Contribution to the Study of Composite Insulators

Abstract

Στη σημερινή εποχή, οι συνθετικοί μονωτήρες χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στα δίκτυα διανομής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, αντικαθιστώντας τους συμβατικούς μονωτήρες, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από άλλα υλικά (γυαλί, πορσελάνη). Επομένως, κρίνεται επιτακτική η ανάγκη της επιθεώρησης και αξιολόγησης της ποιότητάς τους μέσω δοκιμών, μετρήσεων και ελέγχων. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η διεξαγωγή δοκιμών που περιγράφονται σε διεθνή Πρότυπα, καθώς και η πρόταση τροποποίησης αυτών ή εύρεσης νέων δοκιμών με στόχο τον αξιόπιστο έλεγχο της ποιότητας των συνθετικών μονωτήρων στον ελάχιστο δυνατό χρόνο. Στο θεωρητικό μέρος της διατριβής πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική έρευνα σχετική με τις δοκιμές / ελέγχους σε συνθετικούς μονωτήρες που είτε περιλαμβάνονται ήδη σε διεθνή Πρότυπα, είτε μελετώνται ερευνητικά. Στο ερευνητικό μέρος της διατριβής διεξήχθησαν δοκιμές σε συνθετικούς μονωτήρες διαφόρων κατασκευαστών και ηλικίας δημιουργώντας μία βάση δεδομένων με τα αποτελέσματα τους, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διεξαγωγή γενικών συμπερασμάτων, καθώς και ως αναφορά για μελλοντικές έρευνες. Επίσης έγινε αποσαφήνιση και καταγραφή των πιο σημαντικών ευρημάτων των δοκιμών που εξετάστηκαν και προτάθηκαν τροποποιήσεις στη διαδικασία διεξαγωγής των δοκιμών που περιγράφονται στα διεθνή Πρότυπα. Η διατριβή αυτή συνέβαλλε επιπροσθέτως στη διαμόρφωση των προσδοκώμενων ευρών τιμών των δοκιμών, όταν αυτές εφαρμόζονται σε HTV silicone rubber συνθετικούς μονωτήρες, καθώς επίσης και στη μείωση του χρόνου εκτέλεσης ορισμένων δοκιμών με νέες διαδικασίες. Τα πειραματικά αποτελέσματα της δοκιμής του κεκλιμένου επιπέδου και της υδροφοβικότητας αξιοποιήθηκαν για την ανάπτυξη υπολογιστικών μεθοδολογιών (πεδιακή προσέγγιση) και την επικύρωση των αποτελεσμάτων των μεθοδολογιών αυτών. Επιπλέον, παρουσιάσθηκε μια μεθοδολογία για την αξιολόγηση των μετρήσεων της σκληρότητας Shore A, που αναπτύχθηκε μέσω υπολογισμού αβεβαιοτήτων. Παράλληλα, ετέθησαν τα θεμέλια για την απομακρυσμένη επιθεώρηση σε πραγματικό χρόνο των συνθετικών μονωτήρων στα ηλεκτρικά δίκτυα, μέσω της ανάπτυξης τεχνητού νευρωνικού δικτύου το οποίο μπορεί να ενσωματωθεί σε μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα (drones). Προτάθηκε, δε, μία εδραζομένη επ’ αυτού μεθοδολογία για την εκτίμηση και πρόβλεψη της κλάσης υδροφοβικότητας των συνθετικών μονωτήρων με 98% ακρίβεια. Προτάθηκε,επιπλέον, μια πειραματική μεθοδολογία που προσομοιώνει την καταπόνηση των συνθετικών μονωτήρων από νιτρικό οξύ στο ηλεκτρικό δίκτυο, καθώς επίσης και δύο μεθοδολογίες, που επικυρώθηκαν πειραματικά, σχετικά με τις δοκιμές μηχανικής καταπόνησης μέσω των οποίων ο χρόνος εκτέλεσης των δοκιμών: α) εφελκυσμού και β) κάμψης μειώνεται από τις 96 ώρες στα 3 λεπτά. ------- Nowadays, composite insulators are increasingly used in electrical distribution and transmission networks, replacing conventional insulators made of other materials (glass, porcelain). Therefore, there is an imperative need to check and evaluate their quality via tests, measurements and inspections. The purpose of this PhD thesis is to investigate and conduct tests described in International Standards, as well as to propose modifications on them or find new tests aiming at reliably evaluating composite insulators’ quality in the shortest test duration time. In the theoretical part of the dissertation, an extensive literature review was carried out related to the tests / inspections on composite insulators that are either already included in International Standards, or are under investigation. In the experimental part of the thesis, tests were conducted on composite insulators of various manufacturers and ages (years in service), creating a database with their results, which can be used to draw general conclusions and as a reference for future research. The most important findings of the tests were clarified and recorded, and modifications to the test procedures of the International Standards were proposed. Furthermore, this thesis contributed to the recording of the expected test results when HTV silicone rubber composite insulators are tested, as well as to the test execution time reduction with new procedures. The experimental results of the inclined plane test and hydrophobicity test were used in the development of calculating methodologies (field approach) and in the validation of the results of these methodologies. In addition, a methodology for the evaluation of Shore A hardness measurements was presented, based on uncertainties calculation. At the same time, the foundation stone for real-time remote inspection of composite insulators in electrical networks was laid out, via the development of an artificial neural network which could be integrated into unmanned aerial vehicles (drones). A methodology based on the above was proposed for estimating and predicting the hydrophobicity class of composite insulators with 98% accuracy. An experimental methodology simulating the composite insulators stress by nitric acid in the electrical networks was additionally proposed, as well as two experimentally validated methodologies, regarding the mechanical strength tests through which the execution time of: a) tensile strength test and b) bending test was reduced from 96 hours to 3 minutes.