ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ "ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011"

Transcript

1 ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ ΕΥΡΩΠΑΪΚΟ ΤΑΜΕΙΟ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων Ε. Π. Ανταγωνιστικότητα και Επιχειρηματικότητα (ΕΠΑΝ ΙΙ), ΠΕΠ Μακεδονίας Θράκης, ΠΕΠ Κρήτης και Νήσων Αιγαίου, ΠΕΠ Θεσσαλίας Στερεάς Ελλάδας 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 6 (19/3/ /10/2015) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ Π6.1 (μήνας ολοκλήρωσης: 25 ος ) ΕΚΘΕΣΗ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΕΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ΥΛΙΚΟΥ ΓΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Υπεύθυνος φορέας: Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Κρήτης (ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ) Άλλοι συμμετέχοντες φορείς: (α) Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέϊζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας - Εργαστήριο Προηγμένων Πηγών και Συστημάτων Λέϊζερ (ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) (β) Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) Οκτώβριος 2015 Σελίδα 1 από 25

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Προοίμιο.. 3 Α Μέρος: Καθορισμός των ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών που απαιτούνται 4 για τις κλιματολογικές συνθήκες της Ελλάδος. 1. Εισαγωγή Κλιματολογικές συνθήκες στην Ελλάδα Περιβαλλοντικοί παράγοντες γήρανσης των συνθετικών μονωτήρων Ιδιότητες του νέου πολυμερούς 6 5. Σύνοψη Β Μέρος: Σχεδίαση ενός νέου υλικού, βελτιστοποιημένου για την κατασκευή 13 του κελύφους ενός μονωτήρα υψηλής τάσης για τις ελληνικές, αλλά και γενικότερα στις Μεσογειακές κλιματολογικές συνθήκες.. 6. Εισαγωγή Συστατικά σε ένα πολυμερικό σύνθετο Πολυμερικά σύνθετα για μονωτήρες και φυσικές/χημικές ιδιότητες τους Δομή γόμας σιλικόνης Συμπεράσματα.. 20 Παράρτημα 1 21 Αναφορές Σελίδα 2 από 25

3 Προοίμιο Η παρούσα έκθεση αφορά το παραδοτέο Π6.1 της Ενότητας Εργασίας 6 του έργου με τίτλο «Διερεύνηση της συμπεριφοράς συνθετικών/πολυμερικών μονωτήρων/υλικών σε εφαρμογές υπαίθριων εγκαταστάσεων υψηλών τάσεων και ανάπτυξη διαγνωστικής τεχνικής για την εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο αξιολόγηση της λειτουργικότητας τους» (κωδικός 11ΣΥΝ ), το οποίο υλοποιείται στο πλαίσιο της Δράσης Εθνικής Εμβέλειας «Συνεργασίας 2011», Συμπράξεις Παραγωγικών και Ερευνητικών Φορέων σε Εστιασμένους Ερευνητικούς και Τεχνολογικούς Τομείς με την συμμετοχή των φορέων: (α) Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας - Εργαστήριο Προηγμένων Πηγών και Συστημάτων Λέιζερ (ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) (β) Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Κρήτης (ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ) (γ) Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) (δ) ENTEC Green Economy Consultants (ENTEC) Η Ενότητα Εργασία 6 αφορά την «Σχεδίαση νέου πολυμερικού υλικού» και σε αυτήν δραστηριοποιήθηκαν οι συμμετέχοντες φορείς και για την υλοποίηση του συνεργάστηκαν οι φορείς ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ, ΔΕΔΔΗΕ και ΙΗΔΛ-ΙΤΕ. Τα συμπεράσματα της μελέτης συνοπτικά είναι: (α) Η χρήση συνθετικών υλικών σε εφαρμογές μονώσεων υψηλών τάσεων παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των υλικών που παραδοσιακά χρησιμοποιούνται (κεραμικά), καθώς προσφέρεται η δυνατότητα διαμόρφωσης των ιδιοτήτων τους. (β) Η δυνατότητα προσθήκης βελτιωτικών προσμίξεων κατά την σύνθεση του πολυμερούς παρέχει την δυνατότητα είτε ενίσχυσης υφιστάμενων ιδιοτήτων είτε πρόσθεσης νέων ιδιοτήτων του (γ) Η προσθήκη κάποιας νέας πρόσμιξης για την προσθήκη νέας ιδιότητας μπορεί να υποβαθμίζει κάποια άλλη υφιστάμενη ιδιότητά του, απαιτείται επομένως ο επακριβής προσδιορισμός των ιδιοτήτων του νέου υλικού. (δ) Ο σχεδιασμός για την αλλαγή της δομής της πολυμερικής μήτρας απαιτεί πολύ ισχυρά υπολογιστικά εργαλεία και μακροχρόνιες χημικές προσομοιώσεις, ενώ παράλληλα, θα οδηγούσε σε υλικά τα οποία θα είχαν αρκετά αυξημένο κόστος κατασκευής (ε) Αντίστοιχα, η τροποποίηση της σύστασης του μείγματος σε πολυμερική μήτρα γόμας σιλικόνης, είναι απλούστερη και οδηγεί σε προϊόντα χαμηλού κόστους. Μικρές τροποποιήσεις σε σχέση με το μήκος της αλυσίδας, με την πρόσθεση λειτουργικής ομάδας στην άκρη της αλυσίδας καθώς και την διαμόρφωση της δομής, οδηγεί πάντοτε σε μονωτές, με τις δομές οι οποίες καταλήγουν σε υδροξύλια να έχουν καλύτερες μονωτικές ιδιότητες (ζ) Με τις τροποποιήσεις αυτές, η πολυμερική αλυσίδα είναι αρκετά σταθερή, με κατάλληλες ενεργειακές καταστάσεις έτσι ώστε, ακόμα και αν προκληθεί διέγερση της αλυσίδας, αυτή να οδηγεί σε ρίζες μεγάλου χρόνου ζωής αντί για μια ξαφνική αποδόμηση. (η) Μια διέγερση μπορεί να προκαλέσει σε διάσπαση της δομής, κάτι όμως που δεν είναι απαραίτητα επιβλαβές καθώς οι μικρότερες αλυσίδες είναι ουσιαστικές για την ανάκαμψη της υδροφοβίας. Σελίδα 3 από 25

4 Α Μέρος: Καθορισμός των ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών που απαιτούνται για τις κλιματολογικές συνθήκες της Ελλάδος. 1. Εισαγωγή Στο μέρος Α γίνεται αναφορά στον καθορισμό των ιδιοτήτων που απαιτούνται από ένα πολυμερές υλικό που αν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του κελύφους ενός μονωτήρα, θα μπορεί να προσφέρει βέλτιστη συμπεριφορά στις ελληνικές, αλλά και γενικότερα στις Μεσογειακές κλιματολογικές συνθήκες. Προκειμένου να περιγραφούν και να καθοριστούν οι βέλτιστες φυσικές και χημικές ιδιότητες του νέου πολυμερούς που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές ηλεκτρικών μονώσεων, ιδιαίτερα σε υπαίθριες εφαρμογές, γίνεται συνοπτική περιγραφή των κλιματολογικών παραγόντων που συναντώνται στην Ελλάδα στο πλαίσιο των Μεσογειακών κλιμάτων. Εν συνεχεία γίνεται αναφορά στις ιδιότητες και τέλος στην σχεδίαση της σύνθεσης-δομής του νέου πολυμερούς που δύναται να διαθέτει τις ιδιότητες αυτές. 2. Κλιματολογικές συνθήκες Ελλάδας Κύριο χαρακτηριστικό των Μεσογειακών κλιμάτων, συμπεριλαμβανομένου και του ελληνικού, είναι τα θερμά καλοκαίρια και οι ήπιοι χειμώνες. Ειδικότερα το ελληνικό κλίμα ως υποκατηγορία των μεσογειακών κλιμάτων χαρακτηρίζεται από μικρή σχετικά στάθμη βροχόπτωσης κυρίως κατά την διάρκεια του χειμώνα και την μεγάλη διάρκειας ηλιοφάνειας. Δεδομένης της γεωγραφικής ποικιλομορφίας της Ελλάδος το κλίμα μπορεί να διαβαθμιστεί σε: Ορεινό Παραθαλάσσιο Ηπειρωτικό Η ποικιλία των προαναφερθέντων κλιματολογικών τύπων οφείλεται στο έντονο τοπογραφικό ανάγλυφο της χώρας (μεγάλες υψομετρικές διαφορές) και στην εναλλαγή ξηράς θάλασσας [1]. Το γεγονός αυτό συμβάλλει στην έντονη ποικιλομορφία του κλίματος ακόμα και σε περιοχές που απέχουν ελάχιστα μεταξύ τους, πράγμα που εντοπίζεται σε λιγοστές χώρες παγκοσμίως. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εντοπίζεται στο παραθαλάσσιο ελληνικό κλίμα που χαρακτηρίζεται για τα δροσερά καλοκαίρια, τους ήπιους χειμώνες και αρκετά μεγάλα ποσοστά υγρασίας σε πολλές παραθαλάσσιες πόλεις. Επιπροσθέτως κύριο χαρακτηριστικό είναι οι ισχυροί άνεμοι, κυρίως βόρειοι και νότιοι σε μικρότερη έκταση και συχνότητα που παρατηρούνται σε όλη την διάρκεια του έτους [2]. 3. Περιβαλλοντικοί παράγοντες γήρανσης των συνθετικών μονωτήρων Δεδομένων των προαναφερθέντων κλιματολογικών συνθηκών, παρόμοιες συναντώνται στις παραθαλάσσιες περιοχές της Μεσογείου θάλασσας, το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως στους ακόλουθους περιβαλλοντικούς παράγοντες : Θερμοκρασία Άνεμοι Ρύπανση Σελίδα 4 από 25

5 Υγρασία Ηλιακή ακτινοβολία Σχήμα 1. Κλιματολογικές ζώνες Ελλάδας Η επίδραση των παραπάνω περιβαλλοντικών παραγόντων είναι ιδιαιτέρως καθοριστική για την αποτελεσματική λειτουργία των ηλεκτρικών μονώσεων από πολυμερή υλικά καθώς ο συνδυασμός των περιβαλλοντικών παραγόντων με την ταυτόχρονη ηλεκτρική καταπόνηση μπορούν να υποβαθμίσουν τις λειτουργικές ιδιότητες των πολυμερών. Λόγω της μεταβλητότητας των περιβαλλοντικών παραγόντων από περιοχή σε περιοχή οι ιδιότητες του νέου προτεινόμενου υλικού είναι ιδιαιτέρως απαιτητικές προκειμένου να μπορεί να χρησιμοποιηθεί υπό οποιεσδήποτε κλιματολογικές συνθήκες στον ελλαδικό χώρο. Να επισημανθεί ότι παράλληλα με τις κλιματολογικές συνθήκες λαμβάνονται υπόψη όλοι οι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την εύρυθμη λειτουργία των μονωτήρων υψηλής τάσης Δεδομένου ότι οι γραμμές μεταφοράς εκτίνονται κατά μήκος δεκάδων χιλιομέτρων και δεδομένου ότι ο προσδόκιμος χρόνος ζωής του υπόψη συστήματος είναι τουλάχιστον 50 έτη, θα πρέπει εκτός των κλιματολογικών συνθηκών να λαμβάνονται υπόψη και οι τοπικές συνθήκες κατά μήκος της όδευσης των γραμμών μεταφοράς δίδοντας ιδιαίτερη έμφαση στον τύπο της ρύπανσης. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση τα τυπικά περιβάλλοντα, που συναντώνται αναλόγως της ρύπανσης, περιγράφονται στους οδηγούς 158 του Task Force της Cigre [3] και IEC [4] είναι: Παράκτιο Αναφέρεται στις περιοχές που βρίσκονται πλησίον της θάλασσας και η κύρια ρύπανση των μονωτήρων προέρχεται λόγω της θάλασσας. Συνεπώς η ρύπανση αποτελείται κυρίως από άλατα όπως NaCl και άλλα τα οποία είναι ευδιάλυτα στο νερό. Η ρύπανση εναποτίθεται στην επιφάνεια των Σελίδα 5 από 25

6 Βιομηχανικό Ερημικό Αγροτικό Ενδοχώρα μονωτήρων κυρίως από ψεκασμό σωματιδίων θαλασσινού ύδατος, ανέμων και ομίχλης. Αναφέρεται στις περιοχές με ρυπαντές προερχόμενους από βιομηχανική δραστηριότητα, όπως τσιμεντοβιομηχανία, χημική βιομηχανία, χαλυβουργία κλπ. Η ρύπανση ποικίλει αναλόγως του τύπου της βιομηχανικής δραστηριότητας από διαλυτά οξέα (χημική βιομηχανία) έως και χαμηλής διαλυτότητας άλατα (τσιμεντοβιομηχανία). Αναφέρεται σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από αμμώδη εδάφη με εκτεταμένες περιόδους ξηρασίας. Η ρύπανση αποτελείται κυρίως από άλατα δυσδιάλυτα. Κύρια πηγή ρύπανσης είναι ο άνεμος. Αναφέρεται σε περιοχές που η ρύπανση των μονωτήρων μπορεί να προέλθει από αγροτικές δραστηριότητες όπως είναι ο ψεκασμός των καλλιεργειών, το όργωμα κλπ. Επιπροσθέτως ρύποι μπορεί να προέρχονται από περιττώματα πτηνών ιδιαιτέρως κατά τις περιόδους συγκομιδής των αγροτικών προϊόντων. Αναφέρεται σε περιοχές με χαμηλή ρύπανση 4. Ιδιότητες του νέου πολυμερούς Όπως αναφέρθηκε στην ενότητα εργασίας 1 [5], η χρήση των πολυμερών υλικών ως βασικό υλικό κατασκευή του κελύφους/περιβλήματος των συνθετικών μονωτήρων των εναέριων δικτύων μεταφοράς λόγω των εξαιρετικά υδρόφοβων ιδιοτήτων τους μπορεί να συμβάλλει αποτελεσματικά στην αντιμετώπιση του προβλήματος της ρύπανσης, συνεπώς και στην ομαλή λειτουργία των υπόψη εφαρμογών. Όμως κύριο και αναπόφευκτο χαρακτηριστικό των πολυμερών αυξημένης υδροφοβίας, ιδιαιτέρως των οργανικών πολυμερών, είναι οι χαμηλές διαμοριακές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των δομικών στοιχείων που το απαρτούν. Αποτέλεσμα αυτού είναι η δομή τους να είναι ευάλωτη σε παράγοντες που μπορούν να φέρουν ενέργεια ικανή να διασπάσει τους χημικούς δεσμούς τους. Στην ενότητα εργασίας 1 [5] περιγράφονται οι μηχανισμοί υποβάθμισης των μονώσεων SIR λόγω περιβαλλοντικών παραγόντων. Βάσει της πολυετούς ερευνητικής εμπειρίας του ΔΕΔΔΗΕ και του ΤΕΙΚ σε θέματα αξιολόγησης της συμπεριφοράς υπαίθριων πολυμερικών μονωτήρων οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στο δίκτυο υψηλής τάσης της Κρήτης και συνεκτιμώντας παράλληλα τα αποτελέσματα της αξιολόγησης της λειτουργικής κατάστασης των υφιστάμενων μονωτήρων, εφαρμόζοντας διαφορετικές διαγνωστικές τεχνικές όπως αυτές περιγράφηκαν στις προηγούμενες ενότητες εργασίας [5-9] προκύπτει ότι είναι αναγκαίο το νέο πολυμερές να φέρει τις ακόλουθες ιδιότητες: 4.1 Υδροφοβία Η υδρόφοβη συμπεριφορά της επιφάνειας του μονωτήρα είναι αναγκαία προκειμένου να καταστεί δυνατή η αποφυγή της συσσώρευσης περιβαλλοντικής ρύπανσης στην επιφάνεια του, προλαμβάνοντας εγκαίρως την ανάπτυξη μερικών επιφανειακών εκκενώσεων. Η υδροφοβία του πολυμερικού περιβλήματος πρέπει να διατηρείται ακόμη και υπό συνθήκες έντονης περιβαλλοντικής ρύπανσης δυσχεραίνοντας την ανάπτυξη επιφανειακής αγώγιμης ρυπασμένης επίστρωσης κατά την ύγρανση της επιφάνειας (υγρασία, ψιλόβροχο). Συνεπώς αποφεύγεται εγκαίρως η ανάπτυξη ηλεκτρικών εκκενώσεων στην επιφάνεια συνοδευόμενες από Σελίδα 6 από 25

7 μεγάλα ποσά θερμικής ενέργειας οι οποίες υποβαθμίζουν περαιτέρω το υλικό. To νέο πολυμερές δύναται να φέρει στοιχεία χαμηλού μοριακού βάρους (Low molecular weight components) με υδρόφοβες ιδιότητες αυξημένης κινητικότητας ώστε να είναι δυνατή η μετάδοση των υδρόφοβων ιδιότητες στην ρυπασμένη επίστρωση [10]. Στο σχήμα 2.α απεικονίζεται η απώλεια της υδροφοβίας ενός συνθετικού μονωτήρα μετά από 17 χρόνια λειτουργίας στις γραμμές μεταφορές της Κρήτης σε αντίθεση με το σχήμα 2.β όπου η υδροφοβία ενός άλλου συνθετικού μονωτήρα μετά από 17 χρόνια λειτουργίας είναι ικανοποιητική. (α) (β) Σχήμα 2. (α) υδρόφιλη και (β) υδρόφοβη συμπεριφορά συνθετικών μονωτήρων εναέριου δικτύου μεταφοράς 150kV Κρήτης.[11] 4.2 Αντοχή στο σχηματισμό αγώγιμων οδών (tracking) και διάβρωσης (erosion) Αποτέλεσμα της ανάπτυξης μερικών εκκενώσεων στην ρυπασμένη επιφάνεια του πολυμερικού περιβλήματος είναι η ανάπτυξη αγώγιμων οδών στην επιφάνεια του (Σχήμα 3) μειώνοντας δραστικά την μονωτική ικανότητα του μονωτήρα. Στα σημεία ανάπτυξης του tracking δημιουργούνται μορφολογικές αλλοιώσεις της επιφάνειας του πολυμερούς συμπεριλαμβανομένων της διάβρωσης και αύξηση της τραχύτητας. Συνεπώς προκειμένου να αποφευχθεί ο σχηματισμός μορφολογικών αλλοιώσεων στην επιφάνεια του πολυμερικού περιβλήματος κρίνεται αναγκαίο το νέο πολυμερές να έχει αυξημένο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας προκειμένου να είναι εφικτή η διάχυση της θερμότητας κατά την ανάπτυξη ηλεκτρικών επιφανειακών εκκενώσεων. Η αύξηση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση πρόσθετων νανοσωματιδίων που φέρουν την συγκεκριμένη ιδιότητα. Σχήμα 3. Σχηματισμός αγώγιμων οδεύσεων στην επιφάνεια του πολυμερικού περιβλήματος του μονωτήρα [11] Σελίδα 7 από 25

8 4.3 Αντοχή σε φαινόμενα ανάπτυξης corona Οι εκκενώσεις corona προτείνονται στην βιβλιογραφία ως αρχικός μηχανισμός για την ηλεκτρική γήρανση του μονωτήρα. Οι εκκενώσεις corona έχουν άμεση συσχέτιση με τις υψηλές τιμές του ηλεκτρικού πεδίου που μπορούν να οδηγήσουν στον ιονισμό του μονωτικού μέσου, στην προκειμένη περίπτωση του αέρα. Αιτία για την αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου στους μονωτήρες είναι οι ανομοιογένειες στην μορφολογία της επιφάνειας τους λόγω επικάθισης περιβαλλοντικής σκόνης, σχηματισμού σταγόνων λόγω βροχής ή ακόμα και μορφολογικής κατασκευαστικής αστοχίας 1 mm του μονωτήρα. Στην περίπτωση του σχηματισμού σταγόνων στην υδρόφοβη επιφάνεια του μονωτήρα, η ενίσχυση του πεδίου μπορεί να γίνει αρκετές φορές μεγαλύτερη [12, 13]. Όπως έχει αποδειχθεί η συνεχής καταπόνηση του περιβλήματος υπό εκκενώσεις corona μπορεί να υποβαθμίσει την μονωτική ικανότητα του πολυμερούς. Προκειμένου να μετριαστεί το φαινόμενο των εκκενώσεων κορώνα δακτύλιοι corona χρησιμοποιούνται στα άκρα του μονωτήρα συμβάλλοντας στην εξομάλυνση του ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος των μονωτήρων (Σχήμα 4). Σχήμα 4. Δακτύλιος corona [14] Πιθανή λύση για την αντιμετώπιση των εκκενώσεων corona είναι το νέο πολυμερές να έχει χαμηλή γωνία ολίσθησης. Η τελευταία ιδιότητα σε συνδυασμό με την αυξημένη υδροφοβία θα συμβάλει αποτελεσματικά στην απώθηση των υδάτινων σταγόνων από την επιφάνεια του υλικού. Αποτέλεσμα η αποφυγή περιοχών με έντονα υψηλό ηλεκτρικό πεδίο. 4.4 Αντοχή στην υδρόλυση Υδρόλυση ονομάζεται η διαδικασία της διάσπασης χημικών δεσμών μια χημικής ένωσης υπό την επίδραση του νερού. Γενικότερα η απορρόφηση υγρασίας στον όγκο του υλικού αποτελεί πρόβλημα στις ηλεκτρικές μονώσεις λόγω φυσικής και χημικής υποβάθμισης της δομής τους επομένως και των ιδιοτήτων τους [15]. Σελίδα 8 από 25

9 Φαινόμενα αστοχίας του μονωτήρα λόγω υδρόλυσης παρουσιάζονται κυρίως στις διεπιφάνειες μεταξύ του πολυμερικού περιβλήματος με τα μεταλλικά άκρα και τον FRP πυρήνα των συνθετικών μονωτήρων. Σχήμα 5. Αστοχία μονωτήρα λόγω διείσδυσης υγρασίας στο σημείο ένωσης πολυμερικού περιβλήματος, συνθετικού πυρήνα και μεταλλικού άκρου στήριξης. [14] Η χρήση πολυμερικών και συνθετικών υλικών υψηλής αντοχής στην υδρόλυση σε συνδυασμό με τις υδρόφοβες ιδιότητες του πολυμερούς μπορούν να συμβάλουν αποτελεσματικά στην απώθηση της υγρασίας συνεπώς και των όποιων επιπτώσεων υποβάθμισης του υλικού από την απορρόφηση της υγρασίας. 4.5 Μηχανική αντοχή Αστοχία μονωτήρων έχει καταγραφεί από μερική ή ολική καταστροφή του πολυμερικού του περιβλήματος λόγω επίθεσης από πτηνά ή τρωκτικά (Σχήμα 6) στο πεδίο. Ακόμη καταστροφή του πολυμερικού περιβλήματος έχει καταγραφεί κατά την μεταφορά ή την τοποθέτηση των μονωτήρων. Αποτέλεσμα της καταστροφής του πολυμερικού περιβλήματος είναι η μείωση της τάσης διάσπασης του μονωτήρα λόγω της μείωσης του μήκους ερπυσμού και η έκθεση τους συνθετικού πυρήνα σε περιβαλλοντικές καταπονήσεις που μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε πτώση της γραμμής μεταφοράς. Το πρόβλημα ήταν εντονότερο στις πρώτες γενιές των συνθετικών μονωτήρων κατασκευασμένοι από RTV silicone rubber λόγω της χαμηλής μηχανικής αντοχής του πολυμερικού περιβλήματος. Προκειμένου να είναι εφικτή η μέτρηση της μηχανικής αντοχής εισήχθηκε η παράμετρος tear strength που εκφράζει την μέγιστη δύναμη που πρέπει να ασκηθεί σε τμήμα του πολυμερικού περιβλήματος στο οποίο έχει εγκοπή προκειμένου να αποκοπεί από αυτό και εκφράζεται σε Ν/mm. Προκειμένου να αποφευχθούν αστοχίες μηχανικής αντοχής προτείνεται η ενίσχυση ή/και ο διαφορετικός τρόπος βουλκανισμού του πολυμερικού περιβλήματος σε σχέση με το συμβατικό προκειμένου να αυξηθεί η παράμετρος tear strength. Σελίδα 9 από 25

10 Σχήμα 6. Καταστροφή πολυμερικού περιβλήματος μονωτήρα εναέριας γραμμής μεταφοράς 150kV δικτύου Κρήτης λόγω επίθεσης πτηνών. 4.6 Τάση διάσπασης Η τάση διάσπασης είναι από την σημαντικότερες ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ηλεκτρικών μονώσεων καθώς δηλώνει την μέγιστη τάση που πρέπει να εφαρμοστεί προκειμένου να επέλθει διάσπαση του δοκιμίου. Αποτέλεσμα της γήρανσης του πολυμερικού περιβλήματος των συνθετικών μονωτήρων είναι η μείωση της τάσης διάσπασης. Συνεπώς προτείνεται η κατασκευή πολυμερούς μεγαλύτερης τάσης διάσπασης από 10 kv/mm όπως ορίζεται από το πρότυπο IEC [16]. 4.7 Αντίσταση έναντι χημικής διάβρωσης Η χημική διάβρωση μπορεί να προέλθει κατά την διάρκεια λειτουργία του συνθετικού μονωτήρα στο πεδίο από όξινη βροχή, από τον σχηματισμό νιτρικών οξέων ως προϊόντα των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν κατά την ανάπτυξη των επιφανειακών ηλεκτρικών εκκενώσεων ή από τον σχηματισμό οξέων κατά την διείσδυση της υγρασίας στον πυρήνα του μονωτήρα ως προϊόντα υδρόλυσης [14]. Συνεπώς η χημική σύσταση του νέου πολυμερούς πρέπει να είναι ανθεκτική έναντι χημικής διάβρωσης υπό την έκθεσή του πολυμερούς σε όξινο περιβάλλον. 4.8 Αντίσταση σε περιβαλλοντική καταπόνηση και ακτινοβολία UV Η πλειοψηφία των μονωτήρων των δικτύων μεταφοράς υψηλής τάσης υπόκεινται σε περιβαλλοντικές καταπονήσεις και εκτίθενται στην ηλιακή ακτινοβολία κατά την λειτουργία τους. Τα συνθετικά υλικά, ιδιαιτέρως τα οργανικά, είναι ευπαθή ιδίως σε καταπόνηση από UV ακτινοβολία. Στην βιβλιογραφία έχει καταγραφεί αλλοίωση Σελίδα 10 από 25

11 της μορφολογίας του πολυμερικού περιβλήματος (cracking) καθώς και αύξηση της τραχύτητας ιδιαιτέρως στην πρώτη γενιά συνθετικών μονωτήρων οι οποίοι κατά βάση κατασκευαζόταν από οργανικά πολυμερή (Σχήμα 7). (α) (β) Σχήμα 7. Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, (α) cracking και (β) βάθος γήρανσης (50μm) επιφάνειας πολυμερικού περιβλήματος μονωτήρα 150kV εναέριου δικτύου μεταφοράς Κρήτης [11]. Συνεπώς το νέο πολυμερές πρέπει να είναι ανθεκτικό σε έκθεση UV ακτινοβολίας με την χρήση κατάλληλης πρόσμιξης νανοσωματιδίων TiO 2. Παράλληλα λόγω τα συγκεκριμένα νανοσωματίδια μπορούν να συμβάλλουν αποτελεσματικά στην αποδόμηση της επικαθήμενης περιβαλλοντικής ρύπανσης μέσω του μηχανισμού της φωτοκατάλυσης. 4.9 Αντίσταση σε ανάφλεξη Όπως προηγουμένως αναφέρθηκε, η απώλεια της υδροφοβίας του πολυμερικού περιβλήματος έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό αγώγιμων οδεύσεων που συμβάλουν στην ανάπτυξη επιφανειακών ηλεκτρικών εκκενώσεων. Κατά την ανάπτυξη των εκκενώσεων ή της διάσπασης του μονωτήρα, η αναπτυσσόμενη θερμοκρασία δύναται να υπερβαίνει τους 1000 o C προκαλώντας σημαντικές μορφολογικές αλλοιώσεις (Σχήμα 8). Συνεπώς το υλικό που προτείνεται πρέπει να φέρει υψηλή αντίσταση στην εξάπλωση της φλόγας, η οποία ιδιότητα μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση επιβραδυντικών προσμίξεων. Σελίδα 11 από 25

12 Σχήμα 8. Μορφολογικές αλλοιώσεις πολυμερικού περιβλήματος μονωτήρα 150kV ενάεριου δικτύου μεταφοράς Κρήτης μετά από διάπασή του (flashover) [17]. 5. Σύνοψη Συνοψίζοντας, η χρήση πολυμερών και συνθετικών υλικών σε εφαρμογές μονώσεων υψηλών τάσεων παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των υλικών που παραδοσιακά χρησιμοποιούνται (κεραμικά), καθώς προσφέρεται η δυνατότητα διαμόρφωσης των ιδιοτήτων τους. Παράλληλα η δυνατότητα προσθήκης βελτιωτικών προσμίξεων κατά την σύνθεση του πολυμερούς παρέχει την δυνατότητα είτε ενίσχυσης υφιστάμενων ιδιοτήτων είτε πρόσθεσης νέων ιδιοτήτων του. Δεδομένου ότι η προσθήκη κάποιας νέας πρόσμιξης για την προσθήκη νέας ιδιότητας υποβαθμίζει κάποια άλλη υφιστάμενη ιδιότητά του, απαιτείται ο επακριβής προσδιορισμός των ιδιοτήτων του νέου υλικού, όπως προηγήθηκε, καθώς και η γνώση των ιδιοτήτων κάθε συστατικού, που ακολουθεί. Σελίδα 12 από 25

13 Β Μέρος: Σχεδίαση ενός νέου υλικού, βελτιστοποιημένου για την κατασκευή του κελύφους ενός μονωτήρα υψηλής τάσης για τις ελληνικές, αλλά και γενικότερα στις Μεσογειακές κλιματολογικές συνθήκες 6. Εισαγωγή Οι μονωτήρες που βασίζονται σε πολυμερή έχουν κυριαρχήσει στην παγκόσμια αγορά για πρακτικούς λόγους, καθώς στοιχίζουν φθηνότερα, είναι ελαφρότεροι και παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά σε επιβαρυμένα περιβάλλοντα, σε σύγκριση με αυτούς από πορσελάνη ή γυαλί. Η σύσταση των μονωτήρων με βάση τα πολυμερή ποικίλει και ποιοτικά και ποσοτικά. Πρακτικά, ένας συνθετικός μονωτήρας μπορεί να αποτελείται από πολλά συστατικά, με κάθε ένα από τα οποία να διαθέτει συγκεκριμένη λειτουργικότητα, αλλά και κάθε ένα από αυτά να έχει διαφορετική επίδραση στις ιδιότητες του αλλά και στην δυνατότητα για επεξεργασία του. Εκτός από τα συστατικά πλήρωσης (fillers) και την πολυμερική μήτρα που ευρίσκονται σε μεγάλες συγκεντρώσεις, τα υπόλοιπα συστατικά παρουσιάζονται σε μικρές ποσότητες (ιχνοστοιχεία). Για παράδειγμα, η συνηθισμένη περιεκτικότητα σε αντιοξειδωτικά είναι της τάξης 1 ppm έως 1%. 7. Συστατικά σε ένα πολυμερικό σύνθετο Η επιλογή των συστατικών για την ανάπτυξη ενός νέου υλικού που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μονωτήρας υψηλής τάσης, εξαρτάται από τις τελικές επιθυμητές ιδιότητες. Υπάρχουν διάφορα συστατικά τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα τέτοιο υλικό, με καθένα από αυτά να έχει διαφορετικό αλλά σίγουρα αλληλοσυμπληρωματικό ρόλο. Γενικά, τα διάφορα συστατικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα πολυμερικό σύνθετο και ο ρόλος του καθενός μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής κατηγορίες: (A) Βασική μήτρα (παράγοντας διασύνδεσης): Αποτελεί το πιο βασικό συστατικό, το οποίο συνήθως είναι ένα ελαστομερές. Η επιλογή του ελαστομερούς πρέπει να βασίζεται στις τελικές επιθυμητές ιδιότητες καθώς και την ικανότητα του για επεξεργασία. (B) Παράγοντας βουλκανισμού: Ο παράγοντας βουλκανισμού αποτελεί συστατικό απαραίτητο για να προκληθεί μια χημική αντίδραση, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε χημική διασύνδεση των μορίων του ελαστομερούς, μέσω της οποίας αυτό μετατρέπεται από μαλακό και κολλώδες συστατικό σε σκληρό και σταθερό με την θερμοκρασία υλικό. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες βουλκανισμού (ή παράγοντες σκλήρυνσης) που χρησιμοποιούνται, όπως για παράδειγμα, τα οργανικά περοξείδια τα οποία παρουσιάζουν ευρύτατη χρήση σε μονωτήρες υψηλής τάσης. (C) Συμπαράγοντες: Οι παράγοντες αυτοί έχουν ουσιαστικό ρόλο στο να διατηρήσουν την διασύνδεση μεταξύ των υλικών της πολυμερικής μήτρας με τον παράγοντα βουλκανισμού, προστατεύουν δηλαδή το υλικό από την διάσπαση των δεσμών του. Πρακτικά, στόχος είναι η δημιουργία νέων δεσμών διασύνδεσης να είναι πιο γρήγορη από την διάσπαση τους. Υπάρχουν δύο τύποι συμπαραγόντων, ο τύπος Ι και ο τύπος ΙΙ, με Σελίδα 13 από 25

14 τον πρώτο να βοηθά στην αύξηση και του ρυθμού (ταχύτητα) και της κατάστασης (επίπεδο) σκλήρυνσης, ενώ ο ΙΙ απλά βελτιώνει μεν την κατάσταση σκλήρυνσης αλλά όχι τον ρυθμό. (D) Αντιοξειδωτικά και σταθεροποιητές: Τα αντιοξειδωτικά είναι απαραίτητα για την αποφυγή ή απλά την επιβράδυνση της αλλοίωσης της πολυμερικής μήτρας, η οποία μπορεί να προέλθει από την παρουσία στον περιβάλλοντα χώρο οξυγόνου, όζοντος, ζέστης ή φωτός. Κατά την διαδικασία επιλογής των αντιοξειδωτικών που θα χρησιμοποιηθούν, πρέπει να ληφθούν διάφοροι συντελεστές όπως ποιου τύπου προστασία απαιτείται, η αναμενόμενη χημική δραστηριότητα, η ανθεκτικότητα (αστάθεια και δυνατότητα εκχύλισης), ο αποχρωματισμός και η κηλίδωση. (E) Παράγοντες επεξεργασίας: Οι παράγοντες επεξεργασίας προστίθενται σε μια πολυμερική μήτρα για να βελτιώσουν την ροή και την αποδέσμευση στο καλούπι, όπως επίσης και να την αναμειζιμότητα των πρωτογενών υλικών. (F) Συστατικά πλήρωσης: Τα συστατικά πλήρωσης απαιτούνται για την ενίσχυση της πολυμερικής βάσης και ειδικότερα για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων της ή κάποιων που επιδρούν στα χαρακτηριστικά επεξεργασίας. Υπάρχουν λοιπόν δύο τύποι συστατικών πλήρωσης, αυτά που ενισχύουν το υλικό και αυτά που επεκτείνουν τις ιδιότητες του. Τα συστατικά πλήρωσης τύπου ενίσχυσης μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή σε εφελκυσμό, το μέτρο ελαστικότητας, την αντοχή σε σχίσιμο και την αντίσταση σε απόξεση. Αντίστοιχα, τα συστατικά πλήρωσης τύπου επέκτασης χρησιμοποιούνται για να προσδώσουν μια νέα πρόσθετη ιδιότητα. Για παράδειγμα, σχεδόν σε όλους τους συνθετικού μονωτήρες χρησιμοποιείται alumina trihydrate (ATH), καθώς αυτή αποδίδει υψηλή αντίσταση σε σχηματισμό αγώγιμων δρόμων στην επιφάνεια (tracking) και μειώνει την ευφλεκτότητα. (G) Παράγοντες σύζευξης: Οι παράγοντες σύζευξης χρησιμοποιούνται για την δημιουργία χημικού δεσμού μεταξύ της πολυμερικής μήτρας και των συστατικών πλήρωσης, δηλαδή, αποτελούν μια χημική γέφυρα για την αλληλοσύνδεση των δύο τύπων συστατικών. Μέσω των παραγόντων σύζευξης μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά οι ηλεκτρικές ιδιότητες, το μέτρο ελαστικότητας αλλά και η αντοχή σε εφελκυσμό. (H) Πλαστικοποιητές και αποσκληρυντές: Οι πλαστικοποιητές και οι αποσκληρυντές είναι απαραίτητα συστατικά για να βελτιώσουν την διαδικασία κατασκευής, καθώς μπορούν να υποστηρίξουν την αναμειξιμότητα, να τροποποιήσουν το ιξώδες και να προσδώσουν ελαστικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Πολλά από τα συστατικά αυτής της κατηγορίας μπορούν να θεωρηθούν και ως παράγοντες επεξεργασίας. (I) Φωτοσταθεροποιητές και απορροφητές υπεριώδους: Οι φωτοσταθεροποιητές και οι απορροφητές υπεριώδους είναι απαραίτητοι στην περίπτωση που η πολυμερική μήτρα είναι ευαίσθητη στο ορατό ή το υπεριώδες, ενώ τα υπό χρήση συστατικά πλήρωσης δεν μπορούν αντιστρέψουν την κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή μπορούν να χρησιμοποιηθούν σταθεροποιητές φωτός με βάση την αμίνη αλλά και διάφοροι απορροφητές υπεριώδους. (J) Συστατικά ειδικού σκοπού: Σελίδα 14 από 25

15 Τα συστατικά ειδικού σκοπού απαιτούνται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις, επομένως δεν χρησιμοποιούνται στην πλειοψηφία των πολυμερικών σύνθετων. Παραδείγματα συστατικών ειδικού σκοπού αποτελούν οι αντιμυκητιακοί παράγοντες και οι χρωστικές. 8. Πολυμερικά σύνθετα για μονωτήρες και φυσικές/χημικές ιδιότητες τους Τα δύο βασικά πολυμερή που χρησιμοποιούνται σε μονωτήρες είναι το EPDM και το PDMS. Το EPDM είναι έχει ως βάση υδρογονάνθρακα και συνήθως έχει χαμηλότερη απόδοση από το PDMS το οποίο έχει ως βάση γόμα σιλικόνης. Και τούτο διότι οι δεσμοί siloxane (-Si-O-Si) που αποτελούν την βάση της γόμας σιλικόνης (dimethyl polysiloxane) παρουσιάζουν πολύ υψηλή σταθερότητα, καθώς η ενέργεια διασύνδεσης τους είναι 433 kj/mol, αρκετά υψηλότερη από αυτή σε δεσμούς άνθρακα (C-C), που είναι 355 kj/mol. Σαν αποτέλεσμα, σε σύγκριση με τα συνηθισμένα απλά οργανικά πολυμερή, η γόμα σιλικόνης έχει πολύ μεγαλύτερη αντίσταση στην θερμότητα, πολύ υψηλή χημική σταθερότητας και μπορεί να προσφέρει καλύτερη ηλεκτρική μόνωση. Παράλληλα, το PDMS έχει την ικανότητα της επούλωσης όταν εκτίθεται σε μηχανική καταπόνηση και καταστροφή, αλλά και της ανάκαμψης της υδροφοβικότητας μέσω ενός μηχανισμού διάχυσης ολιγομερών στην επιφάνεια, προερχόμενων από το εσωτερικό του υλικού. Αυτά τα ολιγομερή μπορούν να προστεθούν για το σκοπό αυτό κατά την διάρκεια της κατασκευής ή μπορούν απλά να προέλθουν από την αποδόμηση της πολυμερικής μήτρας λόγω διαφόρων τύπων μηχανικών καταπονήσεων. Αντίστοιχα, η γόμα σιλικόνης αντέχει ακραίες θερμοκρασίες (μέγιστες και ελάχιστες) πολύ καλύτερα από άλλες οργανικές γόμες. Για παράδειγμα, η γόμα σιλικόνης μπορεί να αντέξει επ αόριστον σε θερμοκρασίες 150 C, χωρίς καμία αλλαγή στις ιδιότητες της. Ακόμα, μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως 200 C για 10,000 ώρες ή και λίγο περισσότερες, ενώ και κάποια εξειδικευμένα προϊόντα μπορούν αν αντέξουν έως και 350 C, αλλά για μικρές χρονικές περιόδους. Επομένως, η γόμα σιλικόνης είναι κατάλληλη για εφαρμογές σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Αντίστοιχα, η γόμα σιλικόνης έχει άριστη συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το σημείο ευθραυστότητας στη γόμα σιλικόνης είναι -60 έως -70 C, αρκετά μεγαλύτερο από αυτό σε άλλες τυπικές γόμες που είναι μεταξύ -20 και -30 C. Ακόμα και σε θερμοκρασίες στις οποίες οι οργανικές γόμες γίνονται εύθραυστες, η γόμα σιλικόνης παραμένει ελαστική, με κάποια προϊόντα να αντέχουν σε θερμοκρασίες έως και -100 C αλλά και λίγο χαμηλότερες. Γενικά, η γόμα σιλικόνης σκληραίνει όταν ζεσταίνεται στον αέρα, με μειούμενη ικανότητα επιμήκυνσης καθώς χειροτερεύουν οι ιδιότητες της. Αντίθετα, σε απομονωμένες συνθήκες μαλακώνει όταν ζεσταίνεται, κάτι που οδηγεί σε μείωση του χρόνου λειτουργικής ζωής, με το μαλάκωμα να προέρχεται από την αποδόμηση της πολυμερικής μήτρας του σιλοξανίου. Ρυθμίζοντας την ακριβή χημική σύσταση της γόμας σιλικόνης είτε με χρήση διαφορετικών παραγόντων σκλήρυνσης ή μέσω διαδικασίας μετασκλήρυνσης, μπορεί να αποφευχθεί το μαλάκωμα σε ζεστά και απομονωμένα περιβάλλοντα, κάτι που ισχύει σε συγκεκριμένα προϊόντα που υπάρχουν σήμερα στην αγορά. Η γόμα σιλικόνης παρουσιάζει επίσης εξαιρετική αντοχή στις καιρικές και περιβαλλοντικές συνθήκες. Για παράδειγμα, το όζον που δημιουργείται σε εκκενώσεις κορώνας καταστρέφει τις περισσότερες οργανικές γόμες, όμως αφήνει ανεπηρέαστη την γόμα σιλικόνης. Επιπρόσθετα, η γόμα σιλικόνης μπορεί να εκτεθεί σε αέρα, βροχή και υπεριώδη Σελίδα 15 από 25

16 Οξύ Βάση ακτινοβολία για αρκετά μεγάλα διαστήματα χωρίς ουσιαστικές αλλαγές στις φυσικές της ιδιότητες. Παράλληλα, η γόμα σιλικόνης μπορεί να εμβαπτιστεί σε νερό (κρύο νερό, ζεστό νερό ή νερό που βράζει) για μεγάλες χρονικές περιόδους, με το απορροφούμενο νερό να είναι της τάξης του 1%, χωρίς εμφανή επίδραση στις μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες της. Πίνακας 1: Αντίσταση σε λάδι και χημικά της γόμα σιλικόνης Εμβάπτυση Αλλαγή σε ιδιότητες Τύπος Αντοχή σε Επιμήκυνση λαδιού/χημικού C/h Σκληρότητα Βάρος % Όγκος % εφελκυσμό % % ASTM No.1 150/ ASTM No.3 150/ GM Hydramatic Fluid 94/ Ford Brake Fluid 150/ Diesel Fuel 50/ Gasoline 23/ Skydrol 500A Fluid 70/ Motor oii (SAE #30) 175/ Πυκνό νιτρικό 25/ % Νιτρικό 25/168 <1 < Πυκνό Θειικό 25/168 διαλύεται διαλύεται διαλύεται διαλύεται 10% Θειικό 25/168 <1 <1 0 0 Πυκνό Ασετικό 25/ % Ασετικό 25/ Πυκνό Υδροχλωρικό 10% Υδροχλωρικό 10% Υδροξείδιο Νατρίου 2% Υδροξείδιο Νατρίου Πυκνή Αμμωνία 25/ / / /168 <1 < / % Αμμωνία 25/ water Νερό 25/168 <1 <1 0 0 Σελίδα 16 από 25

17 Άλλο 100/70 <1 < / < % διάλυμα H 2 O 2 25/168 <1 < Τυπικά, κάτω από κανονική πίεση, η επαφή με ατμό δεν προκαλεί κάποια αλλοίωση στην γόμα σιλικόνης και τα χαρακτηριστικά της. Όμως, παρουσία ατμού υπό πίεση, οι αλλοιώσεις ενισχύονται όταν αυξάνει η πίεση. Για παράδειγμα, με ατμό υπό πίεση σε θερμοκρασίες πάνω από 150 C προκαλείται σπάσιμο των δεσμών στην πολυμερική μήτρα από σιλοξάνιο, με αποτέλεσμα μια υποβάθμιση των ιδιοτήτων της γόμας. Το πρόβλημα αυτό όμως μπορεί να αποφευχθεί ρυθμίζοντας την ακριβή χημική σύσταση της γόμας σιλικόνης είτε με χρήση διαφορετικών παραγόντων σκλήρυνσης ή μέσω διαδικασίας μετασκλήρυνσης. Η γόμα σιλικόνης έχει επίσης εξαιρετική αντοχή σε λάδι υψηλής θερμοκρασίας. Μεταξύ των κοινών οργανικών γομών, οι γόμες νιτριλίου και χλωροπρενίου παρουσιάζουν υψηλότερη αντίσταση σε λάδι σε θερμοκρασίες κάτω από 100 C, όμως σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η ανθεκτικότητα της γόμας σιλικόνης είναι κατά πολύ ανώτερη. Αντίστοιχα άριστη ανθεκτικότητα παρουσιάζει η γόμα σιλικόνης στους διαλύτες και διάφορα άλλα χημικά. Παραμένει ουσιαστικά ανεπηρέαστη από πολικούς διαλύτες (ανιλίνη, αλκοόλη) ή αραιά οξέα και βάσεις, με την αύξηση του όγκου λόγω διόγκωσης να είναι της τάξης του 10-15%. Η γόμα σιλικόνης δεν διογκώνεται επίσης σε μη πολικούς διαλύτες όπως βενζόλιο, τολουόλιο και βενζίνη. Παράλληλα, σε αντίθεση με τις περισσότερες οργανικές γόμες, η γόμα σιλικόνης επιστρέφει στην αρχική της κατάσταση μετά την απομάκρυνση του διαλύτη. Όμως, η γόμα σιλικόνης επηρεάζεται αρνητικά από ισχυρά οξέα και βάσεις, και επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές κατά τις οποίες θα είναι σε επαφή με αυτά τα χημικά. Ο πίνακας 1 παρουσιάζει αναλυτικά την επίδραση που έχουν διάφορα λάδια και χημικά σε κάποιες από τις ιδιότητες της γόμας σιλικόνης. Τέλος, η γόμα σιλικόνης παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση μόνωσης, της τάξης 1TΩm- 100TΩm, ενώ οι μονωτικές της ιδιότητες είναι σταθερές σε μια μεγάλη γκάμα θερμοκρασιών αλλά και σε μεγάλη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Δεν παρουσιάζεται σχεδόν καμία υποβάθμιση της λειτουργικής της συμπεριφοράς ακόμα και όταν είναι εμβαπτισμένη σε νερό, με αποτέλεσμα να θεωρείται η γόμα σιλικόνης ως το ιδανικό μονωτικό υλικό. Πρακτικά, έχει πολύ καλή αντοχή σε εκκενώσεις κορώνας καθώς και εκκενώσεις τόξου σε υψηλές τάσεις. Σαν αποτέλεσμα, η γόμα σιλικόνης χρησιμοποιείται ευρύτατα ως μονωτικό υλικό σε εφαρμογές υψηλής τάσης σε εξωτερικούς και εσωτερικούς χώρους. 9. Δομή γόμας σιλικόνης Σε σχέση με την δομής της, η γόμα σιλικόνης αποτελείται από ελικοειδή μόρια (σχήμα 1), με τις αντίστοιχες ενδομοριακές δυνάμεις να είναι μικρές, κάτι που οδηγεί σε υψηλή ελαστικότητα, υψηλή συμπιεστότητα και εξαιρετική αντοχή σε χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, οι ομάδες μεθυλίων που βρίσκονται στο εξωτερικό μέρος της δομής της σπείρας, μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα. Αυτή η ιδιότητα δίνει στην γόμα σιλικόνης συγκεκριμένες διεπιφανειακές ιδιότητες, όπως για παράδειγμα, την άπωση του νερού και την δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης. Σελίδα 17 από 25

18 Σχήμα 1: Μοριακή δομή γόμας σιλικόνης Η τάση για δημιουργία περιέλιξης στην δομή της γόμας σιλικόνης είναι εξαιρετικά μειωμένη όταν η κύρια αλυσίδα τελειώνει σε μη γραμμική ομάδα, όπως για παράδειγμα, μια αλυσίδα η οποία τελειώνει σε τριμεθυλοσιλύλιο είναι κατά πολύ λιγότερο περιελιγμένο (σχήμα 2). Αυτή η ιδιότητα είναι ουσιαστικής σημασίας καθώς ο ρυθμός της διαδικασίας αυτό-διόρθωσης (self-healing) της αλυσίδας της πολυμερικής μήτρας κυριαρχείται από την διάχυση των ολιγομερών χαμηλού μοριακού βάρους. Επειδή όμως τα περιελιγμένα μόρια έχουν όγκο από τα ευθύγραμμα, ο συντελεστής διάχυσης τους είναι αρκετά μικρότερος, κάτι που σημαίνει ότι μια επιτυχημένη αυτό-διόρθωση (όπως η ανάκαμψη της υδροφοβικότητας) απαιτεί ευθύγραμμα μόρια. Όπως όμως ήδη αναφέρθηκε, ο μονωτής εκτός από την πολυμερική μήτρα εμπεριέχει και συστατικά πλήρωσης, των οποίων ο ρόλος αφορά την τροποποίηση/βελτίωση των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων του τελικού σύνθετου υλικού, όπως επίσης και την μείωση του κόστους του. Φαίνεται από θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα ότι το καλύτερο συστατικό πλήρωσης για μονωτήρες με βάση την γόμα σιλικόνης είναι το υδροξείδιο του αλουμινίου (ATH or alumina trihydrate), καθώς αυτό απελευθερώνει ατμούς νερού κατά την αποσύνθεση του και επομένως λειτουργεί ως επιβραδυντικό φωτιάς. Με βάση την αναλυτική μελέτη που έγινε σε σχέση με τις απαιτούμενες ιδιότητες σε ένα νέο μονωτικό υλικό, στοιχεία της οποία παρουσιάστηκαν στις ενότητες που προηγήθηκαν, το βασικό συμπέρασμα είναι ότι ο πιο υποσχόμενος συνδυασμός πρωτογενών υλικών είναι η πολυμερική μήτρα PDMS και το συστατικό πλήρωσης ATH. Ένα άλλο παράπλευρο συμπέρασμα, λιγότερο εμφανές, που αξίζει να αναφερθεί είναι ότι ο λόγος του μείγματος των δύο πρωτογενών υλικών σε εμπορικά προϊόντα διαφέρει από παρτίδα σε παρτίδα και από τόπο σε τόπο, ακόμα και για το ίδιο προϊόν του ίδιου κατασκευαστή, για να μην εστιαστούμε και στο γεγονός της μεγάλης διασποράς των συστάσεων που χρησιμοποιούν διαφορετικοί κατασκευαστές. Το γεγονός αυτό πιθανά να σχετίζεται με την κατά περίπτωση τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την μίξη των πρωτογενών υλικών και την κατασκευή του μονωτή. Επομένως, εκτός από την εύρεση μιας ιδανικής σύστασης, είναι απαραίτητη και η διερεύνηση των διαδικασιών ανάμειξης των υλικών και κατασκευής του τελικού προϊόντος. Στο πλαίσιο μιας περαιτέρω βελτίωσης των πολυμερικών μονωτήρων αλλά των ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιήσαμε δύο προσεγγίσεις: η πρώτη αφορούσε την τροποποίηση των συστατικών του μείγματος και η δεύτερη την αλλαγή της υπό χρήση πολυμερικής μήτρας. Σελίδα 18 από 25

19 Σχήμα 2: Δομή γόμας σιλικόνης με μη πολική ομάδα στην άκρη. Για παράδειγμα, για την δεύτερη περίπτωση, θα μπορούσε το πολυμερές να είναι διακλαδισμένο, με τους κλάδους μη ισχυρά διασυνδεμένους μεταξύ τους. Σε ένα τέτοιο πλαίσιο, αν οι κλάδοι να φέρουν χρωμοφόρες, κατά την διάρκεια της αλλοίωσης της πολυμερικής αλυσίδας, οι αποχωρισμένοι κλάδοι θα μετακομίζουν στην επιφάνεια, οπότε θα προκαλούν μια αλλαγή στο χρώμα. Επίσης, η μη ισχυρή διασύνδεση των κλάδων θα μπορούσε να βελτιώσει τις ιδιότητες αυτό-διόρθωσης της επιφάνειας ή να αυξήσει την υδροφοβικότητα μέσω προσρόφησης των επιφανειακών ρύπων. Αυτή η προσέγγιση όμως απαιτεί πολύ ισχυρά υπολογιστικά εργαλεία και μακροχρόνιες χημικές προσομοιώσεις, ενώ παράλληλα, θα οδηγούσε σε υλικά τα οποία θα είχαν αρκετά αυξημένο κόστος κατασκευής, σε σχέση με την ήδη χρησιμοποιούμενη γόμα σιλικόνης η μπορεί να αναπτυχθεί με μια απλή και εύκολη διαδικασία. Αντίθετα, η πρώτη προσέγγιση, δηλαδή η τροποποίηση της σύστασης του μείγματος σε πολυμερική μήτρα γόμας σιλικόνης, είναι απλούστερη και εξίσου χαμηλού κόστους. Για παράδειγμα, μπορεί να προστεθεί ένας κατάλληλος παράγοντας πλήρωσης, ο οποίος θα προκαλεί χρωματική αλλαγή στην επιφάνεια κατά την διάρκεια μιας αλλοίωσης του μονωτήρα. Στην περίπτωση αυτή, το χρώμα θα λειτουργεί πιο πολύ ως αισθητήρας ακτινοβόλισης, ο οποίος θα αλλάζει χρώμα ότι η έκθεση σε ακτινοβολία θα είναι τόσο ισχυρή που θα μπορεί να προκαλέσει ανυπέρβλητες αλλαγές στο υλικό, άρα και αστοχία του μονωτήρα. Άλλα πρόσθετα μπορεί να είναι μόρια χαμηλού μοριακού βάρους με δεδομένες επιθυμητές ιδιότητες, τα οποία θα μπορούσαν είτε απλά να ενσωματωθούν κατά την διάρκεια του βουλκανισμού στο μείγμα που θα χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή της γόμας σιλικόνης, ή να εμφυτευτούν στην κύρια πολυμερική αλυσίδα με χημική διαδικασία μετά τον πολυμερισμό, έτσι ώστε επιτευχθούν μπλοκ πολυμερών. Φυσικά, αυτό θα μπορεί να αυξήσει το κόστος καθώς η διαδικασία σύνθεσης θα γίνει πιο περίπλοκη. Με βάση την παραπάνω λογική, σχεδιάστηκαν μέσω χημικής προσομοίωσης διάφορες τροποποιημένες πολυμερικές μήτρες, οι οποίες παρουσιάζονται στην συνέχεια, στο παράρτημα 1. Σελίδα 19 από 25

20 10. Συμπεράσματα Τα υπολογισμένα ενεργειακά φάσματα των δομών που παρουσιάζονται στα σχήμα 3-6 παρουσιάζουν μικρή τροποποίηση με το μήκος της αλυσίδας, με την πρόσθετη λειτουργική ομάδα που προστίθεται στην άκρη της αλυσίδας καθώς και την διαμόρφωση της δομής. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα υλικά είναι μονωτές, καθώς το ενεργειακό χάσμα τους υπερβαίνει τα 9 ev. Οι δομές οι οποίες τελειώνουν σε υδροξύλια έχουν καλύτερες μονωτικές ιδιότητες καθώς εμφανίζουν μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα. Ταυτόχρονα, η πολυμερική αλυσίδα είναι αρκετά σταθερή στη βασική κατάσταση, και το τροχιακό HOMO βρίσκεται κοντά στο μέσον του μορίου. Μάλιστα, η πρώτη διεγερμένη κατάσταση για μικρές αλυσίδες προκαλεί εντοπισμό του ασύζευκτου ηλεκτρόνιου κοντά στην άκρη της αλυσίδας, οπότε, ακόμα και αν προκληθεί διέγερση του, αυτή οδηγεί σε ρίζες μεγάλου χρόνου ζωής αντί για μια ξαφνική αποδόμηση. Παράλληλα, επειδή γνωρίζουμε ότι οι αλυσίδες μικρής μοριακής μάζας μπορούν να κινηθούν, μπορούμε να υποθέσουμε ότι όταν οι ρίζες αυτές έρθουν η μία κοντά στην άλλη, θα μπορούν να επανασυνδεθούν, οδηγώντας σε μακρύτερες αλυσίδες. Ακόμα όμως και αν αντιδράσουν με διάφορα διαχεόμενα τμήματα της δομής, αυτό δεν είναι επιβλαβές για την πολυμερική αλυσίδα, όπως είναι σε αλυσίδες υδρογοναθράκων. Για μακρύτερες αλυσίδες, η κατάσταση LUMO είναι τοποθετημένη στη μέση της αλυσίδας, επομένως, μια διέγερση μπορεί να προκαλέσει σε διάσπαση της δομής. Το γεγονός αυτό δεν είναι απαραίτητα επιβλαβές καθώς οι μικρότερες αλυσίδες είναι ουσιαστικές για την ανάκαμψη της υδροφοβίας. Σελίδα 20 από 25

21 Παράρτημα 1 Τροποποιημένες μήτρες γόμας σιλικόνης και χαρακτηριστικά τους. Σχήμα 3. PDMS με υδροξύλιο στα άκρα του. Για την περίπτωση του σχήματος 3, η ενέργεια HOMO υπολογίστηκε σε E= ev, ενώ η αντίστοιχη LUMO βρέθηκε E= ev. Αυτό οδηγεί σε ένα ενεργειακό χάσμα ev. Σελίδα 21 από 25

22 Σχήμα 4: PDMS με υδροξύλιο στα άκρα του σε διαφορετική διαμόρφωση, έτσι ώστε να υπάρχει μεγαλύτερη μοριακή αλυσίδα. Για την περίπτωση του σχήματος 4, η ενέργεια HOMO υπολογίστηκε σε E= ev, ενώ η αντίστοιχη LUMO βρέθηκε E= ev. Αυτό οδηγεί σε ένα ενεργειακό χάσμα eV. Σελίδα 22 από 25

23 Σχήμα 5: PDMS με τριμεθυλοσιλίλιο στα άκρα του. Για την περίπτωση του σχήματος 4, η ενέργεια HOMO υπολογίστηκε σε E= ev, ενώ η αντίστοιχη LUMO βρέθηκε E= ev. Αυτό οδηγεί σε ένα ενεργειακό χάσμα ev. Σελίδα 23 από 25

24 Σχήμα 5: PDMS με τριμεθυλοσιλίλιο στα άκρα του σε δομή μακρύτερης αλυσίδας. Για την περίπτωση του σχήματος 4, η ενέργεια HOMO υπολογίστηκε σε E== ev, ενώ η αντίστοιχη LUMO βρέθηκε E= ev. Αυτό οδηγεί σε ένα ενεργειακό χάσμα ev. Σελίδα 24 από 25

25 Αναφορές [1] Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία, [2] [3] Cigre 158, Polluted insulators: A review of current knowledge Cigre T.F , June [4] IEC /TS , Selection and dimensioning of high voltage insulators intended for use in polluted conditions Part 1: Definitions, information and general principles., Ed.1.0, [5] Τεχνική έκθεση ενότητας εργασίας 1 ( Παραδοτέο 1.1) [6] Τεχνική έκθεση ενότητας εργασίας 2 ( Παραδοτέο 2.1) [7] Τεχνική έκθεση ενότητας εργασίας 3 ( Παραδοτέο 3.1) [8] Τεχνική έκθεση ενότητας εργασίας 4 ( Παραδοτέο 4.1) [9] Τεχνική έκθεση ενότητας εργασίας 5 ( Παραδοτέο 5.1) [10] N. Mavrikakis, K. Siderakis, D. Kourasani, M. Pechynaki and E. Koudoumas, Hydrophobicity transfer mechanism evaluation of field aged composite insulators, IEEE 5 th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, Riga, Latvia 11-13/5/2015, pp [11] N. Mavrikakis, P. N Mikropoulos and K. Siderakis, Condition assessment of field-aged 150kV composite suspension insulators, IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation, (Υπό Κρίση). [12] D.Windmar, Water drop initiated discharges in air, PHD Thesis in Faculty of science and technology. 1994, Uppsala University: Uppsala. pp [13] I.J.S.Lopes, S.H.Jayaram,E.A.Cherney, A study of partial discharges from water droplets on a silicone rubber insulating surface, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, (2): pp [14] Field guide: visual inspection of polymer insulators, EPRI, Palo Alto, CA: [15] V.Maslov, Moisture and water resistance of electrical insulation, 1975, Moscow: MIR Publishers [16] IEC , Electric strength of insulating materials - Test mehods-part 1: Test at power frequencies. [17] N. Mavrikakis, K. Siderakis, P.N Mikropoulos and N. Katsarakis, Condition assessment of a field-aged 150kV HTV SIR suspension insulator following flashover, 19 th international symposium on high voltage engineering, Pilsen, Czech Republic, August Σελίδα 25 από 25