Усовершенствованный метод испытания полимерных материалов на трекинго- и эрозионную стойкость
Как известно, при эксплуатации в процессе загрязнения и увлажнения изоляция наружных высоковольтных конструкций подвергаются поверхностным частичным разрядам. Стойкость к этим разрядам (трекингостойкость) — одна из основных характеристик, определяющих возможность применения полимерных материалов в высоковольтных наружных установках в качестве изоляции. Поскольку в условиях эксплуатации проведение сравнительных испытаний различных полимерных материалов на трекинго- и эрозионную стойкость затрудняется из-за невозможности регулировать условия опыта, а разрушение происходит относительно медленно, разработаны различные методы ускоренных испытаний: «каплепадения», «термовлагокамера», «фиксированная микродуга», «пыли и тумана», «проводящего тумана» и др. [1–4]
Установлено, что преобладающую роль в явлении трекинга играют окислительные процессы. Так, Манделкорн [1] полагает, что под действием электрического разряда на поверхности изоляции выделяются короткоживущие и относительно устойчивые химически активные продукты: O, N, N2, O2, N2+, O2+, O3+, NO2, HNO3 и т. д. В развитии данной идеи было предложено испытание полимерных материалов на трекингостойкость электролитом, подвергнутым предварительной активации продуктами окисления в процессе испытания.
Предварительная активация электролита производится частичными разрядами при стекании его по поверхности вспомогательного образца с электродами, расположенного над испытуемым образцом.
В качестве вспомогательного образца можно взять любой трекингостойкий материал (фарфор, стекло и др.) соответствующего размера. Испытание можно провести также и на образце полимерного материала необходимого размера путем закрепления на его поверхности трех и более электродов. При этом первые межэлектродные участки поверхности образца являются вспомогательными по отношению к нижним. По предложенному методу увлажнение поверхности испытуемого образца происходит периодически путем выпадения раствора электролита в виде капель с определенной частотой (см. рис. 1). Величина напряженности электрического поля, сопротивление электролита, расстояние между электродами могут меняться в широких пределах — в зависимости от размера и формы образца.
Критерием трекингостойкости полимерных материалов по данному методу могут быть количество выпадающего электролита в виде капель, число бросков тока, т. е. количество частичных разрядов, или время, необходимое для испытания до разрушения. Ясно что, число бросков тока при испытании зависит от количества и интенсивности выпадающего электролита в виде капель. При этом часть электролита, вследствие воздействия температуры частичного разряда, испаряется на верхнем межэлектродном участке. Оставшаяся часть электролита стекает вниз и не всегда достаточна для полного смачивания нижних межэлектродных участков и образования частичных разрядов. Следовательно, количество частичных разрядов на первом межэлектродном участке равна числу капель, а на нижних межэлектродных участках — меньше. Несмотря на это разрушение в виде трека (или эрозии) испытуемого образца начинается преимущественно с нижнего участка (см. рис. 2).
Большой разброс и длительность результатов испытания трекинго- и эрозиостойкости полимерной изоляции любыми известными способами (см. рис. 3, кривые 2–5), где имеется единственный межэлектродный участок, объясняется тем, что каждый раз при выпадении новой порции электролита на межэлектродный участок происходит постоянное разбавление остатка раствора электролита, обработанного предыдущим разрядом, и снижается его активность. А в предложенном «капельном» методе наоборот — нижние межэлектродные участки испытуемого образца постепенно увлажняются электролитом, обработанным разрядами на верхних межэлектродных участках, т. е. обогащенным продуктами термоокисления. Активные (термоокислительные) продукты, взаимодействуя с поверхностью материала, быстро снижают его поверхностное сопротивление и разрушают в виде трека или эрозии (см. рис. 3, кривая 1).
Исследования состава электролита после воздействия на него частичными разрядами показывает, что кроме уменьшения объемного сопротивления (ρv) в электролите появляются химически активные продукты в виде, например, перекиси водорода (H2O2). Поскольку H2O2 в атмосфере быстро разлагается на H2O и О, электролит по истечении времени теряет свою активность и подчиняется условию:
,
где: m — количество химически активных продуктов в виде H2O2 (в %); t > 0 — время после воздействия частичными разрядами на электролит до проведения исследования (час.); k = 0,5 – постоянный коэффициент.
Следует отметить, что частичным разрядом является также источник ультрафиолетового (УФ) излучения. УФ лучи приводят к усилению окислительных процессов на поверхности изоляции. На рисунке 4 представлено изменение процентного содержания H2O2 в составе электролита после воздействия на него частичными разрядами в зависимости от времени.
Анализ результатов испытаний показывает, что добавление в состав электролита таких химически активных веществ, как H2O2 и/или HNO3, существенно ускоряет процесс разрушения образцов полимерных материалов (табл.1). А в атмосфере газа, не содержащего кислород (аргон, элегаз и проч.), разрушение образцов полимеров не наблюдалось при определении трекингостойкости (рис. 5) и дугостойкости
(рис. 6), в том числе и материалов, нетрекингостойких в воздухе (см. табл. 2). Это еще раз подтверждает определяющую роль окислительных процессов в явлении трекинга.
Считается, что когда на поверхности полимерного изоляционного материала образуется науглероженная дорожка (трек), его потенциал оказывается близким к потенциалу металлического электрода. [4] При этом, опора точки дуги переходит с электрода на этот науглероженный участок, а это способствует развитию трека по всей длине изоляционного материала. Потеря подвижности дуги приводит к термическому разрушению этого материала.
В связи с вышеизложенным, рассмотрим условия трекобразования некоторых видов полимерных материалов с искусственно созданной науглероженной дорожкой на их поверхности. Для этого образцы полимерных материалов до испытания на трекингостойкость были подвержены воздействию слаботочной электрической дуги при Uисп. = 10 кВ и Iд = 10 мА, после чего характер и степень разрушения их поверхности оценены путем замера электрического сопротивления поврежденного межэлектродного участка и испытаны на трекингостойкость. Результаты исследований представлены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, поверхностное состояние не влияет на трекообразование для трекингостойких полимерных изоляционных материалов (состав 2). Испытуемый образец на основе кремнийорганического каучука сохраняет свое высокое изоляционное свойство в течение всего времени испытания. А для нетрекингостойких полимерных материалов, например, на основе эпоксидной смолы (состав 1), поверхностное состояние играет определяющую роль при образовании сплошной науглероженной дорожки: время трекообразования для этих образцов близка к нулю. Структура поверхности образца претерпевает необратимые изменения: снижается ρпов поврежденного дугой участка.
Таким образом, разработанный метод испытания полимерных материалов на трекинго- и эрозиостойкость имеет ряд преимуществ перед другими, главное из которых — малое время испытаний и стабильность результатов, что позволяет уменьшить количество опытов и обеспечивает простоту испытательной установки.
Литература
1. Mandelcorn L, AIEE, Trans, 8, 111, 481, 1961.
2. Гусейнов Г. А. «Усовершенствованный метод испытания полимерных материалов на трекинго- и эрозиостойкость». // «Энергетика», №3, 1980 г., стр. 110–112. 3. Гусейнов Г. А. и др. «Способ испытания полимерных изоляционных материалов на трекингостойкость и эрозионную стойкость». Авторское свидетельство № 752514, Н01В 17/00; Бюлл. 39, 1980 г. 4. Гусейнов Г. А. «Методика оценки реакции полимерного изоляционного материала на воздействие частичных поверхностных дуговых разрядов». / ВИНИТИ: «Депонированные научные работы», №5, 1984 г.
| Автор: Г. А. Гусейнов, С. Г. Гусейнова Дата: 28.04.2010 Журнал Стройпрофиль 3-10 Рубрика: электротехническое оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |