Strmina-frontna impulzna razpadnica HTV-pokritih kompozitnih porcelanskih izolatorjev: mehanizmi testiranje in simulacija

Porcelanski in stekleni izolatorji imajo odlične izolacijske lastnosti in mehanske trdote, vendar so podvrženi tveganju onesnaženja in bljeskala, ki ogrožajo stabilno delovanje električnih omrežij. Za izboljšanje odpornosti na onesnaženje in bljeskala zunanjih izolatorjev proizvajalci pogosto uporabljajo premaze z silikonsko gumo (RTV) pri sobni temperaturi, ki imajo odlične hidrofobne in prenose hidrofobnosti, s tem pa zmanjšajo tveganje bljeskala. Na začetku so RTV premazi v Kitajski nanosili na mestu, kar je bilo obliko z visoko težavo gradnje in neskladnimi kontrolami kakovosti.

Nato so razvili postopke namakanja ali prškanja v tovarnah, s čimer so RTV premazane izolatorje lahko dostavili kot končne izdelke, ki so podvrženi nadzoru in sprejemu, kar je znatno izboljšalo kakovost izdelka in spodbudilo široko uporabo v električnih omrežjih. Vendar RTV premazi trpijo zaradi nizke mehanske trdote in slabe mehurčne adhezije k izolacijskemu telesu, kar jih čini ranljivimi za poškodbe zaradi zunanje sile med prevozom, gradnjo, nameščanjem in dolgoročnim delovanjem. Operativni starjenje, kot so odlupanje, razpadanje in delitve, so pogosti, kar zahteva demontažo in ponovno premaz, kar povzroča visoke stroške vzdrževanja.

Diskastni kompozitni porcelanski izolatorji uporabljajo celosten porcelanski izolator kot jedro, s plasti silikonske gume pri visoki temperaturi (HTV) – najmanj 3 mm debel – formirano v enem levanju z visokotemperaturnim injektiranjem. V primerjavi s RTV ima HTV boljše mehanske lastnosti, kot tudi izboljšano odpornost na sledenje in erozijo, odpornost na vatre, električne lastnosti, odpornost na starjenje in visokotemperaturno odpornost.

Spremembami glazure na površini porcelana in uporabo posebnih vezivnih sredstev je bil znatno izboljšan mehurčni vezovalni trdot med porcelanom in HTV silikonsko gumo, kar spodbuja integracijo in enakomerost komponente. Tako diskastni kompozitni porcelanski izolatorji ponujajo odlične mehanske in odpornostne lastnosti na onesnaženje in bljeskala z nizkimi operativnimi in vzdrževalnimi zahtevami, kar odpira novo pot za zunanje izolacijske aplikacije v prenosnih linijah.

Praktični izkušnje kažejo, da ko presežne napetosti, ki nastanejo zaradi udara svetlobe v nadzračne linije, vsebujejo strmi impulzi z zelo kratkim trajanjem, visoko strmostjo in zelo visokimi vrhunskimi napetostmi, ki predstavljajo veliko grožnjo za izolatorje linij. Takšni strmi impulzi lahko povzročijo prodrljivost ali celo eksplozijo diskastnih izolatorjev, v težjih primerih pa lahko vodijo do prekinitve niza in padca linije. Odpornost na strme impulze je ključni kazalec kakovosti izolatorja.

Čeprav je bilo opravljeno obsežno raziskovanje strmo valovne učinkovitosti porcelanskih in steklenih izolatorjev doma in v tujini, so raziskave diskastnih kompozitnih porcelanskih izolatorjev še vedno redke, njihove osnovne mehanizme pa se ne dovolj dobro razumejo. Zato ta članek izvaja preskus preboja impulznih napetosti v zraku na diskastnih kompozitnih porcelanskih izolatorjih, da bi raziskali njihove karakteristike preboja strme valovne napetosti.

Preskusi preboja impulznih napetosti v zraku učinkovito ocenjujejo odpornost na strme valovne napetosti električnega oprem, zagotavljajojo varnost in zanesljivost v ekstremnih pogoji in imajo veliko vrednost pri ocenjevanju kakovosti izolatorjev. Ta raziskava najprej izvaja preskuse preboja impulznih napetosti, da analizira strmo valovno učinkovitost, nato pa ustanovi simulacijo porazdelitve električnega polja na vrhu strme valovne napetosti glede na rezultate preskusa, da bi raziskali mehanizem sprememb učinkovitosti, s ciljem, da bi prinesla usmeritev za koordinacijo izolacije kompozitnih porcelanskih izolatorjev v prenosnih linijah.

1 Preskus preboja impulznih napetosti v zraku

1.1 Vzorec

Izbran je bil AC diskastni kompozitni porcelanski izolator HU550B240/650T, izdelan od proizvajalca, kot preskusni vzorec. Izolator ima tri-trikotniško strukturo, kot je prikazano na Sliki 1. Njegove glavne tehnične parametre so navedene v Tabeli 1.

1.2 Preskusna platforma in shema
Za preskus je bil uporabljen generator impulznih napetosti 2400 kV. Pokrov izolatorja je bil postavljen navzdol na zemljiščni metalni plošči, in standardni krogelni konektor je bil nameščen na pin koncu, da bi preprečili prekomerno koncentracijo električnega polja v cementiranem območju okoli pina. Namestitev izolatorja je prikazana na Sliki 2.

Preskusi preboja impulznih napetosti v zraku so bili izvedeni na skupno 20 vzorcev izolatorjev. Metode preskusa preboja impulznih napetosti v zraku so razdeljene na metodo strmosti in metodo amplituda, pri čemer je metoda amplituda primarno uporabljena za diskastne izolatorje.

Ta raziskava je uporabila metodo amplituda, ki ne zahteva linearne fronte impulza, ampak uporablja samo amplitudo prebojne napetosti kot merilo, z časom fronte, ki je kontroliran med 100 in 200 ns, in odstopanjem amplitude znotraj ±10%. Med preskusom je vsak izolator bil podvržen petim pozitivno-polariziranim impulznim napetostim, nato petim negativno-polariziranim impulznim napetostim, in ta zaporedje je bilo ponovljeno enkrat. Interval med zaporednimi impulzi je bil vzdržan med 1 in 2 minutama.

Raziskave doma in v tujini kažejo, da nanos silikonske gume na površino izolatorja spremeni hitrost širjenja površinskih iskrenih tokov na porcelanskih izolatorjih, s tem pa zmanjša odpornost na strme impulze. Vendar ostaja izolacijska učinkovitost na glavi izolatorja v dejanski operaciji nespremenjena.

Ta pojav je bil potrjen z več kot desetimi domačimi proizvajalci diskastnih izolatorjev: ne glede na to, ali je profil listov globoko ribljast ali izmenično paraplujski, ali ali je struktura glave valjkasta ali stožasta, vsi izolatorji po premazu s silikonsko gumo pokazujejo neko stopnjo zmanjšanja učinkovitosti preboja strme valovne napetosti.

Kot rezultat so bile relevantne standarde spremenjene, zmanjšanje amplitude preskusa preboja impulznih napetosti v zraku za RTV premazane diskastne izolatorje s 2.8 p.u. na 2.2 p.u. Predhodni rezultati preskusov kažejo, da se preboj redko zgodi pri 2.2 p.u. Zato ta raziskava izbere porcelanske izolatorje brez RTV premaza in izvaja preskuse preboja impulznih napetosti v zraku pri standardni preskusni napetosti 2.8 p.u., z časom fronte napetosti, ki je kontroliran znotraj obsega 100-200 ns.

Dodatna statistična analiza polaritete napetosti in lokacije preboja je razkrila, da od 15 prebojev se 14 zgodilo pod pozitivno polariteto in le en pod negativno polariteto. Med pozitivno-polariziranimi preboji se 8 zgodilo na glavi in 6 na listih; edini preboj pod negativno polariteto se je zgodil na glavi. Poleg tega je bilo opazljivo lustranje na površini izolatorja pred preboji listov, medtem ko takšno lustranje ni bilo opazljivo med preboji na glavi.

Vendar pa so v referenci vsi preboji strme valovne napetosti na porcelanskih izolatorjih zgodili na glavi, in v referenci so porcelanski izolatorji prebojili na glavi tako pred kot po premazu s RTV. V nasprotju s tem ta preskus kaže, da brez enkratnega levanja s HTV preboji strme valovne napetosti v isti seriji porcelanskih izolatorjev so se zgodili izključno na glavi. Po levanju s HTV so se preboji v kompozitnih porcelanskih izolatorjih zgodili ne le na glavi, ampak tudi na vratu, kar kaže, da premaz s HTV silikonsko gumo spremeni pot preboja.

Število impulznih napetosti pred prebojem je bilo zabeleženo, z rezultati, prikazanimi na Sliki 4. Kot je prikazano, se 12 izolatorjev prebojilo v prvih petih impulznih napetostih, eden se je prebojil na 7. impulzu, dva pa na 15. impulzu. V referenci kaže, da porcelanski izolatorji premazani s RTV pokazujejo značilen zmanjšan učinek odpornosti na strme valovne napetosti, z večjo verjetnostjo preboja za večje tonazne izolatorje, kar nakazuje, da premaz s silikonsko gumo zmanjša odpornost na strme valovne napetosti. V tem preskusu se 80% kompozitnih izolatorjev premazanih s HTV prebojilo v prvih štirih impulznih napetostih, kar dodatno dokazuje, da prisotnost HTV silikonske gume značilno zmanjša sposobnost izolatorja, da pretrpi strme valovne impulze.

3 Simulacija porazdelitve električnega polja na vrhu strme valovne napetosti

Analiza rezultatov preskusa v Oddelku 2 razkrije, da se v primerjavi s porcelanskimi izolatorji pot preboja kompozitnih izolatorjev spremeni in njihova odpornost na strme valovne napetosti značilno zmanjša. Ta oddelki uporablja simulacijo, da bi izračunal porazdelitev električnega polja kompozitnega izolatorja na vrhu impulzne napetosti, s ciljem, da bi raziskali vzroke za spremembo poti preboja in zmanjšanje odpornosti na strme valovne napetosti.

2.1 Simulacijski model

Opazitve preskusov preboja impulznih napetosti v zraku kažejo, da ko se preboj listov dogaja v kompozitnih izolatorjih, se lukovi razvijajo vzdolž površine izolatorja do lokacije preboja. Prisotnost lukov vpliva na porazdelitev električnega polja in mora biti upoštevana v modelu. Vendar zaradi neravnomernega oblika lukov bi ustvarjanje 3D modela za izračune bilo težko, še posebej ker je sloj silikonske gume tanek in mnogo manjši v dimenzijah v primerjavi z celotnim izolatorjem, kar 3D mreženje otežuje. Zato, da bi kvalitativno analizirali vpliv sloja silikonske gume in lukov na porazdelitev električnega polja, je v tem oddelku uporabljen dvodimenzionalni osno simetričen model za poenostavitev. Simulacijski model je prikazan na Sliki 5.

2.2 Materiali in robni pogoji

50%-na napetost preboja impulznih napetosti bleska izolatorja je 145 kV, in vrhovna vrednost 2.8 p.u. strme valovne napetosti je 406 kV. Ker je večina preskusnih vzorcev prebojila pod pozitivno polariteto, je v simulaciji pin (jeklen pin) postavljen kot visoka potencialna (406 kV) in pokrov (jeklen pokrov) kot ničelna potencialna. Relativne dielektrične vrednosti materialov so navedene v Tabeli 2.

2.3 Rezultati in analiza simulacije

V modelu brez premaza s silikonsko gumo je porazdelitev električnega polja porcelanskega izolatorja na vrhu strme valovne napetosti prikazana na Sliki 6(a). Kot je videti na Sliki 6, je intenziteta električnega polja glavno koncentrirana na glavi izolatorja, doseže do 50 kV/mm, kar kaže na visoko verjetnost preboja na glavi - v skladu s praktičnimi izkušnjami in sorodnimi raziskavami.

Za primerjalno analizo vpliva premaza s silikonsko gumo je bila izračunana porazdelitev električnega polja modela kompozitnega izolatorja z enkratnim levanjem silikonske gume, z rezultati, prikazanimi na Sliki 6(b). Kot je videti na Sliki 6(b), najvišja intenziteta električnega polja nastopa na koncu luka na spodnji površini izolacijskega telesa, približno 219.4 kV/mm; intenziteta polja na koncu luka na zgornji površini je nižja, 41.21 kV/mm; in značilna koncentracija polja obstaja tudi na glavi pina, z maksimumom 50.68 kV/mm.

Tako, pod vplivom premaza s silikonsko gumo, se površinska uporna notranjost izolatorja poveča, značilno poveča razmerje volumenskega kapacitivnega toka in površinskega upornega toka v listih. To vodi do značilnega povečanja komponente električnega polja pravokotno na površino izolatorja, kar povzroča, da se luk tesno prilega površini po svojem zagonu.

Pod vplivom premaza s HTV se površinski lukovi širijo vzdolž površine izolatorja, ko so izpostavljeni strmem valovnim napetostim, kar vodi do značilnega povečanja lokalne intenzitete polja - daleč presegajoče tisto na glavi pina - kar poveča verjetnost preboja na koncu luka in vodi do preboja listov. To kaže, da je odpornost na strme valovne napetosti vpljana premazom s HTV na površini listov. Dodatno simulacija kaže relativno visoko intenziteto polja na glavi izolatorja, kar se ujema z opazovanimi preboji na glavi v preskusih.

3 Zaključek

Preskusi preboja impulznih napetosti v zraku so bili izvedeni na kompozitnih izolatorjih, da bi analizirali njihove karakteristike preboja strme valovne napetosti, in so bile izvedene simulacije porazdelitve električnega polja na vrhu strme valovne napetosti. Iz tega so bili izvedeni naslednji zaključki:

• Pri 2.8 p.u. strmi valovni napetosti se 15 od 20 vzorcev kompozitnih izolatorjev prebojilo, 80% pa se je prebojilo v prvih štirih impulznih napetostih, kar kaže, da prisotnost premaza s HTV silikonsko gumo značilno zmanjša odpornost na strme valovne napetosti kompozitnih izolatorjev.

• Med 15 preboji, poleg prebojev na glavi pina, se šest prebojilo na listih, kar kaže na jasno spremembo celotne poti preboja v primerjavi s konvencionalnimi porcelanskimi izolatorji.

• Rezultati simulacije kažejo, da površinsko širjenje lukov v kompozitnih izolatorjih povzroča značilno povečanje intenzitete polja na listih na vrhu napetosti, doseže do 217.64 kV/mm, kar poveča verjetnost preboja listov. V nasprotju s tem, za izolatorje brez sloja silikonske gume, je najvišja intenziteta polja med razvojem luka na glavi pina, doseže do 49.55 kV/mm, kjer se preboji glavno zgodijo.