Pagbagsak ng Steep-Front Impulse sa HTV-Coated Composite Porcelain Insulators: Mekanismo Pagsubok at Simulasyon

Ang mga porcelana at buntot-pusa na insulator ay nagpapakita ng mahusay na kakayahang mag-insulate at lakas mekanikal, ngunit sila ay masusuka sa pagkakaroon ng pollution flashover sa matinding kontaminasyon, na nagsisimula ng panganib sa matatag na operasyon ng grid ng kuryente. Upang palakasin ang resistensya laban sa pollution flashover ng panlabas na insulation, karaniwang ginagamit ng mga tagagawa ang room-temperature vulcanized (RTV) silicone rubber coating na may napakahusay na hydrophobicity at katangian ng paglipat ng hydrophobicity sa ibabaw ng mga insulator, na nagbabawas ng panganib ng flashover. Sa simula, ang RTV coatings sa Tsina ay inilalapat on-site, isang paraan na may mataas na hirap sa konstruksyon at hindi pantay na kontrol sa kalidad.

Pagkatapos, ang proseso ng factory-based dipping o spraying ay naimbento, na nagbibigay-daan para mabigay ang RTV-coated insulators bilang buong produkto na nasa ilalim ng pangangasiwa at pagtanggap, na siyang nagpapahusay ng kalidad ng produkto at nagpopromote ng malawakang paggamit sa mga grid ng kuryente. Gayunpaman, ang RTV coatings ay may mababang lakas mekanikal at mahinang interfacial adhesion sa insulating body, kaya sila ay masusuka sa pinsala mula sa panlabas na puwersa sa panahon ng transportasyon, konstruksyon, instalasyon, at matagal na operasyon. Ang mga operational aging phenomena tulad ng pagka-peel, pag-crack, at delamination ay karaniwan, na nangangailangan ng disassembly at recoating, na nagdudulot ng mataas na gastos sa maintenance.

Ang disc suspension composite porcelain insulators ay gumagamit ng buong porcelain insulator bilang core, na may high-temperature vulcanized (HTV) silicone rubber sheath—minimum na espesor ng 3 mm—na nabuo sa pamamagitan ng isang single molding process via high-temperature injection. Kumpara sa RTV, ang HTV ay nagpapakita ng mas mahusay na lakas mekanikal, pati na rin ang mas mahusay na performance sa tracking at erosion resistance, flame retardancy, electrical properties, aging resistance, at high-temperature endurance.

Sa dagdag pa, sa pamamagitan ng pag-modify ng glaze layer sa ibabaw ng porcelain at ang paggamit ng espesyal na coupling agents, ang interfacial bonding strength sa pagitan ng porcelain at HTV silicone rubber ay lubos na nai-improve, na nagpapromote ng integrasyon at uniformity ng component. Bilang resulta, ang disc suspension composite porcelain insulators ay nagbibigay ng mas mahusay na mechanical at anti-pollution flashover performance na may mababang operational at maintenance requirements, na binubukas ang isang bagong daan para sa external insulation applications sa transmission lines.

Ang field experience ay nagpapakita na kapag tinamaan ng kidlat ang overhead lines, ang resulting overvoltage ay naglalaman ng steep-fronted impulses na may napakamabilis na durasyon, mataas na steepness, at napakataas na peak voltages, na nagbibigay ng malaking panganib sa line insulators. Ang mga steep impulse na ito ay maaaring magsanhi ng puncture o kahit explosion ng disc insulators, at sa mga malubhang kaso, maaari itong magresulta sa string breakage at line drop. Ang steep-front impulse withstand capability ay isang mahalagang indikador ng kalidad ng insulator.

Bagaman ang malawakang pag-aaral ay isinagawa sa steep-wave performance ng porcelain at buntot-pusa na insulators nang lokal at internasyonal, ang mga pag-aaral sa disc suspension composite porcelain insulators ay nananatiling kaunti, at ang kanilang underlying mechanisms ay hindi masyadong maintindihan. Kaya, ang papel na ito ay nagko-conduct ng impulse breakdown tests sa hangin sa disc suspension composite porcelain insulators upang imbestigahan ang kanilang steep-wave breakdown characteristics.

Ang air impulse breakdown tests ay epektibong pinaghahawakan ang steep-wave withstand performance ng electrical equipment, na nag-uugnay sa seguridad at reliabilidad sa ekstremong kondisyon, at may malaking halaga sa insulator quality assessment. Ang pag-aaral na ito ay unang nagco-conduct ng impulse breakdown tests upang analisin ang steep-wave performance, pagkatapos ay itinatag ang electric field distribution simulation sa tuktok ng steep-wave voltage batay sa mga resulta ng test upang alamin ang mechanism ng pagbabago ng performance, na may layuning magbigay ng gabay para sa insulation coordination ng composite porcelain insulators sa transmission lines.

1 Air Impulse Breakdown Test Setup

1.1 Specimen

Ang HU550B240/650T AC disc suspension composite porcelain insulator na ipinagawa ng isang tagagawa ay napili bilang specimen para sa test. Ang insulator ay may triple-umbrella structure, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang mga pangunahing performance parameters nito ay nakalista sa Table 1.

1.2 Test Platform and Scheme
Isang 2400 kV impulse voltage generator ang ginamit para sa test. Ang cap ng insulator ay inilagay pababa sa isang grounded metal plate, at isang standard ball socket ay inilapat sa pin end upang maprevent ang sobrang concentration ng electric field sa cemented area sa paligid ng pin. Ang setup ng insulator ay ipinapakita sa Figure 2.

Ang impulse breakdown tests sa hangin ay isinagawa sa kabuuang 20 specimens ng insulator. Ang mga paraan ng test para sa air impulse breakdown ay nahahati sa steepness method at amplitude method, na ang amplitude method ang pangunahing ginagamit para sa disc insulators.

Ang pag-aaral na ito ay gumamit ng amplitude method, na hindi nangangailangan ng linearidad ng impulse front ngunit gumagamit lamang ng amplitude ng breakdown voltage bilang criterion, na ang front time ay kontrolado sa pagitan ng 100 at 200 ns at ang amplitude deviation ay nasa loob ng ±10%. Sa panahon ng test, bawat insulator ay inilapat ng limang positive-polarity impulse voltages, sumunod ng limang negative-polarity impulses, at ang sequence na ito ay inulit. Ang interval sa pagitan ng consecutive impulses ay inilagay sa pagitan ng 1 at 2 minuto.

Ang mga pag-aaral mula sa lokal at internasyonal ay nagpapakita na ang pag-coat ng ibabaw ng insulator ng silicone rubber ay nagbabago sa propagation rate ng surface streamers sa porcelain insulators, na nagreresulta sa pagbaba ng steep-front impulse withstand performance. Gayunpaman, ang insulation performance sa ulo ng insulator ay hindi naapektuhan sa aktwal na operasyon.

Ang phenomenon na ito ay napatunayan ng mahigit sa sampung lokal na disc insulator manufacturers: kahit anong shed profile, deep-rib o alternating-umbrella type, o anuman ang head structure, cylindrical o conical, lahat ng insulators ay nagpapakita ng bahagyang pagbaba ng steep-wave breakdown performance pagkatapos ng silicone rubber coating.

Bilang resulta, ang mga relevant na standards ay binago, na nagbabawas ng impulse breakdown test amplitude sa hangin para sa RTV-coated disc insulators mula 2.8 p.u. hanggang 2.2 p.u. Ang mga prelimenaryong resulta ng test ay nagpapakita na ang breakdown ay malamang na hindi nangyayari sa 2.2 p.u. Kaya, ang pag-aaral na ito ay napili ng mga porcelain insulators na walang RTV coating at isinagawa ang air impulse breakdown tests sa standard test voltage na 2.8 p.u., na ang voltage front time ay kontrolado sa loob ng 100-200 ns range.

Ang mas karagdagang statistical analysis ng polarity ng voltage at lokasyon ng breakdown ay nagpakita na sa 15 na breakdown events, 14 ay nangyari sa positive polarity at isa lang sa negative polarity. Sa mga positive-polarity breakdowns, 8 ay nangyari sa ulo at 6 sa sheds; ang iisang negative-polarity breakdown ay nangyari sa ulo. Bukod dito, ang arcing ay naitala sa ibabaw ng insulator bago ang shed breakdowns, habang walang ganitong arcing na naitala sa panahon ng head breakdowns.

Gayunpaman, sa reference, ang lahat ng steep-front breakdowns ng porcelain insulators ay nangyari sa ulo, at sa reference, ang mga porcelain insulators ay bumreakdown sa ulo bago at pagkatapos ng RTV coating. Sa kabaligtaran, ang test na ito ay nagpapakita na nang walang one-time injection-molded HTV overcoat, ang steep-wave breakdowns sa parehong batch ng porcelain insulators ay nangyari eksklusibo sa ulo. Pagkatapos ng HTV overmolding, ang mga breakdowns sa composite porcelain insulators ay nangyari hindi lamang sa ulo kundi pati na rin sa leeg, na nagpapakita na ang HTV silicone rubber coating ay nagbabago sa breakdown path.

Ang bilang ng mga impulse application bago ang breakdown ay naitala, na may resulta na ipinapakita sa Figure 4. Tulad ng ipinapakita, 12 insulators ay bumreakdown sa loob ng unang limang impulses, isa bumreakdown sa ika-7 impulse, at dalawa bumreakdown sa ika-15 impulse. Ang reference ay nagpapakita na ang mga porcelain insulators na coated ng RTV ay may significant reduction sa steep-wave withstand performance, na may mas mataas na probability ng breakdown para sa mas malaking-tonnage insulators, na nagpapahiwatig na ang silicone rubber coating ay nagdudulot ng degradation sa steep-wave resistance. Sa test na ito, 80% ng HTV overmolded composite insulators ay bumreakdown sa loob ng unang apat na impulses, na lalo pang nagpapakita na ang presence ng HTV silicone rubber ay siyang nagbubunsod ng significant reduction sa kakayahan ng insulator na tiisin ang steep-front impulses.

3 Electric Field Distribution Simulation at Steep-Wave Voltage Peak

Ang pag-analyze ng mga resulta ng test sa Section 2 ay nagpapakita na, kumpara sa porcelain insulators, ang breakdown path ng composite insulators ay nagbago at ang kanilang steep-wave withstand performance ay siyang nagkaroon ng significant decrease. Ang seksyon na ito ay gumagamit ng simulation upang kalkulahin ang electric field distribution ng composite insulator sa tuktok ng impulse voltage, na may layuning imbestigahan ang mga sanhi ng pagbabago ng breakdown path at pagbaba ng steep-wave performance.

2.1 Simulation Model

Ang mga obserbasyon mula sa air impulse breakdown tests ay nagpapakita na kapag nangyari ang shed flashover sa composite insulators, ang arcs ay lumalaki sa ibabaw ng insulator patungo sa lokasyon ng breakdown. Ang presence ng arcs ay may impluwensya sa electric field distribution at dapat ito ay kinonsidera sa model. Gayunpaman, dahil sa irregular na hugis ng arcs, ang pag-establish ng 3D model para sa computation ay maaaring mahirap, lalo na dahil ang silicone rubber layer ay maipapaliit at mas maliit sa dimensyon kumpara sa buong insulator, na nagpapahirap sa 3D meshing. Kaya, upang makapagtala ng qualitative analysis ng impact ng silicone rubber layer at arcs sa electric field distribution, ang two-dimensional axisymmetric model ang inaadopt sa seksyon na ito upang simplipikahin. Ang simulation model ay ipinapakita sa Figure 5.

2.2 Materials and Boundary Conditions

Ang 50% lightning impulse flashover voltage ng insulator ay 145 kV, at ang peak value ng 2.8 p.u. steep-front impulse voltage ay 406 kV. Dahil ang karamihan sa mga test specimens ay naranasan ang positive-polarity breakdown, sa simulation, ang pin (steel pin) ay itinakda bilang mataas na potential (406 kV) at ang cap (steel cap) bilang zero potential. Ang relative permittivity values ng mga materyales ay nakalista sa Table 2.

2.3 Simulation Results and Analysis

Sa model na walang silicone rubber coating, ang electric field distribution ng porcelain insulator sa tuktok ng steep-front impulse voltage ay ipinapakita sa Figure 6(a). Tulad ng ipinapakita sa Figure 6, ang electric field intensity ay pangunahing nakonsentrado sa ulo ng insulator, na umabot sa 50 kV/mm, na nagpapakita ng mataas na posibilidad ng head flashover—consistent sa field experience at related studies.

Upang komparatibo na analisin ang epekto ng silicone rubber coating, ang electric field distribution ng composite insulator model na may one-time injection-molded silicone rubber ay kalkulado, na may resulta na ipinapakita sa Figure 6(b). Maaaring makita mula sa Figure 6(b) na ang maximum electric field ay nangyari sa dulo ng arc sa lower surface ng insulating body, na humigit-kumulang 219.4 kV/mm; ang field strength sa dulo ng arc sa upper surface ay mas mababa, na 41.21 kV/mm; at may significant field concentration din sa pin head, na may maximum na 50.68 kV/mm.

Kaya, sa ilalim ng impluwensya ng silicone rubber coating, ang surface resistivity ng insulator ay tumataas, na siyang nagdudulot ng significant increase sa ratio ng volume capacitive current sa surface resistive current sa mga sheds. Ito ay nagreresulta sa substantial increase sa electric field component na perpendicular sa ibabaw ng insulator, na nagdudulot ng pag-init ng arc na malapit sa ibabaw pagkatapos ng initiation.

Sa ilalim ng impluwensya ng HTV coating, ang surface arcs ay lumalaki sa ibabaw ng insulator kapag nasa ilalim ng steep-front voltage, na nagreresulta sa sharp rise sa local field strength—na lubos na lumampas sa pin head—na nagpapataas ng posibilidad ng breakdown sa dulo ng arc at nagdudulot ng shed flashover. Ito ay nagpapakita na ang steep-wave withstand performance ay naapektuhan ng HTV coating sa ibabaw ng shed. Bukod dito, ang simulation ay nagpapakita ng mataas na electric field sa ulo ng insulator, na consistent sa observed head flashovers sa mga test.

3 Conclusion

Ang air impulse breakdown tests ay isinagawa sa composite insulators upang analisin ang kanilang steep-wave breakdown characteristics, at ang electric field distribution simulations ay isinagawa sa tuktok ng steep-front voltage. Ang mga sumusunod na conclusion ay inilaan:

• Sa ilalim ng 2.8 p.u. steep-front impulse voltage, 15 out of 20 composite insulator specimens ay naranasan ang breakdown, na 80% nito ay nangyari sa loob ng unang apat na impulses, na nagpapakita na ang presence ng HTV silicone rubber ay siyang nagdudulot ng significant reduction sa steep-wave withstand performance ng composite insulators.

• Sa 15 na breakdown events, kasama ang mga flashovers sa pin head, anim ay nangyari sa mga sheds, na nagpapakita ng malinaw na pagbabago sa overall breakdown path kumpara sa conventional porcelain insulators.

• Ang mga resulta ng simulation ay nagpapakita na ang surface arc propagation sa composite insulators ay nagdudulot ng significant increase sa shed electric field intensity sa tuktok ng voltage, na umabot sa 217.64 kV/mm, na nagpapataas ng posibilidad ng shed flashover. Sa kabaligtaran, para sa mga insulators na walang silicone rubber layer, ang maximum field sa panahon ng pag-unlad ng arc ay nasa pin head, na umabot sa 49.55 kV/mm, kung saan pangunahing nangyayari ang breakdown.