Разработка и исследование технологических методов повышения качества и надежности стеклопластиков электротехнического назначения

В настоящее время в высоковольтной технике как в нашей стране, так и за рубежом все более широкое применение находят стеклопластики, являющиеся одним из перспективных композиционных материалов, когда требуется одновременное сочетание высокой электрической и механической прочности, а во многих случаях и высокой теплостойкости. Например, стекло-пластиковые трубы, намотанные из стеклонитей и ровингов с эпоксидным связующим, применяются в качестве высоковольтной изоляции в воздушных и масляных выключателях высокого напряжениястеклопластиковые стержни, изготовленные из стеклоро-вингов методом протяжки через фильеры, применяются для изготовления изоляторов линий электропередач высокого напряжениястеклотекстолита входят в состав изоляции роторов крупных генераторовна основе стеклопластиков выполняются элементы изоляции сухих трансформаторов и т. д.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС ставится задача еще более интенсивного развития энергетики и электрофикации страны в XI пятилетке, что потребует также соответствующего развития производства композиционных электроизоляционных материалов и в том числе стеклопластиков. Однако использование стеклопластиков в ряде случаев ограничивается, с одной стороны, недостатками, присущими самим стеклопластикам, и с другойнедостаточной проработкой взаимосвязи электрических свойств, типа исходных компонентов и технологии изготовления стеклопластиков. Недостаточно также данных о механизме их разрушения под воздействием высоких напряженностей электрического поля и надежности стеклопл ас тиковой изоляции^?овиЯ]х длительной эксплуатации.

В сильных электрических полях одной из основных причин преждевременного выхода изоляции из строя является ухудшение ее свойств вследствие частичных разрядов, развивающихся в воздушных включениях и порах внутри изоляции. Б этих условиях имеет место электрическое старение изоляционных материалов. Поэтому для повышения срока службы изоляции необходимо, по возможности, исключить поры и газовые включения из структуры стеклопластика. Однако применяемые в настоящее время для этого методы трудоемки и малоэффективны.

В современных условиях, наряду с повышением требований к физико-механическим свойствам электрической изоляции и стабильности их в процессе эксплуатации, ставится задача интенсификации производственных процессов, всемерного снижения себестоимости производства электроизоляционных материалов и повышение экономической эффективности их применения в народном хозяйстве. Однако в ряде случаев технология производства и выбор компонентов отдельных видов стеклопластиков не учитывает конкретные условия эксплуатации, что приводит к неоптимальным технологическим процессам и нерациональному применению стеклопластиков.

Например, широко распространенные стеклотекстолиты марки СТЭФ и СТЭФ-1 выпускаются промышленностью в больших количествах для применения в высоковольтном и низковольтном оборудовании. Для изготовления этих стеклотекстолитов используются дорогостоящие и дефицитные наполнители и связующие (стеклоткани Э1−100, ЭЗ-100, ЭЗ-200, эпоксидные смолы и т. д.) — в технологическом процессе изготовления СТЭФ и СТЭФ-1 имеется ряд трудоемких и дорогостоящих операций (например, отжиг стеклоткани), которые еще больше повышают их себестоимость. Вместе с тем применение этих стеклопластиков в высоковольтном оборудовании ограничивается низкой электрической прочностью вдоль слое*в, а при использовании их в низковольтном оборудовании эти материалы в соответствии со своими компонентами и технологией изготовления являются неоправданно дорогими. «.

Таким образом, возникает весьма сложная проблема совершенствования свойств стеклопластиков в части улучшения их диэлектрических свойств, с одной стороны, и всемерного повы шения их экономической эффективности в части применяемых компонентов и технологических процессов производства, — с другой.

Целью настоящей работы является внесение определенного вклада в решение этой важной народнохозяйственной проблемы.

Для решения этих вопросов был выбран в качестве объекта исследования промышленный образец стеклотекстолита СТЭФ-1, так как его свойства наиболее характерны для всех стеклопластиков, а серийный выпуск на специализированных предприятиях обеспечивает высокую стабильность и устойчивость технологического процесса, что является необходимым для проведения надежных экспериментов на промышленных образцах.

Были исследованы также промышленные и лабораторные образцы стеклотекстолитов СТЭФ, СТЭФ-НТ и некоторых других стеклопластиков и их наполнителей и связующих.

В результате проведения обширных исследований свойств стеклопластиков и их компонентов, установления взаимосвязи между их свойствами и технологическими процессами их изготовления установлены и выносятся на защиту:

I. Физическая модель стеклопластика как системы полимерной матрицы, равномерно распределенных переуплотненных стеклонитей и двух типов пор или газовых включений: иглообразных — внутри нитей и сферических или слабовытянутых в полимерной матрице, которая позволяет получить хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных по взаимосвязи электрических и структурных характеристик.

2. Рекомендации по усовершенствовании технологического процесса пропитки стеклонаполнителя, с целью повышения монолитности структуры стеклопластика.

3. Способ пропитки стеклонаполнителей, позволяющий существенно снизить воз, душные включения в структуре стеклопластика и соответственно повысить электрическую прочность стеклопластика вдоль нитей (или вдоль слоев) на 40−60%.

4. Технологический процесс изготовлониг. крупногабаритных стеклопластикоЕых вводов для герметизированных генераторных коммутационных аппаратов, существенно сни/хающий себестоимость вводов на класс напряжения 15,75 кВ и позволяющий создать вводы на более высокие классы напряжений, необходимость в которых возникает в связи с развитием атомной энергетики страны.

5. Рекомендации об исключении отжига стеклоткани из технологического процесса изготовления стеклотекстолита СТЭ®и об исключении растворов смол из технологии изготовления стеклопластиков, предназначенных для работы под воздействием высоких напряжений.

6. Высокоэффективный влагостойкий стеклотекстолит на основе недефицитного модифицированного связующего, заменяющий стеклотекстолит СТЗФ в низковольтном оборудовании.

I. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

В настоящей главе приводятся опубликованные данные об основных электрофизических и механических характеристиках стеклопластиков, изготовленных из различных исходных материалов (связующих и наполнителей). Рассматривается изменение этих характеристик в зависимости от технологии изготовления, а также от воздействия различных факторов (температуры, уси С" лоеии испытании и т. д.) и после различных видов старения (электрического, термического и т. д.).

Поскольку свойства стеклопластиков в значительной сте-пери определяются свойствами связующего, дан обзор работ и по исследованию свойств эпоксидных компаундов.

Выводы.

Рис.

64.

Опытно-промышленная установка для намотки стекло-пластиковык вводов гог диэлектрические и физико-механические свойства стеклопластиков и, кроме того, позволяет использовать высоковязкие связующие (без растворителей и разбавителей). Получены авторские свидетельства на изобретение способа пропитки и способа искусственного разрыхления структуры стеклонитей.

4. На основе результатов работы усовершенствован технологический процесс производства стеклопластиковых изоляторов типа ТСПВ, что обеспечило высокую стабильность их свойств в процессе длительной эксплуатации в качестве воздуховодов высоковольтных воздушных выключателей серии ВВБ на классы напряжений.

5. Предложен и внедрен новый способ формовки стекло-пластикового изолятора типа распорки, методом намотки, позволяющей в 3,5−4 раза повысить электрическую прочность материала конструкции. Получены авторские свидетельства на устройства для намотки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований комплекса характеристик стеклотекстолита СТЭФ-1 в условиях воздействия высоких напряжен-ностей электрического поля установлено, что под воздействием электрических разрядов в воздухе происходит деструкция макромолекул полимерного составляющего стеклотекстолита СТЭФ-1 (композиция эпоксидная +фенолформальдегидная смолы), что приводит к значительному увеличению его и? , уменьшению ^ и $, а также снижению кратковременной электрической прочности и механической прочностиснижение электрической прочности стеклопластиков в условиях длительного воздей-ствияствия высоких напряженностей электрического поля главным образом обусловлено частичными разрядами, возникающими в порах, имеющихся в толще материала. Следовательно, основные резервы повышения длительной электрической прочности стеклопластика заключаются в повышении монолитности его структуры.

Установлено, что отжиг стеклоткани практически не влияет на его диэлектрические свойства и не отражается на времени безотказной работы.

В результате исследования причин и условий образования структурных дефектов в стеклопластиках, а также их взаимосвязи с исходными компонентами и технологическим процессом производства установлено, что основной причиной неполной пропитки стеклонаполнителя и появления воздушных включений в материале изоляции является неоднородность структуры исходного стеклонаполнителя. Предложена модель стеклопластика как трехкомпонентной системы, состоящей из полимерной матрицы, переуплотненных волокон и воздушных включений, которая. обеспечивает хорошее совпадение расчетных и фактических дан-г-ных по взаимосвязи электрических и структурных характеристик стеклопластиков. Установлено, что для повышения степени пропитки стеклонаполнителя: пропитку следует производить при осевых нагрузках на нить Р < 500 г/нить, а в процессе пропитки необходимо использовать искусственное разрыхление структуры стеклонитей до значений объемного содержания стекла? — 50−60%- при использовании наполнителей" на основе стеклотканей и стеклонитей пропитку необходимо проводить в направлении, перпендикулярном слоям ткани и поперек нитейотверждение связующих должно проводиться в мягких режимах с достаточно длительной выдержкой на начальных стадиях для полного завершения капиллярной пропитки, а жизнеспособность (живучесть) связующего должна быть заведомо больше времени капиллярной пропитки.

Экспериментальные исследования полностью подтвердили вышеприведенные теоретические положения работы. Это позволило предложить устройство для принудительной пропитки стеклонитей в направлении, перпендикулярном элементарным волокнам, с одновременным вакуумированием связующего и наполнителя. Пропитка с применением этого устройства существенно повышает диэлектрические и физико-механические свойства стеклопластиков и, кроме того, позволяет использовать высоковязкие связующие (без растворителей и разбавителей). Получены авторские свидетельства на способы пропитки.

Показано, что наряду с интенсификацией пропитки целесообразно создание специальных связующих как для повышения электрической прочности стеклопластиков, применяемых на высоковольтных установках, так и для замены стеклопластиков типа СТЭФ на низковольтных установках. В соответствии с этим выводом разработан стеклотекстолит на основе модифицировани у и V о нои гексафенольнои смолы и ненасыщенных полиэфиров, который по своим физико-механическим и диэлектрическим свойствам может заменить стеклотекстолит СТЭФ на низковольтных установках. Получено авторское свидетельство на изобретение связующего. Кроме того, предложенные в работе связующие позволили усовершенствовать технологический процесс производства стек-лопластиковых изоляторов ТСПВ, что обеспечивает высокую стабильность их свойств в процессе длительной эксплуатации в качестве воздуховодов высоковольтных воздушных выключателей серии ВВБ на классе напряжений 35−1150 кВ.

Показано, что выбором схемы армирования стеклопластика, наилучшим образом соответствующего напряженному состоянию конструкции и направлению электрического поля можно значительно повысить электрическую и механическую прочности конструкции. В соответствии с этим выводом предложен и внедрен способ формовки стеклопластикового изолятора типа распорки, методом намотки, позволяющей в 3,5−4 раза повысить электрическую прочность материала конструкции. Получены авторские свидетельства на устройства для намотки.