Υψηλές Τάσεις. Ενότητα 6: Στερεά Μονωτικά Γήρανση και Διάσπαση. Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Υψηλές Τάσεις Ενότητα 6: Στερεά Μονωτικά Γήρανση και Διάσπαση Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

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

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

4 Σκοποί Ενότητας Ο στόχος της 6 ης Ενότητας είναι να παρουσιαστούν με λεπτομέρειες τα στερεά μονωτικά υλικά, καθώς η γήρανση και διάσπαση κατά τη χρήση τους στις κατασκευές υψηλών τάσεων. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Στερεά Μονωτικά Γήρανση και Διάσπαση Καθορισμός Όρων και Εννοιών Ο Συντελεστής Απωλειών (tgδ) Ειδική Ηλεκτρική Αγωγιμότητα Η Επιφανειακή Αγωγιμότητα Ο Συντελεστής Θερμικής Αγωγιμότητας Η Μηχανική Αντοχή Μερικές Εκκενώσεις Τάση Ενάρξεως και Τάση Σβέσεως των Μ.Ε. Μεγέθη Διαταραχής Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων Κρούσεις Φορτίου Κυματομορφή της Τάσης στον Πυκνωτή Μέτρησης m 5

6 Στερεά Μονωτικά Γήρανση και Διάσπαση Θεωρία διάσπασης στερεών μονωτικών Μη γραμμικά φαινόμενα Μερικές εκκενώσεις 6

7 Καθορισμός Όρων και Εννοιών H Διηλεκτρική Αντοχή Η διηλεκτρική αντοχή (Ε d ) είναι ένας ορισμός για την αξιολόγηση των μονωτικών υλικών, μέσω της ελάχιστης τιμής της πεδιακής έντασης για τη διάσπαση εντός ομογενούς πεδίου. Η Σχετική Διηλεκτρική Σταθερά Η σχετική διηλεκτρική σταθερά (ε r ) δίνει το πόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα μίας διάταξης συγκριτικά προς εκείνη στο κενό ή στον αέρα. Οι σχετικές διηλεκτρικές σταθερές των διαφόρων μονωτικών, που συνθέτουν μία μόνωση θα πρέπει να επιλέγονται κατά τρόπο, ώστε να εξομαλύνεται το πεδίο στις διαχωριστικές επιφάνειές τους, για να μη διευκολύνεται η εκδήλωση μερικών εκκενώσεων. 7

8 Ο Συντελεστής Απωλειών (tgδ) - 1 Σε μία μόνωση, που παρεμβάλλεται μεταξύ ηλεκτροδίων με σκοπό τη δημιουργία ενός ηλεκτροστατικού πεδίου, υπάρχουν πάντοτε απώλειες ενέργειας, οι οποίες υπό εναλλασσόμενη τάση οφείλονται : Στην κατανάλωση ενέργειας κατά τη διαρκή εναλλαγή της φοράς της ηλεκτρικής ροπής των δίπολων στο ρυθμό της εναλλαγής της πολικότητας της εναλλασσόμενης τάσης. Στην πολύ μικρή ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα (σ), που έχουν τα μονωτικά υλικά. Έτσι, ο μονωτής έχει, εκτός από το χωρητικό ρεύμα Ι και ένα ρεύμα διαρροής ΙR. Στην πράξη το ρεύμα διαρροής αυξάνει, γιατί η αγωγιμότητα του μονωτή γίνεται μεγαλύτερη. 8

9 Ο Συντελεστής Απωλειών (tgδ) - 2 Σχήμα 1.1-1: Τάξη μεγέθους της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας διαφόρων κατηγοριών υλικών Σχήμα 1.1-2: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός πυκνωτή με απώλειες λόγω της αγωγιμότητας G του διηλεκτρικού του Ο συντελεστής απωλειών : I R tgδ = = I είναι ένα κριτήριο αξιολόγησης του διηλεκτρικού (ή μίας μονωτικής διάταξης γενικότερα), γιατί δίνει πληροφορίες για την αγωγιμότητά του. G ω 9

10 Ειδική Ηλεκτρική Αγωγιμότητα - 1 Τα ηλεκτρομονωτικά υλικά έχουν μία πολύ μικρή ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα, που εξαρτάται γενικά από τις συνθήκες λειτουργίας τους. Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι επομένως ένα σημαντικό κριτήριο αξιολόγησης των διηλεκτρικών, γιατί εκφράζει τους ελεύθερους ηλεκτρικούς 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 W / kt βθ σχέση : σ = σ 0 e = σ 0e Μία τιμή πεδιακής έντασης χαρακτηρίζεται ως χαμηλή όταν δεν εκδηλώνονται μερικές εκκενώσεις, ή έστω όταν οι μερικές εκκενώσεις συμμετέχουν μόνο στην αύξηση των απωλειών Joule. 10

11 Ειδική Ηλεκτρική Αγωγιμότητα - 2 Για μεγαλύτερες τιμές της πεδιακής έντασης από προηγουμένως, η τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας οφείλεται κυρίως στις μερικές εκκενώσεις. Έχει διαπιστωθεί, ότι στην περίπτωση αυτή συμβαίνει ιονισμός με κρούσεις, όπως στα ιονισμένα αέρια. Για την αύξηση της τιμής σ, από τις απώλειες του διηλεκτρικού και τις μερικές εκκενώσεις, έχει διατυπωθεί η σχέση : σ = σ 0 exp( βθ ) 2 (1 δe) 11

12 Ειδική Ηλεκτρική Αγωγιμότητα - 3 H αγωγιμότητα τέλος των μονωτικών υλικών αυξάνει όταν προσβάλλονται με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία Χ ειδικότερα μπορεί να μετατρέψει ένα μονωτή σε αγωγό. Φαίνεται ότι η ακτινοβολία προκαλεί διαχωρισμό των ηλεκτρονίων από τους μητρικούς τους πυρήνες και ανύψωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, με αποτέλεσμα την αύξηση της αγωγιμότητας των μονωτικών. 12

13 Ο Συντελεστής ε tgδ Για ένα πυκνωτή επίπεδων πλακών ισχύει: σ ε tgδ = ω Ο συντελεστής ε tgδ του ομοιογενούς στερεού μονωτικού υλικού (ή γενικότερα του στερεού διηλεκτρικού όταν δεν εκδηλώνονται σε αυτό μερικές εκκενώσεις, π.χ. λόγω U<U α, όπου U α η τάση έναρξης των μερικών εκκενώσεων) αυξάνει εκθετικά με τη θερμοκρασία : σ 0 ε tgδ = e ω Για την αύξηση της τιμής ε tgδ στην περιοχή του στερεού μονωτικού, όπου οι μερικές εκκενώσεις στην αύξηση των βθ απωλειών Joule, έχουμε : σ 0 e ε tgδ = ω ( 1 δe) 2 βθ 13

14 Η Επιφανειακή Αγωγιμότητα Η διηλεκτρική αντοχή των στερεών μονωτικών μειώνεται, όταν η επιφάνειά τους περιλαμβάνει ξένες επικαθίσεις. Επειδή οι παράγοντες, που προκαλούν αύξηση της επιφανειακής αγωγιμότητας ποικίλουν, η ειδική επιφανειακή αγωγιμότητα δεν είναι κάποια σταθερά των στερεών μονωτικών. 14

15 Ο Συντελεστής Θερμικής Αγωγιμότητας H θερμική καταπόνηση των μονωτικών υλικών σχετίζεται με την αύξηση του αριθμού των ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων στις θέσεις, όπου η πεδιακή ένταση έτυχε να είναι αυξημένη. Η θερμότητα για την εκδήλωση των παραπάνω θέσεων διαταραχής υπάρχει πάντοτε κατά τη λειτουργία των διαφόρων κατασκευών. Επειδή γενικά 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. 15

16 Η Μηχανική Αντοχή Σε αρκετές κατασκευές ενδιαφέρουν εκτός από τις ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών μονωτικών και οι μηχανικές ιδιότητές τους. 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 ενδιαφέρει η μηχανική σε πλήρεις κατασκευές, που περιλαμβάνουν στερεά μονωτικά, όταν αυτή ενδέχεται να επηρεάσει τη διηλεκτρική αντοχή από την εξάσκηση μεγάλων δυνάμεων ηλεκτρικής προέλευσης, όπως συμβαίνει κατά το βραχυκύκλωμα. Οι δυνάμεις αυτές μπορούν να μειώσουν τις αποστάσεις μόνωσης και να γίνουν αιτία καταστροφής της κατασκευής, όταν δεν υπάρχει η απαιτούμενη μηχανική αντοχή κατά το βραχυκύκλωμα. 16

17 Μερικές Εκκενώσεις - 1 Μερική εκκένωση (Μ.Ε.) καλείται κάθε ασθενής σε ενέργεια ηλεκτρική εκκένωση, η οποία εμφανίζεται, υπό την επίδραση της επιβαλλόμενης τάσεως επί της επιφάνειας η μέσα στον όγκο ενός διηλεκτρικού (μονωτικού) υλικού και η οποία κείται μέσα στην περιοχή ευαισθησίας των εξής μεθόδων παρατηρήσεως και μετρήσεως: Παρατηρήσεως των φωτεινών φαινομένων μέσα σε σκοτεινό θάλαμο, Ανιχνεύσεως του (ακουστικού) θορύβου και Μετρήσεως των ηλεκτρικών διαταραχών, οι οποίες προκαλούνται υπό των Μ.Ε. 17

18 Μερικές Εκκενώσεις - 2 Ο όρος Μερική Εκκένωση οφείλεται στην Τεχνική Επιτροπή 42 της ΙΕ, ο οποίος όρος είναι ταυτόσημος με τον όρο orona. Πολλές φορές ο όρος orona διατηρείται μόνο για τις Μ.Ε. γύρω από ένα αγωγό, γυμνό ή μονωμένο, ο οποίος βρίσκεται μέσα σε αέριο, μακριά από κάθε στερεό υλικό. 18

19 Μερικές Εκκενώσεις - 3 Σχήμα : Ισοδύναμο κύκλωμα των μερικών εκκενώσεων (παραλλαγή του ισοδύναμου κυκλώματος των Gemant και Philipoff). : ιδανική χωρητικότητα της διάταξης 2: χωρητικότητα του υγιούς στον όγκο του μονωτικού 3: χωρητικότητα του υγιούς στην επιφάνεια του μονωτικού Δ1 και Δ2 : διακόπτες, που όταν κλείνουν συμβολίζουν την διάσπαση αντίστοιχα των εσωτερικών και των εξωτερικών μερικών εκκενώσεων μεγέθους της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας διαφόρων κατηγοριών υλικών 19

20 Μερικές Εκκενώσεις - 4 Οι Μ.Ε. μέσα ή στην επιφάνεια των στερεών μονωτικών, προκαλούν μείωση της διηλεκτρικής αντοχής τους, η οποία λέγεται «γήρανση των μονωτικών». Η σημασία τους γίνεται τόσο μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η ονομαστική ισχύς τους (μετασχηματιστές ισχύος) ή η ονομαστική υψηλή τους τάση (μετασχηματιστές ισχύος και μετρήσεως). Έτσι η καταστροφή αυτών πρέπει να αποκλείεται όχι μόνο λόγω της πολύ υψηλής τους δαπάνης κατασκευής, αλλά και γιατί κάθε βλάβη της εσωτερικής μονώσεως τους είναι, κατά κανόνα, μόνιμη και θέτει αυτούς εκτός λειτουργίας επί μεγάλο χρονικό διάστημα. 20

21 Μερικές Εκκενώσεις - 5 Από πλευράς καταπονήσεων, οι μετασχηματιστές καταπονούνται σε λειτουργία, μόνιμα από την εναλλασσόμενη τάση λειτουργίας τους. Εκτός από αυτές τις καταπονήσεις οι μετασχηματιστές καταπονούνται και από υπερτάσεις (τάσεις κεραυνών ή κρουστικές τάσεις ζεύξεως οι οποίες εμφανίζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα σα συνέπεια σφαλμάτων ή χειρισμών). Παράλληλα προς τις προηγούμενες καταπονήσεις, μέγιστη σημασία έχει και η καταπόνηση η οφειλόμενη σε Μ.Ε. οι οποίες παράγονται εντός της μονώσεως των μετασχηματιστών, συνέπεια των οποίων είναι να επέλθει σημαντική μείωση της διάρκειας ζωής (γήρανση) της μονώσεως. 21

22 Είδη Μερικών Εκκενώσεων - 1 Από την άποψη του ρυθμού εμφανίσεως, οι μερικές εκκενώσεις διακρίνονται σε: Τις διαρκείς Μ.Ε., οι οποίες εμφανίζονται με μάλλον κανονικό ρυθμό ανά περίοδο της εφαρμοζόμενης εναλλασσόμενης τάσεως. Στις διαλείπουσες μερικές εκκενώσεις, οι οποίες εμφανίζονται ακανόνιστα σε τυχούσες περιόδους της εναλλασσόμενης τάσεως. 22

23 Είδη Μερικών Εκκενώσεων - 2 Από την άποψη της θέσεως εμφανίσεως στο μονωτικό υλικό οι Μ.Ε. διακρίνονται σε: Εξωτερικές Μ.Ε.,οι οποίες εμφανίζονται σε οξείες μεταλλικές ακμές στον αέρα ή στην επιφάνεια στερεών η υγρών μονωτικών υλικών. Εσωτερικές Μ.Ε., οι οποίες εμφανίζονται κυρίως σε φυσαλίδες αερίου, οι οποίες υφίστανται μέσα σε στερεά ή υγρά μονωτικά υλικά. Επίσης, σε θέσεις ανομοιογένειας, δηλαδή σε αγώγιμες ή ημιαγώγιμες προσμείξεις μέσα σε διηλεκτρικό, λόγω του ότι εμφανίζονται υψηλές πεδιακές εντάσεις στην επιφάνεια αυτών των ανομοιογενειών προκαλείται διάσπαση του μονωτικού υλικού, το οποίο περιβάλλει τις ανομοιογένειες με αποτέλεσμα την εμφάνιση μερικών εκκενώσεων. 23

24 Τάση Ενάρξεως και Τάση Σβέσεως των Μ.Ε. - 1 Όταν η τάση αυξηθεί και υπερβεί μια χαρακτηριστική τιμή που καλείται «τάση ενάρξεως» των Μ.Ε., εμφανίζονται, μέσα στο δοκίμιο, μερικές εκκενώσεις. 24

25 Τάση Ενάρξεως και Τάση Σβέσεως των Μ.Ε. - 2 Σχήμα 11.5: Παραγωγή μερικών εκκενώσεων α) Σχηματική παράσταση β) Καμπύλες χρονικής μεταβολής της τάσεως και του δοκιμίου Δ δοκίμιο (σπινθηριστής πλάκας-πλάκας) 1. Επιβαλλόμενη ημιτονοειδής τάση 2. Ρεύμα i(t) δια του δοκιμίου χωρίς Μ.Ε. 3. Ρεύμα i(t) δια του δοκιμίου με την παρουσία Μ.Ε. 25

26 Τάση Ενάρξεως και Τάση Σβέσεως των Μ.Ε. - 3 Αυτές γίνονται αντιληπτές, επί του παλμογραφήματος του ρεύματος i(t) του δοκιμίου, σαν μικρές ακανόνιστες βραχυχρόνιες ακμές, οι οποίες επιπροστίθενται του χωρητικού ημιτονοειδούς ρεύματος του δοκιμίου και καλούνται κρούσεις. Κάθε κρούση αντιστοιχεί σε μια μερική εκκένωση. Το πλήθος των Μ.Ε., άρα και των ρευματικών κρούσεων, όπως επίσης και το μέγεθος τους, αυξάνει με την αύξηση της επιβαλλόμενης τάσεως. Αν, αντίθετα από μια τιμή της τάσεως, στην οποία συμβαίνουν Μ.Ε., αρχίσουμε, βαθμιαία, να υποβιβάζουμε την τάση αυτή, οι Μ.Ε. θα μειωθούν, θα μηδενιστούν δε μόλις η τάση (στιγμιαία τιμή) αποκτήσει μια τιμή η οποία καλείται «τάση σβέσεως των Μ.Ε». 26

27 Μεγέθη Διαταραχής - 1 Η μέχρι τώρα έρευνα των Μ.Ε., είχε σαν κύριο σκοπό τη συλλογή ενδείξεων, οι οποίες σχετίζονται με τη διάρκεια ζωής της συσκευής, στην οποία ανήκει το ελεγχόμενο μονωτικό, συνίστατο δε στη διεξαγωγή μετρήσεων των ηλεκτρικών μεγεθών, τα οποία συνδέονται με τις Μ.Ε. Τα ηλεκτρικά αυτά μεγέθη ονομάζονται ηλεκτρικά μεγέθη διαταραχής ή απλά μεγέθη διαταραχής. Τέτοια μεγέθη είναι το φορτίο, το ρεύμα, η συχνότητα, η ενέργεια και η ισχύς των Μ.Ε. Θα πρέπει όμως να σημειωθεί ότι, κατά τις μετρήσεις αυτές, ανακύπτουν σημαντικές δυσχέρειες, κυρίως γιατί η θέση (ή οι θέσεις), στην οποία γίνεται η Μ.Ε., η οποία καλείται θέση διαταραχής, δεν είναι άμεσα προσιτή. 27

28 Μεγέθη Διαταραχής - 2 Έτσι τα εμφανιζόμενα μεγέθη στους ακροδέκτες του δοκιμίου διαφέρουν από τα μεγέθη της θέσεως διαταραχής, λόγω της χωρητικότητας ζεύξεως της θέσεως διαταραχής με τους ακροδέκτες του δοκιμίου. 28

29 Μεγέθη Διαταραχής - 3 Σχήμα 11.6: 1. Θωρακισμένος θάλαμος 2. Μετασχηματιστής υψηλής τάσεως 3. Δοκίμιο 4. Προστατευτικός δακτύλιος 5.,6. Πρότυποι πυκνωτές 7. Τηλεχειριζόμενος διακόπτης 8. Καταμεριστής τάσεως 9. Σπινθηριστής προστασίας 10. Συσκευή μετρήσεως του μέσω ρεύματος των Μ.Ε. 11. Μεταγωγέας Πλήρης διάταξη μετρήσεων και δοκιμών μερικών εκκενώσεων. 29

30 Μεγέθη Διαταραχής - 4 Σχήμα 12.14: 14. Συσκευή μετρήσεως ραδιοφωνικών διαταραχών 15. Όργανο μετρήσεως υψηλής τάσεως 16. Καλώδιο διπλής θωρακίσεως 17. Φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων 18. Αυτομετασχηματιστής 19. Φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων 22. Παλμογράφος 23. Διάταξη μετρήσεως της ενέργειας των Μ.Ε. (σ αυτόν ανήκει και ο πρότυπος πυκνωτής 5) 24.,25.,26.,28. Συνδετικά καλώδια 30. Απαριθμητής παλμών Στοιχεία μετρήσεων 30

31 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 1 α) Εξωτερικές Μερικές Εκκενώσεις Σχήμα 11.7: Διάταξη παραγωγής εξωτερικών μερικών εκκενώσεων α) Διάταξη ηλεκτροδίων ακίδος πλάκας β) Ισοδύναμο κύκλωμα 31

32 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 2 Υποθέτοντας (πράγμα που είναι κατά προσέγγιση αληθές) ότι : R 1 ω βρίσκουμε ότι το ρεύμα το διερχόμενο από την R 2 θα είναι: 2 i = 2 >> 2 1 u(t) R Σχήμα 11.8: Καμπύλες τάσεων του ισοδύναμου κυκλώματος παραγωγής εξωτερικών μερικών εκκενώσεων 32

33 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 3 Σχήμα : Ένα ισοδύναμο κύκλωμα συνδυασμού όλων των παραγόντων γήρανσης και διάτρησης. : Ιδανική χωρητικότητα της διάταξης. 1 : Χωρητικότητα, που παριστάνει τις εσωτερικές θέσεις διαταραχών (κυρίως φυσαλίδες αερίων). 2 : Χωρητικότητα, που παριστάνει το υπόλοιαπο υγιές τμήμα του στερεού μονωτικού. ε : Χωρητικότητα, που παριστάνει τις εξωτερικές θέσεις διαταραχών. 3 : Χωρητικότητα, που παριστάνει το υπόλοιπο υγιές τμήμα του επιφανειακού φιλμ. π : Χωρητικότητα, που παριστάνει την πόλωση του υλικού για τη διάτρηση από τις δυνάμεις του πεδίου. R 1 : Αντίσταση του τόξου του σπινθηριστή Σπ1. R 2 : Αντίσταση του τόξου του σπινθηριστή Σπ2. R π, Σ π : Διαδρομή εκκένωσης κατά τη διάσπαση του π (Rπ αντίσταση του τόξου του σπινθηριστή Σπ). G : αγωγιμότητα λόγω των απωλειών του διηλεκτρικού καθώς και την ενίσχυσή τους από τις μερικές εκκενώσεις και τη θερμότητα του περιβάλλοντος. 33

34 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 4 Εάν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 11.8, η τάση δοκιμής είναι της μορφής: u(t)= U m ημωt τότε η τάση στα άκρα της χωρητικότητας 1 θα είναι: U 10 U m = ω1r π ηµ ωt 2 Η τάση δοκιμής, αυξανόμενης από της μηδενικής τιμής κατά τη διάρκεια μιας ημιπεριόδου θα φθάσει την τιμή: 2 U = ω e 1 R 2 U z 34

35 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 5 Η τάση δοκιμής u(t) εξακολουθεί και αυξάνει και ο 1 επαναφορτίζεται με μια τάση παράλληλη προς την καμπύλη της τάσεως u 1, μέχρι να ξαναφθάσει η τάση στα άκρα του F την τιμή U z, οπότε και πάλι θα εκφορτιστεί ο 1 κ.ο.κ. Είναι προφανές ότι οι παλμοί των μερικών εκκενώσεων εμφανίζονται, κατ εξοχήν, στην περιοχή των μεγίστων της τάσεως δοκιμής 35

36 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 6 Σχήμα 11.9: Διάταξη επαναλήψεως των παλμών των εξωτερικών μερικών εκκενώσεων 36

37 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 7 Προκύπτει ότι: U m n = 4f Ue 1 Κατά τη διάρκεια κάθε μιας ανεξάρτητης εκκενώσεως εξουδετερώνονται στον F μια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου: Q e 1 = 1U z = 1 ωr 2 Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο επαναπροσφέρεται στον 1 από την πηγή τάσεως μέσω της R2 είναι δηλαδή: U Q = Q 1 37

38 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 8 β) Εσωτερικές Μερικές Εκκενώσεις Εάν παρουσιάζονται σπήλαια (φυσαλίδες αερίου) εντός υγρών ή στερεών μονωτικών, όπως είπαμε και στα προηγούμενα κεφάλαια, τότε το ηλεκτρικό πεδίο είναι μεγαλύτερο στο εσωτερικό παρά στο περιβάλλον μέσο. Όταν η τάση στα άκρα της φυσαλίδας υπερβεί την τάση ενάρξεως, συμβαίνει μερική εκκένωση. Το περιβάλλον υγιές διηλεκτρικό μπορεί, όπως αναφερθήκαμε στα προηγούμενα, να οδηγηθεί σε πλήρη καταστροφή από τη συνεχή παρουσία μερικών εκκενώσεων, ο δε μηχανισμός αυτός διαβρώσεως είναι ηλεκτροθερμικός. 38

39 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 9 Σχήμα 11.10: Διάταξη παραγωγής εσωτερικών μερικών εκκενώσεων α) Διάταξη με φυσαλίδα αερίου β) Ισοδύναμο κύκλωμα 39

40 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 10 Αν η τάση δοκιμής έχει την μορφή: u(t) = U m ηµω t Τότε στα άκρα της 1 η τάση θα είναι: U 10 2 = u(t) = U m 2 ηµωt Δηλαδή συμφασική με την τάση δοκιμής. Όταν η τάση δοκιμής u(t) στα άκρα του δοκιμίου φθάσει την τιμή U e τότε η τάση στα άκρα της 1 (δηλαδή της ισοδύναμης χωρητικότητας της φυσαλίδας, ή των φυσαλίδων, αέρα εντός του μονωτικού) και του σπινθηριστή F θα φθάσει την τιμή u 10 =U z. Για την τάση αυτή U z επέρχεται διάσπαση του F και βραχυκύκλωση της 1, παράγεται μερική εκκένωση (Μ.Ε.) και ο 1 εκφορτίζεται. Το φορτίο της Μ.Ε. θα είναι: Q = 1 U z1 40

41 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 11 όταν η τάση στον F φθάσει την τιμή U z (οπότε θα είναι U=U e ) και ακριβώς πριν από τη διάσπασή του, το συνολικό φορτίο το αποταμιευμένο στις χωρητικότητες του ισοδύναμου κυκλώματος του δοκιμίου θα είναι: Q + Σχήμα 11.11: Καμπύλες τάσεων του ισοδύναμου κυκλώματος παραγωγής εσωτερικών μερικών εκκενώσεων 0 = Q3 + Q2 Q1 όπου Q 1, Q 2, Q 3 είναι αντίστοιχα τα φορτία των χωρητικοτήτων 1, 2 και 3, ή: Q = U + U + U 0 e z 1 41

42 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων όπου είναι: και Το φορτίο, το αποταμιευμένο στους πυκνωτές 2 και 3 θα είναι: Μετά τη διάσπαση του F και την εκφόρτιση της 1, το συνολικό φορτίο των 2 και 3 θα είναι: όπου U είναι η κοινή τάση των 2 και 3 οι οποίοι είναι παράλληλα συνδεδεμένοι, δεδομένου ότι η χωρητικότητα 1 είναι βραχυκυκλωμένη e z U U + = e 2 U U + = = + = e U U Q Q Q ) ( U' U' U' Q' ' Q = + = =

43 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 13 Επειδή δεν υπάρχει απώλεια φορτίου θα είναι Q 23 = Q 23 και συνεπώς στα άκρα του δοκιμίου θα παρατηρηθεί μια μείωση της τάσης ΔU, όπου είναι: U = U U' = U z = U z 2 3 (επειδή συνήθως είναι 2 << 3 ) Λόγω του ΔU μετακινούνται φορτία από τον 3 προς τον 2, ώστε να μηδενιστεί η ΔU. Τα εν λόγω φορτία συμπληρώνονται από την πηγή (εξωτερικό κύκλωμα). 43

44 Υπολογισμός του Φορτίου των Μερικών Εκκενώσεων - 14 Το εξωτερικό κύκλωμα προσφέρει φορτίο: Q = 2 1s = Q = 3 U = U z 3 U z2 3 Το φορτίο Q 1s μπορεί φυσικά να μετρηθεί, όμως δεν είναι ίσο με το φορτίο της Μ.Ε.. Από τις προηγούμενες σχέσεις προκύπτει ότι το φορτίο της Μ.Ε. είναι: Q 1 = Q και θα μπορούσε να υπολογιστεί από την τιμή του Q 1s αν ήταν γνωστές οι τιμές των 1, 2, οι οποίες όμως, όπως αναπτύχθηκε στα προηγούμενα δεν είναι δυνατό να υπολογιστούν. 1s

45 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 1 Σχήμα 11.12: Διάταξη μετρήσεων μερικών εκκενώσεων 1. Δοκίμιο με εξωτερικές ή εσωτερικές μερικές εκκενώσεις 2. Μετασχηματιστής δοκιμής R Αντίσταση μετρήσεως κ Χωρητικότητα συζεύξεως 45

46 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 2 Όπως φαίνεται στο σχήμα αυτό, μια γεννήτρια παρέχει ένα παλμό ρεύματος, φορτίο δε, για πολύ μικρό χρονικό διάστημα Δt 0 ίσο με ΔQ. Αυτό επενεργεί αρχικά μόνο στη χωρητικότητα του δοκιμίου. Αν το ρεύμα της πηγής είναι iq, θα έχουμε: Q = t 0 i Q dt = σταθερό Λόγω τούτου, η τάση στα άκρα του δοκιμίου, μεταβάλλεται απότομα κατά την ποσότητα: U = Q 46

47 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 3 Παριστάνει μια ταχύτατη διαδικασία μέσα στο δοκίμιο, δεδομένου ότι το υπόψη μοντέλο δεν περιλαμβάνει στοιχεία που θα μπορούσαν να καθυστερήσουν την επαναφόρτιση. Για την επόμενη μεταβατική λειτουργία σημασία έχουν η χωρητικότητα του κυκλώματος υψηλής τάσεως κ και η αντίσταση μετρήσεως R. Θα είναι: i = i + i Q 47

48 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 4 όπου i είναι το ρεύμα που προσφέρεται στο εξωτερικό κύκλωμα του δοκιμίου μετά από κάθε παλμό ρεύματος iq. Γράφουμε επίσης για το βρόχο (R-κ--R): ir + 1 κ t idt + idt = 0 1 t 0 0 ή ir + 1 κ 1 1 idt + idt iqdt = 0 ή i + Q dt ir 1 + = κ idt ή Q = 1 + κ t 0 idt + ir 48

49 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 5 Η συνθήκη ΔQ= σταθερό πρέπει να ικανοποιείται για όλους τους χρόνους t. Για t 0 από την προηγούμενη εξίσωση προκύπτει ότι το ρεύμα i πηδά σε μια «πεπερασμένη» τιμή στη στιγμή του παλμού. Δεδομένου ότι τη στιγμή αυτή το ολοκλήρωμα της παραπάνω σχέσεως είναι μηδέν, η αρχική τιμή του i προκύπτει από την επόμενη σχέση: Q = ir = U R 49

50 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 6 Επομένως εμφανίζεται στην αντίσταση μετρήσεως R ένα άλμα της τάσεως ΔUR. Για το t που σημαίνει σε χρόνο που έχει τελειώσει η μεταβατική διαδικασία, η ποσότητα ir πρακτικά είναι μηδενική και επομένως θα έχουμε: Q = 1 + Όπου ΔQ* είναι το ηλεκτρικό φορτίο δια της αντιστάσεως R. Συνεπώς με τη μέτρηση του φορτίου στα άκρα της R, είναι δυνατός ο προσδιορισμός του ΔQ. κ Αν όπως συμβαίνει στις πιο πολλές περιπτώσεις, είναι κ>>, οπότε : t 0 idt = 1 + ΔQ*= ΔQ κ Q 50

51 Πειραματικός Προσδιορισμός των Μερικών Εκκενώσεων - 7 Σχήμα : Απλοποιημένη διάταξη μέτρησης των αλμάτων δυναμικού ή των κρούσεων φορτίου σε στερεά μονωτικά, υπό κρουστικές τάσεις καταπόνησης. Η.Τ. : Μετασχηματιστής υψηλής τάσης. G: Γεννήτρια κρουστικών τάσεων. H και N : Καταμεριστής για τη μέτρηση της κρουστικής τάσης. 1: Ηλεκτρόδιο ακίδα, 2: Μονωτικό λάδι, 3: Δοκίμιο (πάχος 2mm), 4: Ηλεκτρόδιο πλάκα. m : πυκνωτής μέτρησης των αλμάτων δυναμικού R m : αντίσταση μέτρησης των κρούσεων φορτίου (δηλαδή του ρεύματος). 51

52 Κυματομορφή της Τάσης στον Πυκνωτή Μέτρησης m - 1 Σχήμα : Κυματομορφή της τάσης στον πυκνωτή μέτρησης m για δοκίμιο φαινολικής ρητίνης χαρτιού, πάχους 1mm, κατά την καταπόνησή του με κρουστική τάση 1,2/50μs. Εφαρμοσμένη τάση: 7 kv. m= 200nF Κλίμακα χρόνου: 1000ns/div Κλίμακα τάσης: 500mV/div 52

53 Κυματομορφή της Τάσης στον Πυκνωτή Μέτρησης m - 2 Σχήμα : Κυματομορφή της τάσης στον πυκνωτή μέτρησης m για δοκίμιο φαινολικής ρητίνης χαρτιού, πάχους 1mm, κατά την καταπόνησή του με κρουστική τάση 1,2/50μs. Εφαρμοσμένη τάση: 8 kv. m = 200nF Κλίμακα χρόνου: 1000 ns/div Κλίμακα τάσης: 500 mv/div 53

54 Κρούσεις Φορτίου Σχήμα : Κρούσεις φορτίου που μετρήθηκαν στην αντίσταση μέτρησης Rm για δοκίμιο εποξικής ρητίνης ίνες γυαλιού, πάχους 0,5mm υπό κρουστική τάση 1,2/50μs. Εφαρμοσμένη τάση: 9 kv. Rm = 75Ω Κλίμακα χρόνου: 500 ns/div Κλίμακα ρεύματος: 6,65 ma/ div 54

55 Κυματομορφή της Τάσης στον Πυκνωτή Μέτρησης m U (Volt) u(t) um(t) t (ms) Σχήμα : Τυπική κυματομορφή της τάσης στον πυκνωτή μέτρησης m για δοκίμιο φαινολικής ρητίνης χαρτιού κατά την καταπόνησή του με εναλλασσόμενη τάση 50Ηz. Ενεργός τιμή της εφαρμοσμένης τάσης: 3,5kV. m = 60nF 55

56 Κυματομορφή της Τάσης στον Πυκνωτή Μέτρησης m - 4 Σχήμα : Τμήμα της κυματομορφής της τάσης στον πυκνωτή μέτρησης m για δοκίμιο εποξικής ρητίνης ίνες γυαλιού, πάχους 0,5mm, κατά την καταπόνησή του με εναλλασσόμενη τάση 50Hz. Ενεργός τιμή της εφαρμοσμένης τάσης: 3,5 kv. m = 60nF. Κλίμακα χρόνου: 200 μs/div. Κλίμακα τάσης: 100 mv/div 56

57 Κυματομορφή της Τάσης στον Πυκνωτή Μέτρησης m - 5 Σχήμα : Τμήμα της κυματομορφής της τάσης στον πυκνωτή μέτρησης m για δοκίμιο εποξικής ρητίνης ίνες γυαλιού, πάχους 0,5mm, κατά την καταπόνησή του με εναλλασσόμενη τάση 50Hz. Ενεργός τιμή της εφαρμοσμένης τάσης: 4 kv. m = 60nF. Κλίμακα χρόνου: 200 μs/div. Κλίμακα τάσης: 100 mv/div 57

58 Τέλος Ενότητας