بخشی از مقاله
چکیده _
مشکل آلودگی مهمترین عامل در میزان ایزولاسیون خطوط انتقال و توزیع برق میباشد. تخلیه الکتریکی بر روی مقرههای آلوده در شرایط مرطوب، تهدیدی جدی برای قابلیت اطمینان شبکه بوده که میتواند منجر به خارج شدن شبکه، خاموشی و بحرانهای اقتصادی، اجتماعی، سیاسی و امنیتی گردد. اگرچه، مقرههای کامپوزیتی - سیلیکونی - به دلیل بهبود قابلملاحظه از لحاظ عملکردی تحت شرایط آلوده در طراحیهای جدید در مناطق با آلودگی و رطوبت بالا مورداستفاده قرار میگیرند، با این وجود، مسئله حال حاضر بسیاری از بهرهبرداران، میلیونها مقره سرامیکی و یا شیشهای است که امکان تعویض آنها با توجه به ملاحظات فنی و اقتصادی وجود ندارد.
همچنین مشکلات زیست محیطی مقرههای کامپوزیتی، ادامه استفاده از مقرههای سرامیکی و یا شیشهای را اجتناب ناپذیر میکند. لذا میبایست جهت حفظ مقرههای موجود، تا حد امکان مشکلات ناشی از تخلیه الکتریکی این مقرهها را تحت شرایط آلودگی حل نمود.
در این میان، یکی از جدیدترین راه حلها، استفاده از نانوپوششها بر روی سطح مقره میباشد که در این مقاله به بررسی اثر این نانوپوششها بر روی خواص مقرههای الکتریکی پرداخته میشود. نانو پوششهای آبگریز با ایجاد تغییرات در شیمی سطح و زاویه تماس باعث ایجاد حفاظت سطح زیرین در برابر آلودگیهای محیطی، تخریب ناشی از اشعه خورشید، تغییرات دمایی و بارش باران میگردد.
این پوششهای آبگریز اکثرا مقرون به صرفه، دوستدار محیط زیست، دارای خاصیت خود تمیزشوندگی، مقاوم به نور فرابنفش، ضد شوره، ضد لکه و گرد و غبار میباشند. به همین دلیل، استفاده از این نانوپوششها جهت رفع یکی از عمدهترین نقاط ضعف مقرههای سرامیکی که تجمع آلودگی و حضور رطوبت است، میتواند بسیار مفید و حائز اهمیت باشد.
مقدمه:
مواد هیدروفوبیک نانو یا پوششهای خودتمیزشونده اولین بار با الگوبرداری از اثر لوتوس بررسی شدند. بررسی سطح نیلوفر آبی - لوتوس - توسط میکروسکوپ الکترونی برآمدگیهای میکرومتری و نانومتری را نشان داد - . ناصافیهای میکرومتری و نانومتری موجب کاهش نیروی چسبندگی سطحی میان قطرات آب و سطح میشود و زاویه قطره آب با سطح بیش از 150درجه خواهد بود. وقتی این زاویه کم باشد قطره میتواند بهصورت نیمکره درآمده و بهنوعی سطح را خیس کند اما با افزایش این زاویه، قطره شباهت زیادی به یک توپ پیداکرده و حتی میتواند روی سطح به حرکت درآید. در این حالت سطح توسط قطره خیس نمیشود و قطره بهجای جذب شدن، به روی سطح میلغزد بهعبارتدیگر در این نوع پوششها قابلیت خودتمیزشوندگی، با افزایش خاصیت آبگریزی ایجاد میشود.
مقرههای فضای آزاد یکی از اجزای اصلی سیستم برق هستند، زیرا آنها ایمنی و بهرهوری عملیاتی سیستمهای انتقال انرژی الکتریکی را ارائه میدهند و بنابراین جای تعجب نیست که این اجزا باید با توجه به قابلیت اطمینان در پایداری الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی برای سالها قابلاعتماد باشند. از نظر تاریخی و به طور سنتی، پرسلان بیشترین کاربرد را در عایقهای فضای باز دارند، زیرا سرامیک دارای خواص عالی مانند سختی و مقاومت مکانیکی، مقاومت در برابر حرارت ، مقاومت بالا در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت و آب، و غیره میباشد .پرسلان بهعنوان سرامیکی باسابقهی استفاده طولانیمدت، بیشترین استفاده را بهعنوان مواد عایقبندی شده در مهندسی برق دارد.
بیش از 150 سال است که پرسلانهای مورد استفاده در صنایع الکتریکی به عنوان مادهای برای فضای آزاد در خطوط برق استفاده شده است. در سال 1849، ورنر فون زیمنس پرسلانهای سنتی را به عنوان یکی از اولین عایقهای الکتریکی برای کم کردن کابل تلگراف از فرانکفورت به برلین به تصویب رساند. در سال 1894، فرد م. لک ، که به عنوان "پدر عایقهای پرسلانی" در نظر گرفته شده، اولین عایق پرسلانی ولتاژ بالا در خط انتقال 40 کیلو ولت بین آبشار نیاگارا به نیویورک را توسعه داد. پرسلانهای الکتریکی به لحاظ تکنولوژیکی در مورد موضوعهای طراحی، فرآیند تولید و مواد خام به منظور تطابق با نیازهای بازار بسیار مورد نیاز است. مواد دیگر برای تولید مقرههای الکتریکی از قبیل چوب، میکا، انانیت و شیشه مورد توجه قرار گرفت اما با توجه به خواص آن، فقط مواد پرسلانی و شیشهای همچنان به عنوان مواد خام برای عایقهای خارجی استفاده میشود.
با گذشت چند دهه از عملکرد اجرایی شدن این پرسلانها، این مقرهها دارای عملکرد پیری مکانیکی و محیطی خوب هستند. علاوه بر این، مقاومت بسیار خوبی در برابر تخریب مواد ناشی از تنش های الکتریکی و فعالیتهای تخلیه دارند. از سوی دیگر، مقرههای چینی دارای ویژگیهای سطحی آب گریزی هستند. در دهههای اخیر، عایقهای پلیمری به دلیل عملکرد بهتر آلودگی آنها در سطح توزیع ولتاژ معرفی شدهاند
مقرههای پلیمری در طول سالها تغییر عمدهای در طراحی و مواد عایق ایجاد کردهاند و مزایای آنها نسبت به مقرههای پرسلانی و شیشه ای آنها را برای خدمات شهری جذاب ساخته است. مقرههای غیر سرامیکی یا مقرههای پلیمری مانند سیلیکون رابر مزایای متعددی در برابر مقرههای سرامیکی دارند. از جملهی آنها ویژگیهای سطحی آبگریز در شرایط مرطوب ، نسبت استحکام مکانیکی به به وزن، مقاومت در برابر تخریب و هزینه های نگهداری کاهش یافته میباشد. با این حال، آنها در معرض تنش های چندگانه قرار میگیرند که بیشتر در معرض خسارت قرار میگیرند؛ از جمله تنشهای ناشی از ولتاژ عامل بالا، اشعه UV و آلودگی. از آنجا که عایقهای پلیمری یک تکنولوژی نسبتا جدید هستند، عمر مورد انتظار آنها هنوز ناشناخته است و موضوعی است که برای خدمات عمومی بسیار مهم است. در مقابل، مقره های سرامیکی و شیشهای دارای یک رکورد و عمر طولانی مدت هستند.
در سالهای اخیر، فناوری و علوم نانو به ارائه راه حلهای جدید فناوری، برای ایجاد مواد جدید با خواص منحصر به فرد و تولید محصولات جدید و بهبود یافته برای چندین برنامه تبدیل شده است. امروزه تعداد زیادی از محصولات مبتنی بر فناوری نانو با مشخصهها و عملکرد قابل توجه از جمله مراقبت شخصی، لباس، قطعات خودرو، کالاهای ورزشی، الکترونیک، پزشکی و مواد ساختمانی در بازار موجود است. مفهوم فناوری نانو توسط ریچارد پت فاینمن در سخنرانی مشهور و چشم انداز خود در سال 1959 " تعداد زیادی اتاق در پایین وجود دارد" عنوان شد. فینمن این ایده را برای دستکاری و کنترل ماده در مقیاس مولکولی و اتمی - نانومواد - به نمایش گذاشت .
هیچ تعریفی پذیرفته شدهای از فناوری نانو وجود ندارد، اما میتوان آن را به عنوان درک، کنترل و دستکاری ماده در مقیاس نانو، به اندازه 100 نانومتر - 1 نانومتر یک میلیاردم متر، 10- 9 × 1 متر - برای ایجاد مواد تعریف کرد تا موادی با خواص و عملکرد اساسا جدید ایجاد کرد. در مقیاسهای نانومتری، مواد میتوانند خواص منحصر به فرد خود را متفاوت از حالت بالک ارائه دهند؛ بنابراین، فناوری نانو شامل دستکاری مواد برای استفاده از این ویژگیهای منحصر به فرد است. پتانسیل بالایی برای محصولات جدید و بهبود یافته در بخشهای مختلف صنعتی از جمله انرژی، مواد شیمیایی و مواد، بهداشت و درمان و بیوتکنولوژی، الکترونیک و رایانه ها و ابزار و تجهیزات و همچنین دفاع و امنیت وجود دارد.
فناوری نانو میتواند به عنوان یک موضوع جدید در نظر گرفته شود؛ با این حال، نمونههای متعددی از دستکاری ماده در مقیاس نانو با طبیعت وجود دارد. مثال فوق العادهای از مارمولک کوچکی جکو است که توانایی پیوستن به سطوح عمودی دارد و حتی در سقف نیز به آسانی مسیر را طی کند. این مهارت صعود براساس انگشتان پا با یک میلیارد نانو مویی کوچک 200 - نانومتر - میباشد . گل لوتوس نمونه دیگری از فناوری نانو از طبیعت است اگر چه این گل در آبهای گل آلود رشد میکند، اما برگهای آن کاملا سطح آب گریزی دارد ، به طوری که آنها همیشه تمیز به نظر میرسند.
برگ و گل لوتوس دارای مومهایی در مقیاس نانو در قسمت فوقانی سلول غشای بیرونی میباشند، بنابراین قطرههای آب در طی مسیر گرد و خاک را به خود جذب کرده و یک سطح تمیز بر جا میگذارند. این مثالهای نانوتکنولوژی و دیگری که الهام گرفته از طبیعت هستند، منجر به توسعهی کاربردهای خاص از جمله از رنگها و پوششهایی با اثرات خود تمیز شوندگی و سطوح فوق آب گریز، چسبهای با چسبندگی وکارایی بالا شد.
از سوی دیگر، تحقیقات اخیر مواد نانومتری را در میکروساختار عناصر باستانی تزیینی پیدا کردهاند. مطالعهها نشان دادهاند که رنگهای شگفت انگیز برخی از گلدانهای سرامیکی چینی و ژاپنی سفالی به علت نانوذرات فلزی از طلا و نقره است که به طور تصادفی در رنگدانه قرار میگیرند. نمونه دیگر چاقوهای دمشق قدیم بود که در قرن هفدهم در اروپا بسیار جذاب و ارزشمند بودند که دسته های موجی شکل و لبههای بسیار تیزی داشتند. تحقیقها نشان داده اند که ویژگیهای فوق العاده این چاقوهای دمشق قدیم به نانوسیم های سمانتیتی و نانولولههای کربنی در ریز ساختار آن نسبت داده شده است.
فناوری نانو به طور چشمگیری چشم انداز علم مواد را تغییر داده است، زیرا جایگزین های بی شماری برای بهبود مواد متعارف و توسعه نانومواد پیشرفته ارائه می دهد. میکرو و فناوری نانو در سال های اخیر به علت همکاری میان چندین رشته از قبیل علم مواد، فیزیک، شیمی، فناوری اطلاعات و غیره، و نیز از جنبههای اجتماعی، اقتصادی و سیاسی به پیشرفت مربوطه دست یافته اند. به تازگی، پروژه های تحقیقاتی و توسعهای بر بهبود عملکرد و معرفی مواد جدید با خواص بهبود یافته متمرکز شده است
نانومواد تولید شده را می توان بر اساس روش تولید آنها طبقه بندی کرد. روش پایین - از پایین به بالا - که به عنوان فناوری نانو تکنولوژی مولکولی شناخته می شود، که درگیر ساختارهای آلی و معدنی اتم به اتم یا مولکول به مولکول است.
روش بالا به پایین - از بالا به پایین - مربوط به کاهش اندازه مادههای متعارف در سطوح نانو میباشد، به عنوان مثال موادبالک با روشهای خرد کردن مکانیکی و اچینگ به نانو ذرات تقسیم می شوند. فناوری نانو به عنوان یک فناوری کلیدی، پتانسیل بالایی برای راهکارهای نوآورانه و ارزشمند برای پشتیبانی و تبدیل بسیاری از بخشهای صنعتی محسوب میشود. تحقیقهای زیادی وجود دارد که نشان میدهد عملکرد مواد را می توان به طور چشمگیری با افزودن ذرات نانو مقیاس تغییر داد، به عنوان مثال مقاومت مکانیکی بالاتر، سختی، انعطافپذیری، مقاومت در برابر سایش، ظرفیت دی الکتریک و حرارتی، خواص مغناطیسی و غیره. استفاده از فناوری نانو برای انتقال انرژی بالقوه است که به طور قابل توجهی به دو تکنولوژی انتقال مستقر و نیاز به توسعه بیشتر منجر شود .
امروزه نوآوری های فناوری نانو در برخی از حوزه های مهندسی برق، از قبیل انرژی الکتریکی از طریق موضوعات تحقیقاتی مختلف مانند رساناهای با مقاومت ویژهی بسیار کم، نانوپرکنندهها برای مواد عایق، نانوسیال دی الکتریک، پوشش های نانوساختار، نظارت و تشخیص - M & D - سیستمها و دیگران مهندسی شده است. فناوری نانو، پتانسیل پیشرفتهای تکنولوژیکی تعیین کننده در بخش انرژی را نشان می دهد. در این فصل، پیشرفت های اخیر در زمینه استفاده از فناوری نانو برای عایق های فضای باز و مزایای آن در برابر عایق های سنتی، مورد بررسی و خلاصه قرار گرفته است. روند و چالشهای آینده فناوری نانو برای عایقهای الکتریکی نیز مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
با استفاده از کلمات کلیدی اشاره شده در بخش قبلی و با استفاده از سایت scopous، مقالات منتشر شده در زمینه استفاده از تکنولوژی نانو در صنعت مقره های الکتریکی، بررسی و ارزیابی شد. اولین فعالیت منتشر شده در این زمینه، در سال 2002 میلادی، منتشرشد و تا پایان سال 2017 میلادی، 181 سند به صورت مقاله و کتاب در مجلات و کنفرانسها، به چاپ رسید. مطابق با شکل - 1 - تقریبا روند استفاده از نانو برای بهبود خواص مقره های الکتریکی، روندی رو به افزایش دارد.
شکل :1 نمودار تغییرات تعداد مقالات در ارتباط با نانو و مقره در سالهای مختلف از 2000 تا .2017
جدول - 1 - نشان دهنده کشورهای فعال در زمینه استفاده از تکنولوژی نانو هستند. مطابق این جدول، بیشترین سهم تحقیقاتی را به ترتیب کشورهای، چین، هند، و کانادا دارند. از کشور ایران تنها یک مقاله با مشخصات زیر از دانشگاه تربیت مدرس به چاپ رسانده است.
