دانشنامه جامع اپوکسی عایق الکتریکی 64
فصل ۶۴ ـ اثر اضافه‌ولتاژهای گذرا و ضربه‌ای بر رزین اپوکسی عایق برق؛ از صاعقه و کلیدزنی تا طراحی عایق
مقدمه
اضافه‌ولتاژ رزین اپوکسی عایق برق یکی از عوامل مهم در طراحی و ارزیابی تجهیزات الکتریکی است. صاعقه، کلیدزنی و خطاهای شبکه می‌توانند ولتاژ را برای مدت کوتاهی افزایش دهند و عایق را تحت تنش الکتریکی شدید قرار دهند. شناخت شکل موج، تمرکز میدان الکتریکی و کیفیت اجرای رزین به طراحی ایمن‌تر سیستم عایق کمک می‌کند.
در بسیاری از سیستم‌های الکتریکی، عایق فقط در برابر یک ولتاژ ثابت و یکنواخت قرار نمی‌گیرد. در شرایط واقعی ممکن است در مدت بسیار کوتاهی، ولتاژی به وجود آید که از ولتاژ عادی بهره‌برداری بسیار بیشتر باشد. این پدیده را می‌توان به صورت کلی اضافه‌ولتاژ گذرا یا Transient Overvoltage نامید. صاعقه، کلیدزنی تجهیزات قدرت، قطع و وصل بارهای القایی و برخی خطاهای شبکه می‌توانند باعث ایجاد پالس‌ها و موج‌های گذرا شوند. این موج‌ها از نظر دامنه، مدت، سرعت افزایش ولتاژ و شکل موج با ولتاژ عادی تفاوت دارند. در چنین شرایطی، رزین اپوکسی عایق برق باید علاوه بر تحمل میدان الکتریکی عادی، در برابر تنش‌های لحظه‌ای نیز رفتار مناسبی داشته باشد.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. اضافه‌ولتاژ گذرا چیست؟
فرض کنیم یک تجهیز در حالت عادی با ولتاژی مشخص کار می‌کند. اگر در اثر یک رویداد، ولتاژ برای مدت کوتاهی افزایش پیدا کند، با یک تنش گذرا روبه‌رو هستیم. مدت این افزایش ممکن است بسیار کوتاه باشد. بنابراین صرفاً دانستن مقدار بیشینه ولتاژ برای شناخت کامل یک موج گذرا کافی نیست. دو موج می‌توانند حداکثر ولتاژ یکسانی داشته باشند، اما به دلیل تفاوت در مدت و سرعت تغییر، اثر یکسانی بر عایق نگذارند.
—
۲. اضافه‌ولتاژ ناشی از صاعقه
یکی از شناخته‌شده‌ترین منابع اضافه‌ولتاژ، صاعقه است. انرژی بسیار زیاد یک تخلیه جوی می‌تواند از مسیرهای مختلف به شبکه یا تجهیزات منتقل شود یا میدان الکتریکی شدیدی در اطراف آنها ایجاد کند. در چنین شرایطی، عایق برای مدت کوتاهی با تنشی بسیار شدید مواجه می‌شود. به همین دلیل در طراحی تجهیزات فشارقوی، موضوع تحمل ضربه‌ای عایق اهمیت ویژه‌ای دارد.
—
۳. اضافه‌ولتاژ کلیدزنی
تمام اضافه‌ولتاژها ناشی از صاعقه نیستند. قطع و وصل کلیدها، خطوط انتقال، ترانسفورماتورها، موتورها و بارهای القایی نیز می‌تواند باعث ایجاد گذراهای الکتریکی شود. در برخی تجهیزات، تکرار این گذراها ممکن است از یک حادثه منفرد مهم‌تر باشد. زیرا تنش‌های کوچک‌تر اما پرتکرار نیز می‌توانند در طول زمان بر سیستم عایق اثر بگذارند.
—
۴. تفاوت ولتاژ مداوم و ولتاژ ضربه‌ای
ولتاژ کاری عادی ممکن است ساعت‌ها، روزها یا سال‌ها روی عایق وجود داشته باشد. اما ولتاژ ضربه‌ای معمولاً برای مدت بسیار کوتاهی اعمال می‌شود. بنابراین عایق در این دو حالت با دو نوع متفاوت از تنش مواجه است: تنش طولانی‌مدت و تنش بسیار شدید و کوتاه‌مدت. این تفاوت یکی از دلایلی است که نمی‌توان نتیجه یک آزمون ولتاژ معمولی را بدون بررسی بیشتر به رفتار عایق در برابر ضربه تعمیم داد.
—
۵. سرعت افزایش ولتاژ اهمیت دارد
در یک موج گذرا ممکن است ولتاژ در مدت بسیار کوتاهی از مقدار پایین به مقدار بسیار بالا برسد. این سرعت تغییر، که به صورت ساده با نرخ تغییر ولتاژ نسبت به زمان بیان می‌شود، می‌تواند بر توزیع میدان الکتریکی در ساختارهای عایقی اثر بگذارد. در سیستم‌هایی که دارای چند ماده عایق یا هندسه پیچیده هستند، پاسخ الکتریکی بخش‌های مختلف نیز ممکن است یکسان نباشد.
—
۶. میدان الکتریکی در برابر موج سریع
در یک مدل ساده، میدان الکتریکی یکنواخت تقریباً از نسبت ولتاژ به فاصله عایقی به دست می‌آید. اما در تجهیزات واقعی، میدان الزاماً یکنواخت نیست. گوشه‌ها، لبه‌ها، سوراخ‌ها، پیچ‌ها، اتصالات و تغییرات هندسی می‌توانند میدان را در نقاط خاصی متمرکز کنند. اگر یک موج ضربه‌ای نیز به سیستم وارد شود، همین نقاط ضعیف ممکن است زودتر تحت تنش قرار گیرند.
—
۷. نقش گوشه‌های تیز
یکی از اصول مهم در طراحی عایق این است که از ایجاد تمرکز شدید میدان تا حد امکان جلوگیری شود. گوشه بسیار تیز در یک قطعه فلزی می‌تواند میدان الکتریکی اطراف خود را افزایش دهد. پوشاندن چنین قسمتی با رزین لزوماً تمام مشکل را حل نمی‌کند. اگر هندسه اولیه نامناسب باشد، حتی یک لایه ضخیم رزین نیز ممکن است نتواند توزیع میدان مطلوبی ایجاد کند.
—
۸. شعاع انحنا و کنترل میدان
افزایش شعاع انحنای گوشه‌های فلزی یکی از روش‌هایی است که در طراحی میدان می‌تواند مورد توجه قرار گیرد. به جای یک گوشه کاملاً تیز، استفاده از هندسه نرم‌تر می‌تواند به کاهش تمرکز میدان کمک کند. در تجهیزات حساس، این موضوع ممکن است با تحلیل میدان الکتریکی و شبیه‌سازی عددی بررسی شود.
—
۹. نقش ضخامت رزین
ضخامت عایق اهمیت دارد، اما رابطه میان ضخامت و تحمل ولتاژ را نباید کاملاً خطی در نظر گرفت. اگر ساختار کاملاً ایده‌آل و میدان یکنواخت باشد، افزایش فاصله عایقی می‌تواند میدان متوسط را کاهش دهد. اما در سیستم واقعی، حباب، تخلخل، ترک، فصل مشترک و هندسه می‌توانند نقطه ضعف ایجاد کنند. در نتیجه افزایش ضخامت به تنهایی تضمین‌کننده تحمل بیشتر نیست.
—
۱۰. حباب‌های داخلی در برابر اضافه‌ولتاژ
یکی از عیوب مهم در رزین‌های عایق، وجود حفره یا حباب داخلی است. داخل حباب، ماده عایق با خواص الکتریکی متفاوتی نسبت به رزین اطراف قرار دارد. در شرایط میدان بالا، این اختلاف می‌تواند باعث تمرکز تنش الکتریکی در اطراف حفره شود. اگر این وضعیت با اضافه‌ولتاژهای گذرا همراه شود، اهمیت عیب بیشتر خواهد شد.
—
۱۱. تخلیه جزئی و موج‌های گذرا
وجود حفره داخلی همیشه به معنی شکست فوری عایق نیست. ممکن است در برخی شرایط ابتدا تخلیه‌های موضعی رخ دهند. اگر این تخلیه‌ها در طول زمان تکرار شوند، می‌توانند به تخریب تدریجی ساختار عایق منجر شوند. بنابراین ارتباط میان کیفیت اجرای رزین و رفتار آن در برابر تنش‌های گذرا باید جدی گرفته شود.
—
۱۲. فصل مشترک رزین و زیرلایه
در بسیاری از کاربردها، رزین مستقیماً روی فلز، سرامیک یا ماده عایق دیگری قرار می‌گیرد. فصل مشترک میان این مواد باید از نظر چسبندگی و یکنواختی مناسب باشد. وجود فضای خالی یا جداشدگی در این قسمت می‌تواند محل تمرکز میدان ایجاد کند. در نتیجه کیفیت آماده‌سازی سطح، فقط یک موضوع مکانیکی نیست؛ بلکه می‌تواند بر عملکرد الکتریکی نیز اثر بگذارد.
—
۱۳. رطوبت و اضافه‌ولتاژ
رطوبت می‌تواند رفتار الکتریکی و سطحی عایق را تغییر دهد. اگر سطح عایق مرطوب و آلوده باشد، احتمال افزایش جریان نشتی سطحی نیز وجود دارد. از طرف دیگر، جذب رطوبت در طول زمان ممکن است بر برخی خواص رزین اثر بگذارد. بنابراین ارزیابی عایق برای محیط بیرونی یا مرطوب باید شرایط محیطی را نیز در نظر بگیرد.
—
۱۴. آلودگی سطحی
گردوغبار، نمک، ذرات صنعتی و سایر آلاینده‌ها می‌توانند سطح عایق را تحت تأثیر قرار دهند. در حضور رطوبت، این آلودگی‌ها ممکن است هدایت سطحی را افزایش دهند. در نتیجه ممکن است مسیر جریان روی سطح ایجاد شود. این موضوع به‌خصوص در تجهیزات بیرونی اهمیت بیشتری دارد.
—
۱۵. اضافه‌ولتاژهای تکرارشونده
یک سیستم ممکن است تنها یک بار با یک پالس شدید مواجه نشود. در برخی کاربردها، گذراهای الکتریکی بارها تکرار می‌شوند. حتی اگر هر پالس به تنهایی باعث شکست نشود، تکرار تنش می‌تواند همراه با سایر عوامل مانند گرما، رطوبت، تخلیه جزئی و تنش مکانیکی در فرآیند پیرشدگی نقش داشته باشد.
—
۱۶. اثر هم‌زمان تنش‌های مختلف
عایق واقعی معمولاً در یک محیط کاملاً آزمایشگاهی کار نمی‌کند. ممکن است هم‌زمان با:
– ولتاژ عادی؛
– اضافه‌ولتاژ؛
– تغییر دما؛
– رطوبت؛
– ارتعاش؛
– آلودگی؛
– و تنش مکانیکی
روبرو باشد. به همین دلیل ارزیابی جامع باید در صورت نیاز ترکیب این عوامل را نیز در نظر بگیرد.
—
۱۷. نقش کیفیت پخت رزین
رزین اپوکسی باید طبق دستورالعمل فنی مربوط به همان محصول مخلوط و پخت شود. اختلال در نسبت اختلاط، زمان کارپذیری، دمای پخت یا شرایط محیطی می‌تواند بر خواص نهایی اثر بگذارد. یک عایق با پخت ناقص ممکن است از نظر ظاهری قابل قبول باشد، اما خواص نهایی آن با نمونه کاملاً پخت‌شده متفاوت باشد.
—
۱۸. چرا حفره‌های هوا مهم‌اند؟
یکی از اهداف اجرای صحیح رزین عایق، کاهش حفره‌های ناخواسته است. حباب‌ها می‌توانند به دلایل مختلف ایجاد شوند:
– اختلاط شدید؛
– وارد شدن هوا هنگام هم‌زدن؛
– آماده‌سازی نامناسب سطح؛
– اجرای نامناسب؛
– یا شرایط نامطلوب پخت.
برای کاربردهای حساس، روش اجرای رزین باید به گونه‌ای انتخاب شود که احتمال ایجاد حفره کاهش یابد.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱۹. آزمون ضربه‌ای چیست؟
برای ارزیابی رفتار عایق در برابر موج‌های ضربه‌ای، می‌توان از آزمون‌های مخصوص استفاده کرد. در این آزمون‌ها شکل موج و شرایط اعمال ولتاژ کنترل می‌شود. نوع آزمون باید متناسب با کاربرد تجهیز و استاندارد مربوطه انتخاب شود. نتیجه چنین آزمونی با یک آزمون ساده مقاومت عایقی یا یک اندازه‌گیری معمولی ولتاژ شکست یکسان نیست.
—
۲۰. شکل موج آزمون اهمیت دارد
در آزمون‌های ضربه‌ای، تنها مقدار پیک ولتاژ مطرح نیست. پارامترهایی مانند زمان جبهه موج و زمان کاهش آن نیز در تعریف شکل موج اهمیت دارند. بنابراین دو آزمایش با پیک یکسان اما شکل موج متفاوت ممکن است نتایج یکسانی ایجاد نکنند.
—
۲۱. تفاوت آزمون ضربه با آزمون تحمل یک‌دقیقه‌ای
آزمون تحمل یک‌دقیقه‌ای برای بررسی توانایی نمونه در تحمل یک ولتاژ مشخص در مدت معین انجام می‌شود. اما آزمون ضربه‌ای رفتار عایق را در برابر یک موج گذرا بررسی می‌کند. بنابراین نتیجه یکی را نمی‌توان بدون دلیل فنی جایگزین دیگری کرد.
—
۲۲. هماهنگی عایقی
در طراحی تجهیزات قدرت، باید میان سطح عایقی تجهیزات و اضافه‌ولتاژهایی که احتمالاً در شبکه ایجاد می‌شوند، هماهنگی برقرار باشد. این مفهوم با عنوان هماهنگی عایقی شناخته می‌شود. هدف آن این نیست که عایق را بدون محدودیت بزرگ و ضخیم کنیم؛ بلکه باید سطح مناسب حفاظت و تحمل برای سیستم انتخاب شود.
—
۲۳. تجهیزات محدودکننده اضافه‌ولتاژ
در سیستم‌های الکتریکی، حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ فقط از طریق افزایش ضخامت عایق انجام نمی‌شود. تجهیزاتی مانند برق‌گیرها و سایر سامانه‌های حفاظت در برابر Surge می‌توانند در محدود کردن تنش واردشده به تجهیزات نقش داشته باشند. در نتیجه طراحی عایق و طراحی حفاظت الکتریکی باید هماهنگ باشند.
—
۲۴. نقش طراحی الکتریکی
اگر میدان الکتریکی در قطعه از ابتدا به شکل مناسبی طراحی نشده باشد، رزین به تنهایی نباید به عنوان راه‌حل تمام مشکلات در نظر گرفته شود. بهتر است ابتدا هندسه، فاصله‌ها، اتصالات و مسیرهای احتمالی تخلیه بررسی شوند. سپس سیستم عایق رزینی متناسب با این طراحی انتخاب شود.
—
۲۵. شبیه‌سازی میدان
در تجهیزات حساس می‌توان از روش‌های عددی مانند FEM برای بررسی توزیع میدان استفاده کرد. در این تحلیل، هندسه قطعه، جنس مواد، ضخامت عایق و شرایط مرزی وارد مدل می‌شوند. هدف، پیدا کردن نقاطی است که میدان الکتریکی در آنها بیش از حد افزایش می‌یابد.
—
۲۶. نقش مواد مختلف در یک سیستم
وقتی چند ماده مختلف در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، خواص الکتریکی آنها نیز می‌تواند متفاوت باشد. رزین، فلز، سرامیک، هوا و چسب هرکدام رفتار متفاوتی دارند. تغییر ناگهانی در خواص مواد می‌تواند توزیع میدان را تغییر دهد. بنابراین فصل مشترک‌ها در طراحی عایق اهمیت ویژه‌ای دارند.
—
۲۷. اثر ترک بر تحمل ضربه‌ای
ترک یک نقص صرفاً مکانیکی نیست. اگر ترک در ناحیه‌ای از عایق ایجاد شود که میدان الکتریکی بالاست، می‌تواند شرایط میدان را تغییر دهد. ترک همچنین ممکن است محل ورود رطوبت یا ایجاد تخلیه موضعی باشد. به همین دلیل ترک‌های ظاهراً کوچک در تجهیزات ولتاژ بالا نباید بدون بررسی نادیده گرفته شوند.
—
۲۸. عایق بیرونی و عایق داخلی
رفتار یک پوشش روی سطح خارجی تجهیز با یک رزین کاملاً محصور در داخل تجهیز الزاماً یکسان نیست. عایق بیرونی با باران، گردوغبار، تابش و تغییرات دمایی مواجه می‌شود. عایق داخلی ممکن است بیشتر تحت تأثیر دما، فشار، تخلیه جزئی و تنش‌های داخلی باشد. پس شرایط کاربرد باید در انتخاب و آزمون سیستم عایق لحاظ شود.
—
۲۹. آیا نتیجه آزمون 8119 را می‌توان به اضافه‌ولتاژ تعمیم داد؟
خیر، مگر اینکه آزمون مربوط به اضافه‌ولتاژ یا ضربه دقیقاً انجام شده و شرایط آن مشخص باشد. داده‌های اعلام‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119 شامل آزمون نمونه ۱ میلی‌متری روی مقره چرخی در شرایط خشک و مرطوب است. این داده‌ها اطلاعاتی درباره همان آزمون ارائه می‌کنند، اما از آنها به تنهایی نمی‌توان یک سطح تحمل ضربه‌ای یا رتبه‌بندی عمومی برای تمام کاربردها استخراج کرد.
—
۳۰. چرا این تفکیک اهمیت دارد؟
فرض کردن اینکه «نمونه در ولتاژ X شکست خورده، پس در هر پالس X ولتی نیز همین رفتار را خواهد داشت» از نظر مهندسی صحیح نیست. نوع ولتاژ، شکل موج، سرعت تغییر، هندسه الکترود و شرایط محیطی همگی می‌توانند بر نتیجه تأثیر داشته باشند. بنابراین هر نوع ادعای مربوط به تحمل ضربه‌ای باید بر اساس آزمون مربوط به همان ویژگی باشد.
—
۳۱. طراحی برای کاهش احتمال شکست
برای کاهش احتمال شکست عایقی، مجموعه‌ای از اقدامات باید در کنار هم قرار گیرند:
– انتخاب ماده مناسب؛
– آماده‌سازی صحیح زیرلایه؛
– کنترل ضخامت؛
– کاهش حباب و تخلخل؛
– حذف گوشه‌های بسیار تیز؛
– کنترل فاصله‌های عایقی؛
– توجه به مسیر خزشی؛
– کنترل رطوبت؛
– و حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ.
هیچ‌کدام از این موارد به تنهایی جایگزین طراحی صحیح سیستم نمی‌شود.
—
۳۲. کنترل کیفیت هنگام اجرا
بسیاری از مشکلاتی که بعدها به شکست الکتریکی نسبت داده می‌شوند، ممکن است در مرحله اجرا ایجاد شده باشند.
برای مثال:
– سطح آلوده؛
– رطوبت زیر پوشش؛
– نسبت اختلاط اشتباه؛
– حباب زیاد؛
– پخت ناقص؛
– یا ضخامت غیریکنواخت
می‌تواند کیفیت عایق را کاهش دهد. بنابراین کنترل کیفیت باید از قبل از اجرای رزین آغاز شود.
—
۳۳. بازرسی پس از اجرای عایق
پس از پخت، سطح باید بررسی شود. در پروژه‌های حساس، می‌توان علاوه بر بازرسی چشمی، ضخامت، چسبندگی و سایر ویژگی‌های موردنیاز را نیز کنترل کرد. در صورت وجود الزام استاندارد، آزمون الکتریکی مناسب نیز باید انجام شود.
—
۳۴. انتخاب آزمون بر اساس ریسک
برای یک قطعه کم‌اهمیت ممکن است کنترل‌های ساده کافی باشد. اما اگر خرابی عایق بتواند باعث توقف یک خط تولید، آسیب گسترده یا خطر ایمنی شود، هزینه انجام آزمون‌های دقیق‌تر در مقایسه با ریسک خرابی باید ارزیابی شود. این نگاه، آزمون را از یک هزینه اضافی به بخشی از مدیریت ریسک تبدیل می‌کند.
—
۳۵. نتیجه‌گیری
رزین اپوکسی عایق برق در یک تجهیز واقعی ممکن است علاوه بر ولتاژ کاری، در معرض اضافه‌ولتاژهای ناشی از صاعقه، کلیدزنی و سایر پدیده‌های گذرا قرار گیرد. این تنش‌ها از نظر شکل موج، مدت و سرعت تغییر با ولتاژ عادی متفاوت‌اند. به همین دلیل، عملکرد عایق در برابر آنها باید با آزمون و معیار متناسب ارزیابی شود. در طراحی نیز نباید تمام مسئولیت تحمل اضافه‌ولتاژ را به ضخامت رزین واگذار کرد. هندسه قطعه، تمرکز میدان، کیفیت پخت، وجود حباب و ترک، فصل مشترک مواد، رطوبت، آلودگی و سیستم حفاظت در برابر Surge همگی می‌توانند در عملکرد نهایی مؤثر باشند.
در مورد پادنار 8119 نیز داده‌های آزمون اعلام‌شده برای نمونه ۱ میلی‌متری، اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار همان نمونه در شرایط مشخص فراهم می‌کنند؛ اما برای اعلام تحمل در برابر صاعقه، کلیدزنی یا هر نوع موج ضربه‌ای، باید آزمون مربوط به همان مشخصه و شرایط انجام شده باشد. در مهندسی عایق، تحمل یک ولتاژ به معنای تحمل تمام شکل‌های ممکن همان ولتاژ نیست؛ شکل موج و شرایط اعمال تنش نیز بخشی از مسئله عایقی هستند.
۰ دیدگاه