ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΡΑΠΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΑΡΑΠΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6208 Θέμα: ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα:

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΑΡΑΠΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Α.Μ.: 6208 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ: Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο των Υψηλών Τάσεων του Τομέα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών κατά το ακαδημαϊκό έτος Θα ήθελα να ευχαριστήσω την καθηγήτρια μου κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την βοήθεια της και την καθοδήγηση που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια ολοκλήρωσης της διπλωματικής εργασίας, αλλά και για την κατανόηση που έδειξε σε δυσκολίες που παρουσιάστηκαν. 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια προσπάθεια μελέτης των φαινομένων διάσπασης στερεών μονωτικών υλικών και προσπαθεί να δώσει μια σαφή εικόνα των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα μέχρι την κατάρρευση της μόνωσης. Πέρα από την θεωρητική προσέγγιση γίνεται και μια προσπάθεια παρακολούθησης του φαινομένου μέσα από πειράματα που αφορούν την διάσπαση μονωτικού χαρτιού εμποτισμένου σε μονωτικό λάδι, μέσω μια γεννήτριας εναλλασόμενης τάσης. Οι μηχανισμοί στους οποίους υπόκειται ένα μονωτικό υλικό μέχρι την απώλεια των μονωτικών ιδιοτήτων είναι διάφοροι, γι αυτόν τον λόγο γίνεται και μια προσπάθεια μελέτης τους από διάφορες σκοπιές. Πιο συγκεκριμένα η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της εργασίας όπου δίνεται στον αναγνώστη η δυνατότητα να κατανοήσει τη σπουδαιότητα των μονωτικών υλικών στην επιστήμη των υψηλών τάσεων. Ακόμα γίνεται μια σύντομη περιγραφή των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν κατά καιρούς στα δίκτυα υψηλών τάσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά των κυριοτέρων στερεών διηλεκτρικών, όπως είναι το γυαλί, το καουτσούκ και τα κεραμικά και δίνονται παραδείγματα εφαρμογής τους. Στην συνέχεια αναφέρονται τα βασικά κριτήρια αξιολόγησης μια μόνωσης και γίνεται μια προσπάθεια ανάλυσης τους μέσα από διάφορα στοιχεία που έχουν βρεθεί. Το τρίτο κεφάλαιο εμβαθύνει στην θεωρία διάσπασης των στερεών διηλεκτρικών αφού πρώτα γίνεται μια συντομή αναφορά σε μηχανισμούς διάσπασης των αέριων μονωτικών που ουσιαστικά συνυπάρχουν στο εσωτερικό κάθε στερεού υλικού. Αναφέρονται φαινόμενα όπως η εγγενής διάσπαση, η ηλεκτρομηχανική διάσπαση, η θερμική καθώς και η ηλεκτροχημική διάσπαση και αναλυόνται όσο το δυνατόν περισσότερο. Ακόμα μελετώνται φαινόμενα όπως η διάσπαση στις άκρες των ηλεκτροδίων και στην επιφάνεια της μόνωσης ενώ δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην διάσπαση των μονωτικών μέσω εσωτερικών εκκενώσεων. Το τέταρτο κεφάλαιο περιγράφει αναλυτικά τις μερικές εκκενώσεις, αναφέρεται στους τρόπους δημιουργίας τους, τα αίτια που τους προκαλούν και τα αποτελέσματα που έχουν. Μέσα από το κεφάλαιο αυτό ο αναγνώστης αποκτά μια σφαιρική εικόνα του φαινομένου, ενώ στην συνέχεια δίνονται τα δυο σπουδαιότερα μοντέλα προσομοίωσης των μερικών εκκενώσεων, των μερικών χωρητικοτήτων και το μοντέλο του Pedersen. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύνδεση με το φαινόμενο των ηλεκτρικών δενδριτών και γίνεται μια γενικότερη επισκόπιση του φαινομένου αυτού. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στα σύνθετα μονωτικά υλικά ώστε να έχουμε μια καλύτερη εικόνα τους για την πειραματική εκτέλεση της εργασίας και δίνονται κάποια παραδείγματα για την καλύτερη κατανόηση τους. Το έκτο κεφάλαιο αφορά τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο με μονωτικό χαρτί εμποτισμένο σε λάδι ώστε να έχουμε μια εικόνα όσων αναφέραμε. Δίνονται αναλυτικά τα βήματα της πειραματικής διαδικασίας με όλα τα 4

5 αποτέλεσματα σε πίνακες. Στο τέλος υπάρχουν τα συμπεράσματα που κατέληξε η πειραματική διαδικασία. 5

6 ABSTRACT The following thesis is an attempt to study the phenomenon of solid insulators breakdown and tries to give a clear picture of the procedures that take place until the insulation s breakdown. Beyond the theoretical approach an effort is being made in order to observe the above phenomenon through experiments regarding the breaking down of transformerboard soaked in oil through an AC generator. There are several procedures in which an insulator is being submitted to until the loss of its mechanical characteristics so an attempt is made to study them from several different perspectives. More specifically this paper consists of six chapters. The first chapter is the introduction of the paper where the reader can understand the importance of insulators in High Voltage Science. Moreover the materials that have been used from time to time in high voltage networks are being described. The second chapter describes the most important solid dielectric materials such as glass, rubber and ceramics and gives examples of their utilization. Additionally it contains the basic evaluation criteria of an insulation and their analysis. The third chapter focuses on the breaking down of solid dielectric materials on a theoretical level after having first made a brief reference to the mechanisms of gas insulators breakdown that actually exist inside every solid material. Phenomenon such as the intrinsic breakdown, the electronic breakdown as well as the thermal and electrochemical breakdown are quoted and analyzed as much as possible. Furthermore phenomenon such as splitting the edges of electrodes and the surface of the insulation are studied while particular attention is given to the insulators breakdown by internal discharges. The fourth chapter describes thoroughly the partial discharges, the way and the reasons they are created as well as their effects. Through this chapter the reader can have an overview of the phenomenon and then the two most important partial discharge simulation models, partial capacity models and Pedersen s model are being described. At the end of the chapter the partial discharges are being correlated with the phenomenon of electrical trees and the latter is being overviewed. The fifth chapter refers to composite insulation materials so to obtain a better image of them in order to be assisted for the experimental part of this thesis. Moreover examples are given to better understand their use. The sixth chapter refers to the experiments that were conducted in the laboratory using transformerboard soaked in oil in order to understand what was previously described in the theoretical part. It also contains in detail all the steps of the experiment along with the results that emerged in boards. Finally the conclusions of this experiment are being quoted. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ...13 Κεφάλαιο 2 ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΩΝ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΕΡΕΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΟΝΩΤΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Διηλεκτρική αντοχή Η σχετική διηλεκτρική σταθερά Ο συντελεστής απωλειών Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα Ο συντελεστής ε tgδ Η επιφανειακή αγωγιμότητα Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Η μηχανική αντοχή...25 Κεφάλαιο 3 ΜΕΛΕΤΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΣ ΑΕΡΙΩΝ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μηχανισμός Townsend Μηχανισμός Streamer Μηχανισμός κορόνα

8 3.3 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΜΟΝΩΤΙΚΑ Εισαγωγή Εγγενής διάσπαση στερεών διηλεκτρικών Ηλεκτρομηχανική διάσπαση Διάσπαση στις άκρες των ηλεκτροδίων Διάσπαση λόγω εσωτερικών εκκενώσεων Αλλοίωση λόγω εσωτερικών εκκενώσεων Διάσπαση στην επιφάνεια του μονωτικού Θερμική διάσπαση Ηλεκτροχημική διάσπαση Χημική διάβρωση...40 Κεφάλαιο 4 ΜΕΡΙΚΕΣ ΕΚΚΕΝΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΔΕΝΔΡΙΤΕΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΜΟΝΩΤΙΚΑ Πιθανά σημεία εμφάνισης μερικών εκκενώσεων Μερικές εκκενώσεις οφειλόμενες στην ύπαρξη κοιλοτήτων, φυσαλίδων ή σχισμών Μερικές εκκενώσεις οφειλόμενες σε ξένα σωματίδια ΜΟΝΤΕΛΑ ΜΕΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ Ενέργεια μερικής εκκένωσης μοντέλο χωρητικοτήτων Μοντέλο Pedersen ΣΧΕΣΗ ΜΕΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΔΕΝΔΡΙΤΗ

9 4.4.1 Ηλεκτρικοί δενδρίτες Θεωρία δικτύου κοιλοτήτων...62 Κεφάλαιο 5 ΣΥΝΘΕΤΑ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ...64 Κεφάλαιο 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων αναπτύχθηκε για να επιλύσει το πρόβλημα της οικονομικής μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Σήμερα, αν και η κύρια χρήση των Υψηλών Τάσεων εξακολουθεί να είναι η ίδια, εντούτοις χρησιμοποιούνται σε ποικίλους κλάδους της επιστήμης, όπως στις επιστήμες του περιβάλλοντος, στην ιατρική ακόμα και στην τεχνολογία του διαστήματος. Το ζήτημα της μεταφοράς με χρήση των Υψηλών Τάσεων εμφανίστηκε όταν τα κέντρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας άρχισαν να απομακρύνονται από τα αστικά κέντρα και τα κέντρα βιομηχανικής δραστηριότητας, τα οποία είναι και τα κέντρα κατανάλωσης. Για μεγαλύτερη μεταφερόμενη ισχύ απαιτείται και υψηλότερη τάση, αφού για δεδομένο μήκος της γραμμής μεταφοράς η μέγιστη ισχύς, που μπορεί να μεταφερθεί με ευστάθεια, είναι ορισμένο ποσοστό της φυσικής ισχύος : Ρn=U 2 /Ζ (όπου Ζ η κυματική αντίσταση της γραμμής, Ω). Επιπλέον, είναι γνωστό ότι οι απώλειες μεταφοράς είναι αντιστρόφως ανάλογες προς το τετράγωνο της πολικής τάσης της γραμμής, δηλαδή οι απώλειες Joule μειώνονται με την αύξηση της τάσης της γραμμής. Βέβαια με την αύξηση της τάσης μεταφοράς, αυξάνει τόσο το κόστος της εγκατάστασης (πύργοι, μονωτήρες, μετασχηματιστές κλπ.) όσο και το κόστος λειτουργίας της γραμμής, οπότε υπάρχει πάντα μια βέλτιστη τιμή της τάσης υπό την οποία είναι δυνατή η μεταφορά με ευστάθεια, συγκεκριμένης ποσότητας ισχύος σε συγκεκριμένη απόσταση με αποδεκτές απώλειες μεταφοράς και κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Οι τάσεις των γραμμών μεταφοράς έχουν τυποποιηθεί σε κατηγορίες ανάλογα με το ύψος τους. Σύμφωνα με το μοντέλο που ισχύει στην Ελλάδα, ως τυποποιημένες τάσεις ορίζονται: 20kV (ΑC) η μέση τάση (mv), 150kV (ΑC) η υψηλή τάση (hv) και 400kV (ΑC) η υπερυψηλή τόση (ev). Έτσι, με την μοντελοποίηση και την τυποποίηση, τα εξαρτήματα των δικτύων (μετασχηματιστές ανύψωσης και υποβιβασμού, μονωτήρες, πύργοι κλπ.) είναι τυποποιημένα βιομηχανικά προϊόντα μαζικής παραγωγής με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους τους. Άλλωστε ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που καθορίζει το κόστος ενός δικτύου είναι οι μονώσεις του, γιατί αποτελούν τμήμα του εξοπλισμού τόσο στην παραγωγή όσο και στη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος και ουσιαστικά αυτές είναι που καθορίζουν τελικά το μέγεθος των υπόλοιπων στοιχείων. Η οικονομική σημασία που έχουν οι μονώσεις αποκτά ιδιαίτερο βάρος με την αύξηση της τάσης λειτουργίας ενός δικτύου, γιατί από ένα σημείο και έπειτα αυξάνεται δυσανάλογα το κόστος της μόνωσης. Μονωτικά καλούμε τα υλικά που υποκείμενα σε τάση, οπωσδήποτε χαμηλή, δεν διαρρέονται από άλλο ρεύμα εκτός από το ρεύμα της διηλεκτρικής μετατόπισης. Σε υψηλότερες όμως τάσεις τα υλικά αυτά είναι δυνατόν να επιτρέπουν τη διέλευση ρεύματος αγωγιμότητας. Αν τώρα το ρεύμα αυτό είναι μικρό επιτρέπει τη διατήρηση της μονωτικής ιδιότητας του μονωτικού οπότε 10

11 έχουμε το φαινόμενο των μερικών εκκενώσεων, εάν αντιθέτως είναι μεγάλο τότε συνεπάγεται την απώλεια της μονωτικής ιδιότητας και έχουμε διάσπαση. Διηλεκτρική αντοχή είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα μονωτικό χωρίς αυτό να διασπαστεί. Αυτή εξαρτάται από την πίεση, τη θερμοκρασία, το σχήμα του μονωτικού, το είδος της εφαρμοζόμενης τάσης, το υλικό, τυχόν ατέλειες στην κατασκευή του υλικού, τη διάρκεια ζωής του κ.α.. Επειδή υπάρχουν υψηλές απαιτήσεις ως προς την ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος που παρέχεται στους καταναλωτές., είναι σημαντική η χρήση υψηλής απόδοσης και βελτιωμένων ιδιοτήτων μονωτικών υλικών που χρησιμοποιούνται τόσο στην παραγωγή, όσο και στη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος υπό υψηλή τόση. Τα στερεά διηλεκτρικά παρουσιάζουν την υψηλότερη διηλεκτρική αντοχή από όλα τα μονωτικά, γι αυτό και αποτελούν βασικό και αναπόσπαστο τμήμα των μονώσεων και γενικότερα των διατάξεων υψηλής τάσης. Ο κύριος σκοπός των μονωτικών αυτών υλικών είναι να προσφέρουν προστασία, να αυξήσουν την αντοχή των συστημάτων και να δράσουν ως μηχανική υποστήριξη τους. Αφού η παραγωγή και η κατανάλωση του ηλεκτρικού ρεύματος σπάνια βρίσκονται στο ίδιο μέρος και η ηλεκτρική ισχύς πρέπει να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις, τα μονωτικά υλικά εκτίθενται σε διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η βροχή, η ομίχλη, οι ατμοσφαιρικοί ρύποι κλπ., που αναπόφευκτα επιδρούν στη μονωτική τους ικανότητα. Για την επιλογή του κατάλληλου στερεού μονωτικού πρέπει κυρίως να ληφθούν υπόψη η υψηλή μονωτική ικανότητα, η χαμηλή διηλεκτρική σταθερά ώστε να παρουσιάζει μικρή χωρητικότητα, ο χαμηλός συντελεστής απωλειών ώστε να μη θερμαίνεται και η υψηλή αντίσταση. Παραδοσιακά, χρησιμοποιήθηκαν κεραμικά υλικά, όπως π.χ. γυαλί, πορσελάνη, για μονώσεις σε εξωτερικούς χώρους και υπάρχει μακρά πείρα και γνώση των ιδιοτήτων τους. Οι μονωτήρες όμως που κατασκευάζονται από αυτά τα υλικά έχουν μεγάλο βάρος, σπάζουν εύκολα και έχουν δυσκολία στην κατασκευή, ιδιαίτερα σε μεγάλα μεγέθη. Για το λόγο αυτό η αντικατάσταση των κεραμικών μονωτήρων από μονωτήρες πολυμερών υλικών είναι συμφέρουσα από όλες τις απόψεις. Αυτά τα νέα υλικά κατασκευάζονται με ευκολία και παρέχουν μεγάλη ποικιλία στην επιλογή των ιδιοτήτων τους. Μπορούν π.χ. να σχεδιαστούν για να έχουν αντοχή στο φως, στις μεταβολές της θερμοκρασίας ή να απωθούν το νερό. Η διάδοση της χρήσης πολυμερών ως μονωτήρων έχει ως αποτέλεσμα την αυξανόμενη ανάγκη καλύτερης κατανόησης των χαρακτηριστικών των εκκενώσεων στην επιφάνεια των πολυμερών διηλεκτρικών υλικών. Παλαιότερα ο υπολογισμός των μονώσεων ενός δικτύου γινόταν με βάση την τάση λειτουργίας. Η εμπειρία όμως έδειξε ότι τα προβλήματα στην αντοχή των μονώσεων με μόνη καταπόνηση την τάση λειτουργίας εμφανίζονται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις (π.χ. σε συνθήκες ρύπανσης). Ουσιαστικά επικίνδυνες καταπονήσεις που μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο τον εξοπλισμό των δικτύων υψηλής τάσης συμπεριλαμβανομένων και των μονώσεων, οφείλονται στις διάφορες υπερτάσεις. Η αντιμετώπιση αυτών των υπερτάσεων οδήγησε στη διεξαγωγή εργαστηριακών 11

12 πειραμάτων καταπόνησης των μονώσεων με εφαρμογή τυποποιημένων κρουστικών τάσεων. Έτσι η επιστήμη των υψηλών τάσεων στηρίζεται στην παρατήρηση και στα πειραματικά αποτελέσματα. Βασικό αντικείμενο έρευνας αποτελεί η μελέτη της συμπεριφοράς των μονώσεων και η αντοχή τους κάτω από διηλεκτρικές καταπονήσεις (π.χ. υψηλές τάσεις), οι μηχανισμοί ωστόσο που διέπουν την υποβάθμιση, την καταπόνηση και τελικά τη διάσπαση τους δεν είναι ακόμα τελείως κατανοητοί. Επειδή όμως το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης έχει στοχαστικό χαρακτήρα και εξαρτάται από πλήθος παραμέτρων, υπάρχει μεγάλη δυσκολία στην διατύπωση κανόνων που να προβλέπουν την διηλεκτρική συμπεριφορά μιας μόνωσης. Έτσι κρίθηκε αναγκαίο να τυποποιηθούν οι εργαστηριακές δοκιμές καταπόνησης των μονώσεων, ώστε να μπορεί να υπάρχει μια αξιόπιστη αναγωγή σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΥΛΗΣ[23] Σύμφωνα με το μοντέλο των ενεργειακών ζωνών η ύλη γίνεται διηλεκτρική, δηλαδή κακός αγωγός του ηλεκτρισμού, όταν οι ζώνες αγωγής και σθένους χωρίζονται από μια ενεργειακή απόσταση μεγαλύτερη των 5eV. Σ αυτήν την περίπτωση ένας μικρός αριθμός ηλεκτρονίων στην θερμοκρασία περιβάλλοντος δέχεται την απαιτούμενη ενέργεια ώστε να μεταπηδήσει στην ζωνη αγωγής. Όταν η θερμοκρασία μεγαλώνει, η πιθανότητα μεταπήδησης αυξάνεται. Σχηματικά μπορούμε να θεωρήσουμε τα διηλεκτρικά σαν ουσίες μέσα στις οποίες τα ηλεκτρόνια είναι τόσο ισχυρά δεμένα με τα άτομα τους ώστε να μην καθίστανται υπεύθυνα κάποιου ηλεκτρικού ρεύματος. Όπως είναι φυσικό μέσα σ αυτές τις συνθήκες αποκλείεται επίσης η ύπαρξη ιοντικού ρεύματος. Το γεγονός βέβαια ότι τα φορτία μέσα στο διηλεκτρικό δεν είναι ελεύθερα δεν σημαίνει ότι είναι δεμένα με απόλυτα ισχυρό τρόπο. Έτσι ένα ηλεκτρικό πεδίο έχει την ικανότητα να μετατοπίσει τα θετικά φορτία σχετικά προς τα αρνητικά προκαλώντας την εμφάνιση ηλεκτρικών διπόλων. Οι μηχανισμοί σχηματισμού διπόλων μέσα στο διηλεκτρικό είναι πολλοί και διάφοροι. Αν το Ε μεταβάλλεται χρονικά, για παράδειγμα αρμονικά, παρατηρούμε μετά από ορισμένες συχνότητες, μια διαφορά φάσης μεταξύ του ηλεκτρικού πεδίου Ε και του σχηματισμού των διπόλων. Αυτή η διαφορά φάσης προκαλεί κατανάλωση ενέργειας η οποία είναι υπεύθυνη για τις διηλεκτρικές απώλειες. Τέλος, αν το Ε ή η θερμοκρασία ξεπεράσουν ορισμένες τιμές, προκαλούνται φαινόμενα διάσπασης του διηλεκτρικού τα οποία συνοδεύονται από πέρασμα υψηλού ηλεκτρικού ρεύματος που οδηγεί στην τοπική ή ολική καταστροφή της μόνωσης. Η αγωγιμότητα σ, η διηλεκτρική σταθερά ε, η εφδ που χαρακτηρίζει τις απώλειες σε μεταβαλλόμενα πεδία, το μέγιστο επιτρεπόμενο πεδίο Ε c είναι τα 12

13 τέσσερα μεγέθη από τα οποία ο ηλεκτρολόγος μηχανικός χαρακτηρίζει ένα διηλεκτρικό ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ[23] Όταν σε ένα διηλεκτρικό εφαρμόσουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο που ξεπερνά κάποια ορισμένη τιμή, τότε το διηλεκτρικό παύει να συμπεριφέρεται γραμμικά. Η αγωγιμότητα δεν υπακούει πλέον και εξαρτάται από το ηλεκτρικό πεδίο. Αν το ηλεκτρικό πεδίο γίνει πολύ μεγάλο, η αγωγιμότητα γίνεται απότομα πολύ υψηλή, προκαλώντας μη αντιστρεπτές μεταβολές των ιδιοτήτων του διηλεκτρικού ή ακόμα και πλήρη καταστροφή του από το φαινόμενο Joule. Καλούμε διάσπαση την απότομη απώλεια της μονωτικής ικανότητας του διηλεκτρικού που βρίσκεται κάτω από την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η διηλεκτρική αντοχή Ε c είναι η μέγιστη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου που μπορεί να υποβληθεί το διηλεκτρικό χωρίς να πραγματοποιηθεί η διάσπαση του. Με τον όρο ηλεκτρική εκκένωση εννοούμε το πέρασμα ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσα στο διηλεκτρικό κατά την διάρκεια της διάσπασης. Κατά την εκκένωση υπάρχει τουλάχιστον ένας δρόμος υψηλής αγωγιμότητας που συνδέει τα δυο ηλεκτρόδια. Λιγότερο θεαματικές αλλά όχι λιγότερο σημαντικές είναι οι μερικές εκκενώσεις. Με αυτόν τον όρο εννοούμε τις εκκενώσεις που δεν γεφυρώνουν κατ ευθείαν το εσωηλεκτροδιακό διάκενο. Παράγονται τοπικά στο εσωτερικό του διηλεκτρικού, στην περιοχή των ηλεκτροδίων ή στις περιοχές ασυνέχειας όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι ισχυρά ανομοιογενές. Το ηλεκτρικό ρεύμα που μεταφέρεται από τις μερικές εκκενώσεις αποτελεί συνήθως κάποιο κλάσμα του ρεύματος μετατόπισης (Maxwell). Γι αυτό τον λόγο η μέτρηση είναι συχνά προβληματική και απαιτεί ειδικά κυκλώματα. Η διηλεκτρική αντοχή μπορεί να μεταβάλλεται κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Σε όμοιες συνθήκες δεν είναι σπάνιο φαινόμενο να έχουμε το Ε c μετααβαλλόμενο. Η καθαρότητα, ο τρόπος εργασίας, το σχήμα του διηλεκτρικού και το περιβάλλον μπορεί να είναι παράγοντες που συνηγορούν στην μεταβολή του Ε c. Αυτό δείχνει ότι ένας θεωρητικός προσδιορισμός του E c γενικά δεν είναι δυνατός. Γι αυτό ενατρέχουμε σε πειραματικές διαδικασίες (δοκιμές) οι οποίες όταν εκτελούνται αυστηρά μπορούν να εγγυηθούν το αποτέλεσμα. 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2. ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΩΝ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ 2.1. ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΕΡΕΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΟΝΩΤΙΚΑ PVC (Πολυβινυλοχλωρίδιο) Το PVC είναι συνθετικό μονωτικό υλικό και ανήκει στα λεγόμενα θερμοπλαστικά υλικά. Έχει πολύ καλή μονωτική συμπεριφορά, δεν επηρεάζεται από την υγρασία και αντέχει στην επίδραση νερού, λαδιού, βενζίνης, οξέων και ηλιακού φωτός. Έχει χαμηλό κόστος. Το μειονέκτημά του είναι ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από 3 0 C ) γίνεται σκληρό και εύθραυστο και υπάρχει κίνδυνος να προκληθούν ρωγμές στην επιφάνειά του και να χάσει τις μονωτικές του ιδιότητες. Γι αυτό αποφεύγεται η χρήση του στην ύπαιθρο. Χρησιμοποιείται ως υλικό μόνωσης αγωγών. Τεχνητό καουτσούκ (ελαστικό) Είναι συνθετικό μονωτικό υλικό. Έχει καλές μονωτικές ιδιότητες και δεν επηρεάζεται από τις χαμηλές θερμοκρασίες και από την υγρασία. Μειονεκτήματα του είναι ότι καταστρέφεται από διαλυτικά όπως η βενζίνη και έχει μικρότερη αντοχή σε μηχανικές καταπονήσεις από το PVC. Χρησιμοποιείται ως υλικό μόνωσης αγωγών. Βακελίτης Είναι σκληρό συνθετικό μονωτικό υλικό και ανήκει στην κατηγορία των θερμοσκληρυνόμενων υλικών. Έχει πολύ καλή μονωτική συμπεριφορά, δεν καίγεται και δεν μαλακώνει σε ψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή διακοπτών, ντουί, πλακετών και εξαρτημάτων μηχανών. Γυαλί Ανήκει στα ανόργανα μονωτικά υλικά και έχει σαν βασικό συστατικό το διοξείδιο του πυριτίου. Είναι πολύ καλό μονωτικό, φθηνό,δεν προσβάλλεται από οξέα και υγρασία, και είναι στεγανό. Μειονεκτήματά του είναι ότι είναι εύθραυστο, καταστρέφεται σε πολύ ψηλές θερμοκρασίες και κατεργάζεται δύσκολα. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή μονωτήρων στις γραμμές μεταφοράς και διανομής, στεγανών ακροδεκτών και λαμπτήρων. 14

15 Χαλαζίας Είναι ορυκτό μονωτικό υλικό και είναι καθαρό οξείδιο του πυριτίου. Έχει πολύ καλύτερες μονωτικές ιδιότητες από το γυαλί και αντέχει πολύ περισσότερο σε υψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή λαμπτήρων αλογόνων (ιωδίου). Πορσελάνη Είναι ανόργανο μονωτικό υλικό και παράγεται με ψήσιμο σε πολύ μεγάλη θερμοκρασία καλής ποιότητας αργίλου (πηλού). Η πορσελάνη για να είναι κατάλληλη για ηλεκτρικές εφαρμογές πρέπει να είναι συμπαγής, να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες, να έχει καλή μηχανική αντοχή και η επιφάνειά της να έχει υποστεί υάλωση. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή μονωτήρων, βάσεων ασφαλειών και πυκνωτών. Μίκα ή μαρμαρυγίας Είναι ορυκτό μονωτικό υλικό. Εξορύσσεται σε διάφορες ποιότητες και συναντάται σε καθαρή μορφή που είναι διαφανής ή με προσμίξεις σε αποχρώσεις του καφέ χρώματος. Μετά την εξόρυξη, καθαρίζεται και κόβεται στο πάχος και το μέγεθος που χρειάζεται για την κάθε εφαρμογή. Έχει καλές μονωτικές ιδιότητες, είναι άφλεκτος, αντέχει σε κρούσεις, πιέσεις και ψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή: μονώσεων θερμαντικών αντιστάσεων, πυκνωτών, συλλεκτών ηλεκτρικών μηχανών, στηριγμάτων αντιστάσεων και τρανζίστορ, επενδύσεως πηνίων κλπ. Μάρμαρο Είναι ορυκτό μονωτικό υλικό. Παλαιότερα είχε πολλές χρήσεις στις ηλεκτρικές εφαρμογές και κυρίως στην κατασκευή ηλεκτρικών πινάκων. Σήμερα χρησιμοποιείται με μορφή σκόνης για το γέμισμα του θαλάμου των ασφαλειών τήξης. Ορυκτέλαια Είναι ορυκτά υγρά μονωτικά υλικά. Προέρχονται από την απόσταξη του αργού πετρελαίου. Έχουν πολύ καλές μονωτικές ιδιότητες και επιπλέον ψύχουν τα υλικά πού μονώνουν και τα προστατεύουν από την υγρασία. Χρειάζεται όμως ιδιαίτερη προσοχή να μην πάρει υγρασία το ίδιο το ορυκτέλαιο και γι αυτό, πρέπει να υπάρχει κάποιο σύστημα αφύγρανσης του αέρα πού εισέρχεται στο δοχείο του 15

16 ορυκτελαίου. Χρησιμοποιούνται στο γέμισμα θαλάμων διακοπτών, μετασχηματιστών, πυκνωτών και καλωδίων. Πίσσα Είναι ορυκτό μονωτικό υλικό και παράγεται από την απόσταξη του αργού πετρελαίου ή του λιθάνθρακα. Χρησιμοποιείται στο γέμισμα διαφόρων συσκευών και εξαρτημάτων για την προστασία τους από την υγρασία όπως π.χ. στις συνδέσεις καλωδίων μέσα σε σύνδεσμο, στα υπόγεια και υποθαλάσσια καλώδια. Μονωτικά βερνίκια Είναι συνθετικά μονωτικά υλικά σε υγρή μορφή, που σκληραίνουν μετά την επάλειψή τους. Έχουν καλές μονωτικές ιδιότητες εφ όσον επαλειφθούν με επιμέλεια, καλή αντοχή στην θερμοκρασία και στην υγρασία. Χρησιμοποιούνται εκεί όπου δεν υπάρχει αρκετός χώρος για την τοποθέτηση άλλου μονωτικού, όπως σε τυλίγματα ηλεκτρικών μηχανών, μετασχηματιστών και πηνίων ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ[22] Η ανάγκη για την αξιόπιστη διαχρονική συμπεριφορά των διαφόρων μονωτικών υλικών σε μία κατασκευή υψηλών τάσεων έχει οδηγήσει σε ορισμένα βασικά κριτήρια αξιολόγησής τους, τα οποία δεν αφορούν μόνο τις ηλεκτρικές (ή διηλεκτρικές) ιδιότητές τους, άλλα και άλλες ιδιότητες που πρέπει να έχουν ανάλογα με την κατασκευή, όπως π.χ.: η θερμική αντοχή κατά την απαγωγή των απωλειών Joule των αγωγών, η ψυκτική ικανότητα κατά τη σβέση του ηλεκτρικού τόξου σε διακόπτες, η μηχανική αντοχή των μονωτήρων (π.χ. λόγω του βάρους της γραμμής), η αντοχή κατά την εκδήλωση βραχυκυκλώματος, κ.λ.π. Τα κριτήρια αυτά είναι : 16

17 Η διηλεκτρική αντοχή Η σχετική διηλεκτρική σταθερά Ο συντελεστής απωλειών Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα Ο συντελεστής ε tgδ Η επιφανειακή αγωγιμότητα Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Η μηχανική αντοχή Στην συνέχεια θα γίνει μια σύντομη ανασκόπηση σε κάθε κριτήριο Η διηλεκτρική αντοχή Ως διηλεκτρική αντοχή (Ε d ) ενός μονωτικού υλικού έχει οριστεί το πηλίκο της ελάχιστης ενεργού τιμής της τάσης για τη διάσπαση (U d min ) προς την απόσταση των ηλεκτροδίων (d) σε ομογενές πεδίο. E d U d d min (Εξίσωση 1) Ακολουθεί πίνακας με παραδείγματα μονωτικών υλικών και αντίστοιχες τιμές της διηλεκτρικής αντοχής τους : 17

18 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Διηλεκτρική αντοχή Ε d για καταπόνηση μικρής χρονικής διάρκειας ορισμένων μονωτικών υλικών σε ομογενές πεδίο συχνότητας 50 Hz [22]. Μονωτικό Υλικό D (mm) E d (kv/cm) Αέρας - 21 Λάδι μετασχηματιστών Πορσελάνη 0, Στεατίτης 0, Γυαλί < Χαρτί 0,5...1, Χαρτί στο λάδι < Σκληρό ελαστικό < Ξύλο < Glimmer 0,01 0, Η σχετική διηλεκτρική σταθερά Η σχετική διηλεκτρική σταθερά (ε r ) εκφράζει το πόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα μίας διάταξης συγκριτικά προς εκείνη στο κενό ή στον αέρα. Οι σχετικές διηλεκτρικές σταθερές των διάφορων μονωτικών, που συνθέτουν μια μόνωση (π.χ. περιελίξεις μετασχηματιστών και μονώσεις καλωδίων) θα πρέπει να επιλέγονται κατά τρόπο, ώστε να εξομαλύνεται το πεδίο στις διαχωριστικές επιφάνειές τους, για να μη διευκολύνεται η εκδήλωση μερικών εκκενώσεων. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Σχετική διηλεκτρική σταθερά ορισμένων υλικών στους 20 C [22]. Υλικό ε r Υλικό ε r Αέρας(κανονικές 1, Μikanit 4-6 συνθήκες) Αέρας υγρός 1,5 Πάγος 2-3 Αποσταγμένο νερό 1,5 Pertinax 4,8-5,4 Βακελίτης 3,5-8,2 PVC 4-6 Condense 4-8 Plexiglas 2,6-3,5 Glimmer 5-16 Πορσελάνη 5,5-6 Γυαλί 5-16 Presspan 2,5-3,4 18

19 Θερμοπλαστικά 2-5 Ρητίνη 2,2 συνθετικά Λάδι 2-2,5 SF 6 1, μετασχηματιστών Λάστιχο 2,8-6,5 Στεατίτης 6,4 Ξύλο 2,5-6,5 Χαλαζίας Ο συντελεστής απωλειών Σε μία μόνωση, που παρεμβάλλεται μεταξύ ηλεκτροδίων με σκοπό τη δημιουργία ενός ηλεκτροστατικού πεδίου, υπάρχουν πάντοτε απώλειες ενέργειας, οι οποίες υπό εναλλασσόμενη τάση οφείλονται: α) στην κατανάλωση ενέργειας κατά τη διαρκή εναλλαγή της φοράς της ηλεκτρικής ροπής των διπόλων στο ρυθμό της εναλλαγής της πολικότητας της εναλλασσόμενης τάσης, β) στην πολύ μικρή ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα, που έχουν τα μονωτικά υλικά. Έτσι, ο μονωτής έχει, εκτός από το χωρητικό ρεύμα Ι C και ένα ρεύμα διαρροής Ι R. Στην πράξη το ρεύμα διαρροής αυξάνει, γιατί η αγωγιμότητα του μονωτή γίνεται μεγαλύτερη, όπως συμβαίνει π.χ. κατά την εκδήλωση μερικών εκκενώσεων, και τη θερμική καταπόνηση του μονωτή από τις απώλειες των αγωγών. ΕΙΚΟΝΑ 1 Τάξη μεγέθους της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας διαφόρων κατηγοριών υλικών[22]. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα ενός πυκνωτή C με ομοιογενές διηλεκτρικό και απώλειες (λόγω της αγωγιμότητάς του G). 19

20 ΕΙΚΟΝΑ 2 Ισοδύναμο κύκλωμα ενός πυκνωτή C με απώλειες λόγω της αγωγιμότητας G του διηλεκτρικού του[22]. Ο συντελεστής απωλειών δίνεται από τον παρακάτω τύπο: tg I I R (Εξίσωση 2) C G C και είναι ένα κριτήριο αξιολόγησης του διηλεκτρικού (ή μίας μονωτικής διάταξης γενικότερα), γιατί δίνει πληροφορίες για την αγωγιμότητά του. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα η tgδ αυξάνει εκθετικά με τη θερμοκρασία. ΕΙΚΟΝΑ 3 tgδ ορισμένων διηλεκτρικών 1 : σκληρό χαρτί, 2 : πορσελάνη[22]. Οι απώλειες Joule (P W ) στην αγωγιμότητα G είναι : P I U GU U C tg P tg 2 2 w R B (Εξίσωση 3) όπου P B η άεργος ισχύς (ισχύς στην χωρητικότητα C). Αν υποθέσουμε ότι ο παραπάνω πυκνωτής αποτελείται από δύο επίπεδες πλάκες διατομής Α σε απόσταση d και ότι ο μεταξύ τους χώρος καταλαμβάνεται από ένα μονωτικό με σχετική διηλεκτρική σταθερά ε, τότε η τιμή της χωρητικότητας C είναι : 20

21 A C 0 r (Εξίσωση 4) d Για την αγωγιμότητα G του παραπάνω πυκνωτή ισχύει η σχέση : A G (Εξίσωση 5) d όπου σ η ειδική αγωγιμότητα του διηλεκτρικού. Για τις απώλειες του πυκνωτή αυτού ισχύει: 2 A PW U tg (Εξίσωση 6) d Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα Τα ηλεκτρομονωτικά υλικά έχουν μία πολύ μικρή ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα, που εξαρτάται γενικά από τις συνθήκες λειτουργίας τους (τιμή της πεδιακής έντασης, θερμοκρασία, υγρασία, κ.λ.π.). Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι επομένως ένα σημαντικό κριτήριο αξιολόγησης των διηλεκτρικών, γιατί εκφράζει τους ελεύθερους ηλεκτρικούς φορείς. Η αύξηση της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας στα στερεά μονωτικά, σε τιμές πεδίου, που η καταπόνηση του διηλεκτρικού μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι μόνο θερμική, δίνεται από την σχέση : (Εξίσωση 7) W / kt 0e 0e σ 0 : η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα για διαφορά θερμοκρασίας θ ως προς το περιβάλλον σ : η αρχική ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα W : η ενέργεια ενεργοποίησης (ενέργεια για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας) k : η σταθερά Bolzmann T : η απόλυτη θερμοκρασία β : ένας συντελεστής του υλικού Από έρευνες σε οργανικά στερεά μονωτικά συμπεραίνεται, ότι η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνει απότομα με την ενέργεια των μερικών εκκενώσεων. Έχει διαπιστωθεί ότι η τιμή της πεδιακής έντασης είναι καθοριστική για την τιμή σ. Μία τιμή πεδιακής έντασης χαρακτηρίζεται ως χαμηλή όταν δεν εκδηλώνονται μερικές εκκενώσεις, ή έστω όταν οι μερικές εκκενώσεις συμμετέχουν μόνο στην αύξηση των απωλειών Joule. Αυτό μπορεί να συμβεί λόγω π.χ. του μεγάλου πάχους του διηλεκτρικού, ή της μικρής τιμής της εφαρμοζόμενης τάσης. Για μεγαλύτερες 21