ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ "ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011"

Transcript

1 Ε. Π. Ανταγωνιστικότητα και Επιχειρηματικότητα (ΕΠΑΝ ΙΙ), ΠΕΠ Μακεδονίας Θράκης, ΠΕΠ Κρήτης και Νήσων Αιγαίου, ΠΕΠ Θεσσαλίας Στερεάς Ελλάδας Ηπείρου, ΠΕΠ Αττικής ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ "ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011" Συμπράξεις Παραγωγικών και Ερευνητικών Φορέων σε Εστιασμένους Ερευνητικούς και Τεχνολογικούς Τομείς ΕΡΓΟ: POLYDIAGNO ΚΩΔΙΚΟΣ: 11ΣΥΝ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ/ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ/ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΠΑΙΘΡΙΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΚΑΙ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥΣ Ενότητα Εργασίας 7 (19/09/ /10/2015) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ Π7.2 (μήνας παράδοσης: Μ25) ΕΚΘΕΣΗ: ΜΕΛΕΤΗ ΣΚΟΠΙΜΟΤΗΤΑΣ Υπεύθυνος φορέας: ENTEC Green Economy Consultants Άλλοι συμμετέχοντες φορείς: (α) Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) (β) Τμήμα Ηλεκτρολογίας, ΤΕΙ Κρήτης (ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ) (γ) Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) Οκτώβριος 2015 Page 1 of 38

2 Περιεχόμενα (Α) Γραμμές μεταφοράς και μονωτήρες... 3 (Β) Υποβάθμιση λειτουργικότητας μονωτήρων... 7 (Γ) Συνθετικοί μονωτήρες (Δ) Υποβάθμιση κατά την λειτουργία των συνθετικών μονωτήρων (Ε) Αναγκαιότητα αξιολόγησης της λειτουργικότητας ενός μονωτήρα (Ζ) Διαγνωστική των συνθετικών μονωτήρων (Η) Έργο POLYDIAGNO (Θ) Αποτελέσματα έργου (Ι) Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων [2]

3 (Α) Γραμμές μεταφοράς και μονωτήρες Τα συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν σήμερα κρίσιμες εγκαταστάσεις, δεδομένου ότι αναλαμβάνουν την διασύνδεση των παραγωγών ηλεκτρικής ενέργειας με τους καταναλωτές. Η αξιόπιστη και ασφαλής λειτουργία αποτελεί προϋπόθεση για την ανάπτυξη μιας κοινωνίας, λαμβάνοντας υπόψη της κρισιμότητας των τεχνολογικών συστημάτων, στην καθημερινή δραστηριότητα του σημερινού ανθρώπου. Παράλληλη με την αξιόπιστη και ασφαλή λειτουργία, επιβάλλεται και η οικονομικά επωφελής χρήση αυτών. Έτσι, από την απαρχή των συστημάτων αυτών, οι εγκαταστάσεις υιοθετούσαν ως βασική συνιστώσα μόνωσης τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος διατίθεται χωρίς κόστος, ενώ προσφέρει και επιπλέον πλεονεκτήματα όπως για παράδειγμα η ικανότητα ανάκτησης της διηλεκτρικής συμπεριφοράς μετά από μια διάσπαση (επανορθούμενη μόνωση). Στο πλαίσιο αυτό, η ανάπτυξη του συστήματος μόνωσης προϋποθέτει την εξασφάλιση των απαραίτητων διακένων, μεταξύ των σημείων που βρίσκονται υπό τάση, ήτοι μεταξύ των αγωγών και αγωγών γης. Προφανώς ο ίδιος ο ατμοσφαιρικός αέρας δεν μπορεί να προσφέρει υποστήριξη και έτσι χρησιμοποιούνται μονωτήρες από στερεά διηλεκτρικά υλικά, ικανά να προσφέρουν μηχανική υποστήριξη ανάρτηση (Σχήμα 1). 0kV Μονωτήρας 87kV Σχήμα 1. Ανάπτυξη μονωτικού διακένου αέρα, σε πυλώνα 150kV, με την τοποθέτηση κεραμικού μονωτήρα ανάρτησης. [3]

4 Η εισαγωγή των μονωτήρων από στερεά διηλεκτρικά στις υπόψη εγκαταστάσεις αποτελεί αναγκαία επιλογή και δυστυχώς δημιουργεί ένα σημείο αδυναμίας των εγκαταστάσεων αυτών. Ουσιαστικά στο σύστημα δημιουργείται μια διεπιφάνεια μεταξύ του ατμοσφαιρικού αέρα και του στερεού διηλεκτρικού, η οποία μπορεί να προσδώσει στο σύστημα διαφορετική συμπεριφορά από αυτή του ατμοσφαιρικού αέρα. Συγκεκριμένα, λαμβάνοντας υπόψη ότι οι εγκαταστάσεις είναι υπαίθριες, ήτοι εκτεθειμένες στο περιβάλλον, είναι πιθανή η εναπόθεση στην επιφάνεια ρύπων που έχουν ή μπορεί να αποκτήσουν ηλεκτρική αγωγιμότητα. Κάτι τέτοιο δημιουργεί επιφανειακά ρεύματα (ρεύμα διαρροής) και τελικά μπορεί να οδηγήσει σε ανακατανομή της τάσης, υποστηρίζοντας την ανάπτυξη επιφανειακών εκκενώσεων (Σχήμα 2). Οι εκκενώσεις αυτές εμφανίζονται στην επιφάνεια των διηλεκτρικών και δια του ερπυσμού επιτυγχάνουν την αγώγιμη σύνδεση των δύο άκρων που βρίσκονται υπό διαφορά δυναμικού (σχήμα 3α). Τελικά υπό συνθήκες είναι πιθανή η υπερπήδηση του μονωτήρα και άρα το βραχυκύκλωμα, το οποίο μάλιστα συμβαίνει υπό ονομαστική τάση (σχήμα 3β). Η παραπάνω συμπεριφορά, είναι γνωστή ως το Σχήμα 2. Επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις σε μονωτήρες πορσελάνης [4]

5 φαινόμενο της ρύπανσης το μονωτήρων και συναντάται σε πολλά συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ανά τον κόσμο. Μάλιστα στην περίπτωση παράκτιων εγκαταστάσεων, το υπόψη πρόβλημα αναδεικνύεται πολλές φορές ως η κυρίαρχη μορφή υποβάθμισης της ηλεκτρικής μόνωσης, συντελώντας σε πολύωρες διακοπές τροφοδότησης και σημαντικό κόστος τόσο για την ηλεκτρική εταιρεία όσο και για τους καταναλωτές. Επιπλέον αξίζει να σημειωθεί ότι αρκεί η αστοχία ενός και μόνο από τους εκατοντάδες μονωτήρες μιας γραμμής μεταφοράς ή ενός υποσταθμού για να τεθεί συνολικά η εγκατάσταση εκτός διαθεσιμότητας. Έτσι ενώ το ίδιο το κόστος ενός μονωτήρα είναι σημαντικά μικρό σε σχέση με άλλα στοιχεία εξοπλισμού, η βαρύτητα που έχει η λειτουργία κάθε μονωτήρα στο δίκτυο στην ασφάλεια και αξιοπιστία του συστήματος είναι εξαιρετικά υψηλή. Στην Ελλάδα το πρόβλημα παρατηρείται ιδιαίτερα έντονο στα νησιά του Αιγαίου, ιδιαίτερα σε νησιά με συστήματα υψηλής τάσης, όπως η Κρήτη και η Ρόδος αλλά και σε νησιά όπου λειτουργούν δίκτυα μέσης τάσης. Είναι φανερό λοιπόν ότι επειδή τα συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας βασίζονται σε υπαίθριες εγκαταστάσεις, οι μονωτήρες υψηλής τάσης που εμπεριέχουν υπόκεινται στην επίδραση του περιβάλλοντος. Έτσι σχεδιάζονται με βάση τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος και την ηλεκτρική καταπόνηση που προκύπτει, όμως, η λειτουργικότητα τους μπορεί να αλλάξει βραχυπρόθεσμα ή μακροπρόθεσμα παρουσία ρύπων, ειδικά αν αυτοί επικαθήσουν στην επιφάνεια τους και οδηγήσουν σε ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η επακόλουθη υποβάθμιση της λειτουργικότητας μπορεί υπό δεδομένες συνθήκες να οδηγήσει σε μερική ή συνολική αστοχία του μονωτικού συστήματος (υπερπήδηση), ενδεχόμενο που θα έχει ως αποτέλεσμα διακοπές τροφοδότησης των καταναλωτών, καθώς η υποβάθμιση θα εμποδίζει την η επανηλέκτριση του δικτύου. Επομένως, οι μονωτήρες αποτελούν ένα κομμάτι εξοπλισμού των συστήματος μεταφοράς ενέργειας, το οποίο χρησιμοποιείται σε όλες τις εγκαταστάσεις κατά μήκος ενός δικτύου παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αποτελέσματα αυτά συμπεριλαμβάνουν διακοπές τροφοδοσίας (προσωρινές ή μη), εισαγωγή ανισορροπίας στο δίκτυο και πιθανές βλάβες εξαιρετικά πιο κρίσιμων (και υψηλού κόστους) κομματιών εξοπλισμού. [5]

6 (α) (β) Σχήμα 3. (α) Πλήρης κάλυψη του μήκους ερπυσμού με εκκένωση και (β) υπερπήδηση του μονωτήρα Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμα και στην ευνοϊκότερη περίπτωση άμεσα επισκευάσιμου παροδικού σφάλματος, υπάρχει έμμεσο κόστος λόγω των φθορών που επέρχονται στα στοιχεία των συστημάτων προστασίας. Είναι επομένως μέγιστης σπουδαιότητας, αφενός να γίνουν γνωστοί οι μηχανισμοί οι οποίοι επηρεάζουν την λειτουργικότητα των μονωτήρων και αφετέρου να είναι εφικτή η αξιολόγηση της λειτουργικότητα τους καθώς και η βραχυπρόθεση/μακροπρόθεσμη σταθερότητα της. Η διερεύνηση της συμπεριφοράς των μονωτήρων, και μάλιστα σε βάθος χρόνου, είναι ένα ζήτημα που ενδιαφέρει ιδιαίτερα τις Ηλεκτρικές Εταιρείες. Παρότι όμως ο λειτουργικός σκοπός των μονωτήρων είναι προφανής, η λειτουργία τους [6]

7 επηρεάζεται από ένα πλήθος δύσκολα (αν όχι αδύνατα) προβλέψιμων και μοντελοποιήσιμων παραγόντων. Η ορθή επιλογή σχετίζεται άμεσα με τις τοπικές συνθήκες λειτουργίας και οι νέες προτεινόμενες τεχνολογίες (σχεδιασμός, υλικά) πρέπει να διανύσουν μακρύ δρόμο από την πρόταση τους μέχρι την υιοθέτηση από τις ηλεκτρικές εταιρείες. Η πορεία αυτή περιλαμβάνει εργαστηριακές δοκιμές, παρακολούθηση σε υπαίθριους σταθμούς δοκιμών, δοκιμαστική τοποθέτηση μικρής κλίμακας στο δίκτυο και τέλος ευρεία χρήση τους (όπου κρίνεται σκόπιμο). Η επιλογή συνδέεται και με τις καιρικές και περιβαλλοντικές συνθήκες του τόπου εφαρμογής αλλά και άλλους παράγοντες με έντονα τοπικό χαρακτήρα (π.χ. ύπαρξη άγριας ζωής). Συνεπώς για την ορθή επιλογή μονωτήρων συνυπολογίζεται η διεθνής εμπειρία και βιβλιογραφία, η πρότερη εμπειρία της ίδιας της ηλεκτρικής εταιρείας από την υπό συζήτηση περιοχή (ή από περιοχές με παρόμοια χαρακτηριστικά) καθώς και μετρήσεις (εφόσον υπάρχουν) που αποδίδουν έναν χάρτη συνθηκών της περιοχής. (Β) Υποβάθμιση λειτουργικότητας μονωτήρων Μεταξύ άλλων, ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες υποβάθμισης των μονωτήρων, που παρατηρείται ιδιαίτερα εντόνως στις παράκτιες περιοχές όπως η Κρήτη, ειδικά κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, είναι η ρύπανση των μονωτήρων, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας Γενικά, οι καταπονήσεις που δέχονται οι υπαίθριοι μονωτήρες υψηλής τάσης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε ηλεκτρικές, μηχανικές και περιβαλλοντικές, έχουν δε ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση όχι μόνο της λειτουργικότητας αλλά και της αποτελεσματικότητας τους. Συγκεκριμένα, το αναπτυσσόμενο ηλεκτρικό πεδίο γύρω από τον αγωγό υψηλής τάσης προκαλεί ηλεκτρική καταπόνηση στον μονωτήρα. Αντίστοιχα, το βάρος της γραμμής, ο αέρας και ο πάγος προκαλούν μηχανική καταπόνηση του μονωτήρα. Τέλος, οι καιρικές συνθήκες, θερμοκρασία, UV ακτινοβολία, όξινη βροχή, ρύπανση προκαλούν επιπρόσθετη περιβαλλοντική καταπόνηση. Ειδικότερα, η ηλεκτρική καταπόνηση προέρχεται από την τάση κανονικής λειτουργίας, τις προσωρινές υπερτάσεις όπως τις κρουστικές υπερτάσεις [7]

8 χειρισμών και τις κρουστικές κεραυνικές υπερτάσεις. Αντίστοιχα, η μηχανική καταπόνηση προέρχεται από το βάρος των αγωγών, το βάρος του χιονιού που επικάθεται στην επιφάνεια των μονωτήρων και το φορτίο αέρα. Τέλος, η περιβαλλοντική καταπόνηση προέρχεται από τη θερμοκρασία, την υπεριώδη ακτινοβολία, την βροχή, τον πάγο, την ρύπανση και το υψόμετρο. Επομένως, μπορεί να ειπωθεί ότι ο σημαντικότερος παράγοντας ο οποίος επηρεάζει τη μονωτική ικανότητα των μονωτήρων των γραμμών μεταφοράς, που είναι τοποθετημένοι σε εξωτερικό χώρο, είναι η ρύπανση, καθώς αποτελεί την βασική προϋπόθεση για την έναρξη των εκκενώσεων στην πλειονότητα τους. Με τον όρο ρύπανση προσδιορίζεται η επικάθηση αιωρούμενων στην ατμόσφαιρα ακαθαρσιών ή θαλάσσιας άλμης (καθαλάτωση) στην επιφάνεια των υλικών αυτών. Η ρύπανση στην επιφάνεια ενός μονωτικού υλικού μπορεί να είναι είτε θαλάσσια, η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι το μονωτικό βρίσκεται σε παράκτια περιοχή και οι άνεμοι μεταφέρουν θαλασσινό νερό υπό μορφή σταγονιδίων στην επιφάνεια του, όπου επικάθεται και σχηματίζει ένα λεπτό υγρό αλατούχο επίστρωμα, είτε βιομηχανική, η οποία προέρχεται από τα στερεά κατάλοιπα των βιομηχανιών που απορρίπτονται στην ατμόσφαιρα. Η συνύπαρξη ρύπανσης (θαλάσσιας, βιομηχανικής ή συνδυασμού των προαναφερθέντων) και δροσιάς, ομίχλης ή σιγανής βροχής αποτελεί δυσμενέστατη συνθήκη λειτουργίας των μονωτικών υλικών και μπορεί να υποβιβάσει τη μονωτική τους ικανότητα σε μεγάλο βαθμό, κατά 40% έως 80%, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού τόξου. Συνεπώς, η παρατεταμένη ξηρασία, η περιβαλλοντική ρύπανση, καθώς και τα ακραία καιρικά φαινόμενα μεταβάλλουν τη συμπεριφορά των μονωτικών υλικών που εκτίθενται σε αυτά. Στο Πρότυπο IEC 815/1986, προκειμένου να υπάρχει μία κατηγοριοποίηση των περιοχών ανάλογα με τη βαρύτητα ρύπανσης, έχουν καθοριστεί, ποιοτικά, τέσσερα επίπεδα ρύπανσης: ελαφρά, μεσαία, βαριά και πολύ βαριά. Από τεχνικής άποψης, το φαινόμενο της ρύπανσης των μονωτήρων αποτελεί ένα από τα πιο δύσκολα προβλήματα, όσον αφορά στη θεωρητική του ανάλυση, καθώς και την πρακτική του αντιμετώπιση. Στην Ελλάδα το πρόβλημα της ρύπανσης εντοπίζεται κυρίως στα νησιωτικά και παράκτια δίκτυα, κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, λόγω της θαλάσσιας επίδρασης και της απουσίας βροχοπτώσεων. Αποτέλεσμα της διάσπασης των μονωτήρων λόγω της ρύπανσης είναι διακοπές στην [8]

9 ρευματοδότηση τμημάτων του δικτύου, οι οποίες σε περίπτωση αυξημένης ατμοσφαιρικής υγρασίας διαρκούν αρκετές ώρες. Για τον λόγο αυτό πολλές μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί με σκοπό την έγκαιρη καταστολή του προβλήματος και την προστασία του δικτύου από πιθανές υπερπηδήσεις (flashovers). Μέχρι σήμερα όμως δεν έχει καταστεί δυνατή η πλήρης αντιμετώπιση του προβλήματος. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το πρόβλημα της ρύπανσης στον Ελληνικό χώρο εμφανίζει η περίπτωση του εναέριου δικτύου μεταφοράς των 150 kv της Κρήτης, το οποίο εκτείνεται κατά μήκος της ακτογραμμής του νησιού (Σχήμα 4). Η σημασία και η έκταση του προβλήματος μπορεί εύκολα να επιβεβαιωθεί από τα καταγεγραμμένα σφάλματα στο Σύστημα Μεταφοράς Κρήτης, ξεκινώντας από το 1969, οπότε και ηλεκτρίσθηκε η πρώτη Γραμμή Μεταφοράς 66 kv μέχρι και το 2010 (Σχήμα 5). Για τα δίκτυα της Κρήτης, το πρόβλημα αυτό είναι έντονο κατά τους μήνες Αύγουστο μέχρι και Οκτώβριο (Σχήμα 6). Μάλιστα, με βάση τα στατιστικά στοιχεία του ΔΕΔΔΗΕ, μπορεί να δει κάποιος ότι η ρύπανση αποτελούσε για πολλά χρόνια την συνηθέστερη αιτία σφαλμάτων για το δίκτυο μεταφοράς του νησιού. Αυτό είχε Σχήμα 4. Εναέριο Δίκτυο 150kV Κρήτης σαν αποτέλεσμα μια συστηματική προσπάθεια βελτίωσης της λειτουργικότητας του μονωτικού συστήματος, μέσω της υιοθέτησης νέων συνθετικών πολυμερών υλικών, τα οποία φαίνονται ικανά να υποβαθμίσουν τα φαινόμενα που οδηγούν σε αστοχίες. [9]

10 Σχήμα 5. Σφάλματα σύστημα μεταφοράς Κρήτης Στην περίπτωση των κεραμικών μονωτήρων, το πρόβλημα της ρύπανσης αντιμετωπιζόταν με πλύσιμο χρησιμοποιώντας είτε επίγεια είτε εναέρια μέσα (ελικόπτερο), αναλόγως της τοποθεσίας εγκατάστασης και της προσβασιμότητας των μονωτήρων. Για παράδειγμα, στους Υποσταθμούς Υψηλής Τάσης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ελικόπτερο και ο καθαρισμός γίνεται με δέσμη νερού μέσω αντλίας υψηλής πίεσης ή μέσω ειδικού ενσωματωμένου συστήματος πλύσης, Σχήμα 6. Μηνιαία κατανομή των σφαλμάτων ρύπανσης σε κεραμικούς μονωτήρες του συστήματος Κρήτης [10]

11 αφού προηγουμένως έχουν τεθεί εκτός λειτουργίας οι αντίστοιχες εγκαταστάσεις (Σχήμα 7). Επομένως, η διαδικασία αυτή προκαλεί προβλήματα καθώς διακόπτεται η παροχή ισχύος. Αντίθετα, η χρήση των εναέριων μέσων στις γραμμές μεταφοράς δεν απαιτεί να τεθούν οι γραμμές εκτός λειτουργίας, όμως παρουσιάζει αυξημένο κόστος και κρύβει διάφορους κινδύνους (Σχήμα 8). Για τους λόγους αυτούς, τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί οι συνθετικοί μονωτήρες, οι οποίοι πρόσφατα άρχισαν να επικρατούν στην σχετική αγορά. Σχήμα 7. Πλύσιμο μονωτήρων σε υποσταθμό Σχήμα 8. Πλύσιμο μονωτήρων με ελικόπτερο [11]

12 (Γ) Συνθετικοί μονωτήρες Η πρώτη εμφάνιση των συνθετικών μονωτήρων, αποτελούμενοι από συνθετικές ρητίνες, πραγματοποιήθηκε στα μέσα της δεκαετίας του Οι συγκεκριμένοι μονωτήρες βρήκαν εφαρμογή σε εσωτερικές εγκαταστάσεις και σε χαμηλά επίπεδα τάσης. Έκτοτε οι συνεχείς βελτιώσεις στην σύνθεση των υλικών οδήγησαν στην εμπορική κατασκευή συνθετικού μονωτήρα κατασκευασμένος από κυκλοαλοιφατική εποξική ρητίνη από την General Electric το 1959 ο οποίος αστόχησε σύντομα από το σχηματισμό αγώγιμων οδεύσεων άνθρακα (tracking) και διάβρωση (erosion). Λόγω των λειτουργικών αστοχιών, οι οποίες κυρίως οφειλόταν σε κατασκευαστικές ατέλειες, των πρώτων μονωτήρων η χρήση τους και η παραγωγή τους ήταν αρκετά περιορισμένη έως τα μέσα της δεκαετίας του Το 1975 παρουσιάστηκε μαζική αύξηση της παραγωγής τους ανά τον κόσμο σε βιομηχανική κλίμακα, οπότε και ξεκίνησε η σταδιακή αντικατάσταση των κεραμικών μονωτήρων. Σε αυτό το γεγονός συντέλεσε η εξέλιξη της τεχνολογίας των πολυμερικών υλικών καθώς και των μεθόδων κατασκευής τους. Η ραγδαία χρήση που παρατηρήθηκε σε εφαρμογές υψηλής τάσης ανά τον κόσμο έκτοτε (Σχήμα 9) είναι συνδυασμός της αξιόπιστης λειτουργίας τους και των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν έναντι των παραδοσιακά κεραμικών μονωτήρων. Σχήμα 9. Εκτιμώμενη αύξηση της χρήσης συνθετικών μονωτήρων σε AC γραμμές μεταφοράς Την τελευταία δεκαετία, οι μονωτήρες από πολυμερικά σύνθετα υλικά έχουν κατακτήσει σημαντικό τμήμα της αγοράς και αποτελούν την συνήθη επιλογή για [12]

13 πολλές ηλεκτρικές εταιρείες για αντικατάσταση των μονωτήρων από κεραμικά υλικά (πορσελάνη και γυαλί), οι οποίοι είχαν μέχρι πρόσφατα την κυρίαρχη θέση. Η μετάβαση από τους κεραμικούς στους συνθετικούς μονωτήρες έχει προκύψει ως αποτέλεσμα των χαρακτηριστικών τους, τα οποία τους προσδίδουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Μεταξύ αυτών, αξίζει να επισημανθούν η σαφώς ανώτερη συμπεριφορά τους σε συνθήκες ρύπανσης και το σημαντικά μικρότερο βάρος τους, το οποίο συνεπάγεται όχι μόνο μείωση του κόστους εγκατάστασης, αλλά και μείωση των μηχανικών απαιτήσεων για τους πυλώνες. Τα πλεονεκτήματα των συνθετικών μονωτήρων έναντι των κεραμικών είναι: Χαμηλό βάρος Μεγάλος λόγος μηχανικής αντοχής προς βάρος Ανθεκτικότεροι σε βανδαλισμούς (π.χ πυροβολισμοί όπλων) Καλύτερη συμπεριφορά σε υπαίθριες εφαρμογές και ιδιαίτερα σε περιοχές με έντονη ρύπανση Συγκρίσιμη ή καλύτερη διηλεκτρική αντοχή Ευκολότερη εγκατάσταση, μικρότερο εργατικό κόστος Μείωση του κόστους συντήρηση της γραμμής, δεν απαιτείται πλύσιμο των μονωτήρων. Σε ένα συνθετικό μονωτήρα, διακρίνουμε τρία κύρια τμήματα, τον υαλώδη πυρήνα, από εποξικά ενισχυμένες ίνες υάλου, το κέλυφος, το οποίο κατασκευάζεται από πολυμερή υλικά και τέλος τις μεταλλικές απολήξεις (Σχήμα 10). Ο βέλτιστος συνδυασμός των επιμέρους τμημάτων εξασφαλίζει την κατασκευή ενός ικανού και αξιόπιστου μονωτήρα, κάθε τμήμα όμως του προσδίδει μοναδικά χαρακτηριστικά. Στο κέλυφος για παράδειγμα και ιδιαίτερα στα πολυμερή υλικά από τα οποία κατασκευάζεται, αποδίδεται η πολύ καλή συμπεριφορά σε συνθήκες ρύπανσης. [13]

14 Σχήμα 10. Ανατομία του συνθετικού μονωτήρα ανάρτησης (Βασικά μέρη και γεωμετρικά χαρακτηριστικά του) Για την κατασκευή του κελύφους έχουν χρησιμοποιηθεί πολλά πολυμερή υλικά. Μεταξύ αυτών έχει επικρατήσει η πολύ-διμέθυλ-σιλοξάνη (PDMS), υλικό γνωστό και ως ελαστομερές της σιλικόνης ή Silicone Rubber (SIR). Σημαντικό πλεονέκτημα του SIR είναι η ικανότητα του να διατηρεί την επιφάνεια του υδρόφοβη. Η ιδιότητα αυτή απαντάται σε όλα τα πολυμερή υλικά, που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του κελύφους των μονωτήρων και αποτελεί ουσιαστικά τον λόγο που τα υπόψη υλικά εμφανίζουν καλύτερη συμπεριφορά από τα κεραμικά, τα οποία είναι υδρόφιλα. Μάλιστα, το SIR όχι μόνο είναι υδρόφοβο αλλά διαθέτει και μηχανισμούς που μπορούν να διατηρούν την υδρόφοβη συμπεριφορά ακόμη και σε συνθήκες ρύπανσης. Έτσι, ακόμη και αν η επιφάνεια του υδρόφοβου μονωτήρα έχει καλυφθεί από υδρόφιλους ρύπους, στην περίπτωση του SIR είναι δυνατή η [14]

15 μετάδοση της υδρόφοβης συμπεριφοράς στο στρώμα των ρύπων και ως εκ τούτου η μεταβολή της συμπεριφοράς του (Σχήμα 11). Σχήμα 11. Υδρόφοβη συμπεριφορά δείγματος μονωτήρα SIR. Αποτέλεσμα της υπόψη συμπεριφοράς του SIR είναι η κατασκευή μονωτήρων με υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας, δεδομένου ότι εξαιτίας της υδρόφοβης συμπεριφοράς, δεν είναι δυνατή η διαβροχή της επιφάνειας και επομένως η ανάπτυξη επιφανειακής αγωγιμότητας. Έτσι καταστέλλεται η επιφανειακή ηλεκτρική δραστηριότητα, η οποία διαφορετικά θα μπορούσε να καταλήξει στην υπερπήδηση του μονωτήρα, όπως στην περίπτωση ενός υδρόφιλου μονωτήρα. Συνεπώς η ιδιότητα της υδροφοβίας και περεταίρω η ικανότητα διατήρησης της, αποκτούν ιδιαίτερη βαρύτητα στην περίπτωση των μονωτήρων υψηλής τάσης, αναδεικνύοντας παράλληλα και την σημασία διαφόρων μηχανισμών γήρανσης, οι οποίοι μπορούν να μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά και την συμπεριφορά των υλικών. Έτσι, η αξιόπιστη λειτουργία ενός δικτύου με μονωτήρες από συνθετικά υλικά, επιβάλλει τόσο την επιλογή ενός βέλτιστου υλικού, το οποίο θα είναι ικανό να ανταπεξέλθει στις δεδομένες συνθήκες λειτουργίας, όσο και την εφαρμογή διαγνωστικών τεχνικών, ικανών να εντοπίσουν έγκαιρα την υποβάθμιση των υλικών και την ενδεχόμενη αστοχία της μόνωσης. (Δ) Υποβάθμιση κατά την λειτουργία των συνθετικών μονωτήρων. Ένα από τα προβλήματα που σχετίζονται με την υποβάθμιση των συνθετικών μονωτήρων σχετίζεται με το γεγονός ότι τα πολυμερή υλικά υφίστανται συχνά με την πάροδο του χρόνου μια βραδεία και μη αντιστρεπτή μεταβολή των ιδιοτήτων τους, η [15]

16 οποία αντιστοιχεί στην μείωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων και κυρίως της ελαστικότητας. Η μεταβολή αυτή γίνεται με τους ακόλουθους μηχανισμούς: οξείδωση, υδρόλυση, φωτόλυση, ράγισμα υπό την επίδραση δυνάμεων, βιολογική αποσύνθεση. Οι μηχανισμοί αυτοί επηρεάζονται από το περιβάλλον στο οποίο εκτίθεται το πολυμερές: ρυπασμένος αέρας, κενό, αδρανές αέριο ή κάποιο υγρό αποτελούν πιθανές περιπτώσεις έκθεσης, ενώ ακτινοβολίες ορατού και υπεριώδους φωτός, μικροοργανισμοί και μηχανικές τάσεις συνιστούν κάποιους πρόσθετους παράγοντες που το επηρεάζουν. Ειδικά μετά τις περιβαλλοντικές μεταβολές που έχουν σημειωθεί τα τελευταία χρόνια (αύξηση της θερμοκρασίας της Γης, φαινόμενο του θερμοκηπίου) και ειδικότερα την αύξηση της υπεριώδους ακτινοβολίας (λόγω της τρύπας του όζοντος), είναι ιδιαίτερα σημαντική η μελέτη της επίδρασης του περιβάλλοντος σε μονωτικά υλικά εξωτερικής χρήσης. Η γήρανση ενός μονωτήρα αποτελεί το σύνολο των επιδράσεων που αυτός υφίσταται λόγω του περιβάλλοντος (φυσικού και τεχνικού) στο οποίο εκτίθεται, έπειτα από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα λειτουργίας του. Είναι μια φθοροποιός και σταδιακά καταστροφική διεργασία για το συνθετικό μονωτήρα, ωστόσο προέρχεται από φυσικούς παράγοντες και για το λόγο αυτό καταχωρείται στη βιβλιογραφία με τον όρο «γήρανση». Η γήρανση των συνθετικών μονωτήρων αφορά κυρίως στη γήρανση του εξωτερικού περιβλήματος και των δίσκων. Οι εξωτερικές καιρικές συνθήκες αποτελούν ένα φυσικό φαινόμενο το οποίο επιφέρει γήρανση, μέχρι ενός βαθμού, σε όλα τα υλικά. Οι πιο σημαντικές ιδιότητες των πολυμερών υλικών πηγάζουν απ τα υψηλά μοριακά τους βάρη. Η σταθερότητά τους προέρχεται από τη δομή των πολυμερών αλυσίδων, ενώ η υποβάθμισή τους σχετίζεται με το σπάσιμο των μακρομορίων, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί μείωση του μοριακού τους βάρους. Το σπάσιμο αυτό είναι δυνατόν να προκληθεί από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες, οι οποίοι συνοπτικά είναι η βιολογική υποβάθμιση, οφειλόμενη κυρίως στην ανάπτυξη μικροοργανισμών, η επικάθηση ακαθαρσιών (ρύπανση του μονωτήρα), η υποβάθμιση διηθουμένων συστατικών, όπου διάφορα πρόσθετα που διηθούνται έξω απ το πολυμερές περίβλημα μπορεί να αποτελέσουν μια πηγή τροφής για τους μικροοργανισμούς, η διάβρωση, η ενυδάτωση (διείσδυση νερού στο υλικό), ο αποχρωματισμός, οι χημικοί ρύποι, όπως το διοξείδιο του θείου (SO 2 ), το οξυγόνο (Ο 2 ), το όζον (Ο 3 ) και το [16]

17 διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ 2 ), και οι περιβαλλοντικοί ρύποι όπως η θερμότητα, το φως (με τη μορφή της υπεριώδους ακτινοβολίας), η υγρασία, ο αέρας, η σκόνη, οι κατακρημνίσεις, καθώς και το φαινόμενο corona (το οποίο, μεταξύ άλλων, προκαλεί εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας). Ειδικά οι περιβαλλοντικοί ρύποι μπορούν να προκαλέσουν πολλά προβλήματα. Για παράδειγμα, η θερμότητα, το φως και η υγρασία που παράγονται από το φυσικό περιβάλλον επιδρούν σημαντικά σε έναν, εν λειτουργία, μονωτήρα. Η θερμότητα και το φως προκαλούν ράγισμα και διάβρωση της επιφάνειας. Απουσία φωτός, τα περισσότερα πολυμερή είναι σταθερά για πολύ μεγάλες χρονικές περιόδους σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Με την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, επιταχύνεται ο ρυθμός οξείδωσης, με την φωτο-οξείδωση να οδηγεί στο σπάσιμο των αλυσίδων των υδρόφοβων μέθυλ-ομάδων, κάτι που έχει ως συνέπεια την παραγωγή αλδεϋδών, κετονών και καρβολικών οξέων στα άκρα των πολυμερών αλυσίδων. Το σπάσιμο αυτό ενδεχομένως να είναι σχετικά ήπιο, επηρεάζοντας μόνο πλευρικές ομάδες. Ενδεχομένως όμως να είναι αρκετά σοβαρό, προκαλώντας μείωση του μεγέθους των μακρομορίων. Αξίζει να σημειωθεί ότι, ακόμη και ένα μόλις σπάσιμο αλυσίδας ανά μόριο σε ένα πολυμερές με μοριακό βάρος αρκεί για να καταστρέψει την τεχνική του χρησιμότητα. Η υγρασία εισχωρεί εντός των σχισμών του πολυμερικού περιβλήματος και εν τέλει μπορεί να διεισδύσει έως τον συνθετικό πυρήνα του μονωτήρα του οποίου η δομή είναι ευάλωτη στην υγρασία. Ταυτόχρονα η εισχώρηση υγρασίας εντός του πυρήνα συνεπάγεται μείωση του μήκους ερπυσμού, συνεπώς οι ηλεκτρικές εκκενώσεις θα έρπονται στην επιφάνεια του συνθετικού πυρήνα (εσωτερικά του πολυμερικού περιβλήματος). Η υπεριώδης ακτινοβολία αποτελεί επίσης έναν απ τους σημαντικότερους παράγοντες υποβάθμισης των πολυμερών μονωτήρων. Οι κυριότερες πηγές υπεριώδους ακτινοβολίας είναι ο ήλιος, το φαινόμενο corona και η επιφανειακή δραστηριότητα που οφείλεται στη δημιουργία ξηρών ζωνών. Το μήκος κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας που είναι καταστροφικό για τα πολυμερή κυμαίνεται μεταξύ 320 και 270 nm. Το εύρος των καταστροφικών μηκών κύματος (και η συνακόλουθη ενέργεια) αποτελεί λιγότερο του 5% της συνολικής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Η απορρόφηση αυτής της υπεριώδους ακτινοβολίας έχει ως συνέπεια τη χημική και μηχανική υποβάθμιση της δομής των πολυμερών, η [17]

18 οποία με τη σειρά της μπορεί να επηρεάσει τις διηλεκτρικές και υδρόφοβες ιδιότητες αυτών. Ο ρυθμός της υποβάθμισης εξαρτάται από την ένταση και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Οι παράγοντες αυτοί μεταβάλλονται ανάλογα με την εποχή, το υψόμετρο, το γεωγραφικό πλάτος και την ώρα της ημέρας. Οι επιδράσεις αυτής της υποβάθμισης επιταχύνονται περεταίρω αν υπάρχει υγρασία στην επιφάνεια των πολυμερών. Ως εκ τούτου, συνίσταται οι πολυμερείς ενώσεις που προορίζονται για χρήση σε εξωτερικό χώρο να αξιολογούνται υπό τη συνδυασμένη επίδραση υπεριώδους ακτινοβολίας και υγρασίας. Οι επιδράσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας σ ένα πολυμερές είναι, συνοπτικά: ράγισμα, κρητιδική μορφή της επιφάνειας, αποχρωματισμός και απώλεια της υδροφοβικότητας. Οι «στεμματοειδείς» εκκενώσεις, διεθνώς γνωστές corona, αποτελούν φωτεινές μερικές εκκενώσεις που δημιουργούνται σε μία επιφάνεια, όταν η ηλεκτρική πεδιακή ένταση πάνω σ αυτήν υπερβεί την ένταση διάσπασης του αέρα, η οποία είναι γύρω στα 15 kv/cm, με άλλα λόγια, όταν προκύψει ιονισμός του αέρα. Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες που επηρεάζουν τη δημιουργία του φαινομένου είναι η πυκνότητα του αέρα και η υγρασία. Η γεωμετρία του ίδιου του μονωτήρα παίζει σημαντικό ρόλο στην έναρξη της δραστηριότητας corona. Το φαινόμενο corona προκαλεί εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας, έκλυση θερμότητας και παραγωγή αέριων υποπροϊόντων (όπως το όζον - Ο 3 - και το διοξείδιο του αζώτου - ΝΟ 2 -). Οι εκκενώσεις corona υποβάλλουν το μονωτήρα σε σημαντικές ηλεκτρικές καταπονήσεις και χημική υποβάθμιση. Η συνεχιζόμενη υποβάθμιση ενδεχομένως να καταστήσει το πολυμερές τελικά άχρηστο. Ένας πολυμερής μονωτήρας θα πρέπει να έχει χημική σύσταση τέτοια, ώστε να ανθίσταται στη χημική αυτή υποβάθμιση καθ όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του. Άλλες ανεπιθύμητες επιδράσεις του φαινομένου corona είναι η πρόκληση θορύβου και παρεμβολών σε γειτονικούς ραδιοφωνικούς και τηλεοπτικούς δέκτες, η δημιουργία όζοντος (Ο 3 ) και οι απώλειες ενέργειας. Η δημιουργία του φαινομένου corona πάνω σε μια υγρή επιφάνεια συνεπάγεται τη λεγόμενη «δραστηριότητα corona υπό συνθήκες ύγρανσης». Η δραστηριότητα αυτή προέρχεται από μια ανομοιόμορφη ύγρανση, η οποία προκαλεί με τη σειρά της υψηλές ηλεκτρικές πεδιακές εντάσεις. Εξαρτάται δε από τον τύπο και το μέγεθος της ύγρανσης, καθώς και από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου της επιφάνειας. Το μέγεθος της ύγρανσης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της [18]

19 επιφάνειας (αν είναι υδρόφιλη ή υδρόφοβη) και από τον τύπο της ύγρανσης, αν δηλαδή προέρχεται από επικάθηση βροχής, πάχνης, δροσιάς ή συμπύκνωση υδρατμών. Το μέγεθος του επιφανειακού ηλεκτρικού πεδίου εξαρτάται από τις διαστάσεις του τοροειδούς εξομάλυνσης, της θέσης του και από το υλικό των ακροδεκτών του μονωτήρα. Η δραστηριότητα corona υπό συνθήκες ύγρανσης λαμβάνει χώρα κυρίως σε περιοχές όπου υπάρχει ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου συνεπώς κοντά στο ενεργό άκρο του μονωτήρα. Είναι επομένως πιθανή η φθορά των μεταλλικών αυτών άκρων. Η χαμηλή υδροφοβικότητα κάνει την εμφάνιση εκκενώσεων πιο πιθανή. Επιπλέον, το φαινόμενο corona, παρουσία νερού, έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία νιτρικού οξέος (ΝΟ 2 + Η 2 Ο HΝΟ 3 ), το οποίο ενδεχομένως να προκαλέσει επιφανειακή αλλοίωση. Παράγοντες όπως η βροχή, η σκόνη, ο αέρας και η επικάθηση αλάτων είναι δυνατό να μεταβάλουν το μονωτικό υλικό είτε φυσικά, με τη δημιουργία μορφολογικών επιφανειακών αλλοιώσεων όπως ραγίσματα, είτε χημικά, με την απώλεια των διαλυτών συστατικών και με τις αντιδράσεις αλάτων, οξέων και άλλων ακαθαρσιών που επικάθονται στην επιφάνεια. Οι επιφάνειες μετατρέπονται σε υδρόφιλες και το νερό διεισδύει στα μονωτικά υλικά προκαλώντας βλάβες. Οι επιδράσεις σχεδόν όλων των προαναφερθέντων παραγόντων (μικροβιολογική προσβολή, περιβαλλοντικές καταπονήσεις -χημικοί ρύποι, υπεριώδης ακτινοβολία, φαινόμενο corona- σε συνδυασμό με τη βροχή, τον αέρα, τη σκόνη και την επικάθηση αλάτων) προκαλούν χημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια του πολυμερούς υλικού. Αποτέλεσμα αυτών είναι η μείωση της υδροφοβικότητας του υλικού και ο σχηματισμός υδρόφιλων ομάδων, που επιτρέπουν στην επιφάνεια να υγρανθεί και να επιτρέψει με τη σειρά της τη δημιουργία αυξημένων ρευμάτων διαρροής, συμβάλλοντας στο σχηματισμό ξηρών ζωνών, η διατήρηση και η γεφύρωση των οποίων οδηγεί εν τέλει στην υπερπήδηση του μονωτήρα. Ένα υλικό που υφίσταται μείωση της υδροφοβικότητας δεν σημαίνει ότι χάνει και την αντοχή του έναντι της διάβρωσης σε συνθήκες υγρασίας. Παρ' όλα αυτά, η διατήρηση της υδροφοβικότητας είναι εξαιρετικά επιθυμητή. [19]

20 (Ε) Αναγκαιότητα αξιολόγησης της λειτουργικότητας ενός μονωτήρα Η διάρκεια ζωής των συνθετικών μονωτήρων είναι η πιο σημαντική και η πιο αβέβαιη παράμετρος που καλούνται να διασαφηνίσουν σήμερα τόσο οι χρήστες, όσο και οι κατασκευαστές. Οι μονωτήρες τρίτης γενιάς (τέλη 1980 έως τέλη 1990), αναμένεται να παρουσιάσουν σαφώς βελτιστοποιημένες ιδιότητες και αντοχή από τους μονωτήρες πρώτης και δεύτερης γενιάς, οι οποίοι αρχικώς χρησιμοποιήθηκαν τη δεκαετία 1970 και 1980 αντίστοιχα. Είναι αδιαμφισβήτητο ότι τα πολυμερή υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των συνθετικών μονωτήρων, λόγω των χαμηλών διαμοριακών δυνάμεων που τα χαρακτηρίζουν, θα υποστούν γήρανση με το χρόνο. Εντούτοις, αυτό που είναι σημαντικό κατά τη διάρκεια χρήσης τους (επιθυμητός χρόνος ζωής 50 έτη) είναι να μην αστοχήσουν ή να μην επιτρέψουν ηλεκτρική υπερπήδηση. Η γήρανση των συνθετικών μονωτήρων καθορίζεται από τον τύπο του πολυμερούς υλικού, το ποσοστό των πληρωτικών μέσων που προστίθενται, την διαδικασία της σύνθεσης του πολυμερούς, την ποιότητα, το σχέδιο μονωτήρα, τις συνθήκες λειτουργίας και ηλεκτρικής καταπόνησης, τις περιβαλλοντικές συνθήκες λειτουργίας, τις συνθήκες στην περιοχή της εγκατάστασης κ.λ.π.. Τα πολυμερή υλικά έχουν ασθενέστερους δεσμούς απ' ότι η πορσελάνη (ομοιοπολικοί σε αντίθεση προς ιοντικούς), που σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια των χρόνων που είναι σε χρήση μπορούν να μεταβληθούν από τους πολλαπλούς παράγοντες γήρανσης που επιδρούν κατά τη χρήση και τη λειτουργία τους. Με την κατάλληλη επεξεργασία των υλικών και του προορισμού των προϊόντων, τα πολυμερή μονωτικά υλικά παρουσιάζουν υψηλή απόδοση και επιθυμητή διάρκεια ζωής. Ένας συνδυασμός βέλτιστων συνθηκών σχεδιασμού και παραγωγής πρέπει να υλοποιηθεί προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή απόδοση και διάρκεια ζωής για μεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας. Αυτό προϋποθέτει ότι ο επιστήμονας των υλικών θα σχεδιάσει το πολυμερές υλικό με τα κατάλληλα πρόσθετα στις απαραίτητες συγκεντρώσεις, χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες μεθόδους σύνθεσης. Ο σχεδιαστής του προϊόντος πρέπει να λάβει υπόψη του τόσο τις ιδιότητες, όσο και την εφαρμογή του. Πρέπει ακόμη να συνυπολογιστούν οι συνθήκες παραγωγής, ώστε να μην αποσυντίθεται το προϊόν κατά την παραγωγή του. Η απόδοση ενός πολυμερούς και η διάρκεια λειτουργίας του αποτελούν κύριο μέλημα του χρήστη. Ο σχηματισμός πολυμερών [20]

21 υλικών είναι ένας συνδυασμός βέλτιστων συνθηκών οι οποίες μπορούν να επιτευχθούν με εκτενείς πειραματισμούς και δοκιμές, μέσα από βαθιά γνώση και εμπειρία της τεχνολογίας των υλικών. Ο σχηματισμός του πολυμερούς υλικού μπορεί να ποικίλλει με ένα βασικό πολυμερές να συνιστά το 20%-80% κατά βάρος του υλικού. Πρόσθετα χρησιμοποιούνται εκτενώς, ώστε να ενισχύονται οι μηχανικές ιδιότητες. Στα συνήθη πληρωτικά υλικά που ενισχύουν τις ιδιότητες των πολυμερών υλικών περιλαμβάνονται αντιοξειδωτικά, πλαστικοποιητές, χρωστικές ουσίες, άλλα μέσα, βοηθητικά, καταλύτες, παρεμποδιστές ανάφλεξης, απορροφητές υπεριώδους ακτινοβολίας, αντιδιαβρωτικά και άλλα, τα οποία εξαρτώνται κάθε φορά από τον ειδικό σχεδιασμό. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, τα πρόσθετα και τα πληρωτικά υλικά, τόσο όλα μαζί, όσο και ανεξάρτητα το καθένα, επηρεάζουν την ολική απόδοση του υλικού. Η δομή των πολυμερών υλικών (εύκαμπτοι δεσμοί, ευκινησία των μακρών αλυσίδων) παρέχει πολλά από τα εγγενή πλεονεκτήματα των πολυμερών. Παρ' όλ' αυτά, καθώς η πλειοψηφία των πολυμερών είναι οργανικά υλικά, τα οποία χαρακτηριζόνται από χαμηλή ενέργεια δεσμών, συνεχόμενη καταπόνηση κατά τη χρήση τους οδηγεί σε υποβάθμιση ή/και απώλεια των ιδιοτήτων τους. Η απώλεια αυτή ενδέχεται να περιοριστεί, στην περίπτωση που ενισχύονται με κατάλληλα πρόσθετα και καλύμματα, περιορίζοντας το ρεύμα διαρροής. Η αναγνώριση των παραπάνω, σε συνδυασμό με την απόκτηση εμπειρίας στην επιστήμη των υλικών, οδηγεί στο σχεδιασμό προϊόντων με αποδεδειγμένα υψηλά επίπεδα απόδοσης σε πληθώρα εφαρμογών. Η διατήρηση της υδρόφοβης επιφανειακής συμπεριφοράς των συνθετικών μονωτήρων αποτελεί βασική προϋπόθεση για την αποτελεσματική λειτουργία των πολυµερικών υλικών. Δεδομένου ότι αυτή είναι αποτέλεσμα της χημικής δομής των υπόψη υλικών, είναι αναμενόμενη η εμφάνιση μηχανισμών γήρανσης, ικανών να υποβαθμίσουν ή και να εξαλείψουν την υδρόφοβη ικανότητα. Ακόμη όμως και αν δεν συμβεί κάτι τέτοιο, η απώλεια της υδροφοβίας είναι αναμενόμενη κατά τη λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες, αφού το στρώμα των ρύπων που θα προκύψει, έχει υδρόφιλη συμπεριφορά. Αυτό συνεπώς που ουσιαστικά ενδιαφέρει, δεν είναι απλά η επιφάνεια να έχει υδρόφοβα χαρακτηριστικά, αλλά να διατηρεί τα χαρακτηριστικά αυτά, όταν, εκτεθειμένη στο περιβάλλον, καλυφθεί από ένα υδρόφιλο στρώμα ρύπων. Η δυνατότητα μεταβολής της συμπεριφοράς του [21]

22 στρώματος των ρύπων από υδρόφιλη σε υδρόφοβη, αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του Silicone Rubber, στην οποία μάλιστα οφείλεται ως ένα βαθμό η επικράτηση του συγκεκριμένου υλικού σήμερα, σε εφαρμογές υπαίθριων μονώσεων. Ο μηχανισμός αυτός οφείλεται στην κίνηση µορίων χαμηλού µοριακού βάρους του υλικού, από τον όγκο του προς την επιφάνεια, τα οποία στη συνέχεια διεισδύουν στο στρώμα των ρύπων. Η κίνηση αυτή, όπως είναι αναμενόμενο, χαρακτηρίζεται από ένα πεπερασμένο χρόνο, γνωστός και ως χρόνος ανάκαμψης, δηλαδή το χρονικό διάστημα, από τη στιγμή που χάνεται η επιφανειακή υδροφοβία, λόγω της συγκέντρωσης των ρύπων, μέχρι ο μηχανισμός ανάκαμψης να επιτύχει εκ νέου υδρόφοβη συμπεριφορά. Ο χρόνος αυτός είναι ιδιαίτερα σημαντικός, δεδομένου ότι για το ενδιάμεσο χρονικό διάστημα, η επιφάνεια έχει υδρόφιλη συμπεριφορά και συνήθως κυμαίνεται από κάποιες ώρες μέχρι και ημέρες, ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας, την σύσταση και την κατάσταση του υλικού. Ο ακριβής χρόνος ανάκαμψης εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους, όπως: την ποσότητα των µορίων χαμηλού µοριακού βάρους, η οποία καθορίζεται τόσο από την αρχική διαδικασία κατασκευής του υλικού όσο και από διάφορους μηχανισμούς, όπως οι εκκενώσεις corona, UV κ.α.. την ποιότητα των µορίων χαμηλού µοριακού βάρους, αν δηλαδή η κύρια πολυµερική αλυσίδα είναι ευθύγραμμη ή κυκλική. τη θέση που έχουν τα µόρια χαμηλού µοριακού βάρους στον όγκο του υλικού, δεδομένου ότι όσο πιο μακριά είναι από την επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερη απόσταση πρέπει να καλυφθεί, τη σύνθεση - δομή του υλικού, η οποία καθορίζει την ευκολία κίνησης των µορίων προς την επιφάνεια, τη θερμοκρασία το είδος των ρύπων, δεδομένου ότι απαιτείται η διείσδυση και κίνηση των µορίων χαμηλού µοριακού βάρους στο επιφανειακό στρώμα των ρύπων. Με βάση τα παραπάνω, είναι εμφανής η ανάγκη ανάπτυξης μεθόδων για την αξιολόγηση της λειτουργικότητας των πολυμερικών μονωτήρων. Δεδομένου ότι η γήρανση των συνθετικών μονωτήρων στο πεδίο είναι αποτέλεσμα της ταυτόχρονης [22]

23 δράσης πολλαπλών παραγόντων, οι βραχυπρόθεσμοι έλεγχοι που εκτελούνται για την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής του μονωτήρας δεν είναι αντιπροσωπευτικοί. Γι αυτό, πρέπει κανείς να είναι πολύ προσεκτικός στη διεξαγωγή τέτοιων ελέγχων, καθώς οι συνθήκες συνήθως δεν μπορούν να επισπευστούν και είναι πιθανό να προκύψουν άτυπες καταπονήσεις ή αστοχίες. Το δείγμα δεν πρέπει να υπόκειται σε μηχανισμούς που δεν προκύπτουν κατά τη λειτουργία. Μία συνηθισμένη τακτική που επικυρώνει το χρόνο ζωής είναι η υποβολή των δειγμάτων σε ελέγχους εφαρμογής Υπερυψηλής Τάσης. Όμως, αυτό απαιτεί αφαίρεση του μονωτήρα από το σύστημα, κάτι που απαιτεί σταμάτημα της λειτουργίας της γραμμής μεταφοράς. Επομένως, μια τεχνική που θα επέτρεπε επιτόπια σε πραγματικό χρόνο και υπό τάση αξιολόγηση της λειτουργικότητας του μονωτήρα, θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμη. (Ζ) Διαγνωστική των συνθετικών μονωτήρων Οι απαιτούμενες διαγνωστικές τεχνικές για διαγνωστική σε συνθετικούς μονωτήρες διαφέρουν σημαντικά από αυτές που μέχρι πρόσφατα χρησιμοποιούνται από τις ηλεκτρικές εταιρίες, δεδομένου ότι οι τελευταίες ήταν εστιασμένες σε κεραμικά υλικά, υλικά που διαφέρουν σημαντικά από τα πολυμερικά. Παράλληλα, δεδομένης της διαφορετικής χημικής δομής, οι παρατηρούμενοι μηχανισμοί γήρανσης είναι διαφορετικοί στους συνθετικούς μονωτήρες, και στην πλειοψηφία τους οι μηχανισμού που αφορούν τα πολυμερικά υλικά έχουν ελάχιστη ή και μηδαμινή επίδραση στα αντίστοιχα κεραμικά. Είναι συνεπώς ανάγκη να αναπτυχθούν νέες κατάλληλες διαγνωστικές τεχνικές, με διακριτική ικανότητα ικανή να εντοπίσει τα σημάδια γήρανσης των πολυμερών υλικών, αλλά και υλικά βελτιστοποιημένα με βάση τις κατά τόπους συνθήκες λειτουργίας. Στο πλαίσιο αυτό υπάρχει κατ αρχάς η ανάγκη για περαιτέρω κατανόηση των μηχανισμών γήρανσης, του βαθμού που αυτοί μπορούν να επιδράσουν στην λειτουργική κατάσταση των υλικών (εν προκειμένω του SIR), καθώς και της συσχέτισης αυτών με τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες λειτουργίας των δικτύων σήμερα αλλά και της απαίτησης για σταθερή διαθεσιμότητα και αξιοπιστία, επιβάλλεται οι υπόψη [23]

24 τεχνικές να μπορούν να υλοποιηθούν σε πραγματικό χρόνο και χωρίς να απαιτείται η διακοπή της λειτουργίας του δικτύου. Οι οπτικές τεχνικές μπορούν να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρόκειται για μη καταστρεπτικές διαγνωστικές τεχνικές, οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν εξ αποστάσεως, χωρίς την φυσική επαφή του διαγνωστικού συστήματος με τον μονωτήρα και ως εκ τούτου μπορούν να υλοποιηθούν υπό τάση χωρίς να απαιτείται η διακοπή της λειτουργίας του συστήματος. Για παράδειγμα, είναι δυνατή η με μεγάλη ευαισθησία και διακριτική ικανότητα στοιχειακή ή χημική ανάλυση πολυμερικών μονωτήρων με χρήση φασματοσκοπικών τεχνικών λέιζερ όπως η Laser Induced Fluorescence και η Laser Induced breakdown Spectroscopy, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντίστοιχες εφαρμογές σε πεδία όπως η ιατρική, το περιβάλλον, η συντήρηση έργων τέχνης και άλλα. Επιπλέον, υπάρχει και η οπτική τεχνική Spectral Imaging, η οποία επιτρέπει τον καθορισμό της δομής της επιφάνειας των δοκιμίων, άρα και τον καθορισμό της κατάστασης του υλικού καθώς και των ιδιοτήτων του. (Η) Έργο POLYDIAGNO Το συγκεκριμένο έργο έχει ως στόχο αφενός την διερεύνηση με συστηματικό τρόπο της συμπεριφορά των συνθετικών μονωτήρων που χρησιμοποιούνται σε υπαίθρια συστήματα υψηλής τάσης, στις περιβαλλοντικές και κλιματικές συνθήκες της Κρήτης και της Ελλάδος, αφετέρου την διερεύνηση της δυνατότητας για ανάπτυξη μιας διαγνωστικής τεχνικής που θα επιτρέπει την εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο αξιολόγηση της κατάστασης των μονωτήρων, στο πεδίο λειτουργίας τους. Για την ικανοποίηση των στόχων αυτών, αρχικά προβλεπόταν δοκιμές και μετρήσεις σε πραγματικές και εργαστηριακές συνθήκες, με στόχο τον καθορισμό της επίδρασης των αναμενόμενων μηχανισμών γήρανσης, αρχικά στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των μονωτήρων και περαιτέρω στην λειτουργική τους κατάσταση. Η κατανόηση της συσχέτισης αυτής, θα επέτρεπε στην συνέχεια την εφαρμογή οπτικών διαγνωστικών τεχνικών, οι οποίες είναι ικανές να εντοπίσουν μεταβολές στην φυσική και χημική κατάσταση των υλικών και ως εκ τούτου, στην [24]

25 συγκεκριμένη περίπτωση να διαγνώσουν την λειτουργική κατάσταση των μονωτήρων. Στόχος ήταν να αξιολογηθούν διάφορες οπτικές τεχνικές, όπως Spectral Imaging, Laser Induced Fluorescence (LIF) και Laser Induced breakdown Spectroscopy (LIBS), τόσο σε εργαστηριακές όσο και πραγματικές συνθήκες, με βάση την διαγνωστική τους ικανότητα σε υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μονωτήρων. Η επιλογή της βέλτιστης οπτικής τεχνικής, σε συνδυασμό με την μελέτη της συσχέτισης των μηχανισμών γήρανσης με την φυσική και χημική κατάσταση των μονωτήρων, θα επέτρεπε την ανάπτυξη ενός μοντέλου που θα συσχετίζει την λειτουργική κατάσταση των μονωτήρων και την οπτική απόκριση τους, το οποίο θα μπορούσε να δοκιμαστεί και να βελτιστοποιηθεί τόσο σε εργαστηριακό επίπεδο όσο και επίπεδο πεδίου. Με βάση το μοντέλο αυτό, θα μπορούσε να αναπτυχθεί πρωτότυπη διάταξη η οποία θα υλοποιούσε την ζητούμενη διαγνωστική τεχνική, εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, τα δεδομένα που θα προέκυπταν από την παραπάνω ερευνητική δραστηριότητα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και για την σχεδίαση ενός πολυμερούς υλικού βελτιστοποιημένου για τις ελληνικές κλιματολογικές συνθήκες. (Θ) Αποτελέσματα έργου Η δράση των μηχανισμών γήρανσης βρέθηκε να είναι καθοριστική για την λειτουργική κατάσταση των συνθετικών μονωτήρων, καθώς προκαλούν μεταβολή της χημικής σύσταση του υλικού αλλάζοντας τις αρχικές ιδιότητες του. Η μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων του μονωτήρα βρέθηκε να εξαρτάται από πλήθος παραγόντων που σχετίζονται κυρίως με την χημική σύνθεση του υλικού και την έκθεση του σε ηλεκτρικές, μηχανικές και περιβαλλοντικές καταπονήσεις. Οι παραπάνω καταπονήσεις ουσιαστικά προσφέρουν σημαντικά ποσά ενέργειας τα οποία είναι ικανά να αποσυνθέσουν την ασθενή δομή του πολυμερούς. Γενεσιουργός αιτία των περισσότερων μηχανισμών που μπορούν να υποβαθμίσουν την λειτουργική κατάσταση των συνθετικών μονωτήρων βρέθηκε να είναι η συγκέντρωση ρύπανσης στην επιφάνεια τους. [25]

26 Σχήμα 12. Ρύπανση σε μονωτήρα SIR. Η ύγρανση της ρύπανσης δημιουργεί αγώγιμες περιοχές στην επιφάνεια του περιβλήματος του συνθετικού μονωτήρα με αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγάλων ρευμάτων διαρροής. Τα υψηλά ρεύματα ξηραίνουν τις περιοχές αυξάνοντας την αντίσταση τους με αποτέλεσμα την δημιουργία ξηρών ζωνών (Σχήμα 13). Σχήμα 13. Σχηματισμός ξηρών ζωνών Η ανισοκατανομή του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται κατά μήκος του περιβλήματος λόγω των ξηρών ζωνών μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικές διασπάσεις μεταξύ αυτών των περιοχών καταπονώντας τον μονωτήρα θερμικά. Η υποβάθμιση [26]

27 του μονωτήρα επίσης μπορεί να προέλθει από τις εκκενώσεις κορώνα από το συνδυασμό του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου και των σταγονιδίων που δημιουργούνται στην επιφάνεια του μονωτήρα κατά την ύγρανση του. Επίσης εκκενώσεις corona μπορούν να συμβούν από λανθασμένη προσαρμογή εξαρτημάτων κατά την εγκατάσταση του μονωτήρα τα οποία φέρουν τάση και δημιουργούν τοπική αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου. Άλλοι μηχανισμοί καταπόνησης αφορούν την γήρανση του υλικού από την έκθεση του στο νερό, όξινη βροχή, στον άνεμο σε UV ακτινοβολία και στις υψηλές θερμοκρασίες. Στην πραγματικότητα η καταπόνηση του μονωτήρα προέρχεται από τον συνδυασμό όλων των προαναφερθέντων παραγόντων. Η μεταβολή που τελικά θα παρατηρηθεί στην χημική σύσταση του υλικού καθορίζεται από την επίδραση που θα έχει ο καθένας από τους παράγοντες στην ταυτόχρονη δράση τους. Συνεπώς η υποβάθμιση είναι η συνισταμένη της ταυτόχρονης δράσης των διαφορετικών φυσικών και χημικών παραγόντων. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε αναλυτική μελέτη της λειτουργικής κατάστασης των συνθετικών μονωτήρων του δικτύου 150kV της Κρήτης. Συγκεκριμένα η δειγματοληψία των συνθετικών μονωτήρων υλοποιήθηκε από τον ΔΕΔΔΗΕ και η αξιολόγηση της κατάστασης από τα Εργαστήρια Υψηλών Τάσεων και του Κέντρου Τεχνολογίας Υλικών και Φωτονικής του ΤΕΙ Κρήτης. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε λαμβάνοντας υπόψη την ηλικία των εγκατεστημένων μονωτήρων, τους κατασκευαστές των μονωτήρων, το χάρτη ρύπανσης του δικτύου, το αρχείο καταγραφής σφαλμάτων του ΔΕΔΔΗΕ και την εμπειρία του (Σχήμα 14, 15). Εν συνεχεία έγινε η αξιολόγηση της κατάστασης των μονωτήρων εφαρμόζοντας συνδυασμό μακροσκοπικών και μικροσκοπικών τεχνικών. Τα αποτελέσματα από την οπτική επιθεώρηση έδειξαν ότι οι υποβαθμισμένοι μονωτήρες παρουσιάζουν φθορές του πολυμερικού περιβλήματος (αποχρωματισμός, εγκοπές) και διαβρώσεις των μεταλλικών άκρων (Σχήμα 16). Επίσης παρατηρήθηκε απώλεια των υδροφοβικών ιδιοτήτων των γερασμένων μονωτήρων τόσο κατά την εξέταση τους με την μέθοδο του ψεκασμού όσο και με την μέτρηση της γωνίας επαφής (Σχήμα 17). [27]

28 Σχήμα 14. Μονωτήρες προς αξιολόγηση Σχήμα 15. Θέσεις μονωτήρων στο δίκτυο 150kV που αξιολογήθηκαν Σχήμα 16. Φθορές συνθετικών μονωτήρων [28]

29 Σχήμα 17. Υδρόφιλη συμπεριφορά γηρασμένου πολυμερικού μονωτήρα Ακόμα οι υποβαθμισμένοι μονωτήρες παρουσίασαν αυξημένα ρεύματα διαρροής και συνεχή ηλεκτρική δραστηριότητα κατά την εργαστηριακή ηλεκτρική αξιολόγηση τους με την δοκιμή του κεκλιμένου επιπέδου (Σχήμα 18). Επιπλέον εφαρμόζοντας την μέθοδο FTIR παρατηρήθηκε μειωμένη απορρόφηση του υπέρυθρου φάσματος των χαρακτηριστικών δεσμών του υλικού SIR για τους γηρασμένους μονωτήρες. Επίσης οι γηρασμένοι μονωτήρες παρουσίασαν μορφολογικές αλλοιώσεις στην επιφάνεια τους οι οποίες εντοπίστηκαν με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (Σχήμα 19). Σχήμα 18. Μετρήσεις ρευμάτων διαρροής με την τεχνική του κεκλιμένου επιπέδου, μπλε γραμμή υποβαθμισμένος μονωτήρας, κόκκινη γραμμή νέος μονωτήρας [29]

30 Τέλος εφαρμόστηκε η μέθοδος EDX προκειμένου να εντοπιστούν οι μεταβολές της χημικής σύστασης των δομικών στοιχείων του πολυμερικού περιβλήματος των γηρασμένων μονωτήρων οι οποίες σχετίζονται κυρίως με μείωση των ατόμων άνθρακα και αύξηση των ατόμων οξυγόνο, αναδεικνύοντας την οξείδωση ως βασικό μηχανισμό γήρανσης. Ο συνδυασμός των παραπάνω αποτελεσμάτων οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η υποβάθμιση της λειτουργικής κατάστασης των συνθετικών μονωτήρων συνδέεται Σχήμα 19. Μορφολογικές αλλοιώσεις στην επιφάνεια γηρασμένου μονωτήρα EPDM άμεσα την υποβάθμιση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους. Σε σχέση με την διερεύνηση των δυνατοτήτων των διαγνωστικών τεχνικών, διερευνήθηκε η δυνατότητα χρήσης διαφορετικών τεχνικών φασματοσκοπίας που χρησιμοποιούν τεχνολογία λέιζερ, στην αξιολόγηση της λειτουργικότητας μονωτήρων δικτύου υψηλής τάσης, με στόχο την ανάδειξη της τεχνικής η οποία θα επιτρέπει την από απόσταση και σε πραγματικό χρόνο εκτίμηση της αξιοπιστίας των μονωτήρων. Στην κατεύθυνση αυτή πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τις τεχνικές φασματοσκοπίας φθορισμού (LIF), Raman και πλάσματος (LIBS) σε δείγματα μονωτήρων διαφορετικών κατασκευαστών και χρόνου παραμονής στο δίκτυο της Κρήτης, με στόχο τον εντοπισμό των μεταβολών των ιδιοτήτων του υλικού των μονωτήρων και ως εκ τούτου τη διάγνωση της λειτουργικής τους κατάστασης. [30]

31 Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε συνίστατο στην αναζήτηση κατάλληλων δεικτών, οι οποίοι προκύπτουν από την ανάλυση φασμάτων καταγραφής (στο εσωτερικό και την επιφάνεια) και αντικατοπτρίζουν την κατάσταση της επιφάνειας των μονωτήρων. Αξίζει να σημειωθεί ότι όλες οι τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν συγκλίνουν στην ταξινόμηση των μονωτήρων σε δύο τύπους (Α και Β) ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρεία και κατ επέκταση υλικό σύστασης, επιτρέποντας ταυτόχρονα την κατάταξη των μονωτήρων αγνώστου κατασκευαστή σε αυτούς. Σημειώνεται ότι το υλικό σύστασης δεν είχε γνωστοποιηθεί, αλλά από την ανάλυση των φασμάτων εδείχθη ότι πρόκειται για PDMS και EPDM με προσμίξεις. Από τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των μονωτήρων με την τεχνική LIF, η οποία είναι δυνατό να εφαρμοστεί εξ αποστάσεως και να προσφέρει αποτελέσματα σε πραγματικό χρόνο, προκύπτει ότι είναι εφικτή η αναγνώριση των μονωτήρων διαφορετικής χημικής σύστασης, καθώς οι αντίστοιχες εκπομπές φθορισμού παρουσιάζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά ως προς τη μορφή της καμπύλης και το είδος των κορυφών εκπομπής. Παρά ταύτα η θέση ή/ και η ένταση εκπομπής που αναμένεται να μεταβάλλεται συστηματικά με το χρόνο έκθεσης στο πεδίο, καθώς αλλοιώνονται οι φυσικές ιδιότητες του υλικού των μονωτήρων, παρουσιάζει τυχαία μεταβολή. Επιπλέον, η εφαρμογή της σε συνθήκες πεδίου, καθίσταται δύσκολη αν όχι προβληματική, καθώς η εκπομπή που αντιστοιχεί στο υλικό των μονωτήρων, ενδέχεται να διαφοροποιείται και να υπερκαλύπτεται από εκπομπή φθορισμού προερχόμενου από το επιφανειακό στρώμα ρύπων. Η ανάλυση των δειγμάτων με τις τεχνικές Raman και ATR-FTIR, οι οποίες παρέχουν πληροφορίες για τα δομικά χαρακτηριστικά των υλικών, ανέδειξαν τη δυνατότητα διάκρισης μονωτήρων διαφορετικού είδους. Από τη μελέτη των δειγμάτων με φασματοσκοπία Raman προέκυψε ότι η ένταση σκέδασης στα φάσματα που προέρχονται από την επιφάνεια είναι μικρότερη σε σχέση με την ένταση στα φάσματα που προέρχονται από το εσωτερικό των μονωτήρων, το οποίο δικαιολογείται από τις μεταβολές που υφίσταται η επιφάνεια λόγω της έκθεσης του μονωτήρα στις συνθήκες λειτουργίας. Η εκατοστιαία διαφορά %ΔΙ της έντασης στο εσωτερικό σε σχέση με το εξωτερικό, χρησιμοποιήθηκε για την ποσοτικοποίηση των παρατηρούμενων μεταβολών στη σκεδαζόμενη ακτινοβολία. Από τους [31]

32 υπολογισμούς προκύπτουν ότι για τους νέους μονωτήρες η μεταβολή ΔΙ είναι μικρότερη από 5%, ενώ για τους χρησιμοποιημένους η ΔΙ λαμβάνει τιμές (>30%), οι οποίες δεν είναι δυνατό να σχετιστούν με την ηλικία των μονωτήρων. Επιπλέον, η υφή της επιφάνειας των μονωτήρων εισάγει πρόσθετους παράγοντες σκέδασης, καθιστώντας δύσκολη την καταγραφή της σκεδάζουσας ακτινοβολίας. Η φασματοσκοπία υπερύθρου αποδείχτηκε εξαιρετικά αποτελεσματική στην ταυτοποίηση του υλικού κατασκευής, καθώς τα αντίστοιχα φάσματα παρουσιάζουν χαρακτηριστικές κορυφές απορρόφησης που λειτουργούν ως δακτυλικό αποτύπωμα και είναι γνωστές στη βιβλιογραφία. Η συνολική απορρόφηση στο υπέρυθρο μειώνεται με την παραμονή των μονωτήρων στο δίκτυο λειτουργίας τους, και η μορφή του φάσματος διαφοροποιείται. Συγκεκριμένα, για τους μονωτήρες SIR (κατασκευασμένοι από PDMS) με μεγάλο χρόνο παραμονής εμφανίζεται κορυφή (1645 cm -1 ) η οποία απουσιάζει από τα φάσματα των νέων μονωτήρων, υποδηλώνοντας την απορρόφηση υγρασίας στην επιφάνεια. Η απορρόφηση που αντιστοιχεί στους δεσμούς Si-O-Si (1010 cm -1 ) υφίσταται μετατόπιση στη συχνότητα εμφάνισης, για μετρήσεις στην επιφάνεια σε σχέση με το εσωτερικό των μονωτήρων (μεγαλύτερη συχνότητα στο εσωτερικό), λόγω αλλοίωσης του υλικού σύνθεσης. Η μετατόπιση αυτή ( ) αυξάνεται με την ηλικία των μονωτήρων, λαμβάνει τιμές από 0 (για αχρησιμοποίητους μονωτήρες) έως 20 cm -1 (για παλαιούς και καταπονημένους μονωτήρες) και είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης μεταβολών των ιδιοτήτων της επιφάνειας των μονωτήρων. Ταυτόχρονα, η απορρόφηση στα 1060 cm -1 του Si-O-Si παρουσιάζεται λιγότερο διακριτή στην επιφάνεια σε σχέση με το εσωτερικό. Αντίστοιχα, στους μονωτήρες από ΕPDM η παραμονή στο δίκτυο έχει ως αποτέλεσμα την αλλοίωση της ανθρακικής αλυσίδας, όπως αποδεικνύεται από τη σαφή μείωση της απορρόφησης που αντιστοιχεί στις δονήσεις C-H και C-CH 3. στα φάσματα που καταγράφονται από την επιφάνεια σε σχέση με τα φάσματα από το εσωτερικό (Σχήμα 20, 21). Παρά ταύτα, η τεχνικές Raman και υπερύθρου δεν υλοποιούνται εξ αποστάσεως, καθώς η φυσική επαφή και εποπτεία του αντικειμένου είναι απαραίτητη για τη διεξαγωγή μετρήσεων. [32]

33 Στα δείγματα μελέτης εφαρμόστηκε τέλος η τεχνική LIBS, η οποία επιτρέπει τη στοιχειακή ή χημική ανάλυση ενός υλικού με μεγάλη διακριτική ικανότητα (Σχήμα 22). A bs or ba nc e S1 S2 S3 S4 S5 Bulk SIR Insulator 0.06 INSULATOR B: SURFACE MATERIAL S S2 S3 S4 Absorbance S5 BULK Wavenumber ) (cm Wavenumber (cm -1 ) Σχήμα 20. Φάσμα FTIR σε SIR μονωτήρα. Με διακεκομμένη γραμμή το φάσμα του άφθαρτου υλικού, με συνεχείς γραμμές το φάσμα μετά από τεχνητή γήρανση με IPT. Abso rban ce S1 S2 S3 S4 S5 Bulk EPDM Insulator Wavenumber (cm -1 ) Σχήμα 21. Φάσμα FTIR σε EPDM μονωτήρα. Με διακεκομμένη γραμμή το φάσμα του άφθαρτου υλικού, με συνεχείς γραμμές το φάσμα μετά από τεχνητή γήρανση με IPT. - [33]

34 Σχήμα 22. Φάσματα LIBS, Μαύρο χρώμα μονωτήρας SIR και κόκκινο χρώμα μονωτήρας EPDM Τα αποτελέσματα από τη μελέτη των μονωτήρων επιλογής, αναδεικνύουν την υπεροχή της τεχνικής LIBS από άποψη ευαισθησίας στον εντοπισμό των μεταβολών που λαμβάνουν χώρα στη χημική σύσταση του κύριου υλικού των μονωτήρων (ελαστομερής σιλικόνη/ PDMS), καθιστώντας εφικτή την εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο διάγνωση της λειτουργικής κατάστασης των μονωτήρων. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε ότι η τιμή του λόγου της έντασης εκπομπής CN προς την ένταση εκπομπής Si (φασματικός δείκτης R), στην επιφάνεια των μονωτήρων είναι σημαντικά μικρότερη στους μονωτήρες δικτύου, σε σύγκριση με τον αντίστοιχο λόγο στους αχρησιμοποίητους μονωτήρες, υποδεικνύοντας τη μείωση του ποσοστού του άνθρακα των πλευρικών μεθυλίων στην αλυσίδα του PDMS. Επιπλέον στους μονωτήρες δικτύου, η τιμή R στην επιφάνεια είναι συστηματικά μικρότερη από ότι στο εσωτερικό, και η εκατοστιαία μεταβολή αυτού σχετίζεται με το χρόνο παραμονής των μονωτήρων στο δίκτυο λειτουργίας τους, αντικατοπτρίζοντας έτσι τη φυσική τους κατάσταση (Σχήμα 23). [34]

35 Σχήμα 23. Εκτίμηση της κατάστασης των συνθετικών μονωτήρων από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της τεχνικής LIBS Ένα επιπλέον συγκριτικό πλεονέκτημα της τεχνικής LIBS έναντι των υπολοίπων φασματικών τεχνικών εστιάζεται στη χρήση ισχυρής ακτινοβολίας λέιζερ, η οποία προκαλεί την τοπική αφαίρεση επιφανειακών ρύπων, αναδεικνύοντας την πραγματική κατάσταση του επιφανειακού υλικού των μονωτήρων και του βαθμού αλλοίωσής του από τους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Σε εξέλιξη ευρίσκεται η διεξαγωγή μετρήσεων με την τεχνική LIBS σε συστήματα μονωτήρων εκτός εργαστηριακού περιβάλλοντος και συγκεκριμένα σε υπαίθριο Σταθμό Δοκιμών Υψηλής Τάσης του ΔΕΔΔΗΕ στην περιοχή Λινοπεράματα, με στόχο την εξ αποστάσεως εφαρμογή και αξιολόγηση της αποκτούμενης τεχνογνωσίας στο χαρακτηρισμό των μονωτήρων με την τεχνική LIBS, υπό συνθήκες που προσεγγίζουν τις συνθήκες πραγματικής λειτουργίας τους. Τέλος, συνεκτιμώντας τα αποτελέσματα της αξιολόγησης της λειτουργικής κατάστασης των υφιστάμενων μονωτήρων, εφαρμόζοντας διαφορετικές διαγνωστικές τεχνικές όπως αυτές περιγράφηκαν στις προηγούμενες ενότητες εργασίας, και τα αντίστοιχα της διαβάθμισης της ρύπανσης αναλόγως της [35]