Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Короностойкость и дугостойкость полимерных материалов

Допустимую рабочую напряженность электрического поля на поверхности изоляционной конструкции, а следовательно, и ее массогабаритные показатели и надежность определяют в зависимости от стойкости полимерной изоляции к поверхностным частичным разрядам и к образованию треков.
Необходимость определения стойкости к поверхностным частичным разрядам (ПЧР) возрастает в случае применения новых высокочастотных полимерных материалов.
Как показали многолетние работы Μ. П. Кокуркина, исследование ПЧР на повышенных частотах дает разнообразную информацию, в том числе и о возможности проведения ускоренных испытаний на ПЧР.
Основным разрушающим фактором при действии ПЧР является электронная бомбардировка твердого диэлектрика, под влиянием которой возникает и развивается эрозия. Различают три вида разрушения: относительно равномерную эрозию поверхности, образование полости в толще диэлектрика, развитие треков на поверхности материала.
Поверхностные частичные разряды возникают, как правило, в зоне тройного сопряжения («воздушном клине»).
Характер разрушения электроизоляционных материалов изменяется в зависимости от интенсивности разрядов.

С увеличением; напряжения и частоты характер разрушения меняется, переходя от одного вида к другому.
Рост интенсивности ПЧР приводит к увеличению роли тепловых процессов в разрушении и к изменению вида разрушения. У термостойких материалов с минеральным наполнителем возникают науглероженные области возле электрода, у термопластичных и эпоксидных компаундов без наполнителя появляются полости сферической или близкой к ней формы.
Виды разрушения зависят также от тепловых характеристик материала и условий теплопередачи во внешнюю среду. Критерием перехода от одного вида разрушения к другому может служить температура нагрева (перегрева) поверхности материала под действием ПЧР. В работе [13] показано, что установившаяся температура

где р — плотность диэлектрика; λ — коэффициент температуропроводности; QB/l — число электронов в единичном частичном разряде ξСср — средняя энергия электронов.
В качестве параметра, характеризующего стойкость диэлектрика к действию ПЧР, предложено использовать количество энергии ПЧР, затраченной на разрушение единицы объема диэлектрика, т. е. удельную энергию разрушения материала;

где Рч.р — плотность мощности ПЧР; τ — время испытаний; κ— доля энергии ПЧР, затрачиваемая на разрушение диэлектрика; V — объем кратера эрозии. Энергия является индивидуальной характеристикой материала, не зависящей от условий, испытаний.
Исследование ПЧР для рассматриваемых диэлектриков в промежутке игла — диэлектрик — плоскость, на который подавалось переменное напряжение с действующим значением 5,2. кВ, проводилось на частоте 40 кГц. Толщина образца принималась 2 мм.
Для исключения появления ПЧР изоляционные конструкции обычно эксплуатируются при напряженности электрического поля, значительно меньшей, чем напряженности образования ПЧР в воздухе. Как видно из табл. 2.5, использование таких диэлектриков, как фторопласт и полиэтилен, имеющих низкую стойкость к воздействию ПЧР, возможно только при напряженностях электрического поля, исключающих появление ПЧР, или с заранее оговоренным малым сроком службы. В то же время компаунд марки ЭТЗ-16, который характеризуется также высокой теплостойкостью, при частоте до 40 кГц имеет сравнительно высокую энергию разрушения и может работать при периодическом возникновении ПЧР.

При установке высоковольтной аппаратуры в периодически отапливаемых помещениях на поверхности конструкции возможно образование инея, росы или капель влаги. В этих случаях необходимо предупредить образование треков.
Низкая стойкость стеклопластиков к действию ПЧР объясняется наличием на поверхности не защищенных связующим материалом (полимером) стеклянных волокон. На них накапливаются грязь и влага, которые резко понижают поверхностное сопротивление и при высоком напряжении приводят к образованию треков.
Возникновение треков при воздействии ПЧР исследовано также на циклоалифатических эпоксидных компаундах марки УП-612; УП-632; ЭД-20. Результаты исследований методами масс-спектрометрии позволяют считать, что такие компаунды под влиянием дуговых поверхностных разрядов деструктируют, причем наиболее вероятна термоокислительная деструкция.
В значительной степени стойкость полимеров к ПЧР характеризуется уменьшением их массы и способностью к коксуемости, определяемой коксовым остатком. С уменьшением содержания в полимере коксового остатка снижается вероятность образования токопроводящей науглероженной дорожки.
Повышение трекингостойкости, например, стеклопластиков, может быть достигнуто применением полиуретанового лака УР-293 или эмали УР-1161. Причем с повышением толщины покрытия в пределах 10... 210 мкм трекингостойкость возрастает.
Дугостойкость ненаполненных высокочастотных термопластов при токе 10 мА в соответствии с ГОСТ 10345.1—78 (метод 3) имеет следующие значения:

5... 10 с (загорается) — для полиэтилена марок ПЭНД и ПЭВД;
10 ... 30 с (загораются) — для поли-4-метилпентена-1;

20 ... 40 с — для полиамида;
180 с — для фторопласта-4.

Появление грязи и влаги способствует интенсивному разрушению поверхности полимерной изоляции под действием частичных, скользящих и дуговых разрядов или поверхностных пробоев.
Прямое воздействие частичных разрядов на изоляционную поверхность вызывает разложение органических материалов. Бомбардировка электронами и ионами приводит к деструкции и к испарению составляющих компаунда с малой молекулярной массой. Степень воздействия короны на изоляцию зависит от энергии разряда, концентрирующегося на небольшом локальном участке.
При исследованиях образцов компаунда из смолы марки ЭД-5 и ЭДЛ, наполненных ПКП, в условиях длительного воздействия коронных разрядов на поверхности наблюдалась деструкция связующего и появление слоя кварцевого песка.
. Слой кварцевого песка препятствует дальнейшему разрушению компаунда в нижележащих слоях. При напряженности выше 4,5... 6 МВ/м защитное действие кварцевого песка не успевает проявиться и пробой наступает достаточно быстро.
Полиэфир-220, как и прочие пластификаторы, снижает срок службы компаунда и стойкость его к поверхностным разрядам.
Наиболее стойкими к поверхностным разрушениям, и в том числе действию солнечной радиации, проявили себя компаунды на основе циклоалифатических смол марок СУ-175, УП-612 и других, с наполнителем гидрата оксида алюминия. У этих компаундов под действием дуги не образуется сплошной науглероженный след (трек). Углерод, который выделяется в небольших количествах, сгорает в зоне дуги, а отщепленный водород увеличивает газогенерацию и способствует отталкиванию дуги от поверхности диэлектрика. Аналогичные результаты были получены отечественными и зарубежными авторами.
По трекингостойкости компаунды, в зависимости от марки содержащихся в них смол, располагаются в такой последовательности: циклоалифатические, алифатические, циклоацетальные, диановая ЭД-6, эпоксифурановая, диановая ЭД-5.
Благоприятное воздействие на трекингостойкость оказывает использование в качестве отвердителя полиэтиленполиамина.
Наибольшей дугостойкостью обладают компаунды на основе смолы ЭД-6, а наименьшей — на основе эпоксифурановой смолы. Лучшие результаты получены при использовании наполнителя марки ПКП-2.
Положительный эффект от введения наполнителя обнаруживается, если частицы имеют диаметр менее 5 мкм. Стойкость к разрядам обратно пропорциональна размерам частиц наполнителя.

Таблица 2.6

В табл. 2.6 приводятся данные по определению капельным методом МЭК трекингостойкости наполненного пылевидным кварцевым песком эпоксидного компаунда, поверхность которого подвергалась различной обработке. При различных напряжениях на поверхность наносилось по 50 капель 0,1%-ного раствора NH4CI до образования трека.
Лучший относительный показатель, определенный как наибольшее напряжение, при котором образовался трек, получен при покрытии лаком на основе смолы ЭД-6.
Обращает на себя внимание отрицательное влияние дробеструйной обработки, что вызвано следами металлической пыли, которые оставляют дробь на поверхности компаунда. Очевидно, что этот вид обработки для поверхности эпоксидного компаунда противопоказан.