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 5 (19/02/2015-31/10/2015) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ Π5.1 (μήνας παράδοσης: Μ 25) ΕΚΘΕΣΗ: ΠΡΟΤΥΠΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΕΙ ΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 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 16

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 2. ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΑΝΑΛΥΣΗ LIBS ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ (Remote LIBS)... 4 2.1. Πειραματική διάταξη... 4 2.2. Χρονική εξέλιξη εκπομπής πλάσματος... 6 2.3. Εξ αποστάσεως ανάλυση φασμάτων LIBS... 8 2.4. Κριτήριο ελέγχου μονωτήρων με LIBS από απόσταση... 9 3. ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΑΝΑΛΥΣΗ LIBS ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ (On-site Remote LIBS)... 13 3.1. Πρότυπη πειραματική διάταξη... 13 3.2. Αποτελέσματα... 15 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 16 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 αξιολογήθηκε ως η βέλτιστη για την εκτίμηση του τύπου και της κατάστασης της επιφάνειας των μονωτήρων ΥΤ. (Παραδοτέο 3.2). Η τεχνική LIBS αφορά στην ανάλυση ακτινοβολίας πλάσματος, το οποίο σχηματίζεται κατά την αλληλεπίδραση λέιζερ υψηλής έντασης με ένα υλικό. Πρόκειται για ηλεκτρόνια, ουδέτερα και ιοντισμένα άτομα, μικρά μόρια και μεγαλύτερα ατομικά και μοριακά συσσωματώματα, τα οποία απομακρύνονται από την επιφάνεια του δείγματος. Το πλάσμα χαρακτηρίζεται από υψηλή θερμοκρασία και πυκνότητα ηλεκτρονίων και κατά την αποδιέγερσή του παρουσιάζει έντονη εκπομπή στην υπεριώδη και ορατή φασματική περιοχή. Η εκπομπή συλλέγεται με οπτική ίνα, η οποία συνδέεται με φασματόμετρο, αναλύεται και καταγράφεται σε ανιχνευτή. Το φάσμα LIBS που προκύπτει, αποτελούμενο από οξείες κορυφές εκπομπής, παρέχει άμεση και σαφή πληροφορία αναφορικά με τη στοιχειακή σύσταση του εξεταζόμενου υλικού (Παραδοτέο 3.1, ενότητα 5.1). Συνήθως, η συλλογή της ακτινοβολίας του πλάσματος πραγματοποιείται σε μικρή απόσταση l από το δείγμα εξέτασης, τάξεως cm (συμβατικό/ standard LIBS), αλλά είναι δυνατή η καταγραφή και σε μεγαλύτερες αποστάσεις, τάξεως μερικών έως και εκατοντάδων μέτρων (εξ αποστάσεως/ remote LIBS). Για την επίτευξη των στόχων του έργου, εκτός από τη συμβατική εφαρμογή της τεχνική LIBS, εφαρμόστηκε επίσης η εξ αποστάσεως LIBS σε δείγματα μονωτήρων SIR που ευρίσκονται στο εργαστήριο (βλ. Παραδοτέο 3.1, ενότητα 1.1), αλλά και σε εξωτερικό, υπαίθριο χώρο (Σταθμός Δοκιμών Υψηλής Τάσης ΤΑΛΩΣ, ΔΕΔΔΗΕ, Λινοπεράματα, Ηράκλειο). Η προκαταρτική μελέτη της εξ αποστάσεως τεχνικής LIBS στο εργαστήριο, αποτέλεσε ενδιάμεσο βήμα για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της πρότυπης πειραματικής διάταξης και των παραμέτρων, που επρόκειτο να εφαρμοστούν στις επιτόπιες (on-site) μετρήσεις. Τα αποτελέσματα από αυτές τις μελέτες παρουσιάζονται στη συνέχεια. 3

2. ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΑΝΑΛΥΣΗ LIBS ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ (Remote LIBS) 2.1. Πειραματική διάταξη Τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το άνω τμήμα (UP) αχρησιμοποίητων και μονωτήρων δικτύου SIR με κωδικούς #8, #14 έως #18 (Παραδοτέο 3.1, πίνακας 1.1). Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων LIBS από απόσταση χρησιμοποιήθηκε λέιζερ υπέρυθρης εκπομπής (Nd: YAG, λ=1064 nm, τ pulse = 10 ns), η δέσμη του οποίου εστιάζεται στο δείγμα μελέτης με φακό εστιακής απόστασης f 1 = + 5 m ή f 2 = + 75 mm (Σχ. 2.1.1). Η διάμετρος του ίχνους (spot) της δέσμης λέιζερ στο δείγμα (d 5m = 1.5 mm) είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή στο συμβατικό LIBS (d 75mm = 200 μm), με αποτέλεσμα η μεγίστη πυκνότητα ενέργειας λέιζερ να έχει τιμή F LASER = 8 J/cm 2. Η συλλογή της ακτινοβολίας πλάσματος επιτυγχάνεται με τηλεσκόπιο που είναι τοποθετημένο σε απόσταση περίπου l=6 m από το δείγμα. Στην εστία του τηλεσκοπίου ευθυγραμμίζεται οπτική ίνα (διαμέτρου 200 μm) το άλλο άκρο της οποίας οδηγείται σε φασματογράφο και η καταγραφή του φάσματος πραγματοποιείται σε ανιχνευτή ICCD. Στα προκαταρκτικά πειράματα στο εργαστήριο χρησιμοποιήθηκε τηλεσκόπιο τύπου Cassegrain (f N /6) (το οποίο στις επιτόπιες μετρήσεις αντικαταστάθηκε από ένα νευτώνιο τηλεσκόπιο (f N /4) για αποτελεσματικότερη συλλογή). Η χρονική περίοδος καταγραφής φάσματος, μετά την άφιξη του παλμού λέιζερ, ρυθμίζεται με γεννήτρια παλμών που συνδέεται με το λέιζερ και τον ανιχνευτή. Σχήμα 2.1.1: Η πειραματική διάταξη για την εξ αποστάσεως φασματοσκοπία LIBS που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο Αναλυτικής Φασματοσκοπίας Λέιζερ στο ΙΗΔΛ-ΙΤΕ. (α) 1: δείγμα μονωτήρα (στόχος), 2: τηλεσκόπιο τύπου Cassegrain, απόσταση στόχου-τηλεσκοπίου: 6 m 3: μικρομετρική βάση μεταφοράς σε δύο διαστάσεις (2D translation stage) για την ευθυγράμμιση της οπτικής ίνας στην εστία του τηλεσκοπίου 4: βάση στήριξης (β) 5: οπτική ίνα, 6: φασματογράφος, 7: ανιχνευτής ICCD, 8: γεννήτρια παλμών. Στο σχήμα 2.1.2 παρουσιάζεται ένα τυπικό φάσμα LIBS, από απόσταση συλλογής l = 6m, σε δείγμα μονωτήρα SIR (#8). Όπως στην περίπτωση του συμβατικού LIBS, διακρίνονται οι γραμμές ατομικής 4

εκπομπής Si και C, συστατικά της πολυμερικής αλυσίδας του δομικού υλικού (PDMS) των μονωτήρων SIR, καθώς και άλλων στοιχείων (Ti, Al, Ca, Mg, Mn, Cu, Fe), τα οποία αποτελούν συστατικά προσμίξεων (βλ. Παραδοτέο 3.2). Όπως αναφέρθηκε λεπτομερώς σε προηγούμενες αναφορές (Παραδοτέα 3.1 και 3.2), για ανάλυση επιλέγονται τμήμα της μοριακής εκπομπής CN (388.34 nm) και η γραμμή ατομικής εκπομπής Si στα 390.55 nm. Το μόριο CN σχηματίζεται στο πλάσμα, κατά την αντίδραση του άνθρακα με το άζωτο της ατμόσφαιρας. Si Intensity (Counts) x10 4 2.0 1.5 1.0 Ti 0.5 Ti CN Ti Ti 0.0 370 380 390 400 410 420 430 Wavelength (nm) Σχήμα 2.1.2: Φάσμα LIBS δείγματος αχρησιμοποίητου μονωτήρα (#8) που καταγράφτηκε από απόσταση 6 m και αντιστοιχεί στη μέση τιμή 10 διαδοχικών (single shot) φασμάτων. Υπενθυμίζεται ότι, σύμφωνα με τη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε κατά την μελέτη μονωτήρων δικτύου με συμβατικό LIBS, ο λόγος R του ολοκληρώματος της έντασης εκπομπής CN (388.34 nm) προς το ολοκλήρωμα της έντασης της γραμμής ατομικής εκπομπής Si (390.55 nm) διαφέρει στην επιφάνεια σε σχέση με το εσωτερικό, λόγω των δομικών αλλαγών που συμβαίνουν στην επιφάνεια των μονωτήρων ως αποτέλεσμα των επιφανειακών ρευμάτων διαρροής 1. Ο λόγος R επελέγη ως φασματικός δείκτης ελέγχου της κατάστασης των μονωτήρων, καθώς η τιμή R στην επιφάνεια σε σχέση με το εσωτερικό φαίνεται μεταβάλλεται με το χρόνο λειτουργίας. Για την ποσοτικοποίηση της ποιότητας της φυσικής κατάστασης και, κατ επέκταση, του βαθμού καταπόνησης των μονωτήρων ορίζεται η ποσοστιαία μεταβολή ΔR της τιμής του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια σε σχέση με το εσωτερικό, ως: R R Surf R R Bulk Bulk 100% 1 D. Pylarinos, K. Siderakis, E. Pyrgioti, Measuring and analyzing leakage current for outdoor insulators and specimens, Rev. Adv. Mater. Sci 29 (2011) 31. 5

όπου RSurf και RBulk αντίστοιχα (βλ. Παραδοτέο 3.1, ενότητα 5.3.2). ο φασματικός δείκτης στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των μονωτήρων 2.2. Χρονική εξέλιξη εκπομπής πλάσματος Αρχικά μελετήθηκε η χρονική εξέλιξη της εκπομπής πλάσματος για τις εξ αποστάσεως μετρήσεις LIBS. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν δείγματα νέου μονωτήρα (#8), στα οποία η δέσμη λέιζερ εστιάζεται με φακό εστιακής απόστασης f 1 = + 5 m. Η συλλογή της ακτινοβολίας από το πλάσμα πραγματοποιείται σε απόσταση (εστία τηλεσκοπίου-δείγματος) l = 7 m. Για σύγκριση παρουσιάζονται επιπλέον μετρήσεις με συμβατικό LIBS, όπου η απόσταση συλλογής από το δείγμα μελέτης είναι πολύ μικρή (l = 1 cm), για δύο περιπτώσεις εστίασης (f 1 = +5 m, f 2 = + 75 mm). Μεταβάλλοντας τη χρονική καθυστέρηση (delay time) καταγραφής φάσματος, σε σχέση με τη στιγμή άφιξης του παλμού λέιζερ (χρόνος μηδέν), λαμβάνονται 5 φάσματα, ένα για κάθε σημείο ακτινοβόλησης του δείγματος, σύμφωνα με τη μεθοδολογία που περιγράφηκε σε προηγούμενη αναφορά (Παραδοτέο 3.2, ενότητα 2.3.2). Στο σχήμα 2.2.1 παρουσιάζεται η εξάρτηση της έντασης των γραμμών εκπομπής Si και CN καθώς και του λόγου R (φασματικός δείκτης) από το χρόνο, για τις περιπτώσεις συμβατικού (standard) και εξ αποστάσεως (remote) LIBS, για εστίαση με φακό f 1 = +5 m. Η ένταση των δύο γραμμών εκπομπής καθώς και ο R, παρουσιάζουν όμοια εξέλιξη στο χρόνο. Από το ίδιο διάγραμμα προκύπτει επίσης ότι η εκπομπή CN μειώνεται με αρκετά μικρότερο ρυθμό για τις εξ αποστάσεως μετρήσεις LIBS, πιθανόν λόγω της αποτελεσματικότερης συλλογής ακτινοβολίας πλάσματος από το τηλεσκόπιο. Με το πέρας των 750 ns, οι εκπομπές Si και CN αποσβένουν με τον ίδιο ρυθμό, έως ότου μηδενίζονται. Κατά συνέπεια ο χρόνος ζωής του πλάσματος είναι περίπου 1.5 μs. Επομένως επιλέγεται η καταγραφή των φασμάτων LIBS να πραγματοποιείται στο χρονικό διάστημα 500-1500 ns. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις με συμβατικό LIBS, για τις περιπτώσεις εστίασης f 1 = + 5 m και f 2 = + 75 mm (Σχ. 2.2.2), διαπιστώνεται ότι και για τις δύο περιπτώσεις η ένταση Si αυξάνει μέχρι τα 400 ns περίπου και στη συνέχεια μειώνεται, με υψηλότερο ρυθμό για την περίπτωση εστίασης f 1. Αυτό οφείλεται στη χαμηλότερη θερμοκρασία πλάσματος, ως αποτέλεσμα της χαμηλότερης πυκνότητας ενέργειας που εφαρμόζεται στο υλικό, λόγω της μεγάλης επιφάνειας εστίασης με f 1 (d 5m =1.5 mm). Επίσης για f 1, η μοριακή εκπομπή CN εμφανίζεται 300 ns νωρίτερα, σε σχέση με την εστίαση f 2, και η έντασή της φθίνει με μεγαλύτερο ρυθμό. Τέλος, ο φασματικός δείκτης R, αποκτά χαμηλότερες τιμές, σε σχέση με τις τιμές που προκύπτουν με εστίαση f 2. 6

x10 5 Counts R x10 4 Counts x10 5 Counts x10 4 Counts x10 4 Counts R x10 5 Counts x10 3 Counts R 3 2 1 f = + 5 m Standard LIBS Remote LIBS Si 390 2 8 6 4 1.0 0.5 2 1 CN 388 0.6 0.4 0.2 0.6 0.4 0.2 500 1000 1500 2000 Delay Time (ns) Σχήμα 2.2.1: Η χρονική εξέλιξη της έντασης των γραμμών εκπομπής Si (390.55 nm) και CN (388.34 nm) καθώς και του λόγου τους (φασματικού δείκτη R) για τις περιπτώσεις συμβατικού (standard) και εξ αποστάσεως (remote) LIBS, με φακό εστιακής απόστασης f= +5 m (F LASER = 8 J/cm 2 και λ=1064 nm). Το εύρος της χρονικής περιόδου καταγραφής του φάσματος για κάθε μέτρηση ήταν τ Gate= 100 ns (δείγμα αχρησιμοποίητου μονωτήρα: # 8UP). 0.6 0.4 0.2 0.0 Si390 F LASER = 150 J/cm 2 (f = + 75 mm) F LASER = 8 J/cm 2 (f = + 5 m) 3 2 1 0 R x10 5 Counts 0.3 0.2 0.1 0.0 CN388 3 2 1 0 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 0 500 1000 1500 2000 Delay (ns) 0.0 Σχήμα 2.2.2: Η χρονική εξέλιξη της έντασης των γραμμών εκπομπής Si (390.55 nm) και CN (388.34 nm) καθώς και του λόγου τους (φασματικού δείκτη R) για τις περιπτώσεις συμβατικού LIBS, στα 1064 nm, με φακό εστιακής απόστασης f=+75 mm και f=+5 m. Το εύρος της χρονικής περιόδου καταγραφής του φάσματος για κάθε μέτρηση ήταν τ Gate= 100 ns (δείγμα αχρησιμοποίητου μονωτήρα: # 8UP). 7

2.3. Εξ αποστάσεως ανάλυση φασμάτων LIBS Στόχος της ενότητας αυτής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής των δεικτών ελέγχου, που προέκυψαν από τη μελέτη με συμβατικό LIBS, στην περίπτωση που η ακτινοβόληση και η συλλογή πλάσματος πραγματοποιούνται από απόσταση. Φάσματα εξ αποστάσεως LIBS κατεγράφησαν από την επιφάνεια και το εσωτερικό μονωτήρων SIR (#8, #14 έως #18) στο περιβάλλον εργαστηρίου. Η εστίαση της δέσμης λέιζερ στα δείγματα μελέτης πραγματοποιείται με φακό f 1 = + 5 m, ενώ η εκπομπή συλλέγεται σε απόσταση l = 5 m. Στο Σχ. 2.3.1 παρουσιάζονται τυπικά εξ αποστάσεως φάσματα LIBS από το εσωτερικό και την επιφάνεια διαφορετικών μονωτήρων. Οι τιμές του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια (R SURF ) και στο εσωτερικό (R BULK ) καθώς και η μεταβολή ΔR που προκύπτουν από την ανάλυση των φασμάτων παρατίθενται στον Πίνακα 2.3.1. 2 17UP-Surface 17UP-Bulk Si 1 CN 0 4 18UP-Surface 18UP-Bulk Intensity (Counts) x10 4 2 0 386 387 388 389 390 391 Wavelength (nm) Σχήμα 2.3.1: Τυπικά φάσματα εξ αποστάσεως LIBS που κατεγράφησαν στο εργαστήριο, από την επιφάνεια και το εσωτερικό δειγμάτων (#17 και 18) SIR μονωτήρων δικτύου (λ = 1064 nm; F LASER = 8 J/cm 2 ). Πίνακας 2.3.1. Οι τιμές του φασματικού δείκτη, στην επιφάνεια (R SURF ) και το εσωτερικό (R BULK ) των εξεταζόμενων δειγμάτων μονωτήρων SIR (PDMS) και της απόλυτης ποσοστιαίας διαφοράς μεταξύ τους ( ΔR ), που προκύπτουν από την εφαρμογή φασματοσκοπίας LIBS από απόσταση 5 m (λ=1064 nm, F= 8 J/cm 2 ). # Μονωτήρα SIR Xρόνος παραμονής στο δίκτυο (έτη) R SURF R BULK ΔR (%) Rsd 1 (%) 8UP 0 0.180 ± 0.010 0.230 ± 0.040 22 ± 14 66 14UP 21 0.116 ± 0.002 0.071 ± 0.003 63 ± 7 11 15UP 17 0.047 ± 0.011 0.073 ± 0.015 36 ± 20 58 16UP 17 0.040 ± 0.003 0.025 ± 0.005 61 ± 34 57 17UP 10 0.029 ± 0.004 0.045 ± 0.007 35 ± 14 40 18UP 10 0.075 ± 0.01 0.062 ± 0.002 21 ± 10 50 1 σχετική τυπική απόκλιση της ποσοστιαίας διαφοράς (ΔR) των φασματικών δεικτών (απόλυτη τιμή) 8

Τα συμπεράσματα, που προκύπτουν από τα στοιχεία του πίνακα 2.3.1 και γενικότερα την εξ αποστάσεως μελέτη LIBS στο εργαστήριο, συνοψίζονται στα εξής: Για το δείγμα του αχρησιμοποίητου μονωτήρα (# 8), ο φασματικός δείκτη R στο εσωτερικό και στην επιφάνεια έχει όμοια τιμή, με αυτή που προκύπτει από την εφαρμογή συμβατικού LIBS (R SURF, STANDARD = 0.18 ± 0.01, R SURF, STANDARD = 0.20 ± 0.02). Ο φασματικός δείκτης στο εσωτερικό των δειγμάτων των μονωτήρων δικτύου που προέρχονται από τον ίδιο κατασκευαστή (#14, 15 και 17) έχει χαμηλότερη τιμή από την αντίστοιχη στο δείγμα αχρησιμοποίητου μονωτήρα (#8). Σε αντίθεση με τα αποτελέσματα από το συμβατικό LIBS, η τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια των μονωτήρων δικτύου παρουσιάζει μη συστηματική μεταβολή (μείωση/ αύξηση) σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή στο εσωτερικό. Επιπλέον, σε ορισμένες περιπτώσεις δειγμάτων υπεισέρχονται αρκετά μεγάλα σφάλματα (rsd > 40%) τα οποία θίγουν την αξιοπιστία της μέτρησης. Τα διαγνωστικά κριτήρια αξιολόγησης των μονωτήρων που προέκυψαν κατά την ανάλυση με συμβατικό LIBS (Παραδοτέο 3.2, ενότητα 3.2), αναφορικά με την εκατοστιαία μεταβολή του φασματικού δείκτη (ΔR) και το επίπεδο καταπόνησης των μονωτήρων, εξακολουθούν να ισχύουν και στην περίπτωση της εξ αποστάσεως ανάλυσης LIBS. Για παράδειγμα, οι καταπονημένοι μονωτήρες παρουσιάζουν μεταβολή της τιμής του φασματικού δείκτη (ΔR) μεγαλύτερη από 30%. Παρά ταύτα, για επιτόπιες μετρήσεις, η εφαρμογή του δείκτη ΔR ως κριτήριο αξιολόγησης της κατάστασης μονωτήρων που ευρίσκονται στο πεδίο λειτουργίας τους είναι εξαιρετικά δύσχρηστη, διότι το εσωτερικό των μονωτήρων δεν προσφέρεται για ακτινοβόληση. Κρίνεται έτσι απαραίτητη η βελτιστοποίηση/αναθεώρηση της μεθοδολογίας LIBS που ακολουθήθηκε στο συμβατικό LIBS καθώς και η διατύπωση νέων κριτηρίων ελέγχου των μονωτήρων. Τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζονται στη συνέχεια. 2.4. Κριτήριο ελέγχου μονωτήρων με LIBS από απόσταση Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα από την ανάλυση των εργαστηριακών μετρήσεων LIBS στην επιφάνεια και το εσωτερικό δειγμάτων μονωτήρων και τον απώτερο στόχο του έργου (από απόσταση και σε πραγματικό χρόνο διάγνωσης της λειτουργικής κατάστασης των μονωτήρων, χωρίς να απαιτείται η αφαίρεσή τους από το δίκτυο), επόμενο βήμα αποτέλεσε η επέκταση των μετρήσεων σε πλήρεις μονωτήρες SIR και όχι σε δείγματα που έχουν αφαιρεθεί από τους δίσκους τους. Για λόγους ευστάθειας τοποθετούνται υπό κλίση σε ειδικά κατασκευασμένο υποδοχέα. Στόχος της ενότητας αυτής είναι η αξιοποίηση της εμπειρίας που αποκτήθηκε από τις μετρήσεις με συμβατικό LIBS (Παραδοτέο 3.2, ενότητα 2.4.2) και ο προσδιορισμός κριτηρίων αξιολόγησης, τα οποία θα βασίζονται αποκλειστικά σε μετρήσεις στην επιφάνεια των μονωτήρων και όχι στο εσωτερικό τους, το οποίο σε ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας μονωτήρων/ μετρήσεων δεν είναι προσβάσιμο. 9

R Ως νέο κριτήριο ελέγχου των μεταβολών που υφίστανται οι μονωτήρες, λόγω της χρήσης τους στο δίκτυο, προτείνεται η εκατοστιαία μεταβολή του φασματικού δείκτη που προκύπτει από την επιφάνεια ενός μονωτήρα (R OLD ), σε σχέση με τιμή αναφοράς (R NEW ) που αντιστοιχεί σε αχρησιμοποίητο μονωτήρα. Συγκεκριμένα ορίζεται ο δείκτης ελέγχου DR ως: DR R OLD R R NEW NEW 100% Για την εξαγωγή των δεικτών R, 15 διαδοχικοί παλμοί λέιζερ εφαρμόζονται σε 10 διαφορετικά σημεία της επιφάνειας των δίσκων των μονωτήρων, οι οποίοι περιστρέφονται χειροκίνητα γύρω από τον άξονα που συνδέει τους δύο ακροδέκτες. Από την άθροιση των φασμάτων που αντιστοιχούν στον 6 ο έως και τον 15 ο παλμό προκύπτει ένα φάσμα για κάθε σημείο ακτινοβόλησης. Η μέση τιμή των φασματικών δεικτών που αντιστοιχούν στα δέκα (10) διαφορετικά σημεία ακτινοβόλησης αποτελεί το φασματικό δείκτη του μονωτήρα. Στην περίπτωση που οι δέκα τιμές του φασματικού δείκτη R που προκύπτουν από τα φάσματα των διαφόρων σημείων είναι σημαντικά διαφορετικές μεταξύ τους, επιλέγονται οι υψηλότερες από τη μεσαία (median) τιμές και ο φασματικός δείκτης της επιφάνειας του μονωτήρα υπολογίζεται από τη μέση τιμή αυτών. Στο σχήμα 2.4.1 παρουσιάζεται η επαναληψιμότητα στον υπολογισμό του φασματικού δείκτη R NEW κατόπιν διαδοχικών μετρήσεων στην επιφάνεια αχρησιμοποίητου μονωτήρα (#8Τ), στη διάρκεια της ίδιας ημέρας. Είναι φανερό ότι η τιμή του φασματικού δείκτη υπολογίζεται αρκετά σταθερή, αφού η σχετική τυπική απόκλιση των μετρήσεων είναι 5-20 %. 0.12 0.10 0.08 0.06 Insulator #8 0.04 2 4 6 8 10 Repetitions Σχήμα 2.4.1: Η τιμή του φασματικού δείκτη για 10 επαναλαμβανόμενες μετρήσεις LIBS από απόσταση, στην επιφάνεια δίσκων αχρησιμοποίητου μονωτήρα (#8Τ, λ = 1064 nm, F LASER = 8 J/cm 2 ). Παρομοίως, στο σχήμα 2.4.2 παρουσιάζονται οι τιμές του φασματικού δείκτη R OLD, κατόπιν ακτινοβόλησης της επιφάνειας των μονωτήρων με πολυετή λειτουργία στο δίκτυο τάσης (#14 και #17 με 21 και 10 έτη λειτουργίας, αντίστοιχα) σε διαφορετικές ημέρες, υπό τις ίδιες πειραματικές 10

DR (%) R συνθήκες. Για σύγκριση παρατίθενται επίσης οι αντίστοιχοι υπολογισμοί για το δείκτη αναφοράς R NEW, οι τιμές του οποίου είναι, τις περισσότερες φορές, σημαντικά υψηλότερες από τις τιμές R OLD. 0.25 0.20 0.15 SIR Insulators Operation Time (yrs) 21 10 0 0.10 0.05 0.00-0.05 Aug 23 Sep 5 Sep 10 Sep 11 Sep 12 Sep 13 Date Σχήμα 2.4.2: Οι τιμές του φασματικού δείκτη για 6 επαναλαμβανόμενες μετρήσεις LIBS από απόσταση στην επιφάνεια δίσκων μονωτήρων δικτύου σε σύγκριση με τιμές αναφοράς που αντιστοιχούν σε μονωτήρες με μηδενικό χρόνο λειτουργίας στο πεδίο (λ = 1064 nm, F LASER = 8 J/cm 2 ). Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του σχήματος 2.4.2 προκύπτουν οι τιμές του δείκτη ελέγχου DR για τους εν λόγω μονωτήρες, οι οποίες παρουσιάζονται στο διάγραμμα 2.4.3. 40 20 0-20 SIR Insulators Operation Time (yrs) 21 10-40 -60-80 -100 Aug 23 Sep 5 Sep 10 Sep 11 Sep 12 Sep 13 Date Σχήμα 2.4.3: Η ποσοστιαία διαφορά μεταξύ της τιμής του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια των SIR μονωτήρων, με 21 και 10 χρόνια λειτουργίας στο δίκτυο (#14 και #17 αντίστοιχα), και της τιμής αναφοράς, που αντιστοιχεί στην επιφάνεια αχρησιμοποίητων μονωτήρων (#8Τ) (LIBS από απόσταση; λ = 1064 nm; F LASER = 8 J/cm 2 ), σε διαφορετικές ημέρες. 11

Όμοια, υπολογίζοντας την απόλυτη ποσοστιαία μεταβολή DR, της τιμής του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια των μονωτήρων δικτύου ( R OLD ) και από την τιμής αναφοράς που αντιστοιχεί στους αχρησιμοποίητους μονωτήρες (R NEW ) προκύπτουν οι τιμές του πίνακα 2.4.1 για όλα τα δείγματα μελέτης. Πίνακας 2.4.1. Η τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια (R OLD) των εξεταζόμενων SIR μονωτήρων δικτύου και της ποσοστιαίας διαφοράς τους (DR) από την τιμή αναφοράς που αντιστοιχεί στους αχρησιμοποίητους μονωτήρες με μηδενικό χρόνο λειτουργίας (εξ αποστάσεως LIBS; λ=1064 nm; F LASER= 8 J/cm 2 ). SIR Μονωτήρες # Xρόνος παραμονής στο δίκτυο (έτη) R OLD DR (%) Rsd 1 (%) Ποιότητα λειτουργίας 8Τ 0 14 21 0.04 ± 0.01-76 ± 8 10 Χαμηλή 15 17 0.05 ± 0.02-74 ± 9 12 Χαμηλή 16 17 0.07 ± 0.01-61 ± 8 13 Χαμηλή 17 10 0.09 ± 0.02-49 ± 12 25 Μέτρια 18 10 0.21 ± 0.02 16 ± 18 110 Υψηλή 1 σχετική τυπική απόκλιση της ποσοστιαίας διαφοράς (DR) των φασματικών δεικτών (απόλυτη τιμή) Από τα στοιχεία του πίνακα 2.4.1 προκύπτουν τα κριτήρια αξιολόγησης των μονωτήρων δικτύου, για την περίπτωση μετρήσεων LIBS από απόσταση και σε πραγματικό χρόνο. Συγκεκριμένα: 1. Όταν η ποσοστιαία διαφορά (DR) της τιμής των φασματικών δεικτών στην επιφάνεια, μεταξύ μονωτήρων δικτύου και αχρησιμοποίητων μονωτήρων είναι υψηλότερη από 40%, τότε οι μονωτήρες θεωρούνται χαμηλής ποιότητας και περιορισμένης λειτουργικότητας. 2. Σε αντίθετη περίπτωση (DR < 40%), οι μονωτήρες θεωρούνται ότι είναι σε καλή κατάσταση, συγκρίσιμη με αυτή των αχρησιμοποίητων μονωτήρων. 12

3. ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΑΝΑΛΥΣΗ LIBS ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ (On-site Remote LIBS) 3.1. Πρότυπη πειραματική διάταξη Η πειραματική διάταξη που σχεδιάστηκε για τη διεξαγωγή μετρήσεων εξ αποστάσεως LIBS σε υπαίθριο εκτός εργαστηρίου περιβάλλον, αναπαρίσταται στο διάγραμμα της εικόνα 3.1.1 και απαρτίζεται από: παλμικό λέιζερ Nd:YAG (λ=1064 nm και τ PULSE =10 ns), η δέσμη του οποίου κατευθύνεται και εστιάζεται στην επιφάνεια των μονωτήρων, δημιουργώντας πλάσμα. απεικονιστικό σύστημα, αποτελούμενο από τηλεσκόπιο (f/4, 80 cm εστιακή απόσταση), τρίποδο με τηλεχειριστήριο για ακρίβεια στην ευθυγράμμιση/ στόχευση και κάμερα για απεικόνιση του σημείου ακτινοβόλησης. οπτική ίνα (διαμέτρου 100 μm) που ευθυγραμμίζεται στην εστία του τηλεσκοπίου με χρήση ειδικού υποδοχέα (translation stage), o οποίος παρέχει δυνατότητα κίνησης με ακρίβεια μικρομέτρου. φορητό σύστημα φασματογράφου, με ενσωματωμένο ανιχνευτή CCD, στον οποίο οδηγείται το φως από το πλάσμα (μέσω της οπτικής ίνας) για ανάλυση στα διαφορετικά μήκη κύματος. Η καταγραφή του φάσματος πραγματοποιείται μέσω ειδικού λογισμικού προγράμματος σε υπολογιστή. Σχήμα 3.1.1: Διαγραμματική απεικόνιση της πειραματικής διάταξης της φασματοσκοπίας LIBS από απόσταση. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις του υπαίθριου σταθμού Δοκιμών Υψηλής Τάσης (ΤΑΛΩΣ), του Διαχειριστή Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) που ευρίσκεται στην περιοχή Λινοπεράματα Ηρακλείου. Για τις ανάγκες του προγράμματος, αφαιρέθηκε από τον Πύργο 13

ΛΙΙ-50 μονωτήρας #18Τ (αντίστοιχος του #18, τοποθετημένος σε ύψος 20 m πάνω από το έδαφος, Σχ. 3.1.2α), με 10 χρόνια λειτουργίας στο δίκτυο της γραμμής Λινοπεράματα-Ηράκλειο (Παραδοτέο 2.1, ενότητα 5.1). Μελετήθηκε επίσης αχρησιμοποίητος μονωτήρας (8Τ), που φυλασσόταν στην αποθήκη. Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων ο μονωτήρας-στόχος μεταφέρεται σε ειδικά σχεδιασμένη βάση στήριξης. Η δέσμη λέιζερ διαδίδεται σε διεύθυνση παράλληλη με το έδαφος και εστιάζεται από απόσταση 5 m, σε σημεία δίσκου του μονωτήρα που απέχουν 1.2 m από το έδαφος (Σχ. 3.1.2β). Η καταγραφή του φάσματος LIBS πραγματοποιείται σε απόσταση 7 m περίπου από το σημείο ακτινοβόλησης (Σχ. 3.1.2 και 3.1.3). Το χρονικό παράθυρο καταγραφής φάσματος ήταν ρυθμισμένο σύμφωνα με τις προδιαγραφές του φορητού φασματογράφου στο διάστημα 1 μs έως και 1 ms, που αντιστοιχεί στο τελευταίο μs του χρόνου ζωής του πλάσματος (ενότητα 2.2). Κάθε φάσμα προέκυψε από άθροισμα 50 φασμάτων, το καθένα από τα οποία ήταν αποτέλεσμα ακτινοβόλησης με έναν παλμό λέιζερ. Σχήμα 3.1.2: Οι εγκαταστάσεις του σταθμού Δοκιμών Υψηλής Τάσης ΤΑΛΩΣ του ΔΕΔΔΗΕ, στην περιοχή Λινοπεράματα Ηρακλείου Κρήτης. (α) Σειρά μονωτήρων προερχόμενοι από πύργους του δικτύου Κρήτης στο σταθμό ΤΑΛΩΣ (β) Μονωτήρας που αφαιρέθηκε από το (α) και τοποθετήθηκε στο ειδικά σχεδιασμένο στήριγμα (γ) Η περιοχή ακτινοβόλησης στην επιφάνεια δίσκου του μονωτήρα. Σημειώνεται ότι, λόγω της έλλειψης συστήματος ελεγχόμενης στόχευσης της δέσμης λέιζερ (με ακρίβεια χιλιοστού) και της αδυναμίας ακινητοποίησης του μονωτήρα, λόγω ισχυρού ανέμου, δεν επιχειρήθηκε η διεξαγωγή μετρήσεων με τον μονωτήρα να είναι αναρτημένος στο δίκτυο του σταθμού «ΤΑΛΩΣ». 14

Σχήμα 3.1.3: (α) Η οπτική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την ευθυγράμμιση και εστίαση της δέσμης λέιζερ (Nd:YAG, λ=1064 nm) στην επιφάνεια των μονωτήρων (Το λέιζερ είναι τοποθετημένο εντός κλειστού κλιματιζόμενου χώρου, και η δέσμη του εξέρχεται από το παράθυρο). Η διακεκομμένη γραμμή και τα βέλη υποδεικνύουν τον οπτικό δρόμο και την κατεύθυνση της δέσμης λέιζερ, αντίστοιχα). (1: λέιζερ, 2: καθρέπτης, 3: φακός εστιακής απόστασης f = + 5 m) (β) Το σύστημα εξ αποστάσεως καταγραφής σήματος LIBS (1: τηλεσκόπιο, 2: τρίποδο, 3: οπτική ίνα, 4: φασματόμετρο). 3.2. Αποτελέσματα Εξ αποστάσεως μετρήσεις LIBS πραγματοποιήθηκαν στον μονωτήρα δικτύου (#18Τ) και σε αχρησιμοποίητο μονωτήρα (#8Τ). Λόγω έντονου ανέμου που επικρατούσε στην περιοχή, το τηλεσκόπιο δεν ήταν απολύτως σταθερό, με αποτέλεσμα το ανιχνευόμενο σήμα ανά παλμό λέιζερ, να παρουσιάζει χαμηλό λόγο σήματος προς θόρυβο. H τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια του αχρησιμοποίητου μονωτήρα και του παλαιού μονωτήρα, με 10 χρόνια λειτουργίας στο δίκτυο, υπολογίστηκε ότι είναι R NEW = 0.25 ± 0.01 και R OLD = 0.34 ± 0.03, αντίστοιχα (Σχ. 3.2.1). Η υψηλότερη τιμή του φασματικού δείκτη για το μονωτήρα #18Τ (0.34 ± 0.03) σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή για τον μονωτήρα #18 (R OLD = 0.21 ± 0.02) που εξετάστηκε στο εργαστήριο (ενότητα 2.4) οφείλεται στη μεταγενέστερη χρονική στιγμή καταγραφής των αντίστοιχων φασμάτων, καθώς ο φασματικός δείκτης αυξάνει με τη χρονική καθυστέρηση καταγραφής του φάσματος (Σχ. 2.2.1). Η ποσοστιαία διαφορά (DR) της τιμής του φασματικού δείκτη, που αντιστοιχεί στον παλαιό μονωτήρα, από την τιμή που αντιστοιχεί στον αχρησιμοποίητο μονωτήρα είναι DR = (26 ± 13) % με αρκετά μεγάλη τυπική απόκλιση (50% rsd). Σύμφωνα με το κριτήριο αξιολόγησης που διατυπώθηκε για την εξ αποστάσεως ανάλυση LIBS (ενότητα 2.4), ο συγκεκριμένος μονωτήρας θεωρείται ότι διατηρείται σε καλή κατάσταση. 15

Intensity (Counts) x10 4 5 4 3 2 SIR Insulators OLD NEW CN Si 1 0 387 388 389 390 391 392 Wavelength (nm) Σχήμα 3.2.1: Φάσματα LIBS μονωτήρων (#18Τ/OLD, #8T/NEW) SIR υψηλής τάσης, που κατεγράφησαν από απόσταση 7 m στο σταθμό Δοκιμών (ΤΑΛΩΣ) των εγκαταστάσεων του ΔΕΔΔΗΕ, στην περιοχή Λινοπεράματα Ηρακλείου. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο μονωτήρας δικτύου #18T, που εξετάστηκε στο σταθμό ΤΑΛΩΣ, είναι όμοιος με το μονωτήρα #18 που εξετάστηκε στο εργαστήριο με εξ αποστάσεως LIBS. Παρά το γεγονός ότι η ακολουθούμενη μεθοδολογία και τα κριτήρια ελέγχου της κατάστασης των μονωτήρων είναι διαφορετικά, οι δύο μονωτήρες κατατάσσονται στην ίδια κατηγορία αναφορικά με την κατάσταση λειτουργίας τους. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα μελέτη επιδεικνύεται η δυνατότητα διάγνωσης της κατάστασης πολυμερικών μονωτήρων ΥΤ, που έχουν υποστεί γήρανση λόγω έκθεσης στο περιβάλλον, με επιτόπιες (on site) και εξ αποστάσεως (remote) μετρήσεις LIBS. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται πρότυπη πειραματική διάταξη και μεθοδολογία, η οποία βελτιστοποιήθηκε σε περιβάλλον εργαστηρίου και υλοποιήθηκε στο πεδίο. Τα κριτήρια αξιολόγησης που προέκυψαν από τη μελέτη του δειγμάτων μονωτήρων SIR στο εργαστήριο με συμβατικό LIBS επαληθεύονται και στην περίπτωση του LIBS από απόσταση, για την αξιολόγηση των μονωτήρων στο πεδίο. Παρά ταύτα, στο πεδίο δεν είναι δυνατή η αφαίρεση του μονωτήρα από το δίκτυο και η δειγματοληψία. Για αυτό το λόγο διερευνήθηκε νέα μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στον υπολογισμό του φασματικού δείκτη που προκύπτει από τα φάσματα LIBS της επιφάνειας των υπό εξέταση μονωτήρων. Συγκεκριμένα, η ποσοστιαία διαφορά (DR) της τιμής του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια των μονωτήρων δικτύου (R OLD ) από την τιμή του φασματικού δείκτη που αντιστοιχεί στην επιφάνεια των αχρησιμοποίητων μονωτήρων (R NEW ) αποτελεί το νέο κριτήριο αξιολόγησης των μονωτήρων. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας της νέας μεθοδολογίας και η ικανοποιητική επαναληψιμότητα των μετρήσεων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι εάν η τιμή του DR είναι μεγαλύτερη από 40-50%, τότε πρόκειται για καταπονημένους μονωτήρες, χαμηλής λειτουργικότητας. Σε αντίθετη περίπτωση, οι μονωτήρες είναι σε σχετικά καλή λειτουργική κατάσταση. 16