بررسي امكانپذيري استفاده از بوشينگهاي پليمری به جای سراميكی در ترانسفورماتور

بررسي امكانپذيري استفاده از بوشينگهاي پليمری به جای سراميكی در ترانسفورماتور

براي مدت طولاني استفاده از مواد سراميكي به عنوان عايق در صنعت‌برق رايج بود ولي اشكالاتي كه بر اثر كاربرد اين مواد بوجود مي‌آمد محققان را بر آن داشت تا به فكر استفاده از موادي جايگزين برآيند. استفاده از عايق‌هاي پليمري يكي از انتخا‌ب‌هايي بودكه در اين راستا مطرح شد و با توسعه تكنولوژي پليمر و توليد پليمرهاي مهندسي با خواص مطلوب، توجه محققان بيشتر به اين سمت معطوف شد. استفاده از پليمر به عنوان عايق در صنعت‌برق نه تنها خواص الكتريكي مورد نياز را تامين مي‌كند بلكه نقاط ضعف سراميك را نيز برطرف مي‌كند.
در اين مقاله ضمن اشاره به معايب عايق‌هاي سراميكي كه در نتيجه سال‌ها استفاده از آنها درصنعت‌برق بدان پي‌برده شده است و طرح دلايل تمايل به جايگزيني آنها با عايق‌هاي پليمري در سال‌هاي اخير،‌نتايج امكان‌سنجي فني و اقتصادي صورت گرفته در خصوص جايگزيني بوشينگ‌هاي سراميكي ترانسفورماتورها با انواع پليمري آنها و تعيين و اولويت‌بندي جايگزين‌هاي مناسب براي اين كار با در نظر گرفتن شرايط كاربري و مسائل اقتصادي ارايه شده است.

يك فرآورده سراميكي، از گل كه مخلوطي از آب و خاك است ساخته شده، در هوا خشك و درحرارت سخت شده است.كلمه سراميك از كلمه يوناني Keramos كه خود ريشه سانسكريت دارد و به معني خاك رس پخته شده است، گرفته شده است. بنابراين چنانچه اين مفهوم از كلمه سراميك، مدنظر باشد مي‌‌توان معادل فارسي «رسينه» را براي آن پيشنهاد كرد.
عايق‌هاي چيني متداول‌ترين نوع عايق‌هاي الكتريكي هستند، چرا كه داراي مقاومت الكتريكي ونيز استحكام زيادي بوده و قيمت اوليه مناسبي دارند. به طور كلي اين مواد در فركانس‌هاي كم و در كليه ولتاژها (اعم از ولتاژ‌هاي پايين يا بالا) كاربرد دارند. براي مدتهاي طولاني، سراميك تنها ماده مورد استفاده براي كاربردهاي عايقي بوده است با اين حال اين ماده در عمل نارسايي‌هايي از جمله موارد زير را از خود نشان مي‌دهد:
– بسيار شكننده است
– اتصال قطعات فلزي به آن شكل است
– دقت ابعادي آن كم است كه اين امر باعث ايجاد مشكلات حادي در طراحي و شكل‌دهي قطعات سراميكي است.
بعد از سال 1945 و با ظهور مواد پليمري در بازارهاي تجاري،تمايل به استفاده از مواد پليمري براي ساخت عايق‌هاي الكتريكي افزايش يافت. علت اين امر توليد رزين اپوكسي با نام آرالديت بود كه باعث شد تا قطعات عايقي ارزان و كوچك با دقت ابعادي بالا وسهولت در فرآيند ساخت توليد شوند. به موازات ساخت پليمرهاي جديد، استفاده از انواع مختلف پليمر براي ساخت قطعات عايقي افزايش يافت به طوري كه در حال حاضر شركت‌هاي مختلفي در دنيا اقدام به ساخت بوشينگ و مقره‌هاي پليمري از انواع مختلف مي‌كنند.
البته در اينجا لازم به ذكر است كه عايق‌هاي سراميكي هنوز هم در مقايسه با عايق‌هاي پليمري مزيت‌هايي به شرح زير دارند:
1- از نظر قيمت ارزان‌تر از عايق‌هاي پليمري هستند.
2- روش توليد انبوه آن آسان است.
3- مواد اوليه مورد نياز جهت توليد عايق‌هاي سراميكي در داخل كشور به وفور يافت مي‌شود.
4- تجهيزات و ماشين‌آلات كارگاهي آن بسيار ارزان است.

شرح مقاله
گرچه عايق‌هاي سراميكي خواص الكتريكي مطلوبي دارند ولي نقاط ضعف آنها باعث شد تا عايق‌هاي ديگري جايگزين اين نوع عايق‌ها شوند. در ادامه به ذكر اين نقاط ضعف و مزاياي استفاده از عايق‌هاي پليمري ومقايسه بين اين دو نوع عايق پرداخته مي‌شود. همچنين نتايج حاصل از بررسي صورت گرفته جهت انتخاب بهترين نوع عايق پليمري از جنبه‌هاي فني و اقتصادي، جهت جايگزيني با بوشينگ‌هاي سراميكي ترانسفورماتورها ارايه خواهد شد.

معايب عايق‌هاي سراميكي
معايب مكانيكي
معايب مكانيكي عايق‌هاي سراميكي عبارتند از:
– پارگي عايق يا ستون عايق به علت نيروي قابل ملاحظه بيش از مقدار مجاز و قابل قبول. هنگامي كه نيروي وارد بر زنجير عايق از طرف هادي بطور قابل ملاحظه‌اي افزايش يابد، موجبات شكستگي زنجير عايق و انهدام آن را فراهم مي‌سازد.
– با توجه به اين كه عمدتاً عايق‌بندي در ايستگاه‌هاي توزيع و انتقال نيرو با عايق‌هاي سراميكي است و با توجه به تعداد زياد اين عايق‌ها در هر ايستگاه ونيز وزن زياد آنها، وزن ستون عايق‌ها افزايش مي‌يابد كه اين امر باعث افزايش حجم و وزن اسكلت فلزي و فونداسيون مربوطه مي‌شود.
– ضربه‌پذيري كم‌عايق. اين موضوع موجب مي‌شود كه در اثر كوچكترين ضربه- به جهت شكل خاص هندسي آن – توزيع تنش در همه نقاط عايق يكسان نباشد و با توجه به استحكام ناچيز سراميك در مقابل نيروهاي ديناميكي، موجب شكستن و يا ترك برداشتن عايق شود.
– با توجه به وزن بالاي ستون عايق‌هاي سراميكي، نصب آن بسيار مشكل است و نياز به جرثقيل دارد و به همين دليل زمان و هزينه مونتاژ و نصب آن بالا مي‌رود.
– با توجه به استحكام ناچيز عايق‌هاي سراميكي در موقع حمل و نقل، احتياط‌هاي لازم جهت نصب بايد بسيار وسيع و دقيق صورت گيرد تا ضربه‌اي به اين عايق‌ها وارد نشود. زيرا اين عايق‌ها ممكن است در اثر ضربه ترك بردارند و همان ترك رشد كرده، موجب ترك خوردگي كامل عايق شود.
– عايق‌هاي سراميكي داراي انعطاف‌پذيري‌ كمي هستند ولذا در مقابل نيروهاي افقي از جمله نيروي باد كه بر محور آن وارد مي‌شود داراي مقاومت كمي هستند و چون حالت انعطاف‌پذيري ندارند، در صورتي كه نيروي زيادي بر آنها وارد شود مي‌شكنند. با توجه به اين مطلب در مناطقي كه داراي طوفان‌هاي فصلي شديد هستند و يا زلزله‌خيز هستند امكان شكستن عايق‌ها وجود دارد.
– استحكام فشاري و چسبندگي عايق‌هاي سراميكي ناچيز است. به همين دليل گاهي گلويي مقره و يا آرماتور داخلي از بشقاب جدا مي‌شود كه اين امر نشان مي‌دهد استحكام فشاري و چسبندگي و فشردگي مواد و توزيع يكنواخت مواد در ساخت سراميك‌هاي با شكل هندسي ويژه امكان‌پذير نيست. البته گاهي اوقات با اصلاح قالب و قرارگيري درست آرماتور و فشردگي كامل مواد، اين مشكل تقريباً قابل حل است.

معايب حرارتي
در عايق‌هاي سراميكي، معايب حرارتي ذيل مشاهده مي‌شود:
– در ساختار لعابي كه روي عايق‌هاي سراميكي اعمال مي‌شود از چسب پلي‌وينيل استات و ديگر جسب‌هاي آلي استفاده مي‌شود. هنگامي كه اين لعاب در كوره قرار مي‌گيرد مواد فرار اين چسب‌ها با درجات فراريت مختلف در دماهاي مختلف و با سرعت‌هاي مختلف خارج مي‌شوند. به همين دليل در حين خروج اين مواد فرار، ترك‌هاي ريز كه با چشم براحتي قابل رويت نيستند در سطح عايق ايجاد مي‌شود كه اين امر بر روي خواص دي‌الكتريك عايق و تخليه جزيي و گاهاً جريان‌هاي سطحي و آلودگي سطحي تاثير بسزايي دارد. اين مشكل به هيچ شكلي قابل حل نيست.
– با توجه به اين كه دماي Tg اكثر چسب‌هاي آلي لعاب‌ها پايين است، لذا در دماهاي كمتر از صفر و يا مناطق سردسير ممكن است متناسب با نوع لعاب، ترك‌هاي ريز كه به مرور رشد مي‌كنند ايجاد شود كه اين ترك‌ها نيز مشكلاتي همچون بند بالا را بوجود مي‌آورند.
– تغييرات درجه حرارت محيط در طول سال و يا تغييرات درجه حرارت بين شب و روز در مناطق كويري و انقباض و انبساط عايق (با توجه به اين كه ضريب انبساط لعاب و بيسكويت زيرين لعاب يكسان نيست) موجب مي‌شود كه ابتدا ترك‌هاي متعدد در بدنه عايق مشاهده شود و گسترش تدريجي ترك‌ها بصورت طولي و عمقي موجب بروز تخليه جزيي مي‌شود. بروز تخليه جزيي در محل ترك‌ها و در سطح خارجي عايق، ترك‌ها را وسعت بخشيده، موجبات شكستگي عايق و برجستگي‌ها را فراهم ساخته و به قوس كامل منجر مي‌شود.

معايب الكتريكي
ايرادات الكتريكي كه در واقع به نوعي به استحكام و خواص مواد بكار رفته در لعاب و خاك چيني مربوط است عبارتند از:
– ايجاد ترك تحت تاثير جريان‌هاي ناشي از تخليه جوي و شدت ميدان قابل ملاحظه‌اي كه در قبال ولتاژهاي موجي تخليه جوي و بروز قوس از نوع قوس‌هاي برگشتي مشاهده مي‌شود. اين عارضه بطور عمده در ستون بوشينگ و يا زنجير مقره خطوط انتقال روي مي‌دهد كه البته اين ترك‌ها، به نوعي در آلودگي و جريان‌هاي سطحي تاثير بسزايي دارد.
– بروز تخليه جزيي در محل ترك‌هاي ظاهر شده در سطح خارجي عايق و گسترش تدريجي آنها. ادامه بروز تخليه جزيي موجب شكستگي تدريجي عايق وجدا شدن برجستگي‌هاي خارجي مي‌شود در اين صورت زنجير مقره تنها شامل گلويي خواهد بود. هرگونه ترك، مسير مناسب قوس جزيي را در سطح و يا در عمق مقره بين آرماتور داخلي و سطح خارجي يا هادي تحت ولتاژ بوجود مي‌آورد.

معايب خوردگي
يكي از ايرادات و مشكلات بزرگي كه در صنايع وجود دارد مشكل خوردگي است و اين ايراد به عنوان يكي از ايرادات مهم و اساسي درعايق‌هاي سراميكي نيز وجود دارد. خوردگي در سطح خارجي عايق سراميكي صنعتي به دو علت زير روي مي‌دهد:
• صدمه مكانيكي ناشي از ضربات مكانيكي و يا حرارت حاصل از تخليه جزيي در پي برقراري جريان سطحي. لازم به توضيح است كه بروز تخليه جزيي در سطح خارجي عايق و ايجاد خوردگي مكانيكي و ترك ناشي از حرارت طي مراحل زير صورت مي‌گيرد.:
– ايجاد حرارت موضعي در سطح خارجي عايق وبروز قوس‌هاي جزيي بطور چند ميلي‌متر. بروز اينگونه قوس‌ها موجب مي‌شود تا ترك و شيارهايي به عمق 1 تا 3 ميلي‌متر در سطح عايق ايجاد شود.
– با گذشت زمان و ادامه برقراري تخليه جزيي، جريان به تدريج به داخل عايق نفوذ مي‌كند.
– با قطع جريان و تخليه جزيي، لايه سطحي مجدداً رطوبت جذب كرده و با بروز قوس مجدد در شرايط مناسب اين پديده تكرار مي‌شود. بروز اين پديده به شرح فوق موجب انبساط و انقباض متوالي عايق گشته و ترك‌هاي مويي در سطح عايق ايجاد مي‌‌كند.
– با برقراري جريان سطحي و بروز قوس‌هاي موضعي ترك‌هاي ايجاد شده به تدريج به مناطق سرد گسترش مي‌يابند.
• خوردگي شيميايي. آلودگي صنعتي برحسب نوع خود مي‌تواند موجبات خوردگي در سطح عايق را فراهم سازد. به همين علت انتخاب نوع مناسب عايق همراه با حداقل لايه سطحي و شست‌وشوي مرتب از اهميت ويژه برخوردار است. هنگامي كه در آلودگي‌هايي كه در سطح عايق مي‌نشيند يون‌هايي مانند سديم، پتاسيم، ليتيم موجود باشند خوردگي شيميايي همزمان با برقراري جريان سطحي با سرعت قابل ملاحظه‌اي روي خواهد داد و هنگامي كه اين نوع خورندگي با تخليه جزيي همراه شود خورندگي به سرعت گسترش مي يابد.

معايب عايق‌هاي سراميكي از نظر آلودگي وشرايط محيطي
يكي از مهمترين ايراداتي كه بر عايق‌هاي سراميكي وارد است تاثير آلودگي‌هاي محيطي بر عملكرد اين نوع عايق‌ها است. زيرا در اثر آلودگي‌ها، فاكتورهاي اصلي عايق الكتريكي خدشه‌دار مي‌شود و تاثير بسزايي در خواص و ويژگي‌هاي عايقي اين مواد ايجاد مي‌كند. آلودگي‌هاي محيطي بر دو نوع است:
• آلودگي‌هاي طبيعي. آلودگي‌هاي محيط به صورت ذرات گرد و غبار، دوده و گازهاي شيميايي و تركيبات آنها بر سطح خارجي عايق رسوب مي‌كند و در طول زمان، لايه سطحي متشكل از ذرات با تركيبات مختلف را پديد مي‌آورد كه با گذشت زمان، اين لايه سطحي متشكل از ذرات در مجاورت رطوبت از هدايت ناچيزي برخوردار گشته و جريان تخليه را از طريق لايه و در سطح خارجي عايق بالغ بر چند ميلي‌آمپر برقرار مي‌سازد كه در صورت افزايش ضخامت لايه، جريان برقرار شده فزوني يافته و با تجاوز از مقدار مشخص، شرايط بروز قوس در سطح خارجي عايق را فراهم مي‌سازد. بدين ترتيب آلودگي‌هاي محيط و لايه سطحي ناشي از آن، ولتاژ دي‌الكتريك عايق را كاهش داده، بروز قوس در سطح خارجي را به ازاي ولتاژ اسمي سبب مي‌شود.
• آلودگي‌هاي صنعتي. اين نوع آلودگي در مناطق و نواحي صنعتي نظير كارخانجات شيميايي، رنگسازي، سيمان، ذوب فلزات و غيره مشاهده مي‌شود. در اين مراكز مواد شيميايي حاصل از كارخانجات صنعتي در فضا موجود بوده، در سطح عايق‌ها ظاهر مي‌شود. مقررات و پيش‌بيني‌هاي به عمل آمده به منظور كيفيت ايزولاسيون عايق‌ها و انتخاب مناسب آنها، متناسب با آلودگي‌هاي محيط، براي آلودگي‌هاي صنعتي و محيطي يكسان هستند. با اينهمه در مواردي كه ميزان آلودگي اعم از صنعتي ياطبيعي قابل ملاحظه باشد انجام بررسي‌ها و مطالعات دقيق به منظور انتخاب و تعيين نوع عايق مناسب صورت مي‌پذيرد.

مقاومت عايق‌‌هاي سراميكي در مقابل عوامل جوي و اشعه ماوراء بنفش
يكي از معايبي كه در مورد عايق‌هاي سراميكي وجود دارد آن است كه در مقابل نور، رطوبت، گازها و برخي مواد شيميايي ضعيف هستند. مثلاً‌در مقابل گازهاي فلوئور و كلر در مجاورت رطوبت كه توليد اسيدفلوريدريك و يا اسيد كلريدريك مي‌كند به شدت ضعيف هستند و خورده مي‌شوند. در مقابل اثرات مستقيم نور خورشيد و تشعشع ماوراء بنفش همراه با رطوبت و شرايط اكسيد‌كنندگي محيطي رنگ پريدگي،‌تخلخل، ترك خوردگي سطحي، سست‌شدن و شكنندگي ايجاد مي‌شود.
با توجه به موارد ذكر شده مي‌توان گفت كه اين عايق‌ها از دو نظر با اشكال اساسي روبرو هستند:
1- خواص فيزيكي و مكانيكي اين عايق‌ها ضعيف است.
2- خواص آلودگي اين عايق‌ها نامطلوب است

عايق‌هاي پليمري
بطور كلي دلايل اصلي كه موجب مي‌شود به جاي عايق‌هاي سراميكي از عايق‌هاي پليمري استفاده شود به شرح ذيل است:
1- خواص و ويژگي‌هاي مكانيكي عايق‌هاي سراميكي ضعيف است.
2- ميزان جذب رطوبت عايق‌هاي پليمري از عايق‌هاي سراميكي كمتر است.
3- ميزان جذب آلودگي و ايجاد جريان سطحي در عايق‌هاي سراميكي زيادتر است.
4- در ولتاژهاي بالا عايق‌هاي سراميكي مقاومت قوسي پاييني دارند.
5- ضريب دي‌الكتريك عايق‌هاي سراميكي كم است.
6- با توجه به اين كه عايق‌هاي چيني و يا شيشه‌اي به عنوان ايزولاسيون خارجي فاصله سطحي مناسبي ندارند به همين منظور جهت تامين فاصله سطحي كافي و كاهش ارتفاع عايق، از عايق‌هاي پليمري با اندازه ايده‌آل برجستگي‌ها استفاده مي‌شود.

مقايسه عايق‌هاي سراميكي وپليمري
• مقايسه از لحاظ فني: بطور خلاصه مي‌توان مزاياي عايق‌هاي پليمري را به صورت ذيل خلاصه كرد:
– مقاومت بالا در برابر انفجار بر اثر فشارهاي داخلي و يا عوامل خارجي همانند تخريب انساني.
– طول عمر بالاي 25 سال بدون افت رفتار عايقي
– عملكرد عالي در مناطق آلوده و عدم نياز به شست‌وشو
– مقاومت بالا نسبت به عوامل محيطي از قبيل اشعه UV، رطوبت و …
– وزن كمتر (بين 10 تا 50 درصد وزن عايق‌هاي سراميكي) كه اين مساله باعث كاهش هزينه و ضايعات حمل و نقل مي‌شود.
– انعطاف‌پذيري كه سبب حذف ضايعات ناشي از شكستن عايق در مراحل توليد، حمل و نقل، نصب و بهره‌برداري مي‌شود.
– ايمني بالاتر در هنگام وقوع نقص الكتريكي
– مقاومت بالاتر نسبت به خرابكاري
– ايمني بيشتر در هنگام وقوع زلزله خصوصاً‌در عايق‌هاي مصرفي در ترانسفورماتورهاي قدرت
– عدم محدوديت در زواياي نصب
– قابليت دستيابي به فواصل خزشي بالا (به دليل خواص عايقي مطلوب) بدون افزايش قابل ملاحظه در وزن و ابعاد
– آب‌بندي موثرتر در محل اتصال عايق
– امكان افزايش فاصله سطحي در ارتفاع يكسان با عايق‌هاي سراميكي تا حدود 2 برابر، كه اين امر در مناطق با آلودگي بالا از اهميت بالايي برخوردار است.

• مقايسه از لحاظ اقتصادي: در مقايسه اقتصادي عايق‌هاي سراميكي با عايق‌هاي پليمري بايد به دو پارامتر توجه كرد:
1- هزينه اوليه عايق
2- هزينه عملياتي عايق

1- هزينه اوليه عايق: قيمت خريد عايق پليمري بيشتر از عايق سراميكي است كه ناشي از قيمت مواد اوليه مورد نياز است البته ميزان افزايش قيمت بر حسب نوع پليمر متغير است.
2- هزينه عملياتي عايق: يكي از موارد مهمي كه در بررسي فني و اقتصادي جايگزيني بايد مدنظر قرار گيرد مساله هزينه‌هاي عملياتي عايق‌ها است. هزينه‌هاي عملياتي عايق را مي‌توان به دو دسته كلي تقسيم كرد:
الف) هزينه‌هاي عملياتي قبل از نصب در محل بهره‌برداري
ب) هزينه‌هاي عملياتي بعد از نصب در محل بهره‌برداري

الف) هزينه‌هاي عملياتي قبل از نصب در محل بهره‌برداري: اين قسمت شامل كليه هزينه‌هاي قبل از نصب است. در ابتدا بايد هزينه‌هاي ساخت عايق را در نظر گرفت. عايق‌هاي سراميكي به دليل ساختارشان، در حين توليد ضايعات بيشتري را نسبت به عايق‌هاي پليمري ايجاد مي‌كنند (به عنوان مثال شكستن در كوره و تحت حرارت پخت) كه اين هزينه‌ها در انتها بر روي قيمت عايق تاثير مستقيم مي‌گذارند. همچنين عايق‌هاي سراميكي در حين حمل و نقل و نصب در محل مورد نظر دچار شكستگي مي‌شوند كه اين موضوع در مورد عايق‌هاي پليمري صادق نيست. به عبارت ديگر ضايعات عايق‌هاي سراميكي از ابتداي ساخت تا زمان نصب در محل بهره‌برداري بيشتر از عايق‌هاي پليمري است بنابراين هزينه بيشتري برمصرف‌كننده تحميل مي‌كند.
ضايعات عايق‌هاي سراميكي را مي‌توان به صورت زير عنوان كرد:
– در حين توليد عايق
– حمل از محل توليد به محل بهره‌برداري
– نصب عايق
– ضايعات ناشي از خرابكاري
– ضايعات ناشي از زلزله
طبق برآوردهاي انجام شده مجموع اين ضايعات به 10 تا 15 درصد بالغ مي‌شود. بديهي است هزينه ضايعات عايق‌ها تنها به جايگزيني آنها محدود نشده و وقفه‌هاي ايجاد شده در مراحل مختلف و نيز مشكلات حاصل از ناكارآمدي عايق تحت سرويس، هزينه‌هاي جانبي قابل ملاحظه‌اي را بر مصرف‌كنندگان تحميل مي‌كند.
ب) هزينه‌هاي عملياتي بعد از نصب در محل بهره‌برداري: اين هزينه‌ها شامل هزينه‌هاي شست‌وشوي عايق، هزينه‌هاي ناشي از شكسته‌شدن عايق و جايگزيني آن، هزينه‌هاي ناشي از ايجاد قوس الكتريكي (بر اثر آلودگي) و … است.
عايق‌هاي سراميكي به دليل ساختارشان، احتياج به شست‌و شوي متناوب دارند. اين شستشو مخصوصاً در شرايط آب و هوايي با آلودگي بالا (مانند مناطق جنوبي) از اهميت خاصي برخوردار است. در صورت عدم توجه به اين موضوع، تشكيل قوس الكتريكي و صدمه ديدن عايق مي‌تواند هزينه‌هاي بيشتري را تحميل كند در حالي كه عايق‌هاي پليمري به دليل ويژگي‌هاي ساختاري‌شان احتياج كمتري به شست‌وشو دارند بنابراين هزينه شست‌وشوي آنها كمتر است. همچنين احتمال تشكيل قوس الكتريكي و صدمه‌ديدن عايق در اين حالت كمتر است.
با در نظر گرفتن ضايعات عايق‌هاي سراميكي كه رقمي در حدود 10 تا 15 درصد را تشكيل مي‌دهد اختلاف قيمت نهايي عايق‌هاي سراميكي و پليمري چندان تفاوتي با يكديگر نخواهد داشت. بعلاوه بررسي‌ها نشان مي‌دهد كه هزينه ساليانه شست‌وشوي عايق‌هاي سراميكي در مناطق آلوده در حدود 5 تا 10 درصد قيمت عايق است كه باجايگزيني اين عايق‌ها با عايق‌هاي پليمري اين هزينه‌ها حذف خواهند شد.
حذف عمليات شست‌وشوي دوره‌اي عايق‌ها در مناطق آلوده، از ديگر مزاياي اقتصادي عايق‌هاي پليمري است. در خصوص شبكه توزيع،‌ با توجه به پراكندگي و گستردگي مناطق نصب و تعداد اين عايق‌ها در مقايسه با شبكه فوق‌توزيع و قدرت، اين مزيت از اهميت بالاتري برخوردار خواهد بود. در مناطقي همچون بندرعباس، چابهار و بخش‌هايي از استان خوزستان، سيكل شست‌شو در اكثر ماههاي سال در دوره‌هاي 20 تا 25 روزه انجام مي‌گيرد كه در صورت استفاده از عايق‌هاي پليمري نياز به اين عمليات كمتر خواهد شد.
بنابراين بطور خلاصه مي‌توان گفت كه استفاده از عايق‌هاي پليمري علاوه بر كاهش هزينه‌، افزايش كارايي خطوط انتقال نيرو و كاهش صدمات ناشي از كاركرد نامناسب عايق‌هاي سراميكي را به دنبال خواهد داشت.

روش تحقيق
در اين تحقيق جايگزيني بوشينگ‌هاي سراميكي ترانسفورماتور با انواع پليمري آنها مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين كار ابتدا شرايط كاربري اين عايق‌ها تعيين شد و سپس با بررسي رزين‌ها و الاستومرهاي مختلف ومقايسه خواص فيزيكي، مكانيكي و … آنها با شرايط كاربري عايق‌هاي سراميكي، تعدادي از اين پليمرها انتخاب و درنهايت فرمولاسيون‌هاي مناسب براي ساخت عايق‌هاي پليمري پيشنهاد شد. انتخاب اين فرمولاسيون‌ها به صورتي انجام شده كه خواص كاربري عايق‌هاي ساخته شده با كامپاند پليمري حداقل برابر با خواص كاربري عايق سراميكي باشد (كه البته در اكثر موارد خواص كاربري عايق‌هاي پليمري بالاتر از عايق سراميكي است).
مراحل انجام اين تحقيق را مي‌توان به صورت زير بيان كرد:
1- بررسي عايق‌هاي سراميكي و تعيين شرايط كاربري آنها (نظير خواص مكانيكي، الكتريكي، شيميايي و …)
2- استفاده از شرايط كاربري تعيين شده به عنوان مرجعي در طراحي عايق‌هاي پليمري
3- بررسي پليمرهاي مختلف و مقايسه خواص آنها با شرايط كاربري تعيين شده و حذف مواردي كه قابليت ارايه شرايط كاربري مورد نظر را نداشتند. از اين ميان تعدادي از پليمرها نيز به دليل مسائل فني و اقتصادي حذف شدند (نظير كمياب بودن و يا خاص بودن پليمر مورد نظر).
4- انتخاب نهايي تعدادي از پليمرها و ارايه فرمولاسيون اوليه براي هر يك از آنها كه بر مبناي اين فرمولاسيون‌ها، مطالعات اوليه براي برآورد قيمت عايق نيز انجام شد. در انتخاب پليمرها، هدف تعيين انواعي از پليمرها بوده كه شرايط كاربري آنها حداقل برابر شرايط كاربري سراميك باشد تا بتوان از آن در جايگزين كردن بجاي عايق‌هاي سراميكي استفاده كرد.
با توجه به مطالعات انجام شده رزين‌هايي كه مي‌توان از آنها براي ساخت عايق‌ پليمري استفاده كرد عبارتند از:

1- رزين آكريليك:
نام تجاري معروف اين رزين، پلكسي گلاس،لاكيت و آكريليت است.
– مزايا: دامنه وسيع رنگهاي آنها، شفافيت مطلوب، به آهستگي مي‌سوزند و در نتيجه سوختن دود كمي ايجاد مي‌شود يا اين كه اصلاً دودي آزاد نمي‌شود، مقاومت عالي آنها در برابر شرايط جوي و اشعه ماوراي بنفش، سهولت فرآوري، خواص الكتريكي عالي، صلبيت با استحكام ضربه‌اي خوب، صيقلي بودن خوب، پايداري ابعادي عالي و انقباض كم در قالب‌گيري، افزايش سختي دوجهتي براثر فرم‌دادن كششي.
– معايب: مقاومت ضعيف در برابر حلال‌ها، امكان ترك خوردن بر اثر تنش، قابليت احتراق، محدوديت استفاده مداوم آنها در دماي بالا (0C93)، غيرقابل ارتجاع بودن.
آكريليك‌ها بصورت كوپليمرهاي مختلفي وجود دارند كه عبارتند از:
– كوپليمر آكريليك- استايرن- آكريلونيتريل (ASA)
– كوپليمر آكريلونيتريل- بوتادين- استايرن (ABS)
– كوپليمر آكريلونيتريل- پلي‌اتيلن كلردار- استايرن (ACS)

2- رزين اپوكسي
– مزايا: محدوده وسيع شرايط تثبيت از دماي اتاق تا 350 درجه فارنهايت، عدم تشكيل تركيبات فرار در طي تثبيت، چسبندگي عالي، قابليت تشكيل اتصال عرضي با تركيبات ديگر، مناسب براي همه روش‌هاي فرآوري گرماسخت‌ها.
– معايب: پايداري كم در برابر اكسيد شدن، حساس بودن بعضي از اين تركيبات در برابر رطوبت، پايداري حرارتي تا
450-350 درجه فارنهايت، گران بودن بسياري از انواع آنها.

3- فلوئورو پلاستيك‌ها (رزين پلي‌تترافلوتورو اتيلن (PTEE)
– مزايا: عدم آتشگيري، مقاومت خوب در برابر حلال‌ها ومواد شيميايي، مقاومت خوب در مقابل عوامل جوي، ضريب اصطكاك پايين، امكان بكارگيري در محدوده وسيعي از دماها، خواص الكتريكي بسيار خوب.
– معايب: عدم امكان استفاده از روش‌هاي معمولي در فرآيند آن، سمي بودن محصولات ناشي از تخريب حرارتي، داشتن خزش، نفوذ‌پذيري، نياز به دماي بالا هنگام فرايند، استحكام اندك، دانسته زياد، قيمت نسبتاً بالا.

4- رزين‌هاي فنوليك
– مزايا: قيمت نسبتاً كم، مناسب بودن براي استفاده تا دماي 250 درجه سانتيگراد، مقاومت عالي در مقابل حلال، سختي مناسب، تراكم‌‌پذيري خوب، استحكام زياد، قابليت خاموش‌شوندگي خودبخود، ويژگي‌هاي الكتريكي عالي.
– معايب: احتياج به پركننده براي قالب‌گيري، مقاومت كم در مقابل بازها و اكسيدكننده‌ها، آزاد شدن مواد فرار طي تثبيت (يك پليمر تراكمي)، تيره بودن رنگ (به دليل بدرنگ شدن در نتيجه اكسيداسيون).

5- رزين ‌پلي‌كربنات
– مزايا: ضربه‌پذيري بسيار خوب، مقاومت بسيار خوب در مقابل خزش، دارا بودن درجات متنوعي از شفافيت، قابليت كاربرد مداوم تادماي بيش از 120 درجه سانتيگراد، پايداري ابعادي بسيار خوب.
– معايب: عدم قابليت فرايند در دماي بالا، مقاومت ضعيف در مقابل قلياها، آسيب‌پذيري در مقابل حلال‌ها، نياز به تثبيت‌كننده ماوراي بنفش.

6- رزين‌ سيليكوني
الاستومرهايي كه مي‌توان از آنها براي ساخت عايق‌هاي پليمري استفاده كرد عبارتند از:

1- EPDM
– مزايا: مقاومت عالي در برابر گرما، اُزن و نور خورشيد، انعطاف‌پذيري خيلي خوب در دماهاي پايين، مقاومت خوب در برابر بازها، اسيدها و حلال‌هاي اكسيژن‌دار، مقاومت فوق‌العاده در برابر آب و بخار آب، پايداري عالي رنگ.
– معايب: مقاومت ضعيف در برابر روغن، بنزين و حلال‌هاي هيدروكربني، چسبندگي ضعيف به الياف وفلزات

2- سيليكون
– مزايا: مقاومت برجسته در برابر گرماي زياد، انعطاف پذيري عالي در دماهاي پايين، مانايي فشاري كم، عايق‌كنندگي الكتريكي خيلي خوب، مقاومت عالي در برابر شرايط جوي، ازن، نور خورشيد و اكسايش، پايداري و حفظ رنگ فوق‌العاده.
– معايب: مقاومت ضعيف در برابر سايش، پارگي و رشد بريدگي، استحكام كششي كم، مقاومت نامطلوب و پايين در برابر روغن، بنزين و حلال‌ها، مقاومت ضعيف در برابر بازها و اسيدها.

3- هيپالون
– مزايا: تاخيراندازي خوب در برابر اشتعال، مقاومت سايشي خوب، مقاومت فوق‌العاده در برابر شرايط جوي، ازن، نور خورشيد و اكسايش، مقاومت عالي در برابر بازها و اسيدها، پايداري و حفظ رنگ خيلي خوب، مقاومت متوسط در برابر روغن و بنزين.
– معايب: مقاومت ضعيف تا متوسط در برابر حلال‌هاي آروماتيك، انعطاف‌پذيري محدود در دماهاي پايين، جهندگي و مانايي فشاري متوسط.
درادامه الويت‌بندي پليمرهاي انتخابي بر اساس مزيت‌هاي فني و اقتصادي آنها ارايه شده است.

4- انتخاب عايق پليمري مناسب
با مقايسه شرايط كاربري مورد نظر براي اين عايق‌ها با مشخصات پليمرهاي پيشنهادي در بند قبل و نيز با در نظر گرفتن مسائل اقتصادي، مي‌توان انتخاب مناسبترين پليمر براي اين كاربرد را مطابق جدول 1 اولويت‌بندي كرد:

نتيجه‌گيري
استفاده از عايق‌هاي پليمري به جاي عايق‌هاي سراميكي گرچه هزينه‌هاي اوليه بيشتري را بر مصرف‌كننده تحميل مي‌كند ولي از آنجايي كه هزينه‌هاي عملياتي عايق‌هاي پليمري بسيار كمتر از عايق‌هاي سراميكي است در مجموع هزينه استفاده از عايق‌هاي پليمري را نسبت به عايق‌هاي سراميكي كاهش مي‌دهد. همچنين بايد توجه داشت كه استفاده از عايق‌هاي پليمري كاهش خطا را در شبكه‌هاي توزيع و انتقال به همراه خواهد داشت كه اين خود باعث كاهش بسيار در هزينه‌هاي مصرف‌كننده خواهد شد. در صورت جايگزيني بوشينگ‌هاي سراميكي ترانسفورماتورها با نوع پليمري، مناسبترين نوع پليمرها به ترتيب عبارتند از: پليمرهاي اپوكسي، لاستيك‌ سيليكوني، هيپالون، EPDM-NR، پلي كربنات، فلوئور كربن، اكريليك، فنوليك و سيليكون رزين.

مهندس غلامرضا باكري، مهندس هوشنگ عليويرديلو، مهندس الهام امين‌‌نيا

 موسسه تحقيقات ترانسفورماتور ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران