Φαινόμενα διασπάσεως και μοντελοποίησή τους σε νανοσυνθετικά υλικά

Abstract

Electrical insulation plays a significant role in ensuring the performance of high voltage electrical equipment. The demand for dielectric properties improvement and cost reduction of solid insulation has oriented research towards nanotechnology. New insulating materials with enhanced electrical, thermal and mechanical properties can be realized by introducing inorganic nanoparticles in organic polymer materials. Although, the research in this sector is still in an early experimental stage, all the indications depict that a new era is already initiated in the sector of solid insulation. The understanding of the enhanced properties that polymer nanocomposite materials exhibit, as well as the behavior of breakdown phenomena in these materials, comprise an active research field. The existing perception is that the enhanced properties seem to derive from the electrochemical and electrical properties of interfaces that are formed between the polymer material and the nanoparticles. In the first part of this PhD Thesis, the theoretical models that have been proposed until now intending to mainly explain the interfaces properties in polymer nanocomposite materials, are presented and compared. Moreover, an attempt with the aid of the models is made in order to investigate and validate the behavior of some dielectric breakdown phenomena, such as the partial discharge activity and the electrical tree phenomenon. The theoretical models constitute a significant attempt to comprehend and illustrate the properties of the interfaces and furthermore, the enhanced properties and phenomena in polymer nanocomposite materials. Nevertheless, there is not a global model that can explain all the properties and phenomena that polymer nanocomposite materials exhibit. The experiments in polymer nanocomposite materials are not only focused in their properties, but also in the observation of the breakdown mechanisms behavior. One of the main aging phenomena of the solid insulation that can eventually lead to its dielectric breakdown, is the electrical treeing. This is a complicated phenomenon, which initiates from regions where the local electric field is high and propagates through the insulation provoking erosion.During the last decade, the electrical treeing behavior in polymer nanocomposite materials was experimentally examined. In this PhD Thesis, the electrical treeing phenomenon in polymer nanocomposite materials is modeled and examined using simulation. The novelty of this PhD Thesis is the modeling of the phenomenon in polymer nanocomposite materials. The existing models simulate the electrical treeing in pure polymers, whereas this PhD Thesis constitutes an attempt to simulate the phenomenon in polymer nanocomposite materials and to qualitatively compare the simulation results with experimental results. The initial 2-D model of electrical treeing, which is presented in the second part of this PhD Thesis, simulates the growth of electrical trees, which initiate from a high voltage needle electrode (a needle-plane electrode arrangement) and propagate through the polymer nanocomposite material. Although nanoparticles are only introduced in the vicinity of the high voltage electrode, the model is an initial attempt to simulate the electrical tree behavior under the presence of nanoparticles. The model is based on cellular automata (CA) and the rule that determines the tree growth is related to the local electric field. More precisely, if the local electric field, in a small region around a tree channel, exceeds the dielectric breakdown strength of the material, local dielectric breakdown occurs and the tree propagates towards this region. The local electric field is calculated by the applied voltage at the electrode arrangement, the presence of space charges, the relative permittivity of the polymer and the nanocomposites and an inhomogeneity factor, which is related to the material. Except from the electrical treeing modeling, this Thesis also addresses the investigation of the phenomenon. The behavior of the electrical tree propagation under the presence of nanoparticles and space charges is examined. Moreover, the effect of nanoparticles size and the presence of impurities in tree channels growth are studied. At the third part of this PhD Thesis, an improved model for propagation of electrical trees in polymer nanocomposite materials is presented. This 2-D model provides the opportunity to introduce nanoparticles in the whole area of the polymer and to determine the exact position of each nanoparticle in the polymer, through the computation of the interparticle distance, for a given nanoparticles concentration and size. The general rule that defines the growth of electrical tree channels remains the same as the one mentioned in the model proposed in the second part of the Thesis, but with the introduction of two new equations used for calculating the local electric field inside the nanoparticles and in the polymer. A significant advantage of the improved model is the automation of the simulation procedure and thus, the reduction of the required computational time. Apart from the model improvement for electrical treeing propagation in polymer nanocomposite materials, the third part of this PhD Thesis also addresses the examination of several factors and how they affect the electrical tree behavior.Given the ability to embed nanoparticles in the whole area of the polymer, the way that the electrical tree propagates in the material can be observed in a more enhanced manner. Furthermore, the effect of nanoparticles concentration and size, and also the presence of impurities in tree propagation, can be studied with the use of the proposed model. In order to justify the validity of the proposed models and the simulation results, a qualitative comparison between the simulation results and published experimental results is made. The comparison indicates that the simulation results are in accordance with experimental results, consequently, the models that are proposed in this PhD Thesis can be effectively used as an additional tool in order to examine the electrical treeing phenomenon in polymer nanocomposite materials.

Η ηλεκτρική μόνωση αποτελεί ίσως τη θεμελιώδη συνιστώσα για την εξασφάλιση της σωστής λειτουργίας και απόδοσης του εξοπλισμού υψηλών τάσεων. Η απαίτηση για βελτίωση των ιδιοτήτων και για μείωση του κόστους της στερεάς ηλεκτρικής μόνωσης έχει προσανατολίσει την έρευνα προς τον τομέα της νανοτεχνολογίας. Νέα πολυμερή μονωτικά υλικά με βελτιωμένες ηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες μπορούν να επιτευχθούν μέσω της προσθήκης ανόργανων νανοσωματιδίων στο εσωτερικό οργανικών πολυμερών υλικών. Αν και η έρευνα σε αυτόν τον τομέα βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο πειραματικό στάδιο, όλες οι ενδείξεις συνηγορούν στο ότι έχει ξεκινήσει μία νέα εποχή στον τομέα της στερεάς μόνωσης. Η κατανόηση των βελτιωμένων ιδιοτήτων των πολυμερών νανοσυνθετικών υλικών μέσω του προσδιορισμού των φυσικοχημικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, καθώς και η μελέτη της συμπεριφοράς διαφόρων φαινομένων διάσπασης στα υλικά αυτά, αποτελούν ένα ενεργό πεδίο έρευνας. Η αντίληψη που επικρατεί είναι ότι οι βελτιωμένες ιδιότητες φαίνεται να προέρχονται από τα φυσικοχημικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διεπιφανειών που σχηματίζονται μεταξύ του πολυμερούς υλικού και των νανοσωματιδίων. Στο πρώτο από τα τρία μέρη της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα θεωρητικά μοντέλα, που έχουν προταθεί έως στιγμής, τα οποία κυρίως προσπαθούν να προσδιορίσουν τα χαρακτηριστικά των σχηματιζόμενων διεπιφανειών στα πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά. Επίσης, γίνεται προσπάθεια μέσω των μοντέλων να μελετηθεί και να δικαιολογηθεί η συμπεριφορά κάποιων σημαντικών φαινομένων ηλεκτρικής διάσπασης, όπως οι μερικές εκκενώσεις και οι ηλεκτρικοί δενδρίτες. Τα θεωρητικά μοντέλα αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση των ιδιοτήτων των διεπιφανειών και κατ’ επέκταση των βελτιωμένων ιδιοτήτων και φαινομένων των πολυμερών νανοσυνθετικών υλικών. Ωστόσο, μέχρι στιγμής δεν υπάρχει ένα καθολικό και εμπεριστατωμένο μοντέλο, που να μπορεί να εξηγήσει όλες τις ιδιότητες και τα φαινόμενα που παρατηρούνται πειραματικά στα πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά.Σε πειραματικό στάδιο, η έρευνα δεν εστιάζεται μόνο στις ιδιότητες, αλλά και στην παρατήρηση της συμπεριφοράς διαφόρων μηχανισμών διάσπασης που εμφανίζονται στα πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά. Ένα από τα κύρια φαινόμενα γήρανσης της μόνωσης, το οποίο μπορεί να συντελέσει στη διάσπασή της, είναι το φαινόμενο των ηλεκτρικών δενδριτών. Το φαινόμενο των ηλεκτρικών δενδριτών είναι ένα πολύπλοκο φαινόμενο, το οποίο εκκινεί από περιοχές, όπου το επιτόπιο ηλεκτρικό πεδίο είναι υψηλό, και αναπτύσσεται με τη μορφή διαβρωτικών καναλιών μέσω της στερεάς μόνωσης. Την τελευταία δεκαετία, μελετάται πειραματικά η συμπεριφορά του φαινομένου των ηλεκτρικών δενδριτών στα πολυμερή νανοσυνθετικά μονωτικά υλικά. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, το φαινόμενο των ηλεκτρικών δενδριτών σε πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά μοντελοποιείται και μελετάται μέσω προσομοιώσεων. Η καινοτομία της παρούσας διδακτορικής διατριβή έγκειται στη μοντελοποίηση του φαινομένου σε νανοσυνθετικά πολυμερή υλικά και την ποιοτική σύγκριση των αποτελεσμάτων με πειραματικά αποτελέσματα. Μέχρι σήμερα, τα υπάρχοντα μοντέλα προσομοίωναν το φαινόμενο των ηλεκτρικών δενδριτών σε αμιγή πολυμερή υλικά (δηλαδή πολυμερή υλικά χωρίς προσμίξεις), ενώ η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί ένα από τα αρχικά εγχειρήματα προσομοίωσης του φαινομένου σε πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά. Το αρχικό διδιάστατο μοντέλο των ηλεκτρικών δενδριτών, που παρουσιάζεται στο δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής, προσομοιώνει την ανάπτυξη ηλεκτρικών δενδριτών που εκκινούν από ένα αιχμηρό ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης (μίας ηλεκτροδιακής διάταξης ακίδας-πλάκας) και διαδίδονται μέσω του πολυμερούς νανοσυνθετικού υλικού. Αν και τα νανοσωματίδια εισάγονται σε μία μόνο μικρή περιοχή του πολυμερούς γύρω από το ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης, εντούτοις το μοντέλο αποτελεί μία πρώτη προσέγγιση της συμπεριφοράς του δενδρίτη με την παρουσία νανοσωματιδίων. Το μοντέλο βασίζεται στα κυψελιδωτά αυτόματα και ο κανόνας που καθορίζει την ανάπτυξη του δενδρίτη σχετίζεται με το επιτόπιο ηλεκτρικό πεδίο. Πιο συγκεκριμένα, εάν το επιτόπιο ηλεκτρικό πεδίο, σε μία μικρή περιοχή περιμετρικά μιας διακλάδωσης του δενδρίτη, υπερβεί τη διηλεκτρική αντοχή του υλικού στη διάσπαση, προκαλείται επιτόπια διάσπαση στην περιοχή και ο δενδρίτης αναπτύσσεται προς αυτήν την περιοχή. Το επιτόπιο ηλεκτρικό πεδίο υπολογίζεται από την εφαρμοζόμενη τάση στην ηλεκτροδιακή διάταξη, από την ύπαρξη φορτίων χώρου, από τη διηλεκτρική σταθερά του πολυμερούς και των νανοσωματιδίων, καθώς και από έναν παράγοντα ανομοιογένειας που σχετίζεται με την ανομοιομορφία του υλικού. Εκτός από τη μοντελοποίηση του φαινομένου, η παρούσα έρευνα περιλαμβάνει και τη μελέτη του φαινόμενου. Εξετάζεται η συμπεριφορά της διάδοσης του δενδρίτη παρουσία των νανοσωματιδίων, αλλά και παρουσία φορτίων χώρου. Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση του μεγέθους των νανοσωματιδίων και η ύπαρξη ατελειών στην ανάπτυξη των δενδριτικών καναλιών.Στο τρίτο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται ένα βελτιωμένο μοντέλο προσομοίωσης της διάδοσης ηλεκτρικών δενδριτών σε πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά. Το εν λόγω διδιάστατο μοντέλο παρέχει τη δυνατότητα εισαγωγής νανοσωματιδίων σε όλη την έκταση του πολυμερούς, όπως επίσης και προσδιορισμού της ακριβούς θέσης των νανοσωματιδίων στο πλέγμα μέσω του προσδιορισμού της απόστασης μεταξύ των νανοσωματιδίων, για δεδομένη περιεκτικότητα και μέγεθος νανοσωματιδίων. Ο γενικός κανόνας που καθορίζει την ανάπτυξη των καναλιών του δενδρίτη παραμένει ο ίδιος με αυτόν του μοντέλου που παρουσιάζεται στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής, αλλά υιοθετούνται δύο νέες σχέσεις για τον υπολογισμό του επιτόπιου ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό των νανοσωματιδίων και στο πολυμερές. Σημαντικό πλεονέκτημα του βελτιωμένου μοντέλου αποτελεί η αυτοματοποίηση της διαδικασίας προσομοίωσης και συνεπώς, η μείωση του υπολογιστικού χρόνου. Πλην της βελτίωσης του μοντέλου διάδοσης των ηλεκτρικών δενδριτών στα πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά, το τρίτο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής περιέχει και τη μελέτη της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στη συμπεριφορά των ηλεκτρικών δενδριτών. Έχοντας τη δυνατότητα τοποθέτησης νανοσωματιδίων σε όλη την έκταση του υλικού, δίνεται η δυνατότητα ακριβέστερης παρατήρησης του τρόπου με τον οποίο διαδίδεται ο δενδρίτης μέσα στο υλικό. Επιπροσθέτως, το προτεινόμενο μοντέλο παρέχει τη δυνατότητα εκτίμησης της επίδρασης του μεγέθους και της περιεκτικότητας των νανοσωματιδίων, καθώς και της ύπαρξης ατελειών στη διάδοση των ηλεκτρικών δενδριτών. Προκειμένου να διαπιστωθεί η αξιοπιστία των μοντέλων, καθώς και των εξαγόμενων συμπερασμάτων από τις προσομοιώσεις, πραγματοποιείται ποιοτική σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα. Η σύγκριση έδειξε ότι τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων συνάδουν με αυτά που προέρχονται από πειραματικές μελέτες και επομένως τα μοντέλα που προτείνονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συμπληρωματικά εργαλεία μελέτης του φαινομένου των ηλεκτρικών δενδριτών σε πολυμερή νανοσυνθετικά υλικά.