Tot i que inicialment es van utilitzar principalment en àrees de servei contaminades, els aïllants compostos han vist créixer una aplicació creixent també en entorns relativament nets a causa de la seva facilitat de maneig comparativa i els seus atractius costos d'adquisició. Més recentment, l’actualització de la tensió i el disseny compacte de les noves línies de corrent altern s’han convertit en zones de nínxol addicionals on s’apliquen aïllants compostos en entorns nets.
En el cas d’aquestes darreres aplicacions, els dispositius d’aïllants sovint es dissenyen relativament curts per adaptar-se a la finestra d’espai reduït de les torres. Per tant, limitar el camp E màxim és encara més crític. Una altra àrea d’aplicació creixent són els aïllants de postes d’estació compostos, especialment els que tenen un nucli sòlid, ja que no es diferencien molt pel que fa al disseny de brides dels aïllants de línia composta.
Cal tenir en compte tres criteris per garantir un dimensionament òptim dels aïllants compostos equipats amb anells de classificació:
1. Limitació del camp elèctric a l'amplificador&de l'anell de classificació; muntatge final;
2. Limitació del camp elèctric al llarg de la superfície de la carcassa de l'aïllant;
3. Limitació del camp elèctric en un "punt triple" (on l'amplificador&d'aire; la carcassa coincideix amb la fixació metàl·lica).
Els tres normalment es verificen mitjançant càlculs de camp E, el primer mitjançant la prova RIV estàndard descrita a la IEC 60437 2ndEdition (1997-09). El tercer criteri no es pot verificar mitjançant una prova, mentre que el segon encara no es pot verificar per cap prova. Ara bé, les empreses subministradores d’energia estan cada vegada més interessades a fer aquesta verificació.
Establiment de criteris per al camp electrònic màxim
Encara hi ha publicades relativament poques dades sobre el camp E màxim permès en el cas dels aïllants compostos. Segons el fulletó CIGRE 284, el camp E màxim a la superfície d’un aïllant compost (és a dir, a la punta del primer cobert des de l’encaix final) s’estima entre 0,6 i 1,0 kV / mm. Però aquest rang probablement sigui massa optimista. Per exemple, investigacions anteriors realitzades per EPRI van indicar que és preferible un límit màxim de camp E de 0,45 kV / mm, mentre que les investigacions anteriors a STRI van proposar 0,4 kV / mm. Altres han estimat que el nivell crític del camp E és de només 0,38 kV / mm.
Per obtenir un camp E màxim al muntatge metàl·lic, el fulletó CIGRE recomanava un límit de 2,2 kV / mm. Segons un document anterior d'EPRI, el valor indicat per al camp E superficial en accessoris metàl·lics i anells de classificació hauria de ser de 2,1 kV / mm i aquest valor sovint s'utilitza com a referència per a propòsits de disseny. D'acord amb les discussions internes CIGRE passades, però, algunes utilitats especifiquen valors de fins a 1,6 kV / mm, probablement per tenir en compte possibles defectes de fabricació, superfícies que s'han deteriorat lleugerament a causa de la manipulació incorrecta o l'envelliment dels anells de classificació en servei. En un document anterior, STRI havia recomanat 1,8 kV / mm.
Dades recents de l'amplificador STRI GG; EPRI
Investigacions més recents van resumir el treball realitzat per determinar un límit pràctic per al camp E permès en superfícies aïllants amb finalitats de disseny. El treball inicial de l'EPRI per determinar els nivells de llindar del camp E per a la corona induïda per l'aigua (publicat per primera vegada el 1999) es va ampliar basant-se en proves petites i a gran escala per perfeccionar aquests llindars. Per exemple, els resultats tant de proves d’envelliment natural (en STRI) com de proves d’envelliment artificial (per EPRI) van mostrar una clara tendència a la reducció de la hidrofobicitat en les seccions de la funda on el camp E supera aproximadament 0,3 a 0,4 kV / mm (vegeu la figura 1). La posada a punt del llindar s’ha basat en proves de laboratori a petita escala i en escala completa, així com en dades de l’experiència del servei. Això va conduir al següent criteri final, il·lustrat a la figura 2: no s'ha de permetre que el camp E mitjà de la capa de l'aïllador superi els 0,42 kV / mm durant més de 10 mm al llarg de la superfície. Aquest enfocament de mitjana es va introduir per evitar problemes de geometria petits però significatius, que no reflecteixen adequadament el rendiment de l'aïllador (és a dir, hi haurà un fort augment del camp E en aquests punts). Pel que fa al segell d’ajust final (és a dir, el punt triple), no s’ha de permetre que el camp E superi els 0,35 kV / mm. Els càlculs s’han de modelar mitjançant simulacions de camp E 3-D i també es poden considerar proves de laboratori.
Finalment, es van utilitzar els següents criteris per a moltes aplicacions pràctiques:
• Límit del camp E en l'amplificador&de l'anell de classificació; muntatge final: 1,8 kV / mm
• Límit del camp E mitjà al llarg de la superfície de l'habitatge: 0,42 kV / mm
• Límit de camp E en triple punt: 0,35 kV / mm
Explicació de l'enfocament
Programa&lificador; Modelatge
Tots els càlculs de STRI es van realitzar mitjançant el programa Comsol Multiphysics. Un exemple pràctic d’aquest càlcul per a les condicions reals del servei va ser el següent:
El model de braç creuat aïllant es va instal·lar a la fase central en un costat d'una torre (com a la figura 6). Les fases es van organitzar per simular el pitjor dels casos des del punt de vista del camp elèctric, és a dir, la fase central està exposada al camp E més alt a causa de la proximitat de les dues fases adjacents al mateix costat de la torre. Segons el requisit del client, la tensió es va establir a Um=420 kV. Per tant, el potencial elèctric aplicat a la fase central era de 420 / √3 kV. La tensió a les dues fases per sobre i per sota de la fase central era de 420 / √3 kV amb un desplaçament de fase de 120 °. Normalment, només es modelen de 10 a 12 parells de coberts, basant-se en experiències anteriors amb càlculs similars, que van demostrar que només aquells coberts més propers als accessoris estan exposats al camp elèctric més alt. Fer aquesta suposició va permetre reduir el temps de modelatge.
Els dos materials principals que es van tenir en compte per a aquest càlcul van ser l'aire i la goma de silicona. La constant dielèctrica (permitivitat relativa) utilitzada per a la vareta de fibra de vidre és la mateixa que per a la silicona, és a dir, 3,0, però com que la permitivitat relativa real és menor per a la silicona, el càlcul és lleugerament conservador. La raó més important per simplificar els càlculs d’aquesta manera és facilitar l’engranatge i permetre que els càlculs s’executin més ràpidament. La figura 3 mostra resultats típics.
