Πεδιακή Ανάλυση Συνθετικών Μονωτήρων Υψηλής Τάσης

Abstract

Η «ηλικία» των μονωτήρων, ως προς τη χρήση τους σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, ταυτίζεται, λίγο ή πολύ, με εκείνη των πρώτων γραμμών μεταφοράς. Οι μονωτήρες, οι οποίοι στήριζαν τις πρώτες αυτές γραμμές, ήταν κατασκευασμένοι, ως επί το πλείστον, από πορσελάνη και η φιλοσοφία σχεδίασής τους προσιδίαζε με εκείνη των μονωτήρων των πρώτων τηλεγραφικών και τηλεφωνικών γραμμών. Εντούτοις, οι παραπάνω είχαν ένα πρακτικό όριο τάσης μεταφοράς 40 kV. Αυξανομένων των αναγκών για υψηλότερα επίπεδα τάσης, με σκοπό την περεταίρω μείωση των απωλειών μεταφοράς, άρχισαν στις αρχές του 20ου αιώνα να σχεδιάζονται και να παράγονται μονωτήρες οποιουδήποτε μήκους, με διαφορετική πλέον φιλοσοφία, προσαρμοσμένη στις απαιτήσεις για μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας υπό Υψηλή Τάση (Υ.Τ.).Έκτοτε και μετά, η πορεία των μονωτήρων δε χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερες τεχνολογικές καινοτομίες. Οι όποιες διαφοροποιήσεις αφορούν κυρίως στο σχεδιαστικό μέρος, ενώ εισάγονται κεραμικά υλικά, όπως το σκληρυμένο γυαλί, που καλούνται να βελτιώσουν τη μηχανική κυρίως αντοχή τους.Ωστόσο, έπειτα από εκατονταετή και πλέον χρήση των κεραμικών μονωτήρων και υπό την επίδραση νέων απαιτήσεων που ανακύπτουν συνεχώς, εισάγονται στα τέλη της δεκαετίας του 1950 οι πρώτοι συνθετικοί (ή πολυμερείς ή μη-κεραμικοί) μονωτήρες, οι οποίοι, διαθέτοντας μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως π.χ. το χαμηλότερο βάρος, η ευκολία χειρισμών, το μειωμένο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης, η μεγαλύτερη αντίσταση σε βανδαλισμούς και κυρίως η καλύτερη απόδοση έναντι της ρύπανσης, καλούνται να αυξήσουν την απόδοση και να βελτιώσουν την αξιοπιστία του συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.Καθοριστικής σημασίας τόσο κατά τη σχεδίαση, όσο και κατά τη λειτουργία των μονωτήρων είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, καθώς και η κατανομή του δυναμικού στο εσωτερικό και σε περιοχές γύρω απ’ αυτούς. Υψηλές τιμές της πεδιακής έντασης ευθύνονται για την πρόκληση ανεπιθύμητων φαινομένων, όπως είναι η δημιουργία επιφανειακών μερικών εκκενώσεων (μεταξύ αυτών και οι εκκενώσεις corona), η συνακόλουθη μείωση της μονωτικής ικανότητας και τελικά η υπερπήδηση του μονωτήρα, ενώ η γήρανση αποτελεί δυσάρεστη εξέλιξη, η οποία μειώνει την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των συνθετικών μονωτήρων. Μέχρι τη δεκαετία του 1970 η θεωρητική προσέγγιση της πεδιακής ανάλυσης μονωτήρων, μέσω αναλυτικών τεχνικών, ήταν εξαιρετικά δυσχερής ή και αδύνατη, λόγω της πολύπλοκης γεωμετρίας τους, και μόνο η πειραματική μελέτη ήταν εφικτή. Εντούτοις, από τη δεκαετία του 1970 και έπειτα, η ανάπτυξη αριθμητικών μεθόδων επίλυσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και η θεαματική αύξηση της διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύος κατέστησαν υλοποιήσιμη τη μελέτη της πεδιακής ανάλυσης, μέσω διεξαγωγής προσομοιώσεων σε Η/Υ.Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό και στην περιοχή του αέρα γύρω από ένα συνθετικό μονωτήρα, όταν στους ακροδέκτες αυτού εφαρμόζεται Υψηλή Τάση (Υ.Τ.). Για την πραγματοποίηση της πεδιακής ανάλυσης προσομοιώνονται διάφορα μοντέλα συνθετικών μονωτήρων σε τρισδιάστατο περιβάλλον, με τη βοήθεια του υπολογιστικού πακέτου ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης Opera-3d V15, το οποίο κάνει εφαρμογή της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Οι συνθήκες έκθεσης θεωρούνται ιδανικές, ενώ κατά τις προσομοιώσεις λαμβάνονται υπόψη οι επιδράσεις τόσο του αγωγού, όσο και τμήματος του πυλώνα απ’ τον οποίο αναρτάται ο μονωτήρας. Ακόμη, προστίθενται τοροειδή εξομάλυνσης και αναδεικνύεται η σπουδαιότητα τοποθέτησης αυτών τόσο στο ενεργό, όσο και στο γειωμένο άκρο του μονωτήρα.