Kiedy zespół projektowy siada, aby określić ciągi izolatorów dla nowej linii-wysokiego napięcia, wybór między szkłem a porcelaną zwykle zostaje szybko rozstrzygnięty, często w oparciu o przyzwyczajenie, konwencję regionalną lub to, czego kierownik ds. zaopatrzenia pozyskał podczas ostatniego zadania. To niekoniecznie jest złe. Obydwa materiały są w użyciu od ponad stulecia i nadal działają niezawodnie w szerokim zakresie środowisk transmisyjnych. Problem polega na tym, że pozostawienie takiego rozwiązania bez zrozumienia rzeczywistych kompromisów-technicznych pomiędzy nimi prowadzi do przekroczenia kosztów, nieoczekiwanych obciążeń konserwacyjnych, a czasami przedwczesnej wymiany sprzętu, który powinien był trwać dziesiątki lat dłużej.
W tym przewodniku porównanie odbywa się z perspektywy osoby faktycznie podejmującej taką decyzję, biorąc pod uwagę materiały, parametry mechaniczne i elektryczne, awarie,-długoterminowe starzenie się oraz warunki praktyczne, które rzeczywiście przechylają szalę w tę czy w drugą stronę.
Wieża transmisyjna sznurka izolatora zawieszenia Flass
Czym właściwie jest każdy materiał
Izolatory porcelanowe produkowane są z mieszaniny kaolinu, skalenia i kwarcu, wypalanych w kontrolowanych wysokich temperaturach, aż materiał stwardnieje i utworzy twardą, gładką masę ceramiczną. Rezultatem jest wytrzymały mechanicznie produkt o wartości wytrzymałości na ściskanie około 70 000 kg/cm², czyli znacznie wyższej niż w przypadku szkła. Porcelana wyjątkowo dobrze znosi obciążenia ściskające, co wyjaśnia, dlaczego pozostaje standardem dla izolatorów wsporczych stacji, izolatorów liniowych i podobnych konstrukcji, w których dominują siły ściskające skierowane w dół lub boczne.
Izolatory ze szkła hartowanego przechodzą inny proces produkcyjny. Szklany krążek jest podgrzewany, a następnie szybko chłodzony w kontrolowanej kąpieli hartowniczej, która indukuje naprężenia ściskające w zewnętrznej warstwie powierzchniowej i naprężenia rozciągające w rdzeniu. Ten proces hartowania nadaje szkłu wytrzymałość dielektryczną około 140 kV/cm, znacznie wyższą niż porcelana 60 kV/cm. Powstały krążek doskonale nadaje się do linek zawieszenia z kołkami-i-kołkami stosowanymi w liniach przesyłowych wysokiego-i bardzo-wysokiego-napięcia, gdzie konstrukcją rządzi obciążenie rozciągające, a nie ściskające.
Wytrzymałość mechaniczna: Uważne czytanie liczb
Na pierwszy rzut oka dane mechaniczne wydają się sprzeczne. Porcelana ma znacznie lepszą wytrzymałość na ściskanie. Szkło hartowane ma znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie, wynoszącą około 35 000 kg/cm² w porównaniu do porcelany o wartości 500 kg/cm². W szczególności w przypadku izolatorów zawieszenia liczy się wytrzymałość na rozciąganie, ponieważ krążek wisi na sznurku i poprzez napięcie przenosi ciężar i obciążenie wiatrem znajdującego się pod nim przewodu. Szkło wygrywa to porównanie z dużą przewagą.
Liczby nie oddają zmienności. Badania dotyczące izolatorów wycofanych z użytku po 25–30 latach wykazały, że resztkowa wytrzymałość mechaniczna elementów porcelanowych różniła się znacznie w zależności od producenta. Niektóre wykazały jedynie marginalną degradację w stosunku do oryginalnych wartości znamionowych. Inne wykazały znaczną redukcję. Izolatory szklane z tych samych badań wykazały znacznie mniejsze rozrzuty wokół ich znamionowej wytrzymałości na rozciąganie, pozostając blisko oryginalnych wartości projektowych nawet po dziesięcioleciach ekspozycji na zewnątrz. Dla menedżerów ds. zakupów współpracujących z wieloma dostawcami w ramach długiego projektu ta spójność ma prawdziwą wartość.
Wykrywanie usterek: argument, który często o tym decyduje
W tym właśnie miejscu izolatory szklane mają największą przewagę i jest to zaleta, którą inżynierowie w tej dziedzinie natychmiast rozumieją.
Kiedy dysk ze szkła hartowanego ulegnie uszkodzeniu na skutek przebicia elektrycznego, przeciążenia mechanicznego lub naprężenia termicznego, dysk całkowicie się rozbije. Szklana skorupa odpada, pozostawiając jedynie metalową nasadkę i szpilkę łączącą sznurek. Ponieważ szkło hartowane przechowuje resztkowe naprężenia wewnętrzne powstałe w procesie hartowania, wszelkie pęknięcia szybko rozprzestrzeniają się po całym dysku. Sznurek nie opada. Nasadka i szpilka zachowują wystarczającą wytrzymałość, aby utrzymać żyłkę. Jednak brakujący dysk jest wyraźnie widoczny z ziemi lub z helikoptera podczas rutynowego patrolu.
Porcelana zachowuje się inaczej. Uszkodzony krążek porcelanowy może wyglądać na całkowicie nienaruszony z zewnątrz. Awaria następuje wewnętrznie, poprzez korpus dysku, bez żadnych zewnętrznych oznak uszkodzenia izolacji. Jedynym niezawodnym sposobem na wykrycie działającego izolatora porcelanowego o wartości zerowej-jest przetestowanie go elektrycznie, albo poprzez pomiar rezystancji izolacji za pomocą miernika, albo za pomocą narzędzia do wykrywania-napięcia linii pod napięciem, gdy sznurek jest pod napięciem. Obie metody wymagają przeszkolonego personelu pracującego w pobliżu ciągu, co oznacza podwyższone ryzyko, specjalistyczny sprzęt i znaczny koszt w przeliczeniu na cykl inspekcji.
W przypadku linii przesyłowych przebiegających przez odległy teren, gdzie ekipy inspekcyjne odwiedzają je rzadko i gdzie uszkodzony ciąg może pozostać niewykryty przez miesiące, różnica ta ma ogromne znaczenie. Linie w regionach górskich, korytarzach pustynnych lub w poprzek przepraw przez rzeki, do których dostęp jest utrudniony,-dobrze nadają się do szkła właśnie dlatego, że wadliwe dyski identyfikują się same bez żadnych aktywnych testów.
Starzenie się i wydajność-w perspektywie długoterminowej
Obydwa materiały starzeją się, ale starzeją się inaczej, a zrozumienie tej różnicy znacząco wpływa na kalkulację kosztów cyklu życia.
Porcelana podlega procesowi zwanemu powolnym wzrostem pęknięć, podczas którego mikro-pęknięcia w korpusie ceramicznym stopniowo rozszerzają się pod długotrwałym obciążeniem mechanicznym i termicznym. W ciągu dziesięcioleci może to prowadzić do stopniowego zmniejszania się wytrzymałości mechanicznej, którego nie da się wykryć z zewnątrz dysku. Wytrzymałość elektryczna może również spaść, gdy korpus porcelany wchłania śladową wilgoć przez mikro-pory, szczególnie w starszych izolatorach, w których proces wypalania w piecu był mniej kontrolowany, niż wymagają tego współczesne standardy. Badania z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej na starzonej porcelanie potwierdziły znaczne różnice mikrostrukturalne pomiędzy producentami, przy czym niektóre starsze próbki wykazały mierzalną degradację zarówno parametrów mechanicznych, jak i elektrycznych.
Izolatory szklane nie mają tego mechanizmu starzenia. Ponieważ szkło hartowane nie jest-porowate, wchłanianie wilgoci przez ciało jest w zasadzie zerowe. Właściwości mechaniczne i elektryczne szkła hartowanego pozostają stabilne w czasie w sposób, którego porcelana nie może w pełni dorównać. Głównym problemem związanym ze szkłem o długim okresie użytkowania jest gromadzenie się zanieczyszczeń na powierzchni, szczególnie w środowiskach przemysłowych lub przybrzeżnych, gdzie zanieczyszczenia z powietrza osadzają się na powierzchni dysku i tworzą ścieżki prądu upływowego podczas deszczowej pogody.
Zanieczyszczenie i środowisko
W środowiskach lekko i średnio zanieczyszczonych różnice między szkłem i porcelaną pod względem stopnia zanieczyszczenia są marginalne. Obydwa dość dobrze odprowadzają wodę i gromadzą osady powierzchniowe, które zmywają się podczas deszczu.
W silnie zanieczyszczonym środowisku szkło ma szczególną wadę. Gładka, płaska powierzchnia szklanego krążka umożliwia równomierną kondensację wilgoci i kontakt z nagromadzonymi zanieczyszczeniami, tworząc bardziej ciągłą warstwę przewodzącą niż szorstka, bardziej złożona powierzchnia porcelanowego krążka. Profil powierzchni porcelany, z halkami i żebrami, ma tendencję do zatrzymywania wody deszczowej w sposób, który może zakłócić warstwę przewodzącą i zmniejszyć prąd upływowy.
W tym miejscu warto wspomnieć o trzecim materiale. Kompozytowe izolatory polimerowe, zbudowane wokół pręta z włókna szklanego z osłoną z gumy silikonowej, radzą sobie lepiej zarówno ze szkłem, jak i porcelaną w warunkach silnie zanieczyszczonych, ponieważ guma silikonowa jest z natury hydrofobowa. Woda na powierzchni gumy silikonowej tworzy kulki, a nie ciągłą warstwę, co zapobiega tworzeniu się przewodzącej warstwy powierzchniowej, która powoduje rozgorzenie zanieczyszczeń. W przypadku linii przebiegających przez przybrzeżne strefy przemysłowe, obszary rolne o dużym zużyciu pestycydów lub w pobliżu cementowni i zakładów chemicznych technologia polimerów wypełnia lukę, której nie wypełnia w pełni ani szkło, ani porcelana.Odgromniki polimeroweprzy użyciu tej samej technologii obudów z gumy silikonowej działają na tej samej zasadzie, dlatego w dużej mierze zastąpiły one starsze urządzenia przeciwprzepięciowe w-porcelanowej obudowie w środowiskach, w których zanieczyszczenie powierzchni jest stałym problemem.
Polimerowy odgromnik VICTORY
Jak właściwie wygląda decyzja o wyborze
Na to wskazują następujące warunkiizolatory zawieszenia szklanegojako lepszy wybór:
Linie o napięciu 220 kV i wyższym, zwłaszcza 500 kV i wyższym, gdzie wyższa wytrzymałość dielektryczna szkła hartowanego zapewnia znaczący dodatkowy margines w warunkach chwilowego przepięcia. Odległe lub trudno dostępne-przęsła, gdzie-samoczynnie zgłaszający się tryb awarii szkła zmniejsza koszty pracy związanej z inspekcją przez cały okres eksploatacji linii. Projekty, w których na różnych etapach zamówienia będzie korzystało z usług wielu dostawców, a węższy rozkład wytrzymałości mechanicznej szkła zapewnia bardziej spójne działanie niż porcelana pozyskiwana z mieszanych źródeł produkcyjnych. Programy wymiany na istniejących strunach szklanych, gdzie mechaniczna zamienność wymaga dopasowania do oryginalnego materiału.
Porcelana ma większy sens w następujących sytuacjach: zastosowania wymagające obciążenia ściskającego, w tym izolatory wsporcze i wyposażenie stacji, gdzie liczy się wytrzymałość porcelany na ściskanie. Poziomy napięcia dystrybucyjnego, w przypadku których przewaga wytrzymałości dielektrycznej szkła jest mniej istotna w stosunku do marginesu projektowego. Linie na obszarach o umiarkowanym zanieczyszczeniu i z regularnymi harmonogramami inspekcji, gdzie koszty inspekcji związane z wykrywaniem porcelany o zerowej-wartości można pokryć w ramach normalnych budżetów na konserwację. Projekty, w których istniejący łańcuch dostaw, protokoły testowania i personel zajmujący się konserwacją są zbudowane wokół porcelany, a zmiana materiałów spowodowałaby koszty przejścia.
Szklane izolatory zawieszane na poziomach napięcia przesyłowego stanowią jedną z niewielu decyzji zakupowych, w przypadku których wybór materiału ma bezpośredni i wymierny wpływ na koszty konserwacji w ciągu 40-letniego okresu użytkowania sprzętu. To wystarczająco długo, aby kilka punktów procentowych dodatkowych kosztów inspekcji rocznie zgromadziło się w znaczącej linii budżetowej.
Kompatybilność sprzętu
Praktyczną kwestią, która czasami jest pomijana przy wyborze materiału, jest to, że szklane i porcelanowe krążki-i-z zawieszką na trzpień zazwyczaj korzystają z tych samych wymiarów-i-złączy kulowych, znormalizowanych zgodnie z normą IEC 60305. Oznacza to, że w zasadzie sznurki mogą łączyć w jednym sznurku krążki szklane i porcelanowe, a wymienne krążki z dowolnego materiału mogą zastąpić drugie, jeśli klasa mechaniczna jest zgodna. Ta wymienność upraszcza zarządzanie częściami zamiennymi i ułatwia przełączanie między materiałami w ramach wymiany bez konieczności wycofywania funkcjonalnego sprzętu.
Metalowe nasadki i kołki stosowane zarówno w zespołach szkła, jak i porcelany to-cynkowane ogniowo żeliwo ciągliwe lub żeliwo sferoidalne, a ich specyfikacja jest niezależna od materiału krążka. Kupujący zaopatrujący się w kompletne struny powinni potwierdzić, że specyfikacje sprzętu, w szczególności średnica kulki i wymiary gniazda, odpowiadają normom IEC, a nie zastrzeżonym wymiarom, które ograniczałyby możliwości zaopatrzenia w przyszłości.
Streszczenie
Izolatory zawiesinowe szklane i porcelanowe to dojrzałe, sprawdzone technologie z dużym doświadczeniem w zastosowaniach przekładniowych na całym świecie. Wybór między nimi nie polega na tym, który materiał jest lepszy w wartościach bezwzględnych. Pytaniem jest, który materiał pasuje do konkretnego środowiska operacyjnego, reżimu inspekcji, poziomu napięcia i ograniczeń zakupowych danego projektu.
Szkło zapewnia wyższą wytrzymałość dielektryczną, doskonałą wytrzymałość na rozciąganie, przejrzyste wykrywanie usterek i stabilniejsze-starzenie się. Porcelana oferuje lepszą wytrzymałość na ściskanie, niższą wrażliwość powierzchni dysku na wilgoć w czystym środowisku oraz głębszą globalną bazę produkcyjną, która może obsługiwać bardzo duże wolumeny zamówień po konkurencyjnych cenach.
W przypadku większości nowoczesnych projektów przesyłu-wysokiego napięcia, szczególnie przy napięciu 220 kV i wyższym, a zwłaszcza na liniach, na których dostęp inspekcyjny jest ograniczony, szkło jest lepszym wyborem pod względem technicznym. W przypadku infrastruktury dystrybucyjnej i zastosowań związanych z obciążeniami ściskającymi porcelana pozostaje rozsądną i opłacalną-rozwiązaniem. Inżynierowie i zespoły zakupowe, którzy rozumieją obydwa materiały, zamiast skupiać się na jednym, to ci, którzy otrzymują infrastrukturę przesyłową, która działa zgodnie z projektem przez cały okres użytkowania bez nieprzyjemnych niespodzianek.