اپوکسی عایق الکتریکی 76
فصل ۷۶ ـ اثر فرکانس و نوع جریان AC و DC بر عملکرد رزین اپوکسی عایق برق
جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509
مقدمه
رزین اپوکسی عایق برق در یک میدان الکتریکی ثابت و یک میدان متناوب الزاماً رفتار یکسانی ندارد. حتی در سیستم‌های AC نیز تغییر فرکانس می‌تواند بر نحوه قطبش ماده، تلفات دی‌الکتریک، جریان نشتی و توزیع میدان اثر بگذارد. از طرف دیگر، نتیجه آزمون ولتاژ شکست یا ولتاژ تحمل در یک شرایط مشخص را نباید بدون توجه به نوع ولتاژ، فرکانس، شکل موج، زمان اعمال ولتاژ و هندسه نمونه به شرایط دیگری تعمیم داد. این موضوع به‌خصوص در تجهیزات برق که با ولتاژ متناوب، مستقیم، پالسی یا گذرا کار می‌کنند اهمیت دارد.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. AC و DC چه تفاوتی دارند؟
در جریان مستقیم یا DC، جهت میدان الکتریکی ثابت است. در جریان متناوب یا AC، جهت و مقدار میدان با زمان تغییر می‌کند. این تفاوت باعث می‌شود پاسخ الکتریکی ماده در برابر AC و DC یکسان نباشد.
—
۲. میدان الکتریکی در رزین
وقتی رزین اپوکسی در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، بارهای الکتریکی و مولکول‌های قطبی موجود در ساختار آن می‌توانند نسبت به میدان واکنش نشان دهند. این واکنش‌ها بخشی از رفتار دی‌الکتریک ماده را تشکیل می‌دهند.
—
۳. قطبش دی‌الکتریک
یکی از مفاهیم مهم در مواد عایق، قطبش است. در اثر میدان الکتریکی، توزیع بار در مقیاس مولکولی تغییر می‌کند. در AC، این فرآیند باید به صورت مکرر با تغییر میدان همراه شود.
—
۴. فرکانس چیست؟
فرکانس نشان می‌دهد میدان متناوب در هر ثانیه چند بار چرخه خود را تکرار می‌کندو فرکانس پایین و بالا می‌توانند پاسخ متفاوتی در ماده ایجاد کنند. به همین دلیل خواص دی‌الکتریک یک رزین باید در فرکانس مورد نظر کاربرد ارزیابی شود.
—
۵. چرا فرکانس اهمیت دارد؟
اگر تغییر میدان بسیار سریع باشد، برخی سازوکارهای قطبش فرصت کافی برای دنبال کردن تغییرات میدان را ندارند. در فرکانس‌های پایین‌تر، بعضی سازوکارهای قطبش می‌توانند سهم بیشتری در پاسخ ماده داشته باشند. بنابراین ثابت دی‌الکتریک و تلفات دی‌الکتریک می‌توانند تابع فرکانس باشند.
—
۶. ثابت دی‌الکتریک و فرکانس
ثابت دی‌الکتریک یک مقدار کاملاً مستقل از شرایط نیست. در بسیاری از مواد، مقدار گذردهی نسبی با فرکانس تغییر می‌کند. به همین دلیل اگر مقدار ثابت دی‌الکتریک رزینی در یک فرکانس اندازه‌گیری شود، نباید آن را بدون قید به همه فرکانس‌ها تعمیم داد.
—
۷. تانژانت دلتا
تانژانت دلتا یا tan δ یکی از پارامترهای مهم برای ارزیابی تلفات دی‌الکتریک است. به طور ساده، هرچه انرژی بیشتری در هر چرخه در ماده تلف شود، تلفات دی‌الکتریک اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. این پارامتر نیز به فرکانس، دما، رطوبت و وضعیت ماده وابسته است.
—
۸. گرمایش دی‌الکتریک
در میدان AC، بخشی از انرژی الکتریکی ممکن است به گرما تبدیل شود. اگر تلفات دی‌الکتریک قابل توجه باشد، افزایش دمای ماده می‌تواند در شرایط خاص اهمیت پیدا کند. این مسئله در کاربردهای با فرکانس یا میدان الکتریکی بالا اهمیت بیشتری دارد.
—
۹. رابطه دما و تلفات
تغییر دما می‌تواند تحرک مولکولی و رفتار دی‌الکتریک پلیمر را تغییر دهد. از طرف دیگر افزایش تلفات می‌تواند دما را افزایش دهد. بنابراین در برخی کاربردها یک ارتباط متقابل میان دما و تلفات دی‌الکتریک ایجاد می‌شود.
—
۱۰. جریان نشتی در DC
حتی یک عایق خوب نیز الزاماً جریان الکتریکی کاملاً صفر ندارد. در DC، جریان اندازه‌گیری‌شده ممکن است شامل مؤلفه‌های مختلفی مانند جریان شارژ اولیه و جریان نشتی باشد. به همین دلیل زمان اندازه‌گیری اهمیت دارد.
—
۱۱. جریان شارژ اولیه
هنگامی که ولتاژ DC برای نخستین بار به یک عایق اعمال می‌شود، رفتار جریان ممکن است با حالت پایدار متفاوت باشد. بخشی از جریان اولیه به شارژ شدن ساختار دی‌الکتریک مربوط است. پس از گذشت زمان، این مؤلفه می‌تواند کاهش پیدا کند.
—
۱۲. جریان نشتی پایدار
پس از کاهش جریان‌های گذرا، ممکن است جریان کوچکی باقی بماند. این جریان می‌تواند به ویژگی‌های حجمی و سطحی عایق و همچنین شرایط محیطی مربوط باشد. اندازه‌گیری باید با روش استاندارد و زمان مشخص انجام شود.
—
۱۳. جذب دی‌الکتریک
برخی مواد عایق پس از اعمال ولتاژ DC رفتار زمانی از خود نشان می‌دهند. در این شرایط، بخشی از پاسخ ماده با فرآیندهای قطبش و جذب دی‌الکتریک مرتبط است. این پدیده یکی از دلایلی است که تفسیر ساده یک عدد مقاومت عایقی همیشه کافی نیست.
—
۱۴. مقاومت عایقی و زمان
اگر مقاومت عایقی بلافاصله پس از اعمال ولتاژ اندازه‌گیری شود، ممکن است نتیجه با اندازه‌گیری پس از مدت زمان مشخص متفاوت باشد. بنابراین در گزارش آزمایش باید شرایط اندازه‌گیری مشخص باشد.
—
۱۵. آزمون AC
در آزمون AC، ولتاژ معمولاً به صورت موج متناوب اعمال می‌شود. در این حالت، فرکانس آزمون، شکل موج و مدت اعمال ولتاژ باید مشخص باشند. نتیجه آزمون بدون این اطلاعات ارزش تفسیری محدودی دارد.
—
۱۶. آزمون DC
در آزمون DC، ولتاژ ثابت یا با تغییرات کنترل‌شده اعمال می‌شود. رفتار عایق در این شرایط می‌تواند با آزمون AC متفاوت باشد. به همین دلیل مشخص کردن نوع آزمون ضروری است.
—
۱۷. ولتاژ شکست AC و DC
ولتاژ شکست، ولتاژی است که در شرایط مشخص موجب شکست عایقی می‌شود. این مقدار برای AC و DC الزاماً یکسان نیست. نوع الکترود، فاصله، شکل موج، زمان اعمال ولتاژ، دما و شرایط نمونه همگی می‌توانند نتیجه را تحت تأثیر قرار دهند.
—
۱۸. چرا نمی‌توان ولتاژ شکست AC را به DC تبدیل کرد؟
نمی‌توان یک ضریب ثابت و عمومی برای تبدیل ولتاژ شکست AC به DC در تمام رزین‌ها ارائه کرد. رفتار واقعی به ساختار ماده و شرایط آزمون وابسته است. بنابراین برای طراحی باید نتیجه آزمون متناسب با نوع ولتاژ واقعی در نظر گرفته شود.
—
۱۹. اثر فرکانس بر شکست الکتریکی
فرکانس می‌تواند بر فرآیندهای قطبش و تلفات اثر بگذارد. در بعضی شرایط نیز افزایش تلفات می‌تواند موجب گرمایش شود. در نتیجه مکانیسم شکست ممکن است تحت تأثیر مجموعه‌ای از عوامل الکتریکی و حرارتی قرار گیرد.
—
۲۰. شکل موج اهمیت دارد
همه ولتاژهای متناوب الزاماً موج سینوسی ایده‌آل نیستند. در تجهیزات واقعی ممکن است هارمونیک‌ها، پالس‌ها و اضافه‌ولتاژهای گذرا نیز وجود داشته باشند. به همین دلیل شرایط واقعی بهره‌برداری باید در طراحی عایق لحاظ شود.
—
۲۱. هارمونیک‌ها
وجود هارمونیک‌ها باعث می‌شود میدان الکتریکی ترکیبی از مؤلفه‌های فرکانسی مختلف باشد. این شرایط می‌تواند رفتار دی‌الکتریک ماده را نسبت به یک موج سینوسی خالص تغییر دهد. در تجهیزات حساس، بررسی هارمونیک‌ها می‌تواند بخشی از ارزیابی عایق باشد.
—
۲۲. ولتاژ پالسی
ولتاژ پالسی در مدت کوتاهی تغییر می‌کند. در این حالت سرعت تغییر میدان می‌تواند بسیار بیشتر از شرایط معمول AC باشد. بنابراین آزمون پالسی باید جداگانه ارزیابی شود.
—
۲۳. نرخ افزایش ولتاژ
دو آزمون ممکن است هر دو به یک مقدار نهایی ولتاژ برسند، اما اگر یکی بسیار سریع‌تر از دیگری به آن مقدار برسد، رفتار عایق می‌تواند متفاوت باشد. به همین دلیل نرخ افزایش ولتاژ در آزمون‌های خاص اهمیت دارد.
—
۲۴. ولتاژ ضربه‌ای
ولتاژ ضربه‌ای برای شبیه‌سازی برخی شرایط گذرا مانند صاعقه یا کلیدزنی استفاده می‌شود. چنین آزمونی با آزمون معمول ولتاژ AC یکسان نیست. نتیجه آزمون ۵۰ هرتز را نباید به عنوان رتبه‌بندی خودکار تحمل ضربه‌ای معرفی کرد.
—
۲۵. فرکانس و تخلیه جزئی
تخلیه جزئی نیز می‌تواند به شرایط میدان و شکل موج وابسته باشد. وجود حفره یا نقص در رزین می‌تواند میدان موضعی ایجاد کند.تغییر فرکانس ممکن است الگوی وقوع و اندازه‌گیری این پدیده را تغییر دهد.
—
۲۶. حفره‌های داخلی
حفره‌های کوچک داخل رزین می‌توانند از نظر الکتریکی اهمیت زیادی داشته باشند. در شرایط خاص، میدان داخل حفره نسبت به بخش جامد رزین متفاوت می‌شود. اگر تخلیه‌های موضعی ایجاد شوند، در طول زمان احتمال آسیب تدریجی افزایش می‌یابد.
—
۲۷. نقش رطوبت
رطوبت می‌تواند خواص الکتریکی بسیاری از مواد عایق را تغییر دهد. اثر رطوبت نیز ممکن است در AC و DC یکسان نباشد. بنابراین هنگام مقایسه نتایج آزمون‌ها باید وضعیت رطوبتی نمونه مشخص باشد.
برای خرید محصول کلیک کنید
۲۸. آلودگی سطح
آلودگی سطحی مانند گردوغبار، نمک و مواد صنعتی می‌تواند مقاومت سطحی را کاهش دهد. در AC یا DC، مسیرهای نشتی سطحی می‌توانند رفتار متفاوتی داشته باشند. در فضای باز، شرایط سطحی باید جدا از مقاومت حجمی رزین ارزیابی شود.
—
۲۹. مقاومت حجمی و مقاومت سطحی
مقاومت حجمی به عبور جریان از داخل حجم ماده مربوط است و مقاومت سطحی به مسیر جریان روی سطح مربوط می‌شود. در یک تجهیز واقعی هر دو مسیر می‌توانند اهمیت داشته باشند.
—
۳۰. مسیر خزشی
در شرایط مرطوب و آلوده، جریان ممکن است روی سطح عایق حرکت کند. طول و شکل مسیر خزشی، وضعیت سطح و آلودگی بر این رفتار اثر دارند. بنابراین ضخامت رزین به تنهایی تمام مسائل عایقی را حل نمی‌کند.
—
۳۱. هندسه قطعه
لبه‌های تیز، گوشه‌ها، سوراخ‌ها و محل اتصالات می‌توانند میدان الکتریکی را متمرکز کنند. این موضوع مستقل از این است که رزین از نظر ماده دارای خواص عایقی خوبی باشد. طراحی هندسی مناسب باید همراه با انتخاب رزین انجام شود.
—
۳۲. ضخامت عایق
افزایش ضخامت در بسیاری از شرایط می‌تواند فاصله عبور میدان در ماده را افزایش دهد. اما رابطه میان ضخامت و ولتاژ شکست الزاماً خطی و نامحدود نیست. حباب، تخلخل، نقص سطحی و تمرکز میدان می‌توانند عامل محدودکننده باشند.
—
۳۳. AC و گرم‌شدن رزین
در شرایط AC، تلفات دی‌الکتریک می‌تواند به تولید گرما منجر شود. اگر گرمای تولیدشده سریع‌تر از توانایی سیستم برای دفع آن باشد، دمای رزین افزایش می‌یابد. در طراحی باید میان تولید و دفع حرارت تعادل وجود داشته باشد.
—
۳۴. اهمیت خنک‌کاری
عایق الکتریکی همیشه از نظر حرارتی یک ماده بی‌اهمیت نیست. در بعضی تجهیزات، رزین در مجاورت هادی‌هایی قرار دارد که خودشان گرما تولید می‌کنند. بنابراین مسیر انتقال حرارت از هادی به رزین و از رزین به محیط باید بررسی شود.
—
۳۵. رزین و هادی‌های گرم
اگر رزین روی یا اطراف یک هادی قرار گیرد، دمای رزین ممکن است به دمای هادی نزدیک شود. این موضوع باید در کنار دمای محیط، بار الکتریکی و سیستم خنک‌کاری بررسی شود. عملکرد عایق تنها تابع ولتاژ نیست؛ دما نیز اهمیت دارد.
—
۳۶. اثر فرکانس بالا
در فرکانس‌های بالا، رفتار دی‌الکتریک ماده می‌تواند با فرکانس‌های برق قدرت تفاوت قابل توجهی داشته باشد. پارامترهایی مانند ثابت دی‌الکتریک و tan δ باید در همان محدوده فرکانسی مورد استفاده اندازه‌گیری شوند.
—
۳۷. کاربردهای فرکانس بالا
در تجهیزاتی که با فرکانس بالا کار می‌کنند، صرف داشتن مقاومت الکتریکی بالا برای ارزیابی کافی نیست. تلفات دی‌الکتریک، گذردهی و رفتار حرارتی نیز می‌توانند اهمیت پیدا کنند.
—
۳۸. آزمون مناسب برای کاربرد مناسب
اگر رزین برای تجهیزات برق قدرت با فرکانس مشخص استفاده می‌شود، آزمون باید تا حد امکان با شرایط واقعی هماهنگ باشد. برای یک کاربرد پالسی یا فرکانس بالا، آزمون ساده DC الزاماً پاسخ کامل مسئله را نمی‌دهد.
—
۳۹. ثبت شرایط آزمون
در گزارش آزمایش بهتر است حداقل موارد زیر ثبت شوند:
– نوع ولتاژ؛
– مقدار ولتاژ؛
– فرکانس؛
– شکل موج؛
– مدت آزمون؛
– دمای نمونه؛
– وضعیت رطوبتی؛
– ضخامت؛
– هندسه نمونه؛
– و نوع الکترود.
بدون این اطلاعات، مقایسه نتایج آزمایشگاهی می‌تواند گمراه‌کننده باشد.
—
۴۰. مقایسه نتایج آزمایشگاهی
فرض کنیم یک نمونه در آزمایشگاه در ولتاژ مشخصی دچار شکست شده است. این نتیجه فقط در محدوده همان شرایط آزمون معنا دارد. نمی‌توان صرفاً با یک عدد، رفتار رزین را در تمام فرکانس‌ها، دماها و انواع ولتاژ تعیین کرد.
—
۴۱. اطلاعات موجود درباره پادنار 8119
بر اساس اطلاعات فنی ارائه‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، آزمایش روی نمونه با ضخامت حدود یک میلی‌متر روی مقره چرخی انجام شده است. در شرایط خشک، ولتاژ شکست ۲۱٬۰۰۰ ولت و ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای ۳٬۵۰۰ ولت اعلام شده است. در شرایط مرطوب نیز ولتاژ شکست ۱۴٬۰۰۰ ولت و ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای ۲٬۵۰۰ ولت اعلام شده است. این اعداد باید دقیقاً در همان چارچوب آزمون تفسیر شوند و به تنهایی مشخص‌کننده عملکرد رزین در همه فرکانس‌ها یا در DC نیستند.
—
۴۲. آیا نتیجه ۲۱ کیلوولت یعنی رزین برای هر کاربرد ۲۱ کیلوولت مناسب است؟
خیر.عدد ولتاژ شکست مربوط به شرایط آزمون مشخص است. ولتاژ کاری مجاز تجهیز به عوامل بسیار بیشتری مانند نوع ولتاژ، فرکانس، اضافه‌ولتاژها، فاصله عایقی، شکل هندسی، شرایط محیطی، تخلیه جزئی، دما و الزامات طراحی بستگی دارد.
—
۴۳. تفاوت ولتاژ شکست و ولتاژ کاری
ولتاژ شکست نقطه‌ای است که در آزمون مشخص، عایق دچار شکست می‌شود. اما تجهیز واقعی نباید در حالت عادی تا آستانه شکست کار کند. بین ولتاژ کاری و شرایط شکست باید حاشیه ایمنی مناسب وجود داشته باشد.
—
۴۴. تفاوت ولتاژ تحمل و شکست
آزمون تحمل معمولاً برای بررسی توانایی عایق در تحمل یک ولتاژ مشخص در مدت تعیین‌شده انجام می‌شود. اگر نمونه در آزمون تحمل یک‌دقیقه‌ای سالم بماند، این موضوع با تعیین ولتاژ شکست یکسان نیست. هر دو آزمون اطلاعات متفاوتی ارائه می‌کنند.
—
۴۵. اهمیت فرکانس در مشخصات فنی
هنگام انتشار مشخصات یک رزین عایق، بهتر است اگر داده آزمایشگاهی ارائه می‌شود، شرایط آزمون نیز همراه آن ذکر شود. این کار مانع برداشت نادرست از یک عدد آزمایشگاهی می‌شود.
—
۴۶. چه داده‌هایی برای ارزیابی کامل‌تر لازم است؟
برای شناخت دقیق‌تر رفتار یک رزین در کاربرد الکتریکی می‌توان بسته به کاربرد، داده‌هایی مانند موارد زیر را بررسی کرد:
– استقامت دی‌الکتریک؛
– مقاومت حجمی؛
– مقاومت سطحی؛
– ثابت دی‌الکتریک؛
– tan δ؛
– تخلیه جزئی؛
– رفتار در ACو DC و رفتار حرارتی
– جذب رطوبت؛
– و دوام پس از پیرسازی.
—
۴۷. آزمایش روی نمونه واقعی
نمونه آزمایشگاهی تخت یا مقره استاندارد همیشه تمام پیچیدگی‌های تجهیز واقعی را نشان نمی‌دهد. در قطعه واقعی ممکن است اتصالات، گوشه‌ها، فلزات مختلف، حفره‌ها، فشار مکانیکی و مسیرهای خزشی وجود داشته باشد. به همین دلیل در پروژه‌های حساس، آزمایش روی ساختار واقعی یا نمونه نماینده اهمیت دارد.
—
۴۸. طراحی بر اساس شرایط واقعی
مهندس طراح باید مشخص کند تجهیز با چه نوع ولتاژی کار می‌کند. سپس نوع عایق، ضخامت، هندسه، فاصله‌ها، دما، رطوبت و سایر شرایط را در طراحی لحاظ کند. رزین عایق بخشی از یک سیستم عایقی است، نه تمام سیستم.
—
۴۹. اشتباهات رایج
چند اشتباه در تفسیر مشخصات رزین عبارت‌اند از:
1. تبدیل مستقیم ولتاژ شکست به ولتاژ کاری؛
2. فرض یکسان بودن AC و DC؛
3. نادیده گرفتن فرکانس؛
4. نادیده گرفتن رطوبت؛
5. بی‌توجهی به شکل موج؛
6. فرض رابطه خطی ضخامت و ولتاژ شکست؛
7. نادیده گرفتن تخلیه جزئی؛
8. و استفاده از نتیجه یک آزمون برای شرایطی کاملاً متفاوت.
—
۵۰. جمع‌بندی
رفتار رزین اپوکسی عایق برق تابع تنها یک عدد به نام «مقاومت الکتریکی» یا «ولتاژ شکست» نیست. نوع ولتاژ، فرکانس، شکل موج، زمان اعمال، دما، رطوبت، هندسه، ضخامت و کیفیت اجرای عایق همگی می‌توانند بر عملکرد نهایی اثر بگذارند. در AC، موضوعاتی مانند قطبش، تلفات دی‌الکتریک و tan δ اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند؛ در DC نیز رفتار زمانی جریان، جذب دی‌الکتریک و جریان نشتی باید مورد توجه قرار گیرد. در ولتاژهای پالسی و ضربه‌ای نیز سرعت تغییر میدان و شکل موج اهمیت ویژه‌ای دارد.
داده‌های اعلام‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، شامل آزمون ولتاژ شکست و ولتاژ تحمل در شرایط خشک و مرطوب، اطلاعات ارزشمندی درباره همان شرایط آزمون فراهم می‌کنند؛ اما نباید از آنها بدون آزمون و تحلیل تکمیلی، یک رتبه‌بندی عمومی برای همه شرایط AC، DC، فرکانس‌ها یا ولتاژهای کاری استخراج کرد. در طراحی حرفه‌ای، انتخاب رزین باید بخشی از فرآیند کلی طراحی سیستم عایقی باشد؛ یعنی ماده، هندسه، ضخامت، فاصله‌های عایقی، شرایط محیطی، دما، نوع ولتاژ و آزمون‌های مورد نیاز در کنار یکدیگر بررسی شوند.
۰ دیدگاه