Izolatory kompozytowe mają zalety lekkości, odporności na zanieczyszczenia, łatwej instalacji i konserwacji itp. Izolatory kompozytowe są szeroko stosowane w budowie sieci energetycznych w kraju i za granicą. Obecnie liczba izolatorów kompozytowych w normalnym użytkowaniu w Chinach wynosi około 8 milionów, co jest jednym z krajów o największej liczbie izolatorów kompozytowych. Podczas pracy na izolatory kompozytowe łatwo wpływa wiele czynników, takich jak maszyny, środowisko i elektryczność. Wraz ze wzrostem czasu pracy izolatorów kompozytowych, izolatory kompozytowe stają się twarde, kruche, przeciekające itp. Długotrwała praca izolatorów kompozytowych pod napięciem wpłynie na normalną pracę sieci elektroenergetycznej. W ostatnich latach problem starzenia się izolatorów kompozytowych zwrócił uwagę odpowiednich wydziałów.
Zewnętrzny materiał izolacyjny izolatora kompozytowego to głównie wysokotemperaturowy wulkanizowany kauczuk silikonowy, który jest elastomerem otrzymywanym przez dodanie do gumy różnych kompleksów, takich jak wypełniacz wzmacniający i środek kontrolujący strukturę, a następnie interakcja ze środkiem wulkanizującym. Wulkanizowana guma silikonowa w wysokiej temperaturze ma dużą stabilność, hydrofobowość i odzyskiwanie hydrofobowości. Izolator kompozytowy będzie długo działał w środowisku zewnętrznym, a zanieczyszczenia, korona i wilgoć w środowisku zewnętrznym spowodują uszkodzenie powierzchni gumy silikonowej, co stopniowo pogorszy właściwości izolatora kompozytowego i ostatecznie ulegnie awarii.
Obecnie główny kierunek budowy chińskiej sieci energetycznej zmienia się w kierunku UHV i UHV. W wielu przypadkach sieć energetyczna Uhv musi być budowana na dużych wysokościach i w obszarach o dużym zanieczyszczeniu. Dlatego izolatory kompozytowe muszą stawić czoła problemom, takim jak promieniowanie ultrafioletowe i wyładowania koronowe, na które również należy zwracać uwagę przy starzeniu się izolatorów kompozytowych.
Rodzaj i mechanizm starzenia izolatora kompozytowego
Starzenie izolatorów kompozytowych można podzielić na trzy typy: starzenie fizyczne, starzenie chemiczne i starzenie elektromechaniczne.
1. Starzenie fizyczne
Czynnikami fizycznego starzenia się izolatorów kompozytowych są przede wszystkim promieniowanie ultrafioletowe, miejscowa wysoka temperatura oraz zmęczenie naprężeniowe. Starzenie fizyczne poważnie wpływa na właściwości mechaniczne i elektryczne gumy silikonowej. Eksperyment z ekspozycją materiału z gumy silikonowej przeprowadzono podczas 1998-2005 w Chinach i zbadano starzenie się gumy silikonowej. Stwierdzono, że gdy izolator kompozytowy będzie wystawiony na zewnątrz przez długi czas, właściwości fotoelektryczne izolatora kompozytowego zmienią się oczywiście, spośród których zmiana jest najbardziej widoczna na obszarze pustynnym i subtropikalnym obszarze płaskowyżu.
Światło ultrafioletowe ma wielki wpływ na przyspieszenie starzenia się gumy silikonowej, chociaż światło ultrafioletowe może całkowicie odciąć główną strukturę łańcucha gumy silikonowej, ale światło ultrafioletowe i inne czynniki połączą utlenianie metylowego łańcucha bocznego gumy silikonowej, prowadząc ostatecznie do starzenie się gumy silikonowej. Główna struktura łańcucha w kauczuku silikonowym będzie wytwarzać wolne rodniki po zerwaniu, ta część wolnych rodników o wysokiej energii, łatwa do wywołania reakcji sieciowania między sobą. W kontakcie z powietrzem wolne rodniki utleniają się również tlenem w powietrzu, wytwarzając metan i inne gazy.
W ostatnich latach, wraz ze stopniowym postępem projektu przesyłu energii zachód-wschód, w Yunguichuan i Xizang zbudowano szereg linii przesyłowych wysokiego napięcia z izolatorami kompozytowymi jako głównymi materiałami konstrukcyjnymi. Środowisko naturalne na tych obszarach jest bardziej surowe niż na innych obszarach, a izolatory kompozytowe są tutaj podatne na starzenie się podczas stosowania. W Yunguichuan i innych obszarach położonych na dużych wysokościach, wraz z wydłużeniem czasu naświetlania ultrafioletem, wytrzymałość i wydłużenie kauczuku silikonowego stopniowo malało wraz ze zmianą czasu, wraz z wydłużeniem czasu naświetlania zmniejszy się również rezystywność, a hydrofobowość kauczuku silikonowego trend spadkowy. Powodem tego zjawiska jest to, że pierwotne wiązanie gumy silikonowej kompozytowego izolatora zostanie połączone pod wpływem światła ultrafioletowego, co powoduje ciągły spadek właściwości mechanicznych gumy silikonowej.
Reakcja krakingu spowoduje również wytworzenie gazu, ulatnianie się gazu z gumy silikonowej, powierzchnia gumy silikonowej będzie miała nierówne lub nawet dziury. Grupa niemetylowa na łańcuchu bocznym odpada w wyniku reakcji utleniania, w tym czasie grupa niemetylowa nie może tworzyć silnej osłony dla łańcucha głównego, co powoduje stopniowy spadek hydrofobowości powierzchni gumy silikonowej. Ponadto grupy hydrofilowe w kauczuku silikonowym będą również absorbować wodę z powierzchni kauczuku silikonowego, tak że rezystywność kauczuku silikonowego nadal spada. Przerwanie łańcucha chemicznego w gumie silikonowej spowoduje również osłabienie izolacji, co prowadzi do wycieków i innych wypadków. Dlatego też, jeśli guma silikonowa w silnym środowisku UV przez długi czas, wewnętrzna guma silikonowa będzie kontynuowała występowanie pęknięć, reakcji sieciowania, takich jak utlenianie, zniszczy strukturę molekularną gumy silikonowej wewnątrz, z makro punktu widzenia, aby guma silikonowa długa ekspozycja na światło ultrafioletowe, spadek wydajności elektrycznej gumy silikonowej i zmniejszenie wydajności mechanicznej, wpływają na normalne stosowanie gumy silikonowej.
Stwierdzono, że barwnik tlenek żelaza może hamować reakcję utleniania termicznego w kompozytowej gumie silikonowej izolatora, tak aby utrzymać stabilność gumy silikonowej, ale zastosowanie barwnika tlenku żelaza odgrywa rolę katalityczną w reakcji hydrolizy. Po dodaniu nanokrzemionki do gumy silikonowej prawdopodobieństwo wystąpienia napięcia przeskoku izolatora kompozytowego maleje wraz ze wzrostem dodawanej ilości. Po dodaniu cząstek nano BN do gumy silikonowej rozkład temperatury powierzchni gumy silikonowej będzie bardziej równomierny, głębokość erozji będzie się stopniowo zmniejszać, stabilność rezystancji powierzchni gumy silikonowej zostanie zwiększona, a prawdopodobieństwo wystąpienia problemu z rozgorzeniem wzrośnie nadal się zmniejszać.
Zmęczenie naprężeniowe w dużym stopniu przyspieszy również starzenie się izolatorów kompozytowych. Stwierdzono, że gdy w nasadzie parasola z izolatorami obciążenia wystąpią wibracje o wysokiej częstotliwości, wibracje doprowadzą do poważnego zjawiska koncentracji naprężeń u podstawy nasady parasola. Pod długotrwałym i wysokim obciążeniem korzeń spódnicy parasola zawsze będzie w stanie zmęczenia stresowego, co doprowadzi do powstania mikropęknięć. Jeśli mikropęknięcia nie zostaną skutecznie naprawione, głębokość pęknięć będzie się zwiększać, a w końcu spódnica parasola zostanie rozdarta.
2. Starzenie chemiczne
Głównymi przyczynami starzenia się gumy silikonowej kompozytowego izolatora jest ozon, kwas i zasada oraz tlenek azotu, wśród których tlenek azotu reaguje z wodą tworząc kwas azotowy. Gdy izolator kompozytowy znajduje się w środowisku kwaśnym przez długi czas, powierzchnia izolatora kompozytowego zostanie poważnie skorodowana. Silny kwas doprowadzi do zerwania szkieletu gumy silikonowej izolatora kompozytowego, powodując w ten sposób uszkodzenie materiału gumy silikonowej. Gdy izolator kompozytowy znajduje się w środowisku alkalicznym, powierzchnia izolatora kompozytowego będzie wykazywać słabą alkaliczność, a substancje alkaliczne spowodują również pęknięcie wiązania pierwotnego w gumie silikonowej, co spowoduje utratę hydrofobowości izolatora kompozytowego. Z punktu widzenia makro kompozytowy izolator z gumy silikonowej w środowisku kwaśnym lub zasadowym przez długi czas będzie wykazywał zjawisko obniżenia wytrzymałości.
W zanieczyszczonym i wilgotnym środowisku przez długi czas hydrofobowość powierzchni gumy silikonowej izolatorów kompozytowych będzie stopniowo słabnąć, a nawet całkowicie zanikać wraz z upływem czasu. Po zanurzeniu izolatorów kompozytowych w roztworach o różnych właściwościach można stwierdzić, że powierzchnia izolatorów kompozytowych w roztworach obojętnych nie zmienia się znacząco, natomiast powierzchnia izolatorów kompozytowych w roztworach kwaśnych i zasadowych wykazuje wyraźne zjawisko korozji, a stopień korozji stopniowo pogłębia się wraz ze wzrostem kwasowości i zasadowości. W przypadku izolatorów kompozytowych środowisko kwaśne jest bardziej szkodliwe niż środowisko alkaliczne.
Ze względu na zjawisko wyładowania podczas pracy linii wysokiego napięcia ozon generowany przez zjawisko wyładowania utlenia się i reaguje z materiałem polimerowym w izolatorze kompozytowym. Reakcja utleniania prowadzi do poważnych defektów na powierzchni izolatora kompozytowego, a nawet ma poważny wpływ na działanie izolatora kompozytowego.
3. Starzenie elektryczne
Poza wpływem środowiska naturalnego, na izolatory kompozytowe oddziałują również pola elektryczne wysokiego napięcia, które przyspieszają starzenie się gumy silikonowej. Jednocześnie badania naładowanych izolatorów kompozytowych i nienaładowanych izolatorów kompozytowych pokazują, że żywotność naładowanych izolatorów kompozytowych jest znacznie krótsza niż w przypadku nienaładowanych izolatorów kompozytowych, co również wskazuje, że starzenie elektryczne jest ważnym czynnikiem powodującym starzenie się izolatorów kompozytowych. Podczas normalnej pracy izolator kompozytowy zostanie uderzony przez naładowane cząstki, co doprowadzi do przerwania głównego łańcucha izolatora kompozytowego z gumy silikonowej. Jednocześnie będzie reagować z otaczającym tlenem i innymi substancjami, wytwarzając tlenki azotu i inne substancje, a następnie uszkadzać działanie gumy silikonowej. Łuk koronowy spowoduje również wysoką temperaturę na powierzchni izolatorów kompozytowych, co obniży właściwości elektryczne i mechaniczne izolatorów kompozytowych. Po wypaleniu izolatorów kompozytowych łukiem koronowym zawartość materii organicznej na powierzchni izolatorów kompozytowych znacznie się zmniejszy, co spowoduje pogorszenie właściwości izolacyjnych izolatorów kompozytowych. W całym procesie starzenia proces reakcji starzenia elektrycznego jest najbardziej złożony, a proces starzenia elektrycznego wystąpi jednocześnie, starzenie fizyczne i starzenie chemiczne, dlatego wpływ starzenia elektrycznego na kompozytowe materiały izolacyjne jest największy.