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.

The history of insulators, as to their use in power systems, coincides, more or less, to that of the first transmission lines. Insulators, which supported these first lines, were constructed mostly from porcelain and their design philosophy was similar to that of the first telegraph and telephone lines. However, these had a practical limit transfer voltage 40 kV. Increasing needs for higher voltage levels in the early 20th century, in order to further reduce power transmission losses, brought a different philosophy in the designing and production of insulators, adapted to the requirements for transmission of electricity at high voltage (HV). Since then, the development of insulators is not characterized by specific technological innovations. Any differences mainly concerned the design part, while new ceramic materials, such as toughened glass, were introduced, in order to improve their mechanical strength. However, having use ceramic insulators for more than a century and under the influence of modern requirements, that arise continually, the first composite (or polymer or non-ceramic) insulators were introduced in the late 1950s, which, having a number of advantages, such as lower weight, ease of handling (e.g. during transportation or installation), reduced installation and maintenance cost, greater resistance to vandalism and especially better performance against pollution, are expected to improve the reliability of the electricity transmission system and to make it more efficient. Electric field strength and potential distribution are of great importance concerning the design and operation of insulators. High levels of electric field intensity are responsible for causing adverse effects, such as creation of surface partial discharge (including corona discharge), degradation of insulating properties and probably flashover of the insulator. Furthermore, aging is an adverse impact, which reduces the performance and life time of composite insulators. Until the 1970's, a theoretical approach to the field analysis of insulators, through analytical techniques, was extremely difficult or even impossible, due to their complex geometry, and only test study was feasible, through the implementation of measurements. However, since 1970 (onwards), the development of numerical methods for solving electromagnetic field problems and the great increase in available computing power made it feasible to study field analysis by using computer software. The aim of this diploma thesis is the study of electric field distribution in the internal regions of a HV composite insulator as well as in the surrounding air when High Voltage (HV) is applied to the HV electrode. For this purpose a number of composite insulators models are simulated in threedimensional environment, using the computational electromagnetic field analysis package Opera-3d V15, which applies the finite element method (FEM). The simulation progress is carried out under dry and clean conditions and the simulated models take into account the effects of both the phase conductor and part of the transmission tower, from which the insulator is suspended. Furthermore, two grading rings are installed in order to underline the importance of such a placement both at the HV and at the grounded end of the insulator.