Stobblåsning af HTV-beklædte kompositporcelainsisolatorer: Mekanismer test og simulation

Porcelæn- og glasisolatorer har fremragende isolationsydelse og mekanisk styrke, men er påvirket af forureningsspark under alvorlig forurening, hvilket truer den stabile drift af strømnet. For at forbedre modstandskraften over for forureningsspark på eksterne isolatorer anvender producenter ofte væreltempervulcaniseret siliconekautschuk (RTV) belægninger med fremragende hydrofobiske og hydrofobi-overførselsegenskaber på isolatoroverflader, hvilket reducerer sparkrisici. I begyndelsen blev RTV-belægninger i Kina anvendt på stedet, en metode, der kendetegnes ved høj konstruktionsvanskelighed og ujævn kvalitetskontrol.

Derpå blev fabrikbaserede dypnings- eller sprøjtemetoder udviklet, hvilket gjorde det muligt at levere RTV-belaeggede isolatorer som færdige produkter, der er underlagt tilsyn og godkendelse, hvilket betydeligt forbedrede produktkvaliteten og fremme bred anvendelse i strømnet. RTV-belægninger lider dog af lav mekanisk styrke og svag interfacetilslutning til isoleringslegemet, hvilket gør dem sårbar over for skade fra eksterne kræfter under transport, konstruktion, installation og langvarig drift. Driftsrelaterede aldringssymptomer som afblødning, sprækning og delaminering er almindelige, hvilket kræver demontering og genbelægning, og resulterer i høje vedligeholdelsesomkostninger.

Diskhængende kompositporcelænisolatorer bruger et komplett porcelænisolator som kerne, med en højtempervulcaniseret siliconekautschuk (HTV) omhulling - minimum tykkelse på 3 mm - formet i en enkelt formningsproces ved højt temperaturinjicering. I forhold til RTV viser HTV bedre mekanisk styrke samt forbedret ydeevne i sporning og erosionsmodstand, brandhæmmende egenskaber, elektriske egenskaber, aldringsmodstand og højt temperaturudholdenhed.

Desuden forbedres interfacetilslutningsstyrken mellem porcelæn og HTV siliconekautschuk betydeligt ved at ændre glasur laget på porcelænsoverfladen og ved at anvende specialiserede koblingssmidse, hvilket fremmer integration og ensartethed af komponenten. Dermed tilbyder diskhængende kompositporcelænisolatorer bedre mekanisk og anti-forureningssparkydeevne med lave drifts- og vedligeholdelseskrav, og åbner en ny vej for eksterne isolationsanvendelser i transmissionslinjer.

Feltoplevelser indikerer, at når overskudsledninger rammes af lyn, indeholder den resulterende overspænding stejlfrontede impulser med ekstremt kort varighed, høj stejlhed og meget høje spidsvoltage, hvilket udgør betydelige trusler mod linjeisolatorer. Sådanne stejle impulser kan forårsage gennemgrib eller endda eksplosion af diskisolatorer, og i alvorlige tilfælde føre til strængbrud og linjenedtagning. Modstandskraft over for stejle impulser er en vigtig indikator for isolatorernes kvalitet.

Selvom omfattende forskning er foretaget på de stejle bølgers ydeevne hos porcelæn- og glasisolatorer både nationalt og internationalt, er studier af diskhængende kompositporcelænisolatorer stadig sjældne, og deres underliggende mekanismer er ikke godt forstået. Derfor foretager denne artikel impulsnedbrydningstests i luft på diskhængende kompositporcelænisolatorer for at undersøge deres nedbrydningskarakteristika ved stejle bølger.

Luftimpulsnedbrydningstester effektivt vurderer modstandskraft over for stejle bølger hos elektrisk udstyr, sikrer sikkerhed og pålidelighed under ekstreme forhold, og har stor værdi i kvalitetsvurdering af isolatorer. Dette studie udfører først impulsnedbrydningstester for at analysere ydeevnen ved stejle bølger, derefter opretter en simulering af elektrisk feltfordeling ved spidsen af stejle bølgevoltage baseret på testresultater for at udforske mekanismen bag ydeevnesvariationer, med henblik på at give vejledning for isolationskoordinering af kompositporcelænisolatorer i transmissionslinjer.

1 Luftimpulsnedbrydningstestopsætning

1.1 Prøveobjekt

En HU550B240/650T AC diskhængende kompositporcelænisolator produceret af en producent blev valgt som prøveobjekt. Isolatoren har en trippel-paraplystruktur, som vist på figur 1. Dens hovedydeevneparametre er angivet i tabel 1.

1.2 Testplatform og -schema
En 2400 kV impuls generator blev anvendt til testen. Isolatorens kappe blev placeret nedad på en jordet metalplade, og en standard bold sokkel blev installeret ved pindeenden for at forhindre for stor elektrisk feltkoncentration i cementerede områder omkring pinnen. Isolatorens opsætning er illustreret på figur 2.

Luftimpulsnedbrydningstester blev udført på i alt 20 isolatorprøver. Testmetoderne for luftimpulsnedbrydning er inddelede i stigningsmetoden og amplitudemetoden, hvor amplitudemetoden primært anvendes til diskisolatorer.

Dette studie anvendte amplitudemetoden, som ikke kræver lineæritet af impulsfronten, men kun bruger amplituden af nedbrydningsspændingen som kriterium, med fronttid kontrolleret mellem 100 og 200 ns og amplitudedeviation inden for ±10%. Under testen blev hver isolator udsat for fem positive polaritet impuls-spændinger, fulgt af fem negative polaritet impulser, og dette mønster gentog sig en gang. Intervallet mellem consecutive impulser blev holdt mellem 1 og 2 minutter.

Forskning fra både nationale og internationale kilder indikerer, at overfladen af isolatorer belagt med siliconekautschuk ændrer hastigheden for overfladespillen på porcelænisolatorer, hvilket fører til nedsat modstandskraft over for stejle impulser. Dog forbliver isolationsydeevnen ved isolatorhovedet uforandret i virkelig drift.

Dette fænomen er bekræftet af over ti nationale diskisolatorproducenter: uanset om profilformen er dyb ribbe eller alternativ paraplytype, eller om hovedstrukturen er cylindrisk eller kegleformet, viser alle isolatorer en grad af nedsat modstandskraft over for stejle bølger efter siliconekautschukbelægning.

Som resultat heraf er relevante standarder revideret, og amplituden for luftimpulsnedbrydningstesten for RTV-belaeggede diskisolatorer er reduceret fra 2.8 p.u. til 2.2 p.u. Foreløbige testresultater viser, at nedbrydning sjældent forekommer ved 2.2 p.u. Derfor blev porcelænisolatorer uden RTV-belægning valgt for dette studie, og luftimpulsnedbrydningstest blev udført ved standardtestspænding på 2.8 p.u., med voltage fronttid kontrolleret inden for 100-200 ns intervallet.

Yderligere statistisk analyse af spændingspolaritet og nedbrydningssted viste, at af 15 nedbrydningshændelser, forekom 14 under positiv polaritet og kun én under negativ polaritet. Af de positive polaritetsnedbrydninger forekom 8 ved hovedet og 6 ved skærmene; den eneste negative polaritetsnedbrydning forekom ved hovedet. Desuden blev bueformation observeret på isolatoroverfladen før skærmnedbrydninger, mens ingen sådan bueformation blev observeret under hovednedbrydninger.

Men i referencen forekom alle stejle frontnedbrydninger af porcelænisolatorer ved hovedet, og i referencen brød porcelænisolatorer ned ved hovedet både før og efter RTV-belægning. Imidlertid viser denne test, at uden engangsinjicering af HTV-overdrag, forekom stejle bølgenedbrydninger i samme batch af porcelænisolatorer udelukkende ved hovedet. Efter HTV-overforming forekom nedbrydninger i de komposite porcelænisolatorer ikke kun ved hovedet, men også ved nakken, hvilket indikerer, at HTV siliconekautschukbelægningen ændrer nedbrydningsspor.

Antallet af impulser inden nedbrydning blev registreret, med resultater vist på figur 4. Som illustreret brød 12 isolatorer ned inden for de første fem impulser, en brød ned på den 7. impulse, og to brød ned på den 15. impulse. Referencer indikerer, at porcelænisolatorer belagt med RTV viser en betydelig reduktion i modstandskraft over for stejle bølger, med højere nedbrydningssandsynlighed for større tonnage isolatorer, hvilket antyder, at siliconekautschukbelægning forringes modstandskraft over for stejle bølger. I denne test brød 80% af HTV-overformede komposite isolatorer ned inden for de første fire impulser, hvilket yderligere demonstrerer, at tilstedeværelsen af HTV siliconekautschuk betydeligt reducerer isolatorernes evne til at modstå stejle frontimpulser.

3 Elektrisk feltfordelingssimulation ved top af stejle bølgevoltage

Analyse af testresultaterne i afsnit 2 viser, at sammenlignet med porcelænisolatorer, har nedbrydningsspor for kompositive isolatorer ændret sig, og deres modstandskraft over for stejle bølger er betydeligt reduceret. Dette afsnit anvender simulation til at beregne elektrisk feltfordeling for den kompositive isolator ved toppen af impuls-voltage, med henblik på at undersøge årsagerne til det ændrede nedbrydningsspor og den reducerede modstandskraft over for stejle bølger.

2.1 Simulationsmodel

Observationer fra luftimpulsnedbrydningstest indikerer, at når skærmflashover forekommer i kompositive isolatorer, udvikler buer sig langs isolatoroverfladen til nedbrydningstedet. Tilstedeværelsen af buer påvirker elektrisk feltfordeling og skal tages i betragtning i modellen. Men på grund af de uregelmæssige former for buer, ville det være udfordrende at oprette en 3D-model til beregning, især da siliconekautschukslaget er tyndt og meget mindre i dimension sammenlignet med den samlede isolator, hvilket gør 3D-meshing vanskelig. Derfor bliver en todimensionel akset symmetrisk model anvendt for forenkling i dette afsnit. Simulationsmodellen er vist på figur 5.

2.2 Materialer og randbetingelser

Isolatorens 50% lynimpuls flashoverspænding er 145 kV, og spidsen for 2.8 p.u. stejl frontimpuls-spænding er 406 kV. Da de fleste prøver oplevede positive polaritetsnedbrydning, er pinnen (stålpinde) sat som højt potentiale (406 kV) og kappe (stålkappe) som nulpotentiale i simulationen. De relative permittivitetsværdier for materialerne er angivet i tabel 2.

2.3 Simulationsresultater og analyse

I modellen uden siliconekautschukbelægning viser elektrisk feltfordeling for porcelænisolatoren ved toppen af stejl frontimpuls-spændingen på figur 6(a). Som ses på figur 6, er elektrisk feltintensitet hovedsagelig koncentreret ved isolatorhovedet, opnår op til 50 kV/mm, hvilket indikerer en høj sandsynlighed for hovedflashover - i overensstemmelse med feltoplevelser og relaterede studier.

For at sammenligne effekten af siliconekautschukbelægningen, blev elektrisk feltfordeling for kompositive isolatormodel med engangsinjiceret siliconekautschuk beregnet, med resultater vist på figur 6(b). Det kan ses på figur 6(b), at maksimalt elektrisk felt forekommer ved enden af bue på den nedre overflade af isoleringslegemet, ca. 219.4 kV/mm; feltstyrken ved bueenden på den øvre overflade er lavere, 41.21 kV/mm; og betydelig feltkoncentration findes også ved pinnens hoved, med maksimum 50.68 kV/mm.

Således, under påvirkning af siliconekautschukbelægningen, øges overfladefriktionen for isolator, hvilket betydeligt hæver forholdet mellem volumen kapacitiv strøm og overfladefriktionsstrøm i skærmene. Dette fører til en betydelig stigning i det elektriske feltkomponent, der er vinkelret på isolatoroverfladen, hvilket får bue til at følge overfladen tæt efter initiering.

Under HTV-belægnings påvirkning, bevæger overfladebuers sig langs isolatoroverfladen, når de udsættes for stejl frontspænding, hvilket fører til en skarp stigning i lokal feltstyrke - langt overstiger den ved pinnens hoved - hvilket gør nedbrydning mere sandsynlig ved buepunktet og fører til skærmflashover. Dette indikerer, at modstandskraft over for stejle bølger påvirkes af HTV-belægningen på skærmoverfladen. Desuden viser simulationen en relativt høj elektrisk felt ved isolatorhovedet, hvilket korrelerer med de observerede hovedflashover i tester.

3 Konklusion

Luftimpulsnedbrydningstester blev udført på kompositive isolatorer for at analysere deres nedbrydningskarakteristika ved stejle bølger, og elektrisk feltfordelingssimulationer blev udført ved toppen af stejl frontspænding. Følgende konklusioner blev trukket:

• Under 2.8 p.u. stejl frontimpuls-spænding, oplevede 15 ud af 20 kompositive isolatorprøver nedbrydning, hvor 80% forekom inden for de første fire impulser, hvilket indikerer, at tilstedeværelsen af HTV siliconekautschuk betydeligt reducerer modstandskraft over for stejle bølger for kompositive isolatorer.

• Af de 15 nedbrydningshændelser, forekom ud over flashover ved pinnens hoved, seks ved skærmene, hvilket indikerer en klar ændring i det samlede nedbrydningsspor sammenlignet med konventionelle porcelænisolatorer.

• Simulationsresultater viser, at overfladebuespreading i kompositive isolatorer fører til en betydelig stigning i skærm-elektrisk feltintensitet ved spidsen af spændingen, opnår 217.64 kV/mm, hvilket gør skærmflashover mere sandsynlig. I modsætning hertil, for isolatorer uden siliconekautschuklag, er det maksimale felt under bueudvikling placeret ved pinnens hoved, opnår 49.55 kV/mm, hvor nedbrydning primært forekommer.