Η ευρεία χρήση των διηλεκτρικών υγρών για μόνωση σε υψηλές τάσεις και ψύξη εξοπλισμού ισχύος οφείλεται στην μεγάλη τους διηλεκτρική αντοχή και θερμική αγωγιμότητα, σε σχέση με τα αέρια μονωτικά υλικά. Η ικανότητα τους να προσαρμόζονται σε πολύπλοκες γεωμετρίες σημαίνει ότι συχνά είναι πιο πρακτικά σε σχέση με τα στερεά μονωτικά, ενώ ταυτόχρονα μπορούν να παρέχουν προστασία σε αυτά αν χρησιμοποιηθούν συνδυαστικά. Αυτή η εργασία εστιάζει στον σχηματισμό καναλιών ιονισμού, γνωστά ως electrical streamers. Αυτά είναι αγώγιμα κανάλια χαμηλής πυκνότητας που σχηματίζονται σε περιοχές του λαδιού που καταπονούνται από ηλεκτρικά πεδία της τάξης των 1x103 kV/cm, ή ισχυρότερα. Μόλις δημιουργηθεί ένα τέτοιο κανάλι, έχει την τάση να επιμηκύνεται, αυξάνοντας από το σημείο δημιουργίας του προς ένα γειωμένο σημείο. Η έκταση της ανάπτυξης του streamer εξαρτάται από την φύση της ηλεκτρικής διέγερσης που το προκάλεσε. Αν η διέγερση συνεχίζει να υφίσταται, μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα το κανάλι να γεφυρώσει το διάκενο μεταξύ του σημείου από το οποίο προέρχεται και του γειωμένου σημείου. Όταν συμβεί αυτό, έχουμε τον σχηματισμό ηλεκτρικού τόξου και άρα συμβαίνει ηλεκτρική εκκένωση. Επομένως, σε αυτήν την εργασία αναπτύσσεται ένα μοντέλο που βασίζεται σε αυτόν τον μηχανισμό, και περιλαμβάνει εξισώσεις για τρεις διαφορετικούς ελεύθερους φορείς φορτίου, οι οποίοι είναι τα θετικά ιόντα, τα αρνητικά ιόντα, και τα ηλεκτρόνια. Χρησιμοποιείται η διάταξη ακίδα-πλάκα, η οποία εισάγεται στο COMSOL Multiphysics, το οποίο είναι ένα πακέτο λογισμικού που χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Δοκιμάζονται διαφορετικές κυματομορφές τάσης, και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα για τα χαρακτηριστικά των streamer, όπως διαστάσεις, μορφή και ταχύτητα διάδοσης. / The widespread use of dielectric liquids for high voltage insulation and power apparatus cooling is due to their greater electrical breakdown strength and thermal conductivity, compared to gaseous insulators. Their ability to conform to complex geometries means that they are often of more practical use than solid insulators, while at the same time they can provide protection to them if used in combination. This work focuses on the formation of ionization channels, known as electrical streamers. These are low-density conductive structures that form in regions of oil that are over-stressed by electric fields on the order of 1x103 kV/cm or greater. Once a streamer forms it tends to elongate, growing from the point of initiation towards a grounding point. The extent of a streamer's development depends upon the nature of the electrical excitation which caused it. Sustained over-excitation can result in a streamer bridging the oil gap between its point of origin and ground. When this happens an arc will form and electrical breakdown will occur. Therefore, in this thesis, a model is developed, which is based on that mechanism, and includes equations for three different charge carriers, which are positive ions, negative ions and electrons. The geometry needle-plane is used, which is imported into COMSOL Multiphysics, which a finite element simulation suite. Various voltage excitations are being studied and useful conclusions are drawn concerning the characteristic of streamers, such as dimensions, size and propagation velocity.

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.

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας διερευνήθηκε η δυνατότητα της χρήσης τεχνολογίας ασαφούς λογικής και νευρωνικών δικτύων στη γήρανση των μονώσεων. Στον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό και ειδικά στον εξοπλισμό που λειτουργεί υπό υψηλή τάση, κύρια συνιστώσα της κατασκευής του είναι η μόνωσή του, η οποία κατά κανόνα είναι και η πλέον ευαίσθητη. Η διάρκεια ζωής του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού περιορίζεται από τη διάρκεια ζωής της μόνωσής του. Ο έλεγχος των μονώσεων του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού υψηλής τάσης είναι σχολαστικός και γίνεται βάσει κανονισμών που έχουν θεσπισθεί από τους διεθνείς οργανισμούς τυποποίησης (IEC, VDE/DIN, UTE/NF, BS, ANSI, TGL, GOST, ΕΛΟΤ, CENELEC). Ο έλεγχος γίνεται δια της εκτελέσεως δοκιμών σε πειραματικές διατάξεις, με εφαρμογή τάσεων συγκεκριμένων κυματομορφών (βιομηχανικής συχνότητας, κρουστικής κλπ.) και πλάτους πολλαπλασίου εκείνου της τάσης υπό την οποία ο συγκεκριμένος εξοπλισμός θα λειτουργήσει. Παρ' όλα αυτά, μετά από την παρέλευση κάποιου χρονικού διαστήματος, η μόνωση καταστρέφεται κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Η κυριότερη από τις αιτίες στις οποίες οφείλονται αυτές οι καταστροφές των μονώσεων είναι το φαινόμενο των μερικών εκκενώσεων. Οι μερικές αυτές εκκενώσεις αναπτύσσονται στα διηλεκτρικά του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού υπό ορισμένες συνθήκες καταπόνησης και δια της συνεχούς χειροτέρευσης της αντοχής τους, τα οδηγούν σε καταστροφή της μόνωσης υπό την τάση λειτουργίας. Προκειμένου για στερεά μονωτικά υλικά, οι μερικές εκκενώσεις μπορεί να είναι εξωτερικές, δηλαδή να εκδηλώνονται στην εξωτερική επιφάνεια του μονωτικού, η οποία είναι συνήθως και συνοριακή επιφάνεια με κάποιο άλλο αέριο ή υγρό διηλεκτρικό, ή να είναι εσωτερικές, οπότε συμβαίνουν σε κοιλότητες μικρών διαστάσεων, που έχουν σχηματισθεί μέσα στη μάζα του μονωτικού κατά την κατασκευή του. Όμως, η γήρανση ενός διηλεκτρικού δεν επηρεάζει μόνο την διηλεκτρική αντοχή και την τάση διάσπασής του, αλλά και άλλα χαρακτηριστικά μεγέθη του μονωτικού υλικού, όπως την γωνία απωλειών δ και τον συντελεστή απωλειών εφδ. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσης διπλωματικής εργασίας, είναι ικανό να προβλέψει τα χαρακτηριστικά υγιούς μόνωσης. Δέχεται ως εισόδους τη χωρητικότητα του δοκιμίου C, την παράμετρο ψ (ο λόγος της απόστασης της διεπιφάνειας από την ελεύθερη επιφάνεια του δοκιμίου, ως προς το μήκος του δοκιμίου) που ουσιαστικά καθορίζει τη θέση μιας διεπιφάνειας μέσα στο διάκενο και την τάση δοκιμής. Ως έξοδο, κάνει εκτίμηση του συντελεστή απωλειών εφδ. Σε μία γενική θεώρηση το μοντέλο που αναπτύχθηκε δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εκτιμήσει σύντομα και αξιόπιστα τα χαρακτηριστικά της υγιούς μόνωσης. Τα δεδομένα του αποτελέσματος είναι άμεσα συγκρίσιμα με αυτά της χρησιμοποιημένης μόνωσης, κατόπιν τούτου δύναται να αποτελέσουν βάση για την εκτίμηση της κατάστασής της. Το μοντέλο που προτείνεται, βασίζεται στις αρχές της ασαφούς λογικής και των νευρωνικών δικτύων και χρησιμοποιεί το νευρoασαφές σύστημα ANFIS. Η ασαφής λογική αποτελεί μια γενίκευση της δίτιμης (Boolean) λογικής. Επιτρέπει εκτός από το «αληθές» (τιμή “1”) και το «ψευδές» (τιμή “0”), και τις ενδιάμεσες τιμές. Έτσι, ένα σύστημα μπορεί να περιγραφεί μέσω ενός συνόλου απλών λεκτικών κανόνων «αν –τότε» το οποίο είναι πιο εύχρηστο και πιο κοντά στην ανθρώπινη λογική. Τα ΤΝΔ είναι δίκτυα που αποτελούνται από μη γραμμικά στοιχεία, τους νευρώνες, οι οποίοι αλληλοσυνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε να επεξεργάζονται τις πληροφορίες ταυτόχρονα. Τα κυριότερο χαρακτηριστικό που καθιστούν τα ΤΝΔ ιδιαίτερα, είναι η εφαρμογή τους σε μη γραμμικό έλεγχο. Άλλα βασικά χαρακτηριστικά που έχουν, είναι η ικανότητα ανεκτικότητας σε βλάβες, το μεγάλο πλήθος πληροφοριών που είναι ικανά να επεξεργαστούν όπως και η αντιμετώπιση περιπτώσεων που δεν έχουν ξανασυναντήσει. Το ακρωνύμιο ANFIS προέρχεται από τις λέξεις adaptive neuro-fuzzy inference system. Χρησιμοποιώντας ένα σύνολο εισόδων / επιθυμητών εξόδων , κατασκευάζουμε ένα σύστημα ασαφούς συλλογιστικής στο οποίο οι παράμετροι των συναρτήσεων συμμετοχής προσαρμόζονται μέσα από τη διαδικασία της μάθησης , χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο της προς τα πίσω διάδοσης του σφάλματος σε συνδυασμό με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. Για την ανάπτυξη του μοντέλου, χρησιμοποιήθηκε το toolbox fuzzy logic του Matlab. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει την οργάνωση του δικτύου και των μεταβλητών του, την εκπαίδευση του νευρο-ασαφούς δικτύου και τέλος την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων του. Για την εκπαίδευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων, Πανεπιστήμιου Πατρών για τα υλικά με την εμπορική ονομασία τερεφθαλικός πολυεστέρας του πολυαιθυλενίου Polyethylene terephthalate (PET) και πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας low density polyethylene, (LDPE). / The scope of this thesis is to investigate the possibility of use of technology of fuzzy logic and neural networks in the insulations aging. In the electrical equipment and specifically in the equipment that functions under high voltage, main component of its manufacture is its insulation, which as a rule is the most sensitive. The duration of life of electrical equipment is limited by the duration of life of its insulation. The control of insulations of electrical equipment of high voltage is meticulous and it becomes under regulations that have been established by the international organizations of standards (IEC, VDE/DIN, UTE/NF, BS, ANSI, TGL, GOST, ΕLΟΤ, CENELEC). The control becomes via the implementation of trials in experimental devices, with application of voltage of concrete wavelengths (industrial frequency, impulse etc) and width of multiple of the voltage under which the particular equipment will function. Nevertheless, after the expiry of the time, the insulation is destroyed at the duration of regular operation of electrical equipment. The most important of the causes in which are owed these destructions of insulations is the phenomenon of certain discharges. These certain discharges are developed in dielectrics of the electrical equipment under certain strain conditions and via the continuous deterioration of their resistance, lead him to destruction of insulation under the voltage of function. With regard to solid insulating materials, the certain discharges can be exterior, which means that they express themselves in the exterior surface of insulating, which is usually also boundary surface with some other gas or liquid dielectric, or be internal, therefore happen in cavities of small dimensions, which have taken shape in the insulating mass at its manufacture. However, the ageing of dielectric does not only affect the dielectric resistance and his tendency of split, but also other characteristic sizes of insulating material, as the angle of losses δ and the factor of losses tanδ. The model that was developed in the frames of this thesis, is capable to forecast the characteristics of a healthy insulation. It accepts as entries the capacity of essay C, parameter ψ (the ratio of distance of interface from the free surface of the essay, to the length of essay) that substantially it determines the location interface into the gap and the tendency of trial. As exit, it makes estimate of factor of losses tanδ. In a general regard the model that was developed gives to the user the possibility of appreciating at an early date and reliably the characteristics of healthy insulation. The data of result are immediately comparable with those of used insulation, so it is possible to constitute the base for the estimate of the situation. The model that is proposed, is based on the principle of fuzzy logic and neural networks and it uses the neural-fuzzy system ANFIS. The fuzzy logic constitutes a generalisation of the Boolean logic. It allows apart from “true” (value “1”) and “false” (value “0”), and the intermediate prices. Thus, a system can be described via a total of simple verbal rules “if - then” which is more easily used and more close to the human logic. The neural networks are networks that are constituted by not linear elements, the neurons, which connected in such a way so as to process the information simultaneously. The main characteristic that gets the neural networks so special is their application in not linear control. Other basic characteristics that they have, is their ability to overhead errors, The amount of the information that are capable to process and to face cases that haven’t met before. The acronym ANFIS derives from the words adaptive neuro-fuzzy inference system. Using a total of entries nad of desirable exits, we manufacture a system of fuzzy syllogistic in which the parameters of the membership functions are adapted through the process of learning. For the development of the model, it was used the toolbox fuzzy logic of Matlab. The process that was followed includes the organisation of network and its variables, the education of the neural-fuzzy network and finally the confirmation of the results. For the education of model were used measurements of Laboratory of High Voltages, of University Patras for the materials called Polyethylene terephthalate (PET) and low density polyethylene, (LDPE).

H σεισμική μόνωση στις γέφυρες συνδυάζει δύο φαινόμενα: (α) αύξηση της θε-μελιώδους ιδιοπεριόδου του συστήματος, και (β) προσθήκη αυξημένης απόσβεσης στο σύστημα. Το πρώτο επιτυγχάνεται με την εισαγωγή εύκαμπτων εφεδράνων ή εφεδράνων ολίσθησης στην επιφάνεια μόνωσης. Το δεύτερο επιτυγχάνεται είτε με την εισαγωγή α-ποσβεστήρων με ιξώδη συμπεριφορά, είτε με τη χρήση ελαστοπλαστικών μονωτήρων, είτε με τη χρήση εφεδράνων αυξημένης ικανότητας απόσβεσης (π.χ. εφέδρανα με πυρή-να μόλυβδου LRB, εφέδρανα τριβής με επίπεδη ή σφαιρική επιφάνεια - FPS, εφέδρανα με ελαστομερή υψηλής απόσβεσης - HDRB). Σε πολλές χώρες υψηλής σεισμικότητας και υψηλής στάθμης αντισεισμικής τε-χνολογίας (π.χ. στην Ιταλία) δεν συνηθίζεται, ούτε επιτρέπεται, η χρήση κοινών ελαστομερών εφεδράνων για την επίτευξη του πρώτου από τα δύο ανωτέρω φαινόμε-να/αποτελέσματα. Μάλιστα, η σεισμική μόνωση θεωρείται ότι πρέπει να συνδυάζει και τα δύο φαινόμενα/ αποτελέσματα με χρήση ειδικών προς τούτο συσκευών. Αντίθετα, στις ΗΠΑ και στην Ελλάδα συνηθίζεται, και επιτρέπεται, η χρήση κοινών ελαστομεταλλικών εφεδράνων για την επίτευξη του πρώτου αποτελέσματος, με ή χωρίς πρόσθετη απόσβεση μέσω ειδικών αποσβεστήρων. Γενικότερα, η σχέση μεταξύ των δύο φαινόμενων δεν προσδιορίζεται στους κα-νονισμούς, παρόλο που επηρεάζει τόσο την ασφάλεια της κατασκευής όσο και την απο-τελεσματικότητα του συστήματος μόνωσης. Για τον λόγο αυτό διενεργήθηκε μια σειρά δοκιμών, με την ψευδοδυναμική μέθοδο, γεφυρών μονωμένων με διάφορα εύκαμπτα ε-φέδρανα (ειδικά ή κοινά). Τα κοινά εφέδρανα δοκιμάσθηκαν με ή χωρίς πρόσθετη από-σβεση μέσω ειδικών αποσβεστήρων. / -

Μελέτη της συμπεριφοράς μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων της συνδυαστικής μόνωσης ελαίου και λεπτών χάρτινων και πλαστικών διαφραγμάτων. Συμπεράσματα: Αύξηση διηλεκτρικής αντοχής, μείωση σχετικού σφάλματος διάταξης. / Study of the behavior of composite insulations consisting of oil and paper or plastic diaphragms through experimental data analysis. Conclusions: Increased dielectric strength, reduced standard deviation/mean ratio

Είναι γνωστό ότι οι διεπιφάνειες παίζουν σηµαντικό ρόλο στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, ιδιαίτερα των στερεών συνθετικών µονώσεων µέσα στις οποίες δηµιουργούνται µακροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των µονωτικών στρωµάτων και µικροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των κυρίων µονωτικών υλικών και του πλήσµατος, που προστίθεται στις µονώσεις για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και της µηχανικής τους αντοχής. Αρκετοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί πειραµατικά µε τις επιδράσεις διαφόρων παραµέτρων των διεπιφανειών στην ηλεκτρική γήρανση των µονώσεων. Τέτοιες παράµετροι είναι η ασκούµενη πίεση µεταξύ των στρώσεων των µονωτικών υλικών, η τραχύτητα των εφαπτόµενων επιφανειών, η τιµή της πεδιακής έντασης στις διεπιφάνειες και η δηµιουργία φορτίων χώρου στις διεπιφάνειες. Άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την επίδραση των διαφραγµάτων στην ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνάται πειραµατικά η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των στερεών µονώσεων, σε οµογενές και ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο: α) της παραµέτρου ξ, που καθορίζει τη θέση µιας διεπιφάνειας µέσα στο µονωτικό διάκενο και ορίζεται ως ξ=x/y, ο λόγος της απόστασης x της διεπιφάνειας από το ηλεκτρόδιο ΥΤ προς την απόσταση y µεταξύ των ηλεκτροδίων, β) της παραµέτρου ψ=ε1/ε2, που ορίζεται ως ο λόγος των τιµών της διηλεκτρικής διαπερατότητας των υλικών που σχηµατίζουν την διεπιφάνεια και γ) του αριθµού n των διεπιφανειών µέσα στο µονωτικό διάκενο. ∆ιερευνάται επίσης, η µεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των µονώσεων µε διεπιφάνειες, σε σχέση µε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου καταπόνησης και σε συνδυασµό µε τις παραπάνω παραµέτρους. Η έρευνα υλοποιήθηκε σε τρία στάδια. Πρώτα σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν διάφορες κατηγορίες δοκιµίων ανάλογα µε τον τύπο των διεπιφανειών τους και τη διάταξη των ηλεκτροδίων, καθορίσθηκαν τα πειράµατα για τη µέτρηση της ηλεκτρικής αντοχής των δοκιµίων και τη µέτρηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους σε διάφορες πεδιακές εντάσεις. Ύστερα, σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν ειδικές πειραµατικές κυψέλες, καθορίσθηκε η διαδικασία εκτέλεσης των πειραµάτων και εκτελέσθηκαν τα πειράµατα. Τέλος, έγινε η επεξεργασία των µετρήσεων, η µελέτη και η ανάλυση των πειραµατικών αποτελεσµάτων και εξήχθησαν τα συµπεράσµατα. i Για τον σχεδιασµό των δοκιµίων και των πειραµατικών κυψελών και για τον καθορισµό των πειραµάτων ελήφθησαν υπόψη στοιχεία που αφορούν στη δοµή των στερεών πολυµερών µονωτικών υλικών και στους µηχανισµούς διάσπασης και γήρανσης των στερεών συνθετικών µονώσεων, καθώς και επιστηµονικές εργασίες άλλων ερευνητών που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Στα δοκίµια δηµιουργήθηκε ένας από τους δυο τύπους διεπιφανειών, που εµφανίζονται συχνά στις στερεές µονώσεις του εξοπλισµού υψηλής τάσης: α) διεπιφάνειες µεταξύ ενσωµατωµένων στερεών µονωτικών υλικών και β) διεπιφάνειες µεταξύ µονωτικών φύλλων. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε τον πρώτο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από κύριο µονωτικό υλικό LDPE (low density polyethylene, πολυαιθυλένιο χαµηλής πυκνότητας), µε ένα διάφραγµα στο εσωτερικό τους κατασκευασµένο από LDPE µε φεροηλεκτρικό πλήσµα PZT (lead zirconate titanate, πρόσθετο µολύβδου-ζιρκονίου-τιτανίου), καθώς και δοκίµια από LDPE µε διάφραγµα από CP (chlorinated paraffin, χλωρική παραφίνη). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Όλα τα δοκίµια είχαν ίδιο πάχος (950µm) και τα πάχη των διαφραγµάτων τους ήταν 100, 200 ή 20 µm, κατά περίπτωση. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 520 δοκίµια, στα οποία είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, σε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκαν δοκίµια από διαφανές µονωτικό υλικό ΡΜΜΑ (polymethyl methacrylate, πολυµεθακρυλικό µεθυλεστέρα) µε διάφραγµα από ER (epoxy resin, εποξειδική ρητίνη) και πλήσµα ΡΖΤ. Η διάταξη των ηλεκτροδίων στα δοκίµια ΡΜΜΑ ήταν ακίδα-πλάκα, η απόσταση των ηλεκτροδίων ήταν 7,5 mm και το πάχος του διαφράγµατος ήταν 50 µm. ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διαφορετικές τιµές της παραµέτρου ξ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 100 δοκίµια ΡΜΜΑ. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε το δεύτερο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από στρώσεις µονωτικών φύλλων, από κύριο υλικό ΡΕΤ (polyethylene terepthalate, τερεφθαλικός πολυεστέρας του πολυαιθυλενίου). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε παραµέτρους τα πάχη των επιµέρους φύλλων και το συνολικό πάχος των δοκιµίων, τη θέση και τον αριθµό των διεπιφανειών µέσα στα δοκίµια. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 760 δοκίµια, στις εξωτερικές επιφάνειες των οποίων είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, δε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκε µια τρίτη κατηγορία δοκιµίων χωρίς διάφραγµα, από LDPE µε πλήσµα ΡΖΤ, για να διερευνηθεί η επίδραση του πλήσµατος στα ηλεκτρικά ii χαρακτηριστικά των δοκιµίων, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης. Κατασκευάσθηκαν 50 δοκίµια πάχους 200 µm, µε ενσωµατωµένα ηλεκτρόδια χαλκού σε διάταξη πλάκας-πλάκας, µε διάφορες τιµές περιεκτικότητας ΡΖΤ. Στα δοκίµια εκτελέσθηκαν πειράµατα διάσπασης µε γραµµικά αυξανόµενη τάση AC και πειράµατα µέτρησης χωρητικότητας, εφδ και ΜΕ µε τάση AC σε διάφορες τιµές από 5% έως 85% της τάσης διάσπασης των δοκιµίων. Στα δοκίµια ΡΜΜΑ έγιναν πειράµατα µέτρησης του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών µε ταυτόχρονη µέτρηση ΜΕ κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής τους καταπόνησης µε σταθερή τάση AC, και ακολούθησαν µικροσκοπικοί έλεγχοι για τη διερεύνηση των δενδριτών. Επίσης, στα δοκίµια από µονωτικά φύλλα εκτελέσθηκαν πειράµατα µέτρησης του χρόνου διάσπασης µε ταυτόχρονη καταγραφή ΜΕ κατά την ηλεκτρική τους καταπόνηση µε σταθερή τάση AC. Στις πειραµατικές διατάξεις χρησιµοποιήθηκε εξοπλισµός του Εργαστηρίου Υψηλής Τάσης του Κέντρου ∆οκιµών Ερευνών και Προτύπων της ∆ΕΗ ΑΕ και του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σε µια συνδυασµένη ερευνητική προσπάθεια των Εργαστηρίων ΥΤ των Πανεπιστηµίων Πατρών και Tomsk της Ρωσίας, εκτελέσθηκαν στο Εργαστήριο του Tomsk αντίστοιχα πειράµατα σε διαφορετικά δοκίµια από κύριο µονωτικό SR (synthetic rubber, συνθετικό καουτσούκ) και PVC (polyvinyl chloride, χλωριούχο πολυβινύλιο) µε πλήσµα ΡΖΤ, µε έµφαση όµως στην επίδραση της πόλωσης του πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων. Σε κάθε οµάδα δοκιµίων, ανάλογα µε τα πειράµατα που εκτελέσθηκαν σε αυτήν, υπολογίσθηκαν οι τιµές των µέσων όρων και των τυπικών αποκλίσεων των µετρήσεων της ηλεκτρικής αντοχής, της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των µέγιστων φορτίων ΜΕ των δοκιµίων, σε διάφορες τιµές της πεδιακής έντασης καταπόνησης. Επίσης, αναλύθηκαν µετρήσεις ΜΕ, των φορτίων, του αριθµού και της φασικής γωνίας εµφάνισης τους. Από τις µετρήσεις του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών και του χρόνου διάσπασης των δοκιµίων υπολογίσθηκαν οι αντίστοιχοι χρόνοι µε πιθανότητα Ρ=0,632 για τα δοκίµια κάθε οµάδας. Από τις επεξεργασµένες τιµές προέκυψαν τα διαγράµµατα µεταβολής της ηλεκτρικής αντοχής, του χρόνου διάσπασης και του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών των δοκιµίων, σε σχέση µε τις τιµές ξ, ψ και n των διεπιφανειών, και τα διαγράµµατα µεταβολής της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των ΜΕ, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης, για διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ. iii Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα µελετήθηκε η επίδραση των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, εξετάζοντας την επίδραση της θέσης της πρώτης διεπιφάνειας στη διαµόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου µέσα σε µονωτικό διάκενο µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας και µελετώντας την επίδραση της πόλωσης του φεροηλεκτρικού πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συνθετικών µονώσεων. Επίσης, µελετήθηκε η ανάπτυξη δενδριτών στο εσωτερικό των στερεών µονώσεων µε διεπιφάνειες διαφράγµατος, καθώς και η επίδραση του πάχους των στερεών συνθετικών µονωτικών υλικών στη διηλεκτρική τους αντοχή. Τα συµπεράσµατα που προέκυψαν συνοψίζονται στα εξής: Οι τιµές της εφδ και των ΜΕ στις στερεές µονώσεις εξαρτώνται από τις παραµέτρους ξ, ψ και n των διεπιφανειών και αυξάνονται απότοµα όταν η πεδιακή ένταση καταπόνησης υπερβεί µια κρίσιµη τιµή, η οποία στις συνθετικές µονώσεις κυµαίνεται συνήθως στο 25% της ηλεκτρικής τους αντοχής. Η ανίχνευση των κρίσιµων τιµών της πεδιακής έντασης µε τη διαδικασία λήψης µετρήσεων εφδ και ΜΕ σε διαδοχικά αυξανόµενα βήµατα τάσης, δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της ηλεκτρικής αντοχής των µονώσεων χωρίς να απαιτούνται πάντοτε καταστροφικές δοκιµές. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας παίζει σηµαντικά σπουδαιότερο ρόλο στην ηλεκτρική αντοχή των στερεών µονωτικών διακένων απ΄ ότι οι άλλες διεπιφάνειες, επειδή οριοθετεί το πρώτο στρώµα του µονωτικού που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο ΥΤ, µέσα στο οποίο ξεκινούν οι µηχανισµοί γήρανσης και διάσπασης των διακένων. Το πάχος του πρώτου στρώµατος επηρεάζει την εξέλιξη των µηχανισµών αυτών. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας διαφράγµατος επηρεάζει την τιµή της πεδιακής έντασης στην κορυφή της ακίδας και την ανάπτυξη δενδριτών στα διάκενα µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας. Υπάρχει µια βέλτιστη θέση ξopt της πρώτης διεπιφάνειας, στην οποία τα αντίστοιχα διάκενα αποκτούν τη µεγαλύτερη τιµή της ηλεκτρικής τους αντοχής Εbmax σε σχέση µε την ηλεκτρική αντοχή των διακένων του ιδίου πάχους και από ίδια κύρια υλικά, που έχουν την πρώτη διεπιφάνεια σε άλλες θέσεις. Η θέση ξopt εξαρτάται από το κύριο µονωτικό υλικό των διακένων, ενώ η τιµή Εbmax εξαρτάται από την τιµή ψ. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι οι δενδρίτες αναπτύσσονται αρχικά στο πρώτο στρώµα του κύριου µονωτικού, ενώ η αύξηση του µήκους τους επηρεάζεται από τις τιµές ψ. Υπάρχει µια βέλτιστη τιµή ψopt που όταν η πρώτη διεπιφάνεια σχηµατίζεται στη θέση ξopt το αντίστοιχο διάκενο αποκτά τη µέγιστη τιµή Εbmax σε σχέση µε τα διάκενα µε άλλες τιµές ψ στη θέση ξopt, η τιµή αυτή µπορεί να υπερβεί το 60% της ηλεκτρικής αντοχής του διακένου χωρίς διεπιφάνειες. iv / It is known that the interfaces have an efficient effect in solid insulations behavior, especially in solid composed insulations inside of which are created macroscopic interfaces between the different dielectric layers and microscopic interfaces between the main insulating materials and additives that are used to optimize the electric and mechanical behavior of the insulations. Many researchers have investigated the effects of various interface parameters on the electric ageing of solid insulations. Such parameters are the applying pressure between the dielectric layers, the roughness of their adjoining surfaces, the electric field strength at the region of the interfaces and the creation of space charge in the vicinity of the interfaces. Other researchers have investigated the effect of dielectric barriers on the electric breakdown strength of solid insulations. In this research, the effect of the following interface parameters on electric characteristics of solid insulations is experimentally investigated, in homogeneous and nonhomogeneous electric field: a) the effect of the parameter ξ=x/y, the ratio of the distance x of the interface from the high voltage electrode to the distance y between the two electrodes, which defines the interface position inside an insulating gap, b) the effect of the parameter ψ=ε1/ε2, which is the ratio of the dielectric permittivity values of the insulating materials, which form the interfaces and c) the effect of the number n of the interfaces that are formed inside an insulating gap. It is also studied the effect of the electric field strength on electric characteristics of solid insulations having internal interfaces, in relation to the above mentioned parameters of the interfaces. The research was completed in three stages. At first, several categories of specimens were designed and constructed with different type of interfaces in various electrodes arrangement, the experiments were set up for measuring the breakdown voltage and electric characteristics of specimens in a range of values of the electric field strength. Then the test cells were designed and constructed and the suitable equipments were installed in the laboratory, the experimental procedure was set up and the experiments were executed on several specimen groups. Finally, the measurements were processed, the diagrams of the variation of the measuring electric characteristics of the specimens in relation to the above interfaces parameters were derived, the experimental results were studied and analyzed, and the conclusions were taken out. Elements concerning the polymer insulating materials structure, the ageing and the breakdown mechanisms of the solid composed insulations, as well as studies of other researchers, were considered for the designing of the specimens and the test cells, and for the determination of the experimental procedures. Inside the specimens was formed one of the following type of interfaces, which are commonly created in solid insulations of high voltage equipment: a) interfaces between two embodied solid dielectrics and b) interfaces between insulating films. The specimens with the first type of interfaces were constructed with a special procedure from low-density polyethylene (LDPE) as main insulating material and inside them was formed a thin barrier constructed from LDPE with the ferroelectric additive lead zirconate titanate (PZT). Specimens were also constructed from LDPE with a barrier from CP (chlorinated paraffin). Various groups of specimens were created with different values of the ξ and ψ parameters of the first interface of the barrier, which was nearest to the HV electrode. All specimens had the same thickness (950 μm) and the thickness of the barrier was 100, 200 or 20 μm. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of all specimens. The total number of these specimens was 520. Specimens were also constructed from the transparent material polymethyl methacrylate (PMMA) with a barrier constructed from epoxy resin (ER) with additive PZT. The electrodes in these specimens were in a pin-plane arrangement and the distance between them was y=7,5 mm. The thickness of the barrier was 50 μm. Several groups of specimens were created according to the value of the parameter ξ of the first interface. The total number of PMMA specimens was 100. The specimens with the second type of interfaces were constructed from PET (polyethylene terepthalate) films. Various groups of specimens were created according to the thickness of the films and the total specimen thickness, the number of the films and their interfaces positions inside of the specimens. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the specimen’s surfaces. The total number of these specimens was 760. A third kind of specimens without interfaces was also constructed from LDPE with additive PZT, in order to study the effect of the additive material on electric characteristics of solid polymeric insulations. Various groups of specimens were created according to the concentration of the PZT inside them. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of the specimens. The total number of these specimens was 50. The following experiments were executed on the various specimen groups from main insulating material LDPE and PET films: breakdown experiments with ramp increasing AC voltage, experiments for measuring of the tanδ, capacitance and PD in a range of values of AC voltage from 5% up to 85% of the breakdown voltage of the specimens. Experiments were also executed for measuring the treeing inception time in PMMA specimens during electric stressing with a constant value of AC voltage, while simultaneously PD measurements were recorded from these specimens. Electrical trees were detected inside the specimens with a special microscope. Experiments for measuring the breakdown time and for recording PD measurements of PET specimens were also executed during electric stressing of the specimens with a constant value of AC voltage. Last technology equipments of the of the High Voltage laboratory of the Testing Research and Standards Center (TSRC) of PPC SA and of the High Voltage Laboratory of the Electrical Engineering and Computers Technology Department of the University of Patras were used for the execution of the experiments. In a common researching effort of the High Voltage laboratories of the University of Patras and of the University of Tomsk in Russia, corresponding experiments had been performed at the Tomsk University on other specimens constructed from different main insulating material, SR (synthetic rubber) and PVC (polyvinyl chloride) with additive PZT, with emphasis on the polarization effect of the additive material on electric characteristics of solid composed insulations. The mean values and the typical deviations of the measurements of the electric breakdown strength, tanδ, dielectric permittivity and PD apparent charges of the specimens were calculated in each specimens group, in every step of the measuring voltage. The PD maximum charge values and the PD phase distribution, as well as the number of PD in PET specimens were also analyzed. The treeing inception time and the breakdown time with probability P=0,632 were calculated from the corresponding experimental results in each specimens group. The diagrams concerning the variations of the electric breakdown strength, the breakdown time and the treeing inception time of the specimens, in relation to the values of the ξ and ψ parameters were derived of the above processed measuring values. The diagrams of variations of tanδ and PD values of specimens, in relation to the electric field strength, were plotted for several values of ξ and ψ parameters. After processing the experimental results, the effect of the interfaces on solid insulations behavior was studied by investigating the effect of the position of the first interface on the configuration of the electric field inside an insulating gap with a pin-plane electrodes arrangement, and by studying the polarization effect of the PZT on electric characteristics of solid composed insulations. The treeing growth mechanism in solid composed insulations with barrier interfaces was also analyzed, and the effect of the thickness of a composed insulation layer on its electric breakdown strength was discussed. The main conclusions of this research are the following: The tanδ and PD values in solid insulations, measured in a constant AC electric field strength, are affected from the ξ, ψ and n parameters of the interfaces and are rapidly increased when the electric field strength exceeds a critical value, which in the case of solid composed insulations is commonly at a level of 25% of their electric breakdown strength. The detection of this critical value by taking tanδ and PD measurements in step-by-step procedure with increasing voltage assists to compare the electric breakdown strength of solid insulations without being necessary to execute always disruptive tests. The position of the first interface affects the electric characteristics of solid insulation gaps more than the other interfaces since this interface is the boundary of the first layer in the gap, which is in conduct with the HV electrode, and the ageing and breakdown mechanisms in the gap are started in this layer. The thickness of the first layer influences also the growth of these mechanisms. The position of the first interface of a barrier affects the electric field strength at the tip of the pin electrode and the treeing inception time of solid insulation gaps with pin-plane electrodes arrangement. There is an optimum position ξopt of the first interface at which the corresponding gaps get the maximum value Ebmax of their electric breakdown strength comparing to the electric breakdown strength of others insulation gaps with the same thickness and constructed from the same main insulating materials but having the first interface at different position. The position ξopt is depended from the main insulating material and the value Ebmax is depending from the value ψ. These are giving in reasons that treeing is starting in the first layer from the main insulating material and the lengthening of the branches of the trees is affected from the value ψ. There is also an optimum value ψopt for the first interface forming at the ξopt position, at which the corresponding gap get the maximum value Ebmax comparing to the electric breakdown strength of others gaps with different value ψ at ξopt position, and this value of Ebmax may exceed 60% the electric breakdown strength of the gap without interface.

- / -

Η μόνωση του εξοπλισμού και των εγκαταστάσεων υψηλής τάσης επιβάλλεται για την διατήρηση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα υπό υψηλή τάση αγώγιμα μέρη. Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη κατηγορία μονωτικών υλικών είναι τα μονωτικά υγρά. Χρήση των μονωτικών ελαίων έχουμε σε μετασχηματιστές, πυκνωτές, καλώδια, μονωτήρες διέλευσης και μετασχηματιστές οργάνων. Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο του γενικότερου ερευνητικού αντικειμένου της μεταβολής της διηλεκτρικής αντοχής των μονώσεων σε συνάρτηση με το σύνολο των παραγόντων που την επηρεάζουν. Η μόνωση γενικότερα, αποτελεί συστατικό στοιχείο κάθε συστήματος και εξοπλισμού υψηλής τάσης, με την αντοχή της οποίας εξασφαλίζεται η εύρυθμη λειτουργία του τελευταίου. Μία μόνωση υπόκειται σε διάφορες καταπονήσεις, οι οποίες οφείλονται σε υπερτάσεις που εμφανίζονται για ποικίλους λόγους. Οι κυριότερες εξ’ αυτών είναι οι εξωτερικές υπερτάσεις, που προκαλούνται από πτώση κεραυνού σε γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, οι εσωτερικές, οι οποίες προκαλούνται από σφάλματα ή χειρισμούς που λαμβάνουν χώρα σε δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, και οι υπερτάσεις από υπερπηδήσεις, που εμφανίζονται κατά τη διάσπαση άλλων μονώσεων μεταξύ κυκλωμάτων διαφορετικών τάσεων. Υπό την επίδραση καταπονήσεων η μόνωση μπορεί να υποστεί μεταβολές (μόνιμες ή παροδικές) διαφόρων ιδιοτήτων της. Η ορθή σχεδίαση της μονώσεως προϋποθέτει τη γνώση των υπερτάσεων που αναμένεται να αναπτυχθούν σε αυτή. Η μορφή της υπέρτασης που εξετάζεται στην παρούσα εργασία είναι η κεραυνική κρουστική τάση. Για τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις (κεραυνού) έχει οριστεί ως τάση δοκιμής η κρούση 1.2/50 μs γιατί η μέση τιμή πολλών καταγραφέντων ρευμάτων κεραυνού κατέληξε σε αυτή περίπου τη μορφή. Η παραγωγή των συγκεκριμένων τάσεων πραγματοποιήθηκε από τη πολυβάθμια κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της οποίας αναλύονται στο τρίτο κεφάλαιο. Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι να καθορίσει την επίδραση διαφόρων παραγόντων στην πιθανότητα μία κρούση να προκαλέσει ηλεκτρική διάσπαση στο μονωτικό έλαιο, καθώς και να μελετήσει την επίδραση των παραγόντων αυτών στα χαρακτηριστικά της διάσπασης, από τα οποία σημαντικότερη είναι η τιμή της τάσης διάσπασης. Τα δεδομένα που προέκυψαν από τη πειραματική διαδικασία αναλύθηκαν στατιστικά και εξάχθηκαν συγκεκριμένα συμπεράσματα όσον αφορά τη φύση της εξάρτησης της διηλεκτρικής αντοχής του μονωτικού ελαίου με τους διάφορους παράγοντες που μελετήθηκαν κατά τη διεξαγωγή του πειράματος. Συγκεκριμένα αναλύθηκε η ένταση και το εύρος της εξάρτησης εξωτερικών παραγόντων, όπως οι ατμοσφαιρικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά του διακένου στο οποίο εφαρμόσθηκε η τάση, αλλά και εσωτερικών όπως είναι η ποιότητα του χρησιμοποιηθέντος μονωτικού ελαίου, δηλαδή ο βαθμός καταπόνησης που το χαρακτηρίζει τη στιγμή που του ασκούμε κρουστική διέγερση. / In order to retain the potential difference between under high voltage conductible particles, insulation of high voltage equipment and facilities is necessary. A commonly used group of insulating materials are insulating liquids. Most popular among them are fossil oils, which are made of oil, because of their easy provision and relatively low cost. Insulating oils are used in transformers, oil disruptors, condensers, cables, transit insulators, and tool transformers. The current essay was developed within the general research topic of the study of dielectric liquids behavior under the influence of strain. Insulation in general is an important component of all high voltage systems and equipment, and through its resistance their proper operation is ensured. An insulation subjects a variety of strains that are caused by variable reasons. The main are caused by external overvoltage, which is caused due to lightning strike on electric power transition lines, internal overvoltage, which is caused by errors and manipulations that take place in the electric power transition field, and flashover overvoltage, caused during the disruption of other insulations among circuits of different voltages. Under the influence of strains an insulation can subject changes (permanent or transient) on various of its qualities. The correct design of an insulation requires a strong knowledge of the overvoltages expecting to take place. The form of hyper voltage that is examined in this essay is lightning impact voltage. As to the atmospheric hyper voltages (lightning), it has been set as test voltage the shock 1.2/50μs, because that was more or less the form in which the average rate of many recorded currents has concluded. The production of specific voltages took place at the multi stage impact generator of the High Voltage laboratory, whose function is described in Chapter III. The purpose of this essay is to examine the influence of a variety of factors in the probability of a shock to cause electric disruption in the insulating liquid, and to study the effect of these factors on the characteristics of the disruption. The data that the experimental process revealed were statistically analyzed and certain conclusion were extracted as regards the nature of the dependence between the dielectric endurance of the insulating oil and the diverse factors studied during the conduction of this experiment. More specifically the study of both external – such as the atmospheric conditions, and internal – such as the quality of the used insulating oil, were a major part of the current essay.

Αντικείμενο της Διατριβής αποτελεί η διερεύνηση των δυνατοτήτων του Γεωαφρού Διογκωμένης Πολυστερίνης (ΓΔΠ) για τη χρησιμοποίησή του ως σεισμικό μονωτικό παρέμβλημα σε συμβατικούς τοίχους εδαφικής αντιστήριξης (τύπου βαρύτητας ή προβόλου) καθώς και σε ακρόβαθρα γεφυρών. Η παρούσα έρευνα βασίζεται στην αριθμητική ανάλυση της συμπεριφοράς συμβατικών τοίχων αντιστήριξης κάτω από τη δράση οριζόντιας σεισμικής διέγερσης βάσης. Οι αναλύσεις διεξάγονται τόσο για μη-μονωμένους τοίχους όσο και για τοίχους σεισμικά μονωμένους με παρέμβλημα ΓΔΠ. Το παρέμβλημα έχει τη μορφή κατακόρυφου φύλλου μικρού σχετικά πάχους που τοποθετείται σε επαφή με την πίσω όψη του τοίχου παρεμβαλλόμενο μεταξύ τοίχου και επιχώματος. Οι αναλύσεις διεξάγονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (κώδικας PLAXIS v.8) με την παραδοχή ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς εδαφικού επιχώματος και κατακόρυφου ελαστικού τοίχου δεδομένης ευκαμψίας και στροφικής αντίστασης της βάσης. Ως δυναμική διέγερση βάσης χρησιμοποιούνται αρμονικές χρονοϊστορίες επιτάχυνσης μεταβαλλόμενου εύρους και συχνότητας. Κατ’ αρχήν αξιολογείται η αξιοπιστία της χρησιμοποιούμενης μεθόδου ανάλυσης και τα αποτελέσματα των αναλύσεων συγκρίνονται με ανάλογα δημοσιευμένα αποτελέσματα και διαπιστώνεται πολύ καλή συμφωνία όσον αφορά την τιμή της σεισμικής ώθησης και το ύψος εφαρμογής της από τη βάση του τοίχου. Για την περίπτωση των σεισμικά μονωμένων (με παρέμβλημα ΓΔΠ) τοίχων οι εξεταζόμενες παράμετροι περιλαμβάνουν το σχήμα του παρεμβλήματος, την πυκνότητα και το ποσοστιαίο (σε σχέση με το ύψος του τοίχου) πάχος του ΓΔΠ, tr, την ευκαμψία του τοίχου, την καθ’ ύψος μεταβολή του μέτρου ελαστικότητας του ΓΔΠ και τη συχνότητα διέγερσης της βάσης. Η αποτελεσματικότητα της σεισμικής μόνωσης περιγράφεται ποσοτικά με τον συντελεστή Ar που ορίζεται ως το επί τοις εκατό ποσοστό της μείωσης (λόγω μόνωσης) της σεισμικής ώθησης σε σχέση με την τιμή που προκύπτει χωρίς μόνωση. Σχετικά με το σχήμα του παρεμβλήματος (κατά την έννοια του ύψους του τοίχου) διεξήχθησαν αναλύσεις για ορθογωνικό σχήμα και τρία τριγωνικά σχήματα και τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η βέλτιστη αποτελεσματικότητα επιτυγχάνεται με χρήση ορθογωνικού σχήματος. Επίσης διαπιστώθηκε ότι είναι δυνατή η επίτευξη τιμών της αποτελεσματικότητας σεισμικής μόνωσης Ar>50% για τιμές πάχους παρεμβλήματος tr 15%. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν επίσης ότι, επειδή η προκύπτουσα σχέση Ar - tr είναι μη γραμμική, απαιτούνται σχετικά μεγάλα πάχη παρεμβλήματος για τη μείωση της σεισμικής ώθησης σε ποσοστό μεγαλύτερο του 50%. Τέλος, για τον αντισεισμικό σχεδιασμό τοίχων αντιστήριξης προτείνεται δοκιμαστικά η εφαρμογή διαδικασίας που βασίζεται στον ΕΑΚ 2000, χρησιμοποιώντας όμως διπλάσια τιμή για το συντελεστή συμπεριφοράς, qw, εφόσον επιδιώκεται η επίτευξη αποτελεσματικότητας Ar=50%. / The objective of the Thesis is the investigation of the possibility to use the Expanded Polystyrene Geofoam (EPS Geofoam) for the seismic isolation of earth retaining walls. The research is based on the results of numerical analyses (using the finite element method) for determining the response of vertical walls supporting horizontal backfill and subjected to horizontal harmonic base excitation. The seismic isolation is realized by placing a column of EPS geofoam (compressible inclusion) between the back-face of the wall and the backfill. The response is calculated by using elastic analysis (with viscous damping for the backfill material). The efficiency of seismic isolation is quantitavely described by the Isolation Efficiency, Ar, defined as the ratio (in percent) of the reduction of earthquake thrust (due to isolation) to the earthquake thrust without isolation. The parameters investigated are the shape of the inclusion, the density and the (percent) thickness, tr, of the EPS geofoam, the wall flexibility, the variation of EPS geofoam modulus of elasticity with depth as well as the amplitude and frequency of excitation. The results of the analyses indicate that the optimum shape of the inclusion is the orthogonal (i.e. constant thickness with depth) whereas the effect of the inhomogeneity of the EPS geofoam along the depth of the wall is negligible, as long as the analysis is conducted using a constant mean value for the Modulus of Elasticity of EPS. The results also indicate that an Isolation Efficiency of about 50% may be achieved by using an inclusion thickness of about 15% of the wall height. Due to the nonlinearity of the relation Ar – tr, further increase of the inclusion thickness has a minor effect on the isolation efficiency of the inclusion. Based on the results of all analyses a tentative procedure is proposed for the earthquake resistant design of earth retaining walls. According to the procedure, the wall is designed following the methodology of the Hellenic Seismic Code (2000) and using qw values twice as those indicated by the Code. The required thickness of the EPS inclusion, tr, is then selected from a diagram relating the tr value to the flexibility of the wall and the density of the inclusion.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ψευδοδυναμικών δοκιμών σε γέφυρα από οπλισμένο σκυρόδεμα, πολλών ανοιγμάτων, σεισμικά μονωμένης με απλά ελαστομεταλλικά εφέδρανα χαμηλής απόσβεσης. Το μέγεθος της γέφυρας καθιστά αδύνατη την προσομοίωση ολόκληρου του φορέα στο εργαστήριο σε πλήρη κλίμακα ή έστω σε μικρότερη αλλά ρεαλιστική κλίμακα. Παράλληλα, η απόκριση του καταστρώματος και των βάθρων αναμένεται να είναι ελαστική κατά την διάρκεια της σεισμικής διέγερσης ενώ η ανελαστική παραμόρφωση θα εντοπίζεται στην στάθμη της σεισμικής μόνωσης. Για αυτό το λόγο, ο οικονομικότερος και πιο κατάλληλος τρόπος δοκιμής είναι η χρήση της μεθόδου των υπο-κατασκευών. Με τον τρόπο αυτό τα εφέδρανα χρησιμοποιούνται ως δοκίμιο και η απόκριση τους μετράται εργαστηριακά, ενώ η υπόλοιπη κατασκευή (κατάστρωμα και βάθρα) προσομοιώνονται αναλυτικά. Οι ψευδοδυναμικές δοκιμές έγιναν με την μέθοδο αυτή εφαρμόζοντας ως διέγερση το πραγματικό επιταχυνσιογράφημα του σεισμού της 15ης Απριλίου του Montenegro, τροποποιώντας το κατάλληλα, ώστε το φάσμα του να είναι συμβατό με το φάσμα του Ευρωκώδικα 8 για έδαφος τύπου C. Το τυπικό όμως πρόβλημα το οποίο εμφανίζεται κατά την εκτέλεση ψευδοδυναμικών δοκιμών μη πραγματικού χρόνου σε συσκευές, των οποίων η απόκριση επηρεάζεται από την ταχύτητα παραμόρφωσης, όπως είναι τα εφέδρανα, είναι η διαφοροποίηση των μετρούμενων δυνάμεων με την πραγματοποίηση της δοκιμής σε διεσταλμένη κλίμακα του χρόνου. Συνεπώς είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια διαδικασία, ώστε σε κάθε βήμα η μετρούμενη δύναμη αντίδρασης των εφεδράνων, η οποία εκφράζει την δυσκαμψία τους, να διορθώνεται ώστε να αντιστοιχεί στην δύναμη που θα μετριόταν εάν η δοκιμή ήταν πραγματικού χρόνου. Για τα λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικές δοκιμές χαρακτηρισμού, με στόχο αφενός τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών των εφεδράνων σε διάφορα επίπεδα παραμόρφωσης και αφετέρου τον υπολογισμό απαραίτητων συντελεστών διόρθωσης, οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν στην ψευδοδυναμική δοκιμή για να ληφθεί υπόψη η επιρροή του ρυθμού παραμόρφωσης. Οι δοκιμές αυτές πραγματοποιήθηκαν σε επίπεδα διατμητικής παραμόρφωσης των εφεδράνων που έφταναν το 100% της αντοχής τους και σε συχνότητες που ήταν κοντά στις ιδιοσυχνότητες που αναμένονται για την κατασκευή κατά την διάρκεια της σεισμικής διέγερσης. Κατά τη διεξαγωγή των δοκιμών τα εφέδρανα υποβάλλονται σε καθορισμένη ιστορία φόρτισης που αποτελείται από συνεχείς ημιτονοειδείς κύκλους μειούμενου εύρους και ένα τμήμα τυχαίας χρονοϊστορίας. Μετά τον προσδιορισμό των διορθωτικών συντελεστών πραγματοποιήθηκαν οι ψευδοδυναμικές δοκιμές σε διάφορα επίπεδα έντασης της εδαφικής σεισμικής επιτάχυνσης. Για τις δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν δύο ζευγάρια εφεδράνων, για καθένα από τα οποία έγινε ξεχωριστή δοκιμή χαρακτηρισμού. Η ταχύτητα εκτέλεσης των δοκιμών επιλέχθηκε να είναι μια τάξη μεγέθους πιο γρήγορη από αντίστοιχες προηγούμενες δοκιμές. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν καταρχάς ότι η διαδικασία που επιλέχθηκε για να ληφθεί υπόψη η επιρροή του ρυθμού παραμόρφωσης ήταν επιτυχής. Επιπλέον, κατέδειξαν ότι η μόνωση γεφυρών με χρήση του συγκεκριμένου τύπου εφεδράνων δεν αποτελεί αποτελεσματική μέθοδο αντισεισμικής προστασίας καθώς τα εφέδρανα αστόχησαν σε επίπεδα παραμόρφωσης χαμηλότερα από αυτά που απαιτούν οι κανονισμοί. / The results of hybrid tests performed on a multi-span RC bridge are presented. The bridge, typical example of bridges employing only plain, elastomeric, low damping isolation devices, is sub-structured for testing purposes: the isolators are physically tested while the response of the remaining structure is simulated numerically. Hybrid testing is performed quasi-statically and - to account for the actual influence of real-time loading on the properties of the isolation devices - a pre-testing phase is carried out in which isolators are strained dynamically at different velocity levels to determine the relation of the real-time response to that during static conditions. Following this phase of characterization, pairs of isolators in a back-to-back (parallel) configuration are tested with the hybrid method, with on-line modification of the measured restoring forces based on the results of the pre-test campaign. The experimental program revealed that the specific type of elastomeric bearings used in the study do not comply to current code provisions as they rupture at deformation levels considerably lower than the code-prescribed ones.