عایق‌کننده‌ها چگونه از بروز خرابی‌های الکتریکی جلوگیری می‌کنند

مکانیزم‌های اصلی عایق‌بندی الکتریکی در یک عایق

مسدود کردن جریان الکتریکی از طریق مقاومت بالا و ساختار شکاف انرژی

عایق‌ها با مسدود کردن جریان الکتریکی با استفاده از ویژگی‌های ذاتی مواد تشکیل‌دهنده‌شان، از بروز خرابی‌های الکتریکی جلوگیری می‌کنند. این مواد مقاومت الکتریکی بسیار بالایی دارند، معمولاً بیش از ۱۰^۱۰ اهم‌متر، که عبور الکترون‌ها از آن‌ها را بسیار دشوار می‌سازد. این امر به دلیل وجود «شکاف انرژی الکترونی» (Bandgap) است که معمولاً بیش از ۵ الکترون‌ولت گسترده می‌شود. وقتی چنین شکافی وجود دارد، الکترون‌های ظرفیت در ولتاژهای عادی عملیاتی نمی‌توانند به نوار هدایت منتقل شوند؛ بنابراین بارها عملاً در جای خود محبوس می‌مانند و جابه‌جایی نمی‌یابند. عایق‌های سرامیکی از جنس پورسلن با هستهٔ متراکم و انواع مختلف عایق‌های پلیمری دقیقاً بر این اصل کار می‌کنند و حتی در معرض تنش‌های ولتاژی طولانی‌مدت نیز جریان‌های نشتی را تحت کنترل نگه می‌دارند. برای بهبود بیشتر عملکرد، سازندگان ساختارهای بلوری متراکمی را در مواد سرامیکی ایجاد می‌کنند یا از پلیمرهای شبکه‌بندی‌شده استفاده می‌کنند تا مسیرهای حرکت یون‌ها را محدود سازند. برای درک بهتر این مقایسه، مقاومت ویژه مس حدود ۱۰^-۸ اهم‌متر است؛ یعنی مواد عایق در جلوگیری طبیعی از جریان الکتریکی تقریباً ۱۸ مرتبه بزرگ‌تر (۱۰^۱۸ برابر) از مس عمل می‌کنند.

تحمل تنش ولتاژ از طریق استحکام دی‌الکتریک و آستانه شکست

مواد عایق خوب، نوسانات ناگهانی ولتاژ را تحمل می‌کنند، زیرا دارای «مقاومت دی‌الکتریک بالا» هستند. این اصطلاح به معنای حداکثر فشار میدان الکتریکی (که بر حسب کیلوولت بر میلی‌متر اندازه‌گیری می‌شود) است که ماده می‌تواند قبل از اینکه کاملاً از کار بیفتد، تحمل کند. بیشتر مواد رایجی مانند شیشه و لاستیک سیلیکونی معمولاً بین ۱۰ تا ۴۰ کیلوولت بر میلی‌متر را تحمل می‌کنند که این مقدار از هوای معمولی — که تنها حدود ۳ کیلوولت بر میلی‌متر را تحمل می‌کند — بسیار بیشتر است. وقتی ولتاژها زیر این حد‌ها باقی بمانند، ممکن است تخلیه‌های الکتریکی جزئی رخ دهد، اما عموماً باعث ایجاد مشکل نمی‌شوند. با این حال، به محض اینکه این آستانه‌ها از سر گذرند، وضعیت به سرعت وخیم می‌شود؛ زیرا یون‌ها بدون کنترل تکثیر می‌یابند تا اینکه ماده در نهایت به‌طور کامل از کار بیفتد. به همین دلیل، مهندسان هنگام طراحی سیستم‌های عایق‌بندی همواره محافظت اضافی را پیش‌بینی می‌کنند و معمولاً سعی می‌کنند کارکرد سیستم را در حدود نیمی از ظرفیت واقعی ماده نگه دارند. این رویکرد فضایی را برای وقایع غیرمنتظره مانند صاعقه یا نوسانات شبکه برق فراهم می‌کند. و در مورد مواد، کیفیت آن‌ها نیز اهمیت بسیار زیادی دارد. حتی مقادیر بسیار اندک رطوبت، ذرات فلزی یا آلودگی روی سطوح می‌توانند مقاومت دی‌الکتریک را تا دو سوم کاهش دهند و منجر به پیرشدن سریع‌تر و خرابی زودهنگام عایق شوند.

پیشگیری از شکست سطحی: مسیر نشت سطحی، آلودگی و آب‌گریزی

طراحی فاصلهٔ نشت سطحی برای افزایش مسیر نشت روی سطح

اصطلاح «فاصله نشتی» اساساً به کوتاه‌ترین مسیر روی سطح عایقی اشاره دارد که اجزای مختلف تحت ولتاژ را به یکدیگر متصل می‌کند. هنگامی که مهندسان این مسیرها را طراحی می‌کنند، تلاش دارند از تشکیل جریان‌های نشتی ناخواسته جلوگیری کنند. با افزایش طول این مسیر، در واقع مقاومت سطحی را افزایش داده و احتمال وقوع شکست الکتریکی سطحی (فلش‌اور) را کند می‌کنیم، زیرا جریان الکتریکی مجبور است از لایه‌های آلوده‌تر و مقاوم‌تری عبور کند. سازمان‌های استاندارد مانند IEC 60815 حداقل فواصل قابل قبول را بر اساس میزان آلودگی محیط خاصی تعیین می‌کنند. برخی طرح‌های خاص به شکل مه‌گونه با ریب‌های عمیق، می‌توانند مساحت واقعی سطح را نسبت به سطوح صاف و بدون ریب حدود ۳۰ تا حتی ۴۰ درصد افزایش دهند. در مورد پست‌های برقی واقع در مجاورت اقیانوس‌ها که نمک در سراسر آن‌ها پخش می‌شود، مشخصات مورد نیاز برای فاصله نشتی اغلب به حدود ۳۱ میلی‌متر بر کیلوولت یا بیشتر می‌رسد. این امر به حفظ سطح عملکرد مناسب کمک کرده و در عین حال اندازه تجهیزات را در حد قابل مدیریتی نگه می‌دارد.

سطوح آب‌گریز و سرکوب لایه‌های آلودگی هادی

ویژگی دفع آب مانع از تشکیل فیلم‌های رسانا و پیوسته روی سطوح عایق می‌شود. به عنوان مثال، لاستیک سیلیکونی دارای گروه‌های متیل کم‌انرژی در سطح خود است که زوایای تماسی بیش از ۹۰ درجه ایجاد می‌کنند. به همین دلیل، آب به‌جای پخش شدن روی سطح ماده، به‌صورت قطرات تشکیل می‌شود. وقتی آب پخش نمی‌شود، آلاینده‌ها نیز نمی‌توانند در آن حل شده و در طول مسیرهای الکترولیتی جابه‌جا شوند. بلکه این آلاینده‌ها به‌صورت ذرات جداگانه باقی می‌مانند و بین الکترودها اتصالی ایجاد نمی‌کنند. عایق‌های پلیمری در مقایسه با مواد سنتی سرامیکی (پورسلن)، عملکرد بسیار بهتری در شرایط مرطوب یا آلوده دارند. برخی از پوشش‌های فوق‌آب‌گریز، زوایای تماسی بیش از ۱۵۰ درجه را حفظ می‌کنند. آزمون‌های میدانی انجام‌شده در نزدیکی خطوط ساحلی نشان داد که این پوشش‌ها خطر رخداد شکست الکتریکی (فلش‌اور) ناشی از آلودگی را تقریباً دو سوم کاهش می‌دهند. بنابراین، خاصیت آب‌گریزی در سطح مولکولی و همراه با بهبودهای طراحی فیزیکی، عملکرد عایقی را ارتقا می‌بخشد.

مسیرهای تخریب عایق و نشانگرهای اولیه شکست

پیرشدگی حرارتی، فرسایش تخلیه جزئی و اثرات آلودگی شیمیایی

مواد عایق تمایل دارند در طول زمان از طریق چند فرآیند مرتبط با هم تخریب شوند: آسیب ناشی از گرما، سایش ناشی از تخلیه جزئی و تجمع مواد شیمیایی روی سطوح. تمام این عوامل به‌صورت هم‌افزایی بر خواص الکتریکی عایق‌ها تأثیر منفی می‌گذارند. وقتی دما از حدود ۸۰ درجه سانتی‌گراد فراتر رود، سرعت تخریب ماده افزایش می‌یابد. برای هر افزایش ۸ تا ۱۰ درجه‌ای دما، عمر عایش پلیمری تقریباً نصف می‌شود، زیرا مولکول‌های آن شروع به تجزیه و ترد شدن می‌کنند. تخلیه جزئی با ایجاد جرقه‌های محلی، کانال‌های ریزی را درون عایق ایجاد می‌کند. در شرایط نامطلوب، این پدیده می‌تواند ظرف چند ماه تنها، توانایی مقاومت ولتاژی عایق را تا ۷۰ تا ۹۰ درصد کاهش دهد. آلاینده‌های صنعتی مانند سولفات‌های ناشی از کارخانه‌ها، نمک موجود در مناطق ساحلی و باران اسیدی، لایه‌های هادی را روی سطوح ایجاد می‌کنند که جریان‌های نشتی را افزایش داده و منجر به قوس‌زنی خطرناک بین نقاط خشک می‌شوند. نشانه‌های اولیه هشداردهنده شامل جریان‌های نشتی بیش از ۵۰۰ میکروآمپر، ظهور ردپای کربنی روی سطوح و صداهای ترکیدن غیرمعمول ناشی از تجهیزات است. پایش این نشانه‌ها امکان انجام تعمیرات پیش از وقوع خرابی را فراهم می‌کند؛ این امر به‌ویژه در مناطقی با رطوبت و آلودگی بالا بسیار حیاتی است، زیرا در این شرایط نرخ تخریب ۵ تا ۱۰ برابر سریع‌تر از شرایط عادی است.

مدیریت پیش‌گیرانه قابلیت اطمینان عایق‌ها

وقتی شرکت‌ها استراتژی‌های مدیریت پیشگیرانه قابلیت اطمینان را به کار می‌برند، کاهش چشمگیری در خرابی‌های غیرمنتظره تجهیزات و همچنین کاهش هزینه‌های کلی در طول چرخه عمر محصول مشاهده می‌شود. این تحول از رویکردی که در آن قطعات تنها پس از وقوع خرابی تعویض می‌شوند، به سمت اجرای روش‌هایی مانند اسکن‌های مادون قرمز برای شناسایی مشکلات حرارتی، استفاده از ابزارهای فراصوت برای تشخیص نقص‌های الکتریکی و تهیه نقشه‌های آلودگی با استفاده از سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS) صورت می‌گیرد. پیروی از استاندارد PAS 55 به ایجاد رویه‌های نظارتی سیستماتیک کمک می‌کند؛ به‌طوری‌که تکنسین‌ها سطوح تجهیزات را هر ماه برای علائم سایش یا ترک‌خوردگی بازرسی می‌کنند و تست‌های عایق‌بندی را هر سه ماه یک‌بار انجام می‌دهند تا از پایداری عملکرد آن‌ها اطمینان حاصل شود. بر اساس تحقیقات گروه مشاوره‌ای ARC در سال ۲۰۲۲، این رویکرد می‌تواند زمان توقف غیر برنامه‌ریزی‌شده را تقریباً به یک چهارم کاهش دهد. همچنین دارایی‌ها زمانی که برنامه‌های نگهداری با وضعیت واقعی تجهیزات (نه با زمان‌بندی‌های عمومی) هماهنگ باشند، عمر طولانی‌تری خواهند داشت. وارد کردن داده‌های حسگری مربوط به عایق‌ها در سیستم‌های نگهداری متمرکز بر قابلیت اطمینان (RCM)، اندازه‌گیری‌های لحظه‌ای از جریان‌های نشتی یا تغییرات دما در سراسر اجزا را بسیار مفیدتر می‌کند. مدیران تأسیسات اطلاعات عینی و قابل اعتمادی دریافت می‌کنند که دقیقاً بر اساس شرایط واقعی (نه بر اساس حدس و گمان) نشان می‌دهد چه زمانی تعمیرات نیاز به توجه فوری دارند.