Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται οι παράγοντες που επιδρούν στην απόδοση και τη διάρκεια ζωής των συνθετικών μονωτήρων. Ειδικότερα εξετάζεται η γήρανση των συνθετικών μονωτήρων από σιλικονούχα πολυμερή με κύριο παράγοντα επιβάρυνσης την απώλεια της υδροφοβικότητας σε συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης λόγω ηλεκτρικών εκκενώσεων, εκκενώσεων corona γύρω από σταγόνες ύδατος που επικάθονται στην επιφάνεια των μη κεραμικών μονωτήρων χρήσεως εξωτερικού χώρου καθώς επίσης και άλλων περιβαλλοντικών παραγόντων που επηρεάζουν τους συνθετικούς μονωτήρες όσο αφορά τις φυσικές και μηχανικές τους ιδιότητες. Τα πολυμερή υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των συνθετικών μονωτήρων θα υποστούν γήρανση με το χρόνο. Στη διάρκεια της χρησιμοποίησης τους είναι σημαντικό να μην αστοχήσουν ή να μην επιτρέψουν ηλεκτρική υπερπήδηση που είναι το αποτέλεσμα της εμφάνισης υψηλών τιμών της έντασης ηλεκτρικού πεδίου σε ορισμένα τμήματα της επιφάνειας του μονωτήρα. Για την αξιολόγηση της γήρανσης των συνθετικών μονωτήρων χρησιμοποιήσαμε μεθόδους φασματοσκοπίας σε πολυμερή υλικά και συγκεκριμένα σε EPSB και SiR, τα οποία υπέστησαν τεστ πολλαπλών εντάσεων σε συνθήκες εργαστηρίου, εξομοιώνοντας τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε για μια περίοδο 15 χρόνων εξομοιώνοντας πραγματικά χρόνια λειτουργίας(15 εργαστηριακά χρόνια) σε θάλαμο πολλαπλών καταπονήσεων επιταχυνόμενης γήρανσης. Σε σύγκριση με το παρθενικό δείγμα. Οι μονωτήρες από EPSB εμφάνισαν κρητιδική μορφή, μειωμένη υδροφοβικότητα και μείωση μορίων υδρογονάνθρακα (CH) κατά την ανάλυση με την φασματοσκοπική μέθοδο ATR-FTIR (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Οι μονωτήρες από SiR δεν εμφάνισαν αξιοσημείωτες αλλαγές κατά τις μετρήσεις FTIR. Παρόλα αυτά όμως με την μέθοδο SEM (Scanning Electron Microscopy) σημείωσαν αυξημένη επιφανειακή σκληρότητα καθώς και αποσύνθεση του υλικού για τις επιφάνειες και των δύο υλικών. Τα αποτελέσματα των ερευνών μας δείχνουν πως τα τεστ πολλαπλών καταπονήσεων είναι αξιόπιστα από τη στιγμή που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Λέξεις Κλειδιά: Γήρανση, συνθετικός μονωτήρας, σιλικονούχο καουτσούκ, τάξη υδροφοβικότητας, εκκενώσεις corona σταγόνων ύδατος, υπερπήδηση, ηλεκτρικό πεδίο συνθετικών μονωτήρων, προσομοίωση, αστοχία υλικού, σιλικονούχα ελαστομερή, ρύπανση, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία, πρόσθετα, πληρωτικά υλικά, διάρκεια ζωής, τεστ πολλαπλών καταπονήσεων, φασματοσκοπία FTIR, μέθοδος SEM. / This diplopma thesis investigates the factors which can play an important role in long term performance and life expectancy of composite insulators. The aging of non ceramic silicone rubber and EPDM insulators is especially studied. Especially is examined the loss of their hydrophobicity due to electrical stresses, corona effect due to water drops that lay on outdoor polymeric insulators surface and other environmental factors which affect the polymeric insulators as far as their physical and mechanical properties concerns. All polymers used in the manufacturing of composite insulators will age over time but what is important is that they do not fail and not permit an electrical flashover which is a result of high values of electric field localized on some parts of the insulator surface. To evaluate the aging of polymeric insulators we used spectroscopy methods in polymeric materials and specifically at EPSB and SiR, with multistress tests in laboratory conditions, simulating real time conditions in the field. The evaluation was conducted for a period of 15 simulated service years of aging (15 lab-years) in the multistress accelerated aging chamber. Compared to the unaged (virgin) sample, the EPSB insulators showed chalking, reduced hydrophobicity, and reduction in hydrocarbon (CH) group molecules in the Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) measurements. The SiR arrester surfaces showed no noticeable changes in the FTIR measurements. However, Scanning Electron Microscopy (SEM) micrographs indicated increased surface roughness and disintegration of the material for both the SiR and EPSB surfaces. Research results indicated that multistress accelerated tests are reliable since they reflect the real world. Key words: Aging, composite insulator, silicone rubber, hydrophobicity classification, water drops corona discharges, flashover, electric field of composite insulator, simulation, material failure, silicone elastomer, pollution, erosion resistance, UV stability, additives, fillers, life expectancy, multistress accelerating tests, FTIR spectroscopy, SEM micrographs.

abstract: This paper presents a theoretical model for evaluating flashover performance of insulators under contaminated conditions. The model introduces several new features when compared with existing models such as, the formation of dry bands, variations in insulator geometry and surface wettability. The electric field distribution obtained from software for 3-Dimensional models along with form factor are used to determine the dimensions of the dry bands and the onset of arcing. The model draws heavily from experimental measurements of flashover voltage and surface resistance under wet conditions of porcelain and composite insulators. The model illustrates the dominant role played by the insulator shape and housing material on the flashover performance. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2012

Although the cost of investment in power lines insulators is 3-5% of the total cost of the installation, the impact of their performance on reliability, failure costs, maintenance routines, etc in power systems is tens of times higher. Composite insulators were introduced 50 years ago and have been used around the world with consistently good experience. Low weight, easy handling, good performance under high pollution, low maintenance costs, and resistance to vandalism are some of their advantages. Nevertheless, acid rain, salty dust deposition, corona discharges, ozone, UV radiation, and humidity among other factors, deteriorate the quality of the polymeric housing reducing their hydrophobicity. The synergistic action of ageing factors is extremely complex and the whole degradation process may change when any one variable is slightly modified. Many studies have been carried out to increase understanding of the physicochemical processes which control the electrical and mechanical stability of polymers during in-service ageing with the objective of predicting remaining life-times. Vital areas of knowledge about polymer insulators are still incomplete and lacking; three of them are: (1) early stages of degradation in service under different environmental conditions, (2) monitoring and diagnosis techniques suitable for distribution installations and (3) steps to establish an insulators management plan based on condition and risk of failure. In this research these three topics are covered. A full review of literature about management of electrical distribution assets is included, followed by a specific plan developed for monitoring, diagnosis and ranking of insulators mainly supported by visual inspections. Diagnosis of medium voltages EPDM insulators recovered from service aged under different conditions is done using both traditional techniques and, uniquely, dielectric impedance. The relationship between surface roughness and static contact angle is also used to characterize insulators' surfaces. Early stages of degradation are studied focusing the experimental work to evaluate the electrohydrodynamic processes which occur on new samples under different conditions, giving special attention to leakage current pulse analysis, electric field enhancement, and resistance/capacitive behaviour including phase of leakage current. Results from each specific topic offer additional understanding of polymer insulators degradation providing insight to monitoring, diagnosis and management. Additionally, results open new topics in which new investigations are proposed.

Diese Arbeit ist das Ergebnis von mehr als 35 Jahren Erfahrung mit Hochspannungsfreileitungen, 25 Jahre davon sind durch die intensive Beschäftigung mit Silikonverbundisolatoren stark geprägt worden. Verbundisolatoren werden inzwischen als gleichwertige Alternative zu Porzellan- und Glasisolatoren anerkannt und weltweit in großen Stückzahlen eingesetzt. Durch die Verschiedenartigkeit seiner Komponenten ist die Wechselwirkung zwischen mechanischer und elektrischer Integrität bei einem Verbundisolator von großer Bedeutung. Man denke z.B. an die Auswirkung von Rissen im glasfaserverstärkten Kern, die durch unzureichende mechanische Auslegung entstehen und Teilentladungen bzw. im schlimmsten Fall einen inneren Durchschlag verursachen können. In diesem Sinne untersucht diese Arbeit , nach einer kurzen Einleitung, die verschiedenen Bauarten von Verbundisolatoren, d.h. Verbundlangstäbe, Verbundstützer, Isoliertraversen für Kompaktleitungen und Phasenabstandshalter; insbesondere für letztere werden neue Erkenntnisse zu deren mechanischen Bemessung hier erstmalig veröffentlicht.:1 Einleitung 1.1 Vorteile und Entwicklung von Verbundisolatoren 1.2 Erfahrungen mit Verbundisolatoren 1.3 Einsatz von Verbundisolatoren in Hochspannungsfreileitungen 1.4 Einsatz von Verbundisolatoren bei elektrischen Apparaten und Freiluftschaltanlagen. 1.5 Stand der Normung 2 Verbundlangstabisolatoren 2.1 Anwendungen von Verbundlangstabisolatoren 2.2 Das Verhalten von Verbundlangstabisolatoren unter mechanischer Beanspruchung 2.2.1 Die Dauerstandfestigkeit von Verbundlangstabisolatoren 2.2.1.1 Die Dauerkraftkurve von Verbundisolatoren nach IEC 61109/92 2.2.1.2 Mechanisches Modell für das Langzeitverhalten von Verbundisolatoren 2.3 Verhalten von Verbundlangstabisolatoren bei dynamischer Belastung 2.4 Auslegung und Montage von Endarmaturen für Verbundlangstäbe 2.4.1 Entwicklung und Stand der Technik der Metallarmaturen 2.4.2 Grundsätzliche Überlegungen zu der Auslegung von Pressarmaturen 2.4.3 Montagetechnik von Pressarmaturen 2.4.4 Berechnungssystematik 2.4.5 Einfache analytische Methode 2.4.6 Fortgeschrittene analytische Methode 2.4.6.1 Verpressung 2.4.6.2 Relaxation 2.4.6.3 Zugbelastung/Pull-out 2.4.7 Numerische Simulation 2.4.7.1 Finite Elemente Modell 2.4.7.2 Rechenergebnisse der Simulation 2.4.7.3 Ergebnisse der numerischen Versagenssimulation 2.4.7.4 Versuchsergebnisse 2.4.7.5 Sensitivitätsanalyse 2.5 Formelzeichen und Abkürzungen 3 Verbundstützisolatoren 3.1 Wesentliche Eigenschaften 3.2 Anwendungen von Verbundstützisolatoren 3.3 Das Verhalten von Verbundstützisolatoren unter Biegung 3.3.1 Allgemeines 3.3.2 Einführung einer Schadensgrenze (damage limit) 3.3.2.1 Versuche zur Bestimmung der Schadensgrenze 3.3.2.2 Versuch zur Bestimmung der maximalen Betriebsbiegelast (MDCL) 3.3.2.3 Bestimmung der MDCL und der SCL im gleichen Versuch 3.4 Herstellerangaben zum SCL/MDCL Konzept 3.5 Das sichere Verhalten beim Versagen von Verbundstützern (safe failure mode) 3.6 Kombinierte Belastungen 3.6.1 Lastdiagramme 3.6.2 Beispiele 3.6.2.1 Horizontale Lage des Isolators 3.6.2.2 Isolator bildet einen Winkel von β = 15° zur Horizontalen 3.6.3 Computersimulation 3.6.4 Versuche 3.7 Dynamische Belastungen 3.7.1 Prüflinge 3.7.2 Prüfverfahren 3.7.3 Versuchsergebnisse 3.8 Konstruktive Anforderungen der Endarmaturen 3.9 Analytische Berechnungsmethoden 3.9.1 Einfache analytische Methode 3.9.2 Fortgeschrittene analytische Methode 3.9.2.1 Radiale Druckspannung an der Öffnung der Metallarmatur 3.9.2.2 Axialspannung im GFK-Stab innerhalb der Metallarmatur 3.9.2.3 Schubspannung in der neutralen Achse des Stabes 3.10 Numerische Simulation 3.10.1 Finite Elemente Modell 3.10.2 Versuchsanordnung 3.11 Das Versagensverhalten von Verbundstützisolatoren 3.12 Sensitivitätsanalyse 3.13 Formelzeichen und Abkürzungen 4 Isoliertraversen für Kompaktleitungen 4.1 Einleitung 4.2 Grundsätze der Kompaktierung 4.2.1 Einfluss der Seilaufhängung auf das Mastbild 4.2.2 Möglichkeiten der Leitungskompaktierung 4.2.2.1 V-Ketten 4.2.2.2 Leitungsstützer (horizontal) 4.2.2.3 Abgehängter Leitungsstützer 4.2.2.4 Isoliertraverse 4.3 Die mechanische Auslegung von Isoliertraversen 4.3.1 Die starr gelagerte Isoliertraverse 4.3.2 Die gelenkig gelagerte Isoliertraverse (horizontal-V) 4.3.3 Dynamische Belastungen 4.3.4 Stabilitätsuntersuchungen 4.4 Innovative Anwendungen von Kompaktleitungen 4.4.1 420 kV Leitung mit Hohlkörperisolatoren in der Schweiz 4.4.2 Notgestänge mit Verbundisolatoren 4.4.3 Erste 420 kV Doppelleitung mit Volkernverbundtraversen 4.5 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Phasenabstandshalter 5.1 Einleitung 5.2 CIGRE Umfrage 5.2.1 Auswertung Fragebogen 5.2.2 Betriebserfahrungen 5.3 Anschlusstechnik 5.4 Mechanische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.4.1 Galloping 5.4.1.1 Galloping Amplituden 5.4.1.2 Bauweisen 5.4.1.3 Einbauempfehlungen 5.4.1.4 Belastungen der PAH durch Galloping 5.4.2 Abwurf von Eislasten 5.4.2.1 Stosskräfte auf die PAH . 5.4.3 Elektrodynamische Kurzschlusskräfte 5.4.4 Das Knickverhalten von Phasenabstandshaltern 5.5 Elektrische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.5.1 Mindestlänge 5.5.2 Koronaeffekte 5.5.3 Verschmutzung 5.6 Anwendungen 5.6.1 Kompaktleitung für Mittelspannung 5.6.2 Phasenabstandshalter gegen Seiltanzen durch Eisabwurf 5.6.3 Der Tennisschlägermast 5.7 Formelzeichen und Abkürzungen 6 Ausblick 7 Anhang IEC Normen betreffend Verbundisolatoren 8 Quellenverzeichnis. / This work is the result of more than 35 years of experience with high-voltage overhead lines, 25 years of which have been devoted to silicone composite insulators. Composite insulators are nowadays regarded as an equivalent alternative to porcelain and glass insulators and are used worldwide in large quantities. Due to the diverse properties of the individual insulator components, the interaction between mechanical and electrical integrity in a composite insulator is of paramount importance. For example, cracks in the glass fiber reinforced core, caused by poor mechanical design, can lead to partial discharges and in the worst case to a catastrophic internal electrical breakdown ('flashunder'). In this sense this publication examines, after a short introduction, the different types of composite insulators, i.e. composite long rods, composite posts, insulating cross-arms for compact lines and phase-to-phase spacers; for the latter a new mechanical design concept considering large deflection theory is presented here for the first time.:1 Einleitung 1.1 Vorteile und Entwicklung von Verbundisolatoren 1.2 Erfahrungen mit Verbundisolatoren 1.3 Einsatz von Verbundisolatoren in Hochspannungsfreileitungen 1.4 Einsatz von Verbundisolatoren bei elektrischen Apparaten und Freiluftschaltanlagen. 1.5 Stand der Normung 2 Verbundlangstabisolatoren 2.1 Anwendungen von Verbundlangstabisolatoren 2.2 Das Verhalten von Verbundlangstabisolatoren unter mechanischer Beanspruchung 2.2.1 Die Dauerstandfestigkeit von Verbundlangstabisolatoren 2.2.1.1 Die Dauerkraftkurve von Verbundisolatoren nach IEC 61109/92 2.2.1.2 Mechanisches Modell für das Langzeitverhalten von Verbundisolatoren 2.3 Verhalten von Verbundlangstabisolatoren bei dynamischer Belastung 2.4 Auslegung und Montage von Endarmaturen für Verbundlangstäbe 2.4.1 Entwicklung und Stand der Technik der Metallarmaturen 2.4.2 Grundsätzliche Überlegungen zu der Auslegung von Pressarmaturen 2.4.3 Montagetechnik von Pressarmaturen 2.4.4 Berechnungssystematik 2.4.5 Einfache analytische Methode 2.4.6 Fortgeschrittene analytische Methode 2.4.6.1 Verpressung 2.4.6.2 Relaxation 2.4.6.3 Zugbelastung/Pull-out 2.4.7 Numerische Simulation 2.4.7.1 Finite Elemente Modell 2.4.7.2 Rechenergebnisse der Simulation 2.4.7.3 Ergebnisse der numerischen Versagenssimulation 2.4.7.4 Versuchsergebnisse 2.4.7.5 Sensitivitätsanalyse 2.5 Formelzeichen und Abkürzungen 3 Verbundstützisolatoren 3.1 Wesentliche Eigenschaften 3.2 Anwendungen von Verbundstützisolatoren 3.3 Das Verhalten von Verbundstützisolatoren unter Biegung 3.3.1 Allgemeines 3.3.2 Einführung einer Schadensgrenze (damage limit) 3.3.2.1 Versuche zur Bestimmung der Schadensgrenze 3.3.2.2 Versuch zur Bestimmung der maximalen Betriebsbiegelast (MDCL) 3.3.2.3 Bestimmung der MDCL und der SCL im gleichen Versuch 3.4 Herstellerangaben zum SCL/MDCL Konzept 3.5 Das sichere Verhalten beim Versagen von Verbundstützern (safe failure mode) 3.6 Kombinierte Belastungen 3.6.1 Lastdiagramme 3.6.2 Beispiele 3.6.2.1 Horizontale Lage des Isolators 3.6.2.2 Isolator bildet einen Winkel von β = 15° zur Horizontalen 3.6.3 Computersimulation 3.6.4 Versuche 3.7 Dynamische Belastungen 3.7.1 Prüflinge 3.7.2 Prüfverfahren 3.7.3 Versuchsergebnisse 3.8 Konstruktive Anforderungen der Endarmaturen 3.9 Analytische Berechnungsmethoden 3.9.1 Einfache analytische Methode 3.9.2 Fortgeschrittene analytische Methode 3.9.2.1 Radiale Druckspannung an der Öffnung der Metallarmatur 3.9.2.2 Axialspannung im GFK-Stab innerhalb der Metallarmatur 3.9.2.3 Schubspannung in der neutralen Achse des Stabes 3.10 Numerische Simulation 3.10.1 Finite Elemente Modell 3.10.2 Versuchsanordnung 3.11 Das Versagensverhalten von Verbundstützisolatoren 3.12 Sensitivitätsanalyse 3.13 Formelzeichen und Abkürzungen 4 Isoliertraversen für Kompaktleitungen 4.1 Einleitung 4.2 Grundsätze der Kompaktierung 4.2.1 Einfluss der Seilaufhängung auf das Mastbild 4.2.2 Möglichkeiten der Leitungskompaktierung 4.2.2.1 V-Ketten 4.2.2.2 Leitungsstützer (horizontal) 4.2.2.3 Abgehängter Leitungsstützer 4.2.2.4 Isoliertraverse 4.3 Die mechanische Auslegung von Isoliertraversen 4.3.1 Die starr gelagerte Isoliertraverse 4.3.2 Die gelenkig gelagerte Isoliertraverse (horizontal-V) 4.3.3 Dynamische Belastungen 4.3.4 Stabilitätsuntersuchungen 4.4 Innovative Anwendungen von Kompaktleitungen 4.4.1 420 kV Leitung mit Hohlkörperisolatoren in der Schweiz 4.4.2 Notgestänge mit Verbundisolatoren 4.4.3 Erste 420 kV Doppelleitung mit Volkernverbundtraversen 4.5 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Phasenabstandshalter 5.1 Einleitung 5.2 CIGRE Umfrage 5.2.1 Auswertung Fragebogen 5.2.2 Betriebserfahrungen 5.3 Anschlusstechnik 5.4 Mechanische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.4.1 Galloping 5.4.1.1 Galloping Amplituden 5.4.1.2 Bauweisen 5.4.1.3 Einbauempfehlungen 5.4.1.4 Belastungen der PAH durch Galloping 5.4.2 Abwurf von Eislasten 5.4.2.1 Stosskräfte auf die PAH . 5.4.3 Elektrodynamische Kurzschlusskräfte 5.4.4 Das Knickverhalten von Phasenabstandshaltern 5.5 Elektrische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.5.1 Mindestlänge 5.5.2 Koronaeffekte 5.5.3 Verschmutzung 5.6 Anwendungen 5.6.1 Kompaktleitung für Mittelspannung 5.6.2 Phasenabstandshalter gegen Seiltanzen durch Eisabwurf 5.6.3 Der Tennisschlägermast 5.7 Formelzeichen und Abkürzungen 6 Ausblick 7 Anhang IEC Normen betreffend Verbundisolatoren 8 Quellenverzeichnis.

Over the last 20 years "composite" insulators have been increasingly used in high voltage applications as an alternative traditional materials. More recently, polydimethylsiloxane (PDMS) have been used as weather sheds on these composite insulators. The main attraction with PDMS is that the surface hydrophobicity can be recovered following pollution or surface discharges. Among the possible mechanisms for recovery the most likely is the migration of low molecular weight silicone oil (LMWS) from the bulk to the surface encapsulating pollutant particles. Although it is widely recognised that the migration of LMWS is the cause of this recovery of hydrophobicity, the mechanism of what actually occurs is not well understood. It is also not known for how long this process will continue. The main objective of this study program was to gain improved understanding of the surface hydrophobic recovery process that is unique to polydimethlysiloxane high-voltage insulators. Fundamental knowledge of this mechanism has been increased through the development of the Contact Angle DRIFT Electrostatic Deposition (CADED) novel analytical technique. This technique enabled study of the degradation of silicone elastomers subjected to high voltage environments by closely following LMWS migration from the bulk material to the surface and linking it to the contact angle measurements. The migration rate data showed that the aged material recovered faster that the virgin material. Differences in the rate and maximum surface levels of silicone were seen between materials from different manufacturers. This has significant implications for the life-time of these materials A model system has been developed to examine LMWS diffusion through the bulk material and into the interface of surface and pollutant. This was achieved by examining theoretical and empirically derived equations and using existing experimental data to better understand the mechanism of recovery. This diffusion was Fickian in the initial stages of recovery. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and contact angle measurements were used to substantiate the degree of degradation in in-field silicone insulators by quantifying the levels of the major degradation products: silica and silica-like material and alumina.