Rendiment sísmic dels aïllants de porcellana a les subestacions Els aïllants de porcellana han estat una part integral dels sistemes elèctrics durant més d'un segle a causa, en gran part, de la seva rigidesa, que garanteix l'alineació dels components en els equips de la subestació. A més, en els últims anys hi ha hagut grans avenços en la comprensió dels esdeveniments sísmics que afecten aquests aïllants a les subestacions. Les freqüències de ressonància d'aquests esdeveniments poden provocar forces dinàmiques immenses i, a causa del seu pes i naturalesa trencadissa, la porcellana és més susceptible a les freqüències harmòniques destructives. Però amb bones pràctiques de disseny, materials avançats i mètodes de fabricació moderns, els aïllants de porcellana encara poden demostrar una forma fiable d'aïllament en entorns de servei sísmic. Les característiques del material tenen un paper important en el disseny d'equips sota aquestes forces dinàmiques i, mentre que l'acer i l'alumini són dúctils i ofereixen una resistència previsible, la porcellana no és -dúctil i pot variar molt en resistència. Per tant, el rendiment sísmic dels aïllants de porcellana es pot millorar mitjançant la maximització de la força i la reducció del pes. També s'entén millor en aquests dies que l'aïllant és només un component d'una matriu complexa que constitueix qualsevol dispositiu que es trobi en una subestació. Per tant, cal avaluar tot el dispositiu. Per exemple, els aïllants sovint es munten en estructures de formigó o d'acer i donen suport a l'equip real, mentre que els casquilles normalment es troben a la part superior de l'equip. Per tant, la resposta de l'equip i els seus sub-components a les freqüències d'entrada dependrà d'aquests i d'altres factors. Quan la freqüència natural d'un equip coincideix molt amb la freqüència d'entrada, es produeix una ressonància que amplifica el moviment dinàmic i la resposta d'acceleració resultant. L'espectre de resposta requerit (RRS) simula amplituds, freqüències i energia en esdeveniments sísmics típics. Els equips amb freqüències naturals d'1,1 a 8 Hz es troben més a prop de l'RRS.
Els tipus típics d'equips d'alta tensió tenen diverses característiques que els fan més sensibles a les entrades sísmiques. Com que són alts i pesats, presenten nivells més baixos de freqüència natural que es troben normalment en els esdeveniments sísmics. Quan dos elements vibren a la mateixa freqüència natural, es veu un moviment augmentat i indueix grans càrregues en voladís. Comprendre les forces a què està sotmès un aïllant en comparació amb els punts forts i febles del seu material ceràmic és un primer pas important. Les classificacions mecàniques dels aïllants inclouen: a. Cantilever/Moments de flexió; b. Torsió; c. tensió; i d. Compressió. Les càrregues en voladís determinen el diàmetre del nucli i, per tant, el pes.
on: D - diàmetre del nucli; F - força requerida (càrrega de trencament mínima); l - longitud; resistència específica de la porcellana. Els materials ceràmics tenen alts nivells de compressió i de baixa tensió. Els moments de flexió indueixen esforços de compressió i tracció i l'esforç de tracció s'amplifica per l'acció de la palanca de l'alçada de l'aïllant (com a la figura . 1).
Fig. 1.
Els moments de flexió augmenten amb una força més gran i/o amb aïllants més alts (com a la figura . 2). En el cas del moviment dinàmic, la força es basa en: 1. la massa de l'aïllant i la massa muntada per sobre de l'aïllant; i 2. acceleració deguda a l'esdeveniment sísmic.
Fig. 2.
Intentar fer canvis de disseny per garantir que la freqüència natural d'un equip es mantingui fora de la freqüència d'un esdeveniment sísmic sovint no és possible. Com que el pes és un factor clau a l'hora de calcular la força/energia que entra a l'equip durant un esdeveniment sísmic, el repte és optimitzar el disseny i maximitzar la relació força/pes.
Reducció de pes
Hi ha maneres de reduir el pes d'un aïllant de porcellana de força determinada. En primer lloc, idealment els aïllants haurien d'estar especialment dissenyats per a la necessitat. A més, maximitzar les longituds de la secció ajuda a reduir el pes dels aïllants multi-apilats. Els fabricants també tenen opcions de materials que ofereixen una major resistència i mantenir estàndards estrictes de garantia de qualitat pot millorar encara més la resistència general.
Optimització del disseny
El disseny d'un aïllant ha de tenir en compte la seva aplicació en condicions sísmiques. Sovint, els aïllants utilitzats a les subestacions es basen en dissenys estàndard destinats a funcionar en una sèrie d'aplicacions. Un exemple és un aïllant amb nuclis cilíndrics uniformes que es pot aplicar en posició vertical però que és considerablement més pesat quan està penjat. Tot i que els aïllants cònics s'utilitzen cada cop més en aplicacions d'alta tensió, és important determinar la conicitat òptima. Quan qualsevol peça d'equip es considera per a l'aplicació en condicions sísmiques, tota l'estructura muntada i muntada s'ha d'avaluar mitjançant el programari aplicable. L'anàlisi d'elements finits (FEA), per exemple, identificarà àrees d'estrès elevat en qualsevol configuració determinada. També s'identificaran zones de baix estrès. El dissenyador/consultor de l'equip també ha de treballar estretament amb el fabricant de l'aïllant per garantir que totes les zones tinguin el mateix marge de seguretat. De fet, es poden necessitar diverses iteracions per identificar completament tots els augments i disminucions òptims de força en llocs donats al llarg de l'aïllant. Sempre que s'identifiquen i es solucionen àrees d'estrès més baixes, el pes en aquesta regió es pot reduir i les reduccions de pes a les seccions superiors poden reduir la força necessària a les seccions inferiors. Aquest procés provoca menys massa, menys moviment causat per la massa i menys estrès general. El cost de les proves de la taula agitadora és molt costós per a equips de subestació grans. Una avaluació exhaustiva per part d'un especialista sísmic competent pot controlar aquests costos evitant la necessitat de tornar a provar. La ubicació d'un aïllant en qualsevol equip també és fonamentalment important. En molts casos, els aïllants admeten equips pesats. Si l'equip es fa més compacte en termes de massa prop de la part superior, molt poca tensió de flexió
Fig. 3.
Si l'equip té un centre de gravetat alt amb la massa situada molt per sobre de l'aïllant, l'ajust superior estarà subjecte a un esforç de flexió molt més gran i serà necessari un disseny més robust per a aquesta part superior. Com es mostra a la figura . 4, per exemple, la part superior de l'aïllant està sotmesa al 50% de la càrrega màxima de flexió.
Fig. 4.
La massa a la part superior de l'aïllant té el major efecte de flexió. Per exemple, en el cas d'un interruptor de trencament d'aire en posició oberta amb el pal completament estès, hi ha moments de flexió elevats a la part superior de l'aïllant (vegeu la figura . 5).
Fig. 5: interruptor de 500 kV, pal obert.
Un interruptor d'interrupció d'aire de 500 kV típic està muntat a 4,6 m sobre una estructura i en posició oberta l'interruptor pot ser de 9,75, és a dir, una distància total de 14,35 m des del nivell del terra fins a la part superior del pal. L'optimització de la força necessària a la part superior d'un aïllant pot demostrar una zona crítica de reducció del material, ja que la reducció de pes és on la massa està més allunyada del moment de flexió.
Pes cobert
El perfil del cobert és un mitjà per augmentar la distància de fuga, però els coberts aporten pes a un aïllant. En el passat, els coberts normalment havien estat de fins a 19 mm al nucli, disminuint fins a 12 mm a la punta. Amb la millora de la ciència dels materials, es pot reduir la mida del cobert, la qual cosa resulta en una reducció del 20% del pes del cobert.
Seccions reduïdes
Els aïllants estan formats per una o diverses seccions cargolades entre si. Els aïllants solen ser de construcció d'una sola peça fins a 750 kV BIL. Els aïllants d'alta tensió poden estar formats per moltes seccions en funció del nivell de tensió. Les concentracions de tensió es troben a les juntes on els accessoris de ferro colat estan cimentats a la porcellana. El diàmetre de la porcellana a l'ajust augmenta a causa dels nivells d'estrès concentrats. La reducció del nombre de seccions reduirà les ubicacions d'alta tensió, així com el pes dels accessoris addicionals (vegeu la figura . 6).
Fig. 6.
Material
Els aïllants de porcellana són ceràmiques tècniques que contenen una barreja de caolí, alúmina, feldspat i sílice (quars). La IEC 60672-3 fa referència a tres tipus principals: C-110, C-120 i C-130. C-110 es coneix com a porcellana de quars mentre que C-120 i C-130 són porcellanes d'alúmina. El C-120 conté un 20%-30% d'alúmina, mentre que el C-130 normalment té un contingut d'alúmina superior al 30%. L'augment de la força es tradueix en la relació força/pes més alta. Els valors de força que es mostren a la taula 1 són mínims i es poden superar molt. Els aïllants fabricats amb argila C-130 amb nivells superiors als mínims poden oferir fins a un 40% de reducció de pes.
Taula 1: IEC 60672-3 1984
Procés de producció
La fabricació de materials d'argila té una gamma inherentment àmplia de forces resultants del material. Aquesta variació es pot produir dins d'un lot o entre lots. Aconseguir una força corporal constant és difícil, sobretot si els processos no estan controlats de manera estricta. De fet, s'ha demostrat que la resistència dels materials ceràmics pot tenir una desviació estàndard superior al 35%. Com més gran sigui la desviació, més pesat serà el disseny de l'aïllant necessari per garantir el compliment de la càrrega mecànica especificada (SML). La reducció de la desviació estàndard redueix directament el pes dels paràmetres de disseny de qualsevol fabricant. Per exemple, disseny d'aïllant amb SML de 10 kN i std. dev. de 3,5 kN significa que el disseny ha de ser tal que la mitjana sigui de 17 kN. D'altra banda, si std. dev. és només 1 kN, el disseny es pot basar en una mitjana de 12 kN. Això pot provocar una reducció d'aproximadament un 40% del pes de l'aïllant (vegeu les figures 7 i 8).
Fig. 7: gran desviació estàndard.
Fig. 8: petita desviació estàndard.
Per entendre millor les possibles causes de les variacions de la força corporal, cal conèixer més sobre com es produeixen els aïllants de porcellana. Molts es fabriquen pel mètode humit o plàstic, mitjançant el qual les receptes d'argila es mesuren i es barregen amb aigua per crear el material base, anomenat lliscament. Un molí de boles tritura el lliscament per garantir la mida de partícula adequada i conté aproximadament un 50% d'aigua. A continuació, es filtra l'esmalt per eliminar els contaminants naturals que es troben a les argiles, ja siguin orgàniques o de ferro. A continuació, es pressiona el lliscament en pastissos de filtre a un 22% d'humitat i aquests es tallen i s'extrudeixen en blocs. Finalment, s'extrudeixen en blanc cilíndrics o pugs. Durant un període de 5 a 6 setmanes, el blanc es gira i s'asseca a menys de l'1% de contingut d'humitat. Per mantenir una força corporal constant, tots aquests passos que condueixen al producte acabat també s'han de gestionar de manera coherent. La mida de les partícules, la composició química, el contingut d'aigua dels pastissos de filtre, la duresa dels blancs i les tècniques d'assecat determinaran la predictibilitat de la força corporal. Els múltiples passos d'assecat de l'argila humida, des del premsat de pastissos de filtre fins a l'ús d'assecadors que preparen aïllants tornejats per a la cocció, són passos clau per a la producció d'aïllants de porcellana, i potser el més crític en l'assecat és prendre la forma tornejada humida del 18% de contingut d'humitat a menys de l'1%. Això es deu al fet que els coberts prims i el nucli gruixut s'han d'assecar a la mateixa velocitat, tot i que és molt més probable que els coberts relativament prims desprenguin aigua. Es poden requerir fins a 6 setmanes per assecar lentament un aïllant i molts fabricants tenen controls adequats per assegurar-ho. Es necessiten empleats encara qualificats i una atenció constant als detalls.
Tornejat (foto dreta) i assecat d'aïllants de porcellana fets per procés plàstic/humit.
S'ha desenvolupat un mètode de fabricació alternatiu per a aïllants de porcellana que elimina molts passos en el procés d'assecat comentat anteriorment. Un avantatge important que ofereix és un procés molt més consistent que ajuda a reduir el risc de possibles variacions en la resistència del material. Aquest mètode, anomenat isostàtic, comença amb l'assecat de la barbotina fins a obtenir una pols fina, que després es pressiona amb gran força en un cilindre sec. L'avantatge inherent és poder produir bruts cilíndrics secs en un temps relativament curt. De fet, els aïllants produïts mitjançant el mètode isostàtic tenen un temps de producció de menys de dues setmanes enfront de les 6 setmanes o més necessàries per a la producció humida/plàstica. A més, el tornejat es realitza en sec. Això elimina la contracció dels perfils tornejats humits fins a l'estat sec / llest per a la cocció i resulta en toleràncies més estrictes. Els blancs premsats en sec no tenen una orientació particular del gra, com es troba en els blancs extruïts humits. Com que un cos humit s'extrudeix a través de la gola de l'extrusora, el flux d'argila pot ser molt més lent al llarg de les parets a causa de la fricció entre l'argila i la paret de l'extrusora. A l'interior del blanc, es produirà una cisalla causant estrès intern, que pot provocar fallades al forn i reduir la resistència mecànica. Depenent d'on a l'espai en blanc prové l'aïllant, aquestes zones de cisalla poden acabar prop de la superfície. Un tret notable és la cambra que es forma a mesura que s'asseca un aïllant de porcellana.
Conclusions
La millora del rendiment dels aïllants de porcellana en condicions de servei sísmic és possible principalment mitjançant mètodes de reducció de pes. L'optimització del disseny basat en una aplicació real específica amb materials d'alta resistència, així com el manteniment d'un procés de fabricació coherent, garantirà el millor rendiment possible.