Диагностика состояния полимерных диэлектриков в электрическом поле методом диэлектрической спектроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат технических наук Ткаченко, Сергей Николаевич

• Ткаченко, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика состояния полимерных диэлектриков в электрическом поле методом диэлектрической спектроскопии»

Важнейшей задачей при проектировании и разработке высоковольтного оборудования является создание надежной изоляции, так как ее безотказная работа во многом определяет надежность работы энергетических, электрофизических и радиотехнических систем. В настоящее время одним из основных видов изоляции высоковольтных изоляционных систем является полимерная изоляция. Для хорошо зарекомендовавшей себя и надежно работающей бумажно-масляной изоляции в свое время были разработаны методы регистрации основных электрофизических характеристик и методы диагностики, которые до сих пор являются основными инструментами контроля в энергетике и электротехнике.

С появлением нового оборудования с изоляцией на основе полимерных диэлектриков (высоковольтные кабели, конденсаторы, выключатели и др.) очень остро встал вопрос несовершенства существующих методов контроля и диагностики состояния таких изоляционных систем. Это обусловлено тем, что большинство изоляционных полимеров имеют электрофизические характеристики, существенно отличающиеся от характеристик традиционно применяющейся бумажно-масляной изоляции. Так, например, уровень диэлектрических потерь и проводимости полимеров существенно ниже (иногда на несколько порядков), чем для бумажно-масляной изоляции. Это, в свою очередь, диктует более жесткие требования по чувствительности и разрешающей способности применяемых измерительных приборов и устройств. Наиболее яркой иллюстрацией могут быть высоковольтные кабели с изоляцией из фторопласта и полиэтилена, для которых величина тангенса угла диэлектрических потерь составляет tg5 = (1-4)-Ю-4, а удельного объемного сопротивления - 1014-1015 Ом-м. В процессе эксплуатации за счет старения изоляции эти интегральные электрофизические характеристики полимерных диэлектриков изменяются незначительно, особенно при их регистрации на фиксированной промышленной частоте 50 Гц. Это приводит к необходимости разработки не только новых более чувствительных измерительных приборов, но и новых методов профилактического контроля и диагностики.

Еще более остро в настоящее время стоит вопрос диагностики фактического состояния высоковольтного оборудования, оценки длительной электрической прочности и остаточного ресурса изоляционных систем. Например, в странах ЕС, не говоря уже о России, около трети всех трансформаторов, в том числе и на АЭС, эксплуатируются более 30 лет и риск их выхода из строя достаточно велик.

В последние годы с появлением нового диагностического оборудования предпринимаются многочисленные попытки разработки новых неразру-шающих способов диагностики высоковольтной изоляции, в частности, на основе методов диэлектрической спектроскопии. Однако данные способы позволяют проводить лишь сравнительный анализ состояния высоковольтной изоляции и не дают четкого критерия для определения критического состояния оборудования. Кроме того, данные способы не позволяют количественно оценить величину пробивного напряжения или электрической прочности не только оборудования в целом, но и применяемых изоляционных материалов.

В этой связи актуальность исследований, целью которых является разработка новых неразрушающих способов диагностики состояния высоковольтной изоляции, не вызывает сомнения.

Цель диссертационной работы и задачи исследования

Целью данной работы является разработка неразрушающего способа диагностики состояния твердых полимерных диэлектриков и прогнозирования величины пробивного напряжения по параметрам спектров диэлектрической релаксации.

Для достижения данной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи.

1. Исследовать температурно-частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости слабополярных и полярных твердых полимерных диэлектриков с помощью метода диэлектрической спектроскопии.

2. По результатам измерения температурно-частотных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости определить основные параметры спектров диэлектрической релаксации, такие как: энергия активации, время (частота) релаксации, статическая и высокочастотная диэлектрические проницаемости и параметры, характеризующие степень "размытия" релаксационного спектра.

3. Исследовать вольт-секундные характеристики твердых полимерных диэлектриков.

4. Установить взаимосвязь между параметрами спектров диэлектрической релаксации и вольт-секундных характеристик.

5. Разработать неразрушающий способ диагностики состояния твердых полимерных диэлектриков в электрическом поле.

Перечисленные выше задачи решались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных исследований, проводившихся по плану научно-исследовательских работ НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета (НИИ ВН ТПУ, г. Томск), в рамках программы Минобразования РФ "Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук. Университеты России", аналитической ведомственной целевой программы Минобразования и науки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)" и грантов молодых ученых НИИ ВН ТПУ.

Методы исследования

Для достижения поставленной цели и решения задач исследования в работе использованы следующие методы: диэлектрической спектроскопии, оптической микроскопии, РЖ-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), математического моделирования и высоковольтных испытаний.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается применением стандартных и традиционно применяемых методов исследования, оценкой доверительных вероятностей и погрешностей измерений.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту

1. Установлено, что при кратковременном воздействии напряжения длительностью до 600 с среднее время релаксации поляризации линейных диэлектриков, при котором наблюдается максимум мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости, не зависит от напряженности внешнего электрического поля.

2. Показано, что минимум вольт-секундных характеристик обусловлен наличием дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости полимерных диэлектриков, а его положение совпадает со средним временем релаксации поляризации, характеризующим запаздывание релаксационных видов поляризации.

3. Предложен неразрушающий способ диагностики состояния линейных полимерных диэлектриков и композиционных материалов в сильном электрическом поле, заключающийся в том, что из результатов измерений темпе-ратурно-частотных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости в слабом электрическом поле определяются параметры, необходимые для расчета пробивного напряжения при различной длительности фронта импульсного напряжения и оценки вероятности пробоя диэлектриков при различной амплитуде напряжения.

Практическая значимость работы

1. Предложенный способ диагностики состояния полимерных диэлектриков в электрическом поле может применяться для расчета рабочего напряжения высоковольтных изоляционных конструкций при заданной вероятности безотказной работы и оценки пробивного напряжения новых изоляционных материалов.

2. Разработан новый материал с улучшенными электрофизическими характеристиками, основой которого является поливинилиденфторид, модифицированный 0,2 вес.% нано-частиц Ni. Данный материал может быть использован в качестве изоляции высокочастотных конденсаторов в диапазоне час

О (L тот от 10 до 10 Гц и температур от 25 до 100°С.

Личный вклад автора

Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, проводимых в НИИ высоких напряжений ТПУ при непосредственном личном участии автора. Автор внес определяющий вклад в выбор направлений и методов исследований и проведение основной части измерений, анализ и интерпретацию полученных данных.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 Международных и 5 Всероссийских конференциях, симпозиумах и совещаниях.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 23 печатных работах, в том числе в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 167 наименований. Работа изложена на 168 страницах, включая 73 рисунка и 21 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Техника высоких напряжений», Ткаченко, Сергей Николаевич

Результаты исследования зависимостей в', tg5, в" —J{E) КПМ показали, что при концентрации ЦТС С = 10 об. % (табл. 3.11) повышение напряженности внешнего электрического поля или уровня испытательного напряжения (при одной и той же толщине диэлектрика) в 3,5 раза приводит к увеличению в' примерно на 1 %, а в" - в 3,5 раза. При С = 30 и 40 об. % (табл. 3.12, 3.13) в' возрастает на 20 и 30 %, соответственно, а в" - в 5.6 раз. и, кВ в' tgS, Ю"2 в"

2,0 3,325 0,32 0,011

2,5 3,330 0,37 0,012

3,0 3,333 0,42 0,014

3,5 3,337 0,50 0,017

4,0 3,341 0,55 0,018

4,5 3,343 0,63 0,021

5,0 3,347 0,70 0,023

5,5 3,350 0,78 0,026

6,0 3,354 0,90 0,030

6,5 3,359 1,02 0,034

7,0 3,363 1,09 0,037

Увеличение действительной и мнимой составляющих комплексной диэлектрической проницаемости при С > 30 об. % свидетельствует о том, что дисперсия комплексной диэлектрической проницаемости КПМ при фиксированной частоте внешнего электрического поля обусловлена прежде всего нелинейной зависимостью поляризации от напряженности поля в керамической фазе. Причем, наиболее существенным здесь является тот результат, что зависимость в" = /(в') на комплексной плоскости до и после определенного уровня воздействующего напряжения аппроксимируется двумя функциями: линейной - при U < U0k и Дебаевской - при U > и0ю где U0k - значение напряжения при котором начинается нелинейный рост в", рис. 3.46.

Формально, при U < Uqk, зависимости в" =Хв'), рис. 3.46, описываются уравнениями прямых линий с коэффициентом корреляции R > 0,99: в" = 0,5056-в' - 1,6709; (С= 10 об. %) (3.4) в" = 0,6027-в' -4,6063; (С= 30 об. %) (3.5) в" = 0,6621 -в' - 7,5998; (С = 40 об. %) (3.6)

Соответственно, при U > U0k зависимости в" =/(с') описываются уравнениями окружности: б' - 3,411 f+ (в" + 0,034)2= 0,00734; (С= 10 об. %) (3.7) б' - 11,08)2+ (б" + 0,587)2= 7,784; (С = 30 об. %) (3.8) s' - 16,54)2 + (б" + 0,0517)2= 11,325; (С = 40 об. %) (3.9)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130