ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
POLYMER COMPOSITION FOR CONTROLLING ELECTRIC FIELD INTENSITY

Изобретение относится к области электротехнической промышленности и может найти применение в электроизоляционных материалах, используемых при изготовлении изделий, предназначенных для оконцевания и соединения электрических кабелей.
Для регулирования и выравнивания напряженности электрического поля кабельной арматуры в местах склеек и концевых заделов применяют полимерные композиции с высокой диэлектрической проницаемостью.
В технике для регулирования напряженности электрического поля известно применение неорганических диэлектрических наполнителей, имеющих высокую диэлектрическую проницаемость (диоксид титана, титанат бария, титанат кальция и др.), которые вводят в композиции на основе силикона, этиленпропилендиенового каучука, термопластичных и термореактивных полимеров. Используя диэлектрические композиционные материалы со специально подобранными свойствами (диэлектрическая проницаемость, удельное объемное электрическое сопротивление), возможно регулирование напряженности электрического поля и увеличение электрической прочности кабельной арматуры.
Силовые кабели с пропитанной бумажно-масляной изоляцией являются одним из самых распространенных видов кабельных изделий., используемых при передаче и распределении электрической энергии. Длительная эксплуатация кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией возможна при обеспечении надежной защиты изоляции от попадания влаги из воздуха и масла или его паров масляной пропитки кабеля. Применение маслостойкой полимерной композиции, выравнивающей напряженность электрического поля, позволит создать дополнительный барьер перемещению масляной пропитки кабеля и повысить эксплуатационные свойства кабельной арматуры.
Известен полупроводящий полимерный композиционный материал, содержащий термопластичный полимер, токопроводящий наполнитель в виде сажистого углерода и диэлектрический наполнитель с высокой диэлектрической проницаемостью [1]. Равномерное распределение электрического напряжения в указанном материале обеспечивается за счет введения в полимер большого количества токопроводящего наполнителя, что приводит к снижению удельного объемного сопротивления известного композиционного материала и к ухудшению его электроизоляционных свойств.
3
3
3
4
12
3
Известен диэлектрический материал с нелинейной диэлектрической проницаемостью, содержащий полимерный материал, материал наполнителя, диспергированный в полимерном материале, при этом материал наполнителя содержит неорганические частицы и дискретно распределенный проводящий материал. Полимерный материал представляет собой силикон. Неорганические частицы выбраны из группы, содержащей частицы BaTiO, BaSrTiO, СаСuTiO, SrTiO и их смесей. Проводящий материал выбран из группы, состоящей из угольной сажи, углеродных нанотрубок, кластеров углеродных частиц, графита, изоляционных частиц, имеющих проводящие покрытия, металлов, таких как серебро, золото, палладий и алюминий, и сплавов таких металлов, и их комбинаций [2]. Композиция обладает высокими механическими и электрическими свойствами, но не обладает маслостойкостью.
2
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полимерной композиции является полимерный композиционный материал по патенту РФ №2111568, кл. Н 01 В 3/00, Н 01 В 1/24, Н02G 15/04, 1996 [3]. Данный полимерный композиционный материал содержит термопластичный сополимер, сажистый углерод в качестве токопроводящего наполнителя и двуокись титана и/или спек титаната бария с удельной поверхностью не менее 2300 см/г в качестве неорганического наполнителя с высокой диэлектрической проницаемостью. Полимерный композиционный материал используется как электроизоляционный материал при изготовлении изделий, предназначенных для оконцевания и соединения силовых электрических кабелей. Данный полимерный композиционный материал имеет ряд важных существенных качеств: обладает высоким электрическим сопротивлением и равномерно распределяет электрическое напряжение.. Однако эта композиция обладает существенным недостатком - сложностью и дороговизной технологии ее изготовления и не обладает маслостойкостью для защиты изоляции от проникновения масла и его паров в муфтах, соединяющих кабели с бумажно-пропитанной изоляцией.
Технической задачей изобретения является разработка полимерной композиции для регулирования напряженности электрического поля, обеспечивающей равномерное распределение электрического напряжения и защиту от проникновения масла и его паров в муфтах, соединяющих кабели с бумажно-пропитанной изоляцией; обладающей самослипаемостью, высокими адгезионными свойствами к комплектующим муфты, технологичностью в процессе изготовления и использования.
Технический результат от использования изобретения заключается в создании полимерной композиции для регулирования напряженности электрического поля, обеспечивающей равномерное распределение электрического напряжения и защиту от проникновения масла и его паров в муфтах, соединяющих кабели с бумажно-пропитанной изоляцией; обладающей самослипаемостью, высокими адгезионными свойствами к комплектующим муфты, технологичностью в процессе изготовления и использования.
Это достигается тем, что полимерная композиция для регулирования напряженности электрического поля, содержащая полимер, токопроводящий наполнитель и неорганический диэлектрический наполнитель с высокой диэлектрической проницаемостью, согласно изобретения, в качестве полимера содержит бутадиен-нитрильный каучук, в качестве токопроводящего наполнителя измельченный ильменитовый концентрат, дополнительно в качестве пластификатора содержит эфир фталевой кислоты из ряда диоктилфталат, диметилфталат, диоктилсебацинат и дополнительно в качестве адгезионной добавки содержит нефтеполимерную смолу фракции С9 при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Бутадиен-нитрильный каучук
15-25
Диоксид титана
40-60
Ильменитовый концентрат
15-25
Пластификатор
5-15
Нефтеполимерная смола фракции С9
5-7
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного электроизоляционного материала, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Полярный бутадиен-нитрильный каучук марки БНКС обеспечивает высокую маслостойкость и повышенную диэлектрическую проницаемость в сравнении с другими известными полимерами.
Введение пластификатора повышает пластичность и морозостойкость полимерной композиции, облегчает условия ее переработки. В качестве пластификатора применяются эфиры фталевой кислоты из ряда диоктилфталат, диметилфталат, диоктилсебацинат.
Нефтеполимерная смола фракции С9 применяется качестве адгезионной добавки, которая улучшает поверхностный контакт, адгезию и технологичность композиции при применении.
В качестве неорганического диэлектрического наполнителя с высокой диэлектрической проницаемостью применяется диоксид титана с содержанием основного вещества не менее 90%.
2
3
2
2
3
В качестве токопроводящего наполнителя применяется измельченный ильменитовый концентрат. Измельченный ильменитовый концентрат содержит не менее 63,0 мас. % диоксида титана и AlO не более 3,0; SiO не более 2,0; FеО≈30,0, прочие 2,0%. Практически вся масса измельченного концентрата (98%) представлена мелкозернистой фракцией, крупностью - 0,045 мм. В уровне техники отсутствует информация о том, что ильменитовый концентрат используется в полимерных композициях, регулирующих напряженность электрического поля, в качестве наполнителя. Введение в полимерную композицию указанного количества измельченного ильменитового концентрата вышеназванного химического состава и дисперсности привело не к снижению удельного объемного электрического сопротивления и электрической прочности, а неожиданно к сохранению основных электрических свойств полимерной композиции, что ранее никем не было замечено, и данный технический результат обусловлен неизвестными до настоящего времени свойствами компонентов этой композиции и связей между ними. Впервые экспериментально подтверждена возможность применения измельченного ильменитового концентрата в составе электроизоляционных полимерных материалов, регулирующих напряженность электрического поля.
Композиция изготавливается в смесителе лопастного типа путем механического смешения всех компонентов, а затем подается в экструдер для формования композиции в виде ленты или пластин заданных геометрических размеров.
Композиция испытана по следующим показателям:
1. Диэлектрическая проницаемость.
2. Электрическая прочность, кВ/мм.
3. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом×см.
4. Прочность связи с алюминием при отслаивании, Н/м.
5. Маслостойкость при температуре 100°С в течение 24 часов, %.
6. Самослипаемость.
Испытания проводились по стандартным методикам для полимерных электроизоляционных материалов. Самослипаемость оценивалась визуально. За критерии оценки взяты следующие требования к материалам:
- диэлектрическая проницаемость не менее 10;
- электрическая прочность не менее 15 кВ/мм;
10
12
- удельное объемное электрическое сопротивление 10-10Ом×см;
- прочность связи с алюминием при отслаивании не менее 2000 Н/м;
- маслостойкость при температуре 100°С в течение 24 ч не более 12%;
- материал должен обладать самослипаемостью для исключения образования воздушных пустот при намотке ленты.
В таблице 1 представлены варианты предлагаемой полимерной композиции.
В таблице 2 приведены свойства предлагаемой полимерной композиции
Как видно из представленных данных, предлагаемая полимерная композиция обладают высокими электроизолирующими, адгезионными, и маслостойкими свойствами.
Введение диэлектрического наполнителя в количестве от 40 до 60 мас. % обеспечивает требуемый уровень диэлектрической проницаемости и электрической прочности композиции. Кроме того, частицы неорганического наполнителя, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость, обеспечивают дополнительный перенос заряда за счет увеличения емкостной проводимости внутри полимерной композиции, что позволяет создать в нем равномерное распределение напряженности электрического поля. Увеличение массовой доли наполнителей приводит к ухудшению адгезионных характеристик, самослипаемости и снижению маслостойкости композиции, пример 1. Снижение массовой доли наполнителей, пример 5, приводит к снижению диэлектрической проницаемости.
v
10
12
Введение в полимерную композицию измельченного ильменитового концентрата в качестве токопроводящего наполнителя в количестве 15-25% позволяет получить композицию с требуемым уровнем электроизоляционных свойств. Удельное объемное электрическое сопротивление составляет ρ=10-10 Ом×см.
Полимерная композиция во всех представленных примерах обладает высокой маслостойкостью, не более 5% при 100°С, что обеспечивается выбранным бутадиен-нитрильным каучуком.
10
12
Оптимальными характеристиками для регулирования и выравнивания напряженности электрического поля кабельной арматуры в местах склеек и концевых заделов обладает композиция, указанная в примерах 2, 3 и 4, в которых диэлектрическая проницаемость не менее 10, электрическая прочность не менее 15 кВ/мм, удельное объемное электрическое сопротивление 10-10 Ом×см, а адгезия к алюминию не менее 2000 Н/м.
Предлагаемая полимерная композиция пластична, обладает хорошей самослипаемостью и самоклеящей способностью к материалам в конструкции кабельной арматуры, что позволяет создать плотную монолитную структуру намотки ленты при монтаже кабельной арматуры. Полученный материал характеризуется также более простой технологией изготовления и применения, не требует дополнительного подогрева при монтаже, что значительно повышает технологичность полимерной композиции в отличие от наиболее близкого аналога.
Предлагаемая композиция была проверена в промышленных условиях. Испытывалась полимерная композиция в виде ленты и пластин при изготовлении кабельной арматуры из термоусаживаемого полиэтилена напряжением до 35 кВ. Испытания подтвердили ожидаемые свойства, а именно:
-диэлектрическая проницаемость не менее 10;
- электрическая прочность не менее 15 кВ/мм;
- прочность связи с алюминием при отслаивании не менее 2000 Н/м;
10
12
- удельное объемное электрическое сопротивление 10-10 Ом×см;
- маслостойкость при температуре 100°С в течение 24 ч не более 12%;
- самослипаемость маслостойкой полимерной композиции.
Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от ближайшего аналога и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.
Литература
1. ЕР, патент №0035271, А1, 09.09.1981.
2. RU патент №2 540412 С2, 07.12.2010.
3. RU патент №2111568 С1, 21.05.1996.