硅橡膠在電氣方面的應(yīng)用

苧三星壘曼壘墼塑曼莖查曼塑生絲苧叁硅橡膠在電氣方面的應(yīng)用林修勇(溫卅國工實業(yè)有限公司，浙江溫州325003)摘要：簡述了周內(nèi)外硅橡膠(高溫硫化墅硅橡膠、室溫堿化型硅橡膠、液體硅橡膠等)在電氣絕緣方面的應(yīng)用情況美t詞：硅橡膠；電氣筍緣；應(yīng)嘆自美國道康寧(Dow Coming)公司于1943年建成全球第一套有機硅生產(chǎn)裝置以來，有機硅工業(yè)的 發(fā)展非常迅速，它的生產(chǎn)規(guī)模一直呈高速的增長趨勢。根據(jù)對硅氧烷的產(chǎn)量統(tǒng)計：1947年為1000噸，1958年為112萬噸，1968年為33萬噸，1989年為30萬噸，1997年為50萬噸,2000年為85萬噸。在有 機硅產(chǎn)品銷售額中聚硅氧烷(硅油、硅橡膠、硅樹脂)占9成以上。有機硅產(chǎn)品在國民經(jīng)濟中的重 要地位現(xiàn)已成為社會和人們?yōu)榘l(fā)展生產(chǎn)和改善生活環(huán)境不可缺少的化工材料。我國的有機硅市場發(fā) 展很快，以硅氧烷計2000年約有10萬噸，其中硅橡膠占39。隨著近年來國內(nèi)電子電氣、建筑及汽 車工業(yè)的快速發(fā)展，對硅橡膠的需求量也將急劇增加。硅橡膠具有許多卓越的特性，是橡膠中性能獨特的品種。硅橡膠用作電氣絕緣材料，其主要有如下優(yōu)良性能： a優(yōu)良的抗紫外線和抗臭氧性能 b持久的憎水性及憎水性遷移特性 c優(yōu)良的耐候性能和耐老化性能 d具有非延燃和自熄性能，優(yōu)良的耐熱性能 e耐電暈，高抗電痕性f使用溫度范圍寬-60C+250 g對環(huán)境無害，環(huán)保無污染 因此硅橡膠非常適合用作電氣電工行業(yè)的有機絕緣材料，近年來，已在世界各國的電氣絕緣系統(tǒng)設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用。如國內(nèi)外大多數(shù)有機復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家均采用填充有較大量氫氧 化鋁(A12033H20)的甲基乙烯基硅橡膠(即高溫硫化硅橡膠)作為戶外絕緣材料，還有用作復(fù)合 避雷器、斷路器、變壓器、互感器、高壓開關(guān)和套管等的外套絕緣材料及硅橡膠電纜終端等。據(jù)不完 全統(tǒng)計，至2001年我國在高壓線路上運行的硅橡膠復(fù)合絕緣子已達190萬支年，而且用萱每年以25N上的速度在增長。大大地促進了電力工業(yè)的發(fā)展，提高了用電安全性，具有社會和經(jīng)濟的雙重效益1”。從上世紀(jì)60年代開始。世界上眾多的發(fā)達國家，如德、美、英、法、日等國就已經(jīng)紛紛開始研 究利用有機高分子聚合物制造戶外復(fù)合絕緣子。最先采用的絕緣材料主要有脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、二元乙 丙橡膠、三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯以及室溫硫化硅橡膠等16】，但由這些材料制造的復(fù)合絕緣子在使 用運行一定的時間后都出現(xiàn)了一些問題，環(huán)氧樹脂易老化、開裂、憎水性喪失、表面產(chǎn)生漏電起痕； 乙丙橡膠運行幾年后出現(xiàn)憎水性下降、褪色、裂紋、產(chǎn)生漏電起痕；聚四氟乙烯沒有憎水性遷移特性， 表面積污后易出現(xiàn)腐蝕和傘盤洞穿等問題。而且價格昂貴，加工困難；室溫硫化硅橡膠耐漏電起痕與140#謦勇硅橡膠在電氣方面的應(yīng)用電蝕損性能和機械強度不大理想，有出現(xiàn)表面機械損傷及腐蝕開裂等問題。惟獨熱硫化硅橡膠使用效 果比較好，不易老化、耐漏電起痕與電蝕摜性能相對較好，尤其是在其表面積污后仍具有良好的憎水 性，使其獲得世界各國學(xué)者的一致好評。1熱硫化型硅橡膠 從20世紀(jì)70年代末80年代初開始，歐、美國家逐灝采用高溫硫化型硅橡膠(K出temperaturevulcanized silicone rubber簡稱HTV)作為電氣絕緣材料制造復(fù)合絕緣子的傘袒護套。差不多同時我國的一些高校、研究院所，如清華大學(xué)、武漢水利水電學(xué)院、華東電力試驗研究院、西安電瓷研究所等 單位相繼開展采用熱硫化型硅橡膠研制復(fù)合絕緣子工作并研制出35kV500kV備型號系列復(fù)合絕緣 子產(chǎn)品。雖然我國復(fù)合絕緣子的研究起步工作比較晚，但其發(fā)展非常迅速。至今。已有不少于190萬 支35kV500kV系列的硅橡膠復(fù)合絕緣予在全國電網(wǎng)上運行。產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。熟硫化型硅橡膠按化學(xué)組成的不同可分為二甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基乙烯基苯基硅 橡膠、三氟丙基硅橡膠、腈硅橡膠等。熱硫化型硅橡膠作為電氣絕緣材料，主要是制作復(fù)合絕緣子的 傘裙護套-復(fù)合避霄器的外套，增爬傘裙(防污傘裙)、電纜附件、開關(guān)護套以及穿墻套管的傘裙護套 等高壓絕緣部件來改善高壓絕緣設(shè)備表面的受污、受潮條件，提高絕緣強度和耐污能力，它與傳統(tǒng)陶 瓷材料相比具有如下明顯優(yōu)勢H9J：a重量輕、體積小、不易破損、運輸安裝方便。維護工作量小，可以降低相應(yīng)安裝維護費用。復(fù) 合絕緣的重量為陶瓷絕緣的110以下，用復(fù)合絕緣的套筒替代瓷套做外絕緣，可以降低電氣設(shè)備的重 量做成輕型電氣設(shè)備，如ZnO避雷器用復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，重量可減少到瓷套ZnO避雷器的l，31，4， 輕型避雷器可以直接懸掛在變電站內(nèi)或輸電線的導(dǎo)線下。減少安裝面積其他如互感器等用硅橡膠復(fù) 合外絕緣都可以使電氣設(shè)備輕型化和安裝懸掛式。簡化變電結(jié)構(gòu)及變電站小型化。b憎水性好，耐污能力提高1625倍，可以有效提高用電安全性，減少清掃費用。硅橡膠浸水 老化試驗表明，小分子從硅橡膠中向外遷移的速度非常緩慢，可以期望硅橡膠會長期保持憎水遷移性。c生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品合格率高、生產(chǎn)能耗低、生產(chǎn)過程對環(huán)境污染小。d不爆炸(幾乎不爆炸)。無須零值檢測。 e容易制造高大型產(chǎn)品。 這些優(yōu)點是陶瓷絕緣體所不具備的或是難以達到的特別是用在野外的產(chǎn)品在施工和維護時電力部門對硅橡膠復(fù)合絕緣體的優(yōu)勢有更深刻地體會和認識 在硅橡膠復(fù)合絕緣體中常用的是甲基乙烯基硅橡膠。最適合作為電氣絕緣材料的甲基乙烯基硅橡膠型號為110型，其分子量在4570萬g鈿ol，揮發(fā)份小于3硅橡膠必須與其他物料配比共混，主 要是與補強劑(白炭黑)、結(jié)構(gòu)控制劑(羥基硅油、二苯二羥等)、抗電蝕填充劑和阻燃劑(氫氧化鋁 等)、交聯(lián)劑(DCP、雙2。5等)、著色劑(炭黑、氧化鐵紅等)以及其他加工助劑(增塑劑、偶聯(lián)劑 等)按一定的配方比例經(jīng)過混煉，熱處理、過濾、硫化等工序。制成具有優(yōu)異抗漏電起痕與電蝕損性 能、介電性能、耐天候老化性能以及一定機城強度的絕緣材料P”。國內(nèi)外各個廠家的生產(chǎn)配方嚴格保密，或是以專利的形式公布，因此配方各不相同致使各廠 家生產(chǎn)的絕緣材料的電氣及機械強度性能不盡一致，表l列出了幾種高壓絕緣材料的機械及電氣性能。 美國專利US005977216A介紹了一種具有滿意物理機械性能和改進了的高壓電氣絕緣性能的硅橡膠，專門用于制造復(fù)合絕緣子和高壓套管”。14第二屆全國橡膠制品技術(shù)研討會論文集襲l HTV硫化腔性瞎實翻值(公司代號艚號用字母愛示)道康寧(Dow Coming)公司是近研制出新一代用于高壓絕緣裝置模壓成型高壓絕緣子、避雷器、 套管、開關(guān)、斷路器和外殼、電涌放電器以及其他高壓器件的硅橡膠絕緣材料HVl600系列產(chǎn)品，不 僅有出色的絕緣性能，有更優(yōu)的耐濕電性能、憎水性遷移與恢復(fù)、抗撕裂強度，同時具有良好的成型 加工工藝特性，易于加工。適于注射、移模或平板硫化模壓成型。1。國際上較著名的公司還有美國GE公司、ReliablePowerProduct公司，德國Wacker公司、Rosentha| 公司，日本Toshiba公司等，國內(nèi)也有一些研究機構(gòu)和上規(guī)模的高壓有機外絕緣裝置生產(chǎn)廠家(包括 硅橡膠生產(chǎn)廠家)都在積極研究開發(fā)優(yōu)質(zhì)硅橡膠絕緣材料，其工作方向是尋求硅橡膠耐老化性能、憎 水性、介電性能和機械強度等綜合性能的最佳平衡。目前眾多廠家的硅橡膠絕緣材料生產(chǎn)配方均被視為技術(shù)機密，同行之間缺乏交流，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB 58921991(包括正在修訂的國家標(biāo)準(zhǔn))對硅橡膠材料的硬性規(guī)定除了要求抗漏電起痕與電蝕損性 能達到IEC60587之45 kV級外并無其他要求(IEC對硅橡膠材料無硬性規(guī)定)，各廠家都努力提高硅 橡膠材料的機械強度性能，如抗撕裂強度從最初的5 kNm提高到目前的79 kNm，拉伸強度從最初 的3MPa提高到目前的45Mpa甚至更高，而且抗漏電起痕與電蝕損性能也能達到標(biāo)準(zhǔn)要求至于憎 水性遷移與恢復(fù)特性、耐天候老化性能等在短期內(nèi)變化不甚顯著。相關(guān)試驗方法還有待斟酌和進一步 標(biāo)準(zhǔn)化、合法化，國際大電網(wǎng)會議工作組也正在做這方面的工作。這也從一個側(cè)面反映了我國硅橡膠 配合技術(shù)的進步，但要趕上國際先進水平還需要一些時間。更重要的是進一步完善現(xiàn)有的試驗手段和 測試方法，硅橡膠表面憎水性遷移與恢復(fù)的測量以及耐天候老化試驗等，特別是對戶外電氣絕緣材料 來說，這些性能至關(guān)重要。一旦性能劣化卻沒有及時發(fā)現(xiàn)，隨時有可能發(fā)生重大事故，造成巨大經(jīng)濟 損失。2室溫硫化塑硅橡膠室溫硫化型硅椽膠(roomtemperaturevulcanized silicone rubber簡稱RTV)分子量較低，通常為粘稠 狀液體，按其硫化機理和使用工藝性不同，可分為單組分RTV和雙組分RTV。|42林謦勇硅橡膠在電氣方面的應(yīng)用單組分RTV使用時特別方便只需與空氣中的水分接觸即可交聯(lián)成彈性體：雙組分RTV使用時 只需將兩個分別混有催化劑和交聯(lián)劑的組分按要求經(jīng)過計量進行混合，即可硫化成型。室溫硫化型硅 橡膠加工方便，對設(shè)備和模具要求也不高。RTV對多種材料，如硅橡膠、金屬、玻璃、陶瓷等有良好 的粘接性，在高壓絕緣體方面可以用作膠粘劑起到粘接密封作用。電氣用室溫硫化硅橡膠主要用于 防污閃、增爬裙的粘接；復(fù)合絕緣子、避雷器及滅弧開關(guān)雨裙的修補；陶瓷真空滅弧開關(guān)合成絕緣子 套簡與陶瓷的粘接。具有防潮、防震、絕緣等作用并能經(jīng)受冷熱交變的沖擊。使用時把膠直接涂敷在 被粘接物的表面，粘接物對接后。最好施加定壓力。以達到更好的粘接效果。RTV用在防污閑涂料方面，在國外已有近30年的歷史，使用效果不錯；國內(nèi)在20世紀(jì)80年代 開始也有產(chǎn)品使用，但使用壽命比較短，一般只有幾年的有效期。高壓絕緣RTv防污涂層專門用于提 高陶瓷和玻璃高壓絕緣子、避雷器和其他高壓元件性能。特別是防止這些部件因表面污染而引起電弧 的問題。經(jīng)過涂層處理的設(shè)備顯示出更好的憎水性能，而且硅橡膠涂層還有一種特殊的能力，就是在 表面電弧活動之后可以恢復(fù)憎水性。室溫固化的單組分硅橡膠分散涂層，如果應(yīng)用方法正確，就可以 在絕緣體表面形成平滑的橡膠涂層，讓絕緣體更耐潮、污染和鹽霧。還可以改善陶瓷、玻璃和有機聚 合物在惡劣環(huán)境下的耐氧化、耐候、耐紫外線性能，提高了可靠性并減少了維護工作。廣泛應(yīng)用于包 括線路絕緣子、電站絕緣子、套管、變壓器和相關(guān)設(shè)備。RTv用在電壓互感器等產(chǎn)品上也有少量使用。 有專家認為【j。室溫硫化型硅橡膠的最大應(yīng)用領(lǐng)域在大套管方面。電壓互感器外殼、空氣斷路器 用絕緣簡、電容器用套管、變壓器用出線套管，穿墻套管、高壓開關(guān)用耐SF,套管等。RTV就是最佳 的材料。當(dāng)然還要解決RTv的耐漏電起痕與電蝕損性耐受SF,氣體及其分解物，不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力配合以及密封性能等問題。3液體硅橡膠液體硅橡膠(即加成硫化型硅橡膠，liquid silicone rubber簡稱LSR)一般由甲基乙烯基硅橡膠(乙 烯封端)、乙烯基硅油、補強填抖、交聯(lián)劑及催化荊組成。硫化前粘度低，流動性好，能灌注，可塑性 強，可用泵送和靜態(tài)混合硫化后物理機械能和電性能好。LsR除了具有絕緣性能優(yōu)越、使用溫度范 圍寬和在惡劣環(huán)境下的長期耐天候老化性能外，還具有工藝簡化、快捷，可以快速硫化成型、高效節(jié) 能等優(yōu)點，但其價格昂貴，限制了其在電氣絕緣產(chǎn)品上的使用，主要用作高壓電氣產(chǎn)品的灌封絕緣材 料，也用于制造電線電纜的戶內(nèi)外終端接頭，T形接頭。穿墻套管。以及應(yīng)力錐等。在高耐壓等級的 硅橡膠絕緣制品方面，如氧化鋅避雷器外套、復(fù)合絕緣予、互感器外套等則較少使用。4結(jié)柬語硅橡膠復(fù)合絕緣作為新一代外絕緣在高壓輸變電設(shè)備上具有廣泛的發(fā)展，隨著我國有機硅工業(yè)和 納米技術(shù)的快速發(fā)展，將大大地促進硅橡膠配合技術(shù)的進步，硅橡膠絕緣材料的綜合性能將得到進一 步的提高，而成本有望進一步的降低。國際上。硅橡膠絕緣產(chǎn)品的發(fā)展勢不可擋，硅橡膠的應(yīng)用及研 究領(lǐng)域越來越廣，如硅橡膠復(fù)合絕緣予傘套、硅橡膠穿墻套管、變壓器套管、硅橡膠互感器套簡、開 關(guān)套筒、硅橡膠復(fù)合避霄器外套等；其他瓷外絕緣都可以逐步用硅橡膠復(fù)合絕緣替代，而且結(jié)構(gòu)和性 能都將優(yōu)于瓷絕緣；還可以制造陶瓷絕緣產(chǎn)品所沒有的新產(chǎn)品。有機外絕緣材料雖然有許多傳統(tǒng)陶瓷材料所無可比擬的優(yōu)點，但它也出現(xiàn)了一些新問題，如電力 部門比較關(guān)t5的耐天候老化性能、憎水性遷移與恢復(fù)、表面憎水性與自身絕緣性能的關(guān)系以及相關(guān)的 試驗方法研究等。只要解決了相應(yīng)的技術(shù)問題，它的前景將更加光明。第二屆全田橡膠翻晶技術(shù)研討會論文集參考文獻： 1唐厚元有機硅在絕緣子防污閃方面的應(yīng)用J】有機硅材料。2000。14(2)：1418 2幸松民王一璐有機硅合成工藝及產(chǎn)品應(yīng)用M3北京t化學(xué)工業(yè)出版社2000。9536 3】賈德民。姚鐘堯繆桂韶。吳握耀譯塑料聚合物科學(xué)與工藝學(xué)M廣州；華南理工大學(xué)出版社199153Gl f4李學(xué)恩，周克瓊等國外有機絕緣發(fā)展動向J電瓷避雷器，1997638 5崔江流等復(fù)合絕緣子技術(shù)與運行M北京t國家電力公司200012 6林修勇氧氧化鋁對電氣絕緣材科用硅橡膠性能的影響J特種橡膠制品，200223(5)：1417 7魯志偉常樹生等幾種復(fù)合絕緣材料長期浸水的電氣物理特征CJ高電壓技術(shù)。200329(3)：89 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