Elektrotehniški vestnik 69(5): 273 278, 2002 Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija Načrtovanje zaščitnih iskril visokonapetostnih kompozitnih izolatorjev s pomočjo izračuna električnega polja Benjamin Erjavec, Jože Pihler, Mladen Trlep Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija Povzetek. Članek predstavlja rezultate izračunov električnega polja v okolici 110 kv kompozitnih izolatorjev. V elektroenergetskem sistemu Slovenije ti izolatorji pri rekonstrukcijah in novogradnjah zamenjujejo klasične steklene in porcelanske izolatorje. Prednosti njihove 30-letne uporabe so znane in potrjene. Še vedno obstajajo različna mnenja glede uporabe zaščitnih iskril oz. rogljičev za enakomernejšo porazdelitev električnega potenciala. Z računalniškim programom POLJE so bili opravljeni izračuni električnega polja, pri normalnih obratovalnih pogojih in pri povišanih obratovalnih napetostih. Izvedena je bila analiza rezultatov izračunov brez zaščitnih iskril in z njimi. Ključne besede: kompozitni izolatorji, metoda končnih elementov, izračun električnega polja, zaščitna iskrila Design of protective spark gap of composite insulators by means of electric field calculation Extended abstract. Composite insulators are increasingly gaining importance in the Slovenian electric power system. They are gradually replacing conventional glass and porcelain insulators on the high voltage lines. They are used both in new lines and as a replacement of old conventional insulators in line reconstructions. A composite insulator (Figure 1) consists of a supporting core that provides an adequate mechanical strength; protecting covering that assures an adequate creeping distance; and metal terminals that allow fixing the insulator to the tower and the conductor to the insulator. Protective spark gaps are used for protection of the insulator material against overvoltages, while protective horns and rings at the same time ensure an adequate distribution of the electric potential preventing corona and radio-frequency disturbances. Since there is no consensus among the experts about their necessity, the paper deals with an analysis of the electric field distribution around the insulator. The results of this analysis will make easier the decision about the necessity of protective spark gaps. The subject of the analysis was a 110 kv composite insulator (Figure 3). Electric field calculations were performed using the POLJE program package developed by the Faculty of electrical engineering and computer science of the University of Maribor. The calculations were made for normal operating conditions and for conditions with the presence of overvoltages. The results indicate that there is no need for protective spark gaps under normal operating conditions. Key words: composite insulators, finite elements method, electric field calculation, protective spark gap Prejet 4. oktober, 2001 Odobren 18. junij, 2002 1 Uvod Zaradi vedno večjega obsega uporabe kompozitnih izolatorjev v Evropi in svetu [1] in [2] so tudi pri Elektru Slovenija v zadnjih letih začeli intenzivneje razmišljati o možnosti uporabe le-teh [3]. Kljub relativno dobrim izkušnjam s steklenimi izolatorji obstaja mnenje, da je treba slediti razvoju tehnologije na področju visokonapetostne tehnike. Želja vsakega podjetja, ki se ukvarja s prenosom in distribucijo električne energije, je zagotoviti največjo obratovalno zanesljivost s čim manj okvarami, električnimi izgubami in najnižjo ceno investicije. Prav na področju koordinacije izolacije se izdelovalci kompozitnih izolatorjev približujejo temu cilju. Tema, ki jo obravnava članek, je analiza električnega polja v okolici visokonapetostnih kompozitnih izolatorjev, ki so marsikje v svetu že nadomestili porcelanske in steklene (klasične) izolatorje. Izolatorji iz organskih materialov oziroma t.i. kompozitni izolatorji se v Evropi in v svetu že kar nekaj časa uporabljajo. V slovenskem prostoru so se na srednji in visoki napetosti uveljavili šele v zadnjih letih [4]. Na podlagi izračunov električnega polja [5], [6] bomo analizirali uporabo zaščitnih iskril in rogljičev. Zaščitna iskrila služijo za zaščito izolatorjevega materiala pri napetostnih preskokih, zaščitni rogljiči in obroči pa sočasno tudi za pravilno porazdelitev električnega potenciala in s tem za preprečitev korone in radiofrekvenčnih motenj.
274 Erjavec, Pihler, Trlep 2 Opis kompozitnih izolatorjev 2.1 Zgradba kompozitnih izolatorjev Oblika kompozitnih izolatorjev se razlikuje od proizvajalca do proizvajalca. Na splošno je kompozitni izolator izdelan v enem kosu in ima razmeroma preprosto zgradbo (slika 1). Sestavljen je iz nosilnega jedra, ki izolatorju zagotavlja mehansko trdnost. Zaščitna obloga je električni izolacijski del, ki zagotavlja zadostno plazilno razdaljo. Na obeh koncih izolatorja sta kovinska končnika, ki prenašata breme na jedro ter služita za obešanje oz. montažo izolatorja in vodnika. prednosti: negorljivost; odpornost proti visokim temperaturam, gibkost tudi pri nizkih temperaturah; izredna električna izolacijska sposobnost; velika mehanska odpornost; odpornost proti vremenskim nevšečnostim (ozon, UV žarki,...); odbojnost vode (hidrofobičnost); odpornost proti večini kemikalij (onesnažena industrijska atmosfera). Kompozitni izolatorji so na obeh koncih opremljeni s kovinskimi končniki (slika 2), ki prenašajo mehansko breme na jedro izolatorja. Narejeni so iz kovanega jekla in prevlečeni z zaščitno plastjo cinka. Končniki so se v začetku proizvodnje kompozitnih izolatorjev pritrjevali na jedro oz. izolator z zagozdami. Vendar se je izkazalo, da način pritrjevanja ni najboljši, saj je prihajalo do drsenja končnikov. Zato je imela vlaga lažji dostop do jedra izolatorja, ki je bilo podvrženo krhkemu lomu. Danes se končniki nameščajo tako, da se pritrdijo na jedro izolatorja z radialnim pritiskom. Pritisk mora biti izbran tako, da je končnik dobro pritrjen in da se palica pri pritrjevanju ne poškoduje. Slika 1. Zgradba kompozitnega izolatorja Figure 1. Structure of a composite insulator Jedro (FRP palica) je izvedeno iz epoksidnih ali poliestrskih smol ter ojačeno s steklenimi vlakni. Epoksidne smole imajo boljše električne lastnosti kot poliestrske smole in se zato uporabljajo pri visokonapetostnih izolatorjih. Jedro ni odporno na vlago, zato je prekrito s polimerno oblogo. Kljub temu pa lahko pride do prodora vode na področju, kjer se stikajo jedro, obloga in končnik. Omenjeno področje je treba dobro zatesniti, pri čemer je treba upoštevati, da so uporabljeni trije materiali z različnimi koeficienti raztezanja. Tesnilni material se mora prilagajati na vsako spremembo, tako temperaturno kot mehansko. Jedro je prekrito z zaščitno oblogo, ki je izdelana s centrifugiranjem silikonske gume neposredno na palici. Na tako oblečeno palico so nataknjena predhodno izdelana izolatorska rebra iz silikona, vulkaniziranega pri visokih temperaturah. Oblika izolatorskih reber je odvisna od zahtevane dielektrične zdržnosti. Nekateri proizvajalci izvedejo silikonsko prevleko in rebra izolatorja v enem delu, drugi pa ločeno. Danes se pri proizvodnji kompozitnih izolatorjev večinoma uporablja silikonska guma, ki ima naslednje Slika 2. Kovinski končniki 2.2 Prednosti kompozitnih izolatorjev Figure 2. Metal terminals Kompozitni izolatorji imajo naslednje prednosti: majhna teža (110 kv kompozitni izolator tehta okrog 5 kg, kar je približno toliko kot en člen v verigi kapastih izolatorjev); daljnovodni stebri so lahko manjših dimenzij in novih oblik; preprostejša montaža in transport (niso tako krhki oz. lomljivi kot klasični); večja dielektrična zdržnost zaradi izredne sposobnosti odboja vode (hidrofobičnost);
Načrtovanje zaščitnih iskril visokonapetostnih kompozitnih izolatorjev s pomočjo izračuna električnega polja 275 večja mehanska zdržnost, odporni proti vandalizmu (direktni streli iz pušk v izolator ne pomenijo popolnega uničenja izolatorja); neobčutljivi so na termične preobremenitve ob nastanku strele oziroma obloka (pri delovanju električnega obloka silikonski izolatorji ne karbonizirajo, pri tem ne nastaja ogljik, ki je polprevodnik, ampak silicijev oksid kremen, ki pa ni električno prevoden in tudi zato zaščitna iskrila naj ne bi bila potrebna); z uporabo medfaznih distančnih členov, ki imajo enako strukturo kot kompozitni izolatorji, je mogoče oblikovati kompaktne vode in tako zmanjšati električna in magnetna polja; krajše razdalje med faznimi vodniki (medfazni distančni členi), zaradi tega pa nižji stebri in ožje trase koridorjev; Slika 3. Kompozitni izolator Figure 3. Composite insulator vse naštete prednosti zagotavljajo tudi zanesljivejše obratovanje, manjše število potrebnih izklopov, zmanjšanje izgub med obratovanjem in nižje stroške vzdrževanja. 2.3 Uporaba kompozitnih izolatorjev Kompozitni izolatorji se uporabljajo v visoko in srednjenapetostnem omrežju. Palični kompozitni izolatorji se že nekaj časa uspešno uporabljajo tudi kot medfazni distančni členi. Le-ti preprečujejo, da bi daljnovodne vrvi pod vplivom sile vetra udarile skupaj, kar bi pomenilo kratki stik ali pa celo pretrganje vodnika. Prednost uporabe kompozitnih izolatorjev kot medfaznih distančnikov sta njihova majhna teža in odpornost proti mehanskim udarcem. Veliko zanimanje se v zadnjem času kaže tudi za podporne izolatorje. Največ se uporabljajo na srednjenapetostnem nivoju. Zaradi majhne teže se lahko podporni izolatorji montirajo neposredno na podporo brez uporabe konzol. To zmanjšuje stroške gradnje takšnih daljnovodov, pripomore pa tudi h kompaktnemu videzu voda. 3 Izračun električnega polja s programom POLJE Predmet analize je bil 110 kv kompozitni izolator, ki je predstavljen na sliki 3, ustrezen model za izračun pa na sliki 4. 3.1 Diskretizacija področja Kritičen del programske rešitve pri vseh numeričnih metodah je diskretizacija področja oz. generacija mreže. Le-ta mora zadovoljiti različne pogoje, od katerih je najpomembnejši univerzalnost glede geometrije. Slika 4. Ustrezni model izolatorja za izračun el. polja v programu POLJE Figure 4. Model of the insulator for electric field calculations using the POLJE program Področje, ki ga obravnavamo, razdelimo v neprekrivajoče se končne elemente. Elementi so v primeru tridimenzionalnih problemov telesa, v primeru dvodimenzionalnih oz. osnosimetričnih problemov pa so to liki. V nadaljevanju bodo prikazani izračuni, kjer so bili uporabljeni trikotni končni elementi prvega reda, kar pomeni, da se potencial znotraj elementa linearno spreminja. Za diskretizacijo področja obravnavanega problema smo uporabili avtomatski generator mreže, ki je že vključen v program POLJE. Kot rezultat smo dobili diskretizirano področje (t.i. mrežo) z 20776 končnimi elementi in 10692 vozlišči, ki je predstavljeno na sliki 5. Robni pogoji: Na celotnem zunanjem robu problema smo postavili Neumannove robne pogoje, na spodnjem in zgornjem končniku pa Dirichletove robne pogoje (100 kv, 450 kv oz. 0 kv).
276 Erjavec, Pihler, Trlep Material: Obloga na jedru in izolatorska rebra so iz silikonske gume z relativno dielektričnostjo ε r =4, jedro (FRP-palica) pa ε r =4.5. Ves preostali del je zrak z relativno dielektričnostjo ε r =1. ϕ = 3 N j ϕ j. (4) j=1 Pri tem je: N j = N(r, z) interpolacijska oz. oblikovna funkcija, v valjnem koordinatnem sistemu; ϕ j vozliščni potencial v elementu; j indeks lokalnih številk vozlišč v elementu. Enačbo (4) uvrstimo v (3) in upoštevamo W (r, z) = N(r,z) ter dobimo N e e=1 [ S e ( ε e ε e j=1 Γ ) 3 N i N j ϕ j ds N i ϕ n dγ ] =0. (5) Ko za vsako vozlišče mreže zapišemo enačbo (5), s tem da upoštevamo robne pogoje, dobimo sistem algebrajskih enačb (6) [S] {ϕ} = {D}, (6) Slika 5. Diskretizirano področje kompozitnega izolatorja z okolico Figure 5. Discretised composite insulator with its immediate environment 3.2 Matematični model izolatorja Izračun je bil opravljen v sklopu programa POLJE, ki z metodo končnih elementov rešuje Laplaceovo diferencialno enačbo (1) ε ϕ =0, (1) kjer jeϕ električni potencial,ε dielektrična konstanta. Reševanje enačbe (1) prevedemo s pomočjo metode utežnih ostankov (W utežna funkcija) v obliko (2). W ( ε ϕ )ds =0 (2) S Z uporabo 1. Greenovega izreka prevedemo (2) v obliko (3). ε S ( W ϕ) ε Γ W ϕ dγ=0 (3) n V naslednjem koraku se izvede diskretizacija področja, tako da dobimo N e končnih elementov, ki imajo po n vozlišč (v primeru trikotnikov je n =3). Znotraj vsakega elementa predpišemo spreminjanje potenciala (ϕ) s pomočjo interpolacijske funkcije (4) kjer je [S] matrika sistema, {ϕ} vektor vozliščnih potencialov in {D} vektor konstant. Kot rešitev enačbe (6) dobimo vrednosti funkcijegϕ(x,y) v vseh vozliščih. 4 Rezultati izračuna električnega polja Izračun smo opravili pri normalnih obratovalnih pogojih in pri prenapetosti. Električno polje smo računali pri potencialu 100 kv, kar ustreza temenski vrednosti najvišje napetosti opreme za 110 kv napetostni nivo in 450 kv, kar ustreza preskusni zdržni atmosferski napetosti. 4.1 Izračun električnega polja kompozitnega izolatorja pri normalni obremenitvi a) brez zaščitnih iskril: Slika 6 prikazuje ekvipotencialne linije v spodnjem delu izolatorja ob kovinskem končniku, slika 7 pa potek in dejanske vrednosti električne poljske jakosti. b)zzaščitnimi iskrili: Na sliki 8 je prikazan potek ekvipotencialnih linij ob končniku izolatorja, na sliki 9 pa potek dejanske vrednosti električne poljske jakosti. V obeh primerih so ob zgornjem in spodnjem končniku izolatorja montirana zaščitna iskrila v obliki obroča. Prebojna trdnost zraka, pri kateri pride do preskoka med dvema elektrodama v zraku je E preb (zrak) =3 MV/m. Iz slike 7 in slike 9 je razvidno, da pri normalnih obremenitvah (temenska vrednost najvišje napetosti
Načrtovanje zaščitnih iskril visokonapetostnih kompozitnih izolatorjev s pomočjo izračuna električnega polja 277 Slika 6. Ekvipotencialne linije v spodnjem delu izolatorja Figure 6. Equipotential lines in the bottom part of the insulator Slika 8. Ekvipotencialne linije v spodnjem delu izolatorja Figure 8. Equipotential lines in the bottom part of the insulator Slika 7. Potek električne poljske jakosti v okolici izolatorja Figure 7. Distribution of electric field strength around the insulator Slika 9. Potek električne poljske jakosti v okolici izolatorja pri vgrajenih zaščitnih iskrilih Figure 9. Distribution of electric field strength around the insulator in the presence of a protective spark gap opreme - 100 kv) največja vrednost električne poljske jakosti v nobenem primeru ne preseže E preb (zrak). Vrednosti E max so v primeru brez zaščitnih iskril približno dvakrat večje kot v primeru z iskrili. Primerjava slik 6 in 8 nam pokaže, da je zgostitev ekvipotencialnih linij ob končniku izolatorja neprimerno manjša pri uporabi zaščitnih iskril. 4.2 Izračun električnega polja kompozitnega izolatorja pri povišani napetosti a) brez zaščitnih iskril: Porazdelitev in dejanske vrednosti poljske jakosti so prikazane na sliki 10. b)zzaščitnimi iskrili: Vpliv zaščitnih iskril na električno poljsko jakost prikazuje slika 11. Iz slik 10 in 11 je razvidno, da pri povišani napetosti v omrežju (450 kv preskusna zdržna atmosferska napetost) največja vrednost električne poljske jakosti v obeh primerih (brez zaščitnih iskril in z njimi) preseže E preb (zrak). Tudi tukaj so vrednosti E max v primeru brez zaščitnih iskril približno dvakrat večje kot v primeru z iskrili. 5 Sklep Z uporabo programa POLJE smo proučevali porazdelitev električnega polja v okolici visokonapetostnega kompoz-
jakosti, pri normalnih obratovalnih pogojih ne bi bili potrebni zaščitni iskrili. Pri povišanih napetostih v omrežju pa so vrednosti električne poljske jakosti v okolici izolatorjev precej večje, kot so dovoljene za zrak. Prišlo bi do močnejše korone predvsem na končnikih, kar bi lahko povzročilo radiofrekvenčne motnje, pa tudi preplaze. V tem primeru bi bila upravičena uporaba zaščitnih iskril, izvedenih v obliki obročev za krmiljenje električnega potenciala. Po našem mnenju zaščitna iskrila pri 110 kv kompozitnih izolatorjih niso potrebna (material izolatorja se pri napetostnih preskokih ne bo poškodoval; električna poljska jakost pri normalnih obratovalnih pogojih ni presežena). Uporabo zaščitnih iskril bi predlagali le pri zahtevnejših odsekih daljnovodov. Slika 10. Potek električne poljske jakosti pri povišani napetosti Figure 10. Distribution of electric field strength for increased voltage 6 Literatura [1] J. Kindersberger, A. Schütz, H. C. Kärner, Service performanance, material design and apllications of composite insulators with silicone rubber housings, CIGRÉ 1996 session. [2] W. T. Starr, Polymer outdoor insulation, IEEE Transaction on electrical insulation, Vol. 25, str. 125 136, 1990. [3] B. Barl, D. Lepšina, Revitalizacija daljnovoda 110 + 35 kv Vuhred Ožbalt, Naš stik, str. 39 40, februar 2001. [4] J. Kern, I. Lozej, G. Kosič, Dosedanje izkušnje z vgradnjo kompozitnih silikonskih izolatorjev na DV 2 x 110 kv Selce Laško, Četrta konferenca slovenskih elektroenergetikov, Rogaška Slatina, maj 1999. [5] B. Erjavec, Izračun električnega polja pri visokonapetostnih kompozitnih izolatorjih, Diplomsko delo, Univerza Maribor, FERI, Maribor, 2001. [6] M. Trlep, Program POLJE, interna dokumentacija, Laboratorij za aplikativno elektromagnetiko, FERI, Maribor. Benjamin Erjavec je diplomiral leta 2001 na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Maribor. Slika 11. Potek električne poljske jakosti pri povišani napetosti in zaščitnem iskrilu Figure 11. Distribution of electric field strength for an increased voltage in the presence of a protective spark gap itnega izolatorja. Naša naloga je bila analizirati električno polje v okolici kompozitnega izolatorja brez zaščitnih iskril in z njimi. V ta namen smo opravili izračun električnega polja pri normalni obremenitvi in pri povišani napetosti v omrežju. Kot kažejo rezultati izračuna električne poljske Jože Pihler je diplomiral leta 1978, magistriral leta 1991 in doktoriral leta 1995 na FERI v Mariboru. Od leta 1978 je bil zaposlen v TSN Maribor kot razvojni konstrukter, vodja kontrole in direktor TOZD EN. Leta 1988 se je zaposlil na FERI Maribor kot raziskovalec. Njegovo področje delovanja so elektroenergetske naprave in aparati, proizvodnja električne energije ter umetna inteligenca. Je izredni profesor in član IEEE, CIGRE in SLOKO CIGRE. Mladen Trlep je diplomiral leta 1979 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Leta 1985 je magistriral, leta 1994 pa doktoriral na FERI v Mariboru. Zaposlen je na FERI, Inštitutu za močnostno elektrotehniko, kot izredni profesor. Je vodja laboratorija za Aplikativno elektromagnetiko. Njegovo raziskovalno delo obsega razvoj in uporabo numeričnih metod za izračun elektromagnetnega polja, razvoj programske opreme za CAD elektromagnetnih naprav in sistemov ter področje inverznih problemov, električnih strojev in pogonov. Je član naslednjih strokovnih združenj: ED, IEEE in ICS.