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硅橡胶在输电线路绝缘子中的应用摘要：硅橡胶是自20世纪中叶起逐渐投入工程应用的有机合成材料，其独特的化学结构，优异的耐热性能及电性能使其在电力设备电气绝缘中得到了广泛应用和进一步发展。本文对硅橡胶材料的性能以及输电线路绝缘子的基本情况进行概略说明，着重叙述硅橡胶绝缘子体现在高压输电线路中的特有性能及其实际应用中应注意的问题，并简述对硅橡胶绝缘子的现存不足及未来展望。关键词：硅橡胶 绝缘子 憎水性 耐污闪 老化一、 硅橡胶概述硅橡胶(Silicone rubber)，由二甲基硅氧烷及其它有机硅单体聚合而成。Si-C键键能高达426kJ/mol，它没有双键，有优异的耐老化性。硅橡胶突出的性能是使用温度宽广，能在-60（或更低的温度）至+250（或更高的温度）下长期使用。但硅橡胶的抗张强度和抗撕裂强度等机械性能较差，在常温下其物理机械性能不及大多数合成橡胶，且除腈硅、氟硅橡胶外，一般的硅橡胶耐油、耐溶剂性能欠佳，故硅橡胶不宜用于普通条件的场合，但非常适用于许多特定的场合。1、 室温硫化硅橡胶(RTV)室温硫化硅橡胶是指不需加热在室温下即可硫化的一类硅橡胶。室温硫化硅橡胶是一种端基含有羟基（或乙酰氧基）的硅橡胶，分子量较低，通常为粘稠状的流体。这类橡胶中加入适量补强填充剂、硫化剂和催化剂（或受空气中的水分作用）后即可在室温下硫化而成弹性体。硫化完全之后在耐热性、耐寒性、介电性能等方面都很好，唯其机械强度较低些，可用于浇铸和涂敷胶料。室温硫化硅橡胶可分为单组份型和双组份型两种。双组份型室温硫化硅橡胶是由含端羟基的硅橡胶和补强填充剂、硫化剂等配合而成，使用时再添加催化剂。硫化时即在催化剂的作用下，使含端羟基的硅橡胶与硫化剂之间发生脱醇缩合反应而形成交联结构。改变硫化剂和催化剂的用量，即可调节硫化速度，一般用量大时，硫化速度快，反之则慢。在硫化过程中，生成的醇类物质逐渐从硫化胶中扩散逸出。单组份型室温硫化硅橡胶，是由端基含有乙酰氧基的硅橡胶与补强填充剂以及其它助剂配合而成，使用时不需添加催化剂，从密封包装中取出后与空气中的水分作用即可硫化成为弹性体。此种硅橡胶对金属、玻璃和塑料等都有很好的粘合力，其缺点是硫化过程中伴有醋酸生成，虽能从硫化胶中扩散逸出，但对接触物体，特别是对金属有腐蚀作用。2、 高温硫化硅橡胶(HTV)高温硫化硅橡胶是高分子量（一般为4080万）的聚有机硅氧烷加入补强填料和其它各种添加剂，采用有机过氧化物为硫化剂，经加压成型（模压、挤压、压延）或注射成型，并在高温下交链成橡皮。 高温硫化硅橡胶的硫化一般分为两个阶段进行，第一阶段是将硅生胶、补强剂、添加剂、硫化剂和结构控制剂进行混炼，然后将混炼料在金属模具中加压加热成型和硫化。第二阶段是将硅橡皮从模具中取出后，放入烘箱内，于200250 下烘数小时至24小时，使橡皮进一步硫化，同时使有机过氧化物分解挥发。硅橡胶主链上的侧基可以是甲基、乙基、乙烯基、苯基、三氟丙基等。最常用的是甲基, 也可引入其它基团以改善加工性能和其它性能。因此，根据侧基基团和胶料配方的不同，可以得到各种不同用途的硅橡胶。二、绝缘子概述绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中起到重要作用。早年间绝缘子多用于电线杆，慢慢发展于高型高压电线连接塔的一端挂了很多盘状的绝缘体，它是为了增加爬电距离的，通常由玻璃或陶瓷制成。绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地，这两个作用必须得到保证，绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化导致的各种机电应力而失效，否则绝缘子就不会产生重大的作用，就会损害整条线路的使用和运行寿命。绝缘子按照制造材质一般分为玻璃绝缘子、陶瓷绝缘子和有机复合绝缘子，其中有机复合绝缘子早期材质主要为环氧树脂、乙丙橡胶等。20世纪70年代，高温硫化硅橡胶绝缘子问世，与传统的瓷、玻璃绝缘子相比，硅橡胶绝缘子具有重量轻、强度高、耐污闪能力强、制造维护方便等优点。在此后的数十年时间里，硅橡胶绝缘子在世界范围内得到了大规模的应用。三、硅橡胶绝缘子的性能1、 憎水性硅橡胶体系不显极性，当极性的水滴和雾珠落在硅橡胶表面时，材料表面对水具有诱导力和色散力，使其散落在表面不至滚落。因为液体内部水分子比外部空气对表层水分子吸引力大得多，使绝大部分雾珠和雨滴都以球状存在，如果雾珠和雨滴不断增大, 将在硅橡胶斜面下滑力作用下滚落，使材料表现憎水性。2、 憎水迁移性在高压线路中使用的瓷绝缘子和玻璃绝缘子都不具有憎水性，当污秽物落在绝缘子表面，在潮湿条件下这些绝缘子表面极易发生导电而引发事故。大部分有机绝缘子虽然有较好的憎水性，但在表面染污后，一旦表面湿润就会丧失憎水性。硅橡胶不仅具有憎水性，更重要的是它还具有憎水迁移性，在染污情况下，能将憎水性迁移给表面的污秽物，使绝缘子表面仍能保持良好的憎水性，更能适应在高压和污染环境中使用。硅橡胶具有憎水迁移性，主要是由于存在活动性较大的基团、链段以及小分子，这些活动性较大的基团和分子可以向表面迁移。硅橡胶聚合物链经过硫化后，端基和未交联链段以及小分子仍然存在，它们的活动性较大，表面染污后，这些活动性较大的基团和分子易受到污秽物的吸引，随着两者距离的缩短，两者间吸引力迅速增大，污秽物被这些活动性较大的成分浸润和包裹，污秽物增多时，可使与末端和链段相连的部分也会发生拉伸和变形， 同时也会吸引更多的小分子向表面迁移，使表面的污秽物仍能被浸润，保持憎水性。3、 憎水恢复性硅橡胶绝缘子不仅具有憎水迁移性， 而且在憎水性丧失一段时间后还能恢复其憎水性， 从而可更好地满足在高压线路中的应用。硅橡胶憎水恢复性主要是由于极性基团的缩合， 极性分子和小分子的迁移等造成的。硅橡胶在热、辐射、等离子处理后表面会产生羟基、羧基等极性基团，使表面憎水性丧失。极性基团的产生使硅橡胶的表面能增加，在没有强烈外界因素作用下，表面能有自动下降的趋势；同时有机硅聚物自由体积大，链和基团的活动性较大，使得表面的极性基团之间可发生缩合，极性基团可重新取向，带极性基团的分子也可向内部迁移，从而使材料的憎水性得到恢复。表面极性基团的生成和亲水性污秽物落在材料表面，材料表面形成亲水性表面， 使表面憎水性丧失，由于硅橡胶中链段和端基的活动能力大，可包裹污秽物和极性基团，使材料的憎水性得以恢复。小分子迁移在憎水性的恢复中起到了重要作用，这些小分子化合物由于运动能力较大，能够以薄层覆盖污秽层和极性基团，这一作用比极性基团的重新取向更为重要，如此才使硅橡胶的憎水性经长久运行仍没有明显丧失。4、 电性能有机硅聚合物链中没有导电结构，且聚合物分子中没有导电的离子存在，所以聚合物是良好的绝缘体，体积电阻率很大；其次硅橡胶中加入白炭黑和氢氧化铝， 导电性都不大， 且由于聚合物憎水迁移性，颗粒基本都被包裹在分子内部，很难和外界的水接触，无法形成离子；硅橡胶分子中的碳原子数比有机聚合物少，即便燃烧也是生成绝缘的二氧化硅附在表面，所以其电绝缘性和抗电弧性优异，经过这些年的实践，硅橡胶已经广泛用在高压和超高压电路中。但绝缘子在低温时表面的绝缘性显著降低，水珠落在表面后停留的时间大大延长，使表面大量结冰，绝缘子在覆冰条件下，即使轻微的污秽，绝缘子的电气强度也会急剧下降，因此在覆冰条件下，绝缘子的电气特性将发生显著变化，严重影响其外绝缘电气性能，特别是在严重覆冰和积雪时，绝缘子的闪络电压将显著下降，极易发生闪络事故。5、 耐污闪性能污闪一般要经过4个阶段：污秽的积累；污秽的湿润；出现干区和局部电弧；局部电弧发展至闪络。有机硅绝缘子和瓷绝缘子表面电弧的变化都随电流的变化而呈现周期性变化， 但两者表面的染污放电现象明显不同，有机硅表面的电弧变化有明显熄灭重燃现象，瓷表面在通过电流为零时电弧减弱，但没有熄灭，主弧道仍维持有较强的等离子体通路。所以在耐污闪方面，硅橡胶比瓷绝缘子更耐污闪。硅橡胶耐污闪性能是由其憎水和憎水迁移性决定的，因为当水珠或水雾凝结在染污的表面时，硅橡胶表面形成的是不连续的水珠，而在瓷绝缘子表面形成连续的水膜，因而更易发生闪络和跳闸事故。6、耐漏电起痕性和抗蚀损性能高压线路中，绝缘子不仅要有优异的憎水性，还要具有良好的耐漏电起痕性和抗蚀损性能， 以保证高压线路的长期稳定运行。漏电痕迹是污秽物产生的电导电流和火花放电引起碳化物的堆积和蔓延造成的。以氢氧化铝为填料，硅橡胶的耐电痕化和抗蚀损性能较高。因为氢氧化铝在放电产生的高温下会分解，也会和游离碳反应。氢氧化铝分解生成氧化铝和水蒸气，反应吸热量为2.09 kJ/mol，大大降低了材料表面的温度，同时水在高温下形成强烈的水蒸汽气流，可冲刷掉试样表面沉积的碳粒，减弱电痕的发展；氢氧化铝与游离碳反应，使之转化为挥发性碳（CO或CO2），可减弱电痕的发展。此外氢氧化铝和反应产生的氧化铝导热性能较好，能有效传导放电产生的能量，限制热氧化和热降解的产生，降低硅橡胶的分解和碳粒的形成速度。氢氧化铝径粒越小，在材料内部及表面的分布就越均匀，受热分解速度越快，可有效抑制碳化通道的形成，提高耐漏电起痕能力。但就硅橡胶而言，长期保持优良的憎水性能最为重要， 一味追求硅橡胶的耐漏电起痕及电蚀损性能会降低其憎水性能，因为氢氧化铝含大量羟基，氢氧化铝含量过多，使硅橡胶表面具有亲水性，一旦表面有水分存在，就会形成连续水膜，导致闪络事故，且氢氧化铝含量太多也影响小分子的迁移性。四、硅橡胶绝缘子应用应注意的问题1、机械强度纯硅橡胶机械强度很小，一般以白炭黑为补强填料，可使绝缘子强度显著提高。因为白炭黑粒子的小尺寸和大比表面积，可与聚硅氧烷分子产生强烈的相互作用，改善界面状况，同时白炭黑表面含有很多羟基，粒子可通过氢键和范德华力作用形成网络结构。白炭黑的表面积和孔隙度的平均粒径在适当范围内可使硅橡胶的性能达到一个最佳值。合成绝缘子芯棒的拉伸强度可达7000 MPa，比强度是优质碳素钢的5倍。有的地区、部门提出使用合成绝缘子，机械强度要比传统瓷、玻璃绝缘子提高一级。如使用瓷绝缘子为l60kN，而使用合成绝缘子为210kN。实际上当使用负荷小于40%额定机械负荷时，可保障运行的可靠性。因此，完全可按照瓷绝缘子的方法选用合成绝缘子，而不必提高机械许用负荷值。芯棒载荷挠度测定表明，合成绝缘子有良好的抗弯性能、良好的耐舞动和微风振动性能。当用于耐张塔时，可承受一定的弯矩。2、清扫硅橡胶绝缘子积污是否重于瓷绝缘子，目前尚无统一意见。由于一些污闪事故的发生和重污区绝缘子积污过多，硅橡胶绝缘子清扫的问题渐渐浮出水面。由于硅橡胶绝缘子污闪电压高，即使憎水性下降甚至短时近于消失，其污耐压也高于瓷绝缘子20%。因此，清洁区和一般污秽地区可免清扫。对于特别严重的工业和盐碱污染地区可采用定期更换的办法。3、密封的可靠性合成绝缘子端部金具与芯棒护套连接处的密封尚未引起足够注意。它可能是芯棒脆断和界面击穿的起因。硅橡胶绝缘子端部连接结构大部采用楔接式，在长期大负荷运行中芯棒与金具间发生滑移是不可避免的。当密封胶与金具粘接力差时，微小的滑移足以使密封处开缝；当密封胶弹性不够时，过量的滑移又可使密封胶断开。从这一角度讲，采用压接式端部结构是防止密封破坏的出路之一。此外，工程应用密封胶多为室温硅橡胶，其抗老化性能明显不如高温硅橡胶，在端部金具出现电晕的情况下可能导致过早劣化。对于110 kV及以下产品不使用均压环，或220 kV及上产品均压环位置安装不当时都会有更大的危险性。总之，端部密封处在长期机电作用下是否长期维持还需试验论证及长期运行的考验。4、硅橡胶的老化绝缘子在使用中会受到各种因素的影响导致其化学成分与结构发生改变，使得其性能收到影响。对于复合有机绝缘子来说，主要有以下几种因素导致其出现老化和性能下降：紫外线照射，电晕放电以及电弧放电。1)紫外线照射紫外线作为高能光束，会对化学键产生作用，使其发生断裂以及重排反应。相对于陶瓷与玻璃材料，紫外线对于高分子材料的作用尤其显著。实验表明，随着紫外线照射的增加，硅橡胶的疏水性能逐渐降低。分析认为，这是由于在紫外线的照射下，硅橡胶中能量较低的C-H键与Si-C键会发生断裂，生成具有亲水性硅烷醇基团。此外断裂反应生成的自由基会与低分子链发生交联，从而导致低分子链硅油数目的减少。2)电晕放电在一定时间段内，电晕放电可以加速疏水性能的恢复。然而随着放电时间的延长，则疏水性能逐渐下降。这是由于电晕放电可以产生低分子量硅油，从而加速疏水性能的恢复，然而电晕放电同时会产生硅烷醇基团与羰基基团等亲水性基团，随着这些亲水性基团含量的逐渐增加，这些亲水基团可以与低分子量链段发生相互作用并阻碍链段向硅橡胶表面的移动，从而导致疏水性能的下降。3)电弧放电电弧放电对于绝缘子的作用包括两个方面，电气作用与热作用。首先，电弧放电产生的高热能可使硅橡胶高分子的主链发生断裂并生成低分子链硅油，但由于温度太高（500），远高于低聚物硅油的沸点，导致低聚物大量挥发，疏水性能反而下降。其次，电弧放电对于硅橡胶表面的影响也极其显著，由于放电与强烈放热的作用，硅橡胶的表面发生了一系列的化学变化，生成了主要成分为无定形SiO2、SiO2水合物（SiO2xH2O）及硅碳石的亲水性多孔无机薄层。因此，即使具有恢复疏水性能的低分子链段不挥发，生成的亲水表面也会导致绝缘子疏水性能的丧失。五、 结语实践证明，硅橡胶能较好地满足高压输电线路的长期稳定运行，可完全替代瓷绝缘子、玻璃绝缘子和其他有机绝缘子。从国内已经挂网运行的有机硅复合绝缘子来看，复合绝缘子在遏制电网污闪方面起到了很大的作用。