Kaip izoliatorius neleidžia elektrinių gedimų

Izoliatoriaus pagrindiniai elektrinio izoliavimo mechanizmai

Srovės srauto blokavimas dėl aukštos varžos ir juostos plyšio struktūros

Izoliatoriai neleidžia elektros gedimų, nes jie sulaiko srovės tekėjimą dėl savo gamtinių medžiagų savybių. Šios medžiagos turi labai aukštą elektrinę varžą – dažnai virš 10^10 omų metrui, – todėl elektronams per jas judėti yra labai sunku. Tai įvyksta dėl to, kad šiose medžiagose egzistuoja elektroninė juostos prarasta („bandgap“), kuri paprastai yra platesnė nei 5 elektronvoltai. Kai tokia juostos prarasta egzistuoja, valentiniai elektronai įprastomis eksploatacijos įtampomis tiesiog negali peršokti į laidumo juostą, todėl krūviai praktiškai „užstrigsta“ ir nejudėja. Porcelianiniai izoliatoriai su vientaisiais šerdies elementais bei įvairūs polimeriniai izoliatoriai veikia būtent šiuo principu, užkertant kelią nuotėkio srovėms net ilgalaikiškai veikiant įtampai. Norėdami dar labiau pagerinti charakteristikas, gamintojai keraminėse medžiagose sukuria tankias kristalinės struktūros, o polimeruose – naudoja kryžminius ryšius, kurie riboja jonų judėjimą. Tam, kad būtų aiškiau suprantama, palyginimui: vario elektrinė varža yra apytiksliai 10^-8 omų metrui. Tai reiškia, kad izoliacinės medžiagos natūraliai stabdo elektros srovės tekėjimą maždaug 18 eilėmis geriau.

Įtampos įtampos poveikio atlaikymas naudojant dielektrinę stiprybę ir prapylimo ribą

Gerų izoliacinių medžiagų savybė – išlaikyti staigius įtampų šuolius, nes jos turi tai, kas vadinama aukšta dielektrine stiprybe. Tai esminis rodiklis, parodantis, kiek elektrinio lauko slėgio (matuojamo kilovoltais milimetru) medžiaga gali išlaikyti, kol visiškai praranda izoliacines savybes. Dažniausiai naudojamos medžiagos, pvz., stiklas ir silikono gumos, paprastai išlaiko nuo 10 iki 40 kV/mm, o tai gerokai viršija įprasto oro atsparumą – tik apie 3 kV/mm. Kai įtampa lieka žemiau šių ribų, gali pasitaikyti nedideli elektriniai išlydžiai, tačiau jie dažniausiai nekelia problemų. Tačiau vos tik šios ribos būna viršytos, situacija greitai pablogėja: jonai pradeda daugintis nekontroliuojamai, kol medžiaga galutinai susilaužo. Todėl inžinieriai visada projektuodami izoliacijos sistemas įdeda papildinę apsaugą, dažniausiai siekdami, kad eksploatacijos sąlygos būtų maždaug pusė to, ką medžiaga gali išlaikyti maksimaliai. Tai leidžia numatyti netikėtus įvykius, pvz., perkūnijos smūgius ar elektros tinklo įtampų svyravimus. Kalbant apie medžiagas, jų kokybė taip pat labai svarbi. Net nedidelis drėgmės kiekis, metalo dalelės ar purvas paviršiuje gali sumažinti dielektrinę stiprybę net iki dviejų trečdalių, dėl ko izoliacija sensta greičiau ir suyra anksčiau, nei tikėtasi.

Paviršiaus peršokimo prevencija: šliaužimo kelio ilgis, teršalai ir hidrofobiškumas

Šliaužimo kelio ilgio projektavimas siekiant pratęsti paviršiaus nuotėkio kelią

Terminas „nuotėkio kelias“ esminiškai reiškia trumpiausią atstumą izoliatoriaus paviršiumi tarp skirtingų įtampintų komponentų. Projektuodami šiuos kelius, inžinieriai siekia užkirsti kelią nenorimiems nuotėkio srovėms. Padidindami šį kelią, mes iš tikrųjų padidiname paviršiaus varžą ir sulėtiname galimus peršokimus, nes elektros srovei tenka keliauti per didesnį atsparumo teršalų sluoksnį. Standartų organizacijos, pvz., IEC 60815, nustato minimalius leistinus atstumus priklausomai nuo tam tikros vietovės užterštumo laipsnio. Kai kurie specialūs rūko formos dizainai su giliais briaunomis gali padidinti faktinį paviršiaus plotą apie 30–40 procentų lyginant su paprastais lygiais paviršiais. Elektrinėse stotyse, esančiose tiesiai prie jūros, kur druska pasklinda visur, reikalaujamas nuotėkio kelias dažnai siekia apie 31 mm vienam kilovoltui arba daugiau. Tai padeda išlaikyti aukštą našumą, tuo pat metu užtikrinant priimtiną įrangos dydį.

Hidrofobinės paviršiaus savybės ir laidžių teršalų sluoksnių slopinimas

Vandens atstumimo savybė neleidžia susidaryti nuolatiniams laidžiems plėvelėms izoliatorių paviršiuose. Pavyzdžiui, silikono gumos paviršiuje yra žemos energijos metilo grupės, kurios sukuria liečiamuosius kampus virš 90 laipsnių. Dėl to vanduo susiformuoja lašais, o ne išsisklaido per medžiagą. Kai vanduo nesisklaido, teršalai negali ištirpti ir judėti elektrolitinių takų kryptimi. Vietoj to šie teršalai lieka atskiri dalelių pavidalo ir nesujungia elektrodų. Polimeriniai izoliatoriai veikia žymiai geriau nei tradiciniai porceliano medžiagų izoliatoriai, kai kyla drėgmės ar užterštumo problemų. Kai kurie ypatingai vandens atstumiantys apdorojimai išlaiko liečiamuosius kampus virš 150 laipsnių. Lauko bandymai pakrantėse parodė, kad šie apdorojimai sumažino užterštumo sukeltą iškrovos riziką maždaug dviejų trečdalių. Taigi hidrofobinės savybės veikia molekuliniu lygiu kartu su fiziniais konstrukciniais patobulinimais, kad būtų pagerinta izoliacijos našumas.

Izoliatoriaus senėjimo keliai ir ankstyvieji verslo žymenys

Šiluminis senėjimas, dalinis išlydis ir cheminės priemaišos poveikis

Izoliacinės medžiagos laikui bėgant linkusios suskilti dėl kelių susijusių procesų: šilumos pažeidimo, dalinio išlydžio nusidėvėjimo ir cheminių nuosėdų susidarymo paviršiuose. Visi šie veiksniai kartu sukuria izoliatorių elektrinių savybių silpnumą. Kai temperatūra pakyla virš maždaug 80 °C, medžiaga pradeda skilti greičiau. Kiekvienam papildomam 8–10 laipsnių pakilimui polimerinės izoliacijos tarnavimo trukmė sumažėja perpus, nes molekulės pradeda skilti ir tapti trapios. Dalinis išlydis sukuria mikroskopines kanalėles izoliacijoje, kai vietose atsiranda maži žibintai. Blogiausiais atvejais tai gali sumažinti įtampai atlaikyti skirtą gebėjimą net 70–90 procentų tik per kelis mėnesius. Pramoniniai teršalai, tokie kaip sulfatai iš gamyklos išmetamųjų dujų, druska iš pakrantės zonų bei rūgštinis lietus, sukuria laidžiąją plėvelę paviršiuose, padidina nutekėjimo sroves ir sukelia pavojingus lankus tarp sausų dėmių. Ankstyvieji perspėjimo požymiai apima nutekėjimo sroves, viršijančias 500 mikroamperų, anglies plokštelės atsiradimą paviršiuose ir keistus traškesius iš įrangos. Šių signalų stebėjimas leidžia atlikti remontą dar prieš įvykstant gedimui – tai ypač svarbu vietose su dideliu drėgnumu ar teršalais, kur viskas susidėvi 5–10 kartų greičiau nei normaliomis sąlygomis.

Aktyvus izoliatorių patikimumo valdymas

Kai įmonės įdiegia aktyvią patikimumo valdymo strategiją, jos pastebi reikšmingą netikėtų įrangos gedimų sumažėjimą kartu su bendraisiais išlaidų mažėjimu visame gaminio gyvavimo cikle. Perėjimas nuo to, kad dalys keičiamos tik po gedimų, prie proaktyvių priemonių, tokių kaip infraraudonųjų spindulių skenavimas šilumos problemoms aptikti, ultragarso įrankių naudojimas elektros problemoms nustatyti ir teritorinių užterštumo žemėlapių kūrimas naudojant geografinių informacijos sistemų (GIS) technologijas, leidžia efektyviau valdyti įrangos būklę. Laikymasis PAS 55 standarto padeda sukurti sistemingas stebėjimo procedūras, kuriomis technikai kas mėnesį tikrina paviršius dėl dėvėjimosi ar įtrūkimų požymių, o kas ketvirtį atlieka izoliacinėms medžiagoms skirtus bandymus, kad įsitikintų, jog jos vis dar išlaiko savo savybes. Pagal 2022 m. ARC Advisory Group tyrimus, tokia veiklos kryptis gali sumažinti netikėtą įrangos neveikimą beveik tris ketvirčius. Turto naudingasis gyvavimo laikas taip pat pailgėja, kai techninės priežiūros grafikai sudaromi remiantis faktine įrangos būkle, o ne bendrais, universaliais laiko intervalais. Į patikimumo centruotų techninės priežiūros sistemas integruojant jutiklių duomenis apie izoliatorius, realiuoju laiku gaunami matavimai – pvz., nuotėkio srovių ar komponentų temperatūros pokyčių – tampa daug naudingesni. Pastatų valdytojai gauna konkrečią informaciją, kuri tiksliai nurodo, kada remontui reikia skirti dėmesio, remiantis faktinėmis sąlygomis, o ne spėlionėmis.