Silikonkautschuk in Hochspannungs-Isolatoren: Eigenschaften Klassifizierungen und Anwendungen

Seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts waren die einzigen für Hochspannungsleitungen geeigneten Isoliermaterialien Keramik und Glas. Ab den 1940er Jahren, mit dem Auftreten von Polymermaterialien, waren Keramik und Glas nicht mehr die bevorzugten Materialien, was die Länder in Europa und Amerika dazu veranlasste, mit der Forschung an Polymerisolatoren zu beginnen. Daraufhin wurden umfangreiche Studien zu den physikalischen Eigenschaften, den elektrischen Charakteristiken, der langfristigen Zuverlässigkeit und den optimalen Formen von elektrischen Isolatoren durchgeführt, und die Produktionswirtschaftlichkeit verbesserte sich ständig.

Unter den hochmolekularen Materialien, die Keramik und Glas ersetzen können, hat Silikonkautschuk seit den 1960er Jahren praktische Anwendungseigenschaften gezeigt und sich unter verschiedenen Polymeren hervorgetan. Silikonkautschukisolatoren bieten gegenüber Keramikisolatoren mehrere Vorteile: Erstens sind sie leichtgewichtig, leicht zu handhaben und sicherer; zweitens neigen Keramikisolatoren unter Stößen zum Rissgehen, während Silikonkautschukisolatoren mechanische Schocks wie Fahrzeugkollisionen mit Strommasten effektiv aushalten können.

Obwohl andere Polymermaterialien auch die oben genannten Vorteile aufweisen, verursacht nur Silikonkautschuk minimale Umweltverschmutzung. Polymerisolatoren sind wasserabweisend, was das Leckstrom- und Oberflächenbogenphänomen durch Wassertropfen verhindert. Darüber hinaus erlangt die Wasserableitungsfähigkeit von Silikonkautschukisolatoren schneller als bei anderen Polymerisolatoren, was sie zu einem dauerhaften Material für den Einsatz in rauen Umgebungen macht. Dieser Artikel erklärt die Eigenschaften von Silikonkautschuk, der in der Hochspannungselektrischen Isolation verwendet wird, und stellt aktuelle Entwicklungsrichtungen vor.

1 Eigenschaften von Silikonkautschuk

1.1 Chemische Eigenschaften der Siloxanbindung

1.1.1 Chemisch stabile Bindung

Der Grundkörper von Silikonkautschuk besteht aus Siloxan (Si-O)-Bindungen. Aufgrund des erheblichen Unterschieds in der Elektronegativität zwischen Si (1,8) und O (3,5) entsteht eine polarisierte Struktur, wie in Abbildung 1 (weggelassen) dargestellt, die ionische Bindungseigenschaften zeigt. Daher ist die Bindungsenergie von Si-O höher als die von C-C (siehe Tabelle 1). Darüber hinaus: (1) aufgrund der ionischen Natur der Hauptkette wird die Polarität der Methyl C-H-Gruppen in den Seitenketten reduziert, so dass sie weniger anfällig für Angriffe anderer Moleküle sind, was zu einer ausgezeichneten chemischen Stabilität führt; (2) da Si keine Doppel- oder Dreifachbindungen leicht bilden kann, ist die Hauptkette weniger anfällig für Zersetzungen, und die Si-C-Bindungen sind daher sehr stabil, was die Stabilität des Silikonkautschukgrundkörpers weiter erhöht.

1.1.2 Hochflexibles Polymer

Der Bindungswinkel von Siloxan (Si-O-Si) ist groß (130°–160°), was ihm eine höhere Freiheit als organischen Polymeren (C-C-Bindungswinkel ~110°) gibt. Darüber hinaus ist die Si-O-Bindungslänge (1,64 Å) länger als die von C-C (1,5 Å). Das bedeutet, dass das gesamte Polymermolekül beweglicher und leichter deformierbar ist.

1.1.3 Helixstruktur

Aufgrund der Helixstruktur von Polysiloxan werden die Siloxanbindungen in der Hauptkette durch ionische Anziehung nach innen gezogen, während die äußere Seite aus Methylgruppen mit schwachen intermolekularen Wechselwirkungen besteht, was zu schwachen intermolekularen Kräften führt.

1.2 Eigenschaften von Silikonkautschuk

Basierend auf den in Abschnitt 1.1 beschriebenen chemischen Eigenschaften weist Silikonkautschuk die folgenden Eigenschaften auf, die für die Hochspannungselektrische Isolation geeignet sind.

1.2.1 Hitze- und Kälteresistenz

Aufgrund seiner hohen Bindungsenergie und ausgezeichneten chemischen Stabilität hat Silikonkautschuk eine bessere Hitzbeständigkeit als organische Polymere. Darüber hinaus hat es aufgrund schwacher intermolekularer Kräfte eine niedrige Glasübergangstemperatur und ausgezeichnete Kälteresistenz. Daher bleibt seine Leistung unabhängig von der geografischen Region, in der es eingesetzt wird, stabil.

1.2.2 Wasserdichtigkeit

1.2.3 Elektrische Eigenschaften

Silikonkautschuk enthält weniger Kohlenstoffatome als organische Polymere, was zu ausgezeichneter Bogenresistenz und Spurenresistenz führt. Darüber hinaus bildet es selbst beim Verbrennen isolierende Silica, was die überlegene elektrische Isolationsleistung weiter gewährleistet.

1.2.4 Wetterbeständigkeit

Wie in Tabelle 1 dargestellt, ist die Bindungsenergie von Siloxan höher als die Energie des ultravioletten Lichts, was es resistent gegen UV-induziertes Altern macht. In beschleunigten Ozonbeständigkeitstests zerreißen organische Polymere innerhalb von Sekunden bis Stunden, während Silikonkautschuk nach vier Wochen Alterung nur eine geringe Reduzierung der Festigkeit zeigt, ohne Risse, was eine ausgezeichnete Ozonbeständigkeit (siehe Tabelle 2) anzeigt. Saurer Regen ist eine gemischte ionische Lösung mit einem pH-Wert von etwa 5,6. Ein Test mit künstlichem saurem Regen wurde mit der in Tabelle 3 aufgeführten Lösung, die 500-mal konzentriert war, durchgeführt. Silikonkautschuk zeigt ausgezeichnete chemische Beständigkeit, wie in Tabelle 4 dargestellt. Obwohl die Exposition zu gemischten Lösungen wie saurem Regen einige Veränderungen verursachen kann, ist der Einfluss erwartungsgemäß minimal.

Hinweis: Bei Raumtemperatur, mit einer Ozonkonzentration von 200 ppm und einem Zugbelastung von 50% auf dem Kautschuk, zeigt die Oberfläche auch nach 28 Tagen Alterung keine Risse.

Einheit: g pro 2 L destilliertem Wasser.

1.2.5 Dauerformänderung

Silikonkautschuk zeigt bessere Dauerformänderungseigenschaften (einschließlich dauerhafter Dehnung und Kompressionsfestigkeit) sowohl bei Raum- als auch bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu organischen Polymeren.

2 Klassifikation von Silikonkautschuk

Silikonkautschuk kann basierend auf seinem Zustand vor der Vulkanisation in feste und flüssige Typen klassifiziert werden, und basierend auf dem Vulkanisationsmechanismus in Peroxidvulkanisierung, Additionsvulkanisierung und Kondensationsvulkanisierung. Der Hauptunterschied zwischen festem und flüssigem Silikonkautschuk liegt in der Molekulargewichts der Polysiloxane. Fester Silikonkautschuk kann durch Peroxidvulkanisierung oder Additionsvulkanisierung vulkanisiert werden und wird häufig als Hochtemperaturvulkanisierkautschuk (HTV) oder Hitzevulkanisierkautschuk (HCR) bezeichnet (siehe Tabellen 5 und 6).

Obwohl flüssiges Silikonkautschuk, das durch Additionsreaktion vulkanisiert wird, auch bei Raumtemperatur vulkanisiert werden kann, wird es je nach Verarbeitungsmethode und Vulkanisationstemperatur als flüssiges Silikonkautschuk (LSR), Niedrigtemperaturvulkanisierkautschuk (LTV) oder zweikomponentiger raumtemperaturvulkanisierender Kautschuk (RTV) bezeichnet. In der Herstellung von Polymerisolatoren werden häufig Spritzgieß- und Gießprozesse verwendet.

Einkomponentiges kondensationsartiges (feuchtigkeitsvulkanisierendes) Silikonkautschuk kann in Bauleimitteln sowie in elektrischen und elektronischen Produkten verwendet werden. In elektrischen Anwendungen werden lösungsmittelgedünnte raumtemperaturvulkanisierende (RTV) Silikonkautschukbeschichtungen häufig auf Keramikisolatoren als Schutzmaterialien gesprüht.

2.1 Silikonkautschuk mit Aluminiumtrihydroxid (ATH)

Silikonkautschuk mit guter Spuren- und Bogenresistenz kann durch die Einführung einer hohen Menge an Aluminiumtrihydroxid (ATH) erhalten werden. Silikonkautschuk, gefüllt mit 50 Gew.-% ATH, zeigt akzeptable Resistenzen gegen Hochspannungsspuren (4,5 kV), zusammen mit ausgezeichneter Bogenresistenz, Wetterbeständigkeit, Salznebelresistenz und Säureregengeschütztheit, was es als Isoliermaterial in Gebieten mit starkem Salznebel geeignet macht. Allerdings leidet dieses Material aufgrund der hohen ATH-Gefüllung unter hoher Viskosität (schlechter Plastizität) und geringer mechanischer Festigkeit.

2.2 Silikonkautschuk ohne Aluminiumtrihydroxid (ATH)

In Landgebieten Europas und ähnlichen Regionen mit minimalen Salznebel und geringen Verschmutzungsniveaus kann Silikonkautschuk ohne ATH-Füllstoff verwendet werden. In solchen Fällen kann die Auswahl des Basis-Silikonkautschuks, die Oberflächenbehandlung von Pyrogenkieselsäure und die Zugabe von Zusatzstoffen, die die Spurenresistenz verbessern, die Hydrophobie verbessern, um den Anforderungen an die Hochspannungsspurenresistenz gerecht zu werden. Im Vergleich zu ATH-gefülltem Silikonkautschuk hat dieser Typ eine geringere Viskosität und überlegene mechanische und elektrische Eigenschaften.

2.3 Für Außenkabelzubehör

Da Außenkabelzubehör rauhen Umgebungen ausgesetzt ist, muss es gute Spurenresistenz aufweisen. Materialien mit geringer dauerhafter Dehnung können durch die Verwendung von Polymeren mit optimierter Vernetzungsdichte erreicht werden, die für umgebungstemperaturverkleinernde (kaltschrumpfende) Produkte geeignet sind.

2.4 Für Innenkabelzubehör

Innenkabelzubehör wird wahrscheinlich nicht von Salznebel beeinträchtigt, sodass Spurenresistenz oft nicht erforderlich ist. Allerdings sind bei der Verwendung in umgebungstemperaturverkleinernden (kaltschrumpfenden) Anwendungen immer noch geringe dauerhafte Formänderungseigenschaften notwendig.

2.5 Beschichtungsanwendungen

Das Sprühen von Silikonkautschukbeschichtungen in stark verschmutzten Gebieten kann die gute Hydrophobie über lange Zeit aufrechterhalten. Beschichtungen können auch auf bereits installierte Isolatoren basierend auf den Verschmutzungsniveaus aufgetragen werden, um den fortlaufenden Betrieb und Kosteneinsparungen zu ermöglichen. Aktuelle Berichte deuten darauf hin, dass das Beschichten von Silikonkautschukisolatoren die Retention der Hydrophobie weiter verbessern kann. Derzeit existieren zwei Haupttypen: beschichtete Isolatoren und gummiartige Isolatoren.

3 Schlussfolgerung

Dieser Artikel hat Silikonkautschukmaterialien für Polymerisolatoren vorgestellt. Verschiedene Institutionen und Hersteller führen laufend Forschungen und Tests durch. Wenn durch Haltbarkeitstests und andere Leistungstests eine hohe Zuverlässigkeit nachgewiesen werden kann, wird die Anwendung von Silikonkautschukisolatoren weitere Ausdehnung finden.