A porcelán szigetelők szeizmikus teljesítménye az alállomásokon A porcelán szigetelők több mint egy évszázada az energiaellátó rendszerek szerves részét képezik, nagyrészt merevségüknek köszönhetően, amely biztosítja az alállomási berendezések alkatrészeinek összehangolását. Ezenkívül az elmúlt években nagy előrelépés történt az alállomások ilyen szigetelőit befolyásoló szeizmikus események megértésében. Az ezekből az eseményekből származó rezonanciafrekvenciák hatalmas dinamikus erőket okozhatnak, és súlya és rideg természete miatt a porcelán érzékenyebb a pusztító harmonikus frekvenciákra. Jó tervezési gyakorlattal, fejlett anyagokkal és modern gyártási módszerekkel azonban a porcelán szigetelők továbbra is megbízható szigetelési formának bizonyulhatnak szeizmikus szolgáltatási környezetekben. Az anyagjellemzők nagy szerepet játszanak a berendezés tervezésében ilyen dinamikus erők hatására, és míg az acél és az alumínium képlékeny és kiszámítható szilárdságot kínál, a porcelán nem-hajlékony, és erőssége nagyon eltérő lehet. A porcelán szigetelők szeizmikus teljesítménye ezért fokozható a szilárdság maximalizálásával és a súly csökkentésével. Napjainkban az is jobban érthető, hogy a szigetelő csak egy komponens egy összetett tömbben, amely az alállomáson található bármely eszközt alkot. Ezért az egész eszközt értékelni kell. Például a szigetelőket gyakran beton- vagy acélszerkezetekre szerelik fel, és a tényleges berendezést támogatják, míg a perselyek jellemzően a berendezés tetején találhatók. A berendezés és annak al{10}}komponenseinek válasza a bemeneti frekvenciákra ezért ezektől és más tényezőktől függ. Ha egy berendezés sajátfrekvenciája szorosan megegyezik a bemeneti frekvenciával, rezonancia lép fel, ami felerősíti a dinamikus mozgás- és gyorsulási választ. Az RRS (Required Response Spectrum) amplitúdókat, frekvenciákat és energiát szimulál tipikus szeizmikus eseményekben. Az 1,1-8 Hz-es sajátfrekvenciájú berendezéseket az RRS leginkább lefedi.
A nagyfeszültségű berendezések tipikus típusai számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek jobban reagálnak a szeizmikus bemenetekre. Mivel magasak és nehézek, alacsonyabb szintű természetes frekvenciát mutatnak, amely általában szeizmikus eseményekben fordul elő. Ha két elem ugyanazon a természetes frekvencián rezeg, megnövekedett mozgás látható, és nagy konzolterhelést indukál. Fontos első lépés a szigetelőre kifejtett erők megértése a kerámiaanyag erősségeivel és gyengeségeivel összehasonlítva. A szigetelő mechanikai besorolása a következőket tartalmazza: a. Konzolos/hajlító nyomatékok; b. Csavarodás; c. Feszültség; és d. Tömörítés. A konzolos terhelések határozzák meg a mag átmérőjét és így a súlyát.
ahol: D – magátmérő; F – szükséges szilárdság (min. törési terhelés); l – hossz; a porcelán fajlagos szilárdsága. A kerámia anyagok magas tömörítési és alacsony feszültségi minősítéssel rendelkeznek. A hajlítási nyomatékok nyomó- és húzófeszültséget idéznek elő, a húzófeszültséget pedig felerősíti a szigetelőmagasság emelőműködése (mint az . 1 ábrán).
ábra. 1.
A hajlítási nyomatékok nagyobb erővel és/vagy magasabb szigetelőkkel nőnek (lásd a{0}} ábrát). Dinamikus mozgás esetén az erő alapja: 1. a szigetelő tömege és a szigetelő fölé szerelt tömeg; és 2. a szeizmikus esemény miatti gyorsulás.
ábra. 2.
Gyakran nem lehetséges olyan tervezési változtatásokat végrehajtani, amelyek biztosítják, hogy egy berendezés sajátfrekvenciája kívül maradjon a szeizmikus esemény frekvenciáján. Mivel a tömeg kulcsfontosságú tényező a szeizmikus esemény során a berendezésbe jutó erő/energia kiszámításánál, a kihívás a tervezés optimalizálása és a szilárdság/tömeg arány maximalizálása.
Súlycsökkentés
Vannak módok az adott szilárdságú porcelán szigetelő tömegének csökkentésére. Először is, a szigetelőket ideális esetben speciálisan az igényeknek megfelelően kell kialakítani. Ezenkívül a szakaszok hosszának maximalizálása segít csökkenteni a több-soros szigetelők súlyát. A gyártók olyan anyagokat is választhatnak, amelyek nagyobb szilárdságot kínálnak, és a szigorú minőségbiztosítási szabványok betartása tovább növelheti az általános szilárdságot.
A tervezés optimalizálása
A szigetelő tervezésénél figyelembe kell venni annak szeizmikus körülmények között történő alkalmazását. Az alállomásokon használt szigetelők gyakran olyan szabványos terveken alapulnak, amelyeket számos alkalmazási területen teljesítenek. Példa erre az egyenletes hengeres maggal rendelkező szigetelő, amely függőlegesen is felhelyezhető, de aláakasztva lényegesen nehezebb. Míg a kúpos szigetelőket egyre gyakrabban használják a nagyfeszültségű alkalmazásokban, az optimális kúposság meghatározása fontos. Ha bármilyen berendezést szeizmikus körülmények között alkalmaznak, a teljes összeszerelt és szerelt szerkezetet megfelelő szoftverrel értékelni kell. A végeselem-elemzés (FEA) például bármely konfigurációban azonosítja a nagy igénybevételű területeket. Az alacsony feszültségű zónák is azonosításra kerülnek. A berendezés tervezőjének/tanácsadójának szorosan együtt kell működnie a szigetelő gyártójával is, hogy minden zóna azonos biztonsági ráhagyással rendelkezzen. Valójában több iterációt is igénybe vehet, hogy a szilárdság minden optimális növekedését és csökkenését teljes mértékben azonosítsák a szigetelő adott helyein. Valahányszor kisebb igénybevételű területeket azonosítanak és orvosolnak, az adott régió súlya csökkenthető, és a felső részek súlycsökkentése csökkentheti az alsó szakaszok szilárdságát. Ez a folyamat kisebb tömeget, kisebb tömeg okozta mozgást és kisebb általános feszültséget eredményez. A rázóasztal tesztelésének költsége nagy alállomási berendezések esetén nagyon költséges. Egy hozzáértő szeizmikus szakember által végzett alapos értékelés szabályozhatja ezeket a költségeket azáltal, hogy elkerüli az újbóli vizsgálat szükségességét. A szigetelő elhelyezése minden berendezésben alapvetően fontos. A szigetelők sok esetben nehéz berendezéseket támogatnak. Ha a berendezést tömeg szempontjából kompaktabbá teszik a tetején, nagyon kicsi a hajlítási feszültség
ábra. 3.
Ha a berendezésnek magas a súlypontja, és a tömeg jóval a szigetelő felett helyezkedik el, a felső szerelvény sokkal nagyobb hajlítási feszültségnek lesz kitéve, és ehhez a felső részhez robusztusabb kialakításra lesz szükség. Amint például az . 4 ábrán látható, a szigetelő teteje a maximális hajlítási terhelés 50%-ának van kitéve.
ábra. 4.
A szigetelő tetején lévő tömegnek van a legnagyobb hajlító hatása. Például egy teljesen kinyújtott árboc nyitott helyzetben lévő légfékkapcsoló esetén nagy hajlítónyomatékok vannak a szigetelő tetején (lásd: . 5 ábra).
Ábra. 5: 500 kV-os kapcsoló, árboc nyitva.
Egy tipikus 500 kV-os légleszakító kapcsoló 4,6 m-re van felszerelve egy szerkezetre, és nyitott helyzetben a kapcsoló 9,75, azaz összesen 14,35 m távolságra lehet a talajszinttől az árboc tetejéig. A szigetelő tetején szükséges szilárdság optimalizálása kritikus anyagcsökkentési zónának bizonyulhat, mivel a tömegcsökkentés az a hely, ahol a tömeg a legtávolabb van a hajlítónyomatéktól.
ShedWeight
A fészerprofil egy eszköz a kúszás távolságának növelésére, ugyanakkor a fészerek súlyt adnak a szigetelőnek. A múltban az istállók általában legfeljebb 19 mm-esek voltak a magnál, és a csúcsnál 12 mm-re elvékonyodtak. A továbbfejlesztett anyagtudomány révén az ól mérete csökkenthető, ami 20%-kal csökkenti a fészer súlyát.
Csökkentett szakaszok
A szigetelők egyetlen vagy több, egymáshoz csavarozott részből állnak. A szigetelők jellemzően egy darabból készülnek 750 kV BIL-ig. A nagyfeszültségű szigetelők a feszültségszinttől függően sok részből állhatnak. A feszültségkoncentráció azoknál az illesztéseknél található, ahol az öntöttvas szerelvények a porcelánra vannak ragasztva. A porcelán átmérője a vasalásnál megnő a koncentrált igénybevétel miatt. A szakaszok számának csökkentése csökkenti a nagy igénybevételnek kitett helyeket, valamint a kiegészítő szerelvények súlyát (lásd: . 6. ábra).
ábra. 6.
Anyag
A porcelán szigetelők kaolin, alumínium-oxid, földpát és szilícium-dioxid (kvarc) keverékét tartalmazó műszaki kerámiák. Az IEC 60672-3 három fő típusra vonatkozik: C-110, C-120 és C-130. A C-110 kvarcporcelán néven ismert, míg a C-120 és C-130 timföldporcelán. A C-120 20-30% alumínium-oxidot tartalmaz, míg a C-130 általában 30% feletti. A megnövekedett szilárdság a legmagasabb szilárdság/tömeg arányt jelenti. Az 1. táblázatban látható szilárdsági értékek minimumok, és nagymértékben túlléphetők. A minimálisnál magasabb szintű C-130 agyagból készült szigetelők akár 40%-os súlycsökkenést is kínálhatnak.
1. táblázat: IEC 60672-3 1984
Gyártási folyamat
Az agyagos anyagok gyártása az eredő anyagszilárdságok széles skálájával rendelkezik. Az ilyen eltérések előfordulhatnak egy tételen belül vagy a tételek között. Nehéz elérni az állandó testerőt, különösen, ha a folyamatok nincsenek szigorúan irányítva. Valójában kimutatták, hogy a kerámia anyagok szilárdsága 35% feletti szórással rendelkezhet. Minél nagyobb az eltérés, annál nehezebb a szigetelő kialakítása a meghatározott mechanikai terhelés (SML) teljesítéséhez. A szórás csökkentése közvetlenül csökkenti az adott gyártó tervezési paramétereinek súlyát. Például szigetelő tervezése 10 kN SML-vel és std. dev. 3,5 kN azt jelenti, hogy a tervezésnek olyannak kell lennie, hogy az átlag 17 kN legyen. Másrészt, ha std. dev. mindössze 1 kN, a tervezés átlagosan 12 kN-on alapulhat. Ez körülbelül 40%-kal csökkentheti a szigetelő tömegét (lásd a 7. és 8. ábrát).
. 7. ábra: Nagy szórás.
. 8. ábra: Kis szórás.
Ahhoz, hogy jobban megértsük a test szilárdságbeli eltéréseinek lehetséges okait, többet kell tudni a porcelán szigetelők előállításáról. Sokukat nedves vagy műanyag módszerrel állítják elő, amelynek során az agyag receptjeit mérik, és vízzel keverik, hogy létrehozzák az alapanyagot, az úgynevezett csúszást. Egy golyósmalom őrli a szeletet, hogy biztosítsa a megfelelő szemcseméretet, és körülbelül 50% vizet tartalmaz. A slip-t ezután szűrik, hogy eltávolítsák az agyagokban található természetes szennyeződéseket, akár szerves, akár vasat. A szeletet ezután körülbelül 22%-os nedvességtartalmú szűrőpogácsákká préselik, ezeket feldarabolják és tömbökké extrudálják. Végül hengeres nyersdarabokat vagy mopszokat extrudálnak. 5-6 hetes periódus alatt a nyersdarabot megfordítjuk és 1%-nál kisebb nedvességtartalomig szárítjuk. Az állandó testerő megőrzése érdekében a késztermékhez vezető összes lépést következetesen kell kezelni. A részecskeméret, a kémiai összetétel, a szűrőpogácsák víztartalma, a nyersdarabok keménysége és a szárítási technikák mind meghatározzák a test szilárdságának kiszámíthatóságát. A nedves agyag többszörös szárítási lépései – a szűrőpogácsák préselésétől az esztergált szigetelőket az égetésre előkészítő szárítókig – a porcelán szigetelők gyártási kulcsfontosságú lépései, a szárításban talán a legkritikusabb az, hogy a nedves esztergált alakot 18%-os nedvességtartalomról 1% alá kell hozni. Ennek az az oka, hogy a vékony istállóknak és a vastag magnak azonos sebességgel kell száradnia, bár a viszonylag vékony istállók sokkal nagyobb valószínűséggel bocsátanak ki vizet. Akár 6 hétig is eltarthat a szigetelő lassú szárítása, és sok gyártó rendelkezik megfelelő vezérléssel ennek biztosítására. Továbbra is képzett munkatársakra és a részletekre való folyamatos odafigyelésre van szükség.
Műanyag/nedves eljárással készült porcelán szigetelők esztergálása (jobb oldali kép) és szárítása.
A porcelán szigetelők számára egy alternatív gyártási eljárást fejlesztettek ki, amely kiküszöböli a szárítási folyamat fent tárgyalt számos lépését. A kínált fontos előny a sokkal következetesebb folyamat, amely segít csökkenteni az anyagszilárdság esetleges eltéréseinek kockázatát. Ez az izosztatikus módszer a szelet finom porrá szárításával kezdődik, amelyet nagy erővel egy száraz hengerbe préselnek. A benne rejlő előny az, hogy viszonylag rövid idő alatt száraz hengeres nyersdarabokat lehet előállítani. Valójában az izosztatikus módszerrel előállított szigetelők gyártási ideje kevesebb, mint két hét, szemben a nedves/műanyag gyártáshoz szükséges 6 vagy több héttel. Ezenkívül az esztergálást szárazon hajtják végre. Ez kiküszöböli a zsugorodást a nedvesen esztergált profilokból a szárított/égetésre kész állapotba, és szűkebb tűréseket eredményez. A szárazon préselt nyersdaraboknak nincs különösebb szemcse-orientációjuk, mint a nedves extrudált nyersdaraboknál. Mivel egy nedves testet extrudálnak az extruder torkán, az agyag áramlása sokkal lassabb lehet a falak mentén az agyag és az extruder fala közötti súrlódás miatt. A nyersdarabon belül nyírás lép fel, belső feszültséget okozva, ami a kemence meghibásodásához és a mechanikai szilárdság csökkenéséhez vezethet. Attól függően, hogy a nyersdarab honnan származik a szigetelő, ezek a nyírási területek a felület közelébe kerülhetnek. Az egyik figyelemre méltó tulajdonság a porcelán szigetelőanyag szárítása során kialakuló domborulat.
Következtetések
A porcelán szigetelők teljesítményének javítása szeizmikus üzemi körülmények között elsősorban tömegcsökkentési módszerekkel lehetséges. A lehetséges legjobb teljesítményt a konkrét tényleges alkalmazáson alapuló tervezés optimalizálása, nagy szilárdságú anyagok felhasználásával, valamint a következetes gyártási folyamat fenntartása biztosítja.