Projekti / Programi
Raziskava in razvoj integriranih prenapetostnih zaščitnih naprav na osnovi plinskega odvodnika (GDT) v smeri zanesljive miniaturizirane tehnične rešitve (akronim projekta je MINIGDT)
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.02 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T190 |
Tehnološke vede |
Elektriško inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
elektrotehnika , elektronika, fizika in tehnika materialov, vakuumska tehnika, analiza plinov, tehnika in fizika plazme, numerićne metode, racunalniske simulacije
Raziskovalci (17)
Organizacije (3)
Povzetek
Z znanstvenega stališča raziskave na področju prenapetostne zaščite vključujejo številna področja, kot so elektrotehnika in elektronika, analize materialov in plinov, plazma, merilne tehnike, računalniško-numerične metode, konstrukcijske metode in diagnostične metode, ki so vse visokega pomena za razvoj znanosti in tehnologij.
Z družbeno-ekonomskega stališča obstajata vsaj dva problema, ki ju je treba rešiZ znanstvenega stališča raziskave na področju prenapetostne zaščite vključujejo številna področja, kot so elektrotehnika in elektronika, analize materialov in plinov, plazma, merilne tehnike, računalniško-numerične metode, konstrukcijske metode in diagnostične metode, ki so vse visokega pomena za razvoj znanosti in tehnologij.
Z družbeno-ekonomskega stališča obstajata vsaj dva problema, ki ju je treba rešiti, in sicer zanesljivost ter uporaba in reciklaža materialov. Prenapetosti, ki so posledica udara strele namreč lahko povzročijo poškodbe in uničenje naprav priklopljenih na omrežje. Po podatkih zavarovalnic znaša delež izplačil, ki so posledica prenapetosti kar med 20-30%. Zato so z vidika varovanja nacionalnega premoženja zelo pomembne raziskave in razvoj novih izdelkov na področju prenapetostne zaščite, ki se povrnejo v relativno kratkem času. Po drugi strani pa so materiali, ki se uporabljajo v zaščitnih sklopih, zelo dragi, tako v procesu proizvodnje kot v procesu reciklaže. Poleg tega se pojavlja problem prostorske stiske v primeru vgradnje v že obstoječe električne inštalacije. Eden izmed vodilnih svetovnih proizvajalcev prenapetostnih zaščit za zahtevne kupce je podjetje Iskra Zaščite, ki je tudi partner v projektu. Zato je cilj predlagane raziskave priti do optimalnih rešitev in izdelati prototipe zanesljivih in miniaturiziranih sklopov za prenapetostno zaščito.
Izvirnost ideje projekta ter pričakovanih rezultatov ima najmanj dve osnovi:
(i)razumevanje fizike plinskega odvodnika na podlagi podobnih fizikalnih modelov
(ii)uporaba tega novega znanja za izdelavo končnega prototipa celotne prenapetostne zaščite v kombinaciji plinskega odvodnika z varistorji, ki jih bomo razvili za namen projekta
Metode, ki jih bomo uporabljali so matemačne, teoretične, numerične in eksperimentalne. Matematično-fizikalni model za opis nastanka plazme med dvema elektrodama v plinskem odvodniku bomo reševali v dveh prostorskih dimenzijah ob upoštevanju cilindrične simetrije, kjer bomo upoštevali oblikovne značilnosti plinskega odvodnika. Predvidena je tudi uporaba optimizacijske metode (na primer genetski algoritmi), s katero bomo poskušali napovedati primerno geometrijo plinskega odvodnika. Uporabili bomo obstoječe simulacijske kode, ki jih bomo prilagodili za namen plinskega odvodnika. Kontrolo nekaterih parametrov pa bomo spremljali z analitskimi tehnikami na napravah sodelujočih skupin.
Za miniaturizacijo GDT-ja bomo testirali različne plinske mešanice, oblike elektrod in nove visokotemperaturno obstojne materiale. Izdelali bomo tudi plinski odvodnik s posebnim oknom, skozi katerega bomo med tokovnim udarom opazovali sevanje plazme in s spektroskopskimi metodami poskusili določiti temperaturo plazme, ki je tesno povezana s termičnimi poškodbami elektrod.
Razvijali bomo novo kombinacijo klasičnega varistorja in klasičnega GDT v enem kosu. S tem tehnološkim prebojem bi dobili bistveno manjši izdelek, kar pomeni miniaturizacijo prenapetostne zaščitne naprave ob prihranku materialov, znižanju onesnaževanja in odpadkov.
Problem samougasnosti bomo reševali z novo večcelično konstrukcijo s čimer bi več plinskih odvodnikov združili v eni sami celici. Tudi v tej aktivnosti bomo morali izbrati optimalno plinsko mešanico in primerno geometrijo elektrod, ki bosta morala ugodno vplivati na samougasnost. Večcelični GDT bi lahko deloval kot samostojni element ali pa v kombinaciji z nižjenapetostnim varistorjem. V obeh primerih bi dosegli prostorski prihranek, kot tudi ugodne pogoje delovanja prenapetostne zaščitne naprave.
Pomen za razvoj znanosti
Posebnost projekta MINIGDT je integracija znanja ter znanstvenih metod na področju fizike plinov, atomov, trdne snovi, plazme, diagnostično-merilnih metod, teorije vezij, numeričnega modeliranja, programiranja in računalniške simulacije, ki se razvijajo in uporabljajo na različnih področjih, vendar niso dovolj povezane med seboj ter niti z na videz preprostim elementom, kot sta dve elektrodi zaprti v nekem ohišju (kar je v bistvu naš plinski odvodnik). Vendar se je izkazalo, da sta ti dve elektrodi zelo zanimivi za naše tehnološke namene in za znanost, ki se ukvarja z proizvodnjo radioizotopov, nevtronov, elektromagnetnega sevanja in termonuklearne fuzije. Poleg domačih strokovnjakov smo potrebovali in tudi pritegnili pozornost kolegov s teh področjih, tako iz Slovenije kot iz tujine (ITCP Trst, Univerza v Beogradu, Innsbrucku in Michiganu) ter dosegli rezultate, ki jih bodo uporabili na svojih področjih. Rezultati so hkrati na voljo v navidezno čisto neodvisnih področjih. Kot primere empirično podprtih rezultatov znanstvenega pomena navajamo razvoj izjemno natančne kalibracije masnega spektrometra ter testnih postopkov, empirične osnove za uvajanje uporabe grafenov v razelektritvenih napravah, ugotovljene povezave med mikrostrukturo in nanostrukturo materialov s fizikalnimi procesi med prebojem, v relaksaciji in v mirovanju, pridobitev znanja o nelinearnih električnih vezjih sestavljenih iz raznorodnih elementov kot so hibridne kombinacije varistorjev in plazemskih naprav, ter uvajanje konceptov večceličnih in faznih razelektritev. Teoretično modeliranje in simulacije ter razvoj posebnih modulov za spremljanje časovnega poteka prebojev v simulacijah s treecode metodo, ki je predlagano s strani Plasma Theory and Simulation Group PTSG, je čisto nova veja v simulacijskem pristopu, ki ima široko perspektivo na različnih področjih kot so raziskave plazme kristalizacij, generatorjev EM valov. Teoretično modeliranje in simulacije z ionizacijskega fronta pa so čisto nov pristop uporabe kinetičnih simulacij na področju plazem visokih gostot, kjer se praviloma uporabljajo manj zahtevni fluidni modeli, v katerih je velik del fizike vstavljen fenomenološko. Ker je to tudi razlog, da je obnašanje marsikaterega fundamentalnega pojava opaženega v eksperimentih (filamentacija, kolaps, karakteristični časi, selforganizacija) nemogoče reproducirati v simulacijah, novih pa ne napovedati, smo začeli izpopolnjevanje kinetičnih modelov in numeričnih algoritmov za numerične simulacije prostorsko-časovnega poteka razvoja kinetičnih in elektrodinamskih količin v plazemskih napravah visoke gostote. S tem smo naredili velik vpliv na skupino v Michiganu, ki so podprli 3mesečno bivanje enega od naših raziskovalcev (Janez Krek 2013) s ciljem nadaljevanja dela tako na treecode kot na programski opremi XOOPIC ter priprave rezultatov za nadaljnje publiciranje. V tem kontekstu je treba omeniti da so se nekateri sodelavci izven projektne skupine, ki jih je pritegnil ta projekt že odločili za nadaljnje izpopolnjevanje na tem področju. Janez Krek, univ.dipl.inž. bo delal podiplomsko tezo, »Aplikacija numeričnih metod in računalniških simulacij za določanje pogojev pojava navidezne katode v plinskih diodah ter karakterizacijo pri velikih emisijskih tokovih«, medtem ko dr. Jernej Kovačič, že izvaja projekt z naslovom »Določitev računskih okvirjev za obravnavo plinskih razelektritev na primeru prenapetostnih plinskih odvodnikov« financiran s strani Ministrstva za izobraževanje, znanost in šport za »Spodbujanje raziskovalcev na začetku kariere« od 1.12.2013. Treba je tudi omeniti, da so bilateralne pogodbe z Zavodom za fiziko tehničnih fakultet Univerze v Beogradu, z »Multidisciplinary Laboratory (MLAB) of the Abdus Salam International Centre for Theoretikal Physics, ITCP« iz Italije, in s skupino za teoretično fiziko plazme Univerze v Innsbrucku tudi rezultat tega projekta, ki bo lahko velikega pomena za nadaljnji razvoj znanosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je pozitivno vplival na sodelovanje industrijskega okolja z znanstvenim, ki je v Sloveniji pogosto zanemarjen. Pričakujemo, da bo sodelovanje prešlo v dolgoročno, saj so določene akademske raziskave pomagale k industrijskemu napredku pri izdelavi plinskih odvodnikov. To pa je še kako pomembno pri razvoju izdelkov z visoko dodano vrednostjo. Pri plinskih odvodnikih je prav visoka dodana vrednost pomembna prednost, saj na svetu obstaja le nekaj proizvajalcev kvalitetnih energetskih plinskih odvodnikov, ki so sposobni zagotoviti najvišjo kvaliteto. Poleg visoke dodane vrednosti pa moramo omeniti tudi močno razširjeno paleto izdelkov v času trajanja projekta, ki ima velik tržni domet. Razlogi so vsaj trije: cenovna konkurenčnost, ki je posledica miniaturizacije, miniaturizacija je sama po sebi tudi tržna prednost in pa kvaliteta ki pogosto presega vodilne konkurenčne proizvajalce. Nikakor pa ne smemo mimo novosti v svetu prenapetostnih zaščit in sicer faznega plinskega odvodnika, ki bo zanesljivo premešal karte na področju, kjer zaščite temeljijo na osnovi zračnih iskrišč in varistorske tehnologije. Poleg opisanega napredka na področju plinskih odvodnikov, pa je pomemben podatek tudi, da je matično podjetje Iskra Zaščite že izvedlo zamenjavo tujih energetskih plinskih odvodnikov z domačimi. Temu je sledilo tudi eno nemško podjetje, ki ima proizvodnjo zaščit v Sloveniji. Kaže pa se tudi resen interes drugih tujih proizvajalcev zaščit, ki vidijo veliko prednost pred konkurenco tudi v tem, da smo edini evropski proizvajalec energetskih plinskih odvodnikov. Vsa zgoraj našteta dejstva in obeti pa so temelj za »spin off« Plinskih odvodnikov, ki se bo ustanovil v roku enega leta. Povečevanje prodajnega deleža bo seveda pozitivno vplivalo na nova delovna mesta v proizvodnem in razvojnem delu z visoko dodano vrednostjo. Prav razvojni del pa bo motor za napredek novega podjetja, ki ima že v tem trenutku visok nivo znanja. Visok nivo znanja in povezave z akademskimi inštitucijami bodo v podporo pri vzgajanju novih visokokvalificiranih oseb. To bo bodoči temelj podjetja, ki bo zadolžen za razvoj novih produktov s področja plinskih odvodnikov. Kljub potencialu, ki se odpira na področju plinskih odvodnikov, se dobro zavedamo, da na prihodnost vpliva veliko število dejavnikov, zato bo vlaganje v nove razvojne kadre tudi investicija v nastajanje novih visokotehnoloških področij, ki niso direktno povezana s plinskimi odvodniki. Zaradi visokega znanstvenega nivoja, kot tudi povezovanja med različnimi inštitucijami bo delo pri razvoju plinskih odvodnikov ponujalo odlično priložnost za začetek raziskovalne kariere novim kadrom, kot tudi odskočno desko za naprej.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
