چگونگی توزیع پتانسیل و میدان در طول مقره‌های سیلیکونی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: مطالعه فلش اور در مقره‌های سلیکونی با آلودگی مصنوعی در تست‌های مه‌نمکی نشان می‌دهد که تخلیه روی مقره کاملاً آلوده تابع مسیر نشتی در طول سطح مقره است. در مقره‌هایی که بصورت تکه‌تکه آلوده می‌شوند، تخلیه در مسیر آلوده تابع مسیر نشتی در قسمت آلوده سطح مقره است. وجود قطرات آب و لایه‌های آلودگی شدت میدان الکتریکی را روی سطح مقره‌های سیلیکونی افزایش می‌دهد؛ بنابراین مطالعه توزیع پتانسیل ومیدان الکتریکی در مقره‌های سیلیکونی تحت شرایط مرطوب و آلوده، برای درک عمیق شروع مکانیزم فلش اور ناشی از آلودگی بسیار مهم است.

قطرات آب نقش‌های متعددی در فلش اور ناشی از آلودگی و پیری مقره‌های سیلیکونی ایفا می‌کند که عبارتند از:
۱- قطرات به علت پرمیتیویته و رسانایی بالایشان میدان الکتریکی را بشدت زیاد می‌کند.
۲- تخلیه‌های کرونای سطحی از قطرات آب، مواد چترک‌های مقره را پیر می‌کند.

۳- تخلیه کرونا خاصیت آبگریزی در قسمت‌هایی از سطح را از بین می‌برد و سبب گسترش قطرات و بهم پیوستن آن‌ها می‌شود.

۱- بدست آوردن مدل:
در اولین قدم، یک مدل نمونه بایدبدست آورد تا مشخصات اصلی توزیع میدان الکتریکی اطراف قطره آب مطالعه شود. به همین دلیل، یک سطح سیلیکون رابر مسطح آبگریز با یک قطره آب مجزای برای مطالعه افزایش میدان الکتریکی در اطراف قطره آب مورد استفاده قرار گرفته است. برای ساده سازی بیشتر، قطره آب مجزای منفردی که نیمکره آن در شکل‌ها آمده است فرض می‌کنیم.

یک مقره بشقابی عمودی را فرض می‌کنیم که قطرات آب ساکن روی چترک و sheath عمورد بر خطوط هم پتانسیل قرار دارند. برای نشان دادن ناحیه sheath و ناحیه چترک مقره، دو الکترود با یک صفحه سیلیکون رابر به ابعاد (cm۱۰*cm۱۰*cm۱۰) را فرض می‌کنیم. هدایت نسبی مواد سیلیکونی ۳/۴ است.

دو الکترود به فاصله ۱۰ سانتی‌متر و صفحه سیلیکون دردو موقعیت متفاوت قرار می‌گیرد. ناحیه sheath بوسیله صفحه سیلیکونی که بین دو الکترود مانند اسپیسر قرار گرفته است شبیه‌سازی می‌شود و صفحه سیلیکونی بصورت موازی، بین دو الکترود، برای شبیه‌سازی ناحیه چترک قرار می‌گیرد.

در هر دو مورد ولتاژ اعمالی ۱۰۰ ولت است که میانگین شدت میدان الکتریکی v/cm (۱۰= (۱۰/۱۰۰)) است. هدایت نسبی آب ۸۰ است.

تجزیه و تحلیل افزایش میدان الکتریکی بوسیله قطرات آب

خطوط هم پتانسیل و خطوط میدان الکتریکی اطراف قطره آب که روی صفحه سیلیکونی قرار گرفته است، ناحیه sheath و ناحیه چترک را شبیه‌سازی می‌کند که به ترتیب در شکل‌های ۲ و ۳ نشان داده شده است. خطوط پیوسته برای نشان دادن خطوط هم پتانسیل وخط چین‌ها برای مسیر میدان الکتریکی بکار رفته است.

از شکل‌های ۲ و ۳ چنین به نظر می‌رسد که وجود قطره آب سبب انحراف قابل توجهی در ترتیب خطوط هم پتانسیل و مسیر میدان الکتریکی در اطراف قطره اب شده است. برای ناحیه sheath شبیه‌سازی شده، شدت میدان الکتریکی در خطوط مرزی قطره آب؛ هوا و مواد عایقی بشدت زیاد شده است. برای ناحیه چترک شبیه‌سازی شده شکل ۳، شدت میدان الکتریکی در نوک قطره آب زیاد شده است.

بردار شدت میدان الکتریکی هم از نظر کمیت و هم از نظر جهت در طول سطح مقره آب تغییر می‌کند. بدنبال این تغییرات، کمیت‌های متعددی تغییر می‌کنند که بعنوان مثال می‌توان به مولفه‌های x. و y. و z. بردار شدت میدان الکتریکی یا کمیت بردار اشاره کرد.

کمیت شدت میدان الکتریکی روی سطح قطره آب در ناحیه sheath و ناحیه چترک، بترتیب در شلک‌های ۴ و ۵ نشان داده شده است. هر نقطه روی سطح قطره آب بوسیله سه مولفه x. و y. و z. مشخص شده است.

در حقیقت بعد چهارمی نیاز است تا توزیع کمیت (بزرگی) شدت میدان الکتریکی را نشان دهد. به عبارت دیگر، باید بتوانیم توزیع شدت میدان الکتریکی روی سطح قطره آب را بوسیله دیاگرام سه بعدی نشان دهیم. به عبارت دیگر، تمام نقاط روی سطح قطره آب بوسیله تصویر آن‌ها روی صفحه x. و y. نشان داده می‌شود؛ بنابراین بعد z. می‌تواند برای نشان دادن کمیت بردار شدت میدان الکتریکی درتمام نقاط سطح قطره آب استفاده شود.
واحد‌های x. و y. به سانتیمتر و شدت میدان الکتریکی به v/cm است.

برای قطره در ناحیه sheath بیشترین مقدار شدت میدان الکتریکی روی سطح قطره آب و در سطوح مرزی قطره آب، هوا و مواد عایقی است که v/cm ۲۹ است شکل‌های ۲ و ۴ و برای قطره در ناحیه چترک، حداکثر مقدار شدت میدان الکتریکی در بالای قطره اب است که v/cm ۶/۲۷ است 

اگر هدایت نسبی و رسانای قطره آب با هم مطالعه شوند حداکثر مقدار شدت میدان الکتریکی ذکر شده در بالا کم است. اگر هدایت نسبی ۸۰ باقی بماند و رسانایی s/cmµ ۲۵۰ است، حداکثر مقدار شدت میدان الکتریکی برای قطره آب در ناحیه sheath برابر v/cm ۵/۳۵ و در ناحیه چترک v/cm۷/۳۱ است که افزایش میدان الکتریکی زیاد است.

تجزیه و تحلیل توزیع پتانسیل تحت شرایط بارانی و مه‌ای
مقره‌ای سیلیکونی با چهار چترک که ابعاد آن در شکل ۶ آمده است مدل می‌شود. برای کاهش زمان محاسبات فقط یک قسمت ۱۰ درجه از سطح چترک مدل شده است و ولتاژ اعمالی ۱۰۰ ولت است. سه مدل زیر برای شبیه‌سازی شرایط آب و هوایی خاص مورد استفاده قرار گرفته است.

۱- مدل خشک و تمیز:
این مدل برای مقره‌های سیلیکونی تمییز و خشک بکار می‌رود.

۲- مدل بارانی:
در این مدل، هفت قطره آب روی هر سطح ۱۰ درجه چترک فرض می‌شود که ۲۵۶=۳۶*۷ قطره روی هر چترک و ۱۰۰۸=۴*۲۵۲ قطره آب روی چهار چترک مقره می‌افتد. شکل تمام قطرات آب نیمکره با قطره mm۲ است. هدایت نسبی قطرات آب ۸۰ و رسانایی آن‌ها µs/cm ۲۵۰ است. سطح عمودی sheath و زیر چترک‌ها خشک است.

۳- مدل مه‌ای:
در این مدل توزیع قطره آب شبیه مدل بارانی است، با این تفاوت که زیر چترک‌ها بوسیله لایه نازک آب پوشانده شده است. هدایت نسبی قطرات آب ۸۰ و رسانایی آن‌ها µs/cm ۲۵۰ است.

خطوط همپتانسیل در هر سه مورد فوق در شکل ۷ نشان داده شده است. شکل (۷-الف) توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در طول قره تمییز و خشک را نشان می‌دهد. (۷-ب) نشان می‌دهد که فرض کردن شرایط بارانی، شدت میدان الکتریکی را در اطراف نواحی انتهای چترک به آرامی نسبت به مدل خشک و تمییز کم می‌کند. وجود قطرات آب روی چترکهای، توزیع میدان الکتریکی را روی هم رفته کمی غیریکنواخت‌تر از حالت خشک می‌کند، (البته شدت میدان الکتریکی موضعی در اطراف هر مقره آب بیشتر است). نتیجه اینکه، میدان الکتریکی روی هم رفته، در مناطق محل تقاطع سه گانه (پوشش، هوا و فیتینگها) کمی کوچکتر از حالت خشک و تمییز است. در نهایت شکل (۷-ج) نشان می‌دهد که فرض کردن مدل شرایط مه‌ای، نواحی خشک در طول sheath مقره، حداکثر مقدار ولتاژ را تحمیل می‌کند. شدت میدان الکتریکی روی هم رفته در طول نواحی انتهایی مقره بیشتر از حالت خشک تمیز است.

 

منبع:بانک مقالات مهندسی برق