Silikonska guma u visokonaponskim izolatorima: Svojstva klase i primjene

Od druge polovice 19. stoljeća, jedini izolacijski materijali prikladni za visokonaponske elektroenergetske linije bile su keramika i staklo. Počevši od 1940-ih godina, s pojavom polimernih materijala, keramika i staklo više nisu bili preferirani izbori, što je potaknulo zemlje u Europi i Americi da započnu istraživanja polimerne izolacije. Uz to, provedeno je široko istraživanje fizikalnih svojstava, električnih karakteristika, dugotrajne pouzdanosti i optimalnih oblika električnih izolatora, a produktivnost proizvodnje se stalno poboljšavala.

Među visokomolekularnim materijalima koji mogu zamijeniti keramiku i staklo, silikonska guma pokazala je praktičnu primjenu otkako je 1960-ih godina i isticala među različitim polimerima. Silikonski gumeni izolatori imaju nekoliko prednosti nad keramičkim izolatorima: prvo, laki su, lako se rukuju i sigurniji su; drugo, keramički izolatori su podložni pucanjima tijekom udara, dok silikonski gumeni izolatori efektivno otpiraju mehaničkim udarcima poput sudara vozila s nosačima struja.

Iako i drugi polimerni materijali posjeduju gore navedene prednosti, samo silikonska guma uzrokuje minimalnu onesvaženost okoliša. Polimerni izolatori su vodootporni, sprečavaju curenje struje i površinsko iskranje uzrokovano kapljicama vode. Također, hidrofobnost silikonskih gumenih izolatora brže se oporavi nego kod drugih polimernih izolatora, čineći ih trajnim materijalom prikladnim za dugotrajnu upotrebu u teškim uvjetima. Ovaj članak objašnjava karakteristike silikonske gumena koristene u visokonaponskoj električnoj izolaciji i uvodi recentne trendove razvoja.

1 Karakteristike silikonske gumene

1.1 Kemijske karakteristike siloksanskih veza

1.1.1 Hemijski stabilna veza

Osnova silikonske gumene sastoji se od siloksanskih (Si-O) veza. Zbog značajne razlike u elektronegativnosti između Si (1.8) i O (3.5), formira se polarizirana struktura, kao što je prikazano na Slici 1 (izostavljeno), koja pokazuje karakteristike jonizirane veze. Stoga je energija veze Si-O veća od C-C (vidi Tablicu 1). Nadalje: (1) zbog joniziranog karaktera glavnog lanca, polaritet metilskih C-H grupa u bočnim lancima smanjen je, čime su manje podložni napadu drugih molekula, što rezultira izvanrednom kemijskom stabilnošću; (2) budući da Si ne lako formira dvostruke ili trostruke veze, glavni lanac je manje podložan raspadu, a Si-C veze su stoga vrlo stabilne, što dodatno unapređuje stabilnost osnove silikonske gumene.

1.1.2 Visoko fleksibilni polimer

Kut veze siloksana (Si-O-Si) je velik (130°–160°), što mu daje više slobode od organičkih polimera (kut veze C-C ~110°). Također, duljina veze Si-O (1.64 Å) je duža od C-C (1.5 Å). To znači da je ukupna polimer-molekula mobilnija i lakše deformabilna.

1.1.3 Helikalna struktura

Zbog helikalne strukture polisiloksana, siloksanske veze na glavnom lancu su privučene unutra joniziranim privlačenjem, dok se vanjska strana sastoji od metilskih grupa s slabo intermolekulskim međudjelovanjem, što rezultira slabo intermolekulskim silama.

1.2 Svojstva silikonske gumene

Na temelju kemijskih karakteristika opisanih u Razdjelu 1.1, silikonska guma ima sljedeća svojstva prikladna za visokonaponsku električnu izolaciju.

1.2.1 Otpornost na toplinu i hlad

Zbog visoke energije veze i izvanredne kemijske stabilnosti, silikonska guma ima bolju otpornost na toplinu od organičkih polimera. Također, zbog slabe intermolekulskih sila, ima nisku temperaturu prelaska u sklopac i izvanrednu otpornost na hlad. Stoga ostaje stabilna bez obzira na geografsku regiju u kojoj se koristi.

1.2.2 Vodootpornost

Površina polisiloksana sastoji se od metilskih grupa, što mu daje hidrofobne svojstva i izvanrednu vodootpornost.

1.2.3 Električka svojstva

Silikonska guma sadrži manje ugljičnih atoma od organičkih polimera, što rezultira izvanrednom otpornością na iskru i praćenje. Također, čak i kad se sagori, formira izolativnu siliciju, što dodatno osigurava izvanrednu električnu izolacijsku sposobnost.

1.2.4 Otpornost na vremenske uvjete

Kao što je prikazano u Tablici 1, energija veze siloksana je veća od energije ultraljubičaste svjetlosti, što ju čini otpornoj na staranje uzrokovano UV zračenjem. U ubrzanim testovima otpornosti na ozon, organički polimeri puknu sekunde do sati, dok silikonska guma nakon četiri tjedna staranja pokazuje samo blagu smanjenu čvrstoću, a pukotine se ne pojave, što pokazuje izvanrednu otpornost na ozon (vidi Tablicu 2). Kiša kisela je mješavina ioniziranih rastvora s pH oko 5.6. Izveden je test umjetne kiše 500 puta koncentriranije od one navedene u Tablici 3. Silikonska guma pokazuje izvanrednu kemijsku otpornost, kao što je prikazano u Tablici 4. Iako izlaganje mješavini poput kiselog kiše može uzrokovati neke promjene, očekuje se da će utjecaj biti minimalan.

Napomena: Na sobnoj temperaturi, s koncentracijom ozona od 200 ppm i 50% tenzije nataženosti gume, površina ne pukne čak ni nakon 28 dana staranja.

Jedinica: g na 2 L dejonizirane vode.

1.2.5 Trajna deformacija

Silikonska guma pokazuje bolja svojstva trajne deformacije (uključujući trajnu proširenost i kompresijsku set) na sobnoj i visokoj temperaturi u usporedbi s organičkim polimerima.

2 Klasifikacija silikonske gumene

Silikonska guma može se klasificirati u čvrstu i tekuću, ovisno o stanju prije vulkanizacije, i u peroksidnu vulkanizaciju, adicijsku vulkanizaciju i kondenzacijsku vulkanizaciju, ovisno o mehanizmu vulkanizacije. Glavna razlika između čvrste i tekuće silikonske gumene leži u molekulskoj masi polisiloksana. Čvrsta silikonska guma može se vulkanizirati putem peroksidne vulkanizacije ili adicijske vulkanizacije, i često se naziva visokotemperaturna vulkanizirana guma (HTV) ili guma vulkanizirana toplinom (HCR) (vidi Tablice 5 i 6).

Iako se tekuća silikonska guma vulkanizirana adicijskom reakcijom također može vulkanizirati na sobnoj temperaturi, ovisno o metodi obrade i temperaturi vulkanizacije, označava se kao tekuća silikonska guma (LSR), niskotemperaturna vulkanizirana guma (LTV) ili dvokomponentna guma vulkanizirana na sobnoj temperaturi (RTV). U proizvodnji polimerne izolacije, često se koriste procesi injekcijskog lisovanja i litje.

Jednokomponentna kondenzacijska (vlago-vulkanizirana) silikonska guma može se koristiti u građevinskim sjajnicama, kao i u električnim i elektroničkim proizvodima. U električnim primjenama, rastvorljive sjajnice vulkanizirane na sobnoj temperaturi (RTV) često se sprskaju na keramičke izolatore kao zaštitni materijal.

2.1 Silikonska guma s trihidratom aluminija (ATH)

Silikonska guma s dobrom otpornosti na praćenje i iskru može se dobiti uključivanjem visokog udjela trihidrata aluminija (ATH). Silikonska guma ispuna 50 dijelova po masi ATH-a pokazuje prihvatljivu otpornost na praćenje visokim naponom (4.5 kV), uz izvanrednu otpornost na iskru, vremenske uvjete, solani magle i kišu kiselu, što ju čini prikladnom za izolacijski materijal u područjima s teškim solanim maglama. Međutim, zbog visokog udjela ATH-a, ovaj materijal pati od viske viskoznosti (slabe plastičnosti) i niske mehaničke čvrstoće.

2.2 Silikonska guma bez trihidrata aluminija (ATH)

U kontinentalnim područjima Europske unije i sličnim područjima s minimalnim solanim maglom i niskim stupnjem zagađenja, može se koristiti silikonska guma bez ATH ispune. U takvim slučajevima, odgovarajući odabir osnovne silikonske gumene, površinska obrada amorskog kremnij dioksida i dodavanje spojeva koji poboljšavaju otpornost na praćenje može poboljšati hidrofobnost kako bi zadovoljila zahtjeve za otpornost na praćenje visokim naponom. U usporedbi s silikonskom gumom ispunoj ATH-om, ovaj tip ima nižu viskoznost i superiornija mehanička i električna svojstva.

2.3 Za vanjske akcesoire za kabelske spojeve

Budući da su vanjski akcesoriji za kabelske spojeve izloženi teškim vremenskim uvjetima, moraju posjedovati dobrą otpornost na praćenje. Materijali s niskom trajnom elongacijom mogu se postići korištenjem polimera s optimiziranom gustoćom križanja, prikladnih za proizvode sa suženjem pri sobnoj temperaturi (hladno suženje).

2.4 Za unutarnje akcesoire za kabelske spojeve

Unutarnji akcesoriji za kabelske spojeve rijetko su izloženi solanim maglima, pa se često ne zahtijeva otpornost na praćenje. No, kada se koriste u aplikacijama sa suženjem pri sobnoj temperaturi (hladno suženje), i dalje su potrebna svojstva niske trajne deformacije.

2.5 Aplikacije sjajnice

Sprskanje silikonskih gumenih sjajnica na teško zagađena područja može održati dobru hidrofobnost na dug rok. Sjajnice se također mogu nanositi na već instalirane izolatore ovisno o stupnju zagađenja, omogućujući njihovu nastavnu upotrebu i smanjenje troškova. Nedavni izvještaji pokazuju da nanosenje sjajnice na silikonske gumeni izolatori može dodatno poboljšati zadržavanje hidrofobnosti. Trenutno postoje dvije glavne vrste: sjajnice na izolatorima i gumeni izolatori.

3 Zaključak

Ovaj rad je uveo materijale silikonske gumene za polimerne izolatore. Različite institucije i proizvođači provode nastavna istraživanja i testiranja. Ako se kroz testove dugotrajnosti i drugih performansi može pokazati visoka pouzdanost, očekuje se da će primjena silikonskih gumenih izolatora još više proširiti.