Сейсмические характеристики фарфоровых изоляторов на подстанцияхФарфоровые изоляторы уже более века являются неотъемлемой частью энергосистем, во многом благодаря их жесткости, которая обеспечивает выравнивание компонентов оборудования подстанций. Более того, в последние годы произошел значительный прогресс в понимании сейсмических явлений, которые воздействуют на такие изоляторы на подстанциях. Резонансные частоты этих событий могут вызвать огромные динамические силы, а из-за своего веса и хрупкости фарфор более восприимчив к разрушительным гармоническим частотам. Но при наличии хорошей практики проектирования, передовых материалов и современных методов производства фарфоровые изоляторы по-прежнему могут оказаться надежной формой изоляции в сейсмических условиях. Характеристики материала играют важную роль при проектировании оборудования, подверженного таким динамическим нагрузкам, и, хотя сталь и алюминий пластичны и обеспечивают предсказуемую прочность, фарфор не-непластичен и может сильно различаться по прочности. Таким образом, сейсмические характеристики фарфоровых изоляторов можно улучшить за счет увеличения прочности и снижения веса. В наши дни также лучше понимается, что изолятор — это всего лишь один компонент в сложном массиве, из которого состоит любое устройство, установленное на подстанции. Поэтому необходимо оценить все устройство. Например, изоляторы часто монтируются на бетонных или стальных конструкциях и поддерживают само оборудование, тогда как втулки обычно располагаются в верхней части оборудования. Таким образом, реакция оборудования и его под-компонентов на входные частоты будет зависеть от этих и других факторов. Когда собственная частота части оборудования точно соответствует входной частоте, возникает резонанс, усиливающий результирующее динамическое движение и реакцию ускорения. Требуемый спектр отклика (RRS) моделирует амплитуды, частоты и энергию типичных сейсмических событий. Оборудование, имеющее собственные частоты от 1,1 до 8 Гц, наиболее подробно охвачено в РРС.
Типичные типы высоковольтного оборудования имеют несколько характеристик, которые делают их более чувствительными к сейсмическим воздействиям. Будучи высокими и тяжелыми, они демонстрируют более низкие уровни собственной частоты, обычно встречающиеся при сейсмических явлениях. Когда два предмета вибрируют с одинаковой собственной частотой, наблюдается увеличение движения, что вызывает большие консольные нагрузки. Понимание сил, которым подвергается изолятор, в сравнении с сильными и слабыми сторонами его керамического материала, является важным первым шагом. Механические характеристики изолятора включают: a. Консольные/изгибающие моменты; б. Торсион; в. Напряжение; и д. Сжатие. Консольные нагрузки определяют диаметр сердечника и, следовательно, вес.
где: D – диаметр сердечника; F – требуемая прочность (минимальная разрушающая нагрузка); l – длина; удельная прочность фарфора. Керамические материалы имеют высокие показатели сжатия и низкие показатели растяжения. Изгибающие моменты вызывают напряжения сжатия и растяжения, а растягивающее напряжение усиливается за счет рычажного воздействия высоты изолятора (как показано на рис. . 1).
Рис. 1.
Изгибающие моменты увеличиваются с увеличением силы и/или увеличением высоты изоляторов (как показано на рис.. 2). В случае динамического движения сила зависит от: 1. массы изолятора и массы, установленной над изолятором; и 2. ускорение из-за сейсмического события.
Рис. 2.
Попытка внести изменения в конструкцию, чтобы гарантировать, что собственная частота оборудования останется за пределами частоты сейсмического события, часто невозможна. Поскольку вес является ключевым фактором при расчете силы/энергии, которая поступает в оборудование во время сейсмического явления, задача состоит в оптимизации конструкции и максимальном соотношении прочности и веса.
Снижение веса
Существуют способы снижения веса фарфорового изолятора заданной прочности. Прежде всего, изоляторы в идеале должны быть специально разработаны для нужд. Кроме того, увеличение длины секций помогает снизить вес многоярусных изоляторов. У производителей также есть выбор материалов, которые обеспечивают более высокую прочность, а соблюдение жестких стандартов качества может еще больше повысить общую прочность.
Оптимизация дизайна
При проектировании изолятора необходимо учитывать его применение в сейсмических условиях. Часто изоляторы, используемые на подстанциях, имеют стандартную конструкцию и предназначены для различных применений. Примером может служить изолятор с однородными цилиндрическими сердечниками, который можно устанавливать вертикально, но он значительно тяжелее, когда он подвешен. Хотя конические изоляторы все чаще используются в приложениях высокого напряжения, важно определить оптимальную конусность. Когда рассматривается возможность применения какой-либо части оборудования в сейсмических условиях, вся собранная и смонтированная конструкция должна быть оценена с использованием соответствующего программного обеспечения. Например, анализ методом конечных элементов (FEA) позволит выявить области повышенного напряжения в любой заданной конфигурации. Также будут определены зоны низкого стресса. Проектировщик/консультант оборудования также должен тесно сотрудничать с производителем изоляторов, чтобы обеспечить одинаковый запас прочности для всех зон. Фактически, может потребоваться несколько итераций, чтобы полностью определить все оптимальные увеличения и уменьшения прочности в заданных местах вдоль изолятора. Всякий раз, когда выявляются и устраняются области с меньшим напряжением, вес в этой области может быть уменьшен, а снижение веса в верхних секциях может снизить необходимую прочность в нижних секциях. Этот процесс приводит к уменьшению массы, меньшему движению, вызванному массой, и меньшему общему напряжению. Стоимость испытаний вибростола очень высока для крупного оборудования подстанций. Тщательная оценка компетентным специалистом по сейсмике может контролировать такие затраты, избегая необходимости повторных испытаний. Принципиально важно и расположение изолятора в любом оборудовании. Во многих случаях изоляторы поддерживают тяжелые части оборудования. Если оборудование сделать более компактным с точки зрения массы в верхней части, напряжение изгиба будет очень небольшим.
Рис. 3.
Если оборудование имеет высокий центр тяжести, а масса расположена значительно выше изолятора, верхний фитинг будет подвергаться гораздо большему изгибающему напряжению, и для этой верхней части потребуется более прочная конструкция. Например, как показано на рис. . 4, верхняя часть изолятора подвергается 50 % максимальной изгибающей нагрузке.
Рис. 4.
Наибольший изгибающий эффект оказывает масса в верхней части изолятора. Например, в случае, когда воздушный выключатель находится в разомкнутом положении с полностью выдвинутой мачтой, в верхней части изолятора возникают высокие изгибающие моменты (см. Рис. . 5).
Рис. 5: выключатель 500 кВ, мачта открыта.
Типовой воздушный выключатель на 500 кВ монтируется на высоте 4,6 м на конструкции, а в открытом положении выключатель может находиться на высоте 9,75 м, т. е. общее расстояние от уровня земли до верха мачты составляет 14,35 м. Оптимизация прочности, необходимой в верхней части изолятора, может оказаться критической зоной уменьшения материала, поскольку снижение веса происходит там, где масса находится дальше всего от изгибающего момента.
СарайВес
Зеркальный профиль — это средство увеличения пути утечки, однако навесы увеличивают вес изолятора. Раньше навесы обычно имели длину до 19 мм в центре и сужались до 12 мм на кончике. Благодаря усовершенствованию материаловедения размер навеса может быть уменьшен, что приведет к снижению веса на 20%.
Уменьшенные разделы
Изоляторы состоят из одной или нескольких секций, соединенных болтами. Изоляторы обычно представляют собой цельную конструкцию до напряжения BIL до 750 кВ. Изоляторы высокого напряжения могут состоять из множества секций в зависимости от уровня напряжения. Концентрации напряжений наблюдаются в местах соединения чугунной арматуры с фарфором. Диаметр фарфора на фитинге увеличивается из-за концентрированных уровней напряжения. Уменьшение количества секций уменьшит места с высокими нагрузками, а также вес дополнительных фитингов (см. Рис. . 6).
Рис. 6.
Материал
Фарфоровые изоляторы представляют собой техническую керамику, содержащую смесь каолина, глинозема, полевого шпата и кремнезема (кварца). МЭК 60672-3 относится к трем основным типам: C-110, C-120 и C-130. C-110 известен как кварцевый фарфор, а C-120 и C-130 — фарфор из оксида алюминия. C-120 содержит 20–30% оксида алюминия, тогда как C-130 обычно имеет содержание глинозема более 30%. Увеличение силы приводит к максимальному соотношению прочности к весу. Значения прочности, указанные в Таблице 1, являются минимальными и могут быть значительно превышены. Изоляторы, изготовленные из глины C-130 с уровнем выше минимального, могут обеспечить снижение веса до 40%.
Таблица 1: МЭК 60672-3 1984
Производственный процесс
Производство глиняных материалов по своей сути имеет широкий диапазон прочности получаемых материалов. Такие изменения могут возникать внутри партии или между партиями. Достичь постоянной силы тела сложно, особенно если процессы не контролируются жестко. Действительно, было продемонстрировано, что прочность керамических материалов может иметь стандартное отклонение более 35%. Чем больше отклонение, тем тяжелее должна быть конструкция изолятора, чтобы обеспечить соответствие заданной механической нагрузке (SML). Уменьшение стандартного отклонения напрямую снижает вес конструктивных параметров любого конкретного производителя. Например, конструкция изолятора с СМЛ 10 кН и стандарт. разработчик 3,5 кН означает, что конструкция должна быть такой, чтобы среднее значение составляло 17 кН. С другой стороны, если станд. разработчик составляет всего 1 кН, расчет может быть рассчитан в среднем на 12 кН. Это может привести к снижению веса изолятора примерно на 40% (см. рисунки 7 и 8).
Рис. 7: Большое стандартное отклонение.
Рис. 8: небольшое стандартное отклонение.
Чтобы лучше понять возможные причины изменений прочности корпуса, необходимо больше знать о том, как производятся фарфоровые изоляторы. Многие из них производятся мокрым или пластическим методом, при котором рецептура глины отмеряется и смешивается с водой для создания основного материала, называемого шликером. Шаровая мельница измельчает шликер для обеспечения надлежащего размера частиц и содержит около 50% воды. Затем шликер фильтруется для удаления естественных загрязнений, обнаруженных в глинах, будь то органические вещества или железо. Затем шликер прессуют в фильтрационные осадки с влажностью около 22%, которые измельчают и экструдируют в блоки. В завершение выдавливаются цилиндрические заготовки или мопсы. В течение 5–6 недель заготовку переворачивают и сушат до содержания влаги менее 1%. Чтобы поддерживать постоянную силу тела, все эти шаги, ведущие к конечному результату, также должны выполняться последовательно. Размер частиц, химический состав, содержание воды в фильтрационной корке, твердость заготовок и методы сушки – все это будет определять предсказуемость прочности корпуса. Многочисленные этапы сушки влажной глины – от прессования фильтрационного кека до использования сушилок для подготовки точеных изоляторов к обжигу – являются ключевыми этапами производства фарфоровых изоляторов, при этом, пожалуй, наиболее важным этапом сушки является изменение мокрой формы с содержанием влаги от 18% до менее 1%. Это связано с тем, что тонкие навесы и толстая сердцевина должны сохнуть с одинаковой скоростью, хотя относительно тонкие навесы с гораздо большей вероятностью будут выделять воду. Для медленного высыхания изолятора может потребоваться до 6 недель, и многие производители имеют соответствующие меры контроля, позволяющие гарантировать это. Тем не менее, необходимы квалифицированные сотрудники и постоянное внимание к деталям.
Токарная обработка (фото справа) и сушка фарфоровых изоляторов, изготовленных пластическим/мокрым способом.
Был разработан альтернативный метод производства фарфоровых изоляторов, который исключает многие этапы процесса сушки, описанные выше. Важным предлагаемым преимуществом является гораздо более последовательный процесс, который помогает снизить риск возможных изменений прочности материала. Этот метод, называемый изостатическим, начинается с сушки шликера до состояния мелкого порошка, который затем с большой силой прессуется в сухой цилиндр. Неотъемлемым преимуществом является возможность изготовления сухих цилиндрических заготовок за относительно короткое время. Фактически, изоляторы, изготовленные с использованием изостатического метода, имеют время производства менее двух недель по сравнению с 6 или более неделями, необходимыми для производства мокрого пластика. При этом токарная обработка выполняется всухую. Это исключает усадку от мокрых профилей до высушенных/готовых к обжигу профилей и приводит к более жестким допускам. Заготовки, полученные сухим прессованием, не имеют определенной ориентации волокон, как это бывает у заготовок, полученных методом влажной экструзии. Поскольку влажная масса выдавливается через горловину экструдера, течение глины вдоль стенок может быть намного медленнее из-за трения между глиной и стенками экструдера. Внутри заготовки произойдет сдвиг, вызывающий внутреннее напряжение, которое может привести к сбоям в работе печи и снижению механической прочности. В зависимости от того, где в заготовке находится изолятор, эти области сдвига могут оказаться вблизи поверхности. Одной из примечательных особенностей является выпуклость, которая образуется при сушке фарфорового изолятора.
Выводы
Улучшение характеристик фарфоровых изоляторов в условиях сейсмической эксплуатации возможно главным образом за счет методов снижения веса. Оптимизация конструкции с учетом конкретного фактического применения с использованием высокопрочных материалов, а также поддержание единообразного производственного процесса обеспечат наилучшие возможные характеристики.