автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Барьерный эффект и его применение в силовых гибких кабелях

кедагствЕнши комитет российской федерации

Р Г б О Л го ШСШЕМУ 0БРА30ВАНИЙ

ТШСКИИ ГОЛГГЕХНИЧЕСКШ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ДЕМИН АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

БАРЬЕРНЫЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СИЛОВЫХ ГИБКИХ КАБЕЛЯХ

Специальность 05.09.02 Электроизоляционная и кабельная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 1994

Работа выполнена в НИИ политехническом университете.

Научные руководите.™:

высоких напряжений при Томском

академик ЛЭН РФ, профессор. Ушаков В.Я.,

кандидат технических наук, Лебедев С.М..

ОФшиальные оппоненты: д.т.н.. профессор,

Каляцкий И.И., к.$.-м.н., доцент. Стахда H.A.

Ведущее предприятие-. Томский научно-исследова-

тельский проектно-констру-кторский и технологический кабельный институт.

Зашита состоится "tl1995 г. в 15-00 час. на заседании диссертационного совета К 0S3.80.05 при Томском политехническом университете по адресу: 634004, г.Томск, пр.Ленина,30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТПУ.

Автореферат разослан "__"- 19SL г.

Ученый секретарь специализированного совета д.т.к., профессор

А.А.Дульзон

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Увеличение рабочей напряженности и срока службы изоляшш высоковольтных кабелей является актуальной задачей как с точки зрения повышения надежности кабельных изделий в процессе эксплуатации, так и с точки зрения снижения их материалоемкости. К настоящему времени известно, что такая задача может бить решена за счет помещения в изоляции кабелей тонких диэлектрических слоев (барьеров) с высокой диэлектрической проницаемостью (е).

Несмотря на широкое практическое применение барьеров в высоковольтной технике для повышения разрядных градиентов, механизм барьерного эффекта до сих пор не ясен. В преобладающем большинстве экспериментальных работ установлен эффект увеличения пробивного напряжения (Ч ) или времени до пробоя (1 ) твердых диэлектриков

п р п р

при определенном местоположении барьера в резконеоднородном поле. Этот эффект обычно связывается с перераспределением поля в изоляционном промежутке. Понимание Физической природы явления до сих находится на уровне противоречивых гипотез. Это приводит к совершенно проткводоложнш результатам расчета • распределения поля и не совсем корректной их экстраполяции на случай слабонеоднородного, либо однородного внешнего электрического поля, который характерен для условий работы изоляции высоковольтных кабелей. В связи с этим исследование закономерностей барьерного эффекта в условиях квази-олкородного электрического поля представляет как научный, так и практический интерес.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось исследование барьерного эффекта в трехслойных диэлектриках с различным соотношением е слоев и расположением гранин и\ раздела 5 С I - А' /А, где А' - толщина слоя изоляции от потенциального электрода до барьера; А - общая толщина образца) в квазиоднородном электрическом поле и разработка рекомендаций по использованию этого эффекта в изоляции силовых гибких кабелей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленные в работе задачи решались ■ экспериментальными, аналитическими и численными методами. Для обработки экспериментальных результатов применялся аппарат математической статистики.

¡МУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

1. Исследованы особенности развития разряда в трехслойных диэлектриках с разлитым соотношением е слоев и установлено, что барьерный эффект обусловлен не только увеличением ьремени развития разряда за счет удержания разрядного канала СРК) и удлинения его траектории в слое .„• высокой е, по и угелнчеюкм времени запаздыьа-

ния инициирования разряда.

2. Методом компьютерного моделирования развития РК с использованием фрактальной модели пробоя диэлектриков показано, что поля, создаваемые объемными зарядами на границах раздела слоев за счет градиента е. оказываются достаточными для возникновения эффекта удержания РК в барьерном сдое.

3. Установлено, что при оптимальном С с увеличением отношения диэлектрических проншаемостей барьерного С е^ ) и изоляционного (е ) слоев насыщение зависимости и Л -Ке /е ) связано с умень-

и пр пр 6 II

шением критической напряженности поля, при которой начинается нелинейный рост мнимой составляющей е" комплексной диэлектрической проницаемости (еж) материала барьерного слоя.

4. Обнаружена аномальная зависимость и £ от 6 как в слабом, так и сильном голе и корреляция этой зависимости с характером изменения и Л - ГСС). Расчетом параметров спектра диэлектричес-

пр пр

кой релаксащщ показано, что увеличение добротности трехслойных диэлектриков при оптимальном £ обусловлено уменьшением полной дисперсии ориенташгошой поляризации е - ем (е .е^- статическая и высокочастотная относительные диэлектрические проницаемости).

Достоверность полученных результатов основана на достаточных объемах выборки экспериментальных данных и подтверждена расчетом соответствующих статистических критериев. Основные' выводы и научные положения базируются на известных теоретических моделях и новых экспериментальных результатах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в следующем:

- даны практические рекомендации по .оптимизации диэлектрических, физико-механических и технологических характеристик материалов для барьерного слоя, которые могут быть использованы при разработке композиционных материалов на эластомерной основе (КПМ), применяемых для регулирования электрического поля в высоковольтной изоляции;

- сформулированы основные требования, предъявляемые к параметрам трехслойных систем изоляции, которые могут быть положены в основу конструирования барьерной изоляции высоковольтных кабелей.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы использованы при разработке и изготовлении опытного образца гибкого экскаваторного кабеля с барьерной изоляцией (типа кабеля КГЭ-ХЛ

О

3x16+1x6+1x6 ммл) на АО "Камкабель" г.Пермь.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы обсужда-

л:;оь но т\-чно -технической конференции по $изиз» диэлектриков "Ди-эл>ктрихи.-9.г г.С-Петербзфг. 1993 г., а также на научных семинарах ¡?1Ш БН ТПУ и кафедры ЗЙКТ ТПУ г.Томск и на научно-техническом "овете АО "Камкабель" г.Пермь.

ПУБЛИКАЦИЙ.По теме диссертации опубликовано А печатных работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и изложена на 112 страницах, список литературы включает 74-наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. 'Во введении показана актуальность проблемы, определена цель работы, представлена научная новизна, практическая значимость и приведена краткая аннотация диссертации по разделам.

В первом разделе приведен обзор литературы, посв?®ежо& исследованию барьерного эффекта в газообразных, • жидкие и тгергмх диэлектриках. На основании анализа экспериментальных- дайжх и существующих гипотез этого явления сформулированы цель и задачи диссертационной работы. '.;■.'

Во втором разделе работы приведено описание , объектов исследования- образцов из эластомерных материалов.с барЬерши слоем и без «его, технологии их изготовления, а также методик исшташй. В качестве основного диэлектрика в трехслойных системах применена изоляционная резина марки ТС0М-38. а барьерного - КМ на основе резины, наполненной мелкодисперсным порошком керамики с высокой е. Изменение местоположения барьера I в образцах Достигалось изменением толщины изоляционных слоев. ' ' " ■ - '■' .

Представлены результаты исследований . кратковременной и длительной электрической прочности однослойных, и трехслойных диэлектриков на переменном напряжении I - 50 Гц. , а также пространственно-временных характеристик разряда в трехслойных диэлектриках с.раз-дачным 5 -и отношением е, /еи в квазиоднородном электрическом поле.

Установлено, что максимальное увеличение электрической прочности трехслойных систем наблюдается при £' = 0,25, г.е."также; как в {^езконеоднородном электрическом поле. Это иллюстрируется рис. 1,- на котором приведены, зависимости Ёе/Ёи- ХСО при. раэжчнмх соотношениях еб/е (Ё , Ё - средние значения электрической прочности трехслойной и однослойной изоляции, соответственно). Йля 0,5^ ? <0^2 пленение е от 9,5 до 71,3 практически не оказывает влияния на Ё. м-рхслойной изоляции. В этом диапазоне С Ёе' срамша. либо меньше ■"ктрической прочности ТСШМ-38.'

Ее/Ей Г 1.4 -

<•4 А

'''LF4 /

i.o -41—%—----/...

0.8 -

-J-!-1-1_i i i |

0.1 0.3 0,5 0,7 0,9 I

Рис.1. Зависимость Ё ЛЗ - 1(1) для трехслойных систем с различным е /е : е /е - 2; у- е /е - 6,5:

Б и о и & я

д- е /е - 10: о- е /е - 15,5.

& и 6 и

Оценка средних значений времени до пробоя í изоляционных сис-

с

тем показала, что за исключением £.» 0,25 пробой наступает при меньшем значении напряжения за время, сравнимое с í однослойной изоляпш. В случае оптимального расположения барьера к e.Ze^-2 í трехслойных систем практически не отличается от а с ростом ес /е до 10 происходит насыщение зависимости í А - f (е /е ). В то

Б и с и & и

же время статистическая обработка результатов измерений длины каналов пробоя в трехслойных диэлектриках дала следующие результаты:

1) при одинаковой е. и í*'0,25.средняя длина РК не больше, чем при других -

2) наибольшее удлинение траектории РК характерно для е6/еи~ 2, при этом РК удерживается в центре барьерного слоя, а его длина в среднем в 4 раза превышает толщину образца;

3) с увеличением в 7е от 2 до 15,5 длина РК уменьшается примерно в 1,5 раза, т.е. эффективность удержания РК в барьерном слое снижается . .

Анализ пространственно-временных характеристик РК позволил установить, что как при кратковременном (рис.1), так и при длительном (табл. 1) нагруженш электрическим полем, время до пробоя трехслойных систем определяется не только временем развития (t ), но и Бременем запаздывания инициирования разряда (^ ). По этой причине

наиболее яркий эффект наблюдается, как правило, при-длительном на-гружении электрическж полем.

Таблица 1

Время до пробоя СО изоляционных систем при 1-15 кВ/мм.

Система изоляции е /е 6 и { ± Н t. при PCO. с

0.05 0,632

тешм-за 1 - 33 6-104

0.25±0.006 • 181 6- 10Ь

10 0,ЗВ± 0,007 68 1.3-105

0,5 ±0,015 32 5,8' 104

Трехслойная

0,25±0,004 43 1.56- 10Б

4 0,3б±0,012 33 ß,a-104

0,5 ±0,02 27 6-Ш4

Удержание PK в барьерном слое может быть обусловлено образованием обьешшх зарядов на границах раздела, за счет градиента в отдельных слоев системы.

Проверка этого предположения была выполнена с помощь?: Фрактальной модели пробоя диэлектриков. В рзмках Фрактальной модели пробоя развитие ; азряда в диэлектрике имитируется стохастически}.» процессом роста .рактальной структуры. Поэтому процессы, происходящие в лиэлектрике при развитии PK, учитываются формальными вероятностным! закономерностши. В качестве первого приближения принимается, что вероятность роста Р разрядной структуры пропорциональна локальной напряженности поля Е в степеш! rj, если S больше некоторой критической напряженности поля Ек в том или ином месте диэлектрика и равна нулю, если Е< Е , то есть:

к

[е7 при Е>Е ? ~ * С1>

|0, при Е<Ек

С учетом неоднородности диэлектрической лроявдмвхтс: трехслойных диэлектриков, напряженность электрического поля ооот-ветствутга граничных условий определялась из теории Гаусса

Полагая, что инициирование раздода происходит и mjmvht щ-нло-

- в -

.хеши напряжена;!. а перераспределение, шля в трехслойном диэлектрике происходит только за счет градиента е, распределение потекш-ала Ф .определяется из теоремы Гаусса в дискретной Форме при р-0:

Ь..

(2)

4е +

где суммирование ведется по соседним с С 1.3) узлам-

Решение уравнения (2) находится методом итераций согласно заданным граничным условиям. Граничными условиями являются потенциалы электродов и разрядной структуры. В данной модели предполагается, что РК обладают большой проводимостью, поэтому все узлы РК имеют потенциал, равный потенциалу электрода, с которого инициируется разряд. Поскольку структура разряда растет, то после каждого шага роста, значение потенциала во"всех узлах, принадлежащих диэлектрику, рассчитываются заново, согласно изменившимся граничным условия),!.

Фрактальная модель реализована как двухмерная дискретная модель роста на квадратной решетке.размером 70x40 узлов при различных условных значениях напряжения V , ев /е и Е,. Изменение проводимости РК с ростом V Формально учитывалось отношением V /V - 0,99. где

о с, рк

V - потенциал на кончике РК. Структура разряда растет на одно ребро или диагональ решетки за один шаг. Каждому узлу решетки (1.3) сопоставляется определенное значение потенциала <5(1.3) и диэлектрической проницаемости еЦ.З), Значения 6(1,3) распределяются так, чтобы моделировать трехслойную изоляцию. Вероятность роста определяется соотношением (1), .где локальная напряженность поля равна разности потенциалов между узлами, деленной на расстояние между ними.

Результаты компьютерных экспериментов показали, что той е /е 2

о И

3 поля объемных зарядов, возникающих на границах диэлектриков, оказываются достаточными для возникновения эффекта удержания РК в барьерном слое. При одинаковом V и еь/е искривление траектории РК практически не зависит от а с ростом V от 28 до 100 (е /е -

оби

сопьЧ) эффективность удержания РК снижается, что достаточно хорошо согласуется с экспериментом.

Так как моделирование развития РК проводилось без учета проводимости диэлектриков, а значение Е принималось равным для всех

слоев системы, то при V - const и различных соотношениях е./ёи существенной разницы в характере роста разрядной структуры не наблюдалось. Этот результат свидетельствует о том, что увеличение эффективности удержания РК в барьерном слое с ростом его диэлектрической проницаемости может быть достигнуто при Ек6>Еки и пренебрежимо малой проводимости диэлектриков в сравнении с проводимостью РК.

Таким образом, есл! перераспределение поля происходит только за счет градиента е, то для существенного повышения t за счет tp необходимо, чтобы материал барьера обладал как можно большей Е^ Б. Так как изоляционный и композиционный материалы относятся к многокомпонентным полярным диэлектрикам и обладают достаточно высокими диэлектрическими потерями, то введение барьера с высокой в и tgO может способствовать возникновению условий для теплового пробоя трехслойных систем. В этом случае насыщение' зависимостей Ег/Еи, а /а - Г(е /е ) при оптимальном t может быть связано с уменьшением

си & и

критической напряженности поля Е (EKg при которой начинается нелинейный рост е" , которая определяет активную проводимость при I- 50 Гц.

В третьем разделе приведены результаты исследования зависимости tgS и е КШ для барьерного слоя с различной концентрацией наполнителя (С об.Ж) от напряженности поля при i - 50 Гц. Показано, что при С 30 и 40 % е КПМ практически не зависит от напряженности внешнего электрического шля. -а средние значения е в пределах погрешности измерений совпадают с ё , измеренной в слабом электрическом поле. С. увеличением С от 45 до 55 об.% и ££ 12.5'кВ/мм средние значения ё .превышают е КПМ в слабом поле на 10-40%, причем для КПМ с С - 55 об.% ЦТС при Е ^ 7,5 кВ/мм наблюдается аномальное насыщение зависимости ё -1(E).

По мере увеличения С напряженность поля, при которой начинается нелинейный рост е" , смещается в область более низких значений, а при С- 55 об.Ж 11ГС зависимость ё' -1(E) в логарифмическом масштабе аппроксимируется двумя прямыми линиями с различным коэффициентом наклона. В обшем случае ё , е" КПМ с различной концентрацией

наполнителя являются степенной функцией Е:

а

ё (Е) - ё (Е )• (Е/Е ) * . (3)

о а

ё' (Е) - ё' (Е )• (Е/Е ) 2 , при Е> F, (4)

о о а

ё' (К) - ё' (Е У-СЕ/Е ) 3 . !гри Е- Е . (Б)

где е' (Е ), е" (Е ) - ё и е" в слабом электрическом поле Ео; а -коэффициент, определяемый углом наклона зависимости Ige' =IUg Е); а , а - коэффициенты, определяемые углом наклона зависимостей 1д е" - friß Е) до и после Е : Е - значение напряженности поля,

OK OK

после которой наблюдается сильная нелинейность е" . При Е- Е мнимая диэлектрическая проницаемость:

OK а

е" (Е > с" СЕ )■ (Е /Е ) 2 , Со)

ок о OK о

а Формула для оценки среднего значения Е .а а Т/С« -а ) Е -Ue" СЕ )/£" СЕ )1 • СЕ 3 /Е 2 )> 3 2 , С7)

око о

где е" СЕ) - мнимая диэлектрическая проницаемость яри Е " Ё .

Результаты расчета параметров (а , Е ^ ) показали, что при С > 40 об.Ж снижается как Е , так и Е КПМ, а К для трехслойных

OK П р п р

систем имеет тенденцию к шсмшенпю. Это подтверждает лысказаншо ранее предположения о том, что барьерный э-Т^икт ограничивается нелинейн!;::-.! ростом щюводимости, а сиидеше эффективности уиршы PK в барьерном слое обусловлено уменьшением ял&ктрцчвской прочлос-■ ти КШ, что хорогу согласуется с аксщшштсм и результата)¡и ш-пь.итершго додаядования, приведенными во втором раздело.

Полученные результаты дают основание- утверждать, что при разработке новых К1Ш для регулирования поля в высоковольтной изоляции уьедпчеше С более 40 ой.% нс-цолосообразно. Кроме того, при нестационарном режиме нападения в условиях слабонеоднородного или однородного поля суцест&е-нний эффект может быть достигнут при условии увеличения как т , так и i . Для этого применяемые в качестве

3 р

барьерных слоов КПМ должны обладать, достаточно высокой добротностью и возмозно большим значением Е , при которой начинается нелинейный рост е" и активной составляющей проводимости.

Результаты исследований зависимости tgö, е - ICE) при f- 50 Гц для трехслойных систем с разным £ позволили установить следующие закономерности:

1) По сравнению со средними значениями tgö, измеренными при U-10 В СЕ- 0,003 кВ/мм), существенный рост tgö в трехслойных системах с f, - 0,165 и 0,42 наблюдается через 60 с после приложения нап-рятиягия При 4.в кВ/мм. а с £ = 0,25 - при Е> 6 кВ/мм.

2) С течением времени tgö снижается при любых i, причем через 3е'0<л! после' приложения наирязклшя tg5 трехслойных систем с £« 0,25 п^г.шчески но отличается от среднего значения tgö в слабом элек-

трическом пола, а с Г- 0.165 и 0.42 превышает tg5 не более, чем

на 135.

,:) Экстремальный характер зависимости е и tgS от 6 (рис. 2,3) корри.щгувт с Er/Et¡. ÍCO, го есть, ггри £ ~ 0,25 увеличива-

ется добротность (Q - l/tg5) трехслойных диэлектриков. В случае отклонения от оптимального ( резко увеличиваются потери, а Е и i становятся меньше соответствующих параметров для однослойной

пр

изоляиии.

В совокупности с результатами компьютерного моделирования такая корреляция позволила предположить, что экстремальный характер зависимостей электрической прочности,- ..времени до пробоя и tgd трехслойных систем связан с уменьшением (£= 0,25), ""либо увеличением (0,5í i <0,2) результирующей напряженности шля в трехслойных диэлектриках на стадии, предшествующей инждзяровзпш разряда, т.е. до начала нелинейных процессов, обуслав^зшгвзяк пробой трехслойтах систем.

чСогласно литературным данным увеличение трехслойных систем с диэлектриками подобного типа наблюдается ке только при Í- 50 Гц, но и в диапазоне микросекундных длительностей лмяульсов. напгяке-ния. Если барьерный зйект связан с особенностей распределения поля на стадии, предшествующей инициированию разряда,, то аномальная зависимость tgS - £(£) может наблюдаться в широком диапазоне ¡ частот, а не только при Í-50 Гц. Для Проверки этого проведены так-Jже исследования t@S. е трехслойных систем С различным <Е и соотношением е6/еи- 4 и 10 в диапазоне- частот от 50 Гц до 200 кГц и температур 2-85°С. . • 1 ' . '/. ' .•

Результаты исследований показала, что в интервале частот от 50 Гц до 200 кГц аномальная диэлектрическая дисперсия в трехслойных системах наблюдается не только при 20°С (рис. 4),но и при по-выпенных-температурах. - • ■ "

За исключением этого поведение трехслойных систем в темпера-турно-частотном диапазоне имеет классический характер: системы с барьерным слоем, выполненным на неполярной основе, обладают меньшими диэлектрическими потерями, введение дополнительного слоя с высокой е обусловливает частотную дисперсию параметров, которая существенно отличается от дисперсии в изоляционном-и композиционном материалах, с ростом температуры максимум диэлектрических потерь смешается в диапазон более высоких частот, а при температуре 80-3&*0 и частоте 50 Гц начинается нелинейный рост tg О. который

0.035

о.озо

0.025 0.020 0.015

0.010 о

а)

л_1-

J__»

б

8.4

6.2

6.0

5.8

5.6

5.4 5.2

65

0.1

о.з о.5 е

0.1

о.з о.5 е

Рис.2. Зависимость геО(а) и ё(б) для трехслойных систем

при 1-(5,5+6.8)- Ю^/К (1-вОс)! --сб/би * 6.5 —— - ев/6м « 10

0.3 0,6 0.7 0.8 6

£

6.95 6.90 6.65 6.80 6.75 6,70 6.65 5.60

_I-1-и.

0.1 0,3 0,6 0.7 0.9 {

Рис.з. Зависимость Ф. 5 - КО для трехслойных систем при г-20'С: 1-9.174- 10%Л1. /-50 Гц: « - Ев/6и * 6.5: » - Ев/е« * Ю

I_

обычно связывают с увеличением проводимости и доминирующей ролью миграционной поляризации.

То есть, при фиксированом расположении границ раздела слоев температурно-частотная зависимость ничем не отличается от обычных полярных диэлектриков. В этой связи, при расчете параметров спектра диэлектрической релаксации были применены дисперсионные соотношения, которые описывают свойства диэлектриков в приближении линейной зависимости поляризации от напряженности поля.

Предварительный анализ спектров показал, что еж трехслойных диэлектриков и диэлектрических материалов, может быть описана суперпозицией Дебаевских Функций:

1

ё (ш) - е + Ле-Е- _____ Ё (8)

Кия )2

оп

е" (ш> Ае-Е _

1+сол )2

(9)

где Де - £с - - параметр, характеризующий общую дисперсию .для 1-го набора времен релаксации; т - среднее время релаксации 1-го процесса поляризации; - весовой коэффициент, учитывающий вклад 1-го процесса в общую дисперсию. Поскольку уравнение (9) включает в себя распределение времен релаксации, которое можно аппроксимировать 3.-тым числом отдельных времен релаксации \ с соответствующими весовыми коэффициентами то при расчете параметров спектра привязка первой и второй производной по \ и ^осуществлялась к экспериментамиюй зависимости е" от частоты внешнего поля. Нахождение ^ и ^ с существлялось методом координатного спуска. Расхождение между ■ экспериментальными и расчетными значениями е' и е" не превышало, соответственно, 5 и 10 х.

Результаты расчета показали, что диэлектрические спектры трехслойных систем могут быть аппроксимированы набором пяти релаксаторов с соответствующими весовыми коэффициентами. При температуре №20° С для систем с соотношением диэлектрической проницаемости слоев 4 и 10 релаксационный резонанс первого релаксатора находится в диапазоне круговых частот от 200 до 460 Гц, последнего- 1+2 Мгц. Промежуточные составляющие спектра находятся в окрестности частот 1, 10, 100 кГц. При температуре свыше 60° С весовой коэффициент низкочастотной составляющей увеличивается в 2-3 раза. Общим для исследованных систем является то, что при температуре, меньше 45°С

наблюдается нормальное насыщение е, а при более ьысоких температурах - аномальное,связанное с расширением полосы дисперсии в низкочастотном диапазоне.

К основным результатам расчета можно отнести следующее:

- в диапазоне I - 0,05-200 кГц спектр частот релаксации ш •= 1/а трехслойных диэлектриков с £ ~ 0,25 близок к спектру изоляционного материала, для других спектру материала барьерного слоя:

- в том же диапазоне частот вплоть до 40-45°С полная дисперсия и усреянешое значение энергии 'активации С V ) составлякщих спектра диэлектрической релаксации трехслойных систем с £*0,25, в среднем в 1,5-2 раза меньше, чем при других

- при любой $ш:сировашюй частоте внешнего электрического поля (например, при ш-314Гц) аномальная зависимость tgO от 4 сохраняется до тех пор, пока е1 трехслойных диэлектриков обусловлена преимущес- Рис-А зависимость гев»шв/) при г-го'с, е*/£н-4. . Твенным вкладом выокочастот- 1>г-3 - трвтелойиив системи с 1-0.256; 0.14В и

НЫХ состатавляюшх спектра; °'315 соответственно: 4-ТС1Ш-30: 5-КПМ. аномальная дисперсия начинает исчезать, когда за счет увеличения температуры и ослабления взаимодействия между высокочастотными модами из-за дезориентирующего действия тепловых флуктуации (кТг ). начинает доминировать низкочастотная составляющая спектра.

В слабом электрическом поле СИ 10 В) для трехслойных систем при I - 50 Гц этот процесс начинает наблюдаться при г > 65-7СРС; в сильном поле при 85°С.

Результаты исследований и расчета параметр егл-ктра лиэлект -

1'И,!!».Т'/" : •• : :ь 'эшш показа.эд» что как и в сильном поле эффект за-га1«л1г«- пи от I при Г - 50 Гц ограничивается нелинейным ростом г," , и; !!•:■'"сего в барьерном слое.

В сг.я"'.п с этим последний раздел работы посвящен практическим задачам: поиску возможных путей мишмизащш потерь в КПМ, исследованию Е = 1(4) трехслойных систем в диапазоне 1> 20+85°С, а также

пр

изготовлению и сравнительным испытаниям кабеля с барьерной изоляцией .

В результате исследований было установлено, что:

- оптимальное содержат® наполнителя в КПМ находится в пределах ЗОМО об.%. В этом случае достигаются удовлетворительные электрофизические, физико-механические и технологические"свойства КПМ;

- в диапазоне температур 20В5 °С Еп трехслойных систем практически не изменяется, также как и оптимальное расположение границ раздела слоев;

- применение барьера позволяет повысить средний срок службы изоляции на 1,5 порядка при средней напряженности поля 5 кВ/мм.

После проведения ускоренных ресурсных испытаний из изолированных токопроводяших .тал с барьером было изготовлено 350 м ги(Чого экскаваторного кабеля с резиновой изоляцией типа КГЭ-ХЛ 3x16+1x6+ 1x6 мм2, который успешно прошел приемо-сдаточные испытания и направлен на опытную эксплуатацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ - ' ..''..

На основании экспериментальных исследований, компьютерного моделирования развития разряда, расчета параметров спектра диэлетст-трической релаксации, а также сравнительных испытаний кабеля с барьерной изоляцией можно сделать следующие выводы.

1. В условиях квазиоднородного поля максимальное увеличение электрической прочности и времени до пробоя трехслойных систем изоляции наблюдается при С * 0.25, так- же как в резконеоднородном поле. ■

2. На стадии, предшествующей инициированию разряда, и на стадии его развития основную роль в барьерном- эффекте играют поляризационные процессы. Поля оэъемных зарядов, формирующихся на границах раздела слоев за счет различия е отдельных слоев систем», оказываются достаточными для ьочдакновения эффекта удержания РК в барьерном слое.

:-'!. Снижение 10" •похтйных систом при оптимальном £ обуслов-

1ъ -

лоно уменьшением полной дисперсии релаксационной поляризации в 1,5-2 раза. Как в слабом, так и в сильном поле этот эффект исчезает с нелинейным ростом проводимости в барьерном слое.

4. Для достижения существенного эффекта, то есть увеличения срока службы барьерной'изоляции за счет и т , должно выполняться одно из основных требований, предъявляемых к КПМ - повышение добротности и критической напряженности поля, после которой начинается нелинейный рост проводимости.

5. Испытания опытного образца кабеля показали высокую эффек тивность применения барьера. Доказана возможность изготовления таких кабелей по -серийной технологии и получения заводом-изготовителем существенного экономического эффекта за счет снижения конструктивного расхода технологических материалов.

Основные результаты и выводы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Патент N 1823013 (Россия). Кабель среднего напряжения / С.М.Лебедев, В.А.Стрыжков, Л.И.Лешенко. О.К.Дегтярев', А.В.Демин, Р.М.Грайф, БИ N 23, 23.06.93 г.

2. Роль поляризационных процессов, в пробое трехслойных систем изоляции / О.С.Гафле, А.В.Демин, 'С.М.Лебедев, В.Я.Ушаков -Тез. докл. конференции до физике диэлектриков "Диэлектрики- 93", г.С-Петербург. 1993 г, ч.2, с.3-4.

3. Влияние местоположения барьерного слоя на .электрическую прочность трехслойных систем изоляции / А.В.Демин, О.С.Гефле, С.М.Лебедев, В.Я.Ушаков. - Тез. докл. конференции по физике диэлектриков "Диэлектрики-93", г. С-Петербург, 1993 г,, ч.2. с. 24-25.

Развитие разряда в слоистых диэлектриках / О.С.Гефле, А.В.Демин, В.Р.Кухта, С.М.Лебедев, В.В.Лопатин, М.Д.Носков, -Электричество. 1994, N 7, с.61-63. ,

Поттксалп к печати 10.01.95. Яакаа К» 6?. Тира» 100 экз.

Ротапринт. ТПУ.014034,Томск,пр.Ленина,