Descomposición por Impulso de Frente Escarpado de Aisladores Compuestos de Porcelana con Recubrimiento HTV: Mecanismos Pruebas y Simulación

Los aisladores de porcelana y vidrio exhiben un excelente rendimiento de aislamiento y resistencia mecánica, pero son propensos a la descarga por contaminación bajo severa contaminación, lo que amenaza la operación estable de las redes eléctricas. Para mejorar la resistencia a la descarga por contaminación del aislamiento externo, los fabricantes comúnmente aplican recubrimientos de silicona de vulcanización a temperatura ambiente (RTV) con excelentes propiedades hidrofóbicas y de transferencia de hidrofobicidad sobre las superficies de los aisladores, reduciendo así los riesgos de descarga. Inicialmente, en China, los recubrimientos RTV se aplicaban en el sitio, un método caracterizado por su alta dificultad de construcción y control de calidad inconsistente.

Posteriormente, se desarrollaron procesos de inmersión o pulverización en fábrica, lo que permitió que los aisladores recubiertos con RTV se entregaran como productos completos sujetos a supervisión y aceptación, mejorando significativamente la calidad del producto y promoviendo su adopción generalizada en las redes eléctricas. Sin embargo, los recubrimientos RTV sufren de baja resistencia mecánica y débil adherencia interfacial al cuerpo aislante, lo que los hace susceptibles a daños por fuerzas externas durante el transporte, la construcción, la instalación y la operación a largo plazo. Los fenómenos de envejecimiento operativo, como la desprendimiento, grietas y delaminación, son comunes, lo que requiere desmontaje y re-recubrimiento, resultando en altos costos de mantenimiento.

Los aisladores compuestos de suspensión de disco de porcelana utilizan un aislador completo de porcelana como núcleo, con una funda de silicona de vulcanización a alta temperatura (HTV) -con un espesor mínimo de 3 mm- formada en un solo proceso de moldeo por inyección a alta temperatura. En comparación con el RTV, el HTV demuestra una mayor resistencia mecánica, así como un rendimiento mejorado en resistencia al rastreo y erosión, retardancia al fuego, propiedades eléctricas, resistencia al envejecimiento y resistencia a altas temperaturas.

Además, mediante la modificación de la capa de esmalte en la superficie de la porcelana y el uso de agentes de acoplamiento especializados, se mejora significativamente la resistencia de unión interfacial entre la porcelana y el caucho de silicona HTV, promoviendo la integración y uniformidad del componente. Por lo tanto, los aisladores compuestos de suspensión de disco de porcelana ofrecen un rendimiento superior en términos de resistencia mecánica y anti-descarga por contaminación, con bajos requisitos de operación y mantenimiento, abriendo un nuevo camino para las aplicaciones de aislamiento externo en líneas de transmisión.

La experiencia en campo indica que cuando las líneas aéreas son alcanzadas por rayos, el sobretensión resultante contiene impulsos de frente empinado de duración extremadamente corta, alta pendiente y voltajes pico muy altos, lo que supone una amenaza significativa para los aisladores de línea. Tales impulsos de frente empinado pueden causar perforación o incluso explosión de los aisladores de disco, y en casos graves, pueden llevar a la ruptura de cadenas y caída de líneas. La capacidad de soportar impulsos de frente empinado es un indicador crítico de la calidad de los aisladores.

Aunque se ha realizado una amplia investigación sobre el rendimiento de onda empinada de aisladores de porcelana y vidrio tanto a nivel nacional como internacional, los estudios sobre aisladores compuestos de suspensión de disco de porcelana siguen siendo escasos, y sus mecanismos subyacentes no están bien comprendidos. Por lo tanto, este artículo realiza pruebas de rotura por impulso en aire en aisladores compuestos de suspensión de disco de porcelana para investigar sus características de rotura por onda empinada.

Las pruebas de rotura por impulso en aire evalúan eficazmente el rendimiento de soporte de ondas empinadas de equipos eléctricos, garantizando la seguridad y confiabilidad en condiciones extremas, y tienen un valor significativo en la evaluación de la calidad de los aisladores. Este estudio realiza primero pruebas de rotura por impulso para analizar el rendimiento de onda empinada, luego establece una simulación de distribución de campo eléctrico en el pico de tensión de onda empinada basada en los resultados de las pruebas para explorar el mecanismo de variación del rendimiento, con el objetivo de proporcionar orientación para la coordinación de aislamiento de aisladores compuestos de porcelana en líneas de transmisión.

1 Configuración de la prueba de rotura por impulso en aire

1.1 Muestra

Se seleccionó el aislador compuesto de suspensión de disco HU550B240/650T AC producido por un fabricante como muestra de prueba. El aislador tiene una estructura de triple paraguas, como se muestra en la Figura 1. Sus principales parámetros de rendimiento se enumeran en la Tabla 1.

1.2 Plataforma de prueba y esquema
Se utilizó un generador de tensión de impulso de 2400 kV para la prueba. La tapa del aislador se colocó hacia abajo en una placa metálica a tierra, y se instaló un zócalo estándar de bola en el extremo del perno para prevenir la concentración excesiva del campo eléctrico en el área cementada alrededor del perno. La configuración del aislador se ilustra en la Figura 2.

Se realizaron pruebas de rotura por impulso en aire en un total de 20 muestras de aisladores. Los métodos de prueba para la rotura por impulso en aire se categorizan en el método de pendiente y el método de amplitud, siendo el método de amplitud principalmente utilizado para aisladores de disco.

Este estudio empleó el método de amplitud, que no requiere linealidad del frente del impulso, sino que utiliza únicamente la amplitud de la tensión de rotura como criterio, con el tiempo de frente controlado entre 100 y 200 ns y la desviación de amplitud dentro de ±10%. Durante la prueba, cada aislador se sometió a cinco impulsos de polaridad positiva seguidos de cinco impulsos de polaridad negativa, y esta secuencia se repitió una vez. El intervalo entre impulsos consecutivos se mantuvo entre 1 y 2 minutos.

Las investigaciones nacionales e internacionales indican que recubrir las superficies de los aisladores con caucho de silicona altera la tasa de propagación de los streamers de superficie en aisladores de porcelana, lo que lleva a una reducción del rendimiento de soporte de impulsos de frente empinado. Sin embargo, el rendimiento de aislamiento en la cabeza del aislador permanece inalterado en la operación real.

Este fenómeno ha sido confirmado por más de diez fabricantes nacionales de aisladores de disco: independientemente de si el perfil de los dientes es de tipo ribete profundo o alternado, o si la estructura de la cabeza es cilíndrica o cónica, todos los aisladores exhiben algún grado de reducción en el rendimiento de rotura por onda empinada después del recubrimiento con caucho de silicona.

Como resultado, se han revisado los estándares relevantes, reduciendo la amplitud de la prueba de rotura por impulso en aire para aisladores de disco recubiertos con RTV de 2.8 p.u. a 2.2 p.u. Los resultados preliminares muestran que rara vez ocurre la rotura a 2.2 p.u. Por lo tanto, este estudio seleccionó aisladores de porcelana sin recubrimiento RTV y realizó pruebas de rotura por impulso en aire a la tensión de prueba estándar de 2.8 p.u., con el tiempo de frente de la tensión controlado dentro del rango de 100-200 ns.

Un análisis estadístico adicional de la polaridad de la tensión y la ubicación de la rotura reveló que, de 15 eventos de rotura, 14 ocurrieron con polaridad positiva y solo uno con polaridad negativa. Entre las roturas de polaridad positiva, 8 ocurrieron en la cabeza y 6 en los dientes; la única rotura de polaridad negativa ocurrió en la cabeza. Además, se observaron arcos en la superficie del aislador antes de las roturas en los dientes, mientras que no se observaron tales arcos durante las roturas en la cabeza.

Sin embargo, en referencia, todas las roturas de frente empinado de aisladores de porcelana ocurrieron en la cabeza, y en referencia, los aisladores de porcelana se rompieron en la cabeza tanto antes como después del recubrimiento RTV. En contraste, esta prueba muestra que sin el recubrimiento HTV de inyección en un solo paso, las roturas de onda empinada en el mismo lote de aisladores de porcelana ocurrieron exclusivamente en la cabeza. Después del revestimiento HTV, las roturas en los aisladores compuestos de porcelana ocurrieron no solo en la cabeza sino también en el cuello, lo que indica que el recubrimiento de caucho de silicona HTV altera la ruta de rotura.

Se registró el número de aplicaciones de impulso antes de la rotura, con resultados mostrados en la Figura 4. Como se ilustra, 12 aisladores se rompieron dentro de los primeros cinco impulsos, uno se rompió en el 7º impulso y dos se rompieron en el 15º impulso. La referencia indica que los aisladores de porcelana recubiertos con RTV exhiben una reducción significativa en el rendimiento de soporte de ondas empinadas, con una mayor probabilidad de rotura para aisladores de mayor tonelaje, sugiriendo que el recubrimiento de caucho de silicona degrada la resistencia a las ondas empinadas. En esta prueba, el 80% de los aisladores compuestos revestidos con HTV se rompieron dentro de los primeros cuatro impulsos, demostrando aún más que la presencia de caucho de silicona HTV reduce significativamente la capacidad del aislador para soportar impulsos de frente empinado.

3 Simulación de la distribución de campo eléctrico en el pico de tensión de onda empinada

El análisis de los resultados de las pruebas en la Sección 2 revela que, en comparación con los aisladores de porcelana, la ruta de rotura de los aisladores compuestos ha cambiado y su rendimiento de soporte de ondas empinadas ha disminuido significativamente. Esta sección emplea la simulación para calcular la distribución de campo eléctrico del aislador compuesto en el pico de la tensión de impulso, con el objetivo de investigar las causas del cambio en la ruta de rotura y la disminución del rendimiento de onda empinada.

2.1 Modelo de simulación

Las observaciones de las pruebas de rotura por impulso en aire indican que, cuando ocurre la flashover en los dientes de los aisladores compuestos, los arcos se desarrollan a lo largo de la superficie del aislador hasta la ubicación de la rotura. La presencia de arcos influye en la distribución del campo eléctrico y debe considerarse en el modelo. Sin embargo, debido a la forma irregular de los arcos, establecer un modelo 3D para el cálculo sería desafiante, especialmente porque la capa de caucho de silicona es delgada y mucho más pequeña en dimensión en comparación con el aislador en su conjunto, lo que dificulta el mallado 3D. Por lo tanto, para analizar cualitativamente el impacto de la capa de caucho de silicona y los arcos en la distribución del campo eléctrico, se adopta un modelo bidimensional axialsimétrico para simplificar en esta sección. El modelo de simulación se muestra en la Figura 5.

2.2 Materiales y condiciones de frontera

La tensión de flashover de impulso de rayo al 50% del aislador es de 145 kV, y el valor pico de la tensión de impulso de frente empinado de 2.8 p.u. es de 406 kV. Dado que la mayoría de las muestras de prueba experimentaron rotura de polaridad positiva, en la simulación, el perno (perno de acero) se configura como alto potencial (406 kV) y la tapa (tapa de acero) como potencial cero. Los valores de permitividad relativa de los materiales se enumeran en la Tabla 2.

2.3 Resultados y análisis de la simulación

En el modelo sin recubrimiento de caucho de silicona, la distribución de campo eléctrico del aislador de porcelana en el pico de la tensión de impulso de frente empinado se muestra en la Figura 6(a). Como se ve en la Figura 6, la intensidad del campo eléctrico se concentra principalmente en la cabeza del aislador, alcanzando hasta 50 kV/mm, lo que indica una alta probabilidad de flashover en la cabeza, consistente con la experiencia en campo y los estudios relacionados.

Para analizar comparativamente el efecto del recubrimiento de caucho de silicona, se calculó la distribución de campo eléctrico del modelo de aislador compuesto con caucho de silicona de inyección en un solo paso, con resultados mostrados en la Figura 6(b). Se puede observar en la Figura 6(b) que el campo eléctrico máximo ocurre en el extremo del arco en la superficie inferior del cuerpo aislante, aproximadamente 219.4 kV/mm; la intensidad del campo en el extremo del arco en la superficie superior es menor, de 41.21 kV/mm; y también existe una concentración significativa del campo en la cabeza del perno, con un máximo de 50.68 kV/mm.

Por lo tanto, bajo la influencia del recubrimiento de caucho de silicona, la resistividad superficial del aislador aumenta, elevando significativamente la relación de corriente capacitiva volumétrica a corriente resistiva superficial en los dientes. Esto lleva a un aumento sustancial en el componente del campo eléctrico perpendicular a la superficie del aislador, haciendo que el arco siga de cerca la superficie después de iniciarse.

Bajo la influencia del recubrimiento HTV, los arcos de superficie se propagan a lo largo de la superficie del aislador cuando se someten a tensión de frente empinado, lo que resulta en un aumento brusco de la intensidad del campo local, superando con creces la del perno, lo que hace que la rotura sea más probable en la punta del arco y lleve a la flashover en los dientes. Esto indica que el rendimiento de soporte de ondas empinadas se ve afectado por el recubrimiento HTV en la superficie de los dientes. Además, la simulación muestra un campo eléctrico relativamente alto en la cabeza del aislador, lo que se correlaciona con las flashovers en la cabeza observadas en las pruebas.

3 Conclusión

Se realizaron pruebas de rotura por impulso en aire en aisladores compuestos para analizar sus características de rotura por onda empinada, y se realizaron simulaciones de distribución de campo eléctrico en el pico de la tensión de frente empinado. Se obtuvieron las siguientes conclusiones:

• Bajo una tensión de impulso de frente empinado de 2.8 p.u., 15 de 20 muestras de aisladores compuestos experimentaron rotura, con el 80% ocurriendo dentro de los primeros cuatro impulsos, lo que indica que la presencia de caucho de silicona HTV reduce significativamente el rendimiento de soporte de ondas empinadas de los aisladores compuestos.

• De los 15 eventos de rotura, además de las flashovers en la cabeza del perno, seis ocurrieron en los dientes, lo que indica un cambio claro en la ruta de rotura general en comparación con los aisladores de porcelana convencionales.

• Los resultados de la simulación muestran que la propagación de arcos de superficie en aisladores compuestos causa un aumento significativo en la intensidad del campo eléctrico en los dientes en el pico de tensión, alcanzando 217.64 kV/mm, lo que hace que la flashover en los dientes sea más probable. En contraste, para aisladores sin capa de caucho de silicona, el campo máximo durante el desarrollo del arco se encuentra en la cabeza del perno, alcanzando 49.55 kV/mm, donde principalmente ocurre la rotura.