A study of the erosion suppression mechanisms of nanofilled silicone rubber composites for HVDC outdoor insulation applications

Alqudsi, Alhaytham Yousef (2022). A study of the erosion suppression mechanisms of nanofilled silicone rubber composites for HVDC outdoor insulation applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis presents a study on the erosion suppression mechanisms of nano-sized inorganic fillers in silicone rubber composites for high-voltage-direct-current outdoor insulation applications. The DC inclined plane tracking-erosion test and the dry-arc resistance test are employed to evaluate the erosion performance of the composites in the study. Thermal and surface morphology analyses are utilized to investigate the effect of nano fillers on the DC erosion resistance of silicone rubber. This novel approach in using these techniques collectively is defined as the mechanistic-based framework for investigating the erosion suppression effects of nano fillers as critical material design aspects of DC silicone rubber outdoor insulators.

The study begins by investigating the role of the filler-silicone interface on suppressing the DC erosion of silicone rubber. The influence of the interface on suppressing erosion is comparatively analyzed against the influence of enhancing the composite thermal conductivity with the inclusion of thermally conductive fillers. Fumed silica, nano alumina tri-hydrate and thermally conductive sub-micron hexagonal boron nitride are filled in silicone rubber as part of the study. Fumed silica in silicone rubber is found to have a more influential effect on improving its DC erosion resistance as opposed to incorporating the other fillers, despite the composites having comparable thermal conductivities. Fumed silica’s favorable interaction with silicone rubber suppressed silicone depolymerization and promoted crosslinking during DC erosion. Moreover, leakage current data indicates the slowest inception for the stable eroding arc for the fumed silica composite. This highlights the significance of the nano filler’s interface in suppressing the erosion of silicone rubber, which is more important than improving the composite thermal conductivity with thermally conductive fillers.

The study investigates the correlation between the role of silica-silicone interaction and the residue shield of the composites during the DC dry-band arcing using fumed silica and ground silica fillers as part of the study. Thermal analyses indicating higher additional crosslinked residue with more filler polymer interactions with the fumed silica composite as compared to ground silica. Surface morphology of the eroded residue of composites tested under the inclined plane test indicate a vital role for fumed silica on improving the residue’s integrity and coherency, which is the residue barrier effect shielding the bulk silicone against progressive erosion. A conclusion which is supported by the dry-arc resistance test showing similar residue characteristics to those obtained under the DC inclined plane test.

The aforementioned findings are verified for a more practical application of using nano fillers in silicone rubber outdoor insulation composites as additives to improve the DC erosion resistance. In this approach, fumed silica and nano alumina trihydrate are added as additives, of less than five percent by weight, to base micro fillers of either ground silica or alumina trihydrate which are of much higher weight fractions. The viability of the filler barrier effect is synergistically achieved by adding fumed silica to the main ground silica filler, thereby maintaining the residue integrity and achieving a superior DC erosion resistance as compared to the other tested composites. This is an important finding which confirms the barrier effect as an important DC erosion suppression mechanism of nano filler additives aiding the volume effect of micro fillers replacing the depolymerizable silicone rubber content.

To further investigate the role of the shield effect in the suppression of stable dry-band arcing, the dry-arc resistance is introduced as a quick testing method. Alumina trihydrate filled composites of different filler levels and sizes are examined with the dry-arc resistance test and the inclined plane test. The ranking order of the composites in terms of the eroded quantities coincide under both tests. This ranking order is also consistent with the levels of silicone rubber combustion found under thermal analysis. The consistency in the outcomes indicate the possibility of using the dry-arc test as quick testing method for analyzing the erosion resistance of silicone rubber and investigating erosion produced outcomes such as the shielding effects of inorganic fillers.

Titre traduit

Étude des mécanismes de la suppression de l’érosion des nano-composites caoutchouc silicone pour des applications externes CC haute tension

Résumé traduit

Cette thèse présente une étude des mécanismes de suppression de l’érosion pour des composites caoutchouc silicone chargés de de particules inorganiques de dimension nanométrique et ce, dans l’optique d’applications comme isolant externe pour la haute tension CC. Le test d’érosion CC du plan incliné ainsi que le test de résistance à l’arc électrique ont été employés afin d’évaluer la performance des composites dans des situations d’érosion. De plus, des analyses thermiques et morphologiques ont été utilisées pour investiguer l’effet des nano-renforts sur la résistance à l’érosion sous CC du caoutchouc silicone. Cette nouvelle approche utilisant un ensemble de techniques est définie comme approche basée sur les mécanismes pour l’investigation des effets de suppression de l’érosion des nano-renforts, ce qui représente un critère critique pour la conception des isolants externes en caoutchouc silicone pour les applications en CC.

L’étude commence par l’investigation du rôle de l’interface renfort/caoutchouc silicone sur la suppression de l’érosion en CC. Cette influence est analysée de façon comparative avec l’influence de l’augmentation de la conductivité thermique procurée par des renforts ayant une conductivité thermique élevée. La silice en fumée, l’alumine nanométrique tri-hydratée et le nitrure de bore hexagonal submicronique ont été utilisés comme renforts dans le caoutchouc silicone pour cette partie de l’étude. Il a été observé que la silice en fumée a une plus grande influence sur l’amélioration de la résistance à l’érosion que les autres types de renforts, malgré le fait qu’elle confère aux composites une conductivité thermique semblable aux autres renforts. En effet, l’interaction favorable entre la silice en fumée et le caoutchouc silicone empêche la dépolymérisation du silicone et entraine la réticulation du matériau durant l’érosion sous CC. De plus, les mesures de courant de fuite indiquèrent l’initiation la plus lente pour l’établissement d’un arc stable pour le composite renforcé par de la silice en fumée. Ceci met en lumière l’importance de l’interface entre la nanoparticule et le polymère dans la suppression de l’érosion, mécanisme qui est plus important que l’amélioration de la conductivité thermique du composite.

Cette étude analyse également la corrélation entre le rôle de l’interface silice-silicone et l’écran résiduel du composite formé durant la présence d’arcs de bandes sèches en utilisant à la fois de la silice en fumée et de la silice broyée. Des analyses thermiques indiquèrent une plus grande quantité de résidus réticulés avec davantage d’interactions avec le renfort dans le cas de la silice en fumée par rapport à la silice broyée. La morphologie de la surface des résidus érodés des composites ayant subis le test du plan incliné a indiqué l’importance du rôle de la silice en fumée sur l’amélioration de l’intégrité et la cohérence du résidu menant à un effet barrière protégeant le caoutchouc silicone du volume contre l’érosion progressive. Cette conclusion a été supportée par les essais de résistance à l’arc montrant des caractéristiques de résidu semblables à celles obtenues durant les essais de plan incliné.

Les résultats mentionnés ci-dessus ont été vérifiés pour des cas plus pratiques en utilisant des nano-renforts comme additifs pour des composites caoutchouc silicone pour isolation externe afin d’améliorer leur résistance à l’érosion. Dans ce contexte, la silice en fumée et la nanoalumine tri-hydratée ont été utilisés comme additifs, à un taux inférieur à 5% sur une base massique, en conjonction avec des micro renforts de silice broyée et d’alumine tri-hydratée présents en plus grande quantité. L’efficacité de l’effet de barrière des renforts a été synergétiquement obtenue en ajoutant de la silice en fumée au renfort principal, soit de silice broyée, soit de l’alumine tri-hydratée, en maintenant l’intégrité des résidus obtenant ainsi une résistance supérieure à l’érosion sous tension CC par rapport aux autres échantillons testés. Ce résultat est important puisqu’il confirme l’effet barrière comme un mécanisme important dans la suppression de l’érosion sous tension CC des nano-renforts qui renforcent l’effet de volume des micro additifs remplaçant le caoutchouc silicone dépolymérisable.

Afin d’étudier d’avantage le rôle de l’effet écran dans la suppression des arcs stables sur bandes sèches, la résistance à arc a été proposée comme méthode de test rapide. Des composites renforcés par différentes concentrations et tailles d’alumine tri-hydratée ont été testés avec le test de résistance à l’arc ainsi que le test du plan incliné. Le classement des différents composites en fonction de la quantité de matière érodée s’est avéré être le même pour les deux tests. Ce classement a également aussi été en accord avec les résultats de l’analyse thermique. Ce bon accord dans les différents résultats indique la possibilité d’utiliser le test d’arc électrique comme une méthode rapide pour l’analyse de la résistance à l’érosion du caoutchouc silicone.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 121-130).
Mots-clés libres:	arc sec, érosion, mécanisme de suppression d’érosion, Isolation externe haute tension, nano-renforts, composites de caoutchouc silicone
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse David, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Ghunem, Refat
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 mars 2023 14:46
Dernière modification:	03 mars 2023 14:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3052

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