РАЗДЕЛ 2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНОГО
СТЕКЛОПЛАСТИКА
2.1. Задачи исследования
Характерной особенностью работы стеклопластиковых (СП) элементов в
высоковольтных изоляторах является воздействие на них больших электрических и
механических нагрузок - длительных и кратковременных.
При определенных механических нагрузках (массовые испытания изоляторов,
монтажные и эксплуатационные нагрузки, динамические усилия при сбросе гололеда
и «пляске проводов» и др.) в СП могут возникать механические нарушения в виде
разрывов отдельных стекловолокон, микротрещин в связующем, нарушения связи
между матрицей и волокном и т.д. Эти повреждения при дальнейших деформациях
материала будут накапливаться и объединяясь, создавать опасные с точки зрения
электрической прочности дефекты. Стеклопластик, будучи капиллярно-пористым
диэлектриком, пробивается по капиллярам и микродефектам, поэтому появление
дополнительных дефектов в структуре СП будет приводить к снижению его
электрической прочности. Определение начальных стадий появления дефектов в СП,
приводящих к снижению электрических и прочностных характеристик, является
крайне важным для выбора расчетных и длительно допустимых нагрузок на
изолятор.
Поскольку возникновение в СП новых дефектов является случайным процессом,
вполне очевидно, что при нагружении образцов будут возникать новые дефекты и
будет изменяться функция распределения образцов СП по электрической прочности
(Епрi). Рост частости появления образцов с низкими значениями Епр после
нагружения будет указывать на образование новых, представляющих опасность для
работы СП дефектов.
Сравнение плотности распределения случайных значений Епрi образцов СП в
исходном состоянии («эталонная кривая») с плотностью распределения Епрi
образцов после механического нагружения позволит по величине отклонения
частости судить о начале механического нарушения структуры на самых ранних
стадиях нагружения. Предполагается, что по отклонению формы кривой плотности
распределения f(Епрi) начальные стадии дефектообразования будут определены
более точно, чем по величине снижения среднего или наиболее вероятного
(модального) значения Епр.
Для получения достоверного «эталона» необходимо было установить закон
распределения образцов по Епр до нагружения. Предварительные результаты
измерений показали, что распределение Епрi образцов СП не укладывается в рамки
классических распределений – нормального и Вейбулла (см. рис. 2.1 и 2.2), при
этом для разных СП наблюдается как правосторонняя, так и левосторонняя
скошенность. Учитывая изложенное, в данном разделе были поставлены следующие
задачи:
1. Выполнить исследование электрической прочности и пористости образцов
профильного стеклопластика;
2. С учетом статистических исследований пористости и физических процессов в
порах найти вид функции распределения случайных значений Епрi стеклопластика.
3. Используя найденное распределение разработать достоверную методику
обнаружения нагрузок (напряжений), соответствующих начальным стадиям
дефектообразования в материале при механическом нагружении профильного
стеклопластика.
Рис. 2.1. Экспериментальные значения Епрi нанесенные на вероятностную сетку
нормального распределения. Партии СП № 1-4
Рис. 2.2. Экспериментальные значения Епрi нанесенные на вероятностную сетку
распределения Вейбулла. Партии СП № 1-4
2.2. Методика определения электрической прочности
В [43-45] показано, что пробой стеклопластика носит ионизационный характер,
т.е. пробою всегда предшествуют частичные разряды (ЧР) в газовых полостях СП.
Поскольку частичные разряды наиболее опасны при переменном напряжении, все
исследования Епрi проводились на переменном напряжении f=50 Гц. Электрическая
прочность образцов стеклопластика определялась в среде трансформаторного масла
в системе плоских электродов обеспечивающих равномерное электрическое поле.
Перед погружением в трансформаторное масло образцы промазывались тонким слоем
силиконового вазелина КВ-3, чтобы исключить проникновение масла в поры с
внешней поверхности образцов.
Для определения электрической прочности важно выбрать оптимальную высоту
образцов, поскольку для диэлектриков в области малых толщин наблюдается
существенный рост Епрi, а при большой их высоте искажается электрическое поле и
для пробоя потребуется очень высокое напряжение. С этой целью был проведен
анализ электрического пробоя образцов стеклопластика исходя из предположения,
что местом пробоя являются заполненные воздухом сквозные капилляры,
образующиеся в процессе изготовления стеклопластика. Пробою капилляров обычно
предшествует ионизация воздуха, заполняющего капилляры.
В табл. 2.1 приведены заимствованные из [61] значения коэффициентов ударной
ионизации a для воздуха в зависимости от величины напряженности электрического
поля. В соответствии с критерием Мика-Ретера [3] искровой разряд в воздушной
среде образуется при ha = 20, где a - коэффициент ударной ионизации, , а h –
расстояние между электродами в см.
Пользуясь этим критерием критические значения hкр, соответствующие переходу
разрядов в газовой полости от лавинной формы к стримерной и последующему пробою
определяли как (см. столбец 3 табл. 2.1). Значения hкр и соответствующие им
величины напряженности электрического поля, которые принимались за пробивные,
приведены на графике рис. 2.3, где также показаны экспериментальные значения
Епр стеклопластика диаметром 22 мм. В зависимости от высоты образцов h. Как
видно из приведенного графика, расчетные и экспериментальные