مهندسی برق

با توجه به اهميت مقره هاي فشارقوي خصوصا در خطوط انتقال انرژي در اين مقاله پس از بررسي انواع مقره هاي موجود در صنعت به بررسي آلودگي كه يكي از مشكلات مهم اين تجهيزات در حين بهره برداري ميباشد پرداخته شده است. بر اساس استانداردها و توصيه هاي موجود، نحوه ارزيابي ميزان آلودگي و استاندارد آزمون آلودگي مقره بررسي شده و طي چند تست ميزان هدايت الكتريكي محلول متاثر از غلظت نمك و خاك رس حل شده در آب كه به طور مستقيم بر ولتاژ شكست مقره تاثير دارند بدست آمده و نتايج حاصله مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته است . . .

مقره ها تجهيزاتي هستند كه جهت ايجاد اتصال مكانيكي مابين خطوط انتقال و يا خطوط توزيع نيروي الكتريسيته و دكل ها و تيرها به كار مي روند و وظيفه اصلي آنها علاوه بر داشتن ويژگيهاي عايق الكتريكي دارا بودن استحكام مكانيكي كافي نيز مي باشد.

مقره ها بر اساس ويژگيها و برتريها قابليت بكار گيري را در مكانهاي مختلف دارا مي باشند. اين نكته قابل تامل است كه قيمت مقره تنها در حدود 5% هزينه تا سيس يك خط انتقال نيرو را دربردارد ولي در عين حال اغلب توقفات و محدوديت هاي انتقال نيرو ناشي از مقره ها مي باشد.

مقره ها براساس نوع و محل بكار گيري و ولتاژ خط عبوري داراي اشكال متفاوتي هستند، همچنين مقره ها از مواد مختلف داراي خواص عايقي مناسب قابل تهيه است كه در ادامه انواع مختلف آنها مورد بررسي قرار خواهد گرفت.

آمار و اطلاعات موجود در شبكه كشورهاي گوناگون از جمله ايران نيز نشان مي دهد درصد قابل توجهي از خاموشيهاي شبكه برق مربوط به عيوب مقره هاست. بطور متوسط دليل80% خروج خطوط انتقال، عيوب مقره و به دنبال آن حادثه اتصال كوتاه است. به همين دليل تحقيقات گسترده اي براي بررسي مشكلات و بهبود عملكرد الكتريكي و مكانيكي مقره ها در طي ساليان گذشته صورت گرفته است. با توجه به پيشرفت در زمينه تكنولوژي ساخت و مواد مورد استفاده در مقره هاي فشار قوي، تحقيقات در اين ارتباط در 3 دهه اخير رشد فزاينده اي داشته است.

انواع مقره‌ها از نظر نوع ساخت

بطور كلي انواع مقره هاي فشارقوي از نظر مواد ساختماني عبارتست از:

- مقره هاي سراميكي

- مقره هاي شيشه اي

- مقره هاي سراميكي با لعاب نيمه هادي

- مقره هاي پليمري (پليمري يا سيليكن رابر)

1- مقره‌هاي سراميكي

سابقه مقره هاي سراميكي و شيشه اي به بيش از 100 سال مي رسد كه به عنوان اولين نسل مقره‌ها شناخته شده‌اند.

سراميك عايق بسيارخوبي است چون داراي استقامت الكتريكي 15-30kV/mm در ولتاژ متناوب، استقامت الكتريكي ضربه حدود 50kV/mm و مقاومت مخصوص در حدود 10¹²Ωm است.

همانگونه كه مشخص است مقره هاي سراميكي داراي معايب متفاوتي مي باشند كه برخي از معايب عمده مقره هاي سراميكي عبارتست از:

• وزن زياد و مشكلات آن در نصب، سرويس و تعمير
• رشد قارچي سيمان در مناطق مرطوب كه ابتدا به ايجاد ترك در قسمت عايق و نهايتا پنچري مقره در داخل كلاهك منجر صورت مي گيرد
• ترك برداشتن در اثر عوامل مختلف و توسعه تركها
• صدمه ديدن تدريجي لعاب مقره بويژه در مناطق كويري وداراي طوفان
• زنگ زدن پين مقره
• آهنگ شكستگي زياد آنها در حمل و نقل (2 درصد) و برنده بودن نقاط تيز شكسته شده

2- مقره‌هاي شيشه‌اي

مقره هاي شيشه اي كه معمولا ارزانتر از سراميكي هستند، در شرايط مشابه از استقامت الكتريكي بالاتري برخوردار هستند. مهمترين مزيت آنها اين است كه در صورت ايجاد شكستگي بدليل شفاف بودن، عيب مقره قابل رويت است. اما اين نوع مقره ها هم داراي مشكلاتي هستند كه علاوه بر موارد مشابه مقره هاي سراميكي عبارتند از:

• شكستگي كل عايق در صورت ضربه خوردن
• افزايش آهنگ شكستگي در صورت كيفيت پايين شيشه
• استقامت مكانيكي كم

3- مقره هاي سراميكي با لعاب نيمه هادي

جهت بهبود عملكرد مقره هاي سراميكي در محيطهاي با آلودگي زياد، يك لعاب نيمه هادي روي مقره سراميكي كشيده ميشود. اين لعاب باعث ميشود تقسيم ولتاژ روي سطح مقره يكنواخت تر شده وولتاژ شكست زيادتر شود. درحقيقت يك مسير دائمي جريان نشتي وجود دارد كه از تشكيل قوس درناحيه خشك كه مقدمه شكست الكتريكي است، خودداري مي كند. يكي از محدوديتهاي اين نوع مقره افزايش جريان نشتي است كه موجب تلفات دائمي و نيز ناپايداري حرارتي ميشود.

4- مقره هاي پليمري

مقره هاي پليمري كه به نام غير سراميكي يا كامپوزيت هم خوانده مي‌شوند نسل نسبتا جديد مقره ها بشمار مي‌روند.

معروفترين نوع مقره‌هاي پليمري، سيليكن رابر است. هر چند سابقه ساخت اولين مقره‌هاي كامپوزيت به بيش از 50 سال قبل بر مي‌گردد اما استفاده مقره هاي كامپوزيت از دهه 1970 ميلادي رايج شد. اين نوع مقره از 2 يا چند نوع ماده پليمر تشكيل مي‌شود و قسمتهاي مختلف آن عبارتند از: هسته كامپوزيت، روكش پليمر و يراق آلات. هسته اين مقره‌ها يك ميله از جنس الياف فيبر شيشه (فايبر گلاس) است. هسته داراي استقامت كششي بسيار خوبي است و از اين رو مي‌تواند تنشهاي مكانيكي از طرف هادي و دكل را تحمل كند. روكش پليمري مقره علاوه بر تامين فاصله خزشي لازم، هسته را در مقابل تخريب محيط محافظت مي‌كند و همچنين داراي خاصيت آبگريزي بسيار خوبي است.

شكل زیر نمونه هاي عيوب مقره هاي پليمري در بهره برداري را نشان مي‌دهد.

آلودگي مقره‌ها

آلودگي مهمترين دليل بروز شكست الكتريكي خارجي روي سطح مقره و متعاقب آن عملكرد رله ها و خروج خطوط انتقال از مدار است. تجربه نشان داده است كه آلودگي به كرات باعث خروج يك خط فشارقوي مهم از شبكه شده است.

نمونه اين حوادث در ايران در خطوط فشارقوي برق منطقه اي باختر و برق منطقه اي هرمزگان درسالهاي گذشته مشاهده شده است و هم اكنون نيز اين مشكلات وجود دارد. بعضي مواقع عيوب مقره با توجه به وضعيت شبكه، باعث قطعي هاي پي در پي و از دست دادن قسمت قابل توجهي از برق شبكه مي شود. علت شروع حادثه خاموشي سراسري در نوروز 1382 كه باعث خروج قسمت مهمي از بخش شمالي شبكه برق ايران براي مدت چند ساعت شد نيز دراثر شكست الكتريكي خارجي يك مقره مربوط بوده است هر چند كه دليل اصلي آن عدم عملكرد كليد مربوطه پس از شكست الكتريكي مقره و انفجار كليد و خروج يك خط اصلي بوده است. در شبكه برق فلوريداي آمريكاي شمالي در ايام سال نو ميلادي 1991 در مدت 9 روز 172 خروج شبكه اتفاق افتاد كه علت همگي آنها آلودگي مقره خطوط گزارش شده است. 114 مورد از اين خروج در آن سال، در روز كريسمس اتفاق افتاده است.

دليل اصلي كاهش استقامت الكتريكي دراثر آلودگي، تشكيل يك لايه هادي بر روي سطح مقره ناشي از تركيب مواد آلوده ساز و رطوبت است. ولتاژ شكست در چنين حالتي بستگي به پارامترهاي مختلفي از جمله نوع آلودگي، ميزان و ابعاد ذرات آلودگي، يكنواختي و عدم يكنواختي آلودگي، رطوبت و يكنواختي آن، تشكيل شبنم و ميزان آن، پروفيل و ابعاد هندسي مقره، شستشو دادن مقره، باد و عوامل جوي ديگر دارد.

با توجه به قدمت مشكل آلودگي درعملكرد مقره‌هاي سراميكي و شيشه اي، استانداردهايي تنظيم شده است كه به بهره برداران جهت انتخاب مقره و آزمون‌هاي آن توصيه‌هاي لازم را مي‌كند.

استاندارد IEC815 حداقل فاصله خزشي مخصوص مقره را در شرايط متفاوت آلودگي محيطي مشخص كرده است كه خلاصه آن در جدول زیر ملاحظه مي‌شود. فاصله خزشي مخصوص طبق تعريف عبارتست از نسبت فاصله خزشي مقره به حداكثر ولتاژ فاز به فاز شبكه.

تعيين ميزان آلودگي مقره

معروفترين آزموني كه در اكثر تحقيقات انجام شده بر روي مقره استفاده مي‌شود، آزمون آلودگي مصنوعي مقره بر اساس استاندارد IEC507 است. يكي از پارامترهاي مهم براي تعيين ميزان آلودگي مقره، ESDD(Equivalent Salt Deposit Density) است. در اين روش آلودگي نشسته بر روي سطح زير و روي بشقاب مقره جمع آوري شده و در مقدار معيني آب خالص حل مي‌شود.

هدايت الكتريكي محلول آلودگي بوسيله يك دستگاه هدايت‌سنج (Conductivity Meter) اندازه‌گيري شده و ميزان سختي محلول از رابطه زير بدست مي‌آيد.

S_a سختي محلول بر حسب ، s₂₀ هدايت الكتريكي محلول بر حسب در دمای 20 درجه است.

ميزان ESDDمقره عبارتست از:

V حجم محلول آلودگي بر حسب cm³ و A مساحت مقره بر حسب cm²است.

پارامتر ديگري كه براي ارزيابي آلودگي نامحلول مقره استفاده ميشود، چگالي ماده حل نشدني نشسته بر مقره يا NSDD(Non-soluable Deposit Density) است و از رابطه زير محاسبه مي‌شود.

M وزن آلودگي حل نشدني است كه به كمك عبور محلول از يك فيلتر بدست مي آيد.

با انجام اندازه‌گيري‌هاي دوره اي ESDD و NSDD علاوه بر تعيين ميزان آلودگي مقره، شدت آلودگي محيط و معيارهاي مناسب جهت طراحي ايزولاسيون و هماهنگي عايقي بدست مي آيد.

روش ديگري كه براي اندازه‌گيري ميزان آلودگي پيشنهاد شده است بر اساس اندازه‌گيري هدايت لايه آلودگي است كه با اعمال يك ولتاژ فشارضعیف و اندازه گيري جريان خزشي مقره، ضريب هدايت بدست آمده و از روي آن ميزان آلودگي مشخص مي‌شود. توسط يك دستگاه Megger نيز مي‌توان اينكار را انجام داد.

مؤسسات معتبري مانند IEC، IEEE و CIGRE بر اساس ESDD مناطق را از نظر آلودگي تقسيم‌بندي كرده‌اند كه نتيجه آن، در جدول زیر ملاحظه مي‌شود. هرچند مرز بين تقسيم‌بندي در بعضي موارد بسيارنزديك است اما در برخي سطوح آلودگي تفاوت قابل تامل است.

يكي از راههاي كاهش معضل آلودگي مقره ها در خطوط انتقال، اندازه گيري ميزان ESDD و شناخت وضعيت آلودگي محيط و سعي بر تطابق مشخصات مقره ها با محيط است كه نهايتا منجر به نتايجي از جمله تعويض نوع مقره، طولاني كردن زنجيره مقره و تعيين دوره تناوب شستشو مي‌شود. چنين بررسي هايي در كشورهايي از جمله آمريكا، كانادا، استراليا، تعداد زيادي از كشورهاي اروپايي ازجمله فرانسه، انگلستان، آلمان و كشورهايي مانند ژاپن، چين، آفريقاي جنوبي انجام شده است و نتايج مطلوبي در پي داشته كه باعث كاهش خروج خطوط انتقال از شبكه شده است.

از طرف ديگر توصيه موسسات و شركت‌هاي گوناگون درباره انتخاب تعداد بشقاب‌ها براي شرايط يكسان متفاوت است. جدول زیر تعداد بشقاب‌هاي پيشنهادي براي سطح آلودگي متوسط براي يك نمونه خاص مقره را نشان مي‌دهد. همانطور كه ملاحظه مي‌شود، نظر موسسات مختلف، حتي در شرايط يكسان درباره تعداد زنجيره متفاوت است.

(براي محيط با آلودگي متوسط ESDD=0.2 mg/cm² و طول خزشي 305 ميليمتر براي هر بشقاب)

استاندارد آزمون آلودگي

موسسه CIGRE در گزارش مهم خود در ارتباط با آزمون آلودگي مقره‌ها، 7 روش را معرفي كرده است. اما در استاندارد آزمون آلودگي مقره هاي IEC معروفترين آزموني كه در اكثر تحقيقات مقره استفاده مي شود، آزمون آلودگي مصنوعي مقره بر اساس IEC507 است.

پارامتر مهم براي تعيين ميزان آلودگي مقره ESDD، است. اين استاندارد نيز همين پارامتر را جهت اندازه گيري شدت آلودگي معرفي كرده كه روش ايجاد آلودگي مصنوعي در ادامه آورده شده است.

1- روش مه نمكي

در اين روش مقره در معرض آلودگي مصنوعي معيني قرار مي گيرد و آزمون در يك محفظه مخصوص انجام مي‌شود. توسط نازل يا اسپري هاي مخصوصي و به كمك يك كمپروسور هوا تركيبي از هوا و محلول با فشار خاص و دبي معيني در محيط پاشيده مي‌شوند تا بصورت مصنوعي مقره در معرض آلودگي نمك و رطوبتي شبيه مه قرار گيرد. در حالتي كه مه نمكي توليد شده است ولتاژ بالا مي‌رود تا شكست رخ دهد و آزمون در صورتي موفقيت‌آميز است كه از 4 بار آزمون حداكثر يكبار شكست الكتريكي رخ دهد. نمونه‌اي از محفظه بخار در شكل روبرو ملاحظه مي‌شود.

2- روش لايه جامد(آزمون مه تميز)

در اين روش لايه نرم و يكنواختي از آلودگي بر روي سطح مقره قرار داده مي شود. يكي از دو نوع محلول Kaolin يا Kieselguhr كه تفاوت آنها در تركيب آلودگي با 1000 گرم آب است بايد انتخاب شوند.

در حقيقت 2 روش جهت انجام آزمون در اين قسمت پيش بيني شده است:

دستورالعمل A: خيس كردن مقره قبل و در حين اعمال ولتاژ

مقره در محلول مذكور شناور شده يا توسط اسپري آلودگي به آن پاشيده مي‌شود. سپس مقره آويزان شده رها مي‌شود تا خشك شود كه معمولا بين 6 تا 8 ساعت طول مي‌كشد. ميزان آلودگي نيز يا به روش ESDD يا با محاسبه هدايت لايه آلودگي از طريق اندازه‌گيري مقاومت بدست مي‌آيد كه در رابطه زیر ملاحظه مي‌شود.

كه K_L هدايت لايه آلودگي، I و V جريان و ولتاژ اعمالي اندازه گيري شده، d قطر مقره و L_T طول خزشي مقره است.

مقاومت لايه آلوده با اعمال ولتاژي كمتر از 700 ولت به دو طرف مقره و اندازه‌گيري جريان لايه مرطوب مقاومت آن حساب مي‌شود. سپس با قرار دادن مقره در محفظه بخار مه، بطوريكه در مدت 20 تا 40 دقيقه هدايت لايه آلوده به ماكزيمم خود برسد، حداكثر تا مدت 15 دقيقه ولتاژ اعمال ميشود. آزمون در صورتي موفقيت‌آميز است كه از 4 بار آزمون حداكثر يكبار شكست الكتريكي رخ دهد. ميانگين 3 بار استقامت الكتريك، استقامت مخصوص لايه آلوده است.

دستورالعمل B: خيس كردن پس از برقدار شدن

اين آزمون كه توسط IEEE گسترش پيدا كرد، بر اساس آلودگي توسط اسپري يا غوطه ور شدن در محلول آلودگي است. تفاوت آن با دستورالعمل قبلي آن است كه در اين روش ابتدا مقره را برقدار كرده و سپس آنرا خيس مي كنند و صبر مي كنند تا جرقه زده شود. در صورت عدم جرقه زدن تا مدت 100 دقيقه تست ادامه پيدا مي كند.

تأثير مقدار آلودگي بر شكست الكتريكي مقره

با توجه به تحقيقات به عمل آمده مشخص گرديده است كه غالب آلودگي‌هاي موجود يا از نوع نمك در آب و يا از نوع خاك رس مي‌باشند و همانطور كه بيان گرديد و طبق روابط ولتاژ شكست و ESDD مشخص است، ميزان تاثير آلودگي در ولتاژ شكست را مي‌توان با نشان دادن تغيير هدايت الكتريكي محلول در اثر افزايش آلودگي بيان نمود. بدين منظور با اضافه كردن مقادير مختلفي نمك در يك ليتر آب و با در نظر گرفتن اين نكته كه در طول انجام آزمايشات دماي محلول همواره در 27 درجه سانتيگراد ثابت بود نتايج حاصله در جدول زیر نمايش داده شده است. ملاحظه مي‌شود افزايش هدايت با ميزان نمك تقريباً يك رشد خطي را آشكار مي‌سازد.

حال براي بررسي اثر آلودگي از نوع خاك رس بر هدايت الكتريكي محلول با در نظر گرفتن مقدار مشخص و ثابت 30 گرم نمك در 1 ليتر آب و اضافه كردن مقادير مختلف خاك رس نتايج بررسي هدايت در جدول زیر ارائه شده است.

با توجه به نتايج به دست آمده مي توان بيان نمود كه تاثير مقدار نمك حل شده در آب بر هدايت الكتريكي محلول به مراتب خيلي بيشتر از تاثير خاك رس است كه به عنوان دو آلودگي موجود مطرح شده اند، مي توان اين تاثير را بر ولتاژ شكست طبق آزمون لايه جامد، با آلوده كردن مقره و تحت ولتاژ قرار دادن آن به طور كامل بررسي نمود. براي بدست آوردن ولتاژ شكست مقره هاي مورد استفاده در مناطق مختلف آلوده (مناطقي كه طبق استاندارد طبقه بندي شده اند) مي توان طبق جدول زیر، آلودگي را كه براي مناطق مختلف برحسب مقدار نمك در آب بيان شده است در محلولي از آب نمك ايجاد نمود و با قرار دادن مقره در اين محلول و آويزان كردن مقره به مدت زمان لازم (6-8 ساعت)، به منظور خشك شدن آن و تحت ولتاژ قرار دادن آن طبق استاندارد به دست آورد.

پس از انجام آزمايشات مي توان با جمع آوري آلودگي از روي سطح مقره و حل كردن آن در يك مقدار مشخص آب و با اندازه گيري هدايت الكتريكي حجم مشخص محلول بر اساس رابطه قبل (هدايت الكتريكي در هر دمايي كه اندازه گيري شده است بايد طبق روابط موجود به هدايت در دم اي 20 درجه سانتيگراد برده شود) سختي محلول را بدست آورد و طبق رابطه ESDD ميزان چگالي معادل نمك نشسته روي سطح مقره (ESDD) را بدست آورد و بر اساس آن نوع منطقه مورد استفاده مقره از لحاظ آلودگي را مشخص كرد. براي بدست آوردن ESDD بايد سطح مقره را محاسبه و در رابطه مربوطه جايگزين نمود.

شكست الكتريكي

يكي از مشكلاتي كه در عايق هاي فشار قوي وجود دارد و به نحوي مهمترين عامل نيز قلمداد مي گردد، جرقه سطحي ناشي از آلودگي است. تخليه الكتريكي روي عايق آلوده عموما هنگامي كه سطح عايق بعلت مه، شبنم يا بارندگي مرطوب شده است ايجاد مي گردد با گسترش يافتن تخليه هاي جزئي روي سطح عايق و انتشار اين تخليه ها در يك مدت معين جريان نشتي روي سطح مقره ايجاد مي گردد افزايش تخليه هاي جزئي بر روي سطح عايق وانتشار اين تخليه ها به ساير نواحي سبب افزايش جريان نشتي روي سطح مقره گشته وممكن است منجر به ايجاد شكست سطحي گردد.

ولتاژ شكست درچنين حالتي بستگي به پارامترهاي مختلفي ازجمله نوع، ميزان و ابعاد ذرات آلودگي، يكنواختي و يا عدم يكنواختي آلودگي، ميزان رطوبت، شبنم و ميزان آن، پروفيل و ابعاد هندسي مقره، فواصل زماني شستشوي طبيعي و مصنوعي مقره و عوامل جوي دارد. پروسه فوق در سه مرحله صورت مي‌پذيرد كه شامل شكل گيري يك لايه (فيلم) نازك رسانا (الكتروليت) ودر ادامه ايجاد باندهاي خشك و سپس شروع پيش تخليه‌هاي جزئي و گسترش و انتشار تخليه‌ها به ساير مناطق مي‌باشد كه گاه اين تخليه‌ها مي‌تواند باعث آسيب ديدن جدار سطحي مقره و خرابي آن گردد.