X
تبلیغات
بـــــــــــــرق - مقره چیست ؟
 

هسته پژوهشي سيستمهاي قدرت، گروه مهندسي برق، دانشكده فني و مهندسي دانشگاه شهيد باهنر كرمان

در مقره ها ي كامپوزيت Brittle Fracture چكيده : اين مقاله به بررسي اجمالي نوعي پديدة شكست موسوم به

مي پردازد. با وجود اينكه آمار نسبت ا" كم ي از وقوع اين نوع شكست در دنيا گزارش شده است، اما شكست كامل مقره

در هنگام كار و خطرات ناش ي از پايين افتادن هاد ي ه اي فشار قو ي، موجب انجام تحقي قات گسترده ا ي در اين مورد

شده است.

.( BF) Brittle Fracture ، هسته، روكش، يراق آلات ، FRP كلمات كليدي : مقره كامپوزيت، ميله

-1 مقدمه

(Advanced Composite Materials) امروزه ما در اواسط انقلاب جديدي هستيم كه با پيدايش كامپوزيتهاي پيشرفته

آغاز گرديده است . اين ك لاس جديد از مواد، ب ا پيوند اجزاي كام لاً مختلف و غيرمشابه به يكديگر بوجود مي آيند .

بطوريكه عملكرد آنها با هم، باعث توانايي ها و خواصي مي شوند كه بسيار فراتر و بهتر از خواص هريك از آن مواد بطور

جداگانه مي باشد . خواص منحصربفرد اين مواد آنها را بعنوان عوامل مهمي در پيشرفتهاي تكنولوژيكي مطرح ساخته

.[ است[ 1

از ميان انواع مختلف كامپوزيتها ، كامپوزيتهاي پليمري بطور گسترده اي در صنعت برق بخصوص در ساخت نسل

جديد مقره ها موسوم به مقر ههاي پليمري ( مقره هاي كامپوزيت ) مورد استفاده قرارگرفت هاند.

اكنون مقره هاي كامپوزيت پس از گذشت بيش از سه دهه از عرضه آنه ا به صنعت برق و انجام اص لاحات در طراحي

و مواد مصرفي آنها، بعنوان محصولاتي كاملاً شناخته شده و مناسب درخطوط فشارقوي، مورد استفاده قرارم يگيرند.

برخلاف مقره هاي سراميكي رايج كه تنها از يك ماده عايقي تشكيل مي شوند و اين ماده هم مس وءول عملكرد

الكتريكي مقره و هم مسوءول عملكرد مكانيكي آن است، مقره هاي كامپوزيت حداقل از دو ماده عايقي تشكيل مي شوند

و ديگري براي تامين خواص مكانيكي آن (هسته ( (housing) يكي براي تامين خواص الكتريكي ( روكش پليمري مقره

كامپوزيت ). قرارگرفتن اين دو قسمت در كنار هم ، مزيتهاي چون وزن سبك و مق اومت دربرابر تخريب انساني

را براي اين نوع مقره ها بخصوص در كاربردهاي فشارقوي، موجب شد هاست . باتوجه به موارد بيان شده، (Vanadalism)

مي توان سه جزء اصلي براي يك مقره كامپوزيت درنظرگرفت :

نيز ناميده مي شود و (Fiber Reinforced Polymeric Rod) FRP هسته (ميله)كامپوزيت : هسته كامپوزيت، ميله

وظيفه تحمل بار كششي واردشده از طرف ه ادي به آن و انتقال آن به دكل را برعهده دار د و استقامت الكتريكي لازم ر ا

نيز تامين مي نمايد..

روكش پليمري مقره ، به من ظ ور حفاظت : (Polymeric Housing or Polymeric Sheds) روكش (چتر)پليمري

هسته از هوازدگي و اثرات مخرب رطوبت و شرايط جوي و افزايش ولتاژ لا زم براي ش كست الكتريكي وايجادجرقه ، روي

هسته را مي پوشاند.

هسته مقره كامپوزيت از دو انتها توسط يراق آلات حمايت م ي گردد كه اين يراق آ لات : (End-fittings) يراق آ لات

مسئول برقراري ارتباط مكانيكي و انتقال بار از هادي داراي ولتاژ بالا به هسته مقره و از آنجا به برج م يباشد.

با طراحي دقيق مقره هاي كامپوزيت اين مقره ها، مزاياي بسيار زيادي بخصوص از لحاظ خواص عايقي نسبت به

مقره هاي معمولي خواهندداشت. از مهمترين اين مزايا مي توان به موارد ذيل اشار هكرد:

وزن كمتر

انعطاف پذيري

عملكرد و طول عمر بهتر حتي در شرايط آلودگي سنگين و آب وهواي بد

ضايعات كمتر در مراحل توليد نسبت به انواع چيني

استقامت بهتر در برابر فشارهاي خمشي ، بارهاي زياد ناگهاني (بارهاي ضربه اي ) و نيز تخريب

(Vanadalism) انساني

خاصيت عايقي بهتر نسبت به انواع مرسوم

پايين تربودن حجم سرماي هگذاري اوليه به منظور ساخت مقره كامپوزيت نسبت به انواع چيني.

درسالهاي اخير با انجام تحقيقات گسترده در زمينه ساخت مقره هاي كامپوزيت و درنتيجه پيشرفتهاي متعددي كه

765 درحال استفاده م يباشند[ 2].اين امر با مرتفع ساختن معايب و KV حاصل گرديده است، اين مقره ها تا ولتاژهاي

تقويت مزاياي اين مقره ها، به مرحل هاي رسيده كه تعداد بيشتري از كاربران به استفاده از آنها روي آورد هاند و قيمت آنها

رو به كاهش است.

در مقره هاي كامپوزيت و تحقيقات انجام شده پيرامون علل وقوع Brittle Fracture در اين مقاله به بررسي پديده

آن پرداخته مي شود.

دردنيا Brittle Fracture -2 پديده

دچارشكست شده اند. اولين خرابي هاي ناشي BF درسي سال گذشته ، تعدادي ازمقره هاي كامپوزيت به وسيله

ازاين پديده درخطوط انتقال آفريقاي جنوبي وايتالياگزارش شده است كه درآنها اولين نسل ازمقره هاي كامپوزيت ،

نصب شده بودند . خرابي هاپس ازمدت كوتاهي ازآغازسروي س دهي مقره ، حادث شدند . دراين موارد، سطوح بارمكانيكي

وارد برمقره بسياركمترازاستقامت مكانيكي آن بودند.

.(( حدود 100 ت ا 200 مورد ) درمقره هاي درحال كار در سراسردنيا روي داده است (شكل ( 1 ) BF تعدادبسياركمي

منجربه ازدست رفتن ثبا ت مكانيكي مقره و سقوط هادي به زمين مي گردد . BF ازلحاظ ظاهري يك شكست از نوع

بالاترين ميزان خرابي درايالات متحده به ثبت رسيده است . اين امر بدليل كاربردگسترده مقره هاي كامپوزيت

درطرحهاي گوناگون وباتكنولوژي هاي مختلف در اين كشور مي باشد.

باافزايش سطح ولتاژ ، افزايش مي يابد . اين BF بايك مقايسه مستقيم چنين به نظرمي رسد كه تمايل به ايجا د

امرمي تواند به دليل فشارهاي محلي بيشتري كه توسط توزيع ميدان الكتريكي صورت م يگيرد، باشد.

100 تقريب اً 3 ميليون KV درپايان سال 1997 تعدادكل مقره هاي كامپوزيت نصب شده درسطح ولتاژي بالاتراز

كه تقريب اً % 0,005 مي باشد، مطابقت دارد . باوجوداين بايد درنظرگرفت كه BF واحد بود. اين آماربانرخ خرابي دراثر

تعدادنسبتاً زيادي مقره كامپوزيت درحال كار كه تنه ا مدت كوتاهي ازآغازسرويس دهي آنهامي گذرد (بخصوص درآسي ا)

وجوددارند. لذ ا اين نرخ خرابي بايد با تحقيقات بيشتري ت اييدگردد. به علاوه در برخي تحقيقات انجام شده ، تلاشهايي

هاي مربوط به طراحي ياتكنولوژي BF هاي مربوط به شيوه هاي استفاده ازمقره توسط كاربران و BF براي تمايز بين

ها مي توانندمر بوط BF ، ساخت مقره كامپوزيت ، صورت گرفته است . اين تحقيقات نشان مي دهندكه در دو سوم موارد

به سازندگان و م شكلات نصب يانگهداري باشند . البته اين نسبت برپايه اي تقريبا ذهني استواراست . براي مثال

345 به درزهاي معيوب ميان kv بوقوع پيوسته دريك گروه مقره BF درتحقيق ذكرشده ، دريك مورد ، همه سيزده

روكش پليمري ويراق آلات نسبت داده شده است [ 3]. اين به معنا ي وجود يك اشكال سيستماتيك درطراحي آن نوع

مقره هامي باشد. ازاين گذشته خرابي تنهاپس ازگذشت يك سال ازكارمقره ها، صورت گرفته اند.

BF -3 معرفي اجمالي پديده

Brittle Fracture منتشرگرديد اصطلاح ،BF ازسال 1986 كه نتايج اولين تحقيقات سيستماتيك درموردپديده

كه يك بارمكانيكي كششي به آن واردمي شود، FRP براي توصيف ظاهري خرابي هاي ناشي ازخوردگي الكتروليتي ميله

مي ناميدند. (Stress Corrosion) بكاربرده شد كه به عقيده برخي بهتر بود چنين فرآيندي را فرسايش تنشي

هاي روي خطوط , در نقاط مختلف دنيا BF شكل ( 1) : تعداد

دريك تست آزمايشگاهي شك سته است، درشكل ( 2) نشان داده BF كه بوسيله FRP يك نمونه معمول ازيك ميله

مي شكند ؛ باركششي به فيبرهاي باقي مانده BF شده است . درطرف مقابل ناحيه شكستگي، سطح صاف توسط فرآيند

منتقل مي گردد كه به محض افزايش بار ازميزان استقامت معين فيبرها، فوراً مي شكنند.

تستهاي زيادي روي مقره هادرآزمايشگاهها و يا درشرايط بيروني ، تحت شرايط محيطي سخت انجام گرديده اند . اين

اطلاعاتي رافراهم مي كنند، بلكه درپيشرفتهاي بيشتر درامر تكنولوژي مقره كامپوزيت BF تحقيقات نه تنهادرباره پديد

نيزمنعكس مي شوند.

دريكي ازتحقيقات ، دردوآزمايشگاه، مقره هاي داراي نقص د اخلي ومقره هاي بدون نقص درمعرض بارهاي استاتيكي

زياد و يا بارهاي كششي متنا وب كه درسطوح مختلف ازبارهاي استا تيكي اعمال مي شوند، قرارگرفتند . اين بارها گاهي

اوقات باولتاژهايي تقريبا 3 برابر ولتاژ كار معمول مقره ها همراه مي شدند . مقره هاي داراي نقص، نقصهاي داخلي

زيررادارا بودند :

بوسيله رزين به ميزان كافي ؛ FRP اشباع نبودن فيبرهاي ميله

درنزديكي يراق آلات. FRP فقدان پيوند شيميايي مناسب ميان روكش پليمري وميله

بوجود (Organic Acids) اين دونقص به منظورشبيه سازي يك مكانيزم خرابي قابل قبول كه اسيدهاي آليِ

آمده توسط تخليه هاي جزئي رانيزدخالت م يدهند، انتخاب گرديدند. نتيجه اين آزمايشات درموارد زيرخلاصه مي شوند:

شكستگيها(شكافها) درمقاديربارموردانتظار، بدست آمدندوبسياري ازآنهادريراق آلات بودند.

هاي BF ظاهرشكستگي ها با شكستگي هاي مكانيكي معمول، مطابقت داشت و وضعي مثل

معمول را دارا نبود.

بارهاي مكانيكي زياد بعنوان يك اثرشتاب دهنده وفشارهاي ولتاژ بسيار بالا(درشرايط عدم

درهيچيك ازمقره هاي كامپوزيت موردبررسي نگرديد. BF وجوديك الكتروليت ) منجربه ايجاد

هيچ نشانه اي ازايجادتخليه هاي الكتريكي درهيچيك ازقسمتهاي داراي نقص، مشاهده نشد.

پس ازآن دريك ايستگاه آزمايش بيروني كه درمنطقه اي با سطح آلودگي بسيارسنگين واقع بود هردوگروه ازمقره

هاي كامپوزيت ( بانقص داخلي وسالم ) موردتست قرارگرفتند . به منظورجلوگيري ازتخليه هاي الكتريكي ناشي

15 mm/kv ازآلودگي بين دوسرمقره وشكست سطحي آن، ولتاژ اعمالي درطول آزمايش با فاصله نشتي معيني معادل

80 به مقره ها اعمال شدند . دومورد ازمقره هاي تحت KN 40 تا KN متناظربود. بارهاي است اتيكي ب ا مقاديري بين

BF شكل ( 2) : نمونهاي از يك خرابي ناشي از

آزمايش، قب لاً براي حدود يك سال درحالت بدون بارمكانيكي ، تحت ولتاژي معادل سه برابر ولتاژكارعادي خود ،

قرارگرفته بودندكه اين امر ، منجربه ايجادتخليه هاي الكتريكي درنقصهاي داخلي مقره ها گرديد. خرابي ه ا در جاهايي

به مقداركافي بود . FRP غيرازمحل نقصهاي داخلي به وقوع پيوست ، درمكانهايي كه پيوند ميان روكش پليمري و ميله

گرديد (Puncture) بدليل فاصله نشتي كم درمقايسه باسطح آلودگي بالا ، روكش پليمري متحمل خرابي وسوراخ شدگي

را تنها بطورجزئي تحت تاثيرقرارمي دهد و نبايدبعنوان عامل خرابي مكانيكي درنظرگرفته شود . FRP ؛ ام ا اين امر ميله

يكسان نبودند . نتايج اين آزم ايشات BF زيرانواحي آسيب ديد ه به دليل اخير، بامكانهاي شكستگي پس ازآزمايش

بصورت زيرخلاصه مي شوند :

شكستگي هاتحت بارهاي كششي بالا، ميدانهاي الكتريكي زيادوشرايط محيطي خشن ، حاصل

شده اند.

هاي معمول BF ظاهرشكستگي ه ا با شكستگي هاي مكانيكي معمول ، مطابقت داشته و وضعي مثل

رادارانبود.

بارهاي مكانيكي زيادبعنوان يك اثرشتاب دهنده وفشا رهاي ولتاژبسياربالا ( درشرايط عدم وجوديك

درهيچيك ازمقره هاي كامپوزيت موردبررسي نگرديد. BF الكتروليت ) منجربه ايجاد

بعيدبه نظرمي رسد ( والبته ثابت نشده است ) كه كاهش فشارمكانيكي براي به تاخيرانداختن زمان

گردد. BF تست و شايدايجادفرصت براي بوجودآمدن اسيد، منجربه يك

FRP -1-3 تاثيرميله

موثرند : FRP فاكتورهاي زيردريك ميله

(hardener) ماتريس رزيني وماده سفت كننده

دماي پخت وپس ازپخت

پركننده ماتريس

رده فيبرشيشه اي

اندازه فيبرها

بكارمي FRP سفت كنند ه ها داراي فرمولاسيون اپوكسي مختلفي هستند كه براي اشباع فيبرهاي شيشه اي مي له

روند و به وسيله رطوبت ، اسيد مي تواند درآنها نفوذكند. هيدروليز ماده سفت كننده م ي تواند درطول ساخت ميله يا بعداً

درزمان كارمقره روي دهد البته در صورتيكه سفت كننده سالم و هيدروليزنشده درميله وجودداشته باشد . اين فرآيند

صرفاً نياز به يك منبع خارجي اسيدنيست. BF براين امردلالت دارد كه براي ايجاد

-2-3 تاثيراسيد:

Electrolytic Stress ) بوسيله خوردگي الكتروليتي FRP حضوريك الكتروليت، پيش زمينه اي براي خرابي ميله

FRP مي باشد. تحقيقات اوليه دراين زمينه ، تعدادي ازاسيدها رابراي اندازه گيري تاثيرآنهاروي ميله هاي (Corrosion

هنگامي كه E اين نتيجه حاصل شد كه فيبرهاي ازنوع شيشه ،FRP بكاربرده است . بسته به تركيب و ساختمان ميله

درمعرض اسيداكساليك ، اسيدسولفوريك ، اسيدنيتريك واسيدهيدروكلريك قرارم ي گيرند ، مي توانند بشكنند . زمان

و رزين پل ي استر ، كوتاهترين E شكست به تمركزاسيد و سطح بار كششي وارد بر مقر ه بستگي دارد . تركيب شيشه

زمان شكست را نشان داده است. اين امر ، اين سوال را ايجاد مي كند كه از كدام اسيد بايد براي تحقيقات استفاده شود .

كمتر از 3,5 مي تواند PH با تحليل مقر ههاي دچار شكست شده در هنگام كار، براحتي در م ييابيم اسيد نيتريك با سطح

گردد. BF منجر به ايجاد

منجر به يك خوردگي الكتروليتي شده و در ،FRP مي توان گفت حمله يك اسيد به سيستم پيچيده يك ميله

ختم مي شود. BF نهايت به

تحقيقات اخيرروي يك منبع اسيدداخلي تمركزكرده اند . براي موادسفت كننده معيني ازنوع انيدريدها ( تركيبات

اكسيژن دار فاقد نيتروژن ) كه قسمتي ازفرمولاسيون اپوكسي بكاررفته دراشباع فايبرگلاس هستند ،

200 دارند . درنتيج ه ºC اگرهيدروليزآنهاروي دهد ، منجربه توليدكريستالهاي اسيدي مي گردد كه دماي ذوبي بيش از

باقي مي مانند. امادرآب قابل حل اند و (Pultrusion Process) آنها بصورت كريستالهاي نمكي درطول فرآيندپولتروژن

وقتي واردآب مي شوندبه اسيدهاي ارگانيك (آلي) تبديل مي گردند . بادرنظرگرفتن تلاش سيستم براي رسيدن به

قرارگيرند . FRP سطح انرژي پايين تر و پايدارتر، كريستاله ا، مي توانندتوده أي تشكيل دهندوترجي حاً درپيرامون ميله

درنتيجه اگرماتريس رزيني يك ميله ساخته شده هنوزمقداري سفت كننده واكنش نداده رادرخودداشته باشد ،

درميله هايي كه تحت BF هيدروليزمي تواندبعداً درطول عمرمقره روي دهدو اسيدهاي آلي مايع ، بوجودآورد ومنجر به

ناميده مي شود نياز به آب مايع درسطح « FRP اسيدازخودميله » فشارمكانيكي هستند شود. اين نظريه كه نظريه

دارد. اين آب م ي تواند ازطريق درزهاي معيوب يا روكشهاي خراب شده مقره، به داخل نفوذكند. البته راه ديگري FRP

نيز براي تامين آب ازنظرتئوري ارائه شده است كه بعيد به نظرمي رسد در عمل روي داده باشد ؛ به اين صورت كه

پخش بخارازطر يق روكش پليمري به داخل ، منجربه توليدمقداركافي آب درسطح ميله شده و اسيد توليد مي شود .

باوجوداين، ورود مستقيم آب به داخل مقره ازطريق درزهاي معيوب ، دليل شكست 80 % ازمقره هاي دچارشكست شده

درايالات متحده معرفي شده است . لازم به ذكراست كه هيدروليز ( تجزيه بوسي له آب ) درسيستم ماتريس اپوكسي

عبارت است ازتجزيه ماتريس اپوكسي يا پلي استرتحت تاثيرآب . گمان مي رود (والبته كام لاً يقين حاصل نشده ) كه

تخليه هاي جزئي درمكانيزم فرآيند نقش دارند . تخليه هاي جزئي مي توانند درسطح ي ا درعيبهاي موجوددرحجم ماده

بوجود آيند ( عيبهايي مثل فيبرهاي خوب اشباع نشده ، حفره هاي ميكروسكوپي، شكافهاي مويي و 000 ). نكته FRP

ديگراينكه علاوه برمكانيزمهاي فوق درتوليداسيد ، اسيدنيتريك مي تواند با تخليه هاي الكتريكي وكرونا درهواي مرطوب

شود. BF دسترسي يافته ومنجر به FRP پديدآيدو ممكن است بتواندبه سطح ميله

در هنگام كار مقره BF تا كنون مطالعات زياد ي انجام شده است تا نشان دهند كه منبع اسيد ي كه ميتواند باعث

گردد به تخليه ها ي الكتريك ي مربوط م ي شود . اما نتايج برخ ي تحق يقات نشان ميدهند كه اگر چه اين امر امكان دارد

.[ اما اين مكانيزم با بسياري از مشاهدات صورت گرفته از مقره هاي خراب شده سازگار نيست [ 5،4

-4 نتيجه گيري

پرداخته شد. به نظر Brittle Fracture در اين مقاله به بررسي نوعي پديده شكست در مقره هاي كامپوزيت به نام

باشد. اين امر منجر به يك خوردگي الكتروليتي شده و در نهايت FRP ميرسد علت وقوع اين پديده، حمله اسيد به ميله

نيز مورد بررسي قرار گرفته است. FRP ختم مي شود. علل ايجاد و نفوذ اسيد به ميله BF به

-5 مراجع:

[1] Shwartz، Mel M.; “Composite Materials، Vol.1، Properties، Non-Destructive Testing

، and Repair "، Prentice Hall PTR، NewJersey، USA، 1996.

مقره كامپوزيتي » ؛ 2]گراميان، مير جواد ؛ عظيمي، فرشاد؛ استيفا، فراز؛ رحيم پور شايان، اميرعلي؛ محسني، مريم ]

(PSC مجموعه مقالات سيزدهمين كنفرانس بين المللي برق، تهران، ( 98 ،« نسل جديد مقره ها

[3] Schmuck، F.; de Tourreil، C.; “Brittle Fracture of Composite Insulators، an

Investigation of Their Occurrence and Failure Mechanisms and a Risk Assessment "،

CIGRE WG 22-03 Report.

[4] de Tourreil، C.; Pargamin، L.; Thevenet، G.; Part، S.; " "Brittle Fracture" Of

Composite Insulators: Why and How They Occur "، IEEE 2000، pp.2569-2574

[5] Kumosa، M. Kumosa، L.، Armentrout، D.; " Can Water Cause Brittle Fracture

Failures of Composite Non-ceramic Insulators in the Absence of Electric Fields?”، IEEE

Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation، Vol.11، No.3، June 2004

+ نوشته شده توسط طاهریان فرد در سه شنبه دهم شهریور 1388 و ساعت 18:11 |


Powered By
BLOGFA.COM