Seizmička izvedba porculanskih izolatora u trafostanicama Porculanski izolatori sastavni su dio elektroenergetskih sustava više od jednog stoljeća zahvaljujući velikoj mjeri njihovoj krutosti, koja osigurava poravnanje komponenti u opremi trafostanica. Štoviše, posljednjih godina došlo je do velikog napretka u razumijevanju seizmičkih događaja koji utječu na takve izolatore u trafostanicama. Rezonantne frekvencije tih događaja mogu uzrokovati goleme dinamičke sile, a zbog svoje težine i krhkosti porculan je osjetljiviji na destruktivne harmonijske frekvencije. Ali s dobrom praksom projektiranja, naprednim materijalima i modernim metodama proizvodnje, porculanski izolatori i dalje se mogu pokazati kao pouzdan oblik izolacije u seizmičkim okruženjima. Karakteristike materijala igraju glavnu ulogu u dizajnu opreme pod takvim dinamičkim silama i, dok su čelik i aluminij rastezljivi i nude predvidljivu čvrstoću, porculan nije-duktilan i može jako varirati u čvrstoći. Seizmička izvedba porculanskih izolatora stoga se može poboljšati povećanjem čvrstoće i smanjenjem težine. Danas se također bolje razumije da je izolator samo jedna komponenta u složenom nizu koji čini bilo koji uređaj koji se nalazi u trafostanici. Stoga je potrebno procijeniti cijeli uređaj. Na primjer, izolatori se često postavljaju na betonske ili čelične konstrukcije i podupiru stvarnu opremu, dok se čahure obično nalaze na vrhu opreme. Odaziv opreme i njezinih pod-komponenti na ulazne frekvencije stoga će ovisiti o ovim i drugim čimbenicima. Kada se prirodna frekvencija dijela opreme blisko podudara s ulaznom frekvencijom, dolazi do rezonancije čime se pojačava rezultirajući odziv dinamičkog gibanja i ubrzanja. Potrebni spektar odziva (RRS) simulira amplitude, frekvencije i energiju u tipičnim seizmičkim događajima. Oprema koja ima prirodne frekvencije od 1,1 do 8 Hz najpobliže je obuhvaćena RRS-om.
Tipične vrste visokonaponske opreme imaju nekoliko karakteristika koje ih čine osjetljivijima na seizmičke ulaze. Budući da su visoki i teški, pokazuju niže razine prirodne frekvencije koja se inače nalazi u seizmičkim događajima. Kada dva predmeta vibriraju na istoj prirodnoj frekvenciji, vidljivo je pojačano gibanje i izaziva velika konzolna opterećenja. Razumijevanje sila kojima je izolator izložen u usporedbi s prednostima i slabostima njegovog keramičkog materijala važan je prvi korak. Mehaničke vrijednosti izolatora uključuju: a. Konzola/Momenti savijanja; b. torzija; c. Napetost; i d. Kompresija. Konzolna opterećenja određuju promjer jezgre, a time i težinu.
gdje je: D – promjer jezgre; F – potrebna čvrstoća (min. lomno opterećenje); l – duljina; specifična čvrstoća porculana. Keramički materijali imaju visoke stupnjeve kompresije i niske stupnjeve napetosti. Momenti savijanja uzrokuju naprezanje tlačenja i zatezanja, a vlačno naprezanje se pojačava djelovanjem poluge visine izolatora (kao na slici . 1).
smokva. 1.
Momenti savijanja rastu s većom silom i/ili višim izolatorima (prema slici . 2). U slučaju dinamičkog gibanja, sila se temelji na: 1. masi izolatora i masi postavljenoj iznad izolatora; i 2. ubrzanje zbog seizmičkog događaja.
smokva. 2.
Pokušaj izmjena dizajna kako bi se osiguralo da prirodna frekvencija dijela opreme ostane izvan frekvencije seizmičkog događaja često nije moguć. Budući da je težina ključni čimbenik pri izračunavanju sile/energije koja ulazi u opremu tijekom seizmičkog događaja, izazov je optimizirati dizajn i maksimizirati omjer snage i težine.
Smanjenje težine
Postoje načini za smanjenje težine porculanskog izolatora određene čvrstoće. Prije svega, idealno bi bilo da izolatori budu posebno dizajnirani za potrebe. Štoviše, povećanje duljine sekcija pomaže u smanjenju težine više-slojnih izolatora. Proizvođači također imaju izbor materijala koji nude veću čvrstoću i održavanje strogih standarda osiguranja kvalitete može dodatno poboljšati ukupnu snagu.
Optimiziranje dizajna
Dizajn izolatora treba uzeti u obzir njegovu primjenu u seizmičkim uvjetima. Često se izolatori koji se koriste u trafostanicama temelje na standardnim dizajnom namijenjenim za rad u nizu primjena. Primjer je izolator s ujednačenim cilindričnim jezgrama koji se može postaviti uspravno, ali je znatno teži kada se nalazi ispod. Iako se konusni izolatori sve više koriste u visokonaponskim aplikacijama, određivanje optimalnog konusa je važno. Kada se bilo koji dio opreme razmatra za primjenu u seizmičkim uvjetima, cijela sklopljena i montirana struktura mora se ocijeniti korištenjem primjenjivog softvera. Analiza konačnih elemenata (FEA), na primjer, identificirat će područja visokog naprezanja u bilo kojoj konfiguraciji. Također će se identificirati zone niskog stresa. Projektant/konzultant opreme također bi trebao blisko surađivati s proizvođačem izolatora kako bi osigurao da sve zone imaju jednaku sigurnosnu marginu. Zapravo, može biti potrebno nekoliko ponavljanja da se u potpunosti identificiraju sva optimalna povećanja i smanjenja čvrstoće na danim mjestima duž izolatora. Kad god se identificiraju i isprave područja nižeg opterećenja, težina u tom području može se smanjiti, a smanjenje težine u gornjim dijelovima može smanjiti snagu potrebnu u donjim dijelovima. Ovaj proces rezultira manjom masom, manjim kretanjem uzrokovanim masom i manjim ukupnim stresom. Troškovi testiranja vibratora su vrlo skupi za veliku opremu trafostanica. Temeljita procjena od strane kompetentnog stručnjaka za seizmiku može kontrolirati takve troškove izbjegavanjem potrebe za ponovnim ispitivanjem. Položaj izolatora u bilo kojem dijelu opreme također je fundamentalno važan. U mnogim slučajevima izolatori podržavaju teške dijelove opreme. Ako je oprema kompaktnija u smislu mase pri vrhu, vrlo malo naprezanje na savijanje
smokva. 3.
Ako oprema ima visoko težište s masom postavljenom znatno iznad izolatora, gornji spoj će biti izložen mnogo većem naprezanju na savijanje i bit će potreban robusniji dizajn za ovaj gornji dio. Kao što je prikazano na slici . 4, na primjer, vrh izolatora je izložen 50% maksimalnog opterećenja savijanja.
smokva. 4.
Masa na vrhu izolatora ima najveći učinak savijanja. Na primjer, u slučaju zračnog prekidača u otvorenom položaju s potpuno ispruženim jarbolom, postoje veliki momenti savijanja na vrhu izolatora (vidi sliku . 5).
Slika. 5: 500 kV sklopka, jarbol otvoren.
Tipični zračni prekidač od 500 kV montiran je 4,6 m na konstrukciji, au otvorenom položaju prekidač može biti 9,75, tj. ukupna udaljenost od 14,35 m od razine tla do vrha jarbola. Optimiziranje čvrstoće potrebne na vrhu izolatora može dokazati kritičnu zonu smanjenja materijala jer je smanjenje težine mjesto gdje je masa najdalje od momenta savijanja.
ShedWeight
Profil šupe je sredstvo za povećanje puzne staze, ali šupe doprinose težini izolatoru. U prošlosti su gubici obično bili do 19 mm u jezgri, a na vrhu su se sužavali do 12 mm. Uz poboljšanu znanost o materijalima, veličina šupe može se smanjiti, što rezultira smanjenjem težine šupe za 20%.
Smanjeni dijelovi
Izolatori se sastoje od jednog ili više dijelova spojenih vijcima. Izolatori su obično jednodijelni do 750 kV BIL. Visokonaponski izolatori mogu biti sastavljeni od mnogo dijelova ovisno o razini napona. Koncentracije naprezanja nalaze se na spojevima gdje su armature od lijevanog željeza cementirane na porculan. Promjer porculana na spojnici je povećan zbog koncentracije razine naprezanja. Smanjenje broja odjeljaka smanjit će mjesta visokog naprezanja kao i težinu dodatnih spojeva (vidi sliku. 6).
smokva. 6.
Materijal
Porculanski izolatori su tehnička keramika koja sadrži mješavinu kaolina, glinice, glinenca i silicijevog dioksida (kvarc). IEC 60672-3 odnosi se na tri glavne vrste: C-110, C-120 i C-130. C-110 je poznat kao kvarcni porculan, dok su C-120 i C-130 porculani od glinice. C-120 sadrži 20%-30% glinice, dok C-130 obično ima sadržaj glinice veći od 30%. Povećana snaga se pretvara u najveći omjer snage i težine. Vrijednosti čvrstoće prikazane u tablici 1 su minimalne i mogu se znatno premašiti. Izolatori proizvedeni od gline C-130 s razinama višim od minimalnih mogu ponuditi do 40% smanjenja težine.
Tablica 1: IEC 60672-3 1984
Proizvodni proces
Proizvodnja glinenih materijala ima svojstveno širok raspon rezultirajućih čvrstoća materijala. Takva se varijacija može dogoditi unutar serije ili između serija. Postizanje postojane tjelesne snage je teško, pogotovo ako procesi nisu strogo kontrolirani. Doista, dokazano je da čvrstoća keramičkih materijala može imati standardnu devijaciju preko 35%. Što je veće odstupanje, to je teži dizajn izolatora potreban da bi se osiguralo ispunjavanje Specificiranog mehaničkog opterećenja (SML). Smanjenje standardne devijacije izravno smanjuje težinu bilo kojeg datog dizajnerskog parametra proizvođača. Na primjer, dizajn izolatora s SML od 10 kN i std. dev. od 3,5 kN znači da dizajn mora biti takav da prosjek bude 17 kN. S druge strane, ako std. dev. iznosi samo 1 kN, dizajn se može temeljiti na prosječnih 12 kN. To može rezultirati smanjenjem težine izolatora za oko 40% (vidi slike 7 i 8).
Slika. 7: Velika standardna devijacija.
Slika. 8: Mala standardna devijacija.
Za bolje razumijevanje mogućih uzroka varijacija u čvrstoći tijela, potrebno je znati više o tome kako se proizvode porculanski izolatori. Mnogi se proizvode mokrom ili plastičnom metodom, pri čemu se glineni recepti mjere i miješaju s vodom kako bi se stvorio osnovni materijal, nazvan slip. Kuglični mlin melje klizač kako bi se osigurala odgovarajuća veličina čestica i sadrži približno 50% vode. Slip se zatim filtrira kako bi se uklonili prirodni zagađivači koji se nalaze u glini, bilo organskoj ili željeznoj. Slip se zatim preša u filterske kolače s oko 22% vlage i oni se usitnjavaju i ekstrudiraju u blokove. Na kraju se ekstrudiraju cilindrične praznine ili pugovi. Tijekom razdoblja od 5 do 6 tjedana, slijepi uzorak se okreće i suši na manje od 1% sadržaja vlage. Kako bi se održala dosljedna snaga tijela, svim ovim koracima koji vode do gotovog proizvoda također se mora upravljati dosljedno. Veličina čestica, kemijski sastav, sadržaj vode u filterskim kolačima, tvrdoća slijepih uzoraka i tehnika sušenja odredit će predvidljivost čvrstoće tijela. Višestruki koraci sušenja mokre gline – od prešanja filtarskih kolača do upotrebe sušara koji pripremaju tokarene izolatore za pečenje – ključni su koraci u proizvodnji porculanskih izolatora, pri čemu je možda najkritičniji u sušenju uzimanje mokro tokarenog oblika s 18% sadržaja vlage na manje od 1%. To je zato što se tanki slojevi i debela jezgra moraju sušiti istom brzinom, iako je vjerojatnije da će relativno tanki slojevi ispuštati vodu daleko vjerojatnije. Za polagano sušenje izolatora može biti potrebno i do 6 tjedana, a mnogi proizvođači imaju odgovarajuće kontrole kako bi to osigurali. I dalje su potrebni kvalificirani zaposlenici i stalna pozornost na detalje.
Tokarenje (desna slika) i sušenje porculanskih izolatora izrađenih plastificiranjem/mokrim postupkom.
Razvijena je alternativna metoda proizvodnje porculanskih izolatora koja eliminira mnoge korake u procesu sušenja koji je gore spomenut. Važna ponuđena prednost je mnogo konzistentniji proces koji pomaže u smanjenju rizika od mogućih varijacija u čvrstoći materijala. Ova metoda, nazvana izostatička, počinje sušenjem slip-a do finog praha, koji se zatim pod velikom silom utisne u suhi cilindar. Inherentna prednost je mogućnost proizvodnje suhih cilindričnih proizvoda u relativno kratkom vremenu. Zapravo, izolatori proizvedeni izostatičkom metodom imaju vrijeme proizvodnje kraće od dva tjedna naspram 6 ili više tjedana potrebnih za mokru/plastičnu proizvodnju. Štoviše, tokarenje se izvodi na suho. To eliminira skupljanje od mokro tokarenih profila do stanja osušenih/spremnih za pečenje i rezultira strožim tolerancijama. Suho prešani obrasci nemaju posebnu orijentaciju zrna, kao što se nalazi u mokro ekstrudiranim obrascima. Budući da se mokro tijelo istiskuje kroz grlo ekstrudera, protok gline može biti puno sporiji duž stijenki zbog trenja između gline i stijenke ekstrudera. Unutar uzorka doći će do smicanja koje uzrokuje unutarnje naprezanje, što može dovesti do kvarova u peći i smanjiti mehaničku čvrstoću. Ovisno o tome gdje u praznini dolazi izolator, ta područja smicanja mogu završiti blizu površine. Jedna značajna značajka je izbočina koja se stvara dok se porculanski izolator suši.
Zaključci
Poboljšanje performansi porculanskih izolatora u seizmičkim uvjetima rada moguće je uglavnom kroz metode smanjenja težine. Optimiziranje dizajna temeljeno na konkretnoj stvarnoj primjeni korištenjem materijala visoke čvrstoće kao i održavanje dosljednog procesa proizvodnje osigurat će najbolje moguće performanse.