يكي از مهمترين پارامترهاي عايق كامپوزيتي، خاصیت هيدروفوبيکی است كه از نظر عملکرد عايقی در مقايسه با رشته هاي پین و کلاهک سراميكی برتری دارد. با این حال، این خواص اولیه هیدروفوبیکی ممکن است در زمان خدمات رسانی در شرایطی که فعالیت کرونای مداوم یا به طور مستقیم در محفظه و یا اتصالات فلزی نزدیک وجود داشته باشد، از بین برود. در واقع، این می تواند ثابت کند که این موضوع یک مکانیزم خاصی است که منجر به پیری زودرس می شود و بنابراین باید همیشه در نظر گرفته شود، حتی در مرحله طراحی. میدان الکتریکی همیشه باید در مناطق آسیب پذیر این نوع عایق ها کنترل شود.

کاربرد عایق های کامپوزیتی به دلیل سهولت در مدیریت و هزینه­های مناسب، در محیط های نسبتا پاک رو به رشد است. به تازگی، ارتقاء ولتاژ و طراحی جمع و جور خطوط جدید AC، باعث شد تا استفاده از این نوع عایق در محیط های پاک مناسب شوند. در مورد کاربرد های اخیر، ترکیب عایق ها اغلب به صورت نسبتا کوچک طراحی شده اند تا در پنجره هایی با فضای کاهش یافته در برج ها متصل شوند. بنابراین محدود کردن حداکثر میدان الکتریکی بسیار حیاتی است. یکی دیگر از فضاهای رو به رشد کاربرد، عایق های کامپوزیتی در پست­های برق است، به خصوص آن­هایی که دارای یک هسته جامد هستند چرا که در طراحی flange از مقره های خط کامپوزیتی تفاوت زیادی وجود ندارد. برای اطمینان از ابعاد مطلوب عایق کامپوزیتی مجهز به حلقه های درجه بندی باید سه معیار را در نظر گرفت:۱٫ محدود کردن میدان الکتریکی در حلقه های درجه بندی و پایان اتصالات؛۲٫ محدود کردن میدان الکتریکی در امتداد سطح محفظه­ی عایق ؛۳٫ محدود کردن میدان الکتریکی در ‘نقطه سه گانه’ (که هوا و محفظه و فلز با یکدیگر در ارتباط می­شوند)هر سه به طور معمول توسط محاسبات میدان الکتریکی تایید می­شوند، اولین آزمون استاندارد RIV که در استاندارد شماره IEC 60437 2nd Edition (1997-09) ارائه شده است. معیار سوم نمی تواند توسط یک تست تأیید شود، تا زمانی که دومین معیار هنوز توسط هیچگونه آزمایشی تایید نشده باشد. با این حال، شرکت های برق در حال حاضر به طور فزاینده ای علاقه مند به داشتن چنین تأییدیه ای هستند.

ایجاد معیارهایی برای میدان الکتریکی حداکثر

بر اساس بروشور CIGRE 284، حداکثر میدان الکتریکی روی سطح یک عایق کامپوزیتی (به عنوان مثال در نوک اولین دهنه در انتهای اتصالات) بین ۰٫۶ و ۱٫۰ کیلوولت / میلیمتر برآورد می شود. اما این محدوده ممکن است خوش بینانه باشد. به عنوان مثال، تحقیق توسط EPRI مبتنی بر U.S. نشان داد که حداکثر حد مجاز میدان الکتریکی ۰٫۴۵ کیلوولت / میلیمتر ترجیح داده می شود در حالیکه تحقیقات قبلی در STRI 0.4 کیلوولت / میلیمتر پیشنهاد شده بود. سایر مراجع، میدان الکتریکی را فقط در حدود ۰٫۳۸ کیلوولت / میلیمتر تخمین زده اند. برای حداکثر میدان الکتریکی بر روی اتصالات فلزی، CIGRE توصیه می کند که حد مجاز ۲٫۲ کیلوولت / میلیمتر باشد. بر اساس یک مقاله قدیمی از EPRI، مقدار میدان الکتریکی برای سطح روی اتصالات فلزی و حلقه های درجه بندی باید ۲٫۱ کیلوولت / میلیمتر باشد و این مقدار اغلب به عنوان مرجع برای اهداف طراحی مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به بحث های داخلی در CIGRE، برخی از تأسیسات در حال حاضر این مقدار را کمتر از ۱٫۶ کیلوولت / میلیمتر مشخص کرده­اند – احتمالا به دلیل نقص های تولید، جا به جایی نامناسب و پیری حلقه­های درجه بندی، ممکن است سطوح کمی آسیب دیده باشد. در یک مقاله قدیمی در STRI مقدار ۱٫۸ کیلوولت / میلیمتر را توصیه کرده است.

شکل ۱:خاصیت هیدروفوبیکی سطح عایق کامپوزیتی. (سمت چپ) STRI نتایج پس از ۸ سال آزمایش پیری طبیعی در محیط تمیز. (راست) نتایج EPRI بعد از آزمون کامل پیری طبیعی شتاب یافته با سطح ولتاژ ۲۳۰ کیلوولت.

تحقیق جدید خلاصه ای از کار انجام شده برای تعیین یک حد عملی برای میدان الکتریکی مجاز در سطوح عایق برای اهداف طراحی است. کار اولیه توسط EPRI برای تعیین سطوح آستانه میدان الکتریکی برای کرونای ناشی از آب (اولین بار در سال ۱۹۹۹ منتشر شده است) بر اساس آزمایش های کوچک و همچنین در مقیاس های کامل برای اصلاح این آستانه گسترش یافت. به عنوان مثال، نتایج آزمایشات پیری طبیعی و آزمایش های پیری مصنوعی نشان می دهد که تمایل مشخصی برای کاهش خاصیت هیدروفوبیکی در بخش­های غلاف وجود دارد که میدان الکتریکی بیش از ۰٫۳ تا ۰٫۴ کیلوولت / میلیمتر است. علاوه بر این، تنظیم دقیق آستانه براساس آزمایشات آزمایشگاهی در مقیاس کوچک و کامل و همچنین داده های مربوط به تجربه خدمات گذشته است. این به معیار نهایی زیر منجر شده است:  میانگین میدان الکتریکی در غلاف عایق نباید بیش از ۰٫۴۲ کیلوولت / میلیمتر برای بیش از ۱۰ میلی متر در طول سطح باشد. چنین روش متوسطی برای جلوگیری از مسائل کوچک مربوط به هندسه و در عین حال قابل توجه، که عملکرد مناسب عایق را منعکس نمی کند، (به عنوان مثال در این نقطه افزایش شدید میدان الکتریکی وجود خواهد داشت) معرفی شد. برای انتهای قسمت مهر و موم (یعنی نقطه سه گانه)، به میدان الکتریکی نباید اجازه داده شود که بیش از ۰٫۳۵ کیلوولت / میلیمتر باشد. محاسبات باید با استفاده از شبیه سازی سه بعدی میدان الکتریکی مدل سازی شوند و آزمایش های آزمایشگاهی نیز می توانند مورد توجه قرار گیرند. در نهایت، معیارهای زیر که در حال حاضر در STRI تصویب شده است، برای بسیاری از کاربردهای عملی مورد استفاده قرار گرفته است:* حد میدان الکتریکی در حلقه­های درجه بندی و پایان اتصالات: ۱٫۸ کیلوولت / میلیمتر* حد میانگین میدان الکتریکی در امتداد سطح محفظه: ۰٫۴۲ کیلوولت / میلیمتر* محدوده میدان الکتریکی در نقطه سه گانه: ۰٫۳۵ کیلوولت / میلیمتر

شکل ۲: معیار حداکثر میدان الکتریکی بر روی سطح. (سمت چپ) نتایج آزمایشگاهی STRI نشان دهنده­ی سطح میدان الکتریکی برای تخلیه کرونای مداوم از آب اسپری شده روی عایق کامپوزیتی با سطوح مختلف هیدروفوبیکی است. (راست) نتایج EPRI نشان دهنده­ی حداکثر میدان الکتریکی در پوسته های عایق کامپوزیتی برای ۶۱ ساختار برقدار و حد توصیه شده­ی ۰٫۴۲ کیلوولت / میلیمتر است.

عملیات محاسبات میدان الکتریکی

محاسبات میدان الکتریکی برای چند شرکت برق انجام شد که مجموعا بیش از ۲۰ طرح با استفاده از عایق کامپوزیتی ارائه شد. در این محاسبات هر دو عایق خط و پست برق در نظر گرفته شده بود تا محدودیت های میدان الکتریکی را بررسی و در بعضی موارد به توصیه های مربوط به طراحی بهینه و موقعیت حلقه های درجه بندی و همچنین آرک زدن ها بپردازند.

توسعه روش جدید آزمایش کرونای ایجاد شده توسط قطرات آب (WDCI)پیش آزمون در مقره های کوچک

به عنوان مثال، شبکه­ی سوئد خواستار بررسی نتایج محاسبات میدان الکتریکی بر روی سطح عایق کامپوزیتی بود. اولین چالش این بود که یک روش مرطوب سازی را ایجاد کنیم که شبیه سازی قطرات آب باشد، اما هنوز هم بتواند آزمایشی بدون اختلال از سایر قسمت های عایق انجام دهد. باران استاندارد IEC می­تواند یکی از گزینه ها باشد، اما این باعث ایجاد کرونا در قطعات فلزی می شود، در نتیجه منافع اصلی، یعنی سطح نزدیک به اتصالات فشار قوی را مختل می کند. پس از انجام برخی آزمایشات، نکات زیر بر اساس پیش آزمون با استفاده از عایق های کوچک برای مقادیر حدود ۵۲ کیلوولت ولتاژ نتیجه گرفته شد:·       الگوی امیدبخش قطرات آب برای شبیه سازی و تشخیص، یک سطح اشباع با هر دو نوع قطره­ی بزرگ و کوچک است. این بر اساس استاندارد IEC TS 62073 با اسپری دستی تولید شده و رسانایی استاندارد آن حدود ۱۰۰ μS / cm است.·       قطرات آب که می تواند موجب ایجاد کرونا شود، در حداکثر ولتاژ عملیاتی و حتی در زیر این سطح شبیه سازی، شناسایی و مستند سازی شد.

شکل ۳: محاسبات نرم افزار Comsol برای طرح های مختلف عایق کامپوزیتی.

تست های انجام شده روی عایق های کوچک باعث درک بهتر مکانیزم قطره آبی که موجب ایجاد کورونا می شود، است و همچنین مبنایی برای ادامه آزمایشات کامل.

آزمایش در مقیاس کامل برای طراحی های مختلف عایق

آزمایش در مقیاس کامل (ولتاژ کلاس ۴۲۰ کیلوولت) ابتدا بر روی یک طرح انجام شد. هدف این بود که روش تشخیص بیشترین امید را برای اثبات نتایج به همراه داشته باشد. دوربين های فرابنفش؛ دوربینی با سرعت بالا با تقویت نور؛ اندازه گیری RIV؛ اندازه گیری PD؛ اندازه گیری صوتی؛ یا عکاسی با زمان شاتر طولانی. پس از آزمون جامع، تصميم گرفته­شد كه مستندات تصوير ثابت بهترين گزينه براي سهولت در استفاده (يعني اجازه تكرارپذيري و بازتولیدی) و همچنين تجزيه و تحليل نتايج و تعيين معيارهاي قبولي است. همچنین مشخص شده است که این موضوع حائز اهمیت است که نتایج را با عکس هایی که از بالا و همچنین از پایین شیء هدف گرفته شده است، ثبت و بررسی کنید، زیرا کرونا تنها از یک جهت می تواند پنهان بماند. همچنین لازم است تلاش های بیشتری برای ایجاد تکنیک­های استاندارد برای تشخیص کرونا انجام شود. روش آزمون اولیه، توسعه یافته و به دقت تنظیم شده بر روی تنها یک طراحی عایق کامپوزیتی بود و سپس در سه طرح بسیار متنوع اتصالات پایه تأیید شد. هدف این بود که معیار آزمایش را نیز همچنین با در نظر گرفتن پیری احتمالی سطح محفظه به دلیل کرونا، اصلاح کنیم. مسئله دیگر این بود که رطوبت مورد نظر برای آزمایش دقیق تنظیم شود. برای ارزیابی پیری، ولتاژ ابتدایی کرونا روی عایق ها بعد از دوره های مختلف مورد بررسی قرار گرفته شد. زمان موثر کرونا (یعنی واقعی) بین آزمایشات برای عایق های مختلف، متفاوت است. شناخته شده است که زمان طولانی یا بهبود برای خاصیت هیدروفوبیکی کوتاه تر باشد، این خاصیت و ولتاژ شروع کرونا سریع تر کاهش می یابد. این ممکن است به توضیح گرادیان های مختلف کاهش سطح شروع کرونا، در طول زمان، برای عایق های مختلف کمک کند. هنگامی که میدان الکتریکی به اندازه کافی بالا است برای شروع کرونای ناشی از قطرات آب، سطح شروع به تضعیف شدن، همانطور که در طول آزمایش ها مشاهده شد، می­کند. همچنین نشان داده شد که وقتی زاویه تماس قطره ها کاهش می یابد، سطح میدان الکتریکی برای شروع کرونا نیز کاهش می یابد. بدین ترتیب تصمیم گرفتیم معیار جدیدی را برای عایق ایجاد کنیم، یعنی اینکه هیچ کرونایی نباید در حداکثر ولتاژ عملیاتی رخ دهد.

شکل ۴: نتایج پیش آزمون بر روی عایق های کوچک. (سمت چپ) عایق تحت پوشش قطرات آب تولید شده توسط اسپری دستی مطابق با IEC TS 62073. (راست) قطره آب کورونای مشاهده شده توسط دوربین UV.

در زمان بررسی تاثیر رطوبت نسبی (RH)، کشف شد که ولتاژ ابتدای کرونا در سطوح مختلف رطوبت، بیش از ۱۰٪ کاهش یافته است. نتایج محاسبات میدان الکتریکی در سطوح مختلف ولتاژ و رطوبت، بهتر است با مشاهدات آزمایشگاهی در سطوح رطوبت بالاتر مطابقت داشته باشد. در حقیقت، از آنجا که هوا هنگامی که قطرات آب به عایق های برقدار (از جمله باران، روان، و غیره) اعمال می­شود، مرطوب است، منطقی است که در حین انجام آزمایش، محدوده­ی مرطوب تری انتخاب و استفاده شود. بنابراین، محدوده RH مناسب برای آزمایش های استاندارد RIV به نظر می رسد که ۴۵% تا ۷۵% بود.

اولین روش پیشنهادی STRI برای معیار کرونا، ۷۵٪ حداکثر ولتاژ عملیاتی بود. تست های توسعه بیشتر برای تنظیم بهتر روش استفاده از ولتاژ انجام شد و در طی این آزمایش مشاهدات کرونای مرئی با نتایج محاسبات میدان الکتریکی مقایسه شد. این روش به شرح زیر است: ولتاژ تا زمانی که آب موجب ایجاد کرونا بر روی سطح عایق ها مشاهده شد افزایش یافت و سپس ولتاژ به ۱۱۰٪ حداکثر ولتاژ عملیاتی (۲۶۷ کیلو ولت) کاهش یافت. این روش اعمال ولتاژ به ۹ عایق جدید (۳ عایق یکسان با یک طراحی) اعمال شد. داده های حاصل با محاسبات میدان الکتریکی در سطوح ولتاژ مشابه تکمیل شد. پیش بینی­های بر اساس محاسبات میدان الکتریکی توسط وجود / عدم وجود کرونا در طول آزمون پشتیبانی شد. پس از تنظیم دقیق، همان طور که مورد بحث قرار گرفت، این معیار به ۱۰۰٪ از حداکثر ولتاژ عملیاتی تغییر یافت (و نیز اعلام شد که آزمون فقط برای عایق های جدید معتبر است).

شکل ۵: ولتاژ ابتدایی کرونا بر روی محفظه­ی عایق در برابر زمان در معرض کرونا قرار گرفتن.

آزمایش ساختارهای پیچیده عایق

یکی از کاربردهای عملی اخیر، WDCI برای ساختارهای پیچیده با استفاده از عایق های کامپوزیتی بود. به عنوان مثال، Elia، TSO در کشور بلژیک، شبکه انتقال ۱۵۰ کیلوولت با مدار دوگانه، خود را به خطوط ۳۸۰ کیلوولت دو مداره ارتقاء داده است. تراورس­ها از روی برج های آسیب دیده برداشته می شوند و مقره ها با بازو های ترکیبی پیچیده جایگزین شدند. یکی از این طرح ها به وسیله آزمون WDCI در سطح مقدماتی، همانطور که در بالا توضیح داده شد، تمام شده است. معیار پذیرش این بود که کرونا در ۱۰۰٪ حداکثر ولتاژ عملیاتی نباید وجود داشته باشد. عدم وجود کرونا به وسیله محاسبات میدان الکتریکی در هر دو سطح ولتاژ ۲۴۳ کیلوولت و ۲۹۲ کیلوولت پیش بینی شده و با نتایج آزمایش اعتبار سنجی شده است (مناطق مشخص شده آبی تایید می کنند که هیچ کرونایی نباید براساس محاسبات دیده شود و مناطق مشخص شده زرد نشان دهنده این است که ممکن است کرونا مشاهده شود). نتایج مشابهی برای ساختار عایق سه فاز در مقیاس کامل ۴۲۰ کیلوولتی استفاده شده توسط شبکه ملی در انگلستان یافت شد، یعنی کرونا در حداکثر ولتاژ عملیاتی مشاهده نشد.

پیشنهاد نهایی برای آزمون WDCI

روش آزمایش قطره آبی که منجر به کرونا می­شود (WDCI) باید به صورت زیر انجام شود:

تنظیم و محیط زیست:

همانطور که در آزمون RIV (یک شبیه سازی برج می­تواند برای تست نمایندگی شرایط خدمات رسانی مفید باشد) با استفاده از عایق جدید با نام تجاری جدید مشاهده شد، شرایط محیطی باید بر اساس IEC 60437 باشد.

آزمون اهداف:

سه عایق از یک طراحی. اگر همه موفق شوند، آزمون موفق به حساب می­آید. اگر یک شکست وجود داشته باشد، آزمون باید با ۶ عایق جدید تکرار شود و اگر هیچ کدام شکست نخورد، آزمون موفق خواهد بود. اگر بیش از یک مورد در طول اولین آزمون شکست خورد، آزمون کلا به شکست مواجه است.

روش مرطوب سازی:

مرطوب کردن باید توسط بطری اسپری توصیه شده برای آزمون مرطوب مطابق با استاندارد IEC 62073 از فاصله حدود ۲۵ سانتی متری و برای حدود ۵ ثانیه ساخته شود. تمام قطعات فلزی باید با کاغذ / پارچه به طور کامل خشک شوند تا اطمینان حاصل شود که هیچ آبی برای ایجاد کرونا که آزمون اصلی را ماسکه کند، وجود ندارد. هدایت آب باید به اندازه استاندارد IEC باران، ۱۰۰ μS / cm باشد.

کاربرد ولتاژ:

ولتاژ باید مشابه آزمایش RIV باشد، یعنی اول باید به ولتاژ اولیه کرونا (یا، اگر اولین بار رسید، ۱۲۰٪ از حداکثر ولتاژ عملیاتی) افزایش یابد و سپس به ولتاژ هدف یعنی ۱۰۰٪ از حداکثر ولتاژ عملکرد کاهش یابد. مشاهدات کرونای مرئی باید در این دو سطح ولتاژ انجام شود و ولتاژ باید در هر سطح ۶۰ ثانیه نگه داشته شود تا ثبت مستندات مناسب با استفاده از دوربین های عکاسی امکان پذیر باشد.

روش های تشخیص:

مشاهده کورونا باید توسط دو دوربین عکاسی استاندارد نصب شده، به طور موازی نصب شده، با زمان شاتر ۳۰ ثانیه انجام شود. مهم این است که نتایج را با عکس هایی که از بالا و پایین شیء هدف گرفته شده است، سنجید، زیرا ممکن است از یکی از جهات کرونا پنهان باشد.

معیار پذیرش:

معیار پیشنهادی عبارت است از عدم وجود کرونای قابل مشاهده در ۱۰۰٪ حداکثر ولتاژ عملیاتی.

خلاصه

معیارهای محدودیت میدان الکتریکی در بخش­های حساس یک عایق کامپوزیتی پس از تحقیق جامع توسط جداول STRI و EPRI انجام شده است، اما اساسا منجر به نتایج مشابه با نتایج عددی می­شود. امکان بررسی نتایج محاسبات میدان الکتریکی با استفاده از روش تست قطره­هایی که منجر به ایجاد کرونا می شود (WDCI) تازه توسعه یافته است. این آزمایش تقریبا تمام الزامات IEC معمول را با بازتولیدی در آزمایشگاه دیگر بررسی می­کند. روش آزمون با استفاده از آزمون استاندارد RIV و / یا کرونا می­تواند مقرون به صرفه باشد و همچنین می تواند به عنوان یک نوع آزمون اضافی در هر کاربر مشخص برای عایق های کامپوزیتی مورد توجه قرار گیرد. ترکیبی از محاسبات میدان الکتریکی و تأیید آن­ها با آزمایش آزمایشگاهی، پایه­ی محکمی برای ابعاد بهینه و موقعیت حلقه های درجه بندی و آرک زدن ها بر روی عایق های کامپوزیتی ایجاد می­کند.