Hiệu suất địa chấn của chất cách điện sứ tại trạm biến áp Chất cách điện sứ đã là một phần không thể thiếu của hệ thống điện trong hơn một thế kỷ qua phần lớn nhờ vào độ cứng của chúng, đảm bảo sự liên kết của các bộ phận trong thiết bị trạm biến áp. Hơn nữa, trong những năm gần đây đã có những tiến bộ vượt bậc trong việc tìm hiểu các hiện tượng địa chấn ảnh hưởng đến chất cách điện tại các trạm biến áp. Tần số cộng hưởng từ những sự kiện này có thể gây ra động lực rất lớn và do trọng lượng và tính chất giòn của nó, đồ sứ dễ bị ảnh hưởng bởi các tần số hài hòa phá hủy hơn. Nhưng với phương pháp thiết kế tốt, vật liệu tiên tiến và phương pháp sản xuất hiện đại, chất cách điện bằng sứ vẫn có thể chứng tỏ là một dạng vật liệu cách nhiệt đáng tin cậy trong môi trường dịch vụ địa chấn. Các đặc tính vật liệu đóng vai trò chính trong thiết kế thiết bị dưới các lực động như vậy và trong khi thép và nhôm dẻo và có độ bền có thể dự đoán được thì sứ lại không-dẻo và có thể có độ bền rất khác nhau. Do đó, hiệu suất địa chấn của chất cách điện bằng sứ có thể được nâng cao thông qua việc tối đa hóa độ bền và giảm trọng lượng. Ngày nay, người ta cũng hiểu rõ hơn rằng chất cách điện chỉ là một thành phần trong một mảng phức tạp tạo nên bất kỳ thiết bị nào có trong trạm biến áp. Vì vậy, toàn bộ thiết bị cần phải được đánh giá. Ví dụ, chất cách điện thường được gắn trên kết cấu bê tông hoặc thép và hỗ trợ thiết bị thực tế trong khi ống lót thường được tìm thấy ở phía trên thiết bị. Do đó, phản hồi của thiết bị và các bộ phận phụ của nó đối với tần số đầu vào sẽ phụ thuộc vào các yếu tố này và các yếu tố khác. Khi tần số tự nhiên của một thiết bị gần khớp với tần số đầu vào, sự cộng hưởng sẽ xảy ra, do đó khuếch đại chuyển động động và phản ứng gia tốc. Phổ phản hồi bắt buộc (RRS) mô phỏng biên độ, tần số và năng lượng trong các sự kiện địa chấn điển hình. Thiết bị có tần số riêng từ 1,1 đến 8 Hz được đề cập chặt chẽ nhất trong RRS.
Các loại thiết bị điện áp cao điển hình có một số đặc điểm khiến chúng phản ứng nhanh hơn với các tác động địa chấn. Cao và nặng, chúng thể hiện tần số tự nhiên thấp hơn thường thấy trong các sự kiện địa chấn. Khi hai vật dao động ở cùng tần số tự nhiên, người ta sẽ thấy chuyển động tăng lên và tạo ra tải trọng đúc hẫng lớn. Hiểu được các lực mà chất cách điện phải chịu so với điểm mạnh và điểm yếu của vật liệu gốm là bước quan trọng đầu tiên. Đánh giá cơ học của chất cách điện bao gồm: a. Momen đúc hẫng/uốn; b. xoắn; c. Căng thẳng; và d. Nén. Tải trọng côngxon xác định đường kính lõi và do đó trọng lượng.
trong đó: D - đường kính lõi; F – cường độ yêu cầu (tải trọng gãy tối thiểu); l - chiều dài; độ bền cụ thể của sứ. Vật liệu gốm có xếp hạng nén cao và xếp hạng độ căng thấp. Mô men uốn gây ra ứng suất nén và căng và ứng suất kéo được khuếch đại bởi tác động đòn bẩy của chiều cao chất cách điện (như trong Hình . 1).
Hình. 1.
Mômen uốn tăng lên khi có lực lớn hơn và/hoặc chất cách điện cao hơn (theo Hình. 2). Trong trường hợp chuyển động động, lực dựa trên: 1. khối lượng chất cách điện và khối lượng gắn phía trên chất cách điện; và 2. gia tốc do sự kiện địa chấn.
Hình. 2.
Việc cố gắng thực hiện các thay đổi về thiết kế để đảm bảo tần số tự nhiên của một thiết bị vẫn nằm ngoài tần số của sự kiện địa chấn thường là không thể. Vì trọng lượng là yếu tố then chốt khi tính toán lực/năng lượng truyền vào thiết bị trong trường hợp xảy ra địa chấn nên thách thức đặt ra là tối ưu hóa thiết kế và tối đa hóa tỷ lệ cường độ trên trọng lượng.
Giảm cân
Có nhiều cách để giảm trọng lượng của chất cách điện bằng sứ có độ bền nhất định. Trước hết, chất cách điện lý tưởng nhất phải được thiết kế đặc biệt cho nhu cầu. Hơn nữa, việc tối đa hóa độ dài phần giúp giảm trọng lượng trên các bộ cách điện nhiều{2}}ngăn xếp. Các nhà sản xuất cũng có những lựa chọn vật liệu mang lại độ bền cao hơn và việc duy trì các tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng chặt chẽ có thể nâng cao hơn nữa sức mạnh tổng thể.
Tối ưu hóa thiết kế
Thiết kế của chất cách điện cần tính đến ứng dụng của nó trong điều kiện địa chấn. Thông thường, các chất cách điện được sử dụng tại các trạm biến áp đều dựa trên các thiết kế tiêu chuẩn nhằm thực hiện nhiều ứng dụng. Một ví dụ là chất cách điện có lõi hình trụ đồng nhất có thể đặt thẳng đứng nhưng nặng hơn đáng kể khi treo dưới. Mặc dù chất cách điện dạng côn ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng HV, nhưng việc xác định độ côn tối ưu là rất quan trọng. Khi bất kỳ bộ phận thiết bị nào được xem xét để ứng dụng trong điều kiện địa chấn, toàn bộ cấu trúc được lắp ráp và lắp đặt phải được đánh giá bằng phần mềm hiện hành. Ví dụ: Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) sẽ xác định các khu vực có ứng suất cao trong bất kỳ cấu hình nhất định nào. Vùng căng thẳng thấp cũng sẽ được xác định. Nhà thiết kế/tư vấn thiết bị cũng phải hợp tác chặt chẽ với nhà sản xuất chất cách điện để đảm bảo tất cả các vùng đều có giới hạn an toàn như nhau. Trên thực tế, có thể mất vài lần lặp lại để xác định đầy đủ tất cả các mức tăng và giảm cường độ tối ưu tại các vị trí nhất định dọc theo chất cách điện. Bất cứ khi nào các vùng chịu ứng suất thấp hơn được xác định và khắc phục, trọng lượng ở vùng đó có thể giảm xuống và việc giảm trọng lượng ở các phần trên có thể làm giảm cường độ cần thiết ở các phần dưới. Quá trình này dẫn đến khối lượng ít hơn, ít chuyển động hơn do khối lượng gây ra và ít ứng suất tổng thể hơn. Chi phí thí nghiệm bàn lắc rất tốn kém đối với thiết bị trạm biến áp lớn. Việc đánh giá kỹ lưỡng của chuyên gia địa chấn có thẩm quyền có thể kiểm soát chi phí đó bằng cách tránh phải kiểm tra lại. Vị trí của chất cách điện trong bất kỳ thiết bị nào cũng rất quan trọng. Trong nhiều trường hợp, chất cách điện hỗ trợ các thiết bị nặng. Nếu thiết bị được chế tạo nhỏ gọn hơn về khối lượng ở gần đỉnh thì ứng suất uốn sẽ rất ít
Hình. 3.
Nếu thiết bị có trọng tâm cao với khối lượng được đặt cao hơn chất cách điện thì phần trên cùng sẽ chịu ứng suất uốn lớn hơn nhiều và cần phải có thiết kế chắc chắn hơn cho phần trên cùng này. Ví dụ, như được minh họa trong Hình. 4, phần trên của chất cách điện phải chịu 50% tải trọng uốn tối đa.
Hình. 4.
Khối lượng ở phần trên của chất cách điện có tác dụng uốn cong lớn nhất. Ví dụ, trong trường hợp công tắc ngắt khí ở vị trí mở với cột được mở rộng hoàn toàn, sẽ có mômen uốn cao ở phía trên của chất cách điện (xem Hình . 5).
Hình. 5: Công tắc 500 kV, cột mở.
Một công tắc ngắt không khí 500 kV điển hình được gắn ở độ cao 4,6 m trên một cấu trúc và ở vị trí mở, công tắc có thể là 9,75, tức là tổng khoảng cách là 14,35 m từ mặt đất đến đỉnh cột buồm. Tối ưu hóa độ bền cần thiết ở phần trên của chất cách điện có thể chứng tỏ vùng giảm vật liệu quan trọng vì việc giảm trọng lượng là nơi khối lượng ở xa mômen uốn nhất.
Giảm cân
Cấu hình mái che là một phương tiện để tăng khoảng cách đường dây, tuy nhiên mái che lại góp phần tạo trọng lượng cho chất cách điện. Trước đây, chuồng thường có chiều dày lên đến 19 mm ở phần lõi và giảm dần xuống còn 12 mm ở phần đầu. Với khoa học vật liệu được cải tiến, kích thước chuồng trại có thể được giảm xuống, dẫn đến trọng lượng chuồng trại giảm 20%.
Phần giảm
Chất cách điện bao gồm một hoặc nhiều phần được gắn chặt với nhau. Chất cách điện thường được xây dựng một mảnh lên tới 750 kV BIL. Chất cách điện cao áp có thể được cấu thành từ nhiều phần tùy theo cấp điện áp. Sự tập trung ứng suất được tìm thấy tại các mối nối nơi các phụ kiện bằng gang được gắn chặt vào sứ. Đường kính của sứ tại khớp nối tăng lên do mức độ căng thẳng tập trung. Việc giảm số lượng các đoạn sẽ giảm các vị trí chịu ứng suất cao cũng như trọng lượng của các phụ kiện bổ sung (xem Hình. 6).
Hình. 6.
Vật liệu
Chất cách điện bằng sứ là gốm kỹ thuật có chứa hỗn hợp cao lanh, alumina, fenspat và silica (thạch anh). IEC 60672-3 đề cập đến ba loại chính: C-110, C-120 và C-130. C-110 được gọi là sứ thạch anh trong khi C-120 và C-130 là sứ alumina. C-120 chứa 20%-30% alumina trong khi C-130 thường có hàm lượng alumina lớn hơn 30%. Sức mạnh tăng lên sẽ chuyển thành tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao nhất. Các giá trị cường độ nêu trong Bảng 1 là giá trị tối thiểu và có thể vượt quá rất nhiều. Chất cách điện được sản xuất bằng đất sét C-130 với mức cao hơn mức tối thiểu có thể giúp giảm trọng lượng tới 40%.
Bảng 1: IEC 60672-3 1984
Quy trình sản xuất
Sản xuất vật liệu đất sét vốn có rất nhiều loại vật liệu có độ bền cao. Sự thay đổi như vậy có thể xảy ra trong một đợt hoặc giữa các đợt. Đạt được sức mạnh cơ thể ổn định là điều khó khăn, đặc biệt nếu các quá trình không được kiểm soát chặt chẽ. Thật vậy, người ta đã chứng minh rằng độ bền của vật liệu gốm có thể có độ lệch chuẩn trên 35%. Độ lệch càng lớn thì thiết kế của chất cách điện càng nặng để đảm bảo đáp ứng Tải trọng cơ học chỉ định (SML). Việc giảm độ lệch chuẩn sẽ trực tiếp làm giảm trọng số của bất kỳ thông số thiết kế nào của nhà sản xuất. Ví dụ: thiết kế chất cách điện có SML 10 kN và tiêu chuẩn. dev. bằng 3,5 kN có nghĩa là thiết kế phải sao cho giá trị trung bình là 17 kN. Mặt khác, nếu std. dev. chỉ là 1 kN, thiết kế có thể dựa trên mức trung bình là 12 kN. Điều này có thể giúp giảm khoảng 40% trọng lượng chất cách điện (xem Hình 7 và 8).
Hình. 7: Độ lệch chuẩn lớn.
Hình. 8: Độ lệch chuẩn nhỏ.
Để hiểu rõ hơn những nguyên nhân có thể dẫn đến sự thay đổi sức bền của cơ thể, cần biết thêm về cách sản xuất chất cách điện bằng sứ. Nhiều loại được sản xuất bằng phương pháp ướt hoặc dẻo, theo đó các công thức đất sét được đo và trộn với nước để tạo ra vật liệu cơ bản, được gọi là trượt. Một máy nghiền bi nghiền mảnh để đảm bảo kích thước hạt thích hợp và chứa khoảng 50% nước. Sau đó, chất bẩn được lọc để loại bỏ các chất gây ô nhiễm tự nhiên có trong đất sét, dù là hữu cơ hay sắt. Sau đó, mảnh vụn được ép thành bánh lọc với độ ẩm khoảng 22% và chúng được cắt nhỏ và ép thành khối. Cuối cùng, các phôi hình trụ hoặc pugs được ép đùn. Trong khoảng thời gian từ 5 đến 6 tuần, mẫu trắng được đảo và sấy khô đến độ ẩm dưới 1%. Để duy trì sức mạnh cơ thể ổn định, tất cả các bước dẫn đến thành phẩm này cũng phải được quản lý một cách nhất quán. Kích thước hạt, thành phần hóa học, hàm lượng nước trong bánh lọc, độ cứng của phôi và kỹ thuật sấy khô đều sẽ quyết định khả năng dự đoán độ bền của cơ thể. Nhiều bước làm khô đất sét ướt - từ ép bánh lọc đến sử dụng máy sấy để chuẩn bị nung chất cách điện - là những bước sản xuất quan trọng đối với chất cách điện bằng sứ, trong đó có lẽ quan trọng nhất trong quá trình sấy là lấy hình dạng ướt từ độ ẩm 18% xuống dưới 1%. Điều này là do các nhà kho mỏng và lõi dày cần khô với tốc độ như nhau, mặc dù các nhà kho tương đối mỏng có nhiều khả năng thoát nước hơn. Có thể cần tới 6 tuần để làm khô từ từ một chất cách điện và nhiều nhà sản xuất đã có sẵn các biện pháp kiểm soát thích hợp để đảm bảo điều này. Vẫn cần có những nhân viên có tay nghề cao và sự chú ý liên tục đến từng chi tiết.
Tiện (ảnh phải) và sấy khô sứ cách điện bằng quy trình nhựa/ướt.
Một phương pháp sản xuất thay thế cho chất cách điện bằng sứ đã được phát triển và loại bỏ nhiều bước trong quy trình sấy khô đã thảo luận ở trên. Một lợi ích quan trọng được cung cấp là một quy trình nhất quán hơn nhiều giúp giảm nguy cơ có thể có sự thay đổi về độ bền vật liệu. Phương pháp này, được gọi là đẳng tĩnh, bắt đầu bằng việc làm khô phiếu thành bột mịn, sau đó được ép dưới lực lớn vào một hình trụ khô. Ưu điểm vốn có là có thể tạo ra phôi hình trụ khô trong thời gian tương đối ngắn. Trên thực tế, các chất cách điện được sản xuất bằng phương pháp đẳng tĩnh có thời gian sản xuất ít hơn hai tuần so với 6 tuần trở lên đối với sản xuất ướt/nhựa. Hơn nữa, việc tiện được thực hiện khô. Điều này giúp loại bỏ hiện tượng co ngót từ các biên dạng tiện ướt sang trạng thái khô/sẵn sàng để nung và dẫn đến dung sai chặt chẽ hơn. Các phôi ép khô không có hướng thớ cụ thể, như được tìm thấy trong các phôi ép đùn ướt. Do vật thể ướt được ép đùn qua họng máy đùn nên dòng đất sét có thể chậm hơn nhiều dọc theo thành do ma sát giữa đất sét và thành máy đùn. Bên trong phôi, lực cắt sẽ xảy ra gây ra ứng suất bên trong, có thể dẫn đến hỏng hóc trong lò và làm giảm độ bền cơ học. Tùy thuộc vào vị trí của chất cách điện trong khoảng trống, các vùng cắt này có thể ở gần bề mặt. Một đặc điểm đáng chú ý là độ khum hình thành như một chất cách điện bằng sứ đang được sấy khô.
Kết luận
Có thể cải thiện hiệu suất của chất cách điện bằng sứ trong điều kiện dịch vụ địa chấn chủ yếu thông qua các phương pháp giảm trọng lượng. Tối ưu hóa thiết kế dựa trên ứng dụng thực tế cụ thể bằng vật liệu có độ bền cao cũng như duy trì quy trình sản xuất nhất quán sẽ đảm bảo hiệu suất tốt nhất có thể.