أسباب تشقق الملفات في المحولات الجافة المصبوبة بالراتنج الإيبوكسي وآلية تأثير الدورات الحرارية

1. العوامل المحفزة متعددة الأبعاد لتشقق الملفات

لا يعد تشقق الملفات نتيجة لفشل واحد، بل هو نتيجة تفاعل عوامل متعددة تشمل المواد، والعمليات، والتصميم الهيكلي، وبيئة التشغيل.

1.1 تطور هيكل العزل وعدم تطابق خصائص المواد

1.2 التحكم غير السليم في عمليات الصب والمعالجة

أثناء عملية الصب، إذا لم يتم اعتماد صب فراغي عالي المعايير أو كان إزالة الغازات غير كافية، فمن المرجح أن تبقى فقاعات الهواء داخل الراتنج. وخلال مرحلة المعالجة، إذا لم يتم التحكم بشكل سليم في ملفات التسخين والبقاء والتبريد، فلن يتمكن الراتنج من المعالجة ببطء وبشكل منتظم، مما يؤدي إلى إجهاد داخلي متبقٍ مفرط يخلق عيوباً جوهرية تجعل المادة عرضة للتشقق لاحقاً.

1.3 الإجهاد الميكانيكي وتأثير القوة الكهرومغناطيسية

أثناء التشغيل، تتعرض المحولات لاهتزازات ميكانيكية خارجية بالإضافة إلى قوى كهرومغناطيسية هائلة أثناء أحداث القصر. وإذا لم يكن لف الملف محكماً أو كانت طرق الدعم والتثبيت غير كافية، فإن القوى الكهرومغناطيسية المتكررة والاهتزاز يمكن أن تسبب تشوه الملف، وتلف طبقة العزل، وحتى التشقق.

1.4 بيئة التشغيل القاسية

يؤدي التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية إلى تسريع الشيخوخة الحرارية والتحلل الحراري للراتنج، مما يقلل من قوته الميكانيكية. وفي البيئات الحارة والرطبة، يتسبب تسرب الرطوبة في حدوث تحلل مائي للإستر في الراتنج، مما يشكل مسامات مجهرية على السطح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للغازات المسببة للتآكل في البيئات مثل المصانع الكيميائية (مثل ثاني أكسيد الكبريت، والكلور) أن تهاجم مادة العزل وتؤدي إلى تدهور بنيتها الجزيئية.

2. آلية تأثير التدوير الحراري على طبقة العزل الراتنجية

من بين المحفزات الموصوفة أعلاه، يُعد التدوير الحراري (التدوير درجة الحرارة) الآلية الفيزيائية الأساسية التي تمتد طوال دورة حياة المعدات بأكملها، حيث تعمل كـ "عامل مساعد" يسرع من انتشار الشقوق. وتشير الأبحاث إلى أن "الإجهاد الحراري الميكانيكي" الناتج عن التدوير الحراري أكثر عرضة بكثير للتسبب في تشققات مجهرية في طبقة العزل مقارنة بالتعرض المستمر لدرجات الحرارة العالية. وينعكس تأثيره على طبقة العزل الراتنجية بشكل أساسي في الجوانب الأربعة التالية.

2.1 تراكم وتعب الإجهاد الحراري المتناوب

بسبب عدم تطابق معامل التمدد الحراري بين الراتنج والموصل، وبين الراتنج وتقوية الألياف الزجاجية، يولد التدوير الحراري إجهادات شد وقص متناوبة عند الواجهات البينية للمواد. ومع زيادة عدد الدورات، تضعف هذه الإجهادات قوة الترابط البيني، وتبدأ الشقوق الدقيقة في التكون والانتشار تدريجياً، لتتطور في النهاية إلى تشقق اختراقي.

2.2 تدهور البنية المجهرية للمادة

تحت إجهاد درجة الحرارة المتناوب للتدوير الحراري، تتدهور الشبكة المتشابكة لراتنج الإيبوكسي تدريجياً، ويزداد الحجم الحر داخل المادة. على المستوى المجهري، يتجلى ذلك في شكل فراغات وشقوق دقيقة على أسطح الكسر؛ وعلى المستوى العياني، يظهر ذلك على شكل انخفاض في قوة الانهيار لجهد التيار المتردد للمادة العازلة.

2.3 التأثير الحرج لدرجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg)

عندما تقترب درجة حرارة التشغيل أو تتجاوز درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) لراتنج الإيبوكسي، يرتفع معامل التمدد الحراري بشكل حاد ويخضع معامل المرونة لتغيير كبير. في هذه المرحلة، تنتقل المادة من حالة زجاجية صلبة إلى حالة مرنة عالية، وتنخفض مقاومتها للتشوه بشكل كبير، ويؤدي تركيز الإجهاد الداخلي الناتج عن التدوير الحراري بسهولة أكبر إلى الانفصال البيني والتشقق.

2.4 الحلقة المفرغة المحفزة للتفريغ الجزئي (PD)

يؤدي التشقق الناتج عن التدوير الحراري إلى إنشاء فجوات هوائية مجهرية داخل طبقة العزل. ونظراً لأن ثابت العزل الكهربائي للراتنج أعلى بكثير من ثابت الهواء، فإن شدة المجال الكهربائي في الفجوة الهوائية تحت جهد التيار المتردد تتوزع بشكل يتناسب عكسياً مع ثابت العزل الكهربائي، مما يؤدي إلى شدة مجال عالية للغاية داخل الفجوة. وهذا يسهل حدوث التفريغ الجزئي. وتقوم الجسيمات عالية الطاقة الناتجة عن التفريغ الجزئي بتآكل وتدهور راتنج الإيبوكسي بشكل أكبر، مما يشكل حلقة مفرغة من "التشقق → التفريغ الجزئي → التآكل الكهربائي → تفاقم التشقق" والتي تؤدي في النهاية إلى انهيار العزل.

3. الملخص واستراتيجية الدفاع المنهجي

باختصار، يعد تشقق الملفات في المحولات الجافة المصبوبة براتنج الإيبوكسي في جوهره مشكلة تعب مادي وفشل هيكلي ناتجة عن اقتران عوامل متعددة. ولحل هذه المشكلة بشكل جذري، يجب وضع استراتيجية دفاع منهجية عبر كل من مراحل التصنيع والتشغيل.

فقط من خلال الجمع بين تحسين الخصائص الجوهرية للمواد وإدارة التشغيل والصيانة طوال دورة الحياة، يمكن مقاومة التأثيرات التآكلية للدورات الحرارية بشكل فعال، مما يضمن التشغيل الآمن والمستقر على المدى الطويل للمحولات الجافة.