CC BY
40
Оригинальная статья / Original article УДК 537.226
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-122-129
МОДИФИКАЦИЯ РАДИАЦИОННОЙ СШИВКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ И МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
А
© Г.К. Новиков1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. Статья посвящена проблеме исследования электрофизических и механических свойств изоляции кабелей среднего напряжения на основе сшитого полиэтилена (СПЭ) низкой плотности, изготовленных с использованием технологий радиационного сшивания рентгеновским излучением электрического газового разряда (ЭГР). МЕТОД. Рассмотрены экспериментальные данные, полученные на образцах в виде разрывных лопаток, вырубленных в соответствии с ГОСТ IEC 60811-2-1 из ПЭ пластин и пленок, а также на полномасштабных образцах кабелей. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведена оценка глубины проникновения рентгеновского излучения ЭГР в кабельный ПЭНП. Выполнены сравнительные исследования изменений электрофизических свойств и механической прочности кабельного ПЭНП под действием рентгеновского излучения ЭГР и под влиянием электронного пучка. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показано, что механическая прочность СПЭ кабельной изоляции после радиационного сшивания рентгеновским излучением ЭГР может быть увеличена не менее чем на 30%.
Ключевые слова: электрически активные центры захвата носителей заряда, центры рекомбинации, неполярные полимеры, термостимулированные токи ТСД, электреты, радиационная сшивка.
Формат цитирования: Новиков Г.К. Модификация радиационной сшивки в электрическом газовом разряде и механическая прочность полиэтиленовой кабельной изоляции // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 8. С. 122-129. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-122-129
MODIFICATION OF RADIATION CROSSLINKING IN ELECTRIC GAS DISCHARGE AND MECHANICAL STRENGTH OF POLYETHYLENE CABLE INSULATION G.K. Novikov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The article is devoted to the research problem of electrophysical and mechanical properties of medium voltage cable insulation based on crosslinked polyethylene (XLPE) of low density produced using the technologies of radiation crosslinking by X-ray emission of electric gas discharge (EGD). METHOD. Consideration is given to the experimental data obtained on the specimens in the form of discontinuous blades cut in accordance with the GOST IEC 60811-2-1 from polyethylene (PE) plates and films, as well as on the full-scale samples of cables. RESULTS. The penetration depth of EGD X-ray emission into the low density polyethylene (LDPE) cable has been estimated. Comparative studies of changes in electrophysical properties and mechanical strength of LDPE cable under the action of EGR X-ray radiation and under the effect of an electron beam have been performed. CONCLUSION. It is shown that the XLPE mechanical strength of cable insulation after the radiation crosslinking by EGD X-ray radiation can be increased by no less than 30%.
Keywords: electrically active charge carrier traps, recombination centers, nonpolar polymers, thermally stimulated depolarization currents (TSD), electrets, radiation crosslinking
For citation: Novikov G.K. Modification of radiation crosslinking in electric gas discharge and mechanical strength of polyethylene cable insulation. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 8, рр. 122-129. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-122-129
Введение
Увеличение механической прочно- ской или радиационной сшивки является сти кабельного полиэтилена низкой плот- основным направлением улучшения тер-ности ПЭНП за счет эффекта его химиче- момеханических характеристик силовых
1Новиков Геннадий Кириллович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: [email protected]
Gennadiy K. Novikov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: otep100 @mail.ru
кабелей с полиэтиленовой изоляцией. Определенные перспективы увеличения механической прочности кабельного ПЭНП представляет его радиационная сшивка, позволяющая наиболее широко использо-
вать полимерное сырье, производимое на химических предприятиях РФ и снижающая зависимость производителей кабельной продукции в РФ от поставок импортного сырья.
Процесс радиационной сшивки ПЭНП кабельной изоляции с помощью электронных пучков
Сшитый кабельный полиэтилен СПЭ низкой плотности в настоящее время является основным компонентом изоляции силовых кабелей. Существующие способы получения СПЭ - (химический и радиационный) имеют свои достоинства и недостатки, обусловленные технологией процесса сшивания ПЭНП.
К достоинствам химической - (пе-роксидной, озонидной и силановой) сшивки относят независимость сшивки от толщины кабельной изоляции, а к недостаткам - то, что в настоящее время привитый, сшивающийся ПЭ гранулят, с импортными ингредиентами вулканизирующей группы, имеет более высокую стоимость по сравнению с отечественным ПЭ и поступает в РФ в ограниченном количестве2.
Впервые процесс радиационной сшивки ПЭНП кабельной изоляции с помощью электронных пучков был разработан во ВНИИКП РФ и получил практическое применение на кабельном заводе в г. Подольске [1].
К достоинствам способа радиационной сшивки следует отнести возможность его осуществления с использованием отечественного полимерного сырья, а к недостаткам - зависимость сшивки от толщины кабельной изоляции и высокую степень радиационной опасности электроннолучевого технологического процесса для обслуживающего персонала.
В работах [2-7] показано, что рентгеновское излучение ЭГР вызывает в полимерных кабельных диэлектриках обратимые и необратимые изменения электро-
физических и механических свойств, аналогичные вызванным действием электронного пучка (обратимая радиационная электропроводность, обратимые радиационные изменения электретной поляризации, спектров токов термостимулированной деполяризации ТСД, механический радиационный эффект памяти формы, адгезионный поверхностный эффект склеивания и т.д.).
До настоящего времени оставался неизученным важнейший вопрос о влиянии радиационной сшивки рентгеновским излучением ЭГР на механическую прочность ПЭНП кабельной изоляции. С учетом всего вышеизложенного в Иркутском национальном исследовательском техническом университете (ИРНИТУ) и ОАО «Иркутскка-бель» были проведены исследования по изучению изменений механических свойств кабельного ПЭНП, модифицированного рентгеновским излучением ЭГР.
Образцы ПЭНП (толщиной 80 мк, 1,2 мм, 5 мм и 15 мм) облучались в реакторе, принципиальная схема которого приведена в научной разработке ИРНИТУ2. При определении величины б1/2 использовался сцинтилляционный дозиметр ДРГЗ-04 и тонкопленочные электретные дозиметры [2, 3]. Облучение электронами производилось на ускорителе электронов РТЭ-1 (энергия электронного пучка 900 кэВ). Методика определения глубины полупоглощения 61/2 рентгеновского излучения ЭГР в ПЭНП с использованием пленочных элек-третных дозиметров также приведена в разработке ИРНИТУ2.
Результаты определения б1/2 для
Новиков Г.К., Потапов В.В., Суслов К.В., Федчишин В.В. Основы электротехнологии (электросинтез озона, плазменная модификация полимерных кабельных диэлектриков): учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2017. 206 с. / Novikov G.K., Potapov V.V., Suslov K.V., Fedchishin V.V. Basics of electrotechnology (ozone electrosynthesis, plasma modification of polymeric cable dielectrics): Learning aids. Irkutsk: IRNITU Publ., 2017. 206 p.
образцов ПЭНП разной толщины, облученных рентгеновским излучением ЭГР различной жесткости, представлены на рис. 1.
Из рис. 1. видно, что глубина полупоглощения рентгеновского излучения ЭГР в ПЭНП б1/2 существенным образом зависит от жесткости излучения, от длины волны рентгеновского излучения ЭГР (А = 1 - 10 нм).
Глубина 61/2 определяется напряжением питания реактора ЭГР и может составлять в ПЭНП величину более 10 мм.
Согласно существующим ГОСТ, на кабельную продукцию2 [3] толщина СПЭ изоляции токопроводящих жил ТПЖ силовых кабелей среднего и высокого напряжения обычно не превышает 12 мм. С учетом этого следует важный для практики вывод о том, что рентгеновское излучение ЭГР (при определенных режимах генерации) способно производить модификацию ради-
ационного сшивания полимеров на всю толщину изоляции ТПЖ кабелей среднего и высокого напряжения.
Электретная поляриметрия (метод измерения спектров токов термостимули-рованной деполяризации ТСД) и метод измерения температурной зависимости электропроводности lnY = ^1/Т) могут быть использованы для контроля радиационной модификации электрофизических свойств полимерных кабельных диэлектриков2.
Ионизирующие излучения - (электронный пучок и рентгеновское излучение ЭГР) могут вызывать существенные ускорения процессов релаксации электретной поляризации - 1пиэ = ОД: сдвигают пики спектров токов ТСД в область более низких температур, вызывают значительное увеличение объемной электропроводности Y кабельного ПЭНП.
Рис. 1. Определение глубины полупоглощения рентгеновского излучения ЭГР в ПЭНП при разных режимах облучения: 1 - иЭГр = 6 кВ; 2 - иЭГр = 50 кВ Fig. 1. Determination of half-value thickness of EGD X-ray emission in LDPE under different irradiation regimes:
1 - Uegd = 6 kV; 2 - Uegd = 50 kV
Экспериментальные результаты исследования
На рис. 2-4. Представлены экспериментальные результаты исследования изменений электрофизических свойств облученного и необлученного ПЭНП (з-д Полимеров НК Роснефть г. Ангарск) методами электретной поляриметрии, ТСД спектроскопии и исследования температурных зависимостей электропроводности.
Из результатов экспериментов следует, что все радиационные изменения электрофизических свойств ПЭНП обусловлены радиационным увеличением концентрации электронов и дырок в полимере за счет разрыва химических связей с атомами водорода полимерной цепи.
m Энергетика
M Power Engineering
60 120 t, мин/min
ln( иЛТэо)
..........
Рис. 2. Зависимости 1п(Ш/Ш0) = f(t) для необлученного - (1) и облученного - (D = 30 кРад) рентгеновским излучением ЭГР (2-6) и электронами - (7) ПЭНП разной толщины: 1 - необлученный ПЭНП (h = 80 мкм); 2-h = 80 мкм; 3-h = 2,4 мм; 4-h = 5 мкм; 5-h = 12,5 мм; 6-h = 17,5 мм Fig. 2. Dependences In (Ue / Ue0) = f (t) for LDPE of different thickness unirradiated- (1) and irradiated -(D = 30 krad) by EGD X-ray emission (2-6) and electrons - (7): 1 - unirradiated LDPE (h = 80 ym); 2-h = 80 ym; 3-h = 2.4 mm; 4-h = 5 ym; 5-h = 12.5 mm; 6-h = 17.5 mm
100 200160 T°C
Рис. 3. Сопоставление спектров токов ТСД необлученной пленки ПЭНП (1) и ПЭНП, облученной электронами (2) и рентгеновским излучением ЭГР (3) Fig. 3. Comparison of TSD current spectra of the unirradiated LDPE film (1) and LDPE irradiated by electrons (2) and LDPE irradiated by EGD X-ray emission (3)
Рис. 4. Сопоставление зависимостей lgy = f(1/T) необлученной пленки ПЭНП (1); пленки ПЭНП, облученной электронами (2); рентгеновским излучением ЭГР, D = 30 кРад (3); прогретой 1 час при
Т = 60°С (4)
Fig. 4. Comparison of dependences IgY = f (1/T) of the unirradiated LDPE film (1); LDPE film irradiated by electrons (2); irradiated by EGD X-ray emission, D = 30 krad (3); heated for 1 hour at
T = 60°C (4)
о
В научных исследованиях2 [3] показано, что радиационные изменения электрофизических свойств в ПЭНП в большинстве случаев являются обратимыми. С течением времени после облучения разорванные излучением химические связи в ПЭНП постепенно восстанавливаются (рис. 4, 5), что в свою очередь вызывает обратимое уменьшение концентрации носителей заряда в полимере Обратимое уменьшение концентрации сопровождается уменьшением электропроводности Y, восстановлением исходного вида зависимостей 1пиэ = ОД и формы спектров токов ТСД. В научных разработках ИРНИТУ2 показано, что процесс восстановления электрофизических свойств облученного полиэтилена с течением времени значительно ускоряется за счет его нагревания.
В работе проанализированы результаты сравнительных исследований механической прочности электрической изоляции ТПЖ для кабелей среднего напряжения на основе сшитого полиэтилена низкой плотности, изготовленных с использованием технологий радиационного сшивания рентгеновским излучением электрического газового разряда ЭГР. Рассмотрены экспериментальные данные, полученные на образцах в виде разрывных лопаток, вырубленных в соответствии с ГОСТ 1ЕС 608112-1 из ПЭ пластин и пленок, а также на полномасштабных образцах кабелей.
Результаты исследования механической прочности ПЭНП изоляции, сшитой в разных режимах облучения рентгеновским излучением ЭГР, представлены на рис. 6, 7.
100 200160 T°C
Рис. 5. Сопоставление спектров токов ТСД пленки ПЭНП, облученной излучением ЭГР, D = 30 кРад прогретой 1 час при Т = 60°С (1) и пленки ПЭНП, облученной электронами (2)
и рентгеновским излучением ЭГР (3) Fig. 5. Comparison of the spectra of the currents of the TSD film of LDPE irradiated with EGR radiation, D = 30 kPa, heated for 1 hour at T = 60°C (1) and the LDPE film irradiated with electrons (2)
and X-ray radiation EGR (3)
a/o0% a
140
100
Рис. 6. Зависимость o/o0 = f(l/l0) для ПЭНП (з-д. Полимеров НК Роснефть, г. Ангарск): 1 - необлученный образец; 2 - образец, сшитый рентгеновским излучением ЭГР Fig. 6. Dependence о / ой = f (l / 10) for LDPE (Polymer Plant NK Rosneft, Angarsk): 1 - unirradiated sample; 2 - sample crosslinked by EGD X-ray emission
Рис. 7. Зависимость a/a0 = f(D) для ПЭНП (з-д. Полимеров НК Роснефть, г. Ангарск), сшитого рентгеновским излучением ЭГР Fig. 7. Dependence a / a0 = f (D) for LDPE (Polymer Plant NK Rosneft, Angarsk), crosslinked by EGD
X-ray emission
Из рис. 6, 7 следует, что рентгеновское излучение ЭГР при определенных режимах облучения вызывает увеличение
или уменьшение механической прочности ПЭНП изоляции ТПЖ силовых электрических кабелей.
Заключение
Таким образом, в статье экспериментально показано, что рентгеновское излучение ЭГР имеет достаточно высокую проникающую способность, позволяющую производить модификацию радиационного сшивания в слоях изоляции силовых кабелей среднего и высокого напряжения.
Впервые также показано, что радиационное сшивание кабельного ПЭНП при определенных режимах облучения рентгеновским излучением ЭГР позволяет увеличить его механическую прочность приблизительно на 40%.
Библиографический список
Брагинский Р.П. Нагревостойкие радиационно-Энергия, 1975.
1. Финкель Э.Э.. провода и кабели с модифицированной изоляцией. М. 193 с.
2. Новиков Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации полиолефиновой кабельной изоляции. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 104 с.
3. Новиков Г.К., Потапов В.В., Суслов К.В., Федчи-шин В.В. Электротехнологическое и конструкционное материаловедение. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. 336 с.
4. Новиков Г.К., Федчишин В.В. Электрически активные центры захвата носителей заряда в неполяр-
ных и полярных полимерных диэлектриках // Электричество. 2016. № 11. С. 51-54.
5. Новиков Г.К., Федчишин В.В. Электрически активные центры захвата носителей заряда в диоксиде кремния SiO2 и кристаллах слюды // Электричество. 2017. № 5. С. 57-61.
6. Патент РФ № 2250912, Российская Федерация, МПК C08F20/34, C08F20/60, C08F30/02, C09D5/16. Способ получения сшивного кабельного полиэтилена / Г.К. Новиков, А.И. Смирнов, А.С. Жданов,
Л.Н. Новикова, Г.В. Маркова, Т.Р. Мигунова; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т; за-явл. 15.07.2003, опубл. 27.04. 2005. Бюл. № 12. 7. Патент РФ № 2322716, Российская Федерация, МПК Н01В13. Устройство для сшивания кабельной изоляции / А.И. Смирнов, Г.В. Маркова, Л.Н. Новикова, Г.К. Новиков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Иркутский гос. ун-т.; заявл. 10.02.2006, опубл. 20.04.2008, Бюл. № 11.
References
1. Finkel' Je.Je., Braginskij R.P. Nagrevostojkie provoda i kabeli s radiacionno-modificirovannoj izoljaciej [Heat-resistant wires and cables with radiation-modified insulation]. Moscow, Jenergija Publ., 1975, 193 p. (In Russian)
2. Novikov G.K. Plazmofizicheskie jelektrotehnologii modifikacii poliolefinovoj kabel'noj izoljacii [Plasmophys-ical electrotechnologies of polyolefin cable insulation modification]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2007, 104 p. (In Russian)
3. Novikov G.K., Potapov V.V., Suslov K.V., Fedchishin V.V. Jelektrotehnologicheskoe i konstrukcionnoe mate-rialovedenie [Electrotechnical and structural materials science]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2014, 336 p. (In Russian)
4. Novikov G.K., Fedchishin V.V. Jelektricheski aktivnye centry zahvata nositelej zarjada v nepoljarnyh i poljarn-
yh polimernyh dijelektrikah [Electrically active centers of charge trapping non-polar and polar polymer dielectrics]. Jelektrichestvo [Electricity]. 2016, no. 11, pp. 51-54. (In Russian)
5. Novikov G.K., Fedchishin V.V. Jelektricheski aktivnye centry zahvata nositelej zarjada v diokside kremnija SiO2 i kristallah sljudy [Electrically active charge trapping centers in SiO2 and mica crystals]. Jelektrichestvo [Electricity]. 2017, no. 5, pp. 57-61. (In Russian)
6. Novikov G.K. [et al.]. Sposob poluchenija sshivnogo kabel'nogo polijetilena [Production method of cross-linked cable polyethylene]. Patent RF, no. 2250912, 2005.
7. Smirnov A.I. [et al.]. Ustrojstvo dlja sshivanija kabel'noj izoljacii [Device for cable insulation crosslink-ing]. Patent RF, no. 2322716, 2008.
Критерии авторства
Новиков Г.К. полностью подготовил статью и несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Novikov G.K. has prepared the article for publication and bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interests
The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 20.06.2017 г.
The article was received 20 March 2017
