عازل (كهرباء)

جميع الأجهزة الكهربائية المحمولة أو اليدوية معزولة لحماية مستخدميها من الصدمات الكهربائية الضارة.

يتطلب العزل من الفئة الأولى توصيل الهيكل المعدني والأجزاء المعدنية المكشوفة الأخرى للجهاز بالأرض عبر سلك تأريض موصول بلوحة التوزيع الرئيسية، ولكنه لا يحتاج إلا إلى عزل أساسي على الموصلات. يحتاج هذا الجهاز إلى دبوس إضافي في قابس الطاقة لتوصيل التأريض.

تعني العزلة من الفئة الثانية أن الجهاز معزول عزلاً مزدوجاً . يُستخدم هذا النوع من العزل في بعض الأجهزة مثل ماكينات الحلاقة الكهربائية ومجففات الشعر والأدوات الكهربائية المحمولة. تتطلب العزلة المزدوجة أن تحتوي الأجهزة على عزل أساسي وعزل إضافي، كل منهما كافٍ لمنع الصدمات الكهربائية . جميع المكونات الداخلية الموصلة للكهرباء مُغلفة بالكامل داخل هيكل معزول يمنع أي تلامس مع الأجزاء الموصلة للتيار. في الاتحاد الأوروبي ، تُعلّم جميع الأجهزة المعزولة عزلاً مزدوجاً برمز مربعين، أحدهما داخل الآخر. ^{[ 8 ]}

تُصنع العوازل المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي من الزجاج أو الخزف أو مواد البوليمر المركبة. تُصنع عوازل الخزف من الطين أو الكوارتز أو الألومينا والفلسبار ، وتُغطى بطبقة زجاجية ناعمة طاردة للماء . تُستخدم العوازل المصنوعة من الخزف الغني بالألومينا عندما تكون المتانة الميكانيكية العالية شرطًا أساسيًا. تبلغ قوة العزل الكهربائي للخزف حوالي 4-10 كيلوفولت/مم. ^{[ 9 ]} يتميز الزجاج بقوة عزل كهربائي أعلى، ولكنه يجذب التكثيف، كما أن الأشكال السميكة غير المنتظمة اللازمة للعوازل يصعب صبها دون حدوث إجهادات داخلية. ^{[ 10 ]} توقف بعض مصنعي العوازل عن إنتاج العوازل الزجاجية في أواخر الستينيات، وتحولوا إلى استخدام المواد الخزفية. 

تستخدم بعض شركات الكهرباء مواد مركبة بوليمرية في بعض أنواع العوازل. تتكون هذه العوازل عادةً من قضيب مركزي مصنوع من البلاستيك المقوى بالألياف ، وغلاف خارجي مقاوم للعوامل الجوية مصنوع من مطاط السيليكون أو مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين مونومر ( EPDM ). تتميز العوازل المركبة بانخفاض تكلفتها وخفة وزنها وخصائصها الممتازة في طرد الماء . هذه الخصائص تجعلها مثالية للاستخدام في المناطق الملوثة. ^{[ 11 ]} مع ذلك، لا تزال هذه المواد تفتقر إلى العمر الافتراضي الطويل الأمد الذي تتمتع به العوازل الزجاجية والخزفية.

• 
  خطوط نقل الطاقة المدعومة بعوازل خزفية من نوع الدبوس في كاليفورنيا
• 
  عازل سيراميكي بجهد 10 كيلو فولت، يظهر فيه سقائف

يمكن أن يحدث الانهيار الكهربائي للعازل بسبب الجهد الزائد بإحدى طريقتين:

• قوس الثقب هو انهيار وتوصيل للتيار الكهربائي في مادة العازل، مما يُسبب قوسًا كهربائيًا داخله. عادةً ما تُلحق الحرارة الناتجة عن هذا القوس ضررًا لا يُمكن إصلاحه بالعازل. جهد الثقب هو الجهد الكهربائي الواقع على العازل (عند تركيبه بالطريقة المعتادة) والذي يُسبب قوس الثقب.
• قوس الوميض هو انهيار كهربائي وتوصيل للهواء حول أو على طول سطح العازل، مما يُسبب قوسًا كهربائيًا على طول سطحه الخارجي. عادةً ما تُصمَّم العوازل لتحمُّل الوميض دون تلف. جهد الوميض هو الجهد الذي يُسبب قوس الوميض.

تم تصميم معظم العوازل ذات الجهد العالي بجهد وميض أقل من جهد الثقب، لذلك يحدث وميض قبل الثقب، لتجنب التلف.

يمكن أن يؤدي تراكم الأوساخ والتلوث والملح، وخاصة الماء، على سطح عازل الجهد العالي إلى تكوين مسار موصل عبره، مما يتسبب في تيارات تسرب وانهيارات كهربائية. ويمكن أن ينخفض ​​جهد الانهيار الكهربائي بأكثر من 50% عندما يكون العازل رطبًا. تُصمم عوازل الجهد العالي للاستخدام الخارجي لزيادة طول مسار التسرب على طول السطح من طرف إلى آخر، والذي يُسمى طول الزحف، وذلك لتقليل تيارات التسرب هذه. ^{[ 12 ]} ولتحقيق ذلك، يُشكل السطح على هيئة سلسلة من التموجات أو أقراص متحدة المركز. وعادةً ما تتضمن هذه التموجات سطحًا واحدًا أو أكثر على شكل أكواب متجهة للأسفل، تعمل كمظلات لضمان بقاء جزء مسار التسرب السطحي أسفل "الكوب" جافًا في الطقس الرطب. يبلغ الحد الأدنى لمسافات الزحف 20-25  مم/كيلوفولت، ولكن يجب زيادتها في المناطق ذات التلوث العالي أو المناطق التي تحتوي على نسبة عالية من ملح البحر المحمول جوًا.

تُصنف العوازل إلى عدة فئات شائعة:

• العازل الدبوسي - يُركّب العازل الدبوسي على دبوس مثبت على ذراع العمود. يحتوي العازل على أخدود قرب قمته أسفل التاج مباشرةً. يمر الموصل عبر هذا الأخدود ويُربط بالعازل بسلك مُلدّن من نفس مادة الموصل. تُستخدم العوازل الدبوسية لنقل وتوزيع إشارات الاتصالات والطاقة الكهربائية بفولتيات تصل إلى 33  كيلوفولت. أما العوازل المصممة للعمل بفولتيات تتراوح بين 33  و69  كيلوفولت، فتميل إلى أن تكون ضخمة الحجم وغير اقتصادية.
• العازل العمودي - نوع من العوازل ظهر في ثلاثينيات القرن العشرين وهو أكثر إحكاما من العوازل التقليدية من نوع الدبوس، وقد حل محل العديد من العوازل من نوع الدبوس بسرعة على الخطوط التي تصل إلى 69  كيلو فولت، وفي بعض التكوينات، يمكن تصنيعه للعمل عند جهد يصل إلى 115  كيلو فولت.
• العازل المعلق - بالنسبة للجهود الكهربائية التي تزيد عن 33  كيلوفولت، يُستخدم عادةً العازل المعلق، الذي يتكون من عدد من الأقراص الزجاجية أو الخزفية المتصلة على التوالي بوصلات معدنية على شكل سلسلة. يُعلق الموصل من الطرف السفلي لهذه السلسلة، بينما يُثبت الطرف العلوي على ذراع البرج. يعتمد عدد الأقراص المستخدمة على الجهد الكهربائي.
• عازل الشد - يُستخدم عمود أو برج تثبيت  أو عمود نهاية مسدود عند نهاية جزء مستقيم من الخط، أو عند انحرافه في اتجاه آخر. يجب أن تتحمل هذه الأعمدة الشد الجانبي (الأفقي) للجزء المستقيم الطويل من السلك. لدعم هذا الحمل الجانبي، تُستخدم عوازل الشد. بالنسبة لخطوط الجهد المنخفض (أقل من 11 كيلوفولت)، تُستخدم عوازل السلاسل كعوازل شد. أما بالنسبة لخطوط نقل الجهد العالي، فتُستخدم سلاسل من عوازل الغطاء والدبوس (التعليق)، مثبتة على العارضة في اتجاه أفقي. عندما يكون حمل الشد في الخطوط مرتفعًا للغاية، كما هو الحال في امتدادات الأنهار الطويلة، تُستخدم سلسلتان أو أكثر بالتوازي.
• عازل ذو حلقات - في الماضي، كان يُستخدم عازل الحلقات كعازل إجهاد. أما اليوم، فيُستخدم بكثرة في خطوط توزيع الجهد المنخفض. يمكن استخدام هذه العوازل إما في وضع أفقي أو رأسي، ويمكن تثبيتها مباشرة على العمود بواسطة مسمار أو على الذراع العرضي.
• البطانة - تسمح بمرور موصل واحد أو عدة موصلات عبر حاجز مثل جدار أو خزان، وتعزل الموصلات عنه. ^{[ 13 ]}
• عازل عمود الخط
• عازل عمود المحطة
• انقطاع

عوازل الغلاف هي أغطية واقية مصممة للف حول طول السكة الثالثة ذات التلامس السفلي ؛ فهي تشكل حاجز أمان مستمر يمنع التوصيل الكهربائي العرضي أو ملامسة الإنسان لمصدر الطاقة الحي. ^{[ 14 ]}

تُصنع عوازل الغلاف عادةً باستخدام الإيبوكسي لأن هذه المادة تبقى مستقرة لفترات طويلة وتمنع تدفق الكهرباء إلى أماكن غير مرغوب فيها. تعمل هذه المكونات كحاجز واقٍ حول الأجزاء الموصلة للكابلات والأنظمة الكهربائية ؛ فهي تساعد على عزل الطبقات المعدنية لمنع تسرب التيارات غير المرغوب فيها إلى البيئة المحيطة.

يُعدّ السيراميك مادة بديلة لهذه العوازل، ويُستخدم إلى جانب المكونات البلاستيكية لتعزيز قوة التجميع الإجمالية. يوفر البلاستيك المرونة وخفة الوزن، بينما يحافظ السيراميك على خصائصه الفيزيائية في درجات الحرارة العالية ومستويات الجهد العالية.

لا تُناسب العوازل ذات الدبابيس الفولتيات التي تزيد عن 69  كيلوفولت بين الخطوط. عادةً ما تستخدم خطوط نقل الفولتية العالية تصميمات عوازل تعليق معيارية. تُعلق الأسلاك من "سلسلة" من عوازل متطابقة على شكل أقراص، تتصل ببعضها بواسطة دبابيس معدنية أو وصلات كروية. تكمن ميزة هذا التصميم في إمكانية إنشاء سلاسل عوازل ذات فولتيات انهيار مختلفة ، لاستخدامها مع فولتيات خطوط مختلفة، وذلك باستخدام أعداد مختلفة من الوحدات الأساسية. يمكن تصنيع عوازل السلسلة لأي فولتية نقل عملية عن طريق إضافة عناصر عازلة إلى السلسلة. ^{[ 16 ]} كذلك، في حال انكسار إحدى وحدات العزل في السلسلة، يمكن استبدالها دون الحاجة إلى التخلص من السلسلة بأكملها.

تُصنع كل وحدة من قرص خزفي أو زجاجي مُغطى بغطاء معدني ودبوس مُلصقين على الجانبين المتقابلين. ولجعل الوحدات المعيبة واضحة، تُصمم الوحدات الزجاجية بحيث يتسبب الجهد الزائد في حدوث شرارة كهربائية تخترق الزجاج بدلاً من حدوث وميض كهربائي . يُعالج الزجاج حرارياً ليتفتت، مما يجعل الوحدة التالفة مرئية. ومع ذلك، تبقى المتانة الميكانيكية للوحدة دون تغيير، وبالتالي يبقى سلك العازل متماسكاً. في المقابل، يوفر البورسلين مزايا في تطبيقات الجهد العالي المحددة. فعلى عكس الزجاج، يمكن صب البورسلين في أشكال معقدة وغير منتظمة للغاية، مما يسمح بتصميمات مخصصة لتوزيع الإجهاد يصعب تحقيقها مع الزجاج بسبب الإجهادات الداخلية أثناء التبريد. ^{[ 17 ]} تبقى قوة العزل الكهربائي العالية للمادة - حوالي 60 كيلو فولت/سم - ثابتة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يوفر أداءً ثابتاً في البيئات القاسية. ^{[ 18 ]} علاوة على ذلك، فإن جسم البورسلين الطيني المعتم مقاوم بطبيعته للتدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية والتآكل الكيميائي، مما يضمن عمر خدمة يتجاوز في كثير من الأحيان 30 عاماً دون فقدان المقاومة الكهربائية. ^{[ 19 ]} في حين أن العوازل الزجاجية عرضة للتحطم التلقائي بسبب عيوب السطح أو الصدمات الحرارية ، فإن الخزف يحافظ على استقرار ميكانيكي فائق تحت أحمال الشد والضغط الثقيلة، مما يجعله معيارًا موثوقًا به لمعدات المحطات الفرعية . ^{[ 20 ]}

يبلغ قطر وحدات عازل الأقراص المعلقة القياسية 25 سنتيمترًا (9.8 بوصة) وطولها 15 سنتيمترًا (6 بوصات) ، ويمكنها تحمل حمولة تتراوح بين 80 و120 كيلونيوتن (18000-27000 رطل _قوة ) ، ويبلغ جهد الانهيار الجاف حوالي 72 كيلوفولت، ويتم تصنيفها عند جهد تشغيل يتراوح بين 10 و12 كيلوفولت. ^{[ 21 ]} ومع ذلك، فإن جهد الانهيار لسلسلة من الأقراص أقل من مجموع جهود الانهيار لأقراصها المكونة، لأن المجال الكهربائي لا يتوزع بالتساوي عبر السلسلة، بل يكون أقوى ما يكون عند القرص الأقرب إلى الموصل، والذي ينهار أولًا. تُضاف أحيانًا حلقات معدنية مُدرّجة حول القرص عند طرف الجهد العالي، لتقليل المجال الكهربائي عبر ذلك القرص وتحسين جهد الانهيار.      

في خطوط الجهد العالي جدًا، قد تُحاط العازلة بحلقات كورونا . ^{[ 22 ]} تتكون هذه الحلقات عادةً من حلقات من الألومنيوم (في أغلب الأحيان) أو أنابيب نحاسية متصلة بالخط. وهي مصممة لتقليل المجال الكهربائي عند نقطة اتصال العازلة بالخط، لمنع التفريغ الهالي الذي يؤدي إلى فقد الطاقة.

• 
  سلسلة عوازل معلقة (سلسلة الأقراص الرأسية) على  برج تعليق بجهد 275 كيلو فولت
• 
  وحدة عازلة قرصية زجاجية معلقة تُستخدم في سلاسل العوازل المعلقة لخطوط نقل الجهد العالي

كانت خطوط التلغراف أول الأنظمة الكهربائية التي تستخدم العوازل ؛ وقد وجد أن التوصيل المباشر للأسلاك بالأعمدة الخشبية يعطي نتائج سيئة للغاية، خاصة أثناء الطقس الرطب.

في المراحل التجريبية الأولى للتلغراف، استخدم المطورون مواد صناعية شائعة كالخشب والمطاط قبل وضع معايير السيراميك والزجاج. في البداية، استخدم ويليام فوثرجيل كوك قطعًا خشبية مصقولة لدعم الأسلاك المكشوفة على طول خط سكة حديد غريت ويسترن، وغالبًا ما كان يعالجها بالقطران أو القار لتحسين مقاومتها للرطوبة. ^{[ 23 ]} وبالمثل، استُخدم المطاط الهندي ومادة غوتا بيركا - وهي راتنج لاتكس طبيعي - كعوازل مرنة للأسلاك والكابلات البحرية المبكرة نظرًا لطبيعتها المقاومة للماء. ^{[ 24 ]} ومع ذلك، أثبتت كلتا المادتين عدم كفايتهما للاستخدام الخارجي طويل الأمد: فالخشب يمتص الماء باستمرار ويصبح موصلًا للكهرباء، مما يؤدي إلى انقطاع الإشارة، بينما عانت مكونات المطاط من التدهور بفعل الأشعة فوق البنفسجية والتشقق الشديد عند تعرضها للعوامل الجوية. ^{[ 25 ]} هذه الأعطال المتكررة الناتجة عن التعرض للعوامل الجوية استدعت في النهاية التحول نحو استخدام الخزف الحجري والزجاج الأكثر استقرارًا كيميائيًا ومقاومة للعوامل الجوية بحلول منتصف أربعينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 26 ]}

كان الزجاج شائعًا في البداية كمادة عازلة أساسية نظرًا لانخفاض تكلفة إنتاجه وخصائصه العازلة الممتازة . في الولايات المتحدة، قدم عزرا كورنيل "مقابض المكاتب" الزجاجية بحلول عام 1844، والتي تطورت إلى عوازل على شكل جرس أنتجتها شركات مثل شركة نيو إنجلاند للزجاج بكميات كبيرة. ^{[ 27 ]} على الرغم من أن الزجاج كان فعالًا للغاية في البيئات الجافة وسمح بسهولة الفحص البصري للعيوب الداخلية، إلا أن ميله إلى تجميع الرطوبة السطحية وحساسيته للصدمات الحرارية جعلا الخزف الحجري البريطاني المعيار المفضل للاتصالات السلكية واللاسلكية عبر السكك الحديدية حتى خمسينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 28 ]} بحلول ستينيات القرن التاسع عشر، تطورت هذه المكونات المبكرة التي تُركّب بالاحتكاك إلى عوازل من الخزف الملولب والزجاج المقوى التي دعمت التوسع العالمي لشبكة التلغراف. ^{[ 29 ]}

بدأ الاستخدام الواسع النطاق للعوازل الكهربائية الخزفية بين عامي 1855 و1860. ^{[ 30 ]} صُنعت هذه الوحدات المبكرة من الخزف المزجج أو الخزف الحجري البني ، وطُوّرت لتحل محل الزجاج، الذي أثبت أنه أقل فعالية في الظروف الرطبة. ^{[ 31 ]}

كانت من بين أوائل الشركات التي أنتجت العوازل الخزفية شركات في المملكة المتحدة، حيث استخدمت شركتا ستيف ودولتون الخزف الحجري منذ منتصف أربعينيات القرن التاسع عشر، وقامت شركة جوزيف بورن (التي أعيد تسميتها لاحقًا إلى دينبي ) بإنتاجها منذ حوالي عام 1860، وشركة بولرز منذ عام 1868. وقد حصل سي إف فارلي على براءة اختراع لعدة تصاميم من الخزف الحجري في عام 1861، بما في ذلك النوع "Z"، الذي أصبح معيارًا للاتصالات السلكية واللاسلكية للسكك الحديدية طوال سبعينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 32 ]}

بحلول تسعينيات القرن التاسع عشر، أصبح الخزف المعيار العالمي لنقل الجهد العالي نظرًا لقوته وخصائصه العازلة . ^{[ 33 ]}

كان تطوير العازل المعلق إنجازًا محوريًا مكّن من توسيع نطاق نقل الطاقة عالي الجهد الحديث . قبل هذا الابتكار، اعتمدت الصناعة على تصميمات العوازل الدبوسية ؛ إلا أنه مع اقتراب جهد خطوط النقل من 60,000 فولت وتجاوزه، أصبحت هذه الوحدات ضخمة وثقيلة للغاية. ^{[ 34 ]} فرضت قيود التصنيع والتركيب حدًا عمليًا عند حوالي 88,000 فولت للوحدة الواحدة نظرًا للإجهادات الميكانيكية والكهربائية الشديدة التي تتعرض لها. ^{[ 35 ]}

تغلبت العوازل المعلقة على هذه القيود باستخدام تصميم معياري. تتكون كل وحدة من قرص من الخزف أو الزجاج مع غطاء معدني ودبوس، مما يسمح بتوصيلها في سلاسل عازلة بأي طول مطلوب لمطابقة جهد الخط المحدد. ^{[ 36 ]} لا تسهل هذه المرونة فقط نقل جهود أعلى - غالبًا ما تتجاوز 500000 فولت - بل تضمن أيضًا توزيع الحمل الميكانيكي، مما يحافظ على السلامة الهيكلية للبرج ومجموعة الموصلات. ^{[ 37 ]}