การสลายตัวแบบชันหน้าชันของฉนวนกระเบื้องปอร์ซเลนคอมโพสิตที่เคลือบด้วย HTV: กลไก การทดสอบ และการจำลอง

ฉนวนกระเบื้องและแก้วมีสมรรถนะการฉนวนและการแข็งแรงทางกลที่ดี แต่สามารถเกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้ง่ายในกรณีที่มีการปนเปื้อนอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อการทำงานอย่างมั่นคงของระบบไฟฟ้า เพื่อเพิ่มความสามารถในการทนไฟฟ้าลัดวงจรจากสภาวะปนเปื้อน ผู้ผลิตมักใช้วิธีการเคลือบพื้นผิวฉนวนด้วยยางซิลิโคนที่มีการยึดตัวที่อุณหภูมิห้อง (RTV) ที่มีสมรรถนะการหลีกเลี่ยงน้ำและความสามารถในการถ่ายทอดความหลีกเลี่ยงน้ำ ทำให้ลดความเสี่ยงของการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร ในช่วงแรก การเคลือบ RTV ในประเทศจีนทำบนไซต์งาน ซึ่งมีความยากในการก่อสร้างและการควบคุมคุณภาพที่ไม่สม่ำเสมอ

ต่อมา มีการพัฒนากระบวนการจุ่มหรือพ่นในโรงงาน ทำให้ฉนวนที่เคลือบ RTV สามารถส่งมอบเป็นผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์พร้อมสำหรับการตรวจสอบและยอมรับ ทำให้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ดีขึ้นอย่างมาก และนำไปสู่การใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ชั้นเคลือบ RTV มีความแข็งแรงทางกลต่ำและมีการยึดเกาะระหว่างชั้นเคลือบกับฉนวนที่อ่อนแอ ทำให้เสียหายได้ง่ายจากการกระแทกภายนอกในระหว่างการขนส่ง การก่อสร้าง การติดตั้ง และการใช้งานระยะยาว ปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพจากการใช้งาน เช่น การลอก การแตก และการแยกชั้น เป็นเรื่องปกติ ทำให้ต้องทำการถอดและเคลือบใหม่ ทำให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาสูง

ฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตแบบแขวนแผ่นใช้ฉนวนกระเบื้องที่สมบูรณ์เป็นแกนกลาง โดยมีชั้นเคลือบยางซิลิโคนที่มีการยึดตัวที่อุณหภูมิสูง (HTV) ที่มีความหนาขั้นต่ำ 3 มม. ซึ่งทำโดยการฉีดที่อุณหภูมิสูงในกระบวนการขึ้นรูปเดียว เมื่อเทียบกับ RTV แล้ว HTV มีสมรรถนะทางกลที่ดีกว่า รวมถึงสมรรถนะในการต้านทานการไล่และกัดกร่อน ความต้านทานไฟ สมรรถนะทางไฟฟ้า การต้านทานการเสื่อมสภาพ และความทนทานต่ออุณหภูมิสูง

นอกจากนี้ ด้วยการปรับเปลี่ยนชั้นเคลือบบนผิวกระเบื้องและการใช้สารประสานเฉพาะ ทำให้ความแข็งแรงของการยึดเกาะระหว่างกระเบื้องและยางซิลิโคน HTV ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ทำให้เกิดการรวมตัวและสม่ำเสมอของส่วนประกอบ ดังนั้น ฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตแบบแขวนแผ่นมีสมรรถนะทางกลและการต้านทานไฟฟ้าลัดวงจรที่ดี พร้อมกับความต้องการในการทำงานและการบำรุงรักษาที่ต่ำ เปิดโอกาสใหม่สำหรับการใช้งานฉนวนภายนอกในสายส่งไฟฟ้า

ประสบการณ์ภาคสนามแสดงให้เห็นว่า เมื่อสายไฟฟ้าเหนือศีรษะถูกฟ้าผ่า แรงดันไฟฟ้าที่เกินจะมีแรงกระแทกที่มีความชันสูงและระยะเวลาสั้นมาก แรงดันสูงสุดสูงมาก ซึ่งเป็นภัยคุกคามสำคัญต่อฉนวนสายไฟฟ้า แรงกระแทกที่มีความชันสูงเหล่านี้สามารถทำให้ฉนวนแผ่นทะลุหรือระเบิดได้ และในกรณีที่รุนแรง อาจทำให้สายขาดและสายตก ความสามารถในการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงเป็นตัวชี้วัดคุณภาพของฉนวน

แม้ว่าจะมีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับสมรรถนะของแรงกระแทกที่มีความชันสูงของฉนวนกระเบื้องและแก้วทั้งในประเทศและต่างประเทศ แต่ยังมีการศึกษาเกี่ยวกับฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตแบบแขวนแผ่นน้อย และกลไกที่อยู่เบื้องหลังยังไม่เข้าใจอย่างชัดเจน ดังนั้น บทความนี้ทำการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศบนฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตแบบแขวนแผ่นเพื่อศึกษาสมรรถนะการทะลุของแรงกระแทกที่มีความชันสูง

การทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการประเมินสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงของอุปกรณ์ไฟฟ้า ทำให้มั่นใจในความปลอดภัยและเชื่อถือได้ภายใต้เงื่อนไขที่รุนแรง และมีความสำคัญอย่างมากในการประเมินคุณภาพของฉนวน ในการศึกษานี้ ทำการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกเพื่อวิเคราะห์สมรรถนะการทะลุของแรงกระแทกที่มีความชันสูง จากนั้นทำการจำลองการกระจายของสนามไฟฟ้าที่จุดสูงสุดของแรงกระแทกที่มีความชันสูงตามผลการทดสอบ เพื่อสำรวจกลไกการเปลี่ยนแปลงสมรรถนะ มีเป้าหมายเพื่อให้คำแนะนำในการประสานงานฉนวนของฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตในสายส่งไฟฟ้า

1 การตั้งค่าการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศ

1.1 ตัวอย่างทดสอบ

เลือกฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตแบบแขวนแผ่น HU550B240/650T AC ที่ผลิตโดยผู้ผลิตเป็นตัวอย่างทดสอบ ฉนวนมีโครงสร้างสามร่ม ดังแสดงในรูปที่ 1 พารามิเตอร์สมรรถนะหลักแสดงในตารางที่ 1

1.2 แพลตฟอร์มทดสอบและแผนการทดสอบ
ใช้เครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้ากระแทก 2400 kV ในการทดสอบ หมวกฉนวนถูกวางลงบนแผ่นโลหะที่ต่อพื้น และติดตั้งปลั๊กทรงกลมมาตรฐานที่ปลายขาเพื่อป้องกันการสะสมของสนามไฟฟ้าในบริเวณที่ติดตั้งด้วยซีเมนต์ ตั้งฉนวนตามที่แสดงในรูปที่ 2

ทำการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศบนตัวอย่างฉนวนจำนวน 20 ตัว วิธีการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศแบ่งออกเป็นวิธีการความชันและวิธีการแอมพลิจูด โดยวิธีการแอมพลิจูดใช้สำหรับฉนวนแผ่น

ในการศึกษานี้ ใช้วิธีการแอมพลิจูด ซึ่งไม่ต้องการความเป็นเชิงเส้นของแรงกระแทก แต่ใช้เพียงแอมพลิจูดของแรงดันที่ทะลุเป็นเกณฑ์ โดยควบคุมเวลาของแนวหน้าแรงกระแทกระหว่าง 100 ถึง 200 ns และความคลาดเคลื่อนของแอมพลิจูดอยู่ในช่วง ±10% ในระหว่างการทดสอบ ฉนวนแต่ละตัวจะถูกทดสอบด้วยแรงกระแทกเชิงบวก 5 ครั้ง ตามด้วยแรงกระแทกเชิงลบ 5 ครั้ง และทำซ้ำอีกครั้ง ระยะห่างระหว่างแรงกระแทกต่อเนื่องกันจะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 2 นาที

การวิจัยทั้งในประเทศและต่างประเทศแสดงให้เห็นว่า การเคลือบพื้นผิวฉนวนด้วยยางซิลิโคนเปลี่ยนแปลงอัตราการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าบนผิวฉนวนกระเบื้อง ทำให้สมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงลดลง อย่างไรก็ตาม สมรรถนะการฉนวนที่หัวฉนวนยังไม่ได้รับผลกระทบในระหว่างการใช้งานจริง

ปรากฏการณ์นี้ได้รับการยืนยันจากผู้ผลิตฉนวนแผ่นในประเทศมากกว่าสิบราย ไม่ว่าจะเป็นโปรไฟล์ขอบที่ลึกหรือสลับร่ม หรือโครงสร้างหัวที่เป็นทรงกระบอกหรือทรงกรวย ฉนวนทั้งหมดมีสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงลดลงหลังจากเคลือบด้วยยางซิลิโคน

ดังนั้น มาตรฐานที่เกี่ยวข้องได้รับการปรับปรุง โดยลดแอมพลิจูดของการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศสำหรับฉนวนแผ่นที่เคลือบ RTV จาก 2.8 p.u. เป็น 2.2 p.u. ผลการทดสอบเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่า การทะลุเกิดขึ้นน้อยมากที่ 2.2 p.u. ดังนั้นในการศึกษานี้ เลือกฉนวนกระเบื้องที่ไม่ได้เคลือบ RTV และทำการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศที่แรงดันทดสอบมาตรฐาน 2.8 p.u. โดยควบคุมเวลาของแนวหน้าแรงกระแทกในช่วง 100-200 ns

การวิเคราะห์สถิติของขั้วไฟฟ้าและตำแหน่งการทะลุแสดงให้เห็นว่า จาก 15 ครั้งของการทะลุ 14 ครั้งเกิดขึ้นที่ขั้วบวก และมีเพียง 1 ครั้งที่ขั้วลบ สำหรับการทะลุที่ขั้วบวก 8 ครั้งเกิดขึ้นที่หัวและ 6 ครั้งเกิดขึ้นที่ขอบ ขณะที่การทะลุที่ขั้วลบเกิดขึ้นที่หัว นอกจากนี้ ยังสังเกตเห็นการอาร์คไฟบนพื้นผิวฉนวนก่อนการทะลุที่ขอบ แต่ไม่พบการอาร์คไฟในระหว่างการทะลุที่หัว

อย่างไรก็ตาม ในเอกสารอ้างอิง ทั้งหมดของการทะลุที่มีความชันสูงของฉนวนกระเบื้องเกิดขึ้นที่หัว และในเอกสารอ้างอิง ฉนวนกระเบื้องทะลุที่หัวทั้งก่อนและหลังการเคลือบ RTV ตรงกันข้าม ในการทดสอบนี้ พบว่า โดยไม่มีชั้นเคลือบ HTV ที่ฉีดขึ้นรูปในครั้งเดียว การทะลุที่มีความชันสูงของฉนวนกระเบื้องในชุดเดียวกันเกิดขึ้นที่หัวเท่านั้น หลังจากมีชั้นเคลือบ HTV การทะลุของฉนวนกระเบื้องคอมโพสิตเกิดขึ้นทั้งที่หัวและที่คอ แสดงให้เห็นว่าชั้นเคลือบยางซิลิโคน HTV เปลี่ยนแปลงเส้นทางของการทะลุ

ทำการบันทึกจำนวนแรงกระแทกที่ใช้ก่อนการทะลุ ผลแสดงในรูปที่ 4 ตามที่แสดง 12 ฉนวนทะลุภายใน 5 แรงกระแทกแรก 1 ฉนวนทะลุที่แรงกระแทกที่ 7 และ 2 ฉนวนทะลุที่แรงกระแทกที่ 15 เอกสารอ้างอิงแสดงให้เห็นว่า ฉนวนกระเบื้องที่เคลือบ RTV มีสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงลดลงอย่างมาก โดยฉนวนขนาดใหญ่มีความน่าจะเป็นในการทะลุสูงขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเคลือบยางซิลิโคนลดสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูง ในการทดสอบนี้ 80% ของฉนวนคอมโพสิตที่มีชั้นเคลือบ HTV ทะลุภายใน 4 แรงกระแทกแรก แสดงให้เห็นว่าชั้นเคลือบยางซิลิโคน HTV ลดสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงของฉนวนอย่างมาก

3 การจำลองการกระจายของสนามไฟฟ้าที่จุดสูงสุดของแรงกระแทกที่มีความชันสูง

การวิเคราะห์ผลการทดสอบในส่วนที่ 2 แสดงให้เห็นว่า เมื่อเทียบกับฉนวนกระเบื้อง ทางทะลุของฉนวนคอมโพสิตได้เปลี่ยนแปลงและสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูงลดลงอย่างมาก ส่วนนี้ใช้การจำลองเพื่อคำนวณการกระจายของสนามไฟฟ้าของฉนวนคอมโพสิตที่จุดสูงสุดของแรงกระแทก เพื่อสำรวจสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงทางทะลุและการลดลงของสมรรถนะการทนแรงกระแทกที่มีความชันสูง

2.1 แบบจำลองการจำลอง

จากการสังเกตการทดสอบการทะลุของแรงกระแทกในอากาศ พบว่าเมื่อเกิดการอาร์คไฟที่ขอบในฉนวนคอมโพสิต กระแสไฟฟ้าจะพัฒนาไปตามพื้นผิวฉนวนไปยังจุดที่ทะลุ การมีอยู่ของกระแสไฟฟ้ามีผลต่อการกระจายของสนามไฟฟ้าและต้องพิจารณาในแบบจำลอง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากรูปทรงของกระแสไฟฟ้าไม่เป็นรูปทรงสม่ำเสมอ การสร้างแบบจำลอง 3 มิติสำหรับการคำนวณจะเป็นเรื่องที่ยาก โดยเฉพาะเมื่อชั้นยางซิลิโคนมีความบางและมีขนาดเล็กกว่าฉนษ