مقابله با خرابی مقره‌های سیلیکونی در مناطق بحرانی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، مقره‌های کامپوزیتی با روکش پلیمری از ۴۰ سال پیش تا امروز مورد استفاده قرار می‌گیرند. در طی این مدت، از میان انواع مواد پلیمری، سیلیکون بیشترین کاربرد را به عنوان روکش این مقره‌ها داشته است.

 

 

دلیل اصلی این امر آبگریزی فعال آن برای طولانی مدت است؛ چرا که باعث شده نیاز به شستشوی منظم در مناطق بسیار آلوده کاهش قابل ملاحظه‌ای پیدا کند. علاوه بر این، پذیرش گستردۀ بازار از مقره‌های سیلیکونی باعث تولید انبوه و در نتیجه کاهش قیمت آن شده و این مقره را به یک گزینۀ مقرون به صرفه تبدیل کرده است. در عین حال، تجربۀ برخی از شرکت‌های بهره‌بردار نشان داده است که هنوز باید روی فرمولاسیون سیلیکون از جنبه‌های کلیدی خاصی کار شود؛ مواردی نظیر سیلیکاته شدن سطح روکش سیلیکونی، ایجاد ترک‌های عمیق روی سطح، یا پارگی روکش سیلیکونی مقره.

سیلیکاته شدن سطح، شکلی از تخریب سیلیکون است که منجر به تشکیل لایه‌های اکسید سیلیکا با ضخامت بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ میکرومتر روی روکش سیلیکونی مقره می‌شود. بر خلاف سطح یک پلیمر نو، میزان الاستیسیتۀ سطح مقطع لایۀ اکسید سیلیکا به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و رفتار شکنندۀ آن را هنگام قرار گرفتن در معرض استرس‌های مکانیکی (نظیر خم شدن چترک‌ها) نشان می‌دهد. زمانی که مشخصه‌های مکانیکی سیلیکون تخریب شده اندازه‌گیری شود، کاهش معنی‌دار در میزان استحکام کششی مشاهده خواهد شد؛ در صورتی که ممکن است استحکام پارگی تفاوت معنی‌داری پیدا نکند. این تغییر را می‌توان به این شکل توضیح داد که: وقتی چترک‌ها خم می‌شوند، لایۀ شکنندۀ اکسید سیلیکا می‌شکند و ترک حاصل از آن منجر به خروج مادۀ پلیمری روکش مقره از حد الاستیسیتۀ خود می‌شود (اثر ناچ). به عنوان مثال، صدمات مختلفی در مقرۀ ترانسفورماتور‌های اندازه‌گیری دقیق پست ۴۲۰ کیلوولت (نصب شده در یکی از مناطق اروپای مرکزی) که با روکش سیلیکون مایع عایق شده‌اند شناسایی شده است. نتیجۀ خرابی به صورت دو نوع A یا B طبقه‌بندی شده‌اند؛
• خرابی نوع A به معنی ترک‌های جزئی در هنگام خم شدن چترک‌ها (شکل ۱)
• خرابی نوع B به معنی از هم گسیختگی لایه مواد در حال تخریب (شکل ۲)
این مقره‌ها بین سال‌های ۱۹۹۱ تا ۲۰۰۷ ساخته شده‌اند و البته هیچ گونه همبستگی بین مدت زمان کارکرد و مقره‌های سالم، مقره‌های دارای خرابی نوع A و یا مقره‌های دارای خرابی نوع B وجود ندارد. خرابی نوع B بحرانی در نظر گرفته شد، زیرا در تمامی سطوح روکش سیلیکونی مشاهده شد؛ حتی نقاطی که در معرض تابش مستقیم اشعۀ UV قرار نداشتند. میزان شدت خرابی نیز با استفاده از تحلیل تصاویر به دست آمده از تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی مشخص شد (شکل ۳) که میزان از بین رفتن مواد سیلیکونی و تشکیل ترک در پلیمر را نشان می‌داد. پس از این ارزیابی اولیه، سطح سیلیکون مایع در این مثال توسط یک پوشش RTV آب‌بندی شد تا از نفوذ آلودگی و رطوبت به داخل ترک‌ها (که می‌توانست باعث آسیب بیشتر آن‌ها گردد)، جلوگیری شود. این اقدام موفق بود و ترانسفورماتور‌های مورد مطالعه همچنان در حال کار هستند.

شکل ۱. خرابی نوع A

شکل ۲. خرابی نوع B

 

شکل ۳. تصویر سطح مقطع آسیب‌دیده زیر میکروسکوپ الکترونی

علت بروز این گونه خرابی‌ها هنوز به طور کامل روشن نشده است، اما آنالیز طیف‌سنجی FTIR، علت اصلی را گسست پیوند‌های مولکولی ناشی از حضور مولکول‌های آب نشان می‌دهد. برخلاف سیلیکون HTV، به سیلیکون مایع، برای بهبود مقاومت در برابر تابش اشعۀ UV، مادۀ افزودنی ATH اضافه نمی‌شود؛ به جای آن از سیلیکا به عنوان پرکننده به منظور دستیابی به خواص مکانیکی مورد نیاز استفاده می‌شود.

یک فرضیه این است که اگر این مادۀ پرکننده به سیلیکون اضافه نشده باشد موجب بروز چنین خرابی‌هایی می‌شود. اما این فرضیه را برای سیلیکون فرآوری شده به سختی می‌توان تأیید کرد.

ایجاد ترک‌های عمیق روی سطح سیلیکون، شکل دیگری از خرابی است که منجر به ایجاد ترک‌های جدی در کل روکش سیلیکون می‌شود (شکل ۴). این خرابی از آن جهت پرریسک است که هستۀ مقره را در معرض آسیب مستقیم قرار می‌دهد، زیرا هستۀ مقرۀ سیلیکونی در برابر آسیب‌های احتمالی فضا‌های باز، مقاوم‌سازی نمی‌شود. در صورت نفوذ آلودگی یا رطوبت، سطح تماس بین روکش سیلیکونی و هستۀ مقره در معرض آسیب قرار می‌گیرد و بروز جرقۀ داخلی محتمل خواهد شد.


شکل ۴. ترک‌های عمیق روی سطح مقره با روکش از جنس سیلیکون HTV

شکل ۵. مشاهدۀ خرابی عمده بعد از ۷ روز در اسید نیتریک یک مولار

نخستین بار این مشکل در CIGRE WG D۱.۲۷ و با استفاده از یک آزمایش سادۀ قرار دادن در ظرف اسید نیتریک با pH=۰ مورد بررسی قرار گرفت. زیرا در اثر تخلیۀ الکتریکی کرونا اسید نیتریک ایجاد می‌شود. نتایج آزمایش نشان داد که اضافه کردن مادۀ پرکننده در تغییر میزان حساسیت مادۀ اصلی نسبت به حملۀ اسید، تعیین کننده است (شکل ۵). به عنوان مثال، نمونۀ C، بدون افزودن مادۀ پرکننده، به طور قابل ملاحظه‌ای آسیب دید و با خم کردن چترک‌های آن پس از انجام آزمایش، ترک خوردگی عمیقی در سطح سیلیکون به وجود آمد. با وجود اینکه وقوع چنین مشکلاتی در بهره برداری جزء پدیده‌های نسبتاً نادر است، CIGRE WG D۱.۶۲ «تخریب سطح مواد عایق پلیمری برای کاربرد‌های فضای باز» مسئولیت بررسی دقیق تأثیر این پدیده‌ها را بر عهده گرفت.

ارائۀ توصیه‌های لازم به شرکت‌های بهره‌بردار، در صورت مشاهدۀ چنین مشکلی در خط، در مورد اینکه چه اقداماتی باید انجام شوند، اهمیت دارد. دو موضوع باید مد نظر قرار گیرد:

• ارزیابی وضعیت خرابی و برآورد ریسک ادامۀ استفاده از مقره. به عنوان مرجع، می‌توانید از سند راهنمای IEEE برای تدوین دستورالعمل‌های تشخیص تداوم عملکرد مقره‌های غیرسرامیکی، که در سال ۲۰۱۴ منتشر شده است، استفاده کنید. علاوه بر این، به عنوان یک قاعدۀ کلی، هر گونه آسیب در روکش سیلیکونی که باعث از بین رفتن روکش هستۀ مقره و قرار گرفتن آن در معرض هوای آزاد می‌شود، باید به عنوان یک عامل بحرانی برای تعویض مقره در زودترین زمان ممکن در نظر گرفته شود.

 هر مشکلی که مشاهده می‌شود، بیانگر «وضعیت فعلی» است و هنوز هیچ قاعده‌ای برای پیش‌بینی ریسک بروز آسیب‌های بعدی وجود ندارد؛ بنابراین توصیه می‌شود تمامی مقره‌های دیگری که مربوط تولیدکنندۀ همان مقرۀ مشکل‌دار بوده و در همان منطقه‌ای که این مشکل مشاهده شده است، زیر بار هستند، به صورت سالانه مورد بازرسی قرار گیرند. به طور خاص، اگر در جایی از سطح مقره، سیلیکاته شدن مشاهده شد، اما روکش سیلیکونی همچنان خاصیت آبگریزی خود را حفظ کرده است، مقره‌ها می‌توانند در خط باقی بمانند؛ زیرا لایۀ اکسید سیلیکا، سیلیکون دست نخورده در زیر آن را در برابر خراب شدن بیشتر محافظت می‌کند.

حتی بعد از گذشت ۴۰ سال از به‌کارگیری مقره‌های سیلیکونی، هنوز باید روی بهبود فرمولاسیون سیلیکون برای مقره‌های سیلیکونی که قرار است در مناطق بحرانی و دارای شرایط خاص نصب گردند، کار شود؛ مناطقی که در آن‌ها عوارض پیری مقره‌های سیلیکونی در حال وقوع هستند و تا به امروز ناشناخته مانده‌اند.

ترجمه: شرکت تابان نیرو شیراز