بخشی از مقاله
ارزیابی و تحلیل سیگنالهای جریان نشتی مقرههای پلیمری پیر شده در تستهای پیری مصنوعی تحت تأثیر آلودگی و رطوبت محیط
خلاصه
امروزه مقرههای پلیمری به علت ویژگیهای منحصر به فرد، به طور گستردهای در تمامی سطوح ولتاژ مورد استفاده قرار گرفته اند. لیکن عملکرد و رفتار الکتریکی و مکانیکی مورد انتظار مقرههای پلیمری در شرایط محیطی آزاد از جمله آلودگی نمکی و اسیدی، رطوبت، گرمای بیش از حد و اشعه ماوراء بنفش خورشید دستخوش تغییر شده، طوری که عملکرد مورد انتظار آنها میتواند مختل گردد. از جمله آثار این استرسهای محیطی میتوان به از بین رفتن خاصیت آبگریزی، کاهش مقاومت سطحی، افزایش جریان نشتی، وقوع تخلیههای جزئی و افزایش احتمال وقوع قوس الکتریکی و در نهایت پیری آنها اشاره نمود. در این مقاله تأثیر برخی از شرایط محیطی مهم بر روند پیرشدگی مقرههای پلیمری و تغییرات جریان نشتی آنها در محیط آزمایشگاه و به کمک تستهای پیرسازی تسریع یافته مصنوعی بررسی شده است. بدین منظور از دو نمونه مقره پلیمری 20 کیلوولت که به لحاظ پروفیل با هم متفاوت بوده و کاربرد فراوانی در شبکه توزیع دارند، انتخاب و به مدت 1000 ساعت در درون محفظه پیرسازی مصنوعی تحت استرس های الکتریکی، حرارتی و اشعه ماوراء بنفش قرار میگیرند. سپس مقرههای مورد آزمایش در سه مرحله از داخل محفظه بیرون آورده شده و در سطوح آلودگی و رطوبت متفاوت، تحت آزمون جریان نشتی قرار می گیرندضمناً. پیش از انجام تستهای پیرسازی، سیگنال های جریان نشتی مقرههای مورد مطالعه، در شرایط نو و در سطوح رطوبت و آلودگی مختلف اندازه گیری میشوند. سپس با استفاده از اطلاعات جریان نشتی و استخراج مؤلفههای هارمونیکی آن، تأثیر رطوبت، آلودگی و مدت زمان پیرسازی بر سیگنالهای جریان نشتی مورد ارزیابی و مطالعه قرار می گیرند.
کلمات کلیدی: مقره پلیمری، اشعه ماوراء بنفش، پیرشدگی، جریان نشتی، خاصیت آب گریزی
.1 مقدمه
در سالهای اخیر مقرههای پلیمری به علت ویژگیهای منحصر به فرد از جمله وزن کم، قدرت مکانیکی بالا، خاصیت آبگریزی مناسب، قیمت کمتر و عملکرد بهتر در شرایط آلودگی، به صورت گستردهای در شبکه توزیع، فوق توزیع و انتقال مورد استفاده قرار گرفتهاند .[1-5] نسلهای جدید مقرههای پلیمری دارای روکش لاستیک سیلیکون بوده که به مقرههای لاستیک سیلیکونی نیز معروف هستند. این نوع مقرهها علاوه بر مزایای مذکور، معایب مختلفی نیز دارند. به عنوان مثال، در صورتی که خاصیت آبگریزی سطحی این مقرهها کاهش یابد، جریان نشتی آنها افزایش یافته و این امر منجر به ایجاد فرآیندهای شیمیایی و تخلیههای الکتریکی سطحی مقره میشود. فرسایش سطح مقره نیز به نوبه خود منجر به کاهش خاصیت آبگریزی میشود. به این فرآیند، پیری مقرههای پلیمری اطلاق میگردد. البته در مراحل ابتدایی پیری که هنوز مقره خاصیت آبگریزی مناسبی دارد، مقدار جریان نشتی نسبتاً کم بوده و پس از گذشت زمان، وقتی پیری مقره به حد بحرانی رسید، قطرات آب به دلیل اعمال نیروی میدان الکتریکی، به یکدیگر متصل شده و مسیری رسانا برای عبور جریان نشتی ایجاد و مقاومت سطحی مقره کاهش مییابد. این شرایط تحت میدان الکتریکی شدیدتر، زمانی که احتمال وقوع تخلیه باند خشک بیشتر میشود، حتی ممکن است بدتر شود.[6]
با توجه به موارد فوق، عوامل مؤثر بر پدیده پیری مقرههای پلیمری را میتوان به سه دسته کلی؛ عوامل الکتریکی (جرقه باند خشک، تخلیه کرونا، جریان نشتی)، عوامل مکانیکی (نیروهای برف، یخ و باد) و عوامل محیطی (باران، دمای محیط، رطوبت، اشعه ماوراء بنفش و آلودگی) تقسیمبندی نمود. از طرفی پدیدههای تراکینگ و فرسایش که توسط عوامل الکتریکی مانند تخلیههای کرونا و باند خشک، به وجود میآیند نیز باعث فرسودگی و پیری این نوع مقرهها میشوند. همچنین در نزدیکی مناطق ساحلی، صنعتی و صحرائی، مقرهها در معرض آلودگیهایی با خاصیت رسانایی بالا همچون سولفات سدیم و سدیم کلراید هستند. استقرار این نوع نمکها بر روی سطح مقره، فرآیند پیری آنها را تسریع نموده و موجب از دست رفتن خاصیت آبگریزی آنها خواهد شد. همه این عوامل موجب تغییر خصوصیات سطح، کاهش انعطاف پذیری زنجیره مولکولهای تشکیل دهنده مقرههای پلیمری و گسترش ترک خوردگی سطح آنها خواهند شد.[7] از طرفی در [8] بیان شده است که محصول فرآیند پیری مقرههای لاستیک سیلیکونی، موادی شبیه به سیلیکا با خاصیت آب دوستی است که دارای مولکولهای با وزن مولکولی پایین بوده و به سبب کاهش خاصیت آبگریزی مقره، باعث افزایش جریان نشتی میشود.
در بین عوامل محیطی مؤثر در پدیده پیری مقرههای پلیمری، اشعه ماوراء بنفش که منبع اصلی تولید آن، نور خورشید است، به عنوان یک عامل بسیار خطرناک مطرح است. اگر چه تنها 5 درصد نور خورشید حاوی اشعه ماوراء بنفش است اما همین مقدار هم اثر قابل توجهی بر پیری مقرههای پلیمری دارد. جذب این تابشها خصوصاً در مناطقی که ساعتهای تابش خورشید بیشتری دارند، میتواند باعث تسریع روند ایجاد مشکلات شیمیایی و یا حتی مکانیکی در مقرهها شوند. تجارب حاکی از آن هستند که اگر سطح مقره نمناک باشد، این مشکل به شدت تقویت میشود. اگر چه نشانههایی از مشکلات اشعه ماوراء بنفش مانند سفید شدگی و ترک خوردگی سطح، قابل مشاهده است اما مهمترین ضعفی که ایجاد میشود، کاهش خاصیت آبگریزی و در پی آن افزایش جریان نشتی و احتمال وقوع شکست الکتریکی حتی در ولتاژ نامی شبکه خواهد بود.[6] شایان ذکر است که اشعه ماوراء بنفش دارای طول موجهای متفاوتی است که در [7] بررسی شده است.
تاکنون تحقیقات قابل توجهی در زمینه توسعه روشهای پایش و ارزیابی وضعیت مقرهها ارائه شده که از آن جمله میتوان به مطالعه در خصوص رسانایی سطحی، خاصیت آب گریزی، چگالی رسوب نمک معادل، ولتاژ قوس الکتریکی و جریان نشتی اشاره نمود.[9-14]
در این مقاله پس از ثبت سیگنالهای جریان نشتی دو نمونه مقره پلیمری که به مدت 1000 ساعت و طبق برنامه زمانی مشخص، تحت استرسهای الکتریکی و محیطی مختلفی قرار گرفتهاند، طیف هارمونیکی جریان نشتی آنها توسط نرم افزار Matlab استخراج شده و هارمونیکهای آن مورد ارزیابی و تحلیل قرار می گیرند. پس از بررسیهای صورت گرفته و مشاهده روند تغییرات هارمونیکهای جریان نشتی تحت تأثیر پیری، رطوبت و آلودگی، نسبت هارمونیکهای پنجم به سوم جریان نشتی مورد تحلیل قرار میگیرند.
.2 تستهای آزمایشگاهی
در این قسست، پس از معرفی اجمالی تجهیزات آزمایشگاهی و مشخصات مقرههای تحت آزمون، روند انجام آزمونهای آزمایشگاهی پیرسازی مصنوعی بیان خواهد شد.
.1-2 تجهیزات تستهای آزمایشگاهی
مقرههای موجود در محفظه پیرسازی در مدت زمان انجام آزمون، تحت ولتاژ حدود 11 کیلوولت قرار گرفته که این ولتاژ از طریق یک ترانسفورماتور قدرت تکفاز با توان 5 کیلوولت آمپر و با نسبت تبدیل 220 ولت به 100 کیلوولت، تأمین میشود. به منظور اندازهگیری ولتاژ اعمالی به مقرهها از یک مقسم خازنی با نسبت تبدیل 1000/1 استفاده میگردد. از طرفی جریان نشتی مقرهها، از طریق مقسم مقاومتی و توسط اسیلوسکوپ دیجیتال اندازهگیری میشود. برای محافظت اسیلوسکوپ دیجیتال در برابر ولتاژهای فشار قوی، از دو دیود زنر به صورت پشت به پشت استفاده شده است. حین انجام آزمایش، سیگنالهای جریان نشتی پس از دریافت از اسیلوسکوپ دیجیتال و تحت فرمت .csv به منظور ارزیابی و تحلیل به سیستم کامپیوتری منتقل میشوند. در شکل (1) شماتیک سیستم اندازهگیری جریان نشتی نشان داده شده است.
.2-2 مشخصات مقرههای پلیمری مورد مطالعه
به منظور ارزیابی سیگنالهای جریان نشتی، از دو نوع مختلف از مقرههای پلیمری تولید داخل کشور که کاربرد فراوانی در شبکه 20 کیلوولت دارند، با مشخصات جدول (1) انتخاب میگردند. ضمناً مقره های پلیمری مورد مطالعه در شکل (2) نیز نشان داده شدهاند. این دو مقره برخلاف یکسان بودن تعداد چترک و فاصله خزشی، قطر چترک و پروفایل متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند.
شکل -1 شماتیک سیستم اندازهگیری جریان نشتی مقرههای پلیمری
جدول -1 مشخصات مقرههای مورد مطالعه
شکل -2 مقرههای پلیمری مورد مطالعه
.3-2 روند انجام تستهای پیرسازی مصنوعی و آلودگی
ابتدا مقرههای مورد مطالعه درون محفظه پیرسازی با ابعاد (2 2 2) متر مکعب قرار داده میشوند و سپس برای انجام تستهای پیرسازی مصنوعی آنها، زمانبندی انواع تنشهای اعمالی مطابق جدول (2 ) انجام می گردد. برای ایجاد انواع تنشهای محیطی مندرج در این جدول، از دو عدد هیتر برای تأمین دمای 50 درجه و از دو عدد لامپ اشعه ماوراء بنفش برای ایجاد تنش اعمالی ناشی از نور خورشید استفاده شد. علاوه بر تنشهای محیطی مذکور، ولتاژ فشار قوی از طریق ترانسفورماتور قدرت در طول مدت پیرسازی به مقرههای درون محفظه اعمال گردید. به منظور ایجاد نظم در روند و مدت زمان اعمال تنش های محیطی به مقرهها و جابه جایی اتوماتیک بین حالتهای مختلف مندرج در جدول (2)، از یک دستگاه میکروکنترلر با قابلیت برنامهریزی استفاده شده است.
شایان ذکر است که از هر نوع مقره مورد مطالعه، سه نمونه درون محفظه قرار داده شد تا حین مراحل پیرشدگی و در زمانهای مشخص، از درون محفظه خارج شده و آزمون جریان نشتی بر روی آنها انجام شود. در ضمن، پیش از آنکه مقرهها درون محفظه پیرسازی قرار داده شوند، ابتدا جریان نشتی آنها در سطوح آلودگی و رطوبت مختلف، ثبت شد. نمایی از مقره پلیمری که داخل محفظهای دیگر برای سنجش جریان نشتی قرار دارد، در شکل (3) نشان داده شده است.
مقرههایی که در هفته های صفر (مقره نو)، دوم، چهارم و ششم از درون محفظه پیرسازی خارج شدهاند، به ترتیب به صورت A0، A2، A4 و A6 نام گذاری شد و این ترتیب نامگذاری، برای مقرههای نوع B هم صادق است. هر کدام از این
نمونه ها پس از خارج نمودن از درون محفظه پیرسازی، داخل محفظه تست جریان نشتی و تحت ولتاژ نامی شبکه قرار داده شده و در سطوح رطوبت و آلودگی متفاوت، سیگنالهای جریان نشتی عبوری از آنها، ثبت و تحلیل میگردد.
شایان ذکر است به منظور ایجاد آلودگی مصنوعی بر روی سطح مقره های پلیمری، مطابق استاندارد IEC60507 از دو ماده کائولین و نمک صنعتی استفاده شد که برای دستیابی به سطوح مختلف آلودگی، میزان هر کدام از آنها طبق جدول ( (3 تعیین شده است.[15] از آن جایی که میزان نمک موجود در محلول آلودگی نقش اساسی در هدایت الکتریکی سطحی مقره دارد، بنابراین با افزایش مقدار آن میتوان از سطح آلودگی سبک تا سنگین را تأمین نمود. از طرفی به منظور مقایسه تأثیر رطوبت بر نتایج تست جریان نشتی، مقرههای مورد مطالعه در چهار سطح رطوبت مختلف شامل رطوبتهای 65، 75، 85 و 95 درصد، مورد ارزیابی قرار میگیرند.
جدول -2 روند اعمال تنشهای مختلف به منظور پیرسازی مصنوعی مقرههای پلیمری در محیط آزمایشگاه
شکل -3 یک نمونه مقره درون محفظه تست جریان نشتی
جدول -3 میزان نمک و کائولین موجود در محلولهای آلودگی
.3 تحلیل و ارزیابی سیگنالهای جریان نشتی
در این قسمت پس از آوردن سیگنالهای جریان نشتی ثبت شده مقره A، به تحلیل طیف هارمونیکی و نسبت هارمونیک پنجم به سوم جریان نشتی مقرههای A و B پرداخته میشود.
.1-3 ثبت سیگنالهای جریان نشتی
به منظور ثبت سیگنالهای جریان نشتی مقرهها از یک مقاومت سری با آنها استفاده می گردد، بدین صورت که پس از دریافت سیگنال های ولتاژ این مقاومت و تقسیم آن بر مقدار مقاومت، سیگنالهای جریان نشتی مقرهها به دست میآید. البته از آن جایی که نمیتوان همه سیگنالهای جریان نشتی به دست آمده از مقرهها را نمایش داد، در شکلهای (4) تا (7) سیگنالهای جریان نشتی مقره A0 تا A6 درآلودگی سبک و رطوبتهای مختلف، نشان داده شده است.
