Effondrement Impulsionnel à Front Raide des Isolateurs Composites en Porcelaine Revêtus de HTV : Mécanismes Essais et Simulation

Les isolateurs en porcelaine et en verre présentent d'excellentes performances d'isolation et de résistance mécanique, mais sont sujets aux flashovers de pollution sous une contamination sévère, menaçant le fonctionnement stable des réseaux électriques. Pour améliorer la résistance au flashover de pollution de l'isolation extérieure, les fabricants appliquent couramment des revêtements en caoutchouc de silicone vulcanisé à température ambiante (RTV) dotés d'excellentes propriétés hydrophobes et de transfert d'hydrophobicité sur les surfaces des isolateurs, réduisant ainsi les risques de flashover. Initialement, les revêtements RTV en Chine étaient appliqués sur site, une méthode caractérisée par une difficulté de construction élevée et un contrôle qualité incohérent.

Par la suite, des procédés de trempage ou de pulvérisation en usine ont été développés, permettant la livraison d'isolateurs recouverts de RTV en tant que produits finis soumis à un contrôle et une acceptation, améliorant considérablement la qualité du produit et favorisant leur adoption généralisée dans les réseaux électriques. Cependant, les revêtements RTV souffrent d'une faible résistance mécanique et d'une adhérence interfaciale faible avec le corps isolant, ce qui les rend vulnérables aux dommages causés par des forces externes lors du transport, de la construction, de l'installation et du fonctionnement à long terme. Les phénomènes de vieillissement opérationnel tels que le décollement, la fissuration et la délamination sont courants, nécessitant un démontage et un re-revêtement, entraînant des coûts de maintenance élevés.

Les isolateurs composites en porcelaine suspendus utilisent un isolateur en porcelaine complet comme cœur, avec une gaine en caoutchouc de silicone vulcanisé à haute température (HTV) - épaisseur minimale de 3 mm - formée en un seul processus de moulage par injection à haute température. Comparé au RTV, le HTV présente une meilleure résistance mécanique, ainsi qu'une performance améliorée en termes de résistance à la traînée et à l'érosion, de retardement au feu, de propriétés électriques, de résistance au vieillissement et de tenue à haute température.

De plus, en modifiant la couche d'émail sur la surface de la porcelaine et en utilisant des agents de couplage spécialisés, la force d'adhérence interfaciale entre la porcelaine et le caoutchouc de silicone HTV est considérablement améliorée, favorisant l'intégration et l'uniformité du composant. Par conséquent, les isolateurs composites en porcelaine suspendus offrent des performances mécaniques et anti-flashover de pollution supérieures, avec des exigences de fonctionnement et de maintenance réduites, ouvrant une nouvelle voie pour les applications d'isolation extérieure sur les lignes de transport.

L'expérience sur le terrain indique que lorsque les lignes aériennes sont frappées par la foudre, la surtension résultante contient des impulsions à front raide de très courte durée, de forte pente et de très haute tension de crête, posant des menaces significatives aux isolateurs de ligne. Ces impulsions à front raide peuvent causer la perforation ou même l'explosion des isolateurs disques, et dans les cas graves, conduire à la rupture de la chaîne et à la chute de la ligne. La capacité de résistance aux impulsions à front raide est un indicateur critique de la qualité des isolateurs.

Bien que de nombreuses recherches aient été menées sur les performances des ondes raides des isolateurs en porcelaine et en verre, tant à l'échelle nationale qu'internationale, les études sur les isolateurs composites en porcelaine suspendus restent rares, et leurs mécanismes sous-jacents ne sont pas bien compris. Par conséquent, cet article effectue des tests de rupture par impulsion en air sur des isolateurs composites en porcelaine suspendus pour étudier leurs caractéristiques de rupture par ondes raides.

Les tests de rupture par impulsion en air évaluent efficacement la performance de résistance aux ondes raides des équipements électriques, assurant la sécurité et la fiabilité dans des conditions extrêmes, et ont une valeur significative dans l'évaluation de la qualité des isolateurs. Cette étude effectue d'abord des tests de rupture par impulsion pour analyser la performance des ondes raides, puis établit une simulation de la distribution du champ électrique au pic de la tension d'onde raide basée sur les résultats des tests pour explorer le mécanisme de variation des performances, visant à fournir des directives pour la coordination de l'isolation des isolateurs composites en porcelaine sur les lignes de transport.

1 Installation des tests de rupture par impulsion en air

1.1 Échantillon

L'isolateur composite en porcelaine suspendu HU550B240/650T AC produit par un fabricant a été sélectionné comme échantillon de test. L'isolateur a une structure triple-ombrelle, comme illustré dans la Figure 1. Ses principaux paramètres de performance sont répertoriés dans le Tableau 1.

1.2 Plateforme et schéma de test
Un générateur de tension d'impulsion de 2400 kV a été utilisé pour le test. Le capuchon de l'isolateur a été placé vers le bas sur une plaque métallique mise à la terre, et une douille sphérique standard a été installée à l'extrémité de la broche pour éviter une concentration excessive du champ électrique dans la zone cimentée autour de la broche. La configuration de l'isolateur est illustrée dans la Figure 2.

Des tests de rupture par impulsion en air ont été effectués sur un total de 20 échantillons d'isolateurs. Les méthodes de test pour la rupture par impulsion en air sont classées en méthode de pente et méthode d'amplitude, la méthode d'amplitude étant principalement utilisée pour les isolateurs disques.

Cette étude a utilisé la méthode d'amplitude, qui n'exige pas la linéarité du front d'impulsion mais utilise uniquement l'amplitude de la tension de rupture comme critère, avec le temps de front contrôlé entre 100 et 200 ns et une déviation d'amplitude de ±10 %. Pendant le test, chaque isolateur a subi cinq impulsions de polarité positive suivies de cinq impulsions de polarité négative, et cette séquence a été répétée une fois. L'intervalle entre les impulsions successives a été maintenu entre 1 et 2 minutes.

Les recherches nationales et internationales indiquent que le revêtement des surfaces des isolateurs avec du caoutchouc de silicone modifie la vitesse de propagation des streamers de surface sur les isolateurs en porcelaine, entraînant une réduction de la performance de résistance aux impulsions à front raide. Cependant, la performance d'isolation à la tête de l'isolateur reste inchangée en opération réelle.

Ce phénomène a été confirmé par plus de dix fabricants nationaux d'isolateurs disques : quel que soit le profil de la jupe, que ce soit de type nervure profonde ou alternance d'ombrelles, ou que la structure de la tête soit cylindrique ou conique, tous les isolateurs présentent une certaine réduction de la performance de rupture par ondes raides après le revêtement de caoutchouc de silicone.

En conséquence, les normes pertinentes ont été révisées, réduisant l'amplitude du test de rupture par impulsion en air pour les isolateurs disques recouverts de RTV de 2,8 p.u. à 2,2 p.u. Les résultats préliminaires des tests montrent que les ruptures se produisent rarement à 2,2 p.u. Par conséquent, cette étude a sélectionné des isolateurs en porcelaine sans revêtement RTV et a effectué des tests de rupture par impulsion en air à la tension de test standard de 2,8 p.u., avec le temps de front de la tension contrôlé dans la plage de 100 à 200 ns.

Une analyse statistique supplémentaire de la polarité de la tension et de l'emplacement de la rupture a révélé que, sur 15 événements de rupture, 14 se sont produits sous polarité positive et seulement un sous polarité négative. Parmi les ruptures de polarité positive, 8 se sont produites à la tête et 6 sur les jupes ; la seule rupture de polarité négative s'est produite à la tête. De plus, des arcs ont été observés sur la surface de l'isolateur avant les ruptures des jupes, alors qu'aucun arc n'a été observé pendant les ruptures de la tête.

Cependant, en référence, toutes les ruptures à front raide des isolateurs en porcelaine se sont produites à la tête, et en référence, les isolateurs en porcelaine se sont rompus à la tête avant et après le revêtement RTV. En revanche, ce test montre qu'absent le surmoulage HTV en une seule injection, les ruptures par ondes raides dans le même lot d'isolateurs en porcelaine se sont produites exclusivement à la tête. Après le surmoulage HTV, les ruptures dans les isolateurs composites en porcelaine se sont produites non seulement à la tête mais aussi au col, indiquant que le revêtement de caoutchouc de silicone HTV modifie le chemin de rupture.

Le nombre d'impulsions avant la rupture a été enregistré, avec des résultats montrés dans la Figure 4. Comme illustré, 12 isolateurs se sont rompus dans les cinq premières impulsions, un s'est rompu à la 7ème impulsion, et deux à la 15ème impulsion. La référence indique que les isolateurs en porcelaine recouverts de RTV présentent une réduction significative de la performance de résistance aux ondes raides, avec une probabilité de rupture plus élevée pour les isolateurs de grande tonnage, suggérant que le revêtement de caoutchouc de silicone dégrade la résistance aux ondes raides. Dans ce test, 80 % des isolateurs composites surmoulés en HTV se sont rompus dans les quatre premières impulsions, démontrant davantage que la présence de caoutchouc de silicone HTV réduit considérablement la capacité de l'isolateur à résister aux impulsions à front raide.

3 Simulation de la distribution du champ électrique au pic de la tension d'onde raide

L'analyse des résultats des tests de la section 2 révèle que, par rapport aux isolateurs en porcelaine, le chemin de rupture des isolateurs composites a changé et leur performance de résistance aux ondes raides a considérablement diminué. Cette section utilise la simulation pour calculer la distribution du champ électrique de l'isolateur composite au pic de la tension d'impulsion, visant à explorer les causes du changement du chemin de rupture et de la réduction de la performance des ondes raides.

2.1 Modèle de simulation

Les observations des tests de rupture par impulsion en air indiquent que lorsque des flashovers de jupe se produisent dans les isolateurs composites, des arcs se développent le long de la surface de l'isolateur jusqu'à l'emplacement de la rupture. La présence d'arcs influence la distribution du champ électrique et doit être prise en compte dans le modèle. Cependant, en raison de la forme irrégulière des arcs, l'établissement d'un modèle 3D pour le calcul serait difficile, surtout parce que la couche de caoutchouc de silicone est mince et beaucoup plus petite en dimension par rapport à l'isolateur global, rendant la maillage 3D difficile. Par conséquent, pour analyser qualitativement l'impact de la couche de caoutchouc de silicone et des arcs sur la distribution du champ électrique, un modèle bidimensionnel axialement symétrique est adopté pour simplification dans cette section. Le modèle de simulation est montré dans la Figure 5.

2.2 Matériaux et conditions limites

La tension de flashover par impulsion de foudre de 50 % de l'isolateur est de 145 kV, et la valeur de crête de la tension d'impulsion à front raide de 2,8 p.u. est de 406 kV. Puisque la plupart des échantillons de test ont subi une rupture de polarité positive, dans la simulation, la broche (broche en acier) est définie comme potentiel élevé (406 kV) et le capuchon (capuchon en acier) comme potentiel zéro. Les valeurs de permittivité relative des matériaux sont répertoriées dans le Tableau 2.

2.3 Résultats et analyse de la simulation

Dans le modèle sans revêtement de caoutchouc de silicone, la distribution du champ électrique de l'isolateur en porcelaine au pic de la tension d'impulsion à front raide est montrée dans la Figure 6(a). Comme on le voit dans la Figure 6, l'intensité du champ électrique est principalement concentrée à la tête de l'isolateur, atteignant jusqu'à 50 kV/mm, indiquant une forte probabilité de flashover à la tête - conforme à l'expérience sur le terrain et aux études connexes.

Pour analyser comparativement l'effet du revêtement de caoutchouc de silicone, la distribution du champ électrique du modèle d'isolateur composite avec un surmoulage en une seule injection de caoutchouc de silicone a été calculée, avec des résultats montrés dans la Figure 6(b). On peut observer dans la Figure 6(b) que le champ électrique maximal se produit à l'extrémité de l'arc sur la surface inférieure du corps isolant, environ 219,4 kV/mm ; l'intensité du champ à l'extrémité de l'arc sur la surface supérieure est plus faible, à 41,21 kV/mm ; et une concentration significative du champ existe également à la tête de la broche, avec un maximum de 50,68 kV/mm.

Ainsi, sous l'influence du revêtement de caoutchouc de silicone, la résistivité de surface de l'isolateur augmente, augmentant considérablement le rapport du courant capacitif volumique au courant ohmique de surface dans les jupes. Cela conduit à une augmentation substantielle de la composante du champ électrique perpendiculaire à la surface de l'isolateur, faisant que l'arc suit de près la surface après son initiation.

Sous l'influence du revêtement HTV, les arcs de surface se propagent le long de la surface de l'isolateur lorsqu'ils sont soumis à une tension à front raide, entraînant une augmentation rapide de l'intensité du champ local - dépassant largement celle à la tête de la broche - rendant la rupture plus probable à l'extrémité de l'arc et conduisant à un flashover de jupe. Cela indique que la performance de résistance aux ondes raides est affectée par le revêtement HTV sur la surface de la jupe. De plus, la simulation montre un champ électrique relativement élevé à la tête de l'isolateur, ce qui correspond aux flashovers de tête observés lors des tests.

3 Conclusion

Des tests de rupture par impulsion en air ont été effectués sur des isolateurs composites pour analyser leurs caractéristiques de rupture par ondes raides, et des simulations de la distribution du champ électrique ont été réalisées au pic de la tension d'onde raide. Les conclusions suivantes ont été tirées :

• Sous une tension d'impulsion à front raide de 2,8 p.u., 15 sur 20 échantillons d'isolateurs composites ont subi une rupture, dont 80 % se sont produites dans les quatre premières impulsions, indiquant que la présence de caoutchouc de silicone HTV réduit considérablement la performance de résistance aux ondes raides des isolateurs composites.

• Parmi les 15 événements de rupture, en plus des flashovers à la tête de la broche, six se sont produites sur les jupes, indiquant un changement clair du chemin de rupture global par rapport aux isolateurs en porcelaine conventionnels.

• Les résultats de la simulation montrent que la propagation des arcs de surface dans les isolateurs composites provoque une augmentation significative de l'intensité du champ électrique des jupes au pic de la tension, atteignant 217,64 kV/mm, rendant plus probable un flashover de jupe. En revanche, pour les isolateurs sans couche de caoutchouc de silicone, le champ maximal pendant le développement de l'arc se situe à la tête de la broche, atteignant 49,55 kV/mm, où la rupture se produit principalement.