硅橡胶在电气绝缘材料方面的应用及进展
摘 要:简述了国内外硅橡胶(高温硫化型硅橡胶、室温硫化型硅橡胶、液体硅橡胶等) 在电气绝缘方面的应用情况。硅橡胶复合绝缘材料作为新一代外绝缘材料在高压输变电设备上具有广泛的发展,随着我国有机硅工业和纳米技术的快速发展,将大大地促进硅橡胶配合技术的进步,硅橡胶绝缘材料的综合性能将得到进一步的提高,而成本有望进一步降低。国际上,硅橡胶绝缘产品的发展势不可挡,硅橡胶的应用及研究领域越来越广。
关键词:硅橡胶;绝缘子;电气绝缘材料
电气线路系统中，根据常用的绝缘材料按其化学性质不同，可分为无机绝缘材料、有机绝缘材料和混合绝缘材料。常用的无机绝缘材料有：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫黄等，主要用作电机、电器的绕组绝缘、开关的底板和绝缘子等。有机绝缘材料有：虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等，大多用以制造绝缘漆，绕组导线的被覆绝缘物等。混合绝缘材料为由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料，用作电器的底座、外壳等。下面简单介绍橡胶绝缘材料分类中，硅橡胶绝缘材料在电气中的应用及进展。
硅橡胶是由各种二氯硅烷经过水解、缩聚而得到的一种元素有机弹性体。硅橡胶具有卓越的耐高低温、耐候、耐臭氧、耐电晕、电气绝缘性能好、表面憎水、压缩变形率低等特性,是橡胶中性能独特的品种。它非常适合用作电气电工行业的有机绝缘材料,近年来已在电气绝缘系统中得到越来越广泛的应用。国内外大多数复合绝缘子生产厂家均采用填充有较多氢氧化铝(Al203·3H20) 的甲基乙烯基硅橡胶(即高温硫化硅橡胶) 作为户外绝缘材料,还有如用作复合避雷器、断路器、变压器、高压开关和穿墙套管等的外套绝缘材料等。据不完全统计,至2001 年我国在高压线路上运行的硅橡胶复合绝缘子已达190 万支,而且用量每年以25 %以上的速度在增长。大大地促进了电力工业的发展,提高了用电安全性,具有社会和经济的双重效益。自20 世纪60 年代开始,世界上众多的发达国家,如德、美、英、法、日等就已经开始研究利用有机高分子聚合物制造户外复合绝缘子。最先采用的绝缘材料主要有脂环族环氧树脂、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、聚四氟乙烯以及室温硫化硅橡胶等,但由这些材料制造的复合绝缘子在使用运行一定的时间后都出现了一些问题,环氧树脂易老化、开裂、憎水性丧失、表面产生漏电起痕;乙丙橡胶运行几年后出现憎水性下降、褪色、裂纹、产生漏电起痕;聚四氟乙烯没有憎水性迁移特性,表面积污后易出现腐蚀和伞盘洞穿等问题,而且价格昂贵,加工困难;室温硫化硅橡胶耐漏电起痕与电蚀损性能和机械强度不大理想,有出现表面机械损伤及腐蚀开裂等问题。惟独热硫化硅橡胶使用效果比较好,不易老化,耐漏电起痕与电蚀损性能相对较好,尤其是在其表面积污后仍具有良好的憎水性,成为制造户外复合绝缘子的首选材料。
1.热硫化型硅橡胶
从20 世纪70 年代末80 年代初开始,欧、美国家逐渐采用高温硫化型硅橡胶(简称HTV) 作为电气绝缘材料制造复合绝缘子的伞裙护套。差不多同时我国的一些高校、研究院所,如清华
大学、武汉水利水电学院、华东电力试验研究院、西安电瓷研究所等单位相继开展采用热硫化型硅橡胶研制复合绝缘子工作,并研制出35kV～500kV 各型号系列复合绝缘子产品。虽然我国复合绝缘子的研究工作起步比较晚,但其发展非常迅速,至今,已有不少于190 万支的硅橡胶复合绝缘子在全国电网上运行,产生显著的经济效益。热硫化型硅橡胶按化学组成的不同可分为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶、三氟丙基硅橡胶、腈硅橡胶等。热硫化型硅橡胶作为电气绝缘材料,主要是制作复合绝缘子的伞裙护套,复合避雷器的外套,增爬伞裙(防污伞裙) 以及穿墙套管伞裙护套等高压绝缘部件,以改善高压绝缘设备表面的受污、受潮条件,提高绝缘强度和耐污能力,它与传统陶瓷材料相比具有如下明显优势:
1) 重量轻,体积小,不易破损,运输安装方便,维护工作量小,可以降低相应安装维护费用。复合绝缘材料的重量在陶瓷绝缘材料的1/ 10 以下,用复合绝缘材料作套筒替代瓷套,可以降低电气设备的重量,如ZnO 避雷器用复合绝缘构件,重量为瓷套ZnO 避雷器的1/ 3～1/ 4。轻型避雷器可以直接悬挂在变电站内或输电线的导线下,减少安装面积。其他如互感器等用硅橡胶复合绝缘材料都可以使电气设备轻型化和安装悬挂式,简化变电结构及变电站小型化。
2) 憎水性好,耐污能力提高116～215 倍,可以有效提高用电安全性,减少清扫费用。硅橡胶浸水老化试验表明,小分子从硅橡胶中向外迁的速度非常缓慢,可以期望硅橡胶会长期保持憎水迁移性。
3) 生产工艺简单,产品合格率高,生产能耗低,生产过程对环境污染小。
4) 不爆炸,无须零值检测。
5) 容易制造高大型产品。这些优点是陶瓷绝缘材料所不具备的或是难以达到的,特别是用在野外的产品,在施工和维护时,硅橡胶复合绝缘材料的优势是不可比拟的。
在硅橡胶复合绝缘材料中常用的是甲基乙烯基硅橡胶,最适合作为电气绝缘材料的甲基乙烯基硅橡胶型号为11022 型,其相对分子质量在45～80 万g/ mol ,挥发份质量分数小于3 %。硅橡胶必须与其他物料配比共混,主要是与补强剂(白炭黑) 、结构控制剂(羟基硅油、二苯基硅二醇等) 、抗电蚀填充剂和阻燃剂( 氢氧化铝等) 、交联剂(DCP、双2 ,5 等) 、着色剂(炭黑、氧化铁红等) 以及其他加工助剂(增塑剂、偶联剂等) 按一定的比例经过混炼、过滤、硫化等工序,制成具有优异抗漏电起痕与电蚀损性能、介电性能、耐天候老化性能以及一定机械强度的绝缘材料。国内外各个厂家的配方严格保密,或是以专利的形式公布,因此,配方各不相同,致使各厂家生产的绝缘材料的电气及机械强度性能不尽一致。
至于憎水性迁移与恢复特性、耐天候老化性能等在短期内变化不明显,相关实验方法还有待斟酌和进一步标准化,国际大电网会议工作组也正在做这方面的工作。这也从一个侧面反映了我国硅橡胶配合技术的进步,但要赶上国际先进水平还需要一段时间。进一步完善现有的试验手段和测试方法,是目前比较重要和首先要做的事情。
2.室温硫化型硅橡胶室温硫化型硅橡胶(简称RTV)
相对分子质量较低,通常为粘稠状液体,按其硫化机理和使用工艺性不同,可分为单组分RTV 和双组分RTV。单组分RTV 使用时特别方便,只需与空气中的水分接触即可交联成弹性体;双组分RTV 使用时,需将两个分别混有催化剂和交联剂的组分按要求经过计量进行混合,即可硫化成型。室温硫化型硅橡胶加工方便,对设备和模具要求也不高。RTV 对多种材料,如硅橡胶、金属、玻璃、陶瓷等有良好的粘接性,在高压绝缘材料方面可以用作胶粘剂,起到粘接密封作用。RTV 在防污闪涂料方面,在国外已有近30 年的历史,使用效果不错。国内在20 世纪80 年代开始也有产品使用,但使用寿命比较短,一般只有几年的有效期。RTV 在避雷器、电压互感器等产品上也有少量使用。
3.液体硅橡胶液体硅橡胶(即加成硫化型硅橡胶, 简称LSR)
除了具有绝缘性能优越、使用温度范围宽和在恶劣环境下的长期耐天候老化性能外,还具有工艺简单、快捷,可以快速硫化成型、高效节能等优点,但其价格昂贵,限制了其在绝缘产品上的使用,主要用作电线、电缆的绝缘材料。
4.结束语
硅橡胶复合绝缘材料作为新一代外绝缘材料在高压输变电设备上具有广泛的发展,随着我国有机硅工业和纳米技术的快速发展,将大大地促进硅橡胶配合技术的进步,硅橡胶绝缘材料的综合性能将得到进一步的提高,而成本有望进一步降低。国际上,硅橡胶绝缘产品的发展势不可挡,硅橡胶的应用及研究领域越来越广,其他陶瓷绝缘产品都可以逐步用硅橡胶复合绝缘产品替代,而且结构和性能都将优于陶瓷绝缘;还可以制造陶瓷绝缘产品所没有的新产品。有机绝缘材料虽然有许多传统陶瓷材料所无可比拟的优点,但也出现了一些新问题,如电力部门比较关心的耐天候老化性能、憎水性迁移与恢复特性、表面憎水性与自身绝缘性能的关系以及相关的试验方法等。
参考文献:
[1] 林修勇. 氢氧化铝对电气绝缘材料用硅橡胶性能的影响[J ]1 特种橡胶制品,2002年
[2] 王贵一译1 用于高压绝缘子和套管的硅橡胶胶料[J ]1 橡胶参考资料,2002年
[3] 成俊杰,等1 道康宁公司新型高压电气用硅橡胶[J ]1 国际橡胶商情,2003年
[4] 李学思,周克琼,等. 国外有机绝缘发展动向[J ]1 电瓷避雷器,1997年
[5] 魏朋,加成型室温硫化硅橡胶的制备及改性研究[D] 武汉理工大学;2007年
硅橡胶在电气绝缘材料方面的应用及进展
摘 要:简述了国内外硅橡胶(高温硫化型硅橡胶、室温硫化型硅橡胶、液体硅橡胶等) 在电气绝缘方面的应用情况。硅橡胶复合绝缘材料作为新一代外绝缘材料在高压输变电设备上具有广泛的发展,随着我国有机硅工业和纳米技术的快速发展,将大大地促进硅橡胶配合技术的进步,硅橡胶绝缘材料的综合性能将得到进一步的提高,而成本有望进一步降低。国际上,硅橡胶绝缘产品的发展势不可挡,硅橡胶的应用及研究领域越来越广。
关键词:硅橡胶;绝缘子;电气绝缘材料
电气线路系统中，根据常用的绝缘材料按其化学性质不同，可分为无机绝缘材料、有机绝缘材料和混合绝缘材料。常用的无机绝缘材料有：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫黄等，主要用作电机、电器的绕组绝缘、开关的底板和绝缘子等。有机绝缘材料有：虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等，大多用以制造绝缘漆，绕组导线的被覆绝缘物等。混合绝缘材料为由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料，用作电器的底座、外壳等。下面简单介绍橡胶绝缘材料分类中，硅橡胶绝缘材料在电气中的应用及进展。
硅橡胶是由各种二氯硅烷经过水解、缩聚而得到的一种元素有机弹性体。硅橡胶具有卓越的耐高低温、耐候、耐臭氧、耐电晕、电气绝缘性能好、表面憎水、压缩变形率低等特性,是橡胶中性能独特的品种。它非常适合用作电气电工行业的有机绝缘材料,近年来已在电气绝缘系统中得到越来越广泛的应用。国内外大多数复合绝缘子生产厂家均采用填充有较多氢氧化铝(Al203·3H20) 的甲基乙烯基硅橡胶(即高温硫化硅橡胶) 作为户外绝缘材料,还有如用作复合避雷器、断路器、变压器、高压开关和穿墙套管等的外套绝缘材料等。据不完全统计,至2001 年我国在高压线路上运行的硅橡胶复合绝缘子已达190 万支,而且用量每年以25 %以上的速度在增长。大大地促进了电力工业的发展,提高了用电安全性,具有社会和经济的双重效益。自20 世纪60 年代开始,世界上众多的发达国家,如德、美、英、法、日等就已经开始研究利用有机高分子聚合物制造户外复合绝缘子。最先采用的绝缘材料主要有脂环族环氧树脂、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、聚四氟乙烯以及室温硫化硅橡胶等,但由这些材料制造的复合绝缘子在使用运行一定的时间后都出现了一些问题,环氧树脂易老化、开裂、憎水性丧失、表面产生漏电起痕;乙丙橡胶运行几年后出现憎水性下降、褪色、裂纹、产生漏电起痕;聚四氟乙烯没有憎水性迁移特性,表面积污后易出现腐蚀和伞盘洞穿等问题,而且价格昂贵,加工困难;室温硫化硅橡胶耐漏电起痕与电蚀损性能和机械强度不大理想,有出现表面机械损伤及腐蚀开裂等问题。惟独热硫化硅橡胶使用效果比较好,不易老化,耐漏电起痕与电蚀损性能相对较好,尤其是在其表面积污后仍具有良好的憎水性,成为制造户外复合绝缘子的首选材料。
1.热硫化型硅橡胶
从20 世纪70 年代末80 年代初开始,欧、美国家逐渐采用高温硫化型硅橡胶(简称HTV) 作为电气绝缘材料制造复合绝缘子的伞裙护套。差不多同时我国的一些高校、研究院所,如清华
大学、武汉水利水电学院、华东电力试验研究院、西安电瓷研究所等单位相继开展采用热硫化型硅橡胶研制复合绝缘子工作,并研制出35kV～500kV 各型号系列复合绝缘子产品。虽然我国复合绝缘子的研究工作起步比较晚,但其发展非常迅速,至今,已有不少于190 万支的硅橡胶复合绝缘子在全国电网上运行,产生显著的经济效益。热硫化型硅橡胶按化学组成的不同可分为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶、三氟丙基硅橡胶、腈硅橡胶等。热硫化型硅橡胶作为电气绝缘材料,主要是制作复合绝缘子的伞裙护套,复合避雷器的外套,增爬伞裙(防污伞裙) 以及穿墙套管伞裙护套等高压绝缘部件,以改善高压绝缘设备表面的受污、受潮条件,提高绝缘强度和耐污能力,它与传统陶瓷材料相比具有如下明显优势:
1) 重量轻,体积小,不易破损,运输安装方便,维护工作量小,可以降低相应安装维护费用。复合绝缘材料的重量在陶瓷绝缘材料的1/ 10 以下,用复合绝缘材料作套筒替代瓷套,可以降低电气设备的重量,如ZnO 避雷器用复合绝缘构件,重量为瓷套ZnO 避雷器的1/ 3～1/ 4。轻型避雷器可以直接悬挂在变电站内或输电线的导线下,减少安装面积。其他如互感器等用硅橡胶复合绝缘材料都可以使电气设备轻型化和安装悬挂式,简化变电结构及变电站小型化。
2) 憎水性好,耐污能力提高116～215 倍,可以有效提高用电安全性,减少清扫费用。硅橡胶浸水老化试验表明,小分子从硅橡胶中向外迁的速度非常缓慢,可以期望硅橡胶会长期保持憎水迁移性。
3) 生产工艺简单,产品合格率高,生产能耗低,生产过程对环境污染小。
4) 不爆炸,无须零值检测。
5) 容易制造高大型产品。这些优点是陶瓷绝缘材料所不具备的或是难以达到的,特别是用在野外的产品,在施工和维护时,硅橡胶复合绝缘材料的优势是不可比拟的。
在硅橡胶复合绝缘材料中常用的是甲基乙烯基硅橡胶,最适合作为电气绝缘材料的甲基乙烯基硅橡胶型号为11022 型,其相对分子质量在45～80 万g/ mol ,挥发份质量分数小于3 %。硅橡胶必须与其他物料配比共混,主要是与补强剂(白炭黑) 、结构控制剂(羟基硅油、二苯基硅二醇等) 、抗电蚀填充剂和阻燃剂( 氢氧化铝等) 、交联剂(DCP、双2 ,5 等) 、着色剂(炭黑、氧化铁红等) 以及其他加工助剂(增塑剂、偶联剂等) 按一定的比例经过混炼、过滤、硫化等工序,制成具有优异抗漏电起痕与电蚀损性能、介电性能、耐天候老化性能以及一定机械强度的绝缘材料。国内外各个厂家的配方严格保密,或是以专利的形式公布,因此,配方各不相同,致使各厂家生产的绝缘材料的电气及机械强度性能不尽一致。
至于憎水性迁移与恢复特性、耐天候老化性能等在短期内变化不明显,相关实验方法还有待斟酌和进一步标准化,国际大电网会议工作组也正在做这方面的工作。这也从一个侧面反映了我国硅橡胶配合技术的进步,但要赶上国际先进水平还需要一段时间。进一步完善现有的试验手段和测试方法,是目前比较重要和首先要做的事情。
2.室温硫化型硅橡胶室温硫化型硅橡胶(简称RTV)
相对分子质量较低,通常为粘稠状液体,按其硫化机理和使用工艺性不同,可分为单组分RTV 和双组分RTV。单组分RTV 使用时特别方便,只需与空气中的水分接触即可交联成弹性体;双组分RTV 使用时,需将两个分别混有催化剂和交联剂的组分按要求经过计量进行混合,即可硫化成型。室温硫化型硅橡胶加工方便,对设备和模具要求也不高。RTV 对多种材料,如硅橡胶、金属、玻璃、陶瓷等有良好的粘接性,在高压绝缘材料方面可以用作胶粘剂,起到粘接密封作用。RTV 在防污闪涂料方面,在国外已有近30 年的历史,使用效果不错。国内在20 世纪80 年代开始也有产品使用,但使用寿命比较短,一般只有几年的有效期。RTV 在避雷器、电压互感器等产品上也有少量使用。
3.液体硅橡胶液体硅橡胶(即加成硫化型硅橡胶, 简称LSR)
除了具有绝缘性能优越、使用温度范围宽和在恶劣环境下的长期耐天候老化性能外,还具有工艺简单、快捷,可以快速硫化成型、高效节能等优点,但其价格昂贵,限制了其在绝缘产品上的使用,主要用作电线、电缆的绝缘材料。
4.结束语
硅橡胶复合绝缘材料作为新一代外绝缘材料在高压输变电设备上具有广泛的发展,随着我国有机硅工业和纳米技术的快速发展,将大大地促进硅橡胶配合技术的进步,硅橡胶绝缘材料的综合性能将得到进一步的提高,而成本有望进一步降低。国际上,硅橡胶绝缘产品的发展势不可挡,硅橡胶的应用及研究领域越来越广,其他陶瓷绝缘产品都可以逐步用硅橡胶复合绝缘产品替代,而且结构和性能都将优于陶瓷绝缘;还可以制造陶瓷绝缘产品所没有的新产品。有机绝缘材料虽然有许多传统陶瓷材料所无可比拟的优点,但也出现了一些新问题,如电力部门比较关心的耐天候老化性能、憎水性迁移与恢复特性、表面憎水性与自身绝缘性能的关系以及相关的试验方法等。
参考文献:
[1] 林修勇. 氢氧化铝对电气绝缘材料用硅橡胶性能的影响[J ]1 特种橡胶制品,2002年
[2] 王贵一译1 用于高压绝缘子和套管的硅橡胶胶料[J ]1 橡胶参考资料,2002年
[3] 成俊杰,等1 道康宁公司新型高压电气用硅橡胶[J ]1 国际橡胶商情,2003年
[4] 李学思,周克琼,等. 国外有机绝缘发展动向[J ]1 电瓷避雷器,1997年
[5] 魏朋,加成型室温硫化硅橡胶的制备及改性研究[D] 武汉理工大学;2007年