автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Создание кабельных изделий с полимерными многослойными изоляционными и защитными покрытиями

Научно-производственное объединение

"Всероссийский Научно-исследовательский, цроектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности"

На правах рукописи

КАЗАНЧЯН Гриша Паравонович

Создание кабельных изделий с полимерными многослойными изоляционными и защитными покрытиями

Специпльность 05.09.02 - Электроизоляционная

и кабельная техника

Автореферат диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1992

-г -

Работа выполнена в Ереванском филиале ВНИИКП НПО "Закавказкабель"

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Свалов Г.Г. доктор технических наук, профессор Похолков Ю.П. доктор химических назгк, профессор Кроль В.А.

Ведущее предприятие: Ассоциация "Элекгрокабель"

Защита состоится " КМ^-Р- 1992 года

в часов на заседании Специализированного Совета Д.143.05.01 по специальности 05.09.02 - Электроизоляционная и кабельная техника в ШО "НШИКП" (ШП2, г.Москва, ш.Энтузиастов, д.5).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИКП. Автореферат разослан " ^- 1992 года

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук У/,

А.Г.Григорьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш, К полимерным материалам современные гаука и техника предъявляют исключительно разнообразный комплекс 'ребований, и удовлетворение их путем применения того или иного 'пределенного полимера зачастую становится проблематичным.

Поиски возможности синтеза новых веществ, отвечающих совре-кзнным требованиям науки и техники, настойчиво продолжаются, и то направление является главным в развитии химии полимеров.

Широкий спектр существующих полимерных материалов и компо-иций на их основе, а также различных методов переработки и юздействия на них (облучения, вулканизации и т.д.) не может днако обеспечить все предъявляемые требования, которые не толь-:о многообразны, но зачастую и взаимоисключающи.

Решить вопрос обеспечения в ряде случаев несовместимых тре-1ований традиционными методами, т.е. созданием новых полимеров ли их композиций и модификаций, не представляется возможным и кономически целесообразным.

Главным образом по этой причине в практике конструирования абёльных изделий постепенно находят все более широкое применение ногослойные электроизоляционные и защитные покрытия.

Настоящая работа также посвящена проблеме создания кабель-ых изделий с применением многослойных монолитных полимерных по-рытий с учетом их взаимного влияния и распределения функций . окрытий по слоям.

Проведение настоящей работы позволило успешно в сжатые срои с наибольшей экономической выгодой решить ряд следующих важ-ых задач, предусмотренных Постановлениям Правительства и ряда ышестоящих организаций:

I. "Создание и внедрение в производство низковольтных асин-

хронных электродвигателей единой серии 4 А". Приказ Минэлектро-техпрома СССР (МЭТП СССР) & 19 от 23.01.69.

2."Разработка технологии и создание промышленного производства высоконаполненных композиционных полимерных материалов, а также груб,"листов, машиностроительных, строительных и других изделий из них". Целевая программа 0.Ц.013, утвержденная Постановлениями Госкомитета СССР по науке и технике (ГКНТ), Госплана СССР, Президиума Академии наук СССР № 492/245/164 от 8.12.81.

3. "Разработка и промышленное освоение выпуска кабельных изделий с повышенным сроком службы с применением высоконаполнен ных ПВХ-пластикатов". Проблема Я 12 МЭТП СССР "Разработка новы кабельных изделий с улучшенными технико-экономическими параметр ми", утвержденная МЭТП СССР от 26.01.86.

4. "Разработка, освоение выпуска высоковольтных силовых пр водов на напряжения 6,0; 10,0 кВ класса нагревосгойкости "В" дл выводных концов электрических машин". Госзаказ МЭТП СССР № 20/ 157-295 за 1988 г.

5. "Разработка силовых кабелей на напряжения I и 6 кВ, кон рольных кабелей и ардатуры к ним доя АЭС". Постановление ГКНТ & и Госплана СССР (проблема 0.Ц.001), приказ МЭТП СССР Я 526 от 19.09.79, Постановление Совета Министров СССР от 14.07.83.

Цель работы. Цель настоящей работы заключается в создании научно обоснованных методов конструирования и технологий производства высокоэффективных низковольтных и высоковольтных кабель ных изделий с повышенными надежностью и сроком службы, основаны на применении многослойных монолитных полимерных покрытий с уче* взаимного влияния слоев и регулирования электрического поля в изоляции.

В более конкретном плане в диссертации были поставлены шш следующие задачи.

Создание методов регулирования электрического поля в моно-итной твердой полимерной многослойной изоляции применением дай лектрических барьеров, а также полимерных покрытий с переменной I радиальном направлении диэлектрической проницаемостью. Разработка на этой основе экономичных и высоконадежных конструкций и ■ехнологий изготовления высоковольтных кабельных изделий.

Исследование и выявление основных принципов конструирования :абелъных изделий с монолитной комбинированной двухслойной изоляцией на основе совулканизащпт слоев из однородных и разнородных [атериалов с учетом взаимного влияния слоев. Создание на этой юнове нагревостойких, высокопрочных и надежных силовых (вывод-их) проводов дал электрических машин.

Изучение закономерностей взаимовлияния пластифицированных иастмасс - на примере поливинилхлоридных (ПВХ) пластикатов, соз-(ание метода оценки показателей надежности кабельных конструкций ■■ : двухслойными покрытиями.

Ейявление основных принципов конструирования низковольтных сабельных изделий с двухслойными ПЕХ-покрыгиями, теоретическое г экспериментальное исследования двухслойных систем с применением эысоконаполненных ПВХ-пластикатов, создание на этой основе кабель-шх изделий с изоляцией сс-пониженным содержанием полимеров, повы-юнными сроком службы и надежностью, с высокими экономическими показателями.

Методы исследований. В качестве методов исследования исполь-ювались методы электро- и магнитостатики, техники высоких напря-¡сений, микроскопии, инфракрасной спектроскопии, дифюеренциально-гермический анализ, методы электрофизических и йизико-механичес-сих испытаний и измерений. Для анализа применялся аппарат мате-яатической статистики, математического моделирования с примене-шем вычислительной техники.

Экспериментальные исследования и испытания проводились в Ереванском филиале ВНИЖП и на его Опытном заводе, в НПСГ'ВНИИКП (г.г.Москва и Подольск), филиале ВНИИэлектромашиностроения (г.Ленинград), во ВНИП1ИЭМ (г.Владимир), Институте органической химии.Академии наук Армении (г.Ереван), ВНШсинтетического кауч; ка им.Лебедева (г.Ленинград).

Промышленные испытания создаваемых кабельных изделий лрово' дились на кабельных заводах: НПО "Закавказкабель" ("Ереванкабел: Опытном заводе ЕФ ВЕЖКП), "Подольсккабель" (г.Подольск), "Камо-кабель" (г.Камо), "Кавказкабель" (г.Прохладный), "Грузкабель" (г.Зестафони), "Сибкабель" (г.Томск), "Электропровод" (г.Москва] на электромашиностроительных заводах: ПО/Ткрэлекгромаш:"" (r.Xaj ков), Владимирском электромашиностроительном заводе ВЭМЗ (г.Владимир), заводе Вольта (г.Таллинн), Ереванском электротехническог заводе ЕЭТЗ (г.Ереван), СКВ ПО "Сибэлектромотор" (г.Томск), Ереванском заводе электродвигателей (г.Ереван), Ленинградском электромашиностроительном заводе (г.Ленинград).

Научная новизна и практическая пенность работы. Разработаны новые принципы конструирования кабельных изделий, основанные на применении многослойных монолитных полимерных покрытий с распределенными по слоям функциями с учетом активного взаимного влияния этих слоев с интегрированными свойствами, а также на примене нии диэлектрических барьеров, позволяющих перераспределять и per лировать электрическое поле в высоковольтной изоляции. Конструирование по указанным принципам позволяет: - максимально избегать компромиссных решений при выборе мат риалов, отказаться от материалов с универсальными свойствами и путем подбора различных материалов дай многослойного кабельного покрытия с распределенными по слоям функциями добиться его оптимальных свойств с наименьшими Затратами;

- по-новому подходить к вопросу модификации или создания композиционных материалов для многослойных покрытий с учетом активного химического, физического, электрического взаимного влияния слоев;

- перераспределять и регулировать электрическое поле в высоковольтной изоляции за счет регулирования диэлектрической проницаемости изоляции в радиальном направлении и применения слоистых диэлектрических барьеров с повышенной диэлектрической проницаемостью (ЩП) в монолитной изоляции;

- существенно повысить технико-экономические показатели кабельных изделий за счет выбора оптимальных вариантов многослойных покрытий, при этом уменьшив их массу, габариты, стоимость и одновременно существенно повысив качество, надежность, нагрево-стойкость и ресурс изделий.

В результате проведенных многолетних исследований выявились два направления, по которым и проводилась работа:

- исследование, разработка и реализация методов регулирования электрического поля в высоковольтной полимерной шнолитной слоистой изоляции путем применения диэлектрических барьеров;

- исследование, разработка и реализация методов применения многослойных кабельных покрытий из однородных и разнородных полимерных материалов с распределением функций по слоям с интеграцией свойств путем создания монолитных слоев. При этом применялись целенаправленный выбор и модифицирование используемых материалов с учетом усиления и регулирования активного взаимного влияния слоев.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Теоретически и экспериментально изучено поведение диэлектрических барьеров в шнолитной полимерной высоковольтной изоляции.

На основании расчета электрического поля в полимерной изоля-

ции, содержащей диэлектрический барьер ЦДЛ, при системе электродов игла-плоскость показано:

- введение в полимерную изоляцию диэлектрического барьера с ЦПП создает такую анизотропию, которая приводит к сглаживанию неоднородности электрического поля, что, в свою очередь, обуслав' ливает заметное повышение электрической прочности изоляции, ее надежности и ресурса;

- применение барьерных слоев в полимерной монолитной изоляции приводит к делению ее на более тонкие слои,чем преодолевается "эффект толщины" толстостенной высоковольтной"изоляции.

С учетом специфики слоистой монолитной изоляции с барьерными слоями теоретически решена задача оптимального расположения диэлектрических барьеров в изоляции, а затем экспериментально подтверждена его эффективность.

На основе экспериментальных исследований и теоретических обобщений сформулированы принципы конструирования высоковольтных кабелей с полимерной многослойной монолитной изоляцией с применением барьеров.

На основании обобщения опыта применения градированной изоляции и результатов работ по применению диэлектрических барьеров впервые предложен перспективный метод нанесения непрерывно градированной полимерной высоковольтной изоляции осесимметричных цилиндрических конструкций путем перераспределения в магнитном гол« мельчайших частиц керамического наполнителя, обладающего одновременно магнитными и диэлектрическими свойствами, в полимере, находящемся во время перераспределения .в электромагнитном поле в вяз-котекучем состоянии. Установлен технологический режим распределения наполнителя по закону, обеспечивающему однородность электрического поля.

Выявлены и сформулированы на основе изучения ПВХ-пластиката

принципы конструирования кабельных изделий с двухслойными ПВХ--покрытиями с повышенным ресурсом и высокими технико-экономическими показателями.

Показана возможность управления процессами десорбции пластификаторов из пластмасс путем регулирования концентраций пластификатора в двухслойных пластшссовых кабельных покрытиях (на примере ПВХ-пластикатов) и концентраций наполнителей в слоях.

Разработана математическая модель, описывающая процесс изотермического старения двухслойных систем на основе наполненных и ненаполненных ПВХ-пластикатов.

Разработана методика определения показателей надежности кабельных изделий с двухслойной пластмассовой изоляцией (оболочкой), позволяющая решать вопросы их оптимального конструирования.

Найдены новые подходы к вопросам создания и использования композиционных материалов для двухслойных монолитных изоляционных покрытий из однородных и разнородных полимеров, обеспечивающих адгезию между слоями, что является научной основой создания новых видов силовых проводов для электромашиностроения.

Разработаны композиционные материалы для двухслойных изоляционных покрытий, способ сращивания двух разнородных полимерных материалов (вулканизующегося полиэтилена и кремнийорганической резиновой смеси), обеспечивающий химическую связь между слоями (межфазнуго реакцию сшивки).

На основании проведенных широких научных и экспериментальных исследований показаны различные аспекты применения монолитных слоистых полимерных изоляционных и защитных покрытий в кабельной технике.

Практическая ценность работы заключается в нижеследующем» Результаты работы служат основой формирования принципов конструирования и производства целого ряда высоковольтных и низковольтных

кабельных изделий с многослойными изоляционными и защитными побитиями с технико-экономическими параметрами на уровне лучших мировых стандартов или превосходящими их.

Разработаны рецептуры материалов для диэлектрических бары ров с ЦДП, созданы технология и оборудование для нанесения высс ковольтной полимерной изоляции с указанными барьерами.

Созданы новые технологии и технологические'линии по налоя? нию и совулканизации слоистой изоляции из однородных и разноро; ных материалов.

Разработаны рецептуры и технологии изготовления ряда модифицированных полимерных материалов, обеспечивающие создание кабельных изделий оптимальных конструкций с многослойными полиме! ными покрытиями с распределенными функциями по слоям и шксимад ным эффектом взаимного влияния последних.

Разработаны новые технологические процессы и оборудование для организации серийного производства кабельных изделий со слс истыми монолитными изоляционными и защитными покрытиями.

Разработан ряд государственных стандартов, отраслевых технических условий на кабельные изделия (более восьми), а также РД "Методика определения показателей надежности кабельных издел с двухслойной изоляцией (оболочкой) из ПНХ-пластикатов".

Реализация результатов работы в промышленности. На Опытном заводе ЕФ ВНИИКП с 1989 года организовано серийное производство высоковольтного силового (выводного) провода марки ПВБсК с барь ными слоями для крупных электрических машин на напряжения 6,6 и II кВ по ТП6.К80-04_89.

На кабельных заводах "Электропровод" (г.Москва), "Камокабе, (г.Каш), Опытном заводе ЕФ ВНИИКП (г.Ереван) организован серийный выпуск силового провода с двухслойной изоляцией марки ПВКФ_660 для выводов электрических машин по ТУ16.К80-09-90.

На Опытном заводе ЕФ ВНИИКП освоено промышленное производство провода г/арки ПВКФ_М с двухслойной комбинированной изоляцией со слоями из полиэтилена и фторкремнийорганической резины по ТУ16_705.353-84.

Совместно с НШполимеров (г.Дзержинск) разработаны и внедрены в серийное производство (на Владимирском химзаводе) высоко-заполненные ПВХ-пластикагы марок ИМ-30-9, ИМ-20-7, ИМ-40-8 и <ЮМ-40_8 для двухслойных изоляции и защитных оболочек кабельных азделий.

На заводах "Грузкабель" (г.Зестафони) и "Кавказкабель" (г.Прохладный) с применением созданных наполненных ПВХ-пластика-гов в комбшации с обычными ПНХ-пластикатами организовано серийное производство проводов с двухслойной изоляцией для электрических установок марок АПВ, ПВ1, ПВ2, ПВЗ на напряжение 450 В по ПОСТ 6323_79 .

На Опытном заводе ЁФ ВНИИКП с 1989 г. внедрены провода с двухслойной ПВХ-изоляцией с повышенным ресурсом марок АПЦЦ, Ш, ВД2, ПВДЗ по ТУ16.К80-08_89.

В НПО "Закавказкабель" (г.Ереван) организован промышленный выпуск силовых кабелей с повышенным ресурсом с двухслойной ПВХ--изоляцией и оболочкой марок АВЗГД, ВВ1Д на напряжения 0,6 и I кВ по ТУ16.К80-07-89.

Разработаны не распространяющие горение контрольные кабели для АЭС с двухслойной оболочкой из ПВХ-композиций по 1У16.705.432_86 и освоено их производство на заводе "Подольск-кабель".

Разработаны, изготовлены и освоены на Опытном заводе № ВНИИКП:

а) горизонтальный агрегат непрерывной вулканизации с жидким

теплоносителем для производства силовых (выводных) проводов с двухслойной изоляцией из разнородных материалов;

б) полуавтоматическая линия по производству проводов с двухслойной изоляцией из щземнийорганической и фгоркремнийорга' нической резин;

в) линия по производству высоковольтных проводов с четыре; слойной изоляцией из кремнийорганических резин с диэлектричеси ми барьерами.

Разработаны, изготовлены и внедрены в производство экстру-зионные головки для нанесения двухслойной изоляции и оболочки из резин и пластмасс на заводах "Ереванкабель", 03 ЕФ ВНИИКП, "Укркабель" (г.Киев), "Грузкабель" (г.Зестафони), "Кавказкабеш (г.Прохладный), "Электропровод" (г.^сква), "Молдавкабелъ" (г.Бендеры).

Разработана, изготовлена и внедрена в производство полуавтоматическая линия по производству проводов с гфемнийорганичес-кой и фторкремнийорганической изоляцией на заводе "Кашкабель" (г.Каю).

В целом реализация результатов данной работы обеспечила со дание и внедрение в серийное производство на ряде заводов стран более 15 видов кабельных изделий и композиционных материалов, технологических линий -и оснасток для организации производства указанных изделий.

Личное участие автору. Все материалы диссертации получены при непосредственном участии автора и под его научным руководством в формировании и постановке цроблемы, в теоретических исследованиях и экспериментах, обработке, анализе результатов, разра? ботке технической документации для внедрения в опытное и серий» производство результатов исследований в виде новых кабельных конструкций, технологии и технологического оборудования, новых

>дифицированных материалов.

В диссертации изложен экспериментальный материал, получен-1й автором с коллективом руководимых им сотрудников и аспиран->в.

Апробация наботы. Основные результаты диссертационной рабо-I докладывались и обсуздались на международных, Всесоюзных науч-з-технических конференциях, семинарах, технических совещаниях, том числе на международных научно-технических конференциях: Элизог-кабель" (Бургас, Болгария, 1982 г.,1986 г.), "Исследование разработка асинхронных двигателей" (г.Владимир, 1978 г.), Яовые технологические процессы, перспективное оборудование и омплексная автоматизация кабельного оборудования" (г.Ереван, Э87 г.), "Новые технологические процессы, перспективное оборудо-ание, автоматизация кабельного оборудования" (Венгрия, 1990 г.), а УП Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и пер-пективы совершенствования разработки и производства асинхронных зигателей" (г.Владимир, 1985 г.), на Всесоюзном научно-техни-:еском совещании "Разработка, исследование и эксплуатационные :спытания изоляции кабельных изделий" (г.Ереван, 1986 г.), на !сесоюзных научно-технических конференциях "Роль рационализации, :зобретательства и научно-технической инфорлации в производстве :абельной продукции" (г.Москва,1988 г.), "Радикальная полимери-1ация" (г.Горький, 1989г.), "Электрическая изоляция кабелей и гроводов" (г.Бердянск, 1990 г.), на Всесоюзном научно-техничес-сом семинаре "Актуальные вопросы повышения качества и надежности сабельных изделий" (г.Москва, 1989 г.). Доклады по мегериалам щссертации были обсуждены также на отраслевой научно-техни-кской конференции "Основные задачи и пути повышения эффективности использования и экономии материальных ресурсов в кабельной

промышленности" (г.Ереван, 1982 г.) л на научно-техническом се минаре "Основные направления развития уровня электроизоляционной техники на 1976-1980 г.г." (г.Ереван).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы из локены в 48 печатных работах (в том числе 16 изобретениях).

Структуру "работы. Работа включает введение, шесть глав, 2 приложения.

Текст работы изложен на.300 машинописных страницах, содер жит 59 рисунков и 44 таблицы, библиография содержит 174 наименования литературных источников.

СОДЕНШМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновываются актуальность теш диссертации, состояние вопроса, цели и задачи. Дается общая характеристика работы.

В петаой главе анализируются различные направления исследс ваний по регулированию и перераспределению электрического поля высоковольтной изоляции. Рассмотрены современные представления об электрическом старении и механизмах пробоя высоковольтной пс лимерной изоляции.

Электрическая прочность и надежность полимерных диэлектриков зависят от целого ряда факторов, к которым следует отнести:

- црироду самого материала, его молекулярное и надмолекуля ное строение;

- наличие примесей, газовых включений в диэлектрике;

- объем диэлектрика в межэлектродном пространстве;

- конфигурацию электрического поля и т.д.

Рассматриваются возможности применения слоистой полимерной

изоляции в конструкциях высоковольтных кабелей с целью повышени их электрической прочности и надежности путем регулирования эле

трического поля в изоляции. Под регулированием электрического поля в данном случае подразумевается устранение неоднородностей электрического поля в изоляции, вызванных внутренними и наружными факторами.

В качестве эффективного средства для этой цели предложен метод применения диэлектрических барьеров с ЩЩ.

Показано, что введение в высоковольтную полимерную изоляцию слоя с повышенной по отношению к основной изоляции диэлектрической проницаемостью приводит к увеличению последней в продольном к слоям направлении ( <5Х ) по сравнению с диэлектрической проницаемостью в перпендикулярном направлении ( ¿у ), т.е. приводит к анизотропности диэлектрической проницаемости изоляции.

Отсюда сделан вывод, что,пользуясь создаваемой анизотропией ( 6* ), возможно в определенных пределах перераспределять (сглаживать) электрическое поле.

Для строгого доказательства вышеуказанного был произведен расчет электрического поля в анизотропной диэлектрической среде с параметрами 6х,8у, (&х >&/) в межэлектродном пространстве игла-плоскость (рис.1).

Для этого случая было решено уравнение Лапласа его двумерным рассмотрением. Оно имеет следующий вид:

Уравнение было решено при следующих граничных условиях:

(I)

_рхг а

им)

= (Л0е = £(*)• (2)

где Ыо - потенциал кончика иглы;

р - параметр, характеризующий остроту иглы;

Поперечное сечение параллелепипеда двухслойного диэлектрика в плоскости Х,У

Рис.1

Распределение потенциалов в анизотропном диэлектрике в межэлектродном пространстве игла-плоскость при разных соотношениях ^-оС2 1.оСа=-£; ; 3.рС*=4 >

Рис.2

■¿¿А

-а

и,-,

иг ; £

2 I

Уо

Двухслойный диэлектрик ( ¿¿) пространстве игла-плоскость Рис.3

а

в межэлектродном

О. - расстояние от кончика иглы по оси X, где потенциал считается равным нулю. На основе разработанных алгоритмов был создан комплекс программ для решения разностной задачи для персональных компьютеров (в частности, для компьютера 1Ш АТ 286).

На рис.2 представлены графики распределения потенциалов при различных соотношениях (кривые I 0;1,5; 4). Из рисунка

&ц

видно, что анизотропность диэлектрика ( ¿х><5у) в межэлектродном пространстве игла-плоскость приводит к снижению неравномерности электрического поля пропорционально соотношению

Аналогичная задача решена для двухслойного диэлектр"ика (<5.2 >£i) также в межэлектродном пространстве игла-плоскость (рис.3). Задача представлена в следующем виде:

3zUi. . yUi _п -а<х<а, (3)

0<h<#<H»

2>у2 0<y<h,

I -Рх2

иА =0; ш = и0е , (5)

эх U=M

C>Uz (8)

3=Н

= 4.

Численное решение системы 'уравнений осуществлено с помощью

ЭШ.

На рис.4 показано распределение потенциалов в двухслойном диэлектрике в межэлектродном пространстве игла-плоскость на границе раздела слоев ( И. при различных значениях соотношения <±2- , а на рис.5 показано распределение напряженностей на плоскости, перпендикулярной оси игла-плоскость.

С использованием созданных программ с помощью персонального компьютера получены также графики напряженности и потенциалов электрического поля в системе электродов игла-плоскость на разных плоскостях и эквипотенциальные кривые при разных соотношениях

Ы

Таким образом, расчетным путем показано, что в двухслойной изоляции при в неоднородном электрическом поле имеет

место сглаживание его неоднородности.

На основании вышеприведенного аналитического доказательства о возможности регулирования электрического поля в монолитной полимерной изоляции введением слоя с ЦЦП (диэлектрического барьера с ЦЦП) была поставлена задача практической реализации данного способа.

Для доведения концепции применения диэлектрических барьеров с ЩЩ до ее практического осуществления проведен целый комплекс работ:

- экспериментальная проверка расчетных показателей применения барьеров с ЩЩ;

- определение оптимального состава полимерной композиции для барьерного слоя;

- определение наиболее эффективных соотношений диэлектрических проницаемостей барьерного слоя и основной изоляции;

- определение барьерного эффекта от количества и местонахождения барьеров в изоляции;

-

Я

Рн

к

о о к а д

ч ГО го со а о

со о н к

О Н

е>9<

Расстояние от оси" иглы 7Г,

Распределение потенциалов в двухслойном диэлектрике на__

границе раздела слоев при соотношениях Аг :1—I;2—4;3_20 Рис.4

я &

Н 3 о о

иш

Ч ГО ГО (И

II

0) о н к

ОМ

0,06

О, От

0.02

0,0о

-зс

ч/

4

Расстояние от оси иглы

Расцределение напряяенностей на перпендикулярной оси игла-плоскость при различных соотношениях 1.-1; 2. -4; 3. -10

а

и

«¡7 1,8 <9 2.0 Ц 2,2 2,3 2А 2,5 2,6

- <?„£ -—

I - однородная изоляция; 2 - изоляция с электропроводящим слоем по жиле; 3- изоляция с барьерным слоем по жиле; 4 -- изоляция с двумя барьерами: одним по жиле,другим -промежу-

влияние вида электрического поля (постоянного, переменного, импульсного) на эффективность барьеров и т.д.

В табл.1 приведены результаты определения электрической прочности полиэтиленовых пластин в зависимости от количества и местонахождения диэлектрических барьеров.

Таблица I.

Влияние барьерных слоев на электрическую прочность полиэтиленовых пластин в сильно неоднородном поле

Конструкция и размеры изоляционных пластин, мм, форма электродов

.Описание изоля- .Средняя .Относител

ционной плас- ность^" ная элек"

тины пробоя, трическая

' 5®/ы прочность

10

~Ш2Ш

к

Полиэтилен

марки

107-02К

•10 56

2 М

ЛУУШХУ

'Полиэтйлентэвая пластина с барьерным слоем, сдвинутым в сторону острия

14.55

Г. 0

1,375

2,1-о,к~ 2,2-

I

\АЛААА ААА ХТг ^

шш

I

■Полиэтиленовая пластина с барьерным слоем в середине

12 67

1,20

и

0,3-ц 12

0,85'

Сч.

тш

•Полиэтиленовая 15,0 пластина с двумя симметрично расположенными барьерными слоями

1,42

И3 таблицы видно, что пробивная прочность барьерной изоляции зависит как от количества барьеров, так и от их местонахождения.

Пробивное напряжение повышается при приближении барьера к зоне максимальной неоднородности (к кончику иглы) электрического поля. Нацммере кремнийорганической (КО) резины показано, что наличие барьерного слоя в двухслойной изоляции при системе электродов игла-плоскость (игла контактирует с барьером) повышает пробивную прочность изоляции практически до уровня пробивной прочности этой же изоляции при электродах плоскость-плоскость (диаметр электрода 25 мм).

Установлено, что независимо от материала основной изоляции (полиэтилена, КО резины и т.д.) и местонахождения барьеров наиболее эффективным соотношением следует считать равное чета-рем.

Барьерный эффект обнаружен в толстостенной изоляции также в однородном поле (при электродах шар-шар).

Увеличение электрической прочности полиэтиленовой изоляции с барьерами обнаружено при воздействии импульсного напряжения, а также напряжения постоянного тока (при электропроводимости барьерного слоя выше электропроводимости основной изоляции) как в однородных, так и в неоднородных полях, и, что особенно важно, как при кратковременных, так и при длительных режимах испытаний.

Факт увеличения электрической прочности барьерной изоляции свидетельствует о том, что применяемые барьерные слои, оставаясь электроизоляционными по своим свойствам, способны уменьшить неоднородность поля в основной изоляции независимо от того, создана эта неоднородность внешними или внутренними факторами, т.е. они играют роль квазиэквипотенциальных поверхностей.

"22 "

Сформулированы основные требования к диэлектрическим барьерам с ЩЩ, учитывающие требования к электрическим параметрам

), технологические особенности создания многослойного монолитного полимерного покрытия, а также эксплуатационные требования.

Экспериментально установлено, что барьерные слои с ЩЩ в полиэтиленовой изоляции являются надежной преградой для триингов Устраняя неоднородности и местные перенапряжения электрического поля, они затрудняют зарождение триингов и , являясь квазиэквипотенциальными поверхностями, приостанавливают их дальнейшее развитие. . .

На основании анализа теоретических и экспериментальных исследований показано, что барьеры с ЩЩ, являясь квазиэквипотенциальными слоями, помимо сглаживания неоднородностей электрического поля, фактически делят толстостенную высоковольтную изоляцию на отдельные тонкие слои (последовательно соединенные барьерными слоями), каждый из котор1х функционирует автономно при сохранении монолитности покрытия в целом.

Таким образом, делением толстостенной изоляции с помощью барьеров на тонкие отдельные слои фактически ограничиваются пространства образования объемных зарядов в высоковольтной изоляции и ослабляется "эффект толщины".

Экспериментально показано, что практически чем больше барьерных слоев в изоляции, тем выше ее пробивная прочность. Однако в реальных конструкциях количество барьеров ограничивается прежде всего технологическими возможностями. Поэтому задача наиболее эффективного размещения заданного числа барьеров в изоляции считается важной и актуальной.

' Предложен метод расчета параметров оптимального размещения барьерных слоев при заданном их количестве в высоковольтной

полимерной изоляции. При определении этих параметров за критерий выбрано условие равновероятности пробоя каждого слоя при эксплуатации кабеля. Вероятность пробоя Р слоя изоляции при воздействии электрического поля напряженностью Е в течение времени ■£ описывается, как известно, экстремальным распределением минимальных величин - расцределением..Вёйбула.

ЯМ=1-ехРИЪПШ (9>

где "£.<,, Е-о - соответственно время до пробоя и напряженность -1

поля при Р = I - в = 0^32, коэффициенты "а" и "в" - параметры раопределения, определяемые экспериментально.

Приняв за условие, что для всех слоев изоляции кабеля, разделенных " барьерами, вероятность пробоя всех слоев одинаковая, получена система из "А1" уравнений:

(± \«1(Е _( Ь (ю)

\~todJ \EodJ

¿ = 4, 2,3-- п;

где ~Ь0\_, В01, (XI - параметры распределения С -го слоя, а Е и Е1 максимальные напряженности электрического толя соответственно в гервом и в I -ом слоях.

Из равенства (10) после соответствующих преобразований получена система нелинейных уравнений:

/(ъ+тхО

Г е

Во^-г)

г-£ Г0™'

Ч -Е0(хы-х1)} 1

(II)

где £ - радиус жилы кабеля,= й. - радиус по изоляции, А/- показатель, зависящий от толщины (^ ) слоя и для переменного тока (Л/-определяется по формуле

А/(Б) = ¿5-0,1(2) ;

- Ео&- определяется экспериментально.-

На основе разработанных алгоритмов создан комплекс программ позволяющий для любого заданного числа барьеров определить оптимальные параметры их размещения (радиусы расположения барьеров) внутри изоляции.

Испытания шдельного образца кабеля с изоляцией из полиэтилена с двумя барьерными слоями показали, что наибольшие ресурс и пробивная прочность изоляции получены на тех модельных образцах, где радиусы расположения барьерных слоев наиболее близки к расчетным. И, наоборот, чем больше радиусы отличались от расчетных, тем больше понижались ресурс и пробивная прочность.модельных образцов. Указанное подтверждает верность расчетов.

Помимо вышеизложенного, барьерные слои могут быть применены также для упорядочения электрического поля в изоляции кабеля и в ряде других специфических случаев, например, в случае, когда по условиям эксплуатации в конструкциях высоковольтного кабельного изделия недопустимо применение внешнего электропроводящего слоя, экрана или металлической оболочки и форма электрического поля в изоляции зависит от особенностей окружающего пространства.

В таких случаях расположение барьерного слоя ближе к внешней поверхности изоляции, как показали эксперименты, существенно повышает ее электрическую прочность.

В других случаях, опять-таки, поскольку диэлектрический барьер в системе высоковольтной изоляции обладает свойством квазиэквипотенциальной поверхности, он может быть наложен на токо-проводящую жилу в качестве экрана;дия подавления частичных разрядов в воздушных включениях между жилой и изоляцией. Экспериментально показано, что это приводит к заметному повышению напря-

жения начала.ионизации в таких конструкциях.

В целом, применение диэлектрических барьеров в высоковольтной полимерной изоляции рассматривается как многофункциональный фактор, способный существенно повысить электрическую прочность, ресурс и надежность таких конструкций.

В первой главе приводятся также результаты исследований по созданию равномерных электрических полей в высоковольтной изоляции осесимметричной конструкции.

В идеальном случае для создания равномерного электрического поля в высоковольтной изоляции осесимметричных кабелей необходимо ввести в полимерную изоляцию барьерные слои, толщина которых должна стремиться к нулю, а количество их - к бесконечности. При этом в радиальном направлении должно соблюдаться условие

= Приблизиться к этому условию можно введением в по-

лимерную изоляцию порошкового вещества с высокой диэлектрической проницаешстыо с соблюдением условия за отет соот_

ветствующего изменения его концентрации в радиальном направлении.

Разработаны способы получения такой изоляции (с непрерывным градированием) в лабораторных условиях. Перераспределение наполнителя с высокой диэлектрической проницаемостью (02 ) осуществлено в расплаве полимера в электрическом поле за счет возникающих при этом пандеромоторных сил.

Наиболее эффективным оказался способ перераспределения порошка сверхвысокочастотных ферритов-гранатов в расплаве сю: (композиции полиэтилена с полиэтиленовым.воском, эпоксидной смолы) под действием электромагнитного поля. При этом силы, воздействующие на частицы феррита, оказались достаточными для обеспечения условия

Создана лабораторная установка и разработан метод расчета технологических режимов процесса непрерывного градирования эпок-

сидной изоляции. Исследование полученных образцов показало, что условие ¿-"2 —С-оп 5 Ь. щш атом соблюдалось с точностью до ¿8 %. Благодаря тому, что ферритовый наполнитель, обладая высокой диэлектрической цроницаемостъю, одновременно.имеет достаточно высокое объемное сопротивление, композиции с применением его имеют достаточно высокие электроизоляционные свойства, что позволяет использование их в качестве высоковольтной изоляции.

К недостаткам описанного способа непрерывного градирования следует отнести необходимость пропускания больших токов (порядка нескольких килоампер) по жиле (внутреннему электроду) с целью получения электромагнитного поля достаточной мощности, что создает трудности в применении к длинномерным изделиям.

Скорее всего этот способ найдет применение в производстве таких высоковольтных устройств;как дисковые и стержневые распорки распределительных устройств и токопроводов с элегазовой изоляцией, проходные изоляторы и т.д. Для применения этого способа в кабельной технике предстоит решение еще целого ряда весьма сложных задач.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке конструкции высоковольтных силовых (выводных) проводов с барьерной изоляцией для мощных электрических машин.на напряжения 6,6 и II кВ с рабочей температурой не ниже 130 °С.

Для электрических машин такого типа в нашей стране применялся провод марки ПРГ_6000 с рабочей температурой 70 °С. Провода марок ПВКФ-6 и ПВКФЭ-Ю с щюмнийорганической резиновой изоляцией не применялись из-за их.высокой материалоемкости и, как следствие, высокой стоишсти.

На основании анализа технических требований, предъявляемых к проводам, и с учетом технологических особенностей выбрана конструкция разработанного провода (марки ПВБсК) с изоляцией из

кремнийорганической резины с двумя диэлектрическими барьерами с диэлектрической проницаемостью, равной 12 (диэлектрическая проницаемость КО резины составляла 3,1).

В качестве барьерного слоя была применена резиновая смесь на основе КО каучука, наполненного двуокисью титана.

По результатам сравнительных испытаний пробивной прочности (табл.2) образцов разных конструкций наилучшими показателями отличались образцы провода с двумя барьерными слоями, хотя по среднему градиенту напряжения эти образцы шло отличаются друг от друга из-за незначительной разницы в толщине изоляционных покрн— 'тай.

Таблица 2

Кратковременная электрическая прочность образцов силовых (выводных) цроводов с изоляцией из кремнийорганической резины марки К_69

Конструкция изоляционного покрытия

Диаметр Наружный Общая Напряже-токопро- диаметр толщина ние проводящей провода, изоля- боя, кВ жилы, мм ции, мм мм

1. Однослойная (аналогичная японскому стандарту

3315-1983) 4.5 14,6

2. Электропроводящей слой по жиле толщиной I 0 мм,

9

■ сверху-изоляция (ПВКФ_10) 4,5 15^0

3. Барьерный слой по жиле толщиной 0,7 мм, сверху -

- изоляция 4,5 14,5

4. Барьерный олой по жиле толщиной 0 5 мм, изоляция толщиной 2,5 мм» барьерный слой толщиной 0,5 мм, изоляция толщиной 0,8 мм 6^3 17,5

5.05 53

5.25 57.2

5 0 73

5,63 86

На рис.6 приведено распределение пробивной напряженности при старении вышеуказанных образцов провод© по методу совмещенного закона электрического старения изоляции. Из рисунка видно, что провод с двумя барьерными слоями по пробивной напряженности превосходит провод с полупроводящим экраном (ПВКФЛО) на 47 %, а провод с однослойной изоляцией (типа японских проводов) - на 65 %.

По результатам параллельно цроведенных ресурсных испытаний разработанный провод марки ПВБсК_11 кВ обеспечивает ресурс 35^ лет С5гвЛЛ= П4 лет.'Еэля 52,3 лет) цри общей толщине изоляционного пощюва с двумя диэлектрическими барьерами 6 2 ш, в то время как провод марки ПВКФ_10 кВ (серийный) с электропроводящим экраном цри общей толщине изоляционного.покрова 8,0 мм обеспечивает ресурс 23,3 года {Ф-геп*. - П4 лет.'Щ,^ 29(3 лет). Ресурс проводов марок ПВКФ.6 (серийных) и ПВБсК-6,6 практически одинаков (75 лет) цри толщине в первом случае 6,0, во втором -- всего 42 мм.

Таким образом, на примере силовых проводов с изоляцией из КО резины с двумя диэлектрическими барьерами полностью подтверждены теоретические цедшзжшия, приведенные в первой главе."

Серийное производство нового высокоэкономичного провода марки ПВБсК-6,6 и ПВБсК-П с барьерной изоляцией с 1989 года организовано на Опытном заводе ЕФ ВНИИКП.

В третьей главе излагаются основные задачи и особенности применения слоистых изоляционных и защитных покрытий в конструкциях низковольтных кабельных изделий. Приведены результаты исследований созданного на этой основе целого ряда низковольтных кабельных изделий.

Концепция создания низковольтных кабельных изделий с многослойными изоляционными и защитными П01фытиями, позволяющая су-

щественно расширить возможности создания высокоэкономичных изделий с заданными технологическими параметрами, заключается в распределении функций покрытия по слоям, интеграции свойств путем создания монолитности слоев с учетом их взаимного влияния.

При переходе от однослойных покрытий к многослойным появляется целый ряд новых факторов, резко расширяющих возможности конструирования новых кабельных изделий с применением практически тех же используемых материалов. К ним относятся:

выбор чередования слоев в покрытии и регулирование соотношения их толщины;

выбор, а при необходимости модификация материалов слоев для достижения необходимого их взаимного влияния.

Уместно отметить, что применение метода расцределения функций по слоям позволяет избегать компромиссшх решений цри выборе материалов для каждого слоя с определенными свойствами и выбирать материалы со свойствами, необходимыми конкретно для данного слоя, чем значительно сужается диапазон требований к материалу; это облегчает, с одной стороны, выбор материала, а с другой - его модификацию в соответствии с требованиями, предъявляемыми к данному слою.

Исследования и конструирование низковольтных кабельных изделий со слоистыми покрытиями осуществлялось тремя способами:

применением слоистах покрытий с распределением функций по слоям из однородных совместимых полимеров;

применением слоистых покрытий с распределением функций ш слоям из разнородных несовместимых материалов;

применением слоистых покрытий с распределением функций по слоям с модификацией слоев с целью направленного усиления взаимного влияния слоев.

С использованием вышеизложенного разработаны и успешно внед-

-ЗОрены в производство следующие высокоэкономичные кабельные изделия с повышенными ресурсом и надежностью:

1. Не распространяющие горение контрольные кабели с двухслойной ПВХ-оболочкой для атомных электростанций.

Особенность новых конструкций контрольных кабелей марок КПоБОВ и КПоЭОВ заключается в том, что свинцовая оболочка заменена двухслойной ПВХ-оболочкой с распределением функций по слоям. Внутренний слой из модифицированного ПВХ-пластиката обеспечивает функцию огнегашения, а второй - функции влагозащиты, механической защиты и др.

Такое разделение функций позволяет при модификации ПВХ-пластиката для внутреннего слоя ввести в состав большое количество антипиренов, не принимая во внимание ухудшение таких параметров, как прочность при разрыве, эластичность и др., поскольку эти свойства обеспечиваются верхним слоем.

Возможность введения большого количества антипиренов обеспечивает гашение огня в местах возгорания кабеля за счет выделяемых негорючих газов. С учетом этого созданы рецептуры и технология изготовления огнегасящего материала, а производство его организовано на опытном заводе Ереванского филиала ВНИИКП. Серийное производство контрольных кабелей освоено на заводе "Подольсккабель".

2. Силовые кабели марок НРГ, АНРГ с двухслойной негорючей резиновой оболочкой.

Резина на основе хлоропреновых каучуков отличается сочетанием ряда ценных свойств (негорючести, светостойкости, маслостой-кости, высокой механической прочности), что затрудняет возможность замены этого дефицитного и дорогостоящего материала другим более доступным.

Предложена резиновая двухслойная оболочка взамен однослойной на основе хлоропренового каучука. При этом функции маслостой-

кости и светостойкости обеспечиваются наружным резиновым слоем на основе хлоропренового каучука (ШН-40, ШН—50}, а внутренний слой - на основе диеновых каучуков с содержанием антипиренов и небольшого количества (5*7 %) хлоропренового каучука - выполняет все функции защитного покрова, 1фоме светостойкости и маслостой-кости, которые для внутреннего слоя по условиям эксплуатации и не требуются.

Отсутствие требований по светостойкости к внутреннему слою оболочки позволило исключить из рецептуры резины этого слоя углеродистую сажу и обеспечить высокие диэлектрические свойства. Таким образом, двухслойная оболочка играет роль и поясной изоляции, чем повышается надежность кабелей.

Созданная рецептура внутреннего слоя оболочки позволила значительно сократить использование хлоропренового каучука с обеспечением требуемых ыаслостойкости и горючести оболочек из хлоропрена с одновременным повышением их надежности и снижением себестоимости.

Производство кабелей марок ННГ, АНРГ с двухслойной изоляцией организовано на заводе "Ереванкабель".

3. Провода силовые нагревостойкие для выводов электрических машин серии 4А..

К изоляции этих проводов, исходя из условий их монтажа, предъявляются взаимоисключающие требования: изоляция провода должна быть гибкой и эластичной и одновременно должна выдержать большие механические усилия на продавливание. В конструкции разработанного провода марки ПВКФ с учетом всех предъявляемых требований применена двухслойная изоляция из КО резины марки К_69 (модифицированной) и фторсилоксановой резины марки ФС-55-2.

Высокая механическая прочность, изоляции обеспечена применением высоконаполненной (белой сажей, травертином) КО резины в ка-

честве внутреннего слоя. С целью обеспечения необходимой эластичности изоляционного покрова и его ыаслобензостойкости наружный слой накладывается из фгорснлоксановой резины. Интеграция свойств двух слоев осуществлена путем одновременного их наложения с помощью сдвоенных червячных прессов и совместной вулканизации.

Оптимальное соотношение слоев выбрано из условий технологической и эксплуатационной надежности проводов.

Серийное производство проводов трех модификаций организовано на 03 ЕФ ЕНИИКП, на заводах "Электропровод" и "Камокабель". Выпуском этих проводов полностью обеспечена потребность электромашиностроения страны в проводах классов "Р" и "Н" для единой серии двигателей 4А.

4. Силовые (выводные) провода с комбинированной из разнородных материалов изоляцией.

Применение двухслойной (шогослойной) изоляции из разнородных материалов (например, из резин и пластмасс) существенно расширяет возможности конструкторов и технологов в создании изделий с заранее заданными свойствами.

Основной проблемой при этом является получение монолитных покрытий из разнородных материалов таких, как пластмасса и резина.

В работе приводится способ получения многослойных монолитных покрытий из разнородных несовместимых материалов на примере вулканизующегося полиэтилена и кремнийорганических резиновых смесей.

Слои разных полимеров - фактически отдельные фазы, имеющие общую поверхность контакта. Повышению межфазной адгезии кардинально способствует образование межфазных химических связей, что само по себе проблематично.

Задача в данном случае решена введением в модифицированные

композиции обоих слоев (вулканизующийся полиэтилен и КО резиновую смесь) сенсибилизатора вулканизации (триаллилцианурата-ТАЦ или триаллилизоцианурата - ТАИЦ). При этом необходимо, чтобы применяемый сенсибилизатор являлся эффективным для композиций обоих слоев.

На основании теоретических исследований, подтвержденных экспериментами, а также результатов инфракрасной спектроскопии доказано, что ТАЦ-содержащие полиэтиленовая и кремнийорганичес-кая композиции при совместной вулканизации превращаются в шно-лит с образованием межфазных химических связей.

По результатам термогравиметрических испытаний разработанная композиция вулканизующегося полиэтилена имеет .сравнительно высокие теплофизические характеристики, и при сращивании с КО резиной в изоляционных конструкциях благодаря резкому ограничению доступа кислорода рабочая температура ее повышается до 130

На этой базе создан провод силовой (выводной) марки ПВКФ-М для электрических машин нагревостойкостыо 130 °С.

Проведан комплекс работ по модификации вышеуказанных материалов, созданию технологии совместного наложения комбинированной изоляции и совместной вулканизации в среде жидкого теплоносителя под избыточным давлением до трех атмосфер, созданию специального горизонтального агрегата непрерывной вулканизации (ГАНВ).

Промышленное производство нового провода организовано на 03 ЕФ ВНИИКП.

Четвертая глава посвящена проблеме создания кабельных изделий с двухслойной пластмассовой изоляцией с учетом и регулированием взаимного влияния слоев.

Характерным примером конструирования кабельных изделий со слоистыми изоляционными и защитными покрытиями с учетом взаимно-

го влияния слоев является применение двухслойных покрытий из термопластичных содержащих пластификатор полимеров, например, поливинилхлоридного пластиката.

При эксплуатации состояние и работоспособность ПВХ-покры-тий однозначно зависят от степени потерь пластификатора. По принятой методике ресурс ПВХ-изоляции определяется именно зависимостью потерь пластификатора от времени.

В работе показано, что десорбция пластификатора зависит как от степени наполнения ПВХ наполнителями (мелом, каолином, тальком), так и от процентного содержания пластификатора в ПВХ.

В конечном итоге ресурс однослойного кабельного изоляционного или защитного покрытия из ПВХ зависит от степени содержания в нем пластификатора, наполнителей и типов применяемых стабилизаторов.

Исходя из того, что количество вводимых в ПВХ пластификаторов и наполнителей ограничено (т.к. при чрезмерном наполнении непременно ухудшаются другие важные параметры материала) и управлять ресурсом ПВХ-пластикатов таким способом неперспективно, в работе выдвинута идея: вместо однослойных применять двухслойные покрытия из ПВХ разных модификаций. В качестве внутреннего слоя применяется высоконаполненный. пластикат с повышенным содержанием пластификатора.и мела, который является как бы подпитывающим слоем. Материал наружного слоя выбирается из обычных ПВХ-плас тикатов, который, обеспечивая предъявляемые технические требования, одновременно является барьером для десорбции пластификатора из внутреннего слоя. Таким образом, в данном случае появляются новые возможности регулирования процесса взаимного влияния слоев и, в конечном счете, возможности регулирования технических характеристик кабельного изделия (в частности, параметров его надежности). Экспериментально изучены как характеристики модифициро-

ванных ПВХ-пластикатов, так и общие характеристики двухслойных систем и показано, что при учете всех выявленных особенностей по сравнению с однослойным покрытием появляются новые возможности снижения полимероемкости и радикального повышения ресурса изделий, а именно:

- регулирование соотношения концентраций пластификатора в слоях;

- регулирование соотношения толщин слоев;

- выбор типа и количества наполнителя для внутреннего слоя.

На основе изучения процессов изотермического старения двухслойных ПВХ-покрытий путем математического моделирования получено уравнение зависимости концентрации пластификатора (С ) в наружном слое от времени изотермического старения )•

С=Со-(1-Со)К^,

где Со - начальная концентрация пластификатора, Кс - константа скорости десорбции наружного слоя.

По результатам исследований разработан РД16.495-88 "Методика определения показателей надежности кабельных изделий с двухслойной изоляцией (оболочкой) из ПВХ-лластикатов".

Разработанная методика позволяет расчитать параметре надежности кабельных изделий с двухслойной ПВХ-изоляцией и оболочкой с учетом взаимного влияния слоев, правильно оценить и выбрать рецептуры ПВХ-пластикатов для внутреннего и наружного слоев, а также целенаправленно управлять их свойствами (за счет вводимых ингредиентов) с целью достижения их оптимального взаимного влияния и максимальных значений параметров надежности.

Методика позволяет также выбрать оптимальные конструктивные и технологические параметры двухслойной изоляции из ПВХ-пластикатов.

На основании полученных результатов по оптимизации парамет-

ров наполненного ПВХ созданы рецептуры пластикатов марок ИМ-30_9, ИМ-40-8 и ИОМ-40-8 для внутреннего слоя изоляционных и защитных покрытий с содержанием мела 100 ыасс.ч и пластификаторг 90 масс.ч.

Промышленное производство пластикатов организовано на Владимирском химзаводе. Производство силовых проводов с двухслойное ПВХ-изоляцией освоено на Опытном заводе ЕФ ВНИИКП, заводах "Кавказкабель", "Грузкабель", а силового кабеля марки ВЗГД-650 -- на Опытном заводе Е'5 ВНИЖП.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволили при разработке кабельных изделий с двухслойной ПВХ-изоляцией (оболочкой) ввести коррективы по показателям надежности в соответствующую нормативно-техническую документацию. Так, срок службы проводов марок 1ЩЦ, АПВД по сравнению со сроком службы проводов марок ПВ, АПВ с однослойной изоляцией увеличен с 15 до 25 лет, а силового кабеля марки ВВ1Д на напряже-нш до I кВ ло сравнению с кабелем марки ВЗГ - с 30 до 40 лет.

Пятая глава посвящена проблемам создания и внедрения нестандартного оборудования и технологии производства кабельных изделий с многослойной полимерной изоляцией.

При наложении многослойной полимерной изоляции (оболочки) центральное место занимают экструзионные головки. На основании анализа существующих за рубежом экструзионных головок и собственных исследований создан и внедрен в цроизводство ряд экструзионных головок (табл.3) одновременного двухслойного и четырехслой-ного наложения изоляции и оболочек из резин, пластмасс, а также комбинированной изоляции (полиэтилен+кремнийорганическая резина). Разработана также головка одновременного шестислойного наложения высоковольтной полиэтиленовой изоляции с диэлектрическими барьерами.

Таблица 3

Технологическое оборудование, созданное и внедренное для организации производства кабельных изделий со слоистой изоляцией (оболочкой) . . . -

Наименование оборудования, узлов и агрегатов

Завода внедрения Примечание

1. Поточная линия по производству проводов с двух-и четырехслойной кремний-

• органической изоляцией 03 ЕФ ЗНИИКП

2. ГАНВ для производства силовых проводов с двухслойной комбинированной изоляцией

3. АНВ по производству кабельных изделий с двухслойной резиновой изоляцией

4. Линия по производству кабельных изделий с двухслойной кремний-органической изоляцией

5. Линия по производству проводов с двухслой-слойной ПВХ-изоляцией

6. ГоЛОВКИ двухслойного наложения изоляции и оболочек из пластмасс и резины

03 ЕФ ВНИИКП

"Ереванкабель" 03 ЕФ ВНИИКП "Электропровод" "Кашкабель"

03 ЕФ ВНИИКП "Груз кабель" "Кавказкабель" 03 ЕФ ВНИИКП "Электропровод" "Молдавкабель" "Укркабель" "Ереванкабель" "Камокабель"

Экономический эффект от внедрения нового технологического оборудования и оснастки цро-является цри выпуске изделий

С использованием созданных экструзионных головок созданы технологические линии по производству кабельных изделий (табл.3) различного назначения с двухслойной и четырехслойной изоляцией. На основании изучения реологических свойств КО резины, вул-

канизущегося полиэтилена и их модификаций, а также с учетом технологических особенностей процесса наложения двухслойной комбинированной изоляции создан и освоен горизонтальный агрегат непрерывной вулканизации в среда жидкого теплоносителя (ГАНВ).

Изучены и установлены технологические, тепловые режимы наложения и вулканизации двухслойной комбинированной изоляции на ГАНВ.

Для наложения высоковольтной изоляции с применением КО резин и барьерных слоев на основе кремнийорганических каучуков разработана специальная технологическая линия, которая обеспечивает непрерывное наложение четырехслойной барьерной изоляции и вулканизацию в воздушной камере силовых проводов на напряжения 6,6 и II кВ сечениями 10+120 ш?.

Приводятся принципы работы и технологические характеристики линии.

Разработанное технологическое оборудование внедрено на ряде кабельных заводов страны (табл.3).

Шестая глава посвящена анализу полученных технико-энономи-ческих'показателей, достигнутых практической реализацией результатов настоящей работы.

Показано, что идея создания и применения многослойных изоляционных и защитных полимерных покрытий в кабельных конструкциях успешно реализуется только при комплексном решении целого ряда технологических, материаловедческих и конструкторских проблем. -Так, дая создания и внедрения новых видов силовых(выводных) цро-водов, силовых проводов для электроустановок, силовых кабелей с резиновой и пластмассовой изоляцией, контрольных кабелей, высоковольтных силовых (выводных) проводов были разработаны новые принципы их конструирования, новые модифицированные изоляционные и защитные материалы, технология и технологическое оборудование,

метода расчета, исследования и оценки созданных конструкций.

Приводятся технико-экономические показатели разработанных и освоенных на заводах страны кабельных изделий с двухслойными и

многослойными п01фытия1ли.

Анализ показывает, что применение многослойной изоляции с распределением функций по слоям значительно расширяет возможности выбора и модификации материалов и, как правило, приводит к существенное экономическому эффекту. Приводится перечень ряда модифицированных материалов, разработанных и освоенных для реализации поставленных задач.

Общий экономический эффект от реализации достигнутых научных результатов составляет более 20,0 млн.рублей при учете объели выпуска изделий только за первые пять лет внедрения (табл.4).

Таблица 4

Основные виды кабельных изделий со слоистой изоляцией (оболочкой), внедренных в производство, и экономический эффект от их внедрения

Начало серийного производства, заводы-изготовители

Экономический эффект от внедрения,тыс.руб.

1977, 03 ВНШЖП 5180,0

1978, 03 ВНШЖП 13000,0 "Электропровод" "Каюкабель"

1987,"Камокабель" 863,0 ПО "Гегама"

1989, 03 т ВНИИКП

370 О

Наименование изделий

Марка, ГОСТ, ТУ

1. Провод силовой ПВКФ (выводной)

2. Провод силовой ПВКФ-660 (выводной) гиб- ТУ16.К80-кий -09.90

3. Провод силовой ПВКФ-660 (выводной) еи6— ПВКФ-380 кий с примене- ТУ16.К80-нием этилана -09-90

4. Провод выводной ПВБсК

на напряжения ТУ16.К80-

6 6 и II кВ -04_89

Продолжение габ л.4

Наименование изделий

Марка, ГОСТ, ТУ

Начало серийного производства, заводы-изготовители

Экономический эффект от внедрения,тыс.руб.

5. Кабели контрольные для АЭС с изоляцией из облученного полиэтилена

6. Провода с двухслойной изоляцией для электрических установок с ПВХ-изо-ляцией

КПоБОВ КПоЭОВ ТУ16-505. 349.81

ПВ,АПВ,ПЕЩ, АПВД

ТУ16.К80--08.89

1986-1987 "Подольскка бель"

1987,03 ЕФ ВНИИКП

"Грузкабель" . "Кавказкабель"

428 О

200 О

ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований, а также изучения мировой црактики сформулированы и широко реализованы методы конструирования и црименения многослойных изоляционных и защитных полимерных юнолигных покрытий с распределением функций по слоям с учетом активного направленного взаимного влияния слоев с интеграцией их свойств путем обеспечения шнолитности

I. Рассмотрено црименение многослойных полимерных покрытий в трех основных аспектах:

а) исследование, создание и введение в полимерную монолитную изоляцию слоев повышенной диэлектрической проницаемости (ЦДЛ) с целью регулирования элекгричеснэго поля в изоляции, повышения надежности и качества изоляции;

б) исследование, создание и применение слоистых шнолитных полимерных покрытий из однородных и разнородных материалов;

в) исследование, создание и применение полимерных слоистых покрытий из модифицированных пластифицированных полимеров (на примере ПВХ-пластикатов) с учетом активного взаимного влияния слоев.

2. Теоретически и экспериментально изучено влияние слоистых диэлектрических барьеров с ПДП на перераспределение электрического поля в высоковольтной полимерной изоляции.

Аналитическим путем показано, что введение этих барьеров в изоляцию создает анизотропию, при которой диэлектрическая проницаемость изоляции в перпендикулярном слоям направлении растет медленнее, чем в направлении границ раздела слоев. Это и приводст к смягчению или полной нейтрализации неоднородносгей электрического поля в изоляции.

3. Экспериментально подтверждено, что диэлектрические барьеры с ПДП в высоковольтной изоляции выступают как квазиэквипотенциальные слои, что способствует нейтрализации местных перенапря-женностей, приостанавливает развитие триикгов в изоляции, повышает ресурс и надежность изоляции. Эти барьеры делят толстостенную высоковольтную полимерную изоляцию на тонкие слои, чем устраняется "эффект толщины" и уменьшается возможность образования в изоляции объемных зарядов.

4. Предложен метод расчета параметров оптимального расположения барьеров в высоковольтной полимерной изоляции кабелей, исходя из условия одинаковой надежности межбарьерных слоев.'

5. Определены основные требования к конструкции высоковольтных кабелей с полимерной изоляцией с барьерами ПДП, т.е. требования к свойствам барьерного слоя, оптимальное соотношение диэлектрической проницаемости барьера и основной изоляции.

6. Разработаны композиция для барьерных слоев с ПДП, технология и устройство одновременного наложения многослойной полимер-

рой изоляции с барьерами.

7. Разработан высоковольтный силовой провод с барьерной изоляцией на 6,6 и II кВ марки ПВБсК повышенной надежности с уменьшенной толщиной изоляции (по сравнению с проводом марки ПВКФ-6, ПНКФ-10 и проводами по японскому стандарту) для крупных электрических машин и организовано его серийное производство.

8. Предложен и реализован метод непрерывного градирования высоковольтной полимерной изоляции с помощью электрических и магнитных полей.

Метод позволяет создать в осесимметричных конструкциях градированную изоляцию, удовлетворяющую требованию

9. Разработаны принципы конструирования, новые технологические процессы и.модифицированные материалы для создания высокоэффективных высоконадежных низковольтных кабельных изделий с двухслойной монолитной изоляцией с распределением функций по слоям и с учетом их активного взаимного влияния.

10. Изучен и предложен механизм совулканизацяи композиций на основе разнородных несовместимых полимеров (на примере полиэтилена и кремнийорганического каучука), изучен характер связи как в самих слоях, так и на границе их раздела, создан способ сращивания слоев из ^разнородных материалов.

11. Еыявлена возможность регулирования процессов десорбции пластификатора в двухслойных ПВХ-покрытиях с помощью трех возникающих при этом факторов: соотношения концентраций пластификатора в слоях, концентрации наполнителя во внутреннем слое покрытия, соотношения толщины слоев. С помощью регулирования указанных параметров удалось повысить ресурс кабельных изделий, снизить их полимероемкость.

12.Создана подотраслевая методика (РД16.495-88) определе-

ния показателей яадэжносгя кабельных двухслойных покрытий из ПВХ-пластмасс, позволяющая не только определять эти показатели, но и создавать оптимальные.конструкции экономичных кабельных изделий.с повышенным ресурсом. .. .

13. Реализованы способы применения многослойных кабельных покрытий благодаря комплексному решению целого ряда материаловед-ческих и технологических проблем и созданию ряда новых модифицированных материалов и тшов кабельного технологического оборудования и оснастки, как-то: высоконаполненных ПВХ-пластикатов, огнегасящей композиции на основе ДВХ, вулканизующейся композиции на основе полиэтилена, высоконаполненной КО резины, маслостойкой КО резины и др., а также технологических линий для наложения двухслойной КО изоляции, ЛШВ для наложения двухслойной резиновой изоляции и оболочки, горизонтального агрегата непрерывной вулканизации (ГАНВ) для наложения комбинированной, изоляции, поточной линии для производства кабельных изделий с двухслойной и четырехслойной ¡фемнийорганкческой изоляцией (в том числе, с барьерами), экструзионных головок двухслойного наложения изоляции и оболочки из резин и пластикатов,. головки для наложения четырехслойной барьерной изоляции и др. Вышеуказанные материалы и оборудование внедрены на следующих заводах: 03 ЕФ ВНИИКП, Трузкабель", "Электропровод", "Кавказкабель","Молдавкабель", "Укркабель", "Ереванкабель", "Кашкабель".

Для реализации этих работ было использовано 16 изобретений

автора... .....

.. . Результаты работы по диссертации нашли отражение в 48 печатных работах.

15. Общий экономический эффект от внедрения разработок составляет более 20,0 млн.руб..■

16. Применение многослойных покрытий - весьма перспективное и эффективное.направление в развитии электроизоляционной и кабельной техники, возможности которого многогранны и далеко не исчерпаны.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Казанчян Г.П. Установочные-провода с резиновой изоляцие: в негорючей наиритовой оболочке без защитной оплетки.- Ереван, Арм.Инти, 1967.

2. Маркосян М.М., Казанчян Г.П., Атабекян Л.Г. Перспективы развития кремнийорганических и фгорсилоксановых'резин //Тез.док научно-технического семинара "Основные направления развития уровня электроизоляционной техники на 1976-1980 г.г." -Секция электрической изоляции ЦПНТОЭ и Ш Ереван, 1974 г.

3. А.с.606870 СССР 14.12.76 Резиновая смесь на .основе вини силоксанового каучука /Казанчян Г.П. и др. Не публ.

4. А.с.710080 СССР 1.06.77 Электрический провод с двух слой ной изоляцией /Казанчян Г.П., Атабекян Д.Г., Маркосян М.М., Дат рян Б.Ы. и др.

5. А.с.772177 СССР 2.II.78 Композиция на основе полиэтилен низкой плотности /Казанчян Г.П., 0ганесян К.Г., Митарджян D.E. и др. Не публ.

6. A.c. 690985 СССР 6.01.78 Способ изготовления кабельных изделий /Казанчян Г.П., Оганесян К.Г., Бароева И.М., Хачатрян P.A. Не публ.

7. Казанчян Г.П., Атабекян Л.Г. Проблемы создания нагрево-стойких выводных проводов и перспективы улучшения их эксплуатационных показателей //Тез.докл. Международной конференции "Иссл дование и разработка асинхронных двигателей". -Владимир, 1978.

8. Казанчян Г.П., Атабекян Л.Г. Проблемы создания нагрево-стойких выводных проводов и перспективы улучшения их эксплуатационных показателей //Тез.докл. Международной конференции'"Иссл дование и разработка • асинхронных двигателей"г -г.Владимир, 1978

9. Атабекян Л.Г:, Казанчян Т.П. Нагревостойкие выводные провода, -НГС ЭП сер.Кабельная техника, 1978, гё II.

10. Авакян Ю.В.,. Казанчян Г.П. Светостойкость электроизоляционных материалов. -М.: Энергия, 1978 г.

11. A.c. 817749 СССР 5.02.79 Электрический кабель /Казанчш;

\П., Кабалян Ю.К., Алтунян К.О.

12. А.с.II90816 СССР 17.II.81 Электроизоляционная кошози-(ия /Казанчян Г.П., Селимян А.Е., Атабекян'Л.Г. и др. Не публ.

13. Казанчян Г.П. Экономят кабельщики. -Промышленность Ар-гении. 1981,' JS 2.

14.-A.c. 1072108 СССР 14.11.82 Электрический: кабель /Казан-ян Г.П;, Мхитарян М.Ы., Шагинян С.А., Бакунц A.A.'

15. Атабекян 1.Г., Датурян Б.Ы., Казанчян Т.П. Снижение материалоемкости и повышение надежности кабельных изделий при исполь-овании многослойной изоляции. НТС Электротехническая промышлен-ость. сер.Кабельная техника, М., 1982, J5 9.

16. Атабекян Л.Г., Казанчян Г.П. Проблемы создания выводных роводов с монолитной двухслойной изоляцией для электрических ашин //Доклад на международной конференции "Элизот-кабель-82". олгария, Варна, 1982.

17. Казанчян Г.П. Основные направления работ Ереванского гделения ВНИЖП. -НТС ЭП сер.Кабельная техника, 1982, вып.9 211). "

18. A.c. I335021 СССР 17.02.83 Способ изготовления"многослой-эго электроизоляционного материала /Казанчян Г.П. и др. Не публ.

19. Казанчян Г.П. Теоретические и практические аспекты приме-зния многослойных полимерных покрытий в кабельной технике. Док-ад на международной конференции "Элизот-кабель-85" Болгария, арна, 1985 г.

20. A.c. I4595I2 СССР 20.11.86 Высоковольтная полимерная ■ юистая монолитная электрическая изоляция /Казанчян Г.П., Пеш-)в И.Б., Ликах С.<5.

21. A.c. 1370670 СССР 26.03.86 Способ изготовления цилиндри-¡ской высоковольтной изоляции /Казанчян Г.П., Карапетян М.А., глков И.Б., Караханян Л.О., Ликах С.З., Шагян А.Г.

22. A.c. I3629I7•СССР 26.03.86 Кабельное изделие /Казанчян Г.П. ипков И.Б., Адамян P.M., Брагинский Р.Н.

23. A.c. I4I2998 СССР 28.04.86 Способ получения двухслойного-оляционного покрытия /Казанчян Г.П., Датурян Б.М., Атабекян Л.Г. др.

24". A.ö.'I350S65 СССР 14.02.86 Состав для оболочки кабеля азанчян Г.П., Шагинян С.А. и др* '

25. Кабалян Ю.К., Казанчян Г.П.", Мещанов Г.И., Элазян С.С. здание силовых и контрольных кабелей с повышенным сроком экс-

плуатации с удовлетворением требований по нераспространению гор Лия //Тез.докл.Всесоюзного научно-технического совещания "Разра^ ботка, исследования и эксплуатационные испытания изоляции кабел ных изделий!!-ноябрь'1986 г. ..... •

26. Алтунян К.О., Кабалян Ю.К., Казанчян Г.П., Шагинян С.А. Пути повышения огнестойкости кабельных изделий с-применением огнегасящпх полимерных композиций //Тез.докл.Всесоюзного научно-технического совещания "Разработка, исследования и эксплуатационные испытания изоляции кабельных изделий", -г¿Ереван, 1986 г.

27. Адамян P.M., Алтунян К.О., Кабалян Ю.К., Казанчян Г.П. Провода с двухслойной изоляцией на основе высоконаполненных пластикатов'//Тез.докл.Всесоюзного научно-технического совевднш "Разработка, исследования и эксплуатационные испытания изоляции кабельных изделий! -г.Ереван,1986 г. ■ ■

28. Казанчян Г.П., Пешков И.Б., Ликах С.Ф. Непрерывное град: рование в монолитной полимерной изоляции.' -Электричество, 1987 : JJ II.

29. Казанчян Г.П., Алтунян К.О., Кабалян Ю.К., Шагинян С.А. Огнегасящая полимерная композиция для кабелей. -Промышленность, строительство и архитектура Армении. 1987, й-II; с.64-66.

30. Казанчян Г.П., Датурян Б.М., Ликах С.Ф., Адамян A.C., Адамян P.M. Технология и оборудование для нанесения многослойно] изоляции //Сборник докладов международной конференции "Новые те: нологические процессы, перспективное оборудование и компл^Ьная автоматизация кабельного оборудования", 1987 г., ноябрь, г.Ереван, Интерэлектро.

31. A.c. 1636866 СССР 29,03.88 Способ-изготовления электрического кабеля. /Казанчян Г^П., Шагинян С.А. и др.

32.-Казанчян Г.П., Датурян Б.М., Гзырян Н.Г., Адамян P.M., Ликах С.Ф. Работы по созданию многослойных изоляционных покрытй с использованием материалов патентной и научно-технической инфо; мации //Тез.докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Роль рационализации, изобретательства и научно-технической информации в производстве табельной продукции". -Москва, 1988 г.

33. Крыжановски£ В.О., Казанчян Г.П., Адамян P.M. Использование математического метода для описания процесса старения ПВХ--пластиката. -М., Пластические массы. 1988, Уе 12.

34. Казанчян Г.П., Датурян Б.М., Киноян Ф.С., Акопян Л.А. Роль сенсибилизаторов сшивания в межфазных реакциях в многослой

ных композициях из несовместимых полимеров. -"Армянский химический'журнал", АН- Арм.ССР, IS8S г. XLII, JS 4,35. Казанчян Т.П., Датурян Б.1,1., Акопян Л.А. Отетерофазных реакциях при полимеризации триаллиловых соединений, содержащихся в шогослойных полимерных системах в качестве соагента сшивания //Тез.докл. Всесоюзной конференции "Радикальная полимеризация". - АН СССР Горький, 1989 г." -

36. Казанчян Т.П., Алтунян К.О., Адаьян P.M., Кабалян Ю.К. Двухслойная изоляция для'кабельных изделий. -Промышленность Армении. 1989 г., J& 4, с.31-34.•

■37. Казанчян Г.П., Пешков И.Б., Адамян P.M. Пути повышения ресурса кабельных изделий с двухслойной поливинилхлоридной изоляцией. "Электротехника" 1989, J2 2.

38. А.с.1700603 СССР 1990 Экструзионная головка для наложения многослойного полимерного покрытия /Казанчян Г.П., Восканян P.C., Ликах С.Ф., Арутюнян Н.В.

39. Заявка 4691004. П.р.18.12.90. Устройство для одновременного наложения двух слоев полимерного материала /Казанчян Г.П., Датурян Б.М., Атабекян Л.Г. и др.

40. Казанчян Г.П., Ликах С.Ф. Барьеры с повышенной диэлектрической проницаемостью в полимерной монолитной электрической изоляции. -Электричество, 1990, Я 6, стр.65_68.

41. Казанчян Г.П., Ликах С.Ф. Опыт использования диэлектрических барьеров в полимерной изоляции кабельных изделий и перспективы их дальнейших применений //Тез.докл. Всесоюзной научно-технической конференции. -Бердянск, 1990.

42. Адамян P.M., Казанчян Г.П. Двухслойные покрытия из ПВХ--пластикатов с повышенным сроком службы для кабельных изделий // Тез.докл. Всесоюзной научно-технической конференции, г.Бердянск, 1990. -Москва ВНИЖП, 1990.

43. Крыжановский В.О., Казанчян Г.П. Расчет изотермического старения кабельных изделий с двухслойными-изоляционными покрытиями из ПВХ-пластикатов. -Электротехника, 1990, ß 8.

44. Казанчян Г.П., Адамян P.M., Крыжановский В.0.'Особенности старения двухслойных систем на основе ПВХ-пластикатов. -Пдасти-ческиемассы, I9S0» №'1. " - ■ ■• .

45. Казанчян Г.П., Датурян Б.М., Восканян P.C., Арутюнян Н.В. Пиния для изготовления кабельных изделий из химически сшитого полиэтилена и кремнийорганической резины /Сборник докл. Международной конференции "Новые технологические процессы, перспектив-

ное оборудование, автоматизация кабельного оборудования". -Венгрия, 1990 г. • - .......

■ -46. Казанчян Г.П., Казанчян А.П., Гаспарян М.С.* Влияние барьеров на распределение- электрического поля в изоляции. --Электричество, 1991,15. ■

47. Казанчян Г.П., Казанчян А.П., Гаспарян М#А., Ликах С.Ф. "Расчет оптимального расположения барьеров в высоковольтной поли мерной'изоляции кабелей", ж."Электричество" № 2, 1992.

48. Казанчян Г.П. § 5.5 в книге Григоряна А.Г., Дикермана Д.1 Пешкова И.Б. "Производство кабелей и проводов с применением пластмасс и резин". -М.:Энергия, (в печати).

ШИМП, Зак. 3, тир. 100-92