【硅橡胶复合套管表面修复可行性研究】硅橡胶玻璃纤维套管

时间：2020-03-07 09:17:29　来源：雅意学习网本文已影响人

　　[摘要] 本文作者结合自己多年的实际工作经验，对硅橡胶复合套管表面修复可行性相关问题进行分析探讨，同时提出了自己的看法和意见，仅供参考。　　[关键词] 复合套管表面修复
　　
　　硅橡胶复合空心设备具有重量轻、优异的耐污性能和防爆性能等优点。将硅橡胶复合空心设备用在互感器、断路器及套管等电气设备上使用，取代瓷空心设备承受电和机械应力，既提高了电气设备的耐污等级，又克服了瓷空心设备易碎、开裂和爆炸的隐患。使得复合套管的电气设备具有绝缘性能稳定、耐污性能好、重量轻、防爆、运行安全可靠等优点。复合套管一般由玻璃纤维增强树脂套筒和硅橡胶伞裙护套组成，玻璃纤维增强树脂套筒作为内绝缘的同时，还起机械支承作用，硅橡胶伞裙护套一方面作为良好的外绝缘，另一方面保护树脂套筒免受恶劣的大气环境侵袭的功能。我国输变电设备使用硅橡胶复合材料作为设备已有十几年的运行经验，我们的运行经验证明，硅橡胶复合绝缘材料的机械特性、电气性能和稳定特性等均能满足运行要求。
　　但是，我们同时也看到，部分硅橡胶复合套管在运行一定年限后会出现硅橡胶伞裙表面憎水性减弱，伞套脆化、硬化、粉化、开裂等劣化现象。这是因为，在环境因素单独作用下，有机材料的性能会因各种物理化学变化而劣化，而电场、机械负荷与环境因素的共同作用则会进一步加剧劣化。污秽与湿润共存条件导致的电晕放电、表面放电以及紫外、酸雨等侵蚀是影响硅橡胶复合材料劣化的主要因素，其中表面放电的影响最为显著。
　　1、硅橡胶伞裙材料分析
　　现在电网上采用的复合设备、复合套管及涂料主要成分是硅橡胶。有机硅橡胶材料是由线性聚硅氧烷混入补强填料，在加热加压条件下，经过硫化生成的特殊合成弹性体。正因为它完美地平衡了机械性能和化学性能，从而很好地满足现今许多不同条件的应用。高温硫化硅橡胶是目前高压复合设备、复合套管应用比较广泛的伞裙护套材料，它是由未经硫化（交联）的分子量为45-70万的聚二甲基硅氧烷和补强填料、阻燃填料、抗电弧填料、结构控制剂、硫化剂等混合后，经过加热加压硫化而成。其具有优良的电气绝缘性，抗电晕、抗电弧、防水防潮等性能。
　　硅橡胶伞裙在复合套管的外面起承受高电场及保护玻璃钢套管的作用，硅橡胶材料的性能要求是具有电绝缘性、耐漏电起痕、耐电弧、耐候、阻燃、耐低温及实用的物理机械性能。因此，其在混炼中需要添加氢氧化铝粉末来提高硅橡胶伞裙的耐漏电起痕等级；需要添加白炭黑作为补强填料来提高硅橡胶伞裙拉伸强度、撕裂强度等机械性能；需要添加三氧化二铁来改善其耐热性能等等。
　　2、硅橡胶伞裙劣化的分析
　　硅橡胶伞裙常年暴露在大气环境下，除长期承受强电场作用外，还经常受日晒、雨淋、风沙、高温和严寒等恶劣气候条件的影响，这对添加多种填充剂的合成设备来说，必然涉及外绝缘老化问题。虽然硅橡胶具有优异的耐光辐射、耐高低温、耐臭氧和耐霉菌等抗老化性能，由于硅橡胶中硅氧烷分子结构质量的差异，外绝缘中各种填充剂颗粒表面性能作用程度不同，都将降低硅橡胶耐老化性能。
　　强电场作用下的局部放电、冷热聚变、酸雨导致的受潮水解和紫外线等高能射线辐射的长期作用，是导致合成设备老化的主要原因，设备的机电性能会因老化而减退。
　　2.1局部放电引起硅橡胶材料劣化损伤的机理
　　1）局部放电产生的带电粒子撞击硅橡胶表面，使有机硅橡胶分子的主链断裂，发生解聚或部分变成低分子。
　　2）局部放电使设备表面局部温度上升，放电区域内的高温能使硅橡胶材料发生化学分解。
　　3）局部放电产生的活性气体Ｏ3、ＮＯ、ＮＯ2等氧化和氧化物产生的H+的腐蚀作用能使硅橡胶材料加速劣化，形成线型或环状小分子，硅橡胶材料中的颜料、填料会从网络结构中分离出来，产生粉化等现象。
　　4）局部放电产生的紫外线或Ｘ射线中长波部分，导致硅橡胶材料分解、解聚。
　　2.2紫外线等高能射线辐射的老化机理
　　硅橡胶材料中的Si-O-Si键及Si-C键对部分波长紫外线的选择性吸收是其耐老化性能的关键。作为到达地面的太阳光中波长最短的部分，紫外线具有很高的能量。太阳光中243nm波长紫外线的能量为482KJ/mol，310nm波长紫外线的能量为399KJ/mol，365nm波长紫外线的能量为328KJ/mol。而作为聚二甲基硅氧烷分子中的主要化学键，S-O键键能为447 KJ/mol，Si-C键键能为301 KJ/mol。硅橡胶表现出优异的憎水性是由于围绕硅氧主链紧密排列的非极性甲基基团向表面取向，屏蔽了硅氧键的强极性作用。不同波长的紫外线几乎可以选择性地破坏聚二甲基硅氧烷分子中几乎所有的化学键。而硅橡胶优良的卷曲性源自Si -Ｏ键可以大范围运动的键角，部分波长适宜的紫外线可破坏Si -Ｏ化学键，这是造成硅橡胶试样发生硬化，柔顺性降低的主要原因，同时一定波长的紫外线切断Si -Ｃ键后，硅橡胶伞裙的有机组分和颜料、填料会失去相互间的作用力，在表面形成粉末状态，从而造成伞裙表面粉化现象。Si-Ｃ键断裂后，甲基基团会脱离原来的Si-Ｏ链，在一定波长紫外线的强能量作用下，其中的部分化学键又被切断，部分甲基基团被破坏，从而造成硅橡胶表面憎水性的丧失。但是Ｃ-Ｈ键和Si -Ｃ键断裂后，交联反应依然会发生，这一变化将导致小分子物质的数量，尤其是链节数在３-15之间的小分子的数量将发生增减变化，小分子物质迁移到硅橡胶试样表面，会对憎水性产生补偿作用，因此，紫外线光源下的硅橡胶伞裙憎水性没有明显的变化，但化学作用引起的性能劣化较明显。
　　综合起来，经长时间物理和化学作用导致硅橡胶复合套管表面劣化是多方面共同作用的结果。
　　3、硅橡胶伞裙表面修护可行性分析
　　从以上2点分析，我们可以看到硅橡胶伞裙的劣化和硅橡胶的配方、填料、运行时间、环境等有关。硅橡胶伞裙的老化主要分为：电老化，热老化，机械应力老化和环境老化，热老化作为硅橡胶伞裙老化的主要原因之一。了解其老化的原因，我们可以用改变主链结构和侧链基团结构、消除硅羟基、加入耐热添加剂、加入少量硅树脂等方法来提高硅橡胶伞裙的耐热性。同时，也可以在有机硅基团上引入氟原子来改变硅橡胶伞裙对紫外线的耐受能力，氟的F-C键能为485KJ/mol，太阳光中紫外光区（200-380nm）的中长波可透过95%以上，F-C键的断裂需要很高的能量，因此F-C键对紫外线具有很强的耐受能力。
　　事实上，硅橡胶伞裙的有些变化并不妨碍采用复合套管的继续使用，如褪色等。其他一些劣化现象在较长时间内也不会对复合套管的安全运行造成威胁，如硅橡胶伞裙表面轻微粉化、变硬等。但如果复合套管设备所承担功能发生不可逆的变化，如外硅橡胶伞裙的劣化导致伞群护套对玻璃钢套管的保护作用丧失、导致其电气机械性能严重下降，那么该复合套管可能就需要更换。
　　因此，复合套管设备伞裙的老化不完全等同于复合套管的老化。当复合套管设备伞裙出现表面憎水性减弱或完全丧失，伞套脆化、硬化、粉化、开裂等劣化现象时，采用必要的措施，恢复硅橡胶伞裙的表面性能，可延长设备的使用寿命，保障设备安全可靠的运行。

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