SF6 (Sulphur HexaFluoride) gas is exclusively used as a dielectric insulator and arc quenching medium in high voltage power networks. The electronegative properties of the gas and its ability to recombine after dissociation make it a gas of choice for high voltage equipment. However, SF 6 is a greenhouse gas and therefore research is needed to find an alternative. This thesis explores the potential of PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) powder as a dielectric insulator. This has been deployed in a compacted form and when buoyant in air. This approach opens up new avenues for existing research related to gaseous dielectrics and current interruption through the utilisation of small particulates made from insulating materials. A detailed database, of breakdown voltage signals and high speed camera shots, has been compiled to facilitate comparative analysis of the effect of airborne polymer (e.g. PTFE) powders on breakdown voltage across different gap widths, relative to SF6. The breakdown voltage results which were obtained from experimental tests to demonstrate an effect on the voltage withstand that these airborne materials have comparable to that of SF6. Also, their ability to suppress electrical discharges between dielectric probe contacts is also demonstrated during the course of this thesis. In addition, a combined electrical/optical system has been constructed in order to investigate the relationship between airborne particle concentration and the resultant breakdown voltage between electrodes. The optical system was tested using smoke particles prior to its utilisation for powder particles. For both smoke and powder systems, chromaticity was utilised to assess changes in particle density. A model was used to interpret the optical signal and thereby estimate the concentration of airborne particles. This employs factors such as the refractive index, particle radius and essentially the ratio of the light source intensity as seen through the container with scattering particles to the intensity of the same light source seen through the same container without scattering particles.

The work contained within this thesis seeks to address the dielectric and magnetic properties of bismuth substituted barium hexaferrite (composition BaBixFe12-xO19 where x = 0.0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0 and 1.5) across a broad frequency spectrum. This material is potentially of interest in antenna applications (specifically a dielectric resonator antenna) where high permittivity and permeability materials can be exploited to physically minimize the size of antenna devices. At low frequencies (20Hz - 3MHz) LCR meter based analysis was used to investigate the capacitance and inductance of the materials. The highest measured permittivity at 1MHz was Er = 86.18 - 9.910j, tanδ = 0.11. High frequency (45MHz - 20GHz) permittivity was investigated using a vector network analyser (VNA) and coaxial probe. The highest recorded permittivity at 2.45GHz was Er = 14.69 - 1.664j, tanδ = 0:08. A link between substitution level and permittivity and substitution level and inductance was made at either 1MHz or 2.45GHz. The homogeneity of the samples was explored using a near- field permittivity sensor. This showed small localized variations of permittivity across the surface but not significant enough to adversely effect bulk measurements. A dielectric resonator antenna was fabricated using a bismuth substituted barium hexaferrite sample. Resonant frequencies were identified at 6.6, 9.55 and 13.6GHz and radiation patterns for the system showed agreement with published theoretical results. This confirmed the suitability of the material in this application as a high permittivity material with relatively low loss. This thesis contributes to scientific knowledge by characterising a broad range of bismuth composition materials across a wide frequency range, investigating the link between permittivity/inductance and doping level and presenting full results. The material has also been characterised using a near-field permittivity technique and used to fabricated a dielectric resonator antenna which have not previously been undertaken.

Για τη διατήρηση της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των υπό υψηλή τάση αγώγιμων μερών επιβάλλεται η μόνωση του εξοπλισμού και των εγκαταστάσεων υψηλής τάσης. Μία ευρέως χρησιμοποιούμενη κατηγορία μονωτικών υλικών είναι τα μονωτικά υγρά. Τα πιο δημοφιλή εξ’ αυτών είναι τα ορυκτά έλαια, δηλαδή έλαια προερχόμενα από πετρέλαιο εξαιτίας της εύκολης διάθεσης τους και του σχετικά χαμηλού κόστους τους. Χρήση των μονωτικών ελαίων έχουμε σε μετασχηματιστές, ελαιοδιακόπτες, πυκνωτές, καλώδια, μονωτήρες διέλευσης και μετασχηματιστές οργάνων. Στο θεωρητικό κομμάτι της εργασίας περιγράφεται αναλυτικά η χρήση των ελαίων σε κάθε μία από τις παραπάνω συσκευές καθώς και οι φυσικές, χημικές και ηλεκτρικές ιδιότητές τους. Ακόμη αναλύονται οι τρόποι διάσπασης των μονωτικών ελαίων και συγκεκριμένα η ηλεκτρονική διάσπαση, ο μηχανισμός αιωρούμενων σωματιδίων, η διάσπαση κοιλότητας και τέλος η ηλεκτρομεταφορά και ηλεκτροϋδροδυναμικό πρότυπο διηλεκτρικής διάσπασης 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 σ' 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 διβάθμια κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων, η λειτουργία της οποίας αναλύεται στο δεύτερο κεφάλαιο. Μία επιπλέον παράμετρος που εξετάζεται στα πλαίσια της μελέτης της διηλεκτρικής αντοχής των μονωτικών ελαίων είναι ο χρόνος που παρέρχεται μεταξύ της εφαρμογής μίας τάσης σε ένα διάκενο, αρκετής να προκαλέσει διάσπαση, και της διάσπασης και ο οποίος καλείται χρονική υστέρηση. Για τη διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήθηκε η προαναφερθείσα γεννήτρια, παλμογράφος, κυψέλη από υλικό Plexιglass και ηλεκτρόδια Rogowski καθώς και ακίδας-πλάκας. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν υπό κεραυνικές κρουστικές τάσεις θετικής πολικότητας 1.2/50 μs σε έλαιο πετρελαϊκής απόσταξης Shell Diala Oil με στόχο τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του, καθώς μεταβάλουμε τους διάφορους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται. Συγκεντρώσαμε μετρήσεις με στόχο την παρατήρηση της επίδρασης 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 Fortran 98, 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 κύκλο μετρήσεων καθώς και τη διασπορά και τα όρια αξιοπιστίας 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. / Insulation of high voltage equipment and facilities is necessary in order to retain the potential difference between under high voltage conductible particles. A widely 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 theoretical part of the essay analytically describes the use of oils in each of the above appliances as well as their natural, chemical and electrical attributes. Moreover, it explicates the ways of resolution of insulating oils, especially electronic resolution, process of pendulous particles, cavity resolution and, finally, electro transfer and electro hydro-dynamic practice of dielectric resolution. Under the influence of strain, insulation may alter (permanently or impermanently) in several of its attributes. Proper design of insulation requires knowledge of hyper voltages that may occur. 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 1.20/50 ms, 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 double stage impact generator of the High Voltage laboratory, whose function is described in Chapter 2. An extra parameter that is examined during the study of dielectric persistence of insulating oils is the time that passes between the application of high enough to cause resolution in interspace voltage and resolution, which (time) is called time lag. In order to conduct the experiment, the above generator, oscillograph, hive of Plexiglass and Rogowski as well as poker planch electrodes were used. The tests took place under lightning impact voltages of positive polarity1.2/50 ms in Shell Diala Oil in order to study its behavior, as several factors on which it depends are altered. Counts were gathered in order to observe the impact of the size of interspace, oil strain, calmness time as well as atmospheric conditions on resolution voltage. As to the elaboration of counts, a program written on C programming language that effects 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.

Ως δίκτυο υψηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος ορίζουμε το δίκτυο που λειτουργεί υπό τάση από 1kV και πάνω. Όπως γνωρίζουμε, στους εξοπλισμούς υψηλής τάσης η μόνωση είναι απαραίτητο συστατικόγια την προστασία αυτών και τη σωστή λειτουργία τους, η δε χρήση μονωτικών λαδιών έχει καθιερωθεί εδώ και δεκαετίες,για να καλύψει την παραπάνω ανάγκη. Στη διπλωματική αυτή εργασία θα εκτελέσουμε μια σειρά πειραμάτων,για να δοκιμάσουμε τη διηλεκτρική αντοχή ενός συγκεκριμένου εξευγενισμένου ναφθενικό ορυκτέλαιο του Shell Diala Oil σε καταπόνηση εντός διακένου με γραμμικά αυξανόμενη AC τάση, μεταβάλλοντας το εύρος του διακένου, τον τύπο των ηλεκτροδίων και παίρνοντας μετρήσεις με ανάδευση ή όχι του δείγματος μετά από κάποιες ημέρες ηρεμίας αυτού. Για τη διεξαγωγή των δοκιμών μας χρησιμοποιήθηκε η συσκευή BAUR Oil Tester DTA 822-129-1 και πάρθηκαν τα απαραίτητα μέτρα, για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία των πειραματικών αποτελεσμάτων που λάβαμε. Στα κεφάλαια 1, 2 και 3 παρατίθενται θεωρητικά στοιχεία που αφορούν τηχρήση, την προέλευση και τις βασικές ιδιότητες των μονωτικών λαδιών. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται θεωρίες για τους μηχανισμούς διάσπασης των μονωτικών λαδιών. Στο κεφάλαιο 5 βρίσκεται το πειραματικό μέρος της διπλωματικής,όπου παρουσιάζονται η διαδικασία διεξαγωγής του πειράματος, τα χρησιμοποιηθέντα όργανα, οι κανόνες ασφαλείας που ακολουθήσαμε και τέλος τα πειραματικά αποτελέσματα και η διασύνδεση αυτών με τηθεωρητική μας βάση. / --

Είναι ευρέως γνωστό, πως ο εξοπλισμός Υψηλής Τάσης προϋποθέτει την αναγκαία ύπαρξη μόνωσης για την εύρυθμη λειτουργία του. Η μόνωση, εκτός από τον προφανή ρόλο της διατήρησης της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των υπό υψηλή τάση αγώγιμων μερών, έχει και επιπρόσθετους σκοπούς ύπαρξης, όπως την μηχανική στήριξη του εξοπλισμού, την απαγωγή της θερμότητας, κ.α. Απόλυτα καθιερωμένη έχει γίνει η χρήση ορυκτών ελαίων ως μονωτικό υλικό στον εξοπλισμό Υψηλής Τάσης με πιο ενδεικτικό παράδειγμα, τη μόνωση των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών ισχύος. Για πιο αποδοτικά μονωτικά αποτελέσματα στον μετασχηματιστή γίνεται συνδυαστική χρήση του λαδιού με λεπτά συνθετικά φύλλα στερεής φύσεως που καλύπτουν τα τυλίγματα. Όμως, από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 ξεκίνησε μια προσπάθεια αντικατάστασης των συμβατικών ορυκτέλαιων, με λάδια φυτικής προέλευσης και αυτή η προσπάθεια δικαιολογείται από μία σειρά ιδιοτήτων και πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν οι φυσικοί εστέρες. Τα πιο σημαντικά από αυτά είναι η μεγαλύτερη ασφάλεια έναντι πυρός, η βελτίωση της απόδοσης του μετασχηματιστή και κυρίως η φιλικότητα τόσο προς το περιβάλλον όσο και προς τον άνθρωπο. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός συγκεκριμένου είδους φυτικό έλαιο που καταπονείται εντός διακένου, υπό γραμμικά αυξανόμενη AC τάση. Αναζητούμε, λοιπόν, την επίδραση του μονωτικού ελαίου στην τάση διάσπασης καθώς μεταβάλουμε τους διάφορους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται (παραδείγματος χάριν το μέγεθος διακένου, το ρυθμό της γραμμικής αύξησης της τάσης {kVrms/sec}, τη θερμοκρασία, το χρόνο χαλάρωσης του υγρού μεταξύ δύο διαδοχικές μετρήσεις, την επίδραση των φυσαλίδων στη μονωτική συμπεριφορά του ελαίου, κ.α. ). Για το σκοπό αυτό, προμηθευτήκαμε τον φυσικό εστέρα Envirotemp® FR3™ από την εταιρεία COOPER Power Systems, που εκτός της τάχιστης και ανέξοδης αποστολής του υγρού, μας παραχώρησε κάθε διαθέσιμη πληροφορία και την απαραίτητη τεχνογνωσία. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί συνεισφορά στη διεθνή ερευνητική προσπάθεια που γίνεται πάνω στο αντικείμενο της συλλογής πληροφοριών και εξαγωγής συμπερασμάτων για την συμπεριφορά και τις ιδιότητες των ελαίων φυτικής προέλευσης. Για την διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας χρησιμοποιήθηκε η συσκευή BAUR Oil Tester DTA 822-129-1, μέρος του ηλεκτρομηχανικού εξοπλισμού του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων. Η παραγωγή γραμμικά αυξανόμενης (με μεταβλητό ρυθμό) AC τάσης, η μέτρηση της τάσης διάσπασης καθώς και η επιλογή της κατάλληλης προδιαγραφής έγιναν από τη συσκευή αυτή, λαμβάνοντας κάθε φόρα τα αναγκαία μέτρα προστασίας τόσο για τον παρατηρητή, όσο και την συνολική εγκατάσταση του εργαστηρίου. Επίσης, χρειάστηκε η κατασκευή από μηχανουργείο ειδικών ανοξείδωτων λάμων διαφορετικού πάχους με στόχο τη ρύθμιση του μεγέθους του επιθυμητού διακένου μεταξύ των ηλεκτροδίων, ανοξείδωτο δοχείο για τη θέρμανση του λαδιού, ιατρικές σύριγγες για την άντλησή του, αποστειρωμένα δοχεία για την ασφαλή αποθήκευση του, υπό δοκιμή, ελαίου και τέλος μεγάλες ποσότητες γαντιών μιας χρήσεως (τύπου ΛΑΤΕΞ) και χαρτιού για την καθαριότητα τόσο του μηχανήματος όσο και του εργαστηρίου. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε 2 μέρη: το απαιτούμενο θεωρητικό υπόβαθρο και την παρουσίαση και επεξεργασία των μετρήσεων. Έτσι, αρχικά, παρατίθεται μια θεωρητική ανάλυση, βασισμένη στη διεθνή βιβλιογραφία, ώστε να αποσαφηνιστούν οι βασικοί μηχανισμοί που επηρεάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ρευστών διηλεκτρικών. Σκοπός τούτου, η αποσαφήνιση των παραγόντων που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής, ώστε να εξασφαλιστούν τα πλέον αξιόπιστα πειραματικά αποτελέσματα, καθώς και η δημιουργία μιας πλατφόρμας θεωρητικών δεδομένων που θα βοηθήσουν στην εξαγωγή, εν τέλει, των απαραίτητων συμπερασμάτων. Το δεύτερο μέρος, αποτελείται από την παρουσίαση των πινάκων με τις μετρήσεις, τα απαραίτητα διαγράμματα και τέλος την αναλυτική διατύπωση των εξαγόμενων συμπερασμάτων. / It is widely known that the equipment of High Voltage presupposes the necessary existence of insulation for its proper operation. Apart from the obvious role of maintaining the potential difference between the under high voltage conductible parts, the insulation also has additional aims of existence, such as the mechanic support of equipment, the induction of heat, etc. The use of mining oil as insulating material in the equipment of High Voltage has been established, with more indicative example the insulation of windings in Power Transformers. For more efficient insulating results in the transformer, a combination of oil with thin solid and synthetic leaves that cover the windings is used. However, since the beginning of the seventies an attempt begun in order to replace the conventional mineral oils with oils of plant origin and the reason for this attempt is the amount of properties and advantages of natural esters. The most important of them are fireproofness, the improvement of transformer‟s efficiency and mostly the fact that they are environment as well as human friendly. 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). In order to accomplice this purpose, we got the natural ester Envirotemp® FR3™ from the company COOPER Power Systems, which, apart from sending the liquid very fast and with no expenses, also provided us all the information available as well as the essential knowhow. As a result, it is perfectly clear that this diploma thesis is a contribution to the global searching effort on the subject of collecting information and reaching conclusions about the behavior and properties of oils of plant origin. In order to conduct this experimental process, we used the device BAUR Oil Tester DTA 822-129-1, which is part of the electromechanical equipment of the High Voltage laboratory. The production of linearly increasing (with variable rate) AC voltage, the count of the voltage decomposition as well as the selection of the proper specification were determined by this device, while taking every time the necessary precautions regarding the observer as well as the whole laboratory installation. Furthermore, several measures needed to be taken, such as the construction of specific rustproof razors of variable width, in order to adjust the size of the interspace wanted, as well as the supply of a rustproof container for the oil heating, medical syringes for its pump, antiseptic containers for safe storage of the oil under test and, finally, large quantity of disposable gloves (LATEX type) and paper for the cleaning of the device as well as the laboratory. This thesis consists of two parts: the necessary theoretical setting and the presentation and elaboration of counts. Initially, a theoretical analysis is presented, based on international bibliography, in order to clarify the basic processes that affect the electronic properties of the liquid dielectrics. The above aim at the clarification of the factors that require special attention in order to ensure the most reliable experiment results possible, as well as the creation of a platform of theoretical data that will finally help on the reach of the necessary conclusions. The second part consists of the presentation of the count tables, the necessary charts and finally the detailed enouncement of the conclusions reached.

Η μόνωση του εξοπλισμού και των εγκαταστάσεων υψηλής τάσης είναι απαραίτητη προκειμένου να διατηρηθεί η διαφορά δυναμικού μεταξύ των υπό υψηλή τάση αγώγιμων μερών. Παράλληλα με τον κύριο προορισμό της, η μόνωση μπορεί να έχει και άλλους ρόλους, όπως η μηχανική στήριξη των αγωγών, η ανταλλαγή θερμότητας κ.ά. Στην παρούσα εργασία ασχοληθήκαμε με τα ηλεκτροτεχνικά υγρά τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Σε θεωρητικό επίπεδο, περιγράφουμε το ρόλο των μονωτικών λαδιών, τις χρήσεις, τις ιδιότητες τους και τους παράγοντες που τα επηρεάζουν. Σε πειραματικό επίπεδο πραγματοποιούμε πλήθος μετρήσεων με στόχο την εξακρίβωση και την εξαγωγή συμπερασμάτων, χρησιμοποιώντας τη συσκευή Baur Oil Tester DTA 822-129-1 του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού του εργαστηρίου υψηλών τάσεων. Όλες οι μετρήσεις καθώς και η επιλογή της κατάλληλης προδιαγραφής των δοκιμών έγιναν από τη συσκευή αυτή, λαμβάνοντας κάθε φορά τα αναγκαία μέτρα προστασίας για μας και την εγκατάσταση του εργαστηρίου. Το μονωτικό έλαιο που χρησιμοποιούμε είναι ο φυσικός εστέρας Envirotemp® FR3™, από την εταιρεία COOPER PowerSystems. Μερικοί από τους παράγοντες που εξετάστηκαν είναι το μέγεθος του διακένου, ο τύπος της διάταξης των ηλεκτροδίων, η ύπαρξη νερού στη δοκιμαστική κυψέλη, η σχέση και συμπεριφορά του λαδιού με τον χρόνο και οι διαφοροποιήσεις στις ατμοσφαιρικές συνθήκες που επικράτησαν κατά τη διάρκεια του πειράματος. Πιο αναλυτικά η εργασία χωρίζεται σε κεφάλαια τα οποία είναι τα εξής: Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στους μετασχηματιστές και στους τύπους μόνωσης που χρησιμοποιούνται στους διάφορους μετασχηματιστές σήμερα. Στο 3ο κεφάλαιο εξετάζεται στο σύστημα μόνωσης λαδιού - χαρτιού και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα μονωτικά λάδια που έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν μέχρι σήμερα. Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική αναφορά στις ιδιότητες των μονωτικών λαδιών και συγκρίνονται οι ιδιότητες των ορυκτελαίων με αυτές των φυσικών εστέρων. Στο 5ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους τρόπους διάσπασης των μονωτικών λαδιών. Στο 6ο κεφάλαιο εξετάζεται η γήρανση του συστήματος μόνωσης και οι παράγοντες που την επηρεάζουν. Στο 7ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εφαρμογή Retrofilling. Τέλος, στο 8ο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες διαγνωστικές τεχνικές για τον προσδιορισμό της κατάστασης της μόνωσης. Ακολουθεί το πειραματικό μέρος στα κεφάλαια 9, 10, 11 όπου αναλύονται τα χρησιμοποιηθέντα όργανα, παρουσιάζεται η διαδικασία των μετρήσεων βήμα προς βήμα και τελικά πραγματοποιείται η συγκέντρωση των αποτελεσμάτων σε πίνακες και περαιτέρω ανάλυσή τους με βάση τα απαραίτητα διαγράμματα για την εξαγωγή συμπερασμάτων. / The insulation of equipment and installation of high voltage is needed to maintain the potential difference between the high voltage conductive parts. Alongside the main destination, the insulation may have other roles, such as mechanical support of pipelines, heat exchange, etc. In this paper we dealt with electrotechnical fluids both theoretically and experimentally. In theory, we describe the role of insulating oils, uses, properties and factors affecting them. In experimental, we realize number of measurements to identify and draw conclusions using the device Baur Oil Tester DTA 822-129-1 electrical equipment high voltage laboratory. All measurements and choice of appropriate standard tests made by this device, each time taking the necessary measures to protect us and the installation of the laboratory. The insulating oil used is the natural ester Envirotemp ® FR3 ™, from the company COOPER Power Systems. Some of the factors considered are the size of the gap, the type of device electrodes, the presence of water in the test cell, the relationship and behavior of oil over time and variations in atmospheric conditions that prevailed during the experiment. More detailed work is divided into chapters which are: The second chapter is a reference to transformers and types of insulation used in the various transformers today. The third chapter discusses the system insulating oil - paper and then presented the insulating oils used in the past until today. The fourth section provides a detailed report on the properties of insulating oils and compares the properties of these oils with natural esters. The fifth chapter refers to the ways breakdown of insulating oil. The sixth chapter examines the aging of the insulation system and factors affecting it. The seventh chapter presents the implementation Retrofilling. Finally, the eighth chapter presents some diagnostic techniques for determining the state of the insulation. The experimental part in Chapters 9, 10, 11 analyzes the instruments used, shows the process of measuring step by step and finally is made the merger of the results in tables and further analysis based on the necessary diagrams to draw conclusions. The insulation of equipment and installation of high voltage is needed to maintain the potential difference between the high voltage conductive parts. Alongside the main destination, the insulation may have other roles, such as mechanical support of pipelines, heat exchange, etc. In this paper we dealt with electrotechnical fluids both theoretically and experimentally. In theory, we describe the role of insulating oils, uses, properties and factors affecting them. In experimental, we realize number of measurements to identify and draw conclusions using the device Baur Oil Tester DTA 822-129-1 electrical equipment high voltage laboratory. All measurements and choice of appropriate standard tests made by this device, each time taking the necessary measures to protect us and the installation of the laboratory. The insulating oil used is the natural ester Envirotemp ® FR3 ™, from the company COOPER Power Systems. Some of the factors considered are the size of the gap, the type of device electrodes, the presence of water in the test cell, the relationship and behavior of oil over time and variations in atmospheric conditions that prevailed during the experiment. More detailed work is divided into chapters which are: The second chapter is a reference to transformers and types of insulation used in the various transformers today. The third chapter discusses the system insulating oil - paper and then presented the insulating oils used in the past until today. The fourth section provides a detailed report on the properties of insulating oils and compares the properties of these oils with natural esters. The fifth chapter refers to the ways breakdown of insulating oil. The sixth chapter examines the aging of the insulation system and factors affecting it. The seventh chapter presents the implementation Retrofilling. Finally, the eighth chapter presents some diagnostic techniques for determining the state of the insulation. The experimental part in Chapters 9, 10, 11 analyzes the instruments used, shows the process of measuring step by step and finally is made the merger of the results in tables and further analysis based on the necessary diagrams to draw conclusions.

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.

Διηλεκτρικά υγρά (έλαια) χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μόνωση κύριων τμημάτων του εξοπλισμού υψηλών τάσεων. Ειδικά τα φυτικά έλαια εμφανίζουν αυξανόμενο ενδιαφέρον έναντι των ορυκτών ελαίων, λόγω των ιδιαίτερων φυσικοχημικών χαρακτηριστικών τους (π.χ. υψηλότερη διηλεκτρική αντοχή, βιοδιάσπαση κτλ). Στην παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκε μελέτη ηλεκτρικών φαινομένων και φαινομένων οπτικής εκπομπής κατά τη διάρκεια καταπόνησης φυτικού ελαίου FR3TM σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας (1 cm και 2 cm) και εφαρμόστηκε τυποποιημένη διακοπτική κρουστική υψηλή τάση. Μεταξύ άλλων, εξήχθησαν συμπεράσματα σχετικά με τη φάση προεκκένωσης εντός του ελαίου υποβαλλόμενου σε αυτό το ανομοιογενές πεδίο. Αυτά εμφανίζουν πρακτικό ενδιαφέρον αφού στον εξοπλισμό υψηλών τάσεων τα διάκενα είναι ομοιόμορφα σε λίγες μόνο περιπτώσεις. Η όλη πειραματική εργασία εκτελέσθηκε στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. / Dielectric liquids (oils) are widely used for the insulation of main parts of high voltage equipment. Especially, vegetable oils have increasing interest compared to mineral oils, due to their particular physicochemical features (e.g. higher dielectric strength, biodegradability etc). In the present diploma thesis, a study of electrical and optical emission effects was realized during the stressing of vegetable oil FR3TM in an inhomogeneous electric field. More specific, point-to-plane electrode configuration was used (1 cm and 2 cm) and standard switching high voltage was applied. Among other results, conclusions related to the pre-breakdown phase in the oil subjected to this inhomogeneous field were figured out. These conclusions have interest from the practical point of view since in the high voltage equipment the gaps are uniform in a few cases only. The experimental work as a unit was carried out in the High Voltage Laboratory of the Electrical and Computer Engineering Department of the Engineer Faculty of the University of Patras.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη στοχαστικών μοντέλων εκκενώσεων σε υγρά διηλεκτρικά και κατ’επέκταση η εξομοίωση τους σε υπολογιστή για να συγκριθούν ποιοτικά με μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες. Αρχικά περιγράψαμε βασικές έννοιες που χρησιμοποιούμε, όπως εκκένωση, τάση διάσπασης, ηλεκτρική αντοχή, απώλειες κ.α με σκοπό να είναι κατανοητή πλήρως η εργασία. Ύστερα αναλύσαμε τα φυσικά μοντέλα που υπάρχουν και πάνω στα οποία στηρίζονται τα στοχαστικά μοντέλα που μελετήσαμε. Αναλύσαμε το μοντέλο της φυσαλίδας και την συμπεριφορά των φυσαλίδων στις εκκενώσεις στα υγρά διηλεκτρικά. Επίσης μιλήσαμε για το μοντέλο μικροδιάσπασης καθώς και το μοντέλο ιονισμού. Στη συνέχεια περιγράψαμε τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η διάδοση της εκκένωσης μέσα σε ένα υγρό διηλεκτρικό. Αρχικά μιλήσαμε για την έννοια της ηλεκτρονικής στιβάδας και για το πώς αυτή δημιουργείται. εν συνεχεία αναλύσαμε της βασικότατες έννοιες του streamer (αρνητικό και θετικό) καθώς και του leader και περιγράψαμε τους τρόπους δημιουργίας τους, διάδοσης τους και την σχέση που έχουν μεταξύ τους. Τελειώνοντας το θεωρητικό κομμάτι αυτής της διπλωματικής εργασίας αναλύσαμε τα βασικά υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα. Συγκεκριμένα αναλύσαμε το μοντέλο Niemeyer-Pietronero-Wiesmann, εν συνεχεία περιγράψαμε τις βασικές αρχές του μοντέλου FFC (Field Fluctuation Model). Έπειτα αναλύσαμε το μοντέλο Biller και τις εξισώσεις που το διέπουν. Τέλος παρουσιάσαμε και το μοντέλο Δανίκα αναπτύχθηκε το 1996 στο Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης. Στη συνέχεια παρουσιάσαμε το μοντέλο εξομοίωσης με το οποία ασχοληθήκαμε και την βασική ιδέα πάνω στην οποία στηριχθήκαμε. Επίσης περιγράψαμε τις παραμέτρους του προγράμματος και τις παραδοχές που κάναμε. Τέλος αναλύσαμε τις βασικές συναρτήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση του μοντέλου. Επιπρόσθετα δώσαμε τα αποτελέσματα, με πίνακες και γραφικές παραστάσεις, αρχικά για ομογενές πεδίο και μετά για μή ομογενές πεδίου (ακίδα-πλάκα). Επίσης παρουσιάσαμε τα αποτελέσματα κρατώντας διαφορετικές παραμέτρους σταθερούς όπως το συντελεστή γήρανσης και το μήκος του διακένου, με σκοπό να μελετήσουμε ποιοτικά την συμπεριφορά του μοντέλου μας υπό διαφορετικές συνθήκες. Τέλος κάναμε αναλυτικό σχολιασμό τον αποτελεσμάτων των εξομοιώσεων και σύγκριση των με πειραματικές μετρήσεις. Έγινε ακόμα περαιτέρω σχολιασμός για τις πιθανές αστοχίες που μπορεί να εμφανίσει το μοντέλο μας. / The purpose of the current diploma research is the study on the stochastic models of discharge in liquid dielectrics and furthermore the simulation of these models with computer software in order to compare the simulated results with the laboratory results. Firstly we describe the basic theory that we used, for example the discharge voltage, the breakdown voltage, the electric strength and the power loss. The purpose of this description is the diploma research to be easy read. Afterwards we analyzed the physical models that exist which on them are based the stochastic models that we are going to discuss. We analyzed the bubble model and the behavior of the bubbles when a discharge happens in liquid dielectrics. Also we discussed for the model of microexplosion and the model of ionize. Furthermore we described the way that is done the discharge phenomenon inside the dielectric gap. Firstly we analyzed the meaning of the electronic pile and the way that she is formed. Continuously we described the Streamer (negative and positive) and the leader and we described the ways of their creation according with the relationship both of them have. Also we talked about the basic theoretical stochastic models that already exist. In especial we analyzed the Niemeyer-Pietronero-Wiesmann and also we described the basic principles of the model FFC (Field Fluctuation Model). After that we analyzed the model Biller and the equation on which this model is based. Continuously we introduced the model Danika. Furthermore we introduced the model of simulation that we made and the basic idea on which we are based on. Also we described the parameters of the program and the assumptions that we made. Finally we analyzed the basic functions of the program that we used during the simulation of the program. Additionally we introduced the results that we have, with result tables and graphics, firstly for homogeneous field and then for inhomogeneous field. Also we introduced the results with different parameters as guide, like the growth factor and the gap space, in order to have a qualitative analysis of the behavior of the model into different circumstances. Finally we commented thoroughly the results of the simulation and we compare of the results with the laboratories. Also we made further discussion on the possible failure that the program may have.

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.