Полупроводящие ленты

Доклад на конференции ТРАВЭК 2002г.
Крупенин Н.В., Лебедев А.И., Маслов В.А., Окнин Н.С, Хофбауэр Э.И.
ГУП ВЭИ Россия

Высоковольтная изоляция крупных электрических машин и аппаратов при изготовлении и в процессе эксплуатации подвергается одновременному воздействию электрических, тепловых, механических нагрузок, воздействию окружающей среды. Особенно велика электрическая нагрузка, поскольку изоляция неоднократно подвергается контрольным испытаниям напряжением повышенного уровня, сравнимого с ее электрической прочностью.

Кроме того, изоляция обмотки высоковольтных электрических машин в месте ее выхода из пазов сердечника статора в эксплуатации подвергается одновременному воздействию резко концентрированных электрической и электродинамической нагрузок, что, в конечном счете, и определяет срок ее службы. С целью ослабления такого воздействия места сосредоточения этих нагрузок искусственно разносят за счет применения низкоомного полупроводящего покрытия, длина которого больше длины железа сердечника. Кроме того концентрацию электрического поля снижают за счет применения высокоомного полупроводящего покрытия, наносимого на лобовые части обмотки в продолжение низкоомного покрытия. Высокоомное полупроводящее покрытие позволяет обеспечить проведение высоковольтных контрольных испытаний качества изоляции при напряжении выше уровня 18-20 кВ.

Низкоомное полупроводящее покрытие в пазовых частях обмотки позволяет устранить коронные разряды в вентиляционных каналах, возникающих при высоковольтных испытаниях, а также в режиме эксплуатации в случае тонкой изоляции.

Повышенная проводимость может достигается за счет применения пленкообразователей с электронной (полупроводники) или ионной (полиэлектролиты) проводимостью, за счет использования электропроводящих наполнителей или за счет введения поверхностно-активных веществ.

Наиболее распространены электропроводящие покрытия с металлическими и углеродными наполнителями: карбонилом никеля, серебром, медью, нержавеющей сталью, арсенидом или фосфатом галлия, техническим углеродом, графитом, графитированным волокном.

Электрическая проводимость наполненных покрытий определяется составом и электрическими параметрами отдельных компонентов.

В зависимости от типа наполнителя степень наполнения может составлять от 10 до 50%.

Наиболее доступным и широко применяемым наполнителем является сажа. Введение сажи в полимерное связующее имеет ряд существенных особенностей по сравнению с другими порошкообразными наполнителями. Эти особенности связаны со склонностью сажи к образованию цепочечных и пространственных структур. Количество сажи в связующем полимерной композиции оказывает существенное влияние на его механические и электрические свойства. При увеличении содержания сажи удельное объемное электрическое сопротивление сначала падает довольно резко, а затем при определенной концентрации сажи стабилизируется. Так, например, для полупроводящих стеклотестолитов переход на кривых от крутого участка к пологому наблюдается параллельно слоям при содержании сажи 15-20% и перпендикулярно слоям - при 20-25%.

Цепочечные структуры из дисперсного наполнителя могут возникнуть только при определенном соотношении сил взаимодействия между компонентами. При сильном взаимодействии между самими частицами наполнителя они стремятся отделиться от полимера и образовать агрегаты. При сильном взаимодействии между частицами наполнителя и макромолекулами полимера каждая твердая частица изолируется полимерной оболочкой. В этих случаях для достижения проводимости требуется большое количество наполнителя и система теряет преимущества полимерного материала. Именно поэтому наполненные полимеры проявляют электропроводящие свойства только при образовании в пленке цепочечных структур. При этом важную роль играют дисперсность наполнителя и режим приготовления связующего (продолжительность диспергирования, температура процесса, интенсивность перемешивания).

Интересным представляется одновременное применение разных токопроводящих наполнителей. Например, применение графита в сочетании с сажей позволяет повысить механическую прочность полупроводящих стеклопластиков при сохранении на одном уровне электрических свойств.

Для противокоронной защиты электрических машин наиболее применимы ленточные материалы. Такие, например, как медьсеребросодержащие ленты марки ЛСПО.

Медьсеребросодержащие ленты выпускают трех типов - с сопротивлением 1·104-1·105Ом, 1·107-5·108Ом, 5·108-9·109Ом. Ленты получаются в результате термообработки в атмосфере водорода стеклоленты из медьсеребросодержащего стекла. Рабочая температура ленты до 180°С. К недостаткам можно отнести сложность получения ленты, ее большую стоимость, а также большую толщину стандартной ленты, что не всегда приемлемо при создании изоляции пазовой части двигателей.

Целью настоящей работы являлось создание полупроводящих лент с различным удельным поверхностным электрическим сопротивлением на основе наполненных органических связующих.

Электрическая проводимость наполненных покрытий определяется составом и электрическими параметрами отдельных компонентов.

В зависимости от типа наполнителя степень наполнения может составлять от 10 до 50%.

В качестве связующих были опробованы разные классы полимеров, в том числе алкидные смолы, отверждаемые при комнатной или при повышенной температуре, модифицированные олигоэфиракрилаты, каучуки синтетические бутадиенстирольные, бутадиеннитрильные с различными соотношениями мономеров.

Проведенные исследования по использованию в качестве связующего алкидных смол показали, что в отсутствии наполнителя они дают эластичные, достаточно химстойкие покрытия. Однако введение даже небольшого количества сажи приводило к резкому увеличению количества сшивок в связующем, что, в свою очередь, приводило к тому, что ленты получались ломкими и не переносили никакой намотки. Уменьшение количества сиккатива или даже его полное исключение из рецептуры, а также использование алкидных смол, отверждаемых только при повышенных температурах также с исключением сиккатива не дали положительного результата. Во всех случаях ленты получались ломкими, или становились ломкими после нескольких суток хранения.

Использование олигоэфиракрилатов позволило получить эластичные ленты, однако при ручной намотке эта эластичность была недостаточной. Кроме того, связующее с введенной сажей и перекисным инициатором имело ограниченный срок хранения при комнатной температуре. Это явилось основной причиной отказа от применения олигоэфиракрилатов в качестве связующих для полупроводящих лент.

Наиболее перспективными связующими для полупроводящих лент оказались синтетические каучуки. На их основе получились очень эластичные ленты, пригодные как для механизированной, так и для ручной намотки. Связующее способно отверждаться при 120-130°С в течение 10-15 минут.

Для отработки технологии получения полупроводящих лент было использовано связую-щее с содержанием сажи от 4% до 18%. Содержание нелетучих веществ в связующем - от 20% до 32%. Исходная вязкость составляла 40-120 с. В качестве подложки были использованы стеклоленты шириной 20-30 мм и толщиной 80-220мкм, а также лавсановые и лавсаново-арамидные бумаги.

Комплексным испытаниям были подвергнуты опытные образцы полупроводящих лент - ППЛ-1 (1·103-5·105 Ом), ППЛ-2 (6·105-9·106 Ом), ППЛ-3(1·107-9·109 Ом),

Для изготовления полупроводящих лент использовалась стеклобандажная лента марки ЛСБЭ толщиной 0,1 и 0,2 мм и шириной 25 мм.

В качестве связующего использовался раствор бутадиеннитрильного каучука с введенным в него токопроводящим наполнителем и катализаторами отверждения.

Для сравнения использовали полупроводящую ленту фирмы "Изола" №215-51 и ленту ЛСП-О-2 (в настоящее время лента серийного производства не имеет).

В процессе испытаний определялись механическая устойчивость лент и способность к вымыванию связующего при пропитке, сравнительные электрические характеристики макетов, изготовленных с использованием различных полупроводящих лент, а также характеристики макетов различной конструкции, изготовленных с использованием лент марки ППЛ.

С использованием указанных лент (за исключением ленты №215-51) в качестве противокоронной защиты были изготовлены макетные образцы с изоляцией монолит-2 на основе ленты марки ЛСКН-160ТТ.

Образцы полупроводящих лент, низкоомные и высокоомные, длиной по 100 см, свернутые в рулончики, но с зазором между слоями, и высушенные при температуре 120°С в течение 6 часов, что соответствует техпроцессу на изоляцию монолит-2, помещались в свежеприготовленный компаунд марки ПК-11 при соотношении массы ленты к массе компаунда как 1/20 и далее выдерживались при температуре 60°С в течение суток. Одновременно аналогичному испытанию был подвергнут образец полупроводящей ленты №215-51 фирмы "Изола".

В результате проведенного эксперимента не было зафиксировано изменения цвета компаунда и разрушения лент.

На образцах полупроводящих лент измерялось поверхностное сопротивление с помощью мегаомметров при напряжении 500 и 2500 В.

Были изготовлены и испытаны противокоронные покрытия (защита) на макетах с изоляцией монолит-2 толщиной 2,5 мм на сторону на медных шинах сечением 6х30 мм длиной 800 мм, при этом низкоомное покрытие имело длину 100 мм (в центре макета), а высокоомное - по 150 мм с обеих сторон низкоомного покрытия. Перед наложением на макеты используемые ленты были проконтролированы на сопротивление.

Сопротивление низкоомной стеклянной ленты в исходном состоянии и после сушки при 120°С в течение 6 часов составило 2·103 Ом; сопротивление высокоомной стеклянной ленты составило: в исходном состоянии - 2·108 Ом при напряжении 2500 В и более 5·108 Ом при напряжении 500 В; после сушки при 120°С в течение 6 часов - 8·106 Ом при напряжении 2500 В и более 5·107 Ом при напряжении 500 В; сопротивление высокоомной ленты ЛСП-О-2 при напряжении 2500 В составило 7·107 Ом в исходном состоянии и после сушки при 120°С в течение 6 часов.

На изготовленных макетах контролировалось сопротивление низкоомного и высокоомного покрытий, напряжение возникновения коронных и скользящих разрядов. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Контролируемый параметр Покрытие из лент ЛСП-О Покрытие из нетермообработанных стеклянных лент Покрытие из термообработанных (120°С, 6 часов) стеклянных лент
Сопротивление низкоомной части, Ом 4·104 2·103 1·103
Сопротивление высокоомной части, Ом 4,5·107 3·109 2·107
Напряжение начала коронирования, кВ 30 32 35
Напряжение возникновения скользящих разрядов, кВ 55-60 55-60 55-60

С использованием полупроводящих стеклянных лент были изготовлены аналогичные макеты, при этом длина высокоомного покрытия варьировалась в пределах от 50 до 150 мм. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Кроме того, были проведены испытания макетов с полупроводящими лентами после длительного воздействия (1000 часов) высокого напряжения напряженностью 5 МВ/м (напряжение 12,5 кВ). Результаты представлены в табл.3.

Таблица 2.

Длина высокоомного покрытия, мм 50 80 120 150
Напряжение возникновения шума, кВ 10 10 10 12,5
Напряжение возникновения потрескивания, кВ 17 14 16 25
Напряжение появления светящейся кромки у края высокоомного покрытия в темноте, кВ 15 14 16 25
Напряжение возникновения скользящих разрядов, кВ 34 33 34 36
Напряжение перекрытия, кВ 42-44 42-44 42-44 42-44

Таблица 3.

Длина высокоомного покрытия, мм 50 80 120 150
Напряжение возникновения шума, кВисх./после 1000ч старения 10/13 10/13,5 10/13 12,5/13,5
Напряжение возникновения потрескивания, кВисх./после 1000ч старения 17/16 14/20 16/20 25/28
Напряжение появления светящейся кромки у края высокоомного покрытия в темноте, кВисх./после 1000ч старения 15/16 14/23 16/22 25/34
Напряжение возникнове
ния скользящих разрядов, кВисх./после 1000ч старения
34/30 33/30 34/34 36/38
Напряжение перекрытия, кВисх./после 1000ч старения 42-44/42 42-44/42 42-44/42 42-44/42

Полученные результаты показывают стабильность свойств полупроводящих лент в процессе длительного старения.

В настоящее время налажен выпуск полупроводящих лент со следующими характеристиками (табл4):

Таблица 4.

Наименование показателя Норма по ТУ 3491-022-00216415-00
ППЛ-1 ППЛ-2 ППЛ-3
Ширина, мм 25±3 25±3 25±3
Толщина, мм 0,11±0,03 0,21±0,03 0,21±0,03
Разрывная нагрузка на ширину ленты, кгс, не менее 20 30 30
Удельное поверхностное сопротивление, Ом 1,0·103 -5,0·105 6,0·105 -9,0·106 1,0·107 -9,0·109