СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ДИФФУЗИИ И ТОКОВ УТЕЧКИ В ИЗОЛЯТОРАХ
METHOD OF TESTING TO ESTIMATE DIFFUSION AND LEAKAGE CURRENTS IN INSULATORS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ
Эта заявка на изобретение претендует на преимущество предварительной заявки на изобретение №60/708,133 с датой подачи 15 августа 2005 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, в общем случае, к области техники методик испытаний на влагопоглощение и на токи утечки в композиционных материалах. В частности, в настоящем изобретении раскрыта методика испытаний для прогнозирования электроизоляционных свойств композиционных материалов из полимеров, армированных стекловолокном, (GRP) на длительный период времени на основании кратковременного воздействия на них влажной среды.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве электроизоляционных материалов широко используют композиционные материалы из полимеров, армированных стекловолокном, (GRP). Когда композиционные материалы из полимеров, армированных стекловолокном, (GRP) помещены во влажную среду в течение длительных периодов времени, то они постепенно поглощают влагу. Результирующий ток утечки может значительно ухудшать рабочие характеристики материала, служащего в качестве электроизоляционного материала. В частности, до настоящего времени отсутствовал какой-либо реализованный на практике способ прогнозирования электроизоляционных свойств композиционных материалов из полимеров, армированных стекловолокном, (GRP) во влажной среде на длительный период времени.
В прошлом заявителями были выполнены эксперименты по диффузии при высоком электрическом напряжении с использованием комбинации из экспериментов по диффузии при контролируемой влажности и испытаний изоляции на пробой в соответствии со Стандартом Американского национального института стандартизации (ANSI) C29.11, раздел 7.4.2 (ANSI Standard C29.11 Section 7.4.2) для оценки реакции различных композиционных материалов из полимеров, армированных стекловолокном, к влажности и ее влияния на ток утечки. Например, были проведены испытания с твердыми стержнями из композиционных материалов путем погружения их в кипящую воду и в раствор NaCl с концентрацией 0,1% на 100 часов и путем измерения после этого токов утечки. Несмотря на то что была получена очень полезная информация о зависимостях между поглощенной влагой и токами утечки в различных однонаправленных композиционных материалах из полимеров, армированных стекловолокном, (GRP) с различным состоянием поверхности, не было обнаружено никакой корреляции между увеличением массы и токами утечки, возникающими в композиционных материалах. К тому же не было предпринято каких-либо попыток установить взаимосвязь между скоростями влагопоглощения и скоростями увеличения тока утечки.
В другом стандарте Американского общества по испытанию материалов (ASTM) D5229/D5229M-92 влагопоглощение материалов может быть измерено с использованием пластин. Затем может быть выполнено сравнение результатов, полученных для различных материалов, либо с однофазной моделью, подчиняющейся законам Фика, либо с двухфазными или с многофазными моделями, не подчиняющимися законам Фика. К тому же, Картером (Carter) и Киблером (Kibler) была предложена модель аномальной диффузии, которая может быть применена для решения проблемы диффузии, не подчиняющейся законам Фика (см. публикацию Н.G.Carter and G.Kibler, "Langmuir-Type Model for Anomalous Moisture Diffusion in Composite Resins," Journal of Composite Materials, vol.12, pp.118-131, 1978).
В отличие от известного уровня техники в этой области техники в настоящем изобретении продемонстрирована линейная зависимость между влагосодержанием и изменениями токов утечки. Кроме того, геометрическая конфигурация тонкостенного образца, используемая в настоящем изобретении, обеспечивает возможность поглощения больших концентраций влаги диэлектриками различных классов за короткие промежутки времени. Эта методология обеспечивает возможность измерения токов утечки, соответствующих различным величинам содержания влаги, поглощаемой диэлектриками различных классов. Эта методология также может быть использована для прогнозирования максимального влагосодержания и максимальных токов утечки в диэлектриках различных классов, поглощающих влагу в соответствии с двухфазной диффузией, на основании модели Картера (Carter) и Киблера (Kibler).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этом изобретении предложена методология для прогнозирования электроизоляционных свойств композиционных материалов во влажной среде на длительный период времени на основании испытаний после кратковременного воздействия на них влажной среды. В частности, в настоящем изобретении экстраполируют электроизоляционные свойства на длительный период времени исходя из измеренного тока утечки после кратковременного воздействия среды с использованием различных моделей, таких как, например, модель диффузии, подчиняющаяся законам Фика, и модель диффузии, не подчиняющаяся законам Фика.
Эти и другие преимущества, признаки и задачи настоящего изобретения станут более понятными с учетом приведенного ниже подробного описания и чертежей.
Эти и другие задачи настоящего изобретения достигнуты в раскрытых ниже предпочтительных вариантах осуществления изобретения путем создания способа прогнозирования электроизоляционных свойств композиционных материалов на длительный период времени во влажной среде. Способ содержит следующие операции: создают образец; производят испытания образца для определения значений влагосодержания и значений тока утечки через заранее заданные промежутки времени; определяют коэффициент "влагосодержание - ток утечки" из значений влагосодержания и значений тока утечки и используют коэффициент "влагосодержание - ток утечки" для определения электроизоляционных свойств образца.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: определяют влагопоглощающие свойства образца.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: прогнозируют максимальное влагосодержание, максимальный ток утечки и время до наступления насыщения с использованием модели аномальной диффузии.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения коэффициент "влагосодержание - ток утечки" определяют из графика зависимости изменения значений тока утечки от значений влагосодержания.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения существует линейная зависимость между значениями тока утечки и значениями влагосодержания.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: образец подвергают воздействию вещества, способного к диффузии.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: образец подвергают воздействию высокого электрического напряжения.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения электрическое напряжение увеличивают до максимального электрического напряжения, значение которого находится в интервале от 5 вольт на миллиметр длины образца до 500 вольт на миллиметр длины образца.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения в нем предложен способ прогнозирования электроизоляционных свойств композиционных материалов на длительный период времени во влажной среде, содержащий следующие операции: создают композиционный материал в виде полого цилиндра; цилиндр подвергают воздействию вещества, способного к диффузии; и измеряют влагосодержание цилиндра через заранее заданные промежутки времени. Способ содержит следующие дополнительные операции: цилиндр подвергают воздействию высокого электрического напряжения и измеряют ток утечки в цилиндре через заранее заданные промежутки времени; определяют коэффициент "влагосодержание - ток утечки" из влагосодержания и тока утечки; и сопоставляют коэффициент "влагосодержание - ток утечки" со стандартизованными данными для определения электроизоляционных свойств образца.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: помещают цилиндр в камеру для климатических испытаний, и выдерживают цилиндр при постоянной температуре и постоянной влажности.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: взвешивают цилиндр для определения влагосодержания.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: перед тем как цилиндр будет подвергнут воздействию вещества, способного к диффузии, измеряют начальную массу цилиндра.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: перед тем как цилиндр будет подвергнут воздействию жидкости, способной к диффузии, измеряют начальный ток утечки цилиндра.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способная к диффузии жидкость выбрана из группы, состоящей из воды, жидкого металла, жидких растворов и паров.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения в нем предложен способ прогнозирования электроизоляционных свойств композиционных материалов на длительный период времени во влажной среде, содержащий следующие операции; создают композиционный материал в виде полого цилиндра; регистрируют начальную массу цилиндра; регистрируют начальный ток утечки цилиндра; и помещают цилиндр в камеру для климатических испытаний. Способ содержит следующие дополнительные операции: цилиндр подвергают воздействию жидкости, способной к диффузии; извлекают цилиндр из камеры для климатических испытаний через заранее заданные промежутки времени и регистрируют массу и ток утечки цилиндра; определяют влагосодержание цилиндра исходя из массы цилиндра; определяют коэффициент "влагосодержание - ток утечки" исходя из влагосодержания и тока утечки; и используют коэффициент "влагосодержание - ток утечки" для определения электроизоляционных свойств образца.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: помещают цилиндр в камеру для высоковольтных испытаний и подвергают цилиндр воздействию высокого электрического напряжения.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: цилиндр подвергают воздействию высокого электрического напряжения.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения температуру поддерживают равной, приблизительно, 50 градусам Цельсия, а влажность поддерживают равной, приблизительно, 80 процентам относительной влажности воздуха.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: сопоставляют скорость влагопоглощения со скоростью увеличения токов утечки с использованием следующего уравнения: .
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения цилиндр имеет длину от, приблизительно, 0,1 миллиметра до, приблизительно, 50 миллиметров.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения цилиндр имеет наружный диаметр от, приблизительно, 2 миллиметров до, приблизительно, 100 миллиметров.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения цилиндр имеет внутренний диаметр от, приблизительно, 1 миллиметра до, приблизительно, 99 миллиметров.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения цилиндр имеет длину, равную, приблизительно, 30 миллиметров и наружный диаметр, равный, приблизительно, 15,9 миллиметров.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения цилиндр имеет толщину стенки, выбранную из группы, состоящей из толщины, равной 1 миллиметру, 2 миллиметрам и 4 миллиметрам.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: помещают цилиндр между двумя электродами.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую дополнительную операцию: цилиндр подвергают воздействию высокого электрического напряжения.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения электроды выполнены из латуни.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение может быть легче понято при его рассмотрении совместно с сопроводительными чертежами, на которых изображено следующее:
на Фиг.1 изображена схема установки для испытаний под высоким напряжением, предназначенной для измерения токов утечки.
На Фиг.2 изображен график, на котором показана типичная характеристика зависимости электрического напряжения от времени для проверки тока утечки.
На Фиг.3 изображен график, на котором показаны примеры зависимости влагопоглощения от квадратного корня времени (реальной и спрогнозированной) для полых цилиндров с толщиной стенки, равной 1 миллиметру, из следующих материалов: ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир и ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола.
На Фиг.4А и Фиг.4Б изображены графики, на которых показаны примеры зависимости тока утечки и влагосодержания от квадратного корня времени (реальной и спрогнозированной) для полых цилиндров с толщиной стенки, равной 2 миллиметрам, из следующих материалов: ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола (Фиг.4А) и ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир (Фиг.4Б).
На Фиг.5А и Фиг.5Б изображены графики, на которых показана зависимость изменения тока утечки по переменному току (АС) от влагосодержания для образцов толщиной 1 миллиметр из следующих материалов: ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола (Фиг.5А) и ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир (Фиг.5Б).
На Фиг.6А и Фиг.6Б изображены графики, на которых показана зависимость изменения тока утечки по переменному току от влагосодержания для образцов толщиной 2 миллиметра из следующих материалов: ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола (Фиг.6А) и ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир (Фиг.6Б).
На Фиг.7А и Фиг.7Б изображены графики, на которых показана зависимость изменения тока утечки по переменному току от влагосодержания для образцов толщиной 4 миллиметра из следующих материалов: ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола (Фиг.7А) и ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир (Фиг.7Б).
На Фиг.8А и Фиг.8Б изображены графики, на которых показана зависимость тока утечки по переменному току от влагосодержания, изображенные в линейном (Фиг.8А) и в полулогарифмическом (Фиг.8Б) масштабе, с соответствиями линейным трендам для всех точек данных на Фиг.8А и для всех не равных нулю точек данных на Фиг.8Б, полученные из образцов из следующих материалов: ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола и ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к экспериментам по диффузии при высоком электрическом напряжении с использованием комбинации из контролируемой диффузии и испытаний изоляции на пробой для оценки реакции диэлектриков на диффузию текучей среды (жидкости или пара) и ее влияния на ток утечки. Используя это изобретение, может быть, например, установлена взаимосвязь между скоростью влагопоглощения и скоростями увеличения токов утечки в высоковольтных изоляторах из композиционных материалов, основанных на различные полимерах и стекловолокнах. Диффузия может быть описана на основании моделей, подчиняющихся законам Фика, или моделей, не подчиняющихся законам Фика. Однако настоящее изобретение может быть использовано для многих иных областей применения.
Анализ диффузии влаги
Полагают, что процесс диффузии влаги для большинства однонаправленных композиционных материалов по своему характеру подчиняется законам Фика. Это означает, что диффузия влаги в материал подчиняется второму закону Фика (Fick), который также является тем же самым законом, который описывает теплопроводность. Второй закон Фика гласит, что:
x
MAX
x
где с - концентрация влаги, t - время, x - расстояние в поперечном направлении образца, a D - коэффициент диффузии в поперечном направлении. Используя соответствующие граничные условия, зависимость между влагосодержанием (М) в любой момент времени, максимальным влагосодержанием (М) образца, его толщиной (h) и постоянным коэффициентом диффузии (D) имеет следующий вид:
MAX
x
где оба параметра: M и D, могут быть получены из графиков зависимости влагосодержания/увеличения веса от квадратного корня времени. Это делают с использованием следующего уравнения:
A
x
MAX
предполагая, что наблюдаемый коэффициент D диффузии приблизительно равен коэффициенту D диффузии в поперечном направлении. В уравнении (3) M - среднее равновесное значение на кривой, а член  равен наклону начального линейного сегмента кривых зависимости влагосодержания/увеличения веса от . Для более подробной информации о применении численного прогнозирования диффузии, подчиняющейся законам Фика, см. публикацию С.-Н. Shen and G.S.Springer, "Moisture Absorption and Description of Composite Material," Journal of Composite Materials, vol.10, pp.2-20, 1976. Значения влагосодержания, выраженного в процентах, в любой момент времени могут быть определены с использованием следующего выражения:
Поведение материалов во влажной среде сильно зависит от условий этой среды. Материалы в среде с постоянной влажностью, но с изменяющимися значениями температуры, демонстрируют одинаковый уровень максимального влагопоглощения, но скорости поглощения являются различными. Для образца, находящегося в более прохладной среде, потребуется большее время для приведения его в состояние равновесия, чем для образца, находящегося в более теплой среде. При постоянной температуре, но при изменяющихся значениях влажности коэффициенты поглощения влаги остаются теми же самыми, а общее количество поглощенной влаги увеличивается при увеличении влажности окружающей среды.
На кривые влагопоглощения оказывают влияние не только изменяющиеся параметры окружающей среды, но также и такие свойства материала как его растворение, микрорастрескивание, молекулярные связи или структурная релаксация. Эти явления вызывают отклонения от однофазной диффузии, подчиняющейся законам Фика, и, следовательно, не могут быть точно проанализированы с использованием приведенного выше численного метода. Следовательно, необходима многофазная модель.
Анализ аномальной диффузии
В анализе, представленном в предыдущем разделе, рассмотрена однофазная диффузия, где имеется только одна фаза поглощения влаги, после чего наступает состояние равновесия. Аномальная диффузия подразумевает наличие многочисленных различных фаз влагопоглощения, что приводит к конечному состоянию равновесия. Ранее уже было установлено, что поведение некоторых композиционных материалов, изученных в этом исследовании, является аномальным (не подчиняющимся законам Фика). Этот тип диффузии не может быть легко проанализирован с использованием описанных выше однофазных методик. Необходима многофазная модель диффузии, описывающая физическое поведение материала.
г
Одна из таких моделей была представлена Картером (Carter) и Киблером (Kibler). В этой модели используют предположение, что влага в материалах с аномальной (двухфазной) диффузией встречается в двух отдельных, но связанных между собой фазах. Первой фазой является абсорбция молекул воды, находящихся в подвижной фазе, проникающих в материал с коэффициентом диффузии, равным D. Затем эти молекулы связываются с молекулярной структурой смолы с вероятностью Г и становятся несвязанными с вероятностью В. С использованием этих предположений. Картером (Carter) и Киблером (Kibler) была разработана модель для анализа влагопоглощения в материалах с аномальными характеристиками диффузии. Удобная аппроксимация этой модели приведена ниже:
где:
2Г, 2В<<к
и
г
MAX
г
Полагают, что значение D может быть получено из простой однофазной диффузии в уравнении (3). Полагают, что необходимое значение M, использованное для вычисления D, дает наилучшее соответствие для наклона начального участка и первого излома кривой графиков зависимости влагосодержания от квадратного корня времени вплоть до второй фазы диффузии.
Испытательная установка
Один из вариантов осуществления испытательной установки устройства, используемого в настоящем изобретении, показан на Фиг.1. Полые цилиндры 11 из различных диэлектрических материалов получены путем механической обработки из твердых цилиндров или подготовлены в виде трубок. Образцы 11 для испытаний затем подвергают воздействию влаги или иного вещества, способному к диффузии, (например, воды, жидкого металла, жидких растворов или паров) таким образом, чтобы образцы 11 содержали различные количества диффундировавшего вещества. Затем измеряют токи утечки в образцах 11, помещая трубчатые образцы 11 между двумя электродами 12 и 13, как показано на Фиг.1. После этого устанавливают связь изменений токов утечки с количеством поглощенного диффундировавшего вещества.
Например, в случае изоляторов из композиционного материала, основанных на твердых стержнях, когда значения диаметра стержня находятся в интервале от нескольких миллиметров до 100 мм, эксперименты по влагопоглощению могут быть проведены во влажных средах в диапазоне от влажного воздуха до погружения в жидкость, и в диапазоне температур от комнатной температуры до температуры кипения. Диапазон напряжений может составлять от, приблизительно, 0 киловольт (кВ) до, приблизительно, 100 кВ со скоростью нарастания в интервале от, приблизительно, 0 кВ/с до, приблизительно, 15 кВ/с. Диапазонами для геометрической конфигурации образца 11 могут являться следующие: внешний диаметр цилиндра в интервале от, приблизительно, 2 мм до, приблизительно, 100 мм; внутренний диаметр цилиндра в интервале от, приблизительно, 1 мм до, приблизительно, 99 мм; и длина цилиндра в интервале от, приблизительно, 0 мм до, приблизительно, 50 мм.
Если диффузия вещества подчиняется законам Фика (однофазная диффузия), то максимальное содержание поглощенного вещества и максимальный ток утечки измеряют непосредственно. В случае двухфазной диффузии, не подчиняющейся законам Фика, при полном насыщении, которое требует очень длительных промежутков времени воздействия (равных, например, нескольким годам), может быть использован численный метод, основанный на модели Картера (Carter) и Киблера (Kibler). В этом случае на основании этого численного метода также может быть выполнена оценка максимального тока утечки.
Экспериментальные исследования
Например, приведенные ниже экспериментальные данные получены на основании того, что тонкостенные полые цилиндры 11 из композиционного материала, выполненного из волокон ECR-стекла (с малым количеством газообразных включений) и эпоксидной смолы, подвергнуты воздействию влаги. Предпочтительной геометрической конфигурацией образца 11 является следующая: длина "L" приблизительно равна 30±0,5 мм, наружный диаметр "D" приблизительно равен 15,9±0,1 мм. В приведенных ниже экспериментальных данных стенки цилиндров 11 имели значения толщины 1, 2 и 4 мм. Размеры электродов 12 и 13 и расстояния на Фиг.1 являются следующими: "W1"=64±0,1 мм, "W2"=50±0,1 мм, "L2"=25±0,1 мм и "α"=60°+1°. Все размеры соответствуют стандарту С29-11 Американского национального института стандартизации (ANSI).
Используя этот способ, установлена взаимосвязь между скоростями влагопоглощения и скоростями увеличения токов утечки в полых цилиндрах 11, выполненных из волокон ECR-стекла (с малым количеством газообразных включений) и эпоксидной смолы в условиях контролируемой диффузии влаги согласно стандарту D5229/D5229M-92 Американского общества по испытанию материалов (ASTM). Поскольку поглощение влаги композиционным материалом "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" по своему характеру не подчиняется законам Фика и не может быть точно описано с использованием однофазных моделей, то к экспериментальным результатам может быть применена (двухфазная) модель аномальной диффузии. Например, для решения проблемы диффузии, не подчиняющейся законам Фика, в композиционных материалах, применяемых в качестве изоляторов, для образцов различной толщины может быть использована методология, основанная на модели для аномальной диффузии, которая раскрыта в публикации Н.G.Carter and G.Kibler, "Langmuir-Type Model for Anomalous Moisture Diffusion in Composite Resins," Journal of Composite Materials, vol.12, pp.118-131, 1978.
L(AC)
Также было исследовано влияние влаги на измеренные токи утечки в композиционном материале с использованием полых цилиндров 11 из композиционного материала. Несмотря на некоторый разброс, наблюдаемый в экспериментальных данных, была замечена линейная зависимость между количеством влаги в композиционном материале "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" и уровнем тока утечки по переменному току (AC). Линейные тренды в графиках зависимости изменения тока утечки по переменному току от влагосодержания позволили выполнить точные прогнозы электроизоляционных свойств. Следовательно, используя модель Картера (Carter) и Киблера (Kibler), после этого может быть выполнено прогнозирование максимального влагосодержания, максимального тока утечки и времени до насыщения для композиционного материала. Способность прогнозирования влагопоглощения M(t) может быть связана с изменением тока I c использованием следующего уравнения:
где  коэффициент "влагосодержание/ток утечки". Для этой зависимости могут использоваться обе модели диффузии: однофазная модель диффузии влаги, подчиняющейся законам Фика, и модель аномальной диффузии влаги. Что еще более важно, прогнозы влагопоглощения и токов утечки могут быть сделаны на основании данных о влагосодержании, полученных за относительно короткий срок, даже в том случае, если процесс диффузии в композиционных материалах является аномальным по своему характеру, когда для полного насыщения требуются длительное время.
Испытания полого цилиндра в условиях контролируемой влажности и высокого электрического напряжения имеют потенциальную возможность стать стандартным испытанием при массовой проверке для выбора композиционных материалов из стекла/полимера, пригодных для применения в качестве изоляторов. Путем измерения коэффициентов "влагосодержание - ток утечки" различные изоляторы с основой из композиционных материалов могут быть классифицированы по их электрическому отклику под воздействием влаги как функции условий эксплуатации. В настоящем изобретении предпринята попытка продемонстрировать это путем сравнения системы "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" с другой системой, основанной на волокнах ECR-стекла (с большим количеством газообразных включений), внедренных в смолу из модифицированного полиэфира.
Для электрических испытаний, проведенных в этой работе, были выбраны два материала. Материал "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" был выбран из-за его превосходного сопротивления коррозионному растрескиванию при нагрузках, обеспечиваемого волокнами ECR-стекла, и из-за его приемлемого поведения при наличии влажности. Эпоксидная смола не слишком быстро поглощает влагу, что имеет место в случае материала из модифицированного полиэфира, но она имеет тенденцию не приходить сразу же в состояние полного равновесия с окружающей ее средой, как это происходит в случае материалов из винилового эфира и модифицированного полиэфира. С другой стороны, материал "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" был выбран из-за его свойств плохо поглощать влагу. Что касается этого материала, то до настоящего времени не было найдено никаких свидетельств аномальной диффузии в нем.
Полые цилиндры 11 были изготовлены путем механической обработки однонаправленных одноосно ориентированных стержней различной длины, имеющих диаметр 15,9 миллиметров, которые были получены из фирмы "Glasforms, Inc". Затем от этих стержней были отрезаны куски длиной 30±0,5 миллиметров, и в их центре было высверлено направляющее отверстие диаметром 7,9 миллиметров. В результате этого было изготовлено восемнадцать полых цилиндров со стенками толщиной 4 миллиметра. Шесть из них было очищено и отложено, в то время как остальные двенадцать были затем установлены в токарный станок, и их центры были расточены до желательных значений диаметра. Обработка на токарном станке выполнялась в два этапа. Сначала была проточена одна сторона до половины длины образца, а затем также была проточена другая сторона таким образом, чтобы она совпадала с первой. Это было сделано в попытке свести к минимуму растрескивание композиционного материала, в особенности в тонких образцах с толщиной стенки 1 миллиметр. В результате было изготовлено восемнадцать образцов (по девять из каждого материала) с толщиной стенки, равной 1, 2 и 4 миллиметрам, по три образца для каждого значения толщины стенки.
После механической обработки образцы 11 были тщательно очищены и высушены при температуре 60°С. После этого сразу же после высушивания были зарегистрированы значения начальной массы и начальных токов утечки образцов 11. Затем образцы 11 были помещены в камеру для климатических испытаний и оставлены в ней при температуре от 20°С до 100°С и относительной влажности воздуха от 10 процентов до 100 процентов. В этом случае для образцов 11 поддерживалась температура, равная 50°С, и относительная влажность воздуха, равная 80%. Масса образцов 11 была измерена через возрастающие промежутки времени с использованием аналитических весов с точностью отсчета 0,1 мг. Для гарантии того, что образцы 11 не находились вне камеры для климатических испытаний свыше 30 минут, что оказывает воздействие на данные о влагосодержании, производилось одновременное взвешивание трех образцов. Взвешивание образцов 11 производилось через изменяющиеся промежутки времени вследствие значительного замедления поглощения влаги в течение периода времени, составляющего, приблизительно, 4 месяца. После каждого взвешивания производилась проверка электрических свойств образцов 11 способом, описанным в следующем разделе.
Во время высоковольтных испытаний цилиндры 11 из композиционного материала помещались между двумя латунными электродами 12 и 13 в камере для высоковольтных испытаний, как показано на Фиг.1. Стандарт Американского национального института стандартизации (ANSI) требует, чтобы электрическое напряжение линейно увеличивалось до 12 кВ со скоростью, приблизительно, 1 кВ/с. Электрическое напряжение линейно увеличивают до максимального электрического напряжения, значение которого находится в интервале в интервале от 5 вольт на миллиметр длины образца до 500 вольт на миллиметр длины образца. Устройство было установлено на максимальную скорость увеличения электрического напряжения и отрегулировано таким образом, чтобы остановка произошла при напряжении 12 кВ, в результате чего получают начальный график зависимости электрического напряжения от времени, показанный на Фиг.2. Для регистрации всех максимальных значений тока утечки по переменному току использовался цифровой универсальный электроизмерительный прибор "Protek 608" с разрешающей способностью 0,1 мкА (микроампер) на шкале 5 мА (миллиампер). Во время испытаний была проведена проверка сухого стандартного образца, который находился внутри камеры для высоковольтных испытаний, на его ток утечки по переменному току, в начале и в конце каждого сеанса испытаний, чтобы дать некоторое указание об изменении условий окружающей среды для каждого сеанса испытаний. Эти изменения условий окружающей среды, продемонстрированные посредством стандартного образца, были затем вычтены из результата анализа данных, который приведен ниже.
Наиболее важные результаты, полученные из экспериментов по измерению влаги и тока утечки для исследованных композиционных материалов "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" и "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" в виде цилиндров 11 толщиной 1, 2 и 4 миллиметра, показаны в таблицах 1а и 1b. К тому же, в качестве примеров, на Фиг.3 показаны графики зависимости влагопоглощения от квадратного корня времени для одного образца толщиной 1 миллиметр из материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" и для одного образца из материала толщиной 1 миллиметр "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир". В дополнение к экспериментальным данным на графики из Фиг.3 также нанесены соответствия согласно модели однократной диффузии и диффузии, не подчиняющейся законам Фика. На этом чертеже можно заметить, что образец, основанный на модифицированном полиэфире, достиг насыщения после, приблизительно, 4 дней воздействия на него влаги. Однако в случае системы, основанной на эпоксидной смоле, насыщение не было достигнуто после почти 3 месяцев испытаний. Очень похожее поведение этих двух систем композиционных материалов наблюдалось в других образцах толщиной 1 миллиметр, и толщиной 2 и 4 миллиметра, причем все образцы из эпоксидной смолы постоянно поглощали влагу без насыщения, а все цилиндры, основанные на модифицированном полиэфире, достигали насыщения за относительно короткие промежутки времени.
В качестве примеров, на Фиг.4А и Фиг.4Б приведены графики зависимости тока утечки от квадратного корня времени соответственно для одного цилиндра толщиной 2 миллиметра из материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" и для одного цилиндра толщиной 2 миллиметра из материала "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир". На этих чертежах также показаны соответствующие кривые влагопоглощения. В дополнение к экспериментальным данным о влагосодержании и токе утечки на Фиг.4А и Фиг.4Б также показаны надлежащие соответствия согласно модели, подчиняющейся законам Фика, и модели аномальной диффузии как для результатов, относящихся к влагосодержанию, так и для результатов, относящихся к току утечки. Очень похожие зависимости наблюдались для двух систем композиционных материалов, исследованных с использованием образцов толщиной 1 и 4 миллиметра.
M
A
M
A
Для композиционных материалов, основанных на эпоксидной смоле, скорость k влагопоглощения и коэффициент D диффузии, перечисленные в таблице 1а, были определены экспериментально из начальных участков графиков зависимости влагосодержания от квадратного корня времени. Однако была выполнена оценка значений максимального влагосодержания и времени до насыщения, а также максимальных токов утечки, с использованием процедур согласно модели диффузии, не подчиняющейся законам Фика, разработанной Картером (Carter) и Киблером (Kibler). Поскольку в образцах, основанных на модифицированном полиэфире, было достигнуто насыщение, то значения максимального влагосодержания и максимальных токов утечки могут быть определены непосредственно из экспериментальных данных о влагосодержании и о высоковольтном пробое. Скорости (k) влагопоглощения и коэффициенты (D) диффузии, показанные в таблице 1b, также были определены непосредственно из графиков зависимости влагосодержания от квадратного корня времени.
M
A
MAX
M-LC
L(AС)-max
SAT
В приведенной ниже таблице 1а показаны значения начальной скорости (k) влагопоглощения, коэффициента (D) диффузии и спрогнозированные значения максимального влагосодержания (М), коэффициента "влагосодержание - ток утечки" (F), максимального тока утечки (I) и времени (t) до 99% насыщения для образцов из композиционного материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола".
M
A
MAX
M-LC
L(AC)-MAX
SAT
В приведенной ниже таблице 1b показаны значения начальной скорости (k) влагопоглощения, коэффициента (D) диффузии и спрогнозированные значения максимального влагосодержания (М), коэффициента "влагосодержание - ток утечки" (F), максимального тока утечки (I) и времени (t) до 99% насыщения для образцов из композиционного материала "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир".
M-LC
Коэффициенты F ”влагосодержание/ток утечки", перечисленные в таблицах 1а и 1b, были определены из графиков зависимости изменения токов утечки по переменному току от влагосодержания, полученных для каждого образца. Некоторые из этих графиков представлены для отдельных образцов, выбранных по случайному закону по толщине стенки и материалу. На Фиг.5А и Фиг.5Б представлены графики соответственно для образца из материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" толщиной 1 мм и для образца из материала "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" толщиной 1 мм, а на Фиг.6А и Фиг.6Б показаны графики для образцов толщиной 2 мм. Наконец, на Фиг.7А и Фиг.7Б проиллюстрированы графики для образцов толщиной 4 миллиметра соответственно из материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" и из материала "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир".
Из анализа этих графиков может быть сделано несколько важных наблюдений. Во-первых, все шесть графиков демонстрируют явные линейные тренды между изменением токов утечки по переменному току и поглощенной влагой. Во-вторых, более тонкие образцы 11 демонстрируют больший разброс значений вследствие того факта, что эти образцы 11 более быстро достигают состояния равновесия, не обеспечивая достаточного количества данных между началом испытания и полным насыщением влагой. К тому же, образцы 11 из материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" демонстрируют больший разброс значений, чем материал "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" вследствие того, что они имеют намного меньшие значения тока утечки.
M-LC
На Фиг.5-7 также можно заметить, что для очень близких значений количества общей поглощенной влаги (составляющих, приблизительно, 0,20%) образцы из материала "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" продемонстрировали максимальное изменение токов утечки в диапазоне 50-70 мкА, в тогда как для материала "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" изменение токов утечки никогда не превышало 0,7 мкА. Разница в наклоне графика зависимости изменения тока утечки по переменному току от влагосодержания между материалами "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" и "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" составляет, приблизительно, 150-200 раз. Это является причиной того, почему коэффициенты F "влагосодержание/ток утечки", перечисленные в таблицах 1а и 1b, являются настолько различными для образцов 11, основанных на эпоксидной смоле и на модифицированном полиэфире.
Ясно, что две системы композиционного материала очень по-разному реагировали на влагу и на высокое электрическое напряжение. Окончательное сравнение между двумя системами композиционного материала было сделано на Фиг.8А и Фиг.8Б. На Фиг.8А показаны графики зависимости изменения токов утечки по переменному току от влагосодержания для всех точек данных для каждого материала. На Фиг.8Б представлены те же самые данные, изображенные на графике в полулогарифмическом масштабе. Эти два чертежа очень хорошо иллюстрируют экстремальную разность в электрическом поведении этих двух композиционных материалов, когда они подвергнуты воздействию сходных уровней поглощенной влаги. Очевидно, что материал "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" является намного более пригодным для применения в качестве электрической изоляции во влажных средах, тогда как материал "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" использовать не следует, в особенности, при наличии намного большей концентрации влаги в окружающей среде, чем при этих испытаниях.
M-LC
Высокие токи утечки, возникающие в системе "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир", были вызваны наличием газообразных включений в волокнах ECR-стекла. Наличие газообразных включений вызывает более высокие токи утечки в композиционных материалах, основанных на волокнах ECR-стекла с большим количеством газообразных включений, по сравнению с композиционными материалами, основанными либо на волокнах Е-стекла, либо на волокнах ECR-стекла с малым количеством газообразных включений, даже в том случае, если значения количества влаги, поглощенной этими композиционными материалами, являются очень близкими. Так как в настоящее время рассматривается пригодность композиционных материалов с волокнами ECR-стекла для применений в качестве высоковольтных изоляторов вследствие их очень высокого сопротивления хрупкому излому, наличие газообразных включений может значительно снизить изолирующую способность изоляторов и, следовательно, вызвать повреждения электрической цепи из-за поверхностных пробоев. Следовательно, все новые композиционные материалы могут быть проверены в массовом порядке на влагопоглощение и на токи утечки, и может быть определен их коэффициент F "влагосодержание/ток утечки" и произведено его сравнение с некоторыми стандартными данными. С учетом данных, показанных на Фиг.8А и Фиг.8Б, описанная здесь методология испытания оказывается хорошо пригодной для этой цели.
Важно реализовать выгоды выполнения такой методики систематичных испытаний всех возможных материалов, используемых в высоковольтных изоляторах из композиционных материалов. Путем выполнения этих экспериментов можно предоставить производителям и пользователям высоковольтных изоляторов из композиционных материалов высококачественные рекомендации относительно того, какие материалы следует использовать в различных условиях окружающей среды. Однако существует широкое разнообразие возможных комбинаций смол полимеров и волокон Е-стекла и ECR-стекла, которые должны быть проверены для определения того, какие электрические характеристики будут иметь эти различные композиционные материалы при наличии влаги.
M-LC
В предыдущих экспериментальных исследованиях была исследована одна из наилучших систем композиционных материалов (ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола) и система композиционных материалов (ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир), являющаяся, наиболее вероятно, одной из наихудших, которые являются доступными для применений в качестве высоковольтных изоляторов. Было установлено наличие прямой линейной зависимости между количеством поглощенной влаги и током утечки. Материал "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" реагировал очень положительно, обеспечивая низкие токи утечки с небольшим их увеличением, а материалы "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир" реагировал самым неблагоприятным образом, демонстрируя значительное увеличение тока утечки как функции от поглощенной влаги. Однако наиболее важным является то, что вследствие наличия этой линейной зависимости между поглощенной влагой и изменением тока утечки, имеется возможность точного прогнозирования электроизоляционных свойств на основании сведений о свойствах влагопоглощения, которые имеют композиционные материалы. Также было показано, что коэффициенты F "влагосодержание/ток утечки" этих двух композиционных материалов отличались, приблизительно, в 150-200 раз, что ясно указывает на наличие крайне высокого сопротивления системы "ECR-стекло (с малым количеством газообразных включений)/эпоксидная смола" к возникновению токов утечки по сравнению с системой "ECR-стекло (с большим количеством газообразных включений)/модифицированный полиэфир". Наиболее важным является то, что разработанная здесь методика испытаний показала свою чрезвычайно высокую полезность при определении влагосодержания и токов утечки в условиях, подчиняющимся законам Фика, и в условиях аномальной диффузии.
Настоящее изобретение может быть использовано, например, в качестве способа массовых испытаний, который указывает наличие потенциально возможных проблем, связанных с влагопоглощением в некоторых диэлектриках. Различные диэлектрики (например, полимеры, керамика, древесина, бетон, биоматериалы и композиционные материалы их них, основанные на множестве классов волокон и матриц, таких как, например, стекло, нитрид кремния и карбид кремния, полимеры и древесина) могут быть классифицированы почти одновременно по их влагоустойчивости и токам утечки. В частности, настоящее изобретение предоставляет различным производителям изоляторов и пользователям возможность выбора наилучшего изоляционного материала (чистого материала или композиционных материалов) для различных применений в области электротехники, когда он подвергается воздействию различных условий окружающей среды. Оно также позволит производителям и пользователям этих материалов производить текущий контроль изменений характеристики влагосодержание/ток утечки как функции времени (время, повреждение, ухудшение параметров и т.д.). Никакие иные известные в настоящее время способы не могут успешно использоваться для этих целей.
Например, может быть выполнена проверка проходных изоляторов из композиционных материалов на влагосодержание и на токи утечки. Эти проходные изоляторы основаны на многоосных композиционных материалах стекло/полимер, изготовленных путем обмотки волокнами вместо способа изготовления одноосно ориентированного волокнистого пластика, который обычно применяют в процессе производства стержней из композиционных материалов для подвесных изоляторов и изоляторов для подстанций. Проходные изоляторы имеют большой диаметр, малую толщину стенки, представляя собой большие конструкции из композиционного материала. Диаметр проходных изоляторов может доходить до 1 метра, а их используемая длина может составлять до 10 метров с толщиной стенки, равной нескольким миллиметрам. Короткий участок проходного изолятора может быть подвергнут воздействию влаги, и затем могут быть измерены токи утечки с использованием настоящего изобретения. Размер электродов 12 и 13, величина электрического напряжения и скорость его увеличения, а также другие размеры, показанные на Фиг.1, должны быть изменены таким образом, чтобы они были приспособлены для образца 11, имеющего намного больший размер. Численные методы для оценки диффузии влаги и токов утечки обычно остаются теми же самыми. Аналогичным образом, деревянный столб, используемый в качестве опорной конструкции в распределительной сети, может быть испытан на его сопротивление токам утечки при наличии влажности.
Также следует понимать, что настоящее изобретение также может быть применено для диэлектрических материалов, которые подвергаются диффузии другой фазы (иной, чем влага), которая может оказывать воздействие на их электрические свойства. Например, может быть проведена оценка влияния жидкого металла, поглощаемого керамикой и, следовательно, изменяющего ее изоляционные свойства. Могут быть придуманы многочисленные примеры подобного типа.