ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ (AGEING) ΤΩΝ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΥΠΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΑΣΕΩΣ ΓΚΑΤΑΣ ΘΕΟ ΩΡΟΣ ΑΕΜ: 3310

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΕΦ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ (AGEING) ΤΩΝ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΥΠΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΑΣΕΩΣ ΓΚΑΤΑΣ ΘΕΟ ΩΡΟΣ ΑΕΜ: 3310 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΒΑΡ ΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2010

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η πτυχιακή εργασία έχει ως σκοπό την µελέτη και τη µέτρηση της γήρανσης των µονωτικών υλικών υπό εφαρµογή τάσης. Είναι κυρίως βιβλιογραφική, ενώ πραγµατοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του τελευταίου εξαµήνου του Χωρίζεται σε τρία µέρη: Στο πρώτο, γίνεται µια εισαγωγή στην εργασία και αναφέρεται θεωρητικά στα µονωτικά υλικά, µε διάφορα παραδείγµατα για την γήρανση. Στο δεύτερο, παρουσιάζονται διάφορα πειράµατα µε βάση τη γήρανση των µονωτικών υλικών. Τέλος στο τρίτο, εµφανίζονται τα συµπεράσµατα και τα αποτελέσµατα των πειραµάτων σε σχέση µε τη γήρανση, αλλά και τρόποι αποφυγής της. Σε αυτό το σηµείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Βαρδάκη Γεώργιο για την εµπιστοσύνη που έδειξε για την ανάθεση της πτυχιακής εργασίας, αλλά και για τον πολύτιµο χρόνο που διέθεσε. 1

3 ΠΡΩΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ως µονωτικά υλικά χαρακτηρίζονται τα υλικά, τα οποία πρακτικά δεν έχουν ηλεκτρική αγωγιµότητα σε σχετικά ασθενή πεδία συνεχούς ρεύµατος [1]. Άρα η ύπαρξη µονώσεων σε µια ηλεκτροτεχνική κατασκευή απαιτείται για τον διαχωρισµό και την αποφυγή υπερεντάσεων και υπερτάσεων, µεταξύ των ρευµατοφόρων µερών καθώς και των ρευµατοφόρων µερών προς τη γη. Ακόµη χρησιµοποιούνται ως διηλεκτρικά υλικά που τοποθετούνται στο εσωτερικό, µεταξύ του οπλισµού των πυκνωτών. Με τη χρήση µονώσεων εκµηδενίζουµε την πιθανότητα εµφάνισης του φαινοµένου της διάσπασης. Η επιλογή των µονωτικού υλικού για την πραγµατοποίηση των παραπάνω σκοπών γίνεται σύµφωνα µε τη διηλεκτρική αντοχή τους, αλλά και άλλες ιδιότητες που χρειάζεται να έχουν ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας της κατασκευής. Μεταξύ των µη ηλεκτρικών ιδιοτήτων των µονωτικών υλικών πολύ µεγάλη σηµασία έχουν στην πράξη η µηχανική και θερµική αντοχή τους για τις οποίες θα µιλήσουµε εκτενέστερα στη συνέχεια της εργασίας. Το φαινόµενο της ηλεκτρικής γήρανσης των µονωτικών υλικών (electrical ageing) θα µας απασχολήσει στη συνέχεια της εργασίας. Πρόκειται για ένα φαινόµενο το οποίο καταπονεί ηλεκτρικά τα µονωτικά υλικά, είτε από τον χρόνο, είτε από άλλους διάφορους παράγοντες, οι οποίοι επηρεάζουν τη λειτουργία τους. 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Στα πλαίσια της ανθρώπινης δραστηριότητας συναντώνται µονωτικά υλικά διαφόρων µορφών και διαφόρων χρήσεων [2]. Το είδος της µόνωσης που προσφέρουν τους προσδίδει και την γενικότερη ονοµασία τους, οπότε γίνεται λόγος για θερµοµονωτικά, ηχοµονωτικά ή ηλεκτροµονωτικά υλικά. Τα τελευταία αποτελούν και το αντικείµενο µελέτης της παρούσας εργασίας. Τα θερµοµονωτικά υλικά χρησιµοποιούνται για να εµποδίζουν τη µεταφορά θερµότητας από ένα σώµα σε ένα άλλο, δηλαδή είτε για την εγκλωβίσουν σε κάποια περιοχή, είτε για να την εµποδίσουν να εισβάλλει σε αυτή. Ο πετροβάµβακας, ο υαλοβάµβακας, ο κεραµοβάµβακας και πολλά άλλα υλικά έχουν την παραπάνω ιδιότητα και χρησιµοποιούνται όπου απαιτείται, όπως για παράδειγµα στη θερµοµόνωση κτιρίων. Είναι προφανές ότι τα ηχοµονωτικά υλικά εµφανίστηκαν για να αποφεύγεται ο θόρυβος, για την ησυχία του ανθρώπου. Άριστο ηχοµονωτικό υλικό θεωρείται το απλό φύλλο ενός δέντρου και όταν µιλάµε για µια συστοιχία φύλλων, δηλαδή µια φυλλωσιά, ταυτόχρονα αναφερόµαστε και σε ένα ηχοµονωτικό φράγµα. Σε µια σύγχρονη 2

4 µεγαλούπολη όµως, το άθροισµα των θορύβων των διαφόρων µηχανών (κυρίως των αυτοκινήτων) τελικά οδηγεί στο σχηµατισµό αυτού που ονοµάζεται ηχορύπανση. Τέλος, τα ηλεκτροµονωτικά υλικά, τα οποία αναλύονται διεξοδικά στη συνέχεια, αποσκοπούν στην προστασία του ανθρώπου ή άλλων διατάξεων από το ηλεκτρικό ρεύµα. Η θανατηφόρα διέλευση ακόµη και µικρής σχετικά έντασης ηλεκτρικού ρεύµατος από το σώµα του ανθρώπου, γνωστή και ως ηλεκτροπληξία οδήγησε στην χρησιµοποίηση υλικών που έχουν αυτήν ακριβώς την ιδιότητα: Να εµποδίζουν τη δηµιουργία αγώγιµου δρόµου ανάµεσα σε δύο διαφορετικής φόρτισης σηµεία προβάλλοντας µεγάλη ηλεκτρική αντίσταση. Ένας ακόµη λόγος είναι η αποφυγή βραχυκυκλώµατος που έχει καταστρεπτικές συνέπειες για τον ηλεκτρικό-ηλεκτρονικό εξοπλισµό και συχνά συντελεί σε εκδήλωση πυρκαγιάς καθώς συνεπάγεται µεγάλες τιµές έντασης ρεύµατος. Στη συνέχεια της εργασίας µε τον όρο µονωτικά υλικά γίνεται αναφορά σε ηλεκτροµονωτικά υλικά Αέρια Μονωτικά Υλικά ύο απο τα κυριότερα αέρια µονωτικά υλικά, είναι ο ατµοσφαιρικός αέρας και το εξαφθοριούχο θείο (SF 6 ), που βρίσκονται περίσσεια στη φύση στην πλειονότητα των ηλεκτρολογικών εφαρµογών, όπως παραδείγµατος χάριν στο τεράστιο σε µέγεθος δίκτυο των εναέριων γραµµών µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Στις περιπτώσεις όµως µεταφοράς υπερυψηλής τάσης και εξ αιτίας της χαµηλής διηλεκτρικής του αντοχής, απαιτούνται µεγάλα διάκενα µεταξύ αγωγών [2]. Το παραπάνω αποτελεί µειονέκτηµα του αέρα ως µονωτικού έναντι των υπολοίπων. Βέβαια, η επιστηµονική έρευνα τα τελευταία χρόνια εστιάζει στην ανάπτυξη αέριων µονωτικών µε καλύτερα χαρακτηριστικά από εκείνα του ατµοσφαιρικού αέρα. Από τα ήδη υπάρχοντα µονωτικά αέρια, το εξαφθοριούχο θείο χρησιµοποιείται περισσότερο. Πρόκειται για σπουδαίο µονωτικό αέριο που χρησιµοποιείται κυρίως σε διακόπτες ισχύος και πίνακες υψηλής τάσης προκειµένου να µειωθούν οι αποστάσεις µόνωσης. Στην ατµοσφαιρική πίεση (1atm) εµφανίζει τη µισή διηλεκτρική αντοχή σε σύγκριση µε τα µονωτικά έλαια αλλά σε υψηλότερες πιέσεις υπερέχει, έναντι των µονωτικών ελαίων, όπως φαίνεται στον πίνακα 1. Η διηλεκτρική αντοχή του εξαφθοριούχου θείου σε πίεση µίας ατµόσφαιρας είναι δύο φορές καλύτερη από αυτήν του αέρα ενώ παράλληλα διαθέτει άριστη χαρακτηριστική θερµικής καταπόνησης και δυνατότητα σβέσης του ηλεκτρικού τόξου. 3

5 Παρακάτω στον πίνακα 1 δίνονται διάφορες τιµές της διηλεκτρικής αντοχής και της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς µερικών µονωτικών υλικών: Μονωτικό υλικό ιηλεκτρική αντοχή (E d ) (kv/cm) Σχετική διηλεκτρική σταθερά (ε r ) Αέρας , Λάδι µετασχηµατιστών ,5 Πορσελάνη ,5-6 Στεατίτης ,4 Γυαλί Χαρτί ,8-2,6 Χαρτί και λάδι ,8-2,6 Σκληρό ελαστικό ,8-6,5 Ξύλο ,5-6,5 Μονωτικό λάδι < ,5 Εξαφθοριούχο θείο (SF 6) 125 1, Πίνακας 1: ιηλεκτρική αντοχή και σχετική διηλεκτρική σταθερά µερικών µονωτικών υλικών [2] Υγρά Μονωτικά Υλικά Σε αντίθεση µε τον αέρα, τα υγρά µονωτικά υλικά εµφανίζουν µεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή σε συνθήκες πίεσης µίας ατµόσφαιρας [2]. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι ορισµένα από τα έλαια που χρησιµοποιούνται στους µετασχηµατιστές έχουν τρεις έως και δέκα φορές µεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή από τον αέρα. Αυτό αυτόµατα συνεπάγεται ότι απαιτούνται µικρότερα διάκενα ασφάλειας. Ορισµένες ιδιότητές τους είναι: Η χρησιµοποίησή τους αποκλείει την ύπαρξη αέρα κατά το συνδυασµό τους µε στερεά µονωτικά και συνεπάγεται τον περιορισµό της φθοράς των επιφανειών των στερεών µονωτικών, λόγω περιορισµού των µερικών εκκενώσεων (partial discharges). Η αποµάκρυνση του αέρα γίνεται µε τη µετάγγιση στο χώρο της διάταξης υγρού µονωτικού υπό συνθήκες κενού, όπως χαρακτηριστικά γίνεται στην πλήρωση των δοχείων των µετασχηµατιστών µε λάδι. Η διηλεκτρική σταθερά του λαδιού είναι µε βάση την τιµή παραπλήσια αυτής του απλού χαρτιού µε αποτέλεσµα ο συνδυασµός των ανωτέρω να προτιµάται συχνά. Ευρέως χρησιµοποιούµενα υγρά µονωτικά υλικά είναι διαφόρων ειδών λάδια. Αποτελούν προϊόν της απόσταξης του πετρελαίου που ανάλογα µε την προέλευση και 4

6 επεξεργασία του καυσίµου διαφοροποιούν και τη χηµική τους σύσταση. Τα διακρίνουµε στις εξής κατηγορίες: Τα µεθανέλαια: Στα λάδια αυτά κυριαρχούν κεκορεσµένοι υδρογονάνθρακες τύπου παραφίνης. Από τη γεωλογική άποψη είναι τα παλαιότερα λάδια. Τα ναφθανέλαια: Κυριαρχούν ακόρεστοι υδρογονάνθρακες τύπου ναφθαλίνης. Ένα στοιχείο που λαµβάνει κανείς υπόψη κατά το σχεδιασµό µιας µονωτικής διάταξης είναι και οι υψηλές θερµοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την οµαλή λειτουργία του ηλεκτρολογικού εξοπλισµού ή κατά την εµφάνιση υπερεντάσεων, αλλά και γενικότερα µε την εµφάνιση µεταβατικών φαινοµένων, όπως για παράδειγµα κρουστικές και κεραυνικές υπερτάσεις. ηλαδή, η θερµοκρασία ανάφλεξης των ελαίων αποτελεί βαρυσήµαντο παράγοντα στη διασφάλιση του επιθυµητού επιπέδου µόνωσης και της απρόσκοπτης λειτουργίας της διάταξης. Ένας ακόµη παράγοντας που χρήζει ιδιαίτερης προσοχής µε βάση το σκεπτικό ότι µεγάλος αριθµός ηλεκτρολογικών διατάξεων και δη µετασχηµατιστών βρίσκονται σε µικρή απόσταση από ανθρώπινη δραστηριότητα, είναι η τοξικότητα των υγρών µονωτικών υλικών. Τα µονωτικά λάδια δεν περιέχουν τοξικές ουσίες και είναι ακίνδυνα για το προσωπικό που εκτελεί εργασίες κατασκευής και συντήρησης και έρχεται σε άµεση επαφή µε αυτά. Τέλος αναφέρεται ένα από τα σηµαντικότερα µειονεκτήµατα των µονωτικών λαδιών, αυτό της οξείδωσης από τον αέρα. Το παραπάνω συνεπάγεται µείωση της διηλεκτρικής αντοχής τους και γι αυτό οι αποκλείεται ο αέρας από τις κατασκευές που χρησιµοποιούν λάδι ως µονωτικό µέσο Στερεά Μονωτικά Υλικά Τα στερεά µονωτικά υλικά που χρησιµοποιούνται συνήθως σε εφαρµογές µετάδοσης υψηλής τάσης, είναι κατασκευασµένα από γυαλί, πορσελάνη, καοτσούκ, σιλικόνη κ.α. [2]. Οι µονωτήρες πορσελάνης είναι κατασκευασµένοι από άργιλο, χαλαζία, αργιλοξείδιο (alumina) κ.α. Η δυνατότητα που δίνεται µε την πορσελάνη αλλά και γενικότερα τα στερεά µονωτικά υλικά είναι η διαµόρφωση του σχεδίου τους έτσι ώστε να επιτυγχάνονται ευνοϊκότερα µήκη κατά τη µόνωση. Για αυτό και στη µορφή τους χαρακτηρίζονται από κυρτώσεις, εσοχές, αύλακες. Η κατασκευαστική σχεδίαση και η µηχανική καταπόνηση επηρεάζουν ως έναν βαθµό την ηλεκτρική γήρανση. Τέλος, να αναφέρουµε πως όπου είναι κριτήριο η µεγάλη µηχανική αντοχή χρησιµοποιούνται µονωτήρες πορσελάνης εµπλουτισµένοι µε αργιλιοξείδιο. Η ανάγκη ορισµένων ηλεκτρικών εφαρµογών για µονώσεις µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά αναπτύσει συνεχώς την ανάπτυξη της τεχνολογίας των µονωτικών. Έτσι, εµφανίστηκαν πολυµερή σύνθετα υλικά που αποτελούνται από ίνες ενισχυµένου πλαστικού µε περίβληµα σιλικόνης ή EPMD (ένωση προπυλενίου-αιθυλενίου. Οι διατάξεις αυτές έχουν το πλεονέκτηµα ότι είναι πιο ελαφριές, κοστίζουν λιγότερο και έχουν άριστη συµπεριφορά σε υγρό περιβάλλον [2]. Παρ όλα αυτά, δεν έχουν καταφέρει να ξεπεράσουν σε αντοχή και διάρκεια ζωής το γυαλί και την πορσελάνη. 5

7 Σε µετασχηµατιστές, γεννήτριες και ηλεκτρικούς κινητήρες, η µόνωση των τυλιγµάτων χαλκού αποτελείται από ένα έως τέσσερα στρώµατα από βερνικωµένα φύλλα µονωτικού υλικού. Τα φύλλα δίνουν τη δυνατότητα στον κατασκευαστή να επιτύχει το µέγιστο δυνατό αριθµό χάλκινων ελιγµάτων στον περιορισµένο χώρο της µηχανής. Πηνία που αποτελούνται από παχύτερους αγωγούς είναι δυνατό να είναι τυλιγµένα µε βοηθητικές µονωτικές ταινίες. Τα βερνίκια ενισχύουν την προστασία του µετασχηµατιστή και αποφεύγονται οι ηλεκτρικές καταπονήσεις. Μεγάλοι µετασχηµατιστές ισχύος χρησιµοποιούν ως µόνωση χαρτί, ξύλο και λάδι. Τα παραπάνω υλικά, µαζί µε τα βερνίκια, έχουν εφαρµογή στις υψηλές τάσεις για µεγάλα χρονικά διαστήµατα (µεγαλύτερα από τριάντα χρόνια). Σε παλιές εφαρµογές µόνωσης µετασχηµατιστών, µέχρι τη δεκαετία του 70, βρίσκουµε πλάκες από συµπυκνωµένο αµίαντο. Η τεχνική αυτή τείνει να εκλείψει καθώς είναι ακατάλληλη σε χαµηλές συχνότητες ρεύµατος και επιβαρύνει το περιβάλλον, λόγω της παρουσιας αµιάντου ιηλεκτρικές ιδιότητες των µονωτικών υλικών Παρακάτω θα αναφερθούν τα δύο βασικότερα φυσικά µεγέθη που σχετίζονται µε τα µονωτικά υλικά. ιηλεκτρική αντοχή (E d ): Είναι ένα κριτήριο για την επιλογή των µονωτικών υλικών σε µία κατασκευή. Ως διηλεκτρική αντοχή ενός µονωτικού υλικού έχει οριστεί το πηλίκο της ελάχιστης ενεργού τιµής της τάσης για τη διάσπαση προς την απόσταση των ηλεκτροδίων σε οµογενές πεδίο. U d Ε = min Εξίσωση 1 d (MV/cm) d Σχετική διηλεκτρική σταθερά (ε r ): Είναι ένα αδιάστατο µέγεθος και δίνει το πόσο µεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα µίας διάταξης συγκριτικά προς εκείνη στο κενό ή στον αέρα. ε = r ε ε 0 Εξίσωση 2 6

8 1.2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΣΤΟΥΣ ΟΠΟΙΟΥΣ ΣΤΗΡΙΖΕΤΑΙ Η ΓΗΡΑΝΣΗ Όπως αναφέραµε πιο πάνω η γήρανση των µονωτικών υλικών, επηρεάζεται από κάποιους παράγοντες, φυσικούς και µη, όπως: α) Τεχνητή Γήρανση β) Μηχανική Αντοχή γ) Μηχανική καταπόνηση των καλωδίων σε σχέση µε τη γήρανση δ) Θερµική καταπόνηση λόγω ρεύµατος είτε σε οµαλή λειτουργία, είτε κατά τη διάρκεια σφαλµάτων ε) Περιβάλλον στ) ιάφοροι άλλοι παράγοντες (όπως υπερθέρµανση, υπέρταση κ.α.) Τεχνητή Γήρανση Κατά την καταπόνηση ενός στερεού µονωτικού υλικού µε κάποια µορφή τάσης, εναλλασσόµενη, κρουστική ή συνεχής, διαπιστώνει κανείς ότι µετά από κάποια τιµή της τάσης, εµφανίζονται µερικές εκκενώσεις. Η γήρανση του µονωτικού υλικού στο εργαστήριο µε τιµές της τάσης µεγαλύτερες από την τάση έναρξης των µερικών εκκενώσεων χαρακτηρίζεται τεχνητή γήρανση. Ουσιαστικά εφαρµόζουµε την τεχνητή γήρανση, για να διερευνήσουµε την µονωτική συµπεριφορά των υλικών µε την πάροδο κάποιων ετών [2]. Η τεχνητή αυτή γήρανση του στερεού µονωτικού δεν ανταποκρίνεται βέβαια στην πραγµατική κατάσταση, που δηµιουργείται µε την πάροδο του χρόνου (όταν το υλικό επεξεργάζεται υπό ονοµαστικά µεγέθη στο δίκτυο), που τελικά δεν µπορεί να είναι διαφορετικοί από τους πραγµατικούς Μηχανική Αντοχή Σε αρκετές κατασκευές ενδιαφέρουν (εκτός από τις ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών µονωτικών) και οι µηχανικές ιδιότητές τους, όπως π.χ.: τα πλαστικά µέρη του µηχανισµού περιστροφής µιας ασφάλειας σε ένα πίνακα µέσης τάσης, η αντοχή στην έλξη ενός µονωτικού, κλπ.) [2]. Στις περιπτώσεις αυτές θεωρείται το στερεό µονωτικό ως ένα "µηχανολογικό εξάρτηµα", οπότε ισχύουν για τον υπολογισµό του οι κανόνες της µηχανικής αντοχής των υλικών. Συχνά ενδιαφέρει η µηχανική αντοχή σε κατασκευές, που περιλαµβάνουν στερεά µονωτικά, όταν αυτή ενδέχεται να επηρεάσει τη διηλεκτρική αντοχή από την εξάσκηση µεγάλων δυνάµεων ηλεκτρικής προέλευσης, όπως συµβαίνει κατά το βραχυκύκλωµα. Οι δυνάµεις αυτές µπορούν να µειώσουν τις αποστάσεις µόνωσης και να γίνουν αιτία καταστροφής της κατασκευής, όταν δεν υπάρχει η απαιτούµενη µηχανική αντοχή κατά το βραχυκύκλωµα. Για παράδειγµα, η µόνωση ενός διακόπτη υψηλής τάσης δεν διασφαλίζεται µόνο µε την επιλογή των σωστών αποστάσεων µόνωσης, προς δηµιουργία ηλεκτροστατικού πεδίου. 7

9 1.2.3 Μηχανική καταπόνηση των καλωδίων σε σχέση µε τη γήρανση Σε ειδικές περιπτώσεις, τα καλώδια µπορεί να καταπονούνται µηχανικά και να καταστραφούν αν δεν έχουν κατάλληλη ενίσχυση [3]. Οι µηχανικές καταπονήσεις εµφανίζονται κυρίως κατά την εγκατάσταση και λειτουργία: α) όταν τραβιέται το καλώδιο από µηχανές έλξης µέσα σε σωλήνες ή χαντάκια σε µεγάλα µήκη (>20m), β) όταν το καλώδιο κινείται συνεχώς ή φέρει δυνάµεις και το ίδιο βάρος του, για παράδειγµα καλώδια ανελκυστήρων, γερανών συγκολλήσεων και τα λοιπά, γ) όταν µπαίνει στη θάλασσα σε µεγάλα βάθη, δ) όταν αναρτάται σε µεγάλες αποστάσεις, υπό γωνία, ε) όταν εγκαθίσταται σε έδαφος υπό κλίση. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις πρέπει να εξασφαλιστεί από τον κατασκευαστή ότι το καλώδιο είναι κατάλληλο για τέτοιες καταπονήσεις. Συνήθως για καλώδια µόνιµης εγκατάστασης επιτυγχάνεται µηχανική προστασία, µε χαλύβδινες ταινίες ή σε καλώδια, που ενισχύονται µε χαλύβδινα σύρµατα. Τα καλώδια µε πλαστική µόνωση, σε αντιδιαστολή προς τα καλώδια µε µόνωση χαρτιού, είναι συνήθως ανθεκτικά και ενισχύονται µόνο για την περίπτωση υψηλών καταπονήσεων Θερµική καταπόνηση λόγω ρεύµατος είτε σε οµαλή λειτουργία, είτε κατά τη διάρκεια σφαλµάτων Στην οµαλή λειτουργία η διατοµή των καλωδίων επιλέγεται έτσι ώστε η θερµοκρασία της µόνωσης να µην υπερβεί ένα όριο. Αντίθετα κατά τη διάρκεια σφαλµάτων έτσι ώστε να µην υπερθερµανθεί η µόνωση του καλωδίου κατά τη διάρκεια των βραχυκυκλωµάτων [3]. Για τάση 400/230 V, χρησιµοποιούνται καλώδια JIVV-12 ή αλλιώς ΝΥΥ, τα οποία είναι κατάλληλα για εγκατάσταση σε περιβάλλον υψηλών απαιτήσεων, όπως χώµα ή νερό. Επίσης για την συγκεκριµένη τάση χρησιµοποιούνται τα καλώδια H 05VV-R γνωστά, όπως τα ΝΥΜ, που είναι κατάλληλα για εγκατάσταση στον αέρα, µέσα ή πάνω στον σουβά. Υπάρχει πιθανότητα να είναι τύπου ΝΥΑ, τα οποία όµως θα πρέπει να µπούνε µέσα σε προστατευτικό σωλήνα, επειδή η µόνωση τους δε θεωρείται ασφαλής και για την αποφυγή ηλεκτροπληξίας. 8

10 Εικόνα 1: Καλώδια ΝΥΜ [3]. Εικόνα 2: Καλώδια ΝΥΥ [3]. Εικόνα 3: Καλώδια ΝΥΑ [3]. Εικόνα 4 : Καλώδια XLPE [3]. Για την τάση 12/20 kv, ανήκουν τα καλώδια διασταυρωµένου δοµής πολυαιθυλενίου, γνωστά και ως XLPE, τα οποία είναι κατάλληλα για εγκαταστάσεις στο έδαφος ή ακόµα και µέσα στο νερό Περιβάλλον Τα φθαρµένα καλώδια αποτελούν συχνή αιτία ατυχηµάτων [4]. Παρακάτω ακολουθούν επιγραµµατικά οι παράγοντες που προκαλούν τη φθορά της µόνωσης των καλωδίων, σύµφωνα και µε τα όσα αναφέρθηκαν πιο πάνω: Υγρασία περιβάλλοντος - Η υγρασία δηµιουργεί διαδρόµους για το ρεύµα και η προκαλούµενη φθορά εξαρτάται από την απορροφητικότητα και την υφή (πορώδη) του υλικού της µόνωσης. Επίσης δηµιουργεί µόνιµες υδρόφιλες δυµές, που ονοµάζονται υδάτινοι δενδρίτες (water treeing). Οξείδωση - Η παρουσία οξυγόνου, όζοντος και άλλων οξειδωτικών στην ατµόσφαιρα δηµιουργούν µια υποβάθµιση της µόνωσης κυρίως σε περιοχές που λειτουργούν περιστρεφόµενα ηλεκτρικά µηχανήµατα (ρότορες, γεννήτριες). Ακτινοβολία - Η υπεριώδης ακτινοβολία επηρεάζει την ικανότητα των µονωτικών και κυρίως των πολυµερισµένων πλαστικών. Επίσης η ηλιακή ακτινοβολία επιδρά στα πολυµερή, στο φυσικό και συνθετικό καοτσούκ µε 9

11 την παραγωγή υδροχλωρίου που ενεργοποιείται σε υδροχλωρικό οξύ και φθείρει τις µονώσεις. Χηµικά - Η µη συµβατότητα των µονωτικών µε οξέα, λιπαντικά άλατα και µερικά άλλα ενεργά υλικά, µπορεί να τα διασπάσει χηµικά ιάφοροι άλλοι παράγοντες που προκαλούν τη φθορά της µόνωσης των καλωδίων Υπερθέρµανση - Η ροή ρεύµατος πάντα ανεβάζει τη θερµοκρασία και ακόµη σε συµβατές θερµοκρασίες δηµιουργείται σταδιακή φθορά και αποσύνθεση ορισµένων πολυµερών. Υψηλές τάσεις - Οι υψηλές τάσεις µπορεί να δηµιουργήσουν σπινθήρες ή το φαινόµενο της κορώνας, δηµιουργώντας σηµάδια στα µονωτικά υλικά και µειώνοντας την αντίστασή τους. Μηχανικές φθορές - Η τοποθέτηση και χρήση ρευµατοληπτών (φις) ή ρευµατοδοτών (πρίζες), είναι ο πλέον κοινός λόγος µηχανικής φθοράς µονωτικού, εκτός αν γίνεται µε προσοχή. Βιολογικοί παράγοντες - Μερικά µονωτικά είναι θρεπτικά για ζώντες οργανισµούς, όπως αρουραίοι, άλλα τρωκτικά, έντοµα που τρώνε οργανικά υλικά µονώσεων κόβοντας ή αδυνατίζοντάς τα. Τριψίµατα, σπασίµατα, κοψίµατα, τσακίσµατα, του καλωδίου είναι οι συνηθέστερες αιτίες φθοράς (του καλύµµατος) της µόνωσης. Εκτός από τους φυσικούς παράγοντες και άλλοι, όπως είναι η ανθρώπινη παρέµβαση, ηθεληµένη και µη. Ένα παράδειγµα είναι τα καλώδια και ειδικά τα ευαίσθητα (όπως UTP, FTP), όταν στη διαδικασία της καλωδίωσης, τα πατάµε µε αποτέλεσµα είτε να σπάσουνε, είτε να αλλοιωθεί η µόνωση. Υπάρχει και η πιθανότητα, βέβαια, η µόνωση των υλικών να είναι φθαρµένη σε µερικά σηµεία εξ αρχής από το εργοστάσιο, όπου κατασκεύαστηκαν. 1.3 ΑΓΩΓΟΙ ΚΑΛΩ ΙΩΝ Οι αγωγοί κατασκευάζονται συνήθως από χαλκό και από αλουµίνιο [3]. Γίνεται χρήση του αλουµινίου σαν αγωγού, σε καλώδια διατοµών συνήθως άνω των 35 τετραγωνικών χιλιοστών (mm 2 ). Πλεονεκτήµατα του αλουµινίου σε σχέση µε τον χαλκό είναι η χαµηλή τιµή του καλωδίου και το µικρότερο βάρος. Μειονεκτήµατα του αλουµινίου είναι ότι δεν συγκολλάται µε µαλακή κόλληση του χαµηλού σηµείου τήξης, για παράδειγµα κασσιτεροκόλληση και ότι διαβρώνεται ευκολότερα λόγω ηλεκτροχηµικών δράσεων. Ωστόσο, επειδή οι ακροδέκτες των καλωδίων συνήθως συµπιέζονται, ή πρέπει να συµπιέζονται, πάνω στους αγωγούς, η ικανότητα συγκόλλησης δεν είναι τόσο σηµαντική. 10

12 Χρησιµοποιούµε αγωγούς υψηλής και υπερηψηλής ευκαµψίας σε καλώδια για συγκολλήσεις, για κινητές συσκευές, γερανούς και άλλα, εκεί που το καλώδιο υπόκειται σε συνεχείς κάµψεις. Τα καλώδια ηλεκτρικής ισχύος χρησιµοποιούνται για να µεταφέρουν τα µεγάλα ποσά ηλεκτρικής ισχύος µε τη διεύθυνση των µεγάλων ηλεκτρικών ρευµάτων στις υψηλές τάσεις. Ένα σύστηµα µετάδοσης υψηλής τάσης περιλαµβάνει, ανάλογα µε εάν είναι µονοφασικό ή τριφασικό, ένα ή περισσότερα καλώδια υψηλής τάσης. 1.4 ΜΟΝΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΛΩ ΙΩΝ Το είδος και το πάχος του µονωτικού υλικού προσδιορίζει την ηλεκτρική αντοχή του καλωδίου σε τάση, αλλά και την επιτρεπόµενη ένταση του ρεύµατος φόρτισης του αγωγού [3]. Το µέγιστο επιτρεπόµενο ρεύµα είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας στη οποία αντέχει το µονωτικό. Σε ειδικές συνθήκες περιβάλλοντος, για παράδειγµα σε φούρνους και σε φωτιστικά, γίνεται χρήση ειδικών µονωτικών, όπως ελαστικού σιλικόνης ή οξικού βινυλαιθυλίου, που αντέχουν συνεχώς σε υψηλές θερµοκρασίες (>90 ο C). Στη χαµηλή τάση, σε παλιές εγκαταστάσεις ισχύος συναντά κανείς σπάνια καλώδια µε µόνωση χαρτιού µε παχύρευστη µάζα. Ενδεικτικά µερικά µονωτικά υλικά: Μονωτικά Υλικά Πολυβινυλοχλωρίδιο, PVC Ελαστικό σιλικόνης, S Ελαστικό οξικού βινυλαιθιλίου, EVA Ελαστικό αιθυλενίου-προπυλενίου, EPR Πολυαιθυλένιο διασταυρωµένου δεσµού, XLPE Συνεχώς/βραχέως επιτρεπόµενες θερµ/σίες 70 o C/170 o C 180 o C /350 o C 120 o C /250 o C 90 o C/250 o C 90 o C/250 o C Πίνακας 2: Μονωτικά υλικά µε τις συνεχώς και βραχέως επιτρεπόµενες θερµοκρασίες τους [3]. 1.5 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ (AGEING) ΣΤΑ ΜΟΝΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Οι επιπτώσεις της ηλεκτρικής γήρανσης στα µονωτικά υλικά, µπορεί να είναι καταστροφικές για την µονωτική ικανότητάς τους, ή έστω µη λειτουργικές [3]. Πρόκειται για ένα φαινόµενο το οποίο υποβαθµίζει την µονωτική ικανότητα των υλικών και των διατάξεων, τα οποία βρίσκονται σε λειτουργία. Θα µπορούσαµε να πούµε ότι ένα µονωτικό υλικό υλικό µπορεί να καταστραφεί ως τελικό αποτέλεσµα. Για παράδειγµα εάν χρησιµοποιηθεί ένα γηρασµένο καλώδιο σε µια πρίζα ή διακόπτη, τότε µπορεί να έχει επίπτωση στα υλικά καίγοντας τον µηχανισµό ή ακόµα και αν λειτουργεί αυξάνει κατά πολύ τις διηλεκτρικές απώλειες, αλλά πάντα µε τον κίνδυνο της διακοπής του ρεύµατος. Επίσης, πάντα για τα καλώδια, όταν δεν υπάρχει η µόνωση τους και έχει µείνει µόνο το εσωτερικό (συρµατάκι) και συνδέουµε µεταξύ τους τα καλώδια, υπάρχει κίνδυνος να 11

13 έρθει σε επαφή ο ουδέτερος µε τη γείωση, µε αποτέλεσµα να βγαίνει από την λειτουργία ο ηλεκτρονόµος (ρελέ) και να µην έχουµε ρεύµα. Επιπτώσεις έχει φυσικά και σε άλλα µονωτικά υλικά, όπως η µόνωση του δαπέδου, όπου εάν υπάρχει είµαστε ασφαλείς. Αυτή όµως εάν φθαρεί µε τον χρόνο, σίγουρα τότε αυξάνεται η πιθανότητα ατυχήµατος. Οπότε πάντα είναι καλό να φοράµε παπούτσια ασφαλείας, όταν πηγαίνουµε σε τέτοιους χώρους, σύµφωνα µε τους κανόνες ασφαλείας. 1.6 ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΑΛΩ ΙΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΤΟΥΣ Πριν προχωρήσουµε στην ανάλυση για την προστασία των καλωδίων, αναφέρουµε, τον βαθµό προστασίας τους (IP): IP 0x Καθόλου προστασία IP 1x Προστασία από εισχώρηση µεγάλων σωµάτων διαµέτρου 50mm IP 2x Προστασία από εισχώρηση µεσαίων σωµάτων διαµέτρου 12.5mm IP 3x Προστασία από εισχώρηση µεσαίων σωµάτων διαµέτρου 2.5mm IP 4x Προστασία από εισχώρηση µεσαίων σωµάτων διαµέτρου 1.0mm IP 5x Προστασία από εισχώρηση σκόνης σε τέτοια ποσότητα ώστε να προκαλέσει δυσλειτουργία του εξοπλισµού IP 6x Πλήρης προστασία από εισχώρηση σκόνης IP x0 Καθόλου προστασία IP x1 Προστασία από σταγόνες νερού IP x2 Προστασία από σταγόνες υγρού µε γωνία πτώσης έως 15 µοίρες IP x3 Προστασία από σταγόνες υγρού µε γωνία πτώσης έως 60 µοίρες IP x4 Προστασία από υγρό εκτοξευόµενο από οποιαδήποτε διεύθυνση IP x5 Προστασία από νερό εκτοξευόµενο υπό πίεση IP x6 Προστασία από νερό εκτοξευόµενο υπό υψηλή πίεση ή από συνθήκες που συναντώνται σε κατάστρωµα πλοίου IP x7 Προστασία από ασυνεχή βύθιση σε νερό IP x8 Προστασία από συνεχή βύθιση σε νερό υπό συγκεκριµένη πίεση Πίνακας 3: Βαθµοί προστασίας των καλωδίων (IP) [3]. 1.7 ΙΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ (INTERFACES) Σε ορισµένες περιπτώσεις στις µονώσεις δηµιουργούνται ειδικά φράγµατα (burriers) µεταξύ των µονωτικών υλικών, ιδιαίτερα σε εφαρµογές µε ηλεκτρικά πεδία έντονα ανοµοιογενή (π.χ. διάταξη ακίδας-πλάκας), προκειµένου να βελτιωθεί η ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων [6]. Η οριακή επιφάνεια που σχηµατίζεται µεταξύ δυο διηλεκτρικών, που εφάπτονται µεταξύ τους ονοµάζεται διεπιφάνεια. Η διεπιφάνεια µπορεί να αποτελεί το όριο µιας µόνωσης µε το περιβάλλον, οπότε χαρακτηρίζεται ως εξωτερική, ή να σχηµατίζεται στο εσωτερικό των µονώσεων. 12

14 Ο ακριβής όµως µηχανισµός της επίδρασης των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των µονώσεων δεν είναι ακόµα γνωστός, παρά το µεγάλο αριθµό πειραµάτων που έχουν εκτελεσθεί για το σκοπό αυτό. Στο κεφάλαιο 2.1 θα ασχοληθούµε εκτενέστερα µε την επιροή των διεπιφανειών στις στερεές µονώσεις. Εικόνα 5: ενδρίτες µε παράλληλους κλάδους στη διεπιφάνεια του διαφράγµατος [6] 1.8 ΜΕΡΙΚΕΣ ΕΚΚΕΝΩΣΕΙΣ Μερικές Εκκενώσεις ονοµάζονται κυρίως οι εκκενώσεις οι οποίες λαµβάνουν χώρα στο εσωτερικό σχισµής η οποία βρίσκεται εγκεκλεισµένη σε στερεό διηλεκτρικό [7]. Εµφανίζονται σε φυσαλίδες αερίων ή γενικά θέσεις ανοµοιογένειας µέσα στον όγκο του µονωτικού (εσωτερικές µερικές εκκενώσεις), καθώς και σε θέσεις ανοµοιογένειας ή ξένες επικαθίσεις (ηλεκτρικές ακαθαρσίες) στην επιφάνεια του (εξωτερικές εκκενώσεις). Μία µακροσκοπική παράσταση των θέσεων διαταραχής δίδεται στην εικόνα 6. Σύµφωνα µε αυτό, οι επιφανειακές θέσεις διαταραχής έχουν παρασταθεί µε τους πυκνωτές C ε1 C εn και οι εσωτερικές µε τους πυκνωτές C φ1 C φn. Οι πυκνωτές C 1 C n και C 01 C 0n παριστάνουν αντίστοιχα το υπόλοιπο υγιές τµήµα του µονωτικού (κάθε ένας από αυτούς δίνει την ολική χωρητικότητα δύο πυκνωτών, εκ των οποίων ο ένας είναι η χωρητικότητα µεταξύ ακίδας και της θέσης διαταραχής και ο άλλος η χωρητικότητα µεταξύ της πλάκας και της θέσης διαταραχής). Συγκεκριµένα: 1) Τοµή Α-Α της διάταξης πειραµατισµού : α : ηλεκτρόδιο ακίδα β: επιφανειακό φιλµ του µονωτικού ελαίου και επιφάνεια του στερεού µονωτικού. γ : στερεό µονωτικό δ : ηλεκτρόδιο πλάκα 2) Κάτοψη της διάταξης πειραµατισµού: C 1 C n : πυκνωτές του "υγιούς" τµήµατος της επιφάνειας του στερεού µονωτικού και του επιφανειακού φιλµ ελαίου C ε1 C εn : πυκνωτές επιφανειακών (εξωτερικών) θέσεων διαταραχής C: ιδανική χωρητικότητα της 13

15 διάταξης C φ1 C φn : πυκνωτές εσωτερικών θέσεων διαταραχής (κυρίως φυσαλίδες αερίων) C 01 C 0n : πυκνωτές του "υγιούς" τµήµατος του στερεού µονωτικού Εικόνα 6: Μία µακροσκοπική παράσταση των θέσεων διαταραχής σε στερεό µονωτικό εντός µονωτικού λαδιού [7]. Το φαινόµενο των µερικών εκκενώσεων µπορεί να µελετηθεί µε τη βοήθεια διαφόρων µοντέλων. Τα δυο σηµαντικότερα από αυτά είναι: Το µοντέλο των χωρητικοτήτων και Το µοντέλο Pedersen. Οι µερικές εκκενώσεις θεωρούνται ότι είναι ο κυρίαρχος παράγοντας γήρανσης και διάσπασης των µονώσεων στην πράξη. Μεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών µερικών εκκενώσεων, προεξάρχοντα ρόλο έχουν οι τελευταίες, γιατί σχετίζονται µε χηµικές µεταβολές στον όγκο του υλικού (οι εξωτερικές µερικές εκκενώσεις από ξένες επικαθίσεις µπορούν να αντιµετωπιστούν µε προγραµµατισµένες εργασίες συντήρησης). Μέχρι τώρα θεωρήσαµε ότι η θερµική διάτρηση αρχίζει σε µία θέση του µονωτικού υλικού, όπου αρχικά, λόγω κάποιας ανοµοιογένειας, υπάρχει η αιτία για τοπική αύξηση της αγωγιµότητας. Εµβαθύνοντας µπορούµε να πούµε ότι στην ανοµοιογένεια το υλικό έχει µικρότερη διηλεκτρική αντοχή (ή ισοδύναµα υφίσταται µεγαλύτερη πεδιακή ένταση), µε αποτέλεσµα να εµφανίζονται εκεί µερικές εκκενώσεις, πράγµα το οποίο εκδηλώνεται ως τοπική αύξηση της αγωγιµότητας του υλικού. Η αύξηση της ειδικής αγωγιµότητας από τις µερικές εκκενώσεις στη θέση όπου εκδηλώνεται η µερική εκκένωση, και επειδή πρακτικά η απαγόµενη θερµική ισχύς είναι µηδενική, έχει σαν αποτέλεσµα η τάση διάτρησης να µειώνεται. Το αυτό ισχύει και για τη θερµική τάση ανατροπής [7]. H γήρανση και η διάσπαση των στερεών µονωτικών οφείλονται σε τέσσερις βασικούς παράγοντες (απώλειες Joule, µερικές εκκενώσεις, δυνάµεις Coulomb, και θερµότητα του περιβάλλοντος). Οι παράγοντες αυτοί δεν περιλαµβάνουν όµως στοιχεία για φαινόµενα, που δεν µπορεί κανείς να ακούσει, ή να παρατηρήσει, όπως : α) ο ιονισµός µε κρούσεις, που πιστεύεται ότι εκδηλώνεται στα στερεά µονωτικά, β) το µη ορατό φάσµα της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας και η συσχέτισή του µε φωτεινά φαινόµενα και καταπονήσεις, που παρατηρούνται στο υλικό (θερµικές, ή µηχανικές, ή και τα δύο). Οι πληροφορίες αυτές, καθώς και άλλες, δόθηκαν µε κβαντοµηχανική ερµηνεία των φαινοµένων, που εκδηλώνονται προ και κατά τη διάσπαση των στερεών µονωτικών, η οποία βασίζεται, κατά την προαναφερθείσα βιβλιογραφία, κυρίως : 14

16 Στις µετρήσεις των αλµάτων δυναµικού κατά την καταπόνηση στερεών µονωτικών µε κρουστικές τάσεις. Στις κρούσεις φορτίου, που είναι η κυµατοµορφή (το παλµογράφηµα) της πτώσης τάσης σε ένα ωµικό τετράπολο µέτρησης (ως στοιχείο µέτρησης χρησιµοποιήθηκε δηλαδή µία αντίσταση, αντί του πυκνωτή µέτρησης, Στην ανίχνευση του µη ορατού φάσµατος της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας (που εκπέµπεται κατά τη γήρανση και τη διάσπαση) Στην ικανοποιητική πειραµατική και θεωρητική ταύτιση του µηχανισµού παραγωγής των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων. 1.9 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ (SCANNING ELECTRON MICROSCOPE Ή SEM) Είναι ένας τύπος ηλεκτρονικού µικροσκοπίου, που χρησιµοποιεί µια ακτίνα των υψηλής ενέργειας ηλεκτρονίων για να ανιχνεύσει τις επιφάνειες των εικόνων [8]. Η δέσµη ηλεκτρονίων των SEM αλληλεπιδρά µε τα άτοµα κοντά ή στην επιφάνεια του δείγµατος που αντιµετωπίζεται, µε συνέπεια πολύ έναν υψηλής ευκρίνειας, τρισδιάστατης-εικόνας. Εικόνα 7: ιασπασµένο τέλος των ανθρώπινων µαλλιών [8]. 15

17 1.10 ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ (TRANSIMISSION ELECTRON MICROSCOPY Ή TEM) Είναι µια τεχνική µικροσκόπησης µε την οποία µια ακτίνα ηλεκτρονίων διαβιβάζονται µέσω ενός εξαιρετικά λεπτού δείγµατος, που αλληλεπιδρά µε το δείγµα καθώς περνά µέσα. Μια εικόνα διαµορφώνεται από την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων που διαβιβάζονται µέσω του δείγµατος και η εικόνα ενισχύεται και σε µια συσκευή απεικόνισης, όπως µια οθόνη φθορισµού [9]. Εικόνα 8: Μια εικόνα TEM του ιού πολιοµυελίτιδας. Ο ιός πολιοµυελίτιδας έχει µέγεθος 30 νανόµετρα (nm) [9] ΙΟΝΙΣΜΟΣ Είναι η µετατροπή ενός ατόµου ή ενός µορίου ηλεκτρικά ουδέτερου σε θετικό ή αρνητικό ιόν µε πρόσληψη ή αποβολή αντίστοιχα ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων [22]. + M + e M + 2 e Εξίσωση 3 Το θετικό ιόν µπορεί να εµφανισθεί αρχικά σε διεγερµένη κατάσταση και στη συνέχεια, µετά την εκποµπή φωτονίου, να µεταπέσει στη θεµελιώδη του κατάσταση. Αν το αέριο δεν είναι µονοατοµικό µπορεί να συµβεί θραύση κατά τη διαδικασία της 16

18 κρούσης, οπότε ένα ή και περισσότερα από τα παραγόµενα προϊόντα (θραύσµατα) µπορεί να παρουσιαστεί σε διεγερµένη κατάσταση. Σε οποιαδήποτε πάντως περίπτωση ένα ακόµα ελεύθερο ηλεκτρόνιο απελευθερώνεται προς το αέριο µέσο [22]. ΕΥΤΕΡΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Στη συνέχεια θα ασχοληθούµε µε το πειραµατικό µέρος της εργασίας, εξετάζοντας καια αναλύοντας µερικά πειράµατα, τα οποία σχετίζονται µε την γήρανση των µονωτικών υλικών και έχουν πραγµατοποιηθεί σε διάφορα εργαστήρια υψηλών τάσεων. Τα πειράµατα επιγραµµατικά είναι: 1) Πειραµατική µελέτη της επίδρασης των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων του εξοπλισµού των υψηλών τάσεων, 2) Ανίχνευση της γήρανσης των ηλεκτρικών καλωδίων υψηλής τάσης που χρησιµοποιούν τα σήµατα φθορισµού, 3) Έρευνα στην υποβάθµιση του στερεού µονωτικού υλικού των µετασχηµατιστών ισχύος, 4) Γήρανση της στερεάς µόνωσης µετασχηµατιστών, 5) Εργαστηριακός έλεγχος των µονωτικών υλικών µε µερικές εκκενώσεις, 6) οκιµές της γήρανσης της µόνωσης των καλωδίων υπό υψηλή τάση, 7) Εφαρµογή µονωτικών υλικών πάνω σε ηλεκτρικές µηχανές, 8) Έρευνα σε σχέση µε την ηλεκτρική γήρανση των µονωτικών πολυµερών σωµάτων, 9) Μερικό εµπειρικό µοντέλο της γήρανσης της µόνωσης σε υψηλή τάση, 10) Μοντέλο γήρανσης ηλεκτρικού δενδρίτη της πολυµερούς µόνωσης, 11) Μελέτη της γήρανσης σε σχέση µε τους µετασχηµατιστές ισχύος, 12) Γήρανση της µόνωσης χαρτιού στον φυσικό διηλεκτρικό εστέρα, 13) Ρεύµατα λόγω µερικών εκκενώσεων σε στερεά µονωτικά υλικά πάχους ενός χιλιοστού (d=1mm) υπό κρουστικές τάσεις χειρισµών (250/2500µs), 14) Μελέτη µερικών εκκενώσεων σε χαρτί µετασχηµατιστή υπό κρουστική τάση σε περιβάλλον ατµοσφαιρικού αέρα, 15) Φαινόµενα διασπάσεως σε στερεά µονωτικά υλικά: Μελέτη διαδόσεως ηλεκτρικών δενδριτών. Παρακάτω τα πειράµατα αναφέρονται αναλυτικά: 17

19 2.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΙΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΣΤΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ ΜΟΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ Σε αυτήν την εργασία, έγινε διερεύνηση από τους επιστήµονες του ρόλου των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων [6]. Αρκετοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί πειραµατικά µε τις επιδράσεις διαφόρων παραµέτρων των διεπιφανειών στην ηλεκτρική γήρανση των µονώσεων. Τέτοιες παράµετροι είναι: Η ασκούµενη πίεση µεταξύ των στρώσεων των µονωτικών υλικών, Η τραχύτητα των εφαπτόµενων επιφανειών, Η τιµή της πεδιακής έντασης στις διεπιφάνειες και Η δηµιουργία φορτίων χώρου στις διεπιφάνειες. Άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την επίδραση των φραγµάτων στην ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Στο παρόν πείραµα, ερευνάται πειραµατικά η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των στερεών µονώσεων, σε οµογενές και ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΙΑΤΑΞΗ Το διάγραµµα της πειραµατικής διάταξης που χρησιµοποιήθηκε για την εκτέλεση των πειραµάτων διάσπασης των δοκιµίων µε τάση AC 50 Hz φαίνεται στην εικόνα 9 [6]. Η πειραµατική διάταξη αποτελούταν από τρεις ενότητες: Το σύστηµα παροχής και ελέγχου της τάσης AC, το σύστηµα µέτρησης και καταγραφής της τάσης και την πειραµατική κυψέλη καταπόνησης και διάσπασης των δοκιµίων, για την µελέτη της γήρανσης. Εικόνα 9: ιάγραµµα πειραµατικής διάταξης διάσπασης των δοκιµίων µε τάση AC. (1): Αυτοµετασχηµατιστής. (2): Μ/Σ ΥΤ. (3): Χωρητικός καταµεριστής τάσης. (4): Σύστηµα µέτρησης τάσης. (5): Προστασία υπερέντασης. (6): Πειραµατική κυψέλη [6]. 18

20 Το σύστηµα παροχής και ελέγχου της τάσης, δηλαδή η πηγή, αποτελούταν από το ρυθµιζόµενο αυτοµετασχηµατιστή χαµηλής τάσης (1), τον µετασχηµατιστή υψηλής τάσης (2) και το σύστηµα προστασίας υπερέντασης της πηγής (5), το οποίο µε κατάλληλη ρύθµιση χρησιµοποιήθηκε για την προστασία των κύριων ηλεκτροδίων της πειραµατικής κυψέλης κατά τη διάρκεια της διάσπασης των δοκιµίων. Έτσι, όταν η ένταση εξόδου της πηγής υπερέβαινε τα 5 ma διακοπτόταν η παροχή της τάσης στην πειραµατική κυψέλη. Στην είσοδο και έξοδο του αυτοµετασχηµατιστή (1) είχαν συνδεθεί φίλτρα χαµηλής τάσης για την αποκοπή των αγώγιµων παρεµβολών που προέρχονταν από το δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης και τον αυτοµετασχηµατιστή, ώστε να µην εµφανίζονταν αυτές στην έξοδο της πηγής και να µην εφαρµόζονταν στο δοκίµιο. Επίσης, η πηγή ήταν εφοδιασµένη µε κύκλωµα ελέγχου της τάσης για την αυτόµατη λειτουργία της σε επιλεγόµενες τιµές της τάσης εξόδου µέχρι και 130 kv. Όταν χρησιµοποιούταν η πηγή στα πειράµατα διάσπασης των δοκιµίων, η τάση εξόδου αυξανόταν αυτόµατα µε σταθερό ρυθµό ανόδου 2 kv/sec, από µηδενική τιµή µέχρι την τιµή της τάσης διάσπασης των δοκιµίων, οπότε λειτουργούσε το σύστηµα ελέγχου της έντασης εξόδου και διακοπτόταν αυτόµατα η παροχή της τάσης. Εικόνα 10: Φωτογραφία της πειραµατικής διάταξης διάσπασης των δοκιµίων [6] ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την επεξεργασία, µελέτη και ανάλυση των πειραµατικών αποτελεσµάτων από στερεά δοκίµια, µε διεπιφάνειες µεταξύ ενσωµατωµένων συνθετικών µονωτικών υλικών ή µεταξύ εφαπτόµενων µονωτικών φύλλων, προέκυψαν τα παρακάτω γενικά συµπεράσµατα που αφορούν στην εκτίµηση της ηλεκτρικής αντοχής των στερεών µονώσεων µε διεπιφάνειες από µετρήσεις ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους σε υψηλές τιµές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου καταπόνησης και στην επίδραση των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων. 19