I set isolanti sono tra i componenti più comuni nelle reti di trasmissione e la loro qualità e prestazione svolgono un ruolo fondamentale nel garantire un'approvvigionamento elettrico affidabile. Una parte fondamentale di ciò è il loro comportamento quando esposti a un arco elettrico. Una progettazione inadeguata rispetto al comportamento dell'arco di potenza può ridurre significativamente la durata del set di isolanti e aumentare la probabilità di interruzioni dell'alimentazione.
Esiste un'ampia varietà di opzioni di materiali isolanti e di ambienti in cui vengono utilizzati i set di isolanti. Pertanto, la progettazione dei set di isolanti varia notevolmente e potrebbe anche essere necessario adattarli ad applicazioni specifiche. Anche le più piccole differenze nella progettazione possono influenzare il comportamento dell’arco di potenza di una stringa. I test fisici rappresentano il modo più affidabile per valutare il comportamento dell'arco di potenza di una stringa e pertanto le società di servizi pubblici richiedono sempre più spesso che i set di isolatori siano sottoposti a test sull'arco di potenza prima di impegnarsi a installarli sulle proprie reti.
Negli ultimi anni, i laboratori KEMA di Praga hanno effettuato oltre 160 test sull'arco di potenza su set di isolatori di vario tipo. Questi test sono stati eseguiti secondo la norma IEC 61467:2008. Oltre a rivelare le modalità di guasto più comuni per diversi tipi di set di isolanti, questa panoramica fornita da Robert Jech evidenzia un potenziale problema relativo al modo in cui la norma IEC 61467:2008 è attualmente definita. Questo è un problema che potrebbe incidere sul valore che le utilità ricavano dai test odierni. Le informazioni ottenute da questo forniranno ai produttori di set di isolanti input utili su come progettare al meglio le stringhe per aumentare le possibilità di-successo dei test per la prima volta e quindi ridurre il tempo e il denaro spesi per le riprogettazioni. Potrebbe anche stimolare la discussione sulle specifiche dello standard per garantire che soddisfi equamente le esigenze dei produttori e dei servizi pubblici.
I test sull'arco di potenza dei set di isolatori presso KEMA vengono eseguiti secondo lo standard IEC 61467:2008. Questo standard si applica alle stringhe o ai set di isolatori costituiti da ceramica, vetro o materiali compositi che verranno montati su pali o torri metallici e utilizzati in linee aeree CA con una tensione nominale superiore a 1000 V.
La norma definisce metodi, parametri, circuiti ecc. per le prove dell'arco di potenza sia sui set di isolanti che sulle stringhe corte. All'interno dello standard sono consentite diverse modalità di prova e la scelta dipende dall'applicazione finale dei set di isolanti, in base alle esigenze del cliente. Il circuito e la serie di prova devono essere scelti in base a fattori quali la geometria e il tipo di isolante, la sua posizione sulla linea e il tipo di torre.
Disposizioni di prova
La posizione prevista di un apparecchio su una linea determina se deve essere testato con un circuito di alimentazione bilanciato o sbilanciato e, a seconda dei parametri della linea, la corrente di corto-circuito da utilizzare durante il test. Se il set di isolatori sarà posizionato nel primo o nell'ultimo 5% di una linea, dovrà essere testato con un circuito di alimentazione sbilanciato mentre i set da posizionare tra i punti del 5% e del 95% della linea richiedono un circuito di alimentazione bilanciato per il test. Allo stesso modo, i set per la sezione "centrale" (vale a dire dal 24% al 76% della lunghezza della linea) richiedono solo il 20% della corrente di cortocircuito-nominale della rete. I set da utilizzare in posizioni comprese tra il 5% e il 24% (o tra il 76% e il 95%) richiedono il 50% mentre i set nel primo o nell'ultimo 5% richiedono l'intera corrente di cortocircuito-della rete.
Nel frattempo, il tipo di torre di controllo sceglie un circuito di ritorno bilanciato o sbilanciato durante il test. I set da utilizzare nella finestra di fase centrale di una torre richiedono test con circuito di ritorno bilanciato (denominati serie di test X). Per le posizioni esterne sulla torre o dove non è presente una finestra di fase centrale, viene utilizzato un circuito di ritorno sbilanciato (denominato serie di test Y). Inoltre, il numero di test da eseguire dipende se il cliente intende utilizzare lo stesso tipo di set su tutta la linea (in tal caso viene eseguita la serie completa di test X o Y) o solo su parte della linea. La figura. 1 mostra una disposizione di prova atipica per un set di stringhe a V- con isolante composito. Questa disposizione di prova comprende circuiti di alimentazione e ritorno bilanciati. La disposizione illustrata simula una posizione di set di isolanti tra i punti del 5% e del 95% della linea nella finestra di fase centrale della torre.
A seconda del tipo di set di isolanti, la norma IEC 61467:2008 può anche richiedere che venga sottoposto a test di verifica oltre al test dell'arco di potenza, il principale dei quali è il test di carico di rottura meccanico (MFLT). Questa operazione viene eseguita sulle unità isolanti per garantire che possano resistere alle forze meccaniche dopo l'applicazione di un arco di potenza. Potrebbe anche essere necessario che i set di isolatori siano sottoposti a un test DPFF (dry power Frequency Flashover) per garantire che l'isolatore non subisca forature a tensioni inferiori alla tensione di flashover. È possibile eseguire ulteriori test elettrici sui raccordi e sui conduttori all'interno del set isolante per verificarne la capacità di resistenza.
Panoramica statistica dei test
Di seguito è riportata l'analisi dei risultati dei test eseguiti su 162 set di isolatori in un periodo di cinque-anni:
Tipi di set e componenti isolanti
I set di isolanti sono disponibili in diversi tipi di design e materiali isolanti, a seconda dell'applicazione prevista. I set di isolanti testati durante il periodo di cinque-anni comprendevano:
• 92 set di sospensioni
• 49 set di tensione
• 17 corde a "V".
• 4 isolatori a braccio incrociato-
In termini di materiale isolante utilizzato e progettazione dell'isolante, i set di isolanti testati includevano:
• 81 composito
• 34 bicchieri, tappo e spilla
• 12 bicchieri, cappuccio e spilla (corda corta)
• 27 porcellana, asta lunga
• 8 porcellane, cappuccio e spilla
Componenti critici
Le cifre sopra riportate danno un'indicazione della qualità dei set di isolanti oggi disponibili e della continua necessità di test prima dell'installazione. Tuttavia, forse più illuminante è la visione delle principali modalità di guasto degli isolatori. Questa intuizione evidenzia le aree a cui i produttori dovrebbero prestare particolare attenzione quando progettano nuovi set di isolanti.
Set di isolanti per aste-lunghe
Per i set di canne lunghe-sono stati identificati tre problemi potenziali particolari. Le parti metalliche dell'unità isolante possono essere soggette a fusione se non ben progettate. Inoltre, una progettazione inadeguata può portare alla rottura dei capannoni vicini a queste parti metalliche. Infine, l'arco può causare l'evaporazione del metallo dal raccordo protettivo dell'apparecchio, causando "pozzanghere".
Set di isolanti compositi
La gomma siliconica utilizzata negli isolanti compositi presenta un'elevata resistenza ai test sull'arco di potenza. Tuttavia, il punto critico per questi set è il punto in cui l'anima in fibra di vetro si collega ai raccordi terminali in metallo.
Set di isolatori per cappucci e perni (vetro o porcellana)
Gli isolanti con cappuccio e pin presentano un'elevata resistenza meccanica dopo i test sull'arco di potenza. Le principali preoccupazioni per questi set sono la possibilità di rottura delle protezioni e, nel caso dei set in vetro, il raffreddamento delle unità cap & pin
Raccordi di protezione: protezione del raccordo- del cuscinetto di carico e raccordi di direzione dell'arco
I test sull'arco di potenza sottopongono questi raccordi a sollecitazioni meccaniche e termiche molto maggiori rispetto ai test di cortocircuito-. Ciò deve essere tenuto in considerazione quando si progettano i dispositivi di protezione dei set isolanti di tutti i tipi.
Esiste anche il rischio che il materiale di questi raccordi si fonda sulle unità isolanti. È inoltre necessario prestare attenzione per garantire che i raccordi protettivi non si muovano durante la formazione dell'arco, il che potrebbe far sì che la radice dell'arco si appoggi sui raccordi-portanti.
Raccordi protettivi: anelli Corona, anelli di classificazione
Questi raccordi non sono progettati principalmente per le correnti d'arco ma influenzano la posizione della radice dell'arco e il modo in cui si muove. Come con altri raccordi protettivi, i fattori di rischio includono la fusione del materiale sulle unità isolanti e il movimento dei raccordi che provoca l'allontanamento della radice dell'arco dalla posizione prevista. Inoltre, le modifiche ai contorni di questi raccordi possono causare un eccessivo effetto corona e rumore radio.
Comportamento dell'arco di potenza durante i test
L'esecuzione dei test sopra esaminati offre l'opportunità di studiare da vicino il comportamento dei powerarc durante i test. Sono stati osservati due distinti comportamenti di base. Nel primo caso, l'arco di potenza corre tra i dispositivi di protezione progettati per definirne il percorso (vale a dire le corna dell'arco, gli anelli dell'arco ecc.). Questo è il comportamento previsto dell'arco di potenza e significa che la maggior parte dello stress derivante dall'arco viene esercitato sui raccordi protettivi e sui set di isolanti con un impatto solo limitato sul materiale isolante stesso. Fondamentalmente, questo tipo di comportamento ha un impatto minimo sulla torre e sui conduttori.
Tuttavia, un secondo comportamento può verificarsi quando l'arco viaggia lungo il conduttore di linea o la torre. In questo caso, l'impatto sul set di isolanti è molto minore con sollecitazioni molto inferiori sui raccordi di protezione e sulle unità isolanti. Tuttavia, l'impatto negativo sulla torre o sul conduttore che trasporta l'arco è molto maggiore.
Attualmente la norma IEC61467:2008 non specifica il comportamento dell'arco durante il test. Inoltre, in genere non è specificato nei documenti di gara per i progetti di installazione o aggiornamento della rete. Ciò potrebbe rappresentare un vero problema per i servizi pubblici e i produttori di set di isolanti. Se il design del set di isolatori fa sì che l'arco si comporti nel secondo dei due modi sopra descritti, è probabile che il set di isolatori superi il test dell'arco di potenza poiché l'arco non è vicino all'isolante e quindi non può danneggiarlo. Tuttavia, se un tale set viene utilizzato sul campo, eventuali archi che si verificano viaggerebbero lungo la torre o il conduttore di linea causando danni. Inoltre, i danni a questi componenti sarebbero più costosi da riparare e porterebbero a interruzioni più lunghe.
Riepilogo
Lo studio statistico dei risultati delle prove sull'arco di potenza ha permesso di identificare i punti critici di vari tipi di gruppi di isolanti. Ciò offre informazioni preziose ai produttori durante la progettazione di nuovi set di isolanti.
Inoltre, l'esperienza acquisita con questi test ha evidenziato un potenziale problema con lo standard IEC 61467:2008 così come viene specificato oggi. Dato che la norma non specifica il comportamento dell'arco durante il test, potrebbe consentire il superamento del test da parte di set di isolanti potenzialmente pericolosi. Ciò potrebbe dare ai servizi di pubblica utilità un falso senso di sicurezza nei set di isolanti che stanno acquistando. Per garantire che lo standard soddisfi le esigenze dei servizi pubblici, dei fornitori di materiali isolanti e dei produttori di raccordi isolanti, è necessario affrontare questo problema. Per fare ciò, il comportamento dell'arco durante i test dovrebbe essere specificato tramite un aggiornamento alla norma IEC61467:2008 o regolarmente nei documenti di gara delle società di servizi. Quest'ultimo corso richiederebbe a tutte le utility di diventare più consapevoli di questo problema.
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