مقره ها و ایزولاسیون

از آغاز پیدایش صنعت برق ،  نیاز به تجهیزاتی که بتوانند نقش عایقی و جداسازی قسمتهای تحت ولتاژ‍ از سایر قسمت ها را داشته باشند وجود داشته و تحقیقات در این زمینه نیز همچنان ادامه دارد.اولین عنصری که به عنوان مقره مطرح گردید چوب خشک بود ولی بعلت اینکه پس از خیس شدن تا اندازه ای خاصیت عایقی خود را از دست میداد کنار گذاشته شد. پس از چوب استفاده از مصنوعات کلی و سرامیک مورد مطالعه قرار گرفت و امروز بطور گسترده از شیشه و چینی و پلاستیک در ساخت مقره ها استفاده می شود.

در خطوط انتقال نیرو نیز لازم است هادیهای تحت ولتاژ به نحوی از برجها ایزوله شوند که مقره ها عامل اصلی جداسازی هادیها از پایه ها و زمین می باشد و برای اینکه بتوانند وظایف خود را که در حقیقت تامین فاصله مناسب می باشد به خوبی انجام دهند باید دارای خواص کلی زیر باشند :

1. خاصیت عایقی مناسب
2. مقاومت مکانیکی کافی
3. تحمل الکتریکی در مقابل اضافه ولتاژ ها
4. مقاومت الکتریکی بالا در جهت کاهش نشت جریان الکتریکی
5. مقاوم در مقابل تغییرات درجه حرارت محیط

مسلما هرچه مقاومت الکتریکی و مکانیکی مقره ها بیشتر باشد،تحمل آنها در مقابل اضافه ولتاژها یا اضافه بارهای مکانیکی افزایش می یابد ،علاوه بر آن پایین بودن درجه عایقی مقره ها احتمال بروز جرقه بین هادیها با برجها را از طریق زنجیره مقره ها افزایش می دهد.که این امر سبب تخریب آنها می گردد که در مجموع کاهش قابلیت برق رسانی و در نتیجه خروج خطوط انتقال نیرو را به همراه خواهد داشت.

ایزولاسیون و مقره ها

برای اتصال هادی های خطوط انتقال به دکل ها که دارای ولتاژ های زیادی نسبت به بدنه ی دکل و نسبت به یکدیگر می باشند،از وسایل مجزا کننده استفاده میشود.این جدا کننده ها که عموما به صورت مقره در خطوط انتقال بکار می روند ، عموما دارای دو وظیفه ی مهم می باشند:

یکی وظیفه ی مکانیکی آنها است بطوری که باید دارای استقامت مکانیکی خوب بوده  و قادر باشند بارهای مکانیکی راتحت شرایط متحمل از قبیل برف ،باد ، باران ، و غیره بخوبی تحمل نمایند.

دیگری وظیفه ی الکتریکی آنها است بطوری که باید دارای خواص غایقی خوب بوده و بتوانند هادی های دارای ولتاژ را بخوبی از دکل و از یکدیگر ازنظر الکتریکی جدا نمایند و علاوه بر تحمل ولتاژ کار خط ، در مقابل ولتاژ های ضربه ای ناشی از رعد و برق و قطع و وصل کلید ها و غیره که بعدا توضیح داده خواهد شد بخوبی مقاومت کنند.

در ضمن جریان نشتی مقره ها که ممکن است در اثر تخلیه ی کرونا ، تلفات دی

الکتریکی یاعایقی مواد داخلی مقره و جریان نشتی سطحی مقره به وجود اید باید حتیالامکان ناچیز باشد .

شکست ولتاژ اعمال شده روی مقره ممکن است به دلیل تخلیه ی الکتریکی در هوای اطراف مقره ، تخلیه ی الکتریکی سطحی از طریق گرد و غبار وآلودگی های روی سطح مقره ویا تخلیه ی الکتریکی ازداخل خود مقره صورت پذیرد که در حالت اخیر منجر به خرابی مقره می گردد .

اغراق نیست اگر بگوییم که ضریب اطمینان سیستم های قدرت بستگی به کیفیت و

ضریب اطمینان ایزولاتورها دارد و از آن جایی که ولتاژ انتقال و ظرفیت انتقال روز به روز در حال افزایش است میتوان گفت که نقش ایزولاتورها و مقره ها روز به روز مهمتر خواهد شد و همچنین نیاز برخورداری از تحمل مکانیکی بیشتر درآینده توام با خاصیت الکتریکی مناسب مسئولیت سنگینی را از هم اکنون بردوش مهندسان مواد گذاشته است به لحاظ اهمیت نقش ایزولاتورها ومواد تشکیل دهنده ی آنها در خطوط انتقال در اینجا به تشریح آنها می پردازیم.

مواد تشکیل دهنده عایق ها و مقره ها

مواد مختلفی وجود دارند که به عنوان عایق الکتریکی در ساخت مقره ها به کار میروند. این مواد عموما به دو گروه سرامیکی و غیرسرامیکی (پلاستیک)می توانند تقسیم گردند . گروه سرامیکی که از اهمیت بیشتری برخوردار می باشد خود انواع مختلفی را شامل می شود که عمده ی آنها بخصوص برای خطوط انتقال ، شامل پرسلین و شیشه می باشند.با این حال امروزه پرسلین به عنوان بهترین این مواد از نقطه نظر استقامت الکتریکی و مکانیکی ، استقامت تحت شرایط جوی مختلف ، ضریب اطمینان بالا و غیره ، مورد قبول صاحب نظران در سراسر جهان می باشد و به عنوان بهترین ماده برای ساخت مقره ها شناخته شده است .

طراحی شکل و انواع ایزولاتورها

همانطور که قبلا گفته شد شکست الکتریکی بر روی مقره معمولا به دو علت ممکن

است صورت پذیرد ، یکی تشکیل جرقه از داخل مقره و دیگر تشکیل جرقه سطحی ، که اولی چون عایق بدلیل سوراخ شدن خاصیت خودراازدست می دهد،حائزاهمیت بیشتری است . تخلیه ی نوع دوم خود ممکن است به سه صورت مختلف وقوع پذیرد:

الف) تخلیه ی بین هادی و بدنه از طریق هدایت سطحی عایق که معمولا در شرایطی که ایزولاتور بعلت کثیف بودن، آلودگی و مرطوب بودن خاصیت عایقی کمتری دارد ممکن است وقوع پذیرد (شکل 1 ) در این حالت کوتاهترین مسیر بر روی سطح ایزولاتور که هادی را به بدنه مربوط می سازد خط فراری نامیده می شود .

انواع مختلف ایزولاتورها

توجه به نکات مختلف و شرایط مخصوص نصب منجر به طراحی وساخت ایزولاتورهای مختلفی شده است . این ایزولاتورها معمولا به دو گروه ایزولاتورهای نگهدارنده(ثابت )و ایزولاتورهای آویزان تقسیم می شوند :

• الف ) ایزولاتورهای نوع نگهدارنده
• ب)  مقره های آویزی
• ج) مقره های مخصوص

طراحی و انتخاب ایزولاتور خطوط انتقال از نقطه نظر استقامت مکانیکی

ایزولاتور خطوط انتقال باید از نظر استقامت مکانیکی چنان باشد که بتواند نیروهای وارده بر زنجیره مقره در شرایط طبیعی و نرمال، از جمله وزن هادی، نیری وارد بر مقره در اثر زاویه دار بودن خط، فشار باد و نیروی ناشی از وزن یخ و برف را براحتی تحمل کند و همچنین تحمل نیروهای غیرطبیعی ناشی از تخلیه ناگهانی برف و یخ از روی هادی، پارگی سیم ، شکستن یک زنجیره مقره و غیره را داشته باشد. همچین مقره ها باید قابلیت اطمینان طولانی مدت را داشته باشند. برای مقره های آویزی که می توانند در امتداد مسیر خط، حرکت داشته باشند نیروی افقی در جهت خط انتقال در نظر گرفته نمی شود و نیروی مزبور برای مقره های بدون حرکت از جمله مقره های نوع سوزنی و مقره های نگهدارنده که عمدتاً در پستها نصب می شوند در نظر گرفته می شود.

تطبیق ایزولاسیون

تطبیق ایزولاسیون در یک شبکه قدرت حائز اهمیت زیاد است. جهت درک آسان مطلب می توان آن را شبیه طراحی و کاربرد فیوز و دیگر وسایل حفاظتی دانست که در آن اساس طراحی بر این اصل استوار است که در صورت ازدیاد جریان تا حد غیرمجاز حتی الامکان بخش کوچکی از شبکه از سرویس خارج گردد و قسمتهای دیگر در شرایط کار باقی بمانند.

در شبکه های قدرت که دارای افزایش ولتاژهای غیرطبیعی هستند باید تطبیق ایزولاسیون با دقت زیادی انجام گردد زیرا چنانچه مثلاً قسمتی از شبکه دارای سطح ایزولاسیون خیلی زیادی باشد، اضافه ولتاژ ممکن است سبب از بین رفتن ایزولاسیون در قسمتهای مهم و حیاتی سیستم از قبیل ترانسفورماتورها گردد. مثلاً ترجیح داده می شود که در صورت ازدیاد ولتاژ خیلی زیاد شکست الکتریکی بین دو سر مقره های خط سریعتر از بوشینگ ترانسفورماتورها صورت گیرد. همچنین استقامت الکتریکی بوشینگ ترانسفورماتورها باید کمتر از ایزولاسیون داخل ترانسفورماتور باشد که این امر بوسیله کاربرد شاخکهای هوایی در مقره های خط و بوشینگ ترانسفورماتورها انجام می گیرد. بطوری که قبل از این که ولتاژ در سر مقره ها و بوشینگها به مقدار خطرناکی برسد موج ولتاژ توسط شاخکهای هوایی طرفین آنها اتصال کوتاه شده و مستهلک می گردد. معمولاً ولتاژ جرقه شاخکهای هوایی بوشینگ ترانسفورماتورها 80% ولتاژ مقاوم ترانسفورماتور می باشد.

بطور کلی در طراحی ایزولاسیون جهت حفاظت صحیح شبکه و تجهیزات الکتریکی لازم است که کل اجزای تشکیل دهنده شبکه را با هم در نظر گرفته و تطبیق ایزولاسیون با توجه به مشخصات کل سیستم صورت گیرد و باید چنان باشد که در صورت احتمال وقوع شکست الکتریکی بین دو سر ایزولاتورها و یا در داخل تجهیزات این شکست حتی الامکان در محلی وقوع یابد که آسیب کمتری به سیستم وارد گردد.

بعنوان مثال ایزولاسیون خط در اسپن آخری که مجاور پست است که معمولاً کمی کمتر در نظر گرفته می شود تا حتی الامکان سبب حذف و یا محدود کردن موجهای ولتاژ رعد و برق و رسیدن آنها به پست گردد. سطح ایزولاسیون باسبارها در یک پست بسیار مهم بوده و به منظور تامین تداوم تغذیه باید بیشترین مقدار را داشته باشد.

• مقدمه 1
• ایزولاسیون و مقره ها 2
• 1) مواد تشکیل دهنده عایق ها و مقره ها 3
• 1-1) پرسلین 4
• 2-1) شیشه 6
• 2) طراحی شکل و انواع ایزولاتورها 8
• 3) انواع مختلف ایزولاتورها 12
• الف) ایزولاتورهای نوع نگهدارنده 12
• الف-1) مقره های سوزنی 12
• الف-2) مقره های نوع پست 15
• ب) مقره های آویزی 17
• ب-1) مقره های آویزی بشقابی 19
• ب-2) مقره هیولت 20
• ب-3) مقره های توپر بلند آویزی 22
• ج) مقره های مخصوص 23
• 4) توزیع ولتاژ در طول یک زنجیره مقره آویزی 26
• 5) روشهای توزیع مساوی ولتاژ در طول زنجیره مقره 31
• 1-5) کنترل m 31
• 2-5) درجه بندی کاپاسیتانس واحدهای مقره 32
• 3-5) کاربرد حفاظ استاتیکی یا حلقه محافظ 34
• 4-5) لعاب هادی 36
• 6) طراحی و انتخاب ایزولاتور خطوط انتقال از نقطه نظر استقامت مکانیکی 36
• 2-6) طراحی مکانیکی مقره های آویزی معمولی 38
• 2-2-6) طراحی مکانیکی مقره های آویزی v شکل 39
• 3-2-6) طراحی مکانیکی مقره های آویزی برای دکلهای انتهایی 41
• 4-2-6) قابلیت اطمینان طولانی مدت مقره ها 42
• 3-6) تطبیق ایزولاسیون 44