Ang Silicone Rubber sa Mga Insulator na May Mataas na Voltaje: Katangian Klasipikasyon at mga Application

Simula no ikalabindaluhang bahagi ng ika-19 siglo, ang mga materyales na insulator na angkop para sa high-voltage power transmission lines ay ceramics at glass lamang. Nagsimula noong 1940s, kasunod ng paglitaw ng polymer materials, hindi na ang ceramics at glass ang pinili, kaya nagsimulang mag-research ang mga bansa sa Europa at Amerika tungkol sa polymer insulators. Pagkatapos, ginanap ang malawakang pag-aaral sa pisikal na katangian, electrical characteristics, matagal na reliabilidad, at pinakamahusay na hugis ng mga insulator, at patuloy na umunlad ang produktibidad.

Sa mga high-molecular-weight materials na maaaring palitan ang ceramics at glass, ang silicone rubber ay ipinakita ang praktikal na application performance simula noong 1960s at lumitaw sa iba pang polymers. Ang mga insulator na gawa sa silicone rubber ay may ilang mga abilidad kumpara sa mga ceramic insulators: una, sila ay mas light, madali manipisin, at mas ligtas; pangalawa, ang mga ceramic insulators ay madaling sumira kapag tinamaan ng impact, habang ang mga insulator na gawa sa silicone rubber ay maaaring makapagtiyak ng mabisa na mapigilan ang mechanical shocks tulad ng collision ng sasakyan sa utility poles.

Bagaman ang iba pang polymer materials ay mayroon din ang nabanggit na mga abilidad, ang silicone rubber lang ang nagdudulot ng kaunti lamang na environmental pollution. Ang mga polymer insulators ay water-resistant, na nakakapigil sa leakage current at surface arcing na dulot ng water droplets. Bukod dito, ang hydrophobicity ng mga insulator na gawa sa silicone rubber ay mas mabilis bumabalik kumpara sa iba pang polymer insulators, kaya ito ay isang matatag na materyal na angkop para sa mahabang terminong paggamit sa harsh na environment. Ang artikulong ito ay nagpapaliwanag ng mga katangian ng silicone rubber na ginagamit sa high-voltage electrical insulation at ipinapakilala ang kamakailang mga trend sa pag-unlad.

1 Katangian ng Silicone Rubber

1.1 Chemical Characteristics ng Siloxane Bond

1.1.1 Chemically Stable Bond

Ang backbone ng silicone rubber ay binubuo ng siloxane (Si-O) bonds. Dahil sa malaking pagkakaiba sa electronegativity ng Si (1.8) at O (3.5), nabubuo ang polarized structure, tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (omitted), na nagpapakita ng ionic bond characteristics. Bilang resulta, ang bond energy ng Si-O ay mas mataas kaysa sa C-C (tingnan ang Table 1). Bukod dito: (1) dahil sa ionic nature ng main chain, ang polarity ng methyl C-H groups sa side chains ay nabawasan, kaya sila ay mas hindi susceptible sa attack ng ibang molekyol, na nagreresulta sa excellent chemical stability; (2) dahil ang Si ay hindi madaling gumawa ng double o triple bonds, ang main chain ay mas hindi prone sa decomposition, at ang Si-C bonds ay napakastable, na nagpapatibay pa ng stability ng backbone ng silicone rubber.

1.1.2 High Flexibility Polymer

Ang bond angle ng siloxane (Si-O-Si) ay malaki (130°–160°), kaya mas mataas ang kalayaan nito kumpara sa organic polymers (C-C bond angle ~110°). Bukod dito, ang Si-O bond length (1.64 Å) ay mas mahaba kaysa sa C-C (1.5 Å). Ito ang nangangahulugan na ang kabuuan ng polymer molecule ay mas mobile at mas madaling deform.

1.1.3 Helical Structure

Dahil sa helical structure ng polysiloxane, ang siloxane bonds sa main chain ay inidraw pababa ng ionic attraction, habang ang outer side ay binubuo ng methyl groups na may mahina intermolecular interactions, na nagreresulta sa mahinang intermolecular forces.

1.2 Properties ng Silicone Rubber

Batay sa chemical characteristics na ipinahayag sa Section 1.1, ang silicone rubber ay mayroong mga katangian na angkop para sa high-voltage electrical insulation.

1.2.1 Heat and Cold Resistance

Dahil sa mataas na bond energy at excellent chemical stability, ang silicone rubber ay mas mahusay ang heat resistance kumpara sa organic polymers. Bukod dito, dahil sa mahinang intermolecular forces, ito ay may mababang glass transition temperature at excellent cold resistance. Kaya, ang performance nito ay nananatiling stable anuman ang geographic region kung saan ito ginagamit.

1.2.2 Water Resistance

Ang surface ng polysiloxane ay binubuo ng methyl groups, kaya ito ay may hydrophobic properties at excellent water resistance.

1.2.3 Electrical Properties

Ang silicone rubber ay may mas kaunting carbon atoms kaysa sa organic polymers, kaya ito ay may excellent arc resistance at tracking resistance. Bukod dito, kahit na nasunog, ito ay nagsasangkap ng insulating silica, na nagpapatibay pa ng superior electrical insulation performance.

1.2.4 Weather Resistance

Tulad ng ipinakikita sa Table 1, ang bond energy ng siloxane ay mas mataas kaysa sa energy ng ultraviolet (UV) light, kaya ito ay resistant sa UV-induced aging. Sa accelerated ozone resistance tests, ang mga organic polymers ay sumisira sa loob ng segundo hanggang oras, habang ang silicone rubber ay nagpapakita lamang ng maliit na pagbawas ng lakas pagkatapos ng apat na linggo ng aging, at walang crack na naitala, na nagpapakita ng excellent ozone resistance (tingnan ang Table 2). Ang acid rain ay isang mixed ionic solution na may pH na humigit-kumulang 5.6. Ginawa ang 500x concentrated artificial acid rain test gamit ang solusyon na nasa Table 3. Ang silicone rubber ay nagpapakita ng excellent chemical resistance tulad ng ipinapakita sa Table 4. Bagama't ang exposure sa mixed solutions tulad ng acid rain ay maaaring magdulot ng ilang pagbabago, ang impact ay inaasahang minimal.

Note: Sa room temperature, na may ozone concentration na 200 ppm at 50% tensile strain na inilapat sa rubber, ang surface ay walang crack kahit pagkatapos ng 28 days ng aging.

Unit: g per 2 L ng deionized water.

1.2.5 Permanent Deformation

Ang silicone rubber ay nagpapakita ng mas mahusay na permanent deformation characteristics (kasama ang permanent elongation at compression set) sa parehong room at elevated temperatures kumpara sa organic polymers.

2 Classification ng Silicone Rubber

Ang silicone rubber ay maaaring ma-classify bilang solid at liquid types batay sa estado nito bago ang vulcanization, at bilang peroxide curing, addition curing, at condensation curing types batay sa vulcanization mechanism. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng solid at liquid silicone rubber ay nasa molecular weight ng polysiloxane. Ang solid silicone rubber ay maaaring vulcanize gamit ang peroxide curing o addition curing, at karaniwang tinatawag na high-temperature vulcanizing rubber (HTV) o heat-cured rubber (HCR) (tingnan ang Tables 5 at 6).

Bagama't ang liquid silicone rubber na cured by addition reaction ay maaari ring vulcanize sa room temperature, ito ay itinalaga bilang liquid silicone rubber (LSR), low-temperature vulcanizing rubber (LTV), o two-part room-temperature vulcanizing rubber (RTV), depende sa processing method at curing temperature. Sa manufacturing ng polymer insulators, ang injection molding at casting ang karaniwang proseso.

Ang one-component condensation-type (moisture-cure) silicone rubber ay maaaring gamitin sa construction sealants, at sa electrical at electronic products. Sa electrical applications, ang solvent-diluted room-temperature vulcanizing (RTV) silicone rubber coatings ay karaniwang isinasabog sa ceramic insulators bilang protective materials.

2.1 Silicone Rubber with Aluminum Trihydroxide (ATH)

Maaaring makamit ang silicone rubber na may good tracking resistance at arc resistance sa pamamagitan ng pagkuha ng mataas na loading ng aluminum trihydroxide (ATH). Ang silicone rubber na puno ng 50 parts by mass ng ATH ay nagpapakita ng acceptable resistance sa high-voltage (4.5 kV) tracking, kasama ang excellent arc resistance, weather resistance, salt fog resistance, at acid rain resistance, kaya ito ay angkop bilang insulating material sa mga lugar na may severe salt fog. Ngunit, dahil sa mataas na ATH loading, ang materyal na ito ay may mataas na viscosity (poor plasticity) at mababang mechanical strength.

2.2 Silicone Rubber without Aluminum Trihydroxide (ATH)

Sa inland areas ng Europa at katulad na mga rehiyon na may minimal salt fog at mababang pollution levels, maaaring gamitin ang silicone rubber na walang ATH filler. Sa mga kaso na ito, ang appropriate selection ng base silicone rubber, surface treatment ng fumed silica, at addition ng compounding agents na nagpapabuti ng tracking resistance ay maaaring mapabuti ang hydrophobicity upang matugunan ang high-voltage tracking resistance requirements. Kumpara sa ATH-filled silicone rubber, ang tipo na ito ay may mas mababang viscosity at superior mechanical at electrical properties.

2.3 For Outdoor Cable Accessories

Bilang ang outdoor cable accessories ay exposed sa harsh na environment, kailangan nilang magkaroon ng good tracking resistance. Maaaring makamit ang materials na may mababang permanent elongation sa pamamagitan ng paggamit ng polymers na may optimized crosslinking density, na angkop para sa ambient-temperature shrinkable (cold-shrink) products.

2.4 For Indoor Cable Accessories

Ang indoor cable accessories ay malamang na hindi maapektuhan ng salt fog, kaya ang tracking resistance ay kadalasang hindi kinakailangan. Ngunit, kapag ginamit sa ambient-temperature shrinkable (cold-shrink) applications, ang mababang permanent deformation characteristics ay pa rin kinakailangan.

2.5 Coating Applications

Ang spraying ng silicone rubber coatings sa heavily polluted areas ay maaaring panatilihin ang good hydrophobicity sa mahabang termino. Ang coatings ay maaari ring ilapat sa mga na-instal na insulators batay sa pollution levels, na nagbibigay ng continued service at cost savings. Ayon sa mga kamakailang ulat, ang coating ng silicone rubber insulators ay maaaring pa-lalo pa mapabuti ang retention ng hydrophobicity. Kasalukuyan, ang dalawang pangunahing uri ay coated insulators at rubber-type insulators.

3 Conclusion

Ang paper na ito ay ipinakilala ang silicone rubber materials para sa polymer insulators. Patuloy na ginagampanan ang mga research at testing ng iba't ibang institusyon at manufacturers. Kung mabibigyang-diin ang mataas na reliabilidad sa pamamagitan ng durability at iba pang performance tests, inaasahan na ang application ng silicone rubber insulators ay lalawak pa.