Тепловые характеристики материалов

Тепловые свойства материалов определяют теплообмен и нагрев электротехнических изделий и конструкций. О нагреве мы судим по температуре тела.

Температура — это характеристика равновесного состояния веще­ства. В равновесных условиях температура технического диапазона пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Абсо­лютная температура — эта мера кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа.

При определенных температурах могут скачком изменяться пара­метры или фазовое состояние вещества. Такие температуры называются характерными температурными точками (парообразования (кипения), плавления, текучести, каплепадания, вспышки паров, Дебая, Кюри, Нееля, длительная рабочая и т. д.).

Повышение температуры связано с повышением кинетической энергии колебательного движения частиц. Количество энергии, необ­ходимое для этого, определяется теплоемкостью тела.

Удельная теплоемкость — это количество энергии (теплоты), необ­ходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К.

Другим важным для электротехнических и электроэнергетических устройств тепловым параметром материала является его способность «проводить тепло» через себя. Это свойство называется теплопровод­ностью.

Удельная теплопроводность (коэффициент теплопроводности) — это удельный тепловой поток через материал.

При изменении температуры все параметры материала, так или иначе, изменяются. Универсальной величиной, определяющей тем­пературные изменения, является температурный коэффициент.

Температурный коэффициент любого параметра — это зна­чение относительного изменения этого параметра, определяемого при изменении температуры на 1 К.

Температура в электротехнических устройствах является основным фактором старения электрических изоляционных материалов (ЭИМ) и систем (ЭИC). Для определения максимальных температурных режимов работы электрооборудования в международных стандартах был введен термин “температурный (термический, тепловой) класс изоляции”, а в национальных стандартах — “класс нагревостойкости”.

Нагревостойкость — способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

Для каждого вида ЭИМ определен термический класс, который обозначается числовым значением, которое представляет собой значение максимальной температуры, рекомендованной для ЭИС при работе в нормальных условиях, или буквами латинского алфавита.

Существует несколько стандартов со схожей классификацией изоляции по термическим признакам. К ним относятся ГОСТ 8865-93, международный стандарт IEC 60085:2007 (идентичные ему ГОСТ Р МЭК 60085‒2011 и ДСТУ IEC 60085:2015) и стандарт Национальной ассоциации производителей электрооборудования США (NЕМА МG-1). Обобщенные сведения по температурным классам изоляции сведены в Таблицу.

Таблица — Эквиваленты термических классов для изоляционных материалов

ГОСТ 8865-93 IEC 60085 NЕМА МG-1 Индексы термостойкости
Класс нагревостойкости Термический класс, °C Буквенное обозначение1 Термический класс граничный

(ГТС) , °C

сравнительный

(СТС) , °C

Y 90 Y ≥90 <105
A 105 A A ≥105 <120
E 120 E ≥120 <130
B 130 B B ≥130 <155
F 155 F F ≥155 <180
H 180 H H ≥180 <200
200 200 N ≥200 <220
220 220 R ≥220 <250
250 250 ≥2502 <275
При необходимости буквенное обозначение может быть добавлено в круглых скобках. Например. класс 180 (Н). Если место для нанесения обозначения класса ограничено, например, на табличке изделия, то может быть выбрано только буквенное обозначение.

2 Обозначения термических классов свыше 250 должны увеличиваться с шагом 25 и обозначаться соответственно.

При работе электроустановки в нормальном режиме, для которого рабочая температура ниже граничной, срок службы ее изоляции может достигать 15-20 лет и более. Электрооборудование не должно работать при температурах выше граничной, так как каждое повышение температуры в среднем на 8 °С сокращает срок службы ЭИМ и ЭИС вдвое (формула Монтзингера) для ЭИМ класса А (бумага, пряжа, шелк). Для класса В ближе значение 10 °С, а для класса Н — 12 °С.

Под длительным воздействием высокой температуры происходит старение изоляции, что приводит к снижению пробивного прочности материала. Старение изоляции выражается появлением трещин на поверхности и внутри ее, расслоение, образовании пустот.

 

Другими важными тепловыми характеристиками являются:

Стойкость к термоударам — способность диэлектрика выдерживать резкие смены температуры без недопустимого ухудшения его свойств

Холодостойкость — способность диэлектрика выдерживать воздействие низких температур без недопустимого ухудшения его свойств.

При низких температурах электроизоляционные материалы (резины, пластмассы, лаковые пленки и др.) растрескиваются или теряют гибкость.

У жидких диэлектриков холодостойкость определяют температурой застывания, при которой они превращаются в твердое тело.

Теплостойкость – это свойство материала выдерживать кратковременный сильный нагрев без ухудшения его свойств.

При работе нескольких материалов в условиях механического контакта необходимо учитывать тепловое расширение диэлектриков, которое оценивают температурным коэффициентом линейного расширения.

 

Другие воздействующие факторы

Кроме термических факторов на способность электрических изоляционных систем выполнять свои функции влияет много других факторов, таких, например, как электрические и механические напряжения, вибрация, вредная окружающая среда или химикаты, влага, грязь и излучение. Все эти факторы должны быть учтены при проектировании отдельных электротехнических устройств.