Kompozycje hydrofobowe do izolatorŰw napowietrznych

84
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Kompozycje hydrofobowe
do izolatorÛw napowietrznych
firmy Vantico
Jacek Karpiñski
Kompozycje epoksydowe w zastosowaniach elektroizolacyjnych uøywane sπ od ponad pÛ≥
wieku. Firma Vantico ñ powsta≥a z wydzielenia dzia≥u øywic z firmy Ciba ñ opracowa≥a kompozycjÍ, ≥πczπcπ w≥aúciwoúci epoksydÛw i silikonÛw. Efektem prac inøynierÛw Vantico jest
hydrofobowa kompozycja epoksydowa CY5622 oraz jej wersja specjalna ñ HW5625-1BD.
úrÛd zastosowaÒ kompozycji
epoksydowych moøna wyrÛøniÊ wykonywanie laminatÛw
elektrotechnicznych, izolatorÛw, przek≥adnikÛw, transformatorÛw, ≥πcznikÛw oraz
kszta≥tek do zastosowaÒ elektrotechnicznych.
W
Øywice epoksydowe
Øywice epoksydowe najczÍúciej utwardzane sπ aminami i bezwodnikami. DziÍki
stosunkowo niskiej cenie i ≥atwoúci przetwarzania sπ stosowane niemal na ca≥ym
úwiecie.
Øywice mogπ wystÍpowaÊ w formie
aromatycznej (oparte na bisfenolu A lub F)
oraz alifatycznej (lub cykloalifatycznej).
NajtaÒsze ñ i wykorzystywane najczÍúciej
ñ sπ oparte na bisfenolu A.
Wadπ uk≥adÛw aromatycznych jest natomiast ich brak odpornoúci na dzia≥anie UV,
a co za tym idzie ñ na warunki zewnÍtrzne.
Znacznie lepszπ odpornoúÊ wykazujπ uk≥ady alifatyczne.
Øywice silikonowe
KoniecznoúÊ zastosowaÒ elementÛw
elektroizolacyjnych w warunkach zewnÍtrznych, a takøe w wysoko zanieczyszczonym úrodowisku lub tropiku (wysoka wilgotnoúÊ i ciep≥o) spowodowa≥y wprowadzenie øywic silikonowych. Øywice silikonowe poza odpornoúciπ na UV charakteryzujπ siÍ takøe w≥asnoúciami hydrofobowymi ñ ich powierzchnia nie ulega
84
zwiløeniu. Dlatego ich odpornoúÊ na warunki zewnÍtrzne jest lepsza od øywic cykloalifatycznych.
Wadπ silikonÛw jest natomiast ich s≥aba
wytrzyma≥oúÊ mechaniczna: konieczne
jest dodatkowe wzmocnienie przy produkcji izolatorÛw w postaci rury szk≥oepoksydowej, ktÛra jest jedynie pokrywana gumπ
silikonowπ. Takie rozwiπzanie powoduje
znaczne zwiÍkszenie kosztÛw ze wzglÍdu
na wiÍkszπ z≥oøonoúÊ procesu wytwarzania i iloúÊ procesÛw technologicznych.
Dodatkowo øywice silikonowe wymagajπ zastosowania innych urzπdzeÒ niø te
posiadane do przetwÛrstwa typowych
epoksydÛw.
ï odpornoúÊ na pÍkanie (creep),
ï starzenie termiczne,
ï testy UV/ekspozycja,
ï transfer hydrofobowoúci,
ï odzysk hydrofobowoúci.
Kompozycja hydrofobowa
W≥aúciwoúci mechaniczne
Firma Vantico (powsta≥a z wydzielenia
dzia≥u øywic z firmy Ciba) opracowa≥a
kompozycjÍ, ≥πczπcπ w≥aúciwoúci epoksydÛw i silikonÛw. Efektem prac inøynierÛw
Vantico jest hydrofobowa kompozycja
epoksydowa CY5622 i wersja specjalna
HW5625-1BD.
Nowo opracowane systemy zosta≥y poddane wielu badaniom, aby w warunkach
laboratoryjnych sprawdziÊ prawid≥owoúÊ
za≥oøeÒ teoretycznych. W zwiπzku z tym
przeprowadzono badania porÛwnawcze
dla øywicy hydrofobowej HCEP oraz silikonu i klasycznej epoksydowej øywicy
cykloalifatycznej Araldit CY184. Badania
przeprowadzono w siedmiu dziedzinach:
ï w≥aúciwoúci mechaniczne,
ï w≥aúciwoúci elektryczne,
Utwardzone, standardowe prÛbki zosta≥y poddane typowym badaniom wytrzyPodstawowe cechy øywicy
ï trwa≥a w czasie hydrofobowoúÊ,
ï transfer hydrofobowoúci na zanieczyszczenia (HTE),
ï odzysk hydrofobowoúci po uszkodzeniu powierzchni (np. po wy≥adowaniu) ñ Recovery,
ï niewraøliwoúÊ na UV i wilgoÊ,
ï moøliwoúÊ przetwÛrstwa na starych urzπdzeniach do epoksydÛw a takøe na urzπdzeniach
do silikonÛw (wersja specjalna),
ï odpornoúÊ na niskie i wysokie temperatury,
ï zachowanie mechanicznych i elektrycznych
w≥aúciwoúci klasycznych epoksydÛw,
ï korzystna cena dziÍki moøliwoúci wype≥niania
listopad 2004
85
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Tab. 1. Wyniki badaÒ elektrycznych
W≥aúciwoúÊ
Norma
Wynik
ASTM D495.73/79
185 s
IEC 60243-1
24 kV/mm
StratnoúÊ tan δ
DIN 54843
0,9%
Wytrzyma≥oúÊ na przebicie
VDE0441/1
HD2
OdpornoúÊ na prπdy pe≥zajπce
IEC112/79
>600
Korozja elektrolityczna
IEC60426
A1
OdpornoúÊ na ≥uk
OdpornoúÊ na przebicie
ma≥oúciowym w laboratorium. Zastosowano 66% wype≥nienie mπczkπ kwarcowπ
silanizowanπ. Metodyka analiz wynika≥a
z odpowiednich norm ISO178, ISO527.
Uzyskano parametry:
144 Mpa,
ï odpornoúÊ na zginanie:
11454 Mpa,
ï modu≥:
89 Mpa,
ï odpornoúÊ na rozciπganie:
1,3%,
ï wyd≥uøenie do zerwania:
504 J/m2
ï udarnoúÊ:
Otrzymane rezultaty pozwalajπ na wykonywanie izolatorÛw wsporczych i wiszπcych bez stosowania dodatkowych
wzmocnieÒ kompozytowych.
W≥aúciwoúci elektryczne
Badania elektryczne przeprowadzano
zgodnie ze standardowπ procedurπ, a ich
wyniki prezentuje tab. 1.
Okreúlenie tych parametrÛw pozwala na
wykorzystanie øywicy w charakterze elektroizolacji do úredniego i wysokiego napiÍcia.
OdpornoúÊ na pÍkanie
Zastosowanie kompozycji epoksydowych w warunkach zewnÍtrznych wiπøe
siÍ z koniecznoúciπ uzyskania odpowiednich parametrÛw odpornoúci na pÍkanie
izolacji na wtopach metalowych (insertach) przy zmianach temperatury. Okreúlenie temperatury powstawania rys pozwala na ustalenie odpornoúci na szoki termiczne i pracÍ pod sta≥ym obciπøeniem.
O ile standardowe kompozycje cykloalifatyczne i bisfenolowe wykazujπ indeks na
poziomie 12∞C, kompozycje hydrofobowe
HCEP -66∞C. Pozwala to stwierdziÊ, øe
moøna je stosowaÊ w trudnych warunkach
klimatycznych.
Dodatkowe badania pod obciπøeniem 16
Mpa w 70∞C wykazujπ rysy na poziomie
poniøej 0,3% po 1000 godzin, co jest niøsze o po≥owÍ od efektu dla znanej øywicy
CY184.
Starzenie termiczne
Okreúlenie klasy temperaturowej i temperatury zeszklenia jest jednym z kryteriÛw zastosowania okreúlonej kompozycji
w aplikacji elektrotechnicznej. Im niøsze
Tg i wyøsza klasa termiczna, tym kompozycja lepiej sprawdzi siÍ w warunkach
eksploatacyjnych. W testach okreúlono Tg
nowych systemÛw na 110∞C, a klasÍ tem-
85
86
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Tab. 2. Umowne stopnie hydrofobowoúci
StopieÒ 1
Krople sπ absorbowane na powierzchni
Brak efektu HTE
StopieÒ 2
Krople sπ stabilne min. 2 minuty a na powierzchni pochylonej 45∞
wch≥aniajπ siÍ
S≥abe HTE
StopieÒ 3
Jak stopieÒ 2 ale przy pochyleniu do 45∞ krople siÍ zeúlizgujπ
årednie HTE
StopieÒ 4
Krople sπ stabilne na powierzhni (nie wch≥aniane) i spadajπ z powierzchni
pochylonej do 45∞
Dobre HTE
StopieÒ 5
Krople spadajπ z powierzchni przy niewielkim nachyleniu nie zostawiajπc
úladu
Wyúmienite HTE
B (CY 5622)
1
2
Silicone
3
4
5
A (CY 184)
6
7
0.1 min
10 min
peraturowπ ñ na minimum F. Dokonanie
krÛtkoterminowych testÛw (60 dni w 200∞C)
pozwala na stwierdzenie klasy takiej samej
jak Araldit CY184/HT907 (testy d≥ugoterminowe sπ jeszcze w trakcie przeprowadzania).
1h
1d
ekspozycji, jednak wbrew przewidywaniom dodatkowo zwiÍkszy≥o to kπt zwiløania, co t≥umaczone jest odwrotnym efektem kapilarnym.
OdpornoúÊ na UV jest wiÍc nie mniejsza
od sprawdzonego w praktyce systemu
Araldit CY184.
Testy UV / ekspozycja
Transfer hydrofobowoúci
Z uwagi na to, øe kompozycja HCEP
zosta≥a opracowana stosunkowo niedawno,
nie ma jeszcze dostÍpnych badaÒ ekspozycyjnych dla warunkÛw rzeczywistych.
Testy w komorze ekspozycyjnej i ekstrapolowane dla warunkÛw normalnych wykazujπ odpornoúÊ na bezpoúrednie nas≥onecznienie (Australia / po≥udniowa Afryka) na 8700 godzin bez wp≥ywu na stopieÒ
hydrofobowoúci. Zaobserwowano pod mikroskopem rozwiniÍcie powierzchni po
Transfer hydrofobowoúci jest jednπ
z cech rÛøniπcych kompozycje HCEP od
innych epoksydÛw i stawiajπcych je na
rÛwni z silikonami.
W warunkach rzeczywistych i przy duøym zabrudzeniu na powierzchni zbiera siÍ
py≥ i kurz. Taka warstwa pod wp≥ywem
wody tworzy przewodzπcπ papkÍ i powoduje przebicie na powierzchni izolatora.
Silikony i HCEP posiadajπ unikalnπ w≥aúciwoúÊ transferu hydrofobowoúci powierzchni: zbierajπcy siÍ na ich powierzchni
kurz uzyskuje zmniejszonπ zwiløalnoúÊ.
W efekcie nie miesza siÍ z wodπ tworzπc
papkÍ, ale krople zeúlizgujπ siÍ lub sπ oddzielone bez efektu mostka elektrycznego.
Hydrofobowoúc jest zazwyczaj okreúlana przez kπt zwiløania. Dla uproszczenia
moøna jednak zastosowaÊ umowne stopnie hydrofobowoúci (tab. 2).
Dla celÛw badawczych zastosowano
sztuczne zabrudzenie przez napylanie mπczki kwarcowej do gruboúci 0,5 mm.
NastÍpnie nakraplano wodÍ, aby sprawdziÊ efekt HTE przez okres 650 godzin. Po
650 godzinach usuwano warstwÍ zabrudzenia i nanoszono nowπ (2-nd application) i znÛw badano efekt HTE przez 650 h.
Badanie powtarzano do 8 aplikacji zabrudzenia. Jest to symulacja eksploatacji izolatora polegajπca na formowaniu brudu
i czyszczeniu okresowym.
Tab. 3...........................
H-Class
Efekt
Wniosek
1
tylko ma≥e krople φ > 80o (dla wiÍkszoúci kropel)
úwietna hydrofobowoúÊ
2
tylko ma≥e krople 80o > φ > 50o (dla wiekszoúci kropel)
bardzo dobra hydrofobowoúÊ
3
tylko ma≥e krople 50o > φ > 20o (dla wiekszoúci kropel)
dobra hydrofobowoúÊ
Trzy najwaøniejsze cechy
nowej generacji øywic:
4
ma≥e krople i ma≥e wilgotne powierzchnie
Awet < 2cm2 i ΣAwet < 90 % ca≥ej powierzchni
lekka hydrofobowoúÊ
ï odpornoúÊ na UV, trwa≥a niezwiløalnoúÊ ñ
5
ma≥e miejsca zwiløone Awet > 2cm2 i ΣAwet < 90 %
lekka hydrofilowoúÊ
6
100 % > ΣAwet >90 %
úrednia hydrofilowoúÊ
7
ΣAwet = 100 %
bardzo hydrofilowe
jak silikon,
ï transfer i odzysk hydrofobowoúci ñ jak
silikon,
ï przetwÛrstwo i cena ñ jak epoksyd.
86
listopad 2004
87
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Wykres wykazuje, øe po uformowaniu zabrudzenia w ciπgu
mniej niø 100 godzin osiπgany jest 4. stopieÒ hydrofobowoúci.
Jest to wynik zbliøony do silikonÛw, a lepszy niø øywicy cykloalifatycznej.
Odzysk
hydrofobowoúci
Waønπ cechπ dla izolatora jest odzyskiwanie w≥aúciwoúci
hydrofobowych po wy≥adowaniu, co w warunkach laboratoryjnych symulowano dzia≥aniem plazmy. W takich warunkach
wszystkie tworzywa sztuczne uzyskujπ aktywacjÍ powierzchni
(dlatego stosuje siÍ plazmÍ do aktywacji przed klejeniem) i co za
tym idzie zwiløalnoúÊ. Efektu tego nie da siÍ uniknπÊ, dπøy siÍ
natomiast, aby powierzchnia jak najszybciej odzyska≥a swoje
w≥aúciwoúci.
Dotychczas takπ cechπ najlepiej charakteryzowa≥y siÍ silikony,
odzyskujπc w≥aúciwoúci po kilku godzinach. Kompozycje HCEP
rozpoczynajπ odzysk juø po kilku minutach.
W warunkach rzeczywistych jest to istotne, gdyø po wy≥adowaniu na zwiløonej powierzchni ≥atwo ≥uk moøe siÍ powtÛrzyÊ.
Dla celÛw porÛwnawczych zastosowano skalÍ klas-H
Im wyøsza klasa tym bardziej zwiløana jest powierzchnia i gorsze
w≥aúciwoúci.
Podsumowanie
Na bazie badaÒ moøna stwierdziÊ, øe nowe øywice majπ szansÍ na zastosowanie po upowszechnieniu wiedzy o ich istnieniu.
MoøliwoúÊ zastosowania starych maszyn i technologii daje moøliwoúÊ niedofinansowanym zak≥adom na wykonanie konkurencyjnych produktÛw bez kosztownych inwestycji, a takøe zak≥adom
Ñgaraøowymî moøliwoúÊ zaistnienia na rynku opanowanym przez
izolatory silikonowe. Dlatego teø jako pierwsze izolatory z HCEP
zosta≥y wyprodukowane i zastosowane w Chinach. Obecnie technologiÍ tÍ wprowadzi≥y juø ñ przynajmniej na ograniczonπ skalÍ
ñ duøe koncerny, jak np. Siemens czy ABB.
Jacek KarpiÒski
Autor jest xxxxxxxxxxxxx
Literatura:
1. C.Beisle, B.Kultzow (Vantico AG Basel) ÑNew hydrophobic cycloaliphatic
epoxy outdoor insulation systemsî IEEEElectrical insulation magazine vol.17
No4 2001
2. Karty techniczne produktÛw
3. Materia≥y konferencyjne Vantico GmbH WiedeÒ
87