Seizmična učinkovitost porcelanskih izolatorjev na transformatorskih postajah Porcelanski izolatorji so že več kot stoletje sestavni del energetskih sistemov predvsem zaradi svoje togosti, ki zagotavlja poravnavo komponent v opremi transformatorskih postaj. Poleg tega je v zadnjih letih prišlo do velikega napredka pri razumevanju seizmičnih dogodkov, ki vplivajo na takšne izolatorje na podpostajah. Resonančne frekvence teh dogodkov lahko povzročijo ogromne dinamične sile in zaradi svoje teže in krhke narave je porcelan bolj dovzeten za destruktivne harmonične frekvence. Toda z dobro prakso načrtovanja, naprednimi materiali in sodobnimi proizvodnimi metodami se lahko porcelanasti izolatorji še vedno izkažejo kot zanesljiva oblika izolacije v okoljih, ki delujejo proti potresu. Lastnosti materiala igrajo pomembno vlogo pri načrtovanju opreme pod takšnimi dinamičnimi silami in medtem ko sta jeklo in aluminij duktilna in nudita predvidljivo trdnost, porcelan ni-duktilen in se lahko močno razlikuje po trdnosti. Potresno učinkovitost porcelanskih izolatorjev je torej mogoče izboljšati z maksimiranjem trdnosti in zmanjšanjem teže. Prav tako je danes bolje razumeti, da je izolator le ena komponenta v kompleksnem nizu, ki sestavlja katero koli napravo v transformatorski postaji. Zato je treba oceniti celotno napravo. Na primer, izolatorji so pogosto nameščeni na betonske ali jeklene konstrukcije in podpirajo dejansko opremo, medtem ko so puše običajno na vrhu opreme. Odziv opreme in njenih pod-komponent na vhodne frekvence bo torej odvisen od teh in drugih dejavnikov. Ko se naravna frekvenca dela opreme tesno ujema z vhodno frekvenco, pride do resonance, ki okrepi posledično dinamično gibanje in odziv pospeška. Zahtevani odzivni spekter (RRS) simulira amplitude, frekvence in energijo v tipičnih seizmičnih dogodkih. Oprema z lastnimi frekvencami od 1,1 do 8 Hz je najbolj natančno zajeta v RRS.
Običajne vrste visokonapetostne opreme imajo več značilnosti, zaradi katerih so bolj odzivne na potresne vhode. Ker so visoki in težki, kažejo nižje ravni naravne frekvence, ki jih običajno najdemo pri seizmičnih dogodkih. Ko dva elementa vibrirata na isti naravni frekvenci, je opazno povečano gibanje in povzroča velike konzolne obremenitve. Razumevanje sil, ki jim je izpostavljen izolator, v primerjavi z močmi in slabostmi njegovega keramičnega materiala je pomemben prvi korak. Mehanske vrednosti izolatorja vključujejo: a. Konzolni/upogibni momenti; b. torzija; c. napetost; in d. Stiskanje. Konzolne obremenitve določajo premer jedra in s tem težo.
kjer je: D – premer jedra; F – zahtevana trdnost (min. prelomna obremenitev); l – dolžina; specifična trdnost porcelana. Keramični materiali imajo visoke stopnje stiskanja in nizke stopnje napetosti. Upogibni momenti povzročijo stiskalno in natezno napetost, natezna napetost pa se poveča z vzvodnim delovanjem višine izolatorja (kot na sliki . 1).
figa. 1.
Upogibni momenti se povečajo z večjo silo in/ali višjimi izolatorji (kot na sliki . 2). V primeru dinamičnega gibanja temelji sila na: 1. masi izolatorja in masi, nameščeni nad izolatorjem; in 2. pospešek zaradi potresnega dogodka.
figa. 2.
Poskus spreminjanja zasnove, da bi zagotovili, da naravna frekvenca dela opreme ostane zunaj frekvence seizmičnega dogodka, pogosto ni mogoč. Ker je teža ključni dejavnik pri izračunu sile/energije, ki gre v opremo med seizmičnim dogodkom, je izziv optimizirati zasnovo in povečati razmerje med trdnostjo in težo.
Zmanjšanje telesne teže
Obstajajo načini za zmanjšanje teže porcelanskega izolatorja določene trdnosti. Najprej bi morali biti izolatorji posebej zasnovani za potrebe. Poleg tega maksimiranje dolžin odsekov pomaga zmanjšati težo izolatorjev z več-skladi. Proizvajalci imajo tudi izbiro materialov, ki nudijo večjo trdnost, vzdrževanje strogih standardov zagotavljanja kakovosti pa lahko dodatno poveča splošno trdnost.
Optimiziranje oblikovanja
Zasnova izolatorja mora upoštevati njegovo uporabo v potresnih pogojih. Izolatorji, ki se uporabljajo na podpostajah, pogosto temeljijo na standardnih zasnovah, ki so namenjene izvajanju v različnih aplikacijah. Primer je izolator z enakomernimi cilindričnimi jedri, ki ga je mogoče namestiti pokončno, vendar je znatno težji, ko je pod obešenim. Medtem ko se stožčasti izolatorji vedno pogosteje uporabljajo v visokonapetostnih aplikacijah, je določitev optimalne konusnosti pomembna. Ko je kateri koli kos opreme predviden za uporabo v seizmičnih razmerah, je treba celotno sestavljeno in nameščeno strukturo oceniti z uporabo ustrezne programske opreme. Analiza končnih elementov (FEA) bo na primer identificirala območja z visoko napetostjo v kateri koli konfiguraciji. Ugotovljena bodo tudi območja nizkega stresa. Oblikovalec/svetovalec opreme mora tesno sodelovati tudi s proizvajalcem izolatorja, da zagotovi, da imajo vsa območja enako varnostno rezervo. Pravzaprav lahko traja več iteracij, da se v celoti identificirajo vsa optimalna povečanja in zmanjšanja trdnosti na določenih lokacijah vzdolž izolatorja. Kadarkoli so identificirana in odpravljena področja z nižjo obremenitvijo, se lahko teža v tem območju zmanjša, zmanjšanje teže v zgornjih delih pa lahko zmanjša potrebno moč v spodnjih delih. Rezultat tega procesa je manjša masa, manj gibanja, ki ga povzroča masa, in manjši splošni stres. Stroški testiranja stresalne mize so zelo dragi za opremo velikih podpostaj. S temeljito oceno pristojnega strokovnjaka za potrese lahko nadzorujete takšne stroške, tako da se izognete potrebi po ponovnem testiranju. Bistveno pomembna je tudi lokacija izolatorja v katerem koli kosu opreme. V mnogih primerih izolatorji podpirajo težke dele opreme. Če je oprema bolj kompaktna v smislu mase blizu vrha, je upogibna obremenitev zelo majhna
figa. 3.
Če ima oprema visoko težišče z maso, ki je nameščena precej nad izolatorjem, bo zgornji del izpostavljen veliko večji upogibni obremenitvi in potrebna bo robustnejša zasnova tega zgornjega dela. Kot je na primer prikazano na sliki . 4, je zgornji del izolatorja izpostavljen 50 % največje upogibne obremenitve.
figa. 4.
Masa na vrhu izolatorja ima največji upogibni učinek. Na primer, v primeru zračnega prekinitvenega stikala v odprtem položaju s popolnoma iztegnjenim stebrom so na vrhu izolatorja visoki upogibni momenti (glej sliko . 5).
Slika. 5: 500 kV stikalo, steber odprt.
Tipično 500 kV stikalo za zračni izklop je nameščeno 4,6 m navzgor na konstrukciji in v odprtem položaju je lahko stikalo 9,75, kar pomeni skupno razdaljo 14,35 m od nivoja tal do vrha droga. Optimiziranje potrebne trdnosti na vrhu izolatorja lahko dokaže kritično območje zmanjšanja materiala, saj je zmanjšanje teže tam, kjer je masa najbolj oddaljena od upogibnega momenta.
ShedWeight
Profil lope je sredstvo za povečanje plazilne poti, vendar lope prispevajo k teži izolatorja. V preteklosti so bile lope običajno velike do 19 mm v jedru, ki so se na konici zožile do 12 mm. Z izboljšano znanostjo o materialih je mogoče velikost lope zmanjšati, kar ima za posledico 20-odstotno zmanjšanje teže lope.
Zmanjšani odseki
Izolatorji so sestavljeni iz enega ali več delov, pritrjenih skupaj. Izolatorji so običajno izdelani iz enega kosa do 750 kV BIL. Visokonapetostni izolatorji so lahko sestavljeni iz več delov, odvisno od nivoja napetosti. Koncentracije napetosti se nahajajo na spojih, kjer so litoželezni fitingi pritrjeni na porcelan. Premer porcelana pri vgradnji se poveča zaradi koncentriranih ravni napetosti. Zmanjšanje števila odsekov bo zmanjšalo lokacije z visoko obremenitvijo in težo dodatnega pribora (glejte sliko . 6).
figa. 6.
Material
Porcelanski izolatorji so tehnična keramika, ki vsebuje mešanico kaolina, aluminijevega oksida, glinenca in kremena (kremena). IEC 60672-3 se nanaša na tri glavne vrste: C-110, C-120 in C-130. C-110 je znan kot kremenčev porcelan, medtem ko sta C-120 in C-130 porcelana iz aluminijevega oksida. C-120 vsebuje 20-30 % aluminijevega oksida, C-130 pa običajno vsebuje več kot 30 % aluminijevega oksida. Povečana moč pomeni najvišje razmerje med močjo in težo. Vrednosti trdnosti, prikazane v tabeli 1, so minimalne in jih je mogoče močno preseči. Izolatorji, izdelani iz gline C-130 z vsebnostmi, višjimi od minimalnih, lahko ponudijo do 40 % zmanjšanje teže.
Tabela 1: IEC 60672-3 1984
Proizvodni proces
Proizvodnja glinenih materialov ima sam po sebi širok razpon končnih trdnosti materiala. Takšna variacija se lahko pojavi znotraj serije ali med serijami. Doseganje stalne telesne moči je težko, še posebej, če procesi niso strogo nadzorovani. Dejansko je bilo dokazano, da ima lahko trdnost keramičnih materialov več kot 35-odstotno standardno odstopanje. Večje kot je odstopanje, težja je konstrukcija izolatorja, ki je potrebna za zagotovitev izpolnjevanja določene mehanske obremenitve (SML). Zmanjšanje standardnega odklona neposredno zmanjša težo katerega koli konstrukcijskega parametra proizvajalca. Na primer, zasnova izolatorja z SML 10 kN in std. dev. 3,5 kN pomeni, da mora biti konstrukcija takšna, da je povprečje 17 kN. Po drugi strani pa, če std. dev. je samo 1 kN, načrtovanje lahko temelji na povprečju 12 kN. To lahko povzroči približno 40-odstotno zmanjšanje teže izolatorja (glej sliki 7 in 8).
Slika . 7: Veliko standardno odstopanje.
Slika. 8: majhen standardni odklon.
Da bi bolje razumeli možne vzroke za spremembe v trdnosti telesa, je potrebno vedeti več o tem, kako se izdelujejo porcelanski izolatorji. Številni so izdelani po mokri ali plastični metodi, pri čemer se glineni recepti izmerijo in zmešajo z vodo, da se ustvari osnovni material, imenovan slip. Kroglični mlin zmelje zdrs, da zagotovi ustrezno velikost delcev in vsebuje približno 50 % vode. Slip nato filtriramo, da odstranimo naravne onesnaževalce, ki jih najdemo v glinah, organskih ali železovih. Listek se nato stisne v filtrske pogače pri približno 22 % vlage, ki se sesekljajo in ekstrudirajo v bloke. Nazadnje se iztisnejo cilindrični surovci ali mopsi. V obdobju 5 do 6 tednov se surovec obrne in posuši na manj kot 1 % vsebnosti vlage. Za ohranitev dosledne moči telesa je treba dosledno upravljati tudi vse te korake, ki vodijo do končnega izdelka. Velikost delcev, kemična sestava, vsebnost vode v filtrskih pogačah, trdota slepih vzorcev in tehnike sušenja bodo določali predvidljivost trdnosti telesa. Več stopenj sušenja mokre gline – od stiskanja filtrskih pogač do uporabe sušilnikov, ki pripravijo stružene izolatorje za žganje – so ključni proizvodni koraki za porcelanske izolatorje, pri čemer je morda najbolj kritičen pri sušenju prevzem mokro stružene oblike z 18 % vsebnosti vlage na manj kot 1 %. To je zato, ker se morajo tanke lope in debelo jedro sušiti z enako hitrostjo, čeprav je veliko bolj verjetno, da relativno tanke lope oddajajo vodo. Za počasno sušenje izolatorja je lahko potrebnih do 6 tednov in številni proizvajalci imajo ustrezen nadzor, ki to zagotavlja. Potrebni so še vedno usposobljeni zaposleni in stalna pozornost do podrobnosti.
Struženje (desna slika) in sušenje porcelanskih izolatorjev izdelanih po plastičnem/mokrem postopku.
Razvita je bila alternativna proizvodna metoda za porcelanaste izolatorje, ki odpravlja številne korake v zgoraj obravnavanem procesu sušenja. Pomembna ponujena prednost je veliko bolj dosleden proces, ki pomaga zmanjšati tveganje morebitnih sprememb v trdnosti materiala. Ta metoda, imenovana izostatična, se začne s sušenjem lističa v fin prah, ki se nato pod veliko silo stisne v suh valj. Inherentna prednost je možnost izdelave suhih cilindričnih surovcev v relativno kratkem času. Pravzaprav imajo izolatorji, proizvedeni z izostatično metodo, proizvodni čas krajši od dveh tednov v primerjavi s 6 ali več tedni, potrebnimi za mokro/plastično proizvodnjo. Poleg tega se struženje izvaja na suho. To odpravlja krčenje iz mokro struženih profilov v posušeno stanje/pripravljeno za žganje in povzroči strožje tolerance. Suho stiskani surovci nimajo posebne orientacije zrn, kot jo najdemo pri mokro ekstrudiranih surovcih. Ker se mokro telo iztisne skozi grlo ekstruderja, je lahko tok gline vzdolž sten veliko počasnejši zaradi trenja med glino in steno ekstruderja. V notranjosti surovca bo prišlo do striga, ki bo povzročil notranjo napetost, kar lahko povzroči okvare v peči in zmanjša mehansko trdnost. Odvisno od tega, od kod prihaja izolator, se lahko ta strižna območja končajo blizu površine. Ena od pomembnih lastnosti je izboklina, ki nastane, ko se porcelanski izolator suši.
Sklepi
Izboljšanje delovanja porcelanskih izolatorjev v pogojih seizmične uporabe je mogoče predvsem z metodami zmanjšanja teže. Optimizacija zasnove, ki temelji na specifični dejanski uporabi z uporabo materialov visoke trdnosti, kot tudi vzdrževanje doslednega proizvodnega procesa bosta zagotovila najboljšo možno učinkovitost.