Στόχοι & Αναμενόμενα Αποτελέσματα

Την τελευταία δεκαετία, οι μονωτήρες από πολυμερικά σύνθετα υλικά έχουν κατακτήσει σημαντικό τμήμα της αγοράς της σχετικής με την παραγωγή, μεταφορά και διανομή ενέργειας και αποτελούν την συνήθη επιλογή για πολλές ηλεκτρικές εταιρείες για αντικατάσταση των μονωτήρων από κεραμικά υλικά (πορσελάνη και γυαλί), οι οποίοι είχαν μέχρι πρόσφατα την κυρίαρχη θέση. Η μετάβαση από τους κεραμικούς στους συνθετικούς μονωτήρες έχει προκύψει ως αποτέλεσμα των χαρακτηριστικών των πολυμερικών υλικών και των σύνθετων τους, τα οποία τους προσδίδουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Μεταξύ αυτών, αξίζει να επισημανθούν η σαφώς ανώτερη συμπεριφορά συνθετικών μονωτήρων σε συνθήκες ρύπανσης καθώς και το σημαντικά μικρότερο βάρος τους, το οποίο συνεπάγεται όχι μόνο μείωση του κόστους εγκατάστασης, αλλά και μείωση των μηχανικών απαιτήσεων για τους μεταλλικούς φορείς (πυλώνες).
Τα πλεονεκτήματα των συνθετικών μονωτήρων προκύπτουν ως αποτέλεσμα της δομής αλλά και των υλικών κατασκευής τους. Σε ένα συνθετικό μονωτήρα, διακρίνουμε τρία κύρια τμήματα, τον υαλώδη πυρήνα, από εποξικά ενισχυμένες ίνες υάλου (glass fiber reinforced (GFR) epoxy rod), το κέλυφος (housing) το οποίο κατασκευάζεται από πολυμερή υλικά και τέλος τις μεταλλικές απολήξεις (fittings). Ο βέλτιστος συνδυασμός των επιμέρους τμημάτων εξασφαλίζει την κατασκευή ενός ικανού και αξιόπιστου μονωτήρα, κάθε τμήμα όμως του προσδίδει μοναδικά χαρακτηριστικά. Στο κέλυφος για παράδειγμα και ιδιαίτερα στα πολυμερή υλικά από τα οποία κατασκευάζεται, αποδίδεται η πολύ καλή συμπεριφορά σε συνθήκες ρύπανσης.
Για την κατασκευή του κελύφους έχουν χρησιμοποιηθεί πολλά πολυμερή υλικά. Μεταξύ αυτών έχει επικρατήσει η πολύδιμέθυλσιλοξάνη, υλικό γνωστό και ως ελαστομερές της σιλικόνης ή Silicone Rubber (SIR). Σημαντικό πλεονέκτημα του SIR είναι η ικανότητα του να διατηρεί την επιφανειακή συμπεριφορά του σε συνθήκες ρύπανσης και συγκεκριμένα την ιδιότητα της υδροφοβίας. Αυτή απαντάται σε όλα τα πολυμερή υλικά, που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του κελύφους των μονωτήρων και αποτελεί ουσιαστικά τον λόγο που τα υπόψη υλικά εμφανίζουν καλύτερη συμπεριφορά από τα κεραμικά, τα οποία είναι υδρόφιλα. Μάλιστα, το SIR όχι μόνο είναι υδρόφοβο αλλά διαθέτει και μηχανισμούς που μπορούν να διατηρούν την υδρόφοβη συμπεριφορά ακόμη και σε συνθήκες ρύπανσης. Έτσι, ακόμη και αν η επιφάνεια του υδρόφοβου μονωτήρα έχει καλυφθεί από υδρόφιλους ρύπους, στην περίπτωση του SIR είναι δυνατή η μετάδοση της υδρόφοβης συμπεριφοράς στο στρώμα των ρύπων και ως εκ τούτου η μεταβολή της συμπεριφοράς του.
Αποτέλεσμα της υπόψη συμπεριφοράς του SIR είναι η κατασκευή μονωτήρων με υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας, δεδομένου ότι εξαιτίας της υδρόφοβης συμπεριφοράς, δεν είναι δυνατή η διαβροχή της επιφάνειας και επομένως η ανάπτυξη επιφανειακής αγωγιμότητας. Έτσι καταστέλλεται η επιφανειακή ηλεκτρική δραστηριότητα, η οποία διαφορετικά θα μπορούσε να καταλήξει στην υπερπήδηση του μονωτήρα, όπως στην περίπτωση ενός υδρόφιλου μονωτήρα. Συνεπώς η ιδιότητα της υδροφοβίας και περεταίρω η ικανότητα διατήρησης της, αποκτούν ιδιαίτερη βαρύτητα στην περίπτωση των μονωτήρων υψηλής τάσης, αναδεικνύοντας παράλληλα και την σημασία διαφόρων μηχανισμών γήρανσης, οι οποίοι μπορούν να μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά και την συμπεριφορά των υλικών. Έτσι, η αξιόπιστη λειτουργία ενός δικτύου με μονωτήρες από συνθετικά υλικά, επιβάλλει τόσο την επιλογή ενός βέλτιστου υλικού, το οποίο θα είναι ικανό να ανταπεξέλθει στις δεδομένες συνθήκες λειτουργίας, όσο και την εφαρμογή διαγνωστικών τεχνικών, ικανών να εντοπίσουν έγκαιρα την υποβάθμιση των υλικών και την ενδεχόμενη αστοχία της μόνωσης.
Οι απαιτούμενες διαγνωστικές τεχνικές διαφέρουν σημαντικά από αυτές που μέχρι πρόσφατα χρησιμοποιούνται από τις ηλεκτρικές εταιρίες, δεδομένου ότι οι τελευταίες ήταν εστιασμένες σε κεραμικά υλικά, υλικά που διαφέρουν σημαντικά από τα πολυμερικά. Παράλληλα, δεδομένης της διαφορετικής χημικής δομής, οι παρατηρούμενοι μηχανισμοί γήρανσης είναι διαφορετικοί στους συνθετικούς μονωτήρες, και στην πλειοψηφία τους οι μηχανισμού που αφορούν τα πολυμερικά υλικά έχουν ελάχιστη ή και μηδαμινή επίδραση στα αντίστοιχα κεραμικά. Είναι συνεπώς ανάγκη να αναπτυχθούν νέες κατάλληλες διαγνωστικές τεχνικές, με διακριτική ικανότητα ικανή να εντοπίσει τα σημάδια γήρανσης των πολυμερών υλικών, αλλά και υλικά βελτιστοποιημένα με βάση τις κατά τόπους συνθήκες λειτουργίας.
Στο πλαίσιο αυτό υπάρχει κατ’ αρχάς η ανάγκη για περαιτέρω κατανόηση των μηχανισμών γήρανσης, του βαθμού που αυτοί μπορούν να επιδράσουν στην λειτουργική κατάσταση των υλικών (εν προκειμένω του SIR), καθώς και της συσχέτισης αυτών με τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες λειτουργίας των δικτύων σήμερα αλλά και της απαίτησης για σταθερή διαθεσιμότητα και αξιοπιστία, επιβάλλεται οι υπόψη τεχνικές να μπορούν να υλοποιηθούν σε πραγματικό χρόνο και χωρίς να απαιτείται η διακοπή της λειτουργίας του δικτύου.
Στο πλαίσιο αυτό, οι οπτικές τεχνικές μπορούν να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρόκειται για μη καταστρεπτικές διαγνωστικές τεχνικές, οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν εξ αποστάσεως, χωρίς την φυσική επαφή του συστήματος με τον μονωτήρα και ως εκ τούτου μπορούν να υλοποιηθούν υπό τάση χωρίς να απαιτείται η διακοπή της λειτουργίας του συστήματος. Για παράδειγμα, είναι δυνατή η  με μεγάλη ευαισθησία και διακριτική ικανότητα στοιχειακή ή χημική ανάλυση πολυμερικών μονωτήρων με χρήση φασματοσκοπικών τεχνικών λέιζερ όπως η Laser Induced Fluorescence και η Laser Induced breakdown Spectroscopy, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντίστοιχες εφαρμογές σε πεδία όπως η ιατρική, το περιβάλλον, η συντήρηση έργων τέχνης και άλλα. Επιπλέον, υπάρχει και η οπτική τεχνική Spectral Imaging, η οποία επιτρέπει τον καθορισμό της δομής της επιφάνειας των δοκιμίων, άρα και τον καθορισμό της κατάστασης του υλικού καθώς και των ιδιοτήτων του.
Στο συγκεκριμένο έργο πρόκειται να διερευνηθεί με συστηματικό τρόπο η συμπεριφορά συνθετικών μονωτήρων που χρησιμοποιούνται σε υπαίθρια συστήματα υψηλής τάσης, στις περιβαλλοντικές και κλιματικές συνθήκες της Κρήτης και της Ελλάδος, ενώ στη συνέχεια θα διερευνηθεί η δυνατότητα για ανάπτυξη μιας διαγνωστικής τεχνικής που θα επιτρέπει την εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο αξιολόγηση της κατάστασης των μονωτήρων, στο πεδίο λειτουργίας τους. Στην κατεύθυνση αυτή, θα πραγματοποιηθούν αρχικά δοκιμές και μετρήσεις σε πραγματικές και εργαστηριακές συνθήκες, με στόχο να καθοριστεί η επίδραση των αναμενόμενων μηχανισμών γήρανσης, αρχικά στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των μονωτήρων και περαιτέρω στην λειτουργική τους κατάσταση. Η κατανόηση της συσχέτισης αυτής, θα επιτρέψει στην συνέχεια την εφαρμογή οπτικών διαγνωστικών τεχνικών, οι οποίες είναι ικανές να εντοπίσουν μεταβολές στην φυσική και χημική κατάσταση των υλικών και ως εκ τούτου, στην συγκεκριμένη περίπτωση να διαγνώσουν την λειτουργική κατάσταση των μονωτήρων. Θα αξιολογηθούν διάφορες οπτικές τεχνικές, όπως Spectral Imaging, Laser Induced Fluorescence (LIF) και Laser Induced breakdown Spectroscopy (LIBS), τόσο σε εργαστηριακές όσο και πραγματικές συνθήκες, με βάση την διαγνωστική τους ικανότητα σε υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μονωτήρων. Η επιλογή της βέλτιστης οπτικής τεχνικής, σε συνδυασμό με την μελέτη της συσχέτισης των μηχανισμών γήρανσης με την φυσική και χημική κατάσταση των μονωτήρων, θα επιτρέψει την ανάπτυξη ενός μοντέλου που θα συσχετίζει την λειτουργική κατάσταση των μονωτήρων και την οπτική απόκριση τους, το οποίο θα δοκιμαστεί και θα βελτιστοποιηθεί. Με βάση το μοντέλο αυτό, θα αναπτυχθεί πρωτότυπη διάταξη η οποία θα υλοποιεί την ζητούμενη διαγνωστική τεχνική, εξ αποστάσεως και σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, τα δεδομένα που προκύπτουν από την παραπάνω ερευνητική δραστηριότητα θα χρησιμοποιηθούν και για την σχεδίαση ενός πολυμερούς υλικού βελτιστοποιημένου για τις ελληνικές κλιματολογικές συνθήκες.