Seismisk prestanda hos porslinsisolatorer vid transformatorstationer Porslinsisolatorer har varit en integrerad del av kraftsystem i mer än ett sekel, till stor del på grund av deras styvhet, vilket säkerställer inriktning av komponenter i transformatorstationsutrustning. Dessutom har det under senare år skett stora framsteg när det gäller att förstå de seismiska händelser som påverkar sådana isolatorer vid transformatorstationer. Resonansfrekvenser från dessa händelser kan orsaka enorma dynamiska krafter och på grund av sin vikt och spröda natur är porslin mer mottagligt för destruktiva harmoniska frekvenser. Men med god designpraxis, avancerade material och moderna tillverkningsmetoder kan porslinsisolatorer fortfarande visa sig vara en pålitlig form av isolering i seismiska servicemiljöer. Materialegenskaper spelar en viktig roll i utrustningsdesign under sådana dynamiska krafter och medan stål och aluminium är formbara och erbjuder förutsägbar styrka, är porslin icke-duktilt och kan variera kraftigt i styrka. Seismisk prestanda hos porslinsisolatorer kan därför förbättras genom att maximera styrkan och minska vikten. Det är också bättre förstått idag att isolatorn bara är en komponent i en komplex uppsättning som utgör alla enheter som finns i en transformatorstation. Därför måste hela enheten utvärderas. Till exempel är isolatorer ofta monterade på betong- eller stålkonstruktioner och stödjer själva utrustningen medan bussningar vanligtvis finns på toppen av utrustningen. Svaret från utrustningen och dess underkomponenter- på ingångsfrekvenser kommer därför att bero på dessa och andra faktorer. När den naturliga frekvensen för en utrustning nära matchar ingångsfrekvensen uppstår resonans, vilket förstärker resulterande dynamiska rörelse- och accelerationssvar. Required Response Spectrum (RRS) simulerar amplituder, frekvenser och energi i typiska seismiska händelser. Utrustning med 1,1 till 8 Hz naturliga frekvenser täcks närmast av RRS.
Typiska typer av högspänningsutrustning har flera egenskaper som gör dem mer känsliga för seismiska insignaler. Eftersom de är långa och tunga uppvisar de lägre nivåer av naturlig frekvens som normalt finns i seismiska händelser. När två föremål vibrerar med samma naturliga frekvens, ses ökad rörelse och inducerar stora fribärande belastningar. Att förstå de krafter som en isolator utsätts för i jämförelse med styrkorna och svagheten hos dess keramiska material är ett viktigt första steg. Isolatorns mekaniska klassificeringar inkluderar: a. Cantilever/böjmoment; b. Torsion; c. Spänning; och d. Kompression. Fribärande laster bestämmer kärndiametern och därmed vikten.
där: D – kärnans diameter; F – erforderlig styrka (min. brottbelastning); l - längd; specifik styrka hos porslin. Keramiska material har höga kompressionsvärden och låga spänningsvärden. Böjmoment inducerar kompression och dragspänning och dragpåkänning förstärks av hävarmen av isolatorhöjden (som i fig . 1).
Fig. 1.
Böjmomenten ökar med större kraft och/eller högre isolatorer (enligt fig . 2). Vid dynamisk rörelse baseras kraften på: 1. isolatormassa och massa monterad ovanför isolatorn; och 2. acceleration på grund av den seismiska händelsen.
Fig. 2.
Att försöka göra designändringar för att säkerställa att en utrustnings naturliga frekvens förblir utanför en seismisk händelses frekvens är ofta inte möjligt. Eftersom vikt är en nyckelfaktor vid beräkning av kraften/energin som går in i utrustningen under en seismisk händelse, är utmaningen att optimera design och maximera styrka till viktförhållande.
Viktminskning
Det finns sätt att minska vikten av en porslinsisolator med given styrka. Först och främst bör isolatorer helst vara speciellt utformade för behovet. Dessutom bidrar maximering av sektionslängder till att minska vikten på fler-stackisolatorer. Tillverkare har också materialval som erbjuder högre hållfasthet och att upprätthålla stränga kvalitetssäkringsstandarder kan ytterligare förbättra den totala styrkan.
Optimera design
Utformningen av en isolator måste ta hänsyn till dess tillämpning under seismiska förhållanden. Ofta är isolatorer som används vid transformatorstationer baserade på standardkonstruktioner som är avsedda att fungera över en rad applikationer. Ett exempel är en isolator med enhetliga cylindriska kärnor som kan appliceras stående men är betydligt tyngre när den hängs under. Medan avsmalnande isolatorer används i allt större utsträckning i HV-tillämpningar, är det viktigt att bestämma optimal avsmalning. När någon utrustning övervägs för användning under seismiska förhållanden måste hela den monterade och monterade strukturen utvärderas med hjälp av tillämplig programvara. Finita Element Analysis (FEA) kommer till exempel att identifiera områden med hög spänning i varje given konfiguration. Lågspänningszoner kommer också att identifieras. Utrustningsdesignern/konsulten bör också arbeta nära isolatortillverkaren för att säkerställa att alla zoner har samma säkerhetsmarginal. Faktum är att det kan ta flera iterationer för att helt identifiera alla optimala ökningar och minskningar i styrka på givna platser längs isolatorn. Närhelst områden med lägre spänningar identifieras och åtgärdas kan vikten i det området minskas och viktminskningar i de övre delarna kan minska styrkan som behövs i de nedre delarna. Denna process resulterar i mindre massa, mindre rörelse orsakad av massan och mindre total stress. Kostnaden för testning av skakbord är mycket kostsam för stor transformatorstationsutrustning. En grundlig utvärdering av en kompetent seismisk specialist kan kontrollera sådana kostnader genom att undvika behovet av att testa om. Placeringen av en isolator i någon utrustning är också fundamentalt viktig. I många fall stödjer isolatorer tunga delar av utrustningen. Om utrustningen görs mer kompakt vad gäller massa nära toppen, mycket liten böjspänning
Fig. 3.
Om utrustningen har en hög tyngdpunkt med massan placerad långt ovanför isolatorn, kommer toppbeslaget att utsättas för mycket större böjpåkänningar och en mer robust design för denna toppdel kommer att vara nödvändig. Som illustreras i exempelvis fig . 4 utsätts toppen av isolatorn för 50 % av den maximala böjbelastningen.
Fig. 4.
Massa i toppen av isolatorn har störst böjeffekt. Till exempel, i fallet med en luftbrytare i öppet läge med masten helt utdragen, finns det höga böjmoment på toppen av isolatorn (se fig . 5).
Fig. 5: 500 kV-brytare, mast öppen.
En typisk 500 kV luftbrytare är monterad 4,6 m upp på en konstruktion och i öppet läge kan strömbrytaren vara 9,75, dvs ett totalt avstånd på 14,35 m från marknivå till toppen av masten. Att optimera styrkan som behövs i toppen av en isolator kan visa sig vara en kritisk materialreduktionszon eftersom viktminskning är där massan är längst bort från böjmomentet.
ShedWeight
Skjulprofil är ett sätt att öka krypavståndet, men skjul bidrar med vikt till en isolator. Tidigare har skjul vanligtvis varit upp till 19 mm vid kärnan avsmalnande till 12 mm vid spetsen. Med förbättrad materialvetenskap kan skjulstorleken minskas, vilket resulterar i en 20% minskning av skjulvikten.
Reducerade sektioner
Isolatorer består av enkla eller flera sektioner bultade ihop. Isolatorer är vanligtvis konstruktioner i ett stycke upp till 750 kV BIL. Högspänningsisolatorer kan bestå av många sektioner beroende på spänningsnivån. Spänningskoncentrationer finns vid skarvarna där gjutjärnsbeslagen cementeras på porslinet. Porslinets diameter vid beslaget ökar på grund av de koncentrerade stressnivåerna. Att minska antalet sektioner kommer att minska platser med hög spänning samt vikten av de extra beslagen (se fig . 6).
Fig. 6.
Material
Porslinsisolatorer är teknisk keramik som innehåller en blandning av kaolin, aluminiumoxid, fältspat och kiseldioxid (kvarts). IEC 60672-3 hänvisar till tre huvudtyper: C-110, C-120 och C-130. C-110 är känt som kvartsporslin medan C-120 och C-130 är aluminiumoxidporslin. C-120 innehåller 20%-30% aluminiumoxid medan C-130 normalt har en aluminiumoxidhalt som är större än 30%. Ökad styrka översätts till det högsta förhållandet mellan styrka och vikt. De hållfasthetsvärden som visas i tabell 1 är minimivärden och kan kraftigt överskridas. Isolatorer tillverkade med C-130 lera med högre än miniminivåer kan ge upp till 40 % viktminskning.
Tabell 1: IEC 60672-3 1984
Produktionsprocess
Tillverkning av lermaterial har ett brett spektrum av resulterande materialstyrkor. Sådan variation kan förekomma inom en sats eller mellan satser. Att uppnå konsekvent kroppsstyrka är svårt, särskilt om processerna inte är noggrant kontrollerade. Det har faktiskt visat sig att styrkan hos keramiska material kan ha över 35 % standardavvikelse. Ju större avvikelse, desto tyngre konstruktion av isolatorn behövs för att säkerställa att den specificerade mekaniska belastningen (SML) uppfyller. Att minska standardavvikelsen minskar direkt vikten av en given tillverkares designparametrar. Till exempel design av isolator med SML på 10 kN och std. dev. på 3,5 kN innebär att utformningen ska vara sådan att medelvärdet är 17 kN. Å andra sidan, om std. dev. är endast 1 kN, design kan baseras på ett genomsnitt på 12 kN. Detta kan resultera i en minskning av isolatorns vikt med cirka 40 % (se fig. 7 och 8).
Fig. 7: Stor standardavvikelse.
Fig. 8: Liten standardavvikelse.
För att bättre förstå möjliga orsaker till variationer i kroppsstyrka är det nödvändigt att veta mer om hur porslinsisolatorer tillverkas. Många tillverkas med våt- eller plastmetoden, där lerrecept mäts och blandas med vatten för att skapa basmaterialet, som kallas slip. En kulkvarn maler slipen för att säkerställa korrekt partikelstorlek och innehåller cirka 50 % vatten. Slip filtreras sedan för att ta bort naturliga föroreningar som finns i leror, oavsett om det är organiskt eller järn. Slipan pressas sedan till filterkakor med ca 22% fuktighet och dessa hackas och extruderas till block. Slutligen extruderas cylindriska ämnen eller mopsar. Under en period på 5 till 6 veckor vänds ämnet och torkas till mindre än 1 % fukthalt. För att bibehålla konsekvent kroppsstyrka måste alla dessa steg som leder till den färdiga produkten också hanteras konsekvent. Partikelstorlek, kemisk sammansättning, vattenhalt i filterkakor, ämnens hårdhet och torkningsteknik kommer alla att avgöra förutsägbarheten av kroppsstyrkan. De många torkningsstegen för den våta leran – från pressning av filterkakor till användning av torktumlare som förbereder svarvade isolatorer för bränning – är viktiga produktionssteg för porslinsisolatorer, där det kanske mest kritiska för torkning är att ta den våtsvarvade formen från 18 % fukthalt till mindre än 1 %. Detta beror på att de tunna skjorna och den tjocka kärnan behöver torka i samma takt, även om relativt tunna skjul är mycket mer benägna att avge vatten. Upp till 6 veckor kan krävas för att långsamt torka en isolator och många tillverkare har korrekta kontroller på plats för att säkerställa detta. Fortfarande skickliga medarbetare och ständig uppmärksamhet på detaljer är nödvändiga.
Svarvning (höger bild) och torkning av porslinsisolatorer tillverkade av plast/våt process.
En alternativ tillverkningsmetod för porslinsisolatorer har utvecklats och eliminerar många steg i torkningsprocessen som diskuterats ovan. En viktig fördel som erbjuds är en mycket mer konsekvent process som hjälper till att minska risken för eventuell variation i materialstyrka. Denna metod, som kallas isostatisk, börjar med att smutsen torkas till ett fint pulver, som sedan under stor kraft pressas in i en torr cylinder. Den inneboende fördelen är att kunna producera torra cylindriska ämnen på relativt kort tid. Faktum är att isolatorer tillverkade med den isostatiska metoden har en produktionstid på mindre än två veckor jämfört med 6 eller fler veckor som krävs för våt-/plastproduktion. Dessutom utförs svarvningen torr. Detta eliminerar krympning från våtsvarvade profiler till torkade/klara för bränning och resulterar i snävare toleranser. Torrpressade ämnen har ingen speciell kornorientering, som finns i våtpressade ämnen. Eftersom en våt kropp extruderas genom extruderns hals kan lerflödet vara mycket långsammare längs väggarna på grund av friktion mellan lera och extrudervägg. Internt i ämnet kommer skjuvning att orsaka inre spänningar, vilket kan leda till fel i ugnen och minska den mekaniska hållfastheten. Beroende var i ämnet isolatorn kommer ifrån kan dessa skjuvområden hamna nära ytan. En anmärkningsvärd egenskap är cambern som bildas när en porslinsisolator torkas.
Slutsatser
Förbättring av prestandan hos porslinsisolatorer under seismiska användningsförhållanden är möjlig främst genom viktminskningsmetoder. Att optimera design baserat på specifik faktisk tillämpning med höghållfasta material samt bibehålla en konsekvent tillverkningsprocess kommer att säkerställa bästa möjliga prestanda.