Caucho de silicone en aisladores de alta tensión: propiedades clasificacións e aplicacións

Dende a segunda metade do século XIX, os únicos materiais aislantes aptos para liñas de transmisión de alta tensión eran a cerámica e o vidro. A partir dos anos 40, coa emerxencia dos materiais poliméricos, a cerámica e o vidro deixaron de ser as opcións preferidas, o que levou aos países de Europa e América a comezar a investigar sobre aisladores poliméricos. Posteriormente, realizáronse extensos estudos sobre as propiedades físicas, características eléctricas, fiabilidade a longo prazo e formas óptimas dos aisladores eléctricos, e a eficiencia da produción continuou mellorando.

Entre os materiais de alto peso molecular capaces de substituír a cerámica e o vidro, o caucho de silicone demostrou un rendemento práctico desde os anos 60 e destacouse entre varios polímeros. Os aisladores de caucho de silicone ofrecen varias vantaxes sobre os aisladores de cerámica: primeiro, son ligeros, fáciles de manexar e máis seguros; segundo, os aisladores de cerámica son propensos a racharse baixo impacto, mentres que os aisladores de caucho de silicone poden resistir eficazmente choques mecánicos como colisións de vehículos con postes de utilidade.

Aínda que outros materiais poliméricos tamén posúen as vantaxes mencionadas, só o caucho de silicone causa unha mínima contaminación ambiental. Os aisladores poliméricos son resistentes á auga, evitando a corrente de fuga e o arco na superficie provocado por gotas de auga. Ademais, a hidrofobicidade dos aisladores de caucho de silicone recupérase máis rápido que a de outros aisladores poliméricos, facendo del un material duradero apto para uso a longo prazo en entornos adversos. Este artigo explica as características do caucho de silicone usado no aislamento eléctrico de alta tensión e presenta as tendencias de desenvolvemento recentes.

1 Características do Caucho de Silicone

1.1 Características Químicas da Ligazón Siloxano

1.1.1 Ligazón Químicamente Estable

O esqueleto do caucho de silicone consiste en ligazóns siloxano (Si-O). Debido á diferenza significativa en electronegatividade entre Si (1.8) e O (3.5), forma unha estrutura polarizada, como se mostra na Figura 1 (omitida), exhibindo características de ligazón iónica. Como consecuencia, a enerxía de ligazón de Si-O é maior que a de C-C (ver Táboa 1). Ademais: (1) debido á natureza iónica da cadea principal, a polaridade dos grupos metilo C-H nas cadeas laterais reducírase, facéndolos menos susceptibles ao ataque de outras moléculas, resultando nunha excelente estabilidade química; (2) xa que Si non forma facilmente ligazóns duplas ou triplas, a cadea principal é menos propensa á descomposición, e as ligazóns Si-C son, polo tanto, moi estables, aumentando así a estabilidade do esqueleto do caucho de silicone.

1.1.2 Polímero de Alta Flexibilidade

O ángulo de ligazón do siloxano (Si-O-Si) é grande (130°–160°), dándolle maior liberdade que os polímeros orgánicos (ángulo de ligazón C-C ~110°). Ademais, a lonxitude da ligazón Si-O (1.64 Å) é maior que a de C-C (1.5 Å). Isto significa que a molécula de polímero en xeral é máis móbil e máis fácil de deformar.

1.1.3 Estrutura Helicoidal

Debido á estrutura helicoidal do polisiloxano, as ligazóns siloxano na cadea principal son atraídas cara adentro por atracción iónica, mentres que o lado exterior está composto por grupos metilo con interaccións intermoleculares débiles, resultando en forzas intermoleculares débiles.

1.2 Propiedades do Caucho de Silicone

Baseándose nas características químicas descritas na Sección 1.1, o caucho de silicone posúe as seguintes propiedades aptas para o aislamento eléctrico de alta tensión.

1.2.1 Resistencia ao Calor e ao Frío

Debido á súa alta enerxía de ligazón e excelente estabilidade química, o caucho de silicone ten unha mellor resistencia ao calor que os polímeros orgánicos. Ademais, debido ás débiles forzas intermoleculares, ten unha baixa temperatura de transición vítrea e excelente resistencia ao frío. Polo tanto, o seu rendemento permanece estable independentemente da rexión xeográfica na que se usa.

1.2.2 Resistencia á Auga

A superficie do polisiloxano está composta por grupos metilo, dando lle propiedades hidrofóbicas e, polo tanto, excelente resistencia á auga.

1.2.3 Propiedades Eléctricas

O caucho de silicone contén menos átomos de carbono que os polímeros orgánicos, resultando nunha excelente resistencia ao arco e á traza. Ademais, mesmo cando se quema, forma sílice aislante, garantindo así un rendemento superior de aislamento eléctrico.

1.2.4 Resistencia ao Tempo

Como se mostra na Táboa 1, a enerxía de ligazón do siloxano é maior que a enerxía da luz ultravioleta (UV), facéndoo resistente ao envellecemento inducido por UV. Nas probas aceleradas de resistencia ao ozono, os polímeros orgánicos rachan en segundos a horas, mentres que o caucho de silicone mostra só unha leve diminución da resistencia após catro semanas de envellecemento, sen observarse rachaduras, indicando unha excelente resistencia ao ozono (ver Táboa 2). A chuva ácida é unha solución iónica mixta con un pH de aproximadamente 5.6. Realizouse unha proba de chuva ácida artificial concentrada 500 veces usando a solución listada na Táboa 3. O caucho de silicone exhibe unha excelente resistencia química como se mostra na Táboa 4. Aínda que a exposición a soluciones mixtas como a chuva ácida pode causar algúns cambios, o impacto esperase que sexa mínimo.

Nota: A temperatura ambiente, con unha concentración de ozono de 200 ppm e unha tensión de tracción do 50% aplicada ao caucho, a superficie non mostra rachaduras incluso despois de 28 días de envellecemento.

Unidade: g por 2 L de auga desionizada.

1.2.5 Deformación Permanente

O caucho de silicone exibe melhores características de deformación permanente (incluíndo elongación permanente e compresión fixa) tanto a temperatura ambiente como elevada comparado cos polímeros orgánicos.

2 Clasificación do Caucho de Silicone

O caucho de silicone pode clasificarse en sólido e líquido baseándose no seu estado antes da vulcanización, e en cura peróxido, cura por adición e cura por condensación baseándose no mecanismo de vulcanización. A principal diferenza entre o caucho de silicone sólido e líquido reside no peso molecular do polisiloxano. O caucho de silicone sólido pode vulcanizarse mediante cura peróxido ou cura por adición, e adoita chamarse caucho de vulcanización a alta temperatura (HTV) ou caucho termocurado (HCR) (ver Táboas 5 e 6).

Aínda que o caucho de silicone líquido curado por reacción de adición tamén pode vulcanizarse a temperatura ambiente, denomínase caucho de silicone líquido (LSR), caucho de vulcanización a baixa temperatura (LTV) ou caucho de vulcanización a temperatura ambiente de dúas partes (RTV), dependendo do método de procesado e a temperatura de vulcanización. Na fabricación de aisladores poliméricos, os procesos comúnmente utilizados son inxección e fundición.

O caucho de silicone de unha parte tipo condensación (cura húmida) pode usarse en selladores de construción, así como en produtos eléctricos e electrónicos. En aplicacións eléctricas, as coberturas de caucho de silicone RTV diluído en solvente adoitan aplicarse por pulverización a aisladores de cerámica como materiais protectores.

2.1 Caucho de Silicone con Hidróxido de Aluminio (ATH)

Pode obterse caucho de silicone con boa resistencia a traza e arco incorporando unha carga alta de hidróxido de aluminio (ATH). O caucho de silicone cargado con 50 partes en masa de ATH exibe unha resistencia aceptable a traza de alta tensión (4.5 kV), xunto con excelente resistencia ao arco, resistencia ao tempo, resistencia à néboa salina e resistencia á chuva ácida, facéndoo apto como material aislante en áreas con néboa salina severa. No entanto, debido á alta carga de ATH, este material sofre de alta viscosidade (pobre plasticidade) e baixa resistencia mecánica.

2.2 Caucho de Silicone sen Hidróxido de Aluminio (ATH)

En áreas interiores de Europa e similares con mínima néboa salina e baixos niveis de contaminación, pode usarse caucho de silicone sen recheo de ATH. Neses casos, a selección adecuada do caucho de silicone base, o tratamento de superficie do dióxido de silicio en suspensión e a adición de compuestos que melloran a resistencia a traza poden mellorar a hidrofobicidade para cumprir os requisitos de resistencia a traza de alta tensión. Comparado co caucho de silicone cargado con ATH, este tipo ten menor viscosidade e superiores propiedades mecánicas e eléctricas.

2.3 Para Accesorios de Cabos Exteriores

Xa que os accesorios de cabos exteriores están expostos a entornos adversos, deben posuír boa resistencia a traza. Poden lograrse materiais con baixa elongación permanente utilizando polímeros con densidade de reticulación optimizada, aptos para produtos retráctiles a temperatura ambiente (cold-shrink).

2.4 Para Accesorios de Cabos Interiores

Os accesorios de cabos interiores non suelen verse afectados pola néboa salina, polo que a resistencia a traza frecuentemente non é necesaria. No entanto, cando se usan en aplicacións retráctiles a temperatura ambiente (cold-shrink), aínda son necesarias características de baixa deformación permanente.

2.5 Aplicacións de Recubrimento

A pulverización de coberturas de caucho de silicone en áreas altamente contaminadas pode manter unha boa hidrofobicidade a longo prazo. As coberturas tamén poden aplicarse a aisladores xa instalados en función dos niveis de contaminación, permitindo un servizo continuado e unha poupanza de custos. Informes recentes indican que o recubrimiento de aisladores de caucho de silicone pode mellorar aínda máis a retención da hidrofobicidade. Actualmente, existen dous tipos principais: aisladores recubertos e aisladores de tipo caucho.

3 Conclusión

Este artigo introduciu os materiais de caucho de silicone para aisladores poliméricos. Varios institutos e fabricantes están realizando investigacións e probas continuas. Se puidese demostrar unha alta fiabilidade mediante probas de durabilidade e outro rendemento, espera-se que a aplicación de aisladores de caucho de silicone se expanda aínda máis.