ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ «ΜΕΛΕΤΗ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΕΡΑ ΜΕ ΜΕΤΑΒΛΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΤΑΠΟΝΟΥΜΕΝΑ ΜΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΤΟΥΣ, ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΝΑΞΑΚΗ ΙΩΑΝΝΗ του ΑΝΤΩΝΙΟΥ (Α.Μ. 4589) ΣΑΒΒΟΠΟΥΛΟΥ ΚΩΝ/ΝΟΥ του ΙΩΑΝΝΟΥ (Α.Μ. 4623) ΦΟΙΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ: ΛΕΚΤΟΡΑΣ Ε. ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΙΟΥΝΙΟΣ 2007

2 Περίληψη Σε ένα διάενο που αποτελείται από ένα ηλετρόδιο υψηλής τάσεως πλαισιωμένο από έναν αριθμό γειωμένων αγωγών, η ατάληξη μίας εένωσης σε ένα συγεριμένο σημείο έχει μια στοχαστιή εξάρτηση από τη γενιή διαμόρφωση του ηλετριού πεδίου που επιρατεί στο διάενο. Η λέξη «στοχαστιή» έχει την έννοια ότι πρατιά οποιοδήποτε γειωμένο σημείο μέσα στο διάενο ατέχει μία πιθανότητα να δεχθεί την εένωση, αλλά αυτή η πιθανότητα μπορεί να είναι διαφορετιή για τα διάφορα σημεία. Επιπλέον, αν το διάενο αποτελείται από περισσότερα από ένα διηλετριά, το σημείο ατάληξης της εένωσης, όπως αι οι παράμετροι της διάσπασης, επηρεάζονται από την παρουσία αι τα ηλετριά αι γεωμετριά χαρατηριστιά των διηλετριών αυτών. Σε ένα απλό διάενο αίδας-πλάας με αέρα, τα σημεία ατάληξης όλων των εενώσεων είναι συγεντρωμένα γύρω από το ίχνος του άξονα της αίδας, που είναι η θέση της μέγιστης πιθανότητας. Η πιθανότητα μία εένωση να αταλήξει σε μία συγεριμένη θέση του επιπέδου, διαφορετιή από τον άξονα της εένωσης, μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση της θέσης αυτής από τον άξονα. Αν ένας γειωμένος αγωγός εισαχθεί στο διάενο, όπως για παράδειγμα ένας ή περισσότεροι γειωμένοι αγωγοί παράλληλα στο επίπεδο (σχήμα 1), η πιθανότητα μία εένωση να αταλήξει, είτε στα σύρματα είτε στο επίπεδο, εξαρτάται από τη συγεριμένη θέση των συρμάτων. Αν το διάενο, ετός από αέρα, αποτελείται αι από ένα άλλο διηλετριό υλιό (π.χ. τσιμέντο με πάχος d 3 ), τα σημεία ατάληξης της εένωσης, αθώς αι η τάση διάσπασης, εξαρτώνται εξίσου από τις διαστάσεις, την διαμόρφωση του μέρους του διαένου που αταλαμβάνει το συγεριμένο διηλετριό αι τα διηλετριά του χαρατηριστιά. Σχήμα 1. Η πειραματιή διάταξη που χρησιμοποιήθηε

3 Σοπός της παρούσας εργασίας είναι να αθορίσει: α) τη συνδυασμένη επίδραση διαφόρων παραγόντων στην πιθανότητα μια εένωση να αταλήξει σε γειωμένους αγωγούς, τοποθετημένους σε ένα διάενο αίδας-πλέγμα, όταν το πλέγμα είναι τοποθετημένο μέσα σε ένα στρώμα τσιμέντου αι β) την επίδραση των παραγόντων αυτών στα χαρατηριστιά της διάσπασης, από τα οποία το σημαντιότερο είναι η τάση διάσπασης. Πιο συγεριμένα η απόσταση των γειωμένων συρμάτων από το τσιμέντο ήταν d 2 =2,5cm αι μελετήθηε η επίδραση της πυνότητας του πλέγματος (χρησιμοποιήθηαν 3 διαφορετιά πλέγματα) αι της απόστασης των συρμάτων α cm. Τα δεδομένα που προέυψαν από την πειραματιή διαδιασία, δηλαδή η τιμή της τάσης διάσπασης σε άθε περίπτωση, ανονιοποιήθηαν με τους συντελεστές διόρθωσης υγρασίας αι πυνότητας του αέρα, έγινε δηλαδή αναγωγή των τιμών σε ανονιές συνθήες. Έπειτα, με τη βοήθεια του προγράμματος MICROCAL ORIGIN, προέυψε μία πρώτη προσέγγιση της τιμής της τάσεως U 50% αι της διασποράς σ. Χρησιμοποιήσαμε ένα πρόγραμμα σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN, το οποίο υλοποιούσε τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας, προειμένου να προύψει με μεγαλύτερη αρίβεια η τιμή της τάσης διάσπασης U 50%, η διασπορά σ αι τα όρια αξιοπιστίας τους. H τιμή του U 50% αι σ, που προέυψε γραφιά χρησιμοποιήθηε ως αρχιή τιμή στο πρόγραμμα. Τέλος, οι τελιές τιμές της τάσης διάσπασης, αθώς αι οι τιμές της ιανότητας σύλληψης των γειωμένων συρμάτων, δηλαδή η πιθανότητα οι εενώσεις να αταλήξουν σε αυτά, ομαδοποιήθηαν αι προέυψαν τα τελιά διαγράμματα, πάλι με τη χρήση του MICROCAL ORIGIN. Η εργασία ολοληρώθηε με παρατηρήσεις σχετιά με τη συμπεριφορά της τάσης διάσπασης αι της ιανότητας σύλληψης των γειωμένων συρμάτων. Επίσης, έγινε μια προσπάθεια αιτιολόγησής της αι διατυπώθηαν προτάσεις για περαιτέρω μελέτη

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΝΩΣΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΔΙΑΚΕΝΑ ΑΕΡΑ... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΦΑΝΕΙΑΣ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΦΑΝΕΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΟΡΙΩΝ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΩΣ ΜΟΝΩΤΙΚΟ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΑΝΟΜΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΓΙΑ ΕΝΑΡΞΗ ΚΟΡΟΝΑ ΣΧΟΛΙΑ ΓΙΑ ΤΑ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΚΑΙ ΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΠΕΔΙΑ Ο ΘΕΤΙΚΟΣ STREAMER ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΕΚΚΕΝΩΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΤΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ ΣΤΗ ΤΙΜΗ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΠΕΔΙΑΚΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΕΜ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΤΗ ΤΑΣΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ (MULTI TEST SET- HAEFELY) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΝΟΝΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΦΑΝΕΙΑΣ ΜΕ ΚΩΔΙΚΑ ΣΕ ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ FORTRAN ΓΕΝΙΚΑ ΚΩΔΙΚΑΣ ΚΑΙ ΣΧΟΛΙΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΣΥΛΛΗΨΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΤΑ ΣΥΡΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ - ΠΡΟΤΙΜΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΙΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΣΥΛΛΗΨΗΣ ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΓΕΙΩΜΕΝΩΝ ΠΛΕΓΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΙΚΑΝΟΤΗΤΩΝ ΣΥΛΗΨΗΣ ΤΩ ΓΕΙΩΜΕΝΩΝ ΣΥΡΜΑΤΩΝ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ «ΕΔΑΦΟΥΣ» ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ U 50%

5 4.2.1 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ U 50% (ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΓΕΙΩΜΕΝΩΝ ΠΛΕΓΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΛΑΜΑΡΙΝΑΣ-ΣΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΓΕΙΩΤΟ ΠΛΕΓΜΑ) ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΤΑ ΣΥΡΜΑΤΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ U 50% ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΟΝ ΛΟΓΟ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΩΝ ΠΛΕΓΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣ ΤΗ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΟΥ «ΕΔΑΦΟΥΣ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΜΕ TO ΓΡΑΦΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ OPERA ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ OPERA ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΕΝΟΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΗΝ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΟΥ OPERA 2D ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΜΕΛΕΤΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β

6 Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΜΟΝΩΣΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Το σύνολο των συσευών αι εγαταστάσεων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, την μεταφορά αι την χρησιμοποίηση της ηλετριής ενέργειας αποτελούν ένα ηλετριό σύστημα. Οι απαιτούμενες γεωμετριές αι ηλετριές διαστάσεις άθε στοιχείου ενός ηλετριού συστήματος εξαρτώνται υρίως από δύο παραμέτρους: την ένταση του ηλετριού ρεύματος που πρόειται να διαρρεύσει το υπ όψη στοιχείο αι την ηλετριή τάση που θα παρουσιάσει το στοιχείο αυτό σχετιά προς άλλα στοιχεία του συστήματος ή προς τη γη. Για να επληρώσει τον προορισμό του το στοιχείο αυτό, πρέπει να διαρρέεται από το ρεύμα λειτουργίας χωρίς η θερμορασία του να ξεπερνάει ορισμένο επιτρεπτό όριο αι να υφίσταται την τάση που του επιβάλλεται χωρίς να συμβαίνει ηλετριή διάσπαση μεταξύ του στοιχείου αυτού αι άλλων γειτονιών ή προς τη γη. Τα μέτρα που λαμβάνονται για να εξασφαλιστεί η πρόληψη ηλετριής διασπάσεως αποτελούν τη μόνωση του συστήματος. Οι ηλετριές τάσεις που εμφανίζονται στις διάφορες θέσεις ενός ηλετριού συστήματος μπορούν να χωριστούν σε δύο ατηγορίες: εείνες που εμφανίζονται υπό ομαλές συνθήες λειτουργίας αι εείνες που εμφανίζονται σε εξαιρετιές περιπτώσεις μόνο. Συνήθως οι τάσεις που εμφανίζονται σε εξαιρετιές περιπτώσεις είναι υψηλότερες από αυτές που επιρατούν υπό ομαλές συνθήες αι γι αυτό ονομάζονται υπερτάσεις. Κατά ανόνα, οι υπερτάσεις, παρ όλο που συνήθως διαρούν πολύ λίγο, ασούν στις μονώσεις πιο σοβαρές αταπονήσεις από τις τάσεις ομαλής λειτουργίας. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, που η τάση ομαλής λειτουργίας εξ αιτίας της συνεχούς εφαρμογής της, αποτελεί πιο σοβαρή αταπόνηση από μια παροδιή υπέρταση. Η σχεδίαση της μονώσεως που πρέπει να ατέχει άθε στοιχείο του συστήματος γίνεται ατά τέτοιο τρόπο ώστε αυτή να αντέχει στην πιο ρίσιμη αταπόνηση. Η ορθή σχεδίαση της μονώσεως ενός συστήματος πρέπει, λοιπόν, να αρχίζει με τον αθορισμό των ηλετριών αταπονήσεων, γι αυτό είναι αναγαία η γνώση των υπερτάσεων που αναμένεται να αναπτυχθούν σ αυτό. Οι υπερτάσεις, ανάλογα με τις αιτίες που τις προαλούν, διαρίνονται σε «ατμοσφαιριές υπερτάσεις», που έχουν ως πηγή τις ατμοσφαιριές εενώσεις αι πιο συγεριμένα τις εενώσεις νέφους-γης που αλούνται εραυνοί, αι τις «εσωτεριές υπερτάσεις» που δημιουργούνται από εσωτεριές διαταραχές της ομαλής λειτουργίας - 5 -

7 του συστήματος. Οι εσωτεριές υπερτάσεις υποδιαιρούνται σε «δυναμιές» αι «μεταβατιές», ανάλογα με τον μηχανισμό γενέσεως τους, την διάρεια αι το μέγεθος τους. Οι μεταβατιές υπερτάσεις χειρισμών αποτελούν μια ατηγορία αταπονήσεων που απέτησε σημασία μόνο μετά την εισαγωγή των διτύων υπερυψηλής τάσεως (πάνω από 300 kv). Οι υπερτάσεις χειρισμών, όπως αι οι δυναμιές, είναι ανάλογες προς την τάση ανονιής λειτουργίας αι ατά συνέπεια το εύρος τους αυξάνει με την αύξηση της τάσεως ανονιής λειτουργίας. Αντίθετα, οι υπερτάσεις που μπορούν να αναπτυχθούν από ατμοσφαιριά αίτια είναι σχεδόν ανεξάρτητες από τα ιδιαίτερα χαρατηριστιά του ηλετριού συστήματος. Για το λόγο αυτό, στα συστήματα χαμηλότερης τάσεως (μέχρι 300 kv), οι ατμοσφαιριές υπερτάσεις είναι πιο ρίσιμες από τις μεταβατιές υπερτάσεις χειρισμών αι έτσι η σχεδίαση της μονώσεώς τους γίνεται βάσει των ατμοσφαιριών υπερτάσεων. Καθώς όμως η τάση του διτύου αυξάνει, υπάρχει ένα όριο που οι υπερτάσεις χειρισμών αθίστανται πιο ρίσιμες από τις ατμοσφαιριές αι έτσι η σχεδίαση της μονώσεως γίνεται βάσει των υπερτάσεων χειρισμών. Επίσης οι υπερτάσεις μπορούν να διαριθούν αόμα ανάλογα με τη διάρεια αι το σχήμα της υματομορφή τους σε τέσσερις ατηγόριες: I. Διαρείς Υπερτάσεις II. Προσωρινές Υπερτάσεις III. Μεταβατιές Υπερτάσεις IV. Σύνθετες Υπερτάσεις Διαρής ονομάζεται μία υπέρταση σταθερής τιμής η οποία μπορεί να συμβαίνει διαρώς. Προσωρινή ονομάζεται μία υπέρταση με σχετιώς μαρά διάρεια, η οποία μπορεί να αποσβένεται ασθενώς ή όχι αι η συχνότητα της μπορεί να είναι μιρότερη ή μεγαλύτερη της συχνότητας της τάσης του διτύου. Μεταβατιή ονομάζεται μια μιρής διάρειας (μεριών ms ή αι λιγότερο) υπέρταση με ταλάντωση ή όχι αι συνήθως με ισχυρή απόσβεση. Οι μεταβατιές υπερτάσεις διαρίνονται σε τρεις τύπους: 1) Αργού μετώπου με χρόνο ανόδου μέχρι την ορυφή από 20 μs ως 5000 μs αι διάρεια ημίσεως εύρους μιρότερη των 20 ms. 2) Ταχέως μετώπου με χρόνο ανόδου από 0.1 μs ως 20 μs αι διάρεια ημίσεως εύρους μιρότερη των 300 μs. 3) Πολύ ταχέως μετώπου με χρόνο ανόδου μιρότερο των 0.1 μs, συνολιή διάρεια μιρότερη των 3 ms αι με επάλληλες ταλαντώσεις σε συχνότητες από 30 khz ως 100 MHz

8 Τέλος, μία σύνθετη υπέρταση αποτελείται από την συνδυασμένη ταυτόχρονη εμφάνιση δύο ή περισσοτέρων συνιστωσών υπερτάσεων. Ιδιαίτερη διάριση μπορεί να δοθεί σε μία σύνθετη υπέρταση από τη συνιστώσα με την υψηλότερη τιμή ορυφής. 1.2 ΔΙΑΚΕΝΑ ΑΕΡΑ Η μόνωση ανάμεσα σε δύο στοιχεία ενός συστήματος που βρίσονται σε διαφορετιές τάσεις ή μεταξύ ενός στοιχείου αι της γης επιτυγχάνεται με την παρεμβολή ενός μονωτιού υλιού. Το υλιό αυτό μπορεί να είναι οποιοδήποτε μη αγώγιμο υλιό, όπως είναι το λάδι, το γυαλί, ένα συνθετιό υλιό, ένα αέριο ή ο ατμοσφαιριός αέρας. Η χρησιμοποίηση του ατμοσφαιριού αέρα ως μονωτιού υλιού είναι από τις πιο ενδιαφέρουσες εφ όσον ο αέρας ως υλιό έχει μηδενιό όστος. Ο αέρας ήταν το πρώτο υλιό που χρησιμοποιήθηε ως μονωτιό σε ηλετριές εφαρμογές. Το σπουδαιότερο πλεονέτημά του, ετός από το μηδενιό του όστος, είναι ότι αποτελεί «επανορθούμενη μόνωση». Μετά από μία διάσπαση δηλαδή, ανατά πλήρως τις ιδιότητές του, σε αντίθεση με άλλα σύγχρονα μονωτιά υλιά (στερεά, υγρά αι ειδιά αέρια). Το βασιό μειονέτημά του είναι ότι διατάξεις με μόνωση αέρα έχουν μεγάλες διαστάσεις σε σχέση με διατάξεις που χρησιμοποιούν άλλα μονωτιά υλιά. Τα πλεονετήματα όμως που παρουσιάζει έναντι των υπόλοιπων μονωτιών υλιών συντελούν στην ευρεία χρησιμοποίηση του, αόμα αι σήμερα, ως μονωτιό υλιό αι μόνο αν υπάρχουν λόγοι περιορισμένου χώρου, λειτουργιοί, αισθητιοί ή οιονομιοί χρησιμοποιούνται άλλα υλιά. Για τη διαμόρφωση της μόνωσης αέρα πρέπει να είναι γνωστή η συμπεριφορά του αέρα σε ηλετριές αταπονήσεις. Η επιστημονιή διερεύνηση της ηλετριής συμπεριφοράς του αέρα άρχισε πολύ νωρίς με τις βασιές έρευνες των Townsend, Raether, Loeb, Meek αι άλλων ερευνητών. Παρά τις ετεταμένες θεωρητιές γνώσεις που αποτήθηαν από αυτές τις έρευνες μέχρι σήμερα, σε πολύ λίγες περιπτώσεις είναι δυνατή η πρόβλεψη της τάσης διάσπασης ενός μονωτιού διαένου όταν υπόειται σε αταπονήσεις που εμφανίζονται υπό συνθήες λειτουργίας. Για το λόγο αυτό, παράλληλα με τη διερεύνηση βασιών χαρατηριστιών της ηλετριής εένωσης, αναπτύχθηε αι μία ημιεμπειριή τεχνιή για τον υπολογισμό των αναγαίων για τη μόνωση αποστάσεων. Η τεχνιή αυτή συνίσταται στη διαμόρφωση ανόνων με τους οποίους εργαστηριαά αποτελέσματα μπορούν να επεταθούν σε πραγματιές συνθήες λειτουργίας

9 Σε μία ηλετριή εγατάσταση είναι πρατιώς αδύνατο να ερευνηθεί η συμπεριφορά των διαφόρων διαένων αέρα άτω από τις ποιίλες ηλετριές αταπονήσεις που εμφανίζονται ατά τη λειτουργία της. Για το λόγο αυτό, μετά από πειραματιές παρατηρήσεις ομαδοποιήθηαν οι μορφές των ηλετριών αταπονήσεων, που εμφανίζονται σε μια ηλετριή εγατάσταση, ώστε να μπορούν να παράγονται τάσεις αντίστοιχες με τις πραγματιές. Όπως επίσης, μετά από μελέτες αι πειραματιές παρατηρήσεις αθιερώθηαν βασιές μορφές διαένων, που η γνώση της διηλετριής τους συμπεριφοράς μπορεί να οδηγήσει στην πρόβλεψη της διηλετριής συμπεριφοράς πολύ μεγαλύτερου αριθμού διαφορετιών διαένων. Επειδή η ηλετριή διάσπαση ενός μονωτιού διαένου αέρα είναι στοχαστιό φαινόμενο, η τάση διάσπασης ενός διαένου μπορεί να περιγραφεί με άποια μέση τιμή, άποια τυπιή απόλιση αι άποιο νόμο της θεωρίας πιθανοτήτων που το διέπει. Στα εργαστήρια συνήθως μελετώνται οι συνθήες άτω από τις οποίες ένα μονωτιό διάενο διασπάται. Το ίδιο διάενο θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί στην εγατάσταση έτσι ώστε να μην διασπάται. Αυτό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας εργαστηριαές τιμές τάσεων διάσπασης με ανόνες της στατιστιής αι της θεωρίας πιθανοτήτων. Για να αθορίσουμε την τάση αντοχής ενός διαένου αέρα, ενώ γνωρίζουμε τάση διάσπασής του, θα πρέπει να γνωρίζουμε την στατιστιή ατανομή που αολουθεί η τάση διάσπασης του διάενου αυτού. Στα εργαστήρια υψηλών τάσεων γίνονται δοιμές σε ομοιογενή ή ανομοιογενή διάενα διαφόρων μεγεθών με σοπό την μελέτη της διηλετριής συμπεριφοράς του αέρα. Οι δοιμές αυτές γίνονται με την χρήση γεννητριών υψηλής τάσεως αι τα διάενα αταπονούνται με συνεχείς, εναλλασσόμενες αι ρουστιές τάσεις, που αντιστοιχούν σε αταπονήσεις που εφαρμόζονται στα δίτυα από υπερτάσεις, ατά την λειτουργία τους. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, έγιναν δοιμές σε ένα σύνθετο διάενο αέρα τσιμέντου με ρουστιή τάση 1.2/50 μs, που αντιστοιχεί σε αταπόνηση της εγατάστασης από ατμοσφαιριές υπερτάσεις (εραυνούς)

10 Κεφάλαιο 2 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ 2.1 ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Κάθε μονόφορη τάση με μιρή διάρεια μπορεί, στην ηλετριή ορολογία, να χαρατηριστεί ως ρουστιή τάση. Οι πιο ενδιαφέρουσες ρουστιές τάσεις είναι αυτές που παράγονται στα εργαστήρια με ρουστιές γεννήτριες για διηλετριές δοιμές. Από τη μελέτη του υλώματος μιας ρουστιής γεννήτριας προύπτει πως η μορφή της τάσεως, που παράγεται με αυτή, πλησιάζει τη μορφή της διπλοεθετιής τάσεως, που έχει την αναλυτιή έφραση: α t Vt = Ve e α t 1 2 () ( ) Μια διπλοεθετιή τάση, από την άποψη αταπονήσεως των ηλετριών μονώσεων χαρατηρίζεται με τις αόλουθες τρεις παραμέτρους : Εύρος: Vcr Διάρεια μετώπου: tf ή tcr Διάρεια ουράς: tq Το εύρος V είναι η μέγιστη τιμή της διπλοεθετιής τάσεως. Σχήμα 2.1 Το μέτωπο μπορεί να αθοριστεί είτε με τον πραγματιό χρόνο tcr, στην περίπτωση εσωτεριών υπερτάσεων, που παρέρχεται από τη στιγμή - 9 -

11 ενάρξεως της τάσεως μέχρι τη στιγμή που παίρνει τη μέγιστη τιμή της, είτε με ένα συμβατιό χρόνο tf, στην περίπτωση ατμοσφαιριών υπερτάσεων. Ο πιο συνηθισμένος συμβατιός χρόνος που συναντάται στους περισσότερους ανονισμούς ορίζεται με τον τρόπο που φαίνεται στο σχήμα 2.1. Το ουσιαστιό χαρατηριστιό του μετώπου μιας ρουστιής τάσεως είναι, όχι η διάρεια αλλά η «λίση», δηλαδή ο ρυθμός με τον οποίο αυξάνει. Οι χρόνοι tf ή tcr σε συνδυασμό με το εύρος της τάσεως έχουν σοπό να αθορίσουν την λίση αυτή. Από τη θεωρία είναι γνωστό ότι μόνο η λίση πάνω από ορισμένο ποσοστό του εύρους επηρεάζει το μηχανισμό διασπάσεως, γι αυτό έχουν προταθεί ατά αιρούς αι άλλοι ορισμοί του μετώπου που να ανταπορίνονται στην επίδραση του μετώπου αυτού στη διηλετριή αντοχή των μονώσεων. Η «ουρά» είναι αυτή που αθορίζει, μέχρι ενός σημείου, τη διάρεια της ρουστιής τάσεως. Επειδή για την ανάπτυξη της διασπάσεως συμβάλλει, συνήθως, μόνο το μέρος της τάσεως που υπερβαίνει ορισμένη τιμή, η ουρά αθορίζεται με το χρόνο tq που η τάση υπερβαίνει το μισό εύρος της. Επειδή το μέτωπο έχει, ατά ανόνα, πολύ μιρότερη διάρεια από την ουρά, ο χρόνος tq μετριέται από την αρχή της τάσεως. Μία ρουστιή τάση με μέτωπο tcr αι ουρά tq συμβολίζεται με το σύμβολο tcr/tq μs Οι ηλετριές αταπονήσεις που εμφανίζονται στα δίτυα από ατμοσφαιριά ή εσωτεριά αίτια έχουν, ατά ανόνα, ανώμαλη μορφή, ενώ ο έλεγχος των μονώσεων στο εργαστήριο γίνεται με τις ομαλές διπλοεθετιές τάσεις που παράγονται από τις ρουστιές γεννήτριες. Επειδή σοπός των δοιμών είναι ο έλεγχος της ιανότητας της μόνωσης να αντέχει τις πραγματιές αταπονήσεις, είναι αναγαία η γνώση ισοδυναμίας μεταξύ πραγματιών αι εργαστηριαών αταπονήσεων. Η ουσία της ισοδυναμίας αυτής είναι πως οι εργαστηριαές αι πραγματιές αταπονήσεις δημιουργούν για την εξεταζόμενη μόνωση τον ίδιο ίνδυνο διασπάσεως. Για τις ατμοσφαιριές υπερτάσεις (εραυνού) έχει οριστεί ως τάση δοιμής η ρούση 1.2/50 μs γιατί η μέση τιμή πολλών αταγραφέντων ρευμάτων εραυνού ατέληξε σε αυτή περίπου τη μορφή. Είναι φανερό όμως, ότι επειδή ο άθε εραυνός έχει διαφορετιή μορφή από την τυποποιημένη τάση, η αταπόνηση που αντιπροσωπεύει θα διαφέρει από αυτή της τυποποιημένης ρούσεως

12 2.2 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΦΑΝΕΙΑΣ ΓΕΝΙΚΑ Αν η πιθανότητα διάσπασης σαν συνάρτηση της τάσης διάσπασης αολουθεί ανονιή ατανομή, η πιθανότητα διάσπασης P σε δεδομένη στάθμη τάσης V δίνεται: Y P = Z dy (1α) όπου Y V V 50 = (1β) σ αι Z 2 2 e Y = (1γ) 2π Οι παράμετροι της ατανομής είναι η τάση διάσπασης V 50 αι η τυπιή απόλιση σ. Οι μετρήσεις συνήθως παρουσιάζονται σε χαρτί ανονιής ατανομής, στο οποίο η λίμαα τεταγμένων αολουθεί την σχέση: P = 100 2π t e x dx 2 2 δίνοντας μια γραμμιή σχέση μεταξύ της πιθανότητας διάσπασης αι της τάσης διάσπασης (βλέπε σχ ) Σ αυτό το υποεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος της μέγιστης πιθανοφάνειας προσαρμοσμένη σε πειράματα ρουστιής τάσης διάσπασης επανορθούμενης μόνωσης για τον αθορισμό των U 50 αι σ. Η μέθοδος της μέγιστης πιθανοφάνειας βεβαίως, μπορεί να εφαρμοσθεί για οποιαδήποτε ατανομή δεχθούμε ότι διέπει άποια δεδομένα αι για οποιονδήποτε αριθμό μεταβλητών

13 2.2.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΦΑΝΕΙΑΣ Ας υποθέσουμε ότι τα πειραματιά δεδομένα αποτελούνται από Ν στάθμες τάσης με x διασπάσεις σε n εφαρμογές της -ιοστής στάθμης τάσης V, η πιθανότητα f (x ) να έχουμε x διασπάσεις σε n εφαρμογές δίνεται από την διωνυμιή ατανομή: n x n x f ( x ) = P (1 P x!( n x ) (2) )! όπου Ρ είναι η πραγματιή πιθανότητα διάσπασης στη τάση V Υποθέτοντας ότι τα γεγονότα είναι στοχαστιά ανεξάρτητα, η πιθανότητα να έχουμε x 1 διασπάσεις σε n 1 εφαρμογές της τάσης V 1, x 2 διασπάσεις σε n 2 εφαρμογές της τάσης V 2 αι x διασπάσεις σε n εφαρμογές της τάσης V, είναι το γινόμενο των επιμέρους πιθανοτήτων αι δίνεται από την (2). L = N = 1 n P x!( n x )! x (1 P ) n x (3) Η Ρ είναι μια συνάρτηση στατιστιών παραμέτρων. Στη περίπτωση της ανονιής ατανομής, (αλλά αι πολλών άλλων ατανομών) η ατανομή ορίζεται από δύο παραμέτρους α (V 50 ) αι β (σ). Αυτές οι παράμετροι αθορίζονται έτσι ώστε το L, που ονομάζεται συνάρτηση πιθανοφάνειας να είναι μέγιστο. Εφ όσον το L δεν είναι αρνητιό, για διευόλυνση χρησιμοποιείται ο λογάριθμος του L αι έτσι το μέγιστο ιανοποιείται για: ln( L) ln( L) = = 0 a β (4) Η επέταση σε ατανομές τριών ή περισσοτέρων παραμέτρων επιτυγχάνεται με ένα τρίτο ή τέταρτο όρο στη (4). Ανασχηματίζοντας αυτές τις διαφορές, οι απαιτήσεις της μέγιστης πιθανοφάνειας γίνονται: ln( L) a = N = 1 x n P P = 0 P (1 P ) a (5α)

14 = = = N P P P P n x L 1 0 ) (1 ) ln( β β (5β) Αν υποθέσουμε ανονιή ατανομή αι οι αντίστοιχες παράμετροι α αι β είναι V 50 % αι τότε από την (1) έχουμε: σ Z V P a P = = 50 (6α) σ σ β Y Z P P = = (6β) όπου οι ειδιές τιμές των P, Z, Y στη -ιοστή στάθμη τάσης είναι: = Y dy Z P (7α) π e Y Z = (7β) σ V 50 V Y = (7γ) Γι αυτές τις παραμέτρους οι (5α) αι (5β) γίνονται: = = = N Z P P P n x S 1 0 ) (1 ( ) 1 (8α) = = = N Y Z P P P n x S 1 0 ) (1 ( ) 2 (8β)

15 Η επίλυση των (8α) αι (8β) δεν μπορεί να γίνει απ ευθείας επειδή τα Ρ, Ζ, αι V εξαρτώνται από τα V 50% αι σ με σύνθετες σχέσεις. Η ανονιότητα μετρήσεων αι η ταχύτητα σύγλισης της λύσης επιτρέπουν μια πρώτη προσεγγιστιή ετίμηση V 50% αι σ. N 1 < V50 > = V N = 1 (9α) < σ > = 0.05 < V50 > (9β) Το σύμβολο < > πρέπει να διαβάζεται ετίμηση του. Οι τιμές των S 1 αι S 2 πρέπει να γίνουν μηδέν υπολογίζονται νέες προσεγγίσεις των V 50 αι σ (<V 50% >, <σ> ), έτσι ώστε οι νέες τιμές των S 1 αι S 2 πρέπει να γίνουν μηδέν υπολογίζονται νέες προσεγγίσεις των S 1 αι S 2 (S 1, S 2 ) να είναι μηδέν. S1 S1 S ' = S1+ V 50 + σ V 50 σ 1 = 0 (10α) S 2 S 2 S 2 ' = S 2 + V 50 + σ = 0 V 50 σ (10β) Αυτές λύνονται ως προς ΔV 50 αι Δσ αι οι νέες τιμές των <V 50 > αι <σ > είναι: <V50 > = <V 50 > + ΔV 50 (11α) < σ > = <σ > + Δσ (11b) Επειδή οι εφράσεις για τις μεριές παραγώγους είναι μεγάλες για πρατιές χρήσεις αυτές μπορούν να προσεγγίζονται από: S V σ N = 1 r (12α)

16 σ σ V r V S S N = (12β) = N Y r S σ σ (12γ) όπου ) (1 2 P P Z n r = Αυτές οι νέες ετιμήσεις χρησιμοποιούνται για να υπολογισθούν ξανά τα S 1,2 αι η διαδιασία επαναλαμβάνεται μέχρις ότου επιτευχθεί η επιθυμητή προσέγγιση. Η μέθοδος συγλίνει αρετά γρήγορα έτσι η διαφορά μεταξύ επιτυχών ετιμήσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μέρος της αρίβειας της ετίμησης. Αν το πείραμα με το ίδιο διάενο επαναληφθεί πολλές φορές αι από άθε μία από αυτές αθορίζεται με την πιο πάνω μέθοδο ένα ζεύγος τιμών <V 50 > αι <σ >, οι διάφορες τιμές αυτές θα παρουσιάζουν διασπορές u<v 50 > αι u<σ > που δίνονται από τους τύπους: ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΟΡΙΩΝ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ = = N Y r D V u σ = = N r D u 1 2 σ σ όπου ) (1 2 p p z n r =

17 αι D = ( N = 1 2 r Y )( N = 1 r ) ( N = 1 r Y ) 2 Αν, αντί για τη διασπορά των <V 50 > αι <σ > ζητείται η διασπορά, u<v B >, της τάσεως V B που αντιστοιχεί σε ορισμένη πιθανότητα P B ή η διασπορά u< P B > της πιθανότητας P B που αντιστοιχεί σε τάση V B, οι αντίστοιχοι τύποι είναι : u V 2 σ = N 2 B r ( Y YB) D = 1 u P B = Z D 2 B N = 1 r ( Y YB) 2 Για να ετιμηθούν, από τις πιο πάνω τιμές της διασποράς u, τα όρια αξιοπιστίας, μέσα στα οποία περιέχεται με ορισμένη πιθανότητα P (συνήθως 95%) η αντίστοιχη θεωρητιή τιμή, γίνεται για απλούστευση, δετό πως ο αριθμός των ρούσεων είναι αρετά μεγάλος ώστε η ετιμηθείσα τιμή (παριστάμενη μέσα σε αγύλη < >) είναι πολύ οντά στη θεωρητιή τιμή (χωρίς αγύλη). Με την παραδοχή αυτή, η αξιοπιστία αθορίζεται από έναν ορισμένο αριθμό, t, τυπιών απολίσεων σ = u. Για αξιοπιστία P = 95% π.χ., t = 1.96 αι για P = 99% t = Για τα διάφορα μεγέθη που αναφέρθηαν πιο πάνω τα 95% όρια αξιοπιστίας θα είναι : V 50 ± 1.96 u V 50 σ ± 1.96 u σ Όταν δεν απαιτείται μεγάλη αρίβεια, για τη διασπορά της πιθανότητας P Β μπορεί αόμα να χρησιμοποιηθεί ο τύπος :

18 u p = p ( 1 p ) n Όπου n ο αριθμός των ρούσεων στο επίπεδο. Από τον τύπο αυτό μπορεί να αθοριστεί προσεγγιστιά ο απαιτούμενος αριθμός ρούσεως n ώστε η να έχει ορισμένη τιμή u<p >. p (1 p ) n u p αι ατά συνέπεια η πιθανότητα P ορισμένη αξιοπιστία

19 2.3 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΩΣ ΜΟΝΩΤΙΚΟ Ο αέρας όταν υποβάλλεται σε ένα ηλετριό πεδίο παρουσιάζει ιδιότητες μονωτιού. Τα βασιά συστατιά του αέρα, το άζωτο, το οξυγόνο αι μιρότερες προσμίξεις άλλων αερίων, εμφανίζονται στο μεγαλύτερο μέρος τους ως ουδέτερα μόρια αι άτομα. Εξ αιτίας όμως φυσιού ιονισμού (φυσιή ραδιενέργεια του εδάφους αι οσμιή ατινοβολία), ο αέρας περιέχει περίπου 1000/cm 3 ιόντα αι ελεύθερα ηλετρόνια που συνεχώς ανανεώνονται με ρυθμό 5-20 ζευγών φορέων ανά cm 3 αι sec. Όταν μία ποσότητα αέρα βρεθεί μέσα σε ένα ηλετριό πεδίο, όλα τα ιόντα αι ηλετρόνια αποτούν, ετός από την αατάστατη θερμιή τους ίνηση αι μια ατευθυνόμενη ταχύτητα που εξαρτάται από το μέγεθος του ηλετριού πεδίου. Κατά την ατευθυνόμενη αυτή ίνησή τους, ιόντα αι ηλετρόνια συγρούονται με μόρια του αέρα αι τα πρώτα μεταφέρουν στα δεύτερα μέρος της ινητιής τους ενέργειας. Από τους νόμους της ρούσεως αποδεινύεται πως τα ελαφρά ηλετρόνια σε άθε ρούση μεταφέρουν στα μόρια ή άτομα με τα οποία συγρούονται πολύ μεγαλύτερο ποσοστό της ινητιής τους ενέργειας απ ότι τα βαριά ιόντα. Για το λόγο αυτό, γίνεται αντιληπτό ότι η συμβολή των βαρέων ιόντων στη διαδιασία ιονισμού από ρούσεις είναι αμελητέα. Ο όρος ιονισμός αναφέρεται στην απόσπαση ενός ή περισσοτέρων ηλετρονίων από ένα άτομο ή μόριο. Ένα ελεύθερο ηλετρόνιο συγρουόμενο με ένα ουδέτερο μόριο μπορεί να προαλέσει τις αόλουθες αντιδράσεις: Εάν η ενέργεια του ηλετρονίου είναι μιρή αι το ουδέτερο μόριο ή άτομο δεν έχει δυνατότητα ενσωμάτωσης πρόσθετων ηλετρονίων (έλλειψη ηλετραρνητιότητας) μπορεί να συμβεί μόνο μηχανιή ανταλλαγή ενέργειας (ελαστιή ρούση). Εάν το ουδέτερο μόριο ή άτομο παρουσιάζει ηλετραρνητιότητα, το ηλετρόνιο μπορεί να ενσωματωθεί σ αυτό αι να προύψει ένα αρνητιό ιόν. Εάν η ενέργεια του ηλετρονίου είναι λίγο μεγαλύτερη, είναι δυνατόν ατά την ρούση να απορροφηθεί από το μόριο ή άτομο ένα μέρος της ενέργειάς του αι να χρησιμοποιηθεί για τη μεταπήδηση ενός ηλετρονίου από μία χαμηλή στοιβάδα σε μία υψηλότερη, να «διεγερθεί» δηλαδή το άτομο ή μόριο. Εάν τέλος η ενέργεια του ηλετρονίου είναι αρετά μεγάλη, μπορεί να προαλέσει απόσπαση (απελευθέρωση) ενός ή περισσότερων ηλετρονίων από το μόριο ή άτομο αι να προύψουν έτσι θετιά ιόντα αι επιπλέον ελεύθερα ηλετρόνια. Ετός από τον άμεσο αυτό τρόπο, απόσπαση ηλετρονίου μπορεί να γίνει σε περισσότερες από μία βαθμίδες, να γίνει δηλαδή πρώτα

20 διέγερση αι στη συνέχεια με μία πρόσθετη πρόσδοση ενέργειας να συμβεί η απόσπαση (ιονισμός). Υπό την επίδραση ενός εξωτεριού ηλετριού πεδίου τα ηλετρόνια επιταχύνονται αι έτσι στη θερμιή τους ενέργεια, που είναι πολύ μιρή (0,025 ev, t = 20 0 C), προστίθεται αι ινητιή ενέργεια. Η μέση τιμή της πρόσθετης αυτής ενέργειας που προσλαμβάνει ένα ηλετρόνιο από το ηλετριό πεδίο είναι ανάλογη της έντασης του πεδίου αλλά αι του «μέσου ελεύθερου βήματος ιονισμού», της μέσης δηλαδή διανυόμενης απόστασης μεταξύ δύο διαδοχιών ρούσεων ιονισμού, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από την πυνότητα του αέρα. Ιονισμός επιτυγχάνεται όταν έχουμε ρούσεις ατόμων ή μορίων με ηλετρόνια αρετά μεγάλης ενέργειας (~15 ev για τον αέρα). Με τον ιονισμό από ρούσεις, ένα αρχιό ηλετρόνιο πολλαπλασιάζεται συνεχώς αι έτσι σχηματίζεται μία ηλετρονιή στιβάδα, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2.Σχηματιή παράσταση στιβάδας ηλετρονίων αι παραμόρφωση του πεδίου Στη εφαλή της στιβάδας συγεντρώνεται το σύνολο σχεδόν των ελεύθερων ηλετρονίων που έχουν σχηματισθεί μέχρι μια ορισμένη χρονιή στιγμή, ετός από εείνα που συγρατήθηαν από ουδέτερα άτομα αι σχημάτισαν αρνητιά ιόντα. Στην ουρά της στιβάδας έχουμε την συγέντρωση βαρέων ιόντων, στη πλειονότητα τους θετιά αι λιγότερα αρνητιά, που προέυψαν από τις ενσωματώσεις ηλετρονίων από ηλετραρνητιά μόρια αι άτομα. Η διάταξη αυτή ηλετριού φορτίου έχει σα συνέπεια την ενίσχυση του ηλετριού πεδίου στην εφαλή της στιβάδας. Έπειτα από

21 ορισμένο πολλαπλασιασμό ( ηλετρόνια) το πεδίο μπροστά από τη στιβάδα γίνεται τόσο ισχυρό, ώστε η φύση του φαινομένου μεταβάλλεται. Η στιβάδα μετατρέπεται σε streamer, που αποτελεί την πρώτη μορφή αυτοσυντηρούμενης εένωσης μέσα στον αέρα. Ανάλογα με τα χαρατηριστιά της πηγής αι τη διάταξη των ηλετροδίων, η αρχιή αυτή μορφή διασπάσεως μπορεί να περιοριστεί στο φαινόμενο ορόνα, που εμφανίζεται ως μια αίγλη μιρής φωτεινότητας αι αγωγιμότητας ή να μεταπηδήσει στις επόμενες φάσεις της εένωσης. 2.4 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ Όταν ανάμεσα σε δύο ηλετρόδια που σχηματίζουν ομογενές πεδίο εφαρμοστεί τάση, τα ελεύθερα ηλετρόνια αι ιόντα παρασύρονται με αποτέλεσμα αόμα αι υπό πολύ μιρή τάση να προύπτει ένα ασθενές ρεύμα (μεριά pa). Όταν η τάση αποτήσει ορισμένη τιμή, όλα τα παραγόμενα από φυσιές αιτίες ιόντα αι ηλετρόνια παρασύρονται προς τα ηλετρόδια αι η ένταση, i, σταθεροποιείται. Όταν η τάση υπερβεί μία ορισμένη τιμή, U ο, αρχίζει ο ιονισμός αι σε μία τιμή U d επέρχεται διάσπαση, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3. Σχήμα ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΑΝΟΜΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ Όπως αναφέρθηε, για να αρχίσει ιονισμός από ρούσεις ηλετρονίων, που είναι ο βασιός μηχανισμός για τη διάσπαση του αέρα, χρειάζεται ένα αρετά υψηλό πεδίο, που όπως προύπτει πειραματιά αι μπορεί να διαιολογηθεί θεωρητιά, πρέπει να υπερβαίνει τα 25 kv/cm. Όταν αρχίσει ο ιονισμός αι σχηματιστούν οι αρχιές στιβάδες των ηλετρονίων, το ηλετριό πεδίο μπροστά σε άθε στιβάδα

22 ενισχύεται από την συγέντρωση χωριού ηλετριού φορτίου αι έτσι διευολύνεται η συνέχιση του ιονισμού. Όταν ο πολλαπλασιασμός της στιβάδας αι ατά συνέπεια η ενίσχυση του πεδίου μπροστά από αυτή φτάσει ένα όριο, η στιβάδα μετατρέπεται σε οχετό προεένωσης, που έχει τη δυνατότητα να προχωρήσει λίγο αόμα έστω αι χωρίς τη συνδρομή του εξωτεριού ηλετριού πεδίου. Στο ομογενές ηλετριό πεδίο, η αναγαία πεδιαή ένταση για την έναρξη ιονισμού ρούσεων αποαθίσταται ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία του διαένου. Έτσι, μόλις αρχίσει ο ιονισμός, το εξωτεριά επιβαλλόμενο πεδίο, ενισχυμένο αι από το πεδίο του φορτίου χώρου, δημιουργεί σχεδόν ααριαία συνθήες για πολύ ταχεία εξάπλωση της εένωσης αι ολολήρωση της διάσπασης. Αντίθετα, η πεδιαή ένταση σε ένα ανομογενές πεδίο είναι, εξ ορισμού, διαφορετιή από σημείο σε σημείο του διαένου. Ένα διάενο που παρουσιάζει ένα ατ εξοχήν ανομογενές πεδίο σχηματίζεται από ένα επίπεδο αι μία ράβδο άθετη προς αυτό. Γίνεται εύολα αντιληπτό πως η ένταση του πεδίου μπροστά στη ράβδο έχει πολύ μεγαλύτερες τιμές παρά μπροστά στο επίπεδο, σχήμα 2.4. Σχήμα 2.4 Ένα μέγεθος που χαρατηρίζει ένα ανομογενές πεδίο είναι ο λόγος : E η = E όπου E av = V/d αι E max το μέσο αι το μέγιστο ηλετριό πεδίο που εμφανίζεται στο διάενο υπό την τάση V αντίστοιχα. Ο λόγος n συχνά ονομάζεται «συντελεστής χρησιμοποιήσεως» γιατί δείχνει πόσο αλά av max

23 μπορεί να γίνει εμετάλλευση ενός ορισμένου μήους διαένου χωρίς το E max να υπερβεί την ρίσιμη τιμή που αρχίζει ο ιονισμός (25 kv/cm). Συχνά χρησιμοποιείται ο συντελεστής 1/η αντί του «η», που ονομάζεται συντελεστής πεδίου αι δείχνει πόσο μεγαλύτερο είναι το μέγιστο πεδίο E max από το μέσο ηλετριό πεδίο E av = V/d. 2.6 ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΓΙΑ ΕΝΑΡΞΗ ΚΟΡΟΝΑ Εάν σε ένα ανομογενές πεδίο εφαρμοστεί μια τάση V αρετά υψηλή ώστε το μέγιστο πεδίο Emax που θα εμφανισθεί στο διάενο να υπερβαίνει την ρίσιμη πεδιαή ένταση έναρξης ιονισμού (~25 kv/cm), τότε πληρούται η βασιή τουλάχιστον συνθήη για τον σχηματισμό ηλετρονιών στιβάδων. Η συνθήη αυτή όμως δεν είναι αρετή για την μετατροπή των αρχιών στιβάδων σε οχετούς. Για τη μετατροπή αυτή, θα πρέπει επαρής πεδιαή ένταση να επιρατεί σε μια άπως ετεταμένη περιοχή του διαένου, ώστε η αρχιή στιβάδα να έχει τη δυνατότητα να πολλαπλασιαστεί αρετά αι να μετατραπεί σε οχετό, ο οποίος αποτελεί την έναρξη του φαινομένου γνωστού με το όνομα ορόνα. Για την έναρξη ορόνα πρέπει να πληρούνται δηλαδή οι δύο αόλουθες συνθήες: a) να δημιουργηθεί σε άποια θέση του διαένου πεδιαή ένταση E max > 25 kv/cm b) η περιοχή στην οποία επιρατούν πεδιαές εντάσεις αρετά υψηλές για την εξέλιξη της στιβάδας να ετείνεται σε αρετό μήος ώστε να προφθάσει η στιβάδα να αποτήσει ρίσιμο πολλαπλασιασμό πριν, είτε εξέλθει από την περιοχή επαρών πεδιαών εντάσεων είτε συναντήσει το θετιό ηλετρόδιο αι εξουδετερωθεί. 2.7 ΣΧΟΛΙΑ ΓΙΑ ΤΑ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΚΑΙ ΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΠΕΔΙΑ Στο ομογενές πεδίο, μόλις η πεδιαή ένταση γίνει επαρής, το φαινόμενο της ηλετριής εένωσης συνεχίζεται μέχρι να συμπληρωθεί πλήρης ηλετριή διάσπαση που ισοδυναμεί με πλήρες βραχυύλωμα των δύο ηλετροδίων. Στο ανομογενές πεδίο, ενώ ο ιονισμός αρχίζει στη θέση της μέγιστης πεδιαής έντασης, επειδή η ένταση αυτή μειώνεται ραγδαία, είναι δυνατόν, έπειτα από ορισμένη διαδρομή της εένωσης, έστω αι αν οι αρχιές στιβάδες είχαν το χρόνο να μετασχηματισθούν σε οχετούς, η παραπέρα πορεία τους να αναοπεί

24 Είναι δηλαδή δυνατόν στο ανομογενές πεδίο, υπό υψηλή πίεση, να γίνει έναρξη ορόνα χωρίς να αολουθήσει διάσπαση, πράγμα που είναι αδύνατο σε ομογενές πεδίο. Η ορόνα περιορίζεται στην περιοχή που η πεδιαή ένταση που προύπτει από την εξωτεριά επιβαλλόμενη τάση υπερβαίνει μία ορισμένη τιμή, όχι όμως αναγαστιά την τιμή 25 kv/cm που είναι απαραίτητη μόνο για την έναρξη του ιονισμού. Επειδή οι μεγαλύτερες τιμές πεδιαών εντάσεων εμφανίζονται μπροστά από τις επιφάνειες του ενός ή αι των δύο ηλετροδίων του διαένου, η ορόνα αρχίζει από τις επιφάνειες των ηλετροδίων αι ετείνεται μέχρι ορισμένης αποστάσεως από την επιφάνεια αυτή, που εξαρτάται από την απόλιση του ηλετριού πεδίου. 2.8 Ο ΘΕΤΙΚΟΣ STREAMER Κοντά στην άνοδο που το πεδίο συγλίνει, ένας θετιός streamer μπορεί να αναπτυχθεί σύμφωνα με το παραάτω τρόπο: Σχήμα Καταρχήν υποθέτουμε ότι η διάδοση του streamer εξασφαλίζεται με βήματα. Κάθε βήμα είναι στην ουσία μία αναπτυσσόμενη στιβάδα με ατεύθυνση προς την άνοδο. Για συνεχή διάδοση του streamer στη διεύθυνση της αθόδου είναι απαραίτητο ένα ρίσιμο μέγεθος της στιβάδας αυτής. Γενιά υποθέτουμε ότι 10 8 /cm 3 ηλετρόνια βρίσονται στην εφαλή της στιβάδας όταν επιτευχθούν οι ρίσιμες συνθήες. Ο ίδιος αριθμός θετιών ιόντων δημιουργείται αι τα περισσότερα από αυτά συγεντρώνονται στην ουρά της στιβάδας. Εξ αιτίας αυτών των φορτίων, αι των θετιών αι των αρνητιών, το ηλετριό πεδίο στο

25 οποίο αναπτύσσεται η στιβάδα παραμορφώνεται αι αλλάζει η περαιτέρω ανάπτυξή της. Η επανασύνδεση αι η αποδιέγερση που λαμβάνουν χώρα οδηγούν στην επομπή φωτονίων. Αν τα ελεύθερα ηλετρόνια έχουν ενέργεια ~15ev είναι ιανά να ιονίσουν άτομα ή μόρια. Αν αυτό συμβεί οντά στην ουρά της πρώτης στιβάδας, τότε μπορεί να αναπτυχθεί μία δεύτερη στιβάδα στο δημιουργηθέν ηλετριό πεδίο λόγω της επιβαλλόμενης τάσης αι του θετιού φορτίου χώρου που είναι διάχυτο στην ουρά της πρώτης στιβάδας. Όταν η εφαλή της δεύτερης στιβάδας αουμπήσει την ουρά της πρώτης, το θετιό φορτίο χώρου που βρίσεται στην ουρά της πρώτης στιβάδας εξουδετερώνεται από τα ηλετρόνια της εφαλής της δεύτερης στιβάδας. Αυτή η πρόχειρη περιγραφή επιτρέπει να υποθέσουμε ότι ένας θετιός streamer είναι ισοδύναμος με μία ξαφνιή έχυση ενός αρνητιού φορτίου στην άνοδο, στο ξείνημα της διάδοσης του streamer αι ατά δεύτερο λόγο μία εμφανής προώθηση ενός θετιού ηλετριού φορτίου στο διάενο. Η ταχύτητα προώθησης είναι ίση με την ταχύτητα διάδοσης του streamer. 2.9 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΕΚΚΕΝΩΣΗΣ Μετά την πρώτη ορόνα η εένωση σε μιρά διάενα μπορεί να προχωρήσει με δύο τρόπους: A. Στη περίπτωση ρουστιής τάσης με μέτωπο μιρής διάρειας με την αύξηση της τάσης, όταν η πεδιαή ένταση στην άνοδο είναι αρετά υψηλή εμφανίζεται η πρώτη ορόνα, η οποία εμφανίζεται σε υψηλότερη τάση από εείνη που εμφανίζεται για μέτωπα μεγάλης διάρειας. Το φορτίο της πρώτης ορόνα εμποδίζει για άποιο χρονιό διάστημα εμφάνιση άλλου φαινομένου ιονισμού (σοτεινή περίοδος). Όταν επιτευχθεί η απαραίτητη πεδιαή ένταση στην άνοδο για μία αόμη φορά λόγω ανάαμψης του πεδίου ή ανόδου της τάσης μπορούν να εμφανισθούν επόμενες εενώσεις ορόνα οντά η μία στην άλλη με τις οποίες συνεχίζεται η εένωσης μέχρις ότου οι streamer αουμπήσουν στην άθοδο, αναθερμαίθει ένα ανάλι leader αι γεφυρώθει το διάενο. Με πολύ γρήγορα μέτωπα ή σχετιά μεγάλη ατίνα αμπυλότητας ( σε σχέση με το μήος του διαένου) του ηλετροδίου υψηλής τάσης, η πρώτη ορόνα μπορεί να γεφυρώσει το διάενο στο μέτωπο της τάσης αι να μετατραπεί σε leader (αι να οδηγήσει σε διάσπαση). Σε μεγάλα διάενα έχουν παρατηρηθεί περισσότερες από μία σοτεινές περίοδοι. B. Στη περίπτωση ρουστιής τάσης με μέτωπο μεγάλης διάρειας συμβαίνουν συνεχώς προεενώσεις streamer μετά την πρώτη

26 ορόνα στη διάρεια ανόδου της τάσης, αι η εένωση διαδίδεται μέσω επιμήυνσης του stem, σχηματίζεται leader αι συμβαίνει η διάσπαση. Ο μηχανισμός (Α) ονομάζεται διάσπαση τύπου streamer αι ο (Β) τύπου leader. Και στις δύο περιπτώσεις είναι ευδιάριτες τρεις φάσεις της εένωσης: ο σχηματισμός του streamer, ο σχηματισμός του leader αι η ύρια διάσπαση. Τα χαρατηριστιά της πρώτης ορόνας επηρεάζουν τον τύπο της διάσπασης. Έχει παρατηρηθεί ότι η πρώτη ορόνα επηρεάζει περισσότερο τη διάσπαση τύπου streamer αι λιγότερο τη διάσπαση τύπου leader. Η πρώτη ορόνα επηρεάζεται με τη σειρά της από το ρυθμό ανόδου της επιβαλλόμενης τάσης, τη μορφή του ηλετριού πεδίου αι τις επιρατούσες ατμοσφαιριές συνθήες. Αν το μήος του διαένου είναι αρετά μεγάλο η ορόνα αναπτύσσεται ελεύθερα αι προβάλλεται στο διάενο τόσο περισσότερο όσο υψηλότερη είναι η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης την στιγμή της έναρξης ορόνα. Επειδή οι οχετοί ορόνα διαλαδίζονται, τα τμήματά της που βρίσονται οντά στο ηλετρόδιο υψηλής τάσης διαρρέονται από μεγαλύτερο ρεύμα. Ο αρχιός λάδος της ορόνα, ο οποίος πηγάζει από το ηλετρόδιο, διαρρέεται από το συνολιό ρεύμα μ ένα μέρος του να μετατρέπεται σε stem. Το μέγεθος του stem είναι τόσο μεγαλύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η έταση της ορόνα αι ατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερο όσο υψηλότερη είναι η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης ατά την στιγμή της «έρηξης» ορόνα. Η δημιουργία του stem (λόγω αυξημένης αγωγιμότητας ) οδηγεί σε απότομη αύξηση του ηλετριού πεδίου στην εφαλή του έτσι ώστε να εμφανίζεται ως επιμήυνση του ηλετροδίου αι να αποτελεί ενδεχόμενο σημείο είνησης νέων φαινομένων ιονισμού. Μ αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ο βαθμωτός οχετός προεένωσης. Όπως έχει παρατηρηθεί η ρίσιμη αυτή συνθήη προύπτει για μήη διαένου cm. Για μιρότερα μήη διαένου, η συνθήη δημιουργίας αρετά μεγάλου stem ώστε να μπορέσει να προχωρήσει η εένωση μέχρι τη διάσπαση συμβαίνει για τάση μεγαλύτερη από αυτή που είναι αρετή για να γεφυρώσει η ορόνα το διάενο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μιρά διάενα μπορούν να γεφυρωθούν από ορόνα χωρίς να συμβεί διάσπαση, ενώ σε μεγάλα διάενα η διάσπαση αολουθεί μόλις οι οχετοί ορόνα φθάσουν στο απέναντι ηλετρόδιο οπότε συμβαίνει αι το τελιό πήδημα (διάσπαση), χωρίς αυτό να αποτελεί ανόνα. Σε διάενο ράβδουπλάας μήους 2m έχει παρατηρηθεί ορόνα που αουμπά το απέναντι ηλετρόδιο χωρίς να συμβαίνει διάσπαση

27 Οι δύο μηχανισμοί διάσπασης φαίνονται στο σχήμα 2.8.1: Σχήμα ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΤΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ ΣΤΗ ΤΙΜΗ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΠΕΔΙΑΚΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΕΜ Για να μετατραπεί άποιο τμήμα ενός streamer σε leader απαιτείται ένα ποσό ενέργειας. Για μεγάλα διάενα οι streamer αναπτύσσονται ελεύθερα αι ο όγος που αταλαμβάνουν εξαρτάται από την τιμή της τάσης τη στιγμή της έναρξής των ιονισμών. Το ίδιο ισχύει αι για τον παλμό του ρεύματος που αντιστοιχεί στη δημιουργία των streamer. Αυτό το ρεύμα ρέει μέσω ενός μοναδιού streamer στη βάση της ορόνα αι τροφοδοτεί την απαιτούμενη ενέργεια για να μετατραπεί ένα τμήμα του leader (το αποαλούμενο stem). Το μήος του stem εξαρτάται από το εύρος του παλμού ρεύματος. Το stem που δημιουργείται ατ αυτόν τον τρόπο λειτουργεί ως επιμήυνση του ηλετροδίου αι βοηθά στην περαιτέρω ανάπτυξη της εένωσης. Οι δύο φάσεις streamer αι leader διαρίνονται υρίως από τη φωτεινή επομπή, η οποία είναι μεγαλύτερη για τον leader αι από τη μέση πεδιαή ένταση που είναι ~5kV/cm για τον streamer αι σημαντιά μιρότερη για τον leader. Για μιρότερα διάενα, ο όγος των streamer της ορόνα που απαιτείται για να αουμπίσει το επίπεδο περιορίζεται από το μήος του διαένου. Το μιρό εύρος του παλμού ρεύματος που αντιστοιχεί στον περιορισμένο αυτό όγο της ορόνα δεν είναι ιανό να σχηματίσει ένα stem ιανοποιητιού μήους, ώστε να βοηθήσει την προώθηση της εένωσης. Σε αυτήν την περίπτωση, για να διασπασθεί το διάενο

28 απαιτείται μεγαλύτερη τάση από αυτή που είναι ίσα-ίσα αρετή για να αουμπήσουν οι streamer το επίπεδο. Η απαίτηση μεγαλύτερης τάσης δίνει μεγαλύτερες τιμές στις μέσες πεδιαές εντάσεις για διάενα μιρότερα από cm. Σε διάενα άτω από 5 cm έχει παρατηρηθεί η δημιουργία ζώνης θετιού φορτίου χώρου μπροστά στην άθοδο. Η δημιουργία του φορτίου αυτού αρχίζει από τη στιγμή που οι οχετοί ορόνα φθάνουν στην άθοδο. Η παρουσία του δημιουργεί μία σίαση της αθόδου με συνέπεια τη μείωση της πεδιαής έντασης στην περιοχή της ανόδου (ράβδου). Μεγαλύτερα διάενα διασπώνται όταν γεφυρωθεί ένα τμήμα τους από leader, ατά μήους του οποίου επιρατεί μία μέση πεδιαή ένταση μιρότερη από 5 kv/cm αι το υπόλοιπο τμήμα τους, ατά τη φάση του τελιού πηδήματος, από streamer, ατά μήος των οποίων επιρατεί μία μάλλον σταθερά διαμήης πεδιαή ένταση ~5kV/cm. Έτσι μεγαλύτερα διάενα διασπώνται με μία μέση πεδιαή ένταση (για όλο το μήος του διαένου) μιρότερη από 5kV/cm. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήος του σχηματιζόμενου leader, τόσο περισσότερο συνεισφέρει στη μείωση της μέσης πεδιαής έντασης διάσπασης ενός διαένου αι τόσο πιο εύολο είναι να ανιχνευθεί πειραματιά (από τη μέση πεδιαή ένταση διάσπασης) το μήος του διαένου που γεφυρώνεται με leader. Για μεγάλα διάενα η τάση διάσπασης μπορεί να δοθεί από τον τύπο: V = Es Ls + El Ll όπου Ε s, L s η μέση πεδιαή ένταση αι το μήος των streamer αι E l, L l η μέση πεδιαή ένταση αι το μήος του leader, όπως φαίνεται στο σχήμα 9.1. Σχήμα

29 Το τμήμα του διαένου που γεφυρώνεται με leader εξαρτάται από το μήος του διαένου, τη μορφή της επιβαλλόμενης τάσης αι τις επιρατούσες ατμοσφαιριές συνθήες ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΤΗ ΤΑΣΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ Το βασιό φυσιό φαινόμενο που διέπει την ηλετριή διάσπαση του αέρα είναι ο προοδευτιός ιονισμός των ουδετέρων μορίων από ελεύθερα ηλετρόνια που επιτυγχάνεται όταν βρεθούν μέσα σ ένα ηλετριό πεδίο. Για να αρχίσει ο ιονισμός αυτός χρειάζονται μεριά αρχιά ελεύθερα ηλετρόνια τα οποία υπάρχουν σχεδόν πάντα μέσα στον αέρα. Για να επιτευχθεί ένας ιονισμός, το σχετιό ηλετρόνιο πρέπει πριν από την σύγρουσή του με ένα ουδέτερο άτομο, να έχει ήδη αποτήσει αρετή ενέργεια, δηλ. αρετή ταχύτητα. Η ταχύτητα του ηλετρονίου ατά την στιγμή της σύγρουσης εξαρτάται αφ ενός από την ένταση του ηλετριού πεδίου αι αφ ετέρου από την ελεύθερη απόσταση που είχε την ευαιρία να διανύσει πριν από την σύγρουση. Αυτή η ελεύθερη απόσταση εξαρτάται από την πυνότητα του αέρα. Η πυνότητα του αέρα εξαρτάται από τη πίεση αι τη θερμορασία. Έτσι η τάση διάσπασης ενός διαένου αέρα θα πρέπει να εξαρτάται από την ατμοσφαιριή πίεση αι την θερμορασία. Έχει αποδειχθεί θεωρητιά αι πειραματιά ότι για συνήθεις διαυμάνσεις της θερμορασίας του αέρα τα ηλετρόνια δεν αλλάζουν σημαντιά την ενεργειαή τους ατάσταση. Στην πραγματιότητα όλα τα ηλετρόνια που είναι διαθέσιμα δεν παραμένουν ελεύθερα. Εάν την στιγμή της σύγρουσης τους με ένα άτομο τα ηλετρόνια δεν έχουν αρετή ενέργεια ώστε να αποσπάσουν άλλο ηλετρόνιο, απορροφώνται από το άτομο αι δημιουργούν βαριά αρνητιά ιόντα τα οποία δεν μπορούν να συνεισφέρουν στη διάσπαση. Υπάρχουν άτομα ή μόρια που έχουν αυξημένη ιανότητα να δεσμεύουν ηλετρόνια (ηλετραρνητιά). Τα μόρια των υδρατμών συμβαίνει να είναι ηλετραρνητιά. Έτσι, όσα περισσότερα μόρια υδρατμών υπάρχουν μέσα στον αέρα, τόσο μεγαλύτερη πρέπει να είναι η τάση που απαιτείται για τη διάσπαση του διαένου. Επειδή η επίδραση των μορίων των υδρατμών εξαρτάται από το σχετιό αριθμό τους προς τα μόρια του αέρα, η επίδραση αυτή θα εξαρτάται από την απόλυτη υγρασία αι όχι από την σχετιή υγρασία που εξαρτάται αι από τη θερμορασία. Η επίδραση των ατμοσφαιριών συνθηών στη τάση διάσπασης αθορίζεται με το λόγο της τάσης διάσπασης ενός διαένου άτω από ανονιές ατμοσφαιριές συνθήες προς την τάση διάσπασης του ίδιου διαένου άτω από τις επιρατούσες ατμοσφαιριές συνθήες. Ο λόγος

30 αυτός εφράζεται με ένα συντελεστή με τον οποίο πρέπει να πολλαπλασιαστεί η τάση διάσπασης που προύπτει άτω από τις ρατούσες αιριές συνθήες για να προύψει η τάση διάσπασης άτω από ατμοσφαιριές συνθήες. Υπάρχουν δύο συντελεστές διόρθωσης ατμοσφαιριών συνθηών ένας για την πυνότητα του αέρα αι ένας για την υγρασία. Κανονιές ατμοσφαιριές συνθήες δεχόμαστε τις: Θερμορασία: T o =20 O C Aτμοσφαιριή πίεση: Ρ ο =760mm Hg ή 100 kpa Απόλυτη υγρασία: H ο =11g/m 3 Ο συντελεστής διόρθωσης της τάσης για την πυνότητα του αέρα για σχετιά μιρά διάενα (<2m) είναι ίσος με την σχετιή πυνότητα. K d PT o = P T Η διόρθωση της τάσης διάσπασης για την επίδραση της υγρασίας είναι πολύπλοη αι αβέβαιη. Παρ όλα αυτά έχουν αθοριστεί πειραματιοί συντελεστές που αλύπτουν τις πιο συνήθεις περιπτώσεις. Οι συντελεστές δείχνονται στο σχήμα o Σχήμα Συντελεστής διόρθωσης υγρασίας Κ h ως συνάρτηση της απόλυτης υγρασίας Η πιο συνήθης μέθοδος μέτρησης της υγρασίας είναι με δύο θερμόμετρα ένα υγρό αι ένα ξηρό. Η σχετιή αι η απόλυτη υγρασία προύπτουν από τις ενδείξεις των δύο θερμομέτρων με τη βοήθεια του διαγράμματος του σχήματος

31 . Σχήμα Διάγραμμα για τον υπολογισμό της απόλυτης υγρασίας του αέρα Για τον υπολογισμό του συντελεστή Κ h, λαμβάνεται υπ όψιν μόνο η απόλυτη υγρασία αι η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης. Από πειράματα διαπιστώθηε επίδραση του συντελεστή Κ h από την μεταβολή της πυνότητας, σε αταπονήσεις διαένων αέρα με ρουστιή τάση. Όταν μειώνεται η σχετιή πυνότητα του αέρα, αυξάνεται η επίδραση της υγρασίας στην τιμή της τάσης διάσπασης. Αυτό εξηγείται αι από φυσιή άποψη. Όταν η απόλυτη υγρασία παραμένει σταθερή, μια μείωση της σχετιής πυνότητας του αέρα θα έχει ως αποτέλεσμα μια αύξηση του ποσοστού των μορίων του νερού στον αέρα. Έτσι για άθε σύγρουση μεταξύ ηλετρονίων αι μορίων, η πιθανότητα δημιουργίας αρνητιών ιόντων θα αυξηθεί. Επομένως αναμένεται εντονότερη επίδραση της υγρασίας. Μετά από σειρά πειραμάτων με ρουστιή τάση προέυψε η σχέση: K h 1 = H H K 0 d όπου: Η : Η απόλυτη υγρασία που επιρατεί ατά την διεξαγωγή της μέτρησης Η o : 11 [ g/m 3 ]

32 2.12 ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΓΕΝΙΚΑ Για την παραγωγή ρουστιών τάσεων στο εργαστήριο, χρησιμοποιούνται οι ρουστιές γεννήτριες. Αυτές χωρίζονται σε δύο ατηγορίες: τις μονοβάθμιες αι τις πολυβάθμιες. Το απλούστερο ηλετριό ύλωμα της μονοβάθμιας ρουστιής γεννήτριας, το οποίο συγχρόνως ταιριάζει αι με τις πρατιές συνθήες, φαίνεται στο σχήμα : L1 G R2 L2 C1 R1 R 1 C2 (α) Σχήμα α: Μονοβάθμια ρουστιή γεννήτρια G R2 C1 R1 R 1 C2 (β) Σχήμα β: Χωρίς επαγωγή ύλωμα Όπου C 1 : χωρητιότητα (ουράς ) της γεννήτριας C 2 : παράσιτη χωρητιότητα της γεννήτριας μαζί με τη χωρητιότητα του φορτίου (δοιμίου) (χωρητιότητα μετώπου) R 1 ή R 1 : αντίσταση ουράς της γεννήτριας R 2 : αντίσταση μετώπου της γεννήτριας L 1 : εσωτεριή παράσιτη επαγωγή της γεννήτριας L 2 : επαγωγή του φορτίου αι των συνδέσεων G: διάενο σφαιρών

33 Η αντίσταση R 1 φαίνεται στις δύο δυνατές θέσεις: προς την πλευρά της γεννήτριας R 1 ή προς την πλευρά του φορτίου R 1. Για να γίνει ατανοητή η λειτουργία του υλώματος του παραπάνω σχήματος θεωρούμε τα L 1 = L 2 = 0 (χωρίς επαγωγή ύλωμα). Το τελευταίο μπορεί να θεωρηθεί λογιό διότι γίνεται προσπάθεια μειώσεως των L 1, L 2 από την άλλη μεριά όμως, επειδή αυτές οι επαγωγές είναι παράσιτες, συγχρόνως είναι αι αναπόφευτες. Η ύπαρξη των L 1, L 2 δημιουργεί ταλαντώσεις στο σχήμα της ρουστιής τάσεως η δε τιμή τους είναι δύσολο να υπολογιστεί αριβώς. Στο χωρίς επαγωγή ύλωμα, ο πυνωτής C 1 φορτίζεται με μία συνεχή τάση, μέσω μίας ανορθωτιής διάταξης που δεν φαίνεται στο σχήμα. Όταν φορτιστεί ο C 1, διασπάμε το διάενο G με άποιο τρόπο αι έτσι συνδέουμε τον C 1 στο το υπόλοιπο ύλωμα. Επειδή η αντίσταση R 2 είναι ατά ανόνα πολύ μιρότερη από R 1, ο C 2 (δηλαδή το δοίμιο) φορτίζεται μέσω της R 2 με μία σταθερά χρόνου R 2 *C 2. Κατά τη διάρεια της φορτίσεως του C 2 σχηματίζεται το μέτωπο της ρουστιής τάσεως αι αυτό διαιολογεί για τα R 2, C 2 τα ονόματα που τους δόθηαν παραπάνω. Στη συνέχεια οι πυνωτές C 1 +C 2 εφορτίζονται στην αντίσταση R 1 με μία σταθερά χρόνου (C 1 +C 2 )*R 1 αι σχηματίζεται η ουρά της ρουστιής τάσεως. Στη πραγματιότητα οι δύο φάσεις αλληλοαναιρούνται αλλά τελιά στα άρα του δοιμίου εφαρμόζεται μία ρουστιή τάση που η αριβής μορφή της εξαρτάται από τις τιμές των στοιχείων του υλώματος της μονοβάθμιας ρουστιής γεννήτριας, αλλά αι από το δοίμιο. Για τις δοιμές με πολύ υψηλές τάσεις χρησιμοποιούνται οι πολυβάθμιες ρουστιές γεννήτριες, οι οποίες ατασευάζονται από ένα αριθμό στοιχειωδών βαθμίδων. Η τοποθέτηση αυτών των βαθμίδων γίνεται ατά τέτοιο τρόπο ώστε οι πυνωτές να συνδέονται παράλληλα ατά τη διάρεια της φόρτισης από μία πηγή συνεχούς τάσεως αι σε σειρά ατά τη διάρεια της εφορτίσεως τους για το σχηματισμό της ρουστιής τάσεως. Σε αντιπαράθεση με τη μονοβάθμια γεννήτρια, η πολυβάθμια χρειάζεται έναν ανορθωτή τάσεως, ο οποίος θα δίνει ένα μιρό λάσμα της ολιής τάσεως εξόδου της γεννήτριας. Επίσης ένα άλλο πλεονέτημα, λόγω του τρόπου ατασευής, είναι ότι μπορούμε να διαλέξουμε τον αριθμό των βαθμίδων που θα χρησιμοποιήσουμε. Το ύλωμα του σχήματος είναι αρετά ιανοποιητιό αι σήμερα χρησιμοποιείται ως βασιή σέψη για την ατασευή πολυβάθμιων ρουστιών γεννητριών

34 R3 R3 R3 C1 C1 C1 C1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 Σχήμα : Πολυβάθμια ρουστιή γεννήτρια με ατανεμημένες σειριαές αντιστάσεις αι ιανοποιητιό βαθμό απόδοσης Το ύλωμα αυτό, σε γενιές γραμμές, δουλεύει ως εξής: οι πυνωτές C 1 φορτίζονται όλοι παράλληλα με την τάση E. Οι αντιστάσεις R 3 χρησιμεύουν στο στάδιο της φόρτισης για να περιορίσουν το ρεύμα φόρτισης αι ατά συνέπεια την απαιτούμενη ισχύ της γεννήτριας συνεχούς τάσεως Ε. Όταν οι σπινθηριστές βραχυυλωθούν, όλοι οι πυνωτές C 1 μαζί με τις αντιστάσεις R 2 συνδέονται σε σειρά αι δίνουν το ρεύμα που ρέει προς το φορτίο, σχηματίζοντας το μέτωπο της ρουστιής τάσεως. Μετά, ο άθε πυνωτής C 1 με την αντίστοιχη αντίσταση R 1 αι τον αντίστοιχο βραχυυλωμένο σπινθηριστή άθε βαθμίδας, σχηματίζει ένα λειστό ύλωμα όπου εφορτίζεται ο C 1 στην αντίσταση R 1 αι από αυτόν υρίως το λόγο σχηματίζεται η ουρά της ρουστιής τάσεως. Βλέπουμε ότι οι αντιστάσεις R 3 χρησιμεύουν μόνο για να περιορίσουν το ρεύμα φορτίσεως των πυνωτών C 1 αι δεν επηρεάζουν τη μορφή της τάσεως που παράγεται από τη γεννήτρια. Έχουν γενιά μεγάλη τιμή αι ονομάζονται ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ, επειδή σοπός τους είναι η παράλληλη φόρτιση των πυνωτών. Η σειριαή εφόρτιση των τελευταίων γίνεται μέσω των σπινθηριστών. Οι αντιστάσεις R 2 παίζουν σπουδαίο ρόλο στο σχηματισμό του μετώπου της ρουστιής τάσεως, επειδή βρίσονται σε σειρά με τους πυνωτές C 1 αι ονομάζονται ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΜΕΤΩΠΟΥ. Έτσι το μέτωπο εξαρτάται υρίως από τη σταθερά χρόνου C 2 *(nr 2 ) όπου C 2 είναι η χωρητιότητα του φορτίου (δοιμίου) αι n ο αριθμός των βαθμίδων της γεννήτριας. Γενιά το άθροισμα των αντιστάσεων που συναντάμε διατρέχοντας το βρόγχο που περιέχει τους n ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΒΑΘΜΙΔΩΝ C 1 αι τη χωρητιότητα του δοιμίου C 2, ονομάζεται ισοδύναμη αντίσταση μετώπου. Σ αυτόν το βρόγχο είναι φανερό ότι αι οι n πυνωτές C 1 είναι σε σειρά, άρα ισοδυναμούν με ένα πυνωτή που έχει τιμή C 1 /n. Στο μιρό βρόγχο που σχηματίζει άθε βαθμίδα, ο C 1, o R 1 αι ο σπινθηριστής αρχίζει να εφορτίζεται ο C 1 στην R 1 σχηματίζοντας την ουρά της ρουστιής τάσεως. Οι αντιστάσεις R 1 ονομάζονται