硅橡胶 一 概述1 在外绝缘上应用的有机材料分类及初步评价1 1三元乙丙橡胶三元乙丙橡胶是以乙烯 丙烯及少量非共轭双烯为单体共聚而制得 因其常温流动性好 具备很好的耐天候 耐臭氧 耐热 耐酸碱和电性能 在高压绝缘领域有一定的应用 三元乙丙橡胶分子结构上没有极性基团 宏观表现缺乏极性 对各种极性化学品有较好的抗耐性 但也导致其内聚能低 自粘性和互粘性很差 使得伞套与芯棒界面特性较差 易发生蚀损 老化龟裂 使用寿命短 三元乙丙橡胶具备较好的憎水性 但表面积污后憎水性不能迁移至污层表面 而且在相同的接触压力下 耐电强度要比硅橡胶差 1 3硅橡胶硅橡胶主要是由高摩尔质量的线型聚硅氧烷组成 由于 Si O Si 键是其构成的基本键型 硅原子主要连接甲基 侧链上引入极少量的不饱和基团 分子间作用力小 分子呈螺旋状结构 甲基朝外排列并可自由旋转 因此硅橡胶硫化后具有优异的耐高 低温 耐候 憎水 憎水迁移 电气绝缘性 生理惰性等特点 1 3 1耐候性如前所述 有机硅产品的主链为 Si O Si 无双键存在 且键能比紫外线辐照能量高 因此不易被紫外光和臭氧所分解 有机硅具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力 在自然环境下的使用寿命可达几十年 1 3 2耐温特性及化学稳定性硅橡胶 SiliconeRubber 是一种分子键兼具无机和有机性质的高分子弹性材料 它的分子主键由硅原子和氧原子交替组成 Si O Si 硅氧键的键能达370kJ mol 比紫外线辐照能量高 比一般的橡胶的C C结合键能240kJ mol要大得多 在高温 或辐射照射 下分子的化学键不断裂 不分解 可在 90 300 温度范围内长期使用 仍不失原有的强度和弹性 硅橡胶硫化成型后 主链和侧链上均没有活性基团 因此硅橡胶具备极佳的化学稳定性 酸和碱都不会对其分子结构造成影响 而且 无论是化学性能还是物理机械性能 随温度的变化都很小 1 3 3电气绝缘性能硅橡胶具有良好的电绝缘性能 其介电损耗 耐电压 耐电弧 耐电晕 体积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅 而且它们的电气性能受温度和频率的影响很小 其常规性能参数如下 1 3 4优异的憎水性和憎水迁移性有机硅的主链十分柔顺 其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多 因此 比同分子量的碳氢化合物粘度低 表面张力弱 表面能小 成膜能力强 这种低表面张力和低表面能使其具备优良的憎水性 使得雨水在硅橡胶表面呈水珠状 随时滚落 不会形成导电水膜或连成线状的水流 这是电气设备在湿态条件下使用具有高可靠性的保障 而且 硅橡胶材料具备特殊的憎水迁移性 硅橡胶良好的憎水性能在24 48小时内迁移至其表面的污秽上 使污秽表面也具备憎水性 所以硅橡胶具有极高的耐污闪 耐雨闪能力 因此 硅橡胶已逐渐取代了其它复合绝缘材料在高压线路和变电站中广泛应用 2 硅橡胶的种类和基本特点硅橡胶产品能在电力系统中大量运行 主要得益于其优异的憎水性 憎水迁移性和耐污闪能力 现行市场上的产品 主要有以下三类 3 三类硅橡胶的基本性能比较 见下表 复合绝缘子的组成 伞群 护套 有机合成材料制成 如 乙丙橡胶 硅橡胶等 玻璃钢芯棒 以玻璃纤维做增强材料 环氧树脂做基体的玻璃钢复合材料 端部金具 表面镀有热镀锌层的碳素铸钢 碳素结构钢以及高强度合金铝 均压环 降低端部电场畸变 二 复合绝缘子在输配电线路的应用 复合绝缘子的优点复合绝缘子的这种结构 将机械性能和电气性能分开 综合了伞群护套材料耐大气老化性能优越及芯棒材料拉伸性能好的优点 与传统的瓷绝缘子相比 复合绝缘子优越的性能主要体现在 重量轻 运输安装方便 结构距离短 节省塔头空间 降低设计难度 强度高 不易破碎 抗震性能佳 耐污 湿闪性能优异 免清洗 免零值检测 减少输电线路的运行维护费用 220kV以上电压等级的价格优势明显 1 复合绝缘子应用于外绝缘面临的主要问题及对策分析目前在我国 复合绝缘子以其优异的耐污闪能力在系统中大量应用 而且多应用于重污秽地区 在保障电力系统安全运行上发挥了显著作用 然而 在户外运行的复合绝缘子因运行环境复杂 也时常出现问题 较常见就是损坏和老化 损坏 主要表现为绝缘子不能继续承担正常的机械或电气负荷 往往造成导线落地 电力中断等恶性事故 老化 主要表现为外绝缘材质的劣化和因蠕变特性导致的芯棒机械强度降低 一般并不导致所承担机械或电气负荷功能的丧失 但却不利于产品的长期使用 其它特殊的问题 鸟类或鼠类咬伤伞裙护套 绝缘子表面有微生物或霉菌生长等 1 1复合绝缘子的损坏事故CIGRE2000年调查中的复合绝缘子故障统计 复合绝缘子损坏的主要原因包括 芯棒断裂 界面击穿 金具与芯棒连接区滑移甚至拉脱 外绝缘材质严重劣化 如 端部密封失效 护套开裂 漏电起痕或电蚀损等 绝缘子损坏事故的事故率并不高 但其一旦发生 往往会发生掉线事故 需较长的后续维修 更换时间 所造成的影响和损失较大 在机械故障中主要是芯棒断裂问题 金具原因的较少 随着采用耐酸性芯棒 端部密封的改进以及合理设置均压措施防止电晕老化 此问题有望逐步解决 电气事故多为界面闪络引起 随着目前挤包套伞工艺和整体注射工艺的逐步发展和完善 此类问题有望降低 1 2复合绝缘子的老化复合绝缘子的老化不完全等同于一般意义上材料的老化 有机硅橡胶材料的耐老化特性虽然不如无机材料 陶瓷或玻璃 但国外有20年以上的稳定运行经验 在运行过程中 复合绝缘子的老化主要表现在 表面憎水性下降 漏电起痕或电蚀损变差 表面龟裂 开裂 击穿 粉化 褪色 变脆变硬 芯棒中有机材料机械疲劳及断裂等 下面我们将从芯棒材料的老化和外绝缘的老化两方面来详细阐述这些问题 芯棒材料的老化在长期的运行中 由于大气环境 电场 机械力等的联合作用 芯棒中的玻璃纤维会产生机械疲劳 环氧树脂材料老化 同时亦会出现端部金具和芯棒连接配合处松动 可能出现微量的滑移 使密封胶开缝 或导致外绝缘与金具和芯棒脱开 使芯棒材料受潮 形成酸性溶液腐蚀芯棒等 在金具端部强电场的作用下 导致加速老化 上述芯棒的断裂等问题多发生于高压端 金具与芯棒的结合位置 绝缘子高压侧 的长度承受了其 的电压 电场畸变严重 所以在此场强最为集中处 极易产生电晕放电和小电弧放电 长时间作用更会加剧老化的程度 外绝缘的老化 在各种老化因素中 电晕放电 沿面放电较紫外线 酸雨等环境因素对复合绝缘子老化的影响更为显著 电场 机械负荷与环境因素的共同作用则会进一步加剧复合绝缘子老化 劣化的进程 伞裙护套材料有些变化如褪色 变硬 伞群形状略微形变等 一般并不妨碍复合绝缘子的继续使用 但需要加强对该批次产品的复检 复合绝缘子的老化的合理定义应该基于复合绝缘子所承担的功能的不可逆变化 并考虑老化从量变到质变的逐渐积累过程 如果上述外绝缘材料的劣化导致伞裙护套对芯棒的保护作用丧失 导致电气机械性能的严重下降 该绝缘子就必须更换 2 复合绝缘子运行所发生的事故分析线路上运行的绝缘子受到雷击 污秽 鸟害 冰雪 高湿 温差等环境因素的影响 在电气上要承受强电场 雷电冲击电流 工频电弧电流的作用 在机械上要长期工作载荷 综合载荷 导线舞动等机械力的作用 因此 复合绝缘子的事故统计也由上述因素而被分为不同的事故类型 我国复合绝缘子事故统计 截至1998年9月 雷击闪络 对瓷 玻璃绝缘子的故障统计中 雷击故障约占故障总数的50 左右 对复合绝缘子的故障统计中 雷击故障约占故障总数的47 2 左右 问题 试验研究的结论是 复合绝缘子自身的耐雷电冲击水品与玻璃或瓷绝缘子串的耐雷电冲击水平相当 甚至高于玻璃或瓷绝缘子串 但在实际运行情况却表明换复合绝缘子后 线路雷击闪络次数增加 原因分析 复合绝缘子结构长度短 电极间距离被缩短 为改善复合绝缘子端部电场而加装的均压环使电极间距离 同时 部分生产厂家为了降低生产成本 盲目修改配方 大量添加价格低廉的无机添加剂 或者选择劣质的材料 导致绝缘子本体性能和使用寿命下降 提高绝缘子耐雷水平的措施 适当增加绝缘子长度 改善复合绝缘子的电场分布 使其更趋均匀 从而减缓局部高场强引发的局部放电 提高相同放电距离下的放电电压 采用合格的原材料来生产复合绝缘子 内绝缘击穿1990 2001年京津唐电网复合绝缘子内部击穿事故统计 造成击穿的可能原因 芯棒质量不佳芯棒 护套界面存在问题护套密封破坏 外部水分侵蚀 鸟害问题在绝缘子正上方的横担及金具上栖立的飞鸟排泄粪便 鸟粪在滑落的过程中导致伞裙边缘位置空间电场畸变 引发空气击穿 从而导致的闪络称为鸟粪闪络 鸟粪下落的两种方式 鸟粪落在绝缘子表面 然后沿绝缘子伞裙边沿下滑至高压伞裙 鸟粪在离绝缘子边沿一段距离的地方下落 模拟试验表明 后一种方式更易引发闪络 且当D合适 电导率 4000 s cm 低于实测鸟粪电导率 时 引发闪络的几率达到100 均压环虽有助于改善绝缘子表面电场 但却易引发鸟粪闪络的发生 污闪 从污闪事故统计数据来看 复合绝缘子的污闪故障次数远低于发生在瓷和玻璃绝缘子的污闪故障次数 在相同条件下 复合绝缘子防污能力明显高于瓷和玻璃绝缘子 前者约为后二者的2倍以上 表面憎水性下降后 复合绝缘子污闪电压仍高于瓷和玻璃绝缘子 防污闪特性优点分析 硅橡胶伞裙的憎水迁移性可使污秽层也具有憎水性 污层表面难以形成连续的水膜 不易形成集中的放电通道 同等污秽条件下表面电阻比瓷和玻璃绝缘子要大 绝缘子的伞裙无槽 且其自振特性有利于降低其积污量 不明闪络所谓不明闪络 主要是指闪络状况 类型 原因等难以准确分析和判明 与瓷和玻璃绝缘子相比 复合绝缘子不明闪络比例较高 分析主要有以下原因 电场的不均匀分布与其它直接原因的配合 外界因素 异物 包括风筝线 锡箔纸 塑料绳 塑料薄膜 铁丝等 挂在导线和绝缘子上飘至导线和绝缘子附近引发闪络 低温高湿环境 多发生在清晨4 6点 突发的环境变化 大风使复合绝缘子表面短时内落上一层略厚的尘土 在憎水性迁移至尘土前 遇较潮湿天气导致闪络 三 硅橡胶材料的运行特性在前面 我们简单介绍了硅橡胶材料以及复合绝缘子的一些运行特性 硅橡胶材料能在系统中大量运行 主要得益于其以下特性 耐高 低温 耐酸碱性和抗污秽性 可在不同的工作环境中应用 尤其是重污秽地区 可有效的避免污闪事故的发生 良好的耐电蚀性 绝缘性能好 使用寿命长 具有低的表面能 即良好的憎水性能 水滴在硅橡胶表面能随时滚落 不形成导电水膜 从而避免表面闪络的发生 特有的憎水迁移性 在长期运行时 硅橡胶表面会有很多污秽 硅橡胶优异的憎水性能能迁移到污秽表面 所以在运行时可免维护 虽然硅橡胶具有上述的优良特性 但是随着硅橡胶复合绝缘子使用量逐年增加 我国有关复合硅橡胶劣化及损坏的信息也日趋增多 主要表现在硅橡胶材料憎水性下降 出现一些劣化现象 由此造成的闪络事故或设备损坏事故时有发生 这些现象表明 掌握复合硅橡胶材料的性能特点和运行特性至关重要 在第一章中我们已经介绍了硅橡胶分为室温硫化硅橡胶 RoomTemperaturevulcanization 简称RTV 高温硫化硅橡胶 HighTemperaturevulcanization 简称HTV 和液体硅橡胶 LiquidSiliconeRubber 简称LSR 三种 国内目前有很多研究机构都在进行有关硅橡胶的研究 对于RTV和HTV都有很多相关的试验结论 但对LSR研究甚少 本章我们将结合国内和国外相关硅橡胶的试验结论 来分析三类硅橡胶的运行特性 1 室温硫化硅橡胶 RTV 1 1RTV的分类及特点RTV根据其材料组成和反应机理大致可分为三类 单组分RTV 双组分缩合型RTV和双组分加成型RTV 1 1 1单组分RTV单组分RTV的硫化反应是靠与空气中的水分发生作用而硫化成弹性体 其硫化时间取决于硫化体系 温度 湿度和硅橡胶层的厚度 但由于它的硫化是依懒大气中的水分 使硫化胶的厚度受到限制 只能用于需要6毫米以下厚度的场合 因此常用于粘合剂和密封剂 1 1 2双组分缩合型RTV双组分缩合型RTV硫化反应不是靠空气中的水。