Νέα – Ανακοινώσεις

ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (B’ ΜΕΡΟΣ)

Άρθρο των: Ιωάννη Θ. Αραβανή, Θεοφάνη Ι. Αραβανή και Τρύφωνα – Χρυσοβαλάντη Ι. Αραβανή

Τα διηλεκτρικά υλικά των μονωτήρων

Τα τρία βασικά μέρη ενός μονωτήρα είναι το διηλεκτρικό, οι ακροδέκτες, που συνδέουν το διηλεκτρικό με την υπόλοιπη μηχανολογική δομή και τα ενδιάμεσα υλικά στο εσωτερικό του μονωτήρα, όπως τσιμέντο, λιπαντικά ή βαφές.

Τα διηλεκτρικά είναι κυρίως κεραμικά (πορσελάνη, γυαλί), ή πολυμερή. Τα υλικά αυτά απαιτείται να διατηρούν την εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού για αρκετές δεκαετίες χωρίς να αστοχήσουν. Πρέπει επίσης να ανθίστανται σε καταπονήσεις κρουστικών τάσεων, που προκαλούνται από κεραυνούς ή χειρισμούς διακοπτών του δικτύου, χωρίς να διασπώνται. Επειδή οι επιφάνειες των διηλεκτρικών είναι πάντα, στην πράξη, ηλεκτρικά αγώγιμες εξαιτίας της υγρασίας και των επικαθίσεων, είναι απαραίτητη μία διαχρονική ανθεκτικότητα στις επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις, τα ηλεκτροχημικά προϊόντα και τη διάβρωση.

Στην περίπτωση των κεραμικών διηλεκτρικών, το κυρίως επαναλαμβανόμενο άτομο είναι το πυρίτιο, ενώ στην περίπτωση των πολυμερών, ο άνθρακας. Η βασική χημική δομή των διηλεκτρικών διαδραματίζει σπουδαίο ρόλο στον προσδιορισμό τόσο των ηλεκτρικών, όσο και των μηχανικών ιδιοτήτων των μονωτήρων. Τόσο τα κεραμικά, όσο και τα πολυμερή υλικά αποτελούνται από τετρασθενή άτομα, τα οποία έχουν την ικανότητα σχηματισμού εκτεταμένων δομών.

Η πορσελάνη αποτελείται από ένα υαλώδες πλέγμα (άμορφη δομή) που περιλαμβάνει κρυστάλλους διαφορετικών ειδών και κόκκους από τα αρχικά συστατικά των ορυκτών, ορισμένα από τα οποία έχουν διαλυθεί μερικώς. Το γυαλί, στην ιδανική περίπτωση, είναι ένα μίγμα πυριτικών αλάτων υαλώδους μορφής χωρίς προσμίξεις και ακαθαρσίες. Στην πράξη όμως πάντα περιέχονται παγιδευμένες φυσαλίδες αερίων και θραύσματα από πυρίμαχο υλικό, τα οποία εισάγουν ατέλειες στη δομή του υλικού. Οι μονωτήρες πορσελάνης είναι πάντα άμορφα υλικά (υαλώδης κατάσταση).

Τα καθαρά πολυμερή αποτελούνται από ένα επαναλαμβανόμενο βασικό είδος μορίων και είναι απαλλαγμένα από ξένες ουσίες. Αυτά, σπάνια χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μονωτήρων, καθώς η τακτική παγκοσμίως είναι να χρησιμοποιούνται συμπολυμερή και ορυκτά πληρωτικά μέσα για την επίτευξη των επιθυμητών μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των παραγόμενων προϊόντων.

Ιδιότητες των μονωτήρων

Όλοι οι μονωτήρες πρέπει να καλύπτουν ηλεκτρικές και μηχανικές λειτουργικές ανάγκες, οι οποίες συνήθως εμφανίζουν αλληλοσυγκρουόμενες απαιτήσεις. Η αξιοπιστία είναι η σημαντικότερη ιδιότητα ενός μονωτήρα. Η μεγαλύτερη αστοχία σε έναν μονωτήρα γραμμής συμβαίνει, όταν αυτός σπάσει μηχανικά και κοπεί η γραμμή. Ωστόσο, ακόμα κι αν συμβεί αυτό, οι μονωτήρες στους γειτονικούς πυλώνες θα πρέπει να μπορούν, όχι μόνο να αναλάβουν το επιπλέον φορτίο, αλλά και να αντέξουν τη μηχανική καταπόνηση που σχετίζεται με ένα τέτοιο γεγονός, ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα προβλήματα αποκατάστασης και το κόστος.

Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ πολυμερών και κεραμικών υλικών βρίσκεται στη σταθερότητα. Οι ισχυροί ηλεκτροστατικοί δεσμοί πυριτίου – οξυγόνου που συγκρατούν τα κεραμικά υλικά (πορσελάνη και γυαλί) έχουν σαν αποτέλεσμα το υψηλό σημείο τήξης, τη μεγάλη μηχανική αντοχή (αλλά και το εύθραυστο) και υψηλή αντίσταση διάβρωσης από χημικά μέσα.

Οι μονωτήρες είναι δυνατόν να αστοχήσουν στον προορισμό τους για τους εξής λόγους:

  1. Διάτρηση, δηλαδή υπερνίκηση της διηλεκτρικής αντοχής τους.

  2. Υπερπήδηση, δηλαδή δημιουργία ηλεκτρικού τόξου που έρπει στην επιφάνεια του μονωτήρα.

  3. Διάσπαση του αέρα γύρω από τον μονωτήρα.

  4. Πτώση κεραυνού με μέτωπο μικρού χρόνου.

Επειδή, όμως, η διηλεκτρική αντοχή του υλικού των μονωτήρων είναι μεγαλύτερη από αυτήν του αέρα, η αστοχία οφείλεται βασικά στους δύο τελευταίους λόγους, ενώ ο πρώτος λόγος είναι σπάνιος, αφού συμβαίνει μόνο σε περιπτώσεις εσωτερικών ατελειών του υλικού. Στην αστοχία συντελεί και η επικάθιση σκόνης ή αλμύρας (σε παραθαλάσσιες περιοχές), επειδή μειώνει σημαντικά τη διηλεκτρική αντοχή στην επιφάνεια του μονωτήρα σε συνδυασμό με την ατμοσφαιρική υγρασία. Για τη μείωση των αστοχιών, αυξάνεται το μήκος ερπυσμού, δηλαδή το μήκος της ημιπεριμέτρου της εγκάρσιας διατομής, με τη δημιουργία πτυχώσεων με χαρακτηριστική κλίση στο πάνω μέρος της επιφάνειας του μονωτήρα. Αυτή η μορφή διευκολύνει και τον αυτοκαθαρισμό της επιφάνειάς τους.

Η ύπαρξη ισχυρών ηλεκτροστατικών χημικών δεσμών κοντά στην επιφάνεια των κεραμικών μονωτήρων, συμβάλλει στην αύξηση της ελεύθερης ενέργειας, δηλαδή θερμοδυναμικής ιδιότητας που καθορίζει τη συνάφεια ή τη δύναμη συνάφειας των επιφανειακών προσμίξεων, και αποτελεί την κύρια αιτία για την οποία οι κεραμικοί μονωτήρες υγραίνονται και ρυπαίνονται εύκολα. Αντίθετα, οι δεσμοί των μορίων των πολυμερών είναι ασθενείς και κατά συνέπεια δεν παρατηρείται έντονη επιφανειακή ρύπανση.

Ως βασικότερο μειονέκτημα της πορσελάνης θα μπορούσε να καταγραφεί η δυσκολία και το υψηλό κόστος βιομηχανικής παρασκευής της σε συμπαγή τεμάχια, με πάχος μεγαλύτερο από 20mm. Αυτός είναι και ο λόγος, που οι μονωτήρες πορσελάνης μέσης και υψηλής τάσης κατασκευάζονται συνήθως από περισσότερα τεμάχια που συγκολλούνται με τσιμέντο. Τέλος, ένα ακόμα σοβαρό μειονέκτημα της πορσελάνης, είναι το ότι η πορσελάνη μπορεί να υποστεί διάτρηση εσωτερικά χωρίς καμία εξωτερική ένδειξη και έτσι ο βαθμός της ενδεχόμενης βλάβης δεν είναι γνωστός, μέχρι να επέλθει ολική συντριβή του δοκιμίου.

Η βελτιωμένη μηχανική αντοχή του σκληρυμένου γυαλιού συγκριτικά με την πορσελάνη, επιτρέπει τη χρησιμοποίηση λεπτότερων δακτυλίων στις διατάξεις των δισκοειδών μονωτήρων. Με τον τρόπο αυτόν, αυξάνεται σημαντικά το μήκος του ερπυσμού, ενώ η ονομαστική τάση λειτουργίας του μονωτήρα μπορεί να αυξηθεί σε ποσοστό μέχρι και 40%.

Αξίζει να τονισθεί, πως το εύρος της βιομηχανικής εφαρμογής του μονωτήρα από γυαλί είναι περισσότερο περιορισμένο από εκείνο του μονωτήρα πορσελάνης. Στις ηλεκτρολογικές εφαρμογές η χρήση του γυαλιού, το οποίο έχει υποστεί σκλήρυνση, περιορίζεται στους μονωτήρες τύπου «cap and pin» ή σε εκείνους τους τύπους, όπως είναι οι μονωτικοί στύλοι στήριξης των σιδηροδρομικών δικτύων και οι στύλοι πολλαπλών κώνων, που αποτελούνται από διακριτές διατάξεις δισκοειδούς μορφής.

Το σημαντικότερο πλεονέκτημα των πολυμερών είναι οι εξαιρετικά χαμηλές τιμές της ελεύθερης επιφανειακής τους ενέργειας. Θερμοδυναμικά, το εξωτερικό περίβλημα των ατόμων υδρογόνου, που είναι συνδεδεμένα με τα άτομα του άνθρακα, παρέχει τη δυνατότητα στα πολυμερή να ανθίστανται στην υγρασία και την ατμοσφαιρική ρύπανση περισσότερο απ’ ό,τι τα κεραμικά υλικά. Όταν λοιπόν λαμβάνεται υπ’ όψιν και η αντοχή στις διασπάσεις λόγω ρύπανσης, οι μονωτήρες με ελαστομερή προστατευτικά καλύμματα σιλικόνης (silicon rubber housing) αποδεικνύεται ότι υπερτερούν έναντι των παραδοσιακών μονωτήρων από πορσελάνη και γυαλί. Με άλλα λόγια, τα πολυμερή υλικά φαίνεται να είναι ιδανικά για εξωτερικούς μονωτήρες. Ωστόσο, οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι συχνά τέτοιες που οδηγούν στη διάβρωση της επιφάνειας του πολυμερούς. Κάτι τέτοιο οδηγεί στην απώλεια των άριστων επιφανειακών ιδιοτήτων. Οι διαβρωτικές διαδικασίες συμβάλλουν σε μια μη αναστρέψιμη και χρονικά εξαρτώμενη φθορά.

Όλα τα πολυμερή αποσυντίθενται σε θερμοκρασία μερικών εκατοντάδων βαθμών, ενώ επίσης υπόκεινται σε φωτόλυση, δηλαδή σε καταστροφή των επιφανειακών χημικών τους δεσμών από την πρόσπτωση της υπεριώδους ακτινοβολίας και είναι πιθανό να αντιδράσουν κατά τη λειτουργία τους με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας, προκαλώντας επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις. Το σημαντικότερο μειονέκτημα των πολυμερών πηγάζει από το γεγονός ότι το βασικό στοιχείο τους, ο άνθρακας, αποτελεί στις περισσότερες περιπτώσεις έναν καλό ηλεκτρικό αγωγό. Η πιθανή προσβολή της επιφάνειας, ιδιαίτερα από τις έρπουσες μερικές εκκενώσεις, αυξάνει τοπικά τη θερμοκρασία και δημιουργεί τελικά αγώγιμες επιφανειακές οδούς, οι οποίες είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε επιφανειακή διάσπαση και δημιουργία υψηλών θερμοκρασιών, οπότε τελικά ο μονωτήρας καταστρέφεται.

Η αντίσταση στην περιβαλλοντική φθορά μπορεί να αυξηθεί με τη χρήση υλικών που προστατεύουν από τη θερμοκρασία, όπως είναι το ATH (Aluminum Tri Hydrate) ή αντιοξειδωτικών. Στους μονωτήρες υψηλών τάσεων ο κυριότερος λόγος που χρησιμοποιούμε ΑΤΗ, είναι η ιδιότητά του να μειώνει την επιφανειακή θερμοκρασία στις περιπτώσεις εμφάνισης τόξου, μέσω της διάσπασής του σε οξείδιο του αλουμινίου και νερό που ακολουθείται από εξάτμιση του νερού.

Όσον αφορά στους κεραμικούς μονωτήρες, είναι αναγκαίο να γίνει εκμετάλλευση των καλών ιδιοτήτων τους, αλλά με ταυτόχρονη μείωση της επιφανειακής υγροσκοπικότητάς τους και της ανεπιθύμητης έλξης ρύπων.

Είναι γνωστό ότι τόσο το υλικό, όσο και το γεωμετρικό σχέδιο των μονωτήρων, παίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο για τις μονωτικές τους επιδόσεις, καθώς επηρεάζει τον αυτοκαθαρισμό τους (από τη βροχή), τα μονοπάτια διαρροής, αλλά και την κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου.

Ρύπανση μονωτήρων

Ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει τη μονωτική ικανότητα των μονωτικών υλικών, σε περίπτωση που είναι τοποθετημένα σε εξωτερικό χώρο, είναι η ρύπανση. Με τον όρο ρύπανση, προσδιορίζεται η επικάθιση ακαθαρσιών που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα ή θαλάσσιας άλμης (καθαλάτωση) στην επιφάνειά τους. Η ρύπανση στην επιφάνεια ενός μονωτικού υλικού μπορεί να είναι είτε θαλάσσια, η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι το μονωτικό βρίσκεται σε παραθαλάσσια περιοχή και οι άνεμοι μεταφέρουν θαλασσινό νερό υπό τη μορφή καταιωνισμένου νερού στην επιφάνειά του, όπου επικάθεται και σχηματίζεται ένα λεπτό υγρό αλατούχο επίστρωμα, είτε βιομηχανική, η οποία προέρχεται από τα στερεά κατάλοιπα των βιομηχανιών που απορρίπτονται στην ατμόσφαιρα. Η συνύπαρξη ρύπανσης (θαλάσσιας, βιομηχανικής ή συνδυασμού τους) και δροσιάς, ομίχλης ή σιγανής βροχής, αποτελεί δυσμενέστατη συνθήκη λειτουργίας των μονωτικών υλικών και μπορεί να υποβιβάσει τη μονωτική τους ικανότητα σε μεγάλο βαθμό (40% έως 80%), με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού τόξου.

Συνεπώς, η παρατεταμένη ξηρασία, η περιβαλλοντική ρύπανση, καθώς και τα ακραία καιρικά φαινόμενα μεταβάλλουν τη συμπεριφορά των μονωτικών υλικών που εκτίθενται σε αυτές, με αποτέλεσμα να χρήζουν ιδιαίτερης μελέτης.

Αξίζει να σημειωθεί, ότι υπό συνθήκες έντονης ρύπανσης οι μονωτήρες εμφανίζουν, ακόμη και υπό την τά­ση κανονικής λειτουργίας τους, εκκενώσεις ορατές σε ορισμένη α­πόσταση κατά τη νύκτα και συνοδευόμενες από χαρακτηριστικό τρί­ξιμο. Πάντως, η ρύπανση επηρεάζει περισσότερο την αντοχή των μο­νωτήρων υπό εναλλασσόμενη ή συνεχή τάση, παρά υπό κρουστική.

Στους τρόπους μείωσης των αστοχιών των μονωτήρων περιλαμβάνονται η αύξηση του μήκους ερπυσμού στις πιο «ευάλωτες» τοποθεσίες, η επικάλυψη των επιφανειών των μονωτήρων με υδροφοβικά υλικά και ο περιοδικός καθαρισμός των μονωτήρων ή η αντικατάσταση των πορσελάνινων από πολυμερείς. Όλες αυτές οι τεχνικές παρουσιάζουν όμως μειονεκτήματα. Οι μη κεραμικές επιφάνειες χάνουν την υδροφοβικότητά τους και υφίστανται φθορά της επιφάνειάς τους έπειτα από παρατεταμένη έκθεση σε ρύπανση και ηλεκτρικές εκκενώσεις. Η καθιέρωση ενός αξιόπιστου προγράμματος καθαρισμού και συντήρησης φαίνεται σε πρώτο επίπεδο να είναι μία ευρέως αποδεκτή πρακτική για τη βελτίωση της κατάστασης. Ωστόσο, το υψηλό κόστος και η ανάγκη για εκπαιδευμένο εργατικό προσωπικό κάνουν το πλύσιμο των μονωτήρων ιδιαιτέρως δαπανηρό.

Στο πρότυπο IEC 815/1986, προκειμένου να υπάρχει μία κατηγοριοποίηση των περιοχών ανάλογα με το ποσοστό ρύπανσης, έχουν καθοριστεί, ποιοτικά, τέσσερα επίπεδα ρύπανσης. Τα επίπεδα αυτά παρουσιάζονται παρακάτω:

  1. Ελαφριά

  • Περιοχές χωρίς βιομηχανίες και με μικρή πυκνότητα κατοικιών εξοπλισμένων με εγκατάσταση θέρμανσης.

  • Περιοχές με μικρή πυκνότητα βιομηχανιών ή κατοικιών, αλλά εκτεθειμένες σε ισχυρούς ανέμους ή βροχοπτώσεις.

  • Αγροτικές περιοχές.

  • Ορεινές περιοχές.

Όλες αυτές οι περιοχές πρέπει να βρίσκονται σε απόσταση τουλάχιστον 10 έως 20km από τη θάλασσα και δεν πρέπει να εκτίθενται σε ανέμους κατ’ ευθείαν από αυτή.

  1. Μεσαία

  • Περιοχές με βιομηχανίες, οι οποίες δεν παράγουν ιδιαίτερα ρυπασμένο καπνό, ή με μέση πυκνότητα κατοικιών εξοπλισμένων με εγκατάσταση θέρμανσης.

  • Περιοχές με υψηλή πυκνότητα κατοικιών ή βιομηχανιών, αλλά εκτεθειμένες σε συχνούς ανέμους ή βροχοπτώσεις.

  • Περιοχές εκτεθειμένες σε ανέμους από τη θάλασσα, αλλά όχι πολύ κοντά σε ακτή (τουλάχιστον σε απόσταση μερικών χιλιομέτρων ανάλογα με τη μορφολογία της παράκτιας περιοχής και τις συνθήκες ανέμου).

  1. Βαριά

  • Περιοχές με υψηλή πυκνότητα βιομηχανιών και προάστια μεγάλων πόλεων με υψηλή πυκνότητα εγκαταστάσεων θέρμανσης, οι οποίες παράγουν ρύπανση.

  • Περιοχές κοντά στη θάλασσα ή κάθε περιοχή που εκτίθεται σε σχετικά ισχυρούς ανέμους από τη θάλασσα.

  1. Πολύ βαριά

  • Περιοχές περιορισμένης έκτασης, εκτεθειμένες σε αγώγιμη σκόνη και βιομηχανικό καπνό που προκαλεί αγώγιμες εναποθέσεις σημαντικού πάχους.

  • Περιοχές περιορισμένης έκτασης, οι οποίες βρίσκονται πολύ κοντά σε ακτή και εκτίθενται σε ψεκασμό θαλασσινού νερού ή σε πολύ δυνατό και ρυπασμένο αέρα από τη θάλασσα.

  • Περιοχές ερήμου, οι οποίες χαρακτηρίζονται από έλλειψη βροχής για μεγάλες χρονικές περιόδους, εκτίθενται σε ισχυρούς ανέμους που μεταφέρουν άμμο και αλάτι και υποβάλλονται σε κανονική συμπύκνωση.

Η ρύπανση μπορεί να μειώσει την τάση υπερπήδησης του μονωτήρα, οδηγώντας έτσι σε μη προγραμματισμένες βλάβες και μειωμένη αξιοπιστία. Η υπερπήδηση σε έναν μονωτήρα εξαιτίας της ρύπανσης είναι μία περίπλοκη διαδικασία η οποία περνά από διάφορα στάδια. Αυτά ονομαστικά είναι τα εξής:

  • Η δημιουργία στρώματος ρύπανσης στην επιφάνεια του μονωτήρα.

  • Ο σχηματισμός ξηρών ζωνών.

  • Οι μερικές εκκενώσεις.

  • Η υπερπήδηση.

Αν κάποιο από τα προηγούμενα στάδια δεν πραγματοποιηθεί, το φαινόμενο της υπερπήδησης δεν είναι δυνατόν να εκδηλωθεί.

Ο κ.  Ιωάννης Θ. Αραβανής, είναι Ηλεκτρολόγος Μηχανικός, Καθηγητή Β’θμιας Εκπαίδευσης, ο κ. Θεοφάνης Ι. Αραβανής, είναι Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Μεταπτυχιακός φοιτητής Ε.Μ.Π. και ο κ. Τρύφωνας – Χρυσοβαλάντης Ι. Αραβανής, είναι τελειόφοιτος φοιτητής του τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστήμιου Πατρών.Τα τρία βασικά μέρη ενός μονωτήρα είναι το διηλεκτρικό, οι ακροδέκτες, που συνδέουν το διηλεκτρικό με την υπόλοιπη μηχανολογική δομή και τα ενδιάμεσα υλικά στο εσωτερικό του μονωτήρα, όπως τσιμέντο, λιπαντικά ή βαφές

Leave a comment