Особенности развития разряда на границе раздела твердых слоистых диэлектриков при длительном воздействии приложенного напряжения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Akhavan J. The Chemistry of Explosives. - Cambridge: The Royal Society of Chemistry, 2004. - 180 p.

2. Альтшулер Л.В., Трунин Р.Ф., Урлин В.Д., Фортов В.Е., Фунтиков А.И. Развитие в России динамических методов исследований высоких давлений // Успехи фихических наук. - 1999. -Т. 169. - № 3. - С. 323-344.

3. Лисицын В.М., Олешко В.И., Журавлев Ю.Н., Федоров Д.Г., Ци-пилев В.П. Деформационный механизм взрывного разложения азидов тяжелых металлов при импульсном воз действии // Химия высоких энергий. - 2006. - Т. 40. - № 4. - С. 259-264.

4. Лисицын В.М., Журавлев Ю.Н., Федоров Д.Г. Влияние деформаций на электронное строение азида серебра // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. -№2. - С. 115-121.

5. Лисицын В.М., Журавлев Ю.Н. Структурные фазы азида серебра // Известия Томского политехнического университета. -2010. - Т 317. - №2. - С. 138-143.

6. Журавлев Ю.Н., Лисицын В.М. Ударно-деформационный механизм инициирования взрывного разложения азида серебра при импульсном электронном и лазерном воздействии // Известия вузов. Физика. - 2011. - Т. 54. - № 1/2. - С. 259-264.

7. Perdew J.P, Wang Y Accurate and simple analytic representation of the electron gas correlation energy // Phys. Rev. B. - 1992. - V 45. - P. 13244.

8. Dovesi R., Saunders V.R., Roetti C., Orlando R., Zicovich-Wil-son C.M., Pascale F., Civallezi B., Doll K., Herrison N.M., Buch

I.J., D’Arco Ph., Liunell M. CRYSTAL 09 User’s Manual. Torino: University of Torino, 2010.

9. Интернет-ресурс. 2011. URL: www.crystal.initio.it/Basic_Set/ ptable.html (дата обращения: 28.03.2011).

10. Birch, F., Finite strain isotherm and velocities for single-crystal and polycrystalline NaCl at high pressures and 300 K // J. Geophys. Res.- 1978. - V. 83. - Р 1257-1268.

11. Молодец А.М. Обобщенная функция Грюнайзена для конденсированных сред // Физика горения и взрыва. - 1995. - Т. 31.

- №5. - С. 132-133.

12. Anderson O.L. Equations of State of Solids for Geophysics and Ceramic Science. - N.Y.: Oxford University Press, 1995. - 281 р.

13. Guo G., Wang Q., Mak T.C.W. Structure refinement and Raman spectrum of silver azide. // J. Chem. Crystal. - 1999. - V. 29. - № 5.

- P. 561-564.

14. Bryant J., Brooks R. Vibrational spectrum and analysis. Silver Azides crystals // J. Chem. Phys. - 1971. - V. 54. - № 2. - Р 5315-5323.

15. Zhu W, Xiao H. First-principles study of structural and vibrational properties of crystalline silver azide under high pressure // J. Solid State Chem. - 2007. - V. 180. - P. 3521-3528.

Поступила 28.03.2011 г.

УДК 621.315.61

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ТВЕРДЫХ СЛОИСТЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРИЛОЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В.И. Меркулов, О.В. Карпицкий

Томский политехнический университет Е-mail: mir742@enin.tpu.ru

Исследовано развитие разряда на границе раздела твердых слоистых композиционных диэлектриков от времени воздействия приложенного переменного напряжения в системе электродов, создающих неравномерное электрическое поле. Установлено наличие трех этапов в развитии разряда на границе раздела исследуемых слоистых композиционных диэлектриков в зависимости от времени приложения напряжения.

Ключевые слова:

Композиционные материалы, слоистые диэлектрики, пробой.

Key words:

Composite materials, layered dielectrics, breakdown.

В настоящее время в качестве электрической изоляции высоковольтных конструкций (вводов, трансформаторов, электрических машин и др.) широкое применение находят композиционные материалы, имеющие слоистую структуру. Это различные стекло и лакоткани, синтофлекс, изо-флекс, стекломиканит, текстолит, гетинакс и многие другие. Под воздействием электрического поля в таких материалах, наряду с нормальной составляющей напряженности электрического поля будет значительная тангенциальная составляющая. В случае неоднородного электрического поля за счет наличия тангенциальной составляющей напряженности развитие разряда может происходить вдоль слоев такой изоляции или на границе раздела их с другим диэлектриком [1, 2].

В работе [1] было показано, что при кратковременном (непрерывно возрастающем) напряжении развитие разряда на границе раздела таких слоистых композиционных материалов могло протекать по трем возможным направлениям. В первом случае, при толщине исследуемого материала не более 50 мкм, наблюдался пробой исследуемого материала и выход канала разряда на его поверхность. В других случаях, при толщине исследуемого материала порядка 100 мкм и более, развитие разряда могло происходить на границе раздела исследуемых материалов с подложкой или с эффектом заглубления канала разряда в исследуемый диэлектрик. При испытании на постоянном токе развитие разряда также происходило на границе раздела отдельных слоев композиции, но сопровождалось

разогревом клеящего лака и расслоением диэлектрика.

В данной работе проводилось исследование развития разряда на границе раздела различных композиционных материалов при длительном воздействии приложенного переменного напряжения частотой 50 Гц. Испытания проводились в системе электродов игла - игла, создающих резконеравномерное электрическое поле. В качестве образцов использовалась комбинация из различных диэлектрических материалов (стеклотекстолит, стекломи-канит, стеклолакоткань, изофлекс, синтофлекс, ЛЫаЬр 2235, \Ыайх Е 2102, полиэтилентерефто-латная пленка (ПЭТФ) и др.), наклеиваемых на подложку из полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 3 мм с помощью эпоксидного компаунда холодного отверждения на основе смолы ЭД6 и отвердителя - полиэтиленполиамина. Количество образцов на точку составляло не менее 5. В промежутке между пластинками разных материалов размером 50x100 мм2 (на границе их раздела с подложкой) располагались электроды игла - игла на расстоянии 20 мм. Чтобы исключить образование воздушных прослоек и обеспечить ровную склеиваемую поверхность материала с подложкой в ней делались специальные проточки, в которые утапливались иглы. В качестве игл использовались швейные иглы ЯТВ 14539, имеющие радиус закругления порядка 50...70 мкм. Радиус закругления игл определялся с помощью горизонтального компаратора ИЗА-2 с точностью ±0,5 мкм. На подготовленные, таким образом, образцы подавалось возрастающее ступенчато переменное напряжение частотой 50 Гц с шагом 1 кВ каждый час. Начальное приложенное напряжение составляло 10 кВ, что соответствовало значению 0,5 Ц^.

В результате проведенных исследований установлено, что после приложения к образцам напряжения начало развития разряда имеет локальный характер и, как правило, наблюдается в области расположения острия игл, т. е. в области с наибольшей напряженностью электрического поля (рис. 1). Как видно из рис. 1, развитие разряда сопровождается образованием дендритов шарообразной формы, наибольший размер которых имеет место у острия с меньшим радиусом кривизны.

Нами было предположено, что образование дендритов шарообразной формы связано с развитием ионизации в области расположения острия игл. Для проверки данного предположения проводилось измерение напряжения начала ионизации перед испытаниями. Измерение характеристик частичных разрядов проводилось по методике [3] с помощью электронно-счетного частотомера и осциллографа с чувствительностью 0,01 В/мм. Измерения показали, что напряжение начала ионизации для исследуемых образцов составляло порядка 3.5 кВ, что соответствовало напряженности электрического поля у острия игл порядка (4,8...8,0)-107В/м при радиусе иглы 40 мкм. Расчет напряженности электрического поля на острие иглы производился по уравнению [4, 5]

Е =-------и------(--

(с2 - х 2)агс& [ —

где с=й+г, а расстояние от острия иглы х=й. Здесь й - расстояние между иглами; г - радиус острия игл; и - приложенное напряжение.

При увеличении времени воздействии приложенного напряжения дальнейшее развитие разряда практически прекращается. Можно предположить, что образование разрядных структур в виде шарообразных дендритов приводит к уменьшению напряженности электрического поля в местах их расположения и замедлению дальнейшего развития разряда при неизменном значении приложенного напряжения.

Следует отметить, что в ряде случаев начало развития разряда и образование дендритов шарообразной формы могло наблюдаться на некотором расстоянии от острия иглы (рис. 2). По-видимому, это связано с неровностью поверхности самих игл или с наличием каких-то загрязнений в составе клеящего лака композиции.

Рис. 1. Начальный этап развития разряда после приложения напряжения к образцу композиции ПММА - ПЭТФ

Рис. 2. Начальный этап развития разряда после приложения напряжения к образцу композиции ПММА - стекло-лакоткань

Заторможенное состояние разряда могло длиться достаточно долго и только при постоянном (ступенчатом) подъеме напряжения наблюдался дальнейший рост каналов разряда. При этом характер развития разряда в зависимости от материала композиции может протекать по-разному. Так в композиции ПММА - стеклолакоткань развитие раз-

ряда сопровождалось увеличением размеров ден-дритов шарообразной формы в области острия игл (рис. 3). Такая же картина чаще всего имела место и в композициях ПММА - синтофлекс 828, ПММА - синтофлекс 616 и ПММА - ЛЫайх Е 2102.

Рис. 3. Развитие разряда в композиции ПММА - стеклола-коткань при увеличении уровня воздействующего напряжения

В композиции ПММА - слюдопласт развитие разряда сопровождалось образованием ветвистых каналов дендрита на границе раздела (а), которые при дальнейшем увеличении напряжения приобретали древовидную форму (б), рис. 4.

Анализ скорости развития каналов дендрита в данной работе не рассматривался, т. к. данный

вопрос достаточно хорошо изучен и описан в литературе [6, 7].

Увеличение времени воздействия и уровня приложенного напряжения приводит к дальнейшему развитию разряда на границе раздела, характер которого по-прежнему может протекать по-разному в разных композициях. Так в композиции ПММА -стеклолакоткань, разряд развивается в форме шарообразного дендрита (а), который сопровождается образованием трекового канала с последующим выходом канала разряда на поверхность материала или трековых каналов (б), двигающихся навстречу друг другу от одной иглы к другой (рис. 5).

В композициях ПММА - синтофлекс 828, ПММА - синтофлекс 616, ПММА - \Ыайх Е 2102, ПММА - ПЭТФ, ПММА - имидофлекс, ПММА - \0tastop 2235 после образования шарообразного дендрита наиболее часто происходит пробой исследуемого материала и выход канала разряда на его поверхность (рис. 6).

Другим примером является развитие разряда в композиции ПММА - изофлекс, когда после образования шарообразного дендрита практически всегда наблюдается развитие трекового канала в толще исследуемого материала на границе раздела полиимидных пленок и клеящего лака или наблюдается пробой пленок и выход канала разряда на поверхность при дальнейшем повышении уровня приложенного напряжение (рис. 7).

V — - , _ - ї ‘ . * ‘ и І ¿ Л . ’ •• -• .

• Ветвистые каналы Древовидные

каналы разряда •. ' . , *

а б

Рис. 4. Ветвистые (а) идревовидные (б) каналы разряда в композиции ПММА - слюдопласт

Дендрит ч

\ Игла \ .

/канал трека

а б

Рис. 5. Рост шарообразного дендрита (а) и образование канала трека (б) на границе раздела слоев в композиции ПММА ' стеклолакоткань

разрядного напряжения приведены в табл. Из таблицы видно, что наименьшее разрядное напряжение наблюдалось в образцах композиции из сте-клолакоткани. В остальных исследуемых материалах величина разрядного напряжения изменяется в пределах 21...28 кВ. Корреляции между величиной разрядного напряжения, временем развития разряда и диэлектрическими характеристиками исследуемых материалов не прослеживается. Можно предположить, что это обстоятельство связано с применением в исследуемых материалах в качестве связующего эпоксидной или фенолформаль-дегидной смол, которые близки по диэлектрическим характеристикам.

Учитывая постоянство и неизменность разрядного расстояния в образцах, можно предположить, что наблюдаемый разброс значений разрядного напряжения и времени развития разряда связан с различием толщин исследуемых материалов и радиусов острий игл.

Выводы

1. Развитие разряда в слоистых композиционных материалах в резконеоднородном электрическом поле при длительном воздействии приложенного напряжения происходит в три этапа: образование дендритов шарообразной формы у острия игл при напряжении порядка половины разрядного; промежуточное состояние, когда развитие разряда приостанавливается; дальнейшее развитие разряда при достижении напряжения, близкого к разрядному.

Таблица. Характеристики исследуемых композиционных материалов [8, 9] и результаты их испытаний

Исследуемый материал Состав Среднее разрядное напряжение, кВ Среднее время до развития разряда, мин Толщина, мкм Диэлектрическая проницаемость

Стеклолакоткань Стеклоткань с эпоксидно-фенолоформальдеги-дным связующим 14,17 1473 175...200 5,16

Стеклолакоткань Стеклоткань с эпоксидно-фенолоформальдеги-дным связующим 15,35 1228 200...210 5,15

Полиэтиленте-рефталат (лавсан) Пленка полиэтилентерефталата без связующего 21,83 1210 75.80 3,55

Синтофлекс 616 Трехслойная композиция из полиэфирной пленки, оклеенной с двух сторон полиэфирно-арамидной бумагой 21,2 1299 450.500 2,95

УоІаАх Е 2102 Тонкая стеклоткань с высоким содержанием эпоксидной смолы в качестве связующего 22,0 975 150.180 5,09

Синтофлекс 828 Трехслойная композиция из полиимидной плёнки, оклеенной с двух сторон арамидной бумагой 22,25 1046 250.280 2,62

Слюдопласт (ГИП 2) Гибкий прессованный материал из стеклоткани и нескольких слоев слюдопластовой бумаги, оклеенных с двух сторон полиэфирной пленкой с использованием термореактивного связующего 28,85 1301 450.500 4,07

Изофлекс 191 Композиционный материал из стеклоткани, оклеенной с двух сторон полиэфирной пленкой с использованием термореактивного связующего 25,15 1076 270.300 3,10

Уо1а$1:ор 2235 Слюдяная бумага на основе мусковита, пропитанная термореактивной эпоксидной смолой 26,8 1531 280.300 4,95

Имидофлекс 292 Композиционный материал из стеклоткани, оклеенной с двух сторон полиимидной пленкой с использованием эпоксидно-каучукового связующего 27,0 1286 175.200 3,92

Рис. 6. Пробой исследуемого материала и выход канала разряда на его поверхность в композиции ПММА -синтофлекс 616

Рис. 7. Развитие трекового канала на границе раздела слоев в композиции ПММА - изофлекс

Характеристики исследуемых композиционных материалов [8, 9] и результаты их испытаний по оценке времени развития разряда и величины

2. Путь развития разряда имеет различный вид в зависимости от материала композиции. Для большинства композиций развитие разряда сопровождается пробоем исследуемого материала и выходом его на поверхность с образованием треков. Для композиций ПММА - изофлекс, ПММА - слюдопласт развитие разряда сопро-

вождается заглублением канала разряда в толщу исследуемых материалов и образованием треков в их толще.

3. Вариации значений диэлектрической проницаемости исследуемых материалов не оказывают существенного влияния на среднее время развития разряда и величину разрядного напряжения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Меркулов В.И., Почивалова А.В. Особенности разряда на границе раздела твердых слоистых диэлектриков // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т 313. - № 2. - С. 91-94.

2. Лысенко А.Н. Электрическая прочность границы раздела полимерной композиционной изоляции: дис. ... канд. техн. наук.

- Томск, 1986. - 168 с.

3. Кучинский ГС. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия, 1979. - 223 с.

4. Гефле О.С., Лебедев С.М., Похолков Ю.П. Барьерный эффект в диэлектриках. - Томск: Изд-во «ТМЛ-Пресс», 2007. - 172 с.

5. Резвых К.А. Расчет электростатических полей. - М.: Энергия, 1967. - 120 с.

6. Воробьев Г.А., Похолков Ю.П., Королев Ю.Д., Меркулов В.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). - Томск: Изд-во ТПУ, 2003. - 244 с.

7. Койков С.Н., Цикин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков и надежность диэлектрических деталей. - М.-Л.: Энергия, 1968. - 287 с.

8. Электроизоляционные материалов // Каталог группы компаний по поставке электроизоляционных материалов, 2010. иЯк http://www.electroelmika.ru/catalog (дата обращения: 25.01.2011).

9. Электроизоляционные материалы // Каталог электроизоляционных материалов компании «Миг Сервис», 2010. иЯк http://mig-service-spb.ru/index.php? їд=197 (дата обращения: 25.01.2011).

Поступила 25.01.2011 г.

УДК 622

ЗАВИСИМОСТЬ КОМПРЕССИОННЫХ СВОЙСТВ ЗОЛОШЛАКО-ИЗВЕСТКОВЫХ АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПОДЪЕМА ДАВЛЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА

А.В. Исаенко, М.Ф. Рифель

Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово E-mail: iav.tsp@kuzstu.ru

Проанализированы способы закладки вертикальных горных выработок и экологические последствия их некачественной закладки. Обоснована необходимость разработки технологии закладки вертикальных горных выработок твердеющими бетонными смесями на основе отходов топливно-энергетического комплекса. Приведены результаты тестовых испытаний по определению компрессионных свойств автоклавных материалов, состоящих из молотой золошлаковой смеси ТЭЦ, извести и воды. Представлены зависимости компрессии золошлако-известковых закладочных материалов от продолжительности подъема водяного пара.

Ключевые слова:

Автоклавные материалы, вертикальные горные выработки, закладка, зола и шлак топливных предприятий.

Key words:

Autoclave materials, vertical mine workings, backfill, ash and slag of fuel companies.

Закрытие шахты - очень сложный процесс, при котором возникает ряд геоэкологических проблем. Одна из таких проблем, которая возникает также и при реконструкции шахт - ликвидация вертикальных вскрывающих горных выработок [1].

При закрытии и реконструкции угольных шахт согласно требованиям нормативных документов [2, 3] необходимо производить закладку ликвидируемых вертикальных вскрывающих горных выработок водоупорным безусадочным материалом для предотвращения фильтрации воды между водоносными горизонтами, выхода рудничного газа из выработанного пространства на поверхность горного предприятия и просадки земной поверхности на участке, прилегающем к вертикальной выработке.

В ходе реструктуризации угольной промышленности РФ в Кузбассе было закрыто 43 шахты и ликвидировано 157 вертикальных стволов, при этом требования действующих нормативных документов не соблюдались - стволы были либо просто перекрыты изолирующей перемычкой в устьевой части, либо засыпаны горелой породой или глиной. Основной причиной несоблюдения требований нормативных документов при закладке стволов послужило отсутствие недорогого и эффективного способа закладки вертикальных выработок безусадочным и водоупорным материалом.

В последние годы в Российской Федерации проводится большая работа по разработке эффективных технических и технологических решений