Гострий фронт імпульсного розряду на композитні фарфорові ізолятори з покриттям HTV: механізми тести та моделювання

Фарфорові та скляні ізолятори мають відмінні ізоляційні характеристики та механічну міцність, але під дією суттєвого забруднення вони піддаються засмалюванню, що загрожує стабільній роботі електромереж. Для підвищення стійкості до засмалювання зовнішньої ізоляції виробники зазвичай застосовують покриття з кімнатно-температурного вулканізаційного силиконового каучуку (RTV) з високою гідрофобністю та можливістю передачі гідрофобних властивостей на поверхню ізоляторів, що дозволяє знизити ризик засмалювання. Спочатку в Китаї RTV-покриття наносили безпосередньо на місці, метод, що характеризувався високою складністю виконання та неоднаковим контролем якості.

Пізніше були розроблені процеси обробки в заводських умовах, такі як опускання або напилення, що дозволило поставляти RTV-покриті ізолятори як готові продукти, підлягаючи контролю та прийняттю, значно покращуючи якість продукту та сприяючи широкому використанню в електромережах. Однак RTV-покриття мають низьку механічну міцність та слабку адгезію до ізоляційного тіла, що робить їх чутливими до пошкоджень від зовнішніх сил під час транспортування, будівництва, встановлення та тривалої експлуатації. Операційне старіння, таке як шарування, тріщини та відшарування, є типовим, що вимагає демонтажу та повторного нанесення, що призводить до високих витрат на обслуговування.

Дископодібні композитні фарфорові ізолятори використовують повний фарфоровий ізолятор як основу, з оболонкою з високотемпературного вулканізаційного силиконового каучуку (HTV), що формується в одному процесі високотемпературного напилення — мінімальна товщина 3 мм. Порівняно з RTV, HTV демонструє вищу механічну міцність, а також покращені характеристики стійкості до слідування та ерозії, заторможеності, електричних властивостей, стійкості до старіння та високотемпературної стійкості.

Крім того, шляхом модифікації глазурі на поверхні фарфору та використання спеціальних зв'язуючих агентів, значно покращена міцність з'єднання між фарфором та HTV-силиконовим каучуком, що сприяє інтеграції та однорідності компонента. Таким чином, дископодібні композитні фарфорові ізолятори надають вищу механічну та антизасмалювальну продуктивність з низькими витратами на експлуатацію та обслуговування, відкриваючи новий шлях для застосування зовнішньої ізоляції в лініях передачі.

Полевий досвід показує, що коли надпровідні лінії вражаються блискавками, в результаті виникає перенапруга, що містить імпульси з дуже коротким тривалістю, високою крутизною та дуже високими піковими напругами, що становлять значну загрозу для ізоляторів ліній. Такі крутий імпульси можуть призвести до пробою або навіть вибуху дископодібних ізоляторів, а в крайньому випадку, до розриву стрічки та випадання лінії. Міцність до крутих імпульсів є ключовим показником якості ізоляторів.

Хоча велика кількість досліджень проводилася щодо крутофронтових характеристик фарфорових та скляних ізоляторів как в Україні, так і за кордоном, дослідження дископодібних композитних фарфорових ізоляторів все ще є невеликими, а їхні підвалини не добре зрозумілі. Тому ця стаття проводить імпульсні пробойні випробування в повітрі на дископодібних композитних фарфорових ізоляторах, щоб дослідити їхні крутофронтові пробойні характеристики.

Імпульсні пробойні випробування в повітрі ефективно оцінюють міцність до крутофронтових перенапруг електрообладнання, забезпечуючи безпеку та надійність в екстремальних умовах, і мають значну цінність для оцінки якості ізоляторів. Це дослідження спочатку проводить імпульсні пробойні випробування для аналізу крутофронтових характеристик, а потім створює модель розподілу електричного поля на піку крутофронтової напруги на основі результатів випробувань, щоб дослідити механізм зміни продуктивності, метою якого є надання рекомендацій для координації ізоляції композитних фарфорових ізоляторів в лініях передачі.

1 Налаштування імпульсних пробойних випробувань в повітрі

1.1 Зразок

Було вибрано AC дископодібний композитний фарфоровий ізолятор HU550B240/650T, вироблений виробником, як зразок для випробувань. Ізолятор має тризонний зонтик, як показано на рисунку 1. Його основні характеристики наведено в таблиці 1.

1.2 Платформа та схема випробувань
Для випробувань було використано генератор імпульсних напруг 2400 кВ. Капсула ізолятора була розміщена догори на заземленій металевій пластині, а стандартний кульовий куток був встановлений на шпільковому кінці, щоб запобігти надмірній концентрації електричного поля в цементованій області навколо шпільки. Встановлення ізолятора показано на рисунку 2.

Імпульсні пробойні випробування в повітрі були проведено на загальній кількості 20 зразків ізоляторів. Методи імпульсних пробойних випробувань в повітрі поділяються на метод крутизни та метод амплітуди, з методом амплітуди, що використовується переважно для дископодібних ізоляторів.

Це дослідження використовувало метод амплітуди, який не потребує лінійності імпульсного фрону, а використовує лише амплітуду пробойної напруги як критерій, з фронтом, що контролюється між 100 та 200 нс, та відхиленням амплітуди в межах ±10%. Під час випробувань кожен ізолятор піддавався п'яти імпульсам з позитивною полярністю, за якими слідували п'ять імпульсів з негативною полярністю, і цей порядок повторювався один раз. Інтервал між послідовними імпульсами підтримувався в межах від 1 до 2 хвилин.

Дослідження як в Україні, так і за кордоном показали, що покриття поверхні ізоляторів силиконовим каучуком змінює швидкість поширення поверхневих стрімків на фарфорових ізоляторах, що призводить до зниження міцності до крутофронтових перенапруг. Однак, в реальній експлуатації, ізоляційна продуктивність на вершині ізолятора залишається незмінною.

Цей феномен був підтверджений більш ніж десятьма виробниками дископодібних ізоляторів в Україні: незалежно від того, чи профіль підносника є глибокоребровим або черговим зонтиком, чи структура вершини є циліндричною або конічною, всі ізолятори демонструють деяке зниження продуктивності до крутофронтових перенапруг після нанесення силиконового каучуку.

В результаті, відповідні стандарти були переглянуті, зменшивши амплітуду імпульсних пробойних випробувань в повітрі для дископодібних ізоляторів з RTV-покриттям з 2.8 p.u. до 2.2 p.u. Первинні результати випробувань показали, що пробій рідко відбувається при 2.2 p.u. Тому це дослідження вибравло фарфорові ізолятори без RTV-покриття та провело імпульсні пробойні випробування в повітрі при стандартній випробувальної напругі 2.8 p.u., з тривалістю фронту напруги, що контролюється в межах 100-200 нс.

Додаткова статистична аналітика полярності напруги та місця пробою показала, що з 15 випадків пробою, 14 відбулися при позитивній полярності, а лише один при негативній. Серед пробоїв при позитивній полярності, 8 відбулися на вершині, а 6 на підносках; єдиний пробій при негативній полярності відбувся на вершині. Додатково, було спостерігалося дугове світання на поверхні ізолятора перед пробоєм підносків, тоді як такого дугового світання не було спостерігалося під час пробою вершини.

Однак, в довідкових матеріалах, всі крутофронтові пробої фарфорових ізоляторів відбувались на вершині, і в довідкових матеріалах, фарфорові ізолятори пробивалися на вершині як до, так і після нанесення RTV-покриття. Натомість, це випробування показало, що без одночасного введення HTV-покриття, крутофронтові пробої в одній партії фарфорових ізоляторів відбувалися лише на вершині. Після введення HTV-покриття, пробої в композитних фарфорових ізоляторах відбувалися не лише на вершині, але й на шиї, що вказує на те, що HTV-силиконове каучукове покриття змінює шлях пробою.

Було записано кількість імпульсів перед пробоєм, з результатами, показаними на рисунку 4. Як показано, 12 ізоляторів пробилися в перших п'яти імпульсах, один пробився на 7-му імпульсі, а два пробилися на 15-му імпульсі. Довідкові матеріали показують, що фарфорові ізолятори з RTV-покриттям демонструють значне зниження міцності до крутофронтових перенапруг, з більшою ймовірністю пробою для більш важких ізоляторів, що вказує на те, що силиконове каучукове покриття погіршує стійкість до крутофронтових перенапруг. У цьому випробуванні 80% композитних ізоляторів з HTV-покриттям пробилися в перших чотирьох імпульсах, що ще більше підтверджує, що присутність HTV-силиконового каучуку значно знижує здатність ізоляторів витривати крутофронтові імпульси.

3 Моделювання розподілу електричного поля на піку крутофронтової напруги

Аналіз результатів випробувань в розділі 2 показує, що, порівняно з фарфоровими ізоляторами, шлях пробою композитних ізоляторів змінився, а їхня міцність до крутофронтових перенапруг значно знизилася. Цей розділ використовує моделювання для обчислення розподілу електричного поля композитного ізолятора на піку імпульсної напруги, з метою дослідження причин зміни шляху пробою та зниження продуктивності до крутофронтових перенапруг.

2.1 Модель моделювання

Спостереження з імпульсних пробойних випробувань в повітрі показали, що коли відбувається пробій підносків у композитних ізоляторах, дуги розвиваються вздовж поверхні ізолятора до місця пробою. Присутність дуг впливає на розподіл електричного поля і повинна враховуватися в моделі. Однак, через нерегулярну форму дуг, створення тривимірної моделі для обчислень буде складним, особливо тому, що шар силиконового каучуку є тонким і набагато меншим за розмірами порівняно з загальним ізолятором, що робить 3D-сетку важкою. Тому, для кваліфікативного аналізу впливу шару силиконового каучуку та дуг на розподіл електричного поля, в цьому розділі використовується двовимірна осесиметрична модель для спрощення. Модель моделювання показана на рисунку 5.

2.2 Матеріали та граничні умови

50%-на імпульсна пробойна напруга від блискавки для ізолятора становить 145 кВ, а пікова значення 2.8 p.u. крутофронтової імпульсної напруги становить 406 кВ. Оскільки більшість випробуваних зразків виявили пробій при позитивній полярності, в моделюванні шпилька (сталева шпилька) встановлюється як високий потенціал (406 кВ), а капсула (сталева капсула) як нульовий потенціал. Відносні диелектричні сталі матеріалів наведені в таблиці 2.

2.3 Результати та аналіз моделювання

У моделі без силиконового каучукового покриття, розподіл електричного поля фарфорового ізолятора на піку крутофронтової імпульсної напруги показаний на рисунку 6(a). Як видно на рисунку 6, інтенсивність електричного поля в основному зосереджена на вершині ізолятора, досягаючи 50 кВ/мм, що вказує на високу ймовірність пробою вершини - відповідно до полевого досвіду та пов'язаних досліджень.

Для порівняльного аналізу впливу силиконового каучукового покриття, було обчислено розподіл електричного поля моделі композитного ізолятора з одночасно введеним силиконовим каучуком, з результатами, показаними на рисунку 6(b). З рисунку 6(b) видно, що максимальне електричне поле відбувається на кінці дуги на нижній поверхні ізоляційного тіла, приблизно 219.4 кВ/мм; напруженість поля на кінці дуги на верхній поверхні нижча, 41.21 кВ/мм; а значна концентрація поля також існує на вершині шпильки, з максимальною 50.68 кВ/мм.

Таким чином, під впливом силиконового каучукового покриття, поверхневий опір ізолятора зростає, значно збільшуючи відношення об'ємного ємнісного струму до поверхневого опорного струму в підносках. Це призводить до значного зростання компоненту електричного поля, перпендикулярного поверхні ізолятора, що призводить до того, що дуга, після початку, тісно дотримується поверхні.

Під впливом HTV-покриття, поверхневі дуги поширюються вздовж поверхні ізолятора при дії крутофронтової напруги, що призводить до швидкого зростання локальної напруженості - значно перевищуючи ту на вершині шпильки - що робить більш ймовірним пробій на кінці дуги та викликання пробою підносків. Це вказує на те, що міцність до крутофронтових перенапруг впливає на HTV-покриття поверхні підносків. Крім того, моделювання показує відносно високе електричне поле на вершині ізолятора, що відповідає спостереженим пробоям вершини в випробуваннях.

3 Висновки

Імпульсні пробойні випробування в повітрі були проведено на композитних ізоляторах, щоб проаналізувати їхні крутофронтові пробойні характеристики, і було проведено моделювання розподілу електричного поля на піку крутофронтової напруги. Були зроблені наступні висновки:

• Під 2.8 p.u. крутофронтової імпульсної напруги, 15 з 20 зраз