Силиконова гума в изолатори за висок напрежение: Свойства класификации и приложения

От втората половина на 19-ти век единствените изолиращи материали, подходящи за високонапрегови електропреносни линии, бяха керамика и стъкло. От 1940-те години, с появата на полимерни материали, керамиката и стъклото вече не бяха предпочитаните опции, което подтикна държавите в Европа и Америка да започнат изследванията на полимерни изолатори. Последваха обширни изследвания на физическите свойства, електрическите характеристики, дългосрочната надеждност и оптималните форми на електрически изолатори, а производствената ефективност продължи да се подобрява.

Сред високомолекуларните материали, способни да заместят керамиката и стъклото, силиконовият каучук демонстрира практичен приложен потенциал от 1960-те години и се отличава сред различните полимери. Силиконовите каучукови изолатори предлагат няколко предимства пред керамичните изолатори: първо, те са леки, лесни за обработка и по-безопасни; второ, керамичните изолатори са склонни към тръскане при удар, докато силиконовите каучукови изолатори могат ефективно да издържат механични удари като сблъсък на автомобил с електроопора.

Въпреки че други полимерни материали също притежават посочените предимства, само силиконовият каучук причинява минимално околната среда загрязнение. Полимерните изолатори са водонепроницаеми, предотвратявайки течения ток и повърхностно разрядване, причинени от водни капки. Освен това гидрофобността на силиконовите каучукови изолатори се възстановява по-бързо от тази на други полимерни изолатори, правейки ги дълговечно материал, подходящ за използване в сурови условия. Тази статия обяснява характеристиките на силиконовия каучук, използван за високонапрегово електрическо изолиране, и представя последните тенденции в развитието.

1 Характеристики на силиконовия каучук

1.1 Химични характеристики на силоксановата връзка

1.1.1 Химически стабилна връзка

Основата на силиконовия каучук се състои от силоксан (Si-O) връзки. В резултат на значителната разлика в електронегативността между Si (1.8) и O (3.5), се формира поляризирана структура, както е показано на Фигура 1 (променена), проявяваща ионна връзка характеристики. Следователно, енергията на Si-O връзката е по-висока от тази на C-C (виж Таблица 1). Освен това: (1) поради ионната природа на основната верига, полярността на метил C-H групите в страничните вериги се намалява, правейки ги по-малко податливи на нападение от други молекули, което води до отлична химическа стабилност; (2) тъй като Si не образува лесно двойни или тройни връзки, основната верига е по-малко склонна към декомпозиция, и Si-C връзките са следователно много стабилни, допълнително засилвайки стабилността на основата на силиконовия каучук.

1.1.2 Полимер с висока гъвкавост

Ъгълът на връзката на силоксана (Si-O-Si) е голям (130°–160°), давайки му по-голяма свобода от органичните полимери (C-C ъгъл на връзката ~110°). Освен това, дължината на Si-O връзката (1.64 Å) е по-дълга от тази на C-C (1.5 Å). Това означава, че общата полимерна молекула е по-подвижна и по-лесно деформируема.

1.1.3 Спираловидна структура

Благодарение на спираловидната структура на полиcилоксана, силоксановите връзки на основната верига са привлечени вътрешно от ионна атракция, докато външната страна се състои от метил групи с слаби междумолекулярни взаимодействия, водещи до слаби междумолекулярни сили.

1.2 Свойства на силиконовия каучук

На основата на химичните характеристики, описани в Раздел 1.1, силиконовият каучук притежава следните свойства, подходящи за високонапрегово електрическо изолиране.

1.2.1 Устойчивост на топлината и студа

Благодарение на високата енергия на връзката и отличната химическа стабилност, силиконовият каучук има по-добра устойчивост към топлината от органичните полимери. Освен това, поради слабите междумолекулярни сили, има ниска температура на стъклено преобразование и отлична устойчивост към студа. Следователно, неговата работна способност остава стабилна независимо от географската област, в която се използва.

1.2.2 Устойчивост към вода

Повърхността на полиcилоксана е съставена от метил групи, давайки му гидрофобни свойства и следователно отлична устойчивост към вода.

1.2.3 Електрически свойства

Силиконовият каучук съдържа по-малко въглеродни атоми от органичните полимери, което води до отлична устойчивост към дуга и проследяване. Освен това, дори и при горене, се образува изолираща силика, допълнително гарантирайки отлични електрически изолиращи качества.

1.2.4 Устойчивост към климатични условия

Както е показано в Таблица 1, енергията на силоксановата връзка е по-висока от енергията на ултравиолетовата (UV) светлина, правейки я устойчива към стареене, причинено от UV. В ускорени тестове за устойчивост към озон, органичните полимери се разцепват в секунди до часове, докато силиконовият каучук показва само леко намаление на прочността след четири седмици стареене, без да се наблюдава разцепване, което указва отлична устойчивост към озон (виж Таблица 2). Киселият дъжд е смесен ионен раствор с pH около 5.6. Проведен е тест с 500-кратно концентриран изкуствен кисел дъжд, използвайки раствора, посочен в Таблица 3. Силиконовият каучук показва отлична химическа устойчивост, както е показано в Таблица 4. Въпреки че изложението на смесени раствори като киселият дъжд може да причини някои промени, очаква се влиянието да бъде минимално.

Забележка: При стаяна температура, с концентрация на озон 200 ppm и 50% напрежение на изтегляне, повърхността не показва разцепване дори след 28 дни стареене.

Единица: грам на 2 L деионизирана вода.

1.2.5 Постоянна деформация

Силиконовият каучук показва по-добри характеристики на постоянна деформация (включително постоянна удължение и компресия) както при стаяна, така и при висока температура, сравнено с органичните полимери.

2 Класификация на силиконовия каучук

Силиконовият каучук може да бъде класифициран като твърд и течен тип, в зависимост от състоянието му преди вулканизация, и като пероксидно вулканизиран, добавочно вулканизиран и кондензационно вулканизиран тип, в зависимост от механизма на вулканизация. Основната разлика между твърдия и течния силиконов каучук е в молекулярната маса на полиcилоксана. Твърдият силиконов каучук може да бъде вулканизиран както чрез пероксидно вулканизиране, така и чрез добавочно вулканизиране, и често се нарича високотемпературно вулканизиран каучук (HTV) или термично вулканизиран каучук (HCR) (виж Таблица 5 и 6).

Въпреки че течният силиконов каучук, вулканизиран чрез добавочно въздействие, може да бъде вулканизиран и при стаяна температура, той се означава като течен силиконов каучук (LSR), нискотемпературно вулканизиран каучук (LTV) или двусъставен каучук, вулканизиран при стаяна температура (RTV), в зависимост от метода на обработка и температурата на вулканизация. В производството на полимерни изолатори често се използват процеси като инжекционно формоване и леене.

Едносъставен кондензационен тип (влагозависим) силиконов каучук може да се използва в строителни герметици, както и в електрически и електронни продукти. В електрическите приложения, разтворен при стаяна температура (RTV) силиконов каучук се използва често като защитен материал, например, като се напълзва върху керамични изолатори.

2.1 Силиконов каучук с алуминий трихидроксид (ATH)

Силиконов каучук с добри свойства за противодействие на проследяване и дуга може да бъде получен чрез включване на високо съдържание алуминий трихидроксид (ATH). Силиконов каучук, напълнен с 50 части по маса ATH, показва приемлива устойчивост към проследяване при висок напрег (4.5 kV), както и отлична устойчивост към дуга, климатични условия, солен мъгла и кисел дъжд, правейки го подходящ като изолиращ материал в области с тежка солна мъгла. Обаче, поради високото съдържание на ATH, този материал има виска вискоза (слаба пластичност) и ниска механична прочност.

2.2 Силиконов каучук без алуминий трихидроксид (ATH)

В континенталните области на Европа и подобни региони с минимална солна мъгла и ниски нива на замърсяване, може да се използва силиконов каучук без напълнител ATH. В тези случаи, подходящо избиране на основния силиконов каучук, повърхностно обработване на осмия диоксид, и добавяне на съединения, които подобряват устойчивостта към проследяване, може да подобри гидрофобността, за да отговаря на изискванията за устойчивост към проследяване при висок напрег. В сравнение с напълнен с ATH силиконов каучук, този тип има по-ниска вискоза и по-добри механични и електрически свойства.

2.3 За външни кабелни принадлежности

Тъй като външните кабелни принадлежности са изложени на сурови условия, те трябва да притежават добра устойчивост към проследяване. Материалите с ниска постоянна удължение могат да бъдат постигнати чрез използване на полимери с оптимизирана плътност на кръстосвания, подходящи за продукти, които се свиват при стаяна температура (хладно свиване).

2.4 За вътрешни кабелни принадлежности

Вътрешните кабелни принадлежности малко вероятно ще бъдат засегнати от солна мъгла, затова често не е необходима устойчивост към проследяване. Обаче, когато се използват в приложения, които се свиват при стаяна температура (хладно свиване), все още са необходими ниски характеристики на постоянна деформация.

2.5 Приложения за покритие

Нанасянето на покрития от силиконов каучук в тежко замърсените области може да поддържа добра гидрофобност на дългосрочна основа. Покритията могат да бъдат приложени и върху вече инсталирани изолатори, в зависимост от нивото на замърсяване, позволявайки продължаващо използване и спестяване на разходи. Недавни доклади сочат, че покритието на силиконовите каучукови изолатори може да подобри още повече задържането на гидрофобността. В момента съществуват две основни типа: покрити изолатори и каучукови изолатори.

3 Заключение

Тази статия представи силиконови каучукови материали за полимерни изолатори. Различни институции и производители провеждат непрекъснати изследвания и тестове. Ако се демонстрира висока надеждност чрез тестове за дълговечност и други характеристики, приложението на силиконови каучукови изолатори се очаква да се разшири още повече.