1.2.2.4. Тривала електрична міцність твердих діелектриків

При тривалій експлуатації електроізоляційних пристроїв відбувається старіння твердої ізоляції, що виражається в зменшенні короткочасної електричної міцності, збільшенні провідності і діелектричних втрат і, як наслідок, в обмеженні терміну служби ізоляційних конструкцій. У зв'язку із цим при розробці іі виготовленні встаткування високої напруги, а також при організації його експлуатації повинні передбачатися міри, що знижують темпи старіння ізоляції. Зміна властивостей ізоляції при експлуатації відбувається за рахунок: електричного і теплового полів, поля механічних напруг, хімічної взаємодії з навколишнім середовищем.

Причинами старіння внутрішньої ізоляції є:

старіння внаслідок розвитку часткових розрядів (незалежних розрядів у наявних порах або дендритах, що утворяться) при перенапругах і робочій напрузі;

теплова деструкція матеріалу;

зволоження ізоляції й водний триінг (ріст деревоподібних, насичених водою фігур);

електрохімічне старіння;

механічне старіння і ушкодження за рахунок електродинамічних зусиль, вібрацій і т.п.

Як правило, при впливі електричного поля ізоляція піддається комплексу названих вище впливів або, у крайньому випадку, двом-трьом факторам, але переважати може якийсь один. Такий багатофакторний вплив дотепер не дозволяє зв'язати «час життя» ізоляції з яким-небудь одним визначальним фактором.

Старіння має місце при напруженостях електричного поля, у багато разів менших пробивних при короткочасному додатку напруги (в 5–20 разів і більше). Зі збільшенням напруги U, прикладеної до ізоляції будь-якого типу, темпи електричного старіння зростають, а термін служби t, відповідно, зменшується. Залежність
t = f(U) у широкому діапазоні часу має складний характер. Інтенсивність електричного старіння будь-якої ізоляційної конструкції залежить не тільки від значення напруги, що впливає, але і від ряду факторів,які не піддаються контролю, наприклад від кількості, розмірів і розташування мікронерівностей на поверхні електродів і мікро-, макронеоднорідностей в об’ємі ізоляції. Тому термін служби ізоляційної конструкції будь-якого типу при заданій напрузі є величиною випадковою.

Електрична міцність при тривалому додатку напруги характеризує здатність ізоляції витримувати робочу напругу протягом певного терміну служби і чисельно визначається напруженістю електричного поля (напругою), що приводить до руйнування ізоляції до кінця заданого періоду експлуатації, наприклад через 20-30 років.

Для опису загального виду відмов ізоляційних пристроїв у часі використовують залежність інтенсивності відмов l(t). Ця важлива характеристика визначає надійність роботи ізоляції в кожен момент часу t.

Інтенсивність відмов l(t) є ймовірність того, що електроізоляційний пристрій, що дожив до моменту t, відмовить за наступну одиницю часу. Функція l(t), наведена на рис. 1.37, має велике практичне значення для аналізу результатів часу роботи об'єкта. На рис. 1.38 у загальному виді наведена залежність l(t).

Рис. 1.37. Залежність інтенсивності відмов електроізоляційних
пристроїв від часу роботи

На рис. 1.37 розрізняють 3 області:

I – область початкових відмов – область приробітки (t₀ – t₁);

II – область випадкових відмов – робоча область (t₁ – t₂);

III – область ізносових відмов – старіння (t > t₃).

Область I – приробляння – пов'язана з виходом з ладу (відмовами) ізоляції за рахунок грубих технологічних дефектів у процесі її виготовлення. До кінця періоду (t₀ – t₁) ці дефекти повністю виявляються і інтенсивність відмов різко знижується. Отже, при правильно проведених попередніх заводських випробуваннях можна виявити брак в ізоляції і підвищити надійність її експлуатації в роботі.

Область II - раптові випадкові відмови, які не можуть бути усунуті прироблянням. Вони виникають раптово і визначаються випадковим сполученням ряду несприятливих факторів, що діють на ізоляцію, - високі амплітуди перенапруг, перегріви ізоляції, підвищені випадкові механічні навантаження, атмосферні впливи і ін. Тут інтенсивність відмов залишається величиною постійної.

Область III – відмови викликаються загальним старінням ізоляції, які пов'язані із тривалим додатком електричного поля до ізоляції і всіма супутніми йому процесами. Збільшення часу роботи ізоляції більше t₂ недоцільно, тому що  це приводить до зниження надійності її роботи, збільшенню аварійності.

Найбільш бажаною областю експлуатації електроізоляційних пристроїв є область випадкових відмов (t₁ – t₂), у якій інтенсивність відмов мінімальна.

Завдання вибору робочої напруженості Е_р для високовольтного ізоляційного пристрою, що забезпечує необхідний термін служби, досить складні і вимагає великого обсягу експериментальних досліджень, оскільки в більшості випадків розрахунки базуються на емпіричних передумовах. Ефективним методом визначення Е_р є розрахунок по рівнянню «кривого життя». Це рівняння є основною характеристикою, що дозволяє екстраполювати експериментальні результати в область робочих напруженостей електричного поля. Воно найбільш часто записується у вигляді

(1.66)

де t – «час життя» ізоляції при напруженості Е; А, n – коефіцієнти, визначені експериментально: коефіцієнт А – відоме значення «часу життя» t₀ при заданій напруженості Е₀, тобто  ; коефіцієнт n – тангенс кута нахилу «кривої життя» (рис. 1.38) – коефіцієнт швидкості старіння: n = tgb.

Підставляючи значення коефіцієнтів в (1.63), одержимо:

. (1.67)

Дослідження поведінки «кривої життя» у широкому діапазоні напруженостей електричного поля показали, що для полімерів у координатах lg t і lg E вона складається із двох прямолінійних ділянок (рис. 1.37), для яких А і n різні.

У зв'язку з цим рівняння (1.66) буде мати вигляд

, (1.68)

де i = 1, 2, тобто  для кожної ділянки повинні бути визначені свої значення А і n: А₁, n₁ відносяться до Е > E_и, а А₂, n₂ – до Е < E_и. Точка перегину lgt(lgE_и) (рис. 1.38) відповідає напруженості, при якій зменшення Е приводить до зникнення критичних часткових розрядів, збільшенню коефіцієнтів А і n і різкому збільшенню часу до пробою.

Вираз (1.66) має істотний недолік – неможливо прогнозувати надійність роботи ізоляції, оскільки відсутня імовірна оцінка відмов. При тривалому впливі електричного поля на партію ідентичних електроізоляційних пристроїв буде мати місце великий розкид часу до пробою, що досягає декількох порядків.

Пробій – явище випадкове, пов'язане з індивідуальними особливостями мікро- і макроструктури ізоляції окремих виробів. Пробій відбувається в найбільш слабкому місці ізоляції. Концепція «найслабшої ланки», що враховує розподіл мінімальних термінів служби, на сьогодні є найбільш розробленою в додатку до теорії пробою електричної ізоляції. Із цього погляду найбільш прийнятним і фізично обґрунтованим для опису «часу життя» є імовірне рівняння Вейбулла. Для конкретного значення випробної напруженості електричного поля Е_исп функція розподілу часу до пробою має вигляд

(1.69)

де Q(t) – імовірність пробою ізоляції; В і b – параметри рівняння Вейбулла, визначені експериментально.

Практична цінність виразу(1.69) полягає в можливості оцінки довговічності роботи ізоляційного пристрою з будь-яким рівнем надійності. Для опису «кривої життя» рівняння Вейбулла має вигляд

(1.70)

де С, а визначені експериментально параметри рівняння Вейбулла, що описують розподіл пробивних напруженостей ізоляції.