Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΚΟΛΛΙΑ ΜΑΡΙΟΥ Του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 5862 ΘΕΜΑ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ-ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΕ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΜΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα:

2 Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ-ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΕ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΜΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΛΛΙΑ ΜΑΡΙΟΥ Του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Α.Μ.: 5862 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 3

4 Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την στήριξή τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: ΤΙΤΛΟΣ: ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ-ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΕ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΜΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Φοιτητής: ΚΟΛΛΙΑΣ ΜΑΡΙΟΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο εξοπλισμός και οι αγωγοί που μεταφέρουν την υψηλή τάση ακολουθούν συγκεκριμένες τιμές ασφάλειας και ελέγχου. Με τον όρο υπερτάσεις εννοούμε τις τάσεις που εμφανίζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα και που συνήθως έχουν εύρος μεγαλύτερο από εκείνο της κανονικής τάσης λειτουργίας. Οι υπερτάσεις έχουν κατά κανόνα ανώμαλη μορφή και είναι ικανές να προκαλέσουν διηλεκτρικές καταπονήσεις μεγάλου μεγέθους στις μονώσεις ενός συστήματος. Κατά τον σχεδιασμό της μόνωσης ενός συστήματος υπάρχουν δύο εξαιρετικά σημαντικές παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπ όψην από τους κατασκευαστές: 1) Ο καθορισμός της μορφής των τάσεων που καταπονούν την μόνωση 2) Ο καθορισμός της αντοχής της μόνωσης όταν υφίσταται καταπόνηση από συγκεκριμένες μορφές τάσεων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάλυση της καταπόνησης που υφίσταται διάκενο ακίδα-πλάκα συνολικού μήκους 6cm στο οποίο παρεμβλήθηκε μετακινούμενο διάφραγμα. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν αφορούν την μελέτη της τάσης διάσπασης και τον τρόπο με τον οποίο αυτή μεταβάλλεται σε σχέση με την γεωμετρία του διακένου αλλά και τις ατμοσφαιρικές συνθηκες. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την ανάλυση της καταπόνησης που υφίσταται διάκενο ακίδας-πλάκας είναι ότι καθώς απομακρύνεται το διάφραγμα από την ακίδα η τάση διάσπασης μειώνεται. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι όσο πλησιάζει το διάφραγμα την ακίδα μειώνεται η τυχαιότητα του φαινομένου της διάσπασης πράγμα το οποιό σημαίνει πως ο σχεδιασμός ενός συστήματος μόνωσης δύναται να γίνει πιο ακριβής. Τέλος παρατηρείται ότι ανάμεσα σε σετ μετρήσεων με ίδια απόσταση διαφράγματος από την ακίδα υπάρχει μια απόκλιση στις τιμές της U 50%. Αυτή η απόκλιση οφείλεται σε διάφορους παράγοντες. Ένας εξ αυτών είναι η μικρή μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών κατά την χρονική απόσταση που παρεμβλήθηκε ανάμεσα στα σετ μετρήσεων. Έναν δεύτερο παράγοντα αποτελούν οι πιθανές υπερπηδήσεις που συνέβησαν κατά την διάρκεια των επιβολών τάσης στο διάκενο. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 5

6 ABSTRACT The equipment and conductors that carry high voltage are taking specific values of security and control. Using the term, hyper-voltage, the researchers mean those voltages that appear in electricity networks and they usually have a width value greater than the normal operating voltage. Most of the times, hyper-voltages are typically have irregular form and they are capable of causing large dielectric stresses in the insulation of a system. When designing an insulation system there are two very important parameters that have to be taken under consideration by the manufacturers: 1) The determination of a voltage form that stresses the insulation equipment 2) The determination of the insulation resistance when there is strain from specific voltage forms. The purpose of this paper is to analyze the voltage stress that is happening in a 6cm gap of pin-plate which was inserted by removable diaphragm. The conclusions drawn are concerning the study of breakdown voltage and how it changes with respect to the geometry of the gap and the atmospheric conditions. One conclusion that arises from the stress analysis of the pin-plate gap is that when the diaphragm is moving away from the pin the breakdown voltage is decreasing. It is also worth noting that as the diaphragm is moving towards the pin, the breakdown phenomenon is becoming less random. This means that the design of an insulation system can be made more accurate. Another conclusion is related to the discrepancy in the values of U 50% between different sets of measurements. The distance between the diaphragm and the spike is influencing the above observation. This discrepancy is due to several factors. The first factor is related to the small change of weather conditions during the different sets of measurements. The second factor is related to the possible jumps that occurred during the voltage imposition in the gap. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 6

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Ο ηλεκτρισμός είναι μία δευτερογενής μορφή ενέργειας που η μεγάλη αξία της συνίσταται στο γεγονός πως είναι εύχρηστη και είναι σχετικά εύκολη η μεταφορά της σε μεγάλες αποστάσεις. Η ηλεκτρική βιομηχανία καλύπτει σήμερα ένα τεράστιο τομέα της ανθρώπινης δραστηριότητας. Το πρώτο κεφάλαιο περιγράφει τις κύριες κατηγορίες του τομέα των υψηλών τάσεων, δίνοντας πληροφορίες για τους κλάδους των υπερτάσεων, των μονώσεων όπως επίσης και των διηλεκτρικών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των κρουστικών τάσεων και οι κύριες λειτουργίες των δύο ειδών γεννητριών κρουστικών τάσεων; της μονοβάθμιας και της πολυβάθμιας κρουστικής γεννήτριας. Γραφήματα και μαθηματικές εξισώσεις περιγράφουν σημαντικά φαινόμενα για την λειτουργία των κρουστικών γεννητριών. Στο τέλος δίνεται μία περιγραφή για την ατρωσία υψηλών κρουστικών τάσεων και για τα συστήματα ελέγχου των ηλεκτρικών εξοπλισμών. Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει αρχικά τα χαρακτηριστικά των διακένων αέρα και έπειτα μελετά την ύπαρξη του αέρα στις ηλεκτρικές διατάξεις καθώς όταν ο αέρας υποβάλλεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει ιδιότητες μονωτικού. Στην επόμενη υποενότητα, περιγράφονται φαινόμενα και μηχανισμοί που σχετίζονται άμεσα με την ηλεκτρική διάσπαση και τον ιονισμό ηλεκτρονίων. Επιγραμματικά παρουσιάζονται: 1) Διέγερση Ιονισμός από κρούση Απιονισμός, 2),Ηλεκτρονικός Πολλαπλασιασμός,3) Μηχανισμός τύπου Townsed και 4) Μηχανισμός τύπου Streamer. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η ανάλυση του φαινομένου της ηλεκτρικής διάσπασης και γίνεται μία μικρή αναφορά στην επίδραση της μορφής του ηλεκτρικού πεδίου στην ηλεκτρική διάσπαση διακένων αέρα. Στο επόμενο στάδιο παρουσιάζονται αναλυτικά το φαινόμενο διάσπασης του αέρα σε ομοιογενή και ανομοιογενή πεδία, καθώς και σύγκριση αυτών. Στην συνέχεια περιγράφονται το φαινόμενο Corona και το φαινόμενο διαφράγματος. Μία ξεχωριστή παράγραφος δίνεται για την σύγκριση μεταξύ ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου. Επίσης μία παράγραφος αναφέρεται στην τάση διάσπασης και στα όρια αξιοπιστίας των μετρήσεων. Στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει περιγραφή της επίδρασης των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην διάσπαση του αέρα και στους συντελεστές διόρθωσης της τάσης διασπάσεως. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται το πειραματικό στάδιο της παρούσας εργασίας.το πειραματικό περιεχόμενο σχετίζεται με την εφαρμογή θετικών κρουστικών τάσεων χειρισμών στο προαναφερθέν διάκενο. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα διάφραγμα το οποίο τοποθετήκε σε μια βάση ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια με δυνατότητα μετακίνησής του σε διάφορες θέσεις με σημείο αναφοράς την ακίδα. Για την μέτρηση των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε κρουστική γενήτρια που αποτελείται από δύο βαθμίδες. Η πειραματική διαδικασία στηρίζεται σε συγκεκριμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες και αποτελείται από δέκα σετ μετρήσεων. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 7

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΨΗΛΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΜΟΝΩΣΕΙΣ-ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΟΚΙΜΕΣ ΜΟΝΩΣΕΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΑΝ ΜΟΝΩΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΜΟΝΟΒΑΘΜΙΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΥΨΗΛΩΝ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΚΕΝΑ ΑΕΡΑ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΑΝ ΜΟΝΩΤΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΠΟΡΕΙΑΣ ΤΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΕ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ CORONA ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΟΜΟΙΟΓΕΝΟΥΣ ΚΑΙ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΟΥΣ ΠΕΔΙΟΥ ΤΑΣΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΚΑΙ ΟΡΙΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΤΗΝ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 8

9 4.7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ηλεκτρισμός είναι μία δευτερογενής μορφή ενέργειας που η μεγάλη αξία της συνίσταται στο γεγονός πως είναι εύχρηστη και είναι σχετικά εύκολη η μεταφορά της σε μεγάλες αποστάσεις. Η ηλεκτρική βιομηχανία καλύπτει σήμερα ένα τεράστιο τομέα της ανθρώπινης δραστηριότητας. Το παρόν κεφάλαιο θα περιγράψει τις κύριες κατηγορίες του τομέα των υψηλών τάσεων, δίνοντας πληροφορίες για τους κλάδους των υπερτάσεων, των μονώσεων όπως επίσης και των διηλεκτρικών. 1.1 ΥΨΗΛΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Δύο παράγοντες που μπορούν να θεωρηθούν υπεύθυνοι για τον καθορισμό μιας τάσης ως υψηλή είναι : η δημιουργία σπινθήρα στον αέρα και ο κίνδυνος της ηλεκτροπληξίας από την επαφή. Ο εξοπλισμός και οι αγωγοί που μεταφέρουν την υψηλή τάση ακολουθούν συγκεκριμένες τιμές ασφάλειας και ελέγχου. Σύμφωνα με τους κανονισμούς της Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής IEC, σαν δίκτυα υψηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος χαρακτηρίζονται αυτά που λειτουργούν υπό τάση υψηλότερη των 1000V ενώ σαν δίκτυα χαμηλής τάσης εκείνα τα οποία λειτουργούν με χαμηλότερη (Πυργιώτη, 2010). Καθένα από τα δίκτυα υψηλής τάσης χαρακτηρίζεται από τρεις χαρακτηριστικές τάσεις: Ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος U n : Ορίζεται μία κατάλληλα εκτιμημένη τιμή τάσης που χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό και τον καθορισμό του συστήματος. Μέγιστη τάση λειτουργίας του συστήματος U h : Ορίζεται η ενεργός τιμή της υψηλότερης τάσης που μπορεί να σημειωθεί οποιαδήποτε χρονική στιγμή και σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου κατά την κανονική λειτουργία του. Δεν υπολογίζονται υπερτάσεις που μπορεί να αναπτυχθούν σε συνθήκες μη μόνιμης κατάστασης λειτουργίας. Μέγιστη τάση λειτουργίας του εξοπλισμού U m : Ορίζεται η ενεργός τιμή της υψηλότερης τάσης που μπορεί να αντέξει ο εξοπλισμός που θα συνδεθεί στο δίκτυο υπό συνθήκες μόνιμης κατάστασης λειτουργίας (Πυργιώτη, 2010). Ο εξοπλισμός υψηλής τάσης με ονομαστικές τάσεις 1kV έως 50 kv χαρακτηρίζεται εξοπλισμός μέσης τάσης (MV). Η τάση από 50 kv έως 345 kv χαρακτηρίζεται ως υψηλή τάση (HV), η τάση από 345 kv έως 765 kv θεωρείται υπερυψηλή τάση (ΕΗV) ενώ άνω των 765 kv ως ιδιαίτερως υψηλή τάση (UHV) (Πυργιώτη, 2010). Ο τομέας υψηλών τάσεων έχει σαν αντικείμενο την τοποθέτηση κατάλληλων μονώσεων μέσα σε μία εγκατάσταση με σκοπό να αποφευχθούν ηλεκτρικές υπερπηδήσεις.η διάταξη αυτή βέβαια πρέπει να σχεδιαστεί κατά τον βέλτιστο οικονομικά τρόπο (Πυργιώτη, 2010). Είναι λοιπόν εύλογο ο τομέας υψηλών τάσεων να έχει σαν προτεραιότητα την μελέτη του τρόπου διεξαγωγής μετρήσεων σε δίκτυα υψηλών τάσεων,την αναπαραγωγή στο εργαστήριο τάσεων που εμφανίζονται στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, καθώς και την μελέτη των διάφορων μονωτικών υλικών, πριν χρησιμοποιηθούν στα ηλεκτρικά δίκτυα (Διαμαντόπουλος, 2009). Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 10

11 1.2 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Με τον όρο υπερτάσεις εννοούμε τις τάσεις που εμφανίζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα και που συνήθως έχουν εύρος μεγαλύτερο από εκείνο της κανονικής τάσης λειτουργίας. Οι υπερτάσεις έχουν κατά κανόνα ανώμαλη μορφή (Πυργιώτη, 2010) και είναι ικανές να προκαλέσουν διηλεκτρικές καταπονήσεις μεγάλου μεγέθους στις μονώσεις ενός συστήματος. Οι υπερτάσεις μπορούν να διαχωριστούν σε εξωτερικές και εσωτερικές υπερτάσεις.οι εξωτερικές υπερτάσεις δεν εξαρτώνται από την τάση του συστήματος,ενώ μπορούν να αποτελούν προιόν εκκενώσεων νέφουςγης(κεραυνικων εκκενώσεων) (Kuffel et al., 2011). Οι εσωτερικές υπερτάσεις δημιουργούνται από αλλαγές στην λειτουργία του συστήματος(πχ.διακοπτικές λειτουργίες κατά την εμφάνιση σφαλμάτων σε ένα σύστημα),ενώ σε αντίθεση με τις εξωτερικές εξαρτώνται από την ονομαστική τάση του συστήματος.άλλα μεγέθη που επηρεάζουν τις εσωτερικές υπερτάσεις είναι η στιγμή που συμβαίνει η αλλάγη λειτουργίας του συστήματος καθώς και μέγεθος του αλλά και οι διατάξεις που το απαρτίζουν (Kuffel et al., 2011).Αξίζει να σημειωθεί ότι με βάση τον ορισμό που δόθηκε για τις εσωτερικές και εξωτερικές υπερτάσεις προκύπτει το συμπέρασμα πώς το μέγεθος των εξωτερικών υπερτάσεων παραμένει ανεξάρτητο του υπό σχεδιασμού συστήματος, σε αντίθεση με το μέγεθος των εσωτερικών υπερτάσεων το οποίο αυξάνει με την αυξανόμενη τάση λειτουργίας του συστήματος.άρα πηγάζει η ανάγκη να δημιουργηθούν σχεδιαστικά πρότυπα σε σχέση με τις κατηγορίες υπερτάσεων.κάποια εξ αυτών προσεγγιστικά υποδεικνυουν ότι(kuffel et al., 2011) : Mέχρι τα 300 kv η μόνωση σχεδιάζεται αποκλειστικά ώστε να αντέχει τα κεραυνικά κύματα. Άνω των 300 kv λαμβάνονται υπ όψην και τα κεραυνικα κύματα και οι διακοπτικές υπερτάσεις. Άνω των 765 kv οι διακοπτικές υπερτάσεις λαμβάνονται σχεδόν αποκλειστικά υπ όψην κατά τον σχεδιασμό του συστήματος. Οι εξωτερικές και εσωτερικές υπερτάσεις μπορούν να κατηγοριοποιηθούν περαιτέρω: Εξωτερικές : Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις Εσωτερικές : i)δυναμικές υπερτάσεις ii)μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών (Πυργιώτη, 2010) Επιπλέον οι υπερτάσεις δύναται να διακριθούν σε 4 ακομή κατηγορίες με κριτήριο την διάρκεια και το σχήμα της κυματομορφής τους (Πυργιώτη, 2010): Διαρκείς υπερτάσεις Παροδικές υπερτάσεις Μεταβατικές υπερτάσεις Σύνθετες υπερτάσεις Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 11

12 Διαρκής ονομάζεται μια υπέρταση σταθερής τιμής η οποία δύναται να συμβαίνει διαρκώς.προσωρινή ονομάζεται μια υπέρταση με σχετικά μακρά διάρκεια η οποία μπορεί να αποσβένεται ασθενώς ή όχι.μεταβατική ονομάζεται μιας μικρής διάρκειας υπέρταση η οποία μπορεί να αποσβενεται ισχυρώς.η διαρκειά της είναι της τάξης μερικών ms ή ακόμη λιγότερο.οι μεταβατικές υπερτάσεις υποδιαιρούνται σε αργού μετώπου-ταχέως μετώπου-πολύ ταχέως μετώπου. Τέλος σύνθετη υπέρταση ονομάζεται ο συνδυασμός δύο εκ των παραπάνω υπερτάσεων που περιγράφησαν (Έξαρχος, 2013). 1.3 ΜΟΝΩΣΕΙΣ-ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΑ Το σύνολο των συσκευών και εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγη, την μεταφορά και την χρησιμοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελουν ενα ηλεκτρικό σύστημα. Όλες οι διατάξεις που απαρτίζουν ένα ηλεκτρικό σύστημα εξαρτώνται από δύο παραμέτρους: την ένταση του ηλεκτρικού ρεματος από την οποία διαρρέεται το στοιχείο και την ηλεκτρική τάση (Έξαρχος, 2013). Η ορθή λειτουργία του συστήματος επιβάλλει, να διαρρέεται το ίδιο το σύστημα μόνο από το ρεύμα λειτουργίας του και να υφίσταται την τάση που του επιβάλλεται χωρίς να συμβαίνει ηλεκτρική διάσπαση (Έξαρχος, 2013). Τα μέτρα τα οποία λαμβάνονται για να εξασφαλιστεί η αποφυγή της ηλεκτρικής διάσπασης αποτελούν την μόνωση του ηλεκτρικού συστήματος (Μαινεμενλής, 2008). Η κατάσταση μιας μόνωσης μπορεί να εκτιμηθεί με την βοήθεια εργαστηριακών δοκιμών στους οποίους υποβάλλεται κατά την κατασκευή της. Για την κατασκευή της απαιτείται η συμμετοχή ενός διηλεκτρικού ή και συνδυασμός περισσοτέρων. Η σύνθεση των διηλεκτρικών σε συνδυασμό με τα αγώγιμα και ημιαγώγιμα τμήματα του εξοπλισμού υψηλης τάσης που μονώνουν, αποτελούν ένα μονωτικό σύστημα. Η συμπεριφορά του συστήματος αυτού δεν μπορει να προσδιοριστεί με υψηλή ακρίβεια (Πυργιώτη, 2010). Η έλλειψη ακρίβιας και αξιοπιστίας κατά την μελέτη της συμπεριφοράς ενός μονωτικού συστήματος,μπορεί να εξηγηθεί αν λάβουμε υπ όψην ότι το κύριο χαρακτηριστικό μιας μόνωσης είναι η εκκένωση διάσπασης που συμβαίνει κατά την εφαρμογή μιας καταπόνησης (Kuffel et al., 2011). Λόγω τυχαιότητας της εμφάνισης των διαδικασιών που οδηγούν στην εκκένωση διάσπασης, η ίδια καταπόνηση εφαρμοζόμενη σε συγκεκριμένες συνθήκες,είναι δυνατόν να μην προκαλεί πάντα εκκένωση διάσπασης.στο σημείο αυτό πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμα και αν δεν προκληθεί εκκένωση ύστερα από εφαρμογή καταπόνησης είναι δυνατόν να αλλάξουν τα χαρακτηριστικά της μόνωσης, δεδομένο που επιβεβαιώνει την αδυναμία εμφάνισης αξιοπιστίας κατά την μελέτη ενός μονωτικού συστήματος (Kuffel et al., 2011). Απλούστερα μπορούμε να πούμε οτι για να ξεκινήσει η εκκένωση διάσπασης απαιτείται μια διαθέσιμη ποσότητα ηλεκτρονίων.η στοχαστική φύση της διαθεσιμότητας των αρχικών ηλεκτρονίων προσδίδει στην διάσπαση έναν στοχαστικό χαρακτήρα,γεγονός που ενισχύει την έλλειψη αξιοπιστίας κατα την μελέτη. Όπως αναφέρθηκε τα διηλεκτρικά συμμετέχουν στην δημιουργία ενός μονωτικού συστήματος,γεγονός που καθιστά απαραίτητη την γνώση των διηλεκτρικών και της συμπεριφοράς τους.τα διηλεκτρικά ανάλογα με την φυσικη τους κατάσταση διακρίνονται σε (Πυργιώτη, 2010): Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 12

13 Αέρια (αέρας,θειο) Υγρά (ορυκτέλαιο) Στερεά (πολυαιθυλένιο, χαρτί, λάστιχο) Μια ξεχωριστή κατηγορία μπορεί να αποτελέσουν τα εμποτισμένα διηλεκτρικά όπως ειναι το εμποτισμένο με λάδι χαρτί. Αυτά μπορούν να θεωρηθούν σύνθετα διηλεκτρικά σε σχέση με τα παραπάνω που είναι πιο απλά.άλλα σύνθετα διηλεκτρικά μπορούν να προκύψουν από την ενσωμάτωση στερεών διηλεκτρικών(υπό μορφή κόκκων ή ινών) σε άλλα στερεά σχηματίζοντας έτσι ένα νέο υλικό με βελτιωμένες ιδιότητες (Πυργιώτη, 2010). Οι μονώσεις ανάλογα με το περιβάλλον που θα χρησιμοποιηθούν διακρίνονται σε εσωτερικές και εξωτερικές.η εσωτερική μόνωση λειτουργεί στο εσωτερικό ηλεκτρικής συσκευής ή εγκαταστάσεων υψηλής τάσης, χωρίς να έρχεται σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον και τον ατμοσφαιρικό αέρα (π.χ. η μόνωση των τυλιγμάτων μετασχηματιστή μέσα σε μονωτικό λάδι). Έτσι η εσωτερική μόνωση δεν αλληλεπιδρά με τον ατμοσφαιρικό αέρα και άλλους εξωγενείς παράγοντες όπως είναι η ρύπανση, η υγρασία και η σκόνη(πυργιώτη, 2010). Η εξωτερική μόνωση μπορεί να λειτουργεί είτε σε εσωτερικούς χώρους (μονωτήρες στο εσωτερικό υποσταθμού) είτε σε εξωτερικούς (μονωτήρες δικτύων),ενώ το μονωτικό υλικό εκτίθεται στις επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Μια ακόμη διάκριση των μονώσεων συμφωνα με (Οικονόμου & Φώτης, 2012) είναι: (i) Πλήρως επανορθούμενη μόνωση:το μονωτικό υλικό επανακτά πλήρως τις φυσικές και ηλεκτρικές ιδιότητές του ύστερα απο μία ενδεχόμενη διάσπαση, όποτε το ίδιο δείγμα μπορεί να εξεταστεί πολλές φορές. (ii) Μερικώς επανορθούμενη μόνωση:το μονωτικό υλικό επανακτά μερικώς τις φυσικές και ηλεκτρικές ιδιοτητές του.η αλλοίωση των ιδιοτήτων που μπορεί να επέλθει ύστερα από ενδεχόμενη διάσπαση, αναγκάζει το ίδιο δείγμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο έως ότου εμφανιστεί η διάσπαση. (iii) Μη επανορθούμενη μόνωση:το μονωτικό υλικό χάνει εξ ολοκλήρου τις μονωτικές του ιδιότητες ύστερα από μια ενδεχόμενη διάσπαση. Έχοντας χρησιμοποιήσει πολλές φορές τον όρο καταπόνηση για να περιγράψουμε την συμπεριφορά ενός μονωτικού συστήματος κρίνεται σκόπιμο να μελετηθούν τα είδη τών καταπονήσεων που υφίστανται οι μονώσεις.αυτές μπορεί να είναι συνεχείς ή διακοπτόμενες, σταθερές ή μεταβαλλόμενες στο χρόνο. Εκτός από την διάρκεια και την ισχύ των καταπονήσεων, οι καταπονήσεις των μονώσεων υψηλών τάσεων μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής (Πυργιώτη, 2010): Ηλεκτρικές. Αυτές οφείλονται σε υπερτάσεις μόνιμες,παροδικές ή μεταβατικες. Θερμικές.Αυτες οφείλονται στην αύξηση της θερμοκρασίας των μονώσεων του εξοπλισμού.αύξηση της θερμοκρασίας των μονώσεων μπορεί να επέλθει Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 13

14 από διηλεκτρικές απώλειες,απώλειες joule των αγωγών που μονώνουν ή ακόμα και απο ακραιές περιβαλλοντικές συνθήκες που αφορούν την θερμοκρασία αποκλειστικά. Μηχανικές.Αυτές διακρίνονται σε μόνιμες(κατασκευαστική λειτουργία εξοπλισμού) ή μεταβατικές(βραχυκυκλώματα) Περιβαλλοντικές.Αυτές οφείλονται στις περιβαλλοντικές συνθήκες (υγρασία,ακτινοβολία,ρύπανση). 1.4 ΔΟΚΙΜΕΣ ΜΟΝΩΣΕΩΝ Σε σχέση με όσα προαναφέρθηκαν καθίσταται σαφές ότι κατά τον σχεδιασμό της μόνωσης ενός συστήματος υπάρχουν δύο εξαιρετικά σημαντικές παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπ όψην από τους κατασκευαστές (Kuffel et al., 2011): Ο καθορισμός της μορφής των τάσεων που καταπονούν την μόνωση Ο καθορισμός της αντοχής της μόνωσης όταν υφίσταται καταπόνηση από τις συγκεκριμένες μορφές τάσεων Κρίνεται λοιπόν αναγκαίο να εξασφαλιστεί ότι μια εγκατάσταση υψηλών τάσεων θα αντέχει στις διάφορες μορφές καταπόνησης.ο μόνος τρόπος για να γίνει η εκτίμηση της μόνωσης και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των διαφόρων μονωτικών υλικών είναι η υποβολή τους σε ηλεκτρικές καταπονήσεις μέσα στο εργαστήριο, όμοιες με αυτές που πρόκειται να υποστούν κατά την πραγματική λειτουργία των εγκαταστάσεων.απαιτείται συνεπώς τα εργαστήρια να διαθέτουν διατάξεις παραγώγης των διαφόρων τάσεων δοκιμής (Διαμαντόπουλος, 2009). Παρακάτω αναφέρονται παραδείγματα τάσεων δοκιμής(διαμαντόπουλος, 2009) : 1. Εναλλασσόμενες ημιτονοειδείς τάσεις 50 Ηz κατά το δυνατόν απαλλαγμένες αρμονικών.μεγαλης σημασίας είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει αυτή η τάση η οποία και πρέπει να μετρηθεί. 2. Συνεχείς τάσεις οι οποιές πρέπει κατά το δυνατόν να μην περιλαμβάνουν ημιτονοειδείς συνιστώσες. 3. Κρουστικές τάσεις. 1.5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΑΝ ΜΟΝΩΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ Στις ηλεκτρικές εφαρμογές ο αέρας ήταν το πρώτο υλικό που χρησιμοποιήθηκε σαν μονωτικό (Πυργιώτη, 1991). Το σπουδαιότερο πλεονέκτημά του, εκτός από το μηδενικό του κόστος, είναι ότι αποτελεί επανορθούμενη μόνωση. Με βάση τους ορισμούς που δόθηκαν για την επανορθούμενη μόνωση στο κεφάλαιο 1.3 αυτό σημαίνει ότι ανακτά πλήρως τις ιδιότητές του ύστερα από διάσπαση σε αντίθεση με άλλα σύγχρονα μονωτικά υλικά(στερεά,υγρά,αέρια). Το χαμηλό κοστός σε συνδυασμό με την ιδιότητα της επανορθουμενης μόνωσης καθιστούν την χρήση του αέρα σαν μονωτικό σε ευρεία κλίμακα. Τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα είναι ικάνα να αντισταθμίζουν ένα από τα ελάχιστα μειονεκτήματα του αέρα όπως είναι το τεράστιο μέγεθος διατάξεων που χρησιμοποιούν σαν μονωτικό τον αέρα. Άρα λοιπόν μόνο σε περιπτώσεις που Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 14

15 υπάρχουν λόγοι περιορισμένου χώρου,λειτουργικοί και αισθητικοί χρησιμοποιούνται άλλα υλικά (Πυργιώτη, 1991). Το πρώτο κεφάλαιο ήταν η εισαγωγή σχετικά με το αντικείμενο της επιστήμης των υψηλών τάσεων. Παρουσιάστηκαν οι κύριες κατηγορίες των υπερτάσεων όπως επίσης και τα διαφορετικά είδη των μονώσεων που συναντώνται στα ηλεκτρικά κυκλώματα ενώ έγινε μια αναλυτική αναφορά στα διηλεκτρικά. Το κύριο υλικό που θα χρησιμοποιηθεί σαν μονωτικό είναι ο αέρας και για αυτόν τον λόγο έγινε ειδική ανάφορα στην συμπεριφορά του σαν μονωτικό. Η παρούσα διπλωματική εργασία θα στηριχθεί στην μελέτη και ανάλυση σύνθετων διακένων αέρα-διηλεκτρικού με εφαρμογή κρουστικής τάσης. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Στο προηγούμενο κεφάλαιο έγινε μια παρουσίαση για τις υπερτάσεις και τα είδη τους. Σαν υπέρταση ορίστηκε η τάση που εμφανίζεται στα ηλεκτρικά δίκτυα και έχει εύρος μεγαλύτερο από την κανονική τάση λειτουργίας λόγω φυσικών η άλλων λόγων. Τέτοιου είδους υπερτάσεις όπως αυτές που οφείλονται σε διακοπτικά φαινόμενα ή ακόμα και οι κρουστικές κεραυνών, μπορουν να προκαλέσουν διάσπαση της μόνωσης σε δίκτυα χαμηλής τάσης (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Στο κεφάλαιο που ακολουθεί γίνεται μια πιο λεπτομερής ανάλυση με τα κύρια χαρακτηριστικά που επιδρούν στο πεδίο των μονώσεων. Η ανάλυση αυτή πραγματέυεται τα είδη των κρουστικών τάσεων, καθώς επίσης και τα είδη κρουστικών γεννητριών. 2.1 ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ Οι διαταραχές στα συστήματα μετάδοσης ηλεκτρικής ισχύος και στα συστήματα διανομής προκαλούνται συχνά από δύο είδη μεταβατικών τάσεων των οποίων τα πλάτη μπορούν να υπερβούν σε μεγάλο βαθμό τις τιμές κορυφής της τάσης λειτουργίας εναλλασσόμενου ρεύματος (Kuffel et al., 2011). Το πρώτο είδος εκ των δύο,αποτελούν οι κεραυνικές υπερτάσεις οι οποίες δημιουργούνται από τα χτυπήματα κεραυνών στα καλώδια φάσης των εναέριων γραμμών ή στους ζυγούς των υπαίθριων υποσταθμών (Kuffel et al., 2011). Τα πλάτη είναι πολύ υψηλά, συνήθως της τάξεως 1000 kv ή περισσότερο, το οποίο εξηγείται εάν λάβουμε υπόψην ότι κάθε χτύπημα μπορεί να δημιουργήσει ρεύματα κεραυνών μέχρι 100kΑ,ενώ μπορεί το ρεύμα αυτό να είναι μεγαλύτερης τάξης εάν πρόκειται για γραμμή μετάδοσης (Kuffel et al., 2011). Κάθε κεραυνικό χτύπημα έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση οδεύοντων κυμάτων,των οποίων ο ρυθμός ανόδου τάσης εξαρτάται από την κλίση του κεραυνικού ρεύματος (Kuffel et al., 2011). Αξίζει να σημειωθεί ότι η κλίση ενός κεραυνικού ρεύματος μπορεί να υπερβεί τα 100 ka/µsec. Τα συστήματα προστασίας έναντι κεραυνών μπορούν να περιορίσουν τα κύματα που προαναφέρθηκαν. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα,οι υπερτάσεις κεραυνών που παρουσιάζονται στο σύστημα μετάδοσης να έχουν πολύ διαφορετικές κυματομορφές. Το δεύτερο είδος προκαλείται από τα διακοπτικά φαινόμενα (switching phenomena). Τα πλάτη τους εξαρτώνται πάντα από την τάση λειτουργίας του συστήματος και η μορφή τους επηρεάζεται από τις σύνθετες αντιστάσεις αυτού, καθώς επίσης και από τους όρους των διακοπτικών φαινομένων (Kuffel et al., 2011). Το ποσοστό ανόδου τάσης είναι συνήθως μικρότερο από το πρώτο είδος μεταβατικών τάσεων, αλλά η κυματομορφή τους δύναται να αποτελέσει κίνδυνο για τα διάφορα συστήματα μόνωσης(πχ. μόνωση ατμοσφαιρικού αέρα σε συστήματα μεταφοράς με επίπεδα τάσης άνω των 245 kv. Και οι δύο τύποι υπερτάσεων είναι αποτελεσματικοί στα συστήματα διανομής χαμηλής τάσης (Kuffel et al., 2011). Η πραγματική μορφή των δύο υπερτάσεων δεν ακολουθεί πιστά πρότυπα δομής και εμφανίζει μεγάλη ποικιλία.παρολά αυτά κρίνεται αναγκαίο οι υπερτάσεις αυτές να εξομοιωθούν στο εργαστήριο για δοκιμές ώστε να αποκτηθούν ποικίλα συμπεράσματα για την επιδρασή τους στα μονωτικά συστήματα.συνεπώς θα πρέπει οι υπερτάσεις αυτές να ακολουθούν κάποια διεθνή τυποποίηση(kuffel et al., 2011). Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 16

17 Στο σχήμα 2.1 παρουσιάζεται το σχήμα μιας κεραυνικής υπέρτασης και οι ορισμοί των διαφόρων παραμέτρων της. Σχήμα 2.1 Κυματομορφή Κεραυνικής υπέρτασης (Kuffel et al., 2011) Τ 1 είναι ο χρόνος μετώπου, και ισούται για πλήρεις κεραυνικούς κρουστικούς παλμούς με 1.67*Τ. Τ είναι ο χρόνος μεταξύ του 30%-90% της μέγιστης τιμής της τάσης. Τ 2 είναι ο χρόνος στον οποίο η μέγιστη τιμή της τάσης μειώνεται κατά 50%. Μια αποδεκτή τυποποίηση κεραυνικής κρουστικής τάσης αποτελεί ο κεραυνικός κρουστικός παλμός 1.2/50 όπου Τ 1 =1.2μs και Τ 2 =50 μs. Στο σχήμα 2.2 απεικονίζεται η κυματομορφή μιας διακοπτικής υπέρτασης. Σχήμα 2.2 Κυματομορφή διακοπτικής υπέρτασης (Kuffel et al., 2011) Τα πιο σημαντικά στοιχεία του σχήματος 2.2 αναφέρονται παρακάτω(kuffel et al., 2011): Τp: Χρόνος από την εκκίνηση μέχρι την μέγιστη τιμή τάσης Τd: Χρόνος παραμονής πάνω από το 90% της μέγιστης τιμής τάσης. Τ2: Χρόνος στον οποίο η μέγιστη τιμή της τάσης μειώνεται κατά 50%. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 17

18 Η τυποποιημένη διακοπτική υπέρταση που χρησιμοποιείται έχει χρονικές παραμέτρους με συγκεκριμένες τιμές (συμπεριλαμβανομένων και των ανοχών): T 250s 20% p T2 2500s 60% Σαν αποτέλεσμα η κρουστική περιγράφεται ως ένας λόγος 250/2500(Kuffel et al., 2011). 2.2 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Στο κεφάλαιο 2.1 περιγράφησαν τα διάφορα είδη κρουστικών τάσεων.για να είναι δυνατή η μελέτη της αντοχής των μονώσεων έναντι των συγκεκριμένων υπερτάσεων προκύπτει η ανάγκη εφεύρεσης διατάξεων παραγωγής τους ώστε να δοκιμαστούν στο εργαστήριο.η διαδικάσια παραγωγής τους έχει την αφετηρία της στον ορισμό τους.σαν κρουστική τάση ορίζεται μια απεριοδική τάση η οποία φτάνει στην μέγιστη τιμή της σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και κατόπιν μηδενίζεται με βραδύτερο ρυθμό (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Η ταχεία άνοδος και η βραδεία πτώση μπορούν να αναπαραχθούν με κυκλώματα φόρτισης-εκφόρτισης αποτελούμενα από δύο στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας. Τα στοιχεια αυτά αντιστοιχούν στις δύο εκθετικές συνιστώσες που συνθέτουν την κυματομορφή της κρουστικής ύστερα απο την υπέρθεσή τους (Kuffel et al., 2011). t t V t V e e (2.1) Το φορτίο των γεννητριών θα εκφράζεται μέσω χωρητικότητας, και θα συνεισφέρει στην αποθηκευμένη ενέργεια. Μια δεύτερη πηγή ενέργειας θα παράγεται και αυτή από πυκνώτη καθώς μια γρήγορη εκφόρτιση ενός αμιγούς επαγωγέα ειναι συνήθως αδύνατη λόγω κατασκευαστικών δυσκολιών. Ετσι για την παραγωγή κρουστικών τάσεων χρειάζεται ένα κύλωμα φόρτισης-εκφόρτισης που θα αποτελείται απο δύο πυκνωτές. Τέτοια κυκλώματα αποτελούν οι μονοβάθμιες ή πολυβάθμιες γεννήτριες κρουστικών τάσεων. 2.3 ΜΟΝΟΒΑΘΜΙΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Το κύκλωμα του σχήματος 2.3 απεικονίζει μια μονοβάθμια κρουστική γεννήτρια. Διακρίνονται τα 2 τυπικά κυκλώματα,κύκλωμα τύπου a και κύκλωμα τύπου b καθώς και το κύκλωμα που προκυπτεί από μετασχηματισμό Laplace, με το οποίο όμως δεν θα ασχοληθούμε στο παρών κεφάλαιο. Στο κύκλωμα του σχήματος 2.3 απεικονίζονται: 1. C 1 :Χωρητικότητα κρούσης 2. C 2 : Χωρητικότητα φορτίου 3. R 1 :Αντίσταση μετώπου 4. R 2 :Αντίσταση ουράς Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 18

19 Σχήμα 2.3 Μονοβάθμια Κρουστική Γεννήτρια (Kuffel et.al, 2011) Η διαδικασία παραγωγής κρουστικών τάσεων μέσω μονοβάθμιας γεννήτριας περιγράφεται ως εξής:ο πυκνωτής C 1 φορτίζεται υπό συνεχή τάση V 0 μέχρι το διάκενο G να διασπαστεί. Το διάκενο λειτουργεί σαν διακόπτης ο οποίος πριν διασπαστεί είναι ανοιχτός ενώ μετά την διάσπαση είναι κλειστός (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Οι αντιστάσεις R 1,R 2 και ο πυκνωτής C 2 αποτελούν στοιχεία διαμόρφωσης της κυματομορφής της τάσης.η R 1 επηρεάζει το χρόνο μετώπου της κυματομορφης,ενώ η R 2 παίζει ρόλο στην διαμόρφωση της ουράς (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Επειδή η αντίσταση R 1 είναι πολύ μικρότερη από την R 2 ο C 2 φορτίζεται με μια σταθερά χρόνου ενώ κατά την διάρκεια της φόρτισης σχηματίζεται το μέτωπο της κρουστικής τάσης. Στην συνέχεια οι πυκνωτές C 1 + C 2 εκφορτίζονται μέσω της R 2 και σχηματίζεται η ουρά της κρουστικής τάσης. Σύμφωνα με τα βέλτιστα οικονομικά κριτήρια η χρήση τετοιων γεννητριών ενδείκνυται για τάση φόρτισης από 200kV-250kV. Αν δεν αναζητηθούν οικονομικά κριτήρια, τέτοιου είδους γεννήτριες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τάσεις φόρτισης από μερικά kv-1mv(kuffel et.al, 2011). Θα πρέπει επίσης να αναφέρουμε την σημαντικότερη παράμετρο των κρουστικών γεννητριών. Αυτή είναι η μέγιστη αποθηκευμένη ενέργεια μέσα στην χωρητικότητα αποφόρτισης C 1. Επειδή το C 1 είναι πάντα πολύ μεγαλύτερο από C 2, ο παραπάνω τύπος καθορίζει το κόστος μιας γεννήτριας (Kuffel et.al, 2011). W C1 (V 0max ) (2.2) Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 19

20 2.4 ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Η μονοβάθμια κρουστική γεννήτρια έχει κάποια χαρακτηριστικά τα οποία δεν της επιτρέπουν να χρησιμοποιείται στις πολύ υψηλές τάσεις. Αυτά τα χαρακτηριστικά αποτελούν μειονεκτήματα κατά την χρήση τους και είναι τα εξής : 1) η μέγιστη τάση εξόδου της μονοβάθμιας κρουστικής γεννήτριας εξαρτάται από την μέγιστη συνεχή τάση φόρτισης αυτής και άρα τα τροφοδοτικά έχουν μέγιστη περιορισμένη τιμή στην τάση εξόδου, 2) η αύξηση του φυσικού μεγέθους των στοιχείων των κυκλωμάτων, όπως ο πυκνωτής C 1 πριν το διάκενο G, στοιχείο που υποδηλώνει υψηλό κόστος (Οικονόμου & Φώτης, 2012). 3)Ένα άλλο μειονέκτημα είναι οι δυσκολίες για την ελάττωση των εκκενώσεων κορώνα από την δομή του κυκλώματος (Kuffel et.al, 2011). Προκειμένου να υπερνικηθούν αυτές οι δυσκολίες, ερευνητές πρότειναν μια ρύθμιση όπου διάφοροι πυκνωτές φορτίζονται παράλληλα μέσω των υψηλών ωμικών αντιστάσεων και έπειτα εκφορτίζονται σειριακά μέσω των διάκενων σπινθήρων(kuffel et.al, 2011). Η ηλεκτρική διάταξη των παράλληλων πυκνωτών είναι μία πολυβάθμια κρουστική γεννήτρια, που είναι γνωστή και ως γεννήτρια Marx (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Υπάρχουν πολλά διαφορετικά, αν και πάντα παρόμοια, πολυβάθμια κυκλώματα σε λειτουργία. Για να καταδείξει την αρχή της λειτουργίας της, ένα χαρακτηριστικό κύκλωμα παρουσιάζεται στο σχήμα παρουσιάζει τις συνδέσεις μιας τετραβάθμιας κρουστικής γεννήτριας (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Σχήμα 2.4 Πολυβάθμια Κρουστική Γεννήτρια Στο σχήμα 2.4α παρουσιάζεται το κύκλωμα μιας τετραβάθμιας κρουστικής γεννήτριας τύπου Α, ενώ στο σχήμα 2.4β παρουσιάζεται το κύκλωμα μιας τετραβάθμιας κρουστικής γεννήτριας τύπου Β. Βασική διαφορά είναι ότι στο τύπου Α, η αντίσταση μετώπου R 1 συνδέεται όλη έξω από την γεννήτρια, ενώ στο τύπου Β κατανέμεται στις βαθμίδες κατα r 1. Στο κύκλωμα του σχήματος 2.4 απεικονίζονται: Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 20

21 1. C 1 :Χωρητικότητα κρούσης 2. C 2 : Χωρητικότητα φορτίου 3. R 1 :Αντίσταση μετώπου 4. R 2 :Αντίσταση ουράς 5. R 3 :Αντίσταση φόρτισης Για τα δύο κυκλώματα και για την γενικότερη περίπτωση (n) βαθμίδων ισχύουν οι παρακάτω τύποι: R nr (2.3) 1 1 R nr (2.4) 2 2 R3 r2 r1 (2.5) C 1 C ki (2.6) n Οι πυκνωτές C κ1 έως C κ4 είναι πλήρως φορτισμένοι με τάση V 0. Αρχικά διασπάται ο πρώτος σπινθηριστής G 1 και αρχίζει η εκφόρτιση σε σειρά των πυκνωτών από την διάσπαση των υπόλοιπων σπινθηριστών. Η συνολική τάση εξόδου είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων των επιμέρους πυκνωτών. Η συνολική ενέργεια θα είναι ίση με το άθροισμα των ενεργειών των επιμέρους βαθμίδων (Οικονόμου & Φώτης, 2012). V nv (2.7) 0 n W nwi Cki V 0 C1(V ) (2.8) ΜΕΤΡΗΣΗ ΥΨΗΛΩΝ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Εφόσον αναλύθηκε η διαδικασία παραγωγής των κρουστικών τάσεων,το επόμενο βήμα είναι να αναλυθεί η διαδικασία μέτρησής τους.η μέτρηση των Υψηλών Τάσεων γίνεται με διάφορες διατάξεις όπως το ηλεκτροστατικό βολτόμετρο,το διάκενο σφαιρών,διάταξη αμπερόμετρου και αντίστασης σε σειρά,ο ωμικός καταμεριστής,ο χωρητικός καταμεριστής,η διάταξη μετασχηματιστών τάσης και άλλες διατάξεις.για την μέτρηση κρουστικών τάσεων χρησιμοποιείται κυρίως το διάκενο σφαιρών. Για την μέτρηση της κρουστικής τάσης πρέπει να ληφθεί υπ όψην ότι αποτελεί ένα ταχύτατο μεταβατικό φαινόμενο (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Κατά τη δημιουργία κρουστικών τάσεων η μεταβολή της τάσης du/dt είναι πολύ μεγάλη και φθάνει τιμές kv/μs, με αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγάλων ρευμάτων τα οποία δημιουργούν επαγόμενες τάσεις λόγω ισχυρών μεταβατικών πεδίων (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Οι παράσιτες εντάσεις προκαλούν επαγόμενες τάσεις λόγω των ισχυρών μεταβατικών πεδίων. Αυτές οι τάσεις προστίθενται στη μετρούμενη κρουστική τάση και αλλοιώνουν την τιμή της τελικής τάσης (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 21

22 Τα ηλεκτρικά κυκλώματα και τα συστατικά τους, που περιγράφησαν στις προηγούμενες υποενότητες ως γεννήτριες παραγωγής κρουστικών τάσεων αποτελούν ένα υποσύνολο ενός συστήματος δοκιμής που συμπληρώνεται από μετρήσεις μεγεθών και συσκευές ελέγχου. Σε μία συνηθισμένη περίπτωση λειτουργίας, η μέτρηση και ο έλεγχος εκτελούνται από έναν χειριστή και όλα τα αποτελέσματα καταγράφονται και αξιολογούνται περαιτέρω με το χέρι(kuffel et.al, 2011).Η απλή αυτή μέθοδος αποτελεί την κύρια μέθοδο καταγραφής μετρήσεων της παρούσας εργασίας. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και την διάθεση στην αγορά αρκετά φτηνών και εξαιρετικά αποδοτικών ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι δυνατόν να επιτευχθούν, μερικές ή πλήρως αυτόματες ακολουθίες δοκιμής(kuffel et.al, 2011), καθώς επίσης να δημιουργηθεί βάση δεδομένων με τις πειραματικές μετρήσεις ώστε να εξάγονται συμπεράσματα και γραφήματα αυτόματα από τον υπολογιστή χωρίς να χρειάζεται η ανθρώπινη παρεμβολή.πρόκειται για μια διαδικασία εξαγωγής συμπερασμάτων σε πολύ μικρό χρόνο. Προκύπτει λοιπόν το συμπέρασμα πως η αυτόματη λειτουργία βοηθά στον εκσυγχρονισμό της μελέτης ενός μονωτικού συστήματος,όμως στην σωστή εφαρμογή της, τροχοπέδη αποτελούν οι ηλεκτρομαγνητικές διαταραχές που συμβαίνουν λόγω της υψηλής ταχύτητας του μεταβατικού φαινομένου.για να αποφευχθούν όλες οι ηλεκτρομαγνητικές διαταραχές,να λειτουργήσει το σύστημα χώρις την αλλοίωση που αυτές προκαλούν και να επιτευχθεί η ορθή εφαρμογή του καταγραφικού εξοπλισμου θα πρέπει να εξασφαλιστούν τα ακόλουθα (Οικονόμου & Φώτης, 2012): - Όλος ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται πρέπει να βρίσκεται μέσα σε κλωβό Faraday. Οι συσκευές υψηλής τάσης λόγω του μεγάλου τους όγκου παρουσιάζουν παράσιτες χωρητικότητες ως προς τον περιβάλλοντα χώρο που γίνεται η δοκιμή. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται ένα ρεύμα το οποίο ρέει εκτός του περιβάλλοντα χώρου των δοκιμών προκαλώντας ανεπιθύμητες υπερτάσεις. Ο κλωβός Faraday είναι ένας μεταλλικός γειωμένος κλωβός με την χρήση του οποίου το ρεύμα που δημιουργείται λόγω των παράσιτων χωρητικοτήτων ρέει εντός του κλωβού και μέσω της γείωσης στη γη χωρίς έτσι να επηρεάζονται οι μετρήσεις. Το εσωτερικό κάθε εργαστηρίου αποτελεί κλωβό Faraday, αφού το δάπεδο, η οροφή και οι τοίχοι έχουν στο εσωτερικό τους πλέγμα το οποίο γειώνεται. - Τα όργανα μέτρησης (παλμογράφος ή οποιοδήποτε άλλο ηλεκτρονικό όργανο) πρέπει να βρίσκονται εντός θωρακισμένου μεταλλικού θαλάμου, ώστε να αποφευχθούν ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Μάλιστα η τροφοδοσία τους πρέπει να γίνεται μέσω μετασχηματιστή απομόνωσης. - Το ομοαξονικό καλώδιο που χρησιμοποιείται για την μεταφορά του σήματος από την μεριά της χαμηλής τάσης του καταμεριστή στον παλμογράφο θα πρέπει να είναι διπλής θωράκισης και να είναι τοποθετημένο εντός γειωμένου μεταλλικού σωλήνα. Με αυτόν τον τρόπο δεν προκαλείται θόρυβος στο μεταφερόμενο σήμα. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 22

23 - Πρέπει να υπάρχει στο χώρο του εργαστηρίου σύστημα γείωσης με χαμηλή αντίσταση και αυτεπαγωγή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάστηκαν τα κύρια χαρακτηριστικά των κρουστικών τάσεων και οι κύριες λειτουργίες των δύο ειδών γεννητριών κρουστικών τάσεων; της μονοβάθμιας και της πολυβάθμιας κρουστικής γεννήτριας. Γραφήματα και μαθηματικές εξισώσεις περιγράφουν σημαντικά φαινόμενα για την λειτουργία των κρουστικών γεννητριών. Στο τέλος δόθηκε μία περιγραφή για την ατρωσία υψηλών κρουστικών τάσεων και για τα συστήματα ελέγχου των ηλεκτρικών εξοπλισμών. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 23

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Στα προηγούμενα κεφάλαια περιγράφησαν οι τύποι μονώσεων,οι τύποι των καταπονήσεων που επιβάλλονται σε αυτές τις μονώσεις ενώ έγινε μια προσπάθεια να αναλυθούν οι ιδιότητες αυτών των καταπονήσεων.στην συνέχεια έγινε αναλυτική περιγραφή των διαδικασιών παραγωγής τους στο εργαστήριο. Το επόμενο βήμα είναι να αναλυθεί το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης που εμφανίζεται σε ολές τις ηλεκτρικές διατάξεις. Το παρόν κεφάλαιο περιγράφει αρχικά τα χαρακτηριστικά των διακένων αέρα και έπειτα μελετά την ύπαρξη του αέρα στις ηλεκτρικές διατάξεις καθώς όταν ο αέρας υποβάλλεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει ιδιότητες μονωτικού. Η συμπεριφορά του αέρα σαν μονωτικό συνοδευέται και από φαινόμενα της θεωρίας των αερίων. Στην επόμενη υποενότητα, περιγράφονται φαινόμενα και μηχανισμοί που σχετίζονται άμεσα με την ηλεκτρική διάσπαση και τον ιονισμό ηλεκτρονίων. Επιγραμματικά παρουσιάζονται: 1) Διέγερση Ιονισμός από κρούση Απιονισμός, 2) Ηλεκτρονικός Πολλαπλασιασμός, 3) Μηχανισμός τύπου Townsed και 4) Μηχανισμός τύπου Streamer. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η ανάλυση του φαινομένου της ηλεκτρικής διάσπασης και γίνεται μία μικρή αναφορά στην επίδραση της μορφής του ηλεκτρικού πεδίου στην ηλεκτρική διάσπαση διακένων αέρα. Στο επόμενο στάδιο παρουσιάζονται αναλυτικά το φαινόμενο διάσπασης του αέρα σε ομοιογενη και ανομοιογενή πεδία, καθώς και σύγκριση αυτών. Σαν πιο ειδική περίπτωση δίνεται η ανάλυση της πορείας της ηλεκτρικής διάσπασης σε ανομοιογενές πεδίο. Στην συνέχεια περιγράφονται φαινόμενα που σχετίζονται άμεσα με την ηλεκτρική διάσπαση. Αυτά είναι το φαινόμενο Corona και το φαινόμενο διαφράγματος. Μία ξεχωριστή παράγραφος δίνεται για την σύγκριση μεταξύ ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου. Επίσης μία παράγραφος αναφέρεται στην τάση διάσπασης και στα όρια αξιοπιστίας των μετρήσεων. Στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει περιγραφή της επίδρασης των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην διάσπαση του αέρα και στους συντελεστές διόρθωσης της τάσης διασπάσεως. 3.1 ΔΙΑΚΕΝΑ ΑΕΡΑ H μόνωση ανάμεσα σε δύο στοιχεία ενός συστήματος που βρίσκονται σε διαφορετικές τάσεις ή μεταξύ ενός στοιχείου και της γης επιτυγχάνεται με την παρεμβολή ενός μονωτικού υλικού (Πυργιώτη, 1991). Το μονωτικό υλικό,όπως περιγράφηκε στο πρώτο κεφάλαιο μπορεί να είναι οποιοδήποτε μη αγώγιμο υλικό, (λάδι, γυαλί, ή ο ατμοσφαιρικός αέρας). Η χρήση του ατμοσφαιρικού αέρα σαν μονωτικό υλικό είναι πολύ χρήσιμη ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζει το πλεονέκτημα του μηδενικού κόστους καθώς βρίσκεται σε αφθονία στην ατμόσφαιρα. Η συμπεριφορά του αέρα στις διάφορες ηλεκτρικές καταπονήσεις που εμφανίζονται σε ένα σύστημα καθορίζει την διαμόρφωση της μόνωσης. Η επιστημονική διερεύνηση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς του αέρα βασίζεται στις έρευνες των των Townsend, Raether, Loeb, Meek και άλλων ερευνητών (Πυργιώτη, 1991). Εν αντιθέσει με τις εκτεταμένες θεωρητικές γνώσεις που αποκτήθηκαν από αυτές τις επιστημονικές εργασίες, η τάση διάσπασης ενός μονωτικού διακένου δεν μπορεί να προβλεφθεί επακριβώς εξαιτίας της τυχαιότητας που διακρίνει το φαινόμενο της εκκένωσης διάσπασης.λόγω της Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 24

25 δυσκολίας στην πρόβλεψη της τάσης διασπάσεως, οι επιστήμονες οδηγήθηκαν στην ανάπτυξη μιας ημιεμπειρικής τεχνικής (Πυργιώτη, 1991). Η τεχνική αυτή βασίζεται στην διαμόρφωση κανόνων από τους οποίους μπορεί να υπάρξει συσχέτιση μεταξύ εργαστηριακών αποτελεσμάτων και πραγματικών συνθηκών λειτουργίας. Σε μία ηλεκτρική εγκατάσταση είναι σχεδόν αδύνατο να μελετηθεί η συμπεριφορά των διαφόρων διακένων αέρα κάτω από τις ποικίλες ηλεκτρικές καταπονήσεις που εμφανίζονται κατά τη λειτουργία της (Πυργιώτη, 1991). Για το λόγο αυτό προέκυψε η ανάγκη να κατηγοριοποιηθούν οι ηλεκτρικές καταπονήσεις.η κατηγοριοποίηση αυτή επετεύχθει ύστερα από εκτεταμένες πειραματικές μελέτες. Αυτο είχε σαν αποτέλεσμα την γνώση της συμπεριφοράς των ηλεκτρικών καταπονήσεων, που εμφανίζονται σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση.απώτερος σκοπός της διαδικασίας αυτής είναι να γίνει,κατά το μέγιστο, δυνατή η εκμετάλλευση του εργαστηριακού αποτελέσματος και να επεκταθεί αυτό σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.επιπροσθέτως, ύστερα απο πειραματικές παρατηρήσεις ορίστηκαν βασικές μορφές διακένων (σχετικά με τη γεωμετρία τους) που η μέλετη της διηλεκτρικής τους συμπεριφοράς βοηθά στη πρόβλεψη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς μιας ευρύτερης κατηγορίας διακένων. (Πυργιώτη, 1991). Ένα πολύ ενδιαφέρον στοιχείο της μελέτης των διακένων αέρα είναι ότι η ηλεκτρική διάσπαση ενός μονωτικού διακένου αέρα είναι στοχαστικό φαινόμενο (Πυργιώτη, 1991). Αυτό αυτομάτως οδηγεί στην περιγραφή της τάσης διάσπασης ενός διακένου μέσω θεωρίας πιθανοτήτων και μαθηματικών μεγεθών όπως μέση τιμή, τυπική απόκλιση, και διασπορά (Πυργιώτη, 1991). Στα εργαστήρια συνήθως μελετώνται οι συνθήκες διάσπασης ενός διακένου, το οποίο πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε μία εγκατάσταση. Όπως εχει προαναφερθεί με την πρόταση συνθήκες διάσπασης εννοούνται η τάση διάσπασης και η διηλεκτρική αντοχή της μόνωσης του διακένου. Για να μπορέσουμε να οδηγηθούμε στο καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα,προκύπτει η ανάγκη να συνδυαστεί το εργαστηριακό αποτέλεσμα με την θεωρία των πιθανοτήτων ώστε να μελετηθεί όσο το δυνατόν ακριβέστερα η αντοχή του διακένου στα διάφορα είδη καταπόνησης (Πυργιώτη, 1991). Για να είναι δυνατή η ακρίβεια και η αξιοπιστία της μελέτης ενός μονωτικού συστήματος στα εργαστήρια υψηλών τάσεων γίνονται δοκιμές σε ομοιογενή ή ανομοιογενή διάκενα. Γεννήτριες υψηλών τάσεων χρησιμοποιούνται για τις δοκιμές αυτές με σκοπό να αναπαραχθούν οι διαφορετικές μορφές τάσεων δοκιμής (συνεχείς, εναλλασσόμενες και κρουστικές) που αντιστοιχούν σε καταπονήσεις που εφαρμόζονται στα δίκτυα από υπερτάσεις (Ναξάκης, 2007). Κάποια από τα βασικά χρησιμοποιούμενα διάκενα είναι τα επόμενα τέσσερα (Μαγλαράς, 2010): Σφαίρα Σφαίρα Πλάκα Πλάκα Ακίδα Ακίδα Ακίδα - Πλάκα Σχήμα 3.1 Βασικές Μορφές Διακένων Αέρα (Μαγλαράς, 2010) Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 25

26 Στην συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιούμε στις εργαστηριακές μας μετρήσεις την διάταξη διάκενου ακίδας πλάκας, η οποία υπόκειται σε καταπονήσεις κρουστικών τάσεων με σκοπό να εξάγουμε συμπεράσματα για τον μηχανισμό διάσπασης του άνωθεν διακένου. Δύο είναι τα κύρια χαρακτηριστικά τα οποία αφορούν την μέλετη της αντοχής των διακένων: η διηλεκτρική αντόχη και το ηλεκτρικό πεδίο (Μαγλαράς, 2010). Η διηλεκτρική συμπεριφορά των διακένων αέρα εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες (Μαγλαράς, 2010). Πρώτον την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στο διάκενο, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται διαφορετικά στις περιπτώσεις ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου, και δεύτερον από τις επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες (Μαγλαράς, 2010). Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στο διάκενο επηρεάζεται από την γεωμετρία του των ηλεκτροδίων του διακένου και την μορφή της τάσης φόρτισης (Μαγλαράς, 2010). 3.2 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΑΝ ΜΟΝΩΤΙΚΟ Ο αέρας όταν υποβάλλεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει ιδιότητες μονωτικού. Τα βασικά συστατικά του αέρα (άζωτο, οξυγόνο και μικρότερες προσμίξεις άλλων αερίων) εμφανίζονται στο μεγαλύτερο μέρος τους ως ουδέτερα μόρια και άτομα. Φαινόμενα όπως η κοσμική ακτινοβολία,ή η φυσική ραδιενέργεια του εδάφους αλληλεπιδρούν με τα ουδέτερα μόρια του αέρα με αποτέλεσμα να αποσπούν από αυτά ηλεκτρόνια,δημιουργώντας έτσι θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια (Πυργιώτη, 1991). Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αέρα παρουσία ηλεκτρικού πεδίου,εκτός από την θερμική ταχύτητα(λόγω θερμότητας) αποκτούν μια κατευθυνόμενη κίνηση και μια ταχύτητα η οποία ονομάζεται ταχύτητα ολίσθησης και ισούται με το γινόμενο της κινητικότητας των ηλεκτρονίων επί το πεδίο.τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εξαιτίας της κατευθυνόμενης ταχύτητας που έχουν αποκτήσει συγκρούονται με μόρια του αέρα και μεταφέρουν σε αυτά μέρος της κινητικής τους ενέργειας (Ναξάκης, 2007). Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συγκρουόμενο με ένα ουδέτερο μόριο μπορεί να προκαλέσει τις ακόλουθες αντιδράσεις (Πυργιώτη, 1991): Εάν η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι μικρή και το ουδέτερο μόριο ή άτομο δεν έχει δυνατότητα ενσωμάτωσης πρόσθετων ηλεκτρονίων (έλλειψη ηλεκτραρνητικότητας) είναι δυνατόν να συμβεί μόνο μηχανική ανταλλαγή ενέργειας (ελαστική κρούση). Εάν το ουδέτερο μόριο ή άτομο παρουσιάζει ηλεκτραρνητικότητα, το ηλεκτρόνιο μπορεί να ενσωματωθεί σ αυτό και να προκύψει ένα αρνητικό ιόν. Εάν η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι λίγο μεγαλύτερη, είναι δυνατόν κατά την κρούση να απορροφηθεί από το μόριο ή άτομο ένα μέρος της ενέργειάς του και να χρησιμοποιηθεί για τη μεταπήδηση ενός ηλεκτρονίου από μία χαμηλή στοιβάδα σε μία υψηλότερη, να «διεγερθεί» δηλαδή το άτομο ή μόριο. Εάν τέλος η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι αρκετά μεγάλη, μπορεί να προκαλέσει απόσπαση (απελευθέρωση) ενός ή περισσότερων Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 26

27 ηλεκτρονίων από το μόριο ή άτομο και να προκύψουν έτσι θετικά ιόντα και επιπλέον ελεύθερα ηλεκτρόνια. Εκτός από τον άμεσο αυτό τρόπο, απόσπαση ηλεκτρονίου μπορεί να γίνει σε περισσότερες από μία βαθμίδες, να γίνει δηλαδή πρώτα διέγερση και στη συνέχεια με μία πρόσθετη πρόσδοση ενέργειας να συμβεί η απόσπαση (ιονισμός). Σύμφωνα με την διαδικασία του ιονισμού που περιγράφηκε πιο πάνω, από μια κατάσταση όπου υπάρχει ένα ουδέτερο άτομο και ένα ηλεκτρόνιο γίνεται μετάβαση σε μία άλλη όπου προκύπτει ένα θετικό ιόν και δύο ελεύθερα ηλεκτρόνια.τα δύο αυτά ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άλλα άτομα του αερίου οπότε τα ηλεκτρόνια αυξάνονται σε τέσσερα και η διαδικασία συνεχίζεται κατά τον ίδιο τρόπο μέχρι να δημιουργηθεί μια ηλεκτρονική στοιβάδα (Οικονόμου & Φώτης, 2012). Η διαδικασία του ιονισμού με κρούση είναι η πιο σημαντική διαδικασία που οδηγεί στην διάσπαση για πεδία υψηλής έντασης. Από μαθηματικής άποψης για να υπάρξει ιονισμός πρέπει να ισχύει η επόμενη σχέση (Μαγλαράς, 2010): * V (3.1),όπου λ(m) η ελεύθερη διαδρομή ενός ηλεκτρονίου, Ε(V/m) η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου που κινεί το ηλεκτρόνιο και V (V) το δυναμικό πρώτου ιονισμού των ατόμων του αερίου. Πέραν του ιονισμού υπάρχει και το φαινόμενο του απιονισμού, όπου ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο μετατρέπεται σε ουδέτερο άτομο εάν προσαρτάται σε ένα θετικό ιόν (Μαγλαράς, 2010). Στο παρακάτω σχήμα εμφανίζεται το φαινόμενο του ιονισμού για τρία διαφορετικά στοιχεία (οξυγόνο, άζωτο, και υδρογόνο). Σχήμα 3.2 Ιονισμός μορίων Οξυγόνου, Αζώτου και Υδρογόνου (Kuffel et al., 2011) Ηλεκτρονικός πολλαπλασιασμός Το φαινόμενο του ηλεκτρονικού πολλαπλασιασμού οφείλεται στην αύξηση της ενέργειας των αρχικών ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια της κίνησης τους μέσα στο επιβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο έως ότου αποκτήσουν την απαιτούμενη ενέργεια για να ιονίσουν τα μόρια του αερίου (Μαγλαράς, 2010). Ύστερα από τον πολλαπλασιασμό των ηλεκτρονίων σύμφωνα με την διαδικασία που περιγράφηκε Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 27

28 δημιουργείται μια στοιβάδα, η οποία προκαλεί αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο του ηλεκτρονικού πολλαπλασιασμού περιγράφεται από ένα μακροσκοπικό συντελεστή α (Μαγλαράς, 2010). Εξαιτίας της συνεχούς μεταβολής της ενέργειας των ηλεκτρονίων στο σύστημα, ο συντελεστής α επηρεάζει την διαδικασία του ιονισμού (Μαγλαράς, 2010). Ο α ονομάζεται πρώτος συντελεστήςtownsend. Η διαδικασία αυτή παρουσιάζεται σχηματικά στο Σχήμα 3.3. Σχήμα 3.3 Πολλαπλασιασμός ηλεκτρονίων στην στoιβάδα (Μαγλαράς, 2010) Θεωρούμε ένα στρώμα αερίου πάχους (dx) και μοναδιαίας επιφάνειας. Αν μέσα σε αυτό το στρώμα κινούνται n ηλεκτρόνια στη διεύθυνση του πεδίου, x δημιουργούν a* n x * dx νέα ηλεκτρόνια (Μαγλαράς, 2010). Έτσι, αν η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι (d) και στην κάθοδο έχουν παραχθεί n 0 ηλεκτρόνια, ο αριθμός n d των ηλεκτρονίων τα οποία συλλέγονται από την άνοδο θα είναι n n 0 *ead. Μια τέτοια ομάδα ηλεκτρονίων, η οποία συνοδεύεται από μια αντίστοιχη ομάδα θετικών ιόντων, ονομάζεται ηλεκτρονική στοιβάδα (Μαγλαράς, 2010). Από τα προηγούμενα είναι προφανές ότι i i0 *ead,όπου i είναι η ένταση ρεύματος στην άνοδο και i 0 η ένταση ρεύματος στην κάθοδο κατά την έναρξη του φαινομένου (Μαγλαράς, 2010). Ο συντελεστής α εξαρτάται από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου Ε, την πίεση (p) και την φύση του αερίου. Έχει αποδειχθεί ότι για ένα συγκεκριμένο αέριο ο λόγος (α/p) εξαρτάται από το λόγο (E/p ) (Μαγλαράς, 2010) Μηχανισμός τύπουtownsed Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα το πρώτο βήμα για την έναρξη της διάσπασης είναι ο ιονισμός από κρούσεις και μετέπειτα μέσω αυτού η δημιουργία ηλεκτρονικών στοιβάδων.η διάσπαση που πραγματοποιείται με τον μηχανισμό αυτό απαιτεί τη δημιουργία μεγάλου αριθμού ηλεκτρονικών στοιβάδων (Μαγλαράς, 2010). Η διαδικασία αυτή για να ολοκληρωθεί απαιτεί ένα σχετικά μεγάλο χρόνο, ο οποίος είναι μεγαλύτερος από το χρόνο παραμονής των Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 28

29 ηλεκτρονίων μέσα στο διάκενο. Ο μηχανισμός τύπου Townsed απαρτίζεται από 3 στάδια εξέλιξης (Μαγλαράς, 2010): 1) Ανάπτυξη της πρώτης στοιβάδας. Εάν η στοιβάδα αυτή δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να δημιουργήσει διαδόχους, μόλις τα φορτία της περισυλλεγούν από τα ηλεκτρόδια διακόπτεται κάθε δραστηριότητα. 2) Στην περίπτωση όμως που η αρχική στοιβάδα είναι αρκετά ισχυρή, τότε λόγω δευτερογενών φαινομένων δημιουργούνται μ διάδοχες στοιβάδες (μ=γ), οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους από ένα μέσο χρονικό διάστημα Τg. Αυτό το διάστημα εξαρτάται από το είδος των δευτερογενών διαδικασιών που συμβαίνουν στο διάκενο. Ανάλογα με την τιμή του μ, η ακολουθία στοιβάδων μπορεί να οδηγήσει σε μια μη συντηρούμενη εκκένωση (μ<1), ή σε μία αυτοσυντηρούμενη εκκένωση μ 1. 3) Η συσσώρευση ιόντων μέσα στο διάκενο παραμορφώνει αποφασιστικά το επιβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Οι διαδικασίες ιονισμού πραγματοποιούνται υπό την επίδραση του πεδίου, το οποίο είναι συνάρτηση της θέσης μέσα στο διάκενο Μηχανισμός τύπου Streamer Εκκενώσεις στις οποίες ο χρόνος μέχρι τη διάσπαση είναι αρκετά μικρότερος από τον χρόνο του μηχανισμού τύπου Townsed περιγράφονται από τον μηχανισμό τύπου Streamer. Μερικές φορές ο χρόνος αυτός είναι μικρότερος και από τον χρόνο παραμονής ενός ηλεκτρονίου στο διάκενο (Μαγλαράς, 2010). Ο μηχανισμός τύπου Streamer διακρίνεται από δύο στάδια: 1. Ανάπτυξη της στοιβάδας με κρίσιμο μέγεθος. Επιστημονικές μελέτες με κύριο εκφραστή τον Raether έδειξαν ότι όταν η συγκέντρωση ιόντων ήταν χαμηλότερη απο η ανάπτυξη στοιβάδας ήταν αδύνατη. 2. Ισχυρή παραμόρφωση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου λόγω της παρουσίας της στοιβάδας δημιουργία streamer και διάσπαση. Αξίζει να σημειώθει ότι σε ανομοιογενή διάκενα (ακίδα-πλακα) οι streamers κατέχουν κυρίαρχη θέση στον μηχανισμό της διάσπασης, και για αυτόν τον λόγο θα μελετηθούν εκτενέστερα στις επόμενες υποενότητες. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 29

30 Σχήμα 3.4 Δημιουργία στοιβάδας ηλεκτρονίων και παραμόρφωση πεδίου (Μαγλαράς, 2010) Στο παραπάνω σχήμα παρατηρείται η δημιουργία κεφαλής και ουράς. Το αξονικό πεδίο αυξάνει στην κεφαλή και στην ουρά της στοιβάδας και ελαττώνεται στο εσωτερικό της. Η κατανομή αυτή του πεδίου επιτρέπει τη διπολική αναπαράσταση του φορτίου χώρου. Αυτο το φαινόμενο έχει σαν συνέπεια την ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου στην κεφαλή της στοιβάδας (Μαγλαράς, 2010). Σύμφωνα με τους Raether και Meek όταν η στοιβάδα φτάσει σε ένα κρίσιμο μέγεθος,το εξωτερικό αλλά και το εσωτερικό πεδίο οδηγούν σε διέγερση των σωματιδίων που βρίσκονται στο μπροστινό μέρος της κεφαλής(kuffel et al., 2011).Έτσι παράγονται δευτερογενή ηλεκτρόνια τα οποία εξαιτίας του ηλεκτρικού πεδίου εξελίσονται σε νέες στοιβαδες.η εξέλιξη αυτή συνεπώς μπορεί να οδηγήσει στην μετατροπή της στοιβάδας στην μορφή ενός οχετού corona (Πυργιώτη, 1991). Τα ηλεκτρόνια τα οποία συμμετέχουν στο φαινόμενο είναι της τάξης ηλεκτρόνια. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί την πρώτη μορφή αυτοσυντηρούμενης εκκένωσης μέσα στον αέρα,όμως δεν αποτελεί ακόμα πλήρη ηλεκτρική διάσπαση του διακένου ακόμα και αν γεφυρωθεί το διάκενο ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια. (Πυργιώτη, 1991) 3.3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ Το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης των μονώσεων είναι αρκετά σύνθετο και η αναλυτική περιγραφή του αποτελείται απο διαφορετικές παραμέτρους. Με τον όρο ηλεκτρική διάσπαση γίνεται αναφορά στην απώλεια των μονωτικών ιδιοτήτων ενός μονωτικού ύστερα από την εφαρμογή μιας μορφής ηλεκτρικής καταπόνησης (Έξαρχος, 2013) όπως αυτη ορίστηκε στο πρώτο κεφάλαιο. Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, τα μονωτικά συστήματα διαρρέονται μόνο από το ρεύμα της διηλεκτρικής μετατόπισης (Έξαρχος, 2013) όταν όμως στο κύκλωμα εφαρμόζεται υψηλότερη τάση από την τάση λειτουργίας παρατηρείται ένα μικρό Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 30

31 ρεύμα το οποίο μπορεί να ονομαστεί και ρεύμα κόρου για περίπτωση ομοιογενούς διακένου ή ένταση corona για περίπτωση ανομοιογενούς διακένου. Ο ατµοσφαιρικός αέρας καλύπτει πολύ μεγάλες αποστάσεις εναέριων ηλεκτρικών γραµµών και σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος αποτελεί το πιο συνηθισµένο τρόπο μόνωσης. Ένα σημαντικό στοιχείο είναι ότι το στερεό μονωτικό υλικό χρησιµεύει σαν µέσο στήριξης δεδοµένου ότι χαρακτηρίζεται από μικρότερη ηλεκτρικη καταπόνηση από ότι ο αέρας (Διαμαντόπουλος, 2009). Σαν αποτέλεσμα η γνώση της συμπεριφοράς του αέρα και των διηλεκτρικών ιδιοτήτων οδηγεί στην καλύτερη μόνωση των ηλεκτρικών εξοπλισμών. Προκύπτει λοιπόν η ανάγκη να διερευνηθεί ο μηχανισμός διάσπασης του αέρα.τα φαινόµενα τα oπoία λαμβάνουν χώρα πριν από το φαινόμενο της διάσπασης διαφέρουν ανάλογα με το είδος του πεδίου.ανάλογα με την κατανομή της έντασης ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να χωριστεί σε ομοιογενές και ανομοιογενές. Όταν το πεδίο είναι ανομοιογενές και η τάση μεταξύ των δύο ηλεκτρoδίων ξεπεράσει μία συγκεκριμένη τιμή (τάση έναρξης), εµφανίζονται διάφορες µορφές προεκκενώσεων (Corona). Με την περαιτέρω αύξηση της τάσης δημιουργείται ηλεκτρικός σπινθήρας, φαινόμενο το οποίο οφείλεται στην διάσπαση του στρώµατος του αέρα (Διαμαντόπουλος, 2009). Η τελευταία αυτή τιµή της τάσης καλείται "τάση διάσπασης". Αντίθετα στο oµoιoγενές ηλεκτρικό πεδίο η τάση έναρξης και η τάση διάσπασης συµπίπτουν, γεγόνος που οδηγεί στην φάση της τελικής διάσπασης χωρίς να προηγηθεί το στάδιο των προεκκενώσεων (Διαμαντόπουλος, 2009). 3.4 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ Το ηλεκτρικό πεδίο όπως αναφέρθηκε μπορεί να διαχωριστεί σε ομοιογενές και ανομοιογενές ανάλογα με τις ιδιότητες που το χαρακτηρίζουν. Η μορφολογία του διακένου καθορίζει την μορφή του ηλεκτρικού πεδίου το οποίο προκύπτει από τα διάφορα φορτία που υπάρχουν εντός του (Έξαρχος, 2013). Πιο συγκεκριμένα η μορφολογία του διακένου εξαρτάται από την γεωμετρία των ηλεκτροδίων της διάταξης (ακίδα,πλάκα,σφαίρα), μεταξύ των οποίων επιβάλλεται η τάση, και της μεταξύ τους απόστασης. Παράδειγμα ομοιογενούς πεδίου είναι αυτό που εμφανίζεται μέσα σε διάκενο πλάκας-πλάκας (ηλεκτρόδια Rogowski) ενώ κύριο χαρακτηριστικό αυτού είναι ότι η τιμή της έντασης του είναι σταθερή σε όλα τα σημεία του διακένου(έξαρχος, 2013).Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πράξη δύσκολα συναντάται σταθερή τιμή έντασης σε όλα τα σημεία του διακένου οπότε λέμε ότι το πεδίο είναι σχεδόν ομοιογενές. Παράδειγμα ανομοιογενούς πεδίου είναι αυτό που εμφανίζεται μέσα σε διάκενο ακίδας-πλάκας ενώ κύριο χαρακτηριστικό αυτού είναι ότι η τιμή της έντασης του πεδίου είναι διαφορετική στις διάφορες θέσεις του διακένου. Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζεται η ανάλυση της διάσπασης του αέρα σε ομοιογενές και ανομοιογενές πεδίο. Τα φαινόμενα τα οποία προηγούνται της διάσπασης, δεν είναι τα ίδια στις περιπτώσεις ομοιογενών και ανομοιογενών πεδίων. 3.5 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ Τα δισκοειδή ηλεκτρόδια του σχήματος 3.5 ονομάζονται "ηλεκτρόδια Rogowski" και αποτελούν τυπικό παράδειγµα οµοιογενούς ηλεκτρικού πεδίου. Τα Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 31

32 στρογγυλεµένα άκρα των ηλεκτροδίων προσπαθούν να καθοδηγήσουν το πεδίο να αποκτήσει μεγαλύτερη ομοιογένεια. Σχήμα 3.5 ιάταξη οµοιογενούς ηλεκτρικού πεδίου (ηλεκτρόδια Rogowski) // Μεταβολή του Ρεύµατος Τάσης σε ομοιογενές πεδίο (Διαμαντόπουλος, 2009) Έστω στα ηλεκτρόδια του Σχήµατος 3.5 εφαρµόζεται συνεχής αυξανόμενη τάση U. Στο διάκενο του αέρα υπάρχουν ηλεκτρόνια και ιόντα, τα oποία υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου, αρχίζουν να µετακινούνται προς τα δύο ηλεκτρόδια. Η δημιουργία και ύπαρξη των ιόντων οφείλεται σε κοσµική ακτινοβολία ή στο φωτοηλεκτρικό φαινόµενο που συµβαίνει στην κάθοδο της διάταξης. Η ανάλυση της μεταβολής του ρεύματος-τάσης σε ομοιοιογενές πεδίο παρουσιάζεται στις επόμενες δύο παραγράφους (Διαμαντόπουλος, 2009). Όταν η τάση παίρνει πολύ μικρές τιμές, κατά τη µετακίνηση τους τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα μετατρέπονται σε ουδέτερα µόρια. Η διαδικασία αυτή οδηγεί στην εµφάνιση ρεύµατος, το οποίο αυξάνει µε την αύξηση της τάσης µέχρι την τιµή Ι κ. Το ρεύµα Ικ λέγεται ρεύµα κόρου και εµφανίζεται όταν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου έχει τέτοια τιµή ώστε όλα τα ηλεκτρόνια να μετακινηθούν με πολύ γρήγορο ρυθμό στα ηλεκτρόδια, πριν προλάβουν να επανασυντεθούν σε ουδέτερα µόρια (Διαμαντόπουλος, 2009). Συνεχίζοντας την ανάλυση του γραφήματος για την μεταβολή του ρεύματοςτάσης σε ομοιοιογενές πεδίο παρατηρούμε ότι όταν η τάση αυξηθεί και φθάσει την τιμή U ε (τάση έναρξης) οδηγεί πάλι στην αύξηση του ρεύµατος. Όταν η τάση μεταβληθεί από την τάση U ε, στην τάση U δ (τάση διάσπασης) το ρεύµα φθάνει απότοµα σε πολύ µεγάλη τιµή, και αυτό το φαινόµενο εκδηλώνεται υπό την µορφή ηλεκτρικού σπινθήρα και καλείται διάσπαση του διακένου (Διαμαντόπουλος, 2009). Όταν η τάση διατηρείται οριακά ίση µε την U δ, θεωρητικά δεν επέρχεται ποτέ διάσπαση του διακένου. Για κάθε µεγαλύτερη τάση από την U δ, έστω και αν αυτή επιβληθεί υπό τη µορφή κρούστικής, θα προκληθεί διάσπαση του διακένου. Ο χρόνος διάσπασης είναι τόσο µικρότερος, όσο η τιµή της τάσης είναι µεγαλύτερη. Η τάση U δ λέγεται και "ελάχιστη ή µόνιµη τάση διάσπασης". Το πάχος διακένου d επηρεάζει την τιμή της τάσης διάσπασης U δ (Διαμαντόπουλος, 2009). Ο χρόνος που µεσολαβεί από την εφαρµογή της τάσης µέχρι τη διάσπαση καλείται καθυστέρηση διάσπασης (Breakdown time). Η καθυστέρηση διάσπασης είναι ένα στατιστικό µέγεθος που παρουσιάζει σηµαντική διασπορά τιµών. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται τόσο από την εµφάνιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου στην καθόδο κατά την εφαρµογή της τάσης) όσο και από το χρόνο που µεσολαβεί από την εµφάνιση ενός ηλεκτρονίου προ της καθόδου µέχρι τη διάσπαση (Διαμαντόπουλος, 2009). Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 32

33 Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφέρουμε ότι η καθυστέρηση διάσπασης στο ανοµοιογενές πεδίο είναι πολύ μεγαλύτερη από το οµοιογενές πεδίο του οποίου η τιμές είναι της τάξης του 0,1 µs. Η τάση διάσπασης σε ένα ομοιογενές πεδίο μπορεί να υπολογιστεί με βάση τα θεμελιώδη της ηλεκτρονικής θεωρίας και την εξάρτησή τους από την ένταση του πεδίου. Σύμφωνα με τις μαθηματικές θεωρίες η τάση διάσπασης υπολογίζεται ως εξής (Kuffel et al., 2011): V ( S) B S b Ec (3.2) E c T (p ) E (p ) p (3.3) 0 0 T0 B Kp T CT 0 (3.4) Τα κύρια μεγέθη τα οποία παρουσιάζονται στις παραπάνω εξισώσεις είναι πυκνότητα αέρα (δ), και η απόσταση διάκενου (S), καθώς επίσης και τα μεγέθη πίεσης και θερμόκρασιας σε κανονικές συνθήκες. 3.6 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ Στα ανοµοιογενή ηλεκτρικά πεδία, τo φαινόμενο της διάσπασης του ατµοσφαιρικού αέρα συμβαίνει πολύ συχνά. Οι ηλεκτρικές διατάξεις στις οποίες εμφανίζεται ανομοιογενές πεδίο είναι: η διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας ή διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-ακίδας. Στην περίπτωση ανοµοιογενούς πεδίου ακίδας-πλάκας, η πολικότητα της ακίδας παίζει σηµαντικό ρόλο στη µορφή των εκκενώσεων µέχρι την τελική διάσπαση. Στο ανοµοιογενές πεδίο πριν από την οριστική διάσπαση προηγούνται εκκενώσεις η εξέλιξη των οποίων περιγράφηκε σε προηγούμενη υποενότητα. Αντίθετα στο ομοιογενές πεδίο η διάσπαση επέρχεται σχεδόν απότοµα όταν αυξηθεί η τάση του διακένου (Διαμαντόπουλος, 2009). Οι εκκενώσεις του είδους αυτού χαρακτηρίζονται σαν προεκκενώσεις. Η τάση έναρξης U ε δεν συµπίπτει µε την ελάχιστη τάση διάσπασης U δ, αλλά διαφέρει σηµαντικά από αυτήν. Στην πράξη συµβαίνουν συνήθως προεκκενώσεις (δημιουργία οχετών) ενώ πλήρης διάσπαση συµβαίνει σπάνια (Διαμαντόπουλος, 2009). Η πορεία της εκκένωσης και τα στάδια εξελιξής της είναι δύσκολο να εποπτευθούν ακριβώς. Ώστοσο με την χρήση φωτογραφικών τεχνικών υψηλής ταχύτητας είναι δυνατόν να μελετηθούν τα στάδια εξέλιξης των εκκενώσεων που προηγούνται της διάσπασης σε ανομοιογενές πεδίο.για διάκενο ακίδας-πλάκας χρησιμοποιείται η διάσπαση τύπου streamer. Με την εφαρμογή παλμού θετικής τάσης σε ηλεκτρόδιο ακίδας η πρώτη μορφή ιονισμου που επιτυγχάνεται είναι μια μορφή νηματοειδούς διακλάδωσης η οποία ονομάζεται streamer. Όταν αυξηθεί το επίπεδο κρουστικής τάσης, οι streamers αναπτύσσονται κατά μήκος και κατά πλήθος των διακλαδωσεών τους. Το παρακάτω σχήμα βοηθά στην κατανόηση της διαδικασίας που αναφέρθηκε (Kuffel et al., 2011). 0 Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 33

34 Σχήμα 3.6 Σχηματική απεικόνιση του σχηματισμού streamers (Kuffel et al., 2011) Σε ένα διάκενο ακίδας-πλακας καθώς αυξάνεται το μήκος του διακένου η κατανομή πεδίου γίνεται πιο ανομοιογενής,ενώ με αύξηση της τάσης εμφανίζεται ο streamer(a).όσο αυξάνεται η τάση οι streamers γίνονται πιο συχνοί,η εκκένωση γίνεται αυτοσυντηρούμενη και μια αίγλη εμφανίζεται στην άνοδο(b).ένα συνεχές ρεύμα οφείλει την παρουσία του στην αίγλη της οποίας η φωτεινότητα και η ένταση ενισχύονται με περαιτέρω αύξηση της τάσης.τότε εμφανίζονται νέοι και πιο ισχυροί streamers οι οποίοι οδηγούν σε πλήρη διάσπαση του διακένου(c) (Kuffel et al., 2011). Μία πιο λεπτομερής ανάλυση για την πορεία της διάσπασης γίνεται στο παρακάτω κεφάλαιο. 3.7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΠΟΡΕΙΑΣ ΤΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΕ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ Μετά την "πρώτη κορόνα" η εκκένωση σε μικρά διάκενα μπορεί να προχωρήσει με δύο τρόπους: Τρόπος Α : Στην περίπτωση κρουστικής τάσης με μέτωπο μικρής διάρκειας με την αύξηση της τάσης,όταν η πεδιακή ένταση στην άνοδο είναι αρκετά υψηλή εμφανίζεται η πρώτη κορόνα.το φορτίο της πρώτης κορόνα εμποδίζει για κάποιο χρονικό διάστημα την εμφάνιση άλλου φαινομένου ιονισμού (σκοτεινή περίοδος). Όταν επιτευχθεί η απαραίτητη πεδιακή ένταση στην άνοδο, με μια ακόμη άνοδο της τάσης μπορούν να εμφανισθούν επόμενες εκκενώσεις κορόνα κοντά η μία στην άλλη με τις οποίες συνεχίζεται η εκκένωση. Με πολύ γρήγορα μέτωπα ή σχετικά μεγάλη ακτίνα καμπυλότητας του ηλεκτροδίου υψηλής τάσης, η πρώτη κορόνα μπορεί να γεφυρώσει το διάκενο στο μέτωπο της τάσης και να μετατραπεί σε leader και να οδηγήσει σε διάσπαση. Σε μεγάλα διάκενα έχουν παρατηρηθεί περισσότερες από μία σκοτεινές περίοδοι (Πυργιώτη, 1991). Τρόπος Β : Στη περίπτωση κρουστικής τάσης με μέτωπο μεγάλης διάρκειας συμβαίνουν συνεχώς προεκκενώσεις streamer και μετά την πρώτη κορόνα στη διάρκεια ανόδου της τάσης, σχηματίζεται leader και συμβαίνει η διάσπαση (Πυργιώτη, 1991). 3.8 ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ CORONA Οι στεματοειδείς εκκενώσεις corona, έχουν πολύ µεγάλη πρακτική σηµασία γιατί, εκτός των άλλων, συνεπάγονται απώλειες και επηρεάζουν για το λόγο αυτό το κόστος µεταφοράς της ενέργειας (Διαμαντόπουλος, 2009). Κάποιες απο τις συνέπεις του φαινομένου Corona αναφέρονται επιγραμματικά : Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 34

35 Παράσιτα στους, γειτονικούς ραδιοφωνικούς δέκτες. Πρόσθετες απώλειες στη µεταφορά της ενέργειας. Χαρακτηριστικό τριγµό, ο οποίος ακούγεται εύκολα και Θυσανοειδείς, εκκενώσεις κατά µήκος των αγωγών, ορατές στη διάρκεια της νύκτας. (Διαμαντόπουλος, 2009) Προκύπτει λοιπόν το συμπέρασμα πως κατά την σχεδίαση κυκλωμάτων υψηλών τάσεων το φαινόμενο corona είναι ανεπιθύμητο,όμως υπάρχουν κάποιες περιπτώσεις όπου το φαινόμενο είναι επιθυμητό(ηλεκτροστατικά φίλτρα, ηλεκτροστατική βαφή,ηλεκτροστατικά ηχεία) (Μαγλαράς, 2010). 3.9 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ Η διάταξη ακίδας πλάκας, με την παρεμβολή διαφράγματος παρουσιάζει ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά στην καταπόνηση με υψηλές τάσεις (συνεχείς, εναλλασσόμενες, και κρουστικές) (Μαγλαράς, 2010). Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η παρεμβολή διαφράγματος σε διάκενο ακίδας πλάκας με καταπόνηση κρουστικών τάσεων. Με την εισαγωγή του διαφράγματος, ιδιαίτερα ενός φύλλου μονωτικού διηλεκτρικού στο διάκενο μεταβάλλεται σημαντικά η διηλεκτρική συμπεριφορά και κυρίως η τάση διάσπασης του διακένου (Μαγλαράς, 2010). Σύμφωνα με τις έρευνες που έχουν γίνει, κυρίως σε διατάξεις ανομοιογενούς πεδίου, όπως το υπό εξέταση διάκενο (ακίδα - πλάκα) συμπεραίνεται ότι το πεδίο γίνεται πιο ομοιογενές και το διάκενο είναι δυνατό σε κάποιες περιπτώσεις να λειτουργεί σαν διάκενο πλάκας πλάκας Το φαινόμενο του διαφράγματος σχετίζεται με τη μελέτη της διηλεκτρικής αντοχής των διακένων αέρα και ιδιαίτερα των διατάξεων ανομοιογενούς ηλεκτρικού πεδίου (διατάξεις ράβδου-πλάκας και ακίδα-ακίδα) (Μαγλαράς, 2010). Η τάση διάσπασης επηρεάζεται ανάλογα με το είδος του διακένου, τη μορφή και την πολικότητα της τάσης, και με τη θέση του διαφράγματος (Μαγλαράς, 2010). Υπάρχει μια θέση του διαφράγματος για την οποία η τάση διάσπασης αποκτά την μέγιστη τιμή της (Μαγλαράς, 2010). Η θέση αυτή βρίκεται κοντά στην ακίδα, και είναι διαφορετική ανάλογα με την πολικότητα και το είδος της τάσης. Αντίθετα όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι αρνητική, η τάση διάσπασης μειώνεται για μικρή απόσταση του διαφράγματος από την ακίδα (Μαγλαράς, 2010). Με την εισαγωγή διαφράγματος το ηλεκτρικό πεδίο του διακένου αλλοιώνεται σημαντικά. Το πεδίο γίνεται πιο ομοιογενές με αποτέλεσμα να εξασθενεί το φαινόμενο Corona. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της έντασης του ρεύματος Corona ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΟΜΟΙΟΓΕΝΟΥΣ ΚΑΙ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΟΥΣ ΠΕΔΙΟΥ Με όσα αναφέρθηκαν παραπάνω καθίσταται δυνατή μια σύγκριση μεταξύ ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου. Σε πρώτο στάδιο μια βασική τους διαφορά εντοπίζεται στον μηχανισμό διάσπασης. Σε ομοιογενή πεδία η τάση έναρξης συνήθως οδηγεί σε διάσπαση του διακένου σύμφωνα με την διαδικασία που περιγράφηκε και συμπίπτει με την τάση διάσπασης. Σε ανομοιογενή πεδία όταν αυξηθεί η τάση έναρξης παρατηρούνται φαινόμενα προεκκενώσεων πριν συμβεί η πλήρης διάσπαση ενώ με περαιτέρω αύξηση της τάσης επέρχεται διάσπαση υπό μορφή σπινθήρα (Διαμαντόπουλος, 2009). Αυτές οι εκκενώσεις όπως αναφέρθηκε Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 35

36 είναι γνωστές ως φαινόμενο corona. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί ότι η εμφάνιση των προεκκενώσεων corona δεν έπεται ότι θα οδηγήσει σε πλήρη διάσπαση.για να συμβεί διάσπαση διακένου θα πρέπει το διάκενο να έχει το κατάλληλο μέγεθος ώστε να μπόρεσει το φαινόμενο να εξελιχθεί σε όλα τα στάδια τα οποία περιγράφησαν. Κάποιες άλλες διαφορές μεταξύ οµοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου είναι ότι οι τάσεις διάσπασης στο ανομοιογενές πεδίο είναι μικρότερες για διάκενα ίδιου πάχους σε σχέση με το ομοιογενές,οι καθυστερήσεις διάσπασης είναι μεγαλύτερες στο ανομοιογενές για κρουστική τάση ενώ τέλος η επίδραση της υγρασίας που παρέχει ο αέρας είναι πιο σημαντική για το ανομοιογενές πεδίο. (Διαμαντόπουλος, 2009). Εάν σχεδιαστεί σωστά ηλεκτρικό κύκλωμα το πλεονέκτημα του ομοιογενούς πεδίου, είναι ότι δεν υπάρχει κανένας επηρεασμός από γειτονικά γειωμένα αντικείμενα,ενώ το φαινόμενο της πολικότητας εξαλίφεται (Kuffel et al., 2011). Τα πλεονεκτήματα του ομοιoγενούς πεδίου, αντισταθμίζονται από την ανάγκη για πολύ συγκεκριμένο και αυστηρό σχεδιασμό της διάταξης,πράγμα που μπορεί να σημαίνει υψηλό κόστος.ένα άλλο μειονέκτημα μπορεί να αποτελέσει η σκόνη, η οποία πάντα εμφανίζεται σε συνθήκες εργαστηρίου (Kuffel et al., 2011) ΤΑΣΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΚΑΙ ΟΡΙΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ Η εμφάνιση διάσπασης σε ένα μονωτικό σύστημα διακρίνεται από μια τυχαιότητα,πραγμά που σημαίνει ότι η διάσπαση ενός διακένου αποτελεί ένα φαινόμενο στοχαστικό.η τυχαιότητα της διασπάσης οφείλεται στην στοχαστική συμπεριφορά των αρχικών ηλεκτρονίων που απαιτούνται για να ξεκινήσει η διαδικασία του ιονισμού (που αποτελεί το πρώτο βήμα για την διάσπαση),αλλά και στις ατμοσφαιρικές συνθήκες.συνεπώς λαμβάνοντας υπ όψην ένα μεγάλο δείγμα εφαρμογών καταπόνησης ορίζεται ως p η πιθανότητα διάσπασης (p=p(s)) όπου S η επιβαλλόμενη καταπόνηση (Kuffel et.al, 2011).Η συμπεριφορά της μόνωσης θα καθορίζεται από την συνάρτηση p=p(v) (Kuffel et.al, 2011).Η συνάρτηση αυτή ονομάζεται κατανομή πιθανότητας διάσπασης,ενώ πρέπει να αναφερθεί ότι η κανονική κατανομή(gauss) χρησιμοποιείται συνηθέστερα για να αποδωθεί η p=p(v).η κατανομή gauss για μεταβλητή τάση V παίρνει την παρακάτω αναλυτική έκφραση: V 2 1 ( V V50) P(V) exp( ) dv 2 2 (3.7) 2 Όπου V 50% η τάση που αναφέρεται σε 50% πιθανότητα διάσπασης και σ η τυπική απόκλιση. (Kuffel et.al, 2011) Θα πρέπει να αναφέρουμε ότι υπάρχουν και άλλα στατιστικά μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούνται για την μελέτη της κατανομής.κάποια εξ αυτών όπου χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία είναι η διασπορά η V ΒΟ η V 16% αλλά και ο προσδιορισμός των ορίων αξιοπιστίας.η χρήση των μεγεθών αυτών υποβοηθά να επαληθευτεί ότι οι τιμές της τάσης διάσπασης ακολουθούν την κανονική κατανομή, γεγονός που επιβεβαιώνει την μείωση του σφάλματος κατά την διαδικασία των μετρήσεων. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 36

37 Όρια Εμπιστοσύνης/Αξιοπιστίας Υποθέτοντας ότι μία τυχαία μεταβλητή (x) ακολουθεί κανονική κατανομή για την οποία γνωρίζουμε την θεωρητική μέση τιμή (μ) και την τυπική απόκλιση (σ). Τότε η πιθανότητα μία τυχαία μέτρηση x να βρίσκεται μέσα σε τυπικές αποκλίσεις από την μέση τιμή είναι (Πυργιώτη, 1991): t 2 Y 2 e P100 d (3.8) 2, με τα όρια t ονομάζονται τα όρια ανοχής P%. t Ωστόσο στις περισσότερες περιπτώσεις η μέση τιμή και η απόκλιση δεν είναι γνωστά. Εάν η (x ) είναι η εκτιμηθείσα τιμή της μέσης τιμής και (s) η εκτιμηθείσα τιμή της τυπικής απόκλισης συχνά υποθέτουμε ότι τα P% όρια αξιοπιστίας παίρνουν την τιμή x' ts. Εάν το δείγμα των δεδομένων είανι αρκετά μεγάλο ισχύει η παραπάνω σχέση. Εάν το δείγμα είναι μικρό τότε άλλες τεχνικές χρησιμοποιούνται. Συνεχίζοντας μπορεί να αποδειχθεί ότι έαν η τυχαία μεταβλητή (x) ακολουθεί κανονική κατανομή με άγνωστη μέση τιμή τότε η ποσότητα: x' s M 1 (3.9) Ακολουθεί την student s κατανομή με Μ μέγεθος του δείγματος και Μ-1 βαθμούς ελευθερίας. Η παράμετρος Μ δεν εξαρτάται από την πραγματική τυπική απόκλιση, αλλά από τις μετρήσεις (x ) και (s). Φυσικά η πρακτική πιθανότητα το (μ) να βρίσκεται μέσα στα όρια είναι από μηδέν έως ένα. Έτσι όταν χρησιμοποιούνται περιαματικές τιμές των (x ) και (s) το διάστημα καλείται το P% διάστημα αξιοπιστίας του (μ). Τα άκρα του παρακάτω διάστηματος ονομάζονται όρια αξιοπιστιίας. x ' s M 1 (3.10) Οι παραπάνω σχέσεις που παρουσιάστηκαν δείχνουν ότι τα όρια ανοχής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον καθορισμό των ορίων αξιοπιστίας. Αυτό συμβαίνει κυρίως σε μεθόδους όπου το δείγμα δεδομένων είναι μεγάλο. Πολύ σημαντικό στην μελέτη των ορίων αξιοπιστίας παίζουν τα σφάλματα. Συνήθως ηστατιστική μελέτη των σφαλμάτων ακολουθεί κανονική κατανομή. Τα όρια Chebyshev είναι τα πιο πλατειά και επιτρέπουν κάθε μορφή κατανομής σφαλμάτων (Πυργιώτη, 1991). Στην συνέχεια δίνεται ένα είδος μεθόδου το οποίο χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική εργασία για την επεξεργασία των ορίων αξιοπιστίας. Αν υποθέσουμε ότι σ η τυπική απόκλιση και P το επίπεδο αξιοπιστίας όπως στην (3.8) τα P% όρια αξιοπιστίας για το σ είναι προσεγγιστικά: Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 37

38 t U (3.11) min * t U (3.12) max * Σε κάποιο σημείο η διασπορά της τάσης παρουσιάζει ένα ελάχιστο. Αυτό το σημείο V BO, στην πιθανότητα P BO υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: V BO N rv k k 1 N r k k 1 k (3.13), όπου P BO είναι η πιθανότητα διάσπασης για τάση υπολογίζεται V BO. Η τάση V BO έχει P% όρια αξιοπιστίας. V V t U V (3.14) BOmin BO BO * V V t U V (3.15) BOmax BO BO * Η περιοχή αξιοπιστίας ορίζεται από ευθείες γραμμές. Για τάσεις μικρότερες της V BO, το πάνω όριο έχει κλίση σ min και περνάει (V BO max, P BO ) και το κάτω όριο έχει κλίση σ max και περνάει από το σημείο (V BO min, P BO ). Για τάσεις μεγαλύτερες της V BO, το πάνω όριο έχει κλίση σ max και περνάει (V BO max, P BO ) και το κάτω όριο έχει κλίση σ min και περνάει από το σημείο (V BO min, P BO ). Έτσι για συγκεκριμένα δεδομένα, μπορούμε να πούμε ότι πειραματικά σημεία που τυχόν βρίσκονται έξω από την περιοχή αξιοπιστίας P% που ορίζεται παραπάνω δεν ακολουθούν την κανονική κατανομή (Πυργιώτη, 1991). Μέθοδοι προσδιορισμού της τάσης διάσπασης Σύμφωνα με όσα έχουν αναφερθεί οι πιο συχνά εμφανιζόμενες καταπονήσεις στα μονωτικά συστήματα προκαλούνται από κεραυνικές και διακοπτικές υπερτάσεις.στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε αναφορά στις ιδιότητες τους αλλά και στον τρόπο με τον οποίο επιτυγχάνεται η παραγωγή τους μέσα στο εργαστήριο.σκοπός της παραγωγής στο εργαστήριο είναι η δοκιμή τους σε πρότυπα διάκενα ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για την διηλεκτρική αντοχή των μονωτικών συστημάτων.κρίνεται λοιπόν σκόπιμο να αναφερθούν οι διαδικασίες με τις οποίες εφαρμόζονται οι υπερτάσεις στα εργαστηριακά δοκίμια. Σύμφωνα με διεθνείς και εθνικές τυποποιήσεις τρεις γενικές μέθοδοι έχουν γίνει αποδεκτές (Kuffel et al., 2011): 1. Μέθοδος πολλαπλών επιπέδων 2. Μέθοδος αυξομοίωσης 3. Επεκταμένη μέθοδος αυξομείωσης Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 38

39 Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σύμφωνα με την πρώτη μέθοδο και για αυτόν τον λόγο θα αναλυθεί εκτενέστερα.σύμφωνα με αυτήν την μέθοδο επιλέγονται κάποια επίπεδα τάσεων δοκιμής τα οποία και εφαρμόζονται στα δοκίμια (n) φορές ανά επίπεδο τάσης.στην συνέχεια καταγράφεται το πλήθος (x) των διασπάσεων ανά επίπεδο τάσης όπου και αποδίδεται γραφικά σε κλίμακα P(V).Τέλος καθορίζεται η U 50% από την P(V)=50% και η σ= U 50%- U 16% (Kuffel et al., 2011). Το μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι αποτελεί μια χρονοβόρα διαδικασία καθώς απαιτούνται πολλές δοκιμές ανά επίπεδο τάσης ώστε να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη αξιοπιστία (Kuffel et al., 2011) ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΤΗΝ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ Όπως έχει αναφερθεί στις προηγούμενες παραγράφους ο ιονισμός με κρούση των ουδέτερων μορίων του αέρα αποτελεί το πρώτο στάδιο της διάσπασης σε μία διάταξη διακένου. Για να επιτευχθεί ο ιονισμός απαιτείται μία διαθέσιμη ποσότητα ηλεκτρονίων η οποία παρουσίαζει στοχαστικά χαρακτηριστικά. Η ποσότητα των ηλεκτρονίων συγκρούεται με τα μόρια του αέρα ώστε να δημιουργηθεί ηλεκτρονική στοιβάδα. Η απόσταση που διανύουν τα ηλεκτρόνια μέχρι να συγκρουστούν με τα ουδέτερα μόρια του αέρα, εξαρτάται από την πυκνότητα του αέρα, η οποία με την σειρά της εξαρτάται από την θερμοκρασία και την πίεση (Ναξάκης, 2007). Αύξηση της πυκνότητας του αέρα συνεπάγεται μείωση της απόστασης που διανύουν τα ηλεκτρόνια και αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου. Η διαδικασία του ιονισμού εξαρτάται από το πλήθος των μορίων υδρατμών, τα οποία παρουσιάζουν ηλεκτραρνητικότητα και απορροφούν ελεύθερα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα να συμμετέχουν λιγότερα στην διαδικασία ιονισμού (Πυργιώτη, 1991). Άρα αυξάνεται η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου για την διαδικασία της διάσπασης. Το ποσοστό μορίων υδρατμών εξαρτάται από την απόλυτη υγρασία, η οποία με την σειρά της επηρεάζει την διηλεκτρική αντοχή του αερίου (Πυργιώτη, 1991). Η επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών στη τάση διάσπασης καθορίζεται από το πηλίκο που ορίζει η τάση διάσπασης ενός διακένου κάτω από κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες προς την τάση διάσπασης του ίδιου διακένου κάτω από τις επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες (Ναξάκης, 2007). Σαν αποτέλεσμα, η τάση διάσπασης πρέπει να πολλαπλασιαστεί με έναν συντελεστή ώστε να εξαλειφθούν οι επικρατούσες εργαστηριακές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Και να προσαρμοστεί η τάση διάσπασης στις κανονικές (Ναξάκης, 2007). Διεθνώς έχουν καθορισθεί ως κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες η θερμοκρασία T 0 = 20 ο C, η ατμοσφαιρική πίεση P 0 =100 kpa/760 mmhg και η απόλυτη υγρασία h = 11 g/m 3 (Πυργιώτη, 1991). ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΥΓΡΑΣΙΑ Υπάρχουν δύο συντελεστές διόρθωσης ατμοσφαιρικών συνθηκών ένας για την πυκνότητα του αέρα και ένας για την υγρασία. Ο συντελεστής διόρθωσης της τάσης για την πυκνότητα του αέρα (μικρά διάκενα) είναι ίσος με την σχετική πυκνότητα K d και το διάγραμμα 3.7 δείχνει τον τρόπο υπολογισμού της απόλυτης υγρασίας του αέρα (Ναξάκης, 2007): Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 39

40 K d P P 0 * (3.13) 0 T T Από την άλλη πλευρά η διόρθωση της τάσης διάσπασης για την επίδραση της υγρασίας είναι πιο πολύπλοκη. Όταν μειώνεται η σχετική πυκνότητα του αέρα, αυξάνεται η επίδραση της υγρασίας στην τιμή της τάσης διάσπασης (Ναξάκης, 2007). Mία μείωση της σχετικής πυκνότητας του αέρα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ποσοστού των μορίων του νερού στον αέρα. Το διάγραμμα 3.7 δείχνει τον τρόπο υπολογισμού του συντελεστή διόρθωσης υγρασίας Κ h ως συνάρτηση της απόλυτης υγρασίας (Ναξάκης, 2007). Σχήμα 3.7 Διάγραμμα για τον υπολογισμό της απόλυτης υγρασίας του αέρα (Ναξάκης, 2007) Πειραματικά έχει αποδεχθεί ότι για τον υπολογισμό του συντελεστή διόρθωσης της υγρασίας Κ h, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η παρακάτω μαθηματική σχέση (3.13): K h 1 H H 1 100* K 0 d (3.13), όπου Η υπολογίζεται από το παραπάνω σχεδιάγραμμα. Στο παρόν κεφάλαιο περιγράφησαν αρχικά τα χαρακτηριστικά των διακένων αέρα και έπειτα μελετήθηκε η ύπαρξη του αέρα στις ηλεκτρικές διατάξεις καθώς όταν ο αέρας υποβάλλεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει ιδιότητες μονωτικού. Η συμπεριφορά του αέρα σαν μονωτικό συνοδευέται και από φαινόμενα της θεωρίας των αερίων. Στην επόμενη υποενότητα, περιγράφθηκαν φαινόμενα και μηχανισμοί που σχετίζονται άμεσα με την ηλεκτρική διάσπαση και τον ιονισμό ηλεκτρονίων. Επιγραμματικά παρουσιάζονται: 1) Διέγερση Ιονισμός Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 40

41 από κρούση Απιονισμός, 2) Ηλεκτρονικός Πολλαπλασιασμός,3) Μηχανισμός τύπου Townsed και 4) Μηχανισμός τύπου Streamer. Στην συνέχεια παρουσιάστηκε η ανάλυση του φαινομένου της ηλεκτρικής διάσπασης και έγινε μία μικρή αναφορά στην επίδραση της μορφής του ηλεκτρικού πεδίου στην ηλεκτρική διάσπαση διακένων αέρα. Στο επόμενο στάδιο δόθηκε αναλυτικά το φαινόμενο διάσπασης του αέρα σε ομοιογενη και ανομοιογενή πεδία, καθώς και σύγκριση αυτών. Σαν πιο ειδική περίπτωση παρουσιάστηκε η ανάλυση της πορείας της ηλεκτρικής διάσπασης σε ανομοιογενές πεδίο. Στην συνέχεια περιγράφθηκαν το φαινόμενο Corona και το φαινόμενο διαφράγματος. Μία ξεχωριστή παράγραφος δίνεται για την σύγκριση μεταξύ ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου. Σε μία παράγραφο αναφέρθήκαμε στην τάση διάσπασης και στα όρια αξιοπιστίας των μετρήσεων. Στο τέλος δόθηκε η περιγραφή της επίδρασης των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην διάσπαση του αέρα και στους συντελεστές διόρθωσης της τάσης διασπάσεως. Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 41

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η διάταξη διακένου ακίδαςπλάκας σε ανομοιογενές πεδίο. Το πειραματικό περιεχόμενο σχετίζεται με την εφαρμογή θετικών κρουστικών τάσεων χειρισμών στο προαναφερθέν διάκενο. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα διάφραγμα το οποίο τοποθετήκε σε μια βάση ανάμεσα στα 2 ηλεκτρόδια με δυνατότητα μετακίνησής του σε διάφορες θέσεις με σημείο αναφοράς την ακίδα. Για την μέτρηση των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε κρουστική γενήτρια που αποτελείται από δύο βαθμίδες. Στην συνέχεια γίνεται μία ανάλυση γύρω από την λειτουργία της κρουστικής γεννήτριας του πειράματος. Η πειραματική διαδικασία στηρίζεται σε συγκεκριμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες και αποτελείται από δέκα σετ μετρήσεων. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονίσουμε ότι τα πειραματικά απότελέσματα παρουσιάζονται σε 10 διαφορετικά σετ μετρήσεων. Τα πρώτα σετ μετρήσεων (1-5) διεξήχθησαν με διάφραγμα μικρότερων διαστάσεων από ότι τα σετ μετρήσεων (6-10). Το τέλος του κεφαλαίου καταλήγει με τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα για την U 50% συγκριτικά με τις διάφορες θέσεις του διαφράγματος και τα τελικά συμπεράσματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 4.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων ύστερα από την εφαρμογή θετικών κρουστικών τάσεων χειρισμών σε διάκενο αέρα ακίδαςπλάκας. Ανάμεσα στα ηλεκτρόδια παρεμβλήθηκε διάφραγμα,το οποίο στην ουσία ήταν ένα λεπτό μονωτικό φύλλο από polyfilm. 4.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Για την διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήθηκε διάταξη διακένου ακίδας-πλάκας η οποία κατασκευάστηκε στο μηχανουργείο του πανεπιστημίου. Η εν λόγω διάταξη χρησιμοποιείται από ομάδες φοιτητών προκειμένου να διεκπεραιώσουν το εργαστηριακό σκέλος των μαθημάτων του τομέα Υψηλών Τάσεων. Η διάταξη απεικονίζεται στις εικόνες που ακολουθούν. Εικόνα 4.1 Διάταξη διακένου ακίδα-πλάκα Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 42

43 Όπως φαίνεται η χρησιμοποιηθείσα διάταξη ειναι κατασκευασμένη απο plexiglass, υλικό το οποίο διακρίνεται για το χαμηλό του κόστος.η ακίδα ειναι φτιαγμένη απο χάλυβα με αιχμή γωνίας 30 μοίρες.η πλάκα ειναι φτιαγμένη και αυτή από χάλυβα με διάμετρο 9 cm.μεταξύ τους θεωρούμε οτι δημιουργείται ανομοιογενές πεδίο. Εικόνα 4.2 Ηλεκτρόδιο Ακίδα Το διάφραγμα τοποθετήκε σε μια βάση ανάμεσα στα 2 ηλεκτρόδια με δυνατότητα μετακίνησής του σε διάφορες θέσεις με σημείο αναφοράς την ακίδα. Το υλικό κατασκευής του είναι plexiglass,ενώ πρέπει να τονίσουμε ότι χρησιμοποιήσαμε 2 βάσεις με διαστάσεις (18x18)cm και (7x8)cm. Αντίστοιχες διαστάσεις με αυτές των βάσεων είχαν και τα δείγματα από polyfilm που χρησιμοποιήθηκαν. Εικόνα 4.3 Ηλεκτρόδιο Πλάκα Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 43

44 4.3 ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Η κρουστική γενήτρια που χρησιμοποιήσαμε στο εργαστήριο αποτελείται από δύο βαθμίδες. Μια κυκλωματική αναπαράσταση της ανορθωτικής διάταξης και της κρουστικής γεννήτριας δίνεται παρακάτω: Σχήμα 4.1 Κυκλωματική Αναπαράσταση Κρουστικής Γεννήτριας Εργαστηρίου (Κουγιούλη, 2012) Στην είσοδο της κρουστικής γεννήτριας του παραπάνω σχήματος εισέρχεται συνεχής θετική. Με την βοήθεια ενός ανορθωτή τάσης, πραγματοποιείται ανόρθωση και διπλασιασμός της λαμβανόμενης τάσης από τον μετασχηματιστή, με τάση εξόδου τα 80 kv. Αλλάζοντας την πολικότητα των διόδων μπορούμε να λαμβάνουμε θετική ή αρνητική τάση στην έξοδο του ανορθωτή. Στο εργαστήριο λαμβάνουμε θετική τάση στην είσοδο της κρουστικής γεννήτριας. Όπως αναφέραμε η κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου αποτελείται απο 2 βαθμίδες και στην εξοδό της βγάζει μέγιστη τάση εισόδου Ε peak =(80*2* ) kv. Οι πυκνωτές φορτίσεως C1' χωρητικότητας 15nF φορτίζονται και οι δύο παράλληλα με τάση Ε. Όταν ο σπινθηριστής βραχυκυκλωθεί οι πυκνωτές συνδέονται σε σειρά και οι τάσεις τους αθροίζονται. Οι συνδεμένοι σε σειρά πυκνωτές σχηματίζουν τη χωρητικότητα φόρτισης η οποία C1'/n όπου n=2 ο αριθμός των πυκνωτών φορτίσεως. Η κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου αποτελείται απο 2 βαθμίδες και στην εξοδό της βγάζει μέγιστη τάση V peak =(80*2* *2) kv (Κουγιούλη, 2012). Στην έξοδο της γεννήτριας υπάρχει ένας χωρητικός καταμεριστής τάσης ο οποίος χρησιμοποιείται για την μέτρηση των κρουστικών τάσεων(έξαρχος, 2013). Βραχίονας χαμηλής τάσης C 2k = nf Βραχίονας υψηλής τάσης C 1k = nf Αντίσταση απόσβεσης R k = 75.4 Ω Συγκριτική Μελέτη Σύνθετων Διακένων Αέρα - Διηλεκτρικού Page 44