Основы расчета долговечности изоляции. Из перечисленных факторов во многих случаях доминирует температура, как следствие – тепловое старение изоляции.

Первые работы по определению срока службы изоляции относились в основном к изоляции класса А. В результате исследований было сформулировано «правило восьми градусов», согласно которому превышение температуры DQ на каждые восемь градусов сверх предельно допустимой сокращает срок службы изоляции вдвое. Аналитически это правило записывается уравнением

где t - срок службы изоляции при температуре Q, годы; Q - температура нагрева изоляции, ⁰С; Т₀ – условный срок службы изоляции при Q = 0 (Т₀ = 6,225×10⁴ лет при t = 7лет и Q = 105⁰С); е – основание натурального логарифма.

Чем выше класс изоляции, тем медленнее происходит ее старение при данной температуре, поэтому для изоляции класса В величина DQ составляет 10⁰С, для класса Н – 12⁰С.

Более строгий подход к физике процессов старения изоляции заключается в применении к ним общих законов кинематики химических реакций. Ван Гоффом и Аррениусом было получено уравнение (названное их именами), которое представляет собой постоянную скорость протекания реакции как величину, определяющую относительное число эффективных столкновений частиц, завершающихся химическим воздействием

На практике для расчетов важно знать время t, в течение которого изоляция достигает предельного состояния вследствие старения

где С₀ – начальная концентрация молекул; С – концентрация молекул в рассматриваемый момент; А – коэффициент; Е_а – энергия активации, Дж/моль; R = 8,317 – универсальная газовая постоянная, Дж/град.моль; Q – абсолютная температура, К.

Если известен срок службы изоляции t₁ при температуре q₁, то можно определить срок службы t₂ при температуре q₂ по уравнению

Величины Е_а, G, B = –E_a/R для изоляции различных классов определяются экспериментально и приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Экспериментальные данные параметров, определяющих срок службы изоляции

Старение изоляции под действием электрического поля наблюдается в высоковольтных машинах с номинальным напряжением от 6 кВ и выше. Для оценки этого влияния можно использовать экспоненциальной зависимостью

где E – напряженность электрического поля; А_е, m – коэффициенты, зависящие от свойств изоляционного материала.

Кроме указанных факторов на старение изоляции влияют механические и термомеханические факторы, вибрации и т.п.

Если преобладает процесс продавливания изоляции, то можно воспользоваться уравнением Р. Ходвинка для скорости продавливания пленки

где h – двусторонняя толщина изоляции провода; y – коэффициент текучести полимерного изоляционного материала; q₀ – площадь сопротивления проводников; n – параметр, зависящий от температуры; F₁, F₂, F₃ – функции от n; k_f – усилие, действующее в местах контакта проводов.

Время, за которое происходит полное продавливание, или долговечность t определяется

Аналитически срок службы изоляции по адгезии определяется

где t₀=10^-12¸10^-13, с – константа; U₀ – энергия активизации разрушения адгезионной связи, Дж/моль; g – величина, зависящая от граничного слоя полимера, прилегающего к субстракту, и толщины щетки; s – внутреннее напряжение полимера, МПа.

Влияние на долговечность изоляции температуры, влажности и агрессивных сред оценивается по формуле

где С – концентрация агрессивного агента; h – относительная влажность; m, n – коэффициенты.

При определении времени службы изоляции надежность обмотки оценивается по известным выражениям, с учетом всех факторов, влияющих на данный показатель.