Steile-frontimpulsbreekdown van HTV-gecoate composiet porseleinen isolatoren: mechanismen testen en simulatie

Porceleinen en glazen isolatoren vertonen uitstekende isolatieprestaties en mechanische sterkte, maar zijn gevoelig voor vervuilingsoverslaan onder zware vervuiling, wat de stabiele werking van elektriciteitsnetwerken bedreigt. Om de weerstand tegen vervuilingsoverslaan van externe isolatie te versterken, passeren fabrikanten vaak kamertemperatuur geoxideerde siliconerubber (RTV) coatings met superieure waterafstotende en waterafstotendheidsoverdrachtseigenschappen aan de oppervlakken van isolatoren, waardoor het risico op overslaan wordt verminderd. Aanvankelijk werden RTV coatings in China ter plaatse aangebracht, een methode die gekenmerkt wordt door hoge constructiedifficulteiten en onconstante kwaliteitscontrole.

Daarna werden fabrieksgebaseerde doop- of spuitprocessen ontwikkeld, waardoor RTV-gecoate isolatoren als complete producten kunnen worden geleverd, onder toezicht en acceptatie, wat aanzienlijk bijdraagt aan de verbetering van de productkwaliteit en bevordert hun wijdverspreide toepassing in elektriciteitsnetwerken. Echter, RTV coatings hebben een lage mechanische sterkte en zwakke interfaciale hechting aan het isolatielichaam, waardoor ze gevoelig zijn voor schade door externe krachten tijdens transport, bouw, installatie en lange-termijn gebruik. Operationele verouderingsverschijnselen zoals afbladdering, barstvorming en delaminatie komen vaak voor, wat demontage en hercoating noodzakelijk maakt, wat leidt tot hoge onderhoudskosten.

Schijfhangcomposiet porseleinen isolatoren maken gebruik van een volledige porseleinen isolator als kern, met een hoogtemperatuur geoxideerde siliconerubber (HTV) mantel—met een minimale dikte van 3 mm—die in één gietproces via hoge temperatuur injectie gevormd wordt. In vergelijking met RTV toont HTV superieure mechanische sterkte, evenals verbeterde prestaties op gebied van spoorvorming en erosieresistentie, vlamweerstand, elektrische eigenschappen, ouderdomsbestendigheid en hoge temperatuurbestendigheid.

Bovendien wordt de glazuurlaag op de porseleinoppervlakken gewijzigd en worden speciale koppelagentia toegepast, waardoor de interfaciale hechting tussen het porselein en de HTV siliconerubber aanzienlijk wordt verbeterd, wat integratie en uniformiteit van het component bevordert. Daarom bieden schijfhangcomposiet porseleinen isolatoren superieure mechanische en anti-vervuilingsoverslaaneigenschappen met lage operationele en onderhoudseisen, wat een nieuwe weg opent voor externe isolatie-toepassingen in overhoogspanningslijnen.

Praktijkervaring wijst uit dat wanneer bovengrondse lijnen getroffen worden door bliksem, het resulterende overspanning bevat steile impulsfronten met uiterst korte duur, hoge steilheid en zeer hoge piekspanningen, wat significant bedreigingen vormt voor lijnisolatoren. Dergelijke steile impulsen kunnen leiden tot perforatie of zelfs explosie van schijfisolatoren, en in ernstige gevallen kan dit leiden tot stringbreuk en lijnval. De weerstand tegen steile impulsfronten is een cruciale indicator van isolatorkwaliteit.

Hoewel er uitgebreid onderzoek is verricht naar de steile golfprestaties van porseleinen en glazen isolatoren zowel binnen- als buitenland, blijven studies naar schijfhangcomposiet porseleinen isolatoren schaars, en de onderliggende mechanismen zijn niet goed begrepen. Daarom voert dit artikel impulsoverslaan-tests in lucht uit op schijfhangcomposiet porseleinen isolatoren om hun steile golfoverslaaneigenschappen te onderzoeken.

Luchtimpulse-overlaan-tests evalueren effectief de weerstand tegen steile golven van elektrische apparatuur, waarborgen veiligheid en betrouwbaarheid onder extreme omstandigheden, en hebben aanzienlijke waarde in de beoordeling van isolatorkwaliteit. Deze studie voert eerst impulsoverslaan-tests uit om de steile golfprestaties te analyseren, en stelt vervolgens een elektrisch veldverdelingssimulatie op bij de piek van de steile golfspanning op basis van testresultaten op om het mechanisme van prestatieverandering te verkennen, met als doel richtlijnen te verschaffen voor isolatiecoördinatie van composiet porseleinen isolatoren in overhoogspanningslijnen.

1 Luchtimpulse-overlaan-testopstelling

1.1 Proefstuk

De HU550B240/650T AC schijfhangcomposiet porseleinen isolator geproduceerd door een fabrikant werd geselecteerd als proefstuk. De isolator heeft een driedubbele paraplustructuur, zoals weergegeven in Figuur 1. De belangrijkste prestatieparameters staan vermeld in Tabel 1.

1.2 Testplatform en schema
Er werd een 2400 kV impulse-voltagesgenerator gebruikt voor de test. De isolatorkap werd omlaag gericht op een aangesloten metalen plaat, en er werd een standaard balcontact aangebracht aan de penkant om overdreven elektrisch veldconcentratie in de cementeerde zone rond de pen te voorkomen. De isolatoropstelling wordt geïllustreerd in Figuur 2.

Luchtimpulse-overlaan-tests werden uitgevoerd op in totaal 20 isolatorproefstukken. De testmethoden voor luchtimpulse-overlaan worden ingedeeld in de steilheidsmethode en de amplitudemethode, waarbij de amplitudemethode voornamelijk wordt gebruikt voor schijfisolatoren.

Deze studie maakte gebruik van de amplitudemethode, die geen lineariteit van het impulsefront vereist, maar alleen de amplitude van de overlaanspanning als criterium gebruikt, met de fronttijd gecontroleerd tussen 100 en 200 ns en amplitudedeviatie binnen ±10%. Tijdens de test werd elke isolator blootgesteld aan vijf positieve polaire impulsevolten, gevolgd door vijf negatieve polaire impulsen, en deze reeks werd eenmaal herhaald. Het interval tussen opeenvolgende impulsen werd gehandhaafd tussen 1 en 2 minuten.

Onderzoek van zowel nationale als internationale bronnen wijst uit dat het beslaan van isolatoroppervlakken met siliconerubber de verspreedingsnelheid van oppervlaktebogen op porseleinen isolatoren verandert, wat leidt tot verminderde weerstand tegen steile impulsfronten. Echter, de isolatieprestatie aan de kop van de isolator blijft onaangetast in de praktijk.

Dit fenomeen is bevestigd door meer dan tien nationale schijfisolatorfabrikanten: ongeacht of het profiel van de richels diepgeribd of wisselende-paraplu-type is, of of de kopstructuur cilindrisch of kegelvormig is, tonen alle isolatoren een mate van verminderde steile golfoverlaanprestaties na het aanbrengen van siliconerubber.

Als gevolg hiervan zijn relevante normen herzien, waarbij de amplitudetest voor luchtimpulse-overlaan van RTV-gecoate schijfisolatoren is teruggebracht van 2,8 p.u. naar 2,2 p.u. Voorlopige testresultaten laten zien dat overlaan zelden optreedt bij 2,2 p.u. Daarom werden in deze studie porseleinen isolatoren zonder RTV coating geselecteerd en werden luchtimpulse-overlaan-tests uitgevoerd bij de standaardtestspanning van 2,8 p.u., met de voltagefronttijd gecontroleerd binnen het bereik van 100-200 ns.

Nader statistisch onderzoek naar de spanningspolariteit en overlaanlocatie liet zien dat van de 15 overlaangevallen, 14 plaatsvonden onder positieve polariteit en slechts één onder negatieve polariteit. Van de positieve-polaire overlaangevallen vonden 8 plaats aan de kop en 6 aan de richels; de enige negatieve-polaire overlaan vond plaats aan de kop. Bovendien werd er voorafgaand aan de richeloverlaan boogvorming op de isolatoroppervlakken waargenomen, terwijl dergelijke boogvorming niet werd waargenomen tijdens kopoverlaan.

Echter, in referentie, vonden alle steile-frontoverlaangevallen van porseleinen isolatoren plaats aan de kop, en in referentie braken porseleinen isolatoren aan de kop af, zowel voor als na RTV coating. Integendeel, deze test toont aan dat zonder de eenmalige injectiegegoten HTV-overcoat, vonden steile-golfoverlaangevallen in dezelfde partij porseleinen isolatoren uitsluitend plaats aan de kop. Na HTV-overmolding vonden overlaangevallen in de composietporseleinen isolatoren niet alleen plaats aan de kop, maar ook aan de nek, wat aantoont dat de HTV siliconerubber coating het overlaanpad verandert.

Het aantal impulsaanleggen voordat overlaan plaatsvond, werd vastgelegd, met resultaten weergegeven in Figuur 4. Zoals getoond, braken 12 isolatoren binnen de eerste vijf impulsen, één brak op de 7e impuls, en twee braken op de 15e impuls. Referentie wijst uit dat porseleinen isolatoren met RTV coating een aanzienlijke afname in steile-golfweerstand vertonen, met een hogere overlaankans voor grotere-tonnage isolatoren, wat suggereert dat siliconerubber coating de steile-golfweerstand degradeert. In deze test braken 80% van de HTV-overgemodelde composiet isolatoren binnen de eerste vier impulsen, wat verder aantoont dat de aanwezigheid van HTV siliconerubber de vermogen van de isolator om steile-frontimpulsen te weerstaan aanzienlijk vermindert.

3 Elektrisch veldverdelingssimulatie bij de piek van de steile-golfspanning

Analyse van de testresultaten in Sectie 2 laat zien dat, in vergelijking met porseleinen isolatoren, het overlaanpad van composiet isolatoren is veranderd en hun steile-golfweerstand is aanzienlijk afgenomen. Deze sectie maakt gebruik van simulatie om de elektrische veldverdeling van de composiet isolator bij de piek van de impulse-spanning te berekenen, met als doel de oorzaken van het veranderde overlaanpad en de afname in steile-golfprestaties te onderzoeken.

2.1 Simulatiemodel

Waarnemingen uit de luchtimpulse-overlaan tests laten zien dat wanneer richeloverlaan optreedt in composiet isolatoren, boogvorming zich langs het isolatoroppervlak naar de overlaanlocatie ontwikkelt. De aanwezigheid van boogvorming beïnvloedt de elektrische veldverdeling en moet in het model worden meegenomen. Echter, vanwege de onregelmatige vorm van boogvorming, zou het opstellen van een 3D-model voor berekening moeilijk zijn, vooral omdat de siliconerubber laag dun is en veel kleiner in afmeting is ten opzichte van de totale isolator, waardoor 3D-meshing moeilijk is. Daarom wordt in deze sectie, om de impact van de siliconerubber laag en boogvorming op de elektrische veldverdeling kwalitatief te analyseren, een tweedimensionaal axialsymmetrisch model aangenomen voor vereenvoudiging. Het simulatiemodel is weergegeven in Figuur 5.

2.2 Materialen en randvoorwaarden

De 50%-lichtning impulse-overlaan spanning van de isolator is 145 kV, en de piekwaarde van de 2,8 p.u. steile-front impulse-spanning is 406 kV. Aangezien de meeste proefstukken positieve-polaire overlaan ervoeren, wordt in de simulatie de pen (staalpen) ingesteld als de hoge potentiaal (406 kV) en de kap (staalkap) als nulpotentiaal. De relatieve permittiviteitswaarden van de materialen staan vermeld in Tabel 2.

2.3 Simulatieresultaten en analyse

In het model zonder siliconerubber coating, is de elektrische veldverdeling van de porseleinen isolator bij de piek van de steile-front impulse-spanning weergegeven in Figuur 6(a). Zoals te zien is in Figuur 6, is de elektrische veldintensiteit voornamelijk geconcentreerd aan de kop van de isolator, met een maximum van 50 kV/mm, wat een hoge kans op kopoverlaan aangeeft—consistent met veldervaring en gerelateerde studies.

Om de invloed van de siliconerubber coating te vergelijken, werd de elektrische veldverdeling van het composiet isolatormodel met eenmalige injectiegegoten siliconerubber berekend, met resultaten weergegeven in Figuur 6(b). Uit Figuur 6(b) blijkt dat de maximale elektrische veldintensiteit optreedt aan het einde van de boog op het onderoppervlak van het isolatielichaam, ongeveer 219,4 kV/mm; de veldsterkte aan het booguiteinde op het bovenoppervlak is lager, namelijk 41,21 kV/mm; en er is ook aanzienlijke veldconcentratie aan de penkop, met een maximum van 50,68 kV/mm.

Dus onder invloed van de siliconerubber coating, neemt de oppervlakteweerstand van de isolator toe, waardoor het verhouding van volumecapaciteitsstroom tot oppervlakteresistieve stroom in de richels aanzienlijk toeneemt. Dit leidt tot een aanzienlijke toename van de elektrische veldcomponent loodrecht op het isolatoroppervlak, waardoor de boog nadat deze is ontstaan, dicht langs het oppervlak volgt.

Onder invloed van de HTV coating, propageren oppervlaktebogen langs het isolatoroppervlak wanneer deze blootgesteld worden aan steile-frontspanningen, wat leidt tot een scherpe stijging in lokale veldsterkte—verre te boven die aan de penkop—wat overlaan waarschijnlijker maakt aan de boogtop en leidt tot richeloverlaan. Dit geeft aan dat de steile-golfweerstand beïnvloed wordt door de HTV coating op het richeloppervlak. Bovendien toont de simulatie een relatief hoge elektrische veldsterkte aan de isolatorkop, wat overeenkomt met de waargenomen kopoverlaan in de tests.

3 Conclusie

Luchtimpulse-overlaan-tests werden uitgevoerd op composiet isolatoren om hun steile-golfoverlaaneigenschappen te analyseren, en elektrische veldverdelingssimulaties werden uitgevoerd bij de piek van de steile-frontspanning. De volgende conclusies werden getrokken:

• Bij 2,8 p.u. steile-front impulse-spanning, ervoeren 15 van de 20 composiet isolatorproefstukken overlaan, waarvan 80% binnen de eerste vier impulsen, wat aantoont dat de aanwezigheid van HTV siliconerubber de steile-golfweerstand van composiet isolatoren aanzienlijk vermindert.

• Van de 15 overlaangevallen, naast overlaan aan de penkop, vonden zes plaats aan de richels, wat aangeeft dat er een duidelijke verandering is in het algemene overlaanpad in vergelijking met conventionele porseleinen isolatoren.

• Simulatieresultaten laten zien dat de oppervlakteboogpropagatie in composiet isolatoren leidt tot een aanzienlijke toename in de richelveldintensiteit bij de spanningspiek, tot 217,64 kV/mm, waardoor richeloverlaan waarschijnlijker wordt. Daarentegen, voor isolatoren zonder siliconerubber laag, is de maximale veldsterkte tijdens boogontwikkeling gelegen aan de penkop, tot 49,55 kV/mm, waar overlaan voornamelijk optreedt.