Kuidas isolaator takistab elektrikahjustusi

Isolatsioonimaterjali põhilised elektrilise isoleerimise mehhanismid

Voolu voolu blokeerimine kõrga takistuse ja ribalüügistruktuuri abil

Isolaatorid takistavad elektrikahjustusi, blokeerides voolu läbimise oma loomulike materjalide omaduste abil. Need materjalid omavad väga kõrget elektritakistust, sageli üle 10^10 oomi meetri kohta, mistõttu on elektronide liikumine nendes väga raske. See juhtub tänu nii nimetatud elektronlõhule, mille laius on tavaliselt suurem kui 5 elektronvolti. Kui selline lõhe eksisteerib, ei saa valents-elektronid tavaliste tööpingete korral üles hüppada juhtivuspiirki, mistõttu laengud püsivad põhimõtteliselt paigas ja ei liigu ringi. Porselani isolaatorid tahkete südamikega ning erinevad polümeeritüübid toimivad täpselt selle põhimõtte alusel, hoiates lekkevoolud tagasihoidlikus olukorras ka pikaajalise pingekoormuse korral. Täiendava jõudluse parandamiseks loovad tootjad keramilistes materjalides tihedaid kristallstruktuure või kasutavad ristseotud polümeere, mis piiravad ioonide liikumisvõimalusi. Selle paremaks mõistmiseks: vasaku resistiivsus on umbes 10^-8 oomi meetri kohta. See tähendab, et isoleerivad materjalid on loomulikult elektri voolu peatamisel ligikaudu 18 kuupkorda tõhusamad.

Dielektrilise tugevuse ja läbimurdmislahku kasutamine pingetäitumise talumiseks

Hea isoleermaterjal talub äkki tekkinud pingetippe, sest tal on nii nimetatud kõrge dielektriline tugevus. See tähendab põhimõtteliselt seda, kui suurt elektrivälja rõhku (mõõdetuna kilovoltides millimeetri kohta) materjal suudab taluda enne täielikku läbimurret. Enamikku levinud materjale, näiteks klaasi ja silikoongummi, suudab taluda tavaliselt 10–40 kV/mm, mis on palju parem kui tavalise õhu umbes 3 kV/mm. Kui pinge jääb nendest piiridest alla, võivad tekkida väikesed elektrilised läbilöögid, kuid need ei põhjusta tavaliselt probleeme. Kui aga need piirid ületatakse, muutuvad asjad kiiresti halvemaks: ioonid hakkavad kontrollimatult korrastuma, kuni materjal lõplikult laguneb. Seepärast ehitavad insenerid alati isoleerimissüsteemide projekteerimisel ette lisakaitset ja püüavad tavaliselt hoida tööpinget materjali tegelikust maksimaalsest pingest umbes poole pealt. See annab ruumi ootamatute sündmuste jaoks, näiteks äikese löökidele või võrgupinge kõikumistele. Ja kui rääkida materjalidest, siis nende kvaliteet on samuti väga oluline. Isegi väga väikesed niiskuse, metallitükkide või mustuse kogused pinnal võivad vähendada dielektrilist tugevust kuni kahe kolmandiku võrra, mistõttu vananeb isoleerimine kiiremini ja läheb varasemalt lagunema, kui oodatakse.

Pinnakäigu vältimine: pindlik läbikäigutee, saastumine ja hüdrofoobsus

Pindliku läbikäigutee kauguse projekteerimine pindliku lekke tee pikendamiseks

Mõiste 'läbipõlemisdistants' viitab põhimõtteliselt lühimale teele isolaatori pinnal erinevate pingestatud komponentide vahel. Kui insenerid neid teid projekteerivad, siis püüavad nad takistada soovimatute lekkevoolude teket. Selle tee pikenemisega suurendame tegelikult pinnakujutise takistust ja aeglustame potentsiaalseid läbipõlemisi, kuna elekter peab läbima suurema takistusega saastumiskihid. Standardite organiseerimisasutused, näiteks IEC 60815, määravad minimaalsed lubatud kaugused sõltuvalt sellest, kui saastunud konkreetne asukoht võib olla. Mõned erilised udusarnased disainid sügavate ribadega võivad suurendada tegelikku pindala umbes 30–40 protsenti võrreldes lihtsate siledate pindadega. Elektrijaamades, mis asuvad ookeani ääres ja kus sool on kõikjal, ulatuvad nõutavad läbipõlemisnõuded sageli 31 mm/kV-ni või isegi kõrgemale. See aitab säilitada hea töökindluse taseme ning samal ajal hoida seadmete mõõtmeid üleüldiselt mugavas piiris.

Hüdrofoobsete pindade ja juhtivate saastekihike tõrje

Veekartuvuse omadus takistab pidevate juhtivate kihina insulaatorite pinnale moodustumist. Näiteks silikoongummi pinnal on madala energiaga metüülgrupid, mis teevad kontaktinurga üle 90 kraadi. Selle tõttu kujutab vesi tilkeid, mitte levima materjali pinnal. Kui vesi ei levi, siis ei saa saasteained ka lahustuda ega liikuda elektrolüütiliste radade järgi. Pigem jäävad need saasteained eraldatud osakestena ja ei ühendu elektroodide vahel. Polümeerinsulaatorid toimivad niiskuse või saastumisega seotud probleemide korral tegelikult palju paremini kui traditsioonilised portselaanmaterjalid. Mõned väga veekartuvad töötlused säilitavad kontaktinurga üle 150 kraadi. Välitestingud rannikualadel näitasid, et need töötlused vähendasid saastumise tekitatud läbipõkkeloovutuse riski umbes kahe kolmandiku võrra. Seega aitavad hüdrofoobsed omadused molekulaarsel tasandil koos füüsiliste konstruktsiooniparandustega parandada isoleerumisomadusi.

Isolaatori degradatsiooni teed ja varajased vääratöö tegurid

Soojuslik vananemine, osalise läbilöögi erosioon ja keemiline saastumine

Isolaatorite materjalid lagunevad aeglaselt mitme omavahel seotud protsessi tõttu: soojuskahjustus, osaline läbilöömine ja pinnale kogunenud keemilised ühendid. Kõik need tegurid koos nõrgendavad isolaatorite elektrilisi omadusi. Kui temperatuur tõuseb umbes 80 °C üle, hakkab materjal kiiremini lagunema. Iga täiendava 8–10-kraadise temperatuuri tõusuga lüheneb polümeerisolaatori eluiga pooleks, sest molekulid hakkavad lagunema ja materjal muutub habras. Osaline läbilöömine teeb isolaatorisse väikesi kanaleid, kui toimuvad kohalikud väikesed sädemed. Halvates oludes võib see vähendada pinget vastu pidamise võimet juba mõne kuu jooksul 70–90 protsendi võrra. Tööstuslikud saastajad, näiteks tehastest pärinevad sulfaadid, rannikualadelt pärit sool ning happeline vihmasuve, moodustavad pinnale juhtivaid kihti, mis suurendavad lekkevoolusid ja põhjustavad ohtlikku kaaretekkimist kuivade alade vahel. Varasemad hoiatusmärgid hõlmavad lekkevoolusid üle 500 mikroampriga, pinnale ilmuvaid süsinikujälgi ning seadmest tulenevaid imelikke kriiskavaid helisid. Nende signaalide jälgimine võimaldab remonti teha enne katkemist, mis on eriti oluline niiskete või saastatud piirkondade puhul, kus kõik laguneb 5–10 korda kiiremini kui tavatingimustes.

Proaktiivne isolaatori usaldusväärsuse haldus

Kui ettevõtted rakendavad ennetavaid usaldusväärsuse haldusstrateegiaid, vähenevad ootamatud seadmete katkised oluliselt ning kogukulud vähenevad kogu toote elutsükli jooksul. Üleminek seisundist, kus osi asendatakse alles pärast katkestusi, tähendab selliste meetodite rakendamist nagu infrapunaskannimine soojusprobleemide tuvastamiseks, ultraheli tööriistade kasutamine elektriprobleemide leidmiseks ning geograafiliste informatsioonisüsteemide abil saaste kaartide koostamine. PAS 55 standardite järgimine aitab luua süstemaatilisi jälgimisprotseduure, kus tehnikud kontrollivad kuus üle pindu märkeid kulutumisest või pragudest ning teevad kvartalis isolatsioonmaterjalide kohta testid, et veenduda, et need on endiselt vastavas seisukorras. ARC Advisory Groupi 2022. aastal tehtud uuringute kohaselt võib selline lähenemisviis vähendada plaanipäraseid seiskumisi peaaegu kolme neljandikku. Varad kestavad ka pikemalt, kui hooldusgraafikud vastavad tegelikule seadmete seisundile, mitte üldistatud ajakavadele. Isolatsioonseadmete andmete sisestamine usaldusväärsuskeskse hooldussüsteemi muudab reaalajas mõõdetud andmed näiteks lekkevooludest või komponentide temperatuurimuutustest palju kasulikumaks. Hoonejuhid saavad konkreetset teavet, mis näitab neile täpselt, millal remont on tegelike tingimuste põhjal vajalik, mitte arvamuste põhjal.