книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Рис. 9.3. Схема установки для измерения теплопроводности в стационарном режи­ ме

с диаметром или стороной d и толщиной А. В середине установлен нагреватель 7, мощность которого Р измеряется, например, методом амперметра-вольтметра. Снаружи распо­ лагают теплоприемные пластины 3. Эти пластины можно охлаждать жидким теплоносителем. При комнатной темпера­ туре в качестве такого теплоносителя применяют воду, которая протекает по змеевикам, расположенным в пластинах 3. Сбоку располагают теплоизолирующие пластины 4.„Для правильных измерений необходимо соблюдать условие 3>20А.

Для полного исключения краевого эффекта на краях при­

5 так, чтобы его температура была равна температуре нагревателя 7.

В точках а— м располагают термоэлектроды или другие датчики. Для получения статистических данных по разбросу перепада температуры на образце 2 можно использовать схему соединения термоэлектродов, показанную на рис. 9.4,а, а для получения статистических данных по температуре образцов— схему рис. 9.4,6. Применение дифференциальной схемы рис. 9.4,а позволяет использовать для измерения термо-ЭДС более чувствительные приборы. Еще большую чувствительность дает дифференциальная схема рис. 9.4,в, в которой все разности термо-ЭДС термоэлектродов суммируются. Статистическую

• • •

121

1 2

Мощность нагревателя Р не должна изменяться во времени. Измерения производят после того, как температуры Та и Тж перестают изменяться во времени.

При измерениях желательно, чтобы разность температур между точками а и ж была не менее 10° С. Необходимо создать плотные тепловые контакты по всей площади пластин.

Теплопроводность

материала с известной теплопроводностью Х5, которая не должна сильно отличаться от теплопроводности образца Х2. В этом случае измерять мощность нагревателя не обязательно. Теплопроводность образца

Температуропроводность материалов измеряют при посто­ янной скорости нагревания (рис. 9.6). Скорость нагревания vT медных пластин 1 постоянна. Обычно весь прибор погружают в жидкость, нагреваемую с постоянной скоростью ит. Посто­ янную скорость нагревания создают с помощью электрических нагревателей. Образцы 2 обычно имеют толщину Д примерно 1—2 мм. Диаметр образцов d> 20Д. Снаружи располагают герметизирующие устройства 3.

При постоянной скорости нагревания 1 разность температур между термоэлектродами а и г, к и ж и т. д. устанавливается также постоянной. Время t установления постоянной А Т для плоских и цилиндрических образцов составляет соответственно

122

Рис. 9.7. Схема измерения температуропроводно­ сти при постоянной скорости нагревания для цилиндрических образцов

а

где я=Х/с— температуропроводность образцов м 2/с; с— удель­

Схема измерений для цилиндрических образцов показана на рис. 9.7. Образец 2 располагают внутри металлического цилиндра 7, нагреваемого с постоянной скоростью с помощью электронагревателей 3. С торцов цилиндра расположены теп­ лоизолирующие пластины 4. Необходимо выполнять соот­

а также получать статистические данные для АГ по площади образца. Для увеличения чувствительности можно применять терморезисторы в виде тонких пластин (толщиной в 10 раз меньше толщины образца). Диаметр термоэлектродов должен быть также много меньше толщины образца.

Прибор с образцами цилиндрической формы удобно при­ менять для измерения температуропроводности грунта. Ци­

пластины из пенопласта. Нагреватель изготовляют из нике­ левой (или тонкой медной) эмалированной проволоки.

Пробу грунта без нарушения его структуры берут с помощью цилиндрического контейнера и переносят в цилиндр прибора

123

также без нарушения структуры. При измерениях в нестационар­ ном режиме время нагревания грунта мало, и он не успевает подсыхать. Кроме того, влага не успевает мигрировать вдоль радиуса, что обеспечивает равномерные свойства грунта.

В среднем теплопроводность грунта X составляет примерно

неизменном во времени токе /, если выполняется условие [16]

ветствии с (9.17) измерения разности температур можно производить, если время после включения нагревателя больше

Если измерена температуропроводность а, то теплопровод­ ность вычисляют при известной теплоемкости по формуле Х= ас.

Теплоемкость грунта вычисляют по скорости нагревания цилиндра, если известна полная теплоемкость цилиндра с на­ гревателем (можно измерить по скорости нагревания прибора без грунта).

Теплоемкость материалов можно измерять калориметрическим методом. В калориметр (например термос) с жидкостью, имеющей температуру Т19массу т1и удельную теплоемкость с19 погружают нагретый до температуры Т2 образец с массой т2 и неизвестной удельной теплоемкостью с2. После этого жидкость (и образец)

поверхности стержня устанавливают термоэлектрод. В стержне имеется нагреватель с равномерным распределением мощности вдоль стержня. От стержня сделаны выводы: 3— для подключе­ ния нагревателя к аккумулятору или другому источнику энергии, 4— для подключения термоэлектрода к потенциомет-

124

ру. Мощность нагревателя Р должна быть постоянной во времени. Теплопроводность вычисляют по формуле

где Тх и Т2— температуры термоэлектрода для времени tx и t2. Измерения можно проводить через 10— 15 мин после вклю­ чения нагревателя. Этот прибор может быть также использован

для измерения температуропроводности грунта [15].

Схема прибора для измерения теплопроводности изоляции

с висмутом), содержащийся в ванне 3. Необходимую тем­ пературу ванны поддерживают с помощью нагревателя 4, расположенного на теплоизоляторе 5. К контактам 6 подводят ток / (1—3 А). Ток не должен изменяться при изменении сопротивления Rt медного образца 7, поэтому балластное сопротивление R6 должно быть много больше Rr С контактов

В процессе измерений пластина 8 должна перемещаться возвратно-поступательно со скоростью примерно 25 см/с. Это нужно для получения высокого коэффициента теплопередачи а от поверхности провода к расплаву. Контакты 9 должны

до температуры, которая примерно на 50° С ниже температуры расплава. Примерно через 1 с после погружения наступает

125

установившийся тепловой режим, при котором разность темпера­ тур между расплавом и проводом изменяется по закономерности

и проводом при /=0; т — коэффициент, называемый «темпом

(9.2), а сопротивление пропорционально падению потенциала на контактах 7. Величина R0 в (9.2) пропорциональна потен­ циалу на 7 при температуре провода 20° С (измеряется при комнатных условиях).

Теплопроводность изоляции для круглых проводов рас­

изоляции, м; £=л(*/+5)—периметр по средней линии изоляции.

dj6^8. В этом случае можно пренебречь теплоемкостью изоляции по сравнению с теплоемкостью жилы. Если это условие не выполняется, то следует использовать более точные формулы, приведенные в [35]. Данный метод можно исполь­ зовать тогда, когда условия теплопередачи на поверхности провода таковы, что oc-*db и число Био (Bi=a5/?t).

Г Л А В А ДЕСЯТАЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАБЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

10.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРОВ

Для изолирования кабельных изделий чаще всего исполь­ зуют полимерные материалы. Различают четыре основных состояния полимера [22]:

126

хрупкое при температуре ниже 7^; стеклообразное при температуре от Тх до Т2; высокоэластичное при температуре от Т2 до Тъ\ вязкотекучее при температуре выше Тъ.

При низких температурах взаимодействие молекул настоль­ ко велико, что исключается их взаимное перемещение и измене­ ние формы полимерных молекул. При растяжении образцов относительное удлинение при разрыве вр очень мало, а на­ пряженность при разрыве а р велика.

При повышении температуры выше Т1 во время растяжения образцов при напряжении более стт возникает состояние вынужденной эластичности. Молекулы полимера распрямля­ ются в направлении растяжения образца и при разрыве появляется заметное относительное удлинение. Чем выше температура, тем меньше стт. При снятии напряжения образец остается в растянутом состоянии и не возвращаясь к перво­ начальной форме. Большая часть изоляционных материалов в кабельных изделиях работает в стеклообразном состоянии.

При температуре Т2 полимер переходит в высокоэластичное состояние. Модуль упругости его резко уменьшается, а удлине­ ние при разрыве велико. В этом состоянии при наличии механического напряжения может постепенно развиваться де­ формация текучести. Если не произошла деформация текучести, то при снятии напряжения образец приобретает первоначаль­ ную форму. В высокоэластичном состоянии находятся каучук, резина при комнатной температуре.

. Переход от стеклообразного к высокоэластичному состо­ янию не резкий, он происходит в диапазоне температур 10— 30° С.

Переход к вязкотекучему состоянию происходит в области температуры Тъ также нерезко, а в некотором диапазоне температур.

Не все полимеры могут находиться во всех четырех состояниях. Композиционные материалы имеют промежуточ­ ные свойства между стеклообразным и высокоэластичным состоянием (поливинилхлоридный пластикат).

Сшитые полимеры при нагревании не переходят в вяз­ котекучее состояние, а при частой пространственной сетке переход от стеклообразного в высокоэластичное состояние становится не ярко выраженным и занимает широкий диапазон температур, а относительное удлинение становится небольшим.

На основании описанных состояний полимеров введены определения следующих характеристик полимеров:

холодостойкости, которая связана с определением тем­ пературы хрупкости Т{,

температуры размягчения полимеров Г2, термопласти­ чности, что связано с определением температуры Т2

127

и относительного удлинения или сжатия при определенной нагрузке;

температуры плавления полимера Т3; вязкости при температуре выше Тъ.

В сшитом состоянии при температуре выше Г2 и Т3 полимер не плавится и не растворяется в растворителях. Однако при этом происходит его набухание и вымывание растворителями части полимерных молекул, не охваченных поперечными сшивающими связями. Для определения этих свойств производятся измерения степени набухания и вымыва­ ния части полимера (оценка по гель-фракции). - Исследуется также влияние растворителей и пропитывающих компаундов на механические и электрические характеристики полимеров.

Растворимость различных веществ в полимерах зависит от энергии связи молекул растворителя и полимера. Если эта энергия незначительна, то растворимость, выраженная в кон­ центрации, подчиняется закону Генри:

где С— концентрация растворенного вещества, кг/м3; р — дав­ ление пара растворяемого вещества в пространстве, окружа­ ющем образец, Па; hl — коэффициент растворимости, с 2/м 2. Проницаемость полимеров для газов и жидкостей зависит от их состояния. Так, при переходе от стеклообразного к. вы­ сокоэластическому состоянию проницаемость возрастает на несколько порядков и приближается к проницаемости жид­ костей. Проницаемость полимеров

вующее концентрации растворенного вещества в заданном участке материала, Па; /г2— коэффициент проницаемости, с.

толщина пластины.

Деформация в полимере не всегда подчиняется закону Гука

[30].Так, в высокоэластическом состоянии при простом

растяжении справедлива приближенная зависимость

128

где Х = ///0; /0— начальная длина образца; /—длина растянутого образца; а рас— напряжение, Па; G— коэффициент упругости, Па.

При растяжении, когда одна из сторон (ширина) образца остается неизменной, имеется зависимость

Из (10.5) следует, что о значении модуля упругости можно говорить только условно. Поэтому при испытаниях применя­ ются такие понятия, как «напряжение при 50%-ном растяже­ нии», обозначаемое ст50.

Процессы деструкции полимеров при их старении в условиях повышенной температуры, а также кинетика процессов сшива­ ния при технологической термообработке описываются кине­ тическими уравнениями химических реакций первого или более высоких порядков, о которых подробнее говорится в § 10.3. Скорость этих процессов подчиняется закону Аррениуса и опре­ деляется их энергией активации.

Скорость деструкции полимеров увеличивается в напряжен­ ном состоянии. Время разрушения (разрыв, образование тре­ щин) определяется по зависимости

трического напряженного состояния. С учетом комплекса этих воздействий в [31] предложена методика расчета наработки материалов в высокоэластичном состоянии. Обычно учитыва­

фициент, м 3/моль.

Определив экспериментально величины U и а, можно прогнозировать наработку полимеров в напряженном состоянии при заданной температуре.

10.2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК, СВЯЗАННЫХ

СВОЗДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПОЛИМЕРЫ

Проницаемость пористых материалов для газов и жидкостей имеет значение при сушке и пропитке изоляции (бумажной, волокнистой) или наложении лаков с помощью пористых

идавление АР.

Всоответствии с (10.2) и (10.4) получим формулу для

определения коэффициента проницаемости

Для кабельной бумаги, применяемой в кабелях высокого напряжения, предусмотрено измерение воздухопроницаемости. В этом случае перепад давления создается с помощью компрессора или баллона со сжатым воздухом. Количество прошедшего воздуха измеряется расходомером.

Коэффициент диффузии различных веществ в полимерах наиболее просто определяется по массе поглощенного вещества. Пластину из исследуемого материала толщиной 8 примерно 1 —2 мм предварительно длительно высушивают при повышен­ ной температуре, а затем помещают в среду, где создано постоянное парциальное давление паров вещества, коэффициент диффузии которого необходимо определить. Периодически образец взвешивают. Если коэффициент диффузии D не зависит от концентрации поглощенного вещества, зависимость прира­

где т0— количество поглощенного вещества (приращение мас­ сы) за время / = оо.

130