اپوکسی عایق الکتریکی 86

فصل ۸۶ ـ اثر هم‌زمان تنش‌های الکتریکی و مکانیکی بر رزین اپوکسی عایق برق؛ ترک، تخلیه جزئی و پیرشدگی ترکیبی

جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509

مقدمه

تنش ترکیبی رزین اپوکسی عایق برق زمانی اهمیت پیدا می‌کند که عایق به‌طور هم‌زمان در معرض ولتاژ، دما، ارتعاش، فشار مکانیکی و رطوبت قرار داشته باشد. در چنین شرایطی، عملکرد رزین فقط به مقاومت الکتریکی یا استحکام مکانیکی آن وابسته نیست. ترکیب این عوامل می‌تواند باعث ایجاد ترک، جداشدگی، تخلیه جزئی و پیرشدگی تدریجی شود. به همین دلیل، بررسی رفتار عایق در شرایط واقعی بهره‌برداری برای ارزیابی دوام آن ضروری است.

در یک تجهیز الکتریکی واقعی، رزین اپوکسی معمولاً فقط در معرض یک عامل تنش قرار ندارد. هم‌زمان ممکن است ولتاژ، دما، ارتعاش، فشار مکانیکی، رطوبت و تغییرات محیطی بر آن اثر بگذارند. به همین دلیل ارزیابی عایق صرفاً با یک آزمون منفرد همیشه تصویر کاملی از رفتار آن ارائه نمی‌کند. ممکن است یک رزین در برابر ولتاژ مشخصی عملکرد مناسبی داشته باشد و از نظر مکانیکی نیز مقاوم باشد، اما قرار گرفتن طولانی‌مدت در شرایطی که ولتاژ، ارتعاش و سیکل حرارتی هم‌زمان وجود دارند، رفتار متفاوتی ایجاد کند. اهمیت این موضوع در تجهیزات ولتاژ متوسط و بالا بیشتر است؛ زیرا یک ترک کوچک، جداشدگی محدود یا حفره داخلی می‌تواند هم‌زمان تحت تنش مکانیکی و میدان الکتریکی قرار گیرد و به مرور گسترش پیدا کند.

برای خرید محصول کلیک کنید

۱. تنش ترکیبی چیست؟

وقتی یک ماده به‌طور هم‌زمان تحت دو یا چند عامل تنش قرار گیرد، با یک وضعیت تنش ترکیبی روبه‌رو هستیم. در عایق‌های الکتریکی این عوامل می‌توانند شامل:

– میدان الکتریکی؛
– دما؛
– ارتعاش؛
– فشار؛
– کشش؛
– رطوبت؛
– آلودگی؛
– و سیکل‌های حرارتی

باشند.

—

۲. چرا تنش ترکیبی مهم‌تر است؟

گاهی دو عامل در کنار یکدیگر اثر یکدیگر را تشدید می‌کنند. برای مثال، یک ترک مکانیکی ممکن است به‌تنهایی خطر فوری ایجاد نکند، اما اگر در ناحیه‌ای با میدان الکتریکی شدید قرار داشته باشد، اهمیت آن افزایش می‌یابد.

—

۳. ترک مکانیکی

ترک می‌تواند بر اثر ضربه، انبساط حرارتی، تنش پسماند، ارتعاش یا اجرای نامناسب ایجاد شود. در نتیجه ترک فقط یک نقص مکانیکی نیست. در سیستم عایقی، ترک می‌تواند مسیر ورود رطوبت یا ایجاد حفره را فراهم کند.

—

۴. ترک و میدان الکتریکی

وجود یک ترک باعث تغییر هندسه موضعی عایق می‌شود. اگر داخل ترک هوا یا ماده‌ای با خواص متفاوت وجود داشته باشد، میدان الکتریکی در اطراف آن نیز تغییر می‌کند. در نتیجه ممکن است تنش الکتریکی موضعی افزایش پیدا کند.

—

۵. ترک و تخلیه جزئی

اگر ترک یا حفره شرایط لازم برای تخلیه جزئی را ایجاد کند، تخلیه‌های مکرر ممکن است به مرور سطح داخلی نقص را تخریب کنند. این فرآیند می‌تواند باعث گسترش تدریجی آسیب شود.

—

۶. جداشدگی از زیرلایه

گاهی رزین از فلز یا سرامیک جدا می‌شود. این جداشدگی می‌تواند بر اثر تنش حرارتی، ضربه، ارتعاش، رطوبت یا چسبندگی ناکافی ایجاد شود. فضای ایجادشده میان دو ماده نیز می‌تواند از نظر الکتریکی اهمیت داشته باشد.

—

۷. Delamination

جداشدگی لایه‌ها یا Delamination در پوشش‌ها و کامپوزیت‌های رزینی یک نقص مهم است. در ساختار چندلایه، این نقص ممکن است به صورت یک صفحه یا ناحیه نسبتاً بزرگ ایجاد شود.

—

۸. ارتعاش

تجهیزات الکتریکی ممکن است در اثر موتور، ترانسفورماتور، فن، پمپ یا نیروهای الکترومغناطیسی دچار ارتعاش شوند. ارتعاش مداوم می‌تواند در طول زمان به اتصالات و پوشش‌های رزینی فشار وارد کند.

—

۹. خستگی مکانیکی

اگر یک تنش بارها تکرار شود، حتی تنشی کمتر از استحکام نهایی ماده می‌تواند در طول زمان اثر تجمعی داشته باشد. این موضوع را می‌توان در چارچوب خستگی مکانیکی بررسی کرد.

—

۱۰. خستگی در فصل مشترک

فصل مشترک رزین و فلز ممکن است تحت سیکل‌های مکرر انبساط و انقباض قرار گیرد. اگر چسبندگی کافی نباشد، احتمال ایجاد ریزجداشدگی افزایش پیدا می‌کند.

—

۱۱. سیکل حرارتی و تنش مکانیکی

گرم شدن و سرد شدن متناوب باعث تغییر ابعاد مواد می‌شود. اگر رزین و زیرلایه به یک اندازه منبسط نشوند، تنش ایجاد می‌شود. تکرار این وضعیت می‌تواند به خستگی ساختاری منجر شود.

—

۱۲. تنش حرارتی در اطراف هادی

هادی ممکن است در هنگام بارگذاری گرم شود. با کاهش بار، دوباره سرد می‌شود. رزین اطراف هادی نیز این تغییر دما را تجربه می‌کند و ممکن است به دلیل اختلاف ضریب انبساط با هادی، تنش ایجاد شود.

—

۱۳. اثر دمای بالا بر خواص مکانیکی

افزایش دما می‌تواند رفتار مکانیکی پلیمر را تغییر دهد. در نزدیکی محدوده‌های دمایی حساس، سختی و مدول ممکن است تغییر کنند. بنابراین ارزیابی مکانیکی باید در صورت اهمیت کاربرد در دمای واقعی نیز انجام شود.

—

۱۴. دمای پایین

سرما نیز می‌تواند بر رفتار پلیمر اثر بگذارد. در برخی مواد، کاهش دما می‌تواند انعطاف‌پذیری را کم کند. اگر تجهیز در محیطی با تغییرات شدید دمایی کار کند، هر دو محدوده دمایی باید بررسی شوند.

—

۱۵. شوک حرارتی

تغییر سریع دما با یک سیکل حرارتی آهسته تفاوت دارد. در شوک حرارتی، اختلاف دمای داخلی و خارجی ممکن است به سرعت ایجاد شود. این وضعیت می‌تواند تنش بیشتری در برخی ساختارها ایجاد کند.

—

۱۶. تنش الکتریکی

میدان الکتریکی یکی از اصلی‌ترین تنش‌های وارد بر عایق است. شدت میدان به ولتاژ، فاصله، هندسه و خواص مواد بستگی دارد. تمرکز میدان در یک نقطه می‌تواند شرایط را سخت‌تر کند.

—

۱۷. تنش مکانیکی در نقطه میدان بالا

اگر یک نقطه هم‌زمان میدان الکتریکی بالا و تنش مکانیکی داشته باشد، اهمیت آن بیشتر می‌شود. برای مثال لبه یک اتصال فلزی که تحت لرزش قرار دارد می‌تواند یک ناحیه حساس باشد.

—

۱۸. لبه‌های فلزی

لبه تیز فلز می‌تواند میدان را متمرکز کند. همین لبه در صورت حرکت یا ارتعاش ممکن است به رزین فشار مکانیکی نیز وارد کند. بنابراین اصلاح هندسه فلز می‌تواند از دو جهت مفید باشد.

—

۱۹. پیچ و مهره

پیچ و مهره‌ها ممکن است هم تنش مکانیکی ایجاد کنند و هم بر میدان الکتریکی اثر بگذارند. سفت‌کردن بیش از حد یا طراحی نامناسب می‌تواند تنش موضعی در رزین ایجاد کند.

—

۲۰. فشار موضعی

فشار ناشی از بست‌ها، گیره‌ها و اتصالات باید کنترل شود. اگر فشار روی یک نقطه کوچک متمرکز شود، احتمال آسیب موضعی افزایش می‌یابد.

—

۲۱. ضربه

ضربه می‌تواند ترک یا جداشدگی ایجاد کند. شدت آسیب به انرژی ضربه، هندسه، ضخامت و خواص مکانیکی رزین بستگی دارد.

—

۲۲. ارتعاش و حباب

حباب موجود در رزین یک نقص داخلی است. اگر تجهیز تحت ارتعاش قرار گیرد، تنش اطراف حفره می‌تواند تغییر کند. این موضوع در طراحی قطعات حساس باید مورد توجه قرار گیرد.

—

۲۳. حفره و فشار

رفتار یک حفره داخلی می‌تواند به فشار و دما وابسته باشد. اگر گاز داخل حفره منبسط شود، شرایط مکانیکی و الکتریکی آن ناحیه نیز ممکن است تغییر کند.

—

۲۴. حفره و تخلیه جزئی

حفره داخلی ممکن است از نظر الکتریکی یک ناحیه بحرانی باشد. اگر میدان داخل حفره به شرایط لازم برسد، تخلیه جزئی ممکن است رخ دهد. تکرار تخلیه می‌تواند به ساختار داخلی آسیب وارد کند.

—

۲۵. تخلیه جزئی و ترک

تخلیه جزئی می‌تواند به مرور سطح داخلی یک نقص را تحت تأثیر قرار دهد. اگر هم‌زمان تنش مکانیکی وجود داشته باشد، روند رشد آسیب می‌تواند پیچیده‌تر شود.

برای خرید محصول کلیک کنید

۲۶. رطوبت و ترک

ترک‌ها می‌توانند مسیر ورود رطوبت باشند. رطوبت نیز می‌تواند خواص الکتریکی عایق را تغییر دهد. در نتیجه یک نقص مکانیکی ممکن است در ادامه به مسئله‌ای الکتریکی تبدیل شود.

—

۲۷. رطوبت و چسبندگی

رطوبت در فصل مشترک رزین و فلز یا سرامیک می‌تواند چسبندگی را کاهش دهد. جداشدگی ایجادشده نیز می‌تواند خود به یک نقص عایقی تبدیل شود.

—

۲۸. آلودگی و تنش مکانیکی

ذرات آلاینده روی سطح می‌توانند در نقاطی که تحت لرزش هستند جابه‌جا شوند. همچنین آلودگی ممکن است همراه با رطوبت باعث افزایش جریان نشتی شود.

—

۲۹. جریان نشتی و گرمایش

اگر جریان نشتی افزایش یابد، ممکن است گرمای موضعی ایجاد شود. گرما می‌تواند خواص رزین را تغییر دهد و به تنش حرارتی اضافه کند. به این ترتیب یک زنجیره چندعاملی ایجاد می‌شود.

—

۳۰. چرخه تخریب

یک سناریوی فرضی می‌تواند چنین باشد:

ارتعاش → ریزترک → ورود رطوبت → افزایش جریان نشتی → گرمایش موضعی → تنش حرارتی → گسترش ترک

این زنجیره در همه تجهیزات رخ نمی‌دهد، اما نشان می‌دهد چرا عیب‌های کوچک نباید بدون بررسی رها شوند.

—

۳۱. اثر هم‌زمان دما و ولتاژ

دمای بالا و میدان الکتریکی می‌توانند هم‌زمان روی رفتار عایق اثر بگذارند. به همین دلیل آزمون حرارتی و آزمون الکتریکی جداگانه همیشه معادل آزمون ترکیبی نیستند.

—

۳۲. پیرشدگی چندعاملی

پیرشدگی واقعی تجهیزات معمولاً حاصل یک عامل منفرد نیست. ممکن است رزین در طول سال‌ها تحت ترکیبی از:

– گرما؛
– رطوبت؛
– ولتاژ؛
– ارتعاش؛
– آلودگی؛
– و سیکل حرارتی

قرار بگیرد.

—

۳۳. آزمون تسریع‌شده

برای بررسی دوام می‌توان از آزمون‌های تسریع‌شده استفاده کرد. در این آزمون‌ها یک یا چند عامل تنش افزایش داده می‌شوند تا تغییرات در زمان کوتاه‌تر بررسی شود. اما نتیجه باید با احتیاط به عمر واقعی تعمیم داده شود.

—

۳۴. محدودیت آزمون تسریع‌شده

افزایش بیش از حد یک عامل ممکن است مکانیزم خرابی متفاوتی ایجاد کند. بنابراین هر افزایش دما یا ولتاژ لزوماً معادل کوتاه‌کردن خطی عمر تجهیز نیست.

—

۳۵. آزمون سیکل حرارتی

نمونه می‌تواند تحت چرخه‌های گرم و سرد قرار گیرد. پس از تعداد مشخصی سیکل، ظاهر، چسبندگی و خواص الکتریکی آن بررسی می‌شود.

—

۳۶. آزمون ارتعاش

در صورت کاربرد تجهیز در محیط لرزشی، آزمون ارتعاش می‌تواند برای بررسی دوام مفید باشد. پس از آزمون، باید عایق از نظر ترک، جداشدگی و تغییر خواص بررسی شود.

—

۳۷. آزمون مکانیکی و الکتریکی ترکیبی

برای کاربردهای حساس، می‌توان پس از اعمال تنش مکانیکی، آزمون‌های الکتریکی انجام داد. برای مثال:

ارتعاش → بازرسی → مقاومت عایقی → ولتاژ تحمل

این روش می‌تواند تغییرات عملکرد را آشکار کند.

—

۳۸. آزمون حرارتی و الکتریکی ترکیبی

همین روش را می‌توان برای دما نیز به کار برد. نمونه پس از قرارگیری در شرایط حرارتی مشخص، از نظر مقاومت عایقی، تخلیه جزئی یا ولتاژ تحمل بررسی می‌شود.

—

۳۹. آزمون قبل و بعد

مقایسه نتایج قبل و بعد از تنش بسیار مهم است. اگر فقط نتیجه نهایی بررسی شود، مقدار تغییر مشخص نخواهد بود.

—

۴۰. نمونه شاهد

استفاده از نمونه شاهد می‌تواند در تفسیر نتایج کمک کند. نمونه شاهد در شرایط مشابه نگهداری می‌شود اما تنش مورد نظر را دریافت نمی‌کند.

—

۴۱. بررسی ظاهری

پس از تنش‌های ترکیبی باید سطح رزین بررسی شود. مواردی مانند:

– ترک؛
– حباب بازشده؛
– جداشدگی؛
– تغییر رنگ؛
– تورم؛
– و آسیب مکانیکی

می‌توانند نشانه تغییر وضعیت باشند.

—

۴۲. آزمون چسبندگی

اگر هدف بررسی دوام پوشش باشد، آزمون چسبندگی می‌تواند اطلاعات مفیدی ارائه دهد. کاهش چسبندگی پس از سیکل‌های حرارتی یا مکانیکی می‌تواند یک علامت هشدار باشد.

—

۴۳. آزمون مقاومت عایقی

مقاومت عایقی را می‌توان قبل و بعد از آزمون مقایسه کرد. کاهش قابل توجه می‌تواند نیازمند بررسی بیشتر باشد.

—

۴۴. آزمون ولتاژ تحمل

این آزمون می‌تواند نشان دهد نمونه پس از تنش اعمال‌شده هنوز توانایی تحمل ولتاژ مشخص‌شده را دارد یا خیر. شرایط آزمون باید دقیقاً ثبت شود.

—

۴۵. آزمون ولتاژ شکست

آزمون شکست می‌تواند برای مقایسه نمونه‌های مختلف مفید باشد. اما مانند گذشته، نتیجه این آزمون به‌تنهایی نباید به‌عنوان ولتاژ کاری تجهیز تفسیر شود.

—

۴۶. آزمون تخلیه جزئی

برای تجهیزات ولتاژ بالا، بررسی تخلیه جزئی می‌تواند در شناسایی نقص‌های داخلی اهمیت زیادی داشته باشد. مقایسه مقدار و الگوی تخلیه قبل و بعد از تنش می‌تواند اطلاعات بیشتری از یک مشاهده ظاهری ارائه دهد.

—

۴۷. طراحی برای کاهش تنش ترکیبی

یکی از بهترین روش‌ها جلوگیری از ایجاد تنش‌های غیرضروری است. این کار می‌تواند با:

– اصلاح هندسه؛
– افزایش شعاع گوشه؛
– کاهش تمرکز فشار؛
– کنترل ضخامت؛
– حذف حباب؛
– بهبود چسبندگی؛
– و مدیریت حرارتی

انجام شود.

—

۴۸. رزین اپوکسی پادنار 8119

برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، داده‌های ارائه‌شده در این مجموعه شامل نتایج آزمون‌های الکتریکی نمونه یک میلی‌متری در شرایط خشک و مرطوب است. این نتایج می‌توانند برای شناخت رفتار نمونه در شرایط آزمون استفاده شوند، اما برای اظهار نظر درباره دوام در برابر ارتعاش، ضربه، سیکل حرارتی یا تنش ترکیبی، باید آزمون اختصاصی مربوط به همان شرایط وجود داشته باشد.

—

۴۹. نباید از یک آزمون نتیجه کلی گرفت

اگر رزین در یک آزمون ولتاژ عملکرد خوبی داشته باشد، این موضوع به‌تنهایی مقاومت آن در برابر ارتعاش یا سیکل حرارتی را اثبات نمی‌کند. به همین ترتیب، نتیجه خوب یک آزمون مکانیکی نیز به‌تنهایی تضمین‌کننده عملکرد الکتریکی نیست. ارزیابی واقعی باید متناسب با شرایط سرویس انجام شود.

—

۵۰. جمع‌بندی

رزین اپوکسی عایق برق در تجهیزات واقعی معمولاً تحت یک عامل تنش منفرد قرار ندارد. ولتاژ، دما، ارتعاش، فشار، رطوبت و آلودگی می‌توانند هم‌زمان بر ساختار عایق اثر بگذارند. اهمیت اصلی تنش‌های ترکیبی در این است که یک نقص کوچک ممکن است تحت تأثیر چند عامل به‌تدریج بزرگ‌تر شود. برای نمونه، یک ریزترک مکانیکی می‌تواند مسیر ورود رطوبت ایجاد کند؛ رطوبت ممکن است جریان نشتی را افزایش دهد؛ جریان نشتی می‌تواند گرمایش موضعی ایجاد کند و افزایش دما نیز به تنش حرارتی و گسترش آسیب کمک کند. به همین دلیل طراحی عایق اپوکسی نباید فقط بر اساس یک عدد مانند ولتاژ شکست انجام شود.

برای کاربردهای حساس، مجموعه‌ای از عوامل شامل استقامت دی‌الکتریک، مقاومت عایقی، تخلیه جزئی، چسبندگی، استحکام مکانیکی، رفتار حرارتی، رطوبت و دوام در سیکل‌های واقعی باید در کنار یکدیگر بررسی شوند. در مورد پادنار 8119 نیز داده‌های آزمون ارائه‌شده باید دقیقاً در محدوده شرایط آزمون خود تفسیر شوند و برای اثبات مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی، حرارتی یا الکتریکی ترکیبی، آزمون اختصاصی همان شرایط مورد نیاز است. در نهایت، دوام واقعی یک عایق زمانی قابل اتکاتر ارزیابی می‌شود که نه‌فقط مقاومت ماده، بلکه رفتار کل سیستم عایقی در برابر مجموعه تنش‌های واقعی سرویس مورد بررسی قرار گیرد.

برای خرید محصول کلیک کنید