دانلود مقاله عایقهای الکتریکی

بخشی از مقاله

اصولاً قسمتهاي عايق ماشينهاي الكتريكي ، ترانسفورماتور ها ،خطوط هوايي و غيره به صورتي طراحي مي شود كه بتوانند به طور مداوم تحت ولتاژ معيني كاركرده و ضمناً قدرت تحمل ضربه هاي ولتاژ را در لحظات كوتاه داشته باشند .
هر نوع تغييرات ناگهاني و شديد در شرايط كاري شبكه، موجب ظهور جهشها يا پالسهاي ولتاژ مي شود . براي مثالمي توان اضافه ولتاژ هاي ناشي از قطع و يا وصل بارهاي زياد به طور يكجا ، جريانهاي اتصال كوتاه ، تغيير ناگهاني مدار و غيره رانام برد .

رعد و برق نيز هنگامي كه روي خطوط شبكه تخليه شود ، باعث ايجاد پالسهاي فشار قوي با دامنه زياد و زمان كم مي شود .
لذا عايق هاي موجوددر ماشينهاي الكتريكي و تجهيزات فشار قوي بايد از نظر استقامت در مقابل اين نوع پالسها نيز طبقه بندي شده و مشخص شوند . عايقهاي الكتريكي با گذشت زمان نيز در اثر آلودگي و جذب رطوبت فاسد شده و خاصيت خود را از دست مي دهند .
در مهندسي برق سطوح مختلفي از مقاومت عايقي تعريف شده است كه هر كدام بايستي در مقابل ولتاژ معيني استقامت نمايند . (ولتاژ دائمي و ولتاژ لحظه اي هر كدام به طور جداگانه مشخص مي شوند )و البته طبيعي است كه ازدياد ولتاژ بيشتر از حد مجاز روي عايق باعث شكست آن مي شود . در عمل دو نوع شكست براي عايق ها مي توان باز شناخت ،حرارتي و الكتريكي .

زماني كه عايق تحت ولتاژ قرار دارد ، حرارت ناشي از تلفات دي الكتريكي مي توان باعث شكست حرارتي شود . بايد توجه نمود كه افزايش درجه حرارت باعث كاهش مقاومت اهمي عايق و نتيجتاً افزايش تصاعدي درجه حرارت آن خواهد شد .
خلاصه اينكه عدم توازن بين حرارت ايجاد شده در عايق با انچه كه به محيط اطراف دفع مي نمايد ، موجب افزايش درجه حرارت آن شده و اين پروسه تا زمانيكه عايق كاملاً شكسته شده و به يك هادي الكتريسته در آيد ، ادامه مي بايد .

شكست الكتريكي در عايق ها به دليل تجزيه ذرات ان در اثر اعمال ميدان الكتريكي نيز صورت مي گيرد .
با توجه به آنچه گذشت ، عايقهاي الكتريكي عموماً در معرض عواملي قرار دارند كه باعث مي شود در ولتاژ نامي نيز حالت نرمال خود را از دست بدهند . لذا در انتخاب عايقها ، عايق با كلاس بالاتر انتخاب مي شود . اندازه گيريهاي مختلفي كه جهت شناسايي نواقص موجود در عايق ها انجام مي گيرند عبارتند از :
اندازه گيري مقاومت D.C عايق يا جريان نشتي ان ، تلفات دي الكتريك ، ظرفيت خازني عايق ، توزيع ولتاژ در عايق ، دشارژهاي جزئي در عايق و ميزان پارازيتهاي حاصل از آن و تست استقامت الكتريكي عايق .

تعيين ميزان و تلفات يك عايق ومقايسه آن با مقادير اوليه ، معيار خوبي براي ارزيابي وضعيت آن مي باشد . اصولاً افزايش تلفات در عايق هاي جامد ناشي از جذب رطوبت و در روغن ها به دليل افزايش در صد آب يا آلودگيهاي ديگر درآن مي باشد .
بايد دانست كه مقدار تلفاتي كه در مورد يك ترانس اندازه گيري مي شود ، جمع تلفات روغن و ايزولاسيونجامد سيم پيچ بوده و هرگاه تلفات عايق يك ترانس از مقدار مجاز تجاوز نمايد ، ابتدا بايد روغن را به طور جداگانه مورد آزمايش قرار داد تا بتوان وضعيت ايزولاسيون سيم پيچي را ارزيابي نمود .
با توجه به انكه با تعيين مقدار تلفات به طور مطلق و بدون در نظر گرفتن ابعاد فيزيكي و جنس عايق نمي توان قضاوت صحيحي در مورد ان به عمل آورد ، بهترين پارامتري كه مي تواند وضعيت ايزولاسيون را مشخص نمايد نسبت مولفه اكتيو به راكتيو جريان نشتي عايق مي باشد . با اندازه گيري ظرفيت تلفات عايق مي توان وضعيت ان را از نظر استقامت حرارتي ، ميزان رطوبت جذب شده و عمر عايق ارزيابي نمود .

تجربه نشان داده است كه در موارد زير خطر اتصال كوتاه در ايزولاسيون تجهيزات الكتريكي كه مستقيماً به فساد عايق مربوط باشد ، وجود ندارد :
الف : وقتيكه ايزولاسيون داراي ضريب تلفات عايق ثابتي است و با مروز زمان افزايش نمي يابد .
ب: وقتيكه ضريب تلفات عايق روغن بوشينگ دژنكتورهاي روغني كه مستقيماً روي كليد اندازه گيري شده است ، بدون توجه به اندازه گيري قبلي در حد استاندارد باشد .
با اندازه گيري ظرفيت خازني ايزولاسيون تجهيزات الكتريكي در دوفركانس و يا دو درجه حرارت مختلف مي توان اطلاعاتي مشابه با نتيجه تست تلفات دي الكتريك از وضعيت عايق بدست آورد .
وجه تمايز تست ظرفيت خازني در دو فركانس مختلف با دستگاههايي كه جهت همين كار ساخته شده اند در اين است كه در هر درجه حرارتي قابل انجام بوده و احتياجي به گرم كردن ترانس و يا تجهيزات ديگر نيست و به همين جهت پرسنل را از حمل و نقل دستگاهها و ادوات نسبتاً سنگين كه براي گرمايش بكار ميروند بي نياز ميسازد.

در اين روش اساس كار بر اين اصل مبتني است كه ظرفيت خازن با تغيير فركانس تغيير مي نمايد . تجربه نشان داده است كه در مورد ايزولاسيون سيم پيچ هايي كه آب زيادي به خود جذب نموده اند نسبت بين ظرفيت خازني در فركانسهاي 2 و 50 هرتز حدود دو بوده و در مورد ايزولاسيون خشك اين نسبت حدود يك خواهد بود .
اندازه گيري فوق معمولاً بين سيم پيچ هر يك از فازها و بدنه در حالتيكه بقيه سيم پيچ ها نيز ارت شده اند انجام مي گيرد . دقيقترين روش براي بررسي نتايج بدست امده در هر آزمايش مقايسه آن با مقادير كارخانهاي و يا تستاي مشابه قبلي مي باشد كه البته در اين عمل بايد ارقام بر اساس يك درجه حرارت واحد اصلاح شد باشند .

چنانچه مقايسه فوق به عللي تحقيق پذير نباشد ، مي توان به بعضي از اتسانداردهايي كه در اين زمينه موجود است مراجعه نمود . براي مثال پس از انجام تعميرات ، ميزان مقاومت D.C عايق نبايد كاهش بيش از 40 در صد (براي ترانس 110 كيلو ولت به بالا 30 در صد ) ، نسبت ظرفيت خازن در فركانس 2 هرتز به ظرفيت خازن در فركانس 50 هرتز افزايش بيش از ده درصد و ضريب تلفات عايق افزايش بيش از 30 در صد نسبت به نتايج قبل از تعميرات را نشان بدهند .
دردرجه حرارتهاي 10 و 20 درجه سانتيگراد نسبت ظرفيت خازن در فركانس 2 هرتز به ظرفيت خازن در فركانس 50 هرتز بايد به ترتيب مقاديري حدود 2/1 و 3/1 را داشته باشند .

اضافه گرمايش مجاز در هاديهاي تجهيزات الكتريكي
روشن است كه عبور جريان نامي به طور مداوئم در هاديهاي الكتريكي موجب گر شدن آنها و ايزولاسيون مجاورشان مي شوند . اين پديده عاملي است كه محدوديت اساسي را براي باردهي تجهيزات الكتريكي بوجود مي آورد .
بر اساس استاندارد هاي معتبر ، حداكثر درجه حرارت مجاز در انواع مواد عايقي بين 90 تا 180 درجه سانتيگراد معين شده است .
درمورادي كه قسمتهاي حامل جريان و يا قطعات فلزي بدون جريان تجهيزات ، در تماي با عايق ها نباشند ، اضافه دماهاي زيادتري مجاز دانسته شده است . در مورد هر ماشين الكتريكي ، حد مجاز براي افزايش درجه محيط تعيين مي شود كه اصولاً به نوع مواد عايقي موجود در آن بستگي دارد ولي به خاطر پاراكترهاي مختلفي كه در اين زمينه دخالت دارند درجه حرارت مجاز از طريق آزمايشهاي ويژه اي كه در شرايط بار نامي صورت مي گيرد مشخص مي شود .

در ماشينهاي الكتريكي كه با گازها خنك كي شوند ،جريان نامي بر اساس ماكزيمم حرارتي كه گاز خنك كننده قادر به دفع آن است تعيين مي شود و اصولاً بكارانداختن ماشين در شرايطي خارج از محدوده فوق به جز دو موارد استثنايي كه مي توان ان را براي مدت كوتاهي تحت اضافه بار قرار داد به هيچ وجه مجاز نمي باشد .
لازم به ذكر است كه شرايط اضافه بار معمولاً در مدارك فني ماشين ثبت شده است . درجه حرارت مجاز در مورد ترانسفورماتورها بر اين اساس مشخص مي شود كه ايزولاسيون سيم پيچها بايد 20 تا 25 سال عمر مفيد داشته باشد ،بدين منظور درمناطقي كه درجه حرارت محيط به 35 درجه سانتيگراد مي رسد ، اضافه سيم پيچهاي ترانس (اضافه بر دماي محيط ) نبايد از 70 درجه سانتيگراد تجاوز نمايد . (غالباً ترانس ها را براي كار در شرايط 35 درجه سانتيگراد حرارت مي سازند .)
بنابراين ماكزيمم دماي مجاز سيمپيچ ترانس براي كار دائم دراين مناطق عبارت است از 105 درجه سانتيگراد .

در اين شرايط مي توان ترانس را به طور مداوم تحت بار نامي قرار داد ،بدون انكه كاهشي درعمرمفيد آن بوجود آيد .
لازم ه ذكر است كه يك عايق وقتي تحت دماي مجاز كاركند، قادر به ارائه عمر مفيد خود بوده و به همان نسبتي كه در دماي افزون بر حد مجاز قرار گيرد (چه از نظر حرارت و چه از نظرزمان ) از عمر مفيد آن كاسته خواهد شد .

با توجه به اين مطلب و همچنين با توجه به اينكه عملاً درجع رحارت محيط هم در طول روز و هم در طول سال تغيير مينمايد ، عمر ايزولاسيون و در نتيجه عمر مفيد ترانس بستگي به درجه حرارت ميانگين ساليانه محيط و نوع بهره برداري از ترانس خواهد داشت . در استاندارد هاي معتبر دماي ماكزيمم مجاز براي ترانسهاي قدرت با توجه به تغييرات روزانه دما و ماينگين درجه حرارت ساليانه محيط تدوين شده است . به علاوه همين استانداردها ماكزيمم افزايش درجه حرارت مجاز براي لايه بالايي روغن در مخزن ترانس نسبت به دماي محيط را نيز 60 درجه سانتيگراد تعيين نموده است . بنابراين اگر دماي محيط 35 درجه سانتيگارد باشد ، ماكزيمم دماي مجاز روغن (كه توسط ترمومتر در بالاي ترانس اندازه گيري مي شود ) عبارت است از 95 درجه سانتيگراد .

با اين درجه حارت روغن و شرايط محيط عملاً سيم پيچ ها تا 105 درجه سانتيگراد گرم مي شوند . البته 95 درجه سانتيگراد حرارت روغن مربوط به ترانس هايي است كه با سيستم روغن تحت سيركولاسيون (به كمك پمپ) وهواي تحت فشار (OFAF) خنك مي شوند .
دماي هواي خنك كننده در مورد ماشينهاي الكتريكي مستقيماً درمحلهاي ورود و خروج هوا اندازه گيري مي شود .
اين ماشينها مجهز به ترمومترهاي جيوه اي روي ماشين و يا دماسنجهايي ترمورزيستوري هستند كه ترمورييستورهاي مربوط در جلوي فن در دو طرف ماشين جا سازي مي شود . در ماشينهايي كه با گاز هيدورژن خنك مي شوند درجه حارت گاز به عنوان يك قاعده مورد توافق در مهندسي برق توسط ترموريزستوري كه در مسير جريان هيدروژن سرد به داخل ماشين قرار دارد ، اندازه گيري مي شود .

ماشينهاي كوچكي كه با فن سر خود خنك كي شوند نيز مجهز به ترمومتر هستند .
براي به حداقل رساندن تلفات حرارتي در ياتاقانها و پيشگيري از صدمه ديدن يا به اصطلاح ياتاقان زدن ،‌درجه حرارت روغن و پوسته ياتاقان ماشينهاي الكتريكي بايد مورد كنترلدقيق و مداوم قرار گيرد . يكي از مشخصات اصلي روغني كه در ياتاقانها بكار مي رود چسبندگي آن است كه به شدت با درجه حرارت تغيير مي كند . لذا دماي اين روغنها بايد بين 40 تا 80 درجه سانتيگراد باشد . در مناطقي كه ميانگين درجه حرارت روزانه محيط كمتر از 35 درجه سانتيگراد است ، مي توان ميزان بار تجهيزات الكتريكي را تا 20 در صد افزايش داد ، ولي بايد توجه داشت كه به هر حال دماي قسمتهاي مختلف آن از مقاديري كه درجدول 2 مشخص شده است تجاوز ننمايد .
البته در اين موارد بايستي ميزان اضافه بار مجاز در دستورالعمل هاي كتبي در اختيار اپراتور قرارگيرد . بر عكس در مناطقي نيز كه درجه حرارت محيط از 35 درجه سانتيگراد بالاتر مي رود ، بايد بار نامي طبق دستورالعمل كارخانه سازنده كاهش داده شود .

ژنراتورهاي سنكرون
تغييرات ولتاژ در ترمينالهاي ژنراتور هاي سنكرون به ميزان 5/0 +تثيري درقدرت نامي نخواه داشت ،ولي در صورتيكه همين تغييرات از 5 % تجاوز نمايد جريان بار را نيز بايد براي هر حالت خاص در مقداري كه به كمك تست و يا محاسبه قابل حصول است معين نمود ، البته در هر حال نبايد قدرت خروجي بيش از مقدار نامي شود .
افزايش بيش از 5% در ولتاژ ماشين موجب افزايش تلفات آهني و نتيجتاً افزايش درجه حرارت خواهد شد كه براي پيشگيري از آن بايد بار خروجي را به ميزان مناسب كاهش داد و نيز اگر ولتاژ نامي از ترمينالهاي ژنراتور بيش از 5% كاهش يابد ، مي توان با افزودن جريان بار (جريان استاتور)قدرت ظاهري ماشين را به مقدار نامي نزديك نمود .

ولي به هر حال بايد توجه داشت كه اضافه جريان مجاز در استاتور فقط 5% و اضافه ولتاژ مجاز فقط 10% مقدار نامي باشد . ژنراتورها عموماً براي كار در ولتاژهاي 15/3 ، 3/6 ، 5/10 ، 8/13 ، 75/15 ، 18 . 20 . 24 كيلو ولت و ضريب توان هاي 8/0 . 85/0 ، 9/0 و درجه حرارت مايع و يا گاز خنك كننده در 40 درجه سانتيگراد ساخته مي شوند . (كندانسورها فقط با ولتاژهاي 3/6 . 75/15 كيلو ولت طراحي مي شوند ).
البته روشن است كه ولتاژهاي كم براي ماشينهاي با ظرفيت كمتر و ولتاژهاي بالا براي ماشينهاي با ظرفيت بالاتر انتخابمي شوند .
براي ازولاسيون سيم پيچ استاتور ژنراتورها معمولاً عايق كلاس B به كار مي رود كه از جنس ميكل بوده و روي ان با قير معدني و كاغذهاي مخصوص باضريب هدايت بالا آغشته به گلسيرين فتاليت پوشانده مي شود .

در عمل ابتدا سيم پيچ را تحت شرايط خلاء كاملاً خشك و گرم كرده و سپس عايق داغ را روي آن تزريق مي نمايند . امروزه در ماشينهاي مدرن و با ظرفيت بالا از ايزولاسيون مقاومتريكه عمدتاً از رزين (اپوكسي) تشكيل شده و در دماي 150 تا 160 درجه سانتيگراد كاملاً بهصورت منجمد باقي مي ماند استفاده مي كنند . برتري اين نوع ايزولاسيون رد اين است كه در اضافه دماي شرايط كاري استحكام خود را از دست نمي دهد .

براي پيشگري از ايجاد پديده كرونا درماشينهاي با ولتاژ 10 كيلو ولت به بالا معمولاً روي عايق بين باسبارها و شيار استاتوررا با لايه اي از ماده نيمه هادي (فروس آسبست و غيره) مي پوشانند . براي سيم پيچ روتور نيز غالباً از عايق كلاس B كه با استفاده از عمليات حرارتي در محل فرم مي گيرد استفاده مي شود . براي اين منظور ، ابتدا هاديها را با مكانيك سخت غلافي شكل مي پوشانند و روي ان را با شارلاك و يا گلسيرين فتاليت ماليده و مجموعه رادر حاليكه تحت فشار قرار دارد به روش الكتريكي گرم مي نمايند . بدين ترتيب ماده يكنواختي بوجود مي آيد .

كنترل درجه حرارت قسمتهاي مختلف ژنراتورها از اهميت ويژه اي برخوردار است . در اين رابطه بايد نكات زير را مورد توجه قرار داد :
الف ) دماي سيم پيچ استاتور به كمك ترمورزيستوري كه بين باسبارها در شيار و يا در سربندي كلافها قرار دارد ، اندازه گيري شده و دماي بدنه استاتور نيز توسط ترمورزيستور واقع در كف شيار كنترل مي شود . دماي سيم پيچ روتور نيز به كمك تست مقاومت اهمي سيم پيچ مشخص مي گردد .
ب ) درجه حرارت سيم پيچ استاتور و روتور نبايد به ترتيب از مقادير120و 130 درجه سانتيگراد تجاوز نمايد و به تعبير ديگر افزايش دماي مجاز براي قسمتهاي فوق نسبت به دماي نرمال يك گاز خنك كننده (40 درجه سانتيگراد ) به ترتيب 80 و 90 درجه سانتيگراد مي باشد . اگر در ايزولاسيون سيم پيچ استاتور تركيباتي از قير بكار رفته باشد ، ماكزيمم درجه حرارت مجاز به 105 درجه سانتيگراد كاهس مي يابد .

سيستم تحريك ژنراتورها معمولاً به صورتي طراحي مي شود كه بتواند براي مدت كوتاهي ولتاژ خود را به 3/1 تا 5/3 برابر مقدار نامي افزايش دهد . اين شرايط براي لحظاتي كه شبكه تحت اتصال كوتاه قرار دارد مورد نياز مي باشد . علاوه براين سيسصتم تحريك بايد مجهز به كنترل اتوماتيك باشد تا ولتاژ ترمينالهاي ژنراتور را علي رغم تغييرات سطح ولتاژ ، ميزان بار و ضريب توان درشبكه قدرت به طور اتوماتيك در مقادير مورد نظرتثبيت نمايد . امروزه كليه ماشينهاي سنكرون مدرن داراي سيستم ويژه اي جهت كنترل اتوماتيك تحريك مي باشند .

اين سيستم بايد به طور مداوم وصل بوده و به هيچ وجه حتي در موقع قطع و يا زمان راه اندازي ماشين نيز نبايد آن را از مدار خارج نمود و پرسنل بهره بردار براي انجام كارهاي خود حق ايجاد هيچگونه تغيير و يا اختلالي در اين سيستم را ندارد . در خلال اتصال كوتاههايي كه در شبكه قدرترخ مي دهد معمولاً افت ولتاژ شديدي بروز مي نمايد . در چنين حالتي ژنراتورهابايد با افزايش سريع در نيروي الكتروموتوري خود ضمن تثبيت ولتاژ در ترمينالهاي ژنراتور بار راكتيو مورد نياز شبكه را تامين نموده ومانع پيدايش عدم تعادل در ان بشوند .
اين عمل به طور اتوماتيك و توسط سيستمي موسوم به سيستم فورسينگ صوت مي گيرد كه ولتاژ اكسايتر را به طور آني تا مقدار ماكزيمم خود افزايش مي دهد . البته اين اضافه بار براي ژنراتور و سيستم تحريك آن بيش از يك دقيقه قابل تحمل نبوده و پس از ان ماشين به طور اتوماتيك به وضعيت نرمال خود برگشت خواهد نمود .
راه اندازي مجدد موتورها پس از برگشت ولتاژ
در موارد زيادي ممكن است ولتاژ شبكه به طورموقت افت نموده و يا كاملاً قطع و مجدداً به حالت اوليه برگشتنمايد . در چنين حالتي سرعت موتورهاي الكتريكي نيز تناسب به حالت اوليه برگشت نمايد . در چنين حالتي سرعت موتورهاي الكتريكي نيز متناسب با افت ولتاژ كاهش خواهد يافت . اصولاً مدتي كه از زمان قطع ولتاژ از روييك موتور تا ايستادن كامل آن به طول مي انجامد ، به پريود استپ موتور شهرت داشته و در مورد مكانيزمهاي مختلف ممكن است از چند ثانيه تا چند ده ثانيه طول بكشد . اگر مدت زمان كاهش ولتاژ و يا قطع موقت برق شبكه از تاخير زماني رله هاي حفاظت ولتاژ پايين باس كمتر باشد ، در اين خلال مدار موتور قطع نشده و پس از برگشت ولتاژ به حالت اوليه پديده اي كه اصطلاحاً به راه اندازي مجدد موسوم است به وقوع مي پيوندد .

بدينترتيب هر چه فاصله زماني كاهش ولتاژ كوتاهتر باشد به همان ميزان نيز راه اندازي مجدد راحتتر صورت مي گيرد . د رراه اندازي مجدد نيز جريان مصرفي سيستم چند برابر مقدار نامي مي شود كه در اينصورت اگر كليه موتورهاي منشعب از يك باس بخواهند همگي با هم از حالت قطع راه اندازي مجدد شوند، جريان مصرفي به اندازه مجموع جريانهاي راه اندازي موتورها بوده و افت ولتاژ شديدي را ايجاد مي كندكه باعث تحريك رله هاي اضافه بار شده و عمل راه اندازي را غيرممكن مي سازد. لذا اگر راه اندازي جمعي موتورها غير قابل انجام باشد ،بايد تدابيري انديشيد كه ابتدا موتورهايي كه نقش حياتي دارند راه اندازي شوند و سپس بقيه مصرف كننده ها بكار بيفتند.

موتورهاي اصلي واحد معمولاً به كمك حفاظت ولتاژ كم كه عموماً در 30 در صد افت ولتاژ و يا تاخير يك تا دو ثانيه عمل مي كند از شبكه جدا مي شوند.
زمان لازم براي عملكرد خود رله هاي حفاظتي نيز مجموعاً حدود 5/0 ثانيه است . بنابراين در تعويض با سبارها موقعي مي توان از راه اندازي مجدد الكتروموتورهاي اساسي واحد اطمينان حاصل نمود كه مدت عمل تعويض از 5/2 ثانيه تجاوز ننمايد .