CC BY
40
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 204 1971
СВОЙСТВА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕЗИН
М. Н. ТРЕСКИНА, Н. Р. ГОНЧАР, С. Ф. ГОДУНОВА
(Представлена научным семинаром кафедры электроизоляционной и кабельной
техники)
В гибких высоковольтных кабелях напряжением 6 кв и выше незаменимым материалом для изоляции является резина. Вследствие структурных и технологических особенностей резине присуща пористость. При работе резиновой изоляции в электрическом поле напряженностью 3 кв/мм и выше в газовых порах происходит ионизация, приводящая к ухудшению основных свойств резиновой изоляции гибкого кабеля.
К высоковольтным резинам предъявляется наряду с другими, требование высокой озонной и коронной стойкости. Повышение озонной и коронной стойкости резин может быть достигнуто путем применения специальных каучуков и стабилизаторов, наиболее эффективным является применение синтетических каучуков с малой непредельностыо. По озоностойкости каучуки, применяемые в высоковольтных резинах, могут быть расположены в ряд по убывающей степени: кремний — органический (предельное соединение), этилен-пропиленовый (предельное соединение), бутилкаучук (непредельность 0,6-г-1,0 мол%), натуральный каучук (непредельность до 96 мол%) [1]. По данным [2] короностой-кость бутилкаучуковой резины в 2 раза выше, чем резины на основе натурального каучука, короностойкость этилен-пропиленовой резины в 1000 раз выше, чем короностойкость бутилкаучуковой резины. Таким образом, с уменьшением непредельности каучука увеличивается озонная и коронная стойкость резин.
Однако малая непредельность каучуков затрудняет процесс вулканизации резиновых смесей, обусловливает подбор специальных вулканизирующих групп, состава смеси и выбор режимов вулканизации, что оказывает влияние на свойства резины.
В данной работе исследованы электроизоляционные и механические свойства изоляционных резин на основе различных каучуков: бутилкау-чуковая резина (БК), этилен-пропиленовые резины на основе СКЭП (ЭПР) и на основе тройного сополимера (ЭПТФ), кремнийорганические резины на основе каучука «Силастен-50» (КО-1) и на основе каучука СКТ (КО-2), кремннйорганическая резина на основе фторсодержащего каучука (КО-Ф) и резина ТСШ-35А. Резиновые смеси выполнены по типовым рецептурам и свулкакизованы в лаборатории ТомНИИКП.
Для оценки свойств изоляционных резин в условиях, близких к эксплуатационным, исследования проведены на образцах различных толщин (1 мм и 4-н5 мм) в температурном интервале от +20 до +120°С.
Оценка устойчивости резин к воздействию теплового поля сделана по изменению механических свойств.
Удельное объемное сопротивление резин рассчитывалось по токам, измеренным на гальванометрической установке с помощью лампового электрометра, после 1-минутной выдержки образца под напряжением и е резин определены с помощью моста Р — 525. Электрическая прочность оценивалась по пробивному напряжению образцов резин при электродах игла-плоскость. Толщина пробиваемого слоя (0,8 мм и
Рис. 1. Зависимость р^ от температуры для резин при толщине образцов 4—5 мм _О—_^ТСШ-35 А,___X__бутилкаучуковая резина (БК), _ 9_ резина на основе этилен-пропилено-
вого каучука твердостью по Дефо 280 Г с Аэросилом (ЭПР), __Ф__ этилен-пропиленовая резина на основе тройного сополимера (ЭПТР),__Д_ кремнийорганическая
резина на основе каучука «Силостен-50» (КО-1),
_^_ КО-резина на основе каучука СК'Г (КО-2),
__д__КО-резина на основе фторсодержащего каучука (КО-Ф)
2,5 мм) устанавливалась при перемещении иглы с помощью микромет-ренного винта. Измерения механических свойств резин проведены по стандартной методике.
Полученные экспериментальные данные представлены на рис. 1-^5 и в табл. 1.
Для всех исследуемых резин температурные зависимости, свойств 5 V , е аналогичны для тонких (1 мм) и толстых слоев (4—5 мм).
с§ Таблица 1
Электроизоляционные и механические свойства резины ТСШ-35А, бутилкаучуковой (БК) этилен-пропиленовых (ЭП) и кремнийорганических резин (КО)
Характеристика Резина ТСШ-35А БК-резина ЭП-резина на основе СКЭП ЭП-резина на основе тройного сополимера КО- резина на основе „Силас-тен—50" КО-резина на основе СКТ КО-резина на основе фторсо-держагцего каучука
1 2 3 4 5 6 7 8
ру , ом см
при 20°С 1-1015 6-1015 1,7-101* 6,3-10« 8-10^ 1,6-1013 5,6-10'°
при Ю0°С 3,2 • 101- 1,8-1013 8-10И 8-1012 5-Ю13 Ы012 <10*
Кратность уменьшения 3,1'Ю2 3,3-102 2,1-10- 8-10з 16 16 >10^
хеб
при 20°С 0,004 0,010 0,006 0,007 0,003 0,130 0,150
при 100°С 0,060 0,026 0,026 0,024 0,030 0,150 60°С—0,99
Кратность увеличения 15 2,6 4,3 3,4 10 1,15 6,6
е при 20°С 3,77 2,37 3,60 3,54 3,0 10,0 6,6
при 100°С 3,87 2,58 3,52 3,50 2,8 10,5 60°С —14,0
% изменения + 2,7 +8,9 -2,2 -1,1 -6,7 + 5 + 112
£/прср. при толщине слоя 36,8 38,0 36,2 37,3 39,8 27,3 25,4
2,5 мм, кв среднеквадратичное отклонение, кв 3,74 3,75 2,99 1 1 3.38 4,37 2,22 2,74
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7 8
кг •
Разрывная прочность, сл*2
до старения 75,0 48,4 25,9 34,8 52,9 25,7 63,0
после 4 сут. старения при 120°С 51,3 47,0 31,2 34,3 53,8 29,4 61,0
% изменения -31,6 —2,9 +20 -1,4 + 1,7 + 14,4 -3,2
Относит, удлинение, % до старения 486 668 683 572 426 463 467
после 4 сут старения 446 622 711 268 401 458 364
% изменения -8,2 —6,9 + 4,1 —53 -5,9 -1,1 — 22
Остаточное удлинение, % до старения 44 52 29 19 0 5 23
после 4 сут. старения 44 49 35 0 0 4 17
% изменения 0 —5,8 +20 — 100 — -20 —26
Пробивная напряженность образцов резин при толщине слоя 2,5 мм на 40—50% меньше пробивной напряженности образцов при толщине слоя 0,8 мм.
При температуре 20°С наибольшим значением рк обладает резина ЭПТР ( рк=6,3-1016 ом см), наименьшим р1—резина КО-Ф ру = 5,6-1010 ом см) (рис. 1). При повышении температуры до 100°С замечено значительное (в 8- 103 раз) уменьшение резины ЭПТР и несущественное (в 16 раз) резин КО-1 и КО-2 (табл. 1).
Исследуемые резины при 20°С имеют близкие значения 1^6, составляющие 0,003-^0,010 (рис. 2). Исключение составляют кремнийор-
Рис. 2. Зависимость б от температуры для резин при толщине образцов 4—5 мм. Обозначения — см рис. 1
ганические резины, обозначенные выше КО-2 и КО-Ф, tgд которых равен 0,12-^0,15. При повышении температуры до 100°С резин ТСШ-35А, КО-1 и КО-Ф увеличивается в 10-15 раз, для остальных резин возрастание составляет 2—4 раза. Диэлектрическая проницаемость БК-резины составляет 2,37, е кремнийорганических резин КО-Ф и КО-2 равны 6,5 и 10 соответственно, для остальных резин е = 3 — 3,8. С повышением температуры е резин ЭПР, ЭПТР, КО-1 уменьшается, е остальных резин увеличивается (рис. 3).
Лучшей по электрической прочности является резина КО-1, худшими КО-2 и КО-Ф (рис. 4).
Из сравнения электроизоляционных свойств исследуемых резин видно, что кремнийорганическим резинам на основе фторсодержащего
каучука и СКТ присущи значительная электропроводность, высокие tg6 и е, следовательно высокая полярность, низкое значение электрической прочности. Кроме того, резина с СКТ уступает остальным по механической прочности.
По электроизоляционным свойствам лучшими являются бутилка-учуковая резина, этилен-пропиленовая резина на основе тройного
Рис. 3. Зависимость е от температуры для резин при толщине образцов 4—5 мм. Обозначения — см рис. 1
Рис. 4. Интегральные кривые вероятности пробоя образцов резин толщиной 4—5 мм при напряжении переменного тока, при электродах игла-плоскость и толщине пробиваемого слоя 2,5 мм. Обозначения — см. рис. 1
сополимера и кремний-органическая резина на основе «Силастен-50», но механическая прочность их на 36, 53 и 30% соответственно меньше прочности стандартной резины ТСШ-35А. Кроме того, в процессе теп-
лового старения резины ЭПТР наблюдается значительное уменьшение относительного и остаточного удлинений (рис. 5). В работе замечено увеличение р у и уменьшение этой резины после дополнительного нагревания до температуры 100°С, что может быть связано с продолжающимся процессом вулканизации при нагревании резины.
В работе проведено сравнение свойств этилен-пропиленовой резины на основе тройного сополимера в зависимости от непредельности
Рис. 5. Изменение разрывной прочности и относительного удлинения резин в процессе теплового старения при 120°С. Обозначения — см. рис. 1
(от 0,86 до 1,13 мол%) последнего. Изменение непредельности каучука от 0,86 до 1,13 мол% не приводит к значительному изменению диэлектрических и механических свойств резины ЭПТР.
Резина ЭПР на основе этилен-пропиленового каучука имеет достаточно высокие диэлектрические свойства, но низкую механическую прочное-ть (табл. 1).
В работе проведено сравнение свойств резины ЭПР в зависимости от твердости каучука. Диэлектрические свойства резины не зависят от твердости каучука, а механические свойства улучшаются с увеличением твердости каучука: увеличение твердости по Дефо от 280 Г до 800 Г приводит к возрастанию на 44% разрывной прочности, на 30% относительного удлинения и в 2 раза остаточного удлинения резины ЭПР. Кроме того, замена в этих резинах наполнителя-мела химического белой сажей типа Аэросил приводит к значительному повышению меха-
нической прочности (на 75%), относительного удлинения (на 50%), остаточного удлинения (в 3 раза).
Таким образом, имеется возможность получить озоно-короностой-кую этилен-пропиленовую резину с высокими диэлектрическими и механическими свойствами.
В работе проведено сравнение свойств двух бутилкаучуковых резин с различными вулканизующими группами: 1) бессернистая, состоящая из парахинондиоксима, альтакса, перекиси марганца, 2) сернистая, состоящая из парахинондиоксима и серы.
На рис. 1—5 и в табл. 1 приведены данные для БК — резины с бессернистой группой.
Бутилкаучуковая вторая резина имеет худшие по сравнению с БК — резиновой первой (бессернистой) электроизоляционные и механические свойства:
ипр меньше на 10%, р у меньше в 4 раза, при 100°С больше в 4 раза, е больше в 1,5 раза, разрывная прочность, относительное и остаточное удлинение меньше на 10, 20 и 18% соответственно и в процессе теплового старения при 120°С в течение 4 суток уменьшаются на 28, 37 и 45% соответственно (для бессернистой резины уменьшение при тепловом старении составляет 3,0, 7,0 и 5,8%).
Повышенная теплостойкость БК-резин с бессернистой группой по сравнению с сернистой БК-резиной объясняется более стойкими к термохимическим воздействиям поперечными связями -С-С- и С-О--С- О по сравнению со связями — С- 5- С-. Кроме того, в резинах с бессернистой вулканизующей группой остаточная ненасыщенность меньше, чем в сернистых резинах [1]. Поэтому БК-резина бессернистая является более озоностойкой по сравнению с сернистой БК-резиной.
В работе получено заметное ухудшение свойств сернистой БК-ре-зины при увеличении толщины образцов от 1 до 5 мм, что свидетельствует об увеличении неоднородности изоляции с увеличением толщины. Это подтверждается и большим значением среднеквадратичного отклонения ¿7пр. сернистой резины, составляющим 4,3 кв при /7пр.ср. =35 кв (для бессернистой резины 3,75
Кв ПрИ ¿/пр.ср. • — 38 КЗ.).
Изучение изменения механических свойств резин в процессе теплового старения при 120°С показало (рис. 5), что со временем старения резин на основе каучуков, имеющих непредельность, происходит уменьшение разрывной прочности (резины ТСШ, БК, ЭПТР), а о резин на основе предельных каучуков (резины ЭПР, КО-1, КО-2) со временем старения возрастает, что возможно связано с процессами деструкции в первом случае и со структированием — во втором случае. В процессе теплового старения замечено значительное уменьшение относительного и остаточного удлинений резин ТСШ, БК и ЭПТР. Относительное удлинение кремнийорганических резин со временем старения незначительно уменьшается, а резины ЭПР незначительно возрастает.
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
1. По электроизоляционным свойствам лучшими резинами из рассмотренных являются бутилкаучуковая, этилен-пропиленовая на основе тройного сополимера и кремнийорганическая на основе каучука «Силастен-50». Однако резина ЭПТР имеет низкую разрывную проч-
кГ
ность 34,8 - и резкое уменьшение при тепловом старении относись2
тельного и остаточного удлинений.
2. Исследованные кремнийорганические резины на основе СКТ и фторсодержащего каучука имеют низкие электроизоляционные и механические (резина с СКТ) свойства.
3. Изменение непредельности тройного этилен-пропиленового каучука от 0,86 до 1,13 мол% не оказывает существенного влияния на диэлектрические и механические свойства резины.
4. Увеличение твердости по Дефо от 280 Г до 800 Г этиленпропиле-нового каучука приводит к возрастанию на 44% разрывной прочности, на 30% относительного удлинения и в 2 раза остаточного удлинения резины. Замена в этилен-пропиленовой резине мела химической белой сажей типа Аэросил приводит к повышению на 75% с, на 50'% ег вЗ раза остаточного удлинения.
5. Бутилкаучуковая резина с сернистой вулканизующей группой имеет худшие диэлектрические и механические свойства,, меньшую теплостойкость, большую неоднородность по сравнению с бессернистой БК-резиной.
ЛИТЕРАТУРА
1. П. М. Глупушкин, А. Е. С а а к я н, Д. П. Щербаков. Кабельные резины, «Энергия», 1966.
2. Отчет о посещении специалистами-кабельщиками заводов Италии. ОНТИ, 1966.
3. D a v i n i G. Современное развитие кабелей высокого напряжения, изолированных этилен-пропиленовой резиной «Mater, plast. ed elast.», 1967, 33, № 3.
4. Л. И. Кранихфельд, Т. М. О р л о в и ч, Л. 3. X а з е н. Кремнийорганические резины в кабельной технике. ВНИИЭМ, 1966.
