Факторы, определяющие электрическую прочность изоляции кабелей. Старение изоляции кабелей.

В процессе длительной эксплуатации происходит старение изоляции, выражается в уменьшении кратковременной электрической прочности и ухудшении других электрических характеристик изоляции.

Причинами ухудшения внутренней изоляции является:

1) электрическое старение вследствие развития частичных разрядов при перенапряжении или рабочем напряжении;

2) тепловое старение и окисление изоляции;

3) увлажнение изоляции.

Кроме этих возможны другие причины старения: механическое старение и повреждения под влиянием электродинамических усилий, вибрации больших механических нагрузок и т.д., химические под воздействием органических кислот, окислов азота и других агрессивных веществ, а также под влиянием электролитических процессов. 

В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что может привести к развитию теплового пробоя. Основной причиной электрического старения многих видов изоляции являются частичные разряды. Энергия частичного разряда тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, на нагрев диэлектрика и на излучение. На необратимое разрушение диэлектрика (разрушение молекулярной связи) расходуется только часть этой энергии.

Характер и степень разрушения изоляции  частичными разрядами зависит от свойств материалов и вида изоляции. В твердом диэлектрике разрушения связаны с разрывом молекулярных связей и образования радикалов; возможен и обратный процесс. В органических диэлектриках эти выделения связаны с выделением Н2 и других газов (метан, ацетилен, СО2 и др.), возможны образования углеродистых соединений, в ряде случаев имеющих значительную проводимость. Следствием частичных разрядов во многих случаях является образование микротрещин в твердом диэлектрике.

Старение маслобарьерной и бумажно-масляной изоляции проявляется в изменении электрической и физико-химической характеристике как минерального масла, так и бумаги или электрокартона. Разрушение пропитывающего состава сопровождается увеличением его проводимости и tg d , что может завершиться пробоем.

Газовыделения в масле в сильном электрическом поле может проходить также при отсутствии частичных разрядов, это объясняется тем, что в сильных полях электроны способны приобрести энергию около 3 эВ, достаточную для разрушения молекулы углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения зависит от его химического состава.

Электрическая прочность кратковременная - характеризует способность изоляции противостоять этим воздействиям и определяется пробивным напряжением при соответствующих нормированных воздействиях.

При определении электрической прочности необходимо учитывать статистический характер пробоя. Чаще всего определяется среднее значение пробивного напряжения и среднеквадратичное его отношение. Внутренняя изоляция в большинстве случаев не восстанавливает электрическую прочность после пробоя. Получение большого числа экспериментальных данных по пробивным напряжениям наталкивает на значительные экспериментальные трудности и связано с большими затратами, поэтому приходится  ориентироваться только на средние значения пробивных напряжений и грубую оценку среднеквадратичных отклонений или даже на нижнее значение пробивных напряжений.

Кратковременная электрическая прочность обычно рассматривается применительно к следующим воздействиям:

     а) электрическая прочность при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты;

     б) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью от сотен мкс. до десятых долей сек.

Для внутренней изоляции необходимо учитывать специфику воздействия импульсов различной формы. (Рис. 1.13-1.16)

Рисунок 1.13 Импульс

Рисунок  1.14 Импульс

Рисунок 1.15 Импульс

Рисунок 1.16 Импульс

1-3 — для имитации коммутационных и квазистационарных или длительных (5 и 4) перенапряжений.

Электрическая прочность при воздействии импульсов, соответствует внутренним перенапряжениям, может отличатся от прочности при воздействии стандартных импульсов 1.5/40, (11.2/50) мкс.  Вследствие зависимости пробивного напряжения от числа импульсов, времени воздействия, крутизны фронта, времени колебательного характера импульса.

Снижение электрической прочности при колебательных импульсах напряжения по сравнению с апериодическими связано с тем, что в первом случае количество частичных разрядов, возникающих в изоляции при каждом импульсе, больше чем во втором. Частичные разряды сопровождаются газовым полем и некоторой порче изоляции. Многократное приложение импульсов напряжения приводит к накоплению разрушения (кумулятивный эффект). Количество частичных разрядов определяется изменением напряжения на изоляции за рассматриваемый отрезок времени. Такие изменения напряжения возникают при каждом изменении полярности, что и приводит к возникновению дополнительных частичных разрядов. Следствием этого является зависимость электрической прочности от декремента колебаний импульса и снижение электрической прочности с увеличением числа воздействующих импульсов.

В ряде случаев пробой изоляции наступает не непосредственно в результате воздействия повышенного напряжения, а как следствие того, что частичные повреждения изоляции могут быть вызваны воздействиями повышенного испытательного напряжения или перенапряжений в процессе эксплуатации.

Если эти повреждения заметно нарушают электрическое поле, то они продолжают развиваться и далее при рабочем напряжении и вызывают ее ускоренное старение. Таков ползущий разряд в маслобарьерной изоляции, критические частичные разряды в бумажно-маслянной изоляции, дендриты в твердой изоляции. Такие повреждения в процессе эксплуатации завершаются преждевременным пробоем изоляции.

Предельно допустимое количество импульсов заданной формы с заданной амплитудой определяется как отсутствием пробоя изоляции, так и отсутствием повреждений, недопустимых для дальнейшей длительной эксплуатации при рабочем напряжении.