ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ "ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011"

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-7-1503 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 4 (19/09/2014-31/10/2015) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 4.1 (μήνας παράδοσης: Μ25) ΕΚΘΕΣΗ: ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΟΥ ΑΦΟΡΑ ΣΤΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ Υπεύθυνος φορέας: Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας - Εργαστήριο Προηγμένων Πηγών και Συστημάτων Λέιζερ (ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) Άλλοι συμμετέχοντες φορείς: (α) Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Κρήτης (ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ) (β) Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) Οκτώβριος 2015 Page 1 of 15

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 2. ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LIBS... 3 2.1. Στόχευση... 4 2.2. Δοκιμή Ανάλυσης και Κατηγοριοποίησης των Μονωτήρων... 5 2.3. Βελτιστοποίηση Πειραματικών Παραμέτρων... 6 2.4. Μέτρηση LIBS Καταγραφή Φάσματος... 7 2.5. Ανάλυση Φάσματος - Εξαγωγή Φασματικών Δεικτών... 7 3. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΔΕΙΚΤΗ LIBS ΜΕ ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ... 8 3.1. Μετρήσεις Υδροφοβίας... 9 3.2. Μετρήσεις Ηλεκτρικής Γήρανσης και Φασματοσκοπίας LIBS... 11 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 14 2

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείμενο μελέτης του έργου POLYDIAGNO είναι η ανάπτυξη κατάλληλης διαγνωστικής τεχνικής η οποία θα επιτρέπει την από απόσταση και σε πραγματικό χρόνο αξιολόγηση της αξιοπιστίας των υπαίθριων συνθετικών μονωτήρων υψηλής τάσης (ΥΤ). Έπειτα από τη διερεύνηση διαφορετικών φασματοσκοπικών τεχνικών (LIF, FTIR, Raman, LIBS) (Παραδοτέo 3.1), η τεχνική LIBS αναδείχτηκε ως η βέλτιστη για την εκτίμηση του τύπου και της κατάστασης της επιφάνειας των μονωτήρων ΥΤ. (Παραδοτέο 3.2). Στη συνέχεια παρουσιάζεται το διαγνωστικό μοντέλο που προτείνεται για την αξιολόγηση των μονωτήρων, το οποίο περιλαμβάνει καταγραφή φάσματος, αναγνώριση τύπου μονωτήρα και εξαγωγή φασματικών δεικτών, και συσχέτισή τους με βασικές χαρακτηριστικές ιδιότητες των μονωτήρων (υδροφοβικότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα). Για αυτόν το σκοπό πραγματοποιήθηκαν αλληλοδιάδοχες μετρήσεις LIBS και ηλεκτρικής γήρανσης δειγμάτων νέων (αχρησιμοποίητων) και παλαιών μονωτήρων στις εγκαταστάσεις του ΗΛΕΚ-ΤΕΙ. 2. ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LIBS Το διαγνωστικό μοντέλο αξιολόγησης των πολυμερικών υπαίθριων μονωτήρων ΥΤ, που αναπτύχθηκε με βάση τα αποτελέσματα της διερεύνησης της τεχνικής LIBS στο εργαστήριο (Παραδοτέο 3.2), συνοψίζεται σε διάγραμμα ροής (Σχ. 2.1) και περιγράφεται αναλυτικά παρακάτω. 3

Σχήμα 2.1: Το διαγνωστικό μοντέλο αξιολόγησης των συνθετικών μονωτήρων SIR. 2.1. Στόχευση Σημαντική παράμετρο στο θέμα της διάγνωσης της λειτουργικότητας των πολυμερικών μονωτήρων, που είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε εφαρμογές από απόσταση και σε πραγματικό χρόνο, αποτελεί η στόχευση των υπό εξέταση μονωτήρων με το λέιζερ και η δυνατότητα ακρίβειας μετακίνησης της δέσμης λέιζερ στους τρεις άξονες. Για ακριβή στόχευση προτείνεται η δέσμη λέιζερ να κατευθύνεται μέσω κατάλληλων οπτικών (κάτοπτρα ανάκλασης, φακοί εστίασης) ή τηλεσκοπίου με αυτοματοποιημένη τρισδιάστατη κίνηση, και να εστιάζεται σε μονωτήρα που ευρίσκεται σε θέση καθορισμένων συντεταγμένων. Εναλλακτικά, η στόχευση είναι δυνατόν να επιτευχθεί μέσω οπτικών ινών. 4

Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας η στόχευση και εστίαση της δέσμης λέιζερ στα δείγματα μονωτήρων γίνεται με χρήση κατάλληλων οπτικών. Μετακινώντας τη θέση του δείγματος με ακρίβεια μm, ως προς δύο άξονες, που σχηματίζουν επίπεδο κάθετο στην κατεύθυνση της δέσμης, επιτυγχάνεται αλλαγή του σημείου ακτινοβόλησης. 2.2. Δοκιμή Ανάλυσης και Κατηγοριοποίησης των Μονωτήρων Το πλάσμα που σχηματίζεται στην επιφάνεια των μονωτήρων εκπέμπει φως, το οποίο συλλέγεται από τηλεσκόπιο, που είναι τοποθετημένο σε μακρινή απόσταση, και συνήθως είναι το ίδιο τηλεσκόπιο που χρησιμοποιείται για τη στόχευση της δέσμης λέιζερ στο μονωτήρα. Στην εστία του τηλεσκοπίου ευθυγραμμίζεται οπτική ίνα που οδηγεί το φως σε φασματογράφο για ανάλυση. Η καταγραφή του φάσματος πραγματοποιείται σε ανιχνευτή ICCD που είναι συνδεδεμένος με το φασματογράφο. Η χρονική περίοδος καταγραφής φάσματος, μετά την άφιξη του παλμού λέιζερ, ρυθμίζεται μέσω γεννήτριας παλμών που συνδέεται με το λέιζερ και τον ανιχνευτή. Αμέσως μετά τη στόχευση του προς εξέταση μονωτήρα καταγράφεται ένα τυπικό φάσμα LIBS που αντιστοιχεί σε ακτινοβόληση με 5-10 παλμούς λέιζερ (Σχ. 2.2.1), στο οποίο διακρίνονται οι γραμμές ατομικής εκπομπής C, καθώς και η ζώνη εκπομπής του μορίου CN, που σχηματίζεται στο πλάσμα κατά την αντίδραση του άνθρακα με το άζωτο της ατμόσφαιρας. Επίσης, διακρίνονται γραμμές εκπομπής και άλλων στοιχείων (π.χ., Al, Ca, Mg, Mn, Cu, Fe) που αποτελούν συστατικά προσμίξεων και χρησιμοποιούνται στη διαδικασία παρασκευής των μονωτήρων (Παραδοτέο 3.2). Οι συνηθέστεροι τύποι συνθετικών μονωτήρων που χρησιμοποιούνται στα δίκτυα είναι μονωτήρες PDMS και EPDM (Παραδοτέο 3.2, ενότητα 2.3). Εφ όσον ο εξεταζόμενος μονωτήρας είναι τύπου PDMS διακρίνονται οι γραμμές ατομικής εκπομπής του Si, ενώ σε διαφορετική περίπτωση, δεν καταγράφεται σήμα εκπομπής Si (Σχ. 2.2.2). Επομένως, αυτή η ποιοτική παρατήρηση είναι αρκετή για να γίνει ο διαχωρισμός των μονωτήρων. Intensity (Counts) x10 5 2.0 Si Silicone Rubber Nd:YAG laser ( =1064 nm) 1.5 1.0 C Mg Si Al CN Ca Ca Na 0.5 0.0 Si SiSi Si Ca 250 300 350 400 450 500 550 Wavelength (nm) Σχήμα 2.2.1: Φάσμα LIBS δείγματος αχρησιμοποίητου PDMS μονωτήρα που αντιστοιχεί στo άθροισμα 10 διαδοχικών (single shot) φασμάτων. 5

Intensity (Counts) x10 4 3 2 Insulators PDMS (16 yrs old) EPDM (17 yrs old) Si 1 CN 388 389 390 391 Wavelength (nm) Σχήμα 2.2.2: Φάσματα LIBS μονωτήρων PDMS και EPDM, που προκύπτουν από άθροισμα 10 διαδοχικών (single shot) φασμάτων. 2.3. Βελτιστοποίηση Πειραματικών Παραμέτρων Η εκπομπή του πλάσματος σε ένα πείραμα LIBS εξελίσσεται στο χώρο και στο χρόνο και εξαρτάται από πολλές πειραματικές παραμέτρους, όπως είναι η ένταση και ο αριθμός των παλμών λέιζερ. Όλες αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν το μηχανισμό σχηματισμού και την αναπτυσσόμενη θερμοκρασία του πλάσματος και, κατά συνέπεια, τη σχετική ένταση των επιμέρους γραμμών εκπομπής των υπό εξέταση στοιχείων και το λόγο σήματος προς θόρυβο των καταγραφόμενων φασμάτων. Σημειώνεται ότι η ένταση των παρατηρούμενων γραμμών εκπομπής επηρεάζεται από τον τρόπο συλλογής (οπτική ίνα, φακός συλλογής ή τηλεσκόπιο) και η χρονική στιγμή και το χρονικό διάστημα καταγραφής της εκπομπής πλάσματος. Μολονότι επιδιώκεται η διατήρηση ίδιων πειραματικών συνθηκών για όλες τις επαναλήψεις των μετρήσεων που πραγματοποιούνται, τις περισσότερες φορές υπεισέρχονται μη εύκολα ελεγχόμενοι παράγοντες, όπως είναι η στερεά γωνία συλλογής του πλάσματος και επιφανειακές μορφολογικές ανομοιογένειες του δείγματος. Επίσης, η μη επίπεδη επιφάνεια των μονωτήρων προκαλεί διακυμάνσεις στην ένταση των γραμμών εκπομπής στα φάσματα που αντιστοιχούν σε διαφορετικά σημεία του δείγματος, γιατί αλλάζει η εστίαση της δέσμης λέιζερ. Επομένως, είναι αναμενόμενο να υπάρχει σχετικά μεγάλη διακύμανση της τιμής της έντασης των γραμμών εκπομπής στα φάσματα LIBS. Για να περιοριστεί η διακύμανση αυτή είναι απαραίτητη η βελτιστοποίηση των πειραματικών παραμέτρων και η εφαρμογή 6

συγκεκριμένης μεθοδολογίας, ώστε να εξασφαλίζεται ικανοποιητικός βαθμός επαναληψιμότητας και ακρίβειας των μετρήσεων, βασική προϋπόθεση για την αξιοπιστία της τεχνικής. Η πυκνότητα ενέργειας του λέιζερ είναι F LASER = 80 και 150 J/cm 2 για ακτινοβόληση στο υπεριώδες και στο υπέρυθρο αντίστοιχα. To χρονικό διάστημα καταγραφής του φάσματος LIBS είναι 1-10 μs, με χρόνο μηδέν τη στιγμή άφιξης του παλμού λέιζερ στο δείγμα. Σύμφωνα με τη διερεύνηση των παραμέτρων που παρουσιάστηκε σε προηγούμενη εργασία (Παραδοτέο 3.2, ενότητα 2.4) η μεθοδολογία που εμφανίζει αρκετά ικανοποιητική επαναληψιμότητα και ακρίβεια μετρήσεων αφορά ακτινοβόληση σε πέντε σημεία του δείγματος με 15 διαδοχικούς παλμούς, από τους οποίους μόνο οι τελευταίοι 10 παλμοί επιλέγονται για ανάλυση. 2.4. Μέτρηση LIBS Καταγραφή Φάσματος Κάθε δείγμα ακτινοβολείται σε πέντε (5) διαφορετικά σημεία με 15 παλμούς ανά σημείο. Η καταγραφή των φασμάτων γίνεται μέσω ειδικού λογισμικού, το οποίο, για κάθε σημείο, δίνει το άθροισμα των φασμάτων που αντιστοιχούν στους 10 τελευταίους διαδοχικούς παλμούς. Η σχετική τυπική απόκλιση (RSD) της μέσης τιμής έντασης εκπομπής κατά την ακτινοβόληση κυμαίνεται μεταξύ 20 και 45%. Η τελική τιμή της έντασης των επιλεγμένων κορυφών για κάθε δείγμα μονωτήρα προκύπτει από τη μέση τιμή των εντάσεων που αντιστοιχούν στα 5 διαφορετικά σημεία ακτινοβόλησης. Η σχετική τυπική απόκλιση της μέτρησης που προκύπτει από τη μέση τιμή των εντάσεων που αντιστοιχούν σε 5 διαφορετικά σημεία ακτινοβόλησης είναι της τάξης του 5-25%. 2.5. Ανάλυση Φάσματος - Εξαγωγή Φασματικών Δεικτών Σε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα LIBS, που είναι φιλικό προς το χρήστη και που προβλέπεται να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές στο πεδίο, είναι σκόπιμο να επιδιώκεται ποσοτικοποίηση των φασματικών χαρακτηριστικών που διαφοροποιούν τους μονωτήρες, ώστε να είναι δυνατή η άμεση λήψη αποφάσεων που αφορούν τη διάγνωση της λειτουργικής τους κατάστασης σε πραγματικό χρόνο. Για αυτόν τον σκοπό προτείνεται η συσχέτιση και σύγκριση των λόγων εντάσεων συγκεκριμένων γραμμών εκπομπής των στοιχείων, που συνιστούν το PDMS, ανάμεσα στα φάσματα που αντιστοιχούν σε παλαιούς και νέους μονωτήρες. Συγκεκριμένα, υπολογίζεται ο λόγος του ολοκληρώματος της έντασης τμήματος της μοριακής εκπομπής CN (388.34 nm) προς το ολοκλήρωμα της έντασης της γραμμής ατομικής εκπομπής Si (390.55 nm), για ένα φάσμα που καταγράφεται ως άθροισμα 10 single-shot φασμάτων, που αντιστοιχούν σε ακτινοβόληση με 10 διαδοχικούς παλμούς λέιζερ σε ένα σημείο. Όπως αναφέρθηκε λεπτομερώς σε προηγούμενες μελέτες (Παραδοτέα 3.1 και 3.2) ο λόγος αυτός λειτουργεί ως φασματικός δείκτης του τύπου των συνθετικών μονωτήρων, καθώς και της κατάστασης των μονωτήρων 7

PDMS. Η τιμή του φασματικού δείκτη στους νέους μονωτήρες PDMS (που δεν έχουν χρησιμοποιηθεί ακόμη στο δίκτυο) αποδεικνύεται ότι είναι αρκετά επαναλήψιμη (τιμή αναφοράς R Reference = 0.18 ± 0.02) στο εσωτερικό και στην επιφάνειά τους, γεγονός που ενισχύει την αξιοπιστία της τεχνικής LIBS ως διαγνωστικό εργαλείο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών (Παραδοτέα 3.1 και 3.2), εάν η τιμή του φασματικού δείκτη του εξεταζόμενου μονωτήρα είναι πολύ (πχ 10-20 φορές) υψηλότερη από την τιμή αναφοράς, τότε πρόκειται για μονωτήρα EPDM. Σε αντίθετη περίπτωση, όταν η τιμή του φασματικού δείκτη είναι συγκρίσιμη της τιμής αναφοράς, ο εξεταζόμενος μονωτήρας είναι τύπου PDMS. Εάν ο μονωτήρας είναι EPDM, τότε δεν γίνεται περαιτέρω διάγνωση της κατάστασής του και η διαδικασία συνεχίζεται με στόχευση άλλου μονωτήρα. Αυτό συμβαίνει λόγω έλλειψης δειγμάτων από νέους μονωτήρες EPDM, των οποίων η μέτρηση θα μας παρείχε τιμές αναφοράς άλλου φασματικού δείκτη για σύγκριση με τους παλαιούς μονωτήρες. Εάν ο μονωτήρας είναι PDMS, τότε πραγματοποιούνται μετρήσεις στο εσωτερικό και στην επιφάνεια των δειγμάτων μονωτήρων ακολουθώντας τη διαδικασία που περιγράφτηκε στην ενότητα 2.4. Επομένως, τελικά προκύπτουν 5 φάσματα, που αντιστοιχούν στα 5 διαφορετικά σημεία ακτινοβόλησης, και υπολογίζεται ο φασματικός δείκτης ως η μέση τιμή των 5 διαφορετικών φασματικών δεικτών που αντιστοιχούν στα φάσματα αυτά. Όπως βρέθηκε σε προηγούμενες μελέτες, η τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια των μονωτήρων δικτύου είναι συστηματικά χαμηλότερη της αντίστοιχης τιμής στο εσωτερικό τους. Αυτό το αποτέλεσμα σε συνδυασμό με μετρήσεις FTIR (Παραδοτέο 3.1, ενότητα 4) των ίδιων δειγμάτων μονωτήρων οδήγησε στη διατύπωση του ακόλουθου κριτηρίου αξιολόγησης: Εφ όσον η ποσοστιαία διαφορά μεταξύ των δύο τιμών φασματικού δείκτη, στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των μονωτήρων PDMS, είναι μεγαλύτερη από 30%, τότε οι μονωτήρες κρίνεται ότι είναι καταπονημένοι. Σε αντίθετη περίπτωση, οι μονωτήρες θεωρείται ότι είναι καλής κατάστασης, συγκρίσιμης με την εργοστασιακή τους κατάσταση. 3. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΔΕΙΚΤΗ LIBS ΜΕ ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ Μία από τις σημαντικότερες ιδιότητες των συνθετικών πολυμερικών μονωτήρων, που αποτέλεσε κίνητρο για την αντικατάσταση των κεραμικών μονωτήρων με πολυμερικούς, είναι η μακροχρόνια υδροφοβία που αναπτύσσεται στην επιφάνειά τους. Η διατήρηση της υδροφοβία σε συνθήκες λειτουργίας βελτιώνει 8

σημαντικά την ικανότητα μόνωσης, αυξάνοντας την αξιοπιστία του ενεργειακού συστήματος, ενώ παράλληλα ελαχιστοποιεί την πιθανότητα ρύπανσης των μονωτήρων. Παρά ταύτα, η μακροχρόνια έκθεση των πολυμερικών μονωτήρων σε ανεξέλεγκτες εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως είναι η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία και η προσκόλληση ρύπων και μικροοργανισμών στην επιφάνειά τους, είναι δυνατόν να οδηγήσει σε σταδιακή υποβάθμιση των ιδιοτήτων τους. Όλοι αυτοί οι παράγοντες προκαλούν χημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια του πολυμερικού περιβλήματος των μονωτήρων, με αποτέλεσμα το σχηματισμό υδρόφιλων ομάδων, που επιτρέπουν την ανάπτυξη ηλεκτρικής δραστηριότητας στην επιφάνεια. Τα ρεύματα που αναπτύσσονται στην επιφάνεια ονομάζονται ρεύματα διαρροής, και μπορεί να οδηγήσουν σε μόνιμη μεταβολή της χημικής σύστασης των μονωτήρων με το σχηματισμό αγώγιμων καναλιών άνθρακα ή/και διάβρωση. Στη συνέχεια παρουσιάζονται μετρήσεις υδροφοβίας και ηλεκτρικής γήρανσης σε συνδυασμό με μετρήσεις LIBS σε δείγματα που προέρχονται από το άνω τμήμα (UP) αχρησιμοποίητου μονωτήρα SIR και μονωτήρων δικτύου SIR και EPDM με κωδικούς #8 και #12 έως #18 (Παραδοτέο 3.1, πίνακας 1.1). 3.1. Μετρήσεις Υδροφοβίας Οι αναλυτικές μετρήσεις της επιφανειακής υδροφοβίας στα δείγματα των μονωτήρων πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακό σύστημα μέτρησης της γωνίας επαφής σταγόνας νερού στο ΗΛΕΚ- ΤΕΙ Κρήτης (Παραδοτέο 1.1). Για κάθε δείγμα καταγράφεται η μέση τιμή της γωνίας επαφής ανάμεσα σε αυτές που μετρήθηκαν στην πάνω (top) επιφάνεια, η οποία εκτίθεται περισσότερο στη ρύπανση, καθώς και στην κάτω (bottom) επιφάνεια. Οι τιμές της γωνίας επαφής για κάθε δείγμα παρουσιάζονται κατά αντιστοιχία με τις τιμές του φασματικού δείκτη LIBS (Πίνακας 1 και Σχ. 3.1). Σημειώνεται ότι μια επιφάνεια θεωρείται υδρόφοβη όταν η γωνία επαφής είναι μεγαλύτερη από 90 0. Επομένως, τα δείγματα των μονωτήρων EPDM (#12 και #13) και των μονωτήρων PDMS (#14 και #16) φαίνεται ότι έχουν υποστεί υποβάθμιση της υδροφοβίας τους, αφού η τιμή της γωνίας επαφής στην επιφάνειά τους μετρήθηκε ότι είναι οριακά στην περιοχή των 90 0, ενώ η αντίστοιχη τιμή για το δείγμα του νέου μονωτήρα PDMS είναι περίπου 124 0. Τα υπόλοιπα δείγματα μονωτήρων δικτύου παραμένουν υδρόφοβα με το δείγμα του μονωτήρα #18 να είναι το πιο υδρόφοβο από όλα. Συγκρίνοντας τις μετρήσεις υδροφοβίας με αυτές του φασματικού δείκτη LIBS παρατηρείται ότι όταν ΔR > 30 %, οι μονωτήρες τείνουν προς την υδρόφιλη συμπεριφορά (με εξαίρεση το μονωτήρα #15), ενώ όταν ΔR < 30% οι μονωτήρες διατηρούν υδρόφοβη συμπεριφορά. Επομένως, όταν ΔR < 30 % οι μονωτήρες θεωρούνται καταπονημένοι και παρουσιάζουν υποβάθμιση της υδροφοβίας τους, ενώ όταν ΔR > 30 % οι μονωτήρες είναι σε σχετικά καλή κατάσταση, με λίγο ασθενέστερη υδροφοβία αυτής των νέων μονωτήρων. 9

Mean Contact Angle (degrees) R (%) Το γενικότερο συμπέρασμα είναι ότι οι μετρήσεις του φασματικού δείκτη LIBS βρίσκονται σε συμφωνία με τις μετρήσεις υδροφοβίας των μονωτήρων. Πίνακας 1: Οι τιμές του φασματικού δείκτη μεταξύ επιφάνειας (R SURFACE) και εσωτερικού (R BULK) και της ποσοστιαίας διαφοράς (ΔR) μεταξύ τους, καθώς και οι αντίστοιχες τιμές της γωνίας επαφής στην πάνω (Top) και στην κάτω (Bottom) επιφάνεια των δειγμάτων (από το ανώτερο τμήμα - UP) των συνθετικών μονωτήρων ΥΤ, που επελέγησαν από το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας της Κρήτης στο πλαίσιο του έργου POLYDIAGNO. Συνθετικοί Μονωτήρες Φασματικός Δείκτης LIBS (λ=248 nm; F LASER = 80 J/cm 2 ) Γωνία Επαφής ( 0 ) # Δείγματος Τύπος πολυμερικής αλυσίδας Χρόνος παραμονής στο δίκτυο (Έτη) Επιφάνεια (R SURFACE ) Εσωτερικό (R BULK ) ΔR (%) 1 Top Bottom Mέση Τιμή 8UP PDMS 0 0.18 ± 0.01 0.20 ± 0.02 10 ± 10 125.0 124.0 124 ± 1 12UP EPDM 17 1.8 ± 0.1 2.4 ± 0.2 (*) 90.0 81.4 86 ± 6 13UP EPDM 16 2.1 ± 0.3 2.0 ± 0.2 (*) 90.0 82.0 86 ± 6 14UP EPDM 21 0.027 ± 0.017 0.075 ± 0.010 65 ± 24 81.9 89.8 86 ± 6 15UP PDMS 17 0.034± 0.011 0.075 ± 0.010 55 ± 16 112.2 100.0 106 ± 9 16UP PDMS 17 0.056 ± 0.010 0.073 ± 0.007 24 ± 16 82.2 99.2 91 ± 12 17UP PDMS 10 0.045 ±0.003 0.073 ± 0.006 38 ± 7 97.9 105.8 102 ± 6 18UP PDMS 10 0.23 ± 0.02 0.22 ± 0.01 8 ± 8 108.1 114.8 111 ± 5 1 Η απόλυτη τιμή της ποσοστιαίας μεταβολής του φασματικού δείκτη μεταξύ επιφάνειας (R SURFACE) και εσωτερικού (R BULK) στα δείγματα μονωτήρων PDMS [ΔR=100(R SURFACE R BULK)/R BULΚ]. (*) Στην περίπτωση των μονωτήρων EPDM δεν έχει νόημα ο υπολογισμός του ΔR, λόγω απουσίας σήματος Si, καθώς ο συγκεκριμένος φασματικός δείκτης (R) ορίζεται ως ο λόγος της έντασης εκπομπής CN ως προς την ένταση εκπομπής Si. 120 100 80 80 60 60 40 20 0 SIR Insulators Angle R 8UP 14UP 15UP 16UP 17UP 18UP Insulators 40 20 0 Σχήμα 3.1: Μετρήσεις γωνίας επαφής και ποσοστιαίας διαφοράς φασματικού δείκτη LIBS μεταξύ επιφάνειας και εσωτερικού για τα δείγματα των εξεταζόμενων μονωτήρων SIR. 10

3.2. Μετρήσεις Ηλεκτρικής Γήρανσης Μια άλλη ιδιότητα που χαρακτηρίζει τους πολυμερικούς μονωτήρες είναι η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία ελέγχεται με την τεχνική «Δοκιμής Κεκλιμένου Επιπέδου» (Inclined Plane Test) (βλ. Παραδοτέα 1.1 και 2.1), σύμφωνα με το πρότυπο IEC 60587. Ουσιαστικά πρόκειται για δοκιμή της αντοχής δειγμάτων μονωτήρων σε επιφανειακή ηλεκτρική καταπόνηση, μετρώντας τα ρεύματα διαρροής, που αναπτύσσονται στην επιφάνεια, και που μπορεί να οφείλονται στο σχηματισμό αγώγιμων καναλιών άνθρακα (tracking) ή/και σε διάβρωση (erosion). Τα δείγματα μονωτήρων που επελέγησαν για μετρήσεις IPT καθαρίστηκαν προηγουμένως με συσκευή καθαρισμού υπερήχων και αποσταγμένο νερό, ώστε να απομακρυνθεί η συσσωρεμένη ρύπανση, και παρέμειναν στο εργαστήριο για 24 ώρες, ώστε να επιτραπεί τυχόν ανάκαμψη της υδροφοβίας τους. Παράλληλα, κρίθηκε απαραίτητη η αξιολόγηση των ίδιων δειγμάτων με την τεχνική LIBS. Για αυτόν το σκοπό, ο εξοπλισμός του πειράματος LIBS μεταφέρθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του ΤΕΙ Κρήτης, όπου γίνεται η ηλεκτρική καταπόνηση (Σχ. 3.2.1α). Σχήμα 3.2.1: (α) Σύστημα LIBS (ένδειξη: 1) του ΙΗΔΛ-ΙΤΕ (φορέας 1) που μεταφέρθηκε στo εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του ΗΛΕΚ-ΤΕΙΚ (φορέας 2) για μετρήσεις πριν και μετά την ηλεκτρική καταπόνηση δειγμάτων μονωτήρων με τη «Δοκιμή Κεκλιμένου Επιπέδου (ένδειξη: 2) (β) Φωτογραφία της πειραματικής διάταξης ηλεκτρικής καταπόνησης δειγμάτων μονωτήρων (Inclined Plane Test), τη στιγμή που η καταπόνηση ευρίσκεται σε εξέλιξη. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται αλληλοδιάδοχες μετρήσεις LIBS και ηλεκτρικής γήρανσης (IPT) σε δείγματα μονωτήρων PDMS (νέου και παλαιών μονωτήρων με 21 και 10 χρόνια λειτουργίας στο δίκτυο) καθώς και σε δείγμα καθαρού PDMS για σύγκριση. Πριν τη γήρανση κατεγράφησαν φάσματα LIBS από όλα τα δείγματα, υπό τις ίδιες συνθήκες. Κατά τη μέτρηση IPT εφαρμόστηκε υψηλή τάση περίπου 28 kv στα 50 Hz και ροή αγώγιμου διαλύματος νερού (0.6 ml/s) στην επιφάνεια των δειγμάτων για περίπου μία ώρα. Στο Σχ. 3.2.1β διακρίνονται οι ηλεκτρικοί σπινθήρες που αναπτύσσονται στην επιφάνεια των 11

Leakage Current (ma) Leakage Current (ma) Transformer Voltage (kv) Leakage Current (ma) Transformer Voltage (kv) Transformer Voltage (kv) Leakage Current (ma) Transformer Voltage (kv) δειγμάτων ως αποτέλεσμα της εφαρμογής της τάσης. Στη συνέχεια, τα δείγματα αφαιρούνταν από τη διάταξη του IPT και τοποθετούνταν στη διάταξη του LIBS για μέτρηση, ενώ η γήρανση συνεχίζονταν αμέσως μετά το πέρας των μετρήσεων LIBS. Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε 4-5 φορές και η γήρανση διήρκησε συνολικά 5 ώρες. Ως αποτέλεσμα της γήρανσης εμφανίζονται έντονες μορφολογικές αλλοιώσεις στην επιφάνεια των δειγμάτων, όπως είναι ο σχηματισμός ξηρών ζωνών άνθρακα (tracks). Αυτά τα σημεία επιλέγονται για ακτινοβόληση με την τεχνική LIBS. Περίπου 15 min (t = 940 s) μετά την έναρξη της ηλεκτρικής γήρανσης παρατηρήθηκε διάτρηση του δείγματος του καθαρού PDMS, που πιθανώς οφείλεται στην αύξηση της θερμοκρασίας του σε βαθμό ανάφλεξης και το ρεύμα διαρροής στην επιφάνειά του μηδενίστηκε, αφού προηγουμένως είχε αυξηθεί κατά 2 ma, αντί να διατηρείται σταθερό (Σχ. 3.2.2α). Αυτές είναι ενδείξεις αστοχίας του δείγματος. Στα 29 min (t = 1750 s) το ίδιο συνέβη και στο δείγμα του αχρησιμοποίητου μονωτήρα (#8) (Σχ. 3.2.2β). Αντιθέτως, τα δείγματα των παλαιών μονωτήρων ηλικίας 21 και 10 χρόνων, αντίστοιχα, παρουσίασαν σημάδια ξηρών ζωνών, αλλά δεν αστόχησαν, ακόμη και έπειτα από 5 ώρες καταπόνησης (Σχ. 3.2.2γ-δ). Οι διακυμάνσεις που εμφανίζονται στην τιμή της τάσης εφαρμογής του μετασχηματιστή, στην περίπτωση των παλαιών μονωτήρων, οφείλονται στις αλλεπάλληλες διακοπές της διαδικασίας της γήρανσης, διάρκειας περίπου μίας ώρας, ώστε να ληφθούν οι μετρήσεις LIBS. 15 ( ) 4.45 ( ) 4.45 10 4.40 4.35 15 10 4.40 4.35 5 0 pure PDMS Voltage 0 500 1000 me (s) 4.30 4.25 5 0 #8 Voltage 0 500 1000 1500 2000 me (s) 4.30 4.25 25 20 15 10 ( ) 5 #14 Voltage 0 0 5000 10000 15000 me (s) 4.45 4.40 4.35 4.30 4.25 15 10 ( ) 5 #17 Voltage 0 0 5000 10000 15000 me (s) 4.45 4.40 4.35 4.30 4.25 Σχήμα 3.2.2: Μετρήσεις ρεύματος διαρροής στη διάρκεια εφαρμογής τάσης 4-4.5 kv από το μετασχηματιστή στα δείγματα (α) καθαρού PDMS, (β) νέου (αχρησιμοποίητου) μονωτήρα (#8) και παλαιών μονωτήρων (γ) με 21 χρόνια στο δίκτυο (#14) και (δ) 10 χρόνια στο δίκτυο (#17). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων LIBS παρουσιάζονται στον Πίνακα 2 και στο Σχ. 3.2.3. Πριν τη γήρανση μετράται ο φασματικός δείκτης στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των δειγμάτων. Μετά τη 12

R γήρανση, μετράται ο φασματικός δείκτης μόνο στην επιφάνεια των δειγμάτων, και συγκεκριμένα στα ίχνη των αγώγιμων καναλιών άνθρακα. Η μέτρηση LIBS στο εσωτερικό των δειγμάτων προϋποθέτει τον τεμαχισμό τους, αλλά αυτό είναι ανέφικτο δεδομένου ότι τα ίδια δείγματα επαναχρησιμοποιούνται στη διάταξη IPT για περαιτέρω γήρανση. Πίνακας 2: Οι τιμές του φασματικού δείκτη LIBS όπως μετρήθηκαν πριν (R SURF,Bef και R BULK,Bef ) και μετά την ηλεκτρική γήρανση δειγμάτων μονωτήρων PDMS. Για σύγκριση, υπολογίζονται οι αντίστοιχες τιμές του φασματικού δείκτη στο καθαρό PDMS. PDMS Μονωτήρες Φασματικός Δείκτης LIBS (ΠΡΙΝ ΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗ) Φασματικός Δείκτης LIBS (ΜΕΤΑ ΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗ) Δείγμα Διάρκεια Λειτουργίας (Έτη) R SURF,Bef R BULK,Bef ΔR Bef (%) 1 R SURF,15min R SURF,29min R SURF,60 min R SURF,180m in R SURF,300min pure 0 0.25 ± 0.01 0.35 ± 0.03 28 ± 7 0.19 ± 0.04 - - - - 8UP 0 0.24 ± 0.02 0.27± 0.01 11 ± 10-0.14 ± 0.03 - - - 14UP 21 0.14 ± 0.01 0.17 ± 0.01 18 ± 8 - - 0.14 ± 0.01 17UP 10 0.10 ± 0.02 0.19 ± 0.05 47 ± 17 - - 0.12 ± 0.01 0.12 ± 0.02 0.13 ± 0.02 0.12 ±0.01 0.15 ± 0.01 1 Η ποσοστιαία μεταβολή του φασματικού δείκτη μεταξύ επιφάνειας και εσωτερικού των δειγμάτων (πριν τη γήρανση). 0.25 Insulator: 14 (21 yrs old) Insulator: 8 (New) 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 50 100 150 200 250 300 me (min) Σχήμα 3.2.3: Ο φασματικός δείκτης στην επιφάνεια, πριν (t=0) και μετά την ηλεκτρική γήρανση δειγμάτων παλαιού (#14, 21 χρόνων) και νέου μονωτήρα PDMS (#8). 13

Η τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια μειώνεται μετά τη γήρανση σε σύγκριση με την αντίστοιχη τιμή πριν τη γήρανση στην περίπτωση του καθαρού δείγματος PDMS ( ΔR = 28 ± 7 %) και του δείγματος του νέου μονωτήρα ( ΔR = 50 ± 11 %). Αντιθέτως, στην περίπτωση των παλαιών δειγμάτων μονωτήρων η τιμή του φασματικού δείκτη μετά τη γήρανση είναι σχεδόν σταθερή. Αυτό σημαίνει ότι 5 ώρες ηλεκτρικής καταπόνησης των παλαιών δειγμάτων μονωτήρων δεν αλλάζει αισθητά τη χημική σύσταση της επιφάνειας των δειγμάτων, ώστε να είναι δυνατή η καταγραφή μεταβολών μέσω του φασματικού δείκτη. Παρά το γεγονός ότι η ακτινοβόληση έγινε στα σημεία εμφάνισης των ξηρών ζωνών δεν ήταν δυνατή η καταγραφή σημαντικής μείωσης του φασματικού δείκτη. Αυτό ίσως οφείλεται στο ότι 15 παλμοί λέιζερ δημιουργούν κρατήρα στα δείγματα βάθους της τάξεως μερικών μm, ενώ πιθανώς αυτές οι αλλαγές στη μορφολογία να επάγονται σε ένα πολύ λεπτό στρώμα υλικού, το οποίο μπορεί να είναι της τάξεως των εκατοντάδων nm. Σε αυτήν την περίπτωση θα έπρεπε η ακτινοβόληση με το λέιζερ να γίνει με μικρότερο αριθμό παλμών. Παρά ταύτα, γενικά η αξιολόγηση των μονωτήρων με την τεχνική LIBS κατά τη διαδικασία της ηλεκτρικής καταπόνησης έδειξε ότι είναι ευαίσθητη στην καταγραφή αλλαγών στη χημική σύσταση των δειγμάτων, μόνο στην περίπτωση αστοχίας τους και όχι τόσο στην εμφάνιση αγώγιμων καναλιών άνθρακα. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η παρούσα μελέτη αφορά στο προτεινόμενο διαγνωστικό μοντέλο αξιολόγησης της λειτουργικής κατάστασης των υπαίθριων μονωτήρων SIR ΥΤ, που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί στο εργαστήριο και στο πεδίο, και που βασίζεται στην τεχνική LIBS. Σύμφωνα με τη διερεύνηση και τη βελτιστοποίηση των πειραματικών παραμέτρων που επηρεάζουν την ποιότητα των φασμάτων (που σχετίζεται με την τιμή της έντασης των γραμμών εκπομπής και το λόγο του σήματος προς το θόρυβο) τα κριτήρια αξιολόγησης της κατάστασης των μονωτήρων σχετίζονται με τον υπολογισμό και τη σύγκριση φασματικών δεικτών μεταξύ επιφάνειας και εσωτερικού νέων και παλαιών μονωτήρων. Ο φασματικός δείκτης που επελέγη δίνεται από το λόγο της έντασης εκπομπής CN προς την ένταση εκπομπής Si και είναι ευαίσθητος σε αλλαγές της χημικής σύστασης του πολυμερικού υλικού των μονωτήρων SIR. Όταν η μεταβολή της τιμής του φασματικού δείκτη μεταξύ επιφάνειας και εσωτερικού είναι μικρότερη από 30%, οι μονωτήρες θεωρούνται καλής κατάστασης. Σε αντίθετη περίπτωση, οι μονωτήρες θεωρείται ότι έχουν υποστεί καταπόνηση και υποβάθμιση των ιδιοτήτων τους, όπως είναι η υδροφοβία, ενώ εμφανίζουν και ρεύματα διαρροής στην επιφάνειά τους. Για την επιβεβαίωση της ορθότητας αυτών των συμπερασμάτων και τη συσχέτιση της τιμής του φασματικού δείκτη LIBS με την υποβάθμιση των ιδιοτήτων των μονωτήρων, έγιναν αλληλοδιάδοχες μετρήσεις LIBS και ηλεκτρικής γήρανσης σε δείγματα μονωτήρων, των οποίων είχε μετρηθεί η υδροφοβία. Όπως αναφέρθηκε εκτενώς σε προηγούμενες μελέτες, η υδροφοβία των μονωτήρων PDMS 14

οφείλεται στην ύπαρξη των πλευρικών μεθυλίων στο μόριο του PDMS. Η τιμή του φασματικού δείκτη υπολογίστηκε χαμηλότερη στην επιφάνεια των μονωτήρων σε σχέση με το εσωτερικό και, επιπλέον, η υδροφοβία στην επιφάνεια των δειγμάτων των παλαιών μονωτήρων μετρήθηκε ασθενέστερη της υδροφοβίας που αντιστοιχεί στο δείγμα του νέου μονωτήρα. Επομένως, η παρατηρούμενη μικρή υποβάθμιση της υδροφοβίας των παλαιών μονωτήρων σχετίζεται άμεσα με τη μείωση της τιμής του φασματικού δείκτη και δικαιολογείται από την απομάκρυνση των πλευρικών ομάδων μεθυλίων στο μόριο του PDMS και το σχηματισμό αγώγιμων καναλιών άνθρακα στην επιφάνεια των μονωτήρων. Τέλος, αστοχία παρατηρείται μόνο στο νέο μονωτήρα και στο καθαρό PDMS, ενώ οι παλαιοί μονωτήρες εμφανίζονται αρκετά ανθεκτικοί στην εφαρμογή υψηλής τάσης στην επιφάνειά τους παρά το γεγονός του σχηματισμού αγώγιμων καναλιών άνθρακα. 15