Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Факторы, влияющие на механические свойства изоляции, эпоксидные компаунды

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОЙ ИЗОЛЯЦИИ

1. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗОЛЯЦИИ

Следует отличать механическую прочность твердой изоляции, полученную на образцах, не содержащих внутри инородных материалов и изготовленных с минимальными внутренними остаточными механическими напряжениями, от прочности изоляции в высоковольтной изоляционной конструкции, в которой она в значительной мере связана с конструктивно-технологическими факторами.
В процессе изготовления изоляционных конструкций механическая прочность зависи11 от используемых конструктивных материалов, размеров, формы и местонахождения арматуры, определяющих термоупругие напряжения в изоляции, а влияние технологии определяется рецептурой, режимами переработки, особенностями оборудования и т. п.
В дальнейшем на прочностные свойства оказывают влияние условия хранения, транспортировки и эксплуатации со своими механическими, тепловыми и электрическими нагрузками.
Предельное состояние изоляции связано либо с разрывом межатомных связей, приводящих к потере прочности (хрупкому разрушению), либо с разрывом: межмолекулярных связей, при- нодящих к потере формы (пластическая или вынужденно-эластическая деформация), либо их комбинации (хрупкоэластическая деформация). Границы работоспособности твердой изоляции определяются энергией межатомных и межмолекулярных связей и степенью ослабления этих связей термофлюктуационными процессами.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные под руководством К. Н. Кана [20], показали, что на значение термоупругих напряжений (ТУН) основное влияние оказывают температура стеклования полимера, ТКЛР, модуль упругости армирующих и изоляционных материалов, а работоспособность изоляции зависит от прочностных характеристик при кратковременном и длительном нагружении. Главным образом, как показала практика, сказывается двухосное растяжение.
Так как механическая работоспособность изоляции находится в функциональной зависимости от всех характеристик, для количественной оценки используется критерий работоспособности.

Эпоксидные компаунды.

На прочностные свойства эпоксидного компаунда в значительной мере влияют рецептурно-технологические факторы, которые способствуют усилению) или ослаблению связей, характеристики-смолы и отвердителя, характеристики и процентный состав наполнителя и т. п.
Таблица 4.1

Примечание. Характеристики смолы Эпикот приведены по данным фирмы «Шелл», смолы Аральдит — фирмы «Циба».
В табл. 4.1 приведены временные сопротивления на растяжение при кратковременном воздействии нагрузки для некоторых типов смол в зависимости от марки отвердителя. Рецептура и технологический процесс выбраны оптимальными.

Рис. 4.1. Зависимость временного сопротивления на растяжение различных марок компаундов от температуры
1— ЭЗК-1; 2 — ЭЗК-31 с наполнителем МА; 3 — ЭЗК-10 с МТГФА; 4 — ЭЗК-20; 5 — ЭЗК-10 с МА; 6 — ЭЗК-5; 7 —ЭЗК-31 с МТГФА; 8 —ЭЛП-120

Компаунды на основе смол циклоалифатического ряда вследствие сравнительно низких значений временного сопротивления на растяжение (σΒ = 36,6... 51,8 МПа) в данной главе не рассматриваются.
Из данных, приведенных в табл. 4.1, видно, что для смолы типа Эпикот-828 прочность в зависимости от типа отвердителя может изменяться более чем на 15%.
Температурный ход кривых временного сопротивления на растяжение (рис. 4.1) также свидетельствует о влиянии типа отвердителя на прочность.
Переход от метилтетрагидрофталевого ангидрида к малеиновому позволяет значительно повысить временное сопротивление компаунда ЭЗК-31, особенно в области отрицательных температур (кривые 2 и 7 рис. 4.1).
Влияние типа отвердителя на значения σв связано с изменением плотности сшивки, т. е. с изменением расстояния между реакционноспособными участками и с изменением подвижной сшитой молекулы.
Разрушения компаунда без наполнителя (смола + отвердитель) и с наполнителем имеют различный характер: большая однородность структуры ненаполненного компаунда способствует возникновению разрушений, обусловленных в первую очередь, термофлюктуационными процессами, описываемыми температурно-временной зависимостью прочности. Для наполненных компаундов, вследствие большей неоднородности структуры, более характерно влияние механизма разрушения, связанного с локальными напряжениями, с образованием микротрещин и местных повреждений материала. При неравномерном распределении пылевидного кварцевого песка (ПКП) по всему объему эпоксидной изоляции, так же как и других наполнителей в полимерах, такой механизм становится преобладающим.

В наполненном компаунде одновременно имеют место и некоторые явления, которые препятствуют образованию генеральной трещины.

Рис. 4.2. Зависимость временного сопротивления на растяжение σΒ компаунда марки ЭЗК-31 от массы т ПКП (при 20° С)
На рис. 4.2 приведена зависимость временного сопротивления на растяжение от количества наполнителя.
Минимальная прочность соответствует составу, содержащему массовую долю ПКП, равную 175%. Можно предполагать, что такое соотношение жидкой и твердой; фракции в большей мере способствует возникновению неоднородностей структуры, например из-за оседания ПКП.
Возможно влияние и других факторов, относящихся к механизму сцепления с наполнителем.
Применение в качестве наполнителя кварцевого песка типа КП-1 повышает почти в 2 раза временное сопротивление на растяжение компаунда по сравнению с песком КП-3.
Отжиг (термообработка при 700... 800° С) песка КП-1 повышает временное сопротивление на 5%, КП-3 — на 10%.
Отмечается также положительное влияние пылевидной фракции песка на повышение механической прочности компаунда.

Рис. 4.3. Зависимость временного сопротивления на растяжение компаунда марки ЭЗК-31 от температуры при различной массовой доле ПКП 1 — без наполнителя; 2 — 100 %; 3 — 150 %; 4 — 250 %
Действие температуры на прочностные свойства компаундов с различным наполнением сказывается особенно отрицательно при массовой доле ПКП, равной 100... 150% (рис. 4.3). С увеличением объемного заполнения большие значения временного сопротивления на растяжение сдвигаются в область более низких температур.

Максимальное временное сопротивление на растяжение для компаунда с массовой долей наполнителя 250% находится в области -60 °С.

Рис. 4.4. Зависимость временного сопротивления на растяжение компаунда марки ЭЗК-31 от температуры, измеренной на образцах, изготовленных в разные годы (область 1 — в 1971 г., область 2 — в 1972 г.)
Более интенсивное снижение прочности у ненаполненных компаундов по сравнению с наполненными в области отрицательных температур, по-видимому, связано с двумя факторами:

1. более высокими значениями внутренних механических напряжений, возникающих у образцов с ненаполненным компаундом в процессе изготовления, вследствие большой разности ТКЛР компаунда и материала заливочной формы;
2. большей свободой развития микротрещин, тогда как у наполненных компаундов частицы наполнителя могут блокировать процесс развития трещины.

Увеличение σΒ при отрицательных температурах способствует росту запаса прочности изоляции в тот момент, когда возникают максимальные термоупругие напряжения.
Отклонения от оптимальной рецептуры и технологии приводят к нарушению структуры компаунда, образованию микродефектов и концентраторов напряжений, которые могут оказать существенное влияние на прочностные свойства в условиях изготовления и эксплуатации.
На рис. 4.4 приведены области разброса значений временного сопротивления на растяжение при кратковременном нагружении. Кривые получены из различных партий исходных материалов, составляющих компаунд. Технология изготовления также имела незначительные различия по режиму перемешивания и вакуумирования. Из кривых следует, что при отсутствии мер по стабилизации прочностных свойств компаунда колебания значений σв могут превышать 20%. Отмечались случаи, когда прочность снижалась в 2 раза.
Ниже рассматриваются некоторые примеры влияния рецептурно-технологических факторов на прочностные свойства эпоксидной изоляции.

1. Интенсивность и продолжительность перемешивания смолы с наполнителем и отвердителем в вакуум-смесителях сказывается на равномерности распределения и степени диспергирования капель отвердителя в массе компаунда. Оптимальный режим перемешивания обеспечивает более полное отверждение во всем объеме и улучшает гомогенность отливки. При продолжительном перемешивании и вакуумировании компаунда с отвердителем происходит неравномерное, или избыточное улетучивание отвердителя. Отмечено также ухудшение на 10.,. 20 % физико-механических свойств компаунда относительно значений, полученных при оптимальных характеристиках перемешивания, а также повышение его хрупкости и жесткости.
2. Тип наполнителя и тщательность перемешивания компаунда отражается на оседаемости наполнителя. Степень оседаемости зависит от размера и удельного веса частиц наполнителя, вида смолы и вязкости наполненного компаунда. Чем меньше частицы, тем слабее проявляется тенденция к выпаданию в осадок.
3. Степень вакуума [21] отражается на однородности структуры. Низкий вакуум приводит к появлению воздушных включений, которые также могут явиться концентраторами напряжения, избыточно низкий вакуум и его продолжительность — к улетучиванию, а следовательно, к недостатку отвердителя. Избыточное давление оказывает благоприятное влияние при значениях 3· 105... 9· 105 Па. Повышение давления выше указанных норм может послужить при отверждении причиной появления дополнительных внутренних напряжений.
4. Степень отверждения проявляется в плотности сшивки и физическом взаимодействии межузловых отрезков пространственной решетки. Избыточное количество отвердителя образует полимер с более гибкой и резкой пространственной структурой [22], что ухудшает физико-механические свойства отвержденного компаунда.
5. Медленное отверждение компаунда при температурах, превышающих не более чем на 10... 15° С температуру начала экзотермической реакции, увеличивает временное сопротивление на растяжение. При этом достигается большая частота трехмерной структуры по; сравнению с частотой структуры1 при более высоких температурах полимеризации, когда процесс сопровождается активной экзотермической реакцией и большими вероятностями возникновения локальных напряжений и микротрещин.
6. Недостаточно тщательное удаление перед заливкой пропиточного состава, отличающегося от заливочного компаунда своими термоупругими характеристиками, проявляется в увеличении степени неоднородности изоляции, так как отвержденный пропиточный состав служит концентратором напряжений и является дополнительным источником образования деформаций.
7. Предварительная сушка (или подсушивание) перед заливкой пропитанной обмотки приводит к образованию пустот в момент стекания избытка компаунда.

Проникновение заливочного компаунда в эти пустоты затруднительно вследствие его большой вязкости и наличия пленок полимеризованного пропиточного состава. Влияние этих пустот на физико-механический свойства эпоксидной изоляции связано с образованием неоднородной структуры заливки. Кроме того, наличие отвержденной или полуотвержденной пленки на поверхности предварительно подсушенной обмотки снижает адгезионную прочность заливочного компаунда.

1. Скорость остывания полимеризованного компаунда сказывается на термоупругих характеристиках, что  связано с релаксационными процессами. Для компаунда марки ЭЗК-31 снижение скорости остывания ниже чем 10 К/ч не влияет на остаточные термоупругие напряжения эпоксидной изоляции.