بازدید امروز : 98
بازدید دیروز : 17
کل بازدید : 275546
کل یادداشتها ها : 254
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 میتوان معادل فارسی «رسینه» را برای آن پیشنهاد کرد.
عایقهای چینی متداول‌ترین نوع عایقهای الکتریکی هستند، چرا که دارای مقاومت الکتریکی ونیز استحکام زیادی بوده و قیمت اولیه مناسبی دارند. به طور کلی این مواد در فرکانس‌های کم و در کلیه ولتاژها (اعم از ولتاژهای 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 نارسایی‌هایی از جمله موارد زیر را از خود نشان می‌دهد:
- 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 شکل‌دهی قطعات سرامیکی است.
بعد از سال 1945 و با ظهور مواد پلیمری در بازارهای تجاری،تمایل به استفاده از مواد پلیمری برای ساخت عایقهای 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 شرکتهای مختلفی در دنیا اقدام به ساخت بوشینگ و مقرههای پلیمری از انواع مختلف می‌کنند.
البته در اینجا لازم به ذکر است که عایقهای سرامیکی هنوز هم در مقایسه با عایقهای پلیمری مزیت‌هایی به شرح زیر دارند:
1- از نظر قیمت ارزان‌تر از عایقهای پلیمری هستند.
2- روش تولید انبوه آن آسان است.
3- مواد اولیه مورد نیاز جهت تولید عایقهای سرامیکی در داخل کشور به وفور یافت می‌شود.
4- تجهیزات و ماشین‌آلات کارگاهی آن بسیار ارزان است.
شرح مقاله
گرچه عایقهای سرامیکی خواص الکتریکی مطلوبی دارند ولی نقاط ضعف آنها باعث شد تا عایقهای دیگری جایگزین این نوع عایق‌ها شوند. در ادامه به ذکر این نقاط ضعف و مزایای استفاده از عایقهای پلیمری ومقایسه بین این دو نوع عایق پرداخته می‌شود. همچنین نتایج حاصل از بررسی صورت گرفته جهت انتخاب بهترین نوع عایق پلیمری از جنبه‌های فنی و اقتصادی، جهت جایگزینی با بوشینگهای سرامیکی ترانسفورماتورها ارایه خواهد شد.
معایب عایقهای سرامیکی
معایب مکانیکی
معایب مکانیکی عایقهای 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 ملاحظه‌ای افزایش یابد، موجبات شکستگی زنجیر عایق و انهدام آن را فراهم می‌سازد.
- با توجه به این که عمدتاً عایق‌بندی در ایستگاه‌های توزیع و انتقال نیرو با عایقهای سرامیکی است و با توجه به تعداد زیاد این عایق‌ها در هر ایستگاه ونیز وزن زیاد آنها، وزن ستون عایق‌ها افزایش می‌یابد که این امر باعث افزایش حجم و وزن اسکلت فلزی و فونداسیون مربوطه می‌شود.
- ضربه‌پذیری کم‌عایق. این موضوع موجب می‌شود 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 عایقهای سرامیکی، نصب آن بسیار مشکل است و نیاز به جرثقیل دارد و به همین دلیل زمان و هزینه مونتاژ و نصب آن بالا می‌رود.
- با توجه به استحکام ناچیز عایقهای سرامیکی در موقع حمل و نقل، احتیاط‌های لازم جهت نصب باید بسیار وسیع و دقیق صورت گیرد تا ضربه‌ای به این عایق‌ها وارد نشود. زیرا این عایق‌ها ممکن است در اثر ضربه ترک بردارند و همان ترک رشد کرده، موجب ترک خوردگی کامل عایق شود.
- عایقهای سرامیکی دارای انعطاف‌پذیری کمی هستند ولذا در مقابل نیروهای افقی از جمله نیروی باد که بر محور آن وارد می‌شود دارای مقاومت کمی هستند و چون حالت انعطاف‌پذیری ندارند، در صورتی که نیروی زیادی بر آنها وارد شود می‌شکنند. با توجه به این مطلب در مناطقی که دارای طوفان‌های فصلی شدید هستند و یا زلزله‌خیز هستند امکان شکستن عایق‌ها وجود دارد.
- استحکام فشاری و چسبندگی عایقهای سرامیکی ناچیز است. به همین دلیل گاهی گلویی مقره و یا آرماتور داخلی از بشقاب جدا می‌شود که این امر نشان می‌دهد استحکام فشاری و چسبندگی و فشردگی مواد و توزیع یکنواخت مواد در ساخت سرامیک‌های با شکل هندسی ویژه امکان‌پذیر نیست. البته گاهی اوقات با اصلاح قالب و قرارگیری درست آرماتور و فشردگی کامل مواد، این مشکل تقریباً قابل حل است.
معایب حرارتی
در عایقهای سرامیکی، معایب حرارتی ذیل مشاهده می‌شود:
- در ساختار لعابی که روی عایقهای سرامیکی اعمال می‌شود از چسب پلی‌وینیل استات و دیگر جسب‌های آلی استفاده می‌شود. هنگامی که این لعاب در کوره قرار می‌گیرد مواد فرار این چسب‌ها با درجات فراریت مختلف در دماهای مختلف و با سرعتهای مختلف خارج می‌شوند. به همین دلیل در حین خروج این مواد فرار، ترکهای ریز که با چشم براحتی قابل رویت نیستند در سطح عایق ایجاد می‌شود که این امر بر روی خواص دی‌الکتریک عایق و تخلیه جزیی و گاهاً جریان‌های سطحی و آلودگی سطحی تاثیر بسزایی دارد. این مشکل به هیچ شکلی قابل حل نیست.
- با توجه به این که دمای Tg اکثر چسب‌های آلی لعاب‌ها پایین است، لذا در دماهای کمتر از صفر و یا مناطق سردسیر ممکن است متناسب با نوع لعاب، ترکهای ریز که به مرور رشد می‌کنند ایجاد شود که این ترک‌ها نیز مشکلاتی همچون بند بالا را بوجود می‌آورند.
- 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 می‌شود که ابتدا ترکهای متعدد در بدنه عایق مشاهده شود و گسترش تدریجی ترک‌ها بصورت طولی و عمقی موجب بروز تخلیه جزیی می‌شود. بروز تخلیه جزیی در محل ترک‌ها و در سطح خارجی عایق، ترک‌ها را وسعت بخشیده، موجبات شکستگی عایق و برجستگی‌ها را فراهم ساخته و به قوس کامل منجر می‌شود.
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 جریان‌های ناشی از تخلیه جوی و شدت میدان قابل ملاحظه‌ای که در قبال ولتاژهای موجی تخلیه جوی و بروز قوس از نوع قوس‌های برگشتی مشاهده می‌شود. این عارضه بطور عمده در ستون بوشینگ و یا زنجیر مقره خطوط انتقال روی می‌دهد که البته این ترک‌ها، به نوعی در آلودگی و جریان‌های سطحی تاثیر بسزایی دارد.
- بروز تخلیه جزیی در محل ترکهای ظاهر شده در سطح خارجی عایق و گسترش تدریجی آنها. ادامه بروز تخلیه جزیی موجب شکستگی تدریجی عایق وجدا شدن برجستگی‌های خارجی می‌شود 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 می‌آورد.
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 درعایق‌های سرامیکی نیز وجود دارد. خوردگی در سطح خارجی عایق سرامیکی صنعتی به دو علت زیر روی می‌دهد:
• 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 می‌گیرد.:
- ایجاد حرارت موضعی در سطح خارجی عایق وبروز قوس‌های جزیی بطور چند میلیمتر. بروز اینگونه قوس‌ها موجب می‌شود تا ترک و شیارهایی به عمق 1 تا 3 میلیمتر در سطح عایق ایجاد شود.
- با گذشت زمان و ادامه برقراری تخلیه جزیی، جریان به تدریج به داخل عایق نفوذ میکند.
- با قطع جریان و تخلیه جزیی، لایه سطحی مجدداً رطوبت جذب کرده و با بروز قوس مجدد در شرایط مناسب این پدیده تکرار می‌شود. بروز این پدیده به شرح فوق موجب انبساط و انقباض متوالی عایق گشته و ترکهای مویی در سطح عایق ایجاد میکند.
- با برقراری جریان سطحی و بروز قوس‌های موضعی ترکهای ایجاد شده به تدریج به مناطق سرد گسترش می‌یابند.
• خوردگی شیمیایی. آلودگی صنعتی برحسب نوع خود می‌تواند موجبات خوردگی در سطح عایق را فراهم سازد. به همین علت انتخاب نوع مناسب عایق همراه با حداقل لایه سطحی و شست‌وشوی مرتب از اهمیت ویژه برخوردار است. هنگامی که در آلودگی‌هایی که در سطح عایق می‌نشیند یون‌هایی مانند سدیم، پتاسیم، لیتیم موجود باشند خوردگی شیمیایی همزمان با برقراری جریان سطحی با سرعت قابل ملاحظه‌ای روی خواهد داد و هنگامی که این نوع خورندگی با تخلیه جزیی همراه شود خورندگی به سرعت گسترش می یابد.
معایب عایقهای سرامیکی از نظر آلودگی وشرایط محیطی
یکی از مهمترین ایراداتی که بر عایقهای سرامیکی وارد است تاثیر آلودگیهای محیطی بر عملکرد این نوع عایق‌ها است. زیرا در اثر آلودگی‌ها، فاکتورهای اصلی عایق الکتریکی خدشه‌دار می‌شود و تاثیر بسزایی در خواص و ویژگیهای عایقی این مواد ایجاد میکند. آلودگیهای محیطی بر دو نوع است:
• آلودگیهای طبیعی. آلودگیهای محیط به صورت ذرات گرد و غبار، دوده و گازهای شیمیایی و ترکیبات آنها بر سطح خارجی عایق رسوب میکند و در طول زمان، لایه سطحی متشکل از ذرات با ترکیبات مختلف را پدید می‌آورد 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 میلی‌آمپر برقرار می‌سازد 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 می‌سازد. بدین ترتیب آلودگیهای محیط و لایه سطحی ناشی از آن، ولتاژ دی‌الکتریک عایق را کاهش داده، بروز قوس در سطح خارجی را به ازای ولتاژ اسمی سبب می‌شود.
• آلودگیهای صنعتی. این نوع آلودگی در مناطق و نواحی صنعتی نظیر کارخانجات شیمیایی، رنگسازی، سیمان، ذوب فلزات و غیره مشاهده می‌شود. در این مراکز مواد شیمیایی حاصل از کارخانجات صنعتی در فضا موجود بوده، در سطح عایق‌ها ظاهر می‌شود. مقررات و پیش‌بینی‌های به عمل آمده به منظور کیفیت ایزولاسیون عایق‌ها و انتخاب مناسب آنها، متناسب با آلودگیهای محیط، برای آلودگیهای صنعتی و محیطی یکسان هستند. با اینهمه در مواردی که میزان آلودگی اعم از صنعتی یاطبیعی قابل ملاحظه باشد انجام بررسی‌ها و مطالعات دقیق به منظور انتخاب و تعیین نوع عایق مناسب صورت می‌پذیرد.
مقاومت عایقهای سرامیکی در مقابل عوامل جوی و اشعه ماوراء بنفش
یکی از معایبی که در مورد عایقهای سرامیکی وجود دارد آن است که در مقابل نور، رطوبت، گازها و برخی مواد شیمیایی ضعیف هستند. مثلاً‌در مقابل گازهای فلوئور و کلر در مجاورت رطوبت که تولید اسیدفلوریدریک و یا اسید کلریدریک میکند به شدت ضعیف هستند و خورده می‌شوند. در مقابل اثرات مستقیم نور خورشید و تشعشع ماوراء بنفش همراه با رطوبت و شرایط اکسید‌کنندگی محیطی رنگ پریدگی،تخلخل، ترک خوردگی سطحی، سست‌شدن و شکنندگی ایجاد می‌شود.
با توجه به موارد ذکر شده میتوان گفت که این عایق‌ها از دو نظر با اشکال اساسی روبرو هستند:
1- خواص فیزیکی و مکانیکی این عایق‌ها ضعیف است.
2- خواص آلودگی این عایق‌ها نامطلوب است
عایقهای پلیمری
بطور کلی دلایل اصلی که موجب می‌شود به جای عایقهای سرامیکی از عایقهای پلیمری استفاده شود به شرح ذیل است:
1- خواص و ویژگیهای مکانیکی عایقهای سرامیکی ضعیف است.
2- میزان جذب رطوبت عایقهای پلیمری از عایقهای سرامیکی کمتر است.
3- میزان جذب آلودگی و ایجاد جریان سطحی در عایقهای سرامیکی زیادتر است.
4- در ولتاژهای بالا عایقهای سرامیکی مقاومت قوسی پایینی دارند.
5- ضریب دی‌الکتریک عایقهای سرامیکی کم است.
6- با توجه به این که عایقهای چینی و یا شیشه‌ای به عنوان ایزولاسیون خارجی فاصله سطحی مناسبی ندارند به همین منظور جهت تامین فاصله سطحی کافی و کاهش ارتفاع عایق، از عایقهای پلیمری با اندازه ایده‌آل برجستگی‌ها استفاده می‌شود.
مقایسه عایقهای سرامیکی وپلیمری
• مقایسه از لحاظ فنی: بطور خلاصه میتوان مزایای عایقهای 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 شست‌وشو
- مقاومت بالا نسبت به عوامل محیطی از قبیل اشعه UV، رطوبت و ...
- وزن کمتر (بین 10 تا 50 درصد وزن عایقهای سرامیکی) که این مساله باعث کاهش هزینه و ضایعات حمل و نقل می‌شود.
- انعطاف‌پذیری که سبب حذف ضایعات ناشی از شکستن عایق در مراحل تولید، حمل و نقل، نصب و بهره‌برداری می‌شود.
- ایمنی بالاتر در هنگام وقوع نقص الکتریکی
- مقاومت بالاتر نسبت به خرابکاری
- ایمنی بیشتر در هنگام وقوع زلزله خصوصاً‌در عایقهای 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
- آب‌بندی موثرتر در محل اتصال عایق
- امکان افزایش فاصله سطحی در ارتفاع یکسان با عایقهای 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 عایقهای سرامیکی با عایقهای 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 هزینه‌های عملیاتی عایق‌ها است. هزینه‌های عملیاتی عایق را میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
الف) هزینه‌های عملیاتی قبل از نصب در محل بهره‌برداری
ب) هزینه‌های عملیاتی بعد از نصب در محل بهره‌برداری
الف) هزینه‌های عملیاتی قبل از نصب در محل بهره‌برداری: این قسمت شامل کلیه هزینه‌های قبل از نصب است. در ابتدا باید هزینه‌های ساخت عایق را در نظر گرفت. عایقهای سرامیکی به دلیل ساختارشان، در حین تولید ضایعات بیشتری را نسبت به عایقهای پلیمری ایجاد می‌کنند (به عنوان مثال شکستن در کوره و تحت حرارت پخت) که این هزینه‌ها در انتها بر روی قیمت عایق تاثیر مستقیم می‌گذارند. همچنین عایقهای سرامیکی در حین حمل و نقل و نصب در محل مورد نظر دچار شکستگی می‌شوند که این موضوع در مورد عایقهای پلیمری صادق نیست. به عبارت دیگر ضایعات عایقهای سرامیکی از ابتدای ساخت تا زمان نصب در محل بهره‌برداری بیشتر از عایقهای پلیمری است بنابراین هزینه بیشتری برمصرف‌کننده تحمیل میکند.
ضایعات عایقهای سرامیکی را میتوان به صورت زیر عنوان کرد:
- در حین تولید عایق
- حمل از محل تولید به محل بهره‌برداری
- نصب عایق
- ضایعات ناشی از خرابکاری
- ضایعات ناشی از زلزله
طبق برآوردهای انجام شده مجموع این ضایعات به 10 تا 15 درصد بالغ می‌شود. بدیهی است هزینه ضایعات عایق‌ها تنها به جایگزینی آنها محدود نشده و وقفه‌های ایجاد شده در مراحل مختلف و نیز مشکلات حاصل از ناکارآمدی عایق تحت سرویس، هزینه‌های جانبی قابل ملاحظه‌ای را بر مصرف‌کنندگان تحمیل میکند.
ب) هزینه‌های عملیاتی بعد از نصب در محل بهره‌برداری: این هزینه‌ها شامل هزینه‌های شست‌وشوی عایق، هزینه‌های ناشی از شکسته‌شدن عایق و جایگزینی آن، هزینه‌های ناشی از ایجاد قوس الکتریکی (بر اثر آلودگی) و ... است.
عایقهای سرامیکی به دلیل ساختارشان، احتیاج به شست‌و 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 می‌تواند هزینه‌های بیشتری را تحمیل کند در حالی که عایقهای پلیمری به دلیل ویژگیهای ساختاری‌شان احتیاج کمتری به شست‌وشو دارند بنابراین هزینه شست‌وشوی آنها کمتر است. همچنین احتمال تشکیل قوس الکتریکی و صدمه‌دیدن عایق در این حالت کمتر است.
با در نظر گرفتن ضایعات عایقهای سرامیکی که رقمی در حدود 10 تا 15 درصد را تشکیل می‌دهد اختلاف قیمت نهایی عایقهای سرامیکی و پلیمری چندان تفاوتی با یکدیگر نخواهد داشت. بعلاوه بررسی‌ها نشان می‌دهد که هزینه سالیانه شست‌وشوی عایقهای سرامیکی در مناطق آلوده در حدود 5 تا 10 درصد قیمت عایق است که باجایگزینی این عایق‌ها با عایقهای پلیمری این هزینه‌ها حذف خواهند شد.
حذف عملیات شست‌وشوی دوره‌ای عایق‌ها در مناطق آلوده، از دیگر مزایای اقتصادی عایقهای پلیمری است. در خصوص شبکه توزیع، با توجه به پراکندگی و گستردگی مناطق نصب و تعداد این عایق‌ها در مقایسه با شبکه فوق‌توزیع و قدرت، این مزیت از اهمیت بالاتری برخوردار خواهد بود. در مناطقی همچون بندرعباس، چابهار و بخشهایی از استان خوزستان، سیکل شستشو در اکثر ماههای سال در دوره‌های 20 تا 25 روزه انجام می‌گیرد که در صورت استفاده از عایقهای پلیمری نیاز به این عملیات کمتر خواهد شد.
بنابراین بطور خلاصه میتوان گفت که استفاده از عایقهای پلیمری علاوه بر کاهش هزینه، افزایش کارایی خطوط انتقال نیرو و کاهش صدمات ناشی از کارکرد نامناسب عایقهای سرامیکی را به دنبال خواهد داشت.
روش تحقیق
در این تحقیق جایگزینی بوشینگهای سرامیکی ترانسفورماتور با انواع پلیمری آنها مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کار ابتدا شرایط کاربری این عایق‌ها تعیین شد و سپس با بررسی رزین‌ها و الاستومرهای مختلف ومقایسه خواص فیزیکی، مکانیکی و ... آنها با شرایط کاربری عایقهای سرامیکی، تعدادی از این پلیمرها انتخاب و درنهایت فرمولاسیونهای مناسب برای ساخت عایقهای پلیمری پیشنهاد شد. انتخاب این فرمولاسیونها به صورتی انجام شده که خواص کاربری عایقهای ساخته شده با کامپاند پلیمری حداقل برابر با خواص کاربری عایق سرامیکی باشد (که البته در اکثر موارد خواص کاربری عایقهای پلیمری بالاتر از عایق سرامیکی است).
مراحل انجام این تحقیق را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
1- بررسی عایقهای سرامیکی و تعیین شرایط کاربری آنها (نظیر خواص مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی و ...)
2- استفاده از شرایط کاربری تعیین شده به عنوان مرجعی در طراحی عایقهای پلیمری
3- بررسی پلیمرهای مختلف و مقایسه خواص آنها با شرایط کاربری تعیین شده و حذف مواردی که قابلیت ارایه شرایط کاربری مورد نظر را نداشتند. از این میان تعدادی از پلیمرها نیز به دلیل مسائل فنی و اقتصادی حذف شدند (نظیر کمیاب بودن و یا خاص بودن پلیمر مورد نظر).
4- انتخاب نهایی تعدادی از پلیمرها و ارایه فرمولاسیون اولیه برای هر یک از آنها که بر مبنای این فرمولاسیونها، مطالعات اولیه برای برآورد قیمت عایق نیز انجام شد. در انتخاب پلیمرها، هدف تعیین انواعی از پلیمرها بوده که شرایط کاربری آنها حداقل برابر شرایط کاربری سرامیک باشد تا بتوان از آن در جایگزین کردن بجای عایقهای سرامیکی استفاده کرد.
با توجه به مطالعات انجام شده رزین‌هایی که میتوان از آنها برای ساخت عایق پلیمری استفاده کرد عبارتند از:
1- رزین آکریلیک:
نام تجاری معروف این رزین، پلکسی گلاس،لاکیت و آکریلیت است.
- مزایا: دامنه وسیع رنگهای آنها، شفافیت مطلوب، به آهستگی می‌سوزند و در نتیجه سوختن دود کمی ایجاد می‌شود یا این که اصلاً دودی آزاد نمی‌شود، مقاومت عالی آنها در برابر شرایط جوی و اشعه ماورای بنفش، سهولت فرآوری، خواص الکتریکی عالی، صلبیت با استحکام ضربه‌ای خوب، صیقلی بودن خوب، پایداری ابعادی عالی و انقباض کم در قالب‌گیری، افزایش سختی دوجهتی براثر فرم‌دادن کششی.
- معایب: مقاومت ضعیف در برابر حلال‌ها، امکان ترک خوردن بر اثر تنش، قابلیت احتراق، محدودیت استفاده مداوم آنها در دمای بالا (0C93)، غیرقابل ارتجاع بودن.
آکریلیک‌ها بصورت کوپلیمرهای مختلفی وجود دارند که عبارتند از:
- کوپلیمر آکریلیک- استایرن- آکریلونیتریل (ASA)
- کوپلیمر آکریلونیتریل- بوتادین- استایرن (ABS)
- کوپلیمر آکریلونیتریل- پلی‌اتیلن کلردار- استایرن (ACS)
2- رزین اپوکسی
- مزایا: محدوده وسیع شرایط تثبیت از دمای اتاق تا 350 درجه فارنهایت، عدم تشکیل ترکیبات فرار در طی تثبیت، چسبندگی عالی، قابلیت تشکیل اتصال عرضی با ترکیبات دیگر، مناسب برای همه روشهای فرآوری گرماسخت‌ها.
- معایب: پایداری کم در برابر اکسید شدن، حساس بودن بعضی از این ترکیبات در برابر رطوبت، پایداری حرارتی تا
450-350 درجه فارنهایت، گران بودن بسیاری از انواع آنها.
3- فلوئورو پلاستیک‌ها (رزین پلی‌تترافلوتورو اتیلن (PTEE)
- مزایا: عدم آتشگیری، مقاومت خوب در برابر حلال‌ها ومواد شیمیایی، مقاومت خوب در مقابل عوامل جوی، ضریب اصطکاک پایین، امکان بکارگیری در محدوده وسیعی از دماها، خواص الکتریکی بسیار خوب.
- معایب: عدم امکان استفاده از روشهای معمولی در فرآیند آن، سمی بودن محصولات ناشی از تخریب حرارتی، داشتن خزش، نفوذ‌پذیری، نیاز به دمای بالا هنگام فرایند، استحکام اندک، دانسته زیاد، قیمت نسبتاً بالا.
4- رزین‌های فنولیک
- مزایا: قیمت نسبتاً کم، مناسب بودن برای استفاده تا دمای 250 درجه سانتیگراد، مقاومت عالی در مقابل حلال، سختی مناسب، تراکم‌‌پذیری خوب، استحکام زیاد، قابلیت خاموش‌شوندگی خودبخود، ویژگیهای الکتریکی عالی.
- معایب: احتیاج به پرکننده برای قالب‌گیری، مقاومت کم در مقابل بازها و اکسیدکننده‌ها، آزاد شدن مواد فرار طی تثبیت (یک پلیمر تراکمی)، تیره بودن رنگ (به دلیل بدرنگ شدن در نتیجه اکسیداسیون).
5- رزین پلی‌کربنات
- مزایا: ضربه‌پذیری بسیار خوب، مقاومت بسیار خوب در مقابل خزش، دارا بودن درجات متنوعی از شفافیت، قابلیت کاربرد مداوم تادمای بیش از 120 درجه سانتیگراد، پایداری ابعادی بسیار خوب.
- معایب: عدم قابلیت فرایند در دمای بالا، مقاومت ضعیف در مقابل قلیاها، آسیب‌پذیری در مقابل حلال‌ها، نیاز به تثبیت‌کننده ماورای بنفش.
6- رزین سیلیکونی
الاستومرهایی که میتوان از آنها برای ساخت عایقهای پلیمری استفاده کرد عبارتند از:
1- EPDM
- مزایا: مقاومت عالی در برابر گرما، اُزن و نور خورشید، انعطاف‌پذیری خیلی خوب در دماهای پایین، مقاومت خوب در برابر بازها، اسیدها و حلال‌های اکسیژن‌دار، مقاومت فوق‌العاده در برابر آب و بخار آب، پایداری عالی رنگ.
- معایب: مقاومت ضعیف در برابر روغن، بنزین و حلال‌های هیدروکربنی، چسبندگی ضعیف به الیاف وفلزات
2- سیلیکون
- مزایا: مقاومت برجسته در برابر گرمای زیاد، انعطاف پذیری عالی در دماهای پایین، مانایی فشاری کم، عایق‌کنندگی الکتریکی خیلی خوب، مقاومت عالی در برابر شرایط جوی، ازن، نور خورشید و اکسایش، پایداری و حفظ رنگ فوق‌العاده.
- معایب: مقاومت ضعیف در برابر سایش، پارگی و رشد بریدگی، استحکام کششی کم، مقاومت نامطلوب و پایین در برابر روغن، بنزین و حلال‌ها، مقاومت ضعیف در برابر بازها و اسیدها.
3- هیپالون
- مزایا: تاخیراندازی خوب در برابر اشتعال، مقاومت سایشی خوب، مقاومت فوق‌العاده در برابر شرایط جوی، ازن، نور خورشید و اکسایش، مقاومت عالی در برابر بازها و اسیدها، پایداری و حفظ رنگ خیلی خوب، مقاومت متوسط در برابر روغن و بنزین.
- معایب: مقاومت ضعیف تا متوسط در برابر حلال‌های آروماتیک، انعطاف‌پذیری محدود در دماهای پایین، جهندگی و مانایی فشاری متوسط.
درادامه الویت‌بندی پلیمرهای انتخابی بر اساس مزیت‌های فنی و اقتصادی آنها ارایه شده است.
4- انتخاب عایق پلیمری مناسب
با مقایسه شرایط کاربری مورد نظر برای این عایق‌ها با مشخصات پلیمرهای پیشنهادی در بند قبل و نیز با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی، میتوان انتخاب مناسبترین پلیمر برای این کاربرد را مطابق جدول 1 اولویت‌بندی کرد:
نتیجه‌گیری
استفاده از عایقهای پلیمری به جای عایقهای سرامیکی گرچه هزینه‌های اولیه بیشتری را بر مصرف‌کننده تحمیل میکند ولی از آنجایی که هزینه‌های عملیاتی عایقهای پلیمری بسیار کمتر از عایقهای سرامیکی است در مجموع هزینه استفاده از عایقهای پلیمری را نسبت به عایقهای سرامیکی کاهش می‌دهد. همچنین باید توجه داشت که استفاده از عایقهای پلیمری کاهش خطا را در شبکه‌های توزیع و انتقال به همراه خواهد داشت که این خود باعث کاهش بسیار در هزینه‌های مصرف‌کننده خواهد شد. در صورت جایگزینی بوشینگهای سرامیکی ترانسفورماتورها با نوع پلیمری، مناسبترین نوع پلیمرها به ترتیب عبارتند از: پلیمرهای اپوکسی، لاستیک سیلیکونی، هیپالون، EPDM-NR، پلی کربنات، فلوئور کربن، اکریلیک، فنولیک و سیلیکون رزین.
مهندس غلامرضا باکری، مهندس هوشنگ علیویردیلو، مهندس الهام امین‌‌نیا
موسسه تحقیقات ترانسفورماتور ایران، دانشگاه علم و صنعت ایران
مطالعه فلش اور در مقرههای سلیکونی با آلودگی مصنوعی در تستهای مه‌نمکی نشان می‌دهد که تخلیه روی مقره کاملاً آلوده تابع مسیر نشتی در طول سطح مقره است. در مقره‌هایی که بصورت تکه‌تکه آلوده می‌شوند، تخلیه در مسیر آلوده تابع مسیر نشتی در قسمت آلوده سطح مقره است. وجود قطرات آب و لایه‌های آلودگی شدت میدان الکتریکی را روی سطح مقرههای سیلیکونی افزایش می‌دهد. بنابراین مطالعه توزیع پتانسیل ومیدان الکتریکی در مقرههای سیلیکونی تحت شرایط مرطوب و آلوده، برای درک عمیق شروع مکانیزم فلش اور ناشی از آلودگی بسیار مهم است.
قطرات آب نقشهای متعددی در فلش اور ناشی از آلودگی و پیری مقرههای سیلیکونی ایفا میکند که عبارتند از:
1- قطرات به علت پرمیتیویته و رسانایی بالایشان میدان الکتریکی را بشدت زیاد میکند.
2- تخلیه‌های کرونای سطحی از قطرات آب، مواد چترکهای مقره را پیر میکند.
3- تخلیه کرونا خاصیت آبگریزی در قسمتهایی از سطح را از بین می‌برد و سبب گسترش قطرات و بهم پیوستن آنها می‌شود.
1- بدست آوردن مدل:
در اولین قدم، یک مدل نمونه بایدبدست آورد تا مشخصات اصلی توزیع میدان الکتریکی اطراف قطره آب مطالعه شود. به همین دلیل، یک سطح سیلیکون رابر مسطح آبگریز با یک قطره آب مجزای برای مطالعه افزایش میدان الکتریکی در اطراف قطره آب مورد استفاده قرار گرفته است. برای ساده سازی بیشتر، قطره آب مجزای منفردی که نیمکره آن در شکلها آمده است فرض می‌کنیم.
یک مقره بشقابی عمودی را فرض می‌کنیم که قطرات آب ساکن روی چترک و sheath عمورد بر خطوط هم پتانسیل قرار دارند. برای نشان دادن ناحیه sheath و ناحیه چترک مقره، دو الکترود با یک صفحه سیلیکون رابر به ابعاد (cm10*cm10*cm10) را فرض می‌کنیم. هدایت نسبی مواد سیلیکونی 3/4 است.
دو الکترود به فاصله 10 سانتیمتر و صفحه سیلیکون دردو موقعیت متفاوت قرار می‌گیرد. ناحیه sheath بوسیله صفحه سیلیکونی که بین دو الکترود مانند اسپیسر قرار گرفته است شبیه‌سازی می‌شود و صفحه سیلیکونی بصورت موازی، بین دو الکترود، برای شبیه‌سازی ناحیه چترک قرار می‌گیرد.
در هر دو مورد ولتاژ اعمالی 100 ولت است که میانگین شدت میدان الکتریکی v/cm (10= (10/100)) است. هدایت نسبی آب 80 است.
تجزیه و تحلیل افزایش میدان الکتریکی بوسیله قطرات آب
خطوط هم پتانسیل و خطوط میدان الکتریکی اطراف قطره آب که روی صفحه سیلیکونی قرار گرفته است، ناحیه sheath و ناحیه چترک را شبیه‌سازی میکند که به ترتیب در شکلهای 2 و 3 نشان داده شده است. خطوط پیوسته برای نشان دادن خطوط هم پتانسیل وخط چین‌ها برای مسیر میدان الکتریکی بکار رفته است.
از شکلهای 2 و 3 چنین به نظر می‌رسد که وجود قطره آب سبب انحراف قابل توجهی در ترتیب خطوط هم پتانسیل و مسیر میدان الکتریکی در اطراف قطره اب شده است. برای ناحیه sheath شبیه‌سازی شده، شدت میدان الکتریکی در خطوط مرزی قطره آب؛ هوا و مواد عایقی بشدت زیاد شده است. برای ناحیه چترک شبیه‌سازی شده شکل 3، شدت میدان الکتریکی در نوک قطره آب زیاد شده است.
بردار شدت میدان الکتریکی هم از نظر کمیت و هم از نظر جهت در طول سطح مقره آب تغییر میکند. بدنبال این تغییرات، کمیتهای متعددی تغییر می‌کنند که بعنوان مثال میتوان به مولفه‌های x و y و z بردار شدت میدان الکتریکی یا کمیت بردار اشاره کرد.
کمیت شدت میدان الکتریکی روی سطح قطره آب در ناحیه sheath و ناحیه چترک، بترتیب در شلکهای 4 و 5 نشان داده شده است. هر نقطه روی سطح قطره آب بوسیله سه مولفه x و y و z مشخص شده است.
در حقیقت بعد چهارمی نیاز است تا توزیع کمیت (بزرگی) شدت میدان الکتریکی را نشان دهد. به عبارت دیگر، باید بتوانیم توزیع شدت میدان الکتریکی روی سطح قطره آب را بوسیله دیاگرام سه بعدی نشان دهیم. به عبارت دیگر، تمام نقاط روی سطح قطره آب بوسیله تصویر آنها روی صفحه x و y نشان داده می‌شود. بنابراین بعد z می تواند برای نشان دادن کمیت بردار شدت میدان الکتریکی درتمام نقاط سطح قطره آب استفاده شود.
واحدهای x و y به سانتیمتر و شدت میدان الکتریکی به v/cm است.
برای قطره در ناحیه sheath بیشترین مقدار شدت میدان الکتریکی روی سطح قطره آب و در سطوح مرزی قطره آب، هوا و مواد عایقی است که v/cm 29 است شکلهای 2 و 4 و برای قطره در ناحیه چترک، حداکثر مقدار شدت میدان الکتریکی در بالای قطره اب است که v/cm 6/27 است شکلهای 3 و 5
اگر هدایت نسبی و رسانای قطره آب با هم مطالعه شوند حداکثر مقدار شدت میدان الکتریکی ذکر شده در بالا کم است. اگر هدایت نسبی 80 باقی بماند و رسانایی s/cmµ 250 است، حداکثر مقدار شدت میدان الکتریکی برای قطره آب در ناحیه sheath برابر v/cm 5/35 و در ناحیه چترک v/cm7/31 است که افزایش میدان الکتریکی زیاد است.
تجزیه و تحلیل توزیع پتانسیل تحت شرایط بارانی و مه‌ای
مقره‌ای سیلیکونی با چهار چترک که ابعاد آن در شکل 6 آمده است مدل می‌شود. برای کاهش زمان محاسبات فقط یک قسمت 10 درجه از سطح چترک مدل شده است و ولتاژ اعمالی 100 ولت است. سه مدل زیر برای شبیه‌سازی شرایط آب و هوایی خاص مورد استفاده قرار گرفته است.
1- مدل خشک و تمییز:
این مدل برای مقرههای سیلیکونی تمییز و خشک بکار می‌رود.
2- مدل بارانی:
در این مدل، هفت قطره آب روی هر سطح 10 درجه چترک فرض می شود که 256=36*7 قطره روی هر چترک و 1008=4*252 قطره آب روی چهار چترک مقره می‌افتد. شکل تمام قطرات آب نیمکره با قطره mm2 است. هدایت نسبی قطرات آب 80 و رسانایی آنها µs/cm 250 است. سطح عمودی sheath و زیر چترکها خشک است.
3- مدل مه‌ای:
در این مدل توزیع قطره آب شبیه مدل بارانی است، با این تفاوت که زیر چترکها بوسیله لایه نازک آب پوشانده شده است. هدایت نسبی قطرات آب 80 و رسانایی آنها µs/cm 250 است.
خطوط همپتانسیل در هر سه مورد فوق در شکل 7 نشان داده شده است. شکل (7-الف) توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در طول قره تمییز و خشک را نشان می‌دهد. (7-ب) نشان می‌دهد که فرض کردن شرایط بارانی، شدت میدان الکتریکی را در اطراف نواحی انتهای چترک به آرامی نسبت به مدل خشک و تمییز کم میکند. وجود قطرات آب روی چترکهای، توزیع میدان الکتریکی را روی هم رفته کمی غیریکنواخت‌تر از حالت خشک میکند، (البته شدت میدان الکتریکی موضعی در اطراف هر مقره آب بیشتر است). نتیجه اینکه، میدان الکتریکی روی هم رفته، در مناطق محل تقاطع سه گانه (پوشش، هوا و فیتینگها) کمی کوچکتر از حالت خشک و تمییز است. در نهایت شکل (7-ج) نشان می‌دهد که فرض کردن مدل شرایط مه‌ای، نواحی خشک در طول sheath مقره، حداکثر مقدار ولتاژ را تحمیل میکند. شدت میدان الکتریکی روی هم رفته در طول نواحی انتهایی مقره بیشتر از حالت خشک تمییز است.
مهندس هادی خسروی- مهندس منصور حجابی
در حالت کلی ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند.این دو گروه عبارتند از: ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ سلفی یا مغناطیسی وترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژخازنی (CVT-capacitor voltage transformer). در سیستمهای قدرت، تا ولتاژ 145 کیلوولت استفاده از ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ سلفی و در سیستمهای قدرت با ولتاژهای بالاتر، استفاده ازترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ خازنی مقرون به صرفه است.
در عمل، دو نوع مختلف ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ خازنی با خازن بالا وخازن پایین ساخته می‌شود. با توجه به کلاس دقت ترانسفورماتور، در شرایط کار مختلف‌آن، مانند آلودگی محیط و نوسانات، تغییرات فرکانس و پاسخ حالت گذاری سیستم، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ خازنی با خازن بالا بهترین انتخاب است. درسیستمهای PLC، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ خازنی، مورد استفاده قرارمی‌گیرند. همان طور که می‌دانیم با استفاده از سیستمهای PLC میتوان مانند خطوطمخابراتی، انتقال اطلاعات را با خطوط فشار قوی انجام داد. محدوه کار یک ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ در سیستمهای اندازه‌گیری، بین 80 تا 120 درصد ولتاژ نامی و درسیستمهای محافظتی، بین 05/0 تا 5/1 یا 9/1 درصد ولتاژ نامی آن سیستم تغییر میکند.
در عمل با استفاده از یک مقاومت سری میتوان محدوده اندازه‌گیری یک ولت متر راافزایش داد این روش معمولا در سیستمهایی که ولتاژ بالایی ندارند استفاده می‌شود ولی اگرسیستمی ولتاژ بالا داشته باشد این روش مشکلات فراوانی خواهد داشت. در سیستمهای‌ولتاژ بالا، ایزولاسیون مقاومتهای سری موجود در ولت مترها (برای اندازه‌گیری ولتاژسیستم) مقرون به صرفه نبوده و علی رغم ایزولاسیون مقاومتهای سری، با توجه به ولتاژبالای سیستم، وصل سیستم فشار قوی به دستگاه اندازه‌گیری بدون استفاده ازترانسفورماتور ولتاژ، کار خطرناکی است. با توجه به موارد فوق در سیستمهای قدرت برای اندازه‌گیری ولتاژ، از ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری استفاده می‌کنند.
ضریب افزایش ولتاژ ترانسفورماتور
در یک سیستم قدرت، ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ سلفی یا خازنی، معمولا بین فاز و زمین قرار می‌گیرد. در سیستم سه فاز در لحظه نوسانات سیستم، ممکن‌است ولتاژ دوسر ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ به ولتاژهای بالایی افزایش یابد. باتوجه به استاندارد IECضریب افزایش ولتاژترانسفورماتور معمولا 2/1 انتخاب‌می‌شود. یک ترانسفورماتور اندازه‌گیری‌ولتاژ باید به صورت مداوم در ولتاژی‌مساوی ولتاژ نامی، ضرب در ضریب‌افزایش ولتاژ ترانسفورماتور، به کار خودبدون هیچ مشکلی ادامه داده و در این ولتاژ،ترانسفورماتور تحت هر شرایطی به حالت‌اشباع وارد نشود.
کلاس دقت ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ:
مانند ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری‌جریان، در ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری‌ولتاژ نیز کلاس دقت ترانسفورماتور با توجه‌به مورد استفاده آن در سیستمهای حفاظتی‌یا اندازه‌گیری تغییر میکند. درترانسفورماتورهای اندازه‌گیری جریان، هر یک از سیم پیچهای ثانویه ترانسفورماتور در اطراف هسته‌های جداگانه‌ای پیچیده‌می‌شوند. برعکس اگر ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ دارای سیم پیچهای ثانویه‌متعددی باشد تمام این سیم پیچها در اطراف‌یک هسته مشترک قرار می‌گیرند. درترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ، افت‌ولتاژ در سیم پیچ اولیه با مجموع جریان‌بارهای سیم پیچهای ثانویه آن رابطه مستقیم دارد.
ساختمان ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ:
ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژمانند ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری جریان،انواع مختلفی ندارند. در سیستمهای ولتاژخیلی زیاد، معمولا اتصال کاسکادترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ مورداستفاده قرار می‌گیرد. البته تحت شرایط ولتاژبالا استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ خازنی، مقرون به صرفه است.
مشخصه‌های انتخاب ترانسفورماتور ولتاژ:
اگر کلاس دقت ترانسفورماتور و توان‌نامی آن خیلی زیاد انتخاب شود، ابعادترانسفورماتور بسیار بزرگ بوده و ساخت آن‌مقرون به صرفه نخواهد بود. در نتیجه‌باتوجه به مورد استفاده مناسب‌ترانسفورماتور باید کلاس دقت و توان آن درنظر گرفته شود.
سیم پیچهای ثانویه یک ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ از همدیگر جدا نبوده و دراطراف یک هسته مشترک، پیچیده می‌شونددر نتیجه اگر یکی از سیم پیچهای ثانویه‌ترانسفورماتور به دستگاه اندازه‌گیری و سیم‌پیچ دیگر به دستگاه حفاظتی (مانند رله)وصل شود در این حالت برای انتخاب توان‌نامی و همچنین کلاس دقت ترانسفورماتورمثالی را در نظر می‌گیریم:
-دستگاه اندازه‌گیری با توان: 30ولت آمپر-کلاس دقت دستگاه اندازه‌گیری: 5/0
-دستگاه حفاظتی (رله) باتوان: 120ولت‌آمپر
-کلاس دقت دستگاه حفاظتی (رله): 3P
با توجه به مقادیر داده شده، کلاس دقت‌ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ 5/0 و توان‌آن 150 ولت آمپر انتخاب می‌شود. در ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژ، اگربیش از یک سیم پیچ ثانویه مورد نیاز باشد باتوجه به چگونگی استفاده از بارها(که درادامه شرح داده می‌شود) و همچنین با در نظر گرفتن کلاس دقت آنها ترانسفورماتور انتخاب می‌شود:
(a): یکی از سیم پیچهای ثانویه باردار بوده وسیم پیچهای دیگر بدون بار باشد.
(b): تمام سیم پیچهای ثانویه باردار باشد.
بار حرارتی یک ترانسفورماتوراندازه‌گیری ولتاژ، با در نظر گرفتن ضریب‌ولتاژ آن، به بیشترین مقدار باری گفته‌می‌شود که ترانسفورماتور بتواند بدون‌افزایش درجه حرارت از مقدار مشخص‌شده، آن بار را تغذیه کند. با توجه به‌استاندارد IEC-186 کلاسهای دقت‌دستگاههای اندازه‌گیری بین 80 تا 120درصد ولتاژ نامی و بین 25 تا 100 درصد بارنامی و کلاسهای دقت دستگاههای حفاظتی‌بین 5 درصد ولتاژ نامی تا Vش برابر آن وهمچنین بین 25 تا 100 درصد بار نامی‌صادق هستند. دستگاههای اندازه‌گیری و حفاظتی‌مدرن، تلفات کمتری دارند در نتیجه ممکن‌است بار کل ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژاز 25 درصد مقدار بار نامی آن کوچکتر باشددر نتیجه می‌توان‌گفت که در این حالت خطای نسبت دورها افزایش خواهد یافت. در ترانسفورماتورهای‌اندازه‌گیری ولتاژ، خطای نسبت دورها دربارهای نزدیک به بار نامی ترانسفورماتور به‌مقدار مینیمم خود می‌رسد.
در حالت کلی با توجه به موارد فوق‌می‌توان گفت که بار نامی ترانسفورماتور ولتاژ بهتر است با مجموع بارهای وصل شده‌به آن برابر باشد.
خطاهای اندازه‌گیری‌ترانسفورماتور ولتاژ:
در حالت ایده آل، افت ولتاژ در روی‌امپدانس سیم پیچهای اولیه و ثانویه ترانسفورماتور برابر صفر ولت بوده و درنتیجه رابطه بین ولتاژ اولیه و ثانویه آن‌عبارت خواهد بود از:
در ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری ولتاژموجودر در عمل، به علت افت ولتاژ در روی مقاومت سیم پیچهای اولیه و ثانویه وهمچنین به علت افت ولتاژ در راکتانسهای‌سیم پیچهای اولیه و ثانویه (ناشی از شارپراکندگی موجود در سیم پیچها)، رابطه اولیه و ثانویه یک ترانسفورماتور حقیقی خواهد بود.
با توجه به مواردی که مطرح شد،خطای موجود در ترانسفورماتورهای ولتاژحقیقی را مانند ترانسفورماتورهای جریان باخطای نسبت دورها و خطای زاویه‌ای میتوان نشان داد.
اگر ولتاژ ثانویه خیلی بزرگ باشد،خطای نسبت دورها مثبت خواهد بود. ازطرفی اگر ولتاژ ثانویه نسبت به ولتاژ اولیه‌پیش فاز باشد خطای زاویه‌ای مثبت‌می‌شود.
برای محاسبه خطای نسبت دورها وخطای زاویه در یک ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ، مدار معادل الکتریکی یک‌ترانسفورماتور حقیقی که به طرف ثانویه‌انتقال یافته است را در نظر می‌گیریم.
همان طور که‌می‌دانیم امپدانس معادل سیم‌پیچها ازمجموع مقاومت اهمی سیم‌پیچ و راکتانس‌ناشی از سیل پراکندگی شار اطراف سیم پیچ‌به دست می‌آید. افت ولتاژ در امپدانسهای‌اولیه و ثانویه ترانسفورماتور را در دو حالت‌بارداری و بی باری مورد بررسی قرار می‌دهیم.
از آن جا که، در حالت بی باری به علت‌جریان کم موجود در مدار، افت ولتاژ درامپدانس سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور مقدارناچیزی است لذا در این قسمت فقط افت‌ولتاژ، در حالت بارداری ترانسفورماتور رامورد بررسی قرار می‌دهیم. در حالت‌بارداری، شدت جریان عبوری از امپدانس معادل هسته، بسیار کوچکتر از شدت جریان‌بار ترانسفورماتور بوده و در نتیجه از امپدانس معادل هسته‌صرف‌نظر شده است.
تغییرات خطاهای اندازه‌گیری نسبت‌به تغییرات ولتاژ:
در ترانسفورماتور اندازه‌گیری ولتاژ،خطاهای اندازه‌گیری در ولتاژهای مختلف‌سیستم، مقادیر مختلفی خواهد داشت. این‌تغییرات با توجه به غیر خطی بودن منحنی‌مشخصه مغناطیس شوندگی هسته ترانسفورماتور، حاصل می‌شود. تغییرات خطاهای اندازه‌گیری نسبت به‌تغییرات ولتاژ سیستم را در حالت بارداری وبی باری نشان می‌دهد. با توجه به این شکل‌می‌توان گفت که تغییرات خطاهای‌اندازه‌گیری در محدوده وسیعی از تغییرات‌ولتاژ سیستم، تغییر چندانی نمی‌کند.
ابعاد سیم پیچهای ترانسفورماتور:
در طراحی یک ترانسفورماتور، سطح‌مقطع مس سیم پیچها را با در نظر گرفتن‌کلاس دقت و خطای مشخص شده به دست‌می‌آوریم. هنگام محاسبه سطح مقطع مس‌سیم پیچها، مواردی را در نظر می‌گیریم که‌عبارتند از: ولتاژ نامی سیم پیچ اولیه وثانویه ، تعداد دور هر یک از سیم پیچها، بارنامی، کلاس دقت، فرکانس نامی و ضریب‌ولتاژ نامی ترانسفورماتور.
اساس روش فوق به این شرح است:
1- محاسبه تعداد دور سیم پیچهای‌ترانسفورماتور: برای محاسبه تعداد دورسیم‌پیچهای ترانسفورماتور رابطه (10) را درنظر می‌گیریم:
در این رابطه داریم:
تعداد دور سیم‌پیچ‌اولیه یا ثانویه=N
ولتاژنامی سیم‌پیچ اولیه یا ثانویه=Vn
فرکانس نامی ترانسفورماتور=¾
سطح مقطع موثر هسته=Aj
چگالی شار مغناطیسی در ولتاژ نامی= Bnسیم‌پیچ اولیه و یا ثانویه
در حالت کلی میتوان گفت که مقدارBn به ضریب ولتاژ نامی ترانسفورماتوربستگی دارد.
2- محاسبه مقاومت اهمی اتصال کوتاه RK:برای محاسبه مقاومت اهمی اتصال کوتاه.
با توجه به کلاس دقت ترانسفورماتور،مقدار درصد افت ولتاژ مقاومتی به دست‌می‌آید.
3- سطح مقطع مس سیم پیچهای اولیه وثانویه ترانسفورماتور را با توجه به مقدارRK، انتخاب می‌کنیم.
4- بعد از محاسبه ابعاد سیم پیچهای‌ترانسفورماتور، راکتاس معادل سیم پیچها را(XK) به دست می‌آوریم.
5- خطای نسبت دورها و خطای زاویه‌ای‌را محاسبه می‌کنیم. اگر مقادیر به دست آمده‌بزرگ باشد با توجه به کلاس دقت‌ترانسفورماتور، برای به دست آوردن خطای‌مشخص شده، سطح مقطع مس سیم پیچها را افزایش می‌دهیم.
کلاس دقت و ظرفیت بارترانسفورماتور
در حالت کلی، ظرفیت بارترانسفورماتور به امپدانس کوتاه آن بستگی‌دارد. یعنی میتوان گفت که اگر امپدانس‌اتصال کوتاه ترانسفورماتور، مقدار کوچکی‌باشد، ظرفیت بار آن مقدار بزرگی خواهد بودو برعکس. از طرفی ظرفیت بارترانسفورماتور به کلاس دقت آن نیز بستگی‌دارد. به عنوان مثال اگر ظرفیت بار، 200ولت آمپر با کلاس دقت 1 در نظر گرفته شوددر کلاس دقت 0/5 ظرفیت بار به 100 ولت‌آمپر کاهش خواهد یافت. در یک‌ترانسفورماتور، نسبت کلاس دقت به‌ظرفیت بار، همیشه مقدار ثابتی است.
دکتر مرتضی فرسادی
مواد پلیمری که برای حفاظت در برابر شعله در عایق کابلها به کار می‌رود در همه جنبه‌هارضایت بخش نیستند، زیرا پاره‌ای ترکیبات آنها،در حین آتش سوزی مقادیر زیادی دود ومواد شیمیایی خورنده تولید می‌کنند. شرکتهای برق به ترکیبات جدید عایق ضد آتش‌سوزی پلیمری برای کابلها که در ولتاژهای کم و متوسط استفاده می‌شوند، نیاز دارند.فعالیت اکتشافی EPRI در این زمینه، نمونه‌ای از ارزش یک پژوهش در ارتباط و مشاوره‌نزدیک با تولید کنندگان پلیمر، تامین کنندگان مواد شیمیایی، تولید کنندگان کابل وشرکتهای برق است. نتیجه این پژوهش، تولید دو ترکیب پلیمری است که امکان تاخیر درآتش سوزی را فراهم می‌آورد و اکنون در حال ارزیابی از طرف یک تولید کننده کابل برای‌تولید تجاری است. نوشتار حاضر درباره چگونگی روند اجرای این پژوهش و کشف فرمول‌جدید و چگونگی همکاری گروههای مختلف با EPRI در این زمینه بحث میکند.
شاید پلیمرهای مصنوعی که شامل‌زنجیره‌ای از واحدهای ملکولی‌اند که تعدادو ساختار شیمیایی آنها، خواص ماده راتعیین میکند، قابل تغییرترین گروه از موادموجود باشند. برای تغییر و اصلاح پلیمری‌مصنوعی با گستره وسیعی از مشخصات‌مورد نظر، انواع گوناگونی از افزودنیها بکارمی‌رود. فرمولاسیونهای اولیه پلیمرها دراوایل قرن بیستم تولید شدند و امروزپلیمرها برای مصارف بسیار متنوعی از گیره‌سر تا اجزای شاتل‌های فضایی بکارمی‌روند. چنین به نظر می‌رسد که ترکیبات‌پلیمری از نظر تعداد بی پایان است. شناخته‌شده‌ترین پلیمرها، پلی اولفین‌ها مانند پلی‌پروپیلین و پلی اتیلین ماده اولیه هزاران‌محصول مورد نیاز روزمره انسانها مانندکیسه‌های پلاستیکی، بطری شامپو، گلدان،سطل آشغال و...است.
در صنعت برق، عایقکاری انواع‌تجهیزات توزیع یا انتقال شامل کابلها،ترانسفورماتورها، خازنها و ماشینهای دوار به‌وسیله پلیمرها انجام می‌شود. دوار به وسیله‌پلیمرها انجام می‌شود. اجزای اولیه عایق‌سیمها و کابلها، پلی اولفین‌ها و پلیمرهای‌اولفین است. برای پلیمرها مصارف معمولی‌دیگری در صنعت برق وجود دارد که کمترشناخته شده‌اند. این مصارف عبارتند از:غشاء جداکننده، الکترولیت باتریهای‌پیشرفته، بدنه خودروهای برقی، پوششهای‌ضد خوردگی، لوله، قطعات سیستمهای‌کنترل محیط زیست و دستکش کارگران‌خطوط نیرو.
پلیمرهایی مانند پلی اولفین‌ها هم برای‌روکش و هم به عنوان عایق کابلهای انتقال‌نیرو استفاده می‌شوند. مشخصات این نوع‌پلیمرها مانند عدم هدایت الکتریکی که افت‌انرژی را به حداقل می‌رساند، مصرف آنها را به عنوان عایق و روکش کابلها مناسب کرده‌است. این پلیمرها که تولید آنها ساده است،در دماهای بالا نرم بوده و امکان‌قالب‌گیری،پرس کاری و اکستروژن آنها دراشکال و ابعاد مختلف وجود دارد. این‌پلیمرها بعد از سرد شدن سخت می‌شوند.پلیمرها با خواص مکانیکی متفاوت (نرم وتاشو تا بسیار سخت) برای کاربردهای خاص‌مناسب‌اند.
با وجود این مزایای فرمولاسیونهای پلی‌اولفین خالص به دلیل این که از کربن وهیدروژن تشکیل شده، مستعد شعله وری‌است. گرچه آتش سوزی کابلها به ندرت‌اتفاق می‌افتد ولی از آنجا که اغلب کابلهای‌ولتاژ پایین و متوسط تا پنج کیلووات) درشبکه‌های توزیع و نیروگاهها به صورت‌فشرده در راک‌ها = سینی‌ها، کانال‌ها ومحفظه‌ها قرار می‌گیرند، امکان آتش سوزی‌وجود دارد. برای کاهش احتمال آتش سوزی‌کابلها. عایق و روکش کابلها در مناطقی که‌احتمال آتش سوزی وجود دارد ازپلیمرهایی که هالوژنها و یا هیدروکسیدفلزات غیر هالوژنه (مانندتری هیدرات‌آلومینیوم) به ترکیب آنها اضافه شده است،ساخته می‌شوند. اگر چه افزودن این‌ترکیبات به پلیمرها مقاومت آنها را در مقابل‌آتش سوزی افزایش می‌دهد ولی این‌ترکیبات معایبی نیز دارند.
در هنگام آتش سوزی، پلی وینیل کلرایدگاز هیدروژن هالید آزاد میکند. این گاز وقتی‌با اکسید آنتیمون ترکیب شود یک سیستم‌ضد آتش‌سوزی به وجود می‌آورد. در این‌صورت مقادیر قابل توجهی دود تولیدمی‌شود که مسمومیت زا و ناایمن است.همچنین گازهای هیدروژن هالید، خورنده بوده و لذا خطر خوردگی تجهیزات وجوددارد. پلیمرهای حاوی آلومینیم تری هیدرات‌در هنگام آتش سوزی تولید آب کرده وشعله را مهار می‌کنند ولی مقادیر زیادی آلومینیوم‌تری هیدرات باید به پلیمر اضافه شود تا خاصیت ضد آتش سوزی به وجودآید. افزودن این ماده خواص مکانیکی پلیمررا تحت تاثیر قرار می‌دهد به قسمی که پلیمر حاصل، سفت و مستعد ترک خوردن یا نازک‌شدن بر اثر کشیدگی و سایش است. از سوی‌دیگر به دلیل خاصیت هدایت الکتریکی‌هیدرات آلومینیوم، ترکیب پلیمری این ماده‌تنها برای روکش کابلها مناسب است و به‌دلیل پرت انرژی ناشی از هدایت الکتریکی‌برای عایق کابلها الکتریکی برای عایق کابلهامناسب نیست.
طرح مساله
از اواخر سالهای دهه 1980، EPRIتحقیقاتی را برای مشخص کردن مصارف‌جدید پلیمرهای پیشرفته دنبال می‌کرد. درسال 1991، EPRI برای آگاهی از آخرین‌فعالیتهای تحقیقاتی پلیمر، پروفسور الی‌پیرس (EliPearec) سرپرست‌انستیتوی تحقیقات پلیمر دانشگاه پلی‌تکنیک نیویورک را دعوت به همکاری کرد.پیرس در مورد فن آوریها و مصارف جدیدپلیمرها، نظرات مهمی داشت. این دیدگاهها،سیمور آلبرت (یکی از اعضای EPRI) رامتقاعد کرد که فن آوری پیشرفته، خواهدتوانست فرمولاسیون جدیدی از پلیمرهای‌ضد حریق مورد نیاز صنعت برق برای عایقکاری کابلها قدرت تولید کند.
آلبرت می‌گوید: >سایر محققان سعی‌کرده بودند که مساله را به استفاده فعلی ازافزودنیهای هالوژن و هیدروکسید فلزات محدود کنند. ما با این پرسش که (آیا راه‌دیگری وجود دارد؟) شروع کردیم. ما بدنبال افزودنیهای ضد حریق دیگری بودیم که همه‌محصولات جانبی و ناخواسته از آتش‌سوزی را حذف کند. نتیجه کار ممکن بود فقط محصولات فعلی را اندکی اصلاح کند.ولی ما به امکان تولید عایق ضد حریق‌پلیمری با خواص خوب فیزیکی، امکان‌تولید آسان، قیمت ارزان و غیر آلاینده محیطزیست فکر می‌کردیم.
با این طرز تفکر بر نشتاین (متخصص‌پلیمر در EPRI) و جان استرینجر (دانشمندعلم مواد و فن آوریهای اجرایی در بخش‌تحقیقات استراتژیک) با پیرس در موردامکان توسعه پلیمری ضد حریق جدید وارد مذاکره شدند. وی، ادویل (Ed Wil) استاددانشگاه پلی تکنیک نیویورک که دارای سابقه کار در صنایع شیمیایی بود را برای این‌کار معرفی کرد. ویل پیشنهاد پروژه تحقیقاتی‌در این زمینه را آماده کرد. پیشنهاد پروژه دارای این ویژگی بود که چنانچه بخشهایی ازآن از حمایت مالی برخوردار نمی‌شد قابل‌حذف بود. بخش تحقیقات اکتشافی EPRI تامین بودجه این طرح سه ساله را به عهده‌گرفت. اگر چه ویل هدف پروژه را می‌دانست اما نقشه روشنی برای رسیدن به آن نداشت.برای پی بردن به نیازهای واقعی صنعت‌برق، برنشتاین، ویل را به نمایندگان شرکت برق ادیسون نیویورک معرفی کرد. ویل باکمک نمایندگان صنعت برق و با جست‌وجودر انتشارات علمی تلاش کرد که اطلاعاتی‌در مورد پلیمرها جمع آوری کند. وی بانمایندگانی از شرکتهای Akoz Nobe l،ATqT، کابلسازی BICC،BP، DuPont،Mosanto، South Wire، UnionCarbide گفتگو کرد و آنها راهنمایی‌های‌ارزشمندی در مورد استانداردهای پلیمرهای‌ضد حریق و روشهای آزمایش آن ارایه‌کردند. ویل با مشورت شرکتهای تولیدکننده‌کابل و انستیتو ملی استاندارد و فن‌آوری و باکمک EBRI برای انتخاب مواد ضد آتش‌سوزی آزمایشهایی انجام داد.
ویل می‌گوید: ما در خلاء تحقیق‌نمی‌کردیم. روش کار مشخص بود و افرادی‌وجود داشتند که از آنها سوال می‌کردیم. باجمع‌آوری نظرات صنعتگران برق،تولیدکنندگان و اطلاعات بازار ما پی بردیم که فرمولاسیونهای پلیمری ضد آتش‌سوزی‌باید چگونه باشند و چه ترکیباتی در دسترس‌است. کدام فرمولاسیونها از نظر صنعت برق‌ترجیح دارد و برای آینده چه چیز مورد نیازاست.<
آلبرت می‌گوید >در تحقیقات، همه چیزآن گونه که فکر می‌کنید موفقیت‌آمیز نیست‌ولی معمولا اطلاعات خوبی در موردموضوع به دست می‌آید.
پس از مرحله جمع آوری اطلاعات،مرحله آزمایشهای پروژه شروع شد. در این‌مرحله، از محققی به نام وی مینگ زو(Wiminq Zhu) از دانشگاه ایالتی اوکلاهما به عنوان دانشجوی دوره فوق دکتراثبت نام بعمل آمد. وظیفه وی تولیدمخلوطهای مختلف پلیمری و انجام‌محاسبات آزمایشگاهی بود. پس از چنددوره سعی و خطا ویل و زو فرمولاسیون ضد حریق خوبی به دست آوردند. از نظرتولید، این فرمولاسیون نوید بخش بود. افزودنیهای مورد نظر قابل تهیه و ارزان‌بودند. فرمولاسیون مزبور شامل ملامین،پلی فنیلین اکسید (PPO) و سیلانتید کالوین‌بود. ویل می‌گوید: >از این که فرمولاسیون‌ضد آتش‌سوزی نوید بخشی به دست آمد،بسیار خشنود شدیم. ما دریافتیم که‌فرمولاسیون به دست آمده با چند نمونه ازپلی‌اولفین‌ها که دارای مزایای آشکار است، همخوانی دارد. سه جزء افزودنی ضروری‌برای تشکیل این فرمولاسیون ارزان قیمت ومناسب عایق‌بندی کابلهای ولتاژ پایین است.
سپس توجه ویل و زو معطوف به یافتن‌فرمولاسیون مناسب روکش شد به نحوی که‌اجازه سرایت گرما و شعله را از عایق ندهد.بعد از فعالیتهای زیاد آزمایشگاهی با استفاده‌از ترکیبات ملامین نتایج مطلوب به دست آمد.
آزمایشهای ویل و زو بر روی صفحات‌پلیمری انجام شده بود. برای این که از این‌پلیمرها به عنوان عایق و روکش کابل‌استفاده شود. باید امکان اکسترود پلیمرهاوجود داشته باشد. محققان بنا به تقاضایEPRI در آزمایشگاه نمونه‌های کوچک‌اکسترود فرمولا سیونهای جدید را نشان دهند. ولی هنوز راه زیادی تا تجاری شدن‌نتایج تحقیقات در پیش است. بر اساس‌توافق نامه‌ای، لیسانس استفاده از این فن‌آوری به شرکت BICC واگذار شده است.شرکت BICC تلاش میکند که نتایج به‌دست آمده را تجاری کند.
استرینجر می‌گوید: >تحقیقات اکتشافی‌نه تنها جنبه علمی دارد بلکه جنبه تجاری‌آنها باید مد نظر باشد. تولیدات و روندهایی‌که از پژوهشهای اکتشافی حاصل می‌شودباعث سود آوری شرکتها است و آنها را به سوی مرزهای نو سوق می‌دهد. امروزه روندتقاضای فن آوری پیشرفته توسط مشتریان‌سریعتر از گذشته است. یکی از راههای اجابت این تقاضا ادامه کار در زمینه‌هایی‌است که در آن امید اکتشاف و نوآوری است. البته احتمال شکست و ناکامی نیز وجوددارد. ولی باید گفت تنها شکست حتمی دردرازمدت ناشی از دست روی دست گذاشتن‌و تلاش نکردن خواهد بود.
