استفاده از مقره های ساخته شده از لاستیک سیلیکونی ولکانیزه شده دما بالا (HTV) به دلیل وزن سبکی که دارند و همچنین محکم تر از مقره های شیشه ای و سرامیکی هستند و به این ترتیب دارا بودن خواص فوق العاده ضد آلودگی، در خطوط انتقال فوق فشار قوی UHV بسیار افزایش یافته است. در اواخر سال ۲۰۱۱، برای مثال، بالغ بر ۵ میلیون از این مقره ها در چین تحت بار بوده اند که ازین میان حدود یک سوم آنها در کاربرد UHV استفاده شده بودند. با توجه به این، درک تکنولوژی ساخت، تست و نگه داری آنها از اهمیت زیادی برخوردار است.

پروسه تزریق در قالب، پیوست سخت افزار اتصال پایانی (End-fitting)، تولید لوله های هسته با مقاومت اسیدی و محل قرارگیری مناسب چترک ها مواردی هستند که بطور کامل مورد تحقیق قرارگرفته اند و باعث پیشرفت در صنعت ساخت مقره شده اند. جدا از اشکالات داخلی که عمر سرویس دهی مقره های کامپوزیتی را کاهش می دهد،  موضوع اصلی دیگری که مربوط به مقاومت لاستیک سیلیکونی در مقابل افزایش سن و شرایط آب و هوایی نیز می تواند عمر سرویس دهی را کاهش دهد.

چترک های پلیمری ساخته شده از سیلیکون HTV توسط بسیاری از کمپانی ها تهیه شده و در شرایط مختلف محیطی، از بیابان گرفته تا نواحی صاحلی، کوهستانی و بادی تحت بار قرار داده شده اند.هر کدام ازین فرمولاسیون های لاستیک سیلیکون می توانند میزان مختلف عملکرد با توجه به مقاومت نسبت به شرایط آب و هوایی را نمایش دهند. این مقاله INMR از سال ۲۰۱۳توسط Wang Xilin, Zhu Zhengyi, Ma Guoxiang, Prof. Jia Zhidong and Prof. Guan Zhicheng از دانشگاه China’s Tsinghua University, جهت بررسی مشکلا پارگی چترک ها در اثر باد شدید بیش از ۴۰ متر بر ثانیه تهیه شده است.

در یک گزارش داخلی آماده شده توسط کمپانی Xinjiang electrical power سال ها پیش، رشد تعداد مورد هایی که در آن پارگی چترک مقره های کامپوزیتی بوسیله باد شدید اتفاق افتاده بود افشا شد. بیشترین تمرکز این موارد که کشف شد بر روی خط ۷۵۰ کیلوولتی ac که از صحرای گوبلی عبور می کرد و از بین دو شهر اورومکی و تورپان رد می‌شدند بود (شکل ۱). این مقره ها تمامی درخواست ها و شرایط  استاندارد چینی ها و همینطور استاندارد های State Grid Crop. چین را  برآورده کرده بودند و عملکرد بسیار خوبی در بقیه مکان ها از خود نشان داده بودند. مقره های آسیب دیده در محل های غیر آلوده تحت بار بودند (سنشیلی (Sanshili) و بایلی (Baili) ) که سرعت وزش باد می تواند از ۴۰ متر بر ثانیه نیز گذشته و به ۵۰ متر بر ثانیه برسد. بنابراین اینطور به نظر می رسد که تنها مورد ممکن که باعث پارگی چترک ها می شود، می تواند وزش باد شدید باشد. برای مثال، طبق گزارش های محلی آب و هوایی مناطق مورد نظر، میانگین ماکسیموم ۱۰ دقیقه سرعت باد می تواند به ۳۷٫۶ و ۳۳ متر بر ثانیه در ماه های مارچ و جون برسد. طبق شواهد شکل ۱، بیشترین تاثیر پارگی بر روی چترک های با قطر بزرگ دارد در حالی که بقیه دو چترک دیگر بدون تغییر باقی می ماند. فاصله گذاری چترک ها بر روی مقره های دچار پارگی (همانطور که در شکل ۲  نمایش داده شده است)، ۱۴۰ میلی متر بوده و قطر چترک ها ۲۱۰، ۱۳۰ و ۱۷۵ میلی متر بوده است. طول کلی مقره های دچار پارگی، ۷۱۵۰ میلیمتر بوده است.

شکل۱: مثال هایی از پارگی چترک های مقره های ۷۵۰ کیلوولت تحت بار.

مشکل پارگی چترک ها در مناطق با باد شدید، چالش جدید تحقیقاتی را ارائه کرد که با عنوان های تحقیقاتی قبلی از جمله: گالوپینگ و طراحی برجک ها متفاوت بود. با این اوصاف، این نوع تحقیقات می تواند به کومپانی های توزیع برق در تعمیرات بدون خطر سیستم های خطوط انتقال با در نظر گرفتن هر دو مشخصه ی مقره های کامپوزیتی و طراحی خط، کمک کند.

شکل۲: هندسه چترک معمولی از یک مقره ی آسیب دیده

تجربیات تونل باد

برای درک بهتر مشکل، محققان آزمایشاتی را در تونل باد که سرعت آن می تواند حتی به ۱۰ متر بر ثانیه نیز برسد، انجام دادند. نمونه های مقره های قابل تست با چترک هایی دقیقا با همان هندسه مواردی که در خط ۷۵۰ کیلوولت آسیب دیده بودند، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده نصب گردید. تونل باد در محل باد بسته شده و برای این بخش از آزمایش با ارتفاع ۱ متر و پهنای ۱ متر تعبیه شد. جریان باد می توانست با کنترل مداوم سرعت و قابلیت تنظیم آن از ۰ متر بر ثانیه تا ۶۰ متر بر ثانیه، داخل تونل بصورت یکنواخت ببوزد. برای هر افزایش ۵ متر بر ثانیه ای سرعت باد ویدئو سه دقیقه ای تهیه می شد که با شروع لرزش در چترک آزمایش متوقف شده و سرعت باد ضبط می شد. سپس وقتی سرعت باد به ۶۰ متر بر ثانیه رسید آن را کاهش می دهیم تا زمانی که چترک ها از لرزش بایستند. به سرعت باد در لحظه ای که چترک شروع به لرزیدن می‌کنند، سرعت باد در حال پیشروی گفته می شود در حالی که به سرعت باد در لحظه ای که چترک ها از لرزش می ایستند را سرعت باد پایین گفته می شود.

انتهای مقره ها ی کامپوزیتی هر دو فیکس شده و مقره با زاویه ی مشخصی نسبت به سطح افقی قرار می گیرد. این زاویه که تعلیق نام دارد در مطالعات ما بسیار مهم بوده و ما در طی آزمایشات مقادیر مختلفی را برای این زاویه در نظر گرفتیم.

شکل۳: تنظیمات تحقیقات تونل باد.

نتیجه و بحث

لرزش چترک ها

شکل ۴ نشان می دهد که چطور تست کردن یک مقره ی کامپوزیتی می تواند تحت تاثیر سرعت های مختلف باد در ابن تونل بادی بوده و این کاملا واضح است که در چترک های با قطر متفاوت، میزان لرزش نیز متفاوت بوده است. هنگامی که سرعت باد بر روی کم (۰ الی ۳۰ متر بر ثانیه) تنظیم شده بود، چترک با پهنای بیشتر شروع به پیچ خوردن کرد و لبه های چترک در فرکانس و دامنه های پایین شروع به لرزیدن کرد (شکل ۴) که بوسیله ی دوربین های کیفیت بالا ضبط شده است. زمانی که سرعت وزش باد از ۳۰ متر بر ثانیه عبور می کند (طبق شکل ۴b) چترک ها در فرکانس و دامنه های بالا دچار لرزش شده، همچنین لبه ی عریض ترین چترک در زاویه ی بزرگ دچار پارگی می شود. در مقابل، چترکهای با سایز متوسط و نازکتر به هیچ وجه دچار لرزش یا پارگی نمی شوند. ۳ عدد از ۴ عدد چترک عریض دچار لرزه شده و چترکی که دچار لرزش نمی شود چترکی است که در بالا گوشه ی سمت راست قرار دارد. زمانی که سرعت باد به طور مداوم از ۳۰ متر بر ثانیه به ۶۰ متر بر ثانیه می رسد، عریض ترین چترکها به شدت می لرزند بطوری که لبه آنها چترک های نازک را لمس می کند. چترک های متوسط نیز در فرکانس های پایین دچار لرزش می شوند. همانطور که توسط دوربین های HD ضبط کردند، فرکانس لرزش چترک های عریض بین ۱۶ الی ۲۰ هرتز بود. لرزش های چترک های عریض تا سرعت باد بالای ۳۰ متر ادامه پیدا می کند.

پس از آزمایشات، شکستگی ها و ترک خوردگی ها در نزدیکی لبه ی عریضترین چترک در محلی که بیشترین تماس را با چترک های نازکتر داشت کشف شد(شکل ۵ را مشاهده کنید). بر اساس عملکرد مقره ها بعد از آزمایش، هیچ کدام از چترک های مقره ها دچار پارگی نشد، که این موضوع را ثابت می کند که حتی زمانی که عریضترین چترک ها شروع به لرزیدن می کنند، دچار پیچ و تاب می شوند، استرس بر روی لبه آنها کمتر از استحکام کششی در مواد رشته های سیلیکونی HTV آن ها بود.

شکل ۴: پروسه داینامیک چترک های مقره ها در سرعت باد مختلف.

شکل ۵: اثرات اصطحکاک در چترک بزرگ مقره بعد از آزمایش تونل باد.

آزمایش تونل باد همچنین منجر به مطالعخ ی زاویه ی تعلیق مقره ی تست شده شد. زمانی که زاویه کمتر از ۳۰ درجه بود، عزیضترین چترک شکل خود را از دست داد(شکل ۶)، ولی دچار لرزش نشد (شکل ۴) حتی در شرایط باد با سرعت بالا. زمانی که زاویه ی تعلیق ۸۱ درج باشد، چترک های عریضتر در فرکانس های پایین تر به لرزش در می آیند(شکل ۴b) اگر سرکت وزش باد بیشتر بود، فرکانس لرزش و دامنه۸ افزایش نمی یافت و از آنچه در شکل ۴b و یا ۴c نشان داده شده است کمتر می بود. این یافته پیشنهاد می کند که زاویه تعلیق بر روی لرزش و دیفورمیشن چترک ها تاثیر می گذارد. برای مورد خط ۷۵۰ کیلوولت آسیب دیده، برای مثال، رشته های مقره کامپوزیتی با پترن V طراحی و ثابت شدند، به این معنا که زاویه تعلیق آنها ضعیف تر از چیزی بود که بتواند در مقابل باد شدید مقاومت کند.

شکل ۶: چترک های مقره های کامپوزیتی در زاویه تعلیق مختلف در شرایط وزش باد با سرعت ۴۰ متر بر ثانیه.

شبیه سازی

برای مطالعه ی استرس و توزیع بار بر روی چترک مقره ها، یک مدل مقره کامپوزیتی با همان سایز ها و پترن هایی که در شکل ۲ دیدیم در نرم افزار Ansys طراحی شد. در حالی که هسته ی مقره های کامپوزیتی معمولا از لوله ی FRP ساخته شده است، برای کمک به محاسبات در این مورد جنس هسته را آلمینیومی قرار دادیم. مواد چترک ها و بدنه، لاستیک سیلیکونی HTV با چگالی روی ۱۴۲۰ گرم بر متر مربع تنظیم شد. ماژول الاستیک و نرخ پایسون لاستیک سیلیکون طبق تست استحکام اندازه گیری شده است. دامنه محاسبات بر روی مکعب تنظیم شده بود و هوا از نوع گاز بوده و چگالی آن ۱٫۱ kg/m³  گذاشته شد. سرعت مایع ورودی بر روی ۴۰ متر بر ثانیه تنظیم شد.

شکل ۷: شبیه سازی مایع و رشته ی مقره در شرایط با سرعت باد ۲۰ متر بر ثانیه.

شکل ۸: توزیع استرس در چترک مقره ی کامپوزیتی در سرعت باد ۴۰ متر بر ثانیه.

شکل ۷ و ۸ نشان دهنده توزیع مایع در اطراف مقره و همچنین توزیع استرس در چترکها می باشد. زمانی که مایع باد در اطراف مقره می وزد، یک سری حلقه (مرداب) در لبه ی چترکها و یا در نزدیکی هسته پدید می آید. این حلقه ها در یک سری فرکانس های مرتبط با سرعت باد، ساختار چترک و مواد ماژول شروع به لرزیدن می کنند. هنگامی که فرکانس لرزش حلقه ها نزدیک فرکانس طبیعی لرزش چترک ها باشد، رزونانس اتفاق خواهد افتاد و در نتیجه میزان لرزش نیز افزایش پیدا می کند. این رزونانی در واقع اصلی ترین دلیل لرزش چترک ها در دامنه های بالا است.

همانطور که در شکل ۸ دیده می شود، زمانی که در دامنه های بسیار زیاد چترک عریضتر بصورت دوره ای و با فواصل معین شروع به لرزیدن می کند، میزان استرس در سطح چترک بطور غیر یکنواخت توزیع می گردد. بطور واضح، میزان استرس در نزدیکی پایه های چترک بیشترین میزان خود را داشت و بیشترین میزان در محل اتصال چترک ها با بدنه اتفاق می افتد. این بیشترین میزان استرس کمتر از استحکام کششی لاستیک سیلیکون HTV می باشد. به همین صورت، اگر چترک ها در دامنه بالا شروع به لرزیدن کنند، پایه ی آنها سریعا پاره نخواهد شد. پارگی های روی سطح چترک ها در نتیجه بدلیل استرس های وارده می باشد. میزان استرس بیشتر از میزان محدودت فرسودگی مواد می باشد. زمانی که سرعت باد از ۲۰ متر بر ثانیه به ۶۰ متر بر ثانیه اغزایش یابد، استرس بیشینه نیز از ۰٫۱ فش ۰٫۶ مگا پاسکال افزایش پیدا می کند.

نتیجه گیری

• در محل هایی با وزش باد شدید، چعترک های مقره های کامپوزیتی مورد مطالعه، در فرکانس ها و دامنه ها در شرایط وزش باد بیشتر از ۳۰ متر بر ثانیه شروع به لرزیدن می کند.
• با وجود اینکه میزان بیشینه این استرس از استحکام کششی مواد لاستیک سیلیکونی HTV کمتر است، همچنبن از میزان محدودیت فرسودگی آن بیشتر است. استرس پریودیک در سطوح چترک ها می تواند موجب ایجاد پارگی های بسیار کوچک شده که در نهایت منجر به پارگی های واقعی شود.

جهت کمتر کردن رزونانس بین مایع و چترک، ممکن است نیاز به بهبود بیشتر پارامترهای ساختار چترکها و همچنین مواد باشد.