انهيار النبض ذو الجبهة الحادة للعازل الكهربائي المركب المغطى بـ HTV: الآليات والاختبارات والمحاكاة

العازلات الخزفية والزجاجية تظهر أداء عزلياً ممتازاً وقوياً من الناحية الميكانيكية، ولكنها عرضة للتلف الكهربائي بسبب التلوث الشديد مما يهدد الاستقرار في تشغيل الشبكات الكهربائية. لتعزيز مقاومة التلف الكهربائي للعزل الخارجي، يستخدم المصنعين بشكل شائع طلاءات السيليكون المطاطي المعالج بالحرارة الغرفة (RTV) التي تتميز بخصائص قوية ضد الماء وتنتقل إلى العازل السطحي، مما يقلل من مخاطر التلف الكهربائي. في البداية، كانت طلاءات RTV في الصين تطبق على الموقع، وهي طريقة تتسم بصعوبة تنفيذ العمل وعدم اتساق ضبط الجودة.

لاحقاً، تم تطوير عمليات الغمس أو الرش في المصانع، مما مكن من تسليم العوازل المطلية بـ RTV كمنتجات كاملة خاضعة للمراقبة والقبول، مما يحسن بشكل كبير جودة المنتج ويحفز استخدامها الواسع في الشبكات الكهربائية. ومع ذلك، تعاني طلاءات RTV من القوة الميكانيكية المنخفضة والتماسك الضعيف بين الطبقات مع الجسم العازل، مما يجعلها عرضة للتلف من القوى الخارجية أثناء النقل والإنشاء والتثبيت والتشغيل طويل الأمد. ظواهر الشيخوخة التشغيلية مثل التقشر والتشقق والانفصال شائعة، مما يتطلب الفك وإعادة الطلاء، مما يؤدي إلى تكاليف صيانة عالية.

تستخدم العوازل الخزفية المركبة ذات الإطار المستدير العازل الخزفي الكامل كنواة، مع غلاف سيليكون مطاطي معالج بالحرارة العالية (HTV) - بحد أدنى من السمك يبلغ 3 مم- يتم تشكيله في عملية حقن واحدة بالحرارة العالية. مقارنة بـ RTV، يظهر HTV قوة ميكانيكية أفضل، وكذلك أداء محسن في مقاومة التتبع والتآكل، ومقاومة اللهب، والخصائص الكهربائية، ومقاومة الشيخوخة، والتحمل الحراري العالي.

بالإضافة إلى ذلك، من خلال تعديل الطبقة الزجاجية على سطح العازل الخزفي واستخدام عوامل ربط متخصصة، يتم تحسين قوة الترابط بين العازل الخزفي والسيليكون المطاطي HTV بشكل كبير، مما يعزز التكامل والوحدة للعنصر. نتيجة لذلك، توفر العوازل الخزفية المركبة ذات الإطار المستدير أداء ميكانيكيًا ومقاومًا للتلف الكهربائي ممتازًا مع متطلبات تشغيلية وصيانة منخفضة، مما يفتح مسارًا جديدًا لتطبيقات العزل الخارجي في خطوط نقل الكهرباء.

تشير الخبرات الحقلية إلى أنه عندما تصيب الصواعق خطوط الكهرباء الهوائية، تحتوي الجهد الزائد الناتج عن الصواعق على اندفاعات ذات مقدمة حادة وبمدة قصيرة جداً وارتفاع حاد للغاية، مما يشكل تهديدات كبيرة للعوازل الخط. يمكن لهذه الاندفاعات الحادة أن تسبب ثقبًا أو حتى انفجار العوازل المستديرة، وفي الحالات الشديدة، قد تؤدي إلى انقطاع السلسلة وسقوط الخط. تعتبر قدرة تحمل الاندفاعات الحادة مؤشراً أساسياً على جودة العازل.

على الرغم من إجراء العديد من الأبحاث حول أداء الموجة الحادة للعوازل الخزفية والزجاجية محلياً وعالمياً، إلا أن الدراسات حول العوازل الخزفية المركبة ذات الإطار المستدير لا تزال نادرة ولا يتم فهم آلياتها بشكل جيد. لذا، تقوم هذه الورقة بإجراء اختبارات الانفجار بالاندفاعات في الهواء على العوازل الخزفية المركبة ذات الإطار المستدير لدراسة خصائص الانفجار بالموجة الحادة لديها.

توفر اختبارات الانفجار بالاندفاعات في الهواء تقييمًا فعالًا لأداء تحمل الموجة الحادة للمعدات الكهربائية، مما يضمن الأمان والموثوقية تحت الظروف القصوى، ولها قيمة كبيرة في تقييم جودة العوازل. تقوم هذه الدراسة أولاً بأداء اختبارات الانفجار بالاندفاعات لتحليل أداء الموجة الحادة، ثم تقيم نموذج محاكاة لتوزيع المجال الكهربائي عند ذروة جهد الموجة الحادة استنادًا إلى نتائج الاختبارات لاستكشاف آلية التغير في الأداء، بهدف تقديم توجيهات لتنسيق العزل للعوازل الخزفية المركبة في خطوط نقل الكهرباء.

1 إعداد اختبار الانفجار بالاندفاعات في الهواء

1.1 العينة

تم اختيار العازل الخزفي المركب ذو الإطار المستدير HU550B240/650T AC المنتج من قبل الشركة المصنعة كعينة الاختبار. يتميز العازل ببنية ثلاثية المظلات كما هو موضح في الشكل 1. يتم سرد معلماته الرئيسية في الجدول 1.

1.2 منصة الاختبار والخطة
تم استخدام مولد جهد اندفاعي بقوة 2400 كيلوفولت للاختبار. تم وضع الغطاء العازل نحو الأسفل على لوحة معدنية مترابطة بالأرض، وتم تركيب مأخذ كرة قياسي في نهاية الدبوس لمنع تركيز المجال الكهربائي الزائد في المنطقة الملتصقة حول الدبوس. يتم توضيح تركيب العازل في الشكل 2.

تم إجراء اختبارات الانفجار بالاندفاعات في الهواء على إجمالي 20 عينة من العوازل. يتم تصنيف طرق اختبار الانفجار بالاندفاعات في الهواء إلى طريقة الانحدار وطريقة السعة، مع استخدام طريقة السعة بشكل أساسي للعوازل المستديرة.

استخدمت هذه الدراسة طريقة السعة، والتي لا تتطلب خطية مقدمة الاندفاع ولكنها تستخدم فقط سعة الجهد الانفجاري كمعيار، مع السيطرة على وقت المقدمة بين 100 و 200 نانوثانية وانحراف السعة ضمن ±10٪. أثناء الاختبار، تم تطبيق خمسة أنفادات ذات قطبية موجبة على كل عازل تبعها خمسة أنفادات ذات قطبية سالبة، وقد تم تكرار هذا التسلسل مرة واحدة. تم الحفاظ على الفترة بين الانفادات المتتالية بين دقيقة واحدة ودقيقتين.

تشير الأبحاث المحلية والعالمية إلى أن طلاء سطوح العوازل بالسيليكون المطاطي يغير معدل انتشار الشرارات السطحية على العوازل الخزفية، مما يؤدي إلى تقليل قدرة تحمل الاندفاعات الحادة. ومع ذلك، فإن أداء العزل في رأس العازل يبقى غير متأثر في الواقع العملي.

تم تأكيد هذا الظاهرة من قبل أكثر من عشرة مصنعين محليين للعوازل المستديرة: بغض النظر عن ما إذا كان ملفوف العازل من النوع العميق أو المتناوب، أو ما إذا كانت بنية الرأس أسطوانية أو مخروطية، فإن جميع العوازل تظهر بعض درجة من تقليل أداء تحمل الاندفاعات الحادة بعد طلاء السيليكون المطاطي.

نتيجة لذلك، تم تعديل المعايير ذات الصلة، حيث تم تخفيض سعة اختبار الانفجار بالاندفاعات في الهواء للعوازل المستديرة المطلية بـ RTV من 2.8 p.u. إلى 2.2 p.u. تشير النتائج الأولية للاختبارات إلى أن الانفجار نادر الحدوث عند 2.2 p.u. لذا، تم اختيار العوازل الخزفية بدون طلاء RTV وإجراء اختبارات الانفجار بالاندفاعات في الهواء بجهد اختبار قياسي 2.8 p.u.، مع السيطرة على زمن مقدمة الجهد ضمن نطاق 100-200 نانوثانية.

كشف التحليل الإحصائي لقطبية الجهد وموقع الانفجار أن من بين 15 حالة انفجار، حدث 14 منها تحت القطبية الموجبة وواحدة فقط تحت القطبية السالبة. من بين حالات الانفجار الموجبة، حدث 8 في الرأس و6 في المظلات؛ بينما حدث الانفجار الوحيد السالب في الرأس. بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة تكوين قوس كهربائي على سطح العازل قبل حدوث الانفجار في المظلات، بينما لم يتم ملاحظة أي قوس كهربائي أثناء حدوث الانفجار في الرأس.

ومع ذلك، في المراجع، حدث جميع الانفجارات الحادة للعوازل الخزفية في الرأس، وفي المراجع الأخرى، حدثت انفجارات العوازل الخزفية في الرأس قبل وبعد طلاء RTV. على العكس من ذلك، أظهر هذا الاختبار أن بدون طلاء HTV المصبوب دفعة واحدة، حدثت جميع الانفجارات الحادة في نفس دفعة العوازل الخزفية في الرأس. بعد طلاء HTV، حدثت الانفجارات في العوازل الخزفية المركبة ليس فقط في الرأس ولكن أيضًا في الرقبة، مما يشير إلى أن طلاء السيليكون المطاطي HTV يغير مسار الانفجار.

تم تسجيل عدد التطبيقات الاندفاعية قبل الانفجار، مع نتائج موضحة في الشكل 4. كما هو موضح، حدث انفجار 12 عازلًا في أول خمسة انفاعيات، واحد في الانفاعة السابعة، واثنان في الانفاعة الخامسة عشر. تشير المراجع إلى أن العوازل الخزفية المطلية بـ RTV تظهر تقليلًا كبيرًا في أداء تحمل الاندفاعات الحادة، مع زيادة احتمالية الانفجار بالنسبة للعوازل ذات الوزن الكبير، مما يشير إلى أن طلاء السيليكون المطاطي يقلل من مقاومة الاندفاعات الحادة. في هذا الاختبار، انفجر 80٪ من العوازل المركبة المطلية بـ HTV في أول أربع انفاعيات، مما يؤكد بشكل أكبر أن وجود السيليكون المطاطي HTV يقلل بشكل كبير من قدرة العازل على تحمل الاندفاعات الحادة.

3 محاكاة توزيع المجال الكهربائي عند ذروة الجهد الاندفاعي الحاد

يظهر تحليل نتائج الاختبار في القسم 2 أن مسار الانفجار للعوازل المركبة قد تغير وأداؤه في تحمل الاندفاعات الحادة قد تناقص بشكل كبير مقارنة بالعوازل الخزفية. يستخدم هذا القسم المحاكاة لحساب توزيع المجال الكهربائي للعازل المركب عند ذروة الجهد الاندفاعي، بهدف استكشاف أسباب تغير مسار الانفجار وتقليل أداء تحمل الاندفاعات الحادة.

2.1 نموذج المحاكاة

تظهر ملاحظات الاختبارات الاندفاعية في الهواء أنه عندما يحدث الانفجار السطحي في العوازل المركبة، تتطور الأقواس على طول سطح العازل إلى موقع الانفجار. يؤثر وجود الأقواس على توزيع المجال الكهربائي ويجب مراعاته في النموذج. ومع ذلك، بسبب شكل الأقواس غير النظامي، سيكون من الصعب إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للحساب، خاصة لأن طبقة السيليكون المطاطي رقيقة وأصغر بكثير من العازل ككل، مما يجعل شبكة ثلاثية الأبعاد صعبة. لذا، لتحليل تأثير طبقة السيليكون المطاطي والأقواس على توزيع المجال الكهربائي بشكل نوعي، يتم استخدام نموذج ثنائي الأبعاد محوري التناظر في هذا القسم لتبسيط العملية. يتم عرض نموذج المحاكاة في الشكل 5.

2.2 المواد والشروط الحدية

يبلغ جهد الاندفاع البرقي بنسبة 50% للعازل 145 كيلوفولت، وذروة جهد الاندفاع الحاد بنسبة 2.8 p.u. هي 406 كيلوفولت. بما أن معظم العينات اختبرت الانفجار بقطبية موجبة، تم تحديد الدبوس (الدبوس الصلب) كجهد عالٍ (406 كيلوفولت) والغطاء (الغطاء الصلب) كجهد صفر في المحاكاة. يتم سرد قيم الثابتية النسبية للمواد في الجدول 2.

2.3 نتائج وتحليل المحاكاة

في النموذج بدون طلاء السيليكون المطاطي، يظهر توزيع المجال الكهربائي للعازل الخزفي عند ذروة جهد الاندفاع الحاد في الشكل 6(أ). كما هو موضح في الشكل 6، يكون التركيز الرئيسي للمجال الكهربائي في رأس العازل، يصل إلى 50 كيلوفولت/مم، مما يشير إلى احتمالية عالية لحدوث انفجار في الرأس - وهو متوافق مع الخبرة الميدانية والدراسات ذات الصلة.

لتحليل تأثير طلاء السيليكون المطاطي بشكل مقارن، تم حساب توزيع المجال الكهربائي لنموذج العازل المركب المطلي بسيليكون مطاطي مصبوب دفعة واحدة، مع نتائج موضحة في الشكل 6(ب). يمكن ملاحظة من الشكل 6(ب) أن أعلى قيمة للمجال الكهربائي تحدث في نهاية القوس على السطح السفلي للجسم العازل، حوالي 219.4 كيلوفولت/مم؛ بينما تكون قوة المجال في نهاية القوس على السطح العلوي أقل، حوالي 41.21 كيلوفولت/مم؛ ويوجد أيضًا تركيز كبير للمجال الكهربائي في رأس الدبوس، بحد أقصى 50.68 كيلوفولت/مم.

وبالتالي، تحت تأثير طلاء السيليكون المطاطي، تزداد مقاومة السطح للعازل بشكل كبير، مما يزيد بشكل كبير نسبة التيار السعتي الحجمي إلى التيار المقاوم السطحي في المظلات. هذا يؤدي إلى زيادة كبيرة في مكون المجال الكهربائي العمودي على سطح العازل، مما يجعل القوس يتحرك بشكل وثيق على السطح بعد بدء التكوين.

تحت تأثير طلاء HTV، تنتشر الأقواس السطحية على سطح العازل عند تعرضه لجهد اندفاع حاد، مما يؤدي إلى زيادة حادة في قوة المجال المحلي - تتجاوز تلك الموجودة في رأس الدبوس - مما يجعل الانفجار أكثر احتمالاً في طرف القوس ويساهم في حدوث الانفجار السطحي. هذا يشير إلى أن أداء تحمل الاندفاعات الحادة يتأثر بطلى السيليكون المطاطي HTV على سطح المظلات. بالإضافة إلى ذلك، تظهر المحاكاة قوة مجال كهربائي عالية نسبيًا في رأس العازل، مما يتوافق مع الانفجارات المرصودة في الاختبارات.

3 الخلاصة

تم إجراء اختبارات الانفجار بالاندفاعات في الهواء على العوازل المركبة لتحليل خصائص الانفجار الحاد لديها، وتم إجراء محاكاة لتوزيع المجال الكهربائي عند ذروة الجهد الاندفاعي الحاد. تم التوصل إلى الاستنتاجات التالية:

• تحت جهد اندفاع حاد بنسبة 2.8 p.u.، حدث انفجار في 15 من أصل 20 عينة من العوازل المركبة، مع حدوث 80٪ منها في أول أربع انفاعيات، مما يشير إلى أن وجود السيليكون المطاطي HTV يقلل بشكل كبير من أداء تحمل الاندفاعات الحادة للعوازل المركبة.

• من بين 15 حالة انفجار، بالإضافة إلى الانفجارات في رأس الدبوس، حدثت ستة في المظلات، مما يشير إلى تغيير واضح في مسار الانفجار الكلي مقارنة بالعوازل الخزفية التقليدية.

• تظهر نتائج المحاكاة أن انتشار القوس السطحي في العوازل المركبة يسبب زيادة كبيرة في قوة المجال الكهربائي للمظلات عند ذروة الجهد، تصل إلى 217.64 كيلوفولت/مم، مما يجعل الانفجار السطحي أكثر احتمالاً. في المقابل، بالنسبة للعوازل بدون طبقة السيليكون المطاطي، يكون أعلى قيمة للمجال الكهربائي خلال تطور القوس في رأس الدبوس، تصل إلى 49.55 كيلوفولت/مم، حيث يحدث الانفجار بشكل أساسي.