Od druge polovine 19. veka, jedini izolacioni materijali koji su bili prikladni za visokonaponske električne linije bile su keramika i staklo. Počevši od 1940-ih godina, sa pojavom polimernih materijala, keramika i staklo više nisu bili preferirani izbor, što je dovelo do toga da zemlje u Evropi i Americi počnu da istražuju polimerne izolatore. Nakon toga, provedene su ekstenzivne studije o fizičkim svojstvima, električnim karakteristikama, dugoročnoj pouzdanosti i optimalnim oblicima električnih izolatora, a efikasnost proizvodnje se nastavila da se unapređuje.
Među visokomolekulskim materijalima koji mogu da zamenjuju keramiku i staklo, silikonska guma je pokazala praktičnu primenu od 1960-ih godina i isticala se među različitim polimerima. Silikonski gumeni izolatori imaju nekoliko prednosti nad keramičkim izolatorima: prvo, oni su lagani, lako se rukovode i sigurniji; drugo, keramički izolatori su podložni pucanju pod udarima, dok silikonski gumeni izolatori efektivno mogu da otpre mehaničke udarce, kao što su sudari vozila sa oporom.
Iako i drugi polimeri poseduju prethodno navedene prednosti, samo silikonska guma dovodi do minimalne ekološke kontaminacije. Polimerne izolatore su vodootporni, prevlačeći strujanje i površinsko iskranje uzrokovano kapljicama vode. Takođe, hidrofobnost silikonskih gumenih izolatora se brže vraća nego kod drugih polimernih izolatora, čime postaju trajan materijal pogodan za dugoročnu upotrebu u teškim uslovima. Ovaj članak objašnjava karakteristike silikonske gume koriste u visokonaponskom električnom izolovanju i predstavlja nedavne trendove u razvoju.
1 Karakteristike silikonske gume
1.1 Hemijske karakteristike siloksanske veze
1.1.1 Hemijski stabilna veza
Osnova silikonske gume sastoji se od siloksanskih (Si-O) veza. Zbog značajne razlike u elektronegativnosti između Si (1.8) i O (3.5), formira se polarizovana struktura, kao što je prikazano na Slici 1 (izostavljeno), koja pokazuje karakteristike jonizovane veze. Kao rezultat, energija veze Si-O je veća od C-C (videti Tabelu 1). Takođe: (1) zbog jonizovane prirode glavne lanice, polaritet metil C-H grupa u bočnim lancima se smanjuje, čime se smanjuje osjetljivost na napad drugih molekula, što dovodi do izuzetne hemijske stabilnosti; (2) budući da Si ne tvori dvostruke ili trostruke veze, glavna lanica je manje podložna dekompoziciji, a Si-C veze su vrlo stabilne, što dodatno unapređuje stabilnost osnove silikonske gume.
1.1.2 Visoko fleksibilni polimer
Ugao veze siloksana (Si-O-Si) je veliki (130°–160°), što mu daje veću slobodu od organskih polimera (ugao C-C veze ~110°). Takođe, dužina veze Si-O (1.64 Å) je duža od C-C (1.5 Å). To znači da je ukupna molekula polimera mobilnija i lakše se deformiše.
1.1.3 Helikalna struktura
Zbog helikalne strukture polisiloksana, siloksanske veze na glavnoj lanci su privučene unutra jonizovanim privlačenjem, dok vanjska strana sastoji se od metilskih grupa sa slabo intermolekulskim interakcijama, što rezultira slabim intermolekulskim silama.
1.2 Svojstva silikonske gume
Na osnovu hemijskih karakteristika opisanih u Odeljku 1.1, silikonska guma poseduje sledeća svojstva koja su prikladna za visokonaponsko električno izolovanje.
1.2.1 Otpornost na toplinu i hladnoću
Zbog visoke energije veze i izuzetne hemijske stabilnosti, silikonska guma ima bolju otpornost na toplinu od organskih polimera. Takođe, zbog slabe intermolekulskih sila, ima nisku temperaturu staklenog prelaza i izuzetnu otpornost na hladnoću. Stoga, njena performansa ostaje stabilna bez obzira na geografsku regiju u kojoj se koristi.
1.2.2 Vodootpornost
Površina polisiloksana sastoji se od metilskih grupa, što joj daje hidrofobne osobine i izuzetnu vodootpornost.
1.2.3 Električka svojstva
Silikonska guma sadrži manje ugljičnih atoma od organskih polimera, što rezultira izuzetnom otpornością na łukowe skoki i śledzenie. Ponadto, nawet w przypadku spalenia, tworzy izolującą krzemionkę, co jeszcze bardziej zapewnia wyższe właściwości izolacji elektrycznej.
1.2.4 Otpornost na vremenske uticaje
Kao što je prikazano u Tabeli 1, energija veze siloksana je veća od energije ultraljubičaste (UV) svetlosti, što ga čini otpornim na staranje uzrokovano UV zračenjem. U ubrzanim testovima otpornosti na ozon, organski polimeri puknu u sekundama do sati, dok silikonska guma pokazuje samo blago smanjenje čvrstoće nakon četiri nedelje staranja, bez pucanja, što ukazuje na izuzetnu otpornost na ozon (videti Tabelu 2). Kiša kiselina je mješavina ionskih rastvora s pH približno 5.6. Test koncentrirane umjetne kiše kiseline od 500x proveden je koristeći rastvor naveden u Tabeli 3. Silikonska guma pokazuje izuzetnu kemotskoj otpornost kao što je prikazano u Tabeli 4. Iako izlaganje mješavinama poput kiše kiseline može dovesti do nekih promjena, očekuje se da će uticaj biti minimalan.
Napomena: Na sobnoj temperaturi, sa koncentracijom ozona od 200 ppm i naprezanjem od 50% na gumi, površina ne pukne čak ni nakon 28 dana staranja.
Jedinica: g po 2 L dejonizovane vode.
1.2.5 Trajna deformacija
Silikonska guma pokazuje bolja svojstva trajne deformacije (uključujući trajnu elongaciju i kompresijsku setu) na sobnoj i povišenoj temperaturi u poređenju s organskim polimerima.
2 Klasifikacija silikonske gume
Silikonska guma može biti klasificirana na čvrstu i tekuću vrstu na osnovu stanja prije vulkanizacije, a na osnovu mehanizma vulkanizacije, na peroksidsku vulkanizaciju, adicijsku vulkanizaciju i kondenzacijsku vulkanizaciju. Glavna razlika između čvrste i tekuće silikonske gume leži u molekulskoj težini polisiloksana. Čvrsta silikonska guma može se vulkanizirati putem peroksidske ili adicijske vulkanizacije, i najčešće se naziva visokotemperaturna vulkanizirana guma (HTV) ili toplinsko vulkanizirana guma (HCR) (videti Tablice 5 i 6).
Iako tekuća silikonska guma vulkanizirana adicijskom reakcijom može se vulkanizirati i na sobnoj temperaturi, ona se oznacava kao tekuća silikonska guma (LSR), niskotemperaturna vulkanizirana guma (LTV) ili dvokomponentna vulkanizirana guma pri sobnoj temperaturi (RTV), u zavisnosti od procesa obrade i temperature vulkanizacije. U proizvodnji polimerne izolacije, često se koriste procesi injekcionog lisovanja i litnje.
Jednokomponentna kondenzacijska (vlagno-vulkanizirana) silikonska guma može se koristiti u građevinskim tepalima, kao i u električnim i elektroničkim proizvodima. U električnim aplikacijama, razrijeđeni dvokomponentni tepali pri sobnoj temperaturi (RTV) često se nanose na keramičke izolatore kao zaštita.
2.1 Silikonska guma sa trihidroksidom aluminijuma (ATH)
Silikonska guma sa dobrom otpornosti na sledenje i lukove skokove može se dobiti dodavanjem visokog udjela trihidroksoalumina (ATH). Silikonska guma ispuna 50 delova po masi ATH-a pokazuje prihvatljivu otpornost na sledenje visokog napon (4.5 kV), zajedno sa izuzetnom otpornosti na lukove skokove, vremenske uticaje, solani magle i kišu kiseline, što je prikladno kao izolacioni materijal u područjima s teškim solanim maglama. Međutim, zbog visokog udjela ATH-a, ovaj materijal trpi visku viskoznost (slabu plastičnost) i nisku mehaničku čvrstoću.
2.2 Silikonska guma bez trihidroksida aluminijuma (ATH)
U kontinentalnim područjima Evrope i sličnim područjima s minimalnim solanim maglama i niskim nivoima zagađenja, može se koristiti silikonska guma bez ATH ispune. U takvim slučajevima, odgovarajući izbor osnovne silikonske gume, površinska obrada talognane sirove, i dodatak spojeva koji poboljšavaju otpornost na sledenje, može poboljšati hidrofobnost kako bi zadovoljio zahtjeve za otpornost na sledenje visokog napon. U usporedbi sa silikonskom gumom ispune ATH-om, ovaj tip ima nižu viskoznost i superiornu mehaničku i električnu svojstva.
2.3 Za spoljašnje akcesoire za kablove
Budući da su spoljašnji akcesoriji za kablove izloženi teškim uslovima, moraju imati dobrou otpornost na sledenje. Materijali s niskom trajnom elongacijom mogu se postići korištenjem polimera s optimiziranom gustoćom križanja, pogodnih za proizvode koje se suše na sobnoj temperaturi (hladno-susne).
2.4 Za unutrašnje akcesoire za kablove
Unutrašnji akcesoriji za kablove retko su pod uticajem solanih magli, pa se često ne zahteva otpornost na sledenje. Međutim, kada se koriste u proizvodima koji se suše na sobnoj temperaturi (hladno-susne), i dalje su potrebna niska trajna deformacija.
2.5 Aplikacije pokrivanja
Sprski silikonske gume na teško zagađena područja može održavati dobru hidrofobnost dugoročno. Pokrivači se takođe mogu primijeniti na već instalirane izolatore, u zavisnosti od nivoa zagađenja, omogućujući dalju upotrebu i uštedu troškova. Nedavni izveštaji pokazuju da pokrivanje silikonskim gumenim izolatorima može dodatno poboljšati održavanje hidrofobnosti. Trenutno postoje dva glavna tipa: pokriveni izolatori i gumeni tipovi izolatora.
3 Zaključak
Ovaj rad je predstavio materijale silikonske gume za polimerne izolatore. Različite institucije i proizvođači nastavljaju sa istraživanjima i testiranjem. Ako se visoka pouzdanost može pokazati kroz testove dugovečnosti i drugih performansi, očekuje se da će primjena silikonskih gumenih izolatora biti još više proširena.