ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ. Μελέτη ύνθετων Διακένων Αέρα-Διηλεκτρικού με Καταπόνηση σε Κρουστική Σάση

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΔΡΓΑΣΗΡΙΟ ΤΦΗΛΧΝ ΣΑΔΧΝ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ τοσ Φοιτητή τοσ Σμήματος Ηλεκτρολόγων Μητανικών και Σετνολογίας Τπολογιστών ΕΞΑΡΥΟ ΩΣΗΡΗ του ΓΙΑΝΝΗ (Α.Μ. : 5847) ΘΔΜΑ Μελέτη ύνθετων Διακένων Αέρα-Διηλεκτρικού με Καταπόνηση σε Κρουστική Σάση ΔΠΙΒΛΔΠΟΤΑ: ΔΠΙΚΟΤΡΗ ΚΑΘΗΓΗΣΡΙΑ Δ. ΠΤΡΓΙΧΣΗ ΑΡΙΘΜΟ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ: ΠΑΣΡΑ 2013

2 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Ριςτοποιείται ότι θ διπλωματικι εργαςία με κζμα: ΜΕΛΕΣΗ ΤΝΘΕΣΩΝ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ-ΔΙΗΛΕΚΣΡΙΚΟΤ ΜΕ ΚΑΣΑΠΟΝΗΗ Ε ΚΡΟΤΣΙΚΗ ΣΑΗ του φοιτθτι του Τμιματοσ Θλεκτρολόγων Μθχανικϊν και Τεχνολογίασ Υπολογιςτϊν ΩΣΗΡΗ ΕΞΑΡΧΟ Α.Μ.: 5847 Ραρουςιάςτθκε δθμόςια και εξετάςκθκε ςτο Τμιμα Θλεκτρολόγων Μθχανικϊν και Τεχνολογίασ Υπολογιςτϊν ςτισ / / Θ επιβλζπουςα: Ο Διευκυντισ του Τομζα: Ελευκερία Ρυργιϊτθ Επίκουρθ Κακθγιτρια Αντϊνιοσ Αλεξανδρίδθσ Κακθγθτισ 2

3 ΠΕΡΙΛΗΧΗ Θ παροφςα διπλωματικι εργαςία πραγματεφεται τθν επίδραςθ που επιφζρουν ςτθν τάςθ διάςπαςθσ διακζνου αζρα, διάφορα μονωτικά φφλλα (διαφράγματα) τοποκετοφμενα κάκετα προσ τον κεντρικό άξονα μεταξφ τθσ διάταξθσ των θλεκτροδίων του διακζνου και ςε διαφορετικζσ κζςεισ μεταξφ τθσ απόςταςθσ αυτϊν. Θ διερεφνθςθ τθσ επίδραςθσ των διαφραγμάτων ςτθν διθλεκτρικι ςυμπεριφορά των διακζνων είναι γνωςτι γενικά και ωσ το Φαινόμενο του Διαφράγματοσ (Barrier Effect). Θ διάταξθ που χρθςιμοποιικθκε για τθν εκπόνθςθ τθσ παροφςασ εργαςίασ ιταν διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ μικουσ 6 cm, και ςτο ενδιάμεςο των θλεκτροδίων τοποκετικθκε το διάφραγμα (Σχιμα 1). χήμα 1) Διάταξθ διακζνου ακίδασ-πλακάσ με διάφραγμα. Χρθςιμοποιικθκαν 3 διαφορετικά υλικά ωσ διαφράγματα, ωσ προσ το πάχοσ τουσ, με αποτζλεςμα τα ςφνκετα διάκενα αζρα-διθλεκτρικοφ που προκφπτουν να είναι τα εξισ: 1) Διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ με διάφραγμα πάχουσ 0,2 mm. 2) Διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ με διάφραγμα πάχουσ 0,19 mm. 3) Διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ με διάφραγμα πάχουσ 0,125 mm. Θ καταπόνθςθ του κάκε ςφνκετου διακζνου αζρα-διθλεκτρικοφ ζγινε με κετικζσ κρουςτικζσ τάςεισ χειριςμϊν υπό ατμοςφαιρικι πίεςθ. Για το διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ μικουσ 6 cm με διαφράγματα polyfilm πάχουσ 0,125 mm και 0,19 mm, διερευνικθκε θ ςυμπεριφορά αυτϊν για τρείσ διαφορετικζσ κζςεισ ξ=x/d, του διαφράγματοσ ςτο διάκενο (x=1, x=2, x=3) και με δφο διαφορετικζσ περιπτϊςεισ καταπόνθςθσ για τθν κάκε κζςθ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο. Στθν πρϊτθ περίπτωςθ το διάφραγμα διατθρικθκε το ίδιο για κάκε ςτάκμθ τάςεωσ καταπόνθςθσ του και ςτθ δεφτερθ άλλαηε για κάκε ςτάκμθ. Για το διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ με διαφράγματα τφπου nomex πάχουσ 0,2 mm, διερευνικθκε θ ςυμπεριφορά του για ζξι διαφορετικζσ κζςεισ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο. 3

4 ABSTRACT The aim of this thesis is to investigate the effect of different insulation materials (barriers) into the breakdown voltage of air-gaps, created by two electrodes. The barrier is placed between these electrodes and crosses their central axes perpendicularly, at various locations along this axes. The system used for this work was an air-gap needle-plate, which had a width of 6cm and a barrier placed between the electrodes (figure1). Figure 1) Schematic diagram of needle-plate air gap with barrier. There were 3 barriers used,of different thicknesses. The resulting air-dielectric gaps formed are as follows: 1) needle plate air-gap, with a 2mm thick barrier. 2) needle plate air-gap, with a 0,19 mm thick barrier. 3) needle plate air-gap, with a 0,125 mm thick barrier. The stress of each air-dielectric gap composite was accomplished using positively impulsed voltage, at atmospheric pressure. In the 6cm wide air gap of the needle plate, a polyfilm barrier was used with a thickness of or 0.19mm. The barrier was placed at three different positions between the plates (ξ=x/d; x=1,2,3). At each location, two cases were investigated: 1) the same barrier was kept still and a voltage of various levels was applied and 2) the barrier was varied at each different level of voltage applied. The behaviour/response/efficiency of the air gap needle plate, having a nomex type barrier of 0.2 mm thickness, was investigated, when the barrier was placed at 6 different locations, ξ, between the electrodes. 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟ Το παρόν ςφγγραμμα αποτελεί τθν διπλωματικι εργαςία του φοιτθτι Σωτιρθ Ζξαρχου για τθν απόκτθςθ του διπλϊματοσ ςτο τμιμα Θλεκτρολόγων Μθχανικϊν και Τεχνολογίασ Υπολογιςτϊν του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν. Αντικείμενο τθσ εργαςίασ αυτισ θ μελζτθ τθσ ςυμπεριφοράσ διακζνων αζρα ακίδασ-πλάκασ, όταν κάκετα προσ τον κεντρικό άξονα των θλεκτροδίων τθσ διάταξθσ και για διαφορετικζσ κζςεισ μεταξφ αυτϊν, παρεμβάλλεται ζνα λεπτό μονωτικό φφλλο (διάφραγμα). Ριο ςυγκεκριμζνα το περιεχόμενο αυτισ αποςκοπεί ςτον κακοριςμό τθσ κρίςιμθσ τιμισ τθσ τάςθσ διάςπαςθσ και το πϊσ μεταβάλλεται αυτι ςυναρτιςει τθσ κζςθσ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο. Ακολουκεί μια ςφντομθ περιγραφι των κεμάτων που καλφπτονται ςε κάκε κεφάλαιο. Στο Κεφάλαιο 1 τθσ παροφςασ εργαςίασ γίνεται μια αναφορά ςτο αντικείμενο του Τομζα των Υψθλϊν Τάςεων, ςτισ υπερτάςεισ που αναπτφςςονται ςτα δίκτυα και ςτο αντίςτοιχο εξοπλιςμό των εγκαταςτάςεων και ςτο πωσ κατθγοριοποιοφνται βάςθ των αιτιϊν που τισ προκαλοφν κακϊσ επίςθσ και ςτο πωσ τυποποιοφνται και παράγονται εργαςτθριακά. Επίςθσ γίνεται μια αναφορά ςτισ μονϊςεισ ςτο πωσ κατατάςςονται αυτζσ βάςθ τθσ ςφνκεςθσ τουσ και ςτισ καταπονιςεισ τισ οποίεσ υφίςτανται κατά τθν λειτουργία τουσ. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια αναςκόπθςθ ςτισ βαςικζσ μορφζσ διάκενων αζρα και ςτο πωσ εξελίςςετε ο μθχανιςμόσ τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθσ ςε αυτά. Επίςθσ γίνεται αναφορά ςτουσ παράγοντεσ και ςτισ ςυνκικεσ που επθρεάηουν τθν εξζλιξθ του μθχανιςμοφ και τθν τιμι τθσ τάςθσ διάςπαςθσ των διακζνων, περιγράφεται επίςθσ θ επίδραςθ που επιφζρει θ τοποκζτθςθ των διαφραγμάτων μεταξφ των διάκενων όπου είναι γνωςτό ωσ το φαινόμενο του διαφράγματοσ. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται το περιεχόμενο και οι διατάξεισ που χρθςιμοποιικθκαν για τθν εκπόνθςθ τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ κακϊσ επίςθσ και θ τεχνικι που ακολουκιςαμε για τθν περαίωςθ τθσ. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται θ παρουςίαςθ των πειραματικϊν αποτελεςμάτων και των διαγραμμάτων ςε αυτά, όπου και διατυπϊνονται τα ςυμπεράςματα που εξιχκθςαν από αυτι τθν εργαςία. 5

6 ΕΤΦΑΡΙΣΙΕ Ευχαριςτϊ κερμά τθν κακθγιτριά μου και επιβλζπουςα τθσ διπλωματικισ εργαςίασ κ. Ελευκερία Ρυργιϊτθ για τθν κακοδιγθςι τθσ και τισ ςυμβουλζσ όςον αφορά τθν εκπόνθςθ τθσ παροφςασ εργαςίασ. Επίςθσ κα ικελα να ευχαριςτιςω τθν οικογζνειά μου και τουσ φίλουσ μου για τθν ςτιριξι τουσ κατά τθν διάρκεια των φοιτθτικϊν μου χρόνων. 6

7 ΠΕΡΙΕΦΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... i ΠΡΟΛΟΓΟ... ii ΕΤΧΑΡΙΣΙΕ... iii Κεφάλαιο 1 Ο ΕΙΑΓΩΓΗ ΤΟΜΕΑΣ ΥΨΘΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΑΝΤΛΚΕΛΜΕΝΟ ΜΕΛΕΤΘΣ ΤΟΥ ΤΟΜΕΑ ΤΩΝ ΥΨΘΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΥΨΘΛEΣ ΤΑΣΕΛΣ ΥΡΕΤΑΣΕΛΣ ΜΟΝΩΣΕΛΣ ΔΟΚΛΜΕΣ ΜΟΝΟΣΕΩΝ ΚΟΥΣΤΛΚΕΣ ΤΑΣΕΛΣ ΛΣΟΔΥΝΑΜΛΑ ΡΑΓΜΑΤΛΚΩΝ ΜΕ ΕΓΑΣΤΘΛΑΚΕΣ ΚΟΥΣΤΛΚΕΣ ΤΑΣΕΛΣ ΓΕΝΝΘΤΛΕΣ ΚΟΥΣΤΛΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΜΟΝΟΒΑΚΜΛΑ ΚΟΥΣΤΛΚΘ ΓΕΝΝΘΤΛΑ ΡΟΛΥΒΑΚΜΛΑ ΚΟΥΣΤΛΚΘ ΓΕΝΝΘΤΛΑ Κεφάλαιο 2 Ο ΑΝΑΚΟΠΗΗ ΣΗΝ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΔΙΑΠΑΗ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ ΔΛΑΚΕΝΑ ΑΕΑ ΘΛΕΚΤΛΚΘ ΔΛΑΣΡΑΣΘ ΔΛΘΛΕΚΤΛΚΘ ΣΥΜΡΕΛΦΟΑ ΤΟΥ ΑΕΑ ΔΛΑΔΛΚΑΣΛΕΣ ΛΟΝΛΣΜΟΥ ΚΑΛ ΘΛΕΚΤΟΝΛΚΟΣ ΡΟΛΛΑΡΛΑΣΛΑΣΜΟΣ ΕΡΛΔΑΣΘ ΤΘΣ ΜΟΦΘΣ ΤΟΥ ΘΛΕΚΤΛΚΟΥ ΡΕΔΛΟΥ ΣΤΘΝ ΘΛΕΚΤΛΚΘ ΔΛΑΣΡΑΣΘ ΤΩΝ ΔΛΑΚΕΝΩΝ ΑΕΑ ΔΛΑΣΡΑΣΘ ΤΟΥ ΑΕΑ ΣΕ ΟΜΟΛΟΓΕΝΕΣ ΡΕΔΛΟ ΔΛΑΣΡΑΣΘ ΤΟΥ ΑΕΑ ΣΕ ΑΝΟΜΟΛΟΓΕΝΕΣ ΡΕΔΛΟ ΑΝΑΛΥΣΘ ΤΘΣ ΘΛΕΚΤΛΚΘΣ ΔΛΑΣΡΑΣΘΣ ΥΡΟ ΚΟΥΣΤΛΚΘ ΤΑΣΘ ΣΕ ΑΝΟΜΟΛΟΓΕΝΕΣ ΡΕΔΛΟ ΕΡΛΔΑΣΘ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΛΛΚΩΝ ΣΥΝΚΘΚΩΝ ΣΤΘΝ ΔΛΑΣΡΑΣΘ ΤΟΥ ΑΕΑ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΔΛΟΚΩΣΘΣ ΤΘΣ ΤΑΣΘΣ ΔΛΑΣΡΑΣΘΣ ΓΛΑ ΤΘΝ ΡΥΚΝΟΤΘΤΑ ΤΟΥ ΑΕΑ ΚΑΛ ΤΘΝ ΥΓΑΣΛΑ ΤΟ ΦΑΛΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΔΛΑΦΑΓΜΑΤΟΣ ΜΘΧΑΝΛΣΜΟΣ ΔΛΑΣΡΑΣΘΣ ΔΛΑΚΕΝΟΥ ΑΕΑ ΜΕ ΔΛΑΦΑΓΜΑ

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΟ ΡΕΛΕΧΟΜΕΝΟ ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΘ ΤΕΧΝΛΚΘ ΧΑΑΚΤΘΛΣΤΛΚΑ ΔΕΛΓΜΑΤΩΝ ΡΕΛΓΑΦΘ ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΩΝ ΔΛΑΤΑΞΕΩΝ ΔΛΑΚΕΝΟ ΑΚΛΔΑΣ-ΡΛΑΚΑΣ ΚΟΥΣΤΛΚΘ ΓΕΝΝΘΤΛΑ ΕΓΑΣTΘΛΟΥ ΜΟΦΘ ΤΘΣ ΚΟΥΣΤΛΚΘΣ ΤΑΣΘΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΑ ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΑ ΣΤΑΤΛΣΤΛΚΙ ΑΝΑΛΥΣΘ ΓΛΑ ΤΟΝ ΚΑΚΟΛΣΜΟ ΤΘΣ ΤΑΣΘΣ ΔΛΑΣΡΑΣΘΣ ΕΡΕΞΕΓΑΣΛΑ ΜΕΤΘΣΕΩΝ ΚΑΛ ΡΟΣΔΛΟΛΣΜΟΣ ΤΘΣ ΤΑΣΘΣ ΔΛΑΣΡΑΣΘΣ ΚΑΛ ΤΘΣ ΤΥΡΛΚΘΣ ΑΡΟΚΛΛΣΘΣ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΛ ΣΧΟΛΛΑ ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΑ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΛΑΚΕΝΟΥ ΑΕΑ ΜΕ ΔΛΑΦΑΓΜΑ Polyfilm 0,19 mm ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΑ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΛΑΚΕΝΟΥ ΑΕΑ ΜΕ ΔΛΑΦΑΓΜΑ Polyfilm 0,125 mm ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΑ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΛΑΚΕΝΟΥ ΑΕΑ ΜΕ ΔΛΑΦΑΓΜΑ nomex 0,2 mm ΣΥΓΚΛΣΘ ΜΕΤΑΞΥ ΔΛΑΚΕΝΩΝ ΚΑΛ ΣΧΟΛΛΑ ΣΥΜΡΕΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Β

9 Κεφάλαιο 1 Ο ΕΙΑΓΨΓΗ 1.1 ΣΟΜΕΑ ΤΧΗΛΨΝ ΣΑΕΨΝ Ο θλεκτριςμόσ είναι μια δευτερογενισ μορφι ενζργειασ όπου θ μεγάλθ αξία τθσ ςυνίςτανται ςτο γεγονόσ πωσ είναι εφχρθςτθ και ςχετικά εφκολθ θ μεταφορά τθσ ςε μεγάλεσ αποςτάςεισ. Θ θλεκτρικι βιομθχανία καλφπτει ςιμερα ζνα τεράςτιο τομζα τθσ ανκρϊπινθσ δραςτθριότθτασ και περιλαμβάνει τουσ ακόλουκουσ κλάδουσ [5] : α) Παραγωγή ηλεκτρικήσ ενζργειασ, που ουςιαςτικά είναι ζνασ μεταςχθματιςμόσ πρωτογενϊν μορφϊν ενζργειασ, όπωσ είναι ο άνκρακασ, θ υδραυλικι, πυρθνικι, αιολικι θ θλιακι ενζργεια και το πετρζλαιο, που είναι ζνα πολφ ευγενζσ υλικό για να χρθςιμοποιείτε ςαν καφςιμθ φλθ. β) Μεταφορά και διανομή που ζχει ςαν αντικείμενο τθ μεταφορά τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ από τισ κζςεισ παραγωγισ τθσ προσ τουσ καταναλωτζσ. γ) Χρηςιμοποίηςη τησ ηλεκτρικήσ ενζργειασ που γίνεται ςτισ διάφορεσ ςυςκευζσ και βιομθχανίεσ. Ο τελευταίοσ αυτόσ τομζασ ζχει λάβει ςιμερα τζτοια ανάπτυξθ που ςτθν ουςία ζδωςε τθν ϊκθςθ για τθν δθμιουργία καινοφριων κλάδων τθσ επιςτιμθσ όπωσ είναι θ θλεκτρονικι, οι τθλεπικοινωνίεσ κ.α. Θ βιομθχανία του θλεκτριςμοφ, εκτόσ από τθν πιο πάνω υποδιαίρεςθ, μπορεί ακόμα να χωριςτι, ανάλογα με το μζγεκοσ τθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ που βρίςκεται αναμεμιγμζνθ ςε κάποια ειδικι εφαρμογι, είτε αυτι αφορά τθν παραγωγι, είτε τθ χρθςιμοποίθςι τθσ. Πταν θ ιςχφσ αυτι είναι μεγάλθ, θ αντίςτοιχθ εφαρμογι εμπίπτει ςτον τομζα των ιςχυρϊν ρευμάτων ενϊ όταν είναι μικρι εμπίπτει ςτον τομζα αςκενϊν ρευμάτων. Οι τομείσ παραγωγισ μεταφοράσ και διανομισ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ ανικουν κατ εξοχι ςτον κλάδο των ιςχυρϊν ρευμάτων διότι αφοροφν, κατά κανόνα, μεγάλα ποςά θλεκτρικισ ιςχφοσ. Επειδι τα δφο βαςικά ςυςτατικά τθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ είναι θ τάςθ και το ρεφμα, ζχει δθμιουργθκεί, μζςα ςτον κλάδο των ιςχυρϊν ρευμάτων, ο τομζασ των Υψθλϊν Τάςεων.*5] Θ ανάπτυξθ τθσ τεχνολογίασ των υψθλϊν τάςεων οφείλεται κυρίωσ ςτθν χρθςιμοποίθςι τουσ για τθν οικονομικι μεταφορά μεγάλων ποςοτιτων θλεκτρικισ ενζργειασ. Ρράγματι θ κφρια εφαρμογι των ΥΤ ακόμα και ςιμερα είναι ςτθ μεταφορά θλεκτρικισ ενζργειασ. Τισ ςθμαντικότερεσ και τισ πιο ενδιαφζρουςεσ από τισ εφαρμογζσ των Υ.Τ. ςτον τομζα τθσ μεταφοράσ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ κα τισ ςυναντιςει κανείσ ξεκινϊντασ από ζναν ςτακμό παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ, από τισ γεννιτριεσ μζχρι και τισ γραμμζσ μεταφοράσ 9

10 ςυμπεριλαμβανομζνου ενόσ υποςτακμοφ ανφψωςθσ τάςεωσ. Συγκεκριμζνα, εφαρμογζσ των υψθλϊν τάςεων ςτον τομζα τθσ παραγωγισ, μεταφοράσ και διανομισ θλεκτρικισ ενζργειασ ζχουμε ςτισ θλεκτρικζσ μθχανζσ, ςτισ γεννιτριεσ ςτουσ μεταςχθματιςτζσ και ςτουσ διακόπτεσ ιςχφοσ. Επίςθσ ςτισ γραμμζσ μεταφοράσ, όπου εξετάηεται θ επίδραςθ του φαινομζνου κορϊνα, ο υπολογιςμόσ των μονϊςεων των γραμμϊν υψθλισ και υπερφψθλθσ τάςθσ. Άλλεσ εφαρμογζσ ςτισ γραμμζσ μεταφοράσ είναι οι μονωτιρεσ, τα καλϊδια Υ. Τ. κ.α ΑΝΣΙΚΕΙΜΕΝΟ ΜΕΛΕΣΗ ΣΟΤ ΣΟΜΕΑ ΣΨΝ ΤΧΗΛΨΝ ΣΑΕΨΝ Ραρόλο που θ κφρια εφαρμογι των Υ.Τ. ακόμα και ςιμερα είναι ςτθ μεταφορά θλεκτρικισ ενζργειασ δεν ςθμαίνει ότι δεν χρθςιμοποιοφνται και αλλοφ. Χρθςιμοποιοφνται ςε ποικίλουσ κλάδουσ τθσ επιςτιμθσ. Για παράδειγμα, βρίςκουν εφαρμογι ςτισ επιςτιμεσ του περιβάλλοντοσ με τα θλεκτροςτατικά φίλτρα όπου γίνεται θ αφαίρεςθ τεράςτιων ποιοτιτων ςκόνθσ από τισ καμινάδεσ των διαφόρων εργοςταςίων, μειϊνοντασ ζτςι τθ μόλυνςθ τθσ ατμόςφαιρασ. Λςχυρά πεδία που προκαλοφνται από υψθλζσ τάςεισ χρθςιμεφουν ςτισ θλεκτροςτατικζσ βαφζσ και ςτθν ξθρογραφία. Θ ιατρικι χρθςιμοποιεί υψθλζσ τάςεισ για παραγωγι ακτινϊν Χ κακϊσ και για τα θλεκτρονικά μικροςκόπια. Θ νεότερθ θλεκτρονικι χρθςιμοποιεί υψθλζσ τάςεισ ςτθν τεχνικι τθσ εμφφτευςθσ ιόντων ςε θμιαγωγοφσ, επίςθσ ςτουσ παλμογράφουσ, ςτισ τθλεοράςεισ και γενικά ςτισ εφαρμογζσ των κακοδικϊν ςωλινων. Tθν αξιόπιςτθ μζτρθςθ των τάςεων και ρευμάτων, τθν καταςκευι κατάλλθλων ςυςκευϊν για τθν καταγραφι των μεταβατικϊν φαινομζνων, τισ μετριςεισ φαινομζνων (μερικϊν εκκενϊςεων) δυνάμεων που επθρεάηουν τθν διάρκεια ηωισ των μονϊςεων, τθν μελζτθ των φυςικϊν και χθμικϊν φαινομζνων των μονωτικϊν υλικϊν κακϊσ και τθν μελζτθ φυςικϊν και χθμικϊν φαινομζνων τα οποία κακορίηουν τισ θλεκτρικζσ ιδιότθτεσ των μονϊςεων, τθν ςτατιςτικι ανάλυςθ θ οποία χρθςιμοποιείται για τθν μελζτθ τθσ διάρκειασ ηωισ διάφορων δοκιμίων ι μονωτικϊν ςυςτθμάτων κ.α.*3] Από τα όςα αναφζρκθκαν διακρίνεται ότι οι τεχνολογία των Υψθλϊν Τάςεων δεν είναι αποκλειςτικϊσ και μόνο θλεκτρολογία αλλά περιλαμβάνει και άλλουσ τομείσ τθσ τεχνολογίασ, τθσ επιςτιμθσ αλλά και τθσ κακθμερινισ μασ ηωισ. 10

11 1.2 ΤΧΗΛE ΣΑΕΙ Σφμφωνα με τουσ κανονιςμοφσ τθσ «Διεκνοφσ Θλεκτροτεχνικισ Επιτροπισ» ι «IEC» ωσ δίκτυα υψθλισ τάςθσ εναλλαςςομζνου ρεφματοσ χαρακτθρίηονται αυτά που λειτουργοφν με τάςθ μεγαλφτερθ από 1 kv (ενεργόσ τιμι), ενϊ ωσ δίκτυα χαμθλισ τάςθσ εναλλαςςομζνου ρεφματοσ αυτά που λειτουργοφν υπό τάςθ χαμθλότερθ ι ίςθ με 1 kv. Για τον εξοπλιςμό και τα δίκτυα ςυνεχοφσ ρεφματοσ, ωσ αντίςτοιχο διαχωριςτικό όριο για τθν εφαρμογι υποδείξεων των κανονιςμϊν που αφοροφν ςτθ χαμθλι τάςθ χρθςιμοποιείται αυτό των 3 kv. Κάκε ζνα από τα δίκτυα υψθλισ τάςθσ εναλλαςςομζνου ρεφματοσ χαρακτθρίηεται από τρεισ χαρακτθριςτικζσ τάςεισ [2]: α) Τθν ονομαςτικι τάςθ λειτουργίασ του ςυςτιματοσ U n β) Τθν φψιςτθ τάςθ λειτουργίασ του ςυςτιματοσ U h γ) Τθν φψιςτθ τάςθ λειτουργίασ για τον εξοπλιςμό U m Ωσ ονομαςτική τάςη ενόσ ςυςτιματοσ ορίηεται μία κατάλλθλα εκτιμθμζνθ τιμι τάςθσ, που χρθςιμοποιείται για τον ςχεδιαςμό ι τον κακοριςμό του. Ωσ φψιςτη τάςη λειτουργίασ ενόσ ςυςτιματοσ ορίηεται θ ενεργόσ τιμι τθσ υψθλότερθσ τάςθσ που μπορεί να ςθμειωκεί οποιαδιποτε χρονικι ςτιγμι και ςε οποιοδιποτε ςθμείο του δικτφου κατά τθν κανονικι λειτουργία του, δθλαδι χωρίσ να υπολογίηονται οι υπερτάςεισ που μπορεί να αναπτυχκοφν ςε ςυνκικεσ μθ μόνιμθσ κατάςταςθσ λειτουργίασ). Θ φψιςτη τάςη λειτουργίασ για τον εξοπλιςμό είναι θ ενεργόσ τιμι τθσ υψθλότερθσ τάςθσ που μπορεί να αντζξει ο εξοπλιςμόσ που κα ςυνδεκεί ςτο δίκτυο υπό ςυνκικεσ μόνιμθσ κατάςταςθσ λειτουργίασ του δικτφου. Ο εξοπλιςμόσ υψθλισ τάςθσ με ονομαςτικζσ τάςεισ 1kV ζωσ 50 kv χαρακτθρίηεται και ωσ εξοπλιςμόσ μζςθσ τάςθσ και θ υψθλι τάςθ μζχρι το όριο αυτό μζςθ τάςθ (MV). Θ τάςθ από 50 kv ζωσ 345 kv χαρακτθρίηεται ωσ υψθλι τάςθ (HV), θ τάςθ από 345 kv ζωσ 765 kv χαρακτθρίηεται ωσ υπερφψθλθ τάςθ (ΕΘV) ενϊ άνω των 765 kv ωσ ιδιαίτερα υψθλι τάςθ (UHV). Οι παραπάνω τιμζσ ορίων δεν είναι απόλυτεσ, αλλά αναφζρονται ςε μία τάξθ μεγζκουσ [2]. 11

12 1.2.1 ΤΠΕΡΣΑΕΙ Οι τάςεισ που αναφζρκθκαν παραπάνω (U n,u h,u m ) είναι οι τάςεισ ομαλισ λειτουργίασ των θλεκτρικϊν ςυςτθμάτων και του αντίςτοιχου εξοπλιςμοφ των εγκαταςτάςεων. Σε ζνα θλεκτρικό ςφςτθμα όμωσ και ςτον αντίςτοιχο εξοπλιςμό των εγκαταςτάςεων εμφανίηονται για διάφορουσ λόγουσ υπερτάςεισ. Με τον όρο υπερτάςεισ, εννοοφμε τισ απότομεσ αυξιςεισ τθσ τιμισ του δυναμικοφ, θ διάρκεια των οποίων κυμαίνεται από εκατομμυριοςτά του δευτερολζπτου (10-6 s) μζχρι κάποια χιλιοςτά του δευτερολζπτου (10-3 s). Θ αφξθςθ τθσ απόλυτθσ τιμισ του δυναμικοφ κυμαίνεται από μερικά Volts, μζχρι ΜV. Τα αίτια δθμιουργίασ κρουςτικϊν υπερτάςεων είναι είτε φυςικά, είτε τεχνθτά. Φυςικζσ πθγζσ είναι οι κεραυνοί, τόςο μεταξφ νζφουσ και γθσ, όςο και μεταξφ νεφϊν, και οι διάφορεσ θλεκτροςτατικζσ εκφορτίςεισ. Τεχνθτζσ πθγζσ είναι τα θλεκτρικά δίκτυα που αναπτφςςουν υπερτάςεισ, είτε από χειριςμοφσ διακοπτϊν, είτε από βραχυκυκλϊματα. Οι μονϊςεισ όμωσ, οι οποίεσ προορίηονται για ζνα θλεκτρικό ςφςτθμα και των αντίςτοιχων εγκαταςτάςεων δεν μποροφν να υπολογιςτοφν με βάςθ τισ τάςεισ ομαλισ λειτουργίασ και αυτό διότι ςυχνά εμφανίηονται ςτισ εγκαταςτάςεισ διάφορεσ υπερτάςεισ. Οι υπερτάςεισ, παρ όλο που ςυνικωσ διαρκοφν πολφ λίγο, αςκοφν ςτισ μονϊςεισ και ςτισ αντίςτοιχεσ θλεκτρικζσ διατάξεισ, πιο ςοβαρζσ καταπονήςεισ από τισ τάςεισ ομαλισ λειτουργίασ. Οι υπερτάςεισ, ανάλογα με τισ αιτίεσ που τισ προκαλοφν, διακρίνονται ςε [1] : α) Εξωτερικζσ ι Ατμοςφαιρικζσ υπερτάςεισ, που ζχουν ωσ πθγι τισ ατμοςφαιρικζσ εκκενϊςεισ και πιο ςυγκεκριμζνα τισ εκκενϊςεισ νζφουσ-γθσ που καλοφνται κεραυνοί. β) Εςωτερικζσ υπερτάςεισ που δθμιουργοφνται από εςωτερικζσ διαταραχζσ τθσ ομαλισ λειτουργίασ του ςυςτιματοσ. Οι εςωτερικζσ υπερτάςεισ, ανάλογα με τον μθχανιςμό γζννθςθσ τουσ, τθν διάρκεια και το μζγεκοσ τουσ, υποδιαιροφνται ακόμα ςε [1]: α) Δυναμικζσ υπερτάςεισ. β) Μεταβατικζσ υπερτάςεισ χειριςμϊν. Οι δυναμικζσ υπερτάςεισ ζχουν ςχετικά μικρό εφροσ αλλά μεγάλθ διάρκεια, από ζνα κλάςμα του δευτερολζπτου μζχρι αρκετά λεπτά. Θ μορφι τουσ μπορεί να είναι θ ίδια με τθν μορφι τθσ τάςθσ λειτουργίασ αλλά ςυνικωσ ζχουν τθ μορφι μιασ αποςβενφμμενθσ ταλάντωςθσ με ιδιαίτερθ ςυχνότθτα. Οι δυναμικζσ υπερτάςεισ, παρόλο που για δίκτυα υψθλισ τάςεωσ (μζχρι 300 kv) και υπερφψθλθσ τάςεωσ ( kv) δεν αντιπροςωπεφουν επικίνδυνεσ καταπονιςεισ για τισ μονϊςεισ, παίηουν ςθμαντικό ρόλο, γιατί βάςει αυτϊν γίνεται θ εκλογι των ςυςκευϊν προςταςίασ και ζτςι κακορίηουν, ζμμεςα, τθν μόνωςθ των 12

13 πιο δαπανθρϊν τμθμάτων του ςυςτιματοσ. Οι μεταβατικζσ υπερτάςεισ χειριςμϊν ζχουν διάρκεια πολφ μικρότερθ από τισ δυναμικζσ (μερικζσ εκατοντάδεσ μs ζωσ μερικά ms) αλλά κατά κανόνα ςθμαντικά μεγαλφτερο εφροσ. Οι μεταβατικζσ υπερτάςεισ χειριςμϊν αποτελοφν μια κατθγορία καταπονιςεων που απζκτθςε ςθμαςία μόνο μετά τθν ειςαγωγι των δικτφων υπερφψθλθσ τάςεωσ (πάνω από 300 kv). Οι υπερτάςεισ χειριςμϊν, όπωσ και οι δυναμικζσ, είναι ανάλογεσ προσ τθν τάςθ κανονικισ λειτουργίασ και κατά ςυνζπεια το εφροσ τουσ αυξάνει με τθν αφξθςθ τθσ τάςθσ κανονικισ λειτουργίασ. Αντίκετα, οι υπερτάςεισ που μποροφν να αναπτυχκοφν από ατμοςφαιρικά αίτια είναι ςχεδόν ανεξάρτθτεσ από τα ιδιαίτερα χαρακτθριςτικά του θλεκτρικοφ ςυςτιματοσ. Για το λόγο αυτό, ςτα ςυςτιματα χαμθλότερθσ τάςθσ (μζχρι 300 kv), οι ατμοςφαιρικζσ υπερτάςεισ είναι πιο κρίςιμεσ από τισ μεταβατικζσ υπερτάςεισ χειριςμϊν και ζτςι θ ςχεδίαςθ τθσ μόνωςθσ τουσ γίνεται βάςει των ατμοςφαιρικϊν υπερτάςεων. Επίςθσ οι υπερτάςεισ μποροφν να διακρικοφν ακόμα ανάλογα με τθ διάρκεια και το ςχιμα τθσ κυματομορφι τουσ ςε τζςςερισ κατθγόριεσ *2]: α) Διαρκείσ Υπερτάςεισ β) Ρροςωρινζσ Υπερτάςεισ γ) Μεταβατικζσ Υπερτάςεισ δ) Σφνκετεσ Υπερτάςεισ αποτελοφν τθν ταυτόχρονθ φπαρξθ δφο ι περιςςότερων υπερτάςεων Διαρκήσ ονομάηεται μία υπζρταςθ ςτακερισ τιμισ θ οποία μπορεί να ςυμβαίνει διαρκϊσ. Προςωρινή ονομάηεται μία υπζρταςθ με ςχετικϊσ μακρά διάρκεια, θ οποία μπορεί να αποςβζνεται αςκενϊσ ι όχι και θ ςυχνότθτα τθσ μπορεί να είναι μικρότερθ ι μεγαλφτερθ τθσ ςυχνότθτασ τθσ τάςθσ του δικτφου. Μεταβατική ονομάηεται μια μικρισ διάρκειασ (μερικϊν ms ι και λιγότερο) υπζρταςθ με ταλάντωςθ ι όχι και ςυνικωσ με ιςχυρι απόςβεςθ. Τζλοσ ζνα ακόμθ κριτιριο για τθν κατάταξθ των υπερτάςεων αποτελεί ο χρόνοσ μετϊπου τουσ. Σφμφωνα με το ςφγγραμμα Υψθλζσ Τάςεισ οι υπερτάςεισ κατθγοριοποιοφνται με τον ακόλουκο τρόπο : α) Αργοφ μετϊπου με χρόνο ανόδου από 20 μs ζωσ 5000μsκαι χρόνο θμίςεωσ πλάτουσ μικρότερο των 20 μs. Μποροφν να εμφανιςτοφν ςε ζνα ςφςτθμα κυρίωσ λόγω χειριςμϊν ι ςφαλμάτων γθσ. β) Ταχζωσ μετϊπου με χρόνο ανόδου από 0.1 μs ζωσ 20 μs και χρόνο θμίςεωσ πλάτουσ μικρότερο των 300 μs. Μποροφν να εμφανιςτοφν ςε ζνα ςφςτθμα κυρίωσ λόγω άμεςου ι ζμμεςου πλιγματοσ κεραυνοφ ι και λόγω χειριςμϊν ι ςφαλμάτων ςτο ςφςτθμα. γ) Ρολφ ταχζωσ μετϊπου με χρόνο ανόδου μικρότερο των 0.1 μs, ςυνολικι διάρκεια μικρότερθ των 3 ms και με επάλλθλεσ ταλαντϊςεισ ςε ςυχνότθτεσ από 30 khz ζωσ 100 MHz. 13

14 Μποροφν να εμφανιςτοφν λόγω διακοπτικϊν χειριςμϊν ι ςφαλμάτων ςε υποςτακμοφσ με μόνωςθ πεπιεςμζνου αερίου. Τα ςτοιχεία αυτά παρουςιάηονται ςυνοπτικά ςτον παρακάτω πίνακα. Πίνακασ 1.1 ) Κατάταξθ υπερτάςεων *10]. Ζπειτα τθσ ομαδοποίθςθ τθσ μορφισ των καταπονιςεων από πειραματικζσ παρατθριςεισ, που παρουςιάηονται ςτα θλεκτρικά ςυςτιματα και των εξοπλιςμό αυτϊν, οι εξωτερικζσ και οι εςωτερικζσ υπερτάςεισ προςομοιϊνονται ςτο εργαςτιριο μζςω των κρουςτικϊν υψθλϊν τάςεων. Ρζραν τθσ χριςθσ τουσ ςτισ δοκιμζσ αντοχισ του εξοπλιςμοφ ςτισ διάφορεσ υπερτάςεισ που εμφανίηονται ςτα δίκτυα και ςτισ εγκαταςτάςεισ υψθλισ τάςθσ χρθςιμοποιοφνται εκτενϊσ και για τθν διερεφνθςθ τθσ διθλεκτρικισ ςυμπεριφοράσ των μονϊςεων. 14

15 1.3 ΜΟΝΨΕΙ Το ςφνολο των ςυςκευϊν και εγκαταςτάςεων που χρθςιμοποιοφνται για τθν παραγωγι, τθν μεταφορά και τθν χρθςιμοποίθςθ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ αποτελοφν ζνα ηλεκτρικό ςφςτημα. Πλεσ θλεκτρικζσ διατάξεισ του θλεκτρικοφ ςυςτιματοσ εξαρτϊνται κυρίωσ από δφο παραμζτρουσ: τθν ζνταςθ του θλεκτρικοφ ρεφματοσ από τθν οποία διαρρζεται το ςτοιχείο και τθν θλεκτρικι τάςθ που κα παρουςιάςει το ςτοιχείο αυτό προσ τθ γθ ι προσ άλλα ςτοιχεία του ςυςτιματοσ. Για τθν ςωςτι λειτουργία του ι αλλιϊσ για να εκπλθρϊςει τον προοριςμό του το ςτοιχείο αυτό, πρζπει να διαρρζεται από το ρεφμα λειτουργίασ του χωρίσ θ κερμοκραςία, θ οποία αναπτφςςεται λόγο αυτοφ, να ξεπερνάει οριςμζνο επιτρεπτό όριο και να υφίςταται τθν τάςθ που του επιβάλλεται χωρίσ να ςυμβαίνει θλεκτρικι διάςπαςθ μεταξφ του ςτοιχείου αυτοφ και τθσ γθσ ι μεταξφ άλλων γειτονικϊν ςτοιχείων. Ζτςι λοιπόν τα μζτρα τα οποία λαμβάνονται για να εξαςφαλιςτεί θ πρόλθψθ τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθσ αποτελοφν τθ μόνωση του συστήματος [1]. Θ μόνωςθ του εξοπλιςμοφ και των εγκαταςτάςεων τθσ υψθλισ τάςθσ είναι αναγκαία για τθν διατιρθςθ τθσ διαφοράσ δυναμικοφ μεταξφ των υπό υψθλϊν τάςθ αγϊγιμων μζρων. Ταυτόχρονα με τον κφριο προοριςμό τθσ, θ μόνωςθ μπορεί να ζχει και άλλουσ ρόλουσ όπωσ π.χ. θ μθχανικι ςτιριξθ των αγωγϊν ι τθν απαγωγι τθσ αναπτυςςόμενθσ κερμότθτασ. Θ κατάςταςθ και θ ςυμπεριφορά μιασ μόνωςθσ υψθλισ τάςθσ εξαρτάται [4] : α) Από τθν καταςκευι τθσ, τα διθλεκτρικά που τθν αποτελοφν και τισ ιδιότθτεσ τουσ, τθ διαμόρφωςθ των ςυνόρων τουσ, τθ ςχεδίαςθ και τθν βιομθχανοποίθςι τθσ. τουσ. β) Από τθσ καταπονιςεισ που υφίςταται, το είδοσ, τθ μορφι, το μζγεκοσ και τθ διάρκεια Τα μονωτικά υλικά ανάλογα με τθν φυςικι τουσ κατάςταςθ ςε κανονικζσ ςυνκικεσ λειτουργίασ (Κερμοκραςία 20ο C, Ρίεςθ P 0 =760 mmhg, Απόλυτθ υγραςία h 0 =11 g/m3) διακρίνονται ςε[1] : α) Αζρια (ατμοςφαιρικόσ αζρασ, εξαφκοριοφχο κείο SF 6 ) β) Τγρά (ορυκτζλαιο) γ) τερεά (χαρτί, γυαλί, πολυαικυλζνιο) Τα μονωτικά υλικά μπορεί να είναι διαχωριςμζνα μεταξφ τουσ ι αναμιγμζνα ςχθματίηοντασ ζτςι ζνα νζο μονωτικό υλικό ςκοπόσ του οποίου είναι να βελτιωμζνεσ θλεκτρικζσ κερμικζσ ι και μθχανικζσ ιδιότθτεσ. 15

16 Οι καταπονιςεισ τισ οποίεσ υφίςτανται οι μονϊςεισ είναι διάφορων μορφϊν και μπορεί να είναι ςυνεχείσ ι διακοπτόμενεσ, ςτακερζσ ι μεταβαλλόμενεσ ςτο χρόνο. Οι καταπονιςεισ των μονϊςεων υψθλισ τάςθσ μποροφν να ταξινομθκοφν ςε[2]: α) Ηλεκτρικζσ καταπονιςεισ οι οποίεσ μπορεί να οφείλονται τόςο ςε υπερτάςεισ (μόνιμεσ, παροδικζσ ι μεταβατικζσ) όςο και ςτθν κανονικι τάςθ λειτουργίασ του εξοπλιςμοφ τθ μόνωςθ του οποίου αποτελοφν. β) Θερμικζσ καταπονιςεισ οι οποίεσ οφείλονται ςτθν αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ των μονϊςεων του εξοπλιςμοφ θ οποία προζρχεται τόςο από τισ διθλεκτρικζσ απϊλειεσ όςο και από τισ απϊλειεσ Joule. Επίςθσ αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ μιασ μόνωςθσ μπορεί να προζλκει και από αυξθμζνθ κερμοκραςία του περιβάλλοντοσ ι από κακι λειτουργία του ςυςτιματοσ ψφξθσ. γ) Μηχανικζσ καταπονιςεισ που μπορεί να είναι είτε μόνιμεσ οφειλόμενεσ ςτθν καταςκευι και τθ λειτουργία του εξοπλιςμοφ είτε μεταβατικζσ εξαιτίασ βραχυκυκλωμάτων ι εξωτερικϊν καταπονιςεων. δ) Περιβαλλοντικζσ καταπονιςεισ δθλαδι καταπονιςεισ που προζρχονται από το περιβάλλον όπωσ ρφπανςθ, υγραςία, θλιακι ακτινοβολία κ.α. Σε γενικζσ γραμμζσ οι μονϊςεισ υφίςτανται τθ ςυνδυαςμζνθ εφαρμογι περιςςότερων τθσ μίασ καταπονιςεωσ ταυτόχρονα, από τισ οποίεσ θ μία χαρακτθρίηεται ωσ κφρια καταπόνθςθ. Υπό τθν επίδραςθ τζτοιων καταπονιςεων, ζνα μονωτικό υλικό μπορεί να υποςτεί μεταβολζσ των ιδιοτιτων του. Οι μεταβολζσ αυτζσ μπορεί να είναι παροδικζσ θ μόνιμεσ και μποροφν να επθρεάςουν κακοριςτικά τθν αξιοπιςτία του μονωτικοφ υλικοφ και ςυνεπϊσ του εξοπλιςμοφ τθσ υψθλισ τάςθσ ςτθν μόνωςθ του οποίου ςυμμετζχει. Θ μονωτικι ικανότθτα ενόσ μονωτικοφ υλικοφ ζναντι των καταπονιςεων, ενόσ διθλεκτρικοφ χαρακτθρίηεται από το μζγεκοσ τθσ διηλεκτρικήσ αντοχήσ [4]. Θ διθλεκτρικι αντοχι είναι θ μζγιςτθ πεδιακι ζνταςθ τθν οποία μπορεί να υποςτεί ζνα μονωτικό χωρίσ να απολζςει τθ μονωτικι ικανότθτα του, δθλαδι χωρίσ να διαςπαςκεί. Το μζγεκοσ τθσ διθλεκτρικισ αντοχισ είναι χαρακτθριςτικό μζγεκοσ για κάκε υλικό. Στον εξοπλιςμό υψθλισ ςυνικωσ ςυμμετζχουν ποικίλα μονωτικά υλικά που ςυνκζτουν τθ μόνωςι του γι αυτό είναι αναγκαία θ ειςαγωγι του γενικότερου μεγζκουσ τθσ ηλεκτρικήσ αντοχήσ Εd μίασ μόνωςθσ θ οποία ςτθν περίπτωςθ που θ μόνωςθ αποτελείται από ζνα μόνο μονωτικό ταυτίηεται με τθ διθλεκτρικι αντοχι του. Θ διθλεκτρικι αντοχι και θ θλεκτρικι αντοχι κεωροφνται διθλεκτρικά μεγζκθ κι εκφράηονται ςε kv/ cm. Κατά τον εργαςτθριακό προςδιοριςμό τθσ θλεκτρικισ αντοχισ μιασ μόνωςθσ ι ενόσ μονωτικοφ μετριζται θ τάςθ διάςπαςθσ Ud, δθλαδι θ τάςθ υπό τθν οποία ζνα μονωτικό χάνει προςωρινά ι μόνιμα τθ μονωτικι του ικανότθτα. Θ τάςθ διάςπαςθσ μεταβάλλεται με το πάχοσ του μονωτικοφ υλικοφ, με τθ διάταξθ των μονωτικϊν ςτθ μόνωςθ, με το χρόνο και τθ μορφι του πεδίου καταπόνθςθσ. 16

17 Ανάλογα με τισ περιβαλλοντικζσ ςυνκικεσ που πρόκειται να λειτουργιςει, θ μόνωςθ διακρίνεται ςε εςωτερικι και εξωτερικι [2]. Θ εςωτερική μόνωςη λειτουργεί ςτο εςωτερικό κλειςτϊν θλεκτρικϊν ςυςκευϊν ι εγκαταςτάςεων υψθλισ τάςθσ, χωρίσ να ζρχεται ςε επαφι με το εξωτερικό περιβάλλον και τον ατμοςφαιρικό αζρα π.χ. θ μόνωςθ των τυλιγμάτων μεταςχθματιςτι μζςα ςε μονωτικό λάδι. Ζτςι θ εςωτερικι μόνωςθ προςτατεφεται από τθν επίδραςθ του ατμοςφαιρικοφ αζρα και άλλων εξωτερικϊν παραγόντων όπωσ είναι θ ρφπανςθ, θ υγραςία και θ ςκόνθ. Θ εξωτερική μόνωςη λειτουργεί ςε επαφι με τον ατμοςφαιρικό αζρα ι ςυμμετζχει ςε αυτι και ο ίδιοσ ο ατμοςφαιρικόσ αζρασ. Θ εξωτερικι μόνωςθ μπορεί να λειτουργεί είτε ςε εςωτερικοφσ χϊρουσ (μονωτιρεσ ςτο εςωτερικό κτθρίου υποςτακμοφ) είτε ςε εξωτερικοφσ (μονωτιρεσ δικτφων) ΔΟΚΙΜΕ ΜΟΝΟΕΨΝ Επειδι ο ρόλοσ τθσ μόνωςθσ αποτελεί ςκοπό μεγάλθσ ςθμαςίασ, λόγο των διάφορων μορφϊν των καταπονιςεων που υφίςτανται κατά τθν λειτουργία τθσ, γενάτε θ ανάγκθ τθσ γνϊςθσ τθσ ςυμπεριφοράσ τουσ και ςτθν διατφπωςθ κανόνων ζτςι ϊςτε πριν τθν χριςθ αυτϊν για τθν εκπλιρωςθ τουσ ςκοποφ τουσ, να είναι ςε κζςθ να ανταπεξζλκουνε ςε κάκε μορφι καταπόνθςθσ που πρόκειται να υποςτοφν. Ο μόνοσ τρόποσ για να γίνει θ εκτίμθςθ τθσ μόνωςθσ και των θλεκτρικϊν χαρακτθριςτικϊν των διαφόρων μονωτικϊν υλικϊν είναι θ υποβολι τουσ ςε δοκιμζσ δθλαδι ςε θλεκτρικζσ καταπονιςεισ μζςα ςτο εργαςτιριο, όμοιεσ ι ιςοδφναμεσ με αυτζσ που πρόκειται να υποςτοφν κατά τθν λειτουργία τθσ θλεκτρικισ εγκαταςτάςεωσ. Θ μελζτθ αυτι γίνεται ςτα υλικά είτε λαμβανόμενα ξεχωριςτά από τθν εγκατάςταςθ είτε με τθν εγκατάςταςθ ι ςυςκευι πλιρωσ ςυναρμολογθμζνθ όπωσ π.χ. ζνασ μεταςχθματιςτισ, ζνα καλϊδιο, ζνασ πίνακασ ζνασ διακόπτθσ κ.α. Για τθν εκτζλεςθ των όποιων δοκιμϊν (διθλεκτρικϊν και μθ) απαιτοφνται εκτεταμζνεσ και πολυδάπανεσ εργαςτθριακζσ εγκαταςτάςεισ για τθν παραγωγι υψθλϊν εργαςτθριακϊν τάςεων όμοιων ι ιςοδφναμϊν με αυτζσ που εμφανίηονται ςτα δίκτυα, και για τθν μζτρθςθ και καταγραφι των διάφορων χαρακτθριςτικϊν των τάςεων αυτϊν όταν εφαρμόηονται ςτισ μονϊςεισ. Ο ςχεδιαςμόσ και ο ζλεγχοσ τθσ ποιότθτασ και τθσ ςυμπεριφοράσ των διάφορων μονωτικϊν υλικϊν πραγματοποιείται μζςω πειραμάτων και δοκιμϊν που γίνονται ςε ειδικά εργαςτιρια που μποροφν να παράγουν, να χειριςκοφν και να μετριςουν υψθλζσ τάςεισ. Τα εργαςτιρια αυτά είναι τα εργαςτιρια των υψθλϊν τάςεων. 17

18 1.4 ΚΡΟΤΣΙΚΕ ΣΑΕΙ Κάκε μονόφορθ τάςθ με μικρι διάρκεια μπορεί ςτθν θλεκτρικι ορολογία να χαρακτθριςτεί ωσ κρουςτικι τάςθ *2+. Μονόφορθ καλείται θ τάςθ που διατθρεί τθν πολικότθτα τθσ με τθν πάροδο του χρόνου, ακόμθ και αν το εφροσ τθσ μεταβάλλεται. Οι πιο ενδιαφζρουςεσ κρουςτικζσ τάςεισ είναι αυτζσ που παράγονται ςτα εργαςτιρια με κρουςτικζσ γεννιτριεσ για διθλεκτρικζσ δοκιμζσ. Από τθ μελζτθ του κυκλϊματοσ μιασ κρουςτικισ γεννιτριασ προκφπτει πωσ θ μορφι τθσ τάςεωσ, που παράγεται με αυτι, πλθςιάηει τθ μορφι μιασ διπλοεκκετικισ τάςεωσ δθλαδι αποτελείται από τθ διαφορά δφο φκινουςϊν εκκετικϊν τάςεων, που ζχει τθν αναλυτικι ζκφραςθ: V(t) = V(e -αt - e -βt ) Οι διπλοεκκετικζσ κρουςτικζσ τάςεισ χρθςιμοποιοφνται ςτο εργαςτιριο για τισ δοκιμζσ των μονϊςεων ζναντι των εξωτερικϊν και των εςωτερικϊν υπερτάςεων. Επίςθσ κάκε διπλοεκκετικι τάςθ, από τθν άποψθ καταπονιςεωσ των θλεκτρικϊν μονϊςεων χαρακτθρίηεται με τισ ακόλουκεσ τρεισ παραμζτρουσ *2]: Εφροσ: V Ο Διάρκεια μετϊπου: t f ι t cr Διάρκεια ουράσ: t h χήμα 1.4) Ραράμετροι διπλοεκκετικισ τάςθσ [13]. Το εφροσ VO είναι θ μζγιςτθ τιμι τθσ διπλοεκκετικισ τάςθσ. Το μζτωπο μπορεί να κακοριςτεί είτε με τον πραγματικό χρόνο t cr που παρζρχεται από τθ ςτιγμι ενάρξεωσ τθσ τάςεωσ μζχρι τθ ςτιγμι που παίρνει τθ μζγιςτθ τιμι τθσ, είτε με ζνα ςυμβατικό χρόνο t f δθλαδι το διάςτθμα μεταξφ των ςτιγμϊν που ο παλμόσ είναι 30 % και 90% τθσ τιμισ κορυφισ. 18

19 Ο πιο ςυνθκιςμζνοσ ςυμβατικόσ χρόνοσ που ςυναντάται ςτουσ περιςςότερουσ κανονιςμοφσ ορίηεται με τον τρόπο που φαίνεται ςτο παραπάνω ςχιμα και πιο ςυγκεκριμζνα ορίηεται ςαν 1,67 φορζσ του χρόνου που αντιςτοιχεί ςτα ςθμεία 30% ζωσ 90% του εφρουσ τθσ τάςθσ. Το ουςιαςτικό χαρακτθριςτικό όμωσ του μετϊπου μιασ κρουςτικισ τάςθσ είναι όχι τόςο θ διάρκεια αλλά θ κλίςθ, δθλαδι πόςο γριγορα θ τάςθ παίρνει τθ μεγαλφτερθ τιμι τθσ άρα ο ρυκμόσ με τον οποίο αυξάνει. Ζτςι ο ςκοπόσ των αντίςτοιχων χρόνων t f ι t cr ςε ςυνδυαςμό με τον εφροσ τθσ τάςεωσ είναι ο κακοριςμόσ τθσ κλίςθσ αυτισ. Θ ουρά κακορίηεται με τον χρόνο t h που θ τάςθ ζχει τιμι μεγαλφτερθ από το 50% του εφρουσ τθσ. Θ ουρά είναι αυτι που κακορίηει, μζχρι ενόσ ςθμείου, τθν διάρκεια τθσ κρουςτικισ τάςθσ. Επειδι το μζτωπο ζχει κατά κανόνα πολφ μικρότερθ διάρκεια από τθν οφρα, ο χρόνοσ t h μετριζται από τθν αρχι τθσ τάςθσ. Μια κρουςτικι τάςθ με μζτωπο t cr και ουρά t h ςυμβολίηεται με t cr /t q μs ΙΟΔΤΝΑΜΙΑ ΠΡΑΓΜΑΣΙΚΨΝ ΜΕ ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΕ ΚΡΟΤΣΙΚΕ ΣΑΕΙ Οι θλεκτρικζσ καταπονιςεισ που εμφανίηονται ςτα δίκτυα και ςτον αντίςτοιχο θλεκτρολογικό εξοπλιςμό από ατμοςφαιρικά θ εςωτερικά αίτια ζχουν ςυνικωσ ανϊμαλθ μορφι ενϊ ο αντίςτοιχοσ ζλεγχοσ των μονϊςεων και του αντίςτοιχου εξοπλιςμοφ των εγκαταςτάςεων γίνεται με τισ ομαλζσ διπλοεκκετικζσ τάςεισ που περιγράφθκαν παραπάνω οι οποίεσ παράγονται ςτα εργαςτιρια ελζγχου. Επειδι ςκοπόσ των δοκιμϊν είναι ο ζλεγχοσ τθσ ικανότθτασ τθσ μόνωςθσ να αντζχει τισ πραγματικζσ καταπονιςεισ, είναι αναγκαία θ γνϊςθ ιςοδυναμίασ μεταξφ πραγματικϊν και εργαςτθριακϊν καταπονιςεων. Θ ουςία τθσ ιςοδυναμίασ αυτισ είναι πωσ οι εργαςτθριακζσ και οι πραγματικζσ καταπονιςεισ δθμιουργοφν για τθν εξεταηόμενθ μόνωςθ τον ίδιο κίνδυνο διάςπαςθσ. Ρροκειμζνου να υπάρχει ομοιομορφία ςτισ διάφορεσ δοκιμζσ ζχει γίνει αναγκαίο να τυποποιθκοφν οι διπλοεκκετικζσ κρουςτικζσ τάςεισ. Αυτζσ λοιπόν χωρίηονται ςε μικρισ διάρκειασ μετϊπου ι ατμοςφαιρικζσ υπερτάςεισ (lightning impulses) και ςε μεγάλθσ διάρκειασ μετϊπου ι εςωτερικζσ ι διακοπτικζσ κρουςτικζσ τάςεισ (switching impulses). Για τισ ατμοςφαιρικζσ υπερτάςεισ (υπερτάςεισ κεραυνϊν ι εξωτερικζσ υπερτάςεισ) ζχει οριςτεί ωσ τάςθ δοκιμισ θ κροφςθ με χρόνουσ μετϊπου και ουράσ αντίςτοιχα 1.2/50 μs. Οι επιτρεπόμενεσ ανοχζσ δεν πρζπει να υπερβαίνουν για το εφροσ* το ±3%, για τθ διάρκεια μετϊπου το ±30% και τθν διάρκεια ουράσ το ±20% [2]. 19

20 Για τον ζλεγχο ζναντι υπερτάςεων χειριςμών δεν υπάρχει τυποποιθμζνθ μορφι γιατί κα ζπρεπε να εξαρτάται από το μικοσ του εκάςτοτε διακζνου. Ζτςι αναφζρεται ςυχνά ςαν τυποποιθμζνθ τάςθ χειριςμϊν θ κρουςτικι τάςθ με διάρκεια μετϊπου t cr = 250μs και διάρκεια ουράσ t h = 2500μs. Για τισ υπερτάςεισ χειριςμϊν θ ιςοδυναμία μεταξφ πραγματικϊν κι εργαςτθριακϊν κρουςτικϊν καταπονιςεων κακίςταται ακόμθ πιο πολφπλοκθ από τισ ατμοςφαιρικζσ υπερτάςεισ (κεραυνοφ) γιατί εκτόσ από τθν ανωμαλία τθσ μορφισ τουσ, απαιτείται και μεγαλφτερθ ακρίβεια ςτθ ςχεδίαςθ των μονϊςεων. Με δοκιμζσ ζχουν τελικά κακοριςτεί οριςμζνεσ βαςικζσ αρχζσ τθσ ιςοδυναμίασ αυτισ. Οι επιτρεπόμενεσ ανοχζσ για τισ εργαςτθριακζσ υπερτάςεισ χειριςμϊν είναι τισ τάξθσ του ±3% για το εφροσ*, για τθ διάρκεια μετϊπου το ±20% και τθν διάρκεια ουράσ το ±60% [2]. *Θ τιμι τθσ V ορίηεται για κάκε υλικό βάςθ των πινάκων του IEC 70-1 ανάλογα με τθν ονομαςτικι τάςθ του εξοπλιςμοφ [2]. Ραρακάτω παρουςιάηεται γραφικά θ μορφι που ζχουν τόςο θ εξωτερικι κρουςτικι τάςθ όςο και θ εςωτερικι [13]. χήμα 1.4.1) [13] α) Εξωτερικι κρουςτικι τάςθ. β) Εςωτερικι κρουςτικι τάςθ. 20

21 1.5 ΓΕΝΝΗΣΡΙΕ ΚΡΟΤΣΙΚΨΝ ΣΑΕΨΝ Από τθν μορφι τθσ χαρακτθριςτικισ των κρουςτικϊν τάςεων που περιγράφθκε παραπάνω, παρατθροφμε μια γριγορθ αφξθςθ τθσ τάςθσ μζχρι ενόσ ςθμείου όπου είναι και το μζγιςτο τθσ τιμισ αυτισ και ςτθ ςυνζχεια μείωςθ αυτισ με πιο αργό ρυκμό μζχρι και τον μθδενιςμό τθσ. Επομζνωσ οι κρουςτικζσ τάςεισ μποροφν να παραχκοφν από κυκλϊματα φόρτιςθσ-εκφόρτιςθσ κατάλλθλων ςτοιχείων ϊςτε να παραχκεί θ επικυμθτι κυματομορφι τθσ τάςθσ. Τζτοια κυκλϊματα αποτελοφν οι μονοβάθμιεσ ι πολυβάθμιεσ γεννήτριεσ κρουςτικϊν υψθλϊν τάςεων ΜΟΝΟΒΑΘΜΙΑ ΚΡΟΤΣΙΚΗ ΓΕΝΝΗΣΡΙΑ Το απλοφςτερο θλεκτρικό κφκλωμα μιασ μονοβάκμιασ γεννιτριασ κρουςτικϊν υψθλϊν τάςεων δίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα. χήμα 1.5.1) Κφκλωμα μονοβάκμιασ κρουςτικισ γεννιτριασ [10] Θ αρχι λειτουργίασ τθσ μονοβάκμιασ κρουςτικισ γεννιτριασ ζχει ωσ εξισ : Ο πυκνωτισ Cc (πυκνωτισ φόρτιςθσ) φορτίηεται αργά ςε ςυνεχι υψθλι τάςθ τιμισ Uo, όπου είναι και θ τάςθ φόρτιςθσ. Μόλισ διαςπαςτεί το βοθκθτικό διάκενο G, το οποίο δρα ςαν ζνασ διακόπτθσ περιοριςμοφ τάςθσ ελεγχόμενοσ από τάςθ, ο πυκνωτισ Cc ςυνδζεται με το υπόλοιπο κφκλωμα και φορτίηει τον πυκνωτι C f (πυκνωτήσ μετώπου) μζςω τθσ αντίςταςθσ R f (αντίςταςη μετώπου) θ τιμι τθσ οποίασ είναι κατά κανόνα πολφ μικρότερθ από τθν R t. Θ φόρτιςθ γίνεται με μια ςτακερά χρόνου R f C f. Κατά τθν διάρκεια φόρτιςθσ του C f ςχθματίηεται το μζτωπο τθσ κρουςτικισ τάςθσ πράγμα που δικαιολογεί για τθν Rf και τον C f τα ονόματα αντίςταςθ μετϊπου και πυκνωτισ μετϊπου αντίςτοιχα. Στθ ςυνζχεια και ςχεδόν ταυτόχρονα οι πυκνωτζσ Cc και C f εκφορτίηονται μζςω τθσ αντίςταςθσ R t (αντίςταςη ουράσ) με μια ςτακερά χρόνου (Cc + Cf) Rt. Θ αντίςταςθ Rt μζςω 21

22 τθσ οποίασ εκφορτίηονται οι πυκνωτζσ ελζγχει το ουραίο τμιμα τθσ κρουςτικισ τάςθσ. Θ τάςθ εξόδου τθσ γεννιτριασ U(t), είναι θ τάςθ κατά μικοσ του πυκνωτι φορτίου C f. Να ςθμειϊςουμε ότι θ χωρθτικότθτα C f αναπαριςτά το πλιρεσ φορτίο δθλαδι το υπό δοκιμι αντικείμενο, επίςθσ δε και όλα τα άλλα χωρθτικά ςτοιχεία που είναι παράλλθλα με το δοκίμιο όπωσ ςυςκευζσ μζτρθςθσ. Επίςθσ κατά τθν παραπάνω ανάλυςθ τθσ μονοβάκμιασ κρουςτικισ γεννιτριασ πρζπει να αναφζρουμε ότι αγνοοφνται οι αυτεπαγωγζσ πράγμα το οποίο είναι λογικό διότι γίνεται προςπάκεια μειϊςεωσ αυτϊν όςον το δυνατόν περιςςότερο. Επομζνωσ προκειμζνου να παραχκεί θ επικυμθτι κυματομορφι τθσ κρουςτικισ τάςθσ δθλαδι θ γριγορθ αφξθςθ τθσ τάςθσ μζχρι μια μζγιςτθ τιμι απαιτείται θ γριγορθ φόρτιςθ του πυκνωτι C f, ενϊ θ αργι μείωςθ τθσ προσ τθν μθδενικι τιμι απαιτείται θ αργι εκφόρτιςθ του παράλλθλου ςυνδυαςμοφ των C f και Cc. Οι απαιτιςεισ αυτζσ ικανοποιοφνται όταν ιςχφει : R t >> R f και Cc >>C f. Σφμφωνα με τα όςα αναφζρκθκαν θ διάρκεια του μζτωπο τθσ κρουςτικισ τάςθσ εξαρτάται από τθν ςτακερά χρόνου R f C f που κακορίηουν θ αντίςταςθ μετϊπου και θ χωρθτικότθτα μετϊπου ενϊ θ διάρκεια τθσ ουράσ από τθν ςτακερά χρόνου (C c + C f ) R t και επειδι Cc >>Cf θ διάρκεια είναι C c R t. Οι προςεγγιςτικζσ ςχζςεισ για τθν διάρκεια του μετϊπου και τθσ ουράσ μιασ κρουςτικισ τάςθσ δεδομζνου των τιμϊν των ςτοιχείων που απαρτίηουν τθν γεννιτρια και τα άλλα ςτοιχεία (Cf) είναι αντίςτοιχα [13] : Tcr = (2 3)R f C f ( Χρόνοσ μετϊπου ) Tq 0,7R t C c ( Χρόνοσ ουράσ ) Mία ςθμαντικι παράμετροσ των κρουςτικϊν γεννθτριϊν που πρζπει να ςθμειϊςουμε είναι θ μζγιςτθ αποκθκευμζνθ ενζργεια μιασ κρουςτικισ γεννιτριασ θ οποία μασ δίνεται από τθ ςχζςθ: W= C c ( V omax ) 2 και μασ δίνει τθν τιμι τθσ μζγιςτθσ αποκθκευμζνθσ ενζργειασ ςτθν χωρθτικότθτα φορτίςεωσ Cc. Επειδι θ Cc είναι πάντα πολφ μεγαλφτερθ από τθ C f, αυτό το μζγεκοσ κακορίηει κατά κφριο λόγο το κόςτοσ μίασ γεννιτριασ. 22

23 1.5.2 ΠΟΛΤΒΑΘΜΙΑ ΚΡΟΤΣΙΚΗ ΓΕΝΝΗΣΡΙΑ Για τθν παραγωγι πολφ υψθλϊν κρουςτικϊν τάςεων χρθςιμοποιοφνται οι πολυβάκμιεσ κρουςτικζσ γεννιτριεσ οι οποίεσ καταςκευάηονται από ζνα αρικμό ςτοιχειωδϊν βακμίδων και διζπονται από τθν ίδια αρχι λειτουργίασ με τισ μονοβάκμιεσ, με τθν διαφορά ότι περιςςότεροι του ενόσ πυκνωτζσ φορτίηονται παράλλθλα από μια πθγι ςυνεχοφσ τάςεωσ και εκφορτίηονται ςε ςειρά για τον ςχθματιςμό τθσ κρουςτικισ τάςεωσ. Βαςικό πλεονζκτθμα των πολυβάκμιων κρουςτικϊν γεννθτριϊν, που ζχει να κάνει με τον τρόπο καταςκευισ αυτϊν, ζναντι των μονοβάκμιων είναι ότι μποροφμε να διαλζξουμε των αρικμό των βακμίδων που κα χρθςιμοποιιςουμε πράγμα που ςθμαίνει ότι είμαςτε ςε κζςθ να επιλζξουμε τθν τιμι τθσ τάςεωσ εξόδου όποια και εάν είναι αυτι, δθλαδι λόγω των βακμίδων παράγουμε και αντίςτοιχα επίπεδα τάςεωσ. Θ κυκλωματικι διάταξθ μιασ πολυβάκμιασ κρουςτικισ γεννιτριασ (4 βακμίδεσ) δίνεται παρακάτω. χήμα 1.5.2) Κφκλωμα πολυβάκμιασ(4-βακμίδεσ) κρουςτικισ γεννιτριασ [11] Κάκε βακμίδα τθσ γεννιτριασ αποτελείται από ζνα πυκνωτι C1, μια αντίςταςθ R1 και ζνα ςπινκθριςτι Σ. Ο τρόποσ λειτουργίασ μιασ πολυβάκμιασ κρουςτικισ γεννιτριασ ζχει ωσ εξισ: Οι πυκνωτζσ C1 φορτίηονται παράλλθλα με τθν ςυνεχι τάςθ Ε. Μόλισ οι ςπινκθριςτζσ βραχυκυκλωκοφν οι πυκνωτζσ μαηί με τισ αντιςτάςεισ R2 ςυνδζονται ςε ςειρά και δίνουν το ρεφμα που ρζει προσ το φορτίο, ςχθματίηοντασ ζτςι το μζτωπο τθσ κρουςτικισ τάςθσ. Μετά ο κάκε πυκνωτισ C1 με τθν αντίςτοιχθ αντίςταςθ R1 και τον βραχυκυκλωμζνο ςπινκθριςτι κάκε βακμίδασ ςχθματίηει ζνα κλειςτό κφκλωμα όπου ο κάκε πυκνωτισ εκφορτίηεται ςτθν αντίςταςθ R1 και από αυτόν κυρίωσ το λόγο ςχθματίηεται θ ουρά τθσ κρουςτικισ τάςεωσ. Οι αντιςτάςεισ R3 που φαίνονται ςτο παραπάνω ςχιμα χρθςιμεφουν μόνο για να γίνει ο περιοριςμόσ του ρεφματοσ φορτίςεωσ των πυκνωτϊν C1 και δεν επθρεάηουν τθν μορφι τθσ 23

24 τάςεωσ που παράγεται από τθν γεννιτρια. Ζχουν γενικά μεγάλθ τιμι και ονομάηονται αντιςτάςεισ φόρτιςθσ. Οι αντιςτάςεισ R2 είναι οι αντιςτάςεισ μετϊπου και παίηουν το ρόλο ςτο ςχθματιςμό του μετϊπου τθσ κρουςτικι τάςθσ. Οι αντιςτάςεισ R1 ονομάηονται αντιςτάςεισ ουράσ και είναι οι αντιςτάςεισ μζςω των οποίων γίνεται θ εκφόρτιςθ των πυκνωτϊν C1. Θ μελζτθ των παραμζτρων μιασ πολυβάκμιασ κρουςτικισ γεννιτριασ ανάγεται ςτθ μελζτθ μιασ αντίςτοιχθσ μονοβάκμιασ γεννιτριασ με χωρθτικότθτα φορτίςεωσ Cϋ1 = C1/n όπου C1 θ χωρθτικότθτα ανά βακμίδα, αντίςταςθ ουράσ Rϋ1 = n*r1 χωρθτικότθτα μετϊπου C2 και αντίςταςθ μετϊπου Rϋ2 = n*r2. Το μζτωπο εξαρτάται από τθ ςτακερά χρόνου C2*n*R2 όπου C2 είναι θ χωρθτικότθτα του φορτίου και n ο αρικμόσ των βακμίδων τθσ γεννιτριασ ενϊ θ ουρά εξαρτάται από τθ ςτακερά χρόνου Rϋ1*Cϋ1=( C1/n)*(n*R1)=C1*R1, παρατθροφμε ότι θ ουρά πλθςιάηει τθν τιμι που αντιςτοιχεί ςε μια μόνο βακμίδα.[13] 24

25 Κεφάλαιο 2 Ο ΑΝΑΚΟΠΗΗ ΣΗΝ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΔΙΑΠΑΗ ΔΙΑΚΕΝΨΝ ΑΕΡΑ 2.1 ΔΙΑΚΕΝΑ ΑΕΡΑ Ο ατμοςφαιρικόσ αζρασ είναι από τα πρϊτα υλικά που χρθςιμοποιικθκαν ςαν μονωτικά ςε θλεκτρικζσ εφαρμογζσ των Υψθλϊν Τάςεων. Αποτελεί τθν μόνωςθ πολλϊν θλεκτροτεχνικϊν διατάξεων όπωσ είναι οι διακόπτεσ φορτίου (αποηεφκτεσ), πίνακεσ υψθλισ τάςεωσ, μεταςχθματιςτζσ κ.α. Από τα χιλιάδεσ χιλιόμετρα των εναζριων γραμμϊν μεταφοράσ γίνεται αντιλθπτό ότι ο ατμοςφαιρικόσ αζρασ αποτελεί το περιςςότερο χρθςιμοποιοφμενο μονωτικό, από τθν κατθγορία των αζριων μονωτικϊν υλικϊν. Θ χρθςιμοποίθςθ του είναι από τισ πιο ενδιαφζρουςεσ εφ όςον ο αζρασ ςαν υλικό ζχει μθδενικό κόςτοσ. Το ςπουδαιότερο πλεονζκτθμά του, εκτόσ από το μθδενικό του κόςτοσ, είναι ότι αποτελεί μια επανορθοφμενη μόνωςθ δθλαδι μετά από μία διάςπαςθ, ανακτά πλιρωσ τισ ιδιότθτζσ του, ςε αντίκεςθ με άλλα μονωτικά υλικά τα οποία τισ περιςςότερεσ φορζσ υπόκεινται ςε μόνιμεσ βλάβεσ ζπειτα τισ διαςπάςεωσ τουσ από τισ διάφορεσ μορφζσ καταπονιςεωσ και επιταχφνεται θ διαδικαςία γιρανςθσ τθσ μόνωςθσ τουσ.. Το βαςικό μειονζκτθμά του είναι ότι οι διατάξεισ με μόνωςθ αζρα ζχουν μεγάλεσ διαςτάςεισ ςε ςχζςθ με διατάξεισ που χρθςιμοποιοφν άλλα μονωτικά υλικά ωςτόςο τα τελευταία χρόνια ζχουν γίνει αρκετζσ ζρευνεσ με ςκοπό τθν ανάπτυξθ αζριων μονωτικϊν με καλφτερα χαρακτθριςτικά από εκείνα του ατμοςφαιρικοφ αζρα. Τα πλεονεκτιματα όμωσ που παρουςιάηει ζναντι των υπόλοιπων μονωτικϊν υλικϊν ςυντελοφν ςτθν ευρεία χρθςιμοποίθςθ του ςαν μονωτικό υλικό και μόνο αν υπάρχουν λόγοι περιοριςμζνου χϊρου, λειτουργικοί, αιςκθτικοί ι οικονομικοί χρθςιμοποιοφνται άλλα υλικά. Για τθν διαμόρφωςθ τθσ μόνωςθσ ατμοςφαιρικοφ αζρα πρζπει να είναι γνωςτι θ ςυμπεριφορά του αζρα ςτισ διάφορεσ θλεκτρικζσ καταπονιςεισ. Θ επιςτθμονικι διερεφνθςθ τθσ διθλεκτρικισ ςυμπεριφοράσ του αζρα άρχιςε από πολφ νωρίσ με τισ βαςικζσ ζρευνεσ των Townsend, Raether, Loeb, Meek και άλλων ερευνθτϊν [6]. Ραράλλθλα με τθ διερεφνθςθ βαςικϊν χαρακτθριςτικϊν τθσ θλεκτρικισ εκκζνωςθσ, αναπτφχκθκε και μία θμιεμπειρικι τεχνικι για τον υπολογιςμό των αναγκαίων αποςτάςεων για τθ μόνωςθ. 25

26 Τα διάκενα αζρα που είναι και το βαςικό αντικείμενο τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ είναι βαςικζσ διατάξεισ μόνωςθσ που χρθςιμοποιοφνται ςτισ υψθλζσ τάςεισ και ςε χαμθλότερεσ τάςεισ και ςτον αντίςτοιχο θλεκτρολογικό εξοπλιςμό. Τα διάκενα αζρα απαντϊνται κακθμερινά ςτισ γραμμζσ μεταφοράσ και διανομισ, όπου χρθςιμοποιοφνται τα διάκενα αγωγοφ-αγωγοφ, αγωγοφ-πυλϊνα, αγωγοφ-γθσ ι άλλων επίγειων καταςκευϊν. Θ αδυναμία τθσ διερεφνθςθσ τθσ ςυμπεριφοράσ του αζρα και των αντίςτοιχων διακζνων αυτοφ, κάτω από τισ ποικίλεσ μορφζσ των θλεκτρικϊν καταπονιςεων που εμφανίηονται ςτισ θλεκτρικζσ εγκαταςτάςεισ, οδιγθςε ζπειτα από μελζτεσ και πειραματικζσ παρατθριςεισ τθν κακιζρωςθ βαςικϊν μορφϊν διακζνων (όςον αφορά τθν γεωμετρία τουσ) τα οποία χρθςιμοποιοφνται εδϊ και πολλζσ δεκαετίεσ ςτα εργαςτιρια των υψθλϊν τάςεων για να γίνει γνωςτι θ διθλεκτρικι ςυμπεριφορά τουσ. Θ γνϊςθ τθσ διθλεκτρικισ ςυμπεριφοράσ τουσ μπορεί να οδθγιςει ςτθν πρόβλεψθ και ςτθν κζςπιςθ κανόνων για τθν διθλεκτρικι ςυμπεριφορά ενόσ μεγαλφτερου αρικμοφ διακζνων. Τα χρθςιμοποιοφμενα διάκενα ςιμερα ςε πειραματικζσ διατάξεισ είναι τα διάκενα ςφαίρασ-ςφαίρασ, πλάκασ-πλάκασ, ράβδου-ράβδου ι ακίδασ-ακίδασ και ράβδου- πλάκασ ι ακίδασ-πλάκασ. Οι βαςικζσ αυτζσ μορφζσ διακζνων φαίνονται ςτο παρακάτω ςχιμα. Σφαίρα-ςφαίρα Ρλάκα-πλάκα άβδοσ-ράβδοσ άβδοσ-πλάκα χήμα 2.1) Βαςικζσ μορφζσ διακζνων αζρα [8]. Το διάκενο ακίδασ-πλάκασ που είναι και το αντικείμενο τθσ παροφςασ διπλωματικισ προςομοιϊνει εργαςτθριακά πολλά διάκενα που ςυναντϊνται ςτθν πράξθ και κακθμερινά, όπωσ για παράδειγμα τα διάκενα αγωγοφ-γθσ ςε μια εναζρια γραμμι μεταφοράσ. Θ διθλεκτρικι ςυμπεριφορά του ζχει αποτελζςει αντικείμενο εκτενοφσ ζρευνασ, κακϊσ κεωρείται αντιπροςωπευτικό των ανομοιογενϊν διακζνων επειδι θ πεδιακι ζνταςθ ςτο χϊρο του διακζνου μεταβάλλεται ζντονα λόγω τθσ γεωμετρίασ των θλεκτροδίων του. 26

27 2.2 ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΔΙΑΠΑΗ Ο όροσ θλεκτρικι διάςπαςθ (electrical breakdown) αναφζρεται ςτθν απϊλεια των μονωτικϊν ιδιοτιτων ενόσ μονωτικοφ υλικοφ. Υπό κανονικζσ ςυνκικεσ λειτουργίασ, οι μονϊςεισ διαρρζονται μόνο από το ρεφμα τθσ διθλεκτρικισ μετατόπιςθσ ωςτόςο υπό υψθλότερθ τάςθ μπορεί να παρατθρθκεί ζνα μικρό ρεφμα αγωγιμότθτασ κυρίωσ ωσ αποτζλεςμα ανάπτυξθσ μερικϊν εκκενϊςεων, όπου πρόκειται για φαινόμενα ιονιςμοφ του διθλεκτρικοφ μζςου ςε περιοχζσ υψθλισ θλεκτρικισ πεδιακισ ζνταςθσ αυτοφ, ενϊ υπό τάςθ μεγαλφτερθ θ μόνωςθ διαρρζεται από μεγάλο ρεφμα αγωγιμότθτασ μζςω θλεκτρικισ εκκζνωςθσ που τθ γεφυρϊνει και ζτςι χάνει τισ μονωτικζσ ιδιότθτζσ τθσ και επζρχεται θ θλεκτρικι διάςπαςθ τθσ. Θ τάςθ υπό τθν οποία επζρχεται θ θλεκτρικι διάςπαςθ καλείται τάςθ διάςπαςθσ 2.3 ΔΙΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΤΜΠΕΡΙΥΟΡΑ ΣΟΤ ΑΕΡΑ [1,2] Υπό κανονικζσ ςυνκικεσ κερμοκραςίασ και πίεςθσ ο ατμοςφαιρικόσ αζρασ παρουςιάηει ιδιότθτεσ μονωτικοφ. Θ αγωγι ςτον αζρα ςε χαμθλό πεδίο είναι τθσ τάξθσ του A/cm 2 (j=i/ επιφάνεια = 1000/5x10 19 ).Τα βαςικά ςυςτατικά του αζρα, το άηωτο, το οξυγόνο και μικρότερεσ προςμίξεισ άλλων αερίων, εμφανίηονται ωσ ουδζτερα μόρια και άτομα. Εκτόσ όμωσ από τα ουδζτερα μόρια και άτομα ο αζρασ περιζχει και ζνα μικρό αρικμό κετικϊν και αρνθτικϊν ιόντων και ελευκζρων θλεκτρονίων τα οποία προζρχονται λόγω του φυςικοφ ιονιςμοφ (Ιονιςμόσ είναι το φαινόμενο πρόςλθψθσ ι απϊλειασ θλεκτρονίων ςε ζνα θλεκτρικά ουδζτερο άτομο). Φυςικζσ αιτίεσ όπωσ θ κοςμικι ακτινοβολία και θ φυςικι ραδιενζργεια του εδάφουσ επιδροφν ςτα ουδζτερα μόρια και άτομα και αποςποφν από αυτά ζνα ι περιςςότερα θλεκτρόνια δθμιουργϊντασ ζτςι ζνα κετικό ιόν και ζνα ι περιςςότερα ελεφκερα θλεκτρόνια ΔΙΑΔΙΚΑΙΕ ΙΟΝΙΜΟΤ ΚΑΙ ΗΛΕΚΣΡΟΝΙΚΟ ΠΟΛΛΑΠΛΑΙΑΜΟ Σε ζνα αζριο που δεν υπόκειται ςε θλεκτρικό πεδίο θ μζςθ ενζργεια των θλεκτρονίων οφείλεται μόνο ςτθ κερμοκραςία τουσ και είναι πολφ μικρι (t=20 o C, 0,025 ev) [6]. Πταν ςε μια ποςότθτα αζρα επιβλθκεί θλεκτρικό πεδίο, όλα τα ιόντα και θλεκτρόνια αποκτοφν εκτόσ από τθν άτακτθ κερμικι τουσ κίνθςθ και μια κατευκυνόμενθ ταχφτθτα ανάλογθ του πεδίου, και ζτςι ςτθ κερμικι ενζργεια των θλεκτρονίων προςτίκεται και θ κινθτικι ενζργεια που οφείλεται ςτο θλεκτρικό πεδίο. Κατά τθν κατευκυνόμενθ αυτι κίνθςθ τουσ λόγω τθσ επίδραςθσ του εξωτερικά επιβαλλόμενου πεδίου, θλεκτρόνια και ιόντα ςυγκροφονται με τα μόρια του αζρα και τα πρϊτα μεταφζρουν ςτα δεφτερα μζροσ τθσ κινθτικισ τουσ ενζργειασ. Από τουσ νόμουσ τθσ 27

28 κροφςεωσ τα βαριά ιόντα μεταφζρουν μικρό μόνο μζροσ τθσ κινθτικισ τουσ ενζργειασ και θ ςυμβολι τουσ είναι αμελθτζα ςυγκριτικά με τα θλεκτρόνια τα οποία μετά από κάκε κροφςθ μεταφζρουν πολφ μεγαλφτερο ποςοςτό τθσ κινθτικισ τουσ ενζργειασ. Θ μζςθ ταχφτθτα, και κατά ςυνζπεια, θ κινθτικι ενζργεια που αποκτά ζνα ιόν ι θλεκτρόνιο ανάμεςα ςε δφο διαδοχικζσ κροφςεισ είναι ανάλογθ από το μζγεκοσ του επιβαλλόμενου θλεκτρικοφ πεδίου και από τθν μζςθ ελεφκερθ απόςταςθ ανάμεςα ςε δφο κροφςεισ θ οποία με τθ ςειρά τθσ εξαρτάται από τθν πυκνότθτα του αζρα. Ζνα ελεφκερο θλεκτρόνιο υπό τθν επίδραςθ ενόσ εξωτερικοφ πεδίου, ςυγκρουόμενο με ζνα ουδζτερο μόριο μπορεί να προκαλζςει τισ ακόλουκεσ αντιδράςεισ[6,8,12]: Εάν θ ενζργεια του θλεκτρονίου είναι μικρι και το ουδζτερο μόριο ι άτομο δεν ζχει τθ δυνατότθτα ενςωμάτωςθσ πρόςκετων θλεκτρονίων (ζλλειψθ θλεκτραρνθτικότθτασ) μπορεί να ςυμβεί μόνο μθχανικι ανταλλαγι ενζργειασ. Πςο το θλεκτρικό πεδίο είναι ςχετικά χαμθλό θ ενζργεια που μεταφζρεται μετά από κάκε κροφςθ από το θλεκτρόνιο ςε ζνα ουδζτερο μόριο ι άτομο, είναι μικρι και ζτςι θ κροφςθ δεν ζχει άλλθ ςυνζπεια παρά μόνο τθν μεταβολι των ταχυτιτων αυτϊν και μια τζτοια κροφςθ καλείται ελαςτικι κροφςθ. Εάν το ουδζτερο μόριο ι άτομο παρουςιάηει θλεκτραρνθτικότθτα το θλεκτρόνιο μπορεί να ενςωματωκεί ςε αυτό και να προκφψει ζνα αρνθτικό ιόν. Εάν το θλεκτρικό πεδίο είναι μεγαλφτερο, άρα και θ ενζργεια του θλεκτρονίου, είναι δυνατόν κατά τθν κροφςθ θ μεταφερόμενθ ενζργεια ςτο ουδζτερο άτομο από το θλεκτρόνιο να προκαλζςει πλιρθ απόςπαςθ (απελευκζρωςθ) ενόσ θλεκτρονίου, γεγονόσ που καλείται ιονιςμόσ από κροφςη, είτε να μεταφζρει ζνα θλεκτρόνιο από μια χαμθλότερθ ςτοιβάδα ςε μια υψθλότερθ και που καλείται διζγερςη. Λονιςμόσ μπορεί να ςυμβεί και ςε περιςςότερεσ από μία βακμίδεσ, να γίνει δθλαδι πρϊτα διζγερςθ και ςτθ ςυνζχεια απόςπαςθ ι με τθν μεταφορά ενζργειασ όχι εξαιτίασ κροφςεωσ αλλά από ζνα φωτόνιο (Φωτοϊονιςμόσ). Με τον ιονιςμό από κροφςεισ, δθμιουργοφνται νζα θλεκτρόνια. Τα νζα αυτά θλεκτρόνια υπό τθν επίδραςθ του πεδίου επιταχφνονται προκαλϊντασ νζουσ ιονιςμοφσ. Ζτςι ζνα αρχικό ελεφκερο θλεκτρόνιο πολλαπλαςιάηεται ςυνεχϊσ και ζτςι δθμιουργείται μια θλεκτρονικι ςτοιβάδα. Μια ςχθματικι παράςταςθ θλεκτρονικισ ςτοιβάδασ και τθσ κατανομισ των φορτίων μζςα ςε αυτι δείχνεται ςτο παρακάτω ςχιμα. χήμα 2.2) Σχθματικι παράςταςθ ςτοιβάδασ θλεκτρονίων και παραμόρφωςθ του πεδίου[1]. 28

29 Ππωσ παρατθροφμε ζχει μια θμιςφαιρικι κεφαλι που περιζχει το ςφνολο ςχεδόν των ελευκζρων θλεκτρονίων που ζχουν ςχθματιςκεί εκτόσ από εκείνα που ςυγκρατικθκαν από ουδζτερα άτομα και ςχθμάτιςαν αρνθτικά ιόντα και τθν ουρά που περιζχει το ςφνολο των κετικϊν ιόντων που προζκυψαν κατά τθν απόςπαςθ των θλεκτρονίων κακϊσ και λίγα αρνθτικά ιόντα που προζκυψαν από ενςωματϊςεισ θλεκτρονίων. Θ διάταξθ αυτι του θλεκτρικοφ φορτίου, των θλεκτρονίων ςτθν κεφαλι και των κετικϊν κυρίωσ ιόντων ςτθν ουρά τθσ ςτιβάδασ δθμιουργοφν το δικό τουσ θλεκτρικό πεδίο το οποίο υπερτίκεται ςτο εξωτερικά επιβαλλόμενο με ςυνζπεια τθν ενίςχυςθ του θλεκτρικοφ πεδίου ςτθν κεφαλι τθσ ςτοιβάδασ. Θ ενίςχυςθ αυτι είναι τόςο μεγαλφτερθ όςο μεγαλφτεροσ είναι και ο αρικμόσ των ελευκζρων θλεκτρονίων. Θ εξζλιξθ αυτι ςυνεχίηεται μζχρι που το ςυνολικό πεδίο μπροςτά από τθν κεφαλι τθσ ςτιβάδασ φτάνει μια κρίςιμθ τιμι. Θ κρίςιμθ αυτι τιμι του πεδίου εμφανίηεται όταν οι ςτιβάδα αποκτιςει κρίςιμο πολλαπλαςιαςμό που είναι θλεκτρόνια. Από εκεί και πζρα θ εξζλιξθ τθσ ςτιβάδασ μετατρζπεται ςε οχετό κορόνα (streamer) που αποτελεί τθν πρϊτθ μορφι εκκζνωςθσ μζςα ςτον αζρα γνωςτι με το όνομα κορόνα. Αυτι εμφανίηεται ςαν μια αίγλθ μικρισ φωτεινότθτασ και αγωγιμότθτασ. Ζνασ οχετόσ κορόνα που εμφανίηεται ςε ζνα διάκενο δεν αποτελεί ακόμα θλεκτρικι διάςπαςθ. Ανάλογα με τα χαρακτθριςτικά τθσ πθγισ και τθ διάταξθ των θλεκτροδίων, θ αρχικι αυτι μορφι διαςπάςεωσ μπορεί να περιοριςτεί ςτο φαινόμενο κορόνα ι να μεταπθδιςει ςτθν επόμενθ μορφι τον οχετοφ προεκκενώςεωσ (leader) που είναι πολφ φωτεινότεροσ και πιο αγϊγιμοσ από τον οχετό κορόνα. Από τθν παραπάνω ανάλυςθ γίνεται αντιλθπτό ότι θ αναλυτικι περιγραφι του φαινομζνου τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθσ του αζρα και γενικά των μονϊςεων είναι ιδιαίτερα δφςκολθ λόγω του ςτατιςτικοφ χαρακτιρα του φαινομζνου, τόςο τθσ διακεςιμότθτασ των αρχικϊν θλεκτρονίων όςο και των διαδικαςιϊν ιονιςμοφ. 2.4 ΕΠΙΔΡΑΗ ΣΗ ΜΟΡΥΗ ΣΟΤ ΗΛΕΚΣΡΙΚΟΤ ΠΕΔΙΟΤ ΣΗΝ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΔΙΑΠΑΗ ΣΨΝ ΔΙΑΚΕΝΨΝ ΑΕΡΑ Αναφζροντασ μορφι του θλεκτρικοφ πεδίου εννοοφμε ςτθν διάκριςθ που γίνεται ςε αυτό, ςε ομοιογενή και ανομοιογενή θλεκτρικό πεδίο. Θ μορφι ενόσ θλεκτρικοφ πεδίου ςε ζνα χϊρο που υφίςτανται θλεκτρικά φορτία εξαρτάται από τθ μορφολογία του διακζνου δθλαδι τθν γεωμετρία των θλεκτροδίων τθσ διάταξθσ, μεταξφ των οποίον επιβάλλεται τάςθ, και τθν μεταξφ τουσ απόςταςθ. Στο ομοιογενή ηλεκτρικό πεδίο θ τιμι τθσ ζνταςθσ αυτοφ είναι ςτακερι ςε όλα τα ςθμεία του διακζνου ενϊ ςτο ανομοιογενή ηλεκτρικό πεδίο θ τιμι τθσ ζνταςθσ του πεδίου είναι διαφορετικι ςτισ διάφορεσ κζςεισ του διακζνου. 29

30 Από τθν παραπάνω περιγραφι τθσ εξζλιξθσ μιασ ςτοιβάδασ θλεκτρονίων και τθ μετάβαςι τθσ ςτθ φάςθ του οχετοφ κορόνα γίνεται αντιλθπτό πωσ θ εξζλιξθ αυτι είναι διαφορετικι όταν το επιβαλλόμενο εξωτερικό πεδίο είναι ομοιογενζσ ι ανομοιογενζσ. Στισ επόμενεσ παραγράφουσ κα εξεταςτεί θ θλεκτρικι διάςπαςθ του αζρα τόςο ςε ομοιογενι όςο και ςε ανομοιογενι θλεκτρικά πεδία δεδομζνου ότι και τα δφο αυτά είδθ πεδίων απαντϊνται ςτθν πράξθ. Τα φαινόμενα τα οποία προθγοφνται τθσ διάςπαςθσ, δεν είναι τα ίδια ςτισ περιπτϊςεισ ομοιογενϊν και ανομοιογενϊν πεδίων. Στθν περίπτωςθ ανομοιογενοφσ πεδίου όταν θ τάςθ μεταξφ των δφο θλεκτροδίων του διακζνου αυξθκεί πζραν μιασ οριςμζνθσ τιμισ, εμφανίηονται διάφορεσ μορφζσ προεκκενϊςεωσ (Κορόνα) και μετά περαιτζρω αφξθςθ τθσ τάςθσ επζρχεται διάςπαςθ του διακζνου αζρα υπό τθ μορφι θλεκτρικοφ ςπινκιρα. Θ τελευταία αυτι τιμι τθσ τάςθσ καλείται τάςθ διάςπαςθσ. Στο ομοιογενζσ θλεκτρικό πεδίο οι δφο αυτζσ τάςεισ περίπου ςυμπίπτουν δθλαδι θ τελικι διάςπαςθ επζρχεται απότομα χωρίσ να προθγθκεί το ςτάδιο των προεκκενϊςεων. 2.5 ΔΙΑΠΑΗ ΣΟΤ ΑΕΡΑ Ε ΟΜΟΙΟΓΕΝΕ ΠΕΔΙΟ [1] Τυπικό παράδειγμα ενόσ ομοιογενοφσ θλεκτρικοφ πεδίου αποτελεί θ διάταξθ του ςχιματοσ 2.3-α, όπου αποτελείται από δφο διςκοειδι θλεκτρόδια (πλάκασ-πλάκασ) με ςτρογγυλεμζνα άκρα. Τα θλεκτρόδια αυτισ τθσ μορφισ λζγονται θλεκτρόδια Rogowski θ ειδικι δε αυτι διαμόρφωςθ των άκρων τουσ ςτοχεφει ςτο να κρατιςει το πεδίο κατά το δυνατό ομοιογενζσ ςτισ περιοχζσ αυτζσ. (α) Διάκενο ομοιογενοφσ θλεκτρικοφ πεδίου[5] χήμα 2.3) (β) Χαρακτθριςτικι ρεφματοσ-τάςθσ ςε ομοιογενζσ διάκενο[1] 30

31 Πταν ανάμεςα ςτα θλεκτρόδια που ςχθματίηουν το ομοιογενζσ πεδίο εφαρμοςτεί τάςθ, τα ελεφκερα θλεκτρόνια και ιόντα που βρίςκονται ςτο διάκενο παραςφρονται με αποτζλεςμα ακόμα και υπό πολφ μικρι τάςθ να προκφπτει ζνα αςκενζσ ρεφμα (μερικά pa). Πταν θ τάςθ αποκτιςει οριςμζνθ τιμι όλα τα παραγόμενα από φυςικά αίτια ιόντα και θλεκτρόνια παραςφρονται προσ τα θλεκτρόδια και τιμι τθσ ζνταςθσ i ςτακεροποιείται. Πταν θ τάςθ υπερβεί μια οριςμζνθ τιμι Uo όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα(2.3-β) αρχίηει ο ιονιςμόσ και ςε μια τιμι τθσ τάςεωσ Ud επζρχεται διάςπαςθ του διακζνου. Θ τάςθ διάςπαςθσ Ud ενόσ διακζνου αζροσ ομοιογενοφσ πεδίου ζχει δειχτεί πειραματικά πωσ εξαρτάται από τθν πυκνότθτα n του αζρα (n : μόρια ανά cm 3 ) επί το μικοσ του διακζνου d και επειδι για ςτακερι κερμοκραςία θ πυκνότθτα εξαρτάται από τθν πίεςθ p, άρα θ τάςθ διάςπαςθσ εξαρτάται από το γινόμενο pd. Θ εξάρτθςθ αυτι ονομάηεται νόμοσ του Paschen. Από παρεμβολι πολυάρικμων πειραματικϊν αποτελεςμάτων διατυπϊκθκε για των αζρα θ εμπειρικι ςχζςθ: Ud=25.4(pd) Ud : ςε kv, P = x όπου Pa θ ςχετικι πίεςθ ωσ προσ 1013 mbar και t=20 0 C d : το μικοσ του διακζνου Για αζρα ατμοςφαιρικισ πίεςθσ και t=20 0 C (p=1 bar) και απόςταςθ διακζνου d=1 cm θ παραπάνω ςχζςθ δίνει Ud/d=32 kv/cm. Για d=10 cm δίνει Ud/d=27.5 kv/cm ενϊ για ακόμθ μεγαλφτερα διάκενα δίνει ακόμα χαμθλότερθ τιμι. Γιϋ αυτό θ τάςθ διάςπαςθσ του ατμοςφαιρικοφ αζρα ςε ομοιογενζσ πεδίο είναι kv. Θ διάςπαςθ λοιπόν ςε ζνα ομοιογενζσ διάκενο ςυμβαίνει μόλισ θ ομοιόμορφθ πεδιακι ζνταςθ ςε αυτό υπερβεί μια κατϊτερθ τιμι που για τον ατμοςφαιρικό αζρα είναι περίπου τα 25 kv. Στο ομοιογενζσ πεδίο θ αναγκαία πεδιακι ζνταςθ διάςπαςθσ είναι ανεξάρτθτθ από τθ μορφι και τθν πολικότθτα τθσ τάςθσ. Ζτςι θ απαιτοφμενθ τάςθ Ud (kv) για τθ διάςπαςθ ενόσ ομοιογενοφσ διακζνου κα είναι : Ud= 25d [1,12]. 31

32 2.6 ΔΙΑΠΑΗ ΣΟΤ ΑΕΡΑ Ε ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕ ΠΕΔΙΟ [1] Θ περίπτωςθ τθσ διάςπαςθσ του ατμοςφαιρικοφ αζρα ςε ανομοιογενι θλεκτρικά πεδία είναι θ πλζον ςυνικθσ ςτθν πράξθ. Θ θλεκτρικι διάςπαςθ ςτα ανομοιογενι πεδία εξαρτάται από πολλοφσ παράγοντεσ όπωσ τθ μορφολογία του διακζνου, το μικοσ και τθ γεωμετρία των θλεκτροδίων αυτοφ, το είδοσ και το εφροσ τθσ εφαρμοηόμενθσ τάςθσ κακϊσ και τισ ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ. Ζνα διάκενο που παρουςιάηει κατ εξοχιν ανομοιογενζσ πεδίο ςχθματίηεται από ζνα επίπεδο και μια ράβδο κάκετθ προσ αυτό. Γίνεται εφκολα αντιλθπτό πωσ θ ζνταςθ του πεδίου μπροςτά ςτθ ράβδο ζχει πολφ μεγαλφτερεσ τιμζσ παρά μπροςτά ςτο επίπεδο όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα (2.4). χήμα 2.4) Θλεκτρικό πεδίο διακζνου ράβδου-επιπζδου [1,12]. Ζνα μζγεκοσ που χαρακτθρίηει ζνα ανομοιογενζσ πεδίο είναι ο λόγοσ : θ= Eav/Emax όπου Eav=U/d είναι θ μζςθ πεδιακι ζνταςθ, που προκφπτει ςαν ο λόγοσ τθσ επιβαλλόμενθσ τάςθσ προσ τθν απόςταςθ των θλεκτροδίων, και Emax θ μζγιςτθ πεδιακι ζνταςθ που εμφανίηεται ςε κάποια κζςθ του θλεκτροδίου. Ο λόγοσ θ= Eav/Emax ονομάηεται ςυντελεςτήσ χρηςιμοποιήςεωσ και παίρνει τιμζσ μικρότερεσ ι ίςεσ με τθ μονάδα. Ο ςυντελεςτισ χρθςιμοποιιςεωσ δείχνει το πόςο καλά μπορεί να γίνει θ εκμετάλλευςθ ενόσ οριςμζνου μικουσ διακζνου χωρίσ το Emax να υπερβεί μια κρίςιμθ τιμι ςτθν οποία αρχίηει ο ιονιςμόσ(25 kv). Συχνά χρθςιμοποιείται ο ςυντελεςτισ 1/θ αντί του θ που ονομάηεται ςυντελεςτισ πεδίου και δείχνει το πόςο μεγαλφτερο είναι το μζγιςτο πεδίο από το μζςο θλεκτρικό πεδίο. Στο ανομοιογενζσ για να αρχίςει ο ιονιςμόσ από κροφςεισ θλεκτρονίων που είναι και ο βαςικόσ μθχανιςμόσ για τθ διάςπαςθ του αζρα, απαιτείται ζνα αρκετά υψθλό πεδίο, που όπωσ προκφπτει πειραματικά πρζπει να υπερβαίνει τα 25kV/cm. Σε ζνα ανομοιογενζσ πεδίο μόλισ εφαρμοςκεί μια τάςθ U αρκετά υψθλι, ζτςι ϊςτε το μζγιςτο πεδίο που κα εμφανιςκεί ςτο διάκενο να υπερβαίνει τθν κρίςιμθ πεδιακι ζνταςθ 32

33 ενάρξεωσ ιονιςμοφ (25kV/cm) τότε κα πλθροφται θ βαςικι ςυνκικθ τθσ ενάρξεωσ των διαδικαςιϊν ιονιςμοφ και του ςχθματιςμοφ των θλεκτρονικϊν ςτοιβάδων. Θ ςυνκικθ αυτι όμωσ δεν είναι αρκετι για τθν μετατροπι των αρχικϊν ςτοιβάδων ςε οχετοφσ και αυτό διότι θ πεδιακι ζνταςθ ςε ζνα ανομοιογενζσ πεδίο είναι, από οριςμό, διάφορθ ςτα διάφορα ςθμεία του διακζνου ςε αντίκεςθ με το ομοιογενζσ όπου θ αναγκαία πεδιακι ζνταςθ για τθν ζναρξθ ιονιςμοφ κροφςεων αποκακίςταται ταυτόχρονα ςε όλα τα ςθμεία του διακζνου και ζτςι, μόλισ αρχίςει ο ιονιςμόσ, το εξωτερικά επιβαλλόμενο πεδίο, ενιςχυμζνο και από το πεδίο του φορτίου χϊρου, δθμιουργεί ςχεδόν ακαριαία ςυνκικεσ για πολφ ταχεία εξάπλωςθ τθσ εκκζνωςθσ μζχρι που να ςυμπλθρωκεί πλιρεισ θλεκτρικι διάςπαςθ που ιςοδυναμεί με πλιρεσ βραχυκφκλωμα των δφο θλεκτροδίων. Σε ζνα ανομοιογενζσ πεδίο για τθν μετατροπι αυτι, δθλαδι των αρχικϊν ςτοιβάδων ςε οχετοφσ, κα πρζπει να επικρατεί επαρκισ πεδιακι ζνταςθ ςε μια κάπωσ εκτεταμζνθ περιοχι του διακζνου ζτςι ϊςτε θ αρχικι ςτοιβάδα να ζχει τθ δυνατότθτα να πολλαπλαςιαςτεί αρκετά και να μετατραπεί ςε οχετό ο οποίοσ αποτελεί και τθν ζναρξθ του φαινομζνου γνωςτοφ με το όνομα κορόνα. Για τθν ζναρξθ κορόνα πρζπει να πλθροφνται οι ακόλουκεσ δφο ςυνκικεσ : α) να δθμιουργθκεί ςε κάποια κζςθ του διακζνου πεδιακι ζνταςθ Emax > 25 kv, β) θ περιοχι ςτθν οποία επικρατοφν πεδιακζσ εντάςεισ αρκετά υψθλζσ για τθν εξζλιξθ τθσ ςτοιβάδασ να εκτείνεται ςε αρκετό μικοσ ϊςτε να προφκάςει θ ςτοιβάδα να αποκτιςει κρίςιμο πολλαπλαςιαςμό πριν είτε εξζλκει από τθν περιοχι επαρκϊν πεδιακϊν εντάςεων είτε ςυναντιςει το κετικό θλεκτρόδιο και εξουδετερωκεί. Θ δυο παραπάνω ςυνκικεσ αποτελοφν το κριτιριο του Meek για τθν ζναρξθ κορόνα ςτο ανομοιογενζσ πεδίο. Ο οχετόσ κορόνα δεν αποτελεί ακόμθ θλεκτρικι διάςπαςθ δθλαδι είναι δυνατόν ςτο ανομοιογενζσ πεδίο ζπειτα από οριςμζνθ διαδρομι τθσ εκκζνωςθσ να γίνει ζναρξθ κορόνα χωρίσ να ακολουκιςει διάςπαςθ πράγμα που δεν είναι δυνατόν ςτο ομοιογενζσ πεδίο. Θ κορόνα περιορίηεται ςτθν περιοχι που θ πεδιακι ζνταςθ που προκφπτει από τθν εξωτερικά επιβαλλόμενθ τάςθ υπερβαίνει οριςμζνθ τιμι, όχι αναγκαςτικά τθν τιμι 25 kv που είναι απαραίτθτθ μόνο για τθν ζναρξθ του ιονιςμοφ. Επειδι οι μεγαλφτερεσ τιμζσ πεδιακϊν εντάςεων εμφανίηονται μπροςτά από τισ επιφάνειεσ του ενόσ ι και των δφο θλεκτροδίων του διακζνου θ κορόνα αρχίηει από τισ επιφάνειεσ των θλεκτροδίων και επεκτείνεται μζχρι οριςμζνθσ αποςτάςεωσ από τθν επιφάνεια αυτισ, που εξαρτάται από τθν απόκλιςθ του θλεκτρικοφ πεδίου. Ρειράματα ζχουν δείξει ότι υπό κρουςτικζσ τάςεισ θ κορόνα εξελίςςεται ςε διάςπαςθ όταν ολόκλθρο το μικοσ ανάμεςα ςτα δφο θλεκτρόδια γεφυρωκεί από οχετοφσ κορόνα. 33

34 2.6.1 ΑΝΑΛΤΗ ΣΗ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΔΙΑΠΑΗ ΤΠΟ ΚΡΟΤΣΙΚΗ ΣΑΗ Ε ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕ ΠΕΔΙΟ [1] Ο μθχανιςμόσ τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθ ανομοιογενϊν διακζνων που υποβάλλονται ςε κρουςτικι τάςθ μπορεί να περιγραφι ςυνοπτικά υπό τθ μορφι ςταδίων εξζλιξθσ με τισ ακόλουκεσ τρεισ φάςεισ. Θ φάςθ τθσ κορόνα. Σε ζνα διάκενο ανομοιογενοφσ πεδίου (π.χ. ακίδασ-πλάκασ) όταν θ επιβαλλόμενθ κρουςτικι τάςθ φκάςει ςε μια κατάλλθλθ τιμι, θ θλεκτρικι πεδιακι ζνταςθ ςτθν περιοχι γφρω από τθν ακίδα κα αποκτιςει τζτοια τιμι που κα είναι ικανι να οδθγιςει ςτθν ανάπτυξθ φαινομζνων ιονιςμοφ του αζρα, και επομζνωσ τθν ζναρξθ τθσ εκκζνωςθσ. Κατά τθν πρϊτθ αυτι φάςθ τθσ εκκζνωςθσ εμφανίηεται μπροςτά από το άκρο του θλεκτροδίου ζνα νζφοσ κορόνα. Το νζφοσ τθσ πρωτοεμφανιηόμενθσ κορόνασ ονομάηεται πρϊτθ κορόνα και αποτελείται από πολλοφσ διακλαδιηόμενουσ οχετοφσ. Θ κορόνα είναι εξαιρετικά ταχφ φαινόμενο, ζχοντασ τθ μορφι εκριξεωσ, αναπτυςςόμενο με ταχφτθτα cm/μs. Θ ςυνολικι διάρκεια του φαινομζνου κορόνα εξαρτάται από τθν ζκταςθ τθσ θ οποία με τθ ςειρά εξαρτάται από τθν διάταξθ των θλεκτροδίων και τθν τάςθ που επικρατεί ςτο διάκενο κατά τθν ςτιγμι τθσ εμφανίςεωσ τθσ. Θ πρϊτθ κορόνα ςυνοδεφεται από ζνα παλμό ρεφματοσ το εφροσ του οποίου είναι τθσ τάξεωσ των μερικϊν αμπερ, διάρκειασ από το κλάςμα του ενόσ μs μζχρι μερικά μs. Το εφροσ και θ διάρκεια του ρεφματοσ που ςυνοδεφει τθν πρϊτθ κορόνα εξαρτάται από τθν διάταξθ των θλεκτροδίων τθν τάςθ κακϊσ επίςθσ και από τθν πολικότθτα του θλεκτροδίου από το οποίο ξεπθδά. Θ φάςθ του οχετοφ προεκκζνωςθσ. Για τθν ολοκλιρωςθ τθσ διάςπαςθσ το ςθμαντικότερο ρόλο παίηει ο οχετόσ προεκκζνωςθσ που ξεκινά από το θλεκτρόδιο κετικισ πολικότθτασ. Κατά τθν εφαρμογι μιασ κετικισ κρουςτικισ τάςθσ ςε ζνα θλεκτρόδιο μικρισ ςχετικά ακτίνασ καμπυλότθτασ είναι δυνατόν να εμφανιςκεί μόνο θ πρϊτθ κορόνα και θ εξζλιξθ τθσ διάςπαςθσ να ανακοπι ςε αυτό το ςτάδιο. Αν θ διάςπαςθ αντί να ανακοπεί ςυνεχίςει τθν πορεία τθσ, τότε αναπτφςςεται μία δεφτερθ κορόνα που κατά κανόνα ξεκινά από το άκρο ενόσ από τα φωτεινά ςτελζχθ τθσ πρϊτθσ και το νζο ςτζλεχοσ που κα ανικει ςτθ δεφτερθ κορόνα προςτίκεται ςαν προζκταςθ του πρϊτου. Από το πζρασ του δεφτερου αυτοφ ςτελζχουσ ξεκινά μια τρίτθ κορόνα για να προςκζςει ζνα τρίτο ςτζλεχοσ ςτα δφο προθγοφμενα και ζτςι ςχθματίηεται ο οχετόσ προεκκζνωςθσ. Ο οχετόσ προεκκζνωςθσ είναι ζνα πολφ βραδφ φαινόμενο που εξελίςςεται με ταχφτθτα μόνο 2 cm/μs, ενϊ θ ταχφτθτα του εξαρτάται κυρίωσ από τα φυςικά χαρακτθριςτικά του αζρα και πολφ λιγότερο από το ςχιμα και το μζγεκοσ τθσ τάςθσ. Ππωσ είναι δυνατόν να ανακοπι θ διάςπαςθ μετά τθν πρϊτθ κορόνα, μπορεί επίςθσ να ανακοπεί μετά από ζνα 34

35 μεγάλο αρικμό διαδοχικϊν εκριξεων κορόνα αφοφ ζχει ιδθ ςχθματιςτεί ζνα ςθμαντικό τμιμα οχετοφ προεκκζνωςθσ. Τελικό άλμα-διάςπαςθ. Θ τρίτθ κι αποφαςιςτικι φάςθ για τθν ολοκλιρωςθ τθσ διάςπαςθσ είναι θ τελικι γεφφρωςθ (final jump). Θ τελικι γεφφρωςθ ςυμβαίνει όταν θ κεφαλι του οχετοφ προεκκζνωςθσ φτάςει ςε τζτοια απόςταςθ από το απζναντι θλεκτρόδιο ϊςτε ζνα μεν τμιμα του διακζνου να ζχει γεφυρωκεί από τον οχετό προεκκζνωςθσ το δε υπόλοιπο από τουσ οχετοφσ τθσ τελευταίασ κορόνασ του οχετοφ προεκκζνωςθσ. Πταν αυτό ςυμβεί, οι οχετοί κορόνα που παρεμβάλλονται μεταξφ τθσ κεφαλισ του οχετοφ προεκκζνωςθσ και του απζναντι θλεκτροδίου μετατρζπονται ταχφτατα ςε οχετό προεκκζνωςθσ κι ζτςι το διάκενο γεφυρϊνεται ολόκλθρο από τον οχετό προεκκζνωςθσ. Από τθ ςτιγμι που αρχίηει θ τελικι γεφφρωςθ το φαινόμενο τθσ διάςπαςθσ δε μπορεί να ανακοπεί. Αφοφ το διάκενο γεφυρωκεί ολόκλθρο με τον οχετό προεκκζνωςθσ, επακολουκεί ταχφτατθ περαιτζρω κζρμανςθ του οχετοφ προεκκζνωςθσ με τθ ροι ρεφματοσ που εξαρτάται κυρίωσ από τα χαρακτθριςτικά τθσ πθγισ κι όχι από τθν αντίςταςθ του οχετοφ που γεφυρϊνει τα δφο θλεκτρόδια. 2.7 ΕΠΙΔΡΑΗ ΣΨΝ ΑΣΜΟΥΑΙΡΙΚΨΝ ΤΝΘΗΚΨΝ ΣΗΝ ΔΙΑΠΑΗ ΣΟΤ ΑΕΡΑ Από τισ παραπάνω περιγραφζσ τθσ ανάλυςθσ του μθχανιςμοφ τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθσ του αζρα για τισ διάφορεσ μορφζσ διακζνων γίνεται αντιλθπτό πωσ από τθ χρονικι ςτιγμι τθσ εφαρμογισ τθσ τάςθσ καταπόνθςθσ μζχρι και τθ ςτιγμι τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθσ, το βαςικό φαινόμενο που επενεργεί για τθν εξζλιξθ τθσ θλεκτρικισ εκκζνωςθσ είναι οι ςυνεχείσ διαδικαςίεσ ιονιςμοφ των ουδζτερων μορίων του αζρα από τα ελεφκερα θλεκτρόνια το οποίο επιτυγχάνεται μόλισ αυτά βρεκοφν υπό τθν επίδραςθ ενόσ εξωτερικά επιβαλλόμενου θλεκτρικοφ πεδίου. Για να αρχίςουν οι διαδικαςίεσ ιονιςμοφ απαραίτθτθ προχπόκεςθ είναι να υπάρχουν διακζςιμα μερικά ελευκζρα θλεκτρόνια τα οποία υπάρχουν ςχεδόν πάντα μζςα ςτον αζρα και για να επιτευχκεί ζνασ ιονιςμόσ κα πρζπει το αρχικό θλεκτρόνιο πριν από τθν ςφγκρουςι του με ζνα ουδζτερο άτομο να ζχει αποκτιςει αρκετι ενζργεια δθλαδι και αρκετι ταχφτθτα. Θ ταχφτθτα του θλεκτρονίου τθ ςτιγμι τθσ ςφγκρουςθσ εξαρτάται αφενόσ από τθν ζνταςθ του εξωτερικά επιβαλλόμενου πεδίου και αφετζρου από τθν ελεφκερθ απόςταςθ που ζχει διανφςει πριν από τθ ςφγκρουςθ. Θ μζςθ ελεφκερθ απόςταςθ που ζχει τθ δυνατότθτα να διανφςει το ελεφκερο θλεκτρόνιο πριν από τθ ςφγκρουςθ εξαρτάται από τθν πυκνότθτα του αζρα. Θ πυκνότθτα του αζρα εξαρτάται με τθ ςειρά τθσ από τθν ατμοςφαιρικι πίεςθ και τθ κερμοκραςία. 35

36 Σφμφωνα με το μθχανιςμό αυτό, θ τάςθ διάςπαςθσ ενόσ διακζνου αζρα κα πρζπει λοιπόν να εξαρτάται από τθν ατμοςφαιρικι πίεςθ και τθ κερμοκραςία. Ρειραματικά αποτελζςματα ζχουν δείξει πωσ για τισ ςυνικεισ διακυμάνςεισ τθσ κερμοκραςίασ του ατμοςφαιρικοφ αζρα θ επίδραςθ αυτοφ είναι ςχεδόν αμελθτζα. Από τα όςα αναφζρκθκαν πιο πάνω, προκφπτει ότι ο ιονιςμόσ από κροφςεισ των θλεκτρονίων με ουδζτερα άτομα είναι ζνα καταρρακτϊδεσ φαινόμενο όπου ζνα αρχικά ελεφκερο πολλαπλαςιάηεται ςυνεχϊσ. Στθν πραγματικότθτα όμωσ δεν παραμζνουν διακζςιμα όλα τα θλεκτρόνια που δθμιουργοφνται από τουσ διαδοχικοφσ ιονιςμοφσ. Μερικά από αυτά που δεν προλαβαίνουν να αποκτιςουν αρκετι ταχφτθτα άρα και ενζργεια, με αποτζλεςμα μόλισ αυτά ςυγκρουςτοφν με ζνα άτομο, το οποίο μάλιςτα ζχει τθν ικανότθτα να ενςωματϊςει θλεκτρόνια (θλεκτραρνθτικό), ενςωματϊνονται με αυτό και ςχθματίηουν ζνα ιόν. Ζνα τζτοιο ιόν εξαιτίασ τθσ μεγάλθσ μάηασ του ςυγκριτικά με το θλεκτρόνιο δεν μπορεί να ςυνειςφζρει το ίδιο ςτθν εξζλιξθ του ιονιςμοφ άρα και ςτθ διάςπαςθ. Θ απϊλεια αυτι των θλεκτρονίων είναι τόςο μεγαλφτερθ όςο περιςςότερα θλεκτραρνθτικά άτομα θ μόρια υπάρχουν μζςα ςτον αζρα. Τα μόρια των υδρατμϊν ςυμβαίνει να είναι θλεκτραρνθτικά. Ζτςι όςα περιςςότερα μόρια υδρατμϊν υπάρχουν μζςα ςτον αζρα, τόςο μεγαλφτερθ πρζπει να είναι θ τάςθ που απαιτείται για τθ διάςπαςθ του διακζνου. Επειδι θ επίδραςθ των μορίων των υδρατμϊν εξαρτάται από το ςχετικό αρικμό τουσ ωσ προσ τα μόρια του αζρα, θ επίδραςθ αυτι κα εξαρτάται από τθν απόλυτθ υγραςία, δθλαδι τα g υδρατμϊν ανά m 3 αζρα και όχι από τθν ςχετικι υγραςία θ οποία εξαρτάται από τθ κερμοκραςία. Σφμφωνα με τα όςα αναφζρκθκαν παραπάνω, οι κφριοι ατμοςφαιρικοί παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν τάςθ διάςπαςθσ του αζρα είναι : α) Θ πυκνότθτα του αζρα υπό κανονικζσ ςυνκικεσ κερμοκραςίασ και πίεςθσ. β) Θ απόλυτθ υγραςία, μετροφμενθ ςε g υδρατμϊν ανά m 3 αζρα, κανονικϊν ςυνκθκϊν. Ωσ ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ αναφοράσ ι αλλιϊσ κανονικζσ ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ δεχόμαςτε τθ κερμοκραςία T o = 20 o C, τθν πίεςθ P o = 760 mmhg και τθν απόλυτθ υγραςία Ho = 11 g/m 3. Θ επίδραςθ που επιφζρουν οι ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ ςτθν τάςθ διάςπαςθσ κακορίηεται μζςω ενόσ ςυντελεςτι με τον οποίο πρζπει να πολλαπλαςιαςτεί θ τάςθ διάςπαςθσ που προκφπτει υπό τισ επικρατοφςεσ ςυνκικεσ, ζτςι ϊςτε να προκφψει θ τάςθ διάςπαςθσ υπό ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ αναφοράσ ι αλλιϊσ κανονικζσ ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ. Ο ςυντελεςτισ αυτόσ ονομάηεται ςυντελεςτήσ διόρθωςησ ατμοςφαιρικών ςυνθηκών. Ο ςυντελεςτισ διόρκωςθσ ατμοςφαιρικϊν ςυνκθκϊν κακορίηεται μζςω δφο άλλων ςυντελεςτϊν, ζναν για τθν πυκνότθτα του αζρα Kd και ζναν για τθν υγραςία αντίςτοιχα Kh. 36

37 2.7.1 ΤΝΣΕΛΕΣΕ ΔΙΟΡΘΨΗ ΣΗ ΣΑΗ ΔΙΑΠΑΗ ΓΙΑ ΣΗΝ ΠΤΚΝΟΣΗΣΑ ΣΟΤ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΣΗΝ ΤΓΡΑΙΑ Ο ςυντελεςτισ διόρκωςθσ για τθν επίδραςθ τθσ αλλαγισ τθσ πυκνότθτασ του αζρα, για ςχετικά μικρά διάκενα (d < 1-2 m) λαμβάνεται ίςοσ με τθ ςχετικι πυκνότθτα του αζρα. Ο ςυντελεςτισ αυτόσ ςυμβολίηεται με Kd και εκφράηεται από τον τφπο : Ππου P : θ επικρατοφςα ατμοςφαιρικι πίεςθ τθ ςτιγμι τθσ διάςπαςθσ P 0 : θ κανονικι ατμοςφαιρικι πίεςθ (αναφοράσ) T 0 : t 0, θ κανονικι κερμοκραςία ςε βακμοφσ Kelvin Kd=P/Po * To/T Τ : t, θ επικρατοφςα κερμοκραςία τθ ςτιγμι τθσ διάςπαςθσ ςε βακμοφσ Kelvin. Επειδι, θ ςχετικι πυκνότθτα του αζρα αυξάνεται με τθν ατμοςφαιρικι πίεςθ και ελαττϊνεται με τθν κερμοκραςία, οι δφο αυτοί παράμετροι επθρεάηουν με τον ίδιο τρόπο τθν τάςθ διάςπαςθσ του αζρα. Από τθν παρατιρθςθ αυτι προκφπτει ότι, εγκαταςτάςεισ υψθλισ τάςθσ που εγκακίςτανται ςε μεγάλα υψόμετρα κα παρουςιάηουν μειωμζνθ τάςθ διάςπαςθσ. Στθν περίπτωςθ διακζνων μεγάλου μικουσ (μερικά μζτρα), ο μθχανιςμόσ διάςπαςθσ γίνεται πιο πολφπλοκοσ επειδι επθρεάηεται από το μικοσ του διακζνου και από τθ μορφι τθσ τάςθσ, με ςυνζπεια θ τάςθ διάςπαςθσ να μθ βρίςκεται ςε μια αναλογία με το ςυντελεςτι Kd. Για να αντιμετωπιςκεί αυτι θ κατάςταςθ ζχει κακοριςκεί ζνασ εμπειρικόσ εκκζτθσ m < 1, ςτον οποίο υψϊνεται ο ςυντελεςτισ Kd για τισ κρουςτικζσ τάςεισ μεγάλθσ διάρκειασ μετϊπου (κρουςτικζσ τάςεισ χειριςμϊν). Ο εκκζτθσ m δίνεται από το παρακάτω ςχιμα. χήμα 2.5) Εκκζτθσ m των ςυντελεςτϊν Kd ςαν ςυνάρτθςθ του μικουσ του διακζνου d[7] Αυτό που παρατθροφμε και ςτο ςχιμα, είναι ότι θ τιμι του εκκζτθ m μικραίνει όςο το μικοσ του διακζνου αυξάνει. Αυτό ςθμαίνει ότι για κρουςτικζσ τάςεισ χειριςμϊν θ εξάρτθςθ τθσ τάςθσ διάςπαςθσ από τθν πυκνότθτα του αζρα ελαττϊνεται όςο το μικοσ αυξάνει. 37

38 Θ διόρκωςθ τθσ τάςθσ διάςπαςθσ για τθν επίδραςθ τθσ υγραςίασ είναι πολφπλοκθ και αβζβαιθ. Ραρόλα αυτά ζχουν κακοριςκεί πειραματικοί ςυντελεςτζσ Kh που καλφπτουν τισ πιο ςυνικεισ περιπτϊςεισ. Οι ςυντελεςτζσ αυτοί δείχνονται ςτο ςχιμα 2.6-α, ςαν ςυνάρτθςθ τθσ απόλυτθσ υγραςίασ. χήμα 2.6) (α) Συντελεςτισ διόρκωςθσ τθσ υγραςίασ Kh[7] (β) Διάγραμμα για τον υπολογιςμό τθσ απόλυτθσ υγραςίασ[7] Θ πιο ςυνικθσ μζκοδοσ μζτρθςθσ τθσ υγραςίασ είναι με δφο κερμόμετρα ζνα υγρό και ζνα ξθρό. Θ ςχετικι και θ απόλυτθ υγραςία προκφπτουν από τισ ενδείξεισ των δφο κερμομζτρων με τθ βοικεια του διαγράμματοσ του ςχιματοσ 2.6-β. Για τον υπολογιςμό του ςυντελεςτι Κh λαμβάνεται υπ όψιν μόνο θ απόλυτθ υγραςία. Από πειράματα διαπιςτϊκθκε θ επίδραςθ του ςυντελεςτι Κh από τθν μεταβολι τθσ πυκνότθτασ, ςε καταπονιςεισ διακζνων αζρα με κρουςτικι τάςθ. Πταν μειϊνεται θ ςχετικι πυκνότθτα του αζρα, αυξάνεται θ επίδραςθ τθσ υγραςίασ ςτθν τιμι τθσ τάςθσ διάςπαςθσ. Αυτό εξθγείται και από φυςικι άποψθ. Πταν θ απόλυτθ υγραςία παραμζνει ςτακερι, μια μείωςθ τθσ ςχετικισ πυκνότθτασ του αζρα κα ζχει ςαν αποτζλεςμα μια αφξθςθ του ποςοςτοφ των μορίων του νεροφ ςτον αζρα. Ζτςι για κάκε ςφγκρουςθ μεταξφ θλεκτρονίων και μορίων, θ πικανότθτα δθμιουργίασ αρνθτικϊν ιόντων κα αυξθκεί. Επομζνωσ αναμζνεται εντονότερθ επίδραςθ τθσ υγραςίασ. 38

39 Μετά από ςειρά πειραμάτων με κρουςτικι τάςθ προζκυψε θ παρακάτω ςχζςθ για τον υπολογιςμό του ςυντελεςτι Kh θ οποία είναι : Ππου : Θ : θ απόλυτθ υγραςία που επικρατεί κατά τθν διεξαγωγι του πειράματοσ, Ho: θ απόλυτθ υγραςία αναφοράσ. 39

40 2.8 ΣΟ ΥΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΟΤ ΔΙΑΥΡΑΓΜΑΣΟ Το φαινόμενο του διαφράγματοσ (barrier effect) είναι ζνα πολφ γνωςτό φαινόμενο ςτισ εφαρμογζσ των υψθλϊν τάςεων, το οποίο αναφζρεται ςτθν επίδραςθ που επιφζρει θ τοποκζτθςθ ενόσ λεπτοφ μονωτικοφ φφλου (διαφράγματοσ) ανάμεςα ςτα θλεκτρόδια ενόσ διακζνου (ςχιμα 2.7) ςτθν τιμι τθσ τάςθσ διάςπαςθσ αυτοφ. χήμα 2.7) Διάταξθ διακζνου ακίδασ-πλάκασ με διάφραγμα. Θ διερεφνθςθ του φαινομζνου του διαφράγματοσ άρχιςε από πολφ παλιά και μελετικθκε από πολλοφσ ερευνθτζσ ςτθ ςυνζχεια, παράλλθλα με τθν μελζτθ τθσ αντοχισ των διάφορων μορφϊν διακζνων αζρα. Οι πρϊτεσ πειραματικζσ εργαςίεσ που μελετάνε τθν επίδραςθ των διαφραγμάτων ςτθν απόκριςθ ενόσ διακζνου ζγιναν από τουσ Erwin Marx και Rozer, ανεξάρτθτα, το για διάφορουσ τφπουσ διακζνων και τάςεισ καταπόνθςθσ αυτϊν. Ωςτόςο και μετζπειτα αςχολικθκαν πολφ ερευνθτζσ με το φαινόμενο του διαφράγματοσ ςε διάφορεσ μορφζσ διακζνων όπου μελζτθςαν τθν επίδραςθ του πάχουσ και τθσ κζςθσ αυτοφ ανάμεςα ςτα θλεκτρόδια του διακζνου, τθν κατανομι του θλεκτρικοφ πεδίου ςτο ςφνκετο διάκενο αζρα διθλεκτρικοφ, επίςθσ μελετικθκε και θ περίπτωςθ τθσ χριςθσ μονωτικϊν διαφραγμάτων με ανοίγματα διαφόρων διαςτάςεων. Τα βαςικά ςυμπεράςματα των εργαςιϊν που αναφζρονται ςτο φαινόμενο του διαφράγματοσ για διάκενα ράβδου πλάκασ μποροφν να ςυνοψιςτοφν ςτα παρακάτω *8] : Με τθν ειςαγωγι του διαφράγματοσ (μονωτικοφ φφλου) ανάμεςα ςτα θλεκτρόδια ενόσ διακζνου μεταβάλλεται ςθμαντικά θ ςυμπεριφορά του, και κυρίωσ θ τάςθ διάςπαςθσ αυτοφ. Το διάκενο χωρίηεται ςε 2 τμιματα, το τμιμα ακίδασ-διαφράγματοσ και το τμιμα μεταξφ διαφράγματοσ-πλάκασ, για διάκενο ακίδασ-πλάκασ όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 2.7. Το διάφραγμα φορτίηεται με φορτία τα οποία δθμιουργοφνται ςτο τμιμα ακίδασδιαφράγματοσ και το κζντρο του αποκτά τάςθ, θ τιμι τθσ οποίασ εξαρτάται από τθν τιμι τθσ επιβαλλόμενθσ τάςθσ και το θλεκτρικό πεδίο του διακζνου αλλοιϊνεται ςθμαντικά. Τα φορτία αυτά διαςκορπίηονται ςτο διάφραγμα και ςυμβάλουν ςτθν ομογενοποίθςθ του 40

41 πεδίου μεταξφ του διαφράγματοσ και τθσ πλάκασ. Θ κατανομι τθσ τάςθσ πάνω ςτο διάφραγμα είναι ςτακερι ι μεταβάλλεται γραμμικά ακτινικά από το ίχνοσ του άξονα ςυμμετρίασ ςτθν επιφάνεια του διαφράγματοσ προσ τθν περιφζρεια. Θ τάςθ διάςπαςθσ του διακζνου αυξάνεται ςθμαντικά και εξαρτάται από τθ κζςθ του διαφράγματοσ ανάμεςα ςτα θλεκτρόδια αυτοφ, κακϊσ από το μικοσ και τθ γεωμετρία του διακζνου. Μεγαλφτερθ αφξθςθ τθσ τάςθσ διάςπαςθσ παρατθρείται όταν το διάφραγμα είναι κοντά ςτθν ακίδα και μειϊνεται ςταδιακά κακϊσ θ κζςθ του πλθςιάηει προσ τθν πλάκα. Θ βζλτιςτθ κζςθ του διαφράγματοσ για μεγαλφτερθ αντοχι του διακζνου είναι κοντά ςτθ ακίδα αλλά όχι πολφ κοντά ι πάνω ςε αυτι ΜΗΦΑΝΙΜΟ ΔΙΑΠΑΗ ΔΙΑΚΕΝΟΤ ΑΕΡΑ ΜΕ ΔΙΑΥΡΑΓΜΑ Μια ςθμαντικι διερεφνθςθ τθσ εξζλιξθσ και του μθχανιςμοφ τθσ διάςπαςθσ ςε μικρά διάκενα ράβδου-πλάκασ με ζνα διάφραγμα πραγματοποιικθκε από τουσ H.E. Remde και H. Boecker το 1972 *8]. Διαπιςτϊκθκε ότι θ διαδικαςία διάςπαςθσ με κετικι κρουςτικι τάςθ περιλαμβάνει τρεισ ξεχωριςτζσ φάςεισ: 1. Τθν διάςπαςθ του τμιματοσ ράβδου-διαφράγματοσ. 2. Τθν διάςπαςθ του τμιματοσ διαφράγματοσ-πλάκασ. 3. Το τρφπθμα του διαφράγματοσ. Κατά τθν πρϊτθ φάςθ εμφανίηεται ςπινκιρασ μεταξφ τθσ ράβδου και του διαφράγματοσ, ο οποίοσ μεταφζρει κετικό θλεκτρικό φορτίο που διαςκορπίηεται με επιφανειακζσ διαςπάςεισ ςτθν επιφάνεια του διαφράγματοσ ςχετικά ομοιόμορφα. Το θλεκτρικό πεδίο ςτο τμιμα διαφράγματοσ-πλάκασ ενιςχφεται ςθμαντικά και μετά από κάποια τιμι τθσ τάςθσ δθμιουργείται ςπινκιρασ μεταξφ του διαφράγματοσ και τθσ πλάκασ. Τζλοσ θ μεγάλθ τάςθ μεταξφ των 2 πλευρϊν του διαφράγματοσ οδθγεί ςτθ διάςπαςθ του μονωτικοφ διαφράγματοσ με διάτρθςθ. Θ διάςπαςθ ςε ζνα διάκενο κετικισ ράβδου-πλάκασ με διάφραγμα ακολουκεί τα εξισ βιματα: 1. Ζναρξθ εκκζνωςθσ ςτο διάκενο ράβδου- διαφράγματοσ. 2. Διάςπαςθ του διακζνου ράβδου - διαφράγματοσ. 3. Ανάπτυξθ επιφανειακϊν εκκενϊςεων πάνω ςτο διάφραγμα. 4. Διάςπαςθ του τμιματοσ διαφράγματοσ -πλάκασ. 5. Διάςπαςθ του διαφράγματοσ και ολικι διάςπαςθ του διακζνου. 41

42 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 3 Ο ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ 3.1 ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΟ ΠΕΡΙΕΦΟΜΕΝΟ Θ πειραματικι διαδικαςία για τθν εκπόνθςθ τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ πραγματοποιικθκε ςτο εργαςτιριο των Υψθλϊν Τάςεων του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν. Αντικείμενο τθσ, είναι θ διερεφνθςθ τθσ ςυμπεριφοράσ διακζνων αζρα ακίδασ-πλάκασ, μικουσ 6 cm, όταν ανάμεςα ςτα θλεκτρόδια αυτϊν παρεμβάλλεται ζνα λεπτό μονωτικό φφλλο (διάφραγμα) το οποίο τοποκετείται κάκετα ςε διαφορετικζσ κζςεισ ξ = x/d ςτο διάκενο, όπου x αντιςτοιχεί ςτθν απόςταςθ του διαφράγματοσ από τθν ακίδα και D το ςυνολικό μικοσ του διακζνου τθσ διάταξθσ (D=6cm). χήμα 3.1) Διάταξθ διακζνου ακίδασ-πλάκασ με διάφραγμα. Τα ςφνκετα διάκενα αζρα-διθλεκτρικοφ που χρθςιμοποιικθκαν είναι : Διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ μικουσ 6 cm με διάφραγμα nomex πάχουσ 0,2 mm. Διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ μικουσ 6 cm με διάφραγμα polyfilm πάχουσ 0,125 mm. Διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ μικουσ 6 cm με διάφραγμα polyfilm πάχουσ 0,19 mm. Το περιεχόμενο τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ, αποςκοπεί ςτον κακοριςμό τθσ κρίςιμθσ τιμισ τθσ τάςθσ διάςπαςθσ V50% για το κάκε ζνα από τα παραπάνω ςφνκετα διάκενα αζρα-διθλεκτρικοφ, για διάφορεσ κζςεισ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο με ςκοπό να εξάγουμε ςυμπεράςματα για το πωσ μεταβάλλεται θ V50%, ςυναρτιςει τθσ κζςθσ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο. Θ καταπόνθςθ του κάκε ςφνκετου διακζνου αζρα-διθλεκτρικοφ ζγινε με κετικζσ κρουςτικζσ τάςθσ χειριςμϊν υπό ατμοςφαιρικι πίεςθ. 42

43 Ππωσ γίνεται αντιλθπτό ωσ υλικά διαφράγματα χρθςιμοποιικθκαν τρία υλικά διαφορετικοφ πάχουσ από τα οποία το ζνα από αυτά είναι τφπου Nomex πάχουσ 0,2 mm και τα άλλα δφο τφπου polyfilm πάχουσ 0,125 mm και 0,19 mm. 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΣΕΦΝΙΚΗ Για το διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ μικουσ 6 cm με διαφράγματα τφπου polyfilm πάχουσ 0,125 mm και 0,19 mm διερευνικθκε θ ςυμπεριφορά αυτϊν για τρείσ διαφορετικζσ κζςεισ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο (x=1, x=2, x=3) και διακρίναμε δφο περιπτϊςεισ για τθν κάκε κζςθ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο. 1 η περίπτωςη Επιλζγοντασ τθ κζςθ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο, το καταπονοφςαμε αυτό με τρείσ ι και περιςςότερεσ ςτάκμεσ τάςεωσ Ui (i=1,2,3 ).Ο αρικμόσ των επιβολϊν ανά ςτάκμθ τάςεωσ Ui ιταν μεγάλοσ ϊςτε ο βακμόσ αξιοπιςτίασ των αποτελεςμάτων να είναι υψθλόσ. Για κάκε ςτάκμθ τάςεωσ Ui προζκυπτε μια πικανότθτα διάςπαςθσ P(Ui) θ οποία αντιςτοιχοφςε ςτον λόγο του αρικμοφ των διαςπάςεων που παρατθρικθκαν προσ το πλικοσ των επιβολϊν τθσ τάςθσ ανά ςτάκμθ. 2 η περίπτωςη Για τθν ίδια κζςθ ξ του διαφράγματοσ από τθν 1 θ περίπτωςθ, αλλάηαμε το διάφραγμα με ζνα καινοφριο για κάκε ςτάκμθ τάςεωσ που το καταπονοφςαμε. Οι ςτάκμεσ τθσ τάςεωσ καταπόνθςθσ ιταν τουλάχιςτον τρείσ, με αποτζλεςμα και οι αλλαγζσ των διαφραγμάτων να είναι ίςεσ ςε αρικμό. Αντίςτοιχα όπωσ και ςτθν 1 θ περίπτωςθ για κάκε ςτάκμθ Ui (kv) προζκυπτε μια πικανότθτα διάςπαςθσ P(U) (%). Θ λογικι τθσ 2 θσ περίπτωςθσ, δθλαδι τθσ αλλαγισ του διαφράγματοσ για κάκε ςτάκμθ Ui, αποςκοποφςε ςτο να αποφευχκεί θ επίδραςθ του καταπονθμζνου διαφράγματοσ, θ οποία είχε ςαν αποτζλεςμα τθν διάτρθςθ αυτοφ, πράγμα το οποίο επζφερε επίδραςθ ςτθν τιμι τθσ τάςθσ διάςπαςθσ του διακζνου. Για το διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ με διαφράγματα τφπου nomex πάχουσ 0,2 mm, διερευνικθκε θ ςυμπεριφορά του για 6 διαφορετικζσ κζςεισ ξ του διαφράγματοσ ςτο διάκενο, ξεκινϊντασ ζνα εκατοςτό πριν από τθν ακίδα και ανά ζνα εκατοςτό μετακινοφμαςταν προσ τθν πλάκα. Για αυτόν τον τφπο του ςφνκετου διακζνου, δεν εξετάςτθκε θ δεφτερθ περίπτωςθ που περιγράφεται παραπάνω. 43

44 3.3 ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΑ ΔΕΙΓΜΑΣΨΝ Το polyfilm ζχει ςαν κφριο ςυςτατικό το PET (τερεφκαλικόσ πολυεςτζρασ πολυαικυλενίου) και τα χαρακτθριςτικά γενικά του polyfilm είναι τα παρακάτω: -Συντελεςτισ διθλεκτρικϊν απωλειϊν : 0,002 -Συντελεςτισ διθλεκτρικισ ςτακεράσ : εr= 2,95 -Κερμικι κλάςθ : 130 O C : Το nomex (πολυμερζσ αραμιδίου, περιζχει και 50% mica) εφαρμόηεται ωσ μονωτικό ςε αφλακεσ, φάςεισ, αγωγοφσ τυλιγμάτων πθνίων θλεκτροκινθτιρων, μεταςχθματιςτϊν και μθχανϊν με υψθλά φορτία. Ζχει υψθλι κερμοκραςιακι ανοχι (-196 ο C ο C). 3.4 ΠΕΡΙΓΡΑΥΗ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΨΝ ΔΙΑΣΑΞΕΨΝ Ππωσ αναφζρκθκε το διάκενο που μελετικθκε ςτθν παροφςα εργαςία ιταν το διάκενο αζρα ακίδασ-πλάκασ ςυνολικοφ μικουσ 6 cm όταν μεταξφ των θλεκτροδίων αυτοφ παρεμβάλλεται ζνα λεπτό μονωτικό φφλλο. Για τθν παραγωγι και τθν μζτρθςθ τθσ τιμισ, των αντίςτοιχων κρουςτικϊν τάςεων χρθςιμοποιικθκαν αντίςτοιχα θ κρουςτικι γεννιτρια και το κρουςτικό βολτόμετρο του εργαςτθρίου. Για τθν μζτρθςθ των χαρακτθριςτικϊν των τάςεων δοκιμισ ζγινε θ χριςθ του ψθφιακοφ παλμογράφου του εργαςτθρίου. Ραρακάτω δίνεται μια ςχθματικι παράςταςθ τθσ όλθσ κυκλωματικισ διάταξθσ. χήμα 3.2) Σχθματικι παράςταςθ του κυκλϊματοσ τθσ πειραματικισ διάταξθσ Για τθν μζτρθςθ τθσ ςχετικισ υγραςίασ και τθσ κερμοκραςίασ χρθςιμοποιικθκε ζνασ ψθφιακόσ μετρθτισ (Fluke 971) με εφροσ μζτρθςθσ τιμϊν : -20 o C ζωσ 60 ο C για τθν κερμοκραςία και 5% ζωσ 95% για τθν ςχετικι υγραςία. 44

45 Για τθν μζτρθςθ τθσ ατμοςφαιρικισ πίεςθσ χρθςιμοποιικθκε ζνα βαρόμετρο με κλίμακεσ mmhg ακρίβειασ 0.5%. Θ αναλυτικι περιγραφι του διακζνου ακίδασ-πλάκασ κακϊσ και τθσ κρουςτικισ γεννιτριασ του εργαςτθρίου γίνεται ςτισ παρακάτω παραγράφουσ ΔΙΑΚΕΝΟ ΑΚΙΔΑ-ΠΛΑΚΑ Θ διάταξθ του διακζνου αζρα ακίδασ-πλάκασ που χρθςιμοποιικθκε για τθν εκπόνθςθ τθσ παροφςασ εργαςίασ παρουςιάηεται ςτισ ακόλουκεσ φωτογραφίεσ. χήμα 3.3) Διάκενο ακίδασ-πλάκασ. Ππωσ διακρίνεται και ςτισ φωτογραφίεσ θ διάταξθ είναι καταςκευαςμζνθ από Plexiglass θ καταςκευι τθσ οποίασ πραγματοποιικθκε ςτο μθχανουργείο του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν. Θ ακίδα είναι από χάλυβα με αιχμι γωνίασ 30 ο. Για το ρόλο τθσ αντίςτοιχθσ πλάκασ χρθςιμοποιικθκαν δφο δίςκοι, επίςθσ από χάλυβα με διάμετρο 9 cm και 4 cm με διαμόρφωςθ αυτϊν κατά Rogowski. Θ ακίδα και θ πλάκα χρθςιμοποιικθκαν ωσ θλεκτρόδια και θ απόςταςθ μεταξφ αυτϊν επιλζχτθκε ςτα 6cm. χήμα 3.4) Διαμόρφωςθ ακίδασ-πλάκασ. 45

46 Τα διαφράγματα τοποκετικθκαν ςε μια διθλεκτρικι βάςθ, καταςκευαςμζνθ και αυτι από Plexiglass, θ οποία διζςχιηε κάκετα τον κεντρικό άξονα των θλεκτροδίων και μασ ζδινε τθν δυνατότθτα να τισ αλλάηουμε κζςθ. Χρθςιμοποιικθκαν δφο βάςεισ, με διαςτάςεισ 18cm x 18cm και 7cm x 8cm. Οι διαςτάςεισ των διαφραγμάτων ιταν ίδιεσ με αυτζσ τθσ βάςεωσ ςτθν οποία τοποκετοφτανε. χήμα 3.5) Τοποκζτθςθ διθλεκτρικισ βάςθσ (18cm x 18cm) ςτο διάκενο. 46

47 3.4.2 ΚΡΟΤΣΙΚΗ ΓΕΝΝΗΣΡΙΑ ΕΡΓΑTΗΡΙΟΤ Θ κρουςτικι γεννιτρια που χρθςιμοποιιςαμε ςτο εργαςτιριο αποτελείται από δφο βακμίδεσ. Μια κυκλωματικι αναπαράςταςθ τθσ ανορκωτικισ διάταξθσ και τθσ κρουςτικισ γεννιτριασ δίνεται παρακάτω: χήμα 3.6) Κυκλωματικι αναπαράςταςθ κρουςτικισ γεννιτριασ εργαςτθρίου [10] Στθν είςοδό κρουςτικισ γεννιτριασ ειςζρχεται ςυνεχισ κετικι τάςθ, με τθ βοικεια ενόσ ανορκωτι τάςθσ όπου πραγματοποιείται ανόρκωςθ και διπλαςιαςμόσ τθσ λαμβανόμενθσ τάςθσ από τον μεταςχθματιςτι, με τάςθ εξόδου αυτοφ τα 80 kv. Αλλάηοντασ τθν πολικότθτα των διόδων μποροφμε να λαμβάνουμε κετικι ι αρνθτικι ςυνεχι τάςθ ςτθν ζξοδο του ανορκωτι. Στο εργαςτιριο λαμβάνουμε κετικι ςυνεχι τάςθ ςτθν είςοδο τθσ κρουςτικισ γεννιτριασ. Θ μζγιςτθ τάςθ ειςόδου τθσ κρουςτικισ γεννιτριασ είναι E peak(ειςόδου) = 80*2*2 1/2 kv. Οι πυκνωτζσ C1 (πυκνωτζσ φορτίςεωσ) χωρθτικότθτασ 15nF ζκαςτοσ, φορτίηονται και οι δφο παράλλθλα με τάςθ Ε. Πταν ο ςπινκθριςτισ βραχυκυκλωκεί, οι πυκνωτζσ C1 ςυνδζονται ςε ςειρά και οι τάςεισ τουσ ακροίηονται. Οι τελευταίοι ςυνδεδεμζνοι ςε ςειρά ςχθματίηουν τθ χωρθτικότθτα φόρτιςθσ θ οποία είναι C1 /n, όπου n=2 ο αρικμόσ των πυκνωτϊν φορτίςεωσ. Θ μζγιςτθ τάςθ εξόδου τθσ κρουςτικισ γεννιτριασ του εργαςτθρίου είναι, V peak(εξόδου) = 80*2* *2 (kv). Στθν ζξοδο τθσ γεννιτριασ υπάρχει ζνασ χωρθτικόσ καταμεριςτισ τάςθσ ο οποίοσ χρθςιμοποιείται για τθν μζτρθςθ των κρουςτικϊν τάςεων. Τα χαρακτθριςτικά αυτοφ είναι : α) βραχίονασ χαμθλισ τάςθσ C2κ = nf β) βραχίονασ υψθλισ τάςθσ C1κ = nf γ) αντίςταςθ απόςβεςθσ Rκ = 75.4 Ω 47

48 Ο βραχίονασ χαμθλισ τάςθσ του καταμεριςτι ςυνδζεται με το κρουςτικό βολτόμετρο του εργαςτθρίου θ χωρθτικότθτα ειςόδου του οποίου είναι 0.5 nf, το καλϊδιο ςφνδεςθσ ζχει χωρθτικότθτα 1.34nF. Επομζνωσ ο λόγοσ καταμεριςμοφ αυτοφ είναι : Θ επιλογι χωρθτικοφ καταμεριςτι είναι απαραίτθτθ κακϊσ ζχει μεγάλο εφροσ ηϊνθσ ςυχνοτιτων. Αντίκετα ζνασ ωμικόσ καταμεριςτισ παρουςιάηει παράςιτεσ χωρθτικότθτεσ και αυτεπαγωγζσ και αδυνατεί να μεταφζρει υψθλζσ ςυχνότθτεσ που περιζχονται ςε μια κρουςτικι τάςθ. χήμα 3.7) Κρουςτικι γεννιτρια του εργαςτθρίου. 48

49 3.5 ΜΟΡΥΗ ΣΗ ΚΡΟΤΣΙΚΗ ΣΑΗ Ππωσ ιδθ ζχει αναφερκεί και ςτισ προθγοφμενεσ παραγράφουσ για τθν μελζτθ τθσ θλεκτρικισ διάςπαςθσ ωσ προσ τθν V50%, των ςφνκετων διακζνων αζρα-διθλεκτρικου χρθςιμοποιικθκαν κρουςτικζσ τάςεισ χειριςμϊν κετικισ πολικότθτασ. Οι τιμζσ των αντιςτάςεων μετϊπου και ουράσ που χρθςιμοποιικθκαν είναι : 100kΩ μετϊπου, 170 kω ουράσ. Θ μορφι τθσ κρουςτικισ τάςθσ που δίνει θ γεννιτρια με αυτά τα χαρακτθριςτικά απεικονίηεται ςτο παρακάτω παλμογράφθμα που πιραμε μζςω του ψθφιακοφ παλμογράφου (DPO 4104) του εργαςτθρίου. χήμα 3.8) Μορφι τθσ κρουςτικισ τάςθσ. Ενδεικτικά παρατίκενται ακολοφκωσ και ζνα παλμογράφθμα τθσ διάςπαςθσ ςφνκετου διακζνου αζρα-διθλεκτρικοφ υπό τθν προαναφερκείςα κρουςτικι τάςθ. του χήμα 3.9) Διάςπαςθ διακζνου. 49