Yayılımsız Dar-Basamaklı Dalga Aşırı Gerilim Kırılmasında HTV Kaplı Kompozit Porselen yalıtıcılar: Mekanizmalar Test ve Simülasyon

Porselen ve cam yalıtıcılar, mükemmel yalıtım performansı ve mekanik dayanımı gösterir, ancak ciddi kirlilik altında kirletme flaş geçmesine karşı savunmasızdır, bu da elektrik şebekelerinin istikrarlı çalışmasını tehdit eder. Dış yalıtımın kirletme flaş geçme direncini artırmak için üreticiler, yalıtıcı yüzeylerine genellikle oda sıcaklığında vulkanize olmuş silikon kauçuk (RTV) kaplamalar uygular, bu kaplamaların üstün hidrofobik ve hidrofobik transfer özellikleri sayesinde flaş geçme risklerini azaltırlar. Başlangıçta Çin'de RTV kaplamalar yerinde uygulanıyordu, bu yöntem yüksek inşaat zorluğu ve tutarsız kalite kontrolü ile karakterize edilirdi.

Daha sonra, fabrika bazında daldırma veya püskürtme süreçleri geliştirildi, bu da RTV kaplı yalıtıcıların tamamlanmış ürün olarak teslim edilebilmesini sağladı ve gözetim ve kabul altına alındı, bu da ürün kalitesini önemli ölçüde iyileştirdi ve elektrik şebekelerinde yaygın kullanımını sağladı. Ancak, RTV kaplamalar düşük mekanik dayanıma ve yalıtıcı gövdeye zayıf arayüz yapışkanlığına sahiptir, bu da taşıma, inşaat, montaj ve uzun süreli işlem sırasında dış kuvvetlere karşı hasar görmesine neden olur. İşlem yaşlanma olayları gibi soyulma, çatlak ve delamination yaygın görülür, bu da demontaj ve yeniden kaplama gerektirerek yüksek bakım maliyetlerine yol açar.

Disk askı bileşik porselen yalıtıcılar, tam bir porselen yalıtıcıyı çekirdek olarak kullanır ve yüksek sıcaklıkta vulkanize olmuş silikon kauçuk (HTV) örtüsü - en az 3 mm kalınlıkta - yüksek sıcaklık enjeksiyonu ile tek parça üretim süreciyle oluşturulur. RTV'ye kıyasla, HTV daha iyi mekanik dayanım, izleme ve aşınma direnci, yanma önleyici özellik, elektriksel özellikler, yaşlanma direnci ve yüksek sıcaklık dayanımı gibi geliştirilmiş performansa sahiptir.

Ayrıca, porselen yüzeyindeki glazür tabakasının değiştirilmesi ve özel bağlayıcı ajanların kullanılması, porselen ve HTV silikon kauçuk arasındaki arayüz bağlanma gücünü önemli ölçüde artırır, bu da bileşenin entegrasyonunu ve birliğini teşvik eder. Bu nedenle, disk askı bileşik porselen yalıtıcılar, düşük işletme ve bakım gereksinimleri ile daha iyi mekanik ve kirletme flaş geçme performansı sunar, iletim hatlarında dış yalıtım uygulamaları için yeni bir yolu açar.

Alan deneyimleri, havada asılı hatlar yıldırım vuruşuna maruz kaldığında, sonucunda oluşan aşırı gerilim, çok kısa süren, yüksek diklik ve çok yüksek zirve gerilimleri içeren dik dalga darbeleri içerdiğini gösterir, bu da hat yalıtıcılarına önemli tehditler oluşturur. Bu tür dik darbeler, disk yalıtıcıların delinmesine hatta patlamasına neden olabilir ve ciddi durumlarda zincir kopmasına ve hat düşmesine yol açabilir. Dik dalga dayanımı, yalıtıcı kalitesi için kritik bir göstergedir.

Porselen ve cam yalıtıcıların dik dalga performansı üzerine hem ulusal hem de uluslararası geniş araştırmalar yapılmıştır, ancak disk askı bileşik porselen yalıtıcılar üzerinde yapılan çalışmalar sınırlıdır ve temel mekanizmaları iyi anlaşılmamıştır. Bu nedenle, bu makale, disk askı bileşik porselen yalıtıcılar üzerinde hava impulslu kırılma testleri gerçekleştirerek dik dalga kırılma özelliklerini incelemektedir.

Hava impulslu kırılma testleri, elektrik ekipmanlarının dik dalga dayanım performansını etkili bir şekilde değerlendirebilir, aşırı koşullar altında güvenliği ve güvenilirliği sağlar ve yalıtıcı kalite değerlendirme açısından büyük önem taşır. Bu çalışma, ilk olarak dik dalga performansını analiz etmek için impulslu kırılma testleri gerçekleştirir, ardından test sonuçlarına dayalı olarak dik dalga gerilimi zirvesindeki elektrik alan dağılım simülasyonunu oluşturur, bu da performans değişim mekanizmasını keşfetmek ve iletim hatlarındaki bileşik porselen yalıtıcıların yalıtım uyumunu sağlamak için rehberlik sağlamayı amaçlar.

1 Hava Impulslu Kırılma Test Kurulumu

1.1 Numune

Bir üreticinin ürettiği HU550B240/650T AC disk askı bileşik porselen yalıtıcı, test numunesi olarak seçildi. Yalıtıcı, Şekil 1'de gösterildiği gibi üç şemsiye yapısına sahiptir. Ana performans parametreleri Tablo 1'de listelenmiştir.

1.2 Test Platformu ve Şeması
Test için 2400 kV impulslu gerilim üreteci kullanıldı. Yalıtıcı başlığı, bir toprak metal plaka üzerine aşağı doğru yerleştirildi ve pin ucuna standart bir top soketi takıldı, böylece pin çevresindeki harçlanmış alandaki aşırı elektrik alan yoğunlaşmasını önlemek için. Yalıtıcı kurulumu Şekil 2'de gösterilmiştir.

Toplam 20 yalıtıcı numunesi üzerinde hava impulslu kırılma testleri gerçekleştirildi. Hava impulslu kırılmanın test yöntemleri, diklik yöntemi ve genlik yöntemi olmak üzere ikiye ayrılır, genlik yöntemi çoğunlukla disk yalıtıcılar için kullanılır.

Bu çalışma, genlik yöntemini kullandı, bu yöntem impuls öneğinin doğrusallığı gerekmemekte, sadece kırılma geriliminin genliği kriter olarak kullanılır, önek süresi 100-200 ns arasında kontrol edilir ve genlik sapması %±10'un içinde tutulur. Test sırasında, her bir yalıtıcıya beş pozitif kutuplu impuls gerilimi uygulandıktan sonra beş negatif kutuplu impuls gerilimi uygulandı ve bu sıra bir kez tekrarlandı. Ardışık impulsler arasındaki süre, 1-2 dakika arasında korundu.

Hem ulusal hem de uluslararası kaynaklardan elde edilen araştırmalar, silikon kauçukla kaplanmış yalıtıcı yüzeylerin, porselen yalıtıcılardaki yüzey akım filolarının yayılma hızını değiştirerek dik dalga dayanım performansını azalttığını göstermiştir. Ancak, gerçek işlemede yalıtıcının başındaki yalıtım performansı etkilenmez.

Bu fenomen, ondan fazla ulusal disk yalıtıcı üreticisi tarafından doğrulanmıştır: derin rib veya alternatif şemsiye tipi şemsiye profili ne olursa olsun, baş yapısı silindirik veya konik olursa olsun, tüm yalıtıcılar silikon kauçuk kaplaması sonrası bazı derecede dik dalga kırılma performansında azalmaya sahiptir.

Sonuç olarak, ilgili standartlar gözden geçirilerek, RTV kaplı disk yalıtıcılar için hava impulslu kırılma test genliği 2.8 p.u.'dan 2.2 p.u.'ya indirildi. Öncü test sonuçları, 2.2 p.u. 'da nadiren kırılma olduğuna işaret etti. Bu nedenle, bu çalışma, RTV kaplamasız porselen yalıtıcıları seçerek 2.8 p.u. standart test gerilimi altında hava impulslu kırılma testleri gerçekleştirdi, gerilim önek süresi 100-200 ns aralığında kontrol edildi.

Gerilim kutupluluğu ve kırılma konumu hakkında daha fazla istatistiksel analiz, 15 kırılma olayından 14'ünün pozitif kutuplulukta, sadece birinin negatif kutuplulukta olduğunu gösterdi. Pozitif kutuplulukta olan kırılmaların 8'i başta, 6'sı şemsiyelerde oluştu; tek negatif kutuplulukta olan kırılma başta oldu. Ayrıca, şemsiye kırılmalarından önce yalıtıcı yüzeyinde ark oluşumu gözlemlendi, ancak baş kırılmalarında böyle bir ark oluşumu gözlemlenmedi.

Ancak, referanslara göre, tüm porselen yalıtıcıların dik dalga kırılmaları başta gerçekleşmiş, RTV kaplama öncesi ve sonrası da porselen yalıtıcıların başta kırılması olmuştur. Buna karşılık, bu test, tek seferlik enjeksiyonlu HTV kaplama olmadan aynı partiden alınan porselen yalıtıcıların dik dalga kırılmalarının sadece başta gerçekleştiğini göstermiştir. HTV enjeksiyonlu bileşik porselen yalıtıcılar, başta değil, aynı zamanda boyunda da kırılmalar yaşanmıştır, bu da HTV silikon kauçuk kaplamasının kırılma yolunu değiştirdiğini gösterir.

Kırılmadan önce uygulanan impuls sayısı kaydedildi, sonuçlar Şekil 4'te gösterilmiştir. Şekilde olduğu gibi, 12 yalıtıcı ilk beş impulsta kırıldı, biri 7. impulsta, iki tanesi 15. impulsta kırıldı. Referanslara göre, RTV kaplı porselen yalıtıcıların dik dalga dayanım performansında önemli bir azalma görülmüş, daha büyük tonajlı yalıtıcılar için daha yüksek kırılma olasılığı vardır, bu da silikon kauçuk kaplamasının dik dalga direncini azalttığını gösterir. Bu testte, HTV enjeksiyonlu bileşik yalıtıcıların %80'i ilk dört impulsta kırıldı, bu da HTV silikon kauçuğun varlığının yalıtıcının dik dalga impulslarına dayanım yeteneğini önemli ölçüde azalttığını daha da gösterir.

3 Dik Dalga Gerilimi Zirvesinde Elektrik Alan Dağılım Simülasyonu

Bölüm 2'deki test sonuçlarının analizi, porselen yalıtıcılara kıyasla bileşik yalıtıcıların kırılma yolu değiştiğini ve dik dalga dayanım performansının önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Bu bölüm, bileşik yalıtıcıdaki dik dalga gerilimi zirvesindeki elektrik alan dağılımını hesaplamak için simülasyon kullanarak, kırılma yolunun değişmesinin ve dik dalga performansının azalmasının nedenlerini incelemeyi amaçlamaktadır.

2.1 Simülasyon Modeli

Hava impulslu kırılma testlerinden elde edilen gözlemler, bileşik yalıtıcılarda şemsiye flaş geçmesi olduğunda, arkın yalıtıcı yüzeyi boyunca kırılma noktasına doğru geliştiğini göstermiştir. Arkın varlığı, elektrik alan dağılımını etkileyerek modelde dikkate alınmalıdır. Ancak, arkların düzensiz şekilleri nedeniyle, 3D model oluşturma zor olacaktır, özellikle silikon kauçuk katmanı genel yalıtıcıya kıyasla ince ve çok daha küçük olduğundan, 3D ağlama zor olacaktır. Bu nedenle, bu bölümde silikon kauçuk katmanı ve arkların elektrik alan dağılımı üzerindeki etkisini niteliksel olarak analiz etmek için iki boyutlu eksen simetri modeli benimsenmiştir. Simülasyon modeli Şekil 5'te gösterilmiştir.

2.2 Malzemeler ve Sınır Koşulları

Yalıtıcının %50 yıldırım impulslu flaş geçme gerilimi 145 kV'dır ve 2.8 p.u. dik dalga impulsu geriliminin zirve değeri 406 kV'dır. Çoğu test numunesi pozitif kutuplulukta kırıldığından, simülasyonda pin (çelik pin) yüksek potansiyal (406 kV) olarak, başlık (çelik başlık) ise sıfır potansiyal olarak ayarlanmıştır. Malzemelerin dielektrik sabit değerleri Tablo 2'de listelenmiştir.

2.3 Simülasyon Sonuçları ve Analiz

Silikon kauçuk kaplaması olmayan modelde, dik dalga impulsu geriliminin zirvesinde porselen yalıtıcının elektrik alan dağılımı Şekil 6(a)’da gösterilmiştir. Şekil 6’da görüldüğü gibi, elektrik alan yoğunluğu çoğunlukla yalıtıcının başında toplanmaktadır, 50 kV/mm’ye kadar ulaşmaktadır, bu da baş flaş geçmesi için yüksek bir olasılığı göstermektedir - bu, alan deneyimleri ve ilgili çalışmalarla tutarlıdır.

Silikon kauçuk kaplamasının etkisini karşılaştırmalı olarak analiz etmek için, bir seferlik enjeksiyonlu silikon kauçuklu bileşik yalıtıcı modelinin elektrik alan dağılımı hesaplandı, sonuçlar Şekil 6(b)’de gösterilmiştir. Şekil 6(b)’den görüleceği gibi, maksimum elektrik alan, yalıtıcı bedeninin alt yüzeyindeki arkın ucunda oluşmaktadır, yaklaşık 219.4 kV/mm; arkın ucundaki üst yüzeydeki alan yoğunluğu daha düşük, 41.21 kV/mm; ayrıca pin başındaki önemli bir alan yoğunluğu da bulunmaktadır, maksimum 50.68 kV/mm.

Böylece, silikon kauçuk kaplaması etkisiyle, yalıtıcının yüzey direnci artar, bu da şemsiyelerde hacim kapasitif akımın yüzey direnç akımına oranını önemli ölçüde artırır. Bu, yalıtıcı yüzeyine dik olan elektrik alan bileşeninin önemli ölçüde artmasına neden olur, bu da arkın başlangıcından sonra yüzeyi yakından takip etmesine neden olur.

HTV kaplaması etkisi altında, dik dalga gerilimine maruz kalınca yüzey arkları yalıtıcı yüzeyi boyunca yayılır, bu da yerel alan yoğunluğunun keskin bir şekilde artmasına neden olur - bu, pin başındaki alandan çok daha yüksektir - bu da ark ucunda kırılmaya daha yatkın hale gelmesine ve şemsiye flaş geçmesine neden olur. Bu, dik dalga dayanım performansının şemsiye yüzeyindeki HTV kaplaması tarafından etkilendiğini gösterir. Ayrıca, simülasyon, testlerde gözlemlenen baş flaş geçmeleriyle ilişkili olan yalıtıcı başındaki nispeten yüksek elektrik alanı göstermektedir.

3 Sonuç

Bileşik yalıtıcılar üzerinde hava impulslu kırılma testleri gerçekleştirildi, dik dalga kırılma özelliklerini analiz etmek için ve dik dalga geriliminin zirvesinde elektrik alan dağılım simülasyonları gerçekleştirildi. Aşağıdaki sonuçlar elde edildi:

• 2.8 p.u. dik dalga impulsu gerilimi altında, 20 bileşik yalıtıcı numunesinin 15'inde kırılma gerçekleşti, bunların %80'i ilk dört impulsta gerçekleşti, bu da HTV silikon kauçuğun varlığının bileşik yalıtıcıların dik dalga dayanım performansını önemli ölçüde azalttığını gösterir.

• 15 kırılma olayından, pin başındaki flaş geçmeler dışında, altı tanesi şemsiyelerde gerçekleşti, bu da geleneksel porselen yalıtıcıların genel kırılma yoluna kıyasla açık bir değişiklik olduğunu gösterir.

• Simülasyon sonuçları, bileşik yalıtıcılarda yüzey arkın yayılmasının voltaj zirvesinde şemsiye elektrik alan yoğunluğunu önemli ölçüde artırdığını gösterir, 217.64 kV/mm'ye ulaştı, bu da şemsiye flaş geçmesi için daha yatkın hale gelir. Silikon kauçuk katmanı olmayan yalıtıcılar için, ark gelişimi sırasında maksimum alan pin başındadır, 49.55 kV/mm'ye ulaşır, burada kırılma çoğunlukla gerçekleşir.