Cao su silicone trong các ứng dụng điện áp cao

Thiết bị cao áp hiếm khi chỉ khiến vật liệu đàn hồi phải chịu một loại ứng suất duy nhất. Một bộ cách điện ngoài trời có thể phải chịu tác động của mưa, bức xạ cực tím, bụi, ô nhiễm muối, sự thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ và phóng điện. Lớp cách điện của cáp có thể phải đối mặt với nhiệt độ liên tục, lực uốn cong và điện trường. Phần đệm kín của đầu nối xe điện có thể phải chịu đồng thời lực nén, rung động, nhiệt độ cao và điện áp cao.

Chính sự kết hợp của các điều kiện này đã khiến việc lựa chọn vật liệu trở nên khó khăn. Một loại cao su có thể thể hiện độ bền điện môi ban đầu rất tốt nhưng vẫn có thể trở nên không đáng tin cậy nếu bề mặt của nó mất đi tính chống thấm nước, nếu dòng rò bắt đầu làm hỏng bề mặt, hoặc nếu quá trình lão hóa nhiệt khiến vật liệu bị cứng lại và nứt vỡ.

Vì lý do này, silicone dùng trong ngành điện phải được coi là một vật liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, chứ không phải là một loại chất đàn hồi đa dụng chỉ tình cờ có tính cách điện tốt.

Tính kỵ nước của bề mặt đóng vai trò quan trọng trong cách điện ngoài trời, bởi vì các chất bám bẩn sẽ trở nên nguy hiểm hơn nhiều khi bị ẩm ướt. Bụi, muối và ô nhiễm công nghiệp có thể tích tụ trên bề mặt vật liệu cách điện. Khi độ ẩm tạo ra một lớp màng dẫn điện liên tục trên lớp chất bám bẩn này, dòng rò có thể tăng lên đáng kể.

Sự gia nhiệt cục bộ sau đó có thể làm khô một số vùng trên bề mặt và tạo ra các dải khô. Áp lực điện trên các vùng khô này có thể gây ra hiện tượng phóng điện, từ đó dần dần làm hư hại vật liệu.

Silicone cũng có thể thể hiện khả năng phục hồi tính kỵ nước. Sau khi ô nhiễm hoặc ứng suất điện làm giảm tạm thời khả năng đẩy nước trên bề mặt, các hợp chất silicone có trọng lượng phân tử thấp có thể di chuyển lên bề mặt và giúp khôi phục tính kỵ nước. Hiệu quả và độ bền của cơ chế này phụ thuộc rất lớn vào chất lượng công thức và điều kiện lão hóa.

Hiện tượng dẫn điện xảy ra khi hoạt động điện lặp đi lặp lại tạo ra một đường dẫn điện dọc theo bề mặt của vật liệu cách điện. Trong điều kiện sử dụng ngoài trời, các tạp chất và độ ẩm có thể gây ra dòng rò bề mặt, trong khi hiện tượng phóng điện lặp đi lặp lại sẽ dần dần làm hỏng hoặc làm cháy xém lớp cách điện.

Sự ăn mòn có liên quan nhưng về mặt vật lý lại khác biệt. Thay vì chỉ hình thành một đường dẫn điện, các hiện tượng phóng điện lặp đi lặp lại và sự gia nhiệt cục bộ sẽ làm bong tróc vật liệu khỏi bề mặt. Vỏ thiết bị có thể trở nên gồ ghề, xuất hiện các vết rỗ hoặc mỏng đi ở một số vị trí.

Đối với cách điện composite, hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng đặc biệt quan trọng vì vỏ bọc silicon phải tiếp tục bảo vệ cấu trúc sợi thủy tinh bên trong. Sự mất mát vật liệu diễn ra dần dần có thể dẫn đến việc giảm cả khả năng bảo vệ khỏi tác động của môi trường lẫn độ tin cậy về mặt điện.

Hiệu suất ở điện áp cao không chỉ phụ thuộc vào polymer silicon. Hợp chất thành phẩm chứa các chất độn gia cường, phụ gia chức năng, chất ổn định, bột màu và hệ thống đóng rắn; tất cả các thành phần này đều ảnh hưởng đến cách thức vật liệu phản ứng trong quá trình gia công và sử dụng.

Trong công thức chế tạo cách điện composite, hệ thống chất độn có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng chống rò điện và ăn mòn. Đồng thời, hàm lượng chất độn cũng làm thay đổi độ nhớt, độ cứng, độ giãn dài, độ bền kéo và tính chất đúc. Việc tăng cường một tính chất mà không xem xét các tính chất khác có thể dẫn đến việc tạo ra một loại vật liệu có hiệu suất tốt trong thử nghiệm phòng thí nghiệm nhưng lại khó gia công hoặc mất cân bằng về mặt cơ học.

Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho quá trình đóng rắn. Mật độ liên kết chéo phải đảm bảo độ bền và độ ổn định kích thước đủ cao mà không làm cho vật liệu trở nên quá cứng hoặc làm giảm độ giãn dài vượt quá yêu cầu của chi tiết thành phẩm.

Sự cố cách điện của cáp hiếm khi chỉ do một yếu tố duy nhất gây ra. Nhiệt độ quá cao có thể làm giảm độ giãn dài theo thời gian, trong khi khả năng chống rách kém có thể khiến hư hỏng lan rộng từ một vết cắt nhỏ hoặc khuyết tật trong quá trình gia công. Việc uốn cong lặp đi lặp lại có thể làm tăng tốc độ nứt vỡ khi vật liệu đã bị cứng lại do quá trình lão hóa.

Tính nhất quán trong quá trình sản xuất cũng quan trọng không kém. Quá trình đùn không đồng đều, nhiễm bẩn, khí bị kẹt hoặc sai lệch kích thước có thể tạo ra các điểm yếu trong lớp cách điện. Ở điện áp cao, những khuyết tật nhỏ cũng có thể gây ra vấn đề vì điện trường có thể tập trung xung quanh các khuyết tật đó.

Do đó, một hỗn hợp cáp tốt cần phải có cả các tính chất điện đáng tin cậy lẫn tính chất gia công có thể dự đoán được.

Việc chỉ đơn thuần mô tả silicone là một chất cách điện không cung cấp đủ thông tin cho việc thiết kế hệ thống cao áp. Cần phải xem xét đồng thời một số tính chất vì chúng mô tả các khía cạnh khác nhau trong hành vi điện của vật liệu.

Điện trở suất thể tích cho biết mức độ kháng cự của vật liệu đối với dòng điện. Độ bền điện môi giúp mô tả khả năng chống lại hiện tượng phá vỡ điện dưới các điều kiện thử nghiệm xác định. Hằng số điện môi ảnh hưởng đến sự phân bố của điện trường, trong khi khả năng chống bám dính và chống ăn mòn trở nên đặc biệt quan trọng khi vật liệu cách điện tiếp xúc với độ ẩm và các chất gây ô nhiễm.

Không nên xem xét riêng lẻ bất kỳ đặc tính nào trong số này. Vật liệu vẫn cần có đủ độ bền xé, độ bền kéo, độ giãn dài và độ ổn định nhiệt để chịu được các giai đoạn sản xuất, lắp đặt và vận hành.

Xe điện đặt ra một loạt điều kiện vận hành khắt khe khác. Các đầu nối cao áp, bộ phận sạc và hệ thống cáp phải chịu sự kết hợp của các yếu tố như ứng suất điện, sự thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ, rung động, yêu cầu về độ kín khít và tải trọng lắp ráp lặp đi lặp lại.

Các vòng đệm của đầu nối có thể cần phải ngăn hơi ẩm xâm nhập vào các bề mặt tiếp xúc dẫn điện trong khi vẫn duy trì trạng thái nén trong thời gian dài. Các bộ phận của cáp phải duy trì độ dẻo dai khi nằm gần các thiết bị sinh nhiệt. Các cụm linh kiện liên quan đến pin có thể giãn nở và co lại nhiều lần khi nhiệt độ hoạt động thay đổi.

Do đó, độ cứng bề mặt trở thành một thông số thiết kế chứ không chỉ đơn thuần là một yêu cầu kỹ thuật về vật liệu. Một miếng đệm quá cứng có thể đòi hỏi lực lắp đặt quá lớn, trong khi vật liệu quá mềm có thể không đảm bảo được độ ổn định kích thước cần thiết. Khả năng chống rách cũng rất quan trọng vì các kết cấu đầu nối phức tạp thường có các mép mỏng và các chi tiết làm kín hẹp.

Không có chuỗi sự cố chung nào vì khí hậu, mức độ ô nhiễm, áp lực điện áp và thiết kế đều khác nhau. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, sự xuống cấp bề mặt đã xuất hiện từ rất lâu trước khi xảy ra sự cố điện nghiêm trọng.

Độ kỵ nước giảm, hiện tượng phóng điện cục bộ, các vết mòn nhỏ hoặc độ nhám bề mặt có thể là dấu hiệu cho thấy vỏ thiết bị đang phải chịu áp lực điện và môi trường ngày càng gia tăng. Việc tiếp tục tiếp xúc với các tác động này có thể dẫn đến hiện tượng mòn sâu hơn, xuất hiện vết trầy xước hoặc nứt vỡ.

Sự tiếp giáp giữa vỏ silicone, thanh sợi thủy tinh và các phụ kiện đầu nối cũng có vai trò rất quan trọng. Việc hơi ẩm xâm nhập vào một điểm tiếp giáp không được bảo vệ tốt có thể gây ra vấn đề về độ tin cậy nghiêm trọng hơn so với hiện tượng đổi màu bề mặt trên vỏ bên ngoài.

Một hợp chất có thể đạt các giá trị thử nghiệm điện rất tốt nhưng vẫn không phù hợp nếu các tính chất cơ học của nó kém. Vật liệu vỏ và các bộ phận cáp phải chịu được quá trình đúc, vận chuyển, lắp đặt, rung động và biến dạng lâu dài.

Độ bền xé đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm đúc phức tạp vì các mép gờ, các mối nối kín và các phần mỏng có thể làm tập trung ứng suất. Độ bền kéo và độ giãn dài ảnh hưởng đến mức độ biến dạng mà vật liệu có thể chịu đựng được trước khi bị hỏng, trong khi độ cứng ảnh hưởng đến lực lắp ráp và khả năng duy trì kích thước.

Biến dạng vĩnh viễn cũng có thể ảnh hưởng gián tiếp đến các hệ thống điện. Một miếng đệm không còn khả năng phục hồi sau khi bị nén trong thời gian dài có thể làm giảm áp lực tiếp xúc, khiến hơi ẩm xâm nhập vào đầu nối điện mặc dù bản thân cao su vẫn giữ được tính cách điện.