Stárnutí

Stárnutí materiálů je souhrn chemických a fyzikálních procesů, které vedou k nevratným změnám jejich funkčních vlastností. Stárnutí je tedy důsledkem určitého namáhání (viz. oddíl 2.1), které vede k degradaci některé technicky důležité vlastnosti izolačního materiálu.

Obecně lze konstatovat, že vliv některého z namáhání musí překročit určitou mez, aby došlo ke stárnutí. Pod touto mezí ještě ke stárnutí materiálu nedochází, nastávají pouze vratné změny některých jeho vlastností. Přesné určení této meze je ovšem značně problematické. Stanovit hodnotu degradačního faktoru, při které již nedochází ke stárnutí, např. pomocí zkoušky životnosti je v praxi nemožné. Pokud by byly známy fyzikální pochody, které degradaci způsobují, jejich přesný popis a bylo možné je kvantifikovat, potom by tato mez šla teoreticky určit i ověřit. Ovšem u složitých izolačních systémů, které se skládají z několika makroskopických složek, dochází k různým degradačním procesům s různými rychlostmi. Kde nastává řada interakcí s elektrickým polem na každé mikro nehomogenitě, výbojová činnost, injektace nábojů, polarizační děje, vzniká prostorový náboj. Navíc dochází k ovlivnění zářením, teplotou atd., proto není zatím možno tuto mez přesně stanovit. Je možné ji stanovit pouze experimentálně v laboratorních podmínkách, a s určitou přesností pomocí vhodně navrženého modelu stárnutí, oddíl 5.

Jak bylo popsáno v oddíle 2.1.4, teorie průrazu izolačního materiálu předpokládá postupnou degradaci vlivem např. teplotních nebo chemických procesů. K průrazu izolačních materiálů však dochází i případě, že vlivy chemické a tepelné byly vyloučeny. Takové průrazy nastávají zdánlivě náhodně po dlouhé době provozu (řádově roky). Podrobné studium ukazuje, že v těchto případech je za degradaci izolačního materiálu zodpovědná výbojová činnost. Částečné výboje (ČV), které vznikají v mikronehomogenitách ve struktuře izolačního materiálu, způsobovaly postupnou degradaci izolačních schopností materiálu.

Částečné výboje vznikají v plynových dutinkách v materiálu, které jsou přítomny i při dodržení nejpřísnějších technologických postupů v procesu výroby. Plyn obsažený v dutince má relativní permitivitu blízkou jedné. Pokud je na izolační materiál přiloženo elektrické pole, je plyn obsažený v dutince namáhán e_r-krát více než okolní materiál. Tím dochází k výboji v dutince. S narůstajícím napětím (při střídavých elektrických polích) se výboje v dutince opakují mnohokrát za periodu, jak v kladné, tak záporné půlperiodě. Vznik částečných výbojů je intenzívně sledován a byl detailně popsán v literatuře, např. [13], [10], [12]. Důležitým faktem je, že po dlouhou dobu opakování výbojů v dutince dochází k narušování jejího povrchu, rozkladu materiálu za vzniku vodivých složek (C), reaktivních plynů (aktivního N, O₃, O) a agresivních sloučenin (HNO₃). Dutinky v izolačním materiálu tedy v důsledku dlouhotrvajícího působení vnějšího elektrického pole zvětšují svůj rozměr, a jsou částečně vyplňovány vodivými degradačními produkty. Konečným důsledkem stárnutí izolačního materiálu je elektrický průraz, tj. konec technické životnosti.

Efekt degradace částečnými výboji se u anorganických materiálů projevuje většinou jen slabě, u organických materiálů je tento efekt dominantním z hlediska elektrického stárnutí.

Laboratorní nebo umělé stárnutí je záměrně vyvolané stárnutí působením jednoho nebo více degradačních faktorů na testovaný materiál. Ostatní vlivy jsou potlačeny na minimum (např. stárnutí vlivem zvýšené radiace při konstantní teplotě, vlhkosti a nulovém elektrickém poli). Zrychleným stárnutím se rozumí umělé stárnutí, kdy působící faktor má vyšší hodnotu než jaké je u zařízení v normálním provozu. Při zrychleném stárnutí je působící faktor zvýšen o určitou hodnotu tak, aby k naplnění kriteria životnosti došlo v určitém technicky akceptovatelném čase. Míru urychlení lze kvantifikovat např. pomocí akceleračního koeficientu r_A (rychlostní konstanty (1)).

Při zrychlených zkouškách je hlavním výstupem životnost izolačního materiálu. Sestavují se křivky odolnosti dle některého z modelů stárnutí, viz. oddíl 5.

Důležité je, aby při zkoušce životnosti nebyl zvolen akcelerační koeficient příliš velký, aby v materiálu nedocházelo k jiným procesům, než při stárnutí v provozu. Volba míry urychlení zkoušky musí tedy vycházet i z tohoto předpokladu.

Zkoušky odolnosti by měly sledovat lehce měřitelné a funkčně důležité parametry izolačních materiálů. Tyto by měly být změřitelné s dostatečnou přesností. Kriteria životnosti by měla být volena tak, aby byla použitelná k odhadu životnosti sledovaného materiálu v provozních podmínkách. Zároveň musí dávat jasnou odpověď na otázku, zda již došlo ke znehodnocení materiálu.

Kriteria zestárnutí [12] mohou být volena jedním z následujících dvou způsobů:

-       kritérium zestárnutí, stanovené jako určité procento hodnoty původního stavu. To přináší riziko zvýhodnění izolantu s nízkou hodnotou v počátečním stavu vůči izolantům s vysokou hodnotou původního stavu. Proto je lepší volit kritérium v absolutní hodnotě, která je blízká provoznímu stavu.

 -      kritérium zestárnutí, stanovené pomocí pevně určené hodnoty s ohledem na provozní stav. Zlepší se tak vztah mezi skutečným namáháním v provozu a výsledkem zkoušek v porovnání s prvním způsobem. Rizikem je však možnost zvýhodnění materiálů s vyšší počáteční hodnotou parametru.