شکست تیز-جلوی ضربه ای عایق های پورسلن مرکب با پوشش HTV: مکانیزم ها، آزمون و شبیه سازی

آبچین‌ها و عایق‌های شیشه‌ای عملکرد عایق‌بندی و قدرت مکانیکی بسیار خوبی دارند، اما در شرایط آلودگی شدید به رخنه‌های آلودگی آسیب‌پذیر هستند که عملکرد پایدار شبکه‌های برق را تهدید می‌کنند. برای افزایش مقاومت در برابر رخنه‌های آلودگی، سازندگان معمولاً روکش‌های سیلیکونی با ویژگی‌های ضدآبی و انتقال ضدآبی (RTV) را بر روی سطح عایق‌ها اعمال می‌کنند که باعث کاهش خطرات رخنه می‌شود. در ابتدا، روکش‌های RTV در چین به صورت محلی اعمال می‌شدند، که این روش با مشکلات ساخت و نظارت نامتناسب روبرو بود.

بعداً، فرآیندهای غوطه‌وری یا اسپری‌کاری در کارخانه توسعه یافت که باعث شد عایق‌های پوشیده شده با RTV به عنوان محصولات کامل تحویل داده شوند و تحت نظارت و پذیرش قرار گیرند، این امر به طور قابل توجهی کیفیت محصول را افزایش داد و استفاده گسترده‌تر آن‌ها در شبکه‌های برق را ترویج داد. با این حال، روکش‌های RTV دارای قدرت مکانیکی پایین و چسبندگی ضعیف به بدن عایق‌بندی هستند که آن‌ها را در برابر آسیب‌های ناشی از نیروهای خارجی در حین حمل، ساخت، نصب و عملکرد بلندمدت آسیب‌پذیر می‌کند. پدیده‌های قدیمی‌سازی عملیاتی مانند پوسته‌افتادگی، شکاف و جدایی معمول هستند که نیازمند تجزیه و روکش‌دهی مجدد هستند و هزینه‌های نگهداری بالایی را ایجاد می‌کنند.

عایق‌های آبچین مرکب پیمانه‌ای با استفاده از یک عایق آبچین کامل به عنوان هسته و یک پوشش سیلیکونی با ویژگی‌های ضدآبی و انتقال ضدآبی (HTV) با حداقل ضخامت ۳ میلی‌متر که در یک فرآیند قالب‌گیری واحد و از طریق تزریق با دمای بالا تشکیل می‌شود. در مقایسه با RTV، HTV دارای قدرت مکانیکی بسیار بالاتر و عملکرد بهبود یافته در مقاومت در برابر ردیابی و فرسایش، مقاومت در برابر آتش، ویژگی‌های الکتریکی، مقاومت در برابر قدیمی‌سازی و تحمل دماهای بالا است.

به علاوه، با تغییر لایه گلیزه روی سطح آبچین و استفاده از عوامل ترکیبی تخصصی، قدرت ترکیبی بین آبچین و سیلیکون روببری HTV به طور قابل توجهی افزایش یافته و یکپارچگی و یکنواختی مؤلفه را ترویج می‌کند. بنابراین، عایق‌های آبچین مرکب پیمانه‌ای با عملکرد مکانیکی و مقاومت در برابر رخنه‌های آلودگی بهتر و نیازهای عملیاتی و نگهداری کمتر، مسیر جدیدی برای کاربردهای عایق‌بندی خارجی در خطوط انتقال ایجاد می‌کنند.

تجربه میدانی نشان می‌دهد که وقتی خطوط هوایی توسط برق زده می‌شوند، ولتاژ اضافی حاصل شامل ضربه‌های با شیب تند با مدت زمان بسیار کوتاه، شیب بالا و ولتاژ پیک بسیار بالا است که تهدید قابل توجهی برای عایق‌های خط ایجاد می‌کند. چنین ضربه‌های تند می‌توانند منجر به سوراخ شدن یا حتی انفجار عایق‌های آبچین شوند و در شرایط شدید، منجر به شکست رشته و سقوط خط می‌شود. توانایی تحمل ضربه‌های تند یک شاخص مهم کیفیت عایق است.

با وجود تحقیقات گسترده‌ای که در داخل و خارج کشور در مورد عملکرد موج تند عایق‌های آبچین و شیشه‌ای انجام شده است، مطالعات درباره عایق‌های آبچین مرکب پیمانه‌ای کمتر است و مکانیزم‌های زیربنایی آن‌ها خوب درک نشده است. بنابراین، این مقاله آزمایش‌های شکست ضربه‌ای در هوا را بر روی عایق‌های آبچین مرکب پیمانه‌ای انجام می‌دهد تا ویژگی‌های شکست موج تند آن‌ها را بررسی کند.

آزمایش‌های شکست ضربه‌ای در هوا به طور موثر عملکرد تحمل موج تند تجهیزات الکتریکی را ارزیابی می‌کنند، ایمنی و قابلیت اطمینان را در شرایط حدی تضمین می‌کنند و ارزش قابل توجهی در ارزیابی کیفیت عایق‌ها دارند. این مطالعه ابتدا آزمایش‌های شکست ضربه‌ای را انجام می‌دهد تا عملکرد موج تند را تحلیل کند، سپس بر اساس نتایج آزمایش، شبیه‌سازی توزیع میدان الکتریکی در نقطه پیک موج تند را برای بررسی مکانیزم تغییر عملکرد ایجاد می‌کند، با هدف ارائه راهنمایی برای هماهنگی عایق‌بندی عایق‌های پیمانه‌ای مرکب در خطوط انتقال.

۱ تنظیمات آزمایش شکست ضربه‌ای در هوا

۱.۱ نمونه

عایق آبچین مرکب پیمانه‌ای AC HU550B240/650T تولید شده توسط یک سازنده به عنوان نمونه آزمایشی انتخاب شد. این عایق ساختار سه‌پارچه دارد، مانند آنچه در شکل ۱ نشان داده شده است. پارامترهای عملکرد اصلی آن در جدول ۱ فهرست شده است.

۱.۲ پلتفرم و طرح آزمایش
یک ژنراتور ولتاژ ضربه‌ای ۲۴۰۰ kV برای آزمایش استفاده شد. کلاهک عایق روی یک صفحه فلزی زمین‌شده قرار گرفت و یک سوکتل کروی استاندارد در انتهای پین نصب شد تا از تمرکز بیش از حد میدان الکتریکی در منطقه سیمان‌شده حول پین جلوگیری شود. تنظیمات عایق در شکل ۲ نشان داده شده است.

آزمایش‌های شکست ضربه‌ای در هوا روی مجموعه ۲۰ نمونه عایق انجام شد. روش‌های آزمایش شکست ضربه‌ای در هوا به دو دسته روش شیب و روش دامنه تقسیم‌بندی می‌شوند که روش دامنه برای عایق‌های آبچین معمولاً استفاده می‌شود.

این مطالعه از روش دامنه استفاده کرد که نیازی به خطی بودن جلوی ضربه ندارد و فقط از دامنه ولتاژ شکست به عنوان معیار استفاده می‌کند، با زمان جلوی ضربه کنترل‌شده بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ نانوثانیه و انحراف دامنه در محدوده ±۱۰٪. در طول آزمایش، هر عایق پنج ولتاژ ضربه‌ای با قطبیت مثبت و سپس پنج ولتاژ ضربه‌ای با قطبیت منفی دید و این دنباله یک بار تکرار شد. فاصله بین ضربه‌های متوالی بین ۱ تا ۲ دقیقه حفظ شد.

تحقیقات داخلی و بین‌المللی نشان می‌دهد که پوشش دادن سطح عایق‌ها با سیلیکون روببری نرخ انتشار گریزه‌های سطحی روی عایق‌های آبچین را تغییر می‌دهد که منجر به کاهش عملکرد تحمل ضربه‌های تند می‌شود. با این حال، عملکرد عایق‌بندی در سر عایق در عمل تأثیر نمی‌بیند.

این پدیده توسط بیش از ده سازنده عایق آبچین داخلی تأیید شده است: صرف نظر از اینکه پروفیل شیپور عمیق یا متناوب باشد یا ساختار سر استوانه‌ای یا مخروطی باشد، تمام عایق‌ها پس از پوشش دادن با سیلیکون روببری در عملکرد تحمل ضربه‌های تند کاهش می‌یابند.

به عنوان نتیجه، استانداردهای مرتبط بازنگری شده و دامنه آزمایش شکست ضربه‌ای در هوا برای عایق‌های آبچین پوشیده شده با RTV از ۲.۸ p.u. به ۲.۲ p.u. کاهش یافته است. نتایج آزمایش اولیه نشان می‌دهد که شکست در ۲.۲ p.u. به ندرت رخ می‌دهد. بنابراین، این مطالعه عایق‌های آبچین بدون پوشش RTV را انتخاب کرد و آزمایش‌های شکست ضربه‌ای در هوا را با ولتاژ آزمایش استاندارد ۲.۸ p.u. و زمان جلوی ضربه کنترل‌شده در محدوده ۱۰۰-۲۰۰ نانوثانیه انجام داد.

تحلیل آماری بیشتر قطبیت ولتاژ و مکان شکست نشان داد که از میان ۱۵ شکست، ۱۴ مورد تحت قطبیت مثبت و فقط یک مورد تحت قطبیت منفی رخ داد. از میان شکست‌های قطبیت مثبت، ۸ مورد در سر و ۶ مورد در شیپورها رخ داد؛ شکست منفی تکی در سر رخ داد. علاوه بر این، قبل از شکست شیپورها، قوس الکتریکی روی سطح عایق مشاهده شد، در حالی که در شکست‌های سر، چنین قوسی مشاهده نشد.

با این حال، در مراجع، تمام شکست‌های موج تند عایق‌های آبچین در سر رخ دادند و در مراجع، عایق‌های آبچین قبل و بعد از پوشش RTV در سر شکست خوردند. در مقابل، این آزمایش نشان می‌دهد که بدون پوشش HTV یک‌باره، شکست‌های موج تند در همان دسته عایق‌های آبچین فقط در سر رخ دادند. پس از پوشش HTV، شکست‌ها در عایق‌های مرکب آبچین نه تنها در سر بلکه در گردن نیز رخ داد، که نشان می‌دهد پوشش سیلیکون روببری HTV مسیر شکست را تغییر می‌دهد.

تعداد ضربه‌های قبل از شکست ثبت شد، با نتایج نشان داده شده در شکل ۴. مطابق با آن، ۱۲ عایق در پنج ضربه اول شکست خوردند، یک عایق در ضربه هفتم شکست خورد و دو عایق در ضربه پانزدهم شکست خورد. مراجع نشان می‌دهد که عایق‌های آبچین پوشیده شده با RTV دارای کاهش قابل توجه در عملکرد تحمل موج تند هستند و احتمال شکست برای عایق‌های بزرگ‌حجم بالاتر است، که نشان می‌دهد پوشش سیلیکون روببری مقاومت در برابر موج تند را کاهش می‌دهد. در این آزمایش، ۸۰٪ از عایق‌های مرکب پوشیده شده با HTV در چهار ضربه اول شکست خوردند، که نشان‌دهنده این است که وجود سیلیکون روببری HTV به طور قابل توجهی توانایی عایق در تحمل ضربه‌های تند را کاهش می‌دهد.

۳ شبیه‌سازی توزیع میدان الکتریکی در نقطه پیک موج تند

تحلیل نتایج آزمایش در بخش ۲ نشان می‌دهد که، در مقایسه با عایق‌های آبچین، مسیر شکست عایق‌های مرکب تغییر کرده و عملکرد تحمل موج تند آن‌ها به طور قابل توجهی کاهش یافته است. این بخش از شبیه‌سازی برای محاسبه توزیع میدان الکتریکی عایق مرکب در نقطه پیک ولتاژ ضربه‌ای استفاده می‌کند تا دلایل تغییر مسیر شکست و کاهش عملکرد موج تند را بررسی کند.

۲.۱ مدل شبیه‌سازی

مشاهدات آزمایش‌های شکست ضربه‌ای در هوا نشان می‌دهد که وقتی شکست شیپور در عایق‌های مرکب رخ می‌دهد، قوس‌های الکتریکی از سطح عایق به محل شکست توسعه می‌یابند. وجود قوس‌ها تأثیر بر توزیع میدان الکتریکی دارد و باید در مدل در نظر گرفته شود. با این حال، به دلیل شکل نامنظم قوس‌ها، ایجاد یک مدل سه‌بعدی برای محاسبه چالش‌برانگیز خواهد بود، به ویژه زیرا لایه سیلیکون روببری نازک است و ابعاد آن بسیار کوچک‌تر از عایق کلی است، که گرید‌بندی سه‌بعدی را دشوار می‌کند. بنابراین، برای تحلیل کیفی تأثیر لایه سیلیکون روببری و قوس‌ها بر توزیع میدان الکتریکی، یک مدل دو‌بعدی محوری متقارن در این بخش استفاده شده است. مدل شبیه‌سازی در شکل ۵ نشان داده شده است.

۲.۲ مواد و شرایط مرزی

ولتاژ ضربه‌ای گرفتگی ۵۰٪ عایق ۱۴۵ kV است و مقدار پیک ولتاژ ضربه‌ای ۲.۸ p.u. ۴۰۶ kV است. چون بیشتر نمونه‌های آزمایشی تحت شکست قطبیت مثبت بودند، در شبیه‌سازی، پین (پین فولادی) به عنوان پتانسیل بالا (۴۰۶ kV) و کلاهک (کلاهک فولادی) به عنوان پتانسیل صفر تنظیم شد. مقادیر نسبی دی‌الکتریک مواد در جدول ۲ فهرست شده‌اند.

۲.۳ نتایج و تحلیل شبیه‌سازی

در مدل بدون پوشش سیلیکون روببری، توزیع میدان الکتریکی عایق آبچین در نقطه پیک ولتاژ ضربه‌ای تند در شکل ۶(a) نشان داده شده است. مطابق با شکل ۶، شدت میدان الکتریکی عمدتاً در سر عایق تمرکز شده و تا ۵۰ kV/mm می‌رسد، که نشان‌دهنده احتمال بالای گرفتگی سر است - مطابق با تجربیات میدانی و مطالعات مرتبط.

برای تحلیل مقایسه‌ای تأثیر پوشش سیلیکون روببری، توزیع میدان الکتریکی مدل عایق مرکب با پوشش سیلیکون روببری یک‌باره محاسبه شد، با نتایج نشان داده شده در شکل ۶(b). می‌توان از شکل ۶(b) مشاهده کرد که شدت میدان الکتریکی بیشترین مقدار را در انتهای قوس در سطح پایین بدن عایقی دارد، تقریباً ۲۱۹.۴ kV/mm؛ شدت میدان در انتهای قوس در سطح بالا کمتر است، ۴۱.۲۱ kV/mm؛ و تمرکز میدان قابل توجهی نیز در سر پین وجود دارد، با بیشترین مقدار ۵۰.۶۸ kV/mm.

بنابراین، تحت تأثیر پوشش سیلیکون روببری، مقاومت سطحی عایق افزایش می‌یابد و نسبت جریان ظرفیتی حجمی به جریان مقاومتی سطحی در شیپورها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این امر باعث افزایش قابل توجه مؤلفه میدان الکتریکی عمود بر سطح عایق می‌شود که باعث می‌شود قوس پس از شروع به طور نزدیک به سطح پیش‌برد.

تحت تأثیر پوشش HTV، قوس‌های سطحی در حین تعریض به ولتاژ تند در طول سطح عایق گسترش می‌یابند که باعث افزایش شدید شدت میدان محلی می‌شود - بسیار بیشتر از سر پین - که شکست در نوک قوس و گرفتگی شیپور را بیشتر می‌کند. این نشان می‌دهد که عملکرد تحمل موج تند تحت تأثیر پوشش HTV روی سطح شیپورها تأثیر می‌بیند. علاوه بر این، شبیه‌سازی شدت میدان نسبتاً بالایی در سر عایق نشان می‌دهد که با گرفتگی‌های سر مشاهده شده در آزمایش‌ها مطابقت دارد.

۳ نتیجه‌گیری

آزمایش‌های شکست ضربه‌ای در هوا روی عایق‌های مرکب برای تحلیل ویژگی‌های شکست موج تند آن‌ها انجام شد و شبیه‌سازی توزیع میدان الکتریکی در نقطه پیک ولتاژ تند انجام شد. نتایج زیر به دست آمد:

• تحت ولتاژ ضربه‌ای ۲.۸ p.u.، از ۲۰ نمونه عایق مرکب، ۱۵ نمونه شکست خوردند، که ۸۰٪ آن‌ها در چهار ضربه اول رخ داد، که نشان می‌دهد وجود سیلیکون روببری HTV به طور قابل توجهی عملکرد تحمل موج تند عایق‌های مرکب را کاهش می‌دهد.

• از میان ۱۵ شکست، علاوه بر گرفتگی‌های در سر پین، شش مورد در شیپورها رخ داد