عملکرد لرزهای عایقهای چینی در پستها عایقهای چینی بیش از یک قرن است که بخش جداییناپذیر سیستمهای قدرت بودهاند که عمدتاً به دلیل صلبیت آنها است که همراستایی اجزا در تجهیزات پست را تضمین میکند. علاوه بر این، در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در درک رویدادهای لرزهای که بر چنین عایقهایی در پستها تأثیر میگذارند، صورت گرفته است. فرکانسهای تشدید ناشی از این رویدادها میتوانند نیروهای دینامیکی بسیار زیادی ایجاد کنند و به دلیل وزن و ماهیت شکنندهاش، چینی بیشتر در معرض فرکانسهای هارمونیک مخرب است. اما با عملکرد خوب طراحی، مواد پیشرفته و روشهای ساخت مدرن، عایقهای چینی همچنان میتوانند شکل قابل اعتمادی از عایق را در محیطهای خدمات لرزهای ثابت کنند. ویژگیهای مواد نقش عمدهای در طراحی تجهیزات تحت چنین نیروهای دینامیکی ایفا میکنند و در حالی که فولاد و آلومینیوم انعطافپذیر هستند و استحکام قابل پیشبینی را ارائه میدهند، چینی غیرقابل-شکلپذیر است و میتواند از نظر استحکام بسیار متفاوت باشد. بنابراین، عملکرد لرزه ای عایق های چینی را می توان از طریق به حداکثر رساندن استحکام و کاهش وزن افزایش داد. همچنین این روزها بهتر درک می شود که عایق تنها یک جزء در یک آرایه پیچیده است که هر وسیله ای را که در یک پست یافت می شود تشکیل می دهد. بنابراین، کل دستگاه نیاز به ارزیابی دارد. به عنوان مثال، عایق ها اغلب بر روی سازه های بتنی یا فولادی نصب می شوند و تجهیزات واقعی را پشتیبانی می کنند در حالی که بوش ها معمولاً در بالای تجهیزات یافت می شوند. بنابراین، پاسخ تجهیزات و اجزای فرعی آن به فرکانسهای ورودی به این عوامل و سایر عوامل بستگی دارد. وقتی فرکانس طبیعی یک قطعه تجهیزات دقیقاً با فرکانس ورودی مطابقت دارد، تشدید ایجاد میشود و در نتیجه حرکت دینامیکی و پاسخ شتاب را تقویت میکند. طیف پاسخ مورد نیاز (RRS) دامنهها، فرکانسها و انرژی را در رویدادهای لرزهای معمولی شبیهسازی میکند. تجهیزاتی که دارای فرکانس های طبیعی 1.1 تا 8 هرتز هستند، بیشترین پوشش را در RRS دارند.
انواع معمولی تجهیزات ولتاژ بالا دارای چندین ویژگی هستند که آنها را نسبت به ورودی های لرزه ای پاسخگوتر می کند. از آنجایی که بلند و سنگین هستند، سطوح پایین تری از فرکانس طبیعی را نشان می دهند که معمولاً در رویدادهای لرزه ای یافت می شود. هنگامی که دو آیتم در یک فرکانس طبیعی ارتعاش میکنند، افزایش حرکت دیده میشود و بارهای بالای کنسول را القا میکند. درک نیروهایی که یک عایق در مقایسه با نقاط قوت و ضعف مواد سرامیکی آن متحمل می شود، اولین قدم مهم است. رتبه بندی مکانیکی مقره عبارتند از: الف. لحظههای کنسول/خم. ب پیچ خوردگی؛ ج. تنش؛ و د. فشرده سازی. بارهای کنسولی قطر هسته و در نتیجه وزن را تعیین می کنند.
جایی که: D - قطر هسته؛ F – مقاومت مورد نیاز (حداقل بار شکست). l - طول؛ استحکام خاص پرسلن مواد سرامیکی دارای امتیاز تراکم بالا و تنش پایین هستند. گشتاورهای خمشی تنش فشاری و کششی را القا می کنند و تنش کششی با عمل اهرم ارتفاع مقره تقویت می شود (مانند شکل{3}}).
شکل. 1.
گشتاورهای خمشی با نیروی بیشتر و/یا عایق های بلندتر افزایش می یابد (مطابق شکل. 2). در مورد حرکت دینامیکی، نیرو بر اساس موارد زیر است: 1. جرم عایق و جرم نصب شده در بالای عایق. و 2. شتاب ناشی از رویداد لرزه ای.
شکل. 2.
تلاش برای ایجاد تغییرات در طراحی برای اطمینان از اینکه فرکانس طبیعی یک قطعه از تجهیزات خارج از فرکانس یک رویداد لرزه ای باقی می ماند اغلب امکان پذیر نیست. از آنجایی که وزن یک عامل کلیدی برای محاسبه نیرو/انرژی است که در طول یک رویداد لرزه ای وارد تجهیزات می شود، چالش بهینه سازی طراحی و به حداکثر رساندن نسبت استحکام به وزن است.
کاهش وزن
راه هایی برای کاهش وزن عایق چینی با استحکام مشخص وجود دارد. اول از همه، عایق ها باید به طور ایده آل برای نیاز طراحی شوند. علاوه بر این، به حداکثر رساندن طول بخش به کاهش وزن عایق های چند پشته ای کمک می کند. سازندگان همچنین انتخاب های موادی دارند که استحکام بالاتری را ارائه می دهند و حفظ استانداردهای تضمین کیفیت محکم می تواند استحکام کلی را بیشتر افزایش دهد.
بهینه سازی طراحی
طراحی یک عایق باید کاربرد آن در شرایط لرزه ای را در نظر بگیرد. اغلب، عایقهای مورد استفاده در پستها بر اساس طرحهای استانداردی هستند که در طیف وسیعی از کاربردها اجرا میشوند. به عنوان مثال یک عایق با هسته های استوانه ای یکنواخت است که می توان آن را به صورت عمودی اعمال کرد، اما در صورت آویزان شدن به طور قابل توجهی سنگین تر است. در حالی که عایق های مخروطی به طور فزاینده ای در کاربردهای HV مورد استفاده قرار می گیرند، تعیین مخروطی بهینه مهم است. هنگامی که هر قطعه ای از تجهیزات برای کاربرد در شرایط لرزه ای در نظر گرفته می شود، کل ساختار مونتاژ شده و نصب شده باید با استفاده از نرم افزارهای قابل اجرا ارزیابی شود. به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA)، مناطق با تنش بالا را در هر پیکربندی مشخص شناسایی می کند. مناطق کم تنش نیز شناسایی خواهند شد. طراح/مشاور تجهیزات همچنین باید با سازنده مقره همکاری نزدیک داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که همه مناطق دارای حاشیه ایمنی برابر هستند. در واقع، برای شناسایی کامل تمام افزایش ها و کاهش های بهینه در استحکام در مکان های مشخص در امتداد عایق، چندین بار تکرار می شود. هر زمان که نواحی تنش کمتر شناسایی و اصلاح شود، وزن در آن ناحیه را می توان کاهش داد و کاهش وزن در بخش های بالایی می تواند استحکام مورد نیاز در بخش های پایین تر را کاهش دهد. این فرآیند منجر به جرم کمتر، حرکت کمتر ناشی از جرم و استرس کلی کمتر می شود. هزینه تست میز تکان دهنده برای تجهیزات پست های بزرگ بسیار پرهزینه است. ارزیابی کامل توسط متخصص لرزه نگاری ماهر می تواند چنین هزینه هایی را با اجتناب از نیاز به آزمایش مجدد کنترل کند. محل قرارگیری عایق در هر قطعه از تجهیزات نیز از اهمیت اساسی برخوردار است. در بسیاری از موارد، عایق ها قطعات سنگین تجهیزات را پشتیبانی می کنند. اگر تجهیزات از نظر جرم در نزدیکی بالا فشرده تر شوند، تنش خمشی بسیار کمی خواهد داشت
شکل. 3.
اگر تجهیزات مرکز ثقل بالایی داشته باشند و جرم آن به خوبی بالای عایق قرار گرفته باشد، اتصالات بالایی در معرض تنش خمشی بسیار بیشتری قرار میگیرد و طراحی مستحکمتری برای این بخش بالایی ضروری است. همانطور که در شکل{1}} نشان داده شده است، برای مثال، بالای مقره تحت 50 درصد حداکثر بار خمشی قرار دارد.
شکل. 4.
جرم در بالای مقره بیشترین اثر خمشی را دارد. برای مثال، در مورد یک کلید قطع هوا در حالت باز با دکل کاملاً کشیده، گشتاورهای خمشی بالایی در بالای مقره وجود دارد (شکل{1}} را ببینید).
شکل{0}}: کلید 500 کیلوولت، دکل باز است.
یک کلید قطع هوای معمولی 500 کیلوولت در ارتفاع 4.6 متری بر روی یک سازه نصب می شود و در حالت باز کلید می تواند 9.75 باشد، یعنی در مجموع 14.35 متر از سطح زمین تا بالای دکل فاصله دارد. بهینه سازی استحکام مورد نیاز در بالای یک عایق می تواند یک منطقه کاهش مواد حیاتی باشد زیرا کاهش وزن جایی است که جرم از لحظه خمشی دورتر است.
کاهش وزن
پروفیل سوله وسیله ای برای افزایش فاصله خزش است، با این حال سوله ها به وزن عایق کمک می کنند. در گذشته، سولهها معمولاً تا 19 میلیمتر در هسته و تا 12 میلیمتر در نوک مخروطی بودند. با بهبود علم مواد، اندازه سوله را می توان کاهش داد و در نتیجه وزن سوله را 20 درصد کاهش داد.
بخش های کاهش یافته
عایق ها از بخش های منفرد یا چندگانه تشکیل شده اند که به یکدیگر پیچ شده اند. عایق ها معمولاً تک تکه تا 750 کیلوولت BIL هستند. عایق های فشار قوی بسته به سطح ولتاژ می توانند از بخش های زیادی تشکیل شوند. غلظت تنش در اتصالاتی که اتصالات چدنی بر روی پرسلن سیمان شده است، یافت می شود. قطر پرسلن در اتصالات به دلیل سطوح تنش متمرکز افزایش یافته است. کاهش تعداد مقاطع، مکانهای تنش بالا و همچنین وزن اتصالات اضافی را کاهش میدهد (شکل{6}} را ببینید).
شکل. 6.
مواد
عایق های چینی، سرامیک های فنی حاوی ترکیبی از کائولن، آلومینا، فلدسپات و سیلیس (کوارتز) هستند. IEC 60672-3 به سه نوع اصلی اشاره دارد: C-110، C-120 و C-130. C-110 به عنوان چینی کوارتز شناخته می شود در حالی که C-120 و C-130 چینی آلومینا هستند. C-120 حاوی 20٪ -30٪ آلومینا است در حالی که C-130 معمولاً دارای محتوای آلومینا بیش از 30٪ است. افزایش قدرت به بالاترین نسبت استحکام به وزن تبدیل می شود. مقادیر مقاومت نشان داده شده در جدول 1 حداقل هستند و می توان تا حد زیادی از آنها فراتر رفت. عایق های تولید شده با خاک رس C-130 با سطوح بالاتر از حداقل می توانند تا 40 درصد کاهش وزن را ارائه دهند.
جدول 1: IEC 60672-3 1984
فرآیند تولید
تولید مواد رسی ذاتاً طیف وسیعی از استحکام مواد حاصل را دارد. چنین تغییراتی می تواند در یک دسته یا بین دسته ها رخ دهد. دستیابی به قدرت ثابت بدن دشوار است، به خصوص اگر فرآیندها به شدت کنترل نشوند. در واقع، نشان داده شده است که استحکام مواد سرامیکی می تواند بیش از 35% انحراف استاندارد داشته باشد. هرچه انحراف بیشتر باشد، طراحی عایق برای اطمینان از برآورده شدن بار مکانیکی مشخص (SML) سنگینتر میشود. کاهش انحراف استاندارد به طور مستقیم وزن هر پارامتر طراحی سازنده را کاهش می دهد. به عنوان مثال، طراحی عایق با SML 10 کیلونیوتن و std. توسعه دهنده 3.5 کیلو نیوتن به این معنی است که طراحی باید به گونه ای باشد که میانگین آن 17 کیلو نیوتن باشد. از سوی دیگر، اگر std. توسعه دهنده تنها 1 کیلو نیوتن است، طراحی را می توان بر اساس میانگین 12 کیلونیوتن است. این می تواند منجر به کاهش حدود 40٪ در وزن عایق شود (شکل های 7 و 8 را ببینید).
شکل. 7: انحراف استاندارد بزرگ.
شکل . 8: انحراف معیار کوچک.
برای درک بهتر علل احتمالی تغییرات در استحکام بدن، لازم است در مورد نحوه تولید عایق های چینی بیشتر بدانید. بسیاری از آنها به روش مرطوب یا پلاستیکی تولید می شوند که به موجب آن دستور العمل های خاک رس اندازه گیری شده و با آب مخلوط می شوند تا ماده پایه به نام لغزش ایجاد شود. آسیاب گلوله ای برای اطمینان از اندازه ذرات مناسب، لغزش را آسیاب می کند و تقریباً 50٪ آب دارد. سپس لغزش فیلتر می شود تا آلاینده های طبیعی موجود در خاک رس، چه آلی یا آهن، از بین برود. سپس لغزش به کیک های فیلتر با رطوبت حدود 22 درصد فشار داده می شود و آنها خرد شده و به صورت بلوک اکسترود می شوند. در نهایت، بلنک ها یا پاگ های استوانه ای اکسترود می شوند. در طی یک دوره 5 تا 6 هفته ای، قسمت خالی برگردانده شده و تا رطوبت کمتر از 1 درصد خشک می شود. برای حفظ قدرت بدنی ثابت، تمام این مراحل منجر به محصول نهایی نیز باید به طور مداوم مدیریت شود. اندازه ذرات، ترکیب شیمیایی، محتوای آب کیک های فیلتر، سختی قسمت های خالی و تکنیک های خشک کردن، همگی قابلیت پیش بینی قدرت بدن را تعیین می کنند. مراحل خشک کردن چندگانه خاک رس مرطوب - از فشار دادن کیک های فیلتر گرفته تا استفاده از خشک کن هایی که عایق های چرخشی را برای پخت آماده می کنند - مراحل تولید کلیدی برای عایق های چینی هستند، که شاید مهم ترین آنها در خشک کردن، گرفتن شکل تراش مرطوب از 18٪ رطوبت به کمتر از 1٪ باشد. این به این دلیل است که سوله های نازک و هسته ضخیم باید با سرعت یکسان خشک شوند، حتی اگر سوله های نسبتا نازک به مراتب بیشتر آب بدهند. تا 6 هفته طول می کشد تا یک عایق به آرامی خشک شود و بسیاری از تولید کنندگان کنترل های مناسبی برای اطمینان از این موضوع در نظر گرفته اند. هنوز کارمندان ماهر و توجه مداوم به جزئیات ضروری است.
چرخش (عکس سمت راست) و خشک کردن عایق های چینی ساخته شده توسط فرآیند پلاستیکی/مرطوب.
یک روش ساخت جایگزین برای عایق های چینی توسعه یافته است و بسیاری از مراحل در فرآیند خشک کردن را که در بالا مورد بحث قرار گرفت حذف می کند. یک مزیت مهم ارائه شده، فرآیند بسیار سازگارتر است که به کاهش خطر تغییرات احتمالی در استحکام مواد کمک می کند. این روش که ایزواستاتیک نامیده می شود، با خشک کردن لغزش به یک پودر ریز شروع می شود، که سپس تحت فشار زیادی به یک استوانه خشک فشرده می شود. مزیت ذاتی این است که میتوانید در مدت زمان نسبتاً کوتاهی روکشهای استوانهای خشک تولید کنید. در واقع، مقره هایی که با روش ایزواستاتیک تولید می شوند، زمان تولید کمتر از دو هفته در مقابل 6 هفته یا بیشتر مورد نیاز برای تولید مرطوب/پلاستیک دارند. علاوه بر این، چرخش به صورت خشک انجام می شود. این انقباض را از پروفیلهای مرطوب به حالت خشک/آماده برای پخت حذف میکند و منجر به تحملهای سختتر میشود. بلنک های فشرده خشک، همانطور که در اکسترودهای مرطوب یافت می شوند، جهت دانه خاصی ندارند. از آنجایی که یک بدنه مرطوب از طریق گلوگاه اکسترودر اکسترود می شود، جریان خاک رس در امتداد دیواره ها به دلیل اصطکاک بین خاک رس و دیواره اکسترودر می تواند بسیار کندتر باشد. از داخل تا قسمت خالی، برش باعث ایجاد تنش داخلی می شود که می تواند منجر به خرابی در کوره و کاهش مقاومت مکانیکی شود. بسته به اینکه عایق از کجای خالی می آید، این نواحی برشی می توانند در نزدیکی سطح قرار گیرند. یکی از ویژگی های قابل توجه این است که خمره ای است که به عنوان عایق چینی در حال خشک شدن است.
نتیجه گیری
بهبود عملکرد عایق های چینی در شرایط خدمات لرزه ای عمدتاً از طریق روش های کاهش وزن امکان پذیر است. بهینه سازی طراحی بر اساس کاربرد واقعی خاص با استفاده از مواد با استحکام بالا و همچنین حفظ یک فرآیند تولید ثابت، بهترین عملکرد ممکن را تضمین می کند.