Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Физико-механические свойства изоляции эпоксидных компаундов

Наиболее характерные изменения при старении имеют место в эпоксидных компаундах. Окончательному разрушению в них предшествует постепенное развитие различных дефектов и трещин в напряженном материале. Скорость разрушения увеличивается с ростом напряжения и температуры, т. е. с ростом кинетической энергии молекул.

На рис. 4.5 доказано изменение прочности жестких эпоксидных компаундов в зависимости от температуры и скорости изменения нагружения. В стеклообразном состоянии прочность с повышением температуры мало изменяется. Переход материала из стеклообразного состояния в высокоэластическое сопровождается значительным снижением прочности.
Из приведенных кривых также следует, что при медленном нагружении образцов со скоростью v2 (v1 — 32,5 ...25 Н/мин, v2=0,65 ... 0,45 Н/мин) в компаундах успевают развиться процессы старения и временные сопротивления при v2 снижаются по сравнению со значениями при скорости нагружения υI.
С  повышением температуры влияние скорости нагружения на прочность становится менее выраженным.
В работе [23] было найдено, что в стеклообразном состоянии временное сопротивление на растяжение при длительном нагружении жестких компаундов относительно кратковременного (t < tc) изменяется в соответствии со следующими значениями:

В высокоэластическом состоянии каждый компаунд в момент повышения температуры при длительном нагружении будет характеризоваться соотношением σв.д/σв.
Температурно-временная зависимость прочности жестких компаундов может определяться из выражения, в котором время разрушения
(4.1)
где τ0 — постоянная, численно равная периоду тепловых колебаний атомов; U — энергия активации элементарного акта процесса разрушения при отсутствии нагружения; γ=k(PT —q) — структурно-чувствительный коэффициент материала, параметры которого определяются экспериментальным путем; а — нагрузка; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.
Значения, к которым асимптотически стремится условный предел прочности при τ = 10 000 ч в зависимости от температуры (по Терентьеву), приведены в табл. 4.4.
Общими для всех компаундов является снижение прочности вне области температуры стеклования, но у каждого типа материала это снижение проявляется в разной степени. Такая закономерность характерна и для других полимерных материалов.
Компаунд марки ЭЗЛ-120 имеет незначительную длительную прочность, хотя кратковременная прочность его выше, чем у компаундов ЭЗК-10 и ЭЗК-20. Такой характер изменения прочности можно объяснить ослаблением при повышении температуры межмолекулярных связей вследствие наличия пластификатора.

Зависимость длительного временного сопротивления на растяжение от температуры, так же как и прочности при кратковременном нагружении, свидетельствуют о высокой прочности компаунда ЭЗК-31 при отрицательных температурах. В то же время видно, что более высокой теплостойкостью обладают компаунды марок ЭЗК-10 и ЭЗК-20.
Из сравнения одинаковых по составу наполненного (ЭЗК-31) и ненаполненного (ЭПК-1) компаундов следует, что наполнитель увеличивает длительную прочность.
Приводимые в некоторых работах данные о стабильности в течение длительного времени прочностных характеристик жестких компаундов распространяются только на образцы, не имеющие значительных остаточных напряжений. Эпоксидная изоляция изделий, находящаяся, как правило, под воздействием остаточных температурных напряжений, с течением времени изменяет свои прочностные свойства аналогично данным, приведенным в табл. 4.4.
Работоспособность компаунда целесообразно оценивать по отношению временного сопротивления при длительном нагружении к внутренним напряжениям при данной температуре, которые определяются по терморелаксационной характеристике. Такие отношения получили название «критерия работоспособности» и имеют смысл запаса прочности (рис. 4.6).
Зависимости значений критериев кратковременной и длительной работоспособности от температуры имеют одинаковый характер. Сравнение прочностных свойств посредством критерия работоспособности подтверждается экспериментально при заливке стальных сердечников компаундами разных типов. При охлаждении сердечников различной геометрии, но с одинаковой площадью сечения, помимо выбора типа компаунда, можно определить коэффициент концентрации образцов.
Момент растрескивания компаунда фиксируется разрывом цепи тонкой Константиновой изолированной проволоки с включенным последовательно миллиамперметром.

Эти, так называемые «датчики разрушения» устанавливаются вокруг сердечников до заливки компаунда. По температуре образования трещин, в .соответствии с зависимостью σΒ = f(t) определяется напряжение σэкв max.
Таблица 4.5

 

Рис. 4.6. Зависимость критерия кратковременной (а) и длительной (б) работоспособности от температуры
1 — ЭЗК-10 с отвердителем МТГФА; 2 —ЭЗК-31; 3 - ЭЗК-20 ; 4 — ЭЗЛ-120

Коэффициенты  концентрации

Рис. 4.7. Влияние частоты на число циклов до разрушения для компаунда марки ЭЗК-31 при различных отношениях
1— σт/σв=0,76 ; 2 — 0,66; 3 — 0,6; 4 — 0,56; 5 — 0,50
для образцов (табл. 4.5) получены как отношение значений σэкв.мах  данного образца к круглому.
Из данных, приведенных в табл. 4.5, видно, что большей холодоустойчивостью обладает компаунд марки ЭЗК-31. Квадратные и прямоугольные образцы из компаунда ЭЗК-10 растрескались еще в период остывания после полимеризации при положительных температурах.
Большие значения эквивалентного напряжения для прямоугольного, квадратного и пятигранного образцов объясняются более коротким временем их разрушения, т. е. большой скоростью нагружения.
Концентраторами напряжений в полимерной изоляции могут также служить неоднородности структуры: поры, раковины, отслоения, локальные концентрации наполнителей вследствие оседаемости или плохого перемешивания. Максимальные местные напряжения в местах концентрации могут быть значительно выше средних и привести к преждевременному растрескиванию.
Исследование влияния частоты вибрационной нагрузки на прочность образцов из эпоксидного компаунда марки ЭЗЛ-120 [24] показали наличие тех же закономерностей разрушения, что и при вибрации для других жестких пластмасс. Разрушение возникает из-за нарушения связей вследствие роста термофлюктуационных процессов и накопления микротрещин, вызывающих структурные изменения материала.
На рис. 4.7 по оси абсцисс отложено отношение частоты f к базовой первоначальной частоте f0 = 25 Гц, по оси ординат— отношение числа циклов N до разрушения при различных частотах к числу циклов N0 до разрушения при базовой частоте f0.
Образцы испытывались на установке, создающей растягивающее напряжение по закону σ= σт + σа sin ω/, где σm — постоянная составляющая напряжения; σа — амплитуда переменной составляющей напряжения.
Увеличение частоты повышает температуру материала и снижает его прочность.
При вибрации отмечается также отрицательное влияние на прочность повышения температуры окружающей среды, роста амплитуды и нагружения, а также влияние формы образца.

Периодические паузы в процессе динамической нагрузки и однородность структуры материала способствуют более равномерному распределению напряжения и повышают вибропрочность компаунда.

Рис. 4.8. Срок службы компаунда ЭЗК-31 при механической нагрузке (кривая 1) и при одновременном воздействии механической и электрической нагрузок (кривая 2)
В работе [20] исследовано влияние больших значений напряженности равномерного электрического поля на механическую прочность (рис. 4.8).
При напряженности Е =0,8Εпρ происходит снижение временного сопротивления на 15...20%.
При меньших напряженностях влияние электрического поля уменьшается, однако корреляционная связь четко прослеживается до Е = 0,2Епр.
Влияние «а долговечность эпоксидного компаунда марки ЭПК-5 механической и электрической нагрузки такой в отдельности и при одновременном воздействии приведено в табл. 4.6.
Из данных, приведенных в табл. 4.6, видно, что при каждом виде нагружения долговечность в зависимости от уровня нагрузки имеет одинаковый характер изменений.
Таблица 4.6

Примечание. σ=79,0 МПа; Ек=50 МВ/м (при толщине 1 мм)
При одновременном механическом и электрическом нагружении долговечность снижается на 1 ... 2 порядка по сравнению с каждым из видов нагружения в отдельности.
Резкое снижение долговечности при одновременном нагружении объясняется тем, что рост дефектов, под воздействием механических напряжений сопровождается развитием ионизационных процессов в электрическом поле. В свою очередь, электрическое поле увеличивает подвижность кинетических элементов эпоксидного компаунда, что облегчает механическое разрушение диэлектрика.

Время наработки при механическом разрушении под воздействием механической и электрической нагрузки в первом приближении можно определить из выражения (4.1), обозначив σ = σΜ + σэ — суммарные механические напряжения в диэлектрике; Ом — механические напряжения в диэлектрике от внешней силы; σэ = ε0 — ε/(2δ2) = U2—механические напряжения в диэлектрике от воздействия электрического поля.
Влияние электрического поля на прочностные свойства компаунда проявляется как в усилении термофлюктуационных процессов, так и в ускоренном росте микротрещин, приводящих к образованию генеральной трещины.