مقدمه
عایق‌های الکتریکی نقش حیاتی در حفظ عملکرد ایمن و پایدار تجهیزات الکتریکی ایفا می‌کنند. تحت تاثیر یک میدان الکتریکی دائم، رفتار عایق دچار تغییراتی می‌شود که به مرور زمان می‌تواند بر عملکرد و طول عمر آن تاثیر بگذارد. این واکنش‌ها شامل پلاریزاسیون، جریانهای نشتی، تخلیه جزئی و تغییرات ساختاری در ماده عایقی هستند. شرایط محیطی مانند رطوبت، دما و آلودگی سطحی نیز می‌توانند این تغییرات را تشدید کنند. بررسی دقیق این عوامل می‌تواند به بهبود طراحی و نگهداری تجهیزات الکتریکی کمک کند. در این مقاله، واکنش عایق تحت یک میدان الکتریکی دائم مورد بررسی قرار می‌گیرد.
اگر یک نمونه عایق تحت یک میدان الکتریکی خارجی دائم قرار بگیرد چهار نوع جریان از آن عبور خواهد کرد:
1- جریان خازنی Ic
جریانی است که براثر خازن (حاصل از دو الکترود فلزی متصل به منبع و عایق تحت میدان) از مدار عبور می‌کند، میزان این جریان به‌صورت نمایی و به سرعت کاهش می‌یابد و پس از حدود 1 دقیقه به صفر میل می‌کند.
2- جریان هدایتی IG
جریانی است که براثر عبور الکترون و یا یون‌های آزاد بین دو الکترود ایجاد می‌شود. این جریان در عایق‌های جدید صفر است (به غیر از مواردی که مرطوب باشد) در حالتی که این جریان زیاد باشد یا به عبارتی میزان مقاومت عایقی پایین باشد به احتمال زیاد در عایق خطایی رخ داده است. میزان Ig ثابت است و با افزایش دما و رطوبت افزایش می‌یابد.
3- جریان پراکندگی سطحی IL
این نوع جریان بر روی سطح عایق برقرار می‌شود که مقدار آن ثابت و تابع دما، رطوبت و آلودگی سطحی است.
4- جریان پلاریزاسیون Ip
جریانی است که براثر پلاریزاسیون مولکول‌های عایق تحت یک میدان الکتریکی خارجی ایجاد می‌شود که جریان جذب، پلاریزاسیون یا شارژ نامیده می‌شود.
پدیده پلاریزاسیون در عایق
هنگامی که یک قطعه عایق در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، هر بخش از آن تحت تاثیر میدان پلاریزه می‌شود. به عبارت دیگر، بارهای مثبت و منفی از یکدیگر جدا شده و در نتیجه، گشتاور دو قطبی ایجاد می‌شود. اگر عایق از مولکول‌های قطبی تشکیل شده باشد، این مولکول‌ها در راستای میدان مرتب می‌شوند. جدایی بارها منجر به تشکیل بارهای مخالف در سطح عایق می‌شود که در مقابل بارهای موجود در سطح جوشن قرار می‌گیرند. جابه‌جایی بارهای الکتریکی در عایق، که معمولا با ذخیره انرژی همراه است، به‌صورت جریان الکتریکی بسیار ضعیف از عایق عبور می‌کند. این جریان با استفاده از مولتی‌مترهای حساس که قادر به اندازه‌گیری مقادیر در حد نانوآمپر هستند، قابل مشاهده و اندازه‌گیری است.
چهار نوع پلاریزاسیون پایه در مواد عایقی موجود دارد که هر یک نقش مهمی در واکنش عایق نسبت به میدان الکتریکی ایفا می‌کنند. این انواع پلاریزاسیون شامل پلاریزاسیون الکترونیکی، یونی، جهتی (دوقطبی) و فضایی (ماکروسکوپی) هستند که بسته به ساختار و ترکیب ماده عایق، میزان تاثیر آن‌ها متفاوت خواهد بود.
1. پلاریزاسیون الکترونی
یک میدان الکتریکی خارجی همیشه مرکز ثقل بار الکترون‌ها را نسبت به هسته جابه‌جا می‌کند و لذا این گشتاور دوقطبی القاء می‌نماید. این نوع قطبی شدن را نوری نیز می‌نامند، زیرا زمان وقوع آن در حد پریود امواج نور و مرئی است.
2. پلاریزاسیون یونی
جابه‌جایی اتم‌ها با یون‌هایی با علامت الکتریکی مخالف که با سرعتی کمتر از حالت قبل صورت می‌گیرد.
3. پلاریزاسیون جهتی
این نوع پلاریزاسیون براثر تغییر جهت دوقطبی‌های موجود در عایق و یکسو شدن آن‌ها در راستای میدان الکتریکی به وجود می‌آید که به واسطه اصطکاک دوقطبی‌ها با یکدیگر بسیار کند صورت می‌پذیرد.
4. پلاریزاسیون فضایی
جمع شدن بارهای الکتریکی در فصل مشترک دو عایق به دلیل تفاوت در قابلیت هدایت الکتریکی عایق‌ها منجر به این نوع پلاریزاسیون می‌شود. این نوع پلاریزاسیون دارای کمترین سرعت است و وضعیت عایق را از لحاظ وجود حفره و ناخالصی به خوبی نشان می‌دهد.
با توجه به موارد ذکر شده، جریان پلاریزاسیون در عایق وجود دارد و وضعیت عایق را بهتر به نمایش می‌گذارد. مجموع 4 جریان یاد شده فوق، جریان کل عبوری از عایق It را شکل می‌دهد و از تقسیم ولتاژ اعمالی بر جریان It میزان مقاومت عایقی به‌دست می‌آید. این میزان مقاومت با گذر زمان تغییر می‌کند ولی همان‌طور که گفته شد پس از گذشت یک دقیقه با حذف کامل جریان Ic ، مقدار مقاومت تنها از جریان IL ، IG و Ip به‌دست می‌آید که به‌صورت توانی افزایش می‌یابد. اگر میزان IG و IL به دلایلی نظیر آلودگی و رطوبت بسیار بزرگ باشد تغییرات It در مدت زمان کوتاهی به ثباتی نزدیک به مقدار IL+IG خواهد رسید. اگر عایق خشک و تمیز باشد It در طولانی مدت از تغییرات Ip پیروی می‌کند و مقدار آن‌ها را نیز می‌توان برابر فرض نمود. در یک عایق خوب و سالم که خشک و تمیز باشد شکل جریان عبوری از عایق تحت یک ولتاژ DC با شکل جریان پلاریزاسیون برابری می‌کند. شکل 1 این موضوع را نشان می‌دهد.
اما در صورتی که عایق مرطوب و یا کثیف باشد به‌دلیل افزایش جریانهای پراکندگی و هدایتی موجود در عایق، شیب تغییرات جریان کل کاهش یافته است و دیگر شباهتی با منحنی جریان پلاریزاسیون نخواهد داشت که این مورد را در شکل 2 می‌توان مشاهده کرد.
