ประสิทธิภาพแผ่นดินไหวของลูกถ้วยไฟฟ้าที่สถานีไฟฟ้าย่อย

ประสิทธิภาพการไหวสะเทือนของลูกถ้วยพอร์ซเลนที่สถานีย่อยลูกถ้วยพอร์ซเลนเป็นส่วนสำคัญของระบบไฟฟ้ามานานกว่าศตวรรษเนื่องจากส่วนใหญ่มาจากความแข็งแกร่ง ซึ่งรับประกันการจัดตำแหน่งของส่วนประกอบในอุปกรณ์สถานีย่อย นอกจากนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าอย่างมากในการทำความเข้าใจเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่ส่งผลกระทบต่อฉนวนดังกล่าวที่สถานีไฟฟ้าย่อย ความถี่เรโซแนนซ์จากเหตุการณ์เหล่านี้อาจทำให้เกิดแรงไดนามิกมหาศาล และเนื่องจากน้ำหนักและลักษณะที่เปราะ พอร์ซเลนจึงไวต่อความถี่ฮาร์มอนิกแบบทำลายล้างมากกว่า แต่ด้วยการออกแบบที่ดี วัสดุขั้นสูง และวิธีการผลิตที่ทันสมัย ​​ฉนวนพอร์ซเลนยังคงสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีรูปแบบที่เชื่อถือได้ของฉนวนในสภาพแวดล้อมที่เกิดแผ่นดินไหว คุณลักษณะของวัสดุมีบทบาทสำคัญในการออกแบบอุปกรณ์ภายใต้แรงไดนามิกดังกล่าว และในขณะที่เหล็กและอลูมิเนียมมีความเหนียวและมีความแข็งแรงที่คาดเดาได้ แต่พอร์ซเลนนั้นไม่-มีความเหนียวและมีความแข็งแรงแตกต่างกันอย่างมาก ประสิทธิภาพของแผ่นดินไหวของลูกถ้วยพอร์ซเลนจึงสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการเพิ่มความแข็งแรงสูงสุดและการลดน้ำหนัก เป็นที่เข้าใจกันดียิ่งขึ้นในทุกวันนี้ว่าลูกถ้วยเป็นเพียงองค์ประกอบหนึ่งในอาร์เรย์ที่ซับซ้อนซึ่งประกอบขึ้นเป็นอุปกรณ์ใด ๆ ที่พบในสถานีย่อย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องประเมินอุปกรณ์ทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ลูกถ้วยมักจะติดตั้งบนโครงสร้างคอนกรีตหรือเหล็กและรองรับอุปกรณ์จริง ในขณะที่บูชมักจะอยู่ที่ด้านบนของอุปกรณ์ ดังนั้นการตอบสนองของอุปกรณ์และส่วนประกอบย่อย-ต่อความถี่อินพุตจึงขึ้นอยู่กับปัจจัยเหล่านี้และปัจจัยอื่นๆ เมื่อความถี่ธรรมชาติของอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งตรงกับความถี่อินพุตอย่างใกล้ชิด เสียงสะท้อนจะเกิดขึ้นซึ่งจะขยายการตอบสนองการเคลื่อนที่แบบไดนามิกและการตอบสนองความเร่งที่เกิดขึ้น Required Response Spectrum (RRS) จำลองแอมพลิจูด ความถี่ และพลังงานในเหตุการณ์แผ่นดินไหวทั่วไป อุปกรณ์ที่มีความถี่ธรรมชาติ 1.1 ถึง 8 Hz จะครอบคลุมอยู่ใน RRS มากที่สุด

อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงทั่วไปมีลักษณะหลายประการที่ทำให้ตอบสนองต่ออินพุตแผ่นดินไหวได้ดีขึ้น เนื่องจากมีความสูงและหนัก จึงแสดงความถี่ธรรมชาติในระดับที่ต่ำกว่าซึ่งมักพบในเหตุการณ์แผ่นดินไหว เมื่อวัตถุสองชิ้นสั่นที่ความถี่ธรรมชาติเดียวกัน จะมองเห็นการเคลื่อนไหวที่เพิ่มขึ้นและทำให้เกิดแรงคานยื่นอย่างมาก การทำความเข้าใจแรงที่ฉนวนถูกเปรียบเทียบกับจุดแข็งและจุดอ่อนของวัสดุเซรามิกถือเป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญ พิกัดทางกลของฉนวนรวมถึง: โมเมนต์ยื่นเท้าแขน/ดัด; ข. แรงบิด; ค. ความเครียด; และง. การบีบอัด น้ำหนักที่ยื่นยื่นออกมาจะกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนและน้ำหนักด้วย

โดยที่: D – เส้นผ่านศูนย์กลางแกน; F – กำลังที่ต้องการ (ภาระการแตกหักขั้นต่ำ); ล. – ความยาว; ความแข็งแรงเฉพาะของพอร์ซเลน วัสดุเซรามิกมีอัตราแรงอัดสูงและแรงตึงต่ำ โมเมนต์การโค้งงอจะทำให้เกิดแรงอัดและแรงดึง และความเค้นแรงดึงจะถูกขยายโดยการกระทำของคันบังคับที่ความสูงของฉนวน (ดังในรูป. 1)

รูป. 1.

โมเมนต์การโค้งงอจะเพิ่มขึ้นตามแรงที่มากขึ้นและ/หรือฉนวนที่สูงขึ้น (ตามรูป. 2) ในกรณีของการเคลื่อนที่แบบไดนามิก แรงจะขึ้นอยู่กับ: 1. มวลของฉนวนและมวลที่ติดตั้งอยู่เหนือฉนวน และ 2. ความเร่งเนื่องจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว

รูป. 2.

การพยายามเปลี่ยนแปลงการออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าความถี่ธรรมชาติของอุปกรณ์ยังคงอยู่นอกความถี่ของเหตุการณ์แผ่นดินไหวมักเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากน้ำหนักเป็นปัจจัยสำคัญในการคำนวณแรง/พลังงานที่เข้าสู่อุปกรณ์ในระหว่างเกิดแผ่นดินไหว ความท้าทายคือการออกแบบให้เหมาะสมและเพิ่มอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักให้สูงสุด

การลดน้ำหนัก

มีวิธีลดน้ำหนักของลูกถ้วยไฟฟ้าที่มีความแข็งแรงตามที่กำหนด ประการแรก ลูกถ้วยควรได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อตอบสนองความต้องการโดยเฉพาะ นอกจากนี้ การเพิ่มความยาวส่วนต่างๆ ให้สูงสุดช่วยลดน้ำหนักของฉนวนหลาย- ผู้ผลิตยังมีตัวเลือกวัสดุที่ให้ความแข็งแรงสูงกว่า และการรักษามาตรฐานการประกันคุณภาพที่เข้มงวดจะช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งโดยรวมได้

การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ　

การออกแบบฉนวนจำเป็นต้องคำนึงถึงการใช้งานภายใต้สภาวะแผ่นดินไหว บ่อยครั้งที่ฉนวนที่ใช้ในสถานีย่อยนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบมาตรฐานที่มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้งานที่หลากหลาย ตัวอย่างคือฉนวนที่มีแกนทรงกระบอกสม่ำเสมอซึ่งสามารถวางตั้งตรงได้ แต่จะหนักกว่ามากเมื่ออยู่ใต้แขวน ในขณะที่ฉนวนแบบเรียวถูกนำมาใช้มากขึ้นในการใช้งาน HV การพิจารณาความเรียวที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ เมื่อพิจารณาอุปกรณ์ชิ้นใดสำหรับการใช้งานภายใต้สภาวะแผ่นดินไหว โครงสร้างที่ประกอบและติดตั้งทั้งหมดจะต้องได้รับการประเมินโดยใช้ซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA) จะระบุพื้นที่ที่มีความเครียดสูงในการกำหนดค่าที่กำหนด โซนความเครียดต่ำจะถูกระบุเช่นกัน ผู้ออกแบบ/ที่ปรึกษาอุปกรณ์ควรทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้ผลิตฉนวนเพื่อให้แน่ใจว่าทุกโซนมีความปลอดภัยเท่ากัน ในความเป็นจริง อาจต้องใช้เวลาวนซ้ำหลายครั้งเพื่อระบุการเพิ่มขึ้นและลดกำลังที่เหมาะสมทั้งหมด ณ ตำแหน่งที่กำหนดตามแนวฉนวน เมื่อใดก็ตามที่ระบุและแก้ไขบริเวณที่มีความเครียดด้านล่าง น้ำหนักในบริเวณนั้นจะลดลง และการลดน้ำหนักในส่วนบนสามารถลดความแข็งแกร่งที่จำเป็นในส่วนล่างได้ กระบวนการนี้ส่งผลให้มวลน้อยลง การเคลื่อนไหวที่เกิดจากมวลน้อยลง และความเค้นโดยรวมน้อยลง ต้นทุนของการทดสอบตารางเครื่องปั่นนั้นมีราคาแพงมากสำหรับอุปกรณ์สถานีย่อยขนาดใหญ่ การประเมินอย่างละเอียดโดยผู้เชี่ยวชาญด้านแผ่นดินไหวที่มีความสามารถสามารถควบคุมค่าใช้จ่ายดังกล่าวได้โดยหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการทดสอบซ้ำ ตำแหน่งของฉนวนในอุปกรณ์ใดๆ ก็มีความสำคัญขั้นพื้นฐานเช่นกัน ในหลายกรณี ฉนวนรองรับอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักมาก หากอุปกรณ์ถูกทำให้กะทัดรัดมากขึ้นในแง่ของมวลใกล้ด้านบน ความเค้นดัดงอจะน้อยมาก

รูป. 3.

หากอุปกรณ์มีจุดศูนย์ถ่วงสูงโดยมีมวลอยู่เหนือฉนวน ข้อต่อด้านบนจะต้องได้รับความเครียดจากการโค้งงอที่มากขึ้น และการออกแบบส่วนบนที่แข็งแรงยิ่งขึ้นจะจำเป็น ดังที่แสดงในรูปที่ . 4 ตัวอย่างเช่น ด้านบนของฉนวนจะต้องรับน้ำหนัก 50% ของแรงดัดงอสูงสุด

รูป. 4.

มวลที่ด้านบนของฉนวนมีผลการดัดงอมากที่สุด ตัวอย่างเช่น ในกรณีของสวิตช์ตัดลมในตำแหน่งเปิดโดยที่เสายื่นออกจนสุด จะมีโมเมนต์การโก่งตัวสูงที่ด้านบนของฉนวน (ดูรูปที่. 5)

รูป. 5: สวิตช์ 500 kV, เสาเปิด

สวิตช์ตัดลมทั่วไปขนาด 500 kV ติดตั้งอยู่บนโครงสร้างสูง 4.6 ม. และในตำแหน่งเปิด สวิตช์สามารถอยู่ที่ 9.75 กล่าวคือ ระยะห่างรวม 14.35 ม. จากระดับพื้นดินถึงด้านบนของเสา การเพิ่มความแข็งแรงที่จำเป็นที่ด้านบนของฉนวนสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีโซนการลดวัสดุที่สำคัญเนื่องจากการลดน้ำหนักคือจุดที่มวลอยู่ห่างจากโมเมนต์การดัดงอมากที่สุด

ShedWeight

โครงสร้างเพิงเป็นวิธีหนึ่งในการเพิ่มระยะห่างตามผิวฉนวน แต่เพิงมีส่วนให้น้ำหนักแก่ฉนวน ในอดีต เพิงมักมีขนาดสูงถึง 19 มม. ที่แกน และลดลงเหลือ 12 มม. ที่ส่วนปลาย ด้วยวัสดุศาสตร์ที่ได้รับการปรับปรุง ขนาดโรงสามารถลดลงได้ ส่งผลให้น้ำหนักโรงลดลง 20%

ส่วนที่ลดลง

ลูกถ้วยประกอบด้วยส่วนเดียวหรือหลายส่วนที่ยึดติดกัน โดยทั่วไปฉนวนจะมีโครงสร้างชิ้นเดียวสูงถึง 750 kV BIL ฉนวนไฟฟ้าแรงสูงสามารถประกอบได้หลายส่วนขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้า ความเข้มข้นของความเค้นจะพบได้ที่ข้อต่อที่มีการยึดข้อต่อเหล็กหล่อเข้ากับพอร์ซเลน เส้นผ่านศูนย์กลางของพอร์ซเลนที่ข้อต่อจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากระดับความเครียดที่เข้มข้น การลดจำนวนส่วนจะช่วยลดตำแหน่งความเค้นสูงตลอดจนน้ำหนักของอุปกรณ์เชื่อมต่อเพิ่มเติม (ดูรูปที่. 6)

รูป. 6.

วัสดุ

ลูกถ้วยไฟฟ้าพอร์ซเลนเป็นเซรามิกทางเทคนิคที่มีส่วนผสมของดินขาว อลูมินา เฟลด์สปาร์ และซิลิกา (ควอตซ์) IEC 60672-3 อ้างอิงถึงสามประเภทหลัก: C-110, C-120 และ C-130 C-110 เรียกว่าเครื่องเคลือบควอตซ์ ในขณะที่ C-120 และ C-130 เป็นเครื่องเคลือบอลูมินา C-120 มีอลูมินา 20%-30% ในขณะที่ C-130 โดยปกติจะมีปริมาณอลูมินามากกว่า 30% ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้มีอัตราส่วนความแข็งแกร่งต่อน้ำหนักสูงสุด ค่าความแรงที่แสดงในตารางที่ 1 เป็นค่าต่ำสุดและสามารถเกินได้มาก ลูกถ้วยที่ผลิตด้วยดินเหนียว C-130 ที่มีระดับสูงกว่าระดับต่ำสุดสามารถลดน้ำหนักได้สูงสุดถึง 40%

ตารางที่ 1: IEC 60672-3 1984

กระบวนการผลิต

การผลิตวัสดุจากดินเหนียวทำให้เกิดความแข็งแกร่งของวัสดุที่หลากหลาย ความแปรผันดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ภายในชุดงานหรือระหว่างชุดงาน การบรรลุความแข็งแกร่งของร่างกายอย่างสม่ำเสมอเป็นเรื่องยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากกระบวนการไม่ได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด แท้จริงแล้ว มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าความแข็งแรงของวัสดุเซรามิกสามารถมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานได้มากกว่า 35% ยิ่งค่าเบี่ยงเบนมากเท่าไร การออกแบบฉนวนก็จะยิ่งหนักขึ้นเพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดโหลดทางกลที่ระบุ (SML) การลดค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานจะช่วยลดน้ำหนักของพารามิเตอร์การออกแบบของผู้ผลิตโดยตรง เช่น การออกแบบฉนวนที่มี SML 10 kN และ std. ผู้พัฒนา 3.5 kN หมายความว่า การออกแบบจะต้องมีค่าเฉลี่ย 17 kN ในทางกลับกัน ถ้ามาตรฐาน ผู้พัฒนา มีค่าเพียง 1 kN การออกแบบสามารถคำนวณได้โดยเฉลี่ย 12 kN ซึ่งอาจส่งผลให้น้ำหนักฉนวนลดลงประมาณ 40% (ดูรูปที่ 7 และ 8)

รูป. 7: ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานขนาดใหญ่

รูป. 8: ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเล็กน้อย

เพื่อให้เข้าใจถึงสาเหตุที่เป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของร่างกายได้ดีขึ้น จำเป็นต้องทราบเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการผลิตลูกถ้วยไฟฟ้า หลายชนิดผลิตโดยวิธีเปียกหรือพลาสติก โดยวัดสูตรดินเหนียวแล้วผสมกับน้ำเพื่อสร้างวัสดุฐานที่เรียกว่าสลิป โรงสีลูกบอลบดสลิปเพื่อให้แน่ใจว่าอนุภาคมีขนาดเหมาะสมและมีน้ำประมาณ 50% สลิปจะถูกกรองเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนตามธรรมชาติที่พบในดินเหนียว ไม่ว่าจะเป็นอินทรีย์หรือเหล็ก จากนั้นสลิปจะถูกกดลงในเค้กกรองที่มีความชื้นประมาณ 22% แล้วสิ่งเหล่านี้จะถูกสับและอัดเป็นก้อน ในที่สุด ช่องว่างทรงกระบอกหรือปั๊กจะถูกอัดออกมา ในช่วงระยะเวลา 5 ถึง 6 สัปดาห์ ช่องว่างจะถูกหมุนและทำให้แห้งโดยมีความชื้นน้อยกว่า 1% เพื่อรักษาความแข็งแรงของร่างกายให้สม่ำเสมอ ขั้นตอนทั้งหมดที่นำไปสู่ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะต้องได้รับการจัดการอย่างสม่ำเสมอ ขนาดอนุภาค องค์ประกอบทางเคมี ปริมาณน้ำในเค้กกรอง ความแข็งของช่องว่าง และเทคนิคการทำให้แห้ง ล้วนเป็นตัวกำหนดความสามารถในการคาดการณ์ความแข็งแรงของร่างกาย ขั้นตอนการอบแห้งหลายขั้นตอนของดินเหนียวเปียก จากการกดเค้กกรองไปจนถึงการใช้เครื่องอบแห้งที่เตรียมฉนวนแบบหมุนสำหรับการเผา เป็นขั้นตอนการผลิตที่สำคัญสำหรับลูกถ้วยพอร์ซเลน โดยบางทีสิ่งที่สำคัญที่สุดในการอบแห้งก็คือการเปลี่ยนรูปร่างแบบเปียกจากปริมาณความชื้น 18% เหลือเพียงน้อยกว่า 1% เนื่องจากโรงเรือนบางและแกนหนาจำเป็นต้องแห้งในอัตราเดียวกัน แม้ว่าโรงเรือนที่ค่อนข้างบางมีแนวโน้มที่จะปล่อยน้ำได้มากกว่ามาก อาจต้องใช้เวลาถึง 6 สัปดาห์ในการทำให้ฉนวนแห้งอย่างช้าๆ และผู้ผลิตหลายรายก็มีการควบคุมที่เหมาะสมเพื่อรับประกันเรื่องนี้ พนักงานที่ยังมีทักษะและความใส่ใจในรายละเอียดอย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งจำเป็น

การกลึง (ภาพขวา) และการอบแห้งลูกถ้วยไฟฟ้าพอร์ซเลนด้วยกระบวนการพลาสติก/เปียก

วิธีการผลิตทางเลือกสำหรับลูกถ้วยไฟฟ้าได้รับการพัฒนาและขจัดขั้นตอนต่างๆ มากมายในกระบวนการทำให้แห้งที่กล่าวถึงข้างต้น ประโยชน์ที่สำคัญที่นำเสนอคือกระบวนการที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้นซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของวัสดุที่อาจเกิดขึ้นได้ วิธีการนี้เรียกว่าไอโซสแตติก โดยเริ่มด้วยการทำให้สลิปแห้งจนกลายเป็นผงละเอียด จากนั้นจึงอัดด้วยแรงมหาศาลลงในกระบอกแห้ง ข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติคือสามารถผลิตชิ้นงานทรงกระบอกแห้งได้ในเวลาอันสั้น ในความเป็นจริง ฉนวนที่ผลิตโดยใช้วิธีไอโซสแตติกมีเวลาในการผลิตน้อยกว่าสองสัปดาห์ เทียบกับ 6 สัปดาห์หรือมากกว่าที่จำเป็นสำหรับการผลิตแบบเปียก/พลาสติก นอกจากนี้ การกลึงจะดำเนินการแบบแห้ง ซึ่งจะช่วยขจัดการหดตัวจากโปรไฟล์ที่กลึงแบบเปียกไปสู่แบบแห้ง/พร้อมสำหรับการยิง และส่งผลให้ค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้เข้มงวดมากขึ้น ช่องว่างแบบอัดแห้งไม่มีการวางแนวของเกรนโดยเฉพาะ ดังที่พบในช่องว่างอัดแบบเปียก เนื่องจากวัตถุที่เปียกถูกอัดผ่านคอของเครื่องอัดรีด การไหลของดินเหนียวไปตามผนังอาจช้าลงมากเนื่องจากการเสียดสีระหว่างดินเหนียวและผนังของเครื่องอัดรีด แรงเฉือนภายในถึงช่องว่างจะเกิดขึ้นทำให้เกิดความเค้นภายใน ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวในเตาเผาและลดความแข็งแรงทางกล พื้นที่รับแรงเฉือนเหล่านี้อาจอยู่ใกล้พื้นผิว ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าฉนวนมาจากไหน ลักษณะเด่นประการหนึ่งคือแคมเบอร์ที่ก่อตัวเป็นฉนวนพอร์ซเลนกำลังถูกทำให้แห้ง

ข้อสรุป

การปรับปรุงประสิทธิภาพของลูกถ้วยพอร์ซเลนภายใต้สภาวะการรับแรงแผ่นดินไหวสามารถทำได้โดยวิธีการลดน้ำหนักเป็นหลัก การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบตามการใช้งานจริงโดยเฉพาะโดยใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงตลอดจนการรักษากระบวนการผลิตที่สม่ำเสมอจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้