Penembusan Impuls Dengan Front Curam pada Isolator Komposit Porcelain Berlapis HTV: Mekanisme Pengujian dan Simulasi

Insulator porselen dan kaca menunjukkan kinerja isolasi dan kekuatan mekanis yang sangat baik, namun rentan terhadap flashover polusi di bawah kontaminasi berat, mengancam operasi stabil jaringan listrik. Untuk meningkatkan ketahanan flashover polusi dari isolasi eksternal, produsen biasanya menerapkan lapisan silikon karet vulkanisir suhu ruang (RTV) dengan sifat hidrofobik dan transfer hidrofobik yang superior pada permukaan insulator, sehingga mengurangi risiko flashover. Awalnya, lapisan RTV di Cina diterapkan di lapangan, metode ini ditandai dengan kesulitan konstruksi tinggi dan kontrol kualitas yang tidak konsisten.

Kemudian, proses pencelupan atau penyemprotan berbasis pabrik dikembangkan, memungkinkan insulator yang dilapisi RTV untuk diserahkan sebagai produk lengkap yang tunduk pada pengawasan dan penerimaan, secara signifikan meningkatkan kualitas produk dan mendorong adopsi luas dalam jaringan listrik. Namun, lapisan RTV memiliki kekuatan mekanis rendah dan daya rekat antarmuka yang lemah terhadap badan isolasi, membuatnya rentan terhadap kerusakan dari gaya eksternal selama transportasi, konstruksi, pemasangan, dan operasi jangka panjang. Fenomena penuaan operasional seperti peluruhan, retak, dan delaminasi umum terjadi, memerlukan pembongkaran dan pengecatan ulang, yang menghasilkan biaya pemeliharaan tinggi.

Insulator porselen komposit suspensi disk menggunakan insulator porselen lengkap sebagai inti, dengan selubung silikon karet vulkanisir suhu tinggi (HTV) -ketebalan minimum 3 mm- dibentuk dalam satu proses pencetakan melalui injeksi suhu tinggi. Dibandingkan dengan RTV, HTV menunjukkan kekuatan mekanis yang lebih unggul, serta peningkatan kinerja dalam ketahanan tracking dan erosi, retardansi api, sifat listrik, ketahanan penuaan, dan ketahanan suhu tinggi.

Selain itu, dengan memodifikasi lapisan glasir pada permukaan porselen dan menggunakan agen coupling khusus, daya rekat antarmuka antara porselen dan silikon karet HTV secara signifikan ditingkatkan, mendorong integrasi dan keseragaman komponen. Oleh karena itu, insulator porselen komposit suspensi disk menawarkan kinerja mekanis dan anti-flashover polusi yang unggul dengan persyaratan operasional dan pemeliharaan yang rendah, membuka jalur baru untuk aplikasi isolasi eksternal dalam garis transmisi.

Pengalaman lapangan menunjukkan bahwa ketika garis udara terkena petir, tegangan overvoltage yang dihasilkan mengandung impuls dengan depan curam yang sangat singkat, kemiringan tinggi, dan tegangan puncak yang sangat tinggi, menimbulkan ancaman signifikan bagi insulator garis. Impuls curam tersebut dapat menyebabkan tusukan atau bahkan ledakan insulator disk, dan dalam kasus parah, dapat menyebabkan putusnya rangkaian dan jatuhnya garis. Ketahanan terhadap impuls curam adalah indikator kritis kualitas insulator.

Meskipun telah banyak penelitian tentang kinerja gelombang curam insulator porselen dan kaca baik di dalam maupun luar negeri, studi tentang insulator porselen komposit suspensi disk masih jarang, dan mekanismenya belum dipahami dengan baik. Oleh karena itu, makalah ini melakukan uji breakdown impuls di udara pada insulator porselen komposit suspensi disk untuk menyelidiki karakteristik breakdown gelombang curam mereka.

Uji breakdown impuls di udara secara efektif mengevaluasi kinerja ketahanan gelombang curam peralatan listrik, memastikan keamanan dan keandalan dalam kondisi ekstrem, dan memiliki nilai penting dalam penilaian kualitas insulator. Studi ini pertama-tama melakukan uji breakdown impuls untuk menganalisis kinerja gelombang curam, kemudian menetapkan simulasi distribusi medan listrik pada puncak tegangan gelombang curam berdasarkan hasil uji untuk menjelajahi mekanisme perubahan kinerja, bertujuan untuk memberikan panduan untuk koordinasi isolasi insulator porselen komposit dalam garis transmisi.

1 Pengaturan Uji Breakdown Impuls Udara

1.1 Spesimen

Insulator porselen komposit suspensi disk HU550B240/650T AC yang diproduksi oleh produsen dipilih sebagai spesimen uji. Insulator tersebut memiliki struktur tiga payung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Parameter kinerja utamanya tercantum dalam Tabel 1.

1.2 Platform dan Skema Uji
Generator tegangan impuls 2400 kV digunakan untuk uji. Topi insulator diletakkan ke bawah pada pelat logam yang di-ground, dan soket bola standar dipasang pada ujung pin untuk mencegah konsentrasi medan listrik berlebihan di area semen di sekitar pin. Penyusunan insulator digambarkan pada Gambar 2.

Uji breakdown impuls di udara dilakukan pada total 20 spesimen insulator. Metode uji untuk breakdown impuls di udara dikategorikan menjadi metode kemiringan dan metode amplitudo, dengan metode amplitudo utamanya digunakan untuk insulator disk.

Studi ini menggunakan metode amplitudo, yang tidak memerlukan linearitas depan impuls tetapi hanya menggunakan amplitudo tegangan breakdown sebagai kriteria, dengan waktu depan dikontrol antara 100 hingga 200 ns dan deviasi amplitudo dalam ±10%. Selama uji, setiap insulator diberikan lima tegangan impuls polaritas positif diikuti lima tegangan impuls polaritas negatif, dan urutan ini diulang sekali. Interval antara impuls berurutan dipertahankan antara 1 hingga 2 menit.

Penelitian dari sumber domestik dan internasional menunjukkan bahwa melapisi permukaan insulator dengan silikon karet mengubah laju propagasi streamer permukaan pada insulator porselen, menyebabkan penurunan kinerja ketahanan impuls depan curam. Namun, kinerja isolasi di kepala insulator tetap tidak terpengaruh dalam operasi aktual.

Fenomena ini telah dikonfirmasi oleh lebih dari sepuluh produsen insulator disk domestik: terlepas dari apakah profil shed adalah tipe tulang rusuk dalam atau tipe payung bergantian, atau apakah struktur kepala silinder atau kerucut, semua insulator menunjukkan penurunan kinerja breakdown gelombang curam tertentu setelah dilapisi silikon karet.

Akibatnya, standar terkait telah direvisi, mengurangi amplitudo uji breakdown impuls di udara untuk insulator disk yang dilapisi RTV dari 2,8 p.u. menjadi 2,2 p.u. Hasil uji awal menunjukkan bahwa breakdown jarang terjadi pada 2,2 p.u. Oleh karena itu, studi ini memilih insulator porselen tanpa lapisan RTV dan melakukan uji breakdown impuls di udara pada tegangan uji standar 2,8 p.u., dengan waktu depan tegangan dikontrol dalam rentang 100-200 ns.

Analisis statistik lebih lanjut tentang polaritas tegangan dan lokasi breakdown menunjukkan bahwa dari 15 kejadian breakdown, 14 terjadi di bawah polaritas positif dan hanya satu di bawah polaritas negatif. Dari breakdown polaritas positif, 8 terjadi di kepala dan 6 di shed; satu-satunya breakdown polaritas negatif terjadi di kepala. Selain itu, busur listrik diamati pada permukaan insulator sebelum breakdown shed, sedangkan tidak ada busur listrik yang diamati selama breakdown kepala.

Namun, dalam referensi, semua breakdown depan curam insulator porselen terjadi di kepala, dan dalam referensi, insulator porselen mengalami breakdown di kepala baik sebelum maupun setelah dilapisi RTV. Sebaliknya, uji ini menunjukkan bahwa tanpa lapisan HTV satu kali cetak, breakdown gelombang curam pada batch insulator porselen yang sama terjadi hanya di kepala. Setelah overmolding HTV, breakdown pada insulator porselen komposit terjadi tidak hanya di kepala tetapi juga di leher, menunjukkan bahwa lapisan silikon karet HTV mengubah jalur breakdown.

Jumlah aplikasi impuls sebelum breakdown dicatat, dengan hasil ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti yang ditunjukkan, 12 insulator mengalami breakdown dalam lima impuls pertama, satu breakdown pada impuls ke-7, dan dua breakdown pada impuls ke-15. Referensi menunjukkan bahwa insulator porselen yang dilapisi RTV menunjukkan penurunan signifikan dalam kinerja ketahanan gelombang curam, dengan probabilitas breakdown yang lebih tinggi untuk insulator tonase besar, menunjukkan bahwa lapisan silikon karet merusak ketahanan gelombang curam. Dalam uji ini, 80% insulator komposit yang dilapisi HTV mengalami breakdown dalam empat impuls pertama, lebih lanjut menunjukkan bahwa keberadaan silikon karet HTV secara signifikan mengurangi kemampuan insulator untuk menahan impuls depan curam.

3 Simulasi Distribusi Medan Listrik pada Puncak Tegangan Gelombang Curam

Analisis hasil uji Bagian 2 menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan insulator porselen, jalur breakdown insulator komposit telah berubah dan kinerja ketahanan gelombang curamnya telah menurun secara signifikan. Bagian ini menggunakan simulasi untuk menghitung distribusi medan listrik insulator komposit pada puncak tegangan impuls, bertujuan untuk menyelidiki penyebab perubahan jalur breakdown dan penurunan kinerja gelombang curam.

2.1 Model Simulasi

Pengamatan dari uji breakdown impuls udara menunjukkan bahwa ketika terjadi flashover shed pada insulator komposit, busur listrik berkembang sepanjang permukaan insulator ke lokasi breakdown. Kehadiran busur mempengaruhi distribusi medan listrik dan harus dipertimbangkan dalam model. Namun, karena bentuk busur yang tidak teratur, pembuatan model 3D untuk perhitungan akan sulit, terutama karena lapisan silikon karet tipis dan jauh lebih kecil dimensinya dibandingkan insulator secara keseluruhan, membuat meshing 3D sulit. Oleh karena itu, untuk menganalisis dampak lapisan silikon karet dan busur pada distribusi medan listrik secara kualitatif, model sumbu simetri dua dimensi digunakan untuk penyederhanaan dalam bagian ini. Model simulasi ditunjukkan pada Gambar 5.

2.2 Bahan dan Kondisi Batas

Tegangan flashover impuls petir 50% insulator adalah 145 kV, dan nilai puncak tegangan impuls depan curam 2,8 p.u. adalah 406 kV. Karena sebagian besar spesimen uji mengalami breakdown polaritas positif, dalam simulasi, pin (pin baja) diatur sebagai potensial tinggi (406 kV) dan topi (topi baja) sebagai potensial nol. Nilai dielektrik relatif bahan-bahan tercantum dalam Tabel 2.

2.3 Hasil dan Analisis Simulasi

Dalam model tanpa lapisan silikon karet, distribusi medan listrik insulator porselen pada puncak tegangan impuls depan curam ditunjukkan pada Gambar 6(a). Seperti terlihat pada Gambar 6, intensitas medan listrik terutama terkonsentrasi di kepala insulator, mencapai hingga 50 kV/mm, menunjukkan kemungkinan tinggi terjadinya flashover kepala - sesuai dengan pengalaman lapangan dan studi terkait.

Untuk menganalisis efek lapisan silikon karet secara komparatif, distribusi medan listrik model insulator komposit dengan lapisan silikon karet satu kali cetak dihitung, dengan hasil ditunjukkan pada Gambar 6(b). Dapat dilihat dari Gambar 6(b) bahwa medan listrik maksimum terjadi di ujung busur pada permukaan bawah badan insulator, sekitar 219,4 kV/mm; kekuatan medan di ujung busur pada permukaan atas lebih rendah, yaitu 41,21 kV/mm; dan konsentrasi medan yang signifikan juga terdapat di kepala pin, dengan maksimum 50,68 kV/mm.

Dengan demikian, di bawah pengaruh lapisan silikon karet, resistivitas permukaan insulator meningkat, secara signifikan meningkatkan rasio arus kapasitif volumetrik terhadap arus resistif permukaan di shed. Ini menyebabkan peningkatan substansial komponen medan listrik yang tegak lurus terhadap permukaan insulator, menyebabkan busur mengikuti permukaan setelah inisiasi.

Di bawah pengaruh lapisan HTV, busur permukaan bergerak sepanjang permukaan insulator ketika terkena tegangan depan curam, menyebabkan kenaikan tajam kekuatan medan lokal - jauh melebihi di kepala pin - membuat breakdown lebih mungkin terjadi di ujung busur dan menyebabkan flashover shed. Ini menunjukkan bahwa kinerja ketahanan gelombang curam dipengaruhi oleh lapisan HTV pada permukaan shed. Selain itu, simulasi menunjukkan kekuatan medan listrik yang relatif tinggi di kepala insulator, yang berkorelasi dengan flashover kepala yang diamati dalam uji.

3 Kesimpulan

Uji breakdown impuls udara dilakukan pada insulator komposit untuk menganalisis karakteristik breakdown gelombang curam, dan simulasi distribusi medan listrik dilakukan pada puncak tegangan depan curam. Kesimpulan berikut ditarik:

• Di bawah tegangan impuls depan curam 2,8 p.u., 15 dari 20 spesimen insulator komposit mengalami breakdown, dengan 80% terjadi dalam empat impuls pertama, menunjukkan bahwa keberadaan silikon karet HTV secara signifikan mengurangi kinerja ketahanan gelombang curam insulator komposit.

• Dari 15 kejadian breakdown, selain flashover di kepala pin, enam terjadi di shed, menunjukkan perubahan jelas dalam jalur breakdown secara keseluruhan dibandingkan dengan insulator porselen konvensional.

• Hasil simulasi menunjukkan bahwa propagasi busur permukaan pada insulator komposit menyebabkan peningkatan signifikan intensitas medan listrik shed pada puncak tegangan, mencapai 217,64 kV/mm, membuat flashover shed lebih mungkin terjadi. Sebaliknya, untuk insulator tanpa lapisan silikon karet, medan maksimum selama perkembangan busur terletak di kepala pin, mencapai 49,55 kV/mm, di mana breakdown terutama terjadi.