Сеизмичке перформансе порцеланских изолатора на трафостаницама Порцулански изолатори су саставни део електроенергетских система већ више од једног века у великој мери због своје крутости, која обезбеђује поравнање компоненти у опреми трафостаница. Штавише, последњих година дошло је до великог напретка у разумевању сеизмичких догађаја који утичу на такве изолаторе у подстаницама. Резонантне фреквенције од ових догађаја могу изазвати огромне динамичке силе и, због своје тежине и крхке природе, порцелан је подложнији деструктивним хармонијским фреквенцијама. Али са добром дизајнерском праксом, напредним материјалима и савременим методама производње, порцелански изолатори се и даље могу показати као поуздан облик изолације у сеизмичким окружењима. Карактеристике материјала играју главну улогу у дизајну опреме под таквим динамичким силама и, док су челик и алуминијум дуктилни и нуде предвидљиву чврстоћу, порцелан није-дуктилан и може значајно да варира у чврстоћи. Сеизмичке перформансе порцеланских изолатора се стога могу побољшати кроз максимизирање снаге и смањење тежине. Такође је боље разумети да је изолатор само једна компонента у сложеном низу који чини сваки уређај који се налази у трафостаници. Због тога је потребно проценити цео уређај. На пример, изолатори се често монтирају на бетонске или челичне конструкције и подржавају стварну опрему, док се чауре обично налазе на врху опреме. Реакција опреме и њених под{10}}компоненти на улазне фреквенције ће стога зависити од ових и других фактора. Када се природна фреквенција комада опреме блиско поклапа са улазном фреквенцијом, долази до резонанце чиме се појачава резултујући одзив динамичког кретања и убрзања. Рекуиред Респонсе Спецтрум (РРС) симулира амплитуде, фреквенције и енергију у типичним сеизмичким догађајима. Опрема која има природне фреквенције од 1,1 до 8 Хз је најблискије обухваћена у РРС.
Типични типови високонапонске опреме имају неколико карактеристика које их чине осетљивијим на сеизмичке улазе. Пошто су високи и тешки, они показују ниже нивое природне фреквенције која се обично налази у сеизмичким догађајима. Када два предмета вибрирају на истој природној фреквенцији, види се повећано кретање и изазива велика конзолна оптерећења. Разумевање сила којима је изолатор изложен у поређењу са снагама и слабостима његовог керамичког материјала је важан први корак. Механичке оцене изолатора укључују: а. Конзолни/Моменти савијања; б. Торзија; ц. Тензија; и д. Компресија. Конзолна оптерећења одређују пречник језгра, а тиме и тежину.
где је: Д – пречник језгра; Ф – потребна чврстоћа (мин. ломно оптерећење); л – дужина; специфична чврстоћа порцелана. Керамички материјали имају високе оцене компресије и ниске оцене затезања. Моменти савијања изазивају компресију и напон затезања, а затезни напон се појачава дејством полуге висине изолатора (као на слици . 1).
Фиг. 1.
Моменти савијања се повећавају са већом силом и/или вишим изолаторима (као на слици. 2). У случају динамичког кретања сила се заснива на: 1. маси изолатора и маси постављеној изнад изолатора; и 2. убрзање услед сеизмичког догађаја.
Фиг. 2.
Покушај да се изврши промена дизајна како би се осигурало да природна фреквенција комада опреме остане изван фреквенције сеизмичког догађаја често није могућ. Пошто је тежина кључни фактор при израчунавању силе/енергије која улази у опрему током сеизмичког догађаја, изазов је оптимизовати дизајн и максимизирати однос снаге и тежине.
Смањење тежине
Постоје начини да се смањи тежина порцеланског изолатора дате чврстоће. Пре свега, идеално би било да изолатори буду посебно дизајнирани за потребе. Штавише, максимизирање дужине пресека помаже у смањењу тежине више-слојних изолатора. Произвођачи такође имају избор материјала који нуде већу чврстоћу и одржавање строгих стандарда осигурања квалитета може додатно побољшати укупну снагу.
Оптимизирање дизајна
Дизајн изолатора треба да узме у обзир његову примену у сеизмичким условима. Често су изолатори који се користе у трафостаницама засновани на стандардним дизајнима који су намењени за различите примене. Пример је изолатор са уједначеним цилиндричним језгром који се може поставити усправно, али је знатно тежи када је испод окачен. Док се конусни изолатори све више користе у високонапонским апликацијама, одређивање оптималног конуса је важно. Када се било који део опреме разматра за примену у сеизмичким условима, целокупна састављена и монтирана конструкција мора бити процењена коришћењем применљивог софтвера. Анализа коначних елемената (ФЕА), на пример, ће идентификовати области високог напрезања у било којој конфигурацији. Такође ће бити идентификоване зоне ниског стреса. Дизајнер/консултант опреме такође треба да блиско сарађује са произвођачем изолатора како би осигурао да све зоне имају једнаку сигурносну маргину. У ствари, може бити потребно неколико итерација да се у потпуности идентификују сва оптимална повећања и смањења снаге на датим локацијама дуж изолатора. Кад год се идентификују и отклоне области нижег напрезања, тежина у том региону се може смањити, а смањење тежине у горњим деловима може смањити снагу потребну у доњим деловима. Овај процес доводи до мање масе, мањег кретања узрокованог масом и мањег укупног напрезања. Трошкови тестирања шејкер стола су веома скупи за велику опрему подстаница. Темељна процена од стране компетентног стручњака за сеизмику може контролисати такве трошкове избегавањем потребе за поновним тестирањем. Локација изолатора у било којој опреми је такође фундаментално важна. У многим случајевима, изолатори подржавају тешке делове опреме. Ако је опрема направљена компактнијом у смислу масе близу врха, врло мало напрезања савијања
Фиг. 3.
Ако опрема има високо тежиште са масом постављеном знатно изнад изолатора, горњи спој ће бити подложан много већем напрезању савијања и биће неопходан робуснији дизајн за овај горњи део. Као што је илустровано на слици. 4, на пример, врх изолатора је подвргнут 50% максималног оптерећења савијања.
Фиг. 4.
Маса на врху изолатора има највећи ефекат савијања. На пример, у случају прекидача за ваздушни прекид у отвореном положају са потпуно извученим јарболом, постоје високи моменти савијања на врху изолатора (погледајте сл. 5).
Слика. 5: 500 кВ прекидач, јарбол отворен.
Типична ваздушна склопка од 500 кВ се монтира 4,6 м на конструкцији и у отвореном положају прекидач може бити 9,75, односно укупна удаљеност од 14,35 м од нивоа земље до врха јарбола. Оптимизација снаге потребне на врху изолатора може се показати као критична зона редукције материјала јер је смањење тежине тамо где је маса најудаљенија од момента савијања.
СхедВеигхт
Профил шупе је средство за повећање пузне стазе, али шупе доприносе тежини изолатора. У прошлости, шупе су обично биле до 19 мм у језгру и сужавале се до 12 мм на врху. Са побољшаном науком о материјалима, величина шупе се може смањити, што резултира смањењем тежине шупе за 20%.
Редуковане секције
Изолатори се састоје од појединачних или више делова спојених вијцима. Изолатори су обично једноделне конструкције до 750 кВ БИЛ. Високонапонски изолатори могу бити састављени од више делова у зависности од нивоа напона. Концентрације напрезања се налазе на спојевима где су арматуре од ливеног гвожђа цементиране на порцелан. Пречник порцелана на окову је повећан због концентрисаног нивоа напрезања. Смањење броја секција ће смањити локације високог напрезања, као и тежину додатних фитинга (погледајте слику. 6).
Фиг. 6.
Материјал
Порцелански изолатори су техничка керамика која садржи мешавину каолина, глинице, фелдспата и силицијум диоксида (кварц). ИЕЦ 60672-3 се односи на три главна типа: Ц-110, Ц-120 и Ц-130. Ц-110 је познат као кварцни порцелан, док су Ц-120 и Ц-130 порцелани од алуминијума. Ц-120 садржи 20%-30% глинице, док Ц-130 нормално има садржај глинице већи од 30%. Повећана снага се преводи у највећи однос снаге и тежине. Вредности чврстоће приказане у табели 1 су минималне и могу се знатно премашити. Изолатори произведени од Ц-130 глине са нивоом вишим од минималног могу понудити смањење тежине до 40%.
Табела 1: ИЕЦ 60672-3 1984
Производни процес
Производња материјала од глине има инхерентно широк спектар резултујућих чврстоћа материјала. Такве варијације се могу појавити унутар серије или између серија. Тешко је постићи конзистентну снагу тела, посебно ако процеси нису строго контролисани. Заиста, показано је да чврстоћа керамичких материјала може имати преко 35% стандардне девијације. Што је одступање веће, то је тежи дизајн изолатора потребан да би се обезбедило испуњавање специфицираног механичког оптерећења (СМЛ). Смањење стандардне девијације директно смањује тежину пројектних параметара било ког произвођача. На пример, пројектовање изолатора са СМЛ од 10 кН и стд. дев. од 3,5 кН значи да дизајн мора бити такав да је просек 17 кН. С друге стране, ако стд. дев. је само 1 кН, дизајн се може заснивати на просечно 12 кН. Ово може довести до смањења тежине изолатора за око 40% (види слике 7 и 8).
Слика. 7: Велика стандардна девијација.
Слика. 8: Мала стандардна девијација.
Да бисмо боље разумели могуће узроке варијација у чврстоћи тела, неопходно је знати више о томе како се производе порцелански изолатори. Многи се производе мокрим или пластичним методом, при чему се глинени рецепти мере и мешају са водом да би се створио основни материјал, који се зове клизање. Куглични млин меље клизач да би се обезбедила одговарајућа величина честица и садржи приближно 50% воде. Слип се затим филтрира како би се уклонили природни загађивачи који се налазе у глини, било органски или гвожђе. Слип се затим пресује у филтер колаче на око 22% влаге и они се сецкају и екструдирају у блокове. Коначно, цилиндричне празнине или мопси се истискују. Током периода од 5 до 6 недеља, бланко се окреће и суши на мање од 1% садржаја влаге. Да би се одржала конзистентна снага тела, сви ови кораци који воде до готовог производа такође се морају доследно управљати. Величина честица, хемијски састав, садржај воде у филтер колачима, тврдоћа бланкова и технике сушења све ће одредити предвидљивост снаге тела. Вишеструки кораци сушења мокре глине – од пресовања филтер колача до употребе сушара који припремају преокренуте изолаторе за печење – кључни су производни кораци за порцеланске изолаторе, при чему је можда најкритичнији у сушењу добијање мокро окренутог облика са 18% садржаја влаге на мање од 1%. То је зато што се танке љуске и дебела језгра морају суше истом брзином, иако је већа вероватноћа да ће релативно танке шупе испуштати воду. Може бити потребно до 6 недеља да се изолатор полако осуши и многи произвођачи имају одговарајуће контроле да то обезбеде. Неопходни су још увек обучени запослени и стална пажња на детаље.
Окретање (десна слика) и сушење порцеланских изолатора израђених пластичним/мокрим поступком.
Развијен је алтернативни метод производње за порцеланске изолаторе и елиминише многе кораке у процесу сушења о којима је било речи. Важна предност која се нуди је далеко конзистентнији процес који помаже у смањењу ризика од могућих варијација у чврстоћи материјала. Ова метода, названа изостатичка, почиње сушењем клизног материјала до финог праха, који се затим под великом силом утискује у суви цилиндар. Инхерентна предност је у могућности да се произведу суви цилиндрични зарези за релативно кратко време. У ствари, изолатори произведени изостатичком методом имају време производње мање од две недеље у односу на 6 или више недеља потребних за мокру/пластичну производњу. Штавише, окретање се изводи на суво. Ово елиминише скупљање из мокро окренутих профила у стање осушеног/спремног за печење и резултира чвршћим толеранцијама. Суво пресовани бланкови немају посебну оријентацију зрна, као што се налази у мокрим екструдираним бланковима. Пошто се мокро тело екструдира кроз грло екструдера, проток глине може бити много спорији дуж зидова услед трења између глине и зида екструдера. Унутар бланка, доћи ће до смицања изазивајући унутрашње напрезање, што може довести до кварова у пећи и смањити механичку чврстоћу. У зависности од тога одакле долази изолатор, ове области смицања могу завршити близу површине. Једна значајна особина је нагнутост која се формира када се порцелански изолатор суши.
Закључци
Побољшање перформанси порцеланских изолатора у условима сеизмичке употребе могуће је углавном путем метода смањења тежине. Оптимизација дизајна заснована на специфичној стварној примени користећи материјале високе чврстоће, као и одржавање конзистентног производног процеса, обезбедиће најбоље могуће перформансе.