Сеизмични характеристики на порцеланови изолатори в подстанции Порцелановите изолатори са неразделна част от енергийните системи повече от век, което се дължи до голяма степен на тяхната твърдост, която осигурява подравняване на компонентите в оборудването на подстанциите. Освен това през последните години има голям напредък в разбирането на сеизмичните събития, които влияят на такива изолатори в подстанциите. Резонансните честоти от тези събития могат да причинят огромни динамични сили и, поради теглото и крехката си природа, порцеланът е по-податлив на разрушителни хармонични честоти. Но с добра практика на проектиране, съвременни материали и модерни производствени методи, порцелановите изолатори все още могат да се окажат надеждна форма на изолация в сеизмични среди. Характеристиките на материала играят основна роля в дизайна на оборудването при такива динамични сили и докато стоманата и алуминият са пластични и предлагат предсказуема здравина, порцеланът не е-пластичен и може да варира значително по сила. Следователно сеизмичните характеристики на порцелановите изолатори могат да бъдат подобрени чрез максимизиране на здравината и намаляване на теглото. Освен това днес е по-добре разбрано, че изолаторът е само един компонент в сложна редица, която съставлява всяко устройство, намерено в подстанция. Следователно трябва да се оцени цялото устройство. Например, изолаторите често се монтират върху бетонни или стоманени конструкции и поддържат действителното оборудване, докато втулките обикновено се намират в горната част на оборудването. Отговорът на оборудването и неговите под-компоненти на входните честоти следователно ще зависи от тези и други фактори. Когато естествената честота на част от оборудването съвпада плътно с входната честота, възниква резонанс, като по този начин се усилва произтичащото динамично движение и реакция на ускорение. Спектърът на необходимия отговор (RRS) симулира амплитуди, честоти и енергия при типични сеизмични събития. Оборудването с естествени честоти от 1,1 до 8 Hz е най-отблизо обхванато в RRS.
Типичните типове оборудване с високо напрежение имат няколко характеристики, които ги правят по-отзивчиви към сеизмични входове. Тъй като са високи и тежки, те показват по-ниски нива на естествена честота, които обикновено се срещат при сеизмични събития. Когато два елемента вибрират с една и съща естествена честота, се наблюдава повишено движение и предизвиква големи конзолни натоварвания. Разбирането на силите, на които е подложен един изолатор в сравнение със силните и слабите страни на неговия керамичен материал, е важна първа стъпка. Механичните характеристики на изолатора включват: a. Конзолни/огъващи моменти; b. усукване; c. напрежение; и d. Компресия. Конзолните натоварвания определят диаметъра на сърцевината и следователно теглото.
където: D – диаметър на сърцевината; F – необходима якост (мин. натоварване на счупване); l – дължина; специфична якост на порцелана. Керамичните материали имат висока степен на компресия и ниска степен на напрежение. Моментите на огъване предизвикват напрежение на компресия и опън, а напрежението на опън се усилва от действието на лоста на височината на изолатора (както на фиг. . 1).
Фигура. 1.
Моментите на огъване се увеличават с по-голяма сила и/или по-високи изолатори (както на фиг. . 2). В случай на динамично движение, силата се основава на: 1. масата на изолатора и масата, монтирана над изолатора; и 2. ускорение поради сеизмичното събитие.
Фигура. 2.
Често не е възможно да се правят промени в дизайна, за да се гарантира, че естествената честота на част от оборудването остава извън честотата на сеизмично събитие. Тъй като теглото е ключов фактор при изчисляване на силата/енергията, която преминава в оборудването по време на сеизмично събитие, предизвикателството е оптимизирането на дизайна и максималното съотношение сила към тегло.
Намаляване на теглото
Съществуват начини за намаляване на теглото на порцеланов изолатор с определена якост. На първо място, изолаторите в идеалния случай трябва да бъдат специално проектирани за нуждите. Освен това максимизирането на дължините на секциите помага за намаляване на теглото на много-стековите изолатори. Производителите също имат избор на материали, които предлагат по-висока якост и поддържането на строги стандарти за осигуряване на качество може допълнително да подобри цялостната здравина.
Оптимизиращ дизайн
Дизайнът на изолатора трябва да отчита приложението му при сеизмични условия. Често изолаторите, използвани в подстанциите, се основават на стандартни проекти, предназначени да изпълняват редица приложения. Пример за това е изолатор с еднакви цилиндрични сърцевини, който може да се постави изправен, но е значително по-тежък, когато е окачен. Въпреки че конусните изолатори се използват все по-често в приложения с високо напрежение, определянето на оптималната конусност е важно. Когато която и да е част от оборудването се разглежда за приложение при сеизмични условия, цялата сглобена и монтирана конструкция трябва да бъде оценена с помощта на приложим софтуер. Анализът на крайните елементи (FEA), например, ще идентифицира области с високо напрежение във всяка дадена конфигурация. Ще бъдат идентифицирани и зони с нисък стрес. Проектантът/консултантът на оборудването също трябва да работи в тясно сътрудничество с производителя на изолатора, за да гарантира, че всички зони имат еднаква граница на безопасност. Всъщност може да отнеме няколко повторения, за да се идентифицират напълно всички оптимални увеличения и намаления на якостта на дадени места по протежение на изолатора. Всеки път, когато се идентифицират и коригират области с по-ниско напрежение, теглото в този регион може да бъде намалено и намаляването на теглото в горните секции може да намали силата, необходима в долните секции. Този процес води до по-малко маса, по-малко движение, причинено от масата и по-малко общо напрежение. Разходите за тестване на вибраторната маса са много скъпи за голямо оборудване на подстанция. Цялостната оценка от компетентен сеизмичен специалист може да контролира тези разходи, като избягва необходимостта от повторно тестване. Местоположението на изолатора във всяка част от оборудването също е фундаментално важно. В много случаи изолаторите поддържат тежки части от оборудване. Ако оборудването е направено по-компактно по отношение на масата близо до върха, много малко напрежение при огъване
Фигура. 3.
Ако оборудването има висок център на тежестта с маса, разположена доста над изолатора, горният фитинг ще бъде подложен на много по-голямо напрежение на огъване и ще е необходим по-здрав дизайн за тази горна част. Както е показано на фиг. . 4 например, горната част на изолатора е подложена на 50% от максималното натоварване на огъване.
Фигура. 4.
Масата в горната част на изолатора има най-голям ефект на огъване. Например, в случай на превключвател за въздушно прекъсване в отворено положение с напълно разтегната мачта, има големи огъващи моменти в горната част на изолатора (вижте фиг. . 5).
Фигура. 5: 500 kV превключвател, отворена мачта.
Типичен превключвател за въздушно прекъсване 500 kV се монтира на 4,6 m нагоре върху конструкция и в отворено положение превключвателят може да бъде 9,75, т.е. общо разстояние от 14,35 m от нивото на земята до върха на мачтата. Оптимизирането на якостта, необходима в горната част на изолатора, може да се окаже критична зона за намаляване на материала, тъй като намаляването на теглото е мястото, където масата е най-отдалечена от момента на огъване.
ShedWeight
Профилът на навесите е средство за увеличаване на пътя на пълзене, но навесите допринасят за теглото на изолатора. В миналото навесите обикновено са били до 19 мм в сърцевината, стесняващи се до 12 мм на върха. С подобрена наука за материалите размерът на навеса може да бъде намален, което води до 20% намаление на теглото на навеса.
Намалени секции
Изолаторите се състоят от единични или множество секции, свързани заедно. Изолаторите обикновено са конструкция от една част до 750 kV BIL. Изолаторите за високо напрежение могат да бъдат съставени от много секции в зависимост от нивото на напрежение. Концентрациите на напрежение се откриват в ставите, където чугунените фитинги са циментирани върху порцелана. Диаметърът на порцелана при монтажа се увеличава поради концентрираните нива на напрежение. Намаляването на броя на секциите ще намали местата с голямо напрежение, както и теглото на допълнителните фитинги (вижте Фигура . 6).
Фигура. 6.
Материал
Порцелановите изолатори са техническа керамика, съдържаща смес от каолин, алуминий, фелдшпат и силициев диоксид (кварц). IEC 60672-3 се отнася до три основни типа: C-110, C-120 и C-130. C-110 е известен като кварцов порцелан, докато C-120 и C-130 са алуминиев порцелан. C-120 съдържа 20%-30% алуминиев оксид, докато C-130 обикновено има съдържание на алуминиев оксид над 30%. Повишената якост се превръща в най-високото съотношение якост към тегло. Стойностите на якост, показани в таблица 1, са минимални и могат да бъдат значително надвишени. Изолаторите, произведени с глина C-130 с по-високи от минималните нива, могат да предложат до 40% намаление на теглото.
Таблица 1: IEC 60672-3 1984
Производствен процес
Производството на глинени материали има по своята същност широк диапазон от получени якости на материала. Такава вариация може да възникне в рамките на една партида или между партидите. Постигането на постоянна телесна сила е трудно, особено ако процесите не са строго контролирани. Наистина е доказано, че якостта на керамичните материали може да има над 35% стандартно отклонение. Колкото по-голямо е отклонението, толкова по-тежка е конструкцията на изолатора, необходима за осигуряване на постигане на Специфицираното механично натоварване (SML). Намаляването на стандартното отклонение директно намалява теглото на даден проектен параметр на производителя. Например, проектиране на изолатор с SML от 10 kN и std. разработка от 3,5 kN означава, че проектът трябва да е такъв, че средната стойност да е 17 kN. От друга страна, ако std. разработка е само 1 kN, дизайнът може да се базира на средно 12 kN. Това може да доведе до около 40% намаление на теглото на изолатора (вижте Фигури 7 и 8).
Фигура. 7: Голямо стандартно отклонение.
Фигура. 8: Малко стандартно отклонение.
За да разберем по-добре възможните причини за вариации в здравината на тялото, е необходимо да знаем повече за това как се произвеждат порцелановите изолатори. Много от тях се произвеждат по мокър или пластмасов метод, при който глинените рецепти се измерват и смесват с вода, за да се създаде основният материал, наречен шликер. Топкова мелница смила шликера, за да осигури подходящ размер на частиците и съдържа приблизително 50% вода. След това слипът се филтрира, за да се отстранят естествените замърсители, открити в глините, независимо дали са органични или желязо. След това листът се пресова във филтърни утайки при около 22% влага и те се нарязват и екструдират на блокове. Накрая се екструдират цилиндрични заготовки или мопси. За период от 5 до 6 седмици заготовката се обръща и изсушава до по-малко от 1% съдържание на влага. За да се поддържа постоянна здравина на тялото, всички тези стъпки, водещи до крайния продукт, също трябва да се управляват последователно. Размерът на частиците, химичният състав, съдържанието на вода във филтърните утайки, твърдостта на заготовките и техниките на сушене ще определят предвидимостта на здравината на тялото. Множеството етапи на сушене на мократа глина – от пресоване на филтърни кейкове до използване на сушилни, които подготвят струговани изолатори за изпичане – са ключови производствени стъпки за порцеланови изолатори, като може би най-критичният при сушенето е приемането на мократа стругована форма от 18% съдържание на влага до по-малко от 1%. Това е така, защото тънките навеси и дебелата сърцевина трябва да изсъхнат с еднаква скорост, въпреки че относително тънките навеси е много по-вероятно да отделят вода. Може да са необходими до 6 седмици за бавно изсушаване на изолатор и много производители разполагат с подходящ контрол, за да гарантират това. Необходими са все още квалифицирани служители и постоянно внимание към детайла.
Струговане (снимка вдясно) и сушене на порцеланови изолатори, изработени по пластмасов/мокър процес.
Разработен е алтернативен метод за производство на порцеланови изолатори, който елиминира много стъпки в процеса на сушене, обсъден по-горе. Предлаганото важно предимство е много по-последователен процес, който помага за намаляване на риска от възможни промени в здравината на материала. Този метод, наречен изостатичен, започва със изсушаване на фикса до фин прах, който след това се пресова под голяма сила в сух цилиндър. Присъщото предимство е възможността за производство на сухи цилиндрични заготовки за относително кратко време. Всъщност изолаторите, произведени чрез изостатичен метод, имат производствено време по-малко от две седмици срещу 6 или повече седмици, необходими за мокро/пластмасово производство. Освен това струговането се извършва на сухо. Това елиминира свиването от мокри струговани профили до изсушено/готово за изпичане състояние и води до по-строги толеранси. Сухите пресовани заготовки нямат специфична ориентация на зърното, както се среща при мокрите екструдирани заготовки. Тъй като мокрото тяло се екструдира през гърлото на екструдера, потокът на глина може да бъде много по-бавен по стените поради триенето между глината и стената на екструдера. Вътре в заготовката ще възникне срязване, причиняващо вътрешно напрежение, което може да доведе до повреди в пещта и да намали механичната якост. В зависимост от това откъде в заготовката идва изолаторът, тези области на срязване могат да се окажат близо до повърхността. Една забележителна черта е извивката, която се образува, когато порцелановият изолатор се суши.
Изводи
Подобряването на работата на порцелановите изолатори при условия на сеизмична експлоатация е възможно главно чрез методи за намаляване на теглото. Оптимизирането на дизайна въз основа на конкретно реално приложение с използване на високоякостни материали, както и поддържането на последователен производствен процес ще гарантират възможно най-доброто представяне.