Стаття

Отримано 22.12.2025

Доопрацьовано 20.04.2026

Прийнято 26.05.2026

Опубліковано 30.06.2026

Взято з Том 30, № 2, 2026

Сторінки 76 -95

Stavinskiy, A., Vakhonina, L., Martynenko, V., Mardziavko, V., & Rudenko, А. (2026). The influence of dynamic operating modes of electric drives of pumping stations and grain drying complexes on the degradation of nanocomposite insulation of high-voltage circuit breakers:Measurement results and recommendations for agricultural engineering. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 30(2), 76-95. https://doi.org/10.56407/bs.agrarian/2.2026.76

Вплив динамічних режимів роботи електроприводів насосних станцій та зерносушильних комплексів на деградацію нанокомпозитної ізоляції високовольтних вимикачів: результати вимірювань і рекомендації для агроінженерії

Андрій Ставинський Лариса Вахоніна Володимир Мартиненко Віталій Мардзявко Андрій Руденко

Дослідження було спрямоване на визначення впливу електричних, теплових і механічних навантажень на довговічність полімерної та нанокомпозитної ізоляції високовольтних вимикачів, що застосовуються у насосних станціях і зерносушильних комплексах України. Методологія поєднувала чисельне моделювання електростатичних і теплових полів у тривимірних конструкціях ізоляційних вузлів, прискорені термоциклічні та механічні випробування, аналіз часткових розрядів за міжнародними стандартами, термографічний контроль, мікроструктурні дослідження та статистичну оцінку ресурсу на основі кривих надійності. Установлено, що традиційна епоксидна ізоляція зазнає найбільш інтенсивної деградації: після циклічних навантажень питомий опір зменшувався на 47,5 %, пробивна напруга – на 25,7 %, а середній ресурс становив близько 380 годин. Для нанонаповненого матеріалу з діоксидом кремнію зниження питомого опору обмежувалося 17 %, пробивної напруги – 9,8 %, при збільшенні середнього ресурсу до 715 годин. Найвищу стабільність продемонструвала ізоляція з гексагональним нітридом бору та внутрішнім екрануванням, для якої зміни електрофізичних параметрів не перевищували 7,3 % за питомим опором і 7,1 % за пробивною напругою, напруга початку часткових розрядів досягала 5,5 кВ, а середній ресурс становив близько 912 годин. Чисельні та експериментальні результати показали зниження пікової напруженості електричного поля з 8,6 до 5,4 кВ/мм і максимальних температур з 96,2 до 78,8°C після 1000 пускових циклів. Застосування керованих пускових режимів дозволило зменшити пускові струми з 5,6 In до приблизно 2,1 In та знизити інтегральне теплове навантаження ізоляції на 61,5 %. Техніко-економічна оцінка засвідчила зменшення сумарної вартості володіння за шість місяців з 280 до 50 доларів США на один ізоляційний вузол, що підтверджує практичну доцільність впровадження нанокомпозитів і керованих режимів пуску в агропромислових електроприводах. Практична значущість отриманих результатів полягає у формуванні критеріїв для вибору матеріалів та режимів роботи електроприводів з метою підвищення надійності комутаційного обладнання в агропромислових електромеханічних системах та використання моделювальних і діагностичних підходів для прогнозування деградації й оптимізації конструкцій ізоляційних вузлів

часткові розряди; епоксидна смола; електротеплове навантаження; діелектрична міцність; відновлювана напруга; частотне регулювання; мікроструктурні дефекти
  1. Alsoud, A., Shaheen, A.A., Tofel, P., Knápek, A., & Sobola, D. (2025). Enhancing dielectric properties of epoxy-based nanocomposites reinforced with yttrium oxide (Y2O3) nanoparticles for high-voltage insulation applications. Materials Science and Engineering: B, 320, article number 118407. doi: 10.1016/j.mseb.2025.118407.
  2. ASTM D149-20. (2020). Standard test method for dielectric breakdown voltage and dielectric strength of solid electrical insulating materials at commercial power frequencies. Retrieved from https://standards.iteh.ai/catalog/standards/astm/5415b498-6eb9-4a94-84fa-bb451ebefae3/astm-d149-20?srsltid=AfmBOoolVOLhGZ_0rzlp2i-ySWzCpf7oALMFHVB4F53jbX3FvI9ItW5c.
  3. ASTM D257-14. (2014). Standard test methods for DC resistance or conductance of insulating materials. Retrieved from https://www.astm.org/d0257-14.html.
  4. ASTM D618-21. (2021). Standard practice for conditioning plastics for testing. Retrieved from https://www.astm.org/d0618-21.html.
  5. ASTM E1461-13. (2022). Standard test method for thermal diffusivity by the laser flash method. Retrieved from https://store.astm.org/e1461-13r22.html.
  6. Biliuk, I., Shareyko, D., Savchenko, O., Havrylov, S., Mardziavko, V., & Fomenko, L. (2023). Tracking system of a micromanipulator based on a piezoelectric motor. In 2023 IEEE 5th international conference on modern electrical and energy system. Kremenchuk: IEEE. doi: 10.1109/MEES61502.2023.10402375.
  7. Dutta, N., Palanisamy, K., Shanmugam, P., Subramaniam, U., & Selvam, S. (2023). Life cycle cost analysis of pumping system through machine learning and hidden Markov model. Processes, 11(7), article number 2157. doi: 10.3390/pr11072157.
  8. Elmahni, L., Assalaou, K., Aitiaz, E., Benachir, B., & Bouhouch, L. (2021). Technico-economic study of a photovoltaic pumping system using a variable-frequency drive converter. E3S Web of Conferences, 229, article number 01017. doi: 10.1051/e3sconf/202122901017.
  9. Fabiani, D., & Montanari, G.C. (2001). The effect of voltage distortion on ageing acceleration of insulation systems under partial discharge activity. IEEE Electrical Insulation Magazine, 17(3), 24-33. doi: 10.1109/57.925300.
  10. Ghassemi, M. (2019). Accelerated insulation aging due to fast, repetitive voltages: A review identifying challenges and future research needs. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 26(5), 1558-1568. doi: 10.1109/TDEI.2019.008176.
  11. Hu, M., Tang, B., Liang, Q., Luo, Z., Luo, C., Wang, J., Zhang, L., & Zhu, L. (2022). Monitoring and prediction of thermal failure of high-voltage switchgear insulation materials by studying the thermodynamic properties of FR-4 epoxy resin and the characteristic gas of thermal decomposition. Journal of Physics: Conference Series, 2387, article number 012028. doi: 10.1088/1742-6596/2387/1/012028.
  12. IEC 60270:2025. (2025). High-voltage test techniques – charge-based measurement of partial discharges. Retrieved from https://webstore.iec.ch/en/publication/65087.
  13. IEC 60587:2007. (2007). Electrical insulating materials used under severe ambient conditions – test methods for evaluating resistance to tracking and erosion. Retrieved from https://webstore.iec.ch/en/publication/2526.
  14. IEC 62271-100:2021. (2021). High-voltage switchgear and controlgear – part 100: Alternating-current circuit-breakers. Retrieved from https://webstore.iec.ch/en/publication/62785.
  15. Iegorov, O.B., Kundenko, M.P., Iegorova, O.Yu., Mardziavko, V.A., & Rudenko, A.Yu. (2025). The influence of the design of the stator winding of a synchronous-reactive generator on increasing its energy efficiency. Electrical Engineering & Electromechanics, 5, 3-9. doi: 10.20998/2074-272X.2025.5.01.
  16. Kostin, O.M., Yaros, O., Yaros, Y., Savenko, A., Martynenko, V., & Boyko, I. (2022). Method for evaluating the stability of arc burning of electrodes with rutile-cellulosic covering. In 2022 IEEE 4th international conference on modern electrical and energy system. Kremenchuk: IEEE. doi: 10.1109/MEES58014.2022.10005682.
  17. Kostyshyn, V.S., & Yaremak, I.I. (2017). Mathematical model of reliability and efficiency of pumping unit of an oil pumping station. Scientific Bulletin of National Mining University, 5, 62-68.
  18. Li, Q., Liu, W., Han, S., & Lu, X. (2015). Analysis of partial discharge characteristics of epoxy resin insulation during high-frequency electrothermal combined aging. High Voltage Engineering, 41(2), 389-395. doi: 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.02.005.
  19. Liu, W., Cheng, L., & Li, S. (2018). Review of electrical properties for polypropylene based nanocomposite. Composites Communications, 10, 221-225. doi: 10.1016/j.coco.2018.10.007.
  20. Lusuardi, L., Cavallini, A., Gómez de la Calle, M., Martínez-Tarifa, J.M., & Robles, G. (2019). Insulation design of low voltage electrical motors fed by PWM inverters. IEEE Electrical Insulation Magazine, 35(3), 7-15. doi: 10.1109/MEI.2019.8689431.
  21. Lysiak, V.H., & Oliinyk, M.Y. (2021). Simulation of dynamic operating modes of asynchronous electric drive with centrifugal pump load. Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Sciences, 42, 113-121. doi: 10.31498/2225-6733.42.2021.240665.
  22. Ma, J., Yang, Y., Wang, Q., Deng, Y., Yap, M., Chern, W.K., Oh, J.T., & Chen, Z. (2023). Degradation and lifetime prediction of epoxy composite insulation materials under high relative humidity. Polymers, 15(12), article number 2666. doi: 10.3390/polym15122666.
  23. Matvienko, M.V., Martynenko, V.O., & Vakhonina, L.V. (2023). Stress-strain state of joints with a soft interlayer under mechanical loading. International Applied Mechanics, 59, 100-106. doi: 10.1007/s10778-023-01203-3.
  24. Razi-Kazemi, A.A., & Niayesh, K. (2021). Condition monitoring of high voltage circuit breakers: Past to future. IEEE Transactions on Power Delivery, 36(2), 740-750. doi: 10.1109/TPWRD.2020.2991234.
  25. Sakhno, O., Skrupska, L., Odiyaka, K., Vasylevskyi, V., & Shylo, S. (2025). Diagnostics of the technical state of high-voltage equipment under operating voltage. Technology Audit and Production Reserves, 2(1(82)), 35-44. doi: 10.15587/2706-5448.2025.325777.
  26. Shcherba, A.A., Shcherba, M.A., & Peretyatko, Ju.V. (2023). Electro-physical processes of degradation of cross-linked polyethylene insulation of power cables and self-carrying insulated wires under non-sinusoidal voltages and currents. Theoretical Electrical Engineering and Electrophysics, 1, 3-6. doi: 10.15407/techned2023.01.003.
  27. Silnyk, M., & Fedynets, V. (2025). Application of thermal imaging diagnostics for technical maintenance of electrical centralization devices in railway automation systems. Energy Engineering and Control Systems, 11(1), 44-52. doi: 10.23939/jeecs2025.01.044.
  28. Stavinskii, A., & Koshkin, D. (2021). Technical solutions of laminated magnetic cores of transformers with combination of electrical steel. In 2021 IEEE international conference on modern electrical and energy systems. Kremenchuk: IEEE. doi: 10.1109/MEES52427.2021.9598810.
  29. Stavinskiy, A., Tsyganov, A., Babenko, D., & Sadovoy, O. (2022). Comparison of thermal loads of a single-phase transformer with a laminated magnetic core. In 2022 IEEE 4th international conference on modern electrical and energy systems. Kremenchuk: IEEE. doi: 10.1109/MEES58014.2022.10005642.
  30. Tanaka, T. (2025). Progress in nanodielectrics: Future from the past decade. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 32(1), 102-116. doi: 10.1109/TDEI.2024.3487813.
  31. Verginadis, D., Karlis, A., Danikas, M.G., & Antonino-Daviu, J.A. (2021). Investigation of factors affecting partial discharges on epoxy resin: Simulation, experiments, and reference on electrical machines. Energies, 14(20), article number 6621. doi: 10.3390/en14206621.
  32. Wiesbrock, F. (2014). Nano- and microcomposites for electrical engineering applications. Basel: MDPI. doi: 10.3390/books978-3-03842-293-8.
  33. Wu, Y., Ding, D., Wang, Y., Zhou, C., Lu, H., & Zhang, X. (2022). Defect recognition and condition assessment of epoxy insulators in gas insulated switchgear based on multi-information fusion. Measurement, 190, article number 110701. doi: 10.1016/j.measurement.2022.110701.
  34. Yaremak, I.I., & Kostyshyn, V.S. (2020). Control of modes of electrohydraulic complex on the basis of a system approach. Scientific Bulletin of UNFU, 30(3), 83-88. doi: 10.36930/40300314.
  35. Zhang, K., Mo, J., Liu, Z., Yin, W., Wu, F., & You, J. (2026). Life cycle environmental and economic impacts of various energy storage systems: Eco-efficiency analysis and potential for sustainable deployments. Integrated Environmental Assessment and Management, 22(1), 289-302. doi: 10.1093/inteam/vjaf035.
  36. Zidane, O., Haller, R., Trnka, P., & Bärnklau, H. (2025). Lifetime behavior of turn insulation in rotating machines under repetitive pulsed stress. Energies, 18(14), article number 3826. doi: 10.3390/en18143826.