Pagsira ng Steep-Front Impulse sa HTV-Coated Composite Porcelain Insulators: Mekanismo Pagsusuri at Simulasyon

Ang mga porcelana at buntot-pusa na insulator ay nagpapakita ng mahusay na kakayahan sa paghihiwalay at lakas mekanikal, ngunit madaling maapektuhan ng polusyon flashover sa matinding kontaminasyon, na nanganganib sa matatag na operasyon ng grid ng kuryente. Upang mapataas ang resistensya sa polusyon flashover ng panlabas na insulasyon, karaniwang ginagamit ng mga tagagawa ang coating na room-temperature vulcanized silicone rubber (RTV) na may mas mahusay na hydrophobicity at katangian ng transfer ng hydrophobicity sa ibabaw ng insulator, na nagbabawas ng panganib ng flashover. Sa unang bahagi, ang mga coating na RTV sa Tsina ay inilapat on-site, isang pamamaraan na may mataas na hirap sa konstruksyon at hindi konsistente ang kontrol sa kalidad.

Pagkatapos, ang proseso ng factory-based dipping o spraying ay naimbento, na nagbibigay-daan para sa mga insulator na may coating na RTV na maipadala bilang buong produkto na nasa ilalim ng pangangasiwa at pagtanggap, na siyang nagpapataas ng kalidad ng produkto at nagpopromote ng malawakang paggamit sa grid ng kuryente. Gayunpaman, ang mga coating na RTV ay may mababang lakas mekanikal at mahinang interfacial adhesion sa insulating body, kaya sila ay madaling masira dahil sa panlabas na puwersa sa panahon ng transportasyon, konstruksyon, instalasyon, at matagal na operasyon. Ang mga operational aging phenomena tulad ng peeling, cracking, at delamination ay karaniwan, na nagpapataas ng maintenance costs dahil sa kailangang disassembly at recoating.

Ang mga composite porcelain insulator na disk suspension ay gumagamit ng buong porcelain insulator bilang core, na may sheath na high-temperature vulcanized silicone rubber (HTV) - minimum na thickness na 3 mm - na nabuo sa isang molding process via high-temperature injection. Kumpara sa RTV, ang HTV ay nagpapakita ng mas mahusay na lakas mekanikal, pati na rin ang mas mahusay na performance sa tracking at erosion resistance, flame retardancy, electrical properties, aging resistance, at high-temperature endurance.

Karagdagang, sa pamamagitan ng pag-modify ng glaze layer sa ibabaw ng porcelain at paggamit ng espesyal na coupling agents, ang interfacial bonding strength sa pagitan ng porcelain at HTV silicone rubber ay siyang napagtataasan, na nagpapromote ng integration at uniformity ng komponente. Bilang resulta, ang mga composite porcelain insulator na disk suspension ay nag-aalok ng mas mahusay na mechanical at anti-polusyon flashover performance na may mababang operational at maintenance requirements, na binubukas ang isang bagong landas para sa aplikasyon ng panlabas na insulasyon sa transmission lines.

Ang karanasan sa field ay nagpapakita na kapag tinamaan ng kidlat ang overhead lines, ang resulting overvoltage ay naglalaman ng steep-fronted impulses na may napakabilis na durasyon, mataas na steepness, at napakataas na peak voltages, na nagpapahiyas ng malaking banta sa line insulators. Ang mga steep impulses na ito ay maaaring magdulot ng puncture o kahit explosion ng disk insulators, at sa malubhang kaso, maaaring humantong sa string breakage at line drop. Ang steep-front impulse withstand capability ay isang critical indicator ng kalidad ng insulator.

Bagama't may malawak na pag-aaral na isinagawa tungkol sa steep-wave performance ng porcelain at buntot-pusa insulators tanto sa loob at labas ng bansa, ang mga pag-aaral tungkol sa composite porcelain insulator na disk suspension ay paubos, at ang kanilang underlying mechanisms ay hindi lubusang maintindihan. Dahil dito, ang papel na ito ay isinasagawa ang impulse breakdown tests sa hangin sa mga composite porcelain insulator na disk suspension upang imbestigahan ang kanilang steep-wave breakdown characteristics.

Ang air impulse breakdown tests ay makabuluhan sa pag-evaluate ng steep-wave withstand performance ng electrical equipment, na nagse-secure ng seguridad at reliabilidad sa ekstremong kondisyon, at may mahalagang halaga sa assessment ng kalidad ng insulator. Ang pag-aaral na ito ay una ay isinasagawa ang impulse breakdown tests upang analisin ang steep-wave performance, pagkatapos ay itinatayo ang simulasyon ng electric field distribution sa tuktok ng steep-wave voltage batay sa resulta ng test upang alamin ang mechanism ng pagbabago ng performance, na layuning magbigay ng gabay para sa insulation coordination ng composite porcelain insulators sa transmission lines.

1 Air Impulse Breakdown Test Setup

1.1 Specimen

Ang HU550B240/650T AC disc suspension composite porcelain insulator na ipinagkaloob ng isang tagagawa ay pinili bilang specimen para sa test. Ang insulator ay may triple-umbrella structure, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang kanyang pangunahing performance parameters ay nakalista sa Table 1.

1.2 Test Platform and Scheme
Ginamit ang 2400 kV impulse voltage generator para sa test. Ang cap ng insulator ay inilagay pababa sa isang grounded metal plate, at isang standard ball socket ay ininstall sa pin end upang iwasan ang sobrang concentration ng electric field sa cemented area paligid ng pin. Ang setup ng insulator ay ipinapakita sa Figure 2.

Ang air impulse breakdown tests ay isinagawa sa kabuuang 20 specimens ng insulator. Ang mga pamamaraan sa test para sa air impulse breakdown ay nahahati sa steepness method at amplitude method, kung saan ang amplitude method ang pangunahing ginagamit para sa disk insulators.

Ang pag-aaral na ito ay gumamit ng amplitude method, na hindi nangangailangan ng linearidad ng impulse front ngunit gamit lamang ang amplitude ng breakdown voltage bilang criterion, na ang front time ay kontrolado sa pagitan ng 100 at 200 ns at ang amplitude deviation ay nasa loob ng ±10%. Sa panahon ng test, bawat insulator ay inilapat ng limang positive-polarity impulse voltages sumunod ng limang negative-polarity impulses, at ang sequence na ito ay inulit ng isang beses. Ang interval sa pagitan ng consecutive impulses ay in-maintain sa pagitan ng 1 at 2 minuto.

Ang mga pag-aaral mula sa loob at labas ng bansa ay nagpapakita na ang coating ng ibabaw ng insulator ng silicone rubber ay nagbabago sa rate ng propagation ng surface streamers sa porcelain insulators, na nagreresulta sa pagbaba ng steep-front impulse withstand performance. Gayunpaman, ang insulation performance sa ulo ng insulator ay hindi naapektuhan sa aktwal na operasyon.

Ang phenomenon na ito ay napatunayan ng mahigit sampung lokal na tagagawa ng disk insulator: kahit anong shed profile, deep-rib o alternating-umbrella type, o kahit anong head structure, cylindrical o conical, lahat ng insulators ay nagpapakita ng ilang degree ng pagbaba ng steep-wave breakdown performance pagkatapos ng coating ng silicone rubber.

Bilang resulta, ang mga relevant na standards ay binago, na binawasan ang amplitude ng impulse breakdown test sa hangin para sa RTV-coated disc insulators mula 2.8 p.u. hanggang 2.2 p.u. Ang mga prelimenaryong resulta ng test ay nagpapakita na ang breakdown ay malamang na hindi nangyayari sa 2.2 p.u. Dahil dito, ang pag-aaral na ito ay pinili ang mga porcelain insulators na walang RTV coating at isinagawa ang air impulse breakdown tests sa standard test voltage na 2.8 p.u., na ang voltage front time ay kontrolado sa loob ng 100-200 ns range.

Ang mas karagdagang statistical analysis ng polarity ng voltage at location ng breakdown ay nagpapakita na sa 15 breakdown events, 14 nangyari sa ilalim ng positive polarity at isa lang sa negative polarity. Sa mga positive-polarity breakdowns, 8 nangyari sa ulo at 6 sa sheds; ang tanging negative-polarity breakdown ay nangyari sa ulo. Karagdagan pa, ang arcing ay natanto sa ibabaw ng insulator bago ang shed breakdowns, habang walang ganyang arcing ang natanto sa panahon ng head breakdowns.

Gayunpaman, sa reference, lahat ng steep-front breakdowns ng porcelain insulators ay nangyari sa ulo, at sa reference, ang porcelain insulators ay bumagsak sa ulo bago at pagkatapos ng RTV coating. Sa kabaligtaran, ang test na ito ay nagpapakita na nang walang one-time injection-molded HTV overcoat, ang steep-wave breakdowns sa parehong batch ng porcelain insulators ay nangyari eksklusibong sa ulo. Pagkatapos ng HTV overmolding, ang breakdowns sa composite porcelain insulators ay nangyari hindi lamang sa ulo kundi pati na rin sa leeg, na nagpapakita na ang HTV silicone rubber coating ay nagbabago sa breakdown path.

Ang bilang ng mga impulse applications bago ang breakdown ay naitala, na may resulta na ipinapakita sa Figure 4. Tulad ng ipinapakita, 12 insulators ay bumagsak sa loob ng unang limang impulses, isa ay bumagsak sa 7th impulse, at dalawa ay bumagsak sa 15th impulse. Ang reference ay nagpapakita na ang mga porcelain insulators na may RTV coating ay may significant reduction sa steep-wave withstand performance, na may mas mataas na probability ng breakdown para sa larger-tonnage insulators, na nagpapahiwatig na ang silicone rubber coating ay nagdudulot ng degradation sa steep-wave resistance. Sa test na ito, 80% ng mga HTV overmolded composite insulators ay bumagsak sa loob ng unang apat na impulses, na mas lalong nagpapatunay na ang presence ng HTV silicone rubber ay significantly reduces the insulator's ability to withstand steep-front impulses.

3 Electric Field Distribution Simulation at Steep-Wave Voltage Peak

Ang analisis ng resulta ng test sa Section 2 ay nagpapakita na, kumpara sa porcelain insulators, ang breakdown path ng composite insulators ay nagbago at ang kanilang steep-wave withstand performance ay significantly decreased. Ang seksyon na ito ay gumagamit ng simulation upang kalkulahin ang electric field distribution ng composite insulator sa tuktok ng impulse voltage, na layuning imbestigahan ang mga sanhi ng pagbabago ng breakdown path at pagbaba ng steep-wave performance.

2.1 Simulation Model

Ang mga obserbasyon mula sa air impulse breakdown tests ay nagpapakita na kapag nangyari ang shed flashover sa composite insulators, ang arcs ay lumalaki sa ibabaw ng insulator patungo sa location ng breakdown. Ang presence ng arcs ay nakakaapekto sa electric field distribution at dapat ito itimbuhin sa model. Gayunpaman, dahil sa irregular na hugis ng arcs, ang pagtatatag ng 3D model para sa computation ay mahihirap, lalo na dahil ang silicone rubber layer ay maliit at mas maliit sa dimensyon kumpara sa overall insulator, na nagpapahirap sa 3D meshing. Kaya, upang makapag-analisa ng pag-impluwensiya ng silicone rubber layer at arcs sa electric field distribution, ang isang two-dimensional axisymmetric model ay ginamit sa simplification sa seksyon na ito. Ang simulation model ay ipinapakita sa Figure 5.

2.2 Materials and Boundary Conditions

Ang 50% lightning impulse flashover voltage ng insulator ay 145 kV, at ang peak value ng 2.8 p.u. steep-front impulse voltage ay 406 kV. Dahil karamihan sa mga test specimens ay naranasan ang positive-polarity breakdown, sa simulation, ang pin (steel pin) ay itinakda bilang mataas na potential (406 kV) at ang cap (steel cap) bilang zero potential. Ang relative permittivity values ng mga materyales ay nakalista sa Table 2.

2.3 Simulation Results and Analysis

Sa modelo na walang coating na silicone rubber, ang electric field distribution ng porcelain insulator sa tuktok ng steep-front impulse voltage ay ipinapakita sa Figure 6(a). Tulad ng ipinapakita sa Figure 6, ang intensity ng electric field ay naka-concentrate sa ulo ng insulator, na umabot hanggang 50 kV/mm, na nagpapakita ng mataas na likelihood ng head flashover - consistent sa field experience at related studies.

Upang makapag-analisa ng epekto ng coating na silicone rubber, ang electric field distribution ng composite insulator model na may one-time injection-molded silicone rubber ay kinalkula, na may resulta na ipinapakita sa Figure 6(b). Maaaring mapansin mula sa Figure 6(b) na ang maximum electric field ay nangyari sa dulo ng arc sa lower surface ng insulating body, na umabot hanggang 219.4 kV/mm; ang field strength sa dulo ng arc sa upper surface ay mas mababa, na 41.21 kV/mm; at significant field concentration din ay umiiral sa pin head, na may maximum na 50.68 kV/mm.

Kaya, sa impluwensya ng coating na silicone rubber, ang surface resistivity ng insulator ay tumataas, na siyang nagpapataas ng ratio ng volume capacitive current sa surface resistive current sa sheds. Ito ay nagresulta sa substantial increase sa component ng electric field na perpendicular sa ibabaw ng insulator, na nagdudulot ng malapit na pag-follow ng arc sa ibabaw pagkatapos ng init.

Sa impluwensya ng coating na HTV, ang surface arcs ay lumalaki sa ibabaw ng insulator kapag inilapat ang steep-front voltage, na nagreresulta sa sharp rise sa local field strength - na malayo pa sa pin head - na nagpapataas ng likelihood ng breakdown sa tip ng arc at nagdudulot ng shed flashover. Ito ay nagpapakita na ang steep-wave withstand performance ay naapektuhan ng coating na HTV sa ibabaw ng sheds. Karagdagan pa, ang simulation ay nagpapakita ng mataas na electric field sa ulo ng insulator, na consistent sa observed head flashovers sa mga test.

3 Conclusion

Ang air impulse breakdown tests ay isinagawa sa composite insulators upang analisin ang kanilang steep-wave breakdown characteristics, at ang electric field distribution simulations ay isinagawa sa tuktok ng steep-front voltage. Ang mga sumusunod na conclusion ay natuklasan:

• Sa ilalim ng 2.8 p.u. steep-front impulse voltage, 15 out of 20 composite insulator specimens ay naranasan ang breakdown, na 80% nangyari sa loob ng unang apat na impulses, na nagpapakita na ang presence ng HTV silicone rubber ay significantly reduces the steep-wave withstand performance ng composite insulators.

• Sa 15 breakdown events, kasama ang flashovers sa pin head, anim ay nangyari sa sheds, na nagpapakita ng malinaw na pagbabago sa overall breakdown path kumpara sa conventional porcelain insulators.

• Ang mga resulta ng simulation ay nagpapakita na ang surface arc propagation sa composite insulators ay nagdudulot ng significant increase sa shed electric field intensity sa tuktok ng voltage, na umabot hanggang 217.64 kV/mm, na nagpapataas ng likelihood ng shed flashover. Sa kabaligtaran, para sa insulators na walang layer ng silicone rubber, ang maximum field sa panahon ng development ng arc ay naka-locate sa pin head, na umabot hanggang 49.55 kV/mm, kung saan ang breakdown ay pangunahing nangyayari.