Как изолаторът предотвратява електрическите повреди

Основните механизми за електрическа изолация на един изолатор

Блокиране на тока чрез високо съпротивление и структура с широка забранена зона

Изолаторите предотвратяват електрически повреди, защото блокират тока чрез естествените си материални свойства. Тези материали притежават изключително високо електрическо съпротивление, обикновено над 10^10 ома·метра, което прави много трудно електроните да се движат през тях. Това се дължи на така наречената електронна зона на забрана (bandgap), която обикновено е по-широка от 5 електронволта. Когато такава зона съществува, валентните електрони просто не могат да преминат в зоната на проводимост при обичайните работни напрежения, поради което зарядите практически се „заклинват“ и не се движат. Порцелановите изолатори с плътни ядра и различните полимерни типове функционират именно въз основа на този принцип, като ограничават изтичащите токове дори при продължително въздействие на напрежение. За още по-добра производителност производителите създават плътни кристални структури в керамичните материали или използват крос-линковани полимери, които ограничават местата, където йоните могат да се преместват. За по-добро разбиране на мащаба: резистивността на медта е около 10^-8 ома·метра. Това означава, че изолиращите материали са приблизително с 18 порядъка по-ефективни от медта при естественото спиране на електрическия ток.

Устойчивост към напрежение чрез диелектрична якост и праг на пробив

Добре изолиращите материали понасят внезапни вълни на напрежение, защото притежават т.нар. висока диелектрична якост. Това всъщност означава колко голямо електрическо поле (измерено в киловолта на милиметър) може да издържи материала, преди напълно да се повреди. Повечето разпространени материали като стъкло и силиконова гума обикновено издържат между 10 и 40 кВ/мм, което надвишава нормалния въздух, който понася само около 3 кВ/мм. Когато напреженията остават под тези граници, могат да възникнат малки електрически разряди, но те обикновено не причиняват проблеми. Веднъж обаче, когато тези граници бъдат превишени, нещата се влошават бързо — йоните започват да се умножават неконтролируемо, докато материала окончателно не се разруши. Затова инженерите винаги включват допълнителна защита при проектирането на изолационни системи, като обикновено целят работното напрежение да се поддържа около половината от максималната стойност, която материала може да понася. Това осигурява резерв за непредвидени събития като гръмотевични удари или колебания в електрическата мрежа. И говорейки за материали, качеството им също има голямо значение. Дори минимални количества влага, метални частици или прах върху повърхностите могат да намалят диелектричната якост с до две трети, което води до по-бързо остаряване на изолацията и по-ранно от очакваното разрушаване.

Предотвратяване на повърхностно преходно прескачане: път на изтичане по повърхността, замърсяване и хидрофобност

Проектиране на разстоянието на изтичане по повърхността за удължаване на пътя на повърхностното изтичане

Терминът „разстояние по повърхността“ се отнася основно до най-късото разстояние по повърхността на изолатора между различни електрифицирани компоненти. При проектирането на такива пътища инженерите се стремят да предотвратят образуването на нежелани течения на подтичане. Удължаването на този път всъщност увеличава повърхностното съпротивление и забавя потенциалните преходни пробиви, тъй като електричеството трябва да премине през по-резистентни слоеве от замърсяване. Стандартни организации като IEC 60815 определят минималните приемливи разстояния в зависимост от степента на замърсяване на конкретното място. Някои специални конструкции с форма на мъгла, снабдени с дълбоки ребра, могат да увеличат действителната повърхностна площ с около 30 до дори 40 процента спрямо гладки равни повърхности. За подстанции, разположени непосредствено до океаните, където солта се разпространява навсякъде, изискваните спецификации за разстояние по повърхността често достигат около 31 мм на киловолт или повече. Това помага да се запази добро ниво на експлоатационна сигурност, без да се увеличава прекомерно размерът на оборудването.

Хидрофобни повърхности и потискане на проводимите слоеве замърсяване

Свойството на отблъскване на водата предотвратява образуването на непрекъснати проводими филми върху повърхностите на изолаторите. Вземете за пример силиконовия каучук: той притежава нискоенергийни метилови групи по повърхността си, които формират ъгли на контакт над 90 градуса. Поради това водата се събира в капки, вместо да се разпръсва по повърхността на материала. Когато водата не се разпръсва, замърсяващите вещества не могат да се разтворят и да се преместват по електролитни пътища. Вместо това тези примеси остават като отделни частици и не образуват връзка между електродите. Полимерните изолатори всъщност демонстрират значително по-добра производителност в сравнение с традиционните порцеланови материали при наличие на влага или замърсяване. Някои свръхводоотблъскващи обработки запазват ъгли на контакт над 150 градуса. Полеви изпитания в близост до крайбрежни зони показаха, че тези обработки намаляват риска от пробиви, причинени от замърсяване, с около две трети. Следователно хидрофобните свойства действат на молекуларно ниво заедно с подобренията във физическата конструкция, за да повишат ефективността на изолацията.

Пътища на деградация на изолаторите и ранни индикатори за отказ

Топлинно стареене, ерозия от частични разряди и ефекти от химично замърсяване

Изолационните материали обикновено се разрушават с течение на времето чрез няколко свързани процеса: топлинно повреждане, частичен разряд и химично натрупване по повърхностите. Всички тези фактори действат заедно, за да намалят електрическите свойства на изолаторите. Когато температурите надвишат около 80 градуса Целзий, материалът започва да се разгражда по-бързо. За всеки допълнителен 8–10 градуса животът на полимерната изолация се намалява наполовина, тъй като молекулите започват да се разпадат и стават крехки. Частичният разряд създава микроскопични канали вътре в изолацията при локално възникване на малки искри. При неблагоприятни условия това може да намали способността за издръжане на напрежение с до 70–90 % само за няколко месеца. Промишлени замърсители като сулфати от фабрики, сол от крайбрежни райони и киселинен дъжд образуват проводими слоеве по повърхностите, които увеличават токовете на изтичане и водят до опасни дъгови разряди между сухи участъци. Ранни предупредителни признаци включват токове на изтичане над 500 микроампера, появяване на въглеродни следи по повърхностите и странни пращенето звуци, идващи от оборудването. Наблюдението на тези сигнали позволява извършването на поправки преди настъпване на отказ — което е изключително важно в места с висока влажност или замърсяване, където всичко се разрушава 5–10 пъти по-бързо в сравнение с нормалните условия.

Превантивно управление на надеждността на изолаторите

Когато компаниите прилагат проактивни стратегии за управление на надеждността, те наблюдават значително намаляване на неочакваните откази на оборудването, както и намаляване на общите разходи през целия жизнен цикъл на продукта. Преходът от чакане на повреди преди подмяна на части означава внедряване на такива мерки като инфрачервени сканирания за откриване на проблеми, свързани с топлината, използване на ултразвукови инструменти за установяване на електрически неизправности и създаване на карти на замърсяването чрез географски информационни системи. Следването на стандарта PAS 55 помага за създаване на систематични рутинни проверки, при които техниците проверяват повърхностите веднъж месечно за признаци на износване или пукнатини и провеждат тримесечни тестове върху изолационните материали, за да се уверят, че те все още са в добро състояние. Според проучване на ARC Advisory Group от 2022 г. този подход може да намали неплануваното просто стояне почти с три четвърти. Активите също имат по-дълъг срок на експлоатация, когато графикът за поддръжка съответства на действителното състояние на оборудването, а не следва общи временни рамки. Включването на данните от сензорите за изолаторите в системите за поддръжка, насочена към надеждността, прави всички тези реалновременни измервания – например на токовете на проникване или температурните промени по компонентите – значително по-полезни. Ръководителите на обектите получават конкретна информация, която им сочи точно кога ремонтите изискват внимание, базирана на действителните условия, а не на предположения.