Prestazioni sismiche degli isolatori in porcellana nelle sottostazioni Gli isolanti in porcellana sono parte integrante dei sistemi di alimentazione da più di un secolo, in gran parte grazie alla loro rigidità, che assicura l'allineamento dei componenti nelle apparecchiature delle sottostazioni. Inoltre, negli ultimi anni ci sono stati grandi progressi nella comprensione degli eventi sismici che colpiscono tali isolanti nelle sottostazioni. Le frequenze di risonanza di questi eventi possono causare immense forze dinamiche e, a causa del suo peso e della sua natura fragile, la porcellana è più suscettibile alle frequenze armoniche distruttive. Ma con buone pratiche di progettazione, materiali avanzati e moderni metodi di produzione, gli isolanti in porcellana possono ancora rivelarsi una forma affidabile di isolamento negli ambienti di servizio sismico. Le caratteristiche dei materiali svolgono un ruolo importante nella progettazione delle apparecchiature sotto tali forze dinamiche e, mentre l'acciaio e l'alluminio sono duttili e offrono una resistenza prevedibile, la porcellana non è-duttile e può variare notevolmente in termini di resistenza. Le prestazioni sismiche degli isolatori in porcellana possono quindi essere migliorate massimizzando la resistenza e riducendo il peso. Oggigiorno è anche meglio compreso che l'isolante non è che un componente di una matrice complessa che costituisce qualsiasi dispositivo presente in una sottostazione. Pertanto è necessario valutare l'intero dispositivo. Ad esempio, gli isolatori sono spesso montati su strutture in cemento o acciaio e supportano l'attrezzatura vera e propria, mentre le boccole si trovano generalmente nella parte superiore dell'attrezzatura. La risposta dell'apparecchiatura e dei suoi sotto-componenti alle frequenze di ingresso dipenderà quindi da questi e da altri fattori. Quando la frequenza naturale di un pezzo di apparecchiatura corrisponde strettamente alla frequenza di ingresso, si verifica la risonanza amplificando così il movimento dinamico risultante e la risposta all'accelerazione. Lo spettro di risposta richiesto (RRS) simula ampiezze, frequenze ed energia in tipici eventi sismici. Le apparecchiature con frequenze naturali comprese tra 1,1 e 8 Hz sono coperte più da vicino dalla RRS.
I tipi tipici di apparecchiature ad alta tensione hanno diverse caratteristiche che li rendono più reattivi agli input sismici. Essendo alti e pesanti, mostrano livelli più bassi di frequenza naturale normalmente riscontrati negli eventi sismici. Quando due oggetti vibrano alla stessa frequenza naturale, si osserva un aumento del movimento che induce grandi carichi a sbalzo. Comprendere le forze a cui è sottoposto un isolante rispetto ai punti di forza e di debolezza del suo materiale ceramico è un primo passo importante. Le caratteristiche meccaniche dell'isolante includono: a. Momenti a sbalzo/flettenti; B. Torsione; C. Tensione; e d. Compressione. I carichi a sbalzo determinano il diametro del nucleo e quindi il peso.
dove: D – diametro del nucleo; F – resistenza richiesta (carico di rottura minimo); l – lunghezza; resistenza specifica della porcellana. I materiali ceramici hanno valori di compressione elevati e valori di tensione bassi. I momenti flettenti inducono stress di compressione e tensione e lo stress di trazione è amplificato dall'azione di leva dell'altezza dell'isolante (come in Fig. 1).
Fico. 1.
I momenti flettenti aumentano con una forza maggiore e/o isolanti più alti (come da Fig. 2). Nel caso del movimento dinamico, la forza si basa su: 1. massa dell'isolante e massa montata sopra l'isolante; e 2. accelerazione dovuta all'evento sismico.
Fico. 2.
Cercare di apportare modifiche alla progettazione per garantire che la frequenza naturale di un componente dell'apparecchiatura rimanga al di fuori della frequenza di un evento sismico spesso non è possibile. Poiché il peso è un fattore chiave nel calcolo della forza/energia immessa nell'attrezzatura durante un evento sismico, la sfida è ottimizzare la progettazione e massimizzare il rapporto resistenza/peso.
Riduzione del peso
Esistono modi per ridurre il peso di un isolante in porcellana di una determinata resistenza. Innanzitutto, gli isolanti dovrebbero idealmente essere progettati appositamente per l'esigenza. Inoltre, massimizzare la lunghezza delle sezioni aiuta a ridurre il peso degli isolatori multi-stack. I produttori possono anche scegliere materiali che offrono una maggiore resistenza e il mantenimento di rigorosi standard di garanzia della qualità può migliorare ulteriormente la resistenza complessiva.
Ottimizzazione della progettazione
La progettazione di un isolante deve tenere conto della sua applicazione in condizioni sismiche. Spesso, gli isolatori utilizzati nelle sottostazioni si basano su progetti standard destinati a funzionare in una vasta gamma di applicazioni. Un esempio è un isolante con nuclei cilindrici uniformi che può essere applicato in posizione verticale ma è notevolmente più pesante quando è sospeso. Sebbene gli isolatori conici siano sempre più utilizzati nelle applicazioni ad alta tensione, determinare la conicità ottimale è importante. Quando si considera un componente dell'apparecchiatura per l'applicazione in condizioni sismiche, l'intera struttura assemblata e montata deve essere valutata utilizzando il software applicabile. L'analisi degli elementi finiti (FEA), ad esempio, identificherà le aree ad alto stress in qualsiasi configurazione. Verranno identificate anche le zone a basso stress. Il progettista/consulente dell'apparecchiatura dovrebbe inoltre lavorare a stretto contatto con il produttore dell'isolante per garantire che tutte le zone abbiano lo stesso margine di sicurezza. Infatti, possono essere necessarie diverse iterazioni per identificare completamente tutti gli aumenti e le diminuzioni ottimali di resistenza in determinati punti lungo l'isolante. Ogni volta che vengono identificate e risolte le aree di stress inferiori, il peso in quella regione può essere ridotto e le riduzioni di peso nelle sezioni superiori possono ridurre la forza necessaria nelle sezioni inferiori. Questo processo si traduce in meno massa, meno movimento causato dalla massa e meno stress complessivo. Il costo dei test su tavola vibrante è molto elevato per le apparecchiature di sottostazioni di grandi dimensioni. Una valutazione approfondita da parte di uno specialista sismico competente può controllare tali costi evitando la necessità di ripetere il test. Anche la posizione di un isolante in qualsiasi apparecchiatura è di fondamentale importanza. In molti casi, gli isolanti supportano apparecchiature pesanti. Se l'attrezzatura viene resa più compatta in termini di massa nella parte superiore, lo stress di flessione sarà minimo
Fico. 3.
Se l'apparecchiatura ha un baricentro alto con la massa posizionata ben al di sopra dell'isolante, il raccordo superiore sarà soggetto a uno stress di flessione molto maggiore e sarà necessario un design più robusto per questa porzione superiore. Come illustrato in Fig. 4, ad esempio, la parte superiore dell'isolante è soggetta al 50% del carico di flessione massimo.
Fico. 4.
La massa nella parte superiore dell'isolante ha il maggiore effetto di flessione. Ad esempio, nel caso di un interruttore in aria in posizione aperta con il montante completamente esteso, si verificano elevati momenti flettenti nella parte superiore dell'isolatore (vedere Fig. 5).
Fig. 5: interruttore da 500 kV, palo aperto.
Un tipico interruttore in aria da 500 kV è montato a 4,6 m di altezza su una struttura e in posizione aperta l'interruttore può essere 9,75, ovvero una distanza totale di 14,35 m dal livello del suolo alla sommità del palo. L'ottimizzazione della resistenza necessaria nella parte superiore di un isolante può rivelarsi una zona critica di riduzione del materiale poiché la riduzione del peso avviene nel punto in cui la massa è più lontana dal momento flettente.
Perdere peso
Il profilo a capannone è un mezzo per aumentare la distanza di dispersione, tuttavia i capannoni contribuiscono con il peso a un isolante. In passato, i capannoni erano tipicamente fino a 19 mm al centro e si assottigliavano fino a 12 mm in punta. Con il miglioramento della scienza dei materiali, le dimensioni del capannone possono essere ridotte, con una conseguente riduzione del 20% del peso del capannone.
Sezioni ridotte
Gli isolanti sono costituiti da sezioni singole o multiple imbullonate insieme. Gli isolanti sono generalmente costruiti in un unico pezzo fino a 750 kV BIL. Gli isolatori ad alta tensione possono essere costituiti da molte sezioni a seconda del livello di tensione. Le concentrazioni di stress si trovano nei giunti in cui i raccordi in ghisa sono cementati sulla porcellana. Il diametro della porcellana in corrispondenza del raccordo aumenta a causa dei livelli di stress concentrati. Riducendo il numero di sezioni si ridurranno i punti ad alto stress nonché il peso dei raccordi aggiuntivi (vedere Fig. 6).
Fico. 6.
Materiale
Gli isolanti in porcellana sono ceramiche tecniche contenenti una miscela di caolino, allumina, feldspato e silice (quarzo). La norma IEC 60672-3 si riferisce a tre tipi principali: C-110, C-120 e C-130. C-110 è conosciuta come porcellana di quarzo mentre C-120 e C-130 sono porcellane di allumina. Il C-120 contiene il 20%-30% di allumina mentre il C-130 normalmente ha un contenuto di allumina superiore al 30%. L'aumento della resistenza si traduce nel massimo rapporto resistenza/peso. I valori di resistenza indicati nella Tabella 1 sono minimi e possono essere ampiamente superati. Gli isolanti prodotti con argilla C-130 con livelli superiori al minimo possono offrire una riduzione del peso fino al 40%.
Tabella 1: IEC 60672-3 1984
Processo di produzione
La produzione di materiali argillosi presenta una gamma intrinsecamente ampia di resistenze dei materiali risultanti. Tale variazione può verificarsi all'interno di un lotto o tra lotti. Raggiungere una forza corporea costante è difficile, soprattutto se i processi non sono strettamente controllati. Infatti, è stato dimostrato che la resistenza dei materiali ceramici può avere una deviazione standard superiore al 35%. Maggiore è la deviazione, più pesante sarà la progettazione dell'isolante necessaria per garantire il rispetto del carico meccanico specificato (SML). La riduzione della deviazione standard riduce direttamente il peso dei parametri di progettazione di un determinato produttore. Ad esempio, progettazione di isolante con SML di 10 kN e std. dev. di 3,5 kN significa che il progetto deve essere tale che la media sia di 17 kN. D'altra parte, se std. dev. è solo 1 kN, la progettazione può basarsi su una media di 12 kN. Ciò può comportare una riduzione del peso dell'isolante di circa il 40% (vedere Figure 7 e 8).
Fig. 7: deviazione standard ampia.
Fig. 8: piccola deviazione standard.
Per comprendere meglio le possibili cause delle variazioni di resistenza del corpo, è necessario saperne di più su come vengono prodotti gli isolanti in porcellana. Molti sono prodotti con il metodo umido o plastico, in cui le ricette di argilla vengono misurate e mescolate con acqua per creare il materiale di base, chiamato barbottina. Un mulino a sfere macina la barbottina per garantire la corretta dimensione delle particelle e contiene circa il 50% di acqua. La barbottina viene quindi filtrata per rimuovere i contaminanti naturali presenti nelle argille, siano essi organici o ferrosi. La barbottina viene quindi pressata in pannelli filtranti a circa il 22% di umidità e questi vengono tritati ed estrusi in blocchi. Infine, vengono estrusi pezzi cilindrici o carlini. Nel corso di un periodo di 5-6 settimane, il pezzo grezzo viene rivoltato ed essiccato fino a raggiungere un contenuto di umidità inferiore all'1%. Per mantenere una forza corporea costante, anche tutti questi passaggi che portano al prodotto finito devono essere gestiti in modo coerente. La dimensione delle particelle, la composizione chimica, il contenuto di acqua dei pannelli filtranti, la durezza dei pezzi grezzi e le tecniche di essiccazione determineranno tutti la prevedibilità della resistenza del corpo. Le molteplici fasi di essiccazione dell'argilla bagnata – dalla pressatura dei pannelli filtranti all'uso di essiccatori che preparano gli isolanti torniti per la cottura – sono fasi chiave della produzione per gli isolanti in porcellana, di cui forse il più critico nell'essiccazione è il fatto di portare la forma tornita bagnata dal 18% di contenuto di umidità a meno dell'1%. Questo perché i capannoni sottili e il nucleo spesso devono asciugarsi alla stessa velocità, anche se i capannoni relativamente sottili hanno molte più probabilità di rilasciare acqua. Possono essere necessarie fino a 6 settimane per asciugare lentamente un isolante e molti produttori dispongono di controlli adeguati per garantirlo. Sono comunque necessari dipendenti qualificati e una costante attenzione ai dettagli.
Tornitura (foto a destra) ed essiccazione di isolatori in porcellana realizzati con processo plastico/umido.
È stato sviluppato un metodo di produzione alternativo per gli isolanti in porcellana che elimina molte fasi del processo di essiccazione discusso sopra. Un importante vantaggio offerto è un processo molto più coerente che aiuta a ridurre il rischio di possibili variazioni nella resistenza del materiale. Questo metodo, chiamato isostatico, inizia con l'essiccazione della barbottina fino a ottenere una polvere fine, che viene poi pressata con grande forza in un cilindro asciutto. Il vantaggio intrinseco è quello di poter produrre grezzi cilindrici asciutti in un tempo relativamente breve. Infatti, gli isolanti prodotti utilizzando il metodo isostatico hanno un tempo di produzione inferiore a due settimane rispetto alle 6 o più settimane necessarie per la produzione a umido/plastica. Inoltre la tornitura viene eseguita a secco. Ciò elimina il ritiro dai profili torniti a umido allo stato essiccato/pronto per la cottura e si traduce in tolleranze più strette. I pezzi grezzi pressati a secco non hanno un orientamento particolare dei grani, come si riscontra nei pezzi grezzi estrusi a umido. Poiché un corpo umido viene estruso attraverso la gola dell'estrusore, il flusso dell'argilla può essere molto più lento lungo le pareti a causa dell'attrito tra l'argilla e la parete dell'estrusore. All'interno del pezzo grezzo si verificherà un taglio che causerà stress interno, che può portare a guasti nel forno e ridurre la resistenza meccanica. A seconda della zona da cui proviene l'isolante, queste aree di taglio possono finire vicino alla superficie. Una caratteristica notevole è la bombatura che si forma mentre un isolante di porcellana viene essiccato.
Conclusioni
Migliorare le prestazioni degli isolanti in porcellana in condizioni di servizio sismico è possibile principalmente attraverso metodi di riduzione del peso. L'ottimizzazione della progettazione basata sull'applicazione reale specifica utilizzando materiali ad alta resistenza e il mantenimento di un processo di produzione coerente garantiranno le migliori prestazioni possibili.