Υψηλές Τάσεις. Ενότητα 5: Διατάξεις Παραγωγής Υψηλών Τάσεων & Μέτρηση τους. Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Υψηλές Τάσεις Ενότητα 5: Διατάξεις Παραγωγής Υψηλών Τάσεων & Μέτρηση τους Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. 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 5 ης Ενότητας είναι να παρουσιαστούν με λεπτομέρειες οι βασικές διατάξεις παραγωγής και μέτρησης υψηλών τάσεων δοκιμών και η χρήση τους στις δοκιμές κατασκευών υψηλών τάσεων. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Διατάξεις Παραγωγής Υψηλών Τάσεων & Μέτρηση τους Μορφές Υψηλών Τάσεων Δοκιμής Συνήθεις Μορφές των Τάσεων Δοκιμής Παραγωγή Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων Διατάξεις Μετασχηματιστών Δοκιμής Κατασκευή των Μετασχηματιστών Δοκιμής Παραγωγή Υψηλών Συνεχών Τάσεων Ανορθωτικές Διατάξεις Διάταξη Villard Διάταξη Greinacher Διάταξη Cockroft Πολυβάθμια Ανορθωτική Διάταξη Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων Ενέργεια Φορτίσεως Γεννήτριες Εκθετικών Κρουστικών Ρευμάτων Απώλειες Διηλεκτρικού Μέτρηση του Συντελεστή Απωλειών με τη Γέφυρα Schering Διάγραμμα της Διάταξης Μέτρησης Παράρτημα 5

6 Διατάξεις Παραγωγής Υψηλών Τάσεων & Μέτρηση τους Διατάξεις παράγωγης υψηλών εναλλασσομένων τάσεων, τύποι κυκλωμάτων και ανάλυση αυτών Διατάξεις παραγωγής υψηλών συνεχών τάσεων και πολλαπλασιαστές τάσης στη Υ.Τ.. Τύποι κυκλωμάτων και ανάλυση αυτών Παραγωγή υψηλών κρουστικών τάσεων και ρευμάτων Κυκλώματα και διατάξεις Μετρήσεις στις εγκαταστάσεις υψηλών τάσεων 6

7 Μορφές Υψηλών Τάσεων Δοκιμής - 1 Εναλλασσόμενες ημιτονοειδείς τάσεις, συχνότητας 50 Hz αλλά και υψηλής συχνότητας. Συνεχείς τάσεις, συνήθως προς την γη. Κρουστικές τάσεις. 7

8 Μορφές Υψηλών Τάσεων Δοκιμής - 2 Η διάρκεια μετώπου είναι περίπου ο χρόνος που απαιτείται για να αποκτήσει η τάση την μέγιστη τιμή της U km. Η διάρκεια ημίσεως εύρους είναι περίπου ο χρόνος που απαιτείται, συνολικά από την αρχή, για να αποκτήσει η τάση, κατά την διαμόρφωση της ουράς της, τιμή ίση με U km /2. Συνήθεις μορφές κρουστικών τάσεων: 1,2/5-1,2/50-1,2/200. Και στις τρεις περιπτώσεις η διάρκεια μετώπου είναι 1,2 μς, ενώ η διάρκεια ημίσεως εύρους είναι αντίστοιχα 5, 50 και 200μς 8

9 Συνήθεις Μορφές των Τάσεων Δοκιμής Σχήμα 2.1: Εναλλασσόμενη Τάση Σχήμα 2.3: Κρουστική Τάση Σχήμα 2.2: Συνεχής Τάση 1 Χωρίς κυματισμό 2 Με κυματισμό Σχήμα 2.4: Για τον καθορισμό Τμ (διάρκειας μετώπου) και Τη (ημίσεως κύματος) κρουστικής σύμφωνα με τους κανονισμούς IEC και VDE. 9

10 Παραγωγή Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων Οι υψηλές εναλλασσόμενες τάσεις απαιτούνται στα εργαστήρια υψηλών τάσεων, τόσο για πειραματισμούς και δοκιμές σε εναλλασσόμενη τάση, όσο και στις διατάξεις παραγωγής υψηλών συνεχών και κρουστικών τάσεων. Οι περισσότερες δοκιμές, ή πειραματισμοί, με υψηλή εναλλασσόμενη τάση, απαιτούν ακριβή γνώση της τιμής της τάσεως. 10

11 Χαρακτηριστικές Παράμετροι των Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων - 1 Η μορφή της εναλλασσόμενης τάσεως u= u(t), συχνά απέχει σημαντικά από την θεωρητική ημιτονοειδή μορφή. 11

12 Χαρακτηριστικές Παράμετροι των Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων - 2 Η μέγιστη τιμή U m και η ενδεικνύμενη τιμή U της εναλλασσόμενης τάσεως είναι : U m = ku και U 2 = 1 T T 0 u 2 ( t) dt Στις δοκιμές υψηλής τάσεως η ποσότητα: Ορίζεται σαν τάση δοκιμής (σύμφωνα και με τους κανονισμούς ΙΕC Publ. 60-2,1973). U m 2 Σημειώνεται ότι για ιδανική ημιτονοειδή μορφή ισχύει: U = U m 2 12

13 Διατάξεις Μετασχηματιστών Δοκιμής - 1 Συνήθως οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή υψηλών εναλλασσόμενων τάσεων, έχουν γειωμένο ένα άκρο του τυλίγματος υψηλής τάσεως. Σε αρκετές όμως διατάξεις παραγωγής υψηλών συνεχών τάσεων και κρουστικών τάσεων, απαιτείται οι μετασχηματιστές να έχουν τελείως μονωμένα τυλίγματα. Σχήμα 5.1: Μετασχηματιστές δοκιμής μίας βαθμίδας Ε: Πρωτεύων τύλιγμα Χ.Τ. Η: Τύλιγμα υψηλής τάσεως F: Πυρήνας α) Γειωμένη μόνο η πλευρά Υ.Τ. β) Τελείως μονωμένος 13

14 Διατάξεις Μετασχηματιστών Δοκιμής - 2 Για την παραγωγή τάσεων μεγαλύτερων από μερικές εκατοντάδες kv, σπανίως χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές μιας βαθμίδας και για λόγους τόσο οικονομικούς όσο και τεχνικούς χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές των οποίων οι βαθμίδες πραγματοποιούνται από τη σύνδεση σε σειρά των τυλιγμάτων υψηλής τάσεως διαφόρων μετασχηματιστών. Σχήμα 5.2: Διάταξη μετασχηματιστή τριών βαθμίδων. Ε: Πρωτεύων τύλιγμα Η: Τύλιγμα υψηλής τάσεως Κ: Τύλιγμα ζεύξεως 14

15 Κατασκευή των Μετασχηματιστών Δοκιμής - 1 Για δοκιμές που απαιτούν ονομαστικές ισχύεις όχι μεγαλύτερες από μερικά ΚVΑ, μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για την παραγωγή υψηλών εναλλασσόμενων τάσεων, επαγωγικοί μετασχηματιστές, οι οποίοι από πλευράς κατασκευής είναι όμοιοι με μετασχηματιστές τάσεως της ίδιας τάσεως δοκιμής. Από πλευράς μονώσεως οι μετασχηματιστές διακρίνονται σε "αέρος" και "λαδιού". Οι πρώτοι χρησιμοποιούνται για τάσεις μέχρι 100 kv και η μόνωση των τυλιγμάτων μεταξύ τους και προς τον πυρήνα γίνεται με στερεά μονωτικά. Για μεγαλύτερες τάσεις οι μονώσεις γίνονται μέσα σε δοχείο λαδιού. 15

16 Κατασκευή των Μετασχηματιστών Δοκιμής - 2 Σχήμα 5.3: Τομή μετασχηματιστή δοκιμής με στερεά μόνωση 1: Τύλιγμα Υψηλής Τάσεως 2: Τύλιγμα Χαμηλής Τάσεως 3: Πυρήνας 4: Βάση 5: Ακροδέκτης Υψηλής Τάσεως 6: Μόνωση 16

17 Κατασκευή των Μετασχηματιστών Δοκιμής - 3 Σχήμα 5.4: Μετασχηματιστές δοκιμής με μόνωση λαδιού: 1: Τύλιγμα υψηλής τάσεως 6: Μονωτήρας διελεύσεως υψηλή 2: Τύλιγμα χαμηλής τάσεως τάσεως (bushing) 3: Πυρήνας 7: Μεταλλικό δοχείο 4: Βάση 8: Μονωμένος κύλινδρος 5: Ακροδέκτης υψηλής τάσεως α) Τύπου δοχείου β) Τύπου «Εντός Μονωμένου Κυλίνδρου» 17

18 Παραγωγή Υψηλών Συνεχών Τάσεων Υπάρχουν πάρα πολλές εφαρμογές συνεχών τάσεων Όπως: Δοκιμές μονώσεων διατάξεων με μεγάλη χωρητικότητα. Βασική έρευνα για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς μονωτικών υλικών σε καταπονήσεις με τάσεις αυτού του είδους. 18

19 Χαρακτηριστικές Παράμετροι των Υψηλών Συνεχών Τάσεων - 1 Η συνεχής τάση δοκιμής προσδιορίζεται ως η αριθμητική μέση τιμή της συνάρτησης της συνεχούς τάσεως uσ(t). U σµ = 1 Τ Τ 0 u σ (t)dt Σε μια περίοδο μεταβολής της u σ η συνεχής τάση μεταβάλλεται μεταξύ δύο ακραίων τιμών U σmax και U σmin δu = ½ (U σmax U σmin ) 19

20 Χαρακτηριστικές Παράμετροι των Υψηλών Συνεχών Τάσεων - 2 Η ποσότητα δu U σµ λέγεται συντελεστής μορφής. Αν η συνεχής τάση είναι πολύ καλά εξομαλυμένη, τείνει δηλαδή προς την ιδανική σταθερή τιμή ανεξάρτητη του χρόνου, τότε το δu τείνει προς το 0 και θα είναι: U σμ = U σmax = U σmin = U σ 20

21 Ανορθωτικές Διατάξεις - 1 Για την παραγωγή υψηλών συνεχών τάσεων, με ανόρθωση εναλλασσομένων τάσεων στο παρελθόν χρησιμοποιήθηκαν μηχανικοί περιστροφικοί ανορθωτές κενού, ανορθωτές υδραργύρου ή ηλεκτρονικές βαλβίδες. Σήμερα στα εργαστήρια σχεδόν όλοι οι προηγούμενοι τύποι ανορθωτών έχουν αντικατασταθεί με ξηρούς ανορθωτές από ημιαγώγιμα υλικά. 21

22 Ανορθωτικές Διατάξεις - 2 Στα διαγράμματα των συνδεσμολογιών παριστάνονται με το σύμβολο ( ) το οποίο δείχνει ότι το ρεύμα μπορεί να περάσει μόνο κατά τη φορά του βέλους. Κατά την αντίθετη φορά το στοιχείο παρουσιάζει τόσο μεγάλη αντίσταση, ώστε πρακτικά, να μη μπορεί να περάσει κανένα ρεύμα δι' αυτού. Αυτό, βέβαια, συμβαίνει εφ' όσον η αντίθετη τάση μεταξύ των πόλων του στοιχείου δεν υπερβαίνει μια μέγιστη τιμή που καλείται τάση φραγμού (U φ ) και η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος κάθε ανορθωτικού στοιχείου. 22

23 Ανορθωτικές Διατάξεις - 3 Με τις ανορθωτικές διατάξεις, στις οποίες χρησιμοποιούνται ανορθωτικά στοιχεία, παράγονται υψηλές συνεχείς τάσεις διαφόρων μορφών μέχρι 2 ΜW. Με τη χρησιμοποίηση σε αυτές πυκνωτών επιτυγχάνεται άλλοτε μεν πολλαπλασιασμός μόνο της διαθέσιμης τάσεως, άλλοτε δε και εξομάλυνση των διακυμάνσεων της συνεχούς τάσεως, η οποία μπορεί να φθάσει μέχρι πλήρους σχεδόν σταθερότητας ανεξάρτητα από τη μορφή του ρεύματος φορτίσεως. 23

24 Ανορθωτικές Διατάξεις - 4 Για την έκφραση των τάσεων και εντάσεων των ανορθωτικών διατάξεων θα χρησιμοποιήσουμε προσεγγιστικές σχέσεις. Κατά την περιγραφή των ανορθωτικών διατάξεων θα χρησιμοποιήσουμε τα εξής σύμβολα: U, U μ, U m αντίστοιχα για την ενδεικνύμενη, μέση και μέγιστη τιμή της εναλλασσόμενης τάσεως U σ, U σμ, U σm για τη στιγμιαία συνεχή τάση, την μέση και την μέγιστη τιμή της (Ι σ, Ι σμ, Ι σm για τα αντίστοιχα μεγέθη του ρεύματος) και U c, U φ για τις τάσεις του πυκνωτή και φραγμού του ανορθωτικού στοιχείου αντίστοιχα. 24

25 Διάταξη Απλής Ανορθώσεως - 1 Το απλούστερο κύκλωμα για την παραγωγή υψηλής συνεχούς τάσεως είναι το κύκλωμα απλής ανορθώσεως κατά ημιπερίοδο, όπως δείχνεται στο Σχήμα 6.1α. Μια αντίσταση φορτίου R τροφοδοτείται από ένα μετασχηματιστή υψηλής τάσεως ενός ανορθωτικού στοιχείου Α ν. 25

26 Διάταξη Απλής Ανορθώσεως - 2 Σχήμα 6.1: Διάταξη απλής ανορθώσεως, χωρίς ή με πυκνωτή εξομαλύνσεως C. α) Ηλεκτρικό κύκλωμα β) Χρονική μεταβολή της συνεχούς τάσεως u σ (t) χωρίς πυκνωτή εξομαλύνσεως γ) Χρονική μεταβολή της συνεχούς τάσεως u σ (t) με πυκνωτή εξομαλύνσεως Στο κύκλωμα α (χωρίς τον πυκνωτή C) θα έχουμε: U σµ = U m π U = U σm m = 2 U 26

27 Διάταξη Απλής Ανορθώσεως - 3 Το ανορθωτικό στοιχείο πρέπει να αντέχει στην τάση φραγμού U φ =U m = 2U το κύκλωμα β (με συνδεμένο τον πυκνωτή C) θα έχουμε: U σm =U m = 2U και U σμ =U m - δu. Κατά τη διάρκεια κατά την οποία ο ανορθωτής άγει, μόνο ένας βραχύς παλμός ρεύματος διέρχεται κάθε φορά και η τάση φραγμού θα είναι: Uφ 2U m = 2 2U Η ποσότητα δu μπορεί εύκολα να υπολογιστεί από το προηγούμενο σχήμα β. Έτσι αν t ν <<Τ και δu<<u σμ τότε η εκθετική καμπύλη εκφορτίσεως της χωρητικότητας C, κατά την περίοδο που δεν άγει ο ανορθωτής, μπορεί να αντικατασταθεί από μία ευθεία γραμμή. Κατά τη χρονική αυτή περίοδο η μεταβολή του φορτίου του πυκνωτή εξομαλύνσεως C θα είναι: T 2δUC = iσ (t)dt = TIσµ 0 ή δu = Ι σµ 2fC 27

28 Διατάξεις Διπλής Ανορθώσεως - 1 Στο Σχήμα 6.2 δείχνεται η διάταξη διπλής ανορθώσεως, περιορισμένης όμως εφαρμογής για υψηλές τάσεις, κατά την οποία η ωμική αντίσταση R διαρρέεται από ρεύμα και κατά τα δυο ημικύματα. Ο μετασχηματιστής είναι διπλάσιας τάσεως απ ότι στην απλή ανόρθωση. Εδώ έχουμε:, 2U Uσ m = 2U Iσ m = R Η τάση φραγμού των ανορθωτικών στοιχείων είναι: U = 2 φ 2U Σχήμα 6.2: Διάταξη διπλής ανορθώσεως (Ηλεκτρικό Κύκλωμα) 28

29 Διατάξεις Διπλής Ανορθώσεως - 2 Στο Σχήμα 6.3 δείχνεται η διάταξη διπλής ανορθώσεως Graetz, η οποία χρησιμοποιείται σε μερικά μηχανήματα ακτινών Rontgen. Πλεονεκτήματά της είναι η πλήρης εκμετάλλευση της ισχύος του μετασχηματιστή (και τα δυο ημικύματα), τάση μετασχηματιστή το μισό της προηγούμενης περιπτώσεως (U αντί 2U) και τάση φραγμού: = 2U U φ Σχήμα 6.3: Κύκλωμα της διατάξεως Graetz διπλής ανορθώσεως 29

30 Διάταξη Villard Όπως παρατηρούμε η συνεχής τάση uσ(t) δεν είναι εξομαλυμένη, παρουσιάζει αντίθετα έντονες μεταβολές μεταβαλλόμενη από 0 μέχρι περίπου Um. Κατόπιν αυτών είναι προφανές ότι ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις: Uσμ Um U σm 2 2U Uφ,, 2 2U Σχήμα 6.4: Διάταξη Villard α) Ηλεκτρικό κύκλωμα β) Χρονική μεταβολή της συνεχούς τάσεως u σ (t) στα άκρα της R 30

31 Διάταξη Greinacher Η διάταξη αυτή αποτελείται, στη ουσία από δύο διατάξεις Villard, συνδεδεμένες σε αντίθεση. Σχήμα 6.5: Διάταξη Greinacher α) Ηλεκτρικό κύκλωμα β) Χρονική μεταβολή της συνεχούς τάσεως u σ (t) 31

32 Διάταξη Cockroft Σχήμα 6.6: Διάταξη Cockroft α) Ηλεκτρικό κύκλωμα β) Χρονική μεταβολή της τάσεως στον C 1 και Α ν1 κατά την ημιπερίοδο που άγει ο Α ν1 (βρόχος μετασχηματιστή-α ν1 -C 1 ) γ) Χρονική μεταβολή της τάσεως στον C 2 (άρα και της uσ(t) στα άκρα της R) κατά τη διάρκεια που άγει ο Α ν2 (χρόνος t 0 ) 32

33 Πολυβάθμια Ανορθωτική Διάταξη Σχήμα 6.6: Παράδειγμα πολυβάθμιας ανορθωτικής διατάξεως Γενικά αν η είναι ο αριθμός των πυκνωτών κάθε στήλης, η εν κενώ συνεχής τάση είναι ίση με: και σταθερή. Uσ m =η 2 2U 33

34 Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων Κατά τις πτώσεις κεραυνών στις εναέριες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, ή στο έδαφος πλησίον αυτών, αναπτύσσονται πάνω στους αγωγούς υπερτάσεις που η μορφή τους μοιάζει με την τυποποιημένη μορφή που παράγεται από γεννήτριες κρουστικών τάσεων. Σχήμα 7.1: Παλμογράφημα υπερτάσεως σε γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας πολυβάθμιας ανορθωτικής διατάξεως Οι κρουστικές τάσεις μπορούν να εκφραστούν μαθηματικά σαν διαφορά εκθετικών συναρτήσεων από την σχέση: uκ=uκ(t) =U0 (e-λ2t-e-λ1t) 34

35 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 1 Μια κρουστική τάση μπορούμε να την αποκτήσουμε σε πολλά κυκλώματα, διάφορης κάθε φορά συνθέσεως. τέσσερα βασικά στοιχεία: Την χωρητικότητα κρούσεως Cκ Την χωρητικότητα φορτίου Cφ Την αντίσταση μετώπου Rμ και Την αντίσταση ουράς Rο 35

36 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 2 Εκτός αυτών υπάρχει η προστατευτική αντίσταση R π, η συνολική παράσιτη αυτεπαγωγή L των διαφόρων στοιχείων του κυκλώματος, η οποία επιδιώκουμε να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, τέλος δε ο σπινθηριστής σφαιρών σ μεταβλητού διακένου, μέσω του οποίου το κύκλωμα χωρίζεται σε δύο τμήματα Ι και II. Η κρουστική τάση παράγεται στην έξοδο της γεννήτριας, δηλαδή είναι η τάση που εμφανίζεται, στον πυκνωτή C φ. Διακρίνουμε δύο στάδια: Το στάδιο φορτίσεως Το στάδιο εκφορτίσεως. 36

37 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 3 Σχήμα 7.2: Μονοβάθμια διάταξη παραγωγής κρουστικών τάσεων 37

38 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 4 Στάδιο Φορτίσεως Από μια πηγή υψηλής συνεχούς τάσεως (ανορθωτική διάταξη) φορτίζεται ο πυκνωτής C κ στη συνεχή τάση U σ. Στη συνέχεια παύει η επιβολή της U σ. Κατά το στάδιο αυτό η τάση του C κ επιβάλλεται και επί του σπινθηριστή σ, το διάκενο του οποίου πρέπει να είναι τουλάχιστο τόσο, ώστε να μη διασπάται μέχρι και την επιδιωκόμενη τάση U σ φορτίσεως του C κ. Το στάδιο φορτίσεως τελειώνει όταν ο C κ αποκτήσει την τάση U σ. Στάδιο Εκφορτίσεως Έστω ότι υπό την τάση Uσ ο σπινθηριστής διασπάται. Αρχίζει τότε το στάδιο της εκφορτίσεως: Κατά την πρώτη στιγμή της διασπάσεως του σ, οπότε ο Cφ είναι τελείως αφόρτιστος (ucφ=uk=0) αυτός εμφανίζει ελάχιστη αντίδραση στην δίοδο, δι' αυτού, του ρεύματος φορτίσεως. 38

39 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 5 Σχήμα 7.3: Απλοποιημένο κύκλωμα της γεννήτριας κρουστικών τάσεων. Ισχύει κατά τη διαμόρφωση του μετώπου των κρουστικών τάσεων 39

40 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 6 Επιδιώκουμε να είναι C κ >>C φ, σε τρόπο ώστε να απαιτείται ελάχιστο τμήμα του φορτίου του C κ για την φόρτιση του C φ. Αυτό εξασφαλίζει ότι, υπό δεδομένη τάση U σ φορτίσεως του C κ συντελεστή U χρησιμοποιήσεως της γεννήτριας τον λόγο: η = km όπου U km η Uσ μέγιστη τιμή της παραγόμενης κρουστικής τάσεως. Υπό αυτές τις προϋποθέσεις ο C φ φορτίζεται μέσω της R μ, η τάση u k θα εμφανίζει εκθετική μεταβολή, η δε μέγιστη (οριστική) τιμή της ελάχιστα θα διαφέρει από την U σ. Για να μην έχει η u k μορφή αποσβενυμμένης ταλαντώσεως αποδεικνύεται ότι πρέπει να είναι : R µ 2 L(C C κ κ + C C φ φ ) και επειδή C K >>C Φ προκύπτει : R µ 2 L C φ 40

41 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 7 Το φαινόμενο το μεταβατικό που περιγράψαμε, κατά το οποίο διαμορφώνεται το μέτωπο της κρουστικής τάσεως, τελειώνει όταν οι C κ και C φ αποκτήσουν την ίδια τάση U km (μέγιστη τιμή της κρουστικής τάσεως), η οποία μπορεί να υπολογιστεί κατά προσέγγιση, αν λάβουμε υπόψη την διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου: U σ C κ = U km (C κ + C φ ) Οπότε προκύπτει: U km Οπότε ο συντελεστής χρησιμοποιήσεως προκύπτει: = U C κ Cκ C σ + φ η = C κ Cκ + C φ Πως διαμορφώνεται η ουρά της κρουστικής τάσεως. 41

42 Μονοβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων - 8 Σχήμα 7.4: Απλοποιημένο κύκλωμα της γεννήτριας κρουστικών τάσεων, ισχύον κατά τη χρονική διάρκεια διαμορφώσεως της ουράς των κρουστικών τάσεων. Το όλο φαινόμενο τελειώνει μετά την πλήρη εκφόρτιση των C κ και C φ, οπότε η κρουστική τάση μηδενίζεται και ο C κ μπορεί να φορτιστεί πάλι από την πηγή συνεχούς τάσεως για παραγωγή της επόμενης κρουστικής τάσεως. Από τα προηγούμενα προκύπτει ότι για μεν την διάρκεια μετώπου Τ μ της κρουστικής τάσεως σημασία έχουν κυρίως τα μεγέθη R μ και C φ, για δε τη διάρκεια της ουράς Τ ο σημασία έχουν τα μεγέθη C κ και R ο. Είναι δηλαδή: Rµ CφCκ T = R C µ μ φ To = R o (Cφ + Cκ ) R o C κ C κ + C φ 42

43 Ενέργεια Φορτίσεως Καλούμε ενέργεια φορτίσεως της γεννήτριας κρουστικών τάσεων την: 1 2 W κ = C 2 Η ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε θερμότητα εντός των R μ και R ο. Επειδή είναι πάντα R ο >R μ, το μεγαλύτερο ποσοστό από την W κ απορροφάται από την R ο, η οποία συνεπώς πρέπει να είναι πολύ πιο ανθεκτική από την R μ. Σ' ότι αφορά τα U o, λ 1 και λ 2 της σχέσεως: U U (e -λ 2 t e -λ 1 t κ = Uκ ( t) = o ) κ U σ Αποδεικνύεται ότι είναι: U o = UσR oc λ λ 2 1 κ και λ 1 = λ 2 = R o (C φ + Cκ ) + R µ Cκ ± R o Cκ + Cφ + [ 2C ( κ C φ R o R µ ) R µ C κ ] 2-4C κ C φ R o R µ 43

44 Πολυβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων (Γεννήτριες Marx) - 1 Για την παραγωγή κρουστικών τάσεων πάνω από 200 KV χρησιμοποιούνται πολυβάθμιες γεννήτριες τύπου Marx. Η λειτουργία τους συνίσταται στην παράλληλη φόρτιση ενός αριθμού πυκνωτών και στην συνέχεια, μέσω σπινθηριστών, εκφόρτιση τους σε κατάλληλο κύκλωμα. Σχήμα 7.5: Πολυβάθμια διάταξη παραγωγής υψηλών κρουστικών τάσεων. (βλέπετε επεξηγήσεις στο κείμενο που ακολουθεί) κύκλωμα της γεννήτριας κρουστικών τάσεων, ισχύον κατά τη χρονική διάρκεια διαμορφώσεως της ουράς των κρουστικών τάσεων. 44

45 Πολυβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων (Γεννήτριες Marx) - 2 Οι πυκνωτές C κ1 C κ5 φορτίζονται παράλληλα στην τάση U σ μέσω της κοινής αντιστάσεως φορτίσεως R φο και των μερικών R φ. Είναι R φ <<R φο ώστε οι πυκνωτές να φορτίζονται σχεδόν ταυτόχρονα στην ίδια τάση U σ. Συνήθως το διάκενο του σ 1 ρυθμίζεται μικρότερο απ' ότι στους άλλους ώστε αυτός να διασπάται μετά το τέλος της φορτίσεως των πυκνωτών πρώτος και έτσι να παρασύρει σε διάσπαση και τους άλλους. Με αυτές τις διασπάσεις τίθενται σε σειρά οι πυκνωτές, στη δε διάταξη των R ο και C φ εφαρμόζεται ιφνίδια τάση ίση με το άθροισμα των τάσεων των πυκνωτών δηλαδή: ν.u σ Η μέγιστη τιμή της αποκτούμενης στα άκρα του C φ κρουστικής τάσεως είναι: U km =η(ν.u σ ) 45

46 Πολυβάθμιες Γεννήτριες Κρουστικών Τάσεων (Γεννήτριες Marx) - 3 Η χωρητικότητα C κ της μονοβάθμιας γεννήτριας είναι : C κ = 1 C κ C κ C κ ν και επειδή κατά κανόνα είναι : C = C... C κ κ = = 1 2 κ ν Θα έχουμε: C κ = C v κ 1 Η ενέργεια της γεννήτριας θα είναι: W κ = ( Cκ Uσ ) 1 ν 46

47 Επί των Μονοβάθμιων Γεννητριών - 1 Μεταξύ των στοιχείων της γεννήτριας και των διαρκειών μετώπου και ημίσεως εύρους υφίστανται οι ακόλουθες κατά προσέγγιση σχέσεις: T T µ η 2 = κ [(R 1 = (R ξ η = [(R o o o R + R R + R + R µ o o µ C R )(C )(C κ µ φ µ C )(C φ φ C φ + C + C κ κ + C κ )] ) κ )] 1,2/5 1,2/50 1,2/200 1,49 2,96 3,15 1,44 0,73 0,70 47

48 Επί των Μονοβάθμιων Γεννητριών - 2 Συνήθως η αντίσταση μετώπου R μ δεν τίθεται ολόκληρη στο εξωτερικό κύκλωμα της γεννήτριας, αλλά ένα μέρος της τοποθετείται στο εξωτερικό κύκλωμα και το υπόλοιπο μοιράζεται μέσα στη γεννήτρια, στις βαθμίδες της. Σχήμα 7.6: Πολυβάθμια γεννήτρια κρουστικών τάσεων με επιμερισμό της συνολικής αντιστάσεως μετώπου σε εξωτερική και εσωτερική R μ συνολική αντίσταση μετώπου R μ = Εξωτερική αντίσταση μετώπου R μ = Εσωτερική αντίσταση μετώπου. R μ1, R μ2, R μ3 εσωτερικές αντιστάσεις μετώπου (R μ1 = R μ2 = R μ3 = R μ /2.3= R μ /6). 48

49 Επί των Μονοβάθμιων Γεννητριών - 3 Θα πρέπει ακόμη να προσθέσουμε ότι, μια πολυβάθμια γεννήτρια είναι ισοδύναμη με μια μονοβάθμια γεννήτρια κρουστικών τάσεων. Η απόδειξη ξεφεύγει από τα όρια αυτού του τεύχους, θα δώσουμε όμως τις σχέσεις ισοδυναμίας. Αν με δείκτη Π συμβολίσουμε τα μεγέθη της πολυβάθμιας γεννήτριας και με δείκτη σ της μονοβάθμιας τότε η πολυβάθμια γεννήτρια ισοδυναμεί με μονοβάθμια γεννήτρια των ακολούθων στοιχείων: R o σ = 1 R οπ C φσ Επειδή είναι, συνήθως, R μπ <<R φπ κατά προσέγγιση προκύπτει: = C φπ Cκσ = η Cκπ R µσ = R µπ = R 1 = 2 + R µπ η R φπ + 2 η µπ + R 1 R οπ µπ 1 + ηr φπ 2 R + 2 µπ R οσ 1 R οπ ηr φπ 49

50 Γεννήτριες Εκθετικών Κρουστικών Ρευμάτων - 1 Σχήμα 8.1: Διάταξη γεννήτριας παραγωγής εκθετικών κρουστικών ρευμάτων (βλ. επεξηγήσεις στο κείμενο) R = R µ + R δ Μόλις διασπαστεί ο σπινθηριστής, το ρεύμα εκφορτίσεως του C κ στα L και R θα ακολουθήσει την επόμενη διαφορική εξίσωση: 1 C κ di κ i κdt + Ri κ + L = 0 dt 50

51 Γεννήτριες Εκθετικών Κρουστικών Ρευμάτων - 2 L C R = 2 Για: έχουμε κριτική απόσβεση. κ Για αρχικές συνθήκες t= 0 είναι: i κ = 0 και di L κ = U σ dt Οπότε θα προκύψει: U L Rt σ 2L iκ = iκ ( t) = te Σχήμα 8.2: Μορφή κρουστικού ρεύματος. I κm μέγιστη τιμή Τ μ, Τ η χρόνοι μετώπου και ημίσεως εύρους αντίστοιχα (προσδιορισμένοι κατά VDE) 51

52 Γεννήτριες Εκθετικών Κρουστικών Ρευμάτων - 3 Με βάση την εξίσωση του ρεύματος και την γραφική παράσταση του i κ = i κ (t) μπορούμε να υπολογίσουμε την μέγιστη τιμή του, το χρόνο μετώπου και το χρόνο ημίσεως εύρους, ως συνάρτηση της γνωστής συνεχούς τάσεως i σ και των L και R: Πράγματι, στο μέγιστο της καμπύλης η κλίση θα είναι μηδέν, δηλαδή: di κ dt = 0 52

53 Γεννήτριες Εκθετικών Κρουστικών Ρευμάτων - 4 Παραγωγίζοντας τη συνάρτηση του ρεύματος ως προς t έχουμε: di Rt κ U = σ R 2L 2 t e + e dt L 2L Για t= T μ, όπως είπαμε παραπάνω, είναι: T µ R 2L e RT 2L µ + e RT 2L µ Rt L = 0 di κ = 0 dt άρα: Οπότε θα προκύψει: Εάν θέσουμε t= Τ μ I T = µ κ m = U L 2L R σ 2L R e R 2L 2L R 2U σ Iκ m = = R e U 0,736 R σ Τέλος αν θέσουμε: Ι = 2 κm iκ υπολογίζουμε το χρόνο ημίσεως εύρους Τ η T = 4,9 η L R 53

54 Σχεδιασμός και Λειτουργία Εργαστηρίων Υψηλής Τάσεως - 1 Σχήμα 9.1: Διαστάσεις χώρου πειραματισμού για υψηλές τάσεις μέχρι 100 KV (σε m). 1) Προστατευτικό κιγκλίδωμα 2) Πόρτα ασφαλείας 3) Τράπεζα εργασίας 4) Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών 5) Αγώγιμο δάπεδο με επικάλυψη πλαστικού Μέσα στο χώρο του κιγκλιδώματος τοποθετείται αγώγιμο δάπεδο από φύλλα χαλκού πάχους τουλάχιστον 1 mm, το οποίο καλύπτεται από πλαστικό δάπεδο. Σε ορισμένα σημεία του αγώγιμου δαπέδου υπάρχουν αναμονές γειώσεως, οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν ως σημεία γείωσης για τον εξοπλισμό υψηλής τάσεως. 54

55 Σχεδιασμός και Λειτουργία Εργαστηρίων Υψηλής Τάσεως - 2 Σχήμα 9.2: Διάταξη χώρου δοκιμών μετασχηματιστών ισχύος 400 KV (διαστάσεις σε m) 1) αίθουσα υψηλής τάσεως περικλειώμενη από προστατευτικό περίβλημα και γειωμένη Μετασχηματιστής δοκιμών 800 KV Χωρητικότητα Κρουστική γεννήτρια Καταμεριστής κρουστικών τάσεων Δοκίμιο 2) Παρακείμενοι άλλοι χώροι (π.χ. δοκιμών) Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών 55

56 Σχεδιασμός και Λειτουργία Εργαστηρίων Υψηλής Τάσεως - 3 Σχήμα 9.3: Σχεδιαστική παράσταση των βασικών κυκλωμάτων διατάξεως παραγωγής και εφαρμογής υψηλής τάσεως Το ηλεκτρικό κύκλωμα μιας διατάξεως υψηλής τάσεως αποτελείται, βασικά, από τρία κυκλώματα. Tο κύκλωμα παροχής της ηλεκτρικής ισχύος 1, το κύκλωμα προστασίας 2 και το κύκλωμα υψηλής τάσεως 3. Μεταξύ των επί μέρους τμημάτων του εξοπλισμού υψηλής τάσεως, ο οποίος είναι τοποθετημένος στην επικίνδυνη ζώνη, προβλέπονται αποστάσεις, οι οποίες, για τάσεις μέχρι 1 MV ορίζονται ως εξής: Για εναλλασσόμενες και συνεχείς τάσεις 50 cm για κάθε 100 ΚV Για κρουστικές τάσεις 20 cm για κάθε 100 ΚV. 56

57 Σχεδιασμός και Λειτουργία Εργαστηρίων Υψηλής Τάσεως - 4 Σχήμα 9.4: Απλοποιημένο κύκλωμα διάταξης υψηλής τάσης υπό συνθήκες διάσπασης. α) Διάταξη δοκιμής β) Ισοδύναμο κύκλωμα γ) Καμπύλες χρονικής μεταβολής τάσης και ρεύματος Σχήμα 9.5: Ρεύματα γης σε διατάξεις υψηλής τάσης α) Χωρίς θωράκιση β) Με κλωβό Faraday 57

58 Σχεδιασμός και Λειτουργία Εργαστηρίων Υψηλής Τάσεως - 5 Σχήμα 9.6: Προσγείωση κρουστικών γεννητριών κρουστική γη. U σ : Συνεχή τάση R π : Προστατευτική αντίσταση C κ : Πυκνωτής κρούσης Π δ : Προσγείωση δικτύου σ: Σπινθηριστής Κ γ : Κρουστική γη C φ : Πυκνωτής φορτίου R μ : Αντίσταση μετώπου R ο : Αντίσταση ουράς C 1, C 2 : Χωρητικότητες καταμεριστή τάσης Π: Παλμογράφος R: Αντίσταση πολύ μεγάλης τιμής 58

59 Σχεδιασμός και Λειτουργία Εργαστηρίων Υψηλής Τάσεως - 6 Σχήμα 9.7: Γείωση και θωράκιση διάταξης δοκιμής υψηλής τάσης 1: Κλωβός Faraday 2: Επίπεδο φύλλο γειώσεως 3: Δοκίμιο 4: Καταμεριστής τάσεως 5: Κιβώτιο παλμογράφου ή οργάνου 6: Μετασχηματιστής μονώσεως Π δ : Προσγείωση δικτύου Κ γ : Κρουστική γη 59

60 Τεχνική των Μετρήσεων Υψηλών Τάσεων - 1 Στις υψηλές τάσεις διεξάγεται πλήθος μετρήσεων πολλών κατηγοριών, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν με βάση δυο κριτήρια: α) της τιμής των υπό μέτρηση μεγεθών β) της ταχύτητας της χρονικής μεταβολής τους. Καταμεριστές Τάσεως Μ ένα καταμεριστή τάσεως επιδιώκεται η μείωση του εύρους των υψηλών τάσεων υπό την προϋπόθεση ότι η μορφή τους παραμένει αναλλοίωτη. 60

61 Τεχνική των Μετρήσεων Υψηλών Τάσεων - 2 Αν u 1 = u 1 (t) η αρχική τάση και u 2 = u 2 (t) η τάση στην πλευρά χαμηλής τάσεως του καταμεριστή, καλούμε σχέση καταμερισμού το πηλίκο: u 1 K = = u2 u1( t) u ( t) Το οποίο πρέπει για κάθε τιμή του t να είναι σταθερό, ανεξάρτητο του t. 2 61

62 Ωμικός Καταμεριστής Τάσεως Σχήμα 10.1: Ωμικός Καταμεριστής Τάσεως Αποτελείται από δύο αντιστάσεις, μιας υψηλής τάσεως R 1 και μίας χαμηλής τάσεως R 2. Θα είναι προφανώς: K = u u 1 2 = R1 + R R

63 Καθαρώς Χωρητικοί Καταμεριστές Τάσεως Σχήμα 10.1: Χωρητικός Καταμεριστής Τάσεως Αποτελούνται από δυο χωρητικότητες (πυκνωτές), μια υψηλής τάσεως C 1 και μια χαμηλής τάσεως C 2. Η σχέση καταμερισμού είναι, στην περίπτωση αυτή: (C K = 1 + C C 1 2 ) 63

64 Μέτρηση Τάσεων και Ρευμάτων με Παλμογράφο - 1 Σχήμα 10.3: Διατάξεις καταγραφής ταχέως μεταβαλλόμενων τάσεων ή ρευμάτων μέσω παλμογράφου. α,γ) Καταγραφή τάσεων β) Καταγραφή ρευμάτων Κ τ ) Καταμεριστής τάσεως R μ ) Αντίσταση μετρήσεως z) Κυματική αντίσταση καλωδίου Π λ ) Παλμογράφος Σ ππ ) Σπινθηριστής προστασίας 64

65 Μέτρηση Τάσεων και Ρευμάτων με Παλμογράφο - 2 Σχήμα 10.4: Προσγείωση και επίτευξη προσαρμογής συγκεντρικού καλωδίου μετρήσεως. Σχήμα 10.5: Διάταξη μέτρησης υψηλών κρουστικών τάσεων με θωρακισμένο τετράπολο μέτρησης και αντίσταση προσαρμογής Ζ. C δ ) χωρητικότητα δοκιμίου C m ) πυκνωτής μέτρησης σ π ) σπινθηριστής προστασίας θ) θωράκιση Κ λ ) ομοαξονικό καλώδιο Ζ) ωμική αντίσταση προσαρμογής (ίση με την κυματική αντίσταση του καλωδίου) Π) παλμογράφος 65

66 Μέτρηση Τάσεων και Ρευμάτων με Παλμογράφο - 3 Η συσκευή Σ σ είναι γεννήτρια παραγωγής και αποστολής δύο σημάτων χαμηλής τάσης και κρουστικής μορφής, όπως θα δούμε στη συνέχεια) αναχωρεί σήμα χαμηλής τάσης προς το βοηθητικό ηλεκτρόδιο. Το σήμα είναι χαμηλής τάσης και κρουστικής μορφής και ενισχύεται στον ενισχυτή τάσης Ε ν, ώστε στα άκρα του βοηθητικού ηλεκτροδίου το ύψος αυτής της τάσης να φθάνει και τα 15 ΚV. 66

67 Μέτρηση Με Σφαιρικούς Σπινθηριστές - 1 Μέτρηση της μέγιστης τιμής υψηλών εναλλασσόμενων τάσεων, με σφαιρικούς σπινθηριστές. Όταν η τάση σε ένα διάκενο αέρα υπερβεί κάποια χαρακτηριστική τιμή, η οποία καλείται «στατική τάση διασπάσεως», συμβαίνει διάσπαση του ατμοσφαιρικού αέρα μετά από μερικά μs. Κατά τη διάρκεια της πολύ μικρής αυτής χρονικής περιόδου, η μέγιστη τιμή της επιβαλλόμενης τάσεως μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Η διάσπαση στα αέρια γενικά, συμβαίνει για το λόγο αυτό πάντοτε στη μέγιστη τιμή των εναλλασσόμενων τάσεων χαμηλής συχνότητας. 67

68 Μέτρηση Με Σφαιρικούς Σπινθηριστές - 2 Σχήμα 10.7: α) Οριζόντια διάταξη β) Κατακόρυφη διάταξη 68

69 Μέτρηση Με Σφαιρικούς Σπινθηριστές - 3 Η υγρασία έχει αποδειχθεί ότι δεν έχει ιδιαίτερη επίδραση επί της τάσεως διασπάσεως των σπινθηριστών σφαιρών. Σχήμα 10.8: Τάση διασπάσεως σπινθηριστών σφαιρών, συνάρτηση του μήκους του διακένου s, για διάφορες διαμέτρους σφαιρών D. 69

70 Μέτρηση Με Σφαιρικούς Σπινθηριστές - 4 Για τη διάμετρο D των σφαιρών ισχύει ο ακόλουθος νόμος : U m : D (mm) U m (KV) Πρέπει ακόμη να παρατηρήσουμε ότι αν η μέτρηση δεν γίνει στις κανονικές συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας, τότε η τάση διασπάσεως θα βρεθεί από την U dom με πολλαπλασιασμό της επί τον διορθωτικό παράγοντα δ: U = δ dm U dom όπου: 0, 289b δ = θ 70

71 Με πυκνωτή, ανορθωτή και Όργανο Μετρήσεως - 1 Σχήμα 10.9: Μέτρηση της μέγιστης τιμής υψηλών εναλλασσομένων τάσεων κατά Chubb και Fortescue. α) Ηλεκτρικό κύκλωμα β) Καμπύλες χρονικών μεταβολών τάσεως και ρεύματος 71

72 Με πυκνωτή, ανορθωτή και Όργανο Μετρήσεως - 2 Αν υποτεθεί ότι οι ανορθωτές είναι ιδανικοί, τότε κατά το χρονικό διάστημα που άγει ο ανορθωτής Αν 1 θα έχουμε: I du i 1 = i = C( ), t=0 dt Τ u( T / 2) 1 C C = i1dt = du = Τ T T [ u(t / 2) u(0 ] 1 µ ) 0 u(0) T 2 Αν η ημιτονοειδής τάση είναι συμμετρική, τότε: u (T / 2) u(0) = 2U m και δεδομένου ότι Τ= 1 f λαμβάνουμε: I1µ U m = 2 fc 72

73 Με Καταμεριστή Τάσεως, Ανορθωτή και Ηλεκτροστατικό Βολτόμετρο - 1 Μερικά ανορθωτικά κυκλώματα έχουν προταθεί για την μέτρηση της μέγιστης τιμής υψηλών εναλλασσόμενων τάσεων με τη βοήθεια χωρητικών καταμεριστών. Σχήμα 10.10: Μέτρηση της μέγιστης τιμής υψηλών εναλλασσομένων τάσεων με χωρητικό καταμεριστή. α) Ηλεκτρικό κύκλωμα β) Γενική μορφή της τάσεως 73

74 Με Καταμεριστή Τάσεως, Ανορθωτή και Ηλεκτροστατικό Βολτόμετρο - 2 Εάν οι προηγούμενες συνθήκες ικανοποιούνται, η μέγιστη τιμή της υπό μέτρηση υψηλής τάσεως, θα δίδεται συναρτήσει της μέγιστης τιμής της τάσεως U3m (ένδειξη του οργάνου μετρήσεως) από τη σχέση: U m (C1 + C2 ) = U3m. C 1 74

75 Μέτρηση Ενδεικνύμενης Τιμής Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων - 1 Μέτρηση της ενδεικνύμενης τιμής υψηλών εναλλασσόμενων τάσεων με ηλεκτροστατικά βολτόμετρα Σχήμα 10.11: Ηλεκτροστατικά βολτόμετρα για υψηλές τάσεις. α) Με σφαιρικά ηλεκτρόδια β) Με κινητό τμήμα ηλεκτροδίου 1. Κινητό τμήμα ηλεκτροδίου 2. Άξονας περιστροφής 3. Κάτοπτρο 4. Πηγή φωτός 5. Κλίμακα μετρήσεως 75

76 Μέτρηση Ενδεικνύμενης Τιμής Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων - 2 Το ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αναπτύσσεται μεταξύ των σφαιρικών ηλεκτροδίων λόγω της επιβαλλόμενης τάσης u(t), παράγει μια δύναμη F(t), η οποία τείνει να μικρύνει της απόσταση s μεταξύ των ηλεκτροδίων. Η έλκουσα αυτή δύναμη μπορεί να υπολογιστεί από της μεταβολή της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου: W(t) = 1 2 Cu 2 (t) 76

77 Μέτρηση Ενδεικνύμενης Τιμής Υψηλών Εναλλασσόμενων Τάσεων - 3 Σύμφωνα με την αρχή διατηρήσεως της ενέργειας και υποθέτοντας ότι προς στιγμή αποσυνδέεται η πηγή τάσεως θα έχουμε: dw(t) dw + Fds = 0 και F(t) = - = - ds Αν F μ είναι η μέση αριθμητική τιμή της δυνάμεως θα είναι: 1 2 u 2 (t) dc ds F µ = 1 Τ Τ 0 F( t) dt 1 dc 2 ds 1 T T 2 και συνεπώς: Fµ = u (t)dt ανάλογη προς U 2 : 0 dc ds Η επίδραση του συντελεστή εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο η F μ θα «μεταφραστεί» σε κάποια ένδειξη μετρήσεως. 77

78 Μέτρηση Μέγιστης Τιμής Υψηλών Κρουστικών Τάσεων - 1 Μέτρηση της μέγιστης τιμής υψηλών κρουστικών τάσεων μέσω καταμεριστών τάσεως και ενδεικτικών οργάνων. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται καταμεριστής τάσεως, ωμικός ή χωρητικός, από την πλευρά χαμηλής τάσεως του οποίου φορτίζεται, μέσω ενός ανορθωτή, ο πυκνωτής C μ. Η τάση φορτίσεως του C μ μετρείται με ηλεκτροστατικό βολτόμετρο. 78

79 Μέτρηση Μέγιστης Τιμής Υψηλών Κρουστικών Τάσεων - 2 Σχήμα 10.12: Για την επεξήγηση της διατάξεως μετρήσεως της μέγιστης τιμής υψηλών κρουστικών τάσεων Σχήμα 10.13: Βελτίωση της ακρίβειας μετρήσεως της μέγιστης τιμή υψηλών κρουστικών τάσεων με την προσθήκη του πυκνωτή C. 79

80 Μέτρηση Μέγιστης Τιμής Υψηλών Κρουστικών Τάσεων - 3 Όταν ο Αν άγει R 0 και όταν δεν άγει R= : Στο Σχήμα 10.14α έχει χαραχθεί η μορφή της τάσεως υ 1 καθώς και η τάση u 2. Όταν ο Αν άγει R 0 και όταν δεν άγει R : Στο Σχήμα 10.14β δείχνονται οι καμπύλες μεταβολής των τάσεων u 1 και u 2. Σχήμα 10.14: Για την επεξήγηση του σφάλματος κατά μέτρηση της μέγιστης τιμής υψηλών κρουστικών τάσεων λόγω μη ιδανικού ανορθωτή Αν (βλ. Σχήμα 10.12) α) Αντίσταση του Αν όταν άγει R 0 και όταν δεν άγει R= β) Αντίσταση του Αν όταν άγει R 0 και όταν δεν άγει R 80

81 Διηλεκτρικές Μετρήσεις Όταν ερευνούμε ένα σύστημα μονώσεως, η τάση διασπάσεως του προσδιορίζει το άνω όριο της παροχής της τάσεως που μπορεί να επιβάλλεται. Όμως, γενικά, δεν είναι δυνατό να βγάλουμε συμπεράσματα για την αιτία της διασπάσεως από μόνη τη γνώση της τάσεως διασπάσεως και τα ίχνη που αφήνει η διάσπαση αυτή στα μονωτικά υλικά, δηλαδή τα διηλεκτρικά υλικά, και κυρίως τα στερεά μονωτικά. 81

82 Απώλειες Διηλεκτρικού - 1 Ένα ιδανικό διηλεκτρικό είναι εντελώς απαλλαγμένο από απώλειες και η συμπεριφορά του, υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να περιγραφεί από την ακόλουθη διηλεκτρική σταθερά: ε= ε 0 ε r 82

83 Απώλειες Διηλεκτρικού - 2 Αντίθετα, σε πραγματικό διηλεκτρικό έχουμε πάντοτε απώλειες. Για τις διηλεκτρικές απώλειες πρέπει να λάβουμε υπόψη τα ακόλουθα: Απώλειες αγωγιμότητας Ρ 1 από ιονισμό ή αγωγιμότητα ηλεκτρονίων. Το διηλεκτρικό έχει ορισμένη αγωγιμότητα g. Απώλειες πολώσεως Ρ p από προσανατολισμό, οριακό στρώμα, ή παραμόρφωση της πολώσεως. Απώλειες ιονισμού Ρ i από μερικές εκκενώσεις (Μ.Ε) στο διηλεκτρικό. 83

84 Απώλειες Διηλεκτρικού - 3 Οι απώλειες αυτές προκαλούν κάποια ηλεκτρικά μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούνται στις διηλεκτρικές δοκιμές και μπορούν να μετρηθούν. Τα κυριότερα μεγέθη που μετρούνται είναι τα ακόλουθα: Ρεύμα αγωγιμότητας υπό συνεχή τάση Συντελεστής απωλειών υπό εναλλασσόμενη τάση Χαρακτηριστικά των μερικών εκκενώσεων υπό εναλλασσόμενη τάση. 84

85 Απώλειες Διηλεκτρικού - 4 Για ένα συγκεκριμένο δοκίμιο, οι μετρούμενες ποσότητες μεταβάλλονται ανάλογα με το μέγεθος της τάσεως δοκιμής. Εξαρτώνται επίσης, γενικά από τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη δοκιμή. Αυτές οι παράμετροι προσφέρουν αξιόλογες πληροφορίες για το υλικό και σε ειδικές περιπτώσεις, μπορούν να προσδιορίσουν αν το υλικό έχει υποστεί ανεπανόρθωτη «γήρανση» και είναι ακατάλληλο. 85

86 Απώλειες Διηλεκτρικού - 5 Σχήμα 11.1: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός διηλεκτρικού με απώλειες λόγω αγωγιμότητας, πολώσεως και μερικών εκκενώσεων 86

87 Μέτρηση του Ρεύματος Αγωγιμότητας υπό Συνεχή Τάση - 1 Εάν η ένταση του επικρατούντος, λόγο της επιβαλλόμενης τάσεως, ηλεκτρικού πεδίου στο χώρο του διηλεκτρικού είναι Ε, η πυκνότητα ρεύματος J και η ειδική αγωγιμότητα του υλικού είναι: g όπου ρ η ειδική αντίσταση αυτού, τότε, σύμφωνα με το νόμο του Ohm θα είναι: = 1 ρ o J = o g E Για τις ειδικές λοιπόν διηλεκτρικές απώλειες θα έχουμε: o o J P' α = Ε = ge 2 87

88 Μέτρηση του Ρεύματος Αγωγιμότητας υπό Συνεχή Τάση - 2 Σχήμα 11.2: Διάταξη ηλεκτροδίων για τη μέτρηση της αγωγιμότητας πλάκας μονωτικού υλικού με επιβολή συνεχούς τάσεως δοκιμής. 1. Ηλεκτρόδιο υψηλής τάσεως 2. Ηλεκτρόδιο μετρήσεως 3. Προστατευτικό ηλεκτρόδιο 88

89 Μέτρηση Συντελεστή Απωλειών υπό Εναλλασσόμενη Τάση - 1 Διηλεκτρικές απώλειες και ισοδύναμα κυκλώματα. Σ' ένα εναλλασσόμενο πεδίο εντάσεως Ε, η πυκνότητα ροής δίδεται από την σχέση: J o = (g + jωε) Κατά κανόνα, απώλειες πολώσεως και ιονισμού υπάρχουν επίσης σ' ένα διηλεκτρικό παράλληλα με τις απώλειες αγωγιμότητας. Ο συντελεστής απωλειών «εφδ» ενός μονωτικού ορίζεται ως εξής: εφδ = Οι απώλειες του διηλεκτρικού περιλαμβάνουν τρεις όρους, που αντιστοιχούν στο μηχανισμό απωλειών, όπως αναφέραμε και προηγουμένως: Ι I w b P = P P P + P + P d = 1 p d b i 89

90 Μέτρηση Συντελεστή Απωλειών υπό Εναλλασσόμενη Τάση - 2 Κάθε όρος έχει και το δικό του συντελεστή απωλειών, έτσι ώστε: εφδ = εφδ 1 + εφδp + εγδi Όταν θεωρήσουμε ότι υπάρχουν μόνο απώλειες αγωγιμότητας τότε: εφδ 1 g ωe Οι απώλειες ισχύος που εμφανίζονται στην αγωγιμότητα θα είναι: = 2 2 P = I U = gu = ωcu εφδ = P εφδ d w 0 e r b 90

91 Μέτρηση Συντελεστή Απωλειών υπό Εναλλασσόμενη Τάση - 3 Σχήμα 11.3: Ισοδύναμα κυκλώματα διηλεκτρικών με απώλειες. α) Ισοδύναμο παράλληλο κύκλωμα β) Κύκλωμα σειράς Ο συντελεστής απωλειών δίδεται: Για το παράλληλο κύκλωμα είναι: Για το κύκλωμα σειράς είναι: 1 εφδ = R p ωc p εφδ = R sωc s 91

92 Μέτρηση του Συντελεστή Απωλειών με τη Γέφυρα Schering - 1 Σχήμα 11.4: Διάταξη της γέφυρας Schering. C x Δοκίμιο C 2 Πυκνωτής σταθερής χωρητικότητας R 3, C 4 Μεταβλητά στοιχεία R 4 Αντίσταση ωμική σταθερής τιμής Ν Όργανο μηδενισμού S Θωράκιση 92

93 Μέτρηση του Συντελεστή Απωλειών με τη Γέφυρα Schering - 2 Ο προσδιορισμός της χωρητικότητας του δοκιμίου και του συντελεστή απωλειών του γίνεται με τη μεταβολή των R 3 και C 4 μέχρις ότου η γέφυρα ισορροπήσει. Τότε θα έχουμε: o Y 4 o Y x = o Y 2 o Y 3 Αν αντικαταστήσουμε το δοκίμιο με το παράλληλο ισοδύναμο κύκλωμα του Σχήματος 11.3, η προηγούμενη σχέση γράφεται: (jωc R 4 )(jωc x + 1 R x ) = jωc R

94 Μέτρηση του Συντελεστή Απωλειών με τη Γέφυρα Schering - 3 Επειδή η εξίσωση αυτή πρέπει να ικανοποιείται τόσο για το πραγματικό όσο και για το φανταστικό μέρος της, θα προκύψει : 1 x 4 2 = ωc4r 4 και + = ωcxr x R 4 Cx C3 απ όπου υπολογίζονται οι ζητούμενες ποσότητες: εφδx επειδή η ποσότητα εφ 2 δ x είναι πολύ μικρή (τείνει προς το R μηδέν) προκύπτει ότι: 4 C = C x 2 R 3 C C C = ωr 4 C 4 94

95 Διάγραμμα της Διάταξης Μέτρησης Σχήμα : Απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα της διάταξης μέτρησης κατά την καταπόνηση των στερεών ηλεκτρομονωτικών υλικών. G: Γεννήτρια κρουστικών ή εναλλασσόμενων τάσεων, C Η και C Ν χωρητικός καταμεριστής της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης. S: το δοκίμιο τοποθετημένο μεταξύ των ηλεκτροδίων ακίδα-πλάκα, C m : πυκνωτής μέτρησης, A/D: αναλογικός ψηφιακός μετατροπέας. 95

96 Απλοποιημένη Παράσταση ενός Χωρητικού Τετράπολου Μέτρησης με Θωράκιση Σχήμα : Απλοποιημένη παράσταση ενός χωρητικού τετράπολου μέτρησης με θωράκιση. α) Τετράπολο μέτρησης. β) Καταμεριστής τάσης μεταξύ της χωρητικότητας ενός δοκιμίου και του C m C m : Πυκνωτής μέτρησης. Σ π : Σπινθηριστής προστασίας. Θ : Θωράκιση. Ο.Κ: Ομοαξονικό καλώδιο. Σχήμα : Διάταξη ηλεκτροδίων ακίδα πλάκα d: απόσταση ακίδας πλάκας R : ακτίνα καμπυλότητας της ακίδας. Ένας προσεγγιστικός υπολογισμός της πεδιακής έντασης στην ακίδα μπορεί να γίνει με τη σχέση : E = 2U /[ R ln(4d / R)] 96

97 Παράρτημα - 1 Στο παράρτημα αυτό δίνονται διάφοροι πίνακες με βασικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρομονωτικών υλικών. Υλικό ε r Υλικό ε r Αέρας (κανονικές συνθήκες) 1, Πάγος 2-3 Αέρας υγρός 1,5 Pertinax 4,8-5,4 Απεσταγμένο νερό 8 PVC 4-6 Βακελίτης 3,5-8,2 Plexiglas 2,6-3,5 Condesa 4-8 Πορσελάνη 5,5-6 Glimmer 4-8 Presspann 2,5-3,4 Γυαλί 5-16 Ρητίνη 2,2 Θερμοπλαστικά συνθετικά 2-5 SF 6 1, Μονωτικό λάδι 2-2,5 Στεατίτης 6,4 Λάστιχο 2,8-6,5 Teflon 2,1 Mikanit 4-6 Χαλαζίας 3-7 Ξύλο 2,5-6,5 Χαρτί 1,8-2,6 Πίνακας Π-1: Σχετική διηλεκτρική σταθερά ορισμένων υλικών στους 20 C 97

98 Παράρτημα - 2 Μονωτικό Υλικό d σε mm E d σε kv/cm Αέρας 21 Λάδι μετασχηματιστών Πορσελάνη 0, Στεατίτης 0, Γυαλί < Χαρτόνι 0,5 1, Χαρτόνι στο λάδι < Σκληρό ελαστικό < Ξύλο < Glimmer 0,01 0, Πίνακας Π-2: Ed για καταπόνηση μικρής χρονικής διάρκειας ορισμένων μονωτικών υλικών σε ομογενές πεδίο συχνότητας 50 Hz. 98

99 Παράρτημα - 3 Υλικό Πάχος ε tgδ Μόνωσης σε [mm] Λάδι μετασχηματιστών 0,004 0,0046 Πορσελάνη 0,5 3 0,085 0,16 Στεατίτης 0,5 3 0,006 0,02 Γυαλί <1 Χαρτόνι 0,5 1,5 0,03 0,1 Glimmer 0,01 0,1 0,009 0,012 Πίνακας Π-3: Τάξη μεγέθους των τιμών ε tgδ για ορισμένα διηλεκτρικά σε θερμοκρασία 20 C. 99

100 Παράρτημα - 4 Υλικό Πάχος μόνωσης [mm] λ Πορσελάνη 0,5 3 0,008 0,015 Στεατίτης 0,5 3 0,02 0,026 Γυαλί <1 0,0075 0,01 2 Ξύλο <3 0,001 0,002 Χαρτόνι 0,3 1,5 0,003 Σκληρό ελαστικό <3 0,001 Glimmer <0,5 0,003 Χαρτί στο λάδι <2 0,014 0,03 Πίνακας Π-4: Τιμές του συντελεστή ειδικής θερμικής αγωγιμότητας (λ) για ορισμένα μονωτικά υλικά. 100

101 Παράρτημα - 5 Διάταξη ηλεκτροδίων Χωρητικότητα Πυκνωτής επίπεδων πλακών (κατά Rogowski) C = εa/ d Ομόκεντρες σφαίρες C = πεr R / d Ομοαξονικοί κύλινδροι l C = 2πε ln( R 2 / R 1 ) Κύλινδρος-επίπεδο l C = 2πε (καλώδιο-γη) H>>R ln[( H / R) ( H / R) 2 1] Παράλληλοι κύλινδροι με την ίδια ακτίνα (2 παράλληλοι αγωγοί) C = πε ln[( d / 2R) + l ( d / 2R) 2 1] Πίνακας Π-5: Xωρητικότητα ορισμένων διατάξεων ηλεκτροδίων με ένα διηλεκτρικό 101

102 Παράρτημα - 6 Δοκίμιο Χωρητικότητα σε pf Μονωτήρες ανάρτησης, στήριξης μέχρι 30 Μονωτήρες διέλευσης 100 έως 250 Μετασχηματιστές μέτρησης 200 έως 400 Μετασχηματιστές 1000 έως 4000 Καλώδια 250 έως 300 Πίνακας Π-6: Τιμές της χωρητικότητας ορισμένων κατασκευών υψηλών τάσεων. 102

103 Ονομαστική τάση (ή τάση σειράς) U N Παράρτημα - 7 Τάση μόνωσης (μέγιστη επιτρεπόμεν η τάση λειτουργίας). U M ΔΟΚΙΜΗ Εναλλασσόμενη τάση 50 Ηz Κρουστική τάση 1,2/50 μs Έλεγχος της Έλεγχος της Έλεγχος της μόνωσης ως απόστασης μόνωσης ως προς προς γη ή απομόνωση γη ή μεταξύ των μεταξύ των ς σε φάσεων φάσεων διακόπτες Έλεγχος της απόστασης απομόνωση ς σε διακόπτες [kv] [kv] [kv] [kv] [kv] [kv] , , , , , Πίνακας Π-7: Τιμές της εναλλασσόμενης τάσης 50Hz και της κρουστικής τάσης 1,2/50 μs, για τη διεξαγωγή των διηλεκτρικών δοκιμών. + : Θετική πολικότητα της κρουστικής τάσης. - : Αρνητική πολικότητα της κρουστικής τάσης. Σημείωση: Η τιμή της τάσης δοκιμής για U N >110kV, καθώς και πληροφορίες για τη διεξαγωγή της δοκιμής, θα πρέπει να αναζητηθούν στις προ διαγραφές (VDE, IEC, Προδιαγραφές της ΔΕΗ, κλπ). 103

104 Τέλος Ενότητας