Гидрофобные свойства поверхности полимерных изоляторов и их значение

В предыдущих разделах обзора уже неоднократно рассматривались вопросы, связанные с гидрофобностью поверхности как новых, так и состаренных (в условиях эксплуатации или искусственно) полимерных изоляторов. Ввиду исключительной важности этого вопроса и в связи с большим количеством результатов исследований гидрофобности полимерных изоляторов, опубликованных в самое последнее время целесообразно рассмотреть эту проблему подробнее.

Хорошая работа полимерных изоляторов в условиях загрязнения по сравнению с фарфоровыми и стеклянными изоляторами по мнению многих исследователей, в значительной мере связана с поверхностной гидрофобностью материала оболочки. Среди наиболее серьезных исследований в этом направлении можно отметить работы /10,23,29,56,68−74,77,81,90/. Во всех исследованиях подчеркивается, что поверхностной гидрофобностью обладают в той или иной степени почти все известные полимерные изоляционные материалы, однако отличительной особенностью только кремнийорганических оболочек является длительное сохранение гидрофобности даже при сильном загрязнении, а в экстремальных случаях при загрязнении и увлажнении потеря гидрофобности у силиконов наблюдается только временно.

Перенос гидрофобности в слой загрязнения и восстановление гидрофобности являются уникальными характеристиками кремний-органических эластомеров. Именно эта характеристика обеспечивает их лучшую работу в условиях сильных загрязнений по сравнению с другими полимерными изоляторами. Эти свойства силикона обусловлены наличием в его объеме подвижного полимера с низким молекулярным весом (полидиметилсилоксана) и способностью этого компонента мигрировать к поверхности изолятора. Анализ гидрофобных свойств поверхности композитных изоляторов зарубежные исследователи проводят как на новых изоляторах, так и после их искусственного старения в испытательных камерах или после старения в естественных условиях на действующих электроустановках или на испытательных стендах. Некоторые результаты таких исследований уже приводились в разделах 9, 11 и 13 настоящего обзора. Применяется множество методов определения гидрофобности, наряду с широко применяемой во всем мире методикой STRI / 23 /, применяются и такие прямые методы, как измерение угла смачиваемости и использование электронной сканирующей микроскопии.

Все исследователи пришли к выводу, что, если после естественного или искусственного старения количество низкомолекулярного компонента в общем объеме полимерного материала заметно уменьшается, то это может привести к снижению гидрофобности поверхности изолятора и к ухудшению его эксплуатационных характеристик. У многих полимерных материалов после лабораторного извлечения из них низкомолекулярного компонента наблюдалось значительное ухудшение способности восстанавливать гидрофобность / 70 /. Поэтому измерение количества и характеристик полимерных составляющих с низким молекулярным весом, извлекаемых обычно стандартными методами экстракции, после испытаний на старение является эффективным показателем работоспособности и остаточного ресурса (срока службы) полимерного изолятора.

В / 56 / исследовались состаренные кремнийорганические изоляторы, демонтированные после 7 — 10 и более лет эксплуатации на ВЛ 138 — 765 кВ (в том числе + 500 кВ постоянного тока) и испытательных стендах, расположенных в различных районах США с сильными промышленными и морскими загрязнениями (визуально изоляторы были загрязнены очень сильно). Удельная длина пути утечки демонтированных изоляторов составляла от 1,1 до 3,5 см / кВ. На всех изоляторах (даже с плотным равномерным черного цвета слоем загрязнения с высокой адгезией к поверхности силикона) угол смачивания составлял более 90, т. е. изоляторы были полностью гидрофобными. Стандартные механические и электрические характеристики изоляторов после 7 — 10 (и более) лет эксплуатации не изменились по сравнению с такими же характеристиками у новых изоляторов. Содержание низкомолекулярных компонентов в / 56 / определялось стандартным методом экстракции Сокслета (в гексане), затем химический состав экстрактов определялся при помощи инфракрасной спектроскопии. Для оценки степени восстановления гидрофобности поверхности состаренные в эксплуатации изоляторы предварительно обрабатывались в течение 2 — 4 минут коронным разрядом по методике / 70 / для перехода от гидрофобности к гидрофильности. Скорость восстановления гидрофобности определялась мониторингом угла смачивания в функции от времени после обработки коронным разрядом.

В результате исследований /56 / выявлено, что кремний — органические оболочки, подвергнутые естественному старению, содержат такое же количество низкомолекулярного компонента (экстрактов полидиметилсилоксана), что и новые материалы (около 1%). В слое загрязнения на демонтированных изоляторах, имевшего существенно различный химический состав, количество полидиметилсилоксана составляло не менее 10% от веса загрязняющего вещества.

Для сравнительной оценки проникновения низкомолекулярных компонентов не только на поверхность полимерной оболочки, но и непосредственно в слой загрязнения в / 56 / новые и состаренные в эксплуатации кремнийорганические изоляторы сначала очищались от слоя естественного загрязнения, а затем искусственно загрязнялись различными веществами, не содержащими силикона, с воспроизведением по возможности естественного слоя загрязнения по толщине (0,013 — 0,025 мм), равномерности и адгезии к кремний — органической оболочке. Искусственное загрязнение в разные периоды времени удалялось с отдельных участков поверхности для оценки содержания в нём силикона и контроля скорости миграции полимера в слой загрязнения. Выявлено, что эта скорость одинакова для силикона до и после старения. При 60 С миграция прекращалась за 24 — 36 час., при 20 С — за 2 — 3 дня. Эти данные косвенно согласуются с результатами, полученными в / 71 /, где показано, что требуется 3 — 4 дня после искусственного загрязнения кремнийорганических изоляторов, чтобы напряжение их перекрытия соответствовало равновесному состоянию, наблюдаемому в эксплуатации.

Таким образом утрата гидрофобности при определенных условиях (воздействие короны, разрядов на подсушенной зоне и т. д.) для кремнийорганической резины является временной и после окончания испытательных или эксплуатационных воздействий её гидрофобность полностью восстанавливается. После старения силиконы восстанавливают свою гидрофобность практически с той же скоростью, что и новый материал (до углов смачивания более 95), на что затрачивается не менее 24 часов /56, 70/. Поэтому срок службы кремнийорганических изоляторов с точки зрения поддержания гидрофобности их поверхности можно считать практически неограниченным.