Силиконовая смола.
В структуре молекулы силиконовой смолы, показанной на рис. 8.64, учтено возможное нахождение метиловых и фениловых групп, обозначенных символом R. Смола используется в качестве пропиточной среды при получении прессованных слоистых материалов из стеклотканей или в сочетании с неорганическими наполнителями для получения прессованной пластмассы.
Рис. 8.64. Схематичное представление структуры молекул силиконовой смолы с метиловыми (1) и фениловыми (2) остатками R [8.60]
Изоляционные материалы с силиконовой смолой негорючи, пластмасса нечувствительна к ЧР, излучению, медленно стареет, однако не всегда имеет малый ток утечки. Силиконовая смола слабо поглощает воду. Сцепление пленки из силиконовой смолы с медью, особенно при повышенной температуре, неудовлетворительно. Имеет место также поглощение в определенной степени паров воды. Рабочая температура смолы находится в диапазоне от —65 до +200 °C, tgδ=(l-5)·10-3, диэлектрическая проницаемость εr=3,2-5. Силиконовая смола служит для заливки и покрытия деталей выключателей и других элементов, подвергающихся воздействию вибрации, влажности, высоких температур и ионизирующего излучения, например резисторов, конденсаторов, варисторов, диодов, транзисторов, тиристоров, интегральных схем. Особое значение имеет этот вид изоляции для трансформаторов, работающих в тропических условиях, и для электрических машин, эксплуатируемых при повышенных температурах (класс изоляции с температурой до 200°C), при этом изоляция проводов выполняется из микафолия (стеклотекстолитовых лент со слюдой, см. 8.2.3.3), пазовые клинья — из стеклотекстолита, пропитанного силиконовой смолой. Кроме того, силиконовая смола служит для изготовления изоляции шахтного и взрывобезопасного оборудования.
Эпоксидные смолы. Это низкомолекулярные растворимые или плавящиеся смолы, которые твердеют при достаточном числе эпоксидных групп в молекуле. Они характеризуются эпоксидным эквивалентом (или эквивалентом твердости)—массовым числом концентрации эпоксидных групп — количеством смолы в граммах, содержащейся в одном моле (16 г) кислорода в смоле. С помощью этого эквивалента определяется весовое соотношение смолы и отвердителя. Для этого часто используют так называемое эпоксидное число, обозначающее содержание эпоксидного эквивалента в 1 кг эпоксидной смолы. Например, если смола имеет эпоксидный эквивалент 190 [т. е. 190 г. смолы содержит 1 моль (16 г) кислорода], то это соответствует эпоксидному числу 5,26 [8.80].
Для изготовления деталей из эпоксидной смолы ее смешивают с отвердителем, при необходимости добавляя ускорители, наполнители, красители и пластификаторы. В этом случае обычно происходит ступенчатая полимеризация и образуется дуропласт. Смесь, подготовленную к отвердению, называют эпоксидной массой.
Виды эпоксидных смол.
Среди эпоксидных смол в электротехнике большое значение имеет так называемая дифенольная смола А (рис. 8.65). Речь идет о смоле, изготовленной из базисного компонента дифенола А и эпихлоргидрина. Важнейшие для практики смолы этого вида имеют эпоксидные эквиваленты от 175 (вязкая смола) до 500 (хрупкая смола) и соответствующие эпоксидные числа от 5,70 до 2,5.
Рис. 8.65. Схематичная структура молекул эпоксидной смолы на основе дифенола А
Чтобы достичь улучшенных свойств и удовлетворить специальным требованиям, предъявляемым в электротехнике к материалам, разработаны следующие эпоксидные смолы: ароматические циклоалифатические эпоксидные смолы, обладающие малыми токами утечки и предназначенные для изготовления деталей, работающих при высоком напряжении на открытых площадках, эпоксиновые лаки, триглицидлизокуанурат и гуданционные смолы, которые благодаря высокой плотности разветвления молекул обладают повышенной термостойкостью, бромистые дифенольные эпоксидные смолы для изготовления трудно воспламеняющихся деталей. Модифицированные эпоксидные смолы используются для обеспечения пластичности формуемых пластмасс и улучшения механических свойств.
Данные о структурах формул этих различных типов смол в книге не приводятся, однако их можно найти в литературе, например в [8.79].
Отвердители и добавки.
При горячем отверждении эпоксидной смолы в качестве отвердителя часто используются дикарбонокислые ангидриды. Как правило, это фталатокислый ангидрид (PSA), имеющий сравнительно высокую температуру плавления и применяющийся для получения жестких типов смол, или гексагидрофталатокислый ангидрид (HHPSA), метилгексагидрофталатокислый ангидрид (MHHPSA) и смеси дикарбонокислых ангидридов, используемых для изготовления вязких литьевых масс при повышенных температурах.
Наряду с этими аминогидридными отвердителями важное значение имеют отвердители на базе аминов. С их помощью в зависимости от химической структуры амина можно достичь спонтанного отверждения при комнатной температуре или же поддерживать литьевую массу требуемое время в вязком состоянии с последующим отверждением при повышенной температуре.
Специальные амины с длинными молекулярными цепочками используются для получения гибких эпоксидных продуктов.
За редким исключением, как, например, при пропитке изоляции электрических машин, в случае ангидридных отвердителей применяются ускоряющие добавки. Довольно часто выпускаются заданные смеси ангидрида и ускорителя. Для увеличения вязкости часто применяются реактивные разбавители, а для придания изделиям гибкости вводятся многоатомные спирты и соединения глицидидила. Последние особенно необходимы, если сложные по форме детали содержат металлические элементы, так как требуется снизить механические напряжения, вызванные разными коэффициентами температурного расширения металла и эпоксидной смолы, которые могут привести к образованию трещин. Впрочем, пластификаторы влияют на стабильность формы изделия при изменении температуры и на диэлектрические характеристики материала.
Наполнители.
Эпоксидные материалы, применяемые в технике высоких напряжений, как правило, механически усиливаются неорганическими наполнителями, причем наполнитель при этом выполняет несколько функций. Он служит для достижения требуемых механических характеристик изделия, снижения температуры, возникающей вследствие экзотермической реакции и затрудняющей изготовление деталей с большим объемом, и удешевления материала.
При часто применяемых порошковых наполнителях важнейшими характеристиками являются плотность и распределение частиц по размерам. Часто используется кварцевый порошок (SiO2), который может иметь широкий спектр размеров частиц. Обычно кварцевый порошок имеет удельную поверхность примерно 1 м2/г, что соответствует числу ячеек сита 16 900 на один квадратный сантиметр и размеру зерен не более 100 мкм, причем 88% зерен имеют размер менее 40 мкм.
Для изоляционных деталей элегазовых устройств используется оксид алюминия (А12О3), а также доломит (карбонат кальция и магния), которые не разрушаются продуктами разложения элегаза, возникающими при возможных дуговых и ЧР. При использовании кварцевого порошка возникают проводящие соединения кремния и фтора, приводящие к образованию плавиковой кислоты (HF) из-за наличия даже в закрытом устройстве влаги, пусть даже и в небольшом количестве. Плавиковая кислота в свою очередь с SiO2 образует проводящие соединения.
Для изготовления деталей, работающих внутри помещений, используются обычно дифенольные смолы с кварцевым наполнителем, а на открытом воздухе — циклоалифатические смолы с наполнителем — силанизированным кварцевым порошком.
Само собой разумеется, для особых случаев существуют различные комбинации эпоксидных смол и наполнителей.
Таблица 8.11. Свойства наполнителей и эпоксидных смол с наполнителями [8.82]
Изменения свойств смолы с различными наполнителями по сравнению с наполнителем—кварцевым порошком
В табл. 8.11 приведены характеристики наполнителей и эпоксидных материалов. При пользовании табл. 8.1 следует иметь в виду, что знак + означает возрастание абсолютного значения величины. Это не всегда идентично положительному влиянию на свойства материала. Увеличение напряжений усадки, т. е. давления на погруженные в смолу детали, считается обычно отрицательным фактором, а снижение коэффициента теплового расширения — положительным.
Необходимо также учитывать, что в течение времени вещество непрерывно вследствие диффузии впитывает из окружающей среды водяной пар (рис. 8.66), в то время как в чистой смоле при поглощении воды незначительно увеличивается диэлектрическая проницаемость, а еr не изменяется в пределах точности измерений, в смоле с кварцевым порошком и стекловолокном tg δ сильно возрастает со временем (рис. 8.67, [8.81]). Если повышение tg δ вследствие поглощения влаги должно быть незначительным или совсем недопустимо, то необходимо использовать силанизированный (рис. 8.67,в, [8.88]) или обожженный кварцевый порошок (температура отжига такого песка примерно 1000°C). Силанизация предотвращает осаждение воды на поверхности наполнителя, и поэтому диэлектрические характеристики материала меняются незначительно.
Впрочем, следует иметь в виду, что смола с силанизированным наполнителем должна затвердевать при температуре не выше 200 °C, так как при этой температуре, вероятно, нарушается силанизация.
Рис. 8.66. Поглощение влаги за счет диффузии эпоксидной массой (пластина толщиной 3 мм, находящаяся в воздухе при комнатной температуре и относительной влажности 93%) [8.81]:
а — аральдит В; б — аральдит F; 1 — чистая смола; 2 — смола с наполнителем — кварцевым порошком и аральдитом
Плавленый кварцевый наполнитель смол и пластмасс используется, если заливаются металлические детали сложной формы или большого объема. При заливке электронных элементов плавленый кварц часто незаменим. Он является таким же хорошим наполнителем как и обычное стекло и кварцевый порошок, но обладает еще свойством практически не менять объем при изменении температуры.
В качестве усиливающего материала слоистых прессованных изделий, формованных деталей и миканита широко применяются стекловолоконные ткани, ровница, мат, а также органические ткани, бумага, нетканые материалы и, наконец, слюда. С помощью этих материалов можно создавать специальные эпоксидные вещества, выдерживающие экстремальные воздействия.
Протекание реакции и отверждение.
Изготовление эпоксидной массы обычно производится путем сушки, обезгаживания компонентов, их смешивания, заливки в формы в вакууме, что имеет особое значение для техники высоких напряжений, так как при этом можно получить однородный диэлектрик, не содержащий пустот и способный выдерживать высокие напряженности электрического поля.
Важную роль при обработке эпоксидных материалов играет вязкость и зависимость ее от температуры и времени. При увеличении температуры низкая начальная вязкость начинает резко возрастать, т. е. жизнеспособность смолы или срок ее годности сокращаются. Так как эпоксидная смола соприкасается с металлическими поверхностями формы, то должно быть предусмотрено применение средств, облегчающих отделение изделия от формы.
Реакция смолы и отвердителя, начинающаяся сразу же после смешивания компонентов, приводит сначала к небольшому, а затем к быстрому увеличению вязкости и плотности. Загустевание смолы может сопровождаться при недостаточном теплоотводе существенным нагревом. После загустевания производится окончательное отверждение массы в печах. На практике важным показателем является время отверждения смолы, так как масса приобретает оптимальные свойства лишь при достаточном отверждении.
Отверждение (ступенчатая полимеризация) сопровождается реакционной усадкой, составляющей для чистой смолы 3%, а для смолы с наполнителем 0,5%. Эта усадка приводит к механическим напряжениям, поэтому могут возникать трещины. Для снижения объемной усадки и внутренних механических напряжений разработан способ загустевания смолы под давлением, при котором в течение фазы загустевания поддерживается избыточное давление от 2-105 до 5-105 Па. При этом способе удается изготавливать крупные детали, работающие в очень сильных электрических полях. Массовое изготовление мелких деталей с помощью этого способа значительно ускоряется, и весь процесс можно автоматизировать. Масса под давлением от 5-105 до 20· 105 Па непосредственно выдавливается в нагретые до высокой температуры формы, а затем быстро загустевает. Усадка под действием повышенного давления в определенных границах уменьшается.
При работе с эпоксидными смолами необходимо руководствоваться указаниями по технике безопасности и рабочей гигиены, так как не только сама смола, но и отвердитель и прочие добавки относятся к вредным веществам. Загрязнение окружающей среды не происходит при закрытых процессах вплоть до отверждения, так как до этого момента компоненты смолы имеют повышенные давления пара. Целесообразная механизация и автоматизация процесса изготовления смолы зависят от вида эпоксидной продукции [8.66].
Свойства и общая характеристика эпоксидных смол. Виды эпоксидной смолы в сочетании с различными отвердителями, а также условия отверждения оказывают влияние на механические, термические и электрические характеристики эпоксидного материала. В частности, добавки определенных наполнителей приводят к улучшению некоторых свойств. Далее остановимся только на тех факторах, которые имеют наибольшее значение для материала, работающего при высоких электрических нагрузках. Общие требования к эпоксидным материалам можно найти в [8.80].
Снижение коэффициента линейного расширения за счет кварцевого наполнителя дает возможность уменьшить внутренние напряжения при заливке металлических деталей. Коэффициент линейного расширения стали равен 12·10-6 К-1, меди 17-10—6 К-1, алюминия 24·10-6 К-1 при температурах от 0 до 180 °C. Поэтому при заливке алюминиевых деталей следует ожидать наименьших механических напряжений при изменении температуры. Принципиально следует избегать конструкций с заливаемыми металлическими деталями, имеющими острые кромки и малые радиусы закруглений.
Эпоксидные смолы, чистые и с наполнителем, малочувствительны к воздействию эфиров, спиртов, бензолов, слабых кислот и щелочей. Стойкость к воздействию минерального масла зависит от температуры. Большинство смол растворяются в масле при температуре выше 70 °C, поэтому их нельзя использовать в трансформаторах, заполненных маслом.
Особенно следует отметить хорошую прочность сцепления смол с большинством материалов, прежде всего с металлами и керамикой. Плохая адгезия имеет место с некоторыми высокополимерными термопластами, например с полиэтиленом, поливинилхлоридом.
Рис. 8.68. Зависимости tg δ и еr чистой эпоксидной смолы на базе дифенольной A-смолы от температуры θ[8.25]:
θM1-θMs температуры мартенситных переходов; 1 — смола горячего отверждения; 1а — вклад ориентационной поляризации крупных полярных цепочечных сегментов; 1б — вклад ионной проводимости; 2 — смола теплового отверждения; 3 — смола холодного отверждения
При воздействии погодных условий и ультрафиолетового излучения на дифенольные эпоксидные смолы происходит пожелтение поверхности, вызванное химической перестройкой вещества. В этом случае заметно ухудшаются механические характеристики и возрастает ток утечки. Циклоалифатические соединения устойчивы к климатическим воздействиям.
Диэлектрические свойства.
Температурные зависимости tg δ и εr. Диэлектрическая проницаемость εr и tg δ зависят не только от вида смолы и отвердителя, но и от температуры, при которой происходит остеклование, или же от устойчивости формы материала при нагреве, характеризующейся температурой мартенситного превращения. Из рис. 8.68 видно различие диэлектрических характеристик смол, полученных при холодном, теплом и горячем отверждении. Например, tg δ смолы, полученной горячим отверждением, при низких температурах мал, а при температуре выше 100°С сильно возрастает, достигает промежуточного максимума и вновь растет. Диэлектрическая проницаемость при начальном значении εr=4 возрастает при температурах, соответствующих росту tg δ до максимального значения, а затем уменьшается. Рост tg δ и εr смолы с теплым отверждением наблюдается при температуре выше 100 °C, а с холодным отверждением — уже при 30—40 °C. Здесь отчетливо заметна связь между диэлектрическими и механическими свойствами материала. В области температуры остеклования, большей на 10—15 К температуры мартенситного превращения Ом, начинается размягчение материала и tg δ растет, причем весьма существенно по мере усиления степени размягчения.
Размягчение приводит к росту подвижности электронов и особенно ионов и к ориентации более крупных полярных элементов цепочек молекул (ориентационная поляризация по Дебаю, см. 8.1.2.4), благодаря чему увеличивается tg δ и наступает аномальная дисперсия диэлектрической проницаемости, связанная с ее увеличением в этом диапазоне температур. Максимум tg δ при температуре 150—160 °C и зависимость еr смолы горячего отверждения особенно четко характеризуют влияние потерь за счет ориентационной поляризации.
На рис. 8.69 приведены зависимости tg δ и еr от температуры смол с различными наполнителями и чистых смол. На эти зависимости отчетливо накладывают отпечаток различные механизмы диэлектрических потерь. Если имеется колоколообразная кривая с максимумом вследствие поляризации, то в этой области температур растет диэлектрическая проницаемость. На рис. 8.70 это еще раз продемонстрировано для смолы без наполнителя (кривая 1) и с наполнителем (кривая 2).
Суммарная кривая 2 смолы с наполнителем имеет четыре области: I — поляризация малых полярных сегментов из цепочек молекул; II — поляризация на границах элементов; III —поляризация крупных элементов цепочек молекул; IV — ионная проводимость.
Следует отметить, что наполнитель — кварцевый порошок— вызывает дополнительную поляризацию на границах элементов в области средних температур. Значение tg δ при этих температурах зависит от содержания кварцевого порошка, влажности и предварительной обработки порошка. В соответствии с изложенным в 8.2.1.2 поляризация на границах сред в этом случае обусловлена различными электропроводностью и диэлектрической проницаемостью кварцевого порошка и смолы, поэтому при измерениях tg δ эпоксидного материала определяются не все действующие механизмы диэлектрических потерь, так как не всегда отчетливо фиксируются частичные максимумы на суммарной кривой. Более отчетливо установить механизмы потерь можно путем измерения диэлектрической проницаемости, так как любое ее возрастание указывает на влияние поляризационного механизма в данном диапазоне температуры.
Удельная электропроводность в зависимости от напряженности поля. На рис. 8.71 приведены зависимости электропроводности эпоксидного материала от напряженности поля при различных температурах. Если в качестве наполнителя используется оксид алюминия, то электропроводность материала при той же температуре на десятки процентов больше вследствие более высокой электропроводности ΑΙ2Ο3, чем смолы. Очевидно, что закон Ома — независимость электропроводности от напряженности — соблюдается только при малых напряженностях. С увеличением напряженности электропроводность
Чем выше температура, тем меньше напряженность, при которой начинается рост электропроводности. При высоких температурах и очень больших напряженностях наблюдается сглаживание зависимости (см. 8.2.1.1, рис. 8.35).
Зависимость tg δ и еr от напряженности поля. Если даже размеры изделий из эпоксидной смолы выбраны такими, что рабочая их напряженность невелика, то на гранях залитых металлических деталей и в технологических неоднородностях может появиться локальная высокая напряженность поля. Поэтому возможен диэлектрический локальный нагрев и представляет интерес зависимость tg δ от напряженности поля. На рис. 8.72 представлены такие зависимости tgδ и εr в относительных единицах. В качестве базовых приняты значения tg δ и εr при низкой напряженности, когда справедлив закон Ома. Эти значения обозначены tg δ0 и εr0 и приведены в табл. 8.12.
Электрическая прочность. Как и в случае других твердых диэлектриков, пробивное напряжение эпоксидных компаундов является функцией температуры, толщины, конфигурации электродов, вида напряжения и т. д.
Для определения пробивного напряжения Ud или прочности Ed при переменном напряжении 50 Гц нормами МЭК 243, VDE 0303, часть 2, установлены как методика испытаний, так и форма электродов (шар — плоскость или плоскость — плоскость). Однако на определенные при таких электродах пробивное напряжение или напряженность образца, несмотря на соответствующую изоляционную среду, сильное влияние оказывают краевые эффекты, и поэтому измеряется пробивное напряжение, характерное для данных электродов и окружающей среды, которое дает недостаточную информацию о прочности самого материала. В связи с этим справочные данные по Ed, полученные при нормированных толщинах образцов от 1 до 3 мм, не всегда можно распространять на другие толщины.
Фактическая электрическая прочность материала в 3—5 раз выше. Для анализа поведения различных материалов, в частности поведения при длительной работе, электродная система должна быть выбрана такой, чтобы измерялась прочность материала без влияния краевых эффектов. При всех измерениях, на основе которых ниже приводятся данные об электрической прочности эпоксидных смол, использованы залитые в смоле электроды шар — шар (при переменном и сравнительно низком импульсном напряжениях) или тупые конусные электроды (при высоком импульсном напряжении).
Кратковременная электрическая прочность при переменном напряжении 50 Гц в зависимости от температуры. На рис. 8.73 представлены зависимости электрической прочности от температуры чистой смолы и смолы с наполнителем — силанизированным кварцевым порошком - при напряжении 50 Гц, возрастающем от нуля до пробивного значения в течение 10—20 с. Электроды — стальные шары диаметром 8 мм, залитые в смолу под вакуумом, коэффициент Швайгера η = 0,95, а расстояние между электродами s=0,5 мм.
Характер зависимостей для чистой смолы и смолы с наполнителем одинаков. В обоих случаях электрическая прочность с повышением температуры сначала возрастает. Если максимум прочности для чистой смолы наблюдается при 60 °C, то для смолы с наполнителем — при 40 °C. При более высоких температурах прочность падает и достигает при 100 °C наименьшего значения. Абсолютная прочность чистой смолы в исследованном диапазоне температур от 20 до 100 °C оказывается приблизительно на 20—35% выше, чем смолы с наполнителем.
Прочность при грозовых (1,2150 мкс) импульсах в зависимости от температуры. На рис. 8.74 приведена зависимость импульсной прочности чистой смолы от температуры. Прочность определялась при импульсах с увеличивающейся амплитудой. Сначала на образец подавалось напряжение с амплитудой, при которой пробой не ожидался. Затем на образец с интервалом 10 с подавались импульсы, и амплитуда каждого последующего импульса увеличивалась на 10 кВ. Амплитуда импульса, при которой происходил пробой, принималась за разрядное напряжение.
Аналогично результатам при переменном напряжении наблюдается максимум прочности при средней температуре 65 °C (Ed50% max=590 кВ/мм). Если температура и дальше продолжает возрастать, то электрическая прочность снижается.
За образование максимума Еd при средних температурах ответственны два по-разному протекающих процесса. К первому относится рост электропроводности при увеличении температуры (см. рис. 8.71), ко второму — уменьшение внутренних механических напряжений, оставшихся после отверждения при высокой температуре. Однако снижение внутренних напряжений вызывает уменьшение электропроводности [8.84]. Поэтому имеется минимум электропроводности в области средних температур, что и приводит к максимуму разрядного напряжения. Из-за меньшего (на порядок) значения электропроводности чистой смолы по сравнению со смолой с наполнителем (см. рис. 8.71) ее электрическая прочность во всем диапазоне температур оказывается также выше примерно на 20—35%.
Зависимость электрической прочности при переменном напряжении 50 Гц от расстояния между электродами. Как уже отмечалось в 8.2.2.1 (см. рис. 8.74), между пробивным напряжением или напряженностью и расстоянием между электродами не существует линейной связи.
Рис. 8.75. Зависимость кратковременной электрической прочности при переменном напряжении частотой 50 Гц, возрастающем со скоростью 3 кВ/см, чистой эпоксидной смолы от расстояния между электродами. Электроды залиты смолой, поле — квазиоднородное [8.86]
Из рис. 8.75 видно, что для эпоксидных компаундов, как и для полиэтилена, имеет место эффект объема. Разрядное напряжение отчетливо возрастает с увеличением расстояния, однако при удвоении или утроении расстояния не получаются в 2 или 3 раза более высокие разрядные напряжения. Разрядная напряженность E=Ud/s уменьшается с увеличением толщины s компаунда.
Зависимость прочности при грозовых импульсах от расстояния
между электродами. Как и при переменном напряжении, в этом случае электрическая прочность зависит от толщины эпоксидного компаунда. На рис. 8.76 представлена зависимость пробивного напряжения чистого компаунда от расстояния s (кривая l). При больших толщинах компаунда зависимость становится более пологой,
Следует отметить, что при относительно больших расстояниях между электродами (5 и 10 мм) были использованы образцы с электродами другого типа, чем при расстоянии 0,5 мм. Это вызвано тем, что необходимо выбрать общую длину образцов такой, чтобы не было перекрытий по наружной поверхности при перемещении образца в элегазе под давлением 12· 105 Па.
Эффект объема, т. е. снижение электрической прочности с увеличением толщины изоляции, еще отчетливее проявляется при импульсном напряжении (кривая 2). Если при s = 0,5 мм Ed50%=420 кВ/мм, то при толщинах 5 и 10 мм Ed уменьшается до 200 и 170 кВ/мм соответственно.
Длительная прочность. Большое значение имеют исследования электрической прочности при длительном воздействии напряжения, так как они позволяют прогнозировать срок службы изоляции на протяжении всего срока ее эксплуатации.
Рис. 8.76. Зависимости импульсного разрядного напряжения Ud50% (7) и напряженности E50% (2) от расстояния между электродами s (чистая дифенольная A-смола, отвердитель — жидкий дикарбонокислый ангидрид, амидный ускоритель. Каждая точка — результат обработки по статистике Вейбулла 10 экспериментов. Вертикальные прямые — доверительные интервалы с уровнем значимости 95 %) [8.85]
Рис. 8.77. Зависимость длительной электрической прочности дифенольной A-смолы (гранулы) с наполнителем — кварцевым порошком, жидким модифицированным ангидридным отвердителем от времени воздействия напряжения при различных температурах [8.25]
Для того чтобы по возможности сократить затраты времени на такие исследования и получить статистически обработанные результаты, эксперименты по определению прочности при переменном напряжении проводятся одновременно на нескольких образцах. Испытуемые образцы с залитыми электродами шар — шар нагружаются неизменным напряжением, и регистрируется время пробоя отдельных образцов. Из закона, определяющего срок жизни изоляции [см. п. 8.2.2, (8.58)], 
следует, что при увеличении приложенного напряжения время до пробоя (срок жизни) сокращается. Если на масштабной бумаге с двойными логарифмическими координатами нанести отдельные результаты измерений времени пробоя (статистика Вейбулла), то получатся приведенные на рис. 8.77 прямые с отрицательной производной.
Эти прямые отчетливо показывают, что для компаунда с кварцевым наполнителем нельзя исходить из максимальной электрической прочности, наблюдаемой при кратковременном воздействии и средних температурах (от 40 до 60 °C, см. рис. 8.73). Показатель N срока жизни уменьшается от 15,45 при 20 °C до 11,9 при 105 °C.
Относительно приведенных характеристик срока службы следует заметить, что они пригодны только в случае рассматриваемого нагруженного объема эпоксидной изоляции. При большем объеме, что обычно имеет место в реальных конструкциях, прямые сместятся параллельно вниз вследствие влияния статистического эффекта объема (при сохранении показателя), как это объяснено в 8.2.2.1 (см. рис. 8.47). Вследствие физического эффекта объема уменьшится еще и показатель Ν.
Частичные разряды в эпоксидных компаундах. Зависимость начальной напряженности ЧР от температуры. Как уже указывалось в 8.2.2.3, разрядные процессы при длительном воздействии напряжения Сопровождаются ЧР, возникающими внутри изоляции в зазорах между слоями, трещинах, микропустотах или у включений (технологических дефектов). В области этих неизбежных в процессе изготовления изоляции дефектов наблюдается увеличение напряженности электрического поля. Если эта напряженность превышает электрическую прочность материала, в изоляции появляются каналы ЧР и происходит необратимое разрушение материала. Это более или менее разветвленные каналы, развитие которых может не прекращаться с образованием объемных зарядов. В течение времени каналы могут прорастать в диэлектрике и в конце концов приводят к пробою.
Для моделирования дефекта и создания неоднородного поля в исследованиях развития пробоя часто используется электродное устройство игла — плоскость, так как оно позволяет при сравнительно низких напряжениях создавать высокие напряженности поля. Кроме того, в области электрода (иглы) возникают спустя некоторое время такие же дендритные фигуры, как и обнаруживаемые вследствие дефектов в реальной изоляции.
Придавая концу иглы форму гиперболоида, можно точно рассчитывать поле в системе гиперболоид — плоскость [8.70].
Чтобы зарегистрировать ЧР, на практике удобно подключать четырехполюсник связи к заземленному электроду образца и использовать широкополосные приборы для измерения ЧР.
Измеренный «кажущийся заряд»
может быть прокалиброван с помощью эталонного генератора и выражен в пикокулонах. Чувствительные измерения с широкополосным прибором ЧР в эпоксидных компаундах на уровне примерно 0,05 пКл следует проводить в экранированных кабинах, защищенных от внешних высокочастотных и сетевых помех (см. § 10.8).
Одним из существенных параметров при рассмотрении ЧР в твердом материале является напряжение или напряженность их появления, которая определяется на образцах с залитым игольчатым электродом при подъеме напряжения со скоростью 10 кВ/мин. За напряжение возникновения ЧР принимается такое, при котором возникают уверенно регистрируемые импульсы.
На рис. 8.78 приведена зависимость начальной напряженности, при которой появляются частичные разряды, от температуры смолы с наполнителем — кварцевым порошком. Как и в случае пробивных напряжений (см. рис. 8.73), в этой зависимости имеется максимум напряженности в области средних температур.
При объяснении результатов измерений можно исходить из тех же тенденций и физических закономерностей, что и при исследованиях кратковременной электрической прочности [Ed=f(θ)]. Зависимость начальной напряженности от температуры можно объяснить как результат суперпозиции двух механизмов, непосредственно влияющих на электропроводность материала.
Сравнение значений начальной напряженности и кратковременной электрической прочности свидетельствует о том, что на появление ЧР оказывает влияние эффект объема. Если в случае квазиоднородного поля между электродами шар — шар объем изоляции электрически нагружен примерно одинаково, то в системе игла — плоскость велика нагрузка на материал лишь вблизи острия. Расчеты напряженности поля в системе гиперболоид — плоскость показывают, что уже на расстоянии от конца иглы, в 2 раза большем его радиуса закругления, напряженность уменьшается на 20%.
Рис. 8.79. Снимки каналов ЧР, полученные с помощью растрового микроскопа, в эпоксидной дифенольной A-смоле (гранулы) с кварцевым наполнителем и модифицированным жидким ангидридным отвердителем (электродная система — игла — плоскость, радиус закругления конца иглы r=5 мкм, расстояние между электродами s=2 мм) [8.25]
Результаты, исследований с помощью растрового электронного микроскопа. Исследования ЧР в смоле с наполнителем (рис. 8.78) показывают, что результаты имеют большой разброс, несмотря на изготовление образцов при определенных воспроизводимых условиях. Это может быть связано с наличием более крупных зерен кварцевого порошка вблизи острия (радиус закругления r=5 мкм). Частицы наполнителя с существенно большей электропроводностью, чем чистая смола, могут в сильной степени влиять на прорастание каналов ЧР и даже затормозить этот процесс.
Оптическая регистрация каналов ЧР вблизи иглы с помощью обычных микроскопических методов, применяемых при прозрачных образцах из полиэтилена или чистой смолы, невозможна в случае компаунда с наполнителем. Однако и в этом случае, правда, с гораздо большими трудностями, можно зафиксировать каналы ЧР с помощью растрового электронного микроскопа. Для этого образец разрезается строго по оси, и его тщательно обработанная поверхность исследуется с помощью электронного микроскопа.
Результаты исследования приведены на рис. 8.79. Разрядные фигуры состоят из многих разветвленных полых каналов, проникающих в диэлектрик примерно на 120-мкм (рис. 8.79,а). При более сильном увеличении (рис. 8.79,б—г) видно, что каналы проходят, как правило, по границе наполнитель — смола, и их толщина может достигать 1,5 мкм.
Из этих фотографий также видно, что отдельные зерна кварцевого порошка имеют длины до 50 мкм. Поэтому возможно их влияние на пробивные характеристики образца.
Поверхностные явления. В индустриальных районах, центрах городов и т, д. в целях экономии площади используют герметизированные распределительные устройства. В них токоведущие части закрепляются на заземленных внешних стенках с помощью эпоксидных изоляторов. В качестве изоляционной среды используется элегаз, обладающий даже при низком давлении высокой электрической прочностью. Несмотря на то что электрическая прочность материала изоляторов превышает прочность окружающего газа, их наличие приводит к снижению электрической прочности устройств, так как наиболее слабым местом всей системы оказывается граничная поверхность твердая изоляция — изолирующий газ.
Напряжение перекрытия по поверхности при разных давлениях элегаза не зависит от типа эпоксидного материала (рис. 8.80). С увеличением давления прочность чистой граничной поверхности возрастает и становится равной прочности чисто газового промежутка без изолятора при том же расстоянии между электродами.
При этих исследованиях электроды, закрепленные с помощью цилиндрических изоляторов, выполнены так, чтобы у контактов изоляторов, т. е. в наиболее нагруженных местах, поле было снижено, а в средней части изолятора оно было бы на 100% однородным.
Разрядное напряжение заметно изменяется, если граничная поверхность загрязнена. Влияние поверхностного сопротивления слоя загрязнений толщиной 1 мкм, нанесенного на изолятор диаметром 5 мм, на разрядные напряжения в элегазе при различных давлениях показано на рис. 8.81.
Уже небольшое отклонение поверхностного сопротивления загрязненного изолятора от сопротивления чистого изолятора приводит к снижению разрядного напряжения, которое становится все заметнее по мере уменьшения сопротивления слоя загрязнения, причем эта тенденция при высоком давлении газа проявляется сильнее. Снижение прочности при загрязнении вызвано увеличением степени искажения поля, вследствие чего перед собственно пробоем возникают устойчивые ЧР.
Другим параметром, влияющим на электрическую прочность по поверхности, является относительная влажность газа в закрытой системе. На рис. 8.82 показано, что при давлении элегаза 3-105 Па напряжение перекрытия вдоль необработанного изолятора с наполнителем заметно снижается при относительной влажности 60% и более. Чем ниже давление, тем выше эта «критическая» влажность, и при давлении 105 Па она составляет примерно 80%.
Полиуретаны. В последнее время наряду с эпоксидными смолами используются полиуретаны (полиаддукты) не только при низких напряжениях, но и при средних, прежде всего для изготовления измерительных трансформаторов и кабелей. Существует несколько модификаций полиуретана, обладающих требуемыми электрическими, термическими и механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью. Их длительная электрическая прочность составляет приблизительно 20 кВ/мм, т. е. такая же, как и у эпоксидных смол, но tg δ заметно выше. Высокая стойкость некоторых полиуретанов к токам утечки позволяет использовать их во влажных помещениях. Полиуретаны отличаются эластичностью и одновременно большой прочностью на изгиб, а также малой склонностью к образованию трещин в результате внутренних напряжений. Исключительная текучесть литьевых полиуретановых масс облегчает сплошную (без пустот) пропитку любых активных деталей и устройств.
