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高电压传输绝缘子用硅树脂橡胶材料
作者:道康宁公司 Philip.J.Rogal    来源:Rubber World
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自从20世纪70年代以来,复合绝缘子正日益被认为是瓷绝缘子和玻璃盘形绝缘子等传统绝缘材料的替代品。因为复合材料的优势正被越来越多的用户所认可,所以使用复合材料的人是越来越多了。这些优势包括:复合材料重量更轻,但机械强度反而更大;在运输及安装的过程中不易破损以及有良好的抗震稳定性等。

在变电站应用中,复合型电涌放电器、断路器和绝缘子因为具有不易破损的外套,能够克服因某台设备的瓷套破裂而引起的对其它设备安装的损坏。

在一些中度或是重度污染地区,某种趋势越来越明显,即:因在电流泄漏的压力中的持续表现,抗跳火性及减少对线路的维修次数等,硅树脂被使用的次数越来越多。还有沿海或是受工业污染的地区,以及从硅树脂绝缘体的独特表面能力中获益的农业区,硅树脂材料可以保留甚至恢复其疏水性。它可产生并保持一种不会变湿的表面,阻止了一般的因污染而导致的跳火现象,能改进系统可靠性,并降低了公用事业机构的运营成本。

近年来,改善硅树脂绝缘外套材料的电力性能成为焦点,而且制造技术的发展已经减少了复合绝缘子的生产成本。

高电压绝缘子用硅树脂材料

一般而言,高电压绝缘子的应用中,有两种硅树脂材料,它们各自的粘度特性将它们区别开来:

高稠度硅树脂橡胶(HCR)质地坚硬,适用于高压成型或是挤出应用中。它们被高温硫化,因此有时被称为HTV(高温加硫)硅树脂橡胶。这些材料有几种不同的硫化方式,取决于制造过程,但其中有两种最主要的硫化方式,即: 过氧化物硫化法及近来流行的加成型硫化法。

液体硅树脂橡胶 — 高温硫化(典型的叫做LSR)及室温硫化(RTV),都是低粘度聚合物,他们的粘度有的稀如水,有的则稠密如糊状。这些材料通常在一个密闭的环境中成型(有压或无压),且可在室温或更高的温度下硫化。

还有一些专为高压应用所设计的底层涂料和添加剂,以使生产者能够用上多种生产技术。

硅树脂合成绝缘子的制造

在将硅树脂橡胶加工成复合绝缘体的文献数据中已有不少关于加工部分的描述,其中包括在环氧棒上的直接成型法和使用预成型覆盖以形成一涂层棒。这些技术取决于材料的加工参数,诸如流动性、硫化速度和材料的出模能力等。过去,因为改善材料的电力性能是人们关注的焦点,而使得某些其他特性被人们所忽视。

最新的硅树脂材料不仅引起了对材料加工的关注,而且也改善了材料的电力性能。本文会在加工部分及最后的性能部分中对此有所阐述。并就技术、高稠度硅树脂橡胶和液体硅树脂橡胶3部分进行讨论。

HCR硅树脂橡胶加工处理改进

◆ 流变能力

在过去,为达到电子终点性能的要求而考虑配方的限制,许多HCR产品因具有高塑性和有限的流动性而很难被加工。使用流变学方法,如毛状电流测定法可测得流动性的值以区分在可塑性和压坯强度很相似,但在注入或压缩模塑加工上表现则完全不同的材料。模具中流动性的顺畅及硫化后良好的释放对于能否在降低成本的情况下,有效地生产高电压绝缘体是至关重要的。

通过删节的幂法则(power law),运用阿雷尼乌斯法(Arrehenius method),在不同的温度和剪切速率下,我们能够预测出材料的粘度。这可以用以区分初始可塑性相同,但在更高的速率下却显示出不同流动特性的材料。

在图1和图2中,某种材料在低剪切强度时,有较高水平的粘度,且在喷射模塑加工步骤的流道和碾碎机中流动得很不错。

这些范例中,其初始粘度及在10000S-1时的粘度分别为:新HV材料,初始粘度20514,10000S-1时为19.7;第一代材料则分别是11433和28.0。

即使在低剪切速率时,新HV材料显示出较高的可塑性,但它在喷射模塑加工步骤中的剪切范围中却流动很好。

◆ 硫化

如前所述,材料的硫化可通过两种主要途径进行,即过氧化物硫化法和加成型硫化法。加成型硫化法在硫化速度和模塑操作的整体有效性方面有很多优势。在从过氧化物硫化法转换到加成型硫化法时,硫化周期至少减少了50%,电子性能或机械性能方面却没有损失。实际上,有些机械参数得到改善,如对绝缘子出模有帮助作用的热撕裂强度。

因为加成型硫化法的硫化速度很快,通常要降低模塑温度以获得填充模具的时间,但这仍比标准的过氧化物硫化法减少了50%的硫化时间。

模具温度的降低还有一些其他优势,包括:

★ 可使用价廉的,显示更低的Tg值的环氧棒操作法;
★ 降低了能源成本;
★ 减少了模具转换时间;
★ 并且改进了脱模特点。

一般说来,温度降低15-35℃可使注入更加容易,且硫化速度更快,但仍然可从最多减少了100%的整体硫化时间上获得不少益处。

耐老化性能

对于室外电力应用而言,绝缘材料的环境性能是至关重要的。硅树脂材料在室外环境中性能表现非常出色。硅树脂人造橡胶的防紫外线能力及耐气候性与EPDM有机合成物进行比较,在伸长的变化及外套弹性特征的抗张强度有所减少方面,二者具有相同的趋势。

硅树脂的内部稳定性要归功于其主链结构,它是由硅-氧聚合键所组成,这种键比有机化合物主链中碳-碳键具有更高的键能。

电能特征

除了抗紫外线能力外,与第一代硅树脂材料相比,新一代硅树脂材料已改善湿电特征。

某些电能特性的改变,如体积电阻系数、电介质强度、介电常数和能量耗散等因素,都与用于高压电应用方面的第一代硅树脂橡胶进行了比较。显而易见,最新硅树脂材料在水浸后的变化要明显少于第一代硅树脂材料。

按照ASTM D257的定义,体积电阻系数是大电阻的测量单位。通过一种绝缘材料的主要部分来阻止泄漏的电流。体积电阻系数越大,漏电就越少,且材料越不容易导电。

电介质强度则是在没有电击穿时,材料抵抗大磁场强度之能力的测量单位。放电后,电场强度的值即为电介质强度。

运用ASTM D149,在可控测试条件下得到增益值,但这并不一定准确反映出实际field特性。例如电晕放电、频率、温度和湿度等因素都会明显地影响某种材料的长期绝缘特性。

电介质有效性是通过它们各自的能力所测得,在同真空管比较时,为了储存能量,通过介电常数表达,把真空管的值当作一个整体。这是测量某一材料抗磁场能力的方法。优秀的绝缘材料的DK值都很低。

能量耗散因数是指某种绝缘材料因为有缺陷而造成电能流失的程度。交流电的电能损失应该很小,这是因为要减少材料的发热,并将其对整个系统的剩余部分影响降到最低的缘故。

从上述结果可知:最新的高稠度硅树脂橡胶比以前的绝缘材料都显出更出色的环境电能特性,并且在加工上也有不少优越之处。所有这些优势无疑会增加硅树脂复合绝缘外套材料的竞争性。

液体硅树脂橡胶材料的加工特性

同高稠度硅树脂橡胶一样,液体硅树脂橡胶的粘度可能相似,当然这取决于加工方法。当使用低压铸造法时,材料的初始粘度和粘度特性在不同的剪切速率下,能对材料的加工产生主要的影响。

如果液体硅树脂橡胶在低剪切区域如泵送设备中增加其粘度,则会导致在没有夹气时,传送材料会产生问题,尤其是泵送设备中没有使用仿形圆盘时。另外,对于显示不同粘度性能的材料来说,模具的填充也可能会因情况而异。

实际上,液体硅树脂橡胶2的两种成分明显不同,这会影响其加工性能。如在低能泵送设备中发生反应,在低剪切速率时,B部分要比A部分粘性大。如泵送设备中未使用仿形圆盘,这种高粘度可能会在材料中保持一种良好状态,并因有气体进入设备而产生气穴作用。也可能会因为设备不能将材料从桶底抽出而导致产生更多废物。

结论

因最新的硅树脂材料是用于高电压传输,因此高稠度硅树脂橡胶和液体硅树脂橡胶的加工性能都有了显著的改善。这为生产商提高生产效率,降低总体部件成本创造了有利条件。同以前的硅树脂材料,尤其是和其它有机化合物相比,终端用户也能从材料的电气特性和耐气候性有所改良中受益。所有这些优势都使硅树脂橡胶合成绝缘材料成为下一代电力传输和分配系统的首选绝缘材料。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/15/2009)
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