Atpūta ar strauji pieaugošu impulsu HTV apklātām kompozīta porcēļa izolātoriem: mehānismi testēšana un modelēšana

Porcelāna un stikla izolātori parāda lielisku izolācijas veiktspēju un mehānisko stiprumu, bet smagā kontaminācijas dēļ tie ir neskarti sajaukšanas blakstiem, kas apdraud elektrības tīklu stabīgu darbību. Lai palielinātu ārējās izolācijas sajaukšanas blakstu atbalstīšanu, ražotāji parasti pielieto istabas temperatūrā vulkanizēto silikona gumiju (RTV) apklājumus ar augstu hidrofobiskumu un hidrofobiskuma pārnešanas īpašībām uz izolātoru virsmām, tādējādi samazinot blakstu risku. Sākotnēji Ķīnā RTV apklājumi tika piemēroti vietas, kas raksturojas ar augstu būvniecības grūtību līmeni un nekonsekventu kvalitātes kontrolēšanu.

Vēlāk tika izstrādātas rūpnīcas baltais apglabāšanas vai sprausmas procesi, kas ļāva piegādāt RTV apklātus izolātorus kā pilnveidotus produktus, kas ir pakļauti uzraudzībai un pieņemšanai, nozīmīgi uzlabojot produktu kvalitāti un veicinot to plašu izmantošanu elektrības tīklos. Tomēr RTV apklājumi cieš no zema mehāniskā stipruma un vāja saskara ar izolējošo ķermeni, padarot tos vājus pret ārējo spēku iedarbību laikā transportēšanas, būvniecības, instalācijas un ilgstošas darbības laikā. Operatīvā novecināšana, piemēram, atdalīšanās, spraugas un slāņu atdalīšanās, ir bieži sastopama, kas prasa demonstaciju un jauna apklājuma nepieciešamību, kas radījusi augstus uzturēšanas izmaksas.

Diska suspensijas savienotos porcelāna izolātori izmanto veselu porcelāna izolātoru kā kodolu, ar augstas temperatūras vulkanizēto silikona gumiju (HTV) mantu - minimālais platums 3 mm - ko veido vienā formēšanas procesā, izmantojot augstas temperatūras injekciju. Salīdzinājumā ar RTV, HTV parāda labāku mehānisko stiprumu, kā arī uzlabotu veiktspēju trase un erosijas atbalstīšanā, ugunsgrēka novēršanā, elektrosaites īpašībās, novecināšanas atbalstīšanā un augstās temperatūras atbalstīšanā.

Turklāt, modificējot glazu slāni uz porcelāna virsmā un izmantojot speciālas savienojuma vielas, starp porcelānu un HTV silikona gumi izveidojas būtiski uzlabota saskara, veicinot komponentu integrāciju un vienmērību. Tādējādi diska suspensijas savienotie porcelāna izolātori piedāvā labāku mehānisko un piesārņojuma blaksta atbalstīšanu ar zemu operatīvo un uzturēšanas prasību, atverot jaunu ceļu ārējās izolācijas izmantošanai pārvades līnijās.

Praktiskais pieredze liecina, ka, kad virsgraudas līnijas tiek skartas ar vaivari, rezultējošā pārsprieguma satur strupainus impulss ar ļoti īsu ilgumu, augstu strupumu un ļoti augstu virsotnes voltāžu, kas rada nozīmīgas draudus līnijas izolātoriem. Šādi strupaini impulsus var izraisīt šķērsošanu vai pat eksploziju diska izolātoros, un smagākajos gadījumos tas var izraisīt virknēšanās un līnijas kritumu. Strupainu impulss atbalstīšanas spēja ir kritisks indikators izolātoru kvalitātei.

Lai gan gan mājās, gan ārpus tās ir veikti plaši pētījumi par porcelāna un stikla izolātoru strupaino impulss veiktspēju, pētījumi par diska suspensijas savienoto porcelāna izolātoru joprojām ir reti, un to pamatmeklēšana nav labi izprasta. Tādēļ šajā darbā tiek veikti impulss sabrukuma testi gaisā, lai pētītu diska suspensijas savienoto porcelāna izolātoru strupaino impulss sabrukuma īpašības.

Gaisa impulss sabrukuma testi efektīvi novērtē elektriskā aprīkojuma strupaino impulss atbalstīšanas veiktspēju, nodrošinot drošību un uzticamību ārkārtas apstākļos, un tos ir nozīmīga vērtība izolātoru kvalitātes novērtēšanā. Šajā pētījumā pirmo kārtu tiek veikti impulss sabrukuma testi, lai analizētu strupaino impulss veiktspēju, pēc tam balstoties uz testa rezultātiem tiek izveidots elektriskā lauka sadalījuma simulācija strupaino impulss virsotnes voltāžas laukā, lai izpētītu veiktspējas maiņas mehānismu, mērķinot sniegt norādījumus savienoto porcelāna izolātoru izolācijas koordinācijai pārvades līnijās.

1 Gaisa Impulss Sabrukuma Testa Iestatījums

1.1 Paraugs

Izveidotājs HU550B240/650T AC diska suspensijas savienotais porcelāna izolātors tika izvēlēts kā testa paraugs. Izolātors ir ar trīs lietus nobraukumu struktūru, kā redzams Attēlā 1. Tā galvenie veiktspējas parametri ir uzskaitīti Tabulā 1.

1.2 Testa Platforma un Shēma
Testa tika izmantots 2400 kV impulss voltāžas ģeneratora. Izolātora burts tika novietots leju uz dzelzs plāksnei, un standarta rutīte tika uzstādīta uz špuntes beigām, lai novērstu pārmērīgu elektriskā lauka koncentrēšanos špunktes apkārt cementētajā zonā. Izolātora iestatījums ir parādīts Attēlā 2.

Kopā 20 izolātoru paraugu tika veikti gaisa impulss sabrukuma testi. Gaisa impulss sabrukuma testu metodes ir sadalītas strupuma metode un amplitūdas metode, kur amplitūdas metode galvenokārt tiek izmantota diska izolātoriem.

Šajā pētījumā tika izmantota amplitūdas metode, kas nerequire lineāritāti impulss priekšplānā, bet izmanto tikai sabrukuma voltāžas amplitūdu kā kritēriju, ar priekšplāna laiku kontrolēts starp 100 un 200 ns un amplitūdas novirze robežās ±10%. Testa laikā katrs izolātors tika pakļauts pieciem pozitīvā polāritātes impulss voltāžām, sekojot pieciem negatīvā polāritātes impulss, un šī secība tika atkārtota vienu reizi. Starp dažādiem impulss tika uzturēts intervāls starp 1 un 2 minūtēm.

Pētījumi gan mājās, gan ārpus tās liecina, ka silikona gumi apklājums izolātoru virsmai maina virsma streameru izplatīšanās ātrumu porcelāna izolātoros, kas noved pie samazinātās strupaino impulss atbalstīšanas veiktspējas. Tomēr faktiskā darbībā izolātora galvas izolācijas veiktspēja paliek nemainīga.

Šī parādība ir apstiprināta vairāk nekā desmit mājās esošajiem diska izolātoru ražotājiem: neatkarīgi no tā, vai špunktes profils ir dziļa riba vai alternējošs lietus nobraukums, vai arī galvas struktūra ir cilindriska vai koniska, visi izolātori rāda dažādu mērā samazinātu strupaino impulss sabrukuma veiktspēju pēc silikona gumi apklājuma.

Tādēļ attiecīgie standarti tika revīzēti, samazinot gaisa impulss sabrukuma testa amplitūdu RTV apklātajiem diska izolātoriem no 2.8 p.u. līdz 2.2 p.u. Sākotnējie testa rezultāti rāda, ka sabrukums reti notiek 2.2 p.u. Tādēļ šajā pētījumā tika izvēlēti porcelāna izolātori bez RTV apklājuma un tika veikti gaisa impulss sabrukuma testi standarta testa voltāžā 2.8 p.u., ar priekšplāna laiku kontrolēts starp 100-200 ns.

Turpmākā statistiskā analīze par voltāžas polāritāti un sabrukuma atrašanās vietu parādīja, ka no 15 sabrukuma notikumiem 14 notika pozitīvā polāritātē un tikai viens negatīvā polāritātē. No pozitīvās polāritātes sabrukumiem 8 notika galvā un 6 špunktēs; vienīgais negatīvās polāritātes sabrukums notika galvā. Papildus tam, pirms špunktu sabrukuma, tika novērots arki izolātora virsmai, savukārt laikā galvas sabrukuma tāds arki netika novērots.

Tomēr, atsaucoties, visi porcelāna izolātoru strupainie sabrukumi notika galvā, un atsaucoties, porcelāna izolātori sabruka galvā gan pirms, gan pēc RTV apklājuma. Savukārt šajā testā bez vienreizējas injekcijas formēšanas HTV apklājuma, tāda paša partijas porcelāna izolātoru strupainie sabrukumi notika tikai galvā. Pēc HTV apformēšanas, savienoto porcelāna izolātoru sabrukumi notika ne tikai galvā, bet arī špunktē, kas liecina, ka HTV silikona gumi apklājums maina sabrukuma ceļu.

Tika reģistrēts impulss skaits pirms sabrukuma, ar rezultātiem parādītiem Attēlā 4. Kā redzams, 12 izolātori sabruka pirmajos piecos impulss, viens sabruka septītajā impulss, un divi sabruka piecpadsmitajā impulss. Atsaucoties, RTV apklātie porcelāna izolātori parāda būtisku samazinājumu strupaino impulss atbalstīšanas veiktspējā, ar lielāko sabrukuma iespējamību lielākos tonnage izolātoros, kas liecina, ka silikona gumi apklājums pasliktina strupaino impulss atbalstīšanas veiktspēju. Šajā testā 80% no HTV apklātajiem savienotajiem izolātoriem sabruka pirmajos četros impulss, turpmāk demonstrējot, ka HTV silikona gumi apklājums būtiski samazina izolātora spēju atbalstīt strupainos impulss.

3 Elektriskā Lauka Sadalījuma Simulācija Strupaino Impulss Voltāžas Virsotnē

2. sadaļas testa rezultātu analīze parāda, ka salīdzinājumā ar porcelāna izolātoriem, savienoto izolātoru sabrukuma ceļš ir mainījies, un to strupaino impulss atbalstīšanas veiktspēja ir būtiski samazinājusies. Šajā sadaļā tiek izmantota simulācija, lai aprēķinātu savienoto izolātora elektriskā lauka sadalījumu strupaino impulss voltāžas virsotnē, mērķinot izpētīt sabrukuma ceļa maiņas un strupaino impulss veiktspējas samazināšanās iemeslus.

2.1 Simulācijas Modelis

Novērojumi no gaisa impulss sabrukuma testiem liecina, ka, kad notiek špunktu šķērsošana savienotajos izolātoros, arki izveidojas pa izolātora virsmu līdz sabrukuma vietā. Arku klātbūtne ietekmē elektriskā lauka sadalījumu un tai jāiekļauj modelī. Tomēr, tā kā arkus forma ir neregulāra, 3D modeļa izveide būtu grūta, jo īpaši tāpēc, ka silikona gumi slānis ir ļoti dūns un salīdzinoši mazāks izmēros salīdzinājumā ar kopējo izolātoru, padarot 3D tīklu izveidi grūtu. Tādēļ, lai kvalitatīvi analizētu silikona gumi slāņa un arkus ietekmi uz elektriskā lauka sadalījumu, šajā sadaļā tiek izmantots divdimensionāls assimetriskais modelis. Simulācijas modelis ir parādīts Attēlā 5.

2.2 Materiāli un Robežas

Izolātora 50% vaivars impulss flashover voltāža ir 145 kV, un 2.8 p.u. strupaino impulss voltāžas virsotne ir 406 kV. Tā kā lielākā daļa testa paraugiem bija pozitīvā polāritātes sabrukums, simulācijā špunkts (dzelzs špunkts) ir iestatīts kā augsts potenciāls (406 kV), un burts (dzelzs burts) kā nulle. Materiālu relatīvās dielektriskās vērtības ir uzskaitītas Tabulā 2.

2.3 Simulācijas Rezultāti un Analīze

Modelī bez silikona gumi apklājuma, porcelāna izolātora elektriskā lauka sadalījums strupaino impulss voltāžas virsotnē ir parādīts Attēlā 6(a). Kā redzams Attēlā 6, elektriskā lauka intensitāte ir galvenokārt koncentrēta izolātora galvā, sasniedzot līdz 50 kV/mm, kas liecina par augstu iespējamību galvas šķērsošanai - saskaņā ar praksē gūto pieredzi un saistītajiem pētījumiem.

Lai salīdzinātu silikona gumi apklājuma ietekmi, tika aprēķināts savienoto izolātora modelis ar vienreizēju injekcijas formēšanas silikona gumi, ar rezultātiem parādītiem Attēlā 6(b). No Attēla 6(b) var novērot, ka maksimālais elektriskais lauks rodas arka beigās apakšējā izolējošā ķermeņa virsmā, aptuveni 219.4 kV/mm; arka beigu virsotnes virsma ir zemāka, 41.21 kV/mm; un būtiska lauka koncentrēšanās arī pastāv špunkta galvā, ar maksimumu 50.68 kV/mm.

Tātad, silikona gumi apklājuma ietekmē, izolātora virsmas resistīvitate palielinās, būtiski palielinot tilpuma kapacitīvā strāvas attiecību pret virsmas resistīvā strāvu špunktē. Tas noved pie būtiska palielinājuma elektriskā lauka komponentam, kas perpendikulārs izolātora virsmai, dēļ kura arks cieši sekot virsmai pēc tā sākuma.

HTV apklājuma ietekmē, virsma arki izplešas pa izolātora virsmu, kad tiek pakļauts strupaino impulss voltāžai, radot būtisku lokālā lauka stipruma pieaugumu - pārsniedzot špunkta galvas lauku - kas padara arka gala sabrukumu un špunktu šķērsošanu vēl iespējamāku. Tas liecina, ka strupaino impulss atbalstīšanas veiktspēja tiek ietekmēta HTV apklājumu špunktu virsmā. Papildus tam, simulācija parāda būtisku elektriskā lauka izolātora galvā, kas sakrīt ar novērotajiem galvas sabrukumiem testos.

3 Secinājumi

Savienoto izolātoru gaisa impulss sabrukuma testi tika veikti, lai analizētu to strupaino impulss sabrukuma īpašības, un elektriskā lauka sadalījuma simulācijas tika veiktas strupaino impulss voltāžas virsotnē. Tika gūti šādi secinājumi:

• 2.8 p.u. strupaino impulss voltāžas apstākļos 15 no 20 savienoto izolātoru paraugiem sabruka, ar 80% notiekoši pirmajos četros impulss, kas liecina, ka HTV silikona gumi apklājums būtiski samazina savienoto izolātoru strupaino impulss atbalstīšanas veiktspēju.

• No 15 sabrukuma notikumiem, papildus špunktu galvas šķērsošanai, seši notika špunktos, kas liecina par skaidru kopējā sabrukuma ceļa maiņu salīdzinājumā ar konventionālajiem porcelāna izolātoriem.

• Simulācijas rezultāti parāda, ka savienoto izolātoru virsma arki izplešanās radīja būtisku špunktu elektriskā lauka intensitātes pieaugumu voltāžas virsotnē, sasniedzot 217.64 kV/mm, kas padara špunktu šķērsošanu vēl iespējamāku. Savukārt izolātoriem bez silikona gumi slāņa, maksimālais lauks arka izveides laikā atrodas špunkta galvā, sasniedzot 49.55 kV/mm, kur notiek galvenais sabrukums.