Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- termoplast:tstarnuti [2023/12/16 14:47] – [Teplotní a elektrické znehodnocování] kudlacek
+++ termoplast:tstarnuti [2023/12/16 20:29] (aktuální) – upraveno mimo DokuWiki 127.0.0.1
@@ Řádek 1: / Řádek 1: @@
+====== Teplotní a elektrické znehodnocování ======
+[[termoplast:literatura|[2]]]
+Elektroizolační materiály (**EIM**) jsou převážně organické materiály. Jejich
+znehodnocování závisí na:
+  * Chemickém složení.
+  * Množství a složení přísad.
+  * Podmínkách zpracování.
+  * Provozním namáhání.
+Hlavní činitelé [[prostredi:klasifikace_klimatu|provozního namáhání]] je:
+  * Teplota
+  * Elektrické pole
+  * Mechanické namáhání
+Teplota ovlivňuje vlastnosti materiálů  ve všech etapách jeho existence, počínajíc výrobou přes technologické zpracování až po období, kdy materiál plní svoji  funkci v elektrickém zařízení. Teplotní  namáhání může mít charakter jak krátkodobého, tak  dlouhodobého působení. Zatím co krátkodobé působení teploty má za následek obvykle vratné změny vlastností, dlouhodobé
+působení teploty zapříčiňuje vždy změny nevratné.
+===== Mechanizmus degradace při krátkodobém působení teploty =====
+Krátkodobé působení teploty se často projevuje jako kolísání teploty.
+Kolísání  teploty  vyvolává  rozměrové  změny,  jejichž  následkem je vznik
+mechanického  pnutí  v  materiálu.  To  může  být  příčinou vzniku trhlinek
+a praskání materiálu. Střídání teplot  může způsobit změny krystalinity polymeru, což kromě změny mechanických vlastností ovlivňuje difuzi ozonu nebo kyslíku do polymeru a to může ovlivnit průběh stárnutí.
+Působení vyšší teploty po krátkou dobu může být příčinou vytékání některých  druhů tmelů  a impregnantů  (např. na  bázi asfaltu), nebo vytěkání některých složek polymerů (např. změkčovadel a stabilizátorů). Vlivem krátkodobého působení teploty se mění v poměrně širokém rozsahu
+základní charakteristiky izolantu.
+==== Vliv teploty na elektrickou vodivost tuhého izolantu ====
+Elektrická vodivost tuhých izolantů je způsobena pohybem iontů uvolněných ze struktury materiálu vlivem  tepelného pohybu a pohybem iontů nečistot a příměsí v materiálu. Vnitřní elektrickou vodivost lze zjistit z rovnice (~~rov.#~~):
+<m 15>  {gamma} = n_o g b  </m>
+V tomto  výrazu **n<sub>o</sub>**  je koncentrace  nábojů **q**  v jednotce objemu (uvolněných
+vlivem vnějších sil nebo teplem) a **b** je pohyblivost iontů.
+Reálný izolant je  soustava s velmi složitou vnitřní  strukturou a vodivost
+takového materiálu je proto vyvolána řadou různých částic (~~rov.#~~)((odvození v [[plasty:literatura|[2]]])):
+<m 15>  {{gamma}_c} = sum{0}{i}{A_i} {e^{-{E/{2k{tau}}}}}  </m>
+kde **A<sub>i</sub>** je maximální vodivost způsobená příslušným druhem částic.
+[{{:obr:5_vodivost.jpg?nolink&200 |Obr.1 Závislost vodivosti tuhé látky na teplotě }}]Ve většině  případů se v rozmezí  běžných teplot uplatňují pouze  dva druhy částic s různou hustotou A<sub>i</sub> a aktivační energii E<sub>i</sub>. V praxi se pro nepříliš široký teplotní interval používá pro stanovení elektrické vodivosti přibližný vzorec (~~rov.#~~):
+<m 15>  {gamma}={{gamma}_o}{e^{alpha}}  </m>
+kde  **α**  je  materiálová  konstanta. Závislost ln γ  jako funkce 1/Θ  je vynesena v  na obr. 1 [[plasty:literatura|[2]]].
+Křivka  2 v  tomto grafu  vyjadřuje závislost elektrické vodivosti neznehodnoceného izolantu  na  teplotě.  Bude-li  materiál obsahovat větší množství vnitřní nečistoty např. vlivem termooxidačního stárnutí bude  se vodivost na teplotě měnit podle křivky 1.
+==== Vliv teploty na dielektrické ztráty ====
+Ztráty v tuhém dielektriku, na které působí  střídavé elektrické  pole, jsou způsobeny
+ustálenou vodivostí a různými typy relaxačních polarizací, které mají původ
+ve složení a struktuře dielektrika. Proto také teplotní závislosti dielektrických ztrát různých izolantů mají odlišný průběh. Závisí především na typu polarizace  materiálu. Ta je  dána chemickým složením,  vnitřní stavbou, původem vnitřních nečistot.
+V neutrálních tuhých izolantech jsou pouze pružné polarizace. Organické  nepolární  polymery  mají  nízkou  permitivitu  a ztrátový činitel řádu 10<sup>-4</sup>. Příčinou  ztrát v nepolárních polymerech  je přítomnost karbonylových
+skupin vznikajících  při výrobě polymeru. Většina polymerů  má však polární
+vazby  přímo  v  molekulách. Dielektrické
+ztráty v těchto materiálech jsou vodivostního a polarizačního charakteru. Přítomnost polárních skupin  v molekulách polymeru  má  za  následek  výskyt více maxim v průběhu teplotní  závislosti ztrátového
+činitele. Tato maxima, resp. jejich velikost a poloha,  jsou dána velikostí částí
+molekuly, které se mohou s dipóly v elektrickém poli natáčet.
+V anorganických  materiálech jako je např.  sklo jsou vodivostní ztráty
+spojeny s vibračními ztrátami, které jsou způsobené elastickou iontovou polarizací. Ztráty  vodivostní a relaxační jsou  vyvolány přítomností volných nebo slabě vázaných iontů, deformační ztráty určovány posuvem atomů v krystalové mřížce.  Vibrační ztráty souvisejí  s vlastními kmity  atomů mřížky. Z toho vyplývá, že teplotní závislost dielektrických ztrát těchto materiálů
+je ovlivňována především jejich složením. Od určitých teplot tgδ  vždy roste
+vlivem růstu elektrické vodivosti.
+==== Vliv teploty na elektrickou pevnost ====
+Elektrická pevnost je základní vlastností každého tuhého izolantu. Jeden z mechanizmů elektrického průrazu  izolantů - tepelný průraz je závislý na teplotě.
+Fyzikálním základem tepelného průrazu je vznik tepelné nestability vyvolané nelineárním poklesem izolačního  odporu na teplotě. Rychlejší vzrůst ztrát než odvod tepla z povrchu izolantu a v důsledku toho narůstající teplota vede k tepelnému průrazu.
+Pro výpočet napětí tepelného průrazu  U<sub>p</sub> při střídavém napětí s frekvencí 50 Hz lze použít vzorce (~~rov.#~~) [[termoplast:literatura|[3]]]:
+pro tenkou desku tloušťky (~~rov.#~~):
+<m 15>  U_p = 1.6.10^4{sqrt{{{alpha} d k}/{{epsilon}.tg{delta}}}}  </m>
+pro silnou desku tloušťky (~~rov.#~~):
+<m 15>  U_p = 3.6.10^4{sqrt{{{lambda} k}/{{epsilon}.tg{delta}}}}  </m>
+kde
+<m 15>  k = 0,43 {{{vartheta_1}-{vartheta_2}}/{log{{{vartheta_1}/{{vartheta_2}}}}}}  </m>
+Veličiny vystupující v těchto vztazích jsou **závislé na teplotě**. Obecně
+platí, že napětí tepelného průrazu s teplotou klesá. Pokles je tím výraznější, čím nižší je napětí tepelného průrazu izolantu při teplotě okolí.
+==== Vliv teploty na mechanické vlastnosti ====
+Izolace je v elektrickém zařízení vystavena vedle namáhání elektrickým
+polem, teplotou i mechanickým silám,  zejména mechanickým rázům a vibracím.
+Musí mít  proto vhodné mechanické  vlastnosti nejen při  teplotě okolí, ale
+i v rozsahu teplot, které přicházejí v úvahu při provozu zařízení. Takovými
+vlastnostmi  jsou obvykle  teplotní  roztažnost,  pevnost v  ohybu, pevnost
+v tlaku a pevnost v tahu. Tyto  vlastnosti izolace jsou dány především složením izolantu, které izolaci tvoří.
+Mechanické vlastnosti jsou ovlivněny všemi složkami izolace. Charakter
+teplotní závislosti  mechanických vlastností je  ale rozhodující měrou  dán
+teplotní závislostí mechanických vlastností  organické, tj. polymerní části
+izolace.
+Změna mechanických  vlastností polymerů s teplotou  souvisí se změnami
+v pohybech částí molekul a tím i  prázdných míst ve struktuře polymeru. Polymery s  krystalickou strukturou se  vyznačují mimo jiné  ostrým přechodem mezi krystalickou a  kapalnou fází při dosažení bodu  tání. Např. ve slídových izolantech  se používaná pojiva  většinou vyznačují chováním  typickým pro polymery  s amorfní strukturou.  Veškerý pohyb částí  molekul amorfních
+polymerů ustává při absolutní nule. Při každé jiné teplotě existuje v amorfním polymeru  pohyb části molekul. Čím  vyšší je teplota, tím  větší části molekul se pohybují. Tato závislost  však není spojitá. Má několik nespojitostí, z nichž nejvýraznější je při teplotě, při které ochlazováním polymeru dochází k zamrzání pohybu hlavních řetězců molekul a volný objem dosahuje hodnoty, která se již dalším  snižováním teploty nemění (obvykle asi 2,5
+% z celkového objemu polymerů).
+Tento jev  má za následek nespojitost  teplotních závislostí polymeru.
+Dochází např.  ke skokové změně koeficientu  teplotní roztažnosti. Teplota,
+při které nastane změna koeficientu  teplotní roztažnosti, se nazývá **teplotou skelného přechodu** **T<sub>g</sub>**. Jedná se velmi důležitou charakteristikou polymeru, neboť  kromě koeficientu teplotní  roztažnosti obdobnou změnu  vykazují tepelná kapacita, difuzní koeficient a moduly mechanických vlastností.
+[[slovnik:start#mpr|Modul  pružnosti]]  ve  smyku  **G**  amorfních  polymerů ve sklovitém stavu
+(T < T<sub>g</sub>)  je řádově 10<sup>3</sup> MPa, v přechodové oblasti  (T ≈T<sub>g</sub>) klesá na 100 až 10<sup>-1</sup> MPa. Při dalším zvyšování teploty přechází polymer do oblasti kaučukovitého   toku   (G ≈10<sup>-2,5</sup> MPa)   případně   do   stavu   kapalného   toku G ≈10<sup>-3</sup> MPa. Rozdíly v teplotách skelného přechodu se odrážejí v mechanických vlastnostech polymerů.  Polymery s T<sub>g</sub> nižší než  pokojová teplota jsou za normální teploty měkké a stávají se tvrdými při ochlazení pod T<sub>g</sub>.
+Mezi hodnotami T<sub></sub> polymerů a  jejich chemickou strukturou je úzká souvislost. Nízkou hodnotu T<sub>g</sub> mají  polymery s lineárními řetězci. Vysoké hodnoty T<sub>g</sub>  mají silně zesítěné polymery  (např. fenolformaldehydové pryskyřice), někdy i nad teplotou rozkladu. Podstatný vliv na  T<sub>g</sub> má obsah plniv v izolantu.  Obecně platí, že čím
+je polárnost plniva větší, tím silnější je absorpce polymeru a tím vyšší je
+hodnota nárůstu T<sub>g</sub> v porovnáním s  T<sub>g</sub> čistého polymeru.
+<BOOKMARK:dpt>
+<BOOKMARK:tsm>
+===== Mechanizmus degradace při dlouhodobém působení teploty =====
+Dlouhodobé působení vysokých teplot  vyvolává **nevratné změny** ve struktuře a vlastnostech izolace. V praxi se přitom většinou nejedná o dlouhodobé nepřetržité působení teploty, ale o řadu po sobě jdoucích různě dlouhých
+časových úseků, při kterých se teplota působící na materiál mění. Pro matematický popis a modelování reálného dlouhodobého působení teploty se obvykle používá dlouhodobého nepřetržitého působení  teploty, které může v materiálu vyvolat jednak změny fyzikální podstaty:
+  * změna hmotnosti (vysoušení)
+  * změna pružnosti, pevnosti
+a jednak chemické změny. Aby došlo  v materiálu ke změnám chemického původ musí být splněny dva základní předpoklady  a to molekuly musí mít dostatečnou  energii a  musí být  velká statistická  pravděpodobnost střetu molekul
+v materiálu. Mechanizmus chemických reakcí objasňuje **reakční kinetika**.
+Z hlediska reakční kinetiky můžeme reakce roztřídit podle různých kritérií. Tak probíhá-li reakce v jedné fázi, nazývá se **homogenní**. Reakce probíhající na styku dvou fází se nazývají **heterogenní**. Chemické reakce způsobující termooxidační stárnutí jsou reakce homogenní.
+Podle jiného  hlediska lze chemické  reakce dělit na  reakce **izolované**
+a **simultánní**. V reálné soustavě jsou  častější reakce simultánní. Ty můžeme
+rozdělit do tří základních typů:
+**První typ**  tvoří **reakce zvratné**,  které jsou charakterizovány  tím, že
+současně s danou reakcí probíhá reakce  zpětná. tento typ reakce lze vyjádřit obecným schématem:
+<m 12>  A {right}B  </m>\\
+<m 12>  A {left} B  </m>
+Produkty reakce se opět rozkládají na výchozí látku.
+**Druhým typem** simultánních reakcí  jsou **reakce boční**. Výsledkem procesu
+jsou různé reakční produkty. Schematicky lze bočné reakce vyjádřit takto:
+<m 12>  A {nearrow} B </m>\\
+<m 12>  A {searrow} C </m>
+Termooxidační stárnutí je typická boční reakce.
+**Třetím typem**  jsou **reakce následné** (konsekutivní). Jejich obecné schéma má tvar:
+<m 12>  A {right} B {right} C  </m>
+Produkty výchozí reakce reagují mezi sebou a výsledkem je nový reakční produkt. Tímto mechanizmem se řídí korozní děje.
+V chemické reakci s postupujícím časem ubývá výchozích látek a přibývá
+reakčních produktů:
+<m 12>  a A + b B {right} z Z  </m>
+Rozsah chemické reakce lze vyjádřit rovnicí (~~rov.#~~):
+<m 15>  {xi} = {{n_zreag A}/a} + {{n_zreag B}/b} = {{n_vznik Z}/z}  </m>
+Tak jak  se mění okamžitá  koncentrace výchozích látek  mění se i  rychlost
+chemické reakce. Okamžitou reakční rychlost můžeme vyjádřit vztahem (~~rov.#~~):
+<m 15>  J = {d{xi}}/dt  </m>
+Pro jednosložkovou homogenní soustavu je zreagované množství (~~rov.#~~):
+<m 15>  n_zrag.  = n_puvod  - n_souc  </m>
+Reakční rychlost ubývání výchozí látky (vztažená ke koncentraci) je<BOOKMARK:rov> (~~rov.#~~):
+<m 15>  v_c_A =-{{d_c_A}/{dt}}  </m>
+Odolnost izolace vůči působení  teplot vyskytujících se při provozování
+elektrických  zařízení je  limitována teplotní  odolností nejslabší složky,
+což je např. u slídového  izolačního systému pojivo případně syntetická folie či papíru. Kinetiku změn chemické podstaty izolace lze popsat rovnicí (~~rov.#~~):
+<m 15>  -{{d_c_A}/{dt}}= k{c^n}  </m>
+Rovnice platí pouze pro izotermní  reakce, neboť rychlostní konstanta **k** závisí na teplotě podle **Arrheniova vztahu** (~~rov.#~~):
+<m 15>  k = A {e^{-{{E}/{RT}}}}  </m>
+Arrheniuv vztah je základním vztahem chemické kinetiky. Na jeho základě
+odvodil Büssing zákon, který vyjadřuje souvislost mezi zákonitostí stárnutí
+izolace a zákonitostí chemické kinetiky. **Büssingův teorém** má tvar (~~rov.#~~):
+<m 15>  t=t_{infty}e^{B/T}  </m>
+kde konstanta **B**  je dána vztahem B =  E/R a t<sub>∞</sub> má z  matematického hlediska
+formální   význam  životnosti   izolace  při   nekonečně  vysoké   teplotě.
+Zlogaritmujeme-li tuto rovnici dostaneme tvar (~~rov.#~~):
+<m 15>  ln t = A + {B/T}  </m>
+což je v souřadnicovém systému ln t, 1/T rovnice přímky. Přímková závislost
+doby života  izolace na teplotě  v tomto systému  potvrzuje platnost vztahu
+(rov.12). Není-li tomu tak, pak  mechanizmus stárnutí se neřídí reakcí prvního
+řádu.
+Matematickou úpravou  Büssingova zákona lze  odvodit <BOOKMARK:mz>**Montsingerovo pravidlo** (~~rov.#~~):
+<m 15>  t =t_o e^{-b{Delta}{vartheta}}  </m>
+kde **b** a **t<sub>o</sub>** jsou opět  materiálové konstanty. Hodnota t<sub>o</sub> vyjadřuje životnost izolace při nulové teplotě.
+Podle Montsingerova  pravidla se životnost  izolace zkrátí na  polovinu
+při zvýšení teploty stárnutí o konstantní hodnotu (~~rov.#~~):
+<m 15>  {Delta}{vartheta} = {0,695}/b  </m>
+Hodnota <m 10>{Delta}{vartheta}</m> není pro všechny izolanty stejná, obvykle se pohybuje v rozmezí
+až 10 <sup>o</sup>C((Pravidlo, někdy nazývané 8 <sup>o</sup>C, platí pro rozsah teplot 90 až 110 <sup>o</sup>C. Říká že při zvýšení teploty o <m 10>{Delta}{vartheta}</m> = 8℃ se doba života
+t zkrátí na polovinu. Pravidlo platí ale  spolehlivě
+jen pro papír v oleji.))).
+Chemické reakce jsou obvykle hlavní příčinnou změn vlastností izolace v důsledku dlouhodobého působení vysokých teplot. Velmi důležité  změny, zejména elektrických a mechanických vlastností mohou však být i důsledkem změn relaxačních vlastností makromolekul případně jejich částí, nebo změn vazby na rozhraní plnivo - pojivo. Významným  činitelem urychlujícím stárnutí izolace  je elektrické pole.
+Výsledkem všech těchto změn může být větší zhoršení vlastností izolace, než
+by odpovídalo stupni degradace chemickými reakcemi probíhajícími při pouhém
+tepelném stárnutí.
+[<8>]

EKP

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Rozdíly

Nástroje pro stránku