Изоляционные материалы взаимодействуют с окружающей средой, и повреждения изоляции часто являются следствием этого взаимодействия.
В зависимости от характера окружающей среды воздействие ее на изоляционные материалы различно. Для силового электрического оборудования окружающую среду обычно образуют атмосферный воздух, различные газы, изоляционное масло и почва. В наиболее тяжелых условиях находится изоляция, подверженная атмосферным влияниям.
Воздух представляет собой смесь различных газов, в составе которой по объему в среднем: азота 78%, кислорода 20,9%, аргона, двуокиси углерода и водорода меньше 1%, гелия, криптона, озона, радона, ксенона и неона меньше 1%. Кроме того, в воздухе содержится изменяющееся (в зависимости от места и времени) количество других газов, водяной пар и коллоидные частицы.
Количество водяного пара зависит от испарения с поверхности расположенных поблизости водных пространств и от атмосферных осадков. Парциальное давление этого пара не превышает давление насыщенного водяного пара при данной температуре. При более высоком давлении водяной пар выпадает в осадок, образуется туман, и на твердых поверхностях вода конденсируется.
Воздух может содержать также переменное количество минеральной и органической пыли, вулканического пепла и микроорганизмов.
Состав воздуха изменяется в результате деятельности человека: различного рода горение постоянно увеличивает содержание в воздухе двуокиси углерода.
В районе крупных городов и промышленных центров содержание двуокиси углерода в воздухе сильно возрастает, воздух содержит большое количество промышленных газов (сернистого газа, серного ангидрида, сероводорода и т. д.) и коллоидных примесей (пыль угля и металла, сажа, грязь, зола и т. д.).
Часть перечисленных компонентов может значительно изменить свойства изоляционных материалов. Кроме того, изоляция, находящаяся на открытом воздухе, подвержена воздействию солнечных лучей, изменений атмосферных условий (температуры, давления, влажности воздуха), атмосферных осадков, ветра, грозы, а также биологическому и иному влиянию. Эти влияния совместно определяют климат (развивающаяся в настоящее время климатология различает различные типы климата).
С технической точки зрения следует различать такие климатические зоны, как тропическая (в том числе влажно-жаркая, субтропическая и сухая жаркая зоны), нормально холодная, высокогорная, морского побережья и промышленная.
Существует немного изоляционных материалов, которые стойко выдерживают атмосферные условия даже в нормальной климатической зоне. Особенно быстро повреждаются изоляционные материалы в промышленной и тропической зонах.
Атмосферное влияние можно полностью устранить только герметизированием изоляции и созданием кондиционированной среды. Для электрооборудования осуществить это экономически невозможно. Обычные конструктивные решения не обеспечивают полностью устранение влияния внешней среды, а лишь уменьшают их. Если целью ставится только уменьшение атмосферного влияния, то применяют защитные слои, покрытия, кожухи.
При соответствующих конструкциях они практически защищают лишь от наиболее агрессивных влияний, так чтобы за время запроектированного срока службы изоляции ее ухудшение от атмосферных влияний было небольшим.
Для охлаждения, повышения электрической прочности и других целей изоляционные материалы часто помещаются в газовую среду (водород, азот, двуокись углерода, элегаз, фреон и т. д.) или изоляционную жидкость (трансформаторное масло, пиранол, совол и т. д.), а иногда заливаются компаундом, воском, искусственными смолами и т. д.
В этих случаях окружающая атмосфера влияет в первую очередь на эти материалы, а главная изоляция подвергается воздействию спустя некоторое время и значительно слабее.
Естественно, что защита действует только в тех случаях, если в процессе порчи газа, жидкости или материала заливки не образуются такие агрессивные вещества, которые сильнее действуют на главный изоляционный материал, чем атмосфера (например, в результате распада фреона образуется соляная кислота).
Электрические кабели часто укладывают непосредственно в грунт, содержащий многие агрессивные компоненты (влагу, кислоты, щелочи, живые организмы), поэтому воспрепятствовать быстрому разрушению изоляции можно лишь с помощью оболочек, защищающих от коррозии.
Диффузия
Между атомами и молекулами изоляционных материалов практически всегда имеются незаполненные веществами места. Такими местами могут быть макроскопические (>10-2 см) и микроскопические (10-2—10-5 см) трещины, поры или каналы, субмикроскопические (10-5—10-7 см) капилляры и полости, междумицеллярные и внутримицеллярные зазоры.
Окружающий газ диффундирует в эти свободные пространства, даже если полости находятся внутри материала и не соприкасаются с граничной поверхностью. Кроме того, в результате теплового движения молекулы материала сдвигаются относительно друг друга, временами между ними образуются «дырки», в которые может проникнуть молекула газа.
Эта молекула газа может переходить из одной «дырки» в другую. Через определенное время окружающий газ целиком заполнит полости, имеющиеся в материале. Скорость диффузии тем больше, чем меньше диаметр диффундирующей молекулы газа.
При погружении изоляции в жидкость полости заполняются жидкостью, если размеры этих полостей больше размера молекулы жидкости. В случае внутренних полостей заполнение их происходит, если размер «дырок», делающих возможным диффузию, достаточно большой.
Ввиду того, что размеры молекулы изоляционных жидкостей в общем значительно больше, чем у молекул газа, полости твердой изоляции полностью не заполняются жидкостью, в некоторых из них будет газ.
Полости, заполненные хорошо изолирующей жидкостью, с точки зрения изоляционной техники можно считать почти полноценными. Участки, заполненные газом, хорошо выполняют роль изоляции при небольших напряжениях на ней, при повышении напряжения в них возникают внутренние разряды. Газ не только заполняет пространство, но отдельные его компоненты химически могут взаимодействовать с изоляционным материалом.
Диффузия протекает в общем по экспоненциальному закону. Удельный объем воздуха, соответствующий равновесному состоянию, у волокнистых и пористых материалов весьма велик. Жидкости также обладают способностью поглощать газ и эта способность зависит от температуры. Данные по этому вопросу, встречающиеся в литературе, весьма разноречивы.
Окисление
Кислород окисляет значительную часть материалов. Особенно большой активностью обладает озон. При комнатной температуре окисление происходит обычно очень медленно. С увеличением температуры скорость реакции резко возрастает.
Старение большой части органических изоляционных материалов происходит именно благодаря окислению. К сожалению, процесс старения большинства материалов достаточно еще не изучен, хотя в этой области и происходит интенсивная исследовательская работа. Реакцией здесь может быть дегидратация с выделением воды, конденсация с осаждением воды и деструкция, вызывающая разрыв молекулярных цепочек.
Среди продуктов распада — газы (в большинстве углеводороды), кислоты (неорганические оксикислоты, эфиры), вода, полимеризационные смолы и другие конденсаты. Возникающие смолы могут пройти дальнейшие химические превращения.
Изоляционные масла сильно склонны к окислению. Кислород легче всего воздействует на такие связи, при которых один атом углерода соединяется с одним атомом водорода. Вначале образуются нестабильные перекиси и молярные окиси. Они распадаются и вызывают дальнейшее окисление.
В результате во время выделения воды происходит полимеризация, возникающая смола растворяется в масле, масло меняет окраску. Со временем смолы продолжают полимеризацию, все труднее растворяются в масле, а через некоторое время становятся нерастворяемыми и выпадают в осадок.
Степень окисления сильно зависит от температуры. Металлы и свет, в особенности ультрафиолетовые лучи, обладают катализирующим воздействием. С целью изучения старения масел проводится большая исследовательская работа, однако вопрос этот остается открытым.
Имелись попытки характеризовать старение с помощью кислотного числа (количество КОН, измеренное в граммах, необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 1 г масла).
Стандарты для свежего масла допускают максимум 0,1 мг КОН/г, а для масла, бывшего в эксплуатации, — 0,8—1,5 мг КОН/г. Для сильно состарившихся масел кислотное число может достигнуть 2—3 мг КОН/г.
По опытным данным образование кислот характерно, главным образом, для начального периода и не дает полной картины засмоления, а следовательно, и старения.
Образование смол характеризуют числом засмоления. Масло искусственно подвергают старению при температуре 100—120° С и по истечении определенного времени (1—7 дней) определяют количество нерастворяемой в петролейном эфире или нормальном бензине части.
Для определяемого таким путем числа засмоления (содержания шлама) стандарты допускают величину 0,15—0,2%, для допускаемого кислотного числа после испытания на засмоление стандарты предусматривают значения 0,1—0,5 мг КОН/г.
Число засмоления приближенно пропорционально времени старения масла. Тем не менее этот критерий непригоден для контроля качества масел, ибо он ничего не дает для определения количества нерастворимых компонентов, выпавших в осадок до взятия пробы.
В последние годы исследуют новые методы определения старения масла. Достойны упоминания методы определения степени поглощения кислорода, спектрального анализа, исследования способности пропускания света и измерения поверхностного натяжения.
Исследование ухудшения свойств масла осложняет то обстоятельство, что состав масла зависит от места добычи, а его качество зависит также и от степени очистки. Дефектное масло можно до определенной степени восстановить путем очистки. Старение можно замедлить ингибитором, выбранным в соответствии с сортом масла.
Вследствие окисления изменяются многие из параметров масла (плотность, вязкость, коэффициент теплоотдачи и т. д.). Данные об изменении электрических параметров масла, приводимые в литературе, к сожалению, противоречивы. Наиболее определенным является увеличение тангенса угла потерь, который сильно зависит от степени очистки.
По некоторым данным проводимость также характеризует степень старения. При увеличении количества нерастворимых в масле компонентов электрическая прочность уменьшается и в газовых пузырях могут возникнуть частичные разряды.
Противоречивы данные, приводимые по вопросу старения целлюлозных материалов. Одни считают здесь основным окисление, другие — тепловое разложение.
В процессе окисления резины молекулярные цепочки либо связываются объемной решеткой (материал при этом делается более жестким), либо отделяются (материал становится мягче).
Какой из процессов возникнет, зависит от различных факторов (температура, состав добавочных веществ, присутствие масла, озона или света, характер механической нагрузки и т. д.). Окисление синтетического каучука происходит медленнее, чем естественного.
Поведение пластмасс при химических воздействиях различно. Химическое воздействие (в том числе и воздействие кислородом) тем больше, чем больше размер молекул пластмассы. При окислении некоторых пластмасс образуются летучие продукты, которые испаряются, и на их место в материал диффундирует воздух, плотность материала уменьшается.
Встречается и противоположное явление, когда летучих продуктов нет, а удельный вес возрастает в соответствии с присоединяемыми молекулами кислорода.
В процессе окисления часто образуется вода, кислоты и неагрессивные вещества. У полимеров часто образуются перекрестные связи, что приводит к сжатию, хрупкости и затвердеванию материала. У отдельных материалов окисление влечет за собой сильное возрастание проводимости (например, парафин), у других — электрические параметры заметно не изменяются.
Влияние примесей газов в воздухе
Окружающая атмосфера может, кроме кислорода, содержать еще и другие агрессивные газовые компоненты, вступающие в химическую реакцию с изоляционным материалом, образующие с влагой кислоту или щелочь и подвергающие материал сильному действию коррозии. Кроме того, эти компоненты могут ускорить другие реакции, в том числе и окисление. Так, например SO2 с водой образует серную кислоту, озон окисляет азот воздуха, сама окись азота — агрессивное вещество, образующее с водой азотную кислоту.
При нормальных условиях концентрация подобных агрессивных веществ в воздухе мала, роль их незначительна. В промышленном районе на химических предприятиях концентрация их может возрасти до опасной степени.
За исключением фарфора и стекла, обычные изоляционные материалыне могут противостоять таким агрессивным воздействиям и быстро приходят в негодность. Поэтому приходится принимать меры, чтобы воспрепятствовать взаимодействию агрессивных веществ с изоляцией.
Часть газовых компонентов неактивна. Если изоляционный материал находится в атмосфере таких нейтральных газов, как, например, Н2 или N2, то срок службы такого материала намного больше
Роль твердых частиц, находящихся в воздухе
Твердые частицы, находящиеся в воздухе, оседают на поверхность изоляции. В результате (особенно при одновременном действии влаги) резко падает поверхностное сопротивление, резко изменяется распределение напряжения, могут возникнуть интенсивные поверхностные разряды.
В зависимости от состава поверхностного слоя могут возникнуть химические и электрохимические реакции. Поверхностное загрязнение является одним из наиболе часто встречающихся случаев повреждения изоляции.
Обычно такое загрязнение легко обнаружить и избежать аварии путем очистки изоляции. В сильно загрязненной атмосфере требуются особые приемы (специальная форма изоляции, защитное покрытие закрытая конструкция и т. д.), затрудняющие образование слоя загрязнения на поверхности изоляции.
Твердые частицы, попадающие в изоляционную жидкость, сильно ухудшают ее электрические свойства.
Воздействие излучения
Материалы подвержены различным облучениям из окружающей среды. Фотоны электромагнитных излучений могут возбудить и ионизировать атомы, а фотоны большой энергии, образуемые при атомном распаде, могут вызвать и более серьезные изменения структуры вещества.
Такие воздействия могут вызвать химические процессы и изменения параметров (например, проводимости) материала. Естественный свет, и в особенности ультрафиолетовая часть его спектра, может вызвать ухудшение свойств изоляционного материала (вызывает катализацию и ускоряет окисление масла, полиэтилена и резины, в последнем случае под воздействием света происходит выделение на поверхность свободной серы). В результате действия света ухудшается механическая прочность шерсти. Рентгеновские лучи действуют еще сильнее, чем свет.
Развитие атомной теории заострило внимание на роли излучения при распаде атомов. В этом направлении ведутся широкие исследования, однако их результаты публикуются очень скупо. Излучения увеличивают проводимость, однако это действие обратимо: после прекращения облучения под действием рекомбинации восстанавливается первоначальное состояние.
Под действием более интенсивного излучения в масле могут образоваться газы, в пластмассах изменяются связи, благодаря чему свойства материала ухудшаются. Имеются, однако, случаи, когда облучение улучшает свойства материала, например при облучении полиэтилена. МЭК производится сбор и изучение опытных данных влияния облучений.
Изоляционные материалы, погруженные в жидкость
В тех случаях, когда используется изоляционный материал, опущенный в изоляционную жидкость, изменение свойств жидкой и твердой изоляции связано между собой. В таких случаях происходит не только взаимодействия двух материалов, но и взаимодействие продуктов распада этих материалов.
Продукты распада жидкости часто абсорбируются в твердый материал, а часть материалов, возникающих от распада твердого материала (главным образом, газы), поглощается жидкостью.
Пока еще о поведении подобных сложных систем данных мало. Возможно, в результате взаимодействия ускоряется изменение свойств обоих материалов. Наиболее часто получающиеся продукты распада жидкостей: водород, ацетилен, сажа, вода и в отдельных случаях органические кислоты, а в случае хлористых и фтористых материалов — агрессивные соляная и плавиковая кислоты.
Наиболее часто применяемой изоляционной жидкостью является масло. На твердой поверхности изоляции оседают нерастворяющиеся в масле компоненты. Образовавшийся таким образом слой отделяет твердый материал от масла, уменьшает их взаимодействие, но увеличивает нагрев твердого материала. Кислоты и перекиси, возникающие при разложении масла, действуют на органические материалы.
Если масло взаимодействует с молекулами целлюлозы (в первую очередь в кабелях и конденсаторах), то часто образуется Х-воск. О природе этого процесса пока мало известно.
Согласно данным исследований подобный процесс ухудшает параметры материала, однако это происходит не вследствие влияния электрических свойств воска, а из-за меньшего, чем у масла, удельного объема. Реакция с маслом у значительной части искусственных смол (особенно в теплом масле) происходит быстрее. Некоторые из этих материалов, например битумы, растворяются в масле.
В последнее время эффективно используются стабилизирующие присадки в масло, значительно замедляющие его старение, нейтрализующие действие освобождающихся при разложении веществ.
Прочие воздействия окружающей среды
Окружающая среда может и биологически воздействовать на изоляцию. При большом содержании влаги в среде различные грибки могут вызвать возникновение плесени. Это означает не только образование поверхностного слоя.
Образование плесени сопровождается кислотным воздействием, что может вызвать химический распад органических изоляционных материалов.
Химические изменения органических изоляционных материалов могут быть вызваны также обменом веществ некоторых бактерий. Некоторые насекомые опасны для органических материалов (главным образом для материалов, содержащих целлюлозу). Наиболее опасными из них являются термиты.
В последнее время (главным образом в связи с требованиями экспорта) все более важным становится вопрос тропической стойкости. В тропическом климате повреждение изоляции вызывают в основном температура и влажность, а также и биологические воздействия. В этих случаях изоляция выбирается с учетом специальных требований и ее необходимо самым тщательным образом защитить от окружающей атмосферы.
Большие морозы тоже неблагоприятно действуют на изоляционные материалы. Жидкости застывают, у большого числа органических материалов, в особенности у пластмасс, ухудшаются механические свойства, материал становится хрупким. Различное сжатие материалов может вызвать возникновение значительных внутренних напряжений, могут возникнуть трещины.
Изоляционные материалы редко подвергаются непосредственно действию почвы. Водные растворы солей, находящиеся в почве, могут вызвать активные химические и электрохимические воздействия, а различные почвенные бактерии производят микробиологическое воздействие на материалы. Ухудшение свойств материалов, вызванное почвой, особенно быстро протекает у резины и искусственного каучука.
Следует упомянуть также и о влияниях, оказываемых в процессе изготовления, ремонта и эксплуатации, когда материалы подвержены сильным механическим нагрузкам и велика вероятность попадания химических примесей в материал. Эти примеси в твердых материалах в присутствии влаги увеличивают поверхностную проводимость и могут явиться причиной начала коррозионных процессов.
В жидких изоляционных материалах примеси могут сильно воздействовать на параметры. Казалось бы, малозначительные факторы (например, канифоль, используемая при пайках, некоторые компоненты, входящие в состав используемых рабочими защитных мазей для рук, крепежные материалы и т. д.) могут вызвать серьезные повреждения изоляционного материала.
Повреждение или ухудшение свойств изоляции может быть вызвано и при несоответствующем хранении материала. Если изоляционные материалы, содержащие твердые органические вещества, длительное время хранятся в неотапливаемом складском помещении или на открытом воздухе, то эти материалы поглощают влагу.
Кроме обычного вредного воздействия, влага при низкой температуре замерзает и при дальнейшей сушке оставляет полости в материале. При эксплуатации в этих полостях могут возникнуть частичные разряды.