Bräddstegsformad impulsslagning av HTV-belagda kompositporcelainsisolatorer: Mekanismer test och simulering

Porcellan- och glasisolatorer visar utmärkt isoleringsprestanda och mekanisk styrka, men är benägna att drabbas av föroreningsspänning vid allvarlig förorening, vilket hotar den stabila drift av elkraftnät. För att förbättra motståndskraften mot föroreningsspänning hos yttre isolering applicerar tillverkare vanligtvis rumstemperaturvulkaniserad silikonkautschuk (RTV) med överlägsen hydrofobitet och hydrofobiöverföringsegenskaper på isolatorernas ytor, vilket minskar spänningsriskerna. I början tillämpades RTV-beläggningar i Kina på plats, en metod som kännetecknas av hög konstruktionssvårighet och inkonsekvent kvalitetskontroll.

Därefter utvecklades fabriksbaserade dopp- eller sprutsprutsmetoder, vilket möjliggjorde leverans av RTV-beläggda isolatorer som färdiga produkter under tillsyn och godkännande, vilket betydligt förbättrade produktkvaliteten och främjade en bredare användning i elkraftnät. RTV-beläggningar lider dock av låg mekanisk styrka och svag gränssnittsadhäsion till isoleringskroppen, vilket gör dem sårbara för skador från externa krafter under transport, konstruktion, installation och långsiktig drift. Driftåldringssymptom som lossning, sprickor och delning är vanliga, vilket kräver demontering och ombehandling, vilket leder till höga underhållskostnader.

Skivformade kompositporcellanisolatorer använder en komplett porcellanisolator som kärna, med en högtemperaturvulkaniserad silikonkautschuk (HTV)-omhölje—minsta tjocklek 3 mm—bildad i en enda formningsprocess via högtemperatursprutning. Jämfört med RTV visar HTV överlägsen mekanisk styrka, samt förbättrad prestanda i spårning och erosionsmotstånd, brandavvärjande, elektriska egenskaper, åldringstålighet och högtemperaturuthållighet.

Vidare, genom att modifiera glasyret på porcellanytan och använda specialiserade kopplingssubstanser, förbättras gränssnittsbindningsstyrkan mellan porcellan och HTV-silikonkautschuk betydligt, vilket främjar integration och enhetlighet av komponenten. Därför erbjuder skivformade kompositporcellanisolatorer överlägsen mekanisk och antiföroreningsspänningseffektivitet med låga drift- och underhållskrav, vilket öppnar upp en ny väg för yttre isoleringsapplikationer i överföringslinjer.

Fältupplevelser visar att när överbystrålar träffas av blixt, innehåller den resulterande överspänningen brantfrontade impulser med extremt kort varaktighet, hög branthet och mycket höga toppspänningar, vilket utgör ett stort hot mot linjeisolatorer. Sådana branta impulser kan orsaka genombrott eller till och med explosion av skivisolatorer, och i värsta fall leda till strängbrott och linjeslapp. Brantfrontimpulstålighet är en kritisk indikator på isolatorernas kvalitet.

Även om omfattande forskning har utförts på brantvågsprestanda för porcellan- och glasisolatorer både nationellt och internationellt, så är studier av skivformade kompositporcellanisolatorer fortfarande få, och deras underliggande mekanismer är inte väl förstådda. Därför genomför denna artikel impulsbrytningsprov i luft på skivformade kompositporcellanisolatorer för att undersöka deras brantvågsbrytningskarakteristika.

Luftimpulsbrytningsprovet är effektivt för att utvärdera brantvågståligheten hos elektrisk utrustning, vilket garanterar säkerhet och tillförlitlighet under extrema förhållanden, och har stor värde i isolatorernas kvalitetsbedömning. Denna studie utför först impulsbrytningsprov för att analysera brantvågsprestandan, sedan etablerar en elektrisk fältdistributionsimulation vid toppen av brantvågsspänningen baserat på provresultaten för att utforska mekanismen bakom prestandaförändringarna, med målet att ge riktlinjer för isoleringskoordinering av kompositporcellanisolatorer i överföringslinjer.

1 Luftimpulsbrytningsprov

1.1 Provsobjekt

En HU550B240/650T AC-skivformad kompositporcellanisolator producerad av en tillverkare valdes som provsobjekt. Isolatorn har en trippelparaplystruktur, som visas i figur 1. Dess huvudprestandaparametrar anges i tabell 1.

1.2 Provplattform och schema
Ett 2400 kV impulsvoltgenerator användes för provet. Isolatorns kapplugg placerades nedåt på en jordad metallplatta, och en standardbollskoppling installerades vid pin-slutet för att förhindra överdriven elektrisk fältkoncentration i cementområdet runt pinnen. Isolatorns uppsättning illustreras i figur 2.

Luftimpulsbrytningsprov genomfördes på totalt 20 isolatorspecimen. Metoderna för luftimpulsbrytningsprov delas in i brantmetoden och amplitudmetoden, där amplitudmetoden främst används för skivisolatorer.

Denna studie använde amplitudmetoden, som inte kräver linjäritet av impulsfronten utan använder endast amplituden av brytningsvolt som kriterium, med fronttid kontrollerad mellan 100 och 200 ns och amplitudavvikelse inom ±10%. Under provet utsattes varje isolator för fem positiva polimpulsspanningar följt av fem negativa polimpulsspanningar, och denna sekvens upprepades en gång. Intervallen mellan påföljande impulser bibehölls mellan 1 och 2 minuter.

Forskning både nationellt och internationellt indikerar att beläggning av isolatorers ytor med silikonkautschuk ändrar spridningshastigheten för ytasignaler på porcellanisolatorer, vilket leder till minskad brantfrontimpulstålighet. Insulatorns huvudprestanda påverkas dock inte i faktisk drift.

Detta fenomen har bekräftats av över tio nationella skivisolatorstillverkare: oavsett om profilen är djupribb eller alternerande paraplytyp, eller om huvudstrukturen är cylindrisk eller konisk, visar alla isolatorer en viss grad av minskad brantvågsbrytningsprestanda efter silikonkautschukbeläggning.

Som ett resultat har relevanta standarder reviderats, vilket har lett till att amplituden för luftimpulsbrytningsprov för RTV-beläggda skivisolatorer har minskat från 2.8 p.u. till 2.2 p.u. Preliminära provresultat visar att brytning sällan inträffar vid 2.2 p.u. Därför valde denna studie porcellanisolatorer utan RTV-beläggning och genomförde luftimpulsbrytningsprov vid standardprovsvoltaget 2.8 p.u., med voltagets fronttid kontrollerad inom intervallet 100–200 ns.

Vidare statistisk analys av voltagens polaritet och brytningsplats visade att av 15 brytningshändelser, 14 inträffade vid positiv polaritet och bara en vid negativ polaritet. Av de positiva polaritetsbrytningarna inträffade 8 vid huvudet och 6 vid skyddskammar; den enda negativa polaritetsbrytningen inträffade vid huvudet. Dessutom observerades bågning på isolatorns yta före skyddskammars brytning, medan ingen sådan bågning observerades under huvuds brytning.

Men i referens inträffade alla brantfrontbrytning av porcellanisolatorer vid huvudet, och i referens bröt porcellanisolatorer vid huvudet både innan och efter RTV-beläggning. I motsats till detta visar detta prov att utan en engångsspritning av HTV överbeläggning, inträffade brantvågsbrytning i samma partiporcellanisolatorer uteslutande vid huvudet. Efter HTV-overforming inträffade brytning i kompositporcellanisolatorer inte bara vid huvudet utan också vid halsen, vilket indikerar att HTV-silikonkautschukbeläggningen ändrar brytningsvägen.

Antalet impulsapplikationer innan brytning registrerades, med resultat som visas i figur 4. Som illustrerat bröt 12 isolatorer inom de första fem impulserna, en bröt på den 7:e impulsen, och två bröt på den 15:e impulsen. Referens indikerar att porcellanisolatorer beläggda med RTV visar en betydande minskning i brantvågstålighet, med högre brytningsfrekvens för större tonnage-isolatorer, vilket antyder att silikonkautschukbeläggning förvärrar brantvågsresistens. I detta prov bröt 80% av HTV-overformed kompositisolatorer inom de första fyra impulserna, vilket ytterligare visar att närvaro av HTV-silikonkautschuk betydligt minskar isolatorns förmåga att stå emot brantfrontimpulser.

3 Elektrisk fältdistributionsimulation vid toppen av brantvågsspänningen

Analys av provresultaten i avsnitt 2 visar att, jämfört med porcellanisolatorer, har brytningsvägen för kompositisolatorer ändrats och deras brantvågstålighet betydligt minskat. Detta avsnitt använder simulering för att beräkna den elektriska fältdistributionen av kompositisolatorn vid toppen av impulsvoltaget, med målet att undersöka orsakerna till den ändrade brytningsvägen och den minskade brantvågsprestandan.

2.1 Simuleringsmodell

Observationer från luftimpulsbrytningsprovet visar att när skyddskammars brytning inträffar i kompositisolatorer, utvecklas bågar längs isolatorns yta till brytningsplatsen. Närvaron av bågar påverkar den elektriska fältdistributionen och måste beaktas i modellen. Men på grund av bågars irreguljära form, skulle det vara utmanande att etablera en 3D-modell för beräkning, särskilt eftersom silikonkautschuklagen är tunn och mycket mindre i dimension jämfört med den totala isolatorn, vilket gör 3D-nätning svårt. Därför, för att kvalitativt analysera påverkan av silikonkautschuklagen och bågar på den elektriska fältdistributionen, antas en tvådimensionell axialsymmetrisk modell för förenkling i detta avsnitt. Simuleringsmodellen visas i figur 5.

2.2 Material och randvillkor

Isolatorns 50%-blixtimpulsbrytningsvolt är 145 kV, och toppvärdet för 2.8 p.u. brantfrontimpulsvolt är 406 kV. Eftersom de flesta provspecimen upplevde positiv polaritetsbrytning, sätts i simuleringen pin (stålpin) som hög potential (406 kV) och kapseln (stålkapplugg) som nollpotential. Relativa dielektriska värdena för materialen anges i tabell 2.

2.3 Simuleringsresultat och analys

I modellen utan silikonkautschukbeläggning visar den elektriska fältdistributionen av porcellanisolatorn vid toppen av brantfrontimpulsvolt i figur 6(a). Som syns i figur 6 är elektriska fältintensiteten huvudsakligen koncentrerad vid isolatorns huvud, något som når upp till 50 kV/mm, vilket indikerar en hög sannolikhet för huvuds brytning—i linje med fältupplevelse och relaterade studier.

För att analysera effekten av silikonkautschukbeläggningen jämfört beräknades den elektriska fältdistributionen av kompositisolatormodellen med engångsspritning av silikonkautschuk, med resultat som visas i figur 6(b). Det kan observeras från figur 6(b) att det maximala elektriska fältet inträffar vid slutet av bågen på den nedre ytan av isoleringskroppen, ungefär 219.4 kV/mm; fältstyrkan vid bågens slut på den övre ytan är lägre, 41.21 kV/mm; och betydande fältkoncentration finns även vid pin-huvudet, med en maximum på 50.68 kV/mm.

Således, under påverkan av silikonkautschukbeläggningen, ökar ytkontaktförsiktigheten hos isolatorn, vilket betydligt ökar kvoten mellan volumenkapacitiv ström och ytkontaktförsiktighet i skyddskammarna. Detta leder till en betydande ökning av det elektriska fältkomponenten vinkelrätt mot isolatorns yta, vilket gör att bågen håller sig nära ytan efter start.

Under påverkan av HTV-beläggningen, sprider sig ytbågar längs isolatorns yta när de utsätts för brantfrontvolt, vilket leder till en skarp ökning av lokala fältstyrkor—som långt överträffar den vid pin-huvudet—vilket gör brytning mer sannolik vid bågspetsen och leder till skyddskammars brytning. Detta indikerar att brantvågståligheten påverkas av HTV-beläggningen på skyddskammarnas yta. Dessutom visar simuleringen en relativt hög elektrisk fält vid isolatorns huvud, vilket korrelerar med de observerade huvuds brytningarna i provet.

3 Slutsats

Luftimpulsbrytningsprov genomfördes på kompositisolatorer för att analysera deras brantvågsbrytningskarakteristika, och elektriska fältdistributionsimulationer utfördes vid toppen av brantfrontvolt. Följande slutsatser drogs:

• Vid 2.8 p.u. brantfrontimpulsvolt upplevde 15 av 20 kompositisolatorspecimen brytning, med 80% inträffade inom de första fyra impulserna, vilket indikerar att närvaron av HTV-silikonkautschuk betydligt minskar kompositisolatorernas brantvågstålighet.

• Av de 15 brytningshändelserna, utöver brytning vid pin-huvud, inträffade sex vid skyddskammarna, vilket indikerar en tydlig förändring i den totala brytningsvägen jämfört med konventionella porcellanisolatorer.

• Simuleringsresultat visar att ytbågar sprider sig i kompositisolatorer, vilket leder till en betydande ökning av skyddskammars elektriska fältintensitet vid voltagstoppen, något som når 217.64 kV/mm, vilket gör skyddskammars brytning mer sannolik. I motsats till detta, för isolatorer utan silikonkautschuklag, ligger det maximala fältet under bågutvecklingen vid pin-huvudet, något som når 49.55 kV/mm, där brytning främst inträffar.