عایق ها و فشار قوی

عایق ها و فشار قوی

فصل اول : تعاریف و کلیات و ضرورت از سیستم های فشار قوی

نیروگاه های تولید پراکنده :  این نوع نیروگاه ها برق را در مگاوات های پائین تولید می کنند و عمدتا فاصله کمی تا محل مصرف دارند مانند نیروگاه های بادی ، آبی کوچک ، نیروگاه های تولید همزمان برق و حرارت و نیروگاه های خورشیدی ، گازی و . . .

نکته :  این نوع نیروگاه ها برای تامین بار پیک مورد استفاده قرار می گیرند

نیروگاه متمرکز به دلیل فاصله تا محل مصرف انرژی از خطوط انتقال بهره می برند از آنجایی که سیم های خطوط انتقال دارای مقاومت می باشند تلفات در مسیر انتقال به وجود می آید

با توجه به ثابت بودن مقدار انرژی انتقالی از نیروگاه به سمت مصرف کننده برای کاهش تلفات در حین انتقال می بایست سطح ولتاژ بالا رفته تا مقدار جریان کاهش یابد ، طبق رابطه  چون مقدار تلفات خط انتقال با مجذور جریان متناسب است این کار باعث دشت تلفات خطوط انتقال می گردد. نکته قابل تامل این است که با توجه به بالا بودن سطح ولتاژ هادی خطوط انتقال ای هادی ها بایستی به خوبی ایزوله کرد . برای این ایزولاسیون از عایق های فشار قوی استفاده می گردد مثلا برای عایق ها ویژگی که قابلیت تحمل الکتریکی و مکانیکی را داشته باشد استفاده می گردد و مقره نامیده می شوند استفاده می گردد . یا در ترانسفورماتورهای عایق روغن یا در کلید های قدرت یا همان دژنکتورها از گاز SF6 به عنوان عایق استفاده می گردد

عمل افزایش یا کاهش سطح ولتاژ در سیستم قدرت را بر عهده پست های فشار قوی می باشد

ایران از استاندارد IEC تابعیت می کند که این استاندارد برای سطح ولتاژ به کار رفته در سیستم های قدرت ستونی را بعنوان مبنا قرار داد کرده است

بالا رفتن سطح ولتاژ باعث بالا رفتن هزینه پرداخت شده جهت عایق کاری و ایزولاسیون می شود از طرف دیگر نیز هزینه های مربوط به تلفات کرونا بالا می رود

یادآوری : یونیزه شدن هوا اطراف خطوط انتقال توسط میدان الکتریکی قوی اطراف هادی به جهت دستگاه سطح ولتاژ بالا را پدیده کرونا گویند

  آنالیز برداری :

کمیت ها به دو دسته تقسیم می شوند :

1-     کمیت اسکالر : این کمیت ها را با بست دادن یک عدد به آنها می توان توصیف نمود مانند جرم ، دما و . . . که این عدد نشان دهنده اندازه کمیت می باشد

2-    کمیت های برداری : این کمیت ها علاوه بر اندازه دارای جهت نیز می باشد و برای نشان دادن آنها بایستی علاوه بر بیان اندازه جهت را نیز باید مشخص کرد مانند میدان  ، سرعت  ، شتاب و . . .

نکته : اختلاف پتانسیل یا ولتاژ یک کمیت اسکالر می باشد

میدان های الکتریکی :

اهمیت میدان های الکتریکی :

1-     از نظر اندازه میدان

2-     از جهت میدان

در سیستم های قدرت تمامی تجهیزات بصورت گرد و کروی شکل ساخته می شوند چون بزرگی میدان الکتریکی در نقاط نوک تیز بیشتر است و این امر باعث می شود در این نقاط عایق دچار شکست الکتریکی گردد

شکست الکتریکی عایق : در این حالت عایق خاصیت عایقی خودش را ازدست می دهد و باعث عبور جریان می گردد ( تبدیل به رسانا می شود ) این اتفاق ممکن است در عایقی بروز یابد ولی از نظر فیزیکی قابل روئیت نباشد

رینگ کرونا یا حلقه کرونا گیر : برای ایجاد یک نواختی در میدان الکتریکی در زنجیره مقره های خطوط 400 کیلو ولت و جلوگیری از بروز شکست در عایق از این حلقه ها استفاده می شود

یکی دیگر از کاربرد های عایق ها در ترانس ها می باشد برای ورود و خروج برق فشار قوی و فشار ضعیف در ترانس از بوشینگ های فشار قوی و فشار ضعیف استفاده می شود 

میدان های الکترو استاتیک یا الکترومغناطیس :

1-     میدان های الکتریکی : ولتاژ و بار

2-     میدان های مغناطیسی : جریان

بار نقطه ای Q در اطراف خود میدان الکتریکی ایجاد می کند

سیم حامل جریان در اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می کند

نکته :  میدان های الکتریکی بالای 10Kv/m و میدان های مغناطیسی بالاتر از 100MT ( میکرو تسلا ) برای بدن انسان مضر است

قانون کولمب : اگر بارهای متمرکز Q1 و Q2 در فاصله R از یکدیگر قرار گیرند به هم نیروی F را مطابق رابطه زیر وارد می کنند

   : ثابت دی الکتریک           : ثابت دی الکتریکی ماده ای است که در بین  قرار دارد

  : ثابت دی الکتریک نسبی         : برادر واحد ( یکه ) در راستای خط واصل دو بار

میدان های الکتریکی : 

در اطراف هر بار متمرکز Q1 فضای است که اگر بار دیگر ی در آن قرار گیرد نیروی F به آن وارد می شود 

پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ : 

پتانسیل یک نقطه در فضایی برداری اطراف بار Q به فاصله R نسبت به نقطه ای در بی نهایت با پتانسیل  صفر به صورت زیر محاسبه می شود

سطح هم پتانسیل : طبق تعریف سطوحی که پتانسیل تمام نقاط روی آن با هم برابر باشند 

نکته :  همواره سطوح هم پتانسیل بر راستای میدان الکتریکی عمود می باشد 

روش های پیدا کردن میدوان و سطوح هم پتانسیل :

1-     روش عددی تحلیل میدان :  که با استفاده از نرم افزار شبیه ساز انجام می گیرد

2-    بصورت تجربی :  با روش های مخصوص عملی امکان پذیر است

3-    روش فرمولاسیون: که نوشتن و حل کردن فرمول های مربوط به میدان می باشد

قانون گوس : طبق قانون گوس میدان الکتریکی در یک سطح بسته (S) از رابطه زیر بدست می آید

   : ( رو ) چگالی بار محصور در مسیر بسته می باشد             :     

میدان الکتریکی در تجهیزات فشار قوی 

1-     میدان الکتریکی یک گوی با بار q

2-    میدان الکتریکی دو گوی هم مرکز با بارهای +q و –q

اختلاف پتانسیل دو گوی ( U ) :

ظرفیت خازن  :

نکته »  مانند نوک تیز که میدان در آنجا بسیار زیاد است  و  کاهش عایق بین دو گوی باعث افزایش میدان می گردد

میدان دو استوانه هم محور :

رو

اختلاف پتانسیل بین دو استوانه

ظرفیت خازن تشکیل شده 

میدان الکتریکی در فاصله بین دو استوانه 

راه های کاهش میدان الکتریکی در خطوط انتقال 

1-    افزاش ارتفاع برج

2-    استفاده از هادی های با شعاع بیشتر ( باندل کردن خطوط انتقال )

تحلیل میدان الکتریکی : 

1-    روش های تحلیلی

2-    روش های تجربی

3-    روش های عددی

روش های تجربی  :

1-    روش کاغذ کربنی : در این روش از یک کاغذ کربنی با مقاومت الکتریکی سطحی کاملا یک نواخت برای بدست آوردن سطوح هم پتانسیل و خطوط میدان استفاده می شود که مراحل انجام کار بصورت زیر است

1-    شکل واقعی تجهیز در صفحه مختصات دو بعدی با مقیاس یکسان توسط رنگ نقره  روی کاغذ کربنی ترسیم می شود

2-  از یک اتوترانسفورماتور برای تغذیه الکترونها استفاده می شود

3-  با تنظیم درصد ولتاژ پرابل را از یک الکترود به سمت الکترود دیگر حرکت می دهیم در یک نقطه از مسیر گالوانومتر انحراف صفر را نشان می دهد این نقطه هم پتانسیل با درصد ولتاژ انتخابی  است با بدست آوردن نقاط هم پتانسیل مشخص می شود

4-  خطوط میدان به صورت ترسیمی عمود بر سطوح هم پتانسیل رسم می شود

عایق های الکتریکی  :

پلاریزاسیون : مرتب شدن دو قطبی ها موجود در عایق در جهت میدان الکتریکی را پلاریزاسیون گویند . اگر خازن به منبع ولتاژ Vمصل شود جوشنهای بالا و پائین پتانسیل مثبت و منفی پیدا می کنند الکترون های آزاد روی صفحه بالای به سمت قطب مثبت جذب می شوند و کمبود الکترون موجود در این صفحه باعث به وجود آمدن پلاریته مثبت می شود به همین علت صفحه پائین پلاریته منفی می گیرد . دوقطبی های موجود در عایق تحت تاثیر میدان الکتریکی مرتب می شوند و مرکز سقل آنها در راستای میدان تغیر می کند جهت گرفتن مرکز سقل بارهای مثبت و منفی تحت تاثیر E پلاریزاسیون نامیده می شود

سوال : اگر عایق وارد فضای بین دو جوش شود ظرفیت کم می شود یا زیاد ؟ ظرفیت افزایش می یابد زیرا باعث افزایش بار الکتریکی می شود بنابراین دو قطبی های بشتری دئر میدان E جهت گیری می شوند بنابراین طبق رابطه  با افزایش q ، C نیز افزایش می یابد

مشخصات عایق :

1-  مشخصات الکتریکی اصلی  

2-    مشخصات فرعی ( مکانیکی ، شیمیایی ، حرارتی و غیره )

1-     یا ضریب نفوذ پذیری الکتریکی : 

Q : بار الکتریکی      C : ظرفیت خازن      V : اختلاف پتانسیل بین دو جوش

A : مساحت جوش   : ضریب نفوذ پذیری الکتریکی عایق     : ضریب نفوذ پذیر الکتریکی خلا

  : ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی

2-     e  :

   هادی ها

   : مقاومت الکتریکی      : چگالی الکتریکی مخصوص   L : طول     A : سطح مقطع

   هادی ها

 : (زیگما) ضریب هدایت مخصوص

   : ضریب انبساط طولی     : تغیر دما

افزایش دما در هادی ها باعث افزایش مقاومت الکتریکی می شود در حالی که در عایق ها با افزایش دما مقاومت الکتریکی عایق به صورت یک رابطه ای نمایی کاهش می یابد

3-   یا مقاومت ولتاژ شکست الکتریکی :ولتاژی است که در آن ولتاژ عایق خاصیت عایقی خود را از دست می دهد و تبدیل به رسانا شده و از خود جریان عبور می دهد

 شکل زیر را در نظر بگیرید : در آن شکل دو جوشن به یک منبعولتاژی بالای متغیر متصل شده است مقدار منبع ولتاژ آنقدر زیاد می کنیم تا برای عایق  Flash over اتفاق بیفتد در ولتاژی که عایق خاصیت عایقی خود را از دست بدهد جریان از عایق عبور می کند این ولتاژ را ولتاژ شکست می نامند

عایق

برای عایق ها مطلوب این است که Vbr بزرگتر است

نکته : اگر در داخل عایق حباب هوا یا قطره آب یا خلا قرار داشته باشد Vbr به شدت کاهش می یابد

نکته : قرار گرفتن رطوبت ، شبنم صبحگاهی و گرد و غبار نیز Vbr را کاهش می دهد

تست tgs : که در مورد عایق های که در درون ترانسفورماتور ها ( روغن درون آنها ) استفاده می شود اگر بیش از حد مجاز باشد احتمال را می دهیم که هوا وارد روغن شده است برای بر طرف کردن این عیب با دستگاه مخصوص روغن درون ترانس را می چرخانند

انواع عایق : 

1-     جامد: مانند pvc ، چینی ، شیشه و غیره

2-    مایع :  مانند روغن

3-    گاز:  مانند هوا ، SF6

در یک تقسیم بندی دیگر عایق ها به دو دستقه تقسم می شوند

1-     معدنی ( مانند میکا )               2- آلی (  مانند PVC  )

انواع عایق های معدنی :  

1-     میکا : عایق معدنی جامدی است که به شکل طبیعی خود به کار می رود عمده کاربرد آن در ماشین های الکتریکی و خازن های فشار قوی است

2-    ازبست یا سیلیکات منگنز متبلور : بصورت رشته های نازک است و قابلیت خمشی خوبی دارد خواص الکتریکی آن مطلوب است و استقامت حرارتی بالای دارد سرطان زاست و به همین علت کاربرد آن منصوق شده است

3-    شیشه : ترکیبات شیشه عبارت است از پودر کوارتر ، آهک و اکسید منگنز این عایق در مقره سازی مورد استفاده قرار می گیرد

4-     چینی یا پرسلین : این عایق مهمترین عایق بیرونی در الکتروتکنیک ترکیبات اصلی این عایق کائولین 50% فلورسپات 30% و کوارتز از خانواده ای سرامیک ها هستند چینی باید به صورت تدریجی سرد شود زیرا سرد شدن ناگهانی ترکهای در آن به وجود می آورد چینی ها در ولتاژهای ضربه ای بالا سوراخ می شوند کشیدن یک لایه اعاب شیشه ای روی چینی ها خواص آن را بهبود می بخشد این کار مزایای زیر را در پی دارد

1-     استقامت مکانیکی را بالا می برد

2-     سطح خارجی عایق سیقلی می شود

3-     رطوبت و گرد و خاک کمتر روی آن می نشیند

4-     بر اثر باد و باران به راحتی شسته می شود

5-     شبنم کمتر روی آن می نشیند

عایق های مواد کربنی 

1-     چوب  :  مثلا در ترانسفورماتور های قدرت از کاغذ آغشته به روغن استفاده می شود چون رطوبت را به خود جذب نمی کند

2-    کائوچو : از جنس متیل بونادین و حالت سخت و شکننده دارد به همین دلیل آن را بصورت ترکیب شده با گوگرد استفاده می کنند

عایق های پلیمری از نظر ترکیبات شمیای : 

1-     ترموپلاستیک ها :  مانند کائوچو که در دمای معمولی سخت و شکننده اند و در درمای بالاتر پلاستیک می شود

2-    الاستومرها : در دمای بالا خاصیت ارتجاعی دارند مانند لاستیک

نکته : کاعذ یا سلولز مهمترین عایق به کار رفته در تجهیزات فشار قوی می باشد همانند چوب که بصورت آغشته به روغن بکار می رود 

نکته : اگر بخواهیم فاصله ای به مقدار 10 میلی متر را عایق کاری کنیم بهتر است بجای استفاده از یک کاغذ 10 میلی متری از 10 کاغذ به ضخامت 1/0 میلی متر استفاده شود چون هر کدام از کاغذ ها آغشته به روغن هستند و باعث خنک کاری فاصله  عایقی می شوند از طرف دیگر توزیع میدان الکتریکی در 10 لایه یک نواخت تر از یک لایه می باشد 

نکته :یک نواخت بودن میدان در داخل عایق فاکتور بسیار مهمی است چرا که در نقاطی شدت میدان زیاد باشد در آن نقاط می بایست عایق های بهتری بکار برده شود و این باعث بالا رفتن هزینه عایقی و تنوع عایقی می گردد

پلیمرها : ترکیبات شیمیای متشکل از یک فرمول تکرار شونده اند فرمول تکرار شونده را مونومر گویند

پلیمرها از نظر ساختمان : 

1-     HOMD Polymer  ( فرمل های یک سان دارند )

2-    Co Polymer  ( مونومر های مرکب )

پلی اتیلن PE

کلرید وینیل

اتیلن

بنیان وینیل :

                                                                                    فضای خالی

پلی .ینیل کلرید PVC :

نکته : عایق PE یک عایق غیر قطبی است و از لحاظ خواص الکتریکی مسلوب است چون عایق های با ساختار مولکولی قطبی جریان شارژ زیادی دارند و ظرفیت خازنی بالای تولید می کنند که باعث افزایش تلفات خازن می شود

مشخصات پلی اتیلن :

عیب پلی اتیلن PE : چون غیر قطبی است در نتیجه استحکام بین ملکولی و جاذبه بین ملوکولی آن ضعیف است یعنی استهکام مکانیکی لازم را ندارد به همین دلیل برای استهکام بخشیدن به آن در پیوند های PE تغیراتی ایجاد می کنند و به آن پیوند های عرضی اضافه می شود به این عمل کراس لینک گویند در نتیجه این عمل عایق XLPE تولید می شود

نکته : عایق PE در کابلهای خشک و XLPE در کابل های فشار قوی بالای 10 کیلو ولت بکار برده می شود