بخشی از مقاله
حل معادلات برای مکان یابی منشاء تخلیه جزئی در روغن معدنی ترانسفورماتور با استفاده از تکنیک های گسیل سیگنال اکوستیک و الگوریتم ژنتیک
چکیده:
تخلیه جزیی نوعی تخلیه الکتریکی ناقص است که بخاطر افزایش شدت میدان الکتریکی فراتر از میزان تحمیلی عایقی در یک ناحیه محدود از ساختار عایقی و به دلیل وجود ناخالصی یا عدم یکنواختی عایق صورت می پذیرد. در وسایل و ادوات فشار قوی ترانسفورماتورهای قدرت، وقوع این پدیده باعث کم شدن عمر عایقی ترانش و در نهایت شکست الکتریکی در تجهیز می گردد. آنچه ذکر شد بخشی از پاسخ به این سوال است که چرا آشکار سازی تخلیه جزیی را در سیستم های قدرت انجام می دهیم.
در واقع این امر برای مانیتورینگ میزان سلامتی تجهیز انجام می شود و اگر این پدیده آشکار سازی نشود و در پی آن رفع مشکل صورت نپذیرد، در نتیجه دامنه و فرکانس PD تا جایی افزایش پیدا کند که در نهایت منجر به خرابی در ترانس قدرت می شود. در برخی مواقع شدت این خرابی تا حدی است که باعث وارد شدن آسیب به تجهیزات خارجی، آتش گرفتن و یا کم شدن بازدهی آن و همچنین قطع بی برنامه و طولانی مدت برق و انتقال توان در شبکه قدرت می شود.
قابلیت آشکار سازی PD به صورت آنلاین یکی از نیازهای ضروری هر کمپانی است که از ترانس قدرت استفاده می نماید تا در مرحله نخست سلامتی و ایمنی پرسنل خود را ارتفاع بخشد و در مراحل بعدی نیز استفاده می نماید تا در مورد کاهش تلفات توان و سرویس دهی بهتر قدم برداشته باشد.
پدید PD در انواع سیگنال های فیزیکی قابل مشاهدات و شامل پاس های الکتریکی و آکوستیکی می شود. این پدیده معمولا توسط مجموعه ایی از تکنیک های اندازه گیری خارجی آشکار سازی می شود. این تکنیک ها شامل استفاده از سوق دهی الکتریکی و مبدل پیزو الکتریک (PZT) بر مبنای آشکار سازی آکوستیکی می باشند. بسیاری از سیستم های مدرن در حال حاضر ترکیبی از دو آشکار سازی رایج را استفاده می کنند چرا که آشکار سازی الکتریکی روش قدیمی و تکنولوژی تثبیت شده را دارا بوده و همچنین آشکار سازی آکوستیکی مزیت نصب سنسور در خارج از مخزن ترانس را دارا می باشد. این روش بدون اینکه مشکلی را برای ترانس ایجاد کند می تواند آشکار سازی تخلیه جزیی را انجام دهد.
البته اگر بتوان سنسورهای آکوستیکی را در داخل ترانس نصب نمود نه تنها مزیت آشکار سازی بهتری را بخاطر افزایش دامنه سیگنال آکوستیک خواهیم داشت بلکه مزیت عدم تداخل و حذف مسیرهای چند گانه پیش روی سیگنال آکوستیک را نیز بدان اضافه خواهیم نمود. در این صورت مکان یابی PD نیز در زمان کوتاه تر و با دقت بیشتری همراه خواهد بود.
در این پایان نامه سنسور نیز آکوستیک نوری را معرفی می کنیم که می تواند منشاء PD را با قابلیت قرار گیری در داخل مخزن ترانس آشکار سازی می نماید. این سنسور ویژه می تواند ناملایمات محیطی داخل ترانس را بدون ایجاد و خدشه در عملکرد خود تحمل نموده و به صورت آنلاین در ترانس وظیفه دریافت سیگنال آکوستیک را انجام دهند همچنین این پایان نامه به معرفی آزمایشات و عملیاتی که به جهت معتبر سازی سیستم آشکار سازی و مکان یابی PD توسط سنسورهای فیبر نوری می پردازد. البته لازم بذکر است که آزمایشات عمل تصویر شده در این رساله از مرجع [7] فصل اول برداشته شده است.
مهمتر از همه در این رساله به معرفی سیستم مکان یابی PD با در نظر گیری و ملاحظات تاخیر زمانی دریافت سیگنال آکوستیک (TDOA) می پردازیم. این سیستم که توسط سنسورهای آکوستیک فیبر نوری مورد آزمایش تجربی قرار گرفته شده قادر به شناسایی مکان PD و مانیتور آن در فضای سه بعدی با دقت اندازه گیری را در راستای هر محور می باشد.
مقدمه:
تخلیه جزئی چیست؟ در ابتدا اجازه دهید از تعریفی که استاندارد بین المللی در این رابطه ارائه کرده استفاده کنیم: تخلیه جزیی (PD)، یک نوع تخلیه الکتریکی متمرکز شده ایی است که فقط پل های الکتریکی جزئی را در میان الکترودهای رسانا به وجود می آورد و ممکن است مجاور های باشد و یا نباشد.
در ادامه تعریف تخلیه جزیی قصه داریم تعریفی را که دکتر حسین محسنی استاد بر جسته دانشگاه تهران [2] ارائه نموده اند را معرفی کنیم، تعریف ایشان بدین شرح می باشد:
در موارد ی ممکن است شدت میدان الکتریکی در همه طول بین آندوکاتریک اندازه نباشد. یعنی ممکن است آندیاکاتد و یا نقطه ایی بین آنها، شدت میدان زیاد باشد و شرایط تخلیه در آن قسمت ها به وجود بیاید ولی در سایر قسمت ها به دلیل کمی شدت میدان الکتریکی شرایط لازم برای تخلیه کامل موجود نباشد. در این حالت تخلیه در قسمتی یا جزیی از طول عایق انجام می شود و شکست کامل عایق انجام نمی گیرد، به این نوع تخلیه، تخلیه جزیی یا کرونا می گویند.
در نهایت تعریف سوم که تعریف آفرنیز می باشد از دکترهای حسینی استاد راهنمای نگارنده نقل قول می گردد:
تخلیه جزیی نوعی تخلیه الکتریکی ناقص است که بخاطر افزایش شدت میدان الکتریکی فراتر از میزان تحملی عایق در یک ناحیه محدود از ساختار عایقی و بدلیل وجود ناخالصی و یا عدم یکنواختی عایق صورت می پذیرد.
هر سه تعریفی که در بالا ارائه شد همگی در کل در بر گیرنده نکاتی هستند که به تشریح آنها می پردازیم.
نکته اول: تخلیه جزئی عموماً نتیجه تمرکز تنش الکتریکی در یک نقطه خاص از عایق، در داخل و یا روی سطح آن است. معمولا چنین تخلیه هایی به شکل پالس هایی در طول بازه زمانی کمتر از یک میکرو ثانیه ظاهر می شوند. در اکثر مواقع شکل تخلیه موجود در دی الکتریک های گازی با اصطلاح به صورت تخلیه های بدون پالسی صورت می پذیرد. این نوع تخلیه به صورت معمولی، با روش های اندازه گیری معرفی شده در استاندارد IEC آشکار سازی نمی شود.
نکته دوم: کرونا شکلی از تخلیه جزئی است که در محیط های گازی پیرامون ها دیها اتفاق می افتد و در وقوع آنها در محیط های عایقی جامد و مایع بعید می باشد. پدیده کرونا را نبایستی بعنوان واژه عمومی برای این نوع تخلیه مورد استفاده قرار داد. برای توضیح بیشتر لازم است که تعریفی از این نوع پدیده داشته باشیم:
تخلیه های جزئی (PDS) ، تخلیه های الکتریکی متمرکز شده در داخل هر نوع سیستم عایق هستند که در هر تجهیز و یا دستگاه الکتریکی این پدیده رخ می دهد در کل PD ها در قسمتی از مواد دی الکتریک مورد استفاده در تجهیز محدود می شوند و فقط پل های رسانای جزیی از جریان را در بین الکترودهایی که ولتاژ به آنها اعمال شده را تشکیل می دهند. با این حال عایق می تواند شامل مواد جامد، مایع یا مواد گازی و یا ترکیبی از آنها باشد. واژه تخلیه جزئی شامل گروه گسترده ایی از پدیده های تخلیه می باشد:
1 ) تخلیه های الکتریکی داخلی در حباب های و یا حفره های بین دی الکتریک های جامد و یا مایع؛
2 ) تخلیه سطحی ظاهر شده در مرزهای مواد عایقی مختلف؛
3 ) تخلیه های از نوع کرونا که در دی الکتریک های گازی و در حضور میدانهای ناهمگن اتفاق می افتد.
4 ) بر خورد پیوسته تخلیه های موجود در دی الکتریک های جامد که کانالهای تخلیه را به وجود می آورند.
(پدیده درختی شدن، پدیده ترنیگ یا واتر ترینگ)
اهمیت تخلیه جزئی بخاطر تشخیص میزان عمر عایق و میزان سلامتی عایق است.
هر نوع حادثه تخلیه باعث تغییر شکل شیمیایی در مواد به وسیله برخورد انرژی دار یون های شتاب دار و یا الکترونهای با انرژی بالا می گردد. بسیاری از انواع تخلیه ها که در بالا به آنها اشاره شد در یک بازه زمانی محدود وابستگی شدید به نوع ولتاژ اعمالی و دامنه ولتاژ اعمالی دارند. همچنین بدیهی است که فرسایش عایقی به مواد مورد استفاده کیفیت تولید آن نیز وابسته است. تخلیه های از نوع کرونا در هوا هیچ دخالتی روی عمر متوسط خطوط هوای ندارند، اما PD ها در عمر عایقی دی الکتریک های از نوع ترموپلاستیک مثل PE تاثیر گذار هستند و می توانند باعث شکست عایقی در کمتر از چند روز بر روی عایق گردند. از این رو هدف نهایی بسیاری از تحقیقات بر روی تخلیه جزئی به عمر عایقی مواد مشخصی معطوف می گردد.
عموماً آشکار سازی و اندازه گیری تخلیه جزیی بر مبنای میزان تبادل انرژی در طول وقوع حادثه تخلیه جزئی می باشد که در زیر به تشریح آن می پردازیم:
1 ) جریان پالس های الکتریکی (بجزء چند استثناء مثل تخلیه های تابشی)
2 ) تلفات دی الکتریک؛
3 ) تابشی (نور)؛
4 ) گسیل سیگنال های آکوستیک (صوت)؛
5 ) افزایش فشار و نوع گاز؛
6 ) فعالیت های شیمیایی؛
همانطور که اشاره شد تکنیک های آشکار سازی تخلیه جزئی را می توان براساس مشاهده هر یک از پدیده های بالا بدست آورد اما در این بین آشکار سازی تخلیه جزئی توسط سیگنال های آکوستیک هم اکنون حجم بالایی از تحقیقات را در این مورد به خود اختصاص داده است مزیت آشکار سازی توسط سیگنال های آکوستیک بخاطر، آشکار سازی سریع و آنلاین و علاوه بر آن مکان یابی PD نیز می باشد که به این روش، تنهای روشی است که می توان موقعیت PD را نیز بدست آورد فلذا ما نیز در این پایان نامه بدلیل مزیت های بالای این روش نسبت به سایر روشها، مبنای تحقیق و بررسی را بر این اساس گذاشته و سعی بر آن داریم که یک طرح مبوط و کاملی را از آن ارائه نمائیم.
فصل اول:
آشنایی با تخلیه جزیی:
معرفی تخلیه جزیی:
بخش 1 . 1 ) نگاه اجمالی:
همانطور که قبلا گفته شد تخلیه جزیی، نوعی تخلیه الکتریکی ناقص است که بخاطر افزایش شدت میدان الکتریکی فراتر از میزان تحمیلی عایق در یک ناحیه محدود از ساختار عایقی و به دلیل وجود ناخالصی و یا عدم یکنواختی عایق صورت می پذیرد. این پدیده در ادوات قدرت مثل ترانسفورماتورها باعث بروز مشکلاتی از قبیل خرابی و یا از بین رفتن خاصیت عایقی در قسمتی از تجهیز می شود. وقتی که یک ترانسفورماتور ساخته می شود آشکار سازی PD می تواند به عنوان یک ابزار کار نشده برای تعیین کیفیت عایقی ترانس مورد استفاده قرار گیرد و همچنین وجود خطاهای ناشی از PD در ترانس پیش بینی کند.
در صورتی که این پدیده آشکار سازی نشود و رفع مشکل نگردد به مرور زمان و با توجه به وجود فشارهای مکانیکی و تنش های الکتریکی، آسیب عایقی پیشرفت کرده و ترانس را از کارکرد حالت زمان خود خارج می نماید و در نهایت منجر به خرابی بزرگ در ترانس می گردد. همین امر می تواند باعث کاهش بازدهی ترانس و قطع بی برنامه انتقال توان گردد. (1).
در واقع آشکار سازی PD در سیستم های فشار قوی مدرن برای مانیتورینگ میزان سلامتی ترانس در حین کارکرد می باشد. همچنین این آشکار سازی می تواند کمکی برای برنامه نگهداری و حفاظت از این تجهیز گرانقیمت محسوب گردد.
طرح اولیه آشکار سازی PD بر پایه تعریف مشخصه های الکتریکی که در بخش های بعدی همین فصل به آن می پردازیم و همچنین مشاهده مشخصه های آکوستیکی این پدیده استوار می باشد، سیستم های آشکار سازی آکوستیکی بسیار بهتر از سیستم های آشکار سازی الکتریکی در ترانس ها است چرا که علاوه بر آشکار سازی PD، میزان سیگنال های آکوستیکی در منشاء PD را توسط سنسورهای ویژه ای اندازه گیری نمود و تشخیص موقعیت PD را نیز انجام می دهد. [2].
در این نوع آشکار سازی اطلاعات موقعیت PD توسط نمایشگرها برای تشخیص محل خطا و کاهش زمان تعمیر و رفع عیب بسیار قابل ملاحظه می باشد.
مشکل اساسی آشکار سازی آکوستیکی قرار گرفتن سنسورهای مربوطه در خارج از مخزن ترانس می باشد.
مشکل اساسی آشکار سازی آکوستیکی قرار گرفتن سنسورهای مربوطه در خارج از مخزن ترانس می باشد متاسفانه تا کنون از طرف شرکت های سازنده ترانس فکر اساسی در این رابطه نشده و همچنین مشکل دوم این است که هنوز سندرهای پیشرفته ایی که بتوانند تحمل ناملایمات محیطی (چه از نظر الکتریکی و چه از نظر شیمیایی) داخل ترانس را داشته باشند به بازار ارائه نشده است.
این مسئله به این مشکل ساز است که بخاطر وجود سیرهای شامل مانع بین یک منشا PD و یک سنسور آکوستیک ممکن است دقت مکان یابی کاهش یافته و سیگنال های دریافتی هر سنسور دچار تداخل شوند. این تداخل از این جهت اهمیت دارد که باعث ایجاد اختلاف سرعت در مین عبور از روغن معدنی ترانس در مقایسه با عبور از سایر قسمت های فلزی ترانس می شود و همین امر اختلاف زمانی نا مطلوبی را در رسیدن سیگنال آکوستیکی PD به سنسور را ایجاد می کند. وقوع این مشکل در ترانس های قدرت (HVT) بارزتر بوده و در صورت قرار گیری سنسور در خارج از ترانس چون باعث بوجود آمدن مسیرهای غیر مستقیم و چند گانه در رسیدن سیگنال آکوستیک به یک سنسور می شود، اختلاف زمانی نا مطلوبی را ایجاد خواهند نمود.
اختلاف زمانی ناشی از عبور از جداره فلزی ترانس، همچنین باعث ایجاد اعوجاج و نویز و به طلبع آن ایجاد خطا در محاسبات TDOA را در پی خواهد داشت. بنابراین در صورتی که سنسورهای آکوستیک در داخل ترانس قرار گیرند یک مزیت بسیار بزرگی را برای محاسبه دقیق تر مکان PD ، خواهیم داشت [3]. بنابراین سنسور آکوستیکی که برای داخل ترانس طراحی شده در مکان یابی PD موثرتر و کاراتر از سنسوری خواهد بود که در خارج از مخزن ترانس کار گذاشته می شود.
فلزها در این حالت مکان PD را با اندازه گیری اختلاف زمانی ناشی از رسیدن سیگنالهای آکوستیک (TDOA) که در چندین نقطه ترانس کار گذاشته شده است بدست می آوریم. با توجه به رفتار سیگنالهای آکوستیک برای مکان یابی PD مجبوریم یک سیم با معادلات غیر خطی را حل کنیم. در فصل پنجم روش حل معادلات غیر خطی را بررسی خواهیم نمود و از روش رایج نیوتن – رافسون که در حل معادلات غیر خطی قدرت بسیار کاربرد دارد بهره خواهیم جست البته این بدان معنی نیست که روش نیوتن – رافسون بهترین روش حل معادلات غیر خطی است فلزها مقایسه ایی را نیز در همان فصل خواهیم داشت تا سرعت رسیدن به جواب و دقت دو روش پر کاربرد نیوتن – رافسون و الگوریتم ژنتیک را مورد بررسی قرار می دهیم که البته در آن فصل به تفصیل در این رابطه بحث خواهیم نمود.
متاسفانه هنوز فکر اساسی از طرف سازندگان ترانس در این باره نشده که امکان نصب سنسورهای ویژه را در داخل مخزن ترانس داشته باشیم. در این پایان نامه سنسورهای آکوستیک نوری را معرفی خواهیم کرد. این سنسورها دارای دو مزیت آشکار سازی سیگنلهای آکوستیک در داخل مخزن ترانس و همچنین قابلیت مکان یابی منشا PD را نیز دارد. یک سنسور آکوستیک فیبر نوری بر مبنای اندازه گیری سیگنال با تداخل سنجی نوع EFPI استوار است.
این سنسور از سیلیکون ساخته شده است و می تواند هم ناملایمات شیمیایی و هم تنش های الکتریکی داخل ترانس را تحمل کند. از ویژگی های دیگر این سنسور قابلیت تنظیم تغییر تابع کاری قطعه می باشد که به سنسور این امکان را می دهد در حین کارکرد آنلاین ترانس (HVT) داده های مربوطه را ثبت کند و بصورت مداوم برای مانیتور رینگ اطلاع دهی نماید. در این صورت نیازی به خارج کردن ترانس از حالت آنلاین به جهت یافتن مکان PD نیست. متاسفانه هم اکنون در کشور ما در اکثر مواقع از این روش غلط که همراه با ضرر دهی اقتصادی و ایجاد هزینه های اضافی است، استفاده می شود.
سیستم مکان یابی PD با استفاده از سنسورهای آکوستیک فیبر نوری نوع EFPI همچنین این قابلیت را دارد که از طریق کارگزاری چهار سنسور ، TDOA را اندازه گیری نماید و مکان PD را در موقعیت سه بعدی با دقت بالای فراهم سازد.
توسعه این روش بسیار حائز اهمیت می باشد چرا که روش های کنونی آشکار سازی PD و سیستم های مکان یابی توسط روشهای شیمیایی و الکتریکی نا کافی بوده و باید برای تهیه نتایج واقعی در یک بازه زمانی منطقی ، از روش آشکار سازی و مکان یابی آکوستیکی استفاده شود. با روشهای رایج شیمیایی و الکتریکی که در ادامه به شرح آنها خواهیم پرداخت، نمی توان مکان یابی PD را انجام داد و فقط در این دو روش آشکار سازی PD را در نهایت می توان بدست آورد. همین مسئله مزیت غیر قابل جایگزین استفاده از روش آشکار سازی آکوستیکی را نشان می دهد.
در این پایان نامه منابعی که از آنها استفاده شده ([2] [5])، دارای روش آشکار سازی بسیار پر حجم و مبتنی بر الگوریتم های محاسباتی پیچیده ایی می باشند. این الگوریتم ها حتی برای پیدا کردن تنها یک منبع PD ساعت ها وقت صرف می نمایند و همانطور که اشاره شد روش آشکار سازی و مکان یابی در این رساله مبتی بر روش الگوریتم تکرار نیوتن – رافسون و الگوریتم ژنتیک می باشد که بسیار سریعتر، وضعیت آنلاین ترانس را نمایش می دهد. این روش هم دقت اندازه گیری بسیار بالایی دارد و هم اینکه تقریباً سرعت محاسبات به اندازه این است که وقوع PD را بصورت آنلاین از ترانس مانیتور می نماید. لازم بذکر است که تمامی آزمایشات عملی تصویر شده در این پایان نامه مربوط به رفرنس [7] می باشد.
بخش 2 – 1 ) ویژگی های پایان نامه :
پروژه تحقیقات این رساله در مورد آشکار سازی PD و مکان یابی آن در سه ویژگی زیر خلاصه می شود :
1 ) در برگیری شرح کامل جزئیات پاسخ فرکانسی سنسورهای آکوستیک فیبر نوری این توصیف همچنین شامل الگوریتمی از پردازش نتایج پاسخ فرکانس برای حصول به یک سنجی معنی دار به جهت حصول به پاسخ های این سنسور ویژه می باشد. بعلاوه شرح کاملی از ارزیابی و امکان سنجی آن در کاربردهای مختلف ارائه خواهد شد.
2 ) بیان جزئیات الگوریتم مکان یاب منشا PD که توسط یک سیگنال آکوستیک می توان بدان رسید.
3 ) آنالیز و بررسی منشا خطاهایی که در مکان یابی PD تاثیر گذار هستند. منشا این خطاها شامل زمان عملکرد و اجرای عملیات روی داده های بدست آمده و همچنین اختلاف زمانی نا مطلوب ناشی از رسیدن سیگنال آکوستیک به هر سنسور با توجه به متفاوت بودن نوع کسیر پیش روی هر سنسور می باشد. بعلاوه نسبت نویر به سیگنال دریافت شده در هر
سنسور نیز از عوامل ایجاد خطا در اندازه گیری می باشد که با بررسی های مبتنی بر شبیه سازی داده های آزمایشی سعی خواهیم نمود که مقدار آن را تا حد ممکن کاهش دهیم.
همانطور که می دانیم بهندسین فشار قوی نسبت به آزمایش نشت عایقی و ایزولاسیون جهان کامل دارند ولی با این حال در اغلب موارد برای بررسی تخلیه جزیی دچار سردرگمی می شوند چرا که در این مورد شناخت کمتری از رفتار تخلیه جزیی دارند. در این فصل قصد داریم ابتدا ایزولاسیون تجاری رایج را بطور خلاصه شرح داده پس در مورد تخلیه کامل و رفتار آن صحبت کنیم و با توجه به چگونگی رفتار تخلیه جزیی شرح سنسور طی را در مورد تخلیه جزیی ارائه نمائیم.
ولتاژ ایزلاسیون :
طرح اولیه با انتخاب مواد و ابعاد آن به همراه یک حایل عایقی برای دستیابی و درجه بندی ولتاژ ایزلاسیون تحت شرایطی که تجهیز بدون شکست عایقی آن ولتاژ را تحمل کند، اجراء می شود.
حالت های شکست عایقی :
شکست عایقی در یک تجهیز می تواند به چند دلیل رخ دهد.
در یک عایق الکترون اتم ها و یا مولکولها ،محکم مقید شده اند. با اعمال یک گرادیان ولتاژ ملایم
بخش 3 - 1 ) سازماندهی پایان نامه :
این پایان نامه عمدتاً در پنج موضوع زیر سازمان دهی شده است.
بخش 1 : معرفی پروژه و همچنین انگیزه ایی که باعث شده نگارنده در مورد PD تحقیق و بررسی نماید.
بخش 2 : تحقیق و بررسی در تمام زمینه های PD که شامل آشکار سازی فیزیکی و روش های معمول در زمینه های کشف و موقعیت یابی PD که در منابع موجود می باشد همچنین عنوان مزیت ها و مسائل مربوط به روش های مختلف آشکار سازی PD نیز به همراه استدلالهای مولف در مورد استفاده از روش آکوستیکی را شامل می شود.
بخش 3 : نظریه و آزمایش داده های مربوط به سنسورهای آکوستیک فیبر نوری نوع EFPI . شرح جزئیات تابع کاری سنسور و ملاحظات طراحی آن برای آشکار سازی PD نیز کاملاً پوشش داده شده است .
بخش 4 : بررسی نظریه و آزمایش
داده های مربوط به انتخاب سیستم مکان یاب.
بخش 5 : استدلات و نتیجه گیریهای مربوط به آخر پایان نامه و همچنین ارائه پیشنهاد استفاده گسترده از مدل سنسور فیبر نوری نوع EFPI برای تجهیزات قدرت.
برخی از الکترونها می توانند از مسیرهای قبلی شان جدا شوند و برای مدتی با اتم ها یا مولکولهای اطراف خود برخورد داشته باشند. همچنین اگر میزان گرادیان افزایش پیدا کند، برخوردهای اتفاق افتاده با شدت بیشتر باعث آزاد شدن الکترودهای بیشتری در اطراف خود می شوند و در نتیجه منجر به شکست در هم گسیخته یا با اصطلاح شکست ذاتی می گردد.
در نوع دیگری از شکست الکتریکی ، یک مسیر عبوری از سطح عایق منجر به تقطیر تخریبی (کرابنیزاسیون) شده که حتی تخلیه الکتریکی سطحی (خزش) را نیز می تواند در پی داشته باشد.
در نوع پیچیده تری از خرابی عایقی، شکست فرسایشی تدریجی بوده که در آزمایشگاه فشار قوی با اعمال ولتاژ متناوب با فرکانس خط این آزمایش انجام می پذیرد و نتایج حاصله نبایستی از یک محدوده مشخص تجاوز کند. یک عایق خوب در این آزمایش متناسب با ولتاژ اعمالی هم مولفه مقاومت نشتی و هم مولفه خازن نشتی را دارد. خرابی نشتی هنگامی رخ می دهد که در این عایق مقدار مقاومت مربوطه تنزل یابد. خاصیت خازنی بیش از اندازه عایق نیز می تواند باعث خرابی گردد اگر چه در مکانیزم فیزیکی احتمال وقوع چنین حالتی بعید به نظر می رسد.
همانطور که اشاره شد در شکست های فرسایشی، تخلیه جزیی عامل اصلی این پدیده می باشد که در دراز مدت بر روی عایق تاثیر می گذارد. وجود تخلیه جزیی در داخل عایق باعث ایجاد گاز، حوزه و یا حتی حباب می شود که در افزایش روند شکست فرسایشی تاثیر گذار می باشد.
برای درک این مطلب که چگونه تخلیه جزیی اتفاق می افتد در این بخش تئوری میدان های الکتریکی را تشریح می کنیم.
اساس میدان الکتریکی – چگالی شار الکتریکی «D»
با توجه به نظریه گاوس در مورد چگالی شار الکتریکی و فرض اینکه بار توزیع شده Q روی سطح رسانای بسیار کوچک کروی بصورت یکنواخت بوده و شعاع این کره1r ، دامنه چگالی شار را در فاصله r2 از کره مورد اندازه گیری قرار داده که در شکل زیر مشاهده می فرمائید. در مورد چگالی شار نکات زیر را بایستی مد نظر قرار بدهیم :
چگالی شار الکتریکی «D» در سطح کره با شعاع 1r از رابطه بار بر روی سطح (کولمب بر متر مربع) بدست می آید.
با بسط شعاع کره می توان «D» را در فاصله دیگری از محیط نسبت به مرکز کره بدست آورد.
مقدار «D» وابسته به محیط نیست.
شکل (1 – 1) : نظریه گاوس – چگالی شار الکتریکی D در فاصله r2 از بار Q
شدت میدان الکتریکی « »
میزان و جهت شدت میدان الکتریکی « » در هر نقطه ایی از میدان را می توان با میزان نیروی و جهت یک بار آزمایشی t Q + تعیین و اندازه گیری نمود. شدت میدان الکتریکی « » را می تو.ان با رابطه نیوتن بر کواهب (که از لحاظ دیمانسیون معادل ولت بر متر است) اندازه گیری می کرد.
شکل (2 - 1) : اندازه گیری شدت میدان الکتریکی با بار آزمایشی t Q
بر خلاف چگالی شار الکتریکی «D» ، اندازه شدت میدان الکتریکی « » تحت تاثیر محیط می باشد « » متناسب با چگالی شار الکتریکی است ولی با گذر دهی محیط «e» رابطه عکس دارد (D/e = ) . گذر دهی خلاء ( ) ثابت الکتریکی مبنا بوده و معادل (F/m) (فاراد بر متر) می باشد. گذر دهی برای سایر مواد بدون بعد و با ضرب گذر دهی نسبی (er) در گذر دهی خلاء ( ) بدست می آید.
( er = e) . جدول زیر مقادیر گذر دهی نسبی را برای چند ماده عایقی رایج نمایش می دهد.
جدول (1 – 1) : مقادیر گذر دهی نسبی برای چند نمونه عایقی.
گذردهی نسبی (er) محیط عایقی
1 خلاء
006/1 هوا
03/1 استیروفوم
7/2 پلی استر
4/3 پلکسی گلاس
3 رزین
3 لاستیک
5 کوارتز
6 فورمیکا
22 آمونیاک مایع
50 گلیسیرین
87 آب مقطر
1200 تیتان باریم Ba Tio3
20000 استانات تیتان باریم
شکل (3 - 1) : تصویری از شدت میدان الکتریکی و چگالی شار الکتریکی در بین دو صفحه با بارهای مخالف (در محیط یکنواخت هوا) .
در شکل (3 - 1) دوبار مخالف که روی سطح صفحه بصورت یکنواخت توزیع شده ، مفروض است. گفتی است از اثر لبه ها صرف نظر شده است. بخاطر وجود بارهای مخالف و تقارن بین آنها، با فرض اینکه ضخامت هر یک از صفحه ها نزدیک به صفر است در نتیجه اختلاف شدت میدان الکتریکی در داخل صفحات صفر است. با وجود ضریب گذر دهی ثابت هوا و از آنجایی که (D/e = ) ، شکل میدانهای « » و «D» در طول فاصله هوایی مشابه همدیگر خواهد بود.
اما در شکل (4 - 1) از آنجایی که دو دبی الکتریکی در طول فاصله هوایی داریم و همانطور که قبلاً عنوان نمودیم چون چگالی شار وابسته به محیط نیست فلزها مقدار D در هر دو محیط یکسان خواهد بود.
اما از آنجایی که شدت میدان الکتریکی وابسته به نوع محیط می باشد فلذا مقدار « » در هوا (er = 1) دو برابر بزرگتر از شدت میدان الکتریکی در دی الکتریک ( ) خواهد بود. بنابراین توجه به این نکته مهم است که بدانیم شدت میدان الکتریکی در دی الکتریک با گذر دهی کوچکتر (هوا)، بزرگتر از دی الکتریک دیگر می باشد.
شکل (4 . 1): چگالی شار الکتریکی و شدت میدان الکتریکی بین دو بار مخالف در دو صفحه جدا شده با دو نوع دی الکتریک.
شکل (3 . 1) یک مدل از خازن (یا یک المان پسیو از نوع اپتی کوپلر) را نمایش می دهد. یک عایق کوارتز با ضخامت mm1 بین دو صفحه رسانا، نشان داده شده است. فرض می شود این عایق دارای حباب های هوا می باشد. اگر ولتاژ kv 0/1 بر این عایق اعمال شود یک شدت میدان الکتریکی ( )1 ( )را در طول عایق خواهیم داشت. در این حالت حباب های هوا، بار گذر دهی ( )، برابر گذر دهی کواتز را خواهند داشت که باعث تمرکز شدت میدان الکتریکی به مقدار( ) S در حبابهای هوا خواهد شد.
این پدیده باعث توزیع غیر یکنواخت بار در عایق می شود. جدول (2 . 1) نشان می دهد که میزان تحمل عایقی کوارتز ( )30 و در مقابل میزان تحمل عایقی هوا ( )B است. همین امر باعث تولید کافی یونیزاسیون در حبابها شده که باعث جرقه زدن بارهای انباشته شده در اطراف حباب می شود. این مسیر تخلیه در داخل عایق با پهنای باند محدود به صورت تخلیه های پیکو کولمبی ادامه پیدا می کند. این اثر شبیه تخلیه خازن در داخل یک مقاومت بسیار بزرگ می باشد.
