Penembusan Impuls Muka Curam pada Pemisah Komposit Porcelain Berlapis HTV: Mekanisme Pengujian dan Simulasi

Insulator seramik dan kaca menunjukkan prestasi isolasi dan kekuatan mekanikal yang luar biasa, tetapi mudah mengalami flashover pencemaran di bawah pencemaran yang teruk, mengancam operasi stabil jaringan tenaga. Untuk meningkatkan ketahanan flashover pencemaran pada isolasi luar, pengeluar sering menerapkan pelapis silikon getah (RTV) yang disulihkawinkan pada suhu bilik dengan sifat hidrofobik dan pemindahan hidrofobik yang cemerlang ke atas permukaan insulator, dengan itu mengurangkan risiko flashover. Pada mulanya, pelapis RTV di China diterapkan di tapak, kaedah yang ditandai dengan kesukaran pembinaan yang tinggi dan kawalan kualiti yang tidak konsisten.

Kemudian, proses celupan atau penyemprotan berdasarkan kilang telah dibangunkan, membolehkan insulator yang dilapisi RTV dihantar sebagai produk lengkap yang tunduk kepada pemeriksaan dan penerimaan, secara signifikan meningkatkan kualiti produk dan mempromosikan penggunaan meluas dalam jaringan tenaga. Walau bagaimanapun, pelapis RTV mempunyai kekuatan mekanikal yang rendah dan daya adhesi antara muka yang lemah terhadap badan insulator, menjadikannya mudah rosak akibat daya luaran semasa pengangkutan, pembinaan, pemasangan, dan operasi jangka panjang. Fenomena penuaan operasi seperti kerontokan, retakan, dan delaminasi adalah biasa, menyebabkan perlu untuk membongkar dan melapisi semula, mengakibatkan kos pemeliharaan yang tinggi.

Insulator seramik komposit gantungan disk menggunakan insulator seramik lengkap sebagai inti, dengan selubung silikon getah (HTV) yang disulihkawinkan pada suhu tinggi—ketebalan minimum 3 mm—dibentuk melalui proses injeksi suhu tinggi. Berbanding dengan RTV, HTV menunjukkan kekuatan mekanikal yang lebih baik, serta prestasi yang ditingkatkan dalam ketahanan jejak dan erosi, perlambatan api, sifat elektrik, ketahanan penuaan, dan ketahanan suhu tinggi.

Selain itu, dengan memodifikasi lapisan glazur pada permukaan seramik dan menggunakan agen penghubung khusus, kekuatan ikatan antara muka antara seramik dan silikon getah HTV ditingkatkan secara signifikan, mempromosikan integrasi dan keuniforman komponen. Oleh itu, insulator seramik komposit gantungan disk menawarkan prestasi mekanikal dan anti-flashover pencemaran yang luar biasa dengan keperluan operasi dan pemeliharaan yang rendah, membuka jalan baru untuk aplikasi isolasi luar dalam talian transmisi.

Pengalaman lapangan menunjukkan bahawa apabila garis udara dipukul oleh petir, tegangan berlebihan yang dihasilkan mengandungi impuls dengan hujung yang curam dengan tempoh yang sangat singkat, kemiringan yang tinggi, dan voltan puncak yang sangat tinggi, menimbulkan ancaman yang signifikan kepada insulator garis. Impuls-impuls curam ini boleh menyebabkan lubang atau bahkan letupan insulator disk, dan dalam kes yang teruk, menyebabkan putus rentetan dan jatuhnya garis. Ketahanan terhadap impuls hujung curam adalah penunjuk penting kualiti insulator.

Walaupun banyak penyelidikan telah dijalankan tentang prestasi gelombang curam insulator seramik dan kaca di dalam dan luar negara, kajian tentang insulator seramik komposit gantungan disk masih jarang, dan mekanismenya belum sepenuhnya difahami. Oleh itu, artikel ini melakukan ujian kerosakan impuls di udara pada insulator seramik komposit gantungan disk untuk menyiasat ciri-ciri kerosakan gelombang curam mereka.

Ujian kerosakan impuls di udara secara efektif menilai prestasi ketahanan gelombang curam peralatan elektrik, memastikan keselamatan dan kebolehpercayaan di bawah keadaan ekstrem, dan mempunyai nilai yang signifikan dalam penilaian kualiti insulator. Kajian ini pertama-tama melakukan ujian kerosakan impuls untuk menganalisis prestasi gelombang curam, kemudian menubuhkan simulasi taburan medan elektrik pada puncak tegangan gelombang curam berdasarkan hasil ujian untuk meneroka mekanisme perubahan prestasi, bertujuan untuk memberikan panduan bagi koordinasi isolasi insulator komposit seramik dalam talian transmisi.

1 Persediaan Ujian Kerosakan Impuls Udara

1.1 Sampel

Insulator seramik komposit gantungan disk AC HU550B240/650T yang dihasilkan oleh seorang pengeluar telah dipilih sebagai sampel ujian. Insulator ini mempunyai struktur tiga payung, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Parameter prestasi utamanya disenaraikan dalam Jadual 1.

1.2 Platform dan Skema Ujian
Pembangkit tegangan impuls 2400 kV digunakan untuk ujian. Topi insulator diletakkan ke bawah pada plat logam yang di-ground, dan soket bola piawai dipasang pada hujung pin untuk mencegah pekumpulan medan elektrik yang berlebihan di sekitar area yang dicampur dengan simen. Susunan insulator ditunjukkan dalam Gambar 2.

Ujian kerosakan impuls di udara dijalankan pada total 20 sampel insulator. Kaedah ujian untuk kerosakan impuls di udara dikategorikan menjadi kaedah kemiringan dan kaedah amplitud, dengan kaedah amplitud utamanya digunakan untuk insulator disk.

Kajian ini menggunakan kaedah amplitud, yang tidak memerlukan linearitas hujung impuls tetapi hanya menggunakan amplitud tegangan kerosakan sebagai kriteria, dengan masa hujung dikawal antara 100 dan 200 ns dan penyimpangan amplitud dalam ±10%. Semasa ujian, setiap insulator dikenakan lima tegangan impuls polariti positif diikuti dengan lima tegangan impuls polariti negatif, dan urutan ini diulangi sekali. Selang antara impuls berturut-turut dikekalkan antara 1 hingga 2 minit.

Penyelidikan dari sumber domestik dan antarabangsa menunjukkan bahawa melapisi permukaan insulator dengan silikon getah mengubah kadar penyebaran streamer permukaan pada insulator seramik, menyebabkan penurunan prestasi ketahanan impuls hujung curam. Namun, prestasi isolasi di kepala insulator tetap tidak terjejas dalam operasi sebenar.

Fenomena ini telah disahkan oleh lebih daripada sepuluh pengeluar insulator disk domestik: tidak kira sama ada profil shed adalah jenis tulang rusuk dalam atau berganti-ganti payung, atau sama ada struktur kepala adalah silinder atau kon, semua insulator menunjukkan penurunan prestasi kerosakan gelombang curam setelah dilapisi dengan silikon getah.

Oleh itu, standard berkaitan telah direvisi, mengurangkan amplitud ujian kerosakan impuls di udara untuk insulator disk yang dilapisi RTV dari 2.8 p.u. kepada 2.2 p.u. Hasil ujian awal menunjukkan bahawa kerosakan jarang berlaku pada 2.2 p.u. Oleh itu, kajian ini memilih insulator seramik tanpa pelapis RTV dan menjalankan ujian kerosakan impuls di udara pada tegangan ujian standard 2.8 p.u., dengan masa hujung tegangan dikawal dalam julat 100–200 ns.

Analisis statistik lanjut voltan polariti dan lokasi kerosakan menunjukkan bahawa daripada 15 peristiwa kerosakan, 14 berlaku di bawah polariti positif dan hanya satu di bawah polariti negatif. Di antara kerosakan polariti positif, 8 berlaku di kepala dan 6 di shed; kerosakan polariti negatif tunggal berlaku di kepala. Selain itu, busur dapat diperhatikan pada permukaan insulator sebelum kerosakan shed, manakala tiada busur sedemikian diperhatikan semasa kerosakan kepala.

Namun, dalam rujukan, semua kerosakan hujung curam insulator seramik berlaku di kepala, dan dalam rujukan, insulator seramik kerosakan di kepala sebelum dan selepas pelapisan RTV. Sebaliknya, ujian ini menunjukkan bahawa tanpa pelapis HTV satu kali cetakan, kerosakan gelombang curam pada lot insulator seramik yang sama berlaku hanya di kepala. Selepas overmolding HTV, kerosakan pada insulator seramik komposit berlaku bukan sahaja di kepala tetapi juga di leher, menunjukkan bahawa pelapis silikon getah HTV mengubah laluan kerosakan.

Bilangan aplikasi impuls sebelum kerosakan direkod, dengan hasil ditunjukkan dalam Gambar 4. Seperti yang ditunjukkan, 12 insulator kerosakan dalam lima impuls pertama, satu kerosakan pada impuls ke-7, dan dua kerosakan pada impuls ke-15. Rujukan menunjukkan bahawa insulator seramik yang dilapisi RTV menunjukkan penurunan yang signifikan dalam prestasi ketahanan gelombang curam, dengan kebarangkalian kerosakan yang lebih tinggi untuk insulator tonase yang lebih besar, menunjukkan bahawa pelapisan silikon getah merosakkan ketahanan gelombang curam. Dalam ujian ini, 80% insulator komposit yang dilapisi HTV kerosakan dalam empat impuls pertama, lebih lanjut menunjukkan bahawa kehadiran silikon getah HTV secara signifikan mengurangkan kebolehan insulator untuk menahan impuls hujung curam.

3 Simulasi Taburan Medan Elektrik pada Puncak Tegangan Gelombang Curam

Analisis hasil ujian dalam Bahagian 2 menunjukkan bahawa, berbanding dengan insulator seramik, laluan kerosakan insulator komposit telah berubah dan prestasi ketahanan gelombang curam mereka telah berkurang secara signifikan. Bahagian ini menggunakan simulasi untuk mengira taburan medan elektrik insulator komposit pada puncak tegangan impuls, bertujuan untuk menyiasat sebab-sebab perubahan laluan kerosakan dan penurunan prestasi gelombang curam.

2.1 Model Simulasi

Pengamatan dari ujian kerosakan impuls udara menunjukkan bahawa apabila flashover shed berlaku pada insulator komposit, busur berkembang sepanjang permukaan insulator ke lokasi kerosakan. Keberadaan busur mempengaruhi taburan medan elektrik dan harus dipertimbangkan dalam model. Namun, disebabkan bentuk busur yang tidak teratur, penubuhan model 3D untuk pengiraan akan menjadi sukar, terutamanya kerana lapisan silikon getah tipis dan jauh lebih kecil berbanding insulator secara keseluruhan, membuat mesh 3D sukar. Oleh itu, untuk menganalisis secara kualitatif impak lapisan silikon getah dan busur terhadap taburan medan elektrik, model dua dimensi simetri sumbu digunakan untuk penyederhanaan dalam bahagian ini. Model simulasi ditunjukkan dalam Gambar 5.

2.2 Bahan dan Syarat Sempadan

Tegangan flashover impuls petir 50% insulator adalah 145 kV, dan nilai puncak tegangan impuls hujung curam 2.8 p.u. adalah 406 kV. Kerana kebanyakan sampel ujian mengalami kerosakan polariti positif, dalam simulasi, pin (pin besi) ditetapkan sebagai potensi tinggi (406 kV) dan topi (topi besi) sebagai potensi sifar. Nilai permittiviti relatif bahan disenaraikan dalam Jadual 2.

2.3 Hasil dan Analisis Simulasi

Dalam model tanpa pelapis silikon getah, taburan medan elektrik insulator seramik pada puncak tegangan impuls hujung curam ditunjukkan dalam Gambar 6(a). Seperti yang dilihat dalam Gambar 6, intensiti medan elektrik terutamanya berkumpul di kepala insulator, mencapai sehingga 50 kV/mm, menunjukkan kebarangkalian flashover kepala yang tinggi—sepadan dengan pengalaman lapangan dan kajian berkaitan.

Untuk menganalisis secara berbandingan impak pelapis silikon getah, taburan medan elektrik model insulator komposit dengan silikon getah yang dicetak satu kali dihitung, dengan hasil ditunjukkan dalam Gambar 6(b). Dapat diperhatikan dari Gambar 6(b) bahawa medan elektrik maksimum berlaku di hujung busur pada permukaan bawah badan insulator, kira-kira 219.4 kV/mm; kekuatan medan di hujung busur pada permukaan atas lebih rendah, pada 41.21 kV/mm; dan kepekatan medan yang signifikan juga wujud di kepala pin, dengan maksimum 50.68 kV/mm.

Oleh itu, di bawah pengaruh pelapis silikon getah, rintangan permukaan insulator meningkat, secara signifikan meningkatkan nisbah arus kapasitif volumetrik ke arus resistif permukaan di shed. Ini menyebabkan peningkatan yang substansial dalam komponen medan elektrik yang berserenjang dengan permukaan insulator, menyebabkan busur mengikuti permukaan setelah permulaan.

Di bawah pengaruh pelapis HTV, busur permukaan tersebar sepanjang permukaan insulator apabila terkena tegangan hujung curam, menyebabkan peningkatan mendadak dalam kekuatan medan tempatan—jauh melebihi yang di kepala pin—menjadikan kerosakan lebih mungkin di hujung busur dan menyebabkan flashover shed. Ini menunjukkan bahawa prestasi ketahanan gelombang curam dipengaruhi oleh pelapis HTV pada permukaan shed. Selain itu, simulasi menunjukkan kekuatan medan yang relatif tinggi di kepala insulator, yang berkorelasi dengan flashover kepala yang diperhatikan dalam ujian.

3 Kesimpulan

Ujian kerosakan impuls udara dijalankan pada insulator komposit untuk menganalisis ciri-ciri kerosakan gelombang curam mereka, dan simulasi taburan medan elektrik dijalankan pada puncak tegangan hujung curam. Kesimpulan berikut ditarik:

• Di bawah tegangan impuls hujung curam 2.8 p.u., 15 daripada 20 sampel insulator komposit mengalami kerosakan, dengan 80% berlaku dalam empat impuls pertama, menunjukkan bahawa kehadiran silikon getah HTV secara signifikan mengurangkan prestasi ketahanan gelombang curam insulator komposit.

• Di antara 15 peristiwa kerosakan, selain flashover di kepala pin, enam berlaku di shed, menunjukkan perubahan yang jelas dalam laluan kerosakan secara keseluruhan berbanding insulator seramik konvensional.

• Hasil simulasi menunjukkan bahawa penyebaran busur permukaan pada insulator komposit menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam kekuatan medan shed pada puncak tegangan, mencapai 217.64 kV/mm, menjadikan flashover shed lebih mungkin. Sebaliknya, untuk insulator tanpa lapisan silikon getah, kekuatan medan maksimum semasa perkembangan busur terletak di kepala pin, mencapai 49.55 kV/mm, di mana kerosakan utama berlaku.