Ang Silicone Rubber sa Mga Insulator ng Mataas na Voltaje: Katangian Klasipikasyon at mga Application

Simula no ikalabang bahagi ng ika-19 na siglo, ang mga materyales na insulante na angkop para sa high-voltage power transmission lines ay ceramics at glass lamang. Simula noong 1940s, kasabay ng paglitaw ng mga polymer materials, hindi na ang ceramics at glass ang pinili, nagbigay-daan ito sa mga bansa sa Europa at Amerika na magsimulang mag-imbestiga tungkol sa mga polymer insulators. Pagkatapos, ginawa ang malawakang pag-aaral tungkol sa pisikal na katangian, elektrikal na katangian, matagal na kapani-paniwalang paggamit, at pinakamahusay na hugis ng mga electrical insulators, at patuloy na gumaling ang produktibidad ng produksyon.

Sa mga mataas na molekular na materyales na maaaring palitan ang ceramics at glass, ang silicone rubber ay ipinakita ang praktikal na aplikasyon simula noong 1960s at naging prominent sa iba't ibang polymers. Ang mga insulator na gawa sa silicone rubber ay may ilang mga pakinabang sa mga ceramic insulators: una, sila ay mas mababang timbang, madali manipisin, at mas ligtas; pangalawa, ang mga ceramic insulators ay madaling sumira sa impact, samantalang ang mga insulator na gawa sa silicone rubber ay maaaring makapagtagumpay na labanan ang mekanikal na shock tulad ng pagbuntot ng sasakyan sa mga utility poles.

Bagama't ang iba pang mga polymer materials ay mayroon din ang nabanggit na mga pakinabang, ang silicone rubber lang ang nagdudulot ng minimong polusyon sa kapaligiran. Ang mga polymer insulators ay water-resistant, nakakaiwas sa leakage current at surface arcing dahil sa mga droplets ng tubig. Bukod dito, ang hydrophobicity ng mga insulator na gawa sa silicone rubber ay mas mabilis bumabalik kaysa sa iba pang mga polymer insulators, kaya ito ay isang matatag na materyal na angkop para sa matagal na paggamit sa mahihirap na kapaligiran. Ang artikulong ito ay nagpapaliwanag ng mga katangian ng silicone rubber na ginagamit sa high-voltage electrical insulation at ipinakilala ang mga kamakailang trend ng pag-unlad.

1 Katangian ng Silicone Rubber

1.1 Kimikal na Katangian ng Siloxane Bond

1.1.1 Kimikal na Matatag na Bond

Ang backbone ng silicone rubber ay binubuo ng siloxane (Si-O) bonds. Dahil sa malaking pagkakaiba sa electronegativity ng Si (1.8) at O (3.5), nabubuo ang polarized structure, tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (omitted), na nagpapakita ng ionic bond characteristics. Dahil dito, ang bond energy ng Si-O ay mas mataas kaysa sa C-C (tingnan ang Table 1). Bukod dito: (1) dahil sa ionic nature ng main chain, ang polarity ng methyl C-H groups sa side chains ay nabawasan, kaya sila ay mas kaunti ang mapapatungan ng iba pang molecules, kaya nagreresulta ito sa excellent chemical stability; (2) dahil ang Si hindi madaling bumuo ng double o triple bonds, ang main chain ay mas kaunti ang mapapatungan, at ang Si-C bonds ay resulta nito ay napakamatatag, na nagpapataas pa ng stability ng backbone ng silicone rubber.

1.1.2 Mataas na Flexible na Polymer

Ang bond angle ng siloxane (Si-O-Si) ay malaki (130°–160°), nagbibigay ito ng mas mataas na kalayaan kaysa sa organic polymers (C-C bond angle ~110°). Bukod dito, ang Si-O bond length (1.64 Å) ay mas mahaba kaysa sa C-C (1.5 Å). Ito ang nangangahulugan na ang buong polymer molecule ay mas mobile at mas madali deformin.

1.1.3 Helical Structure

Dahil sa helical structure ng polysiloxane, ang siloxane bonds sa main chain ay iniiwan pana sa loob dahil sa ionic attraction, habang ang outer side ay binubuo ng methyl groups na may mahinang intermolecular interactions, na nagreresulta sa mahinang intermolecular forces.

1.2 Katangian ng Silicone Rubber

Batay sa kimikal na katangian na ipinakilala sa Section 1.1, ang silicone rubber ay mayroong mga sumusunod na katangian na angkop para sa high-voltage electrical insulation.

1.2.1 Resistance sa Mainit at Malamig

Dahil sa mataas na bond energy at excellent chemical stability, ang silicone rubber ay may mas mabuting resistance sa init kaysa sa organic polymers. Bukod dito, dahil sa mahinang intermolecular forces, ito ay may mababang glass transition temperature at excellent cold resistance. Kaya, ang performance nito ay nananatiling matatag kahit sa anumang rehiyon ng mundo ito gagamitin.

1.2.2 Water Resistance

Ang surface ng polysiloxane ay binubuo ng methyl groups, nagbibigay ito ng hydrophobic properties at kaya may excellent water resistance.

1.2.3 Electrical Properties

Ang silicone rubber ay may mas kaunti carbon atoms kaysa sa organic polymers, nagreresulta ito sa excellent arc resistance at tracking resistance. Bukod dito, kahit na nasusunog, ito ay naghuhuli ng insulating silica, na nagpapataas pa ng superior electrical insulation performance.

1.2.4 Weather Resistance

Tulad ng ipinapakita sa Table 1, ang bond energy ng siloxane ay mas mataas kaysa sa energy ng ultraviolet (UV) light, nagbibigay ito ng resistance sa UV-induced aging. Sa mga accelerated ozone resistance tests, ang mga organic polymers ay sumisira sa loob ng segundo hanggang oras, samantalang ang silicone rubber ay nagpapakita lamang ng kaunting pagbawas sa lakas pagkatapos ng apat na linggo ng aging, at walang sumira, na nagpapakita ng excellent ozone resistance (tingnan ang Table 2). Ang acid rain ay isang mixed ionic solution na may pH na humigit-kumulang 5.6. Ginawa ang 500x concentrated artificial acid rain test gamit ang solusyon na nasa Table 3. Ang silicone rubber ay nagpapakita ng excellent chemical resistance tulad ng ipinapakita sa Table 4. Bagama't ang exposure sa mga mixed solutions tulad ng acid rain ay maaaring magdulot ng ilang pagbabago, ang impact nito ay inaasahan na maliit.

Note: Sa temperatura ng kwarto, na may ozone concentration ng 200 ppm at 50% tensile strain na inilapat sa rubber, ang surface ay walang sumira kahit na pagkatapos ng 28 days ng aging.

Unit: g per 2 L of deionized water.

1.2.5 Permanent Deformation

Ang silicone rubber ay nagpapakita ng mas mabuting permanent deformation characteristics (kasama ang permanent elongation at compression set) sa parehong temperatura ng kwarto at mataas na temperatura kaysa sa organic polymers.

2 Klase ng Silicone Rubber

Ang silicone rubber ay maaaring ma-classify bilang solid at liquid types batay sa estado nito bago ang vulcanization, at bilang peroxide curing, addition curing, at condensation curing types batay sa vulcanization mechanism. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng solid at liquid silicone rubber ay nasa molecular weight ng polysiloxane. Ang solid silicone rubber ay maaaring vulcanize gamit ang peroxide curing o addition curing, at karaniwang tinatawag itong high-temperature vulcanizing rubber (HTV) o heat-cured rubber (HCR) (tingnan ang Tables 5 at 6).

Bagama't ang liquid silicone rubber na cured ng addition reaction ay maaari ring vulcanize sa temperatura ng kwarto, ito ay itinuturing bilang liquid silicone rubber (LSR), low-temperature vulcanizing rubber (LTV), o two-part room-temperature vulcanizing rubber (RTV), depende sa processing method at curing temperature. Sa paggawa ng polymer insulators, ang injection molding at casting ay karaniwang ginagamit na proseso.

Ang one-component condensation-type (moisture-cure) silicone rubber ay maaaring gamitin sa construction sealants, at sa mga electrical at electronic products. Sa mga aplikasyon ng electrical, ang solvent-diluted room-temperature vulcanizing (RTV) silicone rubber coatings ay karaniwang isinasabog sa mga ceramic insulators bilang protective materials.

2.1 Silicone Rubber with Aluminum Trihydroxide (ATH)

Maaaring makamit ang silicone rubber na may mabuting tracking resistance at arc resistance sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mataas na loading ng aluminum trihydroxide (ATH). Ang silicone rubber na puno ng 50 parts by mass ng ATH ay nagpapakita ng tanggap na resistance sa high-voltage (4.5 kV) tracking, kasama ang excellent arc resistance, weather resistance, salt fog resistance, at acid rain resistance, kaya ito ay angkop bilang insulating material sa mga lugar na may matinding salt fog. Ngunit, dahil sa mataas na ATH loading, ang materyal na ito ay may mataas na viscosity (mahina ang plasticity) at mababang mechanical strength.

2.2 Silicone Rubber without Aluminum Trihydroxide (ATH)

Sa mga inland areas ng Europa at katulad na mga rehiyon na may minimal salt fog at mababang pollution levels, maaaring gamitin ang silicone rubber na walang ATH filler. Sa mga kaso na ito, ang angkop na pagpili ng base silicone rubber, surface treatment ng fumed silica, at pagdaragdag ng compounding agents na nagpapataas ng tracking resistance ay maaaring mapabuti ang hydrophobicity upang tumugon sa high-voltage tracking resistance requirements. Kumpara sa ATH-filled silicone rubber, ang klase na ito ay may mas mababang viscosity at superior mechanical at electrical properties.

2.3 Para sa Outdoor Cable Accessories

Dahil ang outdoor cable accessories ay nakakaranas ng mahihirap na kapaligiran, kailangan nilang magkaroon ng mabuting tracking resistance. Maaaring makamit ang materyales na may mababang permanent elongation sa pamamagitan ng paggamit ng polymers na may optimized crosslinking density, na angkop para sa ambient-temperature shrinkable (cold-shrink) products.

2.4 Para sa Indoor Cable Accessories

Ang indoor cable accessories ay malamang na hindi maapektuhan ng salt fog, kaya ang tracking resistance ay kadalasang hindi kinakailangan. Ngunit, kapag ginamit sa ambient-temperature shrinkable (cold-shrink) applications, kailangan pa rin ng mababang permanent deformation characteristics.

2.5 Coating Applications

Ang pag-spray ng silicone rubber coatings sa mga lugar na may mataas na kontaminasyon ay maaaring panatilihin ang good hydrophobicity sa mahabang panahon. Maaari ring i-apply ang coatings sa mga insulators na naka-install na, depende sa level ng kontaminasyon, na nagbibigay ng patuloy na serbisyo at cost savings. Ayon sa kamakailang ulat, ang pag-coat ng silicone rubber insulators ay maaaring paigtingin pa ang retention ng hydrophobicity. Kasalukuyan, ang dalawang pangunahing uri ay: coated insulators at rubber-type insulators.

3 Conclusion

Ang paper na ito ay ipinakilala ang mga materyales ng silicone rubber para sa polymer insulators. Ang iba't ibang institusyon at manufacturers ay patuloy na nagko-conduct ng research at testing. Kung maipapakita ang mataas na reliability sa pamamagitan ng durability at iba pang performance tests, inaasahan na ang application ng silicone rubber insulators ay lalawak pa.