Πειραματική μελέτη της επίδρασης των διεπιφανειών στη συμπεριφορά στερεών μονώσεων του εξοπλισμού δικτύων υψηλής τάσης
Authors: Βιτέλλας Ισίδωρος 
Published: August 2021

Είναι γνωστό ότι οι διεπιφάνειες παίζουν σηµαντικό ρόλο στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, ιδιαίτερα των στερεών συνθετικών µονώσεων µέσα στις οποίες δηµιουργούνται µακροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των µονωτικών στρωµάτων και µικροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των κυρίων µονωτικών υλικών και του πλήσµατος, που προστίθεται στις µονώσεις για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και της µηχανικής τους αντοχής. Αρκετοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί πειραµατικά µε τις επιδράσεις διαφόρων παραµέτρων των διεπιφανειών στην ηλεκτρική γήρανση των µονώσεων. Τέτοιες παράµετροι είναι η ασκούµενη πίεση µεταξύ των στρώσεων των µονωτικών υλικών, η τραχύτητα των εφαπτόµενων επιφανειών, η τιµή της πεδιακής έντασης στις διεπιφάνειες και η δηµιουργία φορτίων χώρου στις διεπιφάνειες. Άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την επίδραση των διαφραγµάτων στην ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνάται πειραµατικά η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των στερεών µονώσεων, σε οµογενές και ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο: α) της παραµέτρου ξ, που καθορίζει τη θέση µιας διεπιφάνειας µέσα στο µονωτικό διάκενο και ορίζεται ως ξ=x/y, ο λόγος της απόστασης x της διεπιφάνειας από το ηλεκτρόδιο ΥΤ προς την απόσταση y µεταξύ των ηλεκτροδίων, β) της παραµέτρου ψ=ε1/ε2, που ορίζεται ως ο λόγος των τιµών της διηλεκτρικής διαπερατότητας των υλικών που σχηµατίζουν την διεπιφάνεια και γ) του αριθµού n των διεπιφανειών µέσα στο µονωτικό διάκενο. ∆ιερευνάται επίσης, η µεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των µονώσεων µε διεπιφάνειες, σε σχέση µε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου καταπόνησης και σε συνδυασµό µε τις παραπάνω παραµέτρους. Η έρευνα υλοποιήθηκε σε τρία στάδια. Πρώτα σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν διάφορες κατηγορίες δοκιµίων ανάλογα µε τον τύπο των διεπιφανειών τους και τη διάταξη των ηλεκτροδίων, καθορίσθηκαν τα πειράµατα για τη µέτρηση της ηλεκτρικής αντοχής των δοκιµίων και τη µέτρηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους σε διάφορες πεδιακές εντάσεις. Ύστερα, σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν ειδικές πειραµατικές κυψέλες, καθορίσθηκε η διαδικασία εκτέλεσης των πειραµάτων και εκτελέσθηκαν τα πειράµατα. Τέλος, έγινε η επεξεργασία των µετρήσεων, η µελέτη και η ανάλυση των πειραµατικών αποτελεσµάτων και εξήχθησαν τα συµπεράσµατα. i Για τον σχεδιασµό των δοκιµίων και των πειραµατικών κυψελών και για τον καθορισµό των πειραµάτων ελήφθησαν υπόψη στοιχεία που αφορούν στη δοµή των στερεών πολυµερών µονωτικών υλικών και στους µηχανισµούς διάσπασης και γήρανσης των στερεών συνθετικών µονώσεων, καθώς και επιστηµονικές εργασίες άλλων ερευνητών που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Στα δοκίµια δηµιουργήθηκε ένας από τους δυο τύπους διεπιφανειών, που εµφανίζονται συχνά στις στερεές µονώσεις του εξοπλισµού υψηλής τάσης: α) διεπιφάνειες µεταξύ ενσωµατωµένων στερεών µονωτικών υλικών και β) διεπιφάνειες µεταξύ µονωτικών φύλλων. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε τον πρώτο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από κύριο µονωτικό υλικό LDPE (low density polyethylene, πολυαιθυλένιο χαµηλής πυκνότητας), µε ένα διάφραγµα στο εσωτερικό τους κατασκευασµένο από LDPE µε φεροηλεκτρικό πλήσµα PZT (lead zirconate titanate, πρόσθετο µολύβδου-ζιρκονίου-τιτανίου), καθώς και δοκίµια από LDPE µε διάφραγµα από CP (chlorinated paraffin, χλωρική παραφίνη). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Όλα τα δοκίµια είχαν ίδιο πάχος (950µm) και τα πάχη των διαφραγµάτων τους ήταν 100, 200 ή 20 µm, κατά περίπτωση. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 520 δοκίµια, στα οποία είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, σε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκαν δοκίµια από διαφανές µονωτικό υλικό ΡΜΜΑ (polymethyl methacrylate, πολυµεθακρυλικό µεθυλεστέρα) µε διάφραγµα από ER (epoxy resin, εποξειδική ρητίνη) και πλήσµα ΡΖΤ. Η διάταξη των ηλεκτροδίων στα δοκίµια ΡΜΜΑ ήταν ακίδα-πλάκα, η απόσταση των ηλεκτροδίων ήταν 7,5 mm και το πάχος του διαφράγµατος ήταν 50 µm. ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διαφορετικές τιµές της παραµέτρου ξ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 100 δοκίµια ΡΜΜΑ. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε το δεύτερο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από στρώσεις µονωτικών φύλλων, από κύριο υλικό ΡΕΤ (polyethylene terepthalate, τερεφθαλικός πολυεστέρας του πολυαιθυλενίου). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε παραµέτρους τα πάχη των επιµέρους φύλλων και το συνολικό πάχος των δοκιµίων, τη θέση και τον αριθµό των διεπιφανειών µέσα στα δοκίµια. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 760 δοκίµια, στις εξωτερικές επιφάνειες των οποίων είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, δε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκε µια τρίτη κατηγορία δοκιµίων χωρίς διάφραγµα, από LDPE µε πλήσµα ΡΖΤ, για να διερευνηθεί η επίδραση του πλήσµατος στα ηλεκτρικά ii χαρακτηριστικά των δοκιµίων, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης. Κατασκευάσθηκαν 50 δοκίµια πάχους 200 µm, µε ενσωµατωµένα ηλεκτρόδια χαλκού σε διάταξη πλάκας-πλάκας, µε διάφορες τιµές περιεκτικότητας ΡΖΤ. Στα δοκίµια εκτελέσθηκαν πειράµατα διάσπασης µε γραµµικά αυξανόµενη τάση AC και πειράµατα µέτρησης χωρητικότητας, εφδ και ΜΕ µε τάση AC σε διάφορες τιµές από 5% έως 85% της τάσης διάσπασης των δοκιµίων. Στα δοκίµια ΡΜΜΑ έγιναν πειράµατα µέτρησης του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών µε ταυτόχρονη µέτρηση ΜΕ κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής τους καταπόνησης µε σταθερή τάση AC, και ακολούθησαν µικροσκοπικοί έλεγχοι για τη διερεύνηση των δενδριτών. Επίσης, στα δοκίµια από µονωτικά φύλλα εκτελέσθηκαν πειράµατα µέτρησης του χρόνου διάσπασης µε ταυτόχρονη καταγραφή ΜΕ κατά την ηλεκτρική τους καταπόνηση µε σταθερή τάση AC. Στις πειραµατικές διατάξεις χρησιµοποιήθηκε εξοπλισµός του Εργαστηρίου Υψηλής Τάσης του Κέντρου ∆οκιµών Ερευνών και Προτύπων της ∆ΕΗ ΑΕ και του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σε µια συνδυασµένη ερευνητική προσπάθεια των Εργαστηρίων ΥΤ των Πανεπιστηµίων Πατρών και Tomsk της Ρωσίας, εκτελέσθηκαν στο Εργαστήριο του Tomsk αντίστοιχα πειράµατα σε διαφορετικά δοκίµια από κύριο µονωτικό SR (synthetic rubber, συνθετικό καουτσούκ) και PVC (polyvinyl chloride, χλωριούχο πολυβινύλιο) µε πλήσµα ΡΖΤ, µε έµφαση όµως στην επίδραση της πόλωσης του πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων. Σε κάθε οµάδα δοκιµίων, ανάλογα µε τα πειράµατα που εκτελέσθηκαν σε αυτήν, υπολογίσθηκαν οι τιµές των µέσων όρων και των τυπικών αποκλίσεων των µετρήσεων της ηλεκτρικής αντοχής, της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των µέγιστων φορτίων ΜΕ των δοκιµίων, σε διάφορες τιµές της πεδιακής έντασης καταπόνησης. Επίσης, αναλύθηκαν µετρήσεις ΜΕ, των φορτίων, του αριθµού και της φασικής γωνίας εµφάνισης τους. Από τις µετρήσεις του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών και του χρόνου διάσπασης των δοκιµίων υπολογίσθηκαν οι αντίστοιχοι χρόνοι µε πιθανότητα Ρ=0,632 για τα δοκίµια κάθε οµάδας. Από τις επεξεργασµένες τιµές προέκυψαν τα διαγράµµατα µεταβολής της ηλεκτρικής αντοχής, του χρόνου διάσπασης και του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών των δοκιµίων, σε σχέση µε τις τιµές ξ, ψ και n των διεπιφανειών, και τα διαγράµµατα µεταβολής της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των ΜΕ, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης, για διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ. iii Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα µελετήθηκε η επίδραση των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, εξετάζοντας την επίδραση της θέσης της πρώτης διεπιφάνειας στη διαµόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου µέσα σε µονωτικό διάκενο µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας και µελετώντας την επίδραση της πόλωσης του φεροηλεκτρικού πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συνθετικών µονώσεων. Επίσης, µελετήθηκε η ανάπτυξη δενδριτών στο εσωτερικό των στερεών µονώσεων µε διεπιφάνειες διαφράγµατος, καθώς και η επίδραση του πάχους των στερεών συνθετικών µονωτικών υλικών στη διηλεκτρική τους αντοχή. Τα συµπεράσµατα που προέκυψαν συνοψίζονται στα εξής: Οι τιµές της εφδ και των ΜΕ στις στερεές µονώσεις εξαρτώνται από τις παραµέτρους ξ, ψ και n των διεπιφανειών και αυξάνονται απότοµα όταν η πεδιακή ένταση καταπόνησης υπερβεί µια κρίσιµη τιµή, η οποία στις συνθετικές µονώσεις κυµαίνεται συνήθως στο 25% της ηλεκτρικής τους αντοχής. Η ανίχνευση των κρίσιµων τιµών της πεδιακής έντασης µε τη διαδικασία λήψης µετρήσεων εφδ και ΜΕ σε διαδοχικά αυξανόµενα βήµατα τάσης, δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της ηλεκτρικής αντοχής των µονώσεων χωρίς να απαιτούνται πάντοτε καταστροφικές δοκιµές. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας παίζει σηµαντικά σπουδαιότερο ρόλο στην ηλεκτρική αντοχή των στερεών µονωτικών διακένων απ΄ ότι οι άλλες διεπιφάνειες, επειδή οριοθετεί το πρώτο στρώµα του µονωτικού που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο ΥΤ, µέσα στο οποίο ξεκινούν οι µηχανισµοί γήρανσης και διάσπασης των διακένων. Το πάχος του πρώτου στρώµατος επηρεάζει την εξέλιξη των µηχανισµών αυτών. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας διαφράγµατος επηρεάζει την τιµή της πεδιακής έντασης στην κορυφή της ακίδας και την ανάπτυξη δενδριτών στα διάκενα µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας. Υπάρχει µια βέλτιστη θέση ξopt της πρώτης διεπιφάνειας, στην οποία τα αντίστοιχα διάκενα αποκτούν τη µεγαλύτερη τιµή της ηλεκτρικής τους αντοχής Εbmax σε σχέση µε την ηλεκτρική αντοχή των διακένων του ιδίου πάχους και από ίδια κύρια υλικά, που έχουν την πρώτη διεπιφάνεια σε άλλες θέσεις. Η θέση ξopt εξαρτάται από το κύριο µονωτικό υλικό των διακένων, ενώ η τιµή Εbmax εξαρτάται από την τιµή ψ. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι οι δενδρίτες αναπτύσσονται αρχικά στο πρώτο στρώµα του κύριου µονωτικού, ενώ η αύξηση του µήκους τους επηρεάζεται από τις τιµές ψ. Υπάρχει µια βέλτιστη τιµή ψopt που όταν η πρώτη διεπιφάνεια σχηµατίζεται στη θέση ξopt το αντίστοιχο διάκενο αποκτά τη µέγιστη τιµή Εbmax σε σχέση µε τα διάκενα µε άλλες τιµές ψ στη θέση ξopt, η τιµή αυτή µπορεί να υπερβεί το 60% της ηλεκτρικής αντοχής του διακένου χωρίς διεπιφάνειες. iv.