浅谈高性能硅橡胶绝缘材料在干式变压器中的应用

浅谈高性能硅橡胶绝缘材料在干式变压器中的应用

摘要：由于硅橡胶具有卓越的耐高低温、耐候、耐臭氧、耐电晕、电气绝缘性

能好、表面憎水、压缩变形率低等特性，尤其是高性能硅橡胶性能独特在干式变

压器制造中被广泛应用。本文介绍了硅橡胶绝缘材料的性能特点及应用意义，并

对高性能硅橡胶绝缘材料在干式变压器制备的具体应用进行剥析。

关键词：高性能硅橡胶绝缘材料；干式变压器；绝缘材料；工业电气

硅橡胶绝缘材料是以特种有机硅橡胶配合其它聚合物和高性能材料，通过聚合物合金技术制

备而成，其基本结构单元由硅-氧链节构成，侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连。因此，其结构中既含有“有机基团”，又含有“无机结构”，这种特殊的组成和分子结构使它集有

机物的特性与无机物的功能于一身。干式变压器存在过负荷能力弱、传热能力差、环保性差

等缺点，且环氧树脂老化和开裂会导致局部放电量增加，采用液态硅橡胶真空浇注或真空浸

渍绕组，匝间和层间渗透的硅橡胶将绕组固化为整体结构，绕组内外表面浇注或浸渍形成的

硅橡胶包封层能够有效地改善干式变压器的绝缘性能。

一、硅橡胶绝缘材料性能及应用意义

（1）耐温特性。产品是以硅-氧（Si-O）键为主链结构的，C-C键的键能为82.6千卡/克

分子，Si-O键的键能在有机硅中为121千卡/克分子，所以产品的热稳定性高，高温下（或辐射照射）分子的化学键不断裂、不分解。硅橡胶绝缘涂料不但可耐高温，而且也耐低温，并

可在一个很宽的温度范围内使用。无论是化学性能还是物理机械性能，随温度的变化都很小。

（2）耐候性。产品的主链为-Si-O-，无双键存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解，硅

橡胶绝缘涂料具有比其他高分子材料更好的热稳定性，以及耐辐照和耐候能力，硅橡胶材料

在自然环境下的使用寿命可达几十年。由于硅橡胶材料具有良好的耐候特性，当变电站采用

硅橡胶绝缘材料处理母线时，其母线抗老化能力大大提高，显著延长变电站母线的使用寿命，从而为变电站带来了可观的经济效益。

（3）电气绝缘性能。产品具有良好的电绝缘性能，其介电损耗、耐电压、耐电弧、耐

电晕、体积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅，而且它们的电气性能受温

度和频率的影响很小。因此，它们是一种稳定的电绝缘材料，被广泛应用于国防、电子、电

气工业上。硅橡胶绝缘材料除了具有优良的耐热性外，还具有优异的拒水性，这是电气设备

在湿态条件下使用具有高可靠性的保障。

二、试验与分析

本研究通过分析特殊聚甲基氢硅氧烷、导热填料、补强填料、增黏剂这4种材料对浇注

材料黏度和固化后绝缘材料的伸长率、导热性能、拉伸强度、抗撕裂强度的影响，研制一种

干式变压器用高性能硅橡胶浇注材料。

2.1聚甲基氢硅氧烷的影响

为了研究聚甲基氢硅氧烷的种类及含量对高性能硅橡胶绝缘材料的影响，选择3类聚甲

基氢硅氧烷进行试验，以A、B、C进行编号。其中，A类聚甲基氢硅氧烷为常用的侧氢聚硅

氧烷，B类聚甲基氢硅氧烷为端侧氢聚硅氧烷，C类聚甲基氢硅氧烷为自主合成的特殊甲基

氢聚硅氧烷，聚甲基氢硅氧烷占绝缘材料总质量的4%、5%、6%。

由表1可见，导热填料的种类对高性能硅橡胶绝缘材料导热系数的影响较大。填充相同

平均粒径尺寸的三氧化二铝与氮化硼复合填料的硅橡胶导热系数高于填充常规三氧化二铝填

料的硅橡胶，差距最大的为平均粒径为6μm的方案（方案2与方案5），填充三氧化二铝与

氮化硼复合填料的导热系数比填充三氧化二铝高出了36.96%。由此可见，常规的三氧化二铝

填料导热系数较低，并不能很好地满足变压器绝缘材料的导热要求。而三氧化二铝与氮化硼

复合填料的导热系数大，能够更好地提高干式变压器绝缘材料的导热性能。因此，宜采用三

氧化二铝与氮化硼复合填料作为高性能硅橡胶绝缘材料的导热填料。由表1还可见，导热填

料的平均粒径对高性能硅橡胶绝缘材料导热系数的影响不大。但导热填料的平均粒径对硅橡

胶绝缘材料黏度的影响较大，随着导热填料平均粒径的增大，硅橡胶绝缘材料的黏度不断降低，差距最大的为方案4与方案6，黏度相差262000mPa·s，方案6的黏度比方案4降低了74.8%。考虑到黏度和沉降情况，确定采用平均粒径为6μm的三氧化二铝与氮化硼复合填料。

2.3 补强填料的影响

为了研究补强填料的种类和含量对高性能硅橡胶绝缘材料强度的影响，选用沉淀法白炭黑、气相法白炭黑两种补强填料进行试验，每种填料的质量分数设置为5%、10%、15%，补

强填料的种类对高性能硅橡胶绝缘材料拉伸强度的影响较大，沉淀法白炭黑的补强效果劣于

气相法白炭黑。在相同填料含量的情况下，拉伸强度的最大差距为2 MPa(方案2与方案5)，

方案5的拉伸强度比方案2高出了80%。由此可见，气相法白炭黑的补强效果较好，可以达

到拉伸强度大于3 MPa的要求，所以确定补强填料采用气相法白炭黑。补强填料的含量对高

性能硅橡胶绝缘材料拉伸强度的影响不大，但是对高性能硅橡胶材料的黏度影响较大，随着

填料含量的增加，黏度增大。以气相法白炭黑为例，当气相法白炭黑质量分数从5%增加到15%时，黏度增长了57.9%。考虑到材料的黏度、拉伸强度及成本，确定采用气相法白炭黑，质量分数为10%

2.4 增黏剂的影响

为了研究增黏剂的种类和含量对高性能硅橡胶绝缘材料剪切强度的影响，选用3类增黏

剂进行试验，以A、B、C进行编号。其中，增黏剂A为氨丙基三甲氧基硅烷，增黏剂B为异

氰酸丙基三甲氧基硅烷，增黏剂C为自制的增黏剂，增黏剂的种类对高性能硅橡胶绝缘材料

剪切强度的影响较大，增黏剂A的粘结效果最差，增黏剂B的粘结效果居中，增黏剂C的粘

结效果最好，剪切强度可以达到1 MPa，宜采用增黏剂C。

三、结论

高性能硅橡胶绝缘材料已应用于系列变压器的主绝缘，以端乙烯基聚二甲基硅氧烷为基

础聚合物、特殊甲基氢聚硅氧烷为交联剂、铂乙烯基配合物为催化剂、三氧化二铝与氮化硼

复合填料为导热填料，添加自制的增黏剂，制成了双组分加成型干式变压器用高性能硅橡胶

浇注材料。该系列变压器产品通过了国家电器产品质量监督检验中心的检测，多台产品已经

在电网中成功运行，并且保持着良好的运行状态，随着工业科技水平的提高，高性能硅橡胶

绝缘材料在干式变压器的制造中应用将越来越广泛及精益化。

参考文献：

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[2]改进干式变压器硅橡胶耐热性的研究[J].钟依萍.特种橡胶制品.2019（16）

[3]硅橡胶材料在变压器外绝缘上的应用[J]. 李志远.环境技术，2019（04）