Συμβολή Στη Μελέτη Της Χωρικής Αγωγιμότητας Πολυμερών Μονωτικών Υλικών

Abstract

Η χρήση του συνεχούς ρεύματος (DC) αντί του εναλασσόμενου (AC) για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, επεκτείνεται σταθερά. Οι αιτίες της επιλογής του Συνεχούς Ρεύματος Υψηλής Τάσης (HVDC) αντί του Εναλασσόμενου Ρεύματος, για μια συγκεκριμένη περίπτωση ειναι πολλές και σύνθετες. Μερικά απο τα πλεονεκτήματα της μεταφοράς ενέργειας μέσω HVDC ειναι τα παρακάτω:-Οικονομικώτερη και πιο ικανοποιητική μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις.-Σύνδεση ασύγχρονων δικτύων ή δικτύων με διαφορετικές συχνότητες.-Δυνατότητα ελεγχόμενης παροχής ρεύματος και προς τις δύο κατευθύνσεις.-Επισκεψιμότητα δικτύου για κοντινή ή μακρυνή παραγωγή ρεύματος απο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.-Έλεγχος αέργου ισχύος και καλύτερη ποιότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό που επέτρεψε την ευρεία χρήση HVDC είναι η μεγάλη τεχνολογική πρόοδος στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος (κυρίως στους μετατροπείς), καθώς και η εξέλιξη των μονωτικών υλικών ώστε να αντέχουν αρκετά υψηλά επίπεδα τάσης. Οι στερεοί ηλεκτρικοί μονωτές εχουν ευρεία χρήση στην ηλεκτρική και ηλεκτρονική βιομηχανία. Ιδιαίτερα η χρήση των πολυμερών μονωτών ειναι σταθερά αυξανόμενη. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως λόγω των άριστων ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Εχουν ευρεία εφαρμογή, κυμαινόμενη απο καλώδια και ηλεκτρικές συσκευές, μέχρι τη μικροηλεκτρονική [IED-84]. Σε αμφότερες τη μεταφορά και τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας, τα πλεονεκτήματα των πολυμερών έναντι των απο προσελάνη ή γυάλινων μονωτών, έχουν οδηγήσει στην προοδευτική αποδοχή των πρώτων. Μερικά απο αυτά τα πλεονεκτήματα ειναι οι καλές υδροφοβικές ιδιότητες της επιφάνειάς τους, το μικρό βάρος, η μεγάλη μηχανική αντοχή τους κλπ [MAC-97]. Επιπρόσθετα, οι πολυμερείς μονωτές θεωρείται οτι εχουν μεγαλύτερη αντίσταση τάσης κάτω απο συνθήκες μόλυνσης έναντι των απο πορσελάνη ή γυάλινων μονωτών [MAE-98].Η χρήση των πολυμερών μονωτών για εσωτερικές και εξωτερικές μονώσεις στη τεχνολογία της ηλεκτρικής ενέργειας εχει εφαρμογή σε καλώδια, ζυγούς συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (bushings), μετασχηματιστές, αεριομονωμένους διακόπτες (gas-insulated switchgears) κ.α. [BAER-10].Λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για HVDC συστήματα παγκοσμίως, οι εποξεικές ρητίνες χρησιμοποιούνται όλο και συχνότερα ως στερεά μονωτικά σε εξοπλισμούς HVDC. Η διαστασιολόγηση των HVDC συσκευών απαιτεί τη γνώση των κατανομών του ηλεκτρικού πεδίου, που εξαρτώνται απο την αγωγιμότητα των μονωτικών που χρησιμοποιούνται σ’ αυτα τα συστήματα. Δεδομένου ότι η χωρική κατανομή του συνεχούς ρεύματος, στα HVDC συστήματα, είναι ένα πεδίο αγωγιμότητας, προσδιοριζόμενο και απο την αγωγιμότητα των εμπεριεχομένων μονωτών, η συμπεριφορά τους πρέπει να διερευνηθεί κάτω απο μεταβαλλόμενες συνθήκες.Η DC αγωγιμότητα ειναι ευαίσθητη σε πολλές παραμέτρους οπως η θερμοκρασία, το πεδίο, η υγρασία, οι συνθήκες περιβαλλοντικής ρύπανσης κλπ. Επιπλέον, η ανάπτυξη νέων πολυμερών υλικών με βελτιωμένη απόδοση κάτω απο ηλεκτρική τάση συνεχούς ρεύματος και ταυτόχρονη θερμική διέγερση, απαιτεί ενδολεχή έρευνα των ιδιοτήτων που καθορίζουν την έγχυση φορέων από αγωγούς, τη μεταφορά των φορέων από το κύριο σώμα του μονωτικού υλικού, και την παγίδευση των φορέων στον όγκο του μονωτικού υλικού. Όμως, λόγω της πολύπλοκης φύσης των πολυμερών μονωτικών υλικών, μια λεπτομερής κατανόηση των θεμελιωδών ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους και του τρόπου που οι φορείς δημιουργούνται και μεταφέρονται μέσα στα υλικά αυτά, είναι απόλυτα απαραίτητη για την μελλοντική πρόοδο σε πρακτικές εφαρμογές.Αντικείμενο της παρούσας μελέτης, είναι η έρευνα της χωρική αγωγιμότητα δειγμάτων εποξεικής ρητίνης, εμποτισμένων με Al2O3 (fillers). Η χωρική αγωγιμότητα εξετάζεται ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και του ηλεκτρικού πεδίου. Επιπροσθέτως θα προσπαθήσουμε να προσδιορίσουμε τους μηχανισμούς αγωγιμότητας που κυριαρχούν στην ηλεκτρική συμπεριφορά και τον τρόπο που οι φορείς δημιουργούνται και μεταφέρονται μέσα στο εξεταζόμενο υλικό.Για τη διερεύνηση της χωρικής αγωγιμότητας του υλικού, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του ρεύματος αγωγιμότητας σύμφωνα με τον κανονισμό VDE 0303-30, με εύρος ηλεκτρικού πεδίου 1 εως 12 KV/mm και θερμοκρασίες 40 και 80 °C.