硅橡胶在电气方面的应用

苎三星垒曼垒墼塑曼茎查曼塑生丝苎叁硅橡胶在电气方面的应用林修勇(温卅国工实业有限公司，浙江温州325003)摘要：简述了周内外硅橡胶(高温硫化墅硅橡胶、室温碱化型硅橡胶、液体硅橡胶等)在电气绝缘方面的应用情况美t词：硅橡胶；电气笋缘；应叹自美国道康宁(Dow Coming)公司于1943年建成全球第一套有机硅生产装置以来，有机硅工业的 发展非常迅速，它的生产规模一直呈高速的增长趋势。根据对硅氧烷的产量统计：1947年为1000吨，1958年为112万吨，1968年为33万吨，1989年为30万吨，1997年为50万吨,2000年为85万吨。在有 机硅产品销售额中聚硅氧烷(硅油、硅橡胶、硅树脂)占9成以上。有机硅产品在国民经济中的重 要地位现已成为社会和人们为发展生产和改善生活环境不可缺少的化工材料。我国的有机硅市场发 展很快，以硅氧烷计2000年约有10万吨，其中硅橡胶占39。随着近年来国内电子电气、建筑及汽 车工业的快速发展，对硅橡胶的需求量也将急剧增加。硅橡胶具有许多卓越的特性，是橡胶中性能独特的品种。硅橡胶用作电气绝缘材料，其主要有如下优良性能： a优良的抗紫外线和抗臭氧性能 b持久的憎水性及憎水性迁移特性 c优良的耐候性能和耐老化性能 d具有非延燃和自熄性能，优良的耐热性能 e耐电晕，高抗电痕性f使用温度范围宽-60C+250 g对环境无害，环保无污染 因此硅橡胶非常适合用作电气电工行业的有机绝缘材料，近年来，已在世界各国的电气绝缘系统设备中得到越来越广泛的应用。如国内外大多数有机复合绝缘子生产厂家均采用填充有较大量氢氧 化铝(A12033H20)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，还有用作复合 避雷器、断路器、变压器、互感器、高压开关和套管等的外套绝缘材料及硅橡胶电缆终端等。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190万支年，而且用萱每年以25N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1”。从上世纪60年代开始。世界上众多的发达国家，如德、美、英、法、日等国就已经纷纷开始研 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16】，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140#謦勇硅橡胶在电气方面的应用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、耐漏电起痕与电蚀掼性能相对较好，尤其是在其表面积污后仍具有良好的憎水 性，使其获得世界各国学者的一致好评。1热硫化型硅橡胶 从20世纪70年代末80年代初开始，欧、美国家逐灏采用高温硫化型硅橡胶(K出temperaturevulcanized silicone rubber简称HTV)作为电气绝缘材料制造复合绝缘子的伞袒护套。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35kV500kV备型号系列复合绝缘 子产品。虽然我国复合绝缘子的研究起步工作比较晚，但其发展非常迅速。至今。已有不少于190万 支35kV500kV系列的硅橡胶复合绝缘予在全国电网上运行。产生显著的经济效益。熟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-复合避霄器的外套，增爬伞裙(防污伞裙)、电缆附件、开关护套以及穿墙套管的伞裙护套 等高压绝缘部件来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H9J：a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 合绝缘的重量为陶瓷绝缘的110以下，用复合绝缘的套筒替代瓷套做外绝缘，可以降低电气设备的重 量做成轻型电气设备，如ZnO避雷器用复合绝缘结构，重量可减少到瓷套ZnO避雷器的l，31，4， 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 合外绝缘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。b憎水性好，耐污能力提高1625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移的速度非常缓慢，可以期望硅橡胶会长期保持憎水迁移性。c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。d不爆炸(几乎不爆炸)。无须零值检测。 e容易制造高大型产品。 这些优点是陶瓷绝缘体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电力部门对硅橡胶复合绝缘体的优势有更深刻地体会和认识 在硅橡胶复合绝缘体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110型，其分子量在4570万g钿ol，挥发份小于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、二苯二羟等)、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)按一定的配方比例经过混炼，热处理、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城强度的绝缘材料P”。国内外各个厂家的生产配方严格保密，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，表l列出了几种高压绝缘材料的机械及电气性能。 美国专利US005977216A介绍了一种具有满意物理机械性能和改进了的高压电气绝缘性能的硅橡胶，专门用于制造复合绝缘子和高压套管”。14第二届全国橡胶制品技术研讨会论文集袭l HTV硫化腔性瞎实翻值(公司代号艚号用字母爱示)道康宁(Dow Coming)公司是近研制出新一代用于高压绝缘装置模压成型高压绝缘子、避雷器、 套管、开关、断路器和外壳、电涌放电器以及其他高压器件的硅橡胶绝缘材料HVl600系列产品，不 仅有出色的绝缘性能，有更优的耐湿电性能、憎水性迁移与恢复、抗撕裂强度，同时具有良好的成型 加工工艺特性，易于加工。适于注射、移模或平板硫化模压成型。1。国际上较著名的公司还有美国GE公司、ReliablePowerProduct公司，德国Wacker公司、Rosentha| 公司，日本Toshiba公司等，国内也有一些研究机构和上规模的高压有机外绝缘装置生产厂家(包括 硅橡胶生产厂家)都在积极研究开发优质硅橡胶绝缘材料，其工作方向是寻求硅橡胶耐老化性能、憎 水性、介电性能和机械强度等综合性能的最佳平衡。目前众多厂家的硅橡胶绝缘材料生产配方均被视为技术机密，同行之间缺乏交流，我国行业标准 JB 58921991(包括正在修订的国家标准)对硅橡胶材料的硬性规定除了要求抗漏电起痕与电蚀损性 能达到IEC60587之45 kV级外并无其他要求(IEC对硅橡胶材料无硬性规定)，各厂家都努力提高硅 橡胶材料的机械强度性能，如抗撕裂强度从最初的5 kNm提高到目前的79 kNm，拉伸强度从最初 的3MPa提高到目前的45Mpa甚至更高，而且抗漏电起痕与电蚀损性能也能达到标准要求至于憎 水性迁移与恢复特性、耐天候老化性能等在短期内变化不甚显著。相关试验方法还有待斟酌和进一步 标准化、合法化，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些时间。更重要的是进一步完善现有的试验手段和 测试方法，硅橡胶表面憎水性迁移与恢复的测量以及耐天候老化试验等，特别是对户外电气绝缘材料 来说，这些性能至关重要。一旦性能劣化却没有及时发现，随时有可能发生重大事故，造成巨大经济 损失。2室温硫化塑硅橡胶室温硫化型硅椽胶(roomtemperaturevulcanized silicone rubber简称RTV)分子量较低，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。|42林謦勇硅橡胶在电气方面的应用单组分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 只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，在高压绝缘体方面可以用作胶粘剂起到粘接密封作用。电气用室温硫化硅橡胶主要用于 防污闪、增爬裙的粘接；复合绝缘子、避雷器及灭弧开关雨裙的修补；陶瓷真空灭弧开关合成绝缘子 套简与陶瓷的粘接。具有防潮、防震、绝缘等作用并能经受冷热交变的冲击。使用时把胶直接涂敷在 被粘接物的表面，粘接物对接后。最好施加定压力。以达到更好的粘接效果。RTV用在防污闲涂料方面，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。高压绝缘RTv防污涂层专门用于提 高陶瓷和玻璃高压绝缘子、避雷器和其他高压元件性能。特别是防止这些部件因表面污染而引起电弧 的问题。经过涂层处理的设备显示出更好的憎水性能，而且硅橡胶涂层还有一种特殊的能力，就是在 表面电弧活动之后可以恢复憎水性。室温固化的单组分硅橡胶分散涂层，如果应用方法正确，就可以 在绝缘体表面形成平滑的橡胶涂层，让绝缘体更耐潮、污染和盐雾。还可以改善陶瓷、玻璃和有机聚 合物在恶劣环境下的耐氧化、耐候、耐紫外线性能，提高了可靠性并减少了维护工作。广泛应用于包 括线路绝缘子、电站绝缘子、套管、变压器和相关设备。RTv用在电压互感器等产品上也有少量使用。 有专家认为【j。室温硫化型硅橡胶的最大应用领域在大套管方面。电压互感器外壳、空气断路器 用绝缘简、电容器用套管、变压器用出线套管，穿墙套管、高压开关用耐SF,套管等。RTV就是最佳 的材料。当然还要解决RTv的耐漏电起痕与电蚀损性耐受SF,气体及其分解物，不同结构应力配合以及密封性能等问题。3液体硅橡胶液体硅橡胶(即加成硫化型硅橡胶，liquid silicone rubber简称LSR)一般由甲基乙烯基硅橡胶(乙 烯封端)、乙烯基硅油、补强填抖、交联剂及催化荆组成。硫化前粘度低，流动性好，能灌注，可塑性 强，可用泵送和静态混合硫化后物理机械能和电性能好。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，还具有工艺简化、快捷，可以快速硫化成型、高效节 能等优点，但其价格昂贵，限制了其在电气绝缘产品上的使用，主要用作高压电气产品的灌封绝缘材 料，也用于制造电线电缆的户内外终端接头，T形接头。穿墙套管。以及应力锥等。在高耐压等级的 硅橡胶绝缘制品方面，如氧化锌避雷器外套、复合绝缘予、互感器外套等则较少使用。4结柬语硅橡胶复合绝缘作为新一代外绝缘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，而成本有望进一步的降低。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，如硅橡胶复合绝缘予伞套、硅橡胶穿墙套管、变压器套管、硅橡胶互感器套简、开 关套筒、硅橡胶复合避霄器外套等；其他瓷外绝缘都可以逐步用硅橡胶复合绝缘替代，而且结构和性 能都将优于瓷绝缘；还可以制造陶瓷绝缘产品所没有的新产品。有机外绝缘材料虽然有许多传统陶瓷材料所无可比拟的优点，但它也出现了一些新问题，如电力 部门比较关t5的耐天候老化性能、憎水性迁移与恢复、表面憎水性与自身绝缘性能的关系以及相关的 试验方法研究等。只要解决了相应的技术问题，它的前景将更加光明。第二届全田橡胶翻晶技术研讨会论文集参考文献： 1唐厚元有机硅在绝缘子防污闪方面的应用J】有机硅材料。2000。14(2)：1418 2幸松民王一璐有机硅合成工艺及产品应用M3北京t化学工业出版社2000。9536 3】贾德民。姚钟尧缪桂韶。吴握耀译塑料聚合物科学与工艺学M广州；华南理工大学出版社199153Gl f4李学恩，周克琼等国外有机绝缘发展动向J电瓷避雷器，1997638 5崔江流等复合绝缘子技术与运行M北京t国家电力公司200012 6林修勇氧氧化铝对电气绝缘材科用硅橡胶性能的影响J特种橡胶制品，200223(5)：1417 7鲁志伟常树生等几种复合绝缘材料长期浸水的电气物理特征CJ高电压技术。200329(3)：89 8王贵一译用于高压绝缘子和套管的硅橡胶胶料J】橡胶参考瓷料2002。32(1)：4549【9成俊杰等编道康宁公司新型高压电气用硅橡胶J国际橡胶商情。200331lApplication of Silicone