איך בוחרים את המבודד המתאים לקווי מתח גבוה?

הבינו את סוגי המבודדים העיקריים ואפשרויות החומרים ליישומים של מתח גבוה

מבודדי תלייה, עמוד, מוט ארוך ומבודדי מאמץ: פונקציות ותפקידי מבנה במערכות מתח גבוה

קיימים ארבעה סוגים עיקריים של מבודדים שממלאים תפקידים חשובים במערכות העברת מתח גבוה. מבודדי תלייה עובדים על ידי תומכים במשקל המוליכים באמצעות שרשראות של דיסקים בודדים. הקונפיגורציה הזו מאפשרת للمהנדסים לבנות צריחים בצורות שונות ומקלה כשיש צורך שהקווים יעברו דרך טריטוריות בעלות תצורה מורכבת. מבודדי עמוד נוקטים גישה שונה, ומספקים תמיכה יציבה לברי אוטובוס עבים הנמצאים בתחנות משנה. הם בנויים חזקים מספיק כדי לעמוד במתחים שמגיעים למאות קילו-וולט. מבודדי מוט ארוך מבליטים את עצמם כיוון שהם עשויים מחתיכה רציפה אחת, מחרסינה או מחומר מרוכב. הם טובים במיוחד בהתנגדות לאיסוף חומצה, ולכן רואים אותם לעיתים קרובות ביישומי EHV שבהם משטחים ארוכים יותר עוזרים למנוע פריצה מסוכנת בין רכיבים. לאחר מכן מגיעים מבודדי מאמץ שממוקמים בסופי קווי ההעברה כדי לשמור על כל הקטע יחד למרות כל מיני כוחות הפועלים עליהם, כמו שינויי גובה, הצטברות שלג כבדה או רוחות חזקות הנושבות לאורך הנוף. לכל סוג תוכנן במיוחד כדי להתמודד עם אתגרים שונים, כולל לחץ רוח, הצטברות קרח ואף רעידות אדמה. מעניין שמחקרים מראים שמבודדי מוט ארוך יכולים לשרוד כ-30 אחוז יותר תחת מתח חוזר בהשוואה לערכות דיסק ישנות, מה שהופך אותם לבחירה חכמה עבור רבים מהמתקנים המודרניים.

אינסולטורים מפורצלן, זכוכית וקומפוזיט: ביצועים, עמידות והתאמה ליישום

החומרים שבהם משתמשים חשובים מאוד כשמדובר בביצועים ובעמידות של ציוד בסיטואציות מתח גבוה. פורצלן נמצא בשימוש כבר זמן רב מכיוון שהוא מתמודד יפה עם חשמל, עם עמידות דיאלקטרית של יותר מ-150 קילו וולט לרגל, וכן שומר על יציבות גם תחת שינויי טמפרטורה. מה הבעיה? הוא נשבר בקלות אם משהו פוגע בו, מה שמהווה דאגה אמיתית במקומות שבהם תחזוקה אינה תמיד קלה או בטוחה. מבודדי זכוכית מחוסנים נקיים את עצמם באופן טבעי ומפגינים סדקים לפני כשל גמור, מה שטוב מסיבות של ביטחון. אך מבודדי הזכוכית האלה לא עומדים במבחן טוב ליד חופים שבהם יש הרבה מלח באוויר, מה שגורם למשטחים שלהם להיגרדר עם הזמן. מבודדי פולימר מרוכבים הפכו לפופולריים לאחרונה, במיוחד בסביבות מלוכלכות או רטובות. הם מורכבים מזכוכית אפורה מבפנים ומכוסים בגומי סיליקון, והמאפיינים החסרי הליכה במים שלהם עוזרים להיפטר מאבק וגריז בערך ב-40% מהר יותר מאשר בחומרים רגילים. דוחות מסוימים משדה המניב מצביעים על כך שחומרים מרוכבים אלה עשויים לשרת כ-15 שנים נוספות באקלימים יבשים בהשוואה לחלופות פורצלן מסורתיות. עם זאת, לאחר שנים רבות של חשיפה לאור UV מהשמש, יש צורך בפיתוח נוסחאות מיוחדות כדי למנוע מהם להתנוות במהירות רבה מדי. בהסתכלות על מה שקורה כיום במערכות מתח גבוה במיוחד, אנחנו מתחילים לראות גישות היברידיות חדשות שמביאות את היתרונות של ליבות זכוכית או פורצלן ומשלבות אותן עם התכונות המונעות מזיהום של הכיסויים המרוכבים.

הערכת דרישות ביצועים חשמליים ומיכאניים

חוזק דיאלקטרי ודירוג מתח: התאמת מבודדים למערכות 110 kV-UHV ו-HVDC

בחירת חומר מבודד נכון דורשת שיקול זהיר של מתח המערכת והמתחים החשמליים הממשיים הקיימים. במערכות AC בין 110 קילו וולט ל-800 קילו וולט, מבודדי פורצלן סטנדרטיים מטפלים בדרך כלל ב-10 עד 12 קילו וולט לסנטימטר. אך כשנכנסים ליישומים של מתח עליון (UHV) ומתח ישר גבוה (HVDC), הדרישות קפצות באופן משמעותי. מערכות אלו דורשות חומרים שיכולים לסבול לפחות 15 קילו וולט לס"מ מכיוון שהשדות החשמליים הופכים חזקים בהרבה. העבודה עם HVDC מביאה גם כאבי ראש נוספים. התפלגות השדות החשמליים תלויה בקוטב, ומערכות אלו נוטות לאסוף זיהום על פני השטח מהר יותר ממערכות אחרות. בעיה זו של זיהום למעשה מזרימה את תהליכי ההזדקנות וגורמת לזרמים דליפה גבוהים יותר עם הזמן. רוב המהנדסים מוסיפים כ-20 עד 30 אחוז קיבולת נוספת מעבר למה שהמערכת חווה בדרך כלל, רק כדי להישאר בטוחים נגד עלמי מתח מזדמנים. קחו לדוגמה מבודדי UHV - לעתים קרובות מערבים אותם בבדיקות קשות ב-1800 קילו וולט במשך דקה שלמה, כדי לבדוק אם הם יחזיקו בלחץ. כיום, חברות רבות פונות למבודדי פולימר מרוכבים לעבודות HVDC. הם מפזרים את השדה החשמלי באופן אחיד יותר על פני השטח ועומדים בפני פריצות גורמות לאבק וזיהום טוב יותר מאפשרויות מסורתיות.

קיבולת עומס מכני: עמידות בפני רוח, קרח, מתח וקשיי טרראין

הביצועים המכניים קריטיים לפעולת אמינות בסביבות קשות. בידודנים במתח גבוה חייבים לעמוד ב:

• עומסי רוח וקרח : חוזק כפיפה העולה על 70 קילו ניוטון עבור קווים של 345 קילו וולט באזורים הנוטים להצטברות קרח
• מתח מוליך : חוזק מתיחה הגדול מ-120 קילו ניוטון כדי למנוע כשלים מסדר גלד במהלך תקלות בקו או בתנאי מזג אוויר קיצוניים
• מאמצי רעידת אדמה וטופוגרפיה : שימוש במשככי רטט באזורי רעידת אדמה ועיצובים נגד התנדנדות בטerrain הררי או פתוח
  בודדים קומפוזיטיים מציעים עמידות מתיחה גבוהה - יותר מ-500 MPa בהשוואה לכ-40 MPa של פורצלן - בעוד שמעטפות סיליקון משפרות את ביצועי הطرחת הקרח. באזורים חופיים, יש צורך בבודדים במרחק זחילה של 25-30 מ"מ/קילו וולט ומשטחים הידרופוביים כדי לעמוד בעקבות נגרמות על ידי מלח. התאמה לתקנים IEC 61109 ו-ANSI C29.11 מבטיחה ביצועים מכניים וחשמליים בתנאים מציאותיים, ותומכת בשירות אמין לאורך עשורים.

הערכת עמידות סביבתית ואמינות ארוכת טווח בתנאים קיצוניים

מרחק זחילה וביצועים מול זיהום באקלימים חוף, תעשייתיים ויבשים

הביצועים והחיים הארוך של מבודדים תלויים במידה רבה בסביבה שמקיפה אותם. כשמדובר במרחק זריחה – המסלול הקצר ביותר לאורך פני השטח של המבודד בין שני אלקטרודות – יש צורך להתאים אותו במיקומים עם רמות זיהום גבוהות, כדי למנוע פריצות מסוכנות. מיקומים חופיים יוצרים בעיות מיוחדות מכיוון que מלח מצטבר עם הזמן ויוצר שכבות מוליכות על פני השטחים. בגלל זה, רבים מהיצרנים פונים כיום לcomposites גומי סיליקון הידרופוביים, שמצליחים מאוד לשמור על רטיבות ואבק הרחק מרכיבים קריטיים, ובכך מקטינים את זרמי הדליפה המטרידים שכולנו רוצים לצמצם. אזורי תעשייה יוצרים סט של אתגרים אחר, כשמבודדים מתפוצצים בתרכובות כימיות כמו תרכובות גופרית ואבקה של צמנט. חומרים אלו נוטים ליצור מסלולים מוליכים כאשר הם רטובים, אך עיצובי פרופילים מחופפים בשילוב עם נהלי ניקוי קבועים עוזרים רבות בפתרון הבעיה הזו. המדבר מייצר קושי ייחודי משלו – חול שסולד ללא הרף בחומרים, בעוד קרני UV עזות מדרדרות אותם עוד יותר. מחקרים מראים שזכוכית משופרת עומדת בתנאים קיצוניים אלו בכ-30 אחוז טוב יותר מאפשרויות הפורצלן המסורתיות. כדי להבטיח פעילות תקינה בסביבות מזוהמות, מהנדסים מנטרים מקרוב את זרמי הדליפה, ונועדו לשמור עליהם מתחת לסף של 50 מ"א, כדי למנוע התחממות לא מבוקרת במהלך תקופות של לחות גבוהה. פרוטוקולי בדיקה כוללים סימולציות זקנה מואצת שמדמות עשרות שנים של תנודות טמפרטורה קיצוניות, החל מ-40 מעלות צלזיוס מתחת לאפס ועד 80 מעלות צלזיUS מעל האפס, ונותנות ליצרנים ביטחון בנוגע לעמידות החומרים לאורך זמן. וכמו כן, המרחקים המומלצים לזריחה אכן משתנים בהתאם למקום בו מותקנים המבודדים.

בחירת מבודדים עם פרופילים אופטימליים לאקלים מבטיחה פעילות אמינה לאורך 25 שנה ומעלה, על ידי שיוויון בין התנגדות פני השטח, הידרופוביות ויכולת ניקוי עצמית.

החלת מסגרת בחירה המבוססת על מתח ויישום

בחירת מבודדים ל-33 kV-345 kV AC בהשוואה ל-UHV/HVDC: תצורת שרשרת, יחידות ל-kV, ומדדי אמינות

בחירת הבידוד המתאים תלויה במידה רבה ברמת המתח ובאופן שבו יישמו אותו בשטח. בעת עבודה עם מערכות זרם חילופין (AC) בטווח של 33 קילו וולט עד 345 קילו וולט, יש צורך בתצורות מערך מתאימות וכן בהתנגדות טובה לאיסוף זיהום. בדרך כלל כ-8 עד 10 יחידות פורצלן או זכוכית על כל 100 קילו וולט מספיקות באזורים שבהם תנאי הסביבה אינם קיצוניים. אך המצב משתנה כשמדובר במערכות מתח עליון מאוד (UHV) ומתח ישר גבוה (HVDC). להתקנות מסוג זה נדרשים בידודים חזקים יותר, לרוב בידודים פולימריים מרוכבים המספקים מרחק זחילה ארוך ביותר של מעל 25 מ"מ לקילו וולט והגנה טובה יותר מול הצטברות אבק. גם רואים שמערכות אלו דורשות כ-1.5 פעמים יותר יחידות בידוד בהשוואה למערכות AC דומות, כדי להתמודד כראוי עם שדות חשמליים חזקים במיוחד. סטנדרטים של אמינות הם קשיחים למדי, כאשר רוב פרויקטי ה-UHV שואפים לשיעור כשלות שנתי נמוך מ-0.05%. ואל תنسו גם את החוזק המכני, שחשוב במיוחד באזורים שנוטים להצטברות קרח כבד או רוחות חזקות, שם הבידוד עלול להיחשף למתחים סטטיים שמעל 50 קילו ניוטון. אנשי מקצוע במשרה נוהגים לעקוב אחר ההנחיות של IEC 60383 בנוגע למרחקי דליפה ולתקן ANSI C29 לגבי עומסי מכני, כדי לשמור על פעילות חלקה לאורך זמן ועל יציבות כללית של הרשת.

שאלות נפוצות