Caucho de silicona en aisladores de alta tensión: Propiedades clasificaciones y aplicaciones
Desde la segunda mitad del siglo XIX, los únicos materiales aislantes adecuados para las líneas de transmisión de alta tensión eran la cerámica y el vidrio. A partir de la década de 1940, con la aparición de materiales poliméricos, la cerámica y el vidrio ya no fueron las opciones preferidas, lo que llevó a los países de Europa y América a comenzar a investigar aisladores poliméricos. Posteriormente, se realizaron extensos estudios sobre las propiedades físicas, características eléctricas, confiabilidad a largo plazo y formas óptimas de los aisladores eléctricos, y la eficiencia de producción continuó mejorando.
Entre los materiales de alto peso molecular capaces de reemplazar la cerámica y el vidrio, el caucho de silicona ha demostrado un rendimiento práctico desde la década de 1960 y se ha destacado entre varios polímeros. Los aisladores de caucho de silicona ofrecen varias ventajas sobre los aisladores de cerámica: en primer lugar, son ligeros, fáciles de manejar y más seguros; en segundo lugar, los aisladores de cerámica son propensos a agrietarse bajo impacto, mientras que los aisladores de caucho de silicona pueden resistir eficazmente choques mecánicos como colisiones de vehículos con postes de electricidad.
Aunque otros materiales poliméricos también poseen las ventajas mencionadas, solo el caucho de silicona causa una mínima contaminación ambiental. Los aisladores poliméricos son resistentes al agua, evitando corrientes de fuga y arcos superficiales causados por gotas de agua. Además, la hidrofobicidad de los aisladores de caucho de silicona se recupera más rápido que la de otros aisladores poliméricos, lo que los convierte en un material duradero adecuado para su uso a largo plazo en entornos adversos. Este artículo explica las características del caucho de silicona utilizado en la aislación eléctrica de alta tensión e introduce las tendencias de desarrollo recientes.
1 Características del Caucho de Silicona
1.1 Características Químicas del Enlace Siloxano
1.1.1 Enlace Químicamente Estable
La cadena principal del caucho de silicona está compuesta por enlaces siloxano (Si-O). Debido a la gran diferencia de electronegatividad entre Si (1.8) y O (3.5), se forma una estructura polarizada, como se muestra en la Figura 1 (omita), exhibiendo características de enlace iónico. Como resultado, la energía de enlace de Si-O es mayor que la de C-C (ver Tabla 1). Además: (1) debido a la naturaleza iónica de la cadena principal, la polaridad de los grupos metilo C-H en las cadenas laterales se reduce, haciéndolos menos susceptibles a ataques de otras moléculas, lo que resulta en una excelente estabilidad química; (2) dado que Si no forma fácilmente enlaces dobles o triples, la cadena principal es menos propensa a la descomposición, y los enlaces Si-C son, por lo tanto, muy estables, lo que refuerza aún más la estabilidad de la cadena principal del caucho de silicona.
1.1.2 Polímero de Alta Flexibilidad
El ángulo de enlace del siloxano (Si-O-Si) es grande (130°-160°), lo que le da mayor libertad que a los polímeros orgánicos (ángulo de enlace C-C ~110°). Además, la longitud del enlace Si-O (1.64 Å) es mayor que la de C-C (1.5 Å). Esto significa que la molécula polimérica en su conjunto es más móvil y más fácil de deformar.
1.1.3 Estructura Helicoidal
Debido a la estructura helicoidal del polisiloxano, los enlaces siloxano en la cadena principal son atraídos hacia adentro por atracción iónica, mientras que el exterior está compuesto por grupos metilo con interacciones intermoleculares débiles, lo que resulta en fuerzas intermoleculares débiles.
1.2 Propiedades del Caucho de Silicona
Basándose en las características químicas descritas en la Sección 1.1, el caucho de silicona posee las siguientes propiedades adecuadas para la aislación eléctrica de alta tensión.
1.2.1 Resistencia al Calor y al Frío
Debido a su alta energía de enlace y excelente estabilidad química, el caucho de silicona tiene una mejor resistencia al calor que los polímeros orgánicos. Además, debido a las fuerzas intermoleculares débiles, tiene una baja temperatura de transición vítrea y excelente resistencia al frío. Por lo tanto, su rendimiento permanece estable independientemente de la región geográfica en la que se utilice.
1.2.2 Resistencia al Agua
La superficie del polisiloxano está compuesta por grupos metilo, lo que le confiere propiedades hidrófobas y, por lo tanto, excelente resistencia al agua.
1.2.3 Propiedades Eléctricas
El caucho de silicona contiene menos átomos de carbono que los polímeros orgánicos, lo que resulta en excelente resistencia a arcos y rastreo. Además, incluso cuando se quema, forma sílice aislante, lo que garantiza aún más un rendimiento superior de aislamiento eléctrico.
1.2.4 Resistencia a la Intemperie
Como se muestra en la Tabla 1, la energía de enlace del siloxano es mayor que la energía de la luz ultravioleta (UV), lo que lo hace resistente al envejecimiento inducido por UV. En pruebas aceleradas de resistencia al ozono, los polímeros orgánicos se agrietan en segundos a horas, mientras que el caucho de silicona solo muestra una ligera reducción en la resistencia después de cuatro semanas de envejecimiento, sin observarse grietas, lo que indica una excelente resistencia al ozono (ver Tabla 2). La lluvia ácida es una solución iónica mixta con un pH de aproximadamente 5.6. Se realizó una prueba de lluvia ácida artificial concentrada 500 veces utilizando la solución enumerada en la Tabla 3. El caucho de silicona exhibe una excelente resistencia química, como se muestra en la Tabla 4. Aunque la exposición a soluciones mixtas como la lluvia ácida puede causar algunos cambios, se espera que el impacto sea mínimo.
Nota: A temperatura ambiente, con una concentración de ozono de 200 ppm y una tensión de tracción del 50% aplicada al caucho, la superficie no muestra grietas incluso después de 28 días de envejecimiento.
Unidad: g por 2 L de agua desionizada.
1.2.5 Deformación Permanente
El caucho de silicona exhibe mejores características de deformación permanente (incluyendo elongación permanente y compresión permanente) tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas en comparación con los polímeros orgánicos.
2 Clasificación del Caucho de Silicona
El caucho de silicona se puede clasificar en tipos sólidos y líquidos según su estado antes de la vulcanización, y en vulcanización por peróxido, adición y condensación según el mecanismo de vulcanización. La principal diferencia entre el caucho de silicona sólido y líquido radica en el peso molecular del polisiloxano. El caucho de silicona sólido se puede vulcanizar mediante vulcanización por peróxido o adición, y se conoce comúnmente como caucho de vulcanización a alta temperatura (HTV) o caucho curado por calor (HCR) (ver Tablas 5 y 6).
Aunque el caucho de silicona líquido curado por reacción de adición también puede vulcanizarse a temperatura ambiente, se designa como caucho de silicona líquido (LSR), caucho de vulcanización a baja temperatura (LTV) o caucho de vulcanización a temperatura ambiente de dos componentes (RTV), dependiendo del método de procesamiento y la temperatura de curado. En la fabricación de aisladores poliméricos, se utilizan comúnmente los procesos de inyección y colado.
El caucho de silicona de un componente tipo condensación (curado por humedad) se puede utilizar en selladores de construcción, así como en productos eléctricos y electrónicos. En aplicaciones eléctricas, se suelen rociar recubrimientos de caucho de silicona RTV diluidos en solvente sobre aisladores de cerámica como materiales protectores.
2.1 Caucho de Silicona con Hidróxido de Aluminio (ATH)
Se puede obtener caucho de silicona con buena resistencia al rastreo y a arcos incorporando una alta carga de hidróxido de aluminio (ATH). El caucho de silicona cargado con 50 partes en masa de ATH exhibe una resistencia aceptable al rastreo de alta tensión (4.5 kV), junto con excelente resistencia a arcos, intemperie, niebla salina y lluvia ácida, lo que lo hace adecuado como material aislante en áreas con fuerte niebla salina. Sin embargo, debido a la alta carga de ATH, este material sufre de alta viscosidad (plasticidad pobre) y baja resistencia mecánica.
2.2 Caucho de Silicona sin Hidróxido de Aluminio (ATH)
En regiones interiores de Europa y similares con mínima niebla salina y bajos niveles de contaminación, se puede utilizar caucho de silicona sin relleno de ATH. En tales casos, la selección apropiada del caucho de silicona base, el tratamiento superficial de dióxido de silicio precipitado y la adición de agentes de mezcla que mejoren la resistencia al rastreo pueden mejorar la hidrofobicidad para cumplir con los requisitos de resistencia al rastreo de alta tensión. En comparación con el caucho de silicona cargado con ATH, este tipo tiene menor viscosidad y mejores propiedades mecánicas y eléctricas.
2.3 Para Accesorios de Cables Exteriores
Dado que los accesorios de cables exteriores están expuestos a entornos adversos, deben poseer buena resistencia al rastreo. Se pueden lograr materiales con baja elongación permanente utilizando polímeros con densidad de reticulación optimizada, adecuados para productos retráctiles a temperatura ambiente (frío).
2.4 Para Accesorios de Cables Interiores
Los accesorios de cables interiores rara vez se ven afectados por la niebla salina, por lo que a menudo no se requiere resistencia al rastreo. Sin embargo, cuando se utilizan en aplicaciones retráctiles a temperatura ambiente (frío), aún se necesitan características de baja deformación permanente.
2.5 Aplicaciones de Recubrimiento
Rociar recubrimientos de caucho de silicona en áreas altamente contaminadas puede mantener una buena hidrofobicidad a largo plazo. Los recubrimientos también se pueden aplicar a aisladores ya instalados según los niveles de contaminación, permitiendo su servicio continuo y ahorro de costos. Informes recientes indican que el recubrimiento de aisladores de caucho de silicona puede mejorar aún más la retención de la hidrofobicidad. Actualmente, existen dos tipos principales: aisladores recubiertos e aisladores de tipo de caucho.
3 Conclusión
Este artículo ha introducido los materiales de caucho de silicona para aisladores poliméricos. Varios institutos y fabricantes están realizando investigaciones y pruebas continuas. Si se puede demostrar una alta confiabilidad a través de pruebas de durabilidad y otros ensayos de rendimiento, se espera que la aplicación de aisladores de caucho de silicona se expanda aún más.
