Νέα – Ανακοινώσεις

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

Το φαινόμενο της υπερπήδησης μονωτήρων λόγω ρύπανσης, αναφέρεται στο γεγονός ότι δημιουργείται γεφύρωση με ηλεκτρικό τόξο που οδεύει διαμέσου του αέρα του διακένου, μεταξύ του σημείου πρόσδεσης του αγωγού της γραμμής στον μονωτήρα και του προσγειωμένου σημείου στήριξης ή ανάρτησης του μονωτήρα. Το φαινομενικό παράδοξο στην υπερπήδηση μονωτήρων λόγω ρύπανσης, είναι ότι παράγονται καταστροφικές ηλεκτρικές εκκενώσεις, οι οποίες επεκτείνονται σε μέτρα αέρα από ηλεκτρικά δυναμικά, τα οποία, σε κανονικές συνθήκες, θα μπορούσαν να αναχαιτιστούν από διάκενα αέρα μήκους λίγων εκατοστών. 

Με κάποιον τρόπο, η παρουσία δυσδιάκριτων αγώγιμων σωματιδίων, τα οποία επικάθονται σε μία επιφάνεια, που αλλιώς θα ήταν ισχυρά μονωτική, μειώνει την πραγματική ηλεκτρική αντοχή της.

Το φαινόμενο της υπερπήδησης συμβαίνει στις υγρές επιφάνειες μονωτήρων στις οποίες έχουν συγκεντρωθεί ρύποι από το περιβάλλον, με συνέπεια τη δημιουργία αγώγιμου στρώματος. Όταν λοιπόν η διάδοση των μερικών ηλεκτρικών εκκενώσεων, οι οποίες ξεκινούν από το κέντρο του, γίνουν αρκετά ισχυρές ώστε να γεφυρώσουν τον μονωτήρα, τότε αυτός χάνει εντελώς την ηλεκτρική του αντοχή.

Αποτέλεσμα του γεγονότος αυτού, είναι οι υπόλοιποι σε σειρά συνδεδεμένοι μονωτήρες να υποστούν ολόκληρο το μέγεθος της τάσης και όταν και σε αυτούς εξελιχθεί το παραπάνω φαινόμενο θα οδηγηθούμε σε ολική γεφύρωση και διακοπή της τροφοδοσίας.

Τα αίτια της υπερπήδησης είναι δύο:

1. Η εντοπισμένη αφυδάτωση ενός στρώματος ηλεκτρολύτη αυξάνει τις ασυνέχειες στο αγώγιμο στρώμα, γνωστές ως ξηρές ζώνες, κατά μήκος των οποίων παράγονται ηλεκτρικές τάσεις που επαρκούν για να ιονιστεί ο αέρας.

2. Τα τόξα σε ένα αέριο, από τη στιγμή που δημιουργούνται, μπορούν εύκολα να επεκταθούν χωρίς εξασθένιση με σχετικά αργή απομάκρυνση των άκρων μεταξύ των οποίων εμφανίζονται.

Για μεγάλο μέρος της ζωής του, ένας μονωτήρας θα λειτουργεί με ξηρές ζώνες στην επιφάνειά του, τις οποίες κατά καιρούς διαπερνούν ηλεκτρικές εκκενώσεις. Αυτές οι εκκενώσεις είναι ακίνδυνες, εκτός από τα προβλήματα πιθανής πρόκλησης επιφανειακών βλαβών για τα οποία ευθύνονται. Μόνο πολύ σπάνια, ο συνδυασμός αγωγιμότητας και ηλεκτρικής τάσης θα είναι τέτοιος που θα επιτρέπει την ανάπτυξη ενός τόξου με τέτοιο ρεύμα, ώστε να αυτοδιατηρείται και να διαδίδεται. Στην περίπτωση αυτή, δημιουργείται υπερπήδηση. Το τεχνικό πρόβλημα είναι ότι η επιφανειακή αγωγιμότητα που προκαλεί την υπερπήδηση παραμένει, ακόμα κι όταν το τόξο έχει εξαλειφθεί από τη λειτουργία της προστασίας, γεγονός που επιτρέπει να ακολουθήσουν κι άλλες υπερπηδήσεις.

Συνηθισμένες προειδοποιήσεις για διάσπαση μονωτήρων λόγω ρύπανσης είναι οι παρακάτω:

• Η πτώση σχεδόν καθαρού νερού, όπως σταγόνες, βροχή ή ομίχλη, σε έναν μονωτήρα, πάνω στον οποίο βρίσκεται ποσότητα ρύπανσης που περιλαμβάνει διαλυτά ιοντικά στοιχεία, όπως το κοινό αλάτι. Αυτή είναι και η πιο συχνή προειδοποίηση πριν τη διάσπαση του μονωτήρα.

• Η εναπόθεση σταγονιδίων θαλάσσιας ή βιομηχανικής ομίχλης, ή άλλου συνδυασμού νερού και ηλεκτρολύτη.

• Η συγκέντρωση παγετού, παγετώδους ομίχλης ή πάγου στη βρώμικη επιφάνεια ενός μονωτήρα. Όταν συμβεί κάτι τέτοιο, τα ιοντικά συστατικά των ρύπων ενεργούν ώστε να μειώσουν το σημείο ψύξης του νερού κι έτσι επιτρέπουν την ύπαρξη υγρού διαλύματος στο σημείο επαφής των δύο επιφανειών.

• Η ένταξη ενός κυκλώματος που περιέχει υγρούς και βρώμικους μονωτήρες.

• Η δημιουργία μιας προσωρινής υπέρτασης, ή μιας μεταβατικής αιχμής, σε έναν μονωτήρα υγρό, βρώμικο και πιθανόν ήδη ενεργοποιημένο.

Κυρίως σε ερημικές περιοχές, τα περιστατικά διασπάσεων σχετίζονται με περιόδους υγρασίας και πρωινής πάχνης, ενώ στις θαλάσσιες περιοχές οι επικίνδυνες ώρες είναι αυτές της ομίχλης με άπνοια. Ταυτόχρονη εναπόθεση νερού και διαλυμένων ουσιών συμβαίνει συνήθως σε καταιγίδες στην ξηρά. Η περίπτωση της παγετώδους ομίχλης έχει προκαλέσει μερικά από τα πιο σοβαρά περιστατικά, όπως ήταν το 196,2 τα πολλαπλά προβλήματα και η προσωρινή διακοπή του δικτύου μεταφοράς της Αγγλίας. Το στρώμα ηλεκτρολύτη που προκαλεί το πρόβλημα είναι κολλημένο πάνω στον μονωτήρα και απαιτείται η αφαίρεσή του με καθαρισμό. Η τέταρτη και η πέμπτη περίπτωση είναι λιγότερο συνηθισμένες.

Το στρώμα ηλεκτρολύτη που σχηματίζεται κατά μήκος του μονωτήρα, μειώνει την επιφανειακή αντίσταση και ένα υπολογίσιμο ρεύμα διαρροής μπορεί πλέον να κυκλοφορήσει. Το επιφανειακό αυτό ρεύμα έχει σαν αποτέλεσμα τη θέρμανση της επιφάνειας. Η αγωγιμότητα αρχικά αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, αλλά όταν φτάσει σε μία συγκεκριμένη τιμή, η εξάτμιση του νερού είναι υπολογίσιμη και το διάλυμα γίνεται υπερκορεσμένο σε άλας. Η επιφάνεια αρχίζει να ξηραίνεται στις ζώνες με τη μεγαλύτερη διαφεύγουσα ισχύ και η αγωγιμότητα σε αυτές τις ζώνες πέφτει γρήγορα, έως ότου μηδενιστεί. Η κατανομή της ροής του ρεύματος μεταβάλλεται, εντείνοντας την πλευρική ξήρανση και δημιουργώντας ξηρές ζώνες. Καθώς οι ξηρές ζώνες είναι απομονωμένες, η επιφανειακή δραστηριότητα συνεχίζεται μέσα στην περιοχή της ζώνης.

Μετά τη δημιουργία μια ξηρής ζώνης, το μεγαλύτερο μέρος της τάσης που εφαρμόζεται στο μονωτήρα επιβάλλεται στην ξηρή ζώνη, λόγω της υψηλότερης αντίστασης που αυτή έχει. Υπερπήδηση λαμβάνει χώρα εάν μία εκκένωση ξηρής ζώνης επεκταθεί στην εναπομένουσα υγρή επιφάνεια του μονωτήρα. Οι μερικές εκκενώσεις εξαλείφονται λίγο πριν τον μηδενισμό της τάσης. Εάν παρόλα αυτά, η τιμές της τάσης και του ρεύματος διαρροής είναι αρκετά υψηλές, οι εκκενώσεις μπορεί να επεκταθούν σε ολόκληρο το μήκος του μονωτικού και να αρχίσει το φαινόμενο της υπερπήδησης. Η ορατή δραστηριότητα στην επιφάνεια δεν σημαίνει πάντα ότι θα συμβεί υπερπήδηση, καθώς το ρεύμα διαρροής μπορεί να εξαλειφθεί εάν υπάρχει ανεπαρκής διαφεύγουσα ισχύς. Αν όμως το τόξο επεκταθεί και καταφέρει να καλύψει ένα κρίσιμο μήκος, τότε η διάσπαση είναι πρακτικά αναπόφευκτη. Τα παραπάνω ισχύουν για τους μονωτήρες πορσελάνης.

Στους πολυμερείς μονωτήρες υπάρχουν ορισμένες διαφοροποιήσεις στη διαδικασία της διάσπασης. Τα στάδια αυτής είναι:

• Εναπόθεση ρύπανσης: Πραγματοποιείται με τον ίδιο τρόπο, όπως και στους μονωτήρες πορσελάνης.

• Ύγρανση: Επειδή οι πολυμερείς μονωτήρες έχουν υδρόφοβες επιφάνειες, η υγρασία σχηματίζει σταγονίδια πάνω σ’ αυτές, τα οποία κυλούν εξαιτίας της βαρύτητας. Όταν η βαρύτητα δεν είναι ικανή να ενισχύσει την κίνηση των σταγονιδίων, αυτά παραμένουν διαχωρισμένα στις θέσεις τους. Άλατα ή αγώγιμη ρύπανση διαλύονται στις σταγόνες νερού αυξάνοντας την αγωγιμότητα του υγρού.

• Σχηματισμός αγώγιμου στρώματος: Η παραμένουσα ξηρή επιφάνεια ρύπανσης σταδιακά υγραίνεται μέσω της μετακίνησης των σταγονιδίων. Αυτό σχηματίζει ένα αγώγιμο στρώμα ισχυρά ωμικής συμπεριφοράς, με αποτέλεσμα το ρεύμα διαρροής να μεταβάλλεται από χωρητικό σε ωμικό.

• Θερμότητα: Πραγματοποιείται με τον ίδιο τρόπο, όπως και στους μονωτήρες πορσελάνης.

• Επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου σε υδροφοβική επιφάνεια: Το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί την ένωση των σταγονιδίων, που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, σε μια μεγάλη σταγόνα νηματοειδούς μορφής. Ο μηχανισμός της υπερπήδησης διαρκεί περισσότερο σε μία υδροφοβική επιφάνεια, εξαιτίας του χρόνου που απαιτείται προκειμένου να σχηματιστεί μία αγώγιμη διαδρομή με νηματοειδείς σταγόνες.

• Μερικές εκκενώσεις σε υδροφοβικές επιφάνειες: Οι νηματοειδείς σταγόνες μειώνουν την απόσταση μεταξύ των άκρων του μονωτικού, αυξάνοντας το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των γειτονικών νηματοειδών σταγόνων. Όταν η τάση αποκτήσει κατάλληλη τιμή, τότε μπορεί να συμβούν επιφανειακές εκκενώσεις.

• Εξασθένιση της υδροφοβικότητας: Οι εκκενώσεις καταστρέφουν ένα λεπτό στρώμα πολυμερούς γύρω από τα σταγονίδια και μειώνουν την υδροφοβικότητα, περιστρέφοντας ή σπάζοντας τις πολυμερείς αλυσίδες. Η απώλεια ή η εξασθένιση της επιφανειακής υδροφοβικότητας έχει ως αποτέλεσμα την εξάπλωση των σταγόνων και το σχηματισμό ενός συνεχούς αγώγιμου στρώματος, επιτρέποντας τη ροή του ρεύματος διαρροής.

• Σχηματισμός ξηρής ζώνης: Οι ξηρές ζώνες σχηματίζονται όπως και στους μονωτήρες πορσελάνης. Η προκύπτουσα δραστηριότητα προκαλεί επιφανειακή διάβρωση, ο ρυθμός της οποίας εξαρτάται από τον τρόπο σχηματισμού του συγκεκριμένου υλικού και συμβάλλει στη γήρανση.

• Αποκατάσταση της υδροφοβικότητας: Η ολική ή η μερική αποκατάσταση της υδροφοβικότητας είναι δυνατή, μόνο αν το υλικό εκφορτιστεί ελεύθερα για ικανό χρονικό διάστημα. Η διαδικασία αποκατάστασης εξαρτάται από το υλικό, τον τρόπο σχηματισμού του, τον σχεδιασμό του μονωτήρα και το περιβάλλον.

• Επανάληψη του κύκλου γήρανσης: Η επανάληψη του κύκλου γήρανσης προκαλεί επιπλέον ύγρανση και πιθανόν διάβρωση της επιφάνειας, φαινόμενα τα οποία ενισχύονται από χημικές αντιδράσεις και τοπική άνοδο της θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια εκκένωσης η θερμοκρασία σε κάποια σημεία μπορεί να φτάσει τους 400^οC.

• Υπερπήδηση: Η υπερπήδηση μπορεί να συμβεί, ακολουθώντας την ίδια διαδικασία όπως σε μονωτήρες πορσελάνης, εάν η επιφάνεια γίνει υδρόφιλη. Οι υδρόφοβες επιφάνειες αντιστέκονται περισσότερο στη ροή του ρεύματος διαρροής από τις υδρόφιλες επιφάνειες και απαιτούν υψηλότερο ρεύμα διαρροής και αντίστοιχη έκλυση ενέργειας, προκειμένου να ξεκινήσει η υπερπήδηση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι πολυμερείς μονωτήρες παρουσιάζουν μεγαλύτερη τάση υπερπήδησης από τους μονωτήρες πορσελάνης. Όπως και στους πορσελάνινους μονωτήρες, όλοι οι παραπάνω μηχανισμοί πρέπει να συμβούν διαδοχικά προκειμένου να οδηγήσουν σε υπερπήδηση. Εάν η διαδικασία διακοπεί, η υπερπήδηση δεν λαμβάνει χώρα.

Για τους μονωτήρες πορσελάνης τα μέτρα που μπορούν να ληφθούν για να μειωθεί η συχνότητα των διασπάσεων είναι τα εξής:

• Επέκταση του μήκους: Πολυμερείς δίσκοι εγκαθίστανται ακριβώς πάνω από τους δίσκους του πορσελάνινου μονωτήρα, προκειμένου να αυξηθεί το μήκος ερπυσμού και να προστεθεί η ιδιότητα της υδροφοβικότητας.

• Πλύσιμο: Οι μονωτήρες είναι δυνατό να πλυθούν, είτε εντός λειτουργίας, είτε εκτός λειτουργίας, με τη χρήση νερού υπό υψηλή πίεση. Επειδή όμως, το πλύσιμο των μονωτήρων αποτελεί μία δαπανηρή διαδικασία, πρέπει να πραγματοποιείται κατόπιν σωστού προγραμματισμού.

• Πολύπλοκο σχήμα του μονωτικού υλικού: Είναι διαθέσιμοι μονωτήρες με υψηλότερο κόστος, οι οποίοι, λόγω του σχήματός τους, αντιστέκονται στην εναπόθεση ρύπανσης.

• Επιφανειακές επιστρώσεις: Γράσο ή πολυμερής επίστρωση εφαρμόζεται στην πορσελάνη προκειμένου να βελτιωθούν οι ιδιότητές της υπό συνθήκες ρύπανσης. Η βελτίωση των ιδιοτήτων της και η διάρκεια μέχρι να απαιτηθεί επανάληψη της επίστρωσης, εξαρτώνται από την ποιότητα του επιστρώματος, την εφαρμογή του και τις τοπικές συνθήκες ρύπανσης.

• Υάλωση: Μία μη αγώγιμη ή ημιαγώγιμη υάλωση διατηρεί μια μεγάλη περιοχή της επιφάνειας ξηρή κατά τη διάρκεια της φυσικής ύγρανσης. Σε αυτούς τους μονωτήρες όμως, διαρκή ρεύματα διαρροής οδηγούν σε μεγάλες απώλειες ισχύος. Η φθορά της υάλωσης και η έκλυση θερμότητας είναι, επίσης, μεγάλα προβλήματα αυτών των μονωτήρων.

Στα πολυμερή υλικά σπάνια χρησιμοποιούνται πρόσθετα μέτρα για την αποφυγή διασπάσεων. Απαιτείται όμως ιδιαίτερη προσοχή κατά τη δημιουργία του υλικού και το σχεδιασμό του μονωτήρα.
Τα πολυμερή μονωτικά υλικά είναι απαραίτητα να έχουν δύο αμυντικούς μηχανισμούς κατά της ρύπανσης και κατ’ επέκταση της δημιουργίας διασπάσεων. Αυτοί είναι τα εξής:

• Έλεγχος του ρεύματος διαρροής: Επειδή είναι πιθανό να συμβεί φθορά του υλικού κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, ένας αμυντικός μηχανισμός είναι ο περιορισμός του ρεύματος διαρροής. Εάν το ρεύμα διαρροής δεν έχει ικανή τιμή, ώστε να προκαλέσει ξήρανση του ηλεκτρολύτη και δημιουργία ξηρών ζωνών, τότε ο μηχανισμός της υπερπήδησης δεν μπορεί να εξελιχθεί. Το παραπάνω μπορεί να επιτευχθεί τόσο με την επιλογή του κατάλληλου υλικού, όσο και με τον κατάλληλο σχεδιασμό του μονωτήρα.

Αντοχή στη διάβρωση: Τα πολυμερή υλικά δεν θα πρέπει να υφίστανται σημαντική διάβρωση κατά τη διάρκεια αναπόφευκτων περιόδων, κατά τις οποίες η επιφανειακή δραστηριότητα μπορεί να προκαλέσει απώλεια της υδροφοβικότητας. Ειδικά τα υλικά που έχουν την τάση να ανακτούν την υδροφοβικότητά τους, πρέπει να αντέχουν περιόδους επιφανειακής δραστηριότητας, χωρίς να υφίστανται σημαντική διάβρωση. Ένα πολυμερές υλικό, το οποίο δεν έχει καλή αντοχή στη διάβρωση, δεν μπορεί να τοποθετηθεί σε περιοχή με έντονη ρύπανση, διότι θα οδηγήσει σε πρόωρη βλάβη. Ένα υλικό με μεγάλη αντοχή στη διάβρωση, ακόμα κι αν χάσει την υδροφοβικότητά του, υπερτερεί ενός υλικού το οποίο μπορεί να επανακτήσει την υδροφοβικότητά του, αλλά έχει μικρή αντοχή στη διάβρωση.

*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.