مهندسی برق فشار قوی: از عایق بندی و تخلیه جزئی تا آزمون های ولتاژ بالا

متن فارسی:

شبکه های قدرت امروزی انرژی را در ولتاژهایی تا چند صد کیلوولت منتقل می کنند و در این سطح، عایق بندی مهم ترین عامل قابلیت اطمینان تجهیزات است. مهندسی فشار قوی به مطالعه رفتار میدان الکتریکی، مواد عایق و سازوکارهای شکست می پردازد تا تجهیزات در برابر تنش های دائمی و گذرا ایمن بمانند.

دشمن پنهان عایق ها تخلیه جزئی است: تخلیه الکتریکی موضعی که فضای میان دو الکترود را به طور کامل پل نمی زند. این پدیده معمولا در حفره های گازی داخل عایق جامد آغاز می شود، زیرا ثابت دی الکتریک گاز کمتر است و سهم بیشتری از میدان بر حفره می افتد، در حالی که استقامت شکست گاز هم پایین تر است. پیامد آن فرسایش تدریجی عایق، تولید ازن و در نهایت شکست کامل است. شکل آشکار این پدیده در هوا کروناست: هرگاه گرادیان ولتاژ در سطح هادی از استقامت دی الکتریک هوا، حدود ۳۰ کیلوولت بر سانتی متر در شرایط متعارف، فراتر رود، هوای پیرامون یونیزه و تخلیه ای نورانی همراه با تلفات انرژی و تداخل رادیویی پدید می آید.

برای مهار این تنش ها، طراحی عایقی بر کنترل میدان استوار است: فاصله های هوایی و خزشی کافی، سطوح هم پتانسیل و حلقه های کرونا میدان را یکنواخت می کنند تا هیچ نقطه ای به آستانه تخلیه نرسد. انتخاب میان عایق های گازی، مایع و جامد نیز با توجه به استقامت دی الکتریک، تلفات و رفتار حرارتی انجام می شود.

درستی این طراحی با آزمون های استاندارد سنجیده می شود. استاندارد IEC 60060 آزمون های تحمل ولتاژ فرکانس قدرت و ضربه را تعریف می کند؛ ضربه صاعقه استاندارد با زمان پیشانی ۱٫۲ و زمان نیمه مقدار ۵۰ میکروثانیه و ضربه کلیدزنی ۲۵۰/۲۵۰۰ میکروثانیه، اضافه ولتاژهای گذرای شبکه را شبیه سازی می کنند. حساس ترین ابزار تشخیص سلامت عایق اما اندازه گیری تخلیه جزئی طبق IEC 60270 است که بار ظاهری تخلیه را بر حسب پیکوکولن گزارش می کند و با آشکارسازی زودهنگام نقص های پنهان، امکان نگهداری پیشگیرانه و افزایش عمر ترانسفورماتورها، کابل ها و کلیدخانه های عایق شده با گاز را فراهم می آورد.

High Voltage Engineering: From Insulation and Partial Discharge to High-Voltage Testing

Modern power systems transmit energy at voltages of up to several hundred kilovolts, and at this level insulation is the most important factor in equipment reliability. High voltage engineering studies the behaviour of the electric field, insulating materials and breakdown mechanisms so that equipment remains safe under permanent and transient stresses.

The hidden enemy of insulation is partial discharge: a localised electrical discharge that does not completely bridge the space between the electrodes. It usually begins in gas-filled cavities inside solid insulation, because the permittivity of the gas is lower, so a larger share of the field falls across the cavity, while the breakdown strength of the gas is also lower. The result is gradual erosion of the insulation, ozone generation and eventually complete breakdown. The visible form of this phenomenon in air is corona: whenever the voltage gradient at the conductor surface exceeds the dielectric strength of air, about 30 kV per centimetre under standard conditions, the surrounding air becomes ionised and a luminous discharge appears, accompanied by energy losses and radio interference.

To control these stresses, insulation design is based on field control: adequate clearance and creepage distances, equipotential surfaces and corona rings make the field uniform, so that no point reaches the discharge threshold. The choice among gaseous, liquid and solid insulations also depends on dielectric strength, losses and thermal behaviour.

The soundness of this design is verified by standardised tests. IEC 60060 defines power-frequency and impulse voltage withstand tests; the standard lightning impulse, with a front time of 1.2 microseconds and a time to half-value of 50 microseconds, and the 250/2500 microsecond switching impulse simulate the transient overvoltages of the network. The most sensitive tool for assessing insulation health, however, is partial discharge measurement according to IEC 60270, which reports the apparent charge of the discharge in picocoulombs and, by revealing hidden defects early, enables preventive maintenance and a longer service life for transformers, cables and gas-insulated switchgear.

کلیدواژه ها / Keywords:

مهندسی فشار قوی، عایق بندی الکتریکی، تخلیه جزئی، کرونا، هماهنگی عایقی، آزمون ضربه، IEC 60060، IEC 60270

High voltage engineering, electrical insulation, partial discharge, corona, insulation coordination, impulse testing, IEC 60060, IEC 60270

منابع / References:

1. IEC 60060-1:2010, High-voltage test techniques – Part 1: General definitions and test requirements, International Electrotechnical Commission.

2. IEC 60270:2000, High-voltage test techniques – Partial discharge measurements, International Electrotechnical Commission.

3. Kuffel, E., Zaengl, W. S., & Kuffel, J. (2000). High Voltage Engineering: Fundamentals (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann (Newnes).

4. Naidu, M. S., & Kamaraju, V. (2013). High Voltage Engineering (5th ed.). New Delhi: McGraw-Hill Education.

5. Hauschild, W., & Lemke, E. (2014). High-Voltage Test and Measuring Techniques. Berlin: Springer.