Khi nhóm dự án ngồi xuống để chỉ định các dây cách điện cho đường dây điện áp cao-mới, việc lựa chọn giữa thủy tinh và sứ có xu hướng được giải quyết nhanh chóng, thường dựa trên thói quen, quy ước khu vực hoặc những gì người quản lý mua sắm đã tìm được trong công việc trước đó. Điều đó không hẳn là sai. Cả hai vật liệu này đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ và cả hai đều tiếp tục hoạt động đáng tin cậy trên nhiều môi trường truyền dẫn. Vấn đề là việc mặc định là một mà không hiểu sự cân bằng kỹ thuật thực sự-giữa chúng sẽ dẫn đến chi phí vượt mức, gánh nặng bảo trì không mong muốn và đôi khi là thay thế sớm thiết bị đáng lẽ phải tồn tại lâu hơn hàng thập kỷ.
Hướng dẫn này thực hiện thông qua việc so sánh từ góc độ của một người thực sự đưa ra quyết định đó, xem xét vật liệu, hiệu suất cơ và điện, hành vi lỗi, sự lão hóa lâu dài và các điều kiện thực tế thực sự làm thay đổi thang đo theo cách này hay cách khác.
Tháp truyền dây cách điện treo Flass
Mỗi vật liệu thực sự là gì
Chất cách điện bằng sứ được sản xuất từ hỗn hợp cao lanh, fenspat và thạch anh, nung ở nhiệt độ cao được kiểm soát cho đến khi vật liệu đặc lại thành thân gốm cứng, mịn. Kết quả là tạo ra một sản phẩm có độ bền cơ học cao với giá trị cường độ nén khoảng 70.000 kg/cm2, cao hơn đáng kể so với kính. Sứ xử lý tải trọng nén cực kỳ tốt, điều này giải thích tại sao nó vẫn là tiêu chuẩn cho các chất cách điện trạm, chất cách điện trụ đường và các cấu trúc tương tự nơi lực nén hướng xuống hoặc lực nén ngang chiếm ưu thế.
Chất cách điện bằng kính cường lực trải qua một quy trình sản xuất khác. Đĩa thủy tinh được làm nóng và sau đó được làm lạnh nhanh chóng trong bể làm nguội có kiểm soát, gây ra ứng suất nén ở lớp bề mặt bên ngoài và ứng suất kéo ở lõi. Quá trình ủ này mang lại cho thủy tinh độ bền điện môi khoảng 140 kV/cm, cao hơn đáng kể so với sứ là 60 kV/cm. Đĩa thu được rất phù hợp cho các dây treo nắp-và{6}}chốt được sử dụng trên các đường dây truyền tải điện áp cao-và điện áp-cao-cao, trong đó tải kéo thay vì tải nén chi phối thiết kế.
Độ bền cơ học: Đọc số cẩn thận
Thoạt nhìn, dữ liệu cơ học có vẻ mâu thuẫn. Sứ có cường độ nén vượt trội hơn nhiều. Kính cường lực có độ bền kéo vượt trội hơn nhiều, với giá trị khoảng 35.000 kg/cm2 so với 500 kg/cm2 của sứ. Đặc biệt đối với chất cách điện treo, hiệu suất kéo là điều quan trọng vì đĩa treo thành dây và chịu trọng lượng cũng như tải trọng gió của dây dẫn bên dưới nó thông qua lực căng. Glass thắng cuộc so sánh đó với tỷ số cách biệt lớn.
Những gì các con số không nắm bắt được là sự biến đổi. Nghiên cứu kiểm tra các chất cách điện bị ngừng sử dụng sau 25 đến 30 năm cho thấy độ bền cơ học còn lại của các bộ phận bằng sứ thay đổi đáng kể tùy theo nhà sản xuất. Một số chỉ cho thấy sự suy giảm nhẹ so với giá trị định mức ban đầu. Những người khác cho thấy sự giảm đáng kể. Chất cách điện bằng thủy tinh từ các nghiên cứu tương tự cho thấy độ lan truyền xung quanh độ bền kéo định mức của chúng ít hơn nhiều, vẫn gần với giá trị thiết kế ban đầu ngay cả sau nhiều thập kỷ phơi ngoài trời. Đối với những người quản lý mua sắm làm việc với nhiều nhà cung cấp trong suốt thời gian dài của dự án, tính nhất quán đó có giá trị thực sự.
Phát hiện lỗi: Đối số thường quyết định nó
Đây là nơi chất cách điện bằng thủy tinh nắm giữ lợi thế hấp dẫn nhất của chúng và đó là lợi thế mà các kỹ sư trong lĩnh vực này hiểu ngay lập tức.
Khi đĩa kính cường lực bị hỏng, dù do bị thủng điện, quá tải cơ học hay do ứng suất nhiệt, đĩa sẽ vỡ hoàn toàn. Lớp vỏ thủy tinh rơi ra chỉ còn lại nắp kim loại và chốt giữ sợi dây lại với nhau. Bởi vì kính cường lực lưu trữ ứng suất bên trong còn sót lại từ quá trình làm nguội nên bất kỳ vết nứt nào cũng sẽ lan truyền nhanh chóng qua toàn bộ đĩa. Sợi dây không bị rơi. Nắp và chốt giữ đủ độ bền để giữ dây. Tuy nhiên, chiếc đĩa bị mất có thể được nhìn thấy rõ ràng từ mặt đất hoặc từ trực thăng trong quá trình tuần tra định kỳ.
Sứ hành xử khác nhau. Đĩa sứ bị hỏng có thể trông hoàn toàn nguyên vẹn từ bên ngoài. Lỗi xảy ra bên trong, xuyên qua thân đĩa mà không có bất kỳ dấu hiệu bên ngoài nào cho thấy lớp cách điện đã bị tổn hại. Cách đáng tin cậy duy nhất để phát hiện chất cách điện bằng sứ có giá trị 0{3}} đang được sử dụng là thử nghiệm về mặt điện bằng cách đo điện trở cách điện bằng đồng hồ đo hoặc sử dụng công cụ phát hiện điện áp đường dây-có điện trong khi dây được cấp điện. Cả hai phương pháp đều yêu cầu nhân viên được đào tạo làm việc gần dây chuyền, nghĩa là rủi ro cao, thiết bị chuyên dụng và chi phí đáng kể cho mỗi chu kỳ kiểm tra.
Đối với các đường dây truyền tải đi qua địa hình xa xôi, nơi các đội kiểm tra không thường xuyên đến thăm và nơi mà đường dây bị lỗi có thể không bị phát hiện trong nhiều tháng, thì sự khác biệt này rất quan trọng. Các đường ở khu vực miền núi, hành lang sa mạc hoặc băng qua sông nơi khó tiếp cận rất-phù hợp với kính vì các đĩa bị lỗi sẽ tự nhận dạng mà không cần bất kỳ quá trình kiểm tra tích cực nào.
Lão hóa và hiệu suất lâu dài{0}}
Cả hai vật liệu đều có tuổi thọ khác nhau, nhưng chúng có độ tuổi khác nhau và việc hiểu được sự khác biệt đó sẽ ảnh hưởng đáng kể đến việc tính toán chi phí vòng đời.
Sứ phải trải qua một quá trình gọi là vết nứt phát triển chậm, trong đó các vết nứt vi mô{0}}trong thân gốm mở rộng dần dần dưới tác dụng của tải trọng cơ học và nhiệt liên tục. Qua nhiều thập kỷ, điều này có thể dẫn đến sự giảm dần độ bền cơ học mà không thể phát hiện được từ bên ngoài đĩa. Độ bền điện cũng có thể giảm do thân sứ hấp thụ hơi ẩm qua các lỗ chân lông-vi mô, đặc biệt là ở các chất cách điện cũ, nơi quy trình trong lò nung ít được kiểm soát hơn so với yêu cầu của tiêu chuẩn hiện đại. Nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử quét trên đồ sứ lâu năm đã xác nhận sự khác biệt đáng kể về cấu trúc vi mô giữa các nhà sản xuất, với một số mẫu lâu năm cho thấy sự suy giảm có thể đo lường được ở cả các thông số cơ và điện.
Chất cách điện bằng kính không có chung cơ chế lão hóa này. Vì kính cường lực không{1}}xốp nên khả năng hấp thụ độ ẩm vào cơ thể về cơ bản là bằng không. Các tính chất cơ và điện của kính cường lực vẫn ổn định theo thời gian mà sứ không thể sánh bằng. Mối quan tâm chính đối với kính khi sử dụng lâu dài là sự tích tụ ô nhiễm bề mặt, đặc biệt là trong môi trường công nghiệp hoặc ven biển, nơi các chất ô nhiễm trong không khí lắng đọng trên bề mặt đĩa và tạo ra đường dẫn dòng điện rò rỉ khi thời tiết ẩm ướt.
Hiệu suất ô nhiễm và môi trường
Trong môi trường ô nhiễm nhẹ đến vừa phải, sự khác biệt giữa thủy tinh và sứ về hiệu suất ô nhiễm là không đáng kể. Cả hai đều thoát nước khá tốt và đều tích tụ cặn trên bề mặt sẽ bị cuốn trôi khi mưa.
Trong môi trường bị ô nhiễm nặng, kính có một nhược điểm cụ thể. Bề mặt nhẵn, phẳng của đĩa thủy tinh cho phép hơi ẩm ngưng tụ đồng đều và tiếp xúc với chất bẩn tích tụ, tạo ra màng dẫn điện liên tục hơn bề mặt nhám, phức tạp hơn của đĩa sứ. Bề mặt sứ, với váy lót và gân, có xu hướng giữ nước mưa theo những cách có thể phá vỡ màng dẫn điện và giảm dòng điện rò rỉ.
Đây thực sự là nơi mà tài liệu thứ ba đáng được đề cập. Chất cách điện polymer tổng hợp, được chế tạo xung quanh một thanh sợi thủy tinh có vỏ cao su silicon, hoạt động tốt hơn cả thủy tinh và sứ trong điều kiện bị ô nhiễm nặng vì cao su silicon vốn có tính kỵ nước. Nước trên bề mặt cao su silicon tạo thành các hạt chứ không phải là màng liên tục, giúp ngăn chặn lớp bề mặt dẫn điện gây ra hiện tượng phóng điện ô nhiễm. Đối với các đường dây chạy qua các khu công nghiệp ven biển, khu vực nông nghiệp sử dụng nhiều thuốc trừ sâu hoặc gần các nhà máy xi măng và cơ sở hóa chất, công nghệ polymer sẽ thu hẹp khoảng cách mà cả kính và sứ đều không thể giải quyết được.Thiết bị chống sét polymeviệc sử dụng cùng một công nghệ vỏ cao su silicon cũng tuân theo nguyên tắc tương tự, đó là lý do tại sao họ đã thay thế phần lớn các thiết bị chống sốc điện bên trong-bằng sứ cũ hơn trong những môi trường thường xuyên xảy ra tình trạng nhiễm bẩn bề mặt.
Thiết bị chống sét bằng polyme VICTORY
Quyết định lựa chọn thực sự trông như thế nào
Các điều kiện sau đây hướng tớichất cách điện treo kínhlà sự lựa chọn tốt hơn:
Các đường dây ở mức 220 kV trở lên, đặc biệt là ở mức 500 kV trở lên, trong đó độ bền điện môi cao hơn của kính cường lực mang lại biên độ bổ sung có ý nghĩa trong điều kiện quá điện áp tạm thời. Khoảng cách truy cập từ xa hoặc khó khăn, trong đó chế độ tự báo cáo lỗi của kính giúp giảm chi phí nhân công kiểm tra trong suốt vòng đời của dây chuyền. Các dự án trong đó nhiều nhà cung cấp sẽ được sử dụng trong các giai đoạn mua sắm khác nhau, trong đó sự phân bố độ bền cơ học chặt chẽ hơn của thủy tinh mang lại hiệu suất ổn định hơn so với đồ sứ có nguồn gốc sản xuất hỗn hợp. Các chương trình thay thế trên dây thủy tinh hiện có, trong đó khả năng thay thế cơ học đòi hỏi phải phù hợp với vật liệu ban đầu.
Sứ có ý nghĩa hơn trong các tình huống sau: các ứng dụng liên quan đến tải trọng nén, bao gồm cả chất cách điện sau và thiết bị trạm trong đó lợi thế về cường độ nén của sứ đóng vai trò quan trọng. Các mức điện áp phân phối trong đó lợi thế về độ bền điện môi của kính ít liên quan đến biên độ thiết kế. Dây chuyền ở những khu vực có mức độ ô nhiễm vừa phải và có lịch kiểm tra thường xuyên, trong đó chi phí kiểm tra liên quan đến thiết bị phát hiện sứ có giá trị bằng 0 có thể được quản lý trong phạm vi ngân sách bảo trì thông thường. Các dự án trong đó chuỗi cung ứng hiện tại, quy trình thử nghiệm và lực lượng lao động bảo trì được xây dựng xung quanh đồ sứ và nơi vật liệu chuyển đổi sẽ phát sinh chi phí chuyển đổi.
Chất cách điện treo bằng kính ở mức điện áp truyền tải là một trong số ít quyết định mua sắm trong đó việc lựa chọn vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp và có thể đo lường được đến chi phí bảo trì trong vòng đời tài sản 40 năm. Khoảng thời gian đó đủ dài để một vài điểm phần trăm của chi phí kiểm tra bổ sung mỗi năm tích lũy thành một dòng ngân sách đáng kể.
Khả năng tương thích phần cứng
Một điểm thực tế đôi khi bị bỏ qua trong quá trình lựa chọn vật liệu là đĩa treo bằng thủy tinh và sứ-và-chốt thường sử dụng cùng một kích thước khớp nối bi{2}}và-ổ cắm, được tiêu chuẩn hóa theo IEC 60305. Điều này có nghĩa là về nguyên tắc, các dây có thể trộn các đĩa thủy tinh và sứ trong cùng một dây và các đĩa thay thế của một trong hai vật liệu có thể thay thế cho vật liệu kia nếu xếp hạng loại cơ học phù hợp. Khả năng thay thế lẫn nhau này giúp đơn giản hóa việc quản lý phụ tùng thay thế và giúp chuyển đổi giữa các vật liệu trên cơ sở thay thế dễ dàng hơn mà không cần ngừng sử dụng phần cứng chức năng.
Các nắp và chốt kim loại được sử dụng trong cả cụm thủy tinh và sứ là-sắt sắt dẻo hoặc sắt dẻo mạ kẽm nhúng nóng và chúng được chỉ định độc lập với vật liệu đĩa. Người mua tìm nguồn cung ứng dây hoàn chỉnh nên xác nhận rằng các thông số kỹ thuật phần cứng, đặc biệt là đường kính bi và kích thước ổ cắm, tuân thủ các tiêu chuẩn IEC thay vì các kích thước độc quyền sẽ hạn chế các lựa chọn tìm nguồn cung ứng trong tương lai.
Bản tóm tắt
Chất cách điện treo bằng thủy tinh và sứ đều là những công nghệ trưởng thành, đã được chứng minh với thành tích nổi bật trong các ứng dụng truyền tải trên toàn thế giới. Sự lựa chọn giữa chúng không phải là vấn đề vật liệu nào tốt hơn về mặt tuyệt đối. Vấn đề là vật liệu nào phù hợp với môi trường vận hành cụ thể, chế độ kiểm tra, cấp điện áp và các ràng buộc mua sắm của một dự án nhất định.
Thủy tinh mang lại độ bền điện môi cao hơn, độ bền kéo ổn định vượt trội, khả năng phát hiện lỗi rõ ràng và độ lão hóa lâu dài ổn định hơn. Sứ cung cấp cường độ nén tốt hơn, độ nhạy ẩm trên bề mặt đĩa thấp hơn trong môi trường sạch sẽ và cơ sở sản xuất toàn cầu sâu hơn có thể hỗ trợ khối lượng mua sắm rất lớn với giá cả cạnh tranh.
Đối với hầu hết các dự án truyền tải điện áp cao -hiện đại, đặc biệt là ở mức 220 kV trở lên và đặc biệt là trên các đường dây có khả năng tiếp cận kiểm tra bị hạn chế, kính là lựa chọn tốt hơn về mặt kỹ thuật. Đối với cơ sở hạ tầng phân phối và các ứng dụng tải nén, sứ vẫn là một giải pháp hợp lý và hiệu quả về mặt chi phí. Các kỹ sư và nhóm mua sắm hiểu rõ cả hai vật liệu, thay vì mặc định là một vật liệu, là những người đạt được kết quả là cơ sở hạ tầng truyền tải hoạt động như thiết kế trong toàn bộ thời gian sử dụng của nó mà không gặp phải những bất ngờ khó chịu.