تحقیق در مورد استقامت عایقی تجهیزات

تحقیق در مورد استقامت عایقی تجهیزات

مقدمه:

عایقها عناصر ایده‌آلی نبوده و هر عایق بدلایل مختلف تا حد هادی جریان الکتریسیته می باشد. با افزایش شدت میدان الکتریکی ( از طریق افزایش ولتاژ) به ذرات باردار عایق نیروی بیشتری دارد میشود. با افزایش سرعت این ذرات، انرژی جنبشی آنها نیز افزایش می یابد. در صورتیکه هنگام برخورد ، انرژی جنبشی آنها از اختلاف پتانسیل یونیزاسیون مولکولها ی عایق بیشتر باشد موفق به یونیزاسیون مولکولها خواهند شد. چنانچه این پدیده بصورت زنجیری گسترش یابد. بهم الکترونی حاصل باعث شکست عایقی شده و عایق نظیر هادیها خاصیت هدایت می یابد.

شکست الکترونی در یک عایق همیشه در ولتاژ ثابتی صورت نمی‌گیرد. در واقع این پدیده یک فرآیند تصادفی بوده و به پارامترهای متعددی بستگی دارد از جمله:

الف : دامنه، شکل موج، مدت اثر، لحظه اعمال، پلاریته، سرعت و توزیع میدان الکتریکی

ب : حالت فیزیکی عایق

ج : شرایط محیطی ( دما، فشار هوا، رطوبت، آلودگی و...)

کیفیت توزیع میدان الکتریکی در پدیده شکست عایقی دارای اهمیت زیادی است. شکل با آرایش الکترودها(شکل الکترود و فاصله آنها) مشخص می شود. در یک پست فشار قوی تنوع زیادی از نظر آرایش الکترودی وجود دارد.

عایق های خارجی و داخلی ( External & internal insulation)

عایقها از نظر شدت تاثیرشان نسبت به شرایط محیطی و عوامل خارجی نظیر رطوبت، دما و آلودگی به دو دسته عایق های خارجی و داخلی تقسیم می شوند. عایقهای خارجی به فواصل هوائی و سطوح مجاور هوای آزاد در عایقهای جامد اطلاق می شود. این عایقها تحت تاثیر شرایط جوی و سایر عوامل خارجی(نظیر رطوبت، دما و حشرات و... ) قرار دارند. از طرف دیگر به بخشهای داخلی (جامد، مایع و گاز) عایق بندی تجهیزات که از مواد فوق متاثر میشوند عایق های داخلی اطلاق می شود.

عایق های بازگشت پذیر و بازگشت ناپذیر

از دیدگاه تاثیر پذیری عایقها از شکست الکتریکی میتوان آنها را به دو طبقه عایقهای بازگشت پذیر و بازگشت ناپذیر تقسیم نمود.

عایقهای بازگشت پذیر غالبا از نوع خارجی بوده و قادرند پس از یک شکست الکتریکی مجددا به استقامت الکتریکی اولیه دست یابند. در حال حاضر روش آماری هماهنگی عایقی تنها برای عایقهای بازگشت پذیر که منحنی چگالی احتمال شکست آنها را میتوان بدست آورد قابل استفاده است.

عایقهای بازگشت ناپذیر غالبا از نوع عایقهای داخلی بوده و معمولا از ترکیب دو یا چند عایق مختلف (گاز، مایع، جامد) تشکیل میگردد (کابلهای سیم پیچی ماشین های الکتریکی، بوئینگ ها و پست های G I S). این عایق ها هیچگاه نباید تحت ولتاژهائی که منجر به شکست الکتریکی می شوند قرار گیرند لذا برای این نوع عایقها روش مرصوم هماهنگی عایق همچنان معتبراست.

اثر شرایط محیطی بر استقامت الکتریکی عایقها

روشن است که عایقهای داخلی متاثر از شرایط محیطی نظیر رطوبت، فشار، آلودگی ودرجه حرارت نبوده و لذا استقامت الکتریکی آنها را میتوان برای شرایط مختلف آب وهوائی فرض نمود. برعکس عایقهای داخلی، عایقهای خارجی از شرایط آب و هوائی تاثیر می پذیرند بطوریکه

-    استقامت الکتریکی عایق با افزایش چگالی هوا( کاهش دما، کاهش ارتفاع از سطح دریا، افزایش فشار هوا) بعلت کاهش ذرات، افزایش می یابد.

-    استقامت الکتریکی عایق با افزایش رطوبت هوا، بدلیل جذب شدن بارهای حامل توسط ذرات آب، افزایش می یابد.

-    آلودگیها که به دو صورت آلودگی ناشی از نمک ها وآلودگی ناشی از خاکسترهای صنعتی ظاهر می شوند باعث کاهش استقامت عایقی سطوح خارجی در ولتاژهای با فرکانس شبکه میگردند.( عامل تعیین کننده در فاصله خزندگی creepage مقره، میزان آلودگی منطقه است شرایط آب و هوایی طبق IEC بصورت زیر تعریف می 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 آلودگی به چهار دسته کم اهمیت، سبک، سنگین وخیلی سنگین تقسیم نموده است، ومتناظر هریک فاصله خزندگی مناسبی بر حسب cm/kv  _pt-ph پیشنهاد نموده است.

تعیین استقامت الکتریکی عایقها

استقامت الکتریکی عایقها در آزمایشاتی که insulation test نامیده می شوند اثبات می گردد. مطابق استاندارد IEC، استقامت الکتریکی عایقها با استقامت آنها در برابر سه طبقه ولتاژ زیر سنجیده می شود.

الف: استقامت عایقی در برابر ولتاژهای عادی کار و اضافه ولتاژهای با فرکانس شبکه توسط آزمون ولتاژ فرکانس شبکه (یک دقیقه)

Power – frequency withstand level/PEWL

ب: استقامت عایقی در برابر امواج صاعقه و امواج با شیب تند توسط آزمون با موج صاعقه استاندارد

Lightning impulse withstand level/LIWL

ج: استقامت عایقی در برابر امواج کلید زنی توسط آزمون موج استاندارد کلید زنی

Switching impulse withstand level/SIWL

اصول هماهنگی عایق

بزرگی سطوح اضافه ولتاژها علی الخصوص در سیستمهای با ولتاژ بالا موجب میشود که نتوانیم با صرف یک هزینه معقول بری ایزولاسیون سیستم به درجه اطمینان قابل قبول در تداوم بار دست یابیم. در اینجاست که لزوم وجود وجه سوم در مثلث هماهنگی عایقی احساس می شود و آن وسایل وتجهیزات محدود کننده اضافه ولتاژها(فواصل هوایی و برقگیرها) است.

از این طریق می توان هزینه های مربوط به ایزولاسیون سیستم را به یک حد قابل قبول از نظر اقتصادی تقلیل داده و به درجه اطمینان مناسبی دست یافت. برای این کار کافی است سطوح استقامت الکتریکی تجهیزات با در نظر گرفتن یک حاشیه امنیتی بالاتر از سطوح حفاظتی تجهیزات حفاظت کننده قرار گیرند. به همین دلیل برای تجهیزات حفاظت کننده نیز سطوح حفاظتی گوناگونی تعریف میشود.( سطح حفاظتی در برابر امواج صاعقه و امواج با شیب تند L I P L سطح حفاظتی در برابر امواج کلید زنی SIPL)

سطوح عایق استاندارد

استاندارد IEC با توجه به اهمیت و ارزش نسبی اضافه ولتاژها و نیز جهت تنوع زدائی در طرح ایزولاسیون ، سیستمهای ولتاژی را به رده ولتاژی A و B و C تقسیم نموده است.

رده ولتاژی A: X₁kv<um<52kv

رده ولتاژی B: 52kv<um<300kv

رده ولتاژی C:

 بطور کلی بعلت وجود تاخیر زمانی در فرآیند شکست، استقامت الکتریکی عایق‌ها در برابر امواج صاعقه نسبت به امواج کلیدزنی بیشتر است. در هر یک از رده های ولتاژی فوق سطوح عایقی استاندارد به تناسب اهمیت و ارزش تنشهای ولتاژی، کیفیت استقامت عایقی ایزولاسیون و مشخصه وسایل حفاظت کننده تعیین شده‌‌اند. بطوریکه در رده ولتاژی A، اضافه ولتاژهای موقتی یا ولتاژ کار تعیین می شود.

در رده ولتاژی B نیز اضافه ولتاژهای کلیدزنی که در سیستم ظاهر می‌شوند چندان بزرگ نبوده و هماهنگی عایقی در سیستم بر اساس LIWL تجهیزات و LIPL برقگیر انجام می شود.

در رده ولتاژی C اضافه ولتاژهای کلید زنی آنقدر بزرگ هستند که در تعیین استقامت عایقی تجهیزات نقش اصلی را به عهده دارند. LIWL در این رده ولتاژی در درجه دوم اهمیت قرار دارد.در این رده هماهنگی عایقی با توجه به SIWL و LIWL و سطوح حفاظتی برقگیر در برابر دو نوع موج LIPL و SIPL انجام میشود. هرچه ولتاژ سیستم افزایش یابد جنبه اقتصادی در تعیین سطوح ایزولاسیون اهمیت بیشتری می یابد.

روشهای انجام هماهنگی عایق

هماهنگی عایق در یک سیستم قدرت به دو روش ممکن است انجام شود. روش مرسوم و روش آماری، به علت هزینه های نه چندان بالا در ایزولاسیون رده های ولتاژی A و E، بیشتر از روش مرسوم استفاده میشود. در حالیکه هزینه های سنگین ایزولاسیون در رده ولتاژی C، روش آماری را یک روش اقتصادی تر برای محاسبه سطح ایزولاسیون میسازد. برای بررسی هماهنگی عایقی شبکه، برق آذربایجان که در دو سطح ولتاژی 132 و 230 کیلوولت انجام گرفته است با توجه به این نکات ذکر شده در بالا از روش مرسوم هماهنگی عایقی استفاده شده است.

روش مرسوم هماهنگی عایقی (Conventional methoc)

اساسا روش مرسوم به این صورت  است که ابتدا حداکثر اضافه ولتاژهایی که در سیستم ممکن است ظاهر شوند را محاسبه کرده و یا تخمین می زنند. سپس با در نظر گرفتن یک حاشیه ایمنی حداقل استقامت عایقی (PFWL LIWL) تجهیزات را بدست می آورند.

این برای وضعیتی است که نخواهیم از تجهیزات حفاظت کننده ای نظیربرقگیر استفاده کنیم. در غیر این صورت اگر برقگیری بکار رفته باشد سطوح حفاظتی برقگیر به ازای اضافه ولتاژهای احتمالی ملاک عمل برای محاسبه استقامت عایقی تجهیزات خواهد بود(با منظور کردن حاشیه ایمنی)

باید توجه داشت که درحالت کلی اضافه ولتاژظاهر شده در ترمینالهای وسیله، تحت حفاظت برقگیر بیش از سطوح حفاظتی برقگیر است. در عامل این مساله دخالت دارند.

-    پدیده انعکاس موج در حد فاصل برقگیر و موضوع تحت حفاظت مثلا ظهوراین پدیده را با توجه به وجود فاصله نسبتا زیاد بین برقگیر فیدرهای 230کیلوولت و ترانسفورماتور پست سردرود در فصل آینده بوضوح خواهیم دید.

-         افت ولتاژدر هادیهایی که برقگیر را به سیم فاز و شبکه زمین پست وصل می کننند.

جهت کاهش اثرات این پدیده توصیه می شود تا حد امکان، طول هادی‌های برقگیر و فاصله برقگیر موضوع تحت حفاظت کاهش یابد.

افت ولتاژ در هادیهای برقگیر

هادی برقگیر به مجموع هادیهایی که برقگیر را به سیم فاز و شبکه زمین وصل میکنند اطلاق می شود. هر چه شیب موج جریان تندتر باشد افت روی اندوکتانس این هادی بیشتر و مهمتر خواهد شد در محاسبات عملی اندوکنتاکس هادی برقگیر - و شیب جریان تخلیه فرض میشوند.

با این مفروضات افت ولتاژ در هر فوت هادی برقگیر د راثر عبور جریان تخلیه برابر خواهد بود با:

این افت ولتاژ باید در تعیین سطح حفاظتی برقگیر درنظر گرفته شود.

فاصله حفاظی برقگیر (Protection distance)

چنانچه فاصله ای میان برقگیر و موضوع تحت حفاظت وجود داشته باشد موج ورودی در حد فاصل برقگیر و موضوع منعکس شده و موجب افزایش تنشهای ولتاژی موضوع از سطح حفاظتی برقگیر خواهد شد.

هرچه شیب موج ورودی تندتر و فاصله برقگیر و موضوع بزرگتر باشد ولتاژ ظاهر شده در ترمینالهای موضوع بیشتر خواهد بود.چنانچه فقط انعکاس نخست را درنظر بگیریم میتوانیم توسط رابط زیر ولتاژ ظاهر شده در ترمینالهای موضوع را تخمین بزنیم.

Ures= ولتاژ تخلیه برقگیر                  kv(peak)

S     = شیب موج ولتاژ ورودی             kv /Me

L     = فاصله بین برقگیر و موضوع تحت حفاظت( شامل طول برقگیر و هادیهای آن)

V     = سرعت سیر موج   برای خطوط هوایی 300m/_ms

برای سیستم کابلی    150m/_ms

با معلوم بودن مقادیر S و LوV و Ures میتوان اضافه ولتاژی که در ترمینالهای موضوع ظاهر می شود را تخمین زده و براساس آن استقامت الکتریکی موضوع را تعیین نمود.

مثلا اگر فرض کنیم یک ترانسفورموتور 132 کیلوولت با EIL برابر 650 کیلوولت توسط برقگیری با ولتاژ نامی 120 کیلوولت و ولتاژ تخلیه 276 کیلوولت حفاظت شده و فاصله برقگیر از ترانسفورموتور 25 مترباشد.

V  = 300m/_ms

S  = 1000 kv/_ms

V₁ = 276 kv

لذا ولتاژ ترانسفورماتور برابر 443 کیلو ولت خواهد بود.

چنانچه سطح استقامت عایقی لازم غیر قابل قبول باشد باید سعی کنیم اضافه ولتاژ ظاهر شده در ترمینالهای موضوع را کاهش دهیم( کاهش ures از طریق انتخاب یک برقگیر با مشخصات بهتر، کاهش فاصله L و یا کاهش شیبS)

روش‌های آماری هماهنگی عایقی (Statistical method)

مطابق این روش خصوصیات آماری اضافه ولتاژها و استقامت عایقی تجهیزات مورد بررسی قرار می گیرند که اصولا برای ولتاژهای بیشتر از 300 کیلو ولت کاربرد دارد. در شرایطی که توسط آمار این موضوع بررسی میشود باید میزان خطا دقیقا محاسبه گردد. مقدار خطا را توسط منحنی های احتمال شکست عایقی و منحنی توزیع ولتاژ مطابق شکل زیر بدست آورید.

در این منحنی

F : منحنی توزیع ولتاژ

P : منحنی احتمال شکست

U : ولتاژ تست

R : مقدار خطا

همانطور که بیان شد در کلیه شرایط سعی خواهد شد که مقدار خطا را به حداقل کاهش دهند.

بنابراین جهت کاهش مقدارR یا باید سطح پایداری تجهیزات را بالا برد یعنی منحنی p را به سمت راست حرکت داد و یا اینکه اضافه ولتاژهای اعمالی به تجهیزات را حتی الامکان کم نمود.

با توجه به مطالب بالا عملا محاسبات و آزمایشات زیادی لازم است تا مقدارR را تعیین نمود زیرا لازم است که منحنی f وp توسط آزمایش بدست آید و برای بدست آوردن جزئیات امر شاید لازم باشد که حتی محل نصب و محل قرار گرفتن تجهیزات نیز دقیقا بررسی و تعیین شود. از مسائلی که باید بررسی شود شکل موج اعمال شده، حداکثر پیک ولتاژ، زمان اعمال ولتاژ و غیره می باشد که بطورکامل غیر ممکن است که کلیه موارد فوق را تست وبررسی کرد. بهمین دلیل سعی میشود از آمار واحتمالات کمک گرفت و با کمک آن مقدار را محاسبه کرد.

برای سادگی عملا در استاندارد IEC، منحنی های فوق را ساده نموده و در این منحنی سعی شده که احتمال وقوع اضافه ولتاژ را تنها با یک نقطه نشان دهند و تنها نقطه ای که بسیار مهم می باشد نقطه 2% روی منحنی است که احتمال وقوع اضافه ولتاژهای با احتمال حدود 2% است که آن را اضافه ولتاژ آماری نامیده و طوری خطا را انتخای می کنند که اضافه ولتاژ حدود 2% باقی بماند.

انتخاب منحنی پایداری تجهیزات در برابر اضافه ولتاژهای ضربه ای نیز اصولا 90% پایداری و 10% احتمال شکست الکتریکی انتخاب می گردد.

این ولتاژ که احتمال شکست 10% است را ولتاژ حد پایداری آماری می گویند. این ولتاژ به ولتاژی که از طریق تست و روشهای آزمایشگاهی محاسبه وبدست می آید نزدیک است. بنابراین درحالت تست و آزمایشگاهی نیز همان مقدار ولتاژ را می توان انتخاب نموده و مقدار R را محاسبه کرد.

به هرجهت نسبت بین ولتاژ حد پایداری آماری با احتمال مرجع 90% به اضافه ولتاژ آماری را ضریب اطمینان آماری گویند.

رابطه بین احتمال خطا و ضریب اطمینان آماری بصورت منحنی توزیع گوسن می باشد.

ولی عملا مقدار R نمی تواند خیلی زیاد باشدو یا اعداد مختلفی را دارا باشد. بهمین دلیل سعی میشود بصورت معادل و معدل کل منحنی ها نشان داده شود که بصورت یک خط مشخص شده است.

هرچه ضریب ایمنی آماری بزرگتر باشد و یا به عبارت دیگر هرچه سطح استقامت عایقی بزرگتر و یا سطح اضافه ولتاژهای سیستم محدودتر باشدمنحنی ها از هم بیشتر فاصله میگیرند به این ترتیب R (سطح زیرمنحنی مشترک) که معرف احتمال شکست عایقی است کاهش می یابد.

بنابراین با مفروضات فوق رابطه مشخصی میان ضریب ایمنی و احتمال شکست عایقی R وجود دارد.برطبق روش آماری با معلوم بودن مقادیر 6T، 6S ، Us و با انتخاب یک احتمال منحنی شکست درعایق ضرایب ایمنی را بدست می آید.

به این ترتیب می‌توان مطابق رابطه  حداقل استقامت آماری را بدست آورد.

تحقیقات دانشجویی – پروژه های دانشجویی – تهیه مقالات به زبان انگلیسی و فارسی – ترجمه متون انگلیسی – کتاب های آموزش نرم افزار – تایپ – انجام پروژه در پاور پوینت و غیره