Электрические характеристики композиционных материалов «органический электроизоляционный лак - нанооксидонитридный модификатор

Повышение электрофизических параметров изоляционных пропиточных материалов является эффективным способом улучшения эксплуатационных свойств электротехнических устройств, применяемых в различных отраслях промышленности.

Как показывают опубликованные данные [1], одним из путей повышения электрофизических параметров является введение в пропиточные лаки неорганических соединений с высокими электрофизическими характеристиками. Известны попытки применения таких модификаторов, как маршалит, нитрид бора, кварц, оксиды магния и бария, диоксид титана, карбид бора [2], в различные пропиточные лаки.

Тем не менее, отсутствуют какие-либо сведения об использовании добавок нанооксидонит-ридных материалов. Эти материалы обладают уникальными свойствами: высоким удельным электросопротивлением и повышенным напряжением пробоя, высоким значением диэлектрической постоянной [3].

Эти материалы дополнительно обладают спектром уникальных характеристик. В частности, при высоком удельном электросопротивлении они имеют превосходную теплопроводность (до 300 Вт/мК в монокристаллическом состоянии) [3]. Электрофизические характеристики некоторых неорганических модификаторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Электрофизические характеристики модификаторов органических пропиточных электроизоляционных лаков [3, 4]

№ п/п	Модификатор	Диэлектрическая постоянная	Удельное электросопротив ление, Ом∙ м	Электрическая прочность, кВ/мм
1	Оксид кремния (SiO 2 )	3,5–4,1	1012	–
2	Оксид алюминия (Al 2 O 3 )	10,5–12	3,2∙1012	2 0 ,3
3	Оксид магния (MgO)	8–9	1014	–
4	Нитрид алюминия (AlN)	9	> 1011	30
5	Нитрид бора (BN)	3,6–4,2	1,7∙1011	—
6	Оксид бария (BaO)	4,2–3,25	–	–
7	Диоксид титана (TiO 2 )	40,0–80,0	–	–
8	Нитрид кремния (Si 3 N 4 )	6,3–7,1	1011–1012	–

Наноксидонитридные материалы, полученные на опытно-промышленной установке имеют теплопроводность 60–100 Вт/м·К. Материалы имею т различный гранулометрический состав (от 100 нм и до 5–10 мкм). Электротехнические устройс т ва, как правило, работают при повышенных температурах, поэтому улучшение отвода тепла способствует их надежности и увеличению сроков эксплуатации. Следует также подчеркнуть, что п рактическое использование неорганических модификаторов требует проработки таких вопросов, как улучшение коррозионно-эрозийной стойкости, определение теплофизических характеристик, адгезии по отношению к органическому электроизоляционному лаку. Нельзя обходить и чисто технологические вопросы: вязкости, устойчивости раствора во времени, наконец, характера распределения модификатор а в объеме полимеризованного органического электроизоляционного лака.

Учитывая многостадийность необходимых иссл е дований, в настоящей работе проведено определение электрофизических свойств композита «органический элект р оизоляционный лак КО-916к – нанооксидонитридный модификатор». Для измерения характеристик удельного сопротивления материалов применялись специально приготовленные образцы в ви д е пленок, содержащих различный объемный процент наноо к сидонитридного мод и фикатора толщиной 0,15–0,2 мм. Диаметр основного электрода 35 мм.

Принципиальная схема установки для измерен и й удельных объемных и поверхн о стных сопротивлений плоских образцов представлена на рис. 1.

Для определения характеристик электрической прочности и удельного сопроти в ления образцов использовались нормативы и рекомендации государственных стан д артов и нормативных документов [5].

Рис. 1. Принципиальная схема установки для измерения ρ v и ρ s : а – общая схема; б – схема присоединения электродов для определения ρ v ; в – схема присоединения электродов для определения ρ s

Испытательная установка состояла из источни к а постоянного регулируемого напряжения (ИПРН), который позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до 600 В , и переключателя П, предназначенного для изменения полярности напряжения, подводимого к о бразцу с измерительными электродами (рис. 1, а). Схемы присоединения приборов и электрод о в на испытуемых образцах диэлектриков для определения ρ v и ρ s показан ы на рис. 1, б, в.

Ввиду того, что сопротивление изоляции из материалов даже с весьма неважными характе- ристиками имеет величину, которая при напряжении несколько сотен вольт ограничивает ток на уровне микро-, пикоампер и меньше, требуются измерители тока с очень большой чувствительностью или специальные методы измерения. На рис. 1 также показана схема измерения тока, протекающего через диэлектрик с применением цифрового милливольтметра. Схема позволяет измерять падение напряжения на шунте с известным сопротивлением от тока, определяемого приложенным напряжением и сопротивлением изоляции.

Величины сопротивлений шунта R _ш и разделяющего резистора R многократно меньше измеряемого. Поэтому разницей напряжений на измерительных электродах образца и измеряемого на выходе источника ИПРН можно пренебрегать. Ток, протекающий через измеряемое сопротивление, определяется по формуле

U ш

I изм _D ,

Rш где Uш – измеренное электронным прибором напряжение на шунте; Rш – установленная при этих измерениях величина сопротивления шунта.

После измерения тока, протекающего через образец, при заданном напряжении определяется объемное сопротивление R v образца и удельное объемное сопротивление ρ v и соответственно поверхностное сопротивление образца R s и удельное поверхностное сопротивление ρ s по формулам:

Rv = U У Iшv = иУ R ш Uшv, Р V S = RV^ = RV d 2nR1 d Rs = UУ = иy R ш Р 5 = R< 2п Iшs Uшs , R, ln 2 R1 где S – площадь измерительного электрода 1; Uy – напряжение, подводимое к образцу, d – тол- щина образца; R1 и R2 – радиусы измерительного электрода 1 и экранирующего 3 соответственно.

Геометрические размеры образцов подставляются в метрах.

Атмосферные условия, особенно температура и влажность, а также чистота среды оказывают влияние на величины сопротивлений изоляции и удельные объемные и поверхностные сопротивления. По этой причине величины сопротивлений, приводимые в справочниках, относятся к нормальным атмосферным условиям (давление 760 мм рт. ст., температура воздуха 20 °С, абсолютная влажность воздуха 11 г/м3). Характеристики, полученные при измерениях, также приводятся к нормальным атмосферным условиям.

Ввиду того, что токи через твердые диэлектрики при подключении к источнику постоянного напряжения устанавливаются, как правило, с задержкой по времени, электрические параметры определялись спустя несколько десятков секунд, как рекомендуется в нормативах.

Для определения электрической прочности образцов применялась испытательная установка высокого переменного напряжения TuR-10 (10 кВ), образцы помещались между электродами диаметром 60 мм, образующими равномерное электрическое поле.

Результаты эксперимента обрабатывались с применением статистических характеристик. Энергия пробоя определялась по формуле

= U р р , кВ/мм, пр д

n

Е ипроб где Uср проб = —-----кВ; А - толщина образцов, мм; n - количество образцов.

Разброс данных характеризуется:

n ₂

1 J

(^ проб   ^ср.проб )

о =

1 = 1 ________________________________

.

n - 1

Результаты измерения удельного объемного сопротивления ρ v полимеризованной композиции «органический электроизоляционный лак КО-916к – нанооксидонитридный модификатор» приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерения удельного объемного сопротивления ρ v и напряжения пробоя U проб композиции «органический электроизоляционный лак КО-916к – нанооксидонитридный модификатор»

№ п/п	Состав композита, об% модификатора	Удельное объемное сопротивление, Ом∙м	Напряжение пробоя, кВ/мм
1	0 (чистый лак КО-916к)	3,0∙1011	3,89
2	10	3,3∙1011	5,30
3	30	3,4∙1011	5,64

Приведенные данные наглядно свидетельствуют о том, что с ростом содержания наноокси-донитридных материалов увеличивается как объемное сопротивление, так и напряжение пробоя. Пробой образцов происходит на плоской поверхности образца, без консолидации в местах расположения частиц неорганического модификатора.

Выводы

• 1.    Анализ опубликованных данных свидетельствует о том, что введение неорганических модификаторов повышает электрофизические свойства пропиточных электроизоляционных лаков.

• 2.    Практическое применение неорганических модификаторов определяется комплексом свойств: физико-химических и технологических.

• 3.    Разработана и смонтирована установка для определения удельного объемного сопротивления композитов «полимеризованный электроизоляционный лак КО-916к – нанооксидонитрид-ный модификатор».

• 4.    Показано, что введение нанооксидонитридного модификатора улучшает электрофизические характеристики пропиточного электроизоляционного лака КО-916к.