بررسی اجزاء ایزولاسیون در صنعت برق

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
ایزولاسیون ایستگاههای فشار قوی:

در ایستگاههای فشار قوی ارتباط تجهیزات فشار قوی به یکدیگر و به شینه‌های اصلی و خروجی‌ها توسط شینه‌های ارتباطی صورت می‌پذیرد. ایزولاسیون هادیهای تحت ولتاژ در محفظه بسته تجهیزات فشار قوی, از جمله ترانسفورماتورهای قدرت, ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ, کلیدها و غیره توسط روغن و یا گاز و یا هوای فشرده موجود در محفظه تأمین می‌گردد و ایزولاسیون شینه‌های اصلی و شینه‌های ارتباطی واقع در فضای باز توسط هوا تأمین می‌گردد.

خصوصیات ایزولاسیون در محفظه بسته تجهیزات فشار قوی متفاوت از خصوصیات ایزولاسیون توسط هوا بوده و در هنگام طرح پست و انتخاب تجهیزات فشار قوی لازم است این مرحله متناسب و هماهنگ با یکدیگر صورت پذیرد.

دو نوع ایزولاسیون داخلی و خارجی تجهیزات فشار قوی خصوصیات متفاوت را در قبال انواع مختلف اضافه ولتاژها عرضه می‌کنند که در بخش‌های بعدی به شرح آن پرداخته می‌شود.

سطح عایقی: ( Insulation Level)

هوای اتمسفر در فواصل هوائی بین تجهیزات محیطی دی الکتریک تشکیل می‌دهد. این محیط دائماً در معرض اضافه ولتاژ با فرکانس صنعتی و نیز در معرض اضافه ولتاژهای موجی ناشی از تخلیه جوی (صاعقه) و کلیدزنی (قطع و وصل) می‌باشد. شکست الکتریکی پدیده ایست که در اثر افزایش حداقل یکی از اضافه ولتاژهای فوق در فواصل هوائی بین تجهیزات در قسمت مقره‌ها یا در عایق بندی سیستم ایجاد می‌گردد.

در میان موجهای یاد شده فوق, عامل اصلی تعیین کننده در فواصل الکتریکی بین تجهیزات و شینه ها, همان دامنه ولتاژ موجی قابل قبول توسط فواصل هوائی ایزولاسیون می‌باشد که به سطح ایزولاسیون ایستگاه یا Basic Insulation Level مرسوم بوده و به طور خلاصه با BIL نشان داده می‌شود و آن عبارتست از مقدار ولتاژی که باعث شکست الکتریکی عایق بندی سیستم می‌گردد. شکل این موج بر حسب زمان رسیدن به مقدار ماکزیمم و زمان لزوم برای کاهش به نصف مقدار ماکزیمم مشخص می‌گردد.

برای موارد مختلف و در استانداردهای مختلف زمان پیشانی موج معمولاً بین می‌باشد.

 هماهنگی ایزولاسیون تجهیزات (Insulation Coordination)

به منظور محدود کردن اضافه ولتاژهای اعمالی تجهیزات پست, نوعی هماهنگی عایقی بایستی بین آنها برقرار گردد. این هماهنگی بوسیله سیمهای محافظ ( Shielding Net ) و برقگیر ( Arrester) انجام شده و طوری تنظیم می‌شود که اضافه ولتاژهای اعمالی به تجهیزات تا حدود هشتاد درصد BIL محدود شوند.

این دو وسیله به دو روش متفاوت زیر عمل می‌کند:

الف) سیمهای محافظ یا ( Shielding Net ) که از فضای بالای تجهیزات می‌گذرند و اضافه ولتاژهای موجی ناشی از تخلیه جوی را گرفته و به زمین منتقل کرده و از این طریق اضافه ولتاژ اعمالی به تجهیزات را محدود می‌نماید و در مورد اضافه ولتاژهای موجی قطع و وصل نیز از طریق کوپلینگ ممکن است در کاهش ولتاژ موثر باشد.

ب) برقگیرها یا Arresters با اتصال کوتاه کردن اضافه ولتاژهای موجی که از طریق خطوط انتقال وارد پست می‌شوند, اضافه ولتاژهای اعمالی به تجهیزات را محدود می‌کند.

بحث هماهنگی عایقی, ماهیتاً بدلیل تعداد پارامترها و عوامل درگیر و مشکلات ناشی از برآورد و محاسبه و آزمایش به یکی از پیچیده‌ترین موضوعات مهندسی برق تبدیل شده است لذا عملاً اغلب ناگزیر هستیم با نوعی سازش تقریبی میان عملکرد سیستم و هزینه مربوطه به طرح بهینه سیستم دست یابیم. بنابراین جهت انتخاب سطح عایقی تجهیزات باید اضافه ولتاژها را در طول مدت بهره برداری محاسبه نمود و مقادیر اضافه ولتاژها مشخص کنندة سطح عایقی تجهیزات خواهد بود بنابراین با استفاده از وسایل حرارتی این اضافه ولتاژها را می‌توان تا حدودی محدود کرد و با قبول مقداری ریسک تا حد قابل قبولی سطح عایقی تجهیزات را کاهش داد. پائین آوردن سطح عایقی تجهیزات از نظر اقتصادی و بهره برداری مهم می‌باشد و امروزه با استفاده از برقگیرها در داخل پست (در ورودی و خروجی پستها و ورودی و خروجی ترانسفورماتورها) سطح عایقی تجهیزات را پائین می‌آوردند.

بنابراین حداقل مقدار سطح عایقی تجهیزات (BIL) بایستی 2/1 برابر سطح حفاظت شده توسط برقگیر باشد.

ایزولاسیون داخلی ایستگاههای فشار قوی:

همانگونه که اشاره شد ایزولاسیون هادیهای تحت ولتاژ واقع در محفظه بستة تجهیزات فشار قوی توسط روغن یا گاز و یا هوای فشرده موجود در محفظه تأمین می‌گردد. این نوع ایزولاسیون تجهیزات فشار قوی به عنوان ایزولاسیون داخلی تجهیزات فشار قوی و ایزولاسیون داخلی ایستگاه مرسوم می‌باشد.

به علت محفوظ بودن ایزولاسیون داخلی, این ایزولاسیون در معرض تغییرات درجه حرارت, باران, یخبندان و آلودگی محیط واقع نمی باشد. تنها کمیت‌های موثر در تعیین ایزولاسیون داخلی تجهیزات فشار قوی را, اضافه ولتاژهای ظاهر شده در شبکه شامل اضافه ولتاژهای موقت فرکانس 50HZ و اضافه ولتاژهای تخلیه جوی و اضافه ولتاژهای قطع و وصل تشکیل می‌دهند. اضافه ولتاژهای تخلیه جوی در پی تخلیه جوی مستقیم بر هادیهای واقع در فضاهای باز نظیر شینه ها, هادیهای فاز خطوط انتقال انرژی و غیره ظاهر گردیده و با انتشار در طول هادیهای فاز به داخل محفظه بسته به تجهیزات فشار قوی وارد گردیده, ایزولاسیون داخلی را تهدید می‌نمایند. اضافه ولتاژهای قطع و وصل در پی وصل کلیدها در ایستگاه ظاهر گردیده و مشابه ولتاژهای موجی تخلیه جوی به دنبال انتشار در طول هادیهای فاز به داخل محفظه بسته تجهیزات فشار قوی وارد می‌گردند.

ولتاژ عایقی عرضه شده, توسط ماده ایزوله روغن یا گاز و فواصل ایزولاسیون هادی تحت ولتاژ از بدنه و از یکدیگر در داخل محفظه بسته در قبال ولتاژهای موجی تخلیه جوی و قطع و وصل در استانداردهای مختلف در هر ردیف ولتاژ نامی تعیین گردیده اند که به عنوان سطح ایزولاسیون داخلی تجهیزات فشار قوی مرسوم می‌باشند.سطح ایزولاسیون در قبال اضافه ولتاژهای موجی به عنوان Basic Insulation Level مرسوم بوده و با BIL نشان داده می‌شود سطح ایزولاسیون در قبال اضافه ولتاژهای موجی قطع و وصل به عنوان Switching Impulse Withstand Level مرسوم بوده و با SIWL نشان می‌دهند. همچنین سطح ایزولاسیون در قبال اضافه ولتاژهای موجی تخلیه جوی به عنوان Lightning Impulse Withstand Level مرسوم بوده و با LIWL نشان می‌دهند و سطح ایزولاسیون در قبال اضافه ولتاژهای با فرکانس صنعتی 50HZ به عنوان Power Frequncy Withstand Voltage مرسوم بوده و با PFWV نشان می‌دهند. در کلیه استانداردها در هر ردیف ولتاژ نامی چند مقدار برای LIWL, SIWL عرضه گردیده که در هنگام انتخاب ایزولاسیون ترانسفورماتور یک مقدار استاندارد با توجه به مشخصات شبکه و انجام محاسبات لازم به عنوان سطح ایزولاسیون داخلی ترانس انتخاب و به کارخانه سازنده اعلام می‌گردد. دامنه اضافه ولتاژهای ناشی از سوئیچینگ (قطع و وصل) کلیدها در ردیف ولتاژهای نامی بیش از 300KV قابل ملاحظه بوده و ایزولاسیون داخلی و خارجی را تهدید می‌کند و به همین علت سطح SIWL فقط برای ردیف ولتاژهای نامی ارائه و محاسبه می‌گردد.

1-6) سطح عایقی خارجی:

مقدار اضافه ولتاژهای قابل تحمل توسط مقره‌های عایقی تجهیزات و یا فاصله بین فازها یا فازها با زمین که بوسیله هوا و یا مقره‌ها از یکدیگر جدا شده اند بدون اینکه بین قسمت برقدار و زمین یا بین فازها از طریق هوای آزاد جرقه زده شود را سطح عایقی خارجی می‌نامند.

2-6) سطح عایقی داخلی:

مقدار تحمل اضافه ولتاژها توسط عایق‌های داخلی تجهیزات که ممکن است از نوع جامد یا مایع یا گاز بوده و از اثرات محیط خارج و شرایط اتمسفر محفوظ باشد را سطح عایقی داخلی می‌گویند. سطح عایقی خارجی تجهیزات معمولاً بیشتر از سطح عایقی داخلی است.

مقادیر سطح عایقی بایستی از طریقی انتخاب شود که امکان بوجود آمدن جرقه در اثر اضافه ولتاژ در سطح خارجی دستگاهها وجود نداشته باشد و سطح داخلی دستگاهها نیز بتوانند این اضافه ولتاژها را تحمل کنند.

البته ضرورت دارد جهت اقتصادی‌تر نمودن تجهیزات پست با طراحی صحیح پست (نقطه نوترال, نحوه اتصال آن به زمین و اتصال برقگیرها در جای مناسب) اثر اضافه ولتاژها را بر روی تجهیزات از بین برد.

اضافه ولتاژهائی که وارد تجهیزات پست می‌شوند عبارتند از:

1) اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی
2) اضافه ولتاژهای ناشی از رعد و برق
3) اضافه ولتاژهای موقت با فرکانس معمولی

 7) امپدانس درصد ترانس:

برای انتخاب امپدانس درصد ترانس باید پارامترهای زیر را در نظر گرفت:

1) تعداد ترانسفورماتورهای موازی
2) سطح اتصال کوتاه طرف تغذیه شونده
3) مسائل اقتصادی

هر چقدر امپدانس درصد ترانسفورماتور کمتر باشد بهتر است زیرا که راکتانس ترانسفورماتور احتیاج به قدرت راکتیو دارد که بایستی بوسیله ژنراتور و یا وسایل جبران کننده تامین شود. و از طریق خطوط انتقال تا محل ترانسفورماتور هدایت شود ولی از طرف دیگر کاهش امپدانس علاوه بر افزایش قیمت ساخت ترانس باعث می‌شود سطح اتصال کوتاه بالا رفته و فراهم کردن تجهیزات با سرمایه گذاری بیشتری انجام گیرد بنابراین استاندارد IEC برای ترانسهایی با قدرت زیر, امپدانس مناسب را انتخاب نموده است که به شرح ذیل می‌باشد.

امپدانس درصد Z% قدرت ترانس به کیلو ولت آمپر

4 631-1250
5 1251-3150
25 3151-6300
35 6301-12500
10 12501-25000
5 25001-200000

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،