Теплові характеристики матеріалів

Теплові властивості матеріалів визначають теплообмін і нагрів електротехнічних виробів і конструкцій. Про нагрівання ми судимо по температурі тіла.

Температура – це характеристика рівноважного стану речовини. В рівноважних умовах температура технічного діапазону пропорційна середній кінетичній енергії частинок тіла. Абсолютна температура – цей міра кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу.

При певних температурах можуть стрибком змінюватися параметри або фазовий стан речовини. Такі температури називаються характерними температурними точками (пароутворення (кипіння), плавлення, текучість, каплепаданія, спалаху парів, Дебая, Кюрі, Нееля, тривала робоча і т.і.).

Підвищення температури пов’язано з підвищенням кінетичної енергії коливального руху частинок. Кількість енергії, необхідна для цього, визначається теплоємністю тіла.

Питома теплоємність – це кількість енергії (теплоти), необхідна для підвищення температури одиниці маси на 1 К.

Іншим важливим для електротехнічних і електроенергетичних пристроїв тепловим параметром матеріалу є його здатність «проводити тепло» через себе. Ця властивість називається теплопровідністю.

Питома теплопровідність (коефіцієнт теплопровідності) – це питомий тепловий потік через матеріал.

При зміні температури всі параметри матеріалу, так чи інакше, змінюються. Універсальною величиною, що визначає температурні зміни, є температурний коефіцієнт.

Температурний коефіцієнт будь-якого параметра – це значення відносної зміни цього параметра, що визначається при зміні температури на 1 К.

Температура в електротехнічних пристроях є основним фактором старіння електричних ізоляційних матеріалів (ЕІМ) і систем (ЕІC). Для визначення максимальних температурних режимів роботи електрообладнання в міжнародних стандартах був введений термін “температурний (термічний, тепловий) клас ізоляції”, а в національних стандартах – “клас нагрівостійкості”.

Нагрівостійкість – здатність діелектрика витримувати вплив підвищеної температури протягом часу, який можна порівняти з терміном нормальної експлуатації, без неприпустимого погіршення його властивостей.

Для кожного виду ЕІМ визначено термічний клас, який позначається числовим значенням, яке представляє собою значення максимальної температури, рекомендованої для ЕІС при роботі в нормальних умовах, або буквами латинського алфавіту.

Існує кілька стандартів зі схожою класифікацією ізоляції за термічними ознаками. До них відносяться ГОСТ 8865-93, міжнародний стандарт IEC 60085: 2007 (ідентичні йому ГОСТ Р МЕК 60085-2011 і ДСТУ IEC 60085 до: 2015) і стандарт Національної асоціації виробників електроустаткування США (NЕМА МG-1). Узагальнені відомості по температурними класами ізоляції зведені в Таблицю.

Таблиця – Еквіваленти термічних класів для ізоляційних матеріалів

ГОСТ 8865-93 IEC 60085 NЕМА МG-1 Індекси термостійкості
Класс нагрівостійкості Термічний клас, °C Позначення буквами1 Термічний клас граничний

(ГТС) , °C

порівняльний

(ПТС) , °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 необхідності буквене позначення може бути додано в круглих дужках. Наприклад клас 180 (Н). Якщо місце для нанесення позначення класу обмежена, наприклад, на табличці виробу, то може бути вибрано тільки буквене позначення.

2 Позначення термічних класів, вищіх за 250 повинні збільшуватися із шагом 25 та позначатися відповідно.

При роботі електроустановки в нормальному режимі, для якого робоча температура нижче граничної, термін служби її ізоляції може досягати 15-20 років і більше. Електрообладнання не повинно працювати при температурах вище граничної, так як кожне підвищення температури в середньому на 8°С скорочує термін служби ЕІМ і ЕІС вдвічі (формула Монтзінгера) для ЕІМ класу А (папір, пряжа, шовк). Для класу В ближче значення 10°С, а для класу Н – 12°С.

Під тривалим впливом високої температури відбувається старіння ізоляції, що призводить до зниження пробивної міцності матеріалу. Старіння ізоляції виражається появою тріщин на поверхні і всередині її, розшарування, освіті пустот.

 

Іншими важливими тепловими характеристиками є:

Стійкість до термоударів – здатність діелектрика витримувати різкі зміни температури без неприпустимого погіршення його властивостей

Холодостійкість – здатність діелектрика витримувати вплив низьких температур без неприпустимого погіршення його властивостей.

При низьких температурах електроізоляційні матеріали (гуми, пластмаси, лакові плівки та ін.) розтріскуються або втрачають гнучкість.

У рідких діелектриків холодостійкість визначають температурою застигання, при якій вони перетворюються в тверде тіло.

Теплостійкість – це властивість матеріалу витримувати короткочасне сильне нагрівання без погіршення його властивостей.

При роботі декількох матеріалів в умовах механічного контакту необхідно враховувати теплове розширення діелектриків, яке оцінюють температурним коефіцієнтом лінійного розширення.

 

Інші фактори впливу

Крім термічних факторів на здатність електричних ізоляційних систем виконувати свої функції впливає багато інших чинників, таких, наприклад, як електричні та механічні напруги, вібрація, шкідливе навколишнє середовище або хімікати, волога, бруд і випромінювання. Всі ці фактори повинні бути враховані при проектуванні окремих електротехнічних пристроїв.