استقامت عايقي تجهيزات

مقدمه:
عايقها عناصر ايده‌آلي نبوده و هر عايق بدلايل مختلف تا حد هادي جريان الكتريسيته مي باشد. با افزايش شدت ميدان الكتريكي ( از طريق افزايش ولتاژ) به ذرات باردار عايق نيروي بيشتري دارد ميشود. با افزايش سرعت اين ذرات، انرژي جنبشي آنها نيز افزايش مي يابد. در صورتيكه هنگام برخورد ، انرژي جنبشي آنها از اختلاف پتانسيل يونيزاسيون مولكولها ي عايق بيشتر باشد موفق به يونيزاسيون مولكولها خواهند شد. چنانچه اين پديده بصورت زنجيري گسترش يابد. بهم الكتروني حاصل باعث شكست عايقي شده و عايق نظير هاديها خاصيت هدايت مي يابد.
شكست الكتروني در يك عايق هميشه در ولتاژ ثابتي صورت نمي‌گيرد. در واقع اين پديده يك فرآيند تصادفي بوده و به پارامترهاي متعددي بستگي دارد از جمله:
الف : دامنه، شكل موج، مدت اثر، لحظه اعمال، پلاريته، سرعت و توزيع ميدان الكتريكي
ب : حالت فيزيكي عايق
ج : شرايط محيطي ( دما، فشار هوا، رطوبت، آلودگي و…)
كيفيت توزيع ميدان الكتريكي در پديده شكست عايقي داراي اهميت زيادي است. شكل با آرايش الكترودها(شكل الكترود و فاصله آنها) مشخص مي شود. در يك پست فشار قوي تنوع زيادي از نظر آرايش الكترودي وجود دارد.
عايق هاي خارجي و داخلي ( External & internal insulation)
عايقها از نظر شدت تاثيرشان نسبت به شرايط محيطي و عوامل خارجي نظير رطوبت، دما و آلودگي به دو دسته عايق هاي خارجي و داخلي تقسيم مي شوند. عايقهاي خارجي به فواصل هوائي و سطوح مجاور هواي آزاد در عايقهاي جامد اطلاق مي شود. اين عايقها تحت تاثير شرايط جوي و ساير عوامل خارجي(نظير رطوبت، دما و حشرات و… ) قرار دارند. از طرف ديگر به بخشهاي داخلي (جامد، مايع و گاز) عايق بندي تجهيزات كه از مواد فوق متاثر ميشوند عايق هاي داخلي اطلاق مي شود.

عايق هاي بازگشت پذير و بازگشت ناپذير
از ديدگاه تاثير پذيري عايقها از شكست الكتريكي ميتوان آنها را به دو طبقه عايقهاي بازگشت پذير و بازگشت ناپذير تقسيم نمود.
عايقهاي بازگشت پذير غالبا از نوع خارجي بوده و قادرند پس از يك شكست الكتريكي مجددا به استقامت الكتريكي اوليه دست يابند. در حال حاضر روش آماري هماهنگي عايقي تنها براي عايقهاي بازگشت پذير كه منحني چگالي احتمال شكست آنها را ميتوان بدست آورد قابل استفاده است.
عايقهاي بازگشت ناپذير غالبا از نوع عايقهاي داخلي بوده و معمولا از تركيب دو يا چند عايق مختلف (گاز، مايع، جامد) تشكيل ميگردد (كابلهاي سيم پيچي ماشين هاي الكتريكي، بوئينگ ها و پست هاي G I S). اين عايق ها هيچگاه نبايد تحت ولتاژهائي كه منجر به شكست الكتريكي مي شوند قرار گيرند لذا براي اين نوع عايقها روش مرصوم هماهنگي عايق همچنان معتبراست.
اثر شرايط محيطي بر استقامت الكتريكي عايقها
روشن است كه عايقهاي داخلي متاثر از شرايط محيطي نظير رطوبت، فشار، آلودگي ودرجه حرارت نبوده و لذا استقامت الكتريكي آنها را ميتوان براي شرايط مختلف آب وهوائي فرض نمود. برعكس عايقهاي داخلي، عايقهاي خارجي از شرايط آب و هوائي تاثير مي پذيرند بطوريكه
– استقامت الكتريكي عايق با افزايش چگالي هوا( كاهش دما، كاهش ارتفاع از سطح دريا، افزايش فشار هوا) بعلت كاهش ذرات، افزايش مي يابد.
– استقامت الكتريكي عايق با افزايش رطوبت هوا، بدليل جذب شدن بارهاي حامل توسط ذرات آب، افزايش مي يابد.
– آلودگيها كه به دو صورت آلودگي ناشي از نمك ها وآلودگي ناشي از خاكسترهاي صنعتي ظاهر مي شوند باعث كاهش استقامت عايقي سطوح خارجي در ولتاژهاي با فركانس شبكه ميگردند.( عامل تعيين كننده در فاصله خزندگي creepage مقره، ميزان آلودگي منطقه است شرايط آب و هوايي طبق IEC بصورت زير تعريف مي شود.
درجه حرارت to= 20 oc
فشار هوا bo = 101 3 kpa = 760 mmhg
رطوبت مطلق ho = 11 g/m3
استانداردIEC مناطق را از نظر آلودگي به چهار دسته كم اهميت، سبك، سنگين وخيلي سنگين تقسيم نموده است، ومتناظر هريك فاصله خزندگي مناسبي بر حسب cm/kv pt-ph پيشنهاد نموده است.
تعيين استقامت الكتريكي عايقها
استقامت الكتريكي عايقها در آزمايشاتي كه insulation test ناميده مي شوند اثبات مي گردد. مطابق استاندارد IEC، استقامت الكتريكي عايقها با استقامت آنها در برابر سه طبقه ولتاژ زير سنجيده مي شود.
الف: استقامت عايقي در برابر ولتاژهاي عادي كار و اضافه ولتاژهاي با فركانس شبكه توسط آزمون ولتاژ فركانس شبكه (يك دقيقه)
Power – frequency withstand level/PEWL
ب: استقامت عايقي در برابر امواج صاعقه و امواج با شيب تند توسط آزمون با موج صاعقه استاندارد
Lightning impulse withstand level/LIWL
ج: استقامت عايقي در برابر امواج كليد زني توسط آزمون موج استاندارد كليد زني
Switching impulse withstand level/SIWL

اصول هماهنگي عايق
بزرگي سطوح اضافه ولتاژها علي الخصوص در سيستمهاي با ولتاژ بالا موجب ميشود كه نتوانيم با صرف يك هزينه معقول بري ايزولاسيون سيستم به درجه اطمينان قابل قبول در تداوم بار دست يابيم. در اينجاست كه لزوم وجود وجه سوم در مثلث هماهنگي عايقي احساس مي شود و آن وسايل وتجهيزات محدود كننده اضافه ولتاژها(فواصل هوايي و برقگيرها) است.
از اين طريق مي توان هزينه هاي مربوط به ايزولاسيون سيستم را به يك حد قابل قبول از نظر اقتصادي تقليل داده و به درجه اطمينان مناسبي دست يافت. براي اين كار كافي است سطوح استقامت الكتريكي تجهيزات با در نظر گرفتن يك حاشيه امنيتي بالاتر از سطوح حفاظتي تجهيزات حفاظت كننده قرار گيرند. به همين دليل براي تجهيزات حفاظت كننده نيز سطوح حفاظتي گوناگوني تعريف ميشود.( سطح حفاظتي در برابر امواج صاعقه و امواج با شيب تند L I P L سطح حفاظتي در برابر امواج كليد زني SIPL)

سطوح عايق استاندارد
استاندارد IEC با توجه به اهميت و ارزش نسبي اضافه ولتاژها و نيز جهت تنوع زدائي در طرح ايزولاسيون ، سيستمهاي ولتاژي را به رده ولتاژي A و B و C تقسيم نموده است.

رده ولتاژي A: X1kv<um<52kv
رده ولتاژي B: 52kv <um<300kv
رده ولتاژي C:
بطور كلي بعلت وجود تاخير زماني در فرآيند شكست، استقامت الكتريكي عايق‌ها در برابر امواج صاعقه نسبت به امواج كليدزني بيشتر است. در هر يك از رده هاي ولتاژي فوق سطوح عايقي استاندارد به تناسب اهميت و ارزش تنشهاي ولتاژي، كيفيت استقامت عايقي ايزولاسيون و مشخصه وسايل حفاظت كننده تعيين شده‌‌اند. بطوريكه در رده ولتاژي A، اضافه ولتاژهاي موقتي يا ولتاژ كار تعيين مي شود.
در رده ولتاژي B نيز اضافه ولتاژهاي كليدزني كه در سيستم ظاهر مي‌شوند چندان بزرگ نبوده و هماهنگي عايقي در سيستم بر اساس LIWL تجهيزات و LIPL برقگير انجام مي شود.
در رده ولتاژي C اضافه ولتاژهاي كليد زني آنقدر بزرگ هستند كه در تعيين استقامت عايقي تجهيزات نقش اصلي را به عهده دارند. LIWL در اين رده ولتاژي در درجه دوم اهميت قرار دارد.در اين رده هماهنگي عايقي با توجه به SIWL و LIWL و سطوح حفاظتي برقگير در برابر دو نوع موج LIPL و SIPL انجام ميشود. هرچه ولتاژ سيستم افزايش يابد جنبه اقتصادي در تعيين سطوح ايزولاسيون اهميت بيشتري مي يابد.

روشهاي انجام هماهنگي عايق
هماهنگي عايق در يك سيستم قدرت به دو روش ممكن است انجام شود. روش مرسوم و روش آماري، به علت هزينه هاي نه چندان بالا در ايزولاسيون رده هاي ولتاژي A و E، بيشتر از روش مرسوم استفاده ميشود. در حاليكه هزينه هاي سنگين ايزولاسيون در رده ولتاژي C، روش آماري را يك روش اقتصادي تر براي محاسبه سطح ايزولاسيون ميسازد. براي بررسي هماهنگي عايقي شبكه، برق آذربايجان كه در دو سطح ولتاژي ۱۳۲ و ۲۳۰ كيلوولت انجام گرفته است با توجه به اين نكات ذكر شده در بالا از روش مرسوم هماهنگي عايقي استفاده شده است.
روش مرسوم هماهنگي عايقي (Conventional methoc)
اساسا روش مرسوم به اين صورت است كه ابتدا حداكثر اضافه ولتاژهايي كه در سيستم ممكن است ظاهر شوند را محاسبه كرده و يا تخمين مي زنند. سپس با در نظر گرفتن يك حاشيه ايمني حداقل استقامت عايقي (PFWL LIWL) تجهيزات را بدست مي آورند.
اين براي وضعيتي است كه نخواهيم از تجهيزات حفاظت كننده اي نظيربرقگير استفاده كنيم. در غير اين صورت اگر برقگيري بكار رفته باشد سطوح حفاظتي برقگير به ازاي اضافه ولتاژهاي احتمالي ملاك عمل براي محاسبه استقامت عايقي تجهيزات خواهد بود(با منظور كردن حاشيه ايمني)
بايد توجه داشت كه درحالت كلي اضافه ولتاژظاهر شده در ترمينالهاي وسيله، تحت حفاظت برقگير بيش از سطوح حفاظتي برقگير است. در عامل اين مساله دخالت دارند.
– پديده انعكاس موج در حد فاصل برقگير و موضوع تحت حفاظت مثلا ظهوراين پديده را با توجه به وجود فاصله نسبتا زياد بين برقگير فيدرهاي ۲۳۰كيلوولت و ترانسفورماتور پست سردرود در فصل آينده بوضوح خواهيم ديد.
– افت ولتاژدر هاديهايي كه برقگير را به سيم فاز و شبكه زمين پست وصل مي كننند.
جهت كاهش اثرات اين پديده توصيه مي شود تا حد امكان، طول هادي‌هاي برقگير و فاصله برقگير موضوع تحت حفاظت كاهش يابد.

افت ولتاژ در هاديهاي برقگير
هادي برقگير به مجموع هاديهايي كه برقگير را به سيم فاز و شبكه زمين وصل ميكنند اطلاق مي شود. هر چه شيب موج جريان تندتر باشد افت روي اندوكتانس اين هادي بيشتر و مهمتر خواهد شد در محاسبات عملي اندوكنتاكس هادي برقگير – و شيب جريان تخليه فرض ميشوند.
با اين مفروضات افت ولتاژ در هر فوت هادي برقگير د راثر عبور جريان تخليه برابر خواهد بود با:

اين افت ولتاژ بايد در تعيين سطح حفاظتي برقگير درنظر گرفته شود.

فاصله حفاظي برقگير (Protection distance)
چنانچه فاصله اي ميان برقگير و موضوع تحت حفاظت وجود داشته باشد موج ورودي در حد فاصل برقگير و موضوع منعكس شده و موجب افزايش تنشهاي ولتاژي موضوع از سطح حفاظتي برقگير خواهد شد.
هرچه شيب موج ورودي تندتر و فاصله برقگير و موضوع بزرگتر باشد ولتاژ ظاهر شده در ترمينالهاي موضوع بيشتر خواهد بود.چنانچه فقط انعكاس نخست را درنظر بگيريم ميتوانيم توسط رابط زير ولتاژ ظاهر شده در ترمينالهاي موضوع را تخمين بزنيم.

 

Ures= ولتاژ تخليه برقگير kv(peak)
S = شيب موج ولتاژ ورودي kv /Me
L = فاصله بين برقگير و موضوع تحت حفاظت( شامل طول برقگير و هاديهاي آن)
V = سرعت سير موج براي خطوط هوايي ۳۰۰m/ms
براي سيستم كابلي ۱۵۰m/ms

با معلوم بودن مقادير S و LوV و Ures ميتوان اضافه ولتاژي كه در ترمينالهاي موضوع ظاهر مي شود را تخمين زده و براساس آن استقامت الكتريكي موضوع را تعيين نمود.