Złamania izolatorów kompozytowych porcelanowych pokrytych-HTV pod wpływem impulsu o stromym froncie: mechanizmy testowanie i symulacja

Porcelanowe i szklane izolatory cechują się doskonałą wydajnością izolacyjną i mechaniczną wytrzymałością, jednak pod wpływem silnego zanieczyszczenia są narażone na przepięć z powodu zanieczyszczeń, co zagraża stabilnej pracy sieci energetycznych. Aby zwiększyć odporność zewnętrznego izolatora na przepięcia spowodowane zanieczyszczeniami, producenci często stosują pokrycia z rtęciolepszczeliny (RTV) o wysokich właściwościach hydrofobowych i przenoszenia hydrofobowości, które redukują ryzyko przepięć. Początkowo w Chinach pokrycia RTV były nanoszone na miejscu, co charakteryzowało się dużym stopniem trudności montażu i niejednolitym kontrolem jakości.

Następnie opracowano procesy nabierania lub rozpylania w fabryce, co pozwoliło dostarczać izolatory pokryte RTV jako gotowe produkty podlegające nadzorowi i akceptacji, znacznie poprawiając jakość produktów i promując ich szerokie zastosowanie w sieciach energetycznych. Jednak pokrycia RTV cechują się niską wytrzymałością mechaniczną i słabą adhezją międzywarstwową do ciała izolującego, co sprawia, że są one podatne na uszkodzenia pod wpływem zewnętrznych sił podczas transportu, montażu, instalacji i długotrwałej eksploatacji. Zjawiska starzenia operacyjnego, takie jak odrywanie, pękanie i odwarstwianie, są powszechne, co wymaga demontażu i ponownego pokrywania, prowadząc do wysokich kosztów utrzymania.

Izolatory dyskowe z kompozytowego porcelanowego zawieszenia wykorzystują pełny izolator porcelanowy jako rdzeń, z obudową z rtęciolepszczeliny (HTV) - minimalna grubość 3 mm - formowaną w jednym procesie przez wtrysk w wysokiej temperaturze. W porównaniu do RTV, HTV cechuje się lepszą wytrzymałością mechaniczną, a także poprawioną wydajnością w zakresie odporności na śledzenie i erozję, oporności na ogień, właściwości elektryczne, odporność na starzenie i wytrzymałość na wysokie temperatury.

Dodatkowo, modyfikując warstwę glazu na powierzchni porcelany i stosując specjalne związki sprzęgające, znacznie zwiększono siłę przytwierdzania między porcelaną a rtęciolepszczeliną HTV, promując integrację i jednolitość elementu. W konsekwencji, izolatory dyskowe z kompozytowej porcelany oferują lepszą wydajność mechaniczną i odporność na przepięcia spowodowane zanieczyszczeniami, z niskimi wymaganiami eksploatacyjnymi i utrzymaniem, otwierając nowe możliwości dla zastosowań zewnętrznego izolowania w liniach przesyłowych.

Doświadczenia polowe wskazują, że gdy linie powietrzne są uderzone przez piorun, powstają przepięcia z bardzo stromymi impulsami o krótkiej długości, dużej stromości i bardzo wysokim napięciu szczytowym, stanowiąc istotne zagrożenia dla izolatorów liniowych. Takie strome impulsy mogą powodować przebicie lub nawet eksplozję izolatorów dyskowych, a w skrajnych przypadkach prowadzić do zerwania szeregu i upadku linii. Wytrzymałość na strome impulsy jest kluczowym wskaźnikiem jakości izolatora.

Mimo że prowadzono szeroko zakrojone badania nad wydajnością stromych fal w izolatorach porcelanowych i szklanych zarówno krajowych, jak i międzynarodowych, badań nad izolatorami dyskowymi z kompozytowej porcelany jest niewiele, a ich podstawowe mechanizmy nie są dobrze zrozumiane. Dlatego niniejszy artykuł przeprowadza testy przepięć w powietrzu na izolatorach dyskowych z kompozytowej porcelany, aby zbadać ich charakterystyki przepięć stromych fal.

Testy przepięć w powietrzu efektywnie oceniają wydajność stromych fal urządzeń elektrycznych, zapewniając bezpieczeństwo i niezawodność w ekstremalnych warunkach, mając istotną wartość w ocenie jakości izolatorów. Niniejsze badanie najpierw przeprowadza testy przepięć, aby przeanalizować wydajność stromych fal, a następnie tworzy symulację rozkładu pola elektrycznego na szczycie napięcia stromych fal na podstawie wyników testów, aby zbadać mechanizm zmian wydajności, mając na celu dostarczenie wskazówek dotyczących koordynacji izolacji w izolatorach kompozytowej porcelany w liniach przesyłowych.

1 Ustawienie testu przepięć w powietrzu

1.1 Próbka

Jako próbka testowa wybrano izolator dyskowy z kompozytowej porcelany HU550B240/650T AC, wyprodukowany przez producenta. Izolator ma strukturę trójparasolkową, jak pokazano na Rysunku 1. Jego główne parametry wydajności są przedstawione w Tabeli 1.

1.2 Platforma testowa i schemat
Do testu użyto generatora napięcia impulsowego 2400 kV. Czapka izolatora była umieszczana na metalowej płytce zasilanej ziemią, a standardowy gniazdo kuliste było montowane na końcu pinu, aby zapobiec nadmiernemu skupieniu pola elektrycznego w okolicy cementowanej wokół pinu. Układ izolatora jest ilustrowany na Rysunku 2.

Testy przepięć w powietrzu zostały przeprowadzone na łącznie 20 próbkach izolatorów. Metody testów przepięć w powietrzu dzielą się na metodę nachylenia i metodę amplitudy, z metoda amplitudy będąca głównie stosowana dla izolatorów dyskowych.

W niniejszych badaniach zastosowano metodę amplitudy, która nie wymaga liniowości frontu impulsu, ale używa tylko amplitudy napięcia przepięcia jako kryterium, z czasem frontu kontrolowanym między 100 a 200 ns i odchyleniem amplitudy w granicach ±10%. Podczas testu każdy izolator był poddawany pięciu impulsom napięcia o dodatniej biegunowości, a następnie pięciu impulsom o ujemnej biegunowości, a ta sekwencja była powtarzana raz. Interwał między kolejnymi impulsami utrzymywany był między 1 a 2 minutami.

Badania krajowe i międzynarodowe wskazują, że pokrycie powierzchni izolatorów rtęciolepszczeliną zmienia prędkość propagacji streamerów na powierzchni izolatorów porcelanowych, prowadząc do obniżenia wydajności stromych fal. Jednak wydajność izolacyjna w głowie izolatora pozostaje niezmieniona w rzeczywistej eksploatacji.

To zjawisko zostało potwierdzone przez ponad dziesięciu krajowych producentów izolatorów dyskowych: niezależnie od tego, czy profil szeregów jest typu głębokie żebra, czy naprzemienne parasole, czy też struktura głowy jest cylindryczna lub stożkowa, wszystkie izolatory wykazują pewne obniżenie wydajności przepięć stromych fal po pokryciu rtęciolepszczeliną.

W rezultacie odpowiednie normy zostały zrewidowane, obniżając amplitudę testu przepięć w powietrzu dla izolatorów dyskowych pokrytych RTV z 2,8 p.u. do 2,2 p.u. Wstępne wyniki testów pokazały, że przepięcia rzadko występują przy 2,2 p.u. Dlatego niniejsze badania wybrały izolatory porcelanowe bez pokrycia RTV i przeprowadziły testy przepięć w powietrzu przy standardowym napięciu testowym 2,8 p.u., z czasem frontu napięcia kontrolowanym w zakresie 100-200 ns.

Dalsza analiza statystyczna biegunowości napięcia i lokalizacji przepięć wykazała, że spośród 15 zdarzeń przepięć, 14 miało miejsce przy dodatniej biegunowości, a tylko jedno przy ujemnej. Spośród przepięć o dodatniej biegunowości, 8 miało miejsce w głowie, a 6 w szeregach; jedno przepięcie o ujemnej biegunowości miało miejsce w głowie. Ponadto, przed przepięciem w szeregach zaobserwowano łuki na powierzchni izolatora, podczas gdy podczas przepięć w głowie takie łuki nie były obserwowane.

Jednakże, w odniesieniu, wszystkie przepięcia strome w izolatorach porcelanowych miały miejsce w głowie, a w odniesieniu, izolatory porcelanowe miały przepięcia w głowie zarówno przed, jak i po pokryciu RTV. W tym teście, bez jednorazowego wtrysku obudowy HTV, przepięcia strome w tej samej partii izolatorów porcelanowych miały miejsce wyłącznie w głowie. Po wtrysku HTV, przepięcia w izolatorach kompozytowych miały miejsce nie tylko w głowie, ale również w szyi, co wskazuje, że pokrycie rtęciolepszczeliną HTV zmienia ścieżkę przepięć.

Zapisano liczbę impulsów przed przepięciem, z wynikami przedstawionymi na Rysunku 4. Jak widać, 12 izolatorów przepaliło się w ciągu pierwszych pięciu impulsów, jeden przepalił się na 7. impulsie, a dwa na 15. impulsie. Odniesienie wskazuje, że izolatory porcelanowe pokryte RTV wykazują istotne obniżenie wydajności stromych fal, z większą prawdopodobieństwem przepięć dla izolatorów o większej tonażu, co sugeruje, że pokrycie rtęciolepszczeliną obniża odporność na strome fale. W tym teście 80% izolatorów kompozytowych pokrytych HTV przepaliło się w ciągu pierwszych czterech impulsów, co dalej dowodzi, że obecność rtęciolepszczeliny HTV znacznie obniża zdolność izolatora do wytrzymywania stromych impulsów.

3 Symulacja rozkładu pola elektrycznego na szczycie napięcia stromych fal

Analiza wyników testów w Sekcji 2 wykazała, że w porównaniu do izolatorów porcelanowych, ścieżka przepięć w izolatorach kompozytowych uległa zmianie, a ich wydajność stromych fal znacznie się obniżyła. W tej sekcji wykorzystano symulację, aby obliczyć rozkład pola elektrycznego w izolatorze kompozytowym na szczycie napięcia impulsowego, mając na celu zbadanie przyczyn zmiany ścieżki przepięć i obniżonej wydajności stromych fal.

2.1 Model symulacji

Obserwacje z testów przepięć w powietrzu wskazują, że podczas przepięć w szeregach izolatorów kompozytowych, łuki rozwijają się wzdłuż powierzchni izolatora do miejsca przepięcia. Obecność łuków wpływa na rozkład pola elektrycznego i musi być uwzględniona w modelu. Jednak ze względu na nieregularny kształt łuków, utworzenie modelu 3D do obliczeń byłoby trudne, zwłaszcza że warstwa rtęciolepszczeliny jest cienka i znacznie mniejsza w wymiarach w porównaniu do całego izolatora, co utrudnia meshowanie 3D. Dlatego, aby jakościowo przeanalizować wpływ warstwy rtęciolepszczeliny i łuków na rozkład pola elektrycznego, w tej sekcji zastosowano uproszczony model dwuwymiarowy osiowo symetryczny. Model symulacji jest przedstawiony na Rysunku 5.

2.2 Materiały i warunki brzegowe

50% napięcia impulsowego błyskawicznego przepięcia izolatora wynosi 145 kV, a szczytowa wartość napięcia stromego impulsu 2,8 p.u. wynosi 406 kV. Ponieważ większość próbek przepaliła się przy dodatniej biegunowości, w symulacji pin (pin stalowy) jest ustawiony jako wysoki potencjał (406 kV), a czapka (czapka stalowa) jako zero potencjał. Wartości względnej dielektryczności materiałów są przedstawione w Tabeli 2.

2.3 Wyniki i analiza symulacji

W modelu bez pokrycia rtęciolepszczeliną, rozkład pola elektrycznego izolatora porcelanowego na szczycie napięcia stromego impulsu jest przedstawiony na Rysunku 6(a). Jak widać na Rysunku 6, intensywność pola elektrycznego jest koncentrowana głównie w głowie izolatora, osiągając maksimum 50 kV/mm, co wskazuje na wysokie prawdopodobieństwo przepięcia w głowie - zgodnie z doświadczeniami polowymi i badaniami pokrewnymi.

Aby porównawczo przeanalizować wpływ pokrycia rtęciolepszczeliną, obliczono rozkład pola elektrycznego modelu izolatora kompozytowego z jednorazowo wtryskaną rtęciolepszczeliną, z wynikami przedstawionymi na Rysunku 6(b). Można zauważyć, że maksymalne pole elektryczne występuje na końcu łuku na dolnej powierzchni ciała izolacyjnego, około 219,4 kV/mm; natężenie pola na końcu łuku na górnej powierzchni jest niższe, wynosząc 41,21 kV/mm; istnieje również znaczne skupienie pola w głowie pinu, z maksimum 50,68 kV/mm.

Pod wpływem pokrycia rtęciolepszczeliną, opór powierzchniowy izolatora wzrasta, znacznie zwiększając stosunek objętościowego prądu pojemnościowego do powierzchniowego prądu opornego w szeregach. To prowadzi do znacznego wzrostu składowej pola elektrycznego prostopadłej do powierzchni izolatora, powodując, że łuk, po jego inicjacji, ścisłe podąża wzdłuż powierzchni.

Pod wpływem pokrycia HTV, łuki powierzchniowe rozprzestrzeniają się wzdłuż powierzchni izolatora pod wpływem stromego napięcia, powodując gwałtowny wzrost lokalnej intensywności pola - znacznie przekraczającą tę w głowie pinu - co zwiększa prawdopodobieństwo przepięć na końcu łuku, prowadząc do przepięć w szeregach. To wskazuje, że wydajność stromych fal jest wpływowana przez pokrycie HTV na powierzchni szeregów. Dodatkowo, symulacja pokazuje stosunkowo wysokie pole elektryczne w głowie izolatora, co koreluje z obserwowanymi przepięciami w głowie w testach.

3 Wnioski

Przeprowadzono testy przepięć w powietrzu na izolatorach kompozytowych, aby przeanalizować ich charakterystyki przepięć stromych fal, oraz wykonano symulacje rozkładu pola elektrycznego na szczycie napięcia stromego. Wnioski są następujące:

• Przy 2,8 p.u. napięciu stromego impulsu, 15 z 20 próbek izolatorów kompozytowych doznało przepięć, z 80% występujących w ciągu pierwszych czterech impulsów, co wskazuje, że obecność rtęciolepszczeliny HTV znacznie obniża wydajność stromych fal izolatorów kompozytowych.

• Spośród 15 zdarzeń przepięć, oprócz przepięć w głowie pinu, sześć miało miejsce w szeregach, co wskazuje na jasną zmianę ogólnej ścieżki przepięć w porównaniu do tradycyjnych izolatorów porcelanowych.

• Wyniki symulacji pokazują, że rozprzestrzenianie się łuków powierzchniowych w izolatorach kompozytowych powoduje znaczny wzrost intensywności pola elektrycznego w szeregach na szczycie napięcia, osiągając 217,64 kV/mm, co zwiększa prawdopodobieństwo przepięć w szeregach. W przeciwieństwie do izolatorów bez warstwy rtęciolepszczeliny, maksymalne pole podczas rozwoju łuku znajduje się w głowie pinu, osiągając 49,55 kV/mm, gdzie przepięcia występują najczęściej.