Файл: Князев, В. К. Облученный полиэтилен в технике.pdf

трической прочности непосредственно во время облуче­

ния полиэтилена.

При продолжительном облучении полиэтилена на процессы старения и электрический пробой накладыва­ ются радиационные эффекты. В самом диэлектрике и окружающей его среде развиваются ионизационные про­ цессы, в связи с чем возрастают токи утечки [129] и увеличивается вероятность поверхностных разрядов изза наличия загрязнений. Это сопровождается снижением напряжения пробоя и напряжения перекрытия изоляции.

Вследствие низкой теплопроводности изоляции, а так­

температурой, тепловое равновесие в материале нару­ шатся и его температура возрастает. При облучении происходит частичное поглощение материалом энергии излучения, что, в свою очередь, приводит к дальнейше­ му повышению температуры. Кроме того, в материале возникают дополнительные эффекты, связанные с обра­ зованием новых ионов и радикалов. Эти изменения со­ провождаются выделением водорода и других газов, а также низкомолекулярных продуктов радиолиза по­ лиэтилена. Поэтому в диэлектрике могут возникать пу­ стоты, поры и раковины, в которых возможно появление внутренних разрядов [130]. При контакте с воздухом, кислородом, озоном, окислами азота или другой окисли­ тельной средой в условиях облучения происходит окис­ ление полиэтилена, и в результате образования полярных продуктов электрические свойства материала постепен­ но ухудшаются.

При изучении влияния больших поглощенных доз из­ лучения на электрическую прочность полиэтилена [131] установлены соотношения, связывающие ее изменения с изменениями прочностных свойств облученного поли­ мера. Как известно [132], высокая скорость (доли мик­ росекунды) развития пробоя при критическом значении приложенного напряжения свидетельствует об иницииро­ вании данного процесса свободными электронами. В связи с этим развитие электрического пробоя зави­ сит от температуры [133]. При низких температурах для появления пробоя необходимы сильные ноля, поскольку отсутствует достаточное количество свободных электро­

48

нов, способных вызвать появление лавины. При темпера­ турах, превышающих некоторое критическое значение (для полиэтилена ~ 20°С ), электрическая прочность вследствие увеличения числа электронов должна пони­ жаться по мере повышения температуры. В результате облучения ускоренными электронами с энергией 4 МэВ пробивное напряжение полиэтилена низкой плотности мало изменяется при низких температурах и примерно соответствует значениям, полученным для необлученного полимера, что хорошо согласуется с теоретическими выводами [10]. При дальнейшем повышении тем­ пературы электрическая прочность как облученного, так и необлученного полиэтилена снижается. Однако, если для исходного полиэтилена характерным является моно­ тонное снижение электрической прочности с повышением температуры, для облученного полиэтилена при опреде­ ленной температуре, зависящей от поглощенной дозы, на графике зависимости наблюдается перегиб и более медленный спад электрической прочности по сравнению с необлученным, а затем стабилизация характеристики на определенном уровне, не зависящем от температуры (при превышении доз 400—500 Мрад). Ниже приведены значения электрической прочности облученного до погло­ щенной дозы 100 Мрад термостабилизированного поли­ этилена низкой плотности при различных температурах:

300 Мрад, сохраняет более 50% электрической прочно­ сти от исходного значения, определенного при комнат­ ной температуре [10, 132]. Таким образом, облучение является весьма эффективным средством сохранения вы­ сокой электрической прочности изоляции из полиэтиле­ на при повышенных температурах [122, 134— 136]. Ана­ лиз расчетных и графических зависимостей показывает, что в результате облучения полиэтилена до 1000 Мрад и более электрическая прочность не зависит от темпера­ туры [122]. После облучения до дозы 9000 Мрад элек­ трическая прочность полиэтилена при комнатной темпе­ ратуре возрастает на 25% [137]. Изменение пробивного напряжения составляет несколько десятков вольт на 100 Мрад поглощенной дозы [138].

Для облученного полиэтилена высокой плотности установлен [124] несколько иной ход кривых темпера- турно-дозных зависимостей. На этих кривых практически отсутствуют области резкого спада электрической проч­ ности в интервале температур, соответствующих размяг­ чению необлученного полиэтилена. При облучении поли­ этилена высокой плотности до 50 Мрад ход кривых тем­ пературной зависимости электрической прочности резко изменяется; прочность существенно возрастает при по­ вышенных температурах.

Результаты определения зависимости электрической прочности полиэтилена высокой плотности, облученного до доз 50—400 Мрад, от температуры в интервале 20— 400 °С приведены в работе [122].

Анализ графических зависимостей электрической проч­ ности полиэтилена от температуры и поглощенной дозы и сравнение этих зависимостей с аналогичными зависи­ мостями модуля упругости позволили установить сущест­ вование некоторой корреляции между ними. Кроме того, снижение электрической прочности облученного поли­ этилена при повышении температуры происходит до пол­ ного расплавления кристаллитов, после чего это сниже­ ние показателя резко замедляется. Это указывает на взаимосвязь разрушения облученного полиэтилена под действием электрической и механической нагрузок [ 1 0 , 131, 132]. По-видимому, разрушение облученного поли­ этилена происходит за счет механического воздействия, а электрическое поле вызывает лишь сжатие образца до определенной величины, зависящей от модуля упругости полимера. Эти выводы подтверждаются расчетами [131], из которых следует, что такой механизм дейст­ вительно справедлив для полиэтилена при температурах выше 50 °С. Если принять, что образцы полиэтилена име­ ют форму плоской пластины с электродами, свободно следующими за очертанием поверхности диэлектрика, то при напряжении V на единицу площади поверхности образца, имевшего исходную толщину бо, действует сжи­

50

Напряжение и деформация в соответствии с законом Гука (для больших напряжений) связаны экспоненци­ альной зависимостью, которая может быть записана следующим образом:

где Ес — модуль Юнга при сжатии, кгс/см2.

Кажущаяся напряженность поля при пробое Ѵ/8о меньше истинной внутренней напряженности Ѵ/8. Произ­

ведение 621п-у- приобретает максимальное значение при

б

-g— = ехр (—0,5) » 0,6

Это значение определяет максимальную деформацию, которую может выдержать образец без разрушения. При значениях ö<0,6öo толщина образца перестает быть стабильной и наступает механическое разрушение, хотя критическое значение внутренней пробивной напря­ женности для материала еще не достигнуто.

Напряженность, соответствующая началу разруше­ ния образца при 6 = 0 ,ббо, характеризуется величиной

МтгЯЛѴг

300 I ) В/см; кажущаяся электрическая прочность

/ 4 я £ ' с \ 1/2

при этом составляет 300 ( — I ехр (—0,5). Макси­

мальное значение электрического поля, которое можно приложить к образцу, определяется соотношением

2,1бо У Щ - .

Полученные экспериментально значения электриче­ ской прочности хорошо совпадают с рассчитанными на основе приведенных выше соображений, что позволяет сделать вывод о механических причинах разрушения. Использование при расчетах значения модуля упругости при разных температурах позволяет объяснить с количе­ ственной стороны снижение электрической прочности при нагревании диэлектрика эффектом электростатического сжатия.

Для выбора изоляционных материалов для работы при напряжениях выше миллиона вольт была исследова­ на [139] электрическая прочность облученного полиэти­

лена высокой плотности в полях постоянного тока, а так­ же в среде газов, находящихся под высоким давлением. При экспериментах использовали стержни диаметром 50 мм, длиной 150 мм с глухими отверстиями на концах. Концы стержней обрабатывали в виде полусфериче­ ских поверхностей диаметром 25 мм, тщательно отполи­ рованных и покрытых электропроводной пастой на ос­ нове эпоксидной смолы, содержащей мелкодисперсное серебро. В отверстия были заделаны алюминиевые стержни, служившие электродами. В качестве газовой среды применяли смесь азота с двуокисью углерода в соотношении 1: 1 под давлением 24,5 кгс/см2, в которую добавляли также гексафторид серы (элегаз) и дихлордифторметан (фреон-12). В качестве источника постоян­ ного тока использовали электростатический генератор Ван де Граафа. Образец испытывали быстрым подъ­

уменьшения емкостного зарядного тока до значения, близкого к расчетному току утечки через толщу изоля­

мента для облученного до дозы 50 Мрад полиэтилена

подтвердили возможность создания на его основе твер­ дой . высоковольтной изоляции.

В зависимости от межэлектродных расстояний харак­ тер пробоя различается. Так, при межэлектродных рас­ стояниях более Змм след пробоя имеет древовидную фор­ му (с началом в точках, смещенных от центра электрода высокого напряжения) с разветвлением по направлению к заземленному электроду независимо от полярности. При межэлектродных расстояниях 2,5 мм и менее на­ блюдается нитевидный пробой, происходящий по центру.

Исследование явлений пробоя в облученном полиэти­ лене при переменном токе показало [140], что в данном случае изменения электрической прочности более замет­ ны (табл. 10). Из таблицы видно, что при использовании импульсного напряжения для проверки электрической прочности облученного полиэтилена последняя начинает изменяться с поглощенных доз 25—50 Мрад, хотя это

изменение и не столь значительно, как в предыдущем случае.

52