Hogyan akadályozza meg az áramszigetelő az elektromos hibákat

Egy szigetelő alapvető elektromos elszigetelési mechanizmusai

Az áramáramlás blokkolása a magas ellenállás és a sávszerkezet révén

Az izolátorok megakadályozzák az elektromos hibákat, mert anyagi tulajdonságaik révén blokkolják az áram átfolyását. Ezeknek az anyagoknak rendkívül magas az elektromos ellenállása, gyakran 10^10 ohm·méter feletti érték, ami nagyon nehézzé teszi az elektronok átjutását bennük. Ez az úgynevezett elektronikus sávtiltás következtében jön létre, amely általában 5 elektronvoltnál szélesebb. Amikor ilyen sávtiltás létezik, a vegyértékelektronok egyszerűen nem tudnak átugrani a vezetési sávba a normál üzemfeszültség mellett, így a töltések gyakorlatilag „megragadnak”, és nem mozognak. A tömör maggal rendelkező porcelán izolátorok és különböző polimer típusok pontosan ezen az elven működnek, és akár hosszabb ideig tartó feszültségterhelés hatására is visszaszorítják a szivárgási áramokat. A teljesítmény további javítása érdekében a gyártók sűrű kristályszerkezeteket hoznak létre kerámiákban, illetve kereszthálózott polimereket alkalmaznak, amelyek korlátozzák az ionok mozgásának lehetőségét. Összehasonlításképpen: a réz ellenállása körülbelül 10^-8 ohm·méter. Ez azt jelenti, hogy az izoláló anyagok természetes módon kb. 18 nagyságrenddel jobbak az áramátfolyás megakadályozásában.

Feszültségterhelés elviselése dielektromos szilárdsággal és átütési küszöbbel

A jó szigetelőanyagok ellenállnak a hirtelen feszültségcsúcsoknak, mert rendelkeznek úgynevezett magas dielektromos szilárdsággal. Ez lényegében azt jelenti, hogy mekkora elektromos térerősség-nyomást (kV/mm-ben mérve) bír el az anyag, mielőtt teljesen meghibásodna. A leggyakoribb anyagok – például az üveg és a szilikon gumiszerű anyagok – általában 10–40 kV/mm közötti értékeket bírnak el, ami jelentősen felülmúlja a levegőt, amely csupán körülbelül 3 kV/mm-t képes elviselni. Amikor a feszültség e határok alatt marad, kisebb elektromos kisülések előfordulhatnak, de általában nem okoznak problémát. Ha azonban ezeket a küszöbértékeket túllépik, a helyzet gyorsan romlik: az ionok szabályozatlanul szaporodni kezdenek, amíg az anyag véglegesen meg nem romlik. Ezért az mérnökök mindig plusz védelmet építenek be a szigetelési rendszerek tervezésekor, általában úgy, hogy az üzemeltetési feszültséget a anyag tényleges teherbírásának kb. felére korlátozzák. Így hely marad a váratlan eseményekre, például villámcsapásokra vagy az energiaellátó hálózat ingadozásaira. És amit az anyagokat illeti: minőségük is nagyon fontos. Már apró mennyiségű nedvesség, fémdarabkák vagy szennyeződések a felületeken akár a dielektromos szilárdságot is kétharmadára csökkenthetik, ami gyorsítja a szigetelés öregedését, és korábban vezethet meghibásodáshoz, mint amire számítani lehet.

Felületi átütés megelőzése: Átfutási távolság, szennyeződés és hidrofób tulajdonság

Átfutási távolság tervezése a felületi szivárgási útvonal meghosszabbításához

A szivárgási távolság kifejezés lényegében az izolátor felületén keresztül vezető legrövidebb útvonalat jelöli, amely különböző feszültség alatt álló alkatrészeket köt össze. Amikor a mérnökök ezen útvonalakat tervezik, az a céljuk, hogy megakadályozzák a nem kívánt szivárgási áramok keletkezését. Ezen útvonal meghosszabbításával gyakorlatilag növeljük a felületi ellenállást, és lelassítjuk a potenciális ívképződést, mivel az áramnak hosszabb, nagyobb ellenállású szennyeződéssel borított rétegeken kell áthaladnia. A szabványügyi szervezetek – például az IEC 60815 – meghatározzák a minimálisan elfogadható távolságokat a helyszín konkrét szennyezettségi fokától függően. Egyes speciális, ködformájú, mély bordázattal ellátott kialakítások akár 30–40 százalékkal megnövelhetik a tényleges felületi területet a sima, sík felületekhez képest. Azokban az alállomásokban, amelyek közvetlenül az óceán partján helyezkednek el, és ahol a só mindenfelé elterjed, a szükséges szivárgási távolság-gyártási előírások gyakran elérhetik a 31 mm/kV értéket, vagy még annál is magasabbak lehetnek. Ez segít fenntartani a jó működési szinteket, miközben az eszközök mérete továbbra is kezelhető marad.

Hidrofób felületek és vezető szennyező rétegek gátlása

A vízreppelő tulajdonság megakadályozza a folyamatos vezető rétegek kialakulását az izolátorfelületeken. Vegyük példaként a szilikon gumit: ennek felületén alacsony energiájú metilcsoportok találhatók, amelyek 90 foknál nagyobb érintési szöget eredményeznek. Ennek köszönhetően a víz cseppként gyűlik össze, nem terül szét a anyag felületén. Amikor a víz nem terül szét, a szennyeződések sem oldódhatnak fel, és nem mozoghatnak elektrolitikus pályákon keresztül. Ehelyett ezek a szennyeződések különálló részecskék formájában maradnak, és nem kapcsolódnak össze az elektródák között. A polimer izolátorok valójában sokkal jobban teljesítenek a hagyományos porcelán anyagokhoz képest nedvesség- vagy szennyeződésproblémák esetén. Egyes különösen vízreppelő kezelések 150 foknál nagyobb érintési szöget biztosítanak. Terepvizsgálatok tengerparti területeken azt mutatták, hogy ezek a kezelések körülbelül kétharmadával csökkentik a szennyeződés által okozott ívképződés kockázatát. Így a hidrofób tulajdonságok molekuláris szinten is működnek, és együttműködnek a fizikai tervezési javításokkal az izolációs teljesítmény növelése érdekében.

Szigetelő anyagok degradációs útvonalai és korai meghibásodási jelek

Hőhatásra bekövetkező öregedés, részleges kisülés okozta maradás és kémiai szennyeződések hatásai

Az izolációs anyagok idővel több összefüggő folyamat révén romlanak el: hőkárosodás, részleges kisülés okozta kopás és kémiai lerakódás a felületeken. Mindezek a tényezők együttműködve gyengítik az izolátorok elektromos tulajdonságait. Amikor a hőmérséklet kb. 80 °C fölé emelkedik, az anyag gyorsabban kezd lebomlani. Minden további 8–10 fokos hőmérséklet-emelkedésre a polimer izoláció élettartama feleződik, mivel a molekulák szétesni kezdenek és rideggé válnak. A részleges kisülés apró csatornákat hoz létre az izoláció belsejében, amikor helyi kis szikrák keletkeznek. Rossz körülmények között ez néhány hónapon belül akár 70–90 százalékkal is csökkentheti a feszültséggel szembeni ellenállóképességet. Az ipari szennyező anyagok – például a gyárakból származó szulfátok, a tengerparti területekről származó só és az oldott savat tartalmazó esővíz – vezető rétegeket képeznek a felületeken, amelyek növelik a szivárgási áramokat, és veszélyes ívképződéshez vezetnek a száraz foltok között. Korai figyelmeztető jelek például a 500 mikroamper fölötti szivárgási áramok, a felületeken megjelenő szénfoltok és a berendezésekből hallatszó furcsa recsegő hangok. Ezeknek a jeleknek a figyelése lehetővé teszi a javítások elvégzését a meghibásodás bekövetkezte előtt, ami különösen fontos olyan környezetekben, ahol a nedvesség vagy a szennyeződés miatt minden 5–10-szer gyorsabban romlik el, mint normál körülmények között.

Proaktív szigetelő megbízhatóság-kezelés

Amikor a vállalatok proaktív megbízhatóság-kezelési stratégiákat alkalmaznak, jelentős csökkenést tapasztalnak a váratlan berendezéshibákban, valamint az egész termékéletciklus során csökkennek az összköltségek. Az a megközelítés, amely szerint nem várjuk meg a meghibásodást a alkatrészek cseréje előtt, olyan intézkedések bevezetését jelenti, mint például az infravörös vizsgálatok a hőproblémák észlelésére, az ultrahangos eszközök használata az elektromos hibák felderítésére, illetve a szennyezési térképek készítése földrajzi információs rendszerek segítségével. A PAS 55 szabványok követése segít rendszerszerű ellenőrzési rutinok kialakításában, amelyek során a műszaki szakemberek havonta ellenőrzik a felületeket kopás- vagy repedésjelek után, és negyedéves teszteket végeznek az szigetelőanyagokon annak biztosítására, hogy továbbra is megfelelően működnek. Az ARC Advisory Group 2022-es kutatása szerint ez a megközelítés majdnem háromnegyeddel csökkentheti a tervezetlen leállásokat. A berendezések élettartama is hosszabb lesz, ha a karbantartási ütemtervek a berendezések tényleges állapotához igazodnak, és nem általános, előre meghatározott időkereteket követnek. Az izolátorokról gyűjtött érzékelőadatok bevezetése a megbízhatóság-központú karbantartási rendszerekbe lényegesen növeli az ilyen valós idejű mérések – például a szivárgási áramok vagy a komponensek hőmérsékletváltozásainak – hasznosságát. A létesítmény-vezetők konkrét információkat kapnak, amelyek pontosan azt mutatják, mikor van szükség javításra, a tényleges körülmények alapján, nem pedig találgatás útján.