Posliinieristeiden seisminen suorituskyky sähköasemilla Posliinieristeet ovat olleet kiinteä osa sähköjärjestelmiä yli vuosisadan johtuen suurelta osin niiden jäykkyydestä, joka varmistaa komponenttien kohdistuksen sähköasemalaitteistoissa. Lisäksi viime vuosina on tapahtunut suuria edistysaskeleita sellaisten seismisten tapahtumien ymmärtämisessä, jotka vaikuttavat tällaisiin eristeisiin sähköasemilla. Näistä tapahtumista aiheutuvat resonanssitaajuudet voivat aiheuttaa valtavia dynaamisia voimia, ja painonsa ja haurautensa vuoksi posliini on herkempi tuhoisille harmonisille taajuuksille. Mutta hyvän suunnittelukäytännön, kehittyneiden materiaalien ja nykyaikaisten valmistusmenetelmien ansiosta posliinieristeet voivat silti osoittautua luotettavaksi eristemuodoksi seismisessä palveluympäristössä. Materiaalien ominaisuuksilla on tärkeä rooli laitteiden suunnittelussa tällaisten dynaamisten voimien alaisena, ja vaikka teräs ja alumiini ovat sitkeitä ja tarjoavat ennustettavan lujuuden, posliini ei ole -muovattavaa ja sen lujuus voi vaihdella suuresti. Posliinieristeiden seismistä suorituskykyä voidaan siksi parantaa maksimoimalla lujuus ja vähentämällä painoa. Nykyään ymmärretään myös paremmin, että eriste on vain yksi komponentti monimutkaisessa ryhmässä, joka muodostaa minkä tahansa sähköasemalta löytyvän laitteen. Siksi koko laite on arvioitava. Esimerkiksi eristimet asennetaan usein betoni- tai teräsrakenteisiin ja ne tukevat varsinaista laitteistoa, kun taas holkit ovat tyypillisesti laitteiden yläosassa. Laitteen ja sen alikomponenttien vaste tulotaajuuksiin riippuu siis näistä ja muista tekijöistä. Kun laitteen luonnollinen taajuus vastaa läheisesti tulotaajuutta, tapahtuu resonanssia, mikä vahvistaa tuloksena olevaa dynaamista liike- ja kiihtyvyysvastetta. Required Response Spectrum (RRS) simuloi amplitudeja, taajuuksia ja energiaa tyypillisissä seismisissä tapahtumissa. Laitteet, joiden luonnolliset taajuudet ovat 1,1 - 8 Hz, kuuluvat läheisimmin RRS:ään.
Tyypillisillä suurjännitelaitteiden tyypeillä on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä herkempiä seismisille tuloille. Koska ne ovat korkeita ja raskaita, niiden luonnolliset taajuudet ovat alhaisemmat, mitä tavallisesti esiintyy seismisissä tapahtumissa. Kun kaksi esinettä värähtelee samalla luonnollisella taajuudella, havaitaan lisääntynyttä liikettä ja aiheuttaa suuria ulokekuormia. Eristeyn kohdistuvien voimien ymmärtäminen verrattuna sen keraamisen materiaalin vahvuuksiin ja heikkouksiin on tärkeä ensimmäinen askel. Eristimen mekaaniset arvot sisältävät: a. Uloke-/Taivutusmomentit; b. Vääntö; c. Jännitys; ja d. Puristus. Ulokekuormat määräävät sydämen halkaisijan ja siten painon.
missä: D – sydämen halkaisija; F – vaadittu lujuus (min. murtokuorma); l – pituus; posliinin ominaislujuus. Keraamisilla materiaaleilla on korkeat puristusluokat ja alhaiset jännitysarvot. Taivutusmomentit aiheuttavat puristus- ja vetojännitystä, ja vetojännitys voimistuu eristimen korkeuden vivun vaikutuksesta (kuten kuvassa. 1).
kuva. 1.
Taivutusmomentit kasvavat suuremmalla voimalla ja/tai korkeammilla eristeillä (kuten kuvassa. 2). Dynaamisen liikkeen tapauksessa voima perustuu: 1. eristeen massaan ja eristimen yläpuolelle asennettuun massaan; ja 2. seismisestä tapahtumasta johtuva kiihtyvyys.
kuva. 2.
Usein ei ole mahdollista yrittää tehdä suunnittelumuutoksia sen varmistamiseksi, että laitteen luonnollinen taajuus pysyy seismisen tapahtuman taajuuden ulkopuolella. Koska paino on avaintekijä laskettaessa voimaa/energiaa, joka menee laitteisiin seismisen tapahtuman aikana, haasteena on optimoida suunnittelu ja maksimoida lujuus-painosuhde.
Painonpudotus
On olemassa tapoja vähentää tietyn lujuuden posliinieristeen painoa. Ensinnäkin eristimet tulisi ihanteellisesti suunnitella erityisesti tarpeisiin. Lisäksi osien pituuksien maksimoiminen auttaa vähentämään moni-pinoeristeiden painoa. Valmistajilla on myös materiaalivalinnat, jotka tarjoavat suuremman lujuuden, ja tiukkojen laadunvarmistusstandardien ylläpitäminen voi parantaa kokonaislujuutta entisestään.
Suunnittelun optimointi
Eristimen suunnittelussa on otettava huomioon sen käyttö seismisessä olosuhteissa. Usein sähköasemilla käytettävät eristimet perustuvat vakiomalleihin, jotka on tarkoitettu toimimaan useissa eri sovelluksissa. Esimerkkinä on eriste, jossa on tasaiset lieriömäiset ytimet, joka voidaan asentaa pystysuoraan, mutta joka on huomattavasti painavampi alta ripustettuna. Vaikka kartiomaisia eristeitä käytetään yhä enemmän HV-sovelluksissa, optimaalisen kartiomaisuuden määrittäminen on tärkeää. Kun mitä tahansa laitetta harkitaan käytettäväksi seismisessä olosuhteissa, koko koottu ja asennettu rakenne on arvioitava soveltuvalla ohjelmistolla. Esimerkiksi Finite Element Analysis (FEA) tunnistaa korkean jännityksen alueet missä tahansa kokoonpanossa. Myös vähärasitusvyöhykkeet tunnistetaan. Laitteiston suunnittelijan/konsultin tulee myös tehdä tiivistä yhteistyötä eristimen valmistajan kanssa varmistaakseen, että kaikilla vyöhykkeillä on sama turvamarginaali. Itse asiassa voi kestää useita iteraatioita, jotta voidaan täysin tunnistaa kaikki optimaaliset lujuuden lisäykset ja laskut tietyissä paikoissa eristettä pitkin. Aina kun alemmat jännitysalueet tunnistetaan ja korjataan, painoa kyseisellä alueella voidaan vähentää ja yläosien painonpudotukset voivat vähentää alemmissa osissa tarvittavaa lujuutta. Tämän prosessin tuloksena on vähemmän massaa, vähemmän massan aiheuttamaa liikettä ja pienempi kokonaisrasitus. Shaker-pöytätestauksen kustannukset ovat erittäin kalliita suurille sähköasemalaitteille. Pätevän seismisen asiantuntijan perusteellinen arviointi voi hallita tällaisia kustannuksia välttämällä uudelleentestauksen tarvetta. Eristimen sijainti missä tahansa laitteessa on myös erittäin tärkeä. Monissa tapauksissa eristimet tukevat raskaita laitteita. Jos laitteistosta tehdään massaltaan kompaktimpi lähellä yläosaa, taivutusjännitys on hyvin pieni
kuva. 3.
Jos laitteiston painopiste on korkea ja massa on sijoitettu reilusti eristimen yläpuolelle, yläliittimeen kohdistuu paljon suurempi taivutusjännitys, ja tälle yläosalle tarvitaan järeämpi rakenne. Kuten esimerkiksi kuvassa. 4 esitetään, eristeen yläosaan kohdistuu 50 % suurimmasta taivutuskuormituksesta.
kuva. 4.
Massalla eristeen yläosassa on suurin taivutusvaikutus. Esimerkiksi jos ilmakatkaisin on auki-asennossa ja masto täysin ojennettuna, eristimen yläosassa on suuria taivutusmomentteja (katso kuva. 5).
Kuva. 5: 500 kV kytkin, masto auki.
Tyypillinen 500 kV ilmakatkaisija asennetaan 4,6 m ylemmäs rakenteeseen ja avoimessa asennossa kytkin voi olla 9,75 eli kokonaisetäisyys maanpinnasta maston huipulle 14,35 m. Eristimen yläosassa tarvittavan lujuuden optimointi voi osoittautua kriittiseksi materiaalin vähennysvyöhykkeeksi, koska painonpudotus tapahtuu siellä, missä massa on kauimpana taivutusmomentista.
ShedWeight
Suojaprofiili on keino lisätä ryömintäetäisyyttä, mutta suojat lisäävät eristeen painoa. Aiemmin varret ovat olleet tyypillisesti jopa 19 mm:n ytimen halkaisijat, jotka kapenevat kärjestä 12 mm:iin. Parannetun materiaalitieteen avulla aitauksen kokoa voidaan pienentää, mikä johtaa 20 %:n vähennykseen aidan painossa.
Supistetut osiot
Eristimet koostuvat yhdestä tai useammasta osasta, jotka on pultattu yhteen. Eristimet ovat tyypillisesti yksiosaisia rakenteita 750 kV BIL asti. Suurjänniteeristimet voivat koostua useista osista riippuen jännitetasosta. Jännityspitoisuudet löytyvät liitoksista, joissa valurautaliittimet on sementoitu posliiniin. Posliinin halkaisija kiinnityskohdassa kasvaa keskittyneiden rasitustasojen vuoksi. Osien lukumäärän vähentäminen vähentää korkean jännityksen paikkoja sekä lisäosien painoa (katso kuva. 6).
kuva. 6.
Materiaali
Posliinieristeet ovat teknistä keramiikkaa, jotka sisältävät kaoliinia, alumiinioksidia, maasälpää ja piidioksidia (kvartsia). IEC 60672-3 viittaa kolmeen päätyyppiin: C-110, C-120 ja C-130. C-110 tunnetaan kvartsiposliinina, kun taas C-120 ja C-130 ovat alumiinioksidiposliinia. C-120 sisältää 20–30 % alumiinioksidia, kun taas C-130:n alumiinioksidipitoisuus on normaalisti yli 30 %. Lisääntynyt lujuus tarkoittaa korkeinta lujuus-painosuhdetta. Taulukossa 1 esitetyt lujuusarvot ovat minimiarvoja ja ne voidaan ylittää huomattavasti. C-130-savesta valmistetut eristeet, joiden taso on korkeampi kuin vähimmäismäärä, voivat vähentää painoa jopa 40 %.
Taulukko 1: IEC 60672-3 1984
Tuotantoprosessi
Savimateriaalien valmistuksessa on luonnostaan laaja valikoima tuloksena olevia materiaalivahvuuksia. Tällaista vaihtelua voi esiintyä erän sisällä tai erien välillä. Tasaisen kehon voiman saavuttaminen on vaikeaa, varsinkin jos prosesseja ei valvota tiukasti. On todellakin osoitettu, että keraamisten materiaalien lujuudella voi olla yli 35 % standardipoikkeama. Mitä suurempi poikkeama, sitä raskaampaa eristimen rakennetta tarvitaan, jotta se täyttää määritellyn mekaanisen kuorman (SML). Keskihajonnan vähentäminen vähentää suoraan minkä tahansa valmistajan suunnitteluparametrien painoa. Esimerkiksi eristimen suunnittelu, jonka SML on 10 kN ja std. kehittäjä 3,5 kN tarkoittaa, että suunnittelun on oltava sellainen, että keskiarvo on 17 kN. Toisaalta, jos std. kehittäjä on vain 1 kN, suunnittelu voi perustua keskimäärin 12 kN:iin. Tämä voi johtaa noin 40 %:n laskuun eristeen painossa (katso kuvat 7 ja 8).
Kuva. 7: Suuri standardipoikkeama.
Kuva. 8: Pieni keskihajonta.
Jotta voitaisiin paremmin ymmärtää kehon lujuuden vaihteluiden mahdollisia syitä, on tarpeen tietää enemmän siitä, miten posliinieristeitä valmistetaan. Monet valmistetaan märkä- tai muovimenetelmällä, jolloin savireseptit mitataan ja sekoitetaan veteen perusmateriaalin, jota kutsutaan liukumämiseksi, muodostamiseksi. Kuulamylly jauhaa liukan oikean hiukkaskoon varmistamiseksi ja sisältää noin 50 % vettä. Sitten liuska suodatetaan poistamaan luonnolliset epäpuhtaudet, jotka löytyvät savesta, olivatpa ne sitten orgaanisia tai rautaisia. Sen jälkeen liuska puristetaan suodatinkakuiksi noin 22 %:n kosteudella ja nämä pilkotaan ja ekstrudoidaan lohkoiksi. Lopuksi suulakepuristetaan sylinterimäiset aihiot tai mopsit. 5-6 viikon aikana aihio käännetään ja kuivataan alle 1 %:n kosteuspitoisuuteen. Kehon tasaisen voiman ylläpitämiseksi kaikkia näitä valmiiseen tuotteeseen johtavia vaiheita on myös hallittava johdonmukaisesti. Partikkelikoko, kemiallinen koostumus, suodatinkakkujen vesipitoisuus, aihioiden kovuus ja kuivaustekniikat määräävät kaikki kehon vahvuuden ennustettavuuden. Märän saven useat kuivausvaiheet – suodatinkakkojen puristamisesta sorvattuja eristeitä polttoa varten valmistavien kuivaimien käyttöön – ovat posliinieristeiden tärkeimpiä tuotantovaiheita, joista ehkä kriittisin kuivausvaihe on märkäsorvauksen ottaminen 18 %:n kosteuspitoisuudesta alle 1 %:iin. Tämä johtuu siitä, että ohuiden irtojen ja paksun ytimen on kuivuttava samalla nopeudella, vaikka suhteellisen ohuet vuoteet vuotavat paljon todennäköisemmin vettä. Jopa 6 viikkoa voidaan vaatia eristimen hitaaseen kuivaamiseen, ja monilla valmistajilla on asianmukainen valvonta tämän varmistamiseksi. Tarvitaan edelleen ammattitaitoisia työntekijöitä ja jatkuvaa huomiota yksityiskohtiin.
Muovi/märkäprosessilla valmistettujen posliinieristeiden sorvaus (oikea kuva) ja kuivaus.
Posliinieristeille on kehitetty vaihtoehtoinen valmistusmenetelmä, joka eliminoi monet edellä mainitun kuivausprosessin vaiheet. Tärkeä tarjottu etu on paljon johdonmukaisempi prosessi, joka auttaa vähentämään mahdollisen materiaalin lujuuden vaihtelun riskiä. Tämä isostaattiseksi kutsuttu menetelmä alkaa kuivaamalla liuska hienoksi jauheeksi, joka sitten puristetaan suurella voimalla kuivaksi sylinteriksi. Etuna on se, että pystytään valmistamaan kuivia lieriömäisiä aihioita suhteellisen lyhyessä ajassa. Itse asiassa isostaattisella menetelmällä valmistettujen eristeiden valmistusaika on alle kaksi viikkoa verrattuna 6 tai pidempään viikkoon, jotka vaaditaan märkä-/muovituotannossa. Lisäksi kääntäminen suoritetaan kuivana. Tämä eliminoi kutistumisen märkäsorvatuista profiileista kuivattuihin/polttovalmiin tilaan ja johtaa tiukempiin toleransseihin. Kuivapuristetuilla aihioilla ei ole erityistä raeorientaatiota, kuten märkäekstrudoiduista aihioista löytyy. Koska märkä kappale puristetaan ekstruuderin kurkun läpi, saven virtaus voi olla paljon hitaampaa seiniä pitkin saven ja ekstruuderin seinämän välisen kitkan vuoksi. Aihion sisällä tapahtuu leikkausta aiheuttaen sisäistä jännitystä, mikä voi johtaa uunin vioittumiseen ja heikentää mekaanista lujuutta. Riippuen siitä, mistä aihiossa eriste tulee, nämä leikkausalueet voivat päätyä lähelle pintaa. Yksi huomionarvoinen piirre on posliinieristeen kuivauksen yhteydessä muodostuva camber.
Johtopäätökset
Posliinieristeiden suorituskyvyn parantaminen seismisissä käyttöolosuhteissa on mahdollista pääasiassa painonpudotusmenetelmillä. Suunnittelun optimointi tiettyyn todelliseen sovellukseen käyttämällä lujia materiaaleja sekä yhtenäisen valmistusprosessin ylläpitäminen varmistaa parhaan mahdollisen suorituskyvyn.