برای مدت طولانی استفاده از مواد سرامیکی به عنوان عایق در صنعتآبرق رایج بود ولی اشکالاتی که بر اثر کاربرد این مواد بوجود میآآمد محققان را بر آن داشت تا به فکر استفاده از موادی جایگزین برآیند. استفاده از عایقآهای پلیمری یکی از انتخاآبآهایی بودکه در این راستا مطرح شد و با توسعه تکنولوژی پلیمر و تولید پلیمرهای مهندسی با خواص مطلوب، توجه محققان بیشتر به این سمت معطوف شد. استفاده از پلیمر به عنوان عایق در صنعتآبرق نه تنها خواص الکتریکی مورد نیاز را تامین میآکند بلکه نقاط ضعف سرامیک را نیز برطرف میآکند.
در این مقاله ضمن اشاره به معایب عایقآهای سرامیکی که در نتیجه سالآها استفاده از آنها درصنعتآبرق بدان پیآبرده شده است و طرح دلایل تمایل به جایگزینی آنها با عایقآهای پلیمری در سالآهای اخیر،آنتایج امکانآسنجی فنی و اقتصادی صورت گرفته در خصوص جایگزینی بوشینگآهای سرامیکی ترانسفورماتورها با انواع پلیمری آنها و تعیین و اولویتآبندی جایگزینآهای مناسب برای این کار با در نظر گرفتن شرایط کاربری و مسائل اقتصادی ارایه شده است.
یک فرآورده سرامیکی، از گل که مخلوطی از آب و خاک است ساخته شده، در هوا خشک و درحرارت سخت شده است.کلمه سرامیک از کلمه یونانی Keramos که خود ریشه سانسکریت دارد و به معنی خاک رس پخته شده است، گرفته شده است. بنابراین چنانچه این مفهوم از کلمه سرامیک، مدنظر باشد میآآتوان معادل فارسی «رسینه» را برای آن پیشنهاد کرد.
عایقآهای چینی متداولآترین نوع عایقآهای الکتریکی هستند، چرا که دارای مقاومت الکتریکی ونیز استحکام زیادی بوده و قیمت اولیه مناسبی دارند. به طور کلی این مواد در فرکانسآهای کم و در کلیه ولتاژها (اعم از ولتاژآهای پایین یا بالا) کاربرد دارند. برای مدتهای طولانی، سرامیک تنها ماده مورد استفاده برای کاربردهای عایقی بوده است با این حال این ماده در عمل نارساییآهایی از جمله موارد زیر را از خود نشان میآدهد:
- بسیار شکننده است
- اتصال قطعات فلزی به آن شکل است
- دقت ابعادی آن کم است که این امر باعث ایجاد مشکلات حادی در طراحی و شکلآدهی قطعات سرامیکی است.
بعد از سال 1945 و با ظهور مواد پلیمری در بازارهای تجاری،تمایل به استفاده از مواد پلیمری برای ساخت عایقآهای الکتریکی افزایش یافت. علت این امر تولید رزین اپوکسی با نام آرالدیت بود که باعث شد تا قطعات عایقی ارزان و کوچک با دقت ابعادی بالا وسهولت در فرآیند ساخت تولید شوند. به موازات ساخت پلیمرهای جدید، استفاده از انواع مختلف پلیمر برای ساخت قطعات عایقی افزایش یافت به طوری که در حال حاضر شرکتآهای مختلفی در دنیا اقدام به ساخت بوشینگ و مقرهآهای پلیمری از انواع مختلف میآکنند.
البته در اینجا لازم به ذکر است که عایقآهای سرامیکی هنوز هم در مقایسه با عایقآهای پلیمری مزیتآهایی به شرح زیر دارند:
1- از نظر قیمت ارزانآتر از عایقآهای پلیمری هستند.
2- روش تولید انبوه آن آسان است.
3- مواد اولیه مورد نیاز جهت تولید عایقآهای سرامیکی در داخل کشور به وفور یافت میآشود.
4- تجهیزات و ماشینآآلات کارگاهی آن بسیار ارزان است.
شرح مقاله
گرچه عایقآهای سرامیکی خواص الکتریکی مطلوبی دارند ولی نقاط ضعف آنها باعث شد تا عایقآهای دیگری جایگزین این نوع عایقآها شوند. در ادامه به ذکر این نقاط ضعف و مزایای استفاده از عایقآهای پلیمری ومقایسه بین این دو نوع عایق پرداخته میآشود. همچنین نتایج حاصل از بررسی صورت گرفته جهت انتخاب بهترین نوع عایق پلیمری از جنبهآهای فنی و اقتصادی، جهت جایگزینی با بوشینگآهای سرامیکی ترانسفورماتورها ارایه خواهد شد.
معایب عایقآهای سرامیکی
معایب مکانیکی
معایب مکانیکی عایقآهای سرامیکی عبارتند از:
- پارگی عایق یا ستون عایق به علت نیروی قابل ملاحظه بیش از مقدار مجاز و قابل قبول. هنگامی که نیروی وارد بر زنجیر عایق از طرف هادی بطور قابل ملاحظهآای افزایش یابد، موجبات شکستگی زنجیر عایق و انهدام آن را فراهم میآسازد.
- با توجه به این که عمدتاً عایقآبندی در ایستگاهآهای توزیع و انتقال نیرو با عایقآهای سرامیکی است و با توجه به تعداد زیاد این عایقآها در هر ایستگاه ونیز وزن زیاد آنها، وزن ستون عایقآها افزایش میآیابد که این امر باعث افزایش حجم و وزن اسکلت فلزی و فونداسیون مربوطه میآشود.
- ضربهآپذیری کمآعایق. این موضوع موجب میآشود که در اثر کوچکترین ضربه- به جهت شکل خاص هندسی آن – توزیع تنش در همه نقاط عایق یکسان نباشد و با توجه به استحکام ناچیز سرامیک در مقابل نیروهای دینامیکی، موجب شکستن و یا ترک برداشتن عایق شود.
- با توجه به وزن بالای ستون عایقآهای سرامیکی، نصب آن بسیار مشکل است و نیاز به جرثقیل دارد و به همین دلیل زمان و هزینه مونتاژ و نصب آن بالا میآرود.
- با توجه به استحکام ناچیز عایقآهای سرامیکی در موقع حمل و نقل، احتیاطآهای لازم جهت نصب باید بسیار وسیع و دقیق صورت گیرد تا ضربهآای به این عایقآها وارد نشود. زیرا این عایقآها ممکن است در اثر ضربه ترک بردارند و همان ترک رشد کرده، موجب ترک خوردگی کامل عایق شود.
- عایقآهای سرامیکی دارای انعطافآپذیریآ کمی هستند ولذا در مقابل نیروهای افقی از جمله نیروی باد که بر محور آن وارد میآشود دارای مقاومت کمی هستند و چون حالت انعطافآپذیری ندارند، در صورتی که نیروی زیادی بر آنها وارد شود میآشکنند. با توجه به این مطلب در مناطقی که دارای طوفانآهای فصلی شدید هستند و یا زلزلهآخیز هستند امکان شکستن عایقآها وجود دارد.
- استحکام فشاری و چسبندگی عایقآهای سرامیکی ناچیز است. به همین دلیل گاهی گلویی مقره و یا آرماتور داخلی از بشقاب جدا میآشود که این امر نشان میآدهد استحکام فشاری و چسبندگی و فشردگی مواد و توزیع یکنواخت مواد در ساخت سرامیکآهای با شکل هندسی ویژه امکانآپذیر نیست. البته گاهی اوقات با اصلاح قالب و قرارگیری درست آرماتور و فشردگی کامل مواد، این مشکل تقریباً قابل حل است.
معایب حرارتی
در عایقآهای سرامیکی، معایب حرارتی ذیل مشاهده میآشود:
- در ساختار لعابی که روی عایقآهای سرامیکی اعمال میآشود از چسب پلیآوینیل استات و دیگر جسبآهای آلی استفاده میآشود. هنگامی که این لعاب در کوره قرار میآگیرد مواد فرار این چسبآها با درجات فراریت مختلف در دماهای مختلف و با سرعتآهای مختلف خارج میآشوند. به همین دلیل در حین خروج این مواد فرار، ترکآهای ریز که با چشم براحتی قابل رویت نیستند در سطح عایق ایجاد میآشود که این امر بر روی خواص دیآالکتریک عایق و تخلیه جزیی و گاهاً جریانآهای سطحی و آلودگی سطحی تاثیر بسزایی دارد. این مشکل به هیچ شکلی قابل حل نیست.
- با توجه به این که دمای Tg اکثر چسبآهای آلی لعابآها پایین است، لذا در دماهای کمتر از صفر و یا مناطق سردسیر ممکن است متناسب با نوع لعاب، ترکآهای ریز که به مرور رشد میآکنند ایجاد شود که این ترکآها نیز مشکلاتی همچون بند بالا را بوجود میآآورند.
- تغییرات درجه حرارت محیط در طول سال و یا تغییرات درجه حرارت بین شب و روز در مناطق کویری و انقباض و انبساط عایق (با توجه به این که ضریب انبساط لعاب و بیسکویت زیرین لعاب یکسان نیست) موجب میآشود که ابتدا ترکآهای متعدد در بدنه عایق مشاهده شود و گسترش تدریجی ترکآها بصورت طولی و عمقی موجب بروز تخلیه جزیی میآشود. بروز تخلیه جزیی در محل ترکآها و در سطح خارجی عایق، ترکآها را وسعت بخشیده، موجبات شکستگی عایق و برجستگیآها را فراهم ساخته و به قوس کامل منجر میآشود.
معایب الکتریکی
ایرادات الکتریکی که در واقع به نوعی به استحکام و خواص مواد بکار رفته در لعاب و خاک چینی مربوط است عبارتند از:
- ایجاد ترک تحت تاثیر جریانآهای ناشی از تخلیه جوی و شدت میدان قابل ملاحظهآای که در قبال ولتاژهای موجی تخلیه جوی و بروز قوس از نوع قوسآهای برگشتی مشاهده میآشود. این عارضه بطور عمده در ستون بوشینگ و یا زنجیر مقره خطوط انتقال روی میآدهد که البته این ترکآها، به نوعی در آلودگی و جریانآهای سطحی تاثیر بسزایی دارد.
- بروز تخلیه جزیی در محل ترکآهای ظاهر شده در سطح خارجی عایق و گسترش تدریجی آنها. ادامه بروز تخلیه جزیی موجب شکستگی تدریجی عایق وجدا شدن برجستگیآهای خارجی میآشود در این صورت زنجیر مقره تنها شامل گلویی خواهد بود. هرگونه ترک، مسیر مناسب قوس جزیی را در سطح و یا در عمق مقره بین آرماتور داخلی و سطح خارجی یا هادی تحت ولتاژ بوجود میآآورد.
معایب خوردگی
یکی از ایرادات و مشکلات بزرگی که در صنایع وجود دارد مشکل خوردگی است و این ایراد به عنوان یکی از ایرادات مهم و اساسی درعایقآهای سرامیکی نیز وجود دارد. خوردگی در سطح خارجی عایق سرامیکی صنعتی به دو علت زیر روی میآدهد:
• صدمه مکانیکی ناشی از ضربات مکانیکی و یا حرارت حاصل از تخلیه جزیی در پی برقراری جریان سطحی. لازم به توضیح است که بروز تخلیه جزیی در سطح خارجی عایق و ایجاد خوردگی مکانیکی و ترک ناشی از حرارت طی مراحل زیر صورت میآگیرد.:
- ایجاد حرارت موضعی در سطح خارجی عایق وبروز قوسآهای جزیی بطور چند میلیآمتر. بروز اینگونه قوسآها موجب میآشود تا ترک و شیارهایی به عمق 1 تا 3 میلیآمتر در سطح عایق ایجاد شود.
- با گذشت زمان و ادامه برقراری تخلیه جزیی، جریان به تدریج به داخل عایق نفوذ میآکند.
- با قطع جریان و تخلیه جزیی، لایه سطحی مجدداً رطوبت جذب کرده و با بروز قوس مجدد در شرایط مناسب این پدیده تکرار میآشود. بروز این پدیده به شرح فوق موجب انبساط و انقباض متوالی عایق گشته و ترکآهای مویی در سطح عایق ایجاد میآآکند.
- با برقراری جریان سطحی و بروز قوسآهای موضعی ترکآهای ایجاد شده به تدریج به مناطق سرد گسترش میآیابند.
• خوردگی شیمیایی. آلودگی صنعتی برحسب نوع خود میآتواند موجبات خوردگی در سطح عایق را فراهم سازد. به همین علت انتخاب نوع مناسب عایق همراه با حداقل لایه سطحی و شستآوشوی مرتب از اهمیت ویژه برخوردار است. هنگامی که در آلودگیآهایی که در سطح عایق میآنشیند یونآهایی مانند سدیم، پتاسیم، لیتیم موجود باشند خوردگی شیمیایی همزمان با برقراری جریان سطحی با سرعت قابل ملاحظهآای روی خواهد داد و هنگامی که این نوع خورندگی با تخلیه جزیی همراه شود خورندگی به سرعت گسترش می یابد.
معایب عایقآهای سرامیکی از نظر آلودگی وشرایط محیطی
یکی از مهمترین ایراداتی که بر عایقآهای سرامیکی وارد است تاثیر آلودگیآهای محیطی بر عملکرد این نوع عایقآها است. زیرا در اثر آلودگیآها، فاکتورهای اصلی عایق الکتریکی خدشهآدار میآشود و تاثیر بسزایی در خواص و ویژگیآهای عایقی این مواد ایجاد میآکند. آلودگیآهای محیطی بر دو نوع است:
• آلودگیآهای طبیعی. آلودگیآهای محیط به صورت ذرات گرد و غبار، دوده و گازهای شیمیایی و ترکیبات آنها بر سطح خارجی عایق رسوب میآکند و در طول زمان، لایه سطحی متشکل از ذرات با ترکیبات مختلف را پدید میآآورد که با گذشت زمان، این لایه سطحی متشکل از ذرات در مجاورت رطوبت از هدایت ناچیزی برخوردار گشته و جریان تخلیه را از طریق لایه و در سطح خارجی عایق بالغ بر چند میلیآآمپر برقرار میآسازد که در صورت افزایش ضخامت لایه، جریان برقرار شده فزونی یافته و با تجاوز از مقدار مشخص، شرایط بروز قوس در سطح خارجی عایق را فراهم میآسازد. بدین ترتیب آلودگیآهای محیط و لایه سطحی ناشی از آن، ولتاژ دیآالکتریک عایق را کاهش داده، بروز قوس در سطح خارجی را به ازای ولتاژ اسمی سبب میآشود.
• آلودگیآهای صنعتی. این نوع آلودگی در مناطق و نواحی صنعتی نظیر کارخانجات شیمیایی، رنگسازی، سیمان، ذوب فلزات و غیره مشاهده میآشود. در این مراکز مواد شیمیایی حاصل از کارخانجات صنعتی در فضا موجود بوده، در سطح عایقآها ظاهر میآشود. مقررات و پیشآبینیآهای به عمل آمده به منظور کیفیت ایزولاسیون عایقآها و انتخاب مناسب آنها، متناسب با آلودگیآهای محیط، برای آلودگیآهای صنعتی و محیطی یکسان هستند. با اینهمه در مواردی که میزان آلودگی اعم از صنعتی یاطبیعی قابل ملاحظه باشد انجام بررسیآها و مطالعات دقیق به منظور انتخاب و تعیین نوع عایق مناسب صورت میآپذیرد.
مقاومت عایقآآهای سرامیکی در مقابل عوامل جوی و اشعه ماوراء بنفش
یکی از معایبی که در مورد عایقآهای سرامیکی وجود دارد آن است که در مقابل نور، رطوبت، گازها و برخی مواد شیمیایی ضعیف هستند. مثلاًآدر مقابل گازهای فلوئور و کلر در مجاورت رطوبت که تولید اسیدفلوریدریک و یا اسید کلریدریک میآکند به شدت ضعیف هستند و خورده میآشوند. در مقابل اثرات مستقیم نور خورشید و تشعشع ماوراء بنفش همراه با رطوبت و شرایط اکسیدآکنندگی محیطی رنگ پریدگی،آتخلخل، ترک خوردگی سطحی، سستآشدن و شکنندگی ایجاد میآشود.
با توجه به موارد ذکر شده میآتوان گفت که این عایقآها از دو نظر با اشکال اساسی روبرو هستند:
1- خواص فیزیکی و مکانیکی این عایقآها ضعیف است.
2- خواص آلودگی این عایقآها نامطلوب است
عایقآهای پلیمری
بطور کلی دلایل اصلی که موجب میآشود به جای عایقآهای سرامیکی از عایقآهای پلیمری استفاده شود به شرح ذیل است:
1- خواص و ویژگیآهای مکانیکی عایقآهای سرامیکی ضعیف است.
2- میزان جذب رطوبت عایقآهای پلیمری از عایقآهای سرامیکی کمتر است.
3- میزان جذب آلودگی و ایجاد جریان سطحی در عایقآهای سرامیکی زیادتر است.
4- در ولتاژهای بالا عایقآهای سرامیکی مقاومت قوسی پایینی دارند.
5- ضریب دیآالکتریک عایقآهای سرامیکی کم است.
6- با توجه به این که عایقآهای چینی و یا شیشهآای به عنوان ایزولاسیون خارجی فاصله سطحی مناسبی ندارند به همین منظور جهت تامین فاصله سطحی کافی و کاهش ارتفاع عایق، از عایقآهای پلیمری با اندازه ایدهآآل برجستگیآها استفاده میآشود.
مقایسه عایقآهای سرامیکی وپلیمری
• مقایسه از لحاظ فنی: بطور خلاصه میآتوان مزایای عایقآهای پلیمری را به صورت ذیل خلاصه کرد:
- مقاومت بالا در برابر انفجار بر اثر فشارهای داخلی و یا عوامل خارجی همانند تخریب انسانی.
- طول عمر بالای 25 سال بدون افت رفتار عایقی
- عملکرد عالی در مناطق آلوده و عدم نیاز به شستآوشو
- مقاومت بالا نسبت به عوامل محیطی از قبیل اشعه UV، رطوبت و ...
- وزن کمتر (بین 10 تا 50 درصد وزن عایقآهای سرامیکی) که این مساله باعث کاهش هزینه و ضایعات حمل و نقل میآشود.
- انعطافآپذیری که سبب حذف ضایعات ناشی از شکستن عایق در مراحل تولید، حمل و نقل، نصب و بهرهآبرداری میآشود.
- ایمنی بالاتر در هنگام وقوع نقص الکتریکی
- مقاومت بالاتر نسبت به خرابکاری
- ایمنی بیشتر در هنگام وقوع زلزله خصوصاًآدر عایقآهای مصرفی در ترانسفورماتورهای قدرت
- عدم محدودیت در زوایای نصب
- قابلیت دستیابی به فواصل خزشی بالا (به دلیل خواص عایقی مطلوب) بدون افزایش قابل ملاحظه در وزن و ابعاد
- آبآبندی موثرتر در محل اتصال عایق
- امکان افزایش فاصله سطحی در ارتفاع یکسان با عایقآهای سرامیکی تا حدود 2 برابر، که این امر در مناطق با آلودگی بالا از اهمیت بالایی برخوردار است.
• مقایسه از لحاظ اقتصادی: در مقایسه اقتصادی عایقآهای سرامیکی با عایقآهای پلیمری باید به دو پارامتر توجه کرد:
1- هزینه اولیه عایق
2- هزینه عملیاتی عایق
1- هزینه اولیه عایق: قیمت خرید عایق پلیمری بیشتر از عایق سرامیکی است که ناشی از قیمت مواد اولیه مورد نیاز است البته میزان افزایش قیمت بر حسب نوع پلیمر متغیر است.
2- هزینه عملیاتی عایق: یکی از موارد مهمی که در بررسی فنی و اقتصادی جایگزینی باید مدنظر قرار گیرد مساله هزینهآهای عملیاتی عایقآها است. هزینهآهای عملیاتی عایق را میآتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
الف) هزینهآهای عملیاتی قبل از نصب در محل بهرهآبرداری
ب) هزینهآهای عملیاتی بعد از نصب در محل بهرهآبرداری
الف) هزینهآهای عملیاتی قبل از نصب در محل بهرهآبرداری: این قسمت شامل کلیه هزینهآهای قبل از نصب است. در ابتدا باید هزینهآهای ساخت عایق را در نظر گرفت. عایقآهای سرامیکی به دلیل ساختارشان، در حین تولید ضایعات بیشتری را نسبت به عایقآهای پلیمری ایجاد میآکنند (به عنوان مثال شکستن در کوره و تحت حرارت پخت) که این هزینهآها در انتها بر روی قیمت عایق تاثیر مستقیم میآگذارند. همچنین عایقآهای سرامیکی در حین حمل و نقل و نصب در محل مورد نظر دچار شکستگی میآشوند که این موضوع در مورد عایقآهای پلیمری صادق نیست. به عبارت دیگر ضایعات عایقآهای سرامیکی از ابتدای ساخت تا زمان نصب در محل بهرهآبرداری بیشتر از عایقآهای پلیمری است بنابراین هزینه بیشتری برمصرفآکننده تحمیل میآکند.
ضایعات عایقآهای سرامیکی را میآتوان به صورت زیر عنوان کرد:
- در حین تولید عایق
- حمل از محل تولید به محل بهرهآبرداری
- نصب عایق
- ضایعات ناشی از خرابکاری
- ضایعات ناشی از زلزله
طبق برآوردهای انجام شده مجموع این ضایعات به 10 تا 15 درصد بالغ میآشود. بدیهی است هزینه ضایعات عایقآها تنها به جایگزینی آنها محدود نشده و وقفهآهای ایجاد شده در مراحل مختلف و نیز مشکلات حاصل از ناکارآمدی عایق تحت سرویس، هزینهآهای جانبی قابل ملاحظهآای را بر مصرفآکنندگان تحمیل میآکند.
ب) هزینهآهای عملیاتی بعد از نصب در محل بهرهآبرداری: این هزینهآها شامل هزینهآهای شستآوشوی عایق، هزینهآهای ناشی از شکستهآشدن عایق و جایگزینی آن، هزینهآهای ناشی از ایجاد قوس الکتریکی (بر اثر آلودگی) و ... است.
عایقآهای سرامیکی به دلیل ساختارشان، احتیاج به شستآو شوی متناوب دارند. این شستشو مخصوصاً در شرایط آب و هوایی با آلودگی بالا (مانند مناطق جنوبی) از اهمیت خاصی برخوردار است. در صورت عدم توجه به این موضوع، تشکیل قوس الکتریکی و صدمه دیدن عایق میآتواند هزینهآهای بیشتری را تحمیل کند در حالی که عایقآهای پلیمری به دلیل ویژگیآهای ساختاریآشان احتیاج کمتری به شستآوشو دارند بنابراین هزینه شستآوشوی آنها کمتر است. همچنین احتمال تشکیل قوس الکتریکی و صدمهآدیدن عایق در این حالت کمتر است.
با در نظر گرفتن ضایعات عایقآهای سرامیکی که رقمی در حدود 10 تا 15 درصد را تشکیل میآدهد اختلاف قیمت نهایی عایقآهای سرامیکی و پلیمری چندان تفاوتی با یکدیگر نخواهد داشت. بعلاوه بررسیآها نشان میآدهد که هزینه سالیانه شستآوشوی عایقآهای سرامیکی در مناطق آلوده در حدود 5 تا 10 درصد قیمت عایق است که باجایگزینی این عایقآها با عایقآهای پلیمری این هزینهآها حذف خواهند شد.
حذف عملیات شستآوشوی دورهآای عایقآها در مناطق آلوده، از دیگر مزایای اقتصادی عایقآهای پلیمری است. در خصوص شبکه توزیع،آ با توجه به پراکندگی و گستردگی مناطق نصب و تعداد این عایقآها در مقایسه با شبکه فوقآتوزیع و قدرت، این مزیت از اهمیت بالاتری برخوردار خواهد بود. در مناطقی همچون بندرعباس، چابهار و بخشآهایی از استان خوزستان، سیکل شستآشو در اکثر ماههای سال در دورهآهای 20 تا 25 روزه انجام میآگیرد که در صورت استفاده از عایقآهای پلیمری نیاز به این عملیات کمتر خواهد شد.
بنابراین بطور خلاصه میآتوان گفت که استفاده از عایقآهای پلیمری علاوه بر کاهش هزینهآ، افزایش کارایی خطوط انتقال نیرو و کاهش صدمات ناشی از کارکرد نامناسب عایقآهای سرامیکی را به دنبال خواهد داشت.
در این مقاله ضمن اشاره به معایب عایقآهای سرامیکی که در نتیجه سالآها استفاده از آنها درصنعتآبرق بدان پیآبرده شده است و طرح دلایل تمایل به جایگزینی آنها با عایقآهای پلیمری در سالآهای اخیر،آنتایج امکانآسنجی فنی و اقتصادی صورت گرفته در خصوص جایگزینی بوشینگآهای سرامیکی ترانسفورماتورها با انواع پلیمری آنها و تعیین و اولویتآبندی جایگزینآهای مناسب برای این کار با در نظر گرفتن شرایط کاربری و مسائل اقتصادی ارایه شده است.
یک فرآورده سرامیکی، از گل که مخلوطی از آب و خاک است ساخته شده، در هوا خشک و درحرارت سخت شده است.کلمه سرامیک از کلمه یونانی Keramos که خود ریشه سانسکریت دارد و به معنی خاک رس پخته شده است، گرفته شده است. بنابراین چنانچه این مفهوم از کلمه سرامیک، مدنظر باشد میآآتوان معادل فارسی «رسینه» را برای آن پیشنهاد کرد.
عایقآهای چینی متداولآترین نوع عایقآهای الکتریکی هستند، چرا که دارای مقاومت الکتریکی ونیز استحکام زیادی بوده و قیمت اولیه مناسبی دارند. به طور کلی این مواد در فرکانسآهای کم و در کلیه ولتاژها (اعم از ولتاژآهای پایین یا بالا) کاربرد دارند. برای مدتهای طولانی، سرامیک تنها ماده مورد استفاده برای کاربردهای عایقی بوده است با این حال این ماده در عمل نارساییآهایی از جمله موارد زیر را از خود نشان میآدهد:
- بسیار شکننده است
- اتصال قطعات فلزی به آن شکل است
- دقت ابعادی آن کم است که این امر باعث ایجاد مشکلات حادی در طراحی و شکلآدهی قطعات سرامیکی است.
بعد از سال 1945 و با ظهور مواد پلیمری در بازارهای تجاری،تمایل به استفاده از مواد پلیمری برای ساخت عایقآهای الکتریکی افزایش یافت. علت این امر تولید رزین اپوکسی با نام آرالدیت بود که باعث شد تا قطعات عایقی ارزان و کوچک با دقت ابعادی بالا وسهولت در فرآیند ساخت تولید شوند. به موازات ساخت پلیمرهای جدید، استفاده از انواع مختلف پلیمر برای ساخت قطعات عایقی افزایش یافت به طوری که در حال حاضر شرکتآهای مختلفی در دنیا اقدام به ساخت بوشینگ و مقرهآهای پلیمری از انواع مختلف میآکنند.
البته در اینجا لازم به ذکر است که عایقآهای سرامیکی هنوز هم در مقایسه با عایقآهای پلیمری مزیتآهایی به شرح زیر دارند:
1- از نظر قیمت ارزانآتر از عایقآهای پلیمری هستند.
2- روش تولید انبوه آن آسان است.
3- مواد اولیه مورد نیاز جهت تولید عایقآهای سرامیکی در داخل کشور به وفور یافت میآشود.
4- تجهیزات و ماشینآآلات کارگاهی آن بسیار ارزان است.
شرح مقاله
گرچه عایقآهای سرامیکی خواص الکتریکی مطلوبی دارند ولی نقاط ضعف آنها باعث شد تا عایقآهای دیگری جایگزین این نوع عایقآها شوند. در ادامه به ذکر این نقاط ضعف و مزایای استفاده از عایقآهای پلیمری ومقایسه بین این دو نوع عایق پرداخته میآشود. همچنین نتایج حاصل از بررسی صورت گرفته جهت انتخاب بهترین نوع عایق پلیمری از جنبهآهای فنی و اقتصادی، جهت جایگزینی با بوشینگآهای سرامیکی ترانسفورماتورها ارایه خواهد شد.
معایب عایقآهای سرامیکی
معایب مکانیکی
معایب مکانیکی عایقآهای سرامیکی عبارتند از:
- پارگی عایق یا ستون عایق به علت نیروی قابل ملاحظه بیش از مقدار مجاز و قابل قبول. هنگامی که نیروی وارد بر زنجیر عایق از طرف هادی بطور قابل ملاحظهآای افزایش یابد، موجبات شکستگی زنجیر عایق و انهدام آن را فراهم میآسازد.
- با توجه به این که عمدتاً عایقآبندی در ایستگاهآهای توزیع و انتقال نیرو با عایقآهای سرامیکی است و با توجه به تعداد زیاد این عایقآها در هر ایستگاه ونیز وزن زیاد آنها، وزن ستون عایقآها افزایش میآیابد که این امر باعث افزایش حجم و وزن اسکلت فلزی و فونداسیون مربوطه میآشود.
- ضربهآپذیری کمآعایق. این موضوع موجب میآشود که در اثر کوچکترین ضربه- به جهت شکل خاص هندسی آن – توزیع تنش در همه نقاط عایق یکسان نباشد و با توجه به استحکام ناچیز سرامیک در مقابل نیروهای دینامیکی، موجب شکستن و یا ترک برداشتن عایق شود.
- با توجه به وزن بالای ستون عایقآهای سرامیکی، نصب آن بسیار مشکل است و نیاز به جرثقیل دارد و به همین دلیل زمان و هزینه مونتاژ و نصب آن بالا میآرود.
- با توجه به استحکام ناچیز عایقآهای سرامیکی در موقع حمل و نقل، احتیاطآهای لازم جهت نصب باید بسیار وسیع و دقیق صورت گیرد تا ضربهآای به این عایقآها وارد نشود. زیرا این عایقآها ممکن است در اثر ضربه ترک بردارند و همان ترک رشد کرده، موجب ترک خوردگی کامل عایق شود.
- عایقآهای سرامیکی دارای انعطافآپذیریآ کمی هستند ولذا در مقابل نیروهای افقی از جمله نیروی باد که بر محور آن وارد میآشود دارای مقاومت کمی هستند و چون حالت انعطافآپذیری ندارند، در صورتی که نیروی زیادی بر آنها وارد شود میآشکنند. با توجه به این مطلب در مناطقی که دارای طوفانآهای فصلی شدید هستند و یا زلزلهآخیز هستند امکان شکستن عایقآها وجود دارد.
- استحکام فشاری و چسبندگی عایقآهای سرامیکی ناچیز است. به همین دلیل گاهی گلویی مقره و یا آرماتور داخلی از بشقاب جدا میآشود که این امر نشان میآدهد استحکام فشاری و چسبندگی و فشردگی مواد و توزیع یکنواخت مواد در ساخت سرامیکآهای با شکل هندسی ویژه امکانآپذیر نیست. البته گاهی اوقات با اصلاح قالب و قرارگیری درست آرماتور و فشردگی کامل مواد، این مشکل تقریباً قابل حل است.
معایب حرارتی
در عایقآهای سرامیکی، معایب حرارتی ذیل مشاهده میآشود:
- در ساختار لعابی که روی عایقآهای سرامیکی اعمال میآشود از چسب پلیآوینیل استات و دیگر جسبآهای آلی استفاده میآشود. هنگامی که این لعاب در کوره قرار میآگیرد مواد فرار این چسبآها با درجات فراریت مختلف در دماهای مختلف و با سرعتآهای مختلف خارج میآشوند. به همین دلیل در حین خروج این مواد فرار، ترکآهای ریز که با چشم براحتی قابل رویت نیستند در سطح عایق ایجاد میآشود که این امر بر روی خواص دیآالکتریک عایق و تخلیه جزیی و گاهاً جریانآهای سطحی و آلودگی سطحی تاثیر بسزایی دارد. این مشکل به هیچ شکلی قابل حل نیست.
- با توجه به این که دمای Tg اکثر چسبآهای آلی لعابآها پایین است، لذا در دماهای کمتر از صفر و یا مناطق سردسیر ممکن است متناسب با نوع لعاب، ترکآهای ریز که به مرور رشد میآکنند ایجاد شود که این ترکآها نیز مشکلاتی همچون بند بالا را بوجود میآآورند.
- تغییرات درجه حرارت محیط در طول سال و یا تغییرات درجه حرارت بین شب و روز در مناطق کویری و انقباض و انبساط عایق (با توجه به این که ضریب انبساط لعاب و بیسکویت زیرین لعاب یکسان نیست) موجب میآشود که ابتدا ترکآهای متعدد در بدنه عایق مشاهده شود و گسترش تدریجی ترکآها بصورت طولی و عمقی موجب بروز تخلیه جزیی میآشود. بروز تخلیه جزیی در محل ترکآها و در سطح خارجی عایق، ترکآها را وسعت بخشیده، موجبات شکستگی عایق و برجستگیآها را فراهم ساخته و به قوس کامل منجر میآشود.
معایب الکتریکی
ایرادات الکتریکی که در واقع به نوعی به استحکام و خواص مواد بکار رفته در لعاب و خاک چینی مربوط است عبارتند از:
- ایجاد ترک تحت تاثیر جریانآهای ناشی از تخلیه جوی و شدت میدان قابل ملاحظهآای که در قبال ولتاژهای موجی تخلیه جوی و بروز قوس از نوع قوسآهای برگشتی مشاهده میآشود. این عارضه بطور عمده در ستون بوشینگ و یا زنجیر مقره خطوط انتقال روی میآدهد که البته این ترکآها، به نوعی در آلودگی و جریانآهای سطحی تاثیر بسزایی دارد.
- بروز تخلیه جزیی در محل ترکآهای ظاهر شده در سطح خارجی عایق و گسترش تدریجی آنها. ادامه بروز تخلیه جزیی موجب شکستگی تدریجی عایق وجدا شدن برجستگیآهای خارجی میآشود در این صورت زنجیر مقره تنها شامل گلویی خواهد بود. هرگونه ترک، مسیر مناسب قوس جزیی را در سطح و یا در عمق مقره بین آرماتور داخلی و سطح خارجی یا هادی تحت ولتاژ بوجود میآآورد.
معایب خوردگی
یکی از ایرادات و مشکلات بزرگی که در صنایع وجود دارد مشکل خوردگی است و این ایراد به عنوان یکی از ایرادات مهم و اساسی درعایقآهای سرامیکی نیز وجود دارد. خوردگی در سطح خارجی عایق سرامیکی صنعتی به دو علت زیر روی میآدهد:
• صدمه مکانیکی ناشی از ضربات مکانیکی و یا حرارت حاصل از تخلیه جزیی در پی برقراری جریان سطحی. لازم به توضیح است که بروز تخلیه جزیی در سطح خارجی عایق و ایجاد خوردگی مکانیکی و ترک ناشی از حرارت طی مراحل زیر صورت میآگیرد.:
- ایجاد حرارت موضعی در سطح خارجی عایق وبروز قوسآهای جزیی بطور چند میلیآمتر. بروز اینگونه قوسآها موجب میآشود تا ترک و شیارهایی به عمق 1 تا 3 میلیآمتر در سطح عایق ایجاد شود.
- با گذشت زمان و ادامه برقراری تخلیه جزیی، جریان به تدریج به داخل عایق نفوذ میآکند.
- با قطع جریان و تخلیه جزیی، لایه سطحی مجدداً رطوبت جذب کرده و با بروز قوس مجدد در شرایط مناسب این پدیده تکرار میآشود. بروز این پدیده به شرح فوق موجب انبساط و انقباض متوالی عایق گشته و ترکآهای مویی در سطح عایق ایجاد میآآکند.
- با برقراری جریان سطحی و بروز قوسآهای موضعی ترکآهای ایجاد شده به تدریج به مناطق سرد گسترش میآیابند.
• خوردگی شیمیایی. آلودگی صنعتی برحسب نوع خود میآتواند موجبات خوردگی در سطح عایق را فراهم سازد. به همین علت انتخاب نوع مناسب عایق همراه با حداقل لایه سطحی و شستآوشوی مرتب از اهمیت ویژه برخوردار است. هنگامی که در آلودگیآهایی که در سطح عایق میآنشیند یونآهایی مانند سدیم، پتاسیم، لیتیم موجود باشند خوردگی شیمیایی همزمان با برقراری جریان سطحی با سرعت قابل ملاحظهآای روی خواهد داد و هنگامی که این نوع خورندگی با تخلیه جزیی همراه شود خورندگی به سرعت گسترش می یابد.
معایب عایقآهای سرامیکی از نظر آلودگی وشرایط محیطی
یکی از مهمترین ایراداتی که بر عایقآهای سرامیکی وارد است تاثیر آلودگیآهای محیطی بر عملکرد این نوع عایقآها است. زیرا در اثر آلودگیآها، فاکتورهای اصلی عایق الکتریکی خدشهآدار میآشود و تاثیر بسزایی در خواص و ویژگیآهای عایقی این مواد ایجاد میآکند. آلودگیآهای محیطی بر دو نوع است:
• آلودگیآهای طبیعی. آلودگیآهای محیط به صورت ذرات گرد و غبار، دوده و گازهای شیمیایی و ترکیبات آنها بر سطح خارجی عایق رسوب میآکند و در طول زمان، لایه سطحی متشکل از ذرات با ترکیبات مختلف را پدید میآآورد که با گذشت زمان، این لایه سطحی متشکل از ذرات در مجاورت رطوبت از هدایت ناچیزی برخوردار گشته و جریان تخلیه را از طریق لایه و در سطح خارجی عایق بالغ بر چند میلیآآمپر برقرار میآسازد که در صورت افزایش ضخامت لایه، جریان برقرار شده فزونی یافته و با تجاوز از مقدار مشخص، شرایط بروز قوس در سطح خارجی عایق را فراهم میآسازد. بدین ترتیب آلودگیآهای محیط و لایه سطحی ناشی از آن، ولتاژ دیآالکتریک عایق را کاهش داده، بروز قوس در سطح خارجی را به ازای ولتاژ اسمی سبب میآشود.
• آلودگیآهای صنعتی. این نوع آلودگی در مناطق و نواحی صنعتی نظیر کارخانجات شیمیایی، رنگسازی، سیمان، ذوب فلزات و غیره مشاهده میآشود. در این مراکز مواد شیمیایی حاصل از کارخانجات صنعتی در فضا موجود بوده، در سطح عایقآها ظاهر میآشود. مقررات و پیشآبینیآهای به عمل آمده به منظور کیفیت ایزولاسیون عایقآها و انتخاب مناسب آنها، متناسب با آلودگیآهای محیط، برای آلودگیآهای صنعتی و محیطی یکسان هستند. با اینهمه در مواردی که میزان آلودگی اعم از صنعتی یاطبیعی قابل ملاحظه باشد انجام بررسیآها و مطالعات دقیق به منظور انتخاب و تعیین نوع عایق مناسب صورت میآپذیرد.
مقاومت عایقآآهای سرامیکی در مقابل عوامل جوی و اشعه ماوراء بنفش
یکی از معایبی که در مورد عایقآهای سرامیکی وجود دارد آن است که در مقابل نور، رطوبت، گازها و برخی مواد شیمیایی ضعیف هستند. مثلاًآدر مقابل گازهای فلوئور و کلر در مجاورت رطوبت که تولید اسیدفلوریدریک و یا اسید کلریدریک میآکند به شدت ضعیف هستند و خورده میآشوند. در مقابل اثرات مستقیم نور خورشید و تشعشع ماوراء بنفش همراه با رطوبت و شرایط اکسیدآکنندگی محیطی رنگ پریدگی،آتخلخل، ترک خوردگی سطحی، سستآشدن و شکنندگی ایجاد میآشود.
با توجه به موارد ذکر شده میآتوان گفت که این عایقآها از دو نظر با اشکال اساسی روبرو هستند:
1- خواص فیزیکی و مکانیکی این عایقآها ضعیف است.
2- خواص آلودگی این عایقآها نامطلوب است
عایقآهای پلیمری
بطور کلی دلایل اصلی که موجب میآشود به جای عایقآهای سرامیکی از عایقآهای پلیمری استفاده شود به شرح ذیل است:
1- خواص و ویژگیآهای مکانیکی عایقآهای سرامیکی ضعیف است.
2- میزان جذب رطوبت عایقآهای پلیمری از عایقآهای سرامیکی کمتر است.
3- میزان جذب آلودگی و ایجاد جریان سطحی در عایقآهای سرامیکی زیادتر است.
4- در ولتاژهای بالا عایقآهای سرامیکی مقاومت قوسی پایینی دارند.
5- ضریب دیآالکتریک عایقآهای سرامیکی کم است.
6- با توجه به این که عایقآهای چینی و یا شیشهآای به عنوان ایزولاسیون خارجی فاصله سطحی مناسبی ندارند به همین منظور جهت تامین فاصله سطحی کافی و کاهش ارتفاع عایق، از عایقآهای پلیمری با اندازه ایدهآآل برجستگیآها استفاده میآشود.
مقایسه عایقآهای سرامیکی وپلیمری
• مقایسه از لحاظ فنی: بطور خلاصه میآتوان مزایای عایقآهای پلیمری را به صورت ذیل خلاصه کرد:
- مقاومت بالا در برابر انفجار بر اثر فشارهای داخلی و یا عوامل خارجی همانند تخریب انسانی.
- طول عمر بالای 25 سال بدون افت رفتار عایقی
- عملکرد عالی در مناطق آلوده و عدم نیاز به شستآوشو
- مقاومت بالا نسبت به عوامل محیطی از قبیل اشعه UV، رطوبت و ...
- وزن کمتر (بین 10 تا 50 درصد وزن عایقآهای سرامیکی) که این مساله باعث کاهش هزینه و ضایعات حمل و نقل میآشود.
- انعطافآپذیری که سبب حذف ضایعات ناشی از شکستن عایق در مراحل تولید، حمل و نقل، نصب و بهرهآبرداری میآشود.
- ایمنی بالاتر در هنگام وقوع نقص الکتریکی
- مقاومت بالاتر نسبت به خرابکاری
- ایمنی بیشتر در هنگام وقوع زلزله خصوصاًآدر عایقآهای مصرفی در ترانسفورماتورهای قدرت
- عدم محدودیت در زوایای نصب
- قابلیت دستیابی به فواصل خزشی بالا (به دلیل خواص عایقی مطلوب) بدون افزایش قابل ملاحظه در وزن و ابعاد
- آبآبندی موثرتر در محل اتصال عایق
- امکان افزایش فاصله سطحی در ارتفاع یکسان با عایقآهای سرامیکی تا حدود 2 برابر، که این امر در مناطق با آلودگی بالا از اهمیت بالایی برخوردار است.
• مقایسه از لحاظ اقتصادی: در مقایسه اقتصادی عایقآهای سرامیکی با عایقآهای پلیمری باید به دو پارامتر توجه کرد:
1- هزینه اولیه عایق
2- هزینه عملیاتی عایق
1- هزینه اولیه عایق: قیمت خرید عایق پلیمری بیشتر از عایق سرامیکی است که ناشی از قیمت مواد اولیه مورد نیاز است البته میزان افزایش قیمت بر حسب نوع پلیمر متغیر است.
2- هزینه عملیاتی عایق: یکی از موارد مهمی که در بررسی فنی و اقتصادی جایگزینی باید مدنظر قرار گیرد مساله هزینهآهای عملیاتی عایقآها است. هزینهآهای عملیاتی عایق را میآتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
الف) هزینهآهای عملیاتی قبل از نصب در محل بهرهآبرداری
ب) هزینهآهای عملیاتی بعد از نصب در محل بهرهآبرداری
الف) هزینهآهای عملیاتی قبل از نصب در محل بهرهآبرداری: این قسمت شامل کلیه هزینهآهای قبل از نصب است. در ابتدا باید هزینهآهای ساخت عایق را در نظر گرفت. عایقآهای سرامیکی به دلیل ساختارشان، در حین تولید ضایعات بیشتری را نسبت به عایقآهای پلیمری ایجاد میآکنند (به عنوان مثال شکستن در کوره و تحت حرارت پخت) که این هزینهآها در انتها بر روی قیمت عایق تاثیر مستقیم میآگذارند. همچنین عایقآهای سرامیکی در حین حمل و نقل و نصب در محل مورد نظر دچار شکستگی میآشوند که این موضوع در مورد عایقآهای پلیمری صادق نیست. به عبارت دیگر ضایعات عایقآهای سرامیکی از ابتدای ساخت تا زمان نصب در محل بهرهآبرداری بیشتر از عایقآهای پلیمری است بنابراین هزینه بیشتری برمصرفآکننده تحمیل میآکند.
ضایعات عایقآهای سرامیکی را میآتوان به صورت زیر عنوان کرد:
- در حین تولید عایق
- حمل از محل تولید به محل بهرهآبرداری
- نصب عایق
- ضایعات ناشی از خرابکاری
- ضایعات ناشی از زلزله
طبق برآوردهای انجام شده مجموع این ضایعات به 10 تا 15 درصد بالغ میآشود. بدیهی است هزینه ضایعات عایقآها تنها به جایگزینی آنها محدود نشده و وقفهآهای ایجاد شده در مراحل مختلف و نیز مشکلات حاصل از ناکارآمدی عایق تحت سرویس، هزینهآهای جانبی قابل ملاحظهآای را بر مصرفآکنندگان تحمیل میآکند.
ب) هزینهآهای عملیاتی بعد از نصب در محل بهرهآبرداری: این هزینهآها شامل هزینهآهای شستآوشوی عایق، هزینهآهای ناشی از شکستهآشدن عایق و جایگزینی آن، هزینهآهای ناشی از ایجاد قوس الکتریکی (بر اثر آلودگی) و ... است.
عایقآهای سرامیکی به دلیل ساختارشان، احتیاج به شستآو شوی متناوب دارند. این شستشو مخصوصاً در شرایط آب و هوایی با آلودگی بالا (مانند مناطق جنوبی) از اهمیت خاصی برخوردار است. در صورت عدم توجه به این موضوع، تشکیل قوس الکتریکی و صدمه دیدن عایق میآتواند هزینهآهای بیشتری را تحمیل کند در حالی که عایقآهای پلیمری به دلیل ویژگیآهای ساختاریآشان احتیاج کمتری به شستآوشو دارند بنابراین هزینه شستآوشوی آنها کمتر است. همچنین احتمال تشکیل قوس الکتریکی و صدمهآدیدن عایق در این حالت کمتر است.
با در نظر گرفتن ضایعات عایقآهای سرامیکی که رقمی در حدود 10 تا 15 درصد را تشکیل میآدهد اختلاف قیمت نهایی عایقآهای سرامیکی و پلیمری چندان تفاوتی با یکدیگر نخواهد داشت. بعلاوه بررسیآها نشان میآدهد که هزینه سالیانه شستآوشوی عایقآهای سرامیکی در مناطق آلوده در حدود 5 تا 10 درصد قیمت عایق است که باجایگزینی این عایقآها با عایقآهای پلیمری این هزینهآها حذف خواهند شد.
حذف عملیات شستآوشوی دورهآای عایقآها در مناطق آلوده، از دیگر مزایای اقتصادی عایقآهای پلیمری است. در خصوص شبکه توزیع،آ با توجه به پراکندگی و گستردگی مناطق نصب و تعداد این عایقآها در مقایسه با شبکه فوقآتوزیع و قدرت، این مزیت از اهمیت بالاتری برخوردار خواهد بود. در مناطقی همچون بندرعباس، چابهار و بخشآهایی از استان خوزستان، سیکل شستآشو در اکثر ماههای سال در دورهآهای 20 تا 25 روزه انجام میآگیرد که در صورت استفاده از عایقآهای پلیمری نیاز به این عملیات کمتر خواهد شد.
بنابراین بطور خلاصه میآتوان گفت که استفاده از عایقآهای پلیمری علاوه بر کاهش هزینهآ، افزایش کارایی خطوط انتقال نیرو و کاهش صدمات ناشی از کارکرد نامناسب عایقآهای سرامیکی را به دنبال خواهد داشت.
دیدگاه