چکیده

از بوشینگ ها در تجهیزات ولتاژ بالا برای بهره­گیری از رساناهای ولتاژ بالا از یک ساختار زمین شده استفاده می شود. با توجه به میدان الکتریکی بالا در اطراف منطقه با ساختار زمین شده، لازم است که شدت میدان را تا آنجا که امکان دارد در کمترین مقدار حفظ کنید تا از تخلیه سطحی جلوگیری شود. در این مقاله بحث شده است که چگونه کامپوزیت های مجاز با استفاده از پودر تیتانات باریم به صورت ناخالصی و کاربردی می توانند برای کنترل تنش الکتریکی روی سطح یک بوشینگ پلیمری استفاده شوند، که در ترانسفورماتور ترکیبی این عمل با دو هادی مرکزی، یکی در ولتاژ بالا و دیگر در پتانسیل زمین می باشد. اولاً توضیح داده شده است که چگونه خواص فیلر بهبود یافته است و سپس نشان داده شده است که چگونه کامپوزیت پلیمر / سرامیک آماده شده می تواند مشخصات پروفیل ولتاژ را در امتداد سطح نمونه آماده شده اصلاح کند. با استفاده از شبیه سازی اجزای محدود سه بعدی، عملکرد بوشینگ کامپوزیت با درجه بندی فشار حاصل شده در بوشینگ سرامیکی با درجه بندی خازنی مقایسه شده است. با توجه به نتایج بدست آمده، با استفاده از مواد کامپوزیتی، تنش الکتریکی بر روی سطح بوشینگ می تواند به مقادیر قابل قبول بدون نیاز به فویل رسانا کاهش یابد.

 

کلمات کلیدی: میدان الکتریکی، بوشینگ های غیر سرامیکی، کامپوزیت با مجاز بودن بالا، ترانسفورماتور ترکیبی

 

 

 

مقدمه

ترانسفورماتورهای ترکیبی (CIT) گزینه ای در پست های کاری هستند که در آن فضا یک مشکل است، که با نصب یک ترانسفورماتور ولتاژ (VT) و ترانسفورماتور جریان (CT) در همان مکان، فضا و هزینه ها می­تواند به طور قابل توجهی کاهش یابد. در این تجهیزات، بوشینگ نیاز به یک طراحی خاص دارد، چرا که دو هادی مرکزی در داخل عایق بوشینگ (یکی برای قسمت ولتاژ و دیگری برای بخش جریان) وجود دارد. به خوبی شناخته شده است که در بوشینگ، میدان الکتریکی بالا که معمولاً در اطراف فلنج فلزی دیده می­شود، می­تواند بیش از مقدار مورد نیاز برای تولید تخلیه سطوح باشد. اگر تخلیه سطحی انجام شود، می تواند پیری مواد را تسریع کند و منجر به کاهش امید به زندگی عایق شود [۱]. وقوع این مشکلات می­تواند با کاهش شدت میدان الکتریکی در سطح عایق بوشینگ کاهش یابد. در CIT یکی از معمول ترین روش های کنترل میدان الکتریکی بر روی بوشینگ، درجه بندی خازنی است. در این مورد هر هادی دارای فویل خازنی مربوط به خود است. مقره های بوشینگ سرامیکی معمولاً در ترانسفورماتورها استفاده می شوند؛ با این حال، استفاده از عایق های بوشینگ پلیمری به طور عمده به دلیل برخی از مزایای نسبت به عایق های بوشینگ سرامیکی مانند کاهش وزن، کاهش خطر انفجار و عملکرد بهتر در شرایط آلوده و فعالیت لرزه­ای افزایش یافته است. استفاده از عایق های بوشینگ پلیمری، جایگزینی با درجه بندی خازنی به کمک مواد کامپوزیتی با خواص دی الکتریکی خاص برای کنترل توزیع میدان الکتریکی است [۱-۴]. فیلر هایی مانندBaTiO3 می­توانند در پلیمر دی الکتریک برای افزایش دینامیکی نسبی خود (k) گنجانیده شوند، در نتیجه فشار الکتریکی و احتمال جرقه در سطح آن کاهش می­یابد [۱]. در این مقاله ما در مورد چگونگی استفاده از مواد کامپوزیتی با میزان مجاز بودن بلا برای کنترل فشار الکتریکی بر روی سطح بوشینگ پلیمری CIT بحث می کرد. BaTiO3 (BTY) با ناخالصی ایتریوم تهیه شده و به عنوان فیلر پلاستیک سیلیکونی RTV-615 به منظور افزایش قابلیت نسبی کامپوزیت استفاده می شود. با استفاده از شبیه سازی اجزای محدود سه بعدی، عملکرد بوشینگ پلیمری کامپوزیت با میزان مجاز بودن بالا با درجه بندی فشار حاصل شده در بوشینگ سرامیکی با درجه بندی خازنی مقایسه می­شود. بر اساس نتایج بدست آمده، با استفاده از مواد کامپوزیتی با میزان مجاز بودن افزایش یافته، تنش بر روی سطح بوشینگ می­تواند به مقادیر قابل قبول کاهش یابد.

اصلاح filler

فیلر که برای تولید کامپوزیت با موادی با میزان K بالا ناخالص می شود، به منظور بهبود خواص کامپوزیت نهایی مورد استفاده قرار می گیرد. این دو مرحله در زیر شرح داده شده است.

افزودن ناخالصی BTBT یک ماده­ ی فرآورده شده است که می­تواند از آن به عنوان فیلر مؤثر در تولید کامپوزیت های عایقی به علت میزان k بالای آن و ضریب تخلیه بزرگ در دمای نزدیک دمای کوری (TC = 130 درجه سانتیگراد) استفاده شود. بیشتر پلیمورف های BT مورد مطالعه به صورت مکعب (پارا الکتریکی) و تتراگونال (فیبر الکتریکی) هستند. انتقال بین آن ها در دمای TC اتفاق می افتد، اما ممکن است بسته به اندازه ذرات متفاوت باشد، به خصوص اگر آن بسیار کوچک باشد. در سلول­های با درجه حرارت بالا BT یک ساختار مکعبی مرکزی متقارن دارند که در آن بارهای معادل منفی و مثبت خنثی می شوند. هنگامی که درجه حرارت کاهش می یابد، BT به آرامی از چنین فاز غیر قطبی به مرحله قطبی تتراگونال تغییر می­یابد (شکل ۱) تولید قطبش خودبخودی بزرگ و k بالا که بستگی به درجه حرارت، شدت میدان الکتریکی، فرکانس و زمان (پیری) دارد. مقدار k نیز به جایگزینی مقادیر جزئی یون های دیگر، ریز ساختار مواد و اندازه دانه های خوب بستگی دارد [۶].

واحد سلولی تتراگونال BaTiO3

 

نتایج اخیر از اشعه ایکس نشان می­دهد که جایگزینی  به جای  (با محدودیت حلالیت ≈ ٪۶٫۱۰ mol) مطلوب تر از جایگزینی  (با محدودیت حلالیت ≈ ۰٫۷۵٪ mol) است. پیوستن کاتيون های سه گانه زمین های نادر به BT به عنوان نسبت تابع Ba / Ti با اندازه­گیری هدایت در فشار­های مختلف اکسیژن مورد مطالعه قرار گرفت. نشان داده شده است که یون های متوسط ​​مانند  می­توانند به جای  و  با (Ba / Ti) از پودر اولیه جایگزین شوند. تعداد هماهنگی کاتیون  ۶ است و اندازه یون آن تقریباً ۰٫۱۰۱ نانومتر است [۶]. آن به عنوان اهدا کننده در ترکیب که TiO2 بیش از حد باشد و به عنوان یک پذیرنده زمانی که BaO بیش از حد است، عمل می کند. زمانی که سرامیک یا بدون فشار جوشکاری یا فشار داغ در یک گرافیت بماند، مهار در رشد دانه به علت اضافه شدن Y2O3 نیز دیده می شود. به این نتیجه رسیدیم که  می­تواند باریم یا زیر شبکه­های تیتانیوم را بسته به نسبتBa / Ti  در ترکیب پودر اولیه خود اشغال کند. پیشتر پیشنهاد شده است که  به عنوان اهدا کننده در ترکیبات با نسبت کمتر از یک Hyper-stoichiometric Ba / Ti و به عنوان پذیرنده در ترکیبات با نسبت بزرگتر از یک  Hyper-stoichiometric Ba / Ti رفتار کند [۶]. در این کار افزودن ناخالصی Y برای بهبود ثابت دی الکتریک سرامیک BT و به عنوان فیلر استفاده شد.

 

کارارمد کردن سطح ذرات BT

در کار قبلی [۵] گزارش شده است که کامپوزیت های پر شده از BT که سطح آن توسط یک سازگار­کننده، کاربردی نشده است، تمایل به داشتن مقادیر کم k به علت داشتن اتصال مکانیکی ضعیف بین زنجیره سیلیکون و سطح ذرات سرامیک و / یا به دلیل جذب رطوبت BT از محیط دارند، موضوعی که می­تواند اثر از بین بردن قطبیت بر روی فیلر را تولید کند. همچنین گزارش شده است که مقدار k از کامپوزیت ها با خشک کردن در خلاء فیلر قبل از اینکه آن را به صورت ماتریسی ادغام کند، افزایش می یابد [۷]. در این کار، هدف از عملکرد ذرات BT بهبود ترکیب اتصال شیمیایی بین فیلر سرامیک و ماتریس پلیمر با ایجاد پیوند فیزیکی یا شیمیایی بین آن ها است. کربوکسیلیک اسید که به عنوان عاملی فعال در سطح استفاده می­شود دارای ساختار پایه­ای است که در شکل ۲ نشان داده شده است.

ساختار ساده­ی یک کربوکسیلیک اسید

 

این نوع مولکول ها از یک سر قطبی است که توسط یک گروه کربوکسیل هیدروفیلیکی (CO2H) تشکیل شده است که تمایل دارد در سطح سرامیکی جذب شود و در انتهای دیگر از یک زنجیر هیدروفوبی R که در یک گروه از متیل (CH3) قرار دارد، تشکیل شده است. گروه R زنجیره ای با طول­های مختلف و قطبیت کم است، زیرا تنها توسط کربن ها و هیدروژن ها تشکیل می­شود و می­تواند به یک شبکه سیلیکونی ماتریسی پلاستیکی گسترش یابد [۸]. اسيدهای زنجيره ای بلند مانند اسيد استئاریک (SA) (18 کربن) باعث ايجاد تک لايه های مرتب شده می شوند که خود را در سطح ذرات قرار می دهند. مزایای چنین فیلم نازک بر روی سطح (شکل ۳)، پایداری است که به علت پیوندهای قوی بوجود می­آید [۹]. کامپوزیت پلاستیکی سیلیکون RTV-615، با اتصالات ۰-۳ (به عنوان مثال کامپوزیت هایی که ذرات فیلر به صورت تصادفی در ماتریس پلیمری توزیع می شوند) با BTY به عنوان فیلر ساخته می شوند.

اسید AB یکنواخت در سطح اکسید فلزی، ذرات جاسازی شده در یک ماتریس پلیمری B

 

این فیلر به وضوح توسط SA اصلاح شده است. نتایج اخیر نشان می دهد که پودرهای سرامیکی فرآورده شده که توسط SA عمل می کنند، k را بدون اینکه تغییرات قابل توجهی در میزان هدایت الکتریکی آن ها داشته باشد، بهبود می بخشد.

 

 

آماده سازی کامپوزیت های پلاستیکی سیلیکونی

کامپوزیت ها با پلاستیک سیلیکونی دو قسمته RTV-615 :(ویسکوزیته ۴۳ poises، k = 2.7 و r = 1.8*15^10)تهیه شد. قسمت RTV-A مربوط به مونومر و بخش RTV-B عامل شبکه­ای شدن است.  N-hexane (C6H14 Fermont ACS 95%) ، به عنوان حلال برای تاخیر در پلیمریزاسیون و برای رسیدن به مخلوط مطلوب استفاده شد. پیش سازهای سرامیکی BaCO3 (سیگمای بزرگتر از ۹۹٪) ، TiO2 (Merck بزرگتر از ۹۹٪) و Y2O3 (Aldrich بزرگتر از ۹۹٫۹۹٪) هستند. اسید استریک به عنوان عامل سازگارکننده (با سیگمای بزرگتر از ۹۸٫۵%) استفاده شد.

 

آماده سازی ایتریوم خالص و افزودن ناخالصی BT

پودرهای BaCO3 و TiO2 به عنوان پیش ساز برای به دست آوردن BT توسط روش فعال سازی حرارتی استفاده می شود که شامل ترکیب هر دو پیش ماده بر اساس واکنش های زیر است: جایی که x = 0.01 است. برای تهیه پودر BTY، پیش ساز ها وزن و در یک ظرف پلی اتیلنی با توپ های آب یون زدایی شده و زیرکونیومی قرار داده شدند. برای یکسان سازی کردن این مخلوط، ظرف به مدت ۲۴ ساعت چرخانده شد. سپس مخلوط در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد بازیافت و خشک شد. بخشی از پودر به صورت یکنواخت به شکل قرص با قطر ۱ سانتی متر و ضخامت ۲ میلیمتر ایجاد شد. قرص و پودر به مدت ۱ ساعت در ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد در کوره(Carbolite RHF 17 / 3E)  ۱۰درجه سانتی گراد / دقیقه غوطه ور شدند. سطوح قرص جلا داده شد و الکترودها در جای خود قرار داده شدند. قرص ها با مشخصات الکتریکی به عنوان پودر استفاده می شوند. پودر آگلومرات تا ۲۰ میکرومتر در طی رسوب گذاری تشکیل می شود، به همین علت از SPEX 8000 به مدت نیم ساعت برای تولید پودر با ​​اندازه دانه متوسط ۴۳۵ نانومتر با استفاده از توپ های زیرکونیومی با قطر ۳ میلی متر در نسبت جرم توپ / پودر ۵ : ۱ استفاده شد[۷]. این پودر به عنوان فیلر برای کامپوزیت سیلیکون استفاده می شود.

 

کارامد سازی فیلر BTY

مقدار عامل فعال در سطح مورد نیاز برای پوشش تمام سطوح فیلر پودرBTY با توجه به جذب مولکولی اسید استئاریک (۰٫۲۸۷۷ نانومتر) و اندازه سطح اشغال شده توسط پودر BTY محاسبه شد. در نظر گرفته شده است که فیلر سرامیکی کروی با قطر ۴۳۵ نانومتر است [۱۰]. SA با استفاده از الگوریتم فرا صوتی در n-hexane حل شده و پودر BTY در این محل قرار می­گیرد. توپ های زیرکونیومی اضافه شده و در عرض ۱۶ ساعت عملکرد پودر سرامیک بوسیله چرخش افزایش می یابد. در نهایت، مقدار بیش از حد هگزان حذف می شود و پودر سرامیک کاربردی خشک می شود.

 

آماده سازی کامپوزیت های سیلیکونی

در یک فلاسک شیشه­ای، پودر BTY تهیه شده وزن شده و n-hexane به اندازه کافی برای پوشش پودر ریخته شد.پودر Agglomerates با هم زدن توسط Vibra-Cell VCX 500 صوتی، پراکنده شد. مقدار کافی RTV-A به داخل همان فلاسک برای یک کامپوزیت با ۳۰% حجم فیلر ریخته شد. کامپوزیت با محتوای فیلر بالاتر از %۳۰ حجم نمی­توان به راحتی مخلوط شود و قطعه شکننده و با حجم زیادی از تخلخل را ارائه می دهد [۱۰]. این مخلوط به مدت ۲۰ دقیقه دوباره همگن شد. سپس RTV-B برای شروع فرآیند پیوند عرضی اضافه می شود و این مخلوط به مدت ۲۰ دقیقه دیگر نگه داشته می­شود. مخلوط به قالب های تفلون (قطر ۵ سانتی متر، عمق ۳ میلی متر) ریخته شده و نمونه هایی که به دست آمده در یک اتاق خلاء دگرساز شدند. نمونه ها طی ۴۸ ساعت در دمای اتاق، اصلاح شدند. کامپوزیت های توسعه یافته (BTY / SA / RTV) دیسک های دایره­ای انعطاف پذیر با قطر ۵ سانتیمتر و ضخامت حدود ۲-۳ میلی متر می باشند.

 

ویژگی های الکتریکی قرص ها و ترکیبات

امپدانس پل جهانی LCR Meter Model Z9216 برای اندازه­گیری خازن در ۱ کیلوهرتز استفاده شد. کامپوزیت ها در یک سیستم با صفحات موازی با قطر ۴ سانتی متر برای مشخصه الکتریکی قرار داده شدند. مقدار k از قرص ها و کامپوزیت ها از طریق اندازه گیری های خازنی به دست آمده تعیین شده و در جدول ۱ ذکر شده است. ثابت دی الکتریک از سرامیک BTY (1٪ Y، ۱ کیلوهرتز) و کامپوزیت BTY / SA / RTV.

K	ماده
۳۵۲۵	BTY
۱۲	BTY / SA / RTV

 

میکروگرافی SEM نمونه های کامپوزیتی در شکل ۴ ارائه شده است. در شکل ۴a یک نمونه ساخته شده بدون کاربردی سازی فیلر نشان داده شده است. Agglomerates ها و تخلخل در نمونه نهایی آشکار است. در شکل ۴b پودر BTY با SA فعال شده است که موجب پراکندگی بهتر فیلر در ماتریس سیلیکون می شود. مواد نهایی دارای انعطاف پذیری معمول سیلیکون است. مقدار k بدست آمده با این مقدار فیلر بالاتر از میزان گزارش شده در کار قبلی (k = 9.5) هنگامی که تنها BT با محتوای ۳۰ ٪ حجم در رزین اپوکسی استفاده شد، می باشد.

میکروگراف های SEM از کامپوزیت سیلیکون RTV-615 پرشده از ۳۰٪ حجم (a) پودر سرامیک نا کارامد و (b) BTY پوشیده شده با SA

کنترل فشار الکتریکی در بوشینگ

میدان الکتریکی بالا در اطراف منطقه نزدیک به قسمت زمین شده­ی بوشینگ نیاز به درجه بندی دارد تا از تخلیه سطحی اجتناب شود. یکی از تکنیک های کنترل بیشتر میدان استفاده از درجه بندی خازنی است. بوشینگ­های درجه بندی خازنی را می توان با قطر کوچکتر بدون تمرکز تنش الکتریکی بالا بر روی سطح محفظه­ی عایق در نزدیکی فلنج فلزی زمین شده تولید کرد [۱۱]. در کاغذ آغشته به روغن (OIP) درجه بندی خازنی معمولا توسط حفاظ الکترواستاتیک رسانای بین لایه های کاغذ بدست می­آید. در این طرح، فرآیند تولید بوشینگ باید تحت یک فرایند کنترل دقیق کیفیت انجام شود تا از افزایش میدان ناشی از نصب نادرست محافظ جلوگیری شود. به عنوان یک جایگزین برای روش خازنی، درجه بندی تنش در بوشینگ با استفاده از مواد با میزان k بالا که در کار قبلی پیشنهاد شده است، می باشد [۱]. بر اساس اصل انشعاب دی الکتریک در امتداد رابط بین دو رسانه با انعطاف پذیری های مختلف، جهت میدان الکتریکی می تواند اصلاح شود و مولفه میدان در امتداد سطح بوشینگ کاهش یابد [۱۲]. به منظور نشان دادن اثر مواد با میزان K بالا بر روی توزیع میدان الکتریکی یک نمونه آزمایشی در شکل ۵ نشان داده شده است. در این نمونه یک هادی الکتریکی با یک لایه از پلاستیک سیلیکونی عایق شده است، این هادی عایق شده از طریق یک الکترود زمین شده عبور می­کند . در یک طرف الکترود زمین شده، یک آستین از کامپوزیت با مقدار K بالا اعمال شد، و از طرف دیگر یک آستین از سیلیکون خالص.

 

مدل نمونه استفاده شده برای نمایش اثر مقدار K زیاد مواد بر پروفیل ولتاژ

 

یک عکس از تنظیمات در شکل ۶ نشان داده شده است. این شامل یک نمونه با ۳۰ سانتی متر طول و ۷ سانتی متر قطر خارجی با پوشش پلاستیک سیلیکونی (k = 2.7) در سمت چپ و ترکیب کامپوزیت بالا در سمت راست می باشد. پروفیل ولتاژ سطح بر روی دو آستین با استفاده از یک مدل ولتاژ الکترواستاتیک AC 20kV مدل ۳۴۱ آمپر (شکل ۶) اندازه گیری شد. اثر کامپوزیت با مقدار K بالا بر روی ولتاژ در سطح آستین در شکل ۷ نشان داده شده است. مشاهده می شود که چگونه در آستین کامپوزیتی با میزان K بالا (BTY / AE / RTV) ولتاژ در طول سطح با یک شیب کمتر در مقایسه با لایه سیلیکونی خالص (RTV-615) افزایش می یابد، چیزی که میدان الکتریکی پایین را بر روی سطح ماده با k بالا تعریف می­کند. پروفیل ولتاژ برای ۵ و ۱۰ کیلوولت بر روی هادی مرکزی نمونه اندازه گیری شد. همچنین در شکل ۷، نتایج تجربی با شبیه سازی عددی اجزای محدود دو بعدی متقارن با استفاده از COMSOL® ۴٫۳ مقایسه شده است. توافق خوبی بین اندازه­گیری ها و شبیه سازی ها وجود دارد، اگر چه پروفیل­های ولتاژ تجربی بر روی آستین با میزان مجاز بودن بالا یک شیب ولتاژ کم تر از آنچه که شبیه سازی شده است را نشان می دهد.

مشتق ولتاژ از قرائت تجربی، که در شکل ۷ ارائه شده است، برای بدست آوردن میدان الکتریکی مماس در امتداد سطح آستین محاسبه شد. نتایج در شکل ۸ نشان می دهد که چگونه میدان الکتریکی مماسی در سطح مواد کامپوزیت در مقایسه با میدان الکتریکی مماسی در سطح آستین سیلیکونی خالص کاهش می یابد.

+

نمونه آزمایشی تولید شده برای نشان دادن اثر یک k بزرگ ماده بر روی پروفیل ولتاژ در نزدیکی بخش زمینی شده

 

توزیع ولتاژ در امتداد پوشش های کامپوزیتی و سیلیکونی که در مدل ۶ نشان داده شده است

 

میدان الکتریکی مماسی محاسبه شده در طول پوشش های کامپوزیتی و سیلیکونی در شکل ۵٫

نتایج فوق نشان می دهد که چگونه کامپوزیت می­تواند با موفقیت برای کنترل مقدار میدان الکتریکی بر روی نمونه آزمایشی بکار گرفته شود. کاهش تقریبا ۵۰٪ در حداکثر میدان الکتریکی مماسی با توجه به اندازه گیری ها انجام شد در حالیکه نتایج شبیه سازی نشان دهنده کاهش ۴۰٪ می باشد. در بخش بعد، شبیه سازی FEM استفاده از این ماده در ابعاد واقعی یک بوشینگ فشار قوی ارائه شده است.

کنترل فشار الکتریکی در بوشینگ های ترانسفورماتور ترکیبی

یک مورد ویژه درجه بندی ولتاژ در بوشینگ CIT شامل دو هادی مرکزی، یکی در ولتاژ بالا (قسمت ولتاژ) و یکی در پتانسیل زمین (قسمت جریان) دیده می شود. هنگامی که یک سیستم خازنی برای کنترل میدان الکتریکی در سطح عایق بوشینگ استفاده می شود، هر یک از هادی ها فویل درجه بندی خازنی خود را دارد. معمولاً آخرین محافظ الکتریکی در قسمت جریان در ولتاژ بالا است در حالی که آخرین محافظ الکتریکی در قسمت ولتاژ زمین شده است. بقیه فویل ها دارای یک پتانسیل شناور هستند که به ابعاد و موقعیت آن­ها بستگی دارد. در شکل ۹ نتایج شبیه سازی اجزای محدود سه بعدی با COMSOL® ۴٫۳ به دست آمده برای یک بوشینگ سرامیکی ترانسفورماتور ترکیبی با ولتاژ ۱۷۰ kVrms ارائه شده است. شبیه سازی حداکثر ولتاژ موقت برای تجهیزات را ۱۷۰ کیلوولت در نظر گرفت و اجزای نامحدود مخصوص برای در نظر گرفتن مرزهای باز استفاده شد. مجاز پذیری نسبی مواد سرامیکی محفظه با مقدار ۶، روغن با ۲٫۵ و کاغذ با ۳ در نظر گرفته شد. سیم پیچ ترانسفورماتور جریان و ولتاژ در شبیه سازی ها نیست، زیرا این مطالعه تنها در عایق بوشینگ در شکل ۹a برای توزیع ولتاژ در امتداد محفظه سرامیکی نشان داده شده است و در شکل ۹b ولتاژ به دست آمده توسط فویل درجه بندی شده است. ولتاژ و میدان الکتریکی در طول فاصله نشت، نشان داده شده در شکل ۹b، محفظه سرامیکی برای طرف های بیرونی ولتاژ و قسمت های جریان در شکل ۱۰a و ۱۰b است. در شکل ۱۰ می توان دید که چگونه ولتاژ در امتداد سطح محفظه از یک مخزن زمین شده به ولتاژ بالا در بالای صفحه به صورت بسیار ملایم و صاف در می­آید. به عنوان یک نتیجه، میدان الکتریکی در سطح محفظه­ی سرامیکی بسیار کم است. با این وجود، این شرایط با معرفی تعداد زیاد فویل رسانا، چیزی است که نیاز به طراحی و ساخت دقیق دارد تا از افزایش میدان در داخل بوشینگ جلوگیری شود.

(a) توزیع ولتاژ در عایق سرامیکی. (ب) پتانسیل شناور حاصل از هر فویل خازنی

(a) ولتاژ و (b) توزیع میدان الکتریکی در امتداد عایق سرامیکی بوشینگ ترکیب با کنترل میدان مغناطیسی خازنی.

 

جایگزین جالب برای درجه بندی خازنی امکان کنترل میدان الکتریکی بدون استفاده از اجزای رسانا در داخل عایق را می دهد. استفاده از مواد با مقدار k بالا برای درجه بندی میدان الکتریکی در بوشینگ CIT در آینده مورد بحث قرار می گیرد.

 

کنترل فشار الکتریکی با مواد دارای مقدار k بالا

در پلیمرها و همچنین در بوشینگ­های سرامیکی میدان الکتریکی روی سطح محفظه­ی عایق باید کنترل شود تا از تخلیه سطحی در مجاورت فلنج ها جلوگیری شود. شکل ۱۱ ولتاژ و میدان الکتریکی را در امتداد سطح یک طراحی معمول بوشینگ پلیمری CIT (با مشخصات بسیار مشابه نسبت به محفظه­ی سرامیکی نشان داده شده در شکل ۹) را بدون درجه بندی خازنی نشان می­دهد. برای این شبیه سازی، مقدار k برای محفظه پلیمری بوشینگ عایق در ۲٫۷، برای لوله شیشه ای فیبر تا ۴ و برای روغن معدنی درون بوشینگ تا ۲٫۵ تنظیم شده است. میدان الکتریکی در سطح بوشینگ مقره به مقادیر بالای نزدیک به مخزن زمین شده در طرف VT و نزدیک به ترمینال ولتاژ بالا در سمت CT است. اگر میزان مجاز بودن نسبی محفظه به ۱۲ افزایش یابد، حداکثر میدان الکتریکی با توجه به حداکثر میدان نشان داده شده در شکل ۱۱b، ۲۰٪ کاهش می یابد. یکی از ویژگی های مهم مواد پلیمری امکان تولید اشکال پیچیده ای از عایق بوشینگ است. این ویژگی به منظور طراحی شکل مقره مواد کامپوزیتی با مقدار K بالا در شکل ۱۲a می باشد. در شکل ۱۲b توزیع ولتاژ شبیه سازی شده ارائه شده است.

(a) ولتاژ و (b) توزیع میدان الکتریکی در امتداد عایق پلیمر بوشینگ ترکیبی بدون کنترل میدان الکتریکی.

 

هدف از طراحی محدب در انتهای محفظه پلیمری، تقویت پدیده­های شکست دی­الکتریک است که به وسیله اختلاف بیشتر بین انعطاف پذیری ماده­ی پلیمری و انعطاف پذیری محیط دوم، در این مورد هوا افزایش می­یابد. ولتاژ و میدان الکتریکی در امتداد طراحی سطح اصلاح شده­ی مقره در شکل ۱۳ ارائه شده است. این اصلاح در هندسه همراه با انعطاف پذیری بالا منجر به حداکثر کاهش میدان الکتریکی حدود ۶۴٪ در مقایسه با طراحی غیر محدب در شکل ۱۱ است. اگرچه میدان الکتریکی کمی بیشتر از مقدار دریافت شده از سیستم درجه بندی شده­ی خازنی که در شکل ۱۰ ارائه شده است، حاصل می شود، اما این طراحی اصلاح شده از مزیت عدم وجود اجزای رسانایی اضافی در عایق بوشینگ بهره می­برد.

a) هندسه اصلاح شده محفظه پلیمری؛ (b) توزیع ولتاژ در امتداد محفظه پلیمری با طراحی K بالا طراحی اصلاح شده

 a) ولتاژ و (b) توزیع میدان الکتریکی در امتداد محفظه پلیمری شکل ۱۲٫

بحث

کامپوزیت با میزان K بالا (BTY / SA / RTV) که در این کار تهیه شده است می تواند برای تغییر توزیع ولتاژ در سطح عایق خارجی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرد (شکل ۷ و ۸). در بوشینگ های پلیمری CIT، استفاده از این ماده به طور قابل توجهی می­تواند حداکثر میدان الکتریکی را در سطح مقره کاهش دهد. برای بوشینگ ۱۷۰ kVrms در نظر گرفته شده در شبیه سازی؛ حداکثر میدان الکتریکیVrms / m  برای حداکثر ولتاژ موقت (۱۷۰ kVrms) بود. اگر چه حداکثر میدان الکتریکی روی سطح بالاتر از حداکثر مقدار بدست آمده با استفاده از درجه بندی خازنی ( Vrms / m) می باشد، اما این مقدار در حداکثر نرخ به ولتاژ زمین (۹۸ kVrms) به   Vrms / m کاهش می­یابد. برای مقره های پلیمری حداکثر مقدار   Vrms / m در ۰٫۵ میلی متر از سطح به عنوان حداکثر میدان الکتریکی برای جلوگیری از تخلیه سطحی پیشنهاد شده است [۱۳]، بنابراین در بوشینگ، با مواد و طراحی شرح داده شده در این مقاله، میدان الکتریکی سطحی می تواند به مقادیر قابل قبول کاهش یابد. در مورد میدان الکتریکی شعاعی در داخل بوشینگ، برای طراحی سه بعدی در بوشینگ، خطوط ۱، ۲ و ۳ نشان داده شده در شکل ۱۲a، برای طراحی سرامیکی با پلیمر اصلاح شده مقایسه شده است. برای سه مورد، حداکثر میدان الکتریکی همیشه بر روی بوشینگ با درجه بندی نرخ خازنی بالاتر است، همانطور که از شکل ۱۴ تا شکل ۱۶ دیده می­شود. گسستگی در منحنی ها مربوط به بخش­هایی است که ولتاژ بالا و هادی ها زمین شده باشند. در تمام موارد، حداکثر مقدار میدان الکتریکی شعاعی بالاتر از   Vrms / m نیست که زیر مقدار حداکثر مقدار گزارش شده در مجله دیگری است [۱۴]. لازم به ذکر است که فقط برای k اصلاح شده به مقدار بیشتر به عنوان مواد عایق در داخل بوشینگ مد نظر قرار گرفت.با استفاده از این طرح نه تنها قابلیت اطمینان بوشینگ افزایش می یابد، بلکه هزینه های تولید نیز کاهش می یابد (زمان کار و زمان اشباع می­تواند کاهش یابد).

میدان الکتریکی در امتداد خط ۱ در شکل ۱۲

 

نتیجه­ گیری

استفاده از مواد کامپوزیتی با میزان k بالا می تواند به کاهش میدان الکتریکی در مناطق با تمرکز بالاتر در عایق های بیرونی کمک کند. با استفاده از تمرکز مناسب ناخالصی (۱٪ Y)، پودر BaTiO3 با میزان مجاز بودن بالا تولید شد. نشان داده شده است که استریک اسید به عنوان سازگار کننده مناسب در میان فاز سرامیکی و ماتریس پلیمری پلاستیک سیلیکونی اجازه می­دهد تا حفظ ویژگی­های عایق بندی مورد نیاز مواد و افزایش ثابت دی الکتریک اتفاق بیفتد. خواص دی الکتریک کامپوزیت سیلیکون بدست آمده با پودرBaTiO3  (۳۰% حجم) که تحت تأثیر ایتریوم قرار گرفته است، برای نشان دادن اثر این ماده در کنترل میدان الکتریکی استفاده شده است.

میدان الکتریکی در امتداد خط ۲ در شکل ۱۲

میدان الکتریکی در امتداد خط ۳ در شکل ۱۲

یک مثال از کاربرد در بوشینگ ترانسفورماتور ترکیبی با استفاده از یک کامپوزیت با میزان k بالا و اصلاح شکل محفظه­ی پلیمری، می­تواند حداکثر میدان الکتریکی در سطح را بدون نیاز به قرار دادن اجزای رسانا در عایق بوشینگ یه میزان قابل توجهی کاهش دهد. با استفاده از این طرح، قابلیت اطمینان بوشینگ می­تواند افزایش یابد و هزینه های تولید کاهش یابد.