خصوصیات و کاربرد عایق های مایع در برق قدرت

این پروژه که تحت عنوان عایق مایع در برق قدرت می باشد از سه فصل تشکیل یافته است که در طول این فصل ضمن آشنایی شما با عایق های مایع و انواع آنها شما را با چگونگی کاربرد و خصوصیات فیزیکی این عایق ها آشنا می سازیم.

در فصل اول تحت عنوان گروه بندی عایق های مایع شما را با انواع عایق های مایع و گروه بندی این عایق ها آشنا کرده و ضمن آشنایی هر چه بیشتر با این گونه عایق ها شما را با خواص فیزیکی و شیمیایی این عایق ها آشنا می کنیم.

در فصل دوم که تحت عنوان خصوصیات فیزیکی و شیمیایی عایق های مایع است، ضمن آشنایی شما با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی این عایق ها و ضمن آشنایی هرچه بیشتر با این گونه عایق ها با روغن های این عایق و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و خواص الکتریکی  این عایق آشنا می شوید.

در فصل سوم که تحت عنوان شکست در عایق های مایع ضمن آشنایی با شکست در این گونه عایق و نظریه های مربوط به این شکست در این عایق ها با نظریه های شکست و همچنین با توجه به نظریه های شکست به ترکیب عایق مایع و جامد پرداخته و شما را هر چه بیشتر با شکست عایق های مایع آشنا می سازد و در انتها به نتیجه گیری مباحث مربوطه در این سه فصل پرداخته می شود.

مقدمه

با توجه به افزایش روز افزون میزان تولید انرژی الکتریکی توسط نیروگاه ها، اهمیت انتقال انرژی از طریق خطوط انتقال با ولتاژهای بسیار بالا روز به روز افزایش می یابد؛ به گونه ای که ولتاژ خطوط فشار قوی از مرز هزار کیلوولت گذشته است و روند این افزایش با سرعت زیادی انجام می گردد. بدین منظور برای دانشجویان مهندسی برق مناسب و ضروری است تا با مسائل مربوط به ولتاژهای فشار قوی آشنا شده، پشتوانه مناسبی در زمینه مهندسی فشار قوی داشته باشند. البته همیشه علم مهندسی فشار قوی درگیر با مسایل عایق کاری بوده است؛ زیرا با افزایش سطح ولتاژ، مسائل عایق کاری تجهیزات فشار قوی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار خواهد بود. بالطبع با افزایش سطح ولتاژ، خصوصیات انواع عایقهای بکار رفته، مسائل میدانهای الکتریکی، شکست الکتریکی عایقها و دیگر موارد مرتبط با آن ها، جایگاه خاص و مهمی را بخود اختصاص می دهد.

همچنین مباحث فیزیک و تکنولوژی عایق های الکتریکی بر روی اصول متعددی استوار شده است. این اصول مربوط به علوم فیزیک، مکانیک، شیمی و ریاضی است، بنابراین آسان می توان پذیرفت که این رشته از مهندسی برق از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

پیدایش و تکامل انواع عایقهای الکتریکی، چه برای مهندسی الکترونیک و چه برای مهندسی الکتروتکنیک پس از جنگ جهانی دوم از چنان سرعتی برخوردار بوده است که شناسایی و کاربرد صحیح آنها برای مهندسین متخصص نیز خالی از دشواری نبوده است. به ویژه ساخت و تهیه عایقهای ترکیبات کربنی از راه مصنوعی که در بیست سال اخیر سیلی از انواع عایقها با خواص ممتاز و کاربردی وسیع را برای ساختمان دستگاه ها و ماشین های الکتریکی عرضه داشته است که طبیعی است بالا بردن بیشتر سطح آگاهی مهندسین برق را در این زمینه الزام آور می سازد.

بدون شک، تکامل صنعت عایق سازی، به ویژه پس از جنگ جهانی دوم، سهم بسزایی در تحقق یافتن پیشرفتهای الکترونیک در سال های اخیر داشته است. تنها موفقیتهای چند ساله اخیر، در زمینه ساختن عایقهای مصنوعی، نشانه بارزی از کوشش های همه جانبه ای است که همه دانشمندان علوم مهندسی برای امکان دادن به استفاده بیشتر از نیروی برق، در زمینه های مختلف، آغاز کرده اند.

وظیفه اصلی عایقهای الکتریکی عبارتست از عایق کردن دو یا چند هادی که تحت فشارهای الکتریکی مختلفی قرار گرفته باشند، نسبت به یکدیگر و یا نسبت به زمین.

از عایقهای الکتریکی، خصوصیات دیگری نیز، از قبیل مقاومت در برابر مواد شیمیایی و مقاومت در مقابل حرارت، مورد انتظار است تا آنکه تلفات ناشی از حرارت در آنها در حداقل باقی بماند. در کنار این خصوصیات، عایقها باید دارای خواص الکتریکی متعدد دیگری نیز باشند. این خواص در درجه اول عبارتند از:

1. قابلیت هدایت الکتریکی در حداقل ممکن
2. تلفات محدود انرژی، آنگاه که عایق در یک میدان الکتریکی واقع می گردد.
3. دارا بودن عدد عایقی بزرگ
4. استقامت الکتریکی قابل توجه

پیشرفت و تکامل عایقهای الکتریکی در سی سال اخیر، با تهیه و ساختن عایقهای جدید و با بهتر کردن خواص عایقهای موجود، بسیار جالب توجه بوده است.

در شرایطی که از ولتاژ فشار قوی استفاده می شود، طراحی دقیق سیستم عایقی از اهمیت زیادی برخوردار است. به همین منظور از عایق های مختلفی از قبیل گازها، جامدات و مایعات و ایجاد خلاء و یا ترکیبی از آنها استفاده می شود. برای صرفه جویی و اطمینان از انجام موفق کارها باید دانش مربوط به عوامل فساد عایق و نیز عواملی را که باعث کاهش ولتاژ شکست و از بین رفتن عایق می شوند، در طراحی مورد توجه قرار داد. وظیفه عایق ها، ایزولاسیون (جداسازی الکتریکی) ولتاژهای فشار قوی نسبت به یکدیگر و همچنین نسبت به زمین می باشد، تا هم ولتاژ و هم جریان فشار قوی در مسیر مربوط به خود قرار گیرند و هم از بروز خسارت و ضرر و زیان به افراد و تجهیزات جلوگیری شود. عایق ایده آل (طبق تعریف) یک نارسانای جریان الکتریسیته است که هیچ جریان الکتریکی را از خود عبور نمی دهد؛ ولی عملاً هیچ ماده ای را در طبیعت نمی توان یافت که ویژگی یک عایق ایده آل را داشته باشد. اما برای استفاده های کاربردی، یک عایق، ماده ای است که عبور جریان از خود را در حد بسیار کم و مطلوبی محدود نماید؛ به حدی که بتوان از آن صرف نظر کرد. به عبارت دیگر، در ولتاژهای عادی، مقاومت الکتریکی عایق خیلی زیاد است. اگر ولتاژهای بسیار بالا از عایق، جریان قابل ملاحظه ای عبور کند. در حقیقت، عایق دیگر خاصیت عایقی خود را از دست داده، دچار شکست الکتریکی می شود؛ به عبارت دیگر؛ عایق تبدیل به هادی می شود. قبل از بروز شکست در عایق ها،؛ عایق شبیه به یک خازن است که دو الکترود در دو طرف آن، صفحات خازن هستند و با اعمال ولتاژ به این خازن، شارژ می شود. پس از شکست الکتریکی عایق، این خازن در واقع دشارژ و تخلیه می گردد. به همین دلیل پدیده شکست الکتریکی عایق ها را، تخلیه الکتریکی نیز می گویند. استقامت الکتریکی عایق ها را برحسب بالاترین شدت میدان الکتریکی قابل تحمل، قبل از تخلیه الکتریکی می سنجد و معمولاً آن برحسب KV/cm یا KV/mm بیان می شود. بررسی عملکرد عایق ها، نیاز به بررسی های عملی (با استفاده از نظریه فیزیکی و روابط ریاضی) و همچنین بررسی های تجربی (از طریق آزمایش ها و اندازه گیری های لازم)، روی عایق ها دارد و پیشرفت های حاصل در زمینه مکانیزم تخلیه الکتریکی عایق ها همواره با این دو مورد همگام بوده است.

گروه بندی عایق های مایع

تقسیم و دسته بندی عایقها منطقاً از دیدگاه های مختلفی امکان پذیر است؛ مثلاً ساختار مولکولی عایق و یا خواص شیمیایی و فیزیکی آنها – که گروه بندی عایقها، از این دو نقطه نظر، ما را بیشتر به واکنش عایق در قبال تغییرات حرارت و فشار، شدت میدان الکتریکی و نحوه فروپاشی های عایقی و همچنین موارد کاربرد عایق آشنا می سازد. بنابراین، خواص عایقها را با گروه بندی آنها از نقطه نظر خواص شیمیایی و فیزیکی و ساختار مولکولی آنها بررسی می کنیم:

عایق های الکتریکی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: عایق های معدنی، عایق های ترکیبات کربنی.

از جانبی دیگر، عایقها در سه شکل ظاهر می شوند، جامد، مایع و گاز

عایق های معدنی: عایقهای معدنی خود به دو دسته زیر تقسیم شده اند:

• الف) عایقهای معدنی که به شکل طبیعی خود به کار گرفته می شوند، مانند سنگ مرمر و سنگ شیفر – میکا – پنبه نسوز – هوا و ازت
• ب) عایقهای معدنی که برای استفاده و به کار گرفتن باید قبلاً آماده شوند. مانند عایق هایی که از خاک چینی و یا گل رس تهیه می شوند و همچنین شیشه و کوارتز

عایق های ترکیبات کربنی: این عایقها نیز خود به دو دسته زیر تقسیم شده اند:

• الف) عایق های ترکیبات کربنی که به شکل طبیعی خود به کار گرفته می شوند، مانند چوب، کائوچو طبیعی و گوتا پرشا.
• ب) عایق های ترکیبات کربنی که پس از آماده شدن و تغییراتی در آنها بکار گرفته می شود، مانند پنبه، ابریشم، کاغذ، سلولز، ابریشم مصنوعی، سلولز استر.

عایقهای مصنوعی ترکیبات کربنی نیز متعلق به این گروه و برحسب فرآیند شیمیایی که در ساخت آنها به کار گرفته می شود، به سه دسته تقسیم می شوند:

• عایق های گروه پلیمریزاسیون
• عایق های گروه پلی کندانساسیون
• عایق های گروه پلی آدیسون

همچنین عایقهای که از مواد مختلف ساخته می شوند:

• صفحات عایقی پرس شده
• نخ ها و رشته های شیشه ای
• صمغ ها و لاکها

عایق های مایع: روغن های عایق، کلوفن

گازهای عایق: هوا و گازهای الکترونگاتیو

عایق های معدنی طبیعی

سنگهای مرمر و سنگهای شیفر، که در گذشته به منظور ساختن تابلوهای الکتریکی کاربردی داشته است، امروزه در الکتروتکنیک به ندرت مورد استفاده ای می یابند.

استقامت الکتریکی روغن عایق

روغنی که از صافی عبور داده شده باشد و از ذرات گاز  و مواد بیگانه به میزان قابل توجهی پاک شده باشد، دارای استقامت الکتریکی بزرگی است. اندازه گیری های متعددی، در این زمینه، شدت میدان فروپاشی الکتریکی را بیش از 200 کیلو وات بر سانتی متر اندازه گیری کرده است. استقامت الکتریکی روغنها، تا حد نسبتاً زیادی، از شکل و فاصله قطبها تبعیت می کند. به همین علت، شکل قطبها و فاصله آنها استاندارد شده است. در میدان الکتریکی همگنی با فاصله 15 تا 40 سانتی متر بین قطب های گوی شکل با قطر 50 سانتی متر شدت میدان فروپاشی الکتریکی 45 کیلو وات بر سانتی متر اندازه گیری شده است. همین مقدار برای دو قطب صفحه – صفحه با فاصله سه سانتی متر بدست آمده است.

سرعت افزایش فشار الکتریکی نیز بر روی استقامت الکتریکی روغن موثر است. برای مثال، بین دو قطب صفحه ای شکل با قطر 10 سانتی متر و لبه های گرد شده و فاصله 95 میلیمتر، شدت میدان فروپاشی الکتریکی، پس از 7 دقیقه از گذراندن فشار الکتریکی روی قطبها، 5/11 کیلوولت بر سانتی متر بوده است پس از یک دقیقه 5/12 و یک ثانیه 16 کیلوولت بر سانتی متر.

بدیهی است که این مقدار برای فشار الکتریکی ضربه ای افزایش می یابد. بنابراین، فشار الکتریکی فروپاشی برای روغن و کاغذ و روغن را در شکل 3-1 نشان داده ایم.

تخلیه الکتریکی در روغن از جهات مختلف نظیر تخلیه الکتریکی نزد گازهاست تخلیه ناقص الکتریکی در روغن نیز مانند گازها مشاهده می گردد. وجود حبابهای گاز و یا هوا باعث یونیزاسیون در روغنها می گردد، چنانچه در گازها نیز می توان مشاهده کرد.

فروپاشی الکتریکی در روغنها به وسیله نظریه های مختلفی بیان شده که مبنای آن بر شروع تخلیه الکتریکی در گاز موجود در روغن، گذارده شده است. این گاز بر اثر حرارت در روغن ایجاد می شود، و یا قبلاً در روغن موجود بوده است. این نظریه ها هر کدام به تنهایی، قادر به بیان مکانیزم فروپاشی الکتریکی در روغن نیستند.

خواص فیزیکی و شیمیائی عایق های مایع و اندازه گیری آن ها

انواع عایق های الکتریکی بسیار زیاد می باشد. این امر بدین دلیل است که شرایط کار عایق ها متفاوت است و هر عایق برای شرایط معینی مناسب است.عایق الکتریکی گاهی باید دارای استقامت مکانیکی خوبی باشد و یا در مقابل اشعه خورشید مقاومت داشته باشد؛ در ضمن در مجاورت باد و باران و گرد و غبار صدمه نبیند. در شرایط دیگر باید انعطاف پذیر باشد و یا در مقابل تخلیه جزئی مقاوم باشد در مواردی  قابلیت هدایت حرارتی عایق نقش مهمی بازی می کند و یا نفوذ رطوبت در آن باید بسیار کم باشد. در شرایط دیگر عایق باید تحمل درجه حرارت های خیلی بالا و یا خیلی پایین را داشته باشد و یا در مقابل بعضی مواد شیمیایی مقاوم باشد. همچنین ممکن است سازگاری عایق با مواد دیگر اهمیت داشته باشد. البته زمانی که از یک عایق چند انتظار مختلف برود، کار مشکل تر می گردد.

به دلیل انتظارهای متفاوتی که در شرایط مختلف از یک عایق می رود، در موارد مختلف از عایق های مختلف استفاده می شود. البته قیمت عایق و دسترسی به آن نیز نقش عمده ای در انتخاب آن دارد. بسته به این که عایق در کجا مورد استفاده قرار می گیرد و چه انتظاری از آن می رود، خواص متفاوتی از عایق دارای اهمیت می باشد. اغلب یک عایق به تنهایی نمی تواند مورد استفاده واقع شود و ترکیب چند عایق دارای خواص مورد نظر را دارا می باشند.

خواص عایق های الکتریکی از جهات گوناگون مورد توجه است. این خواص ممکن است از جهت الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی، حرارتی محیط زیست و غیره باشد. تنوع این خواص مانع از آنست که بتوان از همه آن ها نام برد. در این فصل بعضی خواص مهم عایق ها ذکر شده و روش اندازه گیری خواص شرح داده می شود.

قابل ذکر است که هر یک از خواص عایق ها مطابق استاندارد مربوط به آن دقیقاً تعریف می گردد و روش اندازه گیری نیز در این استاندارد شرح داده می شود. لذا پس از اندازه گیری خاصیت معینی از عایق ، باید استانداردی که مطابق آن اندازه گیری انجام شده است، ذکر گردد.

بدیهی است هر کشور بسته به سابقه و شرایط اقتصادی و امکانات و غیره، برای خود استاندارد معینی وضع می نماید. انتخاب استاندارد، سازگاری قطعات و تولیدات را بوجود می آورد؛ ضمناً نوعی وابستگی نیز به شمار می رود. لذا باید در انتخاب استاندارد دقت شود. برای هماهنگ کردن استانداردها در دنیا کوشش هایی صورت گرفته است و موسسات بین المللی استاندارد بوجود آمده اند.

دو استاندارد IEC و ISO در درجه اول اهمیت قرار دارند. زیرا استانداردهای بین المللی بوده و اکثر کشورها، از جمله ایران، عضو این دو موسسه می باشند.

خواص و مشخصات مختلف برای عایق های مختلف، بسته به مورد استفاده آنها، دارای اهمیت متفاوتی می باشند؛ ولی بعضی از خواص برای همه عایق ها دارای اهمیت است که در این فصل از آن ها نام برده می شود.

ویژگی های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایقی

کاربرد عایق ها در ساخت ژنراتورها، موتورها، ترانسفورماتورها، برقگیرها، خازن ها، کابل ها، کلیدهای فشار قوی، مقره ها و سایر تجهیزات فشار قوی بسیار گسترده است. با توجه به نوع کاربرد و شرایط محیطی که عایق در آن قرار می گیرد، علاوه بر خاصیت الکتریکی، سایر خواص فیزیکی و شیمیایی آن نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. ویژگی های یک ماده عایقی را برای استفاده های بخصوص می توان به صورت زیر، اولویت بندی نمود:

1. رفتار مکانیکی
2. رفتار گرمایی
3. پارامترهای شیمیایی
4. خصوصیت های الکتریکی
5. عوامل اقتصادی

شکست در عایق های مایع

بطور خلاصه، شکست الکتریکی فرآیندی جمع شونده (Cumulative) است که در آن ذرات باردار توسط یک میدان الکتریکی شتابدار شده و از طریق برخورد با اتم ها یا مولکول های خنثی شده مایع، ذرات باردار بیشتری ایجاد کرده و نتیجتاً توده عظیمی از یون ها که برای هدایت یک جریان کافی هستند؛ به وجود می آید.

چون مایعات دی الکتریک با انواع عایق های دیگر و مواد فلزی در تماس بوده و رطوبت و ذرات خارجی در طی ذخیره سازی و تولید دستگاه وارد آن می شوند. استقامت عایقی یک مایع در یک سیستم عایق کاری، تقریباً همیشه بمقدار قابل ملاحظه ای کمتر از مقاومت نمونه خالص آزمایش شده در آزمایشگاه می باشد. ممکن است ذرات بین الکترودها جهش کنند.

باری که یک ذره در نزدیکی یک الکترود بدست می آورد، باعث پرتاب آن به سمت الکترود مخالف شده و در آن جابار و خود را از دست داده ودوباره به سمت الکترود اول پرتاب می شود. در مایعاتی که با گازها یا رطوبت آلوده شده اند، دمای عملیات می تواند باعث تشکیل حباب هایی در اطراف ذرات با اندازه ای کمتر از میکرون شده، و با این علت خواص عایقی مایع را تضعیف کند.

بنابراین این نکته حائز اهمیت است که مایعات و دستگاه های در تماس با آنها، برای کارآیی بهتر، تا حد امکان از رطوبت و ذرات آلوده کننده بدور باشند.

عایق های مایع و جامد کاربردهای زیادی در صنعت عایق کاری دارند و شناخت خواص آنها از جمله شکست عایق دارای اهمیتم فوق العاده ای می باشد. متاسفانه دلایل این مطلب این است که برخلاف گازها، عایق های مایع و جامد را مشکل می توان به صورت خالص یافت. وجود ناخالصی باعث ضعف عایق و شکست آن می گردد. البته این ناخالصی ها ناخواسته و معمولاً ناشناخته هستند. بدون شناخت ناخالصی ها، شناخت اثر آن ها غیر ممکن است به همین علت بررسی دلایل شکست عایق های مایع و جامد کاری مشکل است و نمی توان برای رفتار این عایق ها قوانین محکمی یافت.

در قرون اخیر مایعات را از برخی جنبه ها مورد پژوهش قرار داده اند ولی یافته ها و نتایج حاصله نمی تواند کاملاً مورد قبول واقع شود. بنابراین بدلیل اینکه اطلاعات متنوع بوده و در برخی موارد با هم متناقض هستند. چنین یافته هایی نمی توانند منجر به دست یابی به یک تئوری کلی قابل اعمال به مایعات شوند.

دلیل اصلی این وضعیت فقدان تئوری جامعی است که مبانی فیزیکی حالت مایع را مورد توجه قرار داده و چهارچوبی ارائه کند که بر مبنای آن مشاهدات با هم مقایسه شده و به آن استفاده شود.

بررسی های جامعی روی اطلاعات تدوین شده در این مورد، به طور متناوب انجام شده است، موارد اخیر بررسی هایی از لوئیس، شرباگ و داتسون، سوان و کوک، کراسوکی و زکی و هالی و گالا هر را شامل می شود. کار به طور وسیع در دو مکتب فکری قرار می گیرد. یک طرف آن هایی هستند که شکست در مایعات راروی مدلی دنبال می کنند که تعمیم یافته شکست گازها براساس یونیزه کردن بهمنی اتم ها و حاصل از برخورد مسیر الکترون ها در میدان اعمالی است. فرض می شود که الکترون ها به سبب پرتوافشانی میدان از کاتد کنده شده و بدون مایع رانده می شوند و خلاصی آنها از زنجیره سطح می تواند در اثر کمک میدان یا اثر شاتکی (ازدیاد ترمویونیک میدان) باشد. این نوع مکانیسم شکست برای مایعات همگن با درجه خلوص بینهایت زیاد مورد توجه قرار گرفته و به عایق های مایعی که به شکل تجاری تولید شده قابل اعمال نیست. مطالعات در مورد هدایت در مایعات خیلی خالص نشان داد که در میادین ضعیف، هدایت به خاطر تجزیه ناخالصی ها عمدتاً یونی است و به طور خطی با شدت میدان افزایش می یابد. در میادین متوسط هدایت به اشباع می رسد. در میدان های شدید همچنانکه به شکست نزدیک می شویم، هدایت با سرعت بیشتری گسترش یافته و به ناپایداری منجر می گردد. اعتقاد بر این است که این افزایش حاصل از پرتو افشانی الکترون در کاتد به وسیله یک یا هر دو مکانیسم فوق الذکر بوده و احتمالاً به سبب تاثیر میدان در تجزیه مولکولهای مایع است.

مدت زیادی است که مشخص شده، حضور ذرات خارجی در عایق های مایع تاثیر بسیار زیادی روی استقامت الکتریکی مایعات دارند. در یک بررسی فرض شده است که ذرات معلق قابل پلاریزه بوده و دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی بیشتری نسبت به مایع هستند. در نتیجه در معرض نیروی الکتریکی قرار می گیرند که آنها را به طرف حداکثر شدت میدان می راند. با وجود میدانی یکنواخت، فرض شده که حرکت ذرات به سبب تخلخل سطح الکترودها (که گرادیان های موضعی را افزایش می دهد) باشد. تجمع ذرات ادامه یافته و به شکل گیری پلی بین دو الکترود منجر می گردد که این آغاز شکست است.

ناخالصی ها همچنین می توانند حباب هایی گازی با قدرت شکستی کمتر از مایع باشند. دراین حالت شکست حباب ها می تواند باعث تحریک شکست کلی مایع شود. مدلی ریاضی برای شکست حفره توسط کائو پیشنهاد شده است.

مهمترین عایق مورد مصرف در صنعت، روغن ترانسفورماتور است که از نفت معدنی تهیه می گردد. عایق های دیگر مانند روغن نسوز یا روغن مصنوعی برای مدتی به دلیل خواص مناسب آن ها مورد مصرف قرار می گرفتند. ولی به علت مشکلاتی که برای محیط زیست و موجودات زنده تولید می نمایند، امروزه منسوخ و در برخی ممالک به کلی ممنوع شده است، عایق های مایع دیگری نیز وجود دارند. برای مثال می توان از مواد عایق مایع نام برد که در خازن های فشار قوی و یا در کابل های فشار قوی به کار می روند. همچنین روغن سیلیکون به جهت استقامت در مقابل درجه حرارت زیاد و بالا بودن نقطه اشتعال گاهی به کار می رود.

دلایل استفاده از عایق مایع علاوه بر عایق کاری، اثر آن در انتقال حرارت و پرنمودن خلل و فرج عایق جامد است. در کلیدهای قدرت فشار قوی، عایق مایع برای خاموش کردن قوس الکتریکی بکار می رود. همچنین استفاده از عایق مایع با دی الکتریک بزرگ برای افزایش ظرفیت خازن ها دارای اهمیت است.

البته شکل و جنس الکترودها و ناهمواری سطح آنها و وجود حائل بین الکترودها و نیز نوع ولتاژ (ضربه، متناوب، دائم، کلیدزنی) و علامت آن، در ولتاژ شکست موثر هستند. با توجه به نکات فوق دلایل زیر را برای شکست در عایق های مایع صنعتی ذکر می نمایم.

نتیجه گیری و پیشنهادات

ساخت و تهیه عایق های ترکیبات کربنی از راه مصنوعی در سال های اخیر سیلی از انواع عایق ها با خواص ممتاز و کاربردی وسیع را برای ساختمان دستگاه ها و ماشین های الکتریکی عرضه داشته است.

بررسی عملکرد عایق ها، نیاز به بررسی های عملی (با استفاده از نظریه فیزیکی و روابط ریاضی) و همچنین بررسی های تجربی (از طریق آزمایشها و اندازه گیری های لازم) روی عایق ها دارد.

تاکنون خازنهای قدرت همه از عایق «کاغذ – روغن» ساخته می شدند، در حالیکه در سالهای اخیر برای ساختن خازنهای جریان ضعیف از عایقهای مصنوعی استفاده شده است علی رغم تکامل عایق های مصنوعی در سالهای پس از جنگ اخیر، به دلایل زیر کاربرد عایقها در ساختمان خازنهای قدرت میسر نشده است:

عدد عایقی عایق های مصنوعی مانند پلی پروپیلن و پلی استیرول در حدود 2/2 تا 3 فقط نصف عدد عایقی کاغذ آغشته به کلوفن می باشد. پاره ای از عایقهای مصنوعی، در مقابل کلوفن دچار تغییرات شیمیایی می شوند. بعلاوه در خازنهای ساخته شده از لایه های عایق مصنوعی به اشکال می توان تمامی گاز را از راه خلاء کردن بیرون کشید. آخرین دلیل، قیمت زیاد عایقهای مصنوعی در مقابل «کاغذ – کلوفن» می باشد.

در چند سال اخیر خازن هایی برای فشار الکتریکی 220 تا 380 ولت از کاغذ عایق های مصنوعی درست شده است. در این خازنها، صفحات کاغذ را از دو سمت متالیزه می کنیم و از لایه های پلی پروپیلن و یا پلی کربنات به عنوان عایق استفاده می جوییم. همچنین اخیراً در خازن های با فشار الکتریکی متوسط از لایه های عایق مصنوعی و لایه های آلومینیوم استفاده شده است.

پدیده بارداری استاتیکی تشریح شده و چگونگی تولید بار و جمع آوری آنها ذکر گردید در مدار حلقه بسته، مدل ریاضی برای الکترود کواکسیالی توصیف شده و برای جریان رانشی در دو حالت (با وجود ولتاژ الکتریکی و بدون ولتاژ) فرمول ریاضی ارائه گردید و در نهایت تاثیر میدان الکتریکی، فرکانس، دما و سرعت جریان روغن مشخص شد که به صورت زیر خلاصه می شود:

با افزایش میدان الکتریکی جریان رانشی نسبی افزایش می یابد و این امر در اثر گسترده تر شدن منطقه توزیع بارها و سریع شدن فرآیند تولید بار در اثر افزایش میدان الکتریکی رخ می دهد. همچنین با افزایش فرکانس جریان رانشی نسبی کاهش می یابد و علت آن این است که بارها در اثر افزایش فرکانس تحت تاثیر میدان الکتریکی به نوسان آمده و به آسانی نمی توانند همراه جریان روغن به حرکت در آیند.

افزایش دما موجب افزایش رسانائی روغن، کاهش لزجیت و در نهایت افزایش انرژی بارها می شود که این امر موجب افزایش جریان رانشی نسبی می شود.

جریان رانشی در اثر افزایش سرعت سیال بیشتر می شود که این امر در اثر افزایش تنش برشی بر لایه های دوگانه مجاور می باشد.

با توجه به مطالب ارائه شده می توان پیشنهادات زیر را جهت بهره برداری با راندمان بهتر و عمر طولانی تر از ترانسفورماتورهای قدرت موجود در پستهای ایران ارائه نمود.

1. طبق دستورالعمل های استاندارد در دوره های پیشنهاد شده از روغن ترانسفورماتورها نمونه برداری شده و در آزمایشگاه هائی که می توان با حداقل وسائل لازم و با مخارج کمی در مراکز استانها دایر نمود و یا ارسال نمونه ها به مراکز آزمایشگاهی شرکت توانیر در تهران آزمونهای دوره ای را انجام داد.
2. تغییر مشخصات این روغنها که بهترین معرف تغییرات تدریجی یا ناگهانی در کارکرد ترانسفورماتور می باشد در پرونده های مربوط به هر ترانسفورماتور که در واقع تاریخچه کار آن می باشد ثبت و نگهداری شود.
3. چنانچه نتایج آزمون تغییرات نامطلوبی را نشان داد علت پیگیری شده و چنانچه ناشی از تنش الکتریکی ناگهانی و نامطلوبی در کار شبکه ترانسفورماتور باشد. در جهت رفع برآمده و اگر ناشی از افزایش عمر روغن است در حد مقادیر مرزی داده شده در جداول متن دستور تصفیه فیزیکی یا فیزیکی شیمیایی روغن و خشک کردن کاغذ و پاک کردن تانک از لجن در محل و تحت نظر کادر متخصص داده شود.

• چکیده:
• مقدمه:

فصل اول:

• گروه بندی عایق های مایع
• ۱-۱- مقدمه:
• ۲-۱- طبقه بندی مواد بر اساس دمای کار:
• شکل ۱-۱- ضریب تلفات ۵ نوع روغن معدنی در تابعیت از حرارت
• شکل ۲-۱- ضریب تلفات و مقاومت الکتریکی روغن در تابعیت از حرارت
• ۱-۳-۱- استقامت الکتریکی روغن عایق:
• شکل ۳-۱- فشار الکتریکی فروپاشی روغن خالص و کاغذ روغن تحت فشار الکتریکی متفاوت ۴ و ۳ و ۱- فشار
• الکتریکی ضربه ای
• شکل ۵-۱- کاربرد نوار کاغذی در ساختمان ترانسفورماتور جریان نوع صلیب حلقه ای
• شکل ۹-۱- خازن استوانه شکل، کاغذ – روغن شکل ۱۰-۱- خازن مسطح کاغذ – روغن
• ۴-۱- کلوفن:
• ۵-۱- فلور کربن مایع:
• ۶-۱- هیدروکربورهای آروماتیک کلردار:
• ۷-۱- سیالات بکار رفته در ترانسفورماتور:
• ۸-۱- سیالات مورد استفاده در خازن:
• شکل (۱۳-۱) تغییرات نفوذ پذیری نسبی و ضریب تلفات دی فنیل های کلرینه شده نسبت به دما
• ۹-۱- مایعات دی الکتریک جدید مورد استفاده در خازنها:
• جدول (۴-۱) خواص فیزیکی دو نوع سیال جدید مورد استفاده در خازنها
• جدول (۵-۱) خواص دی الکتریک دو نوع سیال جدید مورد استفاده در خازنها
• ۱۰-۱- روغنهای نباتی و استرهای دیگر:
• ۱۱-۱- هیدروکربورهای ترکیبی (Synthetic) :
• ۱۲-۱- مایعات سیلیکونی:
• ۱۴-۱- گازهای تک عنصری مایع شده:

فصل دوم:

• خواص فیزیکی و شیمیائی عایق های مایع و اندازه گیری آن ها:
• ۱-۲- مقدمه:
• ۲-۲- ویژگی های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایقی:
• ۲-۲-۲- رفتار گرمایی ماده عایقی:
• شکل (۱-۲) رابطه بین دمای مطلق و کارکرد عایق
• ۳-۲-۲- رفتار شیمیایی:
• ۵-۲-۲- عوامل اقتصادی:
• ۳-۲- شیمی مایعات دی الکتریک:
• ۴-۲- طبقه بندی مایعات دی الکتریک:
• ۵-۲- خواص مایعات دی الکتریک:
• ۱-۵-۲- سمیت مایعات دی الکتریک:
• ۲-۵-۲- قابلیت اشتعال مایعات دی الکتریک:
• ۴-۵-۲- اثر جرقه در مایعات دی الکتریک:
• ۵-۵-۲- اثرات میزان آب موجود در مایعات دی الکتریک:
• جدول (۱-۲) حداکثر میزان مجاز آب موجود در مایعات دی الکتریک (ASTM D1533)
• ۶-۵-۲- خواص عایقی:
• ۷-۵-۲- اثر شدت انتقال حرارت در مایعات دی الکتریک:
• جدول (۴-۲) جرم مخصوص مایعات دی الکتریک بکار رفته در ترانسفورماتور (ASTM D 1298)
• جدول (۵-۲) ضریب هدایت حرارتی مایعات دی الکتریک بکار رفته در ترانسفورماتور
• جدول (۶-۲) گرمای ویژه مایعات دی الکتریک بکار رفته در ترانسفورماتور
• جدول (۷-۲) ضریب انبساط حرارتی مایعات دی الکتریک بکار رفته در ترانسفورماتور (ASTM D 1903)
• ۸-۵-۲- انطباق پذیری مایعات دی الکتریک:
• ۹-۵-۲- قیمت مایعات دی الکتریک:
• ۶-۲- روغنهای عایق:
• ۷-۲- روغن های معدنی:
• ۲-۷-۲- گازهای حل شده و گازهای تولید شده بوسیله تخلیه الکتریکی به وسیله دماهای بالا:
• شکل (۲-۲) منحنی های حلالیت آب در روغن عایق بر حسب دما
• شکل (۴-۲) – منحنی میزان آب موجود بر حسب فشار بخار آب برای یک نمونه کاغذ و یک نمونه روغن در
• دماهای مختلف
• ۴-۷-۲- پارامترهای موثر بر استقامت در مقابل شکست عایقی:
• بخش دوم:
• فیزیک عایقها
• ۸-۲- مقاومت مخصوص:
• ۱-۸-۲- قابلیت هدایت الکتریکی در عایق:
• شکل (۷-۲) : اندازه گیری جریان الکتریکی در یک عایق و تعیین قابلیت هدایت الکتریکی
• شکل (۸-۲): (الف) حالت کلی تغییرات ضریب قابلیت هدایت الکتریکی مواد عایق بر حسب زمان و(ب) برای
• رزین اپوکسی بر حسب زمان برای درجه حرارت های روشن
• شکل (۹-۲) : تغییرات ضریب قابلیت هدایت الکتریکی یک عایق مایع بر حسب زمان
• ۹-۲- اندازه گیری مقاومت مخصوص عایق:
• شکل (۱۰-۲): الف) خازن صفحه ای با حلقه محافظ ب) بدون حلقه محافظ
• شکل (۱۲-۲): روش اندازه گیری مقاومت مخصوص عایق که به صورت لوله ساخته شده است.
• شکل (۱۵-۲): تغییر چگالی سطحی جریان الکتریکی عایق مایع با شدت میدان الکتریکی
• شکل (۱۶-۲): ابعاد الکترود عرقچین کروی برای تعیین ولتاژ شکست عایق مایع
• شکل (۱۷-۲): الکترودهای عرقچین کروی و ظرف روغن برای تعیین ولتاژ شکست عایق مایع مطابق
• استاندارد IEC 156

فصل سوم

• شکست در عایق های مایع:
• ۱-۳- مقدمه:
• ۲-۳- عایق های مایع خالص و تجارتی:
• ۳-۳- نظریه شکست الکترونی:
• ۴-۳- مکانیسم ذره جامد معلق:
• شکل (۲-۳): ترسیمی از معادله (۱۱-۳) را در محدوده ای از ابعاد ۵۰A و دمای T = 3000K در حالتی که e0<
• ۵-۳- مکانیزم شکست در اثر ذرات ناخالص جامد:
• شکل (۳-۳): اثر ذرات معلق در روغن عایق و بوجود آمدن پل
• ۶-۳- مکانیزم شکست در اثر حباب های ناخالص گازی:
• شکل (۷-۳): ولتاژ شکست عایق مایع برحسب تغییرات فشار
• شکل (۸-۳) تغییرات ولتاژ شکست روغن با درصد آب حل شده در آن
• شکل (۳-۱۰): تغییرات استقامت الکتریکی روغن عایق با پایه مواد نفتی بر حسب درجه حرارت برای مقادیر
• آب حل شده در آن
• شکل (۱۲-۳)- تغییرات ضریب تلفات عایقی یک نوع روغن ترانسفورماتور بر حسب میزان آب موجود در آن
• شکل (۱۳-۳) تغییرات قابلیت هدایت الکتریکی عایق را برحسب شدت میدان الکتریکی اعمال شده بر آن
• نشان می دهد.
• شکل (۱۴-۳) تغییرات ضریب تلفات عایقی یک نوع روغن را برحسب شدت میدان الکتریکی و به ازاء دو
• مقدار مختلف رطوبت موجود در روغن مایع نشان می دهد
• شکل (۱۸-۳): ولتاژ شکست
• ۹-۳- مدل انتقال حرارت الکتریکی و هیدرودینامیک الکتریکی شکست عایق:
• ۱۰-۳- شکست الکتریکی در ولتاژ ضربه :
• شکل (۲۱-۳) تغییرات ولتاژ شکست برای الکترودهای میله – صفحه در روغن بر حسب زمان برای سه فاصله
• مختلف نشان می دهد
• شکل (۲۳-۳)ولتاژ شکست الکترودهای کره – صفحه و استوانه – استوانه موازی
• شکل (۲۴-۳) ولتاژ شکست روغن را بر حسب فاصله برای ولتاژ ضربه با نیم زمانهای پشت مختلف نشان می
• دهد
• شکل(۲۸-۳)اثر پوشاندن الکترود استوانه ای با کاغذ را برای الکترودهای استوانه – صفحه نشان می دهد.
• ۱۲-۳- اثر حایل:
• شکل (۳۰-۳)- کاهش ولتاژ شکست در روغن را برای حالتی که فصل مشترک عایق مایع و جامد موازی خط
• نیرو
• شکل(۳۱-۳): درصد افزایش ولتاژ شکست بین الکترودهای کره – صفحه و سوزن – صفحه را به دلیل
• قرار دادن یک حائل نسبت به حالتی که حائل وجود نداشته باشد، نشان می دهد.
• شکل (۳۳-۳) محل قرار گرفتن جنین نگهدارنده ای را در یک ترانسفورماتور ۴۰۰ کیلوولت نشان می دهد.
• شکل (۳۵-۳) : دو نوع جداکننده در یک ترانسفورماتور با ولتاژ نامی ۷۵۰ کیلوولت
• شکل (۳۶-۳): جداکننده آکاردئونی برای ولتاژ نامی ۱۰۰۰ کیلوولت و سطوح هم پتانسیل
• شکل (۳۷-۳): یک ترانسفورماتور با ولتاژ نامی ۱۰۰ کیلوولت پس از تکمیل و قبل از نصب زیر بوشینگ. در
• این شکل آکاردئونی به خوبی مشاهده می گردد.
• شکل (۴۰-۳): قطعات حائل و جداکننده برای استفاده در روغن
• ۱۳-۳ ضریب ضربه
• ۱۴-۳- ترکیب عایق های مایع و جامد
• شکل (۵۶-۳): ولتاژ شکست ضربه منفی بین حلقه های مجاور برحسب فاصله روغنی و برای مقادیر مختلف
• ضخامت کاغذ روی سیم
• شکل (۵۷-۳) مدار اندازه گیری ولتاژ شروع تخلیه جزئی
• شکل (۶۳-۳) برای ضخامتهای مختلف عایق جامد و اعداد دی الکتریک مختلف آن برای دو نوع الکترود
• محاسبه و رسم شده است.
• ۱۷-۳- اثر نوع ولتاژ در ترکیب عایقها:
• شکل (۶۸-۳) تغییر تقسیم ولتاژ در عایق ترانسفورماتور برای ولتاژ دائم بر حسب زمان
• شکل (۷۰-۳) شدت میدان الکتریکی شروع تخلیه جزئی روغن را بر حسب میزان نسبی رطوبت و گاز حل
• شده در این آزمایش گاز حل شده در روغن SF6 است.
• شکل (۷۳-۳) جریان تخلیه را برای سوزن منفی در عایق مایع نشان می دهد.
• شکل (۷۶-۳): استریمر مثبت در روغن سیلیکون برای ولتاژ ۵/۲۲ کیلوولت. دیگر مشخصات مانند شکل
• (۷۵-۳) است.
• شکل (۸۷-۳): یک استریمر که به شکست کامل منجر شده است.
• ۲۰-۳- ایجاد الکتریسیته ساکن بر اثر حرکت عایق مایع:
• ۲۱-۳- تقسیم بارهای الکتریکی داخل عایق مایع ناشی از میدان الکتریکی:
• نتیجه گیری و پیشنهادات:
• منابع و ماخذ:
• Abstract

منابع

1. شاهرخی، طهماسب، اضافه ولتاژ های قطع و وصل در شبکه های انتقال انرژی
2. دکتر محسنی ، حسین ،رساناها و عایق سازی آنها
3. دکتر محمدی، محمد قلی، فیزیک و تکنولوژی عایق های الکتریکی
4. دیزندورف ، والتر، هماهنگی عایقی در سیستم های فشار قوی
5. مهندس ثقفی ، مهدی، عایق ها و فشار قوی
6. دکتر محمدی، محمد قلی، تکنولوژی فشار قوی الکتریکی
7. دکتر کافل، پروفسور زانگل، مبانی مهندسی فشار قوی الکتریکی
8. دکتر محمدی، محمد قلی، اصول مهندسی فشار قوی الکتریکی
9. دکتر محسنی، حسین، مهندسی فشار قوی الکتریکی پیشرفته
10. مهندس سلطانی، مسعود ،راهنمای آزمایشگاه فن فشار قوی
11. شاهرخی، طهماسب، آلودگی محیط و ایزولاسیون تجهیزات فشار قوی
12. مجموعه مقالات کنفرانس برق دانشگاه فردوسی مشهد سال 1383
13. استاندارد IEC
14. مقالات مرکز تحقیقات نیرو در زمینه عایق ها