Силіконова гума в високовольтних ізоляторах: властивості класифікації та застосування
З другої половини 19 століття єдиними ізоляційними матеріалами, придатними для високовольтних ліній електропередач, були кераміка та скло. Починаючи з 1940-х років, з появою полімерних матеріалів, кераміка та скло більше не були першочерговим вибором, що сприяло початку досліджень полімерних ізоляторів у країнах Європи та Америки. Пізніше були проведено широкі дослідження фізичних властивостей, електричних характеристик, довгострокової надійності та оптимальних форм електроізоляторів, а продуктивність виробництва продовжувала підвищуватися.
Серед високомолекулярних матеріалів, які могли замінити кераміку та скло, силиконова гума показала практичну стійкість до застосування з 1960-х років і виділилася серед різних полімерів. Силиконові гумові ізолятори мають ряд переваг перед керамічними ізоляторами: по-перше, вони легкі, прості в обслуговуванні та безпечні; по-друге, керамічні ізолятори піддаються тріщинам при ударах, тоді як силиконові гумові ізолятори можуть ефективно витримувати механічні удары, такі як зіткнення автомобілів з опорами.
Хоча інші полімерні матеріали також мають вищезазначені переваги, лише силиконова гума майже не забруднює навколишнє середовище. Полімерні ізолятори водонепроникні, що запобігає протіканню струму та поверхневому розряду, спричиненим каплями води. Крім того, гідрофобність силиконових гумових ізоляторів відновлюється швидше, ніж у інших полімерних ізоляторів, що робить їх стійким матеріалом, придатним для довготривалого використання в суворих умовах. Ця стаття пояснює характеристики силиконової гуми, використаної для високовольтної електроізоляції, та представляє недавні тенденції розвитку.
1 Характеристики силиконової гуми
1.1 Хімічні характеристики силоксанового зв'язку
1.1.1 Хімічно стабільний зв'язок
Основа силиконової гуми складається з силоксанових (Si-O) зв'язків. Через значну різницю електронегативності між Si (1.8) та O (3.5), утворюється поляризована структура, яка має іонний характер, як показано на рисунку 1 (пропущено). В результаті енергія зв'язку Si-O вища, ніж C-C (див. Таблицю 1). Більше того: (1) через іонний характер основного ланцюга, полярність метилових C-H груп у бічних ланцюгах зменшується, що робить їх менш чутливими до атаки інших молекул, що призводить до відмінної хімічної стабільності; (2) оскільки Si не склонний до формування подвійних або потрійних зв'язків, основний ланцюг менш піддається розкладу, а Si-C зв'язки є дуже стабільними, що ще більше підвищує стабільність основного ланцюга силиконової гуми.
1.1.2 Полімер з високою гнучкістю
Кут зв'язку силоксану (Si-O-Si) великий (130°–160°), що надає йому більшу свободу, ніж органічним полімерам (кут зв'язку C-C ~110°). Крім того, довжина зв'язку Si-O (1.64 Å) довша, ніж C-C (1.5 Å). Це означає, що загальна молекула полімеру більш рухлива та легче деформується.
1.1.3 Спіральна структура
Благодіяючи спіральній структурі полісилоксану, силоксанові зв'язки на основному ланцюгу притягуються внутрішньо через іонне притягання, тоді як зовнішня сторона складається з метилових груп, які мають слабкі міжмолекулярні взаємодії, що призводить до слабких міжмолекулярних сил.
1.2 Властивості силиконової гуми
На основі хімічних характеристик, описаних у розділі 1.1, силиконова гума має наступні властивості, придатні для високовольтної електроізоляції.
1.2.1 Термостійкість та холодостійкість
Благодіяючи високій енергії зв'язку та відмінній хімічній стабільності, силиконова гума має кращу термостійкість, ніж органічні полімери. Крім того, через слабкі міжмолекулярні сили, вона має низьку температуру скляного переходу та відмінну холодостійкість. Тому її властивості залишаються стабільними незалежно від географічного регіону, в якому вона використовується.
1.2.2 Водонепроникність
Поверхня полісилоксану складається з метилових груп, що надає їй гідрофобні властивості та відмінну водонепроникність.
1.2.3 Електричні властивості
Силиконова гума містить менше атомів вуглецю, ніж органічні полімери, що призводить до відмінної стійкості до дуги та відслідування. Більше того, навіть при горінні, вона утворює ізоляційну діоксид кремнію, що ще більше забезпечує відмінні електроізоляційні властивості.
1.2.4 Стійкість до атмосферних умов
Як показано в таблиці 1, енергія зв'язку силоксану вища, ніж енергія ультрафіолетового світла, що робить його стійким до старіння, спричиненого УФ-променями. У тестах на стійкість до озону органічні полімери тріскаються за кілька секунд до годин, тоді як силиконова гума показує лише незначне зниження міцності після чотирьох тижнів старіння, без появи тріщин, що вказує на відмінну стійкість до озону (див. Таблицю 2). Кислотний дощ — це мішаний іонний розчин з pH близько 5.6. Було проведене тестування штучного кислотного дощу, концентрованого у 500 разів, з використанням розчину, вказаного в таблиці 3. Силиконова гума демонструє відмінну хімічну стійкість, як показано в таблиці 4. Незважаючи на те, що вплив мішаних розчинів, таких як кислотний дощ, може призвести до деяких змін, вплив очікується мінімальний.
Примітка: При кімнатній температурі, при концентрації озону 200 ppm та напруженні 50% від максимального розтягування, поверхня не тріскається навіть після 28 днів старіння.
Одиниця: грам на 2 л деіонізованої води.
1.2.5 Посічення
Силиконова гума демонструє кращі властивості постійного деформування (включаючи постійне розтягування та постійне стиснення) при кімнатній та підвищених температурах, порівняно з органічними полімерами.
2 Класифікація силиконової гуми
Силиконова гума може бути класифікована на тверду та рідку на основі її стану перед вулканізацією, а також на вулканізацію перекисом, додаванням та конденсацією на основі механізму вулканізації. Основна відмінність між твердою та рідкою силиконовою гумою полягає у молекулярній вагі полісилоксану. Тверду силиконову гуму можна вулканізувати або перекисом, або додаванням, і часто називають високотемпературною вулканізованою гумою (HTV) або гумою, вулканізованою за допомогою тепла (HCR) (див. Таблиці 5 і 6).
Хоча рідка силиконова гума, вулканізувана за допомогою додавання, також може вулканізуватися при кімнатній температурі, вона відрізняється від методу обробки та температури вулканізації, що визначається як рідка силиконова гума (LSR), низькотемпературна вулканізованая гума (LTV) або двокомпонентна гума, вулканізованая при кімнатній температурі (RTV). У виробництві полімерних ізоляторів часто використовуються процеси лінійного ліяння та ліяння.
Однокомпонентна конденсаційна (власній вологі) силиконова гума може бути використана в будівельних герметиках, а також в електротехнічних та електронних виробах. У електротехнічних застосуваннях розчинені в розчиннику герметики силиконової гуми, вулканізовані при кімнатній температурі (RTV), часто наносяться на керамічні ізолятори як захисні матеріали.
2.1 Силиконова гума з тригідроксидом алюмінію (ATH)
Силиконова гума з відмінною стійкістю до відслідування та дуги може бути отримана шляхом введення великого кількості тригідроксиду алюмінію (ATH). Силиконова гума, заповнена 50 частинами за масою ATH, демонструє прийнятну стійкість до відслідування при високому напрузі (4.5 кВ), а також відмінну стійкість до дуги, атмосферних умов, солоного туману та кислотного дощу, що робить її придатною для використання в областях з суворим солоним туманом. Однак, через високе заповнення ATH, цей матеріал має високу в'язкість (погану пластичність) та низьку механічну міцність.
2.2 Силиконова гума без тригідроксиду алюмінію (ATH)
У внутрішніх районах Європи та подібних областях з мінімальним солоним туманом та низьким рівнем забруднення, можна використовувати силиконову гуму без заповнювача ATH. У таких випадках правильний вибір базової силиконової гуми, обробка поверхні осаду диоксиду кремнію та додавання компонентів, що покращують стійкість до відслідування, можуть підвищити гідрофобність, щоб задовольнити вимоги до стійкості до відслідування при високому напрузі. Порівняно з силиконовою гумою, заповненою ATH, цей тип має нижчу в'язкість та кращі механічні та електричні властивості.
2.3 Для зовнішніх кабельних приладів
Оскільки зовнішні кабельні прилади знаходяться у суворих умовах, вони повинні мати відмінну стійкість до відслідування. Матеріали з низькою постійною деформацією можна отримати, використовуючи полімери з оптимізованим густотою сітки, придатні для продуктів, що скорочуються при кімнатній температурі (холодні).
2.4 Для внутрішніх кабельних приладів
Внутрішні кабельні прилади малоймовірно будуть впливати на солоний туман, тому стійкість до відслідування часто не потрібна. Однак, коли вони використовуються в продуктах, що скорочуються при кімнатній температурі (холодні), все ж таки потрібні властивості низької постійної деформації.
2.5 Застосування покриття
Нанесення покриття з силиконової гуми на сильно забруднені ділянки може підтримувати добре гідрофобність на довгий час. Покриття можна також застосовувати до вже встановлених ізоляторів, враховуючи рівень забруднення, що дозволяє їм продовжувати службу та економити кошти. Недавні звіти вказують, що покриття силиконових гумових ізоляторів може ще більше підвищити збереження гідрофобності. На даний момент існують два основні типи: покриті ізолятори та резинові ізолятори.
3 Висновок
Ця стаття представила матеріали з силиконової гуми для полімерних ізоляторів. Різні установи та виробники проводять постійні дослідження та тестування. Якщо висока надійність буде підтверджена через тестування на довговічність та інші властивості, застосування силиконових гумових ізоляторів очікується розширитися.
