مقره چیست؟ — به زبان ساده

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 الكتريكی فشارقوی که دارای ولتاژ‌های بسیار بزرگی هستند از مقره‌های فشار قوی استفاده می‌شود.

مقره‌ها دو وظيفه 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 كاری و نيز 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.

فیلم آموزش بررسی سیستم های قدرت ۱ – مرور و حل تمرین در فرادرس

کلیک کنید

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.

هر واحد یا بشقاب از مقره برای ولتاژ پایین (معمولاً ۱۱ کیلوولت) طراحی می‌شود. بسته به ولتاژ کاری، تعداد بشقاب‌های مطلوب را می‌توان با یکدیگر سری کرد. آسیب‌دیدگی هر کدام از بشقاب‌ها منجر به آسیب دیدن کل رشته نخواهد شد، زیرا می‌توان بشقاب آسیب دیده را جایگزین کرد. چند مورد از اصطلاحات مربوط به مقره‌ها به شرح زیر است:

• خط فراری (فاصله خزش) یا مسير خزشی: کوتاه‌ترین مسیر روی سطح مقره که ارتباط هادی را با بدنه برقرار می‌کند.
• شکست الکتریکی در مقره‌ها: تخلیه بین هادی و بدنه از طریق هدایت سطحی (به علت کثیف بودن، آلودگی و مرطوب بودن)  شکست الکتریکی نام دارد.
• ولتاژ شكست مقره: مقدار ولتاژی است كه باعث شكست در مقره خواهد شد.

برخی از آزمایش‌هایی که روی مقره‌ها انجام می‌شود، به شرح زیر است:

• بررسی سیستم قفل و بست
• کنترل مقدار وزن مقره‌ها و ابعاد قسمت‌های مختلف آن‌ها
• آزمایش سیکل حرارتی
• آزمایش حداکثر تحمل بار الکترومکانیکی (فقط برای مقره‌های شیشه‌ای)
• آزمایش حداکثر تحمل بار مکانیکی
• آزمایش شوک حرارتی (فقط برای مقره‌های شیشه‌ای)
• آزمایش تحمل ولتاژ در برابر سوراخ شدن
• آزمایش تخلخل یا وجود حفره (فقط برای مقره‌های چینی)
• آزمایش میزان گالوانیزه بودن قسمت‌های فلزی مقره

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.

فیلم آموزش دینامیک سیستم های قدرت 1 در فرادرس

کلیک کنید

مقره چینی

امروزه، 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 معايب مقره‌های چینی می‌توان به به وجود آمدن ترک‌های ريز در آن‌ها و در نتيجه، كاهش 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 كيلوولت 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 (كمی كمتر) 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 كاربرد

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.

فیلم آموزش بررسی سیستم های قدرت ۲ در فرادرس

کلیک کنید

مقره اتکایی

مقره‌های اتكایی 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.