Механические соображения для композитных изоляторов с раскосами

В этой статье, основанной на документе, представленном на прошлом ВСЕМИРНОМ КОНГРЕССЕ INMR Р.А. Бернсторфом, в то время главным инженером по изоляторам в Hubbell Power Systems (сейчас на пенсии), предлагается обзор ключевых соображений, касающихся нагрузки и применения сборок раскосных стоек.

Введение

Изолятор представляет собой механическую опору.Это основная причина его существования.Традиционно изоляторы трансмиссии подвешивались к опорам башни.Поскольку эти опоры башни также служат механическими опорами, естественным прогрессом было бы использование изоляторов для замены опор конструкции.Первоначальные усилия в этом направлении включали использование изоляторов линейных опор.Концепция была привлекательной по нескольким направлениям.Использование линейных стоек в качестве изолирующих рычагов конструкции уменьшило общий размер опорных башен.Кроме того, за счет отказа от традиционной двутавровой струны конструкция позволила более точно зафиксировать положение проводников в пространстве, уменьшив требуемую ширину полосы отчуждения и обеспечив соответствующие зазоры для подъема.

Ранняя конструкция столба с раскосами с использованием фарфоровых изоляторов.

Ранние модели были изготовлены из фарфора.Первоначально использовавшиеся для напряжения 69 кВ и ниже, конструкции были расширены для работы с более высокими напряжениями за счет увеличения длины.По мере увеличения длины секций (и приложенного напряжения) линейные стойки должны были выдерживать более высокие моменты.К счастью, поперечное сечение (диаметр) стоек можно было отрегулировать для достижения соответствующей прочности консоли.К сожалению, вес агрегатов увеличился пропорционально увеличению диаметра квадрата.

Поскольку основное направление нагрузки было вертикальным, была задумана треугольная структурная сборка, которая устранила бы недостатки конструкции линейной стойки.Линейный столб и существующая опорная конструкция использовались как две опоры треугольника.Третья опора была создана путем добавления направленного вверх изолятора распорки от конца линии линии к башне, чтобы поддержать вертикальную прочность и поместить линию в ситуацию с чисто сжимающей нагрузкой.Это было идеально для фарфоровой штифтовой линии, так как фарфор наиболее прочен при сжатии.Кроме того, к наземному концу линейной стойки был добавлен универсальный шарнир, превративший его в сжимающую стойку.Универсальный шарнир исключил возможность приложения консольной нагрузки к сжимающей стойке.К заземляющему концу изолятора с угловой распоркой был добавлен укороченный рычаг, чтобы придать угол от поверхности конструкции к линии поворотного шарнира конструкции.Этот угол шарнира обеспечивал сопротивление продольному движению сборки в условиях несбалансированной нагрузки проводника, заставляя сборку раскачиваться в гору.Все соединения концевых фитингов стойки были выровнены по оси стойки, чтобы свести к минимуму любые приложенные моменты.Эти концепции были первоначально разработаны компанией Lapp Insulator Company, и линейная стойка с распоркой получила обозначение «Горизонтальная-Vee».

Рисунок 1

Линейный столб раскосов с композитными изоляторами.

В середине 1970-х годов были представлены некерамические изоляторы (NCI).Эти изоляторы решили ряд проблем, связанных с фарфоровыми изоляторами.В NCI использовалась высокая прочность на растяжение однонаправленного стержня из стекловолокна.Это контрастирует с фарфором, который демонстрирует свои лучшие характеристики при сжатии.Высокая прочность на растяжение стержня из стекловолокна позволила NCI иметь относительно небольшой диаметр стержня с сердцевиной, обеспечивая эквивалентную консольную прочность фарфору.В результате линейные штифты NCI имели прочность, эквивалентную фарфору, при весе примерно в треть веса фарфоровых штифтов.Линейные посты NCI давали дополнительное преимущество благодаря своей гибкости.Несмотря на любые преимущества, возникающие в результате замены NCI на фарфоровые линейные стойки и горизонтальные V-образные соединения, необходимы дополнительные соображения относительно нагрузки этих сборок.

Типы дизайна

Замена фарфоровых изоляторов на NCI в горизонтальном V-образном сечении была относительно простой.Подвесной изолятор был прямой заменой.Замена керамической стойки линейной стойкой NCI открыла несколько возможностей для дизайна.Гибкость NCI сделала их более устойчивыми к продольной и эксцентричной нагрузке.Традиционно универсальный шарнир использовался на заземляющем конце изолятора стойки.Но вертикальное штифтовое соединение (использующее гибкость изолятора стойки для поворота по восходящей дуге) также может быть использовано для упрощения конструкции.Сделав еще один шаг вперед в гибкости, в конструкции можно было использовать горизонтальную линейную стойку с усилением или плоским основанием и без угла поворота вверх.Тогда можно было бы исключить шлифованный конец коромысла из струны подвески.Эта конструкция стала стандартом для линейки продуктов и получила обозначение Braced Line Post (BLP).Типичная конструкция показана на рис. 1. В ней используется консольная прочность, присущая элементу линейной стойки для обеспечения продольной устойчивости, и упрощается монтаж за счет переноса изоляционной струны подвески расчалки назад к лицевой стороне мачты.

«Горизонтальная V-образная форма» была обозначена как Pivoting Horizontal-V (PHV), чтобы указать на замену универсального шарнира вертикальным шарнирным штифтом.Короткий рычаг на заземляющем конце изолятора подвески наклонял линию поворотного шарнира, придавая степень продольной устойчивости, которая зависела от поддерживаемой вертикальной нагрузки (см. рис. 2).

Рис. 2

А версия PHV с фиксированной базой получила обозначение Fixed Base Horizontal-V (FBHV).Продольная устойчивость наклонной линии шарнира была подкреплена консольной прочностью фиксированного элемента стойки базовой линии (см. рис. 3).

Рис. 3

Механические рейтинги

Допустимые нагрузки обычно назначаются конструкции как максимумы в одном направлении нагрузки.Обычно их четыре (см. рис. 4):

Вертикальный (В)
Продольный (Lf)
Поперечное растяжение (ТТ)
Поперечное сжатие (TC)
Последние два разделены, потому что линейный пост может иметь разные возможности в этих двух направлениях.
Поперечное растяжение (ТТ)
Поперечное сжатие (TC)
Последние два разделены, потому что линейный пост может иметь разные возможности в этих двух направлениях.

Рис. 4: Направления загрузки

Вертикальные рейтинги

Наибольшее механическое преимущество узла стойки с раскосами заключается в вертикальной нагрузке.Важно определить некоторые из основных параметров, которые будут обсуждаться, а также представить лучшее описание вариаций базовых конструкций.На рис. 5 показан общий вид узла опорной стойки с включенными параметрами конструкции.Применение этих параметров останется постоянным для всех обсуждаемых сборок.

Рис. 5: Габаритный чертеж стойки в сборе с раскосами.

Параметры

Диаграмма свободного тела, представленная на рис. 5, включает все параметры, связанные с конструкцией сборки.Эти параметры определяются следующим образом:

Pc ≡ Сжимающая нагрузка, приложенная к стойке/стойке.
ST ≡ Растягивающая нагрузка, действующая на изолятор подвесной распорки.
α ≡ Угол подъема от горизонтали стойки/элемента подкоса.
β ≡ Угол подъема от горизонтали опорного изолятора.
V ≡ Вертикальная нагрузка, приложенная к линейному концу сборки.
L ≡ длина секции линейной стойки в сборе

В базовой конструкции раскосной линейной стойки и подобных ей элементов необходимо уделить внимание всем компонентам сборки, обращая внимание на самый слабый компонент конструкции, иначе называемый слабым звеном.Нагрузки, прикладываемые к компонентам, являются функцией геометрии.И уравнения для этих нагрузок должны учитывать сумму сил в вертикальном и горизонтальном направлениях.

ΣFx = Pc*cos(α) – ST*cos(β) = 0 (1)

ΣFy = Pc*sin(α) + ST*sin(β) – V = 0 (2)

При проектировании узла раскосной стойки обычно известна прочность подвесной струны.С этой информацией уравнения (1) и (2) становятся двумя уравнениями с двумя неизвестными и легко решаются.Есть тот предостережение рассматривать.Нагрузки не могут превышать рейтинг самого слабого звена в любом из компонентов этой струны подвески.Предполагая, что все компоненты колонны подвески имеют расчетный предел прочности, равный или превышающий предел прочности изолятора подвески, RTL колонны подвески будет ST.Тогда перестановка уравнений 1 и 2 даст следующее:

V=ST*sin(β)+ (ST*cos(β)/cos(α))*sin(α) (3)

Уравнение (3), по-видимому, указывает на то, что вертикальная грузоподъемность стойки расчалки является функцией RTL (ST) струны подвески расчалки.

Но в уравнении (3) рассматривается только одна опора стойки в сборе с раскосами.Слабое звено по-прежнему будет определять доступную прочность сборки.

Зная ST и V, сжимающую нагрузку (Pc) на линейную стойку можно рассчитать по уравнению (4).

Pc = (V-ST*sin(β))/sin(α) (4)

Однако вычисление Pc не гарантирует, что линейный пост не является слабым звеном.Часто ограничивающим фактором становятся отверстия в лезвии концевого оборудования лески.Либо на длину линейной стойки можно накладывать ограничения в виде упругой потери устойчивости (см. рис. 6 и 7).

Рис. 6: Конструкция 500 кВ — вертикальная нагрузка 5000 фунтов

Рис. 7: Конструкция 500 кВ — вертикальная нагрузка 5000 фунтов

Как отмечалось во введении, NCI изначально разрабатывались для использования высокой прочности на растяжение однонаправленного стержня из стекловолокна.В результате НКИ имеют относительно небольшой диаметр сердечника.Это делает их более восприимчивыми к упругому выпучиванию при воздействии больших сжимающих нагрузок, которые могут возникнуть в результате приложения вертикальной нагрузки.

Частично это зависит от коэффициента гибкости (L/r) основного стержня, используемого в конструкции линейной стойки.Хотя упругое изгибание может не быть проблемой для относительно короткой опоры линии, оно может ограничивать нагрузки, доступные для конструкций, рассчитанных на напряжение выше 230 кВ.

Уравнения потери устойчивости Эйлера применяются к ситуации потери устойчивости, как показано ниже:

Нагрузка на изгиб = (π2*E*I)/(K*L)2 (5)

Где,

E = модуль Юнга
I = момент инерции
L = длина секции линейной стойки
K = Конечные условия строки сообщения

Все показанные параметры известны, за исключением K. В классической теории K представляет собой эффективную длину потери устойчивости нагруженной колонны и является функцией конечных условий для этой колонны.K может варьироваться от 2 для фиксированного/свободного столбца до ½ для фиксированного/фиксированного столбца.Таким образом, проблема заключалась в том, как определить K2 для приложения столбцов с фигурными скобками.

Самый прямой способ найти К2 был эмпирическим путем.В результате была проведена серия полномасштабных испытаний опор с раскосами, поворотных горизонтальных V-образных опор и горизонтальных V-образных опор с фиксированным основанием.После тщательного рассмотрения методов нагружения был использован метод со свободным весом для имитации вертикальной нагрузки и предотвращения любого смещения, которое могло бы возникнуть в результате нагрузки с фиксированной точкой.

Необходимо было разработать методы для определения начала упругого выпячивания.Субъективные суждения оказались непоследовательными.И из-за дискретных нагрузок, используемых со свободными весами, начало потери устойчивости часто ограничивалось.По мере совершенствования методов испытаний было обнаружено, что большая часть упругого выпячивания происходит в горизонтальной плоскости, при этом концевая арматура стойки линии демонстрирует продольное перемещение.Положение верхней крышки измеряли от продольной точки отсчета до прогиба гусеницы (см. рис. 8).

Рис. 8

Затем можно было бы вставить линии тренда в попытке определить начало упругого выпячивания.Данные, собранные ниже начала потери устойчивости, были линейными.Но нелинейный характер данных выше начала упругой потери устойчивости внес некоторую неопределенность в отношении точного начала (см. рис. 9).

Рис. 9

В то время как вертикальные нагрузки применялись напрямую, данные были преобразованы с использованием рекомбинации уравнений (1) и (2) для непосредственного определения сжатия на линейной стойке.

V =( Pc*cos(α)/ cos(β)) *sin(β)+Pc*sin(α) (7)

Или,

V = Pc*(cos(α)*tan(β)+ sin(α)) (8)

Так,

Pc = V/((cos(α)*tan(β)+ sin(α))) (9)

Различные конструкции были оценены на предмет возникновения упругого выпячивания с использованием этой методики.На рис. 10 показаны данные, собранные таким образом.Каждая из точек данных имеет соответствующую планку погрешности по причинам, изложенным выше.

Рис. 10

Оглядываясь назад, явление горизонтального изгиба имело смысл, поскольку в типичном приложении использовалась какая-то форма лезвия на конце стойки с двумя отдельными точками крепления.Верхнее отверстие использовалось для крепления распорки подвесного изолятора.Нижнее отверстие использовалось для приложения вертикальной нагрузки.Нагрузка между этими двумя отверстиями аппроксимирует центральную задачу нагружения.Любой вертикальный изгиб стойки линии сместит положение этих отверстий, прикладывая восстанавливающий момент к концу линии.По сути, к линейной стойке была непреднамеренно применена определенная степень фиксации в вертикальной плоскости.

Собранные данные были приспособлены к уравнению Эйлера, представленному в уравнении (6).

Нагрузка на изгиб = (π2*E*I)/(K2*L2) (6)

Кривые, подогнанные к данным, представляли уравнения потери устойчивости, как указано ниже:

Скрепленная линия сообщения:

Нагрузка на изгиб = (π2*E*I)/(1,33*L2)
Поворот горизонтально-V:
Нагрузка на изгиб = (π2*E*I)/(1,03*L2)
Фиксированная база Horizontal-V:
Нагрузка на изгиб = (π2*E*I)/(1,02*L2)

Начало упругого выпячивания представляет собой начало нестабильности.Линейные стойки обычно могут выдерживать гораздо более высокие нагрузки без выхода из строя.В качестве руководства по применению максимальная сжимающая нагрузка, прикладываемая к линейной стойке, никогда не должна превышать 80% расчетной упругой нагрузки на изгиб.

Кривые применения

Стоит знать вертикальную грузоподъемность сборки.Но в реальном мире более вероятны комбинации загрузки.Гибкость NCI делает необходимым тщательное рассмотрение этих комбинаций.Например, если существует значительная продольная нагрузка, элемент линейной стойки раскосной линейной стойки или горизонтального V-образного фиксированного основания может прогибаться в соответствии со следующим уравнением.

Δ = Lf*L3/(3*E*I)

Где,

Δ ≡ отклонение (дюймы)
Lf ≡ приложенная продольная нагрузка (фунты)
E ≡ Модуль Юнга ≈ 6 000 000 (фунт/дюйм2)
I ≡ Момент инерции
L ≡ Длина секции линейной стойки (дюймы)

Если отклонение является значительным, то любая сжимающая сила, приложенная к линейному концу стойки, добавляется к приложенному моменту, как показано ниже:

Добавленный момент = Δ*Pc

Поперечные сжимающие нагрузки также будут вносить вклад в момент, приложенный к шлифованному концу элемента стойки стойки, в зависимости от прогиба Δ.

Конечно, если необходимо избежать моментов из-за продольной нагрузки, можно использовать поворотную горизонтальную V-образную форму.В этих конструкциях продольное отклонение становится функцией вертикальной нагрузки, и отклонение может быть значительным (см. графики X и Z).

Но реальная работа, которая происходит при построении комбинированной кривой нагрузки, идет немного глубже.Комбинированная кривая нагрузки должна, по крайней мере, учитывать следующие факторы:

• Натяжение при нагрузке струны изолятора расчалки.
• Нагрузка на сжатие линейного опорного изолятора
• Величина нагрузки на концевой фитинг линии

И, кроме того, для раскоса стойки и неподвижного основания горизонтально-V:

• Суммарный момент, приложенный к изолятору линейной опоры

Большинство кривых представляют собой серию контурных кривых, представляющих различные продольные нагрузки, приложенные к сборке.Абсцисса представляет собой поперечную нагрузку, приложенную к сборке, представляющую как сжимающую, так и растягивающую нагрузки.А ордината указывает оставшуюся вертикальную возможность сборки.

Рис. 11: Проект 345 кВ – 6000 фунтов Вертикальный;8700 фунтов в продольном направлении

Рис. 12: Проект 345 кВ – 6000 фунтов Вертикальный;8700 фунтов в продольном направлении

При расчете вертикальной несущей способности необходимо учитывать каждый из перечисленных выше элементов, чтобы гарантировать, что самый слабый компонент не будет перегружен.Тогда наименьшая результирующая нагрузка становится номинальной вертикальной способностью сборки.

Чтобы использовать кривую приложения, сначала выберите соответствующую продольную нагрузку для сборки и найдите эту кривую.Затем найдите по оси абсцисс поперечную нагрузку, которую должна выдержать сборка, и отсчитайте по оси ординат вертикальную нагрузку.Пока отображаемая вертикальная нагрузка больше или равна запланированной максимальной вертикальной нагрузке, узел будет работать в пределах своего рабочего диапазона.

Выводы

Линейная стойка с раскосами, поворотная горизонтальная V-образная или фиксированная горизонтальная V-образная опора обеспечивает значительное улучшение производительности по сравнению со стандартной линейной стойкой.Тем не менее, существуют ограничения возможностей сборки, главным из которых является упругое изгибание подузла линейной стойки.До тех пор, пока нагрузки находятся в пределах рекомендаций соответствующей кривой применения, механические проблемы не возникают, и можно использовать улучшения механической прочности, связанные с этими конструкциями.

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