Descomposició per impuls de front abrupt d'aislants compostos de porcellana revestits amb HTV: mecanismes ensayos i simulació

Les isoladors de porcellana i vidre presenten un excellent rendiment d'aislament i resistència mecànica, però són propensos a la fuga per contaminació en condicions de contaminació severa, amenaçant l'operació estable de les xarxes elèctriques. Per millorar la resistència a la fuga per contaminació de l'aislament extern, els fabricants solen aplicar revestiments de goma de silici vulcanitzada a temperatura ambiente (RTV) amb excel·lents propietats hidrofòbiques i de transferència de hidrofobia a les superfícies dels isoladors, reduint així el risc de fuga. Inicialment, els revestiments RTV a la Xina es van aplicar in situ, un mètode caracteritzat per una gran dificultat de construcció i control de qualitat inconsistent.

Posteriorment, es van desenvolupar processos de mergulhada o pulverització en fabrica, permetent que els isoladors revestits amb RTV es lliurin com a productes finals sotmesos a supervisió i acceptació, millorant significativament la qualitat del producte i promovent la seva adopció generalitzada en les xarxes elèctriques. No obstant això, els revestiments RTV pateixen una baixa resistència mecànica i una adhesió interfacial feble al cos aïllant, fent-los susceptibles de ser dañats per forces externes durant el transport, la construcció, l'instal·lació i l'operació a llarg termini. Els fenòmens d'envejeciment operatiu com la descascària, la fissuració i la desxerrament són habituals, necessitant la desmuntança i la re-aplicació, resultant en costos d' manteniment elevats.

Els isoladors compostos de porcellana de suspensió disc utilitzen un aïllant de porcellana complet com a nucli, amb una capa de goma de silici vulcanitzada a alta temperatura (HTV) -amb un gruix mínim de 3 mm- formada en un procés d'injecció a alta temperatura. En comparació amb RTV, HTV demostra una major resistència mecànica, així com un rendiment millorat en resistència a la trama i erosió, retardança al foc, propietats elèctriques, resistència a l'envejeciment i tolerància a altas temperatures.

A més, mitjançant la modificació de la capa d'esmalt en la superfície de la porcellana i l'ús d'agents de couplage especialitzats, la força d'unió interfacial entre la porcellana i la goma de silici HTV s'ha millorat significativament, promovint la integració i uniformitat del component. Així, els isoladors compostos de porcellana de suspensió disc ofereixen un rendiment mecànic i anti-fuga per contaminació superior, amb requisits operatius i de manteniment baixos, obrint una nova via per a les aplicacions d'aislament extern en línies de transmissió.

L'experiència en el camp indica que quan les línies aèries són impactades per raigs, la sobretensió resultant conté impulsos amb front escarpat de durada extremadament curta, gran pendència i voltatges pico molt alts, posant amenaçes significatives als aïlladors de línia. Aquests impulsos escarpats poden causar perforacions o fins i tot explosions en els aïlladors de disc, i en casos greus, poden conduir a la ruptura de la cadena i la caiguda de la línia. La capacitat de suportar impulsos amb front escarpat és un indicador crític de la qualitat dels aïlladors.

Encara que s'han realitzat extenses recerques sobre el rendiment d'ona escarpa en aïlladors de porcellana i vidre tant a nivell nacional com internacional, encara hi ha poques estudis sobre els aïlladors compostos de porcellana de suspensió disc, i els seus mecanismes subjacents no són ben compresos. Per tant, aquest article duu a terme proves de ruptura per impuls en aire en aïlladors compostos de porcellana de suspensió disc per investigar les seves característiques de ruptura d'ona escarpa.

Les proves de ruptura per impuls en aire avaluen eficientment el rendiment de suport d'ona escarpa de l'equip elèctric, assegurant la seguretat i fiabilitat en condicions extremes, i tenen un valor significatiu en l'avaluació de la qualitat dels aïlladors. Aquest estudi primer realitza proves de ruptura per impuls per analitzar el rendiment d'ona escarpa, després establix una simulació de la distribució del camp elèctric al pico de la tensió d'ona escarpa basada en els resultats de les proves per explorar el mecanisme de variació del rendiment, amb l'objectiu de proporcionar orientació per a la coordinació d'aislament dels aïlladors compostos de porcellana en línies de transmissió.

1 Configuració de la prova de ruptura per impuls en aire

1.1 Especimen

S'ha seleccionat l'aïllador de suspensió compost de porcellana HU550B240/650T AC produït per un fabricant com a espécimen de prova. L'aïllador té una estructura de triple paraigua, com es mostra en la Figura 1. Els seus paràmetres de rendiment principal es llisten en la Taula 1.

1.2 Plataforma i esquema de prova
S'ha utilitzat un generador de tensió d'impuls de 2400 kV per a la prova. La cúpula de l'aïllador s'ha col·locat cap avall sobre una placa metàlica a terra, i s'ha instal·lat un soquet de bola estàndard a l'extrem de la pinça per evitar una concentració excessiva del camp elèctric en l'àrea cementada al voltant de la pinça. La configuració de l'aïllador es mostra en la Figura 2.

S'han realitzat proves de ruptura per impuls en aire en un total de 20 espècimens d'aïlladors. Els mètodes de prova per a la ruptura per impuls en aire es classifiquen en el mètode de pendència i el mètode d'amplitud, amb el mètode d'amplitud principalment utilitzat per als aïlladors de disc.

Aquest estudi ha utilitzat el mètode d'amplitud, que no requereix linealitat del front d'impuls, sinó que només utilitza l'amplitud de la tensió de ruptura com a criteri, amb el temps de front controlat entre 100 i 200 ns i una desviació d'amplitud dins del ±10%. Durant la prova, cada aïllador va estar sotmès a cinc impulsos de polaritat positiva seguits per cinc impulsos de polaritat negativa, i aquesta seqüència es va repetir una vegada. L'interval entre impulsos consecutius es va mantenir entre 1 i 2 minuts.

La recerca tanto a nivell nacional com internacional indica que cobrir la superfície dels aïlladors amb goma de silici altera la velocitat de propagació de les corrents superficials en els aïlladors de porcellana, provocant una reducció del rendiment de suport a impulsos amb front escarpat. No obstant això, el rendiment d'aislament a la part superior de l'aïllador roman intacte en l'operació real.

Aquest fenomen ha estat confirmat per més de deu fabricants d'aïlladors de disc a nivell nacional: independentment de si el perfil de la guaina és de nervi profunds o alternat, o si la estructura de la part superior és cilíndrica o cònica, tots els aïlladors mostren una certa reducció del rendiment de ruptura d'ona escarpa després de la cobertura amb goma de silici.

Com a resultat, s'han revisat els estàndards rellevants, reduint l'amplitud de la prova de ruptura per impuls en aire per als aïlladors de disc revestits amb RTV de 2,8 p.u. a 2,2 p.u. Els resultats preliminars mostren que rarament es produeix la ruptura a 2,2 p.u. Per tant, aquest estudi ha seleccionat aïlladors de porcellana sense revestiment RTV i ha realitzat proves de ruptura per impuls en aire a la tensió de prova estàndard de 2,8 p.u., amb el temps de front de la tensió controlat dins del rang de 100-200 ns.

Una anàlisi estadística addicional de la polaritat de la tensió i la ubicació de la ruptura ha revelat que, de 15 events de ruptura, 14 han ocorregut amb polaritat positiva i només un amb polaritat negativa. D'entre les ruptures de polaritat positiva, 8 han ocorregut a la part superior i 6 a les guanyes; la única ruptura de polaritat negativa ha ocorregut a la part superior. A més, s'ha observat arcing a la superfície de l'aïllador abans de les ruptures de les guanyes, mentre que no s'ha observat aquest arcing durant les ruptures de la part superior.

No obstant això, en referència, totes les ruptures d'ona escarpa en aïlladors de porcellana han ocorregut a la part superior, i en referència, els aïlladors de porcellana han patit ruptures a la part superior abans i després de la cobertura amb RTV. En contrast, aquesta prova mostra que, sense la cobertura d'una sola injectada de HTV, les ruptures d'ona escarpa en el mateix lot d'aïlladors de porcellana han ocorregut exclusivament a la part superior. Després de la cobertura amb HTV, les ruptures en els aïlladors compostos de porcellana han ocorregut no només a la part superior, sinó també al coll, indicant que la cobertura de goma de silici HTV altera la ruta de ruptura.

S'ha registrat el nombre d'aplicacions d'impuls abans de la ruptura, amb resultats mostrats en la Figura 4. Com es mostra, 12 aïlladors han patit ruptura en els primers cinc impulsos, un ha patit ruptura en el setè impuls, i dos han patit ruptura en el 15è impuls. En referència, s'indica que els aïlladors de porcellana coberts amb RTV presenten una reducció significativa del rendiment de suport d'ona escarpa, amb una major probabilitat de ruptura per a aïlladors de major tonelada, suggerint que la cobertura amb goma de silici degrada la resistència a ona escarpa. En aquesta prova, el 80% dels aïlladors compostos coberts amb HTV han patit ruptura en els primers quatre impulsos, demostrant més endavant que la presència de goma de silici HTV reduix significativament la capacitat de l'aïllador de suportar impulsos amb front escarpat.

3 Simulació de la distribució del camp elèctric al pico de la tensió d'ona escarpa

L'anàlisi dels resultats de la prova de la Secció 2 revela que, en comparació amb els aïlladors de porcellana, la ruta de ruptura dels aïlladors compostos ha canviat i el seu rendiment de suport d'ona escarpa ha disminuït significativament. Aquesta secció utilitza la simulació per calcular la distribució del camp elèctric de l'aïllador compost al pico de la tensió d'impuls, amb l'objectiu d'investigar les causes del canvi en la ruta de ruptura i la reducció del rendiment d'ona escarpa.

2.1 Model de simulació

Les observacions de les proves de ruptura per impuls en aire indiquen que, quan ocorre un flashover en les guanyes dels aïlladors compostos, els arcs es desenvolupen a través de la superfície de l'aïllador fins a la ubicació de la ruptura. La presència d'arcs influeix en la distribució del camp elèctric i s'ha de considerar en el model. No obstant això, degut a la forma irregular dels arcs, establir un model 3D per al càlcul seria difícil, especialment perquè la capa de goma de silici és fina i molt més petita en dimensió en comparació amb l'aïllador total, fent difícil la maqueta 3D. Per tant, per a una anàlisi qualitativa de l'impacte de la capa de goma de silici i els arcs en la distribució del camp elèctric, s'adopta un model bidimensional axisimètric per simplificar en aquesta secció. El model de simulació es mostra en la Figura 5.

2.2 Materials i condicions de frontera

La tensió d'impuls de raig de 50% de l'aïllador és de 145 kV, i el valor pico de la tensió d'impuls d'ona escarpa de 2,8 p.u. és de 406 kV. Com que la majoria dels espècimens de prova han experimentat una ruptura de polaritat positiva, en la simulació, la pinça (pinça d'acer) s'estableix com a potencial alt (406 kV) i la cúpula (cúpula d'acer) com a zero potencial. Els valors de permittivitat relativa dels materials es llisten en la Taula 2.

2.3 Resultats i anàlisi de la simulació

En el model sense revestiment de goma de silici, la distribució del camp elèctric de l'aïllador de porcellana al pico de la tensió d'impuls d'ona escarpa es mostra en la Figura 6(a). Com es veu en la Figura 6, la intensitat del camp elèctric està principalment concentrada a la part superior de l'aïllador, arribant a 50 kV/mm, indicant una alta probabilitat de flashover a la part superior, consistent amb l'experiència en el camp i estudis relacionats.

Per a una anàlisi comparativa de l'efecte del revestiment de goma de silici, s'ha calculat la distribució del camp elèctric del model d'aïllador compost amb goma de silici injectada en una sola vegada, amb resultats mostrats en la Figura 6(b). Es pot observar de la Figura 6(b) que el màxim del camp elèctric ocorre a l'extrem de l'arc a la superfície inferior del cos aïllant, aproximadament 219,4 kV/mm; la intensitat del camp a l'extrem de l'arc a la superfície superior és menor, a 41,21 kV/mm; i també hi ha una concentració significativa del camp a la part superior de la pinça, amb un màxim de 50,68 kV/mm.

Així, sota l'efecte del revestiment de goma de silici, la resistència superficial de l'aïllador augmenta, incrementant significativament la raó de la corrent capacitiva volumètrica a la corrent ohmica superficial en les guanyes. Això porta a un augment substancial de la component del camp elèctric perpendicular a la superfície de l'aïllador, fent que l'arc segueixi de prop la superfície després de la seva iniciació.

Sota l'efecte del revestiment HTV, els arcs superficials es propaguen a través de la superfície de l'aïllador quan són sotmesos a una tensió d'ona escarpa, provocant un augment brusc de la intensitat del camp local, superant de manera significativa la de la part superior de la pinça, fent més probable la ruptura a la punta de l'arc i conduint a un flashover de les guanyes. Això indica que el rendiment de suport d'ona escarpa està afectat pel revestiment HTV a la superfície de les guanyes. A més, la simulació mostra un camp elèctric relativament alt a la part superior de l'aïllador, consistent amb els flashovers a la part superior observats en les proves.

3 Conclusió

S'han realitzat proves de ruptura per impuls en aire en aïlladors compostos per analitzar les seves característiques de ruptura d'ona escarpa, i s'han realitzat simulacions de la distribució del camp elèctric al pico de la tensió d'ona escarpa. S'han extret les següents conclusions:

• Sota una tensió d'impuls d'ona escarpa de 2,8 p.u., 15 de 20 espècimens d'aïlladors compostos han patit ruptura, amb el 80% ocorrint en els primers quatre impulsos, indicant que la presència de goma de silici HTV reduix significativament el rendiment de suport d'ona escarpa dels aïlladors compostos.

• D'entre els 15 events de ruptura, a més de flashovers a la part superior de la pinça, sis han ocorregut a les guanyes, indicant un canvi clar en la ruta de ruptura global en comparació amb els aïlladors de porcellana convencionals.

• Els resultats de la simulació mostren que la propagació de l'arc superficial en els aïlladors compostos provoca un augment significatiu de la intensitat del camp elèctric a les guanyes al pico de la tensió, arribant a 217,64 kV/mm, fent més probable el flashover de les guanyes. En contraposició, per als aïlladors sense capa de goma de silici, el màxim del camp durant el desenvolupament de l'arc es troba a la part superior de la pinça, arribant a 49,55 kV/mm, on principalment ocorre la ruptura.