Υψηλές Τάσεις. Ενότητα 2: Θεωρία Διάσπασης του Ατμοσφαιρικού Αέρα. Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Υψηλές Τάσεις Ενότητα 2: Θεωρία Διάσπασης του Ατμοσφαιρικού Αέρα Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί Ενότητας Ο στόχος της 2 ης Ενότητας είναι να παρουσιαστούν με λεπτομέρειες η θεωρία του ιονισμού με κρούσεις, η θεωρία Townsend, η κυματική φορτισμένων σωματιδίων, η θεωρία ιονισμού εντός πεδίου κατασκευών υψηλών τάσεων, το φαινόμενο Corona καθώς και οι προσεγγιστικοί υπολογισμοί της τάσης διάσπασης Streamers & Leaders. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Θεωρία Διάσπασης του Ατμοσφαιρικού Αέρα Διάσπαση του Ατμοσφαιρικού Αέρα Διάσπαση στο Ομοιογενές Πεδίο Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων Χαρακτηριστικά και Ιονισμός των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων Κατηγορίες Ηλεκτρομονωτικών Αερίων Συμπεράσματα για την Μελέτη του Ιονισμού με Κρούσεις Η Θεωρία κατά J.S. Towsend Διάσπαση στο Ανομοιογενές Ηλεκτρικό Πεδίο Στεμματοειδής Εκκένωση Μονοφασική Γραμμή με Καθαρό και Λείο Αγωγό Επιφάνεια του Αγωγού και Καιρικές Συνθήκες Απώλειες Corona Τριφασικών Γραμμών Μεταφοράς 5

6 Θεωρία Διάσπασης του Ατμοσφαιρικού Αέρα Θεωρία ιονισμού με κρούσεις Θεωρία Townsend Κυματική φορτισμένων σωματιδίων Θεωρία ιονισμού εντός πεδίου κατασκευών υψηλών τάσεων Φαινόμενο Corona Παράδειγμα υπολογισμού σε γραμμές μεταφοράς Προσεγγιστικός υπολογισμός της τάσης διάσπασης Streamers & Leaders 6

7 Διάσπαση του Ατμοσφαιρικού Αέρα Όταν η τάση μεταξύ στελέχους στήριξης του μονωτήρα και του αγωγού της ηλεκτρικής γραμμής αυξηθεί πολύ πέραν της κανονικής τάσης λειτουργίας αυτής, θα γίνει "υπερπήδηση" του μονωτήρα (διάσπαση του στρώματος του αέρα μεταξύ στελέχους του μονωτήρα και του αγωγού) και όχι διάτρηση του υλικού τού μονωτήρα. Στην περίπτωση ανομοιογενούς πεδίου όταν η τάση μεταξύ των δύο ηλεκτρoδίων αυτού αυξηθεί πέραν μίας ορισμένης τιμής, η οποία καλείται «τάση έναρξης». Η αύξηση της τάσης επέρχεται διάσπαση του στρώματος του αέρα υπό την μορφή ηλεκτρικού σπινθήρα. Η τιμή αυτή της τάσης καλείται «τάση διάσπασης». 7

8 Διάσπαση στο Ομοιογενές Πεδίο - 1 Σχήμα 4.1: Διάταξη ομοιογενούς ηλεκτρικού πεδίου (ηλεκτρόδια Rogowski) Σχήμα 4.2: Μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει της τάσης επί των ηλεκτροδίων του Σχήματος 4.1 8

9 Διάσπαση στο Ομοιογενές Πεδίο - 2 Στον αέρα το ρεύμα κόρου είναι πολύ μικρό και η πυκνότητα του επί των ηλεκτροδίων είναι της τάξης μόνο A/cm2. Όταν η τάση αυξηθεί ακόμη και φθάσει μια τιμή U ε (τάση έναρξης) παρατηρείται πάλι αύξηση του ρεύματος, μετά δε μια ακόμη, ασήμαντη αύξηση της τάσης μέχρι την τιμή U δ (τάση διάσπασης) το ρεύμα φθάνει απότομα σε πολύ μεγάλη τιμή, αυτό δε το φαινόμενο εκδηλώνεται υπό την μορφή ηλεκτρικού σπινθήρα και καλείται διάσπαση του διακένου. 9

10 Διάσπαση στο Ομοιογενές Πεδίο - 3 Όταν η τάση διατηρείται μικρότερη, οριακά ίση με την U δ, θεωρητικά δεν επέρχεται ποτέ διάσπαση του διακένου. Για κάθε μεγαλύτερη τάση από την U δ θα προκληθεί διάσπαση του διακένου μετά πάροδο κάποιου χρόνου, ο οποίος είναι τόσο μικρότερος, όσο η τιμή της τάσης είναι μεγαλύτερη. Για τους λόγους αυτούς η U δ λέγεται και "ελάχιστη ή μόνιμη τάση διάσπασης". Σε κάθε διάκενο, ανάλογα με το πάχος του d, αντιστοιχεί και άλλη τιμή της U δ. 10

11 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 1 Σχήμα 4.3 Σχηματισμός Ηλεκτρονικής Στοιβάδας ο: Θετικά ιόντα : Ηλεκτρόνια E: Πεδιακή ένταση ηλεκτρικού πεδίου Όλα τα ηλεκτρόνια, λόγω της ευκινησίας τους, συγκεντρώνονται στη κεφαλή του χώρου αυτού, ενώ τα θετικά ιόντα, τα οποία είναι περίπου 150 φορές λιγότερο ευκίνητα, παραμένουν πρακτικά σε ακινησία, όσο τα ηλεκτρόνια προχωρούν προς την άνοδο. 11

12 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 2 Έστω ότι, κατά τον τρόπο αυτό, κάθε ηλεκτρόνιο προκαλεί, υπό την πεδιακή ένταση Ε, λ ιονισμούς ανά μονάδα μήκους: Από τη σχέση αυτή έχουμε: dη = η λ dx Επομένως: η = ce λx dη = λ dx η Όπου c σταθερά, η οποία προσδιορίζεται από τις αρχικές συνθήκες οι οποίες είναι: για x= 0 είναι η= 1 12

13 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 4 Οπότε προκύπτει ότι c=1, άρα: η= eλx πράγμα που σημαίνει ότι κάθε αρχικό παρά την κάθοδο ηλεκτρόνιο, πληθύνεται κατά τη διαδρομή του μήκους x σε : eλx παράγονται δε: (eλx -1 ) νέα ηλεκτρόνια και ιόντα. Το φαινόμενο αυτό λέγεται "ηλεκτρονική στιβάδα" (electron avalanche). Αν, υποθέσουμε ότι από κάποιο εξωτερικό αίτιο (π.χ. φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) παραχθούν παρά την κάθοδο α αρχικά ηλεκτρόνια ανά μονάδα χρόνου, αυτά αντιστοιχούν σε κάποιο ρεύμα το "ρεύμα κόρου", το οποίο θα είναι: Ικ=ε α όπου ε είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου. 13

14 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 5 Λόγω του ιονισμού (ο οποίος συμβαίνει για Uε=U<Uδ) κατά τη διαδρομή κατά το πάχος του διακένου d το ρεύμα θα γίνει: Ιε=ε α eλd=iκ eλd Έτσι εξηγείται η αύξηση του ρεύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα. 14

15 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 6 Όταν όμως η ηλεκτρική τάση αυξηθεί ακόμη πιο πολύ και φθάσει περίπου την τιμή U δ, τότε, ακόμη και αν δεν υπάρχει εξωτερικό αίτιο παραγωγής ηλεκτρονίων, τέτοια ηλεκτρόνια παράγονται, από το ίδιο το φαινόμενο, το οποίο εξελίσσεται σε ηλεκτρικό σπινθήρα ή τόξο. Τότε το ρεύμα παίρνει θεωρητικά απείρως μεγάλη τιμή και το διάκενο διασπάται ηλεκτρικά. Σε γενικές γραμμές τούτο συμβαίνει ως εξής: Κατά την πρόοδο της ηλεκτρονικής στιβάδας σε επαρκώς ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. 15

16 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 7 Αν τώρα η τάση φθάσει ή υπερβεί την τιμή U δ, σε μεγάλα διάκενα, πάχους μεγαλύτερου των 0,5 cm, η συνέχεια του φαινομένου έχει ως εξής: Σχήμα 4.4: Σχηματισμός Οχετού προς Άνοδο ο : θετικά ιόντα : ηλεκτρόνια E o E 1 E : ένταση ηλεκτρικού πεδίου : ένταση ηλεκτρικού πεδίου λόγω της στιβάδας : συνολική ένταση ηλεκτρικού πεδίου προ της κεφαλής της στιβάδας 16

17 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 8 Ε= Ε1+Ε0>Ε0 Όταν το Ε γίνει αρκετά μεγαλύτερο από το Ε0, ο αριθμός ιονισμού λ μεγαλώνει, όπως επίσης μεγαλώνει η πυκνότητα των ιόντων και των ηλεκτρόνιων. Επειδή τα θετικά ιόντα κάθε τέτοιας στιβάδας είναι βραδυκίνητα σε σχέση με την ταχύτητα των ηλεκτρονίων της αμέσως προηγούμενης, είναι προφανές ότι η αρχική στιβάδα θα συναντήσει την ουρά της προπορευόμενης, η δεύτερη, της τρίτης κ.λ.π. Στον οχετό αυτό τα ηλεκτρόνια είναι σχεδόν διατεταγμένα προς την πλευρά της ανόδου ενώ τα θετικά ιόντα προς την πλευρά της καθόδου. 17

18 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 9 E o Σχήμα 4.5: Για την Επεξήγηση της Δημιουργίας Οχετού προς την Κάθοδο ο: θετικά ιόντα : ηλεκτρόνια : Ένταση συνολικού ηλεκτρικού πεδίου προ της ανόδου U δ = 5, λ e λd Όπου: λ -> Αριθμός ιονισμού D -> Το πάχος διάκενου σε cm Ρ -> Η ατμοσφαιρική πίεση σε mm Hg d p 1 d E 2 E : Ένταση ηλεκτρικού πεδίου λόγω του νέφους των θετικών ιόντων : Ένταση αρχικού ηλεκτρικού πεδίου 18

19 Σχηματισμός Ηλεκτρονικών Στοιβάδων - 10 Ότι ισχύει σχετικά με την διάσπαση υπό συνεχή τάση, ισχύει και για τη μέγιστη τιμή εναλλασσομένων τάσεων συχνότητας μέχρι 1000 Ηz για μεγαλύτερες δε συχνότητες η τάση διασπάσεως μειώνεται μέχρι και κατά 20%. Στην περίπτωση επιβολής κρουστικής τάσεως, πάλι ο μηχανισμός είναι ο ίδιος όταν η μέγιστη τιμή της τάσεως αυτής είναι μεγαλύτερη της U δ. Εν τούτοις η μορφή της τάσεως επηρεάζει την καθυστέρηση διασπάσεως. Για το λόγο αυτό, όταν θέλουμε να κάνουμε μέτρηση της μέγιστης τιμής της κρουστικής τάσεως με σφαιρικούς σπινθηριστές, για την αποφυγή λαθών, προβαίνουμε στην εξουδετέρωση της καθυστέρησης διασπάσεως με προσβολή της καθόδου με υπεριώδες ακτίνες 19

20 Χαρακτηριστικά και Ιονισμός των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων - 1 Ορίζεται ως διέγερση ενός μορίου η ανύψωση ενός ηλεκτρικού φορέα του σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, χωρίς αυτός να γίνει ελεύθερος. Η ενεργειακή αυτή κατάσταση διαρκεί συνήθως ns και ο φορέας επιστρέφει πάλι στην αρχική του στάθμη (αποδιέγερση), αποδίδοντας το περίσσευμα της ενέργειας του σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φωτόνιο). Για τον υπολογισμό της παραπάνω ακτινοβολίας ισχύει η σχέση : W=h f=h c/λ f: Η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, και Όπου: h: Η σταθερά Planck h=6, Ws 2 λ: Το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 20

21 Χαρακτηριστικά και Ιονισμός των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων - 2 Ιονισμός ονομάζεται γενικά η δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων στα ηλεκτρομονωτικά αέρια. Τρεις είναι οι βασικοί μηχανισμοί δημιουργίας : Ο ιονισμό με κρούσεις. Από μετρήσεις είναι γνωστό, ότι στον αέρα αναπαράγονται το δευτερόλεπτο, λόγω κοσμικών ακτινοβολιών και φυσικής ραδιενέργειας, περίπου 5 20 ζεύγη φορέων ανά cm 3 s ως αρχικοί ελεύθεροι ηλεκτρικοί φορείς. Έτσι, ελεύθερα ηλεκτρόνια στον αέρα είναι διαθέσιμα ως αρχικά ηλεκτρόνια του ιονισμού. Η θερμοεκπομπή. Κατά τη θέρμανση επίσης μίας καθόδου σχηματίζεται ένα νέφος ελεύθερων ηλεκτρονίων. Στην περίπτωση αυτή το νέφος σχηματίζεται, όταν αποκτήσουν τα ηλεκτρόνια του μετάλλου μία ενέργεια. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται ενέργεια εξόδου W α (ή έργο εξόδου) και εξαρτάται από το είδος του μετάλλου. 21

22 Χαρακτηριστικά και Ιονισμός των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων - 3 Ο Φωτοϊονισμός. Ιονισμός από ιονίζουσες ακτινοβολίες : μήκος κύματος λ<100nm. Το φως της ημέρας έχει μήκος κύματος nm και κατά συνέπεια δεν προκαλεί ιονισμό. Η ενέργεια, που πρέπει να προσφερθεί στο άτομο για να συμβεί ιονισμός, ονομάζεται ενέργεια ιονισμού W i. Για το ηλεκτρόνιο εντός του σφαιρικού (κατά προσέγγιση) πεδίου του πυρήνα ισχύει: Wi = Fdr = q Edr = qeu i r T e r T αέριο H H 2 O 2 N 2 SF 6 W I σε ev 13,5 15,9 12,5 15,8 19,3 Πίνακας 3.1-1: Ενέργεια Ιονισμού Ορισμένων Αερίων. 22

23 Χαρακτηριστικά και Ιονισμός των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων - 4 Η ενέργεια ιονισμού W i στα ηλεκτρομονωτικά αέρια είναι μία ανάλογη έννοια προς την ενέργεια εξόδου (ή έργο εξόδου) των μετάλλων W α, γιατί και οι δύο αποτελούν προϋπόθεση παροχής ενέργειας προς το υλικό για την δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων. Μέταλλο Cu Al Fe Ag Au Cr W α σε ev 4,0 4,8 1,8 3,9 4,0 4,7 3,0 4,7 4,8 4,4 Πίνακας 3.1-2: Ενέργεια εξόδου (ή έργο εξόδου) ορισμένων μετάλλων 23

24 Κατηγορίες Ηλεκτρομονωτικών Αερίων Τα ηλεκτρομονωτικά αέρια χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες ανάλογα με τον αν δημιουργούν ή ενσωματώνουν ελεύθερους φορείς. Ηλεκτρομονωτικά αέρια (αέρας, Η2, Ν2, CO2 και τα ιδανικά αέρια), που διαθέτουν αρχικούς ηλεκτρικούς φορείς (λόγω κοσμικών ακτινών και φυσικής ραδιενέργειας) και ονομάζονται ηλεκτροθετικά. 24

25 Συμπεράσματα για την Μελέτη του Ιονισμού με Κρούσεις - 1 Από τα προαναφερόμενα για τον ιονισμό των ηλεκτρομονωτικών αερίων, μπορούν να προκύψουν τα παρακάτω βασικά συμπεράσματα: Ο ιονισμός είναι ένας μηχανισμός παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων. Διακρίνει κανείς τρεις περιπτώσεις ιονισμού : Τον ιονισμό με κρούσεις (μη αυτοσυντηρούμενο και αυτοσυντηρούμενο) Την θερμοεκπομπή (ή θερμοϊονική εκπομπή) Τον φωτοϊονισμό Τα ηλεκτροθετικά αέρια (π.χ. ο αέρας) διαθέτουν αρχικούς ηλεκτρικούς φορείς για τον ιονισμό με κρούσεις. 25

26 Συμπεράσματα για την Μελέτη του Ιονισμού με Κρούσεις - 2 Για να συμβεί ιονισμός με κρούσεις πρέπει να ισχύει η συνθήκη ιονισμού : E λ U i. Η αύξηση της θερμοκρασίας και η μείωση της πίεσης του αερίου διευκολύνουν τον ιονισμό με κρούσεις και προκαλούν έτσι μείωση της διηλεκτρικής αντοχής του αερίου. Η διάσπαση συμβαίνει συνήθως σε τιμές της τάσης U U z 26

27 Συμπεράσματα για την Μελέτη του Ιονισμού με Κρούσεις - 3 Η διάσπαση των αερίων είναι μία τελευταία φάση του ιονισμού. Η αποδιέγερση και τα φαινόμενα ιονισμού σχετίζονται με εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Από τα παραπάνω φαίνεται, ότι για η μελέτη των φαινομένων του ιονισμού με κρούσεις απαιτεί πολλές πληροφορίες ενώ τα φαινόμενα ιονισμού σχετίζονται με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ο J.S. Towsend έχει διατυπώσει για τον ιονισμό μία θεωρία, από την οποία δίνονται αρκετά στοιχεία για τον ιονισμό με κρούσεις και την συνθήκη έναυσης σε μικρά διάκενα. 27

28 Η Θεωρία κατά J.S. Towsend - 1 Η θεωρία κατά J.S. Towsend για τον μη αυτοσυντηρούμενο ιονισμό με κρούσεις και την έναυση Η θεωρία αυτή (που είναι γνωστή στη βιβλιογραφία ως εκκένωση Towsend και ισχύει για μικρά διάκενα) αφορά και τη διάσπαση στην τιμή U Z. Η δημιουργία των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων αποδίδεται σε τρεις δυνατότητες ιονισμού με κρούσεις : Με κρούσεις από ηλεκτρόνια επί ατόμων ή μορίων του αερίου Με κρούσεις από θετικά ιόντα επί ατόμων ή μορίων του αερίου Με κρούσεις θετικών ιόντων στην επιφάνεια της καθόδου (επιφανειακός ιονισμός). 28

29 Η Θεωρία κατά J.S. Towsend - 2 Ιονισμός με κρούσεις από ηλεκτρόνια (α- θεωρία) Ιονισμός με κρούσεις από θετικά ιόντα (β- θεωρία) Ιονισμός στην επιφάνεια της καθόδου (γ- θεωρία) Σχήμα 4.3-1: Ένα μακροσκοπικό μοντέλο για τις περιπτώσεις ιονισμού με κρούσεις κατά τη θεωρία Towsend. Κ : Κάθοδος - : Ηλεκτρόνιο + : Θετικό ιόν Μ : Μόριο 29

30 Η Θεωρία κατά J.S. Towsend - 3 Σε αντιστοιχία προς τον συντελεστή ιονισμού α για τον ιονισμό με κρούσεις από ελεύθερα ηλεκτρόνια, έχουν οριστεί : για τον ιονισμό με κρούσεις από θετικά ιόντα επί ατόμων (ή μορίων του αερίου) ο συντελεστής ιονισμού β και για τον επιφανειακό ο συντελεστής ιονισμού γ. Ο ιονισμός με κρούσεις από θετικά ιόντα επί ατόμων (ή μορίων) του αερίου και ο επιφανειακός ιονισμός θεωρείται ότι εκδηλώνονται σε συνδυασμό με τον ιονισμό από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Έτσι, γίνεται διάκριση σε δύο περιπτώσεις ιονισμού με κρούσεις : ιονισμός με κρούσεις από ελεύθερα ηλεκτρόνια επί ατόμων (ή μορίων του αερίου) και επιφανειακός ιονισμός (α-γ θεωρία) ιονισμός με κρούσεις επί ατόμων (ή μορίων του αερίου) από 30 ελεύθερα ηλεκτρόνια και από θετικά ιόντα (α-β θεωρία)

31 Διάσπαση στο Ανομοιογενές Ηλεκτρικό Πεδίο - 1 Τα φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν σε αγωγούς μεταξύ των οποίων υφίσταται ανομοιογενές πεδίο μπορούν να αναχθούν σε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας πλάκας ή ακίδας-ακίδας. Η πολικότητα της ακίδας, στην περίπτωση ανομοιογενούς πεδίου ακίδας-πλάκας, παίζει σημαντικό ρόλο στη μορφή των εκκενώσεων μέχρι την τελική διάσπαση. η διάσπαση στο ανομοιογενές πεδίο δεν επέρχεται, όπως στο ομοιογενές σχεδόν απότομα όταν αυξηθεί η τάση του διακένου, αλλά πριν από την οριστική διάσπαση προηγούνται εκκενώσεις άλλων μορφών στεμματοειδούς (Corona) ή θυσανοειδούς μορφής. 31

32 Διάσπαση στο Ανομοιογενές Ηλεκτρικό Πεδίο - 2 Οι εκκενώσεις του είδους αυτού χαρακτηρίζονται σαν προεκκενώσεις. Η τάση έναρξης U ε δεν συμπίπτει, όπως αυτό περίπου συμβαίνει στο ομοιογενές πεδίο, με την ελάχιστη τάση διάσπασης U δ, αλλά διαφέρει σημαντικά από αυτήν Άλλες διαφορές από το ομοιογενές είναι: Οι τάσεις διάσπασης είναι μικρότερων τιμών για διάκενα του ίδιου πάχους Οι καθυστερήσεις διάσπασης είναι μεγαλύτερες υπό κρουστικές τάσεις H επίδραση της υγρασίας που περιέχει ο αέρας είναι σημαντική. 32

33 Η Διάσπαση των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων σε Ανομοιογενές Πεδίο - 1 Ως γνωστόν στο ανομοιογενές πεδίο εκδηλώνονται σε μία τιμή της πεδιακής έντασης (που ονομάζεται αρχική πεδιακή ένταση Ε α ) μερικές εκκενώσεις. Η αρχική τάση U α (η αντίστοιχη προς την Ε α τάση), σχετίζεται ως γνωστόν με την εκδήλωση της φωτεινής ακτινοβολίας, που παρατηρείται. Γι` αυτό η αρχική τάση έχει ονομαστεί επίσης ως τάση έναρξης της φωτεινής ακτινοβολίας, ή τάση korona. Ως γνωστόν, όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση δύο ηλεκτροδίων, τόσο περισσότερο ανομοιογενές είναι πεδίο (και κατά συνέπεια είναι μικρότερη η τιμή του συντελεστή χρησιμοποίησης του πεδίου η). Αντίθετα, για μικρές αποστάσεις ηλεκτροδίων το πεδίο προσεγγίζει το ομογενές (μεγάλη τιμή η). 33

34 Η Διάσπαση των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων σε Ανομοιογενές Πεδίο - 2 Σύμφωνα με το παραπάνω σκεπτικό, έχει γίνει μία διάκριση για τα ανομοιογενή πεδία ανάλογα με τον συντελεστή χρησιμοποίησης (η) σε: Ελάχιστα ανομοιογενή πεδία : 0,2<η<1 Ισχυρά ανομοιογενή πεδία : η<0,2 Ο μηχανισμός διάσπασης στα ελάχιστα ανομοιογενή πεδία αποδίδεται ικανοποιητικά από τη θεωρία, που προαναφέρθηκε, για το ομογενές πεδίο. Ισχύει περίπου ότι U d =U α. Για η>0,8 ισχύουν με αρκετή προσέγγιση οι σχέσεις του ομογενούς πεδίου 34

35 Η Διάσπαση των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων σε Ανομοιογενές Πεδίο - 3 Σχήμα : Ε= f(x) στο ηλεκτροστατικό πεδίο μίας διάταξης ηλεκτροδίων ακίδαπλάκα Για τη διάσπαση σε ισχυρά ανομοιογενή πεδία δεν μπορούν να υπολογιστούν οι τιμές Ud και Uα, αλλά μόνο να μετρηθούν. Η δυσμενέστερη περίπτωση των πρακτικών εφαρμογών είναι η διάταξη των ηλεκτροδίων ακίδα-πλάκα, όπου η μέγιστη τιμή της πεδιακής έντασης είναι στην κορυφή της ακίδας. H τιμή της πεδιακής έντασης στην κορυφή της ακίδας υπολογίζεται προσεγγιστικά από την σχέση : E = 2U /[ R ln(4d / R)] 35

36 Η Διάσπαση των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων σε Ανομοιογενές Πεδίο - 4 Σύμφωνα με πειραματικά αποτελέσματα η διάσπαση σε ισχυρά ανομοιογενή πεδία διέπεται από τις παρακάτω ιδιαιτερότητες : Το Φαινόμενο της Πολικότητας Η τιμή της τάσης για τη διάσπαση εξαρτάται από την πολικότητα της ακίδας. Ισχύει ο κανόνας ότι η τάση διάσπασης έχει μεγαλύτερη τιμή κατά την θετική πολικότητα της ακίδας, ως προς την αρνητική πολικότητά της. Το φαινόμενο αυτό μπορεί ερμηνευτεί ως εξής : Ανάλογα με την πολικότητα της ακίδας συγκεντρώνονται μπροστά της ελεύθεροι ηλεκτρικοί φορείς αντίθετης πολικότητας. Όμως οι θετικοί φορείς είναι στο σύνολό τους περισσότερο δυσκίνητοι από τους αρνητικούς και επομένως εξουδετερώνονται δυσκολότερα, και κατά συνέπεια στην περίπτωση της αρνητικής ακίδας απαιτείται 36 μεγαλύτερη τάση για την διάσπαση.

37 Η Διάσπαση των Ηλεκτρομονωτικών Αερίων σε Ανομοιογενές Πεδίο - 5 Το φαινόμενο της μονωτικής θωράκισης με την παρεμβολή ενός μονωτικού χαρτιού μεταξύ της ακίδας και της πλάκας Όταν ένα μονωτικό χαρτί παρεμβάλλεται μεταξύ της ακίδας και της πλάκας, τότε η τιμή της τάσης διάσπασης γίνεται μεγαλύτερη από εκείνη χωρίς το μονωτικό χαρτί. Το φαινόμενο μπορεί να αποδοθεί σε συγκέντρωση ελεύθερων θετικών φορέων στην επιφάνεια του χαρτιού, με αποτέλεσμα να μειώνεται έμμεσα η ανομοιογενής συμπεριφορά του πεδίου. Σχήμα : Ud= f(x) για τον αέρα υπό κανονικές συνθήκες. Ud1: Τάση διάσπασης χωρίς το χαρτί 1 : ακίδα, 2 : πλάκα, 3 : χαρτί 37

38 Στεμματοειδής Εκκένωση - 1 Η στεμματοειδής εκκένωση (φαινόμενο Corona) στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Όταν με την αύξηση της τάσεως ή ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών μιας εναέριας γραμμής υπερβεί μία τιμή, η οποία εξαρτάται από τις επικρατούσες, ατμοσφαιρικές συνθήκες, και από την κατάσταση της επιφάνειας των αγωγών, τότε στο παρά τον αγωγό στρώμα του αέρα γίνεται έναρξη ηλεκτρικών εκκενώσεων, οι όποιες έχουν τις έξης συνέπειες: 38

39 Στεμματοειδής Εκκένωση - 2 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. Οι εκκενώσεις αυτές λέγονται "στεμματoειδείς", διεθνώς δε Korona ή Corona, και έχουν πολύ μεγάλη πρακτική σημασία γιατί, εκτός των άλλων, συνεπάγονται απώλειες και επηρεάζουν για το λόγο αυτό το κόστος μεταφοράς της ενέργειας. 39

40 Μονοφασική Γραμμή με Καθαρό και Λείο Αγωγό - 1 Τα φαινόμενα γύρω από τον αγωγό και η διαδοχή τους εξαρτώνται από την κατάσταση της επιφάνειάς του. Έτσι, όταν αυτός, είναι απόλυτα καθαρός και λείος, αρχίζει για μια τιμή της τάσεως ενδεικνύμενης τιμής U ο, η οποία καλείται τάση ενάρξεως. Οι απώλειες της γραμμής οφείλονται τόσο στους θυσάνους όσο και στην αίγλη και είναι πολύ δύσκολο να τις διακρίνει κανείς. Επειδή όμως η τάση λειτουργίας των γραμμών τηρείται πάντα σχεδόν κάτω από την τάση ενάρξεως U, οι απώλειες οι οφειλόμενες στο φαινόμενο Corona μπορούν να αποδοθούν εξ ολοκλήρου στους θυσάνους 40

41 Μονοφασική Γραμμή με Καθαρό και Λείο Αγωγό - 2 Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου Ε επί του αγωγού της γραμμής σε συνάρτηση με την τάση U της γραμμής δίδεται από την επόμενη σχέση: E = r U 2H ln r 41

42 Μονοφασική Γραμμή με Καθαρό και Λείο Αγωγό - 3 Σχήμα 4.6: Ένταση πεδίου ενάρξεως Ε m (μεγ. τιμή) κυλινδρικών αγωγών υπό τάση συχνότητας 50 c/s και συνθηκών πιέσεως 760 mmhg και θερμοκρασίας 20 oc. Σε διάφορες συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας η U m πρέπει να πολλαπλασιάζεται με τη σχετική πυκνότητα του αέρα: δ = p t 42

43 Επιφάνεια του Αγωγού και Καιρικές Συνθήκες - 1 Επίδραση της καταστάσεως της επιφάνειας του αγωγού και των καιρικών συνθηκών Με την πάροδο του χρόνου ο αγωγός γηράσκει. Η γήρανση αυτή, η οποία οφείλεται στην επενέργεια του όζοντος της ατμόσφαιρας, που απανθρακώνει τα οργανικά συστατικά του κoνιoρτoύ, είναι προφανώς ευνοϊκή από απόψεως απωλειών. Οι καιρικές επίσης συνθήκες επηρεάζουν πάρα πολύ τις απώλειες Corona. Σε ασθενή βροχή οι απώλειες ελάχιστα διαφέρουν από τις απώλειες ακάθαρτου αγωγού. Για την μεταφορά της ενέργειας με συμφέρουσες τιμές των απωλειών Corona χρησιμοποιούνται αγωγοί με μεγάλη διάμετρο, σε τρόπο ώστε υπό ομαλές συνθήκες να είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια τους μικρότερη από την ένταση ενάρξεως. 43

44 Επιφάνεια του Αγωγού και Καιρικές Συνθήκες - 2 Η αύξηση της διαμέτρου με σκοπό τη μείωση της επιφανειακής εντάσεως πεδίου γίνεται οικονομικά ασύμφορη. Εισήχθησαν λοιπόν οι λεγόμενοι πολλαπλοί αγωγοί, οι οποίοι αποτελούνται από δύο ή και τρεις αγωγούς ανά φάση. Σχήμα 4.7: Διπλός αγωγός σε γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσεως για μείωση της εντάσεως πεδίου και των απωλειών Corona 44

45 Απώλειες Corona Τριφασικών Γραμμών Μεταφοράς - 1 Στις τριφασικές γραμμές μεταφοράς είναι αδύνατο να επιτευχθεί γεωμετρική συμμετρία (και ηλεκτρική) των τριών αγωγών μεταξύ τους και ταυτόχρονα και με τη γη. Σε σύγκριση με μονοφασική γραμμή με έναν αγωγό, ο οποίος βρίσκεται υπό τάση προς την γη ίση με τη φασική τάση της υπόψη τριφασικής γραμμής, οι εξωτερικοί αγωγοί της τελευταίας εμφανίζουν ένταση μεγαλύτερη κατά 10%, ενώ ο κεντρικός κατά 15%. Στο Σχήμα 4.8, Παρατηρούμε ότι οι καμπύλες αποτελούνται από δυο τμήματα, από τα οποία το ένα αυξάνει με την αύξηση της τάσης ενώ το άλλο πολύ γρήγορα. 45

46 Απώλειες Corona Τριφασικών Γραμμών Μεταφοράς - 2 Σχήμα 4.8: Απώλειες Corona τριφασικής γραμμής 50 c/s σε κανονικές συνθήκες. Απόσταση αγωγών σε τριγωνική διάταξη: 8m. Διάμετρος αγωγών α) 5.1 mm β) 19.6 mm. Σχήμα 4.9: Καμπύλες υπολογισμού διαμέτρων αγωγών τριφασικών γραμμών βάσει των απωλειών Corona στην επιφάνεια της θάλασσας. α) Αγωγοί με επίπ. κλώνους. Απώλειες 1 KW/mile β) Αγωγοί με συγκεντρ. πολύκλωνοι. Απώλειες 1 KW/mile γ) Αγωγοί με συγκεντρ. πολύκλωνοι. Απώλειες 1 KW/mile δ) Αγωγοί μονόκλωνοι. 46 Απώλειες 1 KW/mile

47 Τέλος Ενότητας