Hoewel ze aanvankelijk voornamelijk in vervuilde servicegebieden werden gebruikt, worden composietisolatoren ook steeds vaker toegepast in relatief schone omgevingen vanwege hun relatief gemakkelijke hantering en aantrekkelijke aanschafkosten. Meer recentelijk zijn het upgraden van de spanning en het compacte ontwerp van nieuwe AC-lijnen aanvullende nichegebieden geworden waar composietisolatoren worden toegepast in schone omgevingen.
In het geval van de laatste toepassingen zijn isolatoropstellingen vaak relatief kort ontworpen om in het venster met beperkte ruimte van torens te passen. Daarom wordt het beperken van het maximale E-veld nog kritischer. Een ander groeiend toepassingsgebied zijn postisolatoren van samengestelde stations, vooral die met een massieve kern, aangezien deze qua flensontwerp niet veel verschillen van isolatoren van samengestelde lijnisolatoren.
Er moet rekening worden gehouden met drie criteria om een optimale dimensionering van composietisolatoren met sorteerringen te garanderen:
1. Beperking elektrisch veld op sorteerring& eindmontage;
2. Beperkend elektrisch veld langs het oppervlak van de isolatorbehuizing;
3. Beperking van elektrisch veld op 'tripelpunt' (waar lucht-GG-amp; behuizing en metalen fitting samenkomen).
Alle drie worden normaal gesproken geverifieerd door E-veldberekeningen, de eerste door de standaard RIV-test beschreven in IEC 60437 2nd Edition (1997-09). Het derde criterium kan niet worden geverifieerd door een test, terwijl het tweede nog niet kan worden geverifieerd door een test. Energiebedrijven zijn nu echter steeds meer geïnteresseerd in een dergelijke verificatie.
Opstellen van criteria voor maximaal E-veld
Er zijn nog relatief weinig gegevens gepubliceerd over het maximaal toegestane E-veld in het geval van composietisolatoren. Volgens CIGRE Brochure 284 wordt het maximale E-veld op het oppervlak van een composietisolator (dwz aan het uiteinde van de eerste schuur vanaf de eindfitting) geschat tussen 0,6 en 1,0 kV / mm. Maar dit bereik is waarschijnlijk overdreven optimistisch. Eerder onderzoek door EPRI gaf bijvoorbeeld aan dat een maximale limiet op het E-veld van 0,45 kV / mm de voorkeur verdient, terwijl eerder onderzoek bij STRI 0,4 kV / mm voorstelde. Anderen hebben het kritische E-veldniveau geschat op slechts ongeveer 0,38 kV / mm.
Voor een maximaal E-veld op de metalen fitting adviseerde de CIGRE-brochure een limiet van 2,2 kV / mm. Volgens een eerder artikel van EPRI moet de waarde die wordt aangegeven voor oppervlakte-E-veld op metalen fittingen en sorteerringen 2,1 kV / mm zijn en deze waarde wordt vaak gebruikt als referentie voor ontwerpdoeleinden. Volgens interne eerdere CIGRE-discussies specificeren sommige hulpprogramma's echter waarden zo laag als 1,6 kV / mm - waarschijnlijk om rekening te houden met mogelijke fabricagefouten, oppervlakken die licht zijn beschadigd door onjuist gebruik of veroudering van de sorteerringen die in gebruik zijn. In een eerder artikel had STRI 1,8 kV / mm aanbevolen.
Recente gegevens van STRI& EPRI
Meer recent onderzoek vat het werk samen dat is uitgevoerd om een praktische limiet te bepalen voor een toelaatbaar E-veld op isolatoroppervlakken voor ontwerpdoeleinden. Het aanvankelijke werk van EPRI om drempelwaarden voor E-velden voor door water veroorzaakte corona te bepalen (voor het eerst gepubliceerd in 1999) werd uitgebreid op basis van zowel kleine als volledige tests om deze drempels te verfijnen. Resultaten van zowel natuurlijke verouderingstests (bij STRI) als kunstmatige verouderingstests (door EPRI) toonden bijvoorbeeld een duidelijke neiging tot verminderde hydrofobiciteit op omhullingssecties waar het E-veld ongeveer 0,3 tot 0,4 kV / mm overschrijdt (zie figuur 1). Verdere verfijning van de drempel is gebaseerd op kleinschalige en volledige laboratoriumtests en gegevens uit service-ervaring. Dit leidde tot het volgende laatste criterium, geïllustreerd in figuur 2: het gemiddelde E-veld op de isolatiemantel mag niet hoger zijn dan 0,42 kV / mm over een afstand van meer dan 10 mm langs het oppervlak. Een dergelijke middelingsbenadering werd geïntroduceerd om kleine maar significante geometrieproblemen te vermijden, die de isolatorprestaties niet goed weerspiegelen (dwz er zal op dergelijke punten een sterke toename van het E-veld zijn). Wat betreft de eindfittingafdichting (dwz het tripelpunt), mag het E-veld niet hoger zijn dan 0,35 kV / mm. Berekeningen moeten worden gemodelleerd met behulp van 3D E-veldsimulaties en laboratoriumtests kunnen ook worden overwogen.
Ten slotte werden voor veel praktische toepassingen de volgende criteria gehanteerd:
• Limiet van E-veld op sorteerring& eindfitting: 1,8 kV / mm
• Limiet van gemiddeld E-veld langs behuizingsoppervlak: 0,42 kV / mm
• Limiet van E-veld op tripelpunt: 0,35 kV / mm
Toelichting op de aanpak
Programma& Modellering
Alle berekeningen bij STRI werden uitgevoerd met het softwareprogramma Comsol Multiphysics. Een praktisch voorbeeld van een dergelijke berekening voor echte servicecondities was als volgt:
Het isolator-traverse-model werd op de middenfase aan één kant van een toren gemonteerd (zoals in figuur 6). De fasen werden opgesteld om het worstcasescenario vanuit het oogpunt van een elektrisch veld te simuleren, dwz de middelste fase wordt blootgesteld aan het hoogste E-veld vanwege de nabijheid van de aangrenzende twee fasen aan dezelfde kant van de toren. Volgens de eis van de klant werd de spanning ingesteld op Um=420 kV. De elektrische potentiaal die in de middenfase werd aangelegd, was dus 420 / √3 kV. De spanning op de twee fasen boven en onder de middenfase was 420 / √3 kV met een faseverschuiving van 120 °. Normaal gesproken worden slechts 10 tot 12 stalparen gemodelleerd, gebaseerd op eerdere ervaringen met soortgelijke berekeningen, waaruit bleek dat alleen de stallen die het dichtst bij de fittingen liggen, worden blootgesteld aan het hoogste elektrische veld. Door deze aanname te maken, kon de modelleringstijd worden verkort.
De twee belangrijkste materialen waarmee bij deze berekening rekening werd gehouden, waren lucht en siliconenrubber. De diëlektrische constante (relatieve permittiviteit) die wordt gebruikt voor de glasvezelstaaf is dezelfde als die voor siliconen, dwz 3.0, maar aangezien de werkelijke relatieve permittiviteit lager is voor siliconen, is de berekening enigszins conservatief. De belangrijkste reden om berekeningen op deze manier te vereenvoudigen, is om meshing gemakkelijker te maken en de berekeningen sneller te laten verlopen. Fig. 3 toont typische resultaten.
