Druhy namáhání

1. Mechanické namáhání

Stejně jako v ostatních vědních odvětvích, i při konstrukci mechanických a konstrukčních částí elektrických strojů stále rostou požadavky na spolehlivost. Ke standardním poškozením mechanických součástí (např. provozní kmitání),  vysokocyklovým změnám, se v současné době při evaluaci materiálů stále více přidávají i nízkocyklová namáhání, způsobená vlivem změn pracovních podmínek [14].

Kumulace poškození vede ke změnám – degradaci mechanických vlastností materiálů a je třeba ji sledovat z důvodu včasné predikce možného poškození stroje. Základem je poznání způsobu degradace materiálů, poznání fyzikálních pochodů uvnitř materiálů, vzniku a šíření poruch soudržnosti, které vedou až k lomu. Sledovat je třeba nejen rychlost poškození, ale je potřebné odhalit nejslabší místo konstrukčního či mechanického prvku zařízení. V provozu zařízení dochází k mnoha namáháním mechanických a konstrukční prvků, jako jsou creep (tečení za tepla), koroze vlivem průchodu elektrického proudu, únavové procesy atd. Tato namáhání působí současně, ale zároveň mohou být lokalizována jen u některých míst zařízení. O spolehlivosti zařízení tedy rozhoduje jedno ze slabých míst. Toto pravidlo platí i v případě dalších namáhání jako jsou tepelné a elektrické, oddíly 2.1.2 a 2.1.4 .

Velice důležité pro stanovení místa poškození je nalezení, kde na konstrukční části nebo součásti dochází k plastické deformaci (vratná deformace). Nevratné deformace jsou mírou poškozování. Čím více je namáhání soustředěno na jedno místo, tedy čím větší je deformace, tím více se snižuje i kritická hodnota deformace, tedy mechanická odolnost  sledované mechanické nebo konstrukční součásti.

Starší popisy mechanického lomu materiálu vycházely většinou z průměrné mechanické pevnosti daného průřezu a jeho meze elasticity, mezního napětí atd. Nebraly v úvahu postupné změny vznikající v materiálu vlivem dlouhotrvajícího namáhání. Nesledovaly se tedy vzniky mikrotrhlin, jejich postupná kumulace vedoucí k lomu.

Dnešní lomová mechanika pracuje s vlivy defektů, vlivy koncentrace deformací. Využití počítačové techniky umožňuje modelovat vznik lomu na molekulární úrovni. Na základě zkoušek s modelovými trhlinami a sledování trhlin přirozených, byly vytvořeny statisticko-matematicko-fyzikální popisy mechanické degradace materiálů, tedy i možnosti přesnější predikce životnosti. Při dnešním popisu mechanické odolnosti se sledují tyto materiálové vlastnosti, např.: cyklická tažnost, cyklický exponent zpevnění, lomová houževnatost, rychlost šíření únavové trhliny, prahový součinitel intenzity napětí pro zastavení trhliny, další např. v [14]. 

Jednoduchý model mechanického namáhání je popsán v oddíle 5.1.

2. Tepelné namáhání

Důležitým faktorem, který má významný vliv na životnost izolačních materiálů je teplota. Izolační materiály se používají v širokém rozmezí teplot, proto je teplota považována za jeden z klíčových sledovaných parametrů z hlediska spolehlivosti. Teplota výrazně ovlivňuje elektrické vlastnosti materiálů. Důsledkem jejího dlouhodobého působení může být trvalá změna elektrických, mechanických nebo fyzikálních vlastností materiálů.

Obvykle se stanovuje tzv. maximální provozní teplota, při které je ještě zachována např. tvarová stálost materiálu, čímž ještě nedojde k omezení funkčnosti materiálu. Označuje se jako krátkodobá tepelná odolnost. Trvalá tepelná odolnost, odolnost materiálu proti teplotnímu stárnutí, má obvykle nižší hodnotu [12].

Tepelná odolnost je jeden z nejsledovanějších parametrů u izolačních materiálů. Zvláště tepelnou odolnost izolantů vyráběných na bázi polymerních materiálů je nutno důkladně sledovat. Předepsané postupy pro zkoušky tepelné odolnosti jsou stanoveny v [2]. Dále se sleduje vliv teploty na měknutí nebo vytékání zalévacích hmot, vliv rychlých změn teploty na vnitřní pnutí v materiálech. Model životnosti při tepelném namáhání bude blíže popsán v oddíle 5.2.

Odolnost vůči dlouhodobému působení teploty lze účinně otestovat pomocí zrychlených zkoušek teplotního stárnutí.

V praxi se používají dva postupy při zrychlených zkouškách teplotního stárnutí. Cyklicky přerušované zkoušky a nepřerušované kontinuální zkoušky. Stanoveným postupem se provádí teplotní stárnutí, v určených časech se provádí odběry vzorků, jejich kondiciování, následováno měřením sledovaného znaku. Celý postup se opakuje až do dosažení kritéria zestárnutí.

Při kontinuálním způsobu zkoušek se vzorky pro měření odebírají ve stanovených časech, ale již se pro další stárnutí nepoužívají.

Zkouška suchým teplem – se provádí za účelem prověření odolnosti izolačních materiálů z hlediska provozu, přepravy a skladování. Zároveň se prověřuje funkce materiálu za vyšších teplot a teplotní závislosti.

Zkouška vlhkým teplem – určuje způsobilost elektroizolačních materiálů odolávat namáhání v prostředí s vysokou relativní vlhkostí, kondenzací par s ohledem na elektrické a mechanické parametry.

-      zkouška vlhkým teplem necyklická – účelem zkoušky je ověření odolnosti izolačních materiálů vůči působení vlhkosti z hlediska provozu, přepravy a skladování.

-      zkouška vlhkým teplem cyklická – rozdíl oproti předchozí jsou cyklické změny tlaku vodní páry, které způsobují prostup vlhkosti netěsnostmi v materiálu.

Zkouška teplotními šoky – ověřuje odolnost zařízení vůči prudkým změnám teplot. Pro zkoušky se volí mezní provozní teploty (např. -50 °C; 120 °C). Proces vystavení vzorků teplotě se cyklicky opakuje.

Tab. 2 Rozdělení izolačních materiálů podle tříd teplotní odolnosti

3. Vlivy prostředí

Hodnocení izolačních materiálů musí zahrnovat také jejich interakci s vlivy prostředí. Zde je kladen důraz na vliv teploty, radiací, chemického působení (plynů, kapalin), tlaku, biologických faktorů, prachu, vlhkosti a dalších fyzikálních vlivů. V materiálech nastávají změny, obecně vratné a nevratné.

Působící faktory můžeme dělit i podle prostředí na vlivy podnebí, průmyslu a provozu.

Diagnostický obor sledující nežádoucí změny, poškození a poruchy technických zařízení vystavených účinkům podnebí a extrémního prostředí se nazývá klimatotechnologie ([12], [49]).

Klimatotechnologie klasifikuje podnebí a podnební faktory. Popisuje působení podnebních faktorů na technické a izolační materiály. Definuje hlavní degradační činitele a stanovuje zkoušky a zkušební postupy pro testování odolnosti a životnosti (Obr. 7). Výsledkem klimatotechnologického zkoumání je nalézání vhodných materiálů pro dané prostředí a působící faktory.

Podnebí jako takové lze v klimatotechnologii klasifikovat pomocí jednotlivých podnebí (klimat) do podnebných typů a vymezení těchto typů do podnebných oblastí rozprostřených po Zemi. Třídění je možné dle mnoha kvalitativních a kvantitativních hledisek. Obecně se používá dělení do dvou hlavních skupin: efektivní a genetická klasifikace podnebí. Genetická klasifikace podnebí zahrnuje Alisovu klasifikaci a Flohnovu klasifikaci. Do skupiny efektivní klasifikace patří Bergova a Köppenova klasifikace podnebí (A-E, 1-3), 

Samostatnou kapitolu v klimatotechnologii tvoří vliv vlhkosti.  Vlhkost proniká do póru materiálů difuzí nebo je adsorbována na stěnách pórů. Může ovlivňovat mechanické vlastnosti izolačních materiálů, ale hlavně ovlivňuje vlastnosti dielektrické. Voda se svou vysokou relativní permitivitou (ε_r = 80) silně ovlivňuje rezistivitu zejména izolačních materiálů na polymerní bázi.

V případě materiálů na organické bázi je třeba zmínit i biologickou korozi dělenou na mikrobiální, makrobiologickou a biochemickou. Mikrobiologicky bývají napadány materiály především bakteriemi a plísněmi. Proto se do materiálů na organické bázi, které ve své struktuře obsahují uhlík, dusík apod., přidávají zvláštní příměsi pro zvýšení odolnosti. Mikrobicidní látky jsou přidávány např. i do izolačních olejů, které mohou zvláště v tropech, být napadány bakteriemi.

4. Elektrické namáhání

Izolační materiál jako takový je látka vynikající malou elektrickou vodivostí a velkou elektrickou pevností. Lze si ho představit jako soustavu kladných a záporných nábojů, které jsou pevně vázány. Počet nábojů obou polarit je stejný. Izolační materiál se navenek jeví jako neutrální.

Po vložení dielektrika do elektrického pole jsou k sobě přitahovány opačné náboje. Elektrony, jádra atomů a ionty jsou přitahovány k opačně nabité elektrodě. Proti působí  vazebné síly nebo tepelný pohyb molekul. Po přiložení vnějšího elektrického pole dojde tedy k posunu elektrických nábojů v látce. Tento stav popisujeme vektorem polarizace P (C.m-2), představujícím úhrnný dipólový moment orientovaný ve směru pole vztažený k objemové jednotce dielektrika [12], [49], [10].

V kapalných izolantech je problematika elektrické pevnosti komplikovanější díky složitější struktuře kapalin. Elektrická pevnost kapalin je vyšší než je tomu u plynů. Mechanizmus přeskoku je jiný. Výboj v kapalině začíná v místech, kde je větší koncentrace nečistot (pevné částice, bublinky). Projevuje se zde také závislost na povrchové úpravě elektrod a jejich materiálu. Průrazné napětí kapalin závisí také na množství obsažené vody. Voda může být v izolační kapalině chemicky vázaná nebo může tvořit emulzi.

Nežádoucí plynné bublinky mohou vznikat např.:

-      ze zbytků absorbovaných plynů na površích elektrod,

-      vznik molekul vlastní kapaliny působením vysoké energie elektrického pole,

-      lokálním oteplením způsobeným vodivostním proudem.

Existuje několik hlavních hypotéz elektrického průrazu v izolačních kapalinách [10].

Plynová hypotéza - v obsaženém plynu se zažehne oblouk díky jeho nižší elektrické pevnosti než má izolační tekutina.

Plynově tepelná –  je založena na předpokladu, že přeskok má počátek v plynové vrstvičce mezi elektrodou a izolační tekutinou.

Tepelná – plynové bublinky, které jsou příčinou počátku výboje vznikly působením lokálního přehřátí.

Kapkového můstku – vytvoření můstku z řetězce obsažených vodních kapek.

Můstku polarizovaných částic – průraz vzniká podél můstku z polarizovaných částic.

Zesilující se emise elektronů z katody – emise elektronů je zesilována elektrickým polem iontů přítomných v polovodivé vrstvě na povrchu katody.

Emise a nárazové ionizace – emitované elektrony způsobují nárazovou ionizaci.

Hypotéza postavená na teorii průrazu krystalů – průraz je vyvolán nárazovou ionizací.

Obecně lze poukázat na výhody izolačních kapalin spočívající v obnovení dielektrické schopnosti po odeznění příčin průrazu. Hlavní nevýhodou je jejich citlivost k obsahu příměsí a sklon k disociaci.

 Elektrická pevnost pevných izolantů je vzhledem na složitost a variabilitu pevných izolačních materiálů nejméně prostudována. Elektrický průraz na rozdíl od dvou předchozích skupenství izolačních materiálů v nich způsobuje nevratné změny. Průrazem je pevný izolační materiál trvale znehodnocen.

Průraz v pevném dielektriku je souhrn jevů, které nejsou ještě do podrobností objasněny. Obecně lze rozlišit tři druhy elektrických průrazů:

Čistě elektrický průraz – intenzita elektrického pole naroste tak rychle, že nastane okamžitý průraz - materiál se nestačí ohřát. K chemickým změnám při tomto průrazu nedochází.

Tepelný průraz (elektrotepelný) – k průrazu dochází díky přehřátí materiálu Jouleovými ztrátami, závisí na teplotě a délce přiloženého napětí. Dochází při něm         k degradaci materiálu [10].

Elektrochemický průraz – dlouhodobé působení elektrického pole vyvolá chemické změny (např. elektrolýza) což vede ke snížení hodnoty průrazného napětí a nastává průraz.

Elektrochemickým průrazem se zabývá celá problematika spolehlivosti izolačních materiálů, stárnutí a zkoušek životnosti.

5. Extrémní případ elektrického namáhání

Pojem elektrické namáhání  zahrnuje všechny druhy namáhání, které jsou způsobené vlivem elektrického napětí. Elektrické namáhání může být klasifikováno dle tvaru, frekvence, hladiny, spojitosti nebo determinovanosti napětí. Pokud se elektrické napětí mění v čase je nutno vzít do úvahy také rychlosti změn mezi jednotlivými hladinami.

Nejčastější rozdělení elektrického namáhání spočívá v dělení na namáhání střídavým napětím sinusového průběhu a napětím stejnosměrným (ss). Namáhání střídavým napětím 50 Hz je v současné době nejčastější namáhání ve výkonových aplikacích. Stejnosměrné napětí se ve výkonové technice v minulých letech používalo  především na vysokonapěťová vedení a kabely se stejnosměrným proudem (sloužící jako spojení mezi jednotlivými rozvodnými sítěmi rozlehlých států). V současnosti se tento obor rozvíjí zejména v Číně, kde je budováno vysokonapěťové dálkové vedení stejnosměrného napětí o napětí 1 a 1,2 MV. Dále se užívalo zejména v řízených pohonech se stejnosměrnými motory.

V rozvodných soustavách se často setkáváme s elektrickým namáháním způsobeným vlivy atmosférických výbojů (blesků), které jsou modelovány rázovou vlnou 1,2/50 μs,    a s vlivy spínacích impulzů modelované spínacím impulsem 250/5000 μs. Vliv impulzu opačné polarity se projevuje v obvodech se stejnosměrným napětím. Vysokofrekvenční namáhání nízkým napětím se objevuje v digitálních datových kanálech, výpočetní technice atd.

Ve výkonové elektrotechnice existují dlouholeté zkušenosti s namáháním střídavým napětím 50 resp. 60 Hz. Je vypracována řada metodik zkoušek pro toto napětí a známy jsou časové závislosti elektrických parametrů (klesající vnitřní rezistivita izolačního materiálu během stárnutí nebo pozvolný nárůst ztrátového činitele). Svým charakterem se jedná o stárnutí zejména maximální hodnotou přiváděného napětí. Změna napětí z jedné polarity na druhou trvá poměrně dlouhou dobu – 10 ms.

Při namáhání stejnosměrným napětím dochází především k problémům vytvářením prostorového náboje, jinak se při návrhu izolačních systémů bere v úvahu vodivostní proud a napěťová odolnost. Procházející vodivostní proud zde může způsobovat problémy vznikem elektrolýzy apod.

Atmosférický výboj se ve vysokonapěťových obvodech modeluje rázovou vlnou. Zde se sleduje zejména schopnost izolačního systému odolat určité hladině maximálního napětí rázové vlny_. Normované zkoušky se provádí tak, že se testuje odolnost třem po sobě jdoucím impulzům. Ty mají jen jednu polaritu, a pokud se mezi jednotlivými impulzy neodvede elektrický náboj, následující impulz pak interaguje s prostorovým polem uvnitř a na povrchu izolačního materiálu. Spínací impulzy působí problémy v rozvodných systémech. Vlivy spínacích impulzů na životnost izolačních systémů jsou také předmětem výzkumu, např. [25].

V oblasti výkonové elektroniky je extrémním případem vysokofrekvenční pulzní namáhání způsobované např. měniči kmitočtu nebo napětí v obvodech řízených pohonů. Pulzní namáhání je namáhání způsobené pulzním napětím (napětím obdélníkového tvaru o strmosti napěťové hrany větší než 500 V.μs^-1 a opakovací frekvenci větší než 1 kHz, viz. oddíl 6.1.2).

 Toto namáhání můžeme označit jako extrémní díky několika skutečnostem. Vysokofrekvenční pulzní namáhání ve výkonových aplikacích je poměrně nová záležitost. Vzhledem k tomu, že způsobuje zvýšenou degradaci izolačních systémů viz. např. [3], [4], [5], [8], [9], [15], je třeba mu věnovat zvýšenou pozornost.

V případě pulzního napětí nastává degradace izolačních materiálů nejen hodnotou napětí, ale i vlivem strmých nárůstů napětí na izolaci (kV.μs^-1). Vlivem vysoké frekvence se strmý nárůst napětí na izolačním systému periodicky opakuje (v řádu jednotek až desítek kHz). Vysoká frekvence zde také způsobuje dielektrický ohřev materiálu. Dalším jevem spojeným s pulzním namáháním  je zvýšená aktivita výbojové činnosti. „Vysokofrekvenční korona“ se začíná objevovat při nižších hladinách napětí než při napětí střídavém 50 Hz, Obr. 13.

Tab. 3 Pulzní namáhání ve výkonové elektrotechnice

Tab. 4 Zjištěný vliv vysokofrekvenčního pulzního namáhání na parametry izolačních systémů

Testování jednotlivých dopadů pulzního namáhání, příklady evaluace izolačních materiálů, naměřené charakteristiky a další popis je uveden v oddílech 8.1 a 8.2.