Steilflankiger Impulsabstand von HTV-beschichteten Verbundporzellanisolatoren: Mechanismen Test und Simulation

Porzellan- und Glasisolatoren weisen ausgezeichnete Isolierleistung und mechanische Stärke auf, sind jedoch unter schwerer Kontamination anfällig für Verschmutzungsschläge, die die stabile Betrieb der Stromnetze bedrohen. Um die Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzungsschläge bei externer Isolierung zu erhöhen, wenden Hersteller häufig Raumtemperatur-vulkanisierte Silikonkautschuk-Beschichtungen (RTV) mit hervorragender Hydrophobie und Hydrophobieübertragungseigenschaften auf die Isolatoroberflächen an, um das Risiko von Schlägen zu reduzieren. Anfänglich wurden RTV-Beschichtungen in China vor Ort angewendet, eine Methode, die durch hohe Baukomplexität und ungleichmäßige Qualitätskontrolle gekennzeichnet ist.

Im Anschluss wurden werkstattbasierte Tauch- oder Spritzverfahren entwickelt, die es ermöglichten, RTV-beschichtete Isolatoren als vollständige Produkte unter Aufsicht und Abnahme zu liefern, was die Produktqualität erheblich verbesserte und ihre weit verbreitete Nutzung in Stromnetzen förderte. RTV-Beschichtungen leiden jedoch an geringer mechanischer Stärke und schwacher interfacialer Haftung an dem isolierenden Körper, was sie während des Transports, der Montage, der Installation und des langfristigen Betriebs anfällig für Schäden durch äußere Kräfte macht. Alterungserscheinungen im Betrieb wie Blasenbildung, Risse und Abplatzen sind häufig, was die Demontage und Nachbeschichtung erforderlich macht, was hohe Wartungskosten verursacht.

Scheiben-Suspensions-Kompositporzellanisolatoren nutzen einen vollständigen Porzellanisolator als Kern, mit einer hochtemperaturvulkanisierten Silikonkautschuk-Ummantelung (HTV) – mindestens 3 mm dick – die in einem einzigen Formprozess durch Hochtemperatur-Injektion hergestellt wird. Im Vergleich zu RTV zeigt HTV höhere mechanische Stärke sowie verbesserte Leistung in Bezug auf Bahnwanderungswiderstand, Brandhemmung, elektrische Eigenschaften, Alterungsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit.

Darüber hinaus wird durch die Modifikation der Glanzschicht auf der Porzellanoberfläche und den Einsatz spezieller Koppelagentien die interfaciale Bindungsstärke zwischen Porzellan und HTV-Silikonkautschuk erheblich verbessert, was zur Integration und Gleichmäßigkeit des Bauteils beiträgt. Daher bieten Scheiben-Suspensions-Kompositporzellanisolatoren überlegene mechanische und anti-Verschmutzungsschlagleistung mit geringen Betriebs- und Wartungsanforderungen, was einen neuen Weg für externe Isolieranwendungen in Übertragungsleitungen eröffnet.

Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass wenn Freileitungen von Blitzschlägen getroffen werden, das resultierende Überspannungssignal steile Impulse mit extrem kurzer Dauer, hoher Steilheit und sehr hohen Spitzenwerten enthält, die erhebliche Bedrohungen für Leitungsisolatoren darstellen. Solche steilen Impulse können zu Durchschlag oder sogar Explosion von Scheibenisolatoren führen und in schweren Fällen zu Spannungsstangenbrüchen und Leitungsausfällen. Die Widerstandsfähigkeit gegen steile Impulse ist ein entscheidender Indikator für die Qualität von Isolatoren.

Obwohl sowohl in- als auch ausländisch umfangreiche Forschungen zur Steilwellenleistung von Porzellan- und Glasisolatoren durchgeführt wurden, gibt es nur wenige Studien zu Scheiben-Suspensions-Kompositporzellanisolatoren, und deren zugrunde liegende Mechanismen sind nicht gut verstanden. Daher führt diese Arbeit Impulsdurchschlagsversuche in Luft an Scheiben-Suspensions-Kompositporzellanisolatoren durch, um ihre Steilwellendurchschlagscharakteristika zu untersuchen.

Luftimpulsdurchschlagsversuche bewerten effektiv die Widerstandsfähigkeit von elektrischen Geräten gegen steile Wellen, stellen Sicherheit und Zuverlässigkeit unter Extrembedingungen sicher und haben einen hohen Wert für die Bewertung der Isolatorqualität. Diese Studie führt zunächst Impulsdurchschlagsversuche durch, um die Steilwellenleistung zu analysieren, und erstellt dann basierend auf den Testergebnissen eine Simulationsmodellierung der elektrischen Feldverteilung beim Spitzenwert der steilen Wellenspannung, um den Mechanismus der Leistungsänderung zu erforschen, mit dem Ziel, Anleitung für die Isolationskoordination von Kompositporzellanisolatoren in Übertragungsleitungen zu geben.

1 Luftimpulsdurchschlagsversuchsaufbau

1.1 Probekörper

Als Testprobekörper wurde der HU550B240/650T Wechselstrom-Scheiben-Suspensions-Kompositporzellanisolator eines Herstellers ausgewählt. Der Isolator hat eine Dreifach-Regenschirmstruktur, wie in Abbildung 1 dargestellt. Seine Hauptleistungsparameter sind in Tabelle 1 aufgelistet.

1.2 Testplattform und -konzept
Für den Test wurde ein 2400 kV Impuls-Spannungsgenerator verwendet. Der Isolatorkopf wurde nach unten auf eine geerdete Metallplatte platziert, und an der Nietenstelle wurde eine Standardkugelschale installiert, um eine übermäßige Elektrizitätsfeldkonzentration in der Zementbereich um die Niete zu vermeiden. Die Isolatorenaufstellung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Insgesamt wurden Luftimpulsdurchschlagsversuche an 20 Isolatorproben durchgeführt. Die Testmethoden für Luftimpulsdurchschläge werden in die Steilheitsmethode und die Amplitudenmethode unterteilt, wobei die Amplitudenmethode hauptsächlich für Scheibenisolatoren verwendet wird.

Diese Studie verwendete die Amplitudenmethode, die keine Linearität des Impulsfronten erfordert, sondern nur die Amplitude der Durchschlagspannung als Kriterium verwendet, wobei die Frontzeit zwischen 100 und 200 ns und die Amplitudenabweichung innerhalb von ±10% kontrolliert wird. Während des Tests wurde jeder Isolator fünf positiv polarisierte Impulsspannungen und anschließend fünf negativ polarisierte Impulse ausgesetzt, und dieser Ablauf wurde einmal wiederholt. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen wurde zwischen 1 und 2 Minuten gehalten.

Forschungen sowohl in- als auch ausländisch deuten darauf hin, dass die Beschichtung von Isolatoroberflächen mit Silikonkautschuk die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenentladungen an Porzellanisolatoren verändert, was zu einer Verringerung der Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse führt. Allerdings bleibt die Isolierleistung am Kopf des Isolators im tatsächlichen Betrieb unbeeinflusst.

Dieses Phänomen wurde von mehr als zehn inländischen Scheibenisolatorherstellern bestätigt: Unabhängig davon, ob die Profilform tiefrippig oder abwechselnd regenschirmartig ist, oder ob die Kopfstruktur zylindrisch oder kegelförmig ist, zeigen alle Isolatoren nach der Beschichtung mit Silikonkautschuk eine gewisse Reduzierung der Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse.

Daher wurden relevante Standards überarbeitet, indem die Amplitude des Luftimpulsdurchschlagsversuchs für RTV-beschichtete Scheibenisolatoren von 2,8 p.u. auf 2,2 p.u. reduziert wurde. Vorläufige Testergebnisse zeigen, dass bei 2,2 p.u. selten Durchschläge auftreten. Daher wurde in dieser Studie Porzellanisolatoren ohne RTV-Beschichtung ausgewählt und Luftimpulsdurchschlagsversuche bei der Standardtestspannung von 2,8 p.u. durchgeführt, wobei die Spannungsfrontzeit innerhalb des Bereichs von 100–200 ns kontrolliert wurde.

Eine weitere statistische Analyse der Spannungspolarität und des Durchschlagsortes zeigte, dass von 15 Durchschlägen 14 unter positiver Polarität und nur einer unter negativer Polarität auftraten. Unter den Durchschlägen mit positiver Polarität traten 8 am Kopf und 6 an den Regenschirmen auf; der einzige Durchschlag mit negativer Polarität trat am Kopf auf. Darüber hinaus wurde vor Durchschlägen an den Regenschirmen Bogenentladungen auf der Isolatoroberfläche beobachtet, während dies bei Durchschlägen am Kopf nicht der Fall war.

Allerdings traten in der Referenz alle steilen Wellendurchschläge an Porzellanisolatoren am Kopf auf, und in der Referenz traten Durchschläge an Porzellanisolatoren sowohl vor als auch nach der RTV-Beschichtung am Kopf auf. Im Gegensatz dazu zeigt dieser Test, dass ohne die einstufige Spritzgieß-HTV-Ummantelung die steilen Wellendurchschläge in derselben Charge von Porzellanisolatoren ausschließlich am Kopf auftraten. Nach der HTV-Ummantelung traten Durchschläge in den Kompositporzellanisolatoren nicht nur am Kopf, sondern auch am Hals auf, was darauf hindeutet, dass die HTV-Silikonkautschuk-Beschichtung den Durchschlagspfad verändert.

Die Anzahl der Impulse vor dem Durchschlag wurde protokolliert, mit Ergebnissen in Abbildung 4 dargestellt. Wie dargestellt brachen 12 Isolatoren innerhalb der ersten fünf Impulse zusammen, einer brach auf dem 7. Impuls zusammen, und zwei brachen auf dem 15. Impuls zusammen. Die Referenz deutet darauf hin, dass Porzellanisolatoren, die mit RTV beschichtet sind, eine erhebliche Reduzierung der Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse aufweisen, wobei größere Tonnen-Isolatoren ein höheres Durchschlagrisiko aufweisen, was darauf hindeutet, dass die Silikonkautschuk-Beschichtung die Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse verringert. In diesem Test brachen 80% der HTV-ummantelten Kompositisolatoren innerhalb der ersten vier Impulse zusammen, was weiterhin verdeutlicht, dass die Anwesenheit von HTV-Silikonkautschuk die Fähigkeit des Isolators, steile Wellenimpulse zu widerstehen, erheblich verringert.

3 Simulation der elektrischen Feldverteilung beim Spitzenwert der steilen Wellenspannung

Die Analyse der Testergebnisse in Abschnitt 2 zeigt, dass im Vergleich zu Porzellanisolatoren sich der Durchschlagspfad von Kompositisolatoren verändert hat und ihre Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse erheblich verringert wurde. Dieser Abschnitt verwendet Simulationen, um die elektrische Feldverteilung des Kompositisolators beim Spitzenwert der Impulsspannung zu berechnen, um die Ursachen für den veränderten Durchschlagspfad und die verringerte Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse zu untersuchen.

2.1 Simulationsmodell

Beobachtungen aus den Luftimpulsdurchschlagsversuchen zeigen, dass bei Durchschlägen an den Regenschirmen von Kompositisolatoren Bögen entlang der Isolatoroberfläche zum Durchschlagsort entstehen. Die Anwesenheit von Bögen beeinflusst die elektrische Feldverteilung und muss im Modell berücksichtigt werden. Allerdings stellt die unregelmäßige Form der Bögen die Erstellung eines 3D-Modells für Berechnungen herausfordernd dar, insbesondere da die Silikonkautschukschicht dünn und viel kleiner in Dimensionen im Vergleich zum gesamten Isolator ist, was die 3D-Netzgenerierung erschwert. Daher wird in diesem Abschnitt zur qualitativen Analyse des Einflusses der Silikonkautschukschicht und der Bögen auf die elektrische Feldverteilung ein zweidimensionales axialsymmetrisches Modell zur Vereinfachung verwendet. Das Simulationsmodell ist in Abbildung 5 dargestellt.

2.2 Materialien und Randbedingungen

Die 50%-Blitzimpulsdurchschlagspannung des Isolators beträgt 145 kV, und der Spitzenwert der 2,8 p.u. steilen Wellenspannung beträgt 406 kV. Da die meisten Testproben positive Durchschläge aufwiesen, wird in der Simulation die Niete (Stahlniete) als hohe Potential (406 kV) und die Kappe (Stahlkappe) als Nullpotential eingestellt. Die relativen Permittivitätswerte der Materialien sind in Tabelle 2 aufgelistet.

2.3 Simulationsergebnisse und -analyse

Im Modell ohne Silikonkautschuk-Beschichtung ist die elektrische Feldverteilung des Porzellanisolators beim Spitzenwert der steilen Wellenspannung in Abbildung 6(a) dargestellt. Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, konzentriert sich die elektrische Feldstärke hauptsächlich am Kopf des Isolators, erreicht bis zu 50 kV/mm, was auf eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Kopfdurchschlags hindeutet – dies ist konsistent mit der Felderfahrung und relevanten Studien.

Um den Einfluss der Silikonkautschuk-Beschichtung vergleichend zu analysieren, wurde die elektrische Feldverteilung des Kompositisolatormodells mit einstufiger Spritzgieß-Silikonkautschuk-Beschichtung berechnet, mit Ergebnissen in Abbildung 6(b) dargestellt. Es kann aus Abbildung 6(b) beobachtet werden, dass die maximale elektrische Feldstärke am Ende des Bogens auf der unteren Fläche des Isolierkörpers auftritt, etwa 219,4 kV/mm; die Feldstärke am Bogenende auf der oberen Fläche ist niedriger, bei 41,21 kV/mm; und es gibt auch eine erhebliche Feldkonzentration am Kopf der Niete, mit einem Maximum von 50,68 kV/mm.

Unter dem Einfluss der Silikonkautschuk-Beschichtung nimmt die Oberflächenwiderstandszahl des Isolators zu, was das Verhältnis des volumetrischen kapazitiven Stroms zum oberflächenresistiven Strom in den Regenschirmen erheblich erhöht. Dies führt zu einer erheblichen Zunahme der elektrischen Feldkomponente senkrecht zur Isolatoroberfläche, was dazu führt, dass der Bogen nach seiner Entstehung eng an der Oberfläche folgt.

Unter dem Einfluss der HTV-Beschichtung wandern die Oberflächenbögen an der Isolatoroberfläche, wenn sie einer steilen Wellenspannung ausgesetzt sind, was zu einem scharfen Anstieg der lokalen Feldstärke führt – weit über die am Kopf der Niete – was Durchschläge am Bogenende wahrscheinlicher macht und zu Durchschlägen an den Regenschirmen führt. Dies deutet darauf hin, dass die Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse durch die HTV-Beschichtung an der Regenschirmoberfläche beeinflusst wird. Darüber hinaus zeigt die Simulation eine relativ hohe elektrische Feldstärke am Kopf des Isolators, was mit den beobachteten Kopfdurchschlägen in den Tests korreliert.

3 Schlussfolgerung

Luftimpulsdurchschlagsversuche an Kompositisolatoren wurden durchgeführt, um ihre Steilwellendurchschlagscharakteristika zu analysieren, und Simulationen der elektrischen Feldverteilung beim Spitzenwert der steilen Wellenspannung wurden durchgeführt. Die folgenden Schlussfolgerungen wurden gezogen:

• Bei 2,8 p.u. steiler Wellenspannung traten 15 von 20 Kompositisolatorproben Durchschläge auf, wobei 80% innerhalb der ersten vier Impulse auftraten, was darauf hindeutet, dass die Anwesenheit von HTV-Silikonkautschuk die Widerstandsfähigkeit gegen steile Wellenimpulse von Kompositisolatoren erheblich verringert.

• Von den 15 Durchschlägen traten neben Durchschlägen am Kopf der Niete sechs an den Regenschirmen auf, was auf eine klare Veränderung des Gesamtdurchschlagspfades im Vergleich zu herkömmlichen Porzellanisolatoren hindeutet.

• Simulationsergebnisse zeigen, dass die Oberflächenbogenpropagation in Kompositisolatoren zu einer erheblichen Zunahme der Regenschirmfeldstärke beim Spitzenwert der Spannung führt, die 217,64 kV/mm erreicht, was Durchschläge an den Regenschirmen wahrscheinlicher macht. Im Gegensatz dazu liegt bei Isolatoren ohne Silikonkautschukschicht die maximale Feldstärke während der Bogenentwicklung am Kopf der Niete, bei 49,55 kV/mm, wo die Durchschläge hauptsächlich auftreten.