Støtdannelse med bratt front for HTV-belastedtede sammensatte porseleinsisolatorer: mekanismer testing og simulering

Porcelæn- og glassisolatører viser fremragende isolasjonsevne og mekanisk styrke, men er utsatt for forurensningsflammer under alvorlig forurensning, noe som truer stabilt drift av kraftnett. For å forbedre motstandsdyktigheten overfor forurensningsflammer til eksterne isolatorer, bruker produsenter ofte romtemperaturhårdet silikongummi (RTV)-belag med superiørt hydrofobiske og hydrofobi-overførings egenskaper på isolatorens overflate, dermed reduserer flammefare. Først ble RTV-belag i Kina anvendt på stedet, en metode kjennetegnet ved høy konstruksjonsvanskelighet og ujevn kvalitetskontroll.

Deretter utvikletes fabrikkbaserte dyping eller spreyeprosesser, som gjorde det mulig for RTV-bela gede isolatorer å bli levert som ferdige produkter under tilsyn og aksept, noe som betydelig forbedret produktkvaliteten og fremmet bred anvendelse i kraftnett. Imidlertid lider RTV-belag av lav mekanisk styrke og svak grensesamhold til isolasjonslegemet, noe som gjør dem utsatt for skade fra eksterne krefter under transport, konstruksjon, installasjon og langvarig drift. Driftsaldersfenomener som avlesning, sprøting og deling er vanlige, noe som krever demontering og ombelegg, noe som fører til høye vedlikeholdsutgifter.

Diskhengande kompositporcelænisolatorer bruker et komplett porcelænisolator som kjernen, med et høytemperaturhårdet silikongummi (HTV)-omhylning—minste tykkelse på 3 mm—formet i en enkelt formingsprosess via høytemperaturinjeksjon. I sammenligning med RTV viser HTV superiør mekanisk styrke, samt forbedret ytelse i sporning og erosjonstilstand, brandhemmende egenskaper, elektriske egenskaper, aldresvikt, og høytemperaturutholdenhet.

Videre, ved å endre glasur-laget på porcelænets overflate og bruke spesialiserte koblingsmidler, blir grensesammenbindingstyrken mellom porcelænet og HTV-silikongummi betydelig forbedret, noe som fremmer integrering og uniformitet av komponenten. Dermed tilbyr diskhengande kompositporcelænisolatorer superiør mekanisk og motstandsdyktighet mot forurensningsflammer med lave drifts- og vedlikeholdsbehov, og åpner en ny vei for eksterne isolasjonsapplikasjoner i overføringslinjer.

Felt erfaring indikerer at når overhengende linjer treffer lyn, inneholder den resulterende overspenningen steile frontimpulser med ekstremt kort varighet, høy steepness og veldig høye toppspenninger, noe som utgjør betydelige trusler mot linjeisolatorer. Slike steile impulser kan føre til punktering eller til og med eksplosjon av diskisolatorer, og i alvorlige tilfeller, føre til bryting av strengen og linjesving.

Selv om det har blitt utført omfattende forskning på steilbølgeytelsen til porcelæn- og glassisolatorer både hjemme og internasjonalt, er studier på diskhengande kompositporcelænisolatorer fortsatt sjeldne, og de underliggende mekanismene er ikke godt forstått. Derfor utfører denne artikkelen luftimpulsoverbelastningstester på diskhengande kompositporcelænisolatorer for å undersøke deres steilbølgeoverbelastningskarakteristika.

Luftimpulsoverbelastningstester effektivt vurderer steilbølgeoverbelastningsytelsen til elektrisk utstyr, sikrer sikkerhet og pålitelighet under ekstreme forhold, og har stor verdi i vurdering av isolatorkvalitet. Denne studien utfører først impulsoverbelastningstester for å analysere steilbølgeytelsen, deretter oppretter en elektrisk feltfordelingssimulering ved toppen av steilbølgespenningen basert på testresultater for å utforske mekanismen bak ytelsesendring, med mål om å gi retningslinjer for isolasjonkoordinering av kompositporcelænisolatorer i overføringslinjer.

1 Luftimpulsoverbelastningstestoppsett

1.1 Prøveeksemplar

HU550B240/650T AC diskhengande kompositporcelænisolator produsert av en produsent ble valgt som prøveeksemplar. Isolatoren har en trippel-paraply-struktur, som vist i figur 1. Dens hovedytelsesparametre er oppført i tabell 1.

1.2 Testplatform og -skjema
En 2400 kV impulsoverspenningsgenerator ble brukt for testen. Isolatorhatten ble plassert nedover på en jordet metallplate, og en standard kulekuppe ble installert ved pinneenden for å unngå for mye elektrisk feltkonsentrasjon i sementert område rundt pinnen. Isolatoroppsettet er illustrert i figur 2.

Luftimpulsoverbelastningstester ble utført på totalt 20 isolatoreksemplarer. Testmetodene for luftimpulsoverbelastning er inndelt i steepness-metoden og amplitudemetoden, med amplitudemetoden primært brukt for diskisolatorer.

Denne studien brukte amplitudemetoden, som ikke krever lineærhet av impulsfronten, men bruker kun amplituden av overbelastningsspenningen som kriterium, med fronttid kontrollert mellom 100 og 200 ns og amplitudedeviasjon innen ±10%. Under testen ble hvert isolator underlagt fem positive polariserte impulsstrømmer, fulgt av fem negative polariserte impulser, og denne sekvensen ble gjentatt en gang. Intervallet mellom påfølgende impulser ble holdt mellom 1 og 2 minutter.

Forskning fra både hjemme og internasjonalt indikerer at belaging av isolatorens overflate med silikongummi endrer spredningshastigheten av overflatetrender på porcelænisolatorer, noe som fører til redusert motstandsdyktighet overfor steilfrontimpuls. Imidlertid forblir isolasjonsytelsen ved isolatorhodet uendret i faktisk drift.

Dette fenomenet er bekreftet av over ti kinesiske diskisolatorprodusenter: uavhengig av om profileringen av lamellen er dypt ribbet eller alternerende paraplytype, eller om hodestrukturen er sylinderformet eller kegleformet, viser alle isolatorer en viss grad av redusert steilbølgeoverbelastningsytelse etter silikongummi-belag.

Som et resultat, har relevante standarder blitt revidert, og amplituden for luftimpulsoverbelastningstester for RTV-bela gede diskisolatorer er redusert fra 2.8 p.u. til 2.2 p.u. Foreløpige testresultater viser at overbelastning sjelden forekommer ved 2.2 p.u. Derfor valgte denne studien porcelænisolatorer uten RTV-belag og utførte luftimpulsoverbelastningstester ved standardtestspenningen på 2.8 p.u., med spenningens fronttid kontrollert innen 100–200 ns.

Videre statistisk analyse av spenningens polaritet og overbelastningsstedet viste at av 15 overbelastningshendelser, forekom 14 under positiv polaritet og bare én under negativ polaritet. Blant de positive polaritets-overbelastningene, forekom 8 ved hodet og 6 ved lamellene; den eneste negative polaritets-overbelastningen forekom ved hodet. I tillegg, ble bueforming observert på isolatorens overflate før lamelle-overbelastning, mens ingen slik bueforming ble observert under hodet-overbelastning.

Imidlertid, i referanse, forekom alle steilfront-overbelastninger av porcelænisolatorer ved hodet, og i referanse, brøt porcelænisolatorer ved hodet både før og etter RTV-belag. I motsetning til dette, viser denne testen at uten en engangsinjeksjonsmoldet HTV-omhylning, forekom steilbølge-overbelastninger i samme partiet av porcelænisolatorer eksklusivt ved hodet. Etter HTV-omforming, forekom overbelastninger i kompositporcelænisolatorer ikke bare ved hodet, men også ved nakken, noe som indikerer at HTV-silikongummi-omhylningen endrer overbelastningsbanen.

Antallet impulser før overbelastning ble registrert, med resultater vist i figur 4. Som illustrert, brøt 12 isolatorer innen de første fem impulser, én brøt på den 7. impulsen, og to brøt på den 15. impulsen. Referanse indikerer at porcelænisolatorer belagt med RTV viser en betydelig reduksjon i steilbølgeoverbelastningsytelse, med høyere overbelastningsprosent for større tonnasjes isolatorer, noe som antyder at silikongummi-belag nedsletter steilbølge-resistens. I denne testen, brøt 80% av HTV-omformede kompositisolatorer innen de første fire impulser, noe som ytterligere demonstrerer at tilstedeværelsen av HTV-silikongummi betydelig reduserer isolatorens evne til å tåle steilfrontimpulser.

3 Elektrisk feltfordelingssimulering ved toppen av steilbølgespenningen

Analyse av testresultatene i seksjon 2 viser at, sammenlignet med porcelænisolatorer, har overbelastningsbanen for kompositisolatorer endret seg, og deres steilbølgeoverbelastningsytelse er betydelig redusert. Denne seksjonen bruker simulering for å beregne elektrisk feltfordeling av kompositisolator ved toppen av impulsspenningen, med mål om å undersøke årsakene til den endrede overbelastningsbanen og reduserte steilbølgeytelse.

2.1 Simuleringsmodell

Observasjoner fra luftimpulsoverbelastningstester indikerer at når lamelleflamme forekommer i kompositisolatorer, utvikler buer seg langs isolatorens overflate til overbelastningsstedet. Tilstedeværelsen av buer påvirker elektrisk feltfordeling og må tas i betraktning i modellen. Imidlertid, på grunn av buenes uregelmessige form, vil det være utfordrende å etablere en 3D-modell for beregning, spesielt fordi silikongummi-laget er tynt og mye mindre i dimensjon sammenlignet med det totale isolatoret, noe som gjør 3D-netting vanskelig. Derfor, for å kvalitativt analysere effekten av silikongummi-laget og buer på elektrisk feltfordeling, blir en todimensjonal akse-symmetrisk modell valgt for forenkling i denne seksjonen. Simuleringsmodellen er vist i figur 5.

2.2 Materialer og randbetingelser

50%-lysningimpulsoverbelastningsspenningen for isolatoren er 145 kV, og toppverdien for 2.8 p.u. steilfrontimpulsspenningen er 406 kV. Ettersom de fleste prøveeksemplarer opplevde positive polariserte overbelastninger, settes i simuleringen pinne (stålpinne) som høy potensial (406 kV) og hatt (stålhatt) som null potensial. Relativ permittivitetsverdier for materialene er oppført i tabell 2.

2.3 Simuleringsresultater og analyse

I modellen uten silikongummi-omhylning, viser elektrisk feltfordeling av porcelænisolatoren ved toppen av steilfrontimpulsspenningen som vist i figur 6(a). Som vist i figur 6, er elektrisk feltintensitet hovedsakelig koncentrert ved isolatorhodet, opp til 50 kV/mm, noe som indikerer en høy sannsynlighet for hodet-flamme—i samsvar med felt erfaring og relaterte studier.

For å sammenligne effekten av silikongummi-omhylningen, ble elektrisk feltfordeling av kompositisolatormodellen med engangsinjeksjonsmoldet silikongummi beregnet, med resultater vist i figur 6(b). Det kan observeres fra figur 6(b) at maksimalt elektrisk felt forekommer ved enden av buen på den nedre overflaten av isolasjonslegemet, omtrent 219.4 kV/mm; feltstyrken ved buen ende på den øvre overflaten er lavere, på 41.21 kV/mm; og betydelig feltkonsentrasjon finnes også ved pinnens hode, med maksimum på 50.68 kV/mm.

Så, under påvirkning av silikongummi-omhylningen, øker overflatespredningsmotstanden til isolatoren, noe som betydelig øker forholdet mellom volumkapasitiv strøm og overflatespredningsstrøm i lamellene. Dette fører til en betydelig økning i elektrisk feltkomponenten normalt til isolatorens overflate, noe som fører til at buen følger tett på overflaten etter initiering.

Under påvirkning av HTV-omhylningen, propagerer overflatesbuer langs isolatorens overflate når de utsatt for steilfrontspenning, noe som fører til en skarp økning i lokal feltstyrke—langt over den ved pinnens hode—som gjør overbelastning mer sannsynlig ved buens spids og fører til lamelleflamme. Dette indikerer at steilbølgeoverbelastningsytelsen påvirkes av HTV-omhylningen på lamelles overflate. I tillegg, viser simuleringen en relativt høy elektrisk felt ved isolatorhodet, noe som korrelerer med observerte hodet-overbelastninger i tester.

3 Konklusjon

Luftimpulsoverbelastningstester ble utført på kompositisolatorer for å analysere deres steilbølgeoverbelastningskarakteristika, og elektrisk feltfordelingssimuleringer ble utført ved toppen av steilfrontspenningen. Følgende konklusjoner ble trukket:

• Under 2.8 p.u. steilfrontimpulsspenning, opplevde 15 av 20 kompositisolatoreksemplarer overbelastning, med 80% forekommer innen de første fire impulser, noe som indikerer at tilstedeværelsen av HTV-silikongummi betydelig reduserer steilbølgeoverbelastningsytelsen til kompositisolatorer.

• Av de 15 overbelastningshendelsene, i tillegg til flamme ved pinnens hode, forekom seks ved lamellene, noe som indikerer en klar endring i den totale overbelastningsbanen sammenlignet med konvensjonelle porcelænisolatorer.

• Simuleringsresultater viser at overflatesbuers propagering i kompositisolatorer fører til en betydelig økning i lamellefeltintensitet ved spenningstoppen, opp til 217.64 kV/mm, noe som gjør lamelleflamme mer sannsynlig. I motsetning til dette, for isolatorer uten silikongummi-lag, er maksimalt felt under buens utvikling lokalisert ved pinnens hode, opp til 49.55 kV/mm, hvor overbelastning hovedsakelig forekommer.