مقره ها وایزولاسیون

مقدمه:
از آغاز پيدايش صنعت برق ، نياز به تجهيزاتي كه بتوانند نقش عايقي و جداسازي قسمتهاي تحت ولتاژ‍ از ساير قسمت ها را داشته باشند وجود داشته و تحقيقات در اين زمينه نيز همچنان ادامه دارد.اولين عنصري كه به عنوان مقره مطرح گرديد چوب خشك بود ولي بعلت اينكه پس از خيس شدن تا اندازه اي خاصيت عايقي خود را از دست ميداد كنار گذاشته شد. پس از چوب استفاده از مصنوعات كلي وسراميك مورد مطالعه قرار گرفت وامروز بطور گسترده از شيشه و چيني وپلاستيك در ساخت مقره ها استفاده مي شود.

در خطوط انتقال نيرو نيز لازم است هاديهاي تحت ولتاژ بنحوي از برجها ايزوله شوند كه مقره ها عامل اصلي جداسازي هاديها از پايه ها وزمين مي باشد و براي اينكه بتوانند وظايف خود را كه در حقيقت تامين فاصله مناسب مي باشد به خوبي انجام دهند بايد داراي خواص كلي زير باشند :
(۱) خاصيت عايقي مناسب
(۲) مقاومت مكانيكي كافي
(۳) تحمل الكتريكي در مقابل اضافه ولتاژ ها
(۴) مقاومت الكتريكي بالا در جهت كاهش نشت جريان الكتريكي
(۵) مقاوم در مقابل تغييرات درجه حرارت محيط

مسلما هرچه مقاومت الكتريكي و مكانيكي مقره ها بيشتر باشد،تحمل آنها در مقابل اضافه ولتاژها يا اضافه بارهاي مكانيكي افزايش مي يابد ،علاوه بر آن پايين بودن درجه عايقي مقره ها احتمال بروز جرقه بين هاديها با برجها را از طريق زنجيره مقرهها افزايش ميدهد.كه اين امر سبب تخريب آنها ميگردد كه درمجموع كاهش قابليت برق رساني و در نتيجه خروج خطوط انتقال نيرو را بهمراه خواهد داشت.

ايزولاسيون و مقره ها :
براي اتصال هادي هاي خطوط انتقال به دكل ها كه داراي ولتاژ هاي زيادي نسبت به بدنه ي دكل و نسبت به يكديگر مي باشند،از وسايل مجزا كننده استفاده ميشود.اين جدا كننده ها كه عموما به صورت مقره در خطوط انتقال بكار مي روند ، عموما داراي دو وظيفه ي مهم مي باشند:
يكي وظيفه ي مكانيكي آنها است بطوري كه بايد داراي استقامت مكانيكي خوب بوده و قادر باشند بارهاي مكانيكي راتحت شرايط متحمل از قبيل برف ،باد ، باران ، و غيره بخوبي تحمل نمايند.

ديگري وظيفه ي الكتريكي آنها است بطوري كه بايد داراي خواص غايقي خوب بوده و بتوانند هادي هاي داراي ولتاژ را بخوبي از دكل و از يكديگر ازنظر الكتريكي جدا نمايند و علاوه بر تحمل ولتاژ كار خط ، در مقابل ولتاژ هاي ضربه اي ناشي از رعد و برق و قطع و وصل كليد ها و غيره كه بعدا توضيح داده خواهد شد بخوبي مقاومت كنند.
در ضمن جريان نشتي مقره ها كه ممكن است در اثر تخليه ي كرونا ، تلفات دي

الكتريكي ياعايقي مواد داخلي مقره و جريان نشتي سطحي مقره به وجود ايد بايد حتيالامكان ناچيز باشد .
شكست ولتاژ اعمال شده روي مقره ممكن است به دليل تخليه ي الكتريكي در هواي اطراف مقره ، تخليه ي الكتريكي سطحي از طريق گرد و غبار وآلودگي هاي روي سطح مقره ويا تخليه ي الكتريكي ازداخل خود مقره صورت پذيرد كه در حالت اخير منجر به خرابي مقره مي گردد .

اغراق نيست اگر بگوييم كه ضريب اطمينان سيستم هاي قدرت بستگي به كيفيت و
ضريب اطمينان ايزولاتورها دارد و از آن جايي كه ولتاژ انتقال و ظرفيت انتقال روز به روز در حال افزايش است ميتوان گفت كه نقش ايزولاتورها و مقره ها روز به روز مهمتر خواهد شد و همچنين نياز برخورداري از تحمل مكانيكي بيشتر درآينده توام با خاصيت الكتريكي مناسب مسئوليت سنگيني را از هم اكنون بردوش مهندسان مواد گذاشته است به لحاظ اهميت نقش ايزولاتورها ومواد تشكيل دهنده ي آنها در خطوط انتقال در اينجا به تشريح آنها مي پردازيم.

۱) مواد تشكيل دهنده عايقها و مقره ها
مواد مختلفي وجود دارند كه بعنوان عايق الكتريكي در ساخت مقره ها به كار ميروند. اين مواد عموما بدوگروه سراميكي و غيرسراميكي (پلاستيك)مي توانند تقسيم گردند . گروه سراميكي كه ازاهميت بيشتري برخوردار مي باشد خود انواع مختلفي را شامل مي شود كه عمده ي آنها بخصوص براي خطوط انتقال ، شامل پرسلين و شيشه مي باشند.با اين حال امروزه پرسلين به عنوان بهترين اين مواد ازنقطه نظر استقامت الكتريكي ومكانيكي ، استقامت تحت شرايط جوي مختلف ، ضريب اطمينان بالا و غيره ، موردقبول صاحب نظراندر سراسر جهان مي باشد و به عنوان بهترين ماده براي ساخت مقره ها شناخته شده است .

در اين جا به دليل اهميت به تشريح اين دو ماده مي پردازيم :
۱-۱) پرسلين
اين ماده مخلوطي است از رس و كائولين يا سيليكات هيدراته و كوارتز ، فلدسپات
يا سيليكو آلومينات سوداو پتاس. در ساختمان بعضي ازپرسيلينهاي مخصوص ممكن است اكسيدهاي بخصوص شامل تيتان و زيركونيم نيز موجود باشد درصد كوارتزچيزي در حدود۲۵%و درصد فلدسپات يا سيليكو آلومينات سود و پتاس نيز در همين حدودمي باشد و خواص الكتريكي و مكانيكي آن تابعي از درصد مواد تشكيل دهنده ي آن مي باشد. اين مواد را پس از آرد كردن خوب مخلوط كرده و به شكل مطلوب درآورده و دركوره باحرارتي در حدود ۱۳۰۰ درجه مي پزند .

پرسلين داراي خاصيت عايقي بسيار خوب و قوي بوده و گراديان ولتاژي كه باعثخرابي آن مي گردد در حدود mm / kv30 – 15 مي باشد ودر مقابل ولتاژ ضربه تا ۴۹mm/kv تحمل دارد. مقاومت مخصوص آن زياد و در حدود mCΩ ٩٤ ۱۰×۳ است كه در نتيجه جرياننشتي آن ناچيز مي باشد .ثابت دي الكتريك پرسلين ۶٫۵- ۴ =εمي باشد . مقاومت مكانيكي آن درحدود در مقابل فشار حدود٢mm/kg 50 است و در مقابل كشش تا حدود۰٫۱ مقدار فوق مقاومت از خود نشان مي دهد . با ازدياد درصد كوارتز مقاومت مكانيكي آن افزايش مي يابد و افزايش درصد رس آن، اثرات درجه حرارت را بر روي آن كاهش مي دهد. پرسلين براحتي لعابدار مي شود و اين كار مقاومتش را در مقابل ترك خوردن و

يا لبپريدگي زيادمي كند و براحتي تميز مي شود . از طرفي هدايت لعاب سطح آن باعث توزيع يكنواخت ولتاژ در سراسر طول رشته ي مقره مي گردد مرور زمان و تغييرات شرايط جوي در دراز مدت ممكن است باعث آشكار شدن خلل و فرج و خرابي اين مقره بشود . اين نوع مقره در مقابل ضربه، معمولا ترك بر مي دارد يا داراي لب پريدگي مي شود ولي كاملا خورد نمي شود .

از معايب پرسلين اين است كه چنانچه تحت اثر موج ولتاژي ، تخليه ي الكتريكي در داخل آن صورت گيرد موجب ايجاد كانال بسيار باريك و غير قابل ديدن مي گردد كه سبب كاهش خاصيت عايقي آن مي شود .

پرسلين خود شامل چهار نوع عمده مي باشد كه عبارتند از :
الف) پرسلين معمولي يا پرسلين فلدسپات ، كه استقامت مكانيكي آن در مقابل خمش در حدود ٢Cm / kg1000-600مي باشد .
ب) پرسلين آلومنيومي كه بمنظور افزايش استقامت مكانيكي به جاي پرسلين معمو لي به كار مي رود.استقامت مكانيكي آن در مقابل خمش تقريبا دو برابرپرسلين معمولي و برابر با ٢ Cm/ kg 1700-1000مي باشد .

ج) پرسلين كريستوبالايت كه از مزاياي آن يكنواختي بهتر جنس آن و قابليت بهتر
كار با آن مي باشد اين پرسلين اولين بار توسط ژاپنيها ساخته شده است .
د) پرسلين كريستوبالايت آلومنيومي كه جديدترين نوع پرسلين بوده و داراي مزاياي پرسلين كريستوبالايت از جمله يكنواختي و قابليت بهترگار با آن و نيز داراي مزايايپرسلين آلومنيومييعني استقامت مكانيكي خوب مي باشد

۱-۲) شيشه
شيشه مخلوطي از سيليس ( ٢SiOدر حدود ۷۰%) اكسيد سديم (O ٢ Na)،اكسيد كلسيم و منيزيم (МgOوCaO) مي باشد كه در حدود ۱۴۰۰درجه حرارت ذوب و پخته مي شودخنك شدن شيشه پس از پختن ممكن است به دو صورت كند و تدريجي ويا خنك شدن ناگهاني به كمك دميدن هوا باشد ، كه در صورت اخير سطح خارجي شيشه زود سرد و سخت شود ، در حالي كه قسمت داخلي آن هنوز حرارت خود را دارااست . در نتيجه پس از خنك شدن تدريجي قسمت داخلي آن تحت كشش وقسمت خارجي وسطح شيشه تحت فشار قرار خواهد داشت .
استقامت الكتريكي شيشه در حالت معمولي بهتر از پرسلين و در حدود mm/kv 120-60 بوده و در مقابل ولتاژ ضربه استقامت آنmm/kv 195مي باشد . خواص آن تقريبا مشابه پرسلين است . مقاومت مخصوص آن در حدود Cm.Ω ۱۰١٩- ۱۰١٠ بوده و با افزايش درجه حرارت مقدار آن كاهش مي يابد ، بطوري كه در حرارتهاي بالاتر از ۱۱۰۰ درجه سانتيگراد به مقداري كمتر از Cm.Ω ۱۰ مي رسد ، ثابت دي الكتريك شيشه به مقدار ۱۰-۵٫۵ = ε ميباشد .

از خصوصيات مقره شيشه اي اينست كه در مقابل ضربه معمولا خرد مي شود ونيز مقاومت مكانيكي آن با زمان تحمل نيرو كاهش و در حد گسيختگي به ⅔ تقليل مي يابدمقاومت ايزولاتورهاي شيشه اي در مقابل شكنندگي و تغييرات ناگهاني جوي درمقايسهبا پرسلين چندان خوب نيست .
از معايب عمده ي آن اينست كه چون در ساختمان آن تركيبات بازي شامل اكسيد

كلسيم و اكسيد سديم وجود دارد ، هنگامي كه جريان نشتي زيادي بر روي سطح آن در اثر آلودگي سطح مقره ايجاد گردد ،تركيبات مزبور در مقابل رطوبت واكنش نشان داده وباعث خوردگي سطح شيشه مي شود كه در نهايت ممكن است بدليل بر هم زدن تعادل نيروهاي سطحي و داخلي منجر به شكستن مقره گردد.بهمين دليل در مناطق با آلودگي زياد به كار نمي رونند .
از مزاياي شيشه شفافيت

آن است بطوريكه شكستگي و ترك در داخل آن با چشم قابل رويت بوده و كم بودن ضريب انبساط و ارزاني قيمت آن در مقايسه با پرسلين ازديگر مزاياي آن مي باشد .

۲ ) طراحي شكل و انواع ايزولاتورها

همانطور كه قبلا گفته شد شكست الكتريكي بر روي مقره معمولا به دو علت ممكن
است صورت پذيرد ، يكي تشكيل جرقه از داخل مقره و ديگر تشكيل جرقه سطحي ، كه اولي چون عايق بدليل سوراخ شدن خاصيت خودراازدست مي دهد،حائزاهميت بيشتري است . تخليه ي نوع دوم خود ممكن است به سه صورت مختلف وقوع پذيرد:

الف) تخليه ي بين هادي و بدنه از طريق هدايت سطحي عايق كه معمولا در شرايطي كه ايزولاتور بعلت كثيف بودن، آلودگي و مرطوب بودن خاصيت عايقي كمتري دارد ممكن است وقوع پذيرد (شكل ۱ ) در اين حالت كوتاهترين مسير بر روي سطح ايزولاتور كه هادي را به بدنه مربوط مي سازد خط فراري ناميده مي شود .
ب) تخليه ي ناشي از افزايش ولتاژ ناگهاني بين هادي و بدنه هنگاميكه سطح ايزولاتورخشك و نسبتا تميز باشد كه معمولا از طريق كوتاهترين مسير انجام ميگيرد (شكل ۲ )

شكل (۱) مسير تخليه ي بين هادي و بدنه بعلت كثيف بودن مقره
ج) تخليه ي ناشي ازافزايش ولتاژ ناگهاني بين هادي وبدنه هنگامي كه سطح ايزولاتورمرطوب باشد ، در اين حالت مسير تخليه ي طولاني تري را نسبت به حالت قبلي طي مي كند كه به سطح عايق نزديكي بيشتري نشان مي دهد (شكل ۳ ) .

با توجه به لزوم پايداري شبكه هاي فشار قوي و با اطلاع از مسائل فوق الذكرتوجه به مسائل متعددي در طرح شكل و نحوه كاربرد ايزولاتورها اهميت پيدا مي كند . متذكرمي شود كه پاره اي ازاين نكات طراحي و رسيدن به طرح مناسب از جهات مختلف ممكن است با يكديگر متضاد باشند. بديهي است درچنين شرايطي حالت اپتيمم اتخاذ مي گردد.
پاره اي از نكات مهمي كه بايد در مورد انتخاب نوع ايزولاتور در نظر داشت بشرح زير بيان مي گردند :

شكل (۲) مسير تخليه ناشي از اضافه ولتاژ ناگهاني بهنگام خشك بودن هادي

شكل (۳) مسير تخليه ناشي از اضافه ولتاژ ناگهاني بهنگام مرطوب بودن هادي
۱-۲ ) سطح مقره صاف باشد تا از نشستن و تشكيل گرد و غبار و آلودگي هاي موجود در هوا كه باعث كاهش ايزولاسيون سطحي و با لطبع افزايش جريان نشتي و افزايش احتمال وقوع تخليه ي سطحي مي گردد حتي الامكان جلوگيري شود . اين امر در مناطق باهواي خيلي آلوده مستلزم كاربرد ايزولاتورهاي با شيارهاي كم عمقتر مي باشد.
۲-۲) به منظور كاهش جريان نشتي و احتمال وقوع تخليه ، طول خط فراري حتي الامكان بيشتر شود . اين امر مستلزم ايجاد شيارها وفرورفتگيهاي عميق بر روي سطح زيرين ايزولاتورها مي باشد .

۳-۲ ) شكل ايزولاتورچنان طراحي گردد كه آب باران بر روي سطح آن نماند و حتي الامكان سريع خشك شود.اين امرمعمولابه طراحي ايزولاتورهاي چتري شكل منجرشده است كه از خواص مطلوب آن اين است كه در شرايط باراني اگر باد نباشد معمولابخش زيرين آن خشك باقي مي ماند .

۴-۲ ) ضخامت قسمتي از ايزولاتور كه قسمتهاي فلزي رابط بالا و پايين را از هم از نظر الكتريكي جدا مي كنند طوري انتخاب شود ، كه در صورت افزايش ولتاژ ، قبل ازوقوع تخليه ي الكتريكي از داخل ،جرقه در سطح مقره تشكيل گردد . هر چه نسبت ولتاژلازم براي وقوع تخليه ي الكتريكي از داخل يعني ولتاژ سوراخ شدن به ولتاژ لازم جهت وقوع تخليه ي سطحي بيشتر باشداين ضريب اطمينان افزايش مييابد.حداقل اين نسبت بايد از ۳/۱ بزرگتر باشد ، در موارد معمولي نسيت ۶/۱ و حتي گاه نسبت ۲ را انتخاب مي نمايند .

۵-۲ ) از آن جايي كه ثابت دي الكتريك هوا ومقره متفاوت مي باشند خطوط نيرو در داخل هوا و عايق متفاوت بوده ، داراي فشردگي بيشتري در هوا خواهند بود . اين امر بخصوص در مواردي كه عايق داراي شيارها و برآمدگيهاي پيچيده باشد مي تواند گاه سبب تشگيل گراديان ولتاژ قوي در هوا و در نتيجه وقوع تخليه ي جزئي و نهايتا تخليه ي الكتريكي كامل گردد . از طرفي چون وجود شيارها و برآمدگي هاي پيچيده به خصوص در شرايط هوايي ساكن باعث كثيف شدن سريعتر عايق شود ، لذا در مورد ايزولاتورهايي كه در محل هاي سرپوشيده نصب مي شوند شيارها داراي عمق كمتري بايد باشند .

۶-۲ ) در كاربرد وانتخاب ايزولاتور بايد به شرايط جوي منطقه و ميزان آلودگي هواي محل ونوع آلودگي توجه بيشتري بشود .
۷-۲ ) در انتخاب شكل و طول ايزولاتور به نكات اقتصادي بايد توجه شود . به
خصوص توجه به اين مطلب حائز اهميين است كه ولتاژ مقاوم در نظر گرفته شده براي ايزولاتورآن چنان نباشد كه هرموج ولتاژ ممكني را تحمل كند .زيرا اين امرسبب طولاني شدن بيش از حد زنجيره ي ايزولاتور و در نتيجه هزينه ي سنگين طرح خواهد شد .

۳ ) انواع مختلف ايزولاتورها
توجه به نكات مختلف وشرايطمخصوص نصب منجر به طراحي وساخت ايزولاتورهاي مختلفي شده است . اين ايزولاتورها معمولا به دو گروه ايزولاتورهاي نگهدارنده(ثابت )و ايزولاتورهاي آويزان تقسيم مي شوند :
الف ) ايزولاتورهاي نوع نگهدارنده
اين ايزولاتورها معمولا تحت نيروي فشاري و خمشي قرار مي گيرند دو نمونه از آنها با اهميت تر از بقيه مي باشند كه عبارتند از :
الف-۱ ) مقره هاي سوزني :

همانطور كه از نام اين مقره ها بر مي آيد ، مقره توسط يك سوزن يا ميخ به پايه بسته مي شود . معمولا از پرسلين ساخته مي شود . نحوه ي استفاده از اين مقره طوري است كه معمولا تحت نيروي فشاري قرار مي گيرد ولي چنانچه بصورت معكوس به بازوهاي پايه هابسته شودتحت تاثيرنيروي كشش قرار خواهد گرفت.طبق استانداردهاي مختلف تماس مستقيم بين پرسلين و فلز سخت سوزن مقره چندان مناسب نمي باشد وبايد تو- سط يك انگشتانه ي فلزي از جنس نرمتر از هم جدا گردند . براي اين منظور معمولا از فلز روي استفاده مي

شود . اين مقره ها را مي توان با افزايش طبقات عايق باي ولتاژهاي بالاتر به كار برد اما معمولا براي ولتاژهاي توزيع ساخته مي شوند و كاربرد آن به ولتاژهاي زيرkv 70محدود مي شود زيرا در ولتاژهاي بالاترهزينه ي آن غير اقتصادي بوده وبا افزايش ولتاژازدياد قيمتي نشان مي دهدكه تقريبا متناسب با ⁿV است بطوري كه ⁿ عددي بزرگتر از ۲ مي باشد. در اين نوع مقره ضخامت پرسلين واقع بين سوزن وهادي بايد به قدري باشد كه در صورت افزايش ولتاژغيرمعمولي تخليه ي سطحي ازروي عايق زودتراز شكست الكتر_ يكي در داخل آن صورت پذيرد . نسبت ولتاژ لازم براي تخليه ي الكتريكي سطحي به ولتاژ كار مقره را ضريب اطمينان مي نامند كه براي ولتاژهاي كمتر مقدار بيشتري دارامي باشد .