Strmo frontno impulsnog prekid napona na HTV-pokrivenim kompozitnim porcelanskim izolatorima: mehanizmi testiranja i simulacija

Porcelanski i stakleni izolatori pokazuju odlične izolacione performanse i mehaničku čvrstoću, ali su podložni zagađenju i iskrenom pod uticajem teškog onesnaženja, što ugrožava stabilno funkcionisanje električnih mreža. Da bi se povećala otpornost na iskrene uzrokovane zagađenjem vanjske izolacije, proizvođači obično nanose pokrovne smeće bazirane na silikonskoj gumi (RTV) sa poboljšanim hidrofobnim i transfernim svojstvima na površinama izolatora, time smanjujući rizik od iskrene. Inicijalno, RTV smeće u Kini su primenjivane na mestu, metoda koja se karakteriše visokom konstruktivnom težinom i nekonzistentnom kontrolom kvaliteta.

Nakon toga, razvijeni su postupci taloženja ili sprejanja u fabrici, omogućavajući da RTV-pokriveni izolatori budu dostavljeni kao kompletni proizvodi pod nadzorom i prihvaćanjem, značajno unapređujući kvalitet proizvoda i promovišući njihovu široku upotrebu u električnim mrežama. Međutim, RTV smeće imaju nisku mehaničku čvrstoću i slabu interfejsnu adheziju na izolaciono tijelo, što ih čini osjetljivima na oštećenja od vanjskih sila tokom transporta, građevine, instalacije i dugotrajnog rada. Operativni procesi starenja, poput odlupivanja, pukotina i delaminacija, su česti, zahtijevajući demontazu i ponovno taloženje, što dovodi do visokih troškova održavanja.

Disk-suspendni kompozitni porcelanski izolatori koriste potpuni porcelanski izolator kao jezgra, s pokrovom visoko temperaturno vulkanizirane silikonske gume (HTV) - minimalna debljina od 3 mm - formiranom u jednom postupku taloženja visokom temperaturom. U usporedbi s RTV, HTV pokazuje poboljšanu mehaničku čvrstoću, kao i poboljšana svojstva u odnosu na praćenje i eroziju, otpornost na vatru, električna svojstva, otpornost na starenje i visoku temperaturu.

Dodatno, modifikacijom glazure na površini porcelana i korištenjem specijalnih spajajućih sredstava, značajno se poboljšava međusobna vezna čvrstoća između porcelana i HTV silikonske gume, promovišući integraciju i uniformnost komponente. Stoga disk-suspendni kompozitni porcelanski izolatori nude poboljšane mehaničke i protuzagađenačke performanse s niskim operativnim i održavanjskim zahtjevima, otvarajući novi put za primene vanjske izolacije u prenosnim linijama.

Poljska iskustva pokazuju da kada prenosne linije udare munja, rezultirajuće prenaprezanje sadrži impulse s izrazito strmom frontom, vrlo kratkom trajanjem, visokom strmosti i izrazito visokim vrhunskim naprezanjima, predstavljajući značajan opasnost za izolatore linija. Takvi strmi impulsi mogu dovesti do probijanja ili čak eksplozije disk-izolatora, a u teškim slučajevima, do prekida niza i padanja linije. Otpornost na strme impulsnosti je ključni indikator kvalitete izolatora.

Iako je provedeno veliko istraživanje o performansama strmih valova porcelanskih i staklenih izolatora kako domaćih tako i inozemnih, istraživanja o disk-suspendnim kompozitnim porcelanskim izolatorima još uvek su retki, a njihovi mehanizmi nisu dobro poznati. Stoga ovaj rad provodi ispitivanja impulsnog prekidnog testa u zraku na disk-suspendnim kompozitnim porcelanskim izolatorima kako bi istražio njihove karakteristike prekida strmim valovima.

Impulsnite prekidne testove u zraku efektivno procenjuju otpornost na strme valove električnog opreme, obezbeđujujući bezbednost i pouzdanost u ekstremnim uslovima, i imaju značajnu vrednost u proceni kvalitete izolatora. Ovo istraživanje prvo izvrši impulsnite prekidne teste kako bi analiziralo performanse strmih valova, zatim uspostavlja simulaciju raspodele električnog polja na vrhu strmeg napona temeljena na rezultatima testa kako bi istražila mehanizam promene performansi, ciljevajući da pruži upute za koordinaciju izolacije kompozitnih porcelanskih izolatora u prenosnim linijama.

1 Postavljanje impulsnog prekidnog testa u zraku

1.1 Probni uzorak

Izabrani je AC disk-suspendni kompozitni porcelanski izolator HU550B240/650T proizveden od strane proizvođača kao probni uzorak. Izolator ima tri-kupolasti dizajn, kao što je prikazano na Slici 1. Njegove glavne performanse parametre navedeni su u Tabeli 1.

1.2 Testna platforma i shema
Koristio se generator impulsnog napona od 2400 kV za test. Kap izolatora smješten je okrenut prema dolje na zemljanoj metalnoj ploči, a standardni loptasti soket je instaliran na pinu kako bi se spriječilo prekomjerno koncentriranje električnog polja oko cementirane zone oko pina. Postavka izolatora prikazana je na Slici 2.

Impulsnite prekidne testove u zraku su provedeni na ukupno 20 uzoraka izolatora. Metode za impulsnite prekidne testove u zraku podijeljene su na metod strmosti i metod amplituda, s metodom amplituda prevladavajućom za disk-izolatore.

Ovo istraživanje koristi metod amplituda, koji ne zahtijeva linearnost impulsnog fronta, već koristi samo amplitudu prekidnog napona kao kriterij, s vremenom fronta kontrolisanim između 100 i 200 ns i odstupanjem amplitude unutar ±10%. Tokom testa, svaki izolator je podvrgnut pet pozitivno-polarizovanih impulsnih napona, zatim pet negativno-polarizovanih impulsa, i ta se sekvencija ponavlja jednom. Interval između uzastopnih impulsa održan je između 1 i 2 minuta.

Istraživanja kako domaćih tako i inozemnih pokazuju da nanosenje silikonske gume na površinu izolatora mijenja brzinu širenja površinskih streamera na porcelanskim izolatorima, dovodeći do smanjenja otpornosti na strme impulsnosti. Međutim, izolacione performanse na glavi izolatora ostaju nepromijenjene u stvarnoj operaciji.

Ovaj fenomen potvrđen je od strane preko deset domaćih proizvođača disk-izolatora: bez obzira na to da li je profil kaplje duboko riblji ili alternativno-kupasti, ili da li je struktura glave cilindrična ili stožasta, svi izolatori pokazuju određenu razinu smanjenja performansi prekida strmim valovima nakon nanosenja silikonske gume.

Kao rezultat, relevantni standardi su izmenjeni, smanjujući amplitudu impulsnog prekidnog testa u zraku za disk-izolatore pokrivene RTV-silikonskom gumom sa 2.8 p.u. na 2.2 p.u. Preliminarni rezultati testova pokazuju da rijetko do dolazi do prekida na 2.2 p.u. Stoga, ovo istraživanje izabralo je porcelanske izolatore bez RTV-pokrove i izvršilo impulsnite prekidne testove u zraku na standardnoj testnoj naponskoj amplitudi od 2.8 p.u., s vremenom fronta kontrolišanom unutar opsega od 100-200 ns.

Daljnja statistička analiza polariteta napona i lokacije prekida pokazala je da je od 15 događaja prekida, 14 se dogodilo pod pozitivnom polaritetom, a samo jedan pod negativnom polaritetom. Od pozitivno-polarizovanih prekida, 8 se dogodilo na glavi, a 6 na kapljama; jedini negativno-polarizovani prekid se dogodio na glavi. Takođe, prije prekida na kapljama, na površini izolatora primijećen je luk, dok takav luk nije bio primijećen tokom prekida na glavi.

Međutim, u referenci, svi prekidi strmim valovima porcelanskih izolatora dogodili su se na glavi, a u referenci, porcelanski izolatori su prekidali na glavi i prije i poslije nanosenja RTV-silikonske gume. Na suprotan način, ovaj test pokazuje da bez jednokratnog taloženja HTV-overcoata, prekidi strmim valovima u istoj seriji porcelanskih izolatora dogodili su se isključivo na glavi. Nakon taloženja HTV, prekidi u kompozitnim porcelanskim izolatorima dogodili su se ne samo na glavi, već i na vrati, što ukazuje da HTV-silikonska guma mijenja put prekida.

Zabeležen je broj impulsa prije prekida, sa rezultatima prikazanim na Slici 4. Kao što je prikazano, 12 izolatora prekinulo je unutar prvih pet impulsa, jedan prekinuo je na 7. impulsu, a dva na 15. impulsu. Referenca pokazuje da porcelanski izolatori pokriveni RTV imaju značajno smanjenu otpornost na strme valove, s većom verovatnoćom prekida za veće-tonažne izolatore, što sugerira da silikonska guma smanjuje otpornost na strme valove. U ovom testu, 80% HTV-taloženih kompozitnih izolatora prekinulo je unutar prvih četiri impulsa, što dodatno pokazuje da prisustvo HTV-silikonske gume značajno smanjuje sposobnost izolatora da otpire strmim impulsnim naprezanjima.

3 Simulacija raspodele električnog polja na vrhu strmeg napona

Analiza rezultata testa u Sekciji 2 pokazuje da, u usporedbi s porcelanskim izolatorima, put prekida kompozitnih izolatora se promenio i njihova otpornost na strme valove značajno se smanjila. Ova sekcija koristi simulaciju kako bi izračunala raspodelu električnog polja kompozitnog izolatora na vrhu impulsnog napona, ciljevajući da istraži uzroke promenjenog puta prekida i smanjene otpornosti na strme valove.

2.1 Simulacijski model

Promatranja iz impulsnih prekidnih testova u zraku pokazuju da kada dođe do iskrene na kapljama kompozitnih izolatora, lukovi se razvijaju duž površine izolatora do lokacije prekida. Prisustvo lukova utiče na raspodelu električnog polja i mora biti uzeto u obzir u modelu. Međutim, zbog nepravilne forme lukova, postavljanje 3D modela za računanje bilo bi izazovno, posebno jer je sloj silikonske gume tanki i mnogo manji u dimenzijama u odnosu na ukupni izolator, čime se teško postavlja 3D mreža. Stoga, kako bi kvalitativno analizirali uticaj sloja silikonske gume i lukova na raspodelu električnog polja, u ovoj sekciji koristi dvodimenzionalni osnosimetrični model za pojednostavljenje. Simulacijski model prikazan je na Slici 5.

2.2 Materijali i granični uslovi

50% impulsnog napona iskrene od munje izolatora iznosi 145 kV, a vrhunska vrijednost 2.8 p.u. strmeg impulsnog napona iznosi 406 kV. Budući da je većina probnih uzoraka doživela prekid pod pozitivnom polaritetom, u simulaciji pin (čelični pin) postavljen je kao visok potencijal (406 kV), a kap (čelični kap) kao nula potencijal. Relativne dielektrične konstante materijala navedene su u Tabeli 2.

2.3 Rezultati i analiza simulacije

U modelu bez sloja silikonske gume, raspodela električnog polja porcelanskog izolatora na vrhu strmeg impulsnog napona prikazana je na Slici 6(a). Kao što je vidljivo na Slici 6, intenzitet električnog polja uglavnom je koncentrisan na glavi izolatora, dosežeći do 50 kV/mm, što ukazuje na visoku verovatnoću iskrene na glavi - u skladu sa poljskim iskustvom i relevantnim studijama.

Da bi se usporedno analizirao uticaj sloja silikonske gume, izračunata je raspodela električnog polja modela kompozitnog izolatora s jednokratnim taloženjem silikonske gume, sa rezultatima prikazanim na Slici 6(b). Može se vidjeti na Slici 6(b) da maksimalni električni polje nastaje na kraju luka na donjoj površini izolacionog tijela, približno 219.4 kV/mm; jačina polja na kraju luka na gornjoj površini je niža, 41.21 kV/mm; i značajna koncentracija polja takođe postoji na glavi pina, sa maksimumom od 50.68 kV/mm.

Stoga, pod uticajem sloja silikonske gume, površinska otpornost izolatora se povećava, značajno povećavajući odnos volumenskog kapacitivnog struja i površinskog otpornog struja u kapljama. To dovodi do značajnog povećanja komponente električnog polja okomite na površinu izolatora, što dovodi do toga da luk blisko prati površinu nakon njegovog početka.

Pod uticajem HTV-pokrova, površinski luki se šire duž površine izolatora kada su izloženi strmom naprezanju, što dovodi do značajnog porasta lokalne jačine polja - daleko preko one na glavi pina - čime se povećava verovatnoća prekida na vrhu luka i dovodi do iskrene na kapljama. To ukazuje da je otpornost na strme valove utičena na površini kapljica HTV-pokrovnog materijala. Takođe, simulacija pokazuje relativno visoku jačinu polja na glavi izolatora, što se poklapa sa promatranim prekidima na glavi u testovima.

3 Zaključak

Impulsnite prekidne testove u zraku su provedeni na kompozitnim izolatorima kako bi se analizirale njihove karakteristike prekida strmim valovima, a simulacije raspodele električnog polja su izvršene na vrhu strmeg napona. Došlo se do sledećih zaključaka:

• Pod 2.8 p.u. strmim impulsnim naprezanjem, 15 od 20 uzoraka kompozitnih izolatora doživeli su prekid, od kojih 80% došlo je unutar prvih četiri impulsa, što ukazuje da prisustvo HTV-silikonske gume značajno smanjuje otpornost na strme valove kompozitnih izolatora.

• Od 15 događaja prekida, osim iskrena na glavi pina, šest se dogodilo na kapljama, što ukazuje na jasan promenjeni put prekida u odnosu na konvencionalne porcelanske izolatore.

• Rezultati simulacije pokazuju da propagacija površinskih lukova u kompozitnim izolatorima dovodi do značajnog povećanja intenziteta električnog polja na kapljama na vrhu napona, dosežeći 217.64 kV/mm, čime se povećava verovatnoća iskrene na kapljama. Naprotiv, za izolatore bez sloja silikonske gume, maksimalna jačina polja tijekom razvoja luka nalazi se na glavi pina, dosežeći 49.55 kV/mm, gdje se prekid uglavnom događa.