Kể từ nửa sau của thế kỷ 19, các vật liệu cách điện duy nhất phù hợp cho đường dây truyền tải điện cao áp chỉ có gốm và thủy tinh. Bắt đầu từ những năm 1940, với sự xuất hiện của các vật liệu polyme, gốm và thủy tinh không còn là lựa chọn ưu tiên, thúc đẩy các nước ở châu Âu và Mỹ bắt đầu nghiên cứu về các bộ phận cách điện bằng polyme. Sau đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về các tính chất vật lý, đặc điểm điện, độ tin cậy lâu dài và hình dạng tối ưu của các bộ phận cách điện, và hiệu quả sản xuất tiếp tục được cải thiện.
Trong số các vật liệu phân tử cao có thể thay thế gốm và thủy tinh, cao su silicone đã chứng minh khả năng ứng dụng thực tế kể từ những năm 1960 và nổi bật trong số các polyme khác. Các bộ phận cách điện bằng cao su silicone có một số ưu điểm so với các bộ phận cách điện bằng gốm: Thứ nhất, chúng nhẹ, dễ xử lý và an toàn hơn; thứ hai, các bộ phận cách điện bằng gốm dễ bị nứt khi chịu tác động, trong khi các bộ phận cách điện bằng cao su silicone có thể chịu đựng hiệu quả các cú sốc cơ học như va chạm xe với cột điện.
Mặc dù các vật liệu polyme khác cũng có các ưu điểm nêu trên, chỉ có cao su silicone gây ô nhiễm môi trường ít nhất. Các bộ phận cách điện bằng polyme chống nước, ngăn chặn dòng rò rỉ và hồ quang bề mặt do giọt nước. Hơn nữa, khả năng chống thấm nước của các bộ phận cách điện bằng cao su silicone phục hồi nhanh hơn so với các bộ phận cách điện bằng polyme khác, làm cho chúng trở thành vật liệu bền, phù hợp cho việc sử dụng lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt. Bài viết này giải thích các đặc tính của cao su silicone được sử dụng trong cách điện điện cao áp và giới thiệu các xu hướng phát triển gần đây.
1 Đặc tính của Cao su Silicone
1.1 Đặc tính Hóa học của Liên kết Siloxan
1.1.1 Liên kết Hóa học ổn định
Cấu trúc chính của cao su silicone bao gồm các liên kết siloxan (Si-O). Do sự khác biệt lớn về điện âm giữa Si (1.8) và O (3.5), cấu trúc phân cực được hình thành, như được thể hiện trong Hình 1 (bỏ qua), thể hiện các đặc tính của liên kết ion. Do đó, năng lượng liên kết của Si-O cao hơn so với C-C (xem Bảng 1). Hơn nữa: (1) do tính chất ion của chuỗi chính, tính phân cực của các nhóm methyl C-H trong các chuỗi bên được giảm, làm cho chúng ít bị tấn công bởi các phân tử khác, do đó tạo ra độ ổn định hóa học tuyệt vời; (2) vì Si không dễ dàng tạo ra liên kết đôi hoặc ba, chuỗi chính ít bị phân hủy, và các liên kết Si-C rất ổn định, tăng cường thêm độ ổn định của cấu trúc chính của cao su silicone.
1.1.2 Polyme có Độ mềm dẻo Cao
Góc liên kết của siloxan (Si-O-Si) lớn (130°–160°), mang lại mức tự do cao hơn so với các polyme hữu cơ (góc liên kết C-C khoảng 110°). Ngoài ra, chiều dài liên kết Si-O (1.64 Å) dài hơn so với C-C (1.5 Å). Điều này có nghĩa là phân tử polyme tổng thể di chuyển dễ dàng hơn và dễ biến dạng hơn.
1.1.3 Cấu trúc xoắn ốc
Do cấu trúc xoắn ốc của polysiloxan, các liên kết siloxan trên chuỗi chính được kéo vào bên trong do sức hút ion, trong khi phía bên ngoài bao gồm các nhóm methyl có tương tác phân tử yếu, dẫn đến lực tương tác phân tử yếu.
1.2 Tính chất của Cao su Silicone
Dựa trên các đặc tính hóa học được mô tả trong Phần 1.1, cao su silicone có các tính chất sau phù hợp cho cách điện điện cao áp.
1.2.1 Khả năng Chịu Nhiệt và Lạnh
Do năng lượng liên kết cao và độ ổn định hóa học tuyệt vời, cao su silicone có khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với các polyme hữu cơ. Ngoài ra, do lực tương tác phân tử yếu, nó có nhiệt độ chuyển pha kính thấp và khả năng chịu lạnh tuyệt vời. Do đó, hiệu suất của nó vẫn ổn định bất kể khu vực địa lý nào nó được sử dụng.
1.2.2 Khả năng Chống Nước
Bề mặt của polysiloxan được tạo thành từ các nhóm methyl, mang lại tính chất chống thấm nước và do đó có khả năng chống nước tuyệt vời.
1.2.3 Tính chất Điện
Cao su silicone chứa ít nguyên tử carbon hơn so với các polyme hữu cơ, dẫn đến khả năng chống hồ quang và theo dõi tuyệt vời. Hơn nữa, ngay cả khi cháy, nó tạo ra silica cách điện, đảm bảo hiệu suất cách điện điện tuyệt vời.
1.2.4 Khả năng Chịu Thời tiết
Như được thể hiện trong Bảng 1, năng lượng liên kết của siloxan cao hơn năng lượng của ánh sáng tia cực tím (UV), làm cho nó có khả năng chống lão hóa do UV. Trong các thử nghiệm kháng ozone tăng tốc, các polyme hữu cơ nứt vỡ trong vài giây đến vài giờ, trong khi cao su silicone chỉ giảm nhẹ độ bền sau bốn tuần lão hóa, không có nứt vỡ, cho thấy khả năng kháng ozone tuyệt vời (xem Bảng 2). Mưa axit là dung dịch ion hỗn hợp có pH khoảng 5.6. Một thử nghiệm mưa axit nhân tạo 500 lần tập trung đã được thực hiện sử dụng dung dịch được liệt kê trong Bảng 3. Cao su silicone thể hiện khả năng chống hóa học tuyệt vời như được thể hiện trong Bảng 4. Mặc dù tiếp xúc với các dung dịch hỗn hợp như mưa axit có thể gây ra một số thay đổi, nhưng tác động dự kiến sẽ nhỏ.
Lưu ý: Tại nhiệt độ phòng, với nồng độ ozone 200 ppm và ứng suất kéo 50% được áp dụng lên cao su, bề mặt không có nứt vỡ sau 28 ngày lão hóa.
Đơn vị: g cho 2 L nước cất.
1.2.5 Biến dạng Vĩnh viễn
Cao su silicone thể hiện các đặc tính biến dạng vĩnh viễn (bao gồm cả giãn dài vĩnh viễn và độ cứng nén) tốt hơn so với các polyme hữu cơ ở cả nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao.
2 Phân loại Cao su Silicone
Cao su silicone có thể được phân loại thành loại rắn và lỏng dựa trên trạng thái trước khi lưu hóa, và thành loại lưu hóa peroxide, lưu hóa cộng và lưu hóa ngưng tụ dựa trên cơ chế lưu hóa. Sự khác biệt chính giữa cao su silicone rắn và lỏng nằm ở trọng lượng phân tử của polysiloxan. Cao su silicone rắn có thể được lưu hóa thông qua lưu hóa peroxide hoặc lưu hóa cộng, và thường được gọi là cao su lưu hóa ở nhiệt độ cao (HTV) hoặc cao su lưu hóa bằng nhiệt (HCR) (xem Bảng 5 và 6).
Mặc dù cao su silicone lỏng được lưu hóa bằng phản ứng cộng cũng có thể lưu hóa ở nhiệt độ phòng, nó được chỉ định là cao su silicone lỏng (LSR), cao su lưu hóa ở nhiệt độ thấp (LTV) hoặc cao su lưu hóa ở nhiệt độ phòng hai phần (RTV), tùy thuộc vào phương pháp xử lý và nhiệt độ lưu hóa. Trong sản xuất các bộ phận cách điện polyme, các quy trình đúc và ép thường được sử dụng.
Cao su silicone một phần ngưng tụ (lưu hóa bằng độ ẩm) có thể được sử dụng trong các chất làm kín xây dựng, cũng như trong các sản phẩm điện và điện tử. Trong các ứng dụng điện, các lớp phủ cao su silicone RTV được pha loãng bằng dung môi thường được phun lên các bộ phận cách điện bằng gốm để làm vật liệu bảo vệ.
2.1 Cao su Silicone với Hydroxit Nhôm (ATH)
Cao su silicone có khả năng chống theo dõi và hồ quang tốt có thể được thu được bằng cách bổ sung hàm lượng cao hydroxit nhôm (ATH). Cao su silicone chứa 50 phần khối ATH thể hiện khả năng chống theo dõi điện áp cao (4.5 kV) chấp nhận được, cùng với khả năng chống hồ quang, thời tiết, muối biển và mưa axit tuyệt vời, làm cho nó phù hợp làm vật liệu cách điện trong các khu vực có sương muối nặng. Tuy nhiên, do hàm lượng ATH cao, vật liệu này có độ nhớt cao (độ dẻo kém) và độ bền cơ học thấp.
2.2 Cao su Silicone không có Hydroxit Nhôm (ATH)
Ở các khu vực nội địa của châu Âu và các khu vực tương tự với sương muối ít và mức độ ô nhiễm thấp, cao su silicone không có chất độn ATH có thể được sử dụng. Trong những trường hợp này, việc lựa chọn phù hợp cao su silicone gốc, xử lý bề mặt silica fumed, và bổ sung các chất phụ gia tăng cường khả năng chống theo dõi có thể cải thiện tính chống thấm nước để đáp ứng yêu cầu chống theo dõi điện áp cao. So với cao su silicone chứa ATH, loại này có độ nhớt thấp hơn và các tính chất cơ học và điện tốt hơn.
2.3 Đối với Phụ kiện Dây Cáp Ngoài Trời
Vì các phụ kiện dây cáp ngoài trời tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, chúng phải có khả năng chống theo dõi tốt. Các vật liệu có độ giãn dài vĩnh viễn thấp có thể đạt được bằng cách sử dụng các polyme có mật độ liên kết tối ưu, phù hợp cho các sản phẩm co lạnh (cold-shrink) ở nhiệt độ xung quanh.
2.4 Đối với Phụ kiện Dây Cáp Trong Nhà
Các phụ kiện dây cáp trong nhà không có khả năng bị ảnh hưởng bởi sương muối, vì vậy khả năng chống theo dõi thường không cần thiết. Tuy nhiên, khi sử dụng trong các ứng dụng co lạnh (cold-shrink), các đặc tính biến dạng vĩnh viễn thấp vẫn cần thiết.
2.5 Ứng dụng Phủ
Phun các lớp phủ cao su silicone lên các khu vực bị ô nhiễm nặng có thể duy trì tính chống thấm nước tốt trong thời gian dài. Các lớp phủ cũng có thể được áp dụng cho các bộ phận cách điện đã được lắp đặt dựa trên mức độ ô nhiễm, cho phép tiếp tục sử dụng và tiết kiệm chi phí. Các báo cáo gần đây cho thấy việc phủ cao su silicone lên các bộ phận cách điện có thể tăng cường khả năng giữ tính chống thấm nước. Hiện tại, có hai loại chính: bộ phận cách điện phủ và bộ phận cách điện dạng cao su.
3 Kết luận
Bài viết này đã giới thiệu về các vật liệu cao su silicone cho các bộ phận cách điện polyme. Các nghiên cứu và thử nghiệm đang được tiến hành bởi các tổ chức và nhà sản xuất khác nhau. Nếu có thể chứng minh độ tin cậy cao thông qua các thử nghiệm độ bền và các thử nghiệm hiệu suất khác, việc ứng dụng các bộ phận cách điện bằng cao su silicone dự kiến sẽ mở rộng hơn nữa.