ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ. Επιβλέπων καθηγητής:

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΣΤΗ ΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΩΝ ΙΑΚΕΝΩΝ ΑΣΗΜΑΚΟΠΟΥΛΟΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ ΜΑΓΚΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Επιβλέπων καθηγητής: Π. Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 26

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η διεξαγωγή του πειράµατος 1.1 Εργαστήριο υψηλών τάσεων Α.Π.Θ Κρουστικές υψηλές τάσεις Παραγωγή Κρ.Υ.Τ οκίµια Μέθοδος µέτρησης Μέθοδος Meek and Collins Απόκτηση και επεξεργασία δεδοµένων 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Εισαγωγή στο µηχανισµό διάσπασης διακένου ακίδας-πλάκας 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Καµπύλες πιθανότητας διάσπασης 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Φαινόµενα προεκκενώσεων 4.1 Πρώτη corona (υπό 1% τάση διάσπασης) Πρώτη corona (υπό 5% τάση διάσπασης) εύτερη corona (υπό 1% τάση διάσπασης) εύτερη corona (υπό 5% τάση διάσπασης) Σκοτεινή περίοδος (υπό 1% τάση διάσπασης) Σκοτεινή περίοδος (υπό 1% τάση διάσπασης) Άφιξη νηµατίων στην πλάκα (υπό 1% τάση διάσπασης) Άφιξη νηµατίων στην πλάκα (υπό 5% τάση διάσπασης) ιάσπαση (υπό 1% τάση διάσπασης) ιάσπαση (υπό 5% τάση διάσπασης) Συσχέτιση τάσης διάσπασης και τάσης άφιξης % τάση διάσπασης 39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική έρευνα 5.1 Συµπεράσµατα Προτάσεις για µελλοντική έρευνα 41 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 42 Α. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 43

3 Πρόλογος Κατά τη διάρκεια του περασµένου αιώνα παρατηρήθηκε, µία ραγδαία αύξηση στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Με δεδοµένο λοιπόν ότι η ισχύς που µπορεί να µεταφερθεί είναι ανάλογη µε το τετράγωνο της τάσης της λειτουργίας της γραµµής, προκειµένου να καλυφθούν αυτές οι παραπάνω ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια, που σε πολλές περιπτώσεις, αφορούσαν περιοχές που βρίσκονται σε ιδιαίτερα µεγάλες αποστάσεις απ τους σταθµούς παραγωγής αυξήθηκε η τάση λειτουργίας των γραµµών µεταφοράς. Επιπλέον, τι συνέβη σε αυτή την περίπτωση; Επιτεύχθηκε σηµαντική µείωση των απωλειών Joule, καθώς ως γνωστόν οι απώλειες είναι αντίστροφα ανάλογες προς το τετράγωνο της πολικής τάσης της γραµµής. (Όπως άλλωστε φαίνεται από την παρακάτω σχέση): 2 P rl P J =. Όπου, Ρ η µεταφερόµενη ισχύς, U ενδεικνύµενη τιµή της ( U cosφ ) 2 rms rms πολικής τάσης, cos φ ο συντελεστής ισχύος, r η αντίσταση της γραµµής ανά km, l το µήκος της γραµµής. Πέρα από όλα αυτά βέβαια, παράλληλα µε την αύξηση της τάσης λειτουργίας των γραµµών µεταφοράς, τι συνέβη; Επιβαρύνθηκε το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Τώρα πλέον πρέπει να χρησιµοποιηθούν οι κατάλληλες µονώσεις, τόσο στον τοµέα της παραγωγής όσο και στον τοµέα µεταφοράς και διανοµής της ηλεκτρικής ενέργειας. Σηµειωτέον, η µόνωση αποτελεί παράγοντα που επηρεάζει καταλυτικά το κόστος της συνολικής εγκατάστασης. Eκτός όµως από την κύρια εφαρµογή των υψηλών τάσεων, που σχετίζεται µε τη µεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, η τεχνολογία των υψηλών τάσεων χρησιµοποιείται σε πολλούς τοµείς µε σηµαντικά αποτελέσµατα. Επιγραµµατικά αναφέρεται ότι οι υψηλές τάσεις βρίσκουν εφαρµογή στις επιστήµες του περιβάλλοντος, µε τα ηλεκτροστατικά φίλτρα, που κάθε χρόνο αφαιρούν τεράστιες ποσότητες σκόνης από τις καµινάδες διαφόρων εργοστασίων, µειώνοντας έτσι τη µόλυνση της ατµόσφαιρας. Ακόµα η ιατρική χρησιµοποιεί υψηλές τάσεις για παραγωγή ακτινών Χ, καθώς και για τα ηλεκτρονικά µικροσκόπια. Ήδη από παλιά, οι υψηλές τάσεις χρησιµοποιούνται στα radar και στους ασυρµάτους αλλά και στους ηλεκτρικούς σιδηροδρόµους, καθώς και στα πηνία ανάφλεξης των βενζινοκινητήρων. Εκτός των άλλων, µε τις υψηλές τάσεις πραγµατοποιούνται σειρά πειραµάτων και ερευνών καταγράφοντας ποια είναι η συµπεριφορά µιας µόνωσης στις διηλεκτρικές καταπονήσεις. Από τα πειράµατα προέκυψε ότι είναι µάλλον δύσκολο να διατυπωθούν κάποιοι συγκεκριµένοι κανόνες που να προβλέπουν ακριβώς τη διηλεκτρική συµπεριφορά µιας µόνωσης. Κάτι τέτοιο δικαιολογείται από το ότι η ηλεκτρική διάσπαση µιας µόνωσης εµπεριέχει ένα µάλλον στοχαστικό χαρακτήρα. Πέρα απ αυτό υπάρχουν επιπλέον παράγοντες που επηρεάζουν το φαινόµενο της ηλεκτρικής διάσπασης µιας µόνωσης. Κατά συνέπεια, οι δοκιµές που πραγµατοποιήθηκαν στα εργαστήρια και που σκοπό είχαν να µελετήσουν τη συµπεριφορά των µονώσεων στις διηλεκτρικές καταπονήσεις, τυποποιήθηκαν, ώστε τα αποτελέσµατα που θα προκύψουν να έχουν εφαρµογή σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας. Η παρατήρηση έδειξε, ότι η µόνωση ενός συστήµατος µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας δεν καταπονείται ιδιαίτερα στην περίπτωση που η τάση είναι ίση µε την τάση λειτουργίας. Αντιθέτως, σε τυχόν υπερτάσεις µε εύρος πολύ µεγαλύτερο από την ονοµαστική τάση λειτουργίας δύναται να παρουσιαστούν επικίνδυνες 1

4 καταπονήσεις των µονώσεων. Για τις ανάγκες των δοκιµών που πραγµατοποιούνται στα εργαστήρια, και έχουν σαν στόχο να υπολογιστεί η αντοχή των µονώσεων σε διάφορες υπερτάσεις, τυποποιήθηκαν οι υπερτάσεις ανάλογα µε τα αίτια που τις προκαλούν. Σε ένα σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας συνήθως η µόνωση που απαντάται, είναι τα διάκενα που έχουν τον ατµοσφαιρικό αέρα, ως διηλεκτρικό µέσο. Ένα τέτοιο διάκενο που εκτός των άλλων είναι και η πιο φθηνή διάταξη, µε πολλές µάλιστα εφαρµογές, έχει το εξής χαρακτηριστικό: αφού διασπαστεί ανακτά πάλι πλήρως τις µονωτικές του ιδιότητες. Πέρα από τα παραπάνω πλεονεκτήµατα, το διάκενο αυτό µειονεκτεί στο γεγονός ότι µια τέτοια διάταξη που χρησιµοποιεί το διάκενο αέρα ως µόνωση, θα πρέπει να έχει µεγάλες διαστάσεις. Με βάση τις παρατηρήσεις και τα πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν, διαπιστώθηκε µάλιστα ότι, όταν αναφερόµαστε σε διάκενο αέρα, η διηλεκτρική του αντοχή επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες. Πιο συγκεκριµένα: α) από το είδος της εφαρµοζόµενης τάσης (πολικότητα, εύρος και µορφή που έχει η τάση) β) από τη µορφή του διακένου (σχήµα ηλεκτροδίων και µήκος του διάκενου) γ) επιπλέον, η διηλεκτρική αντοχή του διακένου επηρεάζεται σηµαντικά και από τις ατµοσφαιρικές συνθήκες. Στην έρευνα αυτή µάλιστα επιλέχθηκαν ανοµοιογενή διάκενα, στα οποία η πεδιακή ένταση µεταβάλλεται κατά µήκος του διακένου. Τέτοιου είδους διάκενα είναι αυτά που απαντώνται και στην πραγµατικότητα, οπότε τα συµπεράσµατα που θα προκύψουν µπορούν να αναχθούν σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας. Η διπλωµατική εργασία αποτελείται από πέντε κεφάλαια και ένα παράρτηµα µε τα παρακάτω περιεχόµενα: Το πρώτο κεφάλαιο είναι εισαγωγικού χαρακτήρα. Περιγράφεται ο χώρος διεξαγωγής των πειραµάτων, τα είδη κρουστικών υψηλών τάσεων που χρησιµοποιήθηκαν και ο τρόπος παραγωγής τους και τα δοκίµια που χρησιµοποιήθηκαν. Ακόµη αναλύονται οι µέθοδοι µέτρησης που εφαρµόστηκαν για τη διεξαγωγή του πειράµατος, καθώς και το σύστηµα απεικόνισης-µέτρησης του ηλεκτρικού πεδίου. Τέλος αναπτύσσεται ο τρόπος απόκτησης και επεξεργασίας των δεδοµένων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο µηχανισµός διάσπασης του διακένου ακίδας-πλάκας, ενώ στο τρίτο κατά σειρά κεφάλαιο παρουσιάζονται οι καµπύλες πιθανότητας διάσπασης. Στο τέταρτο κεφάλαιο µελετούνται τα φαινόµενα προεκκενώσεων όπως είναι η πρώτη και δεύτερη corona, και η σκοτεινή περίοδος, ενώ ακόµη µελετήθηκαν η άφιξη των νηµατίων στην πλάκα και η διάσπαση τόσο υπό 1% όσο και υπό 5% τάση διάσπασης. Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα και οι προτάσεις για µελλοντική έρευνα. Τέλος το παράρτηµα περιλαµβάνει τις καµπύλες πιθανότητας διάσπασης. 2

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ΙΕΞΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ 1.1 Εργαστήριο υψηλών τάσεων Α.Π.Θ. Η διεξαγωγή όλων των πειραµάτων που αφορούν τη συγκεκριµένη εργασία, πραγµατοποιήθηκε στο εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ. Το εργαστήριο λοιπόν, δύναται να παράγει υψηλές τάσεις, µε µέγιστο όριο που καθορίζεται από τις ελάχιστες αποστάσεις ασφαλείας που πρέπει να τηρούνται, αλλά και από την υλικοτεχνική υποδοµή του. Παρακάτω παρατίθεται µια άποψη από το κύριο µέρος του εργαστηρίου του Α.Π.Θ, καθώς και µια κάτοψή του (σχήµα 1.1.1). Σχήµα Ο κύριος χώρος του εργαστηρίου αποτελείται από δύο µέρη, το χώρο των υψηλών τάσεων και τον αναλογούντα χώρο ελέγχου. Το ύψος του κυρίου χώρου του εργαστηρίου είναι 6m, το µήκος του 16.2m και το πλάτος του 7m. Το ύψος του, που αποτελεί και τη µικρότερη διαστασή του, αντιστοιχεί σε µέγιστη απόσταση ασφαλείας 3m. Μια τέτοια απόσταση ασφαλείας, σύµφωνα µε τον (πίνακα 1)[1] δεν επιτρέπει την παραγωγή εναλλασσόµενων τάσεων µεγαλύτερων από 65kV(rms), συνεχών τάσεων από 9kV, εξωτερικών κρουστικών από 11kV, καθώς και εσωτερικών κρουστικών τάσεων µεγαλύτερων από 85kV. Ονοµαστική τάση KV(rms) Τάσεις δοκιµών προς γη Ελάχιστη απόσταση (m) HVAC LI SΙ KV(rms) KV(peak) KV(peak) Πίνακας 1 ( ίνει τις τάσεις δοκιµής και τις ελάχιστες αποστάσεις ασφαλείας) 3

6 Η υλικοτεχνική υποδοµή του εργαστηρίου διαθέτει ένα σύστηµα κατασκευών µε εναλλάξιµα στοιχεία υψηλών τάσεων που παρέχουν τη δυνατότητα παραγωγής εναλλασσόµενων υψηλών τάσεων έως 3kV(rms), συνεχών υψηλών τάσεων έως 41kV, καθώς και τυποποιηµένων εξωτερικών Κρ.Υ.Τ έως 53kV και εσωτερικών Κρ.Υ.Τ έως 46kV. Για την παραγωγή υψηλών τάσεων στο εργαστήριο διατίθενται οι παρακάτω διατάξεις και συσκευές: 1-βάθµια γεννήτρια παραγωγής κρουστικών τάσεων 1 MV, 11.4 kws Χωρητικός καταµεριστής τάσης 2 pf, 1 MV 4-βάθµια γεννήτρια κρουστικών τάσεων 54 kv, 1 kws Χωρητικός καταµεριστής τάσης 3 pf, 54 kv 3 µετασχηµατιστές δοκιµής 2x22 V/1 kv/22 V, 5 kva που µπορούν να συνδεθούν κατά βαθµίδες Μετασχηµατιστής δοκιµής 2x22 V/1 kv, 5 kva 3-βάθµιος πολλαπλασιαστής συνεχούς τάσεως Cockroft - Walton 42 kv, 1.1 kws ύο ανεξάρτητες µεταξύ τους, τράπεζες, ελέγχου και χειρισµών των µετασχηµατιστών δοκιµής ώστε να µπορεί ταυτόχρονα να γίνει έλεγχος και χειρισµοί σε δύο διατάξεις υψηλών τάσεων. Πυκνωτές, αντιστάσεις, δίοδοι και άλλα εναλλάξιµα στοιχεία εξοπλισµού υψηλών τάσεων. Στο εργαστήριο ακόµη υπάρχουν πολλά όργανα και συσκευές κατάλληλα για διάφορες µετρήσεις και πειράµατα, όπως: Θάλαµος θωρακίσεως για την αποφυγή ηλεκτροµαγνητικού θορύβου Ζεύγη σφαιρικών διακένων διαµέτρου 1, 2, 5, 1, 25, 5 και 75 cm Συσκευή ανίχνευσης Μερικών Εκκενώσεων 1 µc, Type 9132 της Tettex Instruments που συνδυάζεται µε πρότυπο πυκνωτή 1nF/ 25 kv ή 1nF/ 1 kv Θάλαµος πίεσης και υποπίεσης από 1 mbar - 5 bar, διηλεκτρικής αντοχής 14 kv Πρότυπος πυκνωτής SF 6 38 pf, 14 kv Γέφυρα Schering για τη µέτρηση χωρητικοτήτων και συντελεστών απωλειών των διηλεκτρικών που συνδυάζεται µε όργανο µηδενισµού υψηλής ακρίβειας Τέσσερις ψηφιακοί παλµογράφοι µε δυνατότητα επικοινωνίας µε ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη λήψη και αποθήκευση παλµογραφηµάτων Τέσσερις φωτοπολλαπλασιαστές µε δυνατότητα σύνδεσης µ ε παλµογράφο για την ανίχνευση και καταγραφή αµυδρών φωτεινών φαινοµένων Παθητικοί χωρητικοί δοκιµαστήρες τύπου Meek - Collins για τη µέτρηση του ηλεκτρικού πεδίου ίκτυο έξι ηλεκτρονικών υπολογιστών και τεσσάρων εκτυπωτών. 4

7 1.2 Κρουστικές υψηλές τάσεις (Κρ.Υ.Τ) Στην τεχνολογία του εργαστηρίου των υψηλών τάσεων «κρουστικός παλµός» ή απλώς κρούση (impulse), αδιάφορο αν πρόκειται για παλµό τάσεως ή εντάσεως, λέγεται σύµφωνα µε την IEC(6)6-1, ένας απεριοδικός µεταβατικός παλµός που επιβάλλεται σκοπίµως και που συνήθως, αυξάνει σε ένα µέγιστο σχετικά γρήγορα και µετά µηδενίζεται µε βραδύτερο ρυθµό[1]. Οι κρούσεις που εµφανίζονται ως κρουστικές υψηλές τάσεις, είναι το σηµαντικότερο είδος εργαστηριακά παρ αγοµ ένων τάσεω ν, γιατί µέσω αυτώ ν γίνονται οι εργαστηριακές δοκιµές για αντοχή στις υπερτάσεις που εµφανίζονται στα δίκτυα. Επίσης χρήση κρούσεων γίνεται και για δοκιµές υπερεντάσεων µέσω όµως κρουστικών ρευµάτων. Τόσο η παραγωγή όσο και οι µετρήσεις των Κρ.Υ.Τ παρουσιάζουν δυσκολίες επειδή έχουν πολύ µικρή διάρκεια και έτσι τα διάφορα µεταβατικά φαινόµενα µπορούν να έχουν σηµαντική επίδραση. Σχήµα Εξωτερική Κρ.Υ.Τ. Σχήµα Εσωτερική Κρ.Υ.Τ. Οι κυριότερες µορφές Κρ.Υ.Τ είναι οι διπλοεκθετικές (σχ & σχ.1.2.1) γιατί εργαστηριακά προσοµοιώνουν τις υπερτάσεις από κεραυνούς (εξωτερικές υπερτάσεις) κα ι τις υπερτάσεις χειρισµών (εσωτερικές υπερτάσεις) που εµφανίζονται στις γραµµές µεταφοράς Υ.Τ. Οι διπλοεκθετικές Κρ.Υ.Τ. αποτελούνται από τη διαφορά δύο φθινουσών εκθετικών συναρτήσεων και η µορφή τους δίδεται από την at βt εξίσωση: u() t = U O ( e e ). Για τις σταθερές χρόνου ισχύει α<β. Κατά συνέπεια, µε βάση αυτό το δεδοµένο έπεται ότι η τάση ξεκινώντας από το αυξάνει γρήγορα µέχρι ένα µέγιστο U και µετά φθίνει πιο αργά, τείνοντας πάλι στο. Το τµήµα από p την αρχή των αξόνων µέχρι το µέγιστο λέγεται «µέτωπο» το δε τµήµα µετά το µέγιστο λέγεται «ουρά» της κρουστικής τάσεως. Οι διπλοεκθετικές Κρ.Υ.Τ συµβολίζονται ως U out ( kv ), t f / th ( µ sec), όπου U out το εύρος της τάσης σε kv, t f η διάρκεια µετώπου ή χρόνος ανόδου και t h η διάρκεια ηµίσεως εύρους. Ανάλογα µε τη διάρκεια µετώπου τους οι διπλοεκθετικές χωρίζονται σύµφωνα µε την IEC[2], σε µικρής διάρκειας µετώπου, t <2µs, που εξοµοιώνουν στο εργαστήριο τις εξωτερικές ή ατµοσφαιρικές υπερτάσεις και ονοµάζονται εξωτερικές κρουστικές τάσεις ( ε ικ.1.21) και σε µεγάλης διάρκειας µετώπου, t >2µs, που προσοµοιώνουν τις εσωτερικές υπερτάσεις ή χειρισµών και f ονοµάζονται εσωτερικές κρουστικές τάσεις(εικ.1.2.2). Η IEC[2] όρισε µε κάποιες ανοχές στους χρόνους τις κυµατοµορφές 1.2/5µsec και 25/25µsec ως κανονικές ή τυποποιηµένες κρουστικές τάσεις, θεωρώντας ότι αυτές προσοµοιώνουν στις εργαστηριακές δοκιµές τις εξωτερικές και τις εσωτερικές υπερτάσεις αντίστοιχα. f 5

8 1.3 Παραγωγή Κρ.Υ.Τ Η παραγωγή των διπλοεκθετικών Κρ.Υ.Τ γίνεται, ανάλογα µε το εύρος τους, από µονοβάθµιες ή πολυβάθµιες γεννήτριες κρουστικών τάσεων (γεννήτριες Marx). Η αρχή λειτουργίας των γεννητριών Marx συνίσταται στην εν παραλλήλω φόρτιση υπό συνεχή τάση ενός αριθµού πυκνωτών πυκνωτές φορτίσεως και κατόπιν την εν σειρά εκφόρτισή τους σε έναν πυκνωτή πυκνωτής µετώπου. Για την παραγωγή των θετικών Κρ.Υ.Τ. χρησιµοποιήθηκε µια πενταβάθµια γεννήτρια Marx, ενώ για τις αρνητικές Κρ.Υ.Τ. µια δεκαβάθµια, και οι δυο συνδεσµολογίες ήταν τύπου β µε µέγιστη τάση φόρτισης ανά βαθµίδα 1kV. Η τροφοδοσία της γεννήτριας παραγωγής Κρ.Υ.Τ παρέχεται από ένα Μ/Σ δοκιµής 5kVA, 2 22V/1kV/22V. Η µέτρηση της τάσης εξόδου του Μ/Σ δοκιµής γίνεται µε χωρητικό καταµεριστή τάσης και ανορθωτικές διατάξεις ενώ η µέτρηση της τάσης φόρτισης της γεννήτριας γίνεται µέσω της µέτρησης της τάσης φόρτισης της πρώτης βαθµίδας µε ωµικό καταµεριστή τάσης και V/m. Επίσης, η έναυση των βοηθητικών διακένων της γεννήτριας γίνεται ελεγχόµενα, από την κονσόλα χειρισµών, µε τη βοήθεια της συσκευής trigatron η οποία είναι τοποθετηµένη στο βοηθητικό διάκενο της πρώτης βαθµίδας. Ένα βασικό µέγεθος που χαρακτηρίζει την εκµετάλλευση της τάσης µιας γεννήτριας Marx είναι ο συντελεστής χρησιµοποίησης η. Εάν µετρηθούν µε ακρίβεια οι τιµές των τάσεων φόρτισης U o και εξόδου U out της γεννήτριας ο συντελεστής χρησιµοποίησης προκύπτει ως ο λόγος δύο τάσεων. Εφόσον η τάση εξόδου της γεννήτριας σχετίζεται µε την τάση φόρτισής της µ έσω της εξίσωσης at βt u() t = U O ( e e ) και εφόσον οι σταθερές a και b στην ίδια εξίσωση καθορίζονται από τα στοιχεία της γεννήτριας, είναι φυσικό η τιµή του συντελεστή χρησιµοποίησης να εξαρτάται από τις τιµές των στοιχείων που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή της γεννήτριας µε άµεση συνέπεια η τιµή του να ποικίλει ανάλογα µε τη διπλοεκθετική κυµατοµορφή τάσης που παράγεται κάθε φορά. 1.4 Τα δοκίµια Η προς σχεδίαση πειραµατική διάταξη περιλαµβάνει ένα διάκενο ακίδας-πλάκας. Η ακίδα έχει ηµισφαιρική απόληξη διαµέτρου 22mm. Η ράβδος ήταν κυλινδρική, αναρτηµένη από τη γερανογέφυρα του εργαστηρίου µέσω µονωτήρων ανάρτησης, ενώ η γειωµένη πλάκα, διαστάσεων 197x12 cm, ήταν από αλουµίνιο πάχους 2mm στηριγµένη 8cm πάνω από το πάτωµα του εργαστηρίου. Τα διάφορα µήκη διακένου που µελετήθηκαν είναι 12,5, 25, 37,5 και 5cm. H µονωτική επικάλυψη είναι από PTFE, έχει µήκος 1cm και πάχος 2mm και φαίνεται στην εικόνα Κατασκευάστηκε στον τόρνο από ένα µεγαλύτερο κοµµάτι PTFE. Η θετική κρουστική υψηλή τάση παρέχεται από µια πενταβάθµια γεννήτρια Marx, ενώ αντίστοιχα για την παραγωγή αρνητικών Κρ.Υ.Τ χρησιµοποιήθηκε δεκαβάθµια γεννήτρια Marx. Στη παρούσα φάση της έρευνας υπήρχε µεταβολή του µήκους του διακένου µε 2 σύνολα µετρήσεων µε και χωρίς µονωτική επικάλυψη στην ακίδα Για την εύρεση της τάσης έναρξης της πρώτης και της δεύτερης κορώνα χρησιµοποιείται µία συσκευή µέτρησης του ηλεκτρικού πεδίου στην πλάκα (Meek and Collins probe) [3]. 6

9 Εικόνα Μέθοδος µέτρησης Ένα από τα αντικείµενα της εργασίας αυτής αποτέλεσε ο προσδιορισµός της τάσης διάσπασης των διακένων. Η IEC[2] δέχεται ότι η τάση διάσπασης µπορεί να προσδιοριστεί µε τις εξής κατηγορίες δοκιµίων ή µεθόδους : α) µέθοδο επιπέδων τάσεων (Multiple-level test) β) µέθοδο αυξοµείωσης της τάσης (Up and down tests). Στην εργασία αυτή, τα πειράµατα διεξήχθησαν µέσω της πρώτης µεθόδου προσδιορισµού της τάσης διάσπασης, διότι µόνη αυτή από τις άλλες δίνει τη δυνατότητα µελέτης ολόκληρης της κατανοµής της τάσης διάσπασης, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη σύνδεση της πιθανότητας διάσπασης µε την τάση διάσπασης του διακένου. Σύµφωνα µε τη µέθοδο επιπέδων τάσεως επιβάλλονται τάσεις εύρους (όπου i=1,2, n και n ο αριθµός των επιπέδων τάσεως) φορές ανά επίπεδο. Αν το διάκενο διασπαστεί d φορές στο επίπεδο τάσης U τότε η πιθανότητα διάσπασης ( i i του διακένου p U ) µε την επιβολή της τάσης U i θεωρείται ίση µε τη συχνότητα της διάσπασης f i = d i / mi.ακόµη, επιλέχθηκε ως πρώτο επίπεδο τάσης αυτό που οδηγεί σε πιθανότητα διάσπασης p ( U 1 ) =, ως τελευταίο επίπεδο αυτό που οδηγεί σε πιθανότητα διάσπασης p ( U n ) =1 και η αύξηση της τάσης ανά επίπεδο τάσης να είναι ίση µε 2-3% ανάλογα µε το µήκος του διακένου. Έτσι µέσω αυτής της διαδικασίας καταπόνησης του διακένου προσδιορίζονται n σηµεία µε συντεταγµένες [ U i, p ( U i )] τα οποία εάν παρασταθούν γραφικά σχηµατίζουν την καµπύλη πιθανότητας διάσπασης p ( U ) του διακένου. Τα σηµεία αυτά µπορούν να προσοµοιωθούν µε κάποια γνωστή κατανοµή πιθανότητας p( U ) και να προσδιοριστούν έτσι η µέση τιµή που ονοµάζεται τάση διάσπασης 5% ή i m i U i 7

10 U 5 και είναι η τιµή της τάσης για την οποία το διάκενο διασπάται στο 5% των περιπτώσεων.η προσοµοίωση των σηµείων [ i, p U i ] µπορεί να γίνει είτε γραφικά µε τη βοήθεια ειδικού χαρτιού σχεδιασµένο έτσι ώστε να δίνει ευθεία όταν τα ζεύγη των σηµείων ακολουθούν κάποια ειδική κατανοµή πιθανότητας διάσπασης, είτε θεωρώντας ότι η τάση διάσπασης ακολουθεί κανονική κατανοµή, αναλυτικά µέσω της µεθόδου µέγιστης πιθανοφάνειας ή µέσω διαδοχικών προσεγγίσεων των σηµείων [ U i, p ( U i )] µε τη µέθοδο της γραµµικής παρεµβολής λαµβάνοντας υπόψη ότι κάθε σηµείο [ U i, p( U i )] έχει διαφορετική βαρύτητα στον καθορισµό της U 5. To στατιστικό σφάλµα της προσοµοίωσης µεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα µε τον αριθµό των επιπέδων τάσης n και την τετραγωνική ρίζα του αριθµού των επιβολών της τάσης ανά επίπεδο m i, ενώ τείνει σε µικρότερες τιµές για εφαρµοζόµενα επίπεδα τάσης που οδηγούν σε πιθανότητες διάσπασης γύρω από την 5% πιθανότητα διάσπασης του διακένου. U ( ) 1.6 Μέθοδος Meek and Collins Περιγραφή της µεθόδου Για την πιστή απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στη γειωµένη πλάκα χρησιµοποιούµε τη µέθοδο Meek and Collins[3]. Έτσι για τη µέτρηση της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης επιλέχθηκε κυκλική επιφάνεια, µονωµένη από την υπόλοιπη πλάκα, εµβαδού Α στο κέντρο της γειωµένης πλάκας. Μεταξύ αυτής και της πλάκας τοποθετήθηκε ένας πυκνωτής C του οποίου η τάση στα άκρα του αποδεικνύεται ότι είναι κάθε στιγµή ανάλογη της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης (εικ. 1,2 ) Εικόνα 1 Εικόνα 2 Συγκεκριµένα για το φορτίο στην επιφάνεια του µονωµένου ηλεκτροδίου (δοκιµαστήρας ή probe) και άρα στα άκρα του πυκνωτή C ισχύουν οι εξισώσεις q( t) = D( t) A και q( t) = C v( t) όπου D(t) η διηλεκτρική µετατόπιση και v(t) η τάση στα άκρα του πυκνωτή. Είναι όµως E( t) = D( t) ε όπου Ε(t) η ηλεκτρική πεδιακή ένταση και ε Ο η διηλεκτρική σταθερά του κενού. Εποµένως από τις τρεις εξισώσεις C προκύπτει ότι : E( t) = v( t) και επειδή για συγκεκριµένο δοκιµαστήρα τα C, Α ε Ο ε Ο, Α είναι σταθερά η εξίσωση γίνεται E( t) = k v( t). Η τιµή της σταθεράς k ρυθµίζεται µε κατάλληλη εκλογή πυκνωτή C έτσι ώστε η ευαισθησία του καταγραφικού οργάνου να είναι ικανή για την απεικόνιση ολόκληρου του φαινοµένου. O 8

11 Για να αντιστοιχίζεται σωστά η ηλεκτρική πεδιακή ένταση στην τάση στα άκρα του πυκνωτή θα πρέπει ο δοκιµαστήρας να διαρρέεται µόνο από ρεύµα διηλεκτρικής µετατόπισης και όχι από ρεύµα αγωγιµότητας. Γι αυτο το λόγο ο δοκιµαστήρας καλύφθηκε µε ένα µονωτικό θόλο. Ο Stassinopoulos [4] έδειξε ότι η επίδραση της θολωτής µόνωσης στο ηλεκτρικό πεδίο είναι ασήµαντη. Η δε διάµετρος του κυκλικού τοµέα είναι 12mm, ενώ µεταξύ κυκλικού τοµέα και γης συνδέεται πυκνωτής 583pF. Αυτά είναι τα στοιχεία της µετρητικής µας διάταξης Ακρίβεια της τεχνικής Υπάρχουν πέντε παράγοντες που µπορούν να επηρεάσουν την ακρίβεια της µέτρησης. Ο πρώτος παράγοντας που πρέπει να σηµειωθεί είναι ότι µ αυτή την τεχνική µετράµε τη µέση τιµή του ηλεκτρικού πεδίου που βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του δοκιµαστήρα (probe). Οπότε το εµβαδόν Α του δοκιµαστήρα πρέπει να είναι µικρό, αν θέλουµε να έχουµε ακριβείς µετρήσεις για ένα συγκεκριµένο τµήµα του πεδίου αλλά και για να εντοπίζουµε την οποιαδήποτε µεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου εξαιτίας µιας διάχυσης φορτίου. Ο δεύτερος είναι ότι η απαιτούµενη µόνωση µεταξύ του δοκιµαστήρα και του υπόλοιπου ηλεκτροδίου επηρεάζει το πεδίο. Ο Meek and Collins απέδειξαν ότι αυτό µπορεί να ληφθεί υπόψιν, θεωρώντας ότι ο δοκιµαστηρας περικλείει στην επιφάνεια του και το µισό πάχος της µόνωσης (για δοκιµαστήρα µε διάµετρο 1cm το πάχος της µόνωσης είναι αµελητέο, όµως για διάµετρο 2,5mm είναι σηµαντικός παράγοντας). Ο τρίτος παράγοντας είναι ότι η τάση που υπάρχει στο δοκιµαστήρα θα προκαλέσει µια διαταραχή στο πεδίο καθώς θα έπρεπε να είναι ίδια (ισοδυναµική επιφάνεια) µε του υπόλοιπου ηλεκτροδίου. Αυτή η διαταραχή του πεδίου είναι 1 2 ισοδύναµη µε µια βύθιση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου κατά 1 και στην k πράξη είναι αµελητέα. Ο τέταρτος παράγοντας που µπορεί να προκαλέσει σφάλµα στη µέτρηση είναι το ρεύµα αγωγιµότητας. Όπως δείχθηκε προηγουµένως η τάση στα άκρα του πυκνωτή είναι ανάλογη του πεδίου όταν ο δοκιµαστήρας διαρρέεται από το ρεύµα διηλεκτρικής µετατόπισης. Εποµένως οποιαδήποτε ροή ρεύµατος αγωγιµότητας µέσω του δοκιµαστήρα κάνει την µέτρηση εσφαλµένη. Για να αποτραπεί το ρεύµα αγωγιµότητας να διέλθει από τον δοκιµαστήρα, αυτός καλύπτεται από ένα µονωτικό θόλο. Παρότι αυτή η κάλυψη θα µεταβάλλει το συντελεστή k, αυτή µπορεί να υπολογιστεί κατά τη βαθµονόµηση του δοκιµαστήρα. Ο πέµπτος παράγοντας είναι η χρονική σταθερά (RC) που έχει η µετρητική µας διάταξη (δοκιµαστήρας και καταγραφική συσκευή). Χρειαζόµαστε µεγάλη χρονική σταθερά για να µπορέσουµε να µελετήσουµε φαινόµενα µε µεγάλη χρονική διάρκεια, ένας τρόπος για να το πετύχουµε είναι να αυξήσουµε τη χωρητικότητα, έτσι συνδέουµε ένα πυκνωτή παράλληλα µε το δοκιµαστήρα. 9

12 1.7 Απόκτηση και επεξεργασία δεδοµένων Τα φαινόµενα προεκκενώσεων που θεωρήθηκαν απαραίτητα για τη µελέτη του µηχανισµού διάσπασης είναι η πρώτη και δεύτερη corona, η σκοτεινή περίοδος, ενώ ακόµη µελετήθηκαν η άφιξη των νηµατίων στην πλάκα και η διάσπαση. Για τον προσδιορισµό της τάσης διάσπασης χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος των επιπέδων τάσεως για κάθε συνδυασµό τύπου διακένου και κυµατοµορφή τάσης. Η µέθοδος διεξήχθη εφαρµόζοντας είκοσι επιβολές τάσης ανά επίπεδο για πιθανότητες διάσπασης από έως 1 ενώ το χρονικό διάστηµα µεταξύ δύο διαδοχικών επιβολών ήταν περίπου ένα λεπτό χρόνος ικανός για την πλήρη φόρτιση της γεννήτριας. εικόνα Σε κάθε επιβολή της τάσης από τα παλµογραφήµατα του πεδίου στην πλάκα (εικ.1.7.1) τα µεγέθη που µετρήθηκαν ήταν: i) ο χρόνος εµφάνισης της πρώτης corona ( t 1 ), ο χρόνος που µεσολαβεί από την επιβολή της τάσης µέχρι την έναρξη της εκκένωσης. ii) ο χρόνος εµφάνισης της δεύτερης corona ( t 2 ), ο χρόνος που µεσολαβεί από την επιβολή της τάσης µέχρι την έναρξη της δεύτερης corona. iii) ο χρόνος άφιξης των νηµατίων στην πλάκα ( t ar ), ο χρόνος που µεσολαβεί από την επιβολή της τάσης µέχρι την άφιξη των νηµατίων στην πλάκα. iv) ο χρόνος διάσπασης ( t b ), ο χρόνος που µεσολαβεί από την επιβολή της τάσης µέχρι την αγώγιµη σύνδεση του διακένου. v) οι τάσεις στα άκρα του πυκνωτή της µετρητικής διάταξης κατά τη διάρκεια της πρώτης corona (, U ). U

13 vi) οι τάσεις στα άκρα του πυκνωτή της µετρητικής διάταξης κατά τη διάρκεια της δεύτερης corona ( U 21, U 22 ). vii) η τάση στα άκρα του πυκνωτή της µετρητικής διάταξης κατά την άφιξη των νηµατίων στην πλάκα ( U ar ). Ο χρόνος εµφάνισης για κάθε µέγεθος µετριέται από το παλµογράφηµα της εξόδου του Meek and Collins probe. Αυτοί οι χρόνοι σε συνδυασµό µε τη διπλεκθετική at βt µορφή της τάσης εξόδου της γεννήτριας u( t ) = U O ( e e ) δίνουν τη στιγµιαία τιµή της εφαρµοζόµενης τάσης όπου εµφανίζεται το κάθε µέγεθος. Εποµένως υπολογίστηκαν: για την πρώτη και δεύτερη corona η στιγµιαία τάση εµφάνισης U1, U 2 αντίστοιχα. για τη σκοτεινή περίοδο, η διάρκεια της t d = t 2 t1 και η αντίστοιχη ανύψωση τάσης U d = U 2 U1 για την άφιξη των νηµατίων στην πλάκα η στιγµιαία τιµή της τάσης άφιξης U ar για τη διάσπαση η στιγµιαία τιµή της τάσης διάσπασης U b Στην ανάλυση που έγινε στην για το Meek and Collins probe αναφέρονται οι σχέσεις Q = C U και E = ku. Πιο συγκεκριµένα µε τη σχέση Q = C U όπου C η χωρητικότητα του πυκνωτή της µετρητικής διάταξης υπολογίζεται το «φορτίο» της πρώτης και δεύτερης corona όταν U = U 12 U 11 και U = U 22 U 21 αντίστοιχα. Η χρήση των εισαγωγικών γίνεται γιατί στην πραγµατικότητα αυτό το φορτίο δεν είναι αυτό που δηµιουργείται στο διάκενο λόγω της πρώτης ή δεύτερης corona, αλλά αυτό που επάγεται στη χωρητικότητα της συσκευής µέτρησης. Ακολούθως µε τη σχέση E = ku όπου k η σταθερά από το Meek and Collins probe υπολογίζεται το «πεδίο», εµφάνισης της πρώτης ( E 11 = ku11), δεύτερης ( E 21 = ku 21 ) corona και της άφιξης των νηµατίων στην πλάκα ( E ar = ku ar ). Οι τιµές αυτές του «πεδίου» είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην πλάκα (και γι αυτό το λόγο είναι µέσα σε εισαγωγικά), όπως αυτό προκύπτει από το Meek and Collins probe και όχι στην ακίδα. Από τα παραπάνω µεγέθη και µε τη βοήθεια της εξίσωσης 76 (273 + t) U id = U i( p, t) [5], προκύπτουν σε κανονικές συνθήκες πίεσης και p 293 θερµοκρασίας οι αντίστοιχες τιµές για τις τάσεις έναρξης της πρώτης και δεύτερης corona, την ανύψωση της τάσης µεταξύ τους καθώς και για την τάση διάσπασης. 11

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΙΑΣΠΑΣΗΣ ΙΑΚΕΝΩΝ ΑΚΙ ΑΣ-ΠΛΑΚΑΣ Έστω ένα αέριο διηλεκτρικό µέσο. Για να µπορέσει να ξεκινήσει µια ηλεκτρική εκκένωση σε αυτό το διηλεκτρικό µέσο, θα πρέπει να συµβαίνουν ταυτόχρονα δύο πράγµατα: α) θα πρέπει να βρεθεί τουλάχιστον ένα, κατάλληλα τοποθετηµένο ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο αέριο και β) το ηλεκτρικό πεδίο θα πρέπει να έχει τέτοια ένταση και διάρκεια ώστε να µπορεί αυτό το ηλεκτρόνιο, µέσω διαδικασιών ιονισµού του αερίου, να ξεκινήσει µια ακολουθία ηλεκτρονικών στοιβάδων που θα οδηγήσουν στη διάσπαση. Χωρίς την ύπαρξη αυτού του ελεύθερου ηλεκτρονίου η ηλεκτρική εκκένωση δεν θα ξεκινήσει αµέσως, ακόµα και αν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ξεπεράσει κατά πολύ την ένταση που απαιτείται για τη διάσπαση του αερίου. Έτσι λοιπόν στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να περιµένουµε τη «διάθεση» ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου που θα προκύψει µε µια από τις µεθόδους παραγωγής του. Βέβαια, πρέπει να τονίσουµε, ότι η διαδικασία της ηλεκτρικής εκκένωσης είναι ένα µάλλον στοχαστικό φαινόµενο. Και αυτό πολύ απλά οφείλεται στο στοχαστικό χαρακτήρα της διαθεσιµότητας των ελεύθερων ηλεκτρονίων αλλά και γενικότερα των διαδικασιών ιονισµού του αερίου. Ναι αλλά πως παράγονται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια; Παράγονται φυσικά στην ατµόσφαιρα σαν αποτέλεσµα της κοσµικής ακτινοβολίας ή της παρουσίας τοπικών ραδιενεργών υλικών. Μπορεί ακόµα να παραχθούν λόγω της υπεριώδους ακτινοβολίας του ηλίου. Με τους παραπάνω τρόπους, ο φυσικός ρυθµός παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρονίων καθώς και η συγκέντρωσή τους είναι της τάξης των 1 3 sec 1 3 cm και 1 5cm ηλεκτρόνια αντίστοιχα, ποσότητες που θεωρούνται αρκετά µικρές [6]. Με όµοιες µεθόδους παραγωγής, στον αέρα υπάρχει και µια σταθερή συγκέντρωση αρνητικών ιόντων. Πως όµως σχηµατίζονται τα αρνητικά ιόντα; Συνήθως σχηµατίζονται από το οξυγόνο που υπάρχει στον αέρα σε διάφορες µορφές όπως O, O O [7]. Το πλέον διαθέσιµο αρνητικό ιόν στον αέρα είναι το, το 2, 3 οποίο δηµιουργείται µε την παρακάτω αντίδραση: O 2 + e + M O2 + M + E O όπου, Μ: είναι ένα σωµατίδιο, οξυγόνο ή άζωτο και Εο: είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται. Με την παρουσία των µορίων νερού παράγονται ένυδρα ιόντα O 2, σύµφωνα µε την αντίδραση ενυδάτωσης που είναι: O 2 + H 2O + M O2 ( H 2O) + M + El ενώ ακόλουθα στάδια ενυδάτωσης µπορούν να συµβούν σύµφωνα µε την παρακάτω αντίδραση: O 2 ( H 2O) + H O + M O ( H O) + M + E. Κάτω από φυσικές ατµοσφαιρικές m m m συνθήκες στον αέρα συµπλέγµατα ένυδρων ιόντων οξυγόνου µε αριθµό µορίων νερού µεγαλύτερο από 3 (m>3) δεν είναι πολύ πιθανά λόγω του µικρού ρυθµού παραγωγής τους [8]. Στον αέρα υπό φυσικές συνθήκες, ο ιονισµός εξισορροπείται µέσω του απιονισµού και ο αέρας συµπεριφέρεται ηλεκτρικά ως µόνωση. Αν όµως εφαρµόσουµε µια θετική τάση (αρκετά µεγάλης τιµής) σ ένα διάκενο που έχει ως διηλεκτρικό µέσο τον αέρα, τότε ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται κοντά στην άνοδο, επιταχύνεται από το ηλεκτρικό πεδίο προς αυτήν και ιονίζει τα ουδέτερα µόρια του αέρα, παράγοντας έτσι νέα ελεύθερα ηλεκτρόνια, µε ένα ρυθµό παραγωγής α /µονάδα µήκους της O 2 12

15 διαδροµής του, κατά τη φορά του πεδίου. Ο α ονοµάζεται πρώτος συντελεστής ιονισµού ή αλλιώς άλφα του Townsend. Εξάλλου, ηλεκτρόνια είναι δυνατόν να προσαρτηθούν από ουδέτερα µόρια. Έστω λοιπόν ότι ο ρυθµός προσάρτησης αυτών των ηλεκτρονίων είναι η ανά µονάδα µήκους της διαδροµής τους. Αποτέλεσµα είναι, να δηµιουργούνται αρνητικά ιόντα. Τελικά η ηλεκτρονική στοιβάδα που προκύπτει, όταν θα φτάσει στην άνοδο θα έχει στην κεφαλή της, αριθµό ηλεκτρονίων η και ίδιο αριθµό επίσης θετικών ιόντων, r στην ουρά της, που δίνονται από την εξίσωση: = ( ), όπου και, 2 n exp a n d r x 1 r2 r1 η αρχή και το τέλος της διαδροµής του ελεύθερου ηλεκτρονίου. Τόσο ο συντελεστής α, όσο και ο n, εξαρτώνται από το ηλεκτρικό πεδίο Ε, καθώς και την πίεση p. Η a E εξάρτηση αυτή φαίνεται καθαρά στις παρακάτω σχέσεις: = f1 και p p n E = f 2. p p Από την παραπάνω εξίσωση που µας δίνει τον αριθµό n, φαίνεται εύκολα ότι απαραίτητη προϋπόθεση για να δηµιουργηθεί ηλεκτρονική στοιβάδα είναι ο καθαρός συντελεστής ιονισµού να είναι (α-n). Στον αέρα (αναφερόµενοι σε ατµοσφαιρικές συνθήκες πίεσης), η συνθήκη αυτή, ικανοποιείται όταν το πεδίο πάρει τιµές µεγαλύτερες από 26kV/cm. Σύµφωνα µε τη θεωρία του Meek[9], εάν στην κεφαλή της στοιβάδας, η ένταση του ακτινικού ηλεκτρικού πεδίου, αποκτήσει την ίδια τιµή µε την ένταση του αρχικώς επιβαλλόµενου γεωµετρικού πεδίου, τότε η αρχική στοιβάδα είναι δυνατόν να αποκτήσει ένα κρίσιµο µέγεθος που θα είναι ικανό να επιτρέψει τη δηµιουργία ενός αγώγιµου νηµατίου (του streamer). Ο streamer προκύπτει λοιπόν ως αποτέλεσµα της συγκέντρωσης ενός θετικού χωρικού φορτίου από θετικά ιόντα, το οποίο παρέµεινε στο διάκενο µετά την εξουδετέρωση των ηλεκτρονίων της κεφαλής της στοιβάδας φτάνοντας στην ακίδα. Επιπλέον να τονίσουµε στο σηµείο αυτό ότι ο σχηµατισµός του streamer, υποβοηθάτε και από τυχόν δευτερογενείς στοιβάδες, οι οποίες δηµιουργούνται από ηλεκτρόνια. Τα δε ηλεκτρόνια αυτά παράγονται κυρίως µε φωτοϊονισµό. Τώρα, σύµφωνα µε έναν άλλο ερευνητή, τον Raether[1] στα οµοιoγενή πεδία, αναγκαία και ικανή συνθήκη για να εξελιχθεί µια στοιβάδα σε streamer αποτελεί η r 2 8 παρακάτω εξίσωση: n = exp ( ) 1. Σύµφωνα λοιπόν µε την παραπάνω a n dx r1 σχέση το κριτήριο εξέλιξης µιας στοιβάδας σε streamer είναι, ο αριθµός των 8 ηλεκτρονίων στην κεφαλή της στοιβάδας να είναι τουλάχιστον ίσος µε 1. Σχετικά µε την πρόοδο του streamer, κάτω από την επίδραση του συνολικού πεδίου, το άθροισµα του πεδίου που οφείλεται στο χωρικό φορτίο και το γεωµετρικό, οι ακόλουθες στοιβάδες, που δηµιουργούνται είτε µε φωτοϊονισµό µπροστά από το streamer είτε µε ιονισµό κρούσης, φτάνουν το θετικό χωρικό φορτίο, το εξουδετερώνουν και αφήνουν ένα νέο θετικό φορτίο σε µια πιο αποµακρυσµένη θέση από το θετικό ηλεκτρόδιο. Με την ίδια διαδικασία διαδοχικά, ένα θετικό φορτίο κινείται βήµα βήµα στο διάκενο αφήνοντας πίσω του ένα µερικώς ιονισµένο νηµάτιο. Τα µεγέθη τα οποία έχουν σχέση µε τους streamer (δηλαδή µε τη δηµιουργία και την ανάπτυξη τους), έχουν απασχολήσει πολλούς ερευνητές. Ειδικότερα, ο Marode[11] θεωρεί ότι ο steamer αποτελείται:α) από την κεφαλή όπου λαµβάνουν 13

16 χώρα διάφορες διαδικασίες ιονισµού και β) από το κανάλι όπου ηλεκτρόνια τα οποία δηµιουργήθηκαν στην κεφαλή του, ρέουν µε κατεύθυνση προς το θετικό ηλεκτρόδιο και τελικά προσαρτώνται από ηλεκτραρνητικά µόρια. Έτσι λοιπόν προκύπτουν αρνητικά ιόντα. Ο δε Gallimberti[12], θεωρεί ότι ένας steamer διατηρείται και αναπτύσσεται µε σταθερό ρυθµό όταν ικανοποιείται η ακόλουθη εξίσωση: W = W + W. Η παραπάνω σχέση, όπως φαίνεται άλλωστε, εκφράζει το ισοζύγιο ενέργειας µέσα και γύρω από την κεφαλή του streamer, όπου, οι συνολικές απώλειες ενέργειας καθώς W l δηµιουργούνται νέες στοιβάδες, W pot είναι η µεταβολή της ηλεκτροστατικής ενέργεια στην κεφαλή του streamer, καθώς αναπαράγεται και είναι η ενέργεια που αποκτάται λόγω του εφαρµοζόµενου πεδίου. Aυτό το µοντέλο ανάπτυξης του streamer εξηγεί επαρκώς τη διαπίστωση ότι οι streamers µπορούν να προοδεύουν ακόµα και µε µηδενικό εφαρµοζόµενο ηλεκτρικό πεδίο. Τώρα, σ ένα ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο τα πράγµατα είναι πολύ διαφορετικά. Εδώ οι streamers προχωρούν κατά µήκος του διακένου µε ταχύτητα που ξεπερνά τα 1cm/µsec. Βέβαια η πορεία τους αυτή αναστέλλεται εξαιτίας της µείωσης του γεωµετρικού πεδίου αλλά και λόγω των σηµαντικών απωλειών ενέργειας, καθώς δηµιουργούνται νέες στοιβάδες. Κατά συνέπεια για να επιτευχθεί σταθερή ανάπτυξη των streamers σ ένα διάκενο θα πρέπει αντίστοιχα το πεδίο, να έχει µια ελάχιστη κρίσιµη τιµή. Ο προσδιορισµός της τιµής του πεδίου που απαιτείται για την πρόοδο των streamers αποτέλεσε αντικείµενο µελέτης πολλών ερευνητών. Τα αποτελέσµατα ποικίλουν ανάλογα µε τη διάταξη και το είδος της τάσης που χρησιµοποιήθηκαν για την παραγωγή των streamers, και ανάλογα µε την οµοιογένεια ή όχι του διακένου που µελέτησαν. Ωστόσο, γενικά θεωρείται ότι σε ατµοσφαιρικές συνθήκες πίεσης για τη σταθερή πρόοδο των streamers απαιτείται η πεδιακή ένταση να έχει τιµές της τάξης των 4.5-5kV/cm. Το κρίσιµο πεδίο (όπως αυτό ονοµάζεται), που απαιτείται για τη σταθερή πρόοδο των streamers, προέκυψε από έρευνες ότι έχει τα εξής ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά: αυξάνει, µε την αύξηση της απόλυτης υγρασίας και µε την αύξηση της πυκνότητας του αέρα. Έστω λοιπόν ένα ανοµοιογενές διάκενο. Αν εφαρµόσουµε τάση, δηµιουργούνται χωρικά φορτία, αντίθετης πολικότητας (κυρίως λόγω ιονισµού κρούσεως των µορίων του αέρα από ελεύθερα ηλεκτρόνια), που επιταχύνονται από το εφαρµοζόµενο πεδίο. Τώρα εξαιτίας της µεγάλης πυκνότητας του αέρα, αλλά και της διαφορετικής κινητικότητας ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων, δηµιουργούνται συγκεντρώσεις φορτίων. Αυτές οι συγκεντρώσεις ανακατανέµουν το ηλεκτρικό πεδίο και βοηθούν σηµαντικά να προοδεύσει ο ιονισµός ακόµα και σε περιοχές του διάκενο όπου το πεδίο λόγω της εφαρµοζόµενης τάσης από µόνο του δε θα µπορούσε να την εξασφαλίσει οδηγώντας µέχρι και στη διάσπαση του διακένου µέσω αγώγιµων οδών. Αν εφαρµόσουµε τώρα, σε ένα διάκενο ακίδας-πλάκας µια θετική κρουστική υψηλή τάση µε κατάλληλη τιµή, και επιπλέον διαθέτουµε τουλάχιστον ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, τότε παρατηρούµε ότι στην περιοχή γύρω από την ακίδα η πεδιακή ένταση παίρνει τέτοια τιµή, που µπορεί να οδηγήσει στο σχηµατισµό streamers. Όλοι αυτοί οι streamers που σχηµατίζονται, συνθέτουν τελικά την πρώτη corona. Έτσι λοιπόν, γύρω από την ακίδα, εντοπίζεται µια περιοχή υψηλού πεδίου, (περιοχή που αποκαλείται και κρίσιµος όγκος). Σε κάθε σηµείο αυτής, ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο µπορεί να οδηγήσει στο σχηµατισµό µιας στοιβάδας, η οποία θα είναι ικανή να µετασχηµατιστεί σε streamer. Κάπως έτσι ξεκινά η πρώτη corona. Βέβαια, αν η τάση που επιβάλλεται έχει τιµή τέτοια ώστε να είναι µόλις (οριακά δηλαδή) l W g pot g 14

17 ικανή να προκαλέσει την εµφάνιση πρώτης corona, τότε υπάρχει ένα και µοναδικό σηµείο από το οποίο µπορεί ένα ηλεκτρόνιο να ξεκινήσει και να οδηγήσει στο σχηµατισµό ηλεκτρονικής στοιβάδας. Αυξάνοντας σταδιακά την τάση δηµιουργείται ο λεγόµενος κρίσιµος όγκος. Το εσωτερικό όριο αυτού, καθορίζεται από το ελάχιστο µήκος που απαιτείται για το σχηµατισµό της κρίσιµης στοιβάδας (αφού ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στη γειτονιά της ακίδας συγκρούεται µ αυτή, τη στιγµή που το φορτίο της στοιβάδας δεν έχει ξεπεράσει ακόµα την τιµή του κρίσιµου φορτίου. Σε σηµεία τα οποία βρίσκονται εκτός του εξωτερικού ορίου του κρίσιµου όγκου για τον οποίο µιλήσαµε νωρίτερα, παρατηρήθηκε ότι µια στοιβάδα δεν µπορεί να αναπτυχθεί, καθώς το πεδίο παίρνει τιµές µικρότερες των 26KV/cm, πεδίο που απαιτείται για ιονισµό στην περιοχή. Υπάρχουν κάποιες παράµετροι οι οποίες οριοθετούν την περιοχή που εκτείνεται ο κρίσιµος όγκος. Πιο συγκεκριµένα, τα όρια αυτά καθορίζονται: α) από την τιµή του ηλεκτρικού πεδίου, δηλαδή από το είδος της ράβδου και το ποια είναι η γεωµετρία της στο σηµείο που αυτή απολήγει, β) από την τιµή της τάσης που εφαρµόζεται γ) από το χρόνο. Ως γνωστόν, η πρώτη corona αναπαριστά στην ουσία την πρώτη διαδικασία ιονισµού που παρατηρείται. Η πρώτη corona ή πιο απλά η έναρξη της εκκένωσης καθορίζεται δηλαδή από την τιµή του ηλεκτρικού πεδίου, από τον όγκο που διαπιστώνεται γύρω από την ακίδα, αλλά και το ρυθµό µε τον οποίο παράγονται µέσα στον όγκο αυτό τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στον αέρα και κατά συνέπεια και στον κρίσιµο όγκο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια προκύπτουν µ ένα µάλλον αργό ρυθµό. Εποµένως για την περίπτωση των κρουστικών τάσεων, που ο χρόνος έναρξης της corona είναι πολύ µικρός (της τάξης των εκατοντάδων µsec), η απόσπαση ηλεκτρονίων από αρνητικά ιόντα κάτω από την επίδραση του εφαρµοζόµενου ηλεκτρικού πεδίου πιστεύεται ότι είναι ο κύριος µηχανισµός παραγωγής πρωτογενών ηλεκτρονίων. Ποια όµως είναι η µορφή που παίρνει η πρώτη corona; Σύµφωνα µε την έρευνα που πραγµατοποίησαν οι Park και Cones[13] εµφανίζεται σαν µια θυσανοειδής εκκένωση, η οποία αποτελείται από πολλούς streamers. Όλοι αυτοί οι streamers έχουν σηµείο έναρξης µια φωτεινή ρίζα η οποία βρίσκεται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου (τον stem). Με την έναρξη της πρώτης corona τι συµβαίνει; Ένα ποσό αρνητικού φορτίου που δηµιουργήθηκε µε διαδικασίες ιονισµού ρέει διαµέσου των streamers και του stem προς την ακίδα. Αποτέλεσµα αυτού είναι να παραµένει στο διάκενο, ένα θετικό φορτίο, που προκαλεί ανακατανοµή του πεδίο. Μ αυτόν τον τρόπο στην περιοχή γύρω από την ακίδα διαπιστώνεται µείωση της έντασης του πεδίου. Ωστόσο έξω από τα όρια ανάπτυξης της corona εντοπίζεται αύξηση της πεδιακής έντασης. Από την έρευνα προέκυψε ότι οι streamers της πρώτης corona δεν είναι επαρκώς αγώγιµοι αφού µπορεί να ακουµπούν σ ένα γειωµένο ηλεκτρόδιο και παρ όλα αυτά να µην προκληθεί διάσπαση. Σύµφωνα µε µετρήσεις του πεδίου (από τους Meek και Collins), στην καταπονούµενη από θετική κρουστική τάση ακίδα και στη γειωµένη πλάκα, παρατηρήθηκε ως αποτέλεσµα της εµφάνισης της πρώτης corona, µια απότοµη µείωση του πεδίου στην περιοχή γύρω από την ακίδα και µια ταυτόχρονη αύξηση του πεδίου γύρω από την πλάκα, που οφείλονται στο σχηµατισµό του θετικού χωρικού φορτίου στην περιοχή του ηλεκτροδίου υψηλής. 15

18 Ακόµα, από µετρήσεις του πεδίου στα ηλεκτρόδια ενός διακένου (αναφερόµενοι βέβαια πάντα για την ίδια εκκένωση), οδηγήθηκαν στο συµπέρασµα ότι αυτές οι ανακατατάξεις του πεδίου συµβαίνουν ταυτόχρονα σε κάθε ηλεκτρόδιο. Αναφορικά µε την πρώτη corona, σηµειώνουµε ότι τόσο η κατανοµή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την περιοχή όπου αναπτύσσεται η corona, όσο και οι ατµοσφαιρικές συνθήκες, είναι δύο πολύ σηµαντικοί παράγοντες οι οποίοι καθορίζουν ουσιαστικά και το µέγεθος που θα λάβει η corona. Από την πρώτη corona εκχέετε µια ποσότητα φορτίου. Αυτό λοιπόν το φορτίο είναι δυνατόν σε πεδία που παρουσιάζουν έντονη ανοµοιογένεια, να προκαλέσει αισθητή µείωση της πεδιακής έντασης στο χώρο γύρω από την ακίδα. Είναι γνωστό, ότι το πεδίο µέσω του οποίου εξελίσσεται η corona, είναι συνισταµένη δύο πεδίων: του ηλεκτρικού και του πεδίου που εφαρµόζεται στο διάκενο (γεωµετρικό). Εποµένως, η εκκένωση θα συνεχιστεί εάν και εφόσον αποκατασταθεί το πεδίο (δηλαδή εάν και εφόσον η πεδιακή ένταση είναι τέτοιας τιµής ώστε να εξασφαλίζεται η συνέχεια του ιονισµού). Για να συµβεί βέβαια µια αποκατάσταση του πεδίου, απαιτείται κάποιος εύλογος χρόνος, ο οποίος καλείται σκοτεινή περίοδος. Μέσα σ αυτό το χρόνο που διαρκεί η σκοτεινή περίοδος δεν ανιχνεύονται τυχόν διαδικασίες ιονισµού στο διάκενο. Έτσι µε το πέρας της σκοτεινής περιόδου όταν ανακάµψει το πεδίο, ξεκινούν νέοι streamers (από το stem της πρώτης corona), οι οποίοι αναπτύσσονται στην έξω περιοχή και κατά συνέπεια κατορθώνουν να αποφύγουν το χωρικό φορτίο της πρώτης corona. Η ανάπτυξη τους συνοδεύεται από ένα δεύτερο µέγιστο στο ρεύµα που αντιστοιχεί στη γρήγορη ανάπτυξη της δεύτερης corona. Συγχρόνως παρατηρείται κάτι ακόµα ιδιαίτερα σηµαντικό. Στην περιοχή της πλάκας, το ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει µια δεύτερη πτώση, που είναι αποτέλεσµα του νέου θετικού χωρικού φορτίου που δηµιουργήθηκε. Κατά συνέπεια, η τιµή που έχει το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή του stem της πρώτης corona, επηρεάζει (ή αλλιώς καθορίζει) την έναρξη της δεύτερης corona (πόρισµα στο οποίο κατέληξαν οι Gallimberti και Stassinopoulos[14]). Επίσης, η εκκένωση θα συνεχίσει να εξελίσσεται είτε αυξηθεί η εφαρµοζόµενη τάση είτε αλλάξει κάποιο από τα χαρακτηριστικά του stem, π.χ η αγωγιµότητα του. Τη δεύτερη corona ακολουθεί η συνεχής ανάπτυξη της εκκένωσης. Μιλώντας για ανάπτυξη της εκκένωσης εννοούµε πολύ απλά την έναρξη καθώς και την επιµήκυνση του leader. Ωστόσο, η εµφάνιση της δεύτερης corona δεν ταυτίζεται απαραίτητα µε την έναρξη της προόδου του leader αφού στην περίπτωση ακίδων µε µικρή ακτίνα καµπυλότητας, πολλές corona µπορεί να εµφανιστούν πριν από την έναρξη της συνεχούς αύξησης του leader. Επιπλέον σε πεδία σχεδόν οµοιογενή, είναι δυνατόν να µην υπάρχει σκοτεινή περίοδος. Κατά συνέπεια ο χρόνος έναρξης της πρώτης corona δύναται να ταυτίζεται µε το χρόνο εµφάνισης του leader. Σ όλες τις περιπτώσεις όµως, ο leader αναπτύσσεται πάντοτε από το stem της corona. Έτσι η δηµιουργία του stem καθώς και τα χαρακτηριστικά του, απασχόλησαν πολύ την έρευνα ιδιαίτερα σε διάκενα µικρού µήκους. Τα µοντέλα τα οποία προτάθηκαν για τη µετάβαση από το streamer στο leader, στηρίχθηκαν στην εξής θεώρηση: ότι προϋπόθεση για να συµβεί αυτή η µετάβαση είναι η απότοµη αύξηση της αγωγιµότητας του stem της corona. Σύµφωνα µε την έρευνα του Gallimberti[8], η ενέργεια που αποκτάται εξαιτίας της ροής του ρεύµατος αποθηκεύεται και κατόπιν εκτονώνεται (ως θερµική ενέργεια) µετά από ορισµένο χρόνο. Η στιγµή που θα συµβεί αυτή η εκτόνωση εξαρτάται κατά κύριο λόγο από δύο παράγοντες: από τη θερµοκρασία του αερίου αλλά και από την απόλυτη υγρασία. Το γεγονός ότι καθυστερεί χρονικά αυτή η αύξηση της θερµοκρασίας έχει ως συνέπεια τη θερµική απόσπαση ηλεκτρόνιων από τα αρνητικά 16

19 ιόντα των streamers. Κατ αυτόν τον τρόπο µεταβάλλεται ένα από τα χαρακτηριστικά του stem. Πιο συγκεκριµένα, αυξάνεται η αγωγιµότητα του stem. Επιπλέον τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στο stem, ρέουν προς το θετικό ηλεκτρόδιο σε πολύ µικρό χρόνο, µε αποτέλεσµα την απότοµη αύξηση του θετικού του φορτίου. Έτσι λοιπόν ενδεχόµενη αλλαγή της αγωγιµότητας αλλά και του θετικού φορτίου του stem, θα οδηγήσει σε απότοµη αύξηση του πεδίου στην περιοχή γύρω από το stem. Η αύξηση αυτή είναι δυνατόν να σηµάνει νέο ξεκίνηµα φαινοµένων ιονισµού όπως τη δεύτερη corona και το σχηµατισµό του leader. Ο leader είναι ένα στενό και ακανόνιστο αγώγιµο κανάλι. Κατεύθυνση διάδοσης του είναι από το θετικό ηλεκτρόδιο προς την πλάκα. Σχηµατίζει µάλιστα γωνία µε το εφαρµοζόµενο πεδίο. Για έναν leader, η αγωγιµότητα του είναι σηµαντικά µεγαλύτερη απ αυτή των streamers των corona. Αυτή η διαπίστωση δικαιολογείται από το γεγονός ότι το πεδίο που απαιτείται για την ανάπτυξη του leader είναι περίπου 1kV/cm. Η εξέλιξη του leader είναι συνεχής. Ωστόσο µπορεί να είναι διακοπτόµενη, µε ξαφνικές επιµηκύνσεις, µέσω διαδοχικών εκκενώσεων corona. Οι εκκενώσεις αυτού του είδους ξεπηδούν από το άκρο του leader και λέγονται leader coronas. Το αν η πρόοδος του leader θα είναι συνεχής ή διακοπτόµενη, εξαρτάται από το ρυθµό µε τον οποίο αυξάνεται η εφαρµοζόµενη τάση. Η leader corona είναι µια εκκένωση µε νηµατοειδή δοµή που ιονίζει τον αέρα µπροστά από το κανάλι του leader. Σε σχέση µε την πρώτη corona, έχει πιο αδύνατη και διάχυτη δοµή, και επιπλέον αναπτύσσεται για υψηλότερες τιµές του πεδίου, µε ταχύτητα µάλιστα, µεγαλύτερη. Καθώς ο leader προοδεύει µε συνεχή τρόπο, επιµηκύνεται µε σχεδόν σταθερή ταχύτητα περίπου 1,5-2cm/µsec και µε σταθερό ρεύµα που σηµαίνει ένα σταθερό φορτίο, της τάξης µερικών δέκατων του µc/m. Βέβαια η πρόοδος των leader µπορεί κάλλιστα να είναι διακοπτόµενη, µέσω ξαφνικών επιµηκύνσεων οι οποίοι συνοδεύονται από µεγάλους παλµούς ρεύµατος. Οι ξαφνικές αυτές επιµηκύνσεις του leader ονοµάζονται restrikes. Άµεση συνέπειά τους είναι η αύξηση της συνολικής ταχύτητας διάδοσης του leader, παρόλο που η ταχύτητα µεταξύ των restrikes είναι περίπου σταθερή. Όταν ένας µεγάλος αριθµός steamers της leader corona ακουµπήσουν την πλάκα, τότε ξεκινά το τελικό άλµα (το τελικό άλµα είναι το τελευταίο στάδιο διάδοσης του leader). Στο στάδιο λοιπόν αυτό, η ταχύτητα του leader αλλά και το ρεύµα της εκκένωσης αυξάνουν σχεδόν εκθετικά. Τελικά το φαινόµενο της διάσπασης ολοκληρώνεται µε την αγώγιµη σύνδεση ακίδας-πλάκας. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται το τελευταίο στάδιο της εκκένωσης. Η τάση στο διάκενο δίνεται από την ακόλουθη σχέση V = E L + E L όπου E η µέση πεδιακή ένταση κατά µήκος του leader, l l l s s E η µ έση πεδιακή ένταση κατά µήκος των streamers, L l το µήκος του leader και L s το µήκος των streamers. Καθώς εξελίσσεται το τελικό άλµα, η εκκένωση αναπτύσσεται ιδιαίτερα γρήγορα. Έτσι λοιπόν η τάση καθώς ξεκινάει το τελικό άλµα, συµπίπτει σχεδόν µε την τάση διάσπασης του διακένου. Κατά συνέπεια η εκκένωση ολοκληρώνεται µε το τελικό άλµα, και όχι µε το σχηµατισµό του leader. Και αυτό γιατί η εξέλιξη του leader µπορεί ξαφνικά να διακοπεί. Η εξέλιξη της εκκένωσης ενός ανοµοιογενούς διακένου, όταν αυτό καταπονείται µε θετική SI κρουστική τάση, ήταν ένα s 17

20 φαινόµενο που απασχόλησε πολλούς ερευνητές. Μετά λοιπόν από εκτεταµένη έρευνα είµαστε πλέον σε θέση να υπολογίσουµε µε µεγάλη ακρίβεια τη διηλεκτρική αντοχή ενός διακένου. Πρέπει επιπλέον να τονίσουµε κάτι ιδιαιτέρως σηµαντικό: η παραπάνω περιγραφή που έγινε, αναφορικά µε το µηχανισµό διάσπασης, δεν µπορεί να γενικευτεί και να συµπεριλάβει όλες τις κατηγορίες των µηχανισµών διάσπασης που εµφανίζονται στην πράξη, αφού αυτή αναφέρεται στο γενικότερο µηχανισµό διάσπασης διακένων ακίδας πλάκας υπό την επιβολή θετικών κρουστικών υψηλών τάσεων. Ο µηχανισµός διάσπασης, κάθε φορά διαφέρει, καθώς αυτός εξαρτάται: α) από την πολικότητα της τάσης που καταπονεί το διάκενο, β) από το είδος και την απόσταση των ηλεκτροδίων του, γ) από το είδος διηλεκτρικού και τις συνθήκες του καθώς δ) και από τις ατµοσφαιρικές συνθήκες. 18

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ ΙΑΣΠΑΣΗΣ Οι τυπικές καµπύλες πιθανότητας διάσπασης για τις θετικές κρουστικές υψηλές τάσεις φαίνονται στο σχήµα 3.1 για τον αέρα και στο σχήµα 3.2 για την επικάλυψη (PTFE), ενώ στα σχήµατα 3.3 και 3.4 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες περιπτώσεις για αρνητικές Κρ.Υ.Τ. Οι υπόλοιπες καµπύλες πιθανότητας διάσπασης παρουσιάζονται στο Α.Παράρτηµα. Από τα σχήµατα παρατηρείται εύκολα η αύξηση της τάσης διάσπασης µε την αύξηση του µήκους του διακένου και για τις δύο πολικότητες Κρ.Υ.Τ. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε µεγαλύτερες τάσεις διάσπασης µόνο για τις θετικές Κρ.Υ.Τ., καθώς και σε µεγαλύτερες τυπικές αποκλίσεις στην τάση διάσπασης. Όταν στα δοκίµια επιβάλλεται αρνητική Κρ.Υ.Τ. οι καµπύλες πιθανότητας διάσπασης παρουσιάζουν εξαιρέσεις από την κανονική κατανοµή, οι οποίες λόγω του µικρού αριθµού των µετρήσεων δεν µπόρεσαν να οµαδοποιηθούν. Αυτές οι εξαιρέσεις είχαν ως αποτέλεσµα να µη µπορεί να υπολογιστεί η U 5 υπό αρνητική Κρ.Υ.Τ.. Όµως σκοπός της εργασίας δεν ήταν να µελετηθούν οι εξαιρέσεις, αλλά η επίδραση της επικάλυψης. 1% Καµπύλη πιθανότητας διάσπασης Si+ 8% 6% p 4% 2% 12.5air 25air 37.5air 5air % U(kV) Σχήµα

22 Καµπύλη πιθανότητας διάσπασης Si+ 1% 8% 6% p 4% 2% 12.5ptfe 37.5ptfe 25ptfe 5ptfe % U(kV) Σχήµα 3.2 Καµπύλη πιθανότητας διάσπασης Si- 1% 8% 6% p(u) 4% 2% 12.5air 25air 37.5air % U(kV) Σχήµα 3.3 2

23 Καµπύλη πιθανότητας διάσπασης Si- 1% 8% p(u) 6% 4% 2% 12.5ptfe 25ptfe 37.5ptfe % U(kV) Σχήµα

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΡΟΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ 4.1 ΠΡΩΤΗ CORONA (υπό 1 % τάση διάσπασης) Χρόνος εµφάνισης πρώτης corona Στο διάγραµµα (σχήµα 4.1.1) σχεδιάστηκαν οι µέσοι χρόνοι εµφάνισης της πρώτης corona συναρτήσει του µήκους του διακένου. ιαπιστώνεται τάση µείωσης του χρόνου εµφάνισης της πρώτης corona µε την αύξηση του µήκους του διακένου, εντονότερη υπό αρνητική Κρ.Υ.Τ. και στον αέρα σε σχέση µε την επικάλυψη. Οι χρόνοι έναυσης είναι µεγαλύτεροι υπό αρνητική Κρ.Υ.Τ. κυρίως στα µικρά µήκη διακένων και στον αέρα σε σχέση µε την επικάλυψη. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε µεγαλύτερους χρόνους έναυσης της πρώτης corona υπό θετικές Κρ.Υ.Τ.. 9 Χρόνος εµφάνισης πρώτης corona ΑέραςSi+ ΑέραςSi- ptfesi+ ptfesi- 6 t1 (µs) Σχήµα Τάση εµφάνισης πρώτης corona Σ αυτό το διάγραµµα (σχήµα 4.1.2) συσχετίστηκε η µέση τιµή της τάσης εµφάνισης της πρώτης corona µε το αντίστοιχο µήκος διακένου. Παρατηρείται αύξηση της τάσης εµφάνισης, µε την αύξηση του µήκους του διακένου, η οποία είναι πιο έντονη υπό αρνητικές Κρ.Υ.Τ. και µάλιστα λαµβάνει µεγαλύτερες τιµές τάσεις σε σχέση µε τις θετικές. Η επικάλυψη της ακίδας στις θετικές Κρ.Υ.Τ. οδηγεί σε µεγαλύτερες τάσεις σε σχέση µε τον αέρα, η διαφορά αυτή διατηρείται σταθερή και δεν επηρεάζεται από το µήκος του διακένου. Ενώ στις αρνητικές Κρ.Υ.Τ., για µικρά µήκη διακένων, η τάση είναι µικρότερη σε σχέση µε τα διάκενα αέρα. Η διαπίστωση αυτή αντιστρέφεται για µεγαλύτερα µήκη διακένων. 22