Файл: Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности.pdf

кой прочности. С другой стороны, А. А. Воробьевым и Е. К. Завадовской при изучении электрического пробоя ще­ лочно-галоидных кристаллов установлена пропорциональ­

уменьшении ее зависимости от температуры. Действитель­ но, слабое взаимодействие между макромолекулами, осу­ ществляемое в линейном полимере при помощи сил Ван- дер-Ваальса, обратно пропорциональных седьмой степени расстояния [189], заменяется в сшитом полимере С—С свя­ зями, имеющими прочность 84 ккал;моль [270]. Вследствие этого механические свойства радиационных вулканизатов при повышенных температурах лучше, чем у химических (серных). Поскольку же между механическими и электро­ прочностными характеристиками сшитого ПЭ имеется кор­ реляционная зависимость [268], то справедливость изложен­ ных предположений становится очевидной. Эти соображе­ ния хорошо согласуются с экспериментальными данными. При низких температурах значения пробивной прочности облученного и необлученного полиэтилена практически близ­ ки между собой. Согласно [15], с ростом температуры элект­ рическая прочность РМПЭ должна падать быстрее, чем не­ облученного ПЭ (видимо, вследствие наличия радиационных нарушений в кристаллических доменах), хотя по абсолютной величине при низких температурах должна быть выше, чем у необлученного (вследствие сшивки). Вместе с тем экспе­ рименты показывают, что температурный коэффициент про­ бивного напряжения РМПЭ ниже, чем у исходного мате­ риала.

Теория Штарка — Гартона [268] объясняет снижение электрической прочности полиолефинов с ростом темпера­ туры эффектом электростатического сжатия. Наличие внеш­ него сходства между температурными зависимостями про­ бивного напряжения и модуля упругости полиэтилена выз­ вало следующее предположение. Разрушение Г1Э происходит вследствие механических причин, а электрическое поле приводит к электростатическому сжатию, зависящему от модуля упругости материала. Увеличение последнего при больших интегральных дозах говорит в пользѵ предложен­ ной теории. До 1965 г. отсутствовали экспериментальные

248

исследования, подтверждающие электромеханическую тео­ рию пробоя.

Экспериментальные результаты работ [211,226] не пока­

Штарка и Гартона она должна быть равна 2 • 10~5 и 4 • 10~5 м, соответственно, для образцов толщиной 5 • ІО-5 и 1 • ІО-4 м.

Исследованием температурной зависимости электрической прочности полимеров установлено [132] совпадение темпе­ ратур начала перелома зависимостей

1па = {(т ); т- = * ( т ) ’ Enp= f ( i ) ,

сопровождающегося резким возрастанием электропровод­ ности и снижением электрической прочности. Сравнение за­ висимостей

^ с = { ( т ) и 18ипр= ^ т )

показало, что угол наклона на участке наиболее резкого снижения и пр с ростом температуры примерно в 2 раза мень­ ше угла наклона первой зависимости, что хорошо согласу­ ется с теорией теплового пробоя.

Однако стабилизация пробивных напряженностей поля и

нарушение параллельности зависимостей lg° = f ^ y j И

lg (Jnp = f ^ -у j при высоких температурах, а также то, что

образцы с более низкой электрической прочностью не обла­ дают при прочих равных условиях более высокой электро­ проводностью ни при низких, ни при повышенных темпера­ турах, позволили сделать вывод о том, что теория теплового (как и электромеханического) пробоя не объясняет полу­ ченные экспериментальные данные по пробою исследован­ ных полимеров и во всем исследованном температурном диапазоне он носит чисто электрический характер [132]. С другой стороны, расчеты [162] свидетельствуют о прием­ лемости гипотезы о тепловой форме пробоя полиэтилена и полистирола при высоких температурах, хотя она не может объяснить увеличение Епр с повышением модуля упругости полимера. В работах ]213, 232] доказано наличие теплового пробоя пластифицированного поливинилхлорида в темпера­ турном интервале 40 ф 70°С.

249

Согласно теории электрического пробоя полимеров, раз­ работанной Артбауэром [205-г 208], снижение электрической прочности полимеров с повышением температуры объясня­ ется ростом неоднородности структуры (увеличением сво­ бодного объема). В работе [162] приводятся возражения против некоторых предпосылок данной теории. На зависи­ мость электрической прочности материалов от гомогенности их структуры указывается также в работе [222]. В связи с

могенности структуры при прочих равных условиях увели­ чивается электрическая прочность. Так, в сильно неравно­ мерном электрическом поле игла — плоскость при межэлек­ тродном расстоянии, равном 8 мм, пробивные напряжения ПЭ, эпоксидной смолы и фарфора составляют, соответствен­ но, 90, 76 и 23 кв (электрическая прочность, соответственно 11,20, 9,50 и 5,37 кв’мм). С увеличением межэлектродных расстояний (толщины образцы) электрическая прочность всех

как увеличение свободного объема делает возможной более легкую реализацию удлинения (проскальзывание макромо­ лекул полимера относительно друг друга). Наиболее рез­ ко увеличивается концентрация неоднородностей Р в облас­

ти резкого снижения Епр, возрастания In о и у от темпера­

туры. В рассматриваемой работе показано также, что при возрастании Р с ростом температуры локальная напряжен­ ность поля в диэлектрике практически не изменяется.

Из изложенного видно, что единого мнения о механи­ зме пробоя полимеров в однородном поле под действием повышенной температуры в настоящее время не существу­ ет. Можно предположить, что в данном случае имеет место комбинированный, электротепловой пробой с превалирова­ нием первого или второго механизмов. Не исключено также, что определенный вклад при воздействии температуры вно­ сит электрохимическая форма пробоя.

250

Электрическая прочность полимеров в значительной сте­ пени зависит от их надмолекулярной организации, в част­ ности от размеров и формы структурных образований. В работах [77, 78] показано, что с уменьшением размеров сферолитов (одной из наивысших форм надмолекулярной структуры) Епр повышается. Сферолитная структура неко­ торых полимеров (ПЭ, полипропилен) может изменяться в зависимости от величины и экспозиции воздействия на них температуры. Рост экспозиции увеличивает эквивалентный диаметр сферолитов (<3Сф). Так, нагреванием ПЭНД при 220 — 260°С от 1 мин. до 3 час. удается получить сферолиты с диаметром от 5 до 145 мкм. Увеличение <4Сф примерно до размеров толщины пленки сопровождается линейным умень­ шением Unp, а его дальнейшее увеличение оставляет 1Х,Р практически неизменным. Зависимость Епв от <4Сф описыва­ ется формулой [79]

Е0 —значение Unp при <фф > h.

Увеличение h сдвигает точку перелома зависимости Епр =

следствие нарушения сплошности материала, увеличения рых­ лости упаковки в межсферолитном пространстве и неодно­ родности электрического поля в образце. При пробое поли­ мерных пленок канал разряда образуется преимущественно в межсферолитном пространстве, имеющем более рыхлую структуру и обеспечивающем большую длину свободного пробега электронов. При сфф = h электронные лавины прак­ тически не встречают на своем пути сферолиты и дальней­

оптимальными размерами надмолекулярной структуры (сЕф), следовательно, и заданными значениями Епр. В частности, электрически прочную мелкосферолитную структуру полио­

для конкретных применяющихся материалов (ПЭНД, фторлоны, сшитый ПЭ и др).

251