РАЗДЕЛ 2
Исследование характеристик двухслойной полиимидной изоляции
эмальпровода в процессе производства
2.1 Электрофизические характеристики двухслойной изоляции эмальпровода
Химическое строение полиимидных сополимеров, составляющих изоляцию провода
ПЭЭИДХ-200 (см. разд. 1.3) таково, что электрофизические характеристики
основного и покровного слоев эмали существенно отличаются друг от друга.
Относительная диэлектрическая проницаемость, составляет для полиэфиримидов от 3
до 3,2 (основной слой), а для более полярных полиамидимидов (покровный слой) от
4 до 5 [29].
Значения величины удельной электрической проводимости g для полиэфиримидов в
полностью отвержденном состоянии величина g при 20 ОС находится в пределах от
10-14 (Ом. м)-1 до 10-15 (Ом. м)-1, а для полиамидимидов (более полярны)
находится в диапазоне от 10-12 (Ом. м)-1 до 10-13 (Ом. м)-1 [29]. Неизбежные
отклонения в технологическом режиме нанесения и отверждения лака (связанные,
например, с постепенным изменением вязкости лака или с периодическим доливом
свежего лака в эмальванну и т.п.) приводят к увеличению указанных диапазонов.
Особенностью полиэфиримидных полимеров является достаточно сильная зависимость
величины удельной электрической проводимости g от температуры [6]. Измерение
тока утечки через изоляцию производят непосредственно после выхода из
эмальпечи, поэтому различие удельной электрической проводимости g в условиях
производства может быть значительным. Нами исследован для полиэфиримидов
(основной слой) диапазон от 10-12 (Ом. м)-1 до 10-16 (Ом. м)-1, а для
полиамидимидов диапазон от 10-9 (Ом. м)-1 до 10-14 (Ом. м)-1.
В изоляции, состоящей из слоев с разными диэлектрическими свойствами, кроме
типичных видов поляризации в электрическом поле (для полярных полимеров
основной вид, ? дипольно-радикальная), имеет место миграционная поляризация,
которая оказывает существенное влияние на распределение электрического поля в
изоляции и зависимость тока через изоляцию от времени.
Для двухслойной изоляции, к которой относится изоляция эмальпровода ПЭЭИДХ-200,
использована схема замещения [104] для последовательного соединения двух слоев
диэлектрика с границей между ними, перпендикулярной направлению силовых линий
электрического поля. Схема такого диэлектрика и его схема замещения изображены
на рисунке 2.1.
а) схема двухслойного диэлектрика:
e1, e2 — диэлектрические
проницаемости слоев;
g1, g2 — проводимости слоев;
d1, d2 — толщины слоев.
Рис. 2.1 – Двухслойная изоляция (а) и ее схема замещения (б).
В момент включения на постоянное напряжение электрофизические процессы в
двухслойной изоляции определяются быстрыми видами поляризации и напряженности в
соответствующих слоях Е1 и Е2 распределены обратно пропорционально их
диэлектрическим проницаемостям: Е1 / Е2 = e2/ e1 . С учетом последовательного
соединения слоев значения напряженностей в них равны:
E1= e2 U / (d1e2 + d2 e1); E2= e1 U / (d1e2 + d2 e1) . (2.1)
При постоянном напряжении и длительной выдержке под действием напряжения
распределение напряженностей для последовательных участков цепи обратно
пропорционально удельным проводимостям слоев: Е1 / Е2 = g2/ g1 . В этом случае
напряженности электрического поля в слоях изоляции:
E1= g2 U / (d1g2 + d2 g1); E2= g1 U / (d1g2 + d2 g1) (2.2)
В общем случае, когда отношение диэлектрических проницаемостей слоев e2/ e1 не
равно отношению удельных проводимостей соответствующих слоев g2/ g1 , плотности
токов утечки в соседних слоях неодинаковы, что приводит к накоплению свободных
зарядов на границе между слоями.
Создание заряда на границе между слоями связано с появлением соответствующего
зарядного тока, определяющегося скоростью переходного процесса.
Длительность такого переходного процесса может составлять несколько минут
[104]. Длительность переходного процесса отражает время релаксации миграционной
поляризации, которое для двухслойного диэлектрика равно:
t = (d1e2 + d2 e1) / (d1g2 + d2 g1) . (2.3)
Зависимости времени релаксации t миграционной поляризации от удельных
электрических сопротивлений слоев эмали для двухслойной изоляции провода
ПЭЭИДХ2-200, рассчитанные с помощью (2.3) приведены на рисунке 2.2. Расчеты
выполнены для равных толщин полиэфиримидного и полиимидамидного полимера при
общей толщине слоя эмали, составляющей 40 мкм. Конкретные значения t зависят от
соотношения толщин двух слоев, однако общий вид зависимостей и порядок значений
времени релаксации сохраняются вплоть до соотношения толщин покровного и
основного слоев 1: 5.
Чем выше удельное электрическое сопротивление эмали (чем полнее произошла
сшивка), тем больше время релаксации, причем диапазон его значений широкий: t О
(0,01 с; 103 с). Эти значения на несколько порядков больше, чем время
релаксации дипольно-радикальной поляризации (10-6 – 10-7 с). Поэтому расчет
напряженностей и токов через эмальизоляцию в процессе испытаний на проход
должны производиться с учетом миграционной поляризации.
Рис. 2.2 ? Зависимости времени релаксации t миграционной поляризации от
удельных электрических сопротивлений слоев эмали для изоляции эмальпровода
ПЭЭИДХ2-200 при равных толщинах основного и покровного слоев эмали:
с1 - удельное электрическое сопротивление основного слоя эмали;
с2 - удельное электрическое сопротивление покровного слоя эмали
Напряженности электрического поля в слоях изоляции, таким образом, зависят от
времени t после подачи напряжения U:
E1= g2 U / (d1g2 + d2 g1)+[e2 / (d1e2 + d2 e1) - g2 / (d1g2 + d2 g1)] U exp-t/
t ; (2.4) E2= g1 U / (d1g2 + d2 g1)+[e1 / (d1e2 + d2 e1) - g1 / (d1g2 + d2 g1)]
U exp-t/ t . (2.5)
Напряже