Разработка технологии изготовления высоковольтной изоляции из поликарбонатных смол

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вершинин Ю.Н. Электрический пробой твердых диэлектриков. - Новосибирск: Наука, 1968. - 210 с.

2. Mosh W., Pilling J. Tschacher B. Kanakinsatzzeit und Durchschlagzeit zur Beurteilung des Langzeitverhaltens von Feststoff // Elektrie. - 1972. - H. 11. - S. 312-319.

3. Shibuya Y., Zoledriowski S., Calderwood I.H. Void formation and electrical breakdown in plastic insulators // IEEE Trans. Power Ap-par. and Syst. - 1977. - V. PAS-96. - № 1. - Р. 198-207.

4. Ушаков В.Я. Электрическое старение и ресурс монолитной изоляции. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 152 с.

5. Гефле О.С. Разработка метода диагностики зарождения и развития разрушений в электрической изоляции по тепловым эффектам: Дис. ... канд. техн. наук. - Томск. 1984. - 234 с.

6. Гефле О.С. Применение тепловизионного метода для диагностики состояния изоляции высоковольтных конструкций // Электричество. - 1986. - № 4. - С. 58-59.

7. Гефле О.С. Оценка интегрального перепада температуры на начальной стадии разрушения полимерных диэлектриков в сильном электрическом поле // Электричество. - 1988. - № 6. - С. 84-88.

8. Гефле О.С., Черкашина Е.И. Диагностика предпробивного состояния полимерных диэлектриков по тепловым эффектам // Известия Томского политехнического университета. - 2005. -Т. 308. - № 1. - С. 54-59.

9. Nawata M., Kawamura H., Ieda M. Voltage and temperature dependences of treeing breakdown in organic solid insulations // Elect. Eng. Jap. - 1971. - V. 91. - P. 109-115.

10. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия: Ленинград. отд., 1979. - 224 с.

11. Brakermann H. Zündvolumina inhomogen beanspruchter Feststoffisolierungen // Bull. Scheiz. Elektrotechn. Ver. - 1977. - V. 68. -S. 595-599.

12. Zoledriowski S., Sakata S., Shibuya Y., Calderwood I.H. Study of electrical treeing in epoxy resin using electro-optical methods // 3rd Intern. Symp. High Volt. Eng. - Milan, Italy, 1979. - V. 1. - Р. 1-4.

13. Tanaka T., Greenwood A. Effect of charge injection and extraction on tree initiation in polyethylene // IEEE Trans. Power Appar. and Syst. - 1978. - V. 97. - № 5. - P. 1749-1757.

14. Tanaka T. Space charge injected via interfaces and tree initiation in polymers // IEEE Trans. on Dielectr. Electr. Insul. - 2001. - V. 8. -№ 5. - P. 713-743.

15. Auckland D.W., McNicol A.A., Varlow B.R. Development of strain in solid dielectric due to vibrational electrostatic forces // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1990. - № 23. - P. 1608-1613.

16. Crine J-P. Relations between aging, space charge and polarization of polyethylene // Intern. Conf. on Solid Dielectrics. - July 5-7, 2004.

- Toulouse, France, 2004. - P. 280-283.

17. Дмитревский В.С. Расчет и конструирование электрической изоляции. - М.: Энергоиздат, 1981. - 392 с.

18. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник. - М.: Машиностроение, 1991. - 240 с.

19. Boggs S.A. Theory of a defect-tolerant dielectric system // IEEE Trans. Electr. Insul. - 1993. - V. 28. - Р. 365-370.

20. Mason J.H. Breakdown of solid dielectrics in divergent fields // Proc. IEE. - 1955. - V. 102C. - P. 254-263.

21. Гефле О.С., Ушаков В.Я. Метод определения "кривых жизни" монолитной полимерной изоляции // Электричество. - 1985.

- № 8. - С. 65-67.

УДК 621.315.6

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ИЗ ПОЛИКАРБОНАТНЫХ СМОЛ

С.М. Лебедев, В.А. Волохин, Б.В. Шмаков, П.А. Матин

НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета E-mail: polymer@hvd.tsk.ru

Представлены результаты, полученные при отработке технологии и изготовлении высоковольтной изоляции из поликарбонатных смол методом длительной выдержки в расплаве. Разработанная уникальная технология позволяет изготавливать монолитные крупногабаритные изделия и заготовки из поликарбонатов.

Введение

Лаборатория "Полимер" НИИ высоких напряжений традиционно в течение более 30 лет занимается разработкой технологий и изготовлением монолитной крупногабаритной полимерной изоляции для высоковольтного электрофизического и электротехнического оборудования. За эти годы была разработана технология изготовления [1-3] крупногабаритных изоляционных изделий из термопластов: полиэтилена низкой и высокой плотности (ПЭНП и ПЭВП), полипропилена (ПП) и его сополимеров, полистирола (ПС) и др. Основными преимуществами разработанной технологии являются:

возможность изготовления цельнолитых изделий различной формы;

отсутствие дефектов, трещин, газовых и усадочных раковин;

низкие остаточные механические напряжения; возможность изготовления изделий различной формы с закладными металлическими деталями;

возможность изготовления малых партий и единичных опытных изделий с низкими удельными затратами;

отсутствие необходимости в дорогостоящих пресс-формах.

Готовые изделия и заготовки для дальнейшей механической обработки изготавливают из гранулированных термопластов путем нагрева и плавления в вакуумных печах-формах с последующим охлаждением, регулируемым по скорости и направлению, без избыточного давления. Упрощенная блок-схема установки для изготовления изделий из полимеров приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема установки для изготовления крупногабаритных изделий из полимеров

Максимальные массогабаритные размеры изготавливаемых изделий:

• диаметр (или диагональ) - до 3,0 м;

• высота (или длина) - до 2,0 м;

• масса - до 2,5 т.

В настоящее время всю номенклатуру изделий из термопластов, изготавливаемых в лаборатории, условно можно разделить на три группы: 1. Крупногабаритные высоковольтные изоляционные изделия, рис. 2.

Рис. 2. Крупногабаритные изделия из ПЭНП диаметром: а)3м и б) до 1,5 м

2. Емкости для хранения и технологического использования агрессивных жидкостей: щелочей, кислот и их растворов, рис. 3.

Рис. 3. Крупногабаритные емкости из ПЭНП объемом: а) 3, б) 1 и в) 0,1 м3

3. Изделия для электротехнической, электрохимической промышленности и конструкционных узлов и деталей для различных отраслей науки и промышленности, рис. 4 и 5. В последние годы наметилась тенденция к расширению номенклатуры применяемых материалов. Это обусловлено ужесточением условий эксплуатации изготавливаемых изделий, например, повышением рабочих температур, механических нагрузок, повышенными требованиями по стойкости к УФ излучению, атмосферостойкости и т.п. В частности, применение изделий из полиолефинов ограничено максимальной рабочей температурой 60...70 °С, достаточно низкими физико-механическими характеристиками и малой стойкостью к воздействию УФ излучения. Очень часто при изго-

товлении высоковольтной изоляции для электрофизических устройств одной из главных проблем становится проблема низкой атмосферостойкости и высокого водопоглощения изоляционного материала, например, полиамида или полиметилмета-крилата (ПММА), традиционно применяемых в высоковольтной технике в качестве изоляционных и конструкционных материалов.

а)

б)

Рис. 4. Заготовки из: а) ПЭНП и б) готовое изделие из гра-фитонаполненного ПП

В этой связи перед коллективом лаборатории была поставлена задача разработки новой технологии и поиска перспективных полимерных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, пригодных для переработки методом длительной выдержки в расплаве.

Разработка технологии изготовления изделий

из поликарбонатных смол

Одним из наиболее перспективных материалов как с точки зрения повышения эксплуатационных характеристик изделий (повышение рабочей температуры и физико-механических характеристик по сравнению с полиолефинами), так и с точки зрения возможности его переработки путем длительной выдержки в расплаве является поликарбонат (ПК). Некоторые характеристики оптически прозрачных диэлектриков, применяемых в качестве изоляционных и конструкционных материалов в высоковольтном оборудовании, для сравнения приведены в таблице.

а)

б)

Рис. 5. Изделия из полиэтилена: а) ПЭВП

Таблица. Характеристики оптически прозрачных полимерных материалов

Параметр

Прочность при растяжении, МПа

Относительное удлинение при разрыве, %

Усадка при формовании, %

Теплостойкость по Вика, °С; класс нагревостойкости

Интервал рабочих температур, °С

Водопоглощение при 23 °С в течение 24 ч, %

Электрическая прочность при толщине 3 мм, кВ/мм

Удельное объемное сопротивление, Ом-м

ПММА

70

3,5

0.1...0.4

110; У

-50...+90

0,1.0,4

22

1014

ПС

52.75

2,0

0,5.0,7

-103; <У

-30...+80

0,01.0,03

16.24

1012.1014

ПК

120

0,4.0,8

145; Е

-100..+140

0,15

20.30

1014.1015

Видно, что основные электрофизические параметры приведенных выше полимеров соизмеримы. При этом поликарбонат имеет более высокие те-плофизические характеристики, что позволяет применять изделия из него при более высоких рабочих температурах при неизменных или даже более высоких механических характеристиках.

Как первый шаг по переработке поликарбонатных смол, в лаборатории "Полимер" была разработана и изготовлена технологическая линия литья изделий при низком давлении [4], структурная схема которой приведена на рис. 6.

71

Рис 6. Технологическая линия литья изделий из поликарбоната под низким давлением: 1) шкаф сушильный электрический; 2) насос вакуумный; 3) установка индукционного нагрева; 4) шкаф индукционный; 5) пресс гидравлический

Данная технологическая линия была использована для изготовления заготовок и готовых изделий из поликарбоната небольших габаритов, в частности, для изготовления рассеивателей (плафонов) для светодиодного светофора, рис. 7.

Рис 7. Светодиодный светофор и рассеиватели из поликарбоната для него

Для нагрева гранул поликарбоната и получения расплава в технологической линии использована установка индукционного нагрева металлического цилиндра, в который помещается перерабатываемый материал. Установка индукционного нагрева состоит из генератора с номинальным напряжением питания 380 В мощностью преобразователя 10 кВА при частоте 10 кГц и индуктора, в который помещается цилиндр с перерабатываемым материалом. Применение индукционного нагрева гранулированного поликарбоната позволило в 2.3 раза сократить время, необходимое для получения расплава, по сравнению с традиционными способами нагрева.

На сегодня объем выпуска рассеивателей для светодиодных светофоров в лаборатории "Полимер" составляет 3000.3500 шт. в год.

В последние три года в лаборатории проводятся работы по отработке технологии изготовления крупногабаритных изделий для электрофизических

установок из ПК. Переработка ведется по схеме, рис. 1, методом длительной выдержки материала в расплаве. Была разработана технология и технологические регламенты для изготовления крупногабаритных изделий, в частности, колец с максимальным диаметром до 800 мм толщиной 50 мм и цилиндрических заготовок для высоковольтных изоляторов высотой до 750 мм и диаметром до 300 мм.

В процессе отработки технологии было установлено, что вся оснастка при изготовлении изделий из ПК методом длительной выдержки материала в расплаве должна быть выполнена из алюминиевых сплавов, поскольку за счет повышенной адгезии материала к деталям, изготовленным из стали, а также за счет очень малой усадки материала при охлаждении, выемка готовых изделий из деталей оснастки без разрушения практически невозможна. В изделиях могут образовываться трещины как в радиальном, так и в тангенциальном направлении, рис. 8.

а)

б)

Рис. 8. Заготовки из ПК после их выемки из оснастки. Образование: а) продольной и б) поперечной трещин

Еще одной проблемой при изготовлении крупногабаритных изделий из ПК является выбор оптимального режима охлаждения изделий в оснастке. При естественном охлаждении в объеме крупногабаритных изделий цилиндрической формы возможно образование усадочных раковин и пузырей, рис. 9.

На рис. 10 и 11 показаны некоторые изделия и заготовки, изготовленные с помощью данной технологии. На сегодня в лаборатории "Полимер" изготовлено несколько десятков крупногабаритных изделий по договорам с ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), ИСЭ СО РАН, ИФП СО РАН (г. Томск) и другими организациями г. Томска.

а)

Рис. 9. Образование газового пузыря в заготовке из ПК

а)

б)

Рис. 10. Крупногабаритные изделия из ПК: а) цельнолитые и б) с закладной металлической деталью

Заключение

1. Разработана и создана технологическая линия для литья изделий из термопластов при низком давлении, позволяющая изготавливать малые партии изделий из поликарбоната.

2. Разработана основа технологии изготовления крупногабаритных изделий и заготовок из поликарбоната методом длительной выдержки материала в расплаве.

3. Дальнейшее усовершенствование разработанной технологии, в частности, оптимизация технологических режимов нагрева и регулируемого охлаждения, позволит изготавливать крупногабаритные изделия из поликарбоната гарантированного качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.с. 509895 СССР. МКИ Н01В 19/00. Способ изготовления толстостенных изделий / В.С. Дмитревский, В.Г. Сотников, И.И. Сквирская. - Опубл. 05.04.76. Бюл. № 13.

2. А.с. 659398 СССР. МКИ В29С 5/00. Способ изготовления крупногабаритных изделий из полиэтилена / В.Г. Сотников, И.И. Сквирская. - Опубл. 30.04.79. Бюл. № 16.

3. Пат. 2199438 РФ. МКИ В29С 39/02, 39/42. Способ изготовления крупногабаритных изделий из полиолефинов / П.В. Филиппов, Б.В. Шмаков. - Опубл. 27.02.03. Бюл. № 6.

4. Волохин В.А., Шмаков Б.В., Лебедев С.М. и др. Технологическая линия литья изделий из термопластов при низком давлении // Пластические массы. - 2004. - № 12. - С. 55-56.