Электрические свойства силикона: диэлектрическая прочность, удельное сопротивление и места фактического отказа изоляции.

В большинстве технических характеристик силикон рассматривается как “изолятор” — одно слово, одно свойство, взятое из таблицы. Деталь проходит заводские высоковольтные испытания. Она поставляется в продажу. В течение первого года она выполняет все обещания, данные в технической документации.

Затем на высоковольтном выводе на прибрежной подстанции начинается отслеживание. На защитном колпачке шины, прошедшем диэлектрические испытания, после трех зим в соляном тумане на поверхности образуется углеродный след. В основном материале ничего не изменилось. Неисправность никогда бы не проявилась при стендовых диэлектрических испытаниях, потому что этот тест измеряет не то, что необходимо для данного применения.

Силикон является сильным электрическим изолятором — удельное объемное сопротивление составляет около 10¹⁴–10¹⁵ Ом·см, а диэлектрическая прочность — 18–25 кВ/мм, — но “изолирующие свойства” — это четыре отдельных числа, а не одно, и причиной выхода из строя большинства высоковольтных компонентов является поверхностное расслоение, а не пробой в объеме. Один и тот же базовый полимер также используется в полупроводниковых и полностью проводящих марках; электрические свойства определяются системой наполнителей, а не самим силиконом. Здесь проходят эти границы, и именно так каждая из них фактически проверяется.

Управляющее резюме

• Диэлектрическая прочность — это числовое значение толщины, а не постоянная параметра материала. Значение 23 кВ/мм на образце толщиной 1 мм не означает 230 кВ на образце толщиной 10 мм — значение кВ/мм падает с увеличением толщины образца, а затем снова с повышением температуры.
• Детали, работающие под высоким напряжением, выходят из строя на поверхности, а не в объеме. Прослеживание и эрозия под воздействием загрязнений (IEC 60587) определяют срок службы при эксплуатации на открытом воздухе и при высоком напряжении. В этом отношении силикон выигрывает за счет восстановления гидрофобности, но это другое свойство и другой тест, отличный от проверки диэлектрической прочности материала.
• Наполнитель определяет класс электропроводности. Ненаполненный VMQ обеспечивает изоляцию при 10¹⁵ Ом·см; марки с добавлением углерода проводят ток при 10⁰–10² Ом·см. Указание “силикон” ничего не говорит о том, является ли деталь изолятором или проводником.

Что на самом деле означает “изоляция”: четыре цифры, а не одна.

В технических характеристиках электрооборудования выделяются четыре свойства, каждое из которых имеет свои испытания и свой режим отказа. Рассматривая их как единый показатель “изоляции”, чаще всего допускают ошибки, не соответствующие заявленным параметрам.

Низкий коэффициент рассеяния и стабильная диэлектрическая проницаемость объясняют, почему силикон используется в радиочастотных разъемах и высоковольтных конусах для создания напряжения — он предсказуемо накапливает и высвобождает заряд, практически не выделяя его в виде тепла. Но ни один из этих параметров не позволяет предсказать поведение поверхности, которое фактически определяет условия эксплуатации на открытом воздухе.

Диэлектрическая прочность — это числовое значение толщины, а не постоянная материала.

Это наиболее часто неправильно интерпретируемый показатель в технических характеристиках силиконовых резинок. Диэлектрическая прочность указывается в кВ/мм, и люди молчаливо предполагают, что она масштабируется линейно. Это не так.

С увеличением толщины сечения градиент пробоя снижается — отчасти потому, что более толстые сечения удерживают больше тепла во время испытания, отчасти потому, что статистическая вероятность образования внутренних пустот или агломератов наполнителя в рабочей зоне возрастает. Изолятор, показывающий 23 кВ/мм при толщине 1 мм, на самом деле может обеспечить примерно вдвое меньшую величину на миллиметр в стенке толщиной 6 мм. Разработка толстого изолятора на основе данных тонкого образца приводит к тому, что деталь пробивает изолятор при напряжении ниже номинального.

Ещё два фактора влияют на объём производства:

• Температура. Диэлектрическая прочность снижается по мере нагрева детали. Защитный колпачок, рассчитанный на 23°C, ведет себя иначе при контакте с шиной, нагретой до 150°C. Добавьте к этому тепловые характеристики марки стали.
• Пустоты и пористость. Воздушные пузырьки, образовавшиеся в результате неполной дегазации или попадания вспышки пара в окружающую среду, становятся местами частичного разряда. Они проходят через короткий высоковольтный импульс, а затем в течение нескольких месяцев разрушают окружающий полимер.

ASTM D149 Стандарт IEC 60243 также позволяет лаборатории выбирать кратковременное, ступенчатое или медленное приложение напряжения, а геометрия электрода и окружающая среда (воздух или масло) влияют на результат. Показатель диэлектрической прочности без условий испытаний несопоставим между поставщиками.

Удельное сопротивление и проводящая часть диапазона

Слово “силикон” ничего не говорит о проводимости. То же самое Si–O основная цепь охватывает четыре порядка величины удельного сопротивления в зависимости от наполнителя:

• Изоляция VMQ: 10¹⁴–10¹⁵ Ом·см. Стандарт для ботинок, рукавов, инкапсуляции.
• Полупроводниковые марки: ~10³–10⁶ Ом·см, используется для регулирования напряжений на клеммах высоковольтных кабелей с целью контроля электрического поля.
• Проводящий (с добавлением сажи): Сопротивление 10⁰–10² Ом·см, используется для экранирующих прокладок от электромагнитных/радиочастотных помех, компонентов, защищающих от электростатического разряда, и угольных контактных капсул в силиконовых клавиатурах.

Наполнитель, обеспечивающий проводимость, также изменяет механические свойства — проводящие марки обычно тверже, обладают меньшим удлинением и более склонны к проблемам, связанным с остаточной деформацией при сжатии, чем ненаполненный силикон. Проводимость не дается бесплатно. ASTM D257 Стандарт IEC 60093 охватывает как поверхностное, так и объемное удельное сопротивление, и эти два показателя резко расходятся при загрязнении детали, что является ключевым моментом, ведущим к наиболее важному типу отказа.

Поверхностное трение и эрозия: где высоковольтный силикон действительно выходит из строя

Прочность диэлектрика в объеме редко является причиной выхода из строя высоковольтных компонентов, работающих на открытом воздухе. Причиной является поверхностное расслоение. В условиях загрязнения и влажности ток утечки концентрируется в сухие полосы, образует дуги и постепенно обугливает проводящий путь на поверхности. Как только этот путь соединяет компоненты, удельное сопротивление в объеме становится неактуальным.

Главное преимущество силикона здесь — гидрофобность, а именно... восстановление гидрофобности. Вода образует капли, а не пленку, что снижает ток утечки; даже после временного увлажнения или загрязнения поверхности низкомолекулярные цепи мигрируют на поверхность и восстанавливают водоотталкивающие свойства. Именно поэтому силиконовая резина вытеснила EPDM и фарфор в высоковольтных изоляторах и кабельной арматуре. Это свойство поверхностной химии, а не объемное, и оно связано с более широким гидрофобным поведением материала.

Однако гидрофобность не бесконечна. При длительном воздействии дуги сухого электрода поверхность разрушается, а сопротивление сквозному замыканию сильно зависит от наполнителя. тригидрат оксида алюминия (АТГ) Этот компонент добавляется специально для улучшения характеристик сцепления и защиты от эрозии за счет высвобождения воды и образования защитного неорганического остатка. Проведенные испытания отличаются от описанных выше:

• МЕК 60587 — Отслеживание наклонной плоскости и эрозия, основной метод испытаний высоковольтного оборудования на открытом воздухе.
• IEC 60112 (CTI) — сравнительный индекс слежения для проектирования с низким напряжением утечки
• ASTM D495 — устойчивость к высоковольтной дуге

Группа специалистов, которая определяет диэлектрическую прочность только для деталей, предназначенных для наружного применения, протестировала свойство, наименее подверженное разрушению, и проигнорировала свойство, наиболее подверженное разрушению.

Старение, частичный разряд и медленный дрейф

Электрические свойства силикона сохраняются в более широком диапазоне температур, чем у органических каучуков — примерно от −50°C до 200°C с незначительным изменением удельного сопротивления или диэлектрической проницаемости. Эта стабильность реальна и является веской причиной для выбора именно силикона. Изменение свойств обусловлено механическими процессами, а не внешними факторами. химия.

В процессах герметизации или заливки компаундом со временем образуются микрозазоры, которые становятся местами частичного разряда. Частичный разряд не проникает в деталь сразу после изготовления; он медленно разрушает полимер у стенки пустоты, пока не образуется путь разряда — часто спустя годы после чистой заводской высокотемпературной обработки. Диэлектрическая прочность детали не ухудшилась. В результате образовалась внутренняя геометрия, которую первоначальный тест не выявил. Именно этот пробел упускают из виду специалисты: валидация фиксирует деталь в том виде, в котором она была отлита, а не в том виде, в котором она была изначально. состаренный и сжатый.

Почему команды недооценивают это

Закономерность очевидна. Утверждение “Силикон — изолятор” верно, поэтому оно рассматривается как единое бинарное свойство, и на этом спецификация заканчивается. Три момента остаются без внимания.

Во-первых, диэлектрическая прочность рассматривается как масштабируемая константа, поэтому толстые секции проектируются на основе данных тонких образцов, и запас прочности незаметно исчезает. Во-вторых, проверяется пробой в объеме материала, в то время как поверхностный ток — фактический режим отказа в условиях эксплуатации — никогда не указывается, поскольку для него требуется другой стандарт, о котором большинство покупателей не знают. В-третьих, деталь проходит квалификацию в том виде, в котором она была отлита, поэтому эрозия от частичных разрядов и зазоры, возникающие из-за остаточной деформации при сжатии, никогда не выявляются при валидации.

Всё это не является некомпетентностью. Дело в том, что основное свойство легко найти, а основные свойства не указаны на первой странице технического описания.

Что мне нужно знать перед подтверждением оценки

Прежде чем я определю электротехническую характеристику, систему наполнителя и процесс отверждения, пришлите условия, которые действительно влияют на эти показатели:

• Рабочее напряжение, форма сигнала (постоянный/переменный/импульсный) и непрерывный/переходный режимы работы.
• Самый тонкий изоляционный профиль стены в конструкции.
• В помещении или на открытом воздухе, уровень загрязнения и влажность.
• Рабочая и пиковая температура детали
• Необходимо, чтобы деталь выполняла функцию изоляции, была полупроводниковой (с классом прочности) или проводила ток.
• Целевые показатели соответствия: UL 746 (RTI), класс слежения IEC 60587 и любой показатель воспламеняемости, который связан с поведением материала при воздействии пламени и огня.

Имея эти данные, я могу сказать вам, подходит ли стандартный изоляционный компаунд VMQ, нужен ли вам компаунд с антитоковой пропиткой, или же для данного применения требуется полупроводниковый или проводящий компаунд. Без информации о напряжении, толщине стенки и условиях окружающей среды любое указанное мной значение диэлектрической проницаемости относится к тестовому образцу, а не к вашей детали.

Справочные материалы и стандарты

• ASTM D149 — Напряжение пробоя диэлектрика и диэлектрическая прочность твердых электроизоляционных материалов — ASTM International
• ASTM D257 — Сопротивление постоянному току или проводимость изоляционных материалов — ASTM International
• ASTM D150 — Характеристики потерь переменного тока и диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) твердой электрической изоляции — ASTM International
• ASTM D495 — Сопротивление твердой электрической изоляции высоковольтной, низкотоковой и сухой дуге. — ASTM International
• IEC 60587:2022 — Устойчивость изоляционных материалов к пробоям и эрозии — Международная электротехническая комиссия
• IEC 60112 — Сравнительный индекс отслеживания (CTI) — UL Solutions
• UL 746B — Полимерные материалы, Долгосрочная оценка свойств (RTI) — Стандарты и взаимодействие UL
• Тригидрат оксида алюминия (ATH) / гидроксид алюминия — механизм огнезащиты — Темы ScienceDirect