Silikonowa guma w izolatorach wysokiego napięcia: Właściwości klasyfikacje i zastosowania
Od drugiej połowy XIX wieku jedynymi materiałami izolacyjnymi odpowiednimi do wysokonapięciowych linii przesyłowych były ceramika i szkło. Od lat 40. XX wieku, z powstaniem materiałów polimerowych, ceramika i szkło nie były już preferowanym wyborem, co skłoniło kraje Europy i Ameryki do rozpoczęcia badań nad polimerowymi izolatorami. Następnie przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad właściwościami fizycznymi, charakterystyką elektryczną, długoterminową niezawodnością i optymalnymi kształtami izolatorów elektrycznych, a efektywność produkcji ciągle się poprawiała.
Spośród wysokocząsteczkowych materiałów zdolnych zastąpić ceramikę i szkło, kauczuk silikonowy od lat 60. XX wieku pokazał praktyczne możliwości zastosowania i wyróżnił się wśród różnych polimerów. Kauczukowe izolatory silikonowe oferują kilka zalet w porównaniu z izolatorami ceramicznymi: pierwsze, są lekkie, łatwe w obsłudze i bezpieczniejsze; drugie, izolatory ceramiczne są podatne na pękania pod wpływem uderzeń, podczas gdy izolatory silikonowe mogą skutecznie wytrzymać mechaniczne wstrząsy, takie jak kolizje pojazdów z słupami elektroenergetycznymi.
Chociaż inne materiały polimerowe również mają wymienione powyżej zalety, tylko kauczuk silikonowy powoduje minimalne zanieczyszczenie środowiska. Polimerowe izolatory są wodoodporne, zapobiegając przeciekowi prądu i łukom powierzchniowym spowodowanym kropelkami wody. Ponadto hydrofobowość izolatorów silikonowych odnawia się szybciej niż innych polimerowych izolatorów, co czyni je trwałą substancją odpowiednią do długoterminowego użytku w surowych warunkach. Ten artykuł wyjaśnia cechy kauczuku silikonowego używanego w wysokonapięciowej izolacji elektrycznej i wprowadza nowe trendy rozwojowe.
1 Cechy kauczuku silikonowego
1.1 Cechy chemiczne wiązania siloksanowego
1.1.1 Chemicznie stabilne wiązanie
Szkielet kauczuku silikonowego składa się z wiązań siloksanowych (Si-O). Ze względu na istotną różnicę elektro negatywności między Si (1.8) a O (3.5), powstaje struktura polarizowana, jak pokazano na Rysunku 1 (pominięto), która ma cechy wiązania jonowego. W konsekwencji energia wiązania Si-O jest wyższa niż energia wiązania C-C (patrz Tabela 1). Ponadto: (1) ze względu na jonowy charakter głównego łańcucha, polarność grup metylowych C-H w bocznych łańcuchach jest zmniejszona, co sprawia, że są mniej narażone na atak przez inne cząsteczki, co prowadzi do doskonałej stabilności chemicznej; (2) ponieważ Si nie tworzy łatwo podwójnych lub potrójnych wiązań, główny łańcuch jest mniej podatny na rozkład, a wiązania Si-C są bardzo stabilne, co dodatkowo wzmacnia stabilność szkieletu kauczuku silikonowego.
1.1.2 Wysokosprężysty polimer
Kąt wiązania siloksanowego (Si-O-Si) jest duży (130°-160°), co daje mu większą swobodę niż organiczne polimery (kąt wiązania C-C wynosi około 110°). Dodatkowo, długość wiązania Si-O (1.64 Å) jest dłuższa niż C-C (1.5 Å). To oznacza, że cała cząsteczka polimeru jest bardziej ruchliwa i łatwiejsza do deformacji.
1.1.3 Struktura helikoidalna
Ze względu na helikoidalną strukturę polisiloksanu, wiązania siloksanowe w głównym łańcuchu są przyciągane wewnątrz przez siłę jonową, podczas gdy zewnętrzna część składa się z grup metylowych o słabych oddziaływaniach międzycząsteczkowych, co powoduje słabe siły międzycząsteczkowe.
1.2 Właściwości kauczuku silikonowego
Na podstawie cech chemicznych opisanych w punkcie 1.1, kauczuk silikonowy posiada następujące właściwości odpowiednie do wysokonapięciowej izolacji elektrycznej.
1.2.1 Odporność na ciepło i zimno
Dzięki wysokiej energii wiązania i doskonałej stabilności chemicznej, kauczuk silikonowy ma lepszą odporność na ciepło niż organiczne polimery. Ponadto, ze względu na słabe siły międzycząsteczkowe, ma niską temperaturę przejścia szklanego i doskonałą odporność na zimno. Dlatego jego wydajność pozostaje stabilna niezależnie od regionu geograficznego, w którym jest używany.
1.2.2 Odporność na wodę
Powierzchnia polisiloksanu składa się z grup metylowych, co nadaje jej właściwości hydrofobowe i doskonałą odporność na wodę.
1.2.3 Właściwości elektryczne
Kauczuk silikonowy zawiera mniej atomów węgla niż organiczne polimery, co powoduje doskonałą odporność na łuki i ścieżki. Ponadto, nawet podczas spalania, tworzy izolującą krzemionkę, co dalej zapewnia doskonałą wydajność izolacji elektrycznej.
1.2.4 Odporność na warunki atmosferyczne
Jak pokazano w Tabeli 1, energia wiązania siloksanowego jest wyższa niż energia światła ultrafioletowego, co czyni go odpornym na starzenie spowodowane UV. W przyspieszonych testach odporności na ozon, organiczne polimery pękają w ciągu sekund do godzin, podczas gdy kauczuk silikonowy po czterech tygodniach starzenia pokazuje tylko lekkie obniżenie wytrzymałości, bez pęknięć, co świadczy o doskonałej odporności na ozon (patrz Tabela 2). Deszcz kwasowy to mieszanka roztworów jonowych o pH około 5.6. Przeprowadzono test z 500-krotnie skoncentrowanym sztucznym deszczem kwasowym przy użyciu roztworu wymienionego w Tabeli 3. Kauczuk silikonowy pokazuje doskonałą odporność chemiczną, jak pokazano w Tabeli 4. Mimo że ekspozycja na mieszanki roztworów, takie jak deszcz kwasowy, może powodować pewne zmiany, ich wpływ jest oczekiwany jako minimalny.
Uwaga: W temperaturze pokojowej, przy stężeniu ozonu 200 ppm i naprężeniu rozciągania gumy 50%, powierzchnia nie pęka nawet po 28 dniach starzenia.
Jednostka: g na 2 L wody destylowanej.
1.2.5 Stałe deformacje
Kauczuk silikonowy pokazuje lepsze właściwości stałych deformacji (w tym stałe wydłużenie i permanentna deformacja sprężysta) zarówno w temperaturze pokojowej, jak i podwyższonej, w porównaniu z organicznymi polimerami.
2 Klasyfikacja kauczuku silikonowego
Kauczuk silikonowy można klasyfikować na stały i płynny, w zależności od stanu przed wulkanizacją, oraz na wulkanizowany peroksydem, dodatkowy i kondensacyjny, w zależności od mechanizmu wulkanizacji. Główna różnica między stałym a płynnym kauczukiem silikonowym polega na masie cząsteczkowej polisiloksanu. Staly kauczuk silikonowy może być wulkanizowany zarówno peroksydem, jak i reakcją dodatkową, i często nazywany jest kauczukiem wulkanizowanym w wysokiej temperaturze (HTV) lub kauczukiem wulkanizowanym termicznie (HCR) (patrz Tabele 5 i 6).
Mimo że płynny kauczuk silikonowy wulkanizowany reakcją dodatkową może również wulkanizować w temperaturze pokojowej, jest oznaczany jako płynny kauczuk silikonowy (LSR), kauczuk wulkanizowany w niskiej temperaturze (LTV) lub dwuskładnikowy kauczuk wulkanizowany w temperaturze pokojowej (RTV), w zależności od metody przetwarzania i temperatury wulkanizacji. W produkcji polimerowych izolatorów powszechnie stosowane są procesy wtrysku i lepienia.
Jednoskładnikowy kauczuk silikonowy typu kondensacyjnego (wulkanizowany wilgocią) może być używany w uszczelnieniach budowlanych, a także w produktach elektrycznych i elektronicznych. W zastosowaniach elektrycznych, rozcieńczane rozpuszczalnikiem pokrycia kauczukowe silikonowe typu RTV są często nanoszone na izolatory ceramiczne jako materiały ochronne.
2.1 Kauczuk silikonowy z trihydroksydkiem glinu (ATH)
Kauczuk silikonowy o dobrych właściwościach odporności na ścieżki i łuki można uzyskać poprzez dodanie dużej ilości trihydroksyku glinu (ATH). Kauczuk silikonowy z 50 częściami masy ATH pokazuje akceptowalną odporność na ścieżki wysokiego napięcia (4.5 kV), a także doskonałą odporność na łuki, warunki atmosferyczne, mgłę solną i deszcz kwasowy, co czyni go odpowiednim materiałem izolacyjnym w obszarach z ciężką mgłą solną. Jednak ze względu na wysoką zawartość ATH, ten materiał charakteryzuje się wysoką lepkością (słaba plastyczność) i niską wytrzymałością mechaniczną.
2.2 Kauczuk silikonowy bez trihydroksyku glinu (ATH)
W lądowych obszarach Europy i podobnych regionach z minimalną mgłą solną i niskim poziomem zanieczyszczeń, można używać kauczuku silikonowego bez wypełniacza ATH. W takich przypadkach odpowiedni wybór bazowego kauczuku silikonowego, obróbka powierzchni pyłu krzemionkowego i dodatek środków wzmacniających odporność na ścieżki mogą poprawić hydrofobię, aby spełniała wymagania dotyczące odporności na ścieżki wysokiego napięcia. W porównaniu z kauczukiem silikonowym z wypełnikiem ATH, ten typ ma niższą lepkość i lepsze właściwości mechaniczne i elektryczne.
2.3 Dla akcesoriów kablowych na zewnątrz
Ponieważ akcesoria kablowe na zewnątrz są narażone na surowe warunki, muszą posiadać dobrą odporność na ścieżki. Materiały o niskiej permanencji wydłużenia można uzyskać, używając polimerów o zoptymalizowanej gęstości sieci, odpowiednich dla produktów kurczących się w temperaturze otoczenia (zimnego kurczenia).
2.4 Dla akcesoriów kablowych wewnątrz
Akcesoria kablowe wewnątrz prawdopodobnie nie będą narażone na mgłę solną, więc nie wymagana jest odporność na ścieżki. Jednak w zastosowaniach kurczących się w temperaturze otoczenia (zimnego kurczenia) nadal niezbędne są niskie właściwości stałych deformacji.
2.5 Zastosowania pokrywcze
Naniesienie pokryć kauczukowych silikonowych na obszary silnie zanieczyszczone może utrzymać dobrą hydrofobię w długim okresie. Pokrycia mogą być również nanoszone na już zainstalowane izolatory, w zależności od poziomu zanieczyszczeń, umożliwiając kontynuację użytkowania i oszczędzanie kosztów. Ostatnie raporty wskazują, że nanoszenie pokryć kauczukowych silikonowych na izolatory może jeszcze bardziej zwiększyć retencję hydrofobii. Obecnie istnieją dwa główne typy: pokryte izolatory i izolatory typu kauczukowego.
3 Podsumowanie
Ten artykuł wprowadził materiały kauczukowe silikonowe do polimerowych izolatorów. Wielu instytucji i producentów przeprowadza nadal badania i testy. Jeśli wysoka niezawodność zostanie udowodniona przez testy trwałości i innych parametrów, zastosowanie izolatorów z kauczuku silikonowego może zostać dalej rozszerzone.
