Silitonska guma v visokonapetostnih izolatorjih: Lastnosti razvrščanje in uporabe

Od druge polovice 19. stoletja so edini izolacijski materiali, primerjni za visokonapetostne prenosne linije, bili keramika in steklo. S pojavom polimernih materialov v 40. letih sta keramika in steklo prestala biti prva izbira, kar je povzročilo, da države v Evropi in Ameriki začnejo raziskovati polimerne izolatorje. Nato so se izvajale obsežne študije o fizičnih lastnostih, električnih značilnosti, dolgoročni zanesljivosti in optimalnih oblikah električnih izolatorjev, hkrati pa se je nenehno izboljševala proizvodnja.

Med visokomolekulskimi materiali, ki lahko nadomeščajo keramiko in steklo, je silikonska guma od 60. let pokazala praktično uporabnost in se izkazala kot izstopajoča med različnimi polimeri. Silikonski gumni izolatorji imajo več prednosti pred keramičnimi izolatorji: prvič, so lažji, lažje ravnanje in varnejši; drugič, keramični izolatorji so podvrženi pukavnicam pri udarih, medtem ko silikonski gumni izolatorji učinkovito prenašajo mehanske udarce, kot so npr. nesreče s stolpi.

Čeprav drugi polimerni materiali tudi imajo omenjene prednosti, silikonska guma povzroča minimalno onesnaževanje okolja. Polimerne izolatorje ne premoči voda, kar preprečuje utrjujoči tok in površinske luknje, ki jih povzročajo kapljice vode. Poleg tega se hidrofobnost silikonskih gumenih izolatorjev hitreje obnovi v primerjavi z drugimi polimernimi izolatorji, kar jih čini trdnim materialom, primernim za dolgoročno uporabo v težkih okoljskih pogojih. Ta članek razloži značilnosti silikonske gumne za visokonapetostno električno izolacijo in predstavi nedavne trende v razvoju.

1 Značilnosti silikonske gumne

1.1 Kemijske značilnosti siloksanske vezave

1.1.1 Kemijsko stabilna vezava

Osnova silikonske gumne sestoji iz siloksanskih (Si-O) vezav. Zaradi velike razlike v elektronegativnosti med Si (1,8) in O (3,5) se oblikuje polarizirana struktura, kot je prikazano na Sliki 1 (izpuščeno), ki kaže značilnosti ionskih vezav. Torej je energija vezave Si-O višja od C-C (glej Tabelo 1). Poleg tega: (1) zaradi ionskih lastnosti glavne verige se polarnost metilnih skupin C-H v bočnih verigah zmanjša, kar jih čini manj občutljivimi na napade drugih molekul, kar vodi v odlično kemijsko stabilnost; (2) ker Si redko oblikuje dvojne ali trojne vezave, je glavna veriga manj podvržena razpadu, in vezave Si-C so zato zelo stabilne, kar dodatno izboljša stabilnost osnovne verige silikonske gumne.

1.1.2 Visoko gibljiv polimer

Kot siloksana (Si-O-Si) je velik (130°-160°), kar mu omogoča višjo prostost kot organičnim polimerom (C-C kot ~110°). Poleg tega je dolžina vezave Si-O (1,64 Å) daljša od C-C (1,5 Å). To pomeni, da je celotna polimerna molekula bolj gibla in lažje deformabilna.

1.1.3 Škrkalna struktura

Zaradi škrkalne strukture polisiloksana so siloksanske vezave na glavni verigi privabljeni notranjo ionsko privlačnostjo, medtem ko je zunanjica sestavljena iz metilskih skupin z slabi mehansko interakcijo, kar vodi v slabe medmolekularne sile.

1.2 Lastnosti silikonske gumne

Na osnovi kemijskih značilnosti, opisanih v Oddelku 1.1, ima silikonska guma naslednje lastnosti, primerne za visokonapetostno električno izolacijo.

1.2.1 Toplotna in hladna odpornost

Zaradi visoke energije vezave in odlične kemijske stabilnosti ima silikonska guma boljšo toplotno odpornost od organičnih polimerov. Poleg tega, zaradi slabi medmolekulnih sil, ima nizko temperaturo sklenitve in odlično hladno odpornost. Zato ostaja njena delovanje stabilno, ne glede na geografsko regijo, v kateri se uporablja.

1.2.2 Vodootpeljiva lastnost

Površina polisiloksana je sestavljena iz metilskih skupin, kar ji podeljuje hidrofobne lastnosti in tako odlično vodootpeljivo lastnost.

1.2.3 Električne lastnosti

Silikonska guma vsebuje manj ogljikovih atomov kot organični polimeri, kar vodi v odlično odpornost na luke in sledenje. Poleg tega, tudi kadar gori, tvori izolirajoč kremnik, kar še dodatno zagotavlja odlične električne izolacijske lastnosti.

1.2.4 Odpornost na vremenske pogoje

Kot je prikazano v Tabeli 1, je energija vezave siloksana višja od energije ultravijoličnega (UV) svetlobe, kar jo čini odporno na staranje, povzročeno UV svetlobi. V pospešenih testih odpornosti na ozon se organični polimeri razcepijo v sekundah do ur, medtem ko silikonska guma po štirih tednih starejanja prikaže le malenkostno zmanjšanje čvrstočnosti, brez opaznih puknin, kar kaže na odlično odpornost na ozon (glej Tabelo 2). Kislinski dež je mešana ionska rešitev z pH približno 5,6. Izvedel je bil test s 500-krat koncentriranim umetnim kislanskim dežem, uporabljenim rešitvijo, navedeno v Tabeli 3. Silikonska guma kaže odlično kemijsko odpornost, kot je prikazano v Tabeli 4. Čeprav morebitni kontakt z mešanima rešitvama, kot je kislini dež, lahko povzroči nekatere spremembe, je pričakovano, da bo vpliv minimalen.

Opomba: Pri sobni temperaturi, koncentraciji ozona 200 ppm in 50% pretiranju gume, površina ne kaže puknin, tudi po 28 dneh starejanja.

Enota: g na 2 L dejonizirane vode.

1.2.5 Trajna deformacija

Silikonska guma prikaže boljše lastnosti trajne deformacije (vključno z trajno raztegnjenostjo in kompresijskim setom) pri sobni in visoki temperaturi v primerjavi z organičnimi polimeri.

2 Razvrščanje silikonske gumne

Silikonska guma se lahko razvršča v pevko in tekočo glede na stanje pred vulkanizacijo, ter v peroxidno vulkanizacijo, adicijsko vulkanizacijo in kondenzacijsko vulkanizacijo glede na mehanizem vulkanizacije. Glavna razlika med pevkno in tekočo silikonsko gumno je v molekularni masi polisiloksana. Pevka silikonska guma se lahko vulkanizira z peroxidno ali adicijsko vulkanizacijo in se pogosto imenuje visokotemperaturna vulkanizirana guma (HTV) ali termovulkanizirana guma (HCR) (glej Tabeli 5 in 6).

Čeprav se tekoča silikonska guma, ki se vulkanizira z adicijsko reakcijo, lahko tudi vulkanizira pri sobni temperaturi, se označuje kot tekoča silikonska guma (LSR), nizkotemperaturna vulkanizirana guma (LTV) ali dvodelna vulkanizirana guma pri sobni temperaturi (RTV), glede na postopek obdelave in temperaturo vulkanizacije. V proizvodnji polimernih izolatorjev se pogosto uporabljata procesi injekcijske litje in livarjenje.

Jednorazredna kondenzacijska (vlagozdna) silikonska guma se lahko uporablja v gradbenih zaprtih materialih in v električnih in elektronskih izdelkih. V električnih aplikacijah se pogosto nanesejo razrediti s plinom dvodelne vulkanizirane (RTV) silikonske gume na keramične izolatorje kot zaščitni materiali.

2.1 Silikonska guma s trihidroksidom aluminija (ATH)

Silikonska guma z dobrom sledenjem in odpornostjo na luke se lahko dobi z dodajanjem visokega odstotka trihidrokrida aluminija (ATH). Silikonska guma, napolnjena z 50 deleži po masi ATH, prikazuje sprejemljivo odpornost na sledenje visokih napetosti (4,5 kV), skupaj s odlično odpornostjo na luke, vremenske pogoje, solani mlak in kisline, kar jo čini primerno za izolacijski material v območjih z intenzivnim solanim mlakom. Vendar, zaradi visokega odstotka ATH, ta material trpi zaradi viskega globočja (slaba plastičnost) in nizke mehanske čvrstočnosti.

2.2 Silikonska guma brez trihidroksida aluminija (ATH)

V notranjih območjih Evrope in podobnih območjih z minimalnim solanim mlakom in nizkimi raven onesnaženosti se lahko uporablja silikonska guma brez ATH napolnila. V takšnih primerih se lahko z ustrezno izbiro osnovne silikonske gumne, površinsko obdelavo dimnih silik, in dodajanjem spojin, ki izboljšujejo odpornost na sledenje, izboljša hidrofobnost, da bi zadostila zahtevam za odpornostjo na sledenje visokih napetosti. V primerjavi z ATH-napolnjenimi silikonskimi gumami ima ta vrsta nižje globočje in superiorni mehanske in električne lastnosti.

2.3 Za zunanjepospolne dodatke kablove

Ker so zunanjepospolni dodatki kablove izpostavljeni težkim okoljskim pogoji, morajo imeti dobro odpornost na sledenje. Materiali z nizkim trajnim raztezanjem se lahko doseže z uporabo polimerov z optimizirano gostoto prepletanja, primernih za ambientsko temperatura stiskljive (hladne stiskalne) izdelke.

2.4 Za notranjepospolne dodatke kablove

Notranjepospolni dodatki kablove so verjetno ne bodo vplivali na solani mlak, zato odpornost na sledenje pogosto ni zahtevana. Vendar, kadar se uporabljajo v ambientsko temperatura stiskljivih (hladne stiskalnih) aplikacijah, so še vedno potrebne lastnosti nizke trajne deformacije.

2.5 Aplikacije preliva

Premikanje silikonskih gumenih prelivov na zelo onesnažena območja lahko zagotovi dolgoročno dobro hidrofobnost. Preliv se lahko nanese tudi na že nameščene izolatorje glede na stopnjo onesnaženosti, kar omogoča nadaljnjo uporabo in prihranke stroškov. Nedavni poročili kažejo, da prelivanje silikonskih gumenih izolatorjev lahko še dodatno izboljša ohranjanje hidrofobnosti. Trenutno obstajata dva glavna tipa: prelitvi izolatorjev in gumeni tipi izolatorjev.

3 Zaključek

Ta članek je predstavil material silikonske gumne za polimerni izolatorje. Različne institucije in proizvajalci izvajajo nadaljnja raziskovanja in teste. Če se bo lahko pokazalo visoko zanesljivost, ki jo zagotavljajo testi za izdržljivost in druge lastnosti, se pričakuje, da se bo uporaba silikonskih gumenih izolatorjev še bolj razširila.