Чему примерно равна электрическая прочность полиэтиленовой изоляции

К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, полиизобутилен, полипропилен, политетрафторэтилен. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.

П о л и э т и л е н ( — Н 2 С — СН 2 — ) n получают при высоком, среднем и низком давлении полимеризацией этилена в присутствии катализаторов.

Полиэтилен — кристаллизующийся полимер, степень кристалличности которого при комнатной температуре достигает 50-90% в зависимости от способа получения. От других термопластов отличается весьма ценным комплексом свойств. Для полиэтилена характерны высокая прочность, стойкость к действию агрессивных сред и радиации, хорошие диэлектрические свойства, нетоксичность.

Выпускаемый в промышленности полиэтилен в зависимости от способа получения различается по плотности, молекулярной массе и степени кристалличности. Плотность полиэтилена изменяется в пределах 910-970 кг/м 3 , температура размягчения 110-130 о С. Наибольшей степенью кристалличности, плотности и температурой размягчения обладает полиэтилен низкого и среднего давления (полиэтилен высокой плотности). Полиэтилен, получаемый при высоком давлении, имеет меньшую плотность. Так как изделия из полиэтилена становятся хрупкими только при -70 о С, то они могут эксплуатироваться в суровых климатических условиях.

Полиэтилены низкого и среднего давления относятся к полимерам с регулярной структурой молекул и называются изотактическими полимерами. С увеличением молекулярной массы и особенно плотности, что характерно для изотактического полиэтилена, возрастает химическая стойкость полимера. Полиэтилен стоек к действию щелочей, растворов солей, органических кислот (даже к концентрированной соляной и плавиковой кислотам). ПЭ выше 80 о С растворяется во многих растворителях, особенно хорошо в углеводородах и их галогенпроизводных. Для увеличения атмосферостойкости и стойкости к термоокислительным процессам в полиэтилен вводят различные стабилизаторы.

Плотность полиэтилена не влияет существенно на его диэлектрические свойства, но примеси в полиэтилене высокой плотности увеличивают диэлектрические потери. Однако малые диэлектрические потери полиэтилена позволяют использовать электроизоляционные материалы и изделия на его основе в широком диапазоне частот и температур.

В промышленности получают полиэтилен со «сшитой» структурой молекул, когда создаются поперечные химические связи между линейными цепями макромолекул. «Сшитый» полиэтилен можно получить при облучении полиэтилена частицами высоких энергий или при действии специальных перекисных соединений, вызывающих сшивку макромолекул при высокой температуре. Такой полимер становится резиноподобным при 110-115 о С и сохраняет прочность при температуре до 200 о С.

Полиэтилен применяется в качестве электроизоляционного материала в электротехнике и радиоэлектронике, в кабельной промышленности, в строительстве, в качестве антикоррозионных покрытий и т.д. Полиэтилен всех марок является физиологически безвредным, поэтому получил широкое применение в производстве товаров народного потребления.

Полиэтилен высокого, среднего и низкого давления (ПВД, ПСД, ПНД) поставляется в виде гранул для экструзии и литья, в виде пленок, листов, труб, профилей. Полиэтилены имеют такие положительные характерные особенности, как повышенную удельную ударную вязкость, высокую химическую стойкость и технологичность, возможность окраски в массе, низкую стойкость. К отрицательным особенностям полиэтилена относятся: мягкая матовая поверхность; невысокая теплостойкость; низкая атмосферная стойкость; заметная деструкция при повышенных температурах в присутствии кислорода и озона под влиянием ультрафиолетовых лучей.

Для изготовления малогабаритных и крупногабаритных деталей и изделий методом прессования листов или плит можно применять полиэтилен ВД марок 19003-002, 19104-002, 1911-002. Малогабаритные и крупногабаритные изделия можно изготовлять литьем под давлением, используя марки 19203-005, 19304-005, 19504-020, 19904-120 и др. Из полиэтилена низкого давления изготовляются термоусаживающиеся радиационно-модифицированные трубки терморад марок ТТ-1, ТТ-2, ТТ-3, ТТЭ-С.

П о л и с т и р о л (—Н2С — СН —С6Н5 —)п. Получают полимеризацией мономерного стирола. Аморфный полистирол получают в виде блоков, эмульсий, суспензий или растворов, а изотактический — в присутствии специальных катализаторов. Полистирол — термопластичный материал с высокими диэлектрическими свойствами. Для электротехнических целей в основном применяется блочный полистирол, эмульсионный имеет худшие диэлектрические показатели и используется для изготовления плиточных пенопластов конструкционного назначения, изотактический в промышленности из-за трудностей переработки в изделия не выпускается.

Полистирол химически стоек, устойчив к воздействию влаги, растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, простых и сложных эфирах. К недостаткам полистирола относятся низкая механическая прочность и невысокая теплостойкость.

Блочный полистирол прозрачен, бесцветен, пропускает 90% видимой части света. Высокий показатель преломления обусловливает применение блочного полистирола для изготовления оптических стекол. Температура стеклования полистирола 80-82 о С, а температура эксплуатации изделий из него не должна превышать 60 о С.

Из полистирола получают полистирольные пленки толщиной 10-100 мкм, называемые стирофлексом. Пленки отличаются большой прочностью, высокими диэлектрическими показателями и применяются в конденсаторной технике.

Полистирол широко применяется для изготовления деталей электро- и радиоэлектронных приборов, в кабельной промышленности в качестве высокочастотного электроизоляционного материала, для изготовления полистирольных лаков. Перерабатывается в изделия всеми способами, используемыми для термопластичных материалов. Основной метод переработки в изделие — литье под давлением.

Читайте также:  Назначение арифметико логического устройства в процессоре

Свойства полистирола улучшают путем введения специальных веществ — ингибиторов — для предотвращения самопроизвольной полимеризации во время хранения, когда из-за появления внутренних механических напряжений у полистирола возможно появление трещин. В ряд случаев для устранения этого явления в полистирол вводят некоторые виды синтетических каучуков.

Для изготовления деталей и узлов электро- и радиотехнического назначения используется полистирол марок ПСМ-118, ПСМ-151, ПСМ-111; для изготовления электроизоляционных пленок, нитей, листов — ПСС-550, отличающийся высокой теплостойкостью и механической прочностью. Основные показатели полистирола ПСМ-115 следующие: плотность 1,05 ÷ 1,08 кт /м 3 ; теплостойкость по Вика Тв=96 о С; s p =38-41,5 Мпа, s u =85-105 Мпа; r v =10 12 -10 13 Ом • м; tg d =0,0003 и e =2,6 при 10 6 Гц; Епр=20-25 МВ/м .

П о л и и з о б у т и л е н [ — CH 2— C ( CH 3)2— ] n — высокомолекулярный продукт с линейным строением молекул, получаемый полямеризацией газа изобутилена. При изменении молекулярной массы от 1000 до 400000 можно получать различные виды полиизобутилена — от жидких низкомолекулярных до твердых эластичных подобных каучуку высокомолекулярных веществ. Полиизобутилен типичный неполярный диэлектрик с высокими диэлектрическими свойствами. Эластичность этого полимера сохраняется до температуры –78 о С и не зависит от его молекулярной массы. Температура плавления полиизобутилена +80 о С.

В чистом виде или чаще в композиции с другими полимерами полиизобутилен применяется для изготовления электрической изоляции высокочастотных кабелей ( в композиции с полиэтиленом), уплотнителей, изоляционных заливочных компаундов, клеящих материалов, изоляционных лент. Высокие электрические свойства полиизобутилена и его смесь с полистиролом сохраняется и при повышенной влажности. Жидкие полиизобутилены с молекулярной массой от 1500 до 10000 применяются в качестве пропиточных масс в кабельной технике.

П о л и т е т р а ф т о р э т и л е н (ПТФЭ) (— CF 2 — CF 2— ) n в нашем отечестве выпускается под названием фторопласт-4 (торговая марка) и получается полимеризацией тетрафторэтилена F 2 C = CF 2. Степень кристалличности ПТЭФ около 90% (при температуре эксплуатации 50-70%). Кристаллическая структура нарушается при температуре около 327 о С, после чего полимер переходит в высокоэластическое состояние, сохраняющееся вплоть до температуры разложения (около 415 о С). Рабочая температура от — 269 до 260 о С.

Высокая рабочая температура и химическая стойкость выделяют ПТФЭ среди других органических полимеров. ПТФЭ не горит и не растворяется в диапазоне рабочих температур ни в одном растворителе, на него не действуют кислоты, щелочи и другие агрессивные вещества. Превосходя золото и платину по химической стойкости, ПТФЭ не смачивается водой, проявляет стойкость к воздействию тропического климата и грибковой плесени. Некоторое воздействие на ПТФЭ оказывают лишь расплавленные щелочные металлы и атомарный фтор при повышенных температурах. ПТФЭ имеет исключительно высокие электроизоляционные свойства, приведенные в табл.1 в сравнении с другими полимерами.

Физический смысл

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.

Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

Читайте также:  Режим сушки в кондиционере

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы. В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции. Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:

Или определяется по формуле:

Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:

Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Электрической прочностью изоляции кабеля или провода назы­вают напряжение, при достижении которого происходит пробой изо­ляции. По характеру пробоя изоляции различают электрический и тепловой.

Под электрическим (прокалывающим) пробоем понимается про­бой в наиболее ослабленном месте изоляции, происходящий в короткие промежутки времени и обычно связанный с местным разруше­нием изоляции кабелей и сопровождающийся иногда ветвистыми обугленными побегами. Электрический — ионизационный пробой про­исходит в воздушных включениях изоляции при достаточно высо­ких напряжениях в результате возникновения таких разрядов, переходящих в электрические скользя­щие разряды, заканчивающиеся про­боем изоляции.

Тепловой пробой изоляции кабе­лей имеет место в тех случаях, когда нагрев изоляции больше отводимого тепла (например, в кабелях высоко­го напряжения с большой толщиной изоляции). Этот вид пробоя развивается постепенно и происходит

обычно в тех местах, где повышение температуры из-за роста ди­электрических потерь происходит особенно интенсивно. Развитию теплового пробоя может способствовать повышенная температура окружающей среды. Место теплового пробоя изоляции представ­ляет радиальное отверстие с опаленной или оплавленной поверхно­стью без наличия в зоне пробоя ветвистых побегов.

Обычно пробой носит комбинированный характер. Нагрев, вы­званный скользящими разрядами, приводит к местному перегреву изоляции и развитию в этом месте теплового пробоя. Повышение напряженности поля в газовом включении снижает электрическую прочность изоляции, зависящую от его природы, толщины слоя и давления. Начальная напряженность ионизации маслонаполненного и газонаполненного кабелей при длительном приложении перемен­ного тока (50 гц) возрастает с увеличением давления (рис. 2-15), но электрическая прочность их снижается с увеличением длитель­ности приложения напряжения. Электрическая прочность пропитан­ной кабельной бумаги при кратковременном испытании на пробой переменным током уменьшается с увеличением толщины бумаги (рис. 2-16).

Читайте также:  Чертеж дисковой пилорамы своими руками

Пробивное напряжение кабеля при известной электрической прочности изоляции равно:

Пробивное напряжение кабеля при промышленной частоте мо­жет быть определено по эмпирической формуле:

где UH — номинальное линейное напряжение системы; k1=l, 15 — коэффициент, учитывающий возможность повышения рабочего на­пряжения; k2=l, 25/1,50 — коэффициент, учитывающий неоднород­ность изоляции (совпадение, зазоров лент, наличие вмятин, морщин и других дефектов технологии); k3 = 2,25/2,50 — коэффициент, учи­тывающий уровень внутренних перенапряжений в кабельных сетях; k4 = 1,10/1,20 — коэффициент, учитывающий уменьшение пробивного напряжения при снижении давления масла от расчетной величины до минимально допустимого значения. Запас электрической прочности

При расчете электрической прочности изоляции высоковольтных кабелей и проводов принимают 4—10-кратный запас допустимой на­пряженности электрического поля по сравнению с пробивной напря­женностью. Такой запас электрической прочности необходим из-за возможности ухудшения качества изоляции в процессе эксплуата­ции, а также за счет неоднородности изоляции по качеству, наличия острых углов и выступов токопроводящих жил кабеля и др. Элек­трическая прочность кабеля уменьшается с увеличением длины ка­беля, так как число слабых мест пропорционально поверхности токопроводящей жилы.

Электрическая прочность изоляции зависит от рода приложен­ного напряжения и снижается с увеличением длительности действия напряжения. Наибольшую электрическую прочность изоляция имеет при постоянном токе, а наименьшую — при переменном токе. Под влиянием электрического и теплового полей происходит ускорение процесса старения изоляции с медленным изменением ее физико-химических свойств, приводящих к местным ослаблениям электри­ческой прочности.

‘Кривую зависимости электрической прочности от времени при­ложения напряжения называют кривой жизни кабеля. Эта зависи­мость выражается уравнением

где т — коэффициент, зависящий от типа кабелей (для силовых ка­белей с вязкой пропиткой m = 7, для высоковольтных одножильных кабелей m≈ 6, для полиэтилена m≈ 4; τ —время до пробоя, мин; Eдл — прочность при бесконечно длительном приложении напряже­ния, кв/мм; Eпер — переменная часть электрической прочности,

кв/мм. Если откладывать по оси ординат Eпр, а по оси абсцисс ве­личину

(при правильно подобранном значении т), зависи­мость электрической прочности кабеля от времени имеет вид прямой линии. Пересечение ее с осью ординат дает предельное значение электрической прочности при бесконечно длительном приложении напряжения, равное для маслонаполненного кабеля низкого давле­ния 40 кв/мм, для газонаполненного кабеля высокого давления 20 кв/мм и для кабеля с вязкой пропиткой 12 кв/мм.

На рис. 2–17 приведена экспериментальная зависимость напря­женности поля при пробое кабеля с полиэтиленовой изоляцией (Δ = 10 мм), подвергавшегося циклическому нагреву. При частоте 80 Мгц электрическая прочность полиэтиленовой изоляции снижает­ся до 3—4 кв/мм. На рис. 2–18 приведена зависимость электриче­ской прочности кабеля с изоляцией из поливинилхлоридного пла­стиката от времени. Кратковременная электрическая прочность по­лиэтиленовой и поливинилхлоридной изоляции снижается с увели­чением радиуса провода:

Зависимость пробивного напряжения на постоянном токе при ступенчатом повышении напряжения (по 2 (кв/мм)/ч) от толщины полиэтиленовой изоляции и радиуса токопроводящих жил приве­дена на рис. 2–19. Средняя напряженность поля при пробое состав­ляет 45 кв/мм независимо от толщины изоляции, радиуса токопроводяшей жилы и полярности приложенного напряжения. Импульсная прочность изоляции кабелей на напряжение 100 кв и выше яв­ляется основной характеристикой при выборе толщины изоляции. Под импульсной прочностью понимают 10 положительных и 10 от­рицательных импульсов нормальной волны (1/50 мксек), не вызвав­ших пробоя изоляции.

Импульсное перенапряжение (Uмакс), возникающее в кабеле, зависит от емкости кабельной линии (С, мкф/км), ее длины (l, м) и величины перенапряжения в воздушной линии (U, кв):

Зависимость Uмакс /U1 от l/lо (где lо = 38 О м — строительная длина кабеля) приведена на рис. 2–20.

Величина импульсного напряжения кабеля по нормам МЭК принята не ниже

где U0 — напряжение между жилой и экраном кабеля, кв.

Импульсная прочность пропитанной бумажной изоляции высоко­вольтных кабелей возрастает с уменьшением толщины бумажных лент, применяемых для изоляции, увеличивается с повышением плот­ности бумаги и вязкости пропитывающего состава, но не зависит от давления. Значения напряженности поля при пробое импульсным напряжением для кабелей с вязкой пропиткой и маслонаполненного в зависимости от толщины бумаги приведены на рис. 2–21.

На рис. 2–22 приведены кривые средней и максимальной напря­женности электрического поля при пробое в зависимости от толщи­ны изоляции и радиуса токопроводящих жил при испытании на пе­ременном и постоянном токе и импульсным напряжением.

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *