عایق‏ ها و فشار قوی (ویرایش چهارم)

فصل اوّل: مقدّمهای بر مسائل مهندسی فشار قوی و عایقهای الکتریکی

1-1- مقدّمه ........................................................................................................................................ 1
1-2- ساختار شبکه‌های سراسری ....................................................................................................... 2
1-3- استانداردهای مهم در طرّاحی تجهیزات فشار قوی ................................................................... 3
1-4- سطح ولتاژهای استاندارد در شبکه‌های سراسری ...................................................................... 4
1-5- موادّ عایقی ................................................................................................................................ 5
1-6- ویژگیها و کاربرد موادّ عایقی .................................................................................................. 6
     1-6-1- رفتار مکانیکی مادّۀ عایقی .............................................................................................. 7
     1-6-2- رفتار گرمایی مادّۀ عایقی ................................................................................................ 7
     1-6-3- رفتار شیمیایی ................................................................................................................ 7
     1-6-4- خصوصیّات الکتریکی .................................................................................................... 8
     1-6-5- عوامل اقتصادی .............................................................................................................. 8
1-7- طبقهبندی مواد ........................................................................................................................... 8
1-8- اثر دما بر عمر و استقامت الکتریکی عایقها ............................................................................. 9
1-9- سؤالات مروری ...................................................................................................................... 10
فصل دوّم: شناخت و کنترل میدانهای الکتریکی

2-1- مقدّمه ...................................................................................................................................... 11
2-2- محاسبۀ میدانهای الکتریکی همگن ........................................................................................ 12
     2-2-1- میدان الکتریکی بین دو گوی متّحدالمرکز ................................................................... 12
     2-2-2- میدان الکتریکی بین دو استوانۀ متّحدالمحور ............................................................... 16
2-3- کنترل شدّت میدان الکتریکی .................................................................................................. 23
     2-3-1- عایقهای چندگانه در میدانهای یکنواخت ................................................................. 23

     2-3-2- شکست خطوط میدان در عایقهای چندگانه ............................................................... 28
     2-3-3- کنترل شدّت میدان در میدانهای غیریکنواخت ........................................................... 30
     2-3-4- کنترل شدت میدان در لبههای میدان بین دو صفحه .................................................... 36
2-4- پیدا کردن میدان الکتریکی بهوسیلۀ اندازهگیری و آزمایش ..................................................... 38
     2-4-1- تعیین پتانسیل میدان با روش جبرانی ........................................................................... 38
     2-4-2- تعیین شدّت میدان با استفاده از القای بار الکتریکی روی الکترود ............................... 39
     2-4-3- اندازهگیری شدّت میدان با عبور نور از کریستال ......................................................... 42
     2-4-4- تعیین شدّت میدان با روشهای غیرمستقیم ................................................................. 43
2-5- پیدا کردن میدان الکتریکی به روش ترسیمی .......................................................................... 44
     2-5-1- میدان الکتریکی با موادّ عایقی مختلف ......................................................................... 46
     2-5-2- ترسیم میدان در گوشه ................................................................................................. 47
2-6- محاسبۀ میدان الکتریکی با استفاده از روشهای عددی .......................................................... 48
     2-6-1- روش تفاضل محدود ((FDM ..................................................................................... 48
     2-6-2- روش اجزای محدود (FEM) ...................................................................................... 52
     2-6-3- روش بارهای فرضی (CSM) ...................................................................................... 55
2-7- پیدا کردن میدان الکتریکی با روش نگاشت کانفورم ............................................................... 59
2-8- سؤالات مروری ...................................................................................................................... 65
2-9- مسائل نمونه ............................................................................................................................ 66
فصل سوّم: تئوری شکست در عایقهای گازی

3-1- مقدّمه ...................................................................................................................................... 67
3-2- یونیزاسیون در گازها ............................................................................................................... 68
3-3- ترکیب مجدّد .......................................................................................................................... 71
3-4- انواع یونیزاسیون در گازها ...................................................................................................... 71
3-4-1- یونیزاسیون ضربهای ..................................................................................................... 72
3-4-2- یونیزاسیون نوری ......................................................................................................... 76

     3-4-3- یونیزاسیون حرارتی ..................................................................................................... 78
     3-4-4- یونیزاسیون سطحی ...................................................................................................... 79
3-5- نظریۀ تخلیۀ الکتریکی گازها براساس یونیزاسیون ضربهای ..................................................... 83
     3-5-1- فاصلۀ آزاد ذرّات در گاز .............................................................................................. 84
     3-5-2- رابطۀ میانگین فاصلۀ آزاد با یونیزاسیون و نقش الکترونها .......................................... 87
     3-5-3- توزیع آماری فاصلۀ آزاد .............................................................................................. 88
     3-5-4- ضریب تخلیۀ الکتریکی ............................................................................................... 90
     3-5-5- پدیدۀ بهمن الکترونی و تخلیۀ الکتریکی تانزند ........................................................... 93
     3-5-6- ولتاژ شکست گازهای الکترونگاتیو ........................................................................... 110
     3-5-7- ولتاژ شکست در گازهای مخلوط (اثر پنینگ) .......................................................... 115
     3-5-8- نظریۀ استریمر ........................................................................................................... 117
3-6- زمان تأخیر در شکست الکتریکی گازها ............................................................................... 119
3-7- پدیدۀ پسشکست و کاربردها .............................................................................................. 122
     3-7-1- ناحیۀ تابش (التهاب) ................................................................................................. 123
     3-7-2- ناحیۀ تخلیه ............................................................................................................... 123
3-8- تخلیۀ الکتریکی گازها در میدانهای الکتریکی غیریکنواخت ............................................... 124
     3-8-1- تأثیر درجۀ غیر یکنواختی روی نحوۀ تخلیۀ الکتریکی گازها .................................... 127
     3-8-2- انواع میدانهای غیریکنواخت از نظر شکل الکترودها ............................................... 128
3-9- شکست الکتریکی گازها در ولتاژهای متناوب ...................................................................... 136
3-10- تغییرات ولتاژ شکست با افزایش فرکانس .......................................................................... 137
3-11- سؤالات مروری .................................................................................................................. 138
3-12- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 139
فصل چهارم: فرآیند شکست در عایقهای مایع

4-1- مقدّمه .................................................................................................................................... 141
4-2- عایقهای مایع خالص و تجاری ........................................................................................... 143

4-3- نظریۀ شکست الکترونی ....................................................................................................... 144
4-4- فرآیند شکست در اثر ذرّات ناخالص جامد .......................................................................... 145
4-5- فرآیند شکست در اثر حبابهای ناخالص گازی .................................................................. 147
4-6- فرآیند شکست در اثر ناخالصی قطرات مایعهای دیگر ....................................................... 149
4-7- عوامل مؤثّر بر ولتاژ شکست عایق مایع ............................................................................... 151
4-8- خواصّ لازم برای روغن ترانسفورماتورها ............................................................................ 154
4-9- آزمایش روغن ترانسفورماتورها ........................................................................................... 156
4-10- تصفیۀ روغن ترانسفورماتور ............................................................................................... 158
4-10-1- روشهای تصفیۀ فیزیکی ........................................................................................ 159
4-10-2- روشهای تصفیۀ شیمیایی ....................................................................................... 160
4-11- کلاس روغنها ................................................................................................................... 160
4-12- سؤالات مروری .................................................................................................................. 161
فصل پنجم: فرآیند شکست در عایقهای جامد

5-1- مقدّمه .................................................................................................................................... 163
5-2- فرآیند شکست ذاتی ............................................................................................................ 165
5-3- فرآیند شکست الکترومکانیکی ............................................................................................. 166
5-4- فرآیند شکست حرارتی ........................................................................................................ 168
5-4-1- نقش پارامتر ضریب تلفات عایقی در فرآیند شکست حرارتی .................................. 173
5-5- فرآیند شکست فرسودگی ..................................................................................................... 176
5-6- فرآیند شکست لبهها ............................................................................................................. 180
5-7- تخلیۀ الکتریکی سطحی ........................................................................................................ 181
5-8- ردگذاری در سطح عایقهای جامد ....................................................................................... 183
5-9- سؤالات مروری .................................................................................................................... 184
5-10- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 184

فصل ششم: مقرههای فشار قوی

6-1- مقدّمه .................................................................................................................................... 185
6-2- جنس مقرهها ......................................................................................................................... 186
     6-2-1- مقرههای چینی .......................................................................................................... 186
     6-2-2- مقرههای شیشهای ...................................................................................................... 187
     6-2-3- مقرههای کامپوزیت ................................................................................................... 188
     6-2-4- مقرههای رزینی ......................................................................................................... 189
6-3- شکست الکتریکی در مقرهها ................................................................................................ 189
     6-3-1- تخلیۀ بین هادی و بدنه از طریق هدایت سطحی عایق .............................................. 190
     6-3-2- تخلیه در اثر افزایش ناگهانی ولتاژ بین هادی و بدنه در هوای خشک ...................... 190
     6-3-3- تخلیه در اثر افزایش ناگهانی ولتاژ بین هادی و بدنه در هوای مرطوب .................... 190
6-4- انواع مقرهها .......................................................................................................................... 192
6-5- مقرههای خطوط هوایی ........................................................................................................ 193
     6-5-1- مقرههای سوزنی ........................................................................................................ 193
     6-5-2- مقرههای آویزان بشقابی ............................................................................................. 195
     6-5-3- مقرههای کششی ........................................................................................................ 199
     6-5-4- مقرۀ مهار ................................................................................................................... 199
     6-5-5- مقرههای آویزان استوانهای ......................................................................................... 200
     6-5-6- مقرههای چرخی ........................................................................................................ 202
     6-5-7- مقرههای مخصوص ................................................................................................... 202
6-6- مقرههای اتّکایی (مقرههای نوع ایستگاه) .............................................................................. 204
6-7- مقرههای عبوری (بوشینگها) ............................................................................................... 205
6-8- توزیع پتانسیل روی یک زنجیرۀ مقرۀ آویزان ........................................................................ 206
6-9- روشهای متعادل کردن پتانسیل روی یک زنجیرۀ مقرۀ آویزان ............................................ 212
     6-9-1- افزایش مقدار m ........................................................................................................ 212
     6-9-2- درجهبندی کاپاسیتانس واحدهای مقره ...................................................................... 213
      6-9-3- کاربرد حفاظ استاتیکی یا حلقۀ محافظ ..................................................................... 215
     6-9-4- لعاب هادی ................................................................................................................ 219
6-10- آزمایش مقرههای خطوط هوایی ......................................................................................... 220
     6-10-1- آزمایشهای نوعی بر طبق استاندارد بینالمللی IEC ............................................... 221
     6-10-2- آزمایشهای روی مقرههای نمونه، طبق استاندارد IEC .......................................... 223
     6-10-3- آزمایشهای سری مقرهها ........................................................................................ 224
6-11- شناسایی مقرهها .................................................................................................................. 225
6-12- سؤالات مروری .................................................................................................................. 225
6-13- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 226
فصل هفتم: کرونا

7-1- مقدّمه .................................................................................................................................... 227
7-2- کرونا در خطوط انتقال ......................................................................................................... 227
7-3- محاسبۀ ولتاژ کرونا ............................................................................................................... 229
     7-3-1- ولتاژ بحرانی کرونای قابلرؤیت ................................................................................ 234
7-4- کرونا در خطوط انتقال سه فاز .............................................................................................. 235
7-5- عوامل مؤثّر بر کرونا ............................................................................................................. 236
     7-5-1- شرایط جوّی .............................................................................................................. 236
     7-5-2- شرایط هادیها .......................................................................................................... 237
7-6- تلفات کرونا .......................................................................................................................... 239
7-7- عوامل مؤثّر بر تلفات کرونا .................................................................................................. 242
     7-7-1- عوامل مربوط به فرسودگی خطوط ........................................................................... 242
     7-7-2- عوامل الکتریکی ........................................................................................................ 242
     7-7-3- عوامل جوّی .............................................................................................................. 243
    7-7-4- عوامل مربوط به هادی .............................................................................................. 244
7-8- روش عملی کاهش تلفات کرونا .......................................................................................... 246
7-9- مزایا و معایب کرونا ............................................................................................................. 247

7-10- سؤالات مروری .................................................................................................................. 248
7-11- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 248
فصل هشتم: تولید ولتاژهای فشار قوی

8-1- مقدّمه .................................................................................................................................... 249
8-2- کاربردهای ولتاژ فشار قوی DC ........................................................................................... 250
     8-2-1- مزایای استفاده از خطوط HVDC ............................................................................. 252
8-3- تعریف ولتاژ DC .................................................................................................................. 254
8-4- تولید ولتاژ فشار قوی DC .................................................................................................... 255
     8-4-1- یکسوساز نیمموج ...................................................................................................... 255
     8-4-2- یکسوساز تمامموج .................................................................................................... 257
     8-4-3- مدارهای چند برابر کنندۀ ولتاژ DC ........................................................................... 258
     8-4-4- مولّدهای الکترواستاتیک ............................................................................................ 270
8-5- تولید ولتاژ فشار قوی AC .................................................................................................... 274
     8-5-1- ترانسفورماتورهای سری ........................................................................................... 274
     8-5-2- تولید ولتاژ فشار قوی AC با فرکانس بالا ................................................................. 277
     8-5-3- مدار رزونانس برای تولید ولتاژ فشار قوی AC ......................................................... 281
8-6- ولتاژ فشار قوی ضربهای ...................................................................................................... 286
     8-6-1- موج ضربهای استاندارد صاعقه .................................................................................. 287
     8-6-2- موج ضربهای استاندارد سوئیچینگ ........................................................................... 288
     8-6-3- موج ضربهای شکسته ................................................................................................ 289
8-7- مولدهای ولتاژ ضربهای ........................................................................................................ 289
     8-7-1- مدار RC تولید ولتاژ ضربهای .................................................................................... 289
     8-7-2- مولّد ضربهای چند طبقه - مدار مارکس .................................................................... 295
     8-7-3- تولید امواج سوئیچینگ نوسانی ................................................................................. 300
8-8- مولّد جریانهای ضربهای ...................................................................................................... 302
     8-8-1- تعریف شکل موجهای جریان ضربهای ..................................................................... 302
     8-8-2- مدار تولید امواج جریان ضربهای ............................................................................... 303
     8-8-3- تولید جریانهای ضربهای با دامنۀ بالا ........................................................................ 306
8-9- سؤالات مروری .................................................................................................................... 306
8-10- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 307
فصل نهم: اندازهگیری ولتاژهای فشار قوی و تلفات عایقی

9-1- مقدّمه .................................................................................................................................... 309
9-2- اندازهگیری ولتاژهای DC ..................................................................................................... 309
     9-2-1- استفاده از مقاومت سری و میکروآمپرمتر .................................................................. 309
     9-2-2- استفاده از مقسّم ولتاژ مقاومتی و ولتمتر با امپدانس بالا .......................................... 310
     9-2-3- استفاده از دو الکترود کروی شکل فلزی ................................................................... 311
     9-2-4- استفاده از ولتمترهای الکترواستاتیکی ...................................................................... 313
    9-2-5- استفاده از ولتمتر مولّد ............................................................................................. 315
9-3- اندازهگیری ولتاژهای AC ..................................................................................................... 318
     9-3-1- استفاده از دو الکترود کروی شکل فلزی ................................................................... 318
     9-3-2- استفاده از ولتمتر الکترواستاتیکی ............................................................................ 318
     9-3-3- استفاده از مقاومت سری و میکروآمپرمتر .................................................................. 318
     9-3-4- استفاده از مقسّم ولتاژ مقاومتی و ولتمتر با امپدانس بالا .......................................... 319
     9-3-5- استفاده از خازن سری و آمپرمتر ................................................................................ 320
     9-3-6- استفاده از مقسّم ولتاژ خازنی و ولتمتر .................................................................... 320
     9-3-7- استفاده از ترانسفورماتور ولتاژ خازنی (CVT) .......................................................... 321
     9-3-8- استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ (نوع مغناطیسی PT) .......................................... 324
     9-3-9- اندازه گیری دامنه با مدار خازن سری، آمپرمتر DC و دیودها ..................................... 324
     9-3-10- اندازه گیری دامنه با مقسّم خازنی و یکسوسازی ولتاژ ............................................. 326
9-4- اندازهگیری ولتاژهای ضربهای .............................................................................................. 327
     9-4-1- استفاده از دو الکترود کروی شکل برای تعیین دامنۀ موج ضربهای ........................... 327
     9-4-2- استفاده از مقسّمهای ولتاژی ...................................................................................... 327
     9-4-3- اندازهگیری دامنۀ ولتاژ ضربهای بدون اسیلوسکوپ ................................................... 329
9-5- سؤالات مروری .................................................................................................................... 331
9-6- مسائل نمونه ......................................................................................................................... 331
فصل دهم: آزمایشهای غیرمخرّب عایقهای الکتریکی

10-1- مقدّمه ................................................................................................................................. 333
10-2- اندازهگیری مقاومت مخصوص .......................................................................................... 333
10-3- اندازهگیری مقاومت عایقی ................................................................................................. 337
10-4- اندازهگیری عدد دیالکتریک .............................................................................................. 338
10-5- اندازهگیری ظرفیت خازنی و ضریب تلفات عایقی ............................................................ 340
     10-5-1- پل شرینگ .............................................................................................................. 340
     10-5-2- تصحیح خطای ناشی از تلفات خازن نرمال ............................................................ 344
     10-5-3- اندازهگیری ظرفیت خازنی و ضریب تلفات عایقی با الکترود زمین شده ................. 348
     10-5-4- پل ترانسفورماتوری ................................................................................................. 349
10-6- اندازهگیری جریان تخلیۀ جزیی ......................................................................................... 351
     10-6-1- مدل‌سازی حفره در عایق ........................................................................................ 352
     10-6-2- مشکلات اندازهگیری جریان تخلیۀ جزیی ............................................................... 355
     10-6-3- مدارهای اندازهگیری بار ظاهری تخلیۀ جزیی ......................................................... 357
10-7- تشخیص محل تخلیه در کابل ............................................................................................ 359
10-8- سؤالات مروری .................................................................................................................. 360
10-9- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 360
فصل یازدهم: امواج سیّار در خطوط انتقال

11-1- مقدّمه ................................................................................................................................. 361

11-2- معادلات موج سیّار روی خطّ انتقال ................................................................................... 362
11-3- قوانین انعکاس و انتقال موج سیّار در خطوط انتقال .......................................................... 369
11-4- بررسی حالتهای خاص .................................................................................................... 371
     11-4-1- خطّ انتقال با انتهای باز ............................................................................................ 371
     11-4-2- خطّ انتقال با انتهای اتّصال کوتاه ............................................................................. 373
     11-4-3- اتصّال دو خط به یکدیگر ....................................................................................... 376
     11-4-4- اتّصال چند خط در یک نقطه .................................................................................. 378
     11-4-5- اتّصال چند خطّ انتقال بهصورت سری ................................................................... 379
     11-4-6- اتّصال مقاومت در انتهای خط ................................................................................. 380
     11-4-7- اتّصال مقاومت در نقطۀ اتصال دو خط ................................................................... 380
     11-4-8- اتّصال سلف در انتهای یک خط ............................................................................. 385
     11-4-9- اتّصال خازن در انتهای خط .................................................................................... 387
11-5- میرایی موج سیّار ................................................................................................................ 389
     11-5-1- اثر مقاومت اهمی خطوط در میرایی امواج سیّار ..................................................... 390
     11-5-2- میرایی موج ناشی از پدیدۀ کرونا ............................................................................ 392
11-6- حفاظت شبکه در برابر امواج سیّار ..................................................................................... 393
     11-6-1- حفاظت تجهیزات شبکه با برقگیرها ....................................................................... 394
     11-6-2- حفاظت خطوط انتقال با سیم گارد ......................................................................... 396
     11-6-3- حفاظت توسط شاخکهای حفاظتی ....................................................................... 397
11-7- نمودار شبکهای بیولی ......................................................................................................... 398
11-8- سؤالات مروری .................................................................................................................. 401
11-9- مسائل نمونه ....................................................................................................................... 402
منابع و مآخذ ....................................................................................................................... 403