Le caoutchouc silicone dans les isolateurs haute tension : propriétés classifications et applications

Depuis la seconde moitié du 19e siècle, les seuls matériaux isolants adaptés aux lignes de transport d'électricité à haute tension étaient la céramique et le verre. À partir des années 1940, avec l'apparition des matériaux polymères, la céramique et le verre ne sont plus les choix privilégiés, incitant les pays d'Europe et d'Amérique à commencer à étudier les isolateurs en polymères. Par la suite, des études approfondies ont été menées sur les propriétés physiques, les caractéristiques électriques, la fiabilité à long terme et les formes optimales des isolateurs électriques, et l'efficacité de production a continué à s'améliorer.

Parmi les matériaux de haut poids moléculaire capables de remplacer la céramique et le verre, le caoutchouc silicone a démontré une performance d'application pratique depuis les années 1960 et s'est distingué parmi divers polymères. Les isolateurs en caoutchouc silicone offrent plusieurs avantages par rapport aux isolateurs en céramique : premièrement, ils sont légers, faciles à manipuler et plus sûrs ; deuxièmement, les isolateurs en céramique sont susceptibles de se fissurer sous l'impact, tandis que les isolateurs en caoutchouc silicone peuvent résister efficacement aux chocs mécaniques tels que les collisions de véhicules avec les poteaux.

Bien que d'autres matériaux polymères possèdent également les avantages mentionnés, seul le caoutchouc silicone cause une pollution environnementale minimale. Les isolateurs en polymères sont résistants à l'eau, empêchant le courant de fuite et l'arc électrique causés par les gouttes d'eau. De plus, l'hydrophobicité des isolateurs en caoutchouc silicone se rétablit plus rapidement que celle d'autres isolateurs en polymères, ce qui en fait un matériau durable adapté à une utilisation à long terme dans des environnements difficiles. Cet article explique les caractéristiques du caoutchouc silicone utilisé pour l'isolation électrique à haute tension et présente les tendances de développement récentes.

1 Caractéristiques du Caoutchouc Silicone

1.1 Caractéristiques Chimiques du Lien Siloxane

1.1.1 Liaison Chimiquement Stable

La chaîne principale du caoutchouc silicone est composée de liaisons siloxane (Si-O). En raison de la différence significative d'électronegativité entre Si (1,8) et O (3,5), une structure polarisée est formée, comme indiqué dans la Figure 1 (omise), présentant des caractéristiques de liaison ionique. Par conséquent, l'énergie de liaison de Si-O est supérieure à celle de C-C (voir Tableau 1). De plus : (1) en raison de la nature ionique de la chaîne principale, la polarité des groupes méthyle C-H dans les chaînes latérales est réduite, les rendant moins sensibles à l'attaque par d'autres molécules, ce qui entraîne une excellente stabilité chimique ; (2) puisque Si ne forme pas facilement de doubles ou de triples liaisons, la chaîne principale est moins susceptible de se décomposer, et les liaisons Si-C sont donc très stables, renforçant encore la stabilité de la chaîne principale du caoutchouc silicone.

1.1.2 Polymère à Haute Flexibilité

L'angle de liaison du siloxane (Si-O-Si) est grand (130°–160°), lui conférant une liberté de mouvement supérieure aux polymères organiques (l'angle de liaison C-C est d'environ 110°). De plus, la longueur de la liaison Si-O (1,64 Å) est supérieure à celle de C-C (1,5 Å). Cela signifie que la molécule polymère dans son ensemble est plus mobile et plus facile à déformer.

1.1.3 Structure Hélicoïdale

En raison de la structure hélicoïdale du polysiloxane, les liaisons siloxane sur la chaîne principale sont attirées vers l'intérieur par l'attraction ionique, tandis que l'extérieur est constitué de groupes méthyle avec des interactions intermoléculaires faibles, ce qui entraîne des forces intermoléculaires faibles.

1.2 Propriétés du Caoutchouc Silicone

Sur la base des caractéristiques chimiques décrites dans la section 1.1, le caoutchouc silicone possède les propriétés suivantes adaptées à l'isolation électrique à haute tension.

1.2.1 Résistance à la Chaleur et au Froid

En raison de son énergie de liaison élevée et de sa stabilité chimique exceptionnelle, le caoutchouc silicone a une meilleure résistance à la chaleur que les polymères organiques. De plus, en raison de forces intermoléculaires faibles, il a une température de transition vitreuse basse et une excellente résistance au froid. Par conséquent, ses performances restent stables, quel que soit le région géographique où il est utilisé.

1.2.2 Résistance à l'Eau

La surface du polysiloxane est composée de groupes méthyle, lui conférant des propriétés hydrophobes et donc une excellente résistance à l'eau.

1.2.3 Propriétés Électriques

Le caoutchouc silicone contient moins d'atomes de carbone que les polymères organiques, ce qui lui confère une excellente résistance à l'arc et à la traînée. De plus, même lorsqu'il brûle, il forme de la silice isolante, assurant ainsi des performances d'isolation électrique supérieures.

1.2.4 Résistance aux Intempéries

Comme indiqué dans le Tableau 1, l'énergie de liaison du siloxane est supérieure à l'énergie de la lumière ultraviolette (UV), ce qui le rend résistant au vieillissement induit par les UV. Dans les tests accélérés de résistance à l'ozone, les polymères organiques se fissurent en quelques secondes à quelques heures, tandis que le caoutchouc silicone ne montre qu'une légère diminution de sa résistance après quatre semaines de vieillissement, sans fissuration observée, indiquant une excellente résistance à l'ozone (voir Tableau 2). La pluie acide est une solution ionique mixte avec un pH d'environ 5,6. Un test de pluie acide artificielle 500 fois concentrée a été réalisé en utilisant la solution listée dans le Tableau 3. Le caoutchouc silicone présente une excellente résistance chimique, comme indiqué dans le Tableau 4. Bien que l'exposition à des solutions mixtes comme la pluie acide puisse provoquer certains changements, l'impact est attendu minimal.

Note : À température ambiante, avec une concentration d'ozone de 200 ppm et une contrainte de traction de 50 % appliquée au caoutchouc, la surface ne montre aucune fissuration même après 28 jours de vieillissement.

Unité : g pour 2 L d'eau déionisée.

1.2.5 Déformation Permanente

Le caoutchouc silicone présente de meilleures caractéristiques de déformation permanente (y compris l'allongement permanent et le retrait de compression) à la fois à température ambiante et à des températures élevées par rapport aux polymères organiques.

2 Classification du Caoutchouc Silicone

Le caoutchouc silicone peut être classé en types solides et liquides selon son état avant la vulcanisation, et en types de vulcanisation par peroxyde, par addition et par condensation selon le mécanisme de vulcanisation. La principale différence entre le caoutchouc silicone solide et liquide réside dans le poids moléculaire du polysiloxane. Le caoutchouc silicone solide peut être vulcanisé par vulcanisation par peroxyde ou par addition, et est communément appelé caoutchouc de vulcanisation à haute température (HTV) ou caoutchouc de vulcanisation thermique (HCR) (voir Tableaux 5 et 6).

Bien que le caoutchouc silicone liquide vulcanisé par réaction d'addition puisse également vulcaniser à température ambiante, il est désigné comme caoutchouc silicone liquide (LSR), caoutchouc de vulcanisation à basse température (LTV) ou caoutchouc de vulcanisation à température ambiante à deux composants (RTV), selon la méthode de traitement et la température de vulcanisation. Dans la fabrication des isolateurs polymères, les processus de moulage par injection et de coulée sont couramment utilisés.

Le caoutchouc silicone à un composant de type condensation (vulcanisation par humidité) peut être utilisé dans les joints de construction, ainsi que dans les produits électriques et électroniques. Dans les applications électriques, des revêtements de caoutchouc silicone RTV dilué dans un solvant sont souvent pulvérisés sur les isolateurs en céramique en tant que matériaux de protection.

2.1 Caoutchouc Silicone avec Trihydroxyde d'Aluminium (ATH)

Un caoutchouc silicone avec une bonne résistance à la traînée et à l'arc peut être obtenu en incorporant une charge élevée de trihydroxyde d'aluminium (ATH). Le caoutchouc silicone chargé de 50 parties en masse d'ATH présente une résistance acceptable à la traînée à haute tension (4,5 kV), ainsi qu'une excellente résistance à l'arc, aux intempéries, à la brume salée et à la pluie acide, ce qui le rend adapté comme matériau isolant dans les zones avec une forte brume salée. Cependant, en raison de la charge élevée d'ATH, ce matériau souffre d'une viscosité élevée (mauvaise plasticité) et d'une faible résistance mécanique.

2.2 Caoutchouc Silicone sans Trihydroxyde d'Aluminium (ATH)

Dans les régions intérieures d'Europe et similaires, où la brume salée est minime et les niveaux de pollution faibles, le caoutchouc silicone sans charge ATH peut être utilisé. Dans ces cas, une sélection appropriée du caoutchouc silicone de base, un traitement de surface de la silice fumée et l'ajout d'agents de formulation améliorant la résistance à la traînée peuvent améliorer l'hydrophobicité pour répondre aux exigences de résistance à la traînée à haute tension. Comparé au caoutchouc silicone chargé d'ATH, ce type a une viscosité plus faible et des propriétés mécaniques et électriques supérieures.

2.3 Pour les Accessoires de Câbles Extérieurs

Les accessoires de câbles extérieurs étant exposés à des environnements difficiles, ils doivent posséder une bonne résistance à la traînée. Des matériaux avec un allongement permanent faible peuvent être obtenus en utilisant des polymères avec une densité de réticulation optimisée, adaptés aux produits rétrécissables à température ambiante (rétrécissables à froid).

2.4 Pour les Accessoires de Câbles Intérieurs

Les accessoires de câbles intérieurs ne sont pas susceptibles d'être affectés par la brume salée, donc la résistance à la traînée n'est souvent pas requise. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés dans des applications rétrécissables à température ambiante (rétrécissables à froid), des caractéristiques de déformation permanente faible sont toujours nécessaires.

2.5 Applications de Revêtement

La pulvérisation de revêtements de caoutchouc silicone dans des zones fortement polluées peut maintenir une bonne hydrophobicité à long terme. Les revêtements peuvent également être appliqués sur des isolateurs déjà installés en fonction des niveaux de pollution, permettant une utilisation continue et une économie de coûts. Des rapports récents indiquent que le revêtement de caoutchouc silicone sur les isolateurs peut encore améliorer la conservation de l'hydrophobicité. Actuellement, deux types principaux existent : les isolateurs revêtus et les isolateurs de type caoutchouc.

3 Conclusion

Cet article a introduit les matériaux en caoutchouc silicone pour les isolateurs polymères. Des recherches et des tests sont actuellement menés par diverses institutions et fabricants. Si une haute fiabilité peut être démontrée par des tests de durabilité et autres, l'utilisation des isolateurs en caoutchouc silicone est susceptible de s'étendre davantage.