Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Полупроводящие полимерные материалы

Полупроводящие (ППМ) и металлизированные полимерные материалы широко применяются для замены металлических электромагнитных и электростатических экранов, экранирования высоковольтных и высокочастотных кабелей, для противокоронной защиты и т. д. Полупроводящие полимерные материалы (ППМ) и металлизированные полимерные материалы успешно используются в качестве полимерных электродов в высоковольтных конструкциях. Многофункциональное применение таких электродов объясняется не только способностью заменить дефицитные цветные металлы, но и идеальной совместимостью с полимерным материалом тела изолятора вследствие одинаковых значений ΤΚΛΡ, модулей Юнга и коэффициента Пуассона, химической совместимостью материалов. Создание систем изоляции с полимерными электродами избавляет от возникновения в монолитных высоковольтных конструкциях опасных термоупругих напряжений, а, следовательно, и возникновения трещин в теле изолятора и отслоений электродов. Положительное влияние повышенного удельного сопротивления ППМ или полупроводящих полимерных покрытий связано также с затруднением подтекания зарядов к краям полупроводящей системы, т. е. к месту возникновения короны, что ослабляет процесс ионизации и повышает напряжение разряда. Предполагают [14], что возрастание удельного сопротивления может повысить энергию, необходимую для вырывания электронов с полупроводящего электрода, и соответственно поднять начальное напряжение короны и поверхностного пробоя. Для изоляционных конструкций в форме плоского конденсатора напряжение возникновения ПЧР можно определить из уравнения где Δ — толщина диэлектрика, мм; ε — относительная диэлектрическая проницаемость. Коэффициент К для начального напряжения короны в воздухе при металлических и полупроводящих электродах возрастает с 3 до 4,3. Таким образом, напряжение появления короны для полупроводящих электродов при достаточном значении сопротивления возрастает почти на 40%. При высоких напряжениях целесообразно делать сопротивление двухступенчатым: 103. 106 Ом — на первой ступени и 1010. 1011 Ом — на второй. Напряженность электрического поля у края экрана не должна превосходить 2 МВ/м. Большинство полимеров имеет удельное объемное сопротивление 1011. 1014 Ом-м. Это сопротивление в электропроводящих композициях путем дисперсных наполнителей, в том числе сажи, технического углерода, графита, углеграфитовых волокон или порошков металлов, можно довести до р=10-3 Ом-м. При использовании углеродных наполнителей получены материалы с удельным сопротивлением порядка 10_3 Ом-м, при использовании металлических наполнителей — порядка 10-6 Ом-м. Проводимость полимерных материалов, содержащих электропроводящие наполнители, зависит от расположения наполнителей относительно друг друга и от контактного сопротивления между соседними частицами. Эффективным способом повышения проводимости могут явиться полупроводящие полимеры на основе эпоксидных компаундов, у которых в качестве армирующей основы используется асбестовая ткань, наполненная сажей. Благодаря высоким адсорбционным свойствам асбестовых волокон повышается группирование частиц сажи на асбестовых нитях, что значительно облегчает образованию непрерывных цепей из контактирующих частиц проводящего наполнителя. Этот эффект при использовании асбестовой ткани обеспечивает получение при одном и том же саженаполненном компаунде удельного объемного сопротивления материала на 1 . 2 порядка ниже, чем при использовании стеклянной ткани.

Материалы с широким спектром электрических характеристик, в том числе имеющих определенные диэлектрические характеристики при различных частотах, могут быть получены на основе сажи в виде эластичных компаундов. Электрические свойства компаундов определяются размерами частиц, величиной удельной поверхности и размерами агрегатированных частиц при адсорбции дибутилфталата. Проводимость увеличивается при уменьшении размеров частиц, увеличении площади их поверхности или структурированности, а также при уменьшении содержания кислорода. Минимальная объемная доля сажи, при которой наблюдается проводимость, определяется по формуле где j— плотность; γ — объем поглощения дибутилфталата, измеренный по стандартной методике. Зависимость электрического сопротивления от концентрации для различных типов саж в полиэтилене низкой плотности имеет разброс пороговой концентрации от 4 до 75%. Для двух видов саж эффект смещения может быть определен из уравнения для критического объема сажи:

где γa и γв—количество адсорбированного дибутилфталата на 100 г саж А и В; х — массовая доля сажи А. Использование смесей саж позволяет получить компаунды с более стабильной электрической проводимостью с различными механическими свойствами. Таблица 2.7