دانشنامه جامع اپوکسی عایق الکتریکی 62

فصل ۶۲ ـ تمرکز میدان الکتریکی در رزین اپوکسی عایق برق؛ نقش گوشه‌ها، لبه‌ها، اتصالات و هندسه قطعه

«تمرکز میدان الکتریکی یکی از عوامل مهم در طراحی رزین اپوکسی عایق برق است و می‌تواند در گوشه‌های تیز، لبه‌های فلزی و اتصالات ایجاد شود.»

در طراحی یک سیستم عایق الکتریکی، معمولاً نخستین چیزی که مورد توجه قرار می‌گیرد ضخامت عایق است. هرچه ولتاژ بالاتر باشد، طبیعی است که موضوع ضخامت اهمیت بیشتری پیدا کند. با این حال، ضخامت به تنهایی تعیین‌کننده عملکرد عایق نیست. ممکن است یک لایه رزین اپوکسی از نظر ضخامت کاملاً مناسب باشد، اما در یک گوشه تیز، لبه فلزی، محل اتصال دو قطعه یا تغییر ناگهانی ضخامت، میدان الکتریکی به صورت موضعی افزایش پیدا کند. این پدیده را تمرکز میدان الکتریکی یا Electric Field Concentration می‌نامند. در بسیاری از موارد، خرابی عایق از ضعیف‌ترین نقطه هندسی آغاز می‌شود، نه الزاماً از نازک‌ترین قسمت ظاهری آن. به همین دلیل، هنگام طراحی عایق اپوکسی برای تجهیزات الکتریکی، باید هم‌زمان سه موضوع مورد توجه قرار گیرد: خواص ماده، ضخامت عایق و هندسه میدان الکتریکی.

برای خرید محصول کلیک کنید

۱. میدان الکتریکی چیست؟

میدان الکتریکی را می‌توان به زبان ساده، ناحیه‌ای دانست که در آن بارهای الکتریکی تحت تأثیر نیرو قرار می‌گیرند. در یک سیستم عایق، توزیع میدان در تمام نقاط یکسان نیست. اگر شکل الکترودها ساده و یکنواخت باشد، میدان می‌تواند توزیع نسبتاً یکنواخت‌تری داشته باشد. اما با تغییر شکل هندسی، میدان نیز تغییر می‌کند.

—

۲. چرا گوشه‌های تیز مشکل‌ساز هستند؟

در اطراف گوشه‌های تیز، خطوط میدان الکتریکی متراکم‌تر می‌شوند. هرچه شعاع گوشه کوچک‌تر باشد، احتمال افزایش میدان موضعی بیشتر می‌شود. به همین علت در طراحی تجهیزات الکتریکی، معمولاً از لبه‌های کاملاً تیز تا حد امکان اجتناب می‌شود. رزین اپوکسی می‌تواند فضای اطراف یک قطعه را پر کند، اما اگر هندسه اصلی باعث تمرکز شدید میدان شود، صرف پوشاندن آن با یک لایه رزین الزاماً مشکل را برطرف نمی‌کند.

—

۳. مثال ساده از یک گوشه فلزی

فرض کنید یک قطعه فلزی در ولتاژ بالا قرار دارد و گوشه‌ای بسیار تیز در آن وجود دارد. اگر اطراف آن با رزین اپوکسی پوشانده شود، میدان الکتریکی در نزدیکی گوشه همچنان می‌تواند بیشتر از قسمت‌های صاف باشد. بنابراین ممکن است نقطه بحرانی سیستم همان گوشه باشد. در این حالت افزایش ضخامت رزین در قسمت‌های دورتر، لزوماً مشکل نقطه بحرانی را حل نمی‌کند.

—

۴. شعاع انحنا و میدان الکتریکی

یکی از مفاهیم مهم در طراحی الکتریکی، شعاع انحنای لبه‌هاست. لبه‌ای با شعاع بسیار کوچک، رفتاری متفاوت با یک سطح منحنی و نرم دارد. افزایش شعاع انحنا در بسیاری از هندسه‌ها باعث کاهش تمرکز میدان می‌شود. به همین دلیل، در طراحی قطعات و الکترودهای ولتاژ بالا، گرد کردن گوشه‌ها می‌تواند یکی از روش‌های کاهش تنش الکتریکی باشد.

—

۵. رزین اپوکسی و یکنواختی میدان

رزین اپوکسی عایق، در صورتی که بدون حفره و با ضخامت مناسب اجرا شده باشد، می‌تواند فضای بین اجزای رسانا را پر کند. اما حضور رزین به معنی یکنواخت شدن خودکار میدان نیست. توزیع میدان تابع هندسه، خواص الکتریکی مواد، فاصله‌ها و شکل الکترودهاست. بنابراین طراحی الکتریکی باید قبل از اجرای رزین انجام شود.

—

۶. تغییر ناگهانی ضخامت

فرض کنید ضخامت عایق در یک قسمت زیاد و در قسمت دیگری ناگهان کم شود. این تغییر هندسی می‌تواند باعث تغییر توزیع میدان شود. به همین دلیل، در طراحی عایق بهتر است تغییرات ضخامت تا حد امکان تدریجی باشند. در پوشش‌های رزینی نیز انتقال ناگهانی از یک لایه ضخیم به یک لایه بسیار نازک می‌تواند از نظر مکانیکی و الکتریکی نامطلوب باشد.

—

۷. لبه پوشش عایق

انتهای یک پوشش عایق نیز می‌تواند نقطه مهمی باشد. اگر لایه رزین ناگهان در یک نقطه تمام شود، میدان در اطراف انتهای آن می‌تواند با میدان قسمت مرکزی متفاوت باشد. به همین دلیل در طراحی پوشش‌های ولتاژ بالا، شکل پایان لایه نیز اهمیت پیدا می‌کند.

—

۸. فاصله هوایی و رزین

اگر میان رزین و زیرلایه یک فضای خالی ایجاد شود، شرایط میدان در آن ناحیه با حالت تماس کامل متفاوت خواهد بود. فضای خالی می‌تواند محل تمرکز میدان و در شرایط خاص محل آغاز تخلیه جزئی باشد. به همین علت، چسبندگی مناسب و حذف حفره‌های داخلی در سیستم‌های عایق اهمیت زیادی دارد.

—

۹. حباب داخل رزین

وجود حباب در رزین فقط یک مشکل ظاهری نیست. حباب دارای خواص الکتریکی متفاوتی نسبت به رزین جامد است. در نتیجه، میدان الکتریکی در اطراف آن می‌تواند تغییر کند. اگر شدت میدان در این ناحیه به اندازه کافی بالا باشد، احتمال بروز پدیده‌های تخلیه موضعی افزایش پیدا می‌کند.

—

۱۰. تخلیه جزئی و تمرکز میدان

تخلیه جزئی ممکن است در حفره‌ها، فصل مشترک‌ها یا نواحی دارای شرایط الکتریکی نامناسب آغاز شود. تکرار تخلیه‌های کوچک در طول زمان می‌تواند به تدریج به ساختار عایق آسیب بزند. این موضوع یکی از دلایلی است که در عایق‌های ولتاژ بالا، کیفیت ساخت و نبودن حفره اهمیت بسیار زیادی دارد.

—

۱۱. تفاوت ولتاژ شکست و میدان بحرانی

باید میان «ولتاژ شکست یک نمونه» و «میدان الکتریکی در یک نقطه خاص از تجهیز» تفاوت قائل شد. ولتاژ شکست یک نمونه در شرایط آزمایشگاهی، نتیجه مجموعه‌ای از عوامل است. اما در یک تجهیز واقعی، ممکن است یک نقطه هندسی خاص میدان بسیار بیشتری از مقدار متوسط داشته باشد. پس نمی‌توان صرفاً از تقسیم ولتاژ بر ضخامت، رفتار تمام نقاط یک قطعه واقعی را تعیین کرد.

—

۱۲. رابطه ساده میدان با ولتاژ و فاصله

در یک هندسه بسیار ساده و یکنواخت می‌توان به صورت تقریبی نوشت:

E ≈ V / d

که در آن:

– E میدان الکتریکی؛
– V اختلاف پتانسیل؛
– و d فاصله عایقی

است. این رابطه برای درک اولیه مفید است، اما در هندسه‌های پیچیده کافی نیست. در گوشه‌ها، لبه‌ها و ساختارهای غیر یکنواخت، میدان واقعی می‌تواند با این تقریب ساده تفاوت قابل توجهی داشته باشد.

—

۱۳. چرا طراحی سه‌بعدی اهمیت دارد؟

در تجهیزات واقعی، میدان فقط در یک خط مستقیم توزیع نمی‌شود. ممکن است در سه بعد، شکل قطعات فلزی، سوراخ‌ها، پیچ‌ها، لبه‌ها و فاصله‌های مختلف روی میدان اثر بگذارند. در تجهیزات حساس، تحلیل میدان با روش‌های عددی مانند Finite Element Method یا FEM می‌تواند برای شناسایی نقاط بحرانی مفید باشد.

—

۱۴. کاربرد شبیه‌سازی میدان

شبیه‌سازی می‌تواند پیش از ساخت نمونه نهایی نشان دهد که کدام قسمت‌ها احتمالاً دارای میدان بیشتری هستند. با تغییر:

– شعاع گوشه؛
– فاصله الکترودها؛
– ضخامت رزین؛
– شکل قطعه؛
– یا موقعیت اجزا

می‌توان تأثیر تغییر طراحی را بررسی کرد. این روش در طراحی تجهیزات ولتاژ بالا بسیار ارزشمند است.

—

۱۵. رزین به تنهایی طراح میدان نیست

یکی از برداشت‌های نادرست این است که اگر رزین دارای استقامت دی‌الکتریک بالا باشد، هر نوع هندسه‌ای را می‌توان با آن عایق کرد. این تصور درست نیست. رزین بخشی از سیستم عایق است. اگر میدان در یک نقطه بیش از حد متمرکز شود، حتی یک ماده عایق مناسب نیز ممکن است در آن نقطه تحت تنش شدیدی قرار گیرد.

—

۱۶. اهمیت فاصله عایقی

فاصله بین قسمت‌های دارای پتانسیل متفاوت باید با توجه به ولتاژ، محیط و ساختار تجهیز طراحی شود. این فاصله ممکن است شامل مسیر داخل ماده عایق، فاصله سطحی و در برخی طراحی‌ها فاصله هوایی باشد. بنابراین «ضخامت رزین» با «تمام فاصله عایقی موردنیاز» یک مفهوم واحد نیست.

—

۱۷. فاصله خزشی

در عایق‌های سطحی، مسیر حرکت جریان روی سطح نیز اهمیت دارد. اگر سطح آلوده یا مرطوب شود، جریان نشتی می‌تواند در امتداد سطح افزایش پیدا کند. به همین دلیل، فاصله خزشی باید جدا از ضخامت مستقیم عایق بررسی شود.

—

۱۸. آلودگی سطح

گردوغبار، نمک، رطوبت و آلودگی صنعتی می‌توانند شرایط سطح رزین را تغییر دهند. در محیط‌های آلوده، مسیرهای رسانا ممکن است روی سطح تشکیل شوند. این موضوع می‌تواند به جریان نشتی، گرم‌شدن موضعی و در شرایط شدیدتر به ایجاد مسیر کربنی منجر شود.

—

۱۹. نقش شکل سطح رزین

سطح بسیار ناهموار می‌تواند محل تجمع آلودگی و رطوبت باشد. از طرف دیگر، لبه‌های برجسته یا فرورفتگی‌های شدید نیز می‌توانند توزیع میدان را تغییر دهند. بنابراین کیفیت سطح در یک عایق الکتریکی فقط مسئله زیبایی نیست.

برای خرید محصول کلیک کنید

۲۰. نقش گوشه در پوشش‌های اپوکسی

اگر رزین در اطراف یک گوشه فلزی اجرا شود، ضخامت واقعی پوشش در تمام نقاط یکسان نیست. ممکن است در نوک گوشه، پوشش نازک‌تر شود یا به دلیل کشش سطحی و جریان رزین شکل متفاوتی پیدا کند. بنابراین در نقاط هندسی حساس، کنترل فرآیند اعمال اهمیت بیشتری دارد.

—

۲۱. اثر لبه فلز

لبه‌های فلزی معمولاً از نقاطی هستند که باید پیش از عایق‌کاری مورد توجه قرار گیرند. در صورت امکان، اصلاح هندسی لبه می‌تواند بسیار مؤثرتر از تلاش برای جبران مشکل با افزایش ضخامت رزین باشد. این موضوع نمونه خوبی از تفاوت میان اصلاح طراحی و افزایش صرف ماده عایق است.

—

۲۲. پیچ و مهره‌ها

در تجهیزات الکتریکی، پیچ، مهره، واشر و اتصالات فلزی نیز ممکن است در میدان الکتریکی قرار داشته باشند. اگر این اجزا در نزدیکی قسمت‌های ولتاژ بالا قرار گیرند، شکل و فاصله آنها باید در طراحی عایق لحاظ شود. پوشاندن یک پیچ با رزین بدون بررسی میدان اطراف آن، به تنهایی تضمین‌کننده عملکرد عایقی نیست.

—

۲۳. سوراخ‌ها و حفره‌های هندسی

سوراخ‌های موجود در قطعه نیز می‌توانند میدان را تغییر دهند. اگر در اطراف یک سوراخ، فاصله عایقی کاهش پیدا کند، همان نقطه ممکن است به ناحیه بحرانی تبدیل شود. در طراحی دقیق، تمامی این جزئیات باید در نظر گرفته شوند.

—

۲۴. محل اتصال دو عایق

اگر دو ماده عایق متفاوت در کنار یکدیگر قرار گیرند، میدان در فصل مشترک آنها می‌تواند با میدان داخل هر ماده متفاوت باشد. این موضوع به خواص الکتریکی هر دو ماده و هندسه اتصال بستگی دارد. در چنین مواردی، فصل مشترک باید به عنوان بخشی از سیستم عایق بررسی شود.

—

۲۵. تغییر خواص دی‌الکتریک

اگر دو ماده دارای گذردهی نسبی متفاوت باشند، توزیع میدان در آنها نیز می‌تواند متفاوت باشد. بنابراین در سیستم‌های چندلایه، تحلیل میدان باید خواص مواد مختلف را در نظر بگیرد. این مسئله در عایق‌های مرکب و ساختارهای چندلایه اهمیت بیشتری دارد.

—

۲۶. لایه‌های چندگانه رزین

استفاده از چند لایه رزین می‌تواند از نظر فرآیند اجرا مفید باشد، اما هر لایه یک فصل مشترک جدید ایجاد می‌کند. اگر بین لایه‌ها حباب، آلودگی یا چسبندگی ضعیف ایجاد شود، این فصل مشترک ممکن است به نقطه ضعف تبدیل شود. بنابراین چندلایه بودن به خودی خود مزیت یا عیب مطلق نیست؛ کیفیت اجرا تعیین‌کننده است.

—

۲۷. تمرکز میدان و ضخامت

افزایش ضخامت عایق در بسیاری از شرایط باعث کاهش میدان متوسط می‌شود، اما اگر هندسه نامناسب باقی بماند، نقطه تمرکز میدان همچنان وجود خواهد داشت. برای مثال، ضخیم کردن رزین در اطراف یک گوشه بسیار تیز بدون اصلاح شکل گوشه ممکن است راهکار کاملی نباشد.

—

۲۸. اثر تغییرات حرارتی

دما می‌تواند ابعاد مواد و خواص الکتریکی آنها را تغییر دهد. در یک سیستم مرکب از فلز و رزین، سیکل‌های حرارتی ممکن است باعث ایجاد تنش در فصل مشترک شوند. اگر این تنش به ترک یا جداشدگی منجر شود، شرایط میدان نیز ممکن است تغییر کند. بنابراین میدان الکتریکی، مکانیک و حرارت کاملاً از یکدیگر جدا نیستند.

—

۲۹. ترک و میدان الکتریکی

ترک داخل یا روی سطح رزین می‌تواند مسیر و هندسه محلی عایق را تغییر دهد. اگر ترک در ناحیه‌ای با میدان بالا ایجاد شود، اهمیت آن بیشتر خواهد بود. به همین دلیل بررسی ترک‌ها باید با توجه به محل آنها نسبت به قسمت‌های ولتاژدار انجام شود.

—

۳۰. رطوبت و میدان

رطوبت نیز می‌تواند خواص الکتریکی سطح و برخی مواد را تغییر دهد. اگر رطوبت در یک ناحیه دارای تمرکز میدان جمع شود، شرایط الکتریکی آن ناحیه می‌تواند نامطلوب‌تر شود. در نتیجه، طراحی عایق برای محیط مرطوب باید با شرایط خشک یکسان فرض نشود.

—

۳۱. طراحی گوشه‌های گرد

در بسیاری از کاربردها، استفاده از گوشه‌های گرد یا شعاع‌دار یکی از روش‌های ساده برای کاهش تمرکز میدان است. البته مقدار شعاع مناسب به هندسه و سطح ولتاژ تجهیز وابسته است. بنابراین نمی‌توان یک شعاع ثابت را برای تمام تجهیزات توصیه کرد.

—

۳۲. گرادیان میدان

در یک عایق ایده‌آل، مطلوب است که میدان تا حد امکان بدون جهش‌های شدید توزیع شود. اگر میدان از یک ناحیه کم‌تنش به یک ناحیه بسیار پرتراکم منتقل شود، احتمال ایجاد نقطه بحرانی افزایش پیدا می‌کند. طراحی مناسب هندسه و استفاده صحیح از مواد عایق می‌تواند به کنترل این گرادیان کمک کند.

—

۳۳. مواد کنترل‌کننده میدان

در برخی تجهیزات ولتاژ بالا، از ساختارها و مواد ویژه‌ای برای کنترل توزیع میدان استفاده می‌شود. این مواد ممکن است خواص الکتریکی متفاوتی از رزین پایه داشته باشند و برای کاهش تمرکز میدان در نقاط خاص طراحی شوند. اما افزودن چنین موادی به رزین بدون طراحی و آزمون مهندسی صحیح نیست.

—

۳۴. پوشش ضخیم‌تر همیشه راه‌حل نیست

یکی از خطاهای رایج در عایق‌کاری این است که هر مشکل الکتریکی با افزایش ضخامت حل‌شده فرض شود. گاهی مشکل اصلی:

– فاصله کم؛
– گوشه تیز؛
– حباب؛
– ترک؛
– آلودگی؛
– یا طراحی نامناسب الکترود

است. در این موارد افزایش ضخامت ممکن است تنها بخشی از مسئله را تغییر دهد.

—

۳۵. نمونه آزمایشگاهی و تجهیز واقعی

نتیجه یک آزمون ولتاژ روی نمونه ساده را نباید بدون بررسی به تجهیز واقعی تعمیم داد. نمونه آزمایشگاهی ممکن است دارای میدان تقریباً یکنواخت باشد، در حالی که تجهیز واقعی گوشه‌ها، اتصالات و هندسه پیچیده دارد. بنابراین آزمون نهایی باید تا حد امکان شرایط واقعی کاربرد را شبیه‌سازی کند.

—

۳۶. تفسیر نتایج آزمون رزین پادنار 8119

بر اساس داده‌های فنی ارائه‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، نمونه‌ای با ضخامت ۱ میلی‌متر روی مقره چرخی در شرایط مشخص آزمایش شده و برای آن مقادیر ولتاژ شکست و ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای اعلام شده است. این اعداد مربوط به همان نمونه و شرایط آزمون هستند. بنابراین نمی‌توان آنها را بدون آزمون و تحلیل هندسی به عنوان یک ولتاژ کاری ثابت برای تمام تجهیزات یا تمام اشکال هندسی در نظر گرفت. به‌ویژه، اگر قطعه دارای گوشه‌های تیز یا تمرکز میدان باشد، نتیجه واقعی تجهیز می‌تواند تحت تأثیر هندسه قرار گیرد.

—

۳۷. چرا آزمون تجهیز نهایی اهمیت دارد؟

اگر رزین روی یک تجهیز واقعی اجرا شده باشد، آزمون روی همان تجهیز یا نمونه‌ای با هندسه مشابه می‌تواند اطلاعات کاربردی‌تری ارائه کند. زیرا در این حالت:

– شکل الکترودها؛
– فاصله‌ها؛
– ضخامت واقعی؛
– فصل مشترک‌ها؛
– و نحوه اجرای رزین

در ارزیابی وارد می‌شوند.

—

۳۸. بازرسی قبل از اعمال رزین

قبل از اجرای عایق، بهتر است هندسه قطعه بررسی شود. سؤالاتی مانند موارد زیر مفید هستند:

– آیا گوشه تیز وجود دارد؟
فاصله کافی است؟
آیا لبه فلزی نزدیک به سطح است؟
ضخامت در تمام نقاط قابل کنترل است؟
آیا فضای خالی ایجاد خواهد شد؟
 سطح برای اجرای رزین آماده است؟

—

۳۹. بازرسی پس از اجرا

پس از اجرای رزین نیز باید نقاط حساس بررسی شوند. وجود:

– حباب؛
– ترک؛
– جداشدگی؛
– ضخامت غیر یکنواخت؛
– حفره؛
– یا نقص سطحی

باید ثبت و در صورت لزوم اصلاح شود. در تجهیزاتی که با ولتاژ بالا کار می‌کنند، نباید عیوب ظاهری مهم را صرفاً به دلیل کوچک بودن آنها نادیده گرفت.

—

۴۰. تحلیل مهندسی پیش از اجرا

در پروژه‌های حساس، بهترین رویکرد این است که ابتدا میدان و هندسه بررسی شود، سپس ماده و فرآیند اجرا انتخاب شوند. به عبارت دیگر: ابتدا مسئله الکتریکی را بشناسیم، سپس راهکار عایقی را طراحی کنیم. این روش از مصرف بی‌هدف ماده و افزایش ضخامت بدون شناخت علت مشکل جلوگیری می‌کند.

—

۴۱. یک اصل مهم در عایق‌کاری ولتاژ بالا

در طراحی عایق، ضعیف‌ترین نقطه تعیین‌کننده قابلیت اطمینان کل سیستم است. ممکن است ۹۹ درصد سطح عایق کاملاً مناسب باشد، اما یک گوشه، حباب یا فصل مشترک معیوب بتواند نقطه شروع خرابی قرار گیرد. بنابراین کیفیت عایق باید در نقاط بحرانی نیز بررسی شود.

—

۴۲. جمع‌بندی

تمرکز میدان الکتریکی یکی از موضوعاتی است که نشان می‌دهد چرا طراحی یک عایق الکتریکی فقط با انتخاب ماده‌ای با استقامت دی‌الکتریک مناسب پایان نمی‌یابد. گوشه‌های تیز، لبه‌های فلزی، پیچ‌ها، سوراخ‌ها، تغییر ناگهانی ضخامت، حباب، ترک و فصل مشترک مواد مختلف می‌توانند توزیع میدان را تغییر دهند. در نتیجه، یک سیستم عایق مطمئن باید از سه دیدگاه هم‌زمان بررسی شود: ماده عایق + فرآیند اجرا + هندسه میدان.

رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119 نیز باید بر همین اساس ارزیابی شود. داده‌های آزمون یک نمونه مشخص می‌توانند برای شناخت عملکرد ماده مفید باشند، اما برای طراحی یک تجهیز واقعی باید شرایط هندسی، ضخامت، فاصله‌ها، شکل الکترود، شرایط محیطی و نحوه اجرای عایق نیز در نظر گرفته شوند. در نهایت، در عایق‌کاری ولتاژ بالا، گاهی اصلاح یک گوشه یا حذف یک حفره کوچک، از افزایش چند میلی‌متر ضخامت رزین مؤثرتر است. این اصل ساده، یکی از مهم‌ترین نکات در طراحی عایق‌های رزینی قابل اعتماد به شمار می‌رود.

برای خرید محصول کلیک کنید