Влияние технологических факторов на характеристики дендритообразования высоковольтной полимерной изоляции

• Автор: Волохин, Владислав Александрович
• Шифр специальности: 05.14.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 128 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Проблеме влияния- остаточных механических напряжений, формирующихся в объёме и на. поверхности изоляционных изделий, на стадии изготовления за счёт технологической усадки, полимеров, различия коэффициентов линейного расширения полимеров и металлических узлов и деталей конструкций и наличия градиента температуры в объёме изделий, посвящено огромное количество монографий и статей [1-12]. Однако полной ясности в этом вопросе нет до сих пор. Существующие противоречивые данные о влиянии технологических остаточных механических напряжений на электрические и физико-механические характеристики диэлектриков не позволяют однозначно подходить к выбору оптимальных режимов изготовления полимерных изоляционных изделий и заготовок для высоковольтных конструкций. Ситуация осложняется ещё тем, что свойства одного и того же-диэлектрического материала могут существенно зависеть от способа и технологических режимов его-переработки, поэтому достаточно часто они не соответствуют справочным данным. Это может приводить к существенным ошибкам расчёта уровня изоляции высоковольтных конструкций и снижению надёжности их работы в процессе эксплуатации^ либо к выбору больших коэффициентов запаса, что приводит к удорожанию конструкций и увеличению их габаритов. С точки зрения практического применения полимерных диэлектриков в качестве высоковольтной изоляции различных электрофизических устройств и аппаратов особый интерес представляет исследование влияния остаточных внутренних механических напряжений на характер зарождения и развития разрушений, образующихся в твердых полимерах в сильном электрическом поле.
В' этой связи исследование влияния остаточных внутренних механических напряжений, возникающих при различных способах и технологических режимах переработки термопластичных материалов, на характер зарождения и развития разрушений в полимерных диэлектриках в сильном электрическом поле является актуальной задачей не только с научной, но и практиче-
ской точек зрения. Такие исследования позволят получить новые знания о физических процессах, происходящих в механически напряжённых диэлектриках в сильном электрическом поле и оптимизировать технологические режимы изготовления высоковольтной изоляции на основе установленной взаимосвязи технология-свойства полимера.
Цель диссертационной работы и задачи исследования Целью данной работы являлось исследование закономерностей изменения параметров процесса дендритообразования от способа переработки полимеров, а также от направления течения расплава полимерных диэлектриков при литье под давлением и разработка основ технологии изготовления высоковольтной изоляции из поликарбонатных смол на основе обнаруженных закономерностей.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели были сформулированы и решены следующие задачи.
1. Исследованы параметры дендритообразования поликарбоната (ПК), полистирола (ПС) и полиметилметакрилата (ПММА) в резконеоднородном электрическом поле при различных способах их переработки.
2. Разработаны методики создания направленного течения расплава в образцах из поликарбоната с электродами остриё-плоскость.
3. Установлены основные закономерности влияния* направления течения* расплава на параметры дендритообразования и физико-механические характеристики ПК.
4. Разработаны практические рекомендации по регулированию параметров дендритообразования путём создания заданного распределения остаточных механических напряжений.
5. Разработаны основы технологии изготовления изоляционных изделий из поликарбоната.
Перечисленные выше задачи решались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных исследований, проводившихся по плану научно-исследовательских работ Института физики высоких технологий ГОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехнического универси-
тета» (ИФВТ ГОУ ВПО НИ ТПУ, г. Томск), в рамках программы Минобразования РФ “Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук. Университеты России”, аналитической ведомственной целевой программы Минобразования и науки.РФ “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)”, федеральной целевой программы “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.” в рамках государственных контрактов № П407, П1913 и грантов молодых ученых ИФВТ ГОУ ВПО НИ ТПУ.
Методы исследования Для достижения поставленной цели и решения задач исследования в работе использованы следующие экспериментальные методы: оптической микроскопии, поляризационно-оптический метод, метод регистрации частичных разрядов, ИК-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии- (ДСК), методы физико-механических и высоковольтных испытаний.
Достоверность полученных результатов Достоверность полученных результатов подтверждается применением стандартных и традиционно- применяемых современных методов исследования, оценкой доверительных вероятностей и погрешностей измерений с помощью методов математической статистики.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту
1. Установлено, что характеристики дендритообразования полимерных диэлектриков, перерабатываемых методом литья под давлением, зависят от направления течения расплава.
2. Предложена эмпирическая модель для оценки линейных размеров области разрушения по параметрам частичных разрядов и известным значениям показателей преломления полимерных материалов.
3. Установлено, что при одинаковой максимальной напряжённости внешнего электрического поля скорость разрушения поликарбоната, полистирола и полиметилметакрилата на начальной стадии электрического старения имеет обратную корреляционную связь с пределом текучести при растя-
г1п(4с?/г) ’ ^ ^
где и величина испытательного напряжения, В; г-радиус закругления острия, м; ^-расстояние между электродами, м.
Исследование процесса зарождения и развития разрушения1 в образцах методом регистрации частичных разрядов (ЧР) [62, 63] производилось по схеме рис. 2.2.2. При этом применялась традиционная схема измерения импульсов тока, которые возникают за счёт ионизационных процессов в микротрещинах и полых каналах дендрита, образующихся в диэлектрике под действием сильного электрического поля и внутренних ОМН. При возникновении ЧР, во внешней цепи образца протекает ток, создающий падение напряжения на малоиндуктивном токовом шунте К., которое регистрируется с помощью осциллографа ЬеСгоу.
После появления и регистрации первых импульсов ЧР напряжение отключалось и проводилось измерение длины первичных каналов пробоя методом сравнения с помощью оптической установки (рис. 2.1.1). Погрешность измерения длины этим методом не превышала 2 %. После определения длины первичных каналов пробоя испытание образцов при том же уровне напряжения.продолжал ось вплоть до их пробоя.
Одной из важнейших проблем при регистрации ЧР является проблема градуировки системы регистрации [62, 63]. Для стандартных измерений ЧР в высоковольтном оборудовании градуировка измерительной системы обычно производится с помощью специальных калибраторов с фиксированными значениями заряда 10, 100 и 1000 пКл по параллельной схеме по ГОСТ 20074 -83. При регистрации ЧР в лабораторных образцах с системой электродов остриё-плоскость градуировка системы регистрации по данной методике не может быть применена по причине невозможности согласования выходного сопротивления калибратора и ёмкостного сопротивления образца, очень малой ёмкости измеряемого объекта и влияния индуктивности измерительного кабеля [64]. Там же предложено определять величину заряда ЧР (#,) по пло-