Portselanist isolaatorite seismiline jõudlus alajaamades Portselanist isolaatorid on olnud elektrisüsteemide lahutamatuks osaks enam kui sajandi jooksul suuresti tänu nende jäikusele, mis tagab komponentide joondamise alajaamaseadmetes. Lisaks on viimastel aastatel tehtud suuri edusamme selliste seismiliste sündmuste mõistmisel, mis selliseid isolaatoreid alajaamades mõjutavad. Nendest sündmustest tulenevad resonantssagedused võivad põhjustada tohutuid dünaamilisi jõude ning oma kaalu ja rabeduse tõttu on portselan vastuvõtlikum hävitavatele harmoonilistele sagedustele. Kuid heade projekteerimistavade, täiustatud materjalide ja kaasaegsete tootmismeetodite abil võivad portselanist isolaatorid siiski osutuda töökindlaks isolatsioonivormiks seismilistes teeninduskeskkondades. Materjali omadused mängivad seadmete projekteerimisel selliste dünaamiliste jõudude mõjul olulist rolli ning kuigi teras ja alumiinium on plastilised ja pakuvad prognoositavat tugevust, siis portselan ei ole -plastiline ja selle tugevus võib olla väga erinev. Portselanist isolaatorite seismilist jõudlust saab seega suurendada tugevuse maksimeerimise ja kaalu vähendamise kaudu. Tänapäeval on ka paremini mõistetav, et isolaator on vaid üks komponent keerulisest massiivist, mis moodustab kõik alajaamas leiduvad seadmed. Seetõttu tuleb kogu seadet hinnata. Näiteks paigaldatakse isolaatorid sageli betoon- või teraskonstruktsioonidele ja need toetavad tegelikke seadmeid, samas kui puksid asuvad tavaliselt seadmete ülaosas. Seetõttu sõltub seadmete ja selle alamkomponentide reaktsioon sisendsagedustele nendest ja muudest teguritest. Kui seadme loomulik sagedus ühtib täpselt sisendsagedusega, tekib resonants, mis võimendab sellest tulenevat dünaamilist liikumist ja kiirendusreaktsiooni. Nõutav reageerimisspekter (Required Response Spectrum, RRS) simuleerib tüüpiliste seismiliste sündmuste amplituute, sagedusi ja energiat. Seadmed, mille loomulik sagedus on 1,1 kuni 8 Hz, on RRS-is kõige täpsemalt hõlmatud.
Tüüpilistel kõrgepingeseadmete tüüpidel on mitmeid omadusi, mis muudavad need seismilistele sisenditele paremini reageerivad. Kuna nad on kõrged ja rasked, on neil seismiliste sündmuste korral tavaliselt esinev loomulik sagedus madalam. Kui kaks eset vibreerivad samal loomulikul sagedusel, on näha suurenenud liikumist ja see põhjustab suuri konsoolikoormusi. Oluline esimene samm on isolaatorile mõjuvate jõudude mõistmine võrreldes selle keraamilise materjali tugevuste ja nõrkustega. Isolaatori mehaanilised hinnangud hõlmavad järgmist: a. Konsool-/painutusmomendid; b. Torsioon; c. Pinge; ja d. Kokkusurumine. Konsoolkoormused määravad südamiku läbimõõdu ja seega kaalu.
kus: D – südamiku läbimõõt; F – vajalik tugevus (min purunemiskoormus); l – pikkus; portselani eritugevus. Keraamilistel materjalidel on kõrge surve- ja madal pingereiting. Paindemomendid kutsuvad esile surve- ja tõmbepinget ning tõmbepinget võimendab isolaatori kõrguse hoova toime (nagu joonisel . 1).
joonis. 1.
Paindemomendid suurenevad suurema jõu ja/või kõrgemate isolaatorite korral (nagu joonisel . 2). Dünaamilise liikumise korral põhineb jõud: 1. isolaatori massil ja isolaatori kohale paigaldatud massil; ja 2. seismilisest sündmusest tingitud kiirendus.
joonis. 2.
Sageli ei ole võimalik teha konstruktsioonimuudatusi, et tagada seadme loomuliku sageduse jäämine seismilise sündmuse sagedusest väljapoole. Kuna seismilise sündmuse ajal seadmesse siseneva jõu/energia arvutamisel on kaal võtmetegur, on väljakutseks disaini optimeerimine ning tugevuse ja kaalu suhte maksimeerimine.
Kaalu alandamine
Antud tugevusega portselanist isolaatori kaalu vähendamiseks on olemas viise. Esiteks peaksid isolaatorid ideaalis olema spetsiaalselt projekteeritud vastavalt vajadusele. Lisaks aitab sektsioonide pikkuste maksimeerimine vähendada mitmekihiliste isolaatorite kaalu. Tootjatel on ka materjalivalikud, mis pakuvad suuremat tugevust ja rangete kvaliteeditagamisstandardite järgimine võib üldist tugevust veelgi suurendada.
Disaini optimeerimine
Isolaatori konstruktsioon peab arvestama selle kasutamisega seismilistes tingimustes. Sageli põhinevad alajaamades kasutatavad isolaatorid standardsetel konstruktsioonidel, mis on mõeldud kasutamiseks mitmesugustes rakendustes. Näiteks võib tuua ühtlase silindrilise südamikuga isolaatori, mida saab paigaldada püsti, kuid mis on alla riputatuna tunduvalt raskem. Kuigi kitsenevaid isolaatoreid kasutatakse kõrgvoolurakendustes üha enam, on optimaalse koonuse määramine oluline. Kui kaalutakse mis tahes seadme kasutamist seismilistes tingimustes, tuleb kogu kokkupandud ja paigaldatud konstruktsiooni hinnata vastava tarkvara abil. Näiteks lõplike elementide analüüs (FEA) tuvastab suure pingega alad mis tahes konfiguratsioonis. Samuti tuvastatakse madala stressiga tsoonid. Seadme projekteerija/konsultant peaks samuti tegema tihedat koostööd isolaatori tootjaga, et tagada kõikidel tsoonidel võrdne ohutusvaru. Tegelikult võib isolaatori antud kohtades kõigi optimaalsete tugevuse suurenemiste ja vähenemiste täielikuks tuvastamiseks kuluda mitu kordamist. Alati, kui tuvastatakse ja parandatakse väiksema pingega piirkonnad, saab selle piirkonna kaalu vähendada ja ülemiste osade kaalu vähendamine võib vähendada madalamates sektsioonides vajalikku tugevust. Selle protsessi tulemuseks on väiksem mass, väiksem massist põhjustatud liikumine ja väiksem üldine stress. Shakerilaua testimise maksumus on suurte alajaamaseadmete jaoks väga kulukas. Pädeva seismilise spetsialisti põhjalik hindamine võib selliseid kulusid kontrolli all hoida, vältides vajadust uuesti katsetada. Oluliselt oluline on ka isolaatori asukoht mis tahes seadmes. Paljudel juhtudel toetavad isolaatorid raskeid seadmeid. Kui seadmed on tipu lähedal massi poolest kompaktsemad, on paindepinge väga väike
joonis. 3.
Kui seadmel on kõrge raskuskese ja mass asetseb isolaatorist tunduvalt kõrgemal, allub ülemine liitmik palju suuremale paindepingele ja selle ülemise osa jaoks on vaja tugevamat konstruktsiooni. Nagu on näidatud näiteks joonisel . 4, mõjub isolaatori ülaosale 50% maksimaalsest paindekoormusest.
joonis. 4.
Suurima painutusefektiga on isolaatori ülaosas olev mass. Näiteks kui õhkkatkestuslüliti on avatud asendis ja mast täielikult välja tõmmatud, on isolaatori ülaosas suured paindemomendid (vt joonist{1}}).
Joonis. 5: 500 kV lüliti, mast avatud.
Tüüpiline 500 kV õhukatkestuslüliti paigaldatakse konstruktsioonile 4,6 m ülespoole ja avatud asendis võib lüliti olla 9,75, st maapinnast kuni masti tipuni kokku 14,35 m. Isolaatori ülaosas vajaliku tugevuse optimeerimine võib osutuda kriitiliseks materjali vähendamise tsooniks, kuna kaalu vähendamine on koht, kus mass on paindemomendist kõige kaugemal.
Kaal
Varjuprofiil on vahend roomamiskauguse suurendamiseks, kuid kuurid annavad isolaatorile kaalu. Varem on kuuride südamik tavaliselt olnud kuni 19 mm, mis kitseneb otsast 12 mm-ni. Täiustatud materjaliteaduse abil saab kuuri suurust vähendada, mille tulemusena väheneb kuuri kaal 20%.
Vähendatud jaotised
Isolaatorid koosnevad ühest või mitmest poltidega ühendatud sektsioonist. Isolaatorid on tavaliselt ühes tükis kuni 750 kV BIL. Kõrgepinge isolaatorid võivad sõltuvalt pingetasemest koosneda paljudest sektsioonidest. Pingekontsentratsioonid leitakse liitekohtades, kus malmist liitmikud on tsementeeritud portselani külge. Portselani läbimõõt liitmiku juures suureneb kontsentreeritud pingetasemete tõttu. Sektsioonide arvu vähendamine vähendab suure pingega asukohti ja täiendavate liitmike kaalu (vt joonist{6}}).
joonis. 6.
Materjal
Portselanist isolaatorid on tehniline keraamika, mis sisaldab kaoliini, alumiiniumoksiidi, päevakivi ja ränidioksiidi (kvartsi) segu. IEC 60672-3 viitab kolmele põhitüübile: C-110, C-120 ja C-130. C-110 on tuntud kui kvartsportselan, samas kui C-120 ja C-130 on alumiiniumoksiidi portselanid. C-120 sisaldab 20–30% alumiiniumoksiidi, samas kui C-130 alumiiniumoksiidi sisaldus on tavaliselt suurem kui 30%. Suurenenud tugevus tähendab suurimat tugevuse ja kaalu suhet. Tabelis 1 toodud tugevusväärtused on minimaalsed ja neid võib oluliselt ületada. Minimaalsest kõrgema tasemega C-130 savist valmistatud isolaatorid võivad vähendada kuni 40% kaalu.
Tabel 1: IEC 60672-3 1984
Tootmisprotsess
Savimaterjalide tootmisel on oma olemuselt lai valik materjalide tugevusi. Selline erinevus võib esineda partii sees või partiide vahel. Järjepideva kehajõu saavutamine on keeruline, eriti kui protsesse ei kontrollita täpselt. Tõepoolest, on tõestatud, et keraamiliste materjalide tugevus võib olla üle 35% standardhälbe. Mida suurem on kõrvalekalle, seda raskem on isolaatori konstruktsioon, mis on vajalik kindlaksmääratud mehaanilise koormuse (SML) täitmise tagamiseks. Standardhälbe vähendamine vähendab otseselt mis tahes tootja konstruktsiooniparameetrite kaalu. Näiteks isolaatori disain, mille SML on 10 kN ja std. dev. 3,5 kN tähendab, et konstruktsioon peab olema selline, et keskmine on 17 kN. Teisest küljest, kui std. dev. on vaid 1 kN, võib projekteerimise aluseks võtta keskmiselt 12 kN. See võib põhjustada isolaatori massi vähenemist umbes 40% (vt jooniseid 7 ja 8).
Joonis. 7: suur standardhälve.
Joonis. 8: väike standardhälve.
Keha tugevuse kõikumise võimalike põhjuste paremaks mõistmiseks on vaja rohkem teada portselanist isolaatorite valmistamise kohta. Paljud neist on valmistatud märg- või plastimeetodil, mille käigus mõõdetakse savi retsepte ja segatakse veega, et luua alusmaterjal, mida nimetatakse libisemiseks. Kuulveski jahvatab libise, et tagada õige osakeste suurus ja sisaldab umbes 50% vett. Seejärel libisemine filtreeritakse, et eemaldada savis leiduvad looduslikud saasteained, olgu need siis orgaanilised või rauast. Seejärel pressitakse liblikas umbes 22% niiskuse juures filtrikookideks ning need tükeldatakse ja pressitakse plokkideks. Lõpuks pressitakse välja silindrilised toorikud või mopsid. 5–6 nädala jooksul toorik pööratakse ja kuivatatakse niiskusesisalduseni alla 1%. Keha järjepideva tugevuse säilitamiseks tuleb järjepidevalt juhtida ka kõiki neid etappe, mis viivad valmistooteni. Osakeste suurus, keemiline koostis, filtrikookide veesisaldus, toorikute kõvadus ja kuivatamismeetodid määravad kõik keha tugevuse prognoositavuse. Märgsavi mitu kuivatamisetappi – alates filtrikookide pressimisest kuni kuivatite kasutamiseni, mis valmistavad treitud isolaatoreid põletamiseks ette – on portselanist isolaatorite tootmise põhietapid, kusjuures kuivatamisel on ehk kõige olulisem märjalt treitud kuju võtmine 18% niiskusesisalduselt alla 1%. Selle põhjuseks on asjaolu, et õhukesed kuurid ja paks südamik peavad kuivama sama kiirusega, kuigi suhteliselt õhukesed kuurid eraldavad palju tõenäolisemalt vett. Isolaatori aeglaseks kuivatamiseks võib kuluda kuni 6 nädalat ja paljudel tootjatel on selle tagamiseks paigas korralik kontroll. Vaja on endiselt oskuslikke töötajaid ja pidevat tähelepanu detailidele.
Plast/märgprotsessil valmistatud portselanist isolaatorite treimine (parempoolne foto) ja kuivatamine.
Portselanist isolaatorite jaoks on välja töötatud alternatiivne tootmismeetod, mis välistab paljud ülalkirjeldatud kuivatamisprotsessi etapid. Oluline eelis on palju järjepidevam protsess, mis aitab vähendada materjali tugevuse võimaliku kõikumise ohtu. See meetod, mida nimetatakse isostaatiliseks, algab libisemise kuivatamisega peeneks pulbriks, mis seejärel pressitakse suure jõuga kuivaks silindriks. Loomulik eelis on võimalus valmistada kuivi silindrilisi toorikuid suhteliselt lühikese ajaga. Tegelikult on isostaatilisel meetodil toodetud isolaatorite tootmisaeg alla kahe nädala, võrreldes 6 või enama nädalaga, mis on nõutavad märg-/plasti tootmiseks. Pealegi toimub treimine kuivalt. See välistab kokkutõmbumise märjalt treitud profiilidelt kuivatatud/põletusvalmis olekusse ja annab väiksemad tolerantsid. Kuivpressitud toorikutel ei ole erilist tera orientatsiooni, nagu on märgata ekstrudeeritud toorikute puhul. Kuna märg keha ekstrudeeritakse läbi ekstruuderi kõri, võib savivool mööda seinu olla palju aeglasem savi ja ekstruuderi seina vahelise hõõrdumise tõttu. Tooriku sees tekib nihke, mis põhjustab sisemist pinget, mis võib põhjustada ahju rikkeid ja vähendada mehaanilist tugevust. Olenevalt tooriku kohast isolaator pärineb, võivad need nihkealad sattuda pinna lähedale. Üks tähelepanuväärne omadus on kamber, mis moodustub portselanist isolaatori kuivatamisel.
Järeldused
Portselanist isolaatorite jõudluse parandamine seismilistes kasutustingimustes on võimalik peamiselt kaalu vähendamise meetodite abil. Konkreetsel tegelikul rakendusel põhineva disaini optimeerimine, kasutades ülitugevaid materjale, ning järjepideva tootmisprotsessi säilitamine tagab parima võimaliku jõudluse.