急峻波形インパルス下でのHTV被覆複合磁器絶縁子の絶縁破壊：メカニズム、試験、およびシミュレーション
磁器およびガラスの絶縁子は優れた絶縁性能と機械的強度を示しますが、重度の汚染下では汚染フラッシュオーバーにかかりやすく、電力網の安定した運転を脅かします。外部絶縁のフラッシュオーバー耐性を高めるために、製造業者は通常、優れた撥水性と撥水性移行特性を持つ室温硬化型シリコーンゴム（RTV）コーティングを絶縁子表面に適用し、フラッシュオーバーリスクを減らします。当初、中国でのRTVコーティングは現場で行われ、この方法は施工難度が高く品質管理が一貫していませんでした。
その後、工場での浸漬またはスプレー処理が開発され、RTVコーティングされた絶縁子が完成品として監督と受け入れのもとに納品されるようになりました。これにより製品品質が大幅に向上し、電力網での広範な採用につながりました。しかし、RTVコーティングは機械的強度が低く、絶縁体との界面接着性も弱いため、輸送、建設、設置、長期運転中の外力による損傷に脆弱です。剥離、割れ、層間剥離などの運転劣化現象が一般的であり、分解と再塗装が必要となり、メンテナンスコストが高くなります。
ディスクサスペンション複合磁器絶縁子は、完全な磁器絶縁子をコアとして使用し、高温硬化型シリコーンゴム（HTV）のシース—最小厚さ3mm—を高温注入による一体成形プロセスで形成します。RTVと比較して、HTVは機械的強度が高く、トラッキング耐性、侵食耐性、難燃性、電気特性、老化耐性、高温耐性でも優れた性能を示します。
さらに、磁器表面の釉薬層を改良し、専用のカップリング剤を使用することで、磁器とHTVシリコーンゴムの界面結合強度が大幅に向上し、部品の一体化と均一性が促進されます。その結果、ディスクサスペンション複合磁器絶縁子は優れた機械的性能と汚染フラッシュオーバー耐性を示し、運転およびメンテナンス要件が低いことから、送電線路における外部絶縁アプリケーションの新たな道を開きます。
実地経験によると、架空線が雷に打たれた場合、生じる過電圧には非常に短い持続時間、高い急峻度、非常に高いピーク電圧を持つ急峻波パルスが含まれており、線路絶縁子にとって重大な脅威となります。このような急峻なパルスは、ディスク絶縁子の穿孔や爆発を引き起こし、最悪の場合、絶縁子列の断裂や線路の落下につながります。急峻波耐性は絶縁子の品質を示す重要な指標です。
国内外で磁器およびガラス絶縁子の急峻波性能に関する研究が多数行われていますが、ディスクサスペンション複合磁器絶縁子に関する研究はまだ少ない状況であり、その根本的なメカニズムは十分に理解されていません。そのため、本論文ではディスクサスペンション複合磁器絶縁子に対する空中でのインパルス破壊試験を行い、その急峻波破壊特性を調査します。
空中インパルス破壊試験は、電気設備の急峻波耐性を効果的に評価し、極端な条件下での安全性と信頼性を確保するためのものであり、絶縁子の品質評価において重要な価値があります。本研究ではまず、インパルス破壊試験を行い急峻波性能を分析し、次に試験結果に基づいて急峻波電圧のピーク時の電界分布シミュレーションを確立し、性能変動のメカニズムを探求し、送電線路における複合磁器絶縁子の絶縁調整に指導を提供することを目指しています。
1 空中インパルス破壊試験装置
1.1 試験片
あるメーカーが生産するHU550B240/650T ACディスクサスペンション複合磁器絶縁子を選択しました。この絶縁子はトリプルアンブレラ構造を持ち、図1に示されています。主な性能パラメータは表1にリストされています。
1.2 試験プラットフォームと計画
2400 kVインパルス電圧発生器を使用して試験を行いました。絶縁子キャップは接地された金属板上に下方に向けて配置され、ピン端には標準的なボールソケットが設置され、ピン周囲のセメント部分での電界集中を防ぎます。絶縁子の設定は図2に示されています。
空中インパルス破壊試験は、合計20個の絶縁子試験片に対して行われました。空中インパルス破壊試験法は急峻度法と振幅法に分類され、ディスク絶縁子には主に振幅法が使用されます。
本研究では振幅法を採用しました。これはインパルスフロントの直線性を必要とせず、破壊電圧の振幅のみを基準とし、フロント時間が100〜200 ns、振幅偏差が±10%以内で制御されます。試験では各絶縁子に正極性のインパルス電圧を5回、負極性のインパルスを5回施し、これを一度繰り返しました。連続するインパルス間の間隔は1〜2分とされました。
国内外の研究から、磁器絶縁子の表面にシリコーンゴムをコーティングすると、磁器絶縁子の表面ストリーマの伝播速度が変わり、急峻波耐性が低下することが示されています。しかし、実際の運転では絶縁子の頭部の絶縁性能は影響を受けません。
この現象は国内の10以上のディスク絶縁子メーカーによって確認されています：シャッド形状が深リブ型または交互アンブレラ型であっても、頭部構造が円筒形または円錐形であっても、すべての絶縁子はシリコーンゴムコーティング後に多少の急峻波破壊性能の低下を示します。
このため、関連する規格が改訂され、RTVコーティングされたディスク絶縁子の空中インパルス破壊試験振幅が2.8 p.u.から2.2 p.u.に引き下げられました。初期の試験結果では、2.2 p.u.での破壊はほとんど発生しません。したがって、本研究ではRTVコーティングされていない磁器絶縁子を選択し、標準試験電圧2.8 p.u.で空中インパルス破壊試験を行い、電圧フロント時間を100〜200 nsの範囲内に制御しました。
さらに、電圧の極性と破壊位置の統計的分析では、15回の破壊イベントのうち14回が正極性で発生し、1回だけが負極性で発生しました。正極性の破壊では、8回が頭部で、6回がシャッドで発生し、負極性の破壊は頭部で1回発生しました。また、シャッド破壊の前に絶縁子表面にアークが観察されましたが、頭部破壊時にはそのようなアークは観察されませんでした。
しかし、参照文献によれば、磁器絶縁子のすべての急峻波破壊は頭部で発生し、RTVコーティング前後に関わらず磁器絶縁子は頭部で破壊します。一方、本試験では、ワンタイム射出成形HTV被覆がない同じバッチの磁器絶縁子では、急峻波破壊は頭部でのみ発生しました。HTV被覆後、複合磁器絶縁子では頭部だけでなく首部でも破壊が発生し、HTVシリコーンゴム被覆が破壊パスを変えることが示されました。
破壊までのインパルス応用回数を記録し、結果を図4に示しました。図に示すように、12個の絶縁子は最初の5回のインパルス内で破壊し、1個は第7回のインパルスで、2個は第15回のインパルスで破壊しました。参照文献によれば、RTVコーティングされた磁器絶縁子は急峻波耐性が大幅に低下し、大容量の絶縁子ほど破壊確率が高いことが示されています。これはシリコーンゴムコーティングが急峻波耐性を低下させる可能性があることを示唆しています。本試験では、HTV被覆された複合絶縁子の80%が最初の4回のインパルス内で破壊し、HTVシリコーンゴムの存在が絶縁子の急峻波耐性を大幅に低下させることをさらに示しています。
3 急峻波電圧ピーク時の電界分布シミュレーション
第2節の試験結果の分析から、磁器絶縁子と比較して、複合絶縁子の破壊パスが変化し、急峻波耐性が大幅に低下していることが明らかになりました。本節では、インパルス電圧のピーク時における複合絶縁子の電界分布をシミュレーションにより計算し、破壊パスの変化と急峻波性能の低下の原因を調査します。
2.1 シミュレーションモデル
空中インパルス破壊試験の観察から、複合絶縁子でシャッドフラッシュオーバーが発生すると、絶縁子表面に沿ってアークが発生し、破壊位置まで進行します。アークの存在は電界分布に影響を与えるため、モデルに考慮する必要があります。しかし、アークの形状が不規則であるため、3Dモデルの作成は困難であり、特にシリコーンゴム層が薄く、全体的な絶縁子と比べて小さいため、3Dメッシングは困難です。したがって、本節では、シリコーンゴム層とアークの影響を定性的に分析するために、2次元軸対称モデルを採用しました。シミュレーションモデルは図5に示されています。
2.2 材料と境界条件
絶縁子の50%雷インパルスフラッシュオーバー電圧は145 kVであり、2.8 p.u.の急峻波インパルス電圧のピーク値は406 kVです。ほとんどの試験片で正極性の破壊が発生したため、シミュレーションではピン（鋼ピン）を高電位（406 kV）、キャップ（鋼キャップ）をゼロ電位と設定しました。材料の相対誘電率は表2にリストされています。
2.3 シミュレーション結果と分析
シリコーンゴム被覆がないモデルでは、急峻波インパルス電圧のピーク時の磁器絶縁子の電界分布は図6(a)に示されています。図6から、電界強度は主に絶縁子の頭部に集中し、最大50 kV/mmに達し、頭部フラッシュオーバーの可能性が高いことが示されています。これは実地経験と関連研究と一致しています。
シリコーンゴム被覆の影響を比較分析するために、ワンタイム射出成形シリコーンゴムを有する複合絶縁子モデルの電界分布を計算し、結果を図6(b)に示しました。図6(b)から、最大電界は絶縁体下表面のアークの末端で約219.4 kV/mmに達し、上表面のアーク末端の電界強度は41.21 kV/mmであり、ピンヘッドでも顕著な電界集中があり、最大50.68 kV/mmとなっています。
したがって、シリコーンゴム被覆の影響により、絶縁子表面の抵抗率が上昇し、シャッド内の体積容量電流と表面抵抗電流の比が大幅に増加します。これにより、絶縁子表面に垂直な電界成分が大幅に増加し、アークが開始後すぐに表面に沿って進行します。
HTV被覆の影響下では、急峻波電圧を受けると表面アークが絶縁子表面に沿って進行し、局所の電界強度が急激に上昇し、ピンヘッドよりも遥かに高く、アーク先端での破壊がより可能になり、シャッドフラッシュオーバーが発生します。これは、シャッド表面のHTV被覆が急峻波耐性に影響を与えることを示しています。また、シミュレーションでは絶縁子頭部の電界が相対的に高く、試験で観察された頭部フラッシュオーバーと一致しています。
3 結論
複合絶縁子に対して空中インパルス破壊試験を行い、その急峻波破壊特性を分析し、急峻波電圧ピーク時の電界分布シミュレーションを行いました。以下の結論が得られました：
2.8 p.u.の急峻波インパルス電圧下で、20個の複合絶縁子試験片のうち15個で破壊が発生し、その80%が最初の4回のインパルス内で発生しました。これはHTVシリコーンゴムの存在が複合絶縁子の急峻波耐性を大幅に低下させることを示しています。
15回の破壊イベントのうち、ピンヘッドでのフラッシュオーバー以外に6回がシャッドで発生しました。これは従来の磁器絶縁子と比較して、全体的な破壊パスが明確に変化していることを示しています。
シミュレーション結果によると、複合絶縁子の表面アーク伝播により、電圧ピーク時のシャッド電界強度が大幅に増加し、217.64 kV/mmに達し、シャッドフラッシュオーバーがより可能になります。一方、シリコーンゴム層がない絶縁子では、アーク発展時の最大電界はピンヘッドにあり、49.55 kV/mmで主に破壊が発生します。
