اپوکسی عایق الکتریکی 83
فصل ۸۳ ـ مواد هادی و نیمه‌هادی در مجاورت رزین اپوکسی؛ کنترل میدان الکتریکی در عایق‌های ولتاژ متوسط و بالا
جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509
مقدمه
در نگاه اول ممکن است تصور شود که در یک سیستم عایق الکتریکی، هر ماده‌ای که رسانندگی الکتریکی بیشتری داشته باشد باید از ساختار عایقی حذف شود. این برداشت در بسیاری از کاربردهای ساده درست است، اما در تجهیزات ولتاژ متوسط و بالا، مسئله پیچیده‌تر است. گاهی حضور کنترل‌شده یک ماده هادی یا نیمه‌هادی می‌تواند برای کنترل میدان الکتریکی، کاهش تمرکز میدان، ایجاد لایه محافظ یا مدیریت توزیع پتانسیل مفید باشد. در چنین ساختاری، رزین اپوکسی همچنان می‌تواند نقش عایق اصلی را داشته باشد، در حالی که مواد رسانا یا نیمه‌رسانا در بخش‌های مشخص و با هدف مهندسی‌شده به کار می‌روند. نکته بسیار مهم این است که استفاده از چنین موادی کاملاً متفاوت با اضافه کردن تصادفی یک پودر رسانا به رزین است. نوع ماده، مقاومت ویژه، ضخامت، هندسه، نحوه اتصال الکتریکی و موقعیت آن نسبت به هادی اصلی باید به‌صورت دقیق مشخص شود.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. چرا کنترل میدان اهمیت دارد؟
در فصل‌های قبلی دیدیم که میدان الکتریکی در یک سیستم واقعی الزاماً یکنواخت نیست. گوشه‌های تیز، لبه‌های فلزی، اتصالات، تغییرات ناگهانی هندسه و اختلاف خواص مواد می‌توانند باعث تمرکز میدان شوند. اگر این تمرکز بیش از حد باشد، احتمال بروز تخلیه جزئی یا شکست عایقی افزایش پیدا می‌کند.
—
۲. همه عایق‌ها فقط با افزایش ضخامت بهتر نمی‌شوند
یکی از اشتباهات رایج این است که تصور شود برای افزایش تحمل ولتاژ باید ضخامت رزین را دائماً افزایش داد. در بسیاری از طراحی‌ها، مشکل اصلی نه کمبود ضخامت، بلکه توزیع نامناسب میدان است. اگر میدان در یک نقطه خاص بسیار زیاد باشد، اضافه کردن ضخامت در قسمت‌های دیگر الزاماً مشکل را برطرف نمی‌کند.
—
۳. کنترل میدان الکتریکی در عایق‌های ولتاژ بالا
کنترل میدان الکتریکی یعنی طراحی سیستم به‌گونه‌ای که شدت میدان در نقاط بحرانی کاهش یابد و توزیع پتانسیل قابل مدیریت‌تر شود. این کار می‌تواند از طریق تغییر هندسه، افزایش شعاع گوشه، استفاده از مواد کنترل‌کننده میدان یا ترکیبی از این روش‌ها انجام شود.
—
۴. تفاوت ماده عایق، هادی و نیمه‌هادی
ماده عایق دارای مقاومت الکتریکی بسیار بالا است. این ماده هادی جریان الکتریکی را به‌راحتی عبور می‌دهد. ماده نیمه‌هادی در محدوده‌ای بین این دو رفتار قرار دارد و بسته به ساختار و شرایط می‌تواند برای کنترل توزیع پتانسیل مورد استفاده قرار گیرد. البته «نیمه‌هادی» در اینجا به معنای ماده مورد استفاده در تراشه‌های الکترونیکی نیست؛ بلکه منظور موادی با مقاومت ویژه کنترل‌شده در کاربردهای مهندسی میدان است.
—
۵. مواد کنترل میدان
کنترل میدان الکتریکی در سیستم‌های فشارقوی می‌تواند با استفاده از مواد دارای رسانندگی یا مقاومت ویژه کنترل‌شده انجام شود. هدف این نیست که این مواد مسیر اتصال کوتاه ایجاد کنند. هدف، شکل‌دهی به توزیع میدان و جلوگیری از ایجاد نقاط با شدت میدان بسیار بالا است.
—
۶. لایه نیمه‌هادی
یکی از ساختارهای شناخته‌شده در سیستم‌های قدرت، استفاده از لایه‌های نیمه‌هادی برای مدیریت میدان است. این لایه ممکن است در محل مشخصی از ساختار عایقی قرار گیرد. اما عملکرد آن کاملاً وابسته به طراحی است و نمی‌توان هر پوشش رسانا یا نیمه‌رسانا را جایگزین چنین لایه‌ای کرد.
—
۷. چرا ماده نیمه‌هادی نباید کاملاً رسانا باشد؟
اگر ماده کنترل میدان مقاومت بسیار پایینی داشته باشد، ممکن است عملاً به یک مسیر رسانا تبدیل شود. در این صورت به جای کنترل میدان، خطر ایجاد جریان ناخواسته یا اتصال الکتریکی افزایش پیدا می‌کند. به همین دلیل مقاومت ویژه ماده یکی از پارامترهای مهم طراحی است.
—
۸. مقاومت ویژه
مقاومت ویژه، ویژگی ذاتی‌تری از مقاومت ساده یک قطعه است. زیرا مقاومت یک قطعه به ابعاد آن نیز وابسته است، در حالی که مقاومت ویژه امکان مقایسه بهتر مواد را فراهم می‌کند. در مواد کنترل میدان، مقدار مقاومت ویژه باید متناسب با وظیفه طراحی انتخاب شود.
—
۹. مقاومت ویژه حجمی
مقاومت ویژه حجمی رفتار جریان در داخل حجم ماده را توصیف می‌کند. اگر ماده‌ای برای کنترل میدان انتخاب شده باشد، مقاومت حجمی آن باید در شرایط واقعی کاربرد بررسی شود. دما و رطوبت می‌توانند بر این ویژگی اثر بگذارند.
—
۱۰. مقاومت سطحی
در برخی ساختارها، جریان روی سطح ماده نیز اهمیت پیدا می‌کند. آلودگی، رطوبت و زبری سطح می‌توانند مقاومت سطحی را تغییر دهند. بنابراین کنترل میدان تنها مسئله‌ای مربوط به حجم ماده نیست.
—
۱۱. کربن و مواد کربنی
مواد کربنی می‌توانند رسانندگی الکتریکی قابل توجهی داشته باشند. به همین دلیل برخی از انواع آنها در کامپوزیت‌های کنترل میدان مورد توجه قرار گرفته‌اند. اما مقدار مصرف و نحوه پراکنش آنها بسیار مهم است.
—
۱۲. گرافیت
گرافیت از جمله مواد دارای رسانندگی الکتریکی است. در کامپوزیت‌های پلیمری، افزودن گرافیت می‌تواند مقاومت الکتریکی ماده را به‌شدت تغییر دهد. بنابراین استفاده از آن در رزین عایق باید با هدف مشخص و فرمولاسیون کنترل‌شده انجام شود.
—
۱۳. دوده رسانا
دوده رسانا یا Carbon Black نیز می‌تواند برای تنظیم مقاومت ویژه کامپوزیت‌های پلیمری مورد استفاده قرار گیرد. تغییر مقدار آن می‌تواند تغییر قابل توجهی در مقاومت الکتریکی ایجاد کند. به همین علت مقدار مصرف باید با دقت کنترل شود.
—
۱۴. پرک فلزی
ذرات یا پرک‌های فلزی می‌توانند رسانندگی بالایی ایجاد کنند. اما استفاده از آنها در یک رزین عایق الکتریکی معمولی می‌تواند نتیجه نامطلوبی داشته باشد. وجود مسیرهای رسانا در حجم عایق ممکن است استقامت دی‌الکتریک را کاهش دهد.
—
۱۵. آستانه پرکولاسیون
در کامپوزیت‌های پلیمری حاوی ذرات رسانا، با افزایش مقدار ذرات ممکن است در یک محدوده مشخص شبکه‌ای از مسیرهای رسانا شکل بگیرد. این پدیده را معمولاً آستانه پرکولاسیون می‌نامند. عبور از این محدوده می‌تواند مقاومت الکتریکی کامپوزیت را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد.
—
۱۶. پراکنش ذرات
فرض کنیم مقدار مشخصی ماده رسانا به رزین اضافه شده است. اگر ذرات به‌صورت یکنواخت پراکنده نشده باشند، ممکن است در بعضی مناطق تجمع کنند. این تجمع می‌تواند نقاطی با خواص الکتریکی متفاوت ایجاد کند.
—
۱۷. تجمع ذرات و تمرکز میدان
تجمع ذرات رسانا می‌تواند موجب ناهمگنی میدان شود. در یک سیستم ولتاژ بالا، چنین ناهمگنی‌هایی می‌توانند اهمیت زیادی داشته باشند. به همین دلیل کیفیت اختلاط در کامپوزیت‌های کنترل میدان بسیار مهم است.
—
۱۸. اندازه ذرات
اندازه ذرات نیز بر رفتار کامپوزیت اثر می‌گذارد. ذرات بسیار ریز سطح ویژه بیشتری دارند و ممکن است بر ویسکوزیته و فرآیند اختلاط اثر بگذارند. از سوی دیگر، ذرات بزرگ‌تر ممکن است ناهمگنی بیشتری ایجاد کنند.
—
۱۹. نانوذرات رسانا
نانوذرات رسانا مانند برخی ساختارهای کربنی می‌توانند خواص الکتریکی رزین را در مقادیر نسبتاً کم تغییر دهند. اما این ویژگی هم مزیت است و هم یک خطر بالقوه. اگر هدف ساخت یک رزین عایق باشد، افزایش کنترل‌نشده رسانندگی می‌تواند نامطلوب باشد.
—
۲۰. رزین اپوکسی خالص و کامپوزیت کنترل میدان
رزین اپوکسی عایق و کامپوزیت نیمه‌رسانا دو محصول با هدف متفاوت هستند. این عایق باید مقاومت الکتریکی بالا و استقامت دی‌الکتریک مناسب داشته باشد. کامپوزیت کنترل میدان ممکن است عمداً مقاومت پایین‌تری داشته باشد تا نقش مشخصی در توزیع پتانسیل ایفا کند.
—
۲۱. نباید این دو را با یکدیگر اشتباه گرفت
وجود عبارت «کنترل میدان» به معنای بهتر بودن ماده برای عایق‌کاری نیست. اگر ماده برای کنترل میدان طراحی شده باشد، ممکن است عمداً رساناتر از عایق اصلی باشد. بنابراین کاربرد هر ماده باید دقیقاً مشخص شود.
—
۲۲. لایه‌بندی مواد
در برخی طراحی‌ها ممکن است چند ماده با خواص الکتریکی متفاوت در کنار یکدیگر قرار گیرند. برای مثال:
هادی → لایه کنترل میدان → عایق اصلی → محیط خارجی
در چنین ساختاری، هر لایه وظیفه خاصی دارد.
—
۲۳. نقش رزین اپوکسی در این ساختار
رزین اپوکسی می‌تواند به‌عنوان ماتریس پلیمری یا عایق اصلی در ساختار مورد استفاده قرار گیرد. همچنین در بعضی کامپوزیت‌ها می‌تواند حامل فیلرهای ویژه باشد. اما خواص نهایی تابع کل کامپوزیت است، نه فقط رزین پایه.
—
۲۴. اهمیت چسبندگی بین لایه‌ها
اگر لایه کنترل میدان و رزین اپوکسی از یکدیگر جدا شوند، ساختار عایقی تغییر می‌کند. یک فضای خالی در فصل مشترک نیز می‌تواند از نظر میدان الکتریکی اهمیت داشته باشد. بنابراین چسبندگی بین لایه‌ها باید بخشی از طراحی باشد.
—
۲۵. حفره بین لایه‌ها
وجود حفره در فصل مشترک می‌تواند موجب افزایش میدان در ناحیه هوا شود. اگر شرایط لازم وجود داشته باشد، تخلیه جزئی نیز ممکن است رخ دهد. این موضوع یکی از دلایل اهمیت اجرای بدون حفره در عایق‌های فشارقوی است.
برای خرید محصول کلیک کنید
۲۶. کنترل میدان در کابل‌ها
در برخی ساختارهای کابل فشارقوی، میدان الکتریکی باید از سمت هادی به سمت عایق خارجی به‌صورت کنترل‌شده توزیع شود. استفاده از لایه‌های با رسانندگی مشخص یکی از روش‌های مهندسی این مسئله است. این ساختار با یک پوشش ساده اپوکسی تفاوت اساسی دارد.
—
۲۷. کنترل میدان در بوشینگ‌ها
بوشینگ‌ها نیز می‌توانند دارای میدان پیچیده‌ای باشند. اتصال هادی داخلی به بدنه و خروج آن از یک محفظه عایقی نیازمند کنترل مناسب میدان است. در چنین کاربردهایی هندسه و لایه‌های مختلف عایقی اهمیت زیادی دارند.
—
۲۸. کنترل میدان در ترانسفورماتورها
در برخی اجزای ترانسفورماتورها، میدان الکتریکی در نزدیکی سیم‌پیچ‌ها و نقاط اتصال می‌تواند پیچیده باشد. رزین اپوکسی در برخی ساختارهای ریختگی برای ایجاد عایق و حفاظت مکانیکی به کار می‌رود. اما نحوه توزیع میدان باید متناسب با طراحی واقعی بررسی شود.
—
۲۹. کنترل میدان در موتور و ژنراتور
در موتور و ژنراتور نیز اطراف سیم‌پیچ‌ها و اتصالات، تنش الکتریکی وجود دارد. در تجهیزات ولتاژ بالاتر، کنترل میدان و جلوگیری از تمرکز تنش الکتریکی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
—
۳۰. تفاوت کنترل میدان با شیلدینگ
شیلدینگ و کنترل میدان مفاهیم مرتبط اما یکسان نیستند. شیلد ممکن است برای محدود کردن یا هدایت میدان مورد استفاده قرار گیرد. کنترل میدان مفهوم گسترده‌تری است و می‌تواند با تغییر هندسه، مواد و توزیع پتانسیل انجام شود.
—
۳۱. شیلد فلزی
یک شیلد فلزی می‌تواند در شرایط مناسب سطحی با پتانسیل تقریباً مشخص ایجاد کند. اما وجود لبه تیز در شیلد می‌تواند خودش باعث تمرکز میدان شود. بنابراین شیلد فلزی نیز نیازمند طراحی هندسی صحیح است.
—
۳۲. اتصال شیلد
اگر شیلد برای یک پتانسیل مشخص طراحی شده باشد، نحوه اتصال آن اهمیت زیادی دارد. اتصال نامناسب ممکن است باعث ایجاد پتانسیل‌های ناخواسته یا توزیع نامناسب میدان شود. بنابراین صرفاً وجود یک لایه فلزی به معنای کنترل صحیح میدان نیست.
—
۳۳. رزین روی شیلد
رزین اپوکسی می‌تواند روی یک ساختار شیلدشده به عنوان لایه محافظ و عایق قرار گیرد. در این حالت باید فاصله‌ها، لبه‌ها و فصل مشترک‌ها به‌صورت هم‌زمان بررسی شوند.
—
۳۴. مواد نیمه‌هادی و گرما
برخی کامپوزیت‌های نیمه‌هادی ممکن است نسبت به دما حساس باشند. اگر مقاومت ویژه آنها با دما تغییر کند، توزیع میدان نیز ممکن است تغییر کند. بنابراین خواص حرارتی و الکتریکی باید هم‌زمان بررسی شوند.
—
۳۵. اثر رطوبت
رطوبت می‌تواند مقاومت برخی کامپوزیت‌ها را تغییر دهد. در سیستم‌های ولتاژ بالا، چنین تغییراتی ممکن است روی عملکرد کنترل میدان اثرگذار باشد. به همین دلیل آزمون در شرایط مرطوب در صورت اهمیت کاربرد ضروری است.
—
۳۶. پیرشدگی
با گذشت زمان، مواد پلیمری و کامپوزیتی ممکن است دچار تغییر خواص شوند. اگر مقاومت ویژه ماده کنترل میدان تغییر کند، توزیع میدان نیز می‌تواند تغییر کند. بنابراین ارزیابی بلندمدت اهمیت دارد.
—
۳۷. پیرشدگی حرارتی
افزایش دما می‌تواند حرکت حامل‌های بار را تحت تأثیر قرار دهد. در برخی مواد نیمه‌رسانا، این مسئله می‌تواند باعث تغییر مقاومت الکتریکی شود. پس طراحی باید برای محدوده دمایی واقعی انجام شود.
—
۳۸. تخلیه جزئی در ساختارهای چندلایه
در ساختارهای چندلایه، هر فصل مشترک یک ناحیه بالقوه برای ایجاد نقص است. اگر چسبندگی ضعیف باشد یا حفره ایجاد شود، امکان تخلیه جزئی افزایش می‌یابد. کنترل کیفیت اجرای لایه‌ها بنابراین اهمیت ویژه‌ای دارد.
—
۳۹. آزمون مقاومت ویژه
برای مواد کنترل میدان، اندازه‌گیری مقاومت ویژه می‌تواند یکی از آزمون‌های اصلی باشد. این آزمون باید در دما، رطوبت و شرایط مشخص انجام شود. تنها ذکر یک مقاومت الکتریکی بدون مشخص بودن ابعاد و شرایط آزمون کافی نیست.
—
۴۰. آزمون تخلیه جزئی
در ساختارهای ولتاژ بالا، آزمون تخلیه جزئی می‌تواند وجود نقص‌های داخلی یا فصل مشترکی را آشکار کند. مقایسه نمونه قبل و بعد از پیرشدگی نیز می‌تواند اطلاعات مهمی درباره دوام ساختار بدهد.
—
۴۱. آزمون ولتاژ تحمل
آزمون ولتاژ تحمل بررسی می‌کند که نمونه در یک شرایط مشخص و برای مدت مشخص بتواند در برابر ولتاژ تعیین‌شده بدون شکست قابل قبول باقی بماند. این آزمون با آزمون ولتاژ شکست یکسان نیست.
—
۴۲. آزمون ولتاژ شکست
در آزمون شکست، ولتاژ تا نقطه‌ای افزایش پیدا می‌کند که شکست عایقی رخ دهد. نتیجه این آزمون اطلاعاتی درباره همان نمونه و شرایط آزمون ارائه می‌کند. نباید آن را مستقیماً به ولتاژ کاری مجاز یک تجهیز تبدیل کرد.
—
۴۳. تحلیل میدان الکتریکی و کنترل نقاط بحرانی
برای ساختارهای پیچیده کنترل میدان، تحلیل اجزای محدود می‌تواند بسیار مفید باشد. در مدل می‌توان هندسه هادی، لایه نیمه‌هادی، رزین اپوکسی و محیط اطراف را تعریف کرد. سپس نقاط دارای بیشترین شدت میدان مشخص می‌شوند.
—
۴۴. اهمیت شرایط مرزی
در شبیه‌سازی میدان، نحوه تعریف پتانسیل‌ها و شرایط مرزی اهمیت زیادی دارد. اگر شرایط مرزی واقعی نباشند، نتیجه نیز ممکن است با تجهیز واقعی فاصله داشته باشد.
—
۴۵. انتخاب ضخامت لایه کنترل میدان
ضخامت لایه کنترل میدان باید بر اساس طراحی مشخص شود. افزایش ضخامت بدون بررسی سایر پارامترها الزاماً عملکرد را بهتر نمی‌کند. مقاومت ویژه، هندسه و نحوه اتصال اهمیت بیشتری از یک عدد ضخامت مستقل دارند.
—
۴۶. اختلاط ماده نیمه‌هادی با رزین عایق
یکی از خطاهای خطرناک این است که تصور شود می‌توان برای بهبود کنترل میدان، مقدار نامشخصی ماده رسانا را به رزین عایق اضافه کرد. چنین کاری ممکن است استقامت دی‌الکتریک رزین را کاهش دهد. فرمولاسیون کامپوزیت باید بر اساس طراحی و آزمون مهندسی انجام شود.
—
۴۷. تفاوت «فیلر» و «ماده کنترل میدان»
هر فیلری که به رزین اضافه می‌شود الزاماً فیلر کنترل میدان نیست. فیلر ممکن است برای بهبود مکانیکی، حرارتی، کاهش جمع‌شدگی یا تغییر سایر خواص استفاده شود. اگر فیلر رسانا باشد، باید اثر آن بر مقاومت عایقی و استقامت دی‌الکتریک نیز بررسی شود.
—
۴۸. رزین پادنار 8119
رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119 در این دانشنامه به عنوان یک رزین عایق بررسی شده است. داده‌های اعلام‌شده برای نمونه یک میلی‌متری این محصول شامل ولتاژ شکست ۲۱٬۰۰۰ ولت در حالت خشک و ۱۴٬۰۰۰ ولت در حالت مرطوب و همچنین ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای ۳٬۵۰۰ و ۲٬۵۰۰ ولت به‌ترتیب در حالت خشک و مرطوب است. این داده‌ها مربوط به شرایط آزمون اعلام‌شده هستند.
—
۴۹. آیا 8119 را می‌توان با ماده رسانا مخلوط کرد؟
بدون اطلاعات رسمی فرمولاسیون و آزمون، چنین توصیه‌ای صحیح نیست. رزین عایق و کامپوزیت کنترل میدان دو کاربرد متفاوت دارند. هرگونه تغییر فرمولاسیون می‌تواند مقاومت عایقی، استقامت دی‌الکتریک، ویسکوزیته، پخت، چسبندگی و دوام را تغییر دهد. بنابراین اگر قرار باشد یک کامپوزیت کنترل میدان بر پایه اپوکسی ساخته شود، باید فرمولاسیون آن جداگانه طراحی و آزمون شود.
—
۵۰. جمع‌بندی
در سیستم‌های ولتاژ متوسط و بالا، کنترل میدان گاهی به اندازه افزایش استقامت دی‌الکتریک ماده اهمیت دارد. مواد هادی و نیمه‌هادی می‌توانند در ساختارهای مهندسی‌شده برای شکل‌دهی به توزیع پتانسیل و کاهش تمرکز میدان به کار روند، اما این مواد نباید با رزین‌های عایق معمولی اشتباه گرفته شوند. یک رزین اپوکسی عایق مانند پادنار 8119 با یک کامپوزیت نیمه‌هادی کنترل میدان، از نظر هدف طراحی و خواص مورد انتظار تفاوت دارد. اضافه کردن ماده رسانا یا نیمه‌رسانا به رزین بدون طراحی و آزمون می‌تواند به جای بهبود عملکرد، مقاومت عایقی و استقامت دی‌الکتریک را کاهش دهد. در طراحی حرفه‌ای، باید هندسه، مقاومت ویژه، ضخامت، فصل مشترک‌ها، رطوبت، دما، تخلیه جزئی و شرایط ولتاژ به‌صورت یک سیستم واحد بررسی شوند. به همین دلیل کنترل میدان یک مسئله صرفاً مربوط به انتخاب ماده نیست؛ بلکه ترکیبی از مهندسی مواد، طراحی الکتریکی، هندسه، فرآیند ساخت و آزمون‌های تخصصی است.
۰ دیدگاه