Стъпенчато-фронтално импулсно разрушаване на изолатори от композитна порцеланова керамика с покритие HTV: механизми тестове и моделиране

Порцелановите и стъклени изолатори демонстрират отлични изолационни характеристики и механична устойчивост, но са склонни към замърсяващи пробиви при тежко замърсяване, което заплашва стабилната работа на електроенергийните мрежи. За да се подобри устойчивостта към замърсяващите пробиви на външната изолация, производителите обикновено прилагат покрития от силиконова гума (RTV), полимеризираща се при стаяна температура, с отлични хидрофобни и хидрофобно-трансферни свойства върху повърхността на изолаторите, което намалява риска от пробиви. Напочатък, RTV покритията в Китай се нанасяха на място, метод, характеризиран от висока трудност при строителството и несъвместимост в контрола на качеството.

По-късно бяха разработени процеси за потопяване или спреинг в завод, които позволяват RTV-покритите изолатори да се доставят като завършени продукти, подлежещи на надзор и приемане, което значително подобрява качеството на продуктите и насърчава широкото им приложение в електроенергийните мрежи. Въпреки това, RTV покритията са с ниска механична устойчивост и слаба интерфейсна адгезия към изолиращото тяло, което ги прави склонни към повреди от външни сили по време на транспортиране, строителство, инсталация и дългосрочна експлуатация. Феномени на стареене по време на експлуатация, като откъсване, тръсне и деформация, са чести, което изисква демонтаж и повторно покриване, водейки до високи разходи за поддръжка.

Дисковите композитни порцеланови изолатори използват цял порцеланов изолатор като основа, с покритие от силиконова гума (HTV), полимеризираща се при висока температура – минимална дебелина 3 мм – формирано в единичен процес на леещо формоване при висока температура. В сравнение с RTV, HTV демонстрира по-висока механична устойчивост, както и подобрена устойчивост към следене и ерозия, противопожарни качества, електрически характеристики, устойчивост към стареене и високотемпературна устойчивост.

Освен това, чрез модификация на глазурния слой на повърхността на порцелана и използване на специализирани съчетаващи агенти, силата на интерфейсната връзка между порцелана и HTV силиконовата гума е значително подобрена, насърчавайки интеграцията и хомогенността на компонента. Следователно, дисковите композитни порцеланови изолатори предлагат подобрена механична и антизамърсяваща устойчивост при ниски оперативни и поддръжкови изисквания, отварящи нов път за приложение на външната изолация в преходните линии.

Полеви опити показват, че когато високо-висящите линии са ударили от мълния, резултантната свръхнапрежение съдържа импулси с остър фронт с много кратка продължителност, висока стръмност и много високи пики на напрежението, представляващи значителна заплаха за изолаторите на линията. Такива остри импулси могат да причинят пробив или дори експлозия на дисковите изолатори, а в тежки случаи, може да доведат до прекъсване на веригата и падане на линията. Устойчивостта към импулси с остър фронт е ключов показател за качеството на изолаторите.

Въпреки че широко са провеждани изследвания на вълновите характеристики на порцелановите и стъклени изолатори както в страната, така и в чужбина, изследванията на дисковите композитни порцеланови изолатори все още са малко, а техните механизми не са добре разбрани. Затова, настоящата статия провежда импулсни пробивни тестове във въздуха на дискови композитни порцеланови изолатори, за да се изследват техните пробивни характеристики при остри вълни.

Импулсните пробивни тестове във въздуха ефективно оценяват устойчивостта към остри вълни на електрическото оборудване, осигурявайки безопасност и надеждност при екстремни условия, и имат значителна стойност в оценката на качеството на изолаторите. Това изследване първо извършва импулсни пробивни тестове, за да се анализира устойчивостта към остри вълни, след това създава симулация на разпределението на електрическото поле в пика на напрежението от остри вълни, базирайки се на резултатите от тестовете, за да се изучат механизми на промяната на характеристиките, с цел да предостави насоки за изолационната координация на композитните порцеланови изолатори в преходните линии.

1. Опитна установка за импулсни пробивни тестове във въздуха

1.1 Образец

Избрахме HU550B240/650T AC дисков композитен порцеланов изолатор, произвеждан от производител, като образец за тестове. Изолаторът има триумбрената структура, както е показано на фигура 1. Неговите основни функционални параметри са изброени в таблица 1.

1.2 Опитна платформа и схема
Беше използван 2400 кВ генератор на импулсно напрежение за тестовете. Капакът на изолатора беше поставен надолу върху заземена метална плоча, а стандартен шарнир е бил инсталиран на булавата, за да се предотврати прекомерна концентрация на електрическото поле в цементирания район около булавата. Установката на изолатора е илюстрирана на фигура 2.

Импулсни пробивни тестове във въздуха бяха проведени върху общо 20 образца изолатори. Методите за импулсни пробивни тестове във въздуха се класифицират като метод на стръмността и метод на амплитудата, с метода на амплитудата, използван главно за дискови изолатори.

Това изследване използва метода на амплитудата, който не изисква линейност на фронта на импулса, а използва само амплитудата на пробивното напрежение като критерий, с времето на фронт, контролирано между 100 и 200 нс и девиация на амплитудата в рамките на ±10%. По време на тестовете, всеки изолатор беше подложен на пет положително полярни импулсни напрежения, последвани от пет отрицателно полярни импулса, и тази последователност беше повторена веднъж. Интервалът между последователните импулси беше поддържан между 1 и 2 минути.

Изследванията както в страната, така и в чужбина показват, че покритието на повърхността на изолаторите със силиконова гума променя скоростта на разпространение на повърхностните стримери върху порцелановите изолатори, водейки до намалена устойчивост към импулси с остър фронт. Въпреки това, изолационната способност на главата на изолатора остава непроменена при реална експлуатация.

Този феномен е потвърден от над десет домашни производители на дискови изолатори: независимо дали профилът на капачетата е с дълбоки ребра или череспречни зонти, или дали конструкцията на главата е цилиндрична или конусна, всички изолатори демонстрират известно намалена устойчивост към пробиви при остри вълни след покритието със силиконова гума.

В резултат на това, съответните стандарти са били преработени, намалявайки амплитудата на импулсните пробивни тестове във въздуха за дискови изолатори с RTV покритие от 2.8 p.u. до 2.2 p.u. Предварителните резултати от тестовете показват, че пробивите рядко се случват при 2.2 p.u. Затова, това изследване избра порцеланови изолатори без RTV покритие и проведе импулсни пробивни тестове във въздуха при стандартното пробивно напрежение от 2.8 p.u., с контролирано време на фронт в диапазона 100-200 нс.

Допълнителен статистически анализ на полярността на напрежението и местата на пробиви показа, че от 15 пробива, 14 са се случили при положителна полярност и само един при отрицателна полярност. От положително полярните пробиви, 8 са се случили на главата и 6 на капачетата; единственият отрицателно полярни пробив се е случил на главата. Освен това, преди пробивите на капачетата, са наблюдавани дуги на повърхността на изолатора, докато такива дуги не са били наблюдавани при пробивите на главата.

Въпреки това, в литература, всички пробиви при остри вълни на порцелановите изолатори са се случвали на главата, и в друга литература, порцелановите изолатори са се пробивали на главата както преди, така и след RTV покритие. В контраст, този тест показва, че без единичното леещо формоване на HTV покритие, пробивите при остри вълни в една и съща партида порцеланови изолатори се състоят само на главата. След HTV формоване, пробивите в композитните порцеланови изолатори се случват не само на главата, но и на врата, което сочи, че HTV покритието от силиконова гума променя пътя на пробива.

Броят на приложени импулси преди пробив е записан, с резултати, показани на фигура 4. Както е илюстрирано, 12 изолатора се пробиха в първите пет импулса, един се проби на 7-ия импулс, а два на 15-ия импулс. Литературата показва, че порцелановите изолатори, покрити с RTV, демонстрират значително намалена устойчивост към пробиви при остри вълни, с по-висока вероятност за пробив при по-големи изолатори, което сочи, че покритието от силиконова гума намалява устойчивостта към остри вълни. В този тест, 80% от композитните изолатори с HTV покритие се пробиха в първите четири импулса, допълнително демонстрирайки, че наличието на HTV покритие от силиконова гума значително намалява способността на изолаторите да издържат на импулси с остър фронт.

3. Симулация на разпределението на електрическото поле в пика на напрежението от остри вълни

Анализът на резултатите от тестовете в секция 2 показва, че, в сравнение с порцелановите изолатори, пътят на пробива на композитните изолатори се е променил и устойчивостта им към пробиви при остри вълни е значително намалена. Тази секция използва симулация, за да изчисли разпределението на електрическото поле на композитния изолатор в пика на импулсното напрежение, с цел да се изследват причините за променения път на пробив и намалената устойчивост към остри вълни.

2.1 Симулативна модель

Наблюденията от импулсните пробивни тестове във въздуха показват, че при пробив на капачетата в композитните изолатори, дугите се развиваат върху повърхността на изолатора до местата на пробив. Присъствието на дуги влияе на разпределението на електрическото поле и трябва да се вземе предвид в модела. Въпреки това, поради нерегулярната форма на дугите, създаването на 3D модел за изчисления би било трудно, особено поради това, че слойът от силиконова гума е тънък и много по-малък по размер в сравнение с целия изолатор, което прави трудно 3D мрежуването. Затова, за да се направи качествен анализ на влиянието на слоя от силиконова гума и дугите върху разпределението на електрическото поле, в тази секция се използва двумерен осносиметричен модел за опростяване. Симулационният модел е показан на фигура 5.

2.2 Материал и гранични условия

50%-та импулсна пробивна напрегнатост на изолатора е 145 кВ, а пиковата стойност на 2.8 p.u. импулсна напрегнатост с остър фронт е 406 кВ. Тъй като повечето пробиви са положително полярни, в симулацията, булавата (сталината булава) е зададена като висок потенциал (406 кВ), а капакът (сталината капа) като нулев потенциал. Относителните диелектрични константи на материалите са изброени в таблица 2.

2.3 Резултати и анализ на симулацията

В модела без покритие от силиконова гума, разпределението на електрическото поле на порцелановия изолатор в пика на импулсната напрегнатост с остър фронт е показано на фигура 6(a). Както се вижда на фигура 6, интензитетът на електрическото поле е главно концентриран на главата на изолатора, достигайки до 50 кВ/мм, което указва висока вероятност за пробив на главата – съвместимо с полеви опити и свързани изследвания.

За сравнителен анализ на влиянието на покритието от силиконова гума, е изчислено разпределението на електрическото поле на модела на композитния изолатор с единично формовано покритие от силиконова гума, с резултати, показани на фигура 6(b). Както се вижда на фигура 6(b), максималното електрическо поле се появява на края на дугата на долната повърхност на изолиращото тяло, приблизително 219.4 кВ/мм; интензитетът на полето на края на дугата на горната повърхност е по-нисък, при 41.21 кВ/мм; и значителна концентрация на полето съществува и на главата на булавата, с максимум 50.68 кВ/мм.

Следователно, под влиянието на покритието от силиконова гума, повърхностната резистивност на изолатора се увеличава, значително повишавайки отношениято на обемния щуплив ток към повърхностния резистивен ток в капачетата. Това води до значително увеличение на компонента на електрическото поле, перпендикулярно на повърхността на изолатора, което кара дугата да следва повърхността след началото й.

Под влиянието на покритието от HTV, повърхностните дуги се разпространяват върху повърхността на изолатора при приложение на напрежение с остър фронт, водейки до рязко увеличение на локалната интензитет на полето – далеч над тази на главата на булавата – което прави пробива по-вероятен на края на дугата и води до пробив на капачетата. Това сочи, че устойчивостта към пробиви при остри вълни е влияна от покритието от HTV на повърхността на капачетата. Освен това, симулацията показва относително високо електрическо поле на главата на изолатора, което съвпада с наблюдаваните пробиви на главата в тестовете.

3. Заключение

Импулсни пробивни тестове във въздуха бяха проведени върху композитните изолатори, за да се анализират техните пробивни характеристики при остри вълни, и бяха извършени симулации на разпределението на електрическото поле в пика на напрежението от остри вълни. Бяха направени следните заключения:

• При 2.8 p.u. импулсна напрегнатост с остър фронт, 15 от 20 образца композитни изолатори се пробиха, с 80% от тях, случващи се в първите четири импулса, което сочи, че присъствието на покритие от HTV силиконова гума значително намалява устойчивостта към пробиви при остри вълни на композитните изолатори.

• От 15 пробива, освен пробиви на главата на булавата, шест се случиха на капачетата, което сочи ясна промяна в общия път на пробив в сравнение с традиционните порцеланови изолатори.

• Резултатите от симулацията показват, че разпространението на повърхностната дуга в композитните изолатори води до значително увеличение на интензитета на електрическото поле на капачетата в пика на напрежението, достигайки 217.64 кВ/мм, което прави пробива на капачетата по-вероятен. В сравнение, за изолатори без слой от силиконова гума, максималното поле по време на развитие на дугата е разположено на главата на булавата, достигайки 49.55 кВ/мм, където се случва основният пробив.