Почему в электрическом поле диэлектрик стареет

Причины старения изоляции:

Перекрытие — разряд по границе раздела двух диэлектриков в изоляционной конструкции. Основная особенность перекрытия – меньшее разрядное напряжение по сравнению с пробоем однородного диэлектрика (в частности, воздуха).

Большинство изоляционных конструкций, использующих комбинированную изоляцию воздух – диэлектрик, может быть сведено к трем характерным случаям.

Однородное поле, в котором силовые линии электрического поля параллельны поверхности раздела двух диэлектрических сред воздух – диэлектрик.

Разрядное напряжение в таких конструкциях существенно (в 1,5 – 2 раза) ниже разрядного напряжения чисто воздушного промежутка.

Снижение электрической прочности объясняется двумя причинами.

1-я причина — неплотное прилегание электродов к диэлектрику.

Между электродами и диэлектриком образуются воздушные прослойки. При плавном подъеме напряжения на такой конструкции воздушные прослойки ионизируются уже при невысоких напряжениях, так как напряженность поля в них повышается из-за перераспределения напряженностей.

Е_возд/Е_диэл = ε_диэл/ε_возд ,

где Е_возд, Е_диэл — напряженность поля в воздухе и диэлектрике, соответственно;

ε_возд, ε_диэл — диэлектрическая проницаемость воздуха и диэлектрика, соответственно.

Диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3…4 раза больше чем воздуха. Продукты ионизации выходят на края диэлектрика, искажая электрическое поле. Оно становится неоднородным, следовательно, менее прочным.

Бороться с ионизацией воздушных включений в таких конструкциях можно:

— их устранением (соединение диэлектрика с электродом жидкими твердеющими материалами — цементом, смолами и т. п.);

— устранением поля в них (покрытие контактной поверхности диэлектрика проводящими лаками, распыленным в вакууме металлом и т. п. Воздушные прослойки при этом не устраняются, но поле в воздушной прослойке отсутствует).

2-я причина снижения прочности промежутка — влага, абсорбированная поверхностью диэлектрика. Каждый диэлектрик в большей или меньшей степени абсорбирует влагу воздуха. Поэтому на поверхности диэлектрика образуется тонкий слой влаги, обладающий ионной проводимостью. При приложении напряжения ионы перераспределяются по поверхности диэлектрика, устремляясь к противоположно заряженным электродам. Поскольку проводимость тончайшего слоя влаги невелика, то такое перераспределение ионов происходит сравнительно медленно, в результате чего возле электродов напряженность поля повышается, а в середине промежутка — снижается. Как и в первом случае, происходит искажение однородного поля, приводящее к снижению прочности промежутка.

Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, эбонит, оргстекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт).

Борьба с этой причиной снижения прочности промежутка — применение, гидрофобных диэлектриков или гидрофобных покрытий диэлектрика (лаков, паст), применение ребер или юбок на поверхности диэлектрика.

Зависимость разрядного напряжения по поверхности образцов от расстояния между электродами: 1 – чисто воздушный промежуток;

4 – фарфор и стекло при неплотном прилегании электродов к диэлектрику.

Наличие загрязнений на поверхности твердого диэлектрика также снижает разрядное напряжение поверхностного разряда.

Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной (параллельной поверхности раздела двух диэлектрических сред) E_τ составляющей.

Опорный изолятор (а) и система электродов (б) с преобладанием тангенциальной составляющей электрического поля.

В этом случае гигроскопические свойства диэлектрика оказывают меньшее влияние на величину разрядных напряжений, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без того значительную неоднородность поля. Разрядное напряжение в таких конструкциях также ниже, чем в чисто воздушном промежутке.

Неоднородное поле с преобладанием нормальной (перпендикулярной поверхности раздела двух диэлектрических сред) E_n составляющей поля.

а б

Проходной изолятор (а) и система электродов (б) с преобладанием нормальной составляющей электрического поля.

Напряжение перекрытия проходного изолятора обычно в несколько раз меньше напряжения перекрытия опорного изолятора при одинаковой длине пути перекрытия. Это связано с близким расстоянием между разнопотенциальными электродами в проходном изоляторе и большой составляющей напряженности электрического поля, перпендикулярной поверхности твердой изоляции, из-за чего ионизация на фланце изолятора начинается при весьма небольшом напряжении.

Большая емкость между каналом разряда и близким внутренним электродом приводит к сравнительно большому емкостному току между каналом разряда и внутренним электродом, что приводит к нагреву канала и большей его стабильности.

Поверхностный разряд по мере увеличения приложенного напряжения проходит несколько стадий:

1-я. При относительно низких напряжениях на электродах возникает коронный разряд в виде полоски ровного неяркого свечения. Для конструкций с преобладанием тангенциальной составляющей корона возникает при напряжении порядка (0,5÷0,6) напряжения перекрытия промежутка U_nep , а для конструкций с преобладанием нормальной составляющей — (0,1÷0,2) U_nep , у заземленного фланца 2 (место с наиболее высокой напряженностью).

2-я. Увеличение напряжения до величины (0,3÷0,5) U_перприводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике многочисленных слабо светящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называемая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала вглубь промежутка.

Для конструкций с преобладанием тангенциальной составляющей напряжение появления скользящих разрядов практически совпадает напряжением перекрытия.

3-я. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением напряжения, и процесс завершается перекрытием промежутка между электродами.

Ток, проходящий по каналам скользящего разряда, замыкается на второй электрод через емкость этого канала по отношению к противоположному электроду, т.е. через поверхностную емкость. Чем больше эта емкость, тем больше ток, тем ниже напряжение возникновения скользящих разрядов U_ск.

Напряжение возникновения скользящих разрядов может быть определено по эмпирической формуле

при C_уд>0,25∙10 -12 , Ф/см 2 .

Для плоского диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε толщиной d см

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Старение диэлектрика ( постепенное его изменение, сопровождающееся ухудшением или полной потерей изоляционных свойств) вызывается процессами, связанными с химическими, тепловыми, механическими и электрическими воздействиями. Эти процессы действуют одновременно и являются взаимосвязанными. К химическим процессам ухудшения органических изоляционных материалов относятся окисление и реакции с агрессивными компонентами окружающей среды, которым благоприятствует наличие влаги и повышенная температура. При нагреве, вследствие внешних причин и диэлектрических потерь, износ материала сопровождается распадом вещества, появлением хрупкости, снижением электрической прочности. К основным явлениям старения относятся также физические и химические изменения органических изоляционных материалов, вызванные процессами частичных разрядов. Механические воздействия, вызывая нарушения целостности материала ( разрывы, расслоения), снижают электрическую прочность изоляционной конструкции. [1]

В чем заключается старение диэлектрика конденсатора . [2]

В условиях эксплуатации процессы старения диэлектриков , как правило, развиваются достаточно медленно, так что время жизни измеряется годами. [3]

На стабильность конденсаторов влияет также старение диэлектрика , которое приводит к уменьшению сопротивления изоляции конденсатора, увеличению потерь и изменению емкости. Эти явления наиболее сильно сказываются в бумажных конденсаторах, изменение емкости которых, вызываемое старением, может достигать 10 — 15 %; в керамических конденсаторах явление старения практически не наблюдается. [4]

Изменением каких основных параметров сопровождается старение диэлектриков . [5]

Это явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле. [7]

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля значительно ниже пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. [8]

Длительная работа конденсатора при повышенной температуре вызывает старение диэлектрика , снижая электрическую прочность. В таком режиме целесообразно уменьшать рабочее напряжение в 1 5 — 2 раза. [9]

При постоянном напряжении наряду с электрохимическими процессами старения диэлектрика могут возникать и частичные разряды, особенно в случае повышенной напряженности электрического поля. [10]

При постоянном напряжении наряду с электрохимическими процессами старения диэлектрика могут возникать и процессы ионизации, особенно в случае повышенной напряженности электрического поля. [11]

Вследствие регенерации при периодической смене полярности поля старения указанных диэлектриков в переменном поле практически не происходит. [12]

При наличии высших гармоник в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. [13]

Приведенные выше результаты получены большей частью при испытаниях на старение диэлектриков в специальных лабораторных устройствах. Это обеспечило возможность проведения массовых испытаний с минимальной затратой времени и средств. Однако для решения практических вопросов, и, в частности, в целях прогнозирования срока службы промышленной изоляции, необходимо сравнить основные закономерности старения лабораторных образцов диэлектриков и изоляции промышленных изделий. [14]

При таком прогнозировании нет необходимости в подробном исследовании механизма старения диэлектрика , пробой которого является причиной выхода детали из строя. [15]

Контрольные вопросы

Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле. Свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление под воздействием напряжения называется электрической прочностью.

2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?

Потеря диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения называется пробоем

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.В случае однородного поля и полной однородности материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более . Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках () близки к пробивным для объемных образцов. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты. Тепловой пробой диэлектрика обычно связан с нарушением теплового равновесия в процессе разогрева за счет джоулевых (в постоянном поле) или диэлектрических потерь (в переменном поле).

4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?

Так как ухудшается изоляция. Из-за электрического поля происходит износ диэлектрика, приводящий к пробоям.

5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной? Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности(уменьшение сопротивления) материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал.

6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?

, где – длина электрода, – поперечное сечение электрода, следовательно, наблюдается зависимость электрической прочности от формы электродов: , где Uпр = I * R

7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твёрдых диэлектриков

Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения

8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?

Во избежание возникновения пробоев в диэлектриках, следовательно, увеличении «жизни» их изоляционных свойств.

9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей

Лакоткань — гибкий электроизоляционный материал. Изготавливается из ткани, пропитанной лаком. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отвердевания образует на лакоткани гибкую плёнку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства. Тканевая же основа обеспечивает лакоткани механическую прочность.

Конденсаторная бумага применяется в качестве диэлектрика для электрических конденсаторов. Конденсаторная бумага отличается малой толщиной ( от 1 до 30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических примесей.

Вопрос. Как зависит электрическая прочность Е_прот толщины диэлектрика, состоящего из тонких листов неоднородного материала?

Ответ. При использовании двух слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды, С увеличением числа слоев изоляции Е_пр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.

К механизму электрического старения полимерных изоляционных материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

полимерные диэлектрики / электрический разряд / газовые включения / электроизоляция / электрический разряд / поливинилиденфторид / кристаллизация / polymer dielectrics / electrical discharge / gas inclusions / insulation / electric charge / polyvinylindene fluoride / crystallization

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Г. М. Керимли

Приведены результаты исследований взаимосвязей структуры и свойства образцов поливинилиденфторида (ПВДФ), подвергнутых воздействию тлеющего и факельного разрядов, осуществляемых в среде остаточных газов атмосферного воздуха, аргона и SF6. Показано, что количество накопленных электрических зарядов в образцах, подвергшихся воздействию электрического разряда, зависит от дефектов и степени дефектности образцов. Были исследованы процессы термостимулированной релаксации зарядов с образцов ПВДФ. Это дает возможность качественно оценить изменение размеров дефектов и степени дефектности образцов путем изменения свойства материала.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «К механизму электрического старения полимерных изоляционных материалов»

К механизму электрического старения полимерных изоляционных материалов

Igdir University, Igdir, Turkey,

Riza Yalgin Cad. PK: 76000, e-mail: senber.kerimli@jsdir.edu. tr

Приведены результаты исследований взаимосвязей структуры и свойства образцов поливини-лиденфторида (ПВДФ), подвергнутых воздействию тлеющего и факельного разрядов, осуществляемых в среде остаточных газов атмосферного воздуха, аргона и SF6. Показано, что количество накопленных электрических зарядов в образцах, подвергшихся воздействию электрического разряда, зависит от дефектов и степени дефектности образцов. Были исследованы процессы термостимулированной релаксации зарядов с образцов ПВДФ. Это дает возможность качественно оценить изменение размеров дефектов и степени дефектности образцов путем изменения свойства материала.

Ключевые слова: полимерные диэлектрики, электрический разряд, газовые включения, электроизоляция, электрический разряд, поливинилиденфторид, кристаллизация.

УДК 621.9.04.8.4+539.2.678.01 ВВЕДЕНИЕ

Полимерные диэлектрические материалы, широко используемые в качестве электроизоляции в изделиях и устройствах электроэнергетических и других промышленных отраслей в качестве изоляционных материалов (конденсаторное производство, кабельная промышленность, трансформаторные устройства и др.), зачастую содержат в своем объеме газовые включения. Их наличие обусловлено технологией изготовления, которая в свою очередь определяет также надмолекулярную структуру изоляционного материала.

В газовых включениях высоковольтной изоляции в зависимости от их размеров и величины приложенного напряжения развиваются процессы ионизации определенной интенсивности, из-за которых она разрушается в сильных электрических полях [1-3].

В связи с вышеизложенным представляет интерес изучение некоторых физических процессов, происходящих как на поверхности, так и в объеме кристаллизующихся полимеров, в зависимости от надмолекулярной структуры исследуемых образцов. Другими словами, нами сделана попытка выявить роль надмолекулярной структуры в процессе старения полимерного диэлектрика, подвергнутого воздействию электрических разрядов.

В работе также исследовались процессы, происходящие в пленке поливинилиденфторида (ПВДФ), подвергнутого воздействию электрического разряда, осуществляемого в среде остаточных газов атмосферного воздуха, аргона и SF6.

Известно, что количество накопленных зарядов в образцах, подвергшихся воздействию электрического разряда, зависит от размера и степени их дефектности. Поэтому для оценки количества релаксированных зарядов нами был использован метод термостимулированной релаксации (ТСР) зарядов с образцов, который заключается в следующем. Исследуемый образец путем воздействия электрического разряда приводился в неравновесное состояние при комнатной температуре. Затем при равномерном увеличении температуры стимулировался его переход из возбужденного (неравновесного) состояния в равновесное. Далее, построив график температурновременной зависимости тока регистрации, вызванного релаксационными процессами, вычисляли площадь, заключенную под кривой i = f(t) (где t — время релаксации), которая равна суммарному заряду, релаксируемому в образце.

Принципиальная электрическая схема представлена на рис. 1.

Давление остаточного газа в реакторе с образцом перед напуском плазмообразующего газа составляло 10-4 Па. Давление (102 Па) плазмообразующих газов (аргон, воздух, SF6), поддерживалось в течение всего эксперимента.

Питание электродов реактора факельного разряда осуществлялось переменным напряжением 6 кВ с помощью высоковольтного трансформатора ТВО-140. Для плавной регулировки высокого напряжения на вход трансформатора был включен автотрансформатор. При этом ток разряда в межэлектродном пространстве составлял 80 мА.

Рис. 1. Электрическая схема экспериментальной установки и контрагированного тлеющего разряда а. о. — анодная область; к.о. — катодная область и ц.о. — центральная область.

Для исследования в сильно неоднородных полях была использована конструкция, содержащая систему электродов «игла — плоскость». Такая система электродов реактора позволяла создавать в межэлектродном промежутке резко неоднородное поле и возбуждать в нем электрический разряд коронного типа. А при ограничении поверхности иглы диэлектрическим материалом с кончика иглы в разрядном объеме поддерживался мощный факельный разряд, охватывающий широкий участок поверхности образца.

Электродная система состояла из полого катода радиусом 14 мм, плоского круглого анода радиусом 27,5 мм. Расстояние d между ними равнялось 140 мм. Режим разряда в процессах обработки поддерживался постоянным путем контроля тока разряда (более 60 мА) и давления (1,35 Па) в откачиваемом объеме. Время воздействия варьировалось от 60 до 120 с.

Газовый состав деструктивной эмиссии с поверхности полимерных диэлектриков контролировался с помощью времяпролетного масс-спектрометра МСХ-4.

Предварительные масс-спектрометрические исследование показали, что из применяемых видов разрядов наиболее интенсивное воздействие на полимерную пленку поливинилиденфторида оказывают тлеющий и факельный разряды. Поэтому в работе были исследованы воздействия именно этих разрядов.

При изучении процессов накопления электрических зарядов в образцах ПВДФ, подвергнутых воздействию газового разряда (плазмы), образцы ПВДФ размерами 20х15х0,2 мм изготавливались методом горячего прессования. Исходным материалом служил ПВДФ в виде порошка. Пленки из ПВДФ изготавливались при температуре Т = 523К под давлением 5 106 Па. Затем образцы закалялись в воде при Т = 293К, Т2 = 323К и Т3 = 373К. При этом пленки ПВДФ обладают мелкосферолитной структурой с размерами R = 2-5 мкм.

С целью выяснения продолжительности сохранения электрически заряженного состояния пленок ПВДФ, приобретенного ими вследствие

кратковременного воздействия электрическим разрядом, нами были проведены контрольные эксперименты. Образцы помещались в герметичную стеклянную капсулу, и через каждые 15 суток по известной методике проверялось их зарядовое состояние. Результаты контрольных экспериментов свидетельствуют о том, что пленки ПВДФ сохраняют свое зарядовое состояние не менее шести месяцев. С увеличением температуры кристаллизации увеличивается также и радиус сферолитов. Далее их подвергали одноосному растяжению в ~ 0-400% при Т = 293К. Воздействия газового разряда на образцы осуществлялись в среде элегаза, аргона и остаточного газа атмосферного воздуха. Обработка образцов проводилась в катодной, анодной областях и центральной части газового разряда. Результаты масс-спектрометрических исследований показали, что существенное влияние на поверхность пленки ПВДФ оказывает разряд, осуществляемый в атмосфере элегаза.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлена масс-спектрограмма, характеризующая процесс деструктивной эмиссии с поверхности пленок ПВДФ, подвергнутых воздействию катодной области тлеющего разряда в элегазе SF6.

Выбор рабочего газа (SF6) обусловлен тем, что, во-первых, он широко используется в высоковольтных газовых включателях в качестве изолятора, во-вторых, в нейтральном состоянии его структура достаточно компактна, и он редко входит в химическую реакцию с какими-либо элементами. Однако ионы, продукты электрического разряда в элегазе, становятся агрессивными и при их воздействии на ряд материалов, в том числе и на полимеры, вызывают деструкцию последних. При этом в рабочий объем попадают атомы, молекулы или осколки макромолекул полимера.

На рис. 3 показана масс-спектрограмма

нейтрального элегаза при давлениях в системе 10-2 Па.

На рис. 4 приведена спектрограмма SF6, подвергнутого воздействию тлеющего разряда при тех же давлениях в системе. На спектрограмме наблюдаются ионы фтора, серы и SF6. При воздействии продуктов разряда на образец ПВДФ имеет место повышение давления в системе, что связано с деструкцией материала этого образца.

Воздействие различных видов разряда и различных областей одного и того же вида разряда, а также обработка их в различных режимах последнего отличаются степенью ионизации среды. Поэтому нами представлена масс-спектрограмма деструктивной эмиссии образцов ПВДФ, под-

Рис. 2. Масс-спектрограмма деструктивной эмиссии газов пленок ПВДФ, подвергнутых воздействию тлеющего разряда в атмосфере SF6.

Рис. 3. Масс-спектрограмма нейтрального элегаза при давлении 10-2 Па.

Рис. 4. Масс-спектограмма SF6, подвергнутого воздействию тлеющего разряда.

вергнутых воздействию тлеющего разряда в атмосфере SF6, где процесс деструкции материала протекает достаточно интенсивно.

На рис. 5 представлены термограммы релаксации зарядов с образцов ПВДФ, подвергнутых воздействию различных областей тлеющего разряда в атмосфере остаточного газа (а), аргона (б) и элегаза (в).

Количество зарядов, рассчитанных на основе термограмм релаксации зарядов с образцов ПВДФ, предварительно подвергнутых воздействию тлеющего разряда, осуществляемого в различных условиях, представлено в табл. 1.

Анализы результатов исследований показали, что в случае обработки образцов ПВДФ в катодной части разряда и в среде элегаза количество

Рис. 5. Термограммы релаксации зарядов ПВДФ, подвергнутых воздействию катодной (а), средней (б) и анодной (в) областей тлеющего разряда.

накопившихся зарядов наибольшее. Это свидетельствует о том, что существенное воздействие на материалы оказывают положительные ионы SF6, что создает в образце множество дефектов,

способствующих реализации условия для развития частичных разрядов.

Таблица 1. Количество зарядов, накопленных в образцах ПВДФ, подвергнутых воздействию различных областей тлеющего разряда

Газовая среда Количество заряда Q х 10-7, Кл

в области катода в центральной части в области анода

Атм.возд. 3,2 2,5 2,0

В [4, 5] отмечается, что те или иные свойства полимерных материалов во многом зависят от технологии их изготовления. В связи с этим в работе проведены исследования процессов накопления электрических зарядов в образцах ПВДФ, кристаллизованных при различных условиях и подвергнутых различной степени механической деформации. Образцы, обладающие различной структурой, подвергались воздействию факельного разряда, осуществляемого в среде SF6.

На рис. 6 представлены термограммы релаксации зарядов образцов ПВДФ, кристаллизованных при температурах 293К, 323К и 373К и подвергнутых одноосной механической деформации (е ~ 0, 100, 200, 300 и 400%). Следует отметить, что при одноосной механической деформации

неориентированных образцов происходят существенные структурные изменения в материале, то есть фактически имеет место процесс механической рекристаллизации [6-10]. При этом исходная сферолитная структура разламывается и образуется новая фибриллярная структура (рис. 7). Отметим, что в работе проведена деформация образцов до 400%, что является промежуточным этапом деформирования (предельным для данных образцов является 600%, далее они механически разрушаются). При разламывании исходных структурных элементов в промежуточном этапе деформации в образце образуется множество дополнительных дефектов. При этом чем крупнее исходные структурные элементы, тем больше дефектов.

В табл. 2 приведены результаты, характеризующие накопление зарядов в ПВДФ.

Таблица 2. Количество зарядов, накопленных в образцах ПВДФ, подвергнутых воздействию факельного разряда в среде SF6

Температура кристаллизации, К Количество заряда Q х 10-7 , Кл при 8, %

0 100 200 300 400

293 1,4 2,5 3,6 5,3 7,2

323 2,6 3,5 4,7 6,4 7,8

373 3,8 4,6 5,3 7,2 8,4

Согласно исследованиям (см. табл. 2) с увеличением температуры кристаллизации и степени одноосной деформации количество накопленных зарядов в образцах увеличивается. Это объясняется тем, что в обоих случаях количество и

30 60 90 120 150 180 210 240 UiHii

30 60 90 120 150 180 210 240 1,мин

Рис. 6. Термограммы релаксации зарядов ПВДФ, кристаллизованных при различных температурах (Ткр, К: (а) — 293; (б) — 323; (в) — 373) и подвергнутых одноосной деформации е, %: 1 — 0; 2 — 100; 3 — 200; 4 — 300; 5 — 400. Образцы подвергались воздействию факельного разряда в среде SF6.

Рис. 7. Электронно-микроскопический снимок неориентированных образцов ПВДФ, обладающих сферолитной структурой (а); изменение структуры при одноосном деформировании исходных образцов е, %: (б) — 60, (в) — 400.

размеры дефектов в указанных режимах увеличиваются за счет увеличения размеров структурных образований в образцах.

Методом измерения релаксационных электрических зарядов установлено, что размеры и степень дефектности в образцах ПВДФ зависят

от технологического режима изготовления последних, который в свою очередь определяет надмолекулярную структуру материала. На основе полученных результатов представляется возможность выбрать определенные технологические условия изготовления пленок ПВДФ, при которых степень дефектности и размеры дефектов будут минимальными и развитие частичных

разрядов, приводящих к электрическому пробою материала, окажется невозможным из-за малой мощности разряда, имеющего место в дефектах с минимальными размерами.

1. Джуварлы Ч.М., Вечхайзер Г.В., Леонов П.В.

Электрический разряд в газовых включениях высоковольтной изоляции. Баку: Элм, 1984. 193 с.

2. Койков С.Н., Цикин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков. Л.: Энергия, 1968. 185 с.

3. Ильиченко Н.С., Кириленко В.М. Физические основы разрушения твердых высокомолекулярных диэлектриков частичными разрядами в сильных электрических полях. Электрофизические аппаратура и электрическая изоляция. М.: Энергия, 1970. 868 с.

4. Магеррамов А.М., Дашдамиров М.К. О структурных аспектах радиационного модифицирования диэлектрических свойств полимеров. Химия высоких энергий. 2005, 39(3), 176-182.

5. Курбанов К.Б., Шоюбов Н.З. Роль структурных особенностей аморфно-кристаллических полимеров в процессах электризации. ЭОМ. 2000, (6), 47-49.

6. Hong K., Strobl G. Моделирование растяжения полиэтилена: влияние температуры и степени кристалличности. Высокомолекулярные соединения. Сер. А и Б. 2008, 50(5), 760-772.

7. Розова Е.Ю., Курындин И.С., Лаврентьев В.К., Ельяшевич Г.К. Структура и механические свойства пористых пленок из полиэтилена различной молекулярной массы. Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2013, 55(10), 1255-1262.

8. Ефимов А.В., Баженов С.Л., Тюнкин И.В., Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Влияние ориентации на механизм пластического деформирования поли-этилентерефталата в адсорбционно-активных средах. Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2013, 55(12), 1418-1426.

9. Ward I.M., Sweeny J. An Introduction to the Mechani-

cal Properties of Solid Polymers. The Mechanical Properties of Solid Polymers. New York: Wiley, 2004. 382 p.

10. Roester J., Harders H., Backer M. Metals, Ceramics, Polymers and Composites. Mechanical Behavior of Engineering Materials. New York: Springer, 2007, 552 p.

Поступила 08.11.13 После доработки 27.06.14

Keywords: polymer dielectrics, electrical discharge, gas inclusions, insulation, electric charge, polyvinylin-dene fluoride, crystallization.