اپوکسی عایق الکتریکی 80
فصل ۸۰ ـ شکست دی‌الکتریک در رزین اپوکسی عایق برق؛ سازوکار، عوامل مؤثر و تفاوت ولتاژ شکست با ولتاژ کاری
جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509
مقدمه
شکست دی‌الکتریک رزین اپوکسی عایق برق یکی از مهم‌ترین موضوعات در ارزیابی عملکرد مواد عایق الکتریکی است. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که ماده نتواند میدان الکتریکی اعمال‌شده را تحمل کند. شناخت عوامل مؤثر بر شکست دی‌الکتریک، تفاوت ولتاژ شکست با ولتاژ تحمل و ولتاژ کاری، به انتخاب صحیح رزین و طراحی ایمن سیستم عایقی کمک میکند.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی که هنگام ارزیابی یک ماده عایق الکتریکی مورد توجه قرار می‌گیرد، توانایی آن در تحمل میدان الکتریکی بدون ایجاد شکست است. رزین اپوکسی در بسیاری از کاربردهای عایق‌کاری برق به دلیل امکان ایجاد یک لایه پیوسته و چسبنده، مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، مقاومت الکتریکی یک رزین را نمی‌توان تنها با یک عدد ولتاژ توصیف کرد. «ولتاژ شکست»، «ولتاژ تحمل»، «مقاومت عایقی»، «استقامت دی‌الکتریک» و «ولتاژ کاری مجاز» مفاهیم متفاوتی هستند. شناخت این تفاوت‌ها اهمیت زیادی دارد؛ زیرا ممکن است یک نمونه در یک آزمون مشخص در برابر ولتاژ بالایی دچار شکست نشود، اما همان عدد به هیچ عنوان به معنی آن نباشد که می‌توان تجهیز را در همان ولتاژ به صورت دائم و بدون بررسی‌های مهندسی به کار گرفت.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. شکست دی‌الکتریک چیست؟
شکست دی‌الکتریک زمانی رخ می‌دهد که عایق دیگر نتواند در برابر میدان الکتریکی اعمال‌شده مقاومت کند و یک مسیر رسانای ناگهانی یا شدید در آن شکل بگیرد. این پدیده با جریان نشتی عادی متفاوت است. در حالت عادی، عایق جریان بسیار کمی عبور می‌دهد؛ اما در شکست، وضعیت الکتریکی ماده به‌صورت اساسی تغییر میکند.
—
۲. میدان الکتریکی و ولتاژ
در ساده‌ترین حالت، اگر ولتاژ میان دو الکترود و فاصله میان آنها مشخص باشد، می‌توان برای تقریب اولیه میدان الکتریکی از رابطه زیر استفاده کرد:
E ≈ V / d
اما این رابطه تنها در شرایط هندسی ساده و میدان تقریباً یکنواخت قابل استفاده است. در تجهیزات واقعی، شکل الکترودها، گوشه‌ها، حفره‌ها، فصل مشترک‌ها و تغییرات ضخامت می‌توانند میدان را به‌شدت غیر یکنواخت کنند.
۳. استقامت دی‌الکتریک
استقامت دی‌الکتریک معمولاً به توانایی ماده در تحمل میدان الکتریکی تا پیش از شکست اشاره دارد. این ویژگی اغلب با واحدهایی مانند kV/mm یا MV/m بیان می‌شود. اما مقدار آن یک ثابت مطلق و مستقل از شرایط نیست.
—
۴. چرا استقامت دی‌الکتریک یک عدد مطلق نیست؟
نتیجه آزمون می‌تواند به عوامل مختلفی وابسته باشد:
– ضخامت نمونه؛
– شکل و جنس الکترود؛
– نوع ولتاژ؛
– فرکانس؛
– سرعت افزایش ولتاژ؛
– دما؛
– رطوبت؛
– وجود حباب؛
– کیفیت سطح؛
– زمان اعمال ولتاژ؛
– و روش آزمون.
بنابراین دو آزمایش متفاوت می‌توانند نتایج متفاوتی برای یک رزین یکسان ارائه کنند.
—
۵. اثر ضخامت
ضخامت یکی از عوامل مهم در طراحی عایق است. افزایش ضخامت در بسیاری از شرایط می‌تواند فاصله الکتریکی بیشتری ایجاد کند، اما نمی‌توان بدون آزمون و تحلیل مهندسی نتیجه گرفت که با دو برابر کردن ضخامت، ولتاژ شکست دقیقاً دو برابر خواهد شد. وجود نقص‌ها، حباب‌ها و ناهمگونی میدان می‌تواند این رابطه ساده را مختل کند.
—
۶. ضخامت واقعی و ضخامت اسمی
در اجرای پوشش، ضخامت اسمی ممکن است با ضخامت واقعی در تمام نقاط یکسان نباشد. اگر یک بخش بسیار نازک‌تر از سایر نقاط باشد، همان نقطه ممکن است محل بحرانی عایق باشد. به همین دلیل کنترل یکنواختی ضخامت اهمیت زیادی دارد.
—
۷. حباب و شکست دی‌الکتریک
حباب یکی از مهم‌ترین نقص‌هایی است که می‌تواند عملکرد عایق را تحت تأثیر قرار دهد. هوا و رزین اپوکسی خواص الکتریکی یکسانی ندارند. در نتیجه وجود حباب می‌تواند میدان را در اطراف خود تغییر دهد.
—
۸. حفره و تخلیه جزئی
حفره داخلی ممکن است تحت شرایط مشخص دچار تخلیه جزئی شود. اگر این تخلیه بارها تکرار شود، ممکن است به تدریج به دیواره حفره آسیب وارد کند. بنابراین ممکن است فرآیند خرابی مدت‌ها قبل از شکست نهایی آغاز شده باشد.
—
۹. شکست نهایی با تخلیه جزئی یکی نیست
تخلیه جزئی به معنای شکست کامل عایق نیست. در تخلیه جزئی، یک ناحیه کوچک از سیستم عایقی دچار تخلیه می‌شود، در حالی که مسیر اصلی عایق همچنان برقرار است. اما تکرار آن می‌تواند در برخی شرایط به پیرشدگی و نهایتاً شکست کمک کند.
—
۱۰. تمرکز میدان
میدان الکتریکی در یک عایق همیشه یکنواخت نیست. گوشه‌های تیز، لبه‌های فلزی، سوراخ‌ها، پیچ‌ها و تغییرات ناگهانی هندسه می‌توانند باعث تمرکز میدان شوند. در چنین نقاطی ممکن است شدت میدان محلی بسیار بیشتر از مقدار متوسط باشد.
—
۱۱. شعاع انحنا
افزایش شعاع انحنای گوشه‌های تیز یکی از روش‌های شناخته‌شده برای کاهش تمرکز میدان است. به همین دلیل در طراحی تجهیزات ولتاژ بالا، هندسه قطعه بخشی از طراحی عایق محسوب می‌شود.
—
۱۲. لبه‌های فلزی
فلز رسانا می‌تواند میدان الکتریکی را در اطراف لبه‌ها تحت تأثیر قرار دهد. اگر این لبه به عایق نزدیک باشد، میدان موضعی ممکن است افزایش پیدا کند. صرفاً ضخیم‌تر کردن رزین همیشه بهترین راه‌حل نیست؛ گاهی اصلاح هندسه ضروری‌تر است.
—
۱۳. اثر رطوبت
رطوبت می‌تواند رفتار الکتریکی بسیاری از مواد عایق را تغییر دهد. آب روی سطح نیز می‌تواند در حضور آلودگی، مسیر جریان نشتی ایجاد کند. بنابراین شرایط مرطوب باید هنگام ارزیابی عایق در نظر گرفته شود.
—
۱۴. آب خالص و آب آلوده
آب خالص و آب حاوی نمک‌ها و مواد یونی رفتار الکتریکی یکسانی ندارند. در محیط‌های صنعتی یا ساحلی، آلودگی سطحی می‌تواند همراه با رطوبت جریان نشتی را افزایش دهد. این موضوع به‌خصوص در عایق‌های فضای باز اهمیت دارد.
—
۱۵. اثر دما
دما می‌تواند مقاومت الکتریکی، حرکت مولکولی و خواص دی‌الکتریک رزین را تغییر دهد. همچنین تغییر دما باعث انبساط و انقباض ماده می‌شود. در نتیجه اثر دما می‌تواند هم به شکل مستقیم و هم از طریق ایجاد تنش مکانیکی بر عملکرد عایق اثر بگذارد.
—
۱۶. نزدیک شدن به Tg
با نزدیک شدن پلیمر به محدوده دمای گذار شیشه‌ای، رفتار مکانیکی و مولکولی آن تغییر میکند. این تغییرات می‌تواند خواص الکتریکی و مکانیکی سیستم را نیز تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین دمای کاری واقعی باید در طراحی عایق لحاظ شود.
—
۱۷. اثر فرکانس
خواص دی‌الکتریک رزین ممکن است با فرکانس تغییر کند. ثابت دی‌الکتریک و تانژانت دلتا نیز می‌توانند وابستگی فرکانسی داشته باشند. به همین دلیل نتیجه یک آزمون در یک فرکانس مشخص را نمی‌توان بدون بررسی به تمام فرکانس‌ها تعمیم داد.
—
۱۸. AC و DC
شکست تحت ولتاژ متناوب و مستقیم الزاماً رفتار یکسانی ندارد. در جریان مستقیم، پدیده‌هایی مانند قطبش و تجمع بار فضایی می‌توانند اهمیت پیدا کنند. در جریان متناوب، تغییرات میدان و تلفات دی‌الکتریک نقش متفاوتی دارند.
—
۱۹. ولتاژ ضربه‌ای
ولتاژ ناشی از صاعقه یا کلیدزنی می‌تواند با ولتاژ کاری دائم بسیار متفاوت باشد. مدت زمان اعمال، شکل موج و سرعت افزایش ولتاژ در چنین شرایطی اهمیت پیدا می‌کنند. بنابراین تحمل یک ماده در برابر ولتاژ AC معمولی به‌تنهایی تحمل ضربه‌ای آن را ثابت نمی‌کند.
—
۲۰. ولتاژ کاری
ولتاژ کاری، ولتاژی است که تجهیز برای عملکرد عادی در شرایط مشخص طراحی شده است. این مقدار باید بر اساس کل سیستم عایقی، هندسه، فاصله‌ها، محیط، دما، نوع شبکه و الزامات طراحی تعیین شود. ولتاژ کاری را نباید مستقیماً از یک آزمایش شکست استخراج کرد.
—
۲۱. ولتاژ تحمل
در آزمون ولتاژ تحمل، نمونه یا تجهیز برای یک سطح ولتاژ مشخص و مدت زمان مشخص تحت آزمون قرار می‌گیرد. هدف بررسی این است که عایق در شرایط تعریف‌شده دچار شکست نشود. این آزمون با تعیین نقطه شکست نهایی تفاوت دارد.
—
۲۲. ولتاژ شکست
ولتاژ شکست نقطه‌ای است که در شرایط آزمون مشخص، عایق دچار شکست می‌شود. این مقدار وابسته به شرایط آزمایش است. به همین دلیل هنگام گزارش آن باید شرایط آزمون نیز مشخص شود.
—
۲۳. چرا ولتاژ شکست معیار کافی برای طراحی نیست؟
زیرا یک تجهیز واقعی فقط یک بار در آزمایشگاه تحت ولتاژ قرار نمی‌گیرد. ممکن است سال‌ها تحت میدان الکتریکی، دما، رطوبت، آلودگی، ارتعاش و اضافه‌ولتاژهای گذرا کار کند. طراحی باید بر اساس شرایط سرویس و ضوابط عایقی انجام شود، نه صرفاً یک عدد شکست آزمایشگاهی.
—
۲۴. ضریب اطمینان
در طراحی مهندسی، فاصله‌ای میان شرایط آزمون و شرایط کار در نظر گرفته می‌شود. این فاصله به معنای یک ضریب ثابت و جهانی برای تمام رزین‌ها نیست. مقدار مناسب باید با توجه به کاربرد، استاندارد، شرایط محیطی و ویژگی‌های تجهیز تعیین شود.
—
۲۵. نقش فاصله خزشی
گاهی مسیر حرکت جریان روی سطح عایق از ضخامت مستقیم عایق مهم‌تر می‌شود. فاصله خزشی به مسیر سطحی بین نقاط با پتانسیل متفاوت مربوط است. در حضور آلودگی و رطوبت، طراحی مناسب فاصله خزشی اهمیت بیشتری پیدا میکند.
برای خرید محصول کلیک کنید
۲۶. فاصله هوایی
فاصله هوایی نیز بخشی از سیستم عایقی است. در برخی هندسه‌ها، ممکن است هوا پیش از خود رزین دچار تخلیه شود. بنابراین طراحی باید کل مسیر عایقی را در نظر بگیرد.
—
۲۷. فصل مشترک رزین و فلز
فصل مشترک میان دو ماده می‌تواند از نظر الکتریکی حساس باشد. اگر در این ناحیه حفره، آلودگی یا جداشدگی وجود داشته باشد، میدان ممکن است یکنواخت نباشد. به همین دلیل کیفیت اتصال رزین به زیرلایه بخشی از کیفیت عایق الکتریکی است.
—
۲۸. نقش آماده‌سازی سطح
سطح تمیز و خشک برای ایجاد یک پوشش مناسب اهمیت دارد. چربی و آلودگی ممکن است چسبندگی را کاهش دهند. رطوبت نیز می‌تواند به ایجاد نقص در فصل مشترک کمک کند.
—
۲۹. پخت رزین
رزین باید مطابق سیستم مواد و دستورالعمل سازنده به درجه پخت مورد نظر برسد. پخت ناقص می‌تواند خواص نهایی رزین را تغییر دهد. از سوی دیگر، پخت نامناسب ممکن است باعث افزایش تنش داخلی یا ایجاد نقص شود.
—
۳۰. نقش فیلرها
فیلرها می‌توانند برای تغییر برخی خواص رزین به کار روند. اما افزودن فیلر همیشه به معنای افزایش استقامت دی‌الکتریک نیست. نوع فیلر، مقدار آن، اندازه ذرات، پراکنش، رطوبت و کیفیت فصل مشترک ذرات با رزین اهمیت دارند.
—
۳۱. نانوذرات
نانوذرات نیز می‌توانند خواص پلیمر را تغییر دهند. اما پراکنش ناقص و تجمع ذرات ممکن است به ایجاد نواحی ناهمگن منجر شود. بنابراین استفاده از نانوذرات نیازمند کنترل فرمولاسیون و فرآیند است.
—
۳۲. ناخالصی‌های یونی
وجود برخی ناخالصی‌های یونی می‌تواند بر جریان نشتی و رفتار الکتریکی ماده اثر بگذارد. این موضوع در مواد اولیه، آب، افزودنی‌ها و برخی پرکننده‌ها قابل توجه است. در کاربردهای حساس، خلوص مواد باید کنترل شود.
—
۳۳. ضخامت و یکنواختی
دو پوشش با ضخامت میانگین یکسان ممکن است عملکرد یکسانی نداشته باشند. اگر یکی از آنها نقاط بسیار نازک یا حباب‌های داخلی داشته باشد، نقطه بحرانی می‌تواند همان ناحیه باشد. بنابراین میانگین ضخامت به تنهایی معیار کافی نیست.
—
۳۴. آزمون‌های الکتریکی
برای ارزیابی یک سیستم عایقی می‌توان بسته به کاربرد از آزمون‌های مختلف استفاده کرد:
– مقاومت عایقی؛
– مقاومت حجمی؛
– مقاومت سطحی؛
– ولتاژ تحمل؛
– ولتاژ شکست؛
– تخلیه جزئی؛
– تانژانت دلتا؛
– و آزمون‌های پیرشدگی.
هر آزمون اطلاعات متفاوتی ارائه میکند.
—
۳۵. آزمون خشک و مرطوب
مقایسه نمونه در حالت خشک و مرطوب می‌تواند اطلاعاتی درباره حساسیت سیستم به رطوبت فراهم کند. اما تفاوت نتایج فقط زمانی قابل تفسیر است که شرایط آزمون دقیقاً مشخص باشد. مدت تماس با آب، دما، نوع آب، آماده‌سازی نمونه و روش اعمال ولتاژ می‌توانند بر نتیجه اثر بگذارند.
—
۳۶. داده‌های آزمون پادنار 8119
بر اساس داده‌های فنی ارائه‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، روی نمونه یک میلی‌متری و در شرایط آزمون اعلام‌شده، ولتاژ شکست در حالت خشک ۲۱٬۰۰۰ ولت و ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای ۳٬۵۰۰ ولت گزارش شده است. برای نمونه مرطوب نیز ولتاژ شکست ۱۴٬۰۰۰ ولت و ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای ۲٬۵۰۰ ولت اعلام شده است. این اعداد باید دقیقاً در چارچوب همان آزمون تفسیر شوند.
—
۳۷. چرا نباید ۲۱ کیلوولت را ولتاژ کاری 8119 دانست؟
عدد ۲۱ کیلوولت مربوط به نقطه شکست نمونه در شرایط آزمون مشخص است. این عدد به معنی مجاز بودن کار دائم تجهیز در ۲۱ کیلوولت نیست. برای تعیین ولتاژ کاری باید مشخصات کل سیستم، نوع ولتاژ، مدت سرویس، هندسه، ضخامت، محیط، فاصله‌های عایقی و الزامات طراحی بررسی شوند.
—
۳۸. آیا می‌توان از آزمون یک میلی‌متری، kV/mm عمومی استخراج کرد؟
از نظر ریاضی ممکن است تقسیم ولتاژ بر ضخامت انجام شود، اما تبدیل این نتیجه به یک «رتبه‌بندی عمومی kV/mm» نیازمند احتیاط است. نتیجه آزمون یک نمونه یک میلی‌متری، در یک هندسه و شرایط خاص، لزوماً بیانگر استقامت دی‌الکتریک ذاتی و قابل تعمیم به تمام ضخامت‌ها و هندسه‌ها نیست.
—
۳۹. اهمیت تکرارپذیری آزمون
برای شناخت قابل اعتماد یک ماده، بهتر است آزمون روی نمونه‌های متعدد و تحت شرایط کنترل‌شده انجام شود. پراکندگی نتایج نیز به اندازه مقدار میانگین اهمیت دارد. وجود یک نتیجه بسیار بالا به تنهایی برای طراحی صنعتی کافی نیست.
—
۴۰. شکست تصادفی نیست، اما پراکندگی دارد
شکست دی‌الکتریک تحت تأثیر کوچک‌ترین نقص‌ها قرار می‌گیرد. به همین دلیل دو نمونه ظاهراً مشابه ممکن است دقیقاً در یک ولتاژ یکسان دچار شکست نشوند. کنترل کیفیت مواد و فرآیند برای کاهش این پراکندگی اهمیت دارد.
—
۴۱. اثر پیرشدگی
عایق پس از سال‌ها کار ممکن است همان ویژگی‌های نمونه تازه را نداشته باشد. حرارت، رطوبت، UV، آلودگی، تنش مکانیکی و تخلیه جزئی می‌توانند به مرور تغییراتی ایجاد کنند. بنابراین ارزیابی دوام باید فراتر از آزمون اولیه باشد.
—
۴۲. شکست و طراحی چندلایه
در برخی کاربردها از چند لایه عایقی استفاده می‌شود. وجود چند لایه لزوماً به معنی جمع ساده ولتاژ شکست آنها نیست. فصل مشترک بین لایه‌ها نیز باید از نظر چسبندگی، حباب، رطوبت و میدان الکتریکی بررسی شود.
—
۴۳. نقش کنترل میدان
در ولتاژهای بالا، کنترل هندسه می‌تواند به اندازه انتخاب ماده اهمیت داشته باشد. شعاع گوشه، فاصله فلزات، موقعیت اتصالات و شکل الکترود باید به گونه‌ای باشد که تمرکز میدان کاهش پیدا کند.
—
۴۴. شبیه‌سازی میدان
برای هندسه‌های پیچیده می‌توان از روش‌های عددی مانند تحلیل اجزای محدود استفاده کرد. این روش‌ها به شناسایی نقاط تمرکز میدان کمک می‌کنند. البته شبیه‌سازی جایگزین آزمون واقعی ماده و تجهیز نیست.
—
۴۵. کنترل کیفیت قبل از بهره‌برداری
پیش از استفاده از یک سیستم عایقی، می‌توان مجموعه‌ای از کنترل‌ها را انجام داد:
– بررسی ظاهری؛
– اندازه‌گیری ضخامت؛
– بررسی چسبندگی؛
– بررسی پخت؛
– کنترل حباب و تخلخل؛
– و آزمون‌های الکتریکی مورد نیاز.
انتخاب آزمون باید بر اساس اهمیت و نوع تجهیز باشد.
—
۴۶. کنترل کیفیت در زمان بهره‌برداری
کنترل عایق فقط مربوط به زمان ساخت نیست. در تجهیزات مهم، پایش دوره‌ای می‌تواند به شناسایی زودهنگام تغییرات کمک کند. نوع پایش به تجهیزات و سطح ریسک بستگی دارد.
—
۴۷. اشتباه رایج در معرفی عایق
یکی از اشتباهات رایج این است که یک محصول صرفاً با عبارتی مانند «عایق ۲۰ یا ۲۲ کیلوولت» معرفی شود. چنین عبارتی بدون مشخص کردن شرایط آزمون می‌تواند برداشت نادرستی ایجاد کند. توصیف فنی بهتر است همراه با نوع آزمون، ضخامت نمونه و شرایط آزمون ارائه شود.
—
۴۸. جایگاه رزین اپوکسی پادنار 8119
با توجه به داده‌های ارائه‌شده، 8119 دارای نتایج آزمون الکتریکی مشخصی در نمونه یک میلی‌متری است. اما برای معرفی تخصصی آن در یک پروژه باید شرایط واقعی کاربرد نیز بررسی شود. به‌خصوص اگر هدف استفاده در ولتاژ متوسط یا بالا باشد، بررسی هندسه، ضخامت واقعی، فاصله خزشی و هوایی، دما، رطوبت، اضافه‌ولتاژ و الزامات تجهیز ضروری است.
—
۴۹. یک چارچوب مناسب برای انتخاب عایق
برای انتخاب رزین اپوکسی در یک کاربرد برقی می‌توان این مراحل را دنبال کرد:
تعیین ولتاژ کاری → شناسایی نوع AC/DC → بررسی اضافه‌ولتاژها → تعیین شرایط محیطی → طراحی هندسه عایقی → تعیین ضخامت → انتخاب رزین → اجرای کنترل‌شده → آزمون نمونه → آزمون تجهیز
این فرآیند از انتخاب ماده صرفاً بر اساس یک عدد ولتاژ جلوگیری میکند.
—
۵۰. جمع‌بندی
شکست دی‌الکتریک یکی از مهم‌ترین پدیده‌ها در مهندسی عایق‌های الکتریکی است، اما برای شناخت واقعی عملکرد یک رزین اپوکسی نباید فقط به عدد ولتاژ شکست توجه کرد. استقامت دی‌الکتریک به شرایط آزمون، ضخامت، هندسه، نوع ولتاژ، دما، رطوبت، کیفیت پخت، حباب، تخلخل، فصل مشترک و عوامل متعدد دیگر وابسته است. از سوی دیگر، ولتاژ شکست با ولتاژ تحمل و هیچ‌کدام از این دو الزاماً معادل ولتاژ کاری مجاز نیستند.
در مورد رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، داده‌های ارائه‌شده شامل نتایج آزمون نمونه یک میلی‌متری در حالت خشک و مرطوب است. این نتایج می‌توانند بخشی از شناسنامه عملکرد الکتریکی محصول باشند، اما نباید بدون بررسی شرایط کاربرد به یک رتبه‌بندی عمومی یا ولتاژ کاری دائم تبدیل شوند. در نهایت، عایق الکتریکی مناسب حاصل ترکیب ماده مناسب، طراحی صحیح، اجرای دقیق و آزمون متناسب با کاربرد است. حتی بهترین رزین نیز اگر در هندسه نامناسب، ضخامت غیریکنواخت، سطح آلوده یا شرایط محیطی نامتناسب اجرا شود، نمی‌تواند تمام ظرفیت بالقوه خود را در اختیار سیستم قرار دهد.
۰ دیدگاه