Seizmičke performanse porculanskih izolatora na trafostanicama Porculanski izolatori su sastavni dio elektroenergetskih sistema već više od jednog stoljeća uglavnom zbog svoje krutosti, koja osigurava poravnavanje komponenti u opremi trafostanica. Štoviše, posljednjih godina došlo je do velikog napretka u razumijevanju seizmičkih događaja koji utiču na takve izolatore u trafostanicama. Rezonantne frekvencije iz ovih događaja mogu uzrokovati ogromne dinamičke sile i, zbog svoje težine i krhke prirode, porculan je podložniji destruktivnim harmonijskim frekvencijama. Ali uz dobru dizajnersku praksu, napredne materijale i moderne proizvodne metode, porculanski izolatori se i dalje 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 aluminijum duktilni i nude predvidljivu čvrstoću, porculan je ne-duktilan i može značajno varirati u čvrstoći. Seizmičke performanse porculanskih izolatora se stoga mogu poboljšati kroz maksimiziranje snage i smanjenje težine. Također je bolje razumjeti da je izolator samo jedna komponenta u složenom nizu koji čini svaki uređaj koji se nalazi u trafostanici. Stoga je potrebno procijeniti cijeli uređaj. Na primjer, izolatori se često montiraju na betonske ili čelične konstrukcije i podržavaju stvarnu opremu dok se čahure obično nalaze na vrhu opreme. Reakcija opreme i njenih pod-komponenti na ulazne frekvencije će stoga zavisiti od ovih i drugih faktora. Kada se prirodna frekvencija dijela opreme blisko poklapa sa ulaznom frekvencijom, dolazi do rezonancije čime se pojačava rezultirajući dinamički odziv kretanja i ubrzanja. Required Response Spectrum (RRS) simulira amplitude, frekvencije i energiju u tipičnim seizmičkim događajima. Oprema koja ima prirodne frekvencije od 1,1 do 8 Hz je najbliskije obuhvaćena u RRS.
Tipične vrste visokonaponske opreme imaju nekoliko karakteristika koje ih čine osjetljivijim na seizmičke ulaze. Budući da su visoki i teški, oni pokazuju niže nivoe prirodne frekvencije koja se obično nalazi u seizmičkim događajima. Kada dva predmeta vibriraju na istoj prirodnoj frekvenciji, vidi se povećano kretanje i izaziva velika konzolna opterećenja. Razumijevanje sila kojima je izolator izložen u poređenju sa snagama i slabostima njegovog keramičkog materijala važan je prvi korak. Mehaničke ocjene 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 – prečnik jezgra; F – potrebna čvrstoća (min. lomno opterećenje); l – dužina; specifične čvrstoće porculana. Keramički materijali imaju visoku kompresiju i nisku napetost. Momenti savijanja izazivaju kompresiju i napon zatezanja, a vlačni napon se pojačava djelovanjem poluge visine izolatora (kao na slici . 1).
Fig. 1.
Momenti savijanja se povećavaju sa većom silom i/ili višim izolatorima (kao na slici. 2). U slučaju dinamičkog kretanja, sila se zasniva na: 1. masi izolatora i masi postavljenoj iznad izolatora; i 2. ubrzanje zbog seizmičkog događaja.
Fig. 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 faktor pri izračunavanju sile/energije koja ulazi u opremu tokom seizmičkog događaja, izazov je optimizirati dizajn i maksimizirati omjer snage i težine.
Smanjenje težine
Postoje načini da se smanji težina porculanskog izolatora određene čvrstoće. Prije svega, idealno bi bilo da izolatori budu posebno dizajnirani za potrebe. Štaviše, maksimiziranje dužine 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 baziraju na standardnim dizajnom namijenjenim za različite primjene. Primjer je izolator s ujednačenim cilindričnim jezgrama koji se može postaviti uspravno, ali je znatno teži kada je ispod obješen. Dok 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, cjelokupna sastavljena i montirana konstrukcija mora biti procijenjena korištenjem primjenjivog softvera. Analiza konačnih elemenata (FEA), na primjer, će identificirati područja visokog naprezanja u bilo kojoj konfiguraciji. Identificirat će se i zone niskog stresa. Dizajner opreme/konsultant bi takođe trebao blisko sarađivati sa proizvođačem izolatora kako bi osigurao da sve zone imaju jednaku sigurnosnu marginu. Zapravo, može biti potrebno nekoliko iteracija da se u potpunosti identificiraju sva optimalna povećanja i smanjenja snage na datim lokacijama duž izolatora. Kad god se identifikuju i otklone područja nižeg naprezanja, težina u toj regiji može se smanjiti, a smanjenje težine u gornjim dijelovima može smanjiti snagu potrebnu u donjim dijelovima. Ovaj proces dovodi do manje mase, manjeg kretanja uzrokovanog masom i manjeg ukupnog naprezanja. Troškovi testiranja stola za tresenje su veoma skupi za veliku opremu podstanica. Temeljna procjena od strane kompetentnog stručnjaka za seizmiku može kontrolisati takve troškove izbjegavanjem potrebe za ponovnim ispitivanjem. Lokacija izolatora u bilo kojoj opremi je također fundamentalno važna. U mnogim slučajevima, izolatori podržavaju teške dijelove opreme. Ako je oprema napravljena kompaktnijom u smislu mase blizu vrha, vrlo malo naprezanja na savijanje
Fig. 3.
Ako oprema ima visoko težište s masom postavljenom znatno iznad izolatora, gornji spoj će biti podložan mnogo većem naprezanju savijanja i bit će neophodan robusniji dizajn za ovaj gornji dio. Kao što je ilustrovano na slici . 4, na primjer, vrh izolatora je podvrgnut 50% maksimalnog opterećenja savijanja.
Fig. 4.
Masa na vrhu izolatora ima najveći efekat savijanja. Na primjer, u slučaju zračnog prekidača u otvorenom položaju sa potpuno izvučenim jarbolom postoje visoki momenti savijanja na vrhu izolatora (vidi sliku. 5).
Slika . 5: 500 kV prekidač, jarbol otvoren.
Tipična 500 kV vazdušna sklopka se montira 4,6 m na konstrukciji i u otvorenom položaju prekidač može biti 9,75, odnosno ukupna udaljenost od 14,35 m od nivoa tla do vrha jarbola. Optimizacija čvrstoće potrebne na vrhu izolatora može se pokazati kao kritična zona smanjenja materijala jer je smanjenje težine tamo gdje je masa najudaljenija od momenta savijanja.
ShedWeight
Profil šupe je sredstvo za povećanje puzne staze, ali šupe doprinose težini izolatora. U prošlosti, šupe su obično bile do 19 mm u jezgri, sužavajući se do 12 mm na vrhu. Uz poboljšanu nauku o materijalima, veličina šupe može se smanjiti, što rezultira smanjenjem težine šupe za 20%.
Redukovane sekcije
Izolatori se sastoje od pojedinačnih ili više dijelova spojenih vijcima. Izolatori su obično jednodijelne konstrukcije do 750 kV BIL. Visokonaponski izolatori mogu biti sastavljeni od više sekcija u zavisnosti od nivoa napona. Koncentracije naprezanja se nalaze na spojevima gdje su armature od lijevanog željeza cementirane na porculan. Prečnik porculana na spoju je povećan zbog koncentrisanog nivoa naprezanja. Smanjenje broja sekcija će smanjiti lokacije visokog naprezanja kao i težinu dodatnih okova (vidi Sl. 6).
Fig. 6.
Materijal
Porculanski izolatori su tehnička keramika koja sadrži mješavinu kaolina, glinice, feldspata i silicijum dioksida (kvarc). IEC 60672-3 se odnosi na tri glavna tipa: C-110, C-120 i C-130. C-110 je poznat kao kvarcni porcelan, dok su C-120 i C-130 porculani od aluminijuma. C-120 sadrži 20%-30% glinice, dok C-130 normalno ima sadržaj glinice veći od 30%. Povećana snaga se pretvara u najveći omjer snage i težine. Vrijednosti čvrstoće prikazane u Tabeli 1 su minimalne i mogu se znatno premašiti. Izolatori proizvedeni od gline C-130 sa nivoom višim od minimalnog mogu ponuditi smanjenje težine do 40%.
Tabela 1: IEC 60672-3 1984
Proizvodni proces
Proizvodnja materijala od gline ima inherentno širok raspon rezultujućih čvrstoća materijala. Takve varijacije se mogu pojaviti unutar serije ili između serija. Postizanje dosljedne tjelesne snage je teško, posebno ako procesi nisu strogo kontrolirani. Zaista, pokazano je da čvrstoća keramičkih materijala može imati preko 35% standardne devijacije. Što je odstupanje veće, to je teži dizajn izolatora potreban da bi se osiguralo ispunjavanje specificiranog mehaničkog opterećenja (SML). Smanjenje standardne devijacije direktno smanjuje težinu projektnih parametara bilo kojeg proizvođača. Na primjer, dizajn izolatora sa SML od 10 kN i std. dev. od 3,5 kN znači da dizajn mora biti takav da je prosjek 17 kN. S druge strane, ako std. dev. je samo 1 kN, dizajn se može bazirati na prosjeku od 12 kN. Ovo može rezultirati smanjenjem težine izolatora za oko 40% (vidi slike 7 i 8).
Slika. 7: Velika standardna devijacija.
Slika. 8: Mala standardna devijacija.
Da bismo bolje razumjeli moguće uzroke 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, koji se naziva 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 organski ili željezni. Slip se zatim utiskuje u filter kolače na oko 22% vlage i oni se usitnjavaju i ekstrudiraju u blokove. Na kraju se istiskuju cilindrični prazni ili mopsi. U periodu od 5 do 6 sedmica, blanko se okreće i suši na manje od 1% vlage. Da bi se održala konzistentna snaga tijela, svi ovi koraci koji vode do gotovog proizvoda također se moraju dosljedno upravljati. Veličina čestica, hemijski sastav, sadržaj vode u filter kolačima, tvrdoća blankova i tehnike sušenja sve će odrediti predvidljivost snage tela. Višestruki koraci sušenja mokre gline – od presovanja filter kolača do upotrebe sušara koji pripremaju okrenute izolatore za pečenje – ključni su proizvodni koraci za porculanske izolatore, pri čemu je možda najkritičniji u sušenju preuzimanje mokro okrenutog oblika sa 18% sadržaja vlage na manje od 1%. To je zato što se tanke ljuske i debela jezgra moraju suše istom brzinom, iako je veća vjerovatnoća da će relativno tanke ljuspice ispuštati vodu. Može biti potrebno do 6 sedmica da se izolator polako osuši, a mnogi proizvođači imaju odgovarajuće kontrole kako bi to osigurali. I dalje su kvalificirani zaposlenici i stalna pažnja na detalje.
Okretanje (desna slika) i sušenje porculanskih izolatora izrađenih plastičnim/mokrim postupkom.
Razvijena je alternativna metoda proizvodnje za porculanske izolatore i eliminiše mnoge korake u procesu sušenja o kojima se govorilo gore. Važna prednost koja se nudi je daleko konzistentniji proces koji pomaže u smanjenju rizika od mogućih varijacija u čvrstoći materijala. Ova metoda, nazvana izostatička, počinje sušenjem kliznog papira do finog praha, koji se zatim pod velikom silom utiskuje u suhi cilindar. Inherentna prednost je mogućnost proizvodnje suhih cilindričnih zaliha u relativno kratkom vremenu. U stvari, izolatori proizvedeni izostatičkom metodom imaju vrijeme proizvodnje manje od dvije sedmice u odnosu na 6 ili više sedmica potrebnih za mokru/plastičnu proizvodnju. Štoviše, okretanje se izvodi na suho. Ovo eliminira skupljanje iz mokrog tokovanih profila u stanje osušenog/spremnog za pečenje i rezultira užim tolerancijama. Suvo presovani blankovi nemaju posebnu orijentaciju zrna, kao što se nalazi u mokrim ekstrudiranim blankovima. Budući da se mokro tijelo istiskuje kroz grlo ekstrudera, protok gline može biti mnogo sporiji duž zidova zbog trenja između gline i stijenke ekstrudera. Unutar blanka, doći će do smicanja uzrokujući unutrašnje naprezanje, što može dovesti do kvarova u peći i smanjiti mehaničku čvrstoću. Ovisno o tome odakle u blanku dolazi izolator, ova područja smicanja mogu završiti blizu površine. Jedna značajna osobina je nagnutost koja nastaje kada se suši porculanski izolator.
Zaključci
Poboljšanje performansi porculanskih izolatora u uslovima seizmičkog rada moguće je uglavnom putem metoda smanjenja težine. Optimiziranje dizajna zasnovano na specifičnoj stvarnoj primjeni koristeći materijale visoke čvrstoće, kao i održavanje dosljednog proizvodnog procesa, osigurat će najbolje moguće performanse.