Моделювання електричного поля прохідного полімерного ізолятора в програмному середовищі Ansys Maxwell
PDF

Ключові слова

напруженість
імітаційне моделювання
програмне забезпечення
похибка
точність розрахунків
метод скінченних елементів

Як цитувати

Шевченко, С. Ю., Д. О. Данильченко, А. Е. Потривай, С. І. Дривецький, і В. М. Цюпа. «Моделювання електричного поля прохідного полімерного ізолятора в програмному середовищі Ansys Maxwell». Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність, вип. 1 (4), Липень 2022, с. 73-79, doi:10.20998/2224-0349.2022.01.05.

Анотація

У статті проаналізовано програмні засоби моделювання карт розподілу напруженості електричного поля ізоляторів. Необхідність вирішення даного питання диктується тим, що нерівномірність електричного поля на ізоляторах спричиняє підвищення вірогідності виникнення часткових розрядів, які руйнують ізоляційний шар, тому дуже важливим є питання оптимізації напруженості електричного поля на ізоляторі. Розглянуто конструктивні особливості прохідних ізоляторів та особливості виникнення часткових розрядів в них. Розглянуто розподіл напруженості електричного поля в полімерному прохідному, що працює в мережі змінного струму без забруднень. Наведено результати моделювання електричного поля ізоляторів в програмному середовищі Ansys Maxwell, в основі моделювання якого лежить метод скінченних елементів. Виявлено точки в конструкції прохідного полімерного ізолятору 35 кВ, де концентрується найбільший рівень напруженості електричного поля. Запропоновано спосіб впливу на досліджувану при моделюванні ділянку в області з’єднання фланцю з заземлюючою плитою. Таким чином визначено використання провідної обкладки, яка розміщена між фланцем та місцем приєднання до полімерного ізолюючого шару, що дозволяє значно покращити загальний розподіл напруженості електричного поля по поверхні прохідного полімерного ізолятора та зробити його конкурентним у порівнянні з найбільш часто використовуваними на даній напрузі фарфоровими прохідними ізоляторами, за рахунок підвищення електричної міцності конструкції. За результатами дослідження запропоновано засіб оптимізації електричного поля прохідного полімерного ізолятора, що дозволяє підвищити його електричну стійкість, а також зменшити напруженість електричного поля в районі стикування фланцю з поверхнею кріплення, що, в свою чергу, запобігає виникненню передчасних часткових розрядів в ізоляційному тілі.

https://doi.org/10.20998/2224-0349.2022.01.05
PDF

Посилання

Ukraine, National Commission for State Regulation of Energy and Public Utilities. (2018, Mar. 14). Decree of the National Commission for State Regulation of Energy and Public Utilities no. 309, Pro zatverdzhennia Kodeksu systemy peredachi [On Approval of the Transmission System Code]. Accessed: Feb. 3, 2022. [Online]. Available: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/v0309874-18#Text (in Ukrainian)

A. Al-Gheilani, W. Rowe, Y. Li, and K. L. Wong, “Stress control methods on a high voltage insulator: A review,” Energy Procedia, vol. 110, pp. 95–100, Mar. 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.112.

P. T. Tsarabaris, C. G. Karagiannopoulos, and N. J. Theodorou, “A model for high voltage polluted insulators suffering arcs and partial discharges,” Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 13, no. 2, pp. 157–167, Feb. 2005, doi: https://doi.org/10.1016/j.simpat.2004.11.002.

K. Takabayashi, R. Nakane, H. Okubo, and K. Kato, “High voltage DC partial discharge and flashover characteristics with surface charging on solid insulators in air,” IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 34, no. 5, pp. 18–26, Sep. 2018, doi: https://doi.org/10.1109/mei.2018.8445431.

J. Guo, “Online diagnosis of power systems insulation condition in wind farms,” in 2017 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Baltimore, MD, USA, Jun. 11–14, 2017, pp. 433–436, doi: https://doi.org/10.1109/eic.2017.8004658.

J. Lopez-Roldan, T. Tang, and M. Gaskin, “Design and testing of UHF sensors for partial discharge detection in transformers,” in 2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Beijing, China, Apr. 21–24, 2008, pp. 1052–1055. doi: https://doi.org/10.1109/cmd.2008.4580463.

F. Álvarez, F. Garnacho, J. Ortego, and M. Sánchez-Urán, “Application of HFCT and UHF sensors in on-line partial discharge measurements for insulation diagnosis of high voltage equipment,” Sensors, vol. 15, no. 4, pp. 7360–7387, Mar. 2015, doi: https://doi.org/10.3390/s150407360.

P. D. Bastidas and S. M. Rowland, “Interfacial aging in composite insulators as a result of partial discharge activity,” in 2017 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Baltimore, MD, USA, Jun. 11–14, 2017, pp. 13–16, doi: https://doi.org/10.1109/eic.2017.8004690.

M. H. Nazemi and V. Hinrichsen, “Partial discharge investigation and electric field analysis of different oscillation modes of water droplets on the surface of polymeric insulator under tangential AC electric field stress,” in 2013 IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD), Bologna, Italy, Jun. 30–Jul. 4, 2013, pp. 194–197, doi: https://doi.org/10.1109/icsd.2013.6619788.

Q. Hu et al., “Effects of icing degree on ice growth characteristics and flashover performance of 220 kV composite insulators,” Cold Regions Science and Technology, vol. 128, pp. 47–56, Aug. 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.04.010.

J. Mahmoodi, M. Mirzaie, and A. A. Shayegani-Akmal, “Surface charge distribution analysis of polymeric insulator under AC and DC voltage based on numerical and experimental tests,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 105, pp. 283–296, Feb. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2018.08.006.

H. Dadashi Ilkhechi, M. H. Samimi, and R. Yousefvand, “Generation of acoustic phase-resolved partial discharge patterns by utilizing UHF signals,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 113, pp. 906–915, Dec. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.06.018.

M. Ren, B. Song, T. Zhuang, and S. Yang, “Optical partial discharge diagnostic in SF6 gas insulated system via multi-spectral detection,” ISA Transactions, vol. 75, pp. 247–257, Apr. 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.isatra.2018.02.008.

R. Lee, H. Rhinehart, J. E. Thompson, and T. S. Sudarshan, “Predischarge current measurements and optical surface field measurements associated with insulator surface flashover,” in Gaseous Dielectrics III. Elsevier, 2013, pp. 349–355. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-029381-3.50049-6.

W. Plueksawan, P. Apiratikul, P. Boonchiam, and B. Plangkang, “Partial discharge pattern analysis in cylindrical insulators model of transformer,” in 2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Beijing, China, Apr. 21–24, 2008, pp. 978–982, doi: https://doi.org/10.1109/cmd.2008.4580446.

E. D. Kim, “Ocenka termouprugih napyageniy v farforovom prohodnom izolyatore [Evaluation of thermo elastic stresses in a porcelain bushing],” Energetika I Elektrifikaciya [Energetics and Electrification], no. 2, pp. 45–48, 2012. (in Russian)

J. E. Gordon, Structures, Or, Why Things Don't Fall Down, 2nd ed. New York: Da Capo Press, 2003.

V. Y. Ushakov, Izolyatsiya Ustanovok Vysokogo Napryazheniya [Insulation of High Voltage Installations]. Moscow: Energoatomizdat, 1994. (in Russian)

Y. N. Vershinin, Elektronno-Teplovyye I Dotatsionnyye Protsessy Pri Elektricheskom Proboye Tverdykh Dielektrikov [Electron-Thermal and Subsaturation Processes in the Electrical Breakdown of Solid Dielectrics]. Yekaterinburg: IEP RAS, 2000. (in Russian)

K. Wu, Y. Suzuoki, and L. A. Dissado, “The contribution of discharge area variation to partial discharge patterns in disc-voids,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 37, no. 13, pp. 1815–1823, Jun. 2004, doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/13/013.

A. L. Kupershtokh, S. P. Stamatelatos, and D. P. Agoris, “Modelirovaniye chastichnykh razryadov v tverdykh dielektrikakh pri peremennom napryazhenii [Modelling of partial discharges in solid dielectrics under alternating voltage],” Technical Physics Letters, vol. 32, no. 15, pp. 74–80, 2006. (in Russian)

A. I. Slutsker, Y. I. Polikarpov, and V. L. Galyarov, “Ob elementarnykh aktakh v kinetike elektricheskogo razrusheniya polimerov [About elementary acts in the kinetics of electrical fracture of polymers],” Technical Physics, vol. 76, no. 12, pp. 52–56, 2006.

G. Paoletti and A. Golubev, “Partial discharge theory and applications to electrical systems,” in Conference Record of 1999 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference, Seattle, WA, USA, USA, Jun. 21–25, 1999, pp. 124–138, doi: https://doi.org/10.1109/papcon.1999.779355.

A. S. Gayvoronskiy, |”Opornyye polimernyye izolyatory: Opyt razrabotki, ekspluatatsii i diagnostirovaniya [Supporting polymer insulators: Experience in development, operation and diagnostics],” in ХХХIII “Nauchno-prakticheskiy seminar po diagnostike” [XXXIII “Workshop on Diagnostics”], Kazan, Russian Federation. 2009. (in Russian)

P. M. Svi, Metody I Sredstva Diagnostiki Oborudovaniya Vysokogo Napryazheniya [Techniques and Tools for Diagnosing High Voltage Equipment]. Moscow: Energoatomizdat, 1992. (in Russian)

S. M. Kutsenko, N. N. Klimov, and V. I. Muratov, “Kharakteristiki chastichnykh razryadov v izolyatorakh iz farfora i polikarbonata [Partial discharge characteristics in porcelain and polycarbonate insulators],” in 7-oy Yezhegodnyy seminar “Metody i sredstva kontrolya izolyatsii vysokovol'tnogo oborudovaniya” [7th Annual Workshop “Insulation Techniques and Tools for High Voltage Equipment”], Perm, Russian Federation, Mar. 2–3, 2010. (in Russian)

A. V. Golenishchev-Kutuzov, V. A. Golenishchev-Kutuzov, D. F. Gubaev, A. Y. Chernomashentsev, and L. I. Evdokimov, “Chastichnye razriady v polimernykh izoliatorakh [Partial discharges in polymer insulators],” Power Engineering: Research, Equipment, Technology, no. 7-8, pp. 76–83, 2010. (in Russian)

D. A. Polyakov, N. A. Tereshchenko, and K. I. Nikitin, “Research of partial discharge characteristics features in bushings,” Omsk Scientific Bulletin, no. 180, pp. 26–32, 2021, doi: https://doi.org/10.25206/1813-8225-2021-180-26-32. (in Russian)

V. A. Golenishchev-Kutuzov, A. Y. Chernomashentsev, and A. V. Golenishchev-Kutuzov, “Izuchenie protsessov razrusheniia vysokovoltnykh polimernykh izoliatorov metodom chastichnykh razriadov [Study of fracture processes in high-voltage polymer insulators using the partial discharge method],” Power Engineering: Research, Equipment, Technology, no. 11–12, pp. 89–95, 2008. (in Russian)

M. V. Avvakumov, A. V. Golenishchev-Kutuzov, and A. A. Zakharov, “Tsifrovoy metod registratsii fazovykh raspredeleniy chastichnykh razryadov izolyatorov [Digital method for recording phase distributions of insulator partial discharges],” Power Engineering: Research, Equipment, Technology, no. 11–12, pp. 56–64, 2002. (in Russian)

V. V. Godulyan, A. R. Koryavin, V. Z. Trifonov, O. V. Volkova, and V. A. Knyazev, “The electric strength of high-voltage polymeric line insulation exposed to pollution,” Elektrichestvo [Electrical Technology], no. 9, pp. 49–52, 2006. (in Russian)

Y. I. Ostapenko, “The physical processes accompanying the flashover of contasnimated insulation,” Elektrichestvo [Electrical Technology], no. 9, pp. 40–49, 2006. (in Russian)

S. M. Korobeynikov and M. V. Vecherkin, “Fizika vozniknoveniya, kharakteristiki i klassifikatsiya chastichnykh razryadov v vysokovol'tnom oborudovanii [Physics of occurrence, characteristics and classification of partial discharges in high voltage equipment],” Elektrotekhnicheskie Sistemy I Kompleksy [Electrical Systems and Complexes], no. 18, p. 204, 2010. (in Russian)

M. V. Kostenko, Tekhnika Vysokikh Napryazheniy [The High Voltage Technique]. Moscow: Vysshaya shkola, 1973. (in Russian)

A. L. Jur'ev, D. P. Nikolaev, and S. L. Ehl'jash, “Method of electrodes shapes selection for high voltage charge neutralisers,” Russian Federation Patent 2453956, Jun. 20, 2012. (in Russian)

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Авторське право (c) 2022 Дмитро Олексійович Данильченко, Сергій Юрійович Шевченко, Андрій Едуардович Потривай, Станіслав Ігорович Дривецький, Владислав Миколайович Цюпа