Έλεγχος και αξιολόγηση συνθετικών μονωτήρων Μεθοδολογία και τεχνικές Νίκος Μαυρικάκης Εργαστήριο Ενεργειακών και Φωτοβολταϊκών Συστημάτων ΤΕΙ Κρήτης Εμμανουήλ Κουδουμάς Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών & Φωτονικής, ΤΕΙ Κρήτης Κυριάκος Σιδεράκης Εργαστήριο Ενεργειακών και Φωτοβολταϊκών Συστημάτων ΤΕΙ Κρήτης Νίκος Κατσαράκης Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών & Φωτονικής, ΤΕΙ Κρήτης Διονύσιος Πυλαρινός Διεύθυνση Διαχείρισης Νησιών ΔΕΔΔΗΕ Α.Ε. Εμμανουήλ Θαλασσινάκης Διεύθυνση Διαχείρισης Νησιών ΔΕΔΔΗΕ Α.Ε.
Υλικά κατασκευής συνθετικών μονωτήρων Δομή συνθετικού μονωτήρα ανάρτησης Μεταλλικά άκρα (Hot dip galvanized cast iron) Συνθετικός πυρήνας (Fiber glass reinforced plastic) Πολυμερικό περίβλημα 1940 bisphenol epoxy resins 1950 cycloaliphatic epoxy 1975 ethylene propylene rubber 1976 silicone rubber 1986 ethylene propylene monomer 1989 ethylene propylene diene monomer Other materials: alloys of EDM and SIR, ethylene vinyl acetate, cycloaliphatic and aromatic epoxy resins, high density polyethylene, polytetrafluroethylene, polyuret hene Nowadays: silicone rubber with additives
Χρήση των συνθετικών μονωτήρων Πλεονεκτήματα Χρήση σε ρυπασμένο περιβάλλον (Υδροφοβία) Ευκολότερη εγκατάσταση, μεταφορά (Μικρό βάρος) Δεν απαιτείται συντήρηση (Πλύσιμο) Μειονεκτήματα Αστοχία (1 η γενιά μονωτήρων) Γήρανση Δύσκολη διάγνωση λειτουργικής κατάστασης
Γήρανση των συνθετικών μονωτήρων Παράγοντες Περιβαλλοντικοί (Ηλιακή ακτινοβολία, αέρας, χιόνι, υγρασία, θερ μοκρασία) Ρύπανση (Αγροτική, βιομηχανική δραστηριότητα, περιβαλλοντική) Όξινη βροχή (Αποσύνθεση του πολυμερούς) Ηλεκτρικές εκκενώσεις (corona, ξηρές ζώνες) Απρόβλεπτοι παράγοντες (πτηνά, τρωκτικά)
Γήρανση συνθετικών μονωτήρων Καταγεγραμμένα σφάλματα μονωτήρων (Δίκτυο 150kV Κρήτης) Κατεστραμμένα πτερύγια (Επίθεση η από πτηνά) ) Έντονη ρύπανση Διάβρωση Αποχρωματισμός μ μεταλλικών άκρων
Διαγνωστικές τεχνικές Στο πεδίο (Cigre TB 545, WG B2.21, 2013) Οπτική επιθεώρηση και μέτρηση υδροφοβίας (ERI & STRI guides) Υπέρυθρη θερμογραφία Χρήση κάμερας UV Μέτρηση ηλεκτρικού πεδίου Πλεονέκτημα: Αξιολόγηση κατά την κανονική λειτουργία του μονωτήρα χωρίς να απαιτείται διακοπή ρευματοδότησης Στο εργαστήριο (Cigre TB 481, WG B2.21, 2011) Αναλύσεις υλικών (material analysis) Μετρήσεις μονωτικής ικανότητας (electrical testing) Μετρήσεις μηχανικής αντοχής (mechanical testing) Αξιολόγηση φυσικών και χημικών ιδιοτήτων (πχ υδροφοβία) Πλεονέκτημα: Αξιόπιστα αποτελέσματα για την κατάσταση του υλικού
Διαγνωστικές τεχνικές 1. Insulator Sampling A. Electrical Analysis 2.Field Inspection A. Visual Observation B. Hydrophobicity Classification 3. Laboratory Inspection B. hysical Analysis C. Material Analysis Field Decisions i Laboratory Decisions Evaluation
Μεθοδολογία IESL FORTH
Δείγματα Νέοι μονωτήρες SIR Μονωτήρες Μονωτήρες Δικτύου SIR & EDM Μονωτήρες 10 21 έτη λειτουργίας Διάφορες γραμμές μεταφοράς Περιβαλλοντικές συνθήκες Υψηλές θερμοκρασίες Ισχυροί Άνεμοι Παράκτια και αγροτική ρύπανση 150kV Cretan High Voltage Network
ΔΕΔΔΗΕ
Τεχνητή γήρανση Inclined plane test (IEC 60587) Dynamic drop test (Cigre TB 442, WG D1.14, 2010) Corona test (Cigre TB 442, WG D1.14, 14 2010) Διαγνωστικές Τεχνικές Οπτική επιθεώρηση (ERI & STRI Guides) Υδροφοβία (IEC 62073) Αάλ Ανάλυση υλικών (Cigre 595, WG D1.27, 2014) Fourier Transform Infrared Spectroscopy Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-Ray Analysis
Τεχνητή γήρανση Inclined plane test
Τεχνητή γήρανση Inclined plane test
Τεχνητή γήρανση Leakage e current rms (ma) Inclined plane test 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 (b) Min. Current Max. Current Average Current Voltage 0 5000 10000 15000 20000 Time (sec) 6 5 4 3 2 1 0 Voltage (kv) Έλεγχος 1) Τάση 2) Ροή αγώγιμου διαλύματος Μετρήσεις 1) Ρεύματα διαρροής 2) Θερμοκρασία 3) Απώλεια μάζας 4) Μέγιστο βάθος διάβρωσης Αποτελέσματα 1) Καθοριστικής σημασίας η προσθήκη ATH
Τεχνητή γήρανση Dynamic drop test 1 2 3 4 3 4 1, 2
Τεχνητή γήρανση Corona test
Διαγνωστικές τεχνικές Οπτική επιθεώρηση Δάβ Διάβρωση/ / καταστροφή μεταλλικών άκρων Ρύπανση πολυμερικού περιβλήματος Αποχρωματισμός πολυμερικού περιβλήματος
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Ψεκασμός (Spray test) Πριν τον καθαρισμό του μονωτήρα Κατηγοριοποίηση της υδροφοβίας αναλόγως του σχηματισμού μ των σταγόνων νερού στην επιφάνεια του μονωτήρα μετά τον ψεκασμό 7 Κλάσεις υδροφοβίας (HC1 υδρόφοβη HC 7 υδρόφιλη) Γωνία επαφής (Contact Angle) Καθαρισμός δειγμάτων HC 1 HC 2 Σταγόνες νερού ~10μl εφαρμόζονται στην επιφάνεια των δειγμάτων Μέτρηση της στατικής γωνίας επαφής HC 3 HC 4 HC 5 HC 6
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Ψεκασμός (Spray test) Πριν τον καθαρισμό του μονωτήρα Κατηγοριοποίηση της υδροφοβίας αναλόγως του σχηματισμού μ των σταγόνων νερού στην επιφάνεια του μονωτήρα μετά τον ψεκασμό 7 Κλάσεις υδροφοβίας (HC1 υδρόφοβη HC 7 υδρόφιλη) Γωνία επαφής (Contact Angle) Καθαρισμός δειγμάτων Σταγόνες νερού ~10μl εφαρμόζονται στην επιφάνεια των δειγμάτων Μέτρηση της στατικής γωνίας επαφής
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Αποτελέσματα Spray test Contact angle Υδρόφοβα δείγματα> 90 o. Υδρόφιλα δείγματα< 90 o. Υδρόφοβη συμπεριφορά Υδρόφιλη συμπεριφορά ρφ ρ
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Μέτρηση της μεταφοράς της υδροφοβίας Aνάδυση των LMW στοιχείων πάνω από την ρυπασμένη επίστρωση: Εξάτμιση (Evaporation) Διάχυση (Diffusion) Προσρόφηση (Adsorption) Σχηματισμός μ μέσω: Διαδικασία της σύνθεσης του πολυμερούς Γήρανσης Στοιχεία χαμηλού μοριακού βάρους Σχήμα: Γραμμικά Κυκλικά Σύσταση σε νέα υλικά: 3% σε SIR μονωτήρες 5% σε επικαλύψεις
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Μέτρηση της μεταφοράς της υδροφοβίας Aνάδυση Καθαρό των SIR LMW δείγμα στοιχείων πάνω από την ρυπασμένη επίστρωση: Εξάτμιση (Evaporation) Διάχυση (Diffusion) Προσρόφηση (Adsorption) Ρυπασμένο SIR δείγμα Σχηματισμός μ μέσω: Διαδικασία της σύνθεσης του πολυμερούς Γήρανσης Στοιχεία χαμηλού μοριακού βάρους Σχήμα: Γραμμικά Κυκλικά Σύσταση σε νέα υλικά: 3% σε SIR μονωτήρες 5% σε επικαλύψεις
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Μέτρηση της μεταφοράς της υδροφοβίας 70% 30% Μείγμα ρύπανσης SiO 2 (grain size 3 μm) H 2 O Πάχος επίστρωσης ~0.5mm Δείγμα μονωτήρα (1 cm x 1 cm x 5 mm) Ελαφρύ πινέλο
Διαγνωστικές τεχνικές Υδροφοβία Μέτρηση της μεταφοράς της υδροφοβίας Co ontact Angle (d degrees) 140 120 100 80 60 40 20 0 NEW SIR (A) FIELD AGED EDM (B) FIELD AGED SIR (C ) 0 5 10 15 20 25 30 Time (Hours ) Διαφορετική συμπεριφορά της μεταφοράς της υδροφοβίας στους SIR και EDM μονωτήρες. Μεγαλύτερη ταχύτητα μεταφοράς της υδροφοβίας στους νέους παρά στους γηρασμένους μονωτήρες στο πεδίο.
Διαγνωστικές τεχνικές Ανάλυση Υλικών FTIR EDM [8, 14, 16, 27] SIR [8, 14, 18, 28] Wavenum Wavenum Bond Bond ber (cm 1 ) ber (cm 1 ) 727 (CH 2 )n, n>5 700 Si of Si (CH 3 ) 3 Si O of O Si(CH 3) 2 833 (C=C) 840 790 O 1020 ATH filler 855 800 Si (CH 3 ) 2 Absorbance 0.6 0.5 0.4 0.3 02.2 0.1 S1 S2 S3 S4 S5 Bulk Absorbance Insulator A INSULATOR A: SURFACE MATERIAL 0.08 S1 S2 S3 S4 S5 BULK 0.04 0.00 1800 1700 1600 1500 Wavenumber (cm -1 ) EDM 1261 C O stretch 870 850 Si O of O Si(CH 3 ) 3 0.0 1377 CH 3 symmetric ti bend 1100 10001000 Si O Si (a) CH 1465 3 asymmetric 1.2 1270 1255 Si CH bend 3 S1 S2 1.0 S3 S4 1557/1567 O=C O groups 0.12 CH in CH 1410 1440 1410 3 S5 0.8 Bulk 1735 1745 C=O (bending) 2850/2917 CH 2 symmentric/asymm 2962 2960 etric bend 1200 3700 OH stretch 3700 1200 CH in CH 3 (stretching) OH from ATH and Si OH Absorbance 0.6 0.4 0.2 0.0 (b) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 W avenumber (cm -1 ) Absorbance 0.06 0.00 Insulator B INSULATOR B: SURFACE MATERIAL S1 S2 S3 S4 S5 BULK 1800 1700 1600 Wavenumber (cm -1 ) SIR 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Wavenumber(cm -1 )
Διαγνωστικές τεχνικές Ανάλυση Υλικών SEM SEM & EDX : Διερεύνηση των μορφολογικών και στοιχειακών μεταβολών του πολυμερικού μρ περιβλήματος ρβ των μονωτήρων,αντιστοίχως., Τα δείγματα επιστρώθηκαν με χρυσό πάχους ~10nm. Εκτίμηση βάθους διερεύνησης των δειγμάτων με EDX περίπου στα 6 μm.
Διαγνωστικές τεχνικές Ανάλυση Υλικών EDX 150,00 100,00 N8 N12 50,0000 N13 N14 N15 0,00 N16 C O Al Si N17 N18 50,00 100,00 EDM δείγματα μεγαλύτερη μεταβολή της στοιχειακής τους σύστασης. Tα αποτελέσματα έδειξαν την οξείδωση ως βασικό μηχανισμό μ γήρανσης.
ITE Διαγνωστικές τεχνικές Ανάλυση Υλικών LIBS
Αποτελέσματα Δημοσιεύσεις - D. ylarinos, K. Siderakis, E. Thalassinakis,"Comparative Investigation of Silicone Rubber Composite and Room Temperature Vulcanized Coated Glass Insulators Installed in Coastal Overhead Transmission Lines", IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 31, No. 2, pp. 23-29, 2015. - N. Mavrikakis, I. Androulidakis, D. ylarinos, K. Siderakis, "A Labview Based Leakage Current Monitoring System For HV Insulators", Journal of Engineering Science and Technology (accepted). - N. Mavrikakis,.N Mikropoulos and K. Siderakis, Condition assessment of field-aged 150kV composite suspension insulators, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (review). - N. Mavrikakis, M. Kapellakis, D. ylarinos, K. Siderakis, "A Novel Autonomous Monitoring System for Distributed Leakage Current Measurements on Outdoor High Voltage Insulators", 10th International Conference on Deregulated Electricity Market Issues in South Eastern Europe, pp. 75-79, Budapest, Hungary, September 24-25, 2015. - N. Mavrikakis, K. Siderakis,.N. Mikropoulos, N. Katsarakis, Condition assessment of a field-aged 150 kv HTV SIR suspension insulator following flashover, 19th International Symposium on High Voltage Engineering, ilsen, Czech Republic, August, 23 28, 2015. - N. Mavrikakis, K. Siderakis, D. Kourasani, M. A. echynaki, E. Koudoumas, Hydrophobicity transfer mechanism evaluation of field aged composite insulators, 5th International Conference on ower Engineering, Energy and Electric Drives, Riga, Latvia, May 11-13, 2015. - N. Mavrikakis, K. Siderakis, D. ylarinos, E. Koudoumas, "Assessment of Field Aged Composite Insulators Condition in Crete", 9th International Conference on Deregulated Electricity it Market Issues in South Eastern Europe, Nicosia, i Cyprus, 25-2626 September, 2014. - N. Mavrikakis, K.Siderakis, E. Koudoumas, " Assessment diagnostics of the functionality of composite insulators operating in the 150kV power network of Crete", 30th anhellenic Conference on Solid-State hysics and Materials Science, Heraklion, Crete, Greece, 21-24 September, 2014. - N. Mavrikakis, K. Siderakis,. N. Mikropoulos, "Laboratory Investigation on Hydrophobicity and Tracking erformance of Field Aged Composite Insulators", 49th International Universities' ower Engineering Conference (UEC), Cluj-Napoca, Romania, 2-5 September 2014. - D.ylarinos, N. Mavrikakis, K. Siderakis, E. Thalassinakis, "R&D in TALOS High Voltage Test Station: A Distributed Approach on Insulator Monitoring Systems", 3rd anhellenic Conference on Electronics and Telecommunications, Ioannina, Greece, May 8-9, 2015. - D. ylarinos, K. Siderakis, E. Thalassinakis, R&D in TALOS High Voltage Test Station-Assessing aging and performance of polymer insulators, 13th International Conference on Circuits, Systems, Electronics, Control & Signal rocessing (CSECS '14), Lisbon, ortugal, October 30-November 1, 2014. - D. ylarinos, K. Siderakis, E. Koudoumas, E. Thalassinakis, "olymer Insulators and Coatings in the Cretan ower System. The Transmission Line Case", 9th Mediterranean Conference on ower Generation, Transmission i Distribution ib ti and Energy Conversion, Athens, Greece, 2-5 November, 2014. - D. ylarinos, K. Siderakis, N. Mavrikakis, E. Thalassinakis, "Mapping HV Insulators ollution in the Mediterranean Island of Crete", 9th International Conference on Deregulated Electricity Market Issues in South Eastern Europe, Nicosia, Cyprus, 25-26 September, 2014. - D. ylarinos, K. Siderakis, I. ellas, E. Thalassinakis, Assessing ollution of Outdoor Insulators in the Cretan ower System, 18th International Conference on Circuits, Systems, Communications and Computers (CSCC 2014), Santorini, Greece, July 17-21, 2014. Available in "Advances in Environmental Sciences, Development and Chemistry", pp. 67-72, 2014, ISBN: 978-1-61804-239-2 - R. Znaidi, "Expanded Test Station Helps Greek ower System Operator Assess Insulator Design & erformance", INMR, Issue 107, Q1, pp. 54-67, 2015 - R. Znaidi, "Co-operation with Local Academia Delivers Benefits for Greek ower Utility", INMR, Issue 107, Q1, pp. 96-99, 2015
Συμπεράσματα Αξιολόγηση της κατάστασης των μονωτήρων του εναέριου δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργεια 150 kv μέσω: Οπτικής επιθεώρησης Μετρήσεων υδροφοβίας Ηλεκτρικών μετρήσεων (ρεύματα διαρροής) Ανάλυση υλικών μ Υποβάθμιση του πολυμερικού περιβλήματος : Μορφολογικές αλλοιώσεις Απώλεια υδροφοβίας Αυξημένων ρευμάτων διαρροής Μεταβολής της δομής του υλικού Αποτελέσματα: Πλεονεκτήματα νέας διαγνωστικής τεχνικής LIBS: Μη καταστρεπτική Εξ αποστάσεως Δεν απαιτείται διακοπή της ηλεκτροδότησης Αξιόπιστη
Μελλοντικές εργασίες Κατασκευή ανορθωτικής διάταξης, δοκιμές DC. Κατασκευή αισθητήρα μέτρησης ρευμάτων διαρροής και μετάδοση δεδομένων με χρήση οπτικής ίνας. Σχεδιασμός αυτόνομου φορητού συστήματος επιτήρησης ης της λειτουργικής κατάστασης των μονωτήρων. Μετρήσεις σε μονωτήρες 21 kv εκτός 150 kv. Ευχαριστώ για την προσοχή σας!!!!