Ένας συναρπαστικός τομέας της σύγχρονης επιστημονικής έρευνας είναι αυτός των νανοσύνθετων υλικών. Το πεδίο αυτό περιλαμβάνει τη μελέτη πολυφασικών υλικών, στα οποία μία ή περισσότερες από τις χωρικές διαστάσεις κάποιας φάσης βρίσκεται στην περιοχή νανομέτρων (10-9m). Αυτό που ξεχωρίζει τα νανοσύνθετα από τα άλλα συμβατικά σύνθετα υλικά είναι η ικανότητά τους να συνδυάζουν ιδιότητες, οι οποίες είναι απαγορευτικές για τα παραδοσιακά υλικά, αλλά και η λειτουργικότητα που παρουσιάζουν. Η εισαγωγή των νανοσύνθετων υλικών και οι πολλές επιστημονικές μελέτες που έγιναν τα τελευταία χρόνια στόχευαν και προσδοκούσαν σε μία δραματική βελτίωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων, πράγμα που πολλές φορές δεν επαληθεύτηκε. Στις μέρες μας υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μελέτη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς και αγωγιμότητας των νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας με ανόργανα νάνο-εγκλείσματα. Τα νανοσύνθετα συστήματα πολυμερικής μήτρας – ανόργανων νάνο-εγκλεισμάτων αναμένεται να αποτελέσουν μια νέα γενιά υψηλού τεχνολογικού ενδιαφέροντος υλικών που θα επιδεικνύουν λειτουργικές ιδιότητες λόγω της μεταβαλλόμενης πόλωσης των κεραμικών νανοσωματιδίων. Η διασπορά κεραμικών εγκλεισμάτων στο εσωτερικό πολυμερικής μήτρας προσδίδει στα σύνθετα συστήματα βελτιωμένη μηχανική και ηλεκτρική συμπεριφορά. Τέτοιου τύπου συστήματα υλικών, που έχουν υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα (high-Κ materials) χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, καθώς μειώνουν τα ρεύματα διαρροής και παράλληλα λειτουργούν ως ενσωματωμένοι νανο-πυκνωτές εισάγοντας ένα νέο είδος νανο-διατάξεων για την αποθήκευση ενέργειας. Η ηλεκτρική απόκρισή τους, εκφράζεται κυρίως μέσω της ηλεκτρικής διαπερατότητας και μπορεί να ρυθμιστεί, ελέγχοντας τον τύπο, το μέγεθος και την ποσότητα της κεραμικής ενίσχυσης. Η ενσωμάτωση πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων, που επιδεικνύουν μεταβαλλόμενη πόλωση, σε μια πολυμερική μήτρα, όπως η εποξειδική ρητίνη –που εν γένει είναι ηλεκτρικός μονωτής- με χαμηλή ηλεκτρική διαπερατότητα και υψηλή διηλεκτρική αντοχή μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός ευφυούς συστήματος. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός σύνθετων πολυμερικών συστημάτων εποξειδικής ρητίνης – νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδάργυρου (ZnO) καθώς και σύνθετων υβριδικών συστημάτων εποξειδικής ρητίνης - νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδάργυρου (ZnO) και καρβιδίου του τιτανίου (TiC) ώστε να οδηγηθούμε σε ένα σύστημα υλικών με βέλτιστη συμπεριφορά. Τα δοκίμια που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίστηκαν διηλεκτρικά, μορφολογικά και θερμικά. Τα νανοσύνθετα υποβλήθηκαν σε μορφολογικό και θερμικό χαρακτηρισμό. Η μορφολογία των δειγμάτων εξετάστηκε μέσω του Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM). Από την εξέταση προέκυψε πως η διασπορά των νανο-σωματιδίων μπορεί να χαρακτηρισθεί ως, τουλάχιστον, ικανοποιητική και σε όλα τα συστήματα συνυπάρχουν νανοδιασπορές και συσσωματώματα. Η θερμική απόκριση των συστημάτων μελετήθηκε μέσω της τεχνικής της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Από τα θερμογραφήματα προσδιορίστηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης των συστημάτων. Η διηλεκτρική φασματοσκοπία (Broadband Dielectric Spectroscopy) έχει αποδειχθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα της μοριακής κινητικότητας, των αλλαγών φάσης, των μηχανισμών αγωγιμότητας και των διεπιφανειακών φαινομένων στα πολυμερή και τα σύνθετα πολυμερικά συστήματα. Η διηλεκτρική απόκριση των νάνο-συνθέτων εξετάστηκε στο εύρος συχνοτήτων 10-1-107 Hz και στο διάστημα θερμοκρασιών από 30οC έως 160οC. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει πως παρατηρούνται διηλεκτρικές χαλαρώσεις που οφείλονται τόσο στην πολυμερική μήτρα, όσο και στην ενισχυτική φάση. Τρεις διακριτοί τρόποι χαλάρωσης καταγράφηκαν στα φάσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν και αποδίδονται στη διεπιφανειακή πόλωση (Interfacial Polarization) μήτρας/εγκλεισμάτων, στην μετάβαση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση (α- χαλάρωση) της πολυμερικής μήτρας και στην κίνηση πλευρικών πολικών ομάδων (β- χαλάρωση) των κύριων αλυσίδων. Τέλος, υπολογίστηκε η πυκνότητα ενέργειας όλων των συστημάτων με παραμέτρους τη συχνότητα, τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε πληρωτικό μέσο. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν, εν γένει, μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η λειτουργική συμπεριφορά των νανοσύνθετων εξετάσθηκε με χρήση της Συνάρτησης Διηλεκτρικής Ενίσχυσης (DRF). / The impact of nano-materials and nano-structured materials is well known and recognized in our days. Nano-composites consists an exciting modern field of scientific research. Nano-composites are multiphase materials where at least one of the dimensions of the reinforcing phases is in nano-scale. The main difference of nano-composites in comparison with conventional composites is their ability to achieve superior performance at a very low concentration of their filler. The introduction of nanocomposite materials was followed by many scientific studies which aimed to achieve a dramatic improvement of their mechanical performance. The latter, in many cases has not been verified. Recently, there is an increasing interest in studying the dielectric behavior and conductivity of polymer matrix – inorganic nano-filler composites. Polymer matrix nano-composites are expected to be useful in replacing conventional insulating materials providing tailored performance, by simply controlling the type and the concentration of nano-inclusions. Nanocomposite systems, which include inorganic nano-particles represent a novel class of materials which are expected to exhibit functional properties because of the varying polarization of the ceramic particles. Dispersing ceramic inclusions within a polymer matrix, results in systems with enhanced mechanical and electrical behavior. Such material systems are used in electronic applications, for the reduction of leakage currents, and as integrated nano-capacitors. The ceramic filler could be piezoelectric crystal particles. Their varying polarization can be combined with a polymer host, like an epoxy resin – which is, in general, electrical insulator – with low dielectric permittivity and high dielectric breakdown strength. This combination could lead in the development of a smart materials’ system. The aims of this work are the preparation and characterization of epoxy resin nanocomposites with embedded zinc oxide (ZnO) and nanoparticles and in tandem hybrid system of epoxy resin– zinc oxide (ZnO) and titanium carbide (TiC) nanoparticles. Furthermore, morphology, thermal and electrical response of the produced specimens was examined. The morphology of the specimens was checked for voids and clusters, by means of Scanning Electron Microscopy. Ceramic particles distribution is considered as satisfactory, although clusters co-exist with nanodispersions in all the examined systems. Thermal response was examined via Differential Scanning Calorimetry (DSC), and the obtained thermographs were used for the determination of glass transition temperature. Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been proved to be a powerful tool for the investigation of molecular mobility, phase changes, conductivity mechanisms and interfacial effects in polymers and complex systems. The dielectric response of nano-composites was examined via BDS in the frequency range 10-1-107 Hz and temperature interval from 30 oC to 160 oC. Experimental results include relaxation phenomena arising from both the polymeric matrix and the filler. Three distinct relaxation modes were recorded in the spectra of all systems. They were attributed to interfacial polarization, glass to rubber transition (α-relaxation) and motion of polar side groups (β – relaxation). Finally, the energy density for all the studied systems was calculated with parameters the frequency, temperature and filler content. Composites systems exhibit, in general, higher energy storage efficiency. The systems’ functionality was examined by employing the Dielectric Reinforcing Function (DRF).

Η ηλεκτρική απόκριση ελαστομερικών συστημάτων HNBR, FKM και μειγμάτων αυτών, καθώς και νανοσύνθετων μειγμάτων HNBR/FKM ενισχυμένων με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχίου είναι το αντικείμενο της παρούσης εργασίας. Η ηλεκτρική απόκριση προσδιορίζεται με την μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος. / In the present work the electric response of nanocomposites material consisted of elastomer blends as matrix and modified multiwall carbon nanotubes (MWCNT) as reinforcing phase, is studied. The elastomer blends we studied was a mixture of HNBR and FKM elastotmers in 50/50 and 75/25 ratio respectively. Carbon nanotubes 10phr were added in both blends. Specifically, the dielectric response and the conductivity of elastomer nanocomposites is examined with parameters the content in MWCNT, FKM, the temperature and the frequency of the applied electric field. The dielectric response of those composite elastomer systems was studied in a wide frequency and temperature range.

Προκειμένου να διατηρήσουμε τη διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα αγώγιμα μέρη που βρίσκονται υπό υψηλή τάση και να την προστατέψουμε από υπερτάσεις είναι απαραίτητη η μόνωση του εξοπλισμού. Ένας τρόπος μόνωσης που χρησιμοποιείται ευρέως είναι η προστασία με μονωτικά υγρά, και ανάμεσα σε αυτά τα πιο διαδεδομένα είναι τα ορυκτά έλαια. Αυτά είναι έλαια που προέρχονται από το πετρέλαιο και τα επιλέγουμε επειδή είναι εύκολα διαθέσιμα και έχουν χαμηλό κόστος. Στο πρώτο μέρος της εργασίας θα δούμε τη χρήση των ελαίων σε μετασχηματιστές, ελαιοδιακόπτες, πυκνωτές, καλώδια, μονωτήρες διέλευσης και μετασχηματιστές οργάνων, καθώς και τις ιδιότητες αυτών. Στη συνέχεια θα δούμε τους τρόπους διάσπασης των ελαίων που είναι η ηλεκτρονική διάσπαση, ο μηχανισμός αιωρούμενων σωματιδίων, η διάσπαση κοιλότητας, η ηλεκτρομεταφορά και το ηλεκτροϋδροδυναμικό πρότυπο διηλεκτρικής διάσπασης. Αρχικά αυτό που πρέπει να γνωρίζουμε για να μελετήσουμε τις μεταβολές που υφίσταται η μόνωση από τις καταπονήσεις που θα τις επιβάλλουμε είναι οι υπερτάσεις που θα αναπτυχθούν σε αυτή, ούτως ώστε να επιτύχουμε την ορθή σχεδίαση της. Σε αυτή την εργασία θα μελετήσουμε την επίδραση που έχουν στη μόνωση οι υπερτάσεις χειρισμών. Για τις υπερτάσεις χειρισμών είναι δύσκολο να χρησιμοποιήσουμε μια τυποποιημένη μορφή μιας και η μορφή αυτή εξαρτάται από το μήκος του διακένου. Επειδή όμως τα συνήθη διάκενα για υπερυψηλές τάσεις είναι περίπου 5 cm και για το μήκος αυτό το πιο κρίσιμο μέτωπο τάσεως είναι περίπου 250 μs, διαλέγουμε σαν τυποποιημένη τάση χειρισμών την κρουστική τάση με διάρκεια μετώπου Tcr=250 μs και διάρκεια ουράς Tq=2500 μs. Η παραγωγή των παραπάνω τάσεων έγινε με τη διβάθμια κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων, τη λειτουργία της οποίας θα αναλύσουμε στο δεύτερο κεφάλαιο. Τέλος θα μελετήσουμε και το χρόνο υστέρησης, το χρόνο δηλαδή που παρέρχεται μεταξύ της εφαρμογής μίας τάσης σε ένα διάκενο, αρκετής να προκαλέσει διάσπαση, και της διάσπασης. Κατά τη διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήσαμε την γεννήτρια που αναφέραμε παραπάνω, κυψέλη από υλικό Plexiglass, παλμογράφο για τη μελέτη της κυματομορφής της κρουστικής τάσης και εύρεση του ακριβούς σημείου διάσπασης, καθώς και ηλεκτρόδια Rogowski και ακίδας-πλάκας. Τις λεπτομέρειες της κάθε διάταξης των ηλεκτροδίων (απόσταση μεταξύ αυτών, διαστάσεις τους κ.λ.π.) θα τις δούμε σε κάθε πείραμα ξεχωριστά. Οι υπερτάσεις χειρισμών που παρήγαγε η γεννήτρια μας και χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα ήταν τάσεις θετικής πολικότητας 140/1785 μs. Οι δοκιμές έγιναν σύμφωνα με τον κανονισμό της ASTM D 3300-2000 σε έλαιο πετρελαϊκής απόσταξης, καθώς και σε φυτικό έλαιο. Μέσα από πλήθος μετρήσεων παρατηρήσαμε την επίδραση που ασκεί στην τάση διάσπασης το μέγεθος του διακένου, η καταπόνηση του ελαίου, ο χρόνος ηρεμίας του καθώς και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες. Για την επεξεργασία των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε πρόγραμμα γραμμένο σε γλώσσα προγραμματισμού C, το οποίο υλοποιεί τη μέθοδο μέγιστης πιθανοφάνειας. Με βάση αυτή τη μέθοδο, εξάγουμε ακριβείς τιμές για την τάση που αντιστοιχεί σε πιθανότητα διάσπασης 50% (V50), την τυπική απόκλιση (σ) των τιμών της τάσης διάσπασης για κάθε σετ μετρήσεων καθώς και τη διασπορά των V50 και σ. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε πίνακες και σε διαγράμματα κανονικής κατανομής. Ένας επιπλέον παράγοντας που εξετάζεται είναι η χρονική υστέρηση για συγκεκριμένα μήκη διακένου, τόσο για ομοιόμορφο πεδίο όσο και για μη ομοιόμορφο πεδίο. / In order to preserve the voltage between the conductive parts - that are under high voltage - and in order to protect them from overvoltage, the electrical insulation of the equipment is essential. One way of insulation, which is widely used, is the protection with insulation liquids. Among them, the most widespread are the mineral oils. These oils come from petroleum and we choose them because they are easily accessible and have very low cost. On the first part of this thesis we will see the use of insulation oils on transformers, oil switches, capacitors, cables, lead-in insulators, instrument transformers and we will also study the properties of mineral oils. Additionally, we will examine the ways of electric breakdown of the oils. The most common among them are the electronic breakdown, the process of pendulous particles, cavity resolution and, finally, electro transfer and electro hydro-dynamic practice of dielectric resolution. Firstly, what we must know, so we can study the changes that happen to the insulation because of the strains we will force on it, are the overvoltages that will develop on it, in order we succeed in its proper design. Our primary focus in this dissertation is the effect of the operational overvoltages on our insulation. It is difficult to use a standard form for the operational overvoltage as this form depends on the length of the gap between the electrodes. However, the common gaps for ultra-high-voltages is around 5 cm and for this gap the most critical front of the voltage impulse is around 250 μs. As a result, we choose as a standardized operational overvoltage the voltage impulse with front length Tcr=250 μs and tail length Tq=2500 μs. The mentioned impulses were produced with the double stage impact generator of the High Voltage laboratory, whose function is described in Chapter 2. In addition, we will analyze the time lag, which is the time between the application of an impulse high enough to cause resolution in interspace and the breakdown. During the conduction of the experiment we used the generator we mentioned above, a hive made of Plexiglass, an oscillograph (in order to study the waveform of the voltage impulse and find the exact point of the breakdown), and finally Rogowski and poker-planch electrodes. The details of every set-up of the electrodes (the gap between them, their dimensions etc.) we will see them in every experiment separately. The operational overvoltages that our generator produced and were used in the experiment were voltage impulses of positive polarity 140/1785 μs. The tests were done according to the regulation of ASTM D 3300-2000 on mineral oil and on herbal oil as well. After a lot of measurements we observed the effect on the breakdown voltage of the gap between the electrodes, the strain of the oil, the calmness time and the atmospheric conditions. As to the elaboration of counts, a program written on C programming language that affects the maximum probability method was used. Based on this method, we can draw precise rates on the voltage that corresponds with resolution possibility 50%, on typical deflection (σ) of the rates of resolution voltage for every set of counts as well as on the dispersion of V50 and σ. The results are presented on tables and diagrams of regular distribution. An extra factor examined is time lag for specific interspace lags regarding uniform as well as non-uniform field.

Στην παρούσα εργασία ασχοληθήκαμε με τα ηλεκτροτεχνικά υγρά, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Σε θεωρητικό επίπεδο περιγράφουμε το ρόλο των μονωτικών λαδιών, τις χρήσεις τους, τις ιδιότητές τους και τους παράγοντες που τα επηρεάζουν. Σε πειραματικό επίπεδο, πραγματοποιούμε πλήθος μετρήσεων με στόχο την εξακρίβωση και την εξαγωγή συμπερασμάτων από την εφαρμογή γραμμικώς αυξανόμενης a.c. τάσης πάνω σε δύο διαφορετικά είδη μονωτικών λαδιών. / As networks of High Voltage Alternate Power can be characterized those who function in voltage higher than 1000V. Therefore, the electrological equipment which is going to be settled and function in alternate power voltage higher than 1KV is characterized as a High Voltage Equipment. The insulation of the equipment and that of the high voltage establishments is indispensable in order to maintain the potential difference between the under high voltage conductible parts. Alongside its main destination, insulation may have other roles too such as the mechanic support of the wire way, the exchange of temperature e.c.t. In the present project we dealt with the electro – technical liquids in theoretical and also in experimental level. According to the theoretical level, we described the role of the insulating oils, their uses, their attributes and the factors that affect them. According to the experimental level we accomplished a number of measurements, having as intension the verification and the deduction of conclusions coming from the application of the linearly ongoing a.c. voltage on two different kinds of insulating oils. From the aforementioned measurements we noticed the impact that the length of the gap, the temperature, even the combination of the two different insulating oils have on the tendency in breaking not only quantitavely (change of size) but also qualitatively (change of statistical attributes). For carrying out the experimental procedure we utilized the device of the High Voltages Laboratory’s electrological equipment. All measurements and also the selection of the appropriate testing prescription were done by this device, taking each time the necessary safeguards for us and for the lab’s facilities. Finally, the results were gathered in billboards and were farther analyzed according to indispensable diagrams for the deduction of conclusions. In this point is very important to mention that on those billboards is indicated the average value which refers to the tendency in breaking and that of typical variations, just for practical reasons.

- / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια προσπάθεια μελέτης των φαινομένων διάσπασης στερεών μονωτικών υλικών και προσπαθεί να δώσει μια σαφή εικόνα των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα μέχρι την κατάρρευση της μόνωσης. Πέρα από την θεωρητική προσέγγιση γίνεται και μια προσπάθεια παρακολούθησης του φαινομένου μέσα από πειράματα που αφορούν την διάσπαση μονωτικού χαρτιού εμποτισμένου σε μονωτικό λάδι, μέσω μια γεννήτριας εναλλασόμενης τάσης. Οι μηχανισμοί στους οποίους υπόκειται ένα μονωτικό υλικό μέχρι την απώλεια των μονωτικών ιδιοτήτων είναι διάφοροι, γι αυτόν τον λόγο γίνεται και μια προσπάθεια μελέτης τους από διάφορες σκοπιές. Πιο συγκεκριμένα η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της εργασίας όπου δίνεται στον αναγνώστη η δυνατότητα να κατανοήσει τη σπουδαιότητα των μονωτικών υλικών στην επιστήμη των υψηλών τάσεων. Ακόμα γίνεται μια σύντομη περιγραφή των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν κατά καιρούς στα δίκτυα υψηλών τάσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά των κυριοτέρων στερεών διηλεκτρικών, όπως είναι το γυαλί, το καουτσούκ και τα κεραμικά και δίνονται παραδείγματα εφαρμογής τους. Στην συνέχεια αναφέρονται τα βασικά κριτήρια αξιολόγησης μια μόνωσης και γίνεται μια προσπάθεια ανάλυσης τους μέσα από διάφορα στοιχεία που έχουν βρεθεί. Το τρίτο κεφάλαιο εμβαθύνει στην θεωρία διάσπασης των στερεών διηλεκτρικών αφού πρώτα γίνεται μια συντομή αναφορά σε μηχανισμούς διάσπασης των αέριων μονωτικών που ουσιαστικά συνυπάρχουν στο εσωτερικό κάθε στερεού υλικού. Αναφέρονται φαινόμενα όπως η εγγενής διάσπαση, η ηλεκτρομηχανική διάσπαση, η θερμική καθώς και η ηλεκτροχημική διάσπαση και αναλυόνται όσο το δυνατόν περισσότερο. Ακόμα μελετώνται φαινόμενα όπως η διάσπαση στις άκρες των ηλεκτροδίων και στην επιφάνεια της μόνωσης ενώ δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην διάσπαση των μονωτικών μέσω εσωτερικών εκκενώσεων. Το τέταρτο κεφάλαιο περιγράφει αναλυτικά τις μερικές εκκενώσεις, αναφέρεται στους τρόπους δημιουργίας τους, τα αίτια που τους προκαλούν και τα αποτελέσματα που έχουν. Μέσα από το κεφάλαιο αυτό ο αναγνώστης αποκτά μια σφαιρική εικόνα του φαινομένου, ενώ στην συνέχεια δίνονται τα δυο σπουδαιότερα μοντέλα προσομοίωσης των μερικών εκκενώσεων, των μερικών χωρητικοτήτων και το μοντέλο του Pedersen. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύνδεση με το φαινόμενο των ηλεκτρικών δενδριτών και γίνεται μια γενικότερη επισκόπιση του φαινομένου αυτού. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στα σύνθετα μονωτικά υλικά ώστε να έχουμε μια καλύτερη εικόνα τους για την πειραματική εκτέλεση της εργασίας και δίνονται κάποια παραδείγματα για την καλύτερη κατανόηση τους. Το έκτο κεφάλαιο αφορά τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο με μονωτικό χαρτί εμποτισμένο σε λάδι ώστε να έχουμε μια εικόνα όσων αναφέραμε. Δίνονται αναλυτικά τα βήματα της πειραματικής διαδικασίας με όλα τα αποτέλεσματα σε πίνακες. Στο τέλος υπάρχουν τα συμπεράσματα που κατέληξε η πειραματική διαδικασία. / The following thesis is an attempt to study the phenomenon of solid insulators’ breakdown and tries to give a clear picture of the procedures that take place until the insulation’s breakdown. Beyond the theoretical approach an effort is being made in order to observe the above phenomenon through experiments regarding the breaking down of transformerboard soaked in oil through an AC generator. There are several procedures in which an insulator is being submitted to until the loss of its mechanical characteristics so an attempt is made to study them from several different perspectives. More specifically this paper consists of six chapters. The first chapter is the introduction of the paper where the reader can understand the importance of insulators in High Voltage Science. Moreover the materials that have been used from time to time in high voltage networks are being described. The second chapter describes the most important solid dielectric materials such as glass, rubber and ceramics and gives examples of their utilization. Additionally it contains the basic evaluation criteria of an insulation and their analysis. The third chapter focuses on the breaking down of solid dielectric materials on a theoretical level after having first made a brief reference to the mechanisms of gas insulators’ breakdown that actually exist inside every solid material. Phenomenon such as the intrinsic breakdown, the electronic breakdown as well as the thermal and electrochemical breakdown are quoted and analyzed as much as possible. Furthermore phenomenon such as splitting the edges of electrodes and the surface of the insulation are studied while particular attention is given to the insulators’ breakdown by internal discharges. The fourth chapter describes thoroughly the partial discharges, the way and the reasons they are created as well as their effects. Through this chapter the reader can have an overview of the phenomenon and then the two most important partial discharge simulation models, partial capacity models and Pedersen’s model are being described. At the end of the chapter the partial discharges are being correlated with the phenomenon of electrical trees and the latter is being overviewed. The fifth chapter refers to composite insulation materials so to obtain a better image of them in order to be assisted for the experimental part of this thesis. Moreover examples are given to better understand their use. The sixth chapter refers to the experiments that were conducted in the laboratory using transformerboard soaked in oil in order to understand what was previously described in the theoretical part. It also contains in detail all the steps of the experiment along with the results that emerged in boards. Finally the conclusions of this experiment are being quoted.

Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας - ανόργανων/κεραμικών εγκλεισμάτων ελκύουν όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον χάρη στο ευρύ φάσμα των εφαρμογών. Ως σύνθετο υλικό ορίζεται το υλικό το οποίο αποτελείται από τουλάχιστον 2 διαφορετικές διακριτές μεταξύ τους φάσεις. Συνδυάζοντας τις ιδιότητες της μήτρας και του εγκλείσματος έχουμε ένα υλικό με νέες ιδιότητες. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας τους δίνουν σημαντικό ρόλο στην βιομηχανία της μικροηλεκτρονικής καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν διηλεκτρικά υλικά σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, σαν στοιχεία κυκλωμάτων αλλά και σαν μονωτές παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα εποξειδική ρητίνη και σαν έγκλεισμα καρβίδιο του Βορίου ( Β4C). To Β4C είναι το τρίτο σκληρότερο υλικό, μετά το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του Βορίου, έχει χαμηλή πυκνότητα και πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες. Μέχρι πρότινος χρησιμοποιούταν κυρίως σε πλάκες θωράκισης και σαν απορροφητικό νετρονίων στην πυρηνική βιομηχανία αλλά τελευταίες μελέτες υποδεικνύουν και πολύ καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και χρήση στην μόνωση παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν 6 δοκίμια εποξειδικής ρητίνης και B4C, με μεταβαλλόμενη συγκέντρωση της εγκλεισμένης φάσης, έτσι ώστε να εξεταστεί εμπεριστατωμένα η σχέση -συγκέντρωσης εγκλεισμένης φάσης και ηλεκτρικών ιδιοτήτων-. Για τον διηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε διάταξη Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας (Broadband Dielectric Spectroscopy) με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία στον χώρο μετρήσεων. Το εύρος συχνοτήτων στο οποίο έλαβε χώρα το πείραμα ήταν 10-1 - 107 Hz και το θερμοκρασιακό εύρος 30oC-160oC. Τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού χαρακτηρισμού υποδηλώνουν την ύπαρξη τριών διεργασιών, στο εξεταζόμενο φάσμα συχνοτήτων. Στις υψηλές συχνότητες είχαμε την εμφάνιση της διεργασίας της β-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με τον επαναπροσανατολισμό των πλευρικών πολικών ομάδων της πολυμερικής αλυσίδας, στις μεσαίες συχνότητες είχαμε την εμφάνιση της α-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με την μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της πολυμερικής μήτρας και τέλος στις χαμηλές συχνότητες παρατηρήθηκε το φαινόμενο Maxwell-Wagner-Sillars το οποίο σχετίζεται με την διεπιφανειακή πόλωση. / Nowadays, polymer matrix composites filled with inorganic/ceramic inclusions gather the scientific interest because of their vast uses in numerous applications. A composite refers to a materials system that consists of at least two different separated phases. Combining the properties of the matrix and the filler we achieve a material with superior properties than that of its constituents. The electrical properties of polymer matrix composites give them a significant position in the microelectronics industry because of their potential applications such as energy storage devices, welding elements in circuit and electromagnetic interference shielding. In the present study as a matrix was used a commercially available epoxy resin and as a filler Boron carbide (B4C) in the form of powder. Boron carbide is the third hardest material on earth after diamond and cubic Boron nitride, with low density and excellent mechanical properties. Until recently Boron carbide was used primarily in armor plates and as a neutron absorber in the nuclear industry but latest studies suggest interesting electrical properties and possible applications in the electromagnetic interference shielding. In this study 6 epoxy resin – Boron carbide specimens were manufactured, varying the concentration of the encapsulated phase, in order to investigate thoroughly the dependence of the filler content in the presented results. For the dielectric characterization of the specimens we used a Broadband Dielectric Spectroscopy device varying the frequency (10-1 - 107 Hz) and temperature range (30oC-160oC). The results of the dielectric characterization suggest the existence of three distinct relaxation processes which can be attributed to the interfacial polarization, known as Maxwell-Wagner-Sillars effect, glass to rubber transition and reorientation of polar side groups of the polymeric matrix.

Ο εξοπλισμός και οι αγωγοί που μεταφέρουν την υψηλή τάση ακολουθούν συγκεκριμένες τιμές ασφάλειας και ελέγχου. Με τον όρο υπερτάσεις εννοούμε τις τάσεις που εμφανίζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα και που συνήθως έχουν εύρος μεγαλύτερο από εκείνο της κανονικής τάσης λειτουργίας. Οι υπερτάσεις έχουν κατά κανόνα ανώμαλη μορφή και είναι ικανές να προκαλέσουν διηλεκτρικές καταπονήσεις μεγάλου μεγέθους στις μονώσεις ενός συστήματος. Κατά τον σχεδιασμό της μόνωσης ενός συστήματος υπάρχουν δύο εξαιρετικά σημαντικές παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπ’όψην από τους κατασκευαστές: 1) Ο καθορισμός της μορφής των τάσεων που καταπονούν την μόνωση 2) Ο καθορισμός της αντοχής της μόνωσης όταν υφίσταται καταπόνηση από συγκεκριμένες μορφές τάσεων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάλυση της καταπόνησης που υφίσταται διάκενο ακίδα-πλάκα συνολικού μήκους 6cm στο οποίο παρεμβλήθηκε μετακινούμενο διάφραγμα. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν αφορούν την μελέτη της τάσης διάσπασης και τον τρόπο με τον οποίο αυτή μεταβάλλεται σε σχέση με την γεωμετρία του διακένου αλλά και τις ατμοσφαιρικές συνθηκες. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την ανάλυση της καταπόνησης που υφίσταται διάκενο ακίδας-πλάκας είναι ότι καθώς απομακρύνεται το διάφραγμα από την ακίδα η τάση διάσπασης μειώνεται. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι όσο πλησιάζει το διάφραγμα την ακίδα μειώνεται η τυχαιότητα του φαινομένου της διάσπασης πράγμα το οποιό σημαίνει πως ο σχεδιασμός ενός συστήματος μόνωσης δύναται να γίνει πιο ακριβής. Τέλος παρατηρείται ότι ανάμεσα σε σετ μετρήσεων με ίδια απόσταση διαφράγματος από την ακίδα υπάρχει μια απόκλιση στις τιμές της U50%. Αυτή η απόκλιση οφείλεται σε διάφορους παράγοντες. Ένας εξ’αυτών είναι η μικρή μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών κατά την χρονική απόσταση που παρεμβλήθηκε ανάμεσα στα σετ μετρήσεων. Έναν δεύτερο παράγοντα αποτελούν οι πιθανές υπερπηδήσεις που συνέβησαν κατά την διάρκεια των επιβολών τάσης στο διάκενο. / The equipment and conductors that "carry" high voltage are taking specific values of security and control. Using the term, hyper-voltage, the researchers mean those voltages that appear in electricity networks and they usually have a width value greater than the normal operating voltage. Most of the times, hyper-voltages are typically have irregular form and they are capable of causing large dielectric stresses in the insulation of a system. When designing an insulation system there are two very important parameters that have to be taken under consideration by the manufacturers: 1) The determination of a voltage form that stresses the insulation equipment 2) The determination of the insulation resistance when there is strain from specific voltage forms. The purpose of this paper is to analyze the voltage stress that is happening in a 6cm gap of pin-plate which was inserted by removable diaphragm. The conclusions drawn are concerning the study of breakdown voltage and how it changes with respect to the geometry of the gap and the atmospheric conditions. One conclusion that arises from the stress analysis of the pin-plate gap is that when the diaphragm is moving away from the pin the breakdown voltage is decreasing. It is also worth noting that as the diaphragm is moving towards the pin, the breakdown phenomenon is becoming less random. This means that the design of an insulation system can be made more accurate. Another conclusion is related to the discrepancy in the values of U50% between different sets of measurements. The distance between the diaphragm and the spike is influencing the above observation. This discrepancy is due to several factors. The first factor is related to the small change of weather conditions during the different sets of measurements. The second factor is related to the possible jumps that occurred during the voltage imposition in the gap.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός συγκεκριμένου είδους φυτικού έλαιου που καταπονείται εντός διακένου, υπό αυξανόμενη AC τάση. Αναζητούμε, λοιπόν, την επίδραση του μονωτικού ελαίου στην τάση διάσπασης καθώς μεταβάλουμε τους διάφορους παράγοντες από οποίους εξαρτάται (π.χ. το μέγεθος διακένου, το ρυθμό φραμμικής αύξησης της τάσης {kVrms/sec}, τη θερμοκρασία, το χρόνο χαλάρωσης του υγρού μεταξύ δύο διαδοχικές μετρήσεις, την επίδραση των φυσαλίων στην μονωτική συμπεριφορά του ελαίου, κ.α.). Η διπλωματική εργασία τούτη αποτελεί μια συνεισφορά στη διεθνή ερευνητική προσπάθεια που γίνεται πάνω στο αντικείμενο της συλλογής πληροφοριών και εξαγωγής συμπερασμάτων για τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες (ηλεκτρικές, μηχανικές, χημικές) διαφόρων τύπων σύνθετων μονώσεων. Ιδιαίτερα χρήσιμη αποσκοπεί να είναι στις διεθνείς προσπάθειες βελτίωσης των επιδόσεων και της αξιοπιστίας – με ταυτόχρονη διατήρηση ή και ελάττωση του μεγέθους των σχεδιαζόμενων μονωτικών διατάξεων – για Μετασχηματιστές Υψηλής Τάσης, που αποτελούν το κυρίαρχο μέσο στα παγκόσμια δίκτυα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. / This diploma thesis aims to the examination of the “behavior” of specific plant oil that is worn out within interspace under linearly increased AC voltage. So we search out the effect of the insulating oil on the voltage decomposition, as we alter the numerous factors on which it depends (the size of interspace, the rate of the voltage’s linear increase {kVrms/sec}, the temperature, the liquid’s relaxation time between two successional counts, the effect of bubbles on the oil’s insulating behavior etc).

Σε ένα διάκενο που αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο υψηλής τάσεως πλαισιωμένο από έναν αριθμό γειωμένων αγωγών, η κατάληξη μίας εκκένωσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο έχει μια στοχαστική εξάρτηση από τη γενική διαμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου που επικρατεί στο διάκενο. Η λέξη «στοχαστική» έχει την έννοια ότι πρακτικά οποιοδήποτε γειωμένο σημείο μέσα στο διάκενο κατέχει μία πιθανότητα να δεχθεί την εκκένωση, αλλά αυτή η πιθανότητα μπορεί να είναι διαφορετική για τα διάφορα σημεία. Επιπλέον, αν το διάκενο αποτελείται από περισσότερα από ένα διηλεκτρικά, το σημείο κατάληξης της εκκένωσης, όπως και οι παράμετροι της διάσπασης, επηρεάζονται από την παρουσία και τα ηλεκτρικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των διηλεκτρικών αυτών. Σε ένα απλό διάκενο ακίδας-πλάκας με αέρα, τα σημεία κατάληξης όλων των εκκενώσεων είναι συγκεντρωμένα γύρω από το ίχνος του άξονα της ακίδας, που είναι η θέση της μέγιστης πιθανότητας. Η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει σε μία συγκεκριμένη θέση του επιπέδου, διαφορετική από τον άξονα της εκκένωσης, μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση της θέσης αυτής από τον άξονα. Αν ένας γειωμένος αγωγός εισαχθεί στο διάκενο, όπως για παράδειγμα ένας ή περισσότεροι γειωμένοι αγωγοί παράλληλα στο επίπεδο (σχήμα 1), η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει, είτε στα σύρματα είτε στο επίπεδο, εξαρτάται από τη συγκεκριμένη θέση των συρμάτων. Αν το διάκενο, εκτός από αέρα, αποτελείται και από ένα άλλο διηλεκτρικό υλικό (π.χ. τσιμέντο με πάχος d3), τα σημεία κατάληξης της εκκένωσης, καθώς και η τάση διάσπασης, εξαρτώνται εξίσου από τις διαστάσεις, την διαμόρφωση του μέρους του διακένου που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο διηλεκτρικό και τα διηλεκτρικά του χαρακτηριστικά. Σε ένα διάκενο που αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο υψηλής τάσεως πλαισιωμένο από έναν αριθμό γειωμένων αγωγών, η κατάληξη μίας εκκένωσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο έχει μια στοχαστική εξάρτηση από τη γενική διαμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου που επικρατεί στο διάκενο. Η λέξη «στοχαστική» έχει την έννοια ότι πρακτικά οποιοδήποτε γειωμένο σημείο μέσα στο διάκενο κατέχει μία πιθανότητα να δεχθεί την εκκένωση, αλλά αυτή η πιθανότητα μπορεί να είναι διαφορετική για τα διάφορα σημεία. Επιπλέον, αν το διάκενο αποτελείται από περισσότερα από ένα διηλεκτρικά, το σημείο κατάληξης της εκκένωσης, όπως και οι παράμετροι της διάσπασης, επηρεάζονται από την παρουσία και τα ηλεκτρικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των διηλεκτρικών αυτών. Σε ένα απλό διάκενο ακίδας-πλάκας με αέρα, τα σημεία κατάληξης όλων των εκκενώσεων είναι συγκεντρωμένα γύρω από το ίχνος του άξονα της ακίδας, που είναι η θέση της μέγιστης πιθανότητας. Η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει σε μία συγκεκριμένη θέση του επιπέδου, διαφορετική από τον άξονα της εκκένωσης, μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση της θέσης αυτής από τον άξονα. Αν ένας γειωμένος αγωγός εισαχθεί στο διάκενο, όπως για παράδειγμα ένας ή περισσότεροι γειωμένοι αγωγοί παράλληλα στο επίπεδο (σχήμα 1), η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει, είτε στα σύρματα είτε στο επίπεδο, εξαρτάται από τη συγκεκριμένη θέση των συρμάτων. Αν το διάκενο, εκτός από αέρα, αποτελείται και από ένα άλλο διηλεκτρικό υλικό (π.χ. τσιμέντο με πάχος d3), τα σημεία κατάληξης της εκκένωσης, καθώς και η τάση διάσπασης, εξαρτώνται εξίσου από τις διαστάσεις, την διαμόρφωση του μέρους του διακένου που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο διηλεκτρικό και τα διηλεκτρικά του χαρακτηριστικά. / In a gap that is constituted by a electrode of high tendency a framed from a number of gejwme'nwn conductors, the conclusion of evacuation in concrete point has a meditative dependence from the general configuration of electric field that prevails in the gap. The word "meditative " has the significance that practically anyone gejwme'no point in in the gap possesses a probability to accept the evacuation, but this probability it can be different for the various points. Moreover, if the gap is constituted from more from the one dielectric, point of conclusion of evacuation, as the parameters of split, are influenced by the presence and electric and gewmetrjka' characteristically the dielectric these. In a simple gap of spike-plate with air, the points of conclusion of all evacuations are assembled round the trace of axis of spike, that is the place of biggest probability. The probability a evacuation it leads to a concrete place of level, different from the axis of evacuation, is decreased as long as grows the distance of this place from the axis. If a gejwme'nos driver is imported in the gap, as for example one or more gejwme'noj drivers at the same time in the level (form 1), the probability a evacuation it leads, or to the wires or to the level, it depends from the particular place of wires. If the gap, apart from air, is also constituted by a other dielectric material (eg cement with thickness d3), the points of conclusion of evacuation, as well as the tendency of split, they depend equally from dimensions, the configuration of part of gap that occupies concrete dielectric and dielectric characteristically. In a gap that is constituted by a electrode of high tendency a framed from a number of gejwme'nwn conductors, the conclusion of evacuation in concrete point has a meditative dependence from the general configuration of electric field that prevails in the gap. The word "meditative " has the significance that practically anyone gejwme'no point in in the gap possesses a probability to accept the evacuation, but this probability it can be different for the various points. Moreover, if the gap is constituted from more from the one dielectric, point of conclusion of evacuation, as the parameters of split, are influenced by the presence and electric and gewmetrjka' characteristically the dielectric these. In a simple gap of spike-plate with air, the points of conclusion of all evacuations are assembled round the trace of axis of spike, that is the place of biggest probability. The probability a evacuation it leads to a concrete place of level, different from the axis of evacuation, is decreased as long as grows the distance of this place from the axis. If a gejwme'nos driver is imported in the gap, as for example one or more gejwme'noj drivers at the same time in the level (form 1), the probability a evacuation it leads, or to the wires or to the level, it depends from the particular place of wires. If the gap, apart from air, is also constituted by a other dielectric material (eg cement with thickness d3), the points of conclusion of evacuation, as well as the tendency of split, they depend equally from dimensions, the configuration of part of gap that occupies concrete dielectric and dielectric characteristically.