ביצועים סייסמיים של מבודדי פורצלן בתחנות משנה מבודדי פורצלן הם חלק בלתי נפרד ממערכות החשמל במשך יותר ממאה שנה, בעיקר בשל קשיחותם, מה שמבטיח יישור רכיבים בציוד תחנות משנה. יתרה מכך, בשנים האחרונות חלה התקדמות גדולה בהבנת האירועים הסיסמיים המשפיעים על מבודדים כאלה בתחנות משנה. תדרי תהודה מאירועים אלו עלולים לגרום לכוחות דינמיים עצומים, ובשל משקלו ואופיו השביר, החרסינה רגישה יותר לתדרים הרמוניים הרסניים. אבל עם שיטות עיצוב טובות, חומרים מתקדמים ושיטות ייצור מודרניות, מבודדי חרסינה עדיין יכולים להוכיח צורה אמינה של בידוד בסביבות שירות סיסמיות. מאפייני החומר ממלאים תפקיד מרכזי בתכנון ציוד תחת כוחות דינמיים כאלה, ולמרות שפלדה ואלומיניום הם רקיעים ומציעים חוזק צפוי, פורצלן אינו-רקיע ויכול להשתנות מאוד בחוזקם. לכן ניתן לשפר את הביצועים הסיסמיים של מבודדי חרסינה באמצעות מקסום חוזק והפחתת משקל. כמו כן, ניתן להבין טוב יותר בימינו כי המבודד הוא רק מרכיב אחד במערך מורכב המרכיב כל מכשיר שנמצא בתחנת משנה. לכן, יש להעריך את המכשיר כולו. לדוגמה, מבודדים מותקנים לרוב על מבני בטון או פלדה ותומכים בציוד בפועל בעוד שתותבים נמצאים בדרך כלל בחלק העליון של הציוד. התגובה של ציוד ורכיבי המשנה שלו לתדרי קלט תהיה תלויה אפוא בגורמים אלה ואחרים. כאשר התדר הטבעי של ציוד מתאים באופן הדוק לתדר הקלט, מתרחשת תהודה ובכך מגבירה את תגובת התנועה הדינמית ותגובת האצה. ספקטרום התגובה הנדרש (RRS) מדמה אמפליטודות, תדרים ואנרגיה באירועים סייסמיים אופייניים. ציוד בעל תדרים טבעיים של 1.1 עד 8 הרץ מכוסה באופן הדוק ביותר ב-RRS.
לסוגים אופייניים של ציוד מתח גבוה יש כמה מאפיינים שהופכים אותם למגיבים יותר לכניסות סיסמיות. בהיותם גבוהים וכבדים, הם מציגים רמות נמוכות יותר של תדר טבעי שנמצא בדרך כלל באירועים סייסמיים. כאשר שני פריטים רוטטים באותו תדר טבעי, נראית תנועה מוגברת ומשרה עומסי שלוחה גדולים. הבנת הכוחות להם נתון מבודד בהשוואה לחוזקות וחולשות החומר הקרמי שלו היא צעד ראשון חשוב. דירוגים מכניים של מבודד כוללים: א. רגעי שלוחה/כיפוף; ב. פִּתוּל; ג. מֶתַח; ו-ד. דְחִיסָה. עומסי שלוחה קובעים את קוטר הליבה ובכך את המשקל.
שבו: D - קוטר הליבה; F - חוזק נדרש (מינימום עומס שבירה); l - אורך; חוזק ספציפי של פורצלן. לחומרים קרמיים יש דירוגי דחיסה גבוהים ודירוגי מתח נמוכים. מומנטי כיפוף גורמים ללחץ דחיסה ומתח ומתח מתיחה מוגבר על ידי פעולת המנוף של גובה המבודד (כמו באיור . 1).
איור. 1.
מומנטי הכיפוף גדלים עם כוח גדול יותר ו/או מבודדים גבוהים יותר (לפי איור. 2). במקרה של תנועה דינמית, הכוח מבוסס על: 1. מסת המבודד והמסה המותקנת מעל המבודד; ו-2. תאוצה עקב האירוע הסייסמי.
איור. 2.
ניסיון לערוך שינויים בתכנון כדי להבטיח שהתדר הטבעי של ציוד יישאר מחוץ לתדירות של אירוע סיסמי לרוב אינו אפשרי. מכיוון שהמשקל הוא גורם מפתח בעת חישוב הכוח/אנרגיה הנכנסים לציוד במהלך אירוע סייסמי, האתגר הוא לייעל את התכנון ולמקסם את יחס הכוח למשקל.
הפחתת משקל
קיימות דרכים להפחית את משקלו של מבודד פורצלן בעל חוזק נתון. קודם כל, מבודדים צריכים להיות מתוכננים במיוחד עבור הצורך. יתר על כן, מיקסום אורכי הקטעים מסייע להפחית את המשקל של מבודדים מרובי-ערימה. ליצרנים יש גם אפשרויות בחירה של חומרים המציעות חוזק גבוה יותר ושמירה על תקני אבטחת איכות קפדניים יכולה לשפר עוד יותר את החוזק הכללי.
מיטוב עיצוב
התכנון של מבודד צריך לקחת בחשבון את היישום שלו בתנאים סייסמיים. לעתים קרובות, מבודדים המשמשים בתחנות משנה מבוססים על עיצובים סטנדרטיים המיועדים לביצוע במגוון יישומים. דוגמה לכך היא מבודד עם ליבות גליליות אחידות שניתן ליישם זקוף אך כבד במידה ניכרת כשהוא תלוי מתחת. בעוד שמבודדים מחודדים נמצאים בשימוש הולך וגובר ביישומי HV, קביעת המתח האופטימלי חשובה. כאשר כל חלק של ציוד נחשב ליישום בתנאים סייסמיים, יש להעריך את כל המבנה המורכב והמורכב באמצעות תוכנה ישימה. ניתוח אלמנטים סופיים (FEA), למשל, יזהה אזורי מתח גבוה בכל תצורה נתונה. יזוהו גם אזורי מתח נמוכים. על מעצב/יועץ הציוד לעבוד גם בשיתוף פעולה הדוק עם יצרן המבודדים כדי להבטיח שלכל האזורים יש מרווח בטיחות שווה. למעשה, זה יכול לקחת כמה איטרציות כדי לזהות באופן מלא את כל העליות והירידות האופטימליות בחוזק במקומות נתונים לאורך המבודד. בכל פעם שמזהים ומתקנים אזורי לחץ נמוכים יותר, ניתן להפחית את המשקל באזור זה והפחתת משקל בחלקים העליונים יכולים להפחית את הכוח הדרוש בחלקים התחתונים. תהליך זה מביא לפחות מסה, פחות תנועה הנגרמת על ידי המסה ופחות מתח כללי. העלות של בדיקת שולחן שייקר היא יקרה מאוד עבור ציוד תחנות משנה גדולות. הערכה יסודית על ידי מומחה סייסמי מוסמך יכולה לשלוט בעלויות כאלה על ידי הימנעות מהצורך לבצע בדיקה חוזרת. מיקומו של מבודד בכל ציוד הוא חשוב מהותית גם כן. במקרים רבים, מבודדים תומכים בציוד כבד. אם הציוד נעשה קומפקטי יותר במונחים של מסה ליד החלק העליון, מעט מאוד מתח כיפוף
איור. 3.
אם לציוד יש מרכז כובד גבוה כשהמסה ממוקמת הרבה מעל המבודד, הרכיב העליון יהיה נתון ללחץ כיפוף גדול בהרבה ויהיה צורך בעיצוב חזק יותר עבור החלק העליון הזה. כפי שמוצג באיור . 4, למשל, החלק העליון של המבודד נתון ל-50% מעומס הכיפוף המרבי.
איור. 4.
למסה בחלק העליון של המבודד יש את אפקט הכיפוף הגדול ביותר. לדוגמה, במקרה של מתג הפסקת אוויר במצב פתוח עם התורן מורחב במלואו ישנם רגעי כיפוף גבוהים בחלק העליון של המבודד (ראה איור . 5).
איור. 5: מתג 500 קילו וולט, תורן פתוח.
מתג הפסקת אוויר טיפוסי של 500 קילו וולט מותקן 4.6 מ' למעלה על מבנה ובמצב פתוח המתג יכול להיות 9.75, כלומר מרחק כולל של 14.35 מ' ממפלס הקרקע לראש התורן. ייעול החוזק הדרוש בחלק העליון של מבודד יכול להוכיח אזור הפחתת חומר קריטי שכן הפחתת משקל היא המקום שבו המסה נמצאת הכי רחוק מרגע הכיפוף.
משקל נשפך
פרופיל הסככה הוא אמצעי להגדלת מרחק הזחילה, אך הסככות תורמות משקל למבודד. בעבר, סככות היו בדרך כלל עד 19 מ"מ בליבה והצטמצמו עד 12 מ"מ בקצה. בעזרת מדע החומר משופר, ניתן להקטין את גודל המחסן, וכתוצאה מכך להפחתה של 20% במשקל המחסן.
מקטעים מופחתים
מבודדים מורכבים מחלקים בודדים או מרובים המוברגים יחד. מבודדים הם בדרך כלל בנייה יחידה עד 750 קילו וולט BIL. מבודדי מתח גבוה יכולים להיות מורכבים מחלקים רבים בהתאם לרמת המתח. ריכוזי מתח נמצאים במפרקים שבהם מודבקים אביזרי הברזל היצוק על החרסינה. קוטר החרסינה בהתאמה גדל עקב רמות הלחץ המרוכזות. צמצום מספר המקטעים יקטין את מיקומי הלחץ הגבוה וכן את המשקל של האביזרים הנוספים (ראה איור. 6).
איור. 6.
חוֹמֶר
מבודדי חרסינה הם קרמיקה טכנית המכילה תערובת של קאולין, אלומינה, פלדספאר וסיליקה (קוורץ). IEC 60672-3 מתייחס לשלושה סוגים עיקריים: C-110, C-120 ו-C-130. C-110 ידוע כפורצלן קוורץ בעוד ש-C-120 ו-C-130 הם פורצלן אלומינה. C-120 מכיל 20%-30% אלומינה ואילו ל-C-130 יש בדרך כלל תכולת אלומינה גבוהה מ-30%. עלייה בחוזק מתורגמת ליחס החוזק למשקל הגבוה ביותר. ערכי החוזק המוצגים בטבלה 1 הם מינימום וניתן לחרוג מהם בהרבה. מבודדים המיוצרים עם חימר C-130 עם רמות גבוהות מהמינימום יכולים להציע עד 40% הפחתה במשקל.
טבלה 1: IEC 60672-3 1984
תהליך ייצור
לייצור חומרי חימר יש מגוון רחב מטבעו של עוצמות חומרים המתקבלים. שונות כזו יכולה להתרחש בתוך אצווה או בין אצווה. קשה להשיג חוזק גוף עקבי, במיוחד אם התהליכים אינם מבוקרים באופן הדוק. אכן, הוכח כי חוזק של חומרים קרמיים יכול להיות בעל יותר מ-35% סטיית תקן. ככל שהסטייה גדולה יותר, כך העיצוב של המבודד הדרוש כדי להבטיח עמידה בעומס המכני המצוין (SML) כבד יותר. הפחתת סטיית התקן מפחיתה ישירות את המשקל של כל פרמטרי עיצוב של יצרן נתון. לדוגמה, עיצוב של מבודד עם SML של 10 kN ו-std. dev. של 3.5 קילו-ניין פירושו שהעיצוב חייב להיות כזה שהממוצע הוא 17 קילו-ניין. מצד שני, אם std. dev. הוא רק 1 kN, עיצוב יכול להתבסס על ממוצע של 12 kN. זה יכול לגרום להפחתה של כ-40% במשקל המבודד (ראה איורים 7 ו-8).
איור. 7: סטיית תקן גדולה.
איור. 8: סטיית תקן קטנה.
כדי להבין טוב יותר את הסיבות האפשריות לשינויים בחוזק הגוף, יש צורך לדעת יותר על האופן שבו מיוצרים מבודדי חרסינה. רבים מיוצרים בשיטה הרטובה או הפלסטית, לפיה מתכוני חימר נמדדים ומערבבים עם מים ליצירת חומר הבסיס, הנקרא החלקה. טחנת כדורים טוחנת את הסלק כדי להבטיח גודל חלקיקים מתאים ומכילה כ-50% מים. לאחר מכן מסננים את החלקה כדי להסיר מזהמים טבעיים המצויים בחמר, בין אם אורגני או ברזל. לאחר מכן דוחסים את ההחלקה לעוגות סינון בכ-22% לחות ואלו קוצצים ושולפים לבלוקים. לבסוף, ריקים גליליים או פאגים הם extruded. במשך תקופה של 5 עד 6 שבועות, הריק הופך ומייבש עד שתכולת לחות נמוכה מ-1%. כדי לשמור על כוח גוף עקבי, כל השלבים הללו המובילים למוצר המוגמר חייבים להיות מנוהלים גם באופן עקבי. גודל החלקיקים, הרכב הכימי, תכולת המים של עוגות הסינון, קשיות החסר וטכניקות ייבוש יקבעו את יכולת הניבוי של חוזק הגוף. שלבי הייבוש המרובים של החימר הרטוב - מכבישה של עוגות פילטר ועד לשימוש במייבשים המכינים מבודדים הפכו לשריפה - הם שלבי ייצור מרכזיים של מבודדי חרסינה, כאשר אולי הקריטי ביותר בייבוש הוא לקיחת הצורה הפתוחה הרטוב מ-18% תכולת לחות לפחות מ-1%. הסיבה לכך היא שהסככות הדקות והליבה העבה צריכות להתייבש באותו קצב, למרות שסככות דקות יחסית נוטות הרבה יותר לשחרר מים. עד 6 שבועות יכולים להידרש לייבוש איטי של מבודד ויצרנים רבים מחזיקים בבקרות מתאימות כדי להבטיח זאת. עדיין יש צורך בעובדים מיומנים ותשומת לב מתמדת לפרטים.
סיבוב (תמונה ימין) וייבוש של מבודדי חרסינה העשויים בתהליך פלסטי/רטוב.
פותחה שיטת ייצור חלופית למבודדי חרסינה ומבטלת שלבים רבים בתהליך הייבוש שנדון לעיל. יתרון חשוב המוצע הוא תהליך עקבי הרבה יותר שעוזר להפחית את הסיכון לשונות אפשרית בחוזק החומר. שיטה זו, הנקראת איזוסטטית, מתחילה בייבוש ההחלקה לאבקה דקה, אשר נלחצת לאחר מכן בכוח רב לתוך גליל יבש. היתרון הגלום הוא היכולת לייצר חלקים גליליים יבשים בזמן קצר יחסית. למעשה, למבודדים המיוצרים בשיטה האיזוסטטית יש זמן ייצור של פחות משבועיים לעומת 6 שבועות ומעלה הנדרשים לייצור רטוב/פלסטיק. יתר על כן, הפיכה מתבצעת יבשה. זה מבטל את הצטמקות מפרופילים שהופכים רטובים למצב מיובש/מוכן לשריפה ומביא לסובלנות הדוקה יותר. לחסר דחוס יבש אין כיוון גרגר מיוחד, כפי שנמצא בחסר רטוב שחול. מכיוון שגוף רטוב מוחל דרך גרון המכבש, זרימת החימר יכולה להיות איטית בהרבה לאורך הקירות עקב חיכוך בין חימר לדופן המכבש. בתוך הריק, תתרחש גזירה הגורמת ללחץ פנימי, שעלול להוביל לכשלים בכבשן ולהפחית את החוזק המכני. תלוי מהיכן בחסר מגיע המבודד, אזורי גזירה אלה יכולים להגיע ליד פני השטח. תכונה בולטת אחת היא הקמבר שנוצר כאשר מבודד פורצלן מתייבש.
מסקנות
שיפור הביצועים של מבודדי חרסינה בתנאי שירות סיסמיים אפשרי בעיקר באמצעות שיטות הפחתת משקל. אופטימיזציה של עיצוב המבוסס על יישום ספציפי בפועל תוך שימוש בחומרים בעלי חוזק גבוה, כמו גם שמירה על תהליך ייצור עקבי יבטיח את הביצועים הטובים ביותר האפשריים.