Электрические свойства
стеклопластиковой арматуры

Электроэнергетика является одной из важнейших отраслей любой страны. Причем ее специфика состоит в том, что произведенная в концентрированном виде и в определенных местах электроэнергия не может запасаться впрок, а должна быть немедленно использована многочисленными потребителями, находящимися на значительном удалении от источника энергии. Эту проблему решают при помощи систем электропередачи (воздушных и кабельных линий высокого, среднего и низкого класса напряжений, распределяющих и преобразующих подстанций напряжением от 0,38 до 1150 кВ). При этом воздушные линии (ВЛ) электропередачи занимают преобладающую долю в общей схеме электроснабжения (ВЛ составляют 90 % от общей протяженности линий электропередачи).

Для надежной работы энергосистемы и обеспечения условий безопасности решающую роль играют электроизоляционные материалы и различные изделия из них (опорные, натяжные и подвесные изоляторы). При этом наиболее распространенными материалами, использующимися в изоляторостроении, являются фарфор и стекло. Кроме того, в последние годы все большее применение в этой области получают новые электроизоляционные материалы на основе полимеров.

Изделия на основе этих традиционных материалов, находящиеся в эксплуатации в течение многих десятилетий, показали их высокую надежность. Вместе с тем возникают проблемы, решение которых возможно только при создании материалов и конструкций из них с новыми электрическими и механическими свойствами. Тем более, что в электроэнергетике все типы изолирующих конструкций одновременно несут значительные механические нагрузки, в некоторых случаях могущие достигать десятки и более тони. Одним из перспективных путей развития энергетического строительства является создание новых доступных материалов, совмещающих, как конструкционные, так и электромеханические свойства. Это позволяет эффективно решать вопросы строительства воздушных линий электропередачи и подстанций за счет отказа от традиционной изоляции, экономии металла, повышения производительности труда при строительстве.

Одним из возможных вариантов решения этой проблемы оказалось повышение электроизоляционных свойств традиционных цементных бетонов. Доступность и распространенность исходного сырья, несложная технология изготовления изделий, высокие механические характеристики в сочетании с достаточными электроизоляционными свойствами — эти положительные качества на протяжении ряда десятилетий привлекают к себе внимание многих исследователей, как в нашей стране (Б.М. Тареев, Н.П. Богородицкий, B.И. Калитвянский, В.С. Дмитревский, Ю.Н. Вершинин, Ю.И. Михельсон, C.А. Назаров, А.В. Корсунцев, А. А. Старосельский, Ю.В. Целебровский, В.А. Чунчин и др.), так и за рубежом (Е. Ламбер, П. Никканен, Т. Робсон, П. Ферье, Е. Хаммонд и др.).

Многочисленные исследования свойств цементных материалов, как правило, направлены на изучение свойств электропроводности твердеющего цемента или цементного камня и бетона во влажном состоянии, а также на создание низковольтного электроизоляционного бетона. Попытки получения высоковольтного электроизоляционного бетона в то время оказались неудачными по ряду причин, одной из которых оказалось то, что предшественникам не удалось создать материал со стабильными диэлектрическими свойствами, сохраняющимися на протяжении всего срока эксплуатации изоляционной конструкции.

Вместе с тем, успехи отечественной науки в области изучения электрофизических процессов и материаловедения позволяют рассмотреть эту проблему на качественно новой основе. Таким образом, имеется проблема, состоящая в отсутствии технического диэлектрика, с помощью которого можно было бы создать новые типы высоковольтных конструкций для электросетевого строительства.

Поэтому исследования в области создания новых видов электроизоляционных материалов, которые одновременно воспринимают значительные механические нагрузки, являются актуальными.

Цель работы. Цель работы заключается в разработке технологии получения высоковольтного цементного диэлектрика — электроизоляционного бетона и изучении электрофизических свойств бетона и изделий на его основе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать электрофизические свойства как отдельных исходных компонентов, так и затвердевших цементов и бетонов.
2. Исследовать влияние различных технологических факторов на электрофизические свойства цементного камня и бетона.
3. Разработать технологию изготовления цементного электроизоляционного бетона, армированного различными видами диэлектрической арматуры.
4. Исследовать влияние различных способов объемной пропитки на стабилизацию диэлектрических свойств электроизоляционного бетона при воздействии различных климатических факторов и при приложении длительных электрической и механической нагрузок
5. Разработать новые виды высоковольтных электросетевых конструкций, изготовить опытно-промышленные партии, провести комплексные испытания в режимах кратковременной и длительной промышленной эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту:

• электрическая прочность цементного камня определяется его структурой и фазовым составом;
• импульсная электрическая прочность кристаллогидратов цементного камня рассчитывается с помощью метода энергетического анализа по энергии кристаллической решетки соединений;
• электропроводность компонентов цементного камня имеет ионный характер и в значительной мере определяется количеством свободной и слабо связанной воды;
• электрическая прочность бетона зависит от наличия в системе наиболее слабого элемента — контактной зоны «цементный камень - заполнитель»;
• получение бетонов с высокими диэлектрическими свойствами возможно путем применения вторичной термической обработки (сушки при повышенных температурах), а стабильность свойств обеспечивается объемной пропиткой бетонов гидрофобными составами, препятствующими проникновению в него влаги;
• армирование изделий из электроизоляционного бетона возможно различными способами с помощью неметаллической арматуры (предварительное напряжение стеклопластиковыми стержнями, дисперсное армирование стеклянными волокнами).

Электроизоляционный бетон по своим механическим характеристикам мало отличается от обычных цементных бетонов, которые хорошо воспринимают сжимающие и значительно хуже растягивающие и изгибающие нагрузки. В реальных же условиях эксплуатации на большинство строительных конструкций, в том числе и на объекты электроэнергетического назначения, воздействуют переменные по виду и значению механические нагрузки. Для их восприятия обычные бетонные конструкции армируют стальной арматурой, что в случае применения для электроизоляционного бетона используется крайне редко.

Наиболее подходящим видом неметаллической арматуры для армирования конструкций из электроизоляционного бетона являются стеклопластиковые стержни, сочетающие в себе высокие показатели по диэлектрическим и механическим характеристикам.

Стеклопластиковая арматура состоит из пучка параллельных стеклянных волокон, объединенных в монолитный стержень полимерным связующим (например, эпоксифенольным, эпоксиполиэфирным, полиэфирным и т.п.). Основные свойства стеклопластиковой арматуры на эпоксифенольном связующем, разработанной и изготовленной в Институте строительства и архитектуры (г. Минск), приводятся ниже:

• Пробивное напряжение при переменном токе (d=1 см, f=50 Гц), кВ ...... 10
• Пробивное напряжение импульсное (d=1 см, τ = 1*10⁻⁶ с), кВ ...... 26
• Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*м ...... 10¹⁰...10¹¹
• Временное сопротивление разрыву, МПа ...... 1500
• Предел прочности при сжатии, МПа ...... 400
• Модуль упругости при растяжении, МПа ...... 5*10⁴
• Модуль упругости при сжатии, МПа ...... 3*10⁴
• Плотность, г/см³ ...... 2,0...2,1
• Относительное удлинение при разрыве, % ...... 2,8...3,2

Структура стеклопластиковой арматуры характеризуется наличием большого количества пор, основной объем которых представляют воздушные полости, расположенные вдоль стеклянных волокон. Приведенный радиус основного объема пор, определенный методом ртутной порометрии, превышает 10 мкм (рис. 6.9). Измерения, сделанные по методике Баруса-Бехгольда, показали, что воздушные каналы таких диаметров могут наблюдаться на длине стеклопластика до 20 мм. Причем, наиболее крупные поры находятся на границе между телом стеклопластика и спиральной навивкой, которая придаёт стержню периодический профиль. Наличие таких продольных дефектов снижает электрическую прочность стеклопластика.

Зависимости пробивных напряжений от длины стеклопластика на импульсном и переменном напряжениях приведены на рис. 6.10. Ход кривых зависимостей U_пр = f(L) описывается следующим выражением:

U_пр = U_o*L^0,77

где U_o - постоянный член, равный пробивному напряжению стеклопластика в промежутке 1 см, кВ; L - длина стеклопластика, см.

По сравнению со стальной стеклопластиковая арматура обладает более высокой стойкостью по отношению к кислотным средам, что и обусловило ее применение в бетонных конструкциях, эксплуатирующихся в условиях агрессивного воздействия среды (на предприятиях химической и пищевой промышленности, цветной металлургии, комбинатах и складах минеральных удобрений и т.д.). К числу недостатков, присущих стеклопластиковой арматуре и затрудняющих ее широкое использование, относится недостаточная стойкость в щелочной среде, в том числе и в жидкой фазе твердеющего цемента, которая представляет собой насыщенный раствор Са(ОН)₂. При одновременном воздействии повышенной температуры и щелочной среды, которое наблюдается в условиях тепловлажностной обработки бетона, снижение механической прочности стеклопластиковой арматуры достигает 60-70% исходного значения (рис. 6.11).

Кроме того, последующее нахождение арматуры в затвердевшем бетоне в условиях возможного его водонасыщения также отрицательно сказывается на свойствах стеклопластиковой арматуры. При воздействии водной среды на стеклопластиковый стержень вода проникает в микротрещины, расположенные на поверхности стекловолокон. При этом происходит расклинивание микротрещин (эффект Ребиндера), а растягивающие усилия от внешней нагрузки способствуют этому процессу, тем самым снижая механическую прочность стекловолокон и самой арматуры. В щелочной среде к тому же происходит и растворение стекловолокон. Жидкая фаза проникает к стекловолокну через дефекты, имеющиеся в связующем, а также путем
диффузии через связующее. Этот процесс может протекать в течение длительного времени, если в бетоне имеется в достаточном количестве жидкая фаза.

Изменение механической прочности стеклопластиковой арматуры при воздействии температур от -40 до +450 °С приведено на рис. 6.12. Наблюдающееся снижение прочности арматуры (кривая 1) объясняется проявлением пластических свойств и деструктивных процессов в полимерном связующем. Однако при последующем охлаждении до +20 °С механическая прочность стеклопластиковой арматуры восстанавливается (кривая 2) до исходных значений, что свидетельствует об обратимости изменения прочности арматуры при ее нагревании до 300 °С.

Пробивное напряжение при переменном токе нагретой вплоть до +70 °С стеклопластиковой арматуры практически не снижается:

Свойства стеклопластиковой арматуры, находящейся в среде электроизоляционного бетона, приведены в табл. 6.2.

Пробивное напряжение арматуры не снижается, более того, сушка при 200 °С приводит к его увеличению, что можно объяснить дополнительной полимеризацией связующего при повышенной температуре и удалением из пор и капилляров стеклопластика адсорбированной влаги. Там же приведены данные по механической прочности стеклопластиковой арматуры, извлеченной из бетона, которая подвергалась воздействию различных видов тепловой обработки. Действительно, после прохождения тепловой обработки при твердении бетона механическая прочность арматуры снижается, причем наибольшее снижение наблюдается у образцов, подвергавшихся воздействию пропаривания при 100 °С. Последующие виды тепловых обработок (сушка и пропитка) практически не сказываются на механической прочности арматуры.

При механической нагрузке, воздействующей на стеклопластиковую арматуру в конструкции и обычно не превышающей 45 % от разрушающей, изменения электрической прочности не наблюдается.

К числу внешних факторов, воздействующих на конструкцию, которая работает в наружных условиях, относится и изменение температуры от - 40 °С до +70 °С. Исследования показали, что электрическая прочность стеклопластика при повышении температуры до +70 °С практически не изменяется.

Таким образом, исходя из приведенных данных, можно говорить о возможности применения стеклопластиковой арматуры в конструкциях из электроизоляционного бетона. Пропитка бетона петролатумом защищает и находящуюся в нем стеклопластиковую арматуру от возможного в процессе эксплуатации увлажнения, тем самым способствуя стабильности электрических и механических свойств арматуры. Стеклопластиковая арматура имеет относительно низкое значение модуля упругости при растяжении, лишь немного превышающее значение модуля упругости высокопрочного бетона. Поэтому в ненапряженном виде стеклопластиковую арматуру применять нецелесообразно.

Электрические свойства композиции «электроизоляционный бетон - стеклопластиковая арматура» определяются, главным образом, особенностями структуры границы их раздела. Из-за различий в физической и физико-химической структуре этих материалов граница раздела между ними обладает большой дефектностью, что объясняется слабой адгезией стеклопластиковой арматуры к электроизоляционному бетону. Это выражается в существовании воздушных зазоров в виде микрощелей на границе раздела. Ширина воздушного зазора имеет примерно такие же размеры (около 10 мкм), как и воздушные поры у стеклопластиковой арматуры, но их сквозная длина достигает 5 см. Ширина воздушного зазора зависит от технологических факторов — температуры твердения, сушки, пропитки (табл.6.3).

При импульсном электрическом пробое образцов длиной 15 см композиции «электроизоляционный бетон - стеклопластиковая арматура» каналы пробоя проходили в равной пропорции, как по границе раздела, так и по стеклопластику. При испытаниях более длинных образцов (более 15 см) пробой на импульсном напряжении проходил в большинстве случаев по границе раздела. Поэтому для повышения импульсной прочности композиции необходимо изменить структуру границы раздела таким образом, чтобы увеличилась адгезия электроизоляционного бетона к стеклопластиковой арматуре. Этого можно достичь двумя способами:

а) поверхность стеклопластиковой арматуры покрывается слоем кварцевого песка;
б) поверхность стеклопластиковой арматуры покрывается слоем эпоксидного компаунда с отвердителем и наполнителем в виде портландцемента.

Результаты электрических испытаний композиционных образцов со стеклопластиком, поверхность которого обработана различными способами, приведены в табл. 6.4.

Таким образом, использование стеклопластиковой арматуры, покрытой кварцевым песком, позволяет увеличить импульсное пробивное напряжение композиции почти в 2 раза. Эти рекомендации были использованы изготовителями стеклопластиковой арматуры.

Для армирования конструкций из электроизоляционного бетона из всех видов предварительного напряжения по ряду причин получили распространение три (рис. 6.13). Первым, наиболее распространенным и технологичным является способ с передачей усилия натяжения «на упоры» (рис. 6.13,а), т.е. усилие от напряженной арматуры передается через анкерные устройства на «силовую» форму. Последующее изготовление конструкции производится обычным путем, т.е. в форму укладывается и уплотняется бетонная смесь, а затем применяется тепловлажностная обработка. После затвердевания бетона усилие натяжения передается с арматуры на изделие и, таким образом, благодаря сцеплению арматуры с бетоном, происходит перераспределение усилий между ними. При этом бетон оказывается в обжатом, а арматура — в растянутом состоянии. После передачи усилия натяжения на бетон изделие подвергается последующим технологическим обработкам — сушке и пропитке. При этом способе на стеклопластиковую арматуру воздействует среда твердеющего бетона, а также повышенная температура при тепловлажностной и вторичной термической обработках. Однако, как было показано выше, некоторое снижение свойств стеклопластиковой арматуры не столь существенно и может быть учтено при расчете конструкции. Достоинством этого способа является возможность армирования конструкций самой различной формы и размеров.

Другим способом армирования конструкций из электроизоляционного бетона является внешнее армирование, состоящее в намотке с определенным усилием на поверхность бетонного изделия армирующего элемента (рис. 6.13,6) . С этой целью на поверхности изделия при его изготовлении предусматриваются канавки (желобки), в которые укладывается напряженная стеклопластиковая арматура. По сравнению с предыдущим способом арматура находится в более легких условиях, так как она используется для армирования готовых бетонных изделий, прошедших все стадии технологического процесса. При этом исключается воздействие повышенных температур и щелочной среды бетона. Однако на стеклопластиковую арматуру, находящуюся снаружи, могут воздействовать поверхностные частичные разряды. Для защиты от них арматуру необходимо покрывать сверху слоем трекингостойкого полимера. Кроме того, в таких конструкциях можно применять стеклопластиковую арматуру только либо в виде ленты, либо в виде гибких стержней небольшого диаметра, что ограничивает возможность применения данного способа армирования.

К третьему способу относится предварительное напряжение арматуры «на бетон» (рис. 6.13,в), который заключается в том, что при изготовлении бетонного изделия в нем предусматриваются технологические каналы, не заполняющиеся бетоном при формовании. После твердения, сушки и пропитки бетонного изделия производится предварительное напряжение стержневой арматуры, пропущенной через каналы. Усилие натяжения, создаваемое в арматуре специальными установками (например, гидравлическими домкратами), передается сразу на изделие при помощи специальных анкерных устройств. Пространство между арматурой и стенками каналов заполняется (инъецируется) в обычных железобетонных конструкциях цементным раствором. В конструкциях из электроизоляционного бетона пространство заполняется расплавленным петролатумом. К числу недостатков, присущих данному способу, относятся нетехнологичность, необходимость применения большого количества ручного труда. К преимуществам, характерным и для предыдущего способа, добавляется то обстоятельство, что арматура находится внутри изделия и защищена от непосредственного воздействия климатических факторов.

На сайте компании «Композит 21» вы можете посмотреть примеры применения стеклопластиковой арматуры, посмотреть отзывы, узнать цены и заказать её с доставкой до вашего региона. Звоните 8-800-770-03-55.