книги из ГПНТБ / Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности

Согласно теории электрического пробоя полимеров, раз­ работанной Артбауэром [205-г 208], снижение электрической прочности полимеров с повышением температуры объясня­ ется ростом неоднородности структуры (увеличением сво­ бодного объема). В работе [162] приводятся возражения против некоторых предпосылок данной теории. На зависи­ мость электрической прочности материалов от гомогенности их структуры указывается также в работе [222]. В связи с

могенности структуры при прочих равных условиях увели­ чивается электрическая прочность. Так, в сильно неравно­ мерном электрическом поле игла — плоскость при межэлек­ тродном расстоянии, равном 8 мм, пробивные напряжения ПЭ, эпоксидной смолы и фарфора составляют, соответствен­ но, 90, 76 и 23 кв (электрическая прочность, соответственно 11,20, 9,50 и 5,37 кв’мм). С увеличением межэлектродных расстояний (толщины образцы) электрическая прочность всех

как увеличение свободного объема делает возможной более легкую реализацию удлинения (проскальзывание макромо­ лекул полимера относительно друг друга). Наиболее рез­ ко увеличивается концентрация неоднородностей Р в облас­

ти резкого снижения Епр, возрастания In о и у от темпера­

туры. В рассматриваемой работе показано также, что при возрастании Р с ростом температуры локальная напряжен­ ность поля в диэлектрике практически не изменяется.

Из изложенного видно, что единого мнения о механи­ зме пробоя полимеров в однородном поле под действием повышенной температуры в настоящее время не существу­ ет. Можно предположить, что в данном случае имеет место комбинированный, электротепловой пробой с превалирова­ нием первого или второго механизмов. Не исключено также, что определенный вклад при воздействии температуры вно­ сит электрохимическая форма пробоя.

250

Электрическая прочность полимеров в значительной сте­ пени зависит от их надмолекулярной организации, в част­ ности от размеров и формы структурных образований. В работах [77, 78] показано, что с уменьшением размеров сферолитов (одной из наивысших форм надмолекулярной структуры) Епр повышается. Сферолитная структура неко­ торых полимеров (ПЭ, полипропилен) может изменяться в зависимости от величины и экспозиции воздействия на них температуры. Рост экспозиции увеличивает эквивалентный диаметр сферолитов (<3Сф). Так, нагреванием ПЭНД при 220 — 260°С от 1 мин. до 3 час. удается получить сферолиты с диаметром от 5 до 145 мкм. Увеличение <4Сф примерно до размеров толщины пленки сопровождается линейным умень­ шением Unp, а его дальнейшее увеличение оставляет 1Х,Р практически неизменным. Зависимость Епв от <4Сф описыва­ ется формулой [79]

Е0 —значение Unp при <фф > h.

Увеличение h сдвигает точку перелома зависимости Епр =

следствие нарушения сплошности материала, увеличения рых­ лости упаковки в межсферолитном пространстве и неодно­ родности электрического поля в образце. При пробое поли­ мерных пленок канал разряда образуется преимущественно в межсферолитном пространстве, имеющем более рыхлую структуру и обеспечивающем большую длину свободного пробега электронов. При сфф = h электронные лавины прак­ тически не встречают на своем пути сферолиты и дальней­

оптимальными размерами надмолекулярной структуры (сЕф), следовательно, и заданными значениями Епр. В частности, электрически прочную мелкосферолитную структуру полио­

для конкретных применяющихся материалов (ПЭНД, фторлоны, сшитый ПЭ и др).

251

В работах [168, 268] исследовалась зависимость элек­ трической прочности от температуры полиэтиленовой изоля­ ции, облученной на воздухе быстрыми электронами до доз 46, 150, 200, 300 и 400 Мрад. Установлено, что облучение существенно изменяет температурную зависимость пробив­ ной прочности. К весьма интересным в аспекте практиче­ ского использования относятся поглощенные дозы в интер­ вале 75 4-150 Мрад, являющемся оптимальным с точки зре­ ния физико-механических и электрофизических свойств РМПЭ (применительно к изоляции каротажного кабеля). На рис 43, а приведены температурные зависимости пробивного напряжения изоляции, облученной ^-излучением Со-60 при ограниченном доступе воздуха до доз 75, 90, 135 и 150 Мрад, а на рис. 43, производные дозные зависимости про­ бивного напряжения при 100, 150, 200 и 250°С. Обращает на себя внимание хорошее качественное совпадение зависи­ мости Unp — f(T) полиэтилена при поглощенной дозе 150

Рис. 43. Зависимость пробивного напряжения:

а —от температуры полиэтиленовой изоляции, облученной 7-излуче­ нием Со-60 при ограниченном доступе воздуха(в запаянных ампулах), дозой, Мрад\ / —75; 2—90; 5—135; 4—150; 5—необлученная изоляция; б—полиэтиленовой изоляции, облученной 7-излучением Со-60 при ог­ раниченном доступе воздуха, от поглощенной дозы при температу­ рах, °С: / —100; 2—150; 5—200; 4—250; в—изоляции из фторлона-4Д от экспозиции запечки (при Т°С =* 383 ± 5°С) при температурах ис­ пытания 200°С (1), 150°С (2), температурная зависимость І/Пр изо­

ляции из фторлона-4Д, состоящей из 2 лент толщиной ПО мк, нало­ женных с перекрытием 30% и запеченных при Т—440° в течение

60 сек (3)ь

252

Мрад с аналогичной зависимостью, полученной ШтаркоМ и Гартоном [268] в случае облучения быстрыми электронами до дозы 150 Мрад. Эти данные качественно согласуются также с экспериментальными результатами Соколовой и Финкеля [168]. Количественные совпадения не ожидались, так как различны поглощенные дозы, образцы, и, в некото­ рой степени, условия проведения эксперимента;

Электрическая прочность ПЭ возрастает с увеличением поглощенной дозы (D). Дозная зависимость пробивной проч­ ности прямолинейна: 1,2 и интервал доз 90 -г 150 Мрад> кри­ вые 3 и 4 (рис. 43, бу.

поглощенной дозы DKUnp уменьшается (кривые 3 и 4). Эта тенденция сохраняется и для средних температурных коэф­ фициентов пробивного напряжения, а также сопротивления изоляции.

Увеличение температуры испытания с 100 до 250°С сни­ жает пробивную прочность РМПЭ; степень снижения умень­ шается с ростом по: лощенной дозы.

Таким образом, величина и температурный ход электри­ ческой прочности РМПЭ в значительной степени определя­ ются поглощенной дозой и поддаются оптимизации приема­ ми радиационной технологии. Эти результаты качественно подтверждены при исследовании температурной зависимос­ ти электрической прочности облученных у-излучением Со-60 ПЭ пленок (поглощенные дозы 10, 20, 50, 100 Мрад) тол­ щиной 0,20—0,25 мм [136].

В связи с этим представляет интерес сравнение радиа­ ционно-модифицированного полиэтилена с пленочным поли­ тетрафторэтиленом (фторлоны-4 и -4Д), применяющимся в качестве изоляции кабельных изделий для эксплуатации в условиях высоких температур (до 250°С). Запечка, пред­ принимаемая для придания ей монолитности, снижает ее пробивную прочность. Так, незапеченная изоляция (4 ленты из каландрированной пленки фюрлона-4Д) при 100 — 200ГС еще не пробивается при напряжении постоянного тока, рав ном 50 кв; при 250°С составляет 44 кв. Термообработка изоляции при 380°С в течение 30 сек. несколько снижает Unp. На рис. 43, в приведена зависимость Unp изоляции при 150 и 200°С от длительности термообработки (t3) при 380 +

25і

5°С. Установлено, что зависимости UnP = f(t3) проходят через максимумы, приходящиеся на следующие t3 : при 150°С t3 = 60 сек., при 200°Ст3=:90 сек. Видимо, повышение Unp обязано монолитизации пленочной изоляции, уменьшению количества воздушных промежутков. Снижение Unp после прохождения максимума связано как с увеличением разме­ ров надмолекулярных образований, так и с появлением микротрещин в изоляции вследствие больших механических перенапряжений при усадке пленки. Смещение максимума пробивной прочности изоляции с повышением температуры испытания в сторону больших экспозиций запечки связано с тем, что в последнем случае уменьшается число воздуш­ ных промежутков за счет более сильного спекания изоля­ ции. Повышение температуры термообработки даже при ма­

Исследования комбинированной фторлоновой изоляции (Ф= 4+Ф --4Д) при напряжении промышленной частоты по­ казали, что средние пробивные напряжения для незапечен­ ной (1-я группа) и запеченной (2-я группа) изоляции сос­ тавили, соответственно, 27 и 24,6 кв. Первая группа оста­ лась работоспособной после 150-часовой выдержки при нап­ ряжении 5 кв, вторая—3 кв. Однако средние пробивные напряжения снизились, соответственно, до 18,8 и 11,4 кв. При напряжении 5 кв вторая группа имела разброс времен

провода с тонкой изоляцией из политетрафторэтилена с низ­ кими диэлектрическими потерями. Находясь в атмосфере с высокой относительной влажностью, изоляция поглощает влагу, вследствие чего ее электрические свойства ухудша­ ются. Кроме того, они ухудшаются из-за наличия междуслойных промежутков в случае, когда напряжения (испы­ тательное или рабочее), под которым работает изоляция, выше начального напряжения образования короны.

Электрическая прочность воздуха в несколько раз мень­ ше, чем у фторлона-4. В результате этого пробой воздуш­ ных включений происходит при значительно меньших нап­ ряжениях, чем у Ф-4. При этом вследствие искрового (ко­ ронного) разряда разрушается ленточная фторлоновая изо­ ляция, обугливается ее поверхность, в результате чего обра­ зуются проводящие мостики и увеличивается электропро­ водность. Расчеты показывают, что при испытательных напряжениях, соответственно, 3 и 1,5 кв максимальные нап­ ряженности (на поверхности жилы) составляют ~ 12 и —6 кв'мм, на поверхности изоляции—5,4 и 2,7, т. е. значитель-

2:4

но превышают напряженность начала ионизации воздушных включений Еион = 2 кв'мм.

Исходя из этого, испытательное напряжение для пленоч­

лектрик-металл. Эффективным способом увеличения элек­ трической прочности служит устранение этих включений, или, по крайней мере, сведение их к минимуму. Это не единственное решение. Уменьшение размеров воздушных включений заметно повышает электрическую прочность. Так, уменьшение их с 1 до 0,01 мм увеличивает пробивную напряженность с 10,25 до 40,00 квімм [167J. Уменьшать эти размеры можно при помощи диэлектрической промазки, наносимой на жилу в процессе обмотки и увеличивающей градиент начала короны более чем в 2 раза [142|\ Иони­ зационную и электрическую прочность пленочной изоляции можно повысить также применением полупроводяших экра­ нов, несколько выравнивающих электрическое поле и сни­ жающих максимальный градиент напряженности у жилы. Вместе с тем наложение полупроводящих экранов и диэ­ лектрической промазки на больших многокилометровых строительных длинах сопряжено с преодолением ряда труд­ ностей производственного характера.

Сопоставление описанных особенностей РМПЭ и запе­ ченного пленочного фторлона показывает преимущества и перспективность первого диэлектрика для применения в теп­

255

йидными, тем более, что по теплостойкости РМПЭ не очень значительно уступает Ф-4.

В наших экспериментах пробой изоляции осуществляет­ ся на изолированных жилах. В качестве термостатирующей среды был применен эвтектический сплав Вуда. В этом случае имеется несоответствие между количеством погло­ щаемого изоляцией и отводимого через токопроводящую жилу тепла. Однако тепловой пробой происходит не обыч­ ным способом, т. е. не в результате выделения тепла за счет диэлектрических потерь в диэлектрике, а вследствие малой теплоотдачи испытуемого объекта. Поэтому можно ожидать, что в данном случае пробой (квазитепловой) мо­ жет произойти за более короткое время, чем при нагрева­ нии диэлектрика диэлектрическими потерями до той же температуры, но при свободной теплоотдаче.

Изучение температурной зависимости пробоя полимерных диэлектриков затрудняют структурные изменения полимера при нагревании (окисление, тепловая деструкция и др.). Поэтому о механизме пробоя можно говорить в сравни­ тельно узких температурных интервалах. В связи с этим од­ нозначная трактовка механизма пробоев в случае нагревания как диэлектрическими потерями, так и внешними источни­ ками тепла, затруднительна. Так, Сканави [167] показано, что при комнатной температуре полярные полимеры (поли­ метилметакрилат) обладают пробивной прочностью более

тоте, в частности промышленной, пробой носит, как прави­

данными об электрическом пробое при высоких напряжен­

ряжением некоторой критической величины сопровождает­ ся развитием пробоя в линейных полимерах с очень боль­ шой скоростью. Это говорит в пользу того, что процесс пробоя инициируется электронами. Если же иметь в виду наличие в диэлектриках токов, ограниченных пространст­

256

венными зарядами (ТОПЗ), то напрашивается вывод о том, что не исключена возможность комбинированного электрон­ но-ионного механизма электрического пробоя. При этом вклад электронов в развитие процесса пробоя, видимо, ста­ новится доминирующим при предпробивных напряженнос­ тях поля.

В работах [10,80] показано, что источником электронов, обеспечивающих начало развития процесса ударной иониза­ ции в диэлектрике, является катод, инжектирующий их в диэлектрик. Однако за процесс развития пробоя ответствен­ ны не только инжектируемые электроны. Согласно Хиппелю [237], приложенное поле сообщает электронам энер­ гию большую, чем они рассеивают при столкновении с кристаллической решеткой. Развивая эту теорию и распро­ страняя ее на аморфные тела, Фрелих пришел к следую­ щим выводам [231]:

1)при низких температурах мало свободных электро­ нов, способных вызвать появление лавины, необходимы сильные поля; при наличии дипольных молекул или нару­ шении строения решетки снижается средняя величина нап­ ряженности поля, требуемой для пробоя;

2)с ростом температуры увеличивается число электро­ нов в зоне проводимости и локализованных на уровне иска­ жения решетки. Увеличение дефектов в кристаллической структуре сопровождается ростом числа электронов на уровнях нарушений и снижением напряженности поля, не­ обходимой для пробоя. В развитии процесса пробоя, сог­ ласно Фрелиху, участвуют связанные электроны, находя­ щиеся в ловушках (см. гл. 3, § 1). Их концентрация повы­ шается с увеличением дефектности структуры (например, переход от кристаллических полимеров к аморфным). Кро­ ме того, возрастает вероятность взаимодействия разгоняе­ мых полем электронов зоны проводимости (например, инжектированных) с связанными. При определенной нап­ ряженности поля электроны из ловушек начинают перехо­ дить в зону проводимости. Развитие электрического пробоя аморфного диэлектрика Фрелих объясняет интенсивным пе­ реходом связанных электронов в зону проводимости.

Зависимость пробивной напряженности от толщины диэ­ лектрика нелинейна (для полиэтилена она близка к экспо­ ненциальной), причем средний геометрический коэффициент

FKUnp этой зависимости меньше, чем в случае линейной, т. е. скорость роста пробивной напряженности уменьшает­ ся с увеличением толщины диэлектрика. Можно предпола­

гать, что, при прочих равных условиях, TKUnp возрастает с увеличением энергии решетки (или энергии атомизации)

материала и снижается с повышением температуры. Это, ви­ димо, связано с тем, что подвижность дефектов, определяю­ щих электрическую прочность диэлектрика (примеси, нару­

напряженность однородного диэлектрика уменьшается с рос­ том его толщины вследствие ухудшения условий теплоот­ дачи, а в случае чисто электрического механизма она не зависит от толщины диэлектрика вплоть до тонких слоев (—15 мкм), когда начинается эффект электрического упро­ чнения [37]. При пробое на фронте одиночного стандарт­ ного импульса 1,5/40 мксек в среде касторового масла при 20°С между электродами шар—плоскость1практически чис­ то электрический механизм наблюдается у ПЭВД (до тол­ щины 20 мкм) и полистирола (до толщины 10 мкм). У по­ липропилена при этих же условиях эксперимента наблюда­ ется уменьшение электрической прочности с ростом толщи­ ны образца не только в зоне скачкообразного электриче­ ского упрочнения ( — 10 мкм), но и в остальном интервале (10 -у 70 мкм).

Учет зависимости о полимеров от температуры и давле­ ния, Епр от толщины, теоретических и экспериментальных данных, свидетельствующих о возможности участия в про­ цессе пробоя как скользящих ионов, так и электронов, при­ водит к следующим выводам. При нагреве внешним теплом (эксплуатация кабелей в скважинах) постоянным током име­ ет место комбинированный, электротепловой пробой. Пин­ цируется он, видимо, как скользящими ионами, так и элек­ тронами (инжектируемыми с катода и освобожденными при нагревании из ловушек), причем вклад последних становит­ ся доминирующим при предпробивных напряженностях поля.

Во время длительного пребывания при высокой темпе­ ратуре может происходить старение полимера вследствие электрической эрозии (бомбардировки электронами, ионами

258

Практический интерес представляет вопрос о зависимости электрической прочности диэлектрика от времени приложе­ ния напряжения. Эта зависимость определяется соотноше­ нием ряда факторов: разрушением изоляции вследствие ионизации газовых включений, развитием электротеплового пробоя, флюктуационными процессами разрушения диэлек­ трика под действием электрического поля [96]. В зависи­ мости от условий эксперимента или эксплуатации домини­ рующим может стать тот или иной фактор. Все они, очевид­ но, способствуют уменьшению срока жизни изоляции.

В некоторых случаях, однако, важную роль играют до­ полнительные, противоположно действующие факторы. Так [28], при длительном приложении постоянного напряжения температура бакелизированной бумаги сначала заметно воз­ растает (на некотором участке остается постоянной), затем неожиданно снижается. Диэлектрические потери конденса­ торов, работающих при переменном напряжении, уменьша­ ются с течением времени. Предполагается [14], что причи­ на этого заключается в испарении остатков влаги и нейт­ рализации большого числа скользящих ионов на электро­ дах, вследствие чего они исключаются из процесса образо­ вания потерь. Долговечность изоляции, как правило, сни­ жается с увеличением напряженности поля и температуры. Исключением являются данные Артбауэра об увеличении долговечности эпоксидной смолы с повышением температу­ ры. Основной причиной уменьшения долговечности изоля­ ции с увеличением напряженности в настоящее время счи­ тается ее эрозия под действием электрических разрядов (непосредственно в их зоне), сопровождающаяся уменьше­ нием ее толщины и массы. Действие только химических продуктов разряда (озона, окислов азота) вне зоны элек­ трических разрядов практически не приводит к эрозии и, следовательно, к существенному уменьшению электриче­ ской прочности [74, 162, 219].

Долговечность изоляции во многом определяет срок службы кабеля в целом (каротажного—особенно при высо­ ких температурах). Поэтому интересно установить коли­ чественную зависимость вероятности безотказной работы изоляции от действующих на нее факторов, а также ее структурных и конструктивных данных.

Считая, что реальные диэлектрики неоднородны и рас­ пределение неоднородностей подчиняется законам случай­ ной смеси, В. С. Дмитревский получил следующее урав­ нение распределения вероятностей безотказной работы элек­

259