Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων

Transcript

1 ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ ΕΥΡΩΠΑΪΚΟ ΤΑΜΕΙΟ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων Ε. Π. Ανταγωνιστικότητα και Επιχειρηματικότητα (ΕΠΑΝ ΙΙ), ΠΕΠ Μακεδονίας Θράκης, ΠΕΠ Κρήτης και Νήσων Αιγαίου, ΠΕΠ Θεσσαλίας Στερεάς Ελλάδας ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011» Συμπράξεις Παραγωγικών και Ερευνητικών Φορέων σε Εστιασμένους Ερευνητικούς και Τεχνολογικούς Τομείς ΕΡΓΟ: POLYDIAGNO ΚΩΔΙΚΟΣ: 11ΣΥΝ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ/ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ/ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΠΑΙΘΡΙΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΚΑΙ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥΣ Ενότητα εργασίας 1 (19/9/ /9/2014) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ Π1.1 (μήνας ολοκλήρωσης του 12 ος ) ΕΚΘΕΣΗ: ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Υπεύθυνος φορέας: Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Κρήτης (ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ) Άλλοι συμμετέχοντες φορείς: (α) Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) (β) Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας - Εργαστήριο Προηγμένων Πηγών και Συστημάτων Λέιζερ(ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) Οκτώβριος 2014

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Προοίμιο 1. Εισαγωγή Καταπονήσεις Υπαίθριων Μονωτήρων Ανατομία Συνθετικού Μονωτήρα Χημική Σύσταση- Χαρακτηριστικά Μονωτήρων SIR Λειτουργική υποβάθμιση συνθετικών μονωτήρων Εργαστηριακή διερεύνηση μονωτήρων του δικτύου υψηλής τάσης 150kV της Κρήτης Συμπεράσματα Αναφορές Σελίδα 2 από 52

3 Προοίμιο Η παρούσα έκθεση αφορά το παραδοτέο Π1.1 της Ενότητας Εργασίας 1 του έργου με τίτλο «Διερεύνηση της συμπεριφοράς συνθετικών/πολυμερικών μονωτήρων/υλικών σε εφαρμογές υπαίθριων εγκαταστάσεων υψηλών τάσεων και ανάπτυξη διαγνωστικής τεχνικής για την εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο αξιολόγηση της λειτουργικότητας τους» (κωδικός 11ΣΥΝ ), το οποίο υλοποιείται στο πλαίσιο της Δράσης Εθνικής Εμβέλειας «Συνεργασίας 2011», Συμπράξεις Παραγωγικών και Ερευνητικών Φορέων σε Εστιασμένους Ερευνητικούς και Τεχνολογικούς Τομείς με την συμμετοχή των φορέων: (α) Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας - Εργαστήριο Προηγμένων Πηγών και Συστημάτων Λέιζερ (ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) (β) Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Κρήτης (ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ) (γ) Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) (δ) ENTEC Green Economy Consultants (ENTEC) Η Ενότητα Εργασία 1 αφορά τον «Καθορισμός των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών του πολυμερικού κελύφους τα οποία επηρεάζουν την λειτουργική κατάσταση ενός μονωτήρα» και σε αυτήν δραστηριοποιήθηκαν οι συμμετέχοντες φορείς» και για την υλοποίηση του συνεργάστηκαν οι φορείς ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ, ΔΕΔΔΗΕ και ΙΗΔΛ-ΙΤΕ. Οι επιμέρους δραστηριότητες ανά φορέα αφορούσαν: (α) ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ: (i) Καταγραφή μακροσκοπικών χαρακτηριστικών των μονωτήρων του δικτύου (ii) Ηλεκτρικός, δομικός, μορφολογικός και υδροφοβικός χαρακτηρισμός των μονωτήρων (iii) Μοντελοποίηση των αποτελεσμάτων (β) ΔΕΔΔΗΕ: (i) Αποτίμηση του φορτίου ρύπανσης στις θέσεις συλλογής των μονωτήρων από το δίκτυο (ii) Επιλογή και συλλογή μονωτήρων από το δίκτυο και εξαγωγή δειγμάτων από αυτούς (iii) Συμμετοχή στην καταγραφή μακροσκοπικών χαρακτηριστικών των των μονωτήρων του δικτύου (iv) Συμμετοχή στη μοντελοποίηση των αποτελεσμάτων (γ) ΙΗΔΛ-ΙΤΕ: (i) Συμμετοχή στην επιλογή και συλλογή μονωτήρων από το δίκτυο και την εξαγωγή δειγμάτων από αυτούς (ii) Συμμετοχή στη καταγραφή μακροσκοπικών χαρακτηριστικών των μονωτήρων του δικτύου Τα συμπεράσματα της μελέτης συνοπτικά είναι: (α) Η μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων του μονωτήρα εξαρτάται από πλήθος παραγόντων και κυρίως από την χημική σύνθεση του υλικού και την έκθεση του σε ηλεκτρικές, μηχανικές και περιβαλλοντικές καταπονήσεις. (β) Η υποβάθμιση της λειτουργικής κατάστασης των συνθετικών μονωτήρων συνδέεται άμεσα την υποβάθμιση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους. (γ) οι υποβαθμισμένοι μονωτήρες παρουσιάζουν μακροσκοπικές φθορές και μικροσκοπικές αλλοιώσεις της επιφάνειας τους, διαβρώσεις των μεταλλικών άκρων, απώλεια των υδροφοβικών ιδιοτήτων τους, αυξημένα ρεύματα διαρροής και μεταβολή στη χημική τους σύνθεση. Τα αποτελέσματα της έκθεσης αυτής, εκτός από την χρησιμότητα τους για την ολοκλήρωση των επόμενων ενοτήτων εργασίας, έχουν πραγματοποιηθεί ήδη τρεις συμμετοχές σε συνέδρια, ενώ παράλληλα ετοιμάζεται μια δημοσίευση. Σελίδα 3 από 52

4 1. Εισαγωγή Η κατάσταση των υπαίθριων μονωτήρων υψηλής τάσης είναι καθοριστικής σημασίας για την αξιόπιστη και ευσταθή λειτουργία των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή των μονωτήρων πρέπει να διασφαλίζουν την απαιτούμενη μηχανική στήριξη - ανάρτηση και διηλεκτρική απομόνωση των ηλεκτροφόρων αγωγών. Παρόλα αυτά η διηλεκτρική τους αντοχή είναι δυνατό να υποβαθμιστεί λόγω της συγκέντρωσης ρύπων στην επιφάνεια τους. Ο συνδυασμός της ρύπανσης στην επιφάνεια των μονωτήρων με υγρασία, ομίχλη ή βροχή και τις ακαθόριστες καιρικές συνθήκες, έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό επιφανειακής αγώγιμης επίστρωσης με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ηλεκτρικής δραστηριότητας, που υποβαθμίζει την λειτουργικότητα των μονωτήρων. Η αντιμετώπιση του φαινομένου απασχολεί ιδιαιτέρως τους διαχειριστές των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, τους μηχανικούς και τους επιστήμονες, στο πλαίσιο της κατανόησης της ανάπτυξης και εξέλιξης του φαινομένου και της εξεύρεσης μεθόδων προστασίας των συγκεκριμένων συστημάτων. Η πρόοδος της επιστήμης των υλικών και της τεχνολογίας συνεισέφερε καθοριστικά στην ανάπτυξη συνθετικών πολυμερικών υλικών με υδρόφοβη συμπεριφορά, αποτρέποντας την ύγρανση του μονωτήρα, συνεπώς και την εξέλιξη του φαινομένου. Βασικό χαρακτηριστικό των πολυμερών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του υδρόφοβου εξωτερικού περιβλήματος του μονωτήρα (housing), είναι οι ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις των στοιχείων του υλικού. Ουσιαστικά το πλεονέκτημα των συνθετικών μονωτήρων είναι η δυνατότητα ελεγχόμενης διαμόρφωσης των ιδιοτήτων τους κατά το στάδιο της σχεδίασης και της περαιτέρω παραγωγής. Όμως, η έκθεση της ασθενούς χημικής δομής του πολυμερικού περιβλήματος του μονωτήρα σε περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως UV ακτινοβολία, θερμοκρασία, όξινη βροχή κ.α έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμισή του. Συνεπώς η ακαθόριστη και πεπερασμένη διάρκεια ζωής των συνθετικών μονωτήρων αποτελεί το βασικό τους μειονέκτημα, αν θεωρήσουμε ως αναφορά την διάρκεια ζωής των προγενέστερων κεραμικών υλικών που χρησιμοποιούνταν στην υπόψη εφαρμογή. Η εκ των προτέρων εκτίμηση του διαστήματος ασφαλούς λειτουργίας των πολυμερικών μονωτήρων είναι εξαιρετικά δυσχερής, καθώς αυτή εξαρτάται από συνδυασμό παραμέτρων που σχετίζονται με την σύνθεση των υλικών, την σχεδίαση των μονωτήρων καθώς την ένταση, την αλληλουχία και την διάρκεια των περιβαλλοντικών επιδράσεων. Επομένως η μελέτη της ταυτόχρονης επίδρασης των περιβαλλοντικών παραγόντων και του εφαρμοζόμενου υψηλού ηλεκτρικού πεδίου, στην λειτουργική κατάσταση του πολυμερικού περιβλήματος του μονωτήρα, είναι αναγκαία για την εκτίμηση της διάρκειας ζωής των υφιστάμενων εγκατεστημένων μονωτήρων, αλλά και στην θέσπιση ελάχιστων προδιαγραφών για υλικά αυτής της κατηγορίας. 2. Καταπονήσεις Υπαίθριων Μονωτήρων Οι καταπονήσεις που δέχονται οι υπαίθριοι μονωτήρες υψηλής τάσης, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε ηλεκτρικές, μηχανικές και περιβαλλοντικές, έχουν δε ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση της λειτουργικότητας - Σελίδα 4 από 52

5 αποτελεσματικότητας τους. Συγκεκριμένα το αναπτυσσόμενο ηλεκτρικό πεδίο γύρω από τον ηλεκτροφόρο αγωγό υψηλής τάσης προκαλεί ηλεκτρική καταπόνηση στο πολυμερικό περίβλημα του μονωτήρα. Αντίστοιχα, το βάρος της γραμμής, ο αέρας και ο πάγος προκαλούν μηχανική καταπόνηση του μονωτήρα. Τέλος, οι καιρικές συνθήκες, θερμοκρασία, UV ακτινοβολία, όξινη βροχή, ρύπανση προκαλούν επιπρόσθετη περιβαλλοντική καταπόνηση. 2.1 Ηλεκτρική Καταπόνηση Η ηλεκτρική καταπόνηση προέρχεται από: i. Την τάση κανονικής λειτουργίας ii. Προσωρινές υπερτάσεις iii. Κρουστικές υπερτάσεις χειρισμών iv. Κρουστικές κεραυνικές υπερτάσεις 2.2 Μηχανική Καταπόνηση Η μηχανική καταπόνηση προέρχεται από: i. Βάρος αγωγών ii. Βάρος χιονιού που επικάθεται στην επιφάνεια των μονωτήρων iii. Φορτίο αέρα 2.3 Περιβαλλοντική Καταπόνηση Η περιβαλλοντική καταπόνηση προέρχεται από: i. Θερμοκρασία ii. UV ακτινοβολία iii. Βροχή iv. Πάγος v. Ρύπανση vi. Υψόμετρο 3. Ανατομία Συνθετικού Μονωτήρα Η βασική δομή ενός συνθετικού μονωτήρα υψηλής τάσης περιγράφεται στο σχήμα 1. Διακρίνονται τρεις βασικές συνιστώσες, ο πυρήνας από ίνες υάλου (FPR Rod), το περίβλημα από πολυμερές συνθετικό υλικό (housing) και οι μεταλλικοί άκρο - προσαρμογείς (end fittings). Οι άκρο - προσαρμογείς (end fittings) κατασκευάζονται από γαλβανισμένο χάλυβα ανθεκτικό στις χημικές διαβρώσεις. Το μεταλλικό γειωμένο άκρο και το άκρο υψηλής τάσης έχουν κατάλληλη σχεδίαση να είναι εύκολη η ανάρτηση του μονωτήρα στο πυλώνα και της στήριξης της εναέριας γραμμής αντίστοιχα. Τα μεταλλικά άκρα συμπιέζονται με κατάλληλο τρόπο στις απολήξεις του συνθετικού πυρήνα του μονωτήρα, ώστε να εξασφαλίζεται η αξιόπιστη σύνδεση τους χωρίς να καταπονείται ο τελευταίος. Ο συνθετικός πυρήνας κατασκευάζεται από ίνες γυαλιού ενισχυμένες με εποξική ή πολυεστερική ρητίνη και είναι υπεύθυνος για την μηχανική αντοχή του μονωτήρα. Οι ίνες γυαλιού τοποθετούνται κατάλληλα ώστε να εξασφαλίζεται η μηχανική αντοχή του μονωτήρα Σελίδα 5 από 52

6 τόσο στα κάθετα όσο και στα πλάγια φορτία. Τα τελευταία χρόνια ορισμένοι κατασκευαστές χρησιμοποιούν Ε-glass ώστε να αποφύγουν την ψαθυρή θραύση του πυρήνα (Brittle fracture) σχήμα 2. Σχήμα 1. Ανάλυση της βασικής δομής ενός συνθετικού πολυμερικού μονωτήρα υψηλής τάσης Το πολυμερικό περίβλημα τοποθετείται πάνω στον συνθετικό πυρήνα του μονωτήρα εξασφαλίζοντας την προστασία αυτού από τις περιβαλλοντικές καταπονήσεις και φυσικά την απαιτούμενη διηλεκτρική αντοχή. Ιδιαίτερης σημασίας χρήζουν τα σημεία σφράγισης του μονωτήρα όπου έρχονται σε επαφή 3 διαφορετικά υλικά και συγκεκριμένα μέταλλο, πολυμερές και συνθετικό υλικό, ώστε να μην διεισδύσει υγρασία εντός του συνθετικού πυρήνα. Μέχρι σήμερα, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορα πολυμερή όπως PTFE και EPDM, έχει όμως επικρατήσει το Silicone Rubber (SIR, ελαστομερές σιλικόνης) με προσμίξεις προσθέτων σωματιδίων όπως ΑΤΗ ή/και SiO 2. Η αποτελεσματικότητα και αξιοπιστία του πολυμερικού Σελίδα 6 από 52

7 περιβλήματος είναι καθοριστικής σημασίας του για την λειτουργική κατάσταση του μονωτήρα και ως εκ τούτου, η παρούσα μελέτη εστιάζεται σε αυτό. Περεταίρω, η μελέτη της δομής και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των μονωτήρων SIR, θεωρείται προϋπόθεση με σκοπό την κατανόηση της επίδρασης των φυσικών και χημικών παραγόντων, στην λειτουργική κατάσταση των συνθετικών μονωτήρων. Σχήμα 2. Περίπτωση την ψαθυρής θραύσης του πυρήνα (Brittle fracture) σε συνθετικό πολυμερικό μονωτήρα υψηλής τάσης από PTFE 4. Χημική Σύσταση- Χαρακτηριστικά Μονωτήρων SIR Το βασικό πολυμερές που χρησιμοποιείται για την σύνθεση μονωτήρων SIR είναι γνωστό ως πολυδιμέθυλσιλοξάνη ή PDMS [1-4]. Ανήκει στην οικογένεια των σιλικόνων [5], και είναι από τα πιο διαδεδομένα, λόγω των εξαιρετικών και σε κάποιο βαθμό μοναδικών ιδιοτήτων. Το πλεονέκτημα αυτό το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε πλήθος εφαρμογών, σε πάρα πολλά τεχνικά πεδία [5-10]. Η κύρια αλυσίδα του αποτελείται από επαναλαμβανόμενους δεσμούς πυριτίου οξυγόνου και στους ελεύθερους δεσμούς πυριτίου προσκολλώνται ομάδες μεθυλίων, οι οποίες ευθύνονται για την υδροφοβία του πολυμερούς. Η βασική δομική μονάδα (μονομερές) φαίνεται στο σχήμα 3. Σε σύγκριση με τα οργανικά πολυμερή υλικά (EPM, EPDM κτλ), τα οποία επίσης χρησιμοποιούνται στον χώρο των υπαίθριων μονώσεων, το PDMS έχει να επιδείξει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως: Επιφάνεια χαμηλής ενέργειας, Επιφανειακή υδροφοβία Ικανότητα ανάκαμψης της υδροφοβίας, Παρουσία μορίων χαμηλού μοριακού βάρους, Σελίδα 7 από 52

8 Καλές διηλεκτρικές ιδιότητες, Υψηλή αντοχή στην θερμική καταπόνηση, Ικανότητα λειτουργίας σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, με μικρή μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων του, Υψηλή ανθεκτικότητα στην επίδραση του περιβάλλοντος, Χημική αδράνεια σε πλήθος οξειδωτικών ουσιών, Χαμηλή τοξικότητα και περιβαλλοντική επικινδυνότητα, Χαμηλή θερμοκρασία μετάβασης στην υαλώδη κατάσταση (glass transition temperature) Σχήμα 3. Η βασική δομική μονάδα (μονομερές) του πολυμερούς PDMS Οι ιδιότητες αυτές σχετίζονται με την δομή του μορίου του υλικού [6], και ιδιαίτερα, με τα χαρακτηριστικά του δεσμού πυριτίου οξυγόνου, τις χαμηλές διαμοριακές δυνάμεις, που αναπτύσσονται και την ευκαμψία της αλυσίδας. Ταυτόχρονα η προσθήκη πρόσθετων προσμίξεων, προσδίδουν επιπλέον ιδιότητες, απαραίτητες για την ασφαλή λειτουργία των υπαίθριων μονωτήρων. 4.1 Χαρακτηριστικά του δεσμού Πυριτίου - οξυγόνου Η κύρια αλυσίδα του πολυμερούς αποτελείται από άτομα πυριτίου και οξυγόνου, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με ένα αρκετά ισχυρό δεσμό (Πίνακας 1). Η ενέργεια σύνδεσης που προκύπτει, είναι από τις μεγαλύτερες που συνήθως συναντώνται μεταξύ των δεσμών σε υλικά αυτής της κατηγορίας, όπως φαίνεται στον πίνακα 1 [8-10]. Ο λόγος είναι η πολική φύση του δεσμού [7], λόγω της διαφοράς ηλεκτροαρνητικότητας, που αναπτύσσεται μεταξύ των στοιχείων [11, 12]. Σελίδα 8 από 52

9 Η ισχύς του δεσμού συνεπάγεται ιδιότητες όπως την θερμική ευστάθεια και την υψηλή ανθεκτικότητα της αλυσίδας. Επιπλέον ενισχύει και τον βαθμό προσκόλλησης των πλευρικών μεθυλίων, τα οποία στην περίπτωση αυτή, εμφανίζονται λιγότερο ευάλωτα σε αντιδράσεις αντικατάστασης, σε σύγκριση με αντίστοιχες δομές υδρογονανθράκων [5]. Η ηλεκτροθετική συμπεριφορά του πυριτίου έλκει τα ηλεκτρόνια, πολώνοντας τα πλευρικά μεθύλια με αποτέλεσμα την ενίσχυση του βαθμού προσκόλλησης. Πίνακας.1 Ενέργεια χημικών δεσμών που συναντώνται σε υλικά υπαίθριων μονώσεων. Χημικός δεσμός Ενέργεια δεσμού (kj/mol) -Si-O C-H C-O C-C Si-C Si-H- 318 Βέβαια πρέπει να σημειωθεί, ότι η πολική φύση του δεσμού πυριτίου οξυγόνου, συνεπάγεται μια δομή ευάλωτη στην επίδραση της υδρόλυσης [7], κάτι όμως που στην συγκεκριμένη περίπτωση φαίνεται να έχει επίδραση σε ακραίες τιμές του ph, ήτοι μικρότερο από 2,5 ή μεγαλύτερο από 11 [13]. 4.2 Χαμηλές διαμοριακές δυνάμεις Παρά την παρουσία ενός αρκετά ισχυρού χημικού δεσμού στην δομή του μορίου, το υλικό εμφανίζει υδρόφοβη συμπεριφορά, κύριο χαρακτηριστικό υλικών με ασθενείς δομές [14, 15]. Η επιφανειακή τάση είναι από τις μικρότερες μεταξύ υλικών που χρησιμοποιούνται σε υπαίθριες μονώσεις, ακόμη και των οργανικών, όπως φαίνεται στον πίνακα 2 [16]. Η συμπεριφορά αυτή εξηγείται, λόγω της παρουσίας των πλευρικών μεθυλίων και ιδιαίτερα του γεγονότος, ότι αυτά κυριαρχούν στην ανάπτυξη των διαμοριακών δυνάμεων [5,6], οι οποίες τελικά αντικατοπτρίζονται στην επιφανειακή ενέργεια [14, 15]. Ουσιαστικά, τα πλευρικά μεθύλια περιορίζουν την επίδραση του ισχυρού δεσμού πυριτίου οξυγόνου στο εσωτερικό της δομής του μορίου, προβάλλοντας προς τα περιβάλλοντα μόρια την ασθενή δομή ενός υδρογονάνθρακα. Προς την κατεύθυνση αυτή βοηθάει και το πλήθος των πλευρικών μεθυλίων καθώς και η ευκινησία της αλυσίδας του υλικού, όπως αναλύεται παρακάτω. 4.3 Ευκινησία της αλυσίδας Η αλυσίδα του PDMS χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλή ευκινησία, τόσο όσον αφορά την κίνηση μέσα στον όγκο του υλικού, όσο και σε περιστροφικές κινήσεις [1, 2, 16]. Η ευκινησία της Σελίδα 9 από 52

10 αλυσίδας είναι ιδιαίτερα σημαντική, διότι σε αυτήν αποδίδονται πολλές ιδιότητες, όπως η πολύ χαμηλή θερμοκρασία μετάβασης στην υαλώδη κατάσταση (-127 ο C), η χαμηλή επιφανειακή ενέργεια και η ικανότητα ανάκαμψης της υδροφοβίας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η περιστροφή των πλευρικών μεθυλίων είναι ουσιαστικά ελεύθερη, απαιτώντας ποσότητα ενέργειας μικρότερη από 4kJ/mol [17], σε σχέση με τα 14kJ/mol [18] που απαιτούνται για μια αντίστοιχη περιστροφή στην περίπτωση του πολυαιθυλενίου και τα 20kJ/mol [18] στην περίπτωση του Teflon. Έτσι για τις αλυσίδες του PDMS, οι οποίες βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια, είναι πολύ εύκολος ο προσανατολισμός των πλευρικών μεθυλίων προς αυτήν, με αποτέλεσμα την μείωση της επιφανειακής ενέργειας, όπως επιβάλλεται από τον δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής. Το πλεονέκτημα της ευκίνητης δομής αναδεικνύεται ακόμη περισσότερο συγκρίνοντας το PDMS με το Teflon. Όπως είναι εμφανές από τον πίνακα 2, το Teflon είναι περισσότερο υδρόφοβο υλικό σε σχέση με το PDMS. Χαρακτηρίζεται όμως από μια αρκετά δυσκίνητη δομή, η οποία στο ενδεχόμενο απώλειας της υδροφοβίας, περιορίζει σημαντικά την δυνατότητα ανάκαμψης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η θερμοκρασία μετάβασης στην υαλώδη κατάσταση για το Teflon είναι 117 ο C [16], δηλαδή το υλικό είναι απόλυτα στερεό σε θερμοκρασία δωματίου και όχι ελαστικό. Έτσι, ενώ το Teflon παρουσιάζει αντίστοιχα πλεονεκτήματα, σε σχέση με το SIR, το οποίο βασίζεται στο PDMS, έχει περιορισμένη εφαρμογή στον συγκεκριμένο χώρο, κυρίως στην πρώτη γενιά συνθετικών μονωτήρων. Πίνακας 2. Επιφανειακή τάση υλικών που χρησιμοποιούνται σε υπαίθριες μονώσεις. Υλικό Επιφανειακή τάση (mn/m) Πορσελάνη 366 Γυαλί 170 Epoxy Resins 35 EP Rubbers 30 PDMS 23 PTFE 19 Νερό Βελτιωτικές προσμίξεις Με σκοπό την απόδοση επιπρόσθετων επιθυμητών ιδιοτήτων απαραίτητων για την λειτουργικότητα των υπαίθριων μονωτήρων SIR προστίθενται βελτιωτικές προσμίξεις στην σύσταση του βασικού πολυμερούς. Μια τυπική σύνθεση περιλαμβάνει τα παρακάτω [19] : Προσθετικά ενίσχυσης της δομής (reinforcing fillers) Η προσθήκη ενισχυτικών δομής στα συνθετικά υλικά, που χρησιμοποιούνται σε υπαίθριες μονώσεις, έχει ως στόχο κυρίως την αντίσταση των υλικών έναντι της ανάπτυξης επιφανειακής ηλεκτρικής δραστηριότητας. Η παροδική απώλεια της υδροφοβίας κατά την λειτουργία των Σελίδα 10 από 52

11 υλικών, έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ηλεκτρικής επιφανειακής δραστηριότητας που καταπονεί τα υλικά, δια της προσφοράς ενέργειας, από την διάσπαση των ξηρών ζωνών [20,21],. Αποτέλεσμα της ηλεκτρικής επιφανειακής δραστηριότητας είναι η μεταβολή της χημικής δομής του υλικού [20,21], με κορωνίδα τον σχηματισμό αγώγιμων καναλιών άνθρακα (φαινόμενο tracking) και την διάβρωση που ακολουθεί (φαινόμενο erosion). Πρόκειται για δύο φαινόμενα που εξελίσσονται στην επιφάνεια των μονωτήρων και οδηγούν σε μη αντιστρεπτή υποβάθμιση της δομής και των ιδιοτήτων τους [22]. Αποτέλεσμα της δημιουργίας αγώγιμων επιφανειακών οδεύσεων άνθρακας είναι η μόνιμη παραμόρφωση της επιφανειακής κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου, ανεξάρτητα από το φαινόμενο της ρύπανσης [21]. Στην περίπτωση της διάβρωσης παρατηρείται απώλεια μάζας του υλικού, η οποία υποβαθμίζει σημαντικά την ακεραιότητα του δημιουργώντας επιπλέον εστίες καταπόνησης [22] που συμβάλλουν στην επιταχυνόμενη δράση των μηχανισμών γήρανσης. Στην Σχήμα του σχήματος 4 καταγράφονται ίχνη tracking σε μονωτήρα 150kV με επικάλυψη από RTV SIR coating σε υποσταθμό του Συστήματος Κρήτης. Η χρήση των ενισχυτικών δομής αποβλέπει στην ενίσχυση της θερμικής διαχείρισης και αγωγιμότητας [25-27] του υλικού, δηλαδή της ικανότητας του υλικού να διαχειριστεί και να απομακρύνει την ποσότητα ενέργειας, η οποία τροφοδοτείται σε αυτό από την επιφανειακή δραστηριότητα [23,24]. Η ένυδρη αλουμίνα Al 2 O 3 H 2 O (alumina trihydrate, ATH) και το διοξείδιο του πυριτίου SiO 2 (Silica) [23] είναι από τις πιο διαδομένες προσμίξεις. Η ένυδρη αλουμίνα χρησιμοποιείται συνήθως ως υλικό καθυστέρησης φλόγας (flame retardants). Κάθε σωματίδιο περιλαμβάνει τρία μόρια νερού [12], τα οποία είναι δυνατό να απελευθερωθούν, όταν η θερμοκρασία υπερβεί τους 220 ο C, σύμφωνα με την αντίδραση (1). Η ενδόθερμη αντίδραση που συμβαίνει έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση των μορίων του νερού. Συνεπώς η προσφερόμενη ενέργεια από την ηλεκτρική δραστηριότητα δαπανάται στην απελευθέρωση και την εξάτμιση του νερού προερχόμενο από την αποσύνθεση της ένυδρης αλουμίνας από τον όγκο του υλικού. Επομένως η προσδιδόμενη ενέργεια από τις επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις δαπανάται στην αποσύνθεση των πρόσθετων σωματιδίων, τα οποία απελευθερώνουν νερό συμβάλλοντας ταυτόχρονα στην ψύξη του πολυμερούς. Al 2 O 3 3H 2 O Al 2 O 3 + 3H 2 O (1) Η αύξηση της προσφερόμενης προστασίας στο υλικό και η μείωση του κόστους κατασκευής [23,24], λόγω της αντικατάστασης μεγάλης ποσότητας ακριβού πολυμερούς με τα σχετικά φτηνά πρόσθετα, οδήγησε στην σύνθεση μονωτήρων SIR με υψηλή περιεκτικότητα πρόσμιξης. Η ποσότητα των πρόσθετων σωματιδίων και το μέγεθος τους, έχουν σημαντική επίδραση στην συμπεριφορά του μονωτήρα. Η αυξημένη ποσότητα ATH οδηγεί στην αύξηση του βαθμού προστασίας του πολυμερούς έναντι της επιφανειακής ηλεκτρικής δραστηριότητας καθυστερώντας την έναρξή της. Αντιθέτως η αυξημένη ποσότητα ΑΤΗ επιβραδύνει την ανάκαμψη της υδροφοβίας στην περίπτωση της προσωρινής απώλεια της υδροφοβίας του πολυμερούς. Συνεπώς το πλεονέκτημα της αυξημένης προστασίας έναντι στην επιφανειακή ηλεκτρική δραστηριότητα Σελίδα 11 από 52

12 αντισταθμίζεται από το μειονέκτημα της αργής ανάκαμψης της υδροφοβίας [26-28]. Η ικανότητα της ανάκαμψης της υδροφοβίας είναι καθοριστικής σημασίας για την λειτουργικότητα του μονωτήρα συνεπώς προτάθηκε η υιοθέτηση συνθέσεων με χαμηλότερη περιεκτικότητα πρόσμιξης [29]. Δοκιμές σε πραγματικές συνθήκες [30] έδειξαν ότι οι συνθέσεις με υψηλότερη περιεκτικότητα σε ΑΤΗ είχαν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα, ταυτόχρονα χαρακτηρίζονταν από υψηλότερα επίπεδα ηλεκτρικής δραστηριότητας, γεγονός που αποδόθηκε στην αύξηση της επιφανειακής τραχύτητας λόγω της παρουσίας ΑΤΗ. Συνεπώς προτείνεται η υιοθέτηση σχετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε ΑΤΗ κάτι το οποίο υποστηρίζεται από την σχετικά ισχυρή δομή του PDMS (erosion), την απουσία μεγάλων ποσοτήτων άνθρακα σε σχέση με άλλα πολυμερή (tracking) και την αποτελεσματικότητα του συστήματος PDMS/ATH. Να σημειωθεί, ότι τα φαινόμενα tracking και erosion προκύπτουν σε περίπτωση ιδιαίτερα έντονης επιφανειακής δραστηριότητας, σε θερμοκρασία που ξεπερνά τους 800 o C [31,32]. Σχήμα 4. Tracking σε μονωτήρα με επικάλυψη από RTV SIR coating σε υποσταθμό 150kV του Συστήματος Κρήτης Σελίδα 12 από 52

13 Επιπλέον της ποσότητας και το μέγεθος των σωματιδίου του ΑΤΗ επιδρά στην καθοριστικά στην συμπεριφορά της σύνθεσης. Υπάρχει μια βέλτιστη διάσταση, η οποία μπορεί να δώσει την μέγιστη διάρκεια ζωής[33,34]. Για τις συνθήκες της πειραματικής δοκιμής η διάσταση αυτή ήταν τα 4,5μm. Στην περίπτωση μικρότερων σωματιδίων, παρατηρήθηκε μη ομοιόμορφη κατανομή του ATH λόγω της δημιουργίας συσσωμάτων στον όγκο του υλικού, με αποτέλεσμα να προκύψουν περιοχές με χαμηλότερο επίπεδο προστασίας. Από την άλλη μεριά, η χρήση μεγαλύτερων σωματιδίων, ουσιαστικά πάνω από 13μm, συνεπάγεται αύξηση της επιφανειακής τραχύτητας, επιβράδυνση του μηχανισμού ανάκαμψης της επιφανειακής υδροφοβίας και φτωχή προσαρμογή της πρόσμιξης στην δομή του υλικού, γεγονός που επηρεάζει την τιμή της θερμικής αγωγιμότητας. Στους πολυμερικούς μονωτήρες έχει παρατηρηθεί η χρήση προσμίξεων SiO2 αντί ΑΤΗ το οποίο συνήθως περιλαμβάνεται στην δομή διαφόρων πολυμερών, στοχεύοντας στην βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Παράλληλα,, η προσθήκη του SiO2 συνεπάγεται αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας συνεπώς μπορεί να συνεισφέρει στην ανακούφιση του υλικού, αυξάνοντας την απαγωγή ενέργειας. Για την ανάδειξη της αποτελεσματικότητας των προσμίξεων[35-39] ATH και SiO2 πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές συγκριτικές δοκιμές[38,40] οι οποίες ανέδειξαν την σημασία της θερμικής αγωγιμότητας στην αντοχή των υλικών, όσον αφορά τα φαινόμενα tracking και erosion. Επιπλέον προέκυψε ότι σε συνθέσεις πρόσμιξης κάτω του 40% σε βάρος, η συμπεριφορά των υλικών με ATH ήταν καλύτερη, γεγονός που αποδόθηκε στον μηχανισμό απελευθέρωσης των μορίων νερού που περιγράφηκε παραπάνω (αντίδραση 1). Για συνθέσεις όμως με μεγαλύτερη περιεκτικότητα, η συμπεριφορά και των δύο προσμίξεων θεωρήθηκε εφάμιλλη. Να σημειωθεί, ότι το κύριο πλεονέκτημα του SiO2, σε σχέση με το ATH, είναι η σημαντικά καλύτερη προσαρμογή της πρόσμιξης στην δομή του υλικού. Έτσι, με σκοπό την βελτίωση της προσαρμογής του ATH, ακολουθείται συνήθως μια διαδικασία διαμόρφωσης της επιφάνειας, γνωστή ως σιλανισμός (silaniazation)[41]. Επιπλέον σε ερευνητικό επίπεδο έχει ξεκινήσει η προσπάθεια διαμόρφωσης προσμίξεων στο επίπεδο των νάνο-υλικών (nanocomposites)[42] Χρώμα Στην σύνθεση των υλικών περιλαμβάνεται και χρώμα, συνήθως άσπρο, μπλε, γκρι ή κίτρινο, το οποίο δεν επηρεάζει την συμπεριφορά των υλικών, αλλά χρησιμοποιείται κυρίως με σκοπό την διευκόλυνση της διαδικασίας τοποθέτησης και αργότερα αξιολόγησης [19]. Βέβαια πρέπει να σημειωθεί ότι πολλές φορές ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο χρώμα, μπορεί να δημιουργηθούν λάθος εντυπώσεις, σχετικά με την συγκέντρωση των ρύπων, κάτι όμως το οποίο δεν συνεπάγεται απόλυτα πρόβλημα στην λειτουργία των υλικών Άλλες προσμίξεις Επιπλέον των παραπάνω, στην σύνθεση των υλικών περιλαμβάνονται και άλλες προσμίξεις, οι οποίες όμως δεν έχουν σημαντική επίδραση στην συμπεριφορά των υλικών [19]. Χρησιμοποιούνται συνήθως για να βοηθήσουν την διαδικασία βουλκανισμού. Σελίδα 13 από 52

14 4.5 Μηχανισμοί ανάκαμψης της επιφανειακής υδροφοβίας Η ικανότητα ανάκαμψης της επιφανειακής υδροφοβίας, μετά από μια ενδεχόμενη απώλεια, αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του Silicone Rubber. Η δυνατότητα αυτή βασίζεται κυρίως σε δύο μηχανισμούς, που έχουν άμεση σχέση με την δομή του υλικού. Οι μηχανισμοί αυτοί, είναι η δυνατότητα αναπροσανατολισμού των πλευρικών μεθυλίων και ο μηχανισμός διάχυσης μορίων χαμηλού μοριακού βάρους Αναπροσανατολισμός των πλευρικών μεθυλίων Η χαμηλή τιμή της επιφανειακής ενέργειας στο Silicone Rubber, προκύπτει ως αποτέλεσμα της παρουσίας των πλευρικών μεθυλίων. Μετά την απόσυρση του μηχανισμού καταπόνησης, μπορεί να παρατηρηθεί επαναφορά των τιμών της επιφανειακής ενέργειας, στις αρχικές τιμές. Κάτι τέτοιο είναι εφικτό, δεδομένης της εξαιρετικής ευκαμψίας των αλυσίδων του πολυμερούς και επιβάλλεται από τον 2ο Νόμο της Θερμοδυναμικής. Έτσι τα υδροξύλια που πιθανώς υπάρχουν, μετακινούνται προς το εσωτερικό του υλικού, επαναφέροντας άλλα μεθύλια προς την επιφάνεια. Η συμπεριφορά αυτή έχει επιβεβαιωθεί, σε εργαστηριακές δοκιμές, συνήθως κατά την καταπόνηση σε θάλαμο υδατονέφωσης άλατος [43,44]. Βέβαια πρέπει να σημειωθεί ότι ο συγκεκριμένος μηχανισμός προϋποθέτει καθαρή επιφάνεια, κάτι που σε πραγματικές συνθήκες δεν συμβαίνει. Συνήθως η επιφάνεια του μονωτήρα είναι καλυμμένη με ένα στρώμα υδρόφιλων ρύπων, το οποίο τελικά καθορίζει την συμπεριφορά. Επιπλέον δεν υπάρχει η δυνατότητα ανάκαμψης, όταν στην επιφάνεια υπάρχει ηλεκτρική δραστηριότητα, αφού απαιτείται η απόσυρση της καταπόνησης. Συνεπώς, ο αναπροσανατολισμός των πλευρικών μεθυλίων, αποτελεί δευτερεύοντα μηχανισμό ανάκαμψης Μηχανισμός διάχυσης μορίων χαμηλού μοριακού βάρους (LMW) Ο μηχανισμός διάχυσης των μορίων χαμηλού μοριακού βάρους του υλικού, αποτελεί την κύρια διαδικασία ανάκαμψης της υδροφοβίας. Τα μόρια αυτά υπάρχουν στον όγκο του υλικού, ήδη από την διαδικασία του πολυμερισμού [6,7]. Όμως με μέγεθος από 4 ως 14 μονομερή [45], όταν μια μέση αλυσίδα αποτελείται 675 μονομερή, τα μόρια αυτά είναι αρκετά ευκίνητα. Δεν μετέχουν έτσι στην δομή του υλικού, που προκύπτει από τον βουλκανισμό, αλλά εκμεταλλευόμενα τις ασθενείς δια-μοριακές δυνάμεις, κινούνται ελεύθερα στον όγκο του και προς την επιφάνεια. Διεισδύουν έτσι μέσα στο επιφανειακό στρώμα των ρύπων, μεταβάλλοντας την αρχικά υδρόφιλη συμπεριφορά [46] σε υδρόφοβη. Σε πραγματικές συνθήκες, ακόμη και αν δεν παρατηρηθεί κανένας από τους μηχανισμούς γήρανσης η επικάθιση υδρόφιλων ρύπων, μπορεί να αναστείλει το πλεονέκτημα της υδρόφοβης επιφάνειας. Η παρουσία των μορίων LMW και ιδιαίτερα η ικανότητα διάχυσης τους προς την επιφάνεια, αποκτά έτσι πρωτεύοντα ρόλο, όσον αφορά την λειτουργία του Σελίδα 14 από 52

15 υλικού. Παράμετρος κλειδί ο χρόνος ανάκαμψης, ο οποίος σε αντίθεση με τον πρώτο μηχανισμό, είναι πεπερασμένος [47]. Οι παράμετροι που μπορούν να επηρεάσουν είναι: α. Η ποσότητα και το είδος των μορίων LMW Ο μηχανισμός ανάκαμψης βασίζεται στην διάχυση των μορίων LMW από τον όγκο του υλικού προς την επιφάνεια. Επομένως η ταχύτητα ή ο χρόνος ανάκαμψης της υδροφοβίας είναι ανάλογος της διαφοράς συγκέντρωσης των LMW που υπάρχει από τον όγκο στην επιφάνεια. Αρχικά η ποσότητα εξαρτάται από την διαδικασία του πολυμερισμού που ακολουθείται. Το αρχικό πλήθος είναι συνάρτηση της ποσότητας του υλικού και σχετίζεται κυρίως με το πάχος του[48]. Διαδικασίες όπως ο φυσικός καθαρισμός[49], η αύξηση της επιφανειακής θερμότητας (εξάτμιση), αλλά και κάθε διαδικασία αύξησης του πλέγματος διασταύρωσης που είναι πιθανό να συμβεί στην έκθεση του υλικού στο πεδίο, μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του πληθυσμού. Αντιθέτως, ο τεμαχισμός των αλυσίδων σε μικρότερες ως αποτέλεσμα επιφανειακών ηλεκτρικών εκκενώσεων, μπορεί να αποτελέσει έναν μηχανισμό γένεσης[50-53] καθώς τα μικρά μόρια που δημιουργούνται έχουν την τάση να κατευθυνθούν στην επιφάνεια. Συνεπώς, ανάλογα με τις συνθήκες και την ισορροπία που αναπτύσσεται, καθορίζεται και ο χρόνος εξάντλησης των μορίων LMW[54,55]. Να σημειωθεί ότι ιδιαίτερη σημασία έχει και η ποιότητα των μορίων, δηλαδή το είδος της αλυσίδας (ευθύγραμμη ή κυκλική). Τα αποτελέσματα[52], [56] έδειξαν ότι η παρουσία κυκλικών αλυσίδων συνεπάγεται ταχύτερη ανάκαμψη της υδροφοβίας. β. Η θέση που έχουν στον όγκο του υλικού Η θέση των μορίων σχετίζεται άμεσα με τον χρόνο ανάκαμψης. Τα μόρια έχουν την τάση να κινούνται από τον όγκο του υλικού προς την επιφάνεια του με μια πεπερασμένη ταχύτητα. Όσο πιο κοντά στην επιφάνεια βρίσκονται, τόσο ταχύτερα ανακάμπτει το υλικό. Συνήθως μετά από κάποιο χρόνο γήρανσης, εξαντλείται η ποσότητα των LMW μορίων κοντά στην επιφάνεια, οπότε αυτά ανασύρονται από μεγαλύτερο βάθος, απαιτώντας περισσότερο χρόνο[57,58]. γ. Η σύνθεση του υλικού Η κίνηση των μορίων LMW στον όγκο του υλικού επιτρέπεται, δεδομένων των ασθενών δυνάμεων που επικρατούν μεταξύ των μορίων του PDMS. Η ύπαρξη προσμίξεων, ιδιαίτερα ανόργανης προελεύσεως, μπορεί να περιορίσει την δυνατότητα κίνησης, δια της άσκησης δυνάμεων, που αποκτούν το ρόλο της τριβής[55, 59]. Η παρουσία ATH μπορεί να οδηγήσει σε επιβράδυνση της κίνησης των LMW μορίων προς την επιφάνεια[28]. Επιπλέον η αύξηση της ποσότητας της πρόσμιξης συνεπάγεται μείωση της αντίστοιχης ποσότητας πολυμερούς και άρα και μορίων LMW[55,59]. Σελίδα 15 από 52

16 Επιπλέον των προσμίξεων, την δυνατότητα κίνησης των μορίων LMW μπορεί να περιορίσει και το πλέγμα στερεοποίησης του υλικού. Αυτό δημιουργείται κατά την διαδικασία του βουλκανισμού, η πυκνότητα του όμως μπορεί να αυξηθεί ως αποτέλεσμα της επιφανειακής ηλεκτρικής δραστηριότητας, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Το στρώμα SiO2 που τελικά δημιουργείται, μπορεί να ανακόψει τελείως την κίνηση των μορίων, καταστέλλοντας κάθε πιθανότητα ανάκαμψης. Συνεπώς η ποσότητα και το μέγεθος των προσμίξεων που χρησιμοποιούνται είναι καθοριστικής σημασίας για τον μηχανισμό ανάκαμψης της υδροφοβίας. δ. Η θερμοκρασία Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο συγκεκριμένος μηχανισμός βασίζεται στην διάχυση των μορίων. Συνεπώς, επιπλέον της ποσότητας και η υψηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος, μπορεί να επιταχύνει την κίνηση των μορίων[54,60,61], επιτυγχάνοντας ταχύτερη ανάκαμψη. ε. Το είδος των ρύπων Το είδος, των ρύπων μπορεί να επηρεάσει την δυνατότητα ανάκαμψης της υδροφοβίας. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα μόρια αυτά πρέπει να διεισδύσουν στο επιφανειακό στρώμα των ρύπων και να κινηθούν μέσα σε αυτό, ώστε να επιβάλλουν την υδρόφοβη συμπεριφορά. Στην πραγματικότητα, τα μόρια LMW απορροφώνται από το επιφανειακό στρώμα των ρύπων, το οποίο χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη επιφανειακή ενέργεια από ότι το υλικό[62]. Μάλιστα όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ενέργειας μεταξύ ρύπων και υλικού, τόσο εντονότερη είναι η απορρόφηση των μορίων από τους ρύπους. Έτσι η δομή των ρύπων[62-65] καθώς και η ποσότητα που έχει συγκεντρωθεί[64], ουσιαστικά καθορίζει την ταχύτητα ανάκαμψης. Στον πίνακα 3 καταγράφεται η συμπεριφορά, ως προς τα μόρια LMW διαφόρων τύπων ρύπανσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι, στην περίπτωση που η παρουσία των ρύπων περιορίζει την δυνατότητα ανάκαμψης, τότε είναι δυνατή η ανάκτηση της αρχικής συμπεριφοράς, με καθαρισμό της επιφάνειας του υλικού. Διάφορες μέθοδοι έχουν δοκιμαστεί από τους S.H.Kim et al. [66], σε συνθήκες λειτουργίας όμως, ο καθαρισμός με νερό υψηλής πίεσης, όπως και στην περίπτωση των μονωτήρων χωρίς επικάλυψη, φαίνεται ως η πλέον αποδεκτή μέθοδος [67]. Σελίδα 16 από 52

17 5. Λειτουργική υποβάθμιση συνθετικών μονωτήρων Τα συνήθη προβλήματα που προκύπτουν κατά την λειτουργία των συνθετικών μονωτήρων, ιδιαίτερα της πρώτης γενιάς είναι: Δημιουργία αγώγιμων επιφανειακών δρόμων και διάβρωση του πολυμερικού περιβλήματος (Tracking and erosion) Έντονη διάβρωση -επιφανειακές ρηγματώσεις του περιβλήματος Μείωση της διηλεκτρικής αντοχής και αύξηση των επιφανειακών διασπάσεων σε ρυπασμένες συνθήκες Υποβάθμιση της μηχανικής αντοχής Απώλεια των μεταλλικών άκρων Διάσπαση του συνθετικού πυρήνα του μονωτήρα 5.1. Υποβάθμιση της Λειτουργικότητας - Απώλεια της Επιφανειακής Υδροφοβίας Η υδροφοβία των πολυμερικών μονωτήρων SIR οφείλεται στην ύπαρξη πλευρικών μεθυλίων στις αλυσίδες του PDMS. Η χαμηλή ενέργεια του δεσμού Si-CH 3 δίνει το πλεονέκτημα της ευκαμψίας και κινητικότητας του δεσμού συνεπώς και του προσανατολισμού των ομάδων του μεθυλίου κοντά στην επιφάνεια του υλικού εξασφαλίζοντας την υδρόφοβη συμπεριφορά του. Αντίθετα οι ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις στο μόριο του PDMS δεν εξασφαλίζουν την συνοχή του. Συνεπώς μηχανισμοί ικανοί να προσφέρουν ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια των δεσμών του μορίου είναι εφικτό να το αποσυνθέσουν. Το ενδεχόμενο της αποσύνθεσης των ομάδων μεθυλίου από την αλυσίδα του PDMS έχει ως αποτέλεσμα την μόνιμη απώλεια της υδρόφοβης συμπεριφοράς του κάτι το οποίο στην εξεταζόμενη περίπτωση σηματοδοτεί το τέλος της διάρκειας ζωής του. Οι μηχανισμοί αυτοί μπορεί να προέρχονται είτε από την έκθεση του υλικού σε ηλεκτρικό πεδίο είτε από το περιβάλλον. Οι μηχανισμοί αναλύονται στην συνέχεια Ηλεκτρικές εκκενώσεις. Επιφανειακά αγώγιμες οδεύσεις άνθρακα και διάβρωση το υλικού μπορεί να επέλθουν από την ανάπτυξη επιφανειακών ηλεκτρικών εκκενώσεων. Συγκεκριμένα οι ρυπασμένες και υγραμένες επιφάνειες υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου σχηματίζουν ξηρές ζώνες. Η διάσπαση των ξηρών ζωνών θεωρείται ως η ισχυρότερη μορφή ηλεκτρικής καταπόνησης που εμφανίζεται στην επιφάνεια του συνθετικού μονωτήρα λόγω της παρουσίας υψηλών ρευμάτων διαρροής. Η καταπόνηση έγκειται στην προσφορά ενέργειας στην δομή του υλικού με την μορφή θερμότητας. Η ενέργεια που τροφοδοτείται στο υλικό μπορεί να επιφέρει πλήθος χημικών μεταβολών στην μοριακή σύνθεση του υλικού. Συγκεκριμένα τρεις κατηγορίες αντιδράσεων έχουν προταθεί συγκεκριμένα α) αντιδράσεις αντικατάστασης και τεμαχισμού της αλυσίδας, β) αντιδράσεις υδρόλυσης και γ) αντιδράσεις οξείδωσης. Σελίδα 17 από 52

18 Πίνακας 3 Συμπεριφορά του στρώματος των ρύπων σε σχέση με τον μηχανισμό διάχυσης των μορίων LMW. Είδος ρύπου Αδρανής Πυριτικό άλευρο (Kieselguhr), Πυλός καολίνης, Πυλός Οξείδια μετάλλων Ανόργανα άλατα Μίγματα SiO 2, ZnO, Fe 2 O 3, Al 2 O 3, BaSo 4, CaSo 4, ZnSo 4, NH 4 Cl, CaCl 2, NaCl, KCl Πυλός + NaCl, Πυλός + CaSo 4, Συμπεριφορά Στην περίπτωση του πυριτικού αλεύρου και του πυλού η διάχυση είναι ιδιαίτερα εύκολη. Το ίδιο ισχύει και για τον πυλό καολίνης, όπου όμως απαιτείται μεγαλύτερος χρόνος ανάκαμψης ]. Γρήγορη ανάκαμψη μεταξύ 12h και 24h, ανάλογα με το οξείδιο. Περιορισμένη δυνατότητα κίνησης, απαιτείται μεγάλος χρόνος ανάκαμψης. Η συμπεριφορά εξαρτάται από την περιεκτικότητα, σύμφωνα με τα παραπάνω [204,205] Σελίδα 18 από 52

19 Σχήμα 5 Αλληλουχία μηχανισμών απώλειας της επιφανειακής υδροφοβίας στο RTV Silicone Rubber Σελίδα 19 από 52

20 Σχήμα 6 Αντιδράσεις υδρόλυσης στην επιφάνεια RTV SIR υποστηριζόμενες από τις διασπάσεις ξηρών ζωνών Corona και Ozone Η έκθεση του πολυμερικού περιβλήματος σε εκκενώσεις corona έχει αποτέλεσμα την απώλεια της υδρόφοβης συμπεριφοράς του. Η πολυπλοκότητα του μηχανισμού έγκειται στο ότι η επιφάνεια καταπονείται από ένα συνδυασμό ηλεκτρονίων, ιόντων, ozone, UV ακτινοβολίας και υψηλής θερμοκρασίας ταυτόχρονα. Οι πιθανές αντιδράσεις που μπορούν να συμβούν είναι α) αύξηση της ποσότητας του οξυγόνου λόγω της αύξησης των σιλανίων και υδροξυλίων β) αύξηση του πλέγματος διασταύρωσης και γ) σπάσιμο της αλυσίδας και δημιουργία μορίων χαμηλού μοριακού βάρους. Οι αντιδράσεις αυτές επιδρούν στην αλλαγή των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων του επιφανειακού στρώματος καθώς και στην έκθεση των πρόσθετων fillers. Για να σημειωθεί σημαντική καταπόνηση αποκλειστικά από corona θα πρέπει να υπάρχει μακροχρόνια έκθεση του υλικού. Παρόλα αυτά η σταδιακή εξασθένιση της υδροφοβίας που προκαλεί συνεισφέρει στην δημιουργία εντονότερων ηλεκτρικών εκκενώσεων στην επιφάνεια του υλικού όπως η ανάπτυξη ξηρών ζωνών. Σελίδα 20 από 52

21 Σχήμα 7 Αντιδράσεις οξείδωσης στην επιφάνεια RTV SIR υποστηριζόμενες από τις διασπάσεις ξηρών ζωνών Σελίδα 21 από 52

22 Σχήμα 8: Μηχανισμοί χημικής μεταβολής της δομής του SIR υπό την έκθεση σε εκκενώσεις corona, 5.4. Νερό Σελίδα 22 από 52

23 Οι υπαίθριοι πολυμερικοί μονωτήρες εκτίθενται στην παρουσία νερού που μπορεί να οφείλεται στην βροχή ή την ομίχλη κατά την λειτουργία τους [68]. Παρατηρήθηκε ότι μετά την εμβάπτιση του SIR σε καθαρό νερό παρουσιάζεται μικρή αύξηση του βάρους [68]. Το νερό είναι καθοριστικός παράγοντας για την γήρανση του SIR καθώς και για την ανάκαμψη της υδροφοβίας του. Me Me ~ Si O Si Me Me ~ hydrolysis condensation Me Me ~ Si OH + OH Si ~ Me Me m Me Me Si Me Me OH Si Me Me O Si O n Me n>100, m<n-3x, x=1-3 Me Si Me Me H20 + clay Me Me Me O Si O Si OH + 2 Me Si OH x Me Me Me Υδρόλυση του SIR υπό την επίδραση νερού [68] Σχήμα 9 Η πιο σημαντική επίπτωση της έκθεσης του πολυμερικού περιβλήματος στο νερό είναι η υδρόλυση του. Η αποσύνθεση της δομής του υλικού υπό την επίδραση του νερού περιγράφεται από την ακόλουθη αντίδραση: (2) Επιπλέον, στην περίπτωση του Silicone Rubber, η παρουσία νερού μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της υδροφοβίας, ως αποτέλεσμα των εξής δράσεων: Αναπροσανατολισμός των πλευρικών μεθυλίων Η παρουσία μορίων νερού στην επιφάνεια μπορεί να επιβάλλει των αναπροσανατολισμό των πλευρικών μεθυλίων προς το εσωτερικό του υλικού [27], με αποτέλεσμα την απώλεια της υδροφοβίας. Σελίδα 23 από 52

24 5.4.2 Όξινη βροχή Η έκθεση των πολυμερικών υλικών στην όξινη βροχή προκαλεί την υποβάθμιση τους μέσω της σταδιακή απώλεια μάζας τους που σχετίζεται κυρίως με την απώλεια των πρόσθετων fillers [69,70-73]. Η απώλεια βάρους σχετίζεται με τον βαθμό οξύτητας και της αλατότητας της όξινης βροχής. Οι επιπτώσεις της όξινης βροχής στα πολυμερικό περίβλημα είναι απώλεια της διηλεκτρικής αντοχής, αύξηση των ρευμάτων διαρροής και αύξηση της επιφανειακής τραχύτητας, μείωση της υδροφοβίας σχετιζόμενες άμεσα τον χρόνο έκθεσης τους. Επίσης ο βαθμός υποβάθμισης τους σχετίζεται με την περιεκτικότητα της όξινης βροχής σε νιτρικά, θειϊκά κι οξαλικά οξέα. Η υποβάθμιση του SIR από όξινη βροχή απαιτεί την έκθεση του για μεγάλα χρονικά διαστήματα και έως τώρα δεν φαίνεται να ανταποκρίνεται στις πραγματικές συνθήκες. Να σημειωθεί ότι στις εργαστηριακές δοκιμές που έγιναν σε υλικά που χρησιμοποιούνται για μονώσεις υψηλών τάσων το SIR παρουσίασε την μεγαλύτερη αντοχή Απορρόφηση υγρασίας στον όγκο του υλικού Η απορρόφηση υγρασίας στον όγκο ενός υλικού, αποτελεί πρόβλημα γενικότερα για τις ηλεκτρικές μονώσεις με συνθετικά πολυμερή υλικά [74-76], αφού μπορεί να οδηγήσει σε φυσική και χημική υποβάθμιση της δομής και των ιδιοτήτων τους [76]. Το ενδεχόμενο της χημικής υποβάθμισης, αναφέρεται κυρίως στο φαινόμενο της υδρόλυσης, δηλαδή της θραύσης χημικών δεσμών εξαιτίας της παρουσίας του νερού. Ως αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί ο τεμαχισμός αλυσίδων του πολυμερούς και η δημιουργία ολιγομερών, η υδρόλυση των προσθετικών ενίσχυσης (όπως ΑΤΗ κτλ), καθώς και φαινόμενα στις διεπιφάνειες μεταξύ του πολυμερούς και των προσθετικών [74,77]. Η απώλεια της υδροφοβίας αποδίδεται στην μεταβολή της δομής των επιφανειακών αλυσίδων, καθώς και στην απομάκρυνση των LMW μορίων του υλικού [78,79-81]. Η διαδικασία επιταχύνεται στην περίπτωση υψηλών θερμοκρασιών [81,82], της παρουσίας νερού σε αέρια μορφή [74,77] και από την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου [75], παράμετροι που συγκλίνουν στην περίπτωση εμφάνισης ηλεκτρικών εκκενώσεων. Η περίπτωση της φυσικής υποβάθμισης εστιάζεται κυρίως στην επίδραση της υγρασίας του υλικού στα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του, όπως η διηλεκτρική σταθερά και η εφαπτομένη δ, τα οποία αυξάνουν με τον βαθμό απορρόφησης της υγρασίας [82-84] Βροχόπτωση Στην περίπτωση της βροχόπτωσης, όπως έχει ήδη αναφερθεί επιτυγχάνεται καθαρισμός της επιφάνειας των μονωτήρων από ρύπους, ήτοι δρα θετικά όσον αφορά το φαινόμενο της ρύπανσης. Όμως στην περίπτωση των συνθετικών μονωτήρων η βροχόπτωση έχει συνδεθεί με το ενδεχόμενο μιας ξαφνικής υπερπήδησης [85,86,87]. Βέβαια πρέπει να σημειωθεί, ότι κάτι τέτοιο έχει άμεση σχέση με την γεωμετρία των συνθετικών μονωτήρων και στην περίπτωση των επικαλύψεων, η επίδραση είναι περιορισμένη [88,89]. Όμως παράλληλα το ενδεχόμενο καθαρισμού της επιφάνειας, συνεπάγεται και την απομάκρυνση των LMW μορίων, ήτοι της απώλειας της επιφανειακής υδροφοβίας [78,90]. Σελίδα 24 από 52

25 Το σύνολο των μηχανισμών επίδρασης του νερού στην επιφανειακή υδροφοβία του Silicone Rubber, φαίνεται στο σχήμα 10. Σχήμα 10 Μηχανισμοί επίδρασης του νερού στην επιφανειακή υδροφοβία του RTV SIR 5.5. UV ακτινοβολία Η έκθεση του πολυμερικού περιβλήματος σε υπεριώδη ακτινοβολία προέρχεται είτε από α) τις επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις και ιδιαίτερα τις εκκενώσεις corona ή β) την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία [68]. Η UV ακτινοβολία αποτελεί μηχανισμό καταπόνησης καθώς μεταφέρονται σημαντικά ποσά ενέργειας στο υλικό μέσω του απορροφούμενου φάσματος της ακτινοβολίας. Τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται για τις υπαίθριες μονώσεις περιέχουν πρόσθετα σωματίδια από ZnO 2 και TiO 2 που συνεισφέρουν στην απορρόφηση της UV ακτινοβολίας, συνεπώς προστατεύουν το πολυμερές [69]. Ορισμένοι ερευνητές έδειξαν ότι δεν υπάρχουν επιφανειακές διαβρώσεις στα υλικά SIR σε αντίθεση με άλλα συνθετικά οργανικά υλικά όπου παρατηρήθηκαν επιφανειακές ρηγματώσεις [68]. Μετρήσεις υπό την έκθεση του υλικού σε UV ακτινοβολία δεν έδειξαν υποβάθμιση του υλικού. Η ταυτόχρονη έκθεση σε UV ακτινοβολία, ηλεκτρικό πεδίο και αυξημένη υγρασία έδειξαν μείωση της υδροφοβίας η οποία σχετίζεται περισσότερο με την απορρόφηση της υγρασίας από το υλικό. Πρόσφατα μετρήσεις έδειξαν [91] ότι η υπεριώδης ακτινοβολία του ήλιου μπορούν να αποσυνθέσουν τους δεσμούς Si-C και C-H αλλά όχι τον δεσμό Si-O. Ορισμένα αποτελέσματα δείχνουν ότι η UV ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει απώλεια της υδροφοβίας αλλά πολύ μικρότερη σε σχέση με άλλους παράγοντες γήρανσης [92-95]. Αντίθετα Σελίδα 25 από 52

26 άλλοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι μπορεί να προκαλέσει μόνο αποχρωματισμό του SIR και όχι μείωση της υδροφοβίας [92,96]. Οι μηχανισμοί μεταβολής της δομής του SIR υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας έχουν καταγραφεί και παρουσιάζονται [68]. Αναλόγως της συνθήκες η UV ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει μείωση της υδροφοβίας. Από την άλλη πλευρά μπορεί να αποσυνθέσει το πολυμερές σε μικρότερα μόρια δημιουργώντας μόρια LMW που σε συνδυασμό με την τοπική αύξηση της θερμοκρασίας οδηγούν σε ταχύτερη ανάκαμψη της υδροφοβίας. Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι το επιφανειακό ρυπασμένο στρώμα που αναπτύσσεται στους υπαίθριους μονωτήρες προστατεύει το πολυμερές έναντι της UV ακτινοβολίας καθώς απορροφά μεγάλο μέρος αυτής Θερμοκρασία Η υψηλή θερμοκρασία στην επιφάνεια του υλικού μπορεί να επηρεάσει την επιφανειακή υδροφοβία, κυρίως μεταβάλλοντας τον αριθμό και την ευκινησία των μορίων LMW του PDMS. Αν η θερμοκρασία προκύπτει από επιφανειακή δραστηριότητα (>400 ο C), ήτοι ηλεκτρικές εκκενώσεις, τότε, όπως έχει ήδη αναφερθεί, υπάρχει η πιθανότητα εξάτμισης μορίων LMW και ως εκ τούτου απώλειας της υδροφοβίας. Απεναντίας, αν η υψηλή θερμοκρασία αφορά το περιβάλλον, (<50 ο C), τότε ευνοείται ο μηχανισμός ανάκαμψης των μορίων LMW [60,61] Άνεμος Ο άνεμος, όπως έχει ήδη αναφερθεί, έχει ταυτόχρονα διττό ρόλο. Αφενός μεταφέρει ρύπους στην επιφάνεια των μονωτήρων, αφετέρου μπορεί να συμβάλει στον καθαρισμό αυτών. Όσον αφορά την επιφανειακή υδροφοβία, η μόνη πιθανή επίδραση, αφορά την παρουσία των LMW μορίων στην επιφάνεια του υλικού και το ενδεχόμενο απομάκρυνσης τους, δια του καθαρισμού της επιφάνειας. Η μέχρι τώρα εργαστηριακή διερεύνηση, δεν έχει δείξει κάτι τέτοιο [90]. Σελίδα 26 από 52

27 Σχήμα 11: Μηχανισμοί χημικής μεταβολής της δομής του RTV SIR υπό την έκθεση σε UV ακτινοβολία Σελίδα 27 από 52

28 6. Εργαστηριακή διερεύνηση μονωτήρων του δικτύου υψηλής τάσης 150kV της Κρήτης 6.1. Βασικές πληροφορίες Ιστορική αναδρομή Το δίκτυο Κρήτης απεικονίζεται στο σχήμα 12. Τα προβλήματα ρύπανσης στο δίκτυο Κρήτης εμφανίστηκαν από τα πρώτα βήματα ανάπτυξης του δικτύου 66kV στις αρχές της δεκαετίας του 60 με πυρκαγιές στους ξύλινους στύλους. Με την ανάπτυξη του δικτύου των 150kV στην δεκαετία του 70, καταγράφηκαν και οι πρώτες υπερπηδήσεις λόγω ρύπανσης σε γραμμές μεταφοράς στην ανατολική πλευρά του νησιού. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η δυτική πλευρά του νησιού αντιμετωπίζει διαχρονικά μικρότερα προβλήματα λόγω των έντονων βροχοπτώσεων που συμβάλουν στον φυσικό καθαρισμό των μονωτήρων. Ειδικά πέριξ και δυτικά των Χανίων το πρόβλημα είναι ελάσσων ως ανύπαρκτο. Στο υπόλοιπο δίκτυο όμως έχουν εφαρμοσθεί διάφορες μέθοδοι αντιμετώπισης, όπως το πλύσιμο των μονωτήρων με το χέρι με χρήση σπόγγων ( ), το πλύσιμο με νερό υπό πίεση εκτός τάσης (εισήχθη το 1985) και το πλύσιμο υπό τάση με χρήση ελικοπτέρου (εισήχθη το 1995). Τα εντονότερα προβλήματα ρύπανσης εμφανίζονται στην ανατολική πλευρά του νησιού (ανατολικότερα του Ηρακλείου) και ειδικά στις παράκτιες περιοχές. Σχήμα 12: Ο χάρτης του δικτύου Κρήτης. Οι σταθμοί ανύψωσης συμβολίζονται με γαλάζιο τετράγωνο ενώ οι υποσταθμοί υποβιβασμού με κίτρινο τρίγωνο. Με γαλάζιο χρώμα απεικονίζονται οι γραμμές μεταφοράς ελαφρύ τύπου 150kV απλού κυκλώματος, με κόκκινο οι γραμμές μεταφοράς 150kV βαρέως τύπου απλού κυκλώματος και με μαύρο οι γραμμές μεταφοράς 150kV βαρέως τύπου διπλού κυκλώματος. Με κίτρινο χρώμα απεικονίζονται οι γραμμές 66kV που είναι πλέον εκτός λειτουργίας Σελίδα 28 από 52

29 Όσον αφορά τους χρησιμοποιούμενους μονωτήρες, η αρχική εικόνα ήταν η χρήση αλυσίδων κεραμικών (γυάλινων και πορσελάνινων) μονωτήρων τύπου cap and pin με δισκοειδές προφίλ αλλά και με προφίλ ομίχλης. Ο τύπος του προφίλ αλλά και ο αριθμός των πιάτων (δλδ των μονωτήρων που απαρτίζουν την αλυσίδα) αποφασίζονταν ανάλογα με την θέση του Πύργου στο δίκτυο και ειδικά σε συνάρτηση με την οξύτητα του προβλήματος της ρύπανσης σε κάθε περιοχή, όπως αυτή προέκυπτε από την εμπειρία και πάντα σε συνάρτηση με την απόσταση από την θάλασσα, η οποία και λαμβάνονταν υπόψη ως κύριος παράγοντας καθορισμού της κλάσης ρύπανσης. Η πρώτη τοποθέτηση νεώτερου τύπου μονωτήρων (TEFLON) έλαβε χώρα την δεκαετία του 70 και ήταν ιδιαίτερα αποτυχημένη καθώς οι μονωτήρες αντιμετώπισαν έντονα προβλήματα ψαθυρής θραύσης. Η πρώτη τοποθέτηση πολυμερών (SIR) μονωτήρων έγινε σε μικρό αριθμό (33) επιλεγμένων πύργων ώστε να αξιολογηθεί η συμπεριφορά τους σε πραγματικές συνθήκες (Σχήμα 13). Οι Πύργοι επιλέχθηκαν ώστε να ανήκουν σε περιοχές με σχετικά διακριτές εντάσεις ρύπανσης και πάντα σε συνάρτηση με τον γενικότερο σχεδιασμό της Επιχείρησης (ΔΕΗ/ΔΕΔΔΗΕ). Στην συγκεκριμένη χρονική στιγμή η στρατηγική ήταν να εξοπλιστεί με HTV SIR μονωτήρες η διαδρομή Λινοπεράματα-Αθερινόλακος λόγω αφενός των έντονων προβλημάτων που αντιμετώπιζε αλλά και της σημασίας της για το δίκτυο. Δεν τοποθετήθηκαν πέριξ και δυτικότερα του Ρεθύμνου λόγω της ιδιομορφίας που αναφέρθηκε παραπάνω σε σχέση με την δυτική πλευρά, ούτε και στο τμήμα Μοίρες-Ιεράπετρα με εξαίρεση ορισμένους Πύργους σε περιοχές που η επιχείρηση έκρινε σκόπιμο βάσει της εμπειρίας της. Γ/Μ και ΠΥΡΓΟΣ ΗΜΕΡ. ΤΟΠ. Γ/Μ και ΠΥΡΓΟΣ ΗΜΕΡ. ΤΟΠ. Γ/Μ και ΠΥΡΓΟΣ ΗΜΕΡ. ΤΟΠ. Γ/Μ και ΠΥΡΓΟΣ ΗΜΕΡ. ΤΟΠ. ΜΙ /04/1994 MI /05/1993 ΛΙΙ 71 09/11/1993 ΛΙΙ /04/1994 ΜΙ /04/1994 ΜΙ /05/1993 ΛΙΙ 78 02/02/1995 ΛΜ 4 12/04/1995 ΜΙ /04/1994 ΜΙ /05/1993 ΛΙΙ 97 02/02/1995 ΛΜ 6 06/11/1997 ΜΙ /05/1993 ΛΧΙΙ 63 5/11/1997 ΛΙΙ /09/1993 ΛΜ 12 13/10/1997 ΜΙ /05/1993 ΛΧΙΙ /11/1997 ΛΙΙ /04/1994 ΛΜ 14 06/11/1997 ΜΙ /05/1993 ΛΧΙΙ /11/1997 ΛΙΙ /04/1994 ΛΜ 20 29/01/1998 MI /05/1993 ΛΧΙΙ /11/1997 ΛΙΙ /04/1994 ΛΜ 47 29/01/1998 MI /05/1993 ΛΙΙ 59 10/11/1993 ΛΙΙ /04/1994 ΙΣ 68 14/4/1994 MI /05/1993 ΜΙ ΛΧ ΛΙΙ ΛΜ ΙΣ ΥΠΟΜΝΗΜΑ Μοίρες-Ιεράπετρα Λινοπεράματα - Χανιά Λινοπεράματα-Ιεράπετρα Λινοπεράματα-Μοίρες Ιεράπετρα-Σητεία Σχήμα 13: Οι πρώτοι 33 Πύργοι στους οποίου έγινε δοκιμαστική τοποθέτηση SIR μονωτήρων ( ) Σελίδα 29 από 52

30 Εφόσον τα αποτελέσματα κρίθηκαν ικανοποιητικά, προχώρησε η ευρεία τοποθέτηση πολυμερών SIR μονωτήρων στην διαδρομή Λινοπεράματα_Αθερινόλακος αλλά και στην γραμμή Ηράκλειο ΙΙ-Σύστημα, επιλογή που βασίστηκε στην θέση τους αλλά και την σημασία τους. Το έτος τοποθέτησης μονωτήρων SIR για κάθε Γ/Μ του συστήματος φαίνεται στον Πίνακα 4. Να σημειωθεί ότι δεν έχει προγραμματισθεί τοποθέτηση SIR μονωτήρων στην γραμμή Χανιά-Καστέλι τόσο λόγω της χαμηλής έντασης του προβλήματος ρύπανσης όσο και λόγω των δυσκολιών διακοπής που παρουσιάζει η συγκεκριμένη γραμμή. Πίνακας 4: Γραμμές μεταφοράς και έτος τοποθέτησης μονωτήρων SIR Γραμμή Μεταφοράς Έτος ευρείας τοποθέτησης πολυμερών μονωτήρων (SIR) Λινοπεράματα-Ιεράπετρα 2004 Αθερινόλακος-Ιεράπετρα 2004 Ηράκλειο ΙΙ-Σύστημα 2004 Αθερινόλακος-Σητεία 2006 Ιεράπετρα-Σητεία 2010 Λινοπεράματα-Ηράκλειο ΙΙ 2010 Λινοπεράματα-Μοίρες 2013 Λινοπεράματα-Χανιά 2013 Λινοπεράματα-Χανιά ΙΙ 2013 Μοίρες-Ιεράπετρα Μετρήσεις Ρύπανσης Οι μετρήσεις ρύπανσης έγιναν από το προσωπικό του ΔΕΔΔΗΕ με στόχο να βοηθήσουν στην πληρέστερη κατανόηση του προβλήματος και των διακυμάνσεων του στο δίκτυο. Για την αξιολόγηση της υφιστάμενης ρύπανσης χρησιμοποιούνται συγκεκριμένες μεθοδολογίες μέτρησης όπως η μέτρηση ισοδύναμης πυκνότητας επικαθήμενου άλατος (Equivalent Salt Deposit Density - ESDD), η μέτρηση πυκνότητας μη διαλυτών επικαθήσεων (Non-Soluble Deposit Density NSDD) και η μέτρηση αγωγιμότητας προσανατολισμένης επικάθησης (Directional Dust Deposit Gauge DDDG). Για την ESDD μέτρηση, η μετρούμενη επιφάνεια καθαρίζεται με βαμβάκι το οποίο κάθε φορά βυθίζεται σε απεσταγμένο νερό ώσπου να συλλεχθεί όλη η επικαθήμενη ρύπανση. Βάσει μέτρησης της αγωγιμότητας του διαλύματος, λαμβάνοντας υπόψη και την θερμοκρασία και τον όγκο του καθώς και το εμβαδόν της εξεταζόμενης επιφάνειας, καθορίζεται η ποσότητα NaCl που δίνει διάλυμα ισοδύναμης αγωγιμότητας. Το διάλυμα αυτό, στην συνέχεια χρησιμοποιείται για την NSDD μέτρηση. Το διάλυμα αρχικά φιλτράρεται ώστε να απομονωθούν τα μη διαλυτά συστατικά και η NSDD μέτρηση υπολογίζεται βάσει του βάρους των μη διαλυτών συστατικών και του εμβαδού της μετρούμενης επιφάνειας. Για την DDDG μέτρηση χρησιμοποιείται ειδική διάταξη η οποία αποτελείται από τέσσερα δοχεία συλλογής τοποθετημένα σε στύλο. Τα δοχεία τοποθετούνται σε ύψος τριών μέτρων, προσανατολισμένα στα τέσσερα σημεία του ορίζοντα και κάθε ένα Σελίδα 30 από 52

31 συνδέεται με ένα δοχείο αποθήκευσης. Τα περιεχόμενα των δοχείων αποθήκευσης συλλέγονται κάθε μήνα και μετριέται η αγωγιμότητά τους. Δεδομένων των χαρακτηριστικών κάθε μέτρησης, γίνεται φανερό ότι η ESDD μέτρηση είναι η πλέον γρήγορη, που μπορεί να διεκπεραιωθεί επί τόπου και λαμβάνει υπόψη το προφίλ του μονωτήρα. Η NSDD μέτρηση απαιτεί ειδικό εξοπλισμό ενώ η DDDG μέτρηση πέρα από την ειδική διάταξη που απαιτεί έχει ως κύριο μειονέκτημα ότι δεν λαμβάνει υπόψη το προφίλ του μονωτήρα. Έτσι, η τότε επιλογή της ΔΕΗ/ΔΕΔΔΗΕ ήταν να εφαρμόσει μόνο την ESDD μέτρηση. Οι μετρήσεις έγιναν σε μονωτήρες που είχαν κρεμασθεί εκτός τάσης από τον μεταλλικό σκελετό των Πύργων όπως φαίνεται στην Σχήμα 14 (σε άλλες περιπτώσεις οι μονωτήρες κρεμάστηκαν εκτός του σκελετού από ειδικούς βραχίονες). Μάλιστα δεδομένων των ιδιαιτεροτήτων των τοπικών καιρικών συνθηκών καθώς και των γενικότερων προβληματισμών που απασχολούσαν τους μηχανικούς της επιχείρησης, σε ορισμένες περιπτώσεις εφαρμόσθηκαν παραλλαγές της μέτρησης (π.χ. μέτρηση διαφορετικών μονωτήρων σε αλυσίδα, μέτρηση της απάνεμης και υπήνεμης πλευράς, μέτρηση μόνο σε συγκεκριμένα μέρη του μονωτήρα κ.ο.κ.). Η αποθησαύριση των μετρήσεων αυτών απομόνωσε ένα συνολικό αριθμό 35 διαφορετικών Πύργων στους οποίους η μέτρηση αφορούσε ολόκληρη την επιφάνεια των μονωτήρων (Σχήμα 15). Επιλέχθηκαν μόνο αυτές οι μετρήσεις ώστε να υπάρχει η διασύνδεση με την διεθνή πρακτική. Επιπλέον σχεδιάσθηκαν τρισδιάστατα μοντέλα των μονωτήρων ώστε να υπολογισθεί ακριβέστερα η επιφάνειά τους ενώ έγιναν και συγκριτικές μετρήσεις στον Σταθμό Δοκιμών μεταξύ μονωτήρων διαφορετικού προφίλ ώστε να εξαχθεί μια ενοποιημένη εικόνα που να μπορεί να συσχετισθεί με το διεθνές πρότυπο (το οποίο αφορά μετρήσεις μόνο σε δισκοειδείς μονωτήρες) (Σχήμα 16). Σχήμα 14: Πορσελάνινος μονωτήρας ομίχλης τοποθετημένος στον μεταλλικό σκελετό Πύργου για ESDD μετρήσεις Σελίδα 31 από 52

32 Σχήμα 15. Η θέση των Πύργων όπου έγιναν μετρήσεις ρύπανσης και η προκύπτουσα κλάση ρύπανσης (SPS) και η ελάχιστη απόσταση από την θάλασσα Σχήμα 16: Η αψίδα συγκριτικών μετρήσεων ρύπανσης στον Σταθμό Δοκιμών ΤΑΛΩΣ 6.3. Επιλογή μονωτήρων Για την τελική επιλογή των μονωτήρων που αφαιρέθηκαν από το δίκτυο ελήφθησαν υπόψη τα παρακάτω: Σελίδα 32 από 52

33 1. η περιοχή τοποθέτησης: ζητούμενο ήταν να αφαιρεθούν μονωτήρες που να έχουν λειτουργήσει σε περιοχές με διαφορετικής έντασης και ει δυνατόν και είδος ρύπανσης/καταπόνησης. 2. τα έτη λειτουργίας στο δίκτυο: η γενική απαίτηση για το σύνολο των μονωτήρων ήταν η πολύχρονη λειτουργία τους στο δίκτυο αλλά επιθυμητή ήταν και μια σχετική ποικιλία 3. τα πρακτικά προβλήματα (προβλήματα εγγύτητας Πύργων κλπ) Για τον καθορισμό των Πύργων ελήφθησαν υπόψη οι μετρήσεις ρύπανσης αλλά και η εμπειρία των μηχανικών και τεχνητών του ΔΕΔΔΗΕ. Επιλέχθηκαν συνολικά επτά Πύργοι. Οι πέντε (ΛΜ 6, ΛΜ 47, ΜΙ 201, ΛΧΙΙ 102, ΛΧΙΙ 106) ανήκουν στην ομάδα Πύργων στην οποία είχαν τοποθετηθεί συνθετικοί μονωτήρες κατά την πρώτη δοκιμαστική τοποθέτηση. Τα έτη στο δίκτυο για τους συγκεκριμένους μονωτήρες είναι κυρίως ενώ σε μία περίπτωση είναι 21. Επιπλέον επιλέχθησαν δύο εύκολα προσβάσιμοι Πύργοι από την Γ/Μ Λινοπεράματα-Ιεράπετρα (ΛΙΙ 49 και ΛΙΙ 50) στην οποία οι τοποθετημένοι μονωτήρες έχουν αρκετά χρόνια λειτουργίας (10) αλλά είναι και σημαντικά νεώτεροι από τους προηγούμενους. Οι πύργοι που επιλέχθηκαν τελικά φαίνονται στον Πίνακα 5 ενώ η τοποθεσία τους στον χάρτη φαίνεται στην Σχήμα 17. Πίνακας 5: Πύργοι από τους οποίους αφαιρέθηκαν μονωτήρες για τους σκοπούς του POLYDIAGNO καθώς και τα έτη λειτουργίας στο δίκτυο ΠΥΡΓΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗΣ ΕΤΟΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΕΤΗ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΛΜ 6 SEDIVER ΛΜ 47 SEDIVER ΜΙ 201 SEFAG ΛΧΙΙ 102 SEFAG ΛΧΙΙ 106 SEFAG ΛΙΙ 49 ΑΓΝΩΣΤΟΣ ΛΙΙ 50 ΑΓΝΩΣΤΟΣ Σχήμα 17. Οι τοποθεσίες των 7 Πύργων και τα έτη στο δίκτυο για κάθε μονωτήρα Σελίδα 33 από 52

34 6.4. Εργαστηριακή αξιολόγηση μονωτήρων 150kV από το δίκτυο 150kV της Κρήτης Οι μονωτήρες που έχουν υποστεί φυσική γήρανση, παρέμειναν εκτεθειμένοι σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Έχουν συνεπώς καταπονηθεί από διάφορους μηχανισμούς γήρανσης, σε βαθμό και ένταση που διαφέρει κατά περιοχή, ενώ επιπλέον ο ακριβής συνδυασμός των υπόψη μηχανισμών δεν είναι γνωστός. Συνεπώς, η διαδικασία αξιολόγησης πρέπει να συμπεριλαμβάνει διάφορες τεχνικές μέτρησης, σε κάποιες περιπτώσεις μερικώς επικαλυπτόμενες, επιδιώκοντας την μέγιστη δυνατή αξιοπιστία της αξιολόγησης. Στην συγκεκριμένη περίπτωση η διαδικασία αξιολόγησης περιλαμβάνει μακροσκοπικούς ελέγχους, ηλεκτρικές δοκιμές και μετρήσεις και τεχνικές ανάλυσης υλικών. Η πορεία περιγράφεται στο σχήμα Επιλογή των μονωτήρων 2.Μακροσκοπικός Έλεγχος A. Οπτική B. Υδροφοβία Επιθεώρηση A. Ηλεκτρικές δοκιμές 3. Εργαστηριακή διερεύνηση B. Ανάλυση Φυσικών ιδιοτήτων C. Τεχνικές ανάλυσης υλικώνs Σχήμα 18: Διαδικασία αξιολόγησης συνθετικών μονωτήρων που έχουν λειτουργήσει στο δίκτυο 150kV της Κρήτης (φυσική γήρανση) Οπτική επιθεώρηση Η οπτική επιθεώρηση και η αποτίμηση της επιφανειακής υδροφοβίας αποτελούν τις δύο πρώτες τεχνικές αξιολόγησης, οι οποίες συνήθως εφαρμόζονται και στο πεδίο. Αρχικά η οπτική επιθεώρηση αποσκοπεί στον εντοπισμό ενδείξεων καταπόνησης - γήρανσης όπως είναι για παράδειγμα ο αποχρωματισμός στης επιφάνειας των μονωτήρων, ένδειξη έντονης Σελίδα 34 από 52

35 επιφανειακής ηλεκτρικής δραστηριότητας, ίχνη άνθρακα (tracking), διάβρωση και γενικότερα αλλοίωση της επιφάνειας του μονωτήρα, ένδειξη φυσικοχημικής υποβάθμισης, ρήγματα, τομές ή απώλεια τμημάτων του κελύφους κ.α. Στις εικόνες του σχήματος 19 καταγράφονται διάφορες τυπικές περιπτώσεις υποβάθμισης που εντοπίστηκαν στους μονωτήρες που αξιολογήθηκαν. (α) (β) (γ) (δ) (ε) Σχήμα 19: Οπτική επιθεώρηση συνθετικών μονωτήρων που έχουν λειτουργήσει στο δίκτυο 150kV της Κρήτης (φυσική γήρανση) (α) αποχρωματισμός του κελύφους (β) διάβρωση των μεταλλικών μερών, (γ) ενσωμάτωση ρύπων, (δ) απώλεια τμήματος του κελύφους (πουλιά), (ε) διάβρωση στον δακτύλιο εξομάλυνσης του ηλεκτρικού πεδίου Η εικόνα που σχηματίζεται από το σύνολο των επιθεωρήσεων που πραγματοποιήθηκαν, αποκαλύπτει την υποβάθμιση της κατάστασης του πολυμερικού κελύφους, σε βαθμό που είναι αξιόλογος, φαίνεται να επηρεάζει την συμπεριφορά σε συνθήκες ρύπανσης αλλά δεν θέτει προς το παρόν σε κίνδυνο την ακεραιότητα του κελύφους, όσον αφορά την αποκάλυψη του πυρήνα. Συνεπώς δεν προκύπτει άμεσο πρόβλημα όσον αφορά την μηχανική αντοχή των μονωτήρων Αποτίμηση της επιφανειακής υδροφοβίας Σε επόμενο βήμα διερευνήθηκε η υδροφοβική συμπεριφορά του πολυμερικού κελύφους των υπό εξέταση μονωτήρων. Υλοποιήθηκε αρχικά μακροσκοπικός έλεγχος, εφαρμόζοντας των διεθνώς αποδεκτό οδηγό STRI 91. Στο σχήμα 20 φαίνονται οι κλάσεις κατάταξης της επιφανειακής υδροφοβίας σύμφωνα με τον υπόψη οδηγό. Οι μετρήσεις έγιναν σε έξι διαφορετικές θέσεις κατά μήκος κάθε μονωτήρα, σύμφωνα με τον οδηγό και λαμβάνοντας υπόψη την αναμενόμενη κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις για τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν, λαμβάνοντας υπόψη την μέση συμπεριφορά μεταξύ δοκιμίων της ίδιας προέλευσης και χαρακτηριστικών περιλαμβάνονται στον πίνακα 6. Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν περιπτώσεις σαφούς υποβάθμισης της επιφανειακής συμπεριφοράς ενώ για τους περισσότερο γερασμένους μονωτήρες παρατηρείται πλήρης απώλεια της υδρόφοβης συμπεριφοράς. Σελίδα 35 από 52

36 Σχήμα 19: Κλάσεις υδροφοβίας στον οδηγό αξιολόγησης STRI 91 Πίνακας 6. Αποτελέσματα της μακροσκοπικής αξιολόγησης των μονωτήρων σύμφωνα με τον οδηγό αξιολόγησης STRI 91 α/α μονωτήρα Κλάση υδροφοβίας Κάτω τμήμα Μέσο τμήμα Άνω τμήμα Face/Bottom/Sheath Face/Bottom/Sheath Face/Bottom/Sheath /6/6 6/6/6 6/6/ /6/6 6/6/6 6/6/ /1/1 3/3/3 4/4/ /1/1 1/1/1 1/1/ /1/1 1/1/1 3/3/ /2/2 3/2/2 3/2/ /1/1 1/1/1 2/2/2 Στην συνέχεια, εξήχθησαν κατάλληλα δείγματα από τους μονωτήρες και πραγματοποιήθηκαν αναλυτικές μετρήσεις της επιφανειακής υδροφοβίας, με εργαστηριακό σύστημα μέτρησης της γωνίας επαφής. Οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα του μακροσκοπικού ελέγχου, Σελίδα 36 από 52

37 επιβεβαιώνοντας τόσο την αξιοπιστία της υπόψη τεχνικές όσο και τα αποτελέσματα της αξιολόγησης. Ενδεικτικά στο σχήμα 20 και στους πίνακες 7 και 8 παρουσιάζεται η σύγκριση των δύο τεχνικών αξιολόγησης της επιφανειακής υδροφοβίας, για τρεις εκ των μονωτήρων που εξετάσθηκαν. Σχήμα 20. Τρεις ενδεικτικές περιπτώσεις μονωτήρων, εξ αυτών που αξιολογήθηκαν, 0008 νέος μονωτήρας, ετών και ετών. Πίνακας 7. Κλάση υδροφοβίας για τους μονωτήρες του σχήματος 20 α/α μονωτήρα Κλάση υδροφοβίας Κάτω τμήμα Μέσο τμήμα Άνω τμήμα Face/Bottom/Sheath Face/Bottom/Sheath Face/Bottom/Sheath NEW 1/1/1 1/1/1 1/1/ FIELD 6/6/6 6/6/6 6/6/ FIELD 3/2/2 3/2/2 3/2/2 Πίνακας 8. Μέτρηση της γωνίας επαφής για τους μονωτήρες του σχήματος 20 α/α μονωτήρα. Γωνία επαφής Κάτω τμήμα Μέσο τμήμα Άνω τμήμα Μέση Face/Bottom/Sheath Face/Bottom/Sheath Face/Bottom/Sheath τιμή /89/77 75/68/102 90/81/ /82/ /92/121 98/105/ /125/ /124/ /124/ Σελίδα 37 από 52

38 Οι μετρήσεις υδροφοβίας τόσο με την διεξαγωγή της μεθόδου ψεκασμού (spraying method) όσο και την μέτρηση την γωνίας επαφής (contact angle) έδειξαν εξασθένιση της υδροφοβικής ικανότητας του πολυμερικού περιβλήματος. Πρέπει να αναφερθεί ότι η υδροφοβία δεν ήταν σταθερή και μεταβαλλόταν κατά μήκος του πολυμερικού περιβλήματος. Συγκεκριμένα χαμηλότερες τιμές υδροφοβίας μετρήθηκαν στις περιοχές του πολυμερικού περιβλήματος που βρίσκονται κοντά στα μεταλλικά άκρα του μονωτήρα λόγω της ανισοκατανομής της συγκέντρωσης της σκόνης και του ηλεκτρικού πεδίου Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των υπό διερεύνηση μονωτήρων πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με την τεχνική του "κεκλιμένου επιπέδου" (Inclined Plane Test), σύμφωνα με το πρότυπο IEC Η υπόψη δοκιμή χρησιμοποιείται με σκοπό την αποτίμηση της αντοχής των υλικών σε επιφανειακή ηλεκτρική καταπόνηση ικανή να προκαλέσει φαινόμενα tracking και erosion. Δεδομένης της έντασης της επιφανειακής καταπόνησης που επιβάλλεται θεωρήθηκε ως η πλέον ενδεικτική για αυτήν την φάση της αξιολόγησης. Από κάθε μονωτήρα εξήχθησαν κατάλληλα δοκίμια, σε κάθε περίπτωση από πέντε θέσεις, τα οποία αφού καθαρίστηκαν με συσκευή καθαρισμού υπερήχων και απεσταγμένο νερό ώστε να απομακρυνθεί η συσσωρευμένη ρύπανση, παρέμειναν σε εργαστηριακές συνθήκες για 24 ώρες, ώστε να επιτραπεί η τυχών ανάκαμψη της υδροφοβίας. Σχήμα 21. Εξαγωγή και καθαρισμός των δοκιμίων για την δοκιμή του Inclined Plane Test. Στην συνέχεια με την χρήση κατάλληλων ηλεκτροδίων τέθηκαν σε ταυτόχρονη ηλεκτρική (τάση 4,5kV) και φυσική καταπόνηση (ηλεκτρολυτικό διάλυμα), σύμφωνα με ότι ορίζει το πρότυπο. Στο σχήμα 22 φαίνονται τα ηλεκτρόδια και η τοποθέτηση τους σε ένα από τα δείγματα. Επίσης στο σχήμα 23 φαίνεται η διάταξη της δοκιμής (test setup). Κατά την διεξαγωγή της δοκιμής του κεκλιμένου επιπέδου εφαρμόστηκε υψηλή τάση 4,5 kv στα 50Ηz και ροή αγώγιμου διαλύματος 0,6ml/sec στην επιφάνεια των δοκιμίων. Κατά την διεξαγωγή της δοκιμής Σελίδα 38 από 52

39 καταγραφόταν οι επιφανειακές εκκενώσεις και τα ρεύματα διαρροής χρησιμοποιώντας κάρτας δειγματοληψίας δεδομένων με ρυθμό δειγματοληψίας 2kS/s. Στην εικόνα του σχήματος 23 φαίνεται η ανάπτυξη επιφανειακών ηλεκτρικών εκκενώσεων κατά την καταπόνηση σύμφωνα με το πρότυπο. (α) (β) Σχήμα 21. (α) Ηλεκτρόδια για την δοκιμή Inclined Plane σύμφωνα με το IEC60587 (β) τοποθέτηση των ηλεκτροδίων σε ένα εκ των δοκιμίων Σχήμα 22. Διάταξης δοκιμής για το Inclined Plane Test σύμφωνα με το IEC60587 Η διάρκεια της δοκιμής ανέρχεται στις 6 ώρες. Στο διάστημα αυτό τα δοκίμια τίθενται υπό ισχυρή καταπόνηση με αποτέλεσμα την εμφάνιση αλλοιώσεων στην επιφάνεια των υλικών και ιδιαίτερα φαινομένων όπως το tracking. Στην εικόνα του σχήματος 24 φαίνονται ίχνη διαδρομών (Tracks) άνθρακα στην επιφάνεια ενός δοκιμίου. Παρά ταύτα, ακολουθώντας τα όρια που θέτει τόσο το πρότυπο IEC όσο και ο οδηγός No255 της CIGRE, κανένα από τα υπό διερεύνηση δοκίμια δεν απέτυχε την δοκιμή. Όμως οι περισσότερο υποβαθμισμένοι μονωτήρες παρουσίασαν συνεχόμενη ηλεκτρική δραστηριότητα στην επιφάνεια τους και η μέτρηση της μέσης ενεργού τιμής ήταν σχεδόν διπλάσια σε σύγκριση με τους μη υποβαθμισμένους μονωτήρες. Επίσης οι υποβαθμισμένοι μονωτήρες παρουσίασαν την μεγαλύτερη μέγιστη ενεργό τιμή του ρεύματος διαρροής. Η συνεχόμενη επιφανειακή ηλεκτρική δραστηριότητα στους υποβαθμισμένους μονωτήρες υποδεικνύει την αδυναμία ανάκαμψης της υδροφοβίας. Επίσης από την ανάλυση των συνιστωσών του Σελίδα 39 από 52

40 ρεύματος διαρροής ήταν εμφανής η παρουσία της τρίτης αρμονικής κατά την διάρκεια των μερικών εκκενώσεων. Είναι ενδεικτική η σύγκριση των δοκιμίων του πίνακα 9. Τα δύο φυσικά γερασμένα δοκίμια προέρχονται από μονωτήρες της ίδια ηλικίας, ήτοι 17 ετών, παρουσίασαν όμως σημαντικές διαφορές στην καταγεγραμμένη επιφανειακή δραστηριότητα (σχήμα 25). Ο μονωτήρας Α έδειξε σαφώς εντονότερη επιφανειακή δραστηριότητα, σε αντίθεση με τον μονωτήρα Β, όπου τα επίπεδα ήταν αντίστοιχα με αυτά ενός νέου, μη γερασμένου μονωτήρα. Η διαφορά φαίνεται να σχετίζεται με την σύνθεση των υλικών, ως εκ τούτου πραγματοποιήθηκαν περεταίρω εργαστηριακές αναλύσεις. Σχήμα 23. Επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις κατά την υλοποίηση της δοκιμής Inclined Plane Test σύμφωνα με το IEC60587 Σχήμα 24. Σχηματισμός επιφανειακής αγώγιμης όδευσης άνθρακα (tracking) μετά από την δοκιμή του κεκλιμένου επιπέδου. Αστοχία δείγματος. Σελίδα 40 από 52

41 Πίνακας 9. Επιφανειακή ηλεκτρική δραστηριότητα στην περίπτωση του Inclined Plane Test για τους δύο περισσότερο γερασμένους μονωτήρες Μονωτήρας RMS τιμή του ρεύματος διαρροής (μέση τιμή εκ των δοκιμίων που καταπονήθηκαν) (ma) Max τιμή του ρεύματος διαρροής (μέση τιμή εκ των δοκιμίων που καταπονήθηκαν) (ma) Α, Field aged 8,2 45,6 B, Field aged 4,6 36,5 C, Νέος 4,1 31,6 Σχήμα 24. Επιφανειακή ηλεκτρική δραστηριότητα στα πλαίσια της δοκιμής του κεκλιμένου επιπέδου για τους δύο περισσότερο γερασμένους μονωτήρες της αξιολόγησης Σελίδα 41 από 52

42 Τεχνικές ανάλυσης υλικών Η υδροφοβία σχετίζεται άμεσα με την χημική σύσταση του υλικού, π.χ. με την παρουσία ομάδων μεθυλίου. Για την εύρεση των χημικών μεταβολών που επήλθαν ως απόρροια της έκθεσης των μονωτήρων στους μηχανισμούς καταπόνησης στο πεδίου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις FTIR και SEM. Με την μέτρηση FTIR εντοπίζονται οι χημικοί δεσμοί του υλικού. Το βασικό πολυμερές που χρησιμοποιείται για την σύνθεση των μονωτήρων SIR είναι το PDMS που χαρακτηρίζεται από δεσμού Si-O, Si-C και C-H. Ο πίνακας 10 περιέχει τα χαρακτηριστικά μήκη κύματος του απορροφούμενου υπέρυθρου φάσματος για το SIR. Πίνακας 10 Χαρακτηριστικά μήκη κύματος απορροφούμενου υπέρυθρου φάσματος δεσμών SIR Bond Wavenumber (cm -1 ) Si-O Si-CH C-H in CH ATH 3435, ( ) Οι μετρήσεις έδειξαν ότι οι υποβαθμισμένοι μονωτήρες παρουσιάζουν μικρότερη απορρόφηση υπέρυθρης ακτινοβολίας στα χαρακτηριστικά μήκη κύματος και ιδιαίτερα του δεσμού Si-C, γεγονός που σχετίζεται με την αποσύνθεση των ομάδων μεθυλίων από την βασική αλυσίδα του πολυμερούς. Για να είναι εφικτή η σύγκριση διαφορετικών υλικών υπολογίστηκε ο λόγος των εμβαδών Si-O/Si-CH 3 από τα διαγράμματα αποροφούμενου υπέρυθρου φάσματος (σχήμα 25). Τα αποτελέσματα έδειξαν (πίνακας 11) ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο παραπάνω λόγος τόσο μεγαλύτερη είναι η υποβάθμιση της υδροφοβίας που έχει υποστεί το υλικό. Πίνακας 11 Εμβαδά απορροφούμενου υπέρυθρου φάσματος δεσμών SIR Insulator Si-O Si-CH 3 Ratio new field-aged Επιπλέον στα πλαίσια της υπόψη δοκιμής είναι δυνατός ο εντοπισμός των πρόσθετων προσμίξεων που χρησιμοποιούν οι κατασκευαστές, όπως για παράδειγμα το ΑΤΗ το οποίο καταγράφεται σαφώς στον γηρασμένο μονωτήρα, όπως φαίνεται στα φάσματα του σχήματος Σελίδα 42 από 52

43 25. Δεν ισχύει το ίδιο στον νέο μονωτήρα όπου εκτιμάται ότι περιλαμβάνει αντί ΑΤΗ πρόσμιξη SiO 2. Ακριβής στοιχειακή ανάλυση του υλικού μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας την τεχνική EDX (Energy Dispersive X-Ray). Ο συνδυασμός των 2 αυτών τεχνικών μπορεί να δώσει πληροφορίες για την μεταβολή της χημικής σύστασης του υλικού μετά την καταπόνηση του. Σχήμα 25. Χαρακτηριστικές καμπύλες απορρόφησης υπέρυρθου φάσματος για μονωτήρες SIR Σε συνέχεια πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM) με σκοπό την εξέταση της τοπολογίας της επιφάνειας των υλικών. Συγκεκριμένα εξετάζεται η μορφολογία της επιφάνειας των μονωτήρων όπου απαιτούνται μεγεθύνσεις μέχρι x1000, ενώ δεδομένης της μονωτικής συμπεριφοράς των δειγμάτων του μονωτήρα απαιτείται επικάλυψη των εξεταζόμενων δειγμάτων με σκόνη χρυσού με την τεχνική sputtering. Οι μετρήσεις έδειξαν επιφανειακές αλλοιώσεις, σε κάποιες περιπτώσεις σημαντικές, γεγονός που συσχετίζεται τόσο με την υποβάθμιση του υλικού όσο και με την καταγεγραμμένη μείωση της επιφανειακής υδροφοβίας. Ενδεικτική είναι η σύγκριση στις εικόνες του σχήματος 27 όπου συγκρίνεται η επιφάνεια ενός νέου μονωτήρα με έναν φυσικά γερασμένο, ηλικίας 17 ετών. Είναι εμφανές ότι ο καινούργιος μονωτήρας παρουσιάζει λεία επιφάνεια χωρίς να έχει ενδείξεις μικροφθορών. Αντιθέτως είναι εμφανής η δημιουργία μικρορωγμών στην επιφάνεια του υποβαθμισμένου μονωτήρα. Το πλάτος τους εκτιμάται περίπου στα 10μm. Όσο μεγαλύτερη είναι η υποβάθμιση του πολυμερικού περιβλήματος τόσο εντονότερες είναι επιφανειακές αλλοιώσεις, γεγονός που επιτρέπει τον εντοπισμό του με μικρότερη μεγέθυνση. Σελίδα 43 από 52

44 Σχήμα 26. Διάταξη Sputtering δειγμάτων μονωτήρα (α) (β) Σχήμα 27. Μετρήσεις με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM), (α) νέος μονωτήρας και (β) γηρασμένος Σελίδα 44 από 52