающем действии одного из механизмов пробоя.
Применительно к большому числу видов электрооборудования целесообразно рассматривать пробой изоляции как электрохимический. Однако это не исключает в отдельных случаях проведения анализа с позиций электрического и теплового пробоя. Например, при исследовании изоляции электрических устройств, работающих в условиях резкого нарушения теплового баланса, высокочастотного и высоковольтного оборудования.
Независимо от преобладания того или иного механизма пробоя, он происходит в наиболее "слабом" месте, т.е. представляет собой локальное явление. Причиной возникновения таких "слабых" участков являются развивающиеся в изоляции дефекты. При этом первоначальные, зачастую необнаруживаемые дефекты появляются еще на стадии её изготовления.
Путем совершенствования методов проектирования и технологии создания электроизоляционных конструкций можно существенно уменьшить их количество и тем самым повысить расчетную надежность изоляции, но избавиться от них полностью в принципе невозможно, так как их наличие заложено в самой неоднородности структуры материала.
В процессе эксплуатации электрооборудования под действием различного рода дестабилизирующих факторов происходят структурные изменения материала изоляции, приводящие к развитию первоначальных дефектов и возникновению новых.
Примерная классификация видов воздействий на изоляцию, с учетом которых осуществляется проектирование электрооборудования и кабелей, приведена в таблице.
Основные факторы и виды воздействия на электрическую изоляцию
| Факторы воздействий | Виды воздействий |
| Тепловой | Повышенная температура нагрева, повышенная температура окружающей среды, пониженная температура окружающей среды, градиент температуры, направленное тепловое воздействие |
| Электрический | Рабочее напряжение, повышенное напряжение, частота, частичные электрические разряды, поверхностные электрические разряды |
| Атмосферный | Воздух, кислород, водород, азот, инертные газы, сера, вакуум, смазочные материалы, влажность, пыль, бактерии |
| Механический | Виброэлектродинамические, ударноэлектродинамические, вибромеханические, ударномеханические, изгибы, давление, растяжение, кручение |
| Нагрузка | Длительная, кратковременная, повторно-кратковременная, периодический пуск и электрическое торможение, хранение транспортирование |
Исследование характера и степени влияния на состояние изоляции каждого из перечисленных воздействий представляет собой весьма сложную задачу и целесообразно лишь при разработке новых изоляционных материалов применительно к конкретным видам электрооборудования и условиям использования.
В эксплуатационных условиях все факторы действуют совместно и результаты их воздействия на изоляцию взаимосвязаны. Например, разрушение материала под действием термических и окислительных процессов приводит к уменьшению его прочности, появлению трещин и пустот, что усугубляется механическими воздействиями.
Распространение электрических разрядов в воздушных полостях и проникновение в них влаги может обусловить электрическое, а затем и электрохимическое разрушение изоляции.
По мере накопления и развития дефектов возрастает вероятность ее пробоя коммутационным перенапряжением или рабочим напряжением в наиболее ослабленном месте. При этом с точки зрения оценки состояния изоляции не имеет существенного значения степень воздействия на нее каждого фактора в отдельности.
Весь этот процесс следует рассматривать в комплексе как общее старение изоляции во времени. И хотя непосредственной причиной отказа является недопустимое изменение свойств изоляции в случайном ограниченном объеме, развитие дефектов происходит в силу изменения всей структуры изоляции, что должно определять наличие корреляционной связи между свойствами изоляции и показателями ее надежности.
Основными задачами исследования эксплуатационной надежности изоляции является установление такой связи, выбор минимальной совокупности признаков, позволяющих оценивать ее качественные изменения в процессе эксплуатации, а также определение количественных критериев контроля и прогнозирования работоспособности.
Понятно, что по отношению к электрооборудованию, используемому в нестационарных условиях эти задачи могут решаться лишь на базе аппарата математической статистики.
Смотрите также:
Показатели качества изоляции - сопротивление, коэффициент абсорбции, индекс поляризации и другие