مقره های الکتریکی
سیمهای معلق انتقال قدرت انرژی، به جز موقعی که به منازل مسکونی وصل می‌شوند برهنه هستند و توسط هوای اطراف ایزوله شده اند. در خطوط انتقال نیرو لازم است هادی‌های تحت ولتاژ به نحوی از برج‌ها ایزوله شوند و برای این کار از مقره ها یا پایه عایقی استفاده می‌شود. مقره ها درمحل اتصال کابل‌های برق با تیربرق ها نیز بکار می‌رود.
در سیستم‌های قدرت، از مقره الکتریکی (Electrical Insulator) برای جلوگیری از گذر جریان‌های ناخواسته به زمین استفاده می‌شود. مقره نقش مهمی در سیستم‌های الکتریکی ایفا می‌کند. در حقیقت، مقره یک مسیر بسیار مقاومتی است که عملاً جریانی از آن عبور نمی‌کند. در سیستم انتقال و توزیع، هادی‌های هوایی عموماً روی دکل‌ها یا تیرها قرار می‌گیرند. دکل‌ها و تیرها، هر دو، به طور مناسب زمین می‌شوند. بنابراین، مقره باید بین دکل یا تیر و هادی‌های حامل جریان قرار گیرد تا از عبور جریان هادی‌ها به زمین (از طریق بدنه دکل‌ها یا تیرها) جلوگیری شود. در واقع، برای نگه داشتن هادی‌های الکتریکی فشارقوی که دارای ولتاژهای بسیار بزرگی هستند از مقره‌های فشار قوی استفاده می‌شود.
مقره‌ها دو وظیفه مهم برعهده دارند:
• وظیفه مکانیکی: مقره‌ها دارای استقامت مکانیکی بوده و قادرند بارها و نیروهای مکانیکی را تحمل کنند.
• وظیفه الکتریکی: مقره‌ها می‌توانند ولتاژهای بزرگ کاری و نیز ولتاژ های ضربه و رعد و برق را تحمل کنند؛ به طوری که در بدترین شرایط رطوبت، باران و آلودگی و بروز صاعقه با ولتاژ های بالا، دچار شکست الکتریکی نمی‌شوند.
مقره‌های فشارقوی باید ویژگی‌هایی از قبیل استقامت الکتریکی و مکانیکی بالا، نداشتن ناخالصی و حفره‌های داخلی، استقامت در برابر تغییرات درجه حرارت و عدم تغییر شکل، ضریب اطمینان بالا، ضریب تلفات عایقی کم و مقاومت در برابر نفوذ آب و آلودگی‌ها داشته باشند.
شکست الکتریکی مقره ممکن است در اثر تخلیه الکتریکی در هوای اطراف مقره، تخلیه الکتریکی سطحی از طریق گرد و غبار و یا تخلیه الکتریکی از داخل مقره ایجاد شود. عجیب نیست اگر گفته شود که ضریب اطمینان سیستم‌های قدرت، به ضریب اطمینان مقره‌ها و کیفیت آن‌ها بستگی دارد. علت اصلی خرابی مقره‌های هوایی، تخلیه الکتریکی است که بین خط و زمین در شرایط غیرعادی ولتاژ سیستم رخ می‌دهد. در طول تخلیه الکتریکی، گرمای زیاد ناشی از قوس الکتریکی، سبب سوراخ شدن بدنه مقره می‌شود. با توجه به این پدیده، موادی که در مقره‌ها به کار می‌روند باید ویژگی‌های خاصی داشته باشند.
موادی که برای اهداف عایقی به کار می‌روند، ماده عایق‌کننده نامیده می‌شوند. برای آنکه از این ماده‌ها به صورت بهینه استفاده کنیم، باید ویژگی‌های خاصی داشته باشند که عبارتند از:
• از نظر مکانیکی به اندازه کافی قوی باشند تا تنش و وزن هادی را تحمل کنند.
• برای مقاومت در برابر فشارهای ولتاژ در سیستم ولتاژ قوی باید از قدرت دی الکتریک بسیار بالایی برخوردار باشند.
• برای جلوگیری از نشت جریان در زمین، باید از مقاومت عایق بالایی برخوردار باشد.
• خصوصیات فیزیکی و الکتریکی آن‌ها باید کمترین تأثیرپذیری را از تغییرات دما داشته باشد.
انواع مقره ها از نظر جنس
مقره‌هایی که در معرض هوای آزاد مورد استفاده قرار می‌گیرند از جنس چینی، شیشه و اخیراً مواد کامپوزیت هستند. در ادامه، این مقره‌ها را معرفی خواهیم کرد.
مقره چینی
امروزه، مقره چینی (Porcelain) پرکاربردترین ماده مورد استفاده برای مقره‌های هوایی است. چینی از جنس آلومینیوم سیلیکات (Aluminium Silicate) است. آلومینیوم سیلیکات با کاسولن پلاستیکی، فلدسپار و کوارتز مخلوط می‌شود تا ماده عایق پرسلن سخت و چینی لعاب‌دار به دست آید. سطح چینی باید به اندازه کافی لعاب‌دار و صیقلی باشد تا آب روی آن نماند و به آن نفوذ نکند. چینی همچنین باید از تخلخل عاری باشد، زیرا تخلخل عامل اصلی کاهش خاصیت دی الکتریک آن است. علاوه بر این، چینی باید از هرگونه ناخالصی و حباب هوا که می‌تواند بر خاصیت عایق تأثیر بگذارد، عاری باشد. شکل زیر یک مقره چینی را نشان می‌دهد.
از معایب مقره‌های چینی می‌توان به به وجود آمدن ترک‌های ریز در آن‌ها و در نتیجه، کاهش مقاومت در برابر ولتاژهای ضربه اشاره کرد.
مقره شیشه‌ای
مقره‌های شیشه‌ای را از مخلوطی از آهک و پودر کوارتز ذوب شده که به طور ناگهانی سرد و قالب‌ریزی شود، می‌سازند. امروزه مقره‌های شیشه‌ای نیز مورد استقبال قرار گرفته‌اند و در خطوط انتقال و توزیع به کار می‌روند. در این مقره‌ها، از شیشه‌های سخت آنیل برای عایق استفاده می‌شود. مقره شیشه‌ای مزیت‌هایی نسبت به مقره چینی معمولی دارد که عبارتند از:
• قدرت دی الکتریکی بالایی در مقایسه با چینی دارد.
• مقاومت آن بسیار بالا است.
• ضریب انبساط حرارتی کمی دارد.
• از استحکام کششی بالاتری نسبت به عایق چینی برخوردار است.
• از آنجایی که ماهیت آن شفاف است، در شرایط تابش نور خورشید به اندازه چینی گرم نمی‌شود.
• به دلیل شفافیت شیشه، ناخالصی‌ها و حباب‌های هوای داخل آن به راحتی در داخل بدنه قابل تشخیص هستند.
• شیشه طول عمر بسیار بالایی دارد، زیرا خصوصیات مکانیکی و الکتریکی آن با گذشت زمان تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.
• شیشه ارزان‌تر از چینی است.
در مقره‌های شیشه‌ای، استقامت الکتریکی بین 140 تا 500 کیلوولت بر سانتی‌متر است. همچنین، استقامت مکانیکی فشاری و مکانیکی کششی آن‌ها، به ترتیب، 1٫5 و ۲ برابر مقره‌های چینی است. از طرفی، استقامت مکانیکی خمشی مقره‌های شیشه‌ای تقریباً برابر با مقره‌های چینی (کمی کمتر) است.
از مزایای مقره‌های شیشه‌ای می‌توان به ضریب انبساط حرارتی بسیار کم اشاره کرد که در نتیجه، تغییرات شکل آن‌ها در اثر افزایش درجه حرارت بسیار کم است. مقره‌های شیشه‌ای قبل از بروز ترک کاملاً خرد می‌شوند و از این رو به راحتی می‌توان مقره‌های معیوب را پیدا کرد. برخلاف مقره‌های چینی، در هنگام ساخت مقره‌های شیشه‌ای، حفره به وجود نمی‌آید و یا اگر حفره‌ای هم باشد قابل مشاهده است.
معایب مقره‌های شیشه‌ای نیز به شرح زیر است:
• رطوبت می‌تواند به راحتی روی سطح شیشه متراکم شود و از این رو، گرد و غبار هوا روی سطح شیشه قرار گیرد که خود موجب ایجاد مسیر جریان نشتی می‌شود.
• برای شیشه‌هایی با ولتاژ بالاتر، نمی‌توان شکل‌های نامنظمی را قالب‌گیری کرد، زیرا به دلیل سرمایش نامنظم، کرنش‌های ناشی از سرمایش داخلی رخ خواهد داد.
• مقره‌های شیشه‌ای گرد و خاک بیشتری را به خود جذب می‌کنند.
مقره کامپوزیتی
مقره‌های کامپوزیتی ترکیبی از مواد پلیمری بوده و در برابر اشعه فرابنفش خورشید مقاوم هستند. این مقره‌ها به علت خواص الکتریکی و مکانیکی بسیار خوب، در حال جایگزین شدن به جای مقره‌های چینی و شیشه هستند. مقره‌های کامپوزیتی بسیار سبک هستند و برخلاف چینی و شیشیه، قابل شکستن نیستند و از این رو استحکام مکانیکی بسیار خوبی دارند. همچنین، به دلیل بالاتر بودن جریان نشتی در مناطق آلوده، برای استفاده در این مناطق بسیار مفید بوده و نیازی به شست‌وشو و تمیز کردن آن‌ها نیست.
مقره‌های رزینی به طور عمده از ترکیبات بی سفنل و اپی کلروهیدرین ساخته می‌شوند. برای سخت‌تر شدن ترکیب مذکور، معمولاً مواد اضافی مانند کوارتز نیز اضافه می‌شود. این نوع مقره‌ها به دلیل نداشتن مقاومت در برابر اشعه فرابنفش خورشید، در فضای آزاد قابل استفاده نیستند و فقط در فضاهای داخلی به کار می‌روند.
مقره پلیمری نیز دو بخش دارند: یکی هسته که از جنس رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر شیشه‌ای است و دیگری لاستیک سیلیکونی یا اتیلن پروپیلن داین مونومر (EPDM) که پوسته را می‌سازد. از آنجایی که مقره پلیمری از دو قسمت هسته و هوا ساخته شده است، مقره کامپوزیتی نامیده می‌شود.
مزایایی این نوع مقره‌ها به صورت زیر است:
• وزن پایین‌تری نسبت به مقره‌های چینی و شیشه‌ای دارند.
• از آنجایی که عایق کامپوزیت انعطاف‌پذیر است، احتمال شکستگی آن کاهش می‌یابد.
• به دلیل وزن پایین‌تر و اندازه کوچک‌تر، این نوع مقره هزینه نصب پایین‌تری دارد.
• مقاومت کششی این نوع مقره نسبت به مقره چینی بالاتر است.
• عملکرد بهتری در نقاط آلوده دارد.
• عایق پلیمری، به دلیل وزن پایین‌تری که دارد، بار کمتری را به دکل و تیر وارد می‌کند.
• به دلیل ماهیت آب‌گریزی این نوع مقره، به تمیزکاری کمتری نیاز دارد.
شکل زیر یک مقره پلیمری را نشان می‌دهد.
یکی از معایب مقره‌های پلیمری این است که ممکن است رطوبت به آن‌ها وارد شده و منجر به خرابی الکتریکی عایق شود.
انواع مقره ها از نظر کاربرد
انواع مقره‌ها از نظر کاربرد، عبارتند از: مقره‌های اتکایی برای عایق‌کاری باس بارها در پست‌های برق و تابلوها، مقره‌های عبوری یا بوشینگ‌ها برای عبور باس بارها، از دیواره ها یا بدنه تجهیزات الکتریکی نظیر ترانسفورماتورها، کلیدها، خازن‌ها، مقره‌های مهار و مقره‌های کششی.
مقره اتکایی
مقره‌های اتکایی به صورت استوانه‌هایی بلند هستند که فرورفتگی‌ها و برآمدگی‌هایی روی سطح استوانه دارند و از نظر ساخت می‌توانند به صورت توپر و توخالی باشند. نوع توپر این مقره دارای استقامت مکانیکی و الکتریکی بیشتری در مقابل سوراخ شدن است.
امروزه مقره‌های پُست بیشتر به صورت توپر ساخته می‌شوند. از نوع توخالی در مواردی استفاده می‌شود که مقره باید نیروی مکانیکی بیشتری تحمل کند. البته برای افزایش استقامت الکتریکی مقره اتکایی، آن را با گاز خشک ازت پر می‌کنند.
در پست‌های فشار قوی، این مقره‌ها برای نگهداری شین‌های فشار قوی بر روی پایه‌های بتنی به کار می‌روند و شین‌های فشار قوی روی شیار بالایی مقره بسته می‌شوند. از این مقره‌ها همچنین در تابلوهای فشار قوی استفاده می‌شود. شمش‌های فشار قوی داخل تابلو از مقابل این مقره‌ها عبور می‌کنند و به مقره بسته می‌شوند و یا شمش‌ها روی مقره قرار می‌گیرند.
مقره عبوری
مقره‌های عبوری برای سرهای خروجی و ورودی دستگاه‌های فشار قوی و برای جلوگیری از ایجاد جرقه بین خط عبوری و بدنه دستگاه استفاده می‌شوند. این نوع مقره‌ها به صورت لایه‌های استوانه‌ای به کار می‌روند. با توجه به محیط کاری، شکل مقره‌های عبوری متفاوت است. معمولاً فضای داخل این استوانه‌های عایقی، توسط گازها یا مایع‌های عایق پر می‌شود.
مقره کششی
مقره‌های کششی در برج‌های کششی، به صورت زنجیره مقره‌ای، وظیفه اتصال هادی به برج را بر عهده دارند. این زنجیره مقره‌ها می‌توانند به صورت دوتایی یا سه‌تایی و یا بیشتر مورد استفاده قرار گیرند که انتخاب آن‌ها به تعداد هادی‌های هر فاز و همچنین شرایط بارگذاری و نوع مقره بستگی دارد.
از مقره‌های کششی در پایه‌های ابتدا و انتهایی خطوط انتقال، توزیع و در پایه‌هایی که در مسیر خط از حالت مستقیم خارج شده و یا نسبت به افق زاویه پیدا می‌کنند، استفاده می‌شود.
مقره مهار
در خطوط ولتاژ ضعیف، مقره‌ها باید در ارتفاعی که نسبت به زمین قرار دارند، عایق باشند. عایق مورد استفاده در سیم مهار، مقره مهار نامیده می‌شود و معمولاً از جنس چینی است. این عایق به گونه‌ای طراحی می‌شود که در صورت شکست عایق سیم، با زمین تماس پیدا نکند.
جدول مشخصات مقره
مشخصات الکتریکی و محیطی یک مقره، معمولاً به صورت جدول زیر بیان می‌شود.
مشخصه واحد
استاندارد
حداکثر ولتاژ نامی کیلوولت
فرکانس نامی هرتز
نوع فضا (فضای بسته – فضای باز)
سطح آلودگی
نحوه زمین کردن نقطه نول سیستم
ارتفاع پست از سطح دریا متر
سطح اتصال کوتاه کیلوآمپر
مدت زمان اتصال کوتاه ثانیه
رطوبت درصد
شتاب زلزله متر بر مجذور ثانیه
ضخامت یخ میلی‌متر
حداکثر سرعت باد متر بر ثانیه
سرعت باد در شرایط یخ متر بر ثانیه
حداکثر درجه حرارت محیط درجه سانتی‌گراد
حداقل درجه حرارت محیط درجه سانتی‌گراد
همچنین، مشخصات فیزیکی یک مقره در قالب جدولی به شکل زیر بیان می‌شود.
مشخصه واحد
ماده عایقی
حداقل ولتاژ تحمل در مقابل موج صاعقه در حالت خشک کیلوولت
حداقل ولتاژ تحمل در مقابل موج کلیدزنی در حالت خیس کیلوولت
حداقل تحمل در برابر ولتاژ با فرکانس شبکه در حالت خیس کیلوولت
حداقل فاصله خزشی میلی‌متر
حداکثر RIV در فرکانس یک مگاهرتز در ۱۰ درصد بالاتر از حداکثر ولتاژ نامی میکروولت
نیروی قابل تحمل مکانیکی یا الکترومکانیکی نیوتن
رنگ
ارتفاع نامی میلی‌متر
حداکثر قطر نامی هر واحد از مقره میلی‌متر
قطر اتصال فلزی فوقانی میلی‌متر
قطر اتصال فلزی تحتانی میلی‌متر
- ۰۰/۰۶/۱۸