14.1 Johdanto

Silikonikumi (SiR) on peruseristemateriaalina laajalti käytetty posliini- ja lasieristeiden päällystämiseen. Suurjännitteistä tasavirtatekniikkaa (HVDC) pidetään tehokkaimpana ja taloudellisimpana ratkaisuna suurjännitteiseen, suurikapasiteettiseen ja pitkien etäisyyksien siirtoon ja sähköverkkojen yhteenliittämiseen . Kiinassa on otettu käyttöön useita ± 800 kV:n UHVDC-siirtolinjoja. Paremman kontaminaatiokestävyyden, lämpötilankestävyyden, sähköeristyksen ja elastisuuden ansiosta SiR:ää käytetään laajalti HVDC-siirtolinjojen eristimissä ja kaapelitarvikkeissa .

Kaikista eduista huolimatta SiR kärsii pitkäaikaisesta käytöstä ja ympäristövaikutuksista. HVDC-siirtolinjoissa koronapurkauksia voi esiintyä jopa hyvin suunnitelluissa eristeissä, mikä voi ruiskuttaa varauksen eristeen pintaan ja vaurioittaa eristeitä merkittävästi . On hyvin tiedossa, että varauksen injektio riippuu pääasiassa ulkoisen kentän alkuperäisestä jakaumasta. Tasajännitteessä varaukset kerääntyvät todennäköisemmin eristimen pinnalle vakioelektrostaattisen kentän vuoksi kuin vaihtojännitteessä. Varaukset voivat jäädä siihen tietyksi ajaksi, joka määräytyy hajoamisprosessin tehokkuuden mukaan. Pintavarausten olemassaolo aiheuttaa eristeen varhaisen rikkoutumisen, ja niillä on tärkeä rooli pinnan leimahduksen kehittymisessä . On myös raportoitu, että samoissa kenttäolosuhteissa epäpuhtauksien kertyminen tasajännitteellä on 1,2-1,5 kertaa suurempi kuin vaihtojännitteellä . On tarpeen tutkia SiR-eristimien suorituskykyä tasajännitteellä. Kun SiR-eriste altistuu pitkäaikaiselle kosteudelle ja vakaville epäpuhtauksille, sen hydrofobisuus voi kadota pitkäksi aikaa, mikä johtaa johtavan kalvon kehittymiseen pinnalle . Näin ollen voi esiintyä kuivakaistakaarta ja syntyä suuri määrä lämpöä. Koska SiR:n lämmönjohtavuus on hyvin alhainen, lämpö kerääntyy purkautumisalueelle eikä se voi levitä nopeasti, mikä aiheuttaa vähitellen SiR:n hajoamista ja voi edelleen aiheuttaa jäljittämistä ja eroosiota. Erityisesti tasavirtajännitteessä, jossa on enemmän epäpuhtauksia, johtavuus ja vuotovirta ovat suurempia, mikä voi johtaa SiR:n vakavampaan hajoamiseen. Polymeeristen korkean lämpötilan vulkanoitujen SiR-eristimien kaltevan tason testit ovat osoittaneet, että seuranta ja eroosio ovat vakavampia positiivisessa tasajännitteessä kuin vaihtojännitteessä. Lisäksi sähkökenttä lisävarusteiden sisällä ei ole yhtä tasainen kuin virtakaapelin sisällä sen monimutkaisen fyysisen rakenteen vuoksi, ja jotkin valmistusprosessin aikana syntyneet viat, kuten epätasainen sähkökenttä ja viat, voivat aiheuttaa dielektrisen vian lisävarusteiden sisällä. Sähköpuu käynnistyy sähkökentän vahvistetusta pisteestä, joka voi johtua tyhjiöstä, epäpuhtauksista tai epäsäännöllisistä muodoista . Se on vakava uhka eristykselle ja se voi jopa aiheuttaa eristyksen rikkoutumisen.

SiR:n fysikaalisten, kemiallisten, mekaanisten ja sähköisten ominaisuuksien parantamiseksi nanokomposiitti on viime aikoina kiinnittänyt paljon huomiota. Venkatesulu ja Thomas ovat tutkineet nanokomposiittien hyvää suorituskykyä seuranta- ja eroosionkestävyydessä, joka johtuu isännän dielektrisen ja nanohiukkasten välisestä vuorovaikutuksesta . Aiemmat tutkimukset osoittivat, että nanohiukkasilla on suuri vaikutus pintavarauksen käyttäytymiseen . Fleming et al. ovat esittäneet LDPE:n (Low Density Polyethylene) tilavarausprofiilitietoja, joihin oli sisällytetty erilaisia nanohiukkasia . Kumara et al. ovat havainneet, että leimahdusjännitteen taso vaihteli lineaarisesti talletetun varauksen määrän mukaan sekä positiivisen että negatiivisen varauksen osalta. Monet tutkijat ovat myös tutkineet SiR:n lämpöongelmia sekä raidankestävyyttä ja eroosiota. Tulokset ovat osoittaneet, että materiaalin hajoaminen on riippuvainen vuotovirran suuruudesta ja ajasta, jonka ajan kuivakaistakaari esiintyy tietyssä kohdassa . Kentällä saatujen tulosten mukaan sähköpurkauksen aktivoima terminen depolymerisaatio on tärkein hajoamistekijä SiR-eristimissä, jotka altistuvat rannikkoympäristölle . Korrelaatiotutkimus on osoittanut, että alumiinioksiditrihydraatilla (ATH) tai piidioksidilla täytettyjen SiR-komposiittien eroosionkestävyys korreloi voimakkaasti komposiitin lämmönjohtavuuden kanssa. Sähköisen puunmuodostuksen alalla Chen et al. tutkivat puhtaiden epoksihartsien puunmuodostuksen alkamisaikaa ja havaitsivat, että nanohiukkaset pystyivät pidentämään puunmuodostuksen alkamisaikaa . Tanaka et al. havaitsivat, että alumiinioksidin nanotäyteaineet tukahduttivat tehokkaasti sekä puun käynnistymistä että etenemistä .

Kaiken aikaisemman tutkimustoiminnan perusteella tässä luvussa käsitellään kolmea tyypillistä SiR-nanokomposiittia ja niiden dielektrisiä ominaisuuksia . Luvussa 14.2 nanoboorinitridihiukkasia (BN) sekoitetaan RTV SiR:ään, jotta saadaan SiR/BN-nanokomposiitteja. SiR/BN-nanokomposiittien seuranta- ja eroosioprosesseja tutkittiin käyttämällä tavanomaista kaltevan tason testiä sillä poikkeuksella, että syötetty jännite oli tasavirta. Kohdassa 14.3 tutkitaan SiR/SiO2-nanokomposiitteja, ja tutkimuksessa keskitytään fluorausajan ja nanohiukkasten massaosuuden vaikutuksiin SiR/SiO2-nanokomposiittien pintalataukseen ja tasavirran leimahdusominaisuuksiin. Kohdassa 14.4 SiR/SiO2-nanokomposiitteihin syötettiin vaihtojännitettä, jonka taajuus oli 50 Hz, sähköpuiden käynnistämiseksi lämpötilan vaihdellessa -30 °C:sta -90 °C:een. Sekä puiden rakennetta että kasvunopeutta havainnoitiin digitaalisella mikroskooppijärjestelmällä, ja puiden kasvusuhde otettiin käyttöön sähköisten puiden etenemisominaisuuksien kuvaamiseksi.