Комбинированный анализ технических и эксплуатационных характеристик кабельной арматуры на 110 кВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат наук Селезнёв Дмитрий Александрович

• Селезнёв Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Селезнёв Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Состояние рынка в кабельно-проводниковой продукции высокого напряжения

1.2. Схема замещения кабельной разделки

1.3. Основные методы регулирования электрического поля в муфтах силовых кабелей

1.3.1. Емкостной метод выравнивания электрического поля в кабельной разделке

1.3.1.1. Рефракционный способ регулирования электрического поля

1.3.1.2. Геометрический способ регулирования электрического поля

1.3.2. Резистивный метод регулирования электрического поля в кабельной разделке

1.4. Замечания по изготовлению и монтажу стресс-конусов. Постановка задач

1.5. Особенности регулирования поля в соединительных кабельных муфтах

1.6. Выводы по первой главе

2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ В СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТАХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ КОМБИНИРОВАННЫЙ ЕМКОСТНОЙ ПРИНЦИП СНИЖЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

2.1. Влияние длины высоковольтного электрода на напряженность поля в Зоне 3 и

2.2. Анализ использования соединительных гильз длиной 150 и 160 мм на картину поля в стресс-конусе

2.3. Влияние длины дифлектора на картину электрического поля в Зоне 1 и

2.4. Влияние угла наклона дифлектора на распределение электрического поля в Зоне

2.5. Влияние расстояния между высоковольтным электродом и дифлектором на напряженность поля в Зоне 1 и

2.6. Зависимость электропроводности материала дифлектора на напряженность поля в Зоне

2.7. Влияние величины диэлектрической проницаемости на величину напряженности поля в критических зонах 1 и

2.8. Анализ графиков суммарной и касательной составляющей напряжённости электрического поля при полученных оптимальных параметрах усиливающей изоляции муфты

2.9. Сравнительный анализ разработанной конструкции с импортными аналогами

2.10. Результаты моделирования, выводы и рекомендации по изготовлению

3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ В СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТАХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ ПРИНЦИП ВЫРАВНИВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.

3.1. Теоретические предпосылки

3.2. Этапы моделирования

3.3. Влияние длины полупроводящей вставки над гильзой на напряженность поля в Зоне

3.4. Влияние длины полупроводящей вставки над срезом экрана на напряженность поля в Зоне

3.5. Влияние расстояния между п/пВ и ДЭ над гильзой на картину поля в Зоне

1 и

3.6. Влияние расстояния между краем п/пВ и ДЭ над срезом экрана на картину поля в Зонах 4 и

3.7. Исследование зависимости напряженности электрического поля от толщины полупроводящих вставок в Зоне

3.8. Исследование зависимости напряженности поля Е от толщины диэлектрического экрана в Зонах 1 и

3.9. Исследование зависимости распределения картины электрического поля от материала подмотки

3.10. Исследование толщин большого диэлектрического экрана и верхнего изоляционного слоя

3.11. Зависимость напряженности электрического поля от значения диэлектрической проницаемости ДЭ

3.12. Итоговая предварительная модель трубки-регулятора

3.13. Проверка работоспособности конструкции при отклонении от заданных параметров

3.14. Итоги проведенного исследования

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Введение

4.2. Полимерные композиты с повышенной электропроводностью

4.3. Исследование по увеличению теплопроводности трубки - регулятора

4.3.1. Литературный обзор существующих данных по увеличению теплопроводности материалов

4.3.2. Экспериментальная часть исследований по увеличению теплопроводности полиэтилена

4.4. Исследования по увеличению диэлектрической проницаемости образцов85

4.5. Оценка концентрации и равномерности распределения одностенных углеродных нанотрубок в полиэтилене спектрально-корреляционным методом

4.5.1. Введение

4.5.2. Общие сведения о спектрально-корреляционном методе

4.5.3. Экспериментальная установка

4.5.4. Основные причины погрешности

4.5.5. Материалы

4.5.6. Результаты исследований

4.5.7. Выводы

4.6. Предварительные испытания макета

4.6.1. Перечень проведенных испытаний

4.6.2. Результаты проведенных испытаний

4.6.3. Демонтаж

4.6.4. Выводы и рекомендации

4.7. Выводы по четвёртой главе

5. ОБНОВЛЁННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТРУБКИ-РЕГУЛЯТОРА

5.1. Исследование конструкции типа «Г.В.»

5.2. Исследование конструкции типа «Д.С.»

5.3. Анализ разработанных конструкций

5.3.1. Работоспособность разработанных обновлённых конструкций при отклонении от заданных размеров

5.4. Выводы по пятой главе

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

s

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комбинированный анализ технических и эксплуатационных характеристик кабельной арматуры на 110 кВ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие энергетики влечёт за собой развитие технологий передачи электроэнергии на расстоянии. Кабельная линия - объект, предназначенный для транспортировки электрической энергии. Основным преимуществом кабельных линий является возможность прокладки их под землёй или водой, то есть, не загромождая пространство, где возможно нахождение людей (в городах). В большинстве случаев прокладка кабельных линий осуществляется на значительные расстояния. А, как известно, стандартная строительная длина кабеля, который намотан на барабан, составляет от 250 до 500 метров. Чаще всего до 300 метров. Поэтому требуется использование специальных муфт.

Анализ статистики аварийных случаев на кабельных линиях высокого напряжения показывает, что значительная часть нарушений работы происходит в месте соединения двух кабельных отрезков - в кабельной муфте. Данная статистика объясняется тем, что при разделке кабеля происходит нарушение основной изоляции [1], в результате чего изменяется картина электрического поля, появляется тангенциальная составляющая напряженности электрического поля. Именно она оказывает основное негативное влияние на изоляцию муфты. Так же при усадке муфты, есть вероятность появления ещё одного фактора, негативно влияющего на её работу - это посторонние включения: примеси в теле муфты, которые могут появиться при производстве составляющих; воздушные включения или пыль, которые могут появиться в результате усадки муфты.

Следовательно, качество и срок службы усаженной муфты напрямую зависит от нескольких факторов:

• Качества составляющих, произведенных на производстве;

• Навыков работников, которые занимаются монтажом;

• Сложности процесса монтажа муфты;

• Качества выравнивания электрического поля, то есть снижение величины касательной (тангенциальной) составляющей напряженности электрического поля в разделке.

В связи с этими пунктами, актуальной является проблема разработки нового типа муфт, которые могли бы значительно снизить риски возникновения дефектов при производстве и монтаже муфт, а также улучшить выравнивание поля в разделке кабеля.

Надёжность и ресурс муфт напрямую зависит от совершенства их конструкции. Многие авторы уже проводили анализ электрических полей в усиливающей изоляции муфт. Так, например, в [2] была показана методология разработки усиливающей изоляции муфт на основе проведённого анализа электрического поля в кабельной разделке, показана методология создания усиливающей изоляции концевых муфт. В [3] исследуется, при помощи интегральных уравнений, напряженность электрического поля в соединительной муфте. В результате получена эмпирическая формула для расчёта тангенциальной составляющей напряженности электрического поля, между слоями усиливающей и основной изоляций. В [4], используя специализированный программный комплекс, был показан процесс оптимизации конструкции стресс-конуса соединительной муфты, работа которого основана на емкостном принципе снижения неравномерности электрического поля. В результате этого моделирования авторы подтвердили возможность разработки соединительной муфты, работающей на сочетании геометрического и рефракционного способов выравнивания поля в разделке. В [5] автор, используя метод конечных элементов [6], выявил зоны концентрации электрического поля в усиливающей изоляции концевых кабельных муфт и показал, как влияет заостренность среза экрана по изоляции и наличие дефектов на картину поля в целом.

Работы многих специалистов, как зарубежных, так и отечественных, посвящены анализу полей в усиливающей изоляции муфт в зависимости от типов выравнивания поля, их отличие от полей в целом кабеле и методам их анализа. В разное время в теорию регулирования электрического поля в кабельной разделке и её практического применения, большой вклад внесли такие отечественные и иностранные учёные как: Шварцман Л.Г., Канискин В.А., Пешков И.Б., Ларина Э.Т., Грешняков Г.В., Шувалов М.Ю., Дубицкий С.Д., Образцов Ю.В., Макаров

Л.Е., Сипилкин К.Г., Славинский А.З., Ветлугаев С.С., Кучерявая И.Н., Труфанова Н.М., T.Christen, L. Donzel and F.Greuter, P.N. Nelson, H.C. Hervig, X. Wang, C.C.Wang, K. Wu, D.M. Tu и др.

Кроме того, актуальность работы обусловлена распоряжением Правительства Российской Федерации от 4 августа 2015 года об импортозамещении в России. На данный момент на территории РФ ограничено производство муфт высокого и сверх высокого напряжения (от 35 кВ и выше), что негативно сказывается на ситуации в целом: во-первых, из-за вероятности полного отсутствия муфт, в случае ввода очередных санкций и отсутствия опыта и средств у промышленников в производстве высоковольтных муфт.

Цель диссертационной работы - повышение эксплуатационной надёжности кабельной арматуры путём разработки перспективного типа усиливающей изоляции муфт (трубка-регулятор или многофункциональный элемент) на напряжение 110 кВ, функционирование которой основано на резистивно-емкостном принципе снижения неравномерности электрического поля в кабельной разделке.

Научные задачи, выполняемые в ходе работы:

• Провести анализ конструкций усиливающей изоляции муфт, используемых в кабельной промышленности, путём численного моделирования электромагнитных и тепловых полей с учётом комбинации воздействующих факторов в специализированном программном комплексе;

• Найти оптимальную конструкцию для нового типа муфт;

• Провести анализ материалов (равномерность распределения наполнителя в матрице, проверка концентрации наполнителя), необходимых для создания элементов конструкции нового усиливающего слоя муфты;

• Разработать макет нового типа муфты (многофункциональный элемент или трубка-регулятор);

• Провести высоковольтные предварительные испытания макета муфты.

• Провести оценку работоспособности разработанных конструкций трубки-регулятора.

Объект исследования - усиливающая изоляция соединительной муфты силового кабеля из СПЭ изоляции на 110 кВ.

Предмет исследования - электромагнитные и температурные поля в усиливающей изоляции соединительных муфт на 110 кВ. Научная новизна:

1) Определены критические зоны в конструкции стресс-конуса, соединительной муфты, в которых значение напряженности поля достигает максимальных значений;

2) Использован спектрально-корреляционный метод измерения концентрации композиционного материала на основе ПЭ с добавками в виде одностенных углеродных нанотрубок;

3) Сформулированы основные принципы работы, проведено численное моделирование и, на этой основе, разработаны макеты соединительных муфт класса 110 кВ, в основу которых вложен комбинированный резистивно-емкостной метод выравнивания поля, где в качестве элемента, управляющего полем, используется термоусаживаемая трубка-регулятор;

4) Разработан перспективный резистивно-емкостной метод выравнивания электрического поля в усиливающей изоляции соединительных кабельных муфт, на основе сочетания рефракционного и линейного резистивного способов. Разработанный метод реализован при разработке (численное моделирование), изготовлении (разработка макетов), предварительных испытаниях макета соединительной муфты на 110 кВ;

5) Разработана техническая документация по трубке-регулятору; Практическая ценность работы:

1) Результаты анализа конструкций стресс-конуса существующих муфт, показывающие основные локации критических значений напряженности электрического поля в объёме стресс-конуса;

2) Разработаны и апробированы возможности перехода от комбинированного

емкостного к новому комбинированному резистивно-емкостному методу выравнивания электрического поля в усиливающей изоляции соединительных кабельных муфт на 110 кВ, с регулирующем элементом типа трубка-регулятор;

3) Разработаны три конструкции усиливающей изоляции муфты (трубки-регулятора), работа которой основана на резистивно-емкостном принципе снижения неравномерности электрического поля;

4) Разработанные материалы с заданными свойствами, для их применения в усиливающей изоляции трубки-регулятора;

5) Результаты измерений концентрации композиционного материала на основе полиэтилена со специальными добавками при помощи спектрально-корреляционного метода;

6) Результаты предварительных испытаний, подтверждающие возможность разработки многофункционального элемента;

Методы исследования определялись поставленными задачами. Компьютерное моделирование конструкций существующих муфт и оптимизация трубки-регулятора проводилось в специализированном программном комплексе ELCUT Professional. Постройка графиков и работа с таблицами проводились в пакете Mathcad. Измерения ёмкости, электропроводности проводились при помощи специальных устройств. Измерения для дальнейшего определения концентрации наполнителя проводились на экспериментальной установке.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) Разработанные конструкции многофункционального элемента;

2) Методология определения критических зон в конструкциях муфт;

3) Анализ распределения электрических полей в области среза полупроводящего экрана по изоляции в зависимости от угла этого среза.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью принятых допущений, и применением фундаментальных законов и методов теории поля, использованием лицензированных вычислительных программ, сравнением с

расчётами других авторов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Научно-исследовательский и инновационный потенциал молодёжи» (Чита 2013), «Неделя науки» (СПб, СПбПУ 2014, 2016), «2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering» (СПб, ЛЭТИ 2018), и на международном форуме «Электрические сети» в Москве в 2018 году.

Личный вклад соискателя состоит в постановке цели и задач исследования; в моделировании и анализе существующих конструкций; в моделировании, оптимизации и разработке новой конструкции усиливающей изоляции муфты; в проведении исследований для создания свойств образцов для дальнейшего создания элементов трубки-регулятора; в разработке инструкции по монтажу. Предварительные испытания макетов трубки-регулятора были проведены на территории ООО ПК «Севкабель» под непосредственным руководством автора.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.09.02 «электротехнические материалы и изделия». Полученные соискателем основные результаты исследований соответствуют пунктам:

1) «Оптимизация параметров электротехнических материалов и изделий».

2) «Моделирование процессов проектирования, исследования, эксплуатации электротехнических и радиотехнических материалов и изделий на их основе».

3) «Разработка методов повышения долговечности и надежности электротехнических материалов и изделий на их основе».

Исследования и высоковольтные испытания муфт профинансированы ООО «ПК «Севкабель».

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12-ти работах, из них 3 статьи в изданиях перечня ВАК, 2 статьи в англоязычных журналах и сборниках, индексируемых в базе Scopus и Web of science, а также получен патент на полезную модель [7] в соавторстве с Грешняковым Г.В. и Ковалёвым Г.Г (Приложение В).

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений.

В главе 1 представлена электрическая резистивно-емкостная схема замещения кабельной разделки, по анализу которой делается вывод об элементах, которые оказывают наибольшее влияние на распределение электрического поля в разделке кабеля. Так же по анализу этой схемы сделаны выводы о том, какими параметрами можно снижать неравномерность электрического поля, возникающую в результате разделки кабеля. Ещё приведены и объяснены принципы действия существующих основных способов регулирования напряженности электрического поля и как они реализуются в существующих конструкциях усиливающей изоляции муфт силовых кабелей.

В главе 2 уделяется внимание процессу разработки компьютерной модели стресс-конуса соединительной кабельной муфты на 110 кВ. Процесс разработки и оптимизации конструкции производился при помощи специализированного программного комплекса, работа которого основана на методе конечных элементов. Был оптимизирован широкий спектр параметров как геометрических (длина высоковольтного электрода, расстояние между высоковольтным электродом и дифлектором и др.), так и физических (значение диэлектрической проницаемости основного изоляционного тела, электропроводность высоковольтного электрода и дифлекторов). Так же были даны выводы и рекомендации по конструктивным особенностям стресс-конуса. После разработки компьютерной модели и проведения её оптимизации, был проведён сравнительный анализ разработанной конструкции с существующими на тот момент стресс-конусами импортных производителей (Zuit и Pfisterer). Сравнение проводилось по всей конструкции.

В главе 3 описывается процесс разработки нового типа усиливающей изоляции соединительных муфт на 110 кВ, работа которого основа на резистивно-емкостном принципе выравнивания электрического поля (трубка-регулятор) в разделке кабеля. Данная работа проводилась, при помощи специализированного программного комплекса. Здесь описаны недочёты, с которыми сталкиваются при

работе со стресс-конусами. Объяснена первоначальная базовая модель трубки-регулятора, по которой вёлся процесс оптимизации. Были определены параметры: как геометрические (длина полупроводящей вставки, толщина диэлектрических экранов и пр.), так и физические (значение диэлектрической проницаемости диэлектрических экранов, электропроводность полупроводящих вставок), которые необходимо было оптимизировать. Так же в этой главе подведён итог оптимизации с полученной конечной моделью трубки-регулятора.

В главе 4 описана экспериментальная часть работы, где проводились исследования по улучшению теплопроводности элементов будущей трубки-регулятора при помощи введения в матрицу полиэтилена углеродных нановолокон и микроволокон. В это части исследований равномерность распределения наполнителя в матрице была проверена при помощи сканирующего электронного микроскопа. Была проделана работа по увеличению диэлектрической проницаемости композиционного материала на основе полиэтилена с добавлением специальных углеродных нанотрубок (ОСУНТ). Так же было экспериментально подтверждена возможность оценки концентрации углеродных нанотрубок в полиэтилене при помощи спектрально-корреляционного метода. После лабораторных исследований описана методика отработки сборки макета трубки-регулятора и дальнейшая сборка его уже на кабеле для проведения предварительных испытаний. В процессе проведения высоковольтных предварительных испытаний был измерен уровень частичных разрядов в муфте и длительность выдержки кабельной линии при повышенном напряжении. Так же здесь описаны результаты испытаний и процесс демонтажа с пояснениями.

В главе 5 описываются две новые конструкции многофункционального элемента, которые были разработаны после проведения анализа всех предыдущих этапов работы. Здесь описываются их основные конструктивные особенности. Так же здесь проведен сравнительный анализ картин полученных электрических полей с первоначальной конструкцией и объяснены преимущества над начальной моделью.

Библиографический список содержит 103 источников. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, из них основной текст - 117 страниц, список литературы - 9 страниц, приложения - 9 страниц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Состояние рынка в кабельно-проводниковой продукции высокого

напряжения.

В последнее время мировая тенденция развития кабельных энергораспределительных сетей среднего и высокого напряжения направлено на замену кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией на экструдированную [8]. На сегодняшний день в промышленно развитых странах (Европа, Америка, Россия) практически весь рынок силовых кабелей составляют кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена [9] [10].

Изоляция из промасленной бумаги, неустойчива к механическим нагрузкам, поэтому требовала наличие твёрдой оболочки из металла, а также негативно сказывается наличие воды и вертикальная прокладка, при которой масло стекает к нижней точке кабеля [11]. Сейчас современный «сшитый» полиэтилен, всё чаще заменяет бумажную изоляцию из-за ряда преимуществ, благодаря которым его можно использовать при прокладке в таких условиях, в которых невозможно использование кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией [12] [13].

Нижняя рабочая температура полиэтилена, при которой возможно его использование без изменения его прочностных и диэлектрических характеристик равна -50°С, что является явным преимуществом для материала кабельной изоляции [14].

Основными преимуществами использования СПЭ изоляции являются:

1. Высокие диэлектрические показатели при малых потерях (0.001);

2. Влагонепроницаемость;

3. Устойчивость к механическим нагрузкам;

4. Эластичность. Из-за этого можно свободно менять направление прокладки, а также делать её многоуровневой.

Наряду с существенными преимуществами, полиэтилен так же имеет ряд недостатков:

1) Плохая переносимость УФ излучения, поэтому его нежелательно прокладывать на открытом пространстве [15];

2) Проникающий в структуру изоляции свободный кислород воздуха, оказывает разрушающее воздействие, поэтому требуется специальное покрытие.

3) Ограничение в использовании при постоянном токе, потому как происходит образование объёмного заряда, который нет возможности компенсировать.

1.2. Схема замещения кабельной разделки Разделка кабеля - целенаправленное удаление защитных покровов, оболочек, экранов с соблюдением определённых правил и требований, регламентированных набором документов (ГОСТ, МЭК, инструкции) [16] [17]. Пример разделки кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена представлен на рисунке 1 . Разделка предваряет этап монтажа кабельных муфт. Характер распределения электрического поля в поперечном сечении кабеля вне зоны разделки иллюстрируют рис. 2, 3 [18].

Рисунок 1 Общий вид разделки кабеля с СПЭ изоляцией перед монтажом

Рисунок 2 Характер распределения напряженности электрического поля по сечению

кабеля

Е~Е:

Рисунок 3 Картина поля в сечении кабеля в рабочем режиме

Как видно из предыдущих рисунков, электрическое поле в рабочем режиме вне зоны разделки содержит только одну - радиальную составляющую Er.

Разделка же кабеля нарушает его заводскую изоляцию, т.е. происходит изменение конструкции [19]. Это неизбежно ведёт к изменению распределения электрического поля в изоляции кабеля и в окружающем пространстве (рис.4).

Рисунок 4 Цветовая картина напряженности электрического поля с эквипотенциальными

линиями

Появляется касательная (тангенциальная) составляющая напряженности электрического поля [20], направленная вдоль поверхности изоляции (рис.5). Она же является причиной возникновения скользящего разряда от жилы к трансформированному в результате разделки, заземлённому экрану. Проводящий (как правило - медный многопроволочный) экран кабеля при разделке обрезается [21], а его продолжением является полимерный (полупроводящим) экран, нанесённый на изоляцию методом экструзии (в случае ХЬРБ - изоляции). Разряд возникает не сразу, а при достижении определённого, критического значения напряжённости электрического поля (и, естественно, его тангенциальной составляющей). Критическое значение зависит от толщины изоляции, диэлектрической проницаемости - е материала изоляции, формы и размеров края электрода (обрезанного экрана).

Рисунок 5 Две составляющие электрического поля в разделке

Чтобы избежать пробоя, необходимо создать дополнительный усиливающий слой изоляции. В этом заключается основной вопрос при разработке кабельных муфт.

При конструировании усиливающей изоляции возможны два варианта:

1. Дополнительное изолирование без принудительного регулирования электрического поля.

2. Регулирование электрического поля в усиливающей изоляции.

Ясно, что для каждого класса напряжения можно создать кабельную муфту, где в качестве усиливающей изоляции будет выступать конструкция, которая состоит из изоляционных материалов, без использования регулирования электрического поля, с толщиной, обеспечивающей надёжную работу, без пробоя (с высокой вероятностью). Но при этом данный метод приведёт к значительному увеличению габаритов кабельной муфты. К тому же с увеличением класса напряжения, эффективность подобного метода снижается. Отсюда следует, что наиболее оправданный метод - это применение регулирования электрического поля в разделке. Для рассмотрения существующих методов регулирования поля, изначально следует обратить внимание на схему замещения кабельной разделки, которая представляет собой цепочку из поперечных и продольных параллельных ЯС элементов по два поперечных элемента в каждой ячейке (рис. 6).

Рисунок 6 Схема замещения кабельной разделки

Где: С о, С у, С 5 - ёмкость по отношению к земле, к жиле и продольная соответственно, Ф;

К? о, К у, К - сопротивление изоляции в направление к земле, к жиле и продольное соответственно, Ом;

1- длина кабельной разделки;

х - координата произвольной точки поверхности разделки (х = 0 - начало отсчёта (край экрана), мм; 1 5 (х) - продольный ток по поверхности длины разделки в точке х; 1у (х) - ток через изоляцию на жилу в точке х; 1 о (х) - ток через изоляцию на землю в точке х;

Я, г о - наружный радиус изоляции и радиус жилы соответственно, мм;

элементов моделируют комплексное сопротивление току через основную изоляцию на жилу и через усиливающую изоляцию на землю соответственно. В связи с возникновением разности токов и I0, появляется нарушение в распределении поля в разделке, т.е. возникновению тангенциальной составляющей напряженности электрического поля. Введём следующие обозначения:

иж, и 0 - действующие значения потенциалов жилы и экрана, кВ; иж>и 0 - мгновенные значения потенциалов жилы и экрана, кВ; их,их - значения действующего и мгновенного потенциала на расстоянии х от начала отсчёта на поверхности кабельной разделки, кВ;

Ех,ех-напряжённость электрического поля в точке х, кВ/мм; у5 = а5 + у о)С 3 - комплексная продольная проводимость, См; % = (Ту + У о Су - комплексная проводимость в направление к жиле, См; У 0 = &0 + У оС0 - комплексная проводимость по направлению к земле, См;

Ри -удельное объёмное сопротивление изоляции, Ом м; £ -относительная диэлектрическая проницаемость.

Большее влияние на отклонение от нормального распределения электрического поля оказывает проводимость уу, которая по своей величине соизмерима с у5.

В случае отсутствия проводящих покрытий или при воздействии переменного напряжения, активные составляющие комплексных проводимостей приравниваются к нолю, что упрощает схему замещения, и она становится чисто емкостной (гз = юСз , Уи = ™Со , Го = ™С0).

Когда для управления полем используются проводящие покрытия, это значительно увеличивает активную составляющую продольной проводимости, что позволяет исключить реактивную составляющую, т.е. Гз = .

При постоянном напряжении, ёмкостные проводимости равны нулю и схема замещения становится резистивного типа.

Значения, <т5, С8, <ти, Си отнесённые к единице длины, определяются из следующих формул:

Л- —-Г02)

< = —-- (1)

Ро

С8=л-£а.(- - г0) (2)

2-л

Р, М-)

(3)

Г0

(4)

Р, 1п( -)

Г0

Значения бг0 и С 0 находятся по тем же формулам (3) и (4), где Я - расстояние, на котором располагаются заземлённые предметы, окружающие соединительную муфту.

Представим, что Сх, Со, С0 - постоянные величины. Значит, связь между переменными током и напряжением для мгновенных значений выглядит следующим образом [22]:

ёх сСб,

^(Х) = сСо (их - и) + соС0их = соих (Со + С0) - соСои ёх

Решив систему из этих уравнений, получим дифференциальное уравнение второго порядка:

^ = ±_ - ад = (Со+ С0) - - Сои = с12их - Аи (5)

ёх саСп ёх С С

Где: а2 = ; а = ;

Решив уравнение (5) получим формулу закона распределения напряжения по длине кабельной разделки:

и

их = ^—,/ А [С0*П(ах) - Со ■ хк(а(1- х)) + Си$к(а1)] (6)

(Со+ С0)- ^(а1)

а = ¡Со+С0-

Cs

(7)

При Си >> С их = и[1 - Ф(а( х)) ] (8)

При С0>> Си их = и.^^а) (9)

Дифференцируя (6) по 'У получим формулу для расчета е(х):

аи

е(х) = -^ ч; / А - [С0сК(ах) + СосК(а(1 - х))] (10)

(Со+ С)Ка1)

При Си >> С0 е(х) = -аи с11(аа -х)) (11)

sh(а1)

Максимальная напряжённость будет при х = 0:

етах = -аи - СП(а1) (12)

Если С0>> Си , е(х) = -аиСКа) (13)

sh(ax)

Так же напряжённость поля будет максимальной при х = I (12).

В случае сильно неравномерного распределения поля, а1 > 21 сгК(а1)«11, максимальное значение напряжённости:

етах =-аи (14)

Из выше сказанного следует, что при неравномерном распределении напряжённости электрического поля по всей длине кабельной разделке, её значение в начале и в конце разделки не зависит от длины этой разделки.

1.3. Основные методы регулирования электрического поля в муфтах силовых

кабелей

В современных концевых и соединительных муфтах высокого напряжения на 110 кВ, применяется стресс-конус - отформованный двухкомпонентный эластомерный элемент. Он служит для регулирования поля в разделке кабеля и для восстановления изоляции. Принцип его работы заключён в емкостном методе выравнивания электрического поля (рис. 7, 8) [23], [24]. Основные компоненты стресс конуса: основное изоляционное тело и рефлектор (в концевой муфте) или дифлектор (в соединительной муфте). Дифлектор - это рефлекторы, расположенные на срезах экранов по изоляции. Данные элементы изготавливаются из силиконовой или этиленпропиленовой резины. Для обеспечения проводящих свойств дифлектора в матрицу добавляют проводящие наполнители. Стресс-конус изготавливается методом литья в пресс-формы. [25]. Использование геометрического и рефракционного способов регулирования поля, позволяет достичь лучших геометрических параметров стресс-конуса, а, следовательно, кабельной муфты в целом, электрических характеристик, улучшить надёжность муфты и её стоимость, при использовании эластомерного элемента [26].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Селезнёв Дмитрий Александрович, 2021 год

/ \

JU

Рисунок 38 Распределение модуля напряжённости электрического поля вдоль расчётных

контуров усиливающей изоляции.

Е.кВ/мм

Рисунок 39 Распределение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля вдоль расчётных контуров усиливающей изоляции.

Из рисунков 38 и 39 можно сказать, что в стресс-конусах подобной конструкции, независимо от класса напряжения наиболее уязвимая критическая Зона будет располагаться на краю высоковольтного электрода (Зона 3).

2.9. Сравнительный анализ разработанной конструкции с импортными

аналогами

Для лучшего понимания качества, разработанного эластомерного элемента управления полем соединительной муфты, с точки зрения выравнивания поля, был проведён сравнительный анализ его работоспособности с зарубежными аналогами. Были предоставлены образцы усиливающей изоляции соединительных муфт на 110 кВ таких фирм, как Zuit (рисунок 40 и 41) и Pfisterer (рисунок 42 и

В данной работе была поставлена цель сравнить работоспособность компьютерных моделей иностранных производителей с разработанной конструкцией.

Критерием было максимальное значение напряженности электрического поля в критических зонах каждой из конструкций.

Рисунок 40 Эластомерный элемент управления полем муфты фирмы Zuit на 110 кВ в

разрезанном виде.

Рисунок 41 Чертёж эластомерного элемента управления полем фирмы Zuit.

Рисунок 42 Эластомерный элемент управления полем муфты фирмы Pfisterer на 110 кВ в

разрезанном виде.

Рисунок 43 Чертёж эластомерного элемента управления полем фирмы Pfisterer.

В ходе данного этапа исследований были получены следующие картины распределения электрического поля в усиливающей изоляции каждого из рассмотренных типов муфт (рисунки 44-46):

Рисунок 44 Распределение электрического поля в муфте фирмы «Zuit».

Рисунок 45 Распределение электрического поля в муфте фирмы «Pfisterer».

Рисунок 46 Распределение электрического поля в разработанном стресс-конусе

После проведения анализа каждой картины распределения напряженности электрического поля, были выделены критические зоны в каждой из конструкций, в которых значение напряженности электрического поля принимает максимальное значение (рисунки 47-49). Полученные результаты указаны в таблице 5.

Рисунок 47 Максимальное значение напряженности электрического поля в стресс-конусе

фирмы <^иН».

Рисунок 48 Максимальное значение напряженности электрического поля в стресс-конусе

фирмы «Pfisterer».

;-а Кооркипап»

£ г.«7.13мм

* . 688 и им А »=3.713?гры

- ^Денигрпцпемтит

с ЙНтрямнямтПг Л9ЫЮШм .. и ншршямкть г = гммсо В'м

а |гсмш*ш»в. аоомакткл/м-

Смещение С. с 0.000561« Ко/ы-I» Смицкш Р, = (ЮЮбиМ/м*

ГИмиии чем= 0«/м1

Плмняи 'оч ¡^у^., - О-Оемвл А

К Плянво» , = ОХвЗОЯ V»

- ЩСр«*»«*

» По1«ри полчиюм»и 0=0 в|/м'

• щпряжевие и = ШЗОВ Нлприже нн«т» I : 47888» В/п

Рисунок 49 Максимальное значение напряженности электрического поля в

разработанном стресс-конусе

Таблица 5: Значения напряженности электрического поля исследованных стресс-

конусов в критической зоне 3:

Наименование Es, кВ/мм Ет, кВ/мм

«Zuit» 4,1 4.09

«Pfisterer» 2,69 1.64

Разработанный 3.39 2.45

Как видно из полученных результатов, разработанный стресс-конус незначительно уступает швейцарскому стресс-конусу фирмы Pfisterer, в то время

как значения напряженности электрического поля (как тангенциальной, так и суммарной) у немецкого стресс-конуса «7ш1» значительно выше, чем у разработанного.

2.10. Результаты моделирования, выводы и рекомендации по изготовлению

Предварительное компьютерное моделирование усиливающей изоляции соединительной муфты на 110 кВ позволило определить местонахождение наиболее опасных зон, где напряжённость поля принимает наибольшую амплитуду и максимальное неоднородное распределение:

> Срез полупроводящего экрана по изоляции (Зона 1);

> Край дифлектора (Зона 2);

> Край высоковольтного электрода (Зона 3);

• Удельная проводимость дифлектора и высоковольтного электрода, должна быть не менее 240-4 См/м;

• Полимерный высоковольтный электрод должен быть длиннее соединительной гильзы минимум на 10 мм. В случае нарушения данного условия, произойдёт резкий скачок поля у поверхности высоковольтного электрода. Если же край соединительной гильзы выступит за высоковольтный электрод, то образуется новая критическая Зона 4, где значение напряженности поля будет значительно больше, чем в остальной части конструкции;

• Так же по результатам моделирования можно сделать вывод, что угол наклона дифлектора следует делать минимально возможным (критерий - технология изготовления);

• Сравнительный анализ показал, что разработанная конструкция не уступает импортным аналогам;

По результатам выполненной полной оптимизации конструктивных элементов стресс-конуса, изготовленного из силиконовой резины известного

-5

производителя , для кабелей класса напряжения 110 кВ, предлагаются следующие параметры. При длине соединительной медной гильзы 150 мм:

3 https://www.wacker.com/cms/en/products/product/product.jsp?product=10266

• общая длина стресс конуса - 660 мм.

• длина дифлектора (проекция на ось кабеля) - 170 мм (с каждой стороны).

• длина полимерного высоковольтного электрода - 190 мм.

• расстояние между высоковольтным электродом и дифлектором - 65 мм.

• Диэлектрическая проницаемость основного изоляционного тела -12;

• Электропроводность дифлекторов и высоковольтного электрода - 210-4 См/м. При этих параметрах максимальное расчётное значение тангенциальной

составляющей напряженности поля Ет = 2,45 кВ/мм (Зона 3).

3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ В СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТАХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ ПРИНЦИП ВЫРАВНИВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПОЛЯ

Стресс-конус, выступающий основным элементом, выравнивающим поле в муфтах на 110 кВ в настоящее время, имеет ряд недостатков:

• Во-первых, для создания стресс-конуса нужна литьевая машина, пресс-формы. Это дорогостоящее оборудование;

• Во-вторых, монтаж данного элемента происходит при помощи механического натягивания. То есть для того, чтобы усадить стресс-конус на разделку необходимо приложить много усилий. Так же обычно такие элементы делают на несколько типа размеров. То есть, чем выше будет сечение кабеля, тем больше усилий нужно приложить;

• В-третьих, необходимо специальное оборудование при монтаже;

• В-четвёртых, это масса-габаритные размеры. Для примера, стресс-конус соединительной муфты на 110 кВ весит примерно 21 кг. Т.е. при производстве тратится много сырья для создания одного элемента, не говоря о дополнительных проблемах при монтаже из-за этого.

Так же в кабельных системах из XLPE (сшитый полиэтилен) изоляции, используется кабельная арматура, при монтаже которой задействован принцип холодной усадки. В этом случае, так же, как и в случае использования стресс-конуса, применяются материалы с кристаллической структурой в виде сетки. Изделие из такого материала может растягиваться до определённой степени, а затем сжиматься, возвращаясь в первоначальное состояние. Впервые технология холодной усадки была предложена компанией «MMM» (USA) в 1968 г. Но данная технология имеет незначительное распространение из-за ограниченного срока хранения

Все эти недостатки можно компенсировать, в случае если заменить использующийся сейчас стресс-конус, комбинацией термоусаживаемых трубок со

специальными свойствами на основе сшитого полиэтилена. Специальные добавки обеспечат использование комбинированного резистивно-емкостного метода выравнивания электрического поля в разделке, что позволит снизить масса-габаритные размеры муфты. Эта конструкция позволит значительно упростить процесс монтажа и снизит расходы на производстве. Так же при монтаже работникам в качестве оборудования требуется наличие газовой горелки (другого подобного устройства).

В этой главе рассматриваются ключевые особенности моделирования конструкции трубки-регулятора, или можно назвать это многофункциональным элементом, и её оптимизации, выполненной в виде совокупности нескольких термоусаживаемых трубок с заданными параметрами. Оптимизация конструкции и анализ её работоспособности проводился в специализированном программном комплексе ELCUT Professional4.

Цель настоящей работы - подтвердить возможность разработки усиливающей изоляции, работа которой основана на комбинированном резистивно-емкостном принципе выравнивания электрического поля на замену существующих стресс-конусов. Получить модель трубки-регулятора с наиболее оптимальным соотношением между габаритами конструкции и картиной электрического поля в ней. Рассматриваемый критерий - минимальное значение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля, которая должна быть меньше 5 кВ/мм (начало образования скользящего разряда) в выделенных критических зонах [59].

3.1. Теоретические предпосылки.

Анализ разделки высоковольтного кабеля из СПЭ изоляции [60] (рисунок 50), позволил построить первоначальную модель трубки-регулятора (рисунок 51).

4 ELCUT 6.3. Руководство пользователя. ООО «ТОР».- С-Петербург, 2018

наружная оболочка

металлическим экран

/

изоляционный слои

500

400

Рисунок 50 схематическое изображение разделки кабеля из СПЭ изоляции.

Были определены следующие изначальные положения по конструкции (рисунок 51):

• Для первоначального выравнивания поля, в месте среза экрана по изоляции и в месте соединения двух отрезков кабелей гильзой, необходимо «сгладить» силовые линии поля в этих местах трубкой с высокой электропроводностью, т.е. резистивным методом. Далее трубки с подобными свойствами будут называться «полупроводящая вставка» (п/пВ) («3» на рисунке 51);

• Далее для ещё большего выравнивания, поверх проводящей трубки предполагается использовать трубку с высоким значением диэлектрической проницаемости, т.е. использующую рефракционный способ выравнивания поля. Трубки с подобными свойствами далее будут называться «диэлектрический экран» (ДЭ) («4» и «6» на рисунке 51);

• Перед усадкой дополнительного изоляционного слоя рекомендуется выровнять геометрию при помощи изоляционных лент («5» на рисунке 51);

• Затем усаживается дополнительный изоляционный слой из трубок без специальных добавок («7» на рисунке 51);

Для более тщательной оптимизации было выделено 7 предварительных критических Зон, опираясь на значения напряженности в которых, проводилась оптимизация (рисунок 51).

Рисунок 51 Предварительная конструкция трубки-регулятора с критическими зонами.

3.2. Этапы моделирования.

После определения первоначального состава многофункционального элемента и определения всех критических зон в модели, были определены все параметры, которые необходимо оптимизировать:

1. Геометрические и физические параметры п/пВ;

2. Геометрические и физические параметры ДЭ;

3. Толщины подмотки и верхнего дополнительного изоляционного слоя;

4. Расстояние между п/пВ и ДЭ;

Ранее было обнаружено, что использование соединительной гильзы длиной 150 или 160 мм не влияет на картину поля в целом. Поэтому для уменьшения общих габаритов конструкции было принято использовать гильзу длиной 150 мм (глава 2.2.) [56].

Так же важно отметить, что далее будут показаны графики зависимостей напряженности электрического поля от исследуемых параметров только в тех зонах, на которые эти изменения оказывают наибольшее влияние.

3.3. Влияние длины полупроводящей вставки над гильзой на напряженность

поля в Зоне 1 .

На первом этапе была рассмотрена зависимость напряженности поля Е от длины п/пВ, которая заступает за край гильзы. В этом расчете было принято допущение, что все остальные элементы изоляционные, без специальных свойств. В результате был получен график, указанный на рисунке 52. Из этого графика можно выделить следующее: величина напряженности поля Е слабо зависит от расстояния между краем п/пВ над гильзой и краем самой гильзы. По этой причине не имеет смысла делать её слишком длинной, чтобы не увеличивать общие габариты многофункционального элемента. Поэтому было выбрано значение 50 мм.

Рисунок 52 График зависимости напряжённости электрического поля от расстояния между краем соединительной гильзы и краем п/пВ над ней.

3.4. Влияние длины полупроводящей вставки над срезом экрана на

напряженность поля в Зоне 5.

В ходе этой части оптимизации была получена зависимость напряженности электрического поля от расстояния между краем п/п экрана по изоляции и края п/пВ над этим экраном, как со стороны основной изоляции кабеля, так и со стороны усиливающей изоляции (рисунок 53). Исходя из этих результатов, можно сказать, что чем больше будет расстояние между краями, тем лучше будет картина поля. Но в связи с нежеланием сильно увеличить габариты конструкции, было выбрано значение равное 120 мм.

Е,кВ/мм Зг

ЗОНА 5

У

ЗОНА 5(у С.ИЗ)

50

100

150

200

1,мм

Рисунок 53 График зависимости напряжённости электрического поля от расстояния между срезом п/п экрана по изоляции и краем п/пВ над срезом экрана.

3.5. Влияние расстояния между п/пВ и ДЭ над гильзой на картину поля в

Зоне 1 и 2.

Проведя анализ графиков, показанных на рисунке 54 можно сказать, что в случае распределения поля в Зоне 1, значения напряженности поля изначально значительно меньше, чем в зоне 2 и увеличение значений напряженности поля критически не сказывается на общей картине поля в этой Зоне. В то время как при увеличении расстояния между краями п/пВ и ДЭ в Зоне 2 происходит снижение величины Е. Но из-за того, что после значения 1= 60 мм изменения значений напряженности электрического поля практически не происходит, по этой причине можно сказать, что оптимальным значением расстояния между краями ДЭ и п/пВ является значение, лежащее в диапазоне 50^60 мм.

Е, к В/мм

| ВОН А 2

|ЗОНД 4

20 40 60 30 100

Рисунок 54 График зависимости напряженности поля Е от расстояния между краем п/пВ

и ДЭ над соединительной гильзой в Зонах 1 и 2.

3.6. Влияние расстояния между краем п/пВ и ДЭ над срезом экрана на

картину поля в Зонах 4 и 5.

По аналогии с предыдущим пунктом, можно сказать, что оптимальное значение расстояния между краями п/пВ и ДЭ над полупроводящим экраном по изоляции будет равно 50^60 мм. Это связано с тем, что по графикам, изображённым на рисунке 55 видно, что увеличение расстояния в Зоне 5, как со стороны основной изоляции кабеля, так и со стороны усиливающей изоляции кабеля, не ведёт к снижению значений напряженности поля, тем более, что во втором случае происходит небольшой скачок. Но если брать во внимание Зону 4, то тут происходит значительное снижение силовых линий вплоть до 60 мм.

Е,кВ/мм

ОНА 5

ЗОНА 5(ус / .из)

|ЗОН А4|

Рисунок 55 График зависимости напряженности поля Е от расстояния между краем п/пВ и ДЭ над полупроводящим экраном по изоляции в Зонах 4 и 5.

3.7. Исследование зависимости напряженности электрического поля от толщины полупроводящих вставок в Зоне 1 Так как последовательность слоев над гильзой и над срезом экрана одинаковая и свойства у слоев идентичны, можно сделать вывод, что характер влияния толщины п/пВ в этих областях на напряженность поля, будет одинаков. Поэтому исследование проводилось только в Зоне 1 (рисунок 56).

При увеличении толщины полупроводящей вставки значение напряженности поля в зоне 1 уменьшается. То есть можно брать любое значение толщины в пределах 5^12 мм. Но при этом даже при значении в 5 мм оно не превышает допустимого значения, поэтому было принято значение в 5 мм.

Е,кВ/мм

|ЗОНА 1

Рисунок 56 График зависимости напряженности поля Е от толщины полупроводящей

вставки в зоне 1.

3.8. Исследование зависимости напряженности поля Е от толщины

диэлектрического экрана в Зонах 1 и 2 Следуя аргументам, указанным в пункте 3.7. исследование по влиянию толщины ДЭ на картину поля проводилось только с учётом Зон над соединительной гильзой - Зона 1 и 2 (рисунок 57).

При анализе графиков зависимости Е от толщины ДЭ можно сказать, что значительная толщина ведёт к значительному увеличению значения напряженности электрического поля в Зоне 1. В зоне 2 изменения напряженности поля имеет параболический вид с характерным минимальным экстремумом в месте, где значение толщины диэлектрического экрана равно 12 мм. По этой причине было выбрано это значение.

Е,кВ/мм

24 2.2 2 1.8 1.6

145 10 15 20 '

Рисунок 57 График зависимости напряженности поля Е от толщины диэлектрического

экрана в зоне 1 и 2.

3.9. Исследование зависимости распределения картины электрического поля

от материала подмотки В ходе исследования была проверена возможность разработки конструкции многофункционального элемента в состав, которого входит полупроводящая подмотка, которая должна выровнять геометрию модели, для дальнейшей усадки большого ДЭ и верхнего изоляционного слоя (рисунок 58). Как видно из полученных данных, при подобных физических свойствах подмотки значения напряженности электрического поля в Зоне 7 даже при значительных толщинах

ЗОНА 2

______

ЗОНА 1

обоих слоев принимает больше допустимых. Поэтому данный вариант был исключён.

Рисунок 58 График зависимости напряженности электрического поля от толщины большого диэлектрического экрана и от толщины верхнего изоляционного слоя в Зоне 7 в случае, если подмотка имеет полупроводящие свойства.

3.10. Исследование толщин большого диэлектрического экрана и верхнего

изоляционного слоя

На этом этапе проводилось исследование зависимости двух параметров одновременно в критических зонах 1 и 7. В результате были получены два графика зависимости напряженности электрического поля от толщины большого ДЭ и от толщины верхнего изоляционного слоя (рисунок 59) в зоне 7 (таблица 6) и зоне 1 (таблица 7).

Рисунок 59 Графики зависимости напряженности поля Е от толщины большого ДЭ и толщины верхнего изоляционного слоя в Зонах 1 и 7.

Таблица 6: значения Е в зоне 7 Таблица 7: значения Е в зоне 1

По полученным данным можно отметить, что изменения обеих исследуемых величин вызывает обратно пропорциональные изменения напряженности поля в отмеченных Зонах. Дальнейшее увеличение данных толщин ведет к значительному увеличению масса-габаритных значений конструкции в целом. По этой причине, было принято решение остановить исследование на толщине большого ДЭ - 15 мм, и толщине верхнего изоляционного слоя - 20 мм.

3.11. Зависимость напряженности электрического поля от значения диэлектрической проницаемости ДЭ.

В ходе исследования так же была получена зависимость напряженности поля Е от величины диэлектрической проницаемости диэлектрических экранов во всех зонах, на которые изменения исследуемой величины оказывает наибольший эффект (рисунок 60).

Е,кВ/мм

Рисунок 60 Зависимости напряженности электрического поля от диэлектрической

проницаемости ДЭ.

Из полученных графиков следует, что оптимальный диапазон диэлектрической проницаемости лежит в пределах от 10 до 12. Так как при дальнейшем увеличении значения диэлектрической проницаемости происходит перераспределение силовых линий в другие критические зоны, из-за чего увеличивается значение напряженности поля. Так же разработка материала с очень высоким значением е и сохранением требуемых механических характеристик менее вероятна.

Ранее, при исследовании стресс-конуса соединительной муфты на 110 кВ было получено значение удельной проводимости проводящего материала (пункт 2.6.). Данные результаты можно перенять на полупроводящую вставку. Поэтому в этой модели значение электропроводности было выбрано равное у= 240-4 См/м.

3.12. Итоговая предварительная модель трубки-регулятора

В результате проведённого полного моделирования, была получена следующая итоговая картина распределения силовых линий в усиливающей изоляции кабельной муфты типа трубка-регулятор (рисунок 61).

Рисунок 61 Картина распределения напряженности электрического поля в трубке-регулятор.

И соответственно значения тангенциальной и суммарной составляющих во всех критических зонах (таблица 8).

Таблица 8: значения напряженности электрического поля во всех критических зонах

Зоны 1 2 3 4 5 (ус.из/осн.из) 6 7

Е^, кВ/мм 3.57 0.10 1.51 1.74 1.37/2.71 3.64 2.60

Ет, кВ/мм 3.27 0.04 1.50 1.72 0.07/2.62 3.62 2.60

Как видно из полученных значений, напряженность поля в конструкции не превышает допустимого значения (5 кВ/мм), что говорит о работоспособности данной модели.

Итоговые параметры, полученные в ходе исследования трубки - регулятора при длине соединительной гильзы 150 мм:

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ:

• Толщина полупроводящей вставки - 5 мм;

• Толщина диэлектрических экранов над гильзой и над п/п экраном по изоляции - 12 мм;

• Толщина верхнего изоляционного слоя - 20 мм;

• Толщина большого диэлектрического экрана - 15 мм;

• Длина полупроводящей вставки над гильзой - 250 мм;

• Длина полупроводящей вставки над п/п экраном по изоляции, которая усаживается непосредственно на основную изоляцию кабеля - 120 мм;

• Расстояние между краями полупроводящей вставки и диэлектрическими экранами - 55 мм;

• Расстояние между диэлектрическими экранами - 80 мм;

• Большой диэлектрический экран должен полностью покрывать всю конструкцию, которая находится под ним. Его длина должна составлять не менее 900 мм;

• Длина верхнего изоляционного слоя должна быть больше длины большого диэлектрического экрана. Чтобы полностью покрыть всю конструкцию. Поэтому это значение должно быть больше 1100 мм.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ:

• Диэлектрическая проницаемость ДЭ = 10;

• Подмотка, которая должна выровнять геометрию модели перед тем, как усаживать большой диэлектрический экран, должна быть изоляционной;

• Электропроводность полупроводящей вставки Тп/пв= 2 10-4 См/м;

• Верхний изоляционный слой - изоляционные трубки без специальных свойств.

3.13. Проверка работоспособности конструкции при отклонении от заданных

параметров

В процессе монтажа муфты, велика вероятность отклонения конструкции при усадке элементов. Чтобы лучше понять, как скажется отклонение того или иного геометрического параметра на общей картине поля, был проведёт ряд исследований, где изменялись наиболее вероятные величины: длина п/пВ, длина ДЭ, расстояние между ДЭ и расстояние от края п/пВ и ДЭ.

В результате моделирования был получен ряд данных, среди которых можно выделить самые критические, что указаны на рисунках 62 и 63 и соответственно в таблицах 9 и 10.

Рисунок 62 Картина распределения тангенциальной составляющей напряженности электрического поля при сближении диэлектрических экранов (40 мм) и полупроводящих

вставок.

Таблица 9: значения тангенциальной и суммарной напряженности поля Е в критических зонах при сближении диэлектрических экранов

Зоны 1 2 3 4 5 6 7

Е^, кВ/мм 1.8 3.53 0.66 4.5 3.84 1.2 2.60

Ет, кВ/мм 1.69 1.2 1.50 4.2 3.84 1.0 0.2

Рисунок 63 Картина распределения тангенциальной составляющей напряженности электрического поля при сближении края полупроводящей вставки к краю

диэлектрического экрана

Таблица 10: значения тангенциальной и суммарной напряженности поля Е в

критических зонах при значительном сближении краёв п/пВ и ДЭ

Зоны 1 2 3 4 5 6 7

Е^, кВ/мм 1.8 3. 3 1.93 4.35 4.37 0.9 2.0

Ет, кВ/мм 1.75 1.87 1.8 4.1 4.37 0.2 0.1

Таблица 11: Максимальное значение Ет до и после изменения параметров

Максимальное значение Ет до изменения параметров, кВ/мм Тип изменения Максимальное значение Ет после изменения параметров, кВ/мм Соотношение полученных величин к базовому

3.62 Сближение ДЭ 3.84 1.06

Сближение п/пВ 4.37 1.21

Проведя анализ полученных результатов можно сделать вывод, что даже при значительном отклонении геометрических параметров трубки-регулятора, напряженность электрического поля может значительно изменять свои величины,

но при этом, в пределах проведённых измерений, её значения не превышают допустимых величин.

Важно отметить, что в данной конструкции главное соблюдать последовательность усадки слоев. Так же не допустимо, чтобы верхние слои были короче нижних (то есть край п/пВ не должен выступать за диэлектрический экран).

3.14. Итоги проведенного исследования В ходе исследования трубки-регулятора было сделано следующее:

• Предложена предварительная конструкция многофункционального элемента;

• Были определены Зоны, в которых напряженность электрического поля принимает наибольшие значения, чем в остальной части конструкции.

• Определены параметры, подлежащие оптимизации в компьютерной модели;

• Проведено полное компьютерное моделирование многофункционального элемента;

• Получены оптимальные геометрические и физические параметры элементов конструкции трубки-регулятора;

• Получена итоговая предварительная конструкция многофункционального элемента, в которой максимальное значение напряженности электрического поля не превышает допустимого значения тангенциальной составляющей электрического поля;

• Была проведена проверка работоспособности конструкции в случае отклонения геометрических параметров конструкции от итогового варианта.

Данное исследование подтверждает возможность создания усиливающей изоляции муфты с применением нового комбинированного резистивно-емкостного метода выравнивания электрического поля, значение максимальной тангенциальной составляющей напряженности в которой равняется 3.62 кВ/мм в зоне 6.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1.Введение

Полимеры широко используются в электротехнике, электронных приборах, в различном оборудовании, где важно иметь материалы с определенными электрическими и теплофизическими характеристиками.

В настоящее время существуют две тенденции развития научно -исследовательских работ в области создания композиционных материалов с определенными электрическими и теплофизическими композиционными материалами. Одна из них - создание композиционных материалов на основе различных полимерных связующих с наполнителями придающие необходимые диэлектрические, электропроводящие и термопроводящие характеристики, другая - синтез полимеров с определенными свойствами. Проблема получения электропроводящих композиционных материалов, обладающих сочетанием разнообразных свойств, не теряет своей актуальности, поскольку невысокая механическая прочность и химическая нестабильность синтезированных полимеров ограничивают возможности их практического использования.

4.2. Полимерные композиты с повышенной электропроводностью

Создание композиционных материалов с повышенной электропроводностью ведется, в основном, с использованием в полимерах различных электропроводящих наполнителей: порошки металлов и их соединений, органические проводники, технический углерод, графит, дискретные углеродные волокна, углеродные наноматериалы [61], [62], [63], [64].

Важно отметить, что изменение электропроводности с увеличением степени наполнения носит нелинейный характер. Каждая система характеризуется некоторой критической степенью наполнения (порог перколяции или протекания), после которой электропроводность увеличивается скачкообразно на несколько порядков. Это объясняется образованием цепочечных проводящих структур, играющих роль каналов проводимости. Очевидно, при высоких

степенях наполнения существенно изменяются физико-механические свойства материала [61], [62].

Металлические наполнители чаще всего используются для достижения низкого электрического сопротивления полимерного композиционного материала

-5

(pV<10- Ом-м), при этом требуется их высокая концентрация в материале (до 70 об.%). Это связано с наличием у многих металлов оксидной плёнки, которая препятствует образованию проводящего канала. Так же из-за большой разности в плотности полимера и металлического наполнителя, значительно увеличивается вес композита. Все это привело к тому, что этот тип наполнителя используют лишь в отдельных случаях (добавление магнитных свойств композиту, проводящие клеи и пр.). В некоторых случая при использовании наноразмерных частиц Al (Nanostructured & Amorphous Materials) с размером частиц 80 нм

-5

удается достичь электрической проводимости 1*10- См/м при концентрации 30 об. % в полиметилметакрилате [65]. Одновременно с этим, сравнительно недавно, появились различные металлические сплавы с низкой температурой плавления, которые при введении в полимерное связующее от 5% до 25% приводит к значительному возрастанию проводимости, максимальная величина, которой достигает 104 См/м [66].

За последние десятилетия все большей популярностью пользуются различные углеродные нанонаполнители, которые обладают рядом преимуществ: низкая плотность; высокая электропроводность; способность к образованию цепочечных структур в случае технического углерода; так же увеличение прочности композита [67], [68], [69], [70].

Электропроводящие полимерные композиции (ЭПК), наполненные техническим углеродом (ТУ), широко используются в промышленности благодаря их низкой стоимости. Для различных марок ТУ, диспергированных в одной и той же матрице, например, в полиэтилене высокой плотности (ПЭВП), критическая концентрация варьирует от 8 до 62 вес. %. С использованием технического углерода можно добиться достаточно низкого сопротивления

композиционного материала - до 10-2 Ом-м (Таблица 12), однако средние значения лежат в интервале 0,1-10 Ом-м [71], [72], [73], [74].

Таблица 12- Порог перколяции различных марок ТУ

№ Марка технического углерода Порог протекания, вес.%

1 Pearls 2000 15

2 Conductex 975 Ultra 4-8

3 П805Э 40-50

PrintexXE-2B 10

5 Vulcan XC-72R, Cabot Corp., USA 5-10

Однако при введении большого количества ТУ наблюдается ухудшение механических свойств и повышение вязкости расплавов полимерных композитов, что приводит к технологическим трудностям при переработке полимеров [73].

Использование в качестве электропроводящего наполнителя углеродных нановолокон (УНВ) представляет особый интерес. По сравнению с техническим углеродом УНВ обладают более высокими физико-механическими характеристиками, что может способствовать получению перспективных полимерных композиционных материалов (ПКМ) на их основе.

При введении УНВ в полимерную матрицу порог протекания может находиться достаточно в широких пределах от 1 до 15 %. А минимально достижимые значения электрического сопротивления в интервале 0,01-10 Ом-м. В таблице 13 приведены наиболее используемые марки УНВ и их электрическое сопротивление в полимерных композитах при заданных концентрациях [75], [76], [77], [78].

В случае углеродных волокон (УВИС АК-П) рост электропроводности полимерно-композиционного материала наблюдается при концентрации наполнителя 3-8%.

Таблица 13- Электрическое сопротивление (ПКМ) в зависимости от

производителя и марки УНВ

№ Марка УНВ Фирма производитель Содержание вводимых частиц Электрическое сопротивление, Ом-м

1 уасБ-и Showa Бепко 15-20 вес 11

2 ьитуас Pyrograf Ш™АррМ Sciences, 1пс., 5 об% 5

3 РЯ-25-ХТ-ЬИТ Pyrograf®-III 2 вес % 110

На электрическую проводимость полимерных композитов при введении УНВ оказывает большое влияние качество диспергирования, ориентация УНВ и поверхностная обработка (отжиг, наличие функциональных групп и т.д.) этим и объясняется существенная разница в концентрации вводимых УНВ для достижения требуемой электрической проводимости или сопротивления [76].

Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают выдающимися свойствами по сравнению с другими углеродными материалами и по праву привлекают широкое внимание исследователей.

В таблице 14 представлены имеющиеся в литературе данные об изменении электрического сопротивления полимерной матрицы, наполненной многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ). Проведенный анализ показал, что порог протекания для МУНТ колеблется в широком диапазоне от долей процента до ~10%. Такой большой разброс, скорее всего, объясняется трудностью диспергирования нанотрубок в полимерной матрице, поскольку из-за высокой удельной поверхности многостенных нанотрубок трудно их распределить и обеспечить равномерное распределения наполнителя в матрице, необходимого для снижения сопротивления композиционного материала. Для улучшения диспергирования обычно используют различные способы модификации поверхности нанотрубок [79], [80], [81], [82], [83].

Таблица 14- Электрическое сопротивление ПКМ в зависимости от

используемых МУНТ

№ Используемые частицы МУНТ Фирма производитель Содержание вводимых частиц Электрическое сопротивление, Ом-м

1 MCNT Chengdu Organic Chemicals Co 2 вес% 2,1

2 MWCNT (CVD) Sun Nanotech., 10 вес% 1

3 MCNT Nanostr. and Amorph. Mat. Inc. 9 вес % 0,5

4 MCNT(CVD) Iljin Nanotech. 5вес% 20

5 MCNT(CVD) Shenzhen Nanotech 30 вес% 0,005

6 CTube-100 CNT Co. 6 вес% 2,4

7 Baytubes C150P Bayer MaterialScience AG 8 вес% 1

При использовании одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) возможно снизить концентрацию вводимых углеродных нанотрубок для достижения требуемых свойств по электрическому сопротивлению (таблица 15) [36, 37, 38]. Так для достижения электрического сопротивления 10 Ом-м достаточно введения 0,1 % одностенных углеродных нанотрубок [36]. В случае одностенных углеродных нанотрубок ещё острее стоит вопрос разрушения агрегатов наночастиц до отдельных частиц. С целью облегчения процесса диспергирования и введения одностенных углеродных наночастиц фирма OCSiAl производит концентраты («мастербатчи» TUBALL™ MATRIX) трубок для введения, как в термопластичные, так и в термореактивные связующие [84].

Таблица 15- Электрическое сопротивление ПКМ в зависимости от используемых

ОСУНТ

№ Используемые частицы ОСУНТ Фирма производитель Содержание вводимых частиц Электрическое сопротивление Ом-м

1 Tubal OCSiAl 0,1 вес% 10

2 SWCNT (HiPco) Carbon Nanotech. 6 вес% 2

3 SWCNT (Arc), CarboLex 1 вес % 50

4.3. Исследование по увеличению теплопроводности трубки - регулятора 4.3.1. Литературный обзор существующих данных по увеличению

теплопроводности материалов При создании полимерных материалов с заданными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических характеристик. Применение добавок позволяет создавать композиционные полимерные материалы, у которых теплофизические свойства отличаются в десятки раз. При разработке высокоэффективных полимерных систем для охлаждения наружных светодиодных осветителей особый интерес представляет создание матричных полимерных композитов с высокотеплопроводящими наполнителями. Анализ литературных данных указывает на то, что в качестве наполнителя используют металлические частицы, графит, углеродные волокна и нанотрубки и т.п. (Таблица 16) [85]. Следует отметить, что теплопроводность полимерных композитов зависит от нескольких факторов, включая чистоту наполнителя, кристалличность, размер частиц и метод измерения. Также важно отметить, что некоторые материалы, обычно волокна или чешуйки, являются высоко анизотропными и часто показывают гораздо большую проводимость вдоль основной оси или плоскости, по сравнению с перпендикулярным направлением.

Для достижения соответствующего уровня теплопроводности в теплопроводящих полимерных композитах (ТПК) необходимо введение до 20-30 % теплопроводящих наполнителей, что представляет собой значительную

проблему для дальнейшей переработки данных материалов. Кроме того, высокая загрузка наполнителя резко изменяет механическое поведение и плотность полимера. По этим причинам получение композитов с теплопроводностью выше 4 Вт/м^К достаточно проблематично.

Наибольший интерес для получения ТПК представляет использование углеродных волокон и нанотрубок, графита т.к. теплопроводность этих материалов превышает или на уровне теплопроводности меди, которая среди металлов является наилучшим проводником тепла (Таблица 16).

Таблица 16-Теплопроводность некоторых теплопроводных наполнителей

Материал Теплопроводность при 25°С (Вт/м-К)

Графит 100-550

Технический углерод 6-174

Углеродные нанотрубки 2000-6000

Углеродные нановолокна 1500-2000

Алмаз 2000

Углеродное волокно 8-1000

Медь 483

Серебро 450

Золото 345

Алюминий 204

Таблица 17- Теплопроводность ТПК в зависимости от используемых частиц

графита

№ Используемые частицы Производитель Концентрация Теплопроводность Вт/м-К

1 EG-10, synthetic graphite SGL Carbon, UK 30 об% 1,5

2 Графит, ГЭ-3 - 15 об% 1

3 Graphite powder Shanghai Colloid chemical factory, China 20 об% 1,6

4 Терморасширяе мый графит QingdaoFuRunda Graphite Co. 5 об% 1,4

Графит один из лучших наполнителей из-за его хорошей теплопроводности, низкой стоимости и диспергируемости в полимерной матрице [86], [87] (Таблица 17). В ТПК также используется расширенный графит (EG), расслоенная форма графита со слоями толщиной от 20 нм до 100 нм, удельная теплопроводность которого зависит от степени расслоения в матрице полимера и соотношение сторон [86].

Среди углеродных наполнителей наибольшей теплопроводностью обладают углеродные нанотрубки и нановолокна (таблица 18). При использовании углеродных наноразмерных частиц с высоким соотношением длины к диаметру для достижения высоких значений теплопроводности необходимо не только разрушить агрегаты углеродных частиц, но и ориентировать углеродные наночастицы вдоль оси основного теплового потока. Анализ литературы показал, что для достижения наилучших показателей по теплопроводности следует использовать углеродные частицы различной морфологии (УНТ с частицами графита, УНТ с углеродными волокнами и т.п.). Данный подход позволяет снизить содержание дорогостоящих углеродных нанотрубок на более дешевые наполнители как графит. При этом для получения теплопроводящих полимерных композитов общее наполнение высокотеплопроводящими наполнителями должно составлять 20-30 % [88], [89], [90] (Таблица 18).

Таблица 18- Теплопроводность ТПК в зависимости от используемых частиц

углеродных нановолокон и углеродных нанотрубок

№ Используемые частицы Производитель Концентрация Теплопроводность Вт/м-К

1 CNF, Pyrograph -III - PR-24 HHT (ориент.) Applied Sciences, Inc 20 вес% 1,95

2 CNF, Pyrograph -III - PR-24 HHT (неориент.) Applied Sciences, Inc 40 вес% 1,18

3 SWCNT NASA Johnson Space Center 20 об% 1,8-3,5

4 MWCNT Nanocyl (NC7000) Fibermax Composites 15 вес% 1,1

4.3.2. Экспериментальная часть исследований по увеличению

теплопроводности полиэтилена

Исходным материалом являлся полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) Borealis 4423. ПЭНП модифицировался путём введения в структуру углеродных нановолокон и микроволокон в количестве от 1% до 15% от общей массы модифицированного полимера. Углеродные нановолокна (Carbon nanofibers -CNF) имеют следующие геометрические характеристики: диаметр ~100 нм, длина от 20 до 200 мкм. Плотность включений составляет (1,4-1,6) г/см , а удельная

л

поверхность - 39 мм /г.

Лабораторные блочные образцы были получены в виде дисков диаметром 25 мм и толщиной 2 мм литьевым способом из расплава. Для получения композитов на основе полиэтилена и углеродных нано волокон, сухую смесь (шихту) двух порошков загружали в двух шнековый экструдер (рисунок 64). В экструдере при температуре 165°С за счет сильных сдвиговых усилий происходило диспергирование агрегатов углеродных нано волокон до нано размерного состояния наполнителя и их равномерное распределение в полиэтилене. Затем полученный сплав загружали в литьевую машину - «литник» (рисунок 65) нагретый до 170 °С. Далее осуществляли впрыск расплава в пресс форму, нагретую до 70°С.

М

Рисунок 64 Двухшнековый экструдер для диспергирования.

Рисунок 65 Литьевая машина.

Структура полученных композитов исследовалась на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Для исследования равномерности распределения и диспергирования углеродных нано волокон (УНВ), в полиэтилене делали поперечный скол в жидком азоте.

При анализе сколов композитов на основе ПЭНП с с добавлением УНВ установлено, что используемые УНВ достаточно равномерно распределены в объеме полиэтилена (рисунки 66-69) и диспергированы до исходных нано размерных частиц без наличия существенных агрегатов.

Рисунок 66 Фотография СЭМ скола ПЭНП не содержащего УНВ.

Рисунок 67 Фотография СЭМ скола композита на основе ПЭНП содержащего 3 % УНВ.

Рисунок 68 Фотография СЭМ скола композита на основе ПЭНП содержащего 5 % УНВ.

Рисунок 69 Фотография СЭМ скола композита на основе ПЭНП содержащего 7 % УНВ.

Экспериментальные результаты приведены в таблицах 19-22, а в таблицу 23 сведены данные, характеризующие увеличение теплопроводности КМ при разном процентном содержании УНВ - добавок. По полученным данным был построен график, показанный на рисунке 70.

Таблица 19: Содержание УНВ 1%:

1%

^,дел пт,мВ адел По,мВ ^с 1+Ос Кт Рк Х,Вт/К-м

25 8 172 42 844 0,010359 1,010359 0,26 0,000433 0,515

50 11,5 238 60 1255 0,010178 1,010178 0,127 0,000736 0,227

75 14 282 77,5 1530 0,010077 1,010077 0,14 0,000626 0,241

Таблица 20: Содержание УНВ 5%:

5%

t,С ^,дел пт,мВ адел п0,мВ ^с 1+Ос Кт Рк Х,Вт/К-м

25 6,5 128 25,5 509 0,008525 1,008525 0,26 0,000433 0,652

50 9,5 190 43 857 0,008375 1,008375 0,127 0,000736 0,268

75 12 235 57,5 1137,5 0,008292 1,008292 0,14 0,000626 0,271

Таблица 21: Содержание УНВ 7%:

7%

^,дел пт,мВ адел п0,мВ ^с 1+Ос Кт Рк Х,Вт/К-м

25 7 134 25 503 0,008525 1,008525 0,26 0,000433 0,698

50 9,5 192 40,5 815 0,008375 1,008375 0,127 0,000736 0,287

75 12 238 137,5 1087,5 0,008292 1,008292 0,14 0,000626 0,289

Таблица 22: Содержание УНВ 15%:

15%

^,дел пт,мВ no,дел п0,мВ ^с 1+Ос Кт Рк Х,Вт/К-м

25 7 140 22,5 450 0,00863 1,00863 0,26 0,000433 0,831

50 10 200 35 700 0,008478 1,008478 0,127 0,000736 0,353

75 12 242 46,5 937 0,008394 1,008394 0,14 0,000626 0,343

Таблица 23: наглядные показатели улучшения теплопроводности при внедрении

УНВ при 75°С

Содержание УНВ Значение теплопроводности 1, Вт/м-К Отношение теплопроводности КМ и чистого ПЭ

1% 0.25 1.25

5% 0.298 1.49

7% 0.319 1.6

15% 0.383 1.9

доля содержания УНВ.%

Рисунок 70 График зависимости коэффициента теплопроводности композиционного материала на основе ПЭНП от содержания УНВ.

Таким образом, сделаем следующие выводы: на лабораторном экструдере были получены образцы композиционного материала на основе ПЭНП с различным процентным содержанием УНВ. Исследование на сканирующем электронном микроскопе показало, что используемые УНВ достаточно равномерно распределены в объеме полиэтилена. Измерения, проведённые на -Я- 400, позволили получить зависимость коэффициента теплопроводности от процентного содержания УНВ в пределах от 1 - до 15%. При массовом процентном содержании УНВ равном 15%, при температуре 75°, теплопроводность материала увеличилась в 1.9 раза.

4.4. Исследования по увеличению диэлектрической проницаемости образцов 4.4.1. Литературный обзор существующих данных по увеличению диэлектрической проницаемости материалов

Диэлектрическая постоянная представляет собой физическую особенность, связанную с электрической поляризуемостью материала. Физически, чем больше поляризация, развитая в материалах, тем выше диэлектрическая постоянная. По сравнению с величиной диэлектрической постоянной диоксида кремния, которая равна 3.9, диэлектрические материалы классифицируются на материалы с высокой диэлектрической постоянной (>3,9) и материалы с низкой диэлектрической постоянной (<3,9).

В последнее время наблюдается значительный интерес к обоим видам диэлектрических материалов благодаря их широкому спектру применений в электронной и электротехнической промышленности. Например, материалы с высокой диэлектрической постоянной могут служить эффективными материалами для изоляции кабелей, при изготовлении конденсаторов и др [91], [92].

На сегодняшний день, среди всех подходов, к увеличению диэлектрической проницаемости полимеров наиболее приемлемой и технологичной является путь, основанный на получении полимерных композитов с введенными частицами наполнителя с высоким значением диэлектрической постоянной. При получении таких материалов большое внимание уделяются как выбору наполнителя (размер, форма, величина диэлектрической постоянной) так и вопросу структуры композита (диспергирования и распределения наполнителя в полимерной матрице).

В последние годы для повышения диэлектрических свойств полимера вводят сегнетоэлектрики - это оксиды металлов, такие как TiO2 ZrO2, BaTiO3 и другие соли титанатов. Значения диэлектрической проницаемости широко используемой керамики для конденсаторов представлено в таблице 24. Как мы видим, наибольшей диэлектрической проницаемостью обладает титанаты металлов [93].

Таблица 24- Диэлектрическая проницаемость керамики