复合绝缘子外绝缘基材硅橡胶表面的憎水性和憎水迁移性机理分析

文　摘　使用复合绝缘子可以有效地防止高压输电线路的污闪跳闸事故，保证线路的安全运行。分析了复合绝缘子基材的分子结构特点，探讨了硅橡胶绝缘子表面憎水性及憎水迁移性机理，对改进材料配方，提高绝缘子性能及探讨绝缘子在运行过程中憎水性的丧失、恢复和电网安全可靠性有一定参考作用。
关键词　复合绝缘子　外绝缘基材　硅橡胶表面　憎水性　憎水迁移性　机理
　　近年来，由有机聚合绝缘为主要材料制造的新型线路绝缘子，已经在高压输电线路上被广泛采用。复合绝缘子因其在挂网运行过程中越来越显示出它的优越性，而倍受用户欢迎。复合绝缘子众多优点中最主要的是外绝缘表面的防污性能，它可以有效地防止输电线路污闪跳闸事故，保证线路的安全运行。复合绝缘子外绝缘材质是以硅橡胶为基材，添加多种无机化工原料经混炼加温硫化而成的，其表面防污性能取决于硅橡胶材料特有的憎水性和憎水迁移性，其它添加剂，对硅橡胶材料的憎水性和憎水迁移性或多或少带来不利的影响，有关这些添加剂对其性能的影响程度，将有另文加以论述。对硅橡胶材料表面的憎水性能的机理，国内外有关资料作了论述，但不够完整详细，存在局限性。对硅橡胶表面的憎水迁移性能的机理探讨和分析，就目前国内外所见到的各种技术资料来看，还是各持己见，没有统一定论，绝大多数都是以单一试验结果作为依据，很难系统解释通憎水迁移性这一问题。本文根据硅橡胶材料的分子结构的特点及复合绝缘子运行过程中外绝缘表面污秽物结构特点，在国内外有关论述基础上，通过综合分析，进一步完善硅橡胶表面憎水性和憎水迁移性理论，加深对复合绝缘子防污机理的理解，有利于复合绝缘子全面推广使用。
1　硅橡胶材料分子结构特点
　　复合绝缘子外绝缘一般采用甲基乙烯基硅橡胶为基材，甲基乙烯基硅材料分子结构见图1，硅橡胶分子是氧与带2个侧链硅原子有规则排列的长链。分子侧链上的四价碳原子是经杂化与3个氢原子通过0.11nm的碳氢键进行联接而形成的有机基［1］。分子主链中的硅与碳属同系物族的四价元素，硅也能生成类似碳结构的化合物，但硅与碳又有所不同，硅原子的体积比较大，约为碳原子体积的11倍，硅原子的价电子离原子核较远，它比碳原子有较大的的供电性，因而它的电负性较小。硅化合物中，硅氧的键能较大，键也较长，约为0.18nm，由此，硅原子较容易通过硅氧键形成长链聚合物［2］。硅氧硅的链角为130°～160°［3］，比在SP3杂化中通常的氧原子链角109°28′大得多，这是由于不等性杂化造成的。硅氧硅链角的不稳定性，使得硅橡胶分子主链不呈现刚性，同时，硅氧硅主链中氧的P电子与硅的空3d轨道参与3Pπ-dπ共轭作用，使硅原子供电性减弱，这时，硅氧键的极性不象硅和氧计算出来的那么大，但还是比较强，约为4.6×10-30C.m。硅与碳所形成的硅碳键也比较长，约为0.19nm［1］，与硅氧键近似，约为碳氢键长的1.8倍。同时，硅原子的可供电性，使得以硅原子为正极端的硅碳键略显弱极性，其值约为2×10-30
C.m。
　

　
图1　甲基乙烯硅橡胶材料分子结构
2　硅橡胶表面呈现憎水性的机理
　　螺旋状聚合物分子结构组成的硅橡胶表面，它所有的有机基排列在螺旋状分子链的外侧，有机基原子间的诱导效应使其体系较稳定，不显极性，并且每个有机基都以较长的碳硅键进行自由高度旋转，使整个硅橡胶分子主键所有极性的硅氧键和弱极性碳硅键都被有机基所屏蔽。硅橡胶材料表面存在雾珠和雨滴时，雾珠和雨滴中极性水分子与有机基作用出现诱导力和色散力，使其散落在表面不至于滚下来，并且液体内部极性水分子对表面层分子吸引出现的张力远大于外部空气分子对它的吸引力，以及雾珠和雨滴与硅橡胶材料表面诱导力及色散力的作用，使绝大部分雾珠和雨滴都是以球状存在。如果雾珠和雨滴不断增大，其将在硅橡胶斜面下滑分力作用下滚落下来。
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