ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΗΣ DC ΕΚΚΕΝΩΣΗΣ ΚΟΡΩΝΑ ΣΕ ΛΕΙΟΥΣ ΑΓΩΓΟΥΣ ΥΠΟ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΗΣ DC ΕΚΚΕΝΩΣΗΣ ΚΟΡΩΝΑ ΣΕ ΛΕΙΟΥΣ ΑΓΩΓΟΥΣ ΥΠΟ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΔΗΜΗΤΡΙΑΔΗΣ ΣΩΚΡΑΤΗΣ ΖΕΚΙΟΣ ΔΑΜΙΑΝΟΣ Επιβλέπων καθηγητής Π. Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ Θεσσαλονίκη Μάρτιος 214

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ηλεκτρικές εκκενώσεις σε αέρια Εκκένωση κορώνα Εκκένωση κορώνα σε ομοαξονικό διάκενο αγωγού κυλίνδρου... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Εξοπλισμός - Υλικά Διάταξη - Συνδεσμολογία Λήψη Διαδικασία Μετρήσεων Διαδικασία του πειράματος Πειραματικός προσδιορισμός της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα Εύρεση των χαρακτηριστικών του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα Επεξεργασία των μετρήσεων με το λογισμικό του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ Τάση και πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα Θεωρητικές μέθοδοι εκτίμησης του πεδίου και της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα Συγκριτικά διαγράμματα του πεδίου έναυσης της εκκένωσης κορώνα (Πειραματικά αποτελέσματα και θεωρητικοί υπολογισμοί) Συγκριτικά διαγράμματα της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα (Πειραματικά αποτελέσματα και θεωρητικοί υπολογισμοί)

3 3.2 Ρεύμα της εκκένωσης κορώνα Διαγράμματα τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή Kδ,h (εφαρμοζόμενη πίεση) Διαγράμματα τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού Κανονικοποιημένο διάγραμμα τάσης (U/Ui) διόρθωση των καμπυλών U I με βάση τον προσεγγιστικό τύπο για το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα Διαγράμματα προσεγγιστικές καμπύλες με τα χαρακτηριστικά των παλμών ρεύματος της εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό r=,1cm σε θετική & αρνητική κορώνα και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Χρόνος ανόδου tr Χρόνος ημίσεος εύρους th Εύρος Ip Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο Q Διαγράμματα προσεγγιστικές καμπύλες με τα χαρακτηριστικά των παλμών ρεύματος της εκκένωσης κορώνα με όλους τους αγωγούς ταυτόχρονα και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Χρόνος ανόδου tr α Θετική εκκένωση κορώνα β Αρνητική εκκένωση κορώνα γ Επίδραση της πολικότητας δ Διόρθωση του χρόνου ανόδου tr ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Θετική κορώνα ε Διόρθωση του χρόνου ανόδου tr ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Αρνητική κορώνα στ. Διόρθωση του χρόνου ανόδου tr ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Επίδραση της πολικότητας Χρόνος ημίσεος εύρους th α Θετική εκκένωση κορώνα

4 3.4.2.β Αρνητική εκκένωση κορώνα γ Επίδραση της πολικότητας δ Διόρθωση του χρόνου ημίσεος εύρους th ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Θετική κορώνα ε Διόρθωση του χρόνου ημίσεος εύρους th ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Αρνητική κορώνα στ. Διόρθωση του χρόνου ημίσεος εύρους th ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Επίδραση της πολικότητας Εύρος Ip α Θετική εκκένωση κορώνα β Αρνητική εκκένωση κορώνα γ Επίδραση της πολικότητας δ Διόρθωση του εύρους Ip ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Θετική κορώνα ε Διόρθωση του εύρους Ip ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αρνητική κορώνα στ. Διόρθωση του εύρους Ip ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Επίδραση της πολικότητας Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο Q α Θετική εκκένωση κορώνα β Αρνητική εκκένωση κορώνα γ Επίδραση της πολικότητας δ Διόρθωση του ηλεκτρικού φορτίου Q ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Θετική κορώνα ε Διόρθωση του ηλεκτρικού φορτίου Q ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αρνητική κορώνα στ. Διόρθωση του ηλεκτρικού φορτίου Q ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Επίδραση της πολικότητας

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 1 ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΚΟ ΥΛΙΚΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α' ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β' ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ'

6 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ "Διερεύνηση των χαρακτηριστικών της DC εκκένωσης κορώνα σε λείους αγωγούς υπό μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες" Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια των σπουδών μας στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης και πραγματοποιήθηκε στο χώρο του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μ/Υ του Α.Π.Θ.. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της εκκένωσης κορώνα καθώς και η μελέτη των βασικών χαρακτηριστικών της σε λείους αγωγούς οι οποίοι τοποθετούνται σε ομοαξονικό διάκενο αγωγού κυλίνδρου υπό συνεχή υψηλή τάση και μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των χαρακτηριστικών της εκκένωσης κορώνα είναι η πολικότητα (θετική και αρνητική) της εφαρμοζόμενης DC υψηλής τάσης, η ακτίνα,r, του αγωγού και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες. Η δομή της διπλωματικής μας εργασίας αναλύεται ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη περιγραφή του φαινομένου των ηλεκτρικών εκκενώσεων και συγκεκριμένα των εκκενώσεων κορώνα, υπό θετική και αρνητική πολικότητα. Επίσης γίνεται αναφορά στις βιομηχανικές εφαρμογές της εκκένωσης κορώνα καθώς και στις συνέπειές της στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. 5

7 Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο εξοπλισμός και η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκαν για την πραγματοποίηση των πειραματικών μετρήσεων. Περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά τη διεξαγωγή του πειράματος και γίνεται εκτενής αναφορά στα μετρούμενα μεγέθη και στον τρόπο που αυτά μελετήθηκαν. Παρουσιάζονται επίσης οι πειραματικές μέθοδοι προσδιορισμού της τάσης έναυσης καθώς και τα χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα (χρόνος ανόδου tr, χρόνος ημίσεος εύρους th, εύρος Ip και εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο Q) και αναλύεται ο τρόπος υπολογισμού τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων σε μορφή διαγραμμάτων, για όλα τα μεγέθη που μελετήθηκαν ως προς τις εξεταζόμενες παραμέτρους. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται η τάση έναυσης, το πεδίο έναυσης, το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα και τα χαρακτηριστικά του παλμού του ρεύματος συναρτήσει της πολικότητας και της τιμής της εφαρμοζόμενης τάσης, καθώς και της ακτίνας του αγωγού και των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα συμπεράσματα και κάποιες γενικές παρατηρήσεις που εξήχθησαν από τη διεξαγωγή του πειράματος και τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την παρούσα διπλωματική εργασία. Τέλος στα Παραρτήματα Α, Β και Γ περιλαμβάνονται οι τιμές όλων των επιμέρους παραμέτρων και συντελεστών που έλαβαν χώρα κατά τη διαδικασία των πειραματικών μετρήσεων της παρούσης διπλωματικής εργασίας. 6

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ηλεκτρικές εκκενώσεις σε αέρια [1] Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα σε ένα διάκενο δημιουργούνται με την επιβολή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ώστε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να επιταχυνθούν και μέσω ιονισμού να αναπτύξουν ηλεκτρονικές στοιβάδες. Επειδή ο ατμοσφαιρικός αέρας αποτελείται από ουδέτερα άτομα - μόρια διαφόρων στοιχείων και από ένα μικρό ποσοστό ελεύθερων ηλεκτρονίων, εάν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο (με την εφαρμογή τάσης) είναι αδύνατο να υπάρξει ηλεκτρική εκκένωση. Οι συνηθέστεροι μηχανισμοί παραγωγής φορέων είναι οι εξής: α) Ο θερμοϊονισμός. Αναπτύσσεται όταν τα άτομα και μόρια του αερίου θερμανθούν πάνω από o K. Τότε αποκτούν ενέργεια που τα οδηγεί μέσω κρούσεων και ακτινοβολιών στον ιονισμό του αερίου. β) Ο ιονισμός κρούσεων. Δημιουργείται όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο κάτω από την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου επιταχυνθεί αποκτώντας αρκετή κινητική ενέργεια και συγκρουστεί με ουδέτερο άτομο του αέρα. Έτσι θα προκύψει ένα θετικό ιόν και ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. γ) Ο φωτοϊονισμός. Είναι μια περίπτωση ιονισμού κρούσεων και συμβαίνει όταν η κινητική ενέργεια του ελεύθερου επιταχυνόμενου ηλεκτρονίου δεν μπορεί να ιονίσει το ουδέτερο άτομο κατά την σύγκρουση αλλά μόνο το διεγείρει. Κατά τη διέγερση αυτή εκπέμπεται ένα φωτόνιο το οποίο συγκρουόμενο με το άλλο άτομο του αέρα μπορεί να το ιονίσει. δ) Ο ιονισμός εκ μετασταθών. Αναπτύσσεται στα αδρανή αέρια τα άτομα των οποίων παραμένουν σε κατάσταση διέγερσης για μεγάλο χρονικό διάστημα σε αντίθεση με τα περισσότερα χημικά στοιχεία. Τα αδρανή αυτά αέρια ονομάζονται μετασταθή και αντίστοιχα η κατάσταση μετασταθής. Τέλος εάν το άτομο του μετασταθούς έχει μεγαλύτερη ενέργεια από το δυναμικό ιονισμού ενός άλλου ατόμου ή μορίου και συγκρουστεί με αυτό τότε μπορεί να το οδηγήσει σε ιονισμό. ε) Η απόσπαση ηλεκτρονίων από την κάθοδο μέσω βομβαρδισμού της από φωτόνια ή θετικά ιόντα. Πραγματοποιείται κυρίως σε ομοιογενή διάκενα μέσω της καθόδου η οποία για να απελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βομβαρδιστεί με φωτόνιο ή θετικό ιόν ορισμένης ενέργειας. Εάν υπάρχει φωτόνιο αυτή η ενέργεια θα πρέπει να 7

9 είναι τουλάχιστον ίση με ένα ποσοστό ενέργειας που ονομάζεται "έργο εξαγωγής", ώστε να είναι ικανό να αποσπάσει το ηλεκτρόνιο από την κάθοδο. Αν όμως υπάρχει θετικό ιόν η απαιτούμενη ενέργεια πρέπει να είναι διπλάσια από το έργο εξαγωγής, έτσι ώστε να αποσπαστούν δύο ηλεκτρόνια, εκ των οποίων το ένα να εξουδετερώσει το θετικό ιόν και το άλλο να κινηθεί στο διάκενο. Στην αντίστροφη διαδικασία του ιονισμού υπάρχει απώλεια ηλεκτρικών φορτίων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται απιονισμός και πραγματοποιείται με τους παρακάτω τρεις τρόπους: i) Όταν μέσω του μηχανισμού διάχυσης σε ανομοιογενή πεδία τα ιόντα οδηγούνται σε περιοχές με μικρή συγκέντρωση από περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση. ii) Μέσω επανασύνδεσης θετικών ιόντων με ηλεκτρόνια ή αρνητικά ιόντα. iii) Μέσω προσάρτησης ηλεκτρονίων δημιουργώντας αρνητικά ιόντα από ουδέτερα άτομα. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω με την εφαρμογή τάσης σε ένα ομοιογενές διάκενο δημιουργείται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Το πεδίο αυτό δίνει τέτοια κινητική ενέργεια στα ηλεκτρόνια όπου μέσω ιονισμού παράγονται νέα ηλεκτρόνια τα οποία επιταχύνονται εκ νέου κ.ο.κ. Αυτά τα ηλεκτρόνια ξεκινούν από την κάθοδο προς την άνοδο του διακένου και κατά τη διαδρομή τους δημιουργούνται θετικά ιόντα, ισάριθμα με τα ηλεκτρόνια. Το άθροισμα των θετικών ιόντων μαζί με τα ηλεκτρόνια αποτελούν την ηλεκτρονική στοιβάδα η οποία έχει σχήμα κώνου. Στην ουρά του κώνου βρίσκονται τα βραδύτερα θετικά ιόντα ενώ τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στην κεφαλή που θεωρείται σφαιρική. Έτσι λοιπόν, στο μηχανισμό διάσπασης των αερίων αποτελεί βασικό συστατικό ο σχηματισμός της ηλεκτρονικής στοιβάδας. Οι δυο μηχανισμοί διάσπασης που επικράτησαν είναι του Townsend και ο μηχανισμός με σχηματισμό νηματίου (streamer). Ο πρώτος, μέχρι την τελική διάσπαση του διακένου, βασίζεται στη συνεχή δημιουργία νέων δευτερογενών στιβάδων. Με αυτό το μηχανισμό εξηγούνται οι ηλεκτρικές εκκενώσεις με σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα μεταξύ της επιβολής της τάσης και της διάσπασης του διακένου που πραγματοποιούνται σε ομοιογενή διάκενα μικρού μήκους. Αντίθετα, σε ανομοιογενή διάκενα μεγάλου μήκους και όταν το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα είναι πολύ μικρό, θεωρείται συνήθως ότι η ηλεκτρική εκκένωση υλοποιείται μέσω του μηχανισμού σχηματισμού νηματίου (streamer). 8

10 1.2 Εκκένωση κορώνα [1] Η εκκένωση κορώνα θεωρείται ως μια ηλεκτρική εκκένωση η οποία δημιουργείται στο χώρο του διηλεκτρικού μέσου μέσω ηλεκτρονικών στοιβάδων κοντά στην επιφάνεια του αγωγού εφόσον υπάρχει κατάλληλο υψηλό ηλεκτρικό πεδίο. Είναι γενικά ένα φαινόμενο περιορισμένης έκτασης αλλά έχει μεγάλες πρακτικές εφαρμογές όπου υπάρχει υψηλή τάση, όπως ιονιστές ατμόσφαιρας, παραγωγή όζοντος, ηλεκτροστατικοί διαχωριστές, ηλεκτροστατικές βαφές φίλτρα, εκτυπωτές, φωτοτυπικά, κ.λ.π. Το φαινόμενο επίσης, επιδρά ευεργετικά στη συμπεριφορά των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας έναντι των κεραυνικών πληγμάτων, συμβάλλοντας σημαντικά στην απόσβεση και παραμόρφωση των οδεύοντων κυμάτων που μπορεί να εμφανιστούν στις γραμμές μεταφοράς. Παρόλα αυτά όμως το φαινόμενο της εκκένωσης κορώνα δημιουργεί προβλήματα, όπως απώλειες ενέργειας, ραδιοφωνικά παράσιτα, γήρανση των μονώσεων κ.λ.π. Συγκεκριμένα, για την επίλυση των προβλημάτων στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας μελετάται η εκκένωση κορώνα όσον αφορά τις απώλειες ισχύος κατά τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των γραμμών μεταφοράς. Στην περίπτωση αυτή εμφανίζεται με τη μορφή θυσανοειδών εκκενώσεων οι οποίες συνοδεύονται από χαρακτηριστικό τριγμό. Μια επιπλέον ανεπιθύμητη συνέπεια των εκκενώσεων κορώνα είναι οι παρεμβολές στις τηλεπικοινωνίες, με τη δημιουργία παρασίτων στις γραμμές μεταφοράς. Γενικά τα χαρακτηριστικά της εκκένωσης κορώνα εξαρτώνται από τρεις παράγοντες: α) Τη γεωμετρία του διακένου και του αγωγού ηλεκτροδίου. β) Την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης (θετική ή αρνητική). γ) Τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (πίεση P, θερμοκρασία T και υγρασία H). δ) Την κατάσταση της επιφάνειας του αγωγού. Η επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης και της θερμοκρασίας εκφράζεται μέσω της σχετικής πυκνότητας του αέρα 'δ' που δίνεται από τη σχέση [2]: P T (1.1) όπου, P είναι η πίεση του αέρα σε mmhg και Τ είναι η θερμοκρασία του αέρα σε o C. 9

11 1.3 Εκκένωση κορώνα σε ομοαξονικό διάκενο αγωγού κυλίνδρου [3] Σε αυτή την ενότητα αναλύεται γενικά η γεωμετρία του ομοαξονικού διακένου αγωγού κυλίνδρου (Σχήμα 1.1). R r r l Σχήμα 1.1 ιάταξη ομοαξονικού διακένου αγωγού κυλίνδρου με ακτίνα εσωτερικού αγωγού r και ακτίνα εξωτερικού κυλίνδρου R Η συνεχής υψηλή τάση εφαρμόζεται στον εσωτερικό αγωγό ακτίνας r ενώ ο εξωτερικός αγωγός ακτίνας R είναι γειωμένος. Σύμφωνα με τη θεωρία του ηλεκτρικού πεδίου, η πεδιακή ένταση E σε απόσταση r από το κέντρο του εσωτερικού αγωγού κάτω από την επίδραση της εφαρμοζόμενης συνεχούς υψηλής τάσης, δίνεται από τη σχέση: q E (1.2) 2 rl όπου ε είναι η διηλεκτρική σταθερά του μέσου, l είναι το μήκος του ομοαξονικού διακένου αγωγού κυλίνδρου και q είναι το φορτίο που υπολογίζεται από το ολοκλήρωμα της διηλεκτρικής μετατόπισης στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Επίσης εφαρμόζοντας το νόμο του Gauss και λόγω συμμετρίας η τιμή της διηλεκτρικής μετατόπισης είναι σταθερή στην παραπάνω επιφάνεια, συνεπώς το φορτίο θα δίνεται από την σχέση: n (1.3) q D da D2rl

12 Για την τάση γνωρίζουμε ότι ισχύει ο τύπος: R R q q R U Edr dr ln 2 rl 2 l r (1.4) r r Συνδυάζοντας τις σχέσεις (1.2) και (1.4) η ακτινική κατανομή της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης προκύπτει (για r r R ): U E(r) R r ln r και στην επιφάνεια του αγωγού θα ισχύει: E(r ) r Από τις σχέσεις (1.5) και (1.6) προκύπτει: E(r) E(r ) U R ln r r r (1.5) (1.6) (1.7) Η αναλυτική αυτή σχέση της ακτινικής κατανομής της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης ερμηνεύει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου σε ομοαξονικά διάκενα αγωγού κυλίνδρου. Έτσι βοηθάει στη μελέτη και κατανόηση των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχέση με άλλα ανομοιογενή διάκενα, ενώ παράλληλα προσομοιώνει με τον καλύτερο τρόπο πρακτικές εφαρμογές, όπως είναι η εκκένωση κορώνα σε εναέριες γραμμές μεταφοράς. 11

13 12

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 2.1 Εξοπλισμός Υλικά Κατά τη διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήθηκε ο ακόλουθος εξοπλισμός ο οποίος φαίνεται στο "Φωτογραφικό Υλικό" στο τέλος της εργασίας: 1) Δύο γεννήτριες για την παραγωγή συνεχούς υψηλής τάσης HVDC της εταιρίας Glassman 3 και 125kV με βαθμονόμηση,1 και 1kV με μέγιστο ρεύμα εξόδου 4 και 3mA αντίστοιχα. (Μοντέλα PS/FC3R4. 22 με αντιστροφή πολικότητας και PS/PK125R3 με αντιστροφή πολικότητας). (Εικόνα 5.1) 2) Ψηφιακός παλμογράφος της εταιρίας LeCroy WR64MXi, με εύρος συχνότητας 6MHz τεσσάρων καναλιών για λήψη και αποθήκευση παλμογραφημάτων με ρυθμό δειγματοληψίας GS/s σε κάθε κανάλι και μνήμη Mpts/Ch. (Εικόνα 5.2) 3) Ψηφιακό βολτόμετρο της εταιρίας MASTECH MY64 3,5 ψηφίων για τη μέτρηση της χαμηλής τάσης. (Εικόνα 5.3) 4) Θάλαμος πίεσης 6 bar τύπου DKU, της MWB στα kv (rms). (Εικόνα 5.4) 5) Κλωβός κορώνα τύπου KR διαμέτρου 9,8cm και μήκους 25cm. (Εικόνα 5.5) 6) Αντλία Συμπιεστής, κενού πίεσης της εταιρίας ASPERA TECUMSEH AE6ZD7 22V,5Hz, 125 W, 1.1 A, 7mbar έως 41bar με παροχή αέρα 2m 3 /h. (Εικόνα 5.6) 7) Κυτίο με ωμική αντίσταση 9,98kΩ. (Εικόνα 5.7) 8) Πέντε αγωγοί δοκίμια με ακτίνες,1cm,,14cm,,25cm,,55cm και,1cm μήκους 35cm. (Εικόνα 5.8) 9) Δύο μανόμετρα της εταιρίας WIKA, το ένα για τη μέτρηση του κενού, έως 1 bar με υποδιαίρεση 5mbar και το άλλο πίεσης έως 6 bar με υποδιαίρεση 2mbar. (Εικόνα 5.9) ) Υδραργυρικό βαρόμετρο για τη μέτρηση της ατμοσφαιρικής πίεσης. (Εικόνα 5.) 11) Ψυχρόμετρο που αποτελείται από δύο θερμόμετρα, το ένα για τη μέτρηση της υγρής θερμοκρασίας και το άλλο για τη μέτρηση της ξηρής. (Εικόνα 5.11) 12) Ομοαξονικά καλώδια για τις συνδέσεις μεταξύ των συσκευών οργάνων (Εικόνα 5.13) και ομοαξονικά καλώδια τροφοδοσίας υψηλής τάσης (Εικόνα 5.14). 13

15 2.2 Διάταξη Συνδεσμολογία Η διεξαγωγή του πειράματος πραγματοποιήθηκε στον δευτερεύοντα χώρο δοκιμών του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. ο οποίος διαχωρίζεται με γειωμένο μεταλλικό πλέγμα με θύρα σε δύο χώρους, στο χώρο Α και στο χώρο Β, για λόγους προστασίας του ανθρώπινου δυναμικού. Στο χώρο Α βρίσκονται οι δύο γεννήτριες HVDC, ο ψηφιακός παλμογράφος, το ψηφιακό βολτόμετρο, ένας Η/Υ και το ανθρώπινο δυναμικό που χειρίζεται τις συσκευές. Στο χώρο Β όπου πραγματοποιούνται τα πειράματα υπό υψηλή τάση, βρίσκονται οι ακροδέκτες υψηλής τάσης των δύο γεννητριών, ο θάλαμος κενού/πίεσης με τον κλωβό κορώνα (που αποτελεί και το ομοαξονικό διάκενο αγωγού κυλίνδρου), η αντλία κενού/πίεσης, το κυτίο με την ωμική αντίσταση χαμηλής τάσης, τα μανόμετρα, τα θερμόμετρα και τα ομοαξονικά καλώδια για τις διάφορες συνδέσεις, όπως ακριβώς φαίνονται στο σχήμα (2.1): 14

16 Συγκεκριμένα η παραγωγή της συνεχούς υψηλής τάσης γίνεται από τις δύο γεννήτριες ως εξής: Για τιμές της εφαρμοζόμενης τάσης μέχρι 3kV χρησιμοποιείται η πρώτη γεννήτρια επειδή έχει μεγαλύτερη ακρίβεια στη ρύθμιση της τάσης, της τάξης του,1kv. Για τάσεις άνω των 3kV χρησιμοποιείται η δεύτερη γεννήτρια που έχει ακρίβεια 1kV στη ρύθμιση της τάσης. Η συνεχής υψηλή τάση οδηγείται μέσω ομοαξονικού καλωδίου στον κλωβό κορώνα και εφαρμόζεται στον εκάστοτε αγωγό δοκίμιο που βρίσκεται τοποθετημένος στο εσωτερικό του. Στο θάλαμο εφαρμόζεται κενό ή πίεση αναλόγως με τις απαιτήσεις του πειράματος. Η παραγωγή του κενού ή της πίεσης πραγματοποιείται από την αντλία κενού πίεσης, η οποία αναλόγως με τη σύνδεση των σωληνώσεών της (αναρρόφηση συμπίεση) λειτουργεί άλλοτε ως αντλία κενού και άλλοτε ως συμπιεστής, όπως φαίνεται και στο σχήμα (2.1). Για τη μέτρηση του κενού ή της πίεσης χρησιμοποιούνται τα δύο μανόμετρα κενού πίεσης, αντίστοιχα. Για την προστασία του μανομέτρου του κενού όταν εφαρμόζεται πίεση στο θάλαμο κενού πίεσης, το όργανο απομονώνεται μέσω μιας βάνας χειρός. Υπάρχουν επίσης δύο επιπλέον βάνες χειρός μια για την εισαγωγή της πίεσης (ή του κενού) στο θάλαμο και μια για την εκτόνωση (ή την εισροή) του αέρα μετά το τέλος του πειράματος. Στο κάτω μέρος του θαλάμου υπάρχουν δύο ακροδέκτες, ένας κόκκινου και ένας μαύρου χρώματος. Ο κόκκινος ακροδέκτης συνδέεται εσωτερικά με το μεταλλικό κύλινδρο του κλωβού κορώνα και ο μαύρος συνδέεται με το εξωτερικό μεταλλικό μέρος του θαλάμου. Από τον κόκκινο και το μαύρο ακροδέκτη συνδέεται μέσω ομοαξονικού καλωδίου παράλληλα η αντίσταση 9,98kΩ χαμηλής τάσης, το ψηφιακό βολτόμετρο (σε λειτουργία βολτομέτρου) και ο ψηφιακός παλμογράφος. Τα τρία παραπάνω στοιχεία αποτελούν τη μετρητική διάταξη, στην οποία το τμήμα του ομοαξονικού καλωδίου, που φαίνεται στο σχήμα (2.1) με κόκκινο χρώμα, μεταφέρει το ηλεκτρικό σήμα ενώ αντίστοιχα το τμήμα του ομοαξονικού καλωδίου που εικονίζεται με μαύρο χρώμα συνδέεται με την κοινή γείωση του εργαστηρίου και ουσιαστικά αποτελεί τη θωράκιση του καλωδίου από τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο στα υπό μέτρηση ηλεκτρικά μεγέθη. 15

17 2.3 Λήψη Διαδικασία Μετρήσεων Διαδικασία του πειράματος Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε πέντε διαφορετικούς λείους αγωγούς δοκίμια, σε εννέα διαφορετικά επίπεδα πίεσης: 7mbar, 14mbar, 25mbar, 5mbar, 75mbar, ατμοσφαιρικές συνθήκες (1bar), 2bar, 3bar και 4bar και για συνεχή υψηλή τάση θετικής και αρνητικής πολικότητας, δηλαδή συνολικά 9 διαφορετικές περιπτώσεις. Πριν από την έναρξη του πειράματος, η επιφάνεια των αγωγών καθαρίστηκε με ένα στεγνό πανί και ελέγχθηκε οπτικά για πιθανές αμυχές, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν σφάλμα κατά τη μέτρηση. Επίσης για κάθε διαφορετική περίπτωση αγωγού εφαρμοζόμενης πίεσης και πολικότητας τάσης ο θάλαμος πίεσης, μέσα στον οποίο βρίσκεται ο κλωβός κορώνα, καθαρίζεται από πιθανά παραμένοντα ηλεκτρικά φορτία διοχετεύοντας στο εσωτερικό του πεπιεσμένο αέρα. Τα φορτία αυτά δημιουργούνται εξαιτίας της συνεχόμενης επιβολής της υψηλής τάσης κατά την διάρκεια των μετρήσεων και επηρεάζουν το φαινόμενο κορώνα. Αρχικά λαμβάνονται ενδείξεις των ατμοσφαιρικών συνθηκών, δηλαδή της ατμοσφαιρικής πίεσης, της θερμοκρασίας του θαλάμου πίεσης και στη συνέχεια υπολογίζεται η απόλυτη υγρασία. Ο προσδιορισμός της απόλυτης υγρασίας γίνεται με τη βοήθεια του ψυχρομέτρου, το οποίο αποτελείται από δύο όμοια υδραργυρικά θερμόμετρα: ένα που μετρά τη θερμοκρασία του αέρα (ξηρό θερμόμετρο) και ένα του οποίου η άκρη είναι περιβεβλημένη με λεπτό ύφασμα πού καταλήγει βυθισμένο σε δοχείο με αποσταγμένο νερό (υγρό Θερμόμετρο).[4] Από τις ενδείξεις των δύο αυτών θερμομέτρων, λαμβάνοντας υπόψη και την πίεση του αέρα στο διάκενο, προσδιορίζεται η απόλυτη υγρασία [βλ. Παράρτημα Α]. Πρέπει να αναφέρουμε ότι το θερμόμετρο υγρής και ξηρής θερμοκρασίας (ψυχρόμετρο) τοποθετείται πάντοτε μέσα στο θάλαμο στην αρχή της κάθε μέτρησης, αφού προηγουμένως αφαιρεθεί ο κλωβός κορώνα, ώστε να έχουμε ακριβέστερη λήψη των εκάστοτε συνθηκών. Η διαδικασία αυτή κρίνεται απαραίτητη επειδή υπάρχει άμεση εξάρτηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θαλάμου, όπως και της απόλυτης υγρασίας από την επιβαλλόμενη πίεση. Αντίστοιχες ενδείξεις λαμβάνονται και στο τέλος της κάθε μέτρησης και υπολογίζεται σε κάθε περίπτωση ο μέσος όρος των μεγεθών. Όταν αλλάζει η ακτίνα του αγωγού, η πίεση του θαλάμου ή 16

18 η πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης, (δηλαδή κάθε μια από τις 9 παραπάνω περιπτώσεις) επαναλαμβάνεται η διαδικασία λήψης των συνθηκών. Οι ενδείξεις για όλα τα επίπεδα των πιέσεων λαμβάνονται από τα εξής όργανα: α) Από το υδραργυρικό βαρόμετρο το οποίο μετρά την ατμοσφαιρική πίεση στην περίπτωση που έχουμε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες στο πείραμα. β) Από το μανόμετρο της πίεσης σε συνδυασμό και με την ένδειξη του υδραργυρικού βαρομέτρου για να προσδιορίσουμε την πίεση του αέρα στον κλωβό κορώνα σε συνθήκες πίεσης, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του πειράματος για τις θετικές πιέσεις 2, 3 και 4bar, αντίστοιχα. γ) Αποκλειστικά από το μανόμετρο του κενού προκειμένου να προσδιορίσουμε την τιμή της υποπίεσης του θαλάμου σε συνθήκες κενού, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του πειράματος για τις υποπιέσεις 75, 5, 25, 14 και 7mbar, αντίστοιχα. Στην αρχή του πειράματος ρυθμίζονται οι δύο γεννήτριες ώστε στην έξοδό τους να παρέχουν τάση θετικής πολικότητας. Τοποθετείται ο αγωγός ακτίνας r=,1cm στον κλωβό κορώνα και στο εσωτερικό του θαλάμου πίεσης. Αρχικά μετράται και καταγράφεται ως παράμετρος η ατμοσφαιρική πίεση με τη βοήθεια του υδραργυρικού βαρόμετρου. Από τη γεννήτρια ανυψώνεται η HVDC τάση με βήματα του,1 kv μέχρι να εμφανιστούν παλμοί εκκένωσης κορώνα στον ψηφιακό παλμογράφο. Όταν συμβεί αυτό καταγράφεται η τιμή της τάσης από την ένδειξη της γεννήτριας, η τιμή της τάσης του ψηφιακού βολτόμετρου και αποθηκεύεται στον ψηφιακό παλμογράφο η κυματομορφή του παλμού με τρόπο που αναλύεται στη συνέχεια. Από την τάση του βολτόμετρου διαιρεμένη με την τιμή της αντίστασης χαμηλής τάσης 9,98 kω προκύπτει το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση και συνεπώς το ρεύμα της εκκένωσης. Η τιμή της αντίστασης μέτρησης επιλέχθηκε της τάξης των kω για τους εξής λόγους: Για μεγαλύτερες τιμές της αντίστασης και εξαιτίας της χωρητικότητας του διακένου, υπάρχει μια χρονική σταθερά τ=rc η οποία γίνεται μεγάλη οπότε το κύκλωμα (RC) έχει αργή απόκριση και συνεπώς αλλοιώνονται πολύ τα χαρακτηριστικά των παλμών. Αντίθετα για μικρότερες τιμές της αντίστασης, η χρονική σταθερά τ=rc γίνεται μικρή, οπότε οδηγούμαστε σε γρήγορη απόκριση. Αυτό έχει ως συνέπεια τη μείωση του εύρους των παλμών ρεύματος σε τέτοια τιμή που είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν από τον ψηφιακό παλμογράφο. 17

19 Επειδή το φαινόμενο κορώνα δεν είναι σταθερό και συνεχές, αλλά οι παλμοί εμφανίζονται σε τυχαία χρονικά διαστήματα, η ένδειξη του βολτόμετρου (Rms τιμή) δεν είναι σταθερή. Λαμβάνεται, λοιπόν, μια μέση τιμή μεταξύ της μικρότερης και της μεγαλύτερης ένδειξης του βολτόμετρου. Ο ψηφιακός παλμογράφος ρυθμίζεται σε λειτουργία "σάρωσης" (sweep), δηλαδή λαμβάνει αυτόματα όλους τους παλμούς σε κάθε χρονική στιγμή και προβάλλει τον μέσο όρο τους στην οθόνη. Το όριο για τη διακοπή αυτής της διαδικασίας ορίστηκε στους 2 με 3 παλμούς ανά μέτρηση. Η ανίχνευση των εισερχόμενων παλμών πραγματοποιείται με τη ρύθμιση του "σκανδαλισμού" (triggering) σε τέτοιο ύψος ώστε να εντοπίζεται ο παλμός ρεύματος με το μέγιστο δυνατό εύρος. Επίσης η δειγματοληψία των σημείων απεικόνισης της κυματομορφής του παλμού ορίστηκε στο 1GS/s και άνω, που είναι μια ικανοποιητική τιμή εφόσον υφίσταται δειγματοληψία ενός δισεκατομμυρίου δειγμάτων και άνω ανά δευτερόλεπτο (Εικόνα 2.1). Ρύθμιση του "σκανδαλισμού" (triggering) ώστε να εντοπίζονται παλμοί με το μέγιστο δυνατό εύρος P1:max(C3) Δειγματοληψία των σημείων απεικόνισης της κυματομορφής Ο συνολικός αριθμός των παλμών οι οποίοι δίνουν κατά μέσο όρο την παραπάνω κυματομορφή Εικόνα 2.1: Εκκένωση κορώνα αγωγού ακτίνας r =,25cm, υπό πίεση 25mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=4,6kV θετικής πολικότητας (Σε λειτουργία "sweep"). Στη συνέχεια η τάση αυξάνεται κατά,1kv και επαναλαμβάνεται η παραπάνω διαδικασία. Σε κάποια τιμή της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης παρατηρείται στο ψηφιακό βολτόμετρο μια απότομη αύξηση στην ένδειξη του ρεύματος. Ακριβώς σε αυτή την τάση εκτιμάται ότι εμφανίζεται η τάση έναυσης Ui της εκκένωσης κορώνα. Από αυτή την τιμή της τάσης και για μεγαλύτερες τιμές (U>Ui) λαμβάνονται μετρήσεις του ρεύματος από το ψηφιακό βολτόμετρο σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη υψηλή τάση, έως ότου η τάση της γεννήτριας γίνει ίση με το διπλάσιο της τάσης έναυσης (2Ui). Εξαιρούνται σε αυτόν τον κανόνα οι περιπτώσεις στις οποίες 18

20 I(μΑ) I/U (ns) υπάρχει το ενδεχόμενο να διασπαστεί το διάκενο πριν το επιθυμητό επίπεδο τάσης (2Ui). Κατόπιν γίνονται διαγράμματα της μεταβολής του ρεύματος συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης και της μεταβολής της αγωγιμότητας του διακένου (I/U) συναρτήσει επίσης της τάσης. Παρατηρείται ότι το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα αυξάνεται περίπου με το τετράγωνο της εφαρμοζόμενης τάσης και η καμπύλη που προκύπτει, εάν ενωθούν όλα τα σημεία των μετρήσεων, είναι παραβολικής μορφής (σχήμα 2.2), ενώ αντίστοιχα η μορφή της καμπύλης αγωγιμότητας εφαρμοζόμενης τάσης κατά προσέγγιση είναι ευθεία για τιμές της τάσης με U>Ui (σχήμα 2.3). Το γεγονός αυτό μας βοηθάει στον ακριβέστερο γραφικό υπολογισμό της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα, όπως θα δειχθεί στη συνέχεια. U(kV) U(kV) Τάση έναυσης U i 2U i Τάση έναυσης U i 2U i Σχήμα 2.2: Ενδεικτική καμπύλη μεταβολής του ρεύματος I της εκκένωσης κορώνα συναρτήσει της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης U Σχήμα 2.3: Ενδεικτική καμπύλη μεταβολής της αγωγιμότητας I/U του διακένου συναρτήσει της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης U Πρέπει να σημειωθεί ότι η υψηλή τάση της γεννήτριας αυξάνεται με βήμα το οποίο γενικά δεν είναι σταθερό. Στην περιοχή των τιμών εφαρμοζόμενης τάσης κοντά στην τάση έναυσης λαμβάνονται πολλές μετρήσεις με μικρό βήμα μεταβολής της εφαρμοζόμενης τάσης. Για μεγαλύτερες τιμές της εφαρμοζόμενης τάσης το βήμα μεταβολής της ήταν μεγαλύτερο. Για κάθε τιμή της HVDC τάσης που καταγράφηκε από τη γεννήτρια, με τη βοήθεια του λογισμικού Wavestudio της Lecroy, αποθηκεύονταν στον ψηφιακό παλμογράφο ο παλμός του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα με τη μορφή ενός αρχείου εικόνας (*.jpg) και ενός binary αρχείου (*.trc). Στο πρώτο αρχείο φαίνεται η εικόνα του παλμού τη χρονική στιγμή που έγινε η αποθήκευση (Εικόνες ), ενώ το δεύτερο αρχείο (*.trc) είναι απαραίτητο για την περεταίρω επεξεργασία του 19

21 παλμογραφήματος μέσω του λογισμικού του εργαστηρίου των Υψηλών Τάσεων. Από αυτό το αρχείο υπολογίστηκαν όλα τα χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος εκκένωσης κορώνα με τον τρόπο που αναλύεται στη συνέχεια. Σε κάθε περίπτωση και καθ όλη τη διάρκεια των μετρήσεων, στα αρχεία που αποθηκεύονται κάθε φορά στον ψηφιακό παλμογράφο, δινόταν η εξής ονομασία: Πολικότητα_Αγωγός_Πίεση_Εφαρμοζόμενη HVDC.trc (ή.jpg αντίστοιχα), δηλαδή καταγραφόταν το είδος της πολικότητας της εφαρμοζόμενης τάσης (θετική ή αρνητική), η ακτίνα r του αγωγού που βρισκόταν μέσα στον κλωβό κορώνα, η πίεση του θαλάμου και η τιμή της επιβαλλόμενης υψηλής τάσης της γεννήτριας τη δεδομένη χρονική στιγμή. Ο λόγος για τον οποίο δίνεται αυτή η ονομασία στα αρχεία των παλμών είναι να μη δημιουργηθεί σύγχυση μεταξύ του μεγάλου πλήθους των παλμών κατά την επεξεργασία τους με το λογισμικό. Στην πορεία αυτής της διαδικασίας καθώς αυξάνεται η τάση η κυματομορφή φαίνεται να μετακινείται από το νοητό μηδέν του παλμογράφου (C3) προς τα πάνω (Εικόνα 2.2), ενώ ταυτόχρονα γίνεται σχεδόν αισθητός και ένας μικρός θόρυβος. Επίσης παρατηρείται αύξηση του πλήθους, της πυκνότητας και του εύρους των παλμών του ρεύματος. Σε αυτό το σημείο εκτιμάται ότι η εκκένωση κορώνα έχει τη μορφή εκκένωσης αίγλης (glow), οπότε απενεργοποιείται η λειτουργία "σάρωσης" (sweep) του παλμογράφου. Η διαδικασία συνεχίζεται κανονικά με λήψη πλέον μόνο των ενδείξεων τάσης και ρεύματος. Η μέτρηση τερματίζεται για τάση U=2Ui ή πριν από αυτή την τιμή εάν υπάρχει σοβαρό ενδεχόμενο να προκληθεί διάσπαση του διακένου, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις όπου έχουμε μεγάλους αγωγούς και μεγάλες πιέσεις. Τέλος μετρώνται ξανά οι ατμοσφαιρικές συνθήκες για την εκτίμηση του μέσου όρου των μεγεθών. Στη συνέχεια διακόπτεται η τροφοδοσία HVDC της γεννήτριας και αφαιρείται ο κλωβός κορώνα. Το διάκενο καθαρίζεται με χρήση πεπιεσμένου αέρα από πιθανά φορτία και τοποθετείται το ψυχρόμετρο μέσα στο θάλαμο. Συνδέεται η αντλία σε λειτουργία κενού και ρυθμίζεται η υποπίεση στα 75mbar. Λαμβάνονται ενδείξεις της ξηρής και υγρής θερμοκρασίας, αφαιρείται το ψυχρόμετρο και τοποθετείται ο κλωβός κορώνα μέσα στο θάλαμο. Επανασυνδέεται η αντλία και ρυθμίζεται ξανά η υποπίεση στα 75mbar. Οι μετρήσεις γίνονται με την ίδια ακριβώς μεθοδολογία που περιγράφηκε προηγουμένως. 2

22 Εικόνα 2.2: Εκκένωση κορώνα αγωγού ακτίνας r =,1cm, υπό πίεση 75mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=18,8kV θετικής πολικότητας (Εκκένωση αίγλης "glow"). Όλη η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται για τον ίδιο αγωγό σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και συγκεκριμένα στα 5mbar, 25mbar, 14mbar και 7mbar προκειμένου για μετρήσεις σε πίεση χαμηλότερη της ατμοσφαιρικής. Για μετρήσεις σε πίεση υψηλότερη από την ατμοσφαιρική, δηλαδή για 2bar, 3bar και 4bar, αλλάζει η λειτουργία της αντλίας και από αντλία κενού γίνεται συμπιεστής. Μετά την ολοκλήρωση των μετρήσεων για τον αγωγό ακτίνας r=,1cm, τοποθετείται ο αγωγός ακτίνας r=,14cm και επαναλαμβάνεται η μεθοδολογία που περιγράφηκε προηγουμένως. Στη συνέχεια η ίδια διαδικασία ακολουθείται και για τους υπόλοιπους αγωγούς. Επειδή οι απαιτήσεις για το ύψος της εφαρμοζόμενης τάσης αυξάνονται όσο μεγαλώνει η ακτίνα του αγωγού, για τάσεις πάνω από 3kV διακόπτεται η διαδικασία και συνδέεται η δεύτερη γεννήτρια υψηλής τάσης. Η ακρίβεια του βήματος της δεύτερης γεννήτριας είναι 1 kv σε αντίθεση με της πρώτης που είναι,1kv, οπότε η αύξηση της τάσης γίνεται πλέον με βήματα του 1 kv. Τέλος, οι δυο γεννήτριες υψηλής τάσης ρυθμίζονται σε τάση αρνητικής πολικότητας. Επίσης ο ψηφιακός παλμογράφος ρυθμίζεται κατάλληλα για αρνητική τάση και επαναλαμβάνεται η διαδικασία μεθοδολογία που περιγράφηκε προηγουμένως για όλους τους αγωγούς και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Στις εικόνες (2.3) και (2.4) παρουσιάζεται η αρνητική εκκένωση κορώνα σε λειτουργία "σάρωσης" (sweep) αλλά και χωρίς αυτή (εκκένωση αίγλης, "glow"), κατά αντιστοιχία με τις εικόνες (2.1) και (2.2) της θετικής εκκένωσης κορώνα. 21

23 Σε κάθε περίπτωση όταν έχουμε υπέρθεση των παλμών σε ένα παλμογράφημα που έχουμε αποθηκεύσει από κάποια μέτρηση, λαμβάνουμε υπόψη τον παλμό με το μεγαλύτερο εύρος ρεύματος και αγνοούμε όλους τους υπολοίπους που είναι μικρότεροι. Αυτού λοιπόν του παλμού, ο οποίος είναι και αντιπροσωπευτικός του φαινομένου της εκκένωσης κορώνα, για τις δεδομένες συνθήκες του πειράματος, προσδιορίστηκαν τα χαρακτηριστικά όπως αναλύονται σε επόμενη ενότητα. Εικόνα 2.3: Εκκένωση κορώνα αγωγού ακτίνας r =,25cm, υπό πίεση 5mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=6,4kV αρνητικής πολικότητας (Σε λειτουργία "sweep"). Εικόνα 2.4: Εκκένωση κορώνα αγωγού ακτίνας r =,55cm, υπό πίεση 25mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=8kV αρνητικής πολικότητας (Χωρίς τη λειτουργία "sweep"). 22

24 I (μα) I/U (ns) Πειραματικός προσδιορισμός της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη ενότητα, κατά την διεξαγωγή των μετρήσεων γίνεται μια εκτίμηση της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα μέσω των ενδείξεων του ψηφιακού βολτομέτρου και σύμφωνα με την καμπύλη τάσης ρεύματος που προκύπτει σε κάθε περίπτωση. Επειδή όμως αυτή η μέθοδος δεν παρέχει ακρίβεια στον τρόπο υπολογισμού της τάσης έναυσης, η τάση έναυσης της εκκένωσης κορώνα υπολογίστηκε γραφικά και με ικανοποιητική ακρίβεια με την εξής μέθοδο: Από το διάγραμμα τάσης ρεύματος, στο οποίο η καμπύλη είναι παραβολικής μορφής, προκύπτει το διάγραμμα τάσης αγωγιμότητας, διαιρώντας το ρεύμα με την αντίστοιχη εφαρμοζόμενη τάση και θέτοντας ως εξαρτημένη μεταβλητή στο διάγραμμα το πηλίκο I/U που εκφράζει την αγωγιμότητα της εκκένωσης κορώνα. Γενικά στα διαγράμματα με τις καμπύλες τάσης ρεύματος και τάσης αγωγιμότητας διακρίνουμε τις εξής τρεις παρακάτω περιπτώσεις: 1 η περίπτωση 45 4 θετική κορώνα - r =,55cm - P=5mbar 25 θετική κορώνα - r =,55cm - P=5mbar U i =,8 kv 5 U i =,8 kv Σχήμα 2.4: Ρεύμα I της θετικής εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό με ακτίνα r =,55cm, για πίεση P=5mbar συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U Σχήμα 2.5: Αγωγιμότητα I/U της θετικής εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό με ακτίνα r =,55cm, για πίεση P=5mbar συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U. Λόγω της μορφής της καμπύλης τάσης αγωγιμότητας, η τιμή της τάσης έναυσης προκύπτει εύκολα γραφικά από το σημείο καμπής της καμπύλης, δηλαδή από το σημείο όπου αλλάζει απότομα η κλίση της καμπύλης και συνεπώς αρχίζει να αυξάνεται το ρεύμα με το τετράγωνο της εφαρμοζόμενης τάσης. Μια τέτοια περίπτωση προσδιορισμού της Ui, για τον αγωγό με ακτίνα r=,55cm, σε πίεση 5mbar και για θετική κορώνα, φαίνεται στα σχήματα (2.4) και (2.5). 23

25 I (μa) I/U (ns) 2 η περίπτωση Όταν η καμπύλη τάσης αγωγιμότητας έχει τη μορφή του σχήματος (2.7), η Ui δεν μπορεί να προσεγγιστεί άμεσα με οπτική παρατήρηση, επειδή το σημείο καμπής στο οποίο αλλάζει απότομα η κλίση της καμπύλης δεν είναι ευδιάκριτο. Η μέθοδος που ακολουθήθηκε είναι η εξής: Στο τμήμα της καμπύλης τάσης αγωγιμότητας για τιμές της τάσης με U>Ui σχεδιάζεται από το πρόγραμμα Excel η ευθεία των ελαχίστων τετραγώνων και παράλληλα υπολογίζεται από το πρόγραμμα και η εξίσωση της ευθείας. Με γραμμική προέκταση της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων στο σημείο πού αυτή τέμνει τον οριζόντιο άξονα και θέτοντας στην εξίσωση της ευθείας όπου y=, δηλαδή (I/U)=, υπολογίζεται η Ui σε αυτή την περίπτωση. [5] Μια τέτοια περίπτωση προσδιορισμού της Ui, για τον αγωγό με ακτίνα r=,1cm, σε σχεδόν κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (πίεση P=759mmHg, θερμοκρασία T=23,75 ο C, απόλυτη υγρασία H=17,256g/m 3 ) για αρνητική κορώνα, φαίνεται στα σχήματα (2.6) και (2.7): 8 αρνητική κορώνα - r =,1cm - P=759 mmhg 25 αρνητική κορώνα - r =,1cm - P=759 mmhg ,247 x Ui 23,75kV 1,954 y = 1,954x - 45,247 R² =, Σχήμα 2.6: Ρεύμα I της αρνητικής εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για πίεση P=759mmHg συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U Σχήμα 2.7: Αγωγιμότητα I/U της αρνητικής εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για πίεση P=759mmHg συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U. 3 η περίπτωση Όταν η καμπύλη τάσης ρεύματος και ιδιαιτέρως η καμπύλη τάσης αγωγιμότητας είναι μετατοπισμένη προς τα πάνω, δηλαδή υπάρχει ένα ρεύμα I=Ioffset πριν από το φαινόμενο της έναυσης της εκκένωσης κορώνα (Σχήμα 2.8), η Ui επίσης δε μπορεί να προκύψει άμεσα με οπτική παρατήρηση. Η περίπτωση αυτή όπου η καμπύλη τάσης ρεύματος είναι μετατοπισμένη προς τα πάνω παρατηρείται συνήθως σε μεγάλες πιέσεις και ιδιαίτερα στους δύο μεγαλύτερους αγωγούς, σε θετική και αρνητική κορώνα. Η μέθοδος η οποία ακολουθήθηκε είναι η εξής: Στο 24

26 I (μa) I/U (ns) τμήμα της καμπύλης τάσης αγωγιμότητας για τιμές της τάσης με U>Ui σχεδιάζεται από το πρόγραμμα Excel η ευθεία των ελαχίστων τετραγώνων και παράλληλα υπολογίζεται από το πρόγραμμα και η εξίσωση της ευθείας. Με γραμμική προέκταση της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων στο σημείο πού αυτή τέμνει την αντίστοιχη ευθεία (I/U)=(I/U)offset και θέτοντας στην εξίσωση της ευθείας όπου y=(i/u)offset, υπολογίζεται η Ui σε αυτή την περίπτωση. Μια τέτοια περίπτωση προσδιορισμού της Ui, για τον αγωγό με ακτίνα r=,25cm, σε πίεση 2bar και για αρνητική κορώνα, φαίνεται στα παρακάτω σχήματα (2.8) και (2.9): 6 αρνητική κορώνα - r =,25cm - P=2bar 16 αρνητική κορώνα - r =,25cm - P=2bar I offset = 25μA Σχήμα 2.8: Ρεύμα I της αρνητικής εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό με ακτίνα r =,25cm, για πίεση P=2bar συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U y =,6267x - 8,963 R² =,987 2 (I/U) offset = 2nS U i Σχήμα 2.9: Αγωγιμότητα I/U της αρνητικής εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό με ακτίνα r =,25cm, για πίεση P=2bar συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U. Η παραπάνω μέθοδος θεωρείται η πλέον αξιόπιστη. Για τη συγκεκριμένη περίπτωση η πειραματική έναυση της εκκένωσης κορώνα υπολογίζεται από τη σχέση: 8,963 2 x Ui 17,4kV,6267 Όλες οι παραπάνω ρυθμίσεις σε κάθε μια από τις 9 παραπάνω περιπτώσεις (ακτίνα αγωγού πίεση πολικότητα), καθώς και ο προσδιορισμός της τάσης έναυσης κατά περίπτωση πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με την κρίση μας με την ίδια ακριβώς μεθοδολογία σε όλη τη διάρκεια του πειράματος. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία [5], η τάση έναυσης της εκκένωσης κορώνα ανιχνεύθηκε από την απότομη αύξηση της αγωγιμότητας του διακένου (I/U) και ορίζεται ως η ελάχιστη τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης (Ui) πάνω από την οποία μετρήθηκαν τα συνεχή ρεύματα εκκένωσης αίγλης. Στα σχήματα (2.) και (2.11) φαίνονται τα σημεία τομής της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων με τον οριζόντιο άξονα για θετική και αρνητική εκκένωση κορώνα, για τον αγωγό με ακτίνα r=,55cm. 25

27 I/U (ns) I/U (ns) 3 δ=,139 δ=, δ=,7 2 δ=,5 15 δ=,75 δ=1,2 5 U i =3kV U i =,8kV U i =4,7kV U i =6,7kV U i =14,3kV U i =17,5kV Σχήμα 2.: Αγωγιμότητα I/U του διακένου για την περίπτωση αγωγού με ακτίνα r =,55cm για θετική εκκένωση κορώνα και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. δ=, δ=, δ=, δ=,487 δ=,731 δ=1,3 2 U i =3kV U i =11kV U i =4,7kV U i =6,8kV U i =14kV U i =17,2kV Σχήμα 2.11: Αγωγιμότητα I/U του διακένου για την περίπτωση αγωγού με ακτίνα r =,55cm για αρνητική εκκένωση κορώνα και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 26

28 2.3.3 Εύρεση των χαρακτηριστικών του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα Η προηγούμενη ενότητα πραγματεύεται τον τρόπο με τον οποίο ανιχνεύονται και αποθηκεύονται οι παλμοί ρεύματος της εκκένωσης κορώνα από τον ψηφιακό παλμογράφο. Στη συνέχεια προσδιορίζονται τα χαρακτηριστικά αυτών των παλμών από τα αντίστοιχα αρχεία (της μορφής *.trc) με τη βοήθεια του λογισμικού του εργαστηρίου των Υψηλών Τάσεων. Ενδεικτικά παρατίθενται ορισμένες από τις κυματομορφές των παλμών θετικής και αρνητικής πολικότητας κατά την έναυση της εκκένωσης κορώνα και κατά την εκκένωση αίγλης (glow), αντίστοιχα (Εικόνες ). Εικόνα 2.5: Παλμός ρεύματος εκκένωσης κορώνα κατά την έναυση για αγωγό με ακτίνα r =,55cm, υπό πίεση 25mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=U i=6,7kv θετικής πολικότητας (Σε λειτουργία "sweep"). 27

29 Εικόνα 2.6: Παλμοί ρεύματος για αγωγό ακτίνας r =,1cm, υπό πίεση 5mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=13,9kV θετικής πολικότητας εκκένωσης αίγλης (glow). Εικόνα 2.7: Παλμός ρεύματος εκκένωσης κορώνα κατά την έναυση για αγωγό με ακτίνα r =,14cm, υπό πίεση 2bar και με εφαρμοζόμενη τάση U=U i=13,5kv αρνητικής πολικότητας (Σε λειτουργία "sweep"). 28

30 Εικόνα 2.8: Παλμοί ρεύματος για αγωγό ακτίνας r =,55cm, υπό πίεση 7mbar και με εφαρμοζόμενη τάση U=3,2kV αρνητικής πολικότητας εκκένωσης αίγλης (glow). Τα χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα που μετρήθηκαν είναι: α) Ο χρόνος ανόδου του παλμού 'tr', δηλαδή ο χρόνος ο οποίος μεσολαβεί από την αρχή του παλμού, δηλαδή από το σημείο όπου αλλάζει κλίση απότομα ο παλμός μέχρι να φτάσει στο μέγιστο ύψος του. β) Το εύρος του παλμού 'Ip', δηλαδή το μέγιστο ύψος στο οποίο φτάνει η τιμή του ρεύματος του παλμού. γ) Ο χρόνος ημίσεος εύρους 'th', δηλαδή ο χρόνος που μεσολαβεί από την αρχή του παλμού μέχρι να φτάσει στο μισό του εύρους κατά την πτώση του ρεύματος. δ) Το εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q' που προκύπτει από το ολοκλήρωμα της κυματομορφής του ρεύματος του παλμού, σύμφωνα με τη σχέση: Q I(t)dt Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά παρουσιάζονται στις εικόνες (2.9) και (2.) για παλμό ρεύματος θετικής και αρνητικής εκκένωσης κορώνα, αντίστοιχα. 29

31 I Ip Ip/2 Q tr th t Εικόνα 2.9: Χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος θετικής εκκένωσης κορώνα. tr th Q t Ip/2 Ip I Εικόνα 2.: Χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος αρνητικής εκκένωσης κορώνα. 3

32 2.3.4 Επεξεργασία των μετρήσεων με το λογισμικό του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα έγινε με τη χρήση του λογισμικού [6] του εργαστηρίου των Υψηλών Τάσεων, το οποίο παρουσιάζεται στην εικόνα (2.11): Εικόνα 2.11: Το λογισμικό του εργαστηρίου των Υψηλών Τάσεων. Αρχικά 'ανοίγουμε' το πρόγραμμα και από το Μενού του παραθύρου Control που φαίνεται αριστερά στην οθόνη πατάμε: File, Open wave και επιλέγουμε το binary αρχείο που αποθηκεύσαμε (*.trc) και το 'ανοίγουμε' (Εικόνα 2.12). Αμέσως εμφανίζεται ο παλμός ρεύματος της εκκένωσης κορώνα που αποθηκεύσαμε (Εικόνα 2.13). Στη συνέχεια πατάμε το κουμπί στο παράθυρο Control: Zoom (Select Region...) και επιλέγουμε την περιοχή την οποία θέλουμε να κάνουμε μεγέθυνση, στο παράθυρο του παλμού αριστερά στην οθόνη. Αφού επιλέξουμε την περιοχή πατάμε το κουμπί στο παράθυρο Control: Cursor bars οπότε εμφανίζονται στην οθόνη οι μπάρες Τ1 και Τ2 (κατακόρυφες) και οι μπάρες Ι1 και Ι2 (οριζόντιες). 31

33 Εικόνα 2.12: Επιλογή και 'άνοιγμα' του αρχείου του παλμού προς επεξεργασία. Εικόνα 2.13: Κυματομορφή του παλμού ρεύματος εκκένωσης κορώνα για αγωγό ακτίνας r =,1cm, υπό πίεση 25mbar και με εφαρμοζόμενη τάση 7kV θετικής πολικότητας. 32

34 Μετακινούμε τη μπάρα Τ1 αριστερά στο σημείο όπου αλλάζει κλίση απότομα ο παλμός (σημείο καμπής), δηλαδή στην αρχή του παλμού. Αυτό το σημείο ορίζεται και ως ο χρόνος έναρξης του παλμού: Τ1 (ή start time). Αντίστοιχα μετακινούμε τη μπάρα Τ2 αριστερά και εντοπίζουμε το μέγιστο του παλμού (Ipeak) που αποτελεί και την κορυφή του παλμού, όπως ακριβώς φαίνεται και στην εικόνα (2.14): I peak start time Εικόνα 2.14: Υπολογισμός του χρόνου ανόδου 't r' του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα. Σε αυτό το σημείο καταγράφουμε τρεις τιμές, οι οποίες εμφανίζονται στο κάτω μέρος της οθόνης του προγράμματος και είναι οι εξής: α) Το χρόνο Τ1 (start time) (σε μs) β) Το χρόνο ανόδου: ΔT=tr (σε μs) γ) Το ρεύμα I(T2) (σε ma) Συνεπώς από αυτή τη διαδικασία προκύπτει απευθείας από το πρόγραμμα το ένα από τα τέσσερα χαρακτηριστικά του παλμού, δηλαδή ο χρόνος ανόδου tr (σε μs). Στη συνέχεια επιλέγουμε το Reset από το Μενού του παραθύρου Control και κάνουμε ξανά Zoom σε νέα μεγέθυνση στο παράθυρο με την ένδειξη Select Region... αριστερά στην οθόνη. Πατάμε το κουμπί "Cursor bars" οπότε εμφανίζονται ξανά στην οθόνη οι μπάρες Τ1, Τ2, Ι1 και Ι2 που αναφέρθηκαν προηγουμένως. 33

35 Μετακινούμε αριστερά τη μπάρα Τ1 στο σημείο ακριβώς που επιλέξαμε προηγουμένως ως start time (T1 σε μs), δηλαδή στην αρχή του παλμού. Εικόνα 2.15: Υπολογισμός του ορισμένου ολοκληρώματος 'Def Integral'. Επιλέγουμε από το Μενού του παραθύρου Control τα εξής: Calc και Def Integral (δηλαδή υπολογισμός του ορισμένου ολοκληρώματος) και στο παράθυρο του παλμού εμφανίζονται δύο σημεία με τις συντεταγμένες εκάστου σημείου (T,I) να φαίνονται μέσα σε πλαίσιο. Μετακινούμε το πρώτο σημείο αριστερά μέχρις ότου συμπέσει με το Τ1 και το δεύτερο σημείο δεξιά μέχρι εκεί όπου εκτιμούμε ότι 'σβήνει' ο παλμός, οπότε το σημείο αυτό είναι το end time (σε μs). Οι τιμές των χρόνων των δύο αυτών σημείων (start time και end time), που αποτελούν και τα όρια της ολοκλήρωσης, εμφανίζονται και αριστερά στο παράθυρο (Control) όπως φαίνεται και στην εικόνα (2.15). Στη συνέχεια πατώντας το κουμπί Calculate αριστερά στο παράθυρο Control, το πρόγραμμα υπολογίζει το ορισμένο ολοκλήρωμα (Def Integral) της γραμμοσκιασμένης επιφάνειας που ορίζεται από την καμπύλη του παλμού, τα όρια της ολοκλήρωσης start time end time και από την ευθεία y= (ή I=). Η τιμή του 34

36 ορισμένου ολοκληρώματος εμφανίζεται μέσα σε πλαίσιο, δίπλα ακριβώς από την ένδειξη Def Integral, στο μέσον του παραθύρου Control και καταγράφεται. Από τις συντεταγμένες των δύο σημείων (όρια ολοκλήρωσης) και συγκεκριμένα από τις τιμές του ρεύματος, επιλέγουμε εκείνο το 'Ι' από το σημείο καμπής (start time) ή το end time το οποίο έχει τη μικρότερη τιμή δηλαδή βρίσκεται χαμηλότερα στην οθόνη του προγράμματος ως προς τον κατακόρυφο άξονα. Αυτή η μεθοδολογία ακολουθήθηκε πάντα για όλους τους παλμούς που καταγράφηκαν για τη θετική εκκένωση κορώνα. Η τιμή αυτή του ρεύματος καταγράφεται ως Ιoffset, δηλώνει το πόσο έχει μετατοπιστεί συνολικά ο παλμός από τον οριζόντιο άξονα και είναι απαραίτητη για τον υπολογισμό των υπολοίπων χαρακτηριστικών του παλμού (Ip, th και Q). Πρέπει να σημειώσουμε ότι για τους παλμούς που καταγράφηκαν για την αρνητική εκκένωση κορώνα επιλέγουμε το Ιoffset από το σημείο καμπής (start time) ή το end time που βρίσκεται υψηλότερα στην οθόνη του προγράμματος ως προς τον κατακόρυφο άξονα, δηλαδή αυτό με τη μεγαλύτερη τιμή και αντίθετα με ότι κάνουμε στη θετική κορώνα. Σε όλη αυτή τη μεθοδολογία που αναφέραμε προηγουμένως καταγράφουμε συνολικά τις εξής τρεις τιμές: α) Το χρόνο end time (σε μs) β) Το ρεύμα Ioffset (σε ma) γ) Την τιμή του ορισμένου ολοκληρώματος: end time Def Integral I(t)dt (σε nas) start time (Σημειώνουμε ότι η τιμή του ορισμένου ολοκληρώματος λαμβάνεται από το πρόγραμμα πάντοτε με πρόσημο). Για τον υπολογισμό του χρόνου ημίσεος εύρους th του παλμού εργαζόμαστε ως εξής: Αρχικά υπολογίζουμε την τιμή του σημείου Ι(Τ2), από το οποίο θα προκύψει ο χρόνος th, με τη βοήθεια της παρακάτω σχέσης: 1 I(T2) I(T2) peak Ioffset (2.1) 2 Στη συνέχεια μετακινούμε την μπάρα Τ2 αριστερά (εικόνα 2.15) μέχρις ότου η τιμή Ι(Τ2), που εμφανίζεται στο κάτω μέρος της οθόνης, γίνει ίση με αυτή που υπολογίστηκε από τον παραπάνω τύπο. Ο χρόνος ημίσεος εύρους θα δίνεται τότε από το πρόγραμμα: th= ΔT=Τ2-Τ1 (σε μs). 35

37 Το εύρος του παλμού ρεύματος της εκκένωσης κορώνα Ip, υπολογίζεται απευθείας από τη σχέση: Ip I(T2) peak Ioffset (2.2) Τέλος το εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο Q υπολογίζεται ως εξής: Αρχικά υπολογίζουμε το εμβαδό του ορθογωνίου που βρίσκεται στο κάτω μέρος του παλμού και ορίζεται από το Ioffset και από τα όρια ολοκλήρωσης, με τη σχέση: E I end time start time ί offset (2.3) Q start time Ε ορθογωνίου I offset end time Εικόνα 2.16: Υπολογισμός του εκχεόμενου ηλεκτρικού φορτίου 'Q' του παλμού του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα. Στη συνέχεια η τιμή αυτή του εμβαδού του ορθογωνίου αφαιρείται από την τιμή του ορισμένου ολοκληρώματος (Def Integral) που υπολογίστηκε από το πρόγραμμα και τελικά λαμβάνεται η απόλυτη τιμή για το ηλεκτρικό φορτίο (σε nc), σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: Q Def Integral E ί (2.4) 36

38 Κατά τον υπολογισμό του εκχεόμενου ηλεκτρικού φορτίου Q στην αρνητική εκκένωση κορώνα ισχύει η σχέση: Q Def Integral E ί (2.5) Η διαδικασία μεθοδολογία που περιγράφηκε προηγουμένως ακολουθείται για όλους τους παλμούς που μετρήσαμε, για όλους τους αγωγούς και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες του πειράματος για τη θετική εκκένωση κορώνα. Για την αρνητική εκκένωση κορώνα εκτελούμε ακριβώς την ίδια διαδικασία μεθοδολογία με τη διαφορά ότι για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού φορτίου ισχύει ο τύπος (2.5). Όλα τα παραπάνω δεδομένα που λαμβάνονται από το λογισμικό καθώς και οι τύποι (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) και (2.5) εισάγονται σε υπολογιστικό φύλλο του προγράμματος Excel με τη βοήθεια του οποίου σχεδιάζονται όλα τα διαγράμματα των χαρακτηριστικών των παλμών ρεύματος εκκένωσης κορώνα που θα εξεταστούν στο επόμενο κεφάλαιο. 37

39 38

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ 3.1 Τάση και πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα Η έναυση της εκκένωσης κορώνα προσδιορίζεται από την έναρξη μιας αυτοσυντηρούμενης εκκένωσης στο διηλεκτρικό (αέρας) και πραγματοποιείται όταν η πεδιακή ένταση στην επιφάνεια του αγωγού λάβει μια κρίσιμη τιμή. Πρακτικά η τάση έναυσης προσεγγίζεται σε εκείνη την τιμή στην οποία η εκκένωση κορώνα θα εμφανιστεί, ενώ κάτω από αυτή δε μπορεί να εμφανιστεί. Η τάση έναυσης εξαρτάται από την ακτίνα του αγωγού, την κατάσταση της επιφάνειάς του, από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, την ταχύτητα του ανέμου, το είδος του διηλεκτρικού και τη γεωμετρία του διακένου. Ως πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα ορίζεται, γενικά, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού, στην οποία θεωρείται ότι πραγματοποιείται η έναρξη του φαινομένου. Στη συνέχεια περιγράφονται οι θεωρητικές μέθοδοι εκτίμησης του πεδίου και της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα και γίνεται σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα πειραματικά τα οποία υπολογίστηκαν στο 2 ο κεφάλαιο Θεωρητικές μέθοδοι εκτίμησης του πεδίου και της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα Είναι γνωστό ότι η ένταση του πεδίου έναυσης της εκκένωσης κορώνα 'Ei' αυξάνεται με τη σχετική πυκνότητα του αέρα, 'δ' και μάλιστα η αύξηση αυτή είναι μεγαλύτερη όσο αυξάνεται η ακτίνα 'r' του αγωγού. Μία εμπειρική σχέση, βασισμένη σε πειραματικά αποτελέσματα, για τον προσδιορισμό του πεδίου έναυσης 'Ei' συναρτήσει της ακτίνας του εσωτερικού αγωγού r και της σχετικής πυκνότητας του αέρα δ, είναι γνωστή ως σχέση του Peek [7]: ή Ei 31,53 9,63 Ei 9,63 31,53 r r (3.1) (3.2) όπου, δ είναι η σχετική πυκνότητα του αέρα που δίνεται από τη σχέση (1.1) και r είναι η ακτίνα του αγωγού σε cm. 39

41 Η τάση έναυσης της εκκένωσης κορώνα σύμφωνα με τον Peek και με τη βοήθεια της σχέσης (1.6) της διάταξης του ομοαξονικού διακένου αγωγούκυλίνδρου, θα είναι: 9,63 R Ui r 31,53 ln r r (3.3) όπου, R=4,9cm είναι η ακτίνα του εξωτερικού κυλίνδρου του διακένου που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Μια άλλη σχέση που εκτιμά την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην οποία συμβαίνει η έναυση της εκκένωσης κορώνα, προέκυψε ύστερα από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο των Υψηλών Τάσεων της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ., από τον καθηγητή κ. Μικρόπουλο και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ζαγκανά [8]: ή K,172,h r Ei K,h 8 12e E K i,h (3.4) K,172,hr 8 12e (3.5) όπου, Kδ,h είναι ο συντελεστής διόρθωσης των ατμοσφαιρικών συνθηκών για το ελάχιστο πεδίο 'E' ιονισμού του αέρα (μηδενικός συντελεστής ιονισμού) που προέκυψε με βάση τη σχέση του Hartmann [9], για το συντελεστή ιονισμού ως εξής: E E K, όπου 1, 11,h E 1, 11 25,92 kv cm Ο συντελεστής διόρθωσης Kδ,h εξαρτάται κυρίως από τη σχετική πυκνότητα του αέρα 'δ' και σε μικρότερο βαθμό από την τιμή της απόλυτης υγρασίας 'Η' στο διάκενο (σε g/m 3 ) και δίνεται από τη σχέση: 11,72 1,1 K,h 1,43 1 (3.6) Από τις σχέσεις (1.6), (3.4) και (3.6) προκύπτει για την τάση έναυσης: K,172,h r R Ui K,h r 8 12e ln r (3.7) 4

42 E i /K δ,h (kv/cm) Η πειραματική τιμή του πεδίου έναυσης 'Ei' η οποία προκύπτει από την πειραματική τιμή της τάσης έναυσης Ui της εκκένωσης κορώνα, που υπολογίστηκε με βάση τις μεθόδους που προαναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 2 και ύστερα από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο των Υψηλών Τάσεων στα πλαίσια της διπλωματικής μας εργασίας, υπολογίστηκε από τη σχέση (βλ. και Παράρτημα Γ'): ή E i E K Ui R r ln r i,h Ui R K,h r ln r (3.8) (3.9) Συγκριτικά διαγράμματα του πεδίου έναυσης της εκκένωσης κορώνα (Πειραματικά αποτελέσματα και θεωρητικοί υπολογισμοί) θετική κορώνα αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.5) ,1,1,1,1 1 K δ,h r (cm) Σχήμα 3.1: Σύγκριση πειραματικών αποτελεσμάτων του πεδίου έναυσης 'E i' με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.5) για όλους τους αγωγούς με ακτίνες r, για θετική (πράσινο) και αρνητική κορώνα (κόκκινο χρώμα) και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 41

43 E i /K δ,h (kv/cm) E i /K δ,h (kv/cm) ,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm σχέση του Peek σχέση (3.5),1,1,1,1 1 K δ,h r (cm) Σχήμα 3.2: Σύγκριση πειραματικών αποτελεσμάτων του πεδίου έναυσης 'E i' με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.5) για όλους τους αγωγούς με ακτίνες r, για θετική κορώνα και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες ,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm σχέση του Peek σχέση (3.5) ,1,1,1,1 1 K δ,h r (cm) Σχήμα 3.3: Σύγκριση πειραματικών αποτελεσμάτων του πεδίου έναυσης 'E i' με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.5) για όλους τους αγωγούς με ακτίνες r, για αρνητική κορώνα και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 42

44 E i /K δ,h (kv/cm) E i /K δ,h (kv/cm) E i /K δ,h (kv/cm) E i /K δ,h (kv/cm) E i /K δ,h (kv/cm) r =,1cm πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek r =,14cm πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek 25 σχέση (3.5) 25 σχέση (3.5) ,1,1,1,1 1 K δ,h r (α),1,1,1,1 1 K δ,h r (β) r =,25cm πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.5),1,1,1,1 1 K δ,h r (γ) r =,55cm πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.5) r =,1cm πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.5) ,1,1,1,1 1 K δ,h r (δ),1,1,1,1 1 K δ,h r (ε) Σχήμα 3.4: Σύγκριση πειραματικών αποτελεσμάτων του πεδίου έναυσης 'E i' με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.5) για τους αγωγούς με ακτίνες: (α) r =,1cm, (β) r =,14cm, (γ) r =,25cm, (δ) r =,55cm και (ε) r =,1cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική εκκένωση κορώνα (κόκκινο χρώμα) και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 43

45 U i (kv) Στο σχήμα (3.1) συγκρίνονται τα αποτελέσματα στις δύο πολικότητες σε κοινό διάγραμμα και παρατηρείται ότι η ποσότητα 'Εi/Kδ,h' είναι φθίνουσα συνάρτηση του (Kδ,h*r). Επίσης στο σχήμα (3.4) φαίνεται ότι το πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα στην επιφάνεια του αγωγού μειώνεται όσο η ακτίνα 'r' του αγωγού αυξάνεται (για τις ίδιες ατμοσφαιρικές συνθήκες) Συγκριτικά διαγράμματα της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα (Πειραματικά αποτελέσματα και θεωρητικοί υπολογισμοί) y (+),1cm = 23,941x,683 y (-),1cm = 23,675x,7 r =,1cm y (+),55cm = 18,211x,69 y (-),55cm = 17,788x,671 r =,55cm 35 3 y (+),25cm = 11,14x,631 r =,25cm 25 23,75 24 y (-),25cm = 11,75x,624 r =,14cm 2 15,2 8,5 8,7 7,38 7,7 5 17,2,5 17,5 y (+),1cm = 7,93x,591 y (-),1cm = 7,88x,594 y (+),14cm = 9,227x,61 y (-),14cm = 9,116x,591,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 K δ,h r =,1cm Σχήμα 3.5: Τάση έναυσης U i της εκκένωσης κορώνα (πειραματικές τιμές) ως συνάρτηση του συντελεστή διόρθωσης K δ,h για όλους τους αγωγούς για θετική (πράσινο) και αρνητική κορώνα (κόκκινο χρώμα). Διακρίνονται οι εξισώσεις των καμπυλών καθώς και οι τιμές της U i για K δ,h=1. Στο σχήμα (3.5) οι συνεχείς γραμμές που προέκυψαν μετά από επεξεργασία με το πρόγραμμα Excel, αναπαριστούν τις προσεγγιστικές καμπύλες τύπου δύναμης των αγωγών και περιγράφονται ικανοποιητικά από τη σχέση (3.). w Ui Ui K,h (3.) Όπου Ui είναι η τάση έναυσης για κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (Kδ,h=1) και w είναι ο εκθέτης που προκύπτει από τις εξισώσεις των προσεγγιστικών καμπυλών οι οποίες φαίνονται στο σχήμα (3.5). Στο Παράρτημα Β' (Πίνακας Β5) φαίνονται οι συντελεστές των σχέσεων που προσεγγίζουν ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα. Παρατηρείται ότι οι αγωγοί με ακτίνα r=,55cm και r=,1cm προσεγγίζουν τη σχέση (3.) για w=,67 [5]. 44

46 U i (kv) U i (kv) r =,1cm r =,55cm r =,25cm 25 2 r =,14cm r =,1cm 15 5,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 K δ,h Σχήμα 3.6: Τάση έναυσης U i της εκκένωσης κορώνα (πειραματικές τιμές) ως συνάρτηση του συντελεστή διόρθωσης K δ,h για όλους τους αγωγούς για θετική εκκένωση κορώνα r =,1cm r =,55cm r =,25cm r =,14cm r =,1cm 5,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 K δ,h Σχήμα 3.7: Τάση έναυσης U i της εκκένωσης κορώνα (πειραματικές τιμές) ως συνάρτηση του συντελεστή διόρθωσης K δ,h για όλους τους αγωγούς για αρνητική εκκένωση κορώνα. 45

47 U i (kv) U i (kv) πειραματικές τιμές σχέση του Peek σχέση (3.7) r =,1cm r =,55cm r =,25cm r =,14cm r =,1cm,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 K δ,h Σχήμα 3.8: Συγκριτικά διαγράμματα πειραματικών τιμών της τάσης έναυσης U i με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.7) για όλους τους αγωγούς, για θετική κορώνα και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες πειραματικές τιμές σχέση του Peek σχέση (3.7) r =,1cm r =,55cm r =,25cm r =,14cm r =,1cm,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 K δ,h Σχήμα 3.9: Συγκριτικά διαγράμματα πειραματικών τιμών της τάσης έναυσης U i με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.7) για όλους τους αγωγούς, για αρνητική κορώνα και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 46

48 U i (kv) U i (kv) U i (kv) U i (kv) U i (kv) 25 r =,1cm 25 r =,14cm πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek 5 πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.7),5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 (α) K δ,h σχέση (3.7),5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 (β) K δ,h 35 r =,25cm ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 (γ) K δ,h πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.7) 6 r =,55cm 8 r =,1cm ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 (δ) K δ,h πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.7) 4 3 2,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 (ε) K δ,h πειραματικές τιμές - θετική κορώνα πειραματικές τιμές - αρνητική κορώνα σχέση του Peek σχέση (3.7) Σχήμα 3.: Σύγκριση πειραματικών τιμών της τάσης έναυσης U i με τη σχέση του Peek και με τη σχέση (3.5) για τους αγωγούς με ακτίνες: (α) r =,1cm, (β) r =,14cm, (γ) r =,25cm, (δ) r =,55cm και (ε) r =,1cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική εκκένωση κορώνα (κόκκινο χρώμα) και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 47

49 Στο σχήμα (3.5) φαίνεται ότι η τάση έναυσης 'Ui' της εκκένωσης κορώνα γενικά είναι ελαφρώς μεγαλύτερη για θετική εφαρμοζόμενη τάση σε σχέση με την αρνητική και αυξάνεται με την αύξηση της ακτίνας 'r' του αγωγού καθώς και με την αύξηση του συντελεστή διόρθωσης 'Kδ,h' (με την αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης ή της απόλυτης υγρασίας στο διάκενο). Για την ίδια εφαρμοζόμενη τάση, με την αύξηση της ακτίνας 'r' του αγωγού μειώνεται το πεδίο έναυσης γύρω από τον αγωγό και επομένως απαιτείται μεγαλύτερη τάση για την έναυση της εκκένωσης κορώνα, ενώ ταυτόχρονα το πεδίο έναυσης μειώνεται. Από τα σχήματα (3.8) και (3.9) διακρίνεται ότι στις μεγάλες πιέσεις οι πειραματικές τιμές, τόσο στη θετική όσο και στην αρνητική εκκένωση κορώνα έχουν μεγαλύτερη απόκλιση από τις αντίστοιχες θεωρητικές τιμές (γενικά οι τιμές τους είναι μικρότερες). Στα σχήματα (3.6) έως (3.9) οι συνεχείς γραμμές αναπαριστούν τις προσεγγιστικές καμπύλες τύπου δύναμης για όλους τους αγωγούς όπως ακριβώς φαίνονται και στο σχήμα (3.5). 3.2 Ρεύμα της εκκένωσης κορώνα Στο 2 ο κεφάλαιο περιγράφηκε αναλυτικά η διαδικασία που έλαβε χώρα κατά τη διάρκεια του πειράματος. Συγκεκριμένα αναφέρθηκε ότι τροφοδοτήθηκε μέσω της γεννήτριας με υψηλή τάση HVDC τον κλωβό κορώνα (αγωγός - δοκίμιο) και σε κάθε περίπτωση μετρήθηκε με το ψηφιακό βολτόμετρο η τάση πάνω στην αντίσταση των 9,98kΩ. Η τάση αυτή ανάγεται στο ρεύμα της εκκένωσης κορώνα μεταξύ του αγωγού και του κυλίνδρου (ρεύμα στο ομοαξονικό διάκενο) που είναι και το αντικείμενο μελέτης αυτής της ενότητας. Ειδικότερα εξετάζονται οι περιπτώσεις καμπυλών U I με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης Kδ,h (εφαρμοζόμενη πίεση), και την ακτίνα 'r' του αγωγού και τέλος δίνεται ένα κανονικοποιημένο διάγραμμα για τη διόρθωση των παραπάνω καμπυλών. Σημειώνεται ότι στα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζονται οι μέσες τιμές για το συντελεστή διόρθωσης Kδ,h για θετική και αρνητική κορώνα (βλ. Παράρτημα Β' Πίνακας Β4). 48

50 I (μa) I (μa) Διαγράμματα τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης Kδ,h (εφαρμοζόμενη πίεση) K=,68 K=,136 K=,245 K=,494 K=,745 K=1,15 r =,1cm K=2,31 K=3,56 K=4,63 K=4,63 (+) K=4,63 (-) Κ=3,56 (+) Κ=3,56 (-) Κ=2,31 (+) Κ=2,31 (-) Κ=1,15 (+) Κ=1,15 (-) Κ=,745 (+) Κ=,745 (-) Κ=,494 (+) Κ=,494 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) Σχήμα 3.11: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης K δ,h (για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες), για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης Κ=4,62 (+) Κ=4,62 (-) Κ=3,35 (+) Κ=3,35 (-) Κ=2,22 (+) Κ=2,22 (-) Κ=1,6 (+) Κ=1,6 (-) Κ=,743 (+) Κ=,743 (-) Κ=,493 (+) Κ=,493 (-) Κ=,244 (+) Κ=,244 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) r =,14cm K=2,22 K=3,35 K=4,62 3 K=3, Σχήμα 3.12: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης K δ,h (για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες), για τον αγωγό με ακτίνα r =,14cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 49

51 I (μa) I (μa) r =,25cm K=,743 K=1,6 K=2,35 K=3,35 K=4,51 Κ=4,51 (+) Κ=4,51 (-) Κ=3,35 (+) Κ=3,35 (-) Κ=2,35 (+) Κ=2,35 (-) Κ=1,6 (+) Κ=1,6 (-) Κ=,743 (+) Κ=,743 (-) Κ=,493 (+) Κ=,493 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) Σχήμα 3.13: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης K δ,h (για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες), για τον αγωγό με ακτίνα r =,25cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης K=,136 K=,744 K=,245 K=,493 K=,68 r =,55cm K=1,9 K=2,3 K=3,48 K=4,84 Κ=4,84 (+) Κ=3,48 (+) Κ=3,48 (-) Κ=2,3 (+) Κ=2,3 (-) Κ=1,9 (+) Κ=1,9 (-) Κ=,744 (+) Κ=,744 (-) Κ=,493 (+) Κ=,493 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) Σχήμα 3.14: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης K δ,h (για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες), για τον αγωγό με ακτίνα r =,55cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 5

52 I (μa) K=,68 K=,136 K=,245 r =,1cm K=,494 K=,745 K=1,14 K=2,27 Κ=2,27 (+) Κ=2,27 (-) Κ=1,14 (+) Κ=1,14 (-) Κ=,745 (+) Κ=,745 (-) Κ=,494 (+) Κ=,494 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) Σχήμα 3.15: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης K δ,h (για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες), για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. Παρατηρείται ότι οι καμπύλες (U I) (Σχήματα 3.11 έως 3.15) της θετικής και αρνητικής εκκένωσης κορώνα είναι και οι δύο παραβολικής μορφής, με το ρεύμα να αυξάνει περίπου με το τετράγωνο της τάσης. Με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης αυξάνεται και το ρεύμα του διακένου, ενώ με την αύξηση της πίεσης απαιτείται μεγαλύτερη τάση για την έναυση και τη διατήρηση της εκκένωσης κορώνα. Φαίνεται ότι όσο αυξάνεται η πίεση η κλίση των καμπυλών μειώνεται, ενώ για την ίδια εφαρμοζόμενη τάση το ρεύμα στις μεγάλες πιέσεις είναι μικρότερο. Συνεπώς σε χαμηλές πιέσεις το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα αυξάνεται εντονότερα για μικρή μεταβολή της τάσης, από ότι σε υψηλές πιέσεις. Μια πιθανή εξήγηση είναι ότι σε χαμηλές πιέσεις η κινητικότητα των ιόντων είναι μεγαλύτερη (βλ. σχήμα 3.28). Στο σχήμα (3.16) φαίνεται ότι όσο αυξάνεται η ακτίνα του αγωγού απαιτείται μεγαλύτερη τάση για την έναυση και τη διατήρηση της κορώνα και συνεπώς προκύπτει μεγαλύτερο ρεύμα. 51

53 I (μa) I (μa) I (μa) I (μa) I (μa) Κ=4,63 (+) r =,1cm 16 Κ=4,63 (-) Κ=3,56 (+) 14 Κ=3,56 (-) Κ=2,31 (+) 12 Κ=2,31 (-) Κ=1,15 (+) Κ=1,15 (-) Κ=,745 (+) Κ=,745 (-) 8 Κ=,494 (+) Κ=,494 (-) 6 Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) 4 Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) 2 Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) (α) Κ=4,62 (+) r 16 =,14cm Κ=4,62 (-) Κ=3,35 (+) 14 Κ=3,35 (-) Κ=2,22 (+) Κ=2,22 (-) 12 Κ=1,6 (+) Κ=1,6 (-) Κ=,743 (+) Κ=,743 (-) 8 Κ=,493 (+) Κ=,493 (-) 6 Κ=,244 (+) Κ=,244 (-) 4 Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) 2 Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) (β) r =,25cm Κ=4,51 (+) Κ=4,51 (-) Κ=3,35 (+) Κ=3,35 (-) Κ=2,35 (+) Κ=2,35 (-) Κ=1,6 (+) Κ=1,6 (-) Κ=,743 (+) Κ=,743 (-) Κ=,493 (+) Κ=,493 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) (γ) r =,55cm Κ=4,84 (+) Κ=3,48 (+) Κ=3,48 (-) Κ=2,3 (+) Κ=2,3 (-) Κ=1,9 (+) Κ=1,9 (-) Κ=,744 (+) Κ=,744 (-) Κ=,493 (+) Κ=,493 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) r =,1cm Κ=2,27 (+) Κ=2,27 (-) Κ=1,14 (+) Κ=1,14 (-) Κ=,745 (+) Κ=,745 (-) Κ=,494 (+) Κ=,494 (-) Κ=,245 (+) Κ=,245 (-) Κ=,136 (+) Κ=,136 (-) Κ=,68 (+) Κ=,68 (-) (δ) (ε) Σχήμα 3.16: Συγκριτικά διαγράμματα καμπυλών τάσης ρεύματος (U I) σε κοινούς άξονες με παράμετρο το συντελεστή διόρθωσης K δ,h (για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες), για τους αγωγούς με ακτίνες: (α) r =,1cm, (β) r =,14cm, (γ) r =,25cm, (δ) r =,55cm και (ε) r =,1cm, για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 52

54 I (μa) I (μa) Διαγράμματα τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα 'r' του αγωγού ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+) K=4, Σχήμα 3.17: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=4,65 (P=4bar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-) K=3, Σχήμα 3.18: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=3,43 (P=3bar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 53

55 I (μa) I (μa) ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=2, Σχήμα 3.19: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=2,29 (P=2bar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=1, Σχήμα 3.2: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=1,1 (ατμοσφαιρικές συνθήκες), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 54

56 I (μa) I (μa) ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=, Σχήμα 3.21: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=,744 (P=75mbar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=, Σχήμα 3.22: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=,494 (P=5mbar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 55

57 I (μa) I (μa) ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=, Σχήμα 3.23: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=,245 (P=25mbar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=, Σχήμα 3.24: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=,136 (P=14mbar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. 56

58 I (μa) ,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=, Σχήμα 3.25: Συγκριτικές καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) με παράμετρο την ακτίνα r του αγωγού, για τιμή του συντελεστή K δ,h=,68 (P=7mbar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. Από τα σχήματα (3.17) έως (3.25) φαίνεται ξεκάθαρα ότι για την ίδια εφαρμοζόμενη τάση, το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα υπό αρνητική εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερο σε σχέση με τη θετική στις περιπτώσεις όπου η πίεση είναι ίση και χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική. Αντίθετα για πιέσεις μεγαλύτερες της ατμοσφαιρικής δεν ισχύει το παραπάνω συμπέρασμα. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι η κινητικότητα των αρνητικών ιόντων είναι μεγαλύτερη από ότι των θετικών ιδιαίτερα σε χαμηλές πιέσεις (βλ. και σχήμα 3.28). Επίσης επαληθεύεται από τα σχήματα (3.17) έως (3.25) ότι όσο αυξάνεται η ακτίνα 'r' του αγωγού απαιτείται μεγαλύτερη τάση για την έναυση και τη διατήρηση της κορώνα και συνεπώς προκύπτει μεγαλύτερο ρεύμα. Στις υψηλές πιέσεις (2, 3 και 4bar) και ιδιαίτερα στους δύο μεγαλύτερους αγωγούς παρατηρείται και στις δύο πολικότητες ότι μερικές καμπύλες U I δεν ξεκινούν από τον οριζόντιο άξονα, δηλαδή η καμπύλη τάσης ρεύματος είναι μετατοπισμένη προς τα πάνω. Η μετατόπιση αυτή οφείλεται στην ύπαρξη προεκκενώσεων, εξαιτίας των οποίων υπάρχει ένα μικρό ρεύμα I=Ioffset που ανιχνεύεται πριν από το φαινόμενο της έναυσης της εκκένωσης κορώνα (Σχήμα 2.8). 57

59 I (μa) I (μa) I (μa) I (μa) Από τα σχήματα (3.26) και (3.27) φαίνεται ότι προκύπτουν παρόμοια συμπεράσματα με αυτά των σχημάτων (3.17) έως (3.25) που αναφέρθηκαν παραπάνω. Συνεπώς όσο αυξάνεται η πίεση στο ομοαξονικό διάκενο αγωγού κυλίνδρου απαιτείται μεγαλύτερη τάση για την έναυση και τη διατήρηση της εκκένωσης κορώνα και επομένως προκύπτει μεγαλύτερο ρεύμα K=4,65,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-) K=3,43,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-) 12,25cm (+),25cm (-) 12,25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (+),55cm (-) (α) (β) K=2,29,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=1,1,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) (γ) (δ) Σχήμα 3.26: Συγκριτικά διαγράμματα καμπυλών τάσης ρεύματος (U I) σε κοινούς άξονες με παράμετρο την ακτίνα 'r ' του αγωγού, για τιμές του συντελεστή K δ,h: (α) 4,65 (P=4bar), (β) 3,43 (P=3bar), (γ) 2,29 (P=2bar) και (δ) 1,1 (ατμοσφαιρικές συνθήκες), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. (Πίεση ίση και μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής). 58

60 I (μa) I (μa) I (μa) I (μa) I (μa) K=,744,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=,494,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) (α) (β) K=,245,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) K=,136,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) (γ) (δ) K=,68,1cm (+),1cm (-),14cm (+),14cm (-),25cm (+),25cm (-),55cm (+),55cm (-),1cm (+),1cm (-) (ε) Σχήμα 3.27: Συγκριτικά διαγράμματα καμπυλών τάσης ρεύματος (U I) σε κοινούς άξονες με παράμετρο την ακτίνα 'r ' του αγωγού, για τιμές του συντελεστή K δ,h: (α),744 (P=75mbar), (β),494 (P=5mbar), (γ),245 (P=25mbar), (δ),136 (P=14mbar) και (ε),68 (P=7mbar), για θετική (πράσινο) και αρνητική (κόκκινο χρώμα) πολικότητα τάσης. (Πίεση μικρότερη της ατμοσφαιρικής). 59

61 3.2.3 Κανονικοποιημένο διάγραμμα τάσης (U/Ui) διόρθωση των καμπυλών U I με βάση τον προσεγγιστικό τύπο για το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα. Οι καμπύλες τάσης ρεύματος (U I) της εκκένωσης κορώνα κανονικοποιούνται ως προς την τάση έναυσης Ui, με τη βοήθεια ενός προσεγγιστικού τύπου ο οποίος χρησιμοποιείται αντί του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα Ι και δίνεται από την παρακάτω σχέση [8]: Προσεγγιστικός τύπος: ' 2 I R ln R r f U 2 U U i 2 i i (3.11) όπου, ' I I I i είναι το ρεύμα (σε Α) της εκκένωσης κορώνα μείον την τιμή του ρεύματος τη χρονική στιγμή που εμφανίζεται η τάση έναυσης Ui, R είναι η ακτίνα του εξωτερικού κυλίνδρου του διακένου (σε m, R=,49m), r είναι η ακτίνα του αγωγού (σε m), ε είναι η διηλεκτρική σταθερά του κενού που έχει τιμή: U είναι η εφαρμοζόμενη τάση (σε V), 12 8,854 F m, Ui είναι η πειραματική τιμή της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα (σε V) και τέλος μi είναι η κινητικότητα των ιόντων (σε 2 m Vs ), η οποία εξαρτάται από το συντελεστή διόρθωσης 'Kδ,h' και δίνεται από τις παρακάτω σχέσεις: Για θετική εκκένωση κορώνα: 1,37 K (3.12) 4,84 i,h και Για αρνητική εκκένωση κορώνα: 4 1,2 1,78 K,h,K,h 1 1,78 K,K 1 i 4 1,h,h (3.13) 6

62 I ' R 2 ln(r/r )/(2πε μ i U i 2 ) μ i (m 2 /Vs) 1,E-2 κινητικότητα θετικών ιόντων κινητικότητα αρνητικών ιόντων 1,E-3 1,E-4 1,E-5,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 K δ,h Σχήμα 3.28: Κινητικότητα θετικών (πράσινο) και αρνητικών (κόκκινο χρώμα) ιόντων σε συνάρτηση με το συντελεστή διόρθωσης K δ,h για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις. Η συνεχής γραμμή αντιστοιχεί στη σχέση (3.12) (θετική κορώνα) και η διακεκομμένη στη σχέση (3.13) (αρνητική κορώνα) θετική κορώνα αρνητική κορώνα R² =, R² =, ,5 2 2,5 3 3,5 U/U i (p.u.) Σχήμα 3.29: Κανονικοποιημένες προσεγγιστικές καμπύλες τάσης ρεύματος με τη βοήθεια του προσεγγιστικού τύπου (3.11), για όλους τους αγωγούς και για μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (πολυωνυμικού τύπου) για θετική (πράσινο-συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (κόκκινο-διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. 61

63 Στα τελευταία δύο σχήματα (3.28) και (3.29) φαίνονται αντίστοιχα η κινητικότητα των ιόντων και η διόρθωση των καμπυλών U I με βάση τον προσεγγιστικό τύπο (3.11) για το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα. Συγκεκριμένα από το σχήμα (3.28) προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: α) Η κινητικότητα των ιόντων μειώνεται με την αύξηση της πίεσης ή της υγρασίας. β) Κατά την αρνητική εκκένωση κορώνα η κινητικότητα των ιόντων λαμβάνει μεγαλύτερες τιμές από τη θετική, στις περιπτώσεις όπου Kδ,h<3. Για μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή Kδ,h φαίνεται να υπάρχει σχεδόν ταύτιση στις τιμές της κινητικότητας των ιόντων και για τις δύο πολικότητες. Τέλος φαίνεται ότι υπάρχει μια πολύ μικρή διαφορά στις κλίσεις των προσεγγιστικών καμπυλών του σχήματος (3.29). Συγκεκριμένα η αρνητική εκκένωση κορώνα παρουσιάζει μικρότερη κλίση σε σχέση με τη θετική. Πρέπει να σημειωθεί ακόμη ότι η ανεξάρτητη μεταβλητή (U/Ui) του οριζόντιου άξονα στο κανονικοποιημένο διάγραμμα του σχήματος (3.29) ελήφθη για τιμές εφαρμοζόμενης τάσης μεγαλύτερες ή ίσες από την τάση έναυσης, Ui. 3.3 Διαγράμματα προσεγγιστικές καμπύλες με τα χαρακτηριστικά των παλμών ρεύματος της εκκένωσης κορώνα για τον αγωγό r=,1cm σε θετική & αρνητική κορώνα και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα διαγράμματα των τεσσάρων χαρακτηριστικών των παλμών ρεύματος (χρόνος ανόδου 'tr', χρόνος ημίσεος εύρους 'th', εύρος 'Ip' και Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q') για τον αγωγό με ακτίνα r=,1cm, για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και για τις δύο πολικότητες. Σημειώνεται ότι τα παραπάνω χαρακτηριστικά αναλύθηκαν και παρουσιάστηκε η μεθοδολογία υπολογισμού τους στις ενότητες και 2.2.4, αντίστοιχα, του 2 ου κεφαλαίου. Πρέπει, επίσης, να τονιστεί ότι οι μετρηθείσες τιμές των χρόνων ανόδου και ημίσεος εύρους των παλμών του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα αποτελούν "φαινόμενες" τιμές, καθώς η αντίσταση μέτρησης ( kω) σε συνδυασμό με τη χωρητικότητα του διακένου σχηματίζουν ένα RC κύκλωμα, η απόκριση του οποίου μεταβάλλει τις τιμές των χαρακτηριστικών μεγεθών των παλμών ρεύματος. 62

64 t r (μs) t r (μs) Χρόνος ανόδου 'tr' r =,1cm K=4,53 K=3,66 K=2,42 K=1,23 K=,746 K=,495 K=,245 K=,136 K=,68 1, Σχήμα 3.3: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. r =,1cm 1,1 K=4,73 K=3,46 K=2,2 K=1,7 K=,745 K=,493 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.31: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 63

65 t h (μs) t h (μs) Χρόνος ημίσεος εύρους 'th' r =,1cm 1,1 K=4,53 K=3,66 K=2,42 K=1,23 K=,746 K=,495 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.32: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. r =,1cm 1,1 K=4,73 K=3,46 K=2,2 K=1,7 K=,745 K=,493 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.33: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. 64

66 I p (ma) I p (ma) Εύρος 'Ip' 1 r =,1cm,1,1,1 K=4,53 K=3,66 K=2,42 K=1,23 K=,746 K=,495 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.34: Εύρος I p των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε ένα από τα εννέα επίπεδα πίεσης. 1 r =,1cm,1,1,1 K=4,73 K=3,46 K=2,2 K=1,7 K=,745 K=,493 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.35: Εύρος I p των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό με ακτίνα r =,1cm, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε ένα από τα εννέα επίπεδα πίεσης. 65

67 Q (nc) Q (nc) Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q' r =,1cm 1,1,1 K=4,53 K=3,66 K=2,42 K=1,23 K=,746 K=,495 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.36: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό r =,1cm, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι εννέα προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε επίπεδο πίεσης. r =,1cm 1,1,1 K=4,73 K=3,46 K=2,2 K=1,7 K=,745 K=,493 K=,245 K=,136 K=, Σχήμα 3.37: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για τον αγωγό r =,1cm, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι εννέα προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε επίπεδο πίεσης. 66

68 Στα σχήματα (3.3) έως (3.33) δε φαίνεται να υπάρχει σαφής επίδραση της πίεσης στους χρόνους ανόδου 'tr' και ημίσεος εύρους 'th' και στις δύο πολικότητες εφαρμοζόμενης τάσης. Εξαίρεση αποτελούν οι περιπτώσεις των υψηλών πιέσεων (3 και 4bar), όπου έχουμε αύξηση των χρόνων ανόδου και ημίσεος εύρους. Στα σχήματα (3.34) έως (3.37) παρατηρείται ότι με την αύξηση του συντελεστή Kδ,h μειώνεται ο ρυθμός αύξησης του εύρους των παλμών του ρεύματος 'Ip' και του φορτίου 'Q' με την εφαρμοζόμενη τάση και για τις δύο πολικότητες. Κατά παρόμοιο τρόπο με τα μεγέθη tr και th εξαιρούνται οι περιπτώσεις των δύο υψηλών πιέσεων (3 και 4bar) για τα μεγέθη Ip και Q. Συνοψίζοντας καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το ηλεκτρικό φορτίο έχει παρόμοια συμπεριφορά με το εύρος του ρεύματος των παλμών, εφόσον και οι χρόνοι ανόδου και ημίσεος εύρους δε φαίνεται να έχουν εξάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση, πλην των περιπτώσεων των πιέσεων 3 και 4bar. 3.4 Διαγράμματα προσεγγιστικές καμπύλες με τα χαρακτηριστικά των παλμών ρεύματος της εκκένωσης κορώνα με όλους τους αγωγούς ταυτόχρονα και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται αναλυτικά διαγράμματα και για τα τέσσερα χαρακτηριστικά των παλμών ρεύματος (χρόνος ανόδου 'tr', χρόνος ημίσεος εύρους 'th', εύρος 'Ip' και Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q') για όλους τους αγωγούς και για όλες τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και στις δύο πολικότητες. Ο συνολικός αριθμός των μετρήσεων είναι 663 παλμοί ρεύματος για τη θετική κορώνα και 545 παλμοί για την αρνητική, αντίστοιχα. Για την καλύτερη εξαγωγή των αποτελεσμάτων, όλα τα διαγράμματα της ενότητας 3.4 παρουσιάζονται με κοινούς κατακόρυφους άξονες, για τα ίδια μεγέθη. 67

69 t r (μs) t r (μs) Χρόνος ανόδου 'tr' α Χρόνος ανόδου 'tr' - Θετικής εκκένωσης κορώνα θετική κορώνα y = 8,11E-2 x + 2,77 1, Σχήμα 3.38: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (γραμμικού τύπου) για το σύνολο των μετρήσεων.,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm y = 8,11E-2 x + 2,77 1, Σχήμα 3.39: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (γραμμικού τύπου) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 68

70 t r (μs) t r (μs) β Χρόνος ανόδου 'tr' - Αρνητικής εκκένωσης κορώνα αρνητική κορώνα y = 2,43E-1 x + 1,4 1, Σχήμα 3.4: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (γραμμικού τύπου) για το σύνολο των μετρήσεων.,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm y = 2,43E-1 x + 1,4 1, Σχήμα 3.41: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (γραμμικού τύπου) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 69

71 t r (μs) γ Χρόνος ανόδου 'tr' με επίδραση της πολικότητας θετική κορώνα αρνητική κορώνα y = 2,43E-1 x + 1,4 y = 8,11E-2 x + 2,77 1, Σχήμα 3.42: Χρόνος ανόδου t r των παλμών ρεύματος με επίδραση της πολικότητας σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (γραμμικού τύπου) για θετική (πράσινο-συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (κόκκινο-διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. Στη θετική κορώνα (σχήμα 3.38) παρατηρείται μια πολύ μικρή αύξηση του χρόνου ανόδου 'tr' όσο αυξάνεται η επιβαλλόμενη τάση U, ενώ αντίθετα στην αρνητική κορώνα (σχήμα 3.4) έχουμε μεγαλύτερη αύξηση του 'tr' σε σχέση με τη θετική κορώνα. Τα παραπάνω επαληθεύονται και από το συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.42). Το εύρος των τιμών του χρόνου ανόδου είναι περίπου το ίδιο και στις δυο πολικότητες και είναι από,5μs έως 15μs περίπου. 7

72 3.4.1.δ - Διόρθωση του χρόνου ανόδου tr ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Θετική κορώνα y = 3,76E-2 x 1,62 R² = 3,91E-1 t r (μs)*k δ,h 1,1,1 θετική κορώνα Σχήμα 3.43: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ανόδου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t r*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 3,76E-2 x 1,62 R² = 3,91E-1 t r (μs)*k δ,h 1,1,1 71 y,1cm = 5,28E-2 x 1,5 R² = 2,99E-1 y,14cm = 4,18E-2 x 2,24 R² = 6,79E-1 y,25cm = 3,36E-2 x 2,9 R² = 6,86E-1 y,55cm = 6,71E-3 x 1,83 R² = 8,16E-1 y,1cm = 5,46E-3 x 1,9 R² = 8,15E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.44: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ανόδου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t r*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

73 3.4.1.ε - Διόρθωση του χρόνου ανόδου tr ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αρνητική κορώνα y = 2,46E-2 x 1,98 R² = 6,41E-1 t r (μs)*k δ,h 1,1,1 αρνητική κορώνα Σχήμα 3.45: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ανόδου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t r*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 2,46E-2 x 1,98 R² = 6,41E-1 t r (μs)*k δ,h 1,1,1 72 y,1cm = 1,35E-2 x 2,43 R² = 7,72E-1 y,14cm = 3,21E-2 x 2,2 R² = 6,63E-1 y,25cm = 4,3E-2 x 1,82 R² = 5,92E-1 y,55cm = 4,99E-3 x 2,44 R² = 9,12E-1 y,1cm = 2,3E-2 x 1,8 R² = 5,27E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.46: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ανόδου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t r*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

74 3.4.1.στ.-Διόρθωση του χρόνου tr ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Επίδραση της πολικότητας y = 2,46E-2 x 1,98 R² = 6,41E-1 y = 3,76E-2 x 1,62 R² = 3,91E-1 t r (μs)*k δ,h 1,1 θετική κορώνα,1 αρνητική κορώνα Σχήμα 3.47: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ανόδου με το συντελεστή διόρθωσης (t r*k δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες για θετική (συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. U U i y = 1,82E-2 x 1,98 R² = 8,5E-1 y = 3,22E-2 x 1,52 R² = 4,89E-1 t r (μs)*k δ,h 1,1 θετική κορώνα, αρνητική κορώνα Σχήμα 3.48: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ανόδου με το συντελεστή διόρθωσης (t r*k δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για τιμές της τάσης μεγαλύτερες από την τάση έναυσης U i, για όλους τους αγωγούς, για θετική (συνεχής γραμμή) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

75 Γενικά στα σχήματα (3.43) έως (3.48) γίνεται μια διόρθωση κανονικοποίηση της εξαρτημένης μεταβλητής, που στα συγκεκριμένα διαγράμματα είναι ο χρόνος ανόδου 'tr', σε συνάρτηση πάντα με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η διόρθωση γίνεται πολλαπλασιάζοντας κάθε τιμή του 'tr', επί το συντελεστή διόρθωσης 'Kδ,h' και ουσιαστικά βοηθάει στη συσχέτιση του 'tr' με τη μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επομένως από τα σχήματα (3.47) και (3.48) προκύπτει ότι ο χρόνος ανόδου με την αύξηση της πίεσης (συντελεστής Kδ,h) αυξάνεται περισσότερο στην αρνητική και λιγότερο στη θετική κορώνα. Κατά όμοιο τρόπο στα σχήματα (3.43) και (3.45) φαίνεται ξεκάθαρα ότι η αρνητική κορώνα έχει μεγαλύτερους χρόνους ανόδου κυρίως στις υψηλές πιέσεις και τάσεις σε σχέση με τη θετική κορώνα, δηλαδή η κλίση της καμπύλης της αρνητικής κορώνα είναι μεγαλύτερη. Αυτό επαληθεύεται και από το συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.47). Μια επιπλέον παρατήρηση στη θετική κορώνα (σχήμα 3.44) είναι ότι ο αγωγός με ακτίνα r=,1cm ακολουθεί καλύτερα σε σχέση με τους υπόλοιπους αγωγούς, την προσεγγιστική καμπύλη του συνόλου, όπως φαίνεται και από τις αντίστοιχες εξισώσεις. Το ίδιο ακριβώς ισχύει και για την αρνητική κορώνα (σχήμα 3.46), αλλά για τον αγωγό με ακτίνα r=,25cm. Επίσης στο τελευταίο σχήμα (3.48) όπου έχουν αφαιρεθεί οι προεκκενώσεις U U i προκύπτει σαφέστερη και πιο ξεκάθαρη εικόνα με μικρότερη διασπορά στις τιμές του χρόνου ανόδου 'tr', οπότε όλα τα παραπάνω συμπεράσματα επαληθεύονται καλύτερα. Συνοψίζοντας παρατηρείται ότι η διασπορά τιμών του χρόνου ανόδου 'tr' στην αρνητική εκκένωση κορώνα είναι μικρότερη από την αντίστοιχη της θετικής και αυτό φαίνεται από την μεγαλύτερη τιμή του R 2 στις εξισώσεις των προσεγγιστικών καμπυλών. 74

76 t h (μs) t h (μs) Χρόνος ημίσεος εύρους 'th' α Χρόνος ημίσεος εύρους 'th' Θετικής εκκένωσης κορώνα θετική κορώνα y = 2,8E-1 x + 1,28E+1 1, Σχήμα 3.49: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (γραμμικού τύπου) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 2,8E-1 x + 1,28E+1 1, ,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.5: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (γραμμικού τύπου) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

77 t h (μs) t h (μs) β Χρόνος ημίσεος εύρους 'th' Αρνητικής εκκένωσης κορώνα αρνητική κορώνα y = 5,19E-1 x + 1,4E+1 1, Σχήμα 3.51: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (γραμμικού τύπου) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 5,19E-1 x + 1,4E+1 1,1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.52: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (γραμμικού τύπου) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 76

78 t h (μs) γ Χρόνος ημίσεος εύρους 'th' με επίδραση της πολικότητας θετική κορώνα αρνητική κορώνα y = 5,19E-1 x + 1,4E+1 y = 2,8E-1 x + 1,28E+1 1, Σχήμα 3.53: Χρόνος ημίσεος εύρους t h των παλμών ρεύματος με επίδραση της πολικότητας σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (γραμμικού τύπου) για θετική (πράσινοσυνεχής) και αρνητική κορώνα (κόκκινο-διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. Στη θετική κορώνα (σχήμα 3.49) παρατηρείται μια πολύ μικρή αύξηση του χρόνου ημίσεος εύρους 'th' όσο αυξάνεται η επιβαλλόμενη τάση U, ενώ αντίθετα στην αρνητική κορώνα (σχήμα 3.51) έχουμε μεγαλύτερη αύξηση του 'th' σε σχέση με τη θετική κορώνα. Τα παραπάνω επαληθεύονται και από το συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.53). Το εύρος των τιμών του χρόνου ημίσεος εύρους είναι περίπου το ίδιο και στις δυο πολικότητες, από 7μs έως 77μs περίπου. 77

79 3.4.2.δ - Διόρθωση του χρόνου th ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Θετική κορώνα y = 2,85E-1 x 1,5 R² = 5,9E-1 t h (μs)*k δ,h 1,1 θετική κορώνα Σχήμα 3.54: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ημίσεως εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t h*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 2,85E-1 x 1,5 R² = 5,9E-1 t h (μs)*k δ,h 1,1 78 y,1cm = 3,47E-1 x 1,5 R² = 4,82E-1 y,14cm = 2,2E-1 x 2,9 R² = 7,54E-1 y,25cm = 2,3E-1 x 1,89 R² = 7,21E-1 y,55cm = 8,65E-2 x 1,63 R² = 8,88E-1 y,1cm = 7,22E-2 x 1,63 R² = 9,18E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.55: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ημίσεως εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t h*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

80 3.4.2.ε - Διόρθωση του χρόνου th ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αρνητική κορώνα y = 2,74E-1 x 1,64 R² = 6,56E-1 t h (μs)*k δ,h 1,1 αρνητική κορώνα Σχήμα 3.56: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ημίσεως εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t h*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 2,74E-1 x 1,64 R² = 6,56E-1 t h (μs)*k δ,h 1,1 79 y,1cm = 2,E-1 x 1,98 R² = 8,33E-1 y,14cm = 2,57E-1 x 1,79 R² = 6,93E-1 y,25cm = 2,76E-1 x 1,69 R² = 6,73E-1 y,55cm = 9,39E-2 x 1,85 R² = 9,57E-1 y,1cm = 2,28E-1 x 1,48 R² = 5,51E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.57: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ημίσεως εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (t h*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

81 3.4.2.στ-Διόρθωση του χρόνου th ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Επίδραση της πολικότητας y = 2,74E-1 x 1,64 R² = 6,56E-1 y = 2,85E-1 x 1,5 R² = 5,9E-1 t h (μs)*k δ,h 1,1 θετική κορώνα αρνητική κορώνα Σχήμα 3.58: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ημίσεος εύρους με το συντελεστή διόρθωσης (t h*k δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για θετική (συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. U U i y = 1,77E-1 x 1,7 R² = 8,59E-1 y = 2,28E-1 x 1,48 R² = 6,6E-1 t h (μs)*k δ,h 1 θετική κορώνα, αρνητική κορώνα Σχήμα 3.59: Μεταβολή του γινομένου του χρόνου ημίσεος εύρους με το συντελεστή διόρθωσης (t h*k δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για τιμές της τάσης μεγαλύτερες από την τάση έναυσης U i, για όλους τους αγωγούς, για θετική (συνεχής γραμμή) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

82 Γενικά στα σχήματα (3.54) έως (3.59) γίνεται μια διόρθωση κανονικοποίηση της εξαρτημένης μεταβλητής, που στα συγκεκριμένα διαγράμματα είναι ο χρόνος ημίσεος εύρους 'th', σε συνάρτηση πάντα με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η διόρθωση γίνεται πολλαπλασιάζοντας κάθε τιμή του 'th', επί το συντελεστή διόρθωσης 'Kδ,h' και ουσιαστικά βοηθάει στη συσχέτιση του 'th' με τη μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επομένως από τα σχήματα (3.58) και (3.59) φαίνεται ότι ο χρόνος ημίσεος εύρους με την αύξηση της πίεσης ή της υγρασίας (συντελεστής Kδ,h) αυξάνεται περισσότερο στην αρνητική και λιγότερο στη θετική κορώνα. Κατά όμοιο τρόπο στα σχήματα (3.54) και (3.56) φαίνεται ξεκάθαρα ότι η αρνητική κορώνα έχει μεγαλύτερους χρόνους ημίσεος εύρους κυρίως στις υψηλές πιέσεις και τάσεις σε σχέση με τη θετική κορώνα, δηλαδή η κλίση της καμπύλης της αρνητικής κορώνα είναι μεγαλύτερη. Τα παραπάνω επαληθεύονται και από το συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.58). Επίσης, στο τελευταίο σχήμα (3.59) όπου έχουν αφαιρεθεί οι προεκκενώσεις U U i προκύπτει σαφέστερη και πιο ξεκάθαρη εικόνα με μικρότερη διασπορά στις τιμές του χρόνου ημίσεος εύρους 'th', οπότε όλα τα παραπάνω συμπεράσματα επαληθεύονται καλύτερα. Συνοψίζοντας παρατηρείται ότι η διασπορά τιμών του χρόνου ημίσεος εύρους 'th' στην αρνητική εκκένωση κορώνα είναι λίγο μικρότερη από την αντίστοιχη της θετικής και αυτό φαίνεται από την λίγο μεγαλύτερη τιμή του R 2 στις εξισώσεις των προσεγγιστικών καμπυλών. Γενικότερα οι προσεγγιστικές καμπύλες της αρνητικής εκκένωσης κορώνα για κάθε ένα αγωγό ξεχωριστά αλλά και συνολικά για όλους τους αγωγούς, παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά. Τέλος προκύπτει γενικά ότι ο χρόνος ανόδου 'tr' και ο χρόνος ημίσεος εύρους 'th' έχουν παρόμοια εξάρτηση από την πολικότητα και την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης (σχήματα 3.48 και 3.59). 81

83 I p (ma) I p (ma) Εύρος 'Ip' α Εύρος 'Ip' Θετικής εκκένωσης κορώνα y = 6,14E-4 x 1,83 R² = 5,75E-1 1,1,1,1 θετική κορώνα Σχήμα 3.6: Εύρος I p των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 6,14E-4 x 1,83 R² = 5,75E-1 1,1,1,1 y,1cm = 4,58E-4 x 1,77 R² = 5,26E-1 y,14cm = 1,E-4 x 2,71 R² = 7,22E-1 y,25cm = 2,98E-4 x 2,4 R² = 7,61E-1 y,55cm = 3,13E-3 x 1,16 R² = 4,46E-1 y,1cm = 3,31E-3 x 1,26 R² = 5,7E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.61: Εύρος I p των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 82

84 I p (ma) I p (ma) β Εύρος 'Ip' Αρνητικής εκκένωσης κορώνα y = 1,75E-2 x 5,47E-1 R² = 1,7E-1 1,1,1,1 αρνητική κορώνα Σχήμα 3.62: Εύρος I p των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων.,1cm,25cm,1cm,14cm,55cm y = 1,75E-2 x 5,47E-1 R² = 1,7E-1 1,1,1,1 y,55cm = 1,34E-1 x -3,54E-1 R² = 4,68E-2 y,1cm = 1,37E-2 x 8,88E-1 R² = 1,69E-1 y,1cm = 7,17E-3 x 8,17E-1 R² = 3,35E-1 y,14cm = 1,86E-2 x 4,86E-1 R² = 1,3E-1 y,25cm = 2,6E-2 x 5,42E-1 R² = 1,38E Σχήμα 3.63: Εύρος I p των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 83

85 I p (ma) γ Εύρος 'Ip' με επίδραση της πολικότητας y = 6,14E-4 x 1,83 R² = 5,75E-1 1,1 y = 1,75E-2 x 5,47E-1 R² = 1,7E-1,1 θετική κορώνα,1 αρνητική κορώνα Σχήμα 3.64: Εύρος I p των παλμών ρεύματος με επίδραση της πολικότητας σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για θετική (πράσινο-συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (κόκκινο-διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. Στη θετική κορώνα (σχήμα 3.6) παρατηρείται μια μεγάλη εξάρτηση του εύρους των παλμών ρεύματος 'Ip' από την εφαρμοζόμενη τάση, δηλαδή το 'Ip' αυξάνεται περίπου με το τετράγωνο της εφαρμοζόμενης τάσης U και είναι σχετικά ανεξάρτητο της ακτίνας του αγωγού. Στην αρνητική κορώνα (σχήμα 3.62) για μικρές τάσεις έχουμε μεγαλύτερη τιμή του εύρους των παλμών ρεύματος 'Ip' σε σχέση με τη θετική κορώνα. Το αντίστροφο ακριβώς συμβαίνει στις μεγάλες τάσεις πάνω από 15kV. Τα παραπάνω επαληθεύονται και από το συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.64). 84

86 3.4.3.δ - Διόρθωση του εύρους Ip ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Θετική κορώνα θετική κορώνα 1 y = 1,94E-5 x 3,18 R² = 7,71E-1 I p (ma)*k δ,h,1,1,1,1 y 7mbar = 4,74E-6 x 4,67 y 14mbar = 7,89E-6 x 3,85 y 25mbar = 3,13E-5 x 3,62 y 5mbar = 1,53E-5 x 3,37 y 75mbar = 7,53E-6 x 3,35 y Ατμ.Συνθήκες = 3,54E-5 x 2,6 y 2bar = 1,6E-3 x 1,41 y 3bar = 8,3E-3 x 1,8 y 4bar = 3,56E-3 x 1, Σχήμα 3.65: Μεταβολή του γινομένου του εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (I p*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε ένα από τα εννέα επίπεδα πίεσης αλλά και για το σύνολο των μετρήσεων. 1 y = 1,94E-5 x 3,18 R² = 7,71E-1 I p (ma)*k δ,h,1,1,1,1 85 y,1cm = 1,51E-5x 3,29 R² = 7,93E-1 y,14cm = 2,9E-6x 4,47 R² = 8,54E-1 y,25cm = 9,36E-6x 3,9 R² = 8,4E-1 y,55cm = 4,37E-5x 2,62 R² = 8,4E-1 y,1cm = 4,2E-5x 2,66 R² = 8,89E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.66: Μεταβολή του γινομένου του εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (I p*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

87 3.4.3.ε - Διόρθωση του εύρους Ip ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αρνητική κορώνα αρνητική κορώνα y = 7,5E-4 x 1,85 R² = 6,9E-1 1,1 I p (ma)*k δ,h,1,1,1 y 7mbar = 8,12E-5 x 4,7 y 14mbar = 3,32E-4 x 2,96 y 25mbar = 1,69E-3 x 2,16 y 5mbar = 1,12E-3 x 1,84 y 75mbar = 6,83E-4 x 1,72 y Ατμ.Συνθήκες = 1,16E-4 x 2,32 y 2bar = 2,7E-4 x 1,78 y 3bar = 2,77E-2 x 3,E-1 y 4bar = 7,32E-3 x 1, Σχήμα 3.67: Μεταβολή του γινομένου του εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (I p*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε ένα από τα εννέα επίπεδα πίεσης αλλά και για το σύνολο των μετρήσεων. y = 7,5E-4 x 1,85 R² = 6,9E-1 1 I p (ma)*k δ,h,1,1,1,1 86 y,1cm = 2,5E-4 x 2,42 R² = 8,56E-1 y,14cm = 6,78E-4 x 1,96 R² = 6,42E-1 y,25cm = 6,41E-4 x 2,2 R² = 6,92E-1 y,55cm = 2,E-3 x 1,11 R² = 3,88E-1 y,1cm = 4,37E-4x 2, R² = 6,17E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.68: Μεταβολή του γινομένου του εύρους των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (I p*k δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

88 3.4.3.στ.-Διόρθωση του εύρους Ip ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Επίδραση της πολικότητας I p (ma)*k δ,h 1,1,1 y = 7,5E-4 x 1,85 R² = 6,9E-1 y = 1,94E-5 x 3,18 R² = 7,71E-1,1,1 θετική κορώνα αρνητική κορώνα Σχήμα 3.69: Μεταβολή του γινομένου του εύρους με το συντελεστή διόρθωσης (I p*k δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για θετική (συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. U U i I p (ma)*k δ,h 1,1,1 y = 1,3E-3 x 1,79 R² = 7,64E-1 y = 1,67E-5 x 3,23 R² = 8,63E-1,1 θετική κορώνα, αρνητική κορώνα Σχήμα 3.7: Μεταβολή του γινομένου του εύρους με το συντελεστή διόρθωσης (I p*k δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για τιμές της τάσης μεγαλύτερες από την τάση έναυσης U i, για όλους τους αγωγούς, για θετική (συνεχής γραμμή) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

89 Γενικά στα σχήματα (3.65) έως (3.7) γίνεται μια διόρθωση κανονικοποίηση της εξαρτημένης μεταβλητής, που στα συγκεκριμένα διαγράμματα είναι το εύρος των παλμών ρεύματος 'Ip', σε συνάρτηση πάντα με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η διόρθωση γίνεται πολλαπλασιάζοντας κάθε τιμή του 'Ip', επί το συντελεστή διόρθωσης 'Kδ,h' και ουσιαστικά βοηθάει στη συσχέτιση του 'Ip' με τη μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επομένως από τα σχήματα (3.69) και (3.7) προκύπτει ότι το εύρος 'Ip' με την αύξηση της πίεσης ή της υγρασίας (συντελεστής Kδ,h) αυξάνεται περισσότερο στη θετική κορώνα σε σχέση με την αρνητική. Κατά όμοιο τρόπο στα σχήματα (3.65) και (3.67) φαίνεται ξεκάθαρα ότι η προσεγγιστική καμπύλη του συνόλου της θετικής κορώνα έχει μεγαλύτερη κλίση σε σχέση με την καμπύλη της αρνητικής. Επομένως όταν ο συντελεστής διόρθωσης 'Kδ,h' αυξάνεται, δηλαδή όταν αυξάνεται η πίεση ή η υγρασία, για την ίδια τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης θα έχουμε αντίστοιχα μείωση στην τιμή του εύρους 'Ip'. Αντίθετα στην αρνητική κορώνα δεν παρατηρείται αξιόλογη μεταβολή του ρεύματος 'Ip', για την ίδια τάση με ταυτόχρονη αύξηση της πίεσης. Εξάλλου στις υψηλές πιέσεις έχουμε μια σταθεροποίηση της καμπύλης του εύρους 'Ip' και συνεπώς μικρή μεταβολή του 'Ip', η οποία είναι εντονότερη στη αρνητική κορώνα. Το γεγονός αυτό φαίνεται και στο συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.69). U U i Επίσης στο τελευταίο σχήμα (3.7) όπου έχουν αφαιρεθεί οι προεκκενώσεις προκύπτει σαφέστερη και πιο ξεκάθαρη εικόνα με μικρότερη διασπορά στις τιμές του εύρους 'Ip', οπότε όλα τα παραπάνω συμπεράσματα επαληθεύονται καλύτερα. Συνοψίζοντας παρατηρείται ότι η διασπορά τιμών του εύρους 'Ip' στη θετική κορώνα είναι λίγο μικρότερη από την αντίστοιχη της αρνητικής και αυτό φαίνεται από τη λίγο μεγαλύτερη τιμή του R 2 στις εξισώσεις των προσεγγιστικών καμπυλών. 88

90 Q (nc) Q (nc) Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q' α Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q' Θετικής εκκένωσης κορώνα y = 8,7E-3 x 1,96 R² = 5,9E-1 1,1,1 θετική κορώνα Σχήμα 3.71: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων. y = 8,7E-3x 1,96 R² = 5,9E-1 1,1,1 y,1cm = 7,17E-3 x 1,73 R² = 4,56E-1 y,14cm = 1,32E-3 x 3,15 R² = 6,75E-1 y,25cm = 3,9E-3 x 2,81 R² = 7,3E-1 y,55cm = 3,59E-2 x 1,23 R² = 5,8E-1 y,1cm = 3,24E-2 x 1,42 R² = 5,87E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.72: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 89

91 Q (nc) Q (nc) β Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q' Αρνητικής εκκένωσης κορώνα y = 1,75E-1 x 8,45E-1 R² = 1,81E-1 1,1,1 αρνητική κορώνα Σχήμα 3.73: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνεται η προσεγγιστική καμπύλη (τύπου δύναμης) για το σύνολο των μετρήσεων.,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm y = 1,75E-1 x 8,45E-1 R² = 1,81E-1 1,1,1 y,55cm = 2,21 x -2,6E-1 R² = 3,58E-2 y,1cm = 1,55E-1 x 1,2 R² = 2,35E-1 y,1cm = 6,3E-2 x 1,14 R² = 4,59E-1 y,14cm = 1,52E-1 x 8,7E-1 R² = 1,67E-1 y,25cm = 2,15E-1 x 8,11E-1 R² = 2,E Σχήμα 3.74: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων. 9

92 Q (nc) γ Εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q' με επίδραση της πολικότητας y = 8,7E-3 x 1,96 R² = 5,9E-1 1 y = 1,75E-1 x 8,45E-1 R² = 1,81E-1,1,1 θετική κορώνα αρνητική κορώνα Σχήμα 3.75: Ηλεκτρικό φορτίο Q των παλμών ρεύματος με επίδραση της πολικότητας σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη τάση U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για θετική (πράσινο-συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (κόκκινο-διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. Στη θετική κορώνα (σχήμα 3.71) παρατηρείται μια μεγάλη εξάρτηση του Εκχεόμενου ηλεκτρικού φορτίου 'Q' από την εφαρμοζόμενη τάση, δηλαδή το 'Q' αυξάνεται περίπου με το τετράγωνο της εφαρμοζόμενης τάσης U και είναι σχετικά ανεξάρτητο της ακτίνας του αγωγού. Στην αρνητική κορώνα (σχήμα 3.73) για μικρές τάσεις έχουμε μεγαλύτερη τιμή του ηλεκτρικού φορτίου 'Q' σε σχέση με τη θετική κορώνα. Το αντίστροφο ακριβώς συμβαίνει στις μεγάλες τάσεις πάνω από 16kV. Τα παραπάνω επαληθεύονται και από το συγκριτικό διάγραμμα (σχήμα 3.75). 91

93 3.4.4.δ - Διόρθωση του φορτίου Q ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Θετική κορώνα θετική κορώνα y = 2,55E-4 x 3,32 R² = 6,89E-1 Q (nc)*k δ,h 1,1,1,1 y 7mbar = 2,89E-3 x 3,84 y 14mbar = 1,7E-3 x 3,44 y 25mbar = 4,27E-4 x 3,55 y 5mbar = 3,37E-4 x 3,13 y 75mbar = 1,48E-4 x 3,17 y Ατμ.Συνθήκες = 1,21E-3 x 2,31 y 2bar = 1,54E-1 x 8,71E-1 y 3bar = 7,64E-1 x 7,39E-1 y 4bar = 3,36E-1 x 1, Σχήμα 3.76: Μεταβολή του γινομένου του φορτίου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (Q *K δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε ένα από τα εννέα επίπεδα πίεσης αλλά και για το σύνολο των μετρήσεων. y = 2,55E-4 x 3,32 R² = 6,89E-1 Q (nc)*k δ,h 1,1,1,1 92 y,1cm = 2,36E-4 x 3,24 R² = 7,7E-1 y,14cm = 2,49E-5 x 4,91 R² = 8,6E-1 y,25cm = 9,7E-5 x 4,3 R² = 8,3E-1 y,55cm = 5,1E-4 x 2,69 R² = 8,6E-1 y,1cm = 3,93E-4 x 2,82 R² = 8,79E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.77: Μεταβολή του γινομένου του φορτίου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (Q *K δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για θετική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

94 3.4.4.ε - Διόρθωση του φορτίου Q ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αρνητική κορώνα αρνητική κορώνα y = 7,4E-3 x 2,14 R² = 5,8E-1 Q (nc)*k δ,h 1,1,1,1 y 7mbar = 1,22E-2 x 4,4 y 14mbar = 2,9E-2 x 3,28 y 25mbar = 3,37E-2 x 2,5 y 5mbar = 1,2E-2 x 2,14 y 75mbar = 7,32E-3 x 1,88 y Ατμ.Συνθήκες = 8,39E-4 x 2,67 y 2bar = 2,4E-3 x 2,2 y 3bar = 1,83 x -5,49E-4 y 4bar = 1,98 x 4,26E Σχήμα 3.78: Μεταβολή του γινομένου του φορτίου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (Q *K δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για κάθε ένα από τα εννέα επίπεδα πίεσης αλλά και για το σύνολο των μετρήσεων. y = 7,4E-3 x 2,14 R² = 5,8E-1 Q (nc)*k δ,h 1,1,1,1 93 y,1cm = 2,2E-3 x 2,74 R² = 8,28E-1 y,14cm = 5,52E-3 x 2,34 R² = 5,46E-1 y,25cm = 6,68E-3 x 2,29 R² = 6,E-1 y,55cm = 3,45E-2 x 1,21 R² = 5,22E-1 y,1cm = 4,96E-3 x 2,32 R² = 5,75E-1,1cm,14cm,25cm,55cm,1cm Σχήμα 3.79: Μεταβολή του γινομένου του φορτίου των παλμών ρεύματος με το συντελεστή διόρθωσης (Q *K δ,h) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για κάθε έναν αγωγό ξεχωριστά, για αρνητική εκκένωση κορώνα και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) του καθενός αγωγού αλλά και του συνόλου των μετρήσεων.

95 3.4.4.στ-Διόρθωση του φορτίου Q ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες - Επίδραση της πολικότητας y = 2,55E-4 x 3,32 R² = 6,89E-1 Q (nc)*k δ,h 1 y = 7,4E-3 x 2,14 R² = 5,8E-1,1,1,1 θετική κορώνα αρνητική κορώνα Σχήμα 3.8: Μεταβολή του γινομένου του φορτίου με το συντελεστή διόρθωσης (Q *K δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για όλους τους αγωγούς και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Διακρίνονται οι προσεγγιστικές καμπύλες (τύπου δύναμης) για θετική (συνεχής) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) για το σύνολο των μετρήσεων. U U i y = 2,12E-4 x 3,31 R² = 8,1E-1 Q (nc)*k δ,h 1 y = 8,2E-3 x 2,11 R² = 7,42E-1,1,1, θετική κορώνα αρνητική κορώνα Σχήμα 3.81: Μεταβολή του γινομένου του φορτίου με το συντελεστή διόρθωσης (Q *K δ,h) με επίδραση της πολικότητας, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης U, για τιμές της τάσης μεγαλύτερες από την τάση έναυσης U i, για όλους τους αγωγούς, για θετική (συνεχής γραμμή) και αρνητική εκκένωση κορώνα (διακεκομμένη γραμμή) και για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

96 Γενικά στα σχήματα (3.76) έως (3.78) γίνεται μια διόρθωση κανονικοποίηση της εξαρτημένης μεταβλητής, που στα συγκεκριμένα διαγράμματα είναι το εκχεόμενο ηλεκτρικό φορτίο 'Q', σε συνάρτηση πάντα με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η διόρθωση γίνεται πολλαπλασιάζοντας κάθε τιμή του φορτίου, επί το συντελεστή διόρθωσης 'Kδ,h' και ουσιαστικά βοηθάει στη συσχέτιση του εκχεόμενου φορτίου με τη μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επομένως από τα σχήματα (3.8) και (3.81) φαίνεται ότι το εκχεόμενο φορτίο με την αύξηση της πίεσης ή της υγρασίας (συντελεστής Kδ,h) αυξάνεται περισσότερο στη θετική κορώνα από ότι στην αρνητική. Κατά όμοιο τρόπο στα σχήματα (3.76) και (3.78) φαίνεται ξεκάθαρα ότι η προσεγγιστική καμπύλη του συνόλου της θετικής κορώνα έχει μεγαλύτερη κλίση σε σχέση με την καμπύλη της αρνητικής. Επομένως όταν ο συντελεστής διόρθωσης 'Kδ,h' αυξάνεται, δηλαδή όταν αυξάνεται η πίεση ή η υγρασία, για την ίδια τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης θα έχουμε αντίστοιχα μείωση στην τιμή του ηλεκτρικού φορτίου. Στην αρνητική κορώνα παρατηρείται μικρότερη μεταβολή του φορτίου 'Q', με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες για την ίδια τάση. U U i Επίσης στο τελευταίο σχήμα (3.81) όπου έχουν αφαιρεθεί οι προεκκενώσεις προκύπτει σαφέστερη και πιο ξεκάθαρη εικόνα με μικρότερη διασπορά στις τιμές του φορτίου 'Q', οπότε όλα τα παραπάνω συμπεράσματα επαληθεύονται καλύτερα. Συνοψίζοντας παρατηρούμε ότι η διασπορά τιμών του φορτίου 'Q' στη θετική κορώνα είναι λίγο μικρότερη από την αντίστοιχη της αρνητικής και αυτό φαίνεται από τη λίγο μεγαλύτερη τιμή του R 2 στις εξισώσεις των προσεγγιστικών καμπυλών. Τέλος προκύπτει γενικά ότι το εύρος των παλμών ρεύματος 'Ip' και το ηλεκτρικό φορτίο 'Q' έχουν παρόμοια συμπεριφορά. 95

97 96

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν μέσω πειραματικής διερεύνησης της εκκένωσης κορώνα σε λείους αγωγούς υπό συνεχή υψηλή τάση και μεταβαλλόμενες συνθήκες πίεσης του αέρα σε ομοαξονικό διάκενο αγωγού-κυλίνδρου. Τα βασικότερα συμπεράσματα συνοψίζονται ως εξής: Η τάση έναυσης της εκκένωσης κορώνα αυξάνει με την αύξηση της πίεσης του αέρα ή/και με την αύξηση της ακτίνας του αγωγού και για τις δύο πολικότητες της εφαρμοζόμενης τάσης. Το πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα και για τις δύο πολικότητες της εφαρμοζόμενης τάσης αυξάνει με την αύξηση της πίεσης του αέρα, ενώ αντίθετα μειώνεται με την αύξηση της ακτίνας του αγωγού. Οι πειραματικές τιμές του πεδίου έναυσης βρίσκονται σε συμφωνία (μέσο σφάλμα μικρότερο από 3%) με την εμπειρική σχέση του Peek. Οι πειραματικές τιμές της τάσης και του πεδίου έναυσης της εκκένωσης κορώνα είναι γενικά ελαφρώς μικρότερες υπό αρνητική εφαρμοζόμενη τάση σε σχέση με τη θετική. Και για τις δύο πολικότητες της εφαρμοζόμενης τάσης το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα αυξάνει με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης, με ρυθμό που αυξάνει με τη μείωση της πίεσης του αέρα ή/και με την αύξηση της ακτίνας του αγωγού. Για δεδομένη τιμή εφαρμοζόμενης τάσης το ρεύμα της αρνητικής εκκένωσης κορώνα είναι μεγαλύτερο σε σχέση με τη θετική. Η εξάρτηση του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα από την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης είναι εντονότερη στις χαμηλές πιέσεις και πρακτικά εξαλείφεται για πιέσεις μεγαλύτερες από περίπου 3 bar. Με τη βοήθεια εμπειρικών σχέσεων που περιγράφουν την επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην κινητικότητα των θετικών και αρνητικών ιόντων κατέστη δυνατή η κανονικοποίηση του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα συναρτήσει των ατμοσφαιρικών συνθηκών, της πολικότητας της εφαρμοζόμενης τάσης, καθώς και της γεωμετρίας του ομοαξονικού διακένου αγωγού κυλίνδρου. 97

99 Ο χρόνος ανόδου και ο χρόνος ημίσεος εύρους των παλμών του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα βρέθηκαν και για τις δύο πολικότητες της εφαρμοζόμενης τάσης πρακτικά ανεξάρτητοι της ακτίνας του αγωγού και των ατμοσφαιρικών συνθηκών, ενώ αυξάνουν ελαφρώς με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης. Το εύρος και το εκχεόμενο φορτίο του παλμού του ρεύματος της θετικής και της αρνητικής εκκένωσης κορώνα αυξάνουν με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης, με ρυθμό που μειώνεται με την αύξηση της πίεσης του αέρα. Η αύξηση αυτή είναι εντονότερη στη θετική εκκένωση κορώνα. Με τη βοήθεια του συντελεστή διόρθωσης των ατμοσφαιρικών συνθηκών που προέκυψε από το ελάχιστο πεδίο ιονισμού του αέρα κατέστη δυνατή η κανονικοποίηση των χαρακτηριστικών του παλμού του ρεύματος της εκκένωσης κορώνα ως προς τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τέλος σαν συνέχεια της παρούσης διπλωματικής εργασίας θα είχε ενδιαφέρον η μελέτη της εκκένωσης κορώνα στις εξής περιπτώσεις: Σε μονωμένους αγωγούς. Με διαφορετικό διηλεκτρικό μέσο π.χ. άζωτο, SF6, έλαιο, κλπ. Ανίχνευση και μέτρηση όζοντος και φωτονίων. 98

100 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Κ. Α. Στασινόπουλος, Τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων, Δ Έκδοση, Εκδόσεις Υπηρεσίας Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., 1996 [2] IEC High-voltage test techniques - Part 1: General definitions and requirements. [3] Μιχαήλ Γ. Δανίκας, Στοιχεία Υψηλών Τάσεων, Β Έκδοση, Εκδόσεις Σμπίλιας, 29 [4] Π. Ν. Μικρόπουλος, Εργαστηριακές Ασκήσεις στην Τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις, 28 [5] P.N. Mikropoulos. V.N. Zagkanas and T.S. Koustoulidis. "Experimental Investigation of DC Corona on Stranded Conductors under Variable Air Density", UPEC, London, 212, pp. I 6 [6] Ι. Βαλλάτος και Ε. Τσινόπουλος, "Ανάπτυξη λογισμικού για την προβολή και επεξεργασία παλμογραφημάτων στον υπολογιστή", Διπλωματική εργασία, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη 28. [7] F. W. Peek, Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering, McGraw- Hill, New York, 1929 [8] Β. Ν. Ζαγκανάς, Έκθεση Προόδου Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, ΤΗΜΜΥ, Α.Π.Θ., 212. [9] G. Hartmann, Theoritical evaluation of peek s law, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.IA-2, No.6, November/December

101

102 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αισθανόμαστε την ανάγκη να ευχαριστήσουμε τα παρακάτω πρόσωπα, για τη βοήθεια που μας προσέφεραν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής μας εργασίας. Ευχαριστούμε θερμά: Τον επιβλέποντα καθηγητή της διπλωματικής μας εργασίας, αναπληρωτή καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Παντελή Ν. Μικρόπουλο για την πολύτιμη βοήθειά του, για τη συμπαράσταση και γενικά για την άψογη συνεργασία του καθ όλη τη διάρκεια της διεκπεραίωσης της διπλωματικής μας εργασίας. Τον υποψήφιο διδάκτορα του τμήματος κ. Βασίλειο Ζαγκανά για τη βοήθεια που μας προσέφερε, την προθυμία του, την υπομονή του και γενικά για το χρόνο που μας αφιέρωσε κατά την υλοποίηση της διπλωματικής μας εργασίας. Τέλος, θα θέλαμε να εκφράσουμε την ευγνωμοσύνη μας στα παρακάτω πρόσωπα: Ζέκιος Δαμιανός: Ευχαριστώ θερμά τους γονείς μου Ιωάννη και Αλεξάνδρα Ζέκιου για την υπομονή τους, την ηθική και υλική τους υποστήριξη και γενικά για την όλη συμπαράστασή τους, τόσο κατά τη διάρκεια της διπλωματικής εργασίας όσο και καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Δημητριάδης Σωκράτης: Ευχαριστώ τους γονείς και τα αδέλφια μου για τη βοήθειά τους. Ιδιαίτερα ευχαριστώ θερμά την εγκυμονούσα σύζυγό μου Χρυσή και τα επτά παιδιά μου Δημήτριο, Κλεονίκη, Σοφία, Γεώργιο, Βαρβάρα, Ναταλία και Χρυσόστομο για την αμέριστη υποστήριξη και την ανεξάντλητη υπομονή τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. 1

103 2

104 ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΚΟ ΥΛΙΚΟ Στην ενότητα αυτή παραθέτουμε τις εικόνες από τον εξοπλισμό και τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στο χώρο του εργαστηρίου των Υψηλών Τάσεων κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας στα πλαίσια της διπλωματικής μας εργασίας. Εικόνα 5.1 Οι δύο γεννήτριες παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης HVDC της εταιρίας Glassman. (Μοντέλα PS/FC3R4. 22 και PS/PK125R3 με αντιστροφή πολικότητας) Εικόνα 5.2 Ψηφιακός παλμογράφος της εταιρίας LeCroy WR64MXi, με εύρος συχνότητας 6MHz τεσσάρων καναλιών για λήψη και αποθήκευση παλμογραφημάτων με ρυθμό δειγματοληψίας GS/s σε κάθε κανάλι και μνήμη Mpts/Ch. 3

105 Εικόνα 5.3 Ψηφιακό βολτόμετρο της εταιρίας MASTECH MY64 3,5 ψηφίων για τη μέτρηση της χαμηλής τάσης (αριστερά) και συνδεσμολογία των οργάνων της μετρητικής διάταξης (δεξιά). Εικόνα 5.4 Θάλαμος πίεσης 6 bar τύπου DKU, της MWB στα kv (rms). Αριστερά φαίνεται η εμπρόσθια όψη με τα δύο μανόμετρα και τις βάνες ελέγχου της πίεσης και δεξιά φαίνεται η πίσω όψη του θαλάμου στο κάτω μέρος του οποίου διακρίνονται οι δύο ακροδέκτες χαμηλής τάσης. 4

106 Εικόνα 5.5 Κλωβός κορώνα τύπου KR διαμέτρου 9,8cm (ομοαξονικό διάκενο). Αριστερά φαίνεται ο μεταλλικός κύλινδρος στο κέντρο του οποίου τοποθετείται ο αγωγός που τίθεται υπό υψηλή τάση και δεξιά το ομοαξονικό διάκενο σε μεγέθυνση. Εικόνα 5.6 Αντλία Συμπιεστής κενού πίεσης με ονομαστικά μεγέθη: 22V,5Hz, 125 W, 1 6 Hp, 1,1 A, 7mbar έως 41bar με παροχή αέρα 2m 3 /h. Αριστερά συνδέεται με το σωλήνα του θαλάμου πίεσης για λειτουργία αναρρόφησης (κενού) και δεξιά συνδέεται με το σωλήνα για λειτουργία συμπίεσης (πίεσης). 5

107 Εικόνα 5.7 Κυτίο με ωμική αντίσταση 9,98 kω. Αριστερά συνδέεται με τους ακροδέκτες χαμηλής τάσης του κλωβού κορώνα (μεταλλικός κύλινδρος) και δεξιά με το ομοαξονικό καλώδιο του ψηφιακού παλμογράφου. Αγωγός ακτίνας r =,1cm (από χαλκό) Αγωγός ακτίνας r =,55cm (από χαλκό) Αγωγός ακτίνας r =,25cm (από ανοξείδωτο ατσάλι) Αγωγός ακτίνας r =,14cm (από ανοξείδωτο ατσάλι) Αγωγός ακτίνας r =,1cm (από ανοξείδωτο ατσάλι) Εικόνα 5.8 Οι πέντε αγωγοί δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν, με τις διαστάσεις τους και το υλικό από το οποίο κατασκευάστηκαν. 6

108 Εικόνα 5.9 Μανόμετρο κενού έως 1 bar της εταιρίας WIKA (αριστερά) και μανόμετρο πίεσης έως 6 bar της ίδιας εταιρίας (δεξιά). Εικόνα 5. Υδραργυρικό βαρόμετρο για τη μέτρηση της ατμοσφαιρικής πίεσης (αριστερά) και η βαθμονόμηση του βαρομέτρου σε μεγέθυνση (δεξιά). 7

109 Εικόνα 5.11 Ψυχρόμετρο. Φαίνονται τα δύο θερμόμετρα, το ένα για τη μέτρηση της υγρής θερμοκρασίας (αριστερά) και το άλλο για τη μέτρηση της ξηρής (δεξιά). Εικόνα 5.12 Πινακίδα με τα ονομαστικά στοιχεία του θαλάμου πίεσης 6 bar τύπου DKU. 8

110 Εικόνα 5.13 Ομοαξονικά καλώδια για τις συνδέσεις μεταξύ των συσκευών οργάνων (αριστερά) και περιοριστής ρεύματος που συνδέεται στην είσοδο του παλμογράφου για την προστασία του καναλιού από υπερρεύματα (δεξιά) Εικόνα 5.14 Ομοαξονικά καλώδια τροφοδοσίας υψηλής τάσης των δύο γεννητριών HVDC (αριστερά). Ο ακροδέκτης του καλωδίου υψηλής τάσης σε μεγέθυνση (δεξιά). 9

111 Εικόνα 5.15 Μετρητική διάταξη από την πλευρά του χειριστή. Εικόνα 5.16 Πειραματική διάταξη: Θάλαμος πίεσης 6 bar τύπου DKU (κέντρο), αντλία συμπιεστής κενού πίεσης (αριστερά) και κυτίο με ωμική αντίσταση 9,98kΩ (δεξιά). 1

112 Εικόνα 5.17 Άποψη του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. 111