ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΜΕΣΩ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ» ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ του ΚΩΝ/ΝΟΥ (Α.Ε.Μ.:3207)

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΜΕΣΩ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ» ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ του ΚΩΝ/ΝΟΥ (Α.Ε.Μ.:3207) ΦΟΙΤΗΤΗΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΠΑΝΤΕΛΗΣ Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ Επίκουρος Καθηγητής Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2008

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Κτίριο Δ, Πανεπιστημιούπολη, Εγνατία Οδός, Θεσσαλονίκη Tel./Fax: , , url: ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΜΕΣΩ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Η παρούσα εργασία έχει σαν σκοπό την μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή αναλογικών οπτικών συστημάτων για την ακριβή μεταφορά, την αυτόματη μέτρηση και καταγραφή σημάτων με μεγάλο εύρος συχνοτήτων, σε περιβάλλον υψηλών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα σύστημα μέτρησης Κρουστικών Υψηλών Τάσεων (Κρ.Υ.Τ.). Η διάταξη θα υλοποιηθεί στο Εργαστήριο υψηλών τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Ο συνηθέστερος αλλά και ο πληρέστερος τρόπος, για προσδιοριστεί εντελώς η κυματομορφή μιας Κρ.Υ.Τ. είναι η μείωσή της από έναν Καταμεριστή Τάσης (Κ/Τ) και ακολούθως η καταγραφή της από έναν παλμογράφο. Το προς μέτρηση σήμα μεταφέρεται από την πλευρά της χαμηλής τάσεως του Κ/Τ στον παλμογράφο μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου. Στην διάταξή μας αυτό το ομοαξονικό καλώδιο αντικαθίσταται με ένα καλώδιο οπτικής ίνας, αναδεικνύοντας τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν. Απαραίτητα όργανα, για την χρήση οπτικής ίνας είναι ένας πομπός (Transmitter) και ένας δέκτης (Receiver). Ο σκοπός του πομπού είναι η μετατροπή του ηλεκτρικού σήματος στο απαραίτητο ηλεκτρικό ρεύμα έτσι ώστε να λειτουργήσει μια πηγή φωτός, μέσω της οποίας γίνεται η εκπομπή των εναλλαγών του σήματος. Ο δέκτης λαμβάνει το σήμα από την οπτική ίνα και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό ρεύμα. Το αποτέλεσμα αυτής της τροποποίησης είναι να έχουμε σχεδόν τέλεια ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ του κύριου κυκλώματος Υψηλής Τάσης (HV) και των οργάνων μέτρησης στο επίπεδο της χαμηλής τάσης, να μην υπάρχει ιδιαίτερη ανάγκη για μόνωση προστασίας του προσωπικού και του εξοπλισμoύ, η µετάδοση του οπτικού κύµατος µέσα στην οπτική ίνα να είναι απαλλαγµένη από ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές (EMI) καθώς και από µεταβατικά φαινόµενα ηλεκτροµαγνητικών παλµών. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου εύρους συχνοτήτων τα συστήματα μετάδοσης οπτικών ινών είναι ιδανικά προσαρμοσμένα στη μέτρηση των Κρουστικών υψηλών τάσεων. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται βασικά στοιχεία θεωρίας στην Τεχνολογία των υψηλών τάσεων και γίνεται αναφορά στην Τεχνολογία του εργαστηρίου. Καταγράφονται εφαρμογές και δοκιμές με υψηλές τάσεις και τέλος γίνεται αναφορά στην παραγωγή και στην μέτρηση Κρουστικών υψηλών τάσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνολογία των οπτικών ινών, τα οπτικά συστήματα μετάδοσης, καθώς και εφαρμογές των οπτικών ινών σε συστήματα υψηλών τάσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο Εργαστήριο υψηλών τάσεων για την μέτρηση Κρουστικών υψηλών τάσεων με χρήση συστήματος οπτικών ινών. Στο τέταρτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα, που προέκυψαν. Εκπόνηση: Αθανάσιος Κ. Παναγιώτου Επίβλεψη: Π.Ν. Μικρόπουλος Επίκουρος Καθηγητής 1

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του γενικότερου ερευνητικού προγράμματος «Μέτρηση Κρουστικών Υψηλών Τάσεων» του Εργαστηρίου υψηλών τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κατά την ακαδημαϊκή περίοδο Σκοπός της διπλωματικής εργασίας αυτής είναι η ακριβής μέτρηση Κρουστικών Υψηλών Τάσεων με χρήση συστήματος οπτικών ινών. Ο συνηθέστερος αλλά και ο πληρέστερος τρόπος, για να προσδιοριστεί εντελώς η κυματομορφή μιας Κρ.Υ.Τ. είναι η μείωσή της από έναν Καταμεριστή Τάσης (Κ/Τ) και ακολούθως η καταγραφή της από έναν παλμογράφο. Το προς μέτρηση σήμα μεταφέρεται από την πλευρά της χαμηλής τάσεως του Κ/Τ στον παλμογράφο μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου. Στην διάταξή μας αυτό το ομοαξονικό καλώδιο αντικαθίσταται με ένα καλώδιο οπτικής ίνας (σχήμα 1). Μέσω της θεωρητικής και πειραματικής έρευνας γίνεται προσπάθεια να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν. 1 4 i a 3 C a V A C 2 Σχήμα 1:Διάταξη μέτρησης Κρουστικής υψηλής τάσης με σύστημα οπτικών ινών 2

4 Η διπλωματική εργασία αποτελείται από 4 κεφάλαια με τα εξής περιεχόμενα: Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται βασικά στοιχεία θεωρίας στην Τεχνολογία των υψηλών τάσεων και γίνεται αναφορά στην Τεχνολογία του εργαστηρίου. Καταγράφονται Εφαρμογές και Δοκιμές με υψηλές τάσεις και τέλος γίνεται αναφορά στην παραγωγή και στην μέτρηση Κρουστικών υψηλών τάσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνολογία των οπτικών ινών καθώς και τα οπτικά συστήματα μετάδοσης. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο Εργαστήριο υψηλών τάσεων για την μέτρηση Κρουστικών υψηλών τάσεων με χρήση συστήματος οπτικών ινών. Στο τέταρτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα, που προέκυψαν. Στο σημείο αυτό, θέλω να εκφράσω τις ειλικρινείς και θερμές ευχαριστίες μου προς τον επίκουρο καθηγητή κ. Π.Ν. Μικρόπουλο, τόσο για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας όσο και για την συνεπή καθοδήγηση κατά την εκπόνησή της. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω τον επίκουρο καθηγητή Ε.Ε Κριεζή, τον αναπληρωτή καθηγητή Α.Α Χατζόπουλο, τον τεχνικό συνεργάτη Δ. Ζιάκα και τους υποψήφιους διδάκτορες Π. Μαυροειδή, Λ. Λαζαρίδη, Θ. Τσοβίλη καθώς και την εταιρία Β. Κωνσταντινίδης και Συνεργάτες η οποία μου παρείχε τον κατάλληλο μηχανογραφικό εξοπλισμό για την επεξεργασία και εκτύπωση της παρούσας εργασίας, κατά τη διάρκεια της πρακτική μου άσκησης σε αυτή. 3

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Περίληψη 1 Πρόλογος 2 Κεφάλαιο 1 ο Τεχνολογία υψηλών τάσεων Ορισμοί Υψηλές τάσεις Μονώσεις Υπερτάσεις Τεχνολογία Εργαστηρίου Γενικές εφαρμογές των υψηλών τάσεων Δοκιμές Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του ΑΠΘ Κρουστικές υψηλές τάσεις Ορισμοί Κρουστικών υψηλών τάσεων Κατάταξη υπερτάσεων Τρόποι παραγωγής Κρουστικών υψηλών τάσεων Μέτρηση Κρουστικών υψηλών τάσεων Μέτρηση Κρ.Υ.Τ. μέσω καταμεριστών τάσης Επίδραση των καλωδίων συνδέσεως 25 Κεφάλαιο 2 ο Οπτικές ίνες Εισαγωγή Βασικές αρχές λειτουργίας των οπτικών ινών Τρόποι εκπομπής και μετάδοσης στις οπτικές ίνες Πολύτροπες οπτικές ίνες (Multimode fiber optics) Κατηγορίες πολύτροπων οπτικών ινών Οπτική ίνα διακριτού δείκτη (step index) Οπτική ίνα βαθμιαίου δείκτη (graded index) Μονότροπες οπτικές ίνες (Single mode fiber optics) Ειδικά χαρακτηριστικά οπτικών ινών Επιδόσεις Παράγοντες που επηρεάζουν τις αποστάσεις μετάδοσης Οπτικά καλώδια 36 4

6 2.4.4 Πομποί Πηγή φωτός με LED Πηγή φωτός με LASER Δέκτες Σύνδεσμοι Μέθοδοι παραγωγής Γιατί οπτικές ίνες Πλεονεκτήματα οπτικών ινών Μειονεκτήματα οπτικών ινών Χρήσεις-Παραδείγματα Εφαρμογές οπτικών ινών σε συστήματα υψηλών τάσεων Γενικά Μέτρηση ισχυρών εντάσεων με χρήση πηνίου Rogowski και οπτικών ινών 48 Κεφάλαιο 3 ο Μέτρηση κρουστικής υψηλής τάσης με χρήση οπτικών ινών Γενικά Επιλογή του συστήματος οπτικών ινών Φάσμα Συχνοτήτων-Εύρος ζώνης (Bandwith) Τάση εισόδου του Πομπού (Transmitter) Τάση τροφοδοσίας του Πομπού και του Δέκτη Συνδέσεις καλωδίων Επεκτασιμότητα του συστήματος και ευελιξία στην τοποθέτηση Μετρήσεις Συμπεράσματα 59 Βιβλιογραφία 60 5

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Τεχνολογία Υψηλών Τάσεων 1.1 Ορισμοί Υψηλές Τάσεις Η «Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή» ή «IEC» όρισε το 1970 ως «Υψηλές Τάσεις», για µεν το εναλλασόµενο ρεύµα (HVAC) κάθε τάση µε ενεργό τιµή µεγαλύτερη από 1 kv, για δε το συνεχές (HVDC) κάθε τάση που υπερβαίνει το 1.2 kv. Κάνοντας μια διαφορετική προσέγγιση του ορισμού θα μπορούσε κανείς να θεωρήσει ως «Υψηλές Τάσεις» εκείνες που µπορούν να προκαλέσουν φαινόµενα τέτοια που να θέτουν σε κίνδυνο, άµεσα ή έµµεσα, την διηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Με αυτό το κριτήριο, βέβαια, δεν είναι δυνατό να ορισθεί µια ακριβής τιµή, αλλά προσεγγιστικά µόνο, µπορεί να λεχθεί, ότι τάσεις µεγαλύτερες από µερικά kv αρχίζουν να παρουσιάζουν τέτοια φαινόµενα. Φυσικά όλες οι «υψηλές τάσεις» δεν έχουν την ίδια τιµή, π.χ. τάσεις µερικών kv δεν είναι το ίδιο µε τάσεις τάξεως µεγέθους MV. Εν γένει η κατάταξη των τάσεων σε κατηγορίες ανάλογα µε το ύψος τούς γίνεται εµφανής στις γραµµές µεταφοράς, όπως φαίνεται στον πίνακα 1.1. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 Είδος Τάσεως Ελλάδα Ευρώπη ΗΠΑ χαµηλή τάση (V) (l.v.) / / (1/φασικό) μέση τάση (KV) (m.v.) υψηλή τάση (KV) (h.v.) υπερυψηλή τάση (KV) (e.h.v.) πειραματικές (KV) (u.h.v.) 6, / / / ,4 6,9 12, , /

8 1.1.2 Μονώσεις Ο τομέας των «Υψηλών Τάσεων» έχει σαν αντικείμενο τη μελέτη των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι διάφορες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και συσκευές εξ αιτίας της ηλεκτρικής τάσεως που υφίστανται ανάμεσα στα διάφορα στοιχεία τους ή τα στοιχεία αυτά και τη γη. Κατά τη μελέτη των προβλημάτων αυτών γίνεται κατά κανόνα πλήρης διαχωρισμός της παρουσίας της ηλεκτρικής τάσεως από την παρουσία του ρεύματος και έτσι μπορεί καμιά φορά να υπάρχουν προβλήματα υψηλής τάσεως σε μία συσκευή που εμπίπτει στον τομέα ασθενών ρευμάτων όπως είναι μία τηλεόραση, μία ιατρική εγκατάσταση ακτίνων Rontgen κ.λ.π. Οι παράμετροι που υπεισέρχονται στον τομέα των υψηλών τάσεων είναι δύο: αφ ενός οι ηλεκτρικές καταπονήσεις που προκύπτουν κατά την λειτουργία μιας εγκαταστάσεως και που καθορίζονται από την μορφή, εύρος και διάρκεια των ηλεκτρικών τάσεων που εμφανίζονται στις διάφορες θέσεις της εγκαταστάσεως και αφ ετέρου η συμπεριφορά των διαφόρων υλικών που παρεμβάλλονται ανάμεσα στα διάφορα στοιχεία της εγκαταστάσεως που βρίσκονται υπό διαφορά τάσεως για την πρόληψη ηλεκτρικής υπερπηδήσεως και που ονομάζονται «μονώσεις». Ο τομέας των υψηλών τάσεων έχει σαν αντικείμενο την διάταξη μέσα στην εγκατάσταση ή των μέτρων προστασίας με τον οικονομικότερο δυνατό τρόπο των κατάλληλων μονώσεων ώστε να προλαμβάνονται ανεπιθύμητες ηλεκτρικές υπερπηδήσεις. Το πρώτο βήμα για την επιτυχία του αντικειμενικού αυτού σκοπού είναι η πλήρης μελέτη των παραμέτρων των ηλεκτρικών καταπονήσεων (εύρος, μορφή, διάρκεια κλπ.) και η επινόηση μεθόδων για την κατά το δυνατόν μείωση της σοβαρότητας των καταπονήσεων. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη των ιδιοτήτων των διαφόρων μονωτικών υλικών τα οποία μπορεί να είναι στερεά, όπως είναι το χαρτί, το γυαλί, το λάστιχο και μια ολόκληρη ποικιλία συνθετικών στερεών μονωτικών, υγρά, όπως είναι το λάδι των μετασχηματιστών και τα διάφορα συνθετικά υγρά, ή τέλος αέρια όπως είναι ο αέρας το εξαφθοριούχο θείο (SF6) κλπ ή και μείγματα αερίων. Ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι μέχρι στιγμής, από τα ευρύτατα χρησιμοποιούμενα μονωτικά υλικά και γι αυτό δίνεται πιο κάτω έμφαση στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Μετά την ανεξάρτητη μελέτη των δύο παραμέτρων της ηλεκτρικής μονώσεως-καταπονήσεις και συμπεριφορά των υλικών οφείλει να επακολουθήσει η σύνθεση: δηλαδή ο ορθολογιστικός και κατά το δυνατό οικονομικότερος συνδυασμός των δύο αυτών παραμέτρων για την εξασφάλιση της ομαλής λειτουργίας της εγκαταστάσεως. Ο ορθολογιστικός αυτός συνδυασμός χαρακτηρίζεται συχνά με το όνομα «διαβάθμιση των μονώσεων» που αντιστοιχεί στον αγγλόφωνο όρο «Insulation coordination Υπερτάσεις Με τον όρο υπερτάσεις, εννοούμε τις απότομες αυξήσεις της απόλυτης τιμής του δυναμικού, η διάρκεια των οποίων κυμαίνεται από εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (10-6 s) μέχρι κάποια 7

9 χιλιοστά του δευτερολέπτου (10-3 s). Η αύξηση της απόλυτης τιμής του δυναμικού κυμαίνεται από μερικά Volts, μέχρι ΜV. Τα αίτια δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων είναι είτε φυσικά, είτε τεχνητά. Φυσικές πηγές είναι οι κεραυνοί, τόσο μεταξύ νέφους και γης, όσο και μεταξύ νεφών, και οι διάφορες ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις. Τεχνητές πηγές είναι τα ηλεκτρικά δίκτυα που αναπτύσσουν κρουστικές υπερτάσεις, είτε από χειρισμούς διακοπτών, είτε από βραχυκυκλώματα. Τα κρουστικά κύματα δημιουργούν ρεύματα με πολύ μεγάλη ένταση, ικανά να καταστρέψουν κάθε μορφής ηλεκτρολογικής εγκατάστασης και να βλάψουν την ανθρώπινη ζωή. Τα ρεύματα αυτά περνάνε μέσα στις συσκευές και στις εγκαταστάσεις διαμέσου των καλωδίων ισχύος, των τηλεφωνικών καλωδίων, των κεραιών, των γειώσεων, των δικτύων ύδρευσης, θέρμανσης, ψύξης, αερισμού κλπ. Υπερτάσεις δημιουργούνται και από χειρισμούς διακοπτών ισχύος, μαγνητική ζεύξη μετασχηματιστών ισχύος, βραχυκυκλώματα και ζεύξη-απόζευξη συστοιχιών πυκνωτών, κυρίως διότι τα ρεύματα που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια των φαινομένων αυτών αποκτούν κρουστική μορφή με δραματικές συνέπειες στη μονωτική ικανότητα των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών. Όπως είναι γνωστό, το ρεύμα που διαρρέει έναν αγωγό δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο οποίο αποθηκεύεται ενέργεια. Αν αυτό το ρεύμα διακοπεί ξαφνικά, η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου απελευθερώνεται. Στην προσπάθειά της να αναλωθεί, παίρνει τη μορφή ενός κρουστικού κύματος. Όσο περισσότερη, φυσικά, είναι η αποθηκευμένη ενέργεια, τόσο μεγαλύτερο και το κύμα. Μεγάλα ρεύματα και μεγάλα μήκη αγωγών δυσχεραίνουν την κατάσταση. Αυτός είναι και ο λόγος που επαγωγικά φορτία όπως κινητήρες ή μετασχηματιστές, αποτελούν συχνά αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων. Οι ηλεκτρικές καταπονήσεις που εμφανίζονται στα δίκτυα από ατμοσφαιρικά ή εσωτερικά αίτια έχουν, κατά κανόνα, σύνθετη μορφή ενώ ο έλεγχος των μονώσεων στο εργαστήριο γίνεται με τις ομαλές διπλοεκθετικές τάσεις που παράγονται από τις κρουστικές γεννήτριες. Επειδή σκοπός των δοκιμών είναι ο έλεγχος της ικανότητας της μονώσεως να αντέχει τις πραγματικές καταπονήσεις, είναι αναγκαία η γνώση ισοδυναμίας μεταξύ πραγματικών και εργαστηριακών καταπονήσεων. Η ουσία της ισοδυναμίας αυτής είναι πως οι εργαστηριακές και πραγματικές καταπονήσεις δημιουργούν για την εξεταζόμενη μόνωση τον ίδιο κίνδυνο διασπάσεως. Για τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις (κεραυνού) έχει οριστεί σαν τάση δοκιμής η κρούση 1,2/50 μs γιατί η μέση τιμή πολλών καταγραφέντων ρευμάτων κεραυνού κατέληξε σ αυτή περίπου τη μορφή. Είναι φανερό όμως πως, επειδή ο κάθε κεραυνός έχει, κατά κανόνα, διαφορετική μορφή από την τυποποιημένη τάση, η καταπόνηση που αντιπροσωπεύει θα διαφέρει από αυτή της τυποποιημένης κρούσεως. Για τις υπερτάσεις χειρισμών η ισοδυναμία καθίσταται ακόμα πιο πολύπλοκη διότι εκτός από την σύνθετη μορφής τους απαιτείται μεγαλύτερη ακρίβεια στη σχεδίαση των μονώσεων. 8

10 1.2 Τεχνολογία Εργαστηρίου Γενικές εφαρμογές των υψηλών τάσεων Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των υψηλών τάσεων, οφείλεται κυρίως στην χρησιµοποίησή τους για την οικονοµική µεταφορά µεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλες αποστάσεις. Πράγµατι η κύρια εφαρµογή των ΥΤ ακόµα και σήµερα είναι στη µεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Τις σημαντικότερες, τις συνηθέστερες, και τις πιο ενδιαφέρουσες από τις εφαρμογές των Υ.Τ. στον τομέα της μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας θα τις συναντήσει κανείς ξεκινώντας από έναν σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, από τις γεννήτριες μέχρι και τις γραμμές μεταφοράς συμπεριλαμβανομένου ενός υποσταθμού ανύψωσης τάσεως. Συγκεκριμένα, εφαρμογές των υψηλών τάσεων στον τομέα της παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έχουμε στις ηλεκτρικές μηχανές, στις γεννήτριες στους μετασχηματιστές και στους διακόπτες ισχύος. Επίσης στις γραμμές μεταφοράς, όπου εξετάζεται η επίδραση του φαινομένου κορώνα, ο υπολογισμός και ο συντονισμός των μονώσεων των γραμμών υψηλής και υπερυψηλής τάσης. Άλλες εφαρμογές στις γραμμές μεταφοράς είναι οι μονωτήρες, τα καλώδια Υ.Τ. και οι εκτροπείς υπερτάσεων. Παρόλο που η κύρια εφαρμογή των Υ.Τ. ακόμα και σήμερα είναι στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας δεν σημαίνει ότι δεν χρησιµοποιούνται και αλλού. Χρησιμοποιούνται σε ποικίλους κλάδους της επιστήµης ακόµα και στην τεχνολογία του διαστήµατος. Για παράδειγµα, βρίσκουν εφαρµογή στις επιστήµες του περιβάλλοντος µε τα ηλεκτροστατικά φίλτρα που κάθε χρόνο αφαιρούν τεράστιες ποσότητες σκόνης από τις καµινάδες των διαφόρων εργοστασίων, µειώνοντας έτσι τη µόλυνση της ατµόσφαιρας. Επίσης και για την παραγωγή όζοντος που αφαιρεί άσχηµες οσµές από τα διάφορα αστικά λύµατα. Ισχυρά πεδία που προκαλούνται από υψηλές τάσεις χρησιµεύουν στις ηλεκτροστατικές βαφές και στην ξηρογραφία. Η ιατρική χρησιµοποιεί υψηλές τάσεις για παραγωγή ακτίνων Χ καθώς και για τα ηλεκτρονικά µικροσκόπια. Η νεότερη ηλεκτρονική χρησιµοποιεί υψηλές τάσεις στην τεχνική της εµφύτευσης ιόντων σε ηµιαγωγούς, επίσης στους παλµογράφους, στις τηλεοράσεις και γενικά στις εφαρµογές των καθοδικών σωλήνων. Από αρκετά παλιά οι υψηλές τάσεις χρησιµοποιούνται στα «radar» και στους ασυρµάτους αλλά και στους ηλεκτρικούς σιδηροδρόµους καθώς και στα πηνία αναφλέξεως των βενζινοκινητήρων. Ίσως ένας από τους σημαντικότερους τομείς εφαρμμογής των υψηλών τάσεων να είναι η αντικεραυνική προστασία Δοκιμές Ο μόνος τρόπος για τη μελέτη των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών διαφόρων μονωτικών υλικών είναι η υποβολή τους-μέσα σε ένα εργαστήριο-σε ηλεκτρικές καταπονήσεις όμοιες, ή 9

11 ισοδύναμες, με αυτές που πρόκειται να υποστούν κατά την λειτουργία της ηλεκτρικής εγκαταστάσεως. Η μελέτη αυτή γίνεται είτε στα υλικά αυτά, λαμβανόμενα χωρισμένα από την εγκατάσταση είτε με την εγκατάσταση-η συσκευή-πλήρως συναρμολογημένη όπως π.χ. οι διηλεκτρικές δοκιμές που υποβάλλεται ένας μετασχηματιστής, ένα καλώδιο, ένας διακόπτης, μία γεννήτρια κλπ. Η ανεξάρτητη μελέτη των υλικών αποτελεί στην ουσία «βασική έρευνα» και αποβλέπει στην διατύπωση γενικών κανόνων για την συμπεριφορά τους. Η δοκιμή μιας ολόκληρης συσκευής ή εγκατάστασης αποτελεί μια βιομηχανική δοκιμή. Για την εκτέλεση και των δύο τύπων διηλεκτρικών δοκιμών απαιτούνται εκτεταμένες και πολυδάπανες εργαστηριακές εγκαταστάσεις για παραγωγή υψηλών εργαστηριακών τάσεων όμοιων ή ισοδύναμων μ αυτές που εμφανίζονται στα δίκτυα και για τη μέτρηση και καταγραφή των διαφόρων χαρακτηριστικών των τάσεων αυτών καθώς και των συνεπειών όταν εφαρμόζονται στις μονώσεις. Η ανάπτυξη, ο σχεδιασμός αλλά και ο έλεγχος της ποιότητας και της συμπεριφοράς των πάσης φύσεως μονωτικών, τυποποιημένων ή μη, πραγματοποιείται μέσω πειραμάτων και δοκιμών που γίνονται σε ειδικά εργαστήρια που μπορούν να παράγουν, να χειρισθούν και να μετρήσουν υψηλές τάσεις. Τα εργαστήρια αυτά λέγονται «εργαστήρια υψηλών τάσεων». Η «τεχνολογία του εργαστηρίου των υψηλών τάσεων» λοιπόν ασχολείται με τις μεθόδους παραγωγής και μέτρησης στο εργαστήριο των διαφόρων μορφών υψηλών τάσεων όπως άλλωστε και με τα συνεπακόλουθα προβλήματα που μπορούν να παρουσιαστούν. Τα κυριότερα προβλήματα στη μέτρηση και παραγωγή ηλεκτρικών μεγεθών σε Υ.Τ. οφείλονται στην ίδια την φύση των υψηλών τάσεων, δηλαδή αυξημένες ανάγκες μονώσεως καθώς και στις δυσκολίες που παρουσιάζονται στις διαδικασίες ανυψώσεως και υποβιβασμού της τάσεως. Οι τάσεις που παράγονται σ ένα εργαστήριο δοκιμών Υ.Τ. έχουν σκοπό να «αναπαράγουν» όσο γίνεται τις συνθήκες της πράξεως λαμβανομένης όμως υπ όψιν και κάποιας τυποποίησης ώστε να εξασφαλίζεται το επαναλήψιμο των μετρήσεων. Γι αυτό και οι κυριότερες «τυποποιημένες» μορφές τους είναι οι «εναλλασσόμενες» (H.V.A.C. ή Ε.Υ.Τ.), οι «συνεχείς» (H.V.D.C. ή Σ.Υ.Τ.), οι κρουστικές (H.V.Imp ή Κρ.Υ.Τ.) και οι «αποσβεννύμενες». Είναι ευνόητο ότι οι εναλλασόμενες και οι συνεχείς τάσεις χρησιμοποιούνται για τις εργαστηριακές δοκιμές των διαφόρων συστημάτων. Οι κρουστικές κυρίως, και παλιότερα και οι αποσβεννύμενες, χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά για τις δοκιμές αποκρίσεως σε υπερτάσεις των μονώσεων των γραμμών μεταφοράς, των στοιχείων υποσταθμών. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, θα γίνουν δοκιμές στην πειραματική διάταξη που θα χρησιμοποιηθεί, με κρουστική τάση 1.2/50 μs, που αντιστοιχεί σε καταπόνηση της εγκατάστασης από ατμοσφαιρικές υπερτάσεις (κεραυνούς). Στις παρακάτω εικόνα (1.2.1) βλέπουμε ένα μοντέλο προσομοίωσης κεραυνών. 10

12 Εικόνα (Μοντέλο προσομοίωσης κεραυνού στο Γερμανικό Μουσείο Τεχνολογίας του Μονάχου) Το Εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ. Όλα τα πειράματα της διπλωματικής εργασίας διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. (εικόνα 1.2.2).Το εργαστήριο περιλαμβάνει δύο χώρους παραγωγής Υ.Τ., κύριο και δευτερεύον. Επίσης διαθέτει βοηθητικούς χώρους, όπως χώρους ελέγχου και μετρήσεων, γραφείο, βοηθητικό εργαστήριο και αποθήκη. Το ύψος του κυρίου χώρου του εργαστηρίου είναι 6 m, το μήκος 16.2 m και το πλάτος του 7 m. Κατά μήκος της οροφής του υπάρχει κυλιόμενη γερανογέφυρα 10 tn. Ο χώρος αυτός είναι πλήρως θωρακισμένος καθώς περικλείεται από γειωμένο κλωβό Faraday κατασκευασμένο από μεταλλικό πλέγμα. Επιπλέον για μεγαλύτερη ασφάλεια υπάρχει και χωριστή γείωση. Τα 6 m του κυρίου χώρου, που είναι και η μικρότερη διάστασή του, αντιστοιχούν σε μέγιστη απόσταση ασφαλείας 3 m η οποία επιτρέπει μέγιστη παραγωγή HVAC 650 kv (rms), HVDC 900 kv, LI 1100 kv και SI 850 kv. Στο κύριο χώρο υπάρχει μια δεκαβάθμια γεννήτρια παραγωγής κρουστικών τάσεων (γεννήτρια Marx) ονομαστικής τάσεως 1 MV που μπορεί να παράγει [1000] 850 kv SI και [1000] 885 kv LI. Επιπλέον, υφίσταται ένα σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία Υ.Τ. που περιέχει την δυνατότητα παραγωγής Υ.Τ. ύψους έως 300 kv (rms) HVAC, έως [420] 410 kv HVDC, έως [560] 530 kv LI και έως [560] 460 kv SI. Εντός αγκυλών αναφέρεται η ονομαστική και εκτός η πραγματική τιμή των τιμών αυτών. 11

13 Υπάρχουν δύο τράπεζες χειρισμών των συσκευών αυτών, καθώς και μια συσκευή αυτόματου ελέγχου που συνδεόμενη με μια από αυτές τις τράπεζες και ελεγχόμενη από υπολογιστές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αυτόματη παραγωγή τάσεων ορισμένου ύψους όπως και στον προσδιορισμό της τάσεως διασπάσεως ανομοιογενών διακένων κάτω από κρουστικές Υ.Τ. Για τη καταγραφή των διαφόρων μετρήσεων και την αποφυγή ηλεκτρομαγνητικού θορύβου μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο θάλαμοι θωρακίσεως. Οι καταγραφές αυτές μπορούν να γίνουν είτε συμβατικά είτε και αυτόματα με τη χρησιμοποίηση ψηφιακών παλμογράφων συνδεδεμένων κατάλληλα με υπολογιστές. Ο δευτερεύον χώρος από την πλευρά του είναι ένα δωμάτιο ύψους 2.75 m, μήκους 6.15 m και πλάτους 3.6 m. Η μικρότερη διάσταση είναι 2.75 m που αντιστοιχεί σε μέγιστη απόσταση ασφαλείας m και επιτρέπει την μέγιστη παραγωγή HVAC 220 kv (rms), HVDC 140 kv, LI και SI 150 kv. Στο χώρο αυτό υπάρχει μια ηλεκτρονική συσκευή παραγωγής HVDC 125 kv και άλλη μια 30 kv, με ενσωματωμένες διατάξεις ελέγχου. Όπως στον κύριο χώρο έτσι και εδώ, η καταγραφή των διαφόρων μετρήσεων μπορεί να γίνει είτε συμβατικά είτε αυτόματα με την χρήση ψηφιακών παλμογράφων συνδεδεμένων κατάλληλα με υπολογιστές. Τέλος, υπάρχει θάλαμος πιέσεως και υποπιέσεως από 1 mbar έως 5 bar και διηλεκτρικής αντοχής μέχρι 140 kv, σφαιρικά διάκενα διαμέτρου 2, 5, 10 και 25 cm. Επίσης, μια συσκευή για τον έλεγχο μονωτικών ελαίων καθώς και διάφορες συσκευές όπως μια συσκευή ανιχνεύσεως μερικών εκκενώσεων με πυκνωτές συζεύξεως 100 kv και ανιχνευτές ευρέως και στενού φάσματος, όπως και διάταξη γέφυρας. Αυτές οι συσκευές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και στους δύο χώρους. Εικόνα 1.2.2: Το Εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ. 12

14 1.3 Κρουστικές υψηλές τάσεις Ορισμοί Κρουστικών υψηλών τάσεων Σύµφωνα µε την IEC 3, κρούση (impulse) θεωρείται κάθε απεριοδικός µεταβατικός παλµός τάσης ή ρεύµατος που επιβάλλεται σκοπίµως, ο οποίος συνήθως αυξάνει γρήγορα µέχρι ένα µέγιστο και κατόπιν φθίνει µε βραδύτερο ρυθµό προς τη µηδενική τιµή. Οι κρουστικές υψηλές τάσεις που παράγονται στο εργαστήριο (impulse voltages) διακρίνονται σε εξωτερικές (lightning impulse voltages, LI) και εσωτερικές (switching impulse voltages, SI) ανάλογα µε τη χρονική διάρκεια µετώπου της τάσης ή ισοδύναµα ανάλογα µε το είδος της υπέρτασης που προορίζονται να αναπαράγουν. Κρουστικές υψηλές τάσεις µε διάρκεια µετώπου µικρότερη των 20 µs ορίζονται ως εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις και προσοµοιώνουν στο εργαστήριο τις εξωτερικές υπερτάσεις. Αντίστοιχα, οι κρουστικές υψηλές τάσεις µε διάρκεια µετώπου µεγαλύτερη των 20 µs, και γενικότερα σηµαντικά µεγαλύτερης συνολικής διάρκειας, ορίζονται ως εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις και προσοµοιώνουν στο εργαστήριο τις εσωτερικές υπερτάσεις. Οι εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις χαρακτηρίζονται από το εύρος ή την τάση κορυφής Up, τη διάρκεια µετώπου Τ1 και τη διάρκεια ηµίσεως εύρους Τ2 (σχ ). Συχνά, ο ακριβής καθορισµός της τιµής της τάσης κορυφής και της διάρκειας µετώπου µιας παραγόµενης εξωτερικής κρουστικής τάσης είναι δύσκολος. Οι αντιδράσεις των παράσιτων αυτεπαγωγών και χωρητικοτήτων στα στοιχεία της διάταξης παραγωγής της τάσης ή ακόµη στα στοιχεία του συστήµατος µέτρησης της τάσης γίνονται σηµαντικές λόγω του µεγάλου ρυθµού µεταβολής της τάσης κατά τη διάρκεια µετώπου και εποµένως επηρεάζουν την κυµατοµορφή της τάσης που εµπεριέχει υψηλές συχνότητες, η οποία παράγεται ή µετριέται. Συνήθως στην καταγραφόµενη κυµατοµορφή παρατηρούνται µια καµπή στην αρχή των χρόνων και ταλαντώσεις ή υπερύψωση της τάσης γύρω από το µέγιστο της κυµατοµορφής. Για τους λόγους αυτούς η διάρκεια µετώπου µιας εξωτερικής κρουστικής τάσης είναι µία συµβατική παράµετρος, η οποία ορίζεται ως 11.67T = όπου Τ το διάστηµα µεταξύ των χρονικών στιγµών που αντιστοιχούν στο 30% και 90% της τιµής της τάσης κορυφής (σηµεία Α και Β, σχ ). Για τους ίδιους λόγους, ως συµβατική αρχή των χρόνων (01, σχ ) θεωρείται η χρονική στιγµή που προηγείται κατά 0.3Τ αυτής που αντιστοιχεί στο 30% της τιµής της τάσης κορυφής (σηµείο Α, σχ ). 3 IEC :1989, High Voltage test techniques Part 1: General definitions and test requirements. 13

15 Σχήµα : Εξωτερική κρουστική υψηλή τάση (LI), χαρακτηριστικές παράµετροι. Η συµβατική αρχή των χρόνων µπορεί να προκύψει και από την τοµή µιας ευθείας που διέρχεται από τα σηµεία αναφοράς Α και Β µε τον άξονα των χρόνων. Σηµειώνεται ότι τα σηµεία αναφοράς µπορούν να προσδιοριστούν µε ακρίβεια εφόσον βρίσκονται χρονικά µακριά από τις όποιες διαταραχές της τάσης. Κατ αντιστοιχία, η διάρκεια ηµίσεως εύρους µιας LI είναι µία συµβατική παράµετρος, η οποία ορίζεται ως το χρονικό διάστηµα από την συµβατική αρχή των χρόνων µέχρι τη χρονική στιγµή που η τάση έχει µειωθεί στο 50% της τιµής της τάσης κορυφής. Η τάση κορυφής προσδιορίζεται εύκολα από το µέγιστο της κυµατοµορφής εφόσον η κυµατοµορφή της τάσης γύρω από το µέγιστο είναι σχετικά «ελεύθερη» από ταλαντώσεις ή υπερυψώσεις. Στην περίπτωση που παρατηρούνται ταλαντώσεις ή υπερύψωση της τάσης γύρω από το µέγιστο της κυµατοµορφής, εάν η συχνότητα των ταλαντώσεων είναι µεγαλύτερη από 0.5 MHz ή η διάρκεια της υπερύψωσης είναι µικρότερη από 1 µs ο προσδιορισµός της τιµής κορυφής γίνεται µέσω µιας µέσης προσεγγιστικής καµπύλης 3. Γενικότερα, ταλαντώσεις ή υπερύψωση της τάσης θεωρούνται «ανεκτές» διαταραχές εάν το µέγιστο στιγµιαίο εύρος τους δεν ξεπερνά το 5% της τιµής της τάσης κορυφής. Ταλαντώσεις µπορεί να παρατηρηθούν και κατά τη διάρκεια µετώπου της παραγόµενης τάσης, ωστόσο αυτές έχουν ασήµαντη επίδραση στα αποτελέσµατα των δοκιµών εάν εµφανίζονται στο τµήµα της διάρκειας µετώπου κατά το οποίο η τάση δεν ξεπερνά το 90% της τάσης κορυφής. Σύµφωνα µε την οδηγία IEC στις εργαστηριακές δοκιµές που αναπαράγουν τις καταπονήσεις του εξοπλισµού από εξωτερικές υπερτάσεις πρέπει να χρησιµοποιείται η «κανονική εξωτερική κρουστική τάση» (Standard LI) κυµατοµορφής 1.2/50 µs. Μία εξωτερική κρουστική τάση καταπόνησης θεωρείται «κανονική» ή ισοδύναµα αντιπροσωπευτική των εξωτερικών υπερτάσεων εάν οι καταγραφόµενες τιµές των χαρακτηριστικών παραµέτρων της δεν διαφέρουν από τις αντίστοιχες τυπικές τιµές περισσότερο από ±30% για τη διάρκεια µετώπου, ±20% για τη διάρκεια ηµίσεως εύρους και ±3% για την τάση κορυφής. 14

16 Οι εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις χαρακτηρίζονται από το εύρος ή την τάση κορυφής Up, τη διάρκεια µετώπου Τp και τη διάρκεια ηµίσεως εύρους Τ2 (σχ και 1.3.3). Η διάρκεια µετώπου ορίζεται ως το χρονικό διάστηµα από την αρχή των χρόνων µέχρι το µέγιστο της κυµατοµορφής, ενώ η διάρκεια ηµίσεως εύρους ορίζεται ως το χρονικό διάστηµα από την αρχή των χρόνων µέχρι τη χρονική στιγµή που η τάση έχει µειωθεί στο 50% της τιµής της τάσης κορυφής. Ακόµη, χαρακτηριστική παράµετρο αποτελεί και ο χρόνος «υπέρ του 90%» Td (σχ και 1.3.3), ο οποίος ορίζεται ως το χρονικό διάστηµα κατά τη διάρκεια του οποίου η κρουστική τάση υπερβαίνει το 90% της τιµής της τάσης κορυφής. Οι εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις αναφέρονται συνήθως ως: «Up(kV), Tp/T2(µs)», για παράδειγµα µία από τις τάσεις δοκιµής του εξοπλισµού 420 kv αποτελεί η κανονική εσωτερική κρουστική υψηλή τάση «1050 kv, 250/2500 µs». Ειδικότερα, στις εργαστηριακές δοκιµές που αναπαράγουν τις καταπονήσεις του εξοπλισµού από εσωτερικές υπερτάσεις, χρησιµοποιείται, σύµφωνα µε την IEC 3, η «κανονική εσωτερική κρουστική τάση» (Standard SI) κυµατοµορφής 250/2500 µs. Σε πολλές περιπτώσεις όπως κατά τις δοκιµές δοκιµίων µικρής τιµής σύνθετης αντίστασης, είναι πρακτικά δύσκολο να παραχθεί ακριβώς η κανονική εσωτερική κρουστική τάση. Ωστόσο, µία εσωτερική κρουστική τάση καταπόνησης θεωρείται «κανονική» ή ισοδύναµα αντιπροσωπευτική των εσωτερικών υπερτάσεων εάν οι καταγραφόµενες τιµές των χαρακτηριστικών παραµέτρων της δεν διαφέρουν από τις αντίστοιχες τυπικές τιµές περισσότερο από ±20% για τη διάρκεια µετώπου, ±60% για τη διάρκεια ηµίσεως εύρους και ±3% για την τάση κορυφής. Σχήµα : Εσωτερική κρουστική υψηλή τάση (SI), χαρακτηριστικές παράµετροι. 3 IEC :1989, High Voltage test techniques Part 1: General definitions and test requirements. 15

17 Σχήµα : Εσωτερική κρουστική υψηλή τάση (SI), χαρακτηριστικές παράµετροι Κατάταξη υπερτάσεων Τα στοιχεία εξοπλισµού που συνιστούν ένα σύστηµα παραγωγής ή µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να αντέχουν πέραν της συνεχούς καταπόνησης από την τάση λειτουργίας, τις καταπονήσεις από τις διάφορες υπερτάσεις που εµφανίζονται στο σύστηµα. Οι υπερτάσεις, κάθε τάση που ξεπερνά σε τιµή τη µέγιστη επιτρεπτή τιµή τάσης λειτουργίας του εξοπλισµού, κατηγοριοποιούνται ανάλογα µε την προέλευσή τους σε προσωρινές, µεγάλης διάρκειας µετώπου, µικρής διάρκειας µετώπου και πολύ µικρής διάρκειας µετώπου 1, 2. -Οι προσωρινές υπερτάσεις προσομοιώνονται στο εργαστήριο κατά τις δοκιµές εξοπλισµού µέσω εναλλασσόµενων υψηλών τάσεων βιοµηχανικής συχνότητας και διάρκειας 1 min. Σηµειώνεται, όπως αναφέρθηκε στο τέταρτο κεφάλαιο, ότι η τιµή κορυφής, η κυµατοµορφή και η διάρκειά των προσωρινών υπερτάσεων εξαρτώνται από την αιτία προέλευσής τους και τη σχεδίαση του συστήµατος. -Οι υπερτάσεις µεγάλης διάρκειας µετώπου (Slow-front overvoltages) ή εσωτερικές µπορεί να εµφανιστούν σε ένα σύστηµα κυρίως λόγω χειρισµών (Switching overvoltages) ή σφαλµάτων γης ή λόγω πλήγµατος κεραυνού σε αγωγό γραµµής µεταφοράς σε µεγάλη απόσταση από το σύστηµα. Γενικότερα έχουν τη µορφή µιας αποσβεννύµενης ταλάντωσης µε επικίνδυνο τµήµα την πρώτη ηµιπερίοδο. -Οι υπερτάσεις µικρής διάρκειας µετώπου (Fast-front overvoltages) ή εξωτερικές µπορεί να εµφανιστούν σε ένα σύστηµα κυρίως λόγω άµεσου ή έµµεσου πλήγµατος κεραυνού (Lightning overvoltages) ή λόγω χειρισµών ή σφαλµάτων στο σύστηµα. Στις τελευταίες περιπτώσεις η τιµή τους είναι σηµαντικά µικρότερη και εποµένως θεωρούνται λιγότερο επικίνδυνες. Γενικότερα έχουν τη µορφή οδευόντων κυµάτων µε διάρκεια µετώπου µερικών µs και διάρκεια ουράς τάξης αρκετών δεκάδων µs. 16

18 -Οι υπερτάσεις πολύ µικρής διάρκειας µετώπου (Very-fast-front overvoltages) µπορεί να εµφανιστούν λόγω διακοπτικών χειρισµών ή σφαλµάτων σε υποσταθµούς µε µόνωση πεπιεσµένου αερίου (Gas insulated substations, GIS). Η µορφή τους εξαρτάται από τη σχεδίαση του υποσταθµού και την αιτία προέλευσής τους. Γενικότερα έχουν τη µορφή υψίσυχνων αποσβεννύµενων ταλαντώσεων, συχνότητας τάξης ΜHz και συνολικής διάρκειας συνήθως µικρότερης των 3 ms, στις οποίες το πρώτο µέγιστο της υπέρτασης παρατηρείται σε χρόνους µικρότερους του 0.1 µs. Μέχρι σήµερα δεν έχει καθοριστεί µία αντιπροσωπευτική κυµατοµορφή τάσης που να προσοµοιώνει εργαστηριακά τις υπερτάσεις πολύ µικρής διάρκειας. Σύµφωνα µε τα παραπάνω, τόσο το είδος όσο και οι χαρακτηριστικές παράµετροι των υπερτάσεων που µπορεί να εµφανιστούν σε ένα σύστηµα εξαρτώνται από την αιτία προέλευσής τους και από τη σχεδίαση του ίδιου του συστήµατος. Προκειµένου τα στοιχεία εξοπλισµού υψηλής τάσης να δοκιµάζονται πριν τη χρήση τους εργαστηριακά, ώστε να εξασφαλίζεται η αντοχή τους στις διάφορες υπερτάσεις που µπορεί να παρατηρηθούν, οι εξωτερικές και οι εσωτερικές υπερτάσεις προσοµοιώνονται στο εργαστήριο µέσω των κρουστικών υψηλών τάσεων. Πέραν της χρήσης τους στις δοκιµές αντοχής εξοπλισµού στις διάφορες υπερτάσεις που εµφανίζονται στα δίκτυα και τις εγκαταστάσεις υψηλής τάσης, οι κρουστικές υψηλές τάσεις χρησιµοποιούνται εκτενώς για τη διερεύνηση της διηλεκτρικής συµπεριφοράς µονώσεων. Στον πίνακα 1.3 βλέπουμε την κατάταξη των υπερτάσεων κατά IEC. ΠΙΝΑΚΑΣ IEC :2006, Insulation co-ordination - Part 1: Definitions, principles and rules. 2 IEC :1996, Insulation co-ordination - Part 2: Application guide. 17

19 1.3.3 Τρόποι παραγωγής Κρουστικών υψηλών τάσεων Η χαρακτηριστική κυµατοµορφή των κρουστικών υψηλών τάσεων, γρήγορη αύξηση της τάσης µέχρι ένα µέγιστο και κατόπιν µείωσής της µε βραδύτερο ρυθµό προς τη µηδενική τιµή, µπορεί εύκολα να παραχθεί ως διαφορά δύο φθινουσών εκθετικών συναρτήσεων (σχ ). Εποµένως οι κρουστικές υψηλές τάσεις µπορούν να παραχθούν από κυκλώµατα εκφόρτισης πυκνωτών µέσω αντιστάσεων, κατάλληλης τιµής ώστε να παραχθεί η επιθυµητή κυµατοµορφή της τάσης. Σχήµα : Παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων, Up: τάση κορυφής, Tcr: διάρκεια µετώπου, a2>>a1. Τέτοια κυκλώµατα αποτελούν οι µονοβάθµιες ή πολυβάθµιες γεννήτριες κρουστικών υψηλών τάσεων. Το σχήµα παρουσιάζει τα δύο βασικά κυκλώµατα της µονοβάθµιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων. Ο πυκνωτής Cc, κρουστικός πυκνωτής ή πυκνωτής φόρτισης, φορτίζεται µέσω µιας αντίστασης φόρτισης, παραλείπεται από τα ισο-δύναµα κυκλώµατα του σχήµατος 1.3.5, σε συνεχή υψηλή τάση τιµής Uo, τάση φόρτισης. Μόλις διασπαστεί το βοηθητικό διάκενο G, το οποίο εκτελεί χρέη διακόπτη υψηλής τάσης, ο πυκνωτής Cc φορτίζει µέσω της αντίστασης Rf, αντίσταση µετώπου ή αντίσταση απόσβεσης τον πυκνωτή Cf, πυκνωτής φορτίου ή πυκνωτής µετώπου, και σχεδόν ταυτόχρονα οι πυκνωτές Cc και Cf εν παραλλήλω εκφορτίζονται µέσω της αντίστασης Rt, αντίσταση ουράς ή αντίσταση εκφόρτισης. Η τάση εξόδου της γεννήτριας, u(t), είναι η τάση κατά µήκος του πυκνωτή φορτίου Cf. Εποµένως προκειµένου να παραχθεί η επιθυµητή κυµατοµορφή κρουστικής τάσης, η γρήγορη αύξηση της τάσης µέχρι τη µέγιστη τιµή της απαιτεί τη γρήγορη φόρτιση του Cf ενώ η βραδεία µείωσή της προς τη µηδενική τιµή την αργή εκφόρτιση του παράλληλου συνδυασµού των Cf και Cc. Οι απαιτήσεις αυτές ικανοποιούνται εφόσον ισχύει: Rt >> Rf και Cc >> Cf και άρα προσεγγιστικά προκύπτει, αµελώντας τις όποιες παράσιτες χωρητικότητες και αυτεπαγωγές, ότι η διάρκεια φόρτισης του Cf µε χρονική σταθερά Rf Cf, συµπίπτει µε τη διάρκεια µετώπου της 18

20 κρουστικής υψηλής τάσης, ενώ η διάρκεια εκφόρτισης µε χρονική σταθερά Rt(Cf+Cc) µε τη διάρκεια ουράς. Σχήµα : Κυκλώµατα µονοβάθµιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων. Συνήθως η όποια επιθυµητή κυµατοµορφή της κρουστικής τάσης προκύπτει για δεδοµένες τιµές χωρητικοτήτων της γεννήτριας χρησιµοποιώντας κατάλληλο ζεύγος τιµών αντιστάσεων µετώπου και ουράς, ενώ η τιµή κορυφής µπορεί να µεταβάλλεται ελέγχοντας την τάση φόρτισης της γεννήτριας. Σύµφωνα µε την πρακτική, η τάση φόρτισης της γεννήτριας δεν ξεπερνά συνήθως τα 200 kv διότι για µεγαλύτερες τιµές τάσης φόρτισης οι διαστάσεις των επιµέρους στοιχείων γίνονται µεγάλες, ιδιαίτερα δε η απαίτηση βοηθητικών διακένων µε µεγάλη διάµετρο σφαιρών είναι οικονοµικά ασύµφορη. Ωστόσο, κρουστικές υψηλές τάσεις µεγάλης τιµής κορυφής µπορούν εύκολα να παραχθούν µέσω πολυβάθµιων γεννητριών ή αλλιώς γεννητριών Marx (σχήμα και εικόνες 1.31 και 1.3.2). Στις γεννήτριες Marx, ένας αριθµός κρουστικών πυκνωτών, όσος οι βαθµίδες της γεννήτριας, συνδεδεµένων εν παραλλήλω φορτίζονται υπό συνεχή υψηλή τάση και ακολούθως εκφορτίζονται συνδεδεµένοι εν σειρά. Με τον τρόπο αυτό η τάση εξόδου της γεννήτριας Marx είναι πολλαπλάσια της τάσης φόρτισης, κατ αντιστοιχία µε τον αριθµό των βαθµίδων της. 19

21 Σχήμα : Γεννήτρια MARX Εικόνα :Γεννήτρια MARX Εικόνα :Γεννήτρια MARX 20

22 Υπάρχουν και άλλοι τρόποι παραγωγής Κρ.Υ.Τ εκτός από αυτούς που αναφέρθηκαν παραπάνω. Μια παραλλαγή της κλασικής γεννήτριας κρουστικών τάσεων είναι και η φόρτιση με Σ.Υ.Τ. Uo μιας γραμμής Υ.Τ., συνήθως για αυτό χρησιμοποιείται κάποιο καλώδιο Υ.Τ., ακολούθως η γραμμή εκφορτίζεται σε μια άλλη αφόρτιστη γραμμή στο τέλος της οποίας είναι συνδεδεμένο το δοκίμιο. Η διάρκεια της κρουστικής τάσεως είναι διπλάσια από το χρόνο διελεύσεως του οδεύοντος κύματος στη γραμμή φορτίσεως. Το δε εύρος της εξαρτάται από τη σύνθετη αντίδραση του δοκιμίου και το πολύ να διπλασιάζει το Uo. Η γεννήτρια Blumlein αποτελείται από δύο παράλληλες γραμμές Υ.Τ., π.χ. από έναν επίπεδο αγωγό Υ.Τ. διπλής επιστρώσεως. Αν ο κεντρικός αγωγός φορτίζεται με Σ.Υ.Τ. Uo ως προς τους δύο ακραίους και αν το ένα ζεύγος ηλεκτροδίων βραχυκυκλωθεί στην αρχή της γραμμής προκαλείται ένα κρουστικό οδεύον κύμα που στο άλλο άκρο της γραμμής παράγει μεταξύ των δύο ακραίων αγωγών μια κρουστική τάση με εύρος που φθάνει το 2Uo. Οι γεννήτριες Blumlein χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην φυσική του πλάσματος. Μια παραλλαγή αυτής της γεννήτριας οι «ελικοειδείς γεννήτριες» μπορούν να παράγουν τάσεις τριγωνικής μορφής διάρκειας περίπου 100ns με εύρος μεγάλο πολλαπλάσιο της τάσεως φορτίσεως Μέτρηση Κρουστικών υψηλών τάσεων Η µέτρηση της τιµής κορυφής, των χαρακτηριστικών παραµέτρων χρόνου και γενικότερα της κυµατοµορφής µιας Κρ.Υ.Τ πρέπει να γίνεται χρησιµοποιώντας µια διάταξη µέτρησης που προηγούµενα έχει διακριβωθεί µέσω µιας αποδεκτής διάταξης µέτρησης ή σφαιρικών διακένων σύµφωνα µε τις οδηγίες IEC και IEC , ή εναλλακτικά χρησιµοποιώντας µία αποδεκτή διάταξη µέτρησης σύµφωνα µε την οδηγία IEC Συνήθως απαιτείται η διακρίβωση της διάταξης µέτρησης της τάσης φόρτισης της πρώτης βαθµίδας της γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων. Η διαδικασία διακρίβωσης της έγκειται στην εύρεση της ακριβούς σχέσης µεταξύ των ενδείξεών της και των ταυτόχρονων µετρήσεων της κρουστικής υψηλής τάσης, που παράγεται ή πρόκειται να επιβληθεί σε δοκίµια, µέσω µιας αποδεκτής διάταξης µέτρησης ή συνηθέστερα µέσω σφαιρικών διακένων, σύµφωνα µε την οδηγία IEC IEC :1989, H.V. test techniques Part 1: General definitions and test requirements. 5 IEC 60052:2002, Voltage measurement by means of standard air gaps. 6 IEC :2006, H.V test techniques - Part 3: Definitions and requirements for on-site test-ing. 21

23 Σηµειώνεται ότι η σχέση αυτή επηρεάζεται από την παρουσία του δοκιµίου που φορτίζει την γεννήτρια αλλά και από το ίδιο το σφαιρικό διάκενο που χρησιµοποιείται για τη διακρίβωση. Για τους λόγους αυτούς κατά τις δοκιµές εξοπλισµού µε κρουστικές υψηλές τάσεις πρέπει πάντα προηγούµενα να γίνεται διακρίβωση της διάταξης µέτρησης της τάσης δοκιµής και οι συνθήκες κατά τη διακρίβωση και κατά τις δοκιµές να είναι ακριβώς οι ίδιες. Στην περίπτωση που η διακρίβωση γίνεται µέσω σφαιρικού διακένου, αυτό παραµένει συνδεδεµένο στην έξοδο της γεννήτριας και κατά τη διάρκεια των δοκιµών, απλώς αυξάνεται η απόσταση µεταξύ των σφαιρών σηµαντικά ώστε το σφαιρικό διάκενο να µη διασπάται κατά τις επιβολές της τάσης δοκιµής. Ο πληρέστερος τρόπος µέτρησης κρουστικών υψηλών τάσεων είναι µέσω καταµεριστών τάσης. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η πλήρης καταγραφή της κυµατοµορφής της τάσης. Εάν οι χαρακτηριστικές χρονικές παράµετροι της κρουστικής τάσης είναι γνωστές, η τιµή κορυφής της κρουστικής τάσης µπορεί να µετρηθεί µέσω σφαιρικών διακένων Μέτρηση Κρ.Υ.Τ. μέσω καταμεριστών τάσης Ένα σύστηµα µέτρησης υψηλής τάσης µέσω καταµεριστή τάσης συµπεριλαµβάνει τη σύνδεση της διάταξης παραγωγής µε τον καταµεριστή τάσης, τον ίδιο τον καταµεριστή τάσης που µπορεί να αποτελεί στοιχείο της διάταξης παραγωγής, το καλώδιο µέτρησης που παρεµβάλλεται µεταξύ της εξόδου του καταµεριστή τάσης και της εισόδου του οργάνου καταγραφής και το ίδιο το όργανο καταγραφής. Το καλώδιο αυτό που μεταφέρει το προς μέτρηση σήμα από την πλευρά της χαμηλής τάσεως του Κ/Τ στον παλμογράφο είναι ένα ομοαξονικό καλώδιο. Κατά τη µέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων, λόγω των υψηλών συχνοτήτων που αυτές εµπεριέχουν, κάθε ένα από τα στοιχεία αυτά που συνιστούν το σύστηµα µέτρησης µπορεί να συνεισφέρει σε σφάλµατα µέτρησης. Εποµένως, κατά τη µέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων µέσω καταµεριστών τάσης είναι απαραίτητη η ακριβής γνώση της απόκρισης του συστήµατος µέτρησης. Επιπρόσθετα, κάθε καταµεριστής τάσης που δεν αποτελεί στοιχείο της γεννήτριας κρουστικών τάσεων µπορεί να φορτίσει τη γεννήτρια και να επηρεάσει την κυµατοµορφή της παραγόµενης τάσης εάν δεν τροποποιηθούν κατάλληλα οι τιµές των στοιχείων της γεννήτριας. Υπάρχουν εποµένως και περιορισµοί ως προς εκλογή του κατάλληλου καταµεριστή τάσης ανάλογα µε το είδος της προς µέτρηση τάσης. Για παράδειγµα οι ωµικοί καταµεριστές τάσης έχουν περιορισµένη εφαρµογή στη µέτρηση εσωτερικών κρουστικών υψηλών τάσεων. Γενικότερα, µέσω των χωρητικών καταµεριστών τάσης (σχήμα1.3.7) µπορούν να µετρηθούν µε ακρίβεια οι κρουστικές υψηλές τάσεις λαµβάνοντας ωστόσο προηγούµενα υπόψη την επίδραση της παράσιτης χωρητικότητας 22

24 στο λόγο καταµερισµού και της όποιας παράσιτης αυτεπαγωγής στην απόκριση του καταµεριστή. Είναι προφανής η σπουδαιότητα της όσο το δυνατόν ακριβέστερης μεταφοράς και αποδόσεως της Κρ.Υ.Τ. ώστε η μορφή της να παραμένει όσο το δυνατόν αναλλοίωτη. Γι αυτό έχει μεγάλη σημασία η απόκριση του συστήματος και ως εκ τούτου η εκλογή του κατάλληλου Κ/Τ και παλμογράφου, η σωστή μεταξύ τους σύνδεση, η καλή γείωση και θωράκιση του συστήματος ώστε να αποφεύγονται τυχόν παράσιτα και γενικώς θόρυβος στο σήμα πράγμα που είναι εξαιρετικά δύσκολο σε μετρήσεις ταχέως μεταβαλλομένων Υ.Τ. Στο σχήμα βλέπουμε μια πλήρη διάταξη µονοβάθµιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων με την χρήση της οποίας γίνονται µέτρησεις κρουστικών τάσεων διαφόρων κυµατοµορφών στο πλαίσιο του μαθήματος των Υψηλών Τάσεων 1 του προγράμματος σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Σχήμα : Χωρητικός καταµεριστής τάσης 23

25 Ο χρησιµοποιούµενος εξοπλισµός μιας µονοβάθµιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών (σχήμα 1.3.8) τάσεων (τύπου a) είναι ο παρακάτω: Τράπεζα ελέγχου M.W.B., τύπου SRP 0.5/5E. V/m µεγίστου τύπου SM76 και συνεχούς τύπου GM78. Μ/Σ δοκιµής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 50mA, 5kVA, 4%. Δύο πυκνωτές µέτρησης τύπου CM 100 pf, 100 kv (rms). Πυκνωτής φορτίου τύπου CΒ 1200 pf, 140 kv. Ένας κρουστικός πυκνωτής φορτίου τύπου CS 25000pF, 140kV. Δύο ανορθωτές YT µε αντίσταση εν σειρά τύπου GS, 100kΩ, 140kV, 20mA Μία αντίσταση φόρτισης τύπου RL 10 ΜΩ, 60W, 140kV. Μία αντίσταση µέτρησης τύπου RM 280 ΜΩ, 140 kv. Δύο αντιστάσεις τύπου RD 132 Ω, 60W, 140kV Δύο αντιστάσεις τύπου RE 2400 Ω, 60W, 140kV. Ένα σφαιρικό διάκενο τύπου KF µε βοηθητικό ηλεκτρόδιο Κινητήρας ελέγχου σφαιρικών διακένων τύπου AKF Αυτόµατος γειωτής τύπου ES και ηλεκτρόδιο τύπου EL. Κλάδος χαµηλής τάσης χωρητικού καταµεριστή τάσης που συνδυάζει πυκνωτή 5.14 µf και αντίσταση προσαρµογής 50 Ω. Ψηφιακός παλµογράφος. Διάφορα λοιπά αντικείµενα όπως µονωτήρες 140 kv τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσµοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), οµοαξονικά καλώδια, κ.ά. 24

26 Σχήµα : Σχηµατικό διάγραµµα µονοβάθµιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων (τύπου a) και συνδεσµολογίες κυκλωµάτων µέτρησης Επίδραση των καλωδίων συνδέσεως Τα σήματα προς τον καθοδικό ή ψηφιακό παλμογράφο όπως αναφέρθηκε και παραπάνω οδεύουν μέσα σε θωρακισμένα ομοαξονικά καλώδια (εικόνα 1.3.3). Σ αυτά όμως μπορούν να υπάρχουν ρεύματα που οδεύουν μεν μόνο στον μανδύα του ομοαξονικού καλωδίου και που παρ όλο που δεν επιστρέφουν μέσω του κεντρικού αγωγού, εν τούτοις επιστρέφοντας μέσω κάποιου κλειστού γειωμένου βρόχου προκαλούν πρόσθετο θόρυβο στο σήμα. Τα ομοαξονικά καλώδια αποτελούνται από ένα κεντρικό αγωγό (συνήθως χάλκινο) περιβεβλημένο από μια μόνωση και από πάνω ένα μεταλλικό μανδύα συνήθως από χάλκινο πλέγμα. Ο κεντρικός αγωγός χρησιμεύει για την μεταφορά του σήματος ο δε μεταλλικός μανδύας για την θωράκισή του από διάφορους θορύβους. Επειδή ο μανδύας ως χάλκινος αποτελείται από μη σιδηρομαγνητικό υλικό, ενώ θωρακίζει πλήρως από επιδράσεις του ηλεκτρικού πεδίου δεν θωρακίζει καθόλου από τις επιδράσεις του μαγνητικού πεδίου εφ όσον αυτό είναι σταθερό. Εν τούτοις ένα μεταβλητό μαγνητικό πεδίο δημιουργώντας δινορρεύματα εμποδίζει την ίδια την διέλευσή του δια μέσου του μανδύα. Η επενέργεια των δινορρευμάτων για την θωράκιση του καλωδίου είναι τόσο ισχυρότερη όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της μεταβολής του μαγνητικού πεδίου. Μια τάση ταχύτατα μεταβαλλόμενη που εισέρχεται στο ομοαξονικό καλώδιο ως οδεύον κύμα όταν φθάσει στο τέλος του καλωδίου ανακλάται. Επίσης 25

27 κατά την μέτρηση ιδιαίτερα υψηλών συχνοτήτων το επιδερμικό φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει σημαντική αύξηση της ωμικής αντίστασης του καλωδίου. Επομένως για να αντιμετωπιστούν αυτές οι αρνητικές επιδράσεις με την χρήση των ομοαξονκών καλωδίων κυρίως δηλαδή να αποφευχθούν παρεμβολές και ο ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος, η παρούσα εργασία θα ασχοληθεί με την αντικατάσταση του ομοαξονικού καλωδίου, με μια οπτική ίνα και θα αναδείξει τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν. Παρακάτω θα γίνει μια παρουσίαση των οπτικών ινών, των πλεονεκτημάτων καθώς και των μειονεκτημάτων τους. Μετέπειτα θα παρουσιαστούν τα κριτήρια με τα οποία επιλέχθηκαν τα συστήματα οπτικών ινών καθώς επίσης και η διάταξη που θα χρησιμοποιηθεί στο Εργαστηρίου υψηλών τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης για την παραγωγή και μέτρηση μιας Κρουστικής υψηλής τάσης. Εικόνα 1.3.3: Ομοαξονικό καλώδιο-coaxial Cable Εικόνα : οπτική ίνα 26

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Οπτικές ίνες 2.1 Εισαγωγή Η ιδέα της επικοινωνίας χρησιμοποιώντας το φως υπήρχε πολύ πριν την εφεύρεση των οπτικών ινών. Ωστόσο χρειάστηκαν αρκετά χρόνια έτσι ώστε να ωριμάσουν οι ιδέες που αφορούσαν τα απλά οπτικά μέσα σε οπτικές ίνες. Είναι κοινή γνώση ότι το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή. Έστω κι αν οι φακοί αποκλίνουν το φως και οι καθρέπτες το αντανακλούν, το φως ταξιδεύει σε ευθείες γραμμές μεταξύ των οπτικών συσκευών. Αρκετές εφευρέσεις δημιουργήθηκαν σαν αποτέλεσμα αυτής της αρχής, όπως είναι το τηλεσκόπιο, το μικροσκόπιο και οι φωτογραφικές μηχανές. Εν τούτοις, αρκετές φορές το φως χρειάζεται να ταξιδέψει περνώντας μέσα από γωνίες. Το πρόβλημα αυτό εμφανίστηκε πολύ πριν βρεθεί η λύση. Η ανάγκη για τη μεταφορά φωτός χρησιμοποιώντας καλώδια για επικοινωνία οδήγησε στην εφεύρεση των οπτικών ινών (optical fiber). 2.2 Βασικές αρχές λειτουργίας των οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες αποτελούν έναν υβριδικό τομέα. Ξεκινώντας σαν ένα εκμεταλλεύσιμο οπτικό προϊόν, οι οπτικές ίνες πρωτοχρησιμοποιήθηκαν σαν οπτικά μέρη. Στη συνέχεια, ως ένα νέο μέσο επικοινωνίας, ο τομέας "δανείστηκε" ιδέες και ορολογία από τις ηλεκτρονικές επικοινωνίες. Πομποί και δεκτές μετατρέπουν σήματα από ηλεκτρικά σε οπτικά και αντιστρόφως. Για να κατανοηθούν σωστά οι οπτικές ίνες πρέπει πρώτα να κατανοηθούν οι τομείς των οπτικών, των τηλεπικοινωνιών αλλά και των ηλεκτρονικών. Η λειτουργία των οπτικών ινών εξαρτάται από τις βασικές ιδιότητες των οπτικών και την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. Από τη φυσική σκοπιά, το φως αποτελείται είτε από ηλεκτρομαγνητικά κύματα είτε από φωτόνια, τα οποία είναι κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Το πιο βασικό σημείο στην κατανόηση της λειτουργίας των οπτικών ινών είναι η θεώρηση ότι το φως αποτελείται από ακτίνες οι οποίες ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές μεταξύ οπτικών στοιχείων, τα οποία μπορούν να κάμψουν η να ανακάμψουν τη τροχεία αυτή. Μπορούμε δηλαδή να πούμε ότι, η οπτική ίνα χρησιμοποιείται ως μέσο και το φως ως φορέας της πληροφορίας. Ο τρόπος που αποστέλλεται η πληροφορία, η οποία βρίσκετε σε ψηφιακή μορφή, είναι η διαμόρφωση πλάτους του εκπεμπόμενου από την πηγή φωτός σε μορφή on/off. Το φως αποτελεί ένα μικρό κομμάτι ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (σχήμα 2.1). Η φύση όλων των μορφών της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι η ίδια, και αναγνωρίζεται ως φωτόνια η κύματα τα οποία ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, η οποία είναι km/s. 27

29 Η διαφορά της ακτινοβολίας μεταξύ διαφορετικών ηλεκτρομαγνητικών φασμάτων μπορεί να μετρηθεί ως μήκη κύματος, ενέργεια φωτονίων η ακόμα ως μια κυματοειδή συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Σχήμα 2.1 : Φάσμα Συχνοτήτων Η βασική κατασκευή μιας οπτικής ίνας φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 2.2. Στο κέντρο του καλωδίου υπάρχει η οπτική ίνα, η οποία κατασκευάζεται από γυαλί ικανό να μεταφέρει φωτεινή δέσμη συγκεκριμένου μήκους κύματος με πολύ λίγες απώλειες. Η βασική χημική αντίδραση από την οποία παράγεται το οπτικό γυαλί είναι: SiCl4 (gas) + O2 ( SiO2 (solid)) + 2Cl2 (Υψηλή θερμοκρασία) GeCl4 (gas) + O2 ( GeO2 (solid)) + 2Cl2 (Υψηλή θερμοκρασία) Στην τελική μορφή της η οπτική ίνα μοιάζει πολύ με μια λεπτή διάφανη τρίχα. Στο εσωτερικό της το γυαλί μπορεί να μεταδίδει το φως. Το περίβλημα (το οποίο βρίσκεται εξωτερικά) εξασφαλίζει ότι το φως θα παραμένει συνεχώς μέσα στην ίνα. Οι περισσότερες από τις οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται σήμερα λειτουργούν στα πλαίσια του υπέρυθρου φωτός με μήκη κύματος που κυμαίνονται από 800 έως 1600nm και αποτελούνται συνήθως από τρεις ομοαξονικούς κυλίνδρους διηλεκτρικού υλικού, την κεντρική ίνα (Core), την επίστρωση (Cladding) και το κάλυμμα (Buffer Coating). To υλικό αυτό βοηθά στη συνεχή ανάκλαση της φωτεινής δέσμης, η οποία θα πέσει μέσα στην οπτική ίνα, εφόσον η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη της οριακής διότι σε άλλη περίπτωση θα έχουμε διάθλαση 28