Υψηλές Τάσεις. Ενότητα 1: Βασικές Έννοιες και Ορισμοί. Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Υψηλές Τάσεις Ενότητα : Βασικές Έννοιες και Ορισμοί Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

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

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 ης Ενότητας είναι να διδαχθούν οι φοιτητές τις βασικές έννοιες και τους ορισμούς, καθώς να γίνει και η διασύνδεση με την ύλη των προηγούμενων μαθημάτων. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Εισαγωγή Μεταφορά και Διανομή Ηλεκτρικής Ενέργειας Εγκαταστάσεις Ακτινών Rntgen Φίλτρα Αιωρημάτων Μορφές του Ηλεκτρικού Πεδίου Ηλεκτρικό Πεδίο σε Χώρους με Περισσότερα Διηλεκτρικά Περίπτωση η: Επιβολή Συνεχούς Τάσεως U Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U Μονωτική Ικανότητα Κατανομή Δυναμικού Τάσεως 5

6 Εισαγωγή - Βασικές έννοιες και ορισμοί Χρήσεις και εφαρμογές Υ.Τ. Αναγκαιότητα Βασικές αρχές πεδίων 6

7 Εισαγωγή - Στην τεχνική συναντάμε υψηλές τάσεις, επιθυμητές όταν είναι απαραίτητες για τη λειτουργία των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και ανεπιθύμητες όταν εμφανίζονται σαν επακόλουθα φαινομένων τα οποία είναι αναπόφευκτα. Εφαρμογές εγκαταστάσεων ή και μηχανημάτων, η λειτουργία των οποίων απαιτεί τροφοδότησή τους με υψηλή τάση (άνω των 000 V) 7

8 Εισαγωγή - 3 Υψηλή Τάση ορίζουμε: (50kV) Υπέρ-Υψηλή τάση ορίζουμε : (400kV) Μέση Τάση ορίζουμε: (0 kv ) 8

9 Μεταφορά και Διανομή Ηλεκτρικής Ενέργειας P 3 U φ I συνφ W 3 I R W 3 U P φ R συν φ 9

10 Ηλεκτρική Έλξη Για την κίνηση ηλεκτρικών σιδηροδρόμων χρησιμοποιούνται συνεχείς τάσεις μέχρι περίπου 5 KV και εναλλασσόμενες τάσεις μέχρι 5 ΚV. 0

11 Εγκαταστάσεις Ακτινών Rntgen Εγκαταστάσεις ακτινοσκόπησης τάσεις μέχρι μέγιστης τιμής 00 ΚV Ακτινοθεραπευτικές εγκαταστάσεις μέχρι 50 ΚV. Μεγάλα αντικαρκινικά κέντρα λειτουργούν μηχανήματα ακτινοθεραπείας με συνεχείς τάσεις μέχρι και ΜV.

12 Φίλτρα Αιωρημάτων - Στα φίλτρα αιωρημάτων (π.χ. σκόνης) χρησιμοποιούνται εναλλασσόμενες τάσεις τιμών μέχρι 5 ΚV. Είναι οι τάσεις κανονικής λειτουργίας των εγκαταστάσεων. Οι τάσεις πολύ υψηλότερες, οι οποίες καλούνται υπερτάσεις. Οι εν λόγω υπερτάσεις είναι ανεπιθύμητες, είναι δε και αναπόφευκτες.

13 Φίλτρα Αιωρημάτων - Ένα ηλεκτρικό δίκτυο αποτελείται από διάφορες μηχανές, συσκευές και μονωτήρες, επί των οποίων επιβάλλονται τόσο η τάση της κανονικής λειτουργίας όσο και οι υπερτάσεις. Για τη μελέτη της ηλεκτρικής αντοχής των ηλεκτρικών μονώσεων, βοήθησε σημαντικά και η δυνατότητα επίλυσης του ηλεκτρικού πεδίου. Έτσι προσπαθούμε να διαμορφώσουμε τα στοιχεία ενός δικτύου σε τρόπο ώστε να πετύχουμε το βέλτιστο οικονομικό αποτέλεσμα, υπό τον όρο ότι εξασφαλίζεται η ασφαλής λειτουργία του. 3

14 Φίλτρα Αιωρημάτων - 3 Για να πετύχουμε τους προηγούμενους στόχους πρέπει: Να γνωρίζουμε με ακρίβεια τις τάσεις που επικρατούν κατά μήκος ενός δικτύου σε κατάσταση τόσο ομαλής λειτουργίας όσο και σε κατάσταση εμφανίσεως υπερτάσεων. Αυτό το πετυχαίνουμε και με την θεωρητική μελέτη και υπολογισμό των δικτύων αλλά και με μετρήσεις σε πραγματικά δίκτυα ή ομοιώματα αυτών. Να γνωρίζουμε την μορφή του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στις διάφορες συσκευές και κυρίως στις θέσεις που υπάρχει κίνδυνος καταστροφής τους. Τούτο γίνεται είτε με θεωρητικούς υπολογισμούς, είτε με μετρήσεις, είτε με συνδυασμό αυτών. 4

15 Φίλτρα Αιωρημάτων - 4 Να γνωρίζουμε την αντοχή των μονωτικών υλικών υπό τις συνθήκες ηλεκτρικής καταπονήσεως τους που συνήθως εμφανίζονται στην πράξη. Αυτό πετυχαίνεται, τόσο με θεωρητικές έρευνες και με βάση διάφορες θεωρίες επί της ηλεκτρικής διασπάσεως, όσο και με μετρήσεις επί συγκεκριμένων διατάξεων πρακτικής σημασίας. Στο αντικείμενο της τεχνικής των υψηλών τάσεων εμπίπτουν, τόσο η μελέτη του τρόπου διεξαγωγής μετρήσεων σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις υψηλών τάσεων, όσο και ο τρόπος αναπαραγωγής στο εργαστήριο των υψηλών τάσεων. 5

16 Μορφές του Ηλεκτρικού Πεδίου - Εξαρτάται, υπό δεδομένη τάση, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο διηλεκτρικό που περιβάλλει τα στοιχεία αυτά των εγκαταστάσεων. Ομοιογενή και Ανομοιογενή Πεδία E U/ d 6

17 Μορφές του Ηλεκτρικού Πεδίου - Σχήμα 3.: Ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ επιπέδων ηλεκτροδίων. α) ανομοιογένεια στα άκρα και του άνω ηλεκτροδίου. β) διαμόρφωση ηλεκτροδίων Rgwski για επίτευξη ομοιογενούς πεδίου Σχήμα 3.: Παράδειγμα ανομοιογενούς πεδίου ακίδας-πλάκας. 7

18 Ηλεκτρικό Πεδίο σε Χώρους με Περισσότερα Διηλεκτρικά Δυο μόνο μονωτικά (διηλεκτρικά) υλικά, τα οποία βρίσκονται μεταξύ δύο παραλλήλων επιπέδων ηλεκτροδίων. 8

19 Περίπτωση η: Επιβολή Συνεχούς Τάσεως U - Η διηλεκτρική μετατόπιση κατά μήκος των δυναμικών γραμμών είναι σταθερή και ίση με D. Αν U και U, η διαφορά δυναμικού: U E και U E Αν δεχθούμε ότι τα διηλεκτρικά εμφανίζουν ειδικές αγωγιμότητες g και g αντίστοιχα και οι πυκνότητες ροής J και J του ρεύματος θα είναι, εκατέρωθεν της επιφάνειας αυτής, ίσες. 9

20 Περίπτωση η: Επιβολή Συνεχούς Τάσεως U - J Οπότε προκύπτουν: και J J E'g E' g U ' E', U' E' U U' + U ' U' g Ug + g U' g Ug + g U ' U ' g g Οι τάσεις U και U θα συνέπιπταν με τις U ' και U ' μόνο όταν: ε ε g g Αλλά η πιθανότητα να συμβεί αυτή ισότητα είναι αφάνταστα μικρή. 0

21 Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U - Υποθέτουμε, κατ αρχήν, μηδενικές αγωγιμότητες άρα: J J Δεδομένου ότι τα δύο διηλεκτρικά έχουν την ίδια επιφάνεια s: J J s J s I I I I I Όπου: I και I Οι εντάσεις των ρεύματος δια μέσου των διηλεκτρικών.

22 Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U - Έχουν καθαρά χωρητικό χαρακτήρα είναι δε: και Επειδή υποθέσαμε ότι δεν υπάρχουν αγωγιμότητες, οι και Συνεπώς και Άρα: Z U I Z U I ω jc Z ω Ζ ο jc s c ε s c ε J s Z U U J s Z C C Z Z U U ε ε Z Z

23 Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U - 3 Αν τώρα, δεχθούμε ύπαρξη ειδικών αγωγιμοτήτων g και g, J' Τις νέες πυκνότητες ρεύματος ροής στα δύο διηλεκτρικά J' I', I' Τις νέες εντάσεις ρεύματος, U' Τις νέες κατανομές των τάσεων U' Y' ', Y Τις συνολικές αγωγιμότητες των διηλεκτρικών θα έχουμε: I' J ' J' J' I' s I' s, I' I' I', U', U' Y' I' Y' Όπου: Y' R + Z g s + jc ω ( g + jε ω) s και ' Y ( g + jε ω)s 3

24 Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U - 4 Οπότε: U ' U ' ( g ( g + + jε ω) jε ω) και U' U' ε ε [ + (g [ + (g / ωε / ωε ) ) ] ] Η τελευταία αυτή σχέση δείχνει ότι η αύξηση της αγωγιμότητας στο διηλεκτρικό προκαλεί αύξηση της τάσεως στο. Αλλά Στην πράξη όμως έχουμε: U' U' U U 4

25 Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U - 4 Όταν η διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ δυο διαφορετικών διηλεκτρικών δεν είναι ισοδυναμική, οι δυναμικές γραμμές υφίστανται διάθλαση. t ή E ηµα Ε ηµα E t E Επίσης: η ή D συνα D συνα D η D 5

26 Περίπτωση η: Επιβολή Εναλλασσόμενης Τάσεως U - 5 Επειδή όμως : D ε Ε και D ε Ε Άρα: εφα εφα ε ε Η διάθλαση αυτή μπορεί να έχει πολύ σοβαρές συνέπειες όπως στο παράδειγμα : 6

27 Μονωτική Ικανότητα Επίδραση της διαμόρφωσης του ηλεκτρικού πεδίου στη διηλεκτρική αντοχή (Μονωτική ικανότητα) διηλεκτρικών (Μονωτικών υλικών) Το ηλεκτροστατικό πεδίο περιγράφεται με τις "ισοδυναμικές επιφάνειες" και τις "δυναμικές γραμμές" του. ε(ο)8, D εe ε(r) ε() E m F Σχήμα 3.6: Ηλεκτρικό πεδίο ακίδας-μεταλλικής ράβδου α. Δυναμική γραμμή β. Ισοδυναμική επιφάνεια 7

28 Κατανομή Δυναμικού Τάσεως Σχήμα 3.7: Προς καθορισμό της κατανομής του δυναμικού τάσεως κατά μήκος μιας δυναμικής γραμμής ηλεκτροστατικού πεδίου. α) Διάταξη του πεδίου β) Κατανομή δυναμικού κατά μήκος της δυναμικής γραμμής Δ της διατάξεως α,: Ηλεκτρόδια του πεδίου υπό τάση U ή ανηγμένη τάση Δ: Θεωρούμενη δυναμική γραμμή Ι: Πραγματική κατανομή δυναμικού ΙΙ: Ιδανική (ομοιόμορφη) κατανομή του δυναμικού Σοβαρή συνέπεια μιας ανομοιόμορφης κατανομής του δυναμικού σε ένα διηλεκτρικό είναι, κατά κανόνα, η ανάγκης αύξησης των διαστάσεων του. 8

29 Τέλος Ενότητας