CC BY
16
Г.К.Новиков, А.С.Жданов
Упругий удар электронами ш ионизационное старение полимерной кабельной изоляции
В работе осуществлялось исследование влияния ионизационного старения на величину электретной разности потенциалов и время релаксации для полимерной кабельной полиэтиленовой (ПЭ) и поливинил-хлоридной (ПВХ) изоляции. Ионизационное старение кабельной изоляции осуществлялось в ионизационной ячейке в плазме барьерного электрического разряда при напряжении 20 кВ б течение 1 часа,
Результаты проведения испытаний по старению изоляции из несшитого ПЭ и ПВХ пластиката показали, что наиболее существенное ионизационное старение в указанных условиях наблюдается для несшитого полиэтилена без светостабилизирующих добавок (рис. 1, 2). После ионизационного старения существенно уменьшается время релаксации электретной разности потенциалов У9.
После часового ионизационного старения время релаксации электретной поляризации в ПЭ изоляции уменьшается с 10 мин до 3 с - более чем на два порядка и это изменение времени носит обратимый характер. После длительной выдержки ионизационно состаренной ПЭ изоляции при комнатных условиях (более 30 дней) или после кратковременного нагрева-
ния ионизационно состаренной кабельной ПЭ изоляции до 80°С время релаксации электретной разности потенциалов восстанавливается до первоначального значения - 10 мин. Это свидетельствует об обратимом увеличении поверхностной электропроводности ПЭ кабельной изоляции после ионизационного старения (см. рис, 2).
Из рис. 2 также следует, что ионизационное старение в вышеуказанных условиях не оказывает существенного влияния на релаксационные процессы в кабельной изоляции из ПВХ пластиката, Время релаксации электретной разности потенциалов в ПВХ кабельной изоляции до и после ионизационного старения не изменяется, что свидетельствует о постоянстве электропроводности ПВХ до и после ионизационного старения.
Электропроводность кабельной ПЭ и ПВХ изоляции после ионизационного старения определяется процессами накопления радиационных дефектов в виде радикалов, образовавшихся в результате разрыва отдельных связей в полимерных цепях молекул [1-4]. Однако из результатов измерений следует, что в изоляции ПВХ накопления радиационных радикалов после ионизаци-
Н Н
Разрыв боковой связи полимерной цепи ПЭ
Разрыв основной связи полимерной цепи ПЭ
- н I С1
I -С ^ Г
_ н н
Разрыв боковой связи полимерной цепи ПВХ
Разрыв основной связи полимерной цепи ПВХ
Рис.1. Схема разрыва связей в ПЭ и ПВХ изоляции по а действием частиц барьерного разряда
Ж Энергетика
чгжл _
1 2 34567 8 1, мин.
Рис. 2. Зависимости ]/>=((!) для кабельной ПЭ (1, 2) и ПВХ (3, 4) изоляции ао (1, 3) и после (2, 4) ионизационного старения (У„=20 кВ, К=1 ч)
онного старения не происходит и ее электропроводность остается постоянной до 'и после ионизационного старения. Полученный экспериментальный результат можно объяснить, если рассмотреть химическое строение полимерных молекул ПЭ и ПВХ. Оба полимерных материала имеют цепочечное строение.
В результате взаимодействия с бомбардирующими поверхность полимера при ионизационном старении заряженными частицами газового разряда возможными становятся разрывы отдельных химических кова-лентных связей в цепях полимерных молекул ПЭ и ПВХ. Гипотетически можно предположить три варианта разрыва химической связи в полимерной цепи ПЭ и ПВХ: 1 - разрыв боковой связи полимерной молекулы, с образованием бокового радиационного радикала; 2 -разрыв основной связи полимерной молекулы с образованием радиационного радикала в основной цепи полимерной молекулы; 3 - одновременный разрыв боковой и основной связей цепи полимерной молекулы с образованием соответствующих радикалов.
Полученные экспериментальные данные по ионизационному старению ПЭ и ПТФЭ пленок свидетельствуют о том, что в результате ионизационного старения происходит только' разрыв боковой связи для полимерной молекулы полиэтилена. В полимерной изоляции ПВХ и боковые и основные связи полимерной цепи в результате ионизационного старения не повреждаются и остаются без изменения, о чем свидетельствует неизменность времени релаксации электретной разности потенциалов и проводимости ПВХ до и после ионизационного старения,
Более высокую стойкость ПВХ по сравнению с ПЭ к ионизационному старению (см. рис. 2) можно объяснить только тем, что в результате ионизационного старения повреждаются сравнительно слабые боковые свяци С-Н в полиэтилене. Более прочную связь С-С1 в
поливинилхлориде бомбардирующие частицы из газового разряда оказываются разорвать не в состоянии. Это же можно заключить и о прочной связи С-С основной цепи полимерной молекулы, которая оказывается одинаковой для молекул ПЭ и ПВХ.
Экспериментальные результаты по ионизационному старению ПЭ и ПВХ кабельной изоляции свидетельствуют о том, что основной причиной ионизационного старения полимерной, кабельной изоляции является упругий удар электронами, которые способны эффективно передавать свою кинетическую энергию сравнительно легким атомам водорода в боковых связях ПЭ. Более тяжелые атомы хлора ПВХ изоляции при упругом столкновении с электронами газового разряда практически не изменяют своей кинетической энергии, и связь С-С! по этой причине оказывается менее уязвима для повреждений в ходе ионизационного старения. Этим может быть обьяснена более высокая стойкость ПВХ изоляции к ионизационному старению по сравнению с кабельной ПЭ изоляцией.
На рис. 3 представлены зависимости 1ду=^1Я) для несшитой и сшитой кабельной изоляции до и после 60 минут старения в электрическом газовом барьерном разряде. Видно, что зависимости 1ду=И(1/Т) для необработанного разрядом сшитого и несшитого ПЭ практически не различаются между собой, это свидетельствует о том ,что после сшивки в ПЭ не появляется новых центров захвата носителей заряда, которыми, по-видимому, являются полярные С-Н связи, концентрация которых уменьшается в процессе сшивания ПЭ, Из рис. 3 также следует, что ионизационное старение вызывает увеличение проводимости ПЭ изоляции в области низких температур. Наиболее сильное увеличение проводимости после ионизационного старения наблюдается для несшитой ПЭ изоляции, В сшитом полиэтилене проводимость возрастает существенно
6 10 14 18 5040/Т _I_L_I_L__I ►
400 300 200 100 20 T°C
Рис, 3. Зависимости lgy*f(l/T) для кабельной изоляции из сшитого (I, 3) и несшитого (2, 4) полиэтилена до (1, 2) и после (3, 4) старения в барьерном разряде
меньше, что свидетельствует о более высокой стойкости сшитой полиэтиленовой изоляции по отношении к ионизационному старению в газовой плазме электрического барьерного разряда,
Проводимость ПВХ кабельной изоляции не изменяется после ионизационного старения в течение 30 мин, В электрическом газовом барьерном разряде (см. рис. 3), Этот результат хорошо согласуется с результатами определения времени релаксации до и после ионизационного старения.
Из всего вышесказанного можно сделать заключение о том, что упругий удар электронами из газового разряда является основной причиной ионизационного старения полимерной кабельной изоляции,
библиографический список
1. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. - Л.: Изд-во Лэнингр, Ун-та, 1979, - 240 с,
2. Новиков Г,К., Смирнов А.И., Бардаков В.М, Способ измерения электрической прочности, времени релаксации и проводимости изоляции электрических проводов и кабелей, Патент РФ № 2915002, БИ № 35, 2002.
3. Новиков Г.К., Новикова АН. Способ определения электрической прочности твердых диэлектриков. Патент РФ № 2086995, БИ № 22, 1997.
4. Новиков Г.К., Койков С.Н„ Борисова М.Э. Изучение спектров ТСД пленок полиэтилентерефталата, обработанных в барьерном разряде, Электрическая релаксация и элек-третный эффект в твердых диэлектриках. - Л: Изд-во ЛГПИ, 1979. - С. 43-46.
