변전소에서 도자기 절연체의 내진 성능 도자기 절연체는 변전소 장비의 구성 요소 정렬을 보장하는 강성으로 인해 1세기 이상 전력 시스템의 필수적인 부분이었습니다. 또한 최근 몇 년 동안 변전소의 절연체에 영향을 미치는 지진 현상을 이해하는 데 큰 발전이 있었습니다. 이러한 현상으로 인한 공진 주파수는 엄청난 동적 힘을 유발할 수 있으며 무게와 부서지기 쉬운 특성으로 인해 도자기는 파괴적인 고조파 주파수에 더 취약합니다. 그러나 우수한 설계 관행, 고급 재료 및 현대적인 제조 방법을 통해 도자기 단열재는 지진 서비스 환경에서 여전히 신뢰할 수 있는 단열재 형태임을 입증할 수 있습니다. 재료 특성은 이러한 동적 힘 하에서 장비 설계에 중요한 역할을 하며, 강철과 알루미늄은 연성이 있고 예측 가능한 강도를 제공하는 반면, 도자기는 비연성이며 강도가 크게 다를 수 있습니다.- 따라서 도자기 절연체의 내진 성능은 강도를 최대화하고 무게를 줄임으로써 향상될 수 있습니다. 요즘에는 절연체가 변전소에서 발견되는 모든 장치를 구성하는 복잡한 배열의 한 구성 요소에 불과하다는 사실이 더 잘 이해되고 있습니다. 따라서 전체 장치를 평가해야 합니다. 예를 들어, 절연체는 콘크리트나 강철 구조물에 장착되어 실제 장비를 지지하는 경우가 많지만 부싱은 일반적으로 장비 상단에 있습니다. 따라서 입력 주파수에 대한 장비 및 하위 구성요소의 응답은 이러한 요인과 기타 요인에 따라 달라집니다. 장비의 고유 주파수가 입력 주파수와 거의 일치하면 공진이 발생하여 결과적으로 동적 동작 및 가속 응답이 증폭됩니다. RRS(Required Response Spectrum)는 일반적인 지진 사건의 진폭, 주파수 및 에너지를 시뮬레이션합니다. 1.1~8Hz의 고유 주파수를 갖는 장비는 RRS에서 가장 자세히 다루어집니다.
일반적인 유형의 고전압 장비는 지진 입력에 더 잘 반응하도록 하는 몇 가지 특성을 가지고 있습니다. 키가 크고 무거우므로 지진 발생 시 일반적으로 발견되는 고유 진동수 수준이 낮습니다. 두 품목이 동일한 고유 진동수로 진동하면 움직임이 증가하고 큰 캔틸레버 하중이 발생합니다. 절연체가 받는 힘을 세라믹 재료의 강점과 약점과 비교하여 이해하는 것이 중요한 첫 번째 단계입니다. 절연체 기계적 등급에는 다음이 포함됩니다. 캔틸레버/굽힘 모멘트; 비. 비틀림; 기음. 긴장; 그리고 디. 압축. 캔틸레버 하중은 코어 직경과 무게를 결정합니다.
여기서: D – 코어 직경; F - 필요한 강도(최소 파손 하중) 내가 – 길이; 도자기의 특정 강도. 세라믹 재료는 압축 등급이 높고 인장 등급이 낮습니다. 굽힘 모멘트는 압축과 인장 응력을 유발하고 인장 응력은 절연체 높이의 레버 작용에 의해 증폭됩니다(그림. 1 참조).
무화과. 1.
굽힘 모멘트는 더 큰 힘 및/또는 더 높은 절연체에 따라 증가합니다(그림. 2 참조). 동적 운동의 경우 힘은 다음을 기반으로 합니다. 1. 절연체 질량 및 절연체 위에 장착된 질량 2. 지진으로 인한 가속도.
무화과. 2.
장비의 고유 주파수가 지진 발생 주파수를 벗어나도록 설계를 변경하는 것이 불가능한 경우가 많습니다. 지진 발생 시 장비에 들어가는 힘/에너지를 계산할 때 무게는 핵심 요소이므로 설계를 최적화하고 무게 대비 강도 비율을 최대화하는 것이 과제입니다.
체중 감소
주어진 강도의 도자기 절연체의 무게를 줄이는 방법이 있습니다. 우선, 절연체는 이상적으로 필요에 맞게 특별히 설계되어야 합니다. 또한 섹션 길이를 최대화하면 다중-적층 절연체의 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다. 제조업체는 또한 더 높은 강도를 제공하는 재료를 선택할 수 있으며 엄격한 품질 보증 표준을 유지하면 전반적인 강도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.
디자인 최적화
단열재 설계에서는 지진 조건에서의 적용을 고려해야 합니다. 변전소에서 사용되는 절연체는 다양한 응용 분야에 걸쳐 수행되도록 고안된 표준 설계를 기반으로 하는 경우가 많습니다. 예를 들어 수직으로 적용할 수 있지만 아래에 걸면 상당히 무거워지는 균일한 원통형 코어가 있는 절연체가 있습니다. 테이퍼형 절연체는 HV 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있지만 최적의 테이퍼를 결정하는 것이 중요합니다. 지진 조건에서 장비의 일부를 적용하는 것을 고려하는 경우 조립 및 장착된 전체 구조를 해당 소프트웨어를 사용하여 평가해야 합니다. 예를 들어 유한 요소 분석(FEA)은 특정 구성에서 높은 응력 영역을 식별합니다. 낮은 스트레스 영역도 식별됩니다. 또한 장비 설계자/컨설턴트는 절연체 제조업체와 긴밀히 협력하여 모든 구역의 안전 여유가 동일하도록 해야 합니다. 실제로 절연체를 따라 주어진 위치에서 강도의 모든 최적 증가 및 감소를 완전히 식별하려면 여러 번의 반복이 필요할 수 있습니다. 낮은 응력 영역이 식별되고 해결될 때마다 해당 영역의 무게가 줄어들 수 있으며 상단 부분의 무게 감소로 하단 부분에 필요한 강도가 줄어들 수 있습니다. 이 프로세스를 통해 질량이 줄어들고 질량으로 인한 움직임이 줄어들며 전체적인 응력도 줄어듭니다. 대형 변전소 장비의 경우 셰이커 테이블 테스트 비용이 매우 비쌉니다. 유능한 지진 전문가의 철저한 평가를 통해 재시험의 필요성을 피함으로써 그러한 비용을 통제할 수 있습니다. 장비의 절연체 위치도 기본적으로 중요합니다. 많은 경우 절연체는 무거운 장비를 지탱합니다. 장비를 상부 근처의 질량 측면에서 더 컴팩트하게 만들면 굽힘 응력이 거의 발생하지 않습니다.
무화과. 3.
장비의 무게 중심이 높고 질량이 절연체보다 훨씬 위에 위치하는 경우 상단 피팅은 훨씬 더 큰 굽힘 응력을 받게 되며 이 상단 부분에 대해 보다 견고한 설계가 필요합니다. 예를 들어 그림. 4에서 볼 수 있듯이 단열재 상단에는 최대 굽힘 하중의 50%가 적용됩니다.
무화과. 4.
절연체 상단의 질량은 굽힘 효과가 가장 큽니다. 예를 들어, 마스트가 완전히 확장된 상태에서 개방 위치에 있는 에어 브레이크 스위치의 경우 절연체 상단에 높은 굽힘 모멘트가 있습니다(그림. 5 참조).
그림. 5: 500kV 스위치, 마스트 개방.
일반적인 500kV 에어 브레이크 스위치는 구조물의 4.6m 높이에 장착되며 개방 위치에서 스위치는 9.75m, 즉 지면에서 마스트 상단까지 총 거리 14.35m가 될 수 있습니다. 무게 감소는 질량이 굽힘 모멘트에서 가장 멀리 떨어져 있기 때문에 절연체 상단에 필요한 강도를 최적화하면 중요한 재료 감소 영역이 될 수 있습니다.
창고무게
셰드 프로파일은 연면 거리를 늘리는 수단이지만 셰드는 절연체의 무게에 영향을 미칩니다. 과거에 쉐드는 일반적으로 코어에서 최대 19mm까지 가늘어지고 끝에서 12mm까지 가늘어졌습니다. 향상된 재료 과학을 통해 창고 크기를 줄여 창고 중량을 20% 줄일 수 있습니다.
축소된 섹션
절연체는 함께 볼트로 고정된 단일 또는 다중 섹션으로 구성됩니다. 절연체는 일반적으로 최대 750kV BIL의 단일 부품 구성입니다. 고전압 절연체는 전압 레벨에 따라 여러 섹션으로 구성될 수 있습니다. 응력 집중은 주철 부품이 도자기에 접착되는 접합부에서 발견됩니다. 집중된 응력 수준으로 인해 피팅의 도자기 직경이 증가합니다. 섹션 수를 줄이면 응력이 높은 위치는 물론 추가 피팅의 무게도 줄어듭니다(그림. 6 참조).
무화과. 6.
재료
도자기 절연체는 고령토, 알루미나, 장석 및 실리카(석영)가 혼합된 기술 세라믹입니다. IEC 60672-3은 C-110, C-120 및 C-130의 세 가지 주요 유형을 나타냅니다. C-110은 석영 도자기로 알려져 있고 C-120과 C-130은 알루미나 도자기로 알려져 있습니다. C-120은 20%-30%의 알루미나를 함유하고 있는 반면, C-130은 일반적으로 30% 이상의 알루미나 함량을 가지고 있습니다. 강도가 증가하면 무게 대비 강도가 가장 높아집니다. 표 1에 표시된 강도 값은 최소값이며 크게 초과될 수 있습니다. 최소 수준보다 높은 C-130 점토로 제조된 단열재는 무게를 최대 40%까지 줄일 수 있습니다.
표 1: IEC 60672-3 1984
생산과정
점토 재료의 제조는 본질적으로 재료 강도의 범위가 넓습니다. 이러한 변동은 배치 내에서 또는 배치 간에 발생할 수 있습니다. 일관된 신체 강도를 달성하는 것은 어렵습니다. 특히 프로세스가 엄격하게 제어되지 않는 경우 더욱 그렇습니다. 실제로, 세라믹 재료의 강도는 35% 이상의 표준편차를 가질 수 있다는 것이 입증되었습니다. 편차가 클수록 SML(Specified Mechanical Load)을 충족하는 데 필요한 절연체 설계가 더 무거워집니다. 표준 편차를 줄이면 특정 제조업체의 설계 매개변수의 무게가 직접적으로 줄어듭니다. 예를 들어, 10kN의 SML 및 표준을 사용한 절연체 설계. 개발자 3.5kN은 평균이 17kN이 되도록 설계해야 함을 의미합니다. 반면에 std. 개발자 1kN에 불과하므로 평균 12kN을 기준으로 설계할 수 있습니다. 이로 인해 절연체 무게가 약 40% 감소할 수 있습니다(그림 7 및 8 참조).
그림. 7: 큰 표준편차.
그림. 8: 작은 표준편차.
신체 강도 변화의 가능한 원인을 더 잘 이해하려면 도자기 절연체가 생산되는 방법에 대해 더 많이 알아야 합니다. 많은 제품은 습식 또는 소성 방법으로 제조되는데, 점토 제조법을 측정하고 물과 혼합하여 슬립이라고 하는 기본 재료를 만듭니다. 볼밀은 슬립을 분쇄하여 적절한 입자 크기를 보장하며 약 50%의 물을 함유합니다. 그런 다음 슬립을 여과하여 유기물이든 철분이든 상관없이 점토에서 발견되는 천연 오염물질을 제거합니다. 그런 다음 슬립을 약 22% 수분의 필터 케이크로 압축하고 이를 잘게 썰어 블록으로 압출합니다. 마지막으로 원통형 블랭크 또는 퍼그가 압출됩니다. 5~6주에 걸쳐 블랭크를 뒤집어 수분 함량이 1% 미만이 되도록 건조합니다. 일관된 체력을 유지하려면 완제품에 이르기까지 이 모든 단계도 일관되게 관리되어야 합니다. 입자 크기, 화학적 조성, 필터 케이크의 수분 함량, 블랭크의 경도 및 건조 기술이 모두 본체 강도의 예측 가능성을 결정합니다. 필터 케이크 압착부터 소성용 절연체를 준비하는 건조기 사용에 이르기까지 젖은 점토의 여러 건조 단계는 도자기 절연체의 핵심 생산 단계이며 아마도 건조에서 가장 중요한 단계는 수분 함량 18%에서 1% 미만으로 젖은 형태를 취하는 것입니다. 상대적으로 얇은 창고가 물을 방출할 가능성이 훨씬 더 높음에도 불구하고 얇은 창고와 두꺼운 코어는 동일한 속도로 건조되어야 하기 때문입니다. 절연체를 천천히 건조시키는 데 최대 6주가 필요할 수 있으며 많은 제조업체에서는 이를 보장하기 위해 적절한 제어 장치를 갖추고 있습니다. 여전히 숙련된 직원과 세부 사항에 대한 지속적인 관심이 필요합니다.
플라스틱/습식 공정으로 제작된 도자기 절연체의 터닝(오른쪽 사진) 및 건조.
도자기 절연체의 대체 제조 방법이 개발되어 위에서 설명한 건조 공정의 많은 단계를 제거했습니다. 제공되는 중요한 이점은 재료 강도의 변동 가능성을 줄이는 데 도움이 되는 훨씬 더 일관된 프로세스입니다. 등방성이라고 불리는 이 방법은 슬립을 미세한 분말로 건조시키는 것부터 시작하여 큰 힘을 가해 건조한 실린더에 밀어 넣습니다. 고유한 장점은 상대적으로 짧은 시간에 건식 원통형 블랭크를 생산할 수 있다는 것입니다. 실제로, 등방성 방법을 사용하여 생산된 단열재는 습식/플라스틱 생산에 필요한 6주 이상의 생산 시간에 비해 2주 미만의 생산 시간을 갖습니다. 또한, 선삭은 건식으로 수행됩니다. 이는 습식 회전 프로파일에서 건조/소성 준비 상태로의 수축을 제거하고 공차를 더 엄격하게 만듭니다. 건식 프레스 블랭크에는 습식 압출 블랭크에서 볼 수 있듯이 특별한 입자 방향이 없습니다. 젖은 몸체가 압출기 목을 통해 압출되기 때문에 점토와 압출기 벽 사이의 마찰로 인해 벽을 따라 점토 흐름이 훨씬 느려질 수 있습니다. 블랭크 내부에서는 내부 응력을 유발하는 전단이 발생하여 가마의 고장을 일으키고 기계적 강도를 감소시킬 수 있습니다. 블랭크에서 절연체가 어디에서 나오는지에 따라 이러한 전단 영역은 표면 근처에서 끝날 수 있습니다. 주목할만한 특징 중 하나는 도자기 절연체가 건조되면서 형성되는 캠버입니다.
결론
내진 서비스 조건에서 도자기 단열재의 성능을 향상시키는 것은 주로 중량 감소 방법을 통해 가능합니다. 고강도 재료를 사용하고 일관된 제조 프로세스를 유지하는 것은 구체적인 실제 적용을 기반으로 설계를 최적화하면 최고의 성능을 보장할 수 있습니다.