автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Влияние эксплуатационных факторов на рост водного трининга в кабельной изоляции на основе полиэтилена

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ СЮЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи КУЗНЕЦОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ

УДК 621.315.Й:б21.39-7б

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА РОСТ ВОДНОГО ТРИИНГА В КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ОСНОВЕ ЮЛйЗТИЛЕНА

Специальность 0^09.02 - Электроизоляционная и * кабельная техника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-пе тербург с ко м государственном техни-

ческом университете.

Научннй руководитель:

Официальною оппонента;

доктор физико-технических наук, профессор САЖИН Б.И.

доктор технических наук КУЧИНСКИЙ Г.С.

кандидат технических наук ТРУШИНСКАЯ К.С.

Ведущая организация: ПО "Севкабель"

Защита состоится п2£ " 1993 г. в 14 часов

на заседании специализированного ссйзета К 063.38.21 в Санкт-Петербург с ком техническом университете по адресу: 1952&1, Санкт-Петербург политехническая ул., 09.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

199€ г.

Автореферат разослан

Учений секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент С.Л.КУЛАКОВ

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблеют. Полимерная изоляция силовых кабелей имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с бумажно-масляной изоляцией. Эти преимущества проявляются в упрощении технологии изготовления кабелей, прокладке, монтаже и эксплуатации кабельных линий.

В то же время кабели с пластмассовой изоляцией и оболочкой могут всходить из строя из-за возникновения в них деистов в ивде электрически-/ /ЭТ/ и водных /ВТ/ триингов. Развитие именно ЗТ часто приводит к пробою кабелей при эксплуатации их в воде или во злакной атмосфере. Однако для отечественных полимеров практически полностью отсутствуют экспериментальные данные по ВТ. Это обстоятельство в какой-то мере может быть объяснено тем, что исследования ЗТ существенно затруднены весьма длительным развитием ЗТ при отсутствии сопутствующих частичных разрядов.

Кроме того ЗТ может развиваться в полимерной изоляции при на-пряженностях значительно' меньших, чем электрическая напряженность, характеризующая истину» прочность самого материала, а процесс зарождения и развития ЗТ может быть обусловлен проникновением влаги в изоляцию уже в процессе технологической сшивки композиции на основе полиэтилена в паровой фазе.

Улучшение качества изоляционных материалов кабелей связано с поиском и созданием новых полимеров, для которых дожаш быть известны результаты по исследованию влияния многих факторов на возникновение и развитие ЗТ. Поэтому обеспеченно надежности кабельных линий с использованием полимерных материалов, обладаниях повышенной три-лнгосто^косты, является в настоящее время весьма актуальной проб-темой.

Накопление ¡экспериментальных данных по оценке отдельных стадий эазвития ЗТ представляет большой практический интерес, так как таких ].анных, позволяющих успешно решать проблему улучшения качества по-шмарной изоляции на базе полиэтилена, недостаточно. Так ?е недоста-'очно изучено ялияние состава и строения полиэтилена на развития ВТ.

Целы^ работу? длилось комплексное исследование влияния лксплуа-■ анионных факторов /внешних/ и строения полиятилона /внутренних фа-ггоров/ на характеристики ЗТ. К числу внешних ].акто;юв относятся: апряженность и частота электрического поля, температура, диллектри-ескач п^оница'В.'ость, а такте химический состав и концентрация

электролита. К внутренним факторам: степень разветвленнооти макромолекулы полиэтилена при сополимеризации с об -бутиленом и винил-ацетатом, наличие в полиэтилене специальных добавок, уменьшающих горючесть /декабромдефинил оксид, трехокись сурьмы, полиэтиленсило-ксановая жидкость, антиприн, перекись дикумила/, а также сшивка полимеров.

Существенней задачами работы били;

- Усовершенствование методики, с помощью которой можно одновременно определять как время зарождения ВТ, так и скорость его роста в полимерной кабельной изоляции.

- Исследования развития ВТ в кабельной изоляции под влиянием эксплуатационных факторов: электрическое поле, частота, температура, диэлектрическая проницаемость, химический состав и концентрация электролита.

- Изучение влияния строения полиэтилена на развитие ВТ, в том числе и в новых полимерных, композициях на основе полиэтилена на стадии их разработки, и оценка их возможностей для использования в качестве изоляции в кабельной промышленности.

Научная новизна работы. Впервые проведены комплексные исследования влияния на триингостойкость полимерных композиций на базе полиэтилена, широко применяющихся в отечественной кабельной промышленности. Предложена оригинальная методика, с помощью которой одновременно определялись два параметра: время до зарождения и скорость роста ВТ. Экспериментально установлены закономерности влияния эксплуатационных факторов на рост ВТ в полимерной кабельной изоляции, а также определены вклады каждого фактора. Изучено влияние строения полиэтилена на стойкость к ВТ. Разработана статистическая модель ВТ, обеспечивающая определение параметров ЗГ в зависимости от эксплуатационных факторов.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные по влиянию напряженности и частоте электрического поля, температуры, диэлектрической проницаемости, а также химического состава и концентрации соли позволили выявить закономерности роста ВТ б полимерных кабельных композициях и выработать рекомендации по эксплуатации кабелей с полиэтиленовой изоляцией. Полученные экспериментальные данные, касающиеся строения полимеров, позволяют усовершенствовать рецептуры в производстве полиэтилена и выдать рекомендации по созданию и внедрению новых полимерных композиций, стойких к ВТ. Практическая значимость работ" подтверждается актами о внедрении результатов на

ПО "Севкабель" г.Санкт-Петербург и на предприятии "Лолимеркомпозит" г.Баку.

На защиту выносится:

- Комплекс экспериментальных результатов о влиянии эксплуатационных факторов: напряженности электрического поля, частоты, температур«, диэлектрической проницаемости, химического состава и концентрат«! соли на время зарождения и скорость роста ВТ в изоляции на основе полиэтилена. Статистическая модель ВТ.

- Экспериментальна данные о влиянии на тришгостойкость внутренних факторов: сшивка, степень разветвленности, состав сополимера этилен с винилацетатом, введение в базовой полимер специальных веществ: декабровдефенил оксид, трехоксись сурьми, полиэтиленсилокса-новке жидкости, антиприн, перекись дикумила.

Апробация работ». Основное положения диссертационной работн докладывались и обсуждались на расширенном заседании научного совета АН СССР "Научные основн электрофизики и электроэнергетики"/г.Иваново, 4-6 декабря 1991 г./ и на заседаниях кафедры "Электрическая изоляция, кабели и конденсаторы" СПбГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ.

Структура и объем диссертации. .Диссертационная работа изложена ч& страницах машинописного текста, иллюстрируется гшсунками,

схемами и таблицами на (/И страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 116 названий и приложений на 3-4-¡траницах.

СОДЕ РЖАНИЕ РАБОТЧ

3 первой главе дается аналитический обзор работ по ВТ в поли-ерной иэоля:хи. Рассматривается различные представления о возник-овении ЗТ и зависимости параметров от рада физических факторов. Отымется, что ЗТ зарождается в изоляции при напряженностях Е элск-рического поля значительно ниже рабочих и обладает медленным росам. Скорость роста ЗТ зависит от размеров ьшкрополостей, представ-адщих слбо{> большое количество микропузыръков или микроскопических эналов. Подельнее значение напряженности Е, при которой зарожда-г<-я ВТ, зависит от частоты.

В обзоре обращено особое внимание на обобщение эксперименталь-зк результатов шсслидогатВ ВТ в полиэтиленовой изоляции, на ко-

личественн"е оценки зависимостей максимальной длинм ВТ от времени старения изоляции и от частот". Из рассмотрения многих методик, применяющихся для исследования ЗТ в полимерной кабельной изоляции, следует, что методики, применяемое в иностранной практике, позволили оценить влияние электрического поля и температуря на зарождение и развитие ЗТ, химического состава электролита, структуры полимерных материалов.

Однако в технической литературе отсутствуют даннме о влиянии различиях добавок, введенных в ПЭ, на триингостойкость. Отсутствуют исследования структуры полимерного материала с различной степенью разветвленное™ на стойкость к ВТ.

Из рассмотрения существующих моделей развития ВТ можно убедиться, что существует несколько гипотез о зарождении и развитии ВТ. Однако ни одна из известных гипотез не дает четких и исчерпывающих ответов о механизме зарождения и развития ВТ. Отсутствуют ответа и на вопрос, какой фактор является определяющим в развитии ВТ.

С целью формирования программ« настоящей диссертационной работа в аналитическом обзоре рассмотрен" также вопрос", посвященное технологическим и конструктивном способам повтент стойкости кабельной изоляции к ВТ.

Из рассмотрения работ по изучению механизма пробоя кабелей с ПЭ изоляцией под действием влаги и приложенного электрического поля, следует, что:

- Во многих случаях пробой высоковольтных кабелей с ГО изоляцией обусловлен процессом проникновения влаги в изоляцию, зарождением и развитием ВТ. Поддай срок служб" кабеля складывается из времени до зарождения и времени развития ЗТ.

- К настоящему времени накоплено мало экспериментальных данных о времени до зарождения и развития ЭГ непосредственно в изоляции кабеля, Хотя экспериментальное исследования процесса зарождения ВТ на элементарных образцах ПЭ изоляции проводились многими исследователями и ими били оценен" влияния различных факторов на процесс зарождения и развития ВТ, однако имеющиеся гипотезы о механизме зарождения ЗТ не в состоянии объяснить еще многие экспериментальною результат".

- Закономерности процесса развития ВТ в полныериих материалах изучены недостаточно и в трактовке развития ВТ встречаются противоречия. Экспериментальна даннне о развитии ВТ непосредственно в

4

отечественных кабельных изоляционных композициях практически отсутствуют. .

Во второй главе дается описание использованных методик экспериментальных исследований ВТ в образцах отечественных полимерных композиций. Рассматриваются химические, физические и конструктивные характеристики испытуема моделып'Х образцов, особенности подготовки образцов для исследований, а также описывагатся высоковольтка экспериментальна установки, использованные при изучении ррзлшашх характеристик ВТ.

Для исследования влияния эксплуатационных факторов на стойкость к ВТ были выбраны кабельные композиции на основе ПЭ: 102-02 К; 107-02 К; 153-02 К. Влияние строения материала на триингостойкость исследовалась на нескольких сериях специальных образцов:

Серия № 1 включает ПЭ низкого давления с различной степенью разветвленности за счет сополимеризации этилена с -бутиленом.

Серия ДО 2. В эту серию входят образцы полиэтилена высокого давления ПЭЗД и сополимеры этилена с випилацетатом.

Серия № 3. Силанольносшивающийся ЛЭДД.

Серия № 4, Полимерный негорючий материал с добавками: дека-бромдефенил оксид, трехокись сурьм", полиэтиленсилоксановая липкость, антипирин.

При испытаниях, как правило, использовались ПЭ плас-ины размером 35x35 мм и толщиной от 2 до 4 мм, предварительно нодпергав-зиеся воздействию неоднородного электрического поля, создаваемого »лектродной системой "игла-плоскость".

Для ускорения развития ¿Г на поверхность образцов стальнши 1глами с радиусами закругления 2,5; 3,0 и 6,2 мим наносились искус-■ венные дефекты. В качестве .. лектролита использовался раствор Л'аи , \ каждом модельном образце делалось шесть рядов наколоа по пять в :аждом. Катдому радиусу закругления острия иглы ? = 2,5; 3,8; ,'2 мкм соответствовало по два ряда наколов. Рост определялся на-ряженностью электрического поля Елм< у острия искусственного де-окта.

Исходч »я соображений, что В«^ должно <5»тгь шив "внутренней" лектричоской прочности ПЭ, которая! имеет величину порядка 700 В/мм, напряжение испытания было выбрано 6 кЗ. Для некоторых образов, с целью выявления влияния величин приложенного напряжения на арактеристики ЗТ, были проведены испытания при напряжении 4 кВ.

Система электродов "водная игла - плоскость" позволила иссле-

довать образцы различной формы, а использование растворов солей в качестве электролита приблизило условия эксперимента к реальным условиям, в которых может находиться кабель.

В качестве высоковольтных электродов для сравнительного анализа использовалось несколько видов электролита: бидисциллированная вода, дисциллированная, растворы солей Мц СЛ, , Л^О^ , ,

* ¿£г> а также морская соль.

Общее количество образцов из ПЭ пластин, использованных в опытах, - 320 штук. Время испытания образцов с дисциллированной водой составило от 800 до 1600 часов ; с раствором ЫеИ- от 300 до 600 часов. Время испытания образцов с раствором морской соли - от 100 до 500 часов. Образцы снимались через каждые сто часов, По-скольку ВТ способны окрашиваться под воздействием красящего вещества, то данное свойство использовалось в настоящей работе для определения количественных характеристик ВТ. С помощью микротома производили срезы'исследуемого полимерного материала толщиной 200 мкм. Длину и форму ВТ определяли с помощью микроскопа на просвет в направлении, перпендикулярном плоскости образца.

При изучении ВТ в зависимости от напряженности и частоты электрических полей и факторов неэлектромагнитного характера, например, от времени испытаний модельных образцов, потребовалось использовать несколько высоковольтных установок, в частности: установки на промышленной частоте 50 Гц, а также на частотах 30 кГц и 440 к Гц.

Поскольку зарождение и развитие ВТ зависит одновременно от многих факторов и в конечном итоге возникновение ВТ носит случайный характер, то для обработки экспериментальна данных возникла необходимость в разработке методики, базирующейся на математическом аппарате с использованием теории вероятности и математической статистики. Эта методика включает в себя формирование математической модели для исследования влияния различных факторов на рост ВТ, представление математической модели в матричной форме, описание методики построения доверительных интервалов и краткую характеристику методики обработки экспериментальных результатов с оценкой погрешности.

В качестве основных характеристик ВТ выбраны время ¿з до зарождения ВТ, его максимальная длина i и скорость роста V

В соответствии с указанной методикой обработки экспериментальных данных математическая модель для С представлена в виде: 6

= быt +агСп£^<г}т-г + & >

где &0 , , - параметра модели, Л - аддитивная слу-

чайная ошибка, имеющая плотность распределения ¡¡(А) с математическим ожвданием ¿{й}= = о и дисперсией ОЩ --/У-}- / (Г - среднеквадратичное отклонение/.

Время до зарождения ВТ определяется из выражения - ¿о - _ (а,,-, а. л„- .

£ £ * <? + Ь/О,

где - мультипликативная погрешность.

Из рассмотрения существующих методик исследования ВТ, а также обобщения ого-тта проведения исследований ЗТ в лабораторных условиях на образцах ПЭ изоляции можно сделать следующие внводн:

-Для достаточно строгого определения стойкости ПЭ изоляции ВТ в зависимости от эксплуатационных факторов необходим многочисленна эксперименталы^'е исследования ЗТ как на модельных образцах толимерш'х композицк!':, так и на образцах кабельных конструкций. Изучение влияния строения ГО на стойкость к ЗГ мо.т.ет б»ть осуцезтдлено только на сповдально созданных образцах.

- С целью установления осноэн"х параметров, характеризуюадах ¡тонкость к ЗТ полимерных композиций и отражающих влияние экеллуата-июнннх факторов для исследований ЗТ б^ли вобран" те марки кабельных юлимсрн"х композиций па основе ПЭ, которое применяются наиболее гаи-юко з практике, а так ко новуе полимерные материалу, имеющие пер-пектицу для использования их а качестве изоляции для силовых кабе-е;".

- Из анализа опьтнь'Х результатов' исследования ЗТ следует, что озникновение ЗТ носит случайся характер, поэтому обработка всех кспериментальнух даннух должна базироваться на математическом ап-арате с использованием теории вероятности и математической статис-ики. Предварительна оценка .'Характеристик ЗТ показала, что в ка-эетге основных параметров 8Т \уг№своб-рг>зъб вубрать время до зарож-зния и лкоуюсть его роста.

■ 3 третьей глазе приводятся результат-• экспериментального иссле-)зания влияния напряженности и частоту электрического поля, темпе-1турн, диэлектрической проницаемости, солевого состава и концен-тацпи оЯектролика на зарождение и развитие ВТ.

Стойкость изоляции к ВТ определялась по двум параметрам одно-

временно: i} - время до зароздения, V- скорость роста ВТ. К. исследуемом материалам относятся полимерные композиции: Ш 102-02 К; 107-07 К; 153-02 К, которое наиболее часто применяются в качестве изоляции bwcoковольтных кабелей на НЮ "Севкабель". Эти изоляционные материалы в данной работе использовались в качестве объектов исследований для оценки влияния напряженности электрического поля на длину ВТ.

Зависимости длин*» ВТ от времени показывают, что при f <= 50 Гц по своему характеру они близки к прямим линиям и в первом приближении могут боть описан" линейном уравнением

l(t)* ir(i-ti)= rip ;

где Ьр - время роста КГ.

В результате обработки многочисленных экспериментальных зависимостей длин" i ВТ от времени, полученных для нескольких десятков модельных образцов трех марок кабельной изоляции, удалось определить обобщенные времена зарождения и скорости роста ВТ.

Оказалось, что исследуемою материалы по времени до зарождения ВТ в зависимости от интенсивности электрического поля различаются весьма существенно и по порядку возрастания триингостойкости располагаются в следующей последовательности: ПЭ 102-02 К, ПЭ 107-02 К, ПЭ 153-02 К.

Исследования ВТ при постоянном напряжении при / = 0 на полимерной композиции ПЭ 153-02 К в течение 160 , 380 и 1330 часов показали, что при напряженностях Е = 250 ; 390 и 560 kB/мм следы ВТ не обнаруживаются. Эти данно'е подтверждают выводы о том, что ВТ на постоянном напряжении развивается очень медленно, или не развивается совсем.

Влияние частот" на время зарождения и развитие ВТ изучалось при воздействии электрического поля на частотах 50 Гц, 30 кГц и 440 кГц. В качестве испытуемых объектов рассматриваются образцот ПЭ 153-02 К. Установлено, что увеличение частоты электрического поля приводит к уменьшению времени до зарождения ВТ и увеличению скорости его роста. Однако изменение этих параметров происходит непропорционально частоте приложенного напряжения. Так при переходе от частою» ЕО Гц к 30 кГц происходит снижение времени зарождения ВТ в 400 раз и увеличение скорости роста ВТ в 64 раза, а при переходе от частоты 30 кГц до 440 кГц время до зарождения и скорость роста ВТ

остаются практически не измени*™ по отношению к 30 кГц. 8

Эти закономерности позволили автору данной работа оправдать разработку методики ускоренных испнтаний полимерной изоляции и конструкций на стойкость к ВТ в области частот не менее 30 кГц.

Оценки одновременного влияния температуры на время до зарождения ВТ и его скорость осуществлялись на полимерных кабельных композициях: ПЭ 102-02 К, ГСЗ 107-02 К и ПЭ 153-02 К. Исследования проводились при температурах: 20°С,,40°С и 65°С. В качестве высоковольтного электрода использовали 0,5 молярный раствор ^СС

Исследования показали, что подъем'температуры с '2Э°С до 40°С существенно увеличивает скорость роста ВТ и снижает время до зарождения. Так да кабельной полимерной композиции ПЭ 107-02 К при комнатной температуре составляет 180 часов, а при увеличении температуры на Э0°С tb составляет уже 80 часов. Первоначальная скорость роста ВТ с увеличением температуры также увеличивается. Так при = = 20°С она составляет 0,5 мкм/час, а при Т = 40°С скорость равна уже 0,7 мкм/час.

Как правило, рабочая температура высоковольтного кабеля составляет 65°С, поэтому очень важно знать, как влияет именно эта температура на время до зарождения ВТ и на скорость его роста. В результате удалось установить, что при температуре 65°С время до зарождения для ПЭ 107-02 К составляет 70 часов, а скорость роста 0,6 мкм/час. Время до зарождения на ПО часов меньше, чем при комнатной температуре. Аналогичное влияние на время до зарождения и на скорость роста ВТ температура оказала и на другие марки ПЭ. Эти результаты необходимо учитывать при эксплуатации кабельных конструкций с ПЭ изоляцией. .

Время до зарождения ВТ и скорость его роста в равной степени зависят как от природы растворенных солей, так и от их концентраций. Использование растворов солей различного состава и различной концентрации в качестве электролита позволяет приблизить условия эксперимента к реальным условиям, в которых может эксплуатироваться изоляция кабеля. <

В качестве высоковольтного электрода для осуществления сравни-?сльного анализа в данном виде испытаний были выбрани следующие шектролиты: бидисциллированная п дисциллированная вода, растворы :олей Мл. tt , Л/bjJOy ,JjßtOv , HCl и раствор

юрноморской соли. Все эти соляные электролиты имели одну концен-рацию 0,5 моль/литр. Для растворов Nüdvi Aj et использовались

еще две концентрации: 0,25 и 0,75 моль/литр. Скорость роста ВТ для бидисциллированной и для дисциллированной воды практически одинакова, различается только время до зарождения. Так при Е = 270 кВ/мм для дисциллированной води оно составляет 600 часов, а для бидисциллированной воды 660 часов.

Для всех времен длина ВТ при использовании в качестве высоковольтного электрода электролита с морской солью значительно выше, чем для раствора /Va(L . Время до зарождения для раствора с морской солью на 60 часов меньше, чем для раствора N*lL . Что же касается скорости, то для раствора она составляет 0,5 мкм/час, а для

раствора с морской солью 1,0 мкм/час. Из этого можно сделать вывод, что некоторое соли, содержащиеся в морской воде, более активны, чем Nut С , и оказывают значительное влияние на Инкубационный период зарождения ВТ и скорость его роста. Морская вода содержит, следующий набор солей: Ma. , JttfUt ,Ktt , JU$t(h, .

Эксперимент показал, что по степени влияния на время до зарождения и скорости роста ВТ соли располагаются в следующем порядке '.Jfe'Ci , AflUi , NxLt , Мц£он , , kit .

Полученные зависимости длины ВТ от времени испытания на промышленной частоте 50 Гц при напряженности электрического поля 570 кВ/мм для полимерной кабельной композиции ПЭ 107-02 К в растворах NqC£. и fy tCi при различных молярных концентрациях электролита: 0,25, 0,5 и 0,75 моль/литр поззоляют выяснить как влияет концентрация на время до зарождения ВТ и скорость его роста. Для эксперимента были отобран»' две соли ЖбСп , процентное содержание которых а морской воде наиболее значительное.

Увеличение концентрации.заметно увеличивает длину ВТ и снижает время до зарождения: так при когшентрации 0,25 моль/литр ¿з составляет ISO часов, при С,5 моль/литр = 175 часов, при С,75 моль/литр ¿г= 145 час. Эксперимент показал, что с увеличением концентрации увеличивается и скорость роста QT: так Для концентрации 0,75 моль/литр скорость роста 8Т составляет 0,8 мкм/час, для 0,5 моль/литр v = 0,6 мкм/час, для 0,25 моль/литр г^ = 0,5 мкм/час. Аналогичные результату получены и для различных концентраций с

С увеличением концентрации соли растет электропроводность, а значит снижается врете до зарождения ВТ. При. увеличения концентрами^ соли Ма.С1 и електропреводность возрастает, а следовательно

возрастает к сгорость роста ВТ, что и гтедтверждакт результаты

эксперимента. 10

0,4

0,5

0.2

»И

Впервые получен" данное о влиянии диэлектрической проницаемости на развитие триинга в полимерной изоляции на основе ПЭ.

На рис.1.1. приведена" зависимость длины ВТ от времени испытания на = 50 Гц при Е = 590 кВ/мм для композиции ПЭ 107-02 К --р--—гл под влиянием электролитов с различной диэлектрической проницаемостью. Установлено, что чем меньше диэлектрическая' проницаемость электролита,'тем больше длина ВТ. Время до зарождения ВТ для раствора вода-диоксан с € -= 57,4 составляет г?3 = 45 час, а скорость роста V =0,4 мкм/час, для £ = 41,6 ^ = = 25 час и № 0,4 мкм/час, для £ = 25,8 ¿3 = ю час 3001а(ь,ч*с) и 2Г= 0,5 мкм/час.

1

■2

гз

с? -

У

50

Рис.1.

100

2 00

Зависимость длин»1 ВТ от времени испытания на /=50 Гц при Е = 590 кВ/мм для композиции ПЭ 1074)2 К под влиянием электролитов с различной диэлектрической проницаемостью.

Полученные результаты говорят о том, что чем меньше диэлектрическая проницаемость электролита, тем меньше время

до зарождения ЗТ и выше его скорость.

На основе полученных данных о влиянии эксплуатационных факторов на ВТ создана статистическая модель влияния напряженности электрического поля, температуры, концентрации и диэлектрической проницаемости на время до зарождения ВТ и скорость его роста.'Обоснована адэкватность этой модели.

Четвертая глава содержит результаты экспериментальной оценки злияния структур" полимерного материала с различной степенью раь-зетвленности, сополимеров этилена с винилацетатом, добавок при сшМ-говой сшивке на стойкость к ЗТ. Кроме того, в данной главе даны ре-¡ультатт-» по исследованию ВТ в новых композиционных: материалах, ка-юственная оценка физических представлений о ВТ и количественные. 'Ценки влияния эксплуатационных факторов на основные характеристики

II

ВТ, полученное на базе математической модели развития ВТ.

С введением в ГВ бутилена степень кристалличности исходного материала уменьшается, снижается плотность, модуль упругости, жесткость, но зато увеличивается эластичность, ударная вязкость, относительное удлинение, стойкость к растрескиванию. Поэтому приобретает определенней интерес изучение триингостойкости именно такого рода материалов.

В птой связи для исследования влияния структуры материала на ВТ была вобрана и испытана серия образцов ПЭЦЦ с различной степенью разветвленности за счет сополимеризации этилена-с ¡¿-бутиленом.

Для проведения сравнительного анализа использовались в данной работе экспериментальные исследования стойкости к ВТ гомополимера, этилена и его сополимера с бутиленом. Получена зависимость длины ВТ от времени испытания на промкиленной частоте / = 50 Гц при Е =410 кВ/мм для образцов с различной степенью разветвленности. Время зарождения и скорость роста ВТ определялись для трех напряженностей электрического поля: 270 кВ/мм, 410 кЗ/мм и 570 kB/мм. Время зарождения при Е = ЭТО кВ/мм для гомополимера составляет ii = 130 часов, а для сополшера с бутиленом ii = НО часов ; скорость роста ВТ для гомополимера V = 1,4 мкм/час, а для сополимера с бутиленом v -= 2,0 мкм/час. Разница в параметрах скорости скорее всего объясняется тем, что с введением в гомополимер бутилена степень кристалличности сополимера этилена с бутиленом по сравнению с исходным ПЗНД уменьшается. Этильн^е боковые ответвления сникают степень кристалличности, а следовательно, плотность полимера. Бутилен хотя и улучшает механические свойства материала, но триингостойкость материала при этом падает.

Большой практический интерес представляет изучение стойкости к ВТ сополимеров этилена и винилацетата, отличающихся от полиэтилена большей эластичностью, атмос^еростойкостью и лучшей совместимостью с различными наполнителями. С этой целью в настоящей работе были исследован" на триингостойкость материалы СЭЗИЛЕН Нс 113, содержащий 10-14 % массовых долей винилацетата и СЭВ/1ЛЕН (Р 115 с 20-24 ¥> массовых долей винилацетата,

В результате эксперимента было установлено, что наибольшей длиной ВТ обладает исходный ПЭЦЦ без введенных винилапотатж-'х добавок, исходный материал имеет и наименьшее время до зарождения.

Известно, что стойкость к ЗТ полимерной изоляции возрастает с

уменьшением ее толщины. Очевидно в тонкой изоляции снижается количество микропустот по сравнению с толстым слоем изоляции. Снижение толщины может бить обеспечено, если будет использован сшитый полиэтилен /СПЭ/.

3 настоящий момент разрабатываются новые материалы и совершенствуются изоляционные композиции на основе СПЭ, однако, возможности улучшения эксплуатационных характеристик кабелей, изготовленных из этих композиций, пока недостаточно изучены.

Поэтому здесь приводятся результат" исследования-ВТ на поли7 мерном материале, сшитом с помощью снланов, Объектом имитация б"Л выбран ПЭВД и силанольносшитый ПЭЦЦ НШ "Пластполимер" г.Новополоцк с композиционной добавкой /95 % +■ 5 %/.

В работе получены зависимости длины ВТ от времени испытания на j- = 50 Гц при Е = 590 кВ/мм для исходного ПЭВД и силанольноеши-того. В качестве высоковольтного электрода использовался 0,5 молярный раствор

Длина ВТ для сшитого ПЗ заметно меньше, чем для исходного.

Значения времени зарождения ВТ ^ и скорости его роста гг определялись при трех напряженностях электрического поля: 270, 410 и 570 кВ/мм. При Е = 570 кВ/мм V для исходного ПЭЦЦ составляет 0,3 мкм/час, а для сшитого ПЭВД V= 0,15 мкм/час. Время до -зарождения для исходного ПЭВД = 180 час, для силанольносшитого t3 = ЖО час.

Исходя из полученных результатов можно сделать однозначный вывод, что силановая'сшивка значительно улучшает триингостойкоеть исходного материала и данный исследуемый материал может быть рекомендован в качестве изоляции для силовых кабелей, так как силановая сшивка значительно улучшает стойкость изоляции к ВТ, а также позволяет существенно сократить потребление остродефицитного полимерного материала.

В работе были исследованы негорючие полимерные композиции на основе ПЭНД, содержащие декабромдефенилоксид, трехокись сурьмы и полиэтиленсилаксановую жидкость.

Рассмотрение вопроса о влиянии даже одного вида добавки - оксида сурьмы-на физико-моханические свойства полимеров представляет большой интерес, поскольку галогенсодержащие органические соединения являются обязательным компонентом антипириновмх композиций.

Хотя негорючая полимерная композиция "ЛИР-10" на основе ПЭВД

13

обладает хорошими физико-механическими свойствами, однако она не может, быть рекомендована в качестве изоляции для силовых кабелей только после специальных исследований ее свойств на триингостой-кость. Такие исследования осуществлены автором на образцах подготовленных для этой цели по методике, описаной во второй главе. Получены зависимости длину ВТ от времени испытания на промышленной частоте 50 Гц при трех налряженностях электрического поля: 270, 400 и 570 кЗ/мм.

Установлено, что с увеличением напряженности электрического поля увеличивается и длина ВТ. При напряженности 270 кВ/мм наибольшее время до зарождения ВТ имеет негорючая полимерная композиция "ЛИР-10". Для исходного ПЭНД составляет 210 часов, в то время как для негорючей полимерной композиции "ЛИР-10" ¿s = 230 часов. Тоже самое относится и к скорости роста ВТ.' При Е = 270 кВ/мм для исходного ПЭНД она составляет 0,3 мкм/час, а для композиции "ЛИР--10" 0,2 мкм/час. При Е = 570 кВ/мм для исходного ПЭНД ¿¡ =

- ЯЗО час, а для композиции "ЛИР-10" = 210час.', скорость гг в первом случае 0,4 мкм/час, а во втором V = 0,35 мкм/час.

По полученным результатам можно сделать вывод, что введение в исходный ПЭНД таких добазок, как декабромдефенилоксид, трехокись сурьмы и полиэтиленсилаксановая жидкость не только не ухудшает триингостойкость материала, а наоборот, увеличивает ее.

В данной работе дана сравнительная зависимость длины ВТ от времени испытания на £ = £0 Гц при Е = ¿70 кВ/мм для исходного ПЭНД и негорюче/ полимерной композиции "ЛИР-10".

Негорючая композиция существенно превосходит по тринлгостой-кости исходам") ПЭНД. Однако надо учесть, что исходный ПЭНД, полу-чзнный на предприятии "Лолимеркомлозит" г.Еа;;у по своей стойкости к ЗТ значительно превосходит все полимерное композиции, кетерна & настоящее время прктенгадогея в кабельной промвщлеиносчги в качестве изоляции силовых кабелей.

М

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа многочисленных работ, посвященных исследованию механизмов пробоя кабелей с полиэтиленовой изоляцией под воздействием влаги и электрического поля, а так же оценки конкретных результатов экспериментального исследования водного триинга в полимерной кабельной изоляции, полученных в данной диссертационной работе, мозшо сделать следующие обобщающие выводи:

- Разработка надежных рекомендаций, связанных с повышением срока службы и надежности высоковольтных кабелей с полиэтиленовой изоляцией, может базироваться только на результатах обширных экспериментальных исследований закономерностей развития водного триинга в полимерных материалах.

- В диссертационной работе разработана и усовершенствована экспериментальная методика, позволившая впервые осуществить одновременное определение времени до зарождения водного триинга и скорость его роста.

- Комплексные исследования эксплуатационных факторов на рост водного триинга в кабельной изоляции на основе полиэтилена позволили оценить, а в ряде случаев уточнить зависимости основных характеристик водного триинга от интенсивности электрического поля, частоты, температуры, концентрации и диэлектрической проницаемости электролита. Кроме того, установленные зависимости этих характеристик обеспечили возможность обоснования статистической модели водного триинга.

- Развитие водного триинга существенно зависит от концентрации в воде растворенных солей и диэлектрических свойств электролита. Автор впервые получил данные о влиянии диэлектрической проницаемости на рост водного триинга в полимерной кабельной изоляции на основе полиэтилена.

- Впервые получены оценки влияния на триингостойкость структуры полимерного материала с различной степенью кристалличности за счет сополимеризации этилена с ¡>С -бутиленом, а также с различит содержанием винилацетата. Исследовано влияние на триингостойкость силановой сшивки и некоторых добавок, обеспечивающих негорючесть полиэтилена.

Полученные результаты использованы в разработке новых полимерных композиций на основе полиэтилена на МП "Полимеркомпозит"г.Баку

и для прогнозирования срока службы изоляции на НПО "Севкабель" г.Санкт-Петербург.

Публикации по материалам диссертации:

I. Андреев А.'!., Кузнецов ¿.И. Применение ускоренного метода оценки триингостойкости для изучения старения кабельной полимерной изоляции//Тезис" докладов Всесоюзной конференции "Пути повышения производительности труда и снижение материалоемкости при изготовлении неизолированных проводов, силовых и контрольных кабелей", 19-21 июня 1987 г. Мелехов. - С.48.

Васильев H.A., Канискин З.А., Кузнецов Д.И., Поляков ГЛ.И., Середа Г.Г. Зодн"1» триинг в кабельных полиэтиленовых композициях// Сборник статей НИК "Севкабель". - Л. ^Судостроение", 1989. - С.102--IC6.

3. Канискин З.А., Кузнецов д.И., Саж-.ш БЛ"., Середа Г.Г. Водны? триикг в кабельных полиэтиленовых композипиях//Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Электрическая изоляция кабелей и проводов", 17-21 сентября I59C г. Бердянск. - С.40-41.

4. Андреев А.;,!., Глобус Е.И., Кузнецов £.И., Орлова Л.Г. Злия-ние предварительного воздействия повышенно" температуру на развитие электрического триинга и частичных разрядов в кабельной полимерной изоляпии//"Знергетика". - № 10. - 1990. - С.45-47.

5. Канискин З.А., Кузнецов Д.П., Сзади Е.И., Середа Г.Г. Исследование водного триинга в Кабельных ПЭ композичяях//Тезиеы Дд-кладоз республиканской научно-технической коифергнида "Модификация полиоле^янов, их переработка, свойства и применение" 18-20 октября 1990 г. Еа;-у. - С.30.

6. Канискин В.А., КузяеиspB Д.П., Сзшин Б.И., Cej^a Г.Г. Влияние частоту эяретрическето поля и концентрации электролитов на скорость роота ездного трккнга в полимерных композиц#йх//Теаисы докладов на расширенное заседание даучного Совета АН СССР "Электдофизи-ческие свойства диэлектрлкое при воздействии злестромагниц»4к и акустических пол?а", 4-6 цеюбрй Г99Т г. Иванзе. - С.40-41.