Silicone Rubber in High-Voltage Insulators: Eigenschappen Indelingen en Toepassingen

Sinds de tweede helft van de 19e eeuw waren keramiek en glas de enige isolatiematerialen die geschikt waren voor hoogspanningskabels. Vanaf de jaren veertig, met de opkomst van polymeren, werden keramiek en glas niet langer als de voorkeurste keuze beschouwd, waardoor landen in Europa en Amerika begonnen met het onderzoek naar polymeerisolatoren. Daarna werden uitgebreide studies uitgevoerd naar de fysieke eigenschappen, elektrische kenmerken, langetermijnbetrouwbaarheid en optimale vormen van elektrische isolatoren, en de productieefficiëntie bleef verbeteren.

Onder de hoogmoleculaire materialen die keramiek en glas kunnen vervangen, heeft siliconerubber sinds de jaren zestig praktische toepassingsprestaties getoond en zich onderscheiden tussen verschillende polymeren. Siliconerubberisolatoren bieden verschillende voordelen ten opzichte van keramisch isolatoren: ten eerste zijn ze lichtgewicht, gemakkelijk te hanteren en veiliger; ten tweede zijn keramische isolatoren gevoelig voor barsten bij impact, terwijl siliconerubberisolatoren effectief kunnen weerstaan tegen mechanische schokken zoals botsingen van voertuigen met elektriciteitspalen.

Hoewel andere polymere materialen ook de bovengenoemde voordelen bezitten, veroorzaakt alleen siliconerubber minimale milieuvervuiling. Polymeerisolatoren zijn waterbestendig, waardoor lekstromen en oppervlaktebogen veroorzaakt door waterdruppels worden voorkomen. Bovendien herstelt de hydrofobe eigenschap van siliconerubberisolatoren sneller dan die van andere polymeerisolatoren, waardoor ze een duurzaam materiaal zijn dat geschikt is voor langdurig gebruik in ruige omstandigheden. Dit artikel legt de eigenschappen van siliconerubber uit die gebruikt wordt voor hoogspannings-elektrische isolatie en introduceert recente ontwikkelingstrends.

1 Eigenschappen van Siliconerubber

1.1 Chemische Eigenschappen van de Siloxanebinding

1.1.1 Chemisch Stabiele Binding

Het frame van siliconerubber bestaat uit siloxane (Si-O) bindingen. Door het aanzienlijke verschil in elektronegativiteit tussen Si (1.8) en O (3.5) wordt een gepolariseerde structuur gevormd, zoals weergegeven in Figuur 1 (weggelaten), die ionische bindingseigenschappen vertoont. Daarom is de bindingsenergie van Si-O hoger dan die van C-C (zie Tabel 1). Bovendien: (1) door de ionische aard van de hoofdketen wordt de polariteit van de methyl C-H groepen in de zijketens verminderd, waardoor ze minder vatbaar zijn voor aanval door andere moleculen, wat resulteert in uitstekende chemische stabiliteit; (2) omdat Si geen dubbele of drievoudige bindingen gemakkelijk vormt, is de hoofdketen minder geneigd tot decompositie, en de Si-C bindingen zijn daardoor zeer stabiel, wat de stabiliteit van het siliconerubberframe verder verhoogt.

1.1.2 Hoog Flexibel Polymer

De bindingshoek van siloxane (Si-O-Si) is groot (130°–160°), wat hem meer vrijheid geeft dan organische polymeren (C-C bindingshoek ~110°). Bovendien is de Si-O bindinglengte (1.64 Å) langer dan die van C-C (1.5 Å). Dit betekent dat het overkoepelende polymermolecuul mobieler is en makkelijker te deformeren.

1.1.3 Helixstructuur

Door de helixstructuur van polysiloxaan worden de siloxanebindingen in de hoofdketen naar binnen getrokken door ionische aantrekkingskracht, terwijl de buitenkant bestaat uit methylgroepen met zwakke intermoleculaire interacties, wat resulteert in zwakke intermoleculaire krachten.

1.2 Eigenschappen van Siliconerubber

Op basis van de in Sectie 1.1 beschreven chemische eigenschappen bezit siliconerubber de volgende eigenschappen die geschikt zijn voor hoogspannings-elektrische isolatie.

1.2.1 Hitte- en Koudbestendigheid

Door de hoge bindingsenergie en uitstekende chemische stabiliteit heeft siliconerubber betere hittebestendigheid dan organische polymeren. Bovendien heeft het door de zwakke intermoleculaire krachten een lage glastransitiestempel en uitstekende koudbestendigheid. Daarom blijft de prestatie stabiel, ongeacht de geografische regio waarin het wordt gebruikt.

1.2.2 Waterbestendigheid

Het oppervlak van polysiloxaan bestaat uit methylgroepen, wat het hydrofoob maakt en dus uitstekende waterbestendigheid geeft.

1.2.3 Elektrische Eigenschappen

Siliconerubber bevat minder koolstofatomen dan organische polymeren, wat resulteert in uitstekende boogbestendigheid en trackingbestendigheid. Bovendien vormt het zelfs bij verbranding isolerende silica, wat de uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen verder garandeert.

1.2.4 Weerbestendigheid

Zoals weergegeven in Tabel 1, is de bindingsenergie van siloxane hoger dan de energie van ultraviolette (UV) licht, waardoor het resistent is tegen UV-veroudering. In versnelde ozonbestendigheidstests breken organische polymeren binnen seconden tot uren, terwijl siliconerubber na vier weken veroudering slechts een lichte reductie in sterkte toont, zonder scheuren, wat uitstekende ozonbestendigheid aangeeft (zie Tabel 2). Zure regen is een mengsel van ionische oplossingen met een pH van ongeveer 5,6. Een test met 500x geconcentreerde kunstmatige zure regen werd uitgevoerd met de oplossing in Tabel 3. Siliconerubber toont uitstekende chemische bestendigheid, zoals weergegeven in Tabel 4. Hoewel blootstelling aan mengoplossingen zoals zure regen mogelijk enkele veranderingen kan veroorzaken, wordt de impact verwacht te zijn gering.

Opmerking: Bij kamertemperatuur, met een ozongehalte van 200 ppm en een trekspanning van 50% toegepast op het rubber, toont het oppervlak geen scheuren zelfs na 28 dagen veroudering.

Eenheid: g per 2 L gedestilleerd water.

1.2.5 Permanente Deformatie

Siliconerubber toont betere permanente deformatie-eigenschappen (inclusief permanente rek en compressie-instelling) zowel bij kamertemperatuur als bij hoge temperaturen vergeleken met organische polymeren.

2 Classificatie van Siliconerubber

Siliconerubber kan worden ingedeeld in vaste en vloeibare typen, afhankelijk van de staat ervan voor vulcanisatie, en in peroxide-harden, additie-harden en condensatie-harden typen, afhankelijk van het hardenmechanisme. Het belangrijkste verschil tussen vaste en vloeibare siliconerubber ligt in het molecuulgewicht van de polysiloxaan. Vast siliconerubber kan worden gehard via peroxide-harden of additie-harden, en wordt meestal aangeduid als high-temperature vulcanizing rubber (HTV) of heat-cured rubber (HCR) (zie Tabellen 5 en 6).

Hoewel vloeibare siliconerubber dat wordt gehard door additie-reactie ook kan worden gehard bij kamertemperatuur, wordt het aangeduid als vloeibare siliconerubber (LSR), low-temperature vulcanizing rubber (LTV) of two-part room-temperature vulcanizing rubber (RTV), afhankelijk van de bewerkingsmethode en de hardingstemperatuur. In de productie van polymeerisolatoren worden injectiegieterij en gieten vaak gebruikt.

Eéncomponent condensatie-type (vocht-hardend) siliconerubber kan worden gebruikt in bouwkit, evenals in elektrische en elektronische producten. In elektrische toepassingen worden oplosmiddelen-geverfde room-temperature vulcanizing (RTV) siliconerubber coatings vaak gespoten op keramische isolatoren als beschermende materialen.

2.1 Siliconerubber met Aluminium Trihydroxide (ATH)

Siliconerubber met goede trackingbestendigheid en boogbestendigheid kan worden verkregen door een hoge hoeveelheid aluminium trihydroxide (ATH) toe te voegen. Siliconerubber gevuld met 50 delen massa ATH toont aanvaardbare bestendigheid tegen hoogspannings (4,5 kV) tracking, samen met uitstekende boogbestendigheid, weerbestendigheid, zoutnevelbestendigheid en zure regenbestendigheid, waardoor het geschikt is als isolatiemateriaal in gebieden met zware zoutnevel. Echter, door de hoge ATH-inhoud heeft dit materiaal een hoge viscositeit (slechte plasticiteit) en een lage mechanische sterkte.

2.2 Siliconerubber zonder Aluminium Trihydroxide (ATH)

In inlandse gebieden van Europa en vergelijkbare regio's met minimale zoutnevel en lage verontreinigingsniveaus kan siliconerubber zonder ATH-vuller worden gebruikt. In dergelijke gevallen kan de selectie van de basis siliconerubber, de oppervlaktebehandeling van fumed silica en de toevoeging van compounding-agenten die de trackingbestendigheid verhogen, de hydrofobe eigenschappen verbeteren om aan de eisen voor hoogspannings-trackingbestendigheid te voldoen. In vergelijking met ATH-gevuld siliconerubber heeft dit type een lagere viscositeit en superieure mechanische en elektrische eigenschappen.

2.3 Voor Outdoor Kabelaccessoires

Aangezien outdoor kabelaccessoires blootgesteld zijn aan ruige omstandigheden, moeten ze goede trackingbestendigheid bezitten. Materialen met lage permanente rek kunnen worden verkregen door het gebruik van polymeren met geoptimaliseerde kruislings dichtheid, die geschikt zijn voor omgevingstemperatuur-verkleinde (cold-shrink) producten.

2.4 Voor Indoor Kabelaccessoires

Indoor kabelaccessoires zullen waarschijnlijk niet worden beïnvloed door zoutnevel, dus is trackingbestendigheid vaak niet vereist. Echter, wanneer deze worden gebruikt in omgevingstemperatuur-verkleinde (cold-shrink) toepassingen, zijn lage permanente deformatie-eigenschappen nog steeds nodig.

2.5 Coatings Toepassingen

Het spuiten van siliconerubber coatings op zwaar verontreinigde gebieden kan de goede hydrofobe eigenschappen op de lange termijn behouden. Coatings kunnen ook worden aangebracht op al geïnstalleerde isolatoren, afhankelijk van het verontreinigingsniveau, waardoor ze in dienst kunnen blijven en kosten kunnen worden bespaard. Recent rapporteren wijst erop dat het coating van siliconerubber isolatoren de retentie van hydrofobe eigenschappen verder kan versterken. Momenteel bestaan er twee hoofdtypes: gecoate isolatoren en rubber-type isolatoren.

3 Conclusie

Dit artikel heeft siliconerubbermaterialen voor polymeerisolatoren geïntroduceerd. Verschillende instellingen en fabrikanten voeren momenteel onderzoek en tests uit. Als hoge betrouwbaarheid kan worden aangetoond door duurzaamheid en andere prestatietests, wordt de toepassing van siliconerubberisolatoren verwacht verder uit te breiden.