автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка и исследование технологических методов повышения качества и надежности стеклопластиков электротехнического назначения

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1.1. Общая характеристика исходных компонентов и их влияние на свойства стеклопластиков электрического назначения

1.1.1. Наполнители, применяемые при производстве стеклопластиков . Ю

1.1.2. Связующие, применяемые для производства стеклопластиков

1.2. Основные технологические процессы изготовления и их влияние на свойства стеклопластиков . £

1.2.1. Основные технологические процессы изготовления стеклопластиков . 2Ъ

1.2.2. Влияние технологических факторов на свойства стеклопластиков

1.3. Влияние внешних факторов на стабильность свойств стеклотекстолитов

1.4. Постановка задачи

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА НА ОСНОВА ЭП0КСВДН0-Ш10ЛШ0?и1АЛЬДЕГ7ДН0Г0 СВЯЗУЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

В ВОЗДУХЕ .'.

2.1. Объект исследования

2.2. Методика экспериментов .б!

2.3. Диэлектрические характеристики стеклотекстолита

СТЭФ

2.3.1. Пробивное напряжение и кратковременная электрическая прочность СТЭФ

2.4. Исследование влияния электрических разрядов на диэлектрические свойства стеклотекстолита СТЗФ

2.5. Влияние электрических разрядов на механические свойства СТЗШ-1 . 9Ц

2.6. Исследование длительной электрической прочности стеклотекстолита СТЗФ

Выводы

3. исследование взаимосвязи дефектов стеклопластика со структурой исходного наполнителя и РЕШШ еГ'о пропитки .12 ь

3.1. Особенности исследования процесса пропитки и разработка методики экспериментальной оценки качества пропитки стеклонаполнителей

3.2. Исследование качества пропитки различных типов наполнителей

3.3. Исследование процесса пропитки нитей и роеингов . ¿

3.4. Выбор физической модели структуры стеклопластика 14"

Выводы

4. исследование технологических возмхстей повышения качества и эффективности производства стеклотекстолитов

4.1. Анализ возможностей применения и эффективности внедрения новых связующих . [

4.2. Технологические пути повышения качества пропитки стеклонаполнителей

4.3. Оценка эффективности применения устройств, интенсифицирующих пропитку стеклонаполнителей

4.4. Сравнительный анализ результатов применения методов улучшения механизма пропитки при формовании стеклопластиковых изоляторов формы тел вращения

4.4.1. Стеклопластиковые изоляторы в форме полого цилиндра . . 1&

4.4.2. Стеклопластиковые изоляторы типа распорок

Выводы .£

В настоящее время в высоковольтной технике как в нашей стране, так и за рубежом все более широкое применение находят стеклопластики, являющиеся одним из перспективных композиционных материалов, когда требуется одновременное сочетание высокой электрической и механической прочности, а во многих случаях и высокой теплостойкости. Например, стекло-пластиковые трубы, намотанные из стеклонитей и ровингов с эпоксидным связующим, применяются в качестве высоковольтной изоляции в воздушных и масляных выключателях высокого напряжения; стеклопластиковые стержни, изготовленные из стеклоро-вингов методом протяжки через фильеры, применяются для изготовления изоляторов линий электропередач высокого напряжения; стеклотекстолита входят в состав изоляции роторов крупных генераторов; на основе стеклопластиков выполняются элементы изоляции сухих трансформаторов и т.д.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС ставится задача еще более интенсивного развития энергетики и электрофикации страны в XI пятилетке, что потребует также соответствующего развития производства композиционных электроизоляционных материалов и в том числе стеклопластиков. Однако использование стеклопластиков в ряде случаев ограничивается, с одной стороны, недостатками, присущими самим стеклопластикам, и с другой -недостаточной проработкой взаимосвязи электрических свойств, типа исходных компонентов и технологии изготовления стеклопластиков. Недостаточно также данных о механизме их разрушения под воздействием высоких напряженностей электрического поля и надежности стеклопл ас тиковой изоляции\^?овиЯ]х длительной эксплуатации.

В сильных электрических полях одной из основных причин преждевременного выхода изоляции из строя является ухудшение ее свойств вследствие частичных разрядов, развивающихся в воздушных включениях и порах внутри изоляции. Б этих условиях имеет место электрическое старение изоляционных материалов. Поэтому для повышения срока службы изоляции необходимо, по возможности, исключить поры и газовые включения из структуры стеклопластика. Однако применяемые в настоящее время для этого методы трудоемки и малоэффективны.

В современных условиях, наряду с повышением требований к физико-механическим свойствам электрической изоляции и стабильности их в процессе эксплуатации, ставится задача интенсификации производственных процессов, всемерного снижения себестоимости производства электроизоляционных материалов и повышение экономической эффективности их применения в народном хозяйстве. Однако в ряде случаев технология производства и выбор компонентов отдельных видов стеклопластиков не учитывает конкретные условия эксплуатации, что приводит к неоптимальным технологическим процессам и нерациональному применению стеклопластиков.

Например, широко распространенные стеклотекстолиты марки СТЭФ и СТЭФ-1 выпускаются промышленностью в больших количествах для применения в высоковольтном и низковольтном оборудовании. Для изготовления этих стеклотекстолитов используются дорогостоящие и дефицитные наполнители и связующие (стеклоткани Э1-100, ЭЗ-100, ЭЗ-200, эпоксидные смолы и т.д.); в технологическом процессе изготовления СТЭФ и СТЭФ-1 имеется ряд трудоемких и дорогостоящих операций (например, отжиг стеклоткани), которые еще больше повышают их себестоимость. Вместе с тем применение этих стеклопластиков в высоковольтном оборудовании ограничивается низкой электрической прочностью вдоль слое*в, а при использовании их в низковольтном оборудовании эти материалы в соответствии со своими компонентами и технологией изготовления являются неоправданно дорогими. »

Таким образом, возникает весьма сложная проблема совершенствования свойств стеклопластиков в части улучшения их диэлектрических свойств, с одной стороны, и всемерного повы шения их экономической эффективности в части применяемых компонентов и технологических процессов производства, - с другой.

Целью настоящей работы является внесение определенного вклада в решение этой важной народнохозяйственной проблемы.

Для решения этих вопросов был выбран в качестве объекта исследования промышленный образец стеклотекстолита СТЭФ-1, так как его свойства наиболее характерны для всех стеклопластиков, а серийный выпуск на специализированных предприятиях обеспечивает высокую стабильность и устойчивость технологического процесса, что является необходимым для проведения надежных экспериментов на промышленных образцах.

Были исследованы также промышленные и лабораторные образцы стеклотекстолитов СТЭФ, СТЭФ-НТ и некоторых других стеклопластиков и их наполнителей и связующих.

В результате проведения обширных исследований свойств стеклопластиков и их компонентов, установления взаимосвязи между их свойствами и технологическими процессами их изготовления установлены и выносятся на защиту:

I. Физическая модель стеклопластика как системы полимерной матрицы, равномерно распределенных переуплотненных стеклонитей и двух типов пор или газовых включений: иглообразных - внутри нитей и сферических или слабовытянутых в полимерной матрице, которая позволяет получить хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных по взаимосвязи электрических и структурных характеристик.

2. Рекомендации по усовершенствовании технологического процесса пропитки стеклонаполнителя, с целью повышения монолитности структуры стеклопластика.

3. Способ пропитки стеклонаполнителей, позволяющий существенно снизить воз,душные включения в структуре стеклопластика и соответственно повысить электрическую прочность стеклопластика вдоль нитей (или вдоль слоев) на 40-60%.

4. Технологический процесс изготовлониг. крупногабаритных стеклопластикоЕых вводов для герметизированных генераторных коммутационных аппаратов, существенно сни/хающий себестоимость вводов на класс напряжения 15,75 кВ и позволяющий создать вводы на более высокие классы напряжений, необходимость в которых возникает в связи с развитием атомной энергетики страны.

5. Рекомендации об исключении отжига стеклоткани из технологического процесса изготовления стеклотекстолита СТЭ® и об исключении растворов смол из технологии изготовления стеклопластиков, предназначенных для работы под воздействием высоких напряжений.

6. Высокоэффективный влагостойкий стеклотекстолит на основе недефицитного модифицированного связующего, заменяющий стеклотекстолит СТЗФ в низковольтном оборудовании.

I. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В настоящей главе приводятся опубликованные данные об основных электрофизических и механических характеристиках стеклопластиков, изготовленных из различных исходных материалов (связующих и наполнителей). Рассматривается изменение этих характеристик в зависимости от технологии изготовления, а также от воздействия различных факторов (температуры, уси С» \ лоеии испытании и т.д.) и после различных видов старения (электрического, термического и т.д.).

Поскольку свойства стеклопластиков в значительной сте-пери определяются свойствами связующего, дан обзор работ и по исследованию свойств эпоксидных компаундов.

Выводы

Рис.

64.

Опытно-промышленная установка для намотки стекло-пластиковык вводов гог диэлектрические и физико-механические свойства стеклопластиков и, кроме того, позволяет использовать высоковязкие связующие (без растворителей и разбавителей). Получены авторские свидетельства на изобретение способа пропитки и способа искусственного разрыхления структуры стеклонитей.

4. На основе результатов работы усовершенствован технологический процесс производства стеклопластиковых изоляторов типа ТСПВ, что обеспечило высокую стабильность их свойств в процессе длительной эксплуатации в качестве воздуховодов высоковольтных воздушных выключателей серии ВВБ на классы напряжений

5. Предложен и внедрен новый способ формовки стекло-пластикового изолятора типа распорки, методом намотки, позволяющей в 3,5-4 раза повысить электрическую прочность материала конструкции. Получены авторские свидетельства на устройства для намотки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований комплекса характеристик стеклотекстолита СТЭФ-1 в условиях воздействия высоких напряжен-ностей электрического поля установлено, что под воздействием электрических разрядов в воздухе происходит деструкция макромолекул полимерного составляющего стеклотекстолита СТЭФ-1 (композиция эпоксидная +фенолформальдегидная смолы), что приводит к значительному увеличению его и £ , уменьшению ^ и $ , а также снижению кратковременной электрической прочности и механической прочности; снижение электрической прочности стеклопластиков в условиях длительного воздей-ствияствия высоких напряженностей электрического поля главным образом обусловлено частичными разрядами, возникающими в порах, имеющихся в толще материала. Следовательно, основные резервы повышения длительной электрической прочности стеклопластика заключаются в повышении монолитности его структуры.

Установлено, что отжиг стеклоткани практически не влияет на его диэлектрические свойства и не отражается на времени безотказной работы.

В результате исследования причин и условий образования структурных дефектов в стеклопластиках, а также их взаимосвязи с исходными компонентами и технологическим процессом производства установлено, что основной причиной неполной пропитки стеклонаполнителя и появления воздушных включений в материале изоляции является неоднородность структуры исходного стеклонаполнителя. Предложена модель стеклопластика как трехкомпонентной системы, состоящей из полимерной матрицы, переуплотненных волокон и воздушных включений, которая. обеспечивает хорошее совпадение расчетных и фактических дан-г-ных по взаимосвязи электрических и структурных характеристик стеклопластиков. Установлено, что для повышения степени пропитки стеклонаполнителя: пропитку следует производить при осевых нагрузках на нить Р < 500 г/нить, а в процессе пропитки необходимо использовать искусственное разрыхление структуры стеклонитей до значений объемного содержания стекла £ - 50-60%; при использовании наполнителей" на основе стеклотканей и стеклонитей пропитку необходимо проводить в направлении, перпендикулярном слоям ткани и поперек нитей; отверждение связующих должно проводиться в мягких режимах с достаточно длительной выдержкой на начальных стадиях для полного завершения капиллярной пропитки, а жизнеспособность (живучесть) связующего должна быть заведомо больше времени капиллярной пропитки.

Экспериментальные исследования полностью подтвердили вышеприведенные теоретические положения работы. Это позволило предложить устройство для принудительной пропитки стеклонитей в направлении, перпендикулярном элементарным волокнам, с одновременным вакуумированием связующего и наполнителя. Пропитка с применением этого устройства существенно повышает диэлектрические и физико-механические свойства стеклопластиков и, кроме того, позволяет использовать высоковязкие связующие (без растворителей и разбавителей). Получены авторские свидетельства на способы пропитки.

Показано, что наряду с интенсификацией пропитки целесообразно создание специальных связующих как для повышения электрической прочности стеклопластиков, применяемых на высоковольтных установках, так и для замены стеклопластиков типа СТЭФ на низковольтных установках. В соответствии с этим выводом разработан стеклотекстолит на основе модифицировани у и V о нои гексафенольнои смолы и ненасыщенных полиэфиров, который по своим физико-механическим и диэлектрическим свойствам может заменить стеклотекстолит СТЭФ на низковольтных установках. Получено авторское свидетельство на изобретение связующего. Кроме того, предложенные в работе связующие позволили усовершенствовать технологический процесс производства стек-лопластиковых изоляторов ТСПВ, что обеспечивает высокую стабильность их свойств в процессе длительной эксплуатации в качестве воздуховодов высоковольтных воздушных выключателей серии ВВБ на классе напряжений 35-1150 кВ.

Показано, что выбором схемы армирования стеклопластика, наилучшим образом соответствующего напряженному состоянию конструкции и направлению электрического поля можно значительно повысить электрическую и механическую прочности конструкции. В соответствии с этим выводом предложен и внедрен способ формовки стеклопластикового изолятора типа распорки, методом намотки, позволяющей в 3,5-4 раза повысить электрическую прочность материала конструкции. Получены авторские свидетельства на устройства для намотки.

1. Корицкий 10.В. Электротехнические материалы. М., "Энергия", 1968.

2. Бобылев О.В. и др. Производство электроизоляционных материалов. Высшая школа, 1966.

3. Барановский В.В., Шугал Я.Л. Слоистые пластики электротехнического назначения. 1968.

4. Ходоковский М.Д. и др. Производство стеклянных волокон и тканей. "Энергия", 1973.

5. Барановский В.В., Дутицкая Г.М. Слоистые пластики электротехнического назначения. "Энергия", 1976.

6. Бобылев О.В. и др. Технология производства электроизоляционных материалов. "Энергия", 1977.

7. Шишко В.И. и др. Стеклотекстолиты на основе нетканых стекловолокнистых армирующих материалов. Пластмассы, №3, 1973.

8. Коршак В.В., Кутепов Д.3>. и др. Технология пластических масс. "Химия", 1976.

9. Киселев Б.А., Никифоров А.В. "Пластмассы", № 6, 1973.

10. Андриевская Г.Н. и др. Сб. Структура, состав, свойства и формование стекловолокон. Ч. I., М., 1968.

11. Авросин Я.Л. Сб. Стеклотекстолиты и др. конструкционные пластики. Оборонгиз, № II, I960.

12. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Л., "Энергия", 1970.

13. Nashikker В. Retci£ ha& dew. ISeia techn Л.8.ЛГ2, 16, 1970.

14. Способ сухой пропитки. Отчет ЩТБВ, М., 1973.

15. Мгалоблишвили Ю.В. и др. Устройство для пропитки рулонных наполнителей. А.С. № 24-3694 от 03.03.1969.

16. Бухов А.К., Андриевская Г.Д. Высокопрочные стеклопластики СВАМ, издательство АН СССР, 1968.

17. Андреев Я. и др. Изготовление стеклопластиковых труб. Харьков, изд. ХПИ, 1969.

18. Я(2С1бк1. Точная намотка современная технология производства слоистых пластиков. РШц о. к&исик, ч. 12, I* 6, 1975.19. Фосато АВЧ Гро&еКС.

19. Намотка стеклонитью. М., "Машиностроение" , 1969.

20. Крюков В.Ф., Кондратьева В.П. Намотанные электротехнические стеклопластиковые изделия для аппаратов высокого напряжения. М., изд. Информэлектро, 1978.

21. Есаков А.С. Пути повышения электрической прочности профильного стеклопластика. Э.П. электротехнические материалы, № 12, 1979.

22. Александров Г.Н. и др. Влияние мелкодисперсного наполнителя на электрическую прочность стеклопластиковых стержней, полученных методом протяжки. Э.П. электротехнические материалы, № II, 1980.

23. Шевченко С.Ф. и др. Получение профильного материала с повышенной электрической прочностью протяжкой через обогреваемую фильеру. Э.П. электротехн. материалы, № II, 1979.

24. Черняк К.И. Эпоксидные компаунды и их применение. Судостроение, 1967.

25. Современные композиционные материалы. Под ред. Браума-на Л. Мир, № 9, 1974.

26. Липатов 10.С. Физико-химия наполненных полимеров. Киев, 1967.

27. Михальский А.И. Успехи химии, № II, 39, 1979.

28. Лосев В.Б. и др. Пластмассы, № 10, 61, 1967.

29. Войцехович Н.Я. и др. Пластмассы, № 7, 44, 1968. '

30. Гриневич К.Н. Сб. "Производство и применение кремнийор-ганических соединений". Ч. I, изд. ЦЦНТП, 83, 1964.

31. Мейтим О.В. и др. Пластмассы, № II, 55, 1969.

32. Schräder ¡711.} herners. Пат. сша, кл. 156-314, опубл. 07.01.1969.

33. Manolerêitt ß.fft. Шоо1. Pía st. 37, 125, 1969.

34. К to г к H.,P(ueddemann, (Tlod, Plast, Щ 133,1969.

35. Vanclerêiâ SM, С fan ton R.B. Ru£Ê>. chema 3S,379; 1965.

36. Киселев Б.A., Бодрова В.Б. Пластмассы. № 8, 1969.

37. Вайда Д. Исследование повреждений изоляции. "Энергия", 1968. '

38. Бокин М.Н., Цыплаков О.Г. Пластмассы, № 2, 1965.

39. Wände rk Et ß.m. modern Plastics tk, h5,1%5

40. Парнас Я.M., Лебедев К.Н. Сб. "Стеклотекстолиты и другие конструкционные материалы.

41. Сб. Стеклопластики в машиностроении. Труды ЛШ под ред. М.Н.Бокина. Л., 1971.

42. Электрические свойства полимеров. Под ред. Сажина Б.И. "Химия", 1977.

43. Акимов C.B., Боркова М.Н. "Пластмассы", № 12, 1969.

44. Стеклопластики. Под ред. Морган Ф. M., 1961.

45. Молотков Р.В. Эпоксидные смолы и их применение в электротехнике. ВНИИЭМ, M., 1964.

46. Голубенкова Л.М. и др. Пластмассы, № 4, 1973.

47. Григоришвили Б.М. и др. Изв. ВУЗов, серия Строительство и архиметура, íf° 3, 1970.

48. Аладьев А.Т. и др. Доклад научно-технической конференции по итогам работ за 1966-67 гг. МЭИ, М., 34. 1967.

49. Ли X., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. "Энергия", М., 1973.

50. Александров Н.В., Трубачев С.Г. "Электротехника", А15 I, 1971.

51. Евстроньев К.С. и др. "Электротехника", № II, 1968.

52. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область слабых полей. Гостехиздат, 1949.

53. Садков Н.Ф. Сб. Диэлектрики и полупроводники. Вып. 7. 67. 1975.

54. Голдобин A.C. и др. Тезисы докл. Всесоюзного совещания "Новые разработки и исследования в области электрической изоляции". 16, 1975.

55. Ковальская A.B. "Электротехника", № 3, 1968.

56. Левицкая Ц.М. Труды Сиб. НИИЭ № 16, 1970.

57. JJlenju 5. arid other, Toshiba Rev, 26, 635, {971.

58. Лимасов А.И., Нирман В.Д. Труды Сиб. НИИЭ № 16, 1970.

59. Кан К.Н. и др. Материалы Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и перспективы ее развития". Т. 2, Л., 1973, с. 232.

60. DorkerK. Schonthaier Kunst stoofa, if12,1975,

61. Голдобин A.C. Труды Сиб. НИИЭ № 25, 94, 1974.

62. Голдобин A.C., Лимасов А.И. Труды Сиб. НИИЭ № 25, 89, 1974.

63. Шко /7 Vajta /7?. ßcta tech п. Л с od. Sei. hung. УУ-5, i97*t.

64. Тагорский В.М. Материалы Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и перспективы ее развития". Т. 2, Л., 1973, с. 232.

65. Онис Я.В. Материалы Всесоюзной конференции "Шизика диэлектриков и перспективы ее развития". Т. 2, 226, Л., 1973.

66. Кан К.Н. и др. Механическая прочность эпоксидной изоляции. "Энергия", 1973.

67. A(QcacLta Т. Trans. Inst, Е£ес. Eng, lour.

68. Бобровская Л.Д. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л., ЛПИ, 1975.

69. Беркс Д.В., Шульман Д.Г. Прогресс в области диэлектриков. Т. 2. Госэнергоиздат, 1963.

70. Койков С.Н., Цыкин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков. "Энергия", 1968.

71. Цымлаков О.Г., Шалыгин В.И. "Электротехника", № 3, 1969.

72. Scvас к ham те г Л. Aeorodlg. Jfl, 17, Í965

73. KroÜkovcka W. SPE lo urna £ jf9, í96^.

74. Киселев Б.А. и др. Пластмассы, № 12, 1969.

75. Панферов К.Н., Романенков И.Г. Пластмассы, № II, I960.

76. Романенков И.Г. Пластмассы, № 4, 1962.

77. Журков С.Н. Вестник АН СССР, № II, 1967.

78. Мачавериани З.М. и др. Физ. хим. механика материалов, № 6, 1971.

79. Акутина М.С. и др. Электротехника, № 9, 1974.so. Icmaoía У. ¡okedct Kadzuchino pft9. МО

80. Панферов К.И. и др. Сб. Качество полимерных материалов и изделий из них. М., 1970.

81. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях . Л., Энергия, 1979.

82. Худсон Д. Статистика для физиков, Мир, М., 1967.

83. Багиров М.А. и др. Воздействие электрических разрядов на85