علم سرامیک

مقره ها

 مقره علاوه بر عایق نمودن هادی نسبت به پایه ارتباط مکانیکی هادی و پایه را نیز تشکیل می دهد .

مقره ها 4 ویژگی و وظیفه عمده دارند :

الف ) وظیفه اصلی مقره ها ایزوله کردن هادی از بدنه کنسول و پایه می باشد .

 این مقره ها باید بتوانند بدون داشتن جریان نشتی مشخصات الکتریکی لازم برای تحمل بیشترین ولتاژ عادی و سایر ولتاژهای اضافی تحت شرایط مختلف را داشته باشند . این ویژگی ها به عنوان خواص الکتریکی مقره ها عبارتند از :

1 – مقاومت الکتریکی حجمی و سطحی بالا

2 – مقاومت در برابر سوراخ شدن توسط شوک حرارتی در اثر عبور جریان الکتریکی فشار قوی

3 – مقاومت زیاد در مسیر

4 – عدم تشکیل خود القایی

ب ) وظیفه دیگر مقره ها تحمل نیروهای مکانیکی حاصل از وزن هادی ها و نیروهای اعمالی ناشی دیگر .

 از باد و یخ باشد که در هر شرایطی فاصله هادی از بدنه و بازوی پایه نباید از مقادیر مجاز کمتر باشد . این ویژگی ها به عنوان خواص مکانیکی مقره نامیده می شود و به شرح زیر هستند :

1 – خاصیت الاستیسیته به نسبت خوب

2 – در برابر نیروی فشاری مقاومت بالایی از خود نشان می دهد .

3 – چون مقره های چینی در برابر ضربه مقاومت کمی دارند باید سعی شود تا لبه و گوشه های تیز نداشته باشند .

4 – مقاومت لازم را در برابر شوک های حرارتی حاصل از تغییرات اختلاف پتانسیل الکتریکی ، صاعقه و ... به طور ناگهانی داشته باشند .

ج ) مقره ها باید در برابر تغییرات جوی و درجه حرارت مقاوم بوده خواص خود را در اثر گذشت زمان و کهنه شدن تا حد قابل قبول حفظ کند .

 این ویژگی ها که به عنوان خواص فیزیکی نامیده شده عبارتند از :

1 – مقاومت در برابر عوامل جوی و تابش آفتاب

2 – زنگ نزدن و اکسید نشدن

3 – دارا بودن ضریب انبساط کم

4 – حفظ خواص در برابر سرما و گرما

5 – عدم میل ترکیبی با بیشتر مواد موجود در محیط اطراف

د ) هر مقره باید خواص ساختمانی را رعایت نموده و قابل اعمال روی آن باشد .

جنس مقره ها

جنس مواد مورد مصرف در ساختمان مقره ها به شرایط استفاده و کاربرد آن بستگی دارد که به دو دسته مواد سرامیکی و غیر سرامیکی تقسیم می شوند . ماده اصلی در ساختمان عایق های سرامیکی که کاربرد انبوه آنها به صورت مقره های هوایی به کار رفته چینی یا شیشه سخت می باشد .

مقره چینی

مواد مورد نیاز برای ساخت عایق چینی مخلوط پودر شده کائولین ، کوارتز و فلداسپات می باشد .

خواص مقره چینی ها : 1 – خواص الکتریکی 2 – مکانیکی 3 – حرارتی

مقره شیشه ای تقویت شده

مقره های شیشه ای در شکل ها و اندازه های گوناگون ساخته می شوند و از نظر الکتریکی و مکانیکی مطلوب بوده و بشیار مقرون به صرفه است .

1 – موارد مورد نیاز برای ساختن مقره های شیشه ای

2 – مخلوط اکسیدهای مختلف از جمله اکسید سیلیس نزدیک به 73 درصد ، اکسیدهای سدیم و پتاسیم حدود 14 درصد و سایر اکسیدها حدود 13 درصد را حرارت داده در کوره ذوب می نمایند .

مزایای مقره های شیشه ای نسبت به مقره های چینی عبارتند از :

الف ) قدرت دی الکتریک ( عایق ) شیشه بیشتر از چینی است .

ب ) قدرت مکانیکی تا سه برابر بیشتر می باشد .

ج ) مقره شیشه ای سبکتر بوده در برابر ضربه ی مکانیکی و بل پریدگی مقاوم تر است .

د ) مقاومت مقره های شیشه ای در برابر فرسودگی و کهنه شدن نسبت به چینی سه برابر است .

هـ ) ضریب انبساط حرارتی شیشه به ضریب انبساط حرارتی اجزای فلزی و سیمان مخصوص اتصال می باشد ، به این ترتیب فشارهای داخلی ناشی از تغییرات درجه حرارت به مراتب کمتر است .

و ) مقره های شیشه ای در برابر امواج ضربه ای ناشی از پدیده های گذرا مقاومتر بوده منهدم نمی گردد .

ز ) مقره های شیشه ای به علت شفاف بودن در برابر تشعشع مستقیم خورشید مقاومتر بوده ، ترک های مویی و هر گونه خلل و فرج در آنها به راحتی قابل تشخیص می باشد .

تنها عیب مقره های شیشه ای این است که رطوبت و گرد و غبار و آلودگی به راحتی روی سطح شیشه نشسته باعث ایجاد جریان خزنده سطحی می گردد که این عیب نیز در مناطق مرطوب و مه آلود و با طرح خاص مقره و یا روش های دیگر قابل رفع است .

مقره های جدید ( غیر سرامیکی )

از ابتدای پیدایش مقره ها و استفاده از آن به عنوان عایق در شبکه های توزیع و انتقال گفتگوهایی برای جایگزینی موادی به جای چینی یا شیشه مطرح شد .

از اوایل سال 1970 اولین تولیدات مقره های از جنس پلاستیک ( رزین ) وارد بازار شد . این مقره ها از جنس EIPDM یعنی ترکیبات شیمیایی و نفتی هستند که        می توان به صورت یکپارچه روی میله مرکزی آن فایبرگلاس پوشش داده و در سر و ته آن اتصالات فلزی قرار داد . طول و تعداد پرده های این مقره بر حسب سطح ولتاژ و منطقه مورد نظر قابل تغییر می باشد.

مزیت این مقره ها دفع خوب آب می باشد .

پس از چند سال علیرغم گذراندن آزمایشات لازم بهره برداری از آنها دچار مشکل شد . بعضی از پرندگان و حیوانات نیز  آن را می خوردند .

انها استفاده از مقره های پلاستیکی با تغییر در ساختار و ترکیبات شیمیایی نوع سیلیکن رابر ( Sillicon  Rubber  ) ( مانند مواد پاک کن ) را توصیه و پس از آزمایش ، تولید و در شبکه ها مورد استفاده قرار گرفت .

از محاسن این مقره ها عدم شکستگی مکانیکی در برابر سنگ و ضربه مکانیکی است که از آمار زیاد مقره های شکسته و تعویض شدنی در شبکه های توزیع می کاهد .  این مقره ها حتی در اثر ایجاد جرقه ناشی از تخلیه سطحی هیچگونه اثری از خود به جای نمی گذارد . بنابراین پس از شستشو دوباره قابل استفاده خواهند بود .

شکست الکتریکی به روی مقره ها به دو صورت انجام می گیرد :

1 – در بعضی موارد ، در داخل مقره جرقه ای زده می شود در این حالت مقره سوراخ شده و خاصیت ایزولاسیون خود را از دست می دهد . ( اخگر درونی )

2 – تخلیه نوع دوم روی سطح عایق انجام می گیرد . به این صورت که جرقه هایی در سطح عایق زده می شود و در نتیجه ارتباط الکتریکی در طرفین عایق بر قرار می شود . ( اخگر برونی )

طراحی های جدید مقره ها در شبکه های توزیع به نحوی است که علاوه بر ملاحظات ارتقای قابلیت های الکتریکی مسایلی همچون :

-        ایمنی بیشتر

-        حذف کنسول و کراس آرمها

-        رعایت فاصله سیمها

-        استقامت مکانیکی بیشتر و

-        رفع مشکلات حریم خ

طوط انتقال

را مد نظر دارد . پارامتر هاي مهم شكل و اندازه باید بر مشخصه های الکتریکی مقره ها و مطابق با  دو آزمایش نوعی استاندارد به شرح ذیل پاسخ دهند :

الف ) آزمایش ولتاژ ایستادگی در برابر موج ضربه ای در حرارت خشک :  در این آزمایش موج ولتاژ ضربه ای استاندارد با دامنه ماگزیمم مشخض شده ای به مقره اعمال می گردد . ابعاد هر مقره با توجه به مسیر نشت سطحی در برابر استقامت ولتاژ ضربه ای تعیین می شود .

فاصله نشت سطحی   ( طول خزشی )  : طول منحنی فصل مشترک عایق و هوا را فاصله نشتی  مقره می گویند .

طول  خزشی مقره کوتاه ترین مسیریست که جرقه برای رسیدن از ابتدا تا انتهای مقره طی می کند . هر چه این مسیر طولانی تر باشد ، امکان ایجاد جرقه کمتر است .مسافت جرقه در هوای خشک یکی دیگر از فاکتورهایی است که کارخانه های سازنده برای معرفی قابلیت مقره تولیدی خود ارایه می نمایند و آن ، نشان دهنده کوتاهترین فاصله هادی تا میله مقره است . مقدار ولتاژ الکتریکی با فرکانس نامی خط موجب پیدایش جرقه بین هادی و پایه مقره می گردد که به آن ولتاژ جرقه در هوای خشک گویند .

ب ) آزمایش ولتاژ ایستادگی در فرکانس نامی خط ( صنعتی ) در حالت تر : هر گاه سطح مقره مرطوب بوده یا گرد و غبار روی آن نشسته باشد چون سطح مقره هادی شده است پاسخ آن به ولتاز اعمالی  را مسافت جرقه در هوای مرطوب می گویند .

مقدار ولتاژی را که در آن جرقه الکتریکی بین هادی و پایه مقره بر قرار می گردد ولتاژ مقره در هوای مرطوب می گویند .

انواع مقره ها در شبکه های توزیع

برای رعایت نکات مختلف مکانیکی ، الکتریکی و سایر موارد ، سازندگان مختلف مقره سعی  می کنند که مناسب ترین ، مرغوب ترین و در عین حال اقتصادی ترین نوع مقره را برای استفاده در شبکه های توزیع طراحی و برای کاربردهای مختلف تولید نمایند .

عوامل موثر بر انتخاب نوع مقره به عوامل مختلفی از جمله شکل و ابعاد آن بستگی دارد که این عوامل غیر تکنیکی عبارتند از :

1 – محل نصب مقره که می تواند پست برق ، سرپایه ، کنسول و ادوات مخصوص برقی باشد ،

2 – نوع سیم یا قطعه فلزی که به مقره اضافه می شود .

3 – نوع اتصال یا نصب مقره در محل استقرار که ممکن است به صورت آویزی ، اتکایی ، لانگ دار و .... باشد .

4 – ولتاژ جریان : هر چه ولتاژ جریان تخلیه قوی تری باشد مسافتی که جلوی جهش جریان برق را می گیرد باید بیشتر باشد ، بنابر این طول مقره باید بیش از مسافتی باشد که ممکن است جریان جهش نماید .

مقره های سوزنی ( میخی ) (  Pin Type Insulators )

مقره های سوزنی جز قدیمی ترین سرح های مقره می باشد که طی سال ها کاربرد ، در طراحی آن از نقطه نظر الکتریکی و مکانیکی و تحولات و پیشرفتهایی صورت پذیرفته است . ار این مقره ها در پایه های میانی یا تو خطی خطوط هوایی استفاده می شود . مقره های سوزنی مورد استفاده تا حدود 11 کیلو ولت به طور معمول از یک قسمت یا قطعه و در سطح ولتاژهای بالا تر از دو یا سه قطعه تشکیل شده اند که توسط سیمان مخصوص به یکدیگر چسبیده می شوند . تکیه گاه یا ارتباط دهنده این مقره ها به کراس آرمها میله هایی فلزی می باشند که در واقع پایه مقره های سوزنی به حساب می آیند و باید دارای مشخصات ویژه باشد .

در بالای مقره های سوزنی شیاری تعبیه شده که هادی در آن جای گرفته و محکم می شود .

استفاده از مقره های سوزنی در پایه های انتهایی و پایه های با زاویه انحراف زیاد توصیه نمی شود زیرا نیروی کششی زیادی به مقره و پایه آن وارد می نمایند .

مقره های سوزنی نوع رادیو فریت :

روی سر این مقره ها سطح مشخص شده ای از قشر سیاه گرافیت پوشانیده می شود که این لایه میدان الکتریکی را به طور یکنواختی در سطح ، توزیع نموده از تمرکز آن در نزدیکی  محل فواصل هوایی بین هادی و سیم محکم کننده و نیز سطح چینی مقره جلوگیری می  کند . در ضمن لایه از تشدید اغتشاشات رادیویی ممانعت به عمل می آورد . به این گونه مقره های سوزنی به اصطلاح رادیو فریت می گویند .

در صورت استفاده از لایه  رادیو  فریت کلیه

فواصل هوایی ، اتصال  کوتاه   شده    همه ی تخلیه های جزیی الکتریکی در اطراف الکترود

سر مقره وتولید پارازیت های مزاحم فرکانس های  رادیویی از بین می رود

پایه های مقره سوزنی

پایه مقره برای نگه داشتن مقره هایی که هادی ها به آن محکم شده بکار می روند و به صورت میله های مقره سوزنی می باشند . این پایه ها بیشتر از میله و یا پروفیل آهنی U شکل گالوانیزه ساخته می شوند تا قدرت و استحکام زیادی داشته باشند . البته در یک سر این پایه ها شیار های پیچ مانندی برای اتصال به مقره وجود دارد .

طرف دیگر پایه ها به کنسول ها بسته می شوند و در بعضی موارد میله های با طول بیشتر می توانند به طور مستقیم به خود تیر بتنی نیز بسته شوند . استفاده از پایه باعث می شود که مقره به صورت قائم روی کراس آرم محکم شود . پایه مقره به طور معمول یکپارچه و از فولاد گالوانیزه ساخته و به سه گونه مختلف وجود دارند :

- پایه با بدنه یک راست و مستقیم ( میله مانند ) STRAIGHT  BODY

- پایه با بدنه مخروطی ( به طرف سر پایه ) TAPERED – BODY

- پایه  مخصوص سر تیر با بدنه پروفیل آهنی U شکل POLE   TOP

استقامت مکانیکی پایه مقره به میزان باری بستگی دارد که می تواند میله با اندازه 10 درجه نسبت به محل وارد شده ی نیرو در راستای نیرو منحرف نماید .

کمترین ارتفاع تعریف شده برای پایه مقره باید مناسب با مقره مخصوص به خودآن محاسبه و تعیین گردد تا قادر به انتخاب در حد برابر یا بیشتر از میزان فضای ارتفاع مقره در جدول استاندارد باشد . انواع ارتفاع پایه های مقره از محل اتصال به کراس آرم تا کلاهک بالایی آن مطابق استاندارد ANSI در 4 طول 18 ، 20 ، 28 ، 32 سانتی متری ساخته می شوند .

به طور کلی در شبکه های توزیع ایران پایه مقره به سه دسته تقسیم می شوند :

1 – پایه مقره کوتاه یا طرفین

2 – پایه مقره متوسط یا کنسول چوبی

3 – پایه مقره بلند یا سر تیر

مقره های بشقابی ( Suspension or Strain Type Insulator )

این نوع مقره ها در خطوط انتقال فشار قوی فوق توزیع و ولتاژ متوسط به کار می روند . در خطوط ولتاژ متوسط و در مواردی که باید به هر دلیلی نیروی استقامت مکانیکی مقره بالا تر از حد طبیعی و متعارف باشد این نوع مقره ها مورد استفاده قرار می گیرند . این مقره ها از کراس آرم آویزان می شوند و به همین دلیل به آنها مقره های عایق معلق نیز می گویند .

از مزایای این نوع مقره ها این است که اگر مقره دچار شکست الکتریکی شود اجرای چینی ، هادی را رها نمی کنند و سیم هادی به زمین نمی افتد . به همین دلیل توصیه می شود که در اسپن های مورد استفاده در جاده ها و نقاط حساس از این نوع مقره ها استفاده شود . در شکل ( 5 – 4 ) ساختمان بشقابی مشخص شده است . در مناطق با آلودگی بالا مثل مناطق مه آلود و رطوبتی استفاده از مقره های مهی توصیه می شود .

این نوع مقره ها از شیشه یا چینی ساخته می شوند و بیشتر به صورت زنجیره مقره مورد استفاده قرار می گیرند . تعداد دیسک های موجود در زنجیره مقره به سطح ولتاژ خط محل استفاده و اضافه ولتاژ بستگی دارد . در کاربردهای معمولی و مناطق بدون آلودگی یا کنار دریا با غلظت نمک کم ، تعداد بشقاب مورد نیاز در هر زنجیره مقره بشقابی به شرح زیر توصیه شده است :

شبکه 11 کیلو ولت : 2 عدد                  شبکه 20 کیلو ولت : 2 عدد                                         شبکه 33 کیلو ولت : 3 عدد                  شبکه 63 کیلو ولت : 6 عدد

 چگونگی اتصال هر مقره بشقابی به بشقاب دیگر توسط دو قطعه فلزی بالا و پایین انجام می گیرد که این اتصال به دو گونه است :

1 – نوع نر و مادگی ( Ball & Socket Type )

2 – نوع شیار و زبانه ( Tongue & Clevis Type )

چگونگی قفل شدن در کلاهک مادگی مقره ها به دو صورت و مطابق شکل  ( 6 – 4 ) می باشد به طوری که دو نوع اشپیل برای قفل شدن در آن به کار می رود .

مقره های بشقابی به رنگ قهوه ای یا خاکستری روشن می باشند که بر اساس رنگ استاندارد برای کلیه کلاس ها لعاب شیشه ای به کار می روند .

 مقره های ثابت یا استوانه ای یکپارچه ( Solid – core Insulators )

امروزه این مقره ها علاوه بر پست های فشار قوی به علت محاسن فراوان و سهولت کاربرد ، در خطوط انتقال نیرو و توزیع نیز استفاده می شوند و به صورت یک استوانه  عایق یکپارچه و با مغز سخت تو پر و یا تو خالی ساخته می شوند . این مقره ها مشکل استحلاک سیمان و انبساط آنها را که از مشکلات خرابی مقره های بشقابی و سوزنی و چند پره بودند ، نخواهند داشت . به طور کلی مقره های ثابت یا استوانه یکپارچه در فرایند تکاملی خود به صورت عایق میله ای بلند ، به 4 گونه زیر ساخته و دسته بندی می شوند :

1 – مقره اتکایی پست های فشار قوی    Solid – core Station  post Insulator

2 – مقره ثابت پایه های خطوط انتقال ( میانی یا تو خطی )    Solid – core line  post  Insulator

3 – مقره یکپارچه میله ای بلند برای خطوط انتقال ( قطار برقی )  Solid – core Long  Rod  Insulator

 مقره های ثابت پایه های خطوط انتقال و توزیع

این مقره ها بصورت عمودی ، افقی یا زاویه دار نصب شده و به کراس آرم و بریس در خطوط نیازی نیست . این مقره ها را به شکل استوانه ای چینی توپر یا خالی می سازند .

امروزه با تکامل تکنولوژی افزایش قابل ملاحظه ای در استقامت مکانیکی این مقره ها ایجاد شده و قابل استفاده در خطوط فشار قوی حتی در ولتاژهای 120 و 400 کیلو ولت می باشند .

برای اتصال مقره های ثابت استوانه ای به پایه های خطوط توزیع ، علاوه بر نوع میخ پیچ ( گلمیخ ) انتهایی نوع دیگری به نام راس تیری وجود دارد که برای اتصال در بالای پایه ها به کار می رود .

در این مقره ها برای ایجاد انواع آرایش ها در زوایای مختلف قطعه ای به عنوان پایه ی ایجاد کننده زاویه نیز وجود دارد .

زاویه ایجاد شده توسط این قطعه 30 درجه است .

مقره های ثابت از نظر محل نگهداری سیم در سه نوع ساخته می شوند :

1 – گرهی و اصلی کردن – بستن سیستم ( Tie – Top Type ) : به صورت افقی و عمودی به کار می رود که در واقع مانند مقره های سوزنی بوده و ارتفاع استوانه ای آن افزایش می یابد .

2 – کلمپی ایستاده با کاربرد فقط به صورت عمودی ( Clamp – Top Type  )  :  این مقره ثابت استوانه ای مانند مقره های اتکایی پست ها بصورت قائم به کار رفته و اغلب در سر پایه های خطوط انتقال و یا برای نگهداری هادی های خطوط انتقال روی کراس آرم افقی به کار می رود .

3 – نوع کلمپی با کار برد فقط به صورت افقی ((Clamp – Top Type

این مقره های ثابت علاوه بر مقره نقش کراس آرمها را برای ایجاد فاصله بین هادی ها به عهده می گیرند و امکان ایجاد انواع آرایش هادی ها را بدون کراس آرم در خطوط توزیع فراهم آورند .

مقره استوانه میله کششی

از خانواده مقره های یکپارچه استوانه ای نوع دیگری از مقره ها برای پایه های کششی و انتهایی ساخته شده و برای خطوط توزیع فشار متوسط مورد استفاده قرار می گیرد .

استفاده از این مقره علاوه بر صرفه اقتصادی از نظر یراق آلات اتصالات و مقره ها به عنوان یک عایق یکپارچه و فشرده کاربرد راحت تر و بهتری خواهد داشت .به خلاصه می توان محاسن مقره های یکپارچه استوانه ایی از نوع میله کششی را به این شرح بیان نمود :

الف ) در مقابل سوراخ شدگی ناشی از جرقه داخلی ( Puncture ) مقاوم هستند .

ب ) در برابر خوردگی و فرسایش عملکرد خوبی دارند .

ج ) برای مناطق با درجه آلودگی زیاد بسیار مناسبند .

د ) در برابر جرقه های تخلیه الکتریکی استقامت دارند .

مقره های میله کششی به علت دارا بودن لبه های عمیق در بدنه استوانه ای شکل در مناطق آلوده خواص بهتری خواهند داشت . بنابراین هر دو مشخصه ولتاژ استقامت در حالت آلودگی و مسیر جریان تخلیه در این مقره ها نسبت به مقره های بشقابی بهتر پاسخ  می دهند ، به طوری که یک مقره میله کششی 22 کیلو ولتی معادل 3 مقره بشقابی عمل می کند .

مقره یکپارچه میله ای بلند ( لانگ راد )

مقره لانگ راد یا مقره استوانه ای میله ای بلند مانند مقره های میله کششی بوده و برای خطوط فشار متوسط مناطق بحرانی با صاعقه زیاد مرطوب و شرجی بالا با بارندگی زیاد در مناطق جنوبی و شمالی کشور و یا مناطق جنگلی و مناطق آلوده بسیار مناسب  و اقتصادی می باشد .

شرکت مقره سلزی ایران ، دو نمونه میله ای بلند ( لانگ راد ) تولید می کند.

طول این مقره ها 44 سانتی متر برای 15 هزار پوند و 90 سانتی متر برای 25 هزار پوند می باشد .