تحقیق در مورد عایق الکتریکی

عایق برای مجزا سازی رساناهای الکتریکی از یکدیگر و جدا کردن آن ها از دیگر و جدا کردن آن ها از دیگر اشیاء نزدیک، موردنیاز است. در حالت ایده آل، عایق باید کاملاً نارسانا باشد. آن موقع است که جریانات کاملاً به رساناهای مورد نظر محدود می شوند. به هر حال، عایق برخی جریانات را عبور می دهد پس باید آن را به عنوان ماده ای با مقاومت ویژه بسیار بالا قلمداد کرد. در بسیاری از کاربردها، شارش جریان ناشی از رسانش از میان عایق آن قدر کم است که ممکن است کلاً نادیده گرفته شود. در برخی موارد جریانات رسانش از طریق ابزارآلات بسیار حساس اندازه گیری می شود و مناسب آزمایش هستند تا شایستگی عایق را برای استفاده در سرویس تعیین کنند. اگر چه مواد عایق تحت شرایط عادی پایدار هستند، اما ممکن است تحت شرایط فشار ولتاژ یا درجه حرارت یا براساس عملکرد شیمیایی کلاً عوض شوند، ممکن است چنین تغییری در مناطق محلی به بیشتر رسانا شدن ماده عایق بینجامد. شارش جریان اضافی باعث گرمای شدید و نابودی سریع عایق می شود این نقضان هیا عایق درصد بالایی از مشکلات وسایل در سیستم های توان الکتریکی را توجیه می کند. انتخاب مواد مناسب، گزینش اشکال و ابعاد مناسب و کنترل عوامل مخرب، برخی از مشکلات طراح سیستم عایق می باشند. مواد مختلفی به عنوان عایق در سیستم های توان الکتریکی استفاده می شوند. انتخاب ماده از طریق نیاز به کاربرد ویژه و هزینه تعیین شده است. در اقامتگاها، رساناهایی که درمدارات انشعابی یا در سیستم ها برای وسایل استفاده شده اند با لاستیک یا انواع مختلف پلاستیک عایق شده اند. چنین موادی می توانند در برابر خم شدگی های ضروری مقاومت کنند و در ویژگی های شان نسبتاً پایدار هستند و ارزان می باشند. آن ها در معرض فشار الکتریکی نسبتاً پایینی قرار گرفته اند. کابل های ولتاژ بالا در معرض فشار ولتاژ بالایی قرار گرفته اند دربرخی موارد صدها کیلو وات، چند سانتی متر عایق را تحت تأثیر قرارمی دهد. آن ها باید در قطعات بلندی ساخته شوند و باید به اندازه کافی انعطاف پذیر باشند تا اجازه دهد آن ها وارد لوله های برش عرضی کوچک شوند. و باید به اندازه کافی انعطاف پذیر باشند تا اجاره دهد آن ها وارد لوله های برش عرضی کوچک شوند. ممکن است عایق کاغذ روغن اندود، مکمل روغن جلا شده یا مواد مصنوعی مثل پلی اتیلن باشد. پیچک های ژنراتورها وموتورها ممکن است با انواع مختلفی از نوارها عایق شده باشند. برخی از آن ها از ورقه های نازک میکا تشکیل شده اند که با چسب به یکدیگر متصل شده اند و برخی دیگر از فایبر گلاس هستند که با روغن جلای عایقی اندوده شده اند. این عایق باید بتواند درجه حرارت های بالای عملکردی، فشارهای مکانیکی زیاد و ارتعاش را تحمل کند. عایق در سیم پیچ های ترانسقورماتور قدرت معمولاً نوار کاغذی و صفحه فشرده ای است که موجب روغن عمل کرده است. روغن کاغذ را اشباع می کند حسابی قدرت عایق آن را افزایش می دهد و با گردش و انتشار در میان مجردها به عنوان عاملی انجام وظیفه می کند که گرمای تولید شده توسط تلفات P.R و تلفات هسته در ترانسفورماتور را درو می کند و بیرون می برد. عایق ترانسفورماتور درمعرض فشار الکتریکی بالا و نیروهای مکانیکی بزرگی قرار گرفته است. شکل و ترتیب اجزای فلزی رسانا در طراحی ترانسفورماتور رابطه ویژه ای دارند. خطوطی که زیادی گرم هستند در عایق های چینی حمل شده اند. چینی انتخاب شده است چون هنگامی که درمعرض آب وهوا، قدرت بالای دی الکترویک و قابلیت تمیز شسته شدن در باران قرار می گیرد در برابر خرابی مقاوم است.

رفتار عایق در برابر الکتریستیه

هنگامی که عایق بین دو رسانای فلزی Aو B قرار گرفته که این دو رسانا به منبع ولتاژ متصل شده اند  ممکن است رویدادهای مختلفی که با عایق همدست هستند. شناسایی شوند. عایق یا دی الکتریک بر ظرفیت بین جوشن ها، بر جریان مقدار پایین شارش ها ازمیان بدنة عایق و بر جریان نشستی شارش ها در سطح عایق تأثیر می گذارد و اگر ولتاژ به اندازه کافی باشد. تغییرات ناگهانی در بدنه عایق، ممکن است آن را حسابی رسانا کند.

2-2- ظرفیت و پسماند دی الکتریک

همانطور که معلوم است، وجود یک دی الکتریک بین دو جوشن رسانا ظرفیت اندازه گیری شده بین این جوشن ها را افزایش می دهد. رفتار الکترون ها و پروتون ها، محاسبات دی الکتریک برای این افزایش ظریفیت را در بردارد. این پدیده ارزش مطالعه و بررسی را دارد و دیگر ویژگی ها اهمیت عایق را توضیح می دهد. همة مواد از پروتون ها الکترون ها و نوترون ها ساخته شده اند. در حالت عادی، این ذرات مثل اتم ها یا مولکول های گروه بندی شده اند که در آن ها تعداد الکترون ها و پروتون ها برابر است، بنابراین هر گروه از لحاظ الکتریکی خنثی است. به هر حال، هریک از این ذرات نیرویی را تجربه می کنند که به علت تأثیر متقابلش بر هر شارژ در حوالی جوشن ها واقع شده است. ما می گوییم که ذرات شارژ شده به میدان الکتریکی ایجاد شده بین جوشن ها پاسخ می دهند. در یک عایق کامل، الکترون ها وپروتون ها در اتم ها و مولکول ها انسجام یافته اند و اجازه ندارند از یک جوشن به جوشنی دیگر سوق دادن شوند. به هر حال در حضور یک میدان الکتریکی، ممکن است آن ها در فواصل بسیار کمی جابجا شوند یعنی الکترون ها به طرف آند و پروتون ها به طرف کاتد حرکت کنند. این حالت به صورتی بسیار ساده شده در شکلa2-3 تشریح شده است. این شکل، گروهی از مولکول های قطبی را نشان می دهد. هر یک از این ها خنثی هستند اما هر یک از آن های دارای یک الکترون اضافی در یک طرف و یک پروتون اضافی در منتهی الیه دیگر می باشند. ممکن است این ها با توجه به یکدیگر حرکت کنند اما در برخی موارد معین موقعیتی را دارند که در شکل نشان داده شده است. بگذارید توجه مان را به مولکول قطبی در p محدود کنیم سپس بگذاریم شارژها از طریق اتصال به منبع ولتاژ بر روی قسمت های A وB قرار گیرند. مولکول p می چرخد وتحت تأثیر میدان الکتریکی درگیر موقعیت جدیدی می شوند که الکترون ها به طرف A و پروتون ها به طرف B جابجا شده اند. . نزیک آندA، تعداد زیادی الکترون در دی الکتریک وجود دارد؛ نزدیک کاتدB تعداد زیادی پروتون در دی الکتریک موجود است. این شارژها تا حدودی اثر شارژی که از ابتدا بر روی جوشن قرار داشته و شارژهای اضافی که از منبع ولتاژ به طرف a و b حرکت کرده اند و مثل شارژهای دی الکتریک، موقعیت های جدیدشان را پذیرفته اند را خنثی می کند از این رو برای داشتن همین ولتاژ بین جوشن ها، شارژهایی که از منبع به طرف جوشن ها حرکت کرده اند در نتیجه وجود دی الکتریک افزایش یافته اند. بنابراین ظرفیت بین جوشن ها بیشتر از این است که بدون دی الکتریک باشد. هر موقع سیستمی از ذرات از یک موقعیت به موقعیتی دیگر حرکت کرده است در آن زمان نیروهایی وجود دارند که حرکت را محدود می کنند و برای ایجاد تغییر، زمان لازم است

این موردی است که در دی الکتریک ها وجود دارد. در برخی مواد تغییر در کمتر از یک میلیونیم ثانیه ایجاد می شود. و در دیگر مواد ممکن است ساعت ها زمان ببرد. در طول دورة تغییر، به نظر آید ظریفیت افزایش یافته است وجریان در مدار خارجی گردش می کند. گاهی اوقات گفته شده که شارژ در دی الکتریک نفوذ کرده است. این پدیده به عنوان جذب دی الکتریک شناخته شده است. هنگامی که منبع ولتاژ از جوشن های A و B قطع شده است و ولتاژ بین آن ها بواسطه یک ارتباط اتصالی صفر شده است( شکل a 3-3) ذرات جابه جا شده در دی الکتریک تمایل دارند که به حالت عادی شان برگردند، به هر حال اگر جهت دادن به آن ها زمان زیادی ببرد، برگرداندن آن ها به حالت نرمال و عادی هم زمان زیادی می برد. از این رو موقعیتی که در شکل a3-3 نشان داده شده است ممکن است برای مدت زمان ادامه پیدا کند، شارژ و بار که در هر جوشن باقی مانده است اثرش با شارژی که در دی الکتریک نزدیک جوشن ها باقی مانده، برابر است. بعد فرض کنید که اتصالی بر طرف شده است. نیروها به بازگردان دی الکتریک به حالت خنثی ادامه می دهند. علی رغم این که مدار باز است،

شارژهایی که در جوشن ها نگه داشته شده اند نمی توانند جابه جا شوند. هنگامی که دی الکتریک به شرایط عادی اش بر می گردد، شارژهای به دام افتاده در جوشن ها ولتاژی بینA,B تولید می کنند ممکن است این ولتاژ برای کارگری که انتظار دارد ظرفیت بین جوشن ها، بواسطه کاربرد کوتاه مدت یک اتصالی تخلیه شده باشد، یک خطر جدی باشد. این خطر بویژه برای وسایلی با ظرفیت بالا مثل کابل های ولتاژ بالا، خازن های استاتیک و پیچک های ژانراتور بسیار جدی می باشد. به همین دلیل وقتی که کارگرها با وسیله ای که احتمالاً از اتصالات منبع نیرو جدا شده، تماس فیزیکی دارند مطلوب است که چنین وسیله ای را دائماً همراه با اتصالی نگه داشت. دوباره با مراجعه به شکل a 2-3 و b در می یابیم که حرکت مولکولی زیاد شده باشد درجه حرارت ماده هم افزایش یافته است. اگر منبع تغذیه یک منبع اِی سی( جریان متناوب) باشد، هر تغییر ولتاژی باعث ایجاد تغییر موقعیت مولکول های قطبی و انرژی الکتریکی از منبع می شود که در عایق به گرما تبدیل خواهد شد. این اتلاف به عنوان پسماند دی الکتریک معروف است که با بسامد و با ولتاژ کاربردی افزایش می یابد و باید در طراحی کابل ولتاژ بالا در نظر گرفته شود.

 جریان رسانش و عایق

هنگامی که ولتاژ بین دو جوشنی که از طریق یک دی الکتریک از هم جدا شده اند به کارگرفته شده است تعدادی از الکترون های آزاد که در عایق وجود دارند از کاتد به آند سوق داده می شوند که این عملیات جریان رسانش (ازآند به کاتد)‌نامیده شده است وتلفات توان در عایق را نشان می دهد. در عایق، تعداد الکترون های آزاد کم است و در نتیجه مقاومت ماده زیاد می باشد. ممکن است تعداد الکترون های آزاد از طریق افزایش درجه حرارت، افزایش یابد.

جریان نشت سطحی

جریانات نشت سطحی در طول مسیرهای بین الکترودها، برروی سطح ماده عایق جریان دارند. مقدار این جریان به هیچ وجه به مقاومت خود ماده مربوط نیست. مقدار جریان نشتی به ولتاژکاربردی، ماده عایق، آلودگی سطح و رطوبت هوا بستگی دارد. در خط ولتاژ – بالای بسیار ممکن است جریانات نشت سطحی عایق حداکثر 100 میلی آمپر باشد.

شکست عایق

ممکن است عایق در فرآیندی به نام شکست، دستخوش تغییری ناگهانی در ویژگی ها شود. تنظیم و آرایشی ک ه در شکل 4-3 نشان داده شده را در نظر بگیرید. دو الکترود صفحه موازی A و B از طریق یک صفحه دی الکتریک به ضخامت t از هم جدا شده اند، یک منبع ولتاژ متغیرv اختلاف پناسیلی را بینA و B ایجاد کرده است. فرض کنیدکه ولتاژ به آرامی افزایش یافته است. در ابتدا جریان رسانش بسیار کم است، شاید قابل اندازه گیری در میلی آمپر باشد. همراه با افزایش ولتاژ کاربردی، ناگهان جریان هم افزایش می یابد و عایق ویژگی یک رسانای فلزی را به خود می گیرد. این شکست عایق گسترش یافته است. شاید نیم سوز شده باشد ویا شاید سوراخی باشد. ولتاژی که در آن چنین شکستی رخ می دهد، شکست یا ولتاژ سوارخ کننده vp نامیده شده و شدت میدان الکتریک در آن نقطه گرادیان شکست یا قدرت سوراخ کنندگی عایق نام گرفته است در حالی که t ضخامت عایق می باشد. قدرت سوارخ کنندگی یک نمونة ویژه ثابت و یکنواخت نیست بلکه بسته به ضخامت عایق، شکل و هندسه الکترودها و نرخ کاربرد ولتاژ تغییر می کند.