Jarðskjálftavirkni postulíns einangrunartækja á tengivirkjum Postulíns einangrunartæki hafa verið óaðskiljanlegur hluti af raforkukerfum í meira en öld vegna stífleika þeirra að miklu leyti, sem tryggir jöfnun íhluta í tengivirkjabúnaði. Þar að auki hafa á undanförnum árum orðið miklar framfarir í skilningi á skjálftaatburðum sem hafa áhrif á slíka einangrunartæki í tengivirkjum. Ómun tíðni frá þessum atburðum getur valdið gríðarlegum kraftmiklum krafti og vegna þyngdar sinnar og brothætts eðlis er postulín viðkvæmara fyrir eyðileggjandi harmónískum tíðni. En með góðri hönnunarvenju, háþróuðum efnum og nútíma framleiðsluaðferðum geta postulíns einangrunartæki samt reynst áreiðanleg einangrun í jarðskjálftaþjónustuumhverfi. Efniseiginleikar gegna stóru hlutverki í hönnun búnaðar við slíka kraftmikla krafta og á meðan stál og ál eru sveigjanleg og bjóða upp á fyrirsjáanlegan styrk er postulín ó-seigjanlegt og getur verið mjög mismunandi að styrkleika. Þess vegna er hægt að auka skjálftavirkni postulíns einangrunartækja með því að hámarka styrk og draga úr þyngd. Það er líka betur skilið þessa dagana að einangrunarbúnaðurinn er aðeins einn hluti í flóknu fylki sem samanstendur af hvaða tæki sem er í tengivirki. Þess vegna þarf að meta allt tækið. Til dæmis eru einangrunarefni oft festir á steypu- eða stálvirki og styðja við raunverulegan búnað á meðan hylki er venjulega að finna efst á búnaði. Svörun búnaðar og undirþátta- hans við inntakstíðni mun því ráðast af þessum og öðrum þáttum. Þegar náttúrutíðni búnaðar passar vel við inntakstíðni, kemur ómun fram og eykur þannig kraftmikla hreyfingu og hröðunarsvörun. Required Response Spectrum (RRS) líkir eftir amplitudum, tíðni og orku í dæmigerðum jarðskjálftaviðburðum. Búnaður sem hefur 1,1 til 8 Hz náttúrutíðni er nærtækast undir RRS.
Dæmigerðar tegundir háspennubúnaðar hafa nokkra eiginleika sem gera þá viðkvæmari fyrir skjálftainntak. Þar sem þeir eru háir og þungir sýna þeir lægri náttúrutíðni sem venjulega er að finna í jarðskjálftaviðburðum. Þegar tveir hlutir titra á sömu náttúrulegu tíðni sést aukin hreyfing og framkallar mikla hleðsluálag. Að skilja kraftana sem einangrunarefni er fyrir í samanburði við styrkleika og veikleika keramikefnisins er mikilvægt fyrsta skref. Vélrænni einangrunareinkunnir innihalda: a. Cantilever/Beygjustundir; b. Torsion; c. Spenna; og d. Þjöppun. Cantilever álag ákvarðar kjarnaþvermál og þar með þyngd.
þar sem: D – þvermál kjarna; F – nauðsynlegur styrkur (lágmarks brotálag); l - lengd; sérstakur styrkur postulíns. Keramikefni hafa mikla þjöppunareinkunn og lága spennueinkunn. Beygjustundir valda þjöppunar- og spennuálagi og togálag er magnað upp af handfangsvirkni einangrunarhæðar (eins og á mynd . 1).
mynd. 1.
Beygjustundir aukast með meiri krafti og/eða hærri einangrunartækjum (eins og á mynd . 2). Þegar um er að ræða kraftmikla hreyfingu er kraftur byggður á: 1. massa einangrunarefnis og massa sem er festur fyrir ofan einangrunarbúnaðinn; og 2. hröðun vegna skjálftaatburðarins.
mynd. 2.
Oft er ekki hægt að reyna að gera breytingar á hönnun til að tryggja að náttúrutíðni búnaðar haldist utan tíðni skjálftaatburða. Þar sem þyngd er lykilatriði þegar reiknaður er út krafturinn/orkan sem fer í búnaðinn meðan á jarðskjálftaviðburði stendur, er áskorunin að hámarka hönnun og hámarka styrkleika og þyngdarhlutfall.
Þyngdarminnkun
Það eru til leiðir til að draga úr þyngd postulíns einangrunarefnis af tilteknum styrkleika. Í fyrsta lagi ættu einangrunartæki helst að vera sérstaklega hannaðir fyrir þörfina. Þar að auki hjálpar hámarkslengd hluta að draga úr þyngd á fjöl-stafla einangrunartækjum. Framleiðendur hafa einnig efnisval sem býður upp á meiri styrk og að viðhalda ströngum gæðatryggingarstöðlum getur aukið heildarstyrkinn enn frekar.
Hagræðing hönnun
Hönnun einangrunarbúnaðar þarf að gera grein fyrir notkun hans við jarðskjálftafræðilegar aðstæður. Oft eru einangrunartæki sem notuð eru í tengivirkjum byggðar á stöðluðum hönnun sem ætlað er að virka í ýmsum forritum. Sem dæmi má nefna einangrunarefni með einsleitum sívalningakjarna sem hægt er að setja upprétt en er töluvert þyngri þegar hann er undirhengdur. Þó að mjókkandi einangrunarefni séu í auknum mæli notaðir í HV forritum, er mikilvægt að ákvarða ákjósanlegan mjónleika. Þegar einhver búnaður er talinn nota við jarðskjálftaaðstæður verður að meta alla samsetta og uppsetta uppbyggingu með viðeigandi hugbúnaði. Finite Element Analysis (FEA), til dæmis, mun bera kennsl á háspennusvæði í hvaða uppsetningu sem er. Lágálagssvæði verða einnig auðkennd. Búnaðarhönnuður/ráðgjafi ætti einnig að vinna náið með framleiðanda einangrunarbúnaðarins til að tryggja að öll svæði hafi jöfn öryggisbil. Reyndar getur það tekið nokkrar endurtekningar til að bera kennsl á alla ákjósanlega aukningu og minnkun á styrk á gefnum stöðum meðfram einangrunarbúnaðinum. Alltaf þegar lægri streitusvæði eru auðkennd og lagfærð er hægt að minnka þyngd á því svæði og þyngdarminnkun á efstu hlutum getur dregið úr styrk sem þarf í neðri hluta. Þetta ferli leiðir til minni massa, minni hreyfingar af völdum massans og minni heildarálags. Kostnaður við prófun á hristaraborði er mjög kostnaðarsamur fyrir stóran aðveitustöð. Ítarlegt mat af hæfum jarðskjálftasérfræðingi getur stjórnað slíkum kostnaði með því að forðast þörfina á endurprófun. Staðsetning einangrunarbúnaðar í hvaða búnaði sem er er líka mikilvæg. Í mörgum tilfellum styðja einangrunartæki þungan búnað. Ef búnaður er gerður þéttari hvað varðar massa nálægt toppnum, mjög lítið beygjuálag
mynd. 3.
Ef búnaður hefur háa þyngdarmiðju með massann staðsettan vel fyrir ofan einangrunarbúnaðinn, mun toppfestingin verða fyrir miklu meiri beygjuálagi og öflugri hönnun fyrir þennan efsta hluta verður nauðsynleg. Eins og sýnt er á mynd . 4, til dæmis, er toppurinn á einangrunarbúnaðinum fyrir 50% af hámarks beygjuálagi.
mynd. 4.
Massi efst á einangrunarbúnaðinum hefur mest beygjuáhrif. Til dæmis, ef um er að ræða loftrofsrofa í opinni stöðu með mastrið alveg framlengt, eru mikil beygjustundir efst á einangrunarbúnaðinum (sjá mynd . 5).
Mynd. 5: 500 kV rofi, mastur opinn.
Dæmigerður 500 kV loftrofi er festur 4,6 m upp á mannvirki og í opinni stöðu getur rofinn verið 9,75, þ.e. heildarfjarlægð 14,35 m frá jörðu til topps í mastri. Að hámarka styrkinn sem þarf efst á einangrunarbúnaði getur reynst mikilvægt efnisminnkunarsvæði þar sem þyngdarminnkun er þar sem massinn er lengst frá beygjublikinu.
Skurðþyngd
Skúrasnið er leið til að auka skriðfjarlægð, en samt leggja skúrar þyngd til einangrunarefnis. Í fortíðinni hafa skúrar yfirleitt verið allt að 19 mm í kjarnanum mjókkandi niður í 12 mm á endanum. Með bættri efnisfræði er hægt að minnka stærð skúra sem leiðir til 20% minnkunar á þyngd skúranna.
Fækkaðir hlutar
Einangrunartæki samanstanda af einum eða mörgum hlutum sem eru boltaðir saman. Einangrarar eru venjulega smíði í einu stykki allt að 750 kV BIL. Háspennu einangrunartæki geta verið samsett úr mörgum hlutum eftir spennustigi. Álagsstyrkur er að finna í samskeytum þar sem steypujárnsfestingar eru festar á postulínið. Þvermál postulínsins við festingu eykst vegna samþjappaðs álagsstigs. Með því að fækka hlutum verður dregið úr háspennustöðum sem og þyngd viðbótarfestinga (sjá mynd . 6).
mynd. 6.
Efni
Postulíns einangrunarefni eru tæknileg keramik sem inniheldur blöndu af kaólíni, súráli, feldspat og kísil (kvars). IEC 60672-3 vísar til þriggja aðaltegunda: C-110, C-120 og C-130. C-110 er þekkt sem kvars postulín á meðan C-120 og C-130 eru súrál postulín. C-120 inniheldur 20%-30% súrál en C-130 hefur venjulega súrálsinnihald meira en 30%. Aukinn styrkleiki þýðir hæsta hlutfall styrks og þyngdar. Styrkleikagildin sem sýnd eru í töflu 1 eru lágmark og hægt er að fara mikið yfir þau. Einangrunarefni framleidd með C-130 leir með hærra en lágmarksmagn geta veitt allt að 40% minnkun á þyngd.
Tafla 1: IEC 60672-3 1984
Framleiðsluferli
Framleiðsla á leirefnum hefur í eðli sínu breitt úrval af styrkleika efnisins. Slík breyting getur átt sér stað innan lotu eða á milli lota. Það er erfitt að ná stöðugum líkamsstyrk, sérstaklega ef ferlum er ekki stýrt. Reyndar hefur verið sýnt fram á að styrkur keramikefna getur haft yfir 35% staðalfrávik. Því stærra sem frávikið er, því þyngri er hönnun einangrunarbúnaðarins sem þarf til að tryggja að hún standist tiltekið vélrænt álag (SML). Að draga úr staðalfráviki dregur beint úr þyngd hönnunarbreyta hvers framleiðanda. Til dæmis, hönnun einangrunartækis með SML 10 kN og std. dev. 3,5 kN þýðir að hönnunin verður að vera þannig að meðaltalið sé 17 kN. Hins vegar, ef std. dev. er aðeins 1 kN, hönnun má miða við 12 kN að meðaltali. Þetta getur leitt til um 40% lækkunar á þyngd einangrunarefnisins (sjá myndir 7 og 8).
Mynd. 7: Stórt staðalfrávik.
Mynd. 8: Lítið staðalfrávik.
Til að skilja betur hugsanlegar orsakir breytileika í líkamsstyrk er nauðsynlegt að vita meira um hvernig postulíns einangrunarefni eru framleidd. Mörg eru framleidd með blaut- eða plastaðferðinni, þar sem leiruppskriftir eru mældar og blandaðar saman við vatn til að búa til grunnefnið, sem kallast slip. Kúlumylla malar miðann til að tryggja rétta kornastærð og inniheldur um það bil 50% vatn. Slip er síðan síað til að fjarlægja náttúruleg aðskotaefni sem finnast í leir, hvort sem það er lífrænt eða járn. Sneiðinu er síðan pressað í síukökur með um 22% raka og þær saxaðar og pressaðar í kubba. Að lokum eru sívalur eyður eða puggar pressaðar út. Á 5 til 6 vikna tímabili er eyðublaðinu snúið og þurrkað niður í minna en 1% rakainnihald. Til að viðhalda stöðugum líkamsstyrk verður einnig að stjórna öllum þessum skrefum sem leiða til fullunnar vöru. Kornastærð, efnasamsetning, vatnsinnihald síukaka, hörku eyðublaða og þurrkunaraðferðir munu allt ákvarða fyrirsjáanleika líkamsstyrks. Mörg þurrkunarþrep blauta leirsins – allt frá pressun á síukökum til notkunar á þurrkarum sem undirbúa snúna einangrara fyrir brennslu – eru lykilframleiðsluþrep fyrir postulíns einangrunarefni, þar sem kannski mikilvægast við þurrkun er að taka blauta snúningsformið úr 18% rakainnihaldi í minna en 1%. Þetta er vegna þess að þunn skúr og þykkur kjarni þurfa að þorna jafnt, jafnvel þó að tiltölulega þunn skúr séu mun líklegri til að gefa frá sér vatn. Það getur þurft allt að 6 vikur til að þurrka einangrunartæki hægt og rólega og margir framleiðendur hafa viðeigandi stjórntæki til að tryggja þetta. Ennþá hæft starfsfólk og stöðug athygli að smáatriðum eru nauðsynleg.
Snúning (hægri mynd) og þurrkun á postulíns einangrunarefnum sem eru unnin með plasti/blautu ferli.
Önnur framleiðsluaðferð fyrir postulíns einangrunarefni hefur verið þróuð og útilokar mörg skref í þurrkunarferlinu sem fjallað er um hér að ofan. Mikilvægur ávinningur sem boðið er upp á er mun stöðugra ferli sem hjálpar til við að draga úr hættu á hugsanlegum breytingum á styrkleika efnisins. Þessi aðferð, sem kallast isostatic, byrjar með því að þurrka miðann í fínt duft, sem síðan er þrýst með miklum krafti í þurran strokk. Kosturinn sem felst í því er að geta framleitt þurr sívalur eyður á tiltölulega stuttum tíma. Reyndar hafa einangrunarefni framleidd með ísóstatískri aðferð minni framleiðslutíma en tvær vikur á móti 6 eða fleiri vikum sem krafist er fyrir blaut-/plastframleiðslu. Þar að auki er snúningur framkvæmdur þurr. Þetta kemur í veg fyrir rýrnun frá blautum snúnum sniðum yfir í þurrkað/tilbúið til brennslu og leiðir til þrengra vikmarka. Þurrpressaðar eyður hafa enga sérstaka kornastefnu eins og finnast í blautum pressuðu eyðum. Þar sem blautur líkami er pressaður í gegnum háls pressunnar getur leirflæði verið mun hægara meðfram veggjunum vegna núnings milli leirs og útpressunarveggsins. Innra við eyðuna mun klipping eiga sér stað sem veldur innri streitu, sem getur leitt til bilana í ofninum og dregið úr vélrænni styrk. Það fer eftir því hvaðan einangrunarefnið kemur í eyðuna, þessi klippusvæði geta endað nálægt yfirborðinu. Einn áberandi eiginleiki er kápan sem myndast þegar verið er að þurrka postulíns einangrunarefni.
Ályktanir
Að bæta frammistöðu postulíns einangrunarefna við jarðskjálftaþjónustuskilyrði er aðallega möguleg með þyngdarminnkun. Hagræðing hönnunar byggða á tiltekinni raunverulegri notkun með því að nota hástyrk efni ásamt því að viðhalda stöðugu framleiðsluferli mun tryggja bestu frammistöðu sem mögulegt er.