Merülő impulzus alakú lebomlás HTV-fedéllyel ellátott kompozit porcelánizolátorokban: Mechanizmusok tesztelés és szimuláció

A porcelán és üvegizolátorok kiváló izoláló teljesítményt és mechanikai erősségűek, de súlyos szennyezés esetén könnyen árnyékoló átkalandozásra lehetnek hajlamosak, ami fenyegeti az elektromos hálózatok stabil működését. Az külső izoláció átkalandozási ellenállásának növelése érdekében a gyártók rendszeresen alkalmaznak szobahőn vulkanizált silikon gumiruhas (RTV) rétegeket az izolátor felületeire, amelyek kiváló vízirtalanító és vízirtalanító tulajdonságokkal rendelkeznek, így csökkentve a kalandozási kockázatot. Kezdetben Kínában a RTV ruházatokat helyszínen alkalmazták, egy olyan módszerrel, amely nagy építési nehézségekkel és nem konzisztens minőség-ellenőrzéssel jár.

Később fejlesztették ki a gyár alapú behúzás vagy szórás technológiát, amely lehetővé tette, hogy a RTV ruházatú izolátorok teljes termékeként legyenek kiszállítva felügyelet és elfogadás alatt, jelentősen javítva a termékminőséget és elősegítve a szélesebb elterjedésüket az elektromos hálózatokban. A RTV ruházatokon azonban alacsony a mechanikai erősség és gyenge az interféciós adhésió az izoláló testhez, ezért könnyen károsulhatnak a külső erők hatására a szállítás, az építés, a telepítés és a hosszú távú működés során. A működési öregedés jelenségei, mint a leválódás, a részegés és a leérés, gyakoriak, ami szükségessé teszi a bontást és újrasorítást, ami magas karbantartási költségeket von maga után.

A diszkus fogantyú kompozit porcelánizolátorok teljes porcelánizolátorokat használnak alapnak, és egy magas hőmérsékletű vulkanizált silikon gumiruhát (HTV) – minimum 3 mm vastagságú – alkotnak egyetlen formázási folyamaton keresztül magas hőmérsékletű injekcióval. A RTV-hez képest az HTV jobb mechanikai erősséggel, valamint javított követés- és eróziós ellenállással, lángtompultsággal, elektrikus tulajdonságokkal, öregedés-ellenállással és magas hőmérsékletű ellenállással rendelkezik.

Továbbá a porcelán felületén lévő glazúr réteg módosításával és speciális kötőanyagok használatával jelentősen javították a porcelán és az HTV silikon gumiruha közötti interféciós kötőerőt, elősegítve a komponens integráltságát és egyenleteségét. Így a diszkus fogantyú kompozit porcelánizolátorok kiváló mechanikai és szennyeződés elleni kalandozási teljesítményt nyújtanak alacsony működési és karbantartási követelményekkel, megnyitva új utat a külső izoláció alkalmazásához a villamos átviteli vezetékekben.

A mezői tapasztalatok szerint, amikor a függő vezetékek villámlásba kerülnek, a keletkező túlnyomásban meglehetősen rövid idejű, nagy meredekségű és nagy csúcserőt tartalmazó impulzusok jelennek meg, amelyek jelentős fenyegetést jelentenek a vezetéki izolátorok számára. Ilyen meredek impulzusok képesek a diszkus izolátorok megperzesére vagy akár robbanására, súlyos esetekben vezetékszakadásra és a vezeték leesésére is. A meredek impulzus ellenálló képesség fontos mutatója az izolátor minőségének.

Bár a porcelán és üvegizolátorok meredek hullám teljesítményéről hazai és nemzetközi szinten széleskörű kutatásokat végeztek, a diszkus fogantyú kompozit porcelánizolátorokról még kevés tanulmány áll rendelkezésre, és az alapjukat nem ismerjük jól. Ezért ebben a tanulmányban levegőben végzünk impulzus-alakú törikölési vizsgálatokat a diszkus fogantyú kompozit porcelánizolátorokon, hogy feltárjuk a meredek hullám törikölési jellemzőiket.

A levegőben végzett impulzus-alakú törikölési vizsgálatok hatékonyan értékelik az elektromos berendezések meredek hullám ellenálló képességét, biztosítva a biztonságot és megbízhatóságot extrém körülmények között, és jelentős értéket képviselnek az izolátor minőségértékelésben. Ezen tanulmányban először impulzus-alakú törikölési vizsgálatokat végzünk a meredek hullám teljesítmény elemzésére, majd a vizsgálati eredmények alapján simítunk ki egy elektromos mező-eloszlás szimulációt a meredek hullám feszültség-csúcsán, hogy feltárjuk a teljesítmény-változásokat okozó mechanizmusokat, célul adni iránymutatást a kompozit porcelánizolátorok izolációs koordinációjához az átviteli vezetékekben.

1. Levegőben végzett impulzus-alakú törikölési vizsgálat beállítása

1.1. Minta

Egy gyártó HU550B240/650T AC diszkus fogantyú kompozit porcelánizolátorát választották vizsgálati mintaként. Az izolátor háromszirmú struktúrával rendelkezik, ahogy az Ábra 1-ben látható. Főbb teljesítmény paraméterei a Táblázat 1-ben szerepelnek.

1.2. Vizsgálati platform és séma
A vizsgálat során 2400 kV impulzusfeszültség-generátort használtak. Az izolátor fejét lefelé helyezték egy földbe kapcsolt fémlemezre, és szabványos gömbkapcsolót telepítettek a pin vége felé, hogy elkerüljék a pin körül található cement rétegen belüli túlfeszültség-koncentrációt. Az izolátor beállítása az Ábra 2-ben látható.

Levegőben végzett impulzus-alakú törikölési vizsgálatokat végztek 20 izolátor minta esetében. A levegőben végzett impulzus-alakú törikölési vizsgálatok metódusai a meredekség-metódusra és az amplitúdó-metódusra oszthatók, ahol az amplitúdó-metódust főleg diszkus izolátoroknál használják.

Ebben a tanulmányban az amplitúdó-metódust használták, amely nem igényel az impulzus front lineáris volt-e, csak az amplitúdót használja mint kritériumot, a front időt 100 és 200 ns között tartják, és az amplitúdó eltérése ±10% között van. A vizsgálat során minden izolátornak öt pozitív polaritású impulzusfeszültséget és öt negatív polaritású impulzusfeszültséget kellett elvisennie, és ezt a sorrendet ismételték egyszer. A szomszédos impulzusok közötti időtartam 1 és 2 perc között maradt.

Hazai és nemzetközi kutatások szerint a porcelánizolátor felületére felvitt silikon gumiruha módosítja a porcelánizolátor felületén haladó felületi streamerek terjedési sebességét, ami csökkenti a meredek impulzus ellenálló képességét. Azonban a működés során az izolátor fejének izolációs teljesítménye nem változik.

Ez a jelenség több mint tíz hazai diszkus izolátor gyártó által megerősítve lett: bár a gerenda profilja mély ribbá vagy váltakozó szirmú típusú, vagy az izolátor fejének szerkezete hengeres vagy konikus, a silikon gumiruha felvitele után az izolátorok mindenképpen bizonyos mértékben csökkenő meredek hullám törikölési teljesítményt mutatnak.

Ezért a releváns normákat módosították, a levegőben végzett RTV ruházatú diszkus izolátorok impulzus-alakú törikölési vizsgálatának amplitúdóját 2.8 p.u.-ról 2.2 p.u.-ra csökkentve. A kezdeti vizsgálati eredmények szerint ritkán történik törikölés 2.2 p.u.-nál. Ezért ebben a tanulmányban RTV ruházat nélküli porcelánizolátorokat választottak, és a standard vizsgálati feszültség 2.8 p.u. mellett végztek levegőben impulzus-alakú törikölési vizsgálatokat, ahol az impulzus front időtartama 100-200 ns között maradt.

A feszültség polaritásának és a törikölési helyek statisztikai elemzése azt mutatta, hogy a 15 törikölési esetből 14 pozitív polaritás mellett történt, és csak egy negatív polaritás mellett. A pozitív polaritás melletti törikölések közül 8 történt az izolátor fején, 6 a gerendéken; a negatív polaritás melletti egyetlen törikölés az izolátor fején történt. Továbbá a törikölés előtt a gerendéken volt látható ív, míg a fej törikölésekor nincs ilyen ív volt látható.

Azonban a hivatkozás szerint a porcelánizolátorok minden meredek frontú törikölése az izolátor fején történt, és a hivatkozás szerint a porcelánizolátorok törikölése az izolátor fején történt, mielőtt és RTV ruházat után is. Ellenben ez a vizsgálat azt mutatja, hogy az egyszeri beszúróformázással ellátott HTV ruházat nélkül a ugyanazon porcelánizolátorok törikölése kizárólag az izolátor fején történt. Az HTV beszúróformázás után a kompozit porcelánizolátorok törikölése már nem csak az izolátor fején, hanem a nyakon is történt, ami azt jelzi, hogy az HTV silikon gumiruha módosítja a törikölési útvonalat.

Feljegyezték a törikölés előtti impulzusok számát, amelyeket a Táblázat 4-ben mutatnak. Ahogy látható, 12 izolátor törikölés történt az első öt impulzus során, egy törikölés történt a hetedik impulzus során, és kettő törikölés történt a tizenötödik impulzus során. A hivatkozás szerint a RTV ruházatú porcelánizolátorok jelentősen csökkentett meredek hullám ellenálló képességgel rendelkeznek, és a nagyobb tonnájú izolátorok esetén magasabb a törikölési valószínűség, ami azt jelzi, hogy a silikon gumiruha rombolja a meredek hullám ellenálló képességet. Ebben a vizsgálatban 80%-a az HTV beszúróformázással ellátott kompozit izolátorok törikölése történt az első négy impulzus során, tovább erősítve, hogy az HTV silikon gumiruha jelentősen csökkenti az izolátor meredek frontú impulzus ellenálló képességét.

3. Elektromos mező eloszlás szimuláció a meredek hullám feszültség-csúcsán

A 2. szakaszban bemutatott vizsgálati eredmények elemzése azt mutatja, hogy a kompozit izolátorok esetében a törikölési útvonal megváltozott, és jelentősen csökkent a meredek hullám ellenálló képesség. Ez a szakasz szimulációt használ a kompozit izolátor elektromos mező eloszlásának kiszámítására az impulzus feszültség-csúcsán, hogy feltárja a módosult törikölési útvonal és a csökkent meredek hullám teljesítmény okait.

2.1. Szimulációs modell

A levegőben végzett impulzus-alakú törikölési vizsgálatok megfigyelései szerint, amikor a kompozit izolátorok gerendéje átkalandozik, az ívek a törikölési hely felé haladnak az izolátor felületén. Az ívek jelenléte befolyásolja az elektromos mező eloszlást, és a modellbe kell bevenni. Azonban az ívek szabálytalan formája miatt a 3D modell kialakítása kihívást jelent, különösen mivel a silikon gumiruha rétege vékony és sokkal kisebb a mérete, mint az izolátor teljes mérete, ami nehezíti a 3D rácsolást. Ezért a silikon gumiruha réteg és az ívek hatásának minőségi elemzéséhez ebben a szakaszban egyszerűsítésre került sor, és két dimenziós tengelyszimmetrikus modellt használtak. A szimulációs modell az Ábra 5-ben látható.

2.2. Anyagok és peremfeltételek

Az izolátor 50%-os villámlás impulzus-alakú átkalandozási feszültsége 145 kV, és a 2.8 p.u. meredek frontú impulzus feszültség-csúcsa 406 kV. Mivel a vizsgálati minták többsége pozitív polaritás melletti törikölést mutatott, a szimuláció során a pin (vaspin) a magas potenciál (406 kV), a korona (vaskorona) pedig null potenciál. A anyagok relatív dielektrikus állandó értékeit a Táblázat 2-ben szerepelnek.

2.3. Szimulációs eredmények és elemzés

A silikon gumiruha réteg nélküli modellben a porcelánizolátor elektromos mező eloszlása a meredek frontú impulzus feszültség-csúcsán az Ábra 6(a) szerint jelenik meg. Az Ábra 6-ban látható, hogy az elektromos mező intenzitása főként az izolátor fején koncentrálódik, elérve 50 kV/mm-ig, ami jelzi a magas valószínűséget a fej átkalandozására – ami megegyezik a mezői tapasztalatokkal és a kapcsolódó tanulmányokkal.

A silikon gumiruha réteg hatásának összehasonlító elemzéséhez a kompozit izolátor modell elektromos mező eloszlását kiszámították, amelyet egyetlen beszúróformázással készítettek, és az eredményeket az Ábra 6(b)-ben mutatják. Az Ábra 6(b)-ből látható, hogy a maximális elektromos mező a törikölési helyen található az izolátor alsó felületén, körülbelül 219.4 kV/mm; a felső felületen az ív vége a mező ereje alacsonyabb, 41.21 kV/mm; és jelentős mező koncentráció is létezik a pin fején, ahol a maximum 50.68 kV/mm.

Így a silikon gumiruha réteg hatására az izolátor felületi ellenállása növekszik, jelentősen növelve a gerendében a térfogati kondenzációs áram és a felületi ellenállási áram arányát. Ez erősen növeli a felületre merőleges elektromos mező komponensét, ami azt eredményezi, hogy az ív a kezdeti indítás után közelít a felülethez.

Az HTV ruházat hatására a felületi ívek a meredek frontú feszültség hatására az izolátor felületén haladnak, ami jelentősen növeli a helyi mező erejét – messze meghaladva a pin fején lévőt –, ami növeli a törikölés valószínűségét az ív végén, és a gerendének átkalandozását okozza. Ez azt jelzi, hogy a meredek hullám ellenálló képesség a HTV ruházat hatására a gerenda felületén változik. Továbbá a szimuláció jelentősen magas elektromos mezőt mutat az izolátor fején, ami megegyezik a vizsgálat során megfigyelt fej törikölésekkel.

3. Következtetés

Levegőben végzett impulzus-alakú törikölési vizsgálatokat végztek a kompozit izolátorokon, hogy elemzésük a meredek hullám törikölési jellemzőket, és elektromos mező eloszlás szimulációkat végeztek a meredek frontú feszültség-csúcsán. A következő következtetésekre jutottak:

• 2.8 p.u. meredek frontú impulzus feszültség mellett 20 kompozit izolátor mintából 15 törikölés történt, amelynek 80%-a történt az első négy impulzus során, ami azt jelzi, hogy az HTV silikon gumiruha jelentősen csökkenti a kompozit izolátorok meredek hullám ellenálló képességét.

• A 15 törikölési esetből, a pin fején történt töriköléseken kívül, 6 történt a gerendéken, ami jelentősen eltérő törikölési útvonalat mutat a hagyományos porcelánizolátorokhoz képest.

• A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a kompozit izolátorok felületi íveinek terjedése jelentősen növeli a gerendében lévő elektromos mező intenzitását a feszültség-csúcsnál, elérve 217.64 kV/mm-ig, ami növeli a gerendének átkalandozásának valószínűségét. Ellenben a silikon gumiruha réteg nélküli izolátorok esetén a feszültség-csúcsnál a pin fején a maximális mező 49.55 kV/mm, ahol a törikölés főleg történik.