کیفیت توان و آنالیز جریان‌های نشتی غیرطبیعی بر روی عایق‌های لاستیکی سیلیکونی

چکیده

جریان‌های نشتی در عایق‌های سیلیکونی و سرامیکی یک ایستگاه تبدیل ۱۱۰ کیلو ولت (که تحت شرایط آلودگی سنگین قرار داشت) به مدت ۷ ماه اندازه‌گیری شد. هر دو نوع عایق از لحاظ هندسه شباهت زیادی با هم داشتند. جالب است که جریان‌ها در عایق‌های سرامیکی معمولاً تا ۴.۷ برابر بیشتر از عایق‌های سیلیکونی بودند. با این حال، در دوره‌ای هشت روزه، جریان‌های ثبت شده در عایق‌های سرامیکی به طرز معناداری کوچکتر (تا ۲.۶ برابر) بودند. رفتار مشابهی پیش‌تر در ایستگاه‌های تست آلودگی گلاگوف و کئوبیرگ بر روی عایق‌های سیلیکونی و سرامیکی با پروفایل‌های شبیه مشاهده شده بود. همچنین، شستشوی مؤثرتر سرامیک در باران‌های سنگین‌تر نقش قابل توجهی در این پدیده ایفا می‌کند. نشان داده شد که جریان‌های نشتی کوچک، معمولاً در محدوده ۴ تا ۱۰ میلی‌آمپر، می‌توانند به فرسایش سطحی عایق‌های لاستیکی سیلیکونی منجر شوند.

مقدمه

ولتاژ شکستن عایق‌های لاستیکی سیلیکونی در شرایط آلودگی مشابه، به‌طور کلی بالاتر از ولتاژ شکستن عایق‌های سرامیکی است. به‌علاوه، جریان نشتی در عایق‌های سیلیکونی آلوده و هیدروفوبیک کمتر از جریان نشتی در عایق‌های هیدروفیلیک سرامیکی است. تحقیقات وسیعی که در آزمایشگاه‌ها و محیط‌های میدانی انجام شده، حاکی از خواص برتر عایق‌های سیلیکونی است [۱]. بهترین مقایسه بعد از خیس شدن سریع هر دو عایق به‌دست می‌آید. زمانی که هر دو عایق به‌طور یکنواخت اسپری می‌شوند و بعد از افزایش ولتاژ، جریان روی عایق سرامیکی چندین برابر (مثلاً ۱۰۰ برابر) بیشتر از عایق سیلیکونی می‌باشد [۲]. اما در شرایط طبیعی و تحت ولتاژ عملیاتی مداوم، جریان‌های عایق‌های سرامیکی تنها چند برابر بیشتر از جریان‌های عایق‌های سیلیکونی هستند [۳]. والاس ووسلو [۴، ۵] و کریستیان ال. چران [۲] نشان دادند که جریان‌های مربوط به عایق‌های سرامیکی گاهی ۱۰% تا ۲۰% بیشتر از عایق‌های سرامیکی با پروفیل‌های مشابه هستند. در این مقاله به‌بررسی نسبت جریان‌ها در عایق‌های سرامیکی به جریان‌های عایق‌های سیلیکونی می‌پردازیم که در طول یک روز در محدوده ۰.۳۸ تا ۴.۷ متغیر است.

اندازه‌گیری جریان و اشیاء امتحانی

اندازه‌گیری جریان با استفاده از یک ضبط‌کننده دیجیتال ۴ کاناله که توسط شرکت KORIN طراحی شده است، صورت گرفت. نرخ نمونه‌برداری ۵ کیلوهرتز، دقت نمونه‌برداری ۱۰ بیت و محدوده اندازه‌گیری ۱ تا ۴۰۰ میلی‌آمپر (به کمک شنت جریان ۲۵۰ اهم) بود. داده‌ها در حافظه ۲ گیگابایتی ذخیره می‌شدند. با بهره‌گیری از یک الگوریتم خاص، این حافظه قادر بود داده‌ها را برای مدت طولانی، معادل ۸ سال جمع‌آوری کند. تنها زمانی که پیک جریان بالاتر از مقدار قبلی باشد، اطلاعات در حافظه ذخیره خواهد شد. نصب سیستم اندازه‌گیری در ایستگاه تبدیل در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکل ۲: نمای شماتیک سیستم اندازه‌گیری جریان.

جدول ۱. ابعاد اشیاء تحقیق

نتایج

جریان‌هایی که در ماه نوامبر بر روی عایق‌های سرامیکی اندازه‌گیری شدند، به‌طور قابل توجهی به مدت ۲۲ روز بیشتر از جریان‌های عایق‌های سیلیکونی بودند (شکل ۴). گاه جریان‌ها بر روی هر دو عایق سیلیکونی برابر بودند، اما در برخی حالات اختلافات جزئی نیز مشاهده شد. حداکثر دامنه جریان ۱۷.۴ میلی‌آمپر در روز ۲۹ نوامبر بر روی عایق سرامیکی ثبت شد و در همان روز، جریان بر روی عایق سیلیکونی به ۴ میلی‌آمپر رسید (جدول ۲). حداکثر نسبت ۴.۷ از جریان در عایق سرامیکی به جریان در عایق لاستیکی سیلیکونی نیز در تاریخ ۲۴ مارس به ثبت رسید.

شکل ۴: حداکثر جریان‌های نشتی روزانه در نوامبر.

جدول ۲. حداکثر نسبت جریان‌ها در عایق سرامیکی به جریان‌ها در عایق لاستیکی سیلیکونی

پدیده‌های غیرطبیعی در جریان‌ها

در ماه ژانویه و همچنین ماه‌های پس از آن، یک پدیده عجیب و قابل توجه شناسایی شد. در برخی روزها، جریان‌ها بر روی عایق‌های چینی به طور معناداری کمتر از جریان‌ها بر روی عایق‌های لاستیکی سیلیکونی بودند. هشت مورد از این دوره، که شامل ژانویه تا مه می‌شود، در جدول ۳ ارائه شده‌اند. این تفاوت‌های مشاهده شده بین قله‌های جریان بر روی عایق‌های چینی و لاستیکی سیلیکونی این بار بزرگتر از موارد پیشین گزارش شده بود [۲، ۵]. در تاریخ‌های ۲۸ و ۳۰ مه، جریان بر روی عایق‌های سیلیکونی بیشتر از عایق‌های چینی بود (شکل ۵).

تصحیح بر اساس پروفیل‌های مختلف عایق‌ها

عایق‌های سیلیکونی و چینی از نظر پروفیل‌های ساختاری تفاوت‌هایی دارند. عوامل فرم آن‌ها به ترتیب ۳.۲ و ۴.۵ هستند (جدول ۱). با فرض داشتن یک لایه آلوده هیدروفیلی یکنواخت و مقاومت سطحی مشابه برای عایق‌های سیلیکونی و چینی، نسبت جریان نشتی به صورت زیر به دست می‌آید:

در این شرایط (که به واقعیت نزدیک نیست) جریان بر روی عایق چینی باید کمتر از جریانی باشد که در عایق سیلیکونی وجود دارد.

اگر عایق چینی ویژگی‌های عایق سیلیکونی را داشته باشد، در این صورت جریان نشتی آن ۴.۵/۳.۲=۱.۴۱ برابر بیشتر خواهد بود. مقادیر اصلاح شده جریان‌های بر روی عایق چینی و نسبت‌های جریان اصلاح شده از جدول ۳ در جدول ۴ گردآوری شده‌اند.

بحث و بررسی

آلودگی هیدروفیلی که بر روی سطح عایق‌های چینی تشکیل می‌شود، آب را به خود جذب کرده و بعد از خیس شدن، یک لایه پیوسته شکل می‌دهد. برعکس، قطرات آب روی لاستیک سیلیکونی به دلیل ویژگی‌های هیدروفوبیک از یکدیگر جدا می‌شوند. این وضعیت، منجر به مقاومت سطحی بالا و جریان کم می‌گردد. این سناریوهای متفاوت توضیح می‌دهند که چرا جریان بر روی یک سطح هیدروفیلی، به طور قابل توجهی بیشتر از یک سطح هیدروفوبیک است، به ویژه پس از پدیده‌ای که به «خاموش شدن سرد» معروف است.

با این حال، در شرایط میدانی، عایق‌ها به مدت چند هفته تحت ولتاژ عملیاتی قرار داشته‌اند. بر روی سطح هیدروفیلی، نوارهای خشکی وجود داشت که مقاومت بالایی داشتند. بنابراین، نسبت جریان بر روی عایق چینی به عایق سیلیکونی چندان بالا نبود. نقش تمیز کردن عایق به واسطه بارش باران نیز بسیار سرنوشت‌ساز است. در حالی که آلودگی از عایق‌های چینی به راحتی پاک می‌شود، این امر برای لاستیک سیلیکونی به مراتب پیچیده‌تر است. بیشتر آلودگی‌ها در لاستیک سیلیکونی نسبت به چینی مشاهده شد [۶]. اهمیت تمیز کردن عایق به وسیله باران‌های شدید به وضوح در ماه مه قابل مشاهده بود. در تاریخ‌های ۳، ۱۰ و ۱۲ مه، بارش‌هایی به ترتیب ۲۸، ۹ و ۹ میلی‌متر رخ داد و جریان‌های عایق چینی مشابه با جریان‌های عایق سیلیکونی بودند. در دو دوره بارانی در انتهای مه، جریان‌های عایق چینی کمتر از عایق سیلیکونی ثبت شد (شکل ۶).

توزیع آلودگی نیز از لحاظ فنی حائز اهمیت است. توزیع آلودگی بر روی عایق‌های چینی به طور قابل توجهی نامنظم بود [۷]، در حالی که بر روی عایق‌های سیلیکونی کمتر نامنظم بود [۸]. چگالی رسوب نمک معادل (ESDD) بر روی عایق‌های سیلیکونی می‌تواند ۲-۳ برابر بیشتر از عایق‌های چینی باشد [۲،۶]، اما تفاوت‌های محلی بسیار بیشتری نیز مشاهده شده است. به عنوان مثال، ESDD بر روی طرف بالایی عایق چینی ۱۵ برابر بیشتر از عایق چینی با لعاب برهنه گزارش شده است [۷].

نتیجه‌گیری

این تحقیق، جریان‌های غیرطبیعی را بر روی عایق‌های سیلیکونی در یک سایت صنعتی با آلودگی سنگین شناسایی کرده است. پدیده مشابهی قبلاً در حالت آلودگی سنگین ناشی از نمک دریا (ایستگاه آلودگی کوئبرگ) و همچنین تحت آلودگی صنعتی سبک (ایستگاه آزمایش گلوگوف) ثبت گردیده بود. در طول ۷ ماه، جریان‌ها بر روی عایق چینی به مدت ۸ روز به طور قابل توجهی کمتر از جریان‌های بر روی عایق سیلیکونی بودند. تمیز شدن بهتر عایق چینی در باران‌های شدیدتر نقشی کلیدی در این پدیده ایفا می‌کند. همچنین، جریان‌های نشتی به میزان ۱۰ میلی‌آمپر باعث فرسایش ظاهری سطح لاستیک سیلیکونی شده‌اند.

نویسندگان این مطالعه با کمال قدردانی از S. Maguda، از شرکت KORINE، و همچنین L. Sieczko و D. Paluch از کارگاه ذوب مس لنیگنا، بابت کمک‌های ایشان در سازماندهی اندازه‌گیری‌های جریان، سپاسگزاری می‌کنند.

منابع

• [1] Amin M., Amin S., Ali S., “Monitoring of leakage currents for composite insulators and electrical devices”. Reviews on Advanced Materials Science, vol. 21, (2009) pp. 75-89
• [2] Chrzan K.L., “Leakage currents on naturally contaminated porcelain and silicone insulators,” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 25, (2009) no. 2, pp. 904–910
• [3] Homma H., Kuroyagi T., Ishino R., Takaashi T., “Comparison of leakage current properties between polymeric insulators and porcelain insulators under salt contamination conditions,” Int. Symposium on Electrical Insulating Materials, Kitakyushu, Japan, (2005), paper P1-14
• [4] Vosloo W.L., “A comparison of the performance of high voltage insulator materials in a severely polluted coastal environment”. Ph.D. thesis, University of Stellenbosch, South Africa, 2002
• [5] Chrzan, K.L., Vosloo W.L., Holtzhausen J.P., “Leakage currents on porcelain and silicone insulators under sea or light industrial pollution.” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 26, (2011), no. 3, pp. 2051–2052
• [6] Zhang H.Ye, Ji Y.M., Sun W.Y., Kondo K., Imakoma T., “Contamination accumulation and withstand voltage characteristics of various types of insulators.” 7th Int. Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Nagoya, Japan, (2003), pp.1019-1023
• [7] Chrzan K.L., “Pollution accumulation on silicone insulators and on porcelain insulators.” (in Polish) Przegląd Elektrotechniczny, (2011), vol. 87, no. 12a, pp. 129-132

[۸] منابع و پژوهش‌ها

Gubanski S.M. و Wankowicz J.G. در مقاله‌ای با عنوان “توزیع لایه‌های طبیعی آلودگی بر روی عایق‌های لاستیکی سیلیکونی و جذب UV آنها” به تحلیل دقیق این موضوع پرداخته‌اند. نشریه IEEE Trans. on Electrical Insulation، جلد ۲۴، (۱۹۸۹)، شماره ۴، صفحات ۶۸۹–۶۹۷.

نویسندگان:

دکتر habil. مهندس Krystian Leonard Chrzan از Politechnika Wrocławska، دانشکده الکتریکی W5، کاتدرا K38، خیابان Wybrzeże Wyspiańskiego ۲۷، وروسواف، با ایمیل: krystian.chrzan@pwr.edu.pl. همچنین، mgr inż. Maciej Zipp، فارغ‌التحصیل دانشگاه علوم و فناوری وروسواف، دانشکده مهندسی برق، که در حال حاضر با شرکت Gates Corporation در ۵۹-۲۲۰ لگنیکا، لهستان همکاری می‌کند، با ایمیل: m.zipp@10g.pl در ارتباط است.

شناسه منبع و منتشرکننده:

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۹۶ NR ۱۰/۲۰۲۰. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۰.۱۰.۱۵

این مقاله به‌وسیله PQBlog منتشر شده است.

مهندس برق

جهت مطالعه بیشتر، لطفاً ادامه دهید.

پرسش‌های متداول

جریان نشتی چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

جریان نشتی به جریان‌های الکتریکی گفته می‌شود که از عایق‌ها نشتی پیدا می‌کنند و می‌توان با استفاده از سیستم‌های اندازه‌گیری خاصی تعیین کرد.

چرا کیفیت توان اهمیت دارد؟

کیفیت توان تأثیر مستقیم بر عملکرد تجهیزات برقی و سیستم‌های صنعتی دارد و می‌تواند باعث کاهش عمر مفید تجهیزات شود.

فیلترهای هارمونیک چگونه به بهبود کیفیت توان کمک می‌کنند؟

فیلترهای هارمونیک با حذف یا کاهش هارمونیک‌های غیرخواسته در سیگنال‌های الکتریکی، به بهبود کیفیت توان کمک می‌کنند.

آیا عایق‌های سیلیکونی بهتر از سرامیکی هستند؟

بسته به شرایط محیطی و نیازهای خاص، عایق‌های سیلیکونی می‌توانند مزایای بیشتری نسبت به سرامیکی داشته باشند، به ویژه در شرایط مرطوب.

منبع: powerquality.blog