Максимизация и проверка предельной емкости в высокопрочных изоляторах

Проекты энергосистем с «высокой прочностью» обычно получают особое внимание, поскольку изоляторы высокой прочности могут повысить эффективность проекта за счет более короткой продолжительности и более низкой общей стоимости.Но для достижения этой эффективности необходимо выйти за рамки традиционного мышления при проектировании линий и изучить новые решения.Следующая задача — убедиться, что они действительно работают и что новый подход стоит затраченных усилий.В этом отредактированном вкладе в INMR Эдварда Ниедоспиала, технического директора по трансмиссии MacLean Power Systems в США, обсуждается, как можно улучшить изоляторные приложения для достижения более высоких характеристик, а также как их можно протестировать и проверить.

Подвесные и натяжные изоляторы

Механическая нагрузка подвесных изоляторов проста, а определения заданной механической нагрузки (SML) и номинальной растягивающей нагрузки (RTL) хорошо понятны и легко поддаются количественной оценке.Независимо от применения, основная нагрузка, приложенная к изолятору, является растягивающей.Более того, при любом указанном номинале СМЛ изолятор не ограничивается длиной секции.После этого тестирование может быть завершено как часть производственного процесса на заводе или в сторонней лаборатории, где установка теста несложна, а процесс тестирования является стандартным.

Максимальное увеличение прочности подвесного изолятора на растяжение зависит от увеличения диаметра стержня, модернизации концевых фитингов и оптимизации сжатия концевых фитингов на стержне сердечника во время опрессовки.Действительно, одним из ключевых элементов при опрессовке является достижение максимально возможного предела прочности при растяжении без растрескивания или иного перенапряжения стержня.В то время как SML 30 klb и 50 klb были одними из наиболее часто используемых пределов прочности для полимерных изоляторов, приложения для подвески могут фактически доходить до SML 120 klb и выше, если это необходимо.

Прочность на растяжение

SML = заданная механическая нагрузка = предельная номинальная растягивающая нагрузка для изолятора.

RTL = номинальная растягивающая нагрузка = рабочая растягивающая нагрузка для изолятора в эксплуатации.(Примечание: условия эксплуатации должны включать коэффициенты безопасности для ледовой и ветровой нагрузки.)

Разрушающая нагрузка при растяжении = TFL = нагрузка, при которой изолятор разрушается во время растягивающей нагрузки по одному из 3 возможных видов разрушения:

1. Снятие концевого фитинга

Это наиболее распространенный вид отказа, который можно контролировать и прогнозировать в зависимости от процесса опрессовки во время производства.

2. Разрыв концевого фитинга

Это следующий наиболее распространенный вид отказа, при этом концевые фитинги шарового типа потенциально имеют самые низкие разрывные нагрузки.Предел концевого фитинга напрямую связан с тем, какой конкретный тип концевого фитинга используется, а также со стандартами, регулирующими эту конструкцию (например, ANSI, IEC, CSA и т. д.).

3. Разрушение стержня

Это наименее распространенный вид отказа, т. е. разрушение основного стержня при растяжении.Предел стержня зависит от его диаметра

Предел повреждения = нагрузка, при которой изолятор начинает растягиваться, удлиняться или деформироваться.Это включает в себя растяжение или разрыв отдельных нитей стекловолокна внутри стержня, а также удлинение и деформацию концевых фитингов.

Нижний контрольный предел = конструктивное ограничение, налагаемое изготовителем в рамках процесса подтверждения предела прочности изолятора на растяжение.Обычно это поддерживается и определяется некоторой формой статистического управления процессами (SPC).

При проверке SML для подвески данные испытаний на растяжение должны обеспечивать диапазон разрушающих нагрузок.Чем шире этот диапазон, тем менее контролируемым является производственный процесс.Таким образом, целью любого производителя будет иметь более узкий диапазон отказов, что свидетельствует о том, что процесс находится под контролем.

После определения средней разрушающей нагрузки SPC можно использовать для определения нижнего контрольного предела для этого изолятора и производственного процесса.Отсюда и критические вопросы:

• На сколько процентов выше SML должна быть нагрузка нижнего контрольного предела?

• Это определено или рассмотрено в стандарте?

С технической точки зрения, испытание на растяжение будет считаться «пройденным», если разрушающая нагрузка всего на 1 фунт превышает рейтинг SML.Но это было бы не идеально, так как оставляет мало места для ошибок при изготовлении.В идеале в этот процесс должен быть включен некоторый расчетный коэффициент безопасности.

На рис. 3 показано, что средняя разрушающая нагрузка предполагается на 20 % выше 50 000 SML, а нижний контрольный предел составляет 10 % выше 50 000 SML.Эти значения были выбраны случайным образом для справки и обсуждения.

Предел повреждения изолятора зависит от разрушающей нагрузки при растяжении, обычно в пределах от 75% до 85% от наименьшего TFL. Это не функция рейтинга SML.В идеале предел урона должен быть близок к рейтингу SML, а также на безопасном расстоянии от рейтинга RTL.

Пример: предел урона для TFL весом 60 000 фунтов.

• Предположим, что минимальная разрушающая нагрузка при растяжении = 57 000 фунтов.

• 75% минимального TFL = 43 000 фунтов.

• 85% минимального TFL = 49 000 фунтов.

Затем можно с уверенностью сделать вывод, что этот изолятор SML 50 кОм может выдержать экстремальную нагрузку до 40 000 фунтов.без повреждения изолятора.Если рассмотреть вопрос о добавлении новой номинальной нагрузки между SML и RTL, ее можно назвать TWL = выдерживающая нагрузка при растяжении.

Консольная нагрузка опорных изоляторов

В то время как растягивающая нагрузка понятна и проста, консольная нагрузка не является такой сложной задачей.Опять же, существуют предельные и рабочие номинальные значения, выраженные соответственно как SCL (указанная консольная нагрузка) и MDCL (максимальная расчетная консольная нагрузка).Но на этом сходство с механическим нагружением подвески заканчивается и усложняется консольное нагружение.

Изоляторы линейных и опорных стоек не выбираются по рейтингу SCL или рабочей нагрузке.Скорее, механические характеристики стойки ограничены длиной секции, так что по мере увеличения длины стойки (напряжения) ее предельная консольная мощность снижается.И наоборот, когда столб укорачивается, он приобретает механическую прочность, но также теряет электрические характеристики.Поэтому при выборе опорного изолятора необходимо обеспечить правильный баланс между механическими и электрическими характеристиками.

На механические характеристики стойки влияет тип концевой арматуры и соединительного основания.Оба являются частью стандартов, но не так четко определены, как критерии «годен/не годен», используемые для натяжных изоляторов.Помимо этих переменных, «Кривая нагрузки» или диаграмма взаимодействия, безусловно, является самой сложной частью почтового приложения.В отличие от натяжного изолятора, который выдерживает однократную растягивающую нагрузку независимо от применения, линейные и раскосные стойки подвергаются множеству комбинированных нагрузок, состоящих из вертикальных, поперечных (сжатие и растяжение) и продольных нагрузок.Цель кривой нагрузки состоит в том, чтобы учесть эти различные условия нагрузки и предоставить некоторые критерии «годен/не годен» для этого опорного изолятора.Все требуемые условия нагрузки должны находиться на кривой MDCL (рабочей) или ниже нее.Любая нагрузка выше MDCL может вызвать проблемы и должна быть тщательно проверена, прежде чем продолжить.

Ни один кантилеверный тест не подтверждает окончательную и рабочую оценку столба.Например, комбинированная вертикальная и сжимающая нагрузка будет иметь более низкий предел потери устойчивости, чем комбинированная вертикальная и растягивающая нагрузка.Следовательно, каждый из этих вариантов нагрузки будет иметь разные результаты в отношении SCL и MDCL.Тестирование может быть выполнено на заводе для большинства приложений с линейными стойками, а также для некоторых приложений с раскосами.Однако кантилеверные испытания не могут быть завершены как часть производственного процесса.К счастью, различные сторонние испытательные лаборатории могут проводить кантилеверные испытания.Некоторые из них могут быть ограничены испытанием одновекторной нагрузки (т. е. традиционным методом испытаний), в то время как другие имеют возможность испытания многоосевой нагрузки, что обеспечивает лучшее представление реальных условий нагрузки, которым изолятор может подвергаться в процессе эксплуатации.

Кривые нагрузки/рейтинги/валидация

Показатели SCL и MDCL на чертежах линейных стоек представляют собой одиночные условия нагрузки на кривой нагрузки.На рис. 6, например, показано, что точка, в которой каждая кривая пересекает ось Y диаграммы, соответствует рейтингу, указанному на чертеже.Эти рейтинги представляют собой вертикальные нагрузки с нулевой поперечной нагрузкой и без продольной нагрузки.

Поперечные нагрузки на отрицательной стороне диаграммы представляют собой сжимающие нагрузки, а комбинированные сжимающие нагрузки уменьшают консольную способность стойки.Поперечные нагрузки на положительной стороне диаграммы представляют собой растягивающие нагрузки, и на этой стороне стойка имеет большую комбинированную грузоподъемность.При проектировании линии электропередачи со стойками относительно поперечной нагрузки лучше расположить стойки так, чтобы проводник отходил от опоры (при растяжении), а не втягивался в опору (при сжатии).

MDCL или кривая рабочего кантилевера составляет 50% от конечной кривой или SCL.Однако бывают случаи, когда клиент требует, чтобы MDCL составлял 40% от SCL, что является более консервативным значением для рабочей кривой.Добавление этого коэффициента безопасности к рейтингу MDCL может быть связано, например, с отсутствием определенной взаимосвязи между CBL и SCL.Нагрузки CBL (отказы консоли) должны быть на несколько процентов выше SCL, а не прямо на краю SCL, например, на 1 фунт выше.Если бы CBL был определен и требовалось, чтобы он был на 10 % выше, чем рейтинг SCL, не было бы необходимости помещать 10-процентный коэффициент безопасности на рабочую кривую.Предел повреждения столба также зависит от CBL и в идеале должен быть ближе к SCL, чем к MDCL.Столб может подвергаться большему количеству событий пиковой нагрузки из-за льда и ветра.Если приложенные нагрузки уже находятся на граничном пределе, такие пики выше MDCL могут снизить первоначальную целостность штифта.Если эти события происходят часто, результатом может быть постусталость.

Максимальное использование консольных приложений

Изолятор линейной стойки ограничен длиной секции, так что чем длиннее стойка, тем больше диаметр сердечника, необходимый для выдерживания консольных нагрузок.Хотя можно использовать штифты большого диаметра (например, 3 или 3,5 дюйма) для более длинных штифтов, скорость увеличения MDCL не пропорциональна скорости увеличения затрат.Именно в этот момент имеет смысл переход от линейной стойки к опорной стойке, поскольку добавление распорки к 2,5-дюймовой стойке может обеспечить до 7 раз большую консольную нагрузку при минимальном увеличении стоимости сборки.

Таким образом, переход от линейных стоек к стойкам с раскосами является одним из способов максимизировать консольные приложения.Однако сборка раскосной стойки с использованием традиционного оборудования линейных стоек (т. е. основания и концевых фитингов) может быть ограничена оборудованием.Как правило, эти фитинги и основания рассчитаны на более низкие предельные нагрузки линейной стойки, а не на гораздо более высокие требования, предъявляемые к опорной стойке.Таким образом, для максимизации несущей способности консольной стойки потребуется модернизация базового соединения, а также прочности концевого фитинга линии.Таким образом, в любой максимально растянутой конструкции стойки должным образом учитываются все потенциальные ограничения, и результирующее ограничение сборки должно быть пределом изгиба стойки.Слишком часто уделяется чрезмерное внимание модулю упругости и К-фактору стержня, тогда как на самом деле именно оборудование, используемое различными поставщиками изоляторов, в гораздо большей степени влияет на изменчивость номинальных нагрузок и кривых нагрузки, чем стержень.

Основание является наиболее важной частью любой опорной стойки, поскольку оно передает комбинированные нагрузки проводника через стойку на башню.Традиционно основания не были рассчитаны на такие высокие нагрузки на опорные стойки и поэтому более подвержены деформации от натягивания и продольных нагрузок.Чтобы получить максимальную несущую способность от опорного изолятора, соединение основания с башней должно быть фиксированным и как можно более жестким.

Само основание должно быть низкопрофильным и изготовлено из более прочных материалов, таких как высококачественная сталь или более толстое поперечное сечение, чтобы соответствовать ожидаемой нагрузке при применении опорной стойки.Болтовая окружность является идеальным концевым фитингом башни для этих более надежных применений.

Концевой фитинг линейной стойки, в данном случае стандартный откидной язычок линейной стойки, является слабым звеном традиционной сборки раскосной стойки, поскольку этот фитинг не обладает достаточной прочностью на растяжение, чтобы выдерживать более высокие комбинированные нагрузки на расчалку стойки.Этот недостаток только усугубляется тем, что угол вытягивания изменяет предел прочности фитинга.В то время как арматура имеет наибольшую прочность, когда оба уха растянуты прямо в стороны, если вместо этого оба уха растягиваются под углом, прочность на разрыв уменьшается по мере увеличения угла.Таким образом, максимальная производительность любой опорной стойки может быть достигнута только в том случае, если ограничение концевого фитинга линии будет преодолено с помощью более прочного переходного кронштейна (лучше всего, если он будет установлен на концевом креплении с круговым болтом на стойке).

Подкосный изолятор в основном выдерживает вертикальные нагрузки и некоторые поперечные нагрузки.Нагрузочную способность расчалки можно увеличить, увеличив показатель SML изолятора подвески.Изолятор распорки редко, если вообще когда-либо, будет ограничением для распорки.Маловероятно, что он когда-либо будет нагружен до точки разрыва, поскольку стержень или концевой фитинг, скорее всего, выйдет из строя задолго до расчалки.

Теперь, с новым основанием, концевым соединением линии и увеличенной скобой SML, последним компонентом, который необходимо обновить, является основной стержень.Как уже упоминалось, когда пределы для всех отдельных элементов раскосной стойки равны, сборка будет ограничена изгибом стержня:

• Стойка в раскосной стойке в первую очередь выдерживает сжимающие и продольные нагрузки;

• Стойка наиболее устойчива к сжатию при установке при нулевом подъеме;

• Предел изгиба зависит как от диаметра стержня, так и от длины секции штифта.По мере увеличения длины стойки должен увеличиваться и диаметр ее стержня.

Тестирование и проверка опорной стойки

Тестирование каждого отдельного компонента имеет важное значение, и ниже приведены отдельные тесты для опорной стойки:

• База – Сопротивление продольной нагрузке [натяжка, обслуживание, оборванный проводник];

• Подкосный изолятор – испытание на растяжение SML;

• Фурнитура для скоб – испытание на растяжение;

• Кронштейн – испытание с фиксированной консолью для проверки прочности на растяжение при растяжении под разными углами;

• Пост-тесты на изгиб и сжатие для различных длин и диаметров стержней.

Значения испытаний отдельных компонентов должны быть частью комбинированной кривой нагрузки, чтобы установить граничные пределы.Все эти значения входят в уравнение потери устойчивости, которое не только управляет формированием кривой, но также учитывает переменную геометрию раскосной стойки (длину секции, высоту сборки, угол подъема и т. д.).Проверка кривой нагрузки требует полномасштабных испытаний узла опорной стойки, тестирования ряда комбинированных вариантов нагрузки, которые охватывают экстремальные нагрузки на концах кривой, а также несколько вариантов нагрузки вдоль кривой между этими экстремальными нагрузками.

Тестирование оптимизированной опорной стойки:

• Сборка раскосной стойки должна быть настроена в соответствии с полевыми условиями, максимально точно совпадая с геометрией стойки в отношении схем крепления болтов и наружного диаметра стойки в основании соединения.

• При испытаниях следует использовать болты того же типа (типа и качества), которые будут использоваться в эксплуатации.

• Многоосевое испытание – испытание должно включать как минимум 3-х осевое испытание для моделирования вертикальных, поперечных и продольных нагрузок, которые будут применяться к опорной стойке в процессе эксплуатации.

• Испытания должны включать продольное сдерживание для имитации жесткости, придаваемой проводником наконечнику стойки.Незакрепленная опорная стойка может свободно «ходить» в любом направлении, которое диктует комбинированная нагрузка.Но в сервисе конец поста не может свободно перемещаться наугад.Дирижер добавляет к уравнению.

• В каждом испытательном примере будут приниматься 3 отдельные нагрузки в условиях эксплуатационной нагрузки, а затем добавляется сжатие для имитации ветровых нагрузок или дополнительная вертикальная нагрузка для имитации гололедных нагрузок.

• Каждый тест будет доведен до отказа.

• Во время испытаний, когда стойка изгибается и в конечном итоге изгибается, результирующее напряжение будет влиять на характеристики основания и монтажного болта, когда стойка с раскосами приближается к своему CBL.

В конце концов, цель тестирования состоит в том, чтобы собрать точки данных, подтверждающие точность рейтинга SCL сборки, что придает дополнительную достоверность расчетной кривой нагрузки.Данные об изгибе помогут определить, когда нагрузки приближаются к пределу повреждения.Стержень лесоукладывателя будет оставаться практически жестким на протяжении большей части последовательности испытаний.Но по мере того, как стержень приближается к пределу изгиба, стойка переходит из жесткого состояния в гибкое, что быстро приводит к выходу из строя стержня, основания или болтов.

CBL для высокопрочной опорной стойки — это когда что-то ломается в сборке.Часто это будут болты, которыми стойка крепится к башне.Оценка SCL для той же высокопрочной опорной стойки должна быть на уровне до того, как стойка перейдет из жесткой в ​​гибкую.

Выводы

Независимо от того, рассматриваете ли вы подвесные, линейные или опорные изоляторы для высокопрочных приложений, ключи к успеху включают:

1. Знать и понимать текущие ограничения приложения.Что-то нельзя сделать сильнее, не определив сначала, что может сделать это слабым.

2. При достижении ограничения определите, какое обновление необходимо для преодоления этого ограничения.

3. Продолжайте искать, что еще должны делать некоторые компоненты.

4. Не поддавайтесь влиянию только того, как что-то делалось в прошлом, поскольку это может помешать реальному прогрессу.

Высоконадежные приложения открывают новые возможности и могут стать решением для сокращения продолжительности проекта, снижения затрат и повышения надежности линии электропередачи.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, только для технического обучения и общения.