ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Θεοδοσοπούλου Άρτεμις του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου: Θέμα: «Μετρήσεις σε υγρά διηλεκτρικά» Επιβλέπουσα: Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα:

2 Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον συγγραφέα, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οποιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικ ών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Μετρήσεις σε υγρά διηλεκτρικά» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Θεοδοσοπούλου Άρτεμις του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου: 7787 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα: Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Ο Διευθυντής του Τομέα: Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης

4 Ευχαριστίες Θα ήθελα πρώτα από όλα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την απόλυτη στήριξη που μου παρείχε κατά τη διάρκεια των σπουδών μου και για το κουράγιο που μου έδινε στις δύσκολες και αγχωτικές περιόδους. Η συμβολή τους υπήρξε πολύτιμη όλο αυτόν τον καιρό και τους ευχαριστώ μέσα από την καρδιά μου. Ευχαριστώ θερμά την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια και επιβλέπουσα της διπλωματικής μου εργασίας, κα. Ελευθερία Πυργιώτη για την πολύτιμη καθοδήγησή της κατά την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας, για τις συμβουλές της, την ενθάρρυνσή της, το ενδιαφέρον της και την αγάπη της, τα οποία μου έδιναν το κίνητρο να προσπαθώ πάντα για το καλύτερο δυνατόν, να βελτιώνομαι συνεχώς και να παρακάμπτω τις όποιες δυσκολίες, δουλεύοντας μέσα σε ένα ευχάριστο και φιλικό εργαστηριακό περιβάλλον. Ευχαριστώ επίσης τον κ. Βασίλη Χαραλαμπάκο για την βοήθεια που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας, την εξαιρετική συνεργασία που είχαμε κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων, τις γνώσεις που μου παρείχε ώστε να κατανοήσω βαθύτερα πολλά θέματα που αφορούσαν την διπλωματική μου εργασία, καθώς και για την έγκαιρη πάντα ανταπόκρισή του. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους φίλους μου και ιδιαίτερα τον Τάσο, διότι χωρίς την αγάπη, την πίστη τους σε μένα και τη στήριξη που μου έδιναν όλα αυτά τα χρόνια, δεν θα είχα τη δύναμη να τα καταφέρω.

5 «Πώς να πιστέψουν οι άπιστοι τι θάματα μπορεί να γεννήσει η πίστη; Ξεχνούν πως η ψυχή του ανθρώπου γίνεται παντοδύναμη, όταν συνεπαρθεί από μια μεγάλη ιδέα. Τρομάζεις όταν, ύστερα από πικρές δοκιμασίες, καταλαβαίνεις πως μέσα μας υπάρχει μια δύναμη που μπορεί να ξεπεράσει τη δύναμη του ανθρώπου, τρομάζεις. Γιατί δεν μπορείς πια να βρεις δικαιολογίες για τις ασήμαντες ή άνανδρες πράξεις σου, ρίχνοντας το φταίξιμο στους άλλους. Ξέρεις πως εσύ, όχι η μοίρα, όχι η τύχη, μήτε οι άνθρωποι γύρω σου, εσύ μονάχα έχεις, ό,τι και αν κάμεις, ό,τι και αν γίνεις ακέραιη την ευθύνη. Και ντρέπεσαι τότε να γελάς, ντρέπεσαι να περιγελάς αν μια φλεγόμενη ψυχή ζητάει το αδύνατο. Καλά πια καταλαβαίνεις πως αυτή είναι η αξία του ανθρώπου: να ζητάει και να ξέρει πως ζητάει το αδύνατο και να είναι σίγουρος πως θα το φτάσει, γιατί ξέρει πως αν δε λιποψυχήσει, αν δεν ακούσει τι του κανοναρχάει η λογική, μα κρατάει με τα δόντια την ψυχή του κι εξακολουθεί με πίστη, με πείσμα να κυνηγάει το αδύνατο, τότε γίνεται το θάμα, που ποτέ ο αφτέρουγος κοινός νους δε μπορούσε να το μαντέψει: το αδύνατο γίνεται δυνατό.» Απόσπασμα από το βιβλίο του Ν. Καζαντζάκη «Ο Καπετάν Μιχάλης»

6 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μετρήσεις σε υγρά διηλεκτρικά» Φοιτήτρια: Θεοδοσοπούλου Άρτεμις Επιβλέπουσα: Ελευθερία Πυργιώτη Περίληψη: Στους εξοπλισμούς υψηλής τάσης, η χρήση των μονωτικών ελαίων είναι καθοριστικής σημασίας για την προστασία τους και την σωστή λειτουργία τους. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, εκτελέσαμε μία σειρά πειραμάτων ώστε να δοκιμάσουμε την διηλεκτρική αντοχή τεσσάρων βιοδιασπώμενων ελαίων, εκ των οποίων τα δύο ανήκουν στην κατηγορία των συνθετικών εστέρων, το Midel 7131 και το Ε200, και τα άλλα δύο ανήκουν σε αυτήν των φυσικών εστέρων, το FR3 και το Midel en. Για την διεξαγωγή των μετρήσεών μας, χρησιμοποιήσαμε την συσκευή BAUR Oil Tester DTA , μεταβάλλοντας το εύρος του διακένου και τον τύπο των ηλεκτροδίων ώστε να εξάγουμε τα κατάλληλα συμπεράσματα. Στα κεφάλαια 1, 2 και 4, παρατίθενται θεωρητικά στοιχεία τα οποία αφορούν βασικά χαρακτηριστικά και ιδιότητες των μονωτικών ελαίων γενικά, με εκτενή αναφορά σε ξεχωριστό κεφάλαιο σε αυτές των βιοδιασπώμενων ελαίων, στα οποία και επικεντρώνεται η παρούσα διπλωματική εργασία, καθώς επίσης τη χρήση αυτών. Στο κεφάλαιο 3, αναλύονται οι μηχανισμοί διάσπασης των ελαίων. Στο κεφάλαιο 5, αναλύεται το πειραματικό μέρος της διπλωματικής εργασίας, με παρουσίαση της διαδικασίας που ακολουθήσαμε για την διεξαγωγή των μετρήσεων, των χρησιμοποιηθέντων οργάνων, των μέτρων ασφαλείας και τέλος, των πειραματικών αποτελεσμάτων, συνοδευόμενων από τη στατιστική ανάλυση που έγινε πάνω σε αυτά και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν στη συνέχεια.

7 Abstract: The usage of insulating oils in high voltage equipments is extremely important as far as their protection and their proper function are concerned. In this thesis, we conducted a series of experiments in order to test the dielectric strength of four biodegradable oils; two of them belong in the category of synthetic esters, Midel 7131 and E200, and the other two belong in the category of natural esters, FR3 and Midel en. We used the device BAUR Oil Tester DTA for the conduction of our measurements, changing the width of the space between the electrodes and the type of the electrodes, in order to draw proper conclusions. In chapters 1, 2 and 4, theoretical elements, which concern basic characteristic of insulating oils generally, are analyzed, with a wide reference in a different chapter to those of biodegradable oils, on which this thesis is focused, as well as their usage. In chapter 3, the mechanisms of oils breakdown are analyzed. In chapter 5, the experimental part of this thesis is analyzed, presenting the process which we followed for the conduction of our measurements, the devices which we used, the security measures and finally, the experimental results, along with the statistical analysis which we carried out and the conclusions which we drew.

8

9 Περιεχόμενα Περίληψη... 5 Abstract... 6 Πίνακας Περιεχομένων... 8 Κεφάλαιο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χρησιμότητα μονωτικών ελαίων Χαρακτηριστικά μονωτικών ελαίων Παράγοντες που επηρεάζουν τη μονωτική ικανότητα του ελαίου Καθιερωμένες μέθοδοι δοκιμών της τάσης διάσπασης των μονωτικών ελαίων που χρησιμοποιήθηκαν Κεφάλαιο ΒΙΟΔΙΑΣΠΩΜΕΝΑ ΕΛΑΙΑ Τύποι ελαίων που χρησιμοποιούνται στους μετασχηματιστές Ιδιότητες των Ελαίων Φυσικού Εστέρα Περιορισμοί στη χρήση Ελαίων Φυσικού Εστέρα Ιδιότητες των Ελαίων Συνθετικού Εστέρα Κεφάλαιο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΕΛΑΙΩΝ Γενικά Θεωρία ιονισμού (Ηλεκτρονική Διάσπαση) Μηχανισμός «ασθενέστερη-διαδρομή» (weakest-link theory) ή μηχανισμός αιωρούμενων στερεών σωματιδίων Θεωρία streamer (Διάσπαση Κοιλότητας) Ηλεκτρομεταφορά και ηλεκτροϋδροδυναμικό πρότυπο διηλεκτρικής διάσπασης Ενδιαφέρουσα περίπτωση με τη χρήση νανοσωματιδίων Κεφάλαιο ΧΡΗΣΗ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΕΛΑΙΩΝ... 32

10 4.1. Γενικά Μετασχηματιστές Εισαγωγή Δομή μετασχηματιστή Μετασχηματιστές ισχύος Βασικά κατασκευαστικά μέρη μετασχηματιστή ισχύος ελαίου Μονωτικό χαρτί Χρόνος ζωής μετασχηματιστή Αιτίες αστοχίας μετασχηματιστή Επίδραση της γήρανσης του ελαίου στη μιγαδική διηλεκτρική σταθερά Καλώδια Μονωτήρες διέλευσης Πυκνωτές Μετασχηματιστές μετρήσεων Ελαιοδιακόπτες Κεφάλαιο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Γενικά Περιγραφή διαδικασίας διεξαγωγής μετρήσεων Μέτρα προστασίας του ελαίου και της διάταξης Εκκίνηση της διαδικασίας μετρήσεων - Προετοιμασία Πειραματικά αποτελέσματα και στατιστική ανάλυση πειραματικών αποτελεσμάτων Παρατηρήσεις-Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Παράρτημα... 87

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Χρησιμότητα μονωτικών ελαίων: Η σύγχρονη λειτουργία της κοινωνίας είναι έντονα εξαρτημένη από φθηνή και αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας, έτσι ώστε να εξελίσσεται οικονομικά και τεχνολογικά. Οι αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις έχουν ως αποτέλεσμα την δημιουργία τεράστιων ηλεκτρικών υποδομών (Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας) τα οποία έχουν σαν σκοπό την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, με το βέλτιστο τρόπο. Η μεγιστοποίηση της μεταφερόμενης ενέργειας με ελάχιστες απώλειες, οι οποίες είναι και αναπόφευκτες τόσο κατά τη μεταφορά όσο και κατά τους απαιτούμενους μετασχηματισμούς τάσης, απαιτεί την λειτουργία του εξοπλισμού σε υψηλά επίπεδα τάσης. Σε κάθε τμήμα του δικτύου παραγωγής, μεταφοράς και διανομής η αξιόπιστη λειτουργία του εξοπλισμού υψηλής τάσης είναι σημαντικότατη. Σοβαρή παράμετρος για την αξιόπιστη λειτουργία του εξοπλισμού υψηλής τάσης είναι και η μόνωσή του. Το σύνολο του εξοπλισμού μόνωσης υψηλής τάσης σε ενεργειακά συστήματα κατηγοριοποιείται συνοπτικά στις εξής κατηγορίες: Αέρια μόνωση (π.χ. ατμοσφαιρικός αέρας, SF 6 ). Υγρή μόνωση (π.χ. πετρελαϊκό έλαιο, φυσικός εστέρας, συνθετικός εστέρας). Στερεά μόνωση (π.χ. γυαλί, πορσελάνη, χαρτί, πολυαιθυλένιο, πολυβινυλοχλωρίδιο). Η υγρή ηλεκτρική μόνωση καλείται και «υγρό διηλεκτρικό» και χαρακτηρίζεται από εξαιρετικά χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα σε κανονικές συνθήκες και πρέπει να αποτελεί και εξαιρετικό φυσικό ψυκτικό μέσον. Η αποτελεσματική ψύξη (απαγωγή της θερμότητας) είναι εξαιρετικά σημαντική για το Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας, καθώς οι απώλειες εμφανίζονται σε αυτό υπό τη μορφή θερμότητας, αυξάνοντας κατά αυτόν τον τρόπο την θερμοκρασία των δομικών στοιχείων του. Συγκρινόμενη με αέριες μονώσεις, η υγρή μόνωση έχει μεγαλύτερα επίπεδα διηλεκτρικής αντοχής (η διηλεκτρική αντοχή του αέρα είναι 21 kv/cm, ενώ του ελαίου που χρησιμοποιείται στους μετασχηματιστές είναι kv/cm) και θερμικής αγωγιμότητας, ενώ είναι συγκρίσιμη με την στερεά μόνωση στο επίπεδο της ηλεκτρικής μόνωσης και σαφώς καλύτερη σε θερμική απόκριση και υπερέχει σε πρακτικότητα εφαρμογής, ειδικά σε πολύπλοκες διατάξεις μόνωσης (π.χ. μετασχηματιστές). Τα ανωτέρω χαρακτηριστικά καθιστούν τα υγρά διηλεκτρικά σημαντικότατα μέσα μόνωσης στον σχεδιασμό εξοπλισμού υψηλής τάσης. Τα υγρά διηλεκτρικά μπορούν επίσης να διατηρήσουν τη κανονική κατάσταση

12 μόνωσής τους μετά από αρκετά μεγάλο αριθμό εκκενώσεων, χωρίς σημαντική παραμένουσα φθορά, σε αντίθεση με την στερεά μόνωση που καταστρέφεται μετά τη πρώτη εκκένωση. Επιπλέον, τα υγρά μονωτικά, όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με στερεά μονωτικά, προστατεύουν τα τελευταία από την υγρασία και την ελεύθερη επαφή με τον αέρα. Κατά καλή σύμπτωση, έχουν και χαμηλή διηλεκτρική σταθερά, κάτι το οποίο συντελεί στην ελάφρυνση των καταπονήσεων των στερεών μονώσεων. Χρησιμοποιούμενα σε διακόπτες, τα έλαια βοηθούν τέλος στη σβέση του ηλεκτρικού τόξου με την απορρόφηση μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας κατά την εξαέρωσή τους. [1], [2] 1.2. Χαρακτηριστικά μονωτικών ελαίων: Χρώμα Πυκνότητα Συντελεστής θερμικής διαστολής Ειδική θερμότητα Συντελεστής θερμοαγωγιμότητας Ιξώδες Σημείο ροής Καθαρότητα Διάλυση, απορρόφηση και έκλυση αερίων από το έλαιο Σημεία ανάφλεξης και καύσης Οξύτητα Αλκαλικότητα Σημείο πήξεως Χρώμα: Το έλαιο πρέπει να έχει ανοικτή κίτρινη απόχρωση. Πυκνότητα: Πρέπει να είναι gr/ml (ανάλογα με την προέλευση) σε θερμοκρασία 20 ο C. Συντελεστής θερμικής διαστολής: Πρέπει να είναι x10-3 o C -1. Είναι απαραίτητο να τον γνωρίζουμε για τον υπολογισμό του δοχείου διαστολής ή του κενού χώρου του δοχείου που το περιέχει. Ειδική θερμότητα: Πρέπει να είναι cal/(gr o C). Η ειδική θερμότητα χαρακτηρίζει την ικανότητα του ελαίου να απορροφά θερμότητα και κατ επέκταση την καταλληλότητά του ως ψυκτικό μέσο. Συντελεστής θερμοαγωγιμότητας: Πρέπει να είναι 3-4x10-4 cal/(cmxsx o C), ανάλογα με τη θερμοκρασία. Η θερμοαγωγιμότητα ενός υλικού είναι το ποσό της θερμότητας που απάγεται στη μονάδα του χρόνου από μία μοναδιαία επιφάνεια του υλικού, όταν υπάρχει διαφορά ενός βαθμού θερμοκρασίας σε

13 μοναδιαίο πάχος υλικού. Σχετίζεται συνεπώς άμεσα με την απαγωγή της θερμότητας που αναπτύσσεται στο έλαιο. Ιξώδες: Το ιξώδες αναφέρεται στην εσωτερική αντίσταση ενός υγρού κατά τη ροή του και προσδιορίζει την ικανότητα ψύξεως. Όσο μικρότερο είναι το ιξώδες του ελαίου, τόσο ευκολότερα αυτό ρέει στα στοιχεία του μετασχηματιστή, συνεπώς επιτυγχάνεται και καλύτερη απαγωγή της θερμότητας που αναπτύσσεται. Η τιμή του ιξώδους ενός ελαίου αυξάνεται κατά τη χρήση του, ενώ μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σημείο ροής: Αναφέρεται στην χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία το έλαιο αρχίζει να ρέει μετά την ψύξη που έγινε, μας πληροφορεί συνεπώς για την θερμοκρασία εκείνη κάτω από την οποία η κυκλοφορία του ελαίου μπορεί να είναι τελικά και αδύνατη. Τα μονωτικά έλαια πρέπει βάσει κανονισμών να διατηρούν τη ρευστότητά τους μέχρι τους -30 o C. Καθαρότητα: Το έλαιο θα πρέπει να είναι διαυγές και απαλλαγμένο από ξένα σωματίδια όπως για παράδειγμα σκόνη, ίνες κλπ., καθώς επίσης να μην περιέχει βλαβερές προσμίξεις όπως αλκάλια, οξέα ή ελεύθερο θείο και ενώσεις αυτού, καθώς η παρουσία θείου προκαλεί διάβρωση των μεταλλικών τμημάτων και επιταχύνει την παραγωγή ιζήματος. Διάλυση, απορρόφηση και έκλυση αερίων από το έλαιο: Εξαρτάται από τη φύση και την προέλευση του ελαίου, καθώς οι φυσαλίδες αερίων μέσα στο έλαιο ιονίζουν και δημιουργούν δρόμους για τη διάσπαση των μονώσεων. Σημεία ανάφλεξης και καύσης: Το σημείο ανάφλεξης, αρχικά, είναι η θερμοκρασία στην οποία το έλαιο αναδίδει ατμούς, σε τέτοια ποσότητα ώστε αναμιγνυόμενοι με τον ατμοσφαιρικό αέρα, σχηματίζουν εύφλεκτο μίγμα, το οποίο αναφλέγεται με σπινθήρα. Για λόγους ασφάλειας και αξιοπιστίας του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού, το σημείο ανάφλεξης θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 130 o C. Σε ό,τι αφορά το σημείο καύσης, είναι η θερμοκρασία στην οποία το έλαιο, θερμαινόμενο υπό κανονικές συνθήκες δοκιμής, αναδίδει επαρκείς ατμούς έτσι ώστε να αναφλεγεί και να συνεχίσει καιόμενο. Οξύτητα: Μεταξύ των παραγόμενων προϊόντων οξειδώσεως του ελαίου είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), πτητικά οργανικά και ανόργανα οξέα διαλυτά στο νερό και νερό. Τα παραπάνω προϊόντα σε συνδυασμό δύνανται να προκαλέσουν διάβρωση των μεταλλικών τμημάτων του μετασχηματιστή, καθώς επίσης να μειώσουν τη διηλεκτρική ικανότητα του ελαίου. Αλκαλικότητα: Στα καινούρια έλαια η αλκαλικότητα πρέπει να είναι αμελητέα. Ύπαρξη αλκαλικότητας μαρτυρά μόλυνση του ελαίου και έχει ως συνέπεια τη μείωση της διηλεκτρικής του ικανότητας.

14 Σημείο πήξεως: Πρόκειται για τη θερμοκρασία στην οποία εκκινεί η διαδικασία πήξεως του μονωτικού ελαίου. Το σημείο πήξεως πρέπει να είναι αρκετά χαμηλό έτσι ώστε να αποφεύγεται η αλλαγή στη φύση και στις ιδιότητες του υγρού. [3], [4] 1.3. Παράγοντες που επηρεάζουν την μονωτική ικανότητα του ελαίου: 1. Οξείδωση: Η επαφή του ελαίου με τον ατμοσφαιρικό αέρα αποτελεί την κυριότερη αιτία αλλοίωσης των χαρακτηριστικών του και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διηλεκτρικής του αντοχής. 2. Υγρασία: Αφορά την περιεκτικότητα του ελαίου σε διαλυμένο νερό. Τόσο η τάση διάσπασης όσο και η διηλεκτρική αντοχή ενός ελαίου επηρεάζονται αρνητικά από την παρουσία νερού, καθώς μειώνονται. Η παρουσία υγρασίας στο μονωτικό έλαιο υποβαθμίζει την μονωτική του ικανότητα, καθώς σχηματίζει αγώγιμες γέφυρες οι οποίες δύνανται να επιφέρουν την διάσπασή του. 3. Η διάταξη των ηλεκτροδίων: Η τάση διάσπασης του ελαίου εξαρτάται από το αν το εφαρμοζόμενο πεδίο είναι ομοιογενές ή ανομοιογενές, από τη γεωμετρία των ηλεκτροδίων, από το μήκος του διακένου και από το εμβαδόν της επιφάνειας των ηλεκτροδίων. Η ομοιογένεια του ηλεκτρικού πεδίου εξαρτάται από τη γεωμετρία των ηλεκτροδίων και όσο περισσότερο ανομοιογενές είναι το πεδίο, τόσο μειώνεται η τάση διάσπασης. Επίσης, όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του διακένου, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση διάσπασης. Τέλος, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των ηλεκτροδίων, τόσο μικρότερη είναι η διηλεκτρική αντοχή του ελαίου. 4. Γήρανση του ελαίου: Ο χρόνος αποθήκευσης του ελαίου χωρίς αυτό να καταπονείται, έχει αρνητική επίδραση στη διηλεκτρική του αντοχή καθώς αυξάνεται το ποσοστό της υγρασίας στο έλαιο. Η τιμή της τάσης διάσπασης του ελαίου αρχίζει να αυξάνεται σταδιακά μόνο ύστερα από επαναλαμβανόμενες και συνεχείς διασπάσεις, καθώς η υγρασία αρχίζει να υποχωρεί, κάτι το οποίο όμως δεν είναι και απόλυτο, καθώς μεγάλος αριθμός διασπάσεων του ελαίου επιφέρει τη δημιουργία ρύπων, συνεπώς και την μείωση της τάσης διάσπασης του ελαίου. 5. Θερμοκρασία: Η αύξηση της θερμοκρασίας διευκολύνει τη διαφυγή των φυσαλίδων αέρα, καθώς μειώνει το ιξώδες του ελαίου. Στον υγρό εστέρα, η αύξηση της θερμοκρασίας προωθεί το σχηματισμό υπεροξειδίου, το οποίο έχει μία υψηλή συγγένεια με το αέριο υδρογόνου και μειώνει το σχηματισμό φυσαλίδων στο έλαιο. Η διάσπαση του μονωτικού υγρού αρχίζει συχνά από τις φυσαλίδες. Επομένως, αυξάνοντας τη θερμοκρασία, αυξάνεται η τάση διάσπασης.

15 Επιπλέον, αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως συνέπεια μικρότερη απόλυτη περιεκτικότητα σε νερό, αλλά αυξάνει τη διαλυτότητα σε νερό του υγρού. Άρα, η διηλεκτρική αντοχή αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. [1], [2] 1.4. Καθιερωμένες μέθοδοι δοκιμών της τάσης διάσπασης των μονωτικών ελαίων που χρησιμοποιήθηκαν: ASTM D1816: Η συγκεκριμένη μέθοδος δοκιμών καλύπτει τον προσδιορισμό της τάσης διάσπασης των μονωτικών υγρών με τη χρήση ηλεκτροδίων VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker, Specification 0370), διαμέτρου 36 χιλιοστών και σε σχήμα μανιταριού, τα οποία φαίνονται στο Σχήμα 1, όπως έλαια πετρελαϊκής προέλευσης, συνθετικοί εστέρες, φυσικοί εστέρες, υγρά φτιαγμένα από σιλικόνη, υψηλού σημείου καύσεως μεταλλικά ηλεκτρικά μονωτικά έλαια. Επίσης, η μέθοδος αυτή είναι εφαρμόσιμη σε μονωτικά υγρά τα οποία χρησιμοποιούνται σε καλώδια, μετασχηματιστές, διακόπτες και σε παρόμοιο εξοπλισμό, σαν μονωτικό και ψυκτικό μέσον. [6] IEC 60156: Σχήμα 1: VDE Electrode [6] Η μέθοδος αυτή προσδιορίζει την τάση διάσπασης των μονωτικών υγρών με τη χρήση είτε σφαιρικών είτε σε σχήμα μανιταριού ηλεκτροδίων, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στην προηγούμενη μέθοδο. Οι τιμές της τάσης διάσπασης που προκύπτουν από αυτήν τη μέθοδο είναι πάντα υψηλότερες σε σχέση με εκείνες της ASTM D1816 μεθόδου, διότι έχουμε μεγαλύτερο διάκενο. [5]

16 Παρακάτω παρατίθεται ένας πίνακας ο οποίος παρουσιάζει συνοπτικά τις κυριότερες διαφορές μεταξύ των μεθόδων δοκιμών της τάσης διάσπασης, ASTM και IEC: Πίνακας 1: Διαφορές μεθόδων δοκιμών τάσης διάσπασης. [5]

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΒΙΟΔΙΑΣΠΩΜΕΝΑ ΕΛΑΙΑ 2.1. Τύποι ελαίων που χρησιμοποιούνται στους μετασχηματιστές: Οι μετασχηματιστές ισχύος είναι ένα από τα πιο νευραλγικά και ακριβά τμήματα ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η λειτουργία τους έγκειται στην ανύψωση της τάσης από τα επίπεδα των γεννητριών στην τάξη των δεκάδων ή εκατοντάδων kv (110kV 1000kV) και αντιστοίχως στο τέλος μιας γραμμής μεταφοράς υπάρχει πάλι ένας μετασχηματιστής ισχύος υποβιβασμού της τάσης για τη διοχέτευση της παροχής στο δίκτυο διανομής. Με αυτή την αρχή λειτουργίας οι μετασχηματιστές ισχύος διαχειρίζονται με τον βέλτιστο οικονομικό τρόπο (μικρότερες απώλειες) την παραγόμενη ισχύ από την παραγωγή στην κατανάλωση. Η σωστή λειτουργία της μόνωσης ενός μετασχηματιστή είναι μείζονος σημασίας, μιας και μια πιθανή αστοχία προκαλεί τεράστια προβλήματα που αφορούν στο μεγάλο οικονομικό κόστος και στην δυσκολία επισκευής ή εγκατάστασης νέου μετασχηματιστή καθώς και στις κυρώσεις από ενδεχόμενη περιβαλλοντική ρύπανση. Πετρελαϊκό Έλαιο: Στην πλειοψηφία των μετασχηματιστών ισχύος χρησιμοποιείται πετρελαϊκό έλαιο ως υγρό διηλεκτρικό για ηλεκτρική μόνωση και παράλληλα για ψύξη του πυρήνα και των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή. Η πλειοψηφία των πετρελαϊκών ελαίων για μετασχηματιστή βασίζεται σε παραφινικούς, ναφθενικούς ή αρωματικούς υδρογονάνθρακες και σε συνδυασμό αυτών. Τα ναφθενικά χρησιμοποιούνται πιο συχνά για τον εμποτισμό χάρτου, λόγω μικρότερης οξύτητας σε σχέση με τα παραφινικά. Ο εμποτισμός χάρτου σε έλαιο είναι τεράστιας σημασίας για την αποφυγή ύπαρξης κενών ή θυλάκων αέρα μέσα στη μόνωση του μετασχηματιστή, έτσι η πλειοψηφία των ελαίων που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως είναι ναφθενικής βάσης. Αν και τα συμβατικά ορυκτέλαια επιτελούν σε μεγάλο βαθμό το έργο τους ως διηλεκτρικά, ένα από τα μεγάλα μειονεκτήματά τους είναι το γεγονός ότι έχουν σχετικά χαμηλό σημείο ανάφλεξης, συνεπώς υπάρχει ο κίνδυνος να εκδηλωθεί πυρκαγιά στο μετασχηματιστή σε περίπτωση σφάλματος. Ο κίνδυνος αυτός συνήθως αποτρέπεται με σωστό σχεδιασμό του εξοπλισμού και του συστήματος ψύξης. Η σύγχρονη τάση για εφαρμογές οι οποίες συνδυάζουν υψηλή απόδοση και φιλικότητα προς το περιβάλλον, οδήγησε στην εμφάνιση στην αγορά των διηλεκτρικών, ελαίων φυσικού και συνθετικού εστέρα, μη πετρελαϊκής προέλευσης, τα οποία προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τα συμβατικά ορυκτέλαια. Άλλωστε, τα τελευταία χρόνια, τα αποθέματα πετρελαίου τείνουν να εξαντληθούν, γεγονός το οποίο θα οδηγήσει

18 μελλοντικά σε σοβαρά προβλήματα έλλειψης ορυκτών. Επίσης, η ανάγκη να μειωθεί ο κίνδυνος ανάφλεξης του ορυκτελαίου, ο οποίος ενδέχεται να συνεπάγεται έκρηξη του ίδιου του μετασχηματιστή και καταστροφή των γειτονικών του εγκαταστάσεων, αποτέλεσε ένα σημαντικό κίνητρο για την αναζήτηση διηλεκτρικών ελαίων με διαφορετική συμπεριφορά καύσης. Η πρώτη γενιά άφλεκτων εναλλακτικών ελαίων ήταν αυτά με βάση τα πολυχλωριωμένα διφαινύλια, γνωστά ως κλοφέν ή με τα αρχικά PCB (Polychlorinated Biphenyls). Τα PCB έχουν άριστες διηλεκτρικές ιδιότητες, παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και έχουν μη μετρήσιμο σημείο ανάφλεξης. Θα είχαν κυριαρχήσει στην αγορά των μετασχηματιστών, αν δεν είχαν ανακαλυφθεί και δημοσιευθεί οι αρνητικές επιπτώσεις της παραμονής τους στο φυσικό περιβάλλον, καθώς δεν είναι πτητικά και συγκεντρώνονται σε ιζήματα χωρίς να αποικοδομούνται βιολογικά (βιοσυσσώρευση), συνεπώς δύνανται να βλάψουν τόσο τον άνθρωπο, όσο και το υπέδαφος, την πανίδα και τη χλωρίδα. Τα άφλεκτα διηλεκτρικά αποσύρθηκαν γρήγορα από την αγορά, για να αντικατασταθούν από διηλεκτρικά υψηλού σημείου ανάφλεξης, με πρώτα τα έλαια με βάση τη σιλικόνη. Ο συνδυασμός όμως μέτριων διηλεκτρικών και μονωτικών ιδιοτήτων με τις αμφισβητούμενες οικολογικές συνέπειες της σχεδόν μηδαμινής βιοαποικοδομησιμότητας της σιλικόνης, έχουν περιορίσει τη χρήση της σε ειδικές εφαρμογές. Μία επόμενη κατηγορία συνθετικών ελαίων που κατέχει εδώ και δεκαετίες ένα μικρό αλλά σταθερό μερίδιο αγοράς, είναι οι συνθετικοί εστέρες: Έλαιο Συνθετικού Εστέρα: Οι συνθετικοί εστέρες είναι έλαια πετρελαϊκής προέλευσης, βασιζόμενα σε πολυεστέρες. Έχουν αυξημένο βαθμό βιοδιάσπασης σε σχέση με το πετρελαϊκό έλαιο και έχουν χαμηλό σημείο τήξης, χαμηλό ιξώδες, υψηλό σημείο ανάφλεξης και βελτιωμένη διηλεκτρική αντοχή. Χρησιμοποιούνται από το 1984 ως αντικαταστάτες των PCB σε μετασχηματιστές. Λόγω του εξαιρετικά μεγάλου κόστους τους (διπλάσιο από τα υπόλοιπα) δεν χρησιμοποιούνται συχνά σε μετασχηματιστές παρόλα τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά τους. Δεδομένου ότι η χρήση των συνθετικών εστέρων σημείωσε επιτυχία, περιορισμένη όμως εξαιτίας του κόστους τους και όχι λόγω των ιδιοτήτων τους, η λογική συνέχεια στην αναζήτηση πρακτικών και πιο οικονομικών λύσεων, οδήγησε στην εξέταση των ελαίων φυσικού εστέρα ως διηλεκτρικών: Έλαιο Φυσικού Εστέρα: Τις τελευταίες δυο δεκαετίες έχει ξεκινήσει η χρήση των φυσικών εστέρων στη μόνωση των ηλεκτρικών συστημάτων (μετασχηματιστές, διακόπτες, πυκνωτές), οι οποίοι προέρχονται από σπόρους, άνθη, σιτηρά, φλοιούς και άλλα φυτικά προϊόντα, ύστερα από κατάλληλες προσθήκες και επεξεργασία.

19 Οι εξαιρετικές ιδιότητες των φυσικών εστέρων όπως η βιοδιασπασιμότητα, η απουσία τοξικότητας, καθώς και η αντοχή τους σε υψηλές θερμοκρασίες (320 C) τους καθιστούν πιθανούς αντικαταστάτες των πετρελαϊκών ελαίων. Την τελευταία δεκαετία έχουν γίνει προσπάθειες μελέτης των προεκκενώσεων στα πετρελαϊκά έλαια και στο νερό με στόχο την κατανόηση και εύρεση των διαφορών στους μηχανισμούς διάσπασης και συμπεριφοράς των υγρών διηλεκτρικών. Ηλεκτρικές και οπτικές μετρήσεις έχουν γίνει στα πετρελαϊκά έλαια για μελέτη της μονωτικής τους συμπεριφοράς, ενώ αρκετές προσπάθειες έχουν γίνει για φυτικά και συνθετικά έλαια. Οι προαναφερθείσες μελέτες μας παρείχαν σημαντικές πληροφορίες σχετιζόμενες με τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της προεκκένωσης καθώς και για την διάδοση των streamer μέσα στο έλαιο. Έχουν χρησιμοποιηθεί διαφορετικές διατάξεις με διάκενα της τάξης μερικών mm έως δεκάδες εκατοστά. [2], [3], [7] 2.2. Ιδιότητες των Ελαίων Φυσικού Εστέρα: Οι ιδιότητες των φυτικών ελαίων ως διηλεκτρικών για μετασχηματιστές, αναφέρονται στην προδιαγραφή ASTM 6871 και είναι συγκρίσιμες με αυτές των ορυκτελαίων. Η διηλεκτρική τους αντοχή είναι ελαφρώς υψηλότερη και το ιξώδες τους, μολονότι διαφέρει, δεν επιβάλλει κατασκευαστικές τροποποιήσεις. Πρακτικά, είναι δυνατό να αντικατασταθεί το ορυκτέλαιο ενός μετασχηματιστή με φυτικό έλαιο σύμφωνο με την προαναφερόμενη προδιαγραφή, χωρίς η αντικατάσταση αυτή να επιφέρει διαφορές στη λειτουργία και στη χρήση του μετασχηματιστή. Αρκεί μόνο ο μετασχηματιστής αυτός να είναι κλειστού τύπου, ή σε περίπτωση που υπάρχει δοχείο διαστολής, να προσαρμοστεί σε αυτό μία μεμβράνη, έτσι ώστε να εμποδίζεται η επικοινωνία του ελαίου με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Παράλληλα, η χρήση των φυτικών ελαίων προσφέρει και ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα κοινά ορυκτέλαια, τα οποία αναφέρονται παρακάτω: Υψηλό σημείο ανάφλεξης: Σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM 6871, τα φυτικά έλαια παρουσιάζουν υψηλό σημείο ανάφλεξης, μεγαλύτερο από 300 o C. Σύμφωνα δε με το πρότυπο IEC 61100, τα φυτικά έλαια εμπίπτουν στην κατηγορία Κ2, όπως και οι συγγενικοί τους συνθετικοί εστέρες. Συνεπώς, ενδείκνυται η χρήση τους σε εφαρμογές όπου ο κίνδυνος ανάφλεξης επιβάλλει περιορισμούς. Πρόσφατες μελέτες από μεγάλες ασφαλιστικές εταιρείες, αναγνωρίζουν ότι ένα ποσοστό μετασχηματιστών θα αστοχήσουν «επεισοδιακά». Η χρήση των φυτικών ελαίων εξασφαλίζει ότι οι συνέπειες αυτού του επεισοδίου δεν θα είναι καταστροφικές, τόσο για τον μετασχηματιστή, όσο και για τις γειτονικές του εγκαταστάσεις, καθώς έχει αποδειχθεί με πλήθος πειραμάτων ότι η στιγμιαία ανάφλεξη των φυτικών ελαίων δεν οδηγεί σε παρατεταμένη φωτιά. Τα φυτικά έλαια έχουν την ιδιότητα της «αυτοκατάσβεσης», προφυλάσσοντας

20 κατά αυτόν τον τρόπο τον εξοπλισμό μιας εγκατάστασης από πιθανή βλάβηανάφλεξη του μετασχηματιστή, ο οποίος σύμφωνα με τις ίδιες πηγές, αποτελεί στην συντριπτική πλειοψηφία των ατυχημάτων τον «θύτη» και όχι το «θύμα». Επομένως, η χρήση των λιγότερο εύφλεκτων φυτικών ελαίων, οδηγεί σε μείωση του συνολικού κόστους εγκατάστασης, αφού ουσιαστικά καταργεί την ανάγκη παρουσίας συστημάτων κατάσβεσης, τα οποία εκτός του ότι έχουν ένα αρκετά σημαντικό αρχικό κόστος αγοράς, απαιτούν και συνεχή συντήρηση. Για το έλαιο φυσικού εστέρα, Envirotemp FR3 TM, το σημείο ανάφλεξης είναι o C, ενώ το αποδεκτό όριο είναι 275 o C. Επίσης, το σημείο καύσεως είναι o C, το οποίο αποδεικνύει ότι η συμπεριφορά του ελαίου είναι κάτι παραπάνω από αποδεκτή σχετικά με την προστασία που παρέχει έναντι πυρός. Για το έλαιο φυσικού εστέρα, Midel en 1204, το σημείο ανάφλεξης είναι 327 o C, και το σημείο καύσεως είναι 360 o C. (Πίνακας 2, Πίνακας 3) Πίνακας 2: Ιδιότητες του προς δοκιμή ελαίου φυσικού εστέρα Envirotemp FR3 TM Fluid και η σύγκρισή του με τα αποδεκτά όρια. [8], [9], [10]

21 Πίνακας 3: Σημεία ανάφλεξης και καύσεως του προς δοκιμή ελαίου φυσικού εστέρα Midel en [12] Υψηλή βιοαποικοδομησιμότητα: Αν μάθαμε κάτι από τη χρήση των PCB, είναι ότι η βιοαποικοδομησιμότητα είναι αναγκαία. Τα ορυκτέλαια παρουσιάζουν αυτήν την ιδιότητα, όμως ο ρυθμός βιοαποικοδόμησής τους είναι αργός. Αντίθετα, τα φυτικά έλαια, σε συνθήκες φυσικού περιβάλλοντος, όπου το νερό, το οξυγόνο και οι μικροοργανισμοί αφθονούν, διασπώνται ταχύτατα, ενώ τα προϊόντα της αποσύνθεσής τους είναι το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα. Τα φυτικά έλαια δεν μπορούν από τη φύση τους να δημιουργήσουν τοξικά κατάλοιπα, όπως διοξίνες. Τουλάχιστον ένα φυτικό έλαιο που βρίσκεται σε κυκλοφορία από το 1999, είναι απολύτως ασφαλές, για τη χλωρίδα, την πανίδα και τον άνθρωπο, όπως επιβεβαιώνουν πλήθος περιβαλλοντικών ελέγχων. Η χρήση των φυτικών ελαίων συνάδει με τη σύγχρονη τάση αξιοποίησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι μετά το τέλος της ωφέλιμης ζωής τους, τα φυτικά έλαια αποτελούν μία εξαιρετική πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Το σημαντικότερο όμως πλεονέκτημα των φυτικών ελαίων αφορά στη βελτίωση της λειτουργίας του μετασχηματιστή, είτε αυτή μεταφράζεται σε παρατεταμένη διάρκεια ζωής, είτε σε δυνατότητα υπερφορτίσεως. Τα φυτικά έλαια έχουν λόγω της φύσης τους, την ικανότητα να διατηρούν το μονωτικό χαρτί του μετασχηματιστή σε καλύτερη κατάσταση, ακόμη και σε συνθήκες υψηλότερης θερμοκρασίας. [11] 2.3. Περιορισμοί στη χρήση Ελαίων Φυσικού Εστέρα: Εκτός των θετικών τους χαρακτηριστικών που αναφέρθηκαν παραπάνω, τα έλαια φυσικού εστέρα παρουσιάζουν και ορισμένα μειονεκτήματα τα οποία εμποδίζουν την καθιέρωσή τους στην παγκόσμια αγορά. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι η ασταθής συμπεριφορά των ελαίων φυτικής προέλευσης ως προς την οξείδωση. Βέβαια, ύστερα από σειρά μελετών και την κατάλληλη προσθήκη προσμίξεων, ήδη έχει εξασφαλιστεί μία σταθερότητα ως προς την οξείδωση και στο μέλλον αναμένεται η περαιτέρω βελτίωση των ελαίων στον συγκεκριμένο τομέα.

22 Το σημείο πήξεως είναι ακόμη ένα εμπόδιο στην καθιέρωσή τους στην εμπιστοσύνη των καταναλωτών. Παρ όλα αυτά, μετά από επεμβάσεις στη σύσταση των φυτικών ελαίων, έχει επιτευχθεί εν μέρει η μείωση του σημείου πήξης. Για παράδειγμα, ο υπό δοκιμή φυσικός εστέρας Envirotemp FR3 TM παρουσιάζει όπως φαίνεται και στον Πίνακα 2, σημείο πήξεως μεταξύ -26 και -20 o C, ενώ το κατώτερο αποδεκτό όριο είναι -18 o C. Συνεπώς, αναφορικά με το σημείο πήξεως, τα έλαια φυτικής προέλευσης επιδέχονται περαιτέρω βελτίωση. Το υψηλό ιξώδες των φυσικών εστέρων είναι ένας ακόμη λόγος της μειωμένης εμπιστοσύνης της αγοράς ως προς τα φυτικής φύσης έλαια. Όμως, καθώς τα φυτικής προέλευσης έλαια δοκιμάζονται, βελτιώνονται και επιδέχονται αλλαγές τη σύστασή τους, το ιξώδες τους μειώνεται σε πιο αποδεκτές τιμές. Για παράδειγμα, το έλαιο Envirotemp FR3 TM παρουσιάζει ιξώδες 34-35, ενώ η αποδεκτή τιμή ιξώδους είναι 50 για θερμοκρασία 40 o C, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2 παραπάνω. Το τελευταίο, αλλά εξίσου σημαντικό μειονέκτημα των ελαίων φυσικού εστέρα είναι το υψηλό κόστος παραγωγής τους. Αυτό εξηγείται καθώς η επεξεργασία για τη βελτίωση των προηγούμενων παραγόντων αυξάνει το κόστος παραγωγής του τελικού προϊόντος. Βέβαια, νέες δοκιμές και μετρήσεις δύνανται να βελτιώσουν το κόστος παραγωγής του ελαίου, αλλά όπως είναι λογικό, όσες περισσότερες είναι οι προσθήκες επί του αρχικού προϊόντος, τόσο θα αυξάνει και το συνολικό κόστος παραγωγής του μονωτικού ελαίου. [3] 2.4. Ιδιότητες των Ελαίων Συνθετικού Εστέρα: Στο υποκεφάλαιο αυτό θα αναφερθούν οι ιδιότητες των ελαίων συνθετικού εστέρα, όπως αυτές αναγράφονται στα αντίστοιχα φυλλάδια των ελαίων που χρησιμοποιήθηκαν στις δοκιμές που διενεργήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, και τα οποία είναι το Envirotemp TM 200 και το Midel Envirotemp TM 200: Πρόκειται για ένα πυρίμαχο και ψυκτικό διηλεκτρικό υγρό, το οποίο αναπτύχθηκε για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή απόδοση, κάτω από ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας. Η μοναδική του σύνθεση παρέχει πολύ χαμηλά σημεία πήξεως και τήξεως. Το έλαιο αυτό είναι ένας βιοδιασπώμενος συνθετικός εστέρας, του οποίου η απόδοση έχει αυξηθεί από ένα κατοχυρωμένο πρόσθετο πακέτο. Το προϊόν που προκύπτει, είναι ένα υγρό με χαμηλό ιξώδες και εξαιρετικές διηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες. Πιο αναλυτικά, οι ιδιότητές του παρουσιάζονται παρακάτω:

23 1. Φυσικές, Χημικές και Θερμικές Ιδιότητες: - Χαμηλό ιξώδες - Χαμηλό σημείο ροής - Εξαιρετικές λιπαντικές ιδιότητες - Ανώτερος συνδυασμός συγκεκριμένης θερμότητας και θερμικής αγωγιμότητας 2. Ευφλεκτότητα: - Υψηλό σημείο καύσεως - Ικανότητα απόσβεσης φωτιάς 3. Υγεία και Περιβάλλον: - Υψηλή βιοδιασπασιμότητα - Δεν παρουσιάζει με βάση δοκιμές που έχουν διενεργηθεί σε αυτό, τοξικότητα. [13] Πίνακας 4: Ιδιότητες του ελαίου Envirotemp TM 200. [13]

24 Midel 7131: - Υψηλό σημείο ανάφλεξης και καύσης - Υψηλή βιοδιασπασιμότητα, η οποία το καθιστά ακίνδυνο για το οικοσύστημα. Έχει αποδειχθεί μάλιστα ότι σε περίπτωση διαρροής του ελαίου αυτού σε τρεχούμενο νερό, και μάλιστα σε υψηλές συγκεντρώσεις, δεν θα υπάρξουν αρνητικές επιπτώσεις για την υδρόβια ζωή. Για το λόγο αυτό, συνίσταται η χρήση του ελαίου αυτού σε μετασχηματιστές οι οποίοι είναι τοποθετημένοι κοντά σε ποτάμια και σε ρεύματα νερού. - Είναι μη τοξικό. - Έχει πολύ υψηλή αντοχή στην υγρασία. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να απορροφήσει πολύ μεγαλύτερα ποσά νερού σε σχέση με το ορυκτέλαιο και το έλαιο σιλικόνης, χωρίς να διακινδυνεύει τις διηλεκτρικές του ιδιότητες. Η αντοχή στην υγρασία είναι ιδιαίτερα σημαντική στους μετασχηματιστές για τους παρακάτω λόγους: 1. Η διηλεκτρική αντοχή μειώνεται καθώς η περιεχόμενη υγρασία αυξάνεται. 2. Ο ρυθμός γήρανσης του χαρτιού αυξάνεται όσο η περιεχόμενη υγρασία αυξάνεται. 3. Διαμόρφωση φυσαλίδων κατά τη διάρκεια υπερφορτώσεων-οι φυσαλίδες διαμορφώνονται σε χαμηλότερη θερμοκρασία όταν στο χαρτί υπάρχει πολλή υγρασία. 4. Υγροποίηση κατά τη διάρκεια της ψύξης-κίνδυνος απελευθέρωσης τρεχούμενου νερού από το ορυκτέλαιο. [14] Πίνακας 5: Σημεία ανάφλεξης και καύσεως του ελαίου Midel [14]

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΕΛΑΙΩΝ 3.1. Γενικά: Το γενικό επίπεδο γνώσης σχετικά με την ηλεκτρική διάσπαση σε υγρά είναι λιγότερο ανεπτυγμένο από ότι είναι στην περίπτωση των αερίων και των στερεών. Πολλές απόψεις έχουν ερευνηθεί αναφορικά με τη διάσπαση των υγρών κατά τις τελευταίες δεκαετίες, αλλά τα συμπεράσματα πολλών ερευνητών δεν μπορούν να εναρμονιστούν και να παράγουν μία γενική θεωρία εφαρμόσιμη σε υγρά. Η κύρια αιτία για αυτήν την κατάσταση είναι η έλλειψη αναλυτικής θεωρίας αναφορικά με τη φυσική βάση της υγρής κατάστασης, η οποία θα σχημάτιζε τη σκελετική δομή με την οποία οι παρατηρήσεις θα μπορούσαν να συγκριθούν και να συσχετισθούν. Εκτενείς ανασκοπήσεις των δημοσιευμένων δεδομένων επί του θέματος έχουν γίνει περιοδικά και οι πιο πρόσφατες περιλαμβάνουν αυτές των Lewis, Swann, Kok, Krasucki, Zaky, Hawley και Gallagher. Η όλη εργασία εμπίπτει γενικά σε δύο σχολές απόψεων. Η μία από αυτές επιχειρεί να ερμηνεύσει τη διάσπαση υγρών με ένα πρότυπο το οποίο είναι επέκταση της αέριας διάσπασης, στηριγμένο στον ιονισμό στοιβάδας των ατόμων που προκαλείται από κρούσεις ηλεκτρονίων μέσα στο εφαρμοζόμενο πεδίο. Τα ηλεκτρόνια θεωρούνται να εγχέονται από την κάθοδο στο υγρό είτε μέσω εκπομπής πεδίου, είτε μέσω του θερμιονικού φαινομένου (Schottky) ενισχυμένου από το πεδίο. Αυτός ο τύπος μηχανισμού διάσπασης έχει θεωρηθεί ότι εφαρμόζεται σε ομογενή υγρά υπερβολικής καθαρότητας και δεν εφαρμόζεται σε εμπορικά εκμεταλλεύσιμη υγρή μόνωση. Η δεύτερη σχολή ερμηνεύει τη διάσπαση των υγρών ως αποτέλεσμα παρουσίας ξένων σωματιδίων. Σε μία προσέγγιση έχει διατυπωθεί αξιωματικά ότι τα αιωρούμενα σωματίδια πολώνονται και είναι υψηλότερης διαπερατότητας από το υγρό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να υποβάλλονται αυτά σε μία ηλεκτρική δύναμη κατευθυνόμενη προς τη θέση μέγιστης έντασης. Η συσσώρευση σωματιδίων συνεχίζεται και τείνει να σχηματίσει μία ζεύξη κατά μήκος του διακένου, η οποία οδηγεί σε έναρξη διάσπασης. Οι ρύποι μπορεί επίσης να είναι αέριες φυσαλίδες χαμηλότερης έντασης διάσπασης από το υγρό, περίπτωση κατά την οποία η διάσπαση της φυσαλίδας δύναται να πυροδοτήσει την πλήρη διάσπαση του υγρού. Πολλοί μηχανισμοί διάσπασης έχουν προταθεί από την ερευνητική κοινότητα που μπορούν να διαχωριστούν στις παρακάτω κατηγορίες: Η θεωρία ιονισμού (Ηλεκτρονική Διάσπαση), η οποία χρησιμοποιείται συχνά για την ερμηνεία της διάσπασης στα υγρά διηλεκτρικά από το 1940, σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρόνια

26 μπορούν να επιταχυνθούν και να ιονιστούν, υπό την εφαρμογή υψηλής τάσης και η διαδικασία ιονισμού-κρούσεων οδηγεί σε τελική διάσπαση. Μηχανισμός «ασθενέστερη-διαδρομή» (weakest-link theory) ή μηχανισμός αιωρούμενων στερεών σωματιδίων, σύμφωνα με τον οποίο η διάσπαση στα υγρά διηλεκτρικά ξεκινά με τοπική αστάθεια προκαλούμενη από ανομοιογένειες στο έλαιο ή ατέλειες (αιχμές) στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Θεωρία streamer (Διάσπαση Κοιλότητας), σύμφωνα με την οποία η διάσπαση σε ένα διηλεκτρικό υγρό αποτελείται από τον μηχανισμό έναρξης και διάδοσης ενός αέριου καναλιού (gaseous channel), με την διάσπαση να ολοκληρώνεται όταν γεφυρωθεί το διάκενο. Ηλεκτρομεταφορά και ηλεκτροϋδροδυναμικό πρότυπο διηλεκτρικής διάσπασης 3.2. Θεωρία ιονισμού (Ηλεκτρονική Διάσπαση): Αμφότεροι οι μηχανισμοί εκπομπής πεδίου και θερμιονικής εκπομπής ενισχυμένης από πεδίο, έχουν θεωρηθεί υπεύθυνοι για το ρεύμα στην κάθοδο. Μελέτες αγωγής σε μονωτικά υγρά για υψηλά πεδία δείχνουν ότι τα περισσότερα πειραματικά δεδομένα για το ρεύμα προσαρμόζονται καλά στην τύπου Schottky εξίσωση, στην οποία το ρεύμα είναι εξαρτημένο από τη θερμοκρασία. Μετρήσεις διάσπασης ωστόσο δείχνουν μικρή θερμοκρασιακή εξάρτηση. Αυτό υποδεικνύει ότι η καθοδική διαδικασία είναι μάλλον εκπομπή πεδίου παρά θερμιονική εκπομπή. Μόλις το ηλεκτρόνιο εγχυθεί μέσα στο υγρό, κερδίζει ενέργεια από το εφαρμοζόμενο πεδίο. Στην ηλεκτρονική θεωρία διάσπασης, εικάζεται ότι μερικά ηλεκτρόνια κερδίζουν περισσότερη ενέργεια από το πεδίο, από ότι αυτά απολύουν σε κρούσεις με μόρια. Αυτά τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται μέχρι να κερδίσουν επαρκή ενέργεια, για να ιονίσουν μόρια επί κρούσεων και να εκκινήσουν στοιβάδα. Η συνθήκη για δημιουργία στοιβάδας ηλεκτρονίων λαμβάνεται εξισώνοντας το κέρδος ενέργειας ενός ηλεκτρονίου κατά μήκος του μέσου ελεύθερου βήματός του με την ενέργεια που απαιτείται για ιονισμό του μορίου: eeλ = chu όπου Ε είναι το εφαρμοζόμενο πεδίο, λ είναι το μέσο ελεύθερο βήμα ηλεκτρονίου, hu είναι το διακριτό ποσό ενέργειας που απαιτείται κατά τον ιονισμό του μορίου και c μία αυθαίρετη σταθερά.

27 Η ηλεκτρονική θεωρία διάσπασης προβλέπει ικανοποιητικά το σχετικό μέγεθος της έντασης διάσπασης υγρών, αλλά οι παρατηρούμενες χρονικές υστερήσεις σχηματισμού είναι πολύ μεγαλύτερες από ότι προβλέπονται από αυτήν. Ο Felici εστίασε στο ότι ο ιονισμός από κρούσεις δεν μπορεί να υπάρχει στα υγρά διηλεκτρικά σε εντάσεις πεδίων μερικών MV/cm. Ο ένας λόγος είναι γιατί οι κρούσεις των ηλεκτρονίων στα υγρά διηλεκτρικά είναι κυρίως ανελαστικές και τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να φτάσουν σε επίπεδα ορμής για ιονισμό από κρούσεις. Ο άλλος λόγος είναι ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά σπάνια στα υγρά διηλεκτρικά, μιας και τα περισσότερα είναι προσαρτημένα πάνω σε μόρια σε μορφή αρνητικών ιόντων. Έτσι, αυτός ο μηχανισμός ενεργοποίησης της διάσπασης είναι μάλλον δύσκολος Μηχανισμός «ασθενέστερη-διαδρομή» (weakest-link theory) ή μηχανισμός αιωρούμενων στερεών σωματιδίων: Την περίοδο ανάμεσα στο , οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι είναι αδύνατο όλες οι θεωρίες διάσπασης να συνδέονται με ένα μηχανισμό. Έτσι, η θεωρία ασθενέστερου δεσμού (weakest link) προτάθηκε για να ερμηνεύσει την εξάρτηση της διηλεκτρικής αντοχής από παράγοντες που δεν σχετίζονταν με το διηλεκτρικό. Σύμφωνα με τα ανωτέρω, η διάσπαση στα υγρά ξεκινούσε από ασθενή σημεία είτε στο υγρό είτε στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Λόγω της αβεβαιότητας αυτών των ασθενών σημείων η διάσπαση θα μπορούσε να οφείλεται σε ακαθαρσίες, χημικά πρόσθετα, υγρασία, στα διαλυμένα αέρια, στη γεωμετρία, το υλικό και την κατάσταση των ηλεκτροδίων, την θερμοκρασία, την υδροστατική πίεση και την μορφή της εφαρμοζόμενης τάσης. Οι ανωτέρω παράμετροι μπορούν να συνυπάρχουν και μπορούν συνολικά ή αυτόνομα να προκαλέσουν ηλεκτρική διάσπαση στο υγρό. Αλλάζοντας οι συνθήκες (παράμετροι) που αναφέραμε, ο μηχανισμός και η πιθανότητα διάσπασης αλλάζουν. Λαμβάνοντας υπ όψη τις παραμέτρους αυτές, καθιερώθηκε κατά την ερευνητική διαδικασία μελέτης των διασπάσεων ο λεπτομερής έλεγχος των συνθηκών μέτρησης, με σκοπό την παραμετρική μελέτη του μηχανισμού διάσπασης. Στερεοί ρύποι μπορούν να είναι παρόντες στο υγρό, είτε ως ίνες είτε ως διεσπαρμένα στερεά σωματίδια. Ας θεωρήσουμε ένα σφαιρικό σωματίδιο ακτίνας r και διαπερατότητας ε να αιωρείται σε διηλεκτρικό υγρό διαπερατότητας ε liq. Τότε, εντός ενός πεδίου το σωματίδιο θα πολωθεί και θα υποστεί μία δύναμη που δίνεται από τη σχέση: Αυτή η δύναμη κατευθύνεται προς τη θέση μέγιστης πεδιακής έντασης αν ε>ε liq αλλά για φυσαλίδες ε<ε liq και αυτή έχει την αντίθετη κατεύθυνση. Η δοθείσα δύναμη από την εξίσωση αυξάνει, καθώς η διαπερατότητα (ε) του

28 αιωρούμενου σωματιδίου αυξάνει και για ένα αγώγιμο σωματίδιο, για το οποίο, η δύναμη γίνεται: Έτσι, η δύναμη παροτρύνει το σωματίδιο να κινηθεί στην περιοχή του ισχυρότερου πεδίου. Σε ένα διάκενο ομοιόμορφου πεδίου ή διάκενο σφαιρών μικρού μήκους το ισχυρότερο πεδίο είναι στην ομοιόμορφη περιοχή. Αν η διαπερατότητα του σωματιδίου είναι υψηλότερη από αυτήν του μέσου, τότε η παρουσία του στην περιοχή ομοιόμορφου πεδίου επιφέρει συγκέντρωση ηλεκτρικής ροής στην επιφάνειά του. Επιπρόσθετα σωματίδια θα ελκυσθούν στην περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης ροής και με τον χρόνο θα ευθυγραμμιστούν από την κεφαλή προς τα πίσω σχηματίζοντας μία ζεύξη κατά μήκος του διακένου. Το πεδίο στο υγρό μεταξύ των σωματιδίων θα ενισχυθεί, κι αν αυτό φθάσει σε μία κρίσιμη τιμή, έπεται διάσπαση. Η κίνηση ηλεκτρονίων λόγω ηλεκτρικής δύναμης ανταγωνίζεται από την οπισθέλκουσα (δύναμη αντιτιθέμενη στην κίνηση ενός σώματος μέσα σε ρευστό) ιξώδους και εφόσον τα σωματίδια κινούνται στην περιοχή υψηλής πεδιακής έντασης, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η διάχυση. Για ένα σωματίδιο ακτίνας r βραδέως κινούμενο με μία ταχύτητα u σε ένα μέσο ιξώδους η, η οπισθέλκουσα δύναμη δίνεται από τη σχέση του Stokes: Εξισώνοντας την ηλεκτρική δύναμη με την οπισθέλκουσα δύναμη F drag =F e, λαμβάνουμε: όπου u e είναι η ταχύτητα του σωματιδίου προς την περιοχή μέγιστης πεδιακής έντασης. Αν συμπεριληφθεί η διαδικασία διάχυσης, η ταχύτητα ολίσθησης λόγω διάχυσης θα δίνεται από την εξίσωση: Η σχέση στο δεξί μέλος της εξίσωσης απορρέει από τη σχέση Strokes- Einstein. D = kt/6πrη, όπου k είναι η σταθερά Boltzmann και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία. Η εξίσωση της u e με τη u d δίνει:

29 Αυτή η σχέση εισάγει εξάρτηση της πεδιακής έντασης διάσπασης στο χρόνο από τη συγκέντρωση N των σωματιδίων, την ακτίνα τους και το ιξώδες του υγρού. Η κρίσιμη τιμή εγκάρσιου πεδίου Ε(x), είναι η τιμή ισορροπίας πέραν της οποίας αργά ή γρήγορα θα συμβεί η διάσπαση και μπορεί να ληφθεί από ολοκλήρωση της παραπάνω εξίσωσης. Αν η αύξηση στην ηλεκτροστατική ενέργεια, όταν τα σωματίδια ολισθαίνουν προς το μέρος μέγιστης πεδιακής έντασης, είναι πολύ μικρότερη από την κινητική τους ενέργεια, δηλαδή, η ζωή της μόνωσης είναι άπειρη. Το κριτήριο για τη διάσπαση, που προκύπτει από κίνηση σωματιδίων προς την περιοχή υψηλής πεδιακής έντασης, αντιστοιχεί στη συνθήκη: Αν θεωρήσουμε την περίπτωση κατά την οποία, η αρχική μη-ομοιομορφία του πεδίου προκαλείται από ένα ημισφαιρικό κύρτωμα του ηλεκτροδίου και υποθέσουμε ότι ένα εφαρμοζόμενο πεδίο Ε 0 θα οδηγήσει σε διάσπαση κατόπιν μιας μακροχρόνιας εφαρμογής, τότε η μέγιστη ένταση στην κορυφή της σφαίρας είναι 3Ε 0, ή γενικά, η μέγιστη πεδιακή ένταση είναι ge 0, όπου g είναι ένας γεωμετρικός συντελεστής. Τότε, η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως: 3.4. Θεωρία streamer (Διάσπαση Κοιλότητας): Με την εξέλιξη των καμερών υψηλής ταχύτητας (ICCD), προτάθηκε η θεωρία streamer για την ερμηνεία των διασπάσεων στα υγρά διηλεκτρικά. Η θεωρία αυτή ξεκίνησε το 1970 ερμηνεύοντας την εξάρτηση της διηλεκτρικής αντοχής διηλεκτρικών υγρών από τη πίεση και τη δημιουργία φυσαλίδων υπό μεγάλη πεδιακή ένταση. Η αρχική ερμηνεία της θεωρίας streamer ξεκίνησε ως «μηχανισμός φυσαλίδας», ο οποίος προέκυψε από την εμφάνιση φυσαλίδων κατά τη διάσπαση. Λεπτομερής μελέτη της επίδρασης των φυσαλίδων συνοψίζεται από τον Hayakawa. Μετά το 1980, η χρήση καμερών μεγάλης ταχύτητας βοήθησε τους ερευνητές να μελετήσουν λεπτομερώς την διαδικασία της διάσπασης μέσα στα υγρά διηλεκτρικά. Σε μη-ομοιογενές πεδίο ακίδας-πλάκας, παρατηρήθηκαν φυσαλίδες διαμέτρου περί τα 50 μm κοντά στην ακίδα ακριβώς πριν την έναρξη της εκκένωσης. Ο μηχανισμός streamer θεωρεί ότι η διάσπαση ξεκινά από φυσαλίδα μέσα στην οποία ξεκινά και εξελίσσεται η διάσπαση, με μηχανισμό παρόμοιο με τον αέρα, ακολουθώντας μηχανισμούς κρούσης και

30 ιονισμού με αποτέλεσμα η φυσαλίδα να επιμηκύνεται ως κανάλι ιονισμού κατά μήκος του διακένου. Η θεωρία του μηχανισμού streamer έχει πλέον επικρατήσει και είναι ευρέως αποδεκτή. Σύμφωνα με αυτή, οι διαδικασίες εκκένωσης μέσα στα υγρά διηλεκτρικά είναι ο streamer έναρξης (initiation streamer), ο streamer διάδοσης (propagation streamer) και η τελική διάσπαση. Ερευνητές έχουν παρουσιάσει τις διαφορές των μηχανισμών σε ομοιογενές και μη ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Ο μηχανισμός διάσπασης που επικρατεί σε ομοιογενή αλλά και μη ομοιογενή πεδία, είναι ο μηχανισμός έναρξης streamer (initiation streamer), όπου η θεωρία weakest-link δεν μπορεί να εφαρμοστεί. Μονωτικά υγρά δύνανται να περιέχουν αέρια εγκλείσματα υπό τη μορφή φυσαλίδων. Οι διαδικασίες μέσω των οποίων σχηματίζονται φυσαλίδες περιλαμβάνουν: Θυλάκια αέρα στην επιφάνεια ηλεκτροδίων Αλλαγές στη θερμοκρασία και στην πίεση Αποσύνδεση προϊόντων μέσω ηλεκτρονικών κρούσεων, δίνοντας αφορμή για τον σχηματισμό αέριων προϊόντων Εξάτμιση υγρού από εκκενώσεις τύπου κορώνας σε ακίδες και ανωμαλίες επί των ηλεκτροδίων Το ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε μία φυσαλίδα αερίου, η οποία είναι βυθισμένη σε ένα υγρό διαπερατότητας ε liq δίνεται από τη σχέση: όπου Ε 0 είναι το πεδίο εντός του υγρού, απουσία της φυσαλίδας. Όταν το πεδίο γίνεται ίσο με το πεδίο ιονισμού αέριας φάσης, λαμβάνει χώρα εκκένωση, η οποία οδηγεί σε αποσύνθεση του υγρού και δύναται να ακολουθήσει διάσπαση. Ο Kao έχει αναπτύξει μία πιο ακριβή έκφραση για την πεδιακή ένταση διάσπασης (διηλεκτρική αντοχή) «φυσαλίδας», η οποία είναι της μορφής: όπου σ είναι η επιφανειακή τάση του υγρού, ε 1 και ε 2 είναι οι διαπερατότητες του υγρού και της φυσαλίδας, αντίστοιχα, r είναι η αρχική ακτίνα της φυσαλίδας (αρχικά σφαιρική, η οποία θεωρείται να επιμηκύνεται υπό την

31 επίδραση του πεδίου) και V b είναι η πτώση τάσης μέσα στη φυσαλίδα. Αυτή η έκφραση μαρτυρά ότι η κρίσιμη ένταση ηλεκτρικού πεδίου που απαιτείται για διάσπαση υγρού εξαρτάται από το αρχικό μέγεθος της φυσαλίδας, το οποίο επηρεάζεται από την εξωτερική πίεση και θερμοκρασία. Έχει παρατηρηθεί πειραματικά μία ισχυρή εξάρτηση της πεδιακής έντασης διάσπασης υγρού από την εφαρμοζόμενη υδροστατική πίεση. Εμπορικά μονωτικά υγρά δεν μπορούν να υποβληθούν εύκολα σε πολύ εξεζητημένη επεξεργασία κάθαρσης και η διηλεκτρική αντοχή τους εξαρτάται συνήθως από τη φύση των παρόντων ρύπων Ηλεκτρομεταφορά και ηλεκτροϋδροδυναμικό πρότυπο διηλεκτρικής διάσπασης: Η σπουδαιότητα της ηλεκτρομεταφοράς σε μονωτικά υγρά υποβαλλόμενα σε υψηλές τάσεις δεν επιδοκιμαζόταν μέχρι πρόσφατα. Η περισσότερη εργασία προέρχεται από τον Felici και τους συνεργάτες του. Σε άκρως κεκαθαρμένα διηλεκτρικά υγρά υποβαλλόμενα σε υψηλή τάση, η ηλεκτρική αγωγή απορρέει κυρίως από φορείς φορτίου εγχεόμενους μέσα στο υγρό από την επιφάνεια ηλεκτροδίων. Το προκύπτον φορτίο χώρου εγείρει δύναμη Coulomb, η οποία υπό ορισμένες συνθήκες, προκαλεί υδροδυναμική αστάθεια που παράγει μεταδιδόμενο ρεύμα. Έπεται ότι κάθε φορά που η αγωγή σε ένα ρευστό συνοδεύεται από σχηματισμό σημαντικού φορτίου χώρου, είναι πολύ πιθανό να συμβεί κίνηση μεταφοράς. Ο Lacroix κ.α. έχουν μελετήσει τις συνθήκες υπό τις οποίες εγκαθίσταται τυρβώδης κίνηση. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια παράλληλων πλακών κι ελεγχόμενο ρεύμα έγχυσης, αυτοί έδειξαν ότι η έναρξη αστάθειας σχετίζεται με μία κρίσιμη τάση. Παρατήρησαν ότι καθώς η εφαρμοζόμενη τάση αυξάνεται πλησίον της κρίσιμης τάσης, η κίνηση αρχικά παρουσιάζει μία δομή εξαγωνικών κυψελών. Με μία επιπλέον αύξηση στην τάση η κίνηση γίνεται τυρβώδης. Έτσι, η αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικού πεδίου και φορτίου χώρου γίνεται αφορμή για δυνάμεις που προσδίδουν μία στροβιλώδη κίνηση στο υγρό. Έχει αποδειχθεί ότι σε τάσεις πλησίον στη διάσπαση, η ταχύτητα αυτής της κίνησης πλησιάζει μία τιμή δοθείσα από τη σχέση όπου ε είναι η διαπερατότητα του υγρού, p η ειδική μάζα και Ε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Σε υγρά, ο λόγος αυτής της ταχύτητας προς την ιονική ταχύτητα ολίσθησης ΚΕ (όπου Κ η κινητικότητα και Ε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου), δηλαδή ο λόγος, είναι πάντα μεγαλύτερος της μονάδας και μερικές φορές πάρα πολύ μεγαλύτερος από αυτήν. Ο λόγος Μ θεωρείται ότι παίζει έναν κυρίαρχο ρόλο στη θεωρία ηλεκτρομεταφοράς. Έτσι, η μεταφορά φορτίου γίνεται κυρίως από κίνηση υγρού και όχι από ιονική ολίσθηση. Η συνθήκη-κλειδί για την έναρξη αστάθειας είναι να υπερβεί η ταχύτητα ροής την ιοντική ταχύτητα ολίσθησης. [2], [4]

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΧΡΗΣΗ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΕΛΑΙΩΝ 4.1. Γενικά: Τα μονωτικά έλαια είναι ευρέως διαδεδομένα και το πεδίο χρήσης τους τεράστιο. Χρησιμοποιούνται κυρίως στην υψηλή τάση και η παρουσία τους είναι συνηθισμένη σε: Μετασχηματιστές ισχύος Ελαιοδιακόπτες Πυκνωτές Μονωτήρες διελεύσεως Μετασχηματιστές μετρήσεων Καλώδια Αναλόγως τη χρήση τους, τα μονωτικά έλαια πρέπει να τηρούν ορισμένες απαιτήσεις, όπως για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιούνται στους μετασχηματιστές και στους διακόπτες, θα πρέπει να έχουν καλές ψυκτικές ιδιότητες με ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης. Επίσης, στους ελαιοδιακόπτες, θα πρέπει το έλαιο να αντέχει στα τόξα που δημιουργούνται, χωρίς τον κίνδυνο δημιουργίας εναποθέσεων. Στους πυκνωτές, το έλαιο θα πρέπει να είναι απόλυτα μονωτικό, ώστε να μην υπάρχουν καθόλου απώλειες και για να αντέχει σε υψηλές τάσεις. Τα χαρακτηριστικά κάθε ελαίου θα πρέπει να διατηρούνται για μεγάλο χρονικό διάστημα, και ιδίως στους μετασχηματιστές Μετασχηματιστές: Εισαγωγή: Η γρήγορη εξέλιξης της χρήσης του ηλεκτρισμού απαιτεί τη βελτίωση του συστήματος ισχύος, δηλαδή την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να υπάρχει ένα υψηλό επίπεδο ασφάλειας και αξιοπιστίας. Αυτό εμπερικλείει και τη δυνατότητα των καταναλωτών του δικτύου να έχουν την επιθυμητή τάση ανάλογα με την εγκατάστασή τους. Οι μετασχηματιστές συνιστούν μία τεχνολογία που καλύπτει αυτήν την ανάγκη και έχει βρει πολλαπλές και ποικίλες εφαρμογές εδώ και δεκαετίες. Καλύπτουν ανάγκες μίας μεγάλης ποικιλίας εγκαταστάσεων, από τις πλέον μεγάλες, όπως είναι οι ηλεκτρικοί υποσταθμοί, έως τις πιο μικρές, όπως είναι οι οικιακές ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές. Καθοριστική είναι επίσης, η ύπαρξη των μετασχηματιστών στην ανύψωση και στον υποβιβασμό της τάσης στα συστήματα μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας.

33 Σχήμα 2: Δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας [15] Καθώς η σφαίρα εφαρμογών των μετασχηματιστών είναι ευρεία, έχουμε διαφορετικούς τύπους μετασχηματιστών που ο σκοπός τους καθορίζει και τον τρόπο κατασκευής τους. Για παράδειγμα, στους μετασχηματιστές τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών, η κύρια απαίτηση συνίσταται στην πιστότητα αναπαραγωγής του σήματος, σε ευρεία περιοχή συχνότητας και τάσης. Στους μετασχηματιστές αυτούς, το υλικό, οι διαστάσεις και η διάταξη των τυλιγμάτων, υπαγορεύονται από την ανάγκη ύπαρξης ηλεκτρικών και μαγνητικών χαρακτηριστικών, τα οποία έχουν ως αποτέλεσμα ικανοποιητική απόκριση συχνότητας και ανεκτή παραμόρφωση. Οι συνήθεις τύποι μετασχηματιστών είναι οι παρακάτω: Μετασχηματιστές ισχύος: Χρησιμοποιούνται στους σταθμούς παραγωγής για την ανύψωση της τάσης και στους υποσταθμούς για την ανύψωση ή για τον υποβιβασμό της τάσης μέχρι τη Μέση Τάση. Η ισχύς υπερβαίνει συνήθως τα 2 MVA. Μετασχηματιστές διανομής: Χρησιμοποιούνται στο δίκτυο διανομής ώστε να μεταφέρουν ενέργεια από τη μέση τάση στο δίκτυο χαμηλής τάσης των καταναλωτών. Η ισχύς τους είναι από 50 kva έως και 1600 kva. Αυτομετασχηματιστές: Για τη μετατροπή τάσεων εντός σχετικά μικρών ορίων, για σύνδεση συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας διαφόρων τάσεων, για εκκίνηση κινητήρων Ε.Ρ. κλπ. Μετασχηματιστές δοκιμών: Για εκτέλεση δοκιμών με υψηλή και υπερυψηλή τάση.

34 Μετασχηματιστές ανόρθωσης Μετασχηματιστές μετρήσεων: Για σύνδεση οργάνων μετρήσεως σε δίκτυα με σκοπό τη μέτρηση της τάσεως και της εντάσεως. Μετασχηματιστές τηλεπικοινωνιών Εν τούτοις, σε όλες τις περιπτώσεις, οι κύριες μέθοδοι καθορισμού της λειτουργίας ενός μετασχηματιστή καθώς και της μελέτης των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αυτόν, είναι ουσιαστικά οι ίδιες Δομή μετασχηματιστή: Ο μετασχηματιστής είναι μία ηλεκτρική μηχανή με σταθερά μέρη, η οποία έχει δύο πηνία για κάθε φάση, τα οποία είναι μαγνητικά συζευγμένα και ηλεκτρικά ανεξάρτητα μεταξύ τους. Το τύλιγμα που τροφοδοτούμε το ονομάζουμε πρωτεύον και αυτό από το οποίο λαμβάνουμε την ηλεκτρική ενέργεια με μετασχηματισμένη τάση το ονομάζουμε δευτερεύον. Σχήμα 3: Απλοποιημένη δομή μονοφασικού μετασχηματιστή [4] Η λειτουργία του μετασχηματιστή βασίζεται σε δύο αρχές. Πρώτον, ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να παράγει μαγνητικό πεδίο και δεύτερο, ότι ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που διαρρέει ένα πηνίο επάγει τάση στα άκρα του πηνίου. Επομένως, αλλάζοντας το ρεύμα στο πρωτεύον, αλλάζει και η μαγνητική ροή που εγκαθίσταται και η μεταβολή της μαγνητικής ροής επάγει μία τάση στο δευτερεύον του πηνίου. Ένας ιδανικός μετασχηματιστής, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, έχει εγκατεστημένα τα πηνία του τυλιγμένα γύρω από έναν πυρήνα πολύ υψηλής μαγνητικής επιτρεπτότητας, όπως ο σίδηρος, έτσι ώστε η μαγνητική ροή να διατρέχει και τα δύο πηνία. Ανάλογα με τη χρήση του μετασχηματιστή, έχουμε αντίστοιχα επίπεδα τάσεως λειτουργίας και αντίστοιχα μονοφασικούς και τριφασικούς

35 μετασχηματιστές. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι μονοφασικών και τριφασικών μετασχηματιστών: Τύπος πυρήνα: Στον μονοφασικό, τα τυλίγματα τοποθετούνται στα δύο σκέλη του μαγνητικού κυκλώματος. Κάθε σκέλος αυτού περιλαμβάνει το μισό των ελιγμάτων αμφότερων των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος. Τα δύο σκέλη ενώνονται με ζυγούς, οι οποίοι κλείνουν το μαγνητικό κύκλωμα. Στον τριφασικό τύπου πυρήνα, έχουμε τρία σκέλη αντί για δύο. Τύπος κελύφους: Στον μονοφασικό, τα τυλίγματα του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος βρίσκονται στο μεσαίο σκέλος και το μαγνητικό κύκλωμα διαθέτει τώρα τρία σκέλη. Η διατομή του μεσαίου σκέλους είναι περίπου διπλάσια των δύο άλλων σκελών, διότι η συνολική ροή στο μεσαίο σκέλος διανέμεται έτσι, ώστε τα εξωτερικά σκέλη και οι ζυγοί να διαρρέονται από το μισό της ροής. Στον τριφασικό τύπου κελύφους, έχουμε απλά συνένωση τριών μονοφασικών μετασχηματιστών τύπου κελύφους. Στο παρακάτω σχήμα παρατηρούμε στα αριστερά έναν μονοφασικό μετασχηματιστή κελύφους (πάνω) και έναν αντίστοιχο τριφασικό (κάτω), ενώ στα δεξιά παρατηρούμε έναν μονοφασικό μετασχηματιστή τύπου πυρήνα (πάνω) και έναν αντίστοιχο τριφασικό (κάτω). Σχήμα 4 [4]

36 Μετασχηματιστές ισχύος: Η εργασία μας επικεντρώνεται στους μετασχηματιστές ισχύος μέσης και υψηλής τάσης οι οποίοι είναι τριφασικοί και είναι συνήθως τύπου πυρήνα. Αυτοί, όπως είναι λογικό εμφανίζουν σημαντικές θερμικές απώλειες λόγω των τυλιγμάτων (ωμικές απώλειες) και λόγω του πυρήνα (από υστέρηση και δινορεύματα). Η απαγωγή της θερμότητας στον περιβάλλοντα χώρο και η ηλεκτρική μόνωση μεταξύ των μερών του μετασχηματιστή επιτυγχάνεται γενικά με αέρα ή με έλαιο. Με βάση το μέσο ηλεκτρικής και θερμικής μόνωσής τους, χωρίζονται σε μετασχηματιστές ελαίου και μετασχηματιστές ξηρού τύπου. Οι ξηρού τύπου μετασχηματιστές ψύχονται ή με ακτινοβολία και φυσική έλξη (αυτόψυξη) ή με τη βοήθεια ανεμιστήρα (εξωτερικός αερισμός) και χρησιμοποιούνται σε μικρής ισχύος μετασχηματιστές, μέχρι 25 kva. Σχήμα 5: Αριστερά: Μετασχηματιστής ελαίου (air-breathing) Δεξιά: Μετασχηματιστής ξηρού τύπου [4] Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει το έλαιο ως μονωτικό έναντι του αέρα είναι τα παρακάτω: Το μεγαλύτερο ειδικό βάρος, η μεγαλύτερη ειδική θερμότητα και η μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα του ελαίου έχουν ως αποτέλεσμα την καλή απαγωγή της θερμότητας των απωλειών σιδήρου (λόγω του πυρήνα) και χαλκού (λόγω των ελιγμάτων) και τη δυνατότητα αποθήκευσης μεγάλης ποσότητας ενέργειας θερμότητας. Το έλαιο αντέχει σε υψηλότερες τάσεις απ ότι ο αέρας, διότι η αντοχή διασπάσεως του ελαίου μετασχηματιστών είναι περίπου εξαπλάσια. Επομένως, στην πλειοψηφία των εφαρμογών, χρησιμοποιούμε μετασχηματιστές ελαίου σε αυτές τις τάσεις, οι οποίοι ανάλογα με το αν το έλαιο ψύχεται ή όχι, χωρίζονται σε air-breathing (χρησιμοποιούν φίλτρα για

37 την αφαίρεση της υγρασίας και η ψύξη του ελαίου γίνεται από τον αέρα) και σε hermetic (όπου το έλαιο δεν ψύχεται). Η μεγάλη πλειοψηφία των μετασχηματιστών ελαίου είναι air-breathing Βασικά κατασκευαστικά μέρη μετασχηματιστή ισχύος ελαίου: Τα βασικά μέρη ενός μετασχηματιστή μεγάλης ισχύος με ηλεκτρομονωτικό έλαιο είναι τα παρακάτω: Ένα κατάλληλο χαλύβδινο δοχείο που περικλείει τον πυρήνα και τα τυλίγματα, το οποίο είναι γεμάτο με μονωτικό έλαιο. Στο επάνω μέρος του δοχείου υπάρχει σιδερένιο καπάκι που στερεώνεται στο δοχείο περιφερειακά με βίδες. Επάνω στο καπάκι τοποθετούνται οι μονωτήρες μέσης και υψηλής τάσεως, ενώ στα πλευρικά βρίσκονται κατάλληλες υποδοχές για την τοποθέτηση των ψυγείων ψύξεως του ελαίου. Όταν τα τυλίγματα του μετασχηματιστή διαρρέονται από ρεύμα, εκλύεται κατά το γνωστό φαινόμενο Joule θερμότητα. Έτσι, έχουμε μία απώλεια ενέργειας από το χαλκό των τυλιγμάτων. Ωστόσο, θερμότητα εκλύεται επίσης από τον πυρήνα λόγω κυκλοφορίας μέσα σε αυτόν των δινορευμάτων. Η θερμότητα που εκλύεται πρέπει να αποβάλλεται στο περιβάλλον ώστε να μην πλησιάζει η θερμοκρασία του μετασχηματιστή σε επικίνδυνα όρια. Το μονωτικό έλαιο είναι αυτό που λειτουργεί σαν ψυκτικό μέσο. Τα τυλίγματα κατασκευάζονται από σύρματα μονωμένα. Το σώμα του πυρήνα αποτελείται από λεπτά σιδερένια ελάσματα, μονωμένα μεταξύ τους ηλεκτρικά. Επειδή στον πυρήνα εμφανίζεται το φαινόμενο της ανάπτυξης δινορευμάτων, με κατάλληλη κατεργασία μετάλλων και με κατάλληλες προσμίξεις, έχει επιτευχθεί η μείωση των απωλειών του πυρήνα στο ελάχιστο. Τα ελάσματα πρέπει να έχουν κατάλληλο σχήμα ώστε να μπαίνουν τα πηνία εύκολα στα ανοίγματα που σχηματίζουν. Τους μονωτήρες μέσης και υψηλής τάσης που χρησιμεύουν για την ασφαλή διέλευση του ρεύματος. Οι μονωτήρες υψηλής τάσης είναι συνήθως τύπου πυκνωτή. Το εσωτερικό του μονωτήρα αποτελείται από μονωτικό υλικό, συνήθως χαρτί στο οποίο έχουν παρεμβληθεί κύλινδροι από φύλλα κασσίτερου ή αλουμινίου. Με τον τρόπο αυτό, από τον αγωγό διελεύσεως μέχρι το σώμα του μετασχηματιστή παρεμβάλλεται μία σειρά από πυκνωτές ίσης χωρητικότητας. Σκοπός των πυκνωτών αυτών είναι η ομαλή κατανομή της τάσης σε όλο το πάχος του μονωτικού, για να μην καταπονούνται ηλεκτρικά ορισμένα τμήματα της μόνωσης.

38 Αναφορικά με τους μονωτήρες μέσης τάσης, δύο είναι οι βασικοί τύποι που χρησιμοποιούνται. Ο ένας είναι όμοιος με αυτούς της υψηλής τάσης και ο άλλος συνίσταται σε έναν μονωτήρα από πορσελάνη, ο οποίος είναι γεμάτος με έλαιο, το οποίο επικοινωνεί υδραυλικά με το έλαιο ψύξης του μετασχηματιστή. Το δοχείο διαστολής, το οποίο χρησιμεύει για να δέχεται την αύξηση του όγκου του ελαίου όταν αυτό θερμαίνεται κατά τη λειτουργία του μετασχηματιστή. Στο δοχείο διαστολής υπάρχει δείκτης στάθμης ελαίου, ώστε να ελέγχεται οπτικά η ποσότητα του ελαίου που υπάρχει μέσα σε αυτό. Ο δείκτης μπορεί να είναι ένας απλός γυάλινος σωλήνας, που δείχνει τη στάθμη με βάση την αρχή των συγκοινωνούντων δοχείων ή ένας μαγνητικός δείκτης, που καταγράφει τη στάθμη με μία κατακόρυφη σειρά από μικρούς μαγνήτες, οι οποίοι ενεργοποιούνται από πλωτήρα με μεταλλικό στοιχείο που επιπλέει μέσα στο δοχείο. Το ψυγείο του ελαίου που χρησιμεύει για τη ψύξη του ελαίου. Για την καλύτερη απαγωγή της θερμότητας τοποθετούνται εξωτερικά του δοχείου του μετασχηματιστή τα ψυγεία που διαθέτουν εκτεταμένες επιφάνειες εναλλαγής θερμότητας. Στους μετασχηματιστές μεγάλης ισχύος με έλαιο, η ψύξη του ελαίου διευκολύνεται ακόμη περισσότερο με την εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα χρησιμοποιώντας ανεμιστήρες. Την ασφαλιστική διάταξη Bouchholtz, η οποία τοποθετείται μεταξύ του δοχείου διαστολής και του σώματος του μετασχηματιστή. Αυτή φέρει έναν πλωτήρα οπτικής και ηχητικής σήμανσης, έναν πλωτήρα διακοπής, έναν εξαεριστικό κρουνό και έναν κρουνό αποστράγγισης και συνιστά μία διάταξη ευαίσθητη και αξιόπιστη για την προστασία του μετασχηματιστή από διαρροή ελαίου και υπερθέρμανση. Αυτό διότι αν εξαιτίας μίας διαρροής ελαίου αδειάσει το δοχείο διαστολής και κατέβει η στάθμη του ελαίου κάτω από τον πλωτήρα σήμανσης, θα κλείσουν οι επαφές της διάταξης, θα ηχήσει σειρήνα και θα αρχίσει να αναβοσβήνει μία λάμπα. Τον αφυγραντήρα, που μπορεί να είναι εφοδιασμένος με χημικό φίλτρο, ώστε να εμποδίζει την «εισπνοή» της υγρασίας από την ατμόσφαιρα στο δοχείο. Αυτός συνεισφέρει στην ασφαλή και έμπιστη λειτουργία του μετασχηματιστή, καθώς η υγρασία ελαττώνει τη διηλεκτρική δυνατότητα του ελαίου και τη μονωτική ικανότητα του μονωτικού χαρτιού.

39 Μονωτικό χαρτί: Σχήμα 6: Δομικά μέρη μετασχηματιστή ισχύος [4] Το μονωτικό χαρτί από πολτό ξύλου, επειδή είναι ευκολότερο να κατασκευαστεί από άλλα υλικά, χρησιμοποιείται σε μία ποικιλία συστημάτων μόνωσης καλωδίων, πυκνωτών αλλά και μετασχηματιστών. Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι του είναι το Kraftpaper. Αποτελείται από 90% κυτταρίνη (cellulose), 6-7% λιγνίνη (lignin) και 3-4% πεντοσάνες (pentosans). Όσον αφορά τους μετασχηματιστές, αποτελεί το βασικό στέρεο μονωτή (χρησιμοποιείται ως περιέλιξη στα τυλίγματα), αφού σε ένα μετασχηματιστή υψηλής τάσης μπορεί να περιέχονται περίπου 12 τόνοι μονωτικού χαρτιού και 40 τόνοι μονωτικού ελαίου. Έχει αποδειχθεί ότι το μονωτικό χαρτί έχει αρκετά καλές φυσικές και χημικές ιδιότητες για να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρομονωτικό υλικό. Έχει όμως ένα σημαντικό μειονέκτημα, το γεγονός ότι αποσυντίθεται εύκολα. Αυτή η διάσπαση παράγει παραπροϊόντα όπως νερό, CO, CO 2, τα οποία μειώνουν την συνολική ικανότητα μόνωσης και είναι επικίνδυνα για τον άνθρωπο και για το περιβάλλον Χρόνος ζωής μετασχηματιστή: Αιτίες αστοχίας μετασχηματιστή: Ο χρόνος ζωής ενός μετασχηματιστή αποτελεί τη χρονική διάρκεια κατά την οποία η συσκευή θα μπορεί να εκτελεί τη λειτουργία της στο δίκτυο. Σχετίζεται κυρίως με την υποβάθμιση της μόνωσης, που προκαλείται από τη θερμική καταπόνηση του μονωτικού χαρτιού και από την ηλεκτροχημική αποσύνθεση

40 του λαδιού. Τα παραγόμενα παραπροϊόντα μέσα στο μονωτικό υγρό είναι το νερό και άλλα συστατικά μερικώς πολωμένου ή ιονισμένου χαρακτήρα. Επίσης, κατά τη διάρκεια της αποικοδόμησης του ελαίου συντελείται η θραύση των μοριακών αλυσίδων των υδρογονανθράκων και αναπτύσσονται αέρια παραπροϊόντα, τα οποία αφήνουν μεγάλες ελεύθερες ρίζες στην υγρή φάση. Οι συγκρούσεις μεταξύ τέτοιων ελεύθερων ριζών παράγουν συνήθως μεγάλα συσσωματώματα κολλοειδών προϊόντων αποσύνθεσης με ένα μέσο μοριακό βάρος από 450 έως 550, τα οποία δεν είναι πλέον διαλυτά στο έλαιο και καθιζάνουν με τη μορφή λάσπης ή στάχτης. Ο χρόνος ζωής δεν εξαρτάται μόνο από τη φόρτιση, αλλά επηρεάζεται και από τον τύπο του χαρτιού, την σύνθεσή του, την υγρασία και την παρουσία οξυγόνου, όπως και από το επίπεδο οξύτητας του ελαίου. Όσο η υποβάθμιση της μόνωσης εκτυλίσσεται, τα επίπεδα οξύτητας του ορυκτέλαιου αυξάνονται και συμβαίνουν ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μεταξύ του ελαίου και του μεταλλικού εξοπλισμού του μετασχηματιστή (κυρίως με το δοχείο που εμπερικλείει τη συσκευή). Επίσης, η υποβάθμιση του μονωτικού ελαίου μπορεί να οδηγήσει στην αύξηση της υγρασίας, στην ενίσχυση της πιθανότητας για μικροεκκενώσεις της μόνωσης και στη μείωση της διηλεκτρικής αντοχής του συστήματος μόνωσης χαρτί-έλαιο. Συχνά, συμβαίνουν αστοχίες σε μετασχηματιστές υψηλής και υπερυψηλής τάσης εξαιτίας του νηματοειδούς αγώγιμου δίαυλου ηλεκτρονίων (streaming electrification). Αυτό το φορτίο δημιουργείται στις διεπιφάνειες μεταξύ του κινούμενου μονωτικού ελαίου και των στέρεων μονωτικών υλικών του μετασχηματιστή ισχύος. Με την πάροδο του χρόνου, η μόνωση του μετασχηματιστή αδυνατίζει και κάθε είδους αστοχίες μπορούν να συμβούν στο μετασχηματιστή, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν μέχρι και στην έκρηξη αυτού. Η έκρηξη του μετασχηματιστή συνοδεύεται από τη διαρροή ελαίου, γεγονός το οποίο είναι επιβλαβές για το περιβάλλον. Σχήμα 7: Μετασχηματιστής ελαίου έπειτα από έκρηξη [4]

41 Τα αποτελέσματα της καταστροφής ενός μετασχηματιστή είναι πέραν της καταστροφής του περιβάλλοντος, η επικινδυνότητα για τους εργαζόμενους της περιοχής και το μεγάλο κόστος αντικατάστασής του. Βέβαια, η γήρανση δεν αποτελεί το μοναδικό λόγο αστοχίας σε έναν μετασχηματιστή. Εάν συνέβαινε αυτό, τότε θα είχαμε πολύ λιγότερα προβλήματα να επιλύσουμε. Οι αστοχίες προκαλούνται είτε από εσωτερικούς είτε από εξωτερικούς παράγοντες. Για τους εσωτερικούς αναφερθήκαμε παραπάνω (αστοχία μόνωσης, κατασκευαστικά λάθη, «μόλυνση ελαίου») και είναι αυτοί οι οποίοι στην πλειοψηφία των περιπτώσεων προκαλούν την αστοχία. Βάσει παρατηρήσεων αστοχιών σε μετασχηματιστές ισχύος, προέκυψε ότι ο κυριότερος λόγος αστοχιών είναι η δυσλειτουργία της μόνωσης του μετασχηματιστή που οφείλεται στην οξύτητα, στην οξείδωση και στη θερμότητα. Σύμφωνα με μελέτες, τα τελευταία χρόνια, οι αστοχίες στους μετασχηματιστές του ηλεκτρικού δικτύου έχουν αυξηθεί. Η αυξανόμενη χρησιμοποίηση του εξοπλισμού λόγω των αυξανόμενων αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, σε συνδυασμό με τη μη επένδυση κεφαλαίου για τη συντήρηση και αναβάθμιση του εξοπλισμού, οδηγούν σε αυτό το αποτέλεσμα Επίδραση της γήρανσης του ελαίου στη μιγαδική διηλεκτρική σταθερά: Με βάση τα παραπάνω, για διάφορους λόγους, προκαλείται υποβάθμιση της μόνωσης του μετασχηματιστή. Κατά τη γήρανση του ελαίου του μετασχηματιστή, λόγω του ότι εμφανίζονται παραπροϊόντα, η διηλεκτρική σταθερά, όπως και οι διηλεκτρικές απώλειες, αυξάνονται. Όπως είναι λογικό τα αέρια και οι υγροί υδρογονάνθρακες που δημιουργούνται ως παραπροϊόντα αυξάνουν τη δυνατότητα αποθήκευσης φορτίου καθώς και το ρεύμα απωλειών Καλώδια: Το μονωτικό έλαιο χρησιμοποιείται στα υπόγεια και υποβρύχια καλώδια διότι: Ενισχύει τη μόνωσή τους που είναι από χαρτί. Παρεμποδίζει την εισχώρηση υγρασίας. Ψύχει τον αγωγό του καλωδίου. Αρχικά, τα καλώδια χαμηλής τάσης χρησιμοποιούσαν ως μόνωση θειωμένη άσφαλτο. Αυτή όμως αλλοιωνόταν πολύ γρήγορα με αποτέλεσμα στις υψηλές θερμοκρασίες να έχουμε σχηματισμό κενών που μπορούσαν να ιονιστούν. Για να αντιμετωπισθεί το φαινόμενο αυτό, χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία σαν πηκτικό το κολοφώνιο που ενίσχυε στην προσκόλληση του διαποτιστικού υλικού. Αργότερα, με την αύξηση των τάσεων μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, παρατηρήθηκαν συχνές διασπάσεις της μόνωσης του καλωδίου

42 που οφείλονταν στα κενά που δημιουργούσε η συστολή του υλικού στις χαμηλές θερμοκρασίες. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα παραφινικά έλαια που αναμιγνύονται με πυκνωτικά, όπως είναι το κολοφώνιο. Το ποσοστό του πυκνωτικού εξαρτάται από την τοποθέτηση του καλωδίου. Στα οριζόντια καλώδια αναμιγνύεται λιγότερο πυκνωτικό από ότι στα κατακόρυφα. Επειδή το παραπάνω υλικό που χρησιμοποιείται για την πλήρωση του καλωδίου έχει μικρή διηλεκτρική αντοχή, δεν χρησιμοποιείται σε καλώδια υψηλών τάσεων. Έτσι, για καλώδια μέχρι 66 kv, έχουμε παχύρρευστα έλαια, πολλές φορές αναμιγμένα με εξευγενισμένο κολοφώνιο. Το εξευγενισμένο κολοφώνιο έχει βέβαια μικρότερες απώλειες. Δεν έχει όμως ικανοποιητική διαλυτότητα στα έλαια παραφινικής βάσης, ενώ στις χαμηλές θερμοκρασίες παίρνει κρυσταλλική μορφή, όταν οξειδωθεί. Εξαιτίας αυτού προτιμώνται τα έλαια παραφινικής βάσης, τα οποία έχουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Διατηρούν το κολοφώνιο εύκολα, ακόμη κι όταν οξειδωθεί. Είναι πιο λεπτόρρευστα στις θερμοκρασίες διαποτισμού. Έχουν μικρότερες απώλειες. Αναφορικά με τα καλώδια που προορίζονται για τάσεις πάνω από 66 kv χρησιμοποιείται έλαιο με πίεση. Τελευταίες έρευνες επάνω στην αντοχή των ελαίων, έδειξαν ότι αυτά παθαίνουν φυσικοχημικές αλλοιώσεις, ακόμη και σε κανονική λειτουργία του καλωδίου, επειδή μολύνονται από τα προϊόντα των αντιδράσεων που προκαλούνται από την ανύψωση της θερμοκρασίας. Η μόλυνση και οι αλλοιώσεις επιδρούν επάνω στις διηλεκτρικές απώλειες του ελαίου και του καλωδίου. Κανονικά, οι απώλειες αυξάνουν ανάλογα με τη θερμοκρασία και πρακτικά είναι ανεξάρτητες από την τάση. Δηλαδή, η συνδυασμένη επίδραση της θερμότητας και της τάσης με την παρουσία χαλκού και σιδήρου, προκαλεί γήρανση του ελαίου, χωρίς όμως να σχηματισθούν κατάλοιπα οξείδωσης, όπως συμβαίνει με την οξείδωση στον αέρα. Αυτά βέβαια είναι αντίθετα με την άποψη, η οποία ήταν δεκτή μέχρι πρότινος, και υποστήριζε ότι το έλαιο του καλωδίου δεν οξειδώνεται, μιας και δεν υπάρχει αέρας μέσα στο καλώδιο. Επειδή οι αλλοιώσεις του ελαίου δεν προσβάλλουν το μονωτικό χαρτί, μπορούμε να αφαιρέσουμε το γερασμένο έλαιο, να ξεπλύνουμε τα καλώδια με έλαιο και να τα γεμίσουμε με καινούριο, ώστε να τα χρησιμοποιήσουμε εκ νέου. Τα έλαια που χρησιμοποιούνται σε καλώδια υψηλής τάσης, πρέπει να αντέχουν σε μεγάλες θερμοκρασίες και στη γήρανση. Επίσης, πρέπει να εκλύουν όσο το δυνατόν λιγότερα αέρια και να είναι παχύρρευστα, αν δεν προορίζονται για κυκλοφορία μέσα στα καλώδια. Τόσο το έλαιο όσο και το μονωτικό επιλέγονται κατά τέτοιο τρόπο έτσι ώστε σε οποιεσδήποτε συνθήκες, το έλαιο να διαποτίζει το μονωτικό χαρτί. Με τα έλαια των καλωδίων χρειάζεται προσοχή σε ό, τι αφορά τον έλεγχο της χημικής τους σύνθεσης, να εξασφαλίζουμε σε αυτά χαμηλό σημείο ροής και

43 να μην δημιουργείται σε αυτά κερί. Οι βασικές ιδιότητες των ελαίων των καλωδίων είναι: Η εσωτερική τριβή των ελαίων πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλή με αποδεκτή πτητικότητα. Η χαμηλή εσωτερική τριβή κάνει δυνατό το σχεδιασμό συστημάτων που μπορούν να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το έλαιο πρέπει να έχει τη δυνατότητα απορρόφησης κάθε αερίου που ίσως παραμένει στο καλώδιο μετά την εγκατάσταση. Η tanδ πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη σε συνδυασμό με καλή χημική σταθερότητα ακόμη και στις πιο υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Πάντως, τα έλαια σαν υλικά εμποτισμού, μπορούν να καταταγούν σε δύο κατηγορίες: Παχύρρευστα που περιέχουν εξευγενισμένο κολοφώνιο ή πολυμερείς υδρογονάνθρακες. Έλαια με χαμηλή εσωτερική τριβή (ιξώδες) Μονωτήρες διέλευσης: Οι μονωτήρες διέλευσης των μετασχηματιστών περιέχουν μονωτικό έλαιο που μπορεί να είναι το ίδιο με του μετασχηματιστή. Αν το έλαιο του μονωτήρα επικοινωνεί με το έλαιο του μετασχηματιστή, τότε αυτό βρίσκεται σε πίεση που οφείλεται στη στάθμη του ελαίου του δοχείου διαστολής. Αν το έλαιο του μονωτήρα διέλευσης δεν επικοινωνεί με το έλαιο του μετασχηματιστή, τότε είναι ένα παχύρρευστο ειδικό έλαιο με διηλεκτρική αντοχή που δεν μεταβάλλεται ακόμη και με πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι μονωτήρες διέλευσης των μετασχηματιστών αλλά και των διακοπτών είναι στεγανοί και έχουν χώρο διαστολής του υγρού που δεν επικοινωνεί με την ατμόσφαιρα και άρα δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες. Η γωνία διηλεκτρικών απωλειών του μονωτικού ελαίου που προορίζεται για μονωτήρες διέλευσης επιδρά πάνω στη χρήση του, αλλά όχι τόσο πολύ όσο στη χρήση του ελαίου που προορίζεται για πυκνωτές. Γι αυτό το έλαιο των μετασχηματιστών είναι γενικά κατάλληλο για μονωτήρες διέλευσης. Ειδικά στους μονωτήρες διέλευσης υπερυψηλής τάσης (420 kv) χρησιμοποιείται έλαιο που περιέχει πρόσθετο βελτιωτικό Πυκνωτές: Στους πυκνωτές το μονωτικό υγρό ενισχύει και διαποτίζει τη μόνωσή τους. Ο διαποτισμός πραγματοποιείται με την ύπαρξη μεγάλου κενού και υπό μεγάλη

44 θερμοκρασία μετά από τέλεια ξήρανση. Τα φύλλα αλουμινίου με την ενδιάμεση διαποτισμένη μόνωση κλείνονται μέσα σε στεγανό σφραγιστό μεταλλικό δοχείο. Το γεγονός αυτό αποκλείει τη δυνατότητα αντικατάστασης ή συμπλήρωσης του υγρού, επομένως η διάρκεια ζωής του υγρού είναι και η διάρκεια ωφέλιμης ζωής του πυκνωτή. Φυσικά το υγρό δεν μπορεί να οξειδωθεί, αφού δεν έρχεται σε επαφή με τον αέρα και η θερμοκρασία λειτουργίας δεν είναι υψηλή. Το υγρό πρέπει να αντέχει σε πεδιακές εντάσεις γύρω στα 100 kv/cm, ενώ στους μετασχηματιστές οι εντάσεις αυτές είναι γύρω στα 45 kv/cm. Αρχικά τα έλαια των πυκνωτών ήταν όμοια με αυτά των μετασχηματιστών, ενώ τελευταία χρησιμοποιούνται ειδικά έλαια, αφού οι συνθήκες λειτουργίας των πυκνωτών διαφέρουν από αυτές των μετασχηματιστών. Τα έλαια των πυκνωτών χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν αυτά που προέρχονται από ορυκτά πετρέλαια, ενώ στη δεύτερη τα χλωρισμένα συνθετικά υγρά που όλα έχουν για βάση τους το PCB (polychlorinated biphenyl). Τα τελευταία κυκλοφορούν στην αγορά με τις ονομασίες inerteen, clophen, pyranol κ.λ.π. Αυτά πλεονεκτούν λόγω χαμηλών διηλεκτρικών απωλειών καθώς και εξαιτίας του γεγονότος ότι δεν αναφλέγονται. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν αποκλειστικά σχεδόν τα τελευταία χρόνια. Επειδή όμως το PCB αποδείχθηκε ότι μολύνει το περιβάλλον, αντικαταστάθηκε με άλλα υγρά τα τελευταία χρόνια. Ένα από αυτά έχει την εμπορική ονομασία XFS-4169L. Αυτό έχει τοξικότητα 20 φορές μικρότερη από υγρά που βασίζονται στο PCB. Επίσης, έχει σημεία ανάφλεξης και καύσης μεγαλύτερα από τα αντίστοιχα του ορυκτού μονωτικού ελαίου Μετασχηματιστές μετρήσεων: Στους μετασχηματιστές μετρήσεων (τάσης και έντασης) χρησιμοποιούνται μονωτικά έλαια, ίδια με αυτά των μετασχηματιστών ισχύος για τον εμποτισμό του στερεού υλικού που γενικά είναι ειδικό χαρτί Ελαιοδιακόπτες: Ο διακόπτης κυκλώματος είναι ένας αυτόματης λειτουργίας ηλεκτρικός διακόπτης που αποσκοπεί στην προστασία ενός ηλεκτρικού κυκλώματος από ζημιές που προκλήθηκαν από υπερφόρτωση ή βραχυκύκλωμα. Σε αντίθεση με την ασφάλεια, η οποία λειτουργεί μία φορά και στη συνέχεια πρέπει να αντικατασταθεί, ο διακόπτης κυκλώματος μπορεί να επαναφέρεται (είτε με το χέρι είτε αυτόματα), ώστε να συνεχιστεί η κανονική λειτουργία του. Αυτόματοι διακόπτες κυκλώματος υπάρχουν σε διαφορετικά μεγέθη, από μικρούς διακόπτες που προστατεύουν οικιακές συσκευές, μέχρι μεγάλους διακόπτες που αποσκοπούν στην προστασία των κυκλωμάτων υψηλής τάσης που τροφοδοτούν μία ολόκληρη πόλη.

45 Οι διακόπτες που χρησιμοποιούν ως μέσο σβέσης του τόξου μονωτικό έλαιο, ονομάζονται διακόπτες ελαίου. Στους διακόπτες ελαίου, το έλαιο εξυπηρετεί σε δύο σκοπούς. Λειτουργεί σαν μονωτής μεταξύ των φάσεων και μεταξύ φάσης και γης και αποτελεί το μέσο για την σβέση του τόξου. Όταν το ηλεκτρικό τόξο αποσβένεται μέσω του ελαίου, το έλαιο ατμοποιείται και δημιουργείται μία φυσαλίδα γύρω από το τόξο. Το αέριο στο εσωτερικό της φυσαλίδας είναι κατά 80% υδρογόνο, το οποίο εντείνει τον ιονισμό. Η αποσύνθεση του ελαίου απαιτεί ενέργεια, η οποία προέρχεται από τη θερμότητα που γεννά το τόξο. Το έλαιο που υπάρχει γύρω από τη φυσαλίδα απομακρύνει τη θερμότητα από το τόξο και συνεισφέρει επίσης στον απόιονισμό του τόξου. Το βασικό μειονέκτημα των ελαιοδιακοπτών είναι η χαμηλή αναφλεξιμότητα του ελαίου και η αναγκαία συντήρησή του, ώστε να διατηρείται το έλαιο σε καλή κατάσταση (π.χ. αντικατάσταση και καθαρισμός του). Σχήμα 8: (α) Ελαιοδιακόπτης εξωτερικού χώρου, 110 kv, 350 A (β) Απόσβεση ηλεκτρικού τόξου σε διακόπτη ελαίου [4] Στις τάσεις μετάδοσης κάτω από 345 kv, οι διακόπτες ελαίου ήταν δημοφιλείς. Χάνουν όλο και περισσότερο έδαφος όμως από τους αεριομονωτικούς διακόπτες ισχύος, όπως οι διακόπτες κενού και οι διακόπτες SF6. [4], [15]

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 5.1. Γενικά: Στην παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της τάσης διάσπασης σε τέσσερα βιοδιασπώμενα έλαια, με σκοπό την εκτίμηση της ποιότητας του κάθε ελαίου, αλλά και την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με το πώς επηρεάζει το είδος του ελαίου, ο τύπος των χρησιμοποιηθέντων ηλεκτροδίων, καθώς επίσης η απόσταση μεταξύ αυτών, την τάση διάσπασης. Τα έλαια που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα παρακάτω: FR3 Midel en Midel 7131 Envirotemp TM 200 Από αυτά, το FR3 και το Midel en ανήκουν στην κατηγορία των ελαίων φυσικού εστέρα, ενώ το Midel 7131 και το Envirotemp TM 200 ανήκουν στην κατηγορία των ελαίων συνθετικού εστέρα. Για τις μετρήσεις που εκπονήθηκαν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, χρησιμοποιήθηκε η συσκευή BAUR Oil Tester DTA (Σχήμα 9), η οποία και αποτελεί μέρος του ηλεκτρομηχανικού εξοπλισμού του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων. Σχήμα 9: Συσκευή BAUR Oil Tester DTA [4]

47 Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι ηλεκτροδίων, Rogowski και Ακίδα- Πλάκα, που φαίνονται στα σχήματα παρακάτω: Σχήμα 10: Διάταξη Rogowski [4] Σχήμα 11: Διάταξη Ακίδα-Πλάκα [4] Στις συνήθεις δοκιμές ελαίων, μεταξύ των ηλεκτροδίων παρεμβάλλουμε μονωτικά χαρτιά, τα οποία περιέχονται και στους μετασχηματιστές και καλύπτουν τα τυλίγματα. Στόχος αυτού είναι να ερευνηθεί η μονωτική συμπεριφορά του συστήματος ελαίου-χαρτιού. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μας απασχόλησε η συμπεριφορά του ελαίου, συνεπώς δεν εφαρμόσαμε κάποιο μονωτικό χαρτί μεταξύ των ηλεκτροδίων.