автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Влияние мелкодисперсных наполнителей на теплофизические и электрические свойства слюдосодержащей термореактивной изоляции

На правах рукописи

Безбородов Андрей Андреевич

ВЛИЯНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛЮДОСОДЕРЖАЩЕЙ ТЕРМОРЕАКТИВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005043852

1 7 мад 2012

Санкт-Петербург - 2012

005043852

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный

сотрудник

Андреев Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Слуцкер Александр Ильич

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Санкт-Петербургского физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН

Ханин Самуил Давидович

доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физической электроники РГПУ им. А.И. Герцена

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Петербургский энергетический институт повышения квалификации (ФГАОУ ДПО ПЭИПК)

Защита состоится «25» мая 2012г. В 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.16 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Главное здание, ауд. 284.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Электромеханический факультет. Диссертационный совет Д 212.229.16.

Автореферат разослан «-¿-^ » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.16 кандидат технических наук, доцент

Журавлева Наталия Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для укрепления конкурентоспособности энергетического оборудования отечественных производителей на мировом рынке необходимо улучшение основных эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции. На сегодняшний день во всем мире широко распространен подход, связанный с повышением основных характеристик энергетического оборудования (высоковольтных кабелей, силовых трансформаторов, электрических машин и т.д.) путем совершенствования применяемой в них системы изоляции. В данной области идут исследования, направленные на улучшение характеристик электроизоляционных материалов: коэффициента теплопроводности (X), электрической прочности (Епр), нагревостойкости, тангенса угла диэлектрических потерь и стойкости к воздействию частичных разрядов (ЧР). Одним из перспективных способов улучшения указанных свойств является применение композиционных материалов, созданных путем введения в их состав различных мелкодисперсных наполнителей, включая наноразмерные. Такие композиционные диэлектрики, главным образом, находят применение при создании энергетических объектов с повышенными удельными характеристиками.

В настоящее время, в частности, для электромашиностроения актуальна проблема увеличения удельной мощности серийно выпускаемых и вновь разрабатываемых турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением. Увеличение мощности в этом случае возможно либо путем изменения массогабаритных параметров (оптимизацией конструкции) охлаждающих элементов, либо путем улучшения теплофизических и электрических характеристик применяемой слюдосодержащей термореактивной изоляции.

Цель работы. Исследование основных тепло- и электрофизических характеристик термореактивной слюдосодержащей изоляции, изготовленной из опытного наномодифицированного композиционного материала. Для достижения этой цели требовалось выполнить следующее:

- экспериментально изучить влияние мелкодисперсных теплопроводящих частиц на значение X наполненного эпоксидного компаунда;

- изготовить макетные образцы на основе опытного наполненного композиционного материала с теплопроводящим наполнителем и произвести экспериментальную оценку теплофизических и электрических характеристик в сравнении с традиционной слюдосодержащей изоляцией;

- уточнить представления о механизме диэлектрических потерь наномодифицированного высокотеплопроводного компаунда и корпусной слюдосодержащей изоляции на его основе;

- провести экспериментальную оценку длительной электрической прочности опытной высокотеплопроводной термореактивной слюдосодержащей изоляции в сравнении с традиционной изоляцией.

Научная новизна работы:

- в результате впервые проведенных исследований теплофизических характеристик слюдосодержащей термореактивной изоляции на основе наполненного композиционного материала показано, что величина X такой изоляции практически в два раза выше, чем для традиционной слюдосодержащей изоляции;

зависимость X наполненного эпоксидного компаунда от содержания высокотеплопроводного микронаполнителя (ВЫ) во всем исследуемом диапазоне концентраций описывается моделью Ченга-Вачена;

- в результате проведенного исследования диэлектрических потерь в широком диапазоне частот (10 2 — 106 Гц) и температур (20 — 160 °С) установлено, что для образцов наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе характерна диполыю-групповая и миграционная поляризация;

- путем сопоставления экспериментальных данных по длительной электрической прочности корпусной изоляции, выполненной из наполненного композиционного материала, с серийно применяемой изоляцией установлено, что значения времен наработки до отказа и показателя степени (га) уравнения наработки до отказа для изоляции, выполненной из наполненного композиционного материала, сопоставимы с аналогичными параметрами традиционной ненаполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции.

Практическая значимость работы:

- показана возможность применения опытного наполненного высокотеплопроводного композиционного материала для создания корпусной изоляции мощных турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением;

- установлена связь между X изоляции и содержанием высокотеплопроводного связующего, что позволило научно обоснованно подойти к выбору технологического режима изготовления корпусной изоляции с повышенной теплопроводностью;

- определено, что при рабочей частоте (50 Гц) в широком диапазоне температур и напряженностей электрического поля, значения для ненаполненной и наполненной высокотеплопроводной изоляции не превышают значений, установленных российскими и международными стандартами.

На защиту выносятся:

результаты изучения температурной зависимости к наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе;

- сравнительные испытания теплофизических и электрических характеристик ненаполненного и наполненного слюдосодержащих композиционных материалов;

интерпретация результатов исследования температурно-частотных зависимостей диэлектрических потерь наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе;

- оценка влияния теплового старения и термоциклов на тепло- и электрофизические характеристики изоляции, выполненной из ненаполненного и наполненного слюдосодержащих композиционных материалов;

результаты исследования длительной электрической прочности высокотеплопроводной наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- обоснованным выбором методов исследования электрических и теплофизических характеристик исследуемых материалов;

- корректной статистической обработкой полученных данных;

- проведением повторных испытаний, показывающих воспроизводимость результатов.

Личный вклад автора состоит:

- в определении цели и методов исследования;

- изготовлении образцов и проведении экспериментальных исследований;

- обработке, обобщении и анализе полученных результатов.

Результаты, представленные в работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. В процессе работы над диссертацией, автор пользовался консультациями к.т.н. доц. Шиковой Т.М.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII Международная конференция Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты, 29 сентября - 4 октября 2008г. Крым, Алушта, XII всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических ВУЗАХ». 2008, Санкт-Петербург, XI Международная конференция Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008), 03-07 июня 2008, Санкт-Петербург, V Международная научно-техническая конференция Электрическая изоляция - 2010, 1-4 июня 2010г. Санкт-Петербург, XVIII Международная конференция DIELECTRIC AND INSULATING SYSTEMS IN ELECTRICAL ENGINEERING 2010 (DISSE 2010), 22-24 сентября 2010, Домановска Долина. Словакия, XII Международная конференция

Физика диэлектриков (Диэлектрики-2011), 23-26 мая 2011, Санкт-Петербург, XXII Международная конференция Nordis Insulation Symposium, 13-15 июня 2011г., Тампере, Финляндия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 в изданиях из списка ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация общим объёмом 181 страница состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (150 наименований), 4 приложений. Работа содержит 138 рисунков, 40 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертационной работы, приведены основные научные и практические результаты исследований, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор отечественных и зарубежных работ, отражающих основные тенденции, достижения и проблемы при создании наполненных компаундов и электрической изоляции на их основе. Рассматриваются основные способы увеличения теплопроводности электрической изоляции. Отмечается, что основными путями увеличения X слюдосодержащей термореактивной изоляции являются: оптимизация структуры и состава изоляционных материалов, создание наполненных изоляционных композиционных материалов и применение высокотеплопроводного связующего.

Проанализированы достоинства и недостатки каждого из приведенных способов увеличения X слюдосодержащей изоляции. Показано, что третий способ, представляющий собой увеличение теплопроводности пропитывающего компаунда путем введения в его состав высокотеплопроводных наполнителей, является наиболее перспективным. Кроме того, рассматриваются вопросы, связанные с влиянием различных мелкодисперсных наполнителей на теплопроводность и основные электрические характеристики изоляционных материалов. Отмечается, что введение в состав эпоксидного компаунда высокотеплопроводных неметаллических нанонаполнителей не позволяет добиться значительного увеличения X, главным образом, из-за сложности введения этих наполнителей в состав полимерной матрицы. Использование в качестве высокотеплопроводных наполнителей микрочастиц AI2O3 и BN позволяет добиться значительно увеличения X эпоксидного компаунда с 0,24 Вт/(м-К) (для ненаполненного компаунда) до 2,10 Вт/(м-К) (при модификации поверхности высокотеплопроводного наполнителя различными химическими соединениями). Анализ влияния высокотеплопроводных наполнителей на основные электрические характеристики эпоксидных компаундов показал, что введение в состав полимерных матриц

высокотеплопроводных наполнителей микронного размера приводит к снижению Епр наполненного компаунда. В то же время, введение наноразмерных наполнителей в состав эпоксидного компаунда не приводит к значительному увеличению Епр композиционных материалов, за счет возможной агломерации наночастиц. Наиболее перспективным путем является создание определенной комбинации микро и наночастиц, что дает возможность увеличить не только X и Епр наполненного эпоксидного компаунда, но и его стойкость к воздействию ЧР.

Приведен анализ моделей зарождения и роста электрического триинга в термореактивной слюдосодержащей изоляции и наполненных полимерных композиционных материалах.

В целом, аналитический обзор литературных данных по рассматриваемой тематике позволил выявить ряд вопросов, требующих дальнейшего изучения, и сделать выводы, на основании которых были сформулированы конкретные задачи настоящей диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию объектов и методик экспериментального исследования основных теплофизическнх и электрических характеристик наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции. В качестве объектов исследования использовались модельные и макетные образцы, а также реальные изоляционные системы, изготовленные с использованием исследуемых пропитывающих эпоксидных компаундов и пропитанных ими композиционных слюдосодержащих материалов (таблица 1).

Таблица 1

Состав исследуемых композиционных материалов

Тип композиционного материала Толщина, мм Поверхностная плотность, г/м2 Слюдяная бумага, г/м2 Стекло ткань, г/м2 Связующее вещество г/м2 Летучие вещества, не более, %

Ненаполненный 0,14±0,02 195+25 85±5 38+4 72±12 0,7

Наполненный 0,20+0,02 185+25 85+4 38+4 62+17 0,6

В состав пропитывающего компаунда входила эпоксидная смола Ага1сШ ЕРМ 1180, катализатор (смесь ВЕз с бензиламином) и растворитель (метилэтилкетон). В качестве наполнителей был использован порошок гексагонального нитрида бора (В1\1) и ультрадисперсные наночастицы (УДН) (рис. 1).

Для исследований теплофизических характеристик отвержденного эпоксидного компаунда и образцов изоляции изготавливались плоские образцы в форме дисков диаметром от 15 до 45 мм и толщиной 1 -2 мм.

Измерение X проводилось в диапазоне температур от 25 до 155 С в режиме монотонного нагрева методами динамического и несимметричного калориметра с использованием приборов ИТ- X - 400 и ИТС - X - 20.

Стойкость исследуемых образцов к воздействию высоких температур определялась методами дифференциальной сканирующей калориметрии (прибор DSC 404 F3 Pegasus (Netzsch, Германия) и термогравиметрического анализа (прибор TG 209 (Netzsch, Германия).

Адгезионная прочность изоляции (öp), изготовленной из ненаполненного и наполненного композиционного материала, определялась путем проведения испытаний на межслоевой сдвиг.

Измерения tg5 изоляции на переменном напряжении (50 Гц) проводились с использованием макетных образцов и реальных конструкциях по прямой схеме моста Шеринга в температурном диапазоне (20 - 160)°С и напряженностях электрического поля от 1 до 6 kB/мм. Температурно-частотные зависимости tg5 (от 10"2 до 10б Гц) определялись методом диэлектрической спектроскопии.

Для оценки ресурсных характеристик изоляции макетных образцов в работе были использованы методы ускоренного испытания при постоянном значении испытательной напряженности 15 кВ/мм (50Гц) и линейного повышения испытательного напряжения с разной скоростью на исследуемых образцах до момента пробоя. Оценка долговечности исследуемых типов изоляции производилась путем определения значений показателя степени (т) уравнения наработки до отказа исследуемых образцов.

Изучение стойкости к воздействию 4P проводилось на плоских образцах отвержденного компаунда диаметром 45 мм и толщиной 3,2±0,1мм и плоских макетных образцах изоляции размером 100х 100 мм и толщиной 2,0±0,1мм, в которых был создан искусственный дефект. Дефект представлял собой отверстие диаметром 1мм, и глубиной, соответвующей 2/3 толщины образца. Для ускорения процессов электрического старения в случае исследования образцов отвержденных компаундов применялась вольфрамовая игла толщиной 1мм с радиусом закругления 5 мкм, установленная в отверстии.

Рис.1. Микрофотография частиц используемого УДН

Характеристики ЧР в изоляции исследуемых образцов измерялись электрическим методом с помощью регистратора характеристик ЧР «СКИТ ЧР» с максимальной чувствительностью (по величине кажущегося заряда ЧР) - 5Т0"13 Кл.

Изучение теплового старения высокотеплопроводной изоляции проводилось с использованием макетных образцов и реальных изоляционных систем при длительном воздействии высокой испытательной температуры (160°С, 960 часов) и термоциклов (400 циклов: нагрев до 150°С; охлаждение до 40°С). После термического старения производилось измерение tgS (50 Гц) и характеристик ЧР. Ресурсные электрические испытания реальных изоляционных систем проводились при одновременном воздействии температуры (125°С) и напряженности электрического поля (12,4 кВ/мм).

Представленные в разделе методики позволили сформировать экспериментальный комплекс, позволяющий оценить влияние мелкодисперсного наполнителя на основные теплофизические и электрические характеристики наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе.

В третьей главе представлены основные экспериментальные результаты, связанные с оценкой теплофизических и электрических характеристик наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе.

Экспериментально установлено, что значение X для ненаполненного эпоксидного компаунда в температурном диапазоне (25-155°С) практически не зависит от температуры, и располагается в диапазоне от 0,270 до 0,295 Вт/(мК). Величина X образцов наполненного эпоксидного компаунда выше, чем для ненаполненного компаунда в исследованном интервале температур. Увеличение содержания

высокотеплопроводного наполнителя (ВЫ) с 33 до 55 масс % приводит к увеличению X наполненного компаунда с 0,7 до 1,02 Вт/(м К) при температуре 150°С.

Произведен сравнительный анализ экспериментальных данных с различными расчетными моделями X наполненных компаундов. Установлено, что хорошая сходимость между экспериментальными данными и расчетными результатами во всем исследованном диапазоне концентраций наполнителя ВЫ наблюдается для моделей Ченга-Вачена и Гамильтона-Гроссера (рис. 2).

Рис. 2. Расчетные (1.3) и экспериментальная (2) зависимости X ет объемного содержание частиц ВК в зпскспякок кшшаунде ( 1 — рассчитанная по модели Гамильтона-Гроссера. 3 - рассч:пганная но «одели Ченга-Вачена)

Исследования температурной зависимости X изоляции показали, что образцы, изготовленные из наполненного композиционного материала, обладают вдвое большим значением X в диапазоне температур от 50 до 150°С по сравнению с изоляцией, изготовленной из ненаполненного

композиционного материала. При этом снижение содержания связующего (Ссв) в образцах ненаполненной изоляции приводит к увеличению X исследуемых образцов, т.к. именно связующее в такой системе изоляции имеет наименьшую теплопроводность. Невысокие значения X могут быть объяснены наличием воздушных включений в исследуемых образцах из-за невысокой степени опрессовки изоляции, а также высоким содержанием компонента с минимальным значением X. При увеличении степени опрессовки исследуемых образцов происходит уменьшение содержания связующего (менее 30%), приводящее к росту X. Следует отметить, что подобный характер изменения X от содержания связующего был установлен также в ряде работ других авторов для аналогичных типов ненаполненной слюдосодержащей изоляции.

Во всем исследованном интервале значений Ссв величина X образцов корпусной изоляции, изготовленной из наполненного композиционного материала, существенно выше, чем для образцов, изготовленных из ненаполненного материала (рис. 3). Даже при высоком содержании высокотеплопроводного наномодифицированного связующего в изоляции (Ссв > 36 %) не происходит существенного снижения X образцов изоляции. По-видимому, незначительное изменение величины X образцов изоляции из опытного наполненного композиционного материала при изменении содержания связующего с 31 до 37 % связано с тем, что значения X наполненного эпоксидного компаунда почти в два раза выше, чем для ненаполненного компаунда.

Изучение стойкости исследуемых модельных образцов к воздействию повышенных температур показало, что наиболее значительная потеря массы (в температурном диапазоне 150-300°С) характерна для образцов изоляции из ненаполненного композиционного материала. Такое поведение ненаполненного материала может быть связано со слабой экзотермической реакцией, которая определяется на кривой ДСК в пределах температур 150-300°С и может означать начало температурного разложения образца (рис.4). Следовательно, опытный

1

» ж 28 за зз _ г* з? а

Рис. 3. Зависимость А.=$*Ссе) (при 50 °С) для исследуемых образцов изоляции, изготовленных из ненаполненного (1) и наполненного (2) композиционного материала

Рис.4. Результаты ДСК и ТГА для образцов изоляции, изготовленной из ненаполненного (1) и наполненного (2) комшвировшго материала

композиционным материал, в составе которого присутствует эпоксидный компаунд, наполненный частицами ВЫ и УДН, демонстрирует большую термостойкость.

В результате определения адгезионной прочности (ор) модельных образцов корпусной изоляции было установлено, что разрывные усилия, необходимые для разрушения образцов, выполненных из исследуемых композиционных материалов, близки: -Для" ненаполненного композиционного материала ар составляет 5,97+0,62 Н/мм2, а для наполненного - 5,58+0,65 Н/мм2.

Результаты исследования температурно - частотных зависимостей tg8 отвержденных

образцов компаундов показали, что на зависимостях 1§5 при температурах выше 100°С

(рис. 5) для ненаполненного эпоксидного компаунда наблюдаются максимумы в частотном

диапазоне от 1 до 1000 Гц, которые

обусловлены локальными движениями

полярных групп, находящимися в основной

или боковой цепи макромолекул компаунда,

что соответствуют дипольно-групповым

потерям. При введении в состав эпоксидного

компаунда частиц ВИ микроскопического

размера при испытательных температурах ".,3122453

|д <г, гщ

выше 110°С наблюдаются максимумы при

Рис. 5. Частотные зависимости 1'ф для ЭТОМ значение частоты максимума ненаполненного (5), наполненного частицами ВИ

(2). частицами и наномоднфнкатором (3). сдвигается по частотной оси влево эпоксидных компаундов прн температуре 160 ЭС

практически на два порядка по сравнению с

ненаполненным компаундом. Такое смещение максимумов tg5 при переходе от ненаполненного компаунда к наполненному, по-видимому, обусловлено миграционной поляризацией.

Одновременное введение микропорошка ВК и УДН приводит к снижению tgS в исследованном частотном и температурном диапазонах и смещению максимумов tgS в еще более низкий диапазон частот (от 10~2 до 100 Гц). Расширение максимумов tg5 и смещение их в области более низких частот при переходе от чистого эпоксидного компаунда к

: |1б0ас1

У^Уу* V

■ .......Ч \ Г"' /3 -V у у " ^ '........:' ^¿Ч.

наполненному может быть объяснено увеличением числа времен релаксации, которое связано с разностью электропроводностей матрицы и наполнителя, за счет неодинаковой формы, размера и ориентации частиц £Ш и УДН. Введение УДН, обладающих большой поверхностной площадью, вызывает увеличение поверхностной межфазной границы

(наночастица — полимер), что в свою очередь приводит к увеличению мигрирующего заряда. Увеличение мигрирующего заряда

обуславливает рост связанного с ним tg5 и его распределение по частоте.

В области рабочих частот термореактивной изоляции (50 Гц) введение мелкодисперсного наполнителя не вызывает роста при одинаковых значениях

температуры.

На основании экспериментально полученных температурно-частотных зависимостей для ненаполненного и наполненного эпоксидных компаундов были построены зависимости частоты (Гмю), соответствующей максимуму в Аррениусовских координатах (рис. 6) и произведен расчет энергии активации дипольно-групповых процессов (\Уа 16 5 ма\) и температуры стеклования (Тс) для исследуемых эпоксидных компаундов (таблица 3).

Таблица 3

Значения \¥а а мач и Тс для исследованных образцов эпоксидных компаундов

Тип компаунда 'Май; 6 мах, эВ Тс, °С

Чистый 1,30 112

Наполненный микрочастицами ВК 1,03 163

Наполненный микрочастицами ВИ и УДН 0,95 177

Введение мелкодисперсного наполнителя ВМ и УДН приводит к снижению \Vatg 5мах и увеличению Тс за счет увеличения жесткости макромолекулы эпоксидного компаунда.

Исыгедование диэлектрических потерь в сильных электрических полях (1-6 кВ/мм) (50Гц), показало, что во всем исследованном температурном диапазоне значения 1^5 для изоляции макетов, изготовленных из рассматриваемых композиционных материалов, практически не изменяются с увеличением Еисп. Этот факт свидетельствует об отсутствии дефектов в изоляции и, следовательно, о высоком качестве её изготовления. Для изоляции,

105/Т, (С1

Рис. 6. Зависимости 1еШ.1ах)=:П;Т) зла исследуемых- образное ненахголненного к наполненного эпоксидного компаунда: I -ненапоянекный компаунд, 2 - наполненного частицами ВЫ компаунд. 3 - наполненный частицами ВК и каномодификагором эпоксидный компаунд

Рис. 1. Зависимости 1§5=-£(Т5 для изоляции макетных образное, изготовленных из исследованных композиционны?; материалов, при различных Лисп: 1Л'— ненаполненный, 2. 2' — наполненный

выполненной из обоих типов исследуемых композиционных материалов, наблюдается увеличение с ростом температуры,

связанное с увеличением электрической проводимости (рис. 7). Образцы, изготовленные из опытного наполненного композиционного материала, характеризуются более высокими значениями tgS = (0,068 -0,071) при температуре 155°С, чем макеты, выполненные из ненаполненного

композиционного материала tgS = (0,051 — 0,055). Эти значения 1^8 не превышают предельных значений (0,1) и соответствуют

требованиям отечественных и международных стандартов для корпусной изоляции высоковольтных электрических машин.

В результате проведения ускоренных испытаний по оценке стойкости отвержденных образцов исследуемых компаундов к воздействию ЧР было установлено, что наполненные образцы характеризуются более высокой стойкостью по сравнению с ненаполненными. Глубина слоя эрозии, возникшей от воздействия ЧР для образцов наполненного компаунда составила от 5 до 10 мкм, а для образцов ненаполненного компаунда при тех же условиях испытаний глубина слоя эрозии составила от 40 до 60 мкм. Кроме того, для двух образцов ненаполненного компаунда были

зафиксированы каналы сквозного пробоя (через 90 и 240 мин, соответственно).

Испытания плоских образцов изоляции с искусственным воздушным включением показали, что образцы изоляции, изготовленные из исследуемых композиционных материалов, характеризуется практически одинаковой стойкостью к распространению электрического триинга (рис. 8), поскольку они характеризуются близкими значениями времен наработок до пробоя.

юша.оз эшйог оо юое+В 1.оон*7 < с-ОЕ- з Время, ч

Рис. Распределение времен до пробоя плоских о&рззиов изоляции при Еисп =6,9 кВ/мм, 1 -нензаполненный 2 - наполненный композиционный материал

При проведении испытаний при двух скоростях повышения испытательной

напряженности (Е\= 0,419 кВ/ммхч и Ег = 0,108 кВ/ммхч) было установлено, что при снижении скорости наблюдается уменьшение Епрбз% для изоляции из наполненного композиционного материала с 17,9 кВ до 15,3 кВ, а для ненаполненного соответственно с 25,6 кВ до 23,0 кВ. При этом для всех исследуемых макетов изоляции статистические распределения Епр достаточно хорошо могут быть аппроксимированы отрезками параллельных прямых линий на «вероятностной бумаге» двухпараметрического закона Вейбулла при разных скоростях подъема испытательного напряжения, о чем также свидетельствовала статистическая близость значений параметров формы ((3) соответствующих распределений. Следовательно, закон электрического старения для исследуемых образцов при изменении скорости подъема испытательной напряженности не изменился, поэтому значения показателя степени (ш) уравнения наработки до отказа от напряженности электрического поля определялись по формуле:

т = ■

ln —1п Е2 (])

1п ТГ _ 1п Р

ПР 63%1 ПР 63%2

где Е\ и Ег - скорости подъема испытательной напряженности электрического поля; Епрю%\ и ^прбз%2 " значения электрической прочности (63%) исследуемых образцов изоляции при соответствующих скоростях подъема испытательной напряженности.

Рассчитанное значение показателя степени (га) уравнения наработки до отказа от напряженности электрического поля для изоляции, изготовленной из наполненного высокотеплопроводного композиционного материала, составило 12,8±0,3. Таким образом, образцы корпусной изоляции, изготовленные из данного материала, характеризуются высокой длительной электрической прочностью, сопоставимой с изоляцией, выполненной из традиционно используемого ненаполненного слюдосодержащего композиционного материала, для которого расчетное значение т составляет 11,9± 0,6.

Экспериментальная оценка длительной электрической прочности изоляции макетных образцов при длительном воздействии постоянного значения испытательной напряженности 15 кВ/мм (50 Гц) (рис. 9) показала, что значения времен наработки до отказа изоляции макетов, выполненных из наполненного композиционного материала, ниже, чем для ненаполненного. Особенно наглядно это снижение наблюдается в области малых вероятностей разрушения (до 25 %). В этой области значения наработки до пробоя не превышают (10 - 12 ч). В области высоких вероятностей разрушения (> 80 %) значения

наработок до пробоя высокотеплопроводной изоляции становятся практически соизмеримыми с результатами для изоляции, изготовленной из ненаполненного композиционного материала. Для уточнения механизма повреждения был проведен визуальный анализ мест пробоя изоляции макетов, вышедших из строя. Установлено, что на первом участке, который соответствует малым временам до отказа (10-12 ч), в изоляции имелось большое количество дефектов, связанных с агломерацией высокотеплопроводного

наполнителя в связующем. На втором участке, соответствующем временам (20 -60 ч), наблюдается снижение числа дефектов в структуре корпусной изоляции, что приводит к увеличению времени наработки до отказа. На третьем участке, соответствующем временам (70-90 ч), наблюдается отсутствие выраженных дефектов в объеме корпусной изоляции, изготовленной из опытного высокотеплопроводного композиционного материала.

Результаты теплового старения (при 160°С) изоляции макетных образцов, выполненной из наполненного композиционного материала, показали, что старение в течение 240 ч приводит к увеличению значения tgS на 20%. При последующей выдержке образцов наблюдалось дальнейшее увеличение 1^5. Значение tg5, измеренное при 160°С после теплового старения в течение 960 часов составило 1,58 от исходного. Отсутствие резкого увеличения tg8 при высокой напряженности (6 кВ/мм) и длительности выдержки 960 часов было подтверждено данными по измерению ЧР в исследованных образцах (рис. 10). Во всем временном интервале теплового старения значения С>мах не превышают 1,5-103 пКл, что свидетельствует об отсутствии изменений в структуре изоляции, выполненной из опытного высокотеплопроводного композиционного материала и, следовательно, высокой стойкости исследуемых образцов изоляции к длительному воздействию температуры.

После проведения термоциклических испытаний реальной изоляционной системы, изготовленной из наполненного композиционного материала было установлено, что в диапазоне значений испытательного напряжения от 2 до 24 кВ наблюдается незначительное увеличение tg8 изоляции. Увеличение tg5 при переходе от одной ступени испытательного

й, ее

I.

шм шл

Время, (час)

Ряс,. 9 Распределение времен до пробоя при Е4К31 = 15 кВ/мм для язожщш! макетов, изготошеннех ж исследуемых коьшозшщ-ошшх материалов; 1 -неяаволненнмй, 2 — наполненный шмпозтщотшж матерная

напряжения к другой с шагом 2кВ (Д не превышает 0,5 %, что свидетельствует о высокой монолитности изоляции, т.е. отсутствии её разрушения в процессе термоциклических испытаний.

Экспериментальная оценка стойкости корпусной изоляции реальной конструкции к одновременному воздействию высокой температуры (125°С) и испытательной напряженности 12,4 кВ/мм показала достаточно высокую стойкость к воздействию эксплуатационных нагрузок наполненного композиционного материала. Испытания в течение 400 часов выдержал один образец, пробой второго образца произошел по истечении 173 часов (место пробоя соответствовало переходу с пазовой части конструкции на лобовую часть).

Основные выводы и результаты работы

1. На основании проведенных исследований установлено, что введение в состав эпоксидного компаунда мелкодисперсных частиц ВЫ позволяет увеличить X наполненного компаунда до значения 0,98 ± 0,04 Вт/(м-К) при температуре 155°С.

2. Применение эпоксидного компаунда, наполненного частицами высокотеплопроводного наполнителя (ВЫ) и УДН для пропитки композиционного материала, приводит к увеличению X изоляции на его основе до значений, практически в два раза превышающих значения X изоляции, изготовленной из ненаполненного композиционного материала, и повышению температуры начала процесса ее деструкции с 215°С до 268°С.

3. Наномодифицированный высокотеплопроводный эпоксидный компаунд характеризуется меньшим значением диэлектрических потерь в диапазоне температур (20 — 160°С) и частот (10"2 -106 Гц) по сравнению с ненаполненным компаундом.

4. Расчет энергии активации мах ненаполненного эпоксидного компаунда показал, что для него характерна дипольно-групповая поляризация. В исследованных образцах наполненного микрочастицами ВЫ и УДН эпоксидного компаунда, а так же термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе, кроме, дипольно-групповой, проявляется миграционная поляризация. При этом для образцов наполненного композиционного материала миграционная поляризация наиболее выражена.

* ::

о

Е *ес га г®

Врем* старена, м

Рис 10. Зависимость от времени теплового старения дая изоляции, выполненной яз наполненного композиционного материала (Енгп -

бкВ.4ш)

5. Путем сопоставления экспериментальных данных по длительной электрической прочности корпусной изоляции при различных скоростях подъема испытательного напряжения установлено, что показатель степени (ш) уравнения наработки до отказа наномодифицированной слюдосодержащей корпусной изоляции составляет 12,8+0,3 и соответствует традиционно применяемой в электрических машинах слюдосодержащей термореактивной изоляции.

6. Установлена взаимосвязь длительной электрической прочности высокотеплопроводной изоляции со степенью её дефектности, что требует оптимизации технологических режимов изготовления изоляции из нового типа высокотеплопроводного композиционного материала.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Безбородов, A.A. Исследование возможности создания высокотеплопроводной системы электрической изоляции для турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением /Безбородов A.A. Азнзов А.Ш., Андреев A.M., Пак В.М.// Электротехника, №4, - 2011, - С.7-11.

2. Безбородов, A.A. Измерение теплопроводности электроизоляционных материалов, используемых в высоковольтных электрических машинах / Безбородов A.A., Полонский Ю.А., Ковалев А.Г.//. Электротехника, № 3. - 2009. - С.15-19.

3. Безбородов, A.A. Исследование кинетики отверждения термореактивной изоляции с помощью днэлектрометрии / Безбородов A.A., Шнкова Т.М, Ваксер U.M.// Известия Российского государственного университета Им. А.И. Герцена, №11. - 2009. -С.159-163.

4. Безбородов, A.A. Влияние степени наполнения и структурных особенностей на теплопроводность композиционного материала полипропилен-технический углерод / Безбородов A.A., Цобкалло Е.С., Ожегова Т.А.// Материалы XII Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики 2011), 23-26 мая 2011 г. Т.2. - СПб: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. - 2011. - С. 135-138.

5. Безбородов, A.A. Влияние технологических факторов на теплопроводность системы изоляции/ Безбородов A.A., Шикова Т.М., Красикова Т.А.// Материалы XII Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики 2011), 23-26 мая 2011 г. Т.2. - СПб: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. - 2011. - С.307-309

6. Безбородов, A.A. Influence of nano-modifiers on electrical properties of epoxy resins and impregnated insulating composites/ Безбородов A.A., Андреев A.M., Азизов А.Ш.// Proc. 22 Nordis Insulation Symp. 13-15 June 2011. Tampere, - p. 133-135.

7. Безбородов, A.A. Изучение основных электрофизических характеристик новых типов электромашинной изоляции, Материалы XII Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики 2011), 23-26 мая 2011 г. Т.2. - СПб: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. - 2011. - С. 305-307.

8. Безбородов, A.A. Исследование электрофизических свойств наполненных слюдобумаг и композиционных материалов на их основе, Материалы международной научно-практической конференции "XXXIX неделя науки СПбГПУ". Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во Политехнического университета, - 2010. - С. 37-38.

9. Безбородов, A.A. Влияние технологических факторов на характеристики системы изоляции из пропитанных лент / Безбородов A.A., Шикова Т.М, Лаврентьева М.Ю.// Сборник

научных трудов Пятой Международной научно-технической конференции "Электрическая изоляция - 2010" 1-4 июня 2010г. СПб.: Изд-во Политехи ун-та, - 2006. - С.63.

10. Безбородов, A.A. Исследование новых типов изоляции для турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением / Безбородов A.A., Ковалев А.Г.// Материалы 1-ой конференции молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «Силовые машины», -2010. - С. 21-24.

11. Безбородов, A.A. Влияние размера частиц нанонаполнителя на тепло- и электрофизические свойства изоляции электрических машин /Безбородов A.A., Полонский Ю.А.// Сборник научных трудов Пятой Международной научно-технической конференции "Электрическая изоляция - 2010" 1-4 июня 2010г. СПб.: Изд-во Политехи ун-та, -2006.С.64.

12. Безбородов, A.A. Взаимосвязь особенностей структуры с электро- и теплопроводящими свойствами композиционного материала полипропилен-наноуглерод /Безбородов A.A., Цобкалло Е.С., Баланев A.C., Москалюк O.A., Ожегова Т.А.// Сборник научных трудов Пятой Международной научно-технической конференции "Электрическая изоляция - 2010" 1-4 июня 2010г. СПб.: Изд-во Политехи ун-та, - 2006. - С.121-123.

13. Bezborodov, A.A. Influense of micro and nano fillers to the electro-physical properties of composite mica based dielectrics / Bezborodov A.A., Andreev A.M.//18th International Conference DIELECTRIC AND INSULATING SYSTEMS IN ELECTRICAL ENGINEERING 2010 (DISSE 2010), - p.201-205.

14. Безбородов, A.A. Возможности совершенствования системы изоляции электрических машин, Труды XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». 29 сентября — 4 октября 2008г. Крым, Алушта. Изд-во Москва.: Институт электротехники МЭИ (ТУ), - 2008. - С. 19.

15. Безбородов, A.A. Влияние состава композиционного материала на монолитность /Безбородов A.A., Лаврентьева М.Ю.// Материалы XII всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических ВУЗАХ». Спб.: Изд-во Политехнического университета, - 2008. - С. 254-255.

Подписано в печать 17.04.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9107Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/3240

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

ВЛИЯНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛЮДОСОДЕРЖАЩЕЙ ТЕРМОРЕАКТИВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

На правах рукописи

БЕЗБОРОДОЕ АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Андреев А.М.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2012

Содержание

13

24

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1.Способы увеличения теплопроводности термореактивной электрической изоляции 11

1.2.Влияние наполнителей на теплопроводность эпоксидного компаунда

1.3.Влияние модификации поверхности наполнителей на коэффициент теплопроводности наполненного эпоксидного компаунда

1.4.Влияние наполнителей на электрические характеристики полимерных композиционных материалов 30

1.5.Анализ моделей зарождения и роста электрического триинга в термореактивной слюдосодержащей изоляции 57

1.6.Анализ моделей зарождения и роста электрического триинга в наполненных композиционных материалах 61

1.7.Выводы по литературному обзору и постановка цели исследований 69

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Свойства исследуемых материалов и конструкции испытательных образцов 71

2.2.Методики измерения теплофизических и механических свойств исследуемых материалов 75 2.2.1 .Методика термического анализа исследуемых типов изоляции 79 2.2.2.Методика определения механических свойств образцов изоляции

2.3.Методика определения содержания связующего в исследуемых образцах 85

2.4.Методика определения текучести эпоксидного компаунда в пропитанных композиционных материалах 86

2.5.Методика измерения диэлектрических потерь в изоляции 87

2.6.Методика определения длительной электрической прочности изоляции макетных образцов 90

2.7.Методика определения стойкости макетных образцов к распространению электрического триинга 93

2.8.Методика измерения характеристик ЧР в изоляции макетных образцов 97

2.9.Методика экспериментальной оценки теплового старения изоляции 98 2.10 .Методика проведения ресурсных испытаний 99

82

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Определение коэффициента теплопроводности образцов наполненного эпоксидного компаунда 100

3.2.Изучение процесса термодеструкции исследуемых образцов изоляции 107 3.3 .Адгезионные свойства исследуемых материалов 113

3.4.Исследование электрических характеристик эпоксидных компаундов и образцов изоляции, изготовленных из исследуемых типов предварительно пропитанных композиционных материалов 115

3.4.1.Исследование диэлектрических потерь эпоксидных компаундов при переменном напряжении в диапазоне частот (10" -

10б Гц) 115

3.4.2.Исследование диэлектрических потерь изоляции макетных испытательных образцов 122

3.5. Экспериментальная оценка длительной электрической прочности изоляции макетных образцов изготовленных из исследованных композиционных материалов 130

3.6. Изучение стойкости плоских макетных образцов к 136 распространению электрического триинга

3.6.1. Изучение стойкости плоских образцов отвержденного 136 компаунда к воздействию 4P

3.6.2. Изучение стойкости плоских макетных образцов изоляции к распространению электрического триинга 137

3.7.Исследование теплового старения изоляции, изготовленной из наполненного композиционного материала 140

3.8. Проведение ресурсных испытаний изоляционной системы, изготовленной из наполненного композиционного материала 146

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 148

ЛИТЕРАТУРА 150

ПРИЛОЖЕНИЯ

164

Введение

Начало XXI века можно охарактеризовать изменением технической политики в электроэнергетике высокоразвитых стран. После бурного роста мощностей блоков, главным образом, за счет развития атомной энергетики, наблюдавшегося до середины 90-х гг. XX века, наступил период повышенного внимания к блокам средних мощностей, которые сегодня составляют большую часть парка оборудования электростанций. Это привело к изменению требований рынка турбогенераторов - потребовалось снижение стоимости генераторов, повышение их удельных характеристик и надежности в эксплуатации, увеличение их срока службы, повышение экономичности.

На сегодняшний день во всем мире широко распространено производств турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением мощностью свыше 200 МВА. Они(эти турбогенераторы) хорошо зарекомендовали себя на протяжении последних двадцати лет благодаря простоте своей конструкции и значительно более дешевой стоимости по сравнению с генераторами с водяным охлаждением.

Одним из наиболее очевидных путей увеличения мощности турбогенераторов является улучшение свойств стекдослюдобумажной ленты, применяемой при создании систем электрической изоляции статорной обмотки.

В данной области идут исследования, направленные на увеличение коэффициента теплопроводности (I), рабочей напряженности электрического поля, класса нагревоетойкости, снижения тангенса угла .диэлектрических потерь (tgS) и теплового сопротивления корпусной изоляции. По данным компании Alstom (Швейцария), близка к началу серийного производства новая корпусная изоляция (Micadur Н), рассчитанная на работу при температуре 180 °С (класс нагревоетойкости Н) [1]. Повышение класса нагревоетойкости изоляции приведет не только к увеличению мощности при сохранении тех же размеров машины, но и даст

возможность турбине работать с временным: повышением мощности. Накопленный компанией Aistom Power опыт производства турбогенераторов 300 МВД позволил создать турбогенераторы мощностью 340 и 400 MB А, а также спроектировать турбогенератор с воздушным охлаждением класса 500 МВА типа ТОР AIR, изоляция обмотки статора которого была выполнена из ленты Micadur® (класса нагревостойкости H), а изоляция ротора из материала Nomex (также класса нагревостойкости Н) [2].

В 2000 году компания Toshiba (Япония) впервые в мировой практике провела успешные испытания турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 2.00 МВА с изоляцией, обладающей вдвое большим значением X по сравнению с серийно используемой изоляцией [4]. В середине 2010 года компания Toshiba заявила об успешном завершении испытаний турбогенератора с водородным охлаждением: мощностью 670 МВА на рабочее напряжение 19 кВ с применением изоляции класса нагревостойкости F [3],

По данным компании Izovolta (Австрия) в результате изменений в конструкции обмотки статора (изменении в сечении медных проводников) и толщины изоляции (за счет применения новой изоляционной ленты) можно повысить производительность турбогенератора с косвенным охлаждением на 20% [4].

С момента своего появления в середине 50-х годов прошлого века слюдосодержащая изоляция на основе различных смол постоянно претерпевала изменения. На сегодняшний день наиболее близкими к стадии технологического внедрения являются: создание изоляционной системы

V ТТ ь- и

класса нагревостойкости H и создание наполненной в ы сокотепл о проводив и слюдосо держащей изоляционной композиции (Н'ГС),

Актуальность работы.

На сегодняшний день основными путями увеличения коэффициента теплопроводности слюдосодержащей изоляции являются: оптимизация структуры и состава изоляционных материалов, создание наполненных изоляционных композиционных материалов и применение высокотеплопроводного связующего.

Главной целью оптимизации состава слюдосодержащих изоляционных материалов является создание композиции, в составе которой минимальным процентным содержанием обладал бы материал с наименьшим коэффициентом теплопроводности. Работу в этом направлении ведет компания Isovolta (Австрия). По данной технологии созданы несколько типов оптимизированных «сухих» изоляционных материалов, максимальное значение X которых составляет1 0,34 Вт/(м.К). В этих материалах используется стеклоткань с плоскими стеклянными стрендами [4,5]. Применение таких материалов приводит к существенному снижению содержания связующего в изоляции. Данный тип материалов был использован компанией Brush (Великобритания) при разработке конструкции турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 250 MB А [6].

Второй путь состоит в применении мелкодисперсных наполнителей с высоким значением X. Наиболее широко в промышленности для этих целей используются два типа тонко дисперсных неметаллических порошков: оксид алюминия А120з (X = 25-40 Вт/(м К)) и нитрид бора BN (гексагональный) (X = 40-120 Вт//(м К)). Теплопроводность корпусной изоляции, изготовленной из таких наполненных композиционных материалов, может достигать 0,450,5 Вт/(мК) [3-5]. Однако происходит снижение механических и электрических характеристик, главным образом, за счет усложнения технологии пропитки изоляции. На основе «сухой» ленты с повышенной теплопроводностью производства фирмы Von Roll (Швейцария), компанией Aistom (Швейцария) была создана система изоляции статорной

обмотки для турбогенератора мощностью 400 MB А, а компанией Toshiba (Япония) - для турбогенератора мощностью 670 МВА с водородным охлаждением.

Третий путь заключается в увеличении теплопроводности пропитывающего компаунда путем введения в его состав различных наполнителей. Однако, введение мелкодисперсных наполнителей может привести к изменению электрических характеристик эпоксидного компаунда (Eup, tg5, в, три и н гостойкост и и стойкости к электрическим разрядам). Таким образом, перед созданием реальных изоляционных конструкций из нового типа высокотеплопроводной изоляции, необходимо оценить основные характеристики наполненного пропитывающего компаунда и композиционных материалов на ею основе.

Цель работы. Исследование основных тепло- и электрофизических характеристик наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции. Для достижения этой цели требовалось выполнить следующее:

- изготовить модельные образцы наполненного эпоксидного компаунда и исследовать их основные теплофизические и электрические характеристики;

- изготовить макетные образцы изоляции на основе опытного наполненного слюдосодержащего композиционного материала и произвести экспериментальную оценку теплофизических и электрических характеристик в сравнении с традиционной изоляцией, изготовленной из ненаполненного пропитывающего компаунда;

- провести экспериментальную оценку длительной электрической прочности термореактивной слюдосодержащей наполненной изоляции.

Научная новизна работы:

- в результате впервые проведенных исследований теплофизических характеристик слюдосодержащей термореактивной изоляции на основе ненаполненных и наполненных изоляционных композиционных материалов показано, что значение X наполненной слюдосодержащей изоляции

практически в два раза выше, чем для традиционной ненаполненной изоляции;

путем сопоставления экспериментальных данных по длительной электрической прочности корпусной изоляции из наполненнойго высокотеплопроводного композиционного материала при различных скоростях подъема испытательного напряжения установлено, что показатель степени (т) уравнения наработки до отказа от напряженности электрического поля наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции соответствует традиционной ненаполненной изоляции;

- в результате произведения исследований диэлектрических потерь высокотеплопроводного наномодифицированного эпоксидного компаунда и слюдосодержащей термореактивной изоляции на его основе уточнен механизм диэлектрических потерь в исследуемых образцах.

Практическая значимость работы:

- показана перспективность применения опытного наполненного высокотеплопроводного композиционного материала для создания корпусной изоляции (с улучшенными теплофизическими свойствами) мощных турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением;

- установлена связь между значениями X и содержанием наномодифицированного связующего в изоляции, что позволило оптимизировать технологические режимы изготовления корпусной изоляции с повышенной теплопроводностью;

- определено, что при рабочей частоте (50 Гц) в широком диапазоне температур и напряженностей электрического поля, значения для ненаполненной и наполненной высокотеплопроводной изоляции не превышают критические параметры, установленные российскими и международными стандартами.

На защиту выносятся:

результаты изучения температурной зависимости коэффициента теплопроводности наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе;

- сравнительные испытания теплофизических и электрических характеристик ненаполненного и наполненного слюдосодержащего композиционных материалов;

- интерпретация результатов исследования температурно-частотных зависимостей диэлектрических потерь наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе;

- оценка влияния теплового старения и термоциклов на тепло- и электрофизические характеристики электрической изоляции, выполненной из ненаполненного и наполненного композиционных материалов;

- результаты исследования длительной электрической прочности высокотеплопроводной наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованным выбором методов исследования электрических, теплофизических и механических характеристик исследуемых материалов; применением большого количества методик, позволяющих с разных сторон подойти к решению проблемы; статистической обработкой полученных данных; постепенным движением от изучения свойств самого материала корпусной изоляции к созданию системы изоляции и оценке её свойств; проведением повторных испытаний, показывающих воспроизводимость результатов.

Личный вклад автора состоит в определении цели и методов исследования; изготовлении образцов и проведении экспериментальных исследований; обработке, обобщении и анализе полученных результатов. Результаты, представленные в работе, получены автором лично или при его

непосредственном участии. В процессе работы автор пользовался консультациями к.т.н., доцента Шиковой Т.М. Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. XII Международная конференция Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. 29 сентября - 4 октября 2008г. Крым, Алушта.

2. XII всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических ВУЗАХ». 2008, Санкт-Петербург.

3. XI Международная конференция Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008), 03-07 июня 2008, Санкт-Петербург.

4. V Международная научно-техническая конференция Электрическая изоляция - 2010, 1-4 июня 2010г. Санкт-Петербург.

5. XVIII Международная конференция DIELECTRIC AND INSULATING SYSTEMS IN ELECTRICAL ENGINEERING 2010 (DISSE 2010), 22-24 сентября 2010, Домановска Долина. Словакия.

6. XII Международная конференция Физика диэлектриков (Диэлектрики-2011), 23-26 мая 2011, Санкт-Петербург.

7. XXII Международная конференция Nordic Insulation Symposium, 13-15 Июня 2011г., Тампере, Финляндия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 в изданиях из списка ВАК.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация общим объёмом 181 страница состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (150 наименований), 4 приложений. Работа содержит 138 рисунков, 40 таблиц.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1Л. Способы увеличения теплопроводности термореактивной электрической изоляции

Для высоковольтных статорных обмоток турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением используется непрерывная система электрической изоляции статорной обмотки. Данная система формируется при нанесении на токоведущую часть обмотки ленточных композиционных материалов. Слюдосодержащие изоляционные ленты состоят из следующих основных компонентов:

- диэлектрический барьер,

- подложка,

- связующее.

В зависимости от содержания связующего, ленты подразделяется на непропитанные («сухие») при малом содержании связующего (4-18%) и предварительно пропитанные, содержащие от 33 до 42 % связующего.

Все материалы, входящие в состав корпусной изоляции, обладая высоким уровнем изоляционных свойств, в тоже время обладают сравнительно низкой теплопроводностью.

Значения X традиционной слюдосодержащей корпусной изоляции лежат в интервале от 0,25 до 0,30 Вт/(м»К), тогда как соответствующие величины для меди и стали превышают их в 1500 и 300 раз соответственно (рис. 1.1).

400,0

80.0

I 10,0

"0.45

1.0

0.1

0.2

0,28

Слюда Стекло Эпоксидный Медь

компаунд

Термо- Сталь

реактивная

изоляция

Рис. 1.1. Значения коэффициента теплопроводности различных материалов [5]