Seismische prestaties van porseleinen isolatoren op onderstations Porseleinen isolatoren zijn al meer dan een eeuw een integraal onderdeel van energiesystemen, grotendeels dankzij hun stijfheid, die de uitlijning van componenten in onderstationapparatuur verzekert. Bovendien zijn er de afgelopen jaren grote vorderingen gemaakt in het begrijpen van de seismische gebeurtenissen die van invloed zijn op dergelijke isolatoren op onderstations. Resonante frequenties van deze gebeurtenissen kunnen enorme dynamische krachten veroorzaken en vanwege het gewicht en de broze aard ervan is porselein gevoeliger voor destructieve harmonische frequenties. Maar met goede ontwerppraktijken, geavanceerde materialen en moderne productiemethoden kunnen porseleinen isolatoren nog steeds een betrouwbare vorm van isolatie blijken in seismische serviceomgevingen. Materiaaleigenschappen spelen een belangrijke rol bij het ontwerpen van apparatuur onder dergelijke dynamische krachten. Terwijl staal en aluminium taai zijn en een voorspelbare sterkte bieden, is porselein niet-ductiel en kan de sterkte sterk variëren. De seismische prestaties van porseleinen isolatoren kunnen daarom worden verbeterd door de sterkte te maximaliseren en het gewicht te verminderen. Tegenwoordig wordt ook beter begrepen dat de isolator slechts één onderdeel is van een complexe reeks waaruit elk apparaat in een onderstation bestaat. Daarom moet het hele apparaat worden geëvalueerd. Isolatoren worden bijvoorbeeld vaak op beton- of staalconstructies gemonteerd en ondersteunen de eigenlijke apparatuur, terwijl bussen doorgaans aan de bovenkant van de apparatuur te vinden zijn. De reactie van apparatuur en zijn sub-componenten op ingangsfrequenties zal daarom afhankelijk zijn van deze en andere factoren. Wanneer de natuurlijke frequentie van een apparaat nauw aansluit bij de ingangsfrequentie, treedt er resonantie op, waardoor de resulterende dynamische bewegings- en versnellingsrespons wordt versterkt. Het Required Response Spectrum (RRS) simuleert amplitudes, frequenties en energie bij typische seismische gebeurtenissen. Apparatuur met natuurlijke frequenties van 1,1 tot 8 Hz valt het meest onder de RRS.
Typische soorten hoogspanningsapparatuur hebben verschillende kenmerken waardoor ze beter reageren op seismische input. Omdat ze groot en zwaar zijn, vertonen ze lagere niveaus van natuurlijke frequentie die normaal gesproken voorkomen bij seismische gebeurtenissen. Wanneer twee voorwerpen op dezelfde natuurlijke frequentie trillen, wordt er een grotere beweging waargenomen, wat grote cantileverbelastingen veroorzaakt. Het begrijpen van de krachten waaraan een isolator wordt blootgesteld in vergelijking met de sterke en zwakke punten van het keramische materiaal is een belangrijke eerste stap. De mechanische specificaties van de isolator omvatten: Cantilever/buigmomenten; B. Torsie; C. Spanning; en d. Compressie. Cantileverbelastingen bepalen de kerndiameter en dus het gewicht.
waarbij: D – kerndiameter; F – vereiste sterkte (min. breukbelasting); l – lengte; specifieke sterkte van porselein. Keramische materialen hebben hoge compressiewaarden en lage spanningswaarden. Buigmomenten veroorzaken compressie- en trekspanning en trekspanning wordt versterkt door de hefboomwerking van de isolatorhoogte (zoals in figuur . 1).
Vijg. 1.
Buigmomenten nemen toe met grotere kracht en/of grotere isolatoren (zoals in figuur . 2). In het geval van dynamische beweging is de kracht gebaseerd op: 1. isolatormassa en massa gemonteerd boven de isolator; en 2. versnelling als gevolg van de seismische gebeurtenis.
Vijg. 2.
Proberen ontwerpwijzigingen aan te brengen om ervoor te zorgen dat de natuurlijke frequentie van een apparaat buiten de frequentie van een seismische gebeurtenis blijft, is vaak niet mogelijk. Omdat gewicht een sleutelfactor is bij het berekenen van de kracht/energie die in de apparatuur terechtkomt tijdens een seismische gebeurtenis, is de uitdaging het optimaliseren van het ontwerp en het maximaliseren van de sterkte-gewichtsverhouding.
Gewichtsreductie
Er bestaan manieren om het gewicht van een porseleinen isolator met een bepaalde sterkte te verminderen. Allereerst moeten isolatoren idealiter speciaal voor de behoefte zijn ontworpen. Bovendien helpt het maximaliseren van de sectielengtes het gewicht van multi-stapelisolatoren te verminderen. Fabrikanten hebben ook materiaalkeuzes die een hogere sterkte bieden en het handhaven van strenge kwaliteitsborgingsnormen kan de algehele sterkte verder verbeteren.
Ontwerp optimaliseren
Bij het ontwerp van een isolator moet rekening worden gehouden met de toepassing ervan onder seismische omstandigheden. Vaak zijn isolatoren die in onderstations worden gebruikt, gebaseerd op standaardontwerpen die bedoeld zijn om in een reeks toepassingen te presteren. Een voorbeeld is een isolator met uniforme cilindrische kernen die rechtopstaand kan worden toegepast, maar onderhangend aanzienlijk zwaarder is. Hoewel taps toelopende isolatoren steeds vaker worden gebruikt in hoogspanningstoepassingen, is het bepalen van de optimale tapsheid belangrijk. Wanneer een apparaat wordt overwogen voor toepassing onder seismische omstandigheden, moet de gehele geassembleerde en gemonteerde structuur worden geëvalueerd met behulp van toepasselijke software. Eindige-elementenanalyse (FEA) zal bijvoorbeeld gebieden met hoge spanning in een bepaalde configuratie identificeren. Er zullen ook lage stresszones worden geïdentificeerd. De ontwerper/consulent van de apparatuur moet ook nauw samenwerken met de isolatorfabrikant om ervoor te zorgen dat alle zones een gelijke veiligheidsmarge hebben. In feite kunnen er verschillende iteraties nodig zijn om alle optimale toenames en afnames in sterkte op bepaalde locaties langs de isolator volledig te identificeren. Wanneer gebieden met lagere spanningen worden geïdentificeerd en verholpen, kan het gewicht in dat gebied worden verminderd en kunnen gewichtsverminderingen in de bovenste secties de benodigde sterkte in de lagere secties verminderen. Dit proces resulteert in minder massa, minder beweging veroorzaakt door de massa en minder algemene spanning. De kosten van het testen van schudtafels zijn erg duur voor grote onderstationapparatuur. Een grondige evaluatie door een competente seismische specialist kan dergelijke kosten onder controle houden, doordat hertesten niet nodig is. De locatie van een isolator in elk apparaat is ook van fundamenteel belang. In veel gevallen ondersteunen isolatoren zware apparaten. Als apparatuur aan de bovenkant compacter wordt gemaakt qua massa, is er zeer weinig buigspanning
Vijg. 3.
Als apparatuur een hoog zwaartepunt heeft en de massa ruim boven de isolator is gepositioneerd, zal de bovenste fitting onderhevig zijn aan veel grotere buigspanningen en zal een robuuster ontwerp voor dit bovenste gedeelte noodzakelijk zijn. Zoals geïllustreerd in figuur . 4 wordt de bovenkant van de isolator bijvoorbeeld onderworpen aan 50% van de maximale buigbelasting.
Vijg. 4.
Massa aan de bovenkant van de isolator heeft het grootste buigeffect. In het geval van een luchtonderbreker in de open positie met een volledig uitgeschoven mast zijn er bijvoorbeeld hoge buigmomenten aan de bovenkant van de isolator (zie Fig. 5).
Afb. 5: 500 kV-schakelaar, mast open.
Een typische luchtonderbrekingsschakelaar van 500 kV wordt 4,6 m hoger op een constructie gemonteerd en in de open positie kan de schakelaar 9,75 m bedragen, dwz een totale afstand van 14,35 m vanaf het maaiveld tot de bovenkant van de mast. Het optimaliseren van de sterkte die nodig is aan de bovenkant van een isolator kan een kritische materiaalreductiezone blijken te zijn, aangezien gewichtsvermindering daar plaatsvindt waar de massa het verst verwijderd is van het buigmoment.
Gewicht
Het schuurprofiel is een middel om de kruipafstand te vergroten, maar de schuur draagt gewicht bij aan de isolator. In het verleden waren de uitsparingen doorgaans maximaal 19 mm in de kern en taps toelopend tot 12 mm aan de punt. Met verbeterde materiaalkunde kan de stalgrootte worden verkleind, wat resulteert in een vermindering van het stalgewicht met 20%.
Gereduceerde secties
Isolatoren bestaan uit enkele of meerdere secties die aan elkaar zijn vastgeschroefd. Isolatoren zijn doorgaans uit één stuk vervaardigd tot 750 kV BIL. Hoogspanningsisolatoren kunnen uit vele secties bestaan, afhankelijk van het spanningsniveau. Spanningsconcentraties worden aangetroffen op de verbindingen waar de gietijzeren fittingen op het porselein worden gecementeerd. Door de geconcentreerde spanningen wordt de diameter van het porselein bij de fitting vergroot. Door het aantal secties te verminderen, worden locaties met hoge spanning verminderd, evenals het gewicht van de extra fittingen (zie afbeelding . 6).
Vijg. 6.
Materiaal
Porseleinen isolatoren zijn technische keramiek die een mengsel van kaolien, aluminiumoxide, veldspaat en silica (kwarts) bevat. IEC 60672-3 verwijst naar drie hoofdtypen: C-110, C-120 en C-130. C-110 staat bekend als kwartsporselein, terwijl C-120 en C-130 aluminiumoxideporseleinen zijn. C-120 bevat 20% -30% aluminiumoxide, terwijl C-130 normaal gesproken een aluminiumoxidegehalte van meer dan 30% heeft. Verhoogde sterkte vertaalt zich in de hoogste sterkte-gewichtsverhouding. De sterktewaarden weergegeven in Tabel 1 zijn minimumwaarden en kunnen aanzienlijk worden overschreden. Isolatoren vervaardigd met C-130-klei met hogere dan minimale niveaus kunnen tot 40% gewichtsvermindering bieden.
Tabel 1: IEC 60672-3 1984
Productieproces
De vervaardiging van kleimaterialen heeft een inherent breed scala aan resulterende materiaalsterkten. Een dergelijke variatie kan optreden binnen een batch of tussen batches. Het bereiken van consistente lichaamskracht is moeilijk, vooral als de processen niet strak worden gecontroleerd. Er is inderdaad aangetoond dat de sterkte van keramische materialen een standaardafwijking van meer dan 35% kan hebben. Hoe groter de afwijking, hoe zwaarder het ontwerp van de isolator dat nodig is om te voldoen aan de gespecificeerde mechanische belasting (SML). Het verminderen van de standaardafwijking vermindert direct het gewicht van de ontwerpparameters van een bepaalde fabrikant. Ontwerp van isolator met SML van 10 kN en std. ontwikkelaar van 3,5 kN betekent dat het ontwerp zodanig moet zijn dat het gemiddelde 17 kN bedraagt. Aan de andere kant, als std. ontwikkelaar bedraagt slechts 1 kN, bij het ontwerp kan uitgegaan worden van een gemiddelde van 12 kN. Dit kan resulteren in een vermindering van het isolatorgewicht met ongeveer 40% (zie figuren 7 en 8).
Fig. 7: Grote standaarddeviatie.
Afb.. 8: Kleine standaarddeviatie.
Om de mogelijke oorzaken van variaties in lichaamskracht beter te begrijpen, is het noodzakelijk om meer te weten over de manier waarop porseleinen isolatoren worden geproduceerd. Velen worden vervaardigd volgens de natte of plastic methode, waarbij kleirecepten worden gemeten en gemengd met water om het basismateriaal te creëren, slip genoemd. Een kogelmolen maalt de slip om de juiste deeltjesgrootte te garanderen en bevat ongeveer 50% water. Slip wordt vervolgens gefilterd om natuurlijke verontreinigingen in klei te verwijderen, ongeacht of deze organisch of ijzer zijn. Vervolgens wordt de slip in filterkoeken geperst met een vochtgehalte van ongeveer 22% en deze worden gehakt en tot blokken geëxtrudeerd. Ten slotte worden cilindrische plano's of mopsen geëxtrudeerd. Gedurende een periode van 5 tot 6 weken wordt het plano gedraaid en gedroogd tot een vochtgehalte van minder dan 1%. Om een consistente lichaamskracht te behouden, moeten al deze stappen die naar het eindproduct leiden ook consistent worden beheerd. De deeltjesgrootte, de chemische samenstelling, het watergehalte van de filterkoeken, de hardheid van de blanco's en de droogtechnieken zullen allemaal de voorspelbaarheid van de lichaamskracht bepalen. De meerdere droogstappen van de natte klei – van het persen van filterkoeken tot het gebruik van drogers die gedraaide isolatoren voorbereiden voor het bakken – zijn belangrijke productiestappen voor porseleinen isolatoren, waarbij misschien wel de meest kritische bij het drogen het aannemen van de natte gedraaide vorm is van een vochtgehalte van 18% naar minder dan 1%. Dit komt omdat de dunne schuren en de dikke kern in dezelfde snelheid moeten drogen, ook al is de kans veel groter dat relatief dunne schuren water afgeven. Het kan tot zes weken duren om een isolator langzaam te drogen en veel fabrikanten hebben de juiste controles om dit te garanderen. Toch zijn vakbekwame medewerkers en constante aandacht voor detail noodzakelijk.
Draaien (foto rechts) en drogen van porseleinen isolatoren gemaakt door middel van plastic/nat proces.
Er is een alternatieve productiemethode voor porseleinen isolatoren ontwikkeld, die veel stappen in het hierboven besproken droogproces elimineert. Een belangrijk voordeel is een veel consistenter proces dat het risico op mogelijke variatie in materiaalsterkte helpt verminderen. Deze methode, isostatisch genoemd, begint met het drogen van de slip tot een fijn poeder, dat vervolgens onder grote kracht tot een droge cilinder wordt geperst. Het inherente voordeel is dat droge cilindrische plano's in relatief korte tijd kunnen worden geproduceerd. In feite hebben isolatoren geproduceerd met behulp van de isostatische methode een productietijd van minder dan twee weken, tegenover zes of meer weken die nodig zijn voor natte/kunststofproductie. Bovendien wordt het draaien droog uitgevoerd. Dit elimineert krimp van nat gedraaide profielen naar gedroogde/klaar voor bakken en resulteert in nauwere toleranties. Drooggeperste plano's hebben geen specifieke korreloriëntatie, zoals aangetroffen in nat geëxtrudeerde plano's. Omdat een nat lichaam door de keel van de extruder wordt geëxtrudeerd, kan de kleistroom langs de wanden veel langzamer zijn als gevolg van wrijving tussen klei en de wand van de extruder. Intern in de plano zal afschuiving optreden, waardoor interne spanning ontstaat, wat kan leiden tot storingen in de oven en de mechanische sterkte kan verminderen. Afhankelijk van waar in de plano de isolator vandaan komt, kunnen deze afschuifgebieden dichtbij het oppervlak terechtkomen. Een opvallend kenmerk is de welving die ontstaat wanneer een porseleinen isolator wordt gedroogd.
Conclusies
Het verbeteren van de prestaties van porseleinen isolatoren onder seismische gebruiksomstandigheden is voornamelijk mogelijk door middel van gewichtsreductiemethoden. Het optimaliseren van het ontwerp op basis van specifieke daadwerkelijke toepassingen met behulp van materialen met een hoge sterkte en het handhaven van een consistent productieproces zullen de best mogelijke prestaties garanderen.