A-Z ELEKTRO březen / duben 2019

březen/duben 2019 | A-Z ELEKTRO | 113 VĚDA A VÝZKUM J e evidentní, že v tomto uspořádání výpadek kteréhokoli z podsys- témů - mechanického, elektric- kého, magnetického termoventilačního a dielektrického - znamená poruchu celku. Z hlediska provozu a vlivů na za- řízení při jejich činnosti působících, je na citlivost k deterioraci a tím možnosti poruchy nejcitlivější podsystém die- lektrický. Tím si pochopitelně zaslouží maximální pozornost jak při provozu z hlediska sledování jeho aktuálního stavu, tak geneze jeho chování a pro- gnózy vývoje jeho parametrů a zejména při jeho konstrukci a výrobě. Současná vysokonapěťová izolační technika používá třísložkové kompozitní systémy. Tyto kompozity aplikované od šedesátých let minulého století mají jako matrici většinou epoxidovou, polyesterovou nebo silikonovou prys- kyřici. Jejich plnivem - nosnou složkou je potom skleněná tkanina, PET nebo jiná syntetická fólie. V těchto přípa- dech nutnou elektrickou barieru tvoří rekonstruovaná slída – slídový papír. Tyto materiály lze charakterizovat vnitřní rezistivitou ρ řádu 10 13 Ωm, ztrá- tovým činitelem tg δ 0,015 a elektrickou pevností Ep = 35 kV/mm. To znamená, že v současné době neexistuje syntetický izolační materiál, který by splňoval všechny požadavky kladené na vysoko- napěťové izolační systémy a nepouží- val by makroskopickou anorganickou dielektrickou barieru. Obdobná situace je evidentně i v teplotní odolnosti těchto materiálů – jejich teplotní třídě. Novými prvky pronikajícími do této oblasti jsou polymerní nanokompozity, tvořené polymerní matricí s mikrofá- zově separovaným nanoplnivem umož- ňujícím zlepšení jeho vlastností. První signály užití nanoplniv v oblasti elek- troizolační techniky lze zaznamenat z roku 1988, kdy je jeden z prvních pa- tentů v této oblasti 1 (US Pat. 4760296). Popisuje výhody přidání plniva sub- mikronových rozměrů do izolačního systému na bázi epoxidu a slídy v hlavní izolaci cívek generátorů. Podobná práce 2 (Henk. et al. 1999), zaměřená na kře- míkové mikro- a nanočástice, se zabývá vlivem snižování rozměrů částic plniva na vzrůst napěťové odolnosti polymerů. Mezníkem se stalo teoretické pojednání Lewise z roku 1994 3 . Zde lze nalézt po- čátek zájmu o nanodielektrika. Prudký celosvětový nárůst zájmu o tuto oblast a počtu experimentů nastal až po zve- řejnění prakticky zaměřených prací (Nelson, 2002) 4 . Pro využití polymerních nanokompo- zitů v oblasti nanodielektrik se studují systémy s různými polymerními matri- cemi a nanoplnivy. Nejčastěji užívanými polymery jsou matrice na bázi epoxidů nebo polyolefinů. Používají se však i termoplasty, jako polystyren, poly­ amid, atd. Termoplastické nanokom- pozity jsou snáze zpracovatelné a lze je recyklovat, avšak z hlediska mecha- nických a tepelných vlastností, jakož i odolnosti vůči agresivnímu prostředí, se obvykle preferují nanokompozity na bázi epoxidů. Pokud se týká nano- plniv, nejvíce pozornosti je věnováno vrstevnatým silikátům (jíly) a anorga- nickým oxidům (SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO). Vzhledem k závažnosti uvedené problematiky je této tématice věno- vána patřičná pozornost i na našem pracovišti – Oddělení elektrotechno- logie Katedry technologií a měření Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni. Náš tým se nejprve zabýval studiem elektrických vlastností nanokompozitů obsahujících POSS (polyhedrální oli- gomerní silsesquioxany) (Boček et al) 5 . Základním požadavkem při přípravě polymerních nanokompozitů je homo- genní dispergace nanoplniva v matrici a omezení agregace za tvorby velkých klastrů, což obvykle vede ke zhoršení finálních vlastností nanokompozitu. Dů- ležitým faktorem je interakce polymer- -nanoplnivo a z hlediska nanodielektrik hraje svou roli polárnost systému důle- žitá pro jeho elektrické vlastnosti. Cílem byla příprava nového elektro- izolačního materiálu - komplexního nanokompozitu - bez anorganické složky s lepšími vlastnostmi ve srov- nání se stávajícími elektroizolanty stejné úrovně. Studován byl polymerní nanokompozit s epoxidovou matricí modifikovanou nanoplnivem na bázi nanočástic a polymerní nanotkaniny aplikované jako plnivo kompozitu. Polymerní matrici nanokompozitu tvoří epoxi-aminová síť s využitím klasické epoxidové pryskyřice typu diglycidyle- theru bisfenolu A (DGEBA), sesíťované cykloalifatickým diaminem 3,3’-dime- thyl-4,4’diaminocyklohexylmetanem (Laromin C260). Tato matrice byla vybrána pro její vynikající vlastnosti, jakými jsou vysoká tepelná a chemická odolnost, vysoká pevnost, odolnost vůči povětrnostním vlivům, vynikající při- lnavost na různé povrchy a také kvůli jednoduchému vytvrzování bez vzniku těkavých látek. Nanoplnivo použité ke zlepšení elektrických vlastností matrice tvoří hydrofobní nanosilika, jako plnivo kompozitu byla použita nanovlákenná vrstva na bázi polyamidu 6. Pozornost byla věnována zejména studiu vlivu složení nanokompozitu na elektrické a termomechanické vlast- nosti, tepelnou stabilitu, a optimalizaci složení vyvíjeného materiálu. Získaný a experimentálně ověřený materiál získal u Úřadu průmyslového vlastnictví České republiky patent číslo 306 866 názvu Elektroizolační kompo- zitní materiál a způsob jeho přípravy 6 . Jeho parametry zjišťované za stan- dardních podmínek podle platných norem ČSN IEC jsou následující: vnitřní rezistivita ρ = 2,3 10 16 Ωm, ztrátový činitel tg δ = 3,8 10 -3 , elektrická pevnost Ep = 50 kV/mm, minutový polarizační index pi1 = 4,5 a teplota skelného přechodu Tg = 155°C. Lze tedy říci, že získaný materiál má lepší vlastnosti, než dosud užívané materiály. Jeho tech- nologie je zatížena operací s tvrdidlem – Larominem – značně komplikující výrobní proces. Dalším krokem bylo proto zaměření se na zjednodušení technologie výroby Pro využití polymerních nanokompozitů v oblasti nanodielektrik se studují systémy s různými polymerními matricemi a nanoplnivy. Nejčastěji užívanými polymery jsou matrice na bázi epoxidů nebo polyolefinů.