Kovové kaučuk v vysokonapěťových izolátorech: Vlastnosti třídění a aplikace

Od druhé poloviny 19. století byly jedinými izolačními materiály vhodnými pro vysokonapěťové přenosové linky keramika a sklo. Od 40. let 20. století, s vznikem polymerových materiálů, již nebyla keramika a sklo preferovanou volbou, což vedlo k tomu, že země v Evropě a Americe začaly zkoumat polymerové izolátory. Následně byly provedeny rozsáhlé studie fyzikálních vlastností, elektrických charakteristik, dlouhodobé spolehlivosti a optimálních tvarů elektrických izolátorů, a produkční efektivita se neustále zlepšovala.

Mezi vysokomolekulární materiály schopné nahradit keramiku a sklo se silikonový kauchuk od 60. let 20. století osvědčil jako prakticky použitelný a vynikal mezi různými polymerovými materiály. Silikonové kauchukové izolátory nabízejí několik výhod oproti keramickým izolátorům: první, jsou lehké, snadno obsluhovatelné a bezpečnější; druhé, keramické izolátory jsou náchylné k trhlinám při dopadu, zatímco silikonové kauchukové izolátory mohou efektivně odolávat mechanickým šokům, jako je například kolize vozidel s elektrickými sloupy.

Ačkoli i jiné polymerové materiály mají uvedené výhody, pouze silikonový kauchuk způsobuje minimální environmentální znečištění. Polymerové izolátory jsou voděodolné, což zabrání úniku proudů a povrchovým obloukům způsobeným kapkami vody. Kromě toho se hydrofóbnost silikonových kauchukových izolátorů obnovuje rychleji než u jiných polymerových izolátorů, což z nich činí vytrvalý materiál vhodný pro dlouhodobé použití v tvrdých podmínkách. Tento článek vysvětluje vlastnosti silikonového kauchuku použitého v vysokonapěťové elektrické izolaci a představuje nedávné vývojové trendy.

1 Vlastnosti silikonového kauchuku

1.1 Chemické vlastnosti siloxanové vazby

1.1.1 Chemicky stabilní vazba

Základní struktura silikonového kauchuku se skládá z siloxanových (Si-O) vazeb. Díky významnému rozdílu v elektronegativitě mezi Si (1.8) a O (3.5) se tvoří polarizovaná struktura, jak je znázorněno na obrázku 1 (vynecháno), která má charakter iontové vazby. V důsledku toho je energie vazby Si-O vyšší než u C-C (viz Tabulka 1). Kromě toho: (1) kvůli iontové povaze hlavního řetězce je polarita metyl C-H skupin v bočních řetězcích snížena, což je činí méně náchylnými k útoku jiných molekul, což vede k vynikající chemické stabilitě; (2) jelikož Si neformuje snadno dvojné nebo trojné vazby, je hlavní řetězec méně náchylný k dekompozici a vazby Si-C jsou velmi stabilní, což dále posiluje stabilitu základní struktury silikonového kauchuku.

1.1.2 Vysoce flexibilní polymer

Úhel vazby siloxanu (Si-O-Si) je velký (130°–160°), což mu dává vyšší svobodu než organickým polymerům (úhel vazby C-C ~110°). Kromě toho je délka vazby Si-O (1.64 Å) delší než u C-C (1.5 Å). To znamená, že celková molekula polymru je pohyblivější a snazší deformovat.

1.1.3 Helikoidální struktura

Díky helikoidální struktuře polysiloxanu jsou siloxanové vazby na hlavním řetězci přitahovány iontovou atrakcí dovnitř, zatímco vnější strana se skládá z metylských skupin s slabými mezičásticovými interakcemi, což vede k slabým mezičásticovým silám.

1.2 Vlastnosti silikonového kauchuku

Na základě chemických vlastností popsaných v sekci 1.1 má silikonový kauchuk následující vlastnosti vhodné pro vysokonapěťovou elektrickou izolaci.

1.2.1 Odolnost proti teplu a chladu

Díky vysoké energii vazby a vynikající chemické stabilitě má silikonový kauchuk lepší tepelnou odolnost než organické polymery. Navíc kvůli slabým mezičásticovým silám má nízkou teplotu skleněného přechodu a vynikající odolnost proti chladu. Proto zůstává jeho výkon stabil bez ohledu na geografickou oblast, ve které se používá.

1.2.2 Voděodolnost

Povrch polysiloxanu se skládá z metylských skupin, což mu dává hydrofóbní vlastnosti a tedy vynikající voděodolnost.

1.2.3 Elektrické vlastnosti

Silikonový kauchuk obsahuje méně uhlíkových atomů než organické polymery, což vede k vynikající odolnosti proti obloukům a sledování. Kromě toho, i když shoří, vytváří izolující křemu, což dále zajišťuje vynikající elektrické izolační vlastnosti.

1.2.4 Odolnost proti počasí

Jak je uvedeno v tabulce 1, energie vazby siloxanu je vyšší než energie ultrafialového záření, což ho činí odolným vůči stárnutí způsobenému UV. V akcelerovaných testech odolnosti vůči ozónu se organické polymery roztrhnou během několika sekund až hodin, zatímco silikonový kauchuk po čtyřech týdnech stárnutí ukazuje pouze mírné snížení pevnosti a žádné roztrhnutí, což naznačuje vynikající odolnost vůči ozónu (viz Tabulka 2). Kyselý déšť je směs ioničtího roztoku s pH přibližně 5.6. Byl proveden test umělého kyselého deště s koncentrací 500x pomocí roztoku uvedeného v tabulce 3. Silikonový kauchuk ukazuje vynikající chemickou odolnost, jak je uvedeno v tabulce 4. Ačkoli expozice směsím jako kyselý déšť může způsobit některé změny, očekávaný dopad je minimální.

Poznámka: Při pokojové teplotě, s koncentrací ozónu 200 ppm a 50% namáháním na tažení, povrch neukazuje žádné trhliny ani po 28 dnech stárnutí.

Jednotka: g na 2 L destilované vody.

1.2.5 Trvalá deformace

Silikonový kauchuk má lepší vlastnosti trvalé deformace (včetně trvalého prodloužení a kompresního setu) jak při pokojové, tak při vyšší teplotě než organické polymery.

2 Klasifikace silikonového kauchuku

Silikonový kauchuk lze klasifikovat na tuhé a tekuté typy podle stavu před vulkanizací a na peroxidové vulkanizace, adiční vulkanizace a kondenzační vulkanizace podle mechanismu vulkanizace. Hlavní rozdíl mezi tuhým a tekutým silikonovým kauchukem spočívá v molekulové hmotnosti polysiloxanu. Tuhý silikonový kauchuk lze vulkanizovat buď peroxidovou nebo adiční vulkanizací a běžně se označuje jako vysokoteplotní vulkanizační kauchuk (HTV) nebo tepelně vulkanizační kauchuk (HCR) (viz Tabulky 5 a 6).

I když tekutý silikonový kauchuk vulkanizovaný adiční reakcí může vulkanizovat i při pokojové teplotě, označuje se jako tekutý silikonový kauchuk (LSR), nízkoteplotní vulkanizační kauchuk (LTV) nebo dvousložkový pokojově vulkanizační kauchuk (RTV), v závislosti na způsobu zpracování a teplotě vulkanizace. Při výrobě polymerových izolátorů se běžně používají procesy injekčního lisování a lepení.

Jednosložkový kondenzační (vlhkostní vulkanizace) silikonový kauchuk lze použít v stavebních lepicích látkách, stejně jako v elektrotechnických a elektronických produktech. V elektrotechnických aplikacích se běžně natahují rozpouštědlem diluované pokojově vulkanizační (RTV) silikonové kauchukové vrstvy na keramické izolátory jako ochranné materiály.

2.1 Silikonový kauchuk s hydratem hliníku (ATH)

Silikonový kauchuk s dobrými vlastnostmi proti sledování a obloukům lze získat přidáním vysokého obsahu hydratu hliníku (ATH). Silikonový kauchuk s 50 hmotnými díly ATH ukazuje přijatelnou odolnost proti sledování vysokého napětí (4.5 kV), spolu s vynikající odolností proti obloukům, počasí, solné mlze a kyselému dešti, což jej činí vhodným jako izolační materiál v oblastech s vážnou solnou mlhou. Nicméně, kvůli vysokému obsahu ATH má tento materiál vysokou viskozitu (špatnou plastickost) a nízkou mechanickou pevnost.

2.2 Silikonový kauchuk bez hydrátu hliníku (ATH)

V vnitrozemských oblastech Evropy a podobných regionech s minimální solnou mlhou a nízkou úrovní znečištění lze použít silikonový kauchuk bez plniva ATH. V takových případech lze vhodnou výběrem základního silikonového kauchuku, povrchovou úpravou pyrogenního křemu a přidáním kompaktních látek, které zlepšují odolnost proti sledování, zlepšit hydrofóbnost a splnit požadavky na odolnost proti sledování vysokého napětí. Oproti silikonovému kauchuku s plnivem ATH má tento typ nižší viskozitu a lepší mechanické a elektrické vlastnosti.

2.3 Pro venkovní příslušenství kabelů

Jelikož jsou venkovní příslušenství kabelů vystaveny tvrdým podmínkám, musí mít dobré vlastnosti proti sledování. Materiály s nízkou trvalou elongací lze dosáhnout použitím polymerů s optimalizovanou hustotou křížových vazeb, vhodných pro produkty s teplotním sbalením (cold-shrink).

2.4 Pro vnitřní příslušenství kabelů

Vnitřní příslušenství kabelů pravděpodobně nebude ovlivněno solnou mlhou, takže odolnost proti sledování často není požadována. Nicméně, když se používají v aplikacích s teplotním sbalením (cold-shrink), jsou stále nutné nízké vlastnosti trvalé deformace.

2.5 Aplikace nátěrů

Nátěry silikonového kauchuku na silně znečištěné oblasti mohou dlouhodobě udržovat dobré hydrofóbní vlastnosti. Nátěry lze také aplikovat na již instalované izolátory podle úrovně znečištění, což umožňuje pokračovat v provozu a ušetřit náklady. Nedávné zprávy naznačují, že nátěry silikonového kauchuku mohou dále zlepšit udržení hydrofóbnosti. Aktuálně existují dva hlavní typy: natřené izolátory a gumové typy izolátorů.

3 Závěr

Tento článek představil materiály silikonového kauchuku pro polymerové izolátory. Různé instituce a výrobci provádějí pokračující výzkum a testování. Pokud se bude možné prokázat vysoká spolehlivost prostřednictvím testů na trvanlivost a dalších výkonových testů, očekává se, že použití silikonových kauchukových izolátorů se dále rozšíří.