اولین کاربرد عایق های کامپوزیت در مکزیک در اواسط دهه ۱۹۹۰ به منظور استفاده اولیه منحصرا در خطوط انتقال، در مناطقی که مشکلات آلودگی داشتند بود. تجربه ی رو به رشد خدمات نهایتا منجر به ارائه ی استاندارد ملی برای چنین عایق هایی در خطوط ولتاژ بالای (HV) مکزیک شد. با این وجود به علت عدم تجربه عملیاتی منطقه ای کافی، استفاده از دستگاه های پست های با هاوزینگ پلیمری مانند بوشینگ ها و برق گیرهای ایستگاه های پستی در آن کشور هنوز استاندارد نشده است.

به منظور به دست آوردن تجربه از تکنولوژی عایق کامپوزیت در محیط پست مکزیک، چندین سال پیش بوشینگ های پلیمریک (polymeric bushing) بر روی یک مدار شکننده (breaking circuit) 230 کیلو ولت در محیطی با آلودگی شدید نصب شده بودند. عملکرد آنها –  همانند بوشینگ های پلیمریک ۲۳۰ کیلو ولت که چهار سال قبل در منطقه لرزه خیز با مقادیر بالای آلودگی صنعتی و ساحلی نصب شده بود – با استفاده از روش های بازرسی مانند کرونا(corona)، توزیع میدان الکتریکی، جریان نشتی(leakage current) و اندازه گیری های هیدروفوبیت(hydrophobicity measurements) بررسی شد.

 

شکل۱) آسیب به پست های مکزیک توسط زلزله های اخیر بسیار چشمگیر بود

 

مقدمه

طریقه ی ساخت اجزای پست با پوشش های عایق سیلیکونی مانند بوشینگ ها در سرتاسر جهان به علت مزایای ارائه شده در مقایسه با پوشش های عایق سرامیکی سنتی رشد یافته است. مقاومت مکانیکی بالا به همراه وزن خیلی کمتر و سطوح هیدروفوبیک، با هم ترکیب شده اند تا این دسته از اجزا پست را به مدلی ایده آل برای مناطق با آلودگی شدید به همراه خطرات لرزه ای بالا تبدیل کنند.

متاسفانه تجربه عملی اولیه مکزیکی ها در استفاده از تکنولوژی عایق کامپوزیت، دلگرم کننده نبود. این تجربه اولین بار در طول دهه ی ۱۹۸۰ زمانی که اولین خطوط هوایی که در غربی ترین قسمت کشور ساخته شده بودند با این عایق ها تجهیز شده بودند، آغاز شد. این عایق ها به دلیل مقاومت مکانیکی ضعیف و مقاومت پایین پوشش هایشان در برابر اشعه ی ماورای بنفش دارای نقص و نا کار آمدی حتی قبل از راه اندازی خط بودند. به دلیل آن تجربه، عایق غیر سرامیک سالها از همه کاربردهای در فضای باز در مکزیک ممنوع شده بود.

 

شکل۲) پست ها در Colima به دلیل آلودگی نیازمند شستشوی موثر (Live)  به طور منظم میباشند.

 

سپس، در اکتبر ۱۹۹۵ و ژانویه ۲۰۰۳، دو زلزله قدرتمند که به ترتیب ۷٫۹ و ۷٫۶ ریشتر بودند، منطقه ساحلی Colima را که منطقه ای با فعالیت های لرزه ای بالا و آسیب پذیر در برابر مشکلات آب و هوایی مثل طوفان های گرمسیری و گردباد ها بود را تکان دادند.

Manzanillo I و II دو نیروگاه بزرگ می‌باشند که در خط ساحلی Colima واقع شده اند. بین این دو نیروگاه شش ژنراتور که تامین کننده ی چهار خط انتقال۴۰۰ کیلو ولتی، یک خط ۲۳۰ کیلو ولت و پنج ایستگاه پست با ظرفیت کل ۳۷۴۷ مگا ولت آمپر است، موجود می‌باشد. شدت لرزه های اخیر سبب بوجود آمدن آسیب جدی به سوئیچ ها، بوشینگ های ترانسفورماتور و دیگر تجهیزات شد و همچنین دستگاه های زیادی به دلیل مقاومت لرزه ای ضعیف سرامیک ها تخریب شدند.

جدای از تهدید دائمی توسط زلزله، Manzanillo  I و II تحت تاثیر آلودگی های دریایی و همینطور احتراق محلی سوخت های فسیلی که نهایتا بر روی عملکرد عایق های خارجی تجهیزات مثل بوشینگ ها تاثیر می‌گذاشتند، قرار داشتند.

 

شکل۳) ترانسفورمر های ۴۰۰/۲۳۰ کیلو ولت در Manzanillo که با بوشینگ های سیلیکونی تجهیز شده بودند.

 

برای جلوگیری از صاعقه (اتصال کوتاه با ولتاژ بالا که بین هوا و هادی اتفاق می افتد) و قطع برق، استانداردهای ملی مکزیک در راستای  مجاز بودن استفاده از بوشینگ های غیر سرامیکی بر روی ترانسفورماتورهای عملیاتی در این محیط مورد تجدید نظر واقع شد. متعاقبا، این تجدید نظر و اعمال تغییرات به تمام تجهیزات پست های واقع در مناطقی که آلودگی و فعالیت های لرزه ای بالایی داشتند و همچنین برای پست های موبایل، اعمال شد. بدنه های پوششی لاستیکی سیلیکون در مقایسه با سرامیکی ها، به دلیل عملکرد بهترشان در برابر آلودگی و همچنین تحرک کمتر و انعطاف پذیری بالاتر، و کاهش حدود ۱ تا ۱۰ درصدی وزن، بدنه های پوششی بهتری به حساب آمدند.

پروژه ی تحقیقاتی در پست Manzanillo صورت گرفت و در آن بوشینگ های سرامیکی قبلی با مجموع توان ۱۰ ترانسفورمر  با واحدهایی شامل بدنه های  پوشش عایق کامپوزیت سیلیکون جایگزین شد. سپس سطوح این بوشینگ های جدید با استفاده از ابزارهای تشخیصی نظیر اندازه گیری زاویه تماس و مقاومت به سطح، با دقت مورد بررسی قرار گرفت.

از زمان نصب در سال ۲۰۰۳، این بوشینگ های جدید عملکرد عالی ای ارائه داده اند. علاوه بر این، بدنه ی پوشش های عایقی سیلیکونی آنها به رغم وجود یک لایه آلودگی، هیدروفوبیک باقی مانده بود که این به این معنی است که شستشوی موثر (LIVE)، که در مورد بوشینگ های سرامیکی قبلی باید به طور منظم و در طول ۷ ماه انجام شود، می تواند به کمتر از یک بار در سال کاهش یابد.

عایق هوای پست ۴۰۰kV  (The 400 kV air-insulated substation) در Manzanillo متعاقبا با یک GIS با مجموع ۲۱ بوشینگ سیلیکون متصل به خطوط انتقال جایگزین شد. این تغییر باعث شد که کشور از بزرگترین سیستم بوشینگ های سیلیکونی استفاده کند.

گام بعدی در استفاده از تکنولوژی بوشینگ غیر سرامیکی در مکزیک، یافتن مدت زمانی که این بدنه های پوشش عایقی سیلیکون می توانند عملکرد خوبی را تحت شرایط خدمات محلی مورد نیاز داشته باشند بود، به عبارت دیگر چه طول عمری را برای آنها میشود انتظار داشت. با توجه به این موضوع، CFE پروژه ای با هدف نصب بوشینگ های غیر سرامیکی مشابه را در یک پست دیگر با شرایط سرویس یکسان با شرایط موجود در Manzanillo آغاز کرد.

 

 

شیوه های مختلف تست

دو بوشینگ غیر سرامیکی بر روی (a 230 kV dead tank breaker) در منطقه تولیدی Cerro Prieta  در Mexicali، واقع در منطقه مشابه Manzanillo از نظر زلزله نگاری، نصب شدند.

این نیروگاه زمین گرمایی شامل چهار واحد تولید میباشند: : Cerro Prieto I با ظرفیت منصوب ۱۸۰ MW؛ Cerro Prieto II و III، هر کدام با ظرفیت ۲۲۰ مگاوات؛ و Cerro Prieto IV با ظرفیت ۱۰۰ مگاوات. از آنجایی که تجهیزات در این پست به طور پیوسته در معرض ترکیبی از آلودگی صنعتی و میعان میباشند، تمام عایق های آنجا، از قدیم الایام  باید حداقل چند بار در سال شسته میشدند.

بوشینگ های غیر سرامیکی که در مارس ۲۰۰۷ در پست نصب شدند و  از آن زمان به بعد به طور بسیار دقیقی با استفاده از اندازه گیری های جریان نشتی که در آن فرکانس و محدوده ی پیک های جریان با استفاده از سیستم جمع آوری اطلاعات به صورت سنتی ایجاد شده بود، مورد بررسی و نظارت قرار گرفتند.

به علاوه توزیع میدان الکتریکی آنها با استفاده از ابزاری که در ابتدا در Hydro-Québec توسعه یافته بود قبل و بعد از دوره تست اندازه گیری شد. در نهایت مشاهدات نیز با استفاده از یک دوربین فرابنفش ثبت شد تا خطر آسیب رساندن کرونا به بدنه ی عایق ها را مشخص کند. علاوه بر این، مجموعه ای از آزمایش های تخصصی نیز بر روی هر یک از عایق ها از جمله اندازه گیری زاویه تماس استاتیک، خصوصیات شیمیایی توسط طیف سنجی مادون قرمز و همچنین تحلیل سطح با ساختار میکرو صورت گرفت.

برای مثال، تجزیه و تحلیل دیجیتال تصویری شامل قطره ای آب که روی سطح غیر سرامیک قرار داده شده و با یک دوربین با وضوح بالا ضبط شده است. سپس فایل با استفاده از نرم افزار برای اندازه گیری زاویه تماس استاتیک مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. به طور مشابه، تحلیل ساختار میکرو توسط تکرار و تکثیر متوالی ساختار انجام میشود، یک تکنیک غیر مخرب که توپوگرافی میکرو ساختار سطح را به عنوان یک نگاتیو در بر روی یک فیلم استات نازک ثبت می کند.

 

شکل۴

یافته ها

به منظور ارزیابی شرایط آنها در شرایط فعلی، بوشینگ های غیر سرامیک در ابتدای دوره ی آزمایش با استفاده از تکنیک های توصیف شده در بالا مورد بررسی قرار گرفتند. به عنوان مثال شکل ۵،  توزیع میدان الکتریکی برای بوشینگ متصل به خط را هم در سال ۲۰۰۷ بعد از  اولین بار که نصب شد و هم در مارس ۲۰۱۱ نشان می دهد.

اصل اندازه گیری در این مورد شامل میدان الکتریکی مماسی در طول بوشینگ میباشد. همانطور که نشان داده شده است، میدان الکتریکی به سمت انتهای بوشینگ و همچنین در بالای صفحه که به خط متصل است متمرکز شده است. شکل منحنی نشان می دهد که هیچ مشکلی مشهودی با در(breaker) وجود ندارد. الگوی مشابهی از توزیع میدان الکتریکی نیز برای بوشینگ غیر سرامیکی متصل به خط خروجی مشخص شده است.

همچنین هیچ اثراتی از کرونای در راستای طول بوشینگ ها مشاهده نشده است. این در حالی است که در راستای هوای کنار متصل کننده های خطوط، برخی یونیزاسیون های هوا مشاهده شده بود. این عدم وجود کرونا، شواهدی مبنی بر عدم تخریب خارجی بدنه های عایق را حتی در شرایطی که اگر بوشینگ ها از زمان نصب شستشو داده نشده باشند ارائه میکند. از آنجایی که لاستیک سیلیکون دارای ویژگی انتقال هیدروفوبیسییتی اش به لایه آلودگی است، این امر موجب این می‌شود که آنها حتی تحت خدمات سنگین با آلودگی نیز هیدروفوبیک باقی بمانند.

شکل۵) توزیع میدان الکتریکی در راستای بوشینگ های غیر سرامیکی متصل به خط ورودی

سیستم جریان نشتی در نزدیکی قطع کننده(در breaker) نصب شده بود و داده های  جمع آوری شده نشان می دهد که قله های جریان در اطراف ۸ میلی آمپر میباشد – که بسیار کمتر از ۵۰ میلی آمپر که مورد نیاز برای شروع فعالیت باند خشک (dry band) در سطح زمین است، میباشد. حتی در طول بارندگی های نامنظم، حداکثر پیک ثبت شده در محدوده ی ۲۴ میلی آمپر بوده است که این مقدار برای تحلیل رفتن عایق سیلیکون کافی نیست.

علاوه بر این، به منظور ارزیابی بهتر رفتار هیدروفوبیک بدنه های  پوشش عایق ها در طول دوره تست، زاویه تماس استاتیک بر روی سایبان هایی (sheds) که در نزدیکی بالا، وسط و پایین بوشینگ ها قرار دارند اندازه گیری شد (شکل ۶ را ببینید).

شکل ۶) شماتیک dead tank breaker نقاطی که به منظور ارزیابی هیدروفوبیسیتی در راستای بوشینگ های غیر سرامیکی هستند را نشان میدهد

شکل۷) بوشینگ های غیر سرامیکی نصب شده بر روی dead tank breaker 230 کیلو ولتی در Cerro Prieto

 

 

اگر چه زنجیرهای سیلیکونی با وزن مولکولی کم در ابتدا به علت رطوبت بر روی سایبان ها از سطح مصرف می شوند، با گذشت زمان این مولکول ها از پلیمر حجیم به روی سطح آلاینده انباشته می شوند و هیدروفوبیسیتی سطح را احیا می کنند.

جدول ۱ مقادیر زاویه تماس استاتیک ثبت شده را نشان میدهد. همانطور که مشاهده می شود، زوایای تماس در تقریبا تمام سایبان های هر دو نوع بوشینگ در آزمایش در طی ماه های اول (ژوئن ۲۰۰۷) کاهش یافته است اما بعدا بر اساس آخرین ارزیابی این زاویه تماس افزایش یافته است. رفتار مشابهی در طی آزمایشات تسریع کننده ی تست پیری در آزمایشگاه دیده شده است و می تواند با این واقعیت که در ابتدا، زنجیره های مولکولی با وزن کم از سطح به علت باران و یا تراکم بر روی سایبان ها ها استفاده می شوند توجیه شود. با این حال، با گذشت زمان، این نوع مولکولها از پلیمر حجیم مهاجرت می کنند و در سطح آلاینده انباشته می شوند و در نتیجه هیدروفوبیسیتی سطح بازیابی میشود و زاویه تماس نیز افزایش می یابد.

جدول۱) سطر آخر تصویر های قطرات آب بر روی سایبان ها را برای هر ارزیابی نشان میدهد

 

شایان ذکر است که در حالی که بوشینگ های غیر سرامیک در طول دوره آزمایش هیچ وقت شسته نشدند، سطوح هیدروفوبیک شان را حفظ کردند. این امر خطر نشت جریان در زیر باران و میعان را در محیط خدمات چالش برانگیز نیز کاهش میدهد و به حفظ یکپارچگی بدنه های  پوشش عایق ها کمک میکند.

در هر ارزیابی از دو بوشینگ تست شده، ترکیب شیمیایی آنها نیز با استفاده از طیف سنجی فوریه ای مادون قرمز (FTIR) تایید شد. شکل ۹ نمونه های معمولی طیف FTIR  از بدنه های  پوشش عایق های بوشینگ متصل را که در زیر سایبان در زمان های مختلف ارزیابی اندازه گیری شده است را نشان می دهد. قله های a، b و  d به ترتیب جذب های منسوب به باند های  C-H، Si-CH3 و Si-O-Si  که مولفه های لاستیک سیلیکون هستند می‌باشد  و به منظور شناسایی سیلیکون به عنوان مولفه ی اصلی مواد بدنه های  پوشش عایق استفاده می‌شوند.

هیچ تغییری در این قله های در طول مدت ارزیابی های مختلف یافت نشد و این بدین معنی است که مواد سیلیکونی لاستیکی در طول مدت تست تحلیل نیافته اند.

شکل۸) Housing های بوشینگ های غیرسرامیکی ویژگی هیدروفوبیک خود را حتی بعد از ته نشین شدن رسوب حفظ میکنند

 

علاوه بر این، بدنه های  پوشش عایق ها، همانطور که در شکل ۴ که بیانگر طیف های FTIR اندازه گیری شده در حالت های مختلف سایبان بوشینگ چهار سال پس از نصب، نشان داده شده است، هیچ نشانی از تغییرات شیمیایی در طی طول کامل بوشینگ ها نشان نمی دهد. باز هم هیچ تغییری در قله های جذب وجود ندارد، از این رو می توان نتیجه گرفت که ترکیب شیمیایی در طول بدنه های  پوشش عایق در طول زمان آزمایش، بدون تخریب باقی مانده است.

شکل۹) طیف های بدنه های  پوشش عایق های بوشینگ در زمان های برآورد مختلف

شکل۱۰) به دلیل زلزله آوریل ۲۰۱۰، بوشینگ های ترانسفورماتور سرامیکی در نزدیکی برجستگی (flange) آسیب دیده است. توجه شود که مقدار زیادی آلودگی در سطوح انباشته شده است.

 

در نهایت، ساختار میکرو بدنه های  پوشش عایق سطح با استفاده از یک تکنیک غیر مخرب که به دنبال تغییر در سطوح پلیمری است مورد بررسی قرار گرفت. شکل ۵ نشان می دهد که پس از چهار سال خدمات برخی از تغییرات میکرو ساختاری که احتمالا به دلیل لایه آلودگی ای که با شستن برداشته نشده است ظاهر می شوند. با این حال، به وسیله ی هر دو ویژگی های فیزیکی و شیمیایی روش مشخص میباشد که بدنه های  پوشش عایق های بوشینگ غیر سرامیکی دچار تحلیل چشمگیری نشده است.

شکل ۱۱) طیف های FTIR در موقعیت های مختلف سایبان بر روی Housing های بوشینگ ها چهار سال بعد از نصب

یک زلزله شدید در مقیاس ۷٫۲ ریشتر در ۴ آپریل ۲۰۱۰ در Mexicali رخ داد. شدت لرزش ها شدیدا به تجهیزات الکتریکی مانند مدارهای قطع کننده و بوشینگ های ترانسفورمر با بدنه های  پوشش عایق های سرامیکی، که از وضعیت عادی Flange خود خارج شدند، آسیب رساند. در مقابل، به دو بوشینگ غیر سرامیکی هیچ آسیبی نرسید. این رویداد حکمت استفاده از عایق غیر سرامیکی در تجهیزات پست، به ویژه برای مناطق لرزه ای با آلودگی بالا را تایید کرد.

شکل۱۲) تصاویر میکرو ساختار بدنه های  پوشش عایق بوشینگ در زمان های مختلف ارزیابی که توسط میکروسکوپ الکترونیکی آنالیز شده بود.

 

 

خلاصه

استفاده از عایق غیر سرامیکی در تجهیزات مختلف ولتاژ بالاHV  در مکزیک از دهه گذشته آغاز شده است. تمرکز استفاده اولیه بر روی بوشینگ ترانسفورمر ۴۰۰/۲۳۰ کیلو ولت در Manzanillo II  با هدف جلوگیری از شکست در اثر زلزله بود. تا به امروز، این بوشینگ ها عملکرد خوبی را از خود، حتی در یکی از مناطق شدیدا لرزه ای کشور، به جای گذاشته اند.

به منظور به دست آوردن تجربه بیشتر، دو بوشینگ غیر سرامیکی بر روی یک (۲۳۰ kV dead tank breaker) در منطقه ای یکسان از منظر لرزه ای به منظور بررسی تخریب احتمالی بدنه های  پوشش عایق های پلیمری و همچنین از دست رفتن احتمالی عملکرد الکتریکی نصب شده بودند. سپس این بوشینگ ها به آزمایش های گسترده ای برای تشخیص الکتریکی و فیزیکوشیمیایی تبدیل شدند.

پس از چهار سال خدمات، نشانه هایی از زوال و بدتر شدن وجود ندارد. کرونا، آزمایش های جریان نشتی و توزیع میدان الکتریکی، همه تایید کننده ی این مطلب است که بوشینگ های جدید قادر به مقاومت در برابر هم حرکات لرزه ای و هم آلودگی صنعتی سنگین، حتی بدون شستشو میباشند. ارزیابی زاویه تماس و تجزیه و تحلیل شیمیایی سطوح آنها نشان داد که نه  از دست دادن طول عمر هیدروفوبیستی و نه هیچ تخریب قابل ملاحظه ای در بدنه های  پوشش عایق سیلیکون آنها نشان داده نمی شود. این تجربه با بوشینگ های غیر سرامیکی نه تنها بیانگر این مساله است که می توان انتظار عملکرد عالی خدمات را داشت، بلکه میتوان هزینه های نگهداری را  به طور قابل توجهی کاهش داد که این مطلب نیز مساله ای دیگر با درجه اهمیت یکسان می‌باشد.

 

منبع: October 27, 2018  INMR