STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND ÎNCERCAREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE CU DESTINAŢIE SPECIALĂ

“ABSTRACT” : The necessity to obtain notable performances in the exploitation of electro-insulating materials

led to studies and researches of the unconventional proprieties of the new electro-insulating

materials, out of which we notice the composite materials, silicons, epoxidic resins and materials with shape “memory” (thermocontractable tube).

1.INTRODUCERE

Încercările de obţinere a unor noi materiale superperformante au condus la dezvoltarea unei clase de produşi cunoscuţi sub denumirea de materiale compozite. Materialele compozite categoria “noilor materiale” constituind un domeniu prioritar, susţinut în toate ţările dezvoltate industrial. Este un domeniu considerat proces continuu de inovare tehnologică, interdisciplinar, între metalurgie, chimia polimerilor, metalurgia pulberilor, ceramică etc. Acest lucru explică şi creşterea consumului unor astfel de materiale, înregistrându-se evoluţia din Fig.1.

Fig.1 - Evolutia consumului de materiale între 1950-2000

Materialele electroizolante (izolatori) pe bază de rășini epoxidice ocupă un loc important în construcţia echipamentelor şi aparatelor de joasă, medie și înaltă tensiune utilizate în sectorul producerii și transportului energiei electrice, în instalaţiile electrice ale vagoanelor de tramvai.

Calitatea acestor materiale electroizolante influenţează în mod hotărâtor durata de viaţă a acestor echipamente, motiv pentru care se depun eforturi importante pentru îmbunătăţirea performanţelor acestora sau pentru elaborarea de materiale noi.

În cadrul Regiei Autonome de Transport Bucureşti se confecționează izolatori din răşini epoxidice. Izolatorii din răşini epoxidice sunt utilizaţi în instalaţiile electrice ale vagoanelor de tramvai, alimentate la tensiunea nominală de 750 Vc.c, în interiorul sau exteriorul acestora, în medii cu praf, zăpadă, ploaie, chiciură etc.

Izolatorii se utilizează la fixarea mecanică şi izolată din punct de vedere electric a pantografului (izolatorul II suport - V3A-E-00-01-01B), a bateriilor de rezistori de demaraj şi frânare ale vagoanelor de tramvai (izolatorul I suport –V3A-E-02-16B).

Conform SR EM 60168/1997 şi SF-SPC nr. 45 se efectuează probele de tracţiune şi de compresiune, izolatorii noi corespunzând în proporţie de 95% pe parcursul verificărilor efectuate timp de un an.

Deficienţe se observă în ceea ce priveşte Riz şi încercarea cu tensiune mărita. S-a constatat că un procent de 10% dintre izolatori nu corespund pe parcursul verificărilor efectuate timp de un an. Pe parcursul studiilor s-a monitorizat ca și procent raportul dintre numarul de izolatori buni și cei rebutați.

Procedura de confecționare fiind una manuală, conferă posibilitatea apariției de defecte. Ca o viitoare etapa vom analiza compoziția materialelor cu microscopul optic pentru depistarea eventualelor defecte.

2. TEORIA LUCRĂRII

Studiul sistematic al noilor materiale electroizolante utilizate în reţelele electrice a dus la elaborarea unor materiale cu caracteristici mult îmbunataţite dupa cum urmează :

a) Rezistenţă sporită la îmbătrânirea tehnică a materialelor izolante prin reticularea structurii moleculare; cu ajutorul legăturilor chimice suplimentare ale polimerilor, proprietaţile fizice ale materialelor izolante se pot îmbunătăţi astfel încât se obţine o durată de viaţă de 30-40 de ani;

b) Rezistenţa sporită la radiaţii UV, datorită cerinţelor de stabilitate a curentului de înaltă tensiune; în cazul polimerilor nu este permisă utilizarea pulberilor de absorbant de radiaţii UV;

c) Capacitatea de “memorie elastică” a formei. În cazul materialelor termocontractabile, “memoria formei” înseamnă că acestea se pot prefabrica în aşa fel încât în timpul montajului să ia o anumită grosime de perete prestabilită;

d) Invulnerabilitate la agresiuni mecanice şi rezistenţă la propagarea focului (cu autostingere) obţinute la materialele izolatoare polimerice;

e) Rezistenţă dielectrică ridicată şi foarte mică absorbţie de apă în cazul răşinilor epoxidice.

Răşina epoxidică face parte din grupa compozitelor cu matrice organică , cu armare dispersă, care constă dintr-o matrice deformabilă (polimeri) în care se înglobează materialul complementar, constituit din fibre sau particule, forţele fiind de natură fizică şi/sau chimică. Se foloseşte pentru umplerea manşoanelor de medie tensiune. Materialul organic folosit ca matrice este termorigid (suferă în timpul formării o reacţie chimică, ireversibilă, de polimerizare).

Răşinile epoxidice nu pretind condiţii de caldură şi presiune pentru a reticula, conduc la materiale cu rezistenţe mecanice sau chimice mari, au o contracţie mică şi o aderență deosebită. Sunt excelente materiale izolatoare, având o rezistenţă dielectrică ridicată, rezistență la arc electric, caracterizându-se printr-o bună stabilitate termică (peste 260C) şi printr-o foarte mică absorbție de apă. Limitele între care variază principalele proprietăţi ale răşinilor epoxidice sunt prezentate în tabelul următor (Tabel 2.1):

2

Proprietatea U.M ValoareaGreutatea specifică 1,20……….1,30Rezistenţa la şoc J/m 0,10…………1,00Coeficientul de conductivitate termică

W/mK 0,17…………..0,21

Căldura specifică J/kgK (1,25………1,8)103

Rezistenţa la tracţiune MPa 55…………….130Modul de elasticitate MPa 2800…………..4200Rezistenţa la flexiune MPa 125

Tabel 2.1. Principalele proprietăţi ale răşinilor epoxidice

2.1. Principiile metodelor de încercareSuccesiunea verificărilor ce se întreprind în cazul materialelor electroizolante din

rășini epoxidice este prezentată în tabelul următor (Tabelul 2.1.):

Nr.crt. Denumirea încercării Încercări tip Încercări lot1 Verificarea calităţii materialelor X X2 Verificarea aspectului formei şi

dimensiunilorX X

3 Verificarea caracteristicilor mecanice şi dielectrice

X X

4 Verificarea rezistenţei la atmosferă umedă şi sub condens

X X

5 Verificarea acoperirilor de protecţie X X6 Verificarea rezistenţei la frig X X7 Verificarea

marcării,ambalării,documentelor însoţitoareX X

8 Verificarea robusteţei mecanice X -9 Verificarea rezistenţei la factori climatici X -

Tabelul 2.1. Verificări de tip și de lot

Metode de verificareCondiţia de la punctul 1 se verifică prin compararea produselor cu documentaţia de

execuţie.Condiţiile de la punctul 2 se verifică vizual şi prin măsurare cu instrumente universale

de măsură. Rezultatele trebuie să se încadreze în limitele de toleranţă din desenele de execuţie.

Condiţiile tehnice de la punctul 3 se verifică astfel: caracteristicile mecanice: forţa de tracţiune sau compresiune se aplică axial, în plan

vertical, prin intermediul unor dispozitive adecvate tipului de izolator încercat. Maşina de încercare va dezvolta progresiv forţa prescrisă cu o viteză cuprinsă între 5 şi 10 mm min-1. Forţa se menţine timp de 1 minut la valoarea de încercare, după care se reduce treptat până la valoarea zero. Proba se consideră satisfăcătoare dacă nu apar smulgeri ale armăturilor sau fisuri ale răşinii. Comportarea la tracțiune este puternic dependentă de rezistența și rigiditatea fibrelor, deoarece acestea sunt, de departe, mai ridicate decât cele ale materialului de umplutură propriu. La compresiune adezivul și proprietățile de rigiditate ale liantului sunt cruciale pentru a menține fibrele rectilinii

3

și a preveni pierderea stabilității (flambajul). Prima serie de încercări la tracțiune s-a facut pe epruvete de tip 2B. Mașina de încercare la tracțiune trebuie să fie conform ISO 5893, capabilă de a menține vitezele de încercare prescrise de normative (Fig. 2.1.).

Fig. 2.1. Mașina universală de încercat electromecanică, model WDW 50, cu epruvetă montată între clemele dispozitivului de încercare la tracțiune

caracteristicile dielectrice: se verifică conform "Instrucţiune pentru verificat izolatori electroizolanţi".

Condiţia 4 se verifică aplicând îmbătrânirea accelerată izolatorilor pregătiţi în prealabil conform standardului de firmă SF-SPC 45 RATB. Îmbătrânirea accelerată constă din 700 de cicluri, reprezentând circa 15 zile de încercări. Încercarea electrică sub condens se face menţinând izolatori în camera climatică până ating temperatura de -20°C. Se transportă rapid izolatori în încăperea unde se efectuează încercarea dielectrică sub condens. Încercarea constă în trei cicluri succesive cu variaţii de tensiune de la 500V la 3000V. Se măsoară rezistenţa de izolaţie dintre armături. Riz ≥ 100MΩ. Proba se consideră satisfăcătoare dacă nu se produc conturnări.

Condiţia 5 se verifică conform standardelor enumerate în subcapitolul Prevederile Standardului.

Condiţia 6 se verifică supunând izolatori timp de 16 ore la -33°C. După probă izolatorii nu trebuie să prezinte fisuri sau degradări ale suprafeţei.

Condiţia 7 se verifică vizual. Rezultatele trebuie să corespundă documentaţiei de execuţie.Condiţia 8 se verifică cu ajutorul standului de sismologie de la I.C.P.E.Condiţia 9 se verifică prin introducerea produselor în cameră climatică şi supunerea

acestora la un ciclu climatic conform standardelor de firma în vigoare.

2.2. Prevederile standarduluiPentru a testa epruvetele a fost necesară aplicarea standardului SF-SPC 45 RATB:

Izolatori din rășini epoxidice pentru vagoanele de tramvai, respectiv a standardului SR EN 60168/1997: Încercări ale izolatoarelor suport de interior și exterior de material ceramic sau de sticlă, destinate sistemelor de tensiune nominală mai mari de 1000 V.

Izolatorul conform desenului V3A-E-00-01-01B trebuie să reziste la solicitări de tracţiune de minim 1000 daN şi compresiune de minim 1200 daN aplicate în plan vertical, iar izolatorul conform desenului V3A-E-02-16B, va trebui să reziste unei solicitări de minim 1000 daN la tracţiune şi de minim 500 daN la compresiune, de asemenea cu forţele aplicate în plan vertical. Rezistenţa electrică de izolaţie după 24 ore imersie în apă cu rezistivitatea ρ=100+15Ωm va fi minim 100MΩ.

4

Tensiunea nominală de ţinere este de 7 Kv; 50 Hz, iar la refolosire 5Kv; 50 Hz, timp de 1 minut. Produsele rezistă la încercarea în atmosferă umedă şi sub condens, realizându-se îmbătrânirea accelerată a piselor izolante prin expunerea acestora la ciclul de căldură umedă, aplicând concomitent tensiunea de 900 V, 50Hz precum şi încercarea dielectrică sub condens. Armăturile sunt protejate prin zincare electro-chimică. Izolatorii se supun la o temperatură de -33°C, timp de 16 ore conform normativelor în vigoare.

2.3. Alte normative- STAS 555-80: Aparate de comutație până la 1000 Vca și 1200 Vca și până la 4 KA c.a. și c.c.;- STAS 6535-83: Protecția climatică. Împărțirea climatică a Pământului în scopuri tehnice;- STAS 6692-83: Protecția climatică. Tipuri de protecție climatică;- STAS 6390-88: Izolatori. Terminologie;- STAS 7222-84: Acoperiri electrochimice de protecție;- STAS 6669-87: Încercări de înaltă tensiune;- STAS 8393-81: Încercări climatice și mecanice;- STAS 1300-83: Piese izolante din rășini sintetice pentru instalații electrice interioare.

3. DATE EXPERIMENTALE3.1. Verificarea caracteristicilor mecaniceDescrierea echipamentului şi proceduraS-a utilizat o mașina universală de încercat electromecanică, model WDW 50, cu

epruvetă montată între clemele dispozitivului de încercare la tracțiune. Forţa de tracţiune se aplică axial, în plan vertical. Maşina de încercare va dezvolta progresiv forţa prescrisă cu o viteză de 5mm/min. Forţa se menţine timp de 1 minut la valoarea de încercare, după care se reduce treptat până la valoarea zero. Proba se consideră satisfăcătoare dacă nu apar smulgeri ale armăturilor sau fisuri ale răşinii.

Înainte de efectuarea testării epruvetelor, s-au măsurat cu precizie dimensiunile secţiunii transversale şi lăţimea epruvetei.

Conform SR EN 60168/1997 şi SF-SPC nr. 45 se efectuează probele de tracţiune şi de compresiune, izolatorii noi corespunzând în proporţie de 95% pe parcursul verificărilor efectuate timp de un an.

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12Viteza de încercare (mm/min)

5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Lățimea epruvetei (mm)

10 9,5 9,3 9 9,5 9,5 9,2 9,2 9,8 9,2 9,5 9

Grosimea epruvetei (mm)

7 7,2 7,6 7,1 7,2 7,1 7 7,8 7 7,1 7,3 7,5

Aria (mm2) 70 68,4 70,68 63,9 68,4 67,45 64,4 71,76 68,6 65,32 69,35 67,5

Tabelul 3.1. Valorile parametrilor pentru epruvetele solicitate la tracțiune

3.2. Verificarea caracteristicilor dielectriceDescrierea echipamentului şi procedura

5

Verificarea caracteristicilor dielectrice (Măsurarea rezistenței de izolație și încercările cu înaltă tensiune), se fac în stare uscată și umedă conform S.F. R.A.T.B.( Izolatori din răşini epoxidice pentru vagoane de tramvai).

Verificarea rezistenței de izolație se face în stare uscată și în stare umedă (se imersează izolatorii timp de 24 de ore în apă ) cu un megohmetru de 2500 V între armăturile fiecărui izolator, aceasta fiind de minim 100 MΩ.

Încercările cu înaltă tensiune se execută cu instalația de înaltă tensiune la standul de încercări special amenajat, în curent alternativ.

Valorile obţinute la măsurarea rezistenţei de izolaţie au fost trecute în Tabelul 3.2.

Nr. Crt. Rezistenţa de izolaţie (MΩ)

1. 102

2. 100

3. 100

4. 101

5. 102

6. 100

7. 101

8. 100

9. 101

10. 100

11. 101

12. 100

13. 102

14. 100

15. 100

16. 102

17. 100

18. 101

19. 100

20. 102

Tabelul 3.2. Valori obţinute ale rezistenţei de izolaţie

4. REZULTATELE ÎNCERCĂRII

4.1. Rezultatele obținute la încercarea la tracțiune

Se observă că valoarea minimă a rigidităţii, 15530000 N/m, o are epruveta 8, iar valoarea maximă, 25899000 N/m, o are epruveta 5 şi valoarea medie este 19627000 N/m.

Rigiditate (N/m) 20019000Modulul de elasticitate (MPa) 14572Tensiune nominală maximă (MPa) 202,26Alungirea epruvetei 0,021712Deformaţia maximă ɛmax la forţa maximă de încărcare (mm) 0,92118Lucru mecanic efectuat până la forţa maximă de încărcare (Nmm) 6975Forţa de rupere (kN) 8,7386Tensiunea la rupere (MPa) 129,99Alungirea la rupere 0,022812

6

Tabelul 4.1.Valorile medii ale caracteristicilor mecanice la tracţiune

Fig. 4.1. Diagrama tensiune-alungire la tracţiune pentru epruvetele 1-3

Fig. 4.2. Diagrama tensiune-alungire la tracţiune pentru epruvetele 4-6

Fig. 4.3. Diagrama tensiune-alungire la tracţiune pentru epruvetele 7-9

7

Fig. 4.4. Diagrama tensiune-alungire la tracţiune pentru epruvetele 10-12

5. ASIGURAREA CALITĂŢIIAsigurerea calităţii este parte a managementului calităţii, concentrată pe furnizarea

încrederii că cerinţele referitoare la calitate vor fi indeplinite (SR EN ISO 9000:2001).S-a calculat incertitudinea de măsurare la determinarea rezistenţei de izolaţie a

izolatorilor din răşini epoxidice (Tabelul 3.2.).Incertitudinea de măsurare se calculează conform "Ghidului pentru evaluarea

incertitudinii de măsurare" şi a actelor europene în vigoare. În funcţie de metoda folosită pentru evaluare, incertitudinea poate fi de tip A sau de tip B. Metoda de tip A se bazează pe prelucrarea statistică a datelor rezultate în urma măsurărilor iar metoda de tip B se bazează pe informaţiile obţinute din alte surse cum ar fi: cărţile tehnice ale aparatelor utilizate, buletine de etalonare, cunoştinţele operatorului etc.

a) Incertitudinea de tip A

Valoarea medie este:

= 100,75Abaterea standard:

S =

S = 0,72Calculul incertitudinii relative de tip A:

urA= 7,1 x10-3

5,05x10-5

b) Incertitudinea de tip B

b1) CE Megohmetru Nr. 404 – 079/2011

Operaţie: etalonarea megohmetrului

Incertitudinea extinsă: U=0,2x10-2Ω pt k=2 şi P=95%

Calculul incertitudinii compuse:

8

ucB2=

Calculul incertitudinii relative:

urB2= 4x10-7

ur2B2=1,6x10-11

b2) CE Voltmetru Nr. 405 – 080/2011

Operaţie: etalonare instalaţie încercare IT.

Incertitudinea extinsă: U=0,2x10-2V K=2 şi P=95%.

Calculul incertitudinii compuse:

ucB2=

Calculul incertitudinii relative:

urB2=

I yI=100,75

Incertitudinea combinată:

Incertitudinea extinsă pentru k=2, P=95%

U=Rezultat:

R iz.= 100,75± 0,25 %

Echipamentele electrice sunt supuse la supratensiuni interne sau externe, ceea ce poate duce la degradarea structurii izolatorilor. Fenomenele tranzitorii pot duce la soliciări fizice ale izolaţiei, modificări moleculare, ionizarea materialului şi distrugerea dielectricului. Corona – formarea de arc electric însoţită de ionizarea aerului şi producerea de ozon, accelerează

9

oxidarea materialelor organice din cadrul izolaţiei; se formează oxizi de nitrogen care se transformă în acizi. Bulele de aer din interiorul izolaţiei vor creşte în timp din cauza descărcărilor electrice ce apar, ducând la distrugerea echipamentului.

Ca şi soluţie pentru îmbunătăţirea performanţelor se impune perfecţionarea procedurii de confecţionare prin dotarea secţiei unde se toarnă izolatori cu un spectrometru automat cu dublu fascicul (Fig. 5).

Fig. 5. Spectrometru automat cu dublu fascicul

6. CONCLUZII

Pe baza cercetărilor realizate până acum reiese cât de importantă este luarea unor măsuri pentru diminuarea riscului formării fisurilor, anume o pretensionare care să ajute la o îmbunătăţire a proprietăţilor materialului.

Pe baza datelor acumulate se pot menţiona următoarele concluzii: rezultatele obţinute la încercarea matricelor au o împrăştiere destul de largă, fapt ce

impune un număr relativ mare de încercări pentru un coeficient de încredere rezonabil şi cu toate acestea concluziile sunt limitate.

pentru materialele de armare rezultatele încercărilor la tracţiune depind esenţial de mărimea epruvetei folosite.

În ceea ce priveşte rezistenţa de izolaţie şi încercarea la tensiune mărită, s-a constatat că un procent de 0,25% dintre izolatori nu corespund testelor efectuate.Pe baza testelor realizate experimental pentru a determina proprietăţile mecanice şi în

special raportul între forţă şi deplasare s-a constatat că există diferenţe între valorile rezultate pentru fiecare epruvetă în parte, astfel că valorile la tracţiune se prezintă astfel: pe axa X deplasarea a variat între 0 – 1,17 mm, iar pe axa Y forţa a variat intre 0 – 15000 N variind datorită diferenţelor geometrice ale epruvetelor.

Avantajele utilizării materialelor izolatoare pe bază de răşini epoxidice şi-au spus cuvântul în exploatare, printr-un numar foarte redus de incidente, viitorul fiind deschis studierii de noi materiale compozite care să le înlocuiască eventual.

10

Bibliografie:

1. Hadăr, A., Probleme locale la materiale compozite, Teză de doctorat, U.P.B., 19972. Alămoreanu, E., Negruţ, C., Gheorghiu, H., Hadăr, A., Studiul caracteristicilor şi metodelor de calcul adecvate materialelor compozite, Contract M. C. T., 1991-19923. Alămoreanu, E., Negruţ, C., Jiga, G., Calculul structurilor din materiale compozite, Universitatea “Politehnica" Bucureşti, 19934. Cristescu, N., Mecanica materialelor compozite, Vol.1, Universitatea Bucureşti, 19835. Constantinescu, I.N., Picu, C., Hadăr, A., Gheorghiu, H., Rezistenţa materialelor pentru ingineria mecanică, Editura BREN, Bucureşti, 20066. Francisc, S., Hathazi, I., Reticularea în câmp de microunde a răşinilor epoxidice utilizate în realizarea de izolaţii electrice, Teză de doctorat, 20067. Curtu, I., Stanciu, A. E., Determinarea caracteristicilor mecanice ale epruvetelor realizate din material compozit de tip mat&roving, Buletinul AGIR nr. 1/2011.8. Standard SF-SPC 45 RATB: Izolatori din răşini epoxidice pentru vagoanele de tramvai9. Mentenanta sistemelor industriale. Materiale izolatoare pentru echipamente electrice. Defecte ale izolatiilor – Curs

11