Strmin doseg impulsnog razrjeđivanja na kompozitnim porcelanskim izolatorima s HTV-om: mehanizmi testiranja i simulacija

Porcelanski i stakleni izolatori pokazuju odlične izolacijske performanse i mehaničku čvrstoću, ali su podložni zagađenju i bljeskom zagađenja u teškim uvjetima, što prijeti stabilnom radu električnih mreža. Da bi se povezala otpornost vanjske izolacije na bljesk zagađenja, proizvođači obično primjenjuju premazane sijaljke dimetioksil silikona (RTV) s vrhunskim hidrofobnim i prenosem hidrofobnosti na površine izolatora, time smanjujući rizik od bljeska. Na početku, RTV premazi u Kini se primjenjivali na terenu, metoda koja je karakterizirana visokom težinom izgradnje i nekonzistentnim kontrolo kvalitete.

Nakon toga razvijene su postupke curenja ili sprejanja u fabrici, omogućujući dostavu kompletnih izolatora sa RTV premazom pod nadzorom i prihvaćanjem, značajno povećavajući kvalitetu proizvoda i njihovu široku upotrebu u električnim mrežama. Međutim, RTV premazi imaju nisku mehaničku čvrstoću i slabu interfejsnu adheziju na izolacijsko tijelo, što ih čini podložnim oštećenju od vanjskih snaga tijekom transporta, izgradnje, instalacije i dugotrajnog rada. Operativni starožavljeni fenomeni poput odlupivanja, pukotina i delaminacija su česti, zahtijevajući demontiranje i ponovno premazivanje, što dovodi do visokih troškova održavanja.

Disk-suspenzija kompozitnih porcelanskih izolatora koristi kompletni porcelanski izolator kao jezgra, s presijekom visoko temperaturne vulkanizirane sijaljke dimetioksil silikona (HTV) – minimalna debljina 3 mm – formiranim u jedinstvenom procesu visokotemperaturnog curenja. U usporedbi s RTV, HTV pokazuje bolju mehaničku čvrstoću, kao i poboljšane performanse u odnosu na praćenje i eroziju, vatrotučnost, električne svojstva, odpornost na starožavljenje i visoku temperaturu.

Dodatno, mijenjanjem glazure na površini porcelana i korištenjem specijalnih spojevnih agenata, značajno se povećava međuspremninska čvrstoća spajanja između porcelana i HTV sijaljke dimetioksil silikona, promičući integraciju i uniformnost komponente. Stoga disk-suspenzija kompozitnih porcelanskih izolatora nudi bolje mehaničke i protuzagađenje performanse s niskim operativnim i održavnim zahtjevima, otvarajući novu putanju za vanjsku izolaciju u prijenosnim linijama.

Iskustvo na terenu pokazuje da kad su nadzemne linije pogodjene munjom, rezultirajući prenapon sadrži strminu impulsa s ekstremno kratkom trajanjem, visokom strminom i vrlo visokim vrhovitim naprezanjima, predstavljajući značajnu prijetnju izolatorima linija. Takvi strmi impulsi mogu uzrokovati probijanje ili čak eksploziju disk izolatora, a u teškim slučajevima, dovesti do prekida lanca i padanja linije. Otpornost na strmi impulsi je ključni pokazatelj kvalitete izolatora.

Iako je provedeno veliko istraživanje o strminom valu porcelanskih i staklenih izolatora unutar i izvan zemlje, studije o disk-suspenziji kompozitnih porcelanskih izolatora još uvijek su rijetke, a njihovi temeljni mehanizmi nisu dobro shvaćeni. Stoga ovaj rad provodi ispitivanje prekidnog napona u zraku na disk-suspenziji kompozitnih porcelanskih izolatora kako bi se ispitale njihove karakteristike prekida strmog vala.

Ispitivanje prekidnog napona u zraku efektivno procjenjuje otpornost na strmi val električnog opreme, osiguravajući sigurnost i pouzdanost u ekstremnim uvjetima, i ima značajan utjecaj na procjenu kvalitete izolatora. Ovo istraživanje prvo provodi ispitivanje prekidnog napona kako bi se analizirale performanse strmog vala, zatim stvara simulaciju distribucije električnog polja na vrhu strmog vala na osnovu rezultata testa kako bi se ispitao mehanizam varijacije performansi, te cilja da dade smjernice za koordinaciju izolacije kompozitnih porcelanskih izolatora u prijenosnim linijama.

1 Postavljanje ispita prekidnog napona u zraku

1.1 Primjerak

Izabrani je HU550B240/650T AC disk-suspenzija kompozitni porcelanski izolator proizveden od strane proizvođača kao uzorak za ispitivanje. Izolator ima tro-umbrelastu strukturu, kao što je prikazano na slici 1. Njegovi glavni performansni parametri navedeni su u tablici 1.

1.2 Platforma i shema ispita
Koristio se generator impulsnog napona od 2400 kV za ispitivanje. Kap izolatora postavljen je prema dolje na zemljištu metalne ploče, a standardni loptasti soket instaliran je na pinu kako bi se sprečilo previše koncentracije električnog polja oko cementiranog područja oko pina. Postavljanje izolatora prikazano je na slici 2.

Ispitivanje prekidnog napona u zraku provedeno je na ukupno 20 uzoraka izolatora. Metode ispitivanja prekidnog napona u zraku podijeljene su u metodu strmine i metodu amplituda, gdje se metoda amplitude uglavnom koristi za disk izolatore.

Ovo istraživanje koristilo je metodu amplitude, koja ne zahtijeva linearitet impulsnog fronta, već samo amplitudu prekidnog napona kao kriterij, s vremenom fronta kontroliranim između 100 i 200 ns i odstupanjem amplitude unutar ±10%. Tijekom testa, svaki izolator podvrgnut je pet pozitivno-polariziranih impulsnih napona, zatim pet negativno-polariziranih impulsa, i ta se sekvencija ponovila jednom. Interval između uzastopnih impulsa održan je između 1 i 2 minuta.

Istraživanja unutar i izvan zemlje pokazuju da nanosenje sijaljke dimetioksil silikona na površinu izolatora mijenja brzinu širenja površinskih streamera na porcelanskim izolatorima, što dovodi do smanjenja otpornosti na strmi impulsi. Međutim, izolacijska performansa na glavi izolatora ostaje nepromijenjena u stvarnom radu.

Ovaj fenomen potvrđen je od strane više od deset domaćih proizvođača disk izolatora: bez obzira na to da li profil shed-a ima duboke ribe ili alternirajuće umbrele, ili da li struktura glave ima valjkasti ili stočasti oblik, svi izolatori pokazuju neku razinu smanjenja performansi prekida strmog vala nakon nanosenja sijaljke dimetioksil silikona.

Zbog toga su relevantni standardi revizirani, smanjujući amplitudu ispita prekidnog napona u zraku za disk izolatore s premazom RTV s 2.8 p.u. na 2.2 p.u. Preliminarni rezultati ispita pokazuju da se rijetko događa prekid na 2.2 p.u. Stoga je ovo istraživanje izabralo porcelanske izolatore bez premaza RTV i provedeno je ispitivanje prekidnog napona u zraku na standardnoj ispitnoj napetosti od 2.8 p.u., s vremenom fronta kontroliranim unutar raspona 100-200 ns.

Daljnja statistička analiza polariteta napetosti i lokacije prekida pokazala je da je od 15 prekida, 14 se dogodilo pri pozitivnoj polaritetu, a samo jedan pri negativnoj polaritetu. Od prekida pri pozitivnoj polaritetu, 8 se dogodilo na glavi, a 6 na shed-ovima; jedan prekid pri negativnoj polaritetu se dogodio na glavi. Dodatno, prije prekida na shed-ovima, na površini izolatora je zapaženo luka, dok takve lukove nije bilo vidljivo tijekom prekida na glavi.

Međutim, u referenci, svi prekidi porcelanskih izolatora pri strmom frontu dogodili su se na glavi, a u referenci, porcelanski izolatori su prekidali na glavi i prije i poslije premaza RTV. U suprotnom, ovaj ispit pokazuje da bez jednokratnog injektivnog oblikovanja HTV overcoata, prekidi strmog vala u istoj seriji porcelanskih izolatora događali su se isključivo na glavi. Nakon overmoldinga HTV, prekidi u kompozitnim porcelanskim izolatorima događali su se ne samo na glavi, već i na vrati, što ukazuje da HTV sijaljka dimetioksil silikona mijenja put prekida.

Broj primjena impulsa prije prekida bio je zabilježen, s rezultatima prikazanim na slici 4. Kao što je prikazano, 12 izolatora prekidalo je unutar prvih pet impulsa, jedan prekidao je na 7. impulu, a dva na 15. impulu. Referenca pokazuje da porcelanski izolatori s premazom RTV pokazuju značajno smanjenu otpornost na strmi val, s većom vjerojatnošću prekida za izolatore veće tonaze, što sugerira da premaz sijaljkom dimetioksil silikona smanjuje otpornost na strmi val. U ovom ispitivanju, 80% kompozitnih izolatora s overcoat-om HTV prekidalo je unutar prvih četiri impulsa, što dodatno pokazuje da prisutnost HTV sijaljke dimetioksil silikona značajno smanjuje sposobnost izolatora da održi strmi front impulsa.

3 Simulacija distribucije električnog polja na vrhu strmog vala

Analiza rezultata ispita u odjeljku 2 pokazuje da, u usporedbi s porcelanskim izolatorima, put prekida kompozitnih izolatora promijenjen je i njihova otpornost na strmi val značajno smanjena. Ovaj odjeljak koristi simulaciju kako bi se izračunala distribucija električnog polja kompozitnog izolatora na vrhu impulsnog napona, s ciljem ispitivanja uzroka promjene puta prekida i smanjene performanse strmog vala.

2.1 Simulacijski model

Promatranja iz ispita prekidnog napona u zraku pokazuju da kada se dogodi flashover na shed-ovima kompozitnih izolatora, lukovi se razvijaju duž površine izolatora do lokacije prekida. Prisutnost lukova utječe na distribuciju električnog polja i mora se uzeti u obzir u modelu. Međutim, zbog nepravilnog oblika lukova, stvaranje 3D modela za izračune bi bilo teško, posebno jer je sloj sijaljke dimetioksil silikona tanki i mnogo manji u dimenzijama u usporedbi s ukupnim izolatorom, čime bi 3D meshing bio težak. Stoga, kako bi se kvalitativno analizirao utjecaj sloja sijaljke dimetioksil silikona i lukova na distribuciju električnog polja, u ovom odjeljku koristi se dvodimenzionalni aksijsimetrični model za pojednostavljenje. Simulacijski model prikazan je na slici 5.

2.2 Materijali i granični uvjeti

50% impulsnog napona munjskog bljeska izolatora iznosi 145 kV, a vrhovna vrijednost 2.8 p.u. strmog fronta impulsnog napona iznosi 406 kV. Budući da je većina uzoraka ispitivanih doživjela prekid pri pozitivnoj polariteti, u simulaciji se pin (čelični pin) postavlja kao visok potencijal (406 kV), a kap (čelični kap) kao nula potencijal. Relativne dielektrične konstante materijala navedene su u tablici 2.

2.3 Rezultati i analiza simulacije

U modelu bez premaza sijaljkom dimetioksil silikona, distribucija električnog polja porcelanskog izolatora na vrhu impulsnog napona strmog fronta prikazana je na slici 6(a). Kao što je vidljivo na slici 6, intenzitet električnog polja uglavnom je koncentriran na glavi izolatora, dosežući do 50 kV/mm, što ukazuje na visoku vjerojatnost prekida na glavi - u skladu s iskustvom na terenu i povezanim studijama.

Da bi se usporedno analizirao utjecaj premaza sijaljkom dimetioksil silikona, izračunata je distribucija električnog polja modela kompozitnog izolatora s jednokratnim injektivnim oblikovanjem sijaljke dimetioksil silikona, s rezultatima prikazanim na slici 6(b). Može se vidjeti na slici 6(b) da maksimalni električni polje javlja se na kraju luka na donjoj površini izolacijskog tijela, približno 219.4 kV/mm; jačina polja na kraju luka na gornjoj površini je niža, 41.21 kV/mm; i značajna koncentracija polja također postoji na glavi pina, s maksimumom od 50.68 kV/mm.

Stoga, pod utjecajem premaza sijaljkom dimetioksil silikona, površinska otpornost izolatora povećava se, značajno povećavajući omjer volumenskog kapacitivnog toka i površinskog otpornog toka u shed-ovima. To dovodi do značajnog povećanja komponente električnog polja okomite na površinu izolatora, čime se luk tesno prati površinu nakon inicijalizacije.

Pod utjecajem premaza HTV, površinske lukove se šire duž površine izolatora kada su izloženi strmom frontu napetosti, što dovodi do značajnog porasta lokalne jačine polja - daleko premašujući tu na glavi pina - čime se povećava vjerojatnost prekida na vrhu luka i dovodi do flashovera na shed-ovima. To ukazuje da je otpornost na strmi val utjecana premazom HTV na površini shed-ova. Dodatno, simulacija pokazuje relativno visoku jačinu polja na glavi izolatora, što se podudara s opaženim prekidima na glavi tijekom ispita.

3 Zaključak

Ispitivanje prekidnog napona u zraku provedeno je na kompozitnim izolatorima kako bi se analizirale njihove karakteristike prekida strmog vala, te su izvedene simulacije distribucije električnog polja na vrhu impulsnog napona strmog fronta. Doista su dobiveni sljedeći zaključci:

• Pri 2.8 p.u. impulsnom napetu strmog fronta, 15 od 20 uzoraka kompozitnih izolatora doživjelo je prekid, od kojih 80% unutar prvih četiri impulsa, što ukazuje da prisutnost HTV sijaljke dimetioksil silikona značajno smanjuje otpornost na strmi val kompozitnih izolatora.

• Od 15 prekida, osim flashovera na glavi pina, šest se dogodilo na shed-ovima, što ukazuje na jasan promjenu u ukupnom putu prekida u usporedbi s konvencionalnim porcelanskim izolatorima.

• Rezultati simulacije pokazuju da se širenje površinskih lukova u kompozitnim izolatorima dovodi do značajnog povećanja intenziteta električnog polja na shed-ovima na vrhu napetosti, dosežući 217.64 kV/mm, čime se povećava vjerojatnost flashovera na shed-ovima. U suprotnom, za izolatore bez sloja sijaljke dimetioksil silikona, maksimalni polje tijekom razvoja luka nalazi se na glavi pina, dosežući 49.55 kV/mm, gdje se uglavnom događa prekid.