Silikonkautschuk i högspänningsisolatorer: Egenskaper klassificeringar och tillämpningar

Sedan andra hälften av 1800-talet var de enda isolerande material som var lämpliga för högspänningskraftöverföring linjer keramik och glas. Från 1940-talet började med uppkomsten av polymermaterial, var keramik och glas inte längre de föredragna valen, vilket ledde till att länder i Europa och Amerika började forskning om polymerisolatorer. Därefter genomfördes omfattande studier av fysiska egenskaper, elektriska egenskaper, långsiktig tillförlitlighet och optimala former av elektriska isolatorer, och produktions effektivitet fortsatte att öka.

Bland högmolekylära material som kan ersätta keramik och glas har silikonkautschuk visat praktisk användbarhet sedan 1960-talet och stått ut bland olika polymerer. Silikonkautschukisolatorer har flera fördelar jämfört med keramikisolatorer: för det första är de lätta, enkla att hantera och säkrare; för det andra är keramikisolatorer benägna att spricka vid påslag, medan silikonkautschukisolatorer kan effektivt motstå mekaniska chocker såsom kollisioner mellan fordon och elstolpar.

Även om andra polymermaterial också har de ovan nämnda fördelarna orsakar endast silikonkautschuk minimal miljöförorening. Polymerisolatorer är vattenresistenta, vilket förhindrar läckström och ytarck från vattendroppar. Dessutom återhämtar sig hydrofoobiciteten hos silikonkautschukisolatorer snabbare än hos andra polymerisolatorer, vilket gör dem till ett hållbart material som är lämpligt för långsiktig användning i hårda miljöer. Den här artikeln förklarar egenskaperna hos silikonkautschuk som används i högspänningsisolering och introducerar nyligen utvecklings trender.

1 Egenskaper hos silikonkautschuk

1.1 Kemiska egenskaper hos siloxankopplingen

1.1.1 Kemiiskt stabil koppling

Grundstrukturen av silikonkautschuk består av siloxan (Si-O) kopplingar. På grund av den stora skillnaden i elektronegativitet mellan Si (1.8) och O (3.5) bildas en polariserad struktur, som visas i figur 1 (bortfall), vilken visar jonbindningskaraktär. Därför är bindningsenergin för Si-O högre än för C-C (se tabell 1). Vidare: (1) på grund av den joniska karaktären hos huvudkedjan minskas polariteten av metyl C-H-grupperna i sidkedjorna, vilket gör dem mindre känsliga för angrepp av andra molekyler, vilket resulterar i utmärkt kemisk stabilitet; (2) eftersom Si inte lätt bildar dubbla eller trippelkopplingar är huvudkedjan mindre benägen att dekomponera, och Si-C-kopplingar är därför mycket stabila, vilket ytterligare ökar stabiliteten i silikonkautschukets grundstruktur.

1.1.2 Högflexibilitet polymer

Kopplingsvinkeln för siloxan (Si-O-Si) är stor (130°–160°), vilket ger den högre frihet än organiska polymerer (C-C kopplingsvinkel ~110°). Dessutom är Si-O-bindningslängden (1.64 Å) längre än C-C (1.5 Å). Detta innebär att det totala polymermolekylerna är mer rörliga och lättare att deformera.

1.1.3 Helixstruktur

På grund av polydimetylsiloxans helixstruktur dras siloxankopplingarna i huvudkedjan inåt av jonattraktion, medan ytan består av metylgrupper med svaga intermolekylära interaktioner, vilket resulterar i svaga intermolekylära krafter.

1.2 Egenskaper hos silikonkautschuk

Baserat på de kemiska egenskaper som beskrivs i avsnitt 1.1 har silikonkautschuk följande egenskaper som är lämpliga för högspänningsisolering.

1.2.1 Värme- och kältålig

På grund av dess höga bindningsenergi och utmärkt kemisk stabilitet har silikonkautschuk bättre värmetålig än organiska polymerer. Dessutom, på grund av svaga intermolekylära krafter, har den en låg glastransktemperatur och utmärkt kältålig. Därför förblir dess prestanda stabil oavsett geografisk region där den används.

1.2.2 Vattenresistent

Ytan av polydimetylsiloxan består av metylgrupper, vilket ger den hydrofooba egenskaper och därför utmärkt vattenresistans.

1.2.3 Elektriska egenskaper

Silikonkautschuk innehåller färre kolatomer än organiska polymerer, vilket resulterar i utmärkt bågebeständighet och spårningsbeständighet. Dessutom, även när den brinner, bildar den isolerande kisel, vilket ytterligare garanterar överlägsen elektrisk isoleringsprestanda.

1.2.4 Vädertålig

Som visas i tabell 1 är bindningsenergin för siloxan högre än energin för ultraviolett (UV) ljus, vilket gör den resistiv mot UV-inducerad åldring. I accelererade ozonresistens tester spricker organiska polymerer inom sekunder till timmar, medan silikonkautschuk endast visar en liten reduktion i styrka efter fyra veckors åldring, utan att några sprickor observeras, vilket indikerar utmärkt ozonresistens (se tabell 2). Syraregn är en blandad jonisk lösning med en pH på ungefär 5.6. En 500x koncentrerad syntetisk syraregn test utfördes med lösningen som anges i tabell 3. Silikonkautschuk visar utmärkt kemisk resistens som visas i tabell 4. Trots att exponering för blandade lösningar som syraregn kan orsaka vissa ändringar, förväntas påverkan vara minimal.

Not: Vid rumstemperatur, med en ozonkoncentration på 200 ppm och en 50% dragbelastning applicerad på kautschuken, visar ytan inga sprickor ens efter 28 dagars åldring.

Enhet: g per 2 L destillerat vatten.

1.2.5 Permanent deformation

Silikonkautschuk visar bättre permanent deformationsegenskaper (inklusive permanenta sträckning och kompressionsset) både vid rumstemperatur och höga temperaturer jämfört med organiska polymerer.

2 Klassificering av silikonkautschuk

Silikonkautschuk kan klassificeras i fasta och flytande typer baserat på dess tillstånd innan vulkanisering, och i peroxidhårdning, additonshårdning och kondensationshårdning typer baserat på hårdningsmekanismen. Den huvudsakliga skillnaden mellan fast och flytande silikonkautschuk ligger i molekylvikten av polydimetylsiloxan. Fast silikonkautschuk kan vulkaniseras via antingen peroxidhårdning eller additonshårdning, och kallas vanligtvis för högtemperaturhårdande gummi (HTV) eller värmehårdande gummi (HCR) (se tabeller 5 och 6).

Även om flytande silikonkautschuk hårdad genom additon reaktion kan också vulkaniseras vid rumstemperatur, betecknas den som flytande silikonkautschuk (LSR), lågtemperaturhårdande gummi (LTV) eller tvåkomponentss rumstemperaturhårdande gummi (RTV), beroende på bearbetningsmetod och hårdningstemperatur. Vid tillverkning av polymerisolatorer används ofta injicering och gjutning.

Enkomponents kondensationstyp (fukturhårdning) silikonkautschuk kan användas i byggnadssealant, samt i elektriska och elektroniska produkter. I elektriska tillämpningar sprutas lösningsdunster av rumstemperaturhårdande (RTV) silikonkautschukbeläggningar vanligtvis på keramiska isolatorer som skyddsmaterial.

2.1 Silikonkautschuk med aluminiumtri-hydroxid (ATH)

Silikonkautschuk med goda spårningsbeständighets- och bågebeständighets-egenskaper kan erhållas genom att tillsätta en hög belastning av aluminiumtri-hydroxid (ATH). Silikonkautschuk fylld med 50 delar av massan ATH visar acceptabel resistans mot högspännings (4.5 kV) spårning, tillsammans med utmärkt bågebeständighet, väderbeständighet, saltfogbeständighet och syraregnbeständighet, vilket gör den lämplig som isoleringsmaterial i områden med allvarlig saltfog. Men på grund av den höga ATH-belastningen lider detta material av hög viskositet (dålig plasticitet) och låg mekanisk styrka.

2.2 Silikonkautschuk utan aluminiumtri-hydroxid (ATH)

I inlandområden i Europa och liknande regioner med minimal saltfog och låga föroreningsnivåer kan silikonkautschuk utan ATH-fyllnad användas. I sådana fall kan lämplig val av grundsilikonkautschuk, ytbearbetning av pyrogena kisel och tillägg av kompositionsmedel som förbättrar spårningsbeständigheten förbättra hydrofoobiciteten för att uppfylla kraven på högspännings spårningsbeständighet. Jämfört med ATH-fylld silikonkautschuk har denna typ lägre viskositet och överlägsna mekaniska och elektriska egenskaper.

2.3 För utomhus kabelförsäljningstillbehör

Eftersom utomhus kabelförsäljningstillbehör utsätts för hårda miljöer måste de ha goda spårningsbeständighets-egenskaper. Material med låg permanent sträckning kan uppnås genom att använda polymerer med optimerad korslänknings densitet, lämpliga för omgivnings temperatur skrinkbara (kallskrinkbara) produkter.

2.4 För inomhus kabelförsäljningstillbehör

Inomhus kabelförsäljningstillbehör sannolikt påverkas inte av saltfog, så spårningsbeständighets-egenskaper krävs ofta inte. Men när de används i omgivnings temperatur skrinkbara (kallskrinkbara) tillämpningar är låg permanent deformationsegenskaper fortfarande nödvändiga.

2.5 Beläggningstillämpningar

Spraying av silikonkautschukbeläggningar på starkt förorenade områden kan bibehålla god hydrofoobicitet under lång tid. Beläggningar kan också appliceras på redan installerade isolatorer baserat på föroreningsnivåer, vilket möjliggör fortsatt drift och kostnadsbesparing. Nya rapporter indikerar att beläggning av silikonkautschukisolatorer kan ytterligare förbättra bevarandet av hydrofoobicitet. För närvarande finns det två huvudtyper: beläggda isolatorer och kautschuktyps isolatorer.

3 Slutsats

Den här artikeln har introducerat silikonkautschukmaterial för polymerisolatorer. Fortsatta forskning och testning bedrivs av olika institutioner och tillverkare. Om hög tillförlitlighet kan demonstreras genom hållbarhets- och andra prestandatest, förväntas användningen av silikonkautschukisolatorer expandera ytterligare.