导体在合理的电负载下会老化吗?

电器工程 金属丝 寿命 材料
2022-01-22 07:20:21

建筑钢材容易出现疲劳失效——当它们受到反复的机械应力时,它们的结构会变弱。

导体是否有任何类似的过程,一旦它们传导电流足够长,它们就会变得不那么可用?

换句话说,假设我有一台已经使用了 30 年的旧变压器。它仍然可以正常工作(没有烧毁,短路或类似的东西),但它已经很旧了。我预计电磁线绝缘会因为这些年被加热而变弱。我还预计芯板绝缘会变弱。

电线本身呢?它们中的铝或铜与我在较新的电线中发现的有什么不同吗?

4个回答

如果问题是关于小型变压器的,上面的答案就足够了。

如果问题是关于大型变压器,即油浸式电力变压器,那就完全不同了。

变压器中的金属导体不会随着时间的推移而变质,但绝缘会变质。电力变压器由纸绝缘构成,使用寿命有限。纸中的纤维素在正常加热下会降解,机械强度变弱;此外,纤维素的降解会释放水,从而降低油的介电强度。

随着温度的升高,退化的速度呈指数增长(有关一些讨论,请参见1。)我相信变压器通常设计为在额定负载下实现 25 或 40 年的使用寿命。

所有这些都是说——旧电力变压器中的金属导体会很好——但要小心旧绝缘

不在变压器中——除非变压器被滥用,否则不应该有任何变化。

然而,在 IC 环境中的合理负载远高于绕线线圈。在大约 \$10^6\$ ~ \$10^7 \$ A/\$cm^2\$ (取决于材料等)时,电迁移成为对生命的严重限制。

细线有时会因环境中的化学物质而劣化——我见过细铜线圈在(气态)硫或硫化合物进入绝缘层的针孔(有点像黑死病)的情况下会失效。

以下是关于核电站导体电缆老化的有趣文件。

在第 20 页和第 21 页,在报告电缆组件应力因素 ( stressors ) 的表格中,您可以找到导体故障的可能原因。

您可能会注意到,导体材料(铝、铜)绝不会自行“老化”,但在与其他“因素”相互作用时会出现问题。传导电流的简单行为是无害的,除非它对电缆(而不是材料)造成热应力或机械应力。

至于材料本身,用于建筑导体的铜非常纯净,因此除非暴露于引发化学反应(例如氧化、腐蚀)或核反应(金属长时间暴露于重辐射,尤其是中子,其物理性质会发生变化,因为晶格中的原子可能会突变为其他同位素,甚至是其他元素)。

如上所述,除非过载,否则您的变压器应该没问题。轻微的过载会产生过多的热量,从而降低绝缘性能,并可能导致匝短路。严重的过载将完全烧开其中一个绕组。

只要导体在其额定值范围内运行,导体本身就不会降低以任何容量承载电流的能力。同样,通过一块#30 铜片通过 1000 安培电流不会长时间工作,但那是因为加热会熔化导体。

导体的主要故障模式,无论是铝、铜还是绝缘系统的环境击穿,或者在中高压(15KV 至 345KV)绝缘电缆安装不当的情况下,通常不遵守最小允许弯曲半径。

在环境方面,绝缘电缆故障的最常见原因是暴露于紫外线下,其次是暴露于油或其他化学物质会破坏实际绝缘护套。由于进水而发生故障的情况很少见,但同样,这实际上不是导体的故障,而是绝缘系统的故障。

完整地说,有可能是实际的导体故障,但我不认为这是导体的真正故障,因为安装不当导致电流或腐蚀(想想汽车电池端子上的电线从酸或铜暴露在盐水中时会形成典型的绿色铜绿)。这些故障几乎总是发生在连接点,并且是连接不良或不正确的结果。