Náhlý rozpad kompozitních porcelánových izolátorů s HTV povlakem: Mechanismy testování a simulace

Porcelánové a skleněné izolátory mají vynikající izolační vlastnosti a mechanickou pevnost, ale jsou náchylné k znečištění, což hrozí bleskovým přechodem a ohrožuje stabilitу provozu elektrických sítí. Pro zvýšení odolnosti vnější izolace proti znečištění bleskovému přechodu výrobci často aplikují na povrch izolátorů místně vulkanizované silikónové gumy (RTV) s vynikajícími hydrofobními a přenosnými vlastnostmi, čímž snižují riziko bleskového přechodu. Původně byly RTV pokrytí v Číně aplikovány přímo na místě, metoda charakterizovaná vysokou obtížností provedení a nekonzistentní kontrolou jakosti.

Následně byly vyvinuty tovární procesy namáknutí nebo natření, které umožňovaly dodávat RTV-pokryté izolátory jako kompletní produkty podléhající dozoru a přijetí, což výrazně zlepšilo kvalitu produktu a podpořilo jejich široké použití v elektrických sítích. Nicméně, RTV pokrytí trpí nízkou mechanickou pevností a slabou interfaciální adhezí k tělu izolátoru, což je činí náchylnými k poškození externími silami během dopravy, montáže, instalace a dlouhodobého provozu. Běžnými jevy během provozu, jako jsou odlučování, trhliny a odvrstvení, vedou k nutnosti demontáže a opětovného natření, což způsobuje vysoké náklady na údržbu.

Diskové visací kompozitní porcelánové izolátory využívají jako jádro kompletní porcelánový izolátor, na který je navrstvena obálka z vysoko teplotně vulkanizované silikónové gummy (HTV) – minimální tloušťka 3 mm – formovaná v jednom lisovacím procesu za vysoké teploty. V porovnání s RTV ukazuje HTV výrazně vyšší mechanickou pevnost a také zlepšené vlastnosti v odolnosti proti stopování a erozi, odpalivosti, elektrickým vlastnostem, odolnosti proti stárnutí a tepelné odolnosti.

Kromě toho je díky modifikaci glazury na povrchu porcelánu a použití speciálních spojovacích látek výrazně zlepšena interfaciální vazebná síla mezi porcelánem a HTV silikónovou gumou, což podporuje integraci a rovnoměrnost komponentu. Diskové visací kompozitní porcelánové izolátory nabízejí tedy vynikající mechanické a anti-znečišťovací vlastnosti s nízkými provozními a údržbou, což otevírá novou cestu pro aplikace vnější izolace v přenosových linkách.

Praxe ukazuje, že když jsou vzduchové vedení zasaženy bleskem, vyvolané přetlakové napětí obsahuje impulzy s velmi ostrým frontem, krátkou dobu trvání, vysokou strmostí a velmi vysokými vrcholovými hodnotami, což představuje významné hrozby pro izolátory vedení. Takové ostré impulzy mohou způsobit průraz nebo dokonce explozi diskových izolátorů a v extrémních případech mohou vést k přetržení řetězce a pádu vedení. Odolnost proti ostrým impulzům je klíčovým ukazatelem kvality izolátoru.

I když bylo již provedeno rozsáhlé výzkumy v oblasti výkonu ostrých vln u porcelánových a skleněných izolátorů jak doma, tak v zahraničí, studie o diskových visacích kompozitních porcelánových izolátorů jsou stále vzácné a jejich podkladové mechanismy nejsou dobře pochopeny. Proto tato práce provádí zkoušky impulzního průrazu ve vzduchu na diskových visacích kompozitních porcelánových izolátorech, aby se prozkoumaly jejich vlastnosti průrazu ostrými vlnami.

Zkoušky impulzního průrazu ve vzduchu efektivně hodnotí odolnost proti ostrým vlnám elektrického zařízení, zajistí bezpečnost a spolehlivost za extrémních podmínek a mají významnou hodnotu pro hodnocení kvality izolátorů. Tento studie nejprve provádí zkoušky impulzního průrazu, aby analyzovala výkon ostrých vln, pak založí simulaci rozdělení elektrického pole na vrcholu ostré vlny založenou na výsledcích zkoušek, aby prozkoumala mechanismy změny výkonu, s cílem poskytnout pokyny pro koordinaci izolace kompozitních porcelánových izolátorů v přenosových linkách.

1 Zkouška impulzního průrazu ve vzduchu

1.1 Vzorky

Byl vybrán diskový visací kompozitní porcelánový izolátor HU550B240/650T AC vyrobený výrobcem jako zkoušený vzorek. Izolátor má trojitou deštníkovou strukturu, jak je znázorněno na obrázku 1. Jeho hlavní výkonnostní parametry jsou uvedeny v tabulce 1.

1.2 Testovací platforma a schéma
Pro zkoušku byl použit generátor impulzního napětí o síle 2400 kV. Kryt izolátoru byl umístěn dolů na uzemněnou kovovou desku a na koncový pin byl nainstalován standardní kulový konektor, aby se zabránilo přílišnému soustředění elektrického pole v okolí cementového oblasti kolem pinu. Nastavení izolátoru je znázorněno na obrázku 2.

Celkem bylo provedeno 20 vzorků izolátorů impulzního průrazu ve vzduchu. Metody zkoušek impulzního průrazu ve vzduchu se dělí na metodu strmosti a metodu amplitudy, přičemž metoda amplitudy se primárně používá pro diskové izolátory.

Tento studie použil metodu amplitudy, která nepotřebuje lineární front impulzu, ale pouze používá amplitudu průrazového napětí jako kritérium, s frontem času kontrolovaným mezi 100 a 200 ns a odchylkou amplitudy do ±10%. Během zkoušky každý izolátor podstoupil pět pozitivních impulzů a následně pět negativních impulzů, a tento postup byl opakován jednou. Interval mezi následujícími impulzy byl udržován mezi 1 a 2 minuty.

Výzkum z domácích i zahraničních zdrojů ukazuje, že natření povrchu izolátorů silikónovou gumou mění rychlost šíření povrchových proudů na porcelánových izolátorech, což vede ke snížení odolnosti proti ostrým impulzům. Nicméně, izolační vlastnosti na hlavici izolátoru v reálném provozu zůstávají nezměněny.

Tento jev byl potvrzen více než deseti domácími výrobci diskových izolátorů: bez ohledu na to, zda má profil šupiny hluboké žebříčky nebo střídavé deštníkové struktury, nebo zda má hlavice válcovou nebo kuželovitou strukturu, všechny izolátory ukazují určitý stupeň snížení odolnosti proti ostrým vlnám po natření silikónovou gumou.

Jako výsledek byla relevantní norma upravena, snížila amplitudu zkoušky impulzního průrazu ve vzduchu pro diskové izolátory s RTV natřením z 2.8 p.u. na 2.2 p.u. Preliminární výsledky zkoušek ukazují, že průrazy se jen zřídka vyskytují při 2.2 p.u. Proto tato studie vybrala porcelánové izolátory bez RTV natření a provedla zkoušky impulzního průrazu ve vzduchu při standardní zkouškové napětí 2.8 p.u., s frontem času napětí kontrolovaným v rozmezí 100–200 ns.

Další statistická analýza polarit napětí a míst průrazu odhalila, že z 15 průrazů se 14 odehrálo při pozitivní polaritě a pouze jeden při negativní polaritě. Mezi průrazy s pozitivní polaritou se 8 odehrálo na hlavici a 6 na šupinách; jediný průraz s negativní polaritou se odehrál na hlavici. Kromě toho byly pozorovány oblouky na povrchu izolátoru před průrazy šupin, zatímco žádné takové oblouky nebyly pozorovány během průrazů hlavice.

Nicméně, v referenci se všechny průrazy s ostrým frontem u porcelánových izolátorů odehrály na hlavici, a v referenci se porcelánové izolátory průrazily na hlavici jak před tak po RTV natření. Naopak, tato zkouška ukazuje, že bez jednorázového injekčního lisování HTV přesahují průrazy ostrých vln u stejné dávky porcelánových izolátorů výhradně na hlavici. Po HTV přelisování se průrazy u kompozitních porcelánových izolátorů odehrály nejen na hlavici, ale také na hrdle, což naznačuje, že HTV silikónové gumené natření mění cestu průrazu.

Bylo zaznamenáno počet impulzů před průrazem, s výsledky znázorněnými na obrázku 4. Jak je znázorněno, 12 izolátorů prasklo během prvních pěti impulzů, jeden praskl na 7. impulzu a dva praskli na 15. impulzu. Referenční informace naznačují, že porcelánové izolátory s RTV natřením ukazují významné snížení odolnosti proti ostrým vlnám, s vyšší pravděpodobností průrazu pro izolátory s větší tonáží, což naznačuje, že silikónové gumené natření snižuje odolnost proti ostrým vlnám. V této zkoušce 80% kompozitních izolátorů s HTV přelisováním prasklo během prvních čtyř impulzů, což dále ukazuje, že přítomnost HTV silikónové gumené vrstvy významně snižuje schopnost izolátoru odolat ostrým vlnám.

3 Simulace rozdělení elektrického pole na vrcholu ostré vlny

Analýza výsledků zkoušek v sekci 2 odhalila, že v porovnání s porcelánovými izolátory se cesta průrazu u kompozitních izolátorů změnila a jejich odolnost proti ostrým vlnám výrazně klesla. Tato sekce používá simulaci k výpočtu rozdělení elektrického pole kompozitního izolátoru na vrcholu impulzního napětí, s cílem prozkoumat příčiny změny cesty průrazu a snížení odolnosti proti ostrým vlnám.

2.1 Simulační model

Pozorování z zkoušek impulzního průrazu ve vzduchu ukazují, že když dojde k flashoveru šupin u kompozitních izolátorů, oblouky se vyvíjejí po povrchu izolátoru k místu průrazu. Přítomnost oblouků ovlivňuje rozdělení elektrického pole a musí být zahrnuta do modelu. Nicméně, kvůli nepravidelnému tvaru oblouků by bylo obtížné vytvořit 3D model pro výpočet, zejména proto, že silikónová gumená vrstva je tenká a mnohem menší v rozměrech než celkový izolátor, což komplikuje 3D sítě. Proto pro kvalitativní analýzu vlivu silikónové gumené vrstvy a oblouků na rozdělení elektrického pole je v této sekci použit dvoudimenzionální ossově symetrický model pro zjednodušení. Simulační model je znázorněn na obrázku 5.

2.2 Materiály a okrajové podmínky

50% bleskového impulzního napětí flashoveru izolátoru je 145 kV, a vrcholová hodnota 2.8 p.u. ostrého frontu impulzního napětí je 406 kV. Protože většina zkoušených vzorků prošla průrazem s pozitivní polaritou, v simulaci je pin (ocelový pin) nastaven jako vysoký potenciál (406 kV) a kryt (ocelový kryt) jako nulový potenciál. Relativní permitivity materiálů jsou uvedeny v tabulce 2.

2.3 Výsledky a analýza simulace

V modelu bez silikónové gumené vrstvy je rozdělení elektrického pole porcelánového izolátoru na vrcholu ostrého frontu impulzního napětí znázorněno na obrázku 6(a). Jak je vidět na obrázku 6, intenzita elektrického pole je hlavně soustředěna na hlavici izolátoru, dosahující až 50 kV/mm, což naznačuje vysokou pravděpodobnost flashoveru hlavice – což je v souladu s praxí a souvisejícími studiemi.

Pro srovnávací analýzu vlivu silikónové gumené vrstvy bylo vypočteno rozdělení elektrického pole kompozitního izolátoru s jednorázově injekčně lisovanou silikónovou gumou, s výsledky znázorněnými na obrázku 6(b). Je vidět z obrázku 6(b), že maximální elektrické pole se objevuje na konci oblouku na spodním povrchu těla izolátoru, přibližně 219.4 kV/mm; intenzita pole na konci oblouku na horním povrchu je nižší, 41.21 kV/mm; a významné soustředění pole existuje také na hlavici pinu, s maximem 50.68 kV/mm.

Tak, pod vlivem silikónové gumené vrstvy se povrchová odporovost izolátoru zvýší, což výrazně zvýší poměr objemového kapacitního proudu k povrchovému odporovému proudu v šupinách. To vede k výraznému zvýšení složky elektrického pole kolmého na povrch izolátoru, což způsobí, že oblouk se těsně drží povrchu po svém vzniku.

Pod vlivem HTV vrstvy se povrchové oblouky šíří po povrchu izolátoru při působení ostrého frontu napětí, což vede k ostrému nárůstu lokální intenzity pole – daleko přesahující intenzitu na hlavici pinu – což zvyšuje pravděpodobnost průrazu na konci oblouku a vede k flashoveru šupin. To naznačuje, že odolnost proti ostrým vlnám je ovlivněna HTV vrstvou na povrchu šupin. Kromě toho simulace ukazuje relativně vysoké elektrické pole na hlavici izolátoru, což koreluje s pozorovanými flashovery hlavice v zkouškách.

3 Závěr

Byly provedeny zkoušky impulzního průrazu ve vzduchu na kompozitních izolátorech, aby byly analyzovány jejich vlastnosti průrazu ostrými vlnami, a byla provedena simulace rozdělení elektrického pole na vrcholu ostrého frontu napětí. Byly vyvozeny následující závěry:

• Při 2.8 p.u. ostrém frontu impulzního napětí došlo k průrazu 15 z 20 vzorků kompozitních izolátorů, z toho 80% došlo během prvních čtyř impulzů, což naznačuje, že přítomnost HTV silikónové gumené vrstvy významně snižuje odolnost proti ostrým vlnám u kompozitních izolátorů.

• Mezi 15 průrazy, kromě flashoverů na hlavici pinu, se šest odehrálo na šupinách, což naznačuje jasnou změnu v celkové cestě průrazu v porovnání s konvenčními porcelánovými izolátory.

• Výsledky simulace ukazují, že šíření povrchových oblouků u kompozitních izolátorů způsobuje výrazné zvýšení intenzity elektrického pole na šupinách na vrcholu napětí, dosahující 217.64 kV/mm, což zvyšuje pravděpodobnost flashoveru šupin. Naopak, u izolátorů bez silikónové gumené vrstvy je maximální pole během vývoje oblouku umístěno na hlavici pinu, dosahující 49.55 kV/mm, kde dojde k hlavnímu průrazu.