UPORABA SILIKONA V ELEKTROTEHNIKI 7. konferenca CIGRE-CIRED Velenje 2005

Transcription

1 UPORABA SILIKONA V ELEKTROTEHNIKI 7. konferenca CIGRE-CIRED Velenje 2005 Boris Sterle Jože Hrastnik ELEKTRO Ljubljana Slovenska c. 58, 1516 Ljubljana boris.strle@elektro-ljubljana.si,, GSM Povzetek Predstavljeni referat predstavlja osnovne probleme pri sestavi silikonske gume pri izdelavi podpornih in zateznih kompozitnih izolatorjev. Guidelines for preparing papers for the 7 th Conference CIGRE-CIRED Velenje 2005 Abstract The paper describes basic problem with components silicone rubber to making composite pin and tension insulators I. UVOD Zanesljivost obratovanja visokonapetostnih daljnovodov ima pomembno vlogo pri zagotavljanju nemotene oskrbe uporabnikov z električno energijo, čemur dajemo vedno večji pomen. Ob tem predstavljajo pomemben element daljnovodni izolatorji in odvodniki prenapetosti, ki morajo zdržati čim višje napetostne obremenitve tudi v pogojih najbolj neugodnih vplivov iz okolja. (sol, onesnaženje zaradi vplivov industrije ). Do danes so se večinoma uporbljali porcelanski in stekleni izolatorji (klasični). Kompozitne izolatorje so začeli uporabljati v 60. letih. Danes se zaradi slabših lastnosti klasičnih izolatorjev (velika teža, mehanska občutljivost) vse bolj uporabljajo kompozitni izolatorji in odvodniki prenapetosti. Električne lastnosti elementa (izolatorja, odvodnika prenapetosti) so odvisne predvsem od obloge, s katero je zaščiteno jedro. Ustrezna oblika (obroči) je pomembna zaradi dobre dielektrične zdržnosti elementa tudi ob neugodnih vplivih iz okolja. Izmed raznih organskih materialov, primernih za izdelavo oblog (polivretani, polietileni, teflon...), sta se uveljavila predvsem dva: EPDM (etilen-propilen-dien monomer) in silikonska guma. Poudariti velja, da so kompozitni materiali zmesi. Lastnosti materiala so zato odvisne od kemične sestave, postopka vulkanizacije, polnil in dodatkov. Kompozitni material (npr. silikonska guma) enega proizvajalca ima zato lahko bistveno drugačne lastnosti kot material drugega. II. SPLOŠNO O SILIKONU Silikoni so skupno ime za produkte v veliki skupini materialov siloksan polimerov. Ti so sestavljeni iz izmenjajočih se silicijevih in kisikovih atomov z različnimi organskimi radikali, vezanimi na silicijeve atome, zato se imenujejo tudi organske silicijeve spojine. Silikoni so lahko v obliki tekočin, elastomerov in smol. Silikoni so lahko v tekoči obliki, kakor npr. olja, maščobe, gume in smole, lahko so linearni ali zamreženi. Ti so stabilni od 50 do 250 C. Imajo nizko površinsko napetost, so vodoodbojni, obstojni na UV žarčenje in vremensko obstojni. Imajo odlične dielektrične lastnosti, električna izolacija je relativno neodvisna od temperatur. Silikoni so nepolarni, zato delujejo kot drsna sredstva. Kemijska obstojnost je relativno dobra, vendar pa so topni v mnogih organskih topilih. Silikoni so sestavljeni iz verig, lahko tudi zamreženih, ki so sestavljene iz izmenjajočih se silicijevih in kisikovih atomov. Podobno sliko najdemo v pesku, steklu in v večini kamenin. Veriga -Si-O-Si-O-Si-O je modificirana z organskimi spojinami, ki so vezane na silicijeve atome. Siloksanske verige vsebujejo atomske vezi, ki so precej bolj fleksibilne, kot atomske vezi v običajnih plasteh. Gre za popolnoma prosto rotacijo v Si-O vezi, še posebej, kadar ima Si majhne substituente, npr. metilne skupine. Tudi v metilsilikonih so popolnoma proste rotacije v Si-C vezeh. Razdalje med metilsiloksanskimi verigami so večje kot med ogljikovodikovimi verigami. Intermolekularne sile pa so pri silikonih šibkejše. Zato imajo trdi silikoni nizke natezne trdnosti in temperature steklastega prehoda (-120 C), za tekoče silikone pa je značilna 1-7

2 7. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV Velenje 2005 nizka točka tečenja in majhna površinska energija. Silikonska olja so zato dobra mazalna olja pri nizkih temperaturah. Zaradi odprte strukture silikoni bolj prepuščajo pline kot ostali polimeri. Prepustnost je selektivna in še posebno visoka za kisik. Silikonska membrana, ki ne vsebuje polnil, 10 krat bolj prepušča kisik kot naraven kavčuk. Silikonski materiali se zato uporabljajo kot umetna pljuča. Molekularna struktura daje silikonom skoraj enkratno lastnost: konstanten lastnostni profil v zelo širokem temperaturnem intervalu. III. SILIKON SILOPREN ELECTRO LSR A. Opis proizvoda Silikon Silopren Electro LSR je dvokomponentna prozorna silikonska guma. V proizvodnem procesu je namenjen za brizganje v orodje. Silikonska guma je razvita za oplaščanje (proizvodnjo plaščev) vseh vrste izolatorjev in odvodnikov prenapetosti. Sestava silikona Silopren Electro je določena (posebna) z naslednjimi lastnostmi: - Čist silikon brez ATH polnila. - Nizka specifična teža zmanjšanje teže do 30 %. - Zelo dobra preskočna in plazilna odpornost. - Hitra obnovitev hidrofobičnosti. - Zanemarljivo staranje in zelo dobra vremenska obstojnost. - Enostavno obarvanje z LSR barvo. - Ni peroksidnih stranskih produktov. - Izvrstna stabilnost procesa in kontrole. - Uporaben tudi za elemente večjih volumnov. B. Navodila za uporabo Pripravljeni sestavini (komponenti A in B) se dozirata tako, da se direktno brizgata v ustrezno orodje (odvisno od proizvoda) iz originalnih posod s posebno dozirno napravo za mešanje in odmerjanje. Mešanica sestoji iz dveh komponent v razmerju 1:1, ter se dozira v segreto orodje. Temperatura orodja mora biti od 90 do 150 C. Visoka hitrost vulkanizacije in posebna dozirna naprava omogočajo proizvodnjo proizvodov velikih volumnov, kot so visokonapetostni nosilni izolatorji, visokonapetostni skoznjiki in kabelske glave. Ločene komponente silikona Silopren Electro so uporabne 6 mesecev od datuma dobave, če so shranjene v originalnih neodprtih posodah in temperatura okolice ne preseže 27 C. C. Hidrofobičnost Silikoni imajo sposobnost odbijanja atomov vode. Zaradi tega so samočistljivi. Na sliki 2 so na izolatorju prikazane kapljice vode, ki so zelo privzdignjene, da lahko odtečejo in s tem izperejo umazanijo iz površine izolatorja. Slika 1: Kapljice vode na površini izolatorja oplaščenega s silikonsko gumo. Slika 2: Kemična sestava silikona Silopren Elrctro Vsi polimeri so na začetku ko so proizvedeni hidrofobični. Umazanija, sol, korona, praznitve in kemikalije so faktorji, ki zmanjšujejo hidrofobičnost. Pri poliestrih in epoksi materialih prej našteti faktorji odpravijo hidrofobnost. Pri silikonskih materialih, lahko samo pretirana korona in atmosferske praznitve trajno odpravijo hidrofobnost. C. Polnila v silikonski gumi Za izboljšanje natezne trdnosti in odpornosti na vlek se silikonski zmesi dodaja silicijeva kislina. Za izboljšanje vlečne in erozijske odpornosti pa se dodajajo anorganska polnila običajno ATH aluminijev trihidrat, ki bi naj vseboval % teže. Silikon sam je drag, zato se dodajajo različne količine polnil, ki so cenejša, s tem pa pada tudi kvaliteta silikona, zaradi tega je potrebna velika pozornost glede polnil v silikonu. Nekatera podjetja uporabijo za znižanje cene celo silikonski prah namesto ATH, taka silikonska guma je precej trda. Glede na povedano je zelo pomembno naslednje: - Povečanje % silicijeve kisline povzroči izboljšanje natezne trdnosti ter odpornosti na vlek. - Anorganska polnila izboljšajo vlečno in erozijsko obstojnost. 1-8

3 - EP, EPDM, epoksi materiali potrebujejo visoko vsebnost polnila (> 50 %). - Veliko silikonov vsebuje male količine polnila. - Za povečanje hidrofobičnosti je potrebno zmanjšati količino polnila. Silikon LSR Silopren Electro ima odlične vlečno ter erozijsko obstojnost in hidrofobičnost brez polnil. D. Plazilni tokovi pri silikonskih oplaščenjih Hidrofobbičnost izolatorjev s silikonskim plaščem je odlična tudi, ko je onesnaženje v zraku zelo visoko. Zaradi tega so plazilni tokovi enaki nič A. Tudi relativna vlažnost med 40 % in 80 % ne vpliva na plazilne tokove izolatorjev s silikonskim plaščem. Nasprotno se pri izolatorjih oplaščenih z EPDM plazilni tokovi močno povečajo s povečanjem relativne vlažnosti. (reference: J. Kindersberger TU Dresden Institut of High Voltage Technik). E. Vremenska obstojnost silikona Silopren Electro V tebeli 1 so prikazane spremembe površinske trdnosti, natezne trdnosti in razteznosti do pretrganja pri izpostavljanu silikona vremenskim vplivom ur. Čas izpostavitve Površinska trdnost DIN Natezna trdnost (N/mm 2 ) DIN Razteznost do pretrganja (%) DIN Tabela 1: Vremenska obstojnost silikona. F. Dielektrična trdnost v odvisnosti od temperature Dielectric Strength [kv/mm] po 0 h Legenda: Silikonska guma Butilna guma Nitrilna guma prozoren po h po 0 h siv po h ,1 9,4 10,2 10, Temperature [ C] G. Odpadki iz silikona Po pravilniku o spremembah in dopolnitvah pravilnika o ravnanju z odpadki (Uradni list RS, št 20/01 se silikonski odpadki določijo s šestmestno klasifikacijsko št lahko številko (oznaka odpadka) in ustrezno dvomestno klasifikacijsko številko skupine ter štirimestno klasifikacijsko številko podskupine. Silikonski odpadki spadajo med odpadke pri proizvodnji, pripravi, dobavi in uporabi plastike, sintetične gume in umetnih vlaken. Klasifikacijska številka silikonskih odpadkov je pomeni odpadke, ki vsebujejo silikone. Iz varnostnega lista silikona Silopren Electro LSR se silikonski odpadki razgrajujejo s sežiganjem. Za to mora poskrbeti registrirano podjetje skladno z uradnimi lokalnimi predpisi. IV. KOMPOZITNI IZOLATORJI A. Zgradba in prednosti Kompozitni izolator je izdelan v treh kosih in ima razmeroma enostavno zgradbo. Glavni elementi so: - nosilno jedro - zgornji in spodnji priključek - zaščitna obloga (silikonski plašč) Na vsakem koncu izolatorja je ustrezen kovinski končnik, ki služi za pritrditev na steber oz. vodnik vključno z morebitnimi zaščitnimi rogljiči ali obroči za razporeditev potenciala. Sam izolator je bistveno lažji (celo samo 1/10 teže) od klasične izolatorske verige. Jedro ima nosilno funkcijo in je tako bistveno za mehanske lastnosti izolatorja. Izdelano je v obliki palice iz steklenih vlaken in posebnega polnila. Izredno je odporno na delovanje nateznih sil. Palica je prožna in sposobna zdržati tudi upogibne sile. Električne lastnosti izolatorja so odvisne predvsem od obloge, s katero je zaščiteno jedro. Ustrezna oblika (obroči) je pomembna zaradi dobre dielektrične zdržnosti izolatorja tudi ob neugodnih vplivih iz okolja. Izmed raznih organskih materialov, primernih za izdelavo oblog (polivretani, polietileni, teflon...), sta se uveljavila predvsem dva: - EPDM (etilen-propilen-dien monomer) in - silikonska guma. Poudariti velja, da so kompozitni materiali zmesi. Lastnosti materiala so zato odvisne od kemične sestave, postopka vulkanizacije, polnil in dodatkov. Kompozitni material (npr. silikonska guma) enega proizvajalca ima zato lahko bistveno drugačne lastnosti kot material drugega (vsebnosti polnil in raznih drugih dodatkov). Dobre lastnosti kompozitnih izolatorjev, ki so hkrati prednost glede na porcelanske oz. steklene, so naslednje: majhna teža, enostavno prevažanje, rokovanje z njimi in nameščanje, 1-9

4 večja dielektrična zdržnost (hidrofobičnost), večja mehanska zdržnost (vandalizem, termične obremenitve zaradi obloka), večja zanesljivost obratovanja in nizki stroški vzdrževanja. Prednosti silikonske gume pred EPDM: večja odpornost na staranje (vpliv ultravioličnih žarkov), ohranjanje hidrofobičnosti onesnaženega izolatorja in zdržnost ob ekstremnih temperaturah. Silikonska guma je praviloma nekoliko dražja od EPDM. B. Električne lastnosti Nepoškodovan izolator zlahka zdrži električno polje v notranjosti. Največje obremenitve nastajajo na površini izolatorja predvsem zaradi izpostavljenosti negativnim vplivom iz okolja. Najbolj običajen vpliv je onesnaženje, ki lahko ob prisotnosti vlage močno zniža površinsko dielektrično zdržnost. Podobno kot klasične izolatorske verige imajo kompozitni izolatorji posebne obroče, ki služijo za podaljšanje površinske plazilne razdalje. Kompozitni izolatorji imajo v pogojih onesnaženja mnogo večjo dielektrično trdnost (tudi do 50 %) od porcelanskih ali steklenih izolatorjev z enako plazilno razdaljo. Staranje izolatorjev s silikonsko gumo, ki vsebuje velik delež polnil pa lahko povzroči zmanjšanje zdržnosti na enako ali celo nižjo vrednost od tiste pri klasičnih izolatorjih. Ena bistvenih lastnosti, ki vplivajo na električne lastnosti izolatorja, je hidrofobičnost. Hidrofobična je površina, ki odbija vodo. Mera za hidrofobičnost je kot, ki ga kapljica vode vzpostavi na stiku s površino izolatorja. Izkušnje v obratovanju in laboratorijske meritve kažejo na to, da silikonski in EPDM izolatorji izgubljajo hidrofobičnost, če so izpostavljeni razelektritvam vzdolž suhe površine. Tudi če je površina izpostavljena onesnaženju izgublja hidrofobičnost. Vendar pa silikonski material za razliko od EPDM svojo izgubljeno hidrofobičnost obnavljajo. Slabšanje lastnosti izolatorja v obratovanju lahko vodi do neugodnih pojavov kot so površinske razelektritve, obloki in preboji obročev. Prav tako lahko pride do električnih pojavov med kompozitno oblogo in jedrom izolatorja zaradi slabe izdelave (delne razelektritve, vdor vlage ob sponkah, razpoke). Vzrok za to so lahko tudi poškodbe materiala. Te se lahko združijo v več ali manj prevodne poti, ki imajo velik vpliv na dielektrično zdržnost izolatorja ob prenapetostih. V prvi aproksimaciji jih moremo predstaviti s kovinskimi elektrodami ustrezne oblike s plavajočim ali fiksnim potencialom. Ugotovljeno je bilo npr., da se zdržnost na stikalne prenapetosti zmanjša za skoraj 20 %, če znaša skupna dolžina prevodne poškodbe 10 do 15 % celotne dolžine izolatorja. C. Mehanske lastnosti Kompozitni izolatorji imajo zelo dobre mehanske lastnosti in v obratovanju zlahka zdržijo normalne obremenitve. Trdnost (natezno in upogibno) zagotavlja s steklenimi vlakni ojačano jedro. Zdržna natezna sila je enaka kot za jeklo pri 75 % manjši teži. Kljub temu je prišlo pri nekaterih izolatorjih, ki so bili že dalj časa v obratovanju, do zloma oz. pretrga. Ta pojav je v literaturi poznan pod imenom krhki lom (angl. "brittle fracture"). Najverjetnejši vzrok za ta pojav je najedanje jedra zaradi kislin. Te pridejo v notranjost izolatorja z vdorom vode, običajno na mestu, kjer se stikata jedro in kovinski zaključek. Izolator zato najpogosteje popusti na tem mestu. Kislina se bodisi nahaja že v vodi (atmosferski vplivi) ali pa nastaja pod vplivom korone. Dober izolator zato vdora vode ne sme dopustiti. Nekateri proizvajalci pa pri izdelavi izolatorjev že uporabljajo stekla, ki so odporna na kisline. Obloga (plašč) je prožna in tako neobčutljiva na udarce. Mehanske poškodbe ob transportu in vgrajevanju izolatorjev so zato zelo redke. Opažene so bile manjše poškodbe oblog na izolatorjih v obratovanju, ki naj bi jih povzročili ptiči s kljuvanjem. Kompozitni izolatorji so praviloma bolj odporni na vandalizem kot klasični. Direktni zadetek iz puške običajno ne uniči izolatorja, poškoduje pa oblogo. Pri klasičnih izolatorjih lahko pride do popolnega loma in izolator je uničen Ob vsakem izolatorju more priti ob pojavu prenapetosti (npr. zaradi udara strele) do preskoka. Ob tem nastane oblok z visoko temperaturo. Pri klasičnih izolatorjih pride zaradi termičnih obremenitev mnogokrat do mehanskih poškodb. Predvsem silikonski izolatorji pa so v tem pogledu neobčutljivi. Zaradi tega razloga je dopustno obratovanje kompozitnih izolatorjev brez zaščitnih rogljičev, ki sicer ščitijo izolator tako, da potisnejo oblok nekoliko stran. A. Izrael V. OBRATOVALNE IZKUŠNJE V SVETU Izrael Electric Corp-Ltd je opravila raziskavo v 16 podjetjih iz Južne Afrike, Kanade Avstralije, Španije, Švice in ZDA skupno okrog kompozitnih izolatorjev iz silikonske gume. Navedli so osnovne razloge za uporabo izolatorjev iz silikonske gume: zmanjšani vzdrževlni stroški ter izboljšane lastnosti proti vandalizmu, nič čiščenja, maloštevilne okvare in te samo zaradi krhkih lomov zaradi vdora vlage. 1-10

5 7. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV Velenje 2005 B. Južna Afrika Podjetje ESKOM je nadomestilo steklene izolatorje s kompozitnimi zaradi vandalizma in zaradi onesnaženja na 400 kv vodih: v obalnih delih so opustili drago pranje steklenih izolatorjev s helikopterji, izboljšale so se lastnosti vodov ter število okvar se je zmanjšalo. C. Avstralija Elektrodisribucije v Avstraliji so prišle do naslednjih zaključkov: vgradnja na težavnem terenu, gradnja kompaktnih vodov, saj je teža 27 % manjša, zmanjšani stroški koridorja, uporabljene so manjše konzole, pri montaži na vod blizu cementarne ni bilo več problemov, izolatorji z EPDM plaščem so slabi. Slika 3: Primer daljnovoda s kompozitnimi izolatorji. VI. ZAKLJUČEK Uvajanje kompozitnih materialov v tujini in tudi pri nas močno narašča. V uporabi so sedaj približno 40 let. Imajo vrsto prednosti pred klasičnimi (porcelanskimi oz. steklenimi) materiali. Električne in mehanske lastnosti izolatorjev in odvodnikov prenapetosti s plaščem iz silikonske gume so takšne, da jih moremo uporabiti pri obstoječih daljnovodih namesto klasičnih izolatorjev in odvodnikov prenapetosti. Glede novih daljnovodov dopuščajo načrtovanje in gradnjo na ustaljen način (klasični stebri), omogočajo pa tudi povsem drugačen pristop. Ustrezno mehansko dimenzionirani kompozitni izolatorji so lahko pritrjeni neposredno na steber (brez prečnih drogov). Zaradi tega so tehnično dopustne manjše razdalje med faznimi vodniki, drugačni, nižji stebri in ožje trase. Z uporabo medfaznih distančnikov vzdolž razpetine je mogoče graditi kompaktne vode s še bistveno krajšimi razdaljami med vodniki. To vpliva na zmanjšanje velikosti električnih in magnetnih polj pri tleh, kar postaja vedno bolj pomembno. Tudi glede izolatorjev samih so mogoči drugačni pristopi. Pri kompozitnih izolatorjih (predvsem silikonskih) zaradi njihovih lastnosti zadostujejo krajše plazilne razdalje. Odpornost na temperaturne obremenitve ob obloku postavlja pod vprašaj potrebnost zaščitnih rogljičev (odmik obloka stran od izolatorja). Posebej to velja ob uporabi prenapetostnih odvodnikov na daljnovodih. Vendar pa bi morali, za uspešno izkoriščanje vseh naštetih možnosti, to področje ustrezno urediti v tehničnih predpisih. Ti namreč ne upoštevajo prednosti, ki jih prinaša uvajanje kompozitnih izolatorjev. Glede primerjave med izolatorji, izdelanimi iz silikonske gume ali EPDM, imajo boljše lastnosti prvi. Iz raznih virov je mogoče razbrati, da so silikonski izolatorji odporni proti staranju in da ohranjajo hidrofobičnost v pogojih onesnaženja. Lastnosti materialov, iz katerih so izdelani sicer istovrstni izolatorji posameznih proizvajalcev, so med seboj različne zaradi različnih polnil, dodatkov ipd., kar bistveno vpliva na staranje in spreminjanje lastnosti v obratovanju. Dober silikon je tisti, ki ima brez polnil dobre mehanske in električne lastnosti ter ima sposobnost ohranjanja hidrofobičnosti. V zvezi z mehanskimi lastnostmi je potrebno posvetiti vso pozornost odpornosti na krhki lom. Elementi oplaščeni s silikonsko gumo imajo veliko ekonomskih prednosti, čeprav je nabavna cena npr. silikonskih izolatorjev višja kot porcelanskih ali steklenih. Ekonomske prednosti: manjši stroški zaradi prebojev, ni stroškov zaradi poškodb pri transportu, manjši stroški vzdrževanja izolatorjev ni potrebno prati (hidrofobičnost) manjši uhajavi tokovi in s tem manjše izgube v vodih, manjši stroški izgradnje zaradi manjše teže, ni stroškov zaradi vandalizma, manjše motnje na radio in TV sprejemnike. Začetni stroški nabave izolatorjev so v primerjavi s keramiko ali steklom res višji, vendar se v času obratovanja ta strošek povrne. V 30 letih imamo že prihranek od 20 do 30 %. Zaradi vseh prednosti, ki jih imajo silikonski materiali pred keramiko in steklom ocenjujem, da so elementi s silikonskim plaščem primerni za vgradnjo v naš distribucijski sistem in bi morali izriniti izolatorje in odvodnike iz drugih materialov. 1-11

6 REFERENCE [1] Članek S. Vižintin: Uporaba kompozitnih izolatorjev za nadzemne vode. [2] M. J. Owen, Silicone Polymers for High-Voltage Insulators, Rubber World, Vol. 217, št. 3, jan [3] Vižintin S., Električno in mehansko dimenzioniranje podpornih kompozitnih izolatorjev za SN nadzemne vode, jun [4] Kompozitni izolatorji, IzoElektro d. o. o., Jan [5] GE Bayer Silicones tehnični podatki, varnostni list [6] New 230 kv Project Sets High Standard for Urban Line Design, Insulator News & Market Report, str , jan. - feb [7] J. M. Munoz, Spanish Utility Moves to Composite Insulators to Reduce Contamination Related Faults on 400 kv Lines, Insulator News & Market Report, str. 4-28, nov. - dec New 230 kv Project Sets High Standard for Urban Line Design, Insulator News & Market Report, str , jan. - feb