Porcelāna izolatoru seismiskā veiktspēja apakšstacijās Porcelāna izolatori ir bijuši neatņemama energosistēmu sastāvdaļa jau vairāk nekā gadsimtu, lielā mērā pateicoties to stingrībai, kas nodrošina apakšstaciju iekārtu komponentu izlīdzināšanu. Turklāt pēdējos gados ir panākts liels progress, lai izprastu seismiskos notikumus, kas ietekmē šādus izolatorus apakšstacijās. Šo notikumu radītās rezonanses frekvences var izraisīt milzīgus dinamiskus spēkus, un tā svara un trausluma dēļ porcelāns ir jutīgāks pret destruktīvām harmoniskām frekvencēm. Taču ar labu projektēšanas praksi, progresīviem materiāliem un modernām ražošanas metodēm porcelāna izolatori joprojām var izrādīties uzticams izolācijas veids seismisko pakalpojumu vidē. Materiāla raksturlielumiem ir liela nozīme iekārtu projektēšanā šādu dinamisku spēku ietekmē, un, lai gan tērauds un alumīnijs ir elastīgi un nodrošina paredzamu izturību, porcelāns nav -kaļams un var ievērojami atšķirties pēc stiprības. Tāpēc porcelāna izolatoru seismisko veiktspēju var uzlabot, palielinot izturību un samazinot svaru. Mūsdienās ir arī labāk saprotams, ka izolators ir tikai viena sastāvdaļa kompleksā masīvā, kas veido jebkuru apakšstacijā atrodamo ierīci. Tāpēc ir jānovērtē visa ierīce. Piemēram, izolatorus bieži uzstāda uz betona vai tērauda konstrukcijām un atbalsta faktisko aprīkojumu, savukārt bukses parasti atrodas aprīkojuma augšpusē. Iekārtas un tās -komponentu reakcija uz ievades frekvencēm būs atkarīga no šiem un citiem faktoriem. Ja iekārtas dabiskā frekvence ļoti precīzi atbilst ievades frekvencei, notiek rezonanse, tādējādi pastiprinot dinamiskās kustības un paātrinājuma reakciju. Required Response Spectrum (RRS) simulē amplitūdas, frekvences un enerģiju tipiskos seismiskos notikumos. Iekārtas, kuru dabiskās frekvences ir no 1,1 līdz 8 Hz, ir visprecīzāk aptvertas RRS.
Tipiskiem augstsprieguma iekārtu veidiem ir vairāki raksturlielumi, kas padara tos vairāk reaģējošus uz seismiskiem ievadiem. Tā kā tie ir augsti un smagi, tiem ir zemāks dabiskās frekvences līmenis, kas parasti sastopams seismiskos notikumos. Kad divi priekšmeti vibrē ar tādu pašu dabisko frekvenci, tiek novērota pastiprināta kustība, kas izraisa lielas konsoles slodzes. Izpratne par spēkiem, kuriem tiek pakļauts izolators, salīdzinājumā ar tā keramikas materiāla stiprajām un vājajām pusēm ir svarīgs pirmais solis. Izolatoru mehāniskie rādītāji ietver: a. Konsoles/lieces momenti; b. Vērpes; c. Spriedze; un d. Saspiešana. Konsoles slodzes nosaka serdes diametru un līdz ar to svaru.
kur: D – serdes diametrs; F – nepieciešamā izturība (min. pārrāvuma slodze); l – garums; porcelāna īpatnējais stiprums. Keramikas materiāliem ir augsts saspiešanas un zems spriedzes rādītājs. Liekšanas momenti izraisa saspiešanas un stiepes spriegumu, un stiepes spriegumu pastiprina izolatora augstuma sviras darbība (kā parādīts . 1. attēlā).
att.. 1.
Lieces momenti palielinās ar lielāku spēku un/vai augstākiem izolatoriem (kā parādīts . 2. attēlā). Dinamiskās kustības gadījumā spēks balstās uz: 1. izolatora masu un masu, kas uzstādīta virs izolatora; un 2. paātrinājums seismiska notikuma dēļ.
att.. 2.
Mēģinājums veikt konstrukcijas izmaiņas, lai nodrošinātu, ka iekārtas dabiskā frekvence paliek ārpus seismisko notikumu frekvences, bieži vien nav iespējama. Tā kā svars ir galvenais faktors, aprēķinot spēku/enerģiju, kas ieplūst iekārtā seismiska notikuma laikā, izaicinājums ir optimizēt dizainu un palielināt stiprības un svara attiecību.
Svara samazināšana
Ir veidi, kā samazināt noteiktas stiprības porcelāna izolatora svaru. Pirmkārt, izolatoriem ideālā gadījumā vajadzētu būt īpaši izstrādātiem atbilstoši vajadzībām. Turklāt sekciju garuma palielināšana palīdz samazināt vairāku -pakāpju izolatoru svaru. Ražotājiem ir arī materiālu izvēle, kas piedāvā lielāku izturību, un stingru kvalitātes nodrošināšanas standartu uzturēšana var vēl vairāk uzlabot vispārējo izturību.
Dizaina optimizēšana
Izstrādājot izolatoru, jāņem vērā tā pielietojums seismiskos apstākļos. Bieži vien apakšstacijās izmantotie izolatori ir balstīti uz standarta konstrukcijām, kas paredzētas dažādiem lietojumiem. Piemērs ir izolators ar vienādiem cilindriskiem serdeņiem, ko var uzklāt vertikāli, bet tas ir ievērojami smagāks, ja tas ir pakārts. Lai gan konusveida izolatorus arvien vairāk izmanto HV lietojumos, ir svarīgi noteikt optimālo konusu. Ja tiek apsvērta jebkura aprīkojuma izmantošana seismiskos apstākļos, visa samontētā un uzstādītā konstrukcija ir jānovērtē, izmantojot piemērotu programmatūru. Piemēram, galīgo elementu analīze (FEA) identificēs augsta sprieguma zonas jebkurā noteiktā konfigurācijā. Tiks noteiktas arī zema stresa zonas. Iekārtas projektētājam/konsultantam ir arī cieši jāsadarbojas ar izolatora ražotāju, lai nodrošinātu, ka visām zonām ir vienāda drošības rezerve. Faktiski var būt nepieciešamas vairākas iterācijas, lai pilnībā noteiktu visus optimālos stiprības pieaugumus un samazināšanos noteiktās vietās gar izolatoru. Ikreiz, kad tiek identificētas un novērstas zemākas slodzes zonas, svars šajā reģionā var tikt samazināts, un svara samazināšana augšējās daļās var samazināt nepieciešamo spēku apakšējām sekcijām. Šis process rada mazāku masu, mazāku masas izraisītu kustību un mazāku kopējo stresu. Kratītāja galda testēšanas izmaksas lielām apakšstaciju iekārtām ir ļoti dārgas. Kompetenta seismiskā speciālista veikts rūpīgs novērtējums var kontrolēt šādas izmaksas, izvairoties no atkārtotas pārbaudes. Arī izolatora atrašanās vieta jebkurā iekārtā ir ļoti svarīga. Daudzos gadījumos izolatori atbalsta smagas iekārtas. Ja iekārtas masas ziņā ir padarītas kompaktākas augšpusē, ļoti mazs lieces spriegums
att.. 3.
Ja iekārtai ir augsts smaguma centrs ar masu, kas atrodas krietni virs izolatora, augšējais stiprinājums tiks pakļauts daudz lielākam lieces spriegumam, un šai augšējai daļai būs nepieciešams izturīgāks dizains. Piemēram, kā parādīts attēlā. 4, izolatora augšdaļa ir pakļauta 50% no maksimālās lieces slodzes.
att.. 4.
Masai izolatora augšpusē ir vislielākais lieces efekts. Piemēram, ja gaisa pārtraukuma slēdzis ir atvērtā stāvoklī ar pilnībā izbīdītu mastu, izolatora augšpusē ir lieli lieces momenti (sk. att.{1}}).
Att.. 5: 500 kV slēdzis, masts atvērts.
Tipisks 500 kV gaisa pārtraukuma slēdzis ir uzstādīts 4,6 m uz konstrukcijas un atvērtā stāvoklī slēdzis var būt 9,75, ti, kopējais attālums no zemes līmeņa līdz masta augšai ir 14,35 m. Izolatora augšpusē nepieciešamās stiprības optimizēšana var izrādīties kritiska materiāla samazināšanas zona, jo svara samazināšana ir vieta, kur masa atrodas vistālāk no lieces momenta.
ShedWeight
Nojumes profils ir līdzeklis, lai palielinātu ložņu attālumu, tomēr nojumes palielina izolatora svaru. Agrāk nojumes parasti ir bijušas līdz 19 mm pie serdes, kas sašaurinās līdz 12 mm galā. Izmantojot uzlabotu materiālu zinātni, nojumes izmēru var samazināt, kā rezultātā nojumes svars samazinās par 20%.
Samazinātas sadaļas
Izolatori sastāv no vienas vai vairākām sekcijām, kas saskrūvētas kopā. Izolatori parasti ir viengabala konstrukcija līdz 750 kV BIL. Augstsprieguma izolatorus var veidot no daudzām sekcijām atkarībā no sprieguma līmeņa. Sprieguma koncentrācija ir atrodama savienojumos, kur čuguna veidgabali ir cementēti uz porcelāna. Porcelāna diametrs pie stiprinājuma ir palielināts koncentrētā sprieguma dēļ. Samazinot sekciju skaitu, tiks samazinātas vietas ar augstu spriegumu, kā arī papildu veidgabalu svars (skatiet att.{6}}).
att.. 6.
Materiāls
Porcelāna izolatori ir tehniskā keramika, kas satur kaolīna, alumīnija oksīda, laukšpata un silīcija dioksīda (kvarca) maisījumu. IEC 60672-3 attiecas uz trim galvenajiem veidiem: C-110, C-120 un C-130. C-110 ir pazīstams kā kvarca porcelāns, savukārt C-120 un C-130 ir alumīnija oksīda porcelāns. C-120 satur 20–30% alumīnija oksīda, savukārt C-130 alumīnija oksīda saturs parasti ir lielāks par 30%. Palielināta izturība nozīmē visaugstāko stiprības un svara attiecību. 1. tabulā norādītās stiprības vērtības ir minimālās, un tās var ievērojami pārsniegt. Izolatori, kas ražoti no C-130 māla ar augstāku par minimālo līmeni, var piedāvāt līdz pat 40% svara samazinājumu.
1. tabula: IEC 60672-3 1984
Ražošanas process
Māla materiālu ražošanai ir raksturīga plaša materiālu stiprības klāsts. Šādas atšķirības var rasties partijas ietvaros vai starp partijām. Ir grūti panākt pastāvīgu ķermeņa spēku, it īpaši, ja procesi netiek stingri kontrolēti. Patiešām, ir pierādīts, ka keramikas materiālu stiprības standarta novirze var pārsniegt 35%. Jo lielāka ir novirze, jo smagāka ir izolatora konstrukcija, kas nepieciešama, lai nodrošinātu atbilstību noteiktajai mehāniskajai slodzei (SML). Standarta novirzes samazināšana tieši samazina jebkura ražotāja konstrukcijas parametru svaru. Piemēram, izolatora projektēšana ar SML 10 kN un std. izstrādātājs 3,5 kN nozīmē, ka konstrukcijai jābūt tādai, lai vidējais spēks būtu 17 kN. No otras puses, ja std. izstrādātājs ir tikai 1 kN, projektēšanas pamatā var būt vidēji 12 kN. Tā rezultātā izolatora svars var samazināties par aptuveni 40% (sk. 7. un 8. attēlu).
. 7. att.: liela standartnovirze.
. 8. att.: neliela standarta novirze.
Lai labāk izprastu iespējamos ķermeņa izturības izmaiņu cēloņus, ir jāzina vairāk par to, kā tiek ražoti porcelāna izolatori. Daudzas no tām tiek ražotas ar mitru vai plastmasas metodi, saskaņā ar kuru māla receptes tiek mērītas un sajauktas ar ūdeni, lai izveidotu pamatmateriālu, ko sauc par slīdēšanu. Lodīšu dzirnavas sasmalcina slīdni, lai nodrošinātu pareizu daļiņu izmēru un satur aptuveni 50% ūdens. Pēc tam slīdni filtrē, lai noņemtu dabiskos piesārņotājus, kas atrodami mālos, neatkarīgi no tā, vai tie ir organiski vai dzelzs. Pēc tam slīdni iespiež filtra kūkās ar aptuveni 22% mitruma, tās sasmalcina un izspiež blokos. Visbeidzot, tiek izspiestas cilindriskas sagataves vai mopši. 5 līdz 6 nedēļu laikā sagatavi apgriež un žāvē, līdz mitruma saturs ir mazāks par 1%. Lai saglabātu nemainīgu ķermeņa izturību, visas šīs darbības, kas noved pie gatavā produkta, arī ir konsekventi jāpārvalda. Daļiņu izmērs, ķīmiskais sastāvs, ūdens saturs filtru kūkās, sagatavju cietība un žāvēšanas paņēmieni noteiks ķermeņa stiprības paredzamību. Vairāki slapjā māla žāvēšanas posmi — no filtra kūku presēšanas līdz žāvētāju izmantošanai, kas sagatavo virpotos izolatorus apdedzināšanai — ir galvenie porcelāna izolatoru ražošanas posmi, un, iespējams, vissvarīgākais žāvēšanas procesā ir slapjā virpošanas formas iegūšana no 18% mitruma satura līdz mazāk nekā 1%. Tas ir tāpēc, ka plānām nojumēm un biezajam serdenim ir jāžūst vienādi, lai gan salīdzinoši plānās nojumes ir daudz lielāka iespēja izdalīt ūdeni. Izolatora lēnai žāvēšanai var būt nepieciešamas līdz 6 nedēļām, un daudziem ražotājiem ir piemērotas kontroles, lai to nodrošinātu. Joprojām ir nepieciešami kvalificēti darbinieki un pastāvīga uzmanība detaļām.
Plastmasas/mitrā procesa porcelāna izolatoru virpošana (foto labajā pusē) un žāvēšana.
Ir izstrādāta alternatīva porcelāna izolatoru ražošanas metode, kas novērš daudzus iepriekš apspriestos žāvēšanas procesa posmus. Svarīgs piedāvātais ieguvums ir daudz konsekventāks process, kas palīdz samazināt iespējamo materiāla stiprības izmaiņu risku. Šī metode, ko sauc par izostatisku, sākas ar slīdnes žāvēšanu līdz smalkam pulverim, kas pēc tam ar lielu spēku tiek iespiests sausā cilindrā. Galvenā priekšrocība ir iespēja salīdzinoši īsā laikā izgatavot sausas cilindriskas sagataves. Faktiski izolatoriem, kas ražoti, izmantojot izostatisko metodi, ražošanas laiks ir mazāks par divām nedēļām, salīdzinot ar 6 vai vairāk nedēļām, kas nepieciešamas mitrai/plastmasas ražošanai. Turklāt virpošana tiek veikta sausā veidā. Tas novērš saraušanos no slapji virpotiem profiliem līdz žāvētiem/gataviem apdedzināšanai un nodrošina stingrākas pielaides. Sausi presētajām sagatavēm nav īpašas graudu orientācijas, kā tas ir slapjā presētās sagatavēs. Tā kā slapjš korpuss tiek izspiests caur ekstrūdera rīkli, māla plūsma var būt daudz lēnāka gar sienām berzes dēļ starp mālu un ekstrūdera sienu. Sagataves iekšpusē radīsies bīde, izraisot iekšējo spriegumu, kas var izraisīt krāsns darbības traucējumus un samazināt mehānisko izturību. Atkarībā no tā, no kurienes sagatavē nāk izolators, šīs bīdes zonas var nonākt virsmas tuvumā. Viena ievērojama iezīme ir izliekums, kas veidojas porcelāna izolatora žāvēšanas laikā.
Secinājumi
Porcelāna izolatoru veiktspējas uzlabošana seismiskos ekspluatācijas apstākļos ir iespējama galvenokārt ar svara samazināšanas metodēm. Optimizējot dizainu, pamatojoties uz konkrētu faktisko pielietojumu, izmantojot augstas stiprības materiālus, kā arī saglabājot konsekventu ražošanas procesu, tiks nodrošināta vislabākā iespējamā veiktspēja.