Seizmický výkon porcelánových izolátorů v rozvodnáchPorcelánové izolátory jsou nedílnou součástí energetických systémů již více než století, a to z velké části díky jejich tuhosti, která zajišťuje vyrovnání součástí v zařízení rozvoden. Navíc v posledních letech došlo k velkému pokroku v pochopení seismických jevů, které mají dopad na takové izolátory v rozvodnách. Rezonanční frekvence z těchto dějů mohou způsobit nesmírné dynamické síly a díky své hmotnosti a křehkosti je porcelán náchylnější k destruktivním harmonickým frekvencím. Ale s dobrou konstrukční praxí, pokročilými materiály a moderními výrobními metodami mohou porcelánové izolátory stále prokázat spolehlivou formu izolace v seismických provozních prostředích. Materiálové charakteristiky hrají hlavní roli při konstrukci zařízení pod takovými dynamickými silami, a zatímco ocel a hliník jsou tvárné a nabízejí předvídatelnou pevnost, porcelán není -tažný a jeho pevnost se může značně lišit. Seizmický výkon porcelánových izolátorů lze proto zvýšit maximalizací pevnosti a snížením hmotnosti. V dnešní době je také lépe pochopeno, že izolátor je pouze jednou součástí komplexního pole, které tvoří jakékoli zařízení nacházející se v rozvodně. Proto je potřeba zhodnotit celé zařízení. Například izolátory se často montují na betonové nebo ocelové konstrukce a podporují skutečné zařízení, zatímco průchodky se obvykle nacházejí v horní části zařízení. Odezva zařízení a jeho dílčích{10}}složek na vstupní frekvence bude proto záviset na těchto a dalších faktorech. Když se vlastní frekvence zařízení těsně shoduje se vstupní frekvencí, dojde k rezonanci, která zesílí výsledný dynamický pohyb a odezvu zrychlení. Spektrum požadované odezvy (RRS) simuluje amplitudy, frekvence a energii při typických seismických událostech. Zařízení s vlastními frekvencemi 1,1 až 8 Hz jsou nejblíže pokryta rekonfigurovatelným rádiovým systémem.
Typické typy vysokonapěťových zařízení mají několik charakteristik, díky nimž jsou citlivější na seismické vstupy. Vzhledem k tomu, že jsou vysoké a těžké, vykazují nižší úrovně přirozené frekvence, která se běžně vyskytuje při seismických událostech. Když dva předměty vibrují stejnou vlastní frekvencí, je vidět zvýšený pohyb a vyvolává velké konzolové zatížení. Pochopení sil, kterým je izolant vystaven, ve srovnání se silnými a slabými stránkami jeho keramického materiálu je důležitým prvním krokem. Mechanické jmenovité hodnoty izolátoru zahrnují: a. Konzolové/ohybové momenty; b. Kroucení; C. Napětí; a d. Komprese. Konzolové zatížení určuje průměr jádra a tím i hmotnost.
kde: D – průměr jádra; F – požadovaná pevnost (min. lomové zatížení); l – délka; měrná síla porcelánu. Keramické materiály mají vysoký stupeň stlačení a nízké napětí. Ohybové momenty vyvolávají tlakové a tahové napětí a tahové napětí je zesíleno pákovým působením výšky izolátoru (jako na obr. . 1).
Obr. 1.
Ohybové momenty se zvyšují s větší silou a/nebo vyššími izolátory (viz Obr. 2). V případě dynamického pohybu je síla založena na: 1. hmotě izolátoru a hmotnosti namontované nad izolátorem; a 2. zrychlení v důsledku seismické události.
Obr. 2.
Pokoušet se provést konstrukční změny, aby se zajistilo, že vlastní frekvence zařízení zůstane mimo frekvenci seismické události, často není možné. Vzhledem k tomu, že hmotnost je klíčovým faktorem při výpočtu síly/energie, která vstupuje do zařízení během seismické události, je úkolem optimalizovat konstrukci a maximalizovat poměr pevnosti k hmotnosti.
Redukce hmotnosti
Existují způsoby, jak snížit hmotnost porcelánového izolátoru dané pevnosti. V prvé řadě by izolátory měly být ideálně speciálně navrženy pro tuto potřebu. Maximalizace délek sekcí navíc pomáhá snížit hmotnost více-složkových izolátorů. Výrobci mají také výběr materiálů, které nabízejí vyšší pevnost a zachování přísných norem pro zajištění kvality může dále zvýšit celkovou pevnost.
Optimalizace designu
Návrh izolátoru musí brát v úvahu jeho použití za seismických podmínek. Často jsou izolátory používané v rozvodnách založeny na standardních konstrukcích, které mají fungovat v celé řadě aplikací. Příkladem je izolátor s stejnoměrnými válcovými jádry, který lze aplikovat nastojato, ale je podstatně těžší, když je zavěšen. Zatímco kuželové izolátory jsou stále více používány v aplikacích HV, určení optimálního kužele je důležité. Když se uvažuje o použití jakéhokoli zařízení za seismických podmínek, musí být celá sestavená a namontovaná konstrukce vyhodnocena pomocí příslušného softwaru. Analýza konečných prvků (FEA) například identifikuje oblasti s vysokým napětím v jakékoli dané konfiguraci. Rovněž budou identifikovány zóny nízkého stresu. Projektant zařízení/konzultant by měl také úzce spolupracovat s výrobcem izolátoru, aby zajistil, že všechny zóny budou mít stejnou bezpečnostní rezervu. Ve skutečnosti může trvat několik iterací, aby se plně identifikovaly všechny optimální nárůsty a poklesy pevnosti v daných místech podél izolátoru. Kdykoli jsou identifikovány a odstraněny oblasti s nižším namáháním, lze snížit hmotnost v této oblasti a snížení hmotnosti v horních částech může snížit pevnost potřebnou ve spodních částech. Tento proces má za následek menší hmotnost, menší pohyb způsobený hmotou a menší celkové napětí. Náklady na testování třepacího stolu jsou velmi nákladné pro velká zařízení rozvodny. Důkladné vyhodnocení kompetentním seismickým specialistou může tyto náklady kontrolovat tím, že se vyhne nutnosti opakovaného testování. Zásadně důležité je také umístění izolátoru v jakémkoli zařízení. V mnoha případech izolátory nesou těžké kusy zařízení. Pokud je zařízení vyrobeno kompaktnější, pokud jde o hmotnost blízko vrcholu, velmi malé namáhání v ohybu
Obr. 3.
Pokud má zařízení vysoko položené těžiště s hmotou umístěnou vysoko nad izolátorem, bude horní tvarovka vystavena mnohem většímu namáhání v ohybu a bude nutná robustnější konstrukce této horní části. Jak je například znázorněno na obr. . 4, horní část izolátoru je vystavena 50 % maximálního ohybového zatížení.
Obr. 4.
Hmota v horní části izolátoru má největší ohybový účinek. Například v případě vzduchového spínače v otevřené poloze s plně vysunutým stožárem jsou v horní části izolátoru vysoké ohybové momenty (viz obr. 5).
Obr. 5: Spínač 500 kV, stožár otevřený.
Typický 500 kV vzduchový spínač je namontován 4,6 m nahoru na konstrukci a v otevřené poloze může být spínač 9,75, tj. celková vzdálenost 14,35 m od úrovně země k vrcholu stožáru. Optimalizace pevnosti potřebné v horní části izolátoru se může ukázat jako kritická zóna redukce materiálu, protože redukce hmotnosti je tam, kde je hmota nejdále od ohybového momentu.
ShedWeight
Profil přístřešku je prostředkem ke zvýšení povrchové cesty, ale přístřešky přispívají k hmotnosti izolátoru. V minulosti byly prošlupy typicky až 19 mm u jádra, zužující se až 12 mm na špičce. Díky zdokonalené vědě o materiálech lze zmenšit velikost prošlupu, což má za následek 20% snížení hmotnosti prošlupu.
Zmenšené sekce
Izolátory se skládají z jedné nebo více částí, které jsou k sobě přišroubovány. Izolátory jsou typicky jednodílné konstrukce do 750 kV BIL. Vysokonapěťové izolátory se mohou skládat z mnoha částí v závislosti na úrovni napětí. Koncentrace napětí se nacházejí ve spojích, kde jsou litinové tvarovky nalepeny na porcelán. Průměr porcelánu v armatuře je zvětšen v důsledku koncentrovaných úrovní napětí. Snížením počtu sekcí se sníží místa s vysokým namáháním a také hmotnost přídavných armatur (viz obr. 6).
Obr. 6.
Materiál
Porcelánové izolátory jsou technická keramika obsahující směs kaolinu, oxidu hlinitého, živce a oxidu křemičitého (křemene). IEC 60672-3 se týká tří hlavních typů: C-110, C-120 a C-130. C-110 je známý jako křemenný porcelán, zatímco C-120 a C-130 jsou porcelány z oxidu hlinitého. C-120 obsahuje 20 % až 30 % oxidu hlinitého, zatímco C-130 má normálně obsah oxidu hlinitého vyšší než 30 %. Zvýšená pevnost se promítá do nejvyššího poměru pevnosti k hmotnosti. Hodnoty pevnosti uvedené v tabulce 1 jsou minimální a mohou být značně překročeny. Izolátory vyrobené z jílu C-130 s vyššími než minimálními úrovněmi mohou nabídnout až 40% snížení hmotnosti.
Tabulka 1: IEC 60672-3 1984
Výrobní proces
Výroba jílových materiálů má ze své podstaty široký rozsah výsledných pevností materiálu. K takovým změnám může dojít v rámci šarže nebo mezi šaržemi. Dosažení stálé tělesné síly je obtížné, zvláště pokud procesy nejsou přísně kontrolovány. Bylo prokázáno, že pevnost keramických materiálů může mít více než 35 % standardní odchylky. Čím větší je odchylka, tím těžší je konstrukce izolátoru potřebná k zajištění splnění specifikovaného mechanického zatížení (SML). Snížení směrodatné odchylky přímo snižuje váhu libovolných konstrukčních parametrů výrobce. Například návrh izolátoru s SML 10 kN a std. dev. 3,5 kN znamená, že návrh musí být takový, aby průměr byl 17 kN. Na druhou stranu, pokud std. dev. je pouze 1 kN, návrh lze vycházet v průměru z 12 kN. To může vést k přibližně 40% snížení hmotnosti izolátoru (viz obr. 7 a 8).
Obr. 7: Velká směrodatná odchylka.
Obr. 8: Malá standardní odchylka.
Abychom lépe porozuměli možným příčinám kolísání síly těla, je nutné vědět více o tom, jak se vyrábí porcelánové izolátory. Mnohé z nich jsou vyráběny mokrou nebo plastovou metodou, kdy se jílové receptury měří a mísí s vodou, aby se vytvořil základní materiál, nazývaný skluz. Kulový mlýn drtí skluz, aby se zajistila správná velikost částic a obsahuje přibližně 50 % vody. Slip je poté filtrován, aby se odstranily přirozené nečistoty nacházející se v jílech, ať už organických nebo železných. Sliz je poté lisován do filtračních koláčů při vlhkosti asi 22 % a ty jsou sekány a vytlačovány do bloků. Nakonec se vytlačují válcové polotovary nebo mopslíky. Po dobu 5 až 6 týdnů se polotovar obrací a suší na obsah vlhkosti nižší než 1 %. Pro udržení stálé tělesné síly je nutné důsledně řídit i všechny tyto kroky vedoucí k hotovému produktu. Velikost částic, chemické složení, obsah vody ve filtračních koláčích, tvrdost polotovarů a techniky sušení – to vše bude určovat předvídatelnost pevnosti těla. Několik kroků sušení mokré hlíny – od lisování filtračních koláčů až po použití sušáren, které připravují soustružené izolátory pro vypalování – jsou klíčovými výrobními kroky pro porcelánové izolátory, přičemž možná nejkritičtějším při sušení je získání mokrého soustruženého tvaru z obsahu vlhkosti 18 % na méně než 1 %. Je to proto, že tenké přístřešky a tlusté jádro potřebují schnout stejnou rychlostí, i když relativně tenké přístřešky mnohem pravděpodobněji vypouštějí vodu. Pomalé vyschnutí izolátoru může trvat až 6 týdnů a mnoho výrobců má k zajištění toho správné kontroly. Nezbytní jsou stále kvalifikovaní zaměstnanci a neustálá pozornost k detailu.
Soustružení (foto vpravo) a sušení porcelánových izolátorů vyrobených plastem/mokrým procesem.
Byl vyvinut alternativní způsob výroby porcelánových izolátorů, který eliminuje mnoho kroků v procesu sušení diskutovaného výše. Důležitou nabízenou výhodou je mnohem konzistentnější proces, který pomáhá snížit riziko možných změn v síle materiálu. Tato metoda, nazývaná izostatická, začíná sušením skluzu na jemný prášek, který se pak velkou silou lisuje do suchého válce. Inherentní výhodou je možnost vyrobit suché válcové polotovary v relativně krátkém čase. Ve skutečnosti mají izolátory vyrobené pomocí izostatického způsobu dobu výroby méně než dva týdny oproti 6 nebo více týdnům potřebným pro výrobu mokra/plastů. Kromě toho se soustružení provádí za sucha. Tím se eliminuje smršťování z profilů soustružených za mokra do stavu vysušeného/připraveného k vypalování a výsledkem jsou přísnější tolerance. Polotovary lisované za sucha nemají žádnou zvláštní orientaci zrna, jak se vyskytuje u polotovarů lisovaných za mokra. Protože mokré těleso je vytlačováno hrdlem extrudéru, proudění jílu může být podél stěn mnohem pomalejší v důsledku tření mezi hlínou a stěnou extrudéru. Uvnitř polotovaru dojde ke smyku způsobujícímu vnitřní napětí, které může vést k poruchám v peci a snížit mechanickou pevnost. V závislosti na tom, odkud v polotovaru izolátor pochází, mohou tyto smykové oblasti skončit blízko povrchu. Jedním z pozoruhodných rysů je prohnutí, které vzniká při sušení porcelánového izolátoru.
Závěry
Zlepšení výkonu porcelánových izolátorů za seizmických provozních podmínek je možné především metodami snižování hmotnosti. Optimalizace návrhu na základě konkrétní skutečné aplikace s použitím vysoce pevných materiálů a zachování konzistentního výrobního procesu zajistí nejlepší možný výkon.