Desintegración de impulsos frontales escarpados en aisladores compuestos de porcelana recubiertos con HTV: Mecanismos Ensaio e Simulación

Os aisladores de porcelana e vidro exhiben unha excelente prestación de aislamento e resistencia mecánica, pero son propensos ao fallo por descarga eléctrica baixo condicións de contaminación severa, ameazando a estabilidade do funcionamento das redes eléctricas. Para mellorar a resistencia á descarga eléctrica externa, os fabricantes xeralmente aplican revestimentos de silicone vulcanizado a temperatura ambiente (RTV) con propiedades hidrófugas superiores e transferencia de hidrofobicidade sobre as superficies dos aisladores, reducindo así os riscos de descarga. Inicialmente, en China, os revestimentos RTV eran aplicados in situ, un método caracterizado por unha alta dificultade na construción e un control de calidade inconsistente.

Posteriormente, desenvolvéronse procesos de imersión ou pulverización en fábrica, permitindo que os aisladores revestidos con RTV fosen entregados como produtos completos suxeitos a supervisión e aceptación, mellorando significativamente a calidade do produto e promovendo a súa adopción xeneralizada nas redes eléctricas. No entanto, os revestimentos RTV sufren de baixa resistencia mecánica e débil adherencia interfacial ao corpo aislante, facéndoos susceptibles a danos por forzas externas durante o transporte, a construción, a instalación e o funcionamento a longo prazo. Os fenómenos de envellecemento operacional, como a descascadura, a fisuración e a delaminación, son comúns, necesitando desmontaxe e recubrimento, resultando en custos de manutención elevados.

Os aisladores compósitos de suspensión de disco de porcelana utilizan un aislador de porcelana completo como núcleo, con unha cuberta de silicone vulcanizado a alta temperatura (HTV) - cun espesor mínimo de 3 mm - formada nun proceso de moldado único mediante inxexión a alta temperatura. En comparación co RTV, o HTV demostra maior resistencia mecánica, así como un rendimiento mellorado en resistencia ao seguimento e erosión, retardancia ao fogo, propiedades eléctricas, resistencia ao envellecemento e resistencia a altas temperaturas.

Ademais, mediante a modificación da capa de esmalte na superficie da porcelana e o uso de agentes de acoplamento especializados, a resistencia de unión interfacial entre a porcelana e o silicone de goma HTV é significativamente mellorada, promovendo a integración e a uniformidade do compónente. Como resultado, os aisladores compósitos de suspensión de disco de porcelana ofrecen un rendimiento mecánico superior e antipolución con baixos requisitos de funcionamento e manutención, abrindo un novo camiño para as aplicacións de aislamento externo nas liñas de transmisión.

A experiencia no terreo indica que cando as liñas aéreas son golpeadas por un raio, a sobretensión resultante contén impulsos frontales agudos de duración extremadamente curta, alta pendencia e voltaxes pico moi altos, representando unha ameaza significativa para os aisladores de liña. Estes impulsos agudos poden causar perforación ou incluso explosión dos aisladores de disco, e en casos graves, levar a roturas de cadenas e caídas de liñas. A capacidade de resistencia a impulsos frontales agudos é un indicador crítico da calidade dos aisladores.

A pesar de que se realizou unha ampla investigación sobre o rendimiento de onda aguda de aisladores de porcelana e vidro tanto a nivel nacional como internacional, os estudios sobre aisladores compósitos de suspensión de disco de porcelana permanecen escasos, e os seus mecanismos subyacentes non están ben comprendidos. Polo tanto, este artigo realiza ensaios de ruptura por impulso no aire en aisladores compósitos de suspensión de disco de porcelana para investigar as súas características de ruptura por onda aguda.

Os ensaios de ruptura por impulso no aire avalían eficazmente o rendimiento de resistencia a ondas agudas de equipos eléctricos, asegurando a seguridade e fiabilidade en condicións extremas, e teñen un valor significativo na avaliación da calidade dos aisladores. Este estudo primeiro realiza ensaios de ruptura por impulso para analizar o rendimiento de onda aguda, e logo establece unha simulación da distribución do campo eléctrico no pico da tensión de onda aguda baseada nos resultados dos ensaios para explorar o mecanismo da variación do rendimiento, con o obxectivo de proporcionar orientación para a coordinación de aislamento de aisladores compósitos de porcelana en liñas de transmisión.

1 Configuración do ensaio de ruptura por impulso no aire

1.1 Espécimen

O aislador compósito de suspensión de disco HU550B240/650T AC producido por un fabricante foi seleccionado como espécimen de proba. O aislador ten unha estrutura de triple paraguas, como se mostra na Figura 1. Os seus principais parámetros de rendimiento están listados na Táboa 1.

1.2 Plataforma de proba e esquema
Para o ensaio, usouse un xerador de tensión de impulso de 2400 kV. A tapa do aislador foi colocada cara abaixo sobre unha placa metálica aterrada, e un soquete estándar de bola foi instalado no extremo do pin para evitar unha concentración excesiva do campo eléctrico na área cementada arredor do pin. A configuración do aislador ilustrase na Figura 2.

Realizáronse ensaios de ruptura por impulso no aire en un total de 20 espécimes de aisladores. Os métodos de ensaio de ruptura por impulso no aire clasificanse en o método de pendencia e o método de amplitude, sendo o método de amplitude principalmente usado para aisladores de disco.

Este estudo empregou o método de amplitude, que non require linearidade do fronte de impulso, senón que só usa a amplitude da tensión de ruptura como criterio, co tempo de fronte controlado entre 100 e 200 ns e a desviación de amplitude dentro de ±10%. Durante o ensaio, cada aislador foi sometido a cinco impulsos de polaridade positiva, seguidos por cinco impulsos de polaridade negativa, e esta secuencia repetiuse unha vez. O intervalo entre impulsos consecutivos manteuse entre 1 e 2 minutos.

As investigacións nacionais e internacionais indican que o recubrimiento das superficies dos aisladores con goma de silicone altera a taxa de propagación dos streamers de superficie nos aisladores de porcelana, levando a unha menor resistencia a impulsos frontales agudos. No entanto, o rendimiento de aislamento na cabeza do aislador permanece inalterado no funcionamento real.

Este fenómeno foi confirmado por máis de dez fabricantes nacionais de aisladores de disco: independentemente de que o perfil do shed sexa de costillas profundas ou alternantes, ou que a estrutura da cabeza sexa cilíndrica ou cónica, todos os aisladores exhiben algúna diminución no rendimiento de ruptura por onda aguda despois do recubrimiento con goma de silicone.

Como resultado, os estándares pertinentes foron revisados, reducindo a amplitude do ensaio de ruptura por impulso no aire para aisladores de disco revestidos con RTV de 2,8 p.u. a 2,2 p.u. Os resultados preliminares mostran que a ruptura raras veces ocorre a 2,2 p.u. Polo tanto, este estudo seleccionou aisladores de porcelana sen recubrimiento RTV e realizou ensaios de ruptura por impulso no aire a unha tensión de proba estándar de 2,8 p.u., co tempo de fronte da tensión controlado dentro do rango de 100-200 ns.

Unha análise estatística adicional da polaridade da tensión e a localización da ruptura revelou que, de 15 eventos de ruptura, 14 ocorreron con polaridade positiva e só un con polaridade negativa. Entre as rupturas de polaridade positiva, 8 ocorreron na cabeza e 6 nos sheds; a única ruptura de polaridade negativa ocorreu na cabeza. Ademais, observouse arco na superficie do aislador antes das rupturas nos sheds, mentres que non se observou tal arco durante as rupturas na cabeza.

No entanto, na referencia, todas as rupturas frontales agudas de aisladores de porcelana ocorreron na cabeza, e na referencia, os aisladores de porcelana romperon na cabeza tanto antes como despois do recubrimiento RTV. En contraste, este ensaio mostra que, sen o recubrimiento HTV de inxexión única, as rupturas por onda aguda na mesma remesa de aisladores de porcelana ocorreron exclusivamente na cabeza. Despois do recubrimiento HTV, as rupturas nos aisladores compósitos de porcelana ocorreron non só na cabeza, senón tamén no cuello, indicando que o recubrimiento de goma de silicone HTV altera a ruta de ruptura.

Registrouse o número de impulsos aplicados antes da ruptura, con resultados mostrados na Figura 4. Como se ilustra, 12 aisladores romperon dentro dos primeiros cinco impulsos, un rompeu no 7º impulso, e dous romperon no 15º impulso. A referencia indica que os aisladores de porcelana recubertos con RTV exhiben unha significativa redución no rendimiento de resistencia a ondas agudas, con maior probabilidade de ruptura para aisladores de tonelaxe maior, sugerindo que o recubrimiento de goma de silicone degrada a resistencia a ondas agudas. Neste ensaio, o 80% dos aisladores compósitos recubertos con HTV romperon dentro dos primeiros catro impulsos, demostrando ademais que a presenza de goma de silicone HTV reduce significativamente a capacidade do aislador para resistir impulsos frontales agudos.

3 Simulación da distribución do campo eléctrico no pico da tensión de onda aguda

A análise dos resultados do ensaio na Sección 2 revela que, en comparación cos aisladores de porcelana, a ruta de ruptura dos aisladores compósitos cambiou e o seu rendimiento de resistencia a ondas agudas diminuiu significativamente. Esta sección emprega a simulación para calcular a distribución do campo eléctrico do aislador compósito no pico da tensión de impulso, con o obxectivo de investigar as causas do cambio na ruta de ruptura e a diminución do rendimiento de onda aguda.

2.1 Modelo de simulación

As observacións dos ensaios de ruptura por impulso no aire indican que cando ocorre un flashover nos sheds dos aisladores compósitos, os arcos desenvólvense a lo largo da superficie do aislador ata a localización da ruptura. A presenza de arcos inflúe na distribución do campo eléctrico e debe ser considerada no modelo. No entanto, debido á forma irregular dos arcos, establecer un modelo 3D para o cálculo sería difícil, especialmente porque a capa de goma de silicone é fina e moito máis pequena en dimensión en comparación co aislador global, facendo difícil o mallado 3D. Polo tanto, para analizar cualitativamente o impacto da capa de goma de silicone e os arcos na distribución do campo eléctrico, adoptase un modelo bidimensional axialsimétrico para simplificación nesta sección. O modelo de simulación mostrase na Figura 5.

2.2 Materiais e condicións de contorno

A tensión de flashover de impulso de raio ao 50% do aislador é de 145 kV, e o valor pico da tensión de impulso frontal agudo de 2,8 p.u. é de 406 kV. Dado que a maioría dos espécimes de proba experimentaron ruptura de polaridade positiva, na simulación, o pin (pin de acero) está configurado como alto potencial (406 kV) e a tapa (tapa de acero) como potencial cero. Os valores de permitividade relativa dos materiais están listados na Táboa 2.

2.3 Resultados e análise da simulación

No modelo sen recubrimiento de goma de silicone, a distribución do campo eléctrico do aislador de porcelana no pico da tensión de impulso frontal agudo mostrase na Figura 6(a). Como se ve na Figura 6, a intensidade do campo eléctrico concéntrase principalmente na cabeza do aislador, alcanzando ata 50 kV/mm, indicando unha alta probabilidade de flashover na cabeza, consistente coa experiencia no terreo e os estudos relacionados.

Para analizar comparativamente o efecto do recubrimiento de goma de silicone, calculouse a distribución do campo eléctrico do modelo de aislador compósito con goma de silicone inxectada de forma única, con resultados mostrados na Figura 6(b). Pódese observar na Figura 6(b) que o campo eléctrico máximo ocorre no final do arco na superficie inferior do corpo aislante, aproximadamente 219,4 kV/mm; a intensidade do campo no final do arco na superficie superior é menor, 41,21 kV/mm; e tamén existe unha concentración significativa do campo na cabeza do pin, co máximo de 50,68 kV/mm.

Así, baixo a influencia do recubrimiento de goma de silicone, a resistividad superficial do aislador aumenta, elevando significativamente a relación entre a corrente capacitiva de volume e a corrente resistiva de superficie nos sheds. Esto leva a un aumento substancial na componente do campo eléctrico perpendicular á superficie do aislador, facendo que o arco siga de cerca a superficie despois do inicio.

Baixo a influencia do recubrimiento HTV, os arcos superficiais propagan a lo largo da superficie do aislador cando están suxeitos a tensión de fronte agudo, provocando un aumento brusco na intensidade do campo local, superando en gran medida a da cabeza do pin, facendo que a ruptura sexa máis probable na punta do arco e levando a flashovers nos sheds. Isto indica que o rendimiento de resistencia a ondas agudas está afectado polo recubrimiento HTV na superficie dos sheds. Ademais, a simulación mostra un campo eléctrico relativamente alto na cabeza do aislador, o que se correlaciona coas rupturas na cabeza observadas nos ensaios.

3 Conclusión

Realizáronse ensaios de ruptura por impulso no aire en aisladores compósitos para analizar as súas características de ruptura por onda aguda, e realizáronse simulacións da distribución do campo eléctrico no pico da tensión de fronte agudo. As seguintes conclusións foron extraídas:

• Baixo unha tensión de impulso frontal agudo de 2,8 p.u., 15 de 20 espécimes de aisladores compósitos experimentaron ruptura, co 80% ocorrendo dentro dos primeiros catro impulsos, indicando que a presenza de goma de silicone HTV reduce significativamente o rendimiento de resistencia a ondas agudas dos aisladores compósitos.

• Entre os 15 eventos de ruptura, ademais dos flashovers na cabeza do pin, seis ocorreron nos sheds, indicando un cambio claro na ruta de ruptura global en comparación cos aisladores de porcelana convencionais.

• Os resultados da simulación mostran que a propagación do arco superficial nos aisladores compósitos provoca un aumento significativo na intensidade do campo eléctrico nos sheds no pico da tensión, alcanzando 217,64 kV/mm, facendo máis probable o flashover nos sheds. En contraste, para aisladores sen capa de goma de silicone, o campo máximo durante o desenvolvemento do arco está situado na cabeza do pin, alcanzando 49,55 kV/mm, onde ocorre principalmente a ruptura.