Хотя первоначально композитные изоляторы находили применение в основном в загрязненных зонах обслуживания, они находят все более широкое применение в относительно чистых средах благодаря их сравнительной простоте в обращении и привлекательной стоимости приобретения. В последнее время повышение напряжения, а также компактная конструкция новых линий переменного тока стали дополнительными нишами, в которых композитные изоляторы применяются в чистой окружающей среде.
В случае последних применений изоляторы часто проектируются относительно короткими, чтобы поместиться в окно с ограниченным пространством башен. Следовательно, ограничение максимального электрического поля становится еще более критичным. Другой растущей областью применения являются композитные опорные изоляторы для станций, особенно с твердым сердечником, поскольку они не сильно отличаются по конструкции фланца от композитных линейных изоляторов.
Для обеспечения оптимальных размеров композитных изоляторов, оснащенных калибровочными кольцами, необходимо учитывать три критерия:
1. Ограничение электрического поля на градуировочном кольце& концевой фитинг;
2. Ограничение электрического поля по поверхности корпуса изолятора;
3. Ограничение электрического поля в «тройной точке» (где корпус воздуховода&встречается с металлической арматурой).
Все три обычно проверяются расчетами электронного поля, первый - стандартным тестом RIV, описанным в IEC 60437 2ndEdition (1997-09). Третий критерий не может быть проверен тестом, в то время как второй еще не поддается проверке никаким тестом. Однако сейчас энергоснабжающие компании все больше заинтересованы в такой проверке.
Установление критериев максимального электронного поля
До сих пор опубликовано сравнительно мало данных о максимально допустимом электрическом поле для композитных изоляторов. Согласно брошюре CIGRE 284, максимальное электрическое поле на поверхности композитного изолятора (то есть на вершине первого зева от концевого фитинга) оценивается в диапазоне от 0,6 до 1,0 кВ / мм. Но этот диапазон, вероятно, излишне оптимистичен. Например, более раннее исследование EPRI показало, что максимальный предел электрического поля 0,45 кВ / мм является предпочтительным, в то время как предыдущие исследования в STRI предлагали 0,4 кВ / мм. Другие оценили критический уровень электрического поля всего в 0,38 кВ / мм.
Для максимального электрического поля на металлической арматуре Брошюра СИГРЭ рекомендовала предел 2,2 кВ / мм. Согласно более ранней статье EPRI, значение, указанное для поверхностного электрического поля на металлических фитингах и калибровочных кольцах, должно составлять 2,1 кВ / мм, и это значение часто используется в качестве эталона для целей проектирования. Однако, согласно внутренним обсуждениям CIGRE, некоторые коммунальные предприятия указывают значения не ниже 1,6 кВ / мм - вероятно, чтобы учесть возможные производственные дефекты, поверхности, которые были слегка повреждены из-за неправильного обращения или старения калибровочных колец в эксплуатации. В более ранней статье STRI рекомендовал 1,8 кВ / мм.
Последние данные STRI& EPRI
Более поздние исследования подытожили работу, выполненную для определения практического предела допустимого электрического поля на поверхностях изолятора для целей проектирования. Первоначальная работа EPRI по определению пороговых уровней электрического поля для вызванной водой короны (впервые опубликованная в 1999 г.) была расширена на основе небольших, а также полномасштабных испытаний для уточнения этих пороговых значений. Например, результаты испытаний на естественное старение (в STRI) и на искусственное старение (в EPRI) показали четкую тенденцию к снижению гидрофобности на участках оболочки, где электрическое поле превышает примерно 0,3–0,4 кВ / мм (см. Рис. 1). Дальнейшая точная настройка порогового значения была основана на мелкомасштабных и полномасштабных лабораторных испытаниях, а также на данных опыта обслуживания. Это привело к следующему заключительному критерию, показанному на рис. 2: среднее электрическое поле на изоляционной оболочке не должно превышать 0,42 кВ / мм на длине более 10 мм по поверхности. Такой подход к усреднению был введен, чтобы избежать небольших, но существенных геометрических проблем, которые не отражают должным образом характеристики изолятора (т.е. в таких точках будет резкое увеличение электрического поля). Что касается уплотнения концевого фитинга (т.е. тройной точки), электрическое поле не должно превышать 0,35 кВ / мм. Расчеты должны быть смоделированы с использованием моделирования трехмерного электронного поля, также могут быть рассмотрены лабораторные испытания.
Наконец, во многих практических приложениях использовались следующие критерии:
• Предел электрического поля на градуировочном кольце& концевой фитинг: 1,8 кВ / мм
• Предел среднего электрического поля по поверхности корпуса: 0,42 кВ / мм
• Предел электрического поля в тройной точке: 0,35 кВ / мм
Объяснение подхода
Программа& Моделирование
Все расчеты в STRI проводились с использованием программы Comsol Multiphysics. Практический пример такого расчета для реальных условий эксплуатации был следующим:
Модель поперечины изолятора была установлена на центральной фазе на одной стороне башни (как на рис. 6). Фазы были расположены так, чтобы моделировать наихудший сценарий с точки зрения электрического поля, то есть центральная фаза подвергается наибольшему воздействию электрического поля из-за близости двух соседних фаз на одной стороне башни. По требованию заказчика установлено напряжение Um=420 кВ. Таким образом, электрический потенциал, приложенный к центральной фазе, составлял 420 / √3 кВ. Напряжение на двух фазах выше и ниже центральной фазы составляло 420 / √3 кВ со сдвигом фаз 120 °. Обычно моделируются только от 10 до 12 пар навесов, основываясь на предыдущем опыте аналогичных расчетов, который показал, что только те навесы, которые находятся ближе всего к арматуре, подвергаются наибольшему электрическому полю. Это предположение позволило сократить время моделирования.
В этом расчете учитывались два основных материала: воздух и силиконовый каучук. Диэлектрическая проницаемость (относительная диэлектрическая проницаемость), используемая для стержня из стекловолокна, такая же, как и для силикона, т.е. 3,0, но поскольку фактическая относительная диэлектрическая проницаемость для силикона ниже, расчет несколько консервативен. Самая важная причина для упрощения вычислений таким образом - упростить построение сетки и ускорить выполнение расчетов. На рис. 3 показаны типичные результаты.
