POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
KATEDRA WYSOKICH NAPIĘĆ
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA LABOLATORYJNEGO
ROK AKAD. 1995/96 SEM. II GRUPA I
Ćwiczenie nr Data wykonania: 9.05.1996 Temat.Badanie materiałów uwarstwionych. Ćwiczenie wykonali: Piotr Królasik Robert Ulass
Charakterystyka materiałów izolacyjnych.
1. Materiały nieorganiczne.
- materiały nieorganiczne naturalne (kwarc, mika, wollastonit, łupek, marmur, kaolin, steatyt, powietrze, azot, dwutlenek węgla, argon)
- materiały nieorganiczne sztuczne (szkło, materiały ceramiczne, mikalex, tlenki, fosforany)
2. Materiały organiczne.
- materiały organiczne naturalne (celuloza jako bawełna, tkanina albo papier; białko jako wełna i jedwab; wosk ziemny, asfalt, kauczuk, gutaperka)
- tworzywa organiczne sztuczne z wielkocząsteczkowych substancji naturalnych
- tworzywa sztuczne syntetyczne.
3. Materiały kombinowane.
Do tego typu materiałów możemy zaliczyć materiały uwarstwione, które dzielimy na:
- stałe + gazowe materiały izolacyjne (papier uwarstwiony w powietrzu lub gazach sprężonych)
- stałe + ciekłe materiały izolacyjne (papier uwarstwiony i olej, folia polistyrenowa wyciągana i olej)
- stałe + stałe materiały izolacyjne (papiery i tkaniny utwardzone, izolacja przewodów uzwojeń prętowych z miki, papieru i lepiszcza, mikanit z miki i lepiszcza)
W połączeniu stałe + stałe materiały izolacyjne jedno z nich jest zwykle lepiszczem, np. żywice fenolowe w przypadku papierów utwardzonych.
Materiały uwarstwione są w swej istocie anizotropowe. Wykazują one w kierunku poprzecznym do warstw największą wytrzymałość elektryczną, a w kierunku wzdłuż warstw - największą wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie i najmniejszą wytrzymałość elektryczną.
Rodzaje polireakcji i charakterystyka żywic.
Żywice naturalne.
Obecnie z całego szeregu żywic naturalnych stosuje się tylko szelak i kalafonię.
SZELAK - jest produktem rafinacji żywicy wytwarzanej przez owady Laccifer Lacca Kerr na drzewach tropikalnych. Około 90% szelaku pochodzi z Indii, a w zależności od stopnia jegooczyszczenia możemy uzyskiwać kilka gatunków szelaku. Ponadto jego jakość zależy od warunków życia owadów, rodzaju podłoża i sposobu rafinacji. W elektrotechnice najbardziej rozpowszechniony jest gatunek „Orange” i „Garnet”.
Sama budowa szelaku nie jest dokładnie znana, jednak wiadomo, że w głównej mierze są to kwasy alifatyczne i ich pochodne. Szybkość utwardzania szelaku może być przyśpieszana, lub zwalniana w zależności od rodzaju użytego katalizatora. Powłoki szelakowe są jednak bardzo wrażliwe na działanie wilgoci, jednak ze względu na dużą odporność na prądy pełzające, oraz ma bardzo dobre własności klejące i termoplastyczne stosowany jest w przemyśle elektrotechnicznym do produkcji wyrobów mikowych, oraz do klejenia i pokrywania różnych drobnych elementów w radiotechnice.
KALAFONIA - jest żywicą pochodzenia roślinnego, w skład jej wchodzą różne kwasy żywiczne, głównie abietynowy i pimarowy. Produkty estryfikacji kalafonii są stosowane do modyfikacji żywic syntetycznych. Poniewarz kalafonia bardzo szybko się starzeje, dlatego znajduje zastosowanie do modyfikacji olejów izolacyjnych, nie zaś do lakierów.
Polikondensacja - łączenie się niejednakowych cząstek przy jednoczesnym odszczepieniu produktów ubocznych (żywice fenolowo-formaldehydowe).
Żywice polikondensacyjne
Najstarszą grupę syntetycznych żywic stanowią zywice fenolowo-formaldehydowe. Podstawowym surowcem do wyrobu tych żywic jest formaldehyd, oraz fenole w szerokim znaczeniu.
W wyniku reakcji w zależności od warunków ich przebiegu powstają żywice zachowujące trwale plastyczność i rozpuszczalność, nawet po nagrzewaniu w temperaturze 150 oC
nowolaki- stosowane do celów remontowych, oraz do produkcjidrobnego sprzętu elektrotechnicznego nienarażonego na działanie wilgoci, wody i temperatury.
Żywice, które w podwyższonej temperaturze twardnieja i stają się nierozpuszczalne, tzw rezole stosowane w uzwojeniach , rezolowe rozpuszczale w alkoholu stosowane do produkcji laminatów i tłoczyw, rezolowych eteryfikowane stosowane do produkcji lakierów elektroizolacyjnych piecowych nasycających i do blach magnetycznych; rezolowe plastyfikowane zblizone własnościami do eteryfikowanych, lecz będące bardzej elastyczne w wyższych temperaturach.
Żywice alkilofenolowe stosowane do wyrobów elektroizolacyjnych.
Żywice meleminiwe są produktem kondensacji formaldehydu z meleminą.Jest odporna na krótkotrwałe działanie temperatury, ma bardzo dobre własności elektroizolacyjne i jest stosowana do impregnacji uzwojeń oraz jako lakier klejący.
Żywice anilinowe maja bardzo dużą odporność na prądy pełzające ze względu na termoplastyczność tych żywic w szerokim zakresie temperatur.
Żywice poliamidowe powstające w wyniku polikondensacji kwasów organicznych i dwuamin, stosowane głównie jako żywice lakiernicze do izolacji drutów nawojowych.
Żywice poloimidowe odznaczają się wysoką wytrzymałościa cieplną i własnościami elektroizolacyjnymi, a po odpowiednich modyfikacjach wzrasta odporność na utlenianie.
Bardzo duże zastosowanie znalazły nasycaniu uzwojeń i emaliowaniu drutów.
Żywice izoftalowe stosowane z żywicami fenolowymi i melaminowymi skracają czas ich schnięcia.
Polimeryzacja - wiązanie się jednakowych lub jednego rodzaju grup atomowych niskocząsteczkowych, tzw. monomerów, przy czym to powiększenie cząsteczki odbywa się bez odszczepienia produktów ubocznych, jak np. wody.
Żywice poilimeryzacyjne - polimetakrylany metylu (Plexiglas); polistyren; poliwinylokarbazol („Plektron”, „Luvican”); polichlorek winylu (PCV), stosowany jako materiał konstrukcyjno-izolacyjny do urządzeń i instalacji elektrycznych; polietylen; policzterofluoroetylen (teflon), będący w małych częstotliwościach bardzo dobrym dielektrykiem, nie zmieniającym własności nawet w wodzie,predysponują go do stosowania jako materiał izolacyjny do urządzeń i maszyn elektrycznych pracujących w trudnych warunkach klimatycznych; politrójfluorochloroetylen; nienasycone poliestry. Wszystkie wymienione wyżej tworzywa oprócz poliestrów są termoplastami.
Poliaddycja - proces wykazujący cechy obydwu wymienionych procesów (poliuretany, żywice epoksydowe).
Żywice poliaddycyjne - żywice epoksydowe, poliuretany. Materiały te mają własność nieodwracalnego twardnienia, są termoutwardzalne, jednak w przeciwieństwie do żywic polikondensacyjnych nie wydzielają podczas utwardzania żadnych substancji lotnych.
Żywice poliuretanowe wykorzystywane w lakiernictwie zaliczane są do cieplnej klasy izolacji B, zaś w elektrotechnice stosowane do emaliowania drutów podatnych do cynowania.
Żywice epoksydowe szczególnie o ciężarze cząsteczkowym 900-4000 znalazły zastosowanie w lakiernictwie jako twarde żywice lane, ze względu na ich silny charakter polarny dzięki czemu łatwo przylegają do podłoża.
Niezależnie od rodzaju polireakcji prowadzącej do powstania żywicy, należy rozróżnić utwardzanie samoistne i pośrednie. Utwardzanie samoistne zachodzi wtedy, gdy w odpowiednich warunkach tworzą się poprzeczne wiązania między cząsteczkami liniowymi. Utwardzanie pośrednie zaś następuje dopiero po dodaniu tzw. środka utwardzającego. Ma to miejsce w przypadku żywic epoksydowych, gdy jako środek utwardzający użyty jest bezwodnik kwasu ftalowego.
W zastosowaniach elektrotechnicznych ważne są szczególnie żywice powstające w drodze polimeryzacji lub poliaddycji, w procesach tych bowiem nie powstają produkty uboczne, pogarszające własności dielektryczne materiału i objawiające się często w postaci pęcherzyków.
Elektroizolacyjne materiały uwarstwione będa się różnić ze względu na:
- odporność na rozwarstwienie,
- odporność na przebicia skrośne,
- odporność na prądy pełzające.
Laminaty.
Sa to tworzywa uwarstwione otrzymane przez prasowanie w podwyższonej temperaturze materiałów o budowie włóknistej, zwanych nośnikami, np.:
papier,
tkaninny : bawełniane, azbestowe, szklane.
powleczone roztworami z żywic termoutwardzalnych, spełniających rolę lepiszcza.
Tworzywa warstwowe wykonuje się w postaci płyt, materiałów zwijanych, i kształtek.
W zależnośći od rodzaju lepiszcza i nośnika są one stosowane do długotrwałej pracy w temperaturze 120 - 200 oC. Ze względu na dobre własności elektroizolacyjne i fizyko mechaniczne znalazły one zastosowanie w bardzo wielu gałęziacz przemysłu.
Nośnik musi przede wszystkim spełniac wymagania dużej wytrzymałości cieplnej i mechanicznej oraz dostatecznej porowatości, gdyż zapewnia ona dobre przesycanie włókien żywicą, a tym samym zwiększa wytrzymałość dielektryczną i cieplną, poprawia własności mechaniczne, oraz zmniejsza chłonność wody
Do wyrobu laminatów elektroizolacyjnych największe uznane znalazły zywice fenoloeo-formaldehydowe, meleminowo-foraldehydowe,epoksydowe,silikonowe i polestrowe.
Jako utwardzacze do żywic stosuje się:
Utwardzacz |
Ilość utwardzacza na 100 części żywicy |
czas przydatności w minutacz |
warunki prasowania min/oC |
2,3,4-trójdwumetyloamino- pięciometylofenol |
6 |
29 |
60/80 |
dwuetylonotrójamina |
8 |
53 |
30/115 |
dwumetyloaminopropyloamina |
6 |
55 |
60/80 |
dwumetyloaminometylofenol |
16 |
60 |
60/115 |
dwuetyloaminopropyloamina |
6 |
210 |
60115 |
benzylodwumetyloamina |
6 |
229 |
60/80 |
piperydyna |
6 |
6 |
180/80 |
dwuetyloamina |
12 |
25 |
120/80 |
pirydyna |
15 |
25 |
120/80 |
dwucyjanodwuamid |
6 |
244 |
30/165 |
Do naszego ćwiczenia jako nośnik użuliśmy papieru toaletowego jako, że jest on bardzo dobże zwilżalny a sam posiada dużą odporność na łuk elektryczny.Jako lepiszcza użyliśmy żywicy epoksydowej, gdyż odznacza się ona dużą zdolnością zwilżającą i przyczepnością do nośnika, dobrymi własnościami mechanicznymi i dielektrycznymi, oraz małym skurczem podczas utwardzania.
Podczas ćwiczenia mieszaliśmy żywice i utwardzacz w stosunku objętościowym 5:1.
następnie na uprzednio wycięty papier nalewaliśmy żywicę wraz z utwardzaczem,
a następnie przy pomocy wałka wciskaliśmy ją w papier, poczym nakładaliśmy następną warstwe papieru i ponownie wałkowaliśmy. Postępując w ten sposób zrobiliśmy laminaty
2,3,4 i 5 -cio warstwowe, które po wyschnięciu były poddawane próbie wytrzymałościowej, na przebicie elektryczne. Przebicie to jest spowodowane uszkodzeniem struktury materiału w najmniej wytrzymałym miejscu, na skutek dziłania rozpędzonych, przez pole elektryczne elektronów. Podczas tej próby ani jedna z próbek nie została przebita w miejscu przylegania elektrod, lecz zawsze w pewnwj odległości od nich.
Wyniki tej próby przedstawia tabela:
Ilość warstw papieru |
Napięcie przebicia |
2 |
17 kV |
3 |
24 kV |
4 |
30 kV |
5 |
wyładowanie ślizgowe przebicie wystąpiło poza próbka na jej brzegu przy 32 kV |
|
|
Charakterystyka próby.
Z charakterystyk widac że wraz ze wzrostem ilości warstw rośnie nam napięcie przy którym materiał jest przebijany, co znaczyłoby że im więcej warstw tym lepiej, ale jeżeli przyjrzymy się charakterystyce pokazującej jakie napięcie przypada na każdy milimetr grubości tworzywa okarze się, że nalepsze w tej konfrontacji jest tworzywo 2,5 warstwowe, co potwierdza praktyka, gdyż najgrubsze tworzywa warstwowe robi się do grubości
ok 25mm, gdyż później staje się to nieopłacalne.