CC BY
43
УДК 620.22 ББК 31.234
А.В. ПРИКАЗЩИКОВ, А.М. МАКАРОВ, Г А. КРАВЧЕНКО
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИДА
Ключевые слова: полифениленсульфид, электроизоляционный материал, зависимость электрических параметров от температуры и частоты, электрические измерения.
Полифениленсульфид (ПФС) в настоящее время считается одним из перспективных материалов для использования в качестве конструкционного. Большое количество исследований посвящено изучению механических свойств этого материала. Электроизоляционные свойства ПФС в зависимости от различных внешних факторов изучены недостаточно. Ограниченные данные по диэлектрическим свойствам этого материала не позволяют в полной мере обоснованно использовать его в электроизоляционных конструкциях. Для прогнозирования поведения ПФС при различных внешних воздействиях необходимо расширить объем испытаний в этой области. В работе были проведены температурные и частотные испытания электроизоляционных параметров образцов ПФС. Выбраны методы исследования этих параметров и необходимая аппаратура. Частотные испытания проводились в диапазоне от 1 до 20 000 кГц. Получены зависимости диэлектрической проницаемости (в) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg 8). Влияние температуры на свойства ПФС проводились в диапазоне рабочих температур электрических аппаратов. Были получены температурные зависимости удельного объемного сопротивления (pv) образцов ПФС. На основании проделанной работы и анализа полученных результатов даны рекомендации по применимости данного материала в электротехнических устройствах.
В настоящее время значительно возросли требования к электрической и электронной аппаратуре. Эти установки эксплуатируются в разнообразных условиях окружающей среды (широкий диапазон температур, давлений, агрессивные среды, влажность, различные излучения, механические нагрузки и т.д.). Эти воздействия приводят к постепенному ухудшению параметров электротехнических устройств и в дальнейшем к выходу их из строя.
Значительный процент отказа электрического оборудования приходится на электроизоляционные элементы конструкции. К ним относятся электрическая изоляция токоведущих частей установок, диэлектрические барьеры, изоляционные панели, корпуса реле и т.п.
Выход из строя изоляционных элементов электроаппаратуры обычно приводит к аварийным ситуациям. Поэтому надежность работы этого компонента устройств является одной из важнейших задач конструирования электроаппаратуры .
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к различным электротехническим устройствам, при конструировании электрической аппаратуры могут применяться разнообразные изоляционные материалы. Выбор каждого элемента конструкции основывается на анализе свойств материала для его изготовления, внешних условий работы аппаратуры, требований к надежности её работы и т.д.
Выбор материалов, обладающих необходимыми свойствами для работы в конкретных условиях эксплуатации, является основным критерием для создания надежных электроустановок, которые могут длительное время функционировать без допустимого ухудшения параметров.
Одним из материалов, обладающих высокими электроизоляционными, механическими, технологическими и другими свойствами, является полифе-ниленсульфид (ПФС). Этот материал успешно заменяет пластмассу АГ-4, которая представляет собой полимер на основе стекловолокна и феноло-формальдегидной термореактивной смолы.
ПФС - это термопластичный полимер линейной или сетчатой структуры, обладающий рядом ценных свойств, которые позволяют применять его не только как конструкционный материал, но и как диэлектрик с повышенными электрическими характеристиками [2, 3].
Большой диапазон рабочих температур, достаточная механическая прочность, необходимый уровень электроизоляционных свойств дают возможность применять полифениленсульфид в изделиях электроаппаратостроения ответственного назначения.
Использование ПФС с различными наполнителями улучшает характеристики изделий. Полифениленсульфид со стекловолокнистым наполнителем обладает повышенными механическими и тепловыми характеристиками. Эта пластмасса может работать до температур 260°С (линейная структура) и 180°С (сетчатая структура). Материал допускает кратковременные перегревы до 400°С при сохранении основных механических и электрических характеристик.
Важным свойством полимеров на основе полифениленсульфида является возможность изготовления изделий из них методом экструзии. В отличие от высококачественного полимера - фторопласта-4 (Ф-4), технология переработки ПФС значительно проще, хотя технологические температуры изготовления изделий достаточно высоки (до 370°С) [1].
Следует учитывать, что при температурах около 280°С происходит неполное сшивание линейного полимера, но свойства термопласта при этом частично сохраняются.
ПФС по химической стойкости несколько уступает Ф-4.
В отличие от механических, электрические свойства ПФС изучены недостаточно. В частности, нет полных данных о частотных и температурных зависимостях основных электрических параметров данного материала.
Настоящее исследование посвящено получению частотных зависимостей относительной диэлектрической проницаемости (е) и тангенса угла диэлектрических потерь (^5) для ПФС со стекловолокнистым наполнителем.
На опытные образцы ПФС в виде плоских дисков толщиной 2 мм были нанесены алюминиевые фольговые электроды толщиной 0,1 мм. Для подключения образцов использовалась контактная система, позволяющая жестко фиксировать их с помощью микрометрического винта. Подключение контактной системы к измерительным установкам осуществлялось короткими соединительными проводами большого сечения, что особенно важно при измерениях на высоких час-
тотах. При несоблюдении этих требований при испытаниях на высоких частотах резко возрастают потери энергии в подводящих проводах и искажаются опытные данные. Для получения частотных зависимостей диэлектрических параметров опытных образцов использовались измерители добротности Е4-7, Е9-4, а на частоте 1000 Гц - измеритель LCR цифровой Е7-8.
Измерители добротности Е4-7 и Е9-4 проводят измерения резонансным методом, и результаты испытаний представлены в таблице.
Расчеты s и tgS проводились по стандартной методике для резонансного метода измерений [4].
Экспериментальные данные и результаты расчетов £ и tgS для стеклонаполненного ПФС
f кГц Со, пФ Qo С1, пФ Qi Сх, пФ £ tgö
80 139,1 82 114,3 78 24,8 3,25 0,0061
300 79,2 124 53,1 117 26,1 3,39 0,0015
700 147,3 152 121,3 135 26,0 3,38 0,005
2 000 161,4 156 135,6 135 25,8 3,35 0,006
6 500 117,9 124 91,1 100 26,8 3,48 0,0085
20 000 117,5 110 90,4 81 27,1 3,52 0,013
Измерения на частоте 1000 Гц проводились мостовым методом на измерителе Ь-С-Я Е7-8.
Эксперименты проводились на пяти образцах. Результаты были подвергнуты статистической обработке. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты приведена на рис. 1. Видно, что диэлектрическая проницаемость незначительно изменялась от частоты в диапазоне от 80 до 20 000 кГц. Разброс опытных данных находился в пределах погрешности измерительной установки.
ПФС является диэлектриком неоднородной структуры. В электрическом поле в нем происходят поляризационные процессы. Это электронная, ионная, ионно-релаксационная, структурная поляризации. ПФС относится к полярным диэлектрикам, его е несколько больше 3, что подтверждается полученными результатами испытаний. Диэлектрики этой группы имеют релаксационный максимум, который на частотной характеристике приводит к значительному изменению величины е. Релаксационный максимум, видимо, находится в области более высоких частот, поэтому в исследуемом частотном диапазоне он не отмечен.
В электрическом поле у ПФС наблюдаются потери на электропроводность и релаксационные виды поляризации. По опытным данным потери в исследуемом диапазоне частот незначительны и связаны в основном с токами проводимости. Это видно из частотной зависимости 1§5, приведенной на рис. 2.
Для более обоснованного суждения о применимости данного диэлектрика в электроаппаратостроении были проведены дополнительные исследования в области объемной проводимости ПФС. Зависимость удельного объемного сопротивления от температуры представлена на рис. 3.
17
3.6
3.1
з-
3 4 5 6 7 8
Рис. 1. Экспериментальная частотная зависимость е ПФС
1ф
0.013 0.016 0.014 0.012 0.01 8x10"3 МО"3 4х10~3 2х10~3 О
18'"
2 3 4 5 5 7 3
Рис. 2. Экспериментальная частотная зависимость tgS образца ПФС
рг-10 ,Омм
7.5
5.0
50 100 110 120 130 140 Т,°С
Рис. 3. Температурная зависимость удельного объемного сопротивления образца ПФС
Проведенные эксперименты подтверждают, что данный материал обладает высокими электроизоляционными свойствами, стабильными характеристиками в области диапазонов частот и температур работы электротехнической аппаратуры. Наряду с высокими механическими характеристиками это позволяет считать, что данный материал представляет большой интерес в качестве конструкционного и электроизоляционного материала в современной низковольтной электро- и радиоаппаратуре. Для суждения о применимости данного материала в сильных электрических полях необходимо провести дополнительные испытания этого материала на воздействие частичных разрядов и электрическую прочность.
Литература
1. Аскадский А.А.Структура и свойства теплостойких полимеров. М.: Химия, 1981. С. 275-276.
2. Йохэннинг Ф. Полифениленсульфид: производство, применение, перспективы // Полимерные материалы. 2012. № 12. С. 40-44.
3. Феофанов Б.Н. Новые литьевые термопластичные компаунды конструкционного назначения на основе полифениленсульфида (ПФС) [Электронный ресурс] // Материалы выставки Interplastica-2018 (Москва, 24 января 2018 г.) URL: http://interplastica.ru/files/interplastica/ 121637/24-01/boris_feofanov_npp_poliplastik.pdf .
4. Холодный С.Д., Серебрянников С.В., Боев М.А. Методы испытаний и диагностики в электроизоляционной и кабельной технике. М.: Изд. дом МЭИ, 2009. С. 45-50.
ПРИКАЗЩИКОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ - кандидат технических наук, генеральный директор, ООО «КБЭА», Россия, Чебоксары ([email protected]).
МАКАРОВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
КРАВЧЕНКО ГАЛИНА АЛЕКСЕЕВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
A. PRIKAZSHCHIKOV, A. MAKAROV, G. KRAVCHENKO
STUDY OF FREQUENCY AND TEMPERATURE DEPENDENCES OF ELECTRICAL PARAMETERS OF POLYPHENYLENESULPHIDE
Key words: glass-filled polyphenylene sulfide, electrical insulating material, dependence of electrical parameters on temperature and frequency, electrical measurements.
Polyphenylene sulfide is currently considered to be one of the promising materials for use as a structural material. A large number of research are devoted to the study of the mechanical properties of this material. The electrical insulation properties of polyphenylene sulfide, depending on various external factors, have not been studied sufficiently. Limited data on the dielectric properties of this material do not allow to fully use it reasonably in electrical insulating structures. To predict the behavior of polyphenylene sulfide with various external influences, it is necessary to significantly expand the scope of tests in this area. In the work, temperature and frequency tests of the electrical insulation parameters of the polyphenylene sulfide samples were carried out. The methods for studying these parameters and the necessary equipment are chosen. Frequency tests were conducted in the range from 1 to 20,000 kHz. Dependences of the permittivity (e) and the dielectric loss
tangent (tg 8) are obtained. The effect of temperature on the properties of polyphenylene sulfide was carried out in the operating temperature range of electrical apparatuses. The temperature dependences of the specific volume resistivity (pv) of the polyphenylene sulfide samples were obtained. Based on the work done and analysis of the results obtained, recommendations are made on the applicability of this material to electrical devices.
References
1. Askadskii A.A. Struktura i svoistva teplostoikikh polimerov [Structure and properties of heat-resistant polymers]. Moscow, Khimiya Publ., 1981, pp. 275-276.
2. Iokhenning F. Polifenilensul'fid: proizvodstvo, primenenie, perspektivy [Polyphenylene sulfide: production, use, prospects]. Polimernye materialy, 2012, no. 12, pp. 40-44.
3. Feofanov B.N. Novye lit'evye termoplastichnye kompaundy konstruktsionnogo na-znacheniya na osnove polifenilensul'fida (PFS) [New molded thermoplastic compounds for structural use based on polyphenylene sulfide (PPC)]. Materialy vystavki Interplastica-2018, Moskva 24 yanvarya 2018 g. [Proc. of the Exhibition «Interplastica-2018»]. Available at: http://interplasti-ca.ru/files/interplastica/121637/24-01/boris_feofanov_npp_poliplastik.pdf .
4. Kholodnyi S.D., Serebryannikov S.V., Boev M.A. Metody ispytanii i diagnostiki v elektro-izolyatsionnoi i kabel'noi tekhnike [Methods of testing and diagnostics in electrical insulating and cable technology]. Moscow, 2009, pp. 45-50.
PRIKAZSHCHIKOV ALEXANDER - Candidate of Technical Sciences, Director, LLC KBEA, Russia, Cheboksary ([email protected]).
MAKAROV ALEXEY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrotechnologies, Electrical Equipment and Automated Production, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
KRAVCHENKO GALINA - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department of Electrotechnology, Electrical Equipment and Automated Production, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Формат цитирования: Приказщиков А.В., Макаров А.М., Кравченко Г.А. Исследование частотных и температурных зависимостей электрических параметров полифениленсульфида // Вестник Чувашского университета. - 2018. - № 3. - С. 126-131.
