ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικών Βιομηχανικών Διατάξεων και Συστημάτων Αποφάσεων

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικών Βιομηχανικών Διατάξεων και Συστημάτων Αποφάσεων «ΔΙΑΡΡΟΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΛΟΓΩ ΜΕΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΣΤΟ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟ ΧΑΡΤΙ ΕΝΤΟΣ ΕΛΑΙΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΣΕ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΥΠΟ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ 1/ μs» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ ΓΙΑΝΝΗΣ Επιβλέπων: Κ. Καραγιαννόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π. ΑΘΗΝΑ 1

2 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικών Βιομηχανικών διατάξεων και Συστημάτων Αποφάσεων «ΔΙΑΡΡΟΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΛΟΓΩ ΜΕΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΣΤΟ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟ ΧΑΡΤΙ ΕΝΤΟΣ ΕΛΑΙΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΣΕ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΣ ΠΕΔΙΟ ΥΠΟ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ 1/ μs» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ ΓΙΑΝΝΗΣ Επιβλέπων : Κ. Καραγιαννόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριμελή επιτροπή Π.Δ. Μπούρκας Καθηγητής Ε.Μ.Π. Ν. Θεοδώρου Καθηγητής Ε.Μ.Π. Κ. Καραγιαννόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π.

3 Παναγιωτόπουλος Γιάννης Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Παναγιωτόπουλος Γιάννης 1 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος, All rights reserved Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή της προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι εκφράσεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δ πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. 3

4 Πρόλογος Σκοπός αυτής της διπλωματικής είναι η ανάλυση των επιπτώσεων των μερικών εκκώσεων σε βιομηχανικά μονωτικά υλικά υπό κρουστικές τάσεις. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η διαρροή ρεύματος λόγω μερικών εκκώσεων σε πεπιεσμένο χαρτί πάχους d=1mm και d=mm τός ελαίου μετασχηματιστών υπό κρουστικές τάσεις ±1/μs. Αρχικά παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο περιγράφονται τα στερεά και υγρά μονωτικά που αποτελούν το αντικείμο έρευνας της διπλωματικής και αναλύεται η συμπεριφορά τους κατά την επιβολή υψηλής τάσης. Στη συνέχεια γίνεται η στατιστική μελέτη της γήρανσης του μονωτικού χαρτιού υπό κρουστικές τάσεις διάφορων μορφών δίνονται πίνακες και χαρακτηριστικές συναρτήσεις των αντίστοιχων μεγεθών. Τέλος παρουσιάζονται οι προσεγγιστικοί τύποι που εξάγονται από τις χαρακτηριστικές αυτές και καταλήγουμε στα συμπεράσματα που εξάχθηκαν από αυτή τη διπλωματική. Τα στοιχεία για το θεωρητικό σκέλος της εργασίας αντλήθηκαν κυρίως από το βιβλίο του καθηγητή Π.Δ. Μπούρκα << Βιομηχανικές Ηλεκτρικές Διατάξεις και Υλικά >>. Άλλες πηγές αναφέρονται στη βιβλιογραφία στο τέλος της διπλωματικής εργασίας. 4

5 Περιεχόμα 1. Εισαγωγή Καθορισμός Εννοιών για την Ηλεκτρική Αντοχή των Μονώσεων Βασικά Κριτήρια Αξιολόγησης των Μονωτικών Υλικών Τα υγρά μονωτικά Βασικά χαρακτηριστικά των υγρών μονωτικών Το μονωτικό λάδι Τεχνικά χαρακτηριστικά των υγρών μονωτικών υλικών Συντήρηση επεξεργασία μονωτικού λαδιού Μέσα ελέγχου της μονωτική ικανότητας του λαδιού κατά τη λειτουργία των μετασχηματιστών Φαινόμα προ και κατά τη διάσπαση των στερεών μονωτικών υλικών Η μακροσκοπική θεωρία των φαινομένων προ και κατά τη διάτρηση των στερεών μονωτικών Η θερμική διάτρηση Η ηλεκτρική διάτρηση Η διάσπαση λόγω μερικών εκκώσεων Η θερμοχημική διάτρηση Συνδυασμοί των παραγόντων γήρανσης και διάτρησης Στατιστικές μετρήσεις των μερικών εκκώσεων Η επιφανειακή διάσπαση και η υπερπήδηση Η κβαντομηχανική θεωρία της γήρανσης και της διάσπασης των στερεών μονωτικών Φαινόμα προ της διάσπασης των στερεών μονωτικών υλικών Το φάσμα της εκπεμπόμης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά τη διάτρηση Φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά την επιφανειακή διάσπαση 47 5

6 Ένας συνδυασμός της μακροσκοπικής και της κβαντομηχανικής θεωρίας για τα φαινόμα προ και κατά τη διάσπαση των στερεών μονωτικών των πρακτικών εφαρμογών 51. Σκοπός της εργασίας Στατιστική μελέτη της γήρανσης πεπιεσμένου χαρτιού τός μονωτικού ελαίου υπό κρουστική τάση +1/μs και -μs Συγκτρωτικοί πίνακες και σχεδιαγράμματα για δείγμα πάχους d=1mm υπό κρουστική τάση +1/μs Συγκτρωτικοί πίνακες και σχεδιαγράμματα για δείγμα πάχους d=1mm υπό κρουστική τάση -1/μs Συγκτρωτικοί πίνακες και σχεδιαγράμματα για δείγμα πάχους d=mm υπό κρουστική τάση +1/μs Συγκτρωτικοί πίνακες και σχεδιαγράμματα για δείγμα πάχους d=mm υπό κρουστική τάση -1/μs 1 4. Παρατηρήσεις Συμπεράσματα 117 Βιβλιογραφία 119 6

7 1. Εισαγωγή 1.1 Καθορισμός Εννοιών για την Ηλεκτρική Αντοχή των Μονώσεων Ως μονωτικά υλικά ή μονωτές χαρακτηρίζονται τα υλικά που πρακτικά έχουν μηδική ηλεκτρική αγωγιμότητα σε σχετικά ασθή πεδία συνεχούς ρεύματος. Οι μονωτές είναι σώματα μοριακής, ιοντικής ή ομοιοπολικής σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση τα σώματα αυτά δ διαθέτουν αξιόλογο αριθμό ελεύθερων φορέων ώστε να εκδηλώσουν ουσιαστική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Πάντως είναι πρακτικά αναπόφευκτη σε κάθε μονωτικό υλικό η ύπαρξη κάποιων ανωμαλιών (προσμίξεις, ξένες επικαθήσεις στην επιφάνειά του, διασπάσεις κα) που να οδηγούν στη μείωση της μονωτικής του ικανότητας. Σκοπός των μονώσεων σε μια ηλεκτροτεχνική κατασκευή είναι ο διαχωρισμός μεταξύ των ρευματοφόρων μερών και των ρευματοφόρων μερών με τη γη, κατά τρόπο ώστε το σχηματιζόμο ηλεκτρικό πεδίο να είναι ηλεκτροστατικό. Η ανάγκη για την εκπλήρωση του σκοπού αυτού και η μελέτη των φαινομένων που προκαλούν ολική ή μερική αναίρεση του ηλεκτροστατικού πεδίου σε μια κατασκευή οδήγησαν στον καθορισμό ορισμένων νοιών. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε μια εξειδικευμένη περιοχή της ηλεκτρολογίας που αφορά τη διηλεκτρική αντοχή των μονώσεων. Ο όρος διάσπαση αναφέρεται στην αγώγιμη σύνδεση δύο μονωμένων μεταξύ τους ηλεκτροδίων μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης. Όταν η διάσπαση συμβαίνει με εκκένωση επί της επιφάνειας ός στερεού μονωτικού ονομάζεται επιφανειακή διάσπαση. Η διάσπαση στο περιβάλλον μέσο ός στερεού μονωτικού, λόγω μείωσης της απόστασης μόνωσης του από αγώγιμες ξένες επικαθήσεις στην επιφάνειά του καλείται υπερπήδηση ώ η διάσπαση μέσω του όγκου του διάτρηση. Στις διάφορες πρακτικές εφαρμογές υψηλών τάσεων συναντώνται πολύ συχνά χωρικά φορτία μεταξύ των ηλεκτροδίων. Σε μια δεδομένη διάταξη δύο ηλεκτροδίων τα χωρικά φορτία συγκτρώνονται προ του ηλεκτροδίου με την αντίθετη προς αυτά πολικότητα και σχηματίζουν έτσι ένα νέφος χωρικών φορτίων. Το πεδίο είναι χωρικό όταν τα φορτία του νέφους αυτού είναι αμετακίνητα. Μέχρι μια τιμή της εφαρμοζόμης τάσης (ή της εφαρμοζόμη πεδιακής έντασης) υπάρχει μια κατάσταση ισορροπίας μεταξύ των εξασκούμων δυνάμεων Coulomb ώστε το πεδίο να παραμένει χωρικό. Όταν ξεπεραστεί η τιμή αυτή του πεδίου καταστρέφεται η κατάσταση ισορροπίας (χωρίς να προκαλείται διάσπαση) με αποτέλεσμα να εκδηλώνονται περιορισμένης έκτασης ηλεκτρικά φαινόμα που ονομάζονται μερικές εκκώσεις. Οι 7

8 εκκώσεις στον όγκο ός στερεού μονωτικού χαρακτηρίζονται ως εσωτερικές μερικές εκκώσεις ώ αυτές τις επιφάνειας ως εξωτερικές μερικές εκκώσεις. Οι εκκώσεις που παρατηρούνται στον αέρα γύρω από τους γυμνούς αγωγούς ονομάζονται στεμματοειδείς μερικές εκκώσεις ή Korona. Η εργός τιμή της εφαρμοζόμης τάσης κατά την έναρξη των μερικών εκκώσεων ονομάζεται τάση έναρξης των μερικών εκκώσεων ή αρχική τάση ώ η αντίστοιχη πεδιακή ένταση καλείται πεδιακή ένταση έναρξης των μερικών εκκώσεων. 1. Βασικά Κριτήρια Αξιολόγησης των Μονωτικών Υλικών Η ανάγκη για την αξιόπιστη διαχρονική συμπεριφορά των διαφόρων μονωτικών υλικών σε μία κατασκευή υψηλών τάσεων έχει οδηγήσει σε ορισμένα βασικά κριτήρια αξιολόγησής τους, τα οποία αναφέρονται σε διάφορες ιδιότητες που πρέπει να έχουν πέραν των ηλεκτρικών, ανάλογα με την κατασκευή τους. Τέτοιες ιδιότητες είναι π.χ. η θερμική αντοχή κατά την απαγωγή των απωλειών Joule των αγωγών, η ψυκτική ικανότητα κατά τη σβέση του ηλεκτρικού τόξου σε διακόπτες, η μηχανική αντοχή των μονωτήρων (π.χ. λόγω του βάρους της γραμμής), η αντοχή κατά την εκδήλωση βραχυκυκλώματος, κ.λπ. Τα κριτήρια αυτά είναι: 1) Η διηλεκτρική αντοχή Ως διηλεκτρική αντοχή ( E d) ός μονωτικού υλικού τός ομογούς πεδίου έχει οριστεί το πηλίκο της ελάχιστης τιμής της τάσης για τη διάσπαση προς την απόσταση των ηλεκτροδίων. E = U d (συνήθως σε kv/cm) (1.-1) d d min / Η τιμή της d E είναι ένα κριτήριο για την επιλογή των διάφορων μονωτικών σε μια κατασκευή. Οι τιμές που δίνονται στον παρακάτω πίνακα για τη διηλεκτρική αντοχή μερικών μονωτικών υλικών (σε ομογές πεδίο συχνότητας 5Hz και για μικρό χρόνο καταπόνησης) δείχνουν τη δυνατότητα αυτή. 8

9 Μονωτικό υλικό d (mm) E d (kv/cm) Αέρας 1 Λάδι 6 μετασχηματιστών Πορσελάνη, Στεατίτης,5 3 3 Γυαλί < Χαρτόνι,5 1, Χαρτί στο λάδι < 4 Σκληρό ελαστικό < Γύλο < Glimmer,1,1 5 1 Πίνακας 1.-1 : E d για καταπόνηση μικρής χρονικής διάρκειας ορισμένων μονωτικών υλικών σε ομογές πεδίο συχνότητας 5 Hz. ) Η σχετική διηλεκτρική σταθερά Η σχετική διηλεκτρική σταθερά ( r ε ) δίνει το πόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα μίας διάταξης συγκριτικά προς εκείνη στο κό ή στον αέρα. Οι σχετικές διηλεκτρικές σταθερές των διαφόρων μονωτικών, που συνθέτουν μία μόνωση (π.χ. περιελίξεις μετασχηματιστών και μονώσεις καλωδίων), θα πρέπει να επιλέγονται κατά τρόπο, ώστε να εξομαλύνεται το πεδίο στις διαχωριστικές επιφάνειές τους, για να μη διευκολύνεται η εκδήλωση μερικών εκκώσεων. Αυτός είναι και ο λόγος που ο συνδυασμός του χαρτιού με το μονωτικό λάδι βρίσκει πολλές εφαρμογές. Τα δύο αυτά μονωτικά έχουν την ίδια περίπου σχετική διηλεκτρική σταθερά (όπως φαίνεται στον πίνακα 1.-) με αποτέλεσμα να μην συμβαίνει ουσιαστικά διάθλαση των γραμμών στη διαχωριστική επιφάνειά τους. Επιπλέον το λάδι εμποτίζει το χαρτί, ώστε να αποκλείεται η ύπαρξη του αέρα, ο οποίος θα μπορούσε να δημιουργήσει προβλήματα (κυρίως βλάβες στην επιφάνεια του χαρτιού από μερικές εκκώσεις ή διάσπαση σε φυσαλίδες του αέρα), λόγω της μικρής του διηλεκτρικής αντοχής (πίνακας 1.-1). 9

10 Υλικό ε r Υλικό ε r Αέρας (κανονικές συνθήκες) Αέρας (υγρός) Αποσταγμένο νερό Βακελίτης Condesa Glimmer Γυαλί 1,594 Πάγος 3 1,5 Pertinax 4,8 5,4 8 PVC 4 6 3,5 8, Plexiglas,6 3,5 4 8 Πορσελάνη 5, Presspann,5 3, Ρητίνη, Θερμοπλαστικά 5 SF6 1,49 συνθετικά Μονωτικό λάδι,5 Στεατίτης 6,4 Λάστιχο,8 6,5 Teflon,1 Mikanit 4 6 Χαλαζίας 3 7 Ξύλο,5 6,5 Χαρτί 1,8,6 Πίνακας 1.- : Σχετική διηλεκτρική σταθερά ορισμένων υλικών στους o C. 3) Ο συντελεστής απωλειών Σε μία μόνωση, που παρεμβάλλεται μεταξύ ηλεκτροδίων με σκοπό τη δημιουργία ός ηλεκτροστατικού πεδίου, υπάρχουν πάντοτε ανεπιθύμητες απώλειες έργειας. Οι απώλειες οφείλονται στην κατανάλωση έργειας κατά τη διαρκή αλλαγή της φοράς της ηλεκτρικής ροπής των δίπολων στο ρυθμό της αλλαγής της πολικότητας της αλλασσόμης τάσης και στην πολύ μικρή ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα, που έχουν τα μονωτικά υλικά (σχήμα 1.-1). Ο μονωτής επομένως παρουσιάζει εκτός από το χωρητικό ρεύμα I c κι ένα ρεύμα διαρροής r I το οποίο σταδιακά αυξάνει καθώς η αγωγιμότητα του μονωτή γίνεται μεγαλύτερη (π.χ. κατά την εκδήλωση μερικών εκκώσεων ή τη θερμική καταπόνηση του μονωτή από τις απώλειες των αγωγών). 1

11 α γ ω γ ο ί γ ια µ ε τ α φ ο ρ ά ε ν έ ρ γ ε ια ς α γ ω γ ο ί α ν τ ισ τ ά σ ε ω ν νερ ό µ ο νω τ ικ ά α έ ρ ια σ ο /[Ω c m ] 1. 1 E E E + 1. E E E E - Σχήμα 1.-1 : Τάξη μεγέθους της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας διαφόρων κατηγοριών υλικών Στο σχήμα 1.- δίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα της πυκνωτή C με ομοιογές διηλεκτρικό και απώλειες (λόγω της αγωγιμότητας του G). U C G I c Ι δ φ I R Σχήμα 1.- : Ισοδύναμο κύκλωμα ός πυκνωτή C με απώλειες λόγω της αγωγιμότητας G του διηλεκτρικού του Ο συντελεστής απωλειών: Ir tgδ = = I c G ωc (1.-) είναι κριτήριο αξιολόγησης του διηλεκτρικού (ή μίας μονωτικής διάταξης γικότερα), γιατί δίνει πληροφορίες για την αγωγιμότητά του. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα ο συντελεστής απωλειών αυξάνει εκθετικά με τη θερμοκρασία. 11

12 tgδ,, Θ ( ο C) Σχήμα 1.-3 : tg δ ορισμένων διηλεκτρικών 1 : σκληρό χαρτί : πορσελάνη Οι απώλειες Joule ( P w) στην αγωγιμότητα Gείναι: = I U = G U = U ω C tgδ = PΒ Pw r tgδ (1.-3) όπου P B η άεργος ισχύς (ισχύς στην χωρητικότηταc). Αν υποθέσουμε, ότι ο παραπάνω πυκνωτής αποτελείται από δύο επίπεδες πλάκες διατομής A σε απόσταση d και ότι ο μεταξύ τους χώρος καταλαμβάνεται από ένα μονωτικό υλικό της χωρητικότητας C είναι: C A = ε εr (1.-4) d Για την αγωγιμότητα G του παραπάνω πυκνωτή ισχύει η σχέση: A G= σ d (1.-5) όπου σ η ειδική αγωγιμότητα του διηλεκτρικού. Για τις απώλειες του πυκνωτή αυτού κατά τις σχέσεις 1.-3 και 1.-4 : P w = U ω ε A d tgδ (1.-6) και πολλαπλασιάζοντας και διαιρώντας με d : P w = ( U / d) ω ε tgδ ( A d ) = ( U / d ) ω ε tgδ V (1.-7) όπου V ο όγκος του διηλεκτρικού. 1

13 Αν θεωρήσουμε ότι ο στοιχειώδης όγκος dv μίας τυχαίας διάταξης ηλεκτροδίων είναι ένας μικρός πυκνωτής επιπέδων πλακών, τότε οι απώλειες Joule της διάταξης είναι: P w = ω ε tgδ ( U / d) dv = ω ε tgδ E dv (1.-8) Από την παραπάνω σχέση μπορούν εύκολα να υπολογιστούν οι απώλειες Joule μιας μόνωσης. 4) Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα Τα ηλεκτρομονωτικά υλικά έχουν μία πολύ μικρή ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα (σχήμα 1.-1), που εξαρτάται γικά από τις συνθήκες λειτουργίας τους (τιμή της πεδιακής έντασης, θερμοκρασία, υγρασία κ.λπ.). Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι επομένως ένα σημαντικό κριτήριο αξιολόγησης των διηλεκτρικών, γιατί εκφράζει τους ελεύθερους φορείς. Η αύξηση της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας στα στερεά μονωτικά, σε τιμές πεδίου, που η καταπόνηση του διηλεκτρικού μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι μόνο θερμική, δίνεται από την σχέση : w/ kt σ = σ e = σ e βθ (1.-9) όπου σ : η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα για διαφορά θερμοκρασίας θ ως προς το περιβάλλον σ : η αρχική ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα W : η έργεια εργοποίησης (έργεια για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας) 3 k : η σταθερά Boltzmann (1,37 1 Ws / o K ) T : η απόλυτη θερμοκρασία β : ένας συντελεστής του υλικού Από έρευνες σε οργανικά στερεά μονωτικά συμπεραίνεται ότι η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνει απότομα με την έργεια των μερικών εκκώσεων. Έχει διαπιστωθεί ότι η τιμή της πεδιακής έντασης είναι καθοριστική για την τιμή σ. Μία τιμή πεδιακής έντασης χαρακτηρίζεται ως χαμηλή όταν δ εκδηλώνονται μερικές εκκώσεις, ή έστω όταν οι μερικές εκκώσεις συμμετέχουν μόνο στην αύξηση των απωλειών Joule. Αυτό μπορεί να συμβεί π.χ. λόγω του μεγάλου πάχους του διηλεκτρικού ή της μικρής τιμής της εφαρμοσμένης τάσης. Για μεγαλύτερες τιμές της πεδιακής έντασης από προηγουμένως, η τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας οφείλεται κυρίως στις μερικές 13

14 εκκώσεις. Έχει διαπιστωθεί ότι στην περίπτωση αυτή συμβαίνει ιονισμός με κρούσεις όπως στα ιονισμένα αέρια και ότι δ ισχύει η σχέση Για την αύξηση της τιμής σ, από τις απώλειες του διηλεκτρικού και τις μερικές εκκώσεις, έχει διατυπωθεί η σχέση : σ = σ δ βθ e /( 1 E) (1.-1) όπου E : η πεδιακή ένταση στο τμήμα του υλικού που δ εκδηλώνονται μερικές εκκώσεις (το οποίο χαρακτηρίζεται ως υγιές τμήμα) δ : ένας συντελεστής που εκφράζει τη συμμετοχή των ανομοιογών του υλικού στη διαμόρφωση της τιμής σ. Για ομοιογές υλικό δ=, διαφορετικά δ>. Η αγωγιμότητα τέλος των μονωτικών υλικών αυξάνει όταν προσβάλλονται από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία Χ ειδικότερα μπορεί να μετατρέψει ένα μονωτή σε αγωγό προκαλώντας διαχωρισμό των ηλεκτρονίων από τους μητρικούς τους πυρήνες και ανύψωση των ελευθέρων ηλεκτρονίων σε υψηλότερο εργειακό επίπεδο, με αποτέλεσμα την αύξηση της αγωγιμότητας των μονωτικών. Το φαινόμο αυτό, που είναι γνωστό ως επαγόμη αγωγιμότητα, αποτελεί πρόβλημα στις διαστημικές κατασκευές, λόγω του υψηλού ποσοστού κοσμικής ακτινοβολίας. 5) Ο συντελεστής ε tgδ Από τις σχέσεις 1.-, 1.-4 και 1.-5 έχουμε για ένα πυκνωτή επίπεδων πλακών : σ εr tgδ = (1.-11) ε ω ή με ε = ε ε : r σ ε tg δ = (1.-1) ω Στο σχήμα 1.-4 δίνεται η γραφική παράσταση της χαρακτηριστικής κατά την παραπάνω σχέση. Το γινόμο ε tgδ χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των μονωτικών υλικών (Πίνακας 1.-3). 14

15 ε tgδ ω Σχήμα 1.-4 : ε tg δ = f (ω) για το ομοιογές μονωτικό υλικό (Υποτίθεται ότι η τιμή σ είναι σταθερή με τη θερμοκρασία). Υλικό Πάχος μόνωσης (mm) ε tgδ Λάδι,4,46 μετασχηματιστών Πορσελάνη,5 3,85,16 Στεατίτης,5 3,6, Γυαλί < 1 Χαρτόνι,5 1,5,3,1 Glimmer,1,1,9,1 Πίνακας 1.-3 : Τάξη μεγέθους των τιμών ε tgδ για ορισμένα διηλεκτρικά σε θερμοκρασία o C Από τις σχέσεις 1.-9 και 1.-1 έπεται ότι ο συντελεστής ε tgδ του ομοιογούς στερεού μονωτικού υλικού (ή γικότερα του στερεού διηλεκτρικού όταν δ εκδηλώνονται σε αυτό μερικές εκκώσεις, π.χ. λόγω U < U ) αυξάνει με τη θερμοκρασία : a ε δ σ ω βθ tg = e (1.-13) Αν θεωρήσουμε την τιμή ε ως σταθερή, τότε από την παραπάνω σχέση έπεται ότι η αύξηση της tg δ είναι εκθετική (σχήμα 1.-3). 15

16 Για την αύξηση της τιμής ε tgδ στην περιοχή του στερεού μονωτικού, όπου οι μερικές εκκώσεις συντελούν στην αύξηση των απωλειών Joule, έχουμε αντίστοιχα (από τις σχέσεις 1.-1 και 1.-1) : βθ σ e ε tgδ = (1.-14) ω ( 1 δe) 6) Επιφανειακή αγωγιμότητα Η διηλεκτρική αντοχή των στερεών μονωτικών μειώνεται, όταν η επιφάνειά τους περιλαμβάνει ξένες επικαθίσεις ( σκόνη, υγρασία, κ.λπ. ). Το ίδιο συμβαίνει όταν καταπονηθεί θερμικά η επιφάνεια. Έχει διαπιστωθεί ότι στα φαινόμα, που εκδηλώνονται στην επιφάνεια των στερεών μονωτικών κατά την ηλεκτρική καταπόνησή τους (κυρίως αύξηση των απωλειών Joule και μερικές εκκώσεις), συμμετέχει η επιφάνειά τους σε πάχος μέχρι 3 Å. Γι αυτό, η επιφανειακή αγωγιμότητα είναι το κριτήριο για την προδιάθεση των διαφόρων στερεών διηλεκτρικών στην εκδήλωση των παραπάνω φαινομένων. Επειδή οι παράγοντες, που προκαλούν αύξηση της επιφανειακής αγωγιμότητας, ποικίλουν (ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας) η ειδική επιφανειακή αγωγιμότητα δ είναι κάποια σταθερά των στερεών μονωτικών. Η επιφανειακή αγωγιμότητα έχει συσχετιστεί με έννοιες, που αφορούν την αντοχή των στερεών μονωτικών από τις καταπονήσεις στην επιφάνειά τους (όπως : αντοχή σε ρεύμα διαρροής, αντοχή σε ηλεκτρικό τόξο, δυνατότητα απομάκρυνσης των επικαθίσεων κατά τη βροχή κ.λπ.), που διαφέρουν στην πράξη για την κατασκευή π.χ. μονωτήρων και φλογοθαλάμων διακοπτών. Με κριτήριο π.χ. τη μείωση του ποσοστού της σκόνης, συμπεραίνει κανείς ότι οι μονωτήρες πορσελάνης χρησιμοποιούνται ως εξωτερικού χώρου, έναντι των μονωτήρων ρητίνης (που χρησιμοποιούνται ως εσωτερικού χώρου), γιατί η επιφάνειά τους διευκολύνει περισσότερο στην απομάκρυνση της σκόνης κατά τη βροχή. Πληροφορίες για τη μέτρηση της επιφανειακής αγωγιμότητας μπορούν να αναζητηθούν στις προδιαγραφές (π.χ.vde 33) και στη βιβλιογραφία περί ηλεκτρικών μετρήσεων. 7) Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Η θερμική καταπόνηση των μονωτικών υλικών σχετίζεται με την αύξηση του αριθμού των ελευθέρων ηλεκτρικών φορέων στις θέσεις, όπου η πεδιακή ένταση έτυχε να είναι αυξημένη (όπως π.χ. : ανομοιογένειες στον όγκο ή στην επιφάνεια των στερεών μονωτικών, ανεπιθύμητα 16

17 αιωρούμα σωματίδια στο λάδι). Η θερμότητα για την εκδήλωση των παραπάνω θέσεων διαταραχής υπάρχει πάντοτε κατά τη λειτουργία των διαφόρων κατασκευών (π.χ. : απώλειες Joule των αγωγών, απώλειες σιδήρου, θερμότητα στις επαφές των διακοπτών, κ.λπ.). Επειδή γικά ισχύει, ότι η θερμική ειδική αγωγιμότητα (λ) συμβαδίζει με την ηλεκτρική ειδική αγωγιμότητα, η τιμή λ είναι (όπως και η τιμή σ ) ένα κριτήριο για την αξιολόγηση των μονωτικών υλικών. Στον πίνακα 1.-4 δίνονται τιμές του συντελεστή λ για διάφορα διηλεκτρικά. Υλικό Πάχος μόνωσης ( mm ) λ W cm cm grad Πορσελάνη,5 3,8,15 Στεατίτης,5 3,,6 Γυαλί < 1,75,1 Ξύλο < 3,1, Χαρτόνι,3 1,5,3 Σκληρό ελαστικό < 3,1 Glimmer <,5,3 Χαρτί στο λάδι <,14,3 Πίνακας 1.-4 : Τιμές συντελεστή ειδικής θερμικής αγωγιμότητας για ορισμένα μονωτικά υλικά. Στις προδιαγραφές IEC και VDE γίνεται μία διαβάθμιση των στερεών μονωτικών ως προς τη μέγιστη επιτρεπόμη θερμοκρασία λειτουργίας τους. Πρόκειται για κατηγορίες ( ή κλάσεις ) των υλικών αυτών, που διευκολύνουν στην πράξη για τη διάρκεια ζωής τους. Για την επίδραση της θερμοκρασίας στη διάρκεια ζωής των στερεών μονωτικών υλικών έχουν γίνει αρκετές έρευνες, που δίνουν χρήσιμες πληροφορίες για τις πρακτικές εφαρμογές. Οι χαρακτηριστικές π.χ. κατά το σχήμα 1.-5 δίνουν τη διάρκεια ζωής του χαρτιού, ανάλογα με τη θερμοκρασία θ. Από μαθηματική προσέγγιση των χαρακτηριστικών αυτών (μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή) ισχύουν αντίστοιχα οι σχέσεις : α) διάρκεια ζωής σε έτη:,73648 θ t = 1,154 1 e (1.-15) 17

18 β) διάρκεια ζωής σε μήνες:,1838 θ t = 1, e (1.-16) γ) διάρκεια ζωής σε ημέρες:, θ t = 1, e (1.-17) Σχήμα 1.-5 : Διάρκεια ζωής χαρτιού, ανάλογα με τη θερμοκρασία. Έτσι επειδή το χαρτί μαζί με το λάδι αποτελούν κυρίως τη μόνωση ός μετασχηματιστή υψηλής τάσης (μετασχηματιστής μεταφοράς, μετασχηματιστής διανομής και μετασχηματιστής μέτρησης), μπορεί κανείς να εκτιμήσει (μετά από μετρήσεις στα πλαίσια των προγραμματισμένων εργασιών συντήρησης) το μέγιστο υπολειπόμο χρόνο ζωής του. Αν θεωρηθεί η μεταβολή της τιμής ε πολύ μικρή 18

19 συγκριτικά προς εκείνη της μεταβολής της tg δ (λόγω επικαθίσεων αιωρουμένων σωματιδίων στο χαρτί, που δημιουργούνται ως ανεπιθύμητες προσμείξεις στο λάδι), τότε με μέτρηση της tg δ (μετά από αφύγρανση και πλήρωση του μετασχηματιστή με λάδι, υπό συνθήκες κού), από τις σχέσεις 1.-9 και έχουμε : * ln( tgδ / tgδ ) θ = (1..18) β * Όπου tg δ ο αρχικός συντελεστής απωλειών (όταν ο μετασχηματιστής εγκαταστάθηκε στο δίκτυο για πρώτη φορά). Για τον συντελεστή β μπορεί να θεωρηθεί ότι ισχύει : β,. 8) Η μηχανική αντοχή Σε αρκετές κατασκευές διαφέρουν (εκτός από τις ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών μονωτικών) και οι μηχανικές ιδιότητες τους όπως π.χ. : τα πλαστικά μέρη του μηχανισμού περιστροφής ός ασφαλειοαποζεύκτη σε πίνακα μέσης τάσης, η αντοχή σε εφελκυσμό ός μονωτικού, η δύναμη τάνυσης σε μονωτήρες των γραμμών μεταφοράς, κ.λπ.). Στις περιπτώσεις αυτές θεωρείται το στερεό μονωτικό ως ένα «μηχανολογικό εξάρτημα», οπότε ισχύουν για τον υπολογισμό του οι κανόνες της μηχανικής αντοχής των υλικών. Συχνά διαφέρει η μηχανική σε πλήρεις κατασκευές, που περιλαμβάνουν στερεά μονωτικά, όταν αυτή δέχεται να επηρεάσει τη διηλεκτρική αντοχή από την εξάσκηση μεγάλων δυνάμεων ηλεκτρικής προέλευσης, όπως συμβαίνει κατά το βραχυκύκλωμα (π.χ. : πίνακες μέσης τάσης, μετασχηματιστές μεταφοράς και διανομής, μετασχηματιστές μέτρησης στο δίκτυο υψηλών τάσεων, διακόπτες υψηλών τάσεων, κ.λπ.). Οι δυνάμεις αυτές μπορούν να μειώσουν τις αποστάσεις μόνωσης και να γίνουν αιτία καταστροφής της κατασκευής, όταν δ υπάρχει η απαιτούμη μηχανική αντοχή κατά το βραχυκύκλωμα. Η μόνωση π.χ. ός διακόπτη υψηλής τάσης δ εξασφαλίζεται μόνο με επιλογή των σωστών αποστάσεων μόνωσης, προς τη δημιουργία ηλεκτροστατικού πεδίου, όταν η επιδίωξη αυτή δ συνδυάζεται με την απαιτούμη μηχανική αντοχή, που θα εξασφαλίζει την ικανότητα μόνωσης μέχρι να διακοπεί το βραχυκύκλωμα από το μέσο προστασίας του δικτύου. 19

20 1.3 Τα υγρά μονωτικά Βασικά χαρακτηριστικά των υγρών μονωτικών Τα υγρά μονωτικά υλικά έχουν αρκετά μεγάλη διηλεκτρική αντοχή συγκρινόμα με τα αέρια σε ατμοσφαιρική πίεση, όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε και από τον πίνακα 1.-1 (η διηλεκτρική αντοχή του αέρα είναι 1 kv/cm ώ η διηλεκτρική αντοχή του μονωτικού ελαίου μετασχηματιστών κυμαίνεται από 6 έως kv/cm). Η σημασία των υγρών μονωτικών στις πρακτικές εφαρμογές είναι μεγάλη γιατί έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: 3 o α) Μεγάλο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (,3 1 cal / cms C), με αποτέλεσμα να διευκολύνουν την απαγωγή θερμότητας λόγω απωλειών Joule που δημιουργείται στους αγωγούς, στις επαφές διακοπτών και στους σιδηροπυρήνες μετασχηματιστών. Ειδικότερα στους μετασχηματιστές εφαρμόζεται συνήθως η κυκλοφορία μονωτικού ορυκτελαίου ώστε να επιτυγχάνεται ψύξη των τυλιγμάτων. Η θερμότητα και οι εκκώσεις πάντως δημιουργούν αλλοιώσεις στο ορυκτέλαιο που συνοδεύονται από έκλυση αεριών, όπως το υδρογόνο και το μεθάνιο, τα οποία έχουν τη δύνανται να σχηματίσουν εκρηκτικά μίγματα με τον αέρα. β) Ο συνδυασμός τους με στερεά μονωτικά δ επιτρέπει την ύπαρξη αέρα, ο οποίος προκαλεί βλάβες στην επιφάνεια των στερεών μονωτικών. Αυτό επιτυγχάνεται με πλήρωση του χώρου, που καταλαμβάνει το υγρό μονωτικό, υπό συνθήκες κού σε ορισμένη θερμοκρασία. Τυπικό παράδειγμα της διαδικασίας αυτής είναι η πλήρωση των δοχείων των μετασχηματιστών υψηλών τάσεων με λάδι. Ο συνδυασμός ειδικότερα χαρτιού με μονωτικό έλαιο έχει μεγάλη εφαρμογή λόγω της περίπου ίδιας σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς που έχουν τα υλικά αυτά Το μονωτικό λάδι Το κυρίως χρησιμοποιούμο υγρό μονωτικό σε μετασχηματιστές, καλώδια, διακόπτες και πυκνωτές, είναι το μονωτικό λάδι. Στις πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται είτε ορυκτέλαια είτε συνθετικά μονωτικά λάδια ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις. Τα φυτικά έλαια (κυρίως ρητινώδη) δ είναι κατάλληλα για χρήση ως μονωτικά διότι παρουσιάζουν αστάθεια στην ποιότητά τους και τείνουν να σχηματίσουν καταστροφικά λιπαρά οξέα. Αλλά και τα ζωικά έλαια είναι ακατάλληλα για ηλεκτρολογικές εφαρμογές επειδή

21 παρουσιάζουν μεγάλο ιξώδες και έχουν τη τάση, όπως και τα φυτικά έλαια, να σχηματίσουν λιπαρά οξέα τα οποία προσβάλλουν ινώδη υλικά, όπως το χαρτί. Τα πλέον κατάλληλα για χρήση σε ηλεκτροτεχνικούς σκοπούς είναι τα ορυκτέλαια τα οποία παράγονται ως κλάσμα της απόσταξης του πετρελαίου και η χημική τους σύσταση διαφέρει ανάλογα με την ποιότητα του πετρελαίου. Τα ορυκτέλαια διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: α) μεθανέλαια : κυριαρχούν κορεσμένοι υδρογονάνθρακες τύπου παραφίνης β) ναφανέλαια : κυριαρχούν ακόρεστοι υδρογονάνθρακες τύπου ναφθαλίνης γ) ναφθαλμεθανέλαια : αποτελούν μείγμα των δύο προηγούμων χωρίς να κυριαρχεί κανένας από τους δύο τύπους υδρογονανθράκων Για την αποφυγή των κινδύνων έκρηξης (από τη συγκέντρωση αέριων προϊόντων από την αλλοίωση του πετρελαίου) ή ανάφλεξης του λαδιού και των προϊόντων του, χρησιμοποιούνται σε πολλές περιπτώσεις συνθετικά μονωτικά λάδια που είναι αρκετά σταθερότερα στην επίδραση της θερμότητας και των εκκώσεων. Συνήθως είναι χλωριωμένα παράγωγα του διφαινυλίου ( C 6H 5, C 6H ) και κυκλοφορούν στο εμπόριο 5 με διάφορες ονομασίες όπως Clophene, Aroclore, Askarel, Pyranol, Inerteen, Clorextol, Permitol, Afcolin κ.λπ. Τα μονωτικά αυτά έχουν διπλάσια ως τριπλάσια διηλεκτρική αντοχή συγκρινόμα με το ορυκτέλαιο. Χαρακτηρίζονται και ως <<άκαυστα έλαια>> κάτι το οποίο δ είναι απόλυτο. Η χρήση των χλωριωμένων υδρογονανθράκων τα τελευταία χρόνια τείνει να εξαλειφθεί διότι περιέχουν τοξικές ουσίες οι οποίες είναι άκρως επικίνδυνες για το προσωπικό συντήρησης των διάφορων ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων. Επιπλέον δ έχει καταστεί εφικτή η αναδόμηση τους με μια διαδικασία ακίνδυνη για το προσωπικό και φιλική προς το περιβάλλον. Μία άλλη κατηγορία συνθετικών μονωτικών υγρών είναι υδρογονάνθρακες που έχουν υποστεί φθορίωση. Η διηλεκτρική σταθερά τους είναι μεγαλύτερη από εκείνη του μονωτικού ελαίου. Δ προκαλούν φθορές στα στερεά μονωτικά και είναι άκαυστα υλικά. Η εφαρμογή τους είναι πρακτικά ανύπαρκτη λόγω του μεγάλου κόστους τους. Ακόμα ένα υγρό μονωτικό είναι το σιλικονούχο έλαιο (υδρογονάνθρακες που περιέχουν πυρίτιο). Είναι εύφλεκτο υλικό γι' αυτό η πρακτική εφαρμογή του είναι περιορισμένη. 1

22 1.3.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά των υγρών μονωτικών υλικών Κατά την εκλογή ός μονωτικού ελαίου σε μια ηλεκτροτεχνική κατασκευή θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα εξής χαρακτηριστικά: 1) Ιξώδες Το ιξώδες καθορίζει τη δυνατότητα ψύξεως και μεταβάλλεται συναρτήσει της θερμοκρασίας. Για την καλύτερη απαγωγή της θερμότητας σε έναν μετασχηματιστή, όπου υπάρχουν μικρά διάκα μεταξύ των τυλιγμάτων του, είναι απαραίτητο το μονωτικό λάδι να χαρακτηρίζεται από χαμηλό ιξώδες, έτσι ώστε να ρέει ευκολότερα ανάμεσα στα τυλίγματα. ) Μονωτική ικανότητα Η μεγάλη πλειοψηφία των μονωτικών ελαίων είναι καλοί μονωτές. Σε μεγάλο βαθμό όμως μας διαφέρει ο βαθμός μείωσης της μονωτικής ικανότητας του ελαίου παρουσία υγρασίας η οποία θα πρέπει να αποφεύγεται αυστηρώς. Μια μικρή ποσότητα υγρασίας τός του ελαίου μειώνει δραματικά τη διηλεκτρική αντοχή του ώ σκόνη και μικρές ίνες τείνουν να δημιουργήσουν οδούς μεγάλης αγωγιμότητας. 3) Σημείο ανάφλεξης Είναι η θερμοκρασία στην οποία το μονωτικό έλαιο, θερμαινόμο τός ειδικής συσκευής ( Pensky-Martens ), αναδίδει ατμούς σε ποσότητα τέτοια ώστε αναμιγνυόμοι με τον ατμοσφαιρικό αέρα να σχηματίζουν εύφλεκτο μίγμα και, παρουσία σπινθήρα, να αναφλέγονται αυτοστιγμεί. Για λόγους ασφαλείας και αξιοπιστίας του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού το σημείο ανάφλεξης θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με 13 o C. 4) Σημείο καύσεως Είναι η θερμοκρασία στην οποία το έλαιο, θερμαινόμο υπό κανονικές συνθήκες δόκιμης, αναδίδει ατμούς τέτοιας επάρκειας ώστε να αναφλεγεί και να συνεχίσει καιγόμο. Η θερμοκρασία αυτή είναι περίπου 5% υψηλότερα του σημείου ανάφλεξης.

23 5) Καθαρότητα Το έλαιο δ πρέπει να περιέχει όπως θείο και ώσεις αυτού. Η παρουσία θείου προκαλεί διάβρωση των μεταλλικών μερών και επιταχύνει την παραγωγή ιζήματος. 6) Σχηματισμός ιζήματος Η ευκολία με την οποία σχηματίζεται ίζημα αποτελεί μεγάλης σημασίας χαρακτηριστικό, ιδιαίτερα στην περίπτωση των μετασχηματιστών. Πρόκειται για το βραδύ σχηματισμό ημιστέρεων υδρογονανθράκων, ίοτε οξειδωμένης μορφής, οι οποίοι επικάθονται επί των τυλιγμάτων και των τοιχωμάτων του δοχείου του μετασχηματιστή. Ο σχηματισμός του ιζήματος συνδέεται άμεσα με τη θερμοκρασία και την οξείδωση του λαδιού. Το ίζημα σχηματιζόμο καθιστά το σύνολο του μετασχηματιστή θερμότερο, όσο δε αυξάνει η θερμοκρασία μεταβάλλει προς το χειρότερο την κατάσταση από άποψης ιζήματος, έως ότου φραχθούν τελικώς οι σωλήνες ψύξης και ο μετασχηματιστής καταστεί ακατάλληλος για χρήση λόγω υπερθέρμανσης. Η εμπειρία δείχνει ότι το ίζημα σχηματίζεται ταχύτερα εκεί που υπάρχουν στιλπνές επιφάνειες χαλκού. 7) Οξύτητα Μεταξύ των παραγόμων προϊόντων οξείδωσης του λαδιού είναι το διοξείδιο του άνθρακα ( CO ), πτητικά και οργανικά οξέα διαλυτά στο νερό και νερό. Τα παραπάνω προϊόντα σε συνδυασμό δύνανται να προσβάλλουν και να διαβρώσουν τα μεταλλικά τμήματα του μετασχηματιστή. Για το λόγο αυτό υπάρχουν ειδικές διατάξεις που εμποδίζουν την είσοδο υγρού αέρα στο δοχείο λαδιού και επιπλέον απομακρύνουν τα ανεπιθύμητα προϊόντα οξείδωσης. 8) Δυνατότητα εμπλουτισμού του ελαίου Η αλλοίωση του ελαίου κατά τη διάρκεια χρησιμοποίησης του είναι δυνατόν να επιβραδυνθεί με τον εμπλουτισμό του, κατά την κατεργασία του, με αντιοξειδωτικά μέσα. Τα αντιοξειδωτικά αυτά, τα οποία είναι συνήθως τύπου φαινόλης ή αμίνης, μετατρέπουν τα σχηματισμένα μοριακά συγκροτήματα τός του ελαίου σε αδρανή μόρια, καταναλισκόμα βαθμιαία κατά τη λειτουργία. Οι αντιοξειδωτικές ουσίες εμπλουτισμού αυξάνουν σημαντικά τη διάρκεια χρησιμοποίησης 3

24 του ελαίου, αφού ο σχηματισμός οξέων και ιζήματος είναι ουσιαστικά μηδικός. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τεχνικά χαρακτηριστικά ορισμένων υγρών μονωτικών υλικών. Πίνακας : Τεχνικές ιδιότητες ορισμένων υγρών μονωτικών υλικών Συντήρηση επεξεργασία μονωτικού λαδιού Η εξέλιξη των μετασχηματιστών σε ολοένα και μεγαλύτερες τάσεις λειτουργίας και παροχής ισχύος έχει δημιουργήσει την ανάγκη να δοθεί ιδιαίτερη σημασία στην κατάλληλη συντήρηση και επεξεργασία του μονωτικού λαδιού, έτσι ώστε να διατηρεί τα απαιτούμα χαρακτηριστικά καλής λειτουργίας. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του λαδιού είναι αρκετοί και σε ορισμένες περιπτώσεις δέχεται να οδηγήσουν στην αχρηστία ακριβές ηλεκτροτεχνικές εγκαταστάσεις. Η παρουσία νερού μειώνει την μονωτική ικανότητα του λαδιού και επιπλέον συμβάλλει στην οξείδωση των επιμέρους τμημάτων της διάταξης. Μονωτικό λάδι εκτεθειμένο στον αέρα απορροφά υγρασία, το δε ποσοστό αυτής εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους όπως είναι ο τύπος του λαδιού και η θερμοκρασία. Ένα καλώς διυλισμένο ή φτωχό σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες λάδι είναι δυνατόν να απορροφήσει σε θερμοκρασία μέχρι 4gr H O / t ώ λάδι που περιέχει αρωματικούς υδρογονάνθρακες έως λαδιού 4gr H O / t. Οι οριακές αυτές τιμές αντιστοιχούν σε λάδι σε λαδιού επαφή με αέρα 1% κεκορεσμένο σε υγρασία επί μεγάλο χρονικό διάστημα. Επίσης το νερό δύναται να εμφανισθεί και τός του λαδιού ως προϊόν οξείδωσης. o C 4

25 Σχήμα : Μέγιστη διαλυτότητα του νερού στο μονωτικό λάδι συναρτήσει της θερμοκρασίας του ελαίου όπου 1 : λάδι με αρωματικούς υδρογονάνθρακες : λάδι μετασχηματιστών Σχήμα : Περιεκτικότητα νερού σε μονωτικό λάδι μετασχηματιστή συναρτήσει της % σχετικής υγρασίας του αέρα. Το νερό σε όποια μορφή (διαλυμένο ή διεσπαρμένο κατά περιοχές) εμφανισθεί τός του λαδιού, επιδρά καθοριστικά στη μονωτική 5

26 ικανότητα του ώ παράλληλα συμμετέχει εργά στη διαδικασία γήρανσης της μόνωσης. Είναι γεγονός ότι το χαρτί που περιβάλλει τα τυλίγματα του μετασχηματιστή καταστρέφεται σταδιακά από την παρουσία νερού στο μονωτικό λάδι. Με την πάροδο του χρόνου κι εφόσον δε ληφθεί μέριμνα για την ξήρανση του λαδιού, εκδηλώνονται διασπάσεις μεταξύ των ελιγμάτων, επιταχύνοντας την απαξίωση της μόνωσης και της ηλεκτρολογικής διάταξης γικότερα. Σχήμα : Τάση διάσπασης ορυκτού ελαίου συναρτήσει της περιεκτικότητας σε νερό. Προκειμένου να διατηρηθεί η μονωτική ικανότητα του λαδιού σε ικανοποιητικά επίπεδα κρίνεται αναγκαίος ο περιοδικό του έλεγχος ώστε να αποφευχθούν ατυχήματα και καταστροφή του εξοπλισμού. Στην περίπτωση που διαπιστωθεί ότι στο μονωτικό λάδι υπάρχουν προσμίξεις, αέρας, υγρασία ή μικροσωματίδια τότε είναι δυνατή η συμβατική αναγέννηση του λαδιού. Με τον όρο συμβατική αναγέννηση νοούμε τον μηχανικό καθαρισμό του λαδιού με διύλιση, την αφυδάτωση (ξήρανση) σε κό, την απαέρωση σε δοχείο κού. Κατά τη διύλιση απομακρύνονται τα προϊόντα γήρανσης, τα οποία εμφανίζονται υπό μορφή ιζήματος, ίνες μονωτικών υλικών και νερό. Κατά κανόνα το μονωτικό λάδι θα πρέπει να διυλίζεται τελώς ψυχρό διότι ορισμένα προϊόντα γήρανσης και το νερό διαλύονται εύκολα στο θερμό λάδι. Η αφυδάτωση υπό κό και η απαέρωση λαμβάνουν χώρα σε ειδικές συσκευές κού, έτσι ώστε να αποκλειστεί η πιθανότητα επαφής του λαδιού με τον αέρα και διάφορα σωματίδια. 6

27 1.3.5 Μέσα ελέγχου της μονωτική ικανότητας του λαδιού κατά τη λειτουργία των μετασχηματιστών Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμη ότητα, η υγρασία και τα αέρια που δημιουργούνται κατά τη γήρανση του μονωτικού λαδιού, μειώνουν δραστικά τη διηλεκτρική αντοχή του. Για το λόγο αυτό προβλέπονται (κατά τη λειτουργία των μετασχηματιστών) μέσα ελέγχου, που προειδοποιούν για τη μείωση της αντοχής του μονωτικού ελαίου. Προβλέπεται επίσης προστασία του μετασχηματιστή όταν η μείωση της διηλεκτρικής αντοχής του λαδιού είναι σημαντική. Πρόκειται για τον αφυγραντήρα και τη συσκευή Boucholz, που πρέπει να περιλαμβάνονται στο μετασχηματιστή. Ο αφυγραντήρας τοποθετείται επί το δοχείο διαστολής του μετασχηματιστή. Περιέχει υλικό ( silicagel ) που απορροφά την υγρασία. Από το γυάλινο μέρος του αφυγραντήρα παρακολουθεί κανείς το χρώμα του silicagel. Όταν το χρώμα είναι γαλάζιο, τότε έχει το υλικό αυτό τη δυνατότητα απορρόφησης της υγρασίας. Όταν το χρώμα γίνει κόκκινο, τότε το υλικό είναι κορεσμένο από υγρασία και πρέπει να υποβληθεί σε ξήρανση ( 3 έως 6 ώρες σε θερμοκρασία 14 o C το πολύ). Η αρχή λειτουργίας της συσκευής Boucholz (σχήμα ) βασίζεται στα αέρια που παράγονται κατά τη μείωση της διηλεκτρικής αντοχής του λαδιού. Τα αέρια διέρχονται από τη συσκευή Boucholz, η οποία έχει δύο πλωτήρες (Ι και ΙΙ). Όταν ο χώρος του Boucholz καταλαμβάνεται μόνο από λάδι, τότε οι πλωτήρες αυτοί είναι οι δύο ανοιχτές επαφές. Κατά τη μείωση της διηλεκτρικής αντοχής του λαδιού εισχωρούν τα παραγόμα αέρια στο χώρο του Boucholz. Όταν το ποσοστό τους είναι μικρό κλείνει ο πλωτήρας Ι εργοποιώντας το κύκλωμα της σειρήνας. Για μεγαλύτερο ποσοστό αερίων κλείνει και ο πλωτήρας ΙΙ, με αποτέλεσμα να τεθεί εκτός λειτουργίας ο αυτόματος διακόπτης. Η συσκευή διαθέτει χειροκίνητη βαλβίδα εξαερισμού, η οποία είναι απαραίτητη κατά την πρώτη εγκατάσταση (ή μετά την αλλαγή λαδιών). Έχει επίσης γυάλινο παραθυράκι για τον έλεγχο της θέσης των πλωτήρων. 7

28 Σχήμα : Κύκλωμα προστασίας Boucholz Μια μέθοδος διάγνωσης της ποιότητας του λαδιού, που εφαρμόζεται από τις εταιρίες παραγωγής ηλεκτρικής έργειας, βασίζεται στα είδη των παραγόμων αερίων (κυρίως υδρογόνο, μεθάνιο, αιθάνιο, αιθυλένιο και ακετυλένιο) και στις σχετικές ποσότητές τους, μέσω χρωματογράφου αερίων. Μια μικρή αποσύνθεση γίνεται φανερή σε κανονικές θερμοκρασίες λειτουργίας, όπου παράγονται κυρίως υδρογόνο και μεθάνιο. Η παραγωγή του αιθανίου και του αιθυλίου θεωρείται ότι σχετίζεται με θέσεις αυξημένης θερμοκρασίας του μετασχηματιστή. Το ακετυλένιο γίνεται σημαντικό ως ποσότητα σε πολύ μεγάλες θερμοκρασίες, που οφείλονται κυρίως στην εκδήλωση ηλεκτρικού τόξου και ισχυρών μερικών εκκώσεων. 1.4 Φαινόμα προ και κατά τη διάσπαση των στερεών μονωτικών υλικών Στα στερεά μονωτικά, τα φαινόμα που εκδηλώνονται προ της διάσπασης τους, καθώς και εκείνα κατά την επιφανειακή διάσπαση ή την υπερπήδηση, προκαλούν συνήθως μόνιμες βλάβες σε βάρος της διηλεκτρικής αντοχής τους. Αυτή ακριβώς η ιδιότητα των στερεών μονωτικών υλικών, να μην επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση, αλλά να καταστρέφονται κατά τη διάσπαση ή να αποκτούν συνήθως μόνιμες βλάβες (λόγω επιφανειακής διάσπασης, υπερπήδησης και 8

29 μερικών εκκώσεων) είναι η βασική δυσκολία για τη μελέτη του μηχανισμού της γήρανσης της διάσπασής τους. Τα φαινόμα γήρανσης και διάσπασης των στερεών μονωτικών υλικών μπορούν να ομαδοποιηθούν, σε δύο βασικές θεωρίες: 1) Τη μακροσκοπική θεωρία των φαινομένων προ και κατά τη διάσπαση των στερεών μονωτικών, και ) Τη κβαντομηχανική θεωρία των φαινομένων προ και κατά τη διάσπαση των στερεών μονωτικών Η μακροσκοπική θεωρία των φαινομένων προ και κατά τη διάτρηση των στερεών μονωτικών. Σύμφωνα με τη «μακροσκοπική θεωρία», τα αποτελέσματα των ερευνών βασίζονται (ή αποσκοπούν) σε κάποιο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα, το οποίο πηγάζει συνήθως από το συνδυασμό των ηλεκτρικών μετρήσεων με οπτικές παρατηρήσεις για την εκδήλωση ακουστικών και φωτεινών φαινομένων, καθώς και αλλαγές στην επιφάνεια του υλικού. Συμφωνά με αυτή τη θεωρία υπάρχουν τέσσερις βασικοί παράγοντες μείωσης της σταθερότητας των μορίων των στερεών μονωτικών υλικών. Αυτοί είναι: α) οι απώλειες Joule, β) οι δυνάμεις Coulomb, γ) οι μερικές εκκώσεις, και δ) η θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Οι αντίστοιχες προς τους παραπάνω παράγοντες θεωρητικές μορφές της διάτρησης είναι: α) η θερμική διάτρηση, β) η ηλεκτρική διάτρηση (δδροειδής ή ηλεκτρομηχανική), γ) η ηλεκτροχημική διάτρηση (ή γήρανση), και δ) η θερμοχημική διάτρηση. Στην πράξη βέβαια συνδυάζoνται οι παράγοντες αυτοί και υποβοηθούνται από διάφορες ειδικές συνθήκες που επικρατούν (μoρφή 9

30 ηλεκτρικού πεδίου, περιβάλλον, μέσο κ.λπ.), έτσι ώστε η αλλαγή της μοριακής δομής να είναι κάποιο από κοινού αποτέλεσμά τους Η θερμική διάτρηση Η μoρφή της διάτρησης αυτής συναντάται κυρίως σε χαμηλές τιμές της τάσης, όταν το στερεό μονωτικό καταπονείται θερμικά μόνο από τις απώλειες Joule (π.χ. κακή απαγωγή θερμότητας από τη μόνωση ός καλωδίου λόγω σκόνης και ύγρανσης). Η εικόνα που παρουσιάζει το θερμικά καταπονούμο υλικό είναι συνήθως η απανθράκωση και η τήξη του, στην περιοχή όπου οι απώλειες Joule είναι ιδιαίτερα αυξημένες Η ηλεκτρική διάτρηση Όταν η σταθερή εργός τιμή της τάσης, που εφαρμόζεται στο δοκίμιο, είναι αρκετά μεγαλύτερη από εκείνη για τη θερμική διάτρηση, τότε η πεδιακή ένταση γίνεται μεγαλύτερη, επομένως μπορεί να αυξηθεί η έργεια των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων μέσα στο μονωτικό υλικό. Από μία τιμή της τάσης και μετά η διάτρηση του υλικού αποδίδεται κυρίως στις δυνάμεις Coulomb. Θεωρείται, ότι η διάτρηση οφείλεται σε: α) αυτοσυντηρούμο ιονισμό με κρούσεις (όπως στα αέρια μονωτικά), ή β) μηχανική τάνυση του υλικού (διαχωρισμό του σε αρνητικούς και θετικούς φορείς υπό την επίδραση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου), ή γ) συνδυασμό των δύο παραπάνω περιπτώσεων. Η μορφή της διάτρησης αυτής ονομάζεται ηλεκτρική και διακρίνεται ανάλογα με την εικόνα που παρουσιάζει το ηλεκτρικό τόξο κατά τη διάτρηση, στη δδροειδή (θύσανοι κάθετοι προς το ηλεκτρικό πεδίο) και εκείνη υπό μορφή οχετού κατά τη διεύθυνση του πεδίου (ηλεκτρομηχανική) Η διάσπαση λόγω μερικών εκκώσεων Η διάσπαση των στερεών μονωτικών έχει, στις περισσότερες περιπτώσεις, την αφετηρία της στις μερικές εκκώσεις στην επιφάνεια και στον όγκο τους. Οι μερικές εκκώσεις εμφανίζονται σε φυσαλίδες αερίων ή γικά θέσεις ανομοιογένειας μέσα στον όγκο του μονωτικού (εσωτερικές μερικές εκκώσεις), καθώς και σε θέσεις ανομοιογένειας ή 3

31 ξένες επικαθίσεις (ηλεκτρικές ακαθαρσίες) στην επιφάνεια του (εξωτερικές εκκώσεις). Από τη στιγμή της έναρξης των μερικών εκκώσεων προκαλείται συνήθως σταδιακή αλλαγή της δομής του στερεού μονωτικού, η οποία είναι ιδιαίτερα έντονη στο τμήμα όπου οι ανομοιογένειες είναι περισσότερο αγώγιμες. Πρόκειται για ένα ηλεκτροχημικό φαινόμο που σε κάποιο απροσδιόριστο χρονικό διάστημα θα προκαλέσει τη διάσπαση του στερεού μονωτικού. Σε αντίθεση με άλλες μορφές διάσπασης η ηλεκτρομηχανική διάσπαση προκαλεί βαθμιαία μείωση της ηλεκτρικής αντοχής, ανάλογα με το ρυθμό αύξησης της χημικής μεταβολής και είναι συνήθως μακροπρόθεσμη, γι αυτό ονομάζεται και γήρανση του μονωτικού υλικού. Η γήρανση του μονωτικού υλικού στο εργαστήριο με τιμές της τάσης μεγαλύτερες από την τάση έναρξη των μερικών εκκώσεων χαρακτηρίζεται τεχνητή γήρανση. Η τεχνητή γήρανση του στερεού μονωτικού δ ανταποκρίνεται στην πραγματική κατάσταση, που δημιουργείται με την πάροδο του χρόνου (όταν το υλικό εργάζεται υπό ονομαστικά μεγέθη στο δίκτυο), δίνει όμως τη δυνατότητα ανίχνευσης των παραγόντων διάσπασης, που τελικά δ μπορεί να είναι διαφορετικοί από τους πραγματικούς Η θερμοχημική διάτρηση Η μείωση της διηλεκτρικής αντοχής είναι δεδομένη κατά την αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος μέσου, γιατί η παραγωγή ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων γίνεται μεγαλύτερη. Στα πολυμερή μονωτικά υλικά μπορούμε να υποθέσουμε ότι εξασθούν οι δεσμοί των μορίων και επομένως η έργεια εξόδου των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων από το πλέγμα των μορίων είναι μικρότερη. Η διάτρηση που προκαλείται μόνο από τη θερμότητα του περιβάλλοντος του στερεού μονωτικού μέσου, ονομάζεται θερμοχημική. Έχει διαπιστωθεί πειραματικά ότι, μετά από μία τιμή της τάσης, η θερμοχημική διάτρηση δ αντιμετωπίζεται με την αύξηση του πάχους της μόνωσης. Η τάση αυτή ονομάζεται θερμική τάση ανατροπής και δίνεται από τη σχέση: k θ U a = a ( ) σ 31

32 όπου α σταθερά του υλικού που εξαρτάται από τη μορφή της τάσης. Η σταθερά α έχει τη τιμή,83 για καταπόνηση με συνεχή τάση, ώ για αλλασσόμη είναι 1,88. Η θερμική τάση ανατροπής αποτελεί το κριτήριο για το τεχνικοοικονομικό πάχος των στερεών μονωτικών στις πρακτικές εφαρμογές (όπως μετασχηματιστές, καλώδια κ.λπ.). Η τιμή είναι για τα περισσότερα υλικά, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος C και καταπόνηση με αλλασσόμη τάση 5 Ηz, της τάξης του 1 MV. Πρόσφατες έρευνες σε στερεά μονωτικά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η αύξηση της θερμοκρασίας στο περιβάλλον μέσο του στερεού μονωτικού ισχύει τις μερικές εκκώσεις, με αποτέλεσμα τη μείωση της διηλεκτρικής αντοχής. Έχει διαπιστωθεί ότι οι μερικές εκκώσεις εκδηλώνονται, λόγω της θερμότητας του περιβάλλοντος, σε μικρότερες τιμές της τάσης από ότι σε κανονική θερμοκρασία ( C), με αποτέλεσμα να συμβαίνει ο ιονισμός δια κρούσεως σε αρκετά μικρότερες τιμές του πεδίου απ' ότι κατά την καταπόνηση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος C Συνδυασμοί των παραγόντων γήρανσης και διάτρησης Τα φαινόμα προ και κατά τη διάτρηση των στερεών μονωτικών μπορούν, όπως προαναφέρθηκε, να αποδοθούν σε τέσσερις βασικούς παράγοντες αποσταθεροποίησης των μορίων (απώλειες Joule, δυνάμεις Coulomb, μερικές εκκώσεις και θερμότητα περιβάλλοντος), οι οποίοι χαρακτηρίζονται ως παράγοντες γήρανσης και διάτρησης. Οι παράγοντες αυτοί συνδυάζονται στην πράξη με διαφορετική βαρύτητα, ανάλογα με την περίπτωση καταπόνησης του στερεού μονωτικού. Στον πίνακα δίνονται συνοπτικά οι βασικές περιπτώσεις συνδυασμού των παραγόντων γήρανσης και διάτρησης. Οι θεωρητικές σχέσεις του πίνακα δ δίνουν τη δυνατότητα υπολογισμού της τάσης διάτρησης (γιατί περιλαμβάνουν αρκετές άγνωστες τιμές, που πρέπει να βρεθούν με μετρήσεις), δίνουν όμως τη δυνατότητα κατανόησης των φαινομένων, όταν οι μετρήσεις ηλεκτρικών μεγεθών συνδυάζονται με παρατηρήσεις σχετικά με την αλλαγή της μοριακής δομής. 3

33 α/ α 1 3 Παράγοντες που συμμετέχουν στην αλλαγή της μοριακής δομής Συνδυασμός της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος με τους άλλους παράγοντες γήρανσης και διάτρησης Μερικές εκκώσεις και απώλειες Joule Μερικές εκκώσεις και δυνάμεις Coulomb Θεμελιώδεις σχέσεις Οριακή τιμή της τάσης για τη διάτρηση Η θερμότητα του περιβάλλοντος ισχύει όλους τους παράγοντες γήρανσης και διάτρησης 1) ( δ ) β θ σ = σ e 1 E ) σ e β θ ( 1 δe) 1) u θε A = k π r dθ u d ( δ ) β θ σ = σ e 1 E ) u σ A = C dθ ( 1 δe) d dt = d (1 δe ) k e β σ (μείωση της τάσης για τη διάτρηση: ) U 1 = u θ u θε ( 1 δe) = δe d k e β σ C θ σ A T ηε = d (μείωση της τάσης για τη διάτρηση: u = dε d δ C θ σ A T 3 δ 4 5 Μερικές εκκώσεις και θερμοκρασία περιβάλλοντος Συνδυασμός των τεσσάρων βασικών παραγόντων 1) ) u a = κ θ α σ ( δ ) β θ σ = σ e 1 E u A d e β θ ( 1 δe) π r d κ θ+ C = dθ dt U αε κ θ = ( 1 δe) a σ (μείωση της τάσης για τη διάτρηση: u 4 = u a u aε = δe κ θ σ Εξαρτάται κυρίως από τον παράγοντα που υπερισχύει 33

34 Πίνακας : Βασικές σχέσεις μιας θεωρητικής ερμηνείας για τη γήρανση και διάτρηση των στερεών μονωτικών Στατιστικές μετρήσεις των μερικών εκκώσεων Για την πειραματική έρευνα των μερικών εκκώσεων, μέσω παλμογραφημάτων (ή μετρήσεων των κυματομορφών σε ηλεκτρονικό υπολογιστή, μέσω αναλογικού ψηφιακού μετατροπέα), έχουν προταθεί διάφορες έννοιες, όπως π.χ. στο σχήμα για μετρήσεις με κρουστικές τάσεις. Με παρόμοιες σκέψεις, μπορεί κανείς να καθορίσει μεγέθη για τη μελέτη των μερικών εκκώσεων κατά την καταπόνηση με άλλες μορφές τάσης). Στο σχήμα δίνεται ένα παράδειγμα καθορισμού νοιών, για παλμογραφήματα των μερικών των μερικών εκκώσεων, υπό ημιανορθωμένη τάση καταπόνησης. Σχήμα : Παράδειγμα καθορισμού νοιών για τη στατιστική μελέτη των μερικών εκκώσεων σε στερεά μονωτικά, των πρακτικών εφαρμογών, υπό κρουστικές τάσεις καταπόνησης. T : χρόνος έναρξης των μερικών εκκώσεων 1 T : χρόνος περαίωσης των μερικών εκκώσεων Q : φορτίο έναρξης των μερικών εκκώσεων Q : φορτίο περαίωσης των μερικών εκκώσεων u : στιγμιαία τιμή της εφαρμοζόμης κρουστικής x τάσης u : τάση έναρξης των μερικών εκκώσεων (στιγμιαία τιμή) 34

35 u : άλμα δυναμικού Q : αύξηση φορτίου Με βάση τις παραπάνω έννοιες έχουν σχεδιαστεί διάφορες χαρακτηριστικές, όπως η χαρακτηριστική f( Û k ) f( Û k ) Q=, η χαρακτηριστική u =, ο χρόνος έναρξης των μερικών εκκώσεων σε συνάρτηση με την μέγιστη τιμή της τάσης, κ.λπ. Οι τιμές των χαρακτηριστικών αυτών βασίζονται συνήθως σε μετρήσεις επί ός αρκετά μεγάλου αριθμού δοκιμίων. Ιδιαίτερη σημασία έχει η χαρακτηριστική f( ) Q= η οποία φαίνεται ότι είναι εκθετικής μορφής (σχήμα ), με αποκλίσεις από αυτήν, που έχουν αποδοθεί στη στατιστικότητα των ανομοιογειών των στερεών μονωτικών καθώς και στην εκδήλωση άλλων παραγόντων μείωσης της διηλεκτρικής αντοχής, όπως είναι οι δυνάμεις Coulomb. Κατά την καταπόνηση οργανικών στερεών μονωτικών με κρουστικές τάσεις της μορφής 1,/5μs ή 1/μs παρατηρούνται μηχανικές κακώσεις στο υλικό που αποδίδονται στις δυνάμεις Coulomb. Στο σχήμα δίνεται ένα τυπικό παράδειγμα τεχνητής γήρανσης δείγματος pertinax, όπου φαίνεται η σημαντική μείωση των αλμάτων δυναμικού κατά την 9 η κρούση, ως προς την 6 η. Από ταυτόχρονες παρατηρήσεις της εικόνας των επιφανειακών διαταραχών, εύκολα διαπιστώνεται, ότι η μείωση των αλμάτων δυναμικού (και επομένως του φορτίου Q στον πυκνωτή μέτρησης) σχετίζεται με τις μηχανικές κακώσεις (θραύσματα) στην επιφάνεια του μονωτικού. Ένα σημαντικό αποτέλεσμα των ερευνών του είδους αυτού είναι ο διαχωρισμός μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών μερικών εκκώσεων στο διάγραμμα της χρονικής μεταβολής της εφαρμοζόμης τάσης στο στερεό μονωτικό. Έχει διαπιστωθεί ότι: α) οι εσωτερικές μερικές εκκώσεις εμφανίζονται στην περιοχή μηδισμού της τάσης, ή γικότερα στην περιοχή της μέγιστης χρονικής μεταβολής της. β) οι εσωτερικές μερικές εκκώσεις εμφανίζονται στην περιοχή, όπου δ μηδίζεται η τάση. Û k Τα παραπάνω στην περίπτωση κρουστικών τάσεων σημαίνουν ότι οι εσωτερικές μερικές εκκώσεις εμφανίζονται κατά τη διάρκεια του μετώπου της κρουστικής τάσης, ώ οι εξωτερικές μερικές εκκώσεις κατά τη διάρκεια της ουράς της κρουστικής τάσης. 35

36 Σχήμα : Απλοποιημένο κύκλωμα μέτρησης των μερικών εκκώσεων μέσω «ωμικού χωρητικού» τετράπολου μέτρησης, κατά την καταπόνηση του δοκιμίου με αλλασσόμη τάση 5 Hz. H.T.: μετασχηματιστής υψηλής τάσης C : πυκνωτής υψηλής τάσης k u : στιγμιαία τιμή της αλλασσόμης τάσης (η οποία μετράται σε ένα ωμικό-χωρητικό τετράπολο) u : στιγμιαία τιμή της τάσης στο ωμικό χωρητικό m τετράπολο μέτρησης των μερικών εκκώσεων t : στιγμιαία τιμή του ρεύματος λόγω μερικών m εκκώσεων u : μεταβολές στην εφαρμοζόμη τάση λόγω μερικών εκκώσεων 36

37 Σχήμα : Παράδειγμα καθορισμού ορισμένων νοιών για τη στατιστική μελέτη των μερικών εκκώσεων σε στερεά μονωτικά, των πρακτικών εφαρμογών, υπό ημιανορθωμένες τάσεις καταπόνησης. T 1 : χρόνος έναρξης των μερικών εκκώσεων u : τάση έναρξης των μερικών εκκώσεων (στιγμιαία τιμή) u : άλμα δυναμικού 37

38 Σχήμα : Χαρακτηριστική f( ) Q= για το βακελίτη (πάχους Û k mm), υπό κρουστικές τάσεις 1/μs, 1/5μs και 5/5μs. Περιβάλλον μέσο : μονωτικό λάδι Διάταξη ηλεκτροδίων : ακίδα πλάκα C : 1 nf m Σχήμα : Άλματα δυναμικού κατά την 6 η και την 9 η κρούση στο pertinax (πάχους mm) Μορφή τάσης : 1,/5 μs ( Û k = 99,7 kv) Περιβάλλον μέσο : μονωτικό λάδι Διάταξη ηλεκτροδίων : ακίδα πλάκα C : 1 nf m 38

39 Στον πίνακα δίνονται αποτελέσματα στατιστικών μετρήσεων, που αφορούν οργανικά στερεά μονωτικά με e r,5 4, 5, στα οποία φαίνεται ο διαχωρισμός μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών μερικών εκκώσεων, που προαναφέρθηκε. Φαίνεται επίσης, ότι οι κρουστικές τάσεις μεγάλης χρονικής διάρκειας (τάσεις χειρισμών) προκαλούν κυρίως εσωτερικές μερικές εκκώσεις (ισχύοντας έτσι τη γήρανση των στερεών μονωτικών υλικών), ώ οι κεραυνικές τάσεις (κρουστικές τάσεις 1,/5 μs) σχετίζονται περισσότερο με εξωτερικές μερικές εκκώσεις. Μορφή τάσης σε μs Δδρίτης Εικόνα επιφανειακώ ν διαταραχών Άλματα δυναμικού 1,/5 ΝΑΙ ΝΑΙ στην ουρά 1/ ΝΑΙ (αλλά μικρότερος από εκείνον κατά την καταπόνηση με κρουστική τάση 1,/5 μs) ΝΑΙ (αλλά μικρότερος από εκείνον κατά την καταπόνηση με κρουστική τάση 1,/5 μs) στην ουρά και στο μέτωπο 5/5 ΟΧΙ ΟΧΙ στο μέτωπο Συμπεράσματ α για τις μερικές εκκώσεις εξωτερικές μερικές εκκώσεις εξωτερικές και εσωτερικές μερικές εκκώσεις εσωτερικές μερικές εκκώσεις Πίνακας : Αποτελέσματα της συσχέτισης μεταξύ εμφάνισης των αλμάτων δυναμικού και της εικόνας των επιφανειακών διαταραχών Μια άλλη πειραματική προσέγγιση του διαχωρισμού μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών μερικών εκκώσεων, ως προς τον χρόνο εκδήλωσης τους (υπό κρουστικές τάσεις καταπόνησης), έχει βασιστεί σε χαρακτηριστικές T 1 = f( Û k ) και f( Û k ) T = σε συνδυασμό με οπτικές παρατηρήσεις για την εικόνα των επιφανειακών διαταραχών. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ο χρόνος έναρξης ( T 1 ) των μερικών εκκώσεων (στα μονωτικά υλικά και το είδος της καταπόνησης, που προαναφέρθηκαν) καθώς και ο χρόνος περαίωσης των μερικών εκκώσεων ( T ), υπό κρουστικές τάσεις 5/5 μs), ώστε σε συνδυασμό 39

40 με τις παρατηρήσεις του πίνακα για την εικόνα των επιφανειών, να καταλήγει κανείς στο ίδιο συμπέρασμα. Σχήμα : 1) Χαρακτηριστική 1 f( Û k ) T = κατά την καταπόνηση στερεών οργανικών μονωτικών (πάχους mm και e r,5 4,5) με κρουστικές τάσεις 1,/5 μs, 1/μs και 5/5μs. ) Χαρακτηριστική f( Û k ) T = κατά την καταπόνηση των υλικών αυτών με κρουστικές τάσεις 5/5μs. Περιβάλλον μέσο : μονωτικό λάδι Διάταξη ηλεκτροδίων : ακίδα πλάκα I : φορές η τυπική απόκλιση Από την μέση καμπύλη των χαρακτηριστικών του σχήματος γίνεται φανερή η εκδήλωση του φαινομένου της πολικότητας. Οι επικαλύψεις τιμών, που παρατηρούνται μπορούν να αποδοθούν στη διαφορετική κατανομή των θέσεων διαταραχής από δοκίμιο σε δοκίμιο (τα οργανικά στερεά μονωτικά είναι ανομοιογή και δ είναι δυνατό να 4

41 υπάρχει συμμετρική κατανομή των θέσεων διαταραχής από δοκίμιο σε δοκίμιο) Η επιφανειακή διάσπαση και η υπερπήδηση. Η εκδήλωση των εξωτερικών μερικών εκκώσεων στη διαχωριστική επιφάνεια του συνδυασμού «στερεό μονωτικό - αέριο μονωτικό», ή του συνδυασμού «στερεό μονωτικό - υγρό μονωτικό» θα οδηγήσει σε επιφανειακή διάσπαση, όταν μία ομάδα ελεύθερων ηλεκτρονίων (η οποία, με βάση τις οπτικές παρατηρήσεις, μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι μία διαδρομή της δδροειδούς φωτεινής ακτινοβολίας, που εκδηλώνεται) θα προκαλέσει μείωση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων (απόσταση μόνωσης), ώστε τελικά να συμβεί ένας οχετός διάσπασης στην επιφάνεια του στερεού (επιφανειακή διάσπαση), ή στο περιβάλλον μέσο του (υπερπήδηση). Στα φαινόμα παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων (κυρίως ηλεκτρονίων) στην επιφάνεια των στερεών μονωτικών συμμετέχει και η ίδια η επιφάνεια σε βάθος μέχρι 3 Å. Έτσι, εκτός από τις εξωτερικές μερικές εκκώσεις (οι οποίες οφείλονται σε ξένες επικαθίσεις και έχουν συνήθως τον κυρίαρχο ρόλο στη μείωση της διηλεκτρικής αντοχής στην επιφάνεια), μπορεί κανείς να υποθέσει ότι εκδηλώνονται και οι άλλοι παράγοντες (απώλειες Joule, δυνάμεις Coulomb και θερμότητα του περιβάλλοντος), όπως κατά τη διάτρηση. Μπορεί επομένως να θεωρηθεί, οι μερικές εκκώσεις στο επιφανειακό φιλμ (δηλαδή στο συνδυασμό «επιφάνεια του στερεού μέχρι βάθος 3 Å - περιβάλλον μέσο») είναι συνήθως ο κυρίαρχος παράγοντας για την επιφανειακή διάσπαση ή την υπερπήδηση Η κβαντομηχανική θεωρία της γήρανσης και της διάσπασης των στερεών μονωτικών. Στη κβαντομηχανική θεωρία διαφέρει κυρίως η έργεια των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων (κυρίως ηλεκτρόνια). Η τιμή της έργειας αυτής, πάνω από την έργεια Fermi των ηλεκτροδίων διευκολύνει στην εξαγωγή συμπερασμάτων για τον μηχανισμό παραγωγής των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων. Η γήρανση και η διάσπαση, σχετίζονται με εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που παράγεται στο υλικό. Έχει διαπιστωθεί ότι το φάσμα της εκπεμπόμης ακτινοβολίας κατά τη γήρανση μπορεί να είναι από ακουστικά κύματα μέχρι υπεριώδεις ακτίνες. Το φάσμα της παραπάνω ακτινοβολίας κατά τη διάσπαση είναι δυνατό να επεκταθεί σε τιμές της ιονίζουσας περιοχής του. 41

42 Καθοριστικός παράγοντας για την δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων είναι η τιμή του πεδίου. Από μετρήσεις σε οργανικά στερεά μονωτικά (με σχετική διηλεκτρική σταθερά,5-4,5) έχει διαπιστωθεί ότι οι μερικές εκκώσεις, υπό κρουστικές τάσεις καταπόνησης, αρχίζουν σε τιμή πεδίου περίπου, MV/cm. Για τιμές του πεδίου μέχρι περίπου.5 MV/cm αυξάνει η ειδική kt αγωγιμότητα κατά τη σχέση 1.-9 ( σ = σ e ). Για μεγαλύτερες τιμές πεδίου, οι ελεύθεροι ηλεκτρικοί φορείς γίνονται αρκετά περισσότεροι και δ ισχύει η σχέση Στην περίπτωση αυτή η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων αποδίδεται στον ιονισμό με κρούσεις. Έχει διαπιστωθεί, ότι ο ιονισμός με κρούσεις σχετίζεται με την εκδήλωση αρνητικής διαφορικής αντίστασης στο υλικό. Το φάσμα της εκπεμπόμης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εξαρτάται από το περίσσευμα της έργειας των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων κατά την εξαναγκασμένη επιβράδυνση τους στα ηλεκτρόδια. Παρακάτω εξετάζονται αναλυτικά τα προαναφερόμα, με βάση τυπικά παραδείγματα, τα περισσότερα των οποίων είναι ήδη γνωστά από τη βιβλιογραφία Φαινόμα προ της διάσπασης των στερεών μονωτικών υλικών Στα σχήματα ως δίνονται δεικτικά παλμογραφήματα της τεχνητής γήρανσης στερεών πολυμερών μονωτικών με κρουστικές τάσεις σε περιβάλλον μονωτικού ελαίου. Η διάταξη μέτρησης έχει σχεδιαστεί απλοποιημένα στο σχήμα Με τις μετρήσεις αυτές διαπιστώθηκε ότι μετά από μία τιμή W Û k 45 kv, κατά την καταπόνηση με κρουστικές τάσεις 1,/5 μs ή 1/ μs, εκδηλώνεται επιφανειακός δδρίτης στα ίχνη του οποίου παρατηρείται στην επιφάνεια του μονωτικού μόνιμη αλλαγή της μοριακής δομής (σχήμα ). Υπό σταθερή τιμή της τάσης ο δδρίτης, καθώς και η αντίστοιχη προς αυτόν αλλαγή της μοριακής δομής, έχουν μικρότερες διαστάσεις. Κατά την καταπόνηση με κρουστικές τάσεις 5/5 μs δ παρατηρήθηκε, υπό σταθερή τιμή της τάσης (που δ οδηγεί στη διάσπαση), η εκδήλωση του παραπάνω δδρίτη, ούτε προκλήθηκε αλλαγή της μοριακής δομής. Για λόγους σύγκρισης των συμπερασμάτων, μεταξύ μακροσκοπικής και κβαντομηχανικής ερμηνείας, εξετάζονται (με τα παραπάνω δεδομένα) και οι δύο αυτές περιπτώσεις: 4

43 Σχήμα : Άλματα δυναμικού υπό κρουστική τάση 1,/5μs : 1κV E :,8 MV/cm C : 1nF U^ k m Σχήμα : Πρώτο άλμα δυναμικού υπό κρουστική τάση 1/μs : 6,6κV E :,38 MV/cm C : 1nF U^ k m Σχήμα : Άλματα δυναμικού υπό κρουστική τάση 5/5μs : 3κV E :,31 MV/cm C : 1nF U^ k m 43

44 α) Μακροσκοπική εμπειρία Αν οι παραπάνω μετρήσεις και οπτικές παρατηρήσεις ερμηνευτούν με τη μακροσκοπική θεωρία, τότε καταλήγει κανείς στο συμπέρασμα του πίνακα Η εκδήλωση των αλμάτων δυναμικού (ή των κρούσεων φορτίου) κατά τη θεωρία αυτή ερμηνεύονται από το ισοδύναμο κύκλωμα των μερικών εκκώσεων. Σχήμα : Απλοποιημένη διάταξη μέτρησης των αλμάτων δυναμικού ή των κρούσεων φορτίου σε στερεά μονωτικά, υπό κρουστικές τάσεις καταπόνησης H.T.: μετασχηματιστής υψηλής τάσης G : γνήτρια κρουστικών τάσεων C, : Καταμεριστής για τη μέτρηση κρουστικής H C N β) Κβαντομηχανική ερμηνεία: τάσης. 1 : ηλεκτρόδιο ακίδα : μονωτικό λάδι 3 : δοκίμιο (πάχους mm) 4 : ηλεκτρόδιο πλάκα C : πυκνωτής μέτρησης των αλμάτων δυναμικού m R : αντίσταση μέτρησης των κρούσεων φορτίου (ρεύμα) m Κατά τη θεωρία αυτή διαφέρουν τα εργειακά επίπεδα των ελευθέρων ηλεκτρικών φορέων κατά την εκδήλωση μερικών εκκώσεων και όχι ο διαχωρισμός των τελευταίων σε εσωτερικές και εξωτερικές. Η έργεια των ελευθέρων ηλεκτρικών φορέων (κυρίως ηλεκτρόνια), πάνω από την έργεια Fermi του ηλεκτροδίου, μπορεί να υπολογιστεί από την έργεια στον πυκνωτή μέτρησης C m ανά άλμα δυναμικού, με τη σχέση W=,5 q e u (όπου: q e το φορτίο του ηλεκτρονίου και u το άλμα δυναμικού). Η σχέση αυτή ισχύει για μηδική τιμή της ωμικής αντίστασης R από τον πυκνωτή μέτρησης μέχρι και το ηλεκτρόδια 44

45 γείωσης. Για R > θα πρέπει να πάρει κανείς υπ όψη το μεταβατικό φαινόμο με σταθερά χρόνου: = ( ) r R C m οπότε η τιμή της έργειας δίνεται από τη σχέση: W t ( RC ),5 u ( e m ),(σε ev) ( ) = 1 όπου: u σε V και t ο χρόνος φόρτισης του C m κατά τη διάρκεια μίας μερικής εκκένωσης. Από τις μετρήσεις των τιμών έργειας των ηλεκτρονίων κατά τα άλματα δυναμικού καθώς και διάφορες παρατηρήσεις, όπως η φωτεινή ακτινοβολία που παρατηρείται σε αρκετές περιπτώσεις εκδήλωσης μερικών εκκώσεων και οι ραδιοφωνικές παρεμβολές και τα ακουστικά κύματα, που συχνά προκαλούν οι μερικές εκκώσεις, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η γήρανση των στερεών μονωτικών σχετίζεται με εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που παράγεται σε αυτά, το φάσμα της οποίας είναι: από ακουστικά κύματα μέχρι και υπεριώδεις ακτίνες. Περισσότερες πληροφορίες για το μηχανισμό γήρανσης έχουν δοθεί από παλμογραφήματα των κρούσεων φορτίου. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συλλέγονται από την άνοδο υπό μορφή ομάδων, οι οποίες μπορούν να αποδοθούν σε ιονισμό με κρούσεις. Όταν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια φτάνουν στην άνοδο, εξαναγκάζονται σε επιβράδυνση αποδίδοντας το περίσσευμά της έργειάς τους (ανάλογα με την εργειακή στάθμη που είχαν) σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ο δδρίτης επομένως, που παρατηρείται, είναι το ορατό φάσμα της παραπάνω ακτινοβολίας. Μπορούμε, να υποθέσουμε, ότι αντίστοιχες δδροειδούς μορφής εκπομπές συμβαίνουν και σε άλλες περιοχές του φάσματος της παραγόμης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ο ιονισμός με κρούσεις σχετίζεται με εκδήλωση αρνητικής διαφορικής αντίστασης (κατά την αύξηση της τάσης παρατηρείται μείωση του ρεύματος). Από τα παραπάνω μπορεί να καταλήξει κανείς στο συμπέρασμα ότι μία διαδρομή της δδροειδούς μορφής εκπεμπόμης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, αντιστοιχεί σε μία κρούση φορτίου, η οποία περιλαμβάνει ελεύθερα ηλεκτρόνια, που είχαν την ίδια εργειακή στάθμη (κατά την άφιξή τους στην άνοδο προκάλεσαν εκπομπή του ίδιου μήκους κύματος). Μπορούμε να υποθέσουμε, λόγω του εύρους της παραπάνω ακτινοβολίας, ότι υπάρχουν στο υλικό διάφορες εργειακές στάθμες διαταραχής μέσα στην απαγορευμένη ζώνη, που είναι 45

46 καθοριστικής σημασίας για την εκδήλωση του ιονισμού (σχήμα ). Από τις στάθμες διαταραχής συμμετέχουν περισσότερο στο φαινόμο της γήρανσης οι πλησιέστερες προς τη ζώνη αγωγιμότητας. Σχήμα : Διάγραμμα εργειακών ζωνών του ανομοιογούς στερεού μονωτικού 1 : ζώνη αγωγιμότητας : στάθμες διαταραχής μέσα στην απαγορευμένη ζώνη 3 : ζώνη σθένους Από πρόσφατες έρευνες, που έχουν γίνει κατά τη γήρανση στερεών μονωτικών των πρακτικών εφαρμογών, υπό αλλασσόμη (ή συνεχή) τάση καταπόνησης, διαπιστώνεται επίσης η εκπομπή του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που έχει προαναφερθεί για την τεχνητή γήρανση με κρουστικές τάσεις. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις καταπόνησης ο υπολογισμός της έργειας των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων (πάνω από την έργεια Fermi) μπορεί να γίνει, κατά την εκδήλωση αλμάτων δυναμικού, με την σχέση Το φάσμα της εκπεμπόμης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά τη διάτρηση. Η διάτρηση έχει διερευνηθεί με καταπονήσεις στερεών μονωτικών με σχετική διηλεκτρική σταθερά περίπου,5-4,5 (διάφορα χαρτιά μετασχηματιστών, πεπιεσμένο χαρτί, βακελίτης, Pertinax, πανίτης, κ.λπ.). Οι τάσεις δοκιμής, που έχουν χρησιμοποιηθεί για την κβαντομηχανική ερμηνεία του μηχανισμού διάτρησης, είναι κυρίως κρουστικής μορφής (1,/5μs, 1/μs, 5/5μs κ.λπ.). Πειράματα έχουν γίνει επίσης με αλλασσόμες και ημιανορθωμένες τάσεις καταπόνησης. Παρακάτω εξετάζεται ένα παράδειγμα με κρουστικές τάσεις με τη διάταξη του σχήματος Τυπικά παλμογραφήματα του φαινομένου δίνονται στα σχήματα

47 Το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που παράγεται στα στερεά μονωτικά κατά την πραγματοποίηση των πειραμάτων γήρανσης και διάτρησης εξαρτάται σημαντικά από τον συντελεστή χρησιμοποίησης της διάταξης των ηλεκτροδίων. Όσο περισσότερο ανομοιογές είναι το πεδίο, τόσο μειώνεται το εύρος της παραπάνω ακτινοβολίας. Όταν η ακίδα έχει π.χ. ακτίνα καμπυλότητας.3mm (αντί του 1mm), τότε (όπως έχει διαπιστωθεί πειραματικά) η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία επεκτείνεται μέχρι το ορατό τμήμα της. Σχήμα : Τυπικό παράδειγμα αλμάτων δυναμικού κατά τη διάτρηση στερεών μονωτικών (πάχους 1mm) τός μονωτικού ελαίου Κρουστική τάση : 1,/5μs R : 1mm U^ ακίδας k : 85κV E : 1, MV/cm C : 1835nF m Φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά την επιφανειακή διάσπαση. Από πειράματα, που έχουν γίνει για τη μελέτη των φαινομένων, που εκδηλώνονται πριν και κατά την επιφανειακή διάσπαση, σε περιβάλλον μονωτικού ελαίου ή ατμοσφαιρικού αέρα, φαίνεται ο μηχανισμός είναι ο ίδιος με αυτόν της γήρανσης και της διάτρησης. Παρακάτω εξετάζεται (για λόγους σύγκρισης με τη διάτρηση) ένα τυπικό παράδειγμα επιφανειακής διάσπασης πολυμερών στερεών μονωτικών πάχους mm σε περιβάλλον μονωτικού ελαίου, υπό κρουστικές τάσεις 1/μs και διάταξη ηλεκτροδίων ακίδα-πλάκα. Από το τυπικό παλμογράφημα της επιφανειακής διάσπασης του σχήματος υπολογίζεται από τη σχέση η έργεια W των 47

48 ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων. Η έργεια αυτή για το πρώτο και το τελευταίο άλμα δυναμικού είναι αντίστοιχα: 1eV και 96,5eV αντίστοιχα. Όπως φαίνεται η επιφανειακή διάσπαση σχετίζεται (όπως και η διάτρηση) με την εκπομπή μαλακών ακτίνων Χ. Σχήμα : Παλμογραφήματα αλμάτων δυναμικού κατά την επιφανειακή διάσπαση του pertinax (πάχους mm και διαμέτρου επιφανείας 15mm) υπό κρουστικές τάσεις 1/μs σε περιβάλλον μονωτικού ελαίου. Ηλεκτρόδια εφαρμογής της τάσης : ακίδα - πλάκα Αν τελικά συμβαίνει εκπομπή ακτίνων Χ κατά τη διάτρηση και την επιφανειακή διάσπαση, τότε θα πρέπει να προσβάλλεται το φωτογραφικό φιλμ και να απεικονίζονται αντικείμα. Το ίδιο θα πρέπει να ισχύει και κατά την εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας (τουλάχιστον σε τιμές πεδίου πλησίον της διάσπασης, όπου αυτή να είναι αρκετά ev). Από πειράματα που έγιναν για τον σκοπό αυτό, φαίνεται ότι προσβάλλεται το φωτογραφικό φιλμ και απεικονίζονται αντικείμα, καθώς και βιολογικοί οργανισμοί. Στα σχήματα , και δίνονται ορισμένες από τις φωτογραφίες αυτές. Επίσης, στα σχήματα και δίνονται φωτογραφίες επιφανειακών δδριτών, που αφορούν αντίστοιχα τη γήρανση και τη διάσπαση. Οι παραπάνω φωτογραφίες αφορούν την επιφανειακή διάσπαση δοκιμίων (πάχους 1 έως mm και διαμέτρου 15mm), υπό κρουστικές τάσης 1,/5 μs σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα. Οι φωτογραφίες σε περιβάλλον μονωτικού ελαίου, καθώς και εκείνες της διάτρησης (στον αέρα ή στο λάδι), οδηγούν στα ίδια συμπεράσματα. Σχετικά με την απεικόνιση των δδριτών στο φωτογραφικό φιλμ μπορούμε να υποθέσουμε, ότι ο δδρίτης στη φωτογραφία του σχήματος σχετίζεται με την υπεριώδη ακτινοβολία, ώ εκείνος του σχήματος με υπεριώδεις ακτίνες και ακτίνες Χ. Κατά τον τρόπο 48

49 αυτό δίνεται μία φυσική ερμηνεία για τις γνωστές εικόνες Lichtenberg. Μπορεί επίσης να συμπεράνει κανείς, ότι ο φωτεινός δδρίτης και ο οχετός διάσπασης, που παρατηρούνται κατά την ηλεκτρική καταπόνηση ός στερεού μονωτικού, αφορούν το ορατό φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που παράγεται στο υλικό. Σχήμα : Προσβολή του φωτογραφικού φιλμ κατά την καταπόνηση πολυμερούς στερεού μονωτικού πλησίον της περιοχής τιμών για την επιφανειακή διάσπαση στον αέρα, υπό κρουστική τάση 1,/5 μs. (φωτογράφηση ός φύλλου δένδρου) 49

50 Σχήμα : Προσβολή του φωτογραφικού φιλμ κατά την επιφανειακή διάσπαση στον αέρα πολυμερούς στερεού μονωτικού, υπό κρουστική τάση 1,/5μs. Διάταξη ηλεκτροδίων : ακίδα-πλάκα. a) Φωτογράφηση φύλλου δένδρου. b) Φωτογράφηση βιολογικού οργανισμού (σκαθάρι). c) Φωτογράφηση μεταλλικών αντικειμένων. Σχήμα : Φωτογράφηση ός εικοσάδραχμου κατά την επιφανειακή διάσπαση στον αέρα πολυμερών στερεών μονωτικών υπό κρουστική τάση 1,/5μs (διάταξη ηλεκτροδίων ακίδα - πλάκα). 5