Próba oceny polskich silikonów do potrzeb izolacji wysokonapięciowej

Lech Subocz*

Próba oceny polskich silikonów do potrzeb izolacji

wysokonapięciowej

P r z e d s t a w i o n e w y n i k i s ą p r ó b ą p o r ó w n a n i a p o l s k i e g o s i l i k o n u o n a z w i e G U M O S I L K ( p r o d . Z D S a r z y n a ) z g r u p ą ż y w i c e p o k s y d o w y c h s t o s o w a n y c h

w

k o n s t r u k c j a c h w y s o k o n a p i ę c i o w y c h . A c z k o l w i e k m a t e r i a ł b a d a n y ( G u m o s i l K ) n ie j e s t t y p o w y m m a t e r i a ł e m iz o l a c y j n y m , to j e d n a k u z y s k a n e w y n i k i b a d a ń w y t y c z a j ą k ie r u n k i m o d y f i k a c j i t e g o m a t e r i a ł u w c e l u z a s t o s o w a n i a g o n a k o n ­ s t r u k c j e w y s o k i e g o n a p i ę c i a . T e n d e n c ję d o s t o s o w a n i a s i l i k o n ó w , n p . n a i z o l a ­ to r y , o b s e r w u j e s i ę j u ż o d d a w n a . N a l e ż y z a t e m z i n t e s y f i k o w a d p o s z u k i w a n i a p o l s k i e g o m a t e r i a ł u o c e c h a c h p o r ó w n y w a l n y c h d o s i l i k o n ó w z a g r a n i c z n y c h .

S ł o w a k l u c z o w e : i z o l a c j a s i l i k o n o w a , s t a r z e n i e , w ł a ś c i w o ś c i e l e k t r y c z n e

The test of assessment Polish silicons to need of insulation high-voltage

T h e r e a r e s o m e d i f f i c u l t i e s a r i s i n g f r o m th e la c k o f s u i t a b l e k n o w l e d g e o n c h a n g e s in s i l i c o n in s u l a t i o n d u r i n g i t s p e r f o r m a n c e . T h e p r o b l e m h a d n o t b e e n p r a c t i c a l l y r e c o g n i z e d a s l o n g a s th e c o n v e n t i o n a l i n s u l a t i o n w a s c o n c e r n e d . T h e o t h e r p r o b l e m s a p p e a r e d in c o n n e c t i o n w i t h a g i n g o f th e m a t e r i a l s . T h e l a t t e r w a s i n i t i a l l y th e c a u s e o f m a n y u n s u c c e s s f u l t e s t s in r a n g e o f i n s u l a t i o n a p p l i c a t i o n s a s w e l l a s s o m e d i s t r u s t in i n s u l a t i o n d u r a b i l i t y . D u e to r e m a r k ­ a b l y h ig h c o s t s o f s i l i c o n e s th e f o r e i g n c o m p a n i e s d e c i d e d to s t a r t t e s t s o n P o l i s h h ig h v o l t a g e s i l i c o n p r o d u c t s o f b r a n d n a m e G U M O S I L K . I t is n o t a t y p i c a l e l e c t r i c - i n s u l a t i n g m a t e r i a l h o w e v e r , th e t e s t r e s u l t s m a y s e r v e a s th e d e t e r m i n a t i o n o f th e m a t e r i a l ą u a l i t y in v i e w o f i t s e l e c t r i c p r o p e r t i e s a n d f u r t h e r m o d i f i c a t i o n s f o r th e p u r p o s e s o f i n s u l a t i o n t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g .

K e y w o r d s : s i l i c o n in s u la t io n , a g i n g , e l e c t r i c p r o p e r t i e s

1. W p row ad zen ie

We współczesnej technice nie można sobie wyobra­

zić nowoczesnej izolacji bez użycia materiałów polime­

rowych, także elastomerów. Obecnie największą popu­

larność w dziedzinie izolacji wysokiego napięcia uzys­

kały silikony, które skutecznie wypierają tradycyjną por­

celanę i szkło, a nawet - niedawno wprowadzone - żywi­

ce epoksydowe. W związku z tym wystąpiły pewne trud­

ności wynikające z braku dostatecznej wiedzy na temat zmian właściwości izolacji silikonowej spowodowanych starzeniem w czasie jej eksploatacji. Zjawisko to prak­

tycznie nie było znane w przypadku izolacji tradycyjnej, której zdarzające się uszkodzenia powstawały raczej na skutek niewystarczającej wytrzymałości mechanicznej niż z powodu zmian elektrycznych spowodowanych sta­

rzeniem. Problemy te początkowo były powodem wielu nieudanych prób stosowania silikonów oraz braku zaufa­

nia do trwałości izolacji kompozytowej [1-5].

Wobec stosunkowo dużych kosztów silikonów z importu na Politechnice Szczecińskiej zdecydowano się na podjęcie badań zmierzających do oceny polskie­

go silikonu - Gumosilu K - jako materiału na izolacje wysokonapięciowe.

Nie jest on typowym materiałem elektroizolacyj- nym, niemniej uzyskane wyniki badań pozwolą na oce­

nę jakości tego materiału pod kątem właściwości elek­

trycznych oraz będą stanowiły podstawę dalszej jego modyfikacji dla potrzeb techniki izolacyjnej.

2. C zęść d o św ia d cza ln a

Przedmiot badań

Przedmiotem badań był Gumosil K - silikon pro­

dukowany przez Zakład Doświadczalny Silikonów w Nowej Sarzynie.

Próbki do badań

Próbki do badań formowano w następujący spo­

sób: badany materiał wylewano na szklany pręt o śred­

nicy 20 mm i długości całkowitej około 250 mm, a następnie kondycjonowano

h w warunkach pokojo-

* Politechnika Szczecińska, Instytut Elektrotechniki, Szcze­

cin

TOM 6 lipiec - październik 2002 r. S ćać& w t& iy nr 4-5

silikony

ilmwimmilrnm —

yffa1''1,f&%tiWri'l Ti""11

wych. Długość próbki z silikonu wynosiła 164 mm, a naprężenie powierzchniowe E= 0,51 kV/cm.

Metoda badania

Badania izolacji wysokonapięciowej wykonywano metodą karuzelową - Merry Go Round, Accelerated Trading Test Method CIGRE SC15-WG06 (MGR) - przyjętą przez komitet CIGRE w 1976 r. Początkowo była ona stosowana w Japonii i Norwegii, a następnie w Polsce (Instytut Elektrotechniki Politechniki Szcze­

cińskiej i Instytut Elektrotechniki, Wrocław) [1-3].

Na rys. 1 przedstawiono stanowisko do badań zain­

stalowane w Laboratorium Wysokich Napięć i Elektro- technologii Politechniki Szczecińskiej.

Rys. 1.

naprężenie ustalano przez dobór długości próbki.

W słonej mgle powstają wówczas PWNZ powodujące destrukcję badanego materiału (rys.

).

Rys.2.

a - G u m o sil K, b

-

3. W yn ik i b adań w ła śc i­

w ości izolacyjn ych m a te­

r ia łó w k o m p o z y t o w y c h m etod ą M G R

Wystarczającym wynikiem badań właściwości izo­

lacyjnych do wybranych kompozytów wykonanych metodą MGR były czasy, po których następowało zniszczenie badanych próbek. Były one różne, zależne od jakości materiału (rys.3).

Zastosowana metoda polega na starzeniu w okre­

ślonych warunkach materiałów kompozytowych po­

w ierzchniow ym i wyładowaniam i niezupełnym i (PWNZ) wywołanymi obecnością elektrycznych na­

prężeń powierzchniowych w warunkach dużej prze­

wodności powierzchni przy określonym elektrycznym napięciu powierzchniowym.

Próbki badanego materiału umieszczano na obroto­

wym kole, które zanurzano wraz z próbkami w solance o określonej przewodności na głębokość ok.

wyso­

kości koła. Na około 1/3 obwodu koła próbki poddawa­

no działaniu napięcia elektrycznego. Normatywne wa­

runki badania były następujące:

• wymiary próbek do badań: średnica

mm, dłu­

gość 164 mm,

• prędkość koła obrotowego 3 obr./min,

• konduktywność solanki 1,25 - 1,34 mS/cm,

• temperatura 28 - 32°C.

Do próbek materiału przykładano wysokie napięcie o wartości takiej, aby średnie powierzchniowe napręże­

nie izolacji wynosiło 0,1-1,0 kV/cm. W praktyce ozna­

cza to, że napięcie nie jest wyższe niż 10-40 kV. Średnie

Rys.3.

Do tego rodzaju badań stosuje się duże ilości pró­

bek materiałowych (nominalnie minimum 24) w celu ograniczenia rozrzutów wyników pomiarów. Mimo to

Sbz& toepienty nr 4-5 lipiec - październik 2002 r. TOM 6

kMt*

silikony

osiągają one w praktyce ±10%. Mogą zatem wystąpić przypadki, dla których trudno jest odróżnić cechy pew­

nej grupy materiałów od innych badanych materiałów (czasy „życia” mieszczą się w granicach błędów). Du­

żym ułatwieniem jest pomiar prądu upływu Iu na prób­

kach materiałowych. Prąd ten może mieć przebiegi cza­

sowe zależne od sposobu zniszczenia w czasie próby MGR.

Rys.4.

w

Obserwuje się zmiany prądu upływu, które mogą mieć postać wykładniczo narastającego procesu rozwo­

ju ścieżek przewodzących lub stabilizującego się po pewnym czasie procesu powolnej destrukcji. Na rysun­

ku 4 przedstawiono prądy upływu dla kompozytów na podstawie żywic epoksydowych*. Tendencja zmian prądu upływu po wstępnej fazie starzenia przesądza o jakości materiału badanego - jeżeli prąd ten narasta, to należy się spodziewać szybkiego przebicia, a jeżeli prąd stabilizuje się, oznacza to, że naprężenie to może być brane pod uwagę jako dopuszczalne dla danego materiału [6-9].

4. P osu m ow an ie

Czas życia Gumosilu K przy naprężeniu E=0,51 kV/cm ocenia się na 150 - 200 h. Czas ten jest krótszy w porównaniu ze wcześniej badanymi metodą MGR żywicami epoksydowymi.

Gumosil K odznacza się umiarkowaną odpornoś­

cią na powierzchniowe wyładowania niezupełne, ale w urządzeniach, w których naprężenia elektryczne nie

przekraczają około 0,2 kV/cm może być z powodze­

niem stosowany.

W celu zastosowania Gumosilu K w wysokonapię­

ciowej technice izolacyjnej należy poddać go modyfi­

kacji przez wprowadzenie odpowiednich napełniaczy, takich jak: krzemionka lub tlenek glinu. Należy się spo­

dziewać, że po modyfikacji znacznie wzrośnie odpor­

ność kompozytu na łuk elektryczny i prądy pełzające, które warunkują powodzenie w stosowaniu zmodyfiko­

wanego Gumosilu K do urządzeń wysokiego napięcia.

Literatura

1. G u b a ń s k i S .M . - E r o s i o n R e s i s t a n c e o f D i f f e r e n t H o u s i n g M a t e r i a l s to H V I r r a d i a t i o n a n d S u r f a c e D i s c h a r g e s A c t i o n . P r o c . 6 th I E E D M M A 1 9 8 8 , C o n f C a n t e n b u r y U K , I E E C o n f P u b l., N o 2 8 9 , p . 3 7 - 4 0 .

2 . G u b a ń s k i S .M . - E x p e r i e n c e w it h th e M e r r y G o R o u n d T e st. I E E E T r a n s , o n E l. I n s u i.

Vo/.,

3 . G o r u r R .S ., C h e r n e y E .A ., H a c k a m R ., O r b e c k T. - T h e E l e c t r i c a l P e r f o r m a n c e o f P o l y m e r i c I n s u l a ­ ti n g M a t e r i a l s u n d e r A c c e l e r a t i n g A g i n g in a F o g C h a m b e r . I E E E T r a n s , o n P o w e r D e l i v e r y , 1 9 8 8 , 3 , 3 , p . 1 1 5 7 - 1 1 6 4 .

4 . Z a j ą c W., W i n k le r J. - A g i n g o f E p o x i d e C o m p o s i ­ t i o n s f o r H V O u t d o o r I n s u l a t i o n : D i a g n o s t i c P r o ­ c e d u r e s a n d E s t i m a t i o n C r i t e r i a . P r o c . 6 th IS H , N e w O r l e a n U S A 1 9 8 9 , p . 4 7 , p a p . 3 1

5 . S u b o c z E ., Z a j ą c W. - S p r a w o z d a n i e n r 0 4 2 - 2 9 7 4 / 2 - 2 - 1 - 0 9 - B a d a n i e t r w a ł o ś c i w y b r a n y c h t w o r z y w p o l i m e r o w y c h d l a p o t r z e b w y s o k o n a p i ę ­ c i o w e j i z o l a c j i n a p o w i e t r z n e j

.

6. W i n k le r J ., Z a j ą c W., S u b o c z L. - I n v e s t i g a t i o n s o n th e a p p l i c a t i o n s o f h ig h v o l t a g e o u t d o o r e p o x y r e ­ s i n i n s u l a t o r s a n m e t h o d s o f t h e i r e s t i m a t i o n . C o ll . C I G R E , S C - 1 5 , W G - 0 6 , H e l s i n k i, 1 9 7 7 7. S u b o c z L. - D o b ó r k o m p o z y t ó w i z o l a c y j n y c h n a

k o n s t r u k c j e w y s o k i e g o n a p i ę c i a n a p o d s t a w i e b a ­ d a ń s t a r z e n i o w y c h . X I I K o n f e r e n c j a N a u k o w a

„ M o d y f i k a c j a p o l i m e r ó w ” W r o c ł a w - K u d o w a Z d r ó j , 1 1 - 1 5 w r z e ś n i a 1 9 9 5 , s. 3 9 6 - 3 9 7

8 . S u b o c z L . - T h e e p o x y c o m p o s i t e s w i t h s i l i c o n e r u b b e r p r o t e c t i v e . 3 6 T H 1 U P A C I n t e r n a t i o n a l S y m ­ p o s i u m o n M a c r o m o l e c u l e I U P A C M a c r o , 1 9 9 6 , A u g u s t 4 - 9 , S e o u l, K o r e a , p a p . 6 - P 0 5 - 3 8 , p . 9 4 6 9. S u b o c z L.

-

k o m p o z y t ó w (j. r o s ) , A N B i a ł o r u s i , H o r n e i 1 9 9 9

* Gumosil K w obecnej postaci jest słaby pod względem wytrzymałości elektrycznej i próba wyznaczania dla niego zależności jak na rys. 4 byłaby przedwczesna.

TOM 6 lipiec - październik 2002 r. £CaAto*Keruf nr 4-5

silikoitu

'mmmmiSMi