"Новости Электротехники N3(27)"«Силикон для кабельной арматуры Преимущества

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №4(28) 2004

Многие компании при разработке и изготовлении кабельной арматуры среднего класса напряжения всё больше и больше применяют различные типы силиконовой резины, несмотря на ее более высокую цену по сравнению с другими полимерными материалами. В чем причина такого предпочтения? Об этом рассказывают наши зарубежные авторы.

Силикон для кабельной арматуры Преимущества – в химических особенностях

Юрген Пиллинг, Клаус-Дитер Хайм, CELLPACK GmbH, Германия
Роланд Бэрш, Университет прикладных наук, Германия
Перевод Дмитрия Шаманова, компания ENSTO

Арматура для определенного сечения кабеля состоит из изоляционных материалов и контактных зажимов разного диаметра. Именно поэтому уже сорок лет в кабельной арматуре применяются эластичные изоляционные материалы. При этом резиновая изоляция конструируется таким образом, чтобы в установленном состоянии она всегда оказывала радиальное давление на слой изоляции кабеля.
А термоусаживаемая изоляция (трубки, капы, юбки, перчатки) под воздействием тепла должна усаживаться на концевые и соединительные кабельные разделки, принимая их форму.

ОСОБЕННОСТИ СИЛИКОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВНЕШНЕЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Особое внимание при разработке специальных силиконовых компаундов уделялось стойкости к воздействию загрязнения в сочетании с влажностью, а также ультрафиолетовой радиации. Превосходная стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения обусловлена высокой энергией межатомных связей силиконовых компаундов.

Табл. 1
Сравнение энергии различных связей с энергией солнечной радиации

Связь	Энергия связи кДж/моль
Si-O	445
C-O	360
C-C	348
Энергия солнечной радиации (300 нм)	398

Результатом эрозии, вызванной солнечной радиацией, являются микротрещины на поверхности, в которых может скапливаться грязь, что ухудшает электрические свойства изоляции. Как видно из таблицы, связь с силиконом обладает преимуществом перед другими типами связей. Наиболее опасными для поверхности изоляции являются трекинги – углеродные дорожки, образование которых главным образом вызвано частичными разрядами при протекании по поверхности токов утечки. В силиконовых материалах не образовывается углерод при разложении. Весь свободный углерод выходит в газообразных соединениях. Вот почему эрозионные дорожки образуются без электропроводных углеродов.
Интенсивность поверхностных разрядов так или иначе зависит от токов утечки. Именно поэтому очень важно такое свойство силиконовых материалов, как гидрофобность, то есть способность отталкивать от себя влагу. Капли воды на поверхности силикона дискретны по форме и не создают дорожек проводимости. Кроме того, силикон обладает бесконечным числом коротких легких молекулярных цепей. Миграция этих молекул к поверхности восстанавливает гидрофобные свойства силикона. Таким образом, гидрофобность силикона сохраняется в течение длительного срока эксплуатации в условиях открытой окружающей среды.

ПРИМЕР
Надежность силиконовых концевых муфт испытана в соответствии с рекомендациями различных европейских стандартов, в том числе в условиях солевого тумана. Испытывались два типа концевых муфт. Муфты типа CAE-F изготовлены целиком из силиконовой резины. Гибридный тип (CHE-F) состоит из термоусаживаемой трубки и силиконовых юбок.
Испытания проводились в условиях:

напряжение 1,25•Uо;
проводимость тумана 16 мс/cм (10г NaCl/l);
распространение разряда 0,4l/м3•ч;
продолжительность 1000 ч.

Обычно оценка повреждений определяется током утечки, который измеряется и регистрируется, а смачиваемость оценивается визуально. Результаты испытаний приведены на рис. 1, 2, где показаны пиковые токи в течение одной минуты. Вначале ток утечки очень маленький. Происходит небольшое число разрядов, поверхность материала гидрофобна. Позже наблюдается большее число разрядов, ток утечки быстро возрастает. Гидрофобность поверхности ухудшается, формируются водные триинги. Эти характеристики регистрировались как для муфт CAE-F (рис. 1), так и для CHE-F (рис. 2). Испытания показали, что токи утечки в солевом тумане зависят, с одной стороны, от условий испытаний, с другой стороны, от размеров изоляции (диаметр, длина), но не зависят ни от материала изоляции, ни от трекингостойкости.
Чтобы доказать это утверждение, сразу после 1000 часов испытаний муфты подвергают импульсным испытаниям при влажных условиях (рис. 3).
Отметим, что уровень импульсного напряжения для обоих типов муфт остался примерно одинаков. Но после этого испытатели сделали 70-часовой перерыв без увлажнения муфт, для того чтобы дать возможность легким молекулярным цепочкам мигрировать к поверхности полимера. Муфта типа CAE-F стала опять полноценно гидрофобной (восстановление гидрофобности). Изоляция была вновь увлажнена и подвергнута испытанию импульсным напряжением, при этом прочность изоляции значительно увеличилась (0,93 кВ/см). В гибридной муфте только силиконовые юбки восстановили гидрофобность (рис. 4.). Именно поэтому уровень стойкости к импульсному напряжению вырос не настолько высоко (0,77 кВ/см), однако всё равно восстановление гидрофобности силиконовых юбок дало положительный результат.
Испытания показали также, что миграция низкомолекулярных цепей в силиконе не прекращается на изоляционной поверхности. И даже если поверхность загрязнена, компоненты проникают сквозь загрязненный слой. Можно назвать это явление эффектом переноса гидрофобности (рис. 5).

СВОЙСТВА ПЕРЕХОДНЫХ СЛОЕВ СИЛИКОН–СИЛИКОН
Для кабельной арматуры среднего класса напряжения характерно сочленение двух поверхностей без химического соединения между ними, в частности, между материалом концевой муфты и изоляцией кабеля. В этом случае изоляционные свойства концевой муфты могут быть реализованы высоким радиальным давлением эластичного материала на поверхность изоляции кабеля.
Одной из самых важных проблем является исключение воздушных пузырьков, особенно в месте высокой напряженности электрического поля. Наиболее опасно место среза полупроводящего слоя кабеля. Важным преимуществом силикона перед другими типами полимеров, связанным с этой проблемой, является высокий уровень газовой проходимости. Газовые пузыри, оставшиеся в промежутке между полиэтиленовой изоляцией и натянутым силиконовым элементом муфты, вследствие радиального давления проникают сквозь этот элемент. Именно поэтому промежуток оказывается свободным от газовых пузырей вскоре после монтажа, увеличивая уровень стойкости к частичным разрядам.
Этим объясняются преимущества применения силикона с его высокой диэлектрической проницаемостью (er>10) как элемента регулирования электрического поля (ЭРЭП).

ПРИМЕР
Для разработки конструкции ЭРЭП и исследования его надежности были проведены эксперименты. Между двумя электродами, изготовленными из алюминиевой фольги, были установлены две изоляционные пластины – одна из силикона, а другая из ныне широко используемого для ЭРЭП специального состава (рис. 6). С помощью пневматического устройства (рис. 7) создано давление на изоляционных пластинах, равное 0,02–0,2 МПа. Испытания до пробоя проводились переменным и постоянным напряжением. Результат выводился на основании 10 измерений.
Постоянное напряжение пробоя, воздействующее на раздел поверхностей силикон–силикон, оказалось намного выше, чем переменное напряжение пробоя (пиковые значения, рис. 8). Тогда как для специального состава уровень постоянного пробивного напряжения, наоборот, оказался значительно ниже. Подобная характеристика силикона позволяет уменьшать габариты кабельных муфт среднего напряжения.
Кроме того, испытаниями было подтверждено превосходное свойство силикона – сопротивление электрическому старению.

Выводы
Силикон демонстрирует превосходные результаты при работе во внешней среде, устойчивость к ультрафиолетовому излучению, трекингостойкость, гидрофобность даже в загрязненном состоянии.
Довольно высокая газовая проходимость силикона позволяет выводить газовые пузырьки, оставшиеся в процессе монтажа на границе раздела сред, под радиальным давлением силикона с увеличением электрической прочности раздела сред.
Силикон не имеет заряда и поэтому не подвержен электрическому старению.