Rendimiento sísmico de los aisladores de porcelana en subestaciones Los aisladores de porcelana han sido una parte integral de los sistemas de energía durante más de un siglo debido en gran parte a su rigidez, que asegura la alineación de los componentes en los equipos de las subestaciones. Además, en los últimos años se han producido grandes avances en el conocimiento de los eventos sísmicos que impactan a dichos aisladores en las subestaciones. Las frecuencias resonantes de estos eventos pueden causar inmensas fuerzas dinámicas y, debido a su peso y naturaleza quebradiza, la porcelana es más susceptible a frecuencias armónicas destructivas. Pero con buenas prácticas de diseño, materiales avanzados y métodos de fabricación modernos, los aisladores de porcelana aún pueden resultar una forma confiable de aislamiento en entornos de servicio sísmico. Las características de los materiales juegan un papel importante en el diseño de equipos bajo tales fuerzas dinámicas y, mientras que el acero y el aluminio son dúctiles y ofrecen una resistencia predecible, la porcelana no es-dúctil y su resistencia puede variar mucho. Por lo tanto, el rendimiento sísmico de los aisladores de porcelana se puede mejorar maximizando la resistencia y reduciendo el peso. Hoy en día también se comprende mejor que el aislador no es más que un componente de un conjunto complejo que conforma cualquier dispositivo que se encuentre en una subestación. Por lo tanto, es necesario evaluar todo el dispositivo. Por ejemplo, los aisladores suelen montarse en estructuras de hormigón o acero y soportan el equipo real, mientras que los casquillos suelen encontrarse en la parte superior del equipo. Por lo tanto, la respuesta del equipo y sus sub-componentes a las frecuencias de entrada dependerá de estos y otros factores. Cuando la frecuencia natural de un equipo coincide estrechamente con la frecuencia de entrada, se produce resonancia, amplificando así el movimiento dinámico resultante y la respuesta de aceleración. El Espectro de Respuesta Requerida (RRS) simula amplitudes, frecuencias y energía en eventos sísmicos típicos. Los equipos que tienen frecuencias naturales de 1,1 a 8 Hz son los que se tratan más detalladamente en el RRS.
Los tipos típicos de equipos de alto voltaje tienen varias características que los hacen más sensibles a las entradas sísmicas. Al ser altos y pesados, exhiben niveles más bajos de frecuencia natural que normalmente se encuentran en eventos sísmicos. Cuando dos elementos vibran con la misma frecuencia natural, se observa un mayor movimiento que induce grandes cargas en voladizo. Comprender las fuerzas a las que está sometido un aislante en comparación con las fortalezas y debilidades de su material cerámico es un primer paso importante. Las clasificaciones mecánicas del aislador incluyen: a. Voladizo/momentos de flexión; b. Torsión; do. Tensión; y d. Compresión. Las cargas en voladizo determinan el diámetro del núcleo y, por tanto, el peso.
donde: D – diámetro del núcleo; F – resistencia requerida (carga de rotura mínima); l – longitud; Resistencia específica de la porcelana. Los materiales cerámicos tienen altos índices de compresión y bajos índices de tensión. Los momentos de flexión inducen esfuerzos de compresión y tensión y los esfuerzos de tracción se amplifican por la acción de palanca de la altura del aislador (como en la Fig. 1).
Higo. 1.
Los momentos de flexión aumentan con mayor fuerza y/o aisladores más altos (como se muestra en la Fig. 2). En el caso del movimiento dinámico, la fuerza se basa en: 1. la masa del aislador y la masa montada sobre el aislador; y 2. aceleración debida al evento sísmico.
Higo. 2.
A menudo no es posible intentar realizar cambios de diseño para garantizar que la frecuencia natural de un equipo permanezca fuera de la frecuencia de un evento sísmico. Dado que el peso es un factor clave al calcular la fuerza/energía que ingresa al equipo durante un evento sísmico, el desafío es optimizar el diseño y maximizar la relación resistencia-peso.
Reducción de peso
Existen formas de reducir el peso de un aislante de porcelana de determinada resistencia. En primer lugar, lo ideal es que los aisladores estén diseñados especialmente para la necesidad. Además, maximizar la longitud de las secciones ayuda a reducir el peso en aisladores de varias-pilas. Los fabricantes también tienen opciones de materiales que ofrecen mayor resistencia y mantener estrictos estándares de garantía de calidad puede mejorar aún más la resistencia general.
Optimización del diseño
El diseño de un aislador debe tener en cuenta su aplicación en condiciones sísmicas. A menudo, los aisladores utilizados en las subestaciones se basan en diseños estándar destinados a funcionar en una variedad de aplicaciones. Un ejemplo es un aislante con núcleos cilíndricos uniformes que se puede aplicar en posición vertical pero que es considerablemente más pesado cuando está colgado. Si bien los aisladores cónicos se utilizan cada vez más en aplicaciones de alta tensión, es importante determinar la conicidad óptima. Cuando se considera la aplicación de cualquier pieza de equipo en condiciones sísmicas, se debe evaluar toda la estructura ensamblada y montada utilizando el software correspondiente. El análisis de elementos finitos (FEA), por ejemplo, identificará áreas de alta tensión en cualquier configuración determinada. También se identificarán zonas de baja tensión. El diseñador/consultor del equipo también debe trabajar en estrecha colaboración con el fabricante del aislador para garantizar que todas las zonas tengan el mismo margen de seguridad. De hecho, pueden ser necesarias varias iteraciones para identificar completamente todos los aumentos y disminuciones óptimos de resistencia en ubicaciones determinadas a lo largo del aislador. Siempre que se identifiquen y solucionen áreas de menor tensión, se puede reducir el peso en esa región y las reducciones de peso en las secciones superiores pueden reducir la resistencia necesaria en las secciones inferiores. Este proceso da como resultado menos masa, menos movimiento causado por la masa y menos tensión general. El costo de las pruebas en mesa vibratoria es muy costoso para equipos de subestaciones grandes. Una evaluación exhaustiva realizada por un especialista sísmico competente puede controlar dichos costos al evitar la necesidad de volver a realizar pruebas. La ubicación de un aislante en cualquier equipo también es de fundamental importancia. En muchos casos, los aisladores soportan equipos pesados. Si el equipo se hace más compacto en términos de masa cerca de la parte superior, se producirá muy poca tensión de flexión.
Higo. 3.
Si el equipo tiene un centro de gravedad alto con la masa colocada muy por encima del aislante, el accesorio superior estará sujeto a una tensión de flexión mucho mayor y será necesario un diseño más robusto para esta parte superior. Como se ilustra en la Fig. 4, por ejemplo, la parte superior del aislador está sujeta al 50% de la carga de flexión máxima.
Higo. 4.
La masa en la parte superior del aislador tiene el mayor efecto de flexión. Por ejemplo, en el caso de un interruptor de rotura de aire en la posición abierta con el mástil completamente extendido, hay grandes momentos de flexión en la parte superior del aislador (ver Fig. 5).
Fig. 5: interruptor de 500 kV, mástil abierto.
Un interruptor de corte de aire típico de 500 kV se monta a 4,6 m de altura sobre una estructura y en la posición abierta el interruptor puede medir 9,75, es decir, una distancia total de 14,35 m desde el nivel del suelo hasta la parte superior del mástil. Optimizar la resistencia necesaria en la parte superior de un aislador puede resultar una zona crítica de reducción de material, ya que la reducción de peso es donde la masa está más alejada del momento flector.
arrojar peso
El perfil de calada es un medio para aumentar la distancia de fuga, pero las caladas aportan peso al aislante. En el pasado, los cobertizos solían tener hasta 19 mm en el núcleo y disminuir hasta 12 mm en la punta. Con una ciencia de materiales mejorada, se puede reducir el tamaño del cobertizo, lo que resulta en una reducción del 20% en el peso del cobertizo.
Secciones reducidas
Los aisladores se componen de una o varias secciones atornilladas entre sí. Los aisladores suelen ser de una sola pieza hasta 750 kV BIL. Los aisladores de alta tensión pueden estar formados por muchas secciones según el nivel de tensión. Las concentraciones de tensión se encuentran en las juntas donde los accesorios de hierro fundido se cementan sobre la porcelana. El diámetro de la porcelana en la grifería aumenta debido a los niveles de tensión concentrados. Reducir el número de secciones reducirá las ubicaciones de alta tensión, así como el peso de los accesorios adicionales (ver Fig. 6).
Higo. 6.
Material
Los aisladores de porcelana son cerámicas técnicas que contienen una mezcla de caolín, alúmina, feldespato y sílice (cuarzo). IEC 60672-3 se refiere a tres tipos principales: C-110, C-120 y C-130. C-110 se conoce como porcelana de cuarzo, mientras que C-120 y C-130 son porcelanas de alúmina. El C-120 contiene entre un 20% y un 30% de alúmina, mientras que el C-130 normalmente tiene un contenido de alúmina superior al 30%. El aumento de la fuerza se traduce en la mayor relación fuerza-peso. Los valores de resistencia que se muestran en la Tabla 1 son mínimos y pueden superarse con creces. Los aisladores fabricados con arcilla C-130 con niveles superiores al mínimo pueden ofrecer hasta un 40% de reducción de peso.
Tabla 1: CEI 60672-3 1984
Proceso de producción
La fabricación de materiales arcillosos tiene una gama inherentemente amplia de resistencias de materiales resultantes. Esta variación puede ocurrir dentro de un lote o entre lotes. Lograr una fuerza corporal constante es difícil, especialmente si los procesos no están estrictamente controlados. De hecho, se ha demostrado que la resistencia de los materiales cerámicos puede tener una desviación estándar superior al 35%. Cuanto mayor sea la desviación, más pesado será el diseño del aislador necesario para garantizar el cumplimiento de la carga mecánica especificada (SML). La reducción de la desviación estándar reduce directamente el peso de los parámetros de diseño de cualquier fabricante. Por ejemplo, diseño de aislador con SML de 10 kN y std. desarrollador de 3,5 kN significa que el diseño debe ser tal que la media sea de 17 kN. Por otro lado, si std. desarrollador es sólo 1 kN, el diseño puede basarse en un promedio de 12 kN. Esto puede dar como resultado una reducción de aproximadamente el 40 % en el peso del aislador (consulte las Figuras 7 y 8).
Fig. 7: Desviación estándar grande.
Fig. 8: Desviación estándar pequeña.
Para comprender mejor las posibles causas de las variaciones en la resistencia del cuerpo, es necesario saber más sobre cómo se producen los aisladores de porcelana. Muchos se fabrican mediante el método húmedo o plástico, mediante el cual las recetas de arcilla se miden y se mezclan con agua para crear el material base, llamado barbotina. Un molino de bolas muele la barbotina para garantizar el tamaño de partícula adecuado y contiene aproximadamente un 50% de agua. Luego se filtra la barbotina para eliminar los contaminantes naturales que se encuentran en las arcillas, ya sean orgánicos o de hierro. Luego, la barbotina se prensa para formar tortas de filtración con aproximadamente un 22% de humedad y éstas se cortan y se extruyen en bloques. Finalmente, se extruyen piezas cilíndricas o pugs. Durante un período de 5 a 6 semanas, el blanco se voltea y se seca hasta alcanzar menos del 1% de contenido de humedad. Para mantener una fuerza corporal constante, todos estos pasos que conducen al producto final también deben gestionarse de forma coherente. El tamaño de las partículas, la composición química, el contenido de agua de las tortas de filtración, la dureza de los espacios en blanco y las técnicas de secado determinarán la previsibilidad de la resistencia del cuerpo. Los múltiples pasos de secado de la arcilla húmeda (desde el prensado de las tortas de filtración hasta el uso de secadores que preparan los aisladores torneados para la cocción) son pasos clave en la producción de aisladores de porcelana, siendo quizás el más crítico en el secado tomar la forma torneada en húmedo de un contenido de humedad del 18% a menos del 1%. Esto se debe a que las capas delgadas y el núcleo grueso deben secarse al mismo ritmo, aunque es mucho más probable que las capas relativamente delgadas desprendan agua. Se pueden necesitar hasta 6 semanas para secar lentamente un aislador y muchos fabricantes cuentan con controles adecuados para garantizarlo. Se necesitan empleados aún cualificados y una atención constante a los detalles.
Torneado (foto derecha) y secado de aisladores de porcelana fabricados mediante proceso plástico/húmedo.
Se ha desarrollado un método de fabricación alternativo para aisladores de porcelana que elimina muchos pasos en el proceso de secado discutido anteriormente. Un beneficio importante que se ofrece es un proceso mucho más consistente que ayuda a reducir el riesgo de una posible variación en la resistencia del material. Este método, llamado isostático, comienza secando la barbotina hasta obtener un polvo fino, que luego se presiona con gran fuerza hasta formar un cilindro seco. La ventaja inherente es poder producir piezas cilíndricas secas en un tiempo relativamente corto. De hecho, los aisladores producidos mediante el método isostático tienen un tiempo de producción de menos de dos semanas, frente a las 6 o más semanas necesarias para la producción húmeda/plástica. Además, el torneado se realiza en seco. Esto elimina la contracción de los perfiles torneados húmedos al estado seco/listo para la cocción y da como resultado tolerancias más estrictas. Los espacios en blanco prensados en seco no tienen una orientación de grano particular, como se encuentra en los espacios en blanco extruidos en húmedo. Dado que un cuerpo húmedo se extruye a través de la garganta del extrusor, el flujo de arcilla puede ser mucho más lento a lo largo de las paredes debido a la fricción entre la arcilla y la pared del extrusor. En el interior de la pieza en bruto, se producirá un corte que provocará tensión interna, lo que puede provocar fallas en el horno y reducir la resistencia mecánica. Dependiendo de dónde provenga el aislador en la pieza en bruto, estas áreas de corte pueden terminar cerca de la superficie. Un rasgo notable es la curvatura que se forma cuando se seca un aislante de porcelana.
Conclusiones
Mejorar el desempeño de los aisladores de porcelana en condiciones de servicio sísmico es posible principalmente mediante métodos de reducción de peso. Optimizar el diseño basándose en una aplicación real específica utilizando materiales de alta resistencia, así como mantener un proceso de fabricación consistente, garantizará el mejor rendimiento posible.