چکیده:
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 می
باشد ضمن آشنایی شما با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی این عایق ها و ضمن آشنایی
هر چه بیشنر 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 ودر
انتها به نتیجه گیری مباحث مربوطه دراین 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 عایقسازی، بویژه 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 صرفنظر 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.
فصل اول:
گروه بندی عایق های مایع
1-1- مقدمه:
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 فروپاشیهای 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:
عایقهای الکتریکی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: عایقهای معدنی، عایقهای ترکیبات کربنی.
از جانبی دیگر، عایقها در سه شکل ظاهر می شوند، جامد، مایع و گاز
1- عایقهای 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 عایقهایی که از خاک چینی و یا گل رس تهیه می شوند و همچنین
شیشه و کوارتس
2- عایقهای ترکیبات کربنی: این عایقها نیز خود به دو دسته زیر تقسیم شده اند:
الف) عایقهای ترکیبات کربنی که به شکل طبیعی خود به کار گرفته می شوند، مانند چوب، کائوچوک طبیعی و گوتا پرشا.
ب) عایقهای 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:
- عایقهای گروه پلی مریزاسیون
- عایقهای گروه پلی کندانساسیون
عایقهای گروه پلی آدیسیون
همچنین عایقهای که از مواد مختلف ساخته می شوند:
- صفحات عایقی پرس شده
- نخها و رشته های شیشه ای
- ضمغها و لاکها
3- عایقهای مایع: روغن های عایق، کلوفن
4- گازهای عایق: هوا و گازهای الکترونگاتیف
عایقهای 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.
1) میکا: این عایق در ماشینهای الکتریکی، خازنها و بسیاری دستگاه های
الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد، از خواص ویژه آن قابلیت تورق آن است
که امکان می دهد لایه های به ضخامت لایه یک هزارم میلیمتر از آن ساخته شود.
به علاوه، قابلیت کشش و خمش این عایق نیز بسیار خوب است.
دو نوع از این عایق کاربرد بیشتری یافته است.
موسکویت (پتاسیم میکا) با رابطه شیمیایی:
(Si3AlO10(OH)2Al2)K
که رنگ آن متمایل به قرمز، زرد و یا قهوه ای و سبز می باشد؛
ملوگوپیت (ماگنزیم میکا) با رابطه شیمیایی :
(Si3AlO10(OH)2Mg3)K
با رنگ زرد، قهوه ای.
عامل تعیین کننده در کیفیت میکا اندازه و رنگ قطعات میکا است، همچنین
درجه خلوص و کامل بودن بلورهای آن است. بهترین میکا دارای ضخامتی برابر 1/0
میلیمتر و رنگ صورتی دارد و ترک خوردگی در آن مشاهده نمی شود. بهترین خواص
میکا استقامت الکتریکی بسیار خوب آن است. صفحاتی در آن با ضخامت 1....
055/0 میلیمتر دارای استقامتی برابر KV/Cm 900-135 می باشد.
عدد عایقی میکا 8-5/6e = است.
جذب رطوبت و آب آن در حداقل و تقریباً صفر است. استقامت آن در برابر
حرارت بسیار خوب و در حرارتی برابر 600 تا 700 درجه تغییر رنگ داده و
شکننده می شود. قطعات کوچک میکا را با لاک آمیخته و به نام میکانیت در
بازار عرضه می گردد. معمولاً قطعات کوچک را با لاک آمیخته و بر روی کاغذ یا
پارچه می چسبانند، بنابراین، میکا در شکل اخیر قابل انعطاف بوده و آن را
میکا فولیوم می نامند، اخیراً از میکای طبیعی به کمک مواد چسبنده لایه هایی
با ضخامت 1/0- 04/0 میلیمتر به شکل نوار تهیه می شود که برحسب کاربرد
دارای ابعاد مختلفی است و به نام سامیکافولیوم معروف می باشد.
2) آسبست (سیلیکات ماگنزیم):
آسبست عایقی است که از الیاف کریستالی تشکیل شده است این الیاف قابلیت
خمش قابل ملاحظه ای دارند. آسبست های معادن مختلف دنیا دارای خواص عایقی و
فیزیکی مختلفی هستند.
مهمترین آسبست های موجود عبارتند از:
1-2) آسبست موسوم به سرپن تین با رابطه شیمیایی:
3MgO.2SiO2 . 2H2O
این نوع از آسبست دارای مقاومت حرارتی تا 6000C
درجه سانتی گراد می باشد در بالای این درجه از حرارت، آب متبلور شده این
آسبست از پیوند خود جدا می گردد. این نوع آسبست در کانادا و آفریقای جنوبی
یافت می شود.
2-2) آسبست موسوم به هورن بلند
این نوع از آسبست از نوع بالا سخت تر است و در کشور شوروی استخراج می
گردد کاربرد این نوع آسبست در صنایع ایجاد حرارت از راه عبور جریان است که
در سالهای اخیر به میزان نسبتاً زیادی جای خود را به الیاف شیشه داده است.
3) عایقهای معدنی که برای استفاده در الکتروتکنیک باید قبلاً آماده شوند.
1-3) عایقهای از خاک چینی و گل رس - سرامیک
2-3) کائولن یا خاک چینی – قسمت اصلی این عایق معدنی از کائولینیت است.
2-1- طبقه بندی مواد براساس دمای کار:
مواد عایقی همیشه براساس دمای کار نامی آنها طبقه بندی می شوند. با ظهور
بسیاری از مواد جدید عایقی، طبقه بندی جدید مواد نیز مانند جدول (1-1) به
وجود آمده است این دسته بندی براساس دمای نامی عایق هاست. البته طول عمر
نامی عایقها وقتی معتبر است که دمای کار عایق در شرایط بهره برداری، همواره
از دمای نامی آن بیشتر نشود.
نمونه ای از مواد عایقی در هر یک از طبقات جدول (1-1) عبارتند از:
طبقه Y: کاغذ، پنبه، ابریشم، PVC ، و لاستیک طبیعی؛
طبقه A: پنبه و ابریشم یا کاغذی که به طور کامل در یک دی الکتریک مایع غوطه ور، آغشته و یا کاملاً پوشیده شده باشد؛
طبقه E: پلی اتیلن، سلولز؛
طبقه B: میکا، پشم شیشه، پنبه نسوز، پلی استر، باکلیت، آسبست وغیره همراه با مواد چسب دار مناسب؛
طبقه F : اپوکسی رزین، و مواد طبقه B اصلاح یافته و قابل کاربرد در دماهای بالاتر؛
طبقه H : لاستیک سیلیکون دار
طبقه C : تفلون و عایق های گروه B که آغشته به چسبنده های غیر آلی شده باشند.
تجهیزات الکتریکی با طبقه عایقی مخصوص می توانند در دمای بالاتری هم کار کنند،
جدول (1-1): طبقه بندی مواد عایقی برحسب دما
|
طبقه
|
دما (0c)
|
|
Y
|
90
|
|
A
|
105
|
|
E
|
120
|
|
B
|
130
|
|
F
|
155
|
|
H
|
180
|
|
C
|
بالای 180.
|
اما عمر مفید آن ها کاهش می یابد. عمر تجهیزات، تابعی از دما و زمان است
و در کل عملکرد اجزاء، به عمل آن ها در سیستم بستگی دارد. رابطه تقریبی
برای تخمین عمر عایق ها را می توان به صورت زیر ارائه کرد:
(1-1)
که در این رابطه:
L = طول عمر عایق در شرایط کارکرد با دمای q ،
L0 = طول عمر نامی عایق در دمای نامی q0 مربوط به کلاس عایقی
Dq = پله دمایی است که عمر عایق نصف می شود. (برای عایق های مختلف بین 6 تا 8 درجه سانتی گراد است)
3-1- عایقهای مایع - روغن:
مهمترین عایق های مایع عبارتند از روغنهای معدنی که از ترکیبات کربنی تشکیل شده اند. این روغنها از پالایش نفت خام به دست می آیند.
با بالا بردن حرارت پالایش، مشتقات زیر به دست می آیند: بنزین، نفت،
روغن معدنی، گریس، وازلین و قیر از روغنهای به دست آمده تنها تعدادی از
آنها برای عایقهای الکتروتکنیک مناسب می باشند. روغنهای عایق در
الکتروتکنیک باید دارای خواص زیر باشند:
- خواص خوب الکتریکی
- انتقال حرارت از راه جابجایی
- استقامت زیاد الکتریکی در مقابل فشار ضربه ای
- حفاظت و پوشش عایقهای جامد در مقابل شرایط نامساعد خارج
- خاموش کردن جرقه الکتریکی – جرقه الکتریکی روغن را به کربن و هیدروژن
تجزیه می کند که از این راه اتمسفری از هیدروژن تشکیل می گردد و حرارتی
زیاد پدید می آید این حرارت به وسیله روغن هدایت می گردد.
خود هیدروژن باعث خنک شدن محل جرقه الکتریکی خواهد گردید.
جنبه ضعف روغنهای الکتریکی عایق قابل اشتعال بودن آنهاست که در صورت استعمال کلوفن این جنبه منفی نیز برطرف می گردد.
روغنهای معدنی از لحاظ خواص شیمیایی به سه دسته اصلی تقسیم می گردند:
- روغنهای نفتی که بیش از دوسوم آنها از پارافین است و پیوند مولکولی آن زنجیری است.
- روغنهای متانی که بیش از دوسوم آنها از نفت است و پیوند مولکولی آن حلقوی است.
- روغنهای متانی – نفتی که در آنها نسبت نفت و متان هیچ کدام به حد قابل توجهی زیاد نیستند.
نقطه انجماد روغنهای متانی بالا بوده و از این جهت در دستگاه های نصب
شده در محوطه آزاد نباید مورد استفاده قرار گیرد. در روغنهای نوع دوم و
سوم، بالعکس، نقطه انجماد پایین قرار گرفته است. روغنهای معدنی مورد
استفاده در فشار قوی اجازه ندارند مقادیر زیادی از ترکیبات کربنی سیر نشده
به همراه داشته باشند؛ و بدین لحاظ، اغلب ترکیبات کربنی و پارافینی و نفتی
با رابطه CH3 (CH2)20CH3 مورد استفاده قرار می گیرند.
روغنهای معدنی در ارتباط با اکسیژن و حرارت، مواد اکسید شده ای می دنهند
که به شکل اسید و مواد غیر محلول ته نشین می شود. این مواد ته نشین شده،
بویژه به علت عدم هدایت حرارت بسیار زیان بخش است. تشکیل مواد ته نشین شده
در روغن به «کهنه شدن» روغن منتهی می شود. عمل کهنه شدن روغن بیشتر و
سریعتر در مجاورت فلزات مثل آهن و مس، انجام می گیرد، در حالیکه مجاورت
آلومینیوم و نقره در این مورد بی تأثیر است.
عدد عایقی روغن بین 2/2 تا 45/2 قرار می گیرد که با افزایش حرارت به
میزان بسیار قلیلی تغییر می یابد. روغن کهنه شده، بالعکس، با افزایش حرارت،
عدد عایقی خود را تغییر می دهد؛ و این به علت تشکیل مواد ته نشین شده است.
در جدول زیر، تغییر عدد عایقی در تابعیت از حرارت برای یک روغن کهنه، که
در آن رطوبت نیز تأثیر گذارده است، داده می شود.
|
90
|
60
|
20
|
T(0C)
|
|
21
|
5.8
|
2.2
|
e
|
شکل 1-1- ضریب تلفات 5 نوع روغن معدنی در تابعیت از حرارت
به دلیل کوچک بودن عدد عایقی روغن، آنجا که عایقی جامد با روغن، تحت
فشاری الکتریکی به سری بسته شده باشد، فشار الکتریکی بزرگی بر روی روغن
قرار می گیرد و عایق به سری بسته شده با روغن تحت ولتاژ نسبتاً کوچکی واقع
می شود. ضریب تلفات tgd در روغن، مادامی که حرارت ایجاد شده در مایع به خارج هدایت شود، رل مهمی را در پدید آوردن فروپاشی حرارتی بازی نمی کند.
بالعکس ، کاغذ غوطه خورده در روغن، از لحاظ ضریب تلفات، حساسیت قابل
توجهی را نشان می دهد؛ و بنابراین در عایق «کاغذ – روغن» باید سعی کرد که
ضریب تلفات پایین قرار گیرد؛ و به همین دلیل در ساختمان خازنها و
ترانسقورماتورهای روغنی تعداد قابل ملاحظه ای از روغنهای معدنی، به علت
بالا بودن ضریب تلفات خود، کاربردی ندارند.
در شکل 1-1- ضریب تلفات tgd برای چندین نوع روغن با کیفیتهای متفاوت را در تابعیت از حرارت نشان می دهیم:
1- روغن معدنی با کیفیت خوب
2- روغن معدنی با کیفیت متوسط
3 و4- روغن معدنی با کیفیت نامطلوب
5- مایع عایق، ساخته شده بر مبنای بنزول.
شکل 2-1- ضریب تلفات و مقاومت الکتریکی روغن در تابعیت از حرارت
در این زمینه، سنجش مقاومت الکتریکی روغن نیز مانند اندازه گیری ضریب
تلفات مبین کیفیت روغن است به همین علت، در شکل 2-1 مسیر منحنی ضریب تلفات و
مقاومت روغن به عنوان تابعی از حرارت نشان داده شده است.
1-3-1- 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
کیلوولت 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 قطبهای گوی شکل با قطر 50 سانتی متر شدت میدان
فروپاشی الکتریکی 45 کیلوولت 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.
شکل 3-1- فشار الکتریکی فروپاشی روغن خالص و کاغذ روغن تحت فشار الکتریکی متفاوت 4 و 3 و 1- فشار الکتریکی ضربه ای
2- فشار الکتریکی مستقیم
7 و 5 و 3- فشار الکتریکی متناوب
A- کاغذ عایق ترانسفورماتور
به منظور به تأخیر انداختن عمل اکسیداسیون و لرت بندی در آن موادی به آن اضافه می کنند.
تجربه نشان داده است که با اضافه کردن چنین موادی به روغن، زمان کار
آنها را می توان تا سه برابر اضافه کرد. روغن عایق تحت حرارت در کنار مس و
فولاد تشکیل مواد ته نشین شده ای را می دهد که استقامت الکتریکی روغن را به
شدت پایین می آورد.
در این میان، وجود اکسیژن عمل لرت بندی و اکسیداسیون را تسریع می کند.
لذا، کوشش شده است که در مواردی روغن ترانسفورماتور و یا خازن را تحت پوشش
ازت قرار دهند. اما در کلیه ترانسفورماتورها و یا کلیدهای روغنی قدرت این
عمل میسر نیست و در بسیاری از موارد اضافه کردن مواد ضد لرت بندی بهترین
وسیله است. بدیهی است که در این زمینه نیز هنوز نمی دانیم که تا چه حد این
مواد بر روی استقامت الکتریکی روغن تأثیر سوء خواهد داشت، و یا صاف کردن
روغن و جدانمودن مواد ته نشین شده از آن به وسیله صافیها چه مقدار از این
مواد ضد لرت بندی را از روغن جدا می سازد. همچنین، آیا بکار بردن این مواد
در کلیدهای روغنی قدرت چه تأثیری بر روی مدت پایداری و طول قوس الکتریکی در
زمان قطع کلید خواهد داشت. آزمایشهای تکاملی به این پرسشها به طور قطع
پاسخ خواهد داد امروزه قادریم که روغن دستگاه های الکتریکی را در زیر بار
تصفیه کرده و از مواد بیگانه جداسازیم.
2-3-1- کاغذ غوطه خورده در روغن:
در ترانسفورماتورها، خازنها و خازنهای عبوری پیچکهایی از کاغذ تهیه می
شود که، علی رغم انتخاب کاغذ با خواص خوب الکتریکی. استقامت الکتریکی مطلوب
را ندارد. اما اگر این پیچک را از گازو هوا تخلیه کنیم و در حال خلاء آن
را در روغن غوطه دهیم، عایقی با مشخصات بسیار خوب الکتریکی به دست می آوریم
که در طی بیش از 60 سال اخیر، علی رغم وجود عایقهای مصنوعی کاربرد وسیعی
در ترانسفورماتور و خازنسازی یافته است. عایق «کاغذ – روغن»، در صورت
انتخاب کاغذهای نازک و روغن با ضریب هدایت تلفات (tgd) کم دارای استقامت الکتریکی کاملاً خوب در حدود 400 kV/cm خواهد شد. همین استقامت الکتریکی در قبال فشار ضربه ای 1/50 mS برای ضخامتهای نسبتاً بزرگ (دسته ای از اوراق نازک کاغذ) در حدود 850 kV/cm است.
شکل4-1
ضریب تلفات tgd
برای کاغذهای نازک و پیچکهای تهیه شده از این کاغذها بین 012/0 تا 04/0 تحت
فرکانس 50 هرتس می باشد. عدد عایقی پیچک «کاغذ – روغن» برحسب حجم آن و
درجه حرارت 20 سانتی گراد بین 5/3 تا 3/4 می باشد، و با افزایش حرارت تا
حدود 100 درجه 6 تا 8 درصد بر مقدار عدد عایقی افزوده می شود.
از نقطه نظر استقامت الکتریکی عایق «کاغذ – روغن» در فشار قوی، هر چه
ضخامت کاغذ کمتر باشد، استقامت الکتریکی بزرگتر خواهد بود. مثلاً در
کابلهای «کاغذ – روغن» شدت میدان تحت فشار روغن برابر 15kg/cm2 در حدود 95kv/mm و اگر ضخامت کاغذ از 0.01 به 0.012 میلیمتر ارتقا یابد، شدت میدان 65kV/mm ، و در ضخامت 0.15 میلیمتر به 58kV/mm تنزل خواهد یافت- فشار روغن ثابت نگاه داشته شده است. در شکل 4-1، مقطع یکی از کابلهای کاغذ – روغن نشان داده شده است.
علی رغم خلاء تا حدود 10-3
میلیمتر جیوه، معذالک، ذرات گاز – رطوبت و حفره های مجوف در بین لایه های
کاغذ باقی می ماند که خود در محدود نگاهداشتن استقامت الکتریکی کابل و بالا
بردن تلفات الکتریکی موثر است.
همچنین، در صنعت ترانسفورماتورسازی، پیچکهای فشار قوی و ضعیف و لایه های
هر کدام از این پیچکها با نوار کاغذ عایق بندی شده و در روغن غوطه می
خورد. در ترانسفورماتورهای فشار و جریان الکتریکی نیز باید با نوار عایق
قسمتهای مختلف آن نوار کاغذ قسمتهای مختلف آن نوار پیچ شود تا پتانسیل از
مقادیر زیاد تا صفر هدایت شود. شکلهای 5-1 و 6-1 به ترتیب
ترانسفورماتورجریان و فشار را نشان می دهد. پیچکهای کاغذ هر دو با دست تهیه
شده است.
در ترانسفورماتورهای قدرت، علاوه بر پیچک کاغذ، در فواصل و نقاط معینی از چوب و مقوای سخت نیز استفاده می شود.
شکل 5-1- کاربرد نوار کاغذی در ساختمان ترانسفورماتور جریان نوع صلیب حلقه ای
پس از تهیه پیچک و اختتام ساختمان ترانسفورماتور، تمامی دستگاه را در دیگهای بزرگ تحت خلاء 10-2 تا 10-4 میلیمتر جیوه (به ترتیب از ترانسفورماتور قدرت تا ترانسفورماتور جریان و ولتاژ) در روغن غوطه می دهند.
شکل 7-1- ساختمان پیچکهای الکتریکی و نوارهای کاغذ و، همچنین، نقاطی که
از چوب و مقوای سخت برای عایق بندی در آنها استفاده شده است را نشان می
دهد.
در خازنهای عبوری برای تنظیم و هدایت پتانسیل نیز از کاغذ غوطه خورده در
روغن استفاده می شود. با اینکه در سالهای اخیر تعدادی از خازنهای عبوری
فشار قوی را از صمغ مصنوعی ساخته اند. معذالک، کاربرد عایق کاغذ – روغن در
ساختمان خازنهای عبوری به حدی گسترش یافته است که جانشین شدن آنها به وسیله
صمغهای مصنوعی، آزمایشهای تکاملی متعددی را نیازمند است.
شکل 7-1- برش عرضی در یک ترانسفورماتور
قدرت «کاغذ – روغن» 1- آهن 2- پیچک ثانویه
3- پیچک اولیه 4- لایه عایقی از مقوای سخت
5- لایه عایقی از کاغذ 6- لایه عایقی چوب
و یا صمغمصنوعی
در شکل 8-1 برشی طولی از یک خازن عبوری کاغذ – روغن نشان داده شده است.
کاغذ انتخاب شده برای پیچیدن نوار حول استوانه از کاغذ ضخیم استفاده شده
است. این خازن عبوری 110 کیلوولتی است.
در خازنهای قدرت «کاغذ – روغن» - MP – که
کاربرد وسیع در جریان و فشار قوی دارد، از کاغذ بسیار نازک مسطح و یا لوله
شده استفاده می شود که خازنهای مسطح یا استوانه شکل را تشکیل می دهد.
به منظور روشنی بیشتر نسبت به ساختمان این نوع خازنها، دو برش از خازن مسطح (a) و خازن استوانه شکل (b) را در شکلهای 9-1 و 10-ا نشان می دهیم.
a b
شکل 9-1- خازن استوانه شکل، کاغذ – روغن شکل 10-1- خازن مسطح کاغذ – روغن
پیچکهای کاغذی برای خازنها، معمولاً، دارای ضخامتی در هر برگ کاغذ برابر
008/0 تا 025/0 میلیمتر است،؛ و پهنای نوار بین 20 تا 250 میلیمتر. تمامی
پیچکها به وسیله ماشینهای ویژه ای تهیه می شود. بدیهی است پس از تهیه
پیچکها و لایه هادی و خشک کردن آن از طریق خلاء، آنها را در روغن (در حالت
خلاء) غوطه داده، و بدین طریق، عایق با ارزش روغن کاغذ را بدست می آورند.
استفاده از عایق کاغذ – روغن در مهندسی – تکنولوژی فشار قوی – جریان قوی
طیف وسیعی را شامل می شود: از ترانسفورماتورهای قدرت تا کابلهای فشارقوی و
از ترانسفورماتورهای اندازه گیری، خازن های عبوری تا خازنهای قدرت.
در این طیف وسیع از موارد استعمال «کاغذ - روغن» بخش صنایع خازنسازی از
اهمیت و ظرافت فنی ویژه ای برخوردار است. امروزه، متعادل کردن ضریب قدرت cosj کلیه مصرف کننده ها و خطوط انتقال و توزیع انرژی الکتریکی به وسیله خازنهای MP ، یعنی خازنهای کاغذ – روغن، انجام می گیرد.
لازم به ذکر است که در پاره ای از موارد، در تهیه عایق «کاغذ – روغن» از
ترکیبات کلر کربنی، مثل کلوفن، استفاده می شود و کاغذ در محیطی خلاء در
کلوفن غوطه داده می شود. بدیهی است که عدد عایقی کلوفن که بین 4 تا 5 است
آن را در این مورد متمایز ساخته است.
4-1- کلوفن:
استفاده از روغنهای معدنی در دستگاه های الکتریکی پیوسته این خطر را با
خود به همراه دارد که بر اثر جرقه و یا ایجاد حرارت زیاد روغن آتش بگیرد.
به این دلیل، از چندین ده سال تاکنون، پیوسته دنیای تحقیق و تتبع در این
راه گام برداشته است که مایعی با کلیه مشخصات خوب الکتریکی روغن بیابد و،
در عین حال، دچار حریق و آتش سوزی نگردد. این مشخصات در ترکیبات کربنی با
کلر یافته می شود. نوعی از این ترکیب را نام بازرگانی و صنعتی کلوفن داده
اند.
در عایقهای الکتریکی انواعی از این ترکیبات مورد استعمال دارند:
- ترکیب پارافین و کلر
- ترکیب بنزول و کلر C6H3Cl3 (تری کلرو بنزول)
- ترکیب دی فنیل و کلر
پایه و مبنای ترکیبات دیفنیل و کلر، چنانچه در بالا ذکر شد، تحت نام کلوفن به بازار می آید. دیفنیل با رابطه شیمیایی زیر است:
برحسب تعداد اتم هیدروژنی که به وسیله کلر جانشین می گردد، انواع زیر از ترکیبات کلرودیفنیل را می شناسیم:
- تری کلر دی فنیل A – 30
- تترا کلر دی فنیل A-40
- پنتا کلر دی فنیل A – 50
هگزا کلر دی فنیل A -60 کلوفن
ممزوجی از A-60 و C6H3Cl3 برای ترانسفورماتورها بسیار مناسب است و تحت نام T – 64
به فروش می رسد. تأثیر ترکیب شیمیایی کلر آن است که بدین وسیله مولکول جسم
تازه غیر متقارن شده و تشکیل دو قطبی ای را با تمام مشخصات عایقهای دو
قطبی می دهد بدیهی است که اضافه کردن کلر برای بدست آوردن خاصیت عدم اشتعال
عایق است.
شکل 11-1 ضریب تلفات و عدد عایقی ترکیبات دیفنیل کلر را برحسب مقدار کلر و تغییر درجه حرارت نشان می دهد.
در شکل 12-1 نیز برای ترکیبات مختلفی از دیفنیل کلر تابعیت ضریب تلفات tgd و عدد عایقی e را با تغییر درجه حرارت نشان داده ایم.
|
شکل 11-1- ضریب تلفات tgd و e در تابعیت از مقدار کلر
|
|
|
شکل 12-1- tgd و e در تابعیت از مقدار کلر برای درجه حرارتهای مختلف
|
|
در دو شکل مزبور، تأثیر درجه حرارت بر روی ضریب تلفات به خوبی مشهود
است به همین قسم، عدد عایقی نیز در تحت تأثیر حرارت کوچک شده است (تا 60
درجه)، و از جانبی دیگر، مقدار کلر درترکیب نیز بر تغییرات آن تأثیر کرده و
با بالا رفتن درصد مقدار کلر در ترکیب عدد عایقی کوچک شده است.
با توجه به پستهای تبدیل ولتاژ در مناطق سرد و گرم، درجه حرارت را از
30- درجه تا 60+ درجه سانتی گراد تغییر داده ایم. بدیهی است که درجه حرارت
مربوطه مجموع درجه حرارت محیطی و حرارت ناشی از جریان الکتریسیته می باشد.
کار با کلوفن برای پوست بدن مضر و خطرناک است.
همچنین، اقامت چندین ساعته در محیطی که با گاز کلر دیفنیل آلوده است
برای دستگاه تنفسی خالی از خطر نیست. برای پوست و چشم که در ارتباط با گاز
دیفنیل – کلر درآمده است، روغن کرچک مفید است. همچنین، می توان دست را
ابتدا با نفت و سپس با صابون پاکیزه شست تا پوست دست محفوظ باقی بماند.
عدد عایقی کلوفن بزرگتر از عدد عایقی روغن و تقریباً دو برابر آن است.
استعمال کلوفن در خازن، علاوه بر آنکه خاصیت عایق خازن را بهتر می سازد،؛
تقریباً 40 درصد از حجم آن را نیز می کاهد. بدین علت است که امروزه خازنهای
فشار قوی را با کلوفن پر می کنند.
استقامت الکتریکی کلوفن در انواع اولیه آن کافی نبود. در آزمایشگاه های
تکاملی، بر اثر ممزوج کردن چندین نوع از آن، استقامت الکتریکی جسم به دست
آمده را بالا بردند.
از آنجا که در کلوفن واکسهای X (که بسیار مضر است) تشکیل نمی شود، مدت عمر آن را بسیار طولانی می توان دانست.
5-1- فلورکربن مایع:
در 20 سال اخیر، صنعت عایقسازی توفیق یافته است با استخلاف فلور به جای
هیدروژن در پیوند کربنی تعدادی عایق خوب به دست آورد. از بین چنین
عایقهایی، به آن تعداد که در حرارت مورد نیاز به شکل مایع هستند اشاره می
شود. اگر پیوندهای کربن – فلور را با پیوندهای کربن – کلر مقایسه کنیم، در
پاره ای از موارد، پیشرفتهای قابل توجهی را، بویژه در زمینه مشخصات
الکتریکی، مشاهده می کنیم.
در جدول زیر سعی شده است که خواص الکتریکی چند نوع از پیوندهای کربنی فلور یا نام اختصاری آنها «فلور کربن» جمع آوری شود.
