Силиконовая резина в высоковольтных изоляторах: свойства классификации и применения

С середины XIX века единственными изоляционными материалами, подходящими для высоковольтных линий электропередач, были керамика и стекло. Начиная с 1940-х годов, с появлением полимерных материалов, керамика и стекло больше не были предпочтительными выборами, что побудило страны Европы и Америки начать исследования полимерных изоляторов. Впоследствии были проведены обширные исследования физических свойств, электрических характеристик, долговечности и оптимальных форм электрических изоляторов, а производительность продолжала улучшаться.

Среди высокомолекулярных материалов, способных заменить керамику и стекло, силиконовый каучук демонстрировал практическую пригодность с 1960-х годов и выделялся среди различных полимеров. Силиконовые резиновые изоляторы имеют несколько преимуществ перед керамическими изоляторами: во-первых, они легкие, удобны в обращении и безопаснее; во-вторых, керамические изоляторы склонны к растрескиванию под ударом, тогда как силиконовые резиновые изоляторы могут эффективно выдерживать механические удары, такие как столкновения автомобилей с опорами.

Хотя другие полимерные материалы также обладают вышеупомянутыми преимуществами, только силиконовый каучук вызывает минимальное загрязнение окружающей среды. Полимерные изоляторы водостойки, что предотвращает утечку тока и поверхностные дуги, вызванные каплями воды. Кроме того, гидрофобность силиконовых резиновых изоляторов восстанавливается быстрее, чем у других полимерных изоляторов, делая их долговечным материалом, подходящим для длительного использования в суровых условиях. В этой статье объясняются характеристики силиконового каучука, используемого в высоковольтной электрической изоляции, и представлены последние тенденции развития.

1 Характеристики силиконового каучука

1.1 Химические характеристики силоксановой связи

1.1.1 Химически стабильная связь

Основа силиконового каучука состоит из силоксановых (Si-O) связей. Из-за значительной разницы в электроотрицательности между Si (1.8) и O (3.5) образуется поляризованная структура, как показано на рисунке 1 (пропущено), проявляющая ионные связи. В результате энергия связи Si-O выше, чем у C-C (см. таблицу 1). Более того: (1) благодаря ионной природе основной цепи, полярность метильных групп C-H в боковых цепях снижается, что делает их менее подверженными атаке другими молекулами, обеспечивая отличную химическую стабильность; (2) поскольку Si не образует двойные или тройные связи, основная цепь менее подвержена распаду, и связи Si-C, следовательно, очень стабильны, что еще больше повышает стабильность основы силиконового каучука.

1.1.2 Высокоэластичный полимер

Угол связи силоксана (Si-O-Si) велик (130°–160°), что дает ему большую свободу, чем органическим полимерам (угол связи C-C ~110°). Кроме того, длина связи Si-O (1.64 Å) длиннее, чем у C-C (1.5 Å). Это означает, что общая молекула полимера более подвижна и легче деформируется.

1.1.3 Спиральная структура

Из-за спиральной структуры полисилоксана силоксановые связи в основной цепи притягиваются внутрь ионным притяжением, в то время как внешняя сторона состоит из метильных групп с слабыми межмолекулярными взаимодействиями, что приводит к слабым межмолекулярным силам.

1.2 Свойства силиконового каучука

На основе химических характеристик, описанных в разделе 1.1, силиконовый каучук обладает следующими свойствами, подходящими для высоковольтной электрической изоляции.

1.2.1 Термостойкость и морозостойкость

Благодаря высокой энергии связи и отличной химической стабильности, силиконовый каучук обладает лучшей термостойкостью, чем органические полимеры. Кроме того, из-за слабых межмолекулярных сил он имеет низкую температуру стеклования и отличную морозостойкость. Поэтому его эксплуатационные характеристики остаются стабильными независимо от географического региона использования.

1.2.2 Водостойкость

Поверхность полисилоксана состоит из метильных групп, что придает ему гидрофобные свойства и, следовательно, отличную водостойкость.

1.2.3 Электрические свойства

Силиконовый каучук содержит меньше атомов углерода, чем органические полимеры, что обеспечивает отличную устойчивость к дуге и трекингу. Кроме того, даже при горении он образует диэлектрическую оксидную пленку, что дополнительно обеспечивает превосходные диэлектрические свойства.

1.2.4 Устойчивость к погодным условиям

Как показано в таблице 1, энергия связи силоксана выше, чем энергия ультрафиолетового (УФ) света, что делает его устойчивым к старению, вызванному УФ-излучением. В ускоренных тестах на устойчивость к озону органические полимеры растрескиваются в течение секунд до часов, в то время как силиконовый каучук показывает лишь небольшое снижение прочности после четырех недель старения, без образования трещин, что указывает на отличную устойчивость к озону (см. таблицу 2). Кислотные дожди представляют собой смесь ионных растворов с pH около 5.6. Проведен тест на искусственный кислотный дождь, концентрация которого была увеличена в 500 раз, используя раствор, перечисленный в таблице 3. Силиконовый каучук демонстрирует отличную химическую устойчивость, как показано в таблице 4. Хотя воздействие смешанных растворов, таких как кислотный дождь, может вызвать некоторые изменения, влияние ожидается минимальным.

Примечание: При комнатной температуре, при концентрации озона 200 ppm и 50% растяжении резины, поверхность не растрескивается даже после 28 дней старения.

Единица: г на 2 литра деионизированной воды.

1.2.5 Постоянная деформация

Силиконовый каучук обладает лучшими характеристиками постоянной деформации (включая постоянное удлинение и компрессионное сжатие) как при комнатной, так и при повышенной температурах по сравнению с органическими полимерами.

2 Классификация силиконового каучука

Силиконовый каучук можно классифицировать на твердый и жидкий типы в зависимости от его состояния перед вулканизацией, а также на пероксидную, аддитивную и конденсационную вулканизацию в зависимости от механизма вулканизации. Основное различие между твердым и жидким силиконовым каучуком заключается в молекулярной массе полисилоксана. Твердый силиконовый каучук может быть вулканизирован либо пероксидной, либо аддитивной вулканизацией, и обычно называется высокотемпературным вулканизированным каучуком (HTV) или тепловым вулканизированным каучуком (HCR) (см. таблицы 5 и 6).

Хотя жидкий силиконовый каучук, вулканизированный аддитивной реакцией, также может вулканизироваться при комнатной температуре, он обозначается как жидкий силиконовый каучук (LSR), низкотемпературный вулканизированный каучук (LTV) или двухкомпонентный вулканизированный каучук при комнатной температуре (RTV), в зависимости от метода обработки и температуры вулканизации. В производстве полимерных изоляторов широко используются процессы литья под давлением и заливки.

Однокомпонентный конденсационный (влагоотверждаемый) силиконовый каучук может использоваться в строительных герметиках, а также в электрических и электронных продуктах. В электрических применениях растворенные в растворителях вулканизируемые при комнатной температуре (RTV) силиконовые резиновые покрытия часто наносятся на керамические изоляторы в качестве защитных материалов.

2.1 Силиконовый каучук с гидроксидом алюминия (ATH)

Силиконовый каучук с хорошей устойчивостью к трекингу и дуге можно получить, добавив большое количество гидроксида алюминия (ATH). Силиконовый каучук, заполненный 50 частями по массе ATH, демонстрирует приемлемую устойчивость к трекингу при высоком напряжении (4.5 кВ), а также отличную устойчивость к дуге, погодным условиям, солевому туману и кислотным дождям, что делает его подходящим в качестве изоляционного материала в районах с сильным солевым туманом. Однако из-за высокого содержания ATH этот материал характеризуется высокой вязкостью (низкой пластичностью) и низкой механической прочностью.

2.2 Силиконовый каучук без гидроксида алюминия (ATH)

В континентальных районах Европы и аналогичных областях с минимальным солевым туманом и низким уровнем загрязнения можно использовать силиконовый каучук без наполнителя ATH. В таких случаях правильный выбор базового силиконового каучука, обработка коллоидного диоксида кремния и добавление компаундов, улучшающих устойчивость к трекингу, могут повысить гидрофобность, чтобы соответствовать требованиям устойчивости к трекингу при высоком напряжении. По сравнению с силиконовым каучуком, заполненным ATH, этот тип имеет меньшую вязкость и лучшие механические и электрические свойства.

2.3 Для наружных кабельных аксессуаров

Так как наружные кабельные аксессуары подвергаются жестким условиям, они должны обладать хорошей устойчивостью к трекингу. Материалы с низкой постоянной деформацией можно получить, используя полимеры с оптимизированной плотностью сшивки, подходящие для изделий, сжимаемых при комнатной температуре (холодного сжатия).

2.4 Для внутренних кабельных аксессуаров

Внутренние кабельные аксессуары, вероятно, не будут подвержены воздействию солевого тумана, поэтому устойчивость к трекингу часто не требуется. Однако при использовании в изделиях, сжимаемых при комнатной температуре (холодного сжатия), все еще необходимы низкие характеристики постоянной деформации.

2.5 Применение покрытий

Нанесение покрытий из силиконового каучука на сильно загрязненные области позволяет сохранять хорошую гидрофобность на длительное время. Покрытия также можно наносить на уже установленные изоляторы в зависимости от уровня загрязнения, что позволяет продолжать их использование и экономить средства. Недавние отчеты указывают, что покрытие силиконовыми резиновыми изоляторами может еще больше улучшить сохранение гидрофобности. В настоящее время существуют два основных типа: покрытые изоляторы и резиновые изоляторы.

3 Заключение

В данной статье представлены материалы из силиконового каучука для полимерных изоляторов. Различные учреждения и производители проводят постоянные исследования и испытания. Если высокая надежность будет продемонстрирована через испытания на долговечность и другие характеристики, применение силиконовых резиновых изоляторов ожидается расшириться еще больше.