Εργαστηριακή διερεύνηση της κρουστικής συμπεριφοράς σπινθηριστών αερίου (GDTs)

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Εργαστηριακή διερεύνηση της κρουστικής συμπεριφοράς σπινθηριστών αερίου (GDTs) Θεοδωρίδου Αναστασία Επιβλέπων καθηγητής: Π.Ν. Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη,2015 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 0

2 Πρόλογος Το παρόν αποτελεί τη διπλωματική μου εργασία στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και πραγματεύεται την εργαστηριακή διερεύνηση της κρουστικής συμπεριφοράς των σπινθηριστών αερίου (GDTs). Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κύριο Παντελή Μικρόπουλο, καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών ΑΠΘ, για την εμπιστοσύνη που έδειξε όλο αυτό το διάστημα, για τη συνεχή και ουσιαστική βοήθειά του στην συγκρότηση και ολοκλήρωση της εργασίας, καθώς και για την άριστη συνεργασία που είχαμε. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένειά μου για την αμέριστη συμπαράσταση και υποστήριξη που μου έδειξαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου και για τα κίνητρα που μου έδιναν να συνεχίσω. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 1

3 Κεφάλαιο 1 ο : Εκτροπείς Υπέρτασης Γενικά- Εισαγωγή Εκτροπείς Υπέρτασης στη Χαμηλή Τάση Διάκενα Σπινθήρα με ηλεκτρόδια σε σταθερή απόσταση Ανάλυση λειτουργίας διακένων σπινθήρα με ηλεκτρόδια σε σταθερή απόσταση Είδη διακένων σπινθήρα ανάλογα με τη χρήση τους Χρήση των παραπάνω διακένων σε συγκεκριμένες εφαρμογές [6] Σπινθηριστές αερίων, Gas discharge tubes (GDTs) Δομή-Κατασκευή των σπινθηριστών αερίων Ανάλυση της λειτουργίας των σπινθηριστών αερίων με βάση τις καμπύλες τάσης και ρεύματος στο χρόνο Χαρακτηριστική V-I ενός σπινθηριστή αερίου Ανάλυση της απόκρισης των σπινθηριστών αερίων Στατική απόκριση των σπινθηριστών αερίων Δυναμική απόκριση των σπινθηριστών αερίων Ταχύτητα απόκρισης των σπινθηριστών αερίων Η εξέλιξη των εκτροπέων υπέρτασης στη χαμηλή τάση Η συμπεριφορά απλών διακένων και σπινθηριστών αερίου (GDTs) σε μεταβατικές καταστάσεις Εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται σπινθηριστές αερίου (GDT) Κεφάλαιο 2 ο : Ανάλυση των προτύπων που αφορούν σπινθηριστές αερίων Εισαγωγή Τεχνικοί ορισμοί [8][1] Προδιαγραφές και πρότυπα [8] Πρότυπα εξοπλισμού Πρότυπα εγκαταστάσεων Παράμετροι της γεννήτριας που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο για την καταπόνηση του εξοπλισμού [2] Δοκιμές με την κυματομορφή τάσης σταθερής κλίσης dv/dt [2] Δοκιμές που πρέπει να γίνουν σε εκτροπείς υπέρτασης χαμηλής τάσης σύμφωνα με το πρότυπο IEC [1] Τυπικά τεστ (type test) που αφορούν την κατηγορία των ηλεκτρικών τεστ [1] Για τα τεστ κλάσης Ι και ΙΙ η διαδικασία είναι η εξής: Για το τεστ κλάσης ΙΙΙ η διαδικασία είναι η εξής [1] : Απαραίτητα τεστ για την απόδειξη της καλής λειτουργίας των SPDs [1] αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 2

4 Τα χαρακτηριστικά της πηγής για τη διεξαγωγή της δοκιμής Τεστ για την απόδειξη της καλής λειτουργίας των SPDs κλάσης Ι ή ΙΙ [1] Τεστ για την απόδειξη της καλής λειτουργίας των SPDs κλάσης ΙΙΙ [1] Κεφάλαιο 3 ο : Combination Wave Surge Generator Εισαγωγή Προβλεπόμενα όρια για τις κρουστικές κυματομορφές τάσης και ρεύματος Διερεύνηση του κυκλώματος της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος [11] Προσομοίωση της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος στο ΑΤΡ Κεφάλαιο 4 ο : Πειράματα σε σπινθηριστές αερίων (GDTs) Εισαγωγή Πειράματα σε σπινθηριστές αερίων (GDTs) για την εξαγωγή της καμπύλης τάσης διάσπασης - χρόνου διάσπασης Πειράματα με γεννήτρια κρουστικής τάσης 1.2/50 μs Πειράματα με γεννήτρια συνδυασμένου κρουστικού κύματος τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs (combination wave) Πειράματα με παλμική γεννήτρια που στην έξοδό της παράγει τετραγωνικό παλμό τάσης με διάρκεια μετώπου μερικών ns Κυματομορφές εκκένωσης των σπινθηριστών αερίου Χαρακτηριστικά εκκένωσης των σπινθηριστών αερίου Συμπεράσματα- Παρατηρήσεις Η απόκριση των σπινθηριστών αερίου (GDT) σε κυματομορφές ρεύματος με μεγαλύτερη κλίση από την 8/20 μs [17] Γεννήτρια παραγωγής ρευμάτων με μεγάλη παράγωγο Γεννήτρια παραγωγής της τυπικής κυματομορφής ρεύματος 8/20 μs Μεθοδολογία διεξαγωγής των πειραμάτων Πειραματικά αποτελέσματα Συμπεράσματα- Παρατηρήσεις Κεφάλαιο 5ο: Διεξαγωγή πειραμάτων σε σπινθηριστές αερίων (GDTs) στο εργαστήριο του Α.Π.Θ Εισαγωγή Τύποι σπινθηριστών αερίου (GDTs) που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα Η διάταξη του κυκλώματος για τη διεξαγωγή πειραμάτων Περιγραφή της διαδικασίας διεξαγωγής πειραμάτων Παρουσίαση και ανάλυση των αποτελεσμάτων για τους σπινθηριστές αερίου (GDTs) Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 3

5 5.5.3 Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Β Συγκριτικά αποτελέσματα των πειραμάτων στους σπινθηριστές αερίου (GDTs) Συμπεράσματα για τους σπινθηριστές αερίου (GDTs) Βιβλιογραφία- Αναφορές αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 4

6 Περίληψη Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η του διακένου σπινθήρα και στη συνέχεια η λειτουργία των σπινθηριστών αερίου, οι οποίοι είναι εκτροπείς υπέρτασης χρησιμοποιούμενοι στη χαμηλή τάση και οι οποίοι αποτελούνται από ένα διάκενο με κάποιο αέριο στο εσωτερικό τους. Επίσης αναλύονται οι καμπύλες τάσης και ρεύματος των σπινθηριστών αερίων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο ταξινομούνται οι σπινθηριστές αερίου σε κλάσεις (I, II και III) ανάλογα με την προστασία που προσφέρουν. Επίσης γίνεται αναφορά στα πρότυπα που σχετίζονται με αυτούς και γίνεται αναλύονται βασικής δοκιμές απόδειξης της καλής τους λειτουργίας. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται το κύκλωμα της γεννήτριας και οι τιμές των στοιχείων της που απαιτούνται για την παραγωγή συνδυασμένου κρουστικού κύματος τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs στην έξοδό της. Στη συνέχεια γίνεται προσομοίωση της γεννήτριας στο ΑΤΡ για τα διάφορα στοιχεία που υπάρχουν διαθέσιμα στο εργαστήριο του Α.Π.Θ. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται κάποια πειράματα που έχουν γίνει σε σπινθηριστές αερίου (GDTs) για την καταγραφή της απόκρισής τους σε τυπικές κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων που προτείνουν τα πρότυπα, αλλά και σε κάποιες εκτός αυτών. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνονται πειράματα στο εργαστήριο του Α.Π.Θ για πέντε τύπους σπινθηριστών αερίου (GDTs). Τα πειράματα γίνονται με την κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs που παράγεται από την μονοβαθμία κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου. Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξάγονται καμπύλες για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών απόκρισης των σπινθηριστών αερίου. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 5

7 Κεφάλαιο 1 ο : Εκτροπείς Υπέρτασης 1.1 Γενικά- Εισαγωγή Η συνηθέστερη αιτία προβλημάτων στην λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού είναι οι κρουστικές υπερτάσεις που διαδίδονται μέσω των καλωδίων παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κρουστικές υπερτάσεις που εμφανίζονται στους αγωγούς τροφοδοσίας είναι παλμοί μεγάλου πλάτους και διάρκειας μερικών μs. Η κρουστική υπέρταση συχνά υπερβαίνει την τάση διάσπασης του διηλεκτρικού που χρησιμοποιείται για την μόνωση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, προκαλώντας έτσι βαθμιαία εξασθένηση της μόνωσης και τελικά την καταστροφή του εξοπλισμού. Επαναλαμβανόμενες κρουστικές υπερτάσεις, προκαλούν ελάττωση του αναμενόμενου χρόνου ζωής του εξοπλισμού. Αποτέλεσμα αυτού είναι να απαιτείται συχνή συντήρηση του εξοπλισμού αυξάνοντας έτσι το κόστος λειτουργίας. Προκειμένου να προστατευθεί ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός από υπερτάσεις, απαιτείται η εγκατάσταση ειδικών συστημάτων απαγωγής κρουστικών υπερτάσεων (Surge Protective Device, SPD) στην παροχή ηλεκτρικής τροφοδοσίας τους. Αυτά τα συστήματα διοχετεύουν τα κρουστικά ρεύματα προς τη γη, εμποδίζοντάς τα να εισβάλουν στον εξοπλισμό και να τον καταστρέψουν. Οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται είτε στον κεντρικό πίνακα ηλεκτρικής παροχής, είτε στους υποπίνακες που τροφοδοτούν τον εξοπλισμό. Οι διατάξεις SPD που διατίθενται στο εμπόριο ποικίλουν όσον αφορά την τεχνολογία, τον τρόπο διασύνδεσής τους, την αντοχή τους σε αλλεπάλληλα κρουστικά πλήγματα καθώς και στο επίπεδο προστασίας που προσφέρουν. [18]1 Μία ιδανική διάταξη προστασίας έναντι υπερτάσεων πρέπει να συμπεριφέρεται ως ανοικτό κύκλωμα υπό κανονική λειτουργία της εγκατάστασης, ενώ σε περίπτωση υπέρτασης να άγει χωρίς καθυστέρηση υπό τάση λίγο μεγαλύτερη της τάσης λειτουργίας της εγκατάστασης. Επίσης να μην επιτρέπει στην τάση της εγκατάστασης να αυξηθεί κατά τη διάρκεια που άγει, να περιορίζει το ρεύμα σφάλματος και να απορροφά την ενέργεια που το συνοδεύει. Επιπλέον να επιστρέφει στην κανονική κατάσταση λειτουργίας της μετά την παρέλευση της υπέρτασης και να μην καταστρέφεται ποτέ. [10]2 Τέλος απαραίτητο είναι η διάταξη προστασίας να είναι σε θέση να αντέχει το ρεύμα βραχυκύκλωσης, έως ότου αυτό είτε διακοπεί από την ίδια τη διάταξη ή από εσωτερικό ή εξωτερικό στοιχείο ή από την πλευρά του δικτύου για προστασία υπερρεύματος (π.χ. εφεδρική ασφάλεια). [6]3 Οι εκτροπείς υπέρτασης (surge arresters) αποτελούν βασικές διατάξεις, ευρείας εφαρμογής, προστασίας μιας εγκατάστασης έναντι υπερτάσεων. Η προστασία που παρέχουν οι εκτροπείς υπέρτασης συνίσταται γενικότερα είτε στην αποκοπή της υπέρτασης, είτε στον 1 [18] Α. Κουλαξουζίδης «ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ», Αθήνα, 5-6 Απριλίου [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη [6] OBO Betterman αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 6

8 περιορισμό της σε αποδεκτή τιμή, είτε στο συνδυασμό των δύο. Ωστόσο, γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι η πλήρης και αποτελεσματική προστασία έναντι υπερτάσεων μιας κατασκευής λόγω πλήγματος κεραυνού δεν μπορεί να εξασφαλιστεί με τη χρησιμοποίηση ενός και μόνο εκτροπέα υπέρτασης είτε διότι τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δεν είναι στο σύνολό τους αυτά της ιδανικής διάταξης προστασίας είτε διότι η αιτία της υπέρτασης μπορεί να ποικίλει ιδιαίτερα. Ακόμη, στα διάφορα σημεία μίας εγκατάστασης μπορεί να απαιτείται διαφορετικό επίπεδο προστασίας εφόσον τόσο η τάση λειτουργίας όσο και οι πιθανές υπερτάσεις μπορεί να διαφέρουν σημαντικά σε τιμή. Στην πράξη χρησιμοποιούνται διάφορες διατάξεις προστασίας, είτε ένας εκτροπέας υπέρτασης είτε συνδυαστικά πολλοί με επιπλέον στοιχεία για το συντονισμό τους, ανάλογα με την ανάγκη προστασίας κατά περίπτωση. Η επιλογή των κατάλληλων διατάξεων προστασίας προϋποθέτει τη μελέτη συντονισμού των μονώσεων της εγκατάστασης. [10]4 Οι εκτροπείς υπέρτασης είναι στοιχεία, τα οποία αποτελούνται κατά κύριο λόγο από αντιστάσεις εξαρτώμενες από την τάση ή/και από διάκενα σπινθήρα. Αμφότερα τα στοιχεία μπορεί να ενεργοποιηθούν σε σειρά ή παράλληλα ή να χρησιμοποιηθούν ξεχωριστά. Οι εκτροπείς υπέρτασης χρησιμοποιούνται για την προστασία άλλων ηλεκτρονικών στοιχείων και ηλεκτρονικών συστημάτων κατά υπερτάσεων. [6]5 1.2 Εκτροπείς Υπέρτασης στη Χαμηλή Τάση Στην κατηγορία γενικά των εκτροπέων, που χρησιμοποιούνται στη χαμηλή τάση, ανήκουν τα διάκενα σπινθήρα που είναι φυσικά αεριζόμενα διάκενα αέρα και οι απαγωγείς αερίου ή σπινθηριστές αερίων που έχουν το διάκενο κλειστό και περιέχουν χαμηλής πίεσης αδρανές αέριο για να μπορούν να έχουν μικρή αντίσταση τόξου. Λόγω του ότι το διάκενο είναι έγκλειστο, ο σπινθηριστής αερίου έχει συνήθως μικρότερη τιμή αντοχής στο μεταβατικό κύμα και δεν χρησιμοποιείται συνήθως για συσκευές προστασίας από υπέρβαση ισχύος. Τα διάκενα σπινθήρα κατά κύριο λόγο προωθούνται από τους ευρωπαίους κατασκευαστές και συνήθως χαρακτηρίζονται από υψηλά ποσοστά αντοχής στο μεταβατικό κύμα, πολύ υψηλότερες τάσεις διέλευσης και μεγάλη διάρκεια ζωής. [9] Διάκενα Σπινθήρα με ηλεκτρόδια σε σταθερή απόσταση Τα διάκενα σπινθήρα είναι ελκυστικές συσκευές για την προστασία από καταστροφή του εξοπλισμού λόγω ηλεκτροστατικής εκκένωσης (ESD), επειδή είναι παθητικές συσκευές που είναι 4 [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη [6] OBO Betterman 6 [9] Lightning & Surge Technologies αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 7

9 σχετικά απλό να κατασκευαστούν με τάση διάσπασης που εξαρτάται από τη θέση του διακένου στο κύκλωμα και την γεωμετρία του διακένου. [4] Ανάλυση λειτουργίας διακένων σπινθήρα με ηλεκτρόδια σε σταθερή απόσταση Όταν η τάση κατά μήκος του διακένου σπινθήρα γίνει επαρκώς υψηλή, ο αέρας μέσα στο διάκενο ιονίζεται και αναπτύσσονται ηλεκτρονικές στιβάδες. Ο αέρας μέσα στο διάκενο θερμαίνεται φτάνοντας σε μία πολύ υψηλή θερμοκρασία και γίνεται ηλεκτρικά αγώγιμος. Η μεγάλη ροή ρεύματος μέσω του ιονισμένου αέρα διατηρεί τη θερμοκρασία του αέρα υψηλή και το κανάλι αγώγιμο. Τελικά η ροή του ρεύματος θα μειωθεί αρκετά οπότε ο αέρας στο διάκενο σπινθήρα θα ψυχθεί και θα πάψει να είναι αγώγιμος. [5]8 Το φαινόμενο ανάπτυξης ηλεκτρονικών στιβάδων μετά το οποίο το διάκενο σπινθήρα γίνεται αγώγιμο είναι γνωστό ως πυροδότηση ή διάσπαση του διακένου. Η απαιτούμενη τάση για να ξεκινήσει το φαινόμενο καλείται τάση διάσπασης. Η τάση διάσπασης είναι ανάλογη της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων του διακένου. Κατά τη διάρκεια αγωγής του ρεύματος, το τόξο μεταξύ των ηλεκτροδίων δεν είναι τελείως αγώγιμο αλλά προβάλλει μία μικρή αντίσταση στη ροή του ρεύματος μέσω του διάκενου. Η ισχύς που καταναλίσκεται εξαιτίας της αντίστασης του τόξου ονομάζεται απώλειες αγωγιμότητας και είναι η ισχύς που μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία διατηρεί το τόξο θερμό και αγώγιμο. Το απαιτούμενο ρεύμα που διατηρεί το τόξο αγώγιμο λέγεται παραμένον ρεύμα. Η σβέση του τόξου συμβαίνει όταν αυτό ψύχεται και σταματά να είναι αγώγιμο. [5] Είδη διακένων σπινθήρα ανάλογα με τη χρήση τους Υπάρχουν τα διάκενα απομόνωσης (Εικόνα 1.1) και τα προστατευτικά διάκενα σπινθήρα, τα πρώτα έχουν σχεδιαστεί για να απομονώνουν ηλεκτρικά, εξαρτήματα του συστήματος, τα οποία υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας δεν συνδέονται μεταξύ τους ενώ τα δεύτερα για την προστασία στοιχείων του κυκλώματος από υπέρταση. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, τα διάκενα απομόνωσης και τα προστατευτικά διάκενα σπινθήρα περιλαμβάνουν ένα διάκενο. Αυτό το διάκενο μεταβαίνει από τη μονωτική κατάσταση στην κατάσταση αγωγιμότητας όταν ένα ηλεκτρικό τόξο αναφλέγεται λόγω υπέρτασης. [6]9 Πιο συγκεκριμένα τα διάκενα απομόνωσης είναι έγκλειστα διάκενα που μπορούν να φέρουν ρεύματα με κυματομορφές 10/350 μs χωρίς να καταστραφούν. Μέχρι την τάση διάσπασης, αυτά τα διάκενα παρέχουν τον ηλεκτρικό διαχωρισμό των μεταλλικών επαφών τους. Μόλις το επίπεδο της τάσης φτάσει στην ονομαστική τάση διάσπασης, δημιουργείται στο διάκενο ένα ηλεκτρικό μονοπάτι για τη ροή του ρεύματος κεραυνού (εξωτερική υπέρταση). Ο ηλεκτρικός διαχωρισμός αποκαθίσταται μετά τη διάσπαση 7 [4] Albert J. Wallash and Timothy H. Hughbanks, Electrical overstress - electrostatic Discharge Symposium, Proceeding [5] Static spark gap analysis 9 [6] OBO Betterman αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 8

10 του διακένου. [2]10 Ένα διάκενο απομόνωσης διαφέρει από ένα προστατευτικό διάκενο σπινθήρα στον σκοπό της χρήσης. Τα διάκενα απομόνωσης μονώνουν διαφορετικά δυναμικά, ενώ τα προστατευτικά διάκενα σπινθήρα χρησιμοποιούνται σε γυμνούς αγωγούς στην σκεπή κτιρίων ως μέρος του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Δηλαδή αν ένας κεραυνός προκαλέσει μια αύξηση του δυναμικού της τάσης σε ένα από τα ηλεκτρικά στοιχεία του συστήματος, το διάκενο απομόνωσης εγγυάται τον ηλεκτρικό διαχωρισμό των επαφών του. [6]11 Οι μέγιστες απαιτήσεις είναι για τα μονωτικά διάκενα. Κατά τη στιγμή του κεραυνικού πλήγματος, το διάκενο πρέπει να είναι ικανό να μεταφέρει το ρεύμα κεραυνού μέσω της προστατευτικής μόνωσης και στη συνέχεια να διατηρήσει την πλήρη μονωτική του ικανότητα. Υψηλού ρεύματος διάκενα αυτού του είδους πρέπει να είναι ικανά να μεταφέρουν ιδιαίτερα υψηλά ρεύματα κεραυνού χωρίς να καταστραφούν και κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, θα πρέπει να προσφέρουν την ίδια υψηλή αξιοπιστία σαν κανονικά εξαρτήματα μόνωσης. [2] Διάκενα απομόνωσης χρησιμοποιούνται μεταξύ των συστημάτων προστασίας από κεραυνούς και άλλα γειωμένα μέρη του συστήματος, προκειμένου να αποφευχθεί η ανεξέλεγκτη δημιουργία τόξου ή η διάτρηση σε αυτά τα σημεία. Επίσης χρησιμοποιούνται για την ενσωμάτωση μεταλλικών εγκαταστάσεων, για παράδειγμα, στο σύστημα αντιστάθμισης δυναμικού του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας σε περιπτώσεις κατά τις οποίες οι εγκαταστάσεις αυτές δεν μπορούν να διασυνδεθούν λόγω των επιδράσεων της διάβρωσης. [2] Εικόνα 1.1: Διάκενο απομόνωσης για το διαχωρισμό μεταλλικών συστημάτων διαφορετικών δυναμικών [2] 10 [2] Peter Hasse, Overvoltage Protection of Low- Voltage Systems, Revised Edition, Institution of Electrical Engineers, [6] OBO Betterman αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 9

11 Χρήση των παραπάνω διακένων σε συγκεκριμένες εφαρμογές [6]12 Για την πραγματοποίηση μιας έμμεσης σύνδεσης μεταξύ μονωτικής φλάντζας (προστασία από τη διάβρωση) (Εικόνα 1.2). Για τη γεφύρωση μονωτικής φλάντζας, επίσης σε περιοχές προστατευόμενες από έκρηξη Αποφυγή της αντίστασης στην παραμένουσα τάση, ειδικά για συστήματα ΤΤ. Για τις ισοδυναμικές συνδέσεις στην αντικεραυνική προστασία (Εικόνα 1.3): σύμφωνα με το DIN VDE (IEC 62305). Για τη σύνδεση των διαφόρων συστημάτων γείωσης, ο στόχος είναι να γίνει η βέλτιστη χρήση όλων των γειωτών σε ισοδυναμικές συνδέσεις στην αντικεραυνική προστασία (Εικόνα 1.4). Ως μετρητικό στοιχείο που αντικαθιστά τις μονωτικές συνδέσεις για σκοπούς μέτρησης και δοκιμών. Εικόνα 1.2: Διάκενο για σύνδεση μεταξύ μονωτικής φλάντζας [6] Εικόνα 1.3: Ισοδυναμικές συνδέσεις στην αντικεραυνική προστασία [6] 12 [6] OBO Betterman αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 10

12 Εικόνα 1.4: Συνδέση των διαφόρων συστημάτων γείωσης [6] Σπινθηριστές αερίων, Gas discharge tubes (GDTs) Οι σπινθηριστές αερίων είναι μία από τις τέσσερις βασικές κατηγορίες εκτροπέων υπέρτασης χαμηλής τάσης. Οι άλλες τρεις κατηγορίες είναι οι δίοδοι περιορισμού υπέρτασης, τα θυρίστορ περιορισμού υπέρτασης και οι διατάξεις MOV (Metal Oxide Varistors). [10]14 Παρακάτω θα γίνει εκτενής αναφορά στους σπινθηριστές αερίων Δομή-Κατασκευή των σπινθηριστών αερίων Οι σπινθηριστές αερίων αποτελούνται από ένα διάκενο, ή πολλά διάκενα σε σειρά, δύο ή τριών ηλεκτροδίων, εσώκλειστο σε σωλήνα με διηλεκτρικό μέσο κάποιο αέριο υπό πίεση (συνήθως ευγενές) διαφορετικό από τον αέρα. [10] Στις παρακάτω Εικόνες [7]15 1.5, 1.6 & 1.7 φαίνεται η βασική δομή των σπινθηριστών αερίων και στη συνέχεια αναλύεται. Εικόνα 1.5: Τα βασικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένας σπινθηριστής αερίου δύο και τριών ηλεκτροδίων [7] 13 [6] OBO Betterman 14 [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη [7] EPCOS αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 11

13 Εικόνα 1.6: Τα βασικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένας σπινθηριστής αερίου δύο ηλεκτροδίων [13]16 Εικόνα 1.7: Ενδεικτικές μορφές των σπινθηριστών αερίων δύο και τριών ηλεκτροδίων [7][13] Η τεχνική σύνδεσης του μονωτικού με τα ηλεκτρόδια στους σπινθηριστές αερίων που φαίνονται στην Εικόνα 1.5, εξασφαλίζει τη δημιουργία ενός ερμητικά κλειστού διακένου. Αυτό το διάκενο πληρείται με ευγενές αέριο που είναι συνήθως αργό ή νέον διότι αυτά εξασφαλίζουν τη βέλτιστη ηλεκτρική συμπεριφορά του στοιχείου κατά τη λειτουργία του. [7]17 Τα δύο ηλεκτρόδια έχουν μεταξύ τους απόσταση μικρότερη από 1mm και καλύπτονται από ειδικό στρώμα ενεργοποίησης που βελτιώνει την εκπομπή των ηλεκτρονίων. Για να είναι σε θέση να αποκόψουν απότομες διακυμάνσεις της τάσης (π.χ 1 kv / μs), οι σπινθηριστές αερίων πρέπει να λειτουργήσουν γρήγορα γι αυτό η εσωτερική επιφάνεια του μονωτικού είναι επικαλυμμένη με ένα στρώμα που επιταχύνει την έναυση του σπινθήρα στρεβλώνοντας το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων. Οι εκκενώσεις συμβαίνουν τυχαία γι αυτό απαιτείται από έναν σπινθηριστή αερίου να λειτουργήσει εντός των ανοχών εάν μια αργά αυξανόμενη DC τάση (π.χ 100 V/s) 16 [13] Gas discharge tube 17 [7] EPCOS αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 12

14 συνδεθεί κατά μήκος των ηλεκτροδίων του. Οι κατασκευαστές μπορούν να ρυθμίσουν τις ηλεκτρικές παραμέτρους (π.χ dc τάση διάσπασης, παλμικό ή ac ρεύμα εκφόρτισης) ενός σπινθηριστή αερίου εντός ενός ευρέος φάσματος, μεταβάλλοντας τη σύνθεση του αερίου μίγματος και την πίεση, την απόσταση των ηλεκτροδίων και το υλικό των στρωμάτων ενεργοποίησης για την επιτάχυνση της έναυσης. [7][13] Ανάλυση της λειτουργίας των σπινθηριστών αερίων με βάση τις καμπύλες τάσης και ρεύματος στο χρόνο Οι σπινθηριστές αερίων λειτουργούν με βάση την αρχή της φυσικής του αερίου μετά την εμφάνιση τόξου. Ηλεκτρικά, οι σπινθηριστές αερίων ενεργούν ως διακόπτες εξαρτώμενοι από την τάση. Γενικά, μόλις η τάση που εφαρμόζεται στον σπινθηριστή αερίου υπερβεί την τάση υπερπήδησης, ένα τόξο σχηματίζεται στην ερμητικά σφραγισμένη περιοχή εκκένωσης εντός νανοδευτερόλεπτων. Η μεγάλη αύξηση του ρεύματος και η τάση του τόξου (η οποία είναι σχεδόν ανεξάρτητη από το ρεύμα) έχουν την ικανότητα, να βραχυκυκλώνουν την υπέρταση. Όταν η εκκένωση έχει εξασθενίσει, το τόξο σβήνει και η εσωτερική αντίσταση του σπινθηριστή αερίου επιστρέφει αμέσως σε τιμές της τάξης των 100 ΜΩ έως αρκετά GΩ. Ένας απλοποιημένος σπινθηριστής αερίου μπορεί να συγκριθεί με έναν συμμετρικό διακόπτη χαμηλής χωρητικότητας του οποίου η αντίσταση μπορεί να μεταβεί από αρκετά GΩ κατά την κανονική λειτουργία σε τιμές < 1 Ω μετά την ανάφλεξη που προκαλείται από μια υπέρταση. Ο σπινθηριστής επιστρέφει αυτόματα στην αρχική του κατάσταση υψηλής αντίστασης μετά την εξασθένηση του μεταβατικού κύματος. [7]19 Τα φαινόμενα κατά τη λειτουργία του σπινθηριστή αερίου μπορούν να περιγραφούν πιο αναλυτικά με βάση τις καμπύλες τάσης και ρεύματος ως συνάρτηση του χρόνου. Αναλυτικά λοιπόν, κατά το μέτωπο του παλμού της υπέρτασης, που εμφανίζεται στα άκρα του, ο σπινθηριστής δεν άγει ωστόσο, μόλις η υπέρταση ξεπεράσει τη τάση έναυσής του αναπτύσσεται καταρχήν εκκένωση αίγλης (Εικόνα 1.8). Σ αυτή την κατάσταση λειτουργίας (G στην Κυματομορφή 1.8α) η τάση αίγλης V gl στα άκρα του περιορίζεται στα 75 έως 150 V (ρεύμα μερικές δεκάδες ma έως 1.5 A) ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Καθώς το ρεύμα αυξάνεται περαιτέρω (Κυματομορφή 1.8β) η μετάβαση σε ηλεκτρικό τόξο (Α στην Κυματομορφή 1.8α) λαμβάνει χώρα. Η εξαιρετικά χαμηλή τάση τόξου V a V, χαρακτηριστική γι αυτή την κατάσταση είναι σχεδόν ανεξάρτητη από το ρεύμα σε ένα ευρύ φάσμα. Μετά το μέγιστο της υπέρτασης, το ρεύμα διαμέσου του σπινθηριστή περιορίζεται (από 10 ma έως 100 ma) ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του και μετά το πέρας (δηλαδή κατά το δεύτερο ήμισυ του κύματος) το ρεύμα μέσω του σπινθηριστή μειώνεται αναλόγως μέχρι να πέσει κάτω από την ελάχιστη αναγκαία για τη διατήρηση της λειτουργίας του τόξου τιμή. Κατά συνέπεια η εκκένωση τόξου μεταπίπτει σε εκκένωση αίγλης και τελικά επέρχεται σβέση του σπινθηριστή. Ωστόσο, για να εξασφαλίζεται η σβέση του τόξου η τάση λειτουργίας δεν μπορεί να είναι ποτέ πολύ μεγάλη, το 18 [13] Gas discharge tube 19 [7] EPCOS αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 13

15 τόξο προκαλεί στιγμιαία βραχυκύκλωμα στην εγκατάσταση και επομένως δεν πρέπει να τροφοδοτείται από το ρεύμα της εγκατάστασης. Για το λόγο αυτό οι σπινθηριστές αερίων δεν πρέπει ποτέ να χρησιμοποιούνται απευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης αλλά, σύμφωνα με κατασκευαστές να προηγείται σε σειρά ένας βαρύστορας στη μεριά του εξοπλισμού. [10][7]20 Έτσι, ο σπινθηριστής αερίου ανταποκρίνεται σχεδόν απόλυτα σε όλες τις απαιτήσεις που αντιστοιχούν σε ένα προστατευτικό στοιχείο. Αποκόπτει με αξιοπιστία την υπέρταση σε επιτρεπόμενες τιμές, και - υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας - η υψηλή αντίσταση μόνωσης και η μικρή χωρητικότητα συμβάλλουν στο γεγονός ότι ένας σπινθηριστή αερίου δεν έχει σχεδόν καμία επίπτωση στο σύστημα που πρέπει να προστατευθεί. [7]21 Εικόνα 1.8: Αποκοπή της ημιτονοειδούς υπέρτασης από έναν σπινθηριστή αερίου, Κυματομορφή τάσης 1.8α ενός σπινθηριστή αερίου ως συνάρτηση του χρόνου, Κυματομορφή ρεύματος 1.8β ενός σπινθηριστή αερίου ως συνάρτηση του χρόνου όταν αποκόπτεται ένα ημιτονοειδές κύμα τάσης [7] Χαρακτηριστική V-I ενός σπινθηριστή αερίου Ο σπινθηριστής αερίου είναι εγγενώς μία διπολική συσκευή στην οποία δεν υπάρχει καμία διαφορά στο ποιο ηλεκτρόδιο έχει θετικό φορτίο. Γι' αυτό, μόνο ένα τεταρτημόριο της καμπύλης V-I είναι απαραίτητη για την κατανόηση της συμπεριφοράς του διακένου σπινθήρα. [3]22 Ωστόσο, ορισμένοι σωλήνες αερίου (ιδιαίτερα οι χαμηλής τάσης λαμπτήρες νέον ή DC σωλήνες ρυθμιστών 20 [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη [7] EPCOS 22 [3] Ronald B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages,1989 New York αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 14

16 τάσης ) έχουν μικρές διαφορές στη συμπεριφορά, ανάλογα με την πολικότητα της τάσης κατά μήκος του σωλήνα. Αυτές οι διαφορές υπάρχουν λόγω της επικάλυψης του βαρίου ή στροντίου στο ηλεκτρόδιο που προορίζεται να είναι η κάθοδος. Τέτοιες λεπτομέρειες δεν θα συζητηθούν περαιτέρω, επειδή είναι άσχετες με την προστασία από υπερτάσεις. [3]23 Η V-I χαρακτηριστική του σπινθηριστή που φαίνεται στην Εικόνα 1.9 ελήφθη με συνδυασμό των γραφικών παραστάσεων της τάσης και του ρεύματος ως συνάρτηση του χρόνου (Εικόνα 1.8). [7]24 Εικόνα 1.9: V-I χαρακτηριστική ενός σπινθηριστή αερίου [7] Για την κατανόηση της χαρακτηριστικής V-I εξετάζεται μία πιο αναλυτική προσέγγισή της για έναν αντιπροσωπευτικό σπινθηριστή αερίου (εικόνα 1.10). [3] Εικόνα 1.10: Χαρακτηριστική V-I για έναν σπινθηριστή αερίου με dc τάση πυροδότησης 150V. [3] 23 [3] Ronald B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages,1989 New York 24 [7] EPCOS αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 15

17 Σε αντίθεση με τις συμβατικές χαρακτηριστικές καμπύλες των ηλεκτρονικών συσκευών, στην Εικόνα 1.10 ο κάθετος άξονας είναι ο λογάριθμος του ρεύματος. Ο λογαριθμικός άξονας είναι απαραίτητος για να περιγραφεί η συμπεριφορά για ρεύματα που εκτείνονται σε έξι τάξεις μεγέθους. Η Εικόνα 1.10 δείχνει την τάση ως την ανεξάρτητη μεταβλητή και το ρεύμα ως την εξαρτημένη μεταβλητή. Αυτή η σύμβαση για την παρουσίαση των δεδομένων στις ηλεκτρονικές συσκευές ξεκίνησε από τους σωλήνες κενού των παλαιότερων ετών. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το ρεύμα είναι μια πιο βολική ανεξάρτητη μεταβλητή σε τέτοιες συσκευές που έχουν περίπου σταθερή τάση σε ένα ευρύ φάσμα των ρευμάτων. Η επιλογή για τη μορφή της Εικόνας β αντικατοπτρίζει την συνήθη σύμβαση για τις ηλεκτρονικές συσκευές, η οποία είναι ίσως πιο γνωστή από ότι ο σχεδιασμός του ρεύματος ως ανεξάρτητη μεταβλητή. Η χαρακτηριστική καμπύλη είναι μάλλον περίπλοκη. Κάθε τμήμα της καμπύλης που σχετίζεται με μια συγκεκριμένη φυσική διαδικασία, αναλύεται παρακάτω. [3]25 Η ανάλυση της χαρακτηριστικής καμπύλης στην Εικόνα 1.10 γίνεται για μια αργά αυξανόμενη διαφορά δυναμικού στα άκρα του σπινθηριστή αερίου, ξεκινώντας από το σημείο Α. Στο σημείο Α είναι η μετάβαση του σπινθηριστή από τη λειτουργία ως μονωτικού σε αγώγιμο στοιχείο. Το δυναμικό στο σημείο Α ονομάζεται dv τάση διάσπασης ή τάση υπερπήδησης του σπινθηριστή. Μεταξύ Α και Β η στοιχειώδης αντίσταση dv/di, είναι αρνητική έτσι αυτό το τμήμα της καμπύλης ονομάζεται αρνητική περιοχή της αντίστασης. Εάν ο σπινθηριστής λειτουργεί σε αυτή την περιοχή (π.χ. σε σειρά με μία αντίσταση 1 ΜΩ και μια πηγή τάσης 200 V DC), η εκφόρτιση θα μειώνεται κάποιο χρονικό διάστημα και σε κάποιο άλλο θα αυξάνεται. Αυτό μπορεί να προκαλέσει διακοπτόμενους παλμούς θορύβου. Το τμήμα της καμπύλης μεταξύ των σημείων Β και C είναι γνωστό ως περιοχή αίγλης (οι σωλήνες ρύθμισης τάσης λειτουργούν σ' αυτή την περιοχή, δεδομένου ότι η τάση κατά μήκος του σωλήνα είναι περίπου ανεξάρτητη από το ρεύμα). Σ αυτή την περιοχή το φως που εκπέμπεται προέρχεται από μια λάμψη της καθόδου, μια λεπτή περιοχή των διεγερμένων ατόμων του αερίου που καλύπτουν μέρος της επιφάνειας της καθόδου. Η περιοχή λάμψης της καθόδου είναι περίπου ανάλογη με το ρεύμα. Όταν η λάμψη καλύπτει σχεδόν ολόκληρη την επιφάνεια της καθόδου και το ρεύμα αυξάνεται, η εκφόρτιση εισέρχεται στην ανώμαλη περιοχή αίγλης. Αυτό είναι το τμήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης μεταξύ των σημείων C και D, όπου το dv/di είναι θετικό. Για τους τυπικούς σπινθηριστές αερίων (με τάση υπερπήδησης μεταξύ 70 και 200 V), το μέγιστο ρεύμα στην περιοχή αίγλης είναι συνήθως μεταξύ 0.01 και 1.5 Α. Όταν το ρεύμα αυξηθεί σε μία επαρκή τιμή η εκκένωση εισέρχεται απότομα στην περιοχή του τόξου, στο σημείο Ε. Η τιμή του ρεύματος μεταξύ της μετάβασης από λάμψη σε τόξο δεν είναι ακριβώς ίδια ακόμα και για ίδιους σπινθηριστές αερίων. Το δυναμικό κατά μήκος του σπινθηριστή είναι ουσιαστικά σταθερό περίπου στα 20 V (ανεξάρτητα από το ρεύμα) όταν ο σπινθηριστής είναι στη περιοχή του τόξου. Για τους σπινθηριστές με διαφορετικό αέριο και σε διαφορετικές θερμοκρασίες η τάση του τόξου μπορεί να είναι μεταξύ 10 και 35 V. Στην προστασία από υπέρταση είναι επιθυμητό ο σπινθηριστής να λειτουργεί στην περιοχή του τόξου επειδή η τάση σταθεροποιείται σε μία σχετικά χαμηλή τιμή. Όταν μειώνεται το ρεύμα και φτάνει στην τιμή που σβήνει το τόξο, όπως φαίνεται στο σχήμα σημείο F, το τόξο αντικαθίσταται από εκκένωση αίγλης. Η τιμή του ρεύματος που σβήνει το 25 [3] Ronald B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages,1989 New York αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 16

18 τόξο είναι συνήθως μεταξύ 0.1 και 0.5 Α. Να σημειωθεί ότι υπάρχει μία υστέρηση στο σχήμα: το ρεύμα που απαιτείται για την έναυση του τόξου είναι μεγαλύτερο από το ελάχιστο ρεύμα που διατηρεί το τόξο. Γι αυτό καθένα από τα δύο «μονοπάτια» μεταξύ της περιοχής τόξου και λάμψης (D E ή F C) όπως φαίνεται στο σχήμα μπορούν να οδηγήσουν μόνο προς μία κατεύθυνση. [3] Ανάλυση της απόκρισης των σπινθηριστών αερίων Εντοπίζουμε δύο περιπτώσεις στις οποίες διαιρούμε την απόκριση των σπινθηριστών αερίων. Η μία περίπτωση είναι η στατική απόκριση του σπινθηριστή αερίου και η άλλη η δυναμική του απόκριση Στατική απόκριση των σπινθηριστών αερίων Εάν εφαρμόζεται στον σπινθηριστή αερίου μία τάση με χαμηλό ρυθμό αύξησης (τυπικά 100 V/s), η τάση υπερπήδησης V s θα καθοριστεί κυρίως από την απόσταση των ηλεκτροδίων, το είδος του αερίου, την πίεσή του και από το βαθμό που το περικλειόμενο ευγενές αέριο είναι ιονισμένο. Αυτή η τιμή της τάσης για την οποία συμβαίνει έναυση του σπινθηριστή ορίζεται ως η dc τάση υπερπήδησης V sdc. [7] Δυναμική απόκριση των σπινθηριστών αερίων Εάν εφαρμόζεται στον σπινθηριστή αερίου μία τάση με ένα γρήγορο ρυθμό αύξησης, η τάση υπερπήδησης V s του σπινθηριστή υπερβαίνει την τιμή V sdc. Αυτό το φαινόμενο προκαλείται από τον πεπερασμένο χρόνο που απαιτείται για το αέριο να ιονιστεί. Οι δυναμικές τάσεις υπερπήδησης που καταγράφονται υπόκεινται σε σημαντικές στατιστικές διακυμάνσεις. Ωστόσο, η μέση τιμή της κατανομής της τάσης υπερπήδησης μπορεί να μειωθεί σημαντικά με την επικάλυψη της εσωτερικής επιφάνειας του σπινθηριστή με υλικό που ενισχύει την έναυση. Αυτό μειώνει σημαντικά το ανώτατο όριο αντοχής του σπινθηριστή στο πεδίο που δημιουργείται και περιορίζει επίσης την αύξηση της τάσης υπερπήδησης. Η τάση υπερπήδησης σε αυτό το δυναμικό εύρος ορίζεται ως η κρουστική τάση υπερπήδησης V si. [7]27 Ως αποτέλεσμα της εναρμόνισης των εθνικών και διεθνών προδιαγραφών, οι δύο τιμές τάσης ανόδου 100 V/μs και 1 kv/μs (ITU-T, Κ.12 και IEC ) που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της δυναμικής απόκρισης των σπινθηριστών αερίων φαίνονται στην Εικόνα [3] Ronald B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages,1989 New York 27 [7] EPCOS αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 17

19 Εικόνα 1.11: Στατική και Δυναμική απόκριση ενός σπινθηριστή αερίου με dc τάση διάσπασης 230V. [7]28 Η κρουστική τάση διάσπασης ενός σπινθηριστή αερίου εξαρτάται από το ρυθμό αύξησης του παραγόμενου κύματος τάσης. Όσο μεγαλύτερη είναι η κλίση της κυματομορφής, τόσο μικρότερο είναι το χρονικό διάστημα στο οποίο δε θα προκύψει διάσπαση. [2]29 Αυτή η σχέση τάσης-χρόνου φαίνεται σαφώς από την Εικόνα [7] EPCOS 29 [2] Peter Hasse, Overvoltage Protection of Low- Voltage Systems, Revised Edition, Institution of Electrical Engineers,2000 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 18

20 Εικόνα 1.12: Τάσεις διάσπασης των σπινθηριστών αερίων ανάλογα με τη δυναμική ή τη στατική τους απόκριση. [7] Ταχύτητα απόκρισης των σπινθηριστών αερίων Πολλοί κατασκευαστές τονίζουν τη σημασία του χρόνου απόκρισης των σπινθηριστών αερίων. Ενώ αυτό είναι σημαντικό, δεν είναι το μοναδικό, που καθιστά τυχόν άλλους παράγοντες ασήμαντους, οι οποίοι αφορούν τη σωστή λειτουργία του. Ένας σπινθηριστής που προσφέρει ένα γρήγορο χρόνο απόκρισης, γενικά σημαίνει ότι το τελικό αποτέλεσμα θα είναι η χαμηλότερη τάση εφαρμογής και ως εκ τούτου, θα είναι καλύτερη η προστασία. Ωστόσο αυτή δεν είναι η καλύτερη περίπτωση, καθώς υπάρχουν πολλοί παράγοντες που συμβάλλουν στην προστασία. [9]31 Ο χρόνος απόκρισης των σπινθηριστών στην υπέρταση είναι σχετικά μεγάλος, η τάση υπερπήδησής τους παρουσιάζει στατιστική διακύμανση εφόσον εξαρτάται από το ρυθμό ανόδου της υπέρτασης, ωστόσο μπορούν να φέρουν μεγάλα ρεύματα ka. [10]32 Τα κρίσιμα φορτία που προστατεύονται δεν επηρεάζονται από το χρόνο απόκρισης του σπινθηριστή αερίου, αλλά από την παραμένουσα τάση και την κυματομορφή της. Το μέγεθος αυτής της παραμένουσας τάσης που εφαρμόζεται στον εξοπλισμό είναι αποτέλεσμα πολλών πτυχών του σχεδιασμού ενός σπινθηριστή, συμπεριλαμβανομένης της απότομης ανόδου του παλμού τάσης, του σχήματός του και της τεχνολογίας που χρησιμοποιείται, καθώς και της 30 [7] EPCOS 31 [9] Lightning & Surge Technologies 32 [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη 2006 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 19

21 ταχύτητας αντίδρασης. Από όλους αυτούς τους παράγοντες που συμβάλλουν, η ταχύτητα της αντίδρασης γενικά έχει τη μικρότερη επιρροή. [9] Η εξέλιξη των εκτροπέων υπέρτασης στη χαμηλή τάση Το παλαιότερο κύκλωμα προστασίας από μεταβατικές υπερτάσεις σε κοινή χρήση ήταν το προστατευτικό μπλοκ άνθρακα σε τηλεφωνικές εγκαταστάσεις. Δύο κομμάτια άνθρακα ήταν τα ηλεκτρόδια ενός διακένου σπινθήρα. Αυτή η συσκευή προστασίας είχε πολλά μειονεκτήματα. Μετά από έκθεση σε μεταβατικά με μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο, η απόσταση του χάσματος διευρυνόταν λόγω διάβρωσης των ηλεκτροδίων άνθρακα. Αφού συνέβαινε αυτό το χάσμα δεν ήταν πλέον ικανό να άγει σε σχετικά μικρές τάσεις αιχμής. Άρα, δεν υπήρχε πλέον καμία προστασία έναντι αυτών των μεταβατικών φαινομένων. Ένα άλλο μειονέκτημα ήταν ότι μετά την αγωγιμότητα, η σκόνη άνθρακα συσσωρευόταν μεταξύ των ηλεκτροδίων και προκαλούσε ακανόνιστη αγωγιμότητα κατά την κανονική λειτουργία του τηλεφώνου. Αυτή η ασταθής αγωγιμότητα ήταν μια πηγή θορύβου. [3] Τα μειονεκτήματα αυτά ξεπεράστηκαν με την ανάπτυξη ενός έγκλειστου διακένου σπινθήρα, στο οποίο χρησιμοποιούνταν μεταλλικά ηλεκτρόδια και ένα μίγμα ευγενών αερίων (νέον, αργό, κλπ.) Το έγκλειστο διάκενο σπινθήρα ονομαζόταν σωλήνας αερίου ή σπινθηριστής αερίου για να το διακρίνει από τα παλαιότερα προστατευτικά μπλοκ του άνθρακα, τα οποία ονομάζονταν είτε διάκενα σπινθήρα είτε διάκενα αέρα. Η χρήση των προστατευτικών μπλοκ του άνθρακα είναι πλέον άνευ αντικειμένου, εκτός των εφαρμογών ελάχιστου κόστους για την προστασία των συνομιλιών τηλεφωνικών εταιρείων. [3] Στις μέρες μας, σε πολλά κυκλώματα, οι σπινθηριστές αερίων είναι το κύριο στοιχείο για την αποκοπή μεγάλων μεταβατικών σε ευπαθή κυκλώματα. Τυπικά μικροσκοπικά διάκενα σπινθήρα σε μία κεραμική θήκη μπορούν να άγουν μεταβατικούς παλμούς ρεύματος των 5-20 ka για 10 μs χωρίς σημαντική βλάβη στο διάκενο σπινθήρα. Τα διάκενα έχουν τη μικρότερη δυνατή χωρητικότητα όλων των γνωστών μη γραμμικών στοιχείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία των κυκλωμάτων, στα οποία η συχνότητα του σήματος είναι μεγαλύτερη από 50 MHz. [3] Η συμπεριφορά απλών διακένων και σπινθηριστών αερίου (GDTs) σε μεταβατικές καταστάσεις Αντίθετα με το μικρό τους μέγεθος, τα διάκενα σπινθήρα έχουν τιμή αντοχής στο μεταβατικό κύμα που είναι δύσκολο να ξεπεραστεί, όμως αυτή η τιμή μπορεί στην πραγματικότητα να είναι μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για την προστασία της φάσης. Η τιμή αντοχής στο μεταβατικό κύμα είναι μεγάλη, καθώς μετά την υψηλή τάση πυροδότησης ( [9] Lightning & Surge Technologies 34 [3] Ronald B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages,1989 New York αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 20

22 4000V), η τάση πέφτει στο τόξο περίπου στα 30 V, που σημαίνει ότι λίγη ενέργεια διαχέεται σε ολόκληρο το στοιχείο, καθώς η περισσότερη οδηγείται πίσω στην πηγή ή στη γείωση. Αυτή η χαμηλή τάση του τόξου μπορεί, ωστόσο, να κόψει την παροχή, προκαλώντας βραχυκύκλωμα (παραμένον ρεύμα), το οποίο ενεργοποιεί τις ασφάλειες και διακόπτεται η ροή ισχύος στον κλάδο. Το παραμένον ρεύμα μπορεί να προκαλέσει πρόωρη γήρανση του διακένου, ειδικά σε υψηλές τιμές χωρητικού βραχυκυκλώματος. Το απλό διάκενο σπινθήρα χρειάζεται συνήθως μέγιστη τιμή τάσης V για να διασπαστεί, αυτό επιτρέπει σε πολύ υψηλές τάσεις να περάσουν διαμέσου του εξοπλισμού πριν από την έναυσή του. [9]35 Όταν ο σπινθηριστής αερίου (GDT) διασπάται, ουσιαστικά βραχυκυκλώνει τη γραμμή μεταφοράς και τα περισσότερα από τα μεταβατικά φαινόμενα ανακλώνται παρά απορροφώνται από αυτόν. Αυτό είναι ένα γενικό πρόβλημα με όλες τις προστατευτικές διατάξεις διακλάδωσης. Το πρόβλημα μπορεί να είναι πιο σοβαρό με τους σπινθηριστές αερίου απ ότι με τα βαρίστορς και τις διόδους περιορισμού υπέρτασης, επειδή οι σπινθηριστές αερίου έχουν μικρότερη αντίσταση κατά τη διέλευση ενός κύματος υπέρτασης. Η χρήση μιας μη γραμμικής συσκευή εκτροπής, όπως ένας σπινθηριστής αερίου, μπορεί να προστατεύσει τον (τους) παρακάτω κόμβο (- ους) από όπου αυτός βρίσκεται. Ωστόσο, οι ανακλάσεις των μεταβατικών κυμάτων μπορεί να οδηγήσουν σε συνέχιση της ακτινοβόλησης ενέργειας σε άλλα ηλεκτρονικά στοιχεία και γενικά σε προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Τέτοια προβλήματα θα μπορούσαν να επιλυθούν σε γραμμές μεταφοράς με απώλειες. [3] Εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται σπινθηριστές αερίου (GDT) Οι σπινθηριστές αερίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε κυκλώματα ασθενών ρευμάτων όπως στην προστασία από υπερτάσεις που προκαλούνται από κεραυνούς, μεταγωγή του κυκλώματος ισχύος και συνθήκες σφάλματος των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, των συστημάτων μεταφοράς δεδομένων ή των ηλεκτρονικών εφαρμογών. [10]37 Λόγω της πολύ χαμηλής χωρητικότητά τους χρησιμοποιούνται συνήθως σε γραμμές υψηλής συχνότητας. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό βιομηχανιών ή καταναλωτών, όπως σε συσκευές προστασίας από υπερτάσεις και συστήματα συναγερμού. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν υπολογιστές, τροφοδοτικά, ιατρικές ηλεκτρονικές συσκευές, προστατευτικά ομοαξονικών καλωδίων, modem, αναμεταδότες, πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, εξοπλισμό αποθήκευσης δεδομένων. Για παράδειγμα έχουν χρησιμοποιηθεί για την προστασία της ανάγνωσης/εγγραφής με επαγωγική κεφαλή σε μια μαγνητική εγγραφή σε σκληρό δίσκο. [4]38 35 [9] Lightning & Surge Technologies 36 [3] Ronald B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages,1989 New York 37 [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη [4] Albert J. Wallash and Timothy H. Hughbanks, Electrical overstress - electrostatic Discharge Symposium, Proceeding αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 21

23 Κεφάλαιο 2 ο : Ανάλυση των προτύπων που αφορούν σπινθηριστές αερίων 2.1 Εισαγωγή Οι δοκιμές των εξαρτημάτων αντικεραυνικής προστασίας εκτελούνται σύμφωνα με το πρότυπο DIN EN , εκείνες για τα διάκενα σπινθήρα κατά DIN EN και εκείνες για συσκευές αντικεραυνικής προστασίας και υπερτάσεων χαμηλής τάσης σύμφωνα με το πρότυπο DIN EN Υπάρχουν διάφορα κέντρα διεξαγωγής πειραμάτων για πιστοποίηση εξοπλισμού στην αντικεραυνική προστασία. [6]39 Οι συσκευές προστασίας έναντι υπερτάσεων που συνδέονται σε συστήματα ισχύος χαμηλής τάσης, αφορούν την προστασία από άμεσα ή έμμεσα κεραυνικά πλήγματα ή άλλες παροδικές υπερτάσεις. Οι συσκευές αυτές σχεδιάζονται για να συνδέονται σε κυκλώματα ισχύος εναλλασσόμενης (ac) τάσης με συχνότητα 50/60 Hz και η ονομαστική τους τάση είναι μέχρι 1000 V rms. Αυτές οι συσκευές περιέχουν τουλάχιστον ένα μη γραμμικό στοιχείο και προορίζονται να περιορίζουν υπερτάσεις και να εκτρέπουν τα υπερρεύματα. [1] Τεχνικοί ορισμοί [8][1]40 Απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων (SPD) είναι ένα στοιχείο το οποίο έχει σχεδιαστεί για να περιορίζει τις μεταβατικές υπερτάσεις και το ρεύμα του άμεσου ή έμμεσου κεραυνικού πλήγματος. Τα στοιχεία αυτά όταν συμμορφώνονται με το διεθνές πρότυπο IEC , ταξινομούνται σε τρεις κύριες κλάσεις (Κλάσης/Τύπου I, II και III). Voltage switching type SPD είναι κατηγόρια απαγωγών/εκτροπέων κρουστικών υπερτάσεων, της οποίας τα στοιχεία έχουν μία υψηλή τιμή αντίστασης όταν δεν υπάρχει υπέρταση, αλλά μπορεί να αλλάξει ξαφνικά η τιμή της αντίστασης τους σε μία μικρή τιμή ως αντίδραση σε μία υπέρταση. Παράδειγμα τέτοιων απαγωγών/εκτροπέων είναι τα διάκενα σπινθήρα, οι σπινθηριστές αερίων και τα θυρίστορ. Αυτά τα στοιχεία λέγονται crowbar type devices στην Αγγλική γλώσσα. [1]41 Voltage limiting type SPD είναι κατηγορία απαγωγών/εκτροπέων κρουστικών υπερτάσεων, της οποίας τα στοιχεία έχουν μία υψηλή τιμή αντίστασης όταν δεν υπάρχει υπέρταση, αλλά η τιμή της αντίστασής τους μειώνεται συνεχώς εξαιτίας της αύξησης της τιμής του ρεύματος ή της τάσης στο σημείο που συνδέονται. Παράδειγμα τέτοιων απαγωγών/εκτροπέων είναι τα βαρίστορ και οι 39 [6] OBO Betterman 40 [8] ABB vices_gr.pdf 41 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 22

24 δίοδοι περιορισμού υπέρτασης. Αυτά τα στοιχεία λέγονται clamping type devices στην Αγγλική γλώσσα. [1]42 LPZ: Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας. [10][8]43 LPZ 0A: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. LPZ 0B: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. LPZ 1: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα και όπου το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να τα διαρρεύσει είναι περιορισμένο σε σχέση με την LPZ 0B. Στη ζώνη αυτή οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού μπορούν να περιοριστούν ανάλογα με τα μέτρα θωράκισης που λαμβάνονται. LPZ 2...n: Ζώνες όπου απαιτείται περαιτέρω μείωση του τμήματος του ρεύματος του κεραυνού καθώς και περαιτέρω εξασθένιση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε σχέση με την αμέσως προηγούμενη ζώνη προστασίας. Εικόνα 2.1: Διαχωρισμός της περιοχής μιας κατασκευής σε LPZ. [8] Απαγωγός υπερτάσεων Κλάσης I: [8]44 Οι δοκιμές κλάσης I στις οποίες υποβάλλονται οι συγκεκριμένοι απαγωγείς/εκτροπείς, διεξάγονται με κρουστικό ρεύμα εκκένωσης (I imp - 8/20μs) και κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs. Οι απαγωγείς/εκτροπείς κλάσης 1, είναι κατασκευασμένοι να εκτρέπουν το άμεσο κρουστικό ρεύμα του κεραυνικού πλήγματος, στην είσοδο της παροχής χαμηλής τάσης (LPZ 0A έως 1, βάσει IEC ). Δηλαδή οι απαγωγοί υπερτάσεων κλάσης I θα πρέπει να τοποθετούνται στο όριο μεταξύ LPZ 0A και LPZ 1 για να μειώνουν την είσοδο ρευμάτων κεραυνού μέσω γραμμών ηλεκτρικού ρεύματος. 42 [1] IEC-Standard [10] Μικρόπουλος Π.Ν., Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Τμήμα εκδόσεων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη [8] ABB vices_gr.pdf αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 23

25 Απαγωγός υπερτάσεων Κλάσης ΙΙ: Οι δοκιμές κλάσης II στις οποίες υποβάλλονται οι συγκεκριμένοι απαγωγείς/εκτροπείς, διεξάγονται με ονομαστικό ρεύμα (I n - 8/20μs) και κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs. Οι απαγωγείς/εκτροπείς κλάσης 2, περιορίζουν σε ασφαλή επίπεδα τις μεταβατικές υπερτάσεις που οφείλονται σε κεραυνική ή άλλη ατμοσφαιρική δραστηριότητα. Προορίζονται για εγκατάσταση σε υποπίνακες διανομής (LPZ1 και 2) όταν δεν υπάρχει κίνδυνος άμεσου κεραυνικού πλήγματος. Δηλαδή τοποθετούνται στα όρια κάθε περιοχής, μεταξύ LPZ 1 και LPZ 2, LPZ 2 και LPZ 3 κ.ο.κ. Απαγωγός υπερτάσεων Κλάσης ΙΙΙ: Οι απαγωγείς/εκτροπείς κλάσης III υποβάλλονται σε δοκιμές συνδυασμένων κυματομορφών τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs. Οι συγκεκριμένες συσκευές χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό μεταβατικών υπερτάσεων στην προστασία εξαιρετικά ευαίσθητων συσκευών. Κυματομορφή ρεύματος10/350 µs: Αυτός ο τύπος κυματομορφής προσομοιώνει το ρεύμα άμεσου κεραυνικού πλήγματος. Ο χρόνος 10 μs αναφέρεται στο χρόνο επίτευξης του 90% της μέγιστης τιμής του κρουστικού ρεύματος ενώ ο χρόνος 350 μs στο χρόνο επίτευξης της ημίσειας τιμής του. Κυματομορφή ρεύματος 8/20 µs: Η κυματομορφή 8/20 μs προσομοιώνει το ρεύμα έμμεσων μεταβατικών υπερτάσεων (μπορεί να οφείλεται και σε άλλους παράγοντες εκτός από έμμεση κεραυνική δραστηριότητα). Ο χρόνος 8 μs αναφέρεται στο χρόνο επίτευξης του 90% της μέγιστης τιμής του ρεύματος ενώ ο χρόνος 20 μs στο χρόνο επίτευξης της ημίσειας τιμής του. Συνδυασμένο κύμα (Combination wave): Είναι ένα κύμα που χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένο πλάτος τάσης (U oc ) και κυματομορφή σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, ενώ χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένο πλάτος ρεύματος (I cw ) και κυματομορφή σε συνθήκες βραχυκυκλώματος. I imp : Κρουστικό ρεύμα εκκένωσης για δοκιμές Κλάσης Ι. Είναι η τιμή του ρεύματος αιχμής της κυματομορφής ρεύματος 8/20µs για απαγωγό/εκτροπέα υπέρτασης κλάσης I που έχει σχεδιαστεί να αντέχει το ρεύμα υπέρτασης από άμεσο κεραυνικό πλήγμα. I n : Ονομαστικό ρεύμα εκκένωσης για δοκιμές Κλάσης ΙΙ. Είναι η τιμή του ρεύματος αιχμής της κυματομορφή ρεύματος 8/20µs για απαγωγό/εκτροπέα υπέρτασης κλάσης ΙΙ. I max : Μέγιστη τιμή του ρεύματος εκκένωσης της κυματομορφή ρεύματος 8/20 µs για απαγωγό/εκτροπέα κλάσης II. U n : Ονομαστική τάση του συστήματος που προορίζεται για προστασία. U oc : Τάση ανοικτού κυκλώματος του συνδυασμένου κύματος. Χρησιμοποιείται στις δοκιμές Κλάσης ΙΙΙ για απαγωγούς κλάσης III. U c / MCOV: Μέγιστη τάση συνεχόμενης λειτουργίας. [8][1]45 45 [8] ABB vices_gr.pdf [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 24

26 Είναι η μέγιστη ενεργός τιμή τάσης που μπορεί να εφαρμοστεί στους απαγωγούς/εκτροπείς κρουστικών υπερτάσεων. Αυτή πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με την ονομαστική τάση του συστήματος. U p : Επίπεδο τάσης προστασίας. Επίπεδο προστασίας των απαγωγών/εκτροπέων υπερτάσεων, το U p μετράται για ονομαστικό ρεύμα εκκένωσης (I n ). U T : Τιμή τάσης για δοκιμή προσωρινής υπέρτασης (TOV). Δοκιμή η οποία διενεργείται για να δώσει την μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ο απαγωγός/εκτροπέας για συγκεκριμένο χρόνο. I L : Ονομαστικό ρεύμα φορτίου. Μέγιστη ονομαστική τιμή rms ρεύματος, συνεχόμενης λειτουργίας που μπορεί να διοχετευτεί μέσω του απαγωγού/εκτροπέα. Χρησιμοποιείται μόνο σε περιπτώσεις όπου οι απαγωγοί/εκτροπείς κρουστικών υπερτάσεων συνδέονται σε σειρά. Παραμένον ρεύμα I PE : Το ρεύμα που ρέει μέσω της συσκευής προστασίας υπερτάσεων, μετά από την αρχή της λειτουργίας της και τροφοδοτείται από το δίκτυο. Το παραμένον ρεύμα είναι σημαντικά διαφορετικό από το συνεχές ρεύμα λειτουργίας. Το επίπεδο του παραμένοντος ρεύματος του δικτύου εξαρτάται από τη γραμμή τροφοδοσίας από το μετασχηματιστή μέχρι τον απαγωγέα/εκτροπέα. [6]46 Αυτή η τιμή δίνει το ρεύμα που μετράται στους αγωγούς PE όταν ο απαγωγός/εκτροπέας είναι συνδεδεμένος με ονομαστική τάση. [8][1]47 I P : Αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης της παροχής ισχύος στην θέση του απαγωγού/εκτροπέα. I sccr : Ικανότητα διακοπής ρεύματος βραχυκύκλωσης. Μέγιστο αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης του συστήματος ισχύος σε συνδυασμό με την εφεδρική προστασία του κλάδου, του απαγωγού/εκτροπέα υπέρτασης. I fi : Ικανότητα διακοπής του ακολουθούντος ρεύματος. Αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης που είναι ικανός να διακόψει ένα απαγωγός/εκτροπέας κρουστικών υπερτάσεων, χωρίς τη χρήση εφεδρικού ασφαλιστικού μέσου. Παραμένουσα τάση (V res ): Η τιμή της τάσης κορυφής, που εμφανίζεται στα άκρα της συσκευής προστασίας από υπέρταση, κατά τη διάρκεια ή αμέσως μετά τη ροή του παλμού ρεύματος. [6] 46 [6] OBO Betterman Catalogue 2010/ [8] ABB vices_gr.pdf [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 25

27 2.2 Προδιαγραφές και πρότυπα [8] Πρότυπα εξοπλισμού IEC Αναφέρεται σε απαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων (SPD) συνδεδεμένους σε συστήματα ισχύος χαμηλής τάσης. Ο σκοπός αυτού του προτύπου είναι να ορίσει τη μέθοδο δοκιμής του απαγωγού με στόχο την προστασία από άμεσες ή έμμεσες επιδράσεις κεραυνού ή άλλων μεταβατικών υπερτάσεων. Ορίζει τρεις κλάσεις δοκιμών: Η δοκιμή Κλάσης Ι προσομοιώνει μερικώς άμεσα κεραυνικά πλήγματα (I imp με κρούση ρεύματος 10/350 µs) για προστασία από τις υπερτάσεις σε θέσεις υψηλής έκθεσης, π.χ. εισόδους γραμμής που προστατεύονται από εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ). Οι μέθοδοι δοκιμών Κλάσης II και III υπόκεινται σε κρούσεις μικρότερης διάρκειας (I n με κρούση ρεύματος 8/20 µs και U oc με συνδυασμένα κύματα, αντίστοιχα). IEC Αναφέρεται σε απαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων που συνδέονται σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και σηματοδότησης. Οι απαγωγοί αυτοί ελέγχονται με ειδικές κυματομορφές εξαρτώμενες από την κατηγορία επιλογής τους: A1 (αργός ρυθμός ανόδου ) έως B, C και D (υψηλή ενέργεια). UL η έκδοση: Το Αμερικανικό πρότυπο ANSI/UL καλύπτει απαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων που έχουν σχεδιαστεί για τον περιορισμό των μεταβατικών υπερτάσεων σε κυκλώματα ισχύος Hz που δεν υπερβαίνουν τα 1000 V. Ορίζει 5 κατηγορίες τύπου βάσει της θέσης εγκατάστασης εντός ηλεκτρικού συστήματος. Ενώ οι κατηγορίες Τύπου 1, Τύπου 2 και Τύπου 3 αναφέρονται σε διαφορετικούς τύπους απαγωγών που μπορούν να εγκατασταθούν σε ειδικές θέσεις, οι κατηγορίες Τύπου 4 και 5 αναφέρονται σε στοιχεία που χρησιμοποιούνται από τους απαγωγούς. UTE C Αναφέρεται σε απαγωγούς υπερτάσεων συνδεδεμένους με γεννήτριες φωτοβολταϊκών. Εισάγει την ιδέα δοκιμής της συμπεριφοράς των απαγωγών υπερτάσεων φωτοβολταϊκών (PV) κατά το τέλος ζωής του ενσωματωμένου βαρίστορ και ορίζει ειδικά χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτουν (U cpv, I scwpv ). pren Επίσης αναφέρεται σε απαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων συνδεδεμένους με γεννήτριες φωτοβολταϊκών Πρότυπα εγκαταστάσεων IEC Αρχές επιλογής και εγκατάστασης για απαγωγούς υπερτάσεων συνδεδεμένους με συστήματα ισχύος χαμηλής τάσης. Αυτό το πρότυπο, σε συμμόρφωση με το IEC Τμήματα 1 48 [8] ABB vices_gr.pdf αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 26

28 έως 4, δίνει πληροφορίες για την αξιολόγηση της ανάγκης χρήσης SPD σε συστήματα χαμηλής τάσης, και παρέχει επίσης πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά που είναι χρήσιμα για την επιλογή τους. IEC Περιγράφει αρχές για την επιλογή, την εφαρμογή, την θέση και τον συντονισμό απαγωγών υπερτάσεων συνδεδεμένων με δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ασθενών ρευμάτων γενικότερα. IEC Παρέχει πληροφορίες για την προστασία από τις υπερτάσεις των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συστημάτων μιας κατασκευής. IEC Παρέχουν πληροφορίες για την προστασία γεννητριών φωτοβολταϊκών και συστημάτων ανεμογεννητριών από κεραυνικά πλήγματα. EN Αρχές επιλογής και εφαρμογής απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων που είναι συνδεδεμένοι με γεννήτριες φωτοβολταϊκών. [8] Παράμετροι της γεννήτριας που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο για την καταπόνηση του εξοπλισμού [2]50 Οι δοκιμές καταπόνησης του εξοπλισμού σε ένα εργαστήριο είναι μια κρίσιμη και σημαντική διαδικασία στη βελτίωση και την επικύρωση αντοχής του εξοπλισμού στις αντίξοες ηλεκτρικές συνθήκες του περιβάλλοντος. Σε συμβατικές τεχνικές δοκιμής καταπόνησης του εξοπλισμού καθορίζεται η τάση ανοιχτού κυκλώματος από τη γεννήτρια και (μερικές φορές) η αντίσταση εξόδου. Θα περίμενε κανείς να χρησιμοποιηθεί το θεώρημα Thevenin για να ανακατασκευάσει την πραγματική κυματομορφή. Αλλά αυτή η μέθοδος δεν είναι έγκυρη, επειδή το φορτίο έχει συνήθως μια μη γραμμική σχέση μεταξύ της τάσης και του ρεύματος. Οι περισσότερες από τις κοινές μη γραμμικές προστατευτικές διατάξεις (π.χ. διάκενα σπινθήρα, δίοδοι περιορισμού υπέρτασης, βαρίστορ οξειδίου μετάλλου) καταλήγουν σε μία σχεδόν σταθερή τάση, η οποία είναι περίπου ανεξάρτητη από το ρεύμα. Γι' αυτό, η τάση εξόδου ανοικτού κυκλώματος της γεννήτριας δεν είναι χρήσιμη ως μία μόνο παράμετρος, όταν η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη κατά μήκος σε μία από αυτές τις μη γραμμικές συσκευές. Το ρεύμα βραχυκυκλώματος εξόδου της γεννήτριας μπορεί να είναι πιο χρήσιμη παράμετρος, με την προϋπόθεση η σύνθετη αντίσταση εξόδου της γεννήτριας να είναι πολύ μεγαλύτερη από την τιμή V/I της συσκευής υπό δοκιμή. Παρ 'όλα αυτά, οι περισσότερες περιγραφές των κυματομορφών δοκιμής καταπόνησης διευκρινίζουν μόνο την τάση ανοικτού κυκλώματος. 49 [8] ABB vices_gr.pdf 50 [2] Peter Hasse, Overvoltage Protection of Low- Voltage Systems, Revised Edition, Institution of Electrical Engineers,2000 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 27

29 2.3.1 Δοκιμές με την κυματομορφή τάσης σταθερής κλίσης dv/dt [2]51 Για δοκιμές του χρόνου που απαιτείται για έναν σπινθηριστή αερίου να λειτουργήσει, είναι τυπικό να χρησιμοποιηθεί μία κυματομορφή τάσης που έχει ένα σταθερό ρυθμό αύξησης, dv/dt. Όπως περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο πριν διασπαστεί το διάκενο, συμπεριφέρεται σαν ένα ιδανικό ανοικτό κύκλωμα, οπότε δεν υπάρχει φορτίο της γεννήτριας. Όταν το διάκενο σπινθήρα διασπαστεί, το μέγεθος της τάσης κατά μήκος του διακένου μειώνεται ξαφνικά και προσεγγίζει ένα βραχυκύκλωμα. Η τάση στα άκρα του διακένου πρέπει να εξακολουθεί να είναι όλο και περισσότερο γραμμική με το χρόνο, όταν το διάκενο λειτουργεί. Δεν ενδιαφέρει σε αυτή τη δοκιμή η συμπεριφορά της τάσης και του ρεύματος μετά τη διάσπαση του διακένου, έτσι μόνο ο ρυθμός αύξησης και η μέγιστη τάση κατά το τέλος της γραμμικής αύξησης χρειάζεται να προσδιοριστούν. Εάν η μέγιστη τάση είναι πολύ μικρή, το διάκενο δεν θα λειτουργήσει όσο η κυματομορφή είναι όλο και περισσότερο γραμμική με το χρόνο και τα συμπεράσματα της μέτρησης θα είναι δύσκολο να διατυπωθούν και να ερμηνευθούν. Κοινές τιμές της κλίσης dv/dt είναι 0, 1, 0.5, 1, 2, 5, 10, και 100 kv / μs. Για πολύ γρήγορα διάκενα σπινθήρα, είναι σύνηθες να χρησιμοποιηθεί μία τιμή κλίσης kv / μs, το οποίο είναι ισοδύναμο με 1 kv / ns. Για τον έλεγχο της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς τους οι εκτροπείς δοκιμάζονται με κυματομορφές τάσης με δύο ρυθμούς ανόδου στο μέτωπο 100 V/μs και 1 kv/μs αντίστοιχα. 2.4 Δοκιμές που πρέπει να γίνουν σε εκτροπείς υπέρτασης χαμηλής τάσης σύμφωνα με το πρότυπο IEC [1]52 Υπάρχουν τριών ειδών τεστ που πρέπει να γίνονται στα στοιχεία σύμφωνα με το πρότυπο. Τα πρώτα είναι τα τυπικά τεστ (type test) που γίνονται τυχαία σε κάποια SPD της παραγωγής και αυτά θεωρούνται αντιπροσωπευτικά του συνόλου της. Στη συνέχεια γίνονται τα τεστ ρουτίνας (routine test), τα οποία αφορούν κάθε SPD ή εξαρτήματα και υλικά αυτών με σκοπό να εξασφαλιστεί ότι το προϊόν πληροί τις προδιαγραφές σχεδιασμού. Στο τέλος γίνονται τα τεστ (acceptance tests) για την πιστοποίηση του προϊόντος και για να αποδειχθεί στον πελάτη ότι το προϊόν πληροί τις προδιαγραφές. Παραπάνω έγινε η κατηγοριοποίηση των απαγωγών/εκτροπέων κρουστικών υπερτάσεων (SPDs) σε κλάσεις. Τα τεστ στα οποία υποβάλλονται οι απαγωγείς/εκτροπείς κρουστικών υπερτάσεων (SPDs) διαφέρουν ανάλογα με την κλάση στην οποία ανήκουν και αναφέρονται παρακάτω. 51 [2] Peter Hasse, Overvoltage Protection of Low- Voltage Systems, Revised Edition, Institution of Electrical Engineers, [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 28

30 Τεστ κλάσης Ι Διεξάγονται με κρουστικό ρεύμα εκκένωσης I imp, κυματομορφής 8/20 μs για τιμή κορυφής ίδια με την τιμή κορυφής του I imp και με μία κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs. Τεστ κλάσης ΙI Διεξάγονται με το ονομαστικό ρεύμα εκκένωσης I n και με μία κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs. Τεστ κλάσης ΙII Διεξάγονται με κυματομορφή τάσης ρεύματος 1.2/50 μs - 8/20 μs παραγόμενες από γεννήτρια συνδυασμένου κύματος. Τεστ Ζητούμενα κλάσης Ι κλάσης ΙI κλάσης ΙII I imp I n U oc Πίνακας 2.1: Συνοπτικά τα ζητούμενα για τα τεστ κάθε κλάσης. [1]53 Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι προτιμώμενες τιμές στα SPD, εννοώντας τις τιμές που συναντώνται συχνότερα στην πράξη, ανάλογα με την κλάση στην οποία ανήκουν. Προτιμώμενες τιμές του ρεύματος εκκένωσης I imp για την κλάση Ι I imp Q W/R ,5 20 και 25 ka 0,5 1 2,5 5 6,25 10 και 12,5 As 0,25 1,0 6, και 156 kj/ω Το κρουστικό ρεύμα εκκένωσης που περνά μέσα από τη συσκευή υπό δοκιμή (SPD) ορίζεται από την τιμή κορυφής I imp, το φορτίο Q και την ειδική ενέργεια W/R. Το κρουστικό ρεύμα δεν πρέπει να παρουσιάζει αντιστροφή πολικότητας και θα πρέπει να φτάσει την τιμή I imp εντός 50 μs. Η μεταφορά του φορτίου Q θα πρέπει να γίνει μέσα σε 5 ms και η ειδική ενέργεια W/R πρέπει να διαχέεται μέσα σε 5 ms. Η διάρκεια του κρουστικού ρεύματος δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 5 ms. 53 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 29

31 Πίνακας 2.2: Προτιμώμενες τιμές του ρεύματος εκκένωσης I imp για την κλάση Ι. [1]54 Προτιμώμενες τιμές του ονομαστικού ρεύματος εκκένωσης I n για την κλάση ΙΙ 0,05 0,1 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 5, και 20 ka Προτιμώμενες τιμές της τάσης ανοιχτού κυκλώματος U oc για την κλάση ΙΙI 0,1 0,2 0, και 20 kv Οι κυματομορφές που χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή των τεστ και για τις τρεις κλάσεις είναι η κυματομορφή του ρεύματος 8/20 μs και της τάσης 1.2/50 μs. Για αυτές πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω ανοχές. Τα όρια ανοχής για την κυματομορφή ρεύματος 8/20 μs που διαρρέει τη συσκευή υπό δοκιμή είναι: Τιμή κορυφής ±10% Χρόνος μετώπου ±10% Χρόνος ημίσεως εύρους ±10% Αυτές οι ανοχές της γεννήτριας θα πρέπει να πληρούνται, με ή χωρίς το κύκλωμα παροχής ηλεκτρικής ισχύος να είναι συνδεδεμένο, ανάλογα με το αν η δοκιμή πρέπει να εκτελείται με ενεργή ή απενεργοποιημένη την πηγή. Επίσης μια μικρή υπέρβαση ή ταλάντωση είναι ανεκτή με την προϋπόθεση ότι το πλάτος της κάθε ταλάντωσης δεν είναι περισσότερο από 5% της τιμής κορυφής. Οποιαδήποτε αντιστροφή 54 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 30

32 πολικότητας μετά το μηδενισμό του ρεύματος, δεν πρέπει να υπερβαίνει το 30% της τιμής κορυφής. Τα όρια ανοχής για την κυματομορφή της τάσης 1.2/50 μs ανοιχτού κυκλώματος όπου συνδέονται οι ακροδέκτες της συσκευής υπό δοκιμή είναι: Τιμή κορυφής ±5% Χρόνος μετώπου ±30% Χρόνος ημίσεως εύρους ±20% Στην περίπτωση χρήσης γεννήτριας συνδυασμένου κύματος αυτές οι ανοχές είναι μόνο για τη γεννήτρια, χωρίς να είναι συνδεδεμένο το SPD ή το κύκλωμα παροχής ηλεκτρικής ισχύος. Ταλαντώσεις ή υπέρβαση μπορεί να συμβεί στην κορυφή του κύματος. Εάν η συχνότητα αυτών των ταλαντώσεων είναι πάνω από 500 khz ή η διάρκεια της υπέρβασης είναι μικρότερη από 1 μs, θα πρέπει να σχεδιαστεί μια μέση καμπύλη και για τον σκοπό της μέτρησης, το μέγιστο πλάτος αυτής της μέσης καμπύλης ορίζει την μετρούμενη τιμή κορυφής της τάσης δοκιμής. Δεν επιτρέπονται οι ταλαντώσεις να υπερβαίνουν το 3% της τιμής κορυφής στο αυξανόμενο τμήμα της κρουστικής τάσης μεταξύ 0% και 80% της τιμής κορυφής. Οι συσκευές μέτρησης έχουν συνολικό εύρος ζώνης τουλάχιστον 25 MHz και η υπέρβαση είναι μικρότερη από 3%. Το ρεύμα βραχυκυκλώματος της γεννήτριας δοκιμής πρέπει να είναι μικρότερο από το 20% του ονομαστικού ρεύματος εκφόρτισης I n του SPD. Για την γεννήτρια συνδυασμένου κύματος πρέπει να ισχύει ότι η «πλασματική» αντίσταση Z f της γεννήτριας πρέπει να έχει ονομαστική τιμή 2 Ω. Εξ ορισμού, η «πλασματική» αντίσταση είναι το ποσοστό της τιμής κορυφής της τάσης ανοικτού κυκλώματος U oc διαιρούμενη με την τιμή κορυφής του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc. Οι μέγιστες τιμές για U oc τάση κορυφής ανοιχτού κυκλώματος και του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc είναι 20 kv και 10 ka αντίστοιχα. Πάνω από αυτές τις τιμές (20 kv / 10 ka), πρέπει να εκτελούνται οι δοκιμές της κατηγορίας ΙΙ. Όταν το SPD δεν περιέχει αντιδραστικά στοιχεία, δεν απαιτείται να υπάρχει στοιχείο απόζευξης μεταξύ του SPD και της πηγής. Στοιχεία ζεύξης και απόζευξης των δικτύων είναι αναγκαία μόνο για δοκιμές που γίνονται όταν η συσκευή υπό δοκιμή είναι ηλεκτρισμένη. [1]55 55 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 31

33 2.4.1 Τυπικά τεστ (type test) που αφορούν την κατηγορία των ηλεκτρικών τεστ [1]56 Οι δοκιμές διαφέρουν ανάλογα με τις κλάσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω Για τα τεστ κλάσης Ι και ΙΙ η διαδικασία είναι η εξής: Προσδιορισμός παραμένουσας τάσης με παλμό ρεύματος 8/20 μs [1] α) Κατά τη διεξαγωγή των δοκιμών των SPD της κλάσης Ι, εφαρμόζεται παλμός ρεύματος 8/20 μs με μια ακολουθία τιμών κορυφής περίπου 0,1 0,2 0,5 1,0 φορές την τιμή κορυφής I imp. Κατά τη διεξαγωγή των δοκιμών των SPD της κλάσης ΙΙ, εφαρμόζεται παλμός ρεύματος 8/20 μs με μια ακολουθία τιμών κορυφής περίπου 0,1 0,2 0,5 1,0 φορές την τιμή I n. Αν το SPD περιέχει μόνο στοιχεία που περιορίζουν την τάση, αυτό το τεστ θα πρέπει να πραγματοποιείται μόνο για την τιμή κορυφής I imp για την κλάση I ή για την τιμή I n για την κλάση ΙΙ. Όταν η τιμή I max δίνεται από τον κατασκευαστή ένας πρόσθετος παλμός ρεύματος 8/20 μs με τιμή κορυφής την I max εφαρμόζεται και η παραμένουσα τάση πρέπει να μετράται και να καταγράφεται. β) Εφαρμόζονται μία αλληλουχία ρευμάτων θετικής πολικότητας και μία αλληλουχία αρνητικής πολικότητας στο SPD. γ) Το χρονικό διάστημα μεταξύ των επιμέρους επιβολών πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε το δοκίμιο να επανέλθει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. δ) Πρέπει να καταγράφονται για κάθε δοκιμή ένα παλμογράφημα του ρεύματος και της τάση. Ανάλογα με την περίπτωση, οι (απόλυτες) τιμές κορυφής θα αποτυπώνονται σε ένα γράφημα ρεύματος εκφόρτισης (I n ή I imp ) ως συνάρτηση της παραμένουσας τάσης. Πρέπει να σχεδιάζεται η καμπύλη που ταιριάζει καλύτερα στα δεδομένα σημεία. Πρέπει να υπάρχουν επαρκή σημεία για την καμπύλη για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις της καμπύλης έως τις τιμές I n ή I imp. ε) Η παραμένουσα τάση που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της τάσης περιορισμού είναι η υψηλότερη τιμή τάσης που αντιστοιχεί στο εύρος των ρευμάτων για: Κλάση Ι: έως I imp Κλάση ΙΙ: έως Ι n ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η παραμένουσα τάση είναι η υψηλότερη τιμή κορυφής που μετράται κατά τη διάρκεια της ροής του ρεύματος. Τυχόν διαταραχές και αιχμές υψηλής συχνότητας πριν και κατά τη διάρκεια της ροής του ρεύματος που προκαλούνται από τον ειδικό σχεδιασμό της γεννήτριας, όπως crowbar γεννήτριες, δεν λαμβάνονται υπόψη. 56 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 32

34 στ) Η τιμή για τον προσδιορισμό της U max είναι η υψηλότερη παραμένουσα τάση που μετρήθηκε για I n, I max ή I imp, όπως ισχύει ανάλογα με την κλάση δοκιμής του SPD Για το τεστ κλάσης ΙΙΙ η διαδικασία είναι η εξής [1]57 : Προσδιορισμός της τάσης περιορισμού του SPD με τη γεννήτρια συνδυασμένου κύματος Για την εκτέλεση της δοκιμής αυτής, χρησιμοποιείται μια γεννήτρια συνδυασμένου κύματος. α) Το χρονικό διάστημα μεταξύ των μεμονωμένων παλμών πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να ψύχεται το δοκίμιο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. β) Η τάση της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος έχει οριστεί να παρέχει μια τάση ανοικτού κυκλώματος 0,1 0,2 0,5 1,0 φορές την τιμή της τάσης U oc όπως δηλώνεται από τον κατασκευαστή για το SPD. Αν το SPD περιέχει μόνο στοιχεία περιορισμού της τάσης πρέπει να διενεργείται η δοκιμή μόνο για την τιμή U oc. γ) Με αυτές τις ρυθμίσεις για τη γεννήτρια θα εφαρμοστούν στο SPD τέσσερα κύματα σε κάθε πλάτος: δύο με θετική και δύο με αρνητική πολικότητα. δ) πρέπει να καταγράφεται για κάθε παλμό ένα παλμογράφημα για το ρεύμα που δίνει η γεννήτρια στο SPD και για την τάση στην θύρα εξόδου του SPD. ε) Η τιμή για τον προσδιορισμό της μετρούμενης τάσης περιορισμού U max είναι η μέγιστη τάση που καταγράφεται κατά τη διάρκεια αυτής της δοκιμής. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Αυτή μπορεί είτε να είναι η τάση υπερπήδησης ή η παραμένουσα τάση ανάλογα με το σχεδιασμό του SPD. Τα κριτήρια για να θεωρηθούν επιτυχημένα τα τεστ είναι: Να μην παρουσιάζεται ένδειξη διάτρησης ή ανάφλεξης στην καταγραφή της τάσης και του ρεύματος αλλά να μην συμβαίνει αυτό ούτε και με οπτική επιθεώρηση. Να μην γίνεται καμία ορατή ζημιά κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Μετά τη δοκιμή, οι μικρές ρωγμές που δεν επηρεάζουν την προστασία έναντι άμεσης επαφής δεν λαμβάνονται υπόψη κατά τη διάρκεια του ελέγχου αυτού, εκτός και αν δεν παρέχεται πλέον ο βαθμός προστασίας (IP-code) που δίνει το SPD. Επίσης δεν πρέπει να υπάρχει οπτική απόδειξη της καύσης του δοκιμίου μετά από τη δοκιμή. Τα SPDs με βαθμό προστασίας IP ίσο ή μεγαλύτερο από IP20 δεν πρέπει να έχουν προσιτά τα ηλεκτροφόρα μέρη όταν εφαρμόζεται η τυποποιημένη δοκιμή: πιέζοντας με το δάχτυλο 57 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 33

35 και δύναμη 5 N (βλέπε IEC 60529), εκτός αν τα ηλεκτροφόρα τμήματα ήταν ήδη προσβάσιμα πριν από τη δοκιμή, όταν το SPD έχει τοποθετηθεί κανονικά. Να μην υπάρχει έκρηξη ή άλλος κίνδυνος είτε για το προσωπικό είτε για την εγκατάσταση Απαραίτητα τεστ για την απόδειξη της καλής λειτουργίας των SPDs [1]58 Αυτή είναι μια δοκιμή στην οποία οι συνθήκες λειτουργίας προσομοιώνονται με την εφαρμογή ενός ορισμένου αριθμού συγκεκριμένων παλμών στο SPD, ενώ αυτό τροφοδοτείται με τη μέγιστη συνεχή τάση λειτουργίας U c μέσω μιας ac πηγής σύμφωνα με τους κανονισμούς που θα αναφερθούν παρακάτω. Η εγκατάσταση της δοκιμής πρέπει να συμμορφώνεται με το διάγραμμα του κυκλώματος που φαίνεται στην Εικόνα 2.2. Εικόνα 2.2: Το κύκλωμα για τη διεξαγωγή της δοκιμής [1] Η μετρούμενη τιμή της τάσης περιορισμού καθορίζεται σύμφωνα με τις δοκιμές που περιγράφηκαν παραπάνω. Για την αποφυγή υπερβολικής καταπόνησης των στοιχείων, η δοκιμή διεξάγεται εφαρμόζοντας έναν θετικό και έναν αρνητικό παλμό: σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν για τη δοκιμή κλάσης Ι, αλλά μόνο σε μια τιμή κορυφής που αντιστοιχεί στην I imp σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν για τη δοκιμή κλάσης II, αλλά μόνο για την τιμή I n. 58 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 34

36 σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν για τη δοκιμή κλάσης IIΙ, αλλά μόνο για την τιμή U oc Τα χαρακτηριστικά της πηγής για τη διεξαγωγή της δοκιμής α) για ακολουθόν ρεύμα 500 Α Το στοιχείο δοκιμής πρέπει να συνδέεται με μια πηγή ισχύος στην συχνότητα της τάσης. Η σύνθετη αντίσταση της πηγής ισχύος πρέπει να είναι τέτοια ώστε κατά τη διάρκεια της ροής του ακολουθούντος ρεύματος η τιμή κορυφής της τάσης, που μετράται στους ακροδέκτες του SPD, να μην πέφτει κάτω από την τιμή κορυφής U c περισσότερο από 10%. β) για ακολουθόν ρεύμα 500 Α Το στοιχείο δοκιμής πρέπει να συνδέεται με μία πηγή τάσης U c συχνότητας δικτύου με την προοπτική το ρεύμα βραχυκύκλωσης να είναι: είτε ίσο με το ακολουθούν ρεύμα διακοπής I fi προσδιορισμένο από τον κατασκευαστή είτε 500 Α όποιο από τα δύο είναι μεγαλύτερο, εκτός από τα SPDs που συνδέονται μόνο μεταξύ του ουδέτερου και της προστατευτικής γείωσης σε TT- ή/και TN συστήματα, για την οποία το αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης πρέπει να είναι τουλάχιστον 100 Α Τεστ για την απόδειξη της καλής λειτουργίας των SPDs κλάσης Ι ή ΙΙ [1]59 Πρέπει να εφαρμόζονται τρεις ομάδες των πέντε παλμών ρεύματος 8/20 μs με θετική πολικότητα. Τα στοιχεία δοκιμής συνδέονται με μια πηγή ισχύος, όπως περιγράφηκε στην ενότητα Κάθε παλμός θα πρέπει να συγχρονιστεί με τη συχνότητα της πηγής. Ξεκινώντας από 0 η γωνία συγχρονισμού πρέπει να αυξηθεί σε βήματα των 30, με ανοχή ± 5 για κάθε γωνία συγχρονισμού. Οι δοκιμές περιγράφονται στην Εικόνα [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 35

37 Εικόνα 2.3: Περιγραφή των δοκιμών. [1]60 Το SPD πρέπει να ενεργοποιείται στην τάση U c. Το αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης της πηγής ισχύος πρέπει να συμμορφώνεται με τα παραπάνω κατά τη διάρκεια εφαρμογής των παλμών κάθε ομάδας. Μετά την εφαρμογή των παλμών της κάθε ομάδας και μετά τη διακοπή του τελευταίου ακολουθούντος ρεύματος (εάν υπάρχει) το SPD πρέπει να παραμένει ενεργό, χωρίς διακοπή, για τουλάχιστον ένα λεπτό για να ελεγχθεί η περίπτωση ανάφλεξης. Μετά την τελευταία ομάδα παλμών και την περίοδο ενός λεπτού το SPD είτε παραμένει ενεργοποιημένο ή επανενεργοποιείται μέσα σε λιγότερο από 30 δευτερόλεπτα σε τάση U c για άλλα 15 λεπτά για να ελεγχθεί η σταθερότητα. Για το σκοπό αυτό, η ικανότητα βραχυκύκλωσης της πηγής ισχύος (στο U c ) μπορεί να μειωθεί σε 5 Α. Κατά τη δοκιμή των SPDs κλάσης Ι, πρέπει να εφαρμόζονται παλμοί ρεύματος 8/20 μs με τιμή κορυφής που αντιστοιχεί σε I imp. Κατά τη δοκιμή των SPDs κλάσης ΙΙ, πρέπει να εφαρμόζονται παλμοί ρεύματος 8/20 μs με τιμή I n. Το διάστημα μεταξύ των παλμών είναι 50 s - 60 s, το διάστημα μεταξύ των ομάδων είναι 30 λεπτά -35 λεπτά. Δεν απαιτείται το δείγμα δοκιμής να είναι ηλεκτρισμένο μεταξύ των ομάδων. Όλοι οι παλμοί ρεύματος καταγράφονται και οι κυματομορφές ρεύματος δεν πρέπει να παρουσιάζουν κανένα σημάδι διάτρηση ή ανάφλεξη των στοιχείων. 60 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 36

38 Τεστ για την απόδειξη της καλής λειτουργίας των SPDs κλάσης ΙΙΙ [1]61 Το SPD δοκιμάζεται με τρεις ομάδες παλμών που αντιστοιχούν σε τάση U oc με: πέντε θετικούς παλμούς που ξεκινούν από την τιμή κορυφής του θετικού μισού κύκλου (±5 ) πέντε αρνητικούς παλμούς που ξεκινούν από την τιμή κορυφής του θετικού μισού κύκλου (±5 ) πέντε θετικούς παλμούς που ξεκινούν από την τιμή κορυφής του θετικού μισού κύκλου (±5 ) Το διάγραμμα χρονισμού περιγράφεται στην Εικόνα 2.4. Εικόνα 2.4: Περιγραφή των δοκιμών. [1] 61 [1] IEC-Standard αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 37

39 Κεφάλαιο 3 ο : Combination Wave Surge Generator 3.1 Εισαγωγή Η Combination Wave Surge Generator είναι μία γεννήτρια που στην έξοδο της μπορεί να παράγει ένα συνδυασμένο κρουστικό κύμα για τις ανάγκες καταπόνησης του εξοπλισμού στα πλαίσια των απαραίτητων δοκιμών. Το κρουστικό κύμα αποτελείται από την κρουστική τάση ανοιχτού κυκλώματος με κυματομορφή 1.2/50 μs και από το κρουστικό ρεύμα βραχυκύκλωσης με κυματομορφή 8/20 μs. Το κύκλωμα της γεννήτριας φαίνεται στην Εικόνα 3.1. [11]62 Εικόνα 3.1: Γεννήτρια συνδυασμένου κύματος (Combination Wave Surge Generator). [11] 3.2 Προβλεπόμενα όρια για τις κρουστικές κυματομορφές τάσης και ρεύματος Στην ενότητα αυτή αναφέρονται τα όρια των τιμών που προβλέπουν τα πρότυπα για τη διάρκεια μετώπου και τη διάρκεια ημίσεως εύρους των κυματομορφών κρουστικού ρεύματος και τάσης. Για την κυματομορφή κρουστικής τάσης 1.2/50 μs η διάρκεια μετώπου πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη κατά 30% της ονοματικής διάρκειας μετώπου (Τ 1 ). Δηλαδή Τ 1 =1.2±30% 0.84 T 1.56 μs. Για την ίδια κυματομορφή η διάρκεια ημίσεως εύρους (Τ 2 ) πρέπει να είναι 1 μεγαλύτερη ή μικρότερη κατά 20% της ονοματικής διάρκειας ημίσεως εύρους. Δηλαδή Τ 2 =50±20% 40 T 60 μs. Για λόγους μεγαλύτερης ασφάλειας λαμβάνονται μικρότερα όρια από τα 2 προβλεπόμενα. Για τη διάρκεια μετώπου λαμβάνεται ως όριο το 27 % της ονομαστικής τιμής και για τη διάρκεια ημίσεως εύρους το 18 % της ονομαστικής τιμής. Τα τελικά όρια είναι για τη διάρκεια μετώπου T μs και για τη διάρκεια ημίσεως εύρους 41T2 59 μs. Για αυτή την κυματομορφή το όριο του Undershoot είναι μικρότερο από το 30% της τιμής κορυφής. Όμως θα ληφθεί το συντηρητικό 27% αυτού. 62 [11] Douglas E. Powell and Bryce Hesterman, Introduction to Voltage Surge Immunity Testing, IEEE Power Electronics Society Denver Chapter Meeting September 18, 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 38

40 Αντίστοιχα για την κυματομορφή κρουστικού ρεύματος 8/20 μs η διάρκεια μετώπου πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη κατά 10% της ονοματικής διάρκειας μετώπου (Τ 1 ). Δηλαδή Τ 1 =8 ±10% 7.2 T1 8.8 μs. Για την ίδια κυματομορφή η διάρκεια ημίσεως εύρους πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη κατά 10% της ονοματικής διάρκειας ημίσεως εύρους (Τ 2 ). Δηλαδή Τ 2 =20±10% 18 T2 22 μs. Για λόγους μεγαλύτερης ασφάλειας λαμβάνονται μικρότερα όρια από τα προβλεπόμενα. Έτσι για τη διάρκεια μετώπου λαμβάνεται το 9 % της ονοματικής τιμής και για τη διάρκεια ημίσεως εύρους το 9 % της ονομαστικής τιμής. Τα τελικά όρια είναι για τη διάρκεια μετώπου 7.28 T μs και για τη διάρκεια ημίσεως εύρους 18.2 T 21.8 μs. Για αυτή την κυματομορφή το όριο του Undershoot είναι μικρότερο από το 2 30% της τιμής κορυφής. Όμως θα ληφθεί το συντηρητικό 27% αυτού. Στο παραπάνω κύκλωμα οι όλες οι τιμές των στοιχείων είναι άγνωστες και πρέπει να προσδιοριστούν. Για να γίνει αυτό πρέπει να γίνει ανάλυση του κυκλώματος με τη μέθοδο του μετασχηματισμού Laplace και του αντίστροφου αυτού. Σκοπός είναι να βρεθούν οι τιμές των στοιχείων για τις οποίες προκύπτουν οι κυματομορφές τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs στην έξοδο του κυκλώματος. Για να βρεθούν οι άγνωστες τιμές των στοιχείων του κυκλώματος θεωρούνται ως δεδομένα τα όρια των κυματομορφών που αναλύθηκαν παραπάνω. Οι κυματομορφές που θα προκύψουν στην έξοδο του κυκλώματος πρέπει να πληρούν αυτά τα όρια. 3.3 Διερεύνηση του κυκλώματος της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος [11]63 Αρχικά γράφονται οι διαφορικές εξισώσεις που περιέχουν ως μεταβλητές τα τρία ρεύματα που φαίνονται στο κύκλωμα. Οι παραδοχές που γίνονται είναι ότι ο πυκνωτής C c είναι πλήρως φορτισμένος σε τάση V dc, ότι η επίδραση της R c στη φόρτιση δεν λαμβάνεται υπόψη και ότι το αρχικό ρεύμα του πηνίου είναι μηδενικό. I s Cc svc s Vdc (1) 1 ( ) V (s) c I 2(s)= (2) R s1 V c(s) Lr si 3(s) I 3(s)= R R m s2 Vc (3) 3() () s I s R R sl m s2 r (4) Μετά από συνδυασμό των παραπάνω εξισώσεων μεταξύ τους και στη συνέχεια εισάγοντας σε αυτές βοηθητικές μεταβλητές προκύπτει ένα σύστημα αγνώστων που πρέπει να επιλυθεί. Το σύστημα που πρέπει να επιλυθεί είναι το εξής: 63 [11] Douglas E. Powell and Bryce Hesterman, Introduction to Voltage Surge Immunity Testing, IEEE Power Electronics Society Denver Chapter Meeting September 18, 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 39

41 Cc x0 Lr x1 Rs1 x2 Rs 2 x3 Rm x4 Vdc x5 A A R ( R R ) C 2 R ( R R ) 4R L C L s Rs1 Lr Cc 1 A s 2Rs1 Lr Cc 2 Cc Rs1( Rs 2 Rm ) Lr A 12 Rs Vdc 2( ) L r s1 s2 m c s1 s2 m s1 r c r Τα αποτελέσματα που προκύπτουν είναι [11]64 : Cc F, L H, R , R , R 0.941, V 1082V r s s m dc Για να βρεθεί η μορφή των κυματομορφών που παράγει η γεννήτρια συνδυασμένου κύματος έγινε προσομοίωση του κυκλώματος στο ΑΤΡ όπου χρησιμοποιήθηκαν οι στρογγυλοποιημένες τιμές των παραπάνω. Οι τιμές αυτές είναι: C 6F, L 10H, R, R 2 20, R 1, V 6000V ή V 20000V. s1 25 s m dc Η επιλογή των τιμών του πυκνωτή για το κύκλωμα προσομοίωσης έγινε σύμφωνα με τις διαθέσιμες χωρητικότητες που έχει η γεννήτρια ισχυρών κρουστικών ρευμάτων του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. Η γεννήτρια ισχυρών κρουστικών ρευμάτων συνδυάζει 50 πυκνωτές υψηλής τάσης με τα στοιχεία που αναφέρονται στη συνέχεια. Κάθε πυκνωτής αποτελείται από δύο ξεχωριστές χωρητικότητες (δύο εσωτερικοί πυκνωτές). Οι χωρητικότητες έχουν το ένα άκρο τους ελεύθερο και το άλλο συνδεδεμένο στο μεταλλικό κέλυφος του πυκνωτή. Έτσι, σε κάθε πυκνωτή υπάρχουν τρεις dc c r 64 [11] Douglas E. Powell and Bryce Hesterman, Introduction to Voltage Surge Immunity Testing, IEEE Power Electronics Society Denver Chapter Meeting September 18, 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 40

42 ακροδέκτες που επιτρέπουν τη σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων είτε σε σειρά είτε παράλληλα. Η κάθε χωρητικότητα, βάσει κατασκευαστή, έχει ονομαστική τιμή 2.66μF με ονομαστική τάση 20kV. Κατά την εν σειρά σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων η τάση φόρτισης μπορεί να φτάσει τα 40kV, αφού η κάθε εσωτερική χωρητικότητα θα φορτίζεται στην ονομαστική τάση της. Η ονομαστική χωρητικότητα του κάθε πυκνωτή είναι 1.33μF (η τάση φόρτισης δηλαδή εφαρμόζεται στους ακροδέκτες 1 και 2, ενώ ο ακροδέκτης 3 στη διάρκεια της φόρτισης μένει ασύνδετος). [12] Σύνολο πυκνωτών 50 Ομάδες των 10 πυκνωτών 5 Εσωτερικές χωρητικότητες κάθε πυκνωτή 2x2,66 μf Χωρητικότητα ενός πυκνωτή με εν σειρά σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων 1,33μF Ονομαστική τάση εν σειρά σύνδεσης των εσωτερικών χωρητικοτήτων του πυκνωτή 40kV Χωρητικότητα ενός πυκνωτή με εν παραλλήλω σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων 5,32μF Ονομαστική τάση εν παραλλήλω σύνδεσης των εσωτερικών χωρητικοτήτων του πυκνωτή 20kV 3.4 Προσομοίωση της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος στο ΑΤΡ Σύμφωνα με τα παραπάνω στο ΑΤΡ επιλέχθηκαν να γίνουν έξι προσομοιώσεις με διαφορετικές τιμές των στοιχείων του κυκλώματος για τον προσδιορισμό της κυματομορφής τάσης και ρεύματος που παράγει η γεννήτρια συνδυασμένου κύματος στην έξοδό της όταν μεταβάλλονται οι τιμές των στοιχείων του κυκλώματος. Για σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων του πυκνωτή σε σειρά προκύπτει χωρητικότητα 1.33μF. Για σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων του πυκνωτή παράλληλα προκύπτει χωρητικότητα 5.32μF. Για σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων του ενός πυκνωτή παράλληλα και χρήση δύο τέτοιων πυκνωτών σε παράλληλη σύνδεση μεταξύ τους προκύπτει χωρητικότητα 10.64μF. Για σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων του ενός πυκνωτή σε σειρά και του άλλου παράλληλα και μεταξύ τους σύνδεση παράλληλα προκύπτει χωρητικότητα 6.65μF. [12]65 Προσομοιώσεις που θα γίνουν στο ATP: Περίπτωση Α) Κυματομορφή ρεύματος και τάσης που προκύπτει με τις ακριβείς τιμές των στοιχείων του κυκλώματος που προκύπτουν από τη μαθηματική ανάλυση. [11]66 Περίπτωση Β) Κυματομορφή ρεύματος και τάσης που προκύπτει με τις στρογγυλοποιημένες τιμές των στοιχείων του κυκλώματος και C 5.32F, V 6000V. c Περίπτωση Γ) Κυματομορφή ρεύματος και τάσης που προκύπτει με τις στρογγυλοποιημένες τιμές των στοιχείων του κυκλώματος και C 5.32F, V 20000V. c dc dc 65 [12] Κοκίδης Δημήτριος, Σκούρος Απόστολος «Διερεύνηση της λειτουργίας της γεννήτριας ισχυρών κρουστικών ρευμάτων του εργαστηρίου υψηλών τάσεων Α.Π.Θ», Διπλωματική Εργασία Α.Π.Θ, 2011, Θεσσαλονίκη 66 [11] Douglas E. Powell and Bryce Hesterman, Introduction to Voltage Surge Immunity Testing, IEEE Power Electronics Society Denver Chapter Meeting September 18, 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 41

43 Περίπτωση Δ) Κυματομορφή ρεύματος και τάσης που προκύπτει με τις στρογγυλοποιημένες τιμές των στοιχείων του κυκλώματος και C F, V 6000V. c Περίπτωση Ε) Κυματομορφή ρεύματος και τάσης που προκύπτει με τις στρογγυλοποιημένες τιμές των στοιχείων του κυκλώματος και C F, V 20000V. c Περίπτωση Στ) Κυματομορφή ρεύματος και τάσης που προκύπτει με τις στρογγυλοποιημένες τιμές των στοιχείων του κυκλώματος και C 6.65F, V 6000V, V 20000V. c dc dc dc dc Τα αποτελέσματα που προκύπτουν για κάθε περίπτωση αναφέρονται με τη σειρά παρακάτω. Περίπτωση Α) Κυματομορφή 8/ 20 s Ipeak A timeb 6.622s timec 0.495s T timeb timec 6.127s T 1.25T 7.659s T s Undershoot % Κυματομορφή 1.2 / 50 s Vpeak V timeb 1.05s timea 0.495s T timeb timea 0.878s T 1.67T 1.466s T 50.3s Undershoot 0% Τα αποτελέσματα είναι μέσα στα όρια που επιβάλλει το πρότυπο για τις δύο κυματομορφές τάσης και ρεύματος κάτι το οποίο ήταν αναμενόμενο, άλλα έγινε για λόγους επιβεβαίωσης των αποτελεσμάτων της μαθηματικής διαδικασίας. Στις Εικόνες 3.2 και 3.3 φαίνονται οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης που προέκυψαν για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Α. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 42

44 Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ 500 [A] [us] 60 (f ile IEC8_20_a.pl4; x-v ar t) c:xx0006- Εικόνα 3.2: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Α. Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ 1000 [V] [us] 60 (f ile IEC12_50_a.pl4; x-v ar t) v :XX0003- Εικόνα 3.3: Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Α. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 43

45 Περίπτωση Β) Κυματομορφή 8/ 20 s timeb 6.064s timec 0.448s T timeb timec 5.616s T 1.25T 7.02s T s Undershoot 27% Κυματομορφή 1.2 / 50 s timeb 0.996s timea 0.164s T timeb timea 0.832s T 1.67T 1.389s T s Undershoot 0% Τα αποτελέσματα για την κυματομορφή του ρεύματος είναι οριακά εκτός προδιαγραφών ενώ για την τάση τα αποτελέσματα είναι μέσα στα όρια που επιβάλλει το πρότυπο. Στις Εικόνες 3.4 και 3.5 φαίνονται οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης που προέκυψαν για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Β. Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ Εικόνα 3.4: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Β. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 44

46 Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ Εικόνα 3.5: Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Β. Περίπτωση Γ) Κυματομορφή 8 / 20 s timeb 6.065s timec 0.449s T timeb timec 5.616s T 1.25T 7.02s T s Undershoot 27% Κυματομορφή 1.2 / 50 s timeb 0.997s timea 0.163s T timeb timea 0.834s T 1.67T 1.393s T s Undershoot 0% Τα αποτελέσματα για την κυματομορφή του ρεύματος είναι οριακά εκτός προδιαγραφών ενώ για την τάση τα αποτελέσματα είναι μέσα στα όρια που επιβάλλει το πρότυπο. Στις Εικόνες 3.6 και 3.7 φαίνονται οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης που προέκυψαν για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Γ. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 45

47 Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ Εικόνα 3.6: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Γ. Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ Εικόνα 3.7: Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Γ. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 46

48 Περίπτωση Δ) Κυματομορφή 8/ 20 s Ipeak A timeb 7.876s timec 0.556s T timeb timec 7.32s T 1.25T 9.15s T s Undershoot 14.42% Τα αποτελέσματα για την κυματομορφή του ρεύματος είναι εκτός προδιαγραφών σύμφωνα με το πρότυπο οπότε δεν καταγράφηκαν αποτελέσματα για την κυματομορφή της τάσης. Στην Εικόνα 3.8 φαίνεται η κυματομορφή ρεύματος που προέκυψε για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Δ. Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ Εικόνα 3.8: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Δ. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 47

49 Περίπτωση Ε) Κυματομορφή 8/ 20 s Ipeak A timeb 7.876s timec 0.556s T timeb timec 7.32s T 1.25T 9.15s T s Undershoot 14.42% Τα αποτελέσματα για την κυματομορφή του ρεύματος είναι εκτός προδιαγραφών σύμφωνα με το πρότυπο οπότε δεν καταγράφηκαν αποτελέσματα για την κυματομορφή της τάσης. Στην Εικόνα 3.9 φαίνεται η κυματομορφή ρεύματος που προέκυψε για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Ε. Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ Εικόνα 3.9: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Ε. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 48

50 Περίπτωση Στ) Κυματομορφή 8 / 20 s για V 6000V Ipeak A timeb s timec 0.483s T timeb timec 6.128s T 1.25T 7.66s T s Undershoot 22.99% Κυματομορφή 1.2 / 50 s για V 6000V Vpeak V timeb s timea 0.165s T timeb timea 0.846s T 1.67T 1.413s T 55.34s Undershoot 0% dc dc Τα αποτελέσματα για την κυματομορφή του ρεύματος και της τάσης είναι μέσα στα όρια που επιβάλλει το πρότυπο. Στις Εικόνες 3.10 και 3.11 φαίνονται οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης που προέκυψαν για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Στ V dc =6000 V. Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ Εικόνα 3.10: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Στ V dc =6000 V. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 49

51 Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ Εικόνα 3.11: Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Στ V dc =6000 V. Κυματομορφή 8 / 20 s για V 20000V Ipeak A timeb 6.617s timec 0.484s T timeb timec 6.133s T 1.25T 7.67s T s dc Undershoot % Για την τάση 20000V έγινε προσομοίωση μόνο για την κυματομορφή του ρεύματος επειδή γι αυτή τα όρια του προτύπου είναι πολύ στενά. Με την αλλαγή της τάσης Vdc το ποσοστό μεταβολής των τιμών είναι πολύ μικρό, επηρεάζονται μόνο τα δεκαδικά ψηφία, οπότε τα αποτελέσματα για την κυματομορφή της τάσης δεν υπάρχει περίπτωση να τεθούν εκτός ορίων. Τελικά, τα αποτελέσματα για την κυματομορφή του ρεύματος και της τάσης είναι μέσα στα όρια που επιβάλλει το πρότυπο. Στις Εικόνες 3.12 και 3.13 φαίνονται οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης που προέκυψαν για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Στ V 20000V. dc αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 50

52 Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ Εικόνα 3.12: Κυματομορφή ρεύματος από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Στ V dc =20000 V. Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ Εικόνα 3.13: Κυματομορφή τάσης από ΑΤΡ που προκύπτει για τις τιμές των στοιχείων της γεννήτριας συνδυασμένου κύματος της περίπτωσης Στ V dc =20000 V. Οι παραπάνω αναλύσεις στο ΑΤΡ έγιναν για να γνωρίζουμε ποιες τιμές των στοιχείων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο εργαστήριο του Α.Π.Θ για τη δημιουργία γεννήτριας συνδυασμένου κύματος και τη διεξαγωγή πειραμάτων με αυτή. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 51

53 Κεφάλαιο 4 ο : Πειράματα σε σπινθηριστές αερίων (GDTs) 4.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στη διαδικασία διεξαγωγής πειραμάτων σε σπινθηριστές αερίων, τα οποία έχουν γίνει σε ερευνητικές εργασίες. Στις πρώτες ενότητες θα περιγραφούν τα πειράματα που έχουν γίνει σε σπινθηριστές αερίων για την εξαγωγή της καμπύλης τάσης διάσπασης - χρόνου διάσπασης. Στις επόμενες ενότητες τα πειράματα που περιγράφονται αφορούν τη συμπεριφορά των σπινθηριστών αερίων σε ρεύματα. 4.2 Πειράματα σε σπινθηριστές αερίων (GDTs) για την εξαγωγή της καμπύλης τάσης διάσπασης - χρόνου διάσπασης Τα πειράματα που μπορούν να γίνουν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ για την εξαγωγή της καμπύλης στην οποία θα φαίνεται η σχέση που ισχύει θεωρητικά μεταξύ της τάσης διάσπασης ενός εκτροπέα και του χρόνου διάσπασής του είναι τα εξής: Πειράματα με γεννήτρια κρουστικής τάσης 1.2/50 μs Χρησιμοποιείται μία γεννήτρια κρουστικής τάσης κυματομορφής 1.2/50 μs (για την προσομοίωση της υπέρτασης από κεραυνικά πλήγματα) και στα άκρα της συνδέεται ένας σπινθηριστής αερίου, απ αυτούς που κυκλοφορούν στο εμπόριο, με συγκεκριμένη dc τάσης διάσπασης και υποβάλλεται διαφορετικά επίπεδα τάσης. Για κάθε διαφορετικό επίπεδο τάσης καταγράφεται η στιγμιαία τάση διάσπασης [V] και ο χρόνος στον οποίο συμβαίνει η διάσπαση [ns]. Αυτά τα αποτελέσματα καταγράφονται σε συγκεντρωτικό πίνακα και στη συνέχεια σχεδιάζονται σε διάγραμμα τάσης - χρόνου κι έτσι προκύπτει η καμπύλη με βάση την όποια θα προκύψουν συμπεράσματα για την λειτουργία του σπινθηριστή αερίου. Ανάλογο πείραμα έγινε στο εργαστήριο του Α.Π.Θ στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας [14]67 και σύμφωνα με αυτά το αποτέλεσμα το οποίο αναμένουμε είναι ότι όσο αυξάνεται το πλάτος της υπέρτασης, τόσο ο χρόνος διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) μειώνεται. Δηλαδή σε μεγαλύτερες υπερτάσεις ο σπινθηριστής αερίου (GDT) αποκρίνεται γρηγορότερα απ ότι σε υπερτάσεις με μικρότερο πλάτος. Το γράφημα που προέκυψε από τα πειράματα φαίνεται στην Εικόνα [14] Παπαναστασίου Μαρία, Χαραλαμπίδης Βασίλης «ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (GDT) ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ», Διπλωματική Εργασία Α.Π.Θ, 2014, Θεσσαλονίκη αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 52

54 Εικόνα 4.1: Κυματομορφής τάσης διάσπασης - χρόνου διάσπασης του GDT EPCOS «90 10 Ο». [14] Πειράματα με γεννήτρια συνδυασμένου κρουστικού κύματος τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs (combination wave) Χρησιμοποιείται μία γεννήτρια συνδυασμένου κρουστικού κύματος (combination wave) τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs. Η γεννήτρια μπορεί να έχει τη μορφή που φαίνεται στην Εικόνα 4.2. [15]69 Στο [15] για τις προσομοιώσεις στο ATP-EMTP χρησιμοποιούνται σπινθηριστές αερίων με dc τάση διάσπασης 230 V και επιβολές σε τρία διαφορετικά επίπεδα τάσης 500 V, 800 V και 1200 V. Πειραματική μέτρηση έγινε μόνο για την τάση των 800 V. Τα αποτελέσματα φαίνονται αντίστοιχα στις Εικόνες 4.3 [15] και 4.4 [15]. Στο εργαστήριο μπορούν να γίνουν πειράματα και για άλλα επίπεδα τάσης ώστε να διαπιστωθεί αν επαληθεύονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του ATP-EMTP και στη συνέχεια να σχεδιαστεί η καμπύλη τάσης - χρόνου, όπως στο πείραμα [14] Παπαναστασίου Μαρία, Χαραλαμπίδης Βασίλης «ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (GDT) ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ», Διπλωματική Εργασία Α.Π.Θ, 2014, Θεσσαλονίκη 69 [15] Anders Larsson, Hong Tong and Viktor Scula «A Gas Discharge Tube Module Based on Discharge Physics for use in ATP-EMTP Simulations», Institute of High Voltage Research, Sweden. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 53

55 Εικόνα 4.2: Γεννήτρια συνδυασμένου κρουστικού κύματος τάσης 1.2/50 μs και ρεύματος 8/20 μs (combination wave). [15] Εικόνα 4.3: Κυματομορφές τάσης - χρόνου για επιβαλλόμενες κρουστικές τάσεις πλάτους α. 500V, b. 800V, c. 1200V. [15] Εικόνα 4.4: Κυματομορφή τάσης - χρόνου ενός σπινθηριστή αερίου κατά τη λειτουργία του, με dc τάση διάσπασης 230 V και επιβαλλόμενη κρουστική τάση 800 V, όπως προέκυψε πειραματικά. [15]70 70 [15] Anders Larsson, Hong Tong and Viktor Scula «A Gas Discharge Tube Module Based on Discharge Physics for use in ATP-EMTP Simulations», Institute of High Voltage Research, Sweden. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 54

56 4.2.3 Πειράματα με παλμική γεννήτρια που στην έξοδό της παράγει τετραγωνικό παλμό τάσης με διάρκεια μετώπου μερικών ns Όπως αναλύεται στην εργασία [16] μπορεί να κατασκευαστεί ένα κύκλωμα για να μελετηθεί η απόκριση των σπινθηριστών αερίου κατά τη λειτουργία τους. Σκοπός είναι η εξαγωγή της χαρακτηριστικής καμπύλης τάσης - χρόνου του σπινθηριστή αερίου, όπως και στα παραπάνω πειράματα. Τα χαρακτηριστικά της απόκρισης των σπινθηριστών αερίου εξαρτώνται από τη διάρκεια του μετώπου της κυματομορφής και από τη μέγιστη τιμή της τάσης που εφαρμόζεται πάνω τους. Επειδή υπάρχει περίπτωση οι υπερτάσεις που δημιουργούνται να περιέχουν συνιστώσες υψηλών συχνοτήτων (κάτι που εξαρτάται από το κύκλωμα του προστατευόμενου εξοπλισμού) είναι σημαντικό να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά απόκρισης των σπινθηριστών αερίου σε αυτά τα είδη των υπερτάσεων για την αποτελεσματική προστασία του εξοπλισμού. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν πέντε τύποι σπινθηριστών αερίου (GDT) οι οποίοι υποβλήθηκαν σε πειράματα με κυματομορφές τάσης διαφορετικής διάρκειας μετώπου προκειμένου να διερευνηθούν τα χαρακτηριστικά απόκρισής τους σε ιδιαίτερα απότομες κλίσεις κυματομορφών. [16] Οι προδιαγραφές των σπινθηριστών αερίου που χρησιμοποιήθηκαν φαίνονται στον Πίνακα 4.1 [16]. Σε γενικές γραμμές οι σπινθηριστές αερίου έχουν χαρακτηριστικά εκκένωσης όπως φαίνονται στην Εικόνα 4.5 [16], όπου η τάση εκκένωσης και ο χρόνος απόκρισης μεταβάλλονται ανάλογα με την κλίση της κυματομορφής της κρουστικής τάσης που εφαρμόζεται. [16]71 71 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 55

57 Πίνακας 4.1: Προδιαγραφές των σπινθηριστών αερίου (GDT) που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα. [16]72 Εικόνα 4.5: Χαρακτηριστική καμπύλη εκκένωσης ενός σπινθηριστή αερίου. [16] 72 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 56

58 Στη συνέχεια γίνεται η περιγραφή του κυκλώματος μετρήσεων που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα. Το κύκλωμα αποτελείται από μία παλμική γεννήτρια (IG) απλής δομής, στην οποία φορτίζεται ένας πυκνωτής μέσω ενός διακένου. Η γεννήτρια στη έξοδό της παράγει τετραγωνική κυματομορφή τάσης με διάρκεια μετώπου μερικών ns. Η μέγιστη τάση εξόδου της γεννήτριας είναι 40 kv και η κύρια χωρητικότητα του πυκνωτή 1/2 μf. Στους ακροδέκτες εξόδου της γεννήτριας συνδέεται το κύκλωμα που φαίνεται στην εικόνα 4.6 [16]. Ρυθμίζεται η κλίση του μετώπου της κυματομορφής υπέρτασης V 1 που εφαρμόζεται στα δύο τα άκρα του σπινθηριστή αερίου και διεξάγεται η μέτρηση. [16]73 Εικόνα 4.6: Κύκλωμα στο οποίο διεξάγονται τα πειραμάτα. [16] Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα μέτρησης που θα μπορούσε να μετρήσει ανοδικό σήμα μερικών ns με επαρκή ακρίβεια. Αυτό αποτελούνταν από έναν παλμογράφο TDS3054C της εταιρείας Tektronix με εύρος ζώνης συχνοτήτων από dc έως 500 MHz, για τη μέτρηση της τάσης χρησιμοποιήθηκε ένας χωρητικός καταμεριστής τύπου P5 100 της εταιρείας Tektronix με λόγο καταμερισμού 10:1, εύρος ζώνης συχνοτήτων από dc έως 500 MHz και χωρητικότητα εισόδου 2.75 pf. [16] Κυματομορφές εκκένωσης των σπινθηριστών αερίου Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη διεξαγωγή των πειραμάτων για τον σπινθηριστή αερίου με κωδικό A81-C90X. Στα πειράματα αυτά μεταβάλλεται μόνο η τιμή της αντίστασης που υπάρχει στο ισοδύναμο κύκλωμα (Εικόνα 4.6) ενώ η αυτεπαγωγή θεωρείται τέλειο βραχυκύκλωμα. Μεταβάλλοντας την τιμή της αντίστασης στην ουσία μεταβάλλεται η κλίση του μετώπου της κυματομορφής τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του σπινθηριστή αερίου. Στις παρακάτω εικόνες φαίνονται οι κυματομορφές εκκένωσης που προέκυψαν. Σε κάθε εικόνα, η συμπαγής γραμμή δείχνει την εφαρμοζόμενη κυματομορφή τάσης 73 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 57

59 (κυματομορφή της υπέρτασης που εφαρμόζεται στην αντίσταση της Εικόνας 4.6 όταν ο σπινθηριστής αερίου δεν είναι τοποθετημένος) και η διακεκομμένη γραμμή δείχνει την κυματομορφή της υπέρτασης που εμφανίζεται στα δύο άκρα της όταν ο σπινθηριστής αερίου συνδέεται. [16]74 Εικόνα 4.7: Κυματομορφή της υπέρτασης στην περίπτωση που η αντίσταση R είναι ανοιχτό κύκλωμα και η αυτεπαγωγή L βραχυκύκλωμα. [16] Εικόνα 4.8: Κυματομορφή της υπέρτασης στην περίπτωση που η αντίσταση R=100 Ω και η αυτεπαγωγή L βραχυκύκλωμα. [16] 74 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 58

60 Εικόνα 4.9: Κυματομορφή της υπέρτασης στην περίπτωση που η αντίσταση R=50 Ω και η αυτεπαγωγή L βραχυκύκλωμα. [16] Εικόνα 4.10: Κυματομορφή της υπέρτασης στην περίπτωση που η αντίσταση R=10 Ω και η αυτεπαγωγή L βραχυκύκλωμα. [16]75 75 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 59

61 Εικόνα 4.11: Κυματομορφή της υπέρτασης στην περίπτωση που η αντίσταση R=3.3 Ω και η αυτεπαγωγή L βραχυκύκλωμα. [16] Τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα των μετρήσεων φαίνονται στον Πίνακα 4.2. [16] Πίνακας 4.2: Τα αποτελέσματα για την κλίση του μετώπου της κυματομορφής τάσης και ο χρόνος απόκρισης του σπινθηριστή αερίου. [16]76 76 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 60

62 Χαρακτηριστικά εκκένωσης των σπινθηριστών αερίου Στην εικόνα 4.12 [16] συνοψίζονται τα χαρακτηριστικά εκκένωσης, δηλαδή η σχέση μεταξύ τάσης εκκένωσης και χρόνου απόκρισης, για τον σπινθηριστή αερίου με κωδικό A81-C90X. Εικόνα 4.12: Χαρακτηριστική εκκένωσης του σπινθηριστή αερίου (GDT) A81-C90X. [16] Τα ίδια πειράματα έγιναν και για τους υπόλοιπους σπινθηριστές αερίου που αναφέρονται στον Πίνακα 4.1 και ελήφθησαν τα ίδια αποτελέσματα όσον αφορά τις κυματομορφές εκκένωσής τους. Για τη χαρακτηριστική εκκένωσης των σπινθηριστών αερίου παρατηρείται ότι ταυτίζεται με τη γενική χαρακτηριστική εκκένωσης που φαίνεται στην Εικόνα 4.5 [16]77. Ο μικρότερος χρόνος απόκρισης είναι 4-5 ns περίπου και όσο μικρότερος είναι ο χρόνος απόκρισης τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της τάσης εκκένωσης. Η χαρακτηριστική εκκένωσης για κάθε σπινθηριστή αερίου φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Εικόνα 4.13: Χαρακτηριστική εκκένωσης του σπινθηριστή αερίου (GDT) A81-Α230X. [16] 77 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 61

63 Εικόνα 4.14: Χαρακτηριστική εκκένωσης του σπινθηριστή αερίου (GDT) A81-Α350X. [16]78 Εικόνα 4.15: Χαρακτηριστική εκκένωσης του σπινθηριστή αερίου (GDT) A83-Α230X. [16] Εικόνα 4.16: Χαρακτηριστική εκκένωσης του σπινθηριστή αερίου (GDT) A83-Α350X. [16]79 78 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 62

64 Συμπεράσματα- Παρατηρήσεις Στους σπινθηριστές αερίου που μελετήθηκαν παρατηρείται μικρή διαφορά στα χαρακτηριστικά απόκρισής τους μολονότι προβλέπονται οι ίδιες κυματομορφές εφαρμοζόμενης τάσης. Σε γενικές γραμμές στους καταλόγους προϊόντων, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες προβλέπεται μόνο ο χρόνος απόκρισης του σπινθηριστή αερίου. Αυτό δεν είναι αρκετά αντιπροσωπευτικό για τον σπινθηριστή αερίου, θα έπρεπε να υποδεικνύονται τα χαρακτηριστικά απόκρισης όπως φαίνονται στις Εικόνες 4.5, Σε αυτή την ενότητα εφαρμόστηκαν κυματομορφές τάσης με διαφορετική διάρκεια μετώπου σε πέντε τύπους σπινθηριστών αερίου και διερευνήθηκαν τα χαρακτηριστικά απόκρισής τους. Παρατηρείται ότι όσο μειώνονται οι τιμές της αντίστασης που συνδέεται παράλληλα στον σπινθηριστή αερίου εφαρμόζεται στα άκρα του κρουστική τάση με μικρότερο εύρος άρα και με μικρότερη κλίση μετώπου. Όσο μειώνεται η κλίση ο σπινθηριστής αερίου αποκρίνεται πιο αργά στην υπέρταση. Επίσης οι σπινθηριστές αερίου με μικρότερη dc τάση διάσπασης διατηρούν την τάση σε χαμηλότερες τιμές, διότι για το ίδιο επίπεδο τάσης αποκρίνονται γρηγορότερα. Η υπέρταση που δημιουργείται στα στοιχεία προστασίας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος και μπορεί να περιλαμβάνει συνιστώσες υψηλής συχνότητας. Γι αυτό αποσαφηνίστηκαν τα χαρακτηριστικά απόκρισης του σπινθηριστή αερίου σε αυτού του είδους τις υπερτάσεις κάτι το οποίο είναι σημαντικό για την προστασία του εξοπλισμού. Διερευνήθηκε ο χρόνος απόκρισης του σπινθηριστή αερίου σε τάσεις με απότομη κλίση μετώπου και καταγράφηκαν χρόνοι αρκετών ns. 79 [16] Yuta Naito, Shunichi Yanagawa, Tomoki Kawabata, Kazuo Yamamoto «Responce Characteristics of Diode Gas Dicharge Tubes», International Conference on Lightning Protection (ICLP),2012, Vienna, Austria αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 63

65 4.3 Η απόκριση των σπινθηριστών αερίου (GDT) σε κυματομορφές ρεύματος με μεγαλύτερη κλίση από την 8/20 μs [17]80 Προκειμένου να είναι τα συστήματα προστασίας πιο αποτελεσματικά είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τη φύση των άμεσων και έμμεσων κεραυνικών πληγμάτων. Ανάμεσα στις πιο σημαντικές παραμέτρους του κεραυνικού πλήγματος που είναι υπεύθυνες και την καταπόνηση του εξοπλισμού είναι το μέγιστο ρεύμα και ο μέγιστος ρυθμός μεταβολής του ρεύματος σε σχέση με το χρόνο. Σύμφωνα με τον Uman η μέγιστη παράγωγος του επιστρέφοντος ρεύματος που έχει παρατηρηθεί, στην περίπτωση μη εξαναγκασμένης εκκένωσης είναι A/s ενώ για εξαναγκασμένη εκκένωση μέσω τρίγκατρον η μέγιστη τιμή είναι A/s. Το διεθνές πρότυπο IEC προτείνει ότι οι συσκευές προστασίας έναντι υπερτάσεων πρέπει να δοκιμάζονται με τις κυματομορφές ρεύματος 1/20 μs, 4/10 μs, 8/20 μs και 10/350 μs. Όμως ο ρυθμός ανόδου του επιστρέφοντος ρεύματος σε σχέση με το ρυθμό αυτών των κυματομορφών είναι αρκετά μεγαλύτερος, έτσι μπορεί οι κυματομορφές που προτείνει το πρότυπο να μην αντιπροσωπεύουν τον πραγματικό κίνδυνο που υπάρχει κατά τη διάρκεια του κεραυνικού πλήγματος. Επιπλέον η αυτεπαγωγή σειράς του σπινθηριστή αερίου παίζει μεγάλο ρόλο διότι το κρουστικό ρεύμα που περνάει από μέσα του έχει μεγάλη χρονική παράγωγο και προκαλεί επαγωγική υπέρταση. Κατά συνέπεια αν η επαγωγική υπέρταση που εμφανίζεται στα άκρα του σπινθηριστή αερίου υπερβαίνει το όριο αντοχής του προστατευόμενου φορτίου μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ή μόνιμη βλάβη στη μόνωση της προστατευόμενης συσκευής. Για τους παραπάνω λόγους είναι αναγκαία η διερεύνηση της απόκρισης των σπινθηριστών αερίου υπό κρουστικά ρεύματα με μεγαλύτερες χρονικές παραγώγους από τις τυπικές. [17] Γεννήτρια παραγωγής ρευμάτων με μεγάλη παράγωγο Αυτή η γεννήτρια αναπτύχθηκε από τον Roman [19][20]81 και παράγει μέγιστα ρεύματα έως 1500 Α με χρόνο ανόδου 10 ns και ρυθμό ανόδου του ρεύματος της τάξης των Α/s. Η κυματομορφή που παράγεται είναι ένα αποσβενύμενο κρουστικό ρεύμα το οποίο αυξάνεται ταχέως σε μία μέγιστη τιμή και ακολουθεί μία αποσβενύμενη ταλάντωση με εκθετικά μειούμενο πλάτος. Οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος καταγράφονται μέσω του παλμογράφου LeCroy 9350L με συχνότητα δειγματοληψίας 500 MSamples/s. Η πτώση τάσης στα άκρα της συσκευής που υποβάλλεται σε δοκιμή μετριέται με τρεις ωμικούς καταμεριστές τάσης της εταιρείας Tektronix με λόγω καταμερισμού 1000/1. Το δοκίμιο τοποθετείται σε ένα ομοαξονικό προστατευτικό κύλινδρο, έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί το ρεύμα και η τάση χωρίς να επηρεάζεται από τις επιδράσεις των συνδέσεων. Το ρεύμα μετριέται μέσω του πηνίου Rogowoski 10 ka το οποίο δίνει 500 Α/V και 80 [17] Raul Montaño, Mahesh Edirisinghe, Vernon Cooray and Francisco Roman «Behavior of Low-Voltage Surge Protective Devices Under High-Current Derivative Impulses», IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 22, NO. 4, OCTOBER [19] F. Roman, Repetitive and constant energy impulse current generator, U.S , Jul. 13, [20] F. Roman, Effects of electric field impulses produced by electrically floating electrodes on the corona space charge generation and on the breakdown voltage of complex gaps, Ph.D. dissertation, Uppsala Univ., Uppsala, Sweden. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 64

66 τερματίζεται με μία αντίσταση 50 Ω στη σύνδεση με τον παλμογράφο. Σε όλες τις μετρήσεις ορίστηκε pretriggering στα 100 ns έτσι ώστε να μπορεί να μελετηθεί η πλήρης μεταβατική συμπεριφορά του σπινθηριστή αερίου. Στην Εικόνα 4.17 φαίνεται η κυματομορφή του ρεύματος που παράγει η γεννήτρια όταν είναι βραχυκυκλωμένη. [17]82 Εικόνα 4.17: Κυματομορφή ρεύματος που παράγεται από την γεννήτρια του Roman. [17] Γεννήτρια παραγωγής της τυπικής κυματομορφής ρεύματος 8/20 μs Χρησιμοποιείται η γεννήτρια Schaffner NSG650 για την παραγωγή της κυματομορφής ρεύματος 8/20 μs. Οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος καταγράφονται μέσω του παλμογράφου LeCroy 9350L με συχνότητα δειγματοληψίας 250 MSamples/s. Για τη μέτρηση της τάσης χρησιμοποιήθηκε ένας χωρητικός καταμεριστής τύπου P6015Α της εταιρείας Tektronix με λόγο καταμερισμού 1000:1, εύρος ζώνης συχνοτήτων από dc έως 75 MHz και εσωτερική σύνθετη αντίσταση 100 ΜΩ. Για τη μέτρηση του ρεύματος χρησιμοποιήθηκε πηνίο Rogowoski 5 ka το οποίο δίνει 20 Α/V (μοντέλο 411 του μετασχηματιστή ρεύματος) και τερματίζεται με μία αντίσταση 50 Ω στη σύνδεση με τον παλμογράφο και λόγο μετασχηματισμού 10:1. [17] Μεθοδολογία διεξαγωγής των πειραμάτων Τα πειράματα έγιναν σε κεραμικού τύπου σπινθηριστές αερίου. Χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά δοκίμια σπινθηριστών αερίου EC90, EC150, EC230 με ονομαστική dc τάση διάσπασης 90 V, 150 V, 230 V αντίστοιχα. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων επιλέχθηκαν τυχαία τέσσερα δοκίμια από κάθε τύπο σπινθηριστών αερίου τα οποία αριθμήθηκαν. Το μήκος του μόλυβδου του κάθε δοκιμίου κρατήθηκε όσο το δυνατόν μικρότερο ώστε να αποφευχθούν πιθανές επιδράσεις της αυτεπαγωγής του μολύβδου (Ldi/dt). Για την αποφυγή επιδράσεων φθοράς στην απόκριση του δοκιμίου, νέα δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν για κάθε πείραμα. [17] 82 [17] Raul Montaño, Mahesh Edirisinghe, Vernon Cooray and Francisco Roman «Behavior of Low-Voltage Surge Protective Devices Under High-Current Derivative Impulses», IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 22, NO. 4, OCTOBER 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 65

67 4.3.4 Πειραματικά αποτελέσματα Οι καταγραφόμενες κυματομορφές τάσης και ρεύματος για τον σπινθηριστή αερίου EC230, ο οποίος υποβλήθηκε σε δοκιμή με τη γεννήτρια παραγωγής ρευμάτων με μεγάλη παράγωγο του Roman, για κυματομορφή ρεύματος μέγιστης τιμής 800 Α φαίνονται στην Εικόνα [17]83 Εικόνα 4.18: Κυματομορφές τάσης και ρεύματος του σπινθηριστή αερίου EC230 που συνδέεται στην γεννήτρια του Roman. Συμπαγής γραμμή: Ρεύμα, διακεκομμένη γραμμή: Τάση [17] Στην Εικόνα 4.19 φαίνονται οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης για τον σπινθηριστή αερίου EC230, ο οποίος υποβάλλεται σε δοκιμή με την τυπική κυματομορφή 8/20 μs που δίνει η γεννήτρια Schaffner στην έξοδο της. Οι κυματομορφές της εικόνας αυτής χρησιμοποιούνται ως αναφορά για όλα τα πειράματα. 83 [17] Raul Montaño, Mahesh Edirisinghe, Vernon Cooray and Francisco Roman «Behavior of Low-Voltage Surge Protective Devices Under High-Current Derivative Impulses», IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 22, NO. 4, OCTOBER 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 66

68 GDT GDT Εικόνα 4.19: Κυματομορφές τάσης και ρεύματος του σπινθηριστή αερίου EC230 που υποβλήθηκε στην κυματομορφή 8/20 μs. Συμπαγής γραμμή: Ρεύμα, διακεκομμένη γραμμή: Τάση [17] Για τους σπινθηριστές αερίου η μέγιστη τιμή του ρεύματος είναι περίπου 0.85 ka και 1.7 ka στην περίπτωση της γρήγορης και της τυπικής κυματομορφής αντίστοιχα. Παρότι η μέγιστη τιμή του ρεύματος είναι μικρότερη στην περίπτωση της γρήγορης κυματομορφής ρεύματος η τάση που εμφανίζεται στα άκρα του σπινθηριστή αερίου όταν δοκιμάζεται με τη γρήγορη κυματομορφή είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή που προκύπτει με την τυπική κυματομορφή ρεύματος 8/20 μs. Τα πειραματικά αποτελέσματα για όλους τους σπινθηριστές αερίου φαίνονται στους παρακάτω πίνακες. [17]84 Protective Component Peak Current (A) Clamping Voltage (V) Sample No.1 di/dt (A/s) Impulse Duration (ns) EC EC EC Πίνακας 4.3: Συγκεντρωτικά αποτελέσματα όταν το δοκίμιο Νο. 1 υποβάλλεται στην γρήγορη κυματομορφή του παλμού Νο. 1 [17] Protective Component Peak Current (A) Clamping Voltage (V) Sample No.2 di/dt (A/s) Impulse Duration (ns) EC EC EC Πίνακας 4.4: Συγκεντρωτικά αποτελέσματα όταν το δοκίμιο Νο. 2 υποβάλλεται στην γρήγορη κυματομορφή του παλμού Νο. 2 [17] 84 [17] Raul Montaño, Mahesh Edirisinghe, Vernon Cooray and Francisco Roman «Behavior of Low-Voltage Surge Protective Devices Under High-Current Derivative Impulses», IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 22, NO. 4, OCTOBER 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 67

69 GDT Sample No.1 Sample No.2 Protective Component Peak Current Clamping Peak Current Clamping (A) Voltage (V) (A) Voltage (V) EC EC EC Πίνακας 4.5: Συγκεντρωτικά αποτελέσματα όταν δύο διαφορετικά δοκίμια υποβάλλονται στην τυπική κυματομορφή με δύο διαφορετικά πλάτη. [17] Συμπεράσματα- Παρατηρήσεις Από τα πειραματικά αποτελέσματα γίνεται σαφές ότι η τάση που εμφανίζεται λόγω της γρήγορης κυματομορφής ρεύματος είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτήν που παρατηρείται για την τυπική κυματομορφή ρεύματος 8/20 μs. Επίσης από τους Πίνακες παρατηρείται ότι όταν η μέγιστη τιμή του ρεύματος αυξάνεται τότε αυξάνεται και η διάρκεια του παλμού ρεύματος. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί μέσω των σχέσεων που ισχύουν για την κυματομορφή ρεύματος της γεννήτριας γρήγορου παλμού. Η αποσβενύμενη ταλάντωση περιγράφεται από την εξίσωση at sin I t I e t, όπου οι μεταβλητές α, ω είναι άμεσα εξαρτώμενες από την Max αντίσταση, την αυτεπαγωγή και τη χωρητικότητα του κυκλώματος (π.χ γεννήτρια και δοκίμιο). Για την απλοποίηση του υπολογισμού χρησιμοποιείται η περιβάλλουσα. I I e 1 Max at 1 Λύνοντας την εξίσωση ως προς το χρόνο προκύπτει η σχέση: t 1 1 I ln Max a I1 Από την τελευταία εξίσωση φαίνεται ότι ο χρόνος εμφάνισης μίας συγκεκριμένης τιμής ρεύματος είναι ανάλογος της μέγιστης τιμής ρεύματος της κυματομορφής. [17]85 85 [17] Raul Montaño, Mahesh Edirisinghe, Vernon Cooray and Francisco Roman «Behavior of Low-Voltage Surge Protective Devices Under High-Current Derivative Impulses», IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 22, NO. 4, OCTOBER 2007 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 68

70 Κεφάλαιο 5ο: Διεξαγωγή πειραμάτων σε σπινθηριστές αερίων (GDTs) στο εργαστήριο του Α.Π.Θ 5.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξηγηθούν πλήρως οι διαφορετικοί τύποι σπινθηριστών αερίων που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα, η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων σε αυτούς στο εργαστήριο του Α.Π.Θ, η διαδικασία διεξαγωγής των πειραμάτων, τα αποτελέσματα που προέκυψαν και οι παρατηρήσεις - συμπεράσματα που αφορούν τα αποτελέσματα. Σκοπός της διεξαγωγής πειραμάτων είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων για την κρουστική απόκριση των σπινθηριστών αερίου (GDTs) στην κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs. 5.2 Τύποι σπινθηριστών αερίου (GDTs) που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα Τα πειράματα έγιναν σε πέντε διαφορετικούς σπινθηριστές αερίου δύο ηλεκτροδίων, οι τέσσερις ήταν της ίδιας εταιρείας Α και ένας από διαφορετική εταιρεία Β. Από την εταιρεία Α χρησιμοποιήθηκαν οι σπινθηριστές αερίου με ονομαστική dc τάση διάσπασης 75 V, 90 V, 250 V, 600 V αντίστοιχα. Από την εταιρεία Β χρησιμοποιήθηκε ο σπινθηριστής με ονομαστική dc τάση διάσπασης 600 V. Τα χαρακτηριστικά αυτών των σπινθηριστών φαίνονται στον Πίνακα 5.1. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 69

71 A75 A90 A250 A600 B600 DC τάση διάσπασης 75 ± 20% 90V ± 20% 250 ± 20% 600 ± 20% 600 ± 20% Δυναμική τάση διάσπασης Στο 1 kv/μs -τυπικές τιμές (typical values) <600 V <550 V <650 V <1100 V 1200 V Διάρκεια ζωής 10 επιβολές 50 Hz, 1s 5 A 20 A 20 A 20 A 10 A 10 επιβολές 8/20 μs 5 ka 20 ka 20 ka 20 ka 10 ka 300 επιβολές 10/1000 μs 100 A 200 Α 200 Α Α Αντίσταση μόνωσης >10 GΩ >10 GΩ >10 GΩ >10 GΩ 1 GΩ Χωρητικότητα στο 1 MHz <1 pf <1.5 pf <1.5 pf <1.5 pf 1.5 pf Βάρος 1.5 g 1.5 g 1.5 g 1.5 g 1.5 g Πίνακας 5.1: Χαρακτηριστικά των σπινθηριστών αερίου (GDTs) των εταιρειών A και B. 5.3 Η διάταξη του κυκλώματος για τη διεξαγωγή πειραμάτων Η τροφοδοσία της διάταξης γίνεται μέσω Variac σε συνδυασμό με μετασχηματιστή. Το Variac είναι της εταιρείας Amarad Hellas το μοντέλο TDGC2 ισχύος 1 kva, με εναλλασσόμενη τάση εισόδου 230 V, 50 Hz και με εναλλασσόμενη τάση εξόδου V. Ο μετασχηματιστής που βρίσκεται μετά το Variac έχει ισχύ 1 kva, η τάση εξόδου του μπορεί να ανέλθει στα 10 kv (rms) για U2 10kV ρύθμιση του Variac στα 230 V οπότε ο λόγος μετασχηματισμού είναι Μετά U 230V τον μετασχηματιστή υπάρχει διάταξη απλής ανόρθωσης για τη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή χωρίς μεγάλη κυμάτωση, αφού ακολουθεί ο κρουστικός πυκνωτής που λειτουργεί και ως πυκνωτής εξομάλυνσης. Η τιμή της συνεχής τάσης που παράγεται φαίνεται στην ένδειξη της οθόνης του dc ωμικού καταμεριστή. Στη συνέχεια συνδέονται τα στοιχεία που συνιστούν μαζί με τον κρουστικό πυκνωτή C c μια μονοβάθμια γεννήτρια κρουστικών υψηλών τάσεων τύπου b. Αυτά είναι το σφαιρικό διάκενο, οι αντιστάσεις μετώπου πυκνωτής μετώπου 1 R f και ουράς R t και ο C f. Παράλληλα στον πυκνωτή μετώπου συνδέονται ο σπινθηριστής αερίου και ο χωρητικός καταμεριστής (High Voltage Probe) P X της εταιρείας Tektronix. Ο χωρητικός καταμεριστής συνδέεται μέσω ομοαξονικού καλωδίου για τον περιορισμό των ανακλάσεων και τυχόν θορύβου στον παλμογράφο, στον οποίο απεικονίζεται η κυματομορφή τάσης. Το κάτω άκρο του σπινθηριστή αερίου συνδέεται στη γείωση μέσω καλωδίου. Σ αυτό το καλώδιο τοποθετήθηκε μετασχηματιστής ρεύματος που μέσω ομοαξονικού καλωδίου καταλήγει στον παλμογράφο για την απεικόνιση της κυματομορφής ρεύματος που διαρρέει τον σπινθηριστή αερίου όταν αυτός διασπάται. Προκειμένου να λειτουργήσει το κύκλωμα της μονοβάθμιας κρουστικής γεννήτριας πρέπει οι σφαίρες που αποτελούν το σφαιρικό διάκενο να πλησιάσουν ώστε να διασπαστεί το διάκενο. Αυτό επιτυγχάνεται χειροκίνητα χρησιμοποιώντας έναν μονωτικό μοχλό. Η διάταξη ολόκληρου του κυκλώματος που περιγράφηκε παραπάνω φαίνεται στην Εικόνα 5.1. Στις Εικόνες 5.2 και 5.3 φαίνονται τα στοιχεία της μονοβάθμιας γεννήτριας και ο σπινθηριστής αερίου. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 70

72 Εικόνα 5.1: Η διάταξη του κυκλώματος και τα στοιχεία που το απαρτίζουν. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 71

73 Εικόνα 5.2: Τα στοιχεία της μονοβάθμιας κρουστικής γεννήτριας και το GDT. Εικόνα 5.3: Η σύνδεση του σπινθηριστή αερίου (GDT). αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 72

74 5.4 Περιγραφή της διαδικασίας διεξαγωγής πειραμάτων Σκοπός των πειραμάτων ήταν να υποβληθεί σε δοκιμές ο κάθε σπινθηριστής αερίου με την κυματομορφή τάσης 1.2/50 μs. Για την παραγωγή της κυματομορφής τάσης 1.2/50 μs, σύμφωνα με παλαιότερη διπλωματική στην οποία περιγράφηκε η κατασκευή της μονοβάθμιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων, [21]86 οι τιμές των στοιχείων του κυκλώματος είναι: κρουστικός πυκνωτής C 22nF, πυκνωτής μετώπου C 2.2nF, αντίσταση μετώπου R 220, c αντίσταση ουράς R Για αυτές τις τιμές ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας t Uό Cc 22 είναι προσεγγιστικά: U C C ό c f Κάθε σπινθηριστής αερίου υποβλήθηκε σε δοκιμές για διαφορετικά επίπεδα τάσης. Το χαμηλότερο επίπεδο τάσης που καταγράφεται είναι αυτό στο οποίο ξεκινούν οι διασπάσεις του σπινθηριστή, ενώ το ανώτερο επίπεδο τάσης επιλέγεται δέκα ή και παραπάνω φορές μεγαλύτερο από το επίπεδο της dc τάσης διάσπασης. Επίσης για κάθε επίπεδο τάσης γίνονται δέκα, πέντε ή τρεις διασπάσεις του σπινθηριστή αερίου ανάλογα αν η απόκλιση των τιμών που καταγράφονται για κάθε διάσπαση είναι μικρή ή μεγάλη σε σχέση με το εφαρμοζόμενο επίπεδο τάσης. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκαν περιπτώσεις στις οποίες συνέβαινε μία διάσπαση του σπινθηριστή αερίου (Εικόνα 5.4) και άλλες στις οποίες συνέβαιναν συνεχόμενες διασπάσεις του σπινθηριστή (Εικόνα 5.5). Στην δεύτερη περίπτωση καταγράφηκαν οι τιμές μόνο για την πρώτη διάσπαση του σπινθηριστή αερίου. f f Εικόνα 5.4: Καταγράφεται μία διάσπαση του σπινθηριστή αερίου (GDT). Κίτρινο χρώμα: τάση, Πράσινο χρώμα: ρεύμα 86 [21] Γεωργαντάς Παναγιώτης, Δρακόπουλος Γεώργιος «Σχεδίαση και Κατασκευή Μονοβάθμιας Γεννήτριας Κρουστικών Υψηλών Τάσεων 20kV, 4.4 Joule», Διπλωματική Εργασία Α.Π.Θ, 2011, Θεσσαλονίκη αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 73

75 Εικόνα 5.5: Καταγράφονται τέσσερις διασπάσεις του σπινθηριστή αερίου (GDT). Κίτρινο χρώμα: τάση, Πράσινο χρώμα: ρεύμα Σε γενικές γραμμές οι διαφορετικές μορφές κυματομορφών τάσεων που απεικονίζονται στον παλμογράφο κατά τη διάρκεια των πειραμάτων για όλους τους τύπους σπινθηριστών αερίων που μελετήθηκαν είναι τρεις και φαίνονται στις Εικόνες 5.6, 5.7, 5.8. Στην 1 η περίπτωση κυματομορφής τάσης εμφανίζεται «γόνατο» στην κυματομορφή πριν τη διάσπαση. Στην 2 η περίπτωση κυματομορφής τάσης εμφανίζεται ανύψωση της κυματομορφής τη στιγμή της διάσπασης. Τέλος στην 3 η περίπτωση κυματομορφής τάσης η κατάρρευση της κυματομορφής είναι ακαριαία τη στιγμή της διάσπασης. Εικόνα 5.6: 1 η περίπτωση κυματομορφής τάσης (κίτρινο χρώμα), όπου εμφανίζεται «γόνατο» πριν τη διάσπαση. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 74

76 Εικόνα 5.7: 2 η περίπτωση κυματομορφής τάσης (κίτρινο χρώμα), όπου εμφανίζεται ανύψωση τάσης τη στιγμή της διάσπασης. Εικόνα 5.8: 3 η περίπτωση κυματομορφής τάσης, η κατάρρευση της κυματομορφής είναι ακαριαία τη στιγμή της διάσπασης (κίτρινο χρώμα). Οι τιμές που καταγράφονται για κάθε κυματομορφή τάσης και ρεύματος είναι η μέγιστη τιμή της κυματομορφής τάσης U p, η τιμή της τάσης U o τη στιγμή που ξεκινάει το «γόνατο» (αν υπάρχει) και ο αντίστοιχος χρόνος t o στον οποίο συμβαίνει αυτό, η τάση διάσπασης/τάση τη στιγμή που τελειώνει το «γόνατο» U b και ο αντίστοιχος χρόνος (διάσπασης) t b, η μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p και ο αντίστοιχος χρόνος t c1 που αυτό εμφανίζεται (ταυτίζεται τις περισσότερες φορές με τον μηδενισμό της κυματομορφής της τάσης) και ο χρόνος t c2 στον οποίο συμβαίνει ο πρώτος μηδενισμός της κυματομορφής ρεύματος μετά το μέγιστο. Στην 2 η και 3 η περίπτωση κυματομορφής τάσης στις οποίες δεν υπάρχει «γόνατο» η τιμή της τάσης U o ταυτίζεται με την τιμή της τάσης διάσπασης U b το ίδιο συμβαίνει και για τις χρονικές στιγμές t o και t b. Μετά από δοκιμές που έγιναν απεικόνισης της κυματομορφής 1.2/50 μs στον παλμογράφο προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή της κυματομορφής τάσης εμφανίζεται περίπου στα 1.65 μs μετά την αρχή των χρόνων. Οπότε στην 2 η περίπτωση κυματομορφής τάσης όπου εμφανίζεται ανύψωση της τάσης τη στιγμή της διάσπασης αυτή αγνοείται όταν συμβαίνει σε χρόνο μεγαλύτερο από 1.65 μs αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 75

77 στην αντίθετη περίπτωση καταγράφεται ως τιμή της τάσης διάσπασης. Οι τιμές που καταγράφονται για κάθε κυματομορφή φαίνονται στην Εικόνα 5.9. Εικόνα 5.9: Οι τιμές που καταγράφονται για κάθε κυματομορφή. Κάθετος άξονας: τάση (κίτρινο χρώμα)/ρεύμα (πράσινο χρώμα), Οριζόντιος άξονας: χρόνος 5.5 Παρουσίαση και ανάλυση των αποτελεσμάτων για τους σπινθηριστές αερίου (GDTs) Τα επίπεδα τάσης για τα οποία γίνονται δοκιμές σε κάθε σπινθηριστή αερίου αντιστοιχούν στην εφαρμοζόμενη dc τάση στον κρουστικό πυκνωτή, η οποία αναγράφεται στην ένδειξη της οθόνης του dc ωμικού καταμεριστή. Για κάθε επίπεδο τάσης γίνεται συγκεκριμένος αριθμός επαναλήψεων των δοκιμών στους σπινθηριστές αεριόυ και υπολογίζονται οι μέσες τιμές των καταγραφόμενων τιμών. Με βάση τις μέσες τιμές φτιάχνονται οι καμπύλες Τάσης - Χρόνου διάσπασης, Τάσης - Μέγιστης τιμής ρεύματος, Τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, Τάσης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος και Τάσης - Ημιπερίοδος ρεύματος. Η τάση που αναφέρεται στις παραπάνω καμπύλες είναι είτε η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ =U b, είτε η μέγιστη τιμή της κυματομορφής της τάσης που μετράται στον παλμογράφο για κάθε δοκιμή και σ αυτήν οφείλεται η διάσπαση του σπινθηριστή αερίου. Αυτή η τάση ονομάζεται U και στην περίπτωση που η διάσπαση συμβαίνει στην ουρά της κυματομορφής 1.2/50 μs (δηλαδή ο χρόνος διάσπασης t b 1.65 μs), είναι η U p, στην αντίθετη περίπτωση ταυτίζεται με την τάση διάσπασης U b. Για να γίνουν οι παραπάνω καμπύλες δημιουργούνται πίνακες που περιέχουν τις μέσες τιμές των μεγεθών που χρειάζονται. Δηλαδή σε κάθε πίνακα καταγράφεται η εφαρμοζόμενη τάση U dc, η τάση U, η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, ο χρόνος διάσπασης t b, η μέγιστη τιμή ρεύματος I p, η χρονική διαφορά t c2 - t c1, η χρονική διαφορά t c1 - t b και χρονική διαφορά t c2 - t b. Επίσης δίπλα από κάθε μέγεθος καταγράφεται η τυπική του απόκλιση σε ποσοστό. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 76

78 5.5.1 Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75 Στον σπινθηριστή αερίου Α75 έγιναν πειράματα για δέκα επίπεδα τάσης, τα οποία είναι τα εξής: 130, 150, 180, 220, 280, 380, 420, 520, 600 και 700 V. Για τα επίπεδα τάσης 130, 150, 180, 220, 280 έγιναν 10 επιβολές στον σπινθηριστή αερίου (GDT), ενώ για τα υπόλοιπα επίπεδα τάσης έγιναν 5 επιβολές στον σπινθηριστή αερίου. Για κάθε επίπεδο τάσης επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικές κυματομορφές (τάσης & ρεύματος) από τον παλμογράφο, των οποίων οι μετρούμενες τιμές είναι πιο κοντά στις μέσες τιμές του συγκεκριμένου επιπέδου. Αυτές οι κυματομορφές φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 77

79 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 78

80 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι μέσες τιμές των μετρήσεων του σπινθηριστή αερίου A75. Udc (V) Τάση U (V) Στιγμιαία τάση Χρόνος σ (%) διάσπασης Uδ (V) διάσπασης tb (μs) σ (%) Πίνακας Μέτρησεων Μέγιστη τιμή ρεύματος Ip (A) Πίνακας 5.2: Οι μέσες τιμές των μετρήσεων για τον σπινθηριστή αερίου Α75. σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tc1 (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc1-tb (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tb (μs) σ (%) Στη συνέχεια παρουσιάζονται όλες οι καμπύλες που προέκυψαν από τα στοιχεία του Πίνακα 5.2 σε εικόνες. Εικόνα 5.10: Καμπύλη Τάσης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Εικόνα 5.11: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, ο χρόνος διάσπασης t b μειώνεται. Στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης η μείωση του χρόνου διάσπασης από επίπεδο σε επίπεδο είναι μεγάλη ενώ στα υψηλότερα επίπεδα τάσης είναι μικρή. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 79

81 Εικόνα 5.12: Καμπύλη Τάσης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Εικόνα 5.13: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, αυξάνεται και η μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p. Η σχέση ανάμεσα στην τάση U και στην μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p είναι σχεδόν γραμμική. Εικόνα 5.14: Καμπύλη Τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Εικόνα 5.15: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c2 - t c1 μειώνονται αρχικά και τη συνέχεια σταθεροποιούνται ανεξάρτητα από το επίπεδο της τάσης. Οι τιμές αυτές καταλαμβάνουν μία στενά περιορισμένη περιοχή του γραφήματος μεταξύ μs μs. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 80

82 Εικόνα 5.16: Καμπύλη Τάσης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Εικόνα 5.17: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α75. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c2 - t c1 μειώνονται αρχικά και τη συνέχεια σταθεροποιούνται ανεξάρτητα από το επίπεδο της τάσης. Οι τιμές αυτές καταλαμβάνουν μία περιορισμένη περιοχή του γραφήματος μεταξύ μs μs. Εικόνα 5.18: Καμπύλη Τάσης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) A75. Εικόνα 5.19: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) A75. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, η ημιπερίοδος της κυματομορφής ρεύματος μειώνεται αρχικά ενώ στα επόμενα επίπεδα τάσης σταθεροποιείται. Οι τιμές αυτές καταλαμβάνουν μία περιορισμένη περιοχή του γραφήματος μεταξύ μs μs. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 81

83 5.5.2 Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90 Στον σπινθηριστή αερίου Α90 έγιναν πειράματα για δεκαεπτά επίπεδα τάσης, τα οποία είναι τα εξής: 150, 165, 185, 205, 230, 300, 400, 505, 600, 695, 805, 895, 995, 1260, 1495, 2000 και 2510 V. Για τα επίπεδα τάσης V έγιναν 10 επιβολές στον σπινθηριστή αερίου, για τα επίπεδα τάσης 300, 400, 505, 600, 695, 805, 895, 995 V έγιναν 5 επιβολές, ενώ για τα επίπεδα τάσης 1260, 1495, 2000 και 2510 V έγιναν 3 επιβολές. Για κάθε επίπεδο τάσης επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικές κυματομορφές (τάσης & ρεύματος) από τον παλμογράφο, των οποίων οι μετρούμενες τιμές είναι πιο κοντά στις μέσες τιμές του συγκεκριμένου επιπέδου. Αυτές οι κυματομορφές φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 82

84 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 83

85 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι μέσες τιμές των μετρήσεων του σπινθηριστή αερίου Α90. Udc (V) Τάση U (V) Στιγμιαία τάση Χρόνος σ (%) διάσπασης Uδ (V) διάσπασης tb (μs) σ (%) Πίνακας Μέτρησεων Μέγιστη τιμή ρεύματος Ip (A) Πίνακας 5.3: Οι μέσες τιμές των μετρήσεων για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tc1 (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc1-tb (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tb (μs) σ (%) Στη συνέχεια παρουσιάζονται όλες οι καμπύλες που προέκυψαν από τα στοιχεία του Πίνακα 5.3 σε εικόνες. Εικόνα 5.20: Καμπύλη Τάσης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Εικόνα 5.21: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, ο χρόνος διάσπασης t b μειώνεται. Στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης η μείωση του χρόνου διάσπασης από επίπεδο σε επίπεδο είναι μεγάλη ενώ στα υψηλότερα επίπεδα τάσης είναι μικρή. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 84

86 Εικόνα 5.22: Καμπύλη Τάσης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Εικόνα 5.23: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, αυξάνεται και η μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p έως ένα επίπεδο τάσης πάνω από το οποίο παρατηρείται κορεσμός. Η σχέση ανάμεσα στην τάση U και στην μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p είναι σχεδόν γραμμική πριν τον κορεσμό. Εικόνα 5.24: Καμπύλη Τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Εικόνα 5.25: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c2 - t c1 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 85

87 μένουν σχεδόν σταθερές ανεξάρτητα από το επίπεδο της τάσης. Οι τιμές αυτές καταλαμβάνουν μία στενά περιορισμένη περιοχή του γραφήματος μεταξύ των τιμών μs μs αν εξαιρεθεί η πρώτη τιμή μs. Εικόνα 5.26: Καμπύλη Τάσης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Εικόνα 5.27: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c1 - t b μειώνονται έως ένα επίπεδο τάσης μετά το οποίο σταθεροποιούνται. Οι τιμές αυτές κυμαίνονται μεταξύ μs μs. Εικόνα 5.28: Καμπύλη Τάσης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. Εικόνα 5.29: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α90. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 86

88 Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, η ημιπερίοδος της κυματομορφής ρεύματος μειώνεται αρχικά ενώ στα επόμενα επίπεδα τάσης σταθεροποιείται. Οι τιμές αυτές κυμαίνονται μεταξύ μs μs Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250 Στον σπινθηριστή αερίου Α250 έγιναν πειράματα για είκοσι επίπεδα τάσης, τα οποία είναι τα εξής: 370, 400, 450, 510, 590, 600, 650, 750, 850, 950, 1060, 1150, 1250, 1350, 1490, 1700, 2200, 2400, 3000 και 3500 V. Για τα επίπεδα τάσης 370, 400, 450, 510, 650 V έγιναν 10 επιβολές στον σπινθηριστή αερίου, ενώ για τα 590, 600, 750, 850, 950, 1060, 1150, 1250, 1350, 1490, 1700 και 2200 έγιναν 5 επιβολές. Τέλος για τα επίπεδα τάσης 2400, 3000 και 3500 V έγιναν 3 επιβολές. Επίσης τα πειράματα επαναλήφθηκαν για τα επίπεδα τάσης: 400, 450, 510, 590 και 650 V, για τα οποία έγιναν 10 επιβολές. Για κάθε επίπεδο τάσης επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικές κυματομορφές (τάσης & ρεύματος) από τον παλμογράφο, των οποίων οι μετρούμενες τιμές είναι πιο κοντά στις μέσες τιμές του συγκεκριμένου επιπέδου. Αυτές οι κυματομορφές φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 87

89 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 88

90 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι μέσες τιμές των μετρήσεων του σπινθηριστή αερίου Α250. Udc (V) Τάση U (V) Στιγμιαία τάση Χρόνος σ (%) διάσπασης Uδ (V) διάσπασης tb (μs) σ (%) Πίνακας Μέτρησεων Μέγιστη τιμή ρεύματος Ip (A) Πίνακας 5.4: Οι μέσες τιμές των μετρήσεων για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tc1 (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc1-tb (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tb (μs) σ (%) Στη συνέχεια παρουσιάζονται όλες οι καμπύλες που προέκυψαν από τα στοιχεία του Πίνακα 5.4 σε εικόνες. Τα σημεία των καμπυλών που φαίνονται με κόκκινο χρώμα αντιστοιχούν στα επίπεδα τάσης 400, 450, 510, 590 και 650 V για τα οποία έγινε επανάληψη των δοκιμών. Εικόνα 5.30: Καμπύλη Τάσης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Εικόνα 5.31: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, ο χρόνος διάσπασης t b μειώνεται. Στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης η μείωση του χρόνου διάσπασης από επίπεδο σε επίπεδο είναι αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 89

91 μεγάλη ενώ στα υψηλότερα επίπεδα τάσης είναι μικρή. Επίσης τα σημεία που προέκυψαν από την επανάληψη των πειραμάτων βρίσκονται στην ίδια περιοχή τιμών με τα υπόλοιπα. Εικόνα 5.32: Καμπύλη Τάσης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Εικόνα 5.33: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, αυξάνεται και η μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p. Η σχέση ανάμεσα στην τάση U και στην μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p είναι σχεδόν γραμμική. Επίσης τα σημεία που προέκυψαν από την επανάληψη των πειραμάτων βρίσκονται στην ίδια περιοχή τιμών με τα υπόλοιπα. Εικόνα 5.34: Καμπύλη Τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Εικόνα 5.35: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 90

92 Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c2 - t c1 μένουν σχεδόν σταθερές ανεξάρτητα από το επίπεδο της τάσης. Η τιμές κυμαίνονται μεταξύ μs μs. Επίσης τα σημεία που προέκυψαν από την επανάληψη των πειραμάτων βρίσκονται στην ίδια περιοχή τιμών με τα υπόλοιπα. Εικόνα 5.36: Καμπύλη Τάσης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Εικόνα 5.37: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c1 - t b μειώνονται έως ένα επίπεδο τάσης μετά το οποίο αυξάνονται πάλι. Οι τιμές αυτές κυμαίνονται μεταξύ μs μs. Η διακύμανση των τιμών δεν είναι μεγάλη οπότε μπορούν να θεωρηθούν σταθερές καθώς αυξάνεται η τάση. Επίσης τα σημεία που προέκυψαν από την επανάληψη των πειραμάτων βρίσκονται στην ίδια περιοχή τιμών με τα υπόλοιπα. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 91

93 Εικόνα 5.38: Καμπύλη Τάσης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Εικόνα 5.39: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α250. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, η ημιπερίοδος της κυματομορφής ρεύματος μειώνεται αρχικά ενώ στα επόμενα επίπεδα τάσης αυξάνεται. Οι τιμές αυτές κυμαίνονται μεταξύ μs μs. Επίσης τα σημεία που προέκυψαν από την επανάληψη των πειραμάτων βρίσκονται στην ίδια περιοχή τιμών με τα υπόλοιπα Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600 Στον σπινθηριστή αερίου Α600 έγιναν πειράματα για δεκαπέντε επίπεδα τάσης, τα οποία είναι τα εξής: 905, 940, 1020, 1055, 1100, 1200, 1500, 2050, 2530, 3060, 3560, 4000, 4500, 5000 και 5500 V. Για τα επίπεδα τάσης 905, 940, 1020 και 1055 V έγιναν 10 επιβολές στον σπινθηριστή αερίου, ενώ για τα 1100, 1200, 1500, 2050, 2530 και 3060 έγιναν 5 επιβολές. Τέλος για τα επίπεδα τάσης 3560, 4000, 4500, 5000 και 5500V έγιναν 3 επιβολές. Για κάθε επίπεδο τάσης επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικές κυματομορφές (τάσης & ρεύματος) από τον παλμογράφο, των οποίων οι μετρούμενες τιμές είναι πιο κοντά στις μέσες τιμές του συγκεκριμένου επιπέδου. Αυτές οι κυματομορφές φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 92

94 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 93

95 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι μέσες τιμές των μετρήσεων του σπινθηριστή αερίου Α600. Udc (V) Τάση U (V) Στιγμιαία τάση Χρόνος σ (%) διάσπασης Uδ (V) διάσπασης tb (μs) σ (%) Πίνακας Μέτρησεων Μέγιστη τιμή ρεύματος Ip (A) Πίνακας 5.5: Οι μέσες τιμές των μετρήσεων για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tc1 (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc1-tb (μs) σ (%) Χρονική διαφορά tc2-tb (μs) σ (%) αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 94

96 Στη συνέχεια παρουσιάζονται όλες οι καμπύλες που προέκυψαν από τα στοιχεία του Πίνακα 5.5 σε εικόνες. Εικόνα 5.40: Καμπύλη Τάσης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Εικόνα 5.40: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρόνου διάσπασης του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, ο χρόνος διάσπασης t b μειώνεται. Στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης η μείωση του χρόνου διάσπασης από επίπεδο σε επίπεδο είναι μεγάλη ενώ στα υψηλότερα επίπεδα τάσης είναι μικρή. Εικόνα 5.41: Καμπύλη Τάσης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Εικόνα 5.42: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Μέγιστης τιμής ρεύματος I p, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, αυξάνεται και η μέγιστη τιμή της αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 95

97 κυματομορφής ρεύματος I p. Η σχέση ανάμεσα στην τάση U και στην μέγιστη τιμή της κυματομορφής ρεύματος I p είναι σχεδόν γραμμική. Εικόνα 5.43: Καμπύλη Τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Εικόνα 5.44: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης - Διάρκειας πτώσης κυματομορφής ρεύματος από την κορυφή μέχρι τον πρώτο μηδενισμό της, του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c2 - t c1 μένουν σχεδόν σταθερές ανεξάρτητα από το επίπεδο της τάσης. Οι τιμές αυτές καταλαμβάνουν μία στενά περιορισμένη περιοχή του γραφήματος μεταξύ των τιμών μs μs. Εικόνα 5.45: Καμπύλη Τάσης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Εικόνα 5.46: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Χρονικής διάρκειας μεγιστοποίησης κυματομορφής ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 96

98 Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ οι τιμές της χρονικής διαφοράς t c1 - t b παραμένουν σχεδόν σταθερές. Οι τιμές αυτές κυμαίνονται μεταξύ μs. Εικόνα 5.47: Καμπύλη Τάσης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Εικόνα 5.48: Καμπύλη Στιγμιαίας τάσης διάσπασης - Ημιπερίοδος ρεύματος του σπινθηριστή αερίου (GDT) Α600. Στις δύο καμπύλες παρατηρείται ότι καθώς αυξάνεται η τάση U που καταπονεί τον σπινθηριστή αερίου ή η στιγμιαία τάση διάσπασης U δ, η ημιπερίοδος της κυματομορφής παραμένει σχεδόν σταθερή με μικρή διακύμανση μεταξύ μs. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 97

99 5.5.5 Αποτελέσματα για τον σπινθηριστή αερίου (GDT) Β600 Στον σπινθηριστή αερίου Β600 έγιναν πειράματα για δεκαεπτά επίπεδα τάσης, τα οποία είναι τα εξής: 860, 900, 930, 960, 1000, 1050, 1100, 1200, 1500, 2030, 2530, 3030, 3530, 4000, 4500, 5000 και 5500 V. Για τα επίπεδα τάσης 860, 900, 930, 960 και 1000 V έγιναν 10 επιβολές στον σπινθηριστή αερίου, ενώ για τα 1050, 1100, 1200, 1500, 2030, 2530, 3030, 4000 και 5000 έγιναν 5 επιβολές. Τέλος για τα επίπεδα τάσης 3530 και 5500V έγιναν 3 επιβολές. Για κάθε επίπεδο τάσης επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικές κυματομορφές (τάσης & ρεύματος) από τον παλμογράφο, των οποίων οι μετρούμενες τιμές είναι πιο κοντά στις μέσες τιμές του συγκεκριμένου επιπέδου. Αυτές οι κυματομορφές φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 98

100 αερίου (GDTs)», Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη,2015 Σελίδα 99