Seismisk ytelse av porselensisolatorer på transformatorstasjoner Porselensisolatorer har vært en integrert del av kraftsystemer i mer enn et århundre, hovedsakelig på grunn av deres stivhet, noe som sikrer innretting av komponenter i nettstasjonsutstyr. Dessuten har det de siste årene vært store fremskritt når det gjelder å forstå de seismiske hendelsene som påvirker slike isolatorer ved transformatorstasjoner. Resonansfrekvenser fra disse hendelsene kan forårsake enorme dynamiske krefter, og på grunn av sin vekt og sprø natur er porselen mer utsatt for destruktive harmoniske frekvenser. Men med god designpraksis, avanserte materialer og moderne produksjonsmetoder, kan porselensisolatorer fortsatt være en pålitelig form for isolasjon i seismiske servicemiljøer. Materialegenskaper spiller en viktig rolle i utstyrsdesign under slike dynamiske krefter, og mens stål og aluminium er formbare og gir forutsigbar styrke, er porselen ikke-duktil og kan variere sterkt i styrke. Seismisk ytelse av porselensisolatorer kan derfor forbedres gjennom å maksimere styrke og redusere vekt. Det er også bedre forstått i disse dager at isolatoren bare er én komponent i en kompleks rekke som utgjør enhver enhet som finnes i en transformatorstasjon. Derfor må hele enheten evalueres. For eksempel er isolatorer ofte montert på betong- eller stålkonstruksjoner og støtter selve utstyret, mens bøssinger vanligvis finnes på toppen av utstyret. Responsen til utstyret og dets underkomponenter- på inngangsfrekvenser vil derfor avhenge av disse og andre faktorer. Når den naturlige frekvensen til et utstyr stemmer godt overens med inngangsfrekvensen, oppstår resonans og forsterker den resulterende dynamiske bevegelses- og akselerasjonsresponsen. Required Response Spectrum (RRS) simulerer amplituder, frekvenser og energi i typiske seismiske hendelser. Utstyr som har 1,1 til 8 Hz egenfrekvenser er nærmest dekket i RRS.
Typiske typer høyspentutstyr har flere egenskaper som gjør dem mer responsive på seismiske innganger. Siden de er høye og tunge, viser de lavere nivåer av naturlig frekvens som vanligvis finnes i seismiske hendelser. Når to gjenstander vibrerer med samme naturlige frekvens, ses økt bevegelse og induserer store utkragende belastninger. Å forstå kreftene som en isolator blir utsatt for sammenlignet med styrken og svakheten til dets keramiske materiale er et viktig første skritt. Isolatorens mekaniske karakterer inkluderer: a. Cantilever/Bøyemomenter; b. Torsjon; c. Spenning; og d. Komprimering. Utkragende belastninger bestemmer kjernediameter og dermed vekt.
hvor: D – kjernediameter; F – nødvendig styrke (min. bruddlast); l - lengde; spesifikk styrke av porselen. Keramiske materialer har høy kompresjonsgrad og lav spenningsgrad. Bøyemomenter induserer kompresjon og strekkspenning, og strekkspenning forsterkes av isolatorhøyden (som i fig . 1).
Fig. 1.
Bøyemomentene øker med større kraft og/eller høyere isolatorer (i henhold til fig . 2). Ved dynamisk bevegelse er kraft basert på: 1. isolatormasse og masse montert over isolatoren; og 2. akselerasjon på grunn av den seismiske hendelsen.
Fig. 2.
Å prøve å gjøre designendringer for å sikre at et utstyrs naturlige frekvens forblir utenfor en seismisk hendelses frekvens er ofte ikke mulig. Siden vekt er en nøkkelfaktor når man skal beregne kraften/energien som går inn i utstyret under en seismisk hendelse, er utfordringen å optimalisere design og maksimere styrke til vektforhold.
Vektreduksjon
Det finnes måter å redusere vekten på en porselensisolator med gitt styrke. Først av alt bør isolatorer ideelt sett være spesialdesignet for behovet. Maksimering av seksjonslengder bidrar dessuten til å redusere vekten på multi-stabelisolatorer. Produsenter har også materialvalg som gir høyere styrke og opprettholdelse av strenge kvalitetssikringsstandarder kan forbedre den generelle styrken ytterligere.
Optimalisering av design
Utformingen av en isolator må ta hensyn til dens anvendelse under seismiske forhold. Ofte er isolatorer som brukes på nettstasjoner basert på standarddesign beregnet på å fungere på tvers av en rekke bruksområder. Et eksempel er en isolator med jevne sylindriske kjerner som kan påføres stående, men er betydelig tyngre når den er underhengt. Mens koniske isolatorer i økende grad brukes i HV-applikasjoner, er det viktig å bestemme optimal avsmalning. Når ethvert utstyr vurderes for bruk under seismiske forhold, må hele den monterte og monterte strukturen evalueres ved hjelp av egnet programvare. Finite Element Analysis (FEA), for eksempel, vil identifisere områder med høy spenning i en gitt konfigurasjon. Lavspenningssoner vil også bli identifisert. Utstyrsdesigneren/konsulenten bør også jobbe tett med isolatorprodusenten for å sikre at alle soner har lik sikkerhetsmargin. Faktisk kan det ta flere iterasjoner for å identifisere alle optimale økninger og reduksjoner i styrke på gitte steder langs isolatoren. Hver gang områder med lavere belastning identifiseres og utbedres, kan vekten i det området reduseres og vektreduksjoner i toppseksjoner kan redusere nødvendig styrke i nedre seksjoner. Denne prosessen resulterer i mindre masse, mindre bevegelse forårsaket av massen og mindre generell stress. Kostnadene ved testing av ristebord er svært kostbare for utstyr for store transformatorstasjoner. En grundig evaluering av en kompetent seismikkspesialist kan kontrollere slike kostnader ved å unngå behovet for å teste på nytt. Plasseringen av en isolator i ethvert utstyr er også grunnleggende viktig. I mange tilfeller støtter isolatorer tunge deler av utstyret. Hvis utstyret er gjort mer kompakt når det gjelder masse nær toppen, svært lite bøyespenning
Fig. 3.
Hvis utstyret har et høyt tyngdepunkt med massen plassert godt over isolatoren, vil toppbeslaget bli utsatt for mye større bøyebelastning og en mer robust utforming for denne toppdelen vil være nødvendig. Som illustrert i fig . 4, for eksempel, utsettes toppen av isolatoren for 50 % av den maksimale bøyelasten.
Fig. 4.
Masse på toppen av isolatoren har størst bøyeeffekt. For eksempel, i tilfelle av en luftbryter i åpen posisjon med mast helt uttrukket, er det høye bøyemomenter på toppen av isolatoren (se fig. 5).
Fig. 5: 500 kV bryter, mast åpen.
En typisk 500 kV luftbryter monteres 4,6 m opp på en konstruksjon og i åpen stilling kan bryteren være 9,75, dvs. en total avstand på 14,35 m fra bakkenivå til topp av mast. Optimalisering av styrken som trengs på toppen av en isolator kan vise seg å være en kritisk materialreduksjonssone siden vektreduksjon er der massen er lengst fra bøyemomentet.
ShedWeight
Skurprofil er et middel for å øke krypeavstanden, men skur bidrar med vekt til en isolator. Tidligere har skur typisk vært opptil 19 mm ved kjernen avsmalnende ned til 12 mm i spissen. Med forbedret materialvitenskap kan skurstørrelsen reduseres, noe som resulterer i en 20 % reduksjon i skurvekten.
Reduserte seksjoner
Isolatorer består av enkle eller flere seksjoner boltet sammen. Isolatorer er typisk i ett stykke opp til 750 kV BIL. Høyspentisolatorer kan bestå av mange seksjoner avhengig av spenningsnivået. Spenningskonsentrasjoner finnes i skjøtene der støpejernsbeslagene er sementert på porselenet. Diameteren på porselenet ved beslaget økes på grunn av de konsentrerte stressnivåene. Redusering av antall seksjoner vil redusere høyspenningsplasseringer samt vekten av tilleggsbeslagene (se fig. 6).
Fig. 6.
Materiale
Porselensisolatorer er teknisk keramikk som inneholder en blanding av kaolin, alumina, feltspat og silika (kvarts). IEC 60672-3 refererer til tre hovedtyper: C-110, C-120 og C-130. C-110 er kjent som kvartsporselen mens C-120 og C-130 er aluminaporselen. C-120 inneholder 20%-30% alumina, mens C-130 normalt har et aluminiumoksydinnhold på over 30%. Økt styrke gir det høyeste styrke/vektforholdet. Styrkeverdiene vist i tabell 1 er minimumsverdier og kan overskrides betydelig. Isolatorer produsert med C-130 leire med høyere enn minimumsnivåer kan gi opptil 40 % reduksjon i vekt.
Tabell 1: IEC 60672-3 1984
Produksjonsprosess
Produksjon av leirematerialer har et iboende bredt spekter av resulterende materialstyrker. Slik variasjon kan forekomme innenfor en batch eller mellom batcher. Det er vanskelig å oppnå konsistent kroppsstyrke, spesielt hvis prosessene ikke er tett kontrollert. Det er faktisk påvist at styrken til keramiske materialer kan ha over 35 % standardavvik. Jo større avvik, desto tyngre er utformingen av isolatoren nødvendig for å sikre at den spesifiserte mekaniske belastningen (SML) oppfylles. Redusering av standardavvik reduserer direkte vekten av en gitt produsents designparametere. For eksempel utforming av isolator med SML på 10 kN og std. dev. på 3,5 kN betyr at utformingen skal være slik at gjennomsnittet er 17 kN. På den annen side, hvis std. dev. er kun 1 kN, kan design baseres på et gjennomsnitt på 12 kN. Dette kan resultere i ca. 40 % reduksjon i isolatorvekten (se fig. 7 og 8).
Fig. 7: Stort standardavvik.
Fig. 8: Lite standardavvik.
For bedre å forstå mulige årsaker til variasjoner i kroppsstyrke, er det nødvendig å vite mer om hvordan porselensisolatorer produseres. Mange er produsert etter våt- eller plastmetoden, hvor leireoppskrifter måles og blandes med vann for å lage grunnmaterialet, kalt slip. En kulemølle maler slipen for å sikre riktig partikkelstørrelse og inneholder omtrent 50 % vann. Slip blir deretter filtrert for å fjerne naturlige forurensninger som finnes i leire, enten det er organisk eller jern. Slipen presses deretter inn i filterkaker ved ca. 22 % fuktighet og disse kuttes og ekstruderes til blokker. Til slutt ekstruderes sylindriske emner eller pugs. I løpet av en periode på 5 til 6 uker blir emnet snudd og tørket til mindre enn 1 % fuktighetsinnhold. For å opprettholde konsistent kroppsstyrke, må alle disse trinnene som fører til det ferdige produktet også administreres konsekvent. Partikkelstørrelse, kjemisk sammensetning, vanninnhold i filterkaker, hardhet på emner og tørketeknikker vil bestemme forutsigbarheten av kroppsstyrken. De mange tørketrinnene til den våte leiren – fra pressing av filterkaker til bruk av tørketromler som forbereder dreide isolatorer for brenning – er nøkkelproduksjonstrinn for porselensisolatorer, med kanskje det mest kritiske i tørkingen å ta den våte dreide formen fra 18 % fuktighetsinnhold til mindre enn 1 %. Dette er fordi de tynne skurene og den tykke kjernen trenger å tørke i samme hastighet, selv om relativt tynne skur er langt mer sannsynlig å avgi vann. Opptil 6 uker kan kreves for sakte å tørke en isolator, og mange produsenter har riktige kontroller på plass for å sikre dette. Fortsatt dyktige medarbeidere og konstant oppmerksomhet på detaljer er nødvendig.
Dreiing (høyre bilde) og tørking av porselensisolatorer laget av plast/våt prosess.
En alternativ fremstillingsmetode for porselensisolatorer er utviklet og eliminerer mange trinn i tørkeprosessen diskutert ovenfor. En viktig fordel som tilbys er en langt mer konsistent prosess som bidrar til å redusere risikoen for mulig variasjon i materialstyrke. Denne metoden, kalt isostatisk, begynner med å tørke slipen til et fint pulver, som deretter presses under stor kraft inn i en tørr sylinder. Den iboende fordelen er å kunne produsere tørre sylindriske emner på relativt kort tid. Faktisk har isolatorer produsert ved hjelp av den isostatiske metoden en produksjonstid på mindre enn to uker mot 6 eller flere uker som kreves for våt/plastproduksjon. Dessuten utføres vendingen tørr. Dette eliminerer krymping fra våtdreide profiler til tørket/klar for brenning og resulterer i strammere toleranser. Tørrpressede emner har ingen spesiell kornorientering, som finnes i våtekstruderte emner. Siden en våt kropp ekstruderes gjennom ekstruderhalsen, kan leirestrømmen være mye langsommere langs veggene på grunn av friksjon mellom leire og ekstrudervegg. Innvendig i emnet vil det oppstå skjærkraft som forårsaker indre spenninger, som kan føre til feil i ovnen og redusere mekanisk styrke. Avhengig av hvor i emnet isolatoren kommer fra, kan disse skjærområdene havne nær overflaten. En bemerkelsesverdig egenskap er camberen som dannes når en porselensisolator tørkes.
Konklusjoner
Å forbedre ytelsen til porselensisolatorer under seismiske bruksforhold er hovedsakelig mulig gjennom vektreduksjonsmetoder. Optimalisering av design basert på spesifikk faktisk bruk ved bruk av materialer med høy styrke samt opprettholdelse av en konsistent produksjonsprosess vil sikre best mulig ytelse.