Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов

Старением материаланазываются необратимые процессы физических и химических превращений материала,  происходящие под действием внешних физических, химических и биологических факторов и вызывающие ухудшение электрических и механических показателей материала. 

Долговечность материалов в условиях эксплуатации определяется не только свойствами материалов, но и действием разнообразных факторов, вызывающих изменение характеристик материалов.

Основные факторы, изменяющие свойства материалов можно разделить на природные и техногенные факторы.

Природные факторы старения

Здесь можно выделить физические, химические, биологические факторы.

Физические факторы. В первую очередь, это изменение температуры. Дело в том, что при изменении температуры меняются многие характеристики. Впрочем, об этом уже говорилось в той лекции, когда вводили понятия температурных коэффициентов, показывающих изменение физических свойств материалов: Ткl, Ткr, Ткeи т.п.

          Одну из главных ролей играет температурный коэффициент расширения Ткl. Ясно, что различные материалы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Поэтому они удлиняются по-разному при нагревании, а соответственно и сокращаются по-разному при охлаждении. Поскольку любое изделие состоит из частей, изготовленных из различных материалов, то само механическое сочленение материалов при изменении температуры вызывает появление механических напряжений в обоих материалах. Рассмотрим чуть более подробно. Представим, что соединены два материала с коэффициентами Ткl₁ и Ткl₂ при комнатной температуре. При нагревании на 100 °С каждый из них должен удлиниться на величинуDl₁ = l₀×Ткl₁×DT и ×Dl₂ =l₀×Ткl₂×DT. Поскольку они механически связаны, то они удлинятся оба на какую-то среднюю величину, зависящую от сжимаемости каждого материала. Если считать механические характеристики одинаковыми, то удлинение произойдет на величину (Dl₁+ Dl₂)/2. Предположим, что Dl₁>Dl₂, тогда первый материал окажется в сжатом состоянии. Его сжатие относительно равновесного состояния составит (Dl₁-×Dl₂)/2. Второй материал окажется в растянутом состоянии, его удлинение составит (Dl₁-Dl₂)/2. В соответствии с законом Гука, это эквивалентно приложению к первому материалу сжимающих усилий, по величине равных

(Dl₁-Dl₂)/2l₀ = p /E                                                     

где p= F/s- механическое напряжение, E - модуль Юнга или модуль всестороннего сжатия (или растяжения). Подставляя выражение Dl через Ткl получим сжимающее усилие, действующее на первый материал

p = E×(Ткl₁- Ткl₂)×DT/2

Точно такое же, но растягивающее усилие будет приложено ко второму материалу. Оценим значимость эффекта для стали. В этом случае E » 2×10¹¹ Н/м², Ткl1- Ткl2 при неудачном выборе компонент может составить 10^-5 1/К. Тогда p составит 10⁸ Н/м². Натяжение 100 МПа не превышает предела текучести материала, но при многократных циклах "нагревание-охлаждение" может привести к постепенному ухудшению свойств материала, росту трещин и т.п.

          Другим важным фактором старения, также связанным с изменением температуры, является переход через нулевую температуру. При замерзании воды ее объем увеличивается, поэтому, если вода попала в какую-нибудь трещину в материале, она при превращении в лед начнет расширяться, что вызовет рост этой трещины. При таянии вода заполнит свежеобразованный участок трещины, а при повторном замерзании произойдет дальнейший рост трещины. Такой тип старения характерен для каменных материалов.

          С температурой также связано старение трансформаторного масла. И это уже физико-химический фактор. При росте температуры резко (экспоненциально) растет скорость химических реакций, в том числе реакций окисления. Поэтому, если в кабеле или трансформаторе где-то начинается рост температуры, например за счет частичных разрядов, диэлектрических потерь или нагрева обмотки (например, при феррорезонансе), то активизируются процессы разложения масла, что приводит к ухудшению его диэлектрических характеристик.

          Из других физических воздействий отметим действие ультрафиолета и озона. Характеристиками светостойкостью и озоностойкостью должны обладать изоляторы, работающие на линиях электропередач. Актуально это только для полимерных изоляторов, т.к. фотоны света и активные молекулы озона могут приводить к деструкции полимера.

          На долговечность линий электропередач сильное влияние оказывают ветровые нагрузки. Это и т.н. "пляска проводов", возникающая при порывах ветра, и "парусность" опор и проводов. Возникающие при этом механические нагрузки в опорах, растяжках, проводах могут привести к их деформации и разрушению.  

          Химические факторыстарения заключаются в действии химических агентов на элементы электроустановок. Например, резины, используемые для герметизации, набухают во многих растворителях, в том числе бензине, трансформаторном масле. При набухании они вылезают из уплотнений, что приводит к разгерметизации. Частным случаем является воздействие влаги. Наиболее значительно влияние влаги на электрическую изоляцию, в особенности на жидкие диэлектрики и гидрофильные твердые диэлектрики (картон, бумага). Например, достаточно примерно 0.1% воды в трансформаторном масле, чтобы его электрическая прочность уменьшилась примерно в два раза. Соответственно, трансформатор, заполненный таким маслом, может выйти из строя при незначительных перенапряжениях, либо даже при рабочем напряжении. Влага уменьшает не только электрическую прочность, но и механическую прочность. Периодическое увлажнение и высушивание может привести к короблению изделий, расслоению, растрескиванию и т.д. , что характерно для бумажной изоляции и картона.

Биологические факторы старения - это в первую очередь действие грибков и микроорганизмов. Для большинства видов электротехнических изделий в нашей стране они не актуальны. По-видимому опасны они только для деревянных элементов установок, в первую очередь для деревянных опор линий электропередач. Грибки вызывают гниение дерева, потерю механической прочности, что чревато замыканиями при падении опор.

Вообще, на биологический фактор стали обращать пристальное внимание в последнее время, причем с несколько неожиданной стороны - экологической, что связано с загрязнением природы техногенными веществами. Это более актуально для жидких диэлектриков. Поскольку утечки диэлектриков из работающего оборудования всегда происходят, желательно чтобы природа сама справлялась с ними. Поэтому среди характеристик жидкостей появился такой параметр, как биоразлагаемость. 

Вещество, при попадании в окружающую среду должно разлагаться, чтобы не происходило загрязнения природы. Этому условию отвечает обычное трансформаторное масло, а, например, хлордифенилы, или фторорганические вещества - не отвечают. 

          Возвращаясь к биологическим факторам. Стойкость твердых материалов против грибков наиболее актуальна для тропических условий, поэтому при поставке энергооборудования в тропические страны, необходимо выбирать наиболее стойкие материалы.