Особенности поведения наполненных полимеров для резисторов при циклическом режиме нагружения

Abstract

Актуальность работы обусловлена тем, что обеспечение бесперебойного электроснабжения предприятий ресурсодобывающих отраслей является непременным условием их эффективного функционирования. Последнее, в свою очередь, определяется качеством защиты электропотребляющего оборудования (прежде всего электродвигателей) от токов короткого замыкания и перенапряжений в питающей сети. Их ограничение обеспечивается комплексом мер; важнейшей среди них является использование высоковольтных объемных резисторов, способных рассеивать огромные мощности. В последние годы внимание специалистов привлекли наполненные полимеры как материалы для изготовления таких резисторов. Наряду с такими их достоинствами, как: доступность и дешевизна исходных материалов (высокая ресурсоэффектвность), хорошо освоенная технология производства таких композиций, им присущ существенный недостаток - сильная зависимость удельного объемного сопротивления от температуры и, следовательно, от режимов их работы. Из-за многообразия процессов в наполненных полимерах, стимулируемых повышенной температурой, необходимо изучение их поведения в зависимости от условий нагрева. Один из часто встречающихся режимов работы полимерных композиционных материалов - повторнократковременное воздействие токовой нагрузки, при котором происходят многократные изменения температурного режима, негативно влияющие на стабильность параметров резисторов. Это делает актуальными исследования динамики объёмного электрического сопротивления как важнейшего параметра резистора при сложных режимах токовой нагрузки. Цель: оценка возможности работы наполненных техническим углеродом каучуков в режиме «нагрев-охлаждение»: исследование разброса величины тока в зависимости от токовой нагрузки, времени работы и паузы при нагреве переменным током. Из-за многокомпонентности структуры стабильность электрофизических характеристик во многом определяется режимом их работы. Методы: инструментальные измерения электрофизических характеристик резистивных полимерных композиционных материалов, статистическая обработка результатов измерений, оценка временных рядов изменения случайных параметров. Результаты. Выявлены зависимости величины переменного тока, протекающего в наполненных техническим углеродом бутадиен-нитрильных каучуках, от длительности работы и продолжительности пауз при повторно-кратковременном режиме работы. Установлена также возможность проявления неоднозначного влияния длительности паузы на стабильность величины тока. Подтверждена возможность применения показателя Херста для оценки тенденций временного ряда по изменению токовой нагрузки (объемного электрического сопротивления) в повторно-кратковременном режиме работы. Показана зависимость величины самого показателя Херста от длительности анализируемого временного интервала. На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по работе наполненных техническим углеродом каучуков при повторно-кратковременном воздействии токовой нагрузки.

The relevance of the work is caused by the fact that ensuring uninterrupted power supply to enterprises in resource-extracting industries is an indispensable condition for their effective functioning. The latter, in its turn, is determined by the quality of protection of powerconsuming equipment (primarily electric motors) from short-circuit currents and overvoltages in the supply network. Their limitation is provided by a set of measures; the most important of them is the use of high voltage bulk resistors capable of dissipating enormous power. In recent years, filled polymers have attracted the attention of specialists as materials for the manufacture of such resistors. Along with such their advantages as: the availability and low cost of starting materials, well-mastered technology for production of such compositions, they have a significant drawback - strong dependence of the specific volumetric resistance on temperature and, consequently, on the modes of their operation. Due to the variety of processes in filled polymers, stimulated by elevated temperatures, it is necessary to study their behavior depending on heating conditions. One of the most common modes of operation of polymer composite materials is repeated short-term exposure to current load, in which multiple changes in temperature occur, negatively affecting the stability of the resistor parameters. This makes it relevant to study the dynamics of volumetric electrical resistance, as the most important parameter of a resistor, in complex current load modes. The purpose of the work is to assess the possibility of operating rubbers filled with carbon black in the «heating-cooling» mode: studying the spread of the current value depending on the current load, operating time and pause during heating with alternating current. Due to the multicomponent structure, the stability of the electro physical characteristics is largely determined by the mode of their operation. Methods: instrumental measurements of electro physical characteristics of resistive polymer composite materials, statistical processing of measurement results, assessment of time series of changes in random parameters. Results. The authors have revealed the dependences of the magnitude of the alternating current flowing in carbon black butadiene-nitrile rubbers on duration of operation and duration of pauses in intermittent operation. The authors established as well the possibility of an ambiguous effect of the pause duration on current value stability. The possibility of using the Hurst exponent for assessing the tendencies of the time series by the change in the current load (volumetric electrical resistance) in intermittent operation was confirmed. The dependence of the value of the Hurst exponent itself on the duration of the analyzed time interval is shown. On the basis of the studies carried out, the authors developed the recommendations for operation of rubbers filled with carbon black under repeated short-term exposure to current load.