تحقیق مقاله مقره ها وایزولاسیون

مقدمه:

از آغاز پیدایش صنعت برق ،  نیاز به تجهیزاتی که بتوانند نقش عایقی و جداسازی قسمتهای تحت ولتاژ‍ از سایر قسمت ها را داشته باشند وجود داشته و تحقیقات در این زمینه نیز همچنان ادامه دارد.اولین عنصری که به عنوان مقره مطرح گردید چوب خشک بود ولی بعلت اینکه پس از خیس شدن تا اندازه ای خاصیت عایقی خود را از دست میداد کنار گذاشته شد. پس از چوب استفاده از مصنوعات کلی وسرامیک مورد مطالعه قرار گرفت وامروز بطور گسترده از شیشه و چینی وپلاستیک در ساخت مقره ها استفاده می شود.

در خطوط انتقال نیرو نیز لازم است هادیهای تحت ولتاژ بنحوی از برجها ایزوله شوند که مقره ها عامل اصلی جداسازی هادیها از پایه ها وزمین می باشد و برای اینکه بتوانند وظایف خود را که در حقیقت تامین فاصله مناسب می باشد به خوبی انجام دهند باید دارای خواص کلی زیر باشند :

(1) خاصیت عایقی مناسب

(2) مقاومت مکانیکی کافی

(3) تحمل الکتریکی در مقابل اضافه ولتاژ ها

(4) مقاومت الکتریکی بالا در جهت کاهش نشت جریان الکتریکی

(5) مقاوم در مقابل تغییرات درجه حرارت محیط

مسلما هرچه مقاومت الکتریکی و مکانیکی مقره ها بیشتر باشد،تحمل آنها در مقابل اضافه ولتاژها یا اضافه بارهای مکانیکی افزایش می یابد ،علاوه بر آن پایین بودن درجه عایقی مقره ها احتمال بروز جرقه بین هادیها با برجها را از طریق زنجیره مقرهها افزایش میدهد.که این امر سبب تخریب آنها میگردد که درمجموع کاهش قابلیت برق رسانی و در نتیجه خروج خطوط انتقال نیرو را بهمراه خواهد داشت.

ایزولاسیون و مقره ها :

برای اتصال هادی های خطوط انتقال به دکل ها که دارای ولتاژ های زیادی نسبت به بدنه ی دکل و نسبت به یکدیگر می باشند،از وسایل مجزا کننده استفاده میشود.این جدا کننده ها که عموما به صورت مقره در خطوط انتقال بکار می روند ، عموما دارای دو وظیفه ی مهم می باشند:

یکی وظیفه ی مکانیکی آنها است بطوری که باید دارای استقامت مکانیکی خوب بوده  و قادر باشند بارهای مکانیکی راتحت شرایط متحمل از قبیل برف ،باد ، باران ، و غیره بخوبی تحمل نمایند.

دیگری وظیفه ی الکتریکی آنها است بطوری که باید دارای خواص غایقی خوب بوده و بتوانند هادی های دارای ولتاژ را بخوبی از دکل و از یکدیگر ازنظر الکتریکی جدا نمایند و علاوه بر تحمل ولتاژ کار خط ، در مقابل ولتاژ های ضربه ای ناشی از رعد و برق و قطع و وصل کلید ها و غیره که بعدا توضیح داده خواهد شد بخوبی مقاومت کنند.

در ضمن جریان نشتی مقره ها که ممکن است در اثر تخلیه ی کرونا ، تلفات دی

الکتریکی یاعایقی مواد داخلی مقره و جریان نشتی سطحی مقره به وجود اید باید حتیالامکان ناچیز باشد .

شکست ولتاژ اعمال شده روی مقره ممکن است به دلیل تخلیه ی الکتریکی در هوای اطراف مقره ، تخلیه ی الکتریکی سطحی از طریق گرد و غبار وآلودگی های روی سطح مقره ویا تخلیه ی الکتریکی ازداخل خود مقره صورت پذیرد که در حالت اخیر منجر به خرابی مقره می گردد .

اغراق نیست اگر بگوییم که ضریب اطمینان سیستم های قدرت بستگی به کیفیت و

ضریب اطمینان ایزولاتورها دارد و از آن جایی که ولتاژ انتقال و ظرفیت انتقال روز به روز در حال افزایش است میتوان گفت که نقش ایزولاتورها و مقره ها روز به روز مهمتر خواهد شد و همچنین نیاز برخورداری از تحمل مکانیکی بیشتر درآینده توام با خاصیت الکتریکی مناسب مسئولیت سنگینی را از هم اکنون بردوش مهندسان مواد گذاشته است به لحاظ اهمیت نقش ایزولاتورها ومواد تشکیل دهنده ی آنها در خطوط انتقال در اینجا به تشریح آنها می پردازیم.

1)     مواد تشکیل دهنده عایقها و مقره ها  

مواد مختلفی وجود دارند که بعنوان عایق الکتریکی در ساخت مقره ها به کار میروند. این مواد عموما بدوگروه سرامیکی و غیرسرامیکی (پلاستیک)می توانند تقسیم گردند . گروه سرامیکی که ازاهمیت بیشتری برخوردار می باشد خود انواع مختلفی را شامل می شود که عمده ی آنها بخصوص برای خطوط انتقال ، شامل پرسلین و شیشه می باشند.با این حال امروزه پرسلین به عنوان بهترین این مواد ازنقطه نظر استقامت الکتریکی ومکانیکی ، استقامت تحت شرایط جوی مختلف ، ضریب اطمینان بالا و غیره ، موردقبول صاحب نظراندر سراسر جهان می باشد و به عنوان بهترین ماده برای ساخت مقره ها شناخته شده است .

در این جا به دلیل اهمیت به تشریح این دو ماده می پردازیم :

1-1)    پرسلین

این ماده مخلوطی است از رس و کائولین یا سیلیکات هیدراته و کوارتز ، فلدسپات

یا سیلیکو آلومینات سوداو پتاس. در ساختمان بعضی ازپرسیلینهای مخصوص ممکن  است اکسیدهای بخصوص شامل تیتان و زیرکونیم نیز موجود باشد درصد کوارتزچیزی در حدود25%و درصد فلدسپات یا سیلیکو آلومینات سود و پتاس نیز در همین حدودمی باشد و خواص الکتریکی و مکانیکی آن تابعی از درصد مواد تشکیل دهنده ی آن می باشد. این مواد را پس از آرد کردن خوب مخلوط کرده و به  شکل مطلوب درآورده و درکوره باحرارتی در حدود 1300 درجه می پزند .

پرسلین دارای خاصیت عایقی بسیار خوب و قوی بوده و گرادیان ولتاژی که باعثخرابی آن می گردد در حدود mm / kv30 - 15  می باشد ودر مقابل ولتاژ ضربه تا  49mm/kv تحمل دارد.  مقاومت مخصوص آن زیاد و در حدود  mCΩ  ٩٤ 10×3 است که در نتیجه جریاننشتی آن ناچیز می باشد .ثابت دی الکتریک پرسلین 6.5- 4 =εمی باشد  . مقاومت مکانیکی آن درحدود در مقابل فشار حدود٢mm/kg 50 است و در مقابل کشش تا حدود0.1 مقدار فوق مقاومت از خود نشان می دهد . با ازدیاد درصد کوارتز مقاومت مکانیکی آن افزایش می یابد و افزایش درصد رس آن، اثرات درجه حرارت را بر روی آن کاهش می دهد. پرسلین براحتی لعابدار می شود و این کار مقاومتش را در مقابل ترک خوردن و

یا لبپریدگی زیادمی کند و براحتی تمیز می شود . از طرفی هدایت لعاب سطح آن باعث توزیع یکنواخت ولتاژ در سراسر طول رشته ی مقره می گردد مرور زمان و تغییرات شرایط جوی در دراز مدت ممکن است باعث آشکار شدن خلل و فرج و خرابی این مقره بشود . این نوع مقره در مقابل ضربه، معمولا ترک بر می دارد یا دارای لب پریدگی می شود ولی کاملا خورد نمی شود .

از معایب پرسلین این است که چنانچه تحت اثر موج ولتاژی ، تخلیه ی الکتریکی در داخل آن صورت گیرد موجب ایجاد کانال بسیار باریک و غیر قابل دیدن می گردد که سبب کاهش خاصیت عایقی آن می شود .

پرسلین خود شامل چهار نوع عمده می باشد که عبارتند از :

الف) پرسلین معمولی یا پرسلین فلدسپات ، که استقامت مکانیکی آن در مقابل خمش  در حدود ٢Cm / kg1000-600می باشد .

  ب) پرسلین آلومنیومی که بمنظور افزایش استقامت مکانیکی به جای پرسلین معمو لی به کار می رود.استقامت مکانیکی آن در مقابل خمش تقریبا دو برابرپرسلین معمولی و برابر با ٢ Cm/ kg 1700-1000می باشد . 

ج) پرسلین کریستوبالایت که از مزایای آن یکنواختی بهتر جنس آن و قابلیت بهتر

کار با آن می باشد این پرسلین اولین بار توسط ژاپنیها ساخته شده است .

د) پرسلین کریستوبالایت آلومنیومی که جدیدترین نوع پرسلین بوده و دارای مزایای پرسلین کریستوبالایت از جمله یکنواختی و قابلیت بهترگار با آن و نیز دارای مزایایپرسلین آلومنیومییعنی استقامت مکانیکی خوب می باشد

1-2)    شیشه    

شیشه مخلوطی از سیلیس ( ٢SiOدر حدود 70%) اکسید سدیم (O ٢ Na)،اکسید کلسیم و منیزیم (МgOوCaO) می باشد که در حدود 1400درجه حرارت ذوب و پخته می شودخنک شدن شیشه پس از پختن ممکن است به دو صورت کند و تدریجی ویا خنک شدن ناگهانی به کمک دمیدن هوا باشد ،  که در صورت اخیر سطح خارجی شیشه زود سرد و سخت شود ، در حالی که قسمت داخلی آن هنوز حرارت خود را دارااست . در نتیجه پس از خنک شدن تدریجی قسمت داخلی آن تحت کشش وقسمت خارجی وسطح شیشه تحت فشار قرار خواهد داشت .

استقامت الکتریکی شیشه در حالت معمولی بهتر از پرسلین و در حدود mm/kv 120-60 بوده و در مقابل ولتاژ ضربه استقامت آنmm/kv 195می باشد . خواص آن تقریبا مشابه پرسلین است . مقاومت مخصوص آن در حدود Cm.Ω  10١٩- 10١٠ بوده و با افزایش درجه حرارت مقدار آن کاهش می یابد ، بطوری که در حرارتهای بالاتر از 1100  درجه سانتیگراد به مقداری کمتر از Cm.Ω 10 می رسد ، ثابت دی الکتریک شیشه به مقدار 10-5.5 = ε میباشد .