Σεισμική απόδοση των μονωτών πορσελάνης σε υποσταθμούς Οι μονωτές από πορσελάνη αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των συστημάτων ισχύος για περισσότερο από έναν αιώνα λόγω σε μεγάλο βαθμό της ακαμψίας τους, η οποία διασφαλίζει την ευθυγράμμιση των εξαρτημάτων στον εξοπλισμό του υποσταθμού. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στην κατανόηση των σεισμικών γεγονότων που επηρεάζουν τέτοιους μονωτές σε υποσταθμούς. Οι συχνότητες συντονισμού από αυτά τα συμβάντα μπορούν να προκαλέσουν τεράστιες δυναμικές δυνάμεις και, λόγω του βάρους και της εύθραυστης φύσης της, η πορσελάνη είναι πιο επιρρεπής σε καταστροφικές αρμονικές συχνότητες. Αλλά με την καλή σχεδιαστική πρακτική, τα προηγμένα υλικά και τις σύγχρονες μεθόδους κατασκευής, οι μονωτές πορσελάνης μπορούν ακόμα να αποδειχθούν μια αξιόπιστη μορφή μόνωσης σε περιβάλλοντα σεισμικών υπηρεσιών. Τα χαρακτηριστικά των υλικών παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό του εξοπλισμού κάτω από τέτοιες δυναμικές δυνάμεις και, ενώ ο χάλυβας και το αλουμίνιο είναι όλκιμο και προσφέρουν προβλέψιμη αντοχή, η πορσελάνη δεν είναι-ελατή και μπορεί να ποικίλλει σημαντικά σε αντοχή. Η σεισμική απόδοση των μονωτών πορσελάνης μπορεί επομένως να βελτιωθεί μέσω της μεγιστοποίησης της αντοχής και της μείωσης του βάρους. Είναι επίσης καλύτερα κατανοητό στις μέρες μας ότι ο μονωτήρας δεν είναι παρά ένα συστατικό σε μια σύνθετη διάταξη που συνθέτει οποιαδήποτε συσκευή βρίσκεται σε έναν υποσταθμό. Επομένως, ολόκληρη η συσκευή πρέπει να αξιολογηθεί. Για παράδειγμα, οι μονωτές τοποθετούνται συχνά σε κατασκευές από σκυρόδεμα ή χάλυβα και υποστηρίζουν τον πραγματικό εξοπλισμό, ενώ οι δακτύλιοι βρίσκονται συνήθως στην κορυφή του εξοπλισμού. Η απόκριση του εξοπλισμού και των επιμέρους στοιχείων του στις συχνότητες εισόδου θα εξαρτηθεί επομένως από αυτούς και άλλους παράγοντες. Όταν η φυσική συχνότητα ενός εξοπλισμού ταιριάζει πολύ με τη συχνότητα εισόδου, εμφανίζεται συντονισμός, ενισχύοντας έτσι την προκύπτουσα απόκριση δυναμικής κίνησης και επιτάχυνσης. Το Απαιτούμενο Φάσμα Απόκρισης (RRS) προσομοιώνει πλάτη, συχνότητες και ενέργεια σε τυπικά σεισμικά συμβάντα. Ο εξοπλισμός που έχει φυσικές συχνότητες 1,1 έως 8 Hz καλύπτεται περισσότερο από το RRS.
Οι τυπικοί τύποι εξοπλισμού υψηλής τάσης έχουν πολλά χαρακτηριστικά που τους καθιστούν πιο ευαίσθητους σε σεισμικές εισόδους. Όντας ψηλά και βαριά, παρουσιάζουν χαμηλότερα επίπεδα Φυσικής Συχνότητας που συνήθως απαντώνται σε σεισμικά γεγονότα. Όταν δύο αντικείμενα δονούνται με την ίδια φυσική συχνότητα, παρατηρείται αυξημένη κίνηση και προκαλεί μεγάλα φορτία προβόλου. Η κατανόηση των δυνάμεων στις οποίες υπόκειται ένας μονωτήρας σε σύγκριση με τις δυνάμεις και τις αδυναμίες του κεραμικού υλικού του είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα. Οι μηχανικές ονομασίες μονωτήρων περιλαμβάνουν: α. Πρόβολος/Ροπές κάμψης. σι. Συστροφή; ντο. Ενταση; και δ. Συμπίεση. Τα φορτία προβόλου καθορίζουν τη διάμετρο του πυρήνα και συνεπώς το βάρος.
όπου: D – διάμετρος πυρήνα; F – απαιτούμενη αντοχή (ελάχιστο φορτίο θραύσης). l – μήκος; ειδική αντοχή της πορσελάνης. Τα κεραμικά υλικά έχουν υψηλές τιμές συμπίεσης και χαμηλές τιμές τάσης. Οι ροπές κάμψης προκαλούν θλίψη και τάση εφελκυσμού και η τάση εφελκυσμού ενισχύεται από τη δράση του μοχλού του ύψους του μονωτή (όπως στο Σχήμα{3}}).
εικ. 1.
Οι ροπές κάμψης αυξάνονται με μεγαλύτερη δύναμη ή/και ψηλότερους μονωτές (όπως στο Σχήμα. 2). Στην περίπτωση της δυναμικής κίνησης, η δύναμη βασίζεται: 1. τη μάζα και τη μάζα του μονωτή που τοποθετείται πάνω από τον μονωτή. και 2. επιτάχυνση λόγω του σεισμικού γεγονότος.
εικ. 2.
Συχνά δεν είναι δυνατή η προσπάθεια να γίνουν αλλαγές σχεδιασμού για να διασφαλιστεί ότι η φυσική συχνότητα ενός τμήματος του εξοπλισμού παραμένει εκτός της συχνότητας ενός σεισμικού γεγονότος. Δεδομένου ότι το βάρος είναι βασικός παράγοντας κατά τον υπολογισμό της δύναμης/ενέργειας που εισέρχεται στον εξοπλισμό κατά τη διάρκεια ενός σεισμικού γεγονότος, η πρόκληση είναι να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός και να μεγιστοποιηθεί η αναλογία αντοχής προς βάρος.
Μείωση βάρους
Υπάρχουν τρόποι για τη μείωση του βάρους ενός μονωτικού πορσελάνης δεδομένης αντοχής. Πρώτα απ 'όλα, οι μονωτήρες θα πρέπει ιδανικά να είναι ειδικά σχεδιασμένοι για την ανάγκη. Επιπλέον, η μεγιστοποίηση των μηκών διατομών συμβάλλει στη μείωση του βάρους σε μονωτήρες πολλαπλών-στοιβών. Οι κατασκευαστές έχουν επίσης επιλογές υλικών που προσφέρουν υψηλότερη αντοχή και η διατήρηση αυστηρών προτύπων διασφάλισης ποιότητας μπορεί να βελτιώσει περαιτέρω τη συνολική αντοχή.
Βελτιστοποίηση σχεδίασης
Ο σχεδιασμός ενός μονωτή πρέπει να λαμβάνει υπόψη την εφαρμογή του σε σεισμικές συνθήκες. Συχνά, οι μονωτές που χρησιμοποιούνται σε υποσταθμούς βασίζονται σε τυποποιημένα σχέδια που προορίζονται να λειτουργούν σε μια σειρά εφαρμογών. Ένα παράδειγμα είναι ένας μονωτήρας με ομοιόμορφους κυλινδρικούς πυρήνες που μπορεί να εφαρμοστεί σε όρθια θέση, αλλά είναι σημαντικά βαρύτερος όταν κρεμαστεί. Ενώ οι κωνικοί μονωτές χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές υψηλής τάσης, ο καθορισμός της βέλτιστης κωνικότητας είναι σημαντικός. Όταν οποιοδήποτε κομμάτι του εξοπλισμού θεωρείται για εφαρμογή υπό σεισμικές συνθήκες, ολόκληρη η συναρμολογημένη και συναρμολογημένη κατασκευή πρέπει να αξιολογηθεί χρησιμοποιώντας το κατάλληλο λογισμικό. Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA), για παράδειγμα, θα προσδιορίσει περιοχές υψηλής τάσης σε οποιαδήποτε δεδομένη διαμόρφωση. Θα εντοπιστούν επίσης ζώνες χαμηλής καταπόνησης. Ο σχεδιαστής/σύμβουλος του εξοπλισμού θα πρέπει επίσης να συνεργαστεί στενά με τον κατασκευαστή του μονωτή για να διασφαλίσει ότι όλες οι ζώνες έχουν ίσο περιθώριο ασφαλείας. Στην πραγματικότητα, μπορεί να χρειαστούν αρκετές επαναλήψεις για να εντοπιστούν πλήρως όλες οι βέλτιστες αυξήσεις και μειώσεις της αντοχής σε συγκεκριμένες θέσεις κατά μήκος του μονωτή. Κάθε φορά που εντοπίζονται και διορθώνονται περιοχές χαμηλότερης καταπόνησης, το βάρος σε αυτήν την περιοχή μπορεί να μειωθεί και οι μειώσεις βάρους στα επάνω τμήματα μπορεί να μειώσουν την αντοχή που απαιτείται στα χαμηλότερα τμήματα. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη μάζα, λιγότερη κίνηση που προκαλείται από τη μάζα και λιγότερη συνολική καταπόνηση. Το κόστος της δοκιμής του τραπεζιού αναδευτήρα είναι πολύ δαπανηρό για μεγάλο εξοπλισμό υποσταθμού. Μια ενδελεχής αξιολόγηση από έναν ικανό σεισμολόγο μπορεί να ελέγξει τέτοιο κόστος αποφεύγοντας την ανάγκη επανέλεγχου. Η θέση ενός μονωτή σε οποιοδήποτε εξοπλισμό είναι επίσης θεμελιωδώς σημαντική. Σε πολλές περιπτώσεις, οι μονωτές υποστηρίζουν βαριά κομμάτια εξοπλισμού. Εάν ο εξοπλισμός γίνει πιο συμπαγής ως προς τη μάζα κοντά στην κορυφή, πολύ μικρή τάση κάμψης
εικ. 3.
Εάν ο εξοπλισμός έχει υψηλό κέντρο βάρους με τη μάζα τοποθετημένη πολύ πάνω από τον μονωτή, το επάνω εξάρτημα θα υπόκειται σε πολύ μεγαλύτερη κάμψη και θα είναι απαραίτητος ένας πιο στιβαρός σχεδιασμός για αυτό το άνω τμήμα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα. 4, για παράδειγμα, η κορυφή του μονωτή υπόκειται στο 50% του μέγιστου φορτίου κάμψης.
εικ. 4.
Η μάζα στην κορυφή του μονωτήρα έχει το μεγαλύτερο αποτέλεσμα κάμψης. Για παράδειγμα, στην περίπτωση ενός διακόπτη διακοπής αέρα στην ανοιχτή θέση με τον ιστό πλήρως εκτεταμένο, υπάρχουν υψηλές ροπές κάμψης στην κορυφή του μονωτή (βλ. Εικ. 5).
Εικ. 5: Διακόπτης 500 kV, ανοιχτός ιστός.
Ένας τυπικός διακόπτης διακοπής αέρα 500 kV είναι τοποθετημένος 4,6 m πάνω σε μια κατασκευή και στην ανοιχτή θέση ο διακόπτης μπορεί να είναι 9,75, δηλαδή μια συνολική απόσταση 14,35 m από το επίπεδο του εδάφους μέχρι την κορυφή του ιστού. Η βελτιστοποίηση της αντοχής που απαιτείται στην κορυφή ενός μονωτήρα μπορεί να αποδειχθεί μια κρίσιμη ζώνη μείωσης υλικού, καθώς η μείωση βάρους είναι το σημείο όπου η μάζα είναι πιο μακριά από τη στιγμή κάμψης.
Απορριμμένο βάρος
Το προφίλ του υπόστεγου είναι ένα μέσο για την αύξηση της απόστασης ερπυσμού, ωστόσο τα υπόστεγα συμβάλλουν στο βάρος ενός μονωτήρα. Στο παρελθόν, τα υπόστεγα ήταν συνήθως έως και 19 mm στον πυρήνα και λεπτύνουν στα 12 mm στο άκρο. Με τη βελτιωμένη επιστήμη των υλικών, το μέγεθος του υπόστεγου μπορεί να μειωθεί, με αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους του υπόστεγου κατά 20%.
Μειωμένες Ενότητες
Οι μονωτές αποτελούνται από μεμονωμένα ή πολλαπλά τμήματα βιδωμένα μεταξύ τους. Οι μονωτές είναι συνήθως μονοκόμματες κατασκευές έως 750 kV BIL. Οι μονωτές υψηλής τάσης μπορούν να αποτελούνται από πολλά τμήματα ανάλογα με το επίπεδο τάσης. Οι συγκεντρώσεις τάσεων εντοπίζονται στις αρθρώσεις όπου τα εξαρτήματα από χυτοσίδηρο είναι τσιμεντωμένα πάνω στην πορσελάνη. Η διάμετρος της πορσελάνης στο εξάρτημα αυξάνεται λόγω των συγκεντρωμένων επιπέδων καταπόνησης. Η μείωση του αριθμού των τμημάτων θα μειώσει τις θέσεις υψηλής τάσης καθώς και το βάρος των πρόσθετων εξαρτημάτων (βλ. Εικ.. 6).
εικ. 6.
Υλικό
Οι μονωτές πορσελάνης είναι τεχνικά κεραμικά που περιέχουν μείγμα καολίνη, αλουμίνα, άστριο και πυρίτιο (χαλαζία). Το IEC 60672-3 αναφέρεται σε τρεις κύριους τύπους: C-110, C-120 και C-130. Το C-110 είναι γνωστό ως πορσελάνη χαλαζία, ενώ το C-120 και το C-130 είναι πορσελάνες από αλουμίνα. Το C-120 περιέχει 20%-30% αλουμίνα ενώ το C-130 έχει συνήθως περιεκτικότητα σε αλουμίνα μεγαλύτερη από 30%. Η αύξηση της αντοχής μεταφράζεται στην υψηλότερη αναλογία αντοχής προς βάρος. Οι τιμές αντοχής που εμφανίζονται στον Πίνακα 1 είναι ελάχιστες και μπορούν να ξεπεραστούν κατά πολύ. Οι μονωτήρες που κατασκευάζονται με άργιλο C-130 με επίπεδα υψηλότερα από τα ελάχιστα μπορούν να προσφέρουν έως και 40% μείωση βάρους.
Πίνακας 1: IEC 60672-3 1984
Διαδικασία Παραγωγής
Η κατασκευή πήλινων υλικών έχει εγγενώς ένα ευρύ φάσμα αντοχών υλικού που προκύπτουν. Μια τέτοια διακύμανση μπορεί να συμβεί εντός μιας παρτίδας ή μεταξύ των παρτίδων. Η επίτευξη σταθερής δύναμης σώματος είναι δύσκολη, ειδικά εάν οι διαδικασίες δεν ελέγχονται αυστηρά. Πράγματι, έχει αποδειχθεί ότι η αντοχή των κεραμικών υλικών μπορεί να έχει πάνω από 35% τυπική απόκλιση. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση, τόσο πιο βαρύς είναι ο σχεδιασμός του μονωτή που απαιτείται για να διασφαλιστεί ότι πληροί το Καθορισμένο Μηχανικό Φορτίο (SML). Η μείωση της τυπικής απόκλισης μειώνει άμεσα το βάρος οποιωνδήποτε δεδομένων παραμέτρων σχεδιασμού του κατασκευαστή. Για παράδειγμα, σχεδιασμός μονωτή με SML 10 kN και std. dev. 3,5 kN σημαίνει ότι το σχέδιο πρέπει να είναι τέτοιο ώστε ο μέσος όρος να είναι 17 kN. Από την άλλη, αν στδ. dev. είναι μόνο 1 kN, ο σχεδιασμός μπορεί να βασίζεται σε μέσο όρο 12 kN. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μείωση περίπου 40% στο βάρος του μονωτή (βλ. Σχήματα 7 και 8).
Εικ. 7: Μεγάλη τυπική απόκλιση.
Εικ. 8: Μικρή τυπική απόκλιση.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα τις πιθανές αιτίες των διακυμάνσεων της αντοχής του σώματος, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε περισσότερα για το πώς παράγονται οι μονωτήρες πορσελάνης. Πολλά κατασκευάζονται με την υγρή ή πλαστική μέθοδο, όπου οι συνταγές από πηλό μετρώνται και αναμιγνύονται με νερό για να δημιουργηθεί το βασικό υλικό, που ονομάζεται ολίσθηση. Ένας μύλος με σφαιρίδια αλέθει την ολίσθηση για να εξασφαλίσει το σωστό μέγεθος σωματιδίων και περιέχει περίπου 50% νερό. Στη συνέχεια, το Slip φιλτράρεται για να αφαιρεθούν οι φυσικοί ρύποι που βρίσκονται στους άργιλους, είτε οργανικούς είτε σιδήρου. Στη συνέχεια, η ολίσθηση πιέζεται σε κέικ φίλτρου με υγρασία περίπου 22% και αυτά τεμαχίζονται και εξωθούνται σε τεμάχια. Τέλος, εξωθούνται κυλινδρικά τεμάχια ή πατημασιές. Σε μια περίοδο 5 έως 6 εβδομάδων, το τυφλό τυλίγει και στεγνώνει σε περιεκτικότητα σε υγρασία λιγότερο από 1%. Για να διατηρηθεί η σταθερή δύναμη του σώματος, όλα αυτά τα βήματα που οδηγούν στο τελικό προϊόν πρέπει επίσης να αντιμετωπίζονται με συνέπεια. Το μέγεθος των σωματιδίων, η χημική σύνθεση, η περιεκτικότητα σε νερό των κέικ φίλτρου, η σκληρότητα των τεμαχίων και οι τεχνικές ξήρανσης θα καθορίσουν την προβλεψιμότητα της αντοχής του σώματος. Τα πολλαπλά στάδια ξήρανσης του υγρού πηλού – από το πάτημα κέικ φίλτρου μέχρι τη χρήση ξηραντηρίων που προετοιμάζουν περιστρεφόμενους μονωτές για ψήσιμο – είναι βασικά βήματα παραγωγής για μονωτήρες πορσελάνης, με ίσως το πιο κρίσιμο στην ξήρανση να παίρνει το σχήμα υγρής περιστροφής από 18% περιεκτικότητα σε υγρασία σε λιγότερο από 1%. Αυτό συμβαίνει επειδή τα λεπτά υπόστεγα και ο παχύς πυρήνας πρέπει να στεγνώσουν με τον ίδιο ρυθμό, παρόλο που τα σχετικά λεπτά υπόστεγα είναι πολύ πιο πιθανό να εκπέμπουν νερό. Μπορεί να χρειαστούν έως και 6 εβδομάδες για να στεγνώσει αργά ένας μονωτήρας και πολλοί κατασκευαστές διαθέτουν κατάλληλους ελέγχους για να το διασφαλίσουν αυτό. Απαιτούνται ακόμη εξειδικευμένοι υπάλληλοι και συνεχής προσοχή στη λεπτομέρεια.
Στρίψιμο (δεξιά φωτογραφία) και στέγνωμα μονωτών πορσελάνης με πλαστική/υγρή διαδικασία.
Μια εναλλακτική μέθοδος κατασκευής για μονωτήρες πορσελάνης έχει αναπτυχθεί και εξαλείφει πολλά στάδια στη διαδικασία ξήρανσης που συζητήθηκαν παραπάνω. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα που προσφέρεται είναι μια πολύ πιο συνεπής διαδικασία που βοηθά στη μείωση του κινδύνου πιθανής διακύμανσης της αντοχής του υλικού. Αυτή η μέθοδος, που ονομάζεται ισοστατική, ξεκινά με την ξήρανση της ολίσθησης σε μια λεπτή σκόνη, η οποία στη συνέχεια πιέζεται υπό μεγάλη δύναμη σε έναν ξηρό κύλινδρο. Το εγγενές πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα παραγωγής ξηρών κυλινδρικών τεμαχίων σε σχετικά σύντομο χρόνο. Στην πραγματικότητα, οι μονωτές που παράγονται με την ισοστατική μέθοδο έχουν χρόνο παραγωγής μικρότερο από δύο εβδομάδες έναντι 6 ή περισσότερες εβδομάδες που απαιτούνται για υγρή/πλαστική παραγωγή. Επιπλέον, η στροφή πραγματοποιείται ξηρά. Αυτό εξαλείφει τη συρρίκνωση από τα προφίλ υγρής περιστροφής σε κατάσταση στεγνώματος/έτοιμου για ψήσιμο και έχει ως αποτέλεσμα αυστηρότερες ανοχές. Τα ξηρά συμπιεσμένα τεμάχια δεν έχουν ιδιαίτερο προσανατολισμό κόκκων, όπως συναντάμε στα τεμάχια με υγρή εξώθηση. Δεδομένου ότι ένα υγρό σώμα εξωθείται μέσω του λαιμού του εξωθητήρα, η ροή αργίλου μπορεί να είναι πολύ πιο αργή κατά μήκος των τοιχωμάτων λόγω της τριβής μεταξύ του πηλού και του τοιχώματος του εξωθητή. Στο εσωτερικό του τεμαχίου, θα προκύψει διάτμηση προκαλώντας εσωτερική καταπόνηση, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε αστοχίες στον κλίβανο και να μειώσει τη μηχανική αντοχή. Ανάλογα από πού προέρχεται ο μονωτήρας στο τυφλό, αυτές οι περιοχές διάτμησης μπορεί να καταλήξουν κοντά στην επιφάνεια. Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό είναι η κάμπερα που σχηματίζεται ως μονωτήρας πορσελάνης που στεγνώνει.
συμπεράσματα
Η βελτίωση της απόδοσης των μονωτών πορσελάνης σε συνθήκες σεισμικής λειτουργίας είναι δυνατή κυρίως μέσω μεθόδων μείωσης βάρους. Η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού που βασίζεται σε συγκεκριμένη πραγματική εφαρμογή χρησιμοποιώντας υλικά υψηλής αντοχής καθώς και η διατήρηση μιας συνεπούς διαδικασίας κατασκευής θα εξασφαλίσει την καλύτερη δυνατή απόδοση.