Właściwości elektryczne silikonu: wytrzymałość dielektryczna, rezystywność i gdzie izolacja faktycznie zawodzi

Większość specyfikacji traktuje silikon jako “izolator” – jedno słowo, jedna właściwość, wybrana z wykresu. Element przechodzi fabryczny test HiPot. Jest gotowy do wysyłki. Przez pierwszy rok działa dokładnie tak, jak obiecywała karta katalogowa.

Następnie rozpoczyna się śledzenie zacisku wysokiego napięcia w nadmorskiej stacji elektroenergetycznej. Osłona szyny zbiorczej, która przeszła badanie dielektryczne, po trzech zimach w słonej mgle tworzy na swojej powierzchni ścieżkę węglową. Nic w materiale sypkim się nie zmieniło. Awaria nigdy nie ujawniłaby się podczas próby dielektrycznej na stanowisku pomiarowym, ponieważ test ten mierzy niewłaściwą wartość dla danego zastosowania.

Silikon jest silnym izolatorem elektrycznym – rezystywność objętościowa wynosi około 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm, a wytrzymałość dielektryczna 18–25 kV/mm – ale “izolacja” to cztery oddzielne liczby, a nie jedna, a awaria, która kończy działanie większości elementów wysokonapięciowych, to przebicie powierzchniowe, a nie przebicie w masie. Ten sam polimer bazowy jest stosowany w wersjach półprzewodzących i całkowicie przewodzących; o właściwościach elektrycznych decyduje układ wypełniacza, a nie silikon. To właśnie tutaj przebiegają te granice i w ten sposób każda z nich jest weryfikowana.

Streszczenie

• Wytrzymałość dielektryczna to wartość określająca grubość, a nie stała materiałowa. Gatunek o wartości 23 kV/mm na próbce o grubości 1 mm nie daje 230 kV przy 10 mm — wartość kV/mm spada wraz ze wzrostem grubości przekroju, a następnie wraz ze wzrostem temperatury.
• Części wysokiego napięcia ulegają awarii na powierzchni, a nie w całości. Wnikanie i erozja pod wpływem zanieczyszczeń (IEC 60587) decydują o trwałości na zewnątrz i w warunkach wysokiego napięcia. Silikon wygrywa tutaj pod względem odzyskiwania hydrofobowości, ale jest to inna właściwość i inny test niż wytrzymałość dielektryczna w stanie surowym.
• Wypełniacz definiuje klasę elektryczną. Niewypełniony VMQ izoluje przy 10¹⁵ Ω·cm; gatunki z dodatkiem węgla przewodzą przy 10⁰–10² Ω·cm. Określenie “silikon” nie mówi nic o tym, czy dana część izoluje, czy przewodzi.

Co tak naprawdę oznacza “izolowanie”: cztery liczby, a nie jedna

Użyteczna specyfikacja elektryczna oddziela cztery właściwości, z których każda ma własny test i własny tryb awarii. Traktowanie ich jako pojedynczej wartości “izolacji” to punkt wyjścia większości przypadków niedoszacowania.

Niski współczynnik stratności i stabilna przenikalność elektryczna to powody, dla których silikon jest stosowany w złączach RF i stożkach naprężeniowych wysokiego napięcia – magazynuje i uwalnia ładunek w przewidywalny sposób i marnuje niewiele z niego w postaci ciepła. Jednak żadna z tych wartości nie przewiduje zachowania powierzchni, które faktycznie decyduje o warunkach pracy na zewnątrz.

Wytrzymałość dielektryczna to liczba określająca grubość, a nie stała materiału

To najczęściej błędnie odczytywana wartość w karcie katalogowej silikonu. Wytrzymałość dielektryczna jest podawana w kV/mm, a ludzie po cichu zakładają, że skaluje się liniowo. Tak nie jest.

Wraz ze wzrostem grubości przekroju, gradient przebicia spada — częściowo dlatego, że grubsze przekroje zatrzymują więcej ciepła podczas testu, a częściowo dlatego, że rośnie statystyczne prawdopodobieństwo powstania wewnętrznej pustki lub aglomeratu wypełniacza w polu. Klasa izolacji o napięciu 23 kV/mm przy 1 mm może efektywnie zapewnić izolację zbliżoną do połowy na milimetr w ściance o grubości 6 mm. Projektowanie grubego izolatora na podstawie wartości z cienkiej próbki prowadzi do powstania elementu, który przebija się poniżej swojego napięcia znamionowego.

Na liczbę produkcji wpływają jeszcze dwie rzeczy:

• Temperatura. Wytrzymałość dielektryczna spada wraz z nagrzewaniem się elementu. Osłona o temperaturze 23°C zachowuje się inaczej w kontakcie z szyną zbiorczą o temperaturze 150°C. Należy to połączyć z właściwościami termicznymi tego gatunku.
• Pustki i porowatość. Pęcherze powietrza powstałe w wyniku niepełnego odgazowania lub uwięzionego błysku stają się miejscami niepełnego rozładowania. Przechodzą one przez krótki impuls wysokiego napięcia, a następnie przez miesiące niszczą otaczający polimer.

ASTM D149 Norma IEC 60243 pozwala również laboratorium na wybór krótkotrwałego, stopniowego lub wolnozmiennego napięcia, a geometria elektrody i otaczające medium (powietrze czy olej) wpływają na wynik. Wartość wytrzymałości dielektrycznej bez warunków testowych nie jest porównywalna między dostawcami.

Rezystywność i przewodzący koniec zakresu

Słowo “silikon” nic nie mówi o przewodności. To samo Szkielet Si-O obejmuje cztery dekady rezystywności w zależności od wypełniacza:

• Izolacja VMQ: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. Standard dla butów, rękawów i osłon.
• Gatunki półprzewodników: ~10³–10⁶ Ω·cm, stosowane do stopniowania naprężeń na zakończeniach kabli wysokiego napięcia w celu kontrolowania pola elektrycznego.
• Przewodzący (zawierający sadzę): 10⁰–10² Ω·cm, stosowany do uszczelek ekranujących EMI/RFI, części ESD i kulek węglowych w klawiaturach silikonowych.

Zawartość wypełniacza, która zapewnia przewodnictwo, zmienia również właściwości mechaniczne — gatunki przewodzące są zazwyczaj twardsze, charakteryzują się mniejszym wydłużeniem i są bardziej podatne na problemy z odkształceniem trwałym po ściskaniu niż silikon bez wypełniacza. Przewodnictwo nie jest darmowe; patrz gatunki silikonu przewodzącego i antystatycznego dla docelowych parametrów rezystywności i kompromisów mechanicznych na każdym poziomie wypełniacza. ASTM D257 / Norma IEC 60093 obejmuje zarówno rezystywność powierzchniową, jak i objętościową. Wartości tych dwóch parametrów zmieniają się znacząco w momencie, gdy część ulegnie zanieczyszczeniu, co stanowi pomost do najważniejszego rodzaju awarii.

Śledzenie powierzchni i erozja: gdzie silikon wysokonapięciowy faktycznie zawodzi

Wytrzymałość dielektryczna w stanie surowym rzadko jest czynnikiem niszczącym zewnętrzną część wysokiego napięcia. W przypadku śledzenia powierzchniowego tak. Pod wpływem zanieczyszczeń i wilgoci prąd upływu koncentruje się w suchych pasmach, łukach elektrycznych i powoli zwęgla ścieżkę przewodzącą na powierzchni. Gdy ścieżka połączy się z częścią, rezystywność w stanie surowym staje się nieistotna.

Prawdziwą zaletą silikonu jest w tym przypadku hydrofobowość — a konkretnie odzyskiwanie hydrofobowości. Perełki wodne zamiast filmu utrzymują niski prąd upływu; nawet po tymczasowym zwilżeniu lub zanieczyszczeniu powierzchni, łańcuchy o niskiej masie cząsteczkowej migrują do powierzchni i przywracają jej hydrofobowość. Właśnie dlatego kauczuk silikonowy zastąpił EPDM i porcelanę w izolatorach wysokiego napięcia i akcesoriach kablowych. Jest to właściwość chemii powierzchni, a nie masy, i wiąże się z szerszym hydrofobowym zachowaniem materiału.

Jednak hydrofobowość nie jest nieskończona. Pod wpływem długotrwałego łuku elektrycznego w suchym paśmie powierzchnia ulega erozji, a opór przed przewodzeniem w dużym stopniu zależy od wypełniacza — trójwodzian tlenku glinu (ATH) Dodawany jest specjalnie w celu poprawy właściwości śledzenia i ochrony przed erozją poprzez uwalnianie wody i tworzenie ochronnego osadu nieorganicznego. Testy kontrolne różnią się od powyższych:

• IEC 60587 — śledzenie na pochyłej płaszczyźnie i erozja, podstawowy test HV na zewnątrz
• IEC 60112 (CTI) — porównawczy wskaźnik śledzenia dla projektu o niższym napięciu upływu
• ASTM D495 — odporność na łuk wysokiego napięcia

Zespół, który określa jedynie ogólną wytrzymałość dielektryczną części przeznaczonych do stosowania na zewnątrz, przetestował część najmniej podatną na awarię, ignorując tę, która jest najbardziej narażona na awarię.

Starzenie się, częściowe rozładowanie i powolny dryf

Właściwości elektryczne silikonu utrzymują się w szerszym zakresie temperatur niż w przypadku kauczuków organicznych — od około −50°C do 200°C, przy niewielkich zmianach rezystywności i przenikalności elektrycznej. Ta stabilność jest realna i stanowi istotny powód, dla którego warto go wybrać. Dryft wynika z mechaniki, a nie chemia.

W zastosowaniach uszczelniających lub zalewających, odkształcenie trwałe pod wpływem ściskania z czasem otwiera mikroszczeliny. Te szczeliny stają się miejscami wyładowań niezupełnych. Wyładowania niezupełne nie powodują naruszenia elementu od pierwszego dnia; powoli erodują polimer przy ściance pustej przestrzeni, aż do utworzenia ścieżki – często lata po czystym, fabrycznym testowaniu wysokociśnieniowym. Element nie uzyskał gorszej wytrzymałości dielektrycznej. Wykształcił geometrię wewnętrzną, której pierwotny test nigdy nie wykazał. To właśnie ta luka jest pomijana przez zespoły: walidacja obejmuje element w stanie uformowanym, a nie w stanie, w jakim został on wykonany. postarzały i skompresowany.

Dlaczego zespoły to lekceważą

Ten schemat jest spójny. Stwierdzenie “silikon jest izolatorem” jest prawdziwe, więc jest traktowane jako pojedyncza właściwość binarna i specyfikacja na tym się kończy. Trzy kwestie pozostają nierozwiązane.

Po pierwsze, wytrzymałość dielektryczna jest odczytywana jako skalowalna stała, więc grube sekcje są projektowane na podstawie danych z cienkich próbek, a margines bezpieczeństwa po cichu znika. Po drugie, testowane jest przebicie w stanie sypkim, podczas gdy śledzenie powierzchni – rzeczywisty tryb awarii na zewnątrz – nigdy nie jest określone, ponieważ wymaga innego standardu, o który większość kupujących nie wie, że może poprosić. Po trzecie, część jest kwalifikowana jako uformowana, więc erozja spowodowana wyładowaniami niezupełnymi i szczeliny odkształcenia trwałego, które powstają latami, nigdy nie pojawiają się podczas walidacji.

Nie jest to jednak niekompetencja. Po prostu nagłówek właściwości jest łatwy do znalezienia, a właściwości nadrzędne nie znajdują się na pierwszej stronie arkusza danych.

Czego potrzebuję przed potwierdzeniem oceny

Zanim zatwierdzę klasę elektryczną, system wypełniaczy i utwardzanie, prześlij warunki, które faktycznie zmieniają te liczby:

• Napięcie robocze, kształt fali (prąd stały / prąd przemienny / impuls) oraz obciążenie ciągłe i przejściowe
• Najcieńszy przekrój ściany izolacyjnej w projekcie
• Wewnątrz lub na zewnątrz, poziom zanieczyszczenia/skażenia i wilgotność
• Temperatura robocza i szczytowa części
• Czy część musi izolować, być odporna na naprężenia (półprzewodząca) czy przewodzić
• Cele zgodności: UL 746 (RTI), klasa śledzenia IEC 60587 i ocena palności, która jest powiązana z zachowaniem się klasy w kontakcie z płomieniem i ogniem

Dzięki temu mogę powiedzieć, czy standardowy izolacyjny VMQ wytrzyma, czy potrzebny jest gatunek wypełniony ATH, odporny na prądy pełzające, czy też zastosowanie wymaga związku półprzewodzącego lub przewodzącego. Bez napięcia, grubości ścianki i warunków środowiskowych, każdy podany przeze mnie parametr dielektryczny odnosi się do próbki testowej, a nie do części.

Odniesienia i normy

• ASTM D149 — Napięcie przebicia dielektrycznego i wytrzymałość dielektryczna stałych materiałów izolacyjnych — ASTM International
• ASTM D257 — Rezystancja lub przewodność prądu stałego materiałów izolacyjnych — ASTM International
• ASTM D150 — Charakterystyka strat prądu przemiennego i przenikalność elektryczna (stała dielektryczna) izolacji elektrycznej stałej — ASTM International
• ASTM D495 — Odporność na łuk elektryczny stały przy wysokim napięciu i niskim prądzie — ASTM International
• IEC 60587:2022 — Odporność na pełzanie i erozję materiałów izolacyjnych — Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna
• IEC 60112 — Wskaźnik śledzenia porównawczego (CTI) — Rozwiązania UL
• UL 746B — Materiały polimerowe, długoterminowe oceny właściwości (RTI) — Normy i zaangażowanie UL
• Trójwodzian tlenku glinu (ATH) / Wodorotlenek glinu — mechanizm zmniejszania palności — Tematy ScienceDirect