книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Формула (10.10) справедлива при условии к 2^ z t ) >0,2.

Построив графически зависимость In (1 —т/т0) от t (прямую

линию), по коэффициенту ее наклона получим значение

и затем рассчитаем D.

Получив значение т0 при заданном давлении р паров растворяемого вещества, по (10.1) рассчитывают коэффициент растворимости hv Значение C=m0/v, где v— объем пластины.

Однако для большинства веществ как коэффициент рас­ творимости ЛJ, так и коэффициент диффузии D зависит от концентрации растворенного вещества и формула (10.10) яв­ ляется приближенной. Для получения т0 необходима очень длительная выдержка образцов в заданных условиях. Поэтому иногда определяют некоторое среднее (эффективное) значение D. Удобен метод расчета величины D по трем точкам,

wij, ш2, тъ. Коэффициент диффузии и приращение массы т0 рассчитывают по формулам

где

1 l ~ b. b^ mi~ m2

4b2 b ’ т1- щ

Коэффициент диффузии какого-либо вещества в материале можно определить также по зависимости потери массы т пла­ стиной при ее высушивании от времени. Если в материале содержится влага, растворитель или пластификатор, то произ­ водят первоначальное взвешивание пластин, а затем пластину периодически взвешивают после выдержки при заданной тем­ пературе. В этом случае при обработке результатов испытаний используют формулу

131

В любом случае формулы (10.10) и (10.13) справедливы, если массообменный коэффициент Био (Шт = ам8/Д ам— ко­ эффициент массообмена на поверхности) много больше 1.

При удалении растворителей или пластификаторов коэф­ фициент диффузии и условия массообмена с поверхности

и используют другие приближенные зависимости. Например, для поливинилхлоридного пластиката используют зависимость

Измерив коэффициент диффузии при нескольких темпера­ турах и построив зависимость InD от \/Т, по коэффициенту наклона этой зависимости определяют величину U/R и энергию активации процесса диффузии U.

Влияние насыщения влагой или другими веществами на электроизоляционные свойства материала оценивают по за­ висимости сопротивления изоляции, tg5, пробивного напряже­ ния С/пр от времени пребывания в соответствующей среде. Способ измерения определяется конструкцией кабельного из­ делия или свойствами материала. Измеряются также свойства готовых конструкций, в которые входят кабельные изделия.

Сопротивление изоляции эмалированных проводов обычно измеряют между металлическим цилиндром и слоем провода, навитого на этот цилиндр или между двумя слоями проводов.

При воздействии различных растворителей и масел на сшитые полимеры происходит их набухание, а также ухудшение механических характеристик.

Для определения набухания по стандартизованной методике подготавливают образцы заданной толщины (1— 2 мм). Перед испытаниями измеряют массу G1 высушенных образцов. Далее помещают образец в жидкость при заданной температуре испытаний и выдерживают заданное время. Потом образцы вынимают из растворителя и дают им обсохнуть в течение заданного времени или протирают фильтровальной бумагой. Измеряют массу G2. Относительное набухание определяют по параметру

k M G i-G j/G ^

Стойкость изоляции и оболочки из резины или пластмассы к воздействию масел и бензина определяют по снижению механической прочности на разрыв по стандарту [26]. Ис­ пытывают несколько образцов стандартной формы (см. гл. 1).

132

После воздействия бензина или масла образцы выдерживают при комнатной температуре (соответственно 1 и 3 ч), а затем определяют напряжение при разрыве. Коэффициент снижения прочности определяют по формуле

fcp = (CTl-°2)/< *b

где стх и ст2 — напряжение при разрыве исходных образцов и после воздействия бензина или масла. Определяют также коэффициент снижения относительного удлинения при разрыве.

Стойкость изоляции эмалированных проводов к воздейст­ вию растворителей, масла и воды определяют в соответствии с ГОСТ 14340.8 — 69. Образцы проводов погружают в жидкость при заданной температуре на заданное время. После извлечения из жидкости образцы остывают и обсыхают заданное время. Затем они подвергаются испытаниям на продавливание или испытаниям на прочность к истиранию иглой (см. гл. 1).

При испытании на продавливание скрещенные провода под воздействием заданного груза помещают в предварительно нагретый до заданной температуры прибор. Время до корот­ кого замыкания проводов (напряжение 12 В) должно быть не менее 30 с. При испытании прочности на истирание образцы должны выдерживать заданное число ходов иглы.

После испытаний в кипящей воде или спиртотолуольной смеси (70:30) образцы подвергают внешнему осмотру. Они не должны иметь повреждений (разрывы эмали, вздутия и др.).

Существуют также специализированные испытания для определения действия различных веществ на изоляцию, на­ пример хладона.

10.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНДЕКСА

И ВРЕМЕНИ НАРАБОТКИ

Определение длительности работы изделия при заданных условиях эксплуатации или температуры эксплуатации является одной из самых главных и в то же время сложных задач испытаний. Большое значение имеет также определение оп­ тимальной длительности технологической обработки при задан­ ной температуре. Эти испытания связаны с определением кинетических параметров соответствующих химических реакций.

Процесс деструкции при эксплуатации или сшивания при технологической термообработке сопровождается химическими реакциями, в результате которых изменяется число химически активных групп N. Кинетику реакции обычно представляют в виде уравнения

133

тивации реакции, Дж/моль; 7? = 8,31 Дж/(моль-К)— газовая по­ стоянная.

В реальных материалах может быть набор разных групп с различными значениями N и энергии активации, поэтому уравнения (10.16) и (10.17) являются приближенными, а энергия активации может рассматриваться как некоторая эффективная величина.

Чаще всего рассматриваются реакции первого порядка, когда л=1. Однако в некоторых случаях значение п может быть и не равно единице (обычно л«1ч-3).

С величиной N в (10.16) связаны различные свойства материала. Так, функциями N могут быть электрическая прочность, tg$, модуль упругости или коэффициент упругости G из (10.5). Значение N определяет изменение массы т матери­ ала в процессе испытаний. Поэтому часто ставится задача определения электрических и механических свойств в зависи­ мости от изменения массы материала.

Для определения времени наработки изделий применяют ускоренные испытания. Для ускорения процессов старения обычно. • применяют повышенную температуру, повышенное напряжение или другие факторы интенсифицированного воз­ действия. Кроме того, для ускорения испытаний можно при обычных эксплуатационных условиях* в качестве критерия использовать более чувствительные характеристики. Например, если по стандарту допустимо определенное значение tg5, то при ускоренных испытаниях отбраковку изделий можно произ­ водить при значительно меньшем фиксированном значении tg8.

ваться изделие, производят определив время наработки при температуре эксплуатации тн по формуле [следует из (10.17)]

При испытаниях отдельные образцы дают различное время наработки, поэтому необходимо испытывать большое количест­ во образцов и производить статистическую обработку резуль­

134

распределения вероятностей при температурах 7\ и Тэ одина­ ковы (одинаковые параметры, кроме средних т), то значение тн, рассчитанное по (10.18), также соответствует этой вероят­ ности. Если параметры законов распределения не одинаковы, то формула (10.18) будет неточной и необходимы более сложные статистические исследования (см. гл. 12).

Для определения энергии активации необходимо провести испытания при нескольких температурах 7\, Г2, Тъ (обычно не менее трех). При ускоренных испытаниях в качестве времени наработки т1? т2, т3 считают время, в течение которого выходят из строя 50% образцов, испытанных при соответ­ ствующей температуре. Зависимость 1пт от 1/Г аппроксимиру­ ют прямой линией, коэффициент наклона в уравнении линии равен значению UfR, которое можно найти графически или методом наименьших квадратов (см. гл. 12).

По результатам таких испытаний определяют не только время наработки по (10.18), но и температуру, которая соответствует заданному номинальному времени наработки (температурный индекс):

(10.19)

где Тэ и 7\ выражают в кельвинах.

При более точных испытаниях необходимо установить

достижения материалами или изделиями заданного уровня какой-либо характеристики f(N). Значение f(N ) является функ­ цией числа оставшихся непрореагировавших химических групп (10.16). Если значения N одинаковы, то одинаковы и свойства материала (потеря массы, С/пр, ер, стр и др.).

При каждой температуре Т определяют зависимость какоголибо из указанных свойств от времени. В момент, когда измеряемое свойство достигнет заданного значения, фиксируют время t. После интегрирования (10.16) и логарифмирования

и ресурса на трех конкретных примерах с различным подходом к исследованиям. Под температурным индексом эмалированных проводов понимается температура, при которой

135

которого 'контролируемые параметры провода превышают установленный предельный уровень в условиях испытаний [4].

Испытания проводят при трех и более фиксированных температурах, отличающихся друг от друга на 20° С или

на 20° С выше температуры предполагаемого температурного индекса (ТИ) провода. При каждой температуре испытывается не менее 50 образцов. Средний ресурс образцов при минималь­ ной испытательной температуре должен составлять не менее 5000 ч. Максимальную испытательную температуру выбирают так, чтобы средний ресурс образцов при этой температуре составлял не менее 200 ч. Температуру испытаний и длитель­

Таблица 10.1. Температура и время испытаний в каждом цикле для определения

температурного индекса эмалированных проводов

Для испытаний изоляции рекомендуется использовать эма­ лированные провода диаметром 0,8 — 1,2 мм. После каждого цикла выдержки при заданной температуре образцы охлаждают

Перед проведением испытаний образцы проверяют при на­ пряжении соответственно от 900 до 3600 В.

Среднее число циклов испытаний определяется как среднее арифметическое число циклов до выхода из строя каждого образца, включая цикл, в котором произошел выход из строя. Значения ресурса, полученные при испытаниях образцов, выдер­ жавших в среднем менее 8 или более 20 циклов при соответствующей температуре, считаются недостоверными. Ес­ ли среднее число циклов для образцов, испытанных при заданной температуре, будет меньше 8, испытания продолжают, но продолжительность или температуру испытаний выбирают как для материалов с меньшей нагревостойкостью. Если

136

среднее число циклов больше 20, то увеличивают длительность циклов. При этом общее число циклов до пробоя образцов должно находиться в пределах 8— 20. Ресурс каждого образца определяют как суммарное время воздействия испытательной температуры во всех циклах испытаний за вычетом половины длительности воздействия в последнем цикле, после которого образец вышел из строя. После выхода из строя всех образцов вычисляют средний ресурс при каждой испытательной тем­ пературе как среднее логарифмическое ресурсов для всех испытывавшихся при данной температуре образцов [(1п/)ср по (10.20)]. Для предварительной оценки нагревостойкости при минимальной испытательной температуре допускается приме­ нять время до пробоя 50% образцов.

Если при минимальной испытательной температуре после 5000 ч выдержки в термостате из строя вышло менее 50% образцов, то испытания прекращают. При необходимости проводят испытания при вновь выбранных дополнительных температурах.

Для быстрой предварительной оценки температурного ин­ декса используют методы термогравианализа, рассмотренные

вгл. 11.

Вкачестве измеряемого параметра для образцов целесооб­ разно выбирать свойство, которое в наибольшей степени определяет работоспособность изделий. Например, для поли­ винилхлоридного пластиката характерно существенное ухудше­ ние физико-механических свойств, связанное с потерей пла­ стификатора в процессе его диффузии при старении изделий.

Сучетом этого свойства разработана методика определения нагревостойкости поливинилхлоридных пластикатов [32], ко­ торую определяют как температуру, при которой отказ наступает при времени f6=10 000 ч. Установлено, что критичес­ кое значение потери массы пластикатом ткр при вероятности безотказной работы 95% соответствует формуле

где тп— масса пластиката в исходном (начальном) состоянии; р и рпл— плотность пластиката и пластификатора.

Из гранулированного поливинилхлоридного пластиката ва­ льцово-прессовым методом по ГОСТ 5960— 72, изготовляют

137

термостата и взвешивают. Рассчитывают среднюю потерю массы для образцов, выдерживаемых при каждой температуре, а затем по (10.14) методами регрессионного анализа рас­ считывают к. Затем по (10.17) методами регрессионного

ТИ = U/{R [Ink0t6- 0,625 In ( - In (1 - 0,265рпл/р)]}. (10.23)

В некоторых случаях проведение статистических испытаний связано с большими затратами и трудоемкостью. При этом целесообразно разрабатывать методики оценки ресурса изделий по исследованным закономерностям изменения важнейших свойств во времени. Рассмотрим такую методику на примере определения срока , службы маслонаполненных кабелей [33].

При рабочей напряженности электрического поля старение изоляции определяют процессы термической деструкции, так как в этих условиях частичные разряды исключены. Зависи­ мость tg6 изоляции от степени старения D(t) может быть выражена формулой, полученной на основе экспериментальных данных:

L определяется как время до достижения предельного состояния изоляции. Степень старения £>(0)=0 и D{L)—\ (безразмерная величина). В момент времени L tg5 достигает критического значения tg5Kp. Как следствие уравнения Аррениуса полный ресурс изоляции при постоянной температуре определяется

пература изоляции, °С; ат— температурный коэффициент старе­ ния, 1/°С.

Максимальная температура изоляции кабеля определяется

где z — коэффициент, пропорциональный квадрату тока нагруз­ ки; у — коэффициент, пропорциональный емкости и квадрату напряженности поля в изоляции.

138

Коэффициенты z и у зависят от условий охлаждения кабелей и их конструктивных размеров.

По мере старения изоляции tg 5 увеличивается, что приводит к увеличению температуры кабеля. Степень старения при переменной температуре

(10.27)

В результате выводится формула для расчета ресурса работы кабеля:

ДГкр

1пЬ

* п

где л*о, х, х кр— начальное, текущее и критическое значения tg 5. Для расчета ресурса необходимо экспериментально опре­ делить значения С и ат в (10.25) и (10.28). Это можно сделать, измерив время до пробоя, например, при двух различных параметрах z или у (двух токах нагрузки или двух напряженностях поля). Тогда из (10.28) можно рассчитать С и ат. По многочисленным данным для маслонаполненных

В процессе технологической термообработки изоляции кабелей обычно происходит дополнительная поликонденсация или полиме­ ризация с образованием пространственной, сшитой структуры. Рассмотрим определение кинетических параметров этих реакций на примере вулканизации резиновой или полиэтиленовой изоляции.

Образцы резины для исследований обрабатывают в прессформе при заданной температуре испытаний с различным временем обработки. Затем из пластин (толщиной 1 мм) вырубают образцы (лопатки) установленной формы и произ­

По мере увеличения времени термообработки возрастает степень вулканизированности материала, что приводит к росту напряжения при разрыве а р. Затем значение а р стабилизируется и в дальнейшем начинает уменьшаться. Одновременно умень­ шается и относительное удлинение при разрыве. В качестве оптимальной степени вулканизованности можно принять усло­ вия, когда а р достигает заданного значения, позволяющего получить удовлетворительное качество изделия. В результате

139

испытаний получают зависимость времени термообработки t от температуры термообработки (10.20) при условии получе­ ния фиксированного значения а р.

При этой зависимости находят энергию активации процесса вулканизации U графическим методом или применением ме­ тодов регрессионного анализа. Если определяют оптимальное время вулканизации при какой-либо температуре Tlt то время вулканизации при повышенной температуре можно определить по формуле, аналогичной (10.18).

Более точно определяет степень вулканизованности коэф­ фициент упругости G, представленный в (10.5). Он прибли­ зительно пропорционален частоте пространственной сетки в сшитом полимере или количеству прореагировавших актив­

фициент упругости при полном завершении реакции сшивания;

(10.17) Inк от 1/Г находим энергию активации U. Измерение зависимости (10.5) для вулканизованного полиэтилена следует производить при температуре испытаний 140° С.

Для определения энергии активации процессов сшивания можно использовать также фиксированные значения дефор­ мации изоляции при повышенной температуре, закономерности потери массы в процессе реакции, момент достижения одина­ кового цвета эмалированного провода, а также изменение электрических характеристик.

Степень завершенности реакции сшивания можно опреде­ лить непосредственно по измерению значения гель-фракции.

10.4. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ

ИЗОЛЯЦИИ

Ряд испытаний связан с определением стойкости изоляции к растрескиванию под воздействием различных факторов. Как правило, при таких испытаниях изоляция находится в напряжен­ ном (растянутом) состоянии.

140