الأداء الزلزالي لعوازل البورسلين في المحطات الفرعية كانت عوازل البورسلين جزءًا لا يتجزأ من أنظمة الطاقة لأكثر من قرن ويرجع ذلك في جزء كبير منه إلى صلابتها، مما يضمن محاذاة المكونات في معدات المحطات الفرعية. علاوة على ذلك، في السنوات الأخيرة حدثت تطورات كبيرة في فهم الأحداث الزلزالية التي تؤثر على هذه العوازل في المحطات الفرعية. يمكن أن تسبب ترددات الرنين الناتجة عن هذه الأحداث قوى ديناميكية هائلة، ونظرًا لوزنه وطبيعته الهشة، يكون الخزف أكثر عرضة للترددات التوافقية المدمرة. ولكن مع ممارسات التصميم الجيدة والمواد المتقدمة وطرق التصنيع الحديثة، لا يزال بإمكان العوازل الخزفية إثبات شكل من أشكال العزل يمكن الاعتماد عليه في بيئات الخدمة الزلزالية. تلعب خصائص المواد دورًا رئيسيًا في تصميم المعدات في ظل هذه القوى الديناميكية، وفي حين أن الفولاذ والألومنيوم مرنان ويوفران قوة يمكن التنبؤ بها، فإن الخزف غير -مطاط ويمكن أن يختلف بشكل كبير في القوة. وبالتالي يمكن تحسين الأداء الزلزالي للعوازل الخزفية من خلال زيادة القوة وتقليل الوزن. ومن المفهوم أيضًا بشكل أفضل هذه الأيام أن العازل ليس سوى مكون واحد في مجموعة معقدة تشكل أي جهاز موجود في محطة فرعية. ولذلك، يجب تقييم الجهاز بأكمله. على سبيل المثال، غالبًا ما يتم تركيب العوازل على هياكل خرسانية أو فولاذية وتدعم المعدات الفعلية بينما توجد البطانات عادةً في الجزء العلوي من المعدات. وبالتالي فإن استجابة المعدات ومكوناتها الفرعية{10}}لترددات الإدخال ستعتمد على هذه العوامل وغيرها. عندما يتطابق التردد الطبيعي لإحدى المعدات بشكل وثيق مع تردد الإدخال، يحدث الرنين وبالتالي يؤدي إلى تضخيم الحركة الديناميكية الناتجة واستجابة التسارع. يحاكي طيف الاستجابة المطلوبة (RRS) السعات والترددات والطاقة في الأحداث الزلزالية النموذجية. يتم تغطية المعدات ذات الترددات الطبيعية من 1.1 إلى 8 هرتز بشكل وثيق في RRS.
تتميز الأنواع النموذجية من معدات الجهد العالي بالعديد من الخصائص التي تجعلها أكثر استجابة للمدخلات الزلزالية. نظرًا لكونها طويلة وثقيلة، فإنها تظهر مستويات أقل من التردد الطبيعي الموجود عادة في الأحداث الزلزالية. عندما يهتز عنصران بنفس التردد الطبيعي، تتم رؤية حركة متزايدة وتؤدي إلى أحمال ناتئية كبيرة. إن فهم القوى التي يتعرض لها العازل مقارنة بنقاط القوة والضعف في المادة الخزفية يعد خطوة أولى مهمة. تشمل التصنيفات الميكانيكية للعازل ما يلي: أ. لحظات ناتئ / الانحناء. ب. التواء؛ ج. توتر؛ و د. ضغط. تحدد الأحمال الكابولية القطر الأساسي وبالتالي الوزن.
حيث: D - القطر الأساسي؛ F - القوة المطلوبة (الحد الأدنى لحمل الكسر)؛ ل - الطول؛ قوة محددة من الخزف. تتمتع المواد الخزفية بتصنيفات ضغط عالية وتصنيفات توتر منخفضة. تحفز لحظات الانحناء إجهاد الضغط والتوتر ويتم تضخيم إجهاد الشد من خلال عمل الرافعة لارتفاع العازل (كما في الشكل . 1).
شكل . 1.
تزداد لحظات الانحناء مع زيادة القوة و/أو العوازل الأطول (حسب الشكل . 2). وفي حالة الحركة الديناميكية تعتمد القوة على: 1. كتلة العازل والكتلة المثبتة فوق العازل؛ و 2. التسارع بسبب الحدث الزلزالي.
شكل . 2.
غالبًا ما تكون محاولة إجراء تغييرات في التصميم لضمان بقاء التردد الطبيعي لقطعة من المعدات خارج تردد الحدث الزلزالي غير ممكنة. نظرًا لأن الوزن عامل رئيسي عند حساب القوة/الطاقة التي تدخل إلى المعدات أثناء حدوث زلزال، فإن التحدي يتمثل في تحسين التصميم وزيادة نسبة القوة إلى الوزن.
تخفيض الوزن
توجد طرق لتقليل وزن عازل البورسلين ذو القوة المحددة. بادئ ذي بدء، يجب أن تكون العوازل مصممة خصيصًا لتلبية الحاجة. علاوة على ذلك، فإن تعظيم أطوال المقاطع يساعد في تقليل الوزن على العوازل-المكدسة المتعددة. لدى الشركات المصنعة أيضًا خيارات مادية توفر قوة أعلى ويمكن أن يؤدي الحفاظ على معايير ضمان الجودة الصارمة إلى تعزيز القوة الإجمالية.
تحسين التصميم
يحتاج تصميم العازل إلى مراعاة تطبيقه في ظل الظروف الزلزالية. في كثير من الأحيان، تعتمد العوازل المستخدمة في المحطات الفرعية على تصميمات قياسية تهدف إلى الأداء عبر مجموعة من التطبيقات. ومن الأمثلة على ذلك العازل ذو النوى الأسطوانية الموحدة التي يمكن تطبيقها في وضع مستقيم ولكنها تكون أثقل إلى حد كبير عندما تكون سفلية. بينما يتم استخدام العوازل المستدقة بشكل متزايد في تطبيقات الجهد العالي، فإن تحديد الاستدقاق الأمثل أمر مهم. عندما يتم النظر في استخدام أي قطعة من المعدات في ظل الظروف الزلزالية، يجب تقييم الهيكل المجمع والمثبت بالكامل باستخدام البرامج القابلة للتطبيق. على سبيل المثال، سيحدد تحليل العناصر المحدودة (FEA) مناطق الضغط العالي في أي تكوين محدد. سيتم تحديد مناطق الضغط المنخفض أيضًا. يجب أيضًا أن يعمل مصمم/استشاري المعدات بشكل وثيق مع الشركة المصنعة للعازل لضمان حصول جميع المناطق على هامش أمان متساوٍ. في الواقع، يمكن أن يستغرق الأمر عدة تكرارات لتحديد جميع الزيادات والانخفاضات المثلى في القوة بشكل كامل في مواقع معينة على طول العازل. كلما تم تحديد مناطق الضغط المنخفض ومعالجتها، يمكن تقليل الوزن في تلك المنطقة ويمكن أن يؤدي تقليل الوزن في الأقسام العلوية إلى تقليل القوة المطلوبة في الأقسام السفلية. تؤدي هذه العملية إلى كتلة أقل وحركة أقل ناجمة عن الكتلة وضغط إجمالي أقل. تكلفة اختبار طاولة شاكر مكلفة للغاية بالنسبة لمعدات المحطات الفرعية الكبيرة. ويمكن للتقييم الشامل الذي يجريه أخصائي الزلازل المختص التحكم في هذه التكاليف عن طريق تجنب الحاجة إلى إعادة الاختبار. يعد موقع العازل في أي قطعة من المعدات أمرًا مهمًا أيضًا. في كثير من الحالات، تدعم العوازل القطع الثقيلة من المعدات. إذا تم جعل المعدات أكثر إحكاما من حيث الكتلة بالقرب من القمة، فإن إجهاد الانحناء قليل جدًا
شكل . 3.
إذا كانت المعدات ذات مركز ثقل مرتفع مع وضع الكتلة أعلى بكثير من العازل، فإن التركيب العلوي سيخضع لضغط انحناء أكبر بكثير وسيكون من الضروري تصميم أكثر قوة لهذا الجزء العلوي. كما هو موضح في الشكل . 4، على سبيل المثال، يتعرض الجزء العلوي من العازل إلى 50% من الحد الأقصى لحمل الانحناء.
شكل . 4.
الكتلة الموجودة في الجزء العلوي من العازل لها تأثير الانحناء الأكبر. على سبيل المثال، في حالة وجود مفتاح كسر الهواء في الوضع المفتوح مع تمديد الصاري بالكامل، توجد لحظات انحناء عالية في الجزء العلوي من العازل (انظر الشكل . 5).
شكل . 5: مفتاح 500 كيلو فولت، الصاري مفتوح.
يتم تركيب مفتاح كسر الهواء النموذجي بقدرة 500 كيلو فولت على ارتفاع 4.6 مترًا على الهيكل، وفي الوضع المفتوح يمكن أن يصل المفتاح إلى 9.75، أي مسافة إجمالية تبلغ 14.35 مترًا من مستوى الأرض إلى أعلى الصاري. إن تحسين القوة المطلوبة في الجزء العلوي من العازل يمكن أن يثبت منطقة اختزال حرجة للمواد نظرًا لأن تقليل الوزن هو المكان الذي تكون فيه الكتلة أبعد ما تكون عن لحظة الانحناء.
سقيفةالوزن
يعد شكل السقيفة وسيلة لزيادة مسافة الزحف، إلا أن السقائف تساهم بوزن العازل. في الماضي، كانت المظلات عادةً تصل إلى 19 ملم عند القلب وتتناقص إلى 12 ملم عند الطرف. مع تحسين علم المواد، يمكن تقليل حجم السقيفة، مما يؤدي إلى تقليل وزن السقيفة بنسبة 20%.
أقسام مخفضة
تتكون العوازل من أقسام مفردة أو عدة أقسام مثبتة معًا بمسامير. العوازل عادة ما تكون عبارة عن قطعة واحدة تصل إلى 750 كيلو فولت BIL. يمكن أن تتكون عوازل الجهد العالي من عدة أقسام حسب مستوى الجهد. تم العثور على تركيزات الإجهاد في المفاصل حيث يتم تثبيت تركيبات الحديد الزهر على الخزف. يتم زيادة قطر البورسلين عند التركيب بسبب مستويات الضغط المركزة. سيؤدي تقليل عدد الأقسام إلى تقليل مواقع الضغط العالي بالإضافة إلى وزن التركيبات الإضافية (انظر الشكل . 6).
شكل . 6.
مادة
العوازل الخزفية عبارة عن سيراميك تقني يحتوي على مزيج من الكاولين والألومينا والفلسبار والسيليكا (الكوارتز). تشير المواصفة IEC 60672-3 إلى ثلاثة أنواع رئيسية: C-110، وC-120، وC-130. يُعرف C-110 بخزف الكوارتز بينما يُعرف C-120 وC-130 بخزف الألومينا. يحتوي C-120 على 20%-30% من الألومينا بينما يحتوي C-130 عادةً على محتوى ألومينا أكبر من 30%. زيادة القوة تترجم إلى أعلى نسبة قوة إلى وزن. قيم القوة الموضحة في الجدول 1 هي الحد الأدنى ويمكن تجاوزها بشكل كبير. يمكن للعوازل المصنعة باستخدام طين C-130 بمستويات أعلى من الحد الأدنى أن توفر انخفاضًا يصل إلى 40% في الوزن.
الجدول 1: IEC 60672-3 1984
عملية الإنتاج
تصنيع المواد الطينية لديه بطبيعته مجموعة واسعة من نقاط قوة المواد الناتجة. يمكن أن يحدث هذا الاختلاف داخل الدُفعة أو بين الدُفعات. يعد تحقيق قوة متناسقة للجسم أمرًا صعبًا، خاصة إذا لم يتم التحكم في العمليات بشكل صارم. في الواقع، لقد ثبت أن قوة المواد الخزفية يمكن أن يكون لها انحراف معياري يزيد عن 35%. كلما زاد الانحراف، كلما كان تصميم العازل أثقل لضمان تلبية الحمل الميكانيكي المحدد (SML). يؤدي تقليل الانحراف المعياري إلى تقليل وزن أي معلمات تصميم خاصة بالشركة المصنعة بشكل مباشر. على سبيل المثال، تصميم عازل بـ SML قدره 10 كيلو نيوتن وقياسي. ديف. 3.5 كيلو نيوتن يعني أن التصميم يجب أن يكون متوسطه 17 كيلو نيوتن. من ناحية أخرى، إذا الأمراض المنقولة جنسيا. ديف. هو 1 كيلو نيوتن فقط، ويمكن أن يعتمد التصميم على متوسط 12 كيلو نيوتن. يمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض حوالي 40% في وزن العازل (انظر الشكلين 7 و8).
الشكل . 7: انحراف معياري كبير.
الشكل . 8: انحراف معياري صغير.
لفهم الأسباب المحتملة للتغيرات في قوة الجسم بشكل أفضل، من الضروري معرفة المزيد عن كيفية إنتاج عوازل البورسلين. يتم تصنيع العديد منها بالطريقة الرطبة أو البلاستيكية، حيث يتم قياس وصفات الطين وخلطها بالماء لإنشاء المادة الأساسية التي تسمى الانزلاق. تقوم المطحنة الكروية بطحن الشريحة لضمان حجم الجسيمات المناسب وتحتوي على ما يقرب من 50٪ من الماء. يتم بعد ذلك تصفية الانزلاق لإزالة الملوثات الطبيعية الموجودة في الطين سواء كانت عضوية أو حديدية. يتم بعد ذلك ضغط الشريحة في قوالب مرشحة بنسبة رطوبة تصل إلى 22% تقريبًا، ويتم تقطيعها وتشكيلها إلى كتل. وأخيرا، يتم بثق الفراغات الأسطوانية أو الصلصال. على مدار فترة من 5 إلى 6 أسابيع، يتم قلب المادة الفارغة وتجفيفها إلى أقل من 1% من محتوى الرطوبة. للحفاظ على قوة الجسم المتسقة، يجب أيضًا إدارة كل هذه الخطوات المؤدية إلى المنتج النهائي بشكل متسق. إن حجم الجسيمات، والتركيب الكيميائي، والمحتوى المائي لكعكات الترشيح، وصلابة الفراغات، وتقنيات التجفيف، كلها عوامل تحدد إمكانية التنبؤ بقوة الجسم. تعتبر خطوات التجفيف المتعددة للطين الرطب - بدءًا من ضغط قوالب الترشيح إلى استخدام المجففات التي تحضر العوازل المحولة للحرق - هي خطوات الإنتاج الرئيسية للعوازل الخزفية، ولعل الأكثر أهمية في التجفيف هو أخذ الشكل الرطب المحول من محتوى رطوبة بنسبة 18٪ إلى أقل من 1٪. وذلك لأن السقائف الرقيقة واللب السميك تحتاج إلى التجفيف بنفس المعدل، على الرغم من أن السقائف الرقيقة نسبيًا من المرجح أن تفرز الماء. يمكن أن يستغرق الأمر ما يصل إلى 6 أسابيع لتجفيف العازل ببطء، والعديد من الشركات المصنعة لديها ضوابط مناسبة لضمان ذلك. لا يزال من الضروري وجود موظفين ماهرين والاهتمام المستمر بالتفاصيل.
الخراطة (الصورة اليمنى) وتجفيف عوازل البورسلين المصنوعة من البلاستيك/العملية الرطبة.
تم تطوير طريقة تصنيع بديلة لعوازل البورسلين، وهي تلغي العديد من الخطوات في عملية التجفيف التي تمت مناقشتها أعلاه. من المزايا المهمة المقدمة هي عملية أكثر اتساقًا تساعد على تقليل مخاطر الاختلاف المحتمل في قوة المواد. تبدأ هذه الطريقة، التي تسمى توازن التوازن، بتجفيف الشريحة إلى مسحوق ناعم، ثم يتم ضغطها بقوة كبيرة في أسطوانة جافة. الميزة المتأصلة هي القدرة على إنتاج الفراغات الأسطوانية الجافة في وقت قصير نسبيًا. في الواقع، فإن العوازل المنتجة باستخدام الطريقة المتوازنة الضغط لها وقت إنتاج أقل من أسبوعين مقابل 6 أسابيع أو أكثر مطلوبة لإنتاج الرطب/البلاستيك. وعلاوة على ذلك، يتم تنفيذ تحول الجافة. يؤدي هذا إلى التخلص من الانكماش من المقاطع المتحولة الرطبة إلى حالة التجفيف/الجاهزة للإشعال وينتج عنه تفاوتات أكثر إحكامًا. الفراغات المضغوطة الجافة ليس لها اتجاه حبيبي معين، كما هو موجود في الفراغات المبثوقة الرطبة. نظرًا لأنه يتم بثق الجسم الرطب من خلال حلق الطارد، فقد يكون تدفق الطين أبطأ بكثير على طول الجدران بسبب الاحتكاك بين الطين وجدار الطارد. داخل الفراغ، سيحدث القص مما يسبب إجهادًا داخليًا، مما قد يؤدي إلى فشل في الفرن وتقليل القوة الميكانيكية. اعتمادًا على المكان الذي يأتي منه العازل، يمكن أن تنتهي مناطق القص هذه بالقرب من السطح. إحدى السمات البارزة هي أن الحدبة التي تتشكل كعازل من البورسلين يتم تجفيفها.
الاستنتاجات
يمكن تحسين أداء عوازل البورسلين في ظل ظروف الخدمة الزلزالية بشكل رئيسي من خلال طرق تقليل الوزن. إن تحسين التصميم بناءً على تطبيق فعلي محدد باستخدام مواد عالية القوة بالإضافة إلى الحفاظ على عملية تصنيع متسقة سيضمن أفضل أداء ممكن.