Полимерцемент как электроизоляционный материал для электротехнических систем

References

1. Luk'janov M.M., Svjatyh A.B., Konoshenko A.V. Kontrol' tehnicheskogo sostojanija zhidkoj izoljacii maslonapolnennogo vysokovol'tnogo oborudovanija [Control of the technical status of liquid insulation in oil-filled high-voltage electric equipment]. Zlatoust: Izd-vo OOO «Zlatoustovskaja tipografija» [Zlatoust: Publishing house LLC "Zlatoust printing house"]. 2010, 210 p.

2. Svjatyh A.B. Kontrol' tehnicheskogo sostojanija zhidkoj izoljacii maslonapolnennogo vysokovol'tnogo elektrooborudovanija: avtoreferat dis. kand. tehn. nauk [Control

of the technical status of liquid insulation in oil-filled highvoltage electric equipment: abstract of Ph.D. thesis]. Moscow, MPEI. 2011, 19 p.

3. Tihomirov P.M. Raschjot transformatorov [Transformers design]. Moscow: Energoatomizdat, 1986, 528 p.

4. Korobejnikov S.M., Solovejchik Ju.G., Bychkov A.L., Vagin D.V., Melekhov A.V., Ryzhkina A.Ju. Rastvorenie puzyr'kov diagnosticheskih gazov v transformatornom masle [Dissolution of the diagnostic gases bubbles in transformer oil]. Teplofizika vysokih temperatur [High Temperature]. 2011, issue 49, pp. 771-776.

УДК 621.311.016: 691.31:678.06: 537.8.11 Ильин А.Н.

ПОЛИМЕРЦЕМЕНТ КАК ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Исследованы прочностные и электроизоляционные свойства полимерцементов в широком диапазоне изменения полимер-цементных отношений. Определен оптимальный состав полимерцемента для электроизоляции. Показана принципиальная возможность использования полимерцемента в качестве изолятора электромагнитов.

Ключевые слова: полимерцемент, электроизоляционный материал, диэлектрик, прочностные свойства.

Введение

Атомная энергетика обладает важными принципиальными особенностями по сравнению с другими энерготехнологиями: ядерное топливо имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии, а отходы атомной энергетики - относительно малые объемы и могут быть надежно локализованы.

В связи с развитием технологий возникла проблема создания радиационно-стойкой электроизоляции, выдерживающей радиационные нагрузки выше 5*107 Гр (предельной поглощенной дозы для электроизоляции из эпоксидной смолы, армированной стекло-лентой [1]). Основная причина выхода из строя электромагнита с такой изоляцией в процессе облучения -потеря механической прочности полимера.

В связи с этим для изделий, работающих при высоких уровнях излучения, используется минеральная электроизоляция. Наибольшее распространение получила электроизоляция из коаксиального кабеля прямоугольного сечения, в котором в качестве изолятора используется магнезия и асбестоцементная электроизоляция [2]. Основной недостаток использования электроизоляции с магнезией - очень низкий фактор заполнения обмотки электромагнита (не более 40%) и, следовательно, большая стоимость обмотки. Асбесто-цементная электроизоляция позволяет получить фактор заполнения, близкий к обычным обмоткам с эпоксидной изоляцией. Однако пористость и гигроскопичность цементных материалов вызывает необ-хо-димость заключать обмотки электромагнита в герметичную оболочку для поддержания стабильных электроизоляционных свойств материала. Технология производства асбестоцементных обмоток достаточно сложна и требует специального оборудования, поэтому целесообразно применять ее в случае, когда поглощенные дозы могут достигать за пе-риод эксплуатации уровней 1010-1011 Гр, т.е. на два-три порядка выше

предельных доз полимерной изоляции. Некоторые электромагниты несут радиационные нагрузки меньше доз 1010-1011 Гр, но значительно превосходящие предельные дозы эпоксидной изоляции. Для изоляции обмоток таких электромагнитов желательно иметь материал, позволяющий значительно упростить тех-но-логию изготовления обмоток и в то же время обеспечить более высокую радиационную стойкость по сравнению с эпоксидной изоляцией.

Анализ свойств различных материалов, занимающих промежуточные значения по радиационной стойкости между асбестоцементной электроизоля-цией и эпоксидной электроизоляцией показал, что такими материалами могут быть полимерцементы.

Полимерцемент - это материал на основе композиционного вяжущего, включающего органический полимер и неорганическое вяжущее вещество.

В работе была поставлена цель, чтобы полимерный компонент образовывал в затвердевшем материале свой самостоятельный структурный элемент и цементный компонент образовывал в затвердевшем материале свой самостоятельный структурный элемент.

На основе этого была сформулирована основная идея использования полимерцемента: разделить функции электроизоляционного материала между компонентами полимерцемента. Минеральный компонент обеспечивает долговечность по механическим свойствам и радиационную стойкость изделия, а полимерный компонент существенно улучшает электрофизические свойства электроизоляции, поскольку деграда-ция диэлектрических свойств полимеров запаздывает по сравнению с механическими по дозе облучения на порядок.

В связи с тем, что полимерцементы в качестве электроизоляции не использовались, в настоящей работе приведены результаты исследований мехнических и диэлектрических свойств полимерцементов.

Полимерцементы в зависимости от вида поли-

мерного компонента могут быть текучими, близкими по своим технологическим свойствам к литым цементным смесям, либо клейкими и вязкими, аналогично обыкновенным эпоксидным смолам. Поскольку предполагалось использовать технологию, аналогичную полимерной, то основное внимание при исследованиях было уделено клейким полимерцементам, которые по своим механическим свойствам превосходят текучие [3].

Методики и материалы

Исследование зависимости механических, электрических и технологических свойств полимерцемен-тов различных составов проводилось методом варьирования факторов. В качестве факторов, определяющих изменение указанных свойств, были приняты:

- полимерцементное отношение (П/Ц), которое варьировалось в интервале (от 0-1 до 1-0) по массе;

- вид полимерной системы и тип наполнителей.

Для приготовления полимерцементной смеси использовались следующие материалы: высокоалюми-натный цемент; эпоксидные смолы ЭД-8, ЭД-16, ЭД-22, Э-49, УП-610, ДЭГ-1; отвердители м-ФДА, п-АБА, УП-606/2, ТЭТА, вода; эмульгатор (для совмещения полимерной системы и цементного раствора); кварцевый песок, стеклолента.

Отверждение полимерцементной смеси проводилось по следующему режиму:

1) выдержка при нормальной температуре в течение 2-3 ч.

2) тепловлажностная обработка в среде насыщенного пара при (90±2)°С в течение 15 ч (отверждение цемента и начало отверждения эпоксидной смолы).

3) сушка при температуре 150°С в течение 4-7 ч, окончательное отверждение эпоксидной смолы и удаление оставшейся влаги.

При исследовании электроизоляционных свойств полимерцемента были взяты стандарты на твердые электроизоляционные материалы, а прочностных - на полимерные материалы.

Имитация радиационного разрушения полимерной структуры проводилась либо методом термостарения, либо неотверждением полимера.

Результаты исследований

Полимерцементные материалы ранее исследовались в ограниченном диапазоне полимерцементных отношений (П/Ц) от 0,01 до 0,5 [3]. Поэтому представляло практический интерес проследить изменение свойств полимерцементов во всем интервале П/Ц-отношений, начиная от «чистого» цемента и заканчивая «чистым» полимером. Контролировались следующие свойства материалов: электросопротивление после

выдержки при температуре 20±2°С и относительной влажности 60± 5% в течение 450 сут; электросопротивление и прочность при сжатии после термостарения при температуре 280°С в течение одного часа; прочность при сжатии после выдержки в концентрированной соляной кислоте в течение 100 ч; прочность при сжатии и растяжении после технологической обработки; водопоглощение по массе.

Результаты исследований для композиций, указанных в таблице (клейкие полимерцементы), приведены на рис. 1.

(. 15

0 20 40 60 80 100 лол и мер

1_I_I_I_I_I

100 80 60 40 20 0 цемент

Рис. 1. Изменение свойств материалов от соотношения полимерного и цементного вяжущих: 1 - электросопротивление при влажности 60±5%; 2 - электросопротивление после термостарения при 280°С; 3 - водопоглощение; 4 - отношение прочности при сжатии к прочности при растяжении; 5 - прочность при растяжении; 6 - прочность при сжатии после термостарения при 280°С

Как показали исследования, такие зависимости носят общий характер для всех типов полимерцемен-тов. Анализируя полученные данные, можно отметить существенное различие свойств чисто цементного состава (состав 1) и эпоксидного полимера (состав 8): так, электросопротивление (рис. 1, кривая 1) при влажности 60±5% с увеличением количества полимерного вяжущего возрастает почти на 6 порядков, причем наибольший прирост (3,5-4 порядка) наблюдается в области П/Ц до 0,3. В этом диапазоне П/Ц происходит резкое (в 5 раз, кривая 3) уменьшение водопогло-щения. После термостарения полимерная часть сильно деградировала, на что указывает низкая прочность состава 8 (кривая 6). В области П/Ц = 0,1 ^ 0,3 материалы намного лучше противостоят действию температуры.

Таблица 1

Составы композиций_

Материал Содержание компонентов, мас. %, в составах

1 2 3 4 5 6 7 8

Цемент 52,60 49,60 47,00 44,70 33,30 19,20 8,40 0

Песок 26,30 24,80 23,50 22,30 16,60 9,60 4,20 0

Вода 21,10 19,90 18,90 18,00 13,30 7,70 3,50 0

Эмульгатор 0 0,31 0,26 0,24 0,17 0,14 0,07 0

Смола ЭД-20 0 4,90 9,40 13,42 33,30 57,60 76,21 90,91

Отвердитель УП-606/2 0 0,49 0,94 1,34 3,33 5,76 7,62 9,09

На рис. 2 показано изменение прочности и электросопротивления полимерцементных материалов.

100 80 60 <10 20 0 Рис. 2. Изменение свойств материалов от соотношения полимерного и цементного вяжущих: прочность при сжатии: 1 - полимерцемент; 2 - полимерная структура; 3 - цементная структура; электросопротивление: 4 - при влажности 0-5%; 5 - при влажности 55-65%; 6 - при влажности 95-100%

Из результатов исследований прочности поли-мерцемента (кривая 1), полимерной (кривая 2) и минеральной (кривая 3) структур видно, что наиболее перспективны полимерцементы при П/Ц до 0,2 и менее. В этой области электросопротивление материала возрастает почти на три порядка по сравнению с чистым цементом, в то время как прочность минеральной структуры уменьшается на 30-35%. Таким образом, даже после потери полимером прочности материал в целом будет иметь физическую целостность и достаточное электросопротивление.

Эти данные позволяют предположить, что по радиационной стойкости П/Ц будут занимать промежуточное значение между цементными и эпоксидными материалами. При этом существенного возрастания радиационной стойкости следует ожидать в области П/Ц, где большей прочностью обладает минеральная структура.

Диэлектрические свойства полимерцемента существенно зависят от влажности окружающей среды и

П/Ц материала (см. рис. 2). При выдержке на воз-духе с 95-100% относительной влажностью у цементных материалов уменьшение электросопротивления составляет семь порядков (кривая 4 и 6), а у преимущественно полимерных (П/Ц>0,5) - всего один порядок по сравнению с высушенным материалом. При нормальной влажности воздуха (55-65%) у цементных материалов - падение четыре порядка, поэтому обмотки с цементной изоляцией герметизируют.

Для полимерцементов с П/Ц=0,2 и более уменьшение сопротивления составляет всего один порядок, и поэтому обмотки с полимерцементной изоляцией не требуют герметизации.

В заключение приведем основные показатели свойств оптимального состава полимерцемента с П/Ц=0,15 (использование смолы ЭД-22 и отвердителя п-АБА) при влажности 55-65%:

- прочность при сжатии после пропарива-ния, МПа 50

- прочность при сжатии после пропарива-

ния и сушки, МПа 80

- прочность при растяжении, МПа 7,5

- прочность при изгибе, МПа 19,0

- адгезия на сдвиг к меди, МПа 4,5

- электросопротивление, Ом м 109

- пробивное напряжение, МВ/м 3,5

- диэлектрическая проницаемость на частоте 50 кГц 7,7

- тангенс угла диэлектрических потерь при

50 кГц 0,09

- усадка, % 0,18

- коэффициент линейного расширения,

град

15 10"'

Заключение и обсуждение

Показана принципиальная возможность применения полимерцементов в качестве электроизоляционного материала в радиационно-нагруженных элементах ядерных установок.

Список литературы

1. Phillips D.S. et al. The selection and properties of epoxide resins used for the insulation of magnet systems in radiation environment. CERN 81-05, Geneva, 1981.

2. Keizer R.L. and Mottier M. Radiation resistant magnets CERN 82-05, Geneva, 1982.

3. Черкинский Ю.С. Полимерцементный бетон. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1984. 213 с.

Information in English

Polymer-Modified Cement as Electroinsulated Material for Electrotechnical Systems

Iljin A.N.

Polymer-modified cements structural and dielectric properties in wide range of the polymer-modified cements relations changing were researched. The optimum composition of polymer-modified cement for electroinsulation was determined. Conceptual opportunity of polymer-modified cement using as the isolator of electromagnet was shown.

Keywords: polymer-modified cement, material, dielectric, structural properties.

electroinsulated

References

1. Phillips D.S. et al. The selection and properties of epoxide resins used for the insulation of magnet systems in radiation environment. CERN 81-05, Geneva, 1981.

2. Keizer R.L. and Mottier M. Radiation resistant magnets CERN 82-05, Geneva, 1982.

3. Cherkinsky YU.S. Polimercementnyj beton [Polymer-modified concrete]. Moscow: Stroyizdat, 1984. 213 p.