Silikone i højspændingsisolatorer: Egenskaber klassificeringer og anvendelser

Siden den anden halvdel af det 19. århundrede var de eneste isolerende materialer, der var egnet til højspændingskrafttransmissionslinjer, keramik og glas. Fra 1940'erne begyndte forskning i polymermaterialer, og keramik og glas blev ikke længere foretrukne valg, hvilket fik lande i Europa og Amerika til at begynde at undersøge polymerisolatorer. Herefter blev der gennemført omfattende studier af fysiske egenskaber, elektriske karakteristika, langtidsreliabilitet og optimale former for elektriske isolatorer, og produktionskapaciteten fortsatte med at forbedres.

Blandt høj molekylærvægtsmaterialer, der kan erstatte keramik og glas, har silikonkautschuk vist praktisk anvendelsesytelighed siden 1960'erne og står ud over andre polymerer. Silikonkautschukisolatorer har flere fordele i forhold til keramikisolatorer: For det første er de lette, nemme at håndtere og sikrere; for det andet er keramikisolatorer anfaldelige over for knækning under påvirkning, mens silikonkautschukisolatorer effektivt kan modstå mekaniske chok som kollisioner mellem køretøjer og strømstolper.

Selvom andre polymermaterialer også har de ovennævnte fordele, forårsager kun silikonkautschuk minimal miljøforurening. Polymerisolatorer er vandbestandige, hvilket forhindrer strømlækage og yderfladebueformering forårsaget af vanddråber. Desuden genopbygger silikonkautschukisolatorers hydrofobitet hurtigere end andre polymerisolatorer, hvilket gør dem til et holdbart materiale, der er velegnet til langtidsbrug i hårde miljøer. Denne artikel forklarer silikonkautschuks egenskaber, der anvendes i højspændingsisolering, og introducerer nylige udviklingstendenser.

1 Egenskaber ved Silikonkautschuk

1.1 Kemiske Egenskaber ved Siloxanbindingen

1.1.1 Kemiisk Stabil Binding

Ryggraden af silikonkautschuk består af siloxan (Si-O) bindinger. På grund af den betydelige forskel i elektronegativitet mellem Si (1,8) og O (3,5) dannes en polariseret struktur, som vist i figur 1 (udeladt), med ionbindningskarakteristika. Dermed er bindningsenergien for Si-O højere end for C-C (se tabel 1). Yderligere: (1) på grund af ionisk karakter i hovedkæden er polariteten af methyl C-H grupperne i sidekæder reduceret, hvilket gør dem mindre sårbar over for angreb fra andre molekyler, og dermed resulterer i fremragende kemisk stabilitet; (2) da Si ikke let dannes dobbelt eller tre-bindinger, er hovedkæden mindre udsat for nedbrydning, og Si-C bindinger er derfor meget stabile, hvilket yderligere forbedrer stabiliseringen af silikonkautschuks ryggrad.

1.1.2 Høj Flexibilitet Polymer

Bindningsvinklen for siloxan (Si-O-Si) er stor (130°–160°), hvilket giver det højere frihed end organiske polymerer (C-C bindningsvinkel ~110°). Desuden er Si-O bindningslængden (1,64 Å) længere end C-C (1,5 Å). Dette betyder, at det samlede polymermolekyle er mere mobil og lettere at deformere.

1.1.3 Helisk Struktur

På grund af polysiloxans heliske struktur trækkes siloxanbindingerne på hovedkæden indad af ionisk attraktion, mens den ydre side består af metylgrupper med svage intermolekylære interaktioner, hvilket resulterer i svage intermolekylære kræfter.

1.2 Egenskaber ved Silikonkautschuk

Ud fra de kemiske egenskaber, der er beskrevet i afsnit 1.1, har silikonkautschuk følgende egenskaber, der er velegnede til højspændingsisolering.

1.2.1 Varmeevne og Kuldeevne

På grund af sin høje bindningsenergi og fremragende kemiske stabilitet har silikonkautschuk bedre varmeevne end organiske polymerer. Desuden har det på grund af de svage intermolekylære kræfter en lav glasovergangstemperatur og fremragende kuldeevne. Dets ydeevne forbliver derfor stabil, uanset geografisk region, hvor det anvendes.

1.2.2 Vandbestandighed

Overfladen af polysiloxan består af metylgrupper, hvilket giver det hydrofobe egenskaber og dermed fremragende vandbestandighed.

1.2.3 Elektriske Egenskaber

Silikonkautschuk indeholder færre kulatomer end organiske polymerer, hvilket resulterer i fremragende bue- og sporingsmodstand. Desuden danner det, selv når det brænder, isolerende siliciumoxid, hvilket yderligere sikrer fremragende elektrisk isolationsydeevne.

1.2.4 Vejrmodstand

Som vist i tabel 1, er bindningsenergien for siloxan højere end energien for ultraviolet (UV) lys, hvilket gør det resistivt over for UV-induceret aldring. I accelererede ozonmodstandsprøver knækker organiske polymerer inden for sekunder til timer, mens silikonkautschuk kun viser en lille reduktion i styrke efter fire ugers aldring, uden at der opstår knækninger, hvilket indikerer fremragende ozonmodstand (se tabel 2). Sur regn er en blandet ionisk løsning med en pH på ca. 5,6. En prøve med 500 ganger koncentreret kunstigt surt regn blev gennemført med løsningen, der er angivet i tabel 3. Silikonkautschuk viser fremragende kemisk modstand som vist i tabel 4. Selvom eksponering for blandet løsning som surt regn muligvis forårsager nogle ændringer, er virkningen forventet at være minimal.

Bemærk: Ved rumtemperatur, med en ozonkoncentration på 200 ppm og en 50% strækspænd på kautschuk, viser overfladen ingen knækninger, selv efter 28 dages aldring.

Enhed: g per 2 L destilleret vand.

1.2.5 Permanent Deformation

Silikonkautschuk viser bedre permanente deformationsegenskaber (herunder permanent elongation og kompressionssætning) både ved rum- og høje temperaturer sammenlignet med organiske polymerer.

2 Klassificering af Silikonkautschuk

Silikonkautschuk kan klassificeres i fast og flydende typer baseret på dens tilstand før vulkanisering, og i peroxide-vulkanisering, additions-vulkanisering og kondensations-vulkanisering baseret på vulkaniseringsmekanismen. Hovedforskellen mellem fast og flydende silikonkautschuk ligger i mængden af polysiloxan. Fast silikonkautschuk kan vulkaniseres enten via peroxide-vulkanisering eller additions-vulkanisering, og kaldes ofte højtemperatur vulkaniseret gummi (HTV) eller varmekurert gummi (HCR) (se tabeller 5 og 6).

Selvom flydende silikonkautschuk, der vulkaniseres ved additionsreaktion, også kan vulkaniseres ved rumtemperatur, er det designateret som flydende silikonkautschuk (LSR), lavtemperatur vulkaniseret gummi (LTV) eller tokomponent room-temperature vulcanizing rubber (RTV), afhængigt af behandlingsmetode og vulkaniserings temperatur. I produktionen af polymerisolatorer anvendes ofte injection formning og giessning.

Enkomponent kondensations-type (fugtmængde-kurering) silikonkautschuk kan anvendes i byggeseglere, samt i elektriske og elektroniske produkter. I elektriske anvendelser sprøjtes løsemiddel-dilueret room-temperature vulcanizing (RTV) silikonkautschukbelægninger ofte på keramiske isolatorer som beskyttelsesmaterialer.

2.1 Silikonkautschuk med Aluminium Trihydroxid (ATH)

Silikonkautschuk med god sporings- og buemodstand kan opnås ved at integrere en høj belastning af aluminium trihydroxid (ATH). Silikonkautschuk fyldt med 50 dele ved masse af ATH viser acceptabel modstand over for højspændings (4,5 kV) sporing, sammen med fremragende buemodstand, vejrmodstand, saltfogmodstand og surregnmodstand, hvilket gør det velegnet som isoleringsmateriale i områder med alvorlig saltfog. Dog lider dette materiale af høj viskositet (dårlig plasticitet) og lav mekanisk styrke pga. den høje ATH-belastning.

2.2 Silikonkautschuk uden Aluminium Trihydroxid (ATH)

I inlandsområder i Europa og lignende regioner med minimal saltfog og lav forurening, kan silikonkautschuk uden ATH-fyld anvendes. I sådanne tilfælde kan passende valg af basis silikonkautschuk, overfladebehandling af pyrogenisk siliciumdioxid, og tilsætning af kompositionsagenter, der forbedrer sporingsmodstand, forbedre hydrofobi for at opfylde kravene til højspændings sporing. Sammenlignet med ATH-fyldt silikonkautschuk har denne type lavere viskositet og bedre mekaniske og elektriske egenskaber.

2.3 Til Udenluftskabeltilbehør

Da udenluftskabeltilbehør er udsat for hårde miljøer, skal de have god sporingsmodstand. Materialer med lav permanent elongation kan opnås ved at bruge polymerer med optimal krydshastighed, egnet til ambient temperatur skrump (cold-shrink) produkter.

2.4 Til Indenluftskabeltilbehør

Indenluftskabeltilbehør er usandsynligt at blive påvirket af saltfog, så sporingsmodstand er ofte ikke nødvendig. Men når de anvendes i ambient temperatur skrump (cold-shrink) applikationer, er lav permanent deformation stadig nødvendig.

2.5 Belægningsapplikationer

Sprøjting af silikonkautschukbelægninger på stærkt forurenede områder kan opretholde god hydrofobi over lange perioder. Belægninger kan også anvendes på allerede installeret isolatorer baseret på forurening, hvilket gør det muligt at fortsætte service og spare på omkostninger. Nylige rapporter indikerer, at belægning af silikonkautschukisolatorer kan yderligere forbedre bevaringen af hydrofobi. I øjeblikket findes der to hovedtyper: belægnede isolatorer og gummitype isolatorer.

3 Konklusion

Denne artikel har introduceret silikonkautschukmaterialer til polymerisolatorer. Forskning og testning fortsætter i forskellige institutioner og virksomheder. Hvis høj pålidelighed kan demonstreres gennem holdbarhed og andre ydeevnestest, forventes anvendelsen af silikonkautschukisolatorer at udvides yderligere.