Porcelianinių izoliatorių seisminės charakteristikos pastotėse Porcelianiniai izoliatoriai jau daugiau nei šimtmetį buvo neatsiejama elektros sistemų dalis, daugiausia dėl jų standumo, užtikrinančio komponentų išlyginimą pastočių įrenginyje. Be to, pastaraisiais metais buvo padaryta didelė pažanga suprantant seisminius įvykius, turinčius įtakos tokiems izoliatoriams pastotėse. Šių įvykių rezonansiniai dažniai gali sukelti didžiules dinamines jėgas, o dėl savo svorio ir trapumo porcelianas yra jautresnis žalingiems harmoniniams dažniams. Tačiau naudojant gerą projektavimo praktiką, pažangias medžiagas ir šiuolaikinius gamybos metodus, porcelianiniai izoliatoriai vis tiek gali būti patikima izoliacijos forma seisminių paslaugų aplinkoje. Medžiagų charakteristikos vaidina svarbų vaidmenį kuriant įrangą, veikiant tokioms dinaminėms jėgoms, ir, nors plienas ir aliuminis yra plastiški ir pasižymi nuspėjamu stiprumu, porcelianas nėra-plastus ir gali labai skirtis. Todėl porcelianinių izoliatorių seisminės savybės gali būti padidintos padidinus stiprumą ir sumažinant svorį. Šiais laikais taip pat geriau suprantama, kad izoliatorius yra tik vienas komponentas sudėtingame masyve, kuris sudaro bet kurį pastotėje esantį įrenginį. Todėl reikia įvertinti visą įrenginį. Pavyzdžiui, izoliatoriai dažnai montuojami ant betoninių arba plieninių konstrukcijų ir palaiko tikrąją įrangą, o įvorės paprastai yra įrangos viršuje. Todėl įrangos ir jos sudedamųjų dalių atsakas į įvesties dažnius priklausys nuo šių ir kitų veiksnių. Kai natūralus įrangos dažnis labai sutampa su įvesties dažniu, atsiranda rezonansas, taip sustiprinant susidariusį dinaminį judesį ir pagreičio atsaką. Reikalingas atsako spektras (RRS) imituoja amplitudes, dažnius ir energiją tipiniuose seisminiuose įvykiuose. Įranga, kurios natūralūs dažniai yra nuo 1,1 iki 8 Hz, yra labiausiai įtraukta į RRS.
Įprasti aukštos įtampos įrangos tipai turi keletą savybių, dėl kurių jie geriau reaguoja į seisminius įėjimus. Būdami aukšti ir sunkūs, jie pasižymi žemesniu natūralaus dažnio lygiu, paprastai sutinkamu seisminių įvykių metu. Kai du elementai vibruoja tuo pačiu natūraliu dažniu, matomas padidėjęs judesys ir sukelia dideles konsolės apkrovas. Svarbus pirmasis žingsnis yra suprasti, kokias jėgas veikia izoliatorius, palyginti su jo keraminės medžiagos stipriosiomis ir silpnosiomis pusėmis. Izoliatoriaus mechaniniai įvertinimai apima: a. Konsoliniai/lenkimo momentai; b. Sukimas; c. Įtampa; ir d. Suspaudimas. Konsolinės apkrovos lemia šerdies skersmenį, taigi ir svorį.
čia: D – šerdies skersmuo; F – reikalingas stiprumas (min. lūžio apkrova); l – ilgis; specifinis porceliano stiprumas. Keraminės medžiagos turi aukštus suspaudimo ir mažo įtempimo rodiklius. Lenkimo momentai sukelia gniuždymo ir tempimo įtempį, o tempimo įtempį sustiprina izoliatoriaus aukščio svirtis (kaip parodyta . 1 pav.).
Pav{0}}
Lenkimo momentai didėja esant didesnei jėgai ir (arba) aukštesniems izoliatoriams (kaip parodyta . 2 pav.). Dinaminio judėjimo atveju jėga grindžiama: 1. izoliatoriaus mase ir mase, sumontuota virš izoliatoriaus; ir 2. pagreitis dėl seisminio įvykio.
Pav{0}}
Bandymas atlikti konstrukcijos pakeitimus, siekiant užtikrinti, kad įrangos dalies natūralus dažnis išliktų už seisminio įvykio dažnio ribų, dažnai neįmanomas. Kadangi svoris yra pagrindinis veiksnys apskaičiuojant jėgą / energiją, kuri patenka į įrangą seisminio įvykio metu, iššūkis yra optimizuoti dizainą ir maksimaliai padidinti stiprumo ir svorio santykį.
Svorio mažinimas
Yra būdų, kaip sumažinti tam tikro stiprumo porceliano izoliatoriaus svorį. Visų pirma, idealiu atveju izoliatoriai turėtų būti specialiai sukurti pagal poreikį. Be to, maksimaliai padidinus sekcijų ilgį, galima sumažinti kelių-sluoksnių izoliatorių svorį. Gamintojai taip pat pasirenka medžiagas, kurios siūlo didesnį stiprumą, o griežtų kokybės užtikrinimo standartų palaikymas gali dar labiau padidinti bendrą stiprumą.
Dizaino optimizavimas
Projektuojant izoliatorių reikia atsižvelgti į jo naudojimą seisminėmis sąlygomis. Dažnai pastotėse naudojami izoliatoriai yra pagrįsti standartine konstrukcija, skirta naudoti įvairiose srityse. Pavyzdys yra izoliatorius su vienodomis cilindrinėmis šerdimis, kurios gali būti dedamos vertikaliai, bet yra žymiai sunkesnės, kai yra pakabintos. Nors kūginiai izoliatoriai vis dažniau naudojami aukštosios srovės įrenginiuose, svarbu nustatyti optimalų kūgį. Kai svarstoma, ar bet kurią įrangą galima naudoti seisminėmis sąlygomis, visa surinkta ir sumontuota konstrukcija turi būti įvertinta naudojant atitinkamą programinę įrangą. Pavyzdžiui, baigtinių elementų analizė (FEA) nustatys didelio įtempimo sritis bet kurioje konfigūracijoje. Taip pat bus nustatytos mažo streso zonos. Įrangos projektuotojas/konsultantas taip pat turėtų glaudžiai bendradarbiauti su izoliatoriaus gamintoju, siekdamas užtikrinti, kad visos zonos būtų vienodos. Tiesą sakant, gali prireikti kelių iteracijų, kad būtų galima visiškai nustatyti visus optimalius stiprumo padidėjimus ir sumažėjimus tam tikrose izoliatoriaus vietose. Kai nustatomos ir pašalinamos mažesnės įtampos vietos, svoris toje srityje gali būti sumažintas, o sumažinus viršutinių sekcijų svorį gali sumažėti apatinių sekcijų stiprumas. Dėl šio proceso sumažėja masė, masės sukeliamas judėjimas ir bendras stresas. Kratytuvo stalo bandymo kaina yra labai brangi didelėms pastočių įrangai. Kompetentingo seisminio specialisto atliktas kruopštus įvertinimas gali suvaldyti tokias išlaidas, išvengiant pakartotinio tyrimo. Izoliatoriaus vieta bet kurioje įrangoje taip pat yra labai svarbi. Daugeliu atvejų izoliatoriai palaiko sunkią įrangą. Jei įranga yra kompaktiškesnė pagal masę prie viršaus, labai mažas lenkimo įtempis
Pav{0}}
Jei įrangos svorio centras yra aukštas, o masė yra gerokai virš izoliatoriaus, viršutinė armatūra patirs daug didesnį lenkimo įtempį ir reikės tvirtesnės šios viršutinės dalies konstrukcijos. Pavyzdžiui, kaip parodyta . 4 pav., izoliatoriaus viršus yra veikiamas 50 % didžiausios lenkimo apkrovos.
Pav{0}}
Masė izoliatoriaus viršuje turi didžiausią lenkimo efektą. Pavyzdžiui, jei oro pertraukimo jungiklis yra atviroje padėtyje, kai stiebas yra visiškai ištiestas, izoliatoriaus viršuje yra dideli lenkimo momentai (žr. . 5 pav.).
Pav. 5: 500 kV jungiklis, stiebas atidarytas.
Įprastas 500 kV oro pertraukiklis montuojamas 4,6 m aukštyje ant konstrukcijos, o atviroje padėtyje jungiklis gali būti 9,75, ty bendras atstumas nuo žemės lygio iki stiebo viršaus 14,35 m. Izoliatoriaus viršuje reikalingo stiprumo optimizavimas gali būti kritinė medžiagų mažinimo zona, nes svorio mažinimas yra ten, kur masė yra labiausiai nutolusi nuo lenkimo momento.
Svoris
Pavėsinės profilis yra priemonė padidinti valkšnumo atstumą, tačiau pastogės prisideda prie izoliatoriaus svorio. Anksčiau tvartų šerdis paprastai būdavo iki 19 mm, smailėjanti iki 12 mm. Patobulinus medžiagų mokslą, pastogės dydis gali būti sumažintas, todėl tvarto svoris sumažėja 20 %.
Sumažinti skyriai
Izoliatoriai susideda iš vienos arba kelių sekcijų, sujungtų varžtais. Izoliatoriai paprastai yra vientisos konstrukcijos iki 750 kV BIL. Aukštos įtampos izoliatoriai gali būti sudaryti iš daugelio sekcijų, priklausomai nuo įtampos lygio. Įtempių koncentracija randama jungtyse, kur ketaus jungiamosios detalės yra cementuojamos ant porceliano. Porceliano skersmuo prie jungiamosios detalės padidėja dėl koncentruoto įtempio lygio. Sumažinus sekcijų skaičių, sumažės didelio įtempimo vietos ir papildomų jungiamųjų detalių svoris (žr. . 6 pav.).
Pav{0}}
Medžiaga
Porcelianiniai izoliatoriai yra techninė keramika, kurioje yra kaolino, aliuminio oksido, lauko špato ir silicio dioksido (kvarco) mišinys. IEC 60672-3 nurodo tris pagrindinius tipus: C-110, C-120 ir C-130. C-110 yra žinomas kaip kvarcinis porcelianas, o C-120 ir C-130 yra aliuminio oksido porcelianas. C-120 sudėtyje yra 20–30% aliuminio oksido, o C-130 aliuminio oksido kiekis paprastai yra didesnis nei 30%. Padidėjęs stiprumas reiškia didžiausią stiprumo ir svorio santykį. 1 lentelėje nurodytos stiprumo vertės yra minimalios ir gali būti gerokai viršytos. Izoliatoriai, pagaminti iš C-130 molio, kurio lygis yra didesnis nei minimalus, gali sumažinti svorį iki 40%.
1 lentelė: IEC 60672-3 1984
Gamybos procesas
Molio medžiagų gamyba iš esmės turi platų medžiagų stiprumo spektrą. Tokie skirtumai gali atsirasti tiek vienoje partijoje, tiek tarp partijų. Sunku pasiekti pastovią kūno jėgą, ypač jei procesai nėra griežtai kontroliuojami. Iš tiesų, buvo įrodyta, kad keraminių medžiagų stiprumas gali turėti daugiau nei 35% standartinio nuokrypio. Kuo didesnis nuokrypis, tuo sunkesnė izoliatoriaus konstrukcija, reikalinga tam, kad atitiktų nurodytą mechaninę apkrovą (SML). Standartinio nuokrypio sumažinimas tiesiogiai sumažina bet kurio gamintojo projektavimo parametrų svorį. Pavyzdžiui, izoliatoriaus, kurio SML 10 kN ir std. dev. 3,5 kN reiškia, kad konstrukcija turi būti tokia, kad vidurkis būtų 17 kN. Kita vertus, jei std. dev. yra tik 1 kN, projektuojant galima remtis vidutiniškai 12 kN. Dėl to izoliatoriaus svoris gali sumažėti maždaug 40 % (žr. 7 ir 8 pav.).
Pav. 7: didelis standartinis nuokrypis.
Pav{0}}: mažas standartinis nuokrypis.
Norint geriau suprasti galimas kūno stiprumo svyravimų priežastis, būtina daugiau žinoti, kaip gaminami porcelianiniai izoliatoriai. Daugelis jų gaminami šlapiuoju arba plastikiniu metodu, kai molio receptai išmatuojami ir sumaišomi su vandeniu, kad susidarytų pagrindinė medžiaga, vadinama slydimu. Rutulinis malūnas sumala slydimą, kad būtų užtikrintas tinkamas dalelių dydis ir jame yra maždaug 50 % vandens. Tada slydimas filtruojamas, kad būtų pašalinti natūralūs teršalai, esantys molyje, tiek organiniuose, tiek geležiniuose. Tada slydimas suspaudžiamas į filtravimo paplotėlius, kurių drėgnumas yra apie 22 %, o šie susmulkinami ir išspaudžiami į blokus. Galiausiai išspaudžiami cilindriniai ruošiniai arba mopsai. Per 5–6 savaites ruošinys apverčiamas ir išdžiovinamas iki mažiau nei 1 % drėgmės. Norint išlaikyti pastovią kūno jėgą, visi šie žingsniai, vedantys į gatavą produktą, taip pat turi būti nuosekliai valdomi. Dalelių dydis, cheminė sudėtis, vandens kiekis filtrų išspaudose, ruošinių kietumas ir džiovinimo būdai lems kūno stiprumo nuspėjamumą. Keli šlapio molio džiovinimo etapai – nuo filtrų išspaudų presavimo iki džiovyklų, kurios paruošia tekančius izoliatorius degimui, naudojimo – yra pagrindiniai porceliano izoliatorių gamybos etapai, o bene svarbiausias džiovinimo veiksnys yra drėgno tekinimo forma nuo 18 % drėgmės iki mažiau nei 1 %. Taip yra todėl, kad ploni tvartai ir stora šerdis turi išdžiūti tokiu pat greičiu, nors santykinai ploni tvartai daug labiau išskiria vandenį. Gali prireikti iki 6 savaičių, norint lėtai išdžiovinti izoliatorių, o daugelis gamintojų tai užtikrina tinkamas kontrolės priemones. Vis dar reikalingi kvalifikuoti darbuotojai ir nuolatinis dėmesys detalėms.
Plastikiniu/šlapiu būdu pagamintų porcelianinių izoliatorių tekinimas (nuotrauka dešinėje) ir džiovinimas.
Buvo sukurtas alternatyvus porceliano izoliatorių gamybos būdas, kuris pašalina daugelį aukščiau aptartų džiovinimo proceso etapų. Svarbi siūloma nauda yra daug nuoseklesnis procesas, padedantis sumažinti galimo medžiagos stiprumo skirtumo riziką. Šis metodas, vadinamas izostatiniu, prasideda nuo slydimo džiovinimo iki smulkių miltelių, kurie po to didele jėga įspaudžiami į sausą cilindrą. Privalumas yra galimybė pagaminti sausus cilindrinius ruošinius per palyginti trumpą laiką. Tiesą sakant, izoliatorių, pagamintų naudojant izostatinį metodą, gamybos laikas yra trumpesnis nei dvi savaitės, palyginti su 6 ar daugiau savaičių, reikalingų šlapiai / plastiko gamybai. Be to, tekinimas atliekamas sausai. Tai pašalina susitraukimą nuo šlapio tekinimo profilių iki išdžiovintų / paruoštų degimui būsenos ir sumažina toleranciją. Sausai presuoti ruošiniai neturi ypatingos grūdėtumo orientacijos, kaip yra šlapio ekstruzinio ruošiniuose. Kadangi šlapias korpusas išspaudžiamas per ekstruderio gerklę, molio tekėjimas išilgai sienų gali būti daug lėtesnis dėl trinties tarp molio ir ekstruderio sienelės. Ruošinio viduje atsiras šlyties, sukeldamas vidinį įtempį, dėl kurio gali sugesti krosnis ir sumažėti mechaninis stiprumas. Priklausomai nuo to, iš kur ruošinyje yra izoliatorius, šios šlyties vietos gali atsidurti šalia paviršiaus. Vienas iš pastebimų bruožų yra išlenkimas, kuris susidaro džiovinant porcelianinį izoliatorių.
Išvados
Porcelianinių izoliatorių eksploatacines savybes seisminėmis eksploatavimo sąlygomis pagerinti galima daugiausia naudojant svorio mažinimo metodus. Optimizuojant dizainą, pagrįstą konkrečiu faktiniu pritaikymu, naudojant labai stiprias medžiagas, ir išlaikant nuoseklų gamybos procesą, bus užtikrintas geriausias galimas veikimas.