Определение свойств электроизоляторов из оксида алюминия, полученных с помощью метода детонационного напыления

Рогожин Павел Викторович^1,a*, Ганигин Сергей Юрьевич^1,b,

Галлямов Альберт Рафисович^1,c,..

¹443100, РФ, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244

Самарский государственный технический университет

^[e-mail], ^b,[e-mail]

Ключевые слова: детонационное напыление, электроизолятор, оксид алюминия, пористость, сопротивление, напряжение пробоя.

Аннотация. Исследованы свойства электроизоляторов из оксида алюминия, сформированных методом детонационного напыления. Получены зависимости пористости изоляторов от размера частиц порошкового материала для напыления, и зависимости сопротивления электроизоляторов и напряжения пробоя от содержания жидкости в порах.

Введение. Решение проблемы повышения диэлектрических свойств изоляционных изделий может быть обеспечено широким применением различ­ного вида функциональных покрытий. Причем, наиболее прогрессивными технологическими про­цессами, позволяющими повышать надежность и долговечность выпускаемой продукции, яв­ляются газотермические способы нанесения покрытий и, в частности, детонационный [1-3].

В работе исследовались свойства диэлектрических покрытий (изоляторов) из порошка оксида алюминия (корунд, α-модификация Al₂O₃). Полученные результаты подтверждают возможность ис­пользования технологии формирования электроизоляционных изделий методом газовой де­тонации. Процесс включает в себя напыление детонационным методом нанесения покрытий корунда на медные или алюминиевые заготовки с дальнейшим травлением последних в химических растворах для получения керамического электроизолятора. В результате серии экспериментов были определены оптимальные параметры детонационного формирования диэлектрического слоя, включая режимы подготовки поверхности под напыление; дистанция (200-220 мм); гранулометрический состав порошкового материала (ПМ) в 20-60 мкм; газовая смесь для разгона ПМ (кислород/пропан в соотношении 5/1); количество, частота выстрелов; режимы работы манипулятора для равномерного формирования поверхностного слоя электроизолятора на заготовках и другие.

Диэлектрические свойства керамического изолятора зависят от пористости. Пробой неоднородных керамических диэлектриков при нор­мальных условиях происходит путем пробоя газа, заполняющего одну из пор. Электрическая прочность пор резко увели­чивается при уменьшении размера пор. Разряд, вызывающий пробой образца, развивается в наиболее крупной из пор, т. е. электрическая прочность материала в основном определяется размером наиболее крупных пор.

Эксперименты и методики. Исследуемый изолятор представляет собой тонкостенный полый цилиндр длиной L, внешним и внутренним диаметром D и d соответственно. Для изоляторов, полученных методом детонационного напыления с помощью различных газовых смесей из корунда фракцией 20-60 мкм, определяется общая пористость следующим образом. После сушки изолятор взвешивается на аналитических весах, после чего помещается в воду на 24 часа для заполнения его пор жидкостью. Далее электроизолятор извлекается из воды, обтирается мягким материалом. Производится взвешивание. Определяется масса воды, содержащаяся в порах по формуле 1

, (1)

Вычисляется объем воды в электроизоляторе по формуле 2:

, (2)

где - плотность воды, г/мм3.

Рассчитывается объем изолятора по формуле 3:

, (3)

Общая пористость изолятора определяется по формуле 4:

(4)

При помощи тераомметра определялось напряжение пробоя и сопротивление пробою при содержании воды в различных количествах. Далее изолятор помещался в печь и сушился в течение 20 минут при температуре 65°С. Измерения напряжения пробития и сопротивления производились повторно.

Исследования диэлектрических свойств проводились по следующей методике. Изолятор, полученный методом детонационного напыления, взвешивался на аналитических весах. Затем помещался в воду на 24 часа для заполнения его пор жидкостью. Далее производилось взвешивание и определялась масса воды, содержащаяся в порах. Общая пористость изолятора из оксида алюминия фракцией 20-40 мкм полученного методом детонационного напыления составила 1,14 %, а из порошка фракцией 40-60 мкм пористость составляет 1,73%. На рисунке 1 приведена зависимость содержания воды в порах электроизолятора от напряжения пробоя.

1- кривая для электроизолятора пористостью 1,14%

2- кривая для электроизолятора пористостью 1,73%

Рисунок 1 Зависимость напряжения пробоя от содержания воды в электроизоляторе

Для повышения диэлектрических свойств необходимо увеличить сопротивление пробитию. Для этого предложено заполнить поры изолятора диэлектрической жидкостью (трансформаторным маслом).

Трансформаторное масло – Масло Т-1500У (ТУ 38.401-58-107-97) вырабатывают из сернистых парафинистых нефтей с использованием процессов селективной очистки и гидрирования. Содержит присадку ионол. Обладает улучшенной стабильностью против окисления, имеет невысокое содержание сернистых соединений, низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь. Рекомендовано к применению в электрооборудовании напряжением до 500 кВ и выше.

В металлическую емкость, заполненную трансформаторным маслом Т-1500У, погружается электроизолятор. Емкость помещается в электропечь и при температуре 280°С выдерживается в течение трех часов. В ходе этого процесса масло частично заполняет поры электроизолятора, тем самым повышая его диэлектрические параметры.

Результаты и обсуждение. Пористость электроизоляционных покрытий является одной из важнейших рабочих характеристик. С уменьшением пористости увеличивается напряжение пробоя и сопротивление. С увеличением содержания влаги напряжение пробоя и сопротивление значительно уменьшаются, что может негативно сказываться на работе изделия в условиях повышенной влажности.

Результаты показали, что при изменении содержания воды для изолятора пористостью 1,14%, от 0 до 0,01 г значения напряжения пробоя и сопротивления уменьшились с 5,60 до 4 кВ и с 8,1 до 5,3 МОм, соответственно.

Пористость электроизолятора зависит от дисперсности порошка. С уменьшением пористости увеличивается напряжение пробития и сопротивление. Детонационное напыление изолятора из оксида алюминия показало, что из порошка фракции 20-40 мкм пористость электроизолятора 1,14 %, а из порошка фракцией 40-60 мкм пористость составляет порядка 1,73 %, следовательно сопротивление электропробитию изолятора 8,15 МОм и 8,00 Мом, соответственно.

Полученные характеристики изоляторов обработанных трансформаторным маслом сведены в таблицу 1

Таблица 1 – Сравнение характеристик изоляторов

Пористость изолятора	Изолятор без содержания инородных веществ	Изолятор с трансформаторным маслом
Напряжение пробоя, кВ	Сопротивление, МОм	Напряжение пробоя, кВ	Сопротивление, МОм
1,14%	5,30	8,15	8,50	12,15
1,73%	5,60	8,00	8,40	12,00

Выводы. С увеличением содержания влаги в изоляторе напряжение пробития и сопротивление значительно уменьшаются, что может негативно сказывается на работе электроизолятора в условиях повышенной влажности.

Судя по разности масс изоляторов и масс воды, содержащихся в них при полном насыщении жидкостью можно сделать вывод о том, что размеры пор у изоляторов различные. Таким образом, можно сказать, что пробой неоднородных керамических диэлектриков при нор­мальных условиях происходит путем пробоя газа, заполняющего одну из пор. Возможно предположить, что электрическая прочность пор резко увели­чивается при уменьшении размера пор. Разряд, вызывающий пробой образца, развивается в наиболее крупной из пор, т. е. электрическая прочность материала в основном определяется размером наиболее крупных пор. Заполнение пор трансформаторным маслом позволяет значительно увеличить сопротивление и напряжение пробоя.

Результаты, полученные в результате исследовательской работы, подтверждают возможность использования технологии формирования электроизоляционных изделий методом газовой детонации.

Дата добавления: 2015-07-20