Файл: Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 233
Скачиваний: 1
В работах [168, 268] исследовалась зависимость элек трической прочности от температуры полиэтиленовой изоля ции, облученной на воздухе быстрыми электронами до доз 46, 150, 200, 300 и 400 Мрад. Установлено, что облучение существенно изменяет температурную зависимость пробив ной прочности. К весьма интересным в аспекте практиче ского использования относятся поглощенные дозы в интер вале 75 4-150 Мрад, являющемся оптимальным с точки зре ния физико-механических и электрофизических свойств РМПЭ (применительно к изоляции каротажного кабеля). На рис 43, а приведены температурные зависимости пробивного напряжения изоляции, облученной ^-излучением Со-60 при ограниченном доступе воздуха до доз 75, 90, 135 и 150 Мрад, а на рис. 43, производные дозные зависимости про бивного напряжения при 100, 150, 200 и 250°С. Обращает на себя внимание хорошее качественное совпадение зависи мости Unp — f(T) полиэтилена при поглощенной дозе 150
Рис. 43. Зависимость пробивного напряжения:
а —от температуры полиэтиленовой изоляции, облученной 7-излуче нием Со-60 при ограниченном доступе воздуха(в запаянных ампулах), дозой, Мрад\ / —75; 2—90; 5—135; 4—150; 5—необлученная изоляция; б—полиэтиленовой изоляции, облученной 7-излучением Со-60 при ог раниченном доступе воздуха, от поглощенной дозы при температу рах, °С: / —100; 2—150; 5—200; 4—250; в—изоляции из фторлона-4Д от экспозиции запечки (при Т°С =* 383 ± 5°С) при температурах ис пытания 200°С (1), 150°С (2), температурная зависимость І/Пр изо
ляции из фторлона-4Д, состоящей из 2 лент толщиной ПО мк, нало женных с перекрытием 30% и запеченных при Т—440° в течение
60 сек (3)ь
252
Мрад с аналогичной зависимостью, полученной ШтаркоМ и Гартоном [268] в случае облучения быстрыми электронами до дозы 150 Мрад. Эти данные качественно согласуются также с экспериментальными результатами Соколовой и Финкеля [168]. Количественные совпадения не ожидались, так как различны поглощенные дозы, образцы, и, в некото рой степени, условия проведения эксперимента;
Электрическая прочность ПЭ возрастает с увеличением поглощенной дозы (D). Дозная зависимость пробивной проч ности прямолинейна: 1,2 и интервал доз 90 -г 150 Мрад> кри вые 3 и 4 (рис. 43, бу.
|
Unp = |
U H + DKUnp •D, |
|
(3 — 5 — 4) |
где UH — пробивная |
прочность необлученного |
полиэтиле |
||
на, кв; |
|
коэффициент |
пробивной |
прочности, |
DKUnp — дозный |
||||
кв!Мрад. |
(дозы 75-г 150 |
Мрад) и |
200 и 250°С |
|
При 100 и 150°С |
||||
(дозы |
90-У 150 Мрад) UHравны, соответственно 26; 24; 17 и |
|||
13 кв; |
DKU„p= 0,073; 0,074; 0,125 и 0,117 кв!Мрад. С ростом |
поглощенной дозы DKUnp уменьшается (кривые 3 и 4). Эта тенденция сохраняется и для средних температурных коэф фициентов пробивного напряжения, а также сопротивления изоляции.
Увеличение температуры испытания с 100 до 250°С сни жает пробивную прочность РМПЭ; степень снижения умень шается с ростом по: лощенной дозы.
Таким образом, величина и температурный ход электри ческой прочности РМПЭ в значительной степени определя ются поглощенной дозой и поддаются оптимизации приема ми радиационной технологии. Эти результаты качественно подтверждены при исследовании температурной зависимос ти электрической прочности облученных у-излучением Со-60 ПЭ пленок (поглощенные дозы 10, 20, 50, 100 Мрад) тол щиной 0,20—0,25 мм [136].
В связи с этим представляет интерес сравнение радиа ционно-модифицированного полиэтилена с пленочным поли тетрафторэтиленом (фторлоны-4 и -4Д), применяющимся в качестве изоляции кабельных изделий для эксплуатации в условиях высоких температур (до 250°С). Запечка, пред принимаемая для придания ей монолитности, снижает ее пробивную прочность. Так, незапеченная изоляция (4 ленты из каландрированной пленки фюрлона-4Д) при 100 — 200ГС еще не пробивается при напряжении постоянного тока, рав ном 50 кв; при 250°С составляет 44 кв. Термообработка изоляции при 380°С в течение 30 сек. несколько снижает Unp. На рис. 43, в приведена зависимость Unp изоляции при 150 и 200°С от длительности термообработки (t3) при 380 +
25і
5°С. Установлено, что зависимости UnP = f(t3) проходят через максимумы, приходящиеся на следующие t3 : при 150°С t3 = 60 сек., при 200°Ст3=:90 сек. Видимо, повышение Unp обязано монолитизации пленочной изоляции, уменьшению количества воздушных промежутков. Снижение Unp после прохождения максимума связано как с увеличением разме ров надмолекулярных образований, так и с появлением микротрещин в изоляции вследствие больших механических перенапряжений при усадке пленки. Смещение максимума пробивной прочности изоляции с повышением температуры испытания в сторону больших экспозиций запечки связано с тем, что в последнем случае уменьшается число воздуш ных промежутков за счет более сильного спекания изоля ции. Повышение температуры термообработки даже при ма
лой |
экспозиции |
(Т = 400°С, |
t3 =* 10 сек.) существенно сни |
жает |
пробивное |
напряжение |
(см. рис. 43 в). |
Исследования комбинированной фторлоновой изоляции (Ф= 4+Ф --4Д) при напряжении промышленной частоты по казали, что средние пробивные напряжения для незапечен ной (1-я группа) и запеченной (2-я группа) изоляции сос тавили, соответственно, 27 и 24,6 кв. Первая группа оста лась работоспособной после 150-часовой выдержки при нап ряжении 5 кв, вторая—3 кв. Однако средние пробивные напряжения снизились, соответственно, до 18,8 и 11,4 кв. При напряжении 5 кв вторая группа имела разброс времен
жизни |
под напряжением до пробоя от 3 час. |
20 мин. до |
23 час. |
46 мин. |
изготовить |
По |
данным [189], оказалось невозможным |
провода с тонкой изоляцией из политетрафторэтилена с низ кими диэлектрическими потерями. Находясь в атмосфере с высокой относительной влажностью, изоляция поглощает влагу, вследствие чего ее электрические свойства ухудша ются. Кроме того, они ухудшаются из-за наличия междуслойных промежутков в случае, когда напряжения (испы тательное или рабочее), под которым работает изоляция, выше начального напряжения образования короны.
Электрическая прочность воздуха в несколько раз мень ше, чем у фторлона-4. В результате этого пробой воздуш ных включений происходит при значительно меньших нап ряжениях, чем у Ф-4. При этом вследствие искрового (ко ронного) разряда разрушается ленточная фторлоновая изо ляция, обугливается ее поверхность, в результате чего обра зуются проводящие мостики и увеличивается электропро водность. Расчеты показывают, что при испытательных напряжениях, соответственно, 3 и 1,5 кв максимальные нап ряженности (на поверхности жилы) составляют ~ 12 и —6 кв'мм, на поверхности изоляции—5,4 и 2,7, т. е. значитель-
2:4
но превышают напряженность начала ионизации воздушных включений Еион = 2 кв'мм.
Исходя из этого, испытательное напряжение для пленоч
ной изоляции |
из Ф-4 (Ф-4Д) |
выбирается |
не |
выше |
1,5 кв. |
|||||||
Практика изготовления |
кабелей |
с |
ленточной |
изоляцией из |
||||||||
ф-4 (&из— 0,6 4-1,0 мм) показывает, |
что |
это |
испытательное |
|||||||||
напряжение достаточно для обнаружения |
грубых техноло |
|||||||||||
гических дефектов и не |
приводит к заметному ухудшению |
|||||||||||
качества |
изоляции за счет коронных |
разрядов |
во |
время |
||||||||
испытаний. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электрическая прочность пленочной изоляции зависит |
||||||||||||
также от ряда технологических факторов—степени |
вытяж |
|||||||||||
ки пленки при наложении, степени ориентации |
и т. п. Та |
|||||||||||
ким образом, |
электрическая |
прочность |
фторлоновой запе |
|||||||||
ченной изоляции является функцией |
многих |
факторов. С |
||||||||||
увеличением строительной длины |
(до |
8000 м и более) начи |
||||||||||
нают играть роль стохастические факторы. |
ионизационной и |
|||||||||||
Основная причина снижения |
уровней |
|||||||||||
электрической |
прочности изоляции — воздушные |
(газовые) |
||||||||||
включения |
в объеме изоляции и |
на |
|
границе |
системы диэ |
лектрик-металл. Эффективным способом увеличения элек трической прочности служит устранение этих включений, или, по крайней мере, сведение их к минимуму. Это не единственное решение. Уменьшение размеров воздушных включений заметно повышает электрическую прочность. Так, уменьшение их с 1 до 0,01 мм увеличивает пробивную напряженность с 10,25 до 40,00 квімм [167J. Уменьшать эти размеры можно при помощи диэлектрической промазки, наносимой на жилу в процессе обмотки и увеличивающей градиент начала короны более чем в 2 раза [142|\ Иони зационную и электрическую прочность пленочной изоляции можно повысить также применением полупроводяших экра нов, несколько выравнивающих электрическое поле и сни жающих максимальный градиент напряженности у жилы. Вместе с тем наложение полупроводящих экранов и диэ лектрической промазки на больших многокилометровых строительных длинах сопряжено с преодолением ряда труд ностей производственного характера.
Сопоставление описанных особенностей РМПЭ и запе ченного пленочного фторлона показывает преимущества и перспективность первого диэлектрика для применения в теп
лостойких кабелях больших |
длин для кефте-газовой про |
||
мышленности. С учетом разницы |
в стоимостях |
этих мате |
|
риалов преимущества первого |
диэлектрика становятся оче- |
||
1 При нахождении кабеля в скважине |
давление также |
способствует |
|
уменьшению разменов газовых включений. |
|
|
255
йидными, тем более, что по теплостойкости РМПЭ не очень значительно уступает Ф-4.
В наших экспериментах пробой изоляции осуществляет ся на изолированных жилах. В качестве термостатирующей среды был применен эвтектический сплав Вуда. В этом случае имеется несоответствие между количеством погло щаемого изоляцией и отводимого через токопроводящую жилу тепла. Однако тепловой пробой происходит не обыч ным способом, т. е. не в результате выделения тепла за счет диэлектрических потерь в диэлектрике, а вследствие малой теплоотдачи испытуемого объекта. Поэтому можно ожидать, что в данном случае пробой (квазитепловой) мо жет произойти за более короткое время, чем при нагрева нии диэлектрика диэлектрическими потерями до той же температуры, но при свободной теплоотдаче.
Изучение температурной зависимости пробоя полимерных диэлектриков затрудняют структурные изменения полимера при нагревании (окисление, тепловая деструкция и др.). Поэтому о механизме пробоя можно говорить в сравни тельно узких температурных интервалах. В связи с этим од нозначная трактовка механизма пробоев в случае нагревания как диэлектрическими потерями, так и внешними источни ками тепла, затруднительна. Так, Сканави [167] показано, что при комнатной температуре полярные полимеры (поли метилметакрилат) обладают пробивной прочностью более
высокой |
(10 мгвісм), чем неполярные |
(полистирол — 6, по |
|
лиэтилен — 6,5 мгвісм). Это |
противоречит известным пред |
||
ставлениям о зависимости теплового |
пробоя от а, е и tg 8. |
||
Сканави |
приходит к выводу, |
что в диапазоне температур |
|
—20-у + |
140°С при постоянном напряжении и невысокой час |
тоте, в частности промышленной, пробой носит, как прави
ло, электрический характер. |
увеличивается возмож |
|
Естественно, с ростом частоты |
||
ность теплового пробоя |
полярных |
диэлектриков. Сопостав |
ление изложенного с |
теорией П. |
Бенинга и известными |
данными об электрическом пробое при высоких напряжен
ностях поля (порядка |
ІО6 в]см) может привести |
к выводу |
||
о том, что за электрический |
пробой в полимерах ответст |
|||
венны не электроны, |
отсутствующие в аморфно-кристалли |
|||
ческих диэлектриках, |
а скользящие ионы, |
т. е. |
электриче |
|
ский пробой может иметь |
ионный характер. Вместе с тем |
|||
известно, что при комнатной температуре |
достижение нап |
ряжением некоторой критической величины сопровождает ся развитием пробоя в линейных полимерах с очень боль шой скоростью. Это говорит в пользу того, что процесс пробоя инициируется электронами. Если же иметь в виду наличие в диэлектриках токов, ограниченных пространст
256
венными зарядами (ТОПЗ), то напрашивается вывод о том, что не исключена возможность комбинированного электрон но-ионного механизма электрического пробоя. При этом вклад электронов в развитие процесса пробоя, видимо, ста новится доминирующим при предпробивных напряженнос тях поля.
В работах [10,80] показано, что источником электронов, обеспечивающих начало развития процесса ударной иониза ции в диэлектрике, является катод, инжектирующий их в диэлектрик. Однако за процесс развития пробоя ответствен ны не только инжектируемые электроны. Согласно Хиппелю [237], приложенное поле сообщает электронам энер гию большую, чем они рассеивают при столкновении с кристаллической решеткой. Развивая эту теорию и распро страняя ее на аморфные тела, Фрелих пришел к следую щим выводам [231]:
1)при низких температурах мало свободных электро нов, способных вызвать появление лавины, необходимы сильные поля; при наличии дипольных молекул или нару шении строения решетки снижается средняя величина нап ряженности поля, требуемой для пробоя;
2)с ростом температуры увеличивается число электро нов в зоне проводимости и локализованных на уровне иска жения решетки. Увеличение дефектов в кристаллической структуре сопровождается ростом числа электронов на уровнях нарушений и снижением напряженности поля, не обходимой для пробоя. В развитии процесса пробоя, сог ласно Фрелиху, участвуют связанные электроны, находя щиеся в ловушках (см. гл. 3, § 1). Их концентрация повы шается с увеличением дефектности структуры (например, переход от кристаллических полимеров к аморфным). Кро ме того, возрастает вероятность взаимодействия разгоняе мых полем электронов зоны проводимости (например, инжектированных) с связанными. При определенной нап ряженности поля электроны из ловушек начинают перехо дить в зону проводимости. Развитие электрического пробоя аморфного диэлектрика Фрелих объясняет интенсивным пе реходом связанных электронов в зону проводимости.
Зависимость пробивной напряженности от толщины диэ лектрика нелинейна (для полиэтилена она близка к экспо ненциальной), причем средний геометрический коэффициент
FKUnp этой зависимости меньше, чем в случае линейной, т. е. скорость роста пробивной напряженности уменьшает ся с увеличением толщины диэлектрика. Можно предпола
гать, что, при прочих равных условиях, TKUnp возрастает с увеличением энергии решетки (или энергии атомизации)
17−3612 |
257 |