КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННАЯ ГИДРОФОБНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ Российский патент 2013 года по МПК H01B3/46 H01B17/02 H01B17/50 H01B19/00 

Изобретение относится к кремнийорганическим гидрофобным композициям, предназначенным для электроизоляционных конструкций, например высоковольтных изоляторов, и может быть использовано для усиления влагоразрядного напряжения и повышения электрической прочности внешней изоляции, работающей в условиях загрязнения.

Известна электроизоляционная гидрофобная композиция в виде кремнийорганических паст, наносимая на поверхность электроизоляционных конструкций и используемая для повышения влагоразрядных напряжений высоковольтной изоляции [Ким Ен Дар, П.Е. Пономарев. Опыт эксплуатации кремнийорганического покрытия холодного отверждения на подстанциях энергосистем Украины//Электрические сети и системы. - 2006. - №3. - С.32-35].

Недостатком известной композиции в виде гидрофобных паст является то, что в процессе эксплуатации гидрофобный пастообразный слой насыщается загрязняющими веществами и утрачивает свои гидрофобные свойства, следствием чего являются низкие значения выдерживаемых рабочих напряжений, а также необходимость периодической замены электроизоляционной конструкции.

Как аналог выбрана электроизоляционная гидрофобная композиция в виде кремнийорганических эластомеров, которые образуют на поверхности изолятора твердую защитную пленку [Ravi S.G. RTV Silicone Rubber Coatings for Ceramic Insulators: Present Knowledge and Future Requirements // 2001 World Insulator Congress, Shanghai, China, November 18-21 - Shanghai. - 2001. - P.361-368].

Недостатком композиции аналога является недостаточно высокие эксплуатационные свойства и срок службы наносимого на ее основе гидрофобного покрытия, следствием чего являются низкие значения выдерживаемых рабочих напряжений, а также необходимость периодической замены электроизоляционной конструкции.

Как наиболее близкий аналог (прототип) выбрана электроизоляционная гидрофобная композиция на основе кремнийорганического компаунда (КОК) холодного отверждения с твердым наполнителем в виде диоксида титана и гидратом окиси алюминия, и с жидким наполнителем в виде низкомолекулярной кремнийорганической жидкости, а также органического растворителя марки "Сольвент нефтяной". При этом весовое соотношение между компаундом и низкомолекулярной кремнийорганической жидкостью составляет 1:(0,015-0,02), а весовое соотношение между компаундом и гидратом окиси алюминия составляет 1:(0,07-0,1) [Способ повышения влагоразрядного напряжения высоковольтной изоляции. Патент UA №77628. МПК (2006) H01B 17/50 (2006.01) H01B 19/00, опубл. 15.12.2006, Бюл. №12].

Недостатками композиции наиболее близкого аналога являются недостаточно высокие эксплуатационные (электроизоляционные) свойства и срок службы наносимого на ее основе гидрофобного покрытия (ГП) из-за отсутствия оптимального состава и соотношения компонентов композиции, следствием чего являются недостаточно высокие значения выдерживаемых рабочих напряжений, а также необходимость периодической замены электроизоляционной конструкции.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и увеличение срока службы завулканизированного покрытия электроизоляционной конструкции на основе гидрофобной электроизоляционной композиции путем установления оптимального состава и соотношения компонентов гидрофобной композиции, что приведет также к повышению влагоразрядных напряжений высоковольтной изоляции в течение всего продолжительного срока ее эксплуатации.

Поставленная техническая задача решается тем, что в кремнийорганической электроизоляционной гидрофобной композиции для высоковольтных изоляторов на основе одно- или двухупаковочного кремнийорганического компаунда холодного отверждения, жидкого или пастообразного в исходном состоянии, содержащего силиконовый низкомолекулярный каучук, твердый наполнитель в виде гидрата окиси алюминия, жидкий наполнитель в виде низкомолекулярной кремнийорганической жидкости, отвердитель или катализатор, а также органический растворитель в виде растворителя марки «сольвент нефтяной», новым является то, что в качестве силиконового низкомолекулярного каучука композиция содержит каучук марки СКТН, в качестве низкомолекулярной кремнийорганической жидкости композиция содержит кремнийорганическую жидкость марки 119-215, в качестве твердого наполнителя композиция дополнительно содержит сажу ацетиленовую, в качестве отвердителя композиция содержит метилтриацетоксисилан, при этом на 100,0 мас.ч. каучука композиция содержит низкомолекулярную кремнийорганическую жидкость в количестве (1,25-2,5) мас.ч., гидрат окиси алюминия в количестве (5-15,0) мас.ч., сажу ацетиленовую в количестве (0,5-2,5) мас.ч., а также отвердитель в количестве (2,5-6,5) мас.ч.

Весовое соотношение между компаундом и органическим растворителем в композиции на 100,0 мас.ч. каучука варьируется в зависимости от температуры окружающей среды и составляет (0,85-1,0) мас.ч. при температуре окружающей среды до 25°C, а также (1,05-1,4) мас.ч. при температуре окружающей среды свыше 25°C.

Завулканизированное покрытие на ее основе характеризуется следующими электроизоляционными свойствами: удельное объемное сопротивление ρ_ν, не менее 3×10¹⁴ Ом×см, удельное поверхностное сопротивление ρ_s, не менее 1,0×10¹⁵ Ом, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, не более 0,008, а также возможностью эксплуатации при рабочих напряжениях 6-750 кВ.

Вышеперечисленные признаки составляют сущность изобретения.

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

При различных состояниях окружающей среды на наружной поверхности высоковольтной изоляции образуются слои загрязнений разной интенсивности. Осаждающиеся из воздуха частицы образуют с течением времени на поверхности изоляторов слой загрязнения. Этот слой при его увлажнении атмосферной влагой увеличивает свою электропроводность, что еще более снижает изолирующую способность изоляционных конструкций. В результате создаются условия для перекрытия изоляторов не только при перенапряжениях, но и при нормальном эксплуатационном режиме.

Следовательно, для повышения надежности высоковольтной изоляции в загрязненных районах является актуальной задача усиления наружной изоляции для обеспечения высоких разрядных напряжений в неблагоприятных условиях. Решением этой проблемы является применение кремнийорганических ГП на основе КОК.

Было установлено, что кремнийорганические ГП наиболее целесообразно применять в районах, где загрязнения в атмосфере имеют преимущественно газообразные и туманообразные компоненты. В то же время основной технической проблемой является выбор оптимальных соотношений компонентов наносимой гидрофобной электроизоляционной композиции. Это, в свою очередь, должно обеспечить максимально высокие значения разрядных напряжений при работе таких электроизоляционных конструкций в условиях загрязнения различной степени и увлажнения.

Особо следует остановиться на обосновании оптимизации состава гидрофобной электроизоляционной композиции.

Известно, что одноупаковочные композиции состоят, как правило, из полимера с силанольными группами и взятого в избытке по отношению к силанольным группам метилтриацетоксисилана, который хорошо растворим в полимере. Эта заранее приготовленная в отсутствие воды смесь достаточно стабильна в сухой среде, а процесс структурирования ее происходит только под влиянием влаги воздуха. То есть, одноупаковочные гидрофобные композиции могут быть использованы только на воздухе для получения относительно тонкослойных покрытий.

К недостаткам таких композиций относится невозможность применения их в замкнутом объеме, в системах с ограниченным доступом воздуха, для получения толстостенных изделий, а также выделение при отверждении карбоновой кислоты.

В процессе отверждения композиций образуется пленка сшитого полимера, затрудняющая диффузию влаги воздуха в полимерную массу, что отражается на характеристиках отвержденного материала. Разбавление одноупаковочных композиций растворителями позволяет регулировать вязкость смеси, замедлить полимеризацию в ее объеме и получать на поверхности изоляторов методом распыления однородные покрытия нужной толщины.

Так как гидрофобизация наружной изоляции в большинстве случаев осуществляется на действующих энергообъектах, то есть в полевых условиях, процесс приготовления гидрофобной композиции должен быть максимально простым и в то же время обеспечивать с достаточной точностью соотношение компонентов (т.е. оптимальность состава композиции определяется путем исследования оптимальности получаемых при этом эксплуатационных свойств отвержденной композиции).

Проведенные исследования показали, что при введении в состав композиции какого-либо компонента (вещества) для улучшения одной из характеристик получаемого полимерного покрытия могут ухудшиться показатели другой его характеристики. В связи с этим оптимизация состава композиции представляет собой комплексную задачу, сложность которой напрямую зависит от числа компонентов, входящих в состав покрытия. Она заключается в определении параметра оптимизации и воздействующих на него факторов, выборе модели и плана эксперимента проведении испытаний, анализе полученных результатов и принятии решения. Параметр оптимизации должен быть универсальным и эффективным с точки зрения описания конечного результата, быть количественной величиной, которая имеет физический смысл. Эта величина должна достаточно легко измеряться или вычисляться.

Главным из свойств полимерного покрытия на основе электроизоляционной композиции, предназначенного для восстановления или усиления влагоразрядных характеристик наружной изоляции, является его гидрофобность. Гидрофобные свойства завулканизированного покрытия непосредственно характеризуются величиной угла смачивания поверхности α. Однако измерение α характеризует гидрофобность на малом участке поверхности, поэтому определение усредненной гидрофобности всего объекта довольно трудоемкая задача. Вместе с тем, как показали исследования, гидрофобность непосредственно связана с изменением при увлажнении поверхности покрытия ряда его физических (электроизоляционных) характеристик.

При увлажнении реальных изоляционных конструкций (изоляторов) с покрытием в зависимости от гидрофобности последнего (а в эксплуатации еще и от загрязненности) уменьшается поверхностное сопротивление ρ_s и возрастает ток утечки I_ут. Кроме того, известно, что для выявления дефектов в изоляции (диэлектрических материалах) в ряде случаев используется измерение тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

Силоксановые покрытия холодного отверждения можно условно представить в виде слоя полимерного материала, внутри которого имеется множество воздушных включений, образовавшихся вследствие испарения растворителя. Объем этих включений во много раз меньше объема полимерного материала. При его увлажнении часть включений вблизи поверхности заполняется водой.

Поскольку распределение и ориентация пор и пустот в покрытии, наполненных влагой, могут в значительной степени колебаться под воздействием таких факторов, как режим нанесения покрытия, условия окружающей среды и т.п., то при одинаковом количестве поглощенной воды значения диэлектрической проницаемости ε образцов одного и того же материала могут значительно отличаться. Кроме того, изменения е исследуемых образцов при увлажнении менее значительны, чем tgδ, и для их определения требуется точное измерение толщины покрытия, что предъявляет особые требования к измерительным приборам и качеству испытуемых образцов.

Таким образом, для обеспечения эффективного проведения работ в полевых условиях композиция, предназначенная для получения гидрофобных покрытий холодного отверждения, должна быть в первую очередь устойчивой к возможному попаданию примесей и обладать жизнеспособностью, обеспечивающей проведение работ в широком диапазоне температур. Поэтому можно сделать вывод о том, что лучшей основой для нанесения кремнийорганического гидрофобного покрытия холодного отверждения, несмотря на существующие ограничения, будет все же одноупаковочная композиция (компаунд).

К широко известным в настоящее время компаундам данного типа относятся "Силгард"(США), КЛТ-30A (Россия), ЭКП-102 (Украина). Диэлектрические характеристики образцов покрытий (твердых полимерных пленок), полученных при отверждении этих компаундов, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Диэлектрические характеристики гидрофобных покрытий, полученных на основе однокомпонентных компаундов холодного отверждения Состав Удельное объемное сопротивление ρ_ν, Ом×см Удельное поверхностное сопротивление ρ_s, Ом Тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ Относительная диэлектрическая проницаемость, ε "Силгард" 2,03×10¹⁴ 1,2×10¹⁵ 0,0029 3,08 КЛТ-30A 3,03×10¹⁴ 1,7×10¹⁵ 0,0028 2,38 ЭКП 102 4,63×10¹⁴ 1,9×10¹⁵ 0,0020 1,88

Так как оптимизируемым объектом является гидрофобное кремнийорганическое покрытие холодного отверждения, то основными факторами, влияющими на процесс его образования и определяющими его свойства, являются компоненты, входящие в состав композиции, и их количество.

Выбор искомых компонентов был обусловлен как их достоинствами, так и их недостатками с точки зрения как электроизоляционных свойств, так и технологичности получаемой композиции (см. таблицу 2).

Из вышеизложенной таблицы следует, что из перечисленных компонентов для дальнейшего рассмотрения в качестве оптимизирующих факторов целесообразно исследовать следующие:

Таблица 2 Достоинства и недостатки веществ, вводимых в состав гидрофобной композиции наполнитель достоинства недостатки Сажа (С) Получение окрашенного покрытия, возможность образования дополнительных связей (повышение механической прочности и короноустойчивости) Снижается дугостойкость и ρ_ν, увеличиваются tgδ и ε Двуокись титана (TiO₂) Увеличивается дугостойкость Усложняется процесс приготовления композиции. При равных диэлектрических характеристиках, по увеличению дугостойкости значительно уступает гидрату окиси алюминия Оксид железа (II) (FeO) Увеличивается дугостойкость. Получение окрашенного покрытия, возможность образования дополнительных связей (повышение механической прочности и короноустойчивости) Снижается ρ_ν, увеличиваются tgδ и ε. При равных диэлектрических характеристиках, по увеличению дугостойкости уступает гидрату окиси алюминия Оксид алюминия (Al₂O₃) Увеличивается дугостойкость Снижается ρ_v, увеличиваются tg δ и ε Гидрат окиси алюминия A1 г (Al₂O₃×3H₂O) Увеличивается дугостойкость. В сравнении с оксидом алюминия при равной дугостойкости покрытие имеет лучшие диэлектрические характеристики Снижается ρ_v, увеличиваются tgδ и ε Низкомолекулярная кремний органическая жидкость 119-215 (K) Увеличивается скорость восстановления гидрофобности после воздействия коронного разряда. Уменьшается водопоглощение. Улучшаются диэлектрические характеристики Снижается дугостойкость. При содержании 10% и более от компаунда существенно замедляется полимеризация покрытия Кремнийорганическая жидкость ПМС-100 Уменьшается водопоглощение. Улучшаются диэлектрические характеристики. Возможна частичная замена применяемых при нанесении легко-воспламеняемых жидкостей (растворителей) Снижается дугостойкость (особенно при содержании более 5% от массы компаунда). Уступает жидкости 119-215 по скорости восстановления гидрофобности после воздействия коронного разряда

1. Гидрат окиси алюминия (основное предназначение - увеличение дугостойкости).

2. Оксид железа (II) (увеличение дугостойкости и короноустойчивости).

3. Низкомолекулярная кремнийорганическая жидкость 119-215 (увеличение скорости восстановления гидрофобности после воздействия короны, уменьшение водопоглощения).

4. Сажа ацетиленовая (окрашивание покрытия, повышение короноустойчивости).

Основное предназначение гидрата окиси алюминия и оксида железа (II) в составе композиции одинаково.

На свойства покрытия (в первую очередь диэлектрические), несомненно, влияют условия окружающей среды во время нанесения покрытия (температура и относительная влажность), вязкость композиции и ее количество, наносимое на единицу площади (определяющее толщину покрытия).

В соответствии с принятым решением на металлические образцы (по 5 круглых образцов диаметром 100 мм для измерения диэлектрических характеристик и водопоглощения, и по 5 прямоугольных образцов 70 мм×35 мм для определения дугостойкости) методом распыления были нанесены следующие гидрофобизирующие композиции (тут КОК сокращенно обозначен кремнийорганический компаунд, цифры (100) - его % содержание в КОК):

состав №1: КОК (100)+FeO(26)+К(1)+С(0);

состав №2: КОК (100)+Al_г(5)+К(1,25)+С(1);

состав №3: КОК (100)+FeO(14)+К(1)+С(4);

состав №4: КОК (100)+Al_г(13)+К(1,5)+С(2,5);

состав №5: КОК (100)+FeO(26)+К(3,5)+С(3);

состав №6: КОК (100)+Al_г(7)+К(5)+С(4);

состав №7: КОК (100)+FeO(14)+К(3,0)+С(1);

состав №8: КОК (100)+Al_г(20)+К(5)+С(5);

состав №9: КОК (100)+Al_г(11)+К(2,0)+С(0,5);

состав №10: КОК (100)+Al_г(10)+К(2,5)+С(3,5);

состав №11: КОК (100)+Al_г(18)+К(4)+С(5);

состав №12 (контрольный): КОК (100)+С(1).

После определения толщины полученных покрытий на круглых образцах была проведена отбраковка: если средняя толщина была менее 150 мкм или значения доверительного интервала были более 10% средней величины, то образец исключался из испытаний. Усредненные характеристики гидрофобных покрытий составов №1-8 приведены в таблице 3.

Таблица 3 Усредненные характеристики гидрофобных покрытий составов №1-8 состав характеристики в исходном состоянии после 24 ч увлажнения в дистиллированной воде приращение Δtgδ дугостойкость ρ_ν, Ом×см tgδ ε ρ_ν, Ом×см tgδ ε №1 4,26×10¹⁴ 0,0045 3,19 2,29×10¹⁴ 0,0106 3,25 0,0061 - №2 4,47×10¹⁴ 0,0073 2,53 2,62×10¹⁴ 0,0181 2,77 0,0108 137,2 №3 3,55×10¹⁴ 0,0059 3,09 2,41×10¹⁴ 0,0113 3,20 0,0052 83,5 №4 10,5×*10¹⁴ 0,0084 2,55 6,24×10¹⁴ 0,0227 2,99 0,0143 197,5 №5 10,14×10¹⁴ 0,0056 3,03 5,06×10¹⁴ 0,0111 3,21 0,0055 12,5 №6 3,50×10¹⁴ 0,0085 2,89 2,75×10¹⁴ 0,0169 3,11 0,0084 224,7 №7 2,72×10¹⁴ 0,0036 2,87 1,80×10¹⁴ 0,0085 2,93 0,0049 36,2 №8 3,41×10¹⁴ 0,0083 2,49 2,46×10¹⁴ 0,0206 2,80 0,0123 449,2

В ходе испытаний для каждого образца производились: внешний осмотр и определение диэлектрических характеристик (ρ_ν, tgδ, ε) с периодичностью 1 раз в сутки в начальный период испытаний (до 4 суток) и 1 раз в 2-3 суток в последующий период. По результатам визуальных наблюдений за состоянием поверхности образцов было отмечено следующее:

1) через 2 суток от начала испытаний - появление видимых изменений поверхности покрытия в области воздействия коронного разряда;

2) через 8 суток - появление потемнения поверхности (около 50% площади) на расстоянии до 4 мм от края высоковольтных электродов и появление следов воздействия коронного разряда (слабого радужного оттенка при наблюдениях под острым углом) на расстоянии до 7 мм от края электродов;

3) за период через 11-17 суток - усиление потемнения поверхности (100% площади) на расстоянии до 5 мм от края высоковольтных электродов и распространение следов воздействия (слабого радужного оттенка) на расстояние до 8 мм от края электродов;

4) через 29 суток - усиление потемнения поверхности и расширение границ этой области на расстояние до 6 мм от края электродов;

5) за весь последующий период от 31 до 60 суток (окончание испытаний) - размеры областей с видимым изменением состояния поверхности почти не изменялись: область потемневшей поверхности имела форму кольца с диаметрами 26 мм и 12 мм, а следы от воздействия коронного разряда отмечались на расстоянии до 9 мм от края электродов.

На протяжении всего периода испытаний ρ_ν, tgδ и ε испытуемых образцов изменялись незначительно. Все полученные значения находились в пределах возможных отклонений из-за неравномерности толщины образцов и колебаний температуры окружающей среды во время измерений. Изменения состояния поверхности в области воздействия коронного разряда свидетельствуют о процессах деструкции полимерного материала.

Было установлено, что через 10 и более суток после начала испытаний эти процессы начинают стабилизироваться, а скорость разрушения покрытий с содержанием сажи 3,5-5% (составы №10 и №11) меньше, чем у покрытий, содержащих 0,5% и 1% (составы №9 и №12).

Исходя из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1) образцы кремнийорганических композиций с увеличенным до 3,5-5% содержанием сажи (составы №10 и №11) обладают большей устойчивостью к воздействию коронного разряда большой продолжительности; при этом оптимальное содержание сажи составляет 0,5-2,5%;

2) увеличение содержания сажи не снизило водоотталкивающих свойств, определяемых по увеличению массы после увлажнения в дистиллированной воде;

3) образцы, содержащие 1,25-2,5% низкомолекулярной кремнийорганической жидкости 119-215, по своим гидрофобным свойствам (влагопоглощению) лишь незначительно уступают образцам, содержащим 3,5-4% низкомолекулярной кремнийорганической жидкости 119-215.

4) В целях повышения трекингоэрозионной стойкости покрытия в качестве антипирина в его состав вводят и гидрат окиси алюминия A_1г. Он обладает большей растворимостью в "Сольвенте нефтяном", чем диоксид титана, что значительно облегчает приготовление гидрофобизирующей композиции в "полевых условиях" (непосредственно на территории объекта гидрофобизации).

Наличие химически связанной воды дает возможность части молекул гидрата окиси алюминия принимать участие в реакциях полимеризации однокомпонентных КОК холодного отверждения. В результате увеличивается скорость полимеризации, и некоторая часть атомов алюминия включается в структуру полимерных цепей, что увеличивает их стойкость к термической деструкции. В свою очередь, увеличение количества гидрата окиси алюминия повышает щелочностойкость покрытия. Но при этом снижается удельное объемное сопротивление и увеличивается тангенс угла диэлектрических потерь, измеренные на образце после 24 часов увлажнения в дистиллированной воде.

5) Увеличение доли низкомолекулярной кремнийорганической жидкости 119-215 (более 2,5%, т.е. до 3-5% и более от массы КОК), как показали проведенные эксперименты, замедляет процессы полимеризации. В результате этого поверхность покрытия может длительное время оставаться липкой и частицы загрязненных частиц, выпавшие за это время, насыщают поверхностный слой, ухудшая его диэлектрические характеристики.

КОК обеспечивает образование механически прочного покрытия, а низкомолекулярная кремнийорганическая жидкость 119-215 заполняет свободные пространства, образующиеся при затвердевании, препятствуя проникновению молекул воды и ионов солей в результате их диффузии из окружающей среды. Это уменьшает влагопроницаемость и влагопоглощение покрытия, увеличивает его устойчивость к поверхностным токам утечки и частичных разрядов.

После комплексного анализа всех данных об изменении характеристик испытуемых образцов (α, ρ_v, tg δ, ε), совместно с имеющейся информацией о механизмах окисления кремнийорганических полимеров, был сделан вывод о том, что предполагаемый механизм физико-химического «разрушения» гидрофобного покрытия исследуемого типа включает следующие этапы:

Этап №1. Окисление метальных групп активными атомами кислорода:

≡Si-СН₃+2O•⇒≡Si-ОН+H₂CO↑

Химическое взаимодействие проходит с незначительным увеличением массы. Группы - OH, образовавшиеся на поверхности покрытия, легко образуют водородные связи с молекулами воды и по мере увеличения числа этих групп поверхность приобретает гидрофильные свойства (резкое падение гидрофобных свойств после кратковременного воздействия коронного разряда).

Этап №2. Увеличение «структуризации» поверхности - образование новых Si-О связей ("сшивок"):

≡Si-OH+HO-Si≡⇒≡Si-O-Si≡+H₂O

≡Si-ОН+Н₃С-Si≡⇒≡Si-О-Si≡+CH₄↑

≡Si-ОН+H₃C-Si≡+O₂⇒≡Si-О-Si≡+CO₂↑+H₂↑

Такое химическое взаимодействие проходит с уменьшением массы. В результате: уплотняется поверхностный слой, затрудняется диффузия кислорода в покрытие. Уменьшение числа групп -ОН на поверхности покрытия способствует восстановлению гидрофобных свойств.

Этап №3. Деструкция по концам силоксановых цепей с образованием низкомолекулярных силоксанов:

HO-Si(CH₃)₂-О-Si(CH₃)₂-О-Si(CH₃)₂-O-Si≡⇒

⇒[Si(CH₃)₂-O]₃+HO-Si≡

Химические реакции данного типа идут без изменения массы. В результате «выхода» на поверхность покрытия низкомолекулярных силоксанов идет восстановление гидрофобных свойств (увеличение угла смачивания поверхности в зоне воздействия коронного разряда, а также появление радужного оттенка на поверхности покрытия).

Этап №4. Окислительная деструкция:

…- Si(CH₃)₂-…+O₃⇒H₂CO↑+СН₄↑+SiO₂↓

Химическое превращение проходит с незначительным увеличением массы. В результате таких процессов происходит накопление диоксида кремния на поверхности покрытия (уменьшение блеска и гладкости поверхности, а также появление темного налета).

Следует отметить, что химическая реакция этапа №1 является «инициатором» реакций этапов №2 и №3. При продолжительном воздействии коронного разряда эти реакции (с уменьшением и увеличением массы) протекают одновременно, вследствие чего механизм разрушения кремнийорганического покрытия имеет очень сложный характер.

Поскольку по результатам внешнего осмотра на образцах не обнаружено геометрического «роста» области воздействия коронного разряда, можно сделать следующие предположения:

- все испытанные покрытия (составов №9 - 12) обладают короноустойчивостью, достаточной для их успешного применения в течение не менее 5 лет на изоляции действующих высоковольтных линий и подстанций;

- временная потеря гидрофобности на отдельных участках поверхности вследствие воздействия короны не вызовет существенного снижения влагоразрядных характеристик гидрофобизированного изолятора в целом.

Эффективность данного технического решения подтверждается результатами сравнительных испытаний на образцах и на реальных изоляторах. Образцы испытывались в камере тумана в условиях непрерывного протекания поверхностных токов утечки, характерных для эксплуатации (4-5 мА), а изоляторы - в камере соленого тумана при воздействии рабочего напряжения и поверхностных частичных разрядов.

Как следует из результатов испытаний образцов и изоляторов, гидрофобное покрытие " КОК+низкомолекулярная кремнийорганическая жидкость" имеет заметно лучшие эксплуатационные характеристики, чем известное покрытие. Оптимальное весовое соотношение между КОК и низкомолекулярной кремнийорганической жидкостью составляет 1:(0,0125-0,025).

Предлагаемый состав может наноситься на поверхность изоляции распылением (механизированный способ), погружением обработанного изделия в состав или щеткой. Для оказания необходимой вязкости состава при нанесении механизированным способом с помощью устройства типа краскопульта предлагается использовать растворитель "Сольвент нефтяной". После нанесения на поверхность растворитель испаряется, не оказывая влияния на электрические характеристики покрытия.

Оптимальное весовое соотношение между КОК и гидратом окиси алюминия, обеспечивающее максимальное увеличение щелочестойкости, при сохранении диэлектрических характеристик покрытия соответствующим нормам, принятых для кремнийорганических резин (ТУ У 3.72-00216473-028-2001), составляет 1:(0,05-0,15) от массы компаунда.

В разработанном способе отверждение КОК осуществляется с помощью катализатора (отвердителя) метилтриацетоксисилана или К-ЮС при комнатной температуре в присутствии влаги воздуха. Это обусловлено тем, что катализатор К-10C (метилтриацетоксисилан) имеет кислую реакцию, т.к. при соприкосновении с влагой воздуха он быстро гидролизуется с образованием уксусной кислоты. Она же в больших количествах выделяется при отверждении каучука СКТН в результате присоединения атомов водорода гидроксильных групп каучука к кислотным остаткам катализатора.

Вулканизация протекает только в присутствии влаги воздуха. При этом прежде происходит гидролиз ацетатных групп и затем конденсация молекул с помощью сшивающих агентов, содержащих три функциональные группы, в результате чего возрастает молекулярная масса. Выделяющаяся уксусная кислота, имеющая характерный запах, улетучивается из системы.

Агрессивная концентрированная уксусная кислота, как показали испытания, вызывает коррозионное повреждение углеродистой стали. Выделение кислоты также сопровождается усадкой гидрофобизатора. Усадка гидрофобизатора и коррозия стали являются главными причинами недостаточной адгезионной прочности соединения поверхности конструктивних элементов изолятора с гидрофобизатором, что проявляется в отслаивании гидрофобизатора от поверхности изолятора и проникновении влаги к поверхности изолятора и границе раздела «изолятор-покрытие».

Попытка применения других катализаторов отверждения каучука СКТН, не образующих уксусную кислоту, не дала положительных результатов. Так, применение хорошо известного катализатора К-18 (тетраэтоксисилан) существенно усложнило технологию гидрофобизации, увеличило время отверждения и не улучшило качества изоляторов.

Усложнение технологии заключалось в том, что гидрофобизаторы с катализатором К-18 являются двухкомпонентными и требуют смешения перед наложением. Реакция вулканизации протекает очень медленно, поэтому она требует ускорения соответствующими катализаторами кислого или щелочного характера. Такими являются соли металлов или металлоорганических соединений: Sn, Pb, Ti, Zn. В основном применяется октоат олова Sn(OOCC₇H₁₅)₂.

Реакция отверждения с катализатором К-18 также сопровождается выделением побочного продукта (в данном случае спирта) и, как следствие, усадкой герметика (гидрофобизатора). Кроме этого применение гидрофобизатора с катализатором К-18 требует предварительно грунтовки поверхности металлов.

Приведенный выше анализ механизмов отверждения гидрофобизаторов показал, что герметизация изоляторов должна осуществляться веществами, отверждение которых происходит без усадки и без выделения побочных продуктов, т.е. при помощи К-10C (метилтриацетоксисилана).

Приготовление и нанесение разработанной гидрофобной композиции реализуют следующим образом.

Искомую гидрофобную композицию готовят на основе силиконового низкомолекулярного каучука, наполнителя, отвердителя и растворителя. Причем в качестве силиконового низкомолекулярного каучука используют каучук марки СКТН, в качестве наполнителя используют как твердый наполнитель в виде гидрата окиси алюминия и сажи ацетиленовой, так и жидкий наполнитель в виде низкомолекулярной кремнийорганической жидкости 119-215, а в качестве отвердителя используют метилтриацетоксисилан, а в качестве растворителя - органический растворитель марки сольвент нефтяной.

Приготовление раствора гидрофобного покрытия нужной консистенции осуществляют следующим образом. В КОК перед смешением с низкомолекулярной кремнийорганической жидкостью 119-215 дополнительно вводят твердый наполнитель в виде сажи ацетиленовой. После этого в емкость для смешивания наливают растворитель, после чего добавляют наполнители в виде гидрата окиси алюминия, и полученный раствор перемешивают до образования однородной смеси.

Причем весовое соотношение между КОК и растворителем выбирают в зависимости от температуры окружающей среды, при этом искомое весовое соотношение на 100,0 мас.ч. каучука составляет (0,85-1,0) мас.ч. при температуре окружающей среды до 25°C и (1,05-1,4) мас.ч. при температуре окружающей среды свыше 25°C. В то же время нанесение гидрофобного покрытия производят при температуре окружающего воздуха не ниже минус 10°C и отсутствии атмосферных осадков, а также росы.

В приготовленную однородную смесь добавляют КОК, разбавленный кремнийорганической жидкостью и содержащий твердый наполнитель в виде сажи ацетиленовой, после чего полученную жидкую композицию тщательно перемешивают до образования искомой однородной смеси.

При этом гидрофобное покрытие содержит на 100,0 мас.ч. каучука гидрат окиси алюминия в количестве 5,0-15,0 мас.ч., сажу ацетиленовую в количестве 0,5-2,5 мас.ч., низкомолекулярную кремнийорганическую жидкость 119-215 в количестве 1,25-2,5 мас.ч., метилтриацетоксисилан в количестве 2,5-6,5 мас.ч.

После этого производят очистку гидрофобизируемой поверхности от существующих загрязнений и наносят слой (или несколько слоев) приготовленной гидрофобной композиции. Примерно через 30 мин после нанесения гидрофобное покрытие вулканизируется и гидрофобизированная электроизоляционная конструкция может эксплуатироваться.

Таким образом, преимуществом разработанной композиции по сравнению с аналогами и прототипом является повышение надежности и увеличение срока службы наносимого завулканизированного гидрофобного покрытия, оптимизация его состава, что приводит также к повышению влагоразрядных напряжений высоковольтной изоляции в течение всего продолжительного срока ее эксплуатации.

Так, например, результаты проведенных испытаний электроизоляционных конструкций, полученных при помощи заявляемого технического решения, на допустимое рабочее напряжение и напряженность электрического поля подтверждают снижение вероятности перекрытия гирлянд изоляторов в результате загрязнения по меньшей мере на 15-20%.

Все испытанные гидрофобизированные изоляторы выдержали испытания на трекингэрозионную стойкость (при длительности испытаний не менее 500 час) и могут эксплуатироваться в районах с высоким уровнем загрязнености атмосферы до 4-й СЗА включительно, величине относительной влажности атмосферы в пределах 20-100%, величине максимально допустимого рабочего напряжения, подаваемого на электроизоляционную конструкцию, в пределах 6-750 кВ.

Кроме того, амплитуды основных токов утечки через гидрофобизированные изоляторы были в 1,5-2 раза меньше, чем через изоляторы без покрытия. В реальных условиях эксплуатации эта величина будет еще больше, так как поверхность кремнийорганических полимерных покрытий загрязняется значительно меньше.

Помимо этого, получаемое гидрофобное покрытие указанного состава в вулканизированном состоянии имеет улучшенные эксплуатационные свойства по сравнению с известными покрытиями (см. таблицу 4).

Таблица 4 Диэлектрические характеристики покрытий, полученных на основе разработанной композиции на основе однокомпонентного КОК холодного отверждения Состав удельное объемное сопротивление ρ_ν, не менее удельное поверхностное сопротивление ρ_s, не менее тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ, не более относительная диэлектрическая проницаемость, ε, не менее согласно формуле 4,82×10¹⁴ 2,0×10¹⁵ 0,008 3,11

Оптимизация состава и соотношения компонентов композиции, в свою очередь, позволяет уменьшить потери расходных материалов при гидрофобизации поверхности электроизоляционных конструкций.

Эффективность применения разработанной композиции при ее использовании в технологии нанесения гидрофобного покрытия механизированным способом подтверждается более чем 15-ти летним положительным опытом ее применения на подстанциях, расположенных в зонах с интенсивными промышленными загрязнениями.

В то же время наиболее оптимальный состав гидрофобного покрытия, а также улучшенные условия очистки и «самоочистки» получаемой гидрофобизируемой поверхности высоковольтной изоляции позволяют при проведении профилактических мероприятий исключить работы по снятию «старого» слоя покрытия перед нанесением «нового» и обеспечивают эффективную эксплуатацию покрытия без проведения дополнительных профилактических мероприятий в течение не менее 10 лет.

Полученные результаты проведенных исследований могут также использоваться при изготовлении наружной полимерной изоляции другого высоковольтного электротехнического оборудования: ограничителей перенапряжений, опорных и проходных изоляторов, трансформаторов тока и напряжения.

Изобретение относится к кремнийорганическим гидрофобным композициям, предназначенным для электроизоляционных конструкций, например высоковольтных изоляторов, и может быть использовано для повышения электрической прочности внешней изоляции, работающей в условиях загрязнения. Кремнийорганическая электроизоляционная гидрофобная композиция для высоковольтных изоляторов в качестве силиконового низкомолекулярного каучука содержит каучук марки СКТН, в качестве низкомолекулярной кремнийорганической жидкости кремнийорганическую жидкость марки 119-215, в качестве отвердителя метилтриацетоксисилан. На 100,0 мас.ч. каучука заявленная композиция содержит низкомолекулярную кремнийорганическую жидкость (1,25-2,5) мас.ч., гидрат окиси алюминия (5-15,0) мас.ч., сажу ацетиленовую (0,5-2,5) мас.ч., а также отвердитель (2,5-6,5) мас.ч. Техническим результатом предложенного изобретения является повышение надежности и увеличение срока службы завулканизированного покрытия электроизоляционной конструкции на основе гидрофобной электроизоляционной композиции путем установления оптимального состава и соотношения компонентов гидрофобной композиции. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Кремнийорганическая электроизоляционная гидрофобная композиция для высоковольтных изоляторов на основе одно- или двухупаковочного кремнийорганического компаунда холодного отверждения, жидкого или пастообразного в исходном состоянии, содержащего силиконовый низкомолекулярный каучук, твердый наполнитель в виде гидрата окиси алюминия, жидкий наполнитель в виде низкомолекулярной кремнийорганической жидкости, отвердитель или катализатор, а также органический растворитель в виде растворителя марки «сольвент нефтяной», отличающаяся тем, что в качестве силиконового низкомолекулярного каучука композиция содержит каучук марки СКТН, в качестве низкомолекулярной кремнийорганической жидкости композиция содержит кремнийорганическую жидкость марки 119-215, в качестве твердого наполнителя композиция дополнительно содержит сажу ацетиленовую, в качестве отвердителя композиция содержит метилтриацетоксисилан, при этом на 100,0 мас.ч. каучука композиция содержит низкомолекулярную кремнийорганическую жидкость в количестве (1,25-2,5) мас.ч., гидрат окиси алюминия в количестве (5-15,0) мас.ч., сажу ацетиленовую в количестве (0,5-2,5) мас.ч., а также отвердитель в количестве (2,5-6,5) мас.ч.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что весовое соотношение между компаундом и органическим растворителем в композиции на 100,0 мас.ч. каучука варьируется в зависимости от температуры окружающей среды и составляет (0,85-1,0) мас.ч. при температуре окружающей среды до 25°C, а также (1,05-1,4) мас.ч. при температуре окружающей среды свыше 25°C.

3. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что завулканизированное покрытие на ее основе характеризуется следующими электроизоляционными свойствами: удельное объемное сопротивление ρ_ν не менее 3·10¹⁴ Ом·см, удельное поверхностное сопротивление ρ_s не менее 1,0·10¹⁵ Ом, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ не более 0,008, а также возможностью эксплуатации при рабочих напряжениях 6-750 кВ.