ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΕΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΟΝΩΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΕΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Γ. ΧΑΡΑΛΑΜΠΙΔΗΣ Επιβλέπων Καθηγητής : Π. Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πίνακας Συμβόλων Πρόλογος Εισαγωγή Κεφάλαιο 1 ο «Διάσπαση Αέρα & Επιφανειακή Διάσπαση» Κεφάλαιο 2 ο «Πειραματική Διαδικασία» Κεφάλαιο 3 ο «Πειραματικά Αποτελέσματα Προόδου Νηματίου» Κεφάλαιο 4 ο «Συμπεράσματα-Συζήτηση & Προτάσεις Για Μελλοντική Έρευνα» Βιβλιογραφία

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ Σύμβολο Μέγεθος Α A m Άτομο στην κανονική κατάσταση Μετασταθής ατομική κατάσταση Α* Άτομο στην διεγερμένη κατάσταση A -, B - A +, B + Αρνητικά ιόντα Θετικά ιόντα a, b, c Βαθμωτές σταθερές c d D Ε Ε 0 e 1 e 2 e 3 e 4 Ε 50 e fast e slow E m Ε max E min Ε rx E st E th F F x F y F z h h Η 2 Ο I I - (t) I + (t) Η ταχύτητα του φωτός Το μήκος του διακένου Συντελεστής διάχυσης Πεδιακή ένταση Ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη δημιουργία ιόντων Το ηλεκτρόνιο που διεγείρει το άτομο Το ηλεκτρόνιο e 1 χωρίς την επιπλέον ενέργεια διέγερσης Το ηλεκτρόνιο που ιονίζει Το e 3 χωρίς την επιπλέον ενέργεια Πεδίο που αντιστοιχεί στο 50% της πιθανότητας προόδου του νηματίου Ταχύ ηλεκτρόνιο Αργό ηλεκτρόνιο Αρχική (γεωμετρική) πεδιακή ένταση Μέγιστη πεδιακή ένταση Ελάχιστη πεδιακή ένταση Έντασης του ακτινικού πεδίου στην κεφαλή της στιβάδας στο τέλος μίας διαδρομής x Ελάχιστο ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται για ευσταθή πρόοδο του νηματίου Ελάχιστο ηλεκτρικό πεδίο έναρξης πρόοδο του νηματίου Χαρακτηριστικό μέγεθος πεδίου Συνιστώσα χαρακτηριστικού μεγέθους πεδίου στον άξονα x Συνιστώσα χαρακτηριστικού μεγέθους πεδίου στον άξονα y Συνιστώσα χαρακτηριστικού μεγέθους πεδίου στον άξονα z Σταθερά του Planck Υγρασία Μόριο νερού Ηλεκτρικό ρεύμα Μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου, που οφείλεται στα ηλεκτρόνια της κεφαλής της στιβάδας Μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου, που οφείλεται στα θετικά ιόντα της ουράς της στιβάδας 4

4 Ι 0 J F J S J T k k k 1 Κ 1, Κ 2, Κ 3 k s l c l m Μ m e Ν n 0 n 0 n 0 ' n 0 '' Ν 2 * Ν 2 n x Ρεύμα που διαρρέει το διάκενο Πυκνότητα του εκπεμπόμενου "θερμιονικού" ρεύματος κατά Fowler-Nordheim Πυκνότητα του εκπεμπόμενου "θερμιονικού" ρεύματος κατά Schottky Πυκνότητα του εκπεμπόμενου "θερμιονικού" ρεύματος Η σταθερά του Boltzmann Ο συντελεστής διόρθωσης για την απόλυτη υγρασία Ο συντελεστής διόρθωσης της πυκνότητας του αέρα Σταθερές Εμπειρικός συντελεστής που αναπαριστά την εξάρτηση του Ε st από την απόλυτη υγρασία Μήκος του αρχικά φορτισμένου καλωδίου Μέση ελεύθερη διαδρομή στη διεύθυνση του πεδίου Αριθμός μορίων νερού στα συμπλέγματα ένυδρων ιόντων Τρίτο σωματίδιο (οξυγόνο ή άζωτο) Η μάζα του ηλεκτρονίου Αριθμός των ιόντων που παράγονται Αριθμός αρχικής εκπομπής ηλεκτρονίων Αριθμός των πρωτογενών φωτοηλεκτρονίων, που παράγονται στη κάθοδο Αριθμός των δευτερογενών φωτοηλεκτρονίων, που παράγονται στη κάθοδο Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων που παράγονται στην κάθοδο Μόριο αζώτου Μόριο αζώτου στην διεγερμένη κατάσταση Αριθμός εκπομπής ηλεκτρονίων λόγω ιονισμού κρούσης Ν x H πυκνότητα των ιόντων ανά cm 3 O 2 - O 2 O 2 - (Η 2 Ο) p p Ο P i q q e r x t Τ Τ ο u E stn (u) Μόριο οξυγόνου Αρνητικό ιόν οξυγόνου Ένυδρο ιόν οξυγόνου Πίεση Ατμοσφαιρική πίεση Πιθανότητα ιονισμού κρούσης Συνολικό φορτίο Φορτίο του ηλεκτρονίου Ακτίνα σφαίρας στην κεφαλή της στιβάδας Χρόνος Θερμοκρασία Ατμοσφαιρική θερμοκρασία Εφαρμοζόμενος παλμός Το πεδίο που απαιτείται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου, σε κανονικές συνθήκες εξαρτώμενο από τον παλμό 5

5 K s (u) U Am U Bi U Ai U i U 50 v v - ν + V 0 v c V i V st V s W l W a W e W eff W g W i W p W t x α β γ γ i γ p γ m δ ΔW pot ε 0 η θ λ μ σ σ σ i τ Ο συντελεστής διόρθωσης για την υγρασία, εξαρτώμενος από τον παλμό Η ενέργεια του μετασταθούς ατόμου Α m Το πρώτο δυναμικό ιονισμού του ατόμου Β Το πρώτο δυναμικό ιονισμού του Α m Πρώτο δυναμικό ιονισμού Η τάση που αντιστοιχεί στο 50% της πιθανότητας διάσπασης Ταχύτητα των ηλεκτρονίων Ταχύτητα των ηλεκτρονίων σε διάκενο Ταχύτητα θετικών ιόντων σε διάκενο Τάση Ταχύτητα του παλμού Τάση πρώτου ιονισμού Ταχύτητα του νηματίου κατά την ευσταθή πρόοδο του Ταχύτητα του νηματίου Συνολικές απώλειες ενέργειας κατά τη διάρκεια της δημιουργίας νέων στιβάδων Έργο εξαγωγής Ενέργεια ηλεκτρονίου Πραγματικό έργο εξαγωγής Η ενέργεια που αποκτάται λόγω του εφαρμοζόμενου πεδίου Ελάχιστη ενέργεια ιονισμού αερίου Ενέργεια που απαιτείται να προσδοθεί για την αρχική δημιουργία του νηματίου Η ενέργεια ιονισμού του αερίου Απόσταση κατά τη φορά του πεδίου Πρώτος συντελεστής ιονισμού (α του Townsend) Συντελεστής απόσπασης Δεύτερος συντελεστή ιονισμού (γ του Townsend) Μέρος του γ που οφείλεται στον βομβαρδισμό από θετικά ιόντα Μέρος του γ που οφείλεται στα φωτόνια Μέρος του γ που οφείλεται στα μετασταθή άτομα Σχετική πυκνότητα του αέρα Μεταβολή της ηλεκτροστατικής ενέργειας της κεφαλής του νηματίου Διηλεκτρική σταθερά κενού Ο μέσος συντελεστής προσάρτησης Ο λόγος των ιονισμένων σωματιδίων προς το σύνολο των σωματιδίων Το μήκος κύματος του φωτονίου Μέσος όρος δευτερογενών ηλεκτρονίων Μοριακή ή ατομική διατομή κρούσης Τυπική απόκλιση Διατομή ιονισμού Χρόνος απόσπασης 6

6 ν a τ - τ + Η συχνότητα Πραγματικός συντελεστής ιονισμού Ο χρόνος που κάνουν τα ηλεκτρόνια να διασχίσουν ένα διάκενο Ο χρόνος που κάνουν τα θετικά ιόντα να διασχίσουν ένα διάκενο 7

7 Π Ρ Ο Λ Ο Γ Ο Σ Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μέρος ενός γενικότερου ερευνητικού προγράμματος του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. με αντικείμενο μελέτης την επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτικών στον αέρα. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των μονωτικών επιστρώσεων στην ανάπτυξη θετικού νηματίου κατά μήκος της επιφάνειας κυλινδρικών μονωτήρων. Η συγκεκριμένη πειραματική διαδικασία περιελάβανε την μελέτη της συμπεριφοράς τριών κυλινδρικών μονωτήρων από Nylon, δύο εκ των οποίων διαθέτουν μονωτική επίστρωση διαφορετικών υλικών. Οι παράμετροι του νηματίου που μελετήθηκαν ήταν: Το ελάχιστο απαιτούμενο πεδίο για την ανάπτυξη του νηματίου σε συνάρτηση με την αρχική προσδιδόμενη ενέργεια μέσω ενός παλμού υψηλής τάσης. Η ταχύτητα προόδου του νηματίου σε σχέση με το εφαρμοζόμενο πεδίο και την αρχική ενέργεια που προσδίδεται στο νημάτιο. Οι παραπάνω ιδιότητες του νηματίου μελετώνται σε σχέση με την μεταβολή της υγρασίας. Η δομή της διπλωματικής εργασίας είναι η εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται μια εισαγωγή στις βασικές θεωρητικές έννοιες που άπτονται της ηλεκτρικής διάσπασης στον αέρα καθώς και της επιφανειακής διάσπασης στερεών μονωτικών. Ακόμα γίνεται αναφορά στην επίδραση της υγρασίας στη διάσπαση με βάση τις εκτιμήσεις προγενέστερων μελετών επί του ζητήματος. Τα ο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει τη πειραματική διάταξη και την πειραματική διαδικασία. Στη συνέχεια, το τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζει τα αποτελέσματα με τη μορφή διαγραμμάτων όπου γίνεται και η ανάλυσή τους. Τα συμπεράσματα που εξάγονται καθώς και οι προτάσεις για τη περαιτέρω έρευνα στο μέλλον παρατίθενται στο τέταρτο κεφάλαιο. Τέλος, παρουσιάζεται όλη η σχετική βιβλιογραφία.

8 Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να εκφράσω τις ειλικρινείς και θερμές μου ευχαριστίες προς τον επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας, κ. Π.Ν. Μικρόπουλο, για την εμπιστοσύνη του προς το πρόσωπό μου προτείνοντας μου το θέμα καθώς και για την αμέριστη και πολύτιμη βοήθειά του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης του. Παράλληλα, θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς τους καθηγητές της Εξεταστικής Επιτροπής. Ακόμα ευχαριστώ τον κ. Δ. Ζιάκα (Ε.Δ.Τ.Π) για την βοήθειά του σε τεχνικά ζητήματα που ανέκυψαν κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Τέλος εκφράζω την ευγνωμοσύνη μου προς την οικογένειά μου για την αδιάλειπτη ηθική και υλική υποστήριξη καθώς και σε όσους με στήριξαν σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2007 Παναγιώτης Χαραλαμπίδης

9

10 Εισαγωγή Η τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων αναπτύχθηκε για να επιλύσει το πρόβλημα της μεταφοράς μεγάλων ποσών ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Σήμερα, αν και η κύρια χρήση των Υψηλών Τάσεων εξακολουθεί να είναι η ίδια, εντούτοις χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών που περιλαμβάνει από ιατρικά και περιβαλλοντικά πεδία μέχρι και την τεχνολογία του διαστήματος. Το ζήτημα της μεταφοράς με χρήση των Υψηλών Τάσεων εμφανίστηκε όταν τα κέντρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας άρχισαν να απομακρύνονται από τα αστικά κέντρα και τα κέντρα βιομηχανικής δραστηριότητας, τα οποία είναι και τα κέντρα κατανάλωσης. Αν σκεφτεί κανείς ότι για δεδομένο μήκος της γραμμής μεταφοράς η μέγιστη ισχύς, που μπορεί να μεταφερθεί με ευστάθεια, είναι ορισμένο ποσοστό της φυσικής ισχύος P n =U 2 /Z (όπου Z η κυματική αντίσταση της γραμμής, Ω) γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι για μεταφορά μεγάλων ποσών ισχύος απαιτείται και υψηλή τάση λειτουργίας της γραμμής μεταφοράς. Επιπλέον είναι γνωστό ότι οι απώλειες μεταφοράς είναι αντιστρόφως ανάλογες προς το τετράγωνο της πολικής τάσης της γραμμής. Βέβαια με την αύξηση της τάσης μεταφοράς, αυξάνει τόσο το κόστος της εγκατάστασης (πύργοι, μονωτήρες, μετασχηματιστές κ.τ.λ.) όσο και το κόστος λειτουργίας της γραμμής οπότε υπάρχει πάντα μια βέλτιστη τιμή της τάσης υπό την οποία είναι δυνατή η μεταφορά με ευστάθεια, συγκεκριμένου ποσού ισχύος σε συγκεκριμένη απόσταση με αποδεκτές απώλειες μεταφοράς και κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Ακριβώς όμως επειδή το κόστος της εγκατάστασης περιλαμβάνει τους μετασχηματιστές ανύψωσης και υποβιβασμού, τους μονωτήρες, τους πύργους (που έχουν συγκεκριμένες αποστάσεις ανάμεσα στα ενεργά μέρη τους) τα οποία είναι πλέον τυποποιημένα βιομηχανικά προϊόντα από τη στιγμή που έχουν ευρεία χρήση, και επειδή τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι διασυνδεδεμένα με σκοπό την αδιάλειπτη παροχή ενέργειας, αλλά και την οικονομικότερη ανταλλαγή, έχουν υιοθετηθεί κάποια κοινά μοντέλα. Σύμφωνα λοιπόν με το μοντέλο που ισχύει στην Ευρώπη, ως τυποποιημένες τάσεις ορίζονται: 20kV (AC) η μέση τάση (mv), 150kV (AC) η υψηλή τάση (hv) και 400kV (AC) η υπερυψηλή τάση (ev). Έτσι με την μοντελοποίηση και την τυποποίηση τα εξαρτήματα των δικτύων γίνονται προϊόντα μαζικής παραγωγής που ως αποτέλεσμα έχει τη μείωση του κόστους τους. Άλλωστε ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που καθορίζει το κόστος ενός δικτύου είναι οι μονώσεις του, γιατί αποτελούν τμήμα του εξοπλισμού τόσο στην παραγωγή όσο και στη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος και ουσιαστικά αυτές είναι 8

11 που καθορίζουν τελικά το μέγεθος των υπόλοιπων στοιχείων. Η οικονομική σημασία που έχουν οι μονώσεις αποκτά ιδιαίτερο βάρος με την αύξηση της τάσης λειτουργίας ενός δικτύου, γιατί από ένα σημείο και έπειτα αυξάνεται δυσανάλογα το κόστος της μόνωσης σε σχέση με το κόστος της υπόλοιπης εγκατάστασης. Μονωτικά καλούμε τα υλικά που υποκείμενα σε τάση, οπωσδήποτε χαμηλή, δεν διαρρέονται από άλλο ρεύμα εκτός από το ρεύμα της διηλεκτρικής μετατόπισης. Σε υψηλότερες όμως τάσεις τα υλικά αυτά είναι δυνατόν να επιτρέπουν τη διέλευση ρεύματος αγωγιμότητας. Αν τώρα, το ρεύμα αυτό είναι μικρό επιτρέπει τη διατήρηση της μονωτικής ιδιότητας του μονωτικού οπότε έχουμε το φαινόμενο των μερικών εκκενώσεων, εάν αντιθέτως είναι μεγάλο τότε συνεπάγεται την απώλεια της μονωτικής ιδιότητας και έχουμε διάσπαση. Διηλεκτρική αντοχή είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα μονωτικό χωρίς αυτό να διασπαστεί. Αυτή εξαρτάται από την πίεση, τη θερμοκρασία, το σχήμα του μονωτικού, το είδος της εφαρμοζόμενης τάσης, το υλικό, τυχόν ατέλειες στην κατασκευή του υλικού, τη διάρκεια ζωής του κ.α.. Στη σύγχρονη κοινωνία, όπου η χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών και ποικίλου ηλεκτρονικού εξοπλισμού είναι πολύ διαδεδομένη, υπάρχουν υψηλές απαιτήσεις ως προς την ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος που παρέχεται στους καταναλωτές. Η ευαισθησία των ηλεκτρονικών συσκευών επιβάλλει την διάθεση και μεταφορά της ισχύος χωρίς διαταραχές, πτώσεις τάσης ή διακοπές και είναι ζήτημα αξιοπιστίας, ασφάλειας και ανταποδοτικότητας να υπάρχει υψηλή ποιότητα στις εγκαταστάσεις υψηλής τάσης. Σε πολλές πρακτικές περιπτώσεις, η ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος προσδιορίζεται από την απόδοση των μονωτικών υλικών που χρησιμοποιούνται τόσο στην παραγωγή, όσο και στην μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος υπό υψηλή τάση. Ο κύριος σκοπός των μονωτικών αυτών υλικών είναι να προσφέρουν προστασία, να αυξήσουν την αντοχή των συστημάτων και να δράσουν ως μηχανική υποστήριξή τους. Αφού η παραγωγή και η κατανάλωση του ηλεκτρικού ρεύματος σπάνια ευρίσκονται στο ίδιο μέρος και η ηλεκτρική ισχύς πρέπει να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις, τα μονωτικά υλικά εκτίθενται σε διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η βροχή, η ομίχλη, οι ατμοσφαιρικοί ρύποι κλπ., που αναπόφευκτα επιδρούν στη μονωτική τους ικανότητα. Παραδοσιακά χρησιμοποιήθηκαν κεραμικά υλικά, όπως π.χ. γυαλί, πορσελάνη, για μονώσεις σε εξωτερικούς χώρους και υπάρχει μακρά πείρα και γνώση των ιδιοτήτων τους. Οι μονωτήρες όμως που κατασκευάζονται από αυτά τα υλικά έχουν μεγάλο βάρος, σπάζουν εύκολα και έχουν δυσκολία στην κατασκευή, ιδιαίτερα σε μεγάλα μεγέθη. Για το λόγο αυτό η αντικατάσταση των κεραμικών μονωτήρων από μονωτήρες πολυμερών υλικών είναι συμφέρουσα από όλες τις απόψεις. Αυτά τα νέα υλικά κατασκευάζονται με ευκολία και 9

12 παρέχουν μεγάλη ποικιλία στην επιλογή των ιδιοτήτων τους. Μπορούν π.χ. να σχεδιαστούν για να έχουν αντοχή στο φως, στις μεταβολές της θερμοκρασίας ή να απωθούν το νερό. H διάδοση της χρήσης πολυμερών ως μονωτήρων έχει ως αποτέλεσμα την αυξανόμενη ανάγκη καλύτερης κατανόησης των χαρακτηριστικών των εκκενώσεων στην επιφάνεια των πολυμερών διηλεκτρικών υλικών. Παλαιότερα οι μηχανικοί υπολόγιζαν τις μονώσεις ενός δικτύου από την τάση λειτουργίας. Η εμπειρία όμως έδειξε ότι τα προβλήματα στην αντοχή των μονώσεων με μόνη καταπόνηση την τάση λειτουργίας εμφανίζονται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις (π.χ. σε συνθήκες μόλυνσης). Ουσιαστικά επικίνδυνες καταπονήσεις που μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο τον εξοπλισμό των δικτύων υψηλής τάσης συμπεριλαμβανομένων και των μονώσεων, οφείλονται στις διάφορες υπερτάσεις. Η αντιμετώπιση αυτών των υπερτάσεων οδήγησε στη διεξαγωγή εργαστηριακών πειραμάτων καταπόνησης των μονώσεων με εφαρμογή τυποποιημένων κρουστικών τάσεων. Έτσι η επιστήμη των υψηλών τάσεων στηρίζεται στην παρατήρηση και στα πειραματικά αποτελέσματα. Βασικό αντικείμενο έρευνας αποτελεί η μελέτη της συμπεριφοράς των μονώσεων και η αντοχή τους κάτω από διηλεκτρικές καταπονήσεις (π.χ. υψηλές τάσεις), οι μηχανισμοί ωστόσο που διέπουν την υποβάθμιση, την καταπόνηση και τελικά τη διάσπαση τους δεν είναι ακόμα τελείως κατανοητοί. Επειδή όμως το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης έχει στοχαστικό χαρακτήρα και εξαρτάται από πλήθος παραμέτρων, υπάρχει μεγάλη δυσκολία στην διατύπωση κανόνων που να προβλέπουν την διηλεκτρική συμπεριφορά μιας μόνωσης. Έτσι κρίθηκε αναγκαίο να τυποποιηθούν οι εργαστηριακές δοκιμές καταπόνησης των μονώσεων, ώστε να μπορεί να υπάρχει μια αξιόπιστη αναγωγή σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Τα σφάλματα των μονώσεων στις εγκαταστάσεις υψηλών τάσεων λαμβάνουν χώρα συνήθως στην επιφάνεια των στερεών μονωτικών υλικών. Ο μηχανισμός που διέπει την ηλεκτρική εκκένωση στην επιφάνεια ενός στερεού διηλεκτρικού υλικού περιλαμβάνει την σύνθετη αλληλεπίδραση ανάμεσα στην ηλεκτρική εκκένωση στο υλικό του μονωτήρα και σε αυτή του περιβάλλοντος αέρα. Για τη διαμόρφωση διατάξεων μόνωσης αέρα απαιτείται η γνώση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς τους, καθώς και των παραμέτρων που την καθορίζουν κατά την καταπόνηση τους με υψηλές τάσεις. Η έρευνα προς αυτήν την κατεύθυνση ξεκίνησε από πολύ παλιά και με γνώμονα τις παρατηρήσεις και τα εργαστηριακά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι η διηλεκτρική αντοχή ενός διακένου αέρα εξαρτάται από τη μορφολογία του διακένου, δηλαδή το μήκος και το σχήμα των ηλεκτροδίων, το είδος της εφαρμοζόμενης τάσης, δηλαδή την πολικότητα, το εύρος και τη μορφή της, καθώς και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Η επιφανειακή διάσπαση του διηλεκτρικού υλικού, όπως και η διάσπαση στα αέρια, συμβαίνει συνήθως με μηχανισμό νηματίου, οπότε η καλή κατανόηση των ιδιοτήτων του νηματίου είναι σημαντική προϋπόθεση για τη μελέτη της διηλεκτρικής αντοχής των μονωτήρων. 10

13 Έχοντας υπόψη την προϋπάρχουσα διατυπωμένη θεωρία αναφορικά με την ηλεκτρική διάσπαση του αέρα, όπως επίσης και το ότι η επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή της μόνωσης εξαρτάται από την αλληλεπίδραση μεταξύ της επιφάνειας της και των εκκενώσεων που συμβαίνουν στο περιβάλλον αέριο, διερευνήθηκε πειραματικά στην παρούσα διπλωματική εργασία η επίδραση των μονωτικών επιστρώσεων στην ανάπτυξη του θετικού νηματίου και στις φυσικές ιδιότητες του κατά μήκος της επιφάνειας ενός κυλινδρικού μονωτήρα από Nylon και άλλων δύο με επίστρωση διαφορετικών υλικών, σε σχέση με τη μεταβολή της υγρασίας. Ως γνωστών, το νημάτιο αποτελεί τη βασική μορφή των επιφανειακών εκκενώσεων και η ανάπτυξη του κατά μήκος της επιφάνειας της μόνωσης μπορεί να οδηγήσει στην τελική επιφανειακή διάσπαση της. Οι φυσικές ιδιότητες του νηματίου που μελετήθηκαν είναι: το ελάχιστο πεδίο που απαιτείται για τη σταθερή ανάπτυξή του σε σχέση με την αρχική ενέργεια που του προσδίδεται μέσω ενός παλμού υψηλής τάσης και η ταχύτητα προόδου του σε σχέση με το εφαρμοζόμενο πεδίο και την αρχική ενέργεια που προσδίδεται στο νημάτιο. Διαπιστώθηκε ότι η ύπαρξη μονωτικής επίστρωσης επηρεάζει την ανάπτυξη του νηματίου, επιρροή που εξαρτάται από την υγρασία και το είδος του υλικού επίστρωσης. Τα αποτελέσματα της έρευνας σχετικά με την επίδραση της μονωτικής επίστρωσης στην πρόοδο του νηματίου υπό την παρουσία μονωτήρα και την επίδραση της υγρασίας στην διηλεκτρική συμπεριφορά των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν ως επιστρώσεις στους μονωτήρες είναι πρωτότυπα. Έτσι θα συμπληρώσουν το αντίστοιχο κενό που υπάρχει στη βιβλιογραφία και θα αποδειχθούν πολύτιμα για τη σχεδίαση βελτιωμένων μονώσεων Υψηλής Τάσης. 11

14 Κεφάλαιο 1o ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ & ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ 1.1. ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΚΚΕΝΩΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΑΕΡΑ Η ηλεκτρική εκκένωση είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά φαινόμενα στη φύση. Οι άνθρωποι αντιμετωπίζουν πάντοτε με δέος την αστραπή και τον κεραυνό. Ο Βενιαμίν Φραγκλίνος ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε ότι η αστραπή είναι μια τεράστια ηλεκτρική εκκένωση που προέρχεται από τη φόρτιση των σύννεφων της ατμόσφαιρας. Η περιγραφή των φαινομένων που σχετίζονται με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις στον αέρα που ακολουθεί προέρχεται από τον Στασινόπουλο [1], τις κλασικές μελέτες των Loeb και Meek [2], Meek και Craggs [3,4], Loeb [5,6] και τις πιο πρόσφατες εργασίες των Galliberti [7], Kuffel και Zaengl [8], Bazelyan και Raizer [9] κ.ά. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις είναι αποτέλεσμα των διαδικασιών ιονισμού και απιονισμού του αερίου μέσου. Ιονισμός (ionisation) είναι το φαινόμενο όπου ένα ηλεκτρόνιο αποσπάται από ένα άτομο, αφήνοντας το άτομο (με ένα θετικό φορτίο, δηλαδή μετατρέποντάς το σε θετικό ιόν. Έτσι αντί ενός ηλεκτρικά ουδέτερου ατόμου προκύπτει ένα ζεύγος ηλεκτρονίου - θετικού ιόντος. Απιονισμός (decay) είναι το φαινόμενο της απώλειας των ηλεκτρικών φορτίων και είναι αντίθετος του ιονισμού. Όταν δεν υπάρχει κάποια πηγή ιονισμού το αέριο μέσο είναι σε περίπου ουδέτερη κατάσταση, με ίσως κάποια μικρή διέγερση λόγω της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Όταν όμως υπάρξει μια πηγή ιονισμού, η ισορροπία ανάμεσα στον ρυθμό ιονισμού και απιονισμού θα αλλάξει. Υπάρχουν πολλές πηγές ιονισμού ικανές να αλλάξουν αυτή την ισορροπία, αλλά στο πεδίο της φυσικής των εκκενώσεων, η σημαντικότερη είναι η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου, όπου το αέριο μέσο ιονίζεται από την πρόσκρουση ηλεκτρονίων. Τα αρχικά ηλεκτρόνια μπορεί να προέλθουν από κοσμική ακτινοβολία ή ραδιενέργεια, αλλά και από φωτοηλεκτρική εκπομπή. Ο φυσικός ρυθμός παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρονίων και η συγκέντρωση τους είναι της τάξης των 10cm -3 s -1 και cm -3 αντίστοιχα, ποσότητες που είναι αρκετά μικρές [3]. 12

15 Κάθε κυβικό εκατοστό ατμοσφαιρικού αέρα περιέχει αρκετές εκατοντάδες ιόντων και των δύο πολικοτήτων. Οι ισοδύναμες συγκεντρώσεις αυτών των ιόντων καθορίζονται από τους ρυθμούς που δημιουργούνται και από τους ρυθμούς απώλειάς τους από την σύνδεσή τους με αντίθετα φορτισμένα ιόντα ή την προσάρτηση σε τμήματα σκόνης ή αλλά ουδέτερα ατομικά σύμπλοκα. Ο φυσικός ιονισμός δημιουργεί περίπου 20 ζεύγη ιόντωνηλεκτρονίων ανά κυβικό εκατοστό ανά δευτερόλεπτο, Loeb [6]. Τα αρνητικά ιόντα σχηματίζονται από το οξυγόνο, το οποίο συνήθως υπάρχει σε διαφορετικές μορφές (Ο -, Ο - 2, Ο - 3, ) Badaloni and Galimberti [10]. Το πιο διαθέσιμο αρνητικό ιόν στον αέρα είναι το Ο - 2 το οποίο δημιουργείται με μία αντίδραση τριών σωματιδίων O e + M O2 + M E0 (1.1) όπου Μ είναι το τρίτο σωματίδιο (οξυγόνο ή άζωτο) και Ε 0 η ενέργεια που απελευθερώνεται. Με την παρουσία μορίων νερού παράγονται ένυδρα ιόντα Ο 2 - σύμφωνα με την αντίδραση ενυδάτωσης: O ( + M + E 2 + H 2O + M O2 H 2O) Ακόλουθα στάδια ενυδάτωσης μπορούν να συμβούν σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: O + 0 (1.2) 2 ( H 2O) m 1 + H 2O + M O2 ( H 2O) m + M Em (1.3) Σε φυσικές ατμοσφαιρικές συνθήκες στον αέρα συμπλέγματα ένυδρων ιόντων οξυγόνου με αριθμό μορίων νερού μεγαλύτερο από 3 (m>3) δεν είναι πολύ πιθανά λόγω του μικρού αριθμού παραγωγής τους [7]. Η σχετική δραστικότητα των αρνητικών ιόντων εξαρτάται από το εφαρμοζόμενο πεδίο, την φύση του αερίου και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες ΚΥΡΙΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΙΟΝΙΣΜΟΣ ΚΡΟΥΣΗΣ Κατά κανόνα τα φορτισμένα σωματίδια σε ένα πεδίο υφίστανται μια δύναμη με διεύθυνση παράλληλη με το ηλεκτρικό πεδίο, με αποτέλεσμα αυτά, εκτός από την τυχαία κίνησή τους, να επιταχύνονται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου και να προσκρούουν ανελαστικά με τα άτομα του αερίου μέσου. Στις ανελαστικές κρούσεις, μέρος της κινητικής ενέργειας του ενός σωματιδίου μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια του άλλου σωματιδίου. Έτσι, αυτές οι ανελαστικές κρούσεις έχουν ως συνέπεια την απώλεια ενέργειας προς τα άτομα του αερίου, που αυξάνει όταν η ταχύτητα ολίσθησης των φορτισμένων σωματιδίων αυξάνει. Τα φορτισμένα σωματίδια τελικά αποκτούν μια σταθερή ταχύτητα που ονομάζεται ταχύτητα ολίσθησης (drift velocity). O λόγος της ταχύτητας ολίσθησης προς το ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται ευκινησία 13

16 (mobility) του φορτισμένου σωματιδίου. Η ηλεκτρική διάσπαση των αερίων οφείλεται στις κρούσεις ανάμεσα σε ηλεκτρόνια ή φωτόνια και στα μόρια του αερίου. Επειδή ένα ηλεκτρόνιο στη εξωτερική τροχιά υφίσταται την ελάχιστη δύναμη έλξης από τον πυρήνα αποσπάται και πιο εύκολα. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να αποσπασθεί ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο από την ελκτική επίδραση του πυρήνα είναι ίση με το γινόμενο του φορτίου του ηλεκτρονίου q e επί το "πρώτο δυναμικό ιονισμού" (first ionisation potential) ή U i. Η ενέργεια αυτή εκφράζεται σε ηλεκτρονιοβόλτ (ev) από την εξίσωση: W i =ev i, (1.4) Όταν η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου 1 / 2 m e v 2, που επιταχυνόμενο από κάποιο ηλεκτρικό πεδίο, συγκρούεται με ένα ουδέτερο μόριο ή άτομο αερίου υπερβεί την τιμή της ελάχιστης ενέργειας ιονισμού Wi του αερίου, τότε είναι δυνατό να προκαλέσει ιονισμό, οπότε από ένα ουδέτερο άτομο προκύπτει ένα θετικό ιόν και ένα ηλεκτρόνιο, δηλαδή: Α + e 1 Α + + e + e 2 (1.5) όπου Α το ουδέτερο άτομο, e 1 ηλεκτρόνιο με ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια ιονισμού του Α, Α + και e το προκύπτον ζεύγος θετικού ιόντος - ηλεκτρονίου και e 2 το αρχικό ηλεκτρόνιο e 1 χωρίς την επιπλέον ενέργεια. Εν τούτοις, ακόμη και αν η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια W i που αντιστοιχεί στο πρώτο δυναμικό ιονισμού U i, δεν είναι απαραίτητο αυτό το ηλεκτρόνιο εφόσον συγκρουσθεί με ένα μόριο να προκαλέσει ιονισμό κρούσης και αυτό επειδή αυτός, όπως άλλωστε και κάθε τρόπος ιονισμού, είναι στοχαστικό φαινόμενο που εκφράζεται με μια διατομή ιονισμού σ i (ionisation cross section) όπου: σ i = P i σ (1.6) με P i την πιθανότητα ιονισμού κρούσεως και σ τη μοριακή ή ατομική διατομή κρούσεως. Το σχήμα 1.1 δείχνει τη διατομή ιονισμού, όπως μετρήθηκε πειραματικά για O 2, Ν 2 και Η 2. Από το σχήμα 1.1 φαίνεται ότι η διατομή ιονισμού κρούσεως σ i είναι 0 όταν η W e είναι ίση με την ελάχιστη ενέργεια ιονισμού W i, αυξάνει αρχικά καθώς η W e παίρνει τιμές μεγαλύτερες από την W i, φθάνει ένα μέγιστο και ακολούθως μικραίνει καθώς οι ενέργειες των ηλεκτρονίων γίνονται ακόμη μεγαλύτερες. Αυτό δείχνει ότι για κάθε αέριο υπάρχει μια βέλτιστη δέσμη ενέργειας για τον ιονισμό των ηλεκτρονίων. Έξω από αυτή τη δέσμη, αφ' ενός μεν τα ηλεκτρόνια με ενέργειες μικρότερες από την ελάχιστη ενέργεια ιονισμού δεν μπορούν να ιονίσουν, αφ' ετέρου τα πολύ ταχέα ηλεκτρόνια έχουν την τάση να περνούν από ένα άτομο χωρίς να το ιονίζουν. 14

17 Σχήμα 1.1. Διατομή ιονισμού συναρτήσει της W e Υπάρχει και ένας δεύτερος, έμμεσος, τρόπος ιονισμού κρούσης, ο ιονισμός μέσω διέγερσης. Ηλεκτρόνια μικρότερης ενέργειας από την W i που αντιστοιχεί στο πρώτο δυναμικό ιονισμού, όταν συγκρούονται με άτομα του αερίου μπορούν να αυξήσουν την ενεργειακή στάθμη των τελευταίων, δηλαδή να τα διεγείρουν. Τα διεγερμένα άτομα έχοντας ήδη αποθηκεύσει κάποια ενέργεια μπορούν κατόπιν συγκρουόμενα με κάποιο ηλεκτρόνιο με ενέργεια μικρότερη από αυτήν που αντιστοιχεί στο πρώτο δυναμικό ιονισμού του ατόμου να ιονισθούν. Βέβαια, η ενέργεια αυτή προστιθέμενη στην αποθηκευμένη λόγω της διέγερσης ενέργεια πρέπει να υπερκαλύπτει την W i. Η αντίδραση αυτή είναι δυνατόν να παρασταθεί συμβολικά: Α + e 1 Α* + e 2 (1.7) και Α* + e 3 Α + + e + e 4 (1.8) όπου Α το άτομο στην κανονική και Α* στη διεγερμένη κατάσταση, e 1 το ηλεκτρόνιο που διεγείρει το A, e 2 είναι το e 1 χωρίς την επιπλέον ενέργεια διέγερσης, e 3 το ηλεκτρόνιο που ιονίζει, Α + και e το ζεύγος θετικού ιόντος - ηλεκτρονίου που προκύπτουν, e 4 το e 3 χωρίς την επιπλέον ενέργεια. Εννοείται ότι η συνολική ενέργεια των e 1 και e 3, πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ελάχιστη ενέργεια ιονισμού του Α. Εν γένει αυτός ο τρόπος έχει αποδειχθεί ότι αποτελεί σημαντικό μηχανισμό μόνο στην περίπτωση που η πυκνότητα των ηλεκτρονίων είναι μεγάλη. Η διαδικασία ιονισμού κρούσης εξαρτάται από το εφαρμοζόμενο πεδίο και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Επίσης εξαρτάται από την ενέργεια την οποία ένα 15

18 ηλεκτρόνιο μπορεί να κερδίσει κατά μήκος της μέσης ελεύθερης διαδρομής κατά την διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Εάν l είναι η μέση ελεύθερη διαδρομή στη διεύθυνση του πεδίου με τιμή Ε, τότε η μέση ενέργεια που αποκτά το ηλεκτρόνιο είναι q e l Ε, όπου q e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι ανάλογη με τον λόγο Ε/p και τη μέση ελεύθερη διαδρομή Il p T, όπου p είναι η πίεση και Τ η θερμοκρασία. Αναμένεται ότι σε υψηλές θερμοκρασίες (δηλ. χαμηλή πυκνότητα αέρα) η μέση ελεύθερη διαδρομή θα αυξηθεί, έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κερδίσουν αρκετή ενέργεια για να προκαλέσουν ιονισμό. Ο μέσος αριθμός κρούσεων ιονισμού ανά μονάδα μήκους, οι οποίες πραγματοποιούνται από ένα ηλεκτρόνιο που κινείται κατά τη φορά του πεδίου, ονομάζεται "πρώτος συντελεστής ιονισμού" ή "α του Townsend". Από την κινητική θεωρία, ο Townsend διετύπωσε μια εξίσωση για τον πρώτο συντελεστή ιονισμού α, συναρτήσει του ηλεκτρικού πεδίου και της πίεσης p: a = Ae p ( B/ E/ p ) (1.9) όπου p είναι η ατμοσφαιρική πίεση, Ε το ηλεκτρικό πεδίο και Α, Β σταθερές. Όμως, αν και η παραπάνω εξίσωση έχει επιβεβαιωθεί από πειραματικά δεδομένα, δεν χρησιμοποιείται στον υπολογισμό του συντελεστή ιονισμού α. Για αέρα 20 0 C, χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις των Badaloni και Galimberti [10]. Αυτοί, βασιζόμενοι σε αποτελέσματα διαφορετικών ερευνητών, παρουσίασαν τις παρακάτω σχέσεις για τον λόγο α/p: 356 ( ) a E / p = 14.5e (cm Torr -1 ) E/p 250 V cm -1 Torr -1 (1.10) p Για χαμηλές τιμές του Ε/p δίνεται η ακόλουθη σχέση: a p = e Ε / π ,95 (cm Torr -1 ) E/p 35 V cm -1 Torr -1 (1.11) Για ενδιάμεση απόσταση 35 < E/p <250 V cm -1 Torr -1, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων για πολυωνυμική παρεμβολή κατά την επεξεργασία πειραματικών δεδομένων. Τα αρνητικά ιόντα έχουν μια σταθερή πιθανότητα απόσπασης στη μονάδα του χρόνου δίνοντας ελεύθερα ηλεκτρόνια και ουδέτερα μόρια. Η διαδικασία αυτή είναι πολύ σημαντική την στιγμή της έναρξης του νηματίου ως πηγή των αρχικών ηλεκτρονίων από κρούση κι επίσης, συνεισφέρει στην έναρξη δευτερευόντων στιβάδων εμπρός από νημάτιο, Gallimberti [11]. Ο 16

19 χρόνος απόσπασης εξαρτάται από το μειωμένο πεδίο Ε/p, το οποίο είναι ανάλογο με το Ε/δ, όπου δ η σχετική πυκνότητα του αέρα ή αλλιώς ο συντελεστής διόρθωσης της πυκνότητας του αέρα για συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας διαφορετικές από τις κανονικές. Επομένως ο χρόνος ζωής των αρνητικών ιόντων εξαρτάται από την θερμοκρασία μέσω της μεταβολής της πυκνότητας του αέρα. Τα υπολογισμένα αποτελέσματα για τον χρόνο απόσπασης τ για τα ιόντα του οξυγόνου Ο - και O - 2 συγκρίθηκαν από τους Badaloni and Galimberti [10] με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα από τον Frommhold [12]. Tα αποτελέσματα εκφράστηκαν από την εκθετική συνάρτηση: 322 E / p 9 τ p = 8x10 e (sec Torr) 20 E/p 140 V cm -1 Torr (1.12) 388 E / p 8 τ p = 8.73x10 e (sec Torr) 20 E/p 140 V cm -1 Torr (1.13) Είναι φανερό από τις εξισώσεις (1.12) και (1.13) ότι όταν η πίεση είναι χαμηλή (χαμηλή πυκνότητα αέρα), ο χρόνος απόσπασης ελαττώνεται για ένα συγκεκριμένο πεδίο. Ο συντελεστής απόσπασης συμβολίζεται με β και ορίζεται ως ο αριθμός των ηλεκτρονίων που αποσπώνται από τα αρνητικά ιόντα στην μονάδα της απόστασης ΦΩΤΟΪΟΝΙΣΜΟΣ Στον δεύτερο μηχανισμό ιονισμού, ένα φωτόνιο με ενέργεια hv προσκρούοντας σε ένα άτομο, μπορεί να το ιονίσει, δηλαδή: A + hv A + + e (1.14) Η διαδικασία αυτή λέγεται "φωτοϊονισμός" (photoionisation). To δυναμικό ιονισμού του Α πρέπει να είναι ίσο ή μικρότερο από την ενέργεια του φωτονίου, δηλαδή: hv q e Ui (1.15) ή ch λ (1.16) qv e i όπου λ το μήκος κύματος του φωτονίου, c η ταχύτητα του φωτός, ν η συχνότητα και h η σταθερά του Planck. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος του φωτονίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του, άρα και η πιθανότητα να προκαλέσει φωτοϊονισμό. Τα φωτόνια που προκαλούν φωτοϊονισμό μπορούν να προέλθουν είτε από διεγερμένα άτομα που αποδιεγειρόμενα επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση, συνήθως μετά από s, είτε από απ' ευθείας ακτινοβόληση, π.χ. κοσμικές ακτίνες. 17

20 Ο πειραματικός προσδιορισμός της πιθανότητας του φαινομένου του φωτοϊονισμού στα αέρια είναι δύσκολος, κυρίως λόγω της μεγάλης απορροφητικότητας από το αέριο των ακτινοβολιών μεγάλης ενέργειας, άρα μικρού μήκους κύματος (λ 90 nm), δηλαδή ακριβώς αυτών που είναι σε θέση να προκαλέσουν φωτοϊονισμό. Έχει βρεθεί ότι η πιθανότητα να προκληθεί φωτοϊονισμός είναι μέγιστη, όταν η διαφορά μεταξύ της ενέργειας του φωτονίου hν και της ενέργειας του πρώτου δυναμικού ιονισμού q e U i, είναι μικρή, δηλαδή περίπου 0.1 έως 1 ev. Όταν ο φωτοϊονισμός γίνει ενεργειακά εφικτός, η διατομή του δεν είναι μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για να γίνει φωτοαπόσπαση. Τα φωτόνια που εκπέμπονται από την αποδιέγερση διεγερμένων μορίων είναι γενικότερα άφθονα σε ενέργειες κάτω από την ενέργεια έναρξης του φωτοϊονισμού. Τέτοια φωτόνια θα εκπεμφθούν από το αέριο με μικρότερη απορρόφηση από εκείνα με υψηλότερη ενέργεια. Αυτό συνεπάγεται ότι η φωτοαπόσπαση είναι πιο αποδοτική από τον φωτοϊονισμό παρέχοντας ένα μεγάλο αριθμό διαθέσιμων αρνητικών ιόντων. Η σχετική σπουδαιότητα του ρόλου της φωτοαπόσπασης στην δημιουργία θετικής κρουστικής κορώνας ακίδας-πλάκας μελετήθηκε από τους Boylett and Williams [13], από την στιγμή που παρατηρήθηκε η φωτοαπόσπαση να συμβαίνει για αρνητικά μοριακά ιόντα οξυγόνου με ενέργειες φωτονίων τόσο χαμηλές όσο τα 0.5 ev. Η διαδικασία της φωτοαπόσπασης μπορεί να εκφραστεί ως εξής: e fast + N 2 e slow +N 2 * (1.17) N 2 * N 2 + hv (1.18) O hv O 2 + e (1.19) Το σχήμα 1.2 δείχνει διατομές της φωτοαπόσπασης για αρνητικά ιόντα οξυγόνου. Η φωτοαπόσπαση για τα ιόντα του οξυγόνου Ο 2 - μπορεί να επιτευχθεί για μικρές ενέργειες φωτονίων, όπως 0.5 ev με διατομή ίση με 3.75x10-20 cm 2. Για αρνητικά ιόντα στοιχειακού οξυγόνου η ηλεκτρονική απόσπαση θα λάβει χώρα, εάν τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια έχουν ενέργειες μεγαλύτερες από 1.5 ev. 18

21 Σχήμα 1.2. Διατομές φωτοαπόσπασης για αρνητικά ιόντα οξυγόνου Η διαδικασία της φωτοαπόσπασης μπορεί να μεταβάλει την εμφάνιση θετικής κορώνας, όπως αναφέρουν οι Allen and Dring [14]. Αυτοί οι ερευνητές έδειξαν ότι μια χαμηλή πυκνότητα ιόντων στο διάκενο ράβδου - πλάκας οδηγούσε σε "ακανόνιστη" κορώνα με σχετικά λίγες διακλαδώσεις, όταν εφάρμοζαν μια θετική εξωτερική κρουστική υψηλή τάση στην ράβδο. Με υψηλή όμως πυκνότητα αρνητικών ιόντων, είχαν μια "άψογη" κορώνα με πολλές διακλαδώσεις και εμφάνιση όμοια με εκκένωση αίγλης. Η "άψογη" κορώνα συνδυαζόταν με μεγαλύτερη απόθεση φορτίου από ότι η "ακανόνιστη" κορώνα. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στην υψηλή απόσπαση και στην άφθονη διακλάδωση και έτσι συνάγεται, ότι όταν τα αρνητικά ιόντα είναι παρόντα στο αέριο, η παραγωγή των ηλεκτρονίων που ξεκινά δευτερεύουσες στοιβάδες, είναι πιθανότερο να προέρχεται από φωτοαπόσπαση, παρά από φωτοϊονισμό. Πιο πρόσφατα ο Ghafar [15] μέτρησε το φορτίο και φωτογράφισε την κορώνα, με και χωρίς ψεκασμό αρνητικών ιόντων πάνω στην επιφάνεια μονωτήρα σε ομοαξονική διάταξη (ακίδα - δακτύλιος) όταν μία θετική εξωτερική κρουστική υψηλή τάση εφαρμόζονταν στην ακίδα. Ως γνωστόν, στην τεχνολογία των υψηλών τάσεων κρουστική τάση είναι σύμφωνα με την IEC 60-1 [16] ένας απεριοδικός μεταβατικός παλμός τάσης, που επιβάλλεται σκοπίμως, αυξάνει σε ένα μέγιστο σχετικά γρήγορα και μετά μηδενίζεται με βραδύτερο ρυθμό. Συγκρίνοντας λοιπόν τα αποτελέσματα του, ο Ghafar βρήκε ότι το φορτίο και το μήκος της κορώνα αυξάνονταν όταν τα αρνητικά ιόντα ψεκάζονταν στην επιφάνεια του μονωτήρα. Και σε αυτή την περίπτωση η 19

22 διαδικασία της φωτοαπόσπασης φαίνεται αποδοτικότερη, αφού απαιτεί μικρότερη ενέργεια ΑΛΛΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΟΝΙΣΜΟΥ Α) ΙΟΝΙΣΜΟΣ ΕΚ ΜΕΤΑΣΤΑΘΩΝ Στα αδρανή αέρια και τα στοιχεία της ομάδας II του περιοδικού πίνακα των στοιχείων, τα άτομα που διεγείρονται παραμένουν σε αυτή την κατάσταση για χρόνους πολύ μεγαλύτερους από τους συνήθεις (τάξης μεγέθους δευτερολέπτου). Αυτές οι ατομικές καταστάσεις ονομάζονται «μετασταθείς» και συμβολίζονται A m. Αν U Am η ενέργεια του μετασταθούς ατόμου Α m και U Bi το πρώτο δυναμικό ιονισμού του ατόμου Β, τότε εφόσον U Am > U Bi είναι: δηλαδή το μετασταθές A m A m + B A + B + + e (1.20) συγκρουόμενο με το άτομο Β μπορεί να το ιονίσει. Ένας τέτοιος τρόπος ιονισμού λέγεται ιονισμός εκ μετασταθών (ionisation by metastables). Αν όμως U Am < U Bi, τότε απλώς μπορεί να διεγείρει το Β. Ένας διαφορετικός τρόπος ιονισμού από μετασταθή συμβαίνει όταν 2U Am > U Ai, όπου U Ai το πρώτο δυναμικό ιονισμού του Α m, οπότε: A m + A m A + + e + A + kw (1.21) Αυτό προφανώς συμβαίνει όταν η πυκνότητα των μετασταθών είναι υψηλή. Άλλη αντίδραση, σε δύο στάδια είναι: A m + 2A A 2 * + A (1.22) και A 2 * A + A + hv (1.23) Το φωτόνιο που ελευθερώνεται από την εξίσωση (1.23) είναι πολύ χαμηλής ενεργείας και το μόνο που μπορεί να προκαλέσει είναι να απελευθερώσει ενδεχομένως κάποιο ηλεκτρόνιο μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου εφόσον φυσικά προσπέσει στην κάθοδο. Β) ΘΕΡΜΟΪΟΝΙΣΜΟΣ Θερμοϊονισμός (thermal ionisation) είναι ο ιονισμός που προκαλείται από υψηλή θερμοκρασία. Τα άτομα και τα μόρια ενός αερίου όταν θερμαίνονται πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, αποκτούν αρκετή ενέργεια ώστε να μπορούν να ιονίσουν λόγω μοριακών και ηλεκτρονικών κρούσεων αλλά και ακτινοβολίας. Ο θερμοϊονισμός είναι η κύρια αιτία του ιονισμού στις στήλες των ηλεκτρικών τόξων. Ο μηχανισμός του θερμοϊονισμού έχει περιγραφεί αναλυτικά από τον Saha [17]. Συγκεκριμένα, αν θ είναι ο λόγος των ιονισμένων σωματιδίων προς το σύνολο των σωματιδίων, τότε: 20

23 2 3 1 (2 π m ) 2 5 e 2 θ = 1 θ p h ( kt ) e w1 kt (1.24) όπου p είναι η πίεση σε mmhg, W t η ενέργεια ιονισμού του αερίου, k η σταθερά του Boltzmann και Τ η απόλυτη θερμοκρασία. Με αντικατάσταση των σταθερών από τις τιμές τους προκύπτει : 2 θ = 1 θ p 4 T 5 2 e W i / kt (1.25) Από την επίλυση της εξίσωσης αυτής προκύπτει ότι ο θερμοϊονισμός είναι αμελητέος για θερμοκρασίες μικρότερες από 1000 Κ. Γ) ΑΠΟΣΠΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ Όταν υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση αρνητικών ιόντων και υπό την επίδραση πολύ ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων είναι δυνατόν να αποσπασθούν ηλεκτρόνια από αυτά (electron detachment) σύμφωνα με τη σχέση : Α - A + e (1.26) Ο Loeb [5] βρήκε ότι απόσπαση ηλεκτρονίων από Ο 2 υπάρχει μόνο όταν ο λόγος Ε/p υπερβαίνει τα 90 V/cm ανά mmhg. Απόσπαση ηλεκτρονίων παρατηρείται μόνο σε περιοχές υψηλού πεδίου ΑΠΙΟΝΙΣΜΟΣ Οι διαδικασίες ιονισμού που αναλύθηκαν παραπάνω, δημιουργούν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Όμως μέσα στον όγκο ενός αερίου, όταν αντίθετα φορτισμένα σωματίδια, δηλαδή ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα έρχονται πλησιέστερα μεταξύ τους, έχουν την τάση να επανασυνδεθούν. Ο απιονισμός (decay) λοιπόν είναι αντίθετος από τον ιονισμό, δηλαδή είναι το φαινόμενο της απώλειας ηλεκτρικών φορτίων. Όπως ο ιονισμός, έτσι και ο απιονισμός συντελείται κατά διαφόρους τρόπους, οι κυριότεροι των οποίων περιγράφονται παρακάτω. Όπως προαναφέρθηκε, όταν συνυπάρχουν θετικά και αρνητικά σωματίδια είναι δυνατόν να συμβεί το φαινόμενο του απιονισμού λόγω επανασύνδεσης (decay by recombination). Ο απιονισμός λόγω επανασύνδεσης είναι φαινόμενο αντίθετο του φωτοϊονισμού, επειδή η δυναμική και η σχετική κινητική ενέργεια του ζεύγους ηλεκτρονίου-θετικού ιόντος ή ετερόσημων ιόντων εκλύεται ως "κβάντο" ακτινοβολίας (φωτόνιο). Συμβολικά η αντίδραση παρίσταται ως: A + + B - AB + hv (1.27) όπου B - είτε αρνητικό ιόν είτε ηλεκτρόνιο. Σε ορισμένα αέρια, ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να προσαρτηθούν σε ουδέτερα άτομα ή μόρια του αερίου σχηματίζοντας έτσι αρνητικά ιόντα. Αυτό 21

24 λέγεται απιονισμός λόγω προσάρτησης (decay by attachment) και τα αέρια αυτά, που έχουν μεγάλη τεχνολογική σημασία, λέγονται ηλεκτραρνητικά. Τα σημαντικότερα από αυτά είναι τα Ο 2 (άρα και ο αέρας), SF 6, CCl 2 F 2 (Arcton - 12) κ.ά. και τα άτομα και μόριά τους έχουν την τάση να έλκουν ηλεκτρόνια, λόγω της έλλειψης ενός ή δυο ηλεκτρονίων στην εξωτερική τους στοιβάδα. Αν και ο αριθμός των φορτισμένων σωματιδίων δεν μειώνεται με αυτόν τον τρόπο, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων που μπορεί να συμβάλλει στον πολλαπλασιασμό των ηλεκτρονίων μειώνεται και επομένως περιορίζεται η ηλεκτρική εκκένωση στο μέσον. Ακριβώς λόγω της τάσης να προκαλούν απώλεια ελευθέρων ηλεκτρονίων αυτά τα αέρια παρουσιάζουν μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή. Τα αρνητικά ιόντα μπορούν να σχηματισθούν είτε με απ' ευθείας προσάρτηση ενός ηλεκτρονίου: είτε με σχηματισμό ζεύγους ιόντων: ΑΒ + e (ΑΒ - ) * ΑΒ - + hν (1.28) AB + e+ e AB * + e A + +B - + e (1.29) Στην περίπτωση που έχουμε ιονισμένο αέριο με ανομοιογενή συγκέντρωση ιόντων, θα υπάρχει και η τάση των τελευταίων να οδεύουν, από περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση ιόντων σε περιοχές με χαμηλότερη. Αυτό το φαινόμενο που λέγεται απιονισμός λόγω διάχυσης (decay by diffusion) προκαλεί μείωση του ιονισμού στις περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση ιόντων. Ο μηχανισμός αυτός παίζει μεγάλο ρόλο ιδίως στις εκκενώσεις σε ανομοιογενή πεδία. Με τον ίδιο τρόπο που ορίστηκε παραπάνω ο μέσος συντελεστής ιονισμού α, ως ο μέσος αριθμός των καινούριων ελευθέρων ηλεκτρονίων που παράγονται ανά μονάδα μήκους, ορίζεται και ο μέσος συντελεστής προσάρτησης η, ως ο μέσος αριθμός που χάνονται ανά μονάδα μήκους. Αυτή η παράμετρος συμπεριλαμβάνει όλους τους ηλεκτρονίων. πιθανούς μηχανισμούς απώλειας Συμπερασματικά, υπάρχει πάντα ένας ανταγωνισμός ανάμεσα στις διαδικασίες ιονισμού και απιονισμού σε ένα συγκεκριμένο ηλεκτρικό πεδίο. Ο ιονισμός προσπαθεί να αυξήσει τον αριθμό των ελευθέρων ηλεκτρονίων σε ένα αέριο, ενώ ο απιονισμός προσπαθεί να μειώσει τον αριθμό τους. Η σχετική αποδοτικότητα των δυο ανταγωνιστικών διαδικασιών εξαρτάται από το μέτρο του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Η διαφορά των συντελεστών α και η, a, ονομάζεται πραγματικός συντελεστής ιονισμού (effective ionisation coefficient) και δίνει τον πραγματικό ρυθμό αύξησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων. Αφού ο αθροιστικός ιονισμός είναι εφικτός μόνον αν α > η, το εφαρμοζόμενο πεδίο στον ατμοσφαιρικό αέρα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από μια κρίσιμη τιμή για να έχουμε ηλεκτρική διάσπαση. Αυτή η κρίσιμη τιμή ονομάζεται ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης σε ατμοσφαιρικό αέρα και είναι περίπου 2.6 ΜV/m. 22

25 KAΘΟΔΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Η κάθοδος παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στις εκκενώσεις σε αέρια παρέχοντας τα απαραίτητα ηλεκτρόνια για την έναρξη και για τη συντήρηση των εκκενώσεων. Η απόσπαση των ηλεκτρονίων από την κάθοδο μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους που συλλογικά ονομάζονται καθοδικά φαινόμενα (cathode emission processes). Σε κανονικές συνθήκες οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και των ιόντων στο κρυσταλλικό πλέγμα εμποδίζουν την απόσπαση των ηλεκτρονίων. Για να είναι δυνατό να αποσπαστούν ηλεκτρόνια από την κάθοδο χρειάζεται ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας (επίπεδο Fermi). Η ενέργεια αυτή είναι το έργο εξαγωγής (work function) ή έργο εξαγωγής επιφανείας (surface work function), συμβολίζεται με W a και είναι χαρακτηριστικό του υλικού της καθόδου. Στα συνηθέστερα μέταλλα η τιμή του κυμαίνεται περίπου στα 4eV. Η ενέργεια που είναι απαραίτητη για την εξαγωγή των ηλεκτρονίων παρέχεται με τους παρακάτω τρόπους: Φωτοηλεκτρική εκπομπή από την κάθοδο (photoelectric emission), όταν προσκρούσουν σε αυτήν φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από το έργο εξαγωγής της (hv>w a ). Αν η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από το W a, τότε η επιπλέον ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου. Εκπομπή ηλεκτρονίων λόγω βομβαρδισμού της καθόδου από θετικά ιόντα ή μετασταθή άτομα (electron emission by impact of positive ions or metastables). Για να έχουμε εκπομπή λόγω βομβαρδισμού της καθόδου από θετικά ιόντα πρέπει αυτά να έχουν την ελάχιστη δυνατή συνολική ενέργεια, δηλαδή το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής τους ενέργειας να είναι μεγαλύτερο από το διπλάσιο του έργου εξαγωγής. Έτσι επιτυγχάνεται η έκλυση δύο ηλεκτρονίων, από τα οποία το ένα αποδίδεται στο διάκενο και το άλλο εξουδετερώνει το θετικό ιόν. Ουδέτερα μετασταθή άτομα που πέφτουν στην κάθοδο μπορούν να προκαλέσουν την εκπομπή ηλεκτρονίων αρκεί η συνολική τους ενέργεια να είναι μεγαλύτερη από το έργο εξαγωγής. Θερμιονική εκπομπή (thermionic emission) ή εκπομπή Richardson - Dushman. Σε μεταλλικές επιφάνειες, ιδίως σε θερμοκρασίες Κ και άνω, μερικά από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να αποκτήσουν ενέργεια τόση, ώστε να υπερνικήσουν τις δυνάμεις που τα συγκρατούν στην επιφάνεια και να εκπεμφθούν στο διάκενο. Αυτή η αναγκαία ενέργεια είναι το έργο εξαγωγής επιφάνειας. Η πυκνότητα του εκπεμπόμενου "θερμιονικού" ρεύματος J T σε A/m 2 συνδέεται με τη θερμοκρασία Τ με την εξίσωση του Richardson : 23

26 Wa 4 2 kt ( ) T e 2 4πm Wa eqek 2 kt J T = T e = (1.30) 3 h όπου m e και q e είναι η μάζα και το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, h και k οι σταθερές των Planck και Boltzmann. Εκπομπή Schottky. Ο Schottky [18] βρήκε ότι κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου το εκπεμπόμενο από την κάθοδο ρεύμα είναι μεγαλύτερο από το θερμιονικό ρεύμα, επειδή ενισχύεται η ηλεκτρονική εκπομπή από ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια αυτά είναι κοντά στο επίπεδο Fermi και έχουν ουσιαστική πιθανότητα να υπερβούν το ενεργειακό φράγμα. Αυτό λέγεται "φαινόμενο σήραγγας" (tunnel effect) και εκφράζεται αναλυτικά ως μείωση του έργου εξαγωγής που έτσι παίρνει την τιμή: W eff q 3 e E = Wa (1.31) 4πε ο όπου q e το ηλεκτρονικό φορτίο και Ε η πεδιακή ένταση. Δηλαδή αντικαθιστώντας στην εξίσωση (1.30) το W a με το W eff η πυκνότητα του εκπεμπόμενου ρεύματος γίνεται: και τελικά : J s = Weff 4 2 kt ( 10 ) T e 120 (1.32) J s 3 1 qe E kt 4πεο = J T e = J T e K1 E T (1.33) Η εκπομπή Schottky γίνεται σημαντική μόνο για πολύ ισχυρά πεδία (>10 MV/cm) ως εκ τούτου δεν μπορεί να εξηγήσει ρεύματα ισχυρότερα από αυτά της θερμιονικής εκπομπής, τα οποία όμως παρατηρούνται και για πολύ χαμηλότερα πεδία. Το φαινόμενο αυτό εξηγήθηκε με τη βοήθεια της κβαντομηχανικής από τους Fowler και Nordheim [19]. Βασίζεται στην ύπαρξη στην κάθοδο ηλεκτρονίων με ενέργεια λίγο πάνω από το επίπεδο Fermi και ονομάζεται εκπομπή πεδίου ή εκπομπή Fowler - Nordheim και δίνεται από την εξίσωση: J 2 K3 / E F = K 2E e (1.34) όπου Κ 2 και Κ 3 είναι σταθερές. Η εκπομπή Fowler - Nordheim ισχύει μόνο για θερμοκρασίες μικρότερες από ~1100 Κ, γιατί σε υψηλότερες θερμοκρασίες καλύπτεται από την θερμιονική εκπομπή ή και την εκπομπή Schottky. 24

27 ΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΔΙΑΚΕΝΑ Κάθε γεωμετρική διάταξη σωμάτων, στα άκρα των οποίων εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση και επομένως εμφανίζεται ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ τους, ονομάζεται διάκενο. Από την ηλεκτρομαγνητική θεωρία είναι γνωστό ότι κάθε διανυσματικό πεδίο ορίζεται, όταν είναι γνωστή η διανυσματική συνάρτηση: (,, ) (,, ) (,, ) (,, ) F xyz F xyz x F xyz y F xyz z = x 0 + y (1.35) του χαρακτηριστικού μεγέθους του πεδίου F. Aν μάλιστα F = ax0 + by0 + cz0,όπου abc,, βαθμωτές σταθερές, τότε το πεδίο είναι ομοιογενές, δηλαδή το χαρακτηριστικό μέγεθος του πεδίου έχει σε κάθε θέση το ίδιο μέτρο, διεύθυνση και φορά. Στην περίπτωση του ηλεκτρικού πεδίου, το χαρακτηριστικό μέγεθος, είναι η ηλεκτρική πεδιακή ένταση Ε και προκειμένου αυτό να χαρακτηριστεί ομοιογενές, η ηλεκτρική πεδιακή ένταση Ε πρέπει να έχει το ίδιο μέτρο, διεύθυνση και φορά σε κάθε σημείο του. Η ύπαρξη διακένων με τελείως ομοιογενή πεδία είναι αδύνατη, όμως στην πράξη η συμπεριφορά ορισμένων διακένων, των οποίων η διαφορά στις ακραίες τιμές της πεδιακής έντασης είναι σχετικά μικρή, πλησιάζει προς αυτή των θεωρητικά ομοιογενών διακένων. Αυτά τα διάκενα ονομάζονται ομοιογενή διάκενα (uniform field gaps) ή σωστότερα σχεδόν ομοιογενή διάκενα (quasiuniform field gaps) [1]. Σχεδόν ομοιογενή διάκενα προκύπτουν, εάν χρησιμοποιηθούν ορισμένες συγκεκριμένες διαμορφώσεις ηλεκτροδίων (Rogowski ή Bruce). Γενικά ένα διάκενο μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν ομοιογενές, όταν η σχέση ανάμεσα στην μέγιστη και στην ελάχιστη πεδιακή ένταση είναι: E max E min ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΙΒΑΔΩΝ Ο πρώτος μηχανισμός που μπορεί να δημιουργήσει ροή ρεύματος σε ένα διάκενο είναι μέσω ηλεκτρονικών στιβάδων (electron avalanches). Σε ένα ομοιογενές διάκενο υπάρχει ένας μικρός αριθμός ελευθέρων ηλεκτρονίων που προέρχονται από φυσικά αίτια, δηλαδή από υψηλής ενέργειας ακτινοβολίες (π.χ υπεριώδης, κοσμική) κυρίως από την κάθοδο (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο), αλλά και από το ίδιο το αέριο (φωτοϊονισμός). Χωρίς την ύπαρξη ηλεκτρικού πεδίου στο διάκενο, αυτός ο ιονισμός εξισορροπείται από τον απιονισμό. Αν όμως εφαρμοστεί τάση και επομένως πεδίο κατά μήκος του διακένου, εμφανίζονται διάφορα φαινόμενα, που περιγράφηκαν αναλυτικά από τον Townsend [20]. Ο Townsend βρήκε ότι όταν αυξάνεται η τάση, το ρεύμα στην αρχή αυξάνεται μέχρι μία τιμή Ι 0 (σχήμα 1.3) που αντιστοιχεί σε μια τάση V 0. Αυτό 25

28 γίνεται επειδή, κάτω από την επίδραση του πεδίου, όλο και περισσότερα από τα αρχικά ηλεκτρόνια διασχίζουν το διάκενο φθάνοντας στην άνοδο. Το ρεύμα Ι 0 που διαρρέει το διάκενο, όταν όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια φθάνουν στην άνοδο είναι πολύ μικρό. Καθώς η τάση αυξάνει μέχρι την τιμή U 1, το ρεύμα Ι 0 παραμένει σταθερό. Όταν όμως, η τάση υπερβεί την τιμή U 1, το ρεύμα αρχίζει να αυξάνεται εκθετικά. Σχήμα 1.3. Χαρακτηριστική τάσης - έντασης ομοιογενούς διακένου Σύμφωνα με τον Townsend, η αύξηση αυτή οφείλεται στον ιονισμό κρούσης και τη δημιουργία ηλεκτρονικών στιβάδων. Οι ηλεκτρονικές στιβάδες σχηματίζονται ως εξής: Τα αρχικά ελεύθερα ηλεκτρόνια δηλαδή, κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου, επιταχύνονται προς την άνοδο μέχρις ότου αποκτήσουν κινητική ενέργεια μεγαλύτερη από το δυναμικό ιονισμού. Τότε σε περίπτωση σύγκρουσης τους με άτομα του αερίου, είναι ικανά να προκαλέσουν ιονισμό κρούσης δημιουργώντας νέα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα νέα αυτά ηλεκτρόνια, με τη σειρά τους επιταχύνονται προς την άνοδο προκαλώντας νέους ιονισμούς. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο αριθμός των ηλεκτρονίων α που ελευθερώνονται μέσω ιονισμού κρούσης από ένα ηλεκτρόνιο που προχωρεί l cm κατά τη φορά του πεδίου ονομάζεται πρώτος συντελεστής ιονισμού ή α του Townsend. Αν λοιπόν η αρχική εκπομπή από την κάθοδο είναι n0 ηλεκτρόνια, αφού αυτά διατρέξουν απόσταση x κατά τη φορά του πεδίου, λόγω ιονισμού κρούσης θα αυξηθούν σε n x και αν διατρέξουν επιπλέον απόσταση dx θα ελευθερώσουν dn x νέα ηλεκτρόνια όπου: dn x = an dx (1.36) ή διαιρώντας δια n x και ολοκληρώνοντας κατά μήκος του διακένου έχουμε: x 26

29 n d dnx n = n0 x 0 adx (1.37) Η ολοκλήρωση της εξίσωσης (1.37) για ομοιογενές πεδίο (α σταθερό) δίνει σταθερό αριθμό ηλεκτρονίων n, πού φθάνoυν στην άνοδο n ad = n0e (1.38) Έτσι κατά μέσο όρο, κάθε ηλεκτρόνιο που ξεκινάει από την κάθοδο μέχρι ad να φτάσει στην άνοδο δημιουργεί e 1 ηλεκτρόνια και άλλα τόσα θετικά ιόντα, μέσω ιονισμού κρούσης. Το σύνολο αυτών των ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων ονομάζεται ηλεκτρονική στιβάδα (electron avalanche). Θεωρητικοί υπολογισμοί και πειραματικά δεδομένα έδειξαν ότι ο πρώτος συντελεστής ιονισμού α εξαρτάται από το πεδίο Ε και από την πίεση p, σύμφωνα με την εξίσωση: a E = f p p (1.39) Η παραπάνω συνάρτηση είναι αύξουσα για αυξανόμενες τιμές του λόγου E p και η καμπύλη που τον συνδέει με τον a p λέγεται καμπύλη του Sanders. Το σχήμα 1.4 δείχνει μια τέτοια καμπύλη για Ο 2 και ατμοσφαιρικό αέρα. Σχήμα 1.4. Καμπύλη του Sanders για Ο 2 και ατμοσφαιρικό αέρα 27

30 δηλαδή Επειδή το ρεύμα είναι το σύνολο των ηλεκτρονίων n ανά μονάδα χρόνου I dq = = qn e (1.40) dt και από την εξίσωση (1.38) προκύπτει: I ad = Ie 0 (1.41) Αυτό φυσικά ισχύει για τάσεις μεγαλύτερες από U 1 (σχήμα 1.3), όπου ο συντελεστής α αποκτά σημαντική τιμή. Αφού το ρεύμα Ι εξαρτάται από το φωτοηλεκτρικό ρεύμα Ι 0, έπεται ότι η εκκένωση που περιγράφεται από την εξίσωση (1.41) δεν είναι αυτοσυντηρούμενη επειδή ο μηδενισμός του Ι 0 συνεπάγεται και μηδενισμό του I, άρα και διακοπή της εκκενώσεως. Την πρώτη φωτογράφηση των ηλεκτρονικών στιβάδων την έκανε ο Raether [21] χρησιμοποιώντας θάλαμο Wilson, και ακολούθως έγινε και απ' ευθείας φωτογράφηση τους με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικο-οπτικών μετατροπέων εικόνων. Το σχήμα της στιβάδας και η κατανομή των φορτίων μέσα σε αυτήν είναι όπως φαίνεται στο σχήμα 1.5, δηλαδή έχει μια ημισφαιρική κεφαλή, που αποτελείται από ηλεκτρόνια και μια κωνική ουρά αποτελούμενη από θετικά ιόντα. Τα ηλεκτρόνια είναι στην κεφαλή επειδή είναι πολύ (περίπου 150 φορές στον ατμοσφαιρικό αέρα) ταχύτερα από τα θετικά ιόντα. Το σφαιρικό σχήμα της κεφαλής οφείλεται στην απώθηση και διάχυση των ηλεκτρονίων. Το κωνικό σχήμα της ουράς οφείλεται στο γεγονός ότι, καθώς η στιβάδα προχωρεί προς την άνοδο, αυξάνει εκθετικά ο αριθμός των φορέων της (ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων), συνεπώς και η διάμετρος της. άνοδος κάθοδος Σχήμα 1.5. Ηλεκτρονική στιβάδα 28

31 Το σχήμα 1.6 δείχνει τη μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου, που οφείλεται σε μια ηλεκτρονική στιβάδα, η οποία διανύει ένα διάκενο μήκους d. To πρώτο τμήμα του ρεύματος για 0 t τ δίνεται από την εξίσωση: I _( t) q e e τ _ ( aν _ t ) = (1.42) και οφείλεται αποκλειστικά στα ηλεκτρόνια της κεφαλής της στιβάδας. Το δεύτερο τμήμα, για χρόνους τ - t τ +, οφείλεται στα θετικά ιόντα της ουράς και δίνεται από την εξίσωση: q e () = exp( ) exp( v t) I+ t ad α + τ (1.43) + Σχήμα 1.6. Ρεύμα μιας ηλεκτρονικής στιβάδας Οι χρόνοι τ - = d/v - και τ + = d/v + είναι αυτοί που κάνουν τα ηλεκτρόνια και τα θετικά ιόντα να διασχίσουν το διάκενο. Το ιονικό ρεύμα είναι πολύ μικρό σε σχέση με το ηλεκτρονικό, επειδή η ταχύτητα ν + είναι περίπου 100 με 150 φορές μικρότερη από την ταχύτητα ν -. Φυσικά το φορτίο του ηλεκτρονικού είναι ίσο με το φορτίο του ιονικού ρεύματος. Τα φορτία, ως γνωστόν, εκφράζονται από τα εμβαδά που περικλείονται από τις αντίστοιχες καμπύλες των ρευμάτων (σχήμα 1.6) ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Ως τώρα θεωρήθηκε, ότι όλα τα πρωτογενή ηλεκτρόνια προήλθαν από την επίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας και της φυσικής ραδιενέργειας του περιβάλλοντος κυρίως, ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στη κάθοδο και δευτερευόντως ως φωτοϊονισμός μέσα στο διάκενο. Οι στιβάδες που προκαλούνται από το φωτοϊονισμό έχουν πολύ μικρή επίδραση στο συνολικό 29

32 ρεύμα, επειδή τα φωτοηλεκτρόνια είναι σχετικώς λίγα και ξεκινώντας την πορεία τους προς την άνοδο από κάποιο σημείο μέσα στο διάκενο, δεν προλαβαίνουν να πολλαπλασιαστούν αρκετά, ώστε να κάνουν μεγάλες στιβάδες. Υπάρχουν όμως και άλλοι δευτερογενείς μηχανισμοί, που απελευθερώνουν ηλεκτρόνια στην κάθοδο, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν τη δημιουργία ηλεκτρονικών στιβάδων. Η πιθανότητα αυτοί οι μηχανισμοί να παίξουν σημαντικό ρόλο στην πορεία της εκκένωσης αυξάνει, όταν έχουμε σχετικά μεγάλες ηλεκτρονικές στιβάδες. Επειδή ο αριθμός των ηλεκτρονίων μιας στιβάδας σύμφωνα με την εξίσωση (1.38) είναι ανάλογος του e ad και επειδή σε ένα ομοιογενές διάκενο σταθερού μήκους και υπό συνεχή τάση, η μόνη μεταβλητή στην e ad είναι ο πρώτος συντελεστής ιονισμού α, συνάγεται ότι μεγάλες στιβάδες, άρα και δευτερογενείς μηχανισμοί ικανοί να επηρεάσουν την εκκένωση, μπορούν να υπάρξουν μόνο για σχετικά μεγάλες τιμές του α. Οι σημαντικότεροι από τους δευτερογενείς μηχανισμούς που απελευθερώνουν ηλεκτρόνια από την κάθοδο, είναι οι ακόλουθοι: Τα θετικά ιόντα που παράγονται στις πρωτογενείς στιβάδες δεν μπορούν να προκαλέσουν ιονισμό κρούσης, μπορούν όμως βομβαρδίζοντας την κάθοδο να προκαλέσουν εκπομπή ηλεκτρονίων. Τα φωτόνια που εκπέμπονται, όταν αποδιεγείρεται ένα άτομο που βρίσκεται σε διέγερση, είναι δυνατόν προσκρούοντας στην κάθοδο να προκαλέσουν φωτοηλεκτρική εκπομπή ηλεκτρονίων. Τα μετασταθή άτομα, εφ' όσον βέβαια υπάρχουν στο διάκενο, όταν πέσουν πάνω στην κάθοδο μπορούν να προκαλέσουν εκπομπή ηλεκτρονίων. Εκτός από αυτούς τους μηχανισμούς είναι δυνατόν να έχουμε παραγωγή ηλεκτρονίων κοντά στην κεφαλή της στιβάδας από φωτοϊονισμό, αλλά αυτός ο μηχανισμός φαίνεται ότι δεν παίζει μεγάλο ρόλο, παρά μόνο ίσως σε υψηλές πιέσεις. Οι παραπάνω δευτερογενείς μηχανισμοί περιγράφονται ποσοτικά με τον συντελεστή γ ή δεύτερο συντελεστή ιονισμού ή γ του Townsend, και είναι: γ = γ i +γ p +γ m (1.44) όπου γ i, γ p και γ m τα μέρη του γ που οφείλονται στον βομβαρδισμό από θετικά ιόντα, από φωτόνια και από μετασταθή άτομα αντίστοιχα. Ο συντελεστής γ είναι λοιπόν ο αριθμός δευτερογενών ηλεκτρονίων που παράγονται, κατά μέσο όρο, στην κάθοδο για κάθε ηλεκτρόνιο που παράγεται από ιονισμό κρούσης. Όπως και για το συντελεστή α έτσι και για το συντελεστή γ έχει βρεθεί τόσο θεωρητικά όσο και πρακτικά ότι: E γ = g (1.45) p 30

33 Από τον ορισμό του γ συνάγεται ότι κάθε στοιβάδα παράγει κατά μέσο όρο μ = γ(e ad -1) (1.46) δευτερογενή ηλεκτρόνια. Αν λοιπόν η γενεά των πρωτογενών στιβάδων αρχίζει με n 0 ηλεκτρόνια, η δεύτερη γενεά αρχίζει με n 0 μ ηλεκτρόνια. Ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών γενεών εξαρτάται από το ποιος δευτερογενής μηχανισμός παίζει μεγαλύτερο ρόλο. Αν π.χ. τα δευτερογενή ηλεκτρόνια παράγονται μόνο από θετικά ιόντα (γ=γ i ), τότε η νέα γενεά στοιβάδων θα αρχίσει ιδανικά μετά από χρόνο τ +, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.7. Αν όμως, θεωρηθεί ότι ο δευτερογενής μηχανισμός οφείλεται στα φωτόνια (γ=γ p ), όπως συμβαίνει στην πραγματικότητα σε εκκενώσεις σε ατμοσφαιρική πίεση στον αέρα, τότε η νέα γενεά θα αρχίσει μετά από χρόνο ίσο με τ. Σχήμα 1.7. Διαδοχικές ηλεκτρονικές στιβάδες όταν γ = γ i Αυτό είναι εμφανές στο σχήμα 1.8, που δείχνει το ηλεκτρονικό ρεύμα ως συνάρτηση του χρόνου. Η διακεκομμένη γραμμή αναφέρεται στην ιδανική περίπτωση, αν δηλαδή το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει τη στιγμή που τα ηλεκτρόνια της προηγούμενης στιβάδας μπαίνουν στην άνοδο. Στην πραγματικότητα το ηλεκτρονικό ρεύμα θα έχει τη μορφή της πλήρους γραμμής, επειδή φωτοηλεκτρόνια ελευθερώνονται από την κάθοδο σε όλη τη διάρκεια της πορείας της προηγούμενης στιβάδας προς την άνοδο. Τόσο στο σχήμα 1.7, όσο και στο σχήμα 1.8 θεωρήθηκε ότι είναι γ(e ad -1)=1, γι' αυτό το ρεύμα κάθε στιβάδας παραμένει σταθερό. 31

34 Σχήμα 1.8. Διαδοχικές ηλεκτρονικές στιβάδες όταν γ = γ p και στην πραγματικότητα ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΑΕΡΙΩΝ ΣΕ ΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΠΕΔΙΑ Για την εξήγηση της διάσπασης στα αέρια σε ομοιογενή πεδία και υπό συνεχή τάση έχουν προταθεί δύο μηχανισμοί: Α). Ο μηχανισμός Townsend και Β). Ο μηχανισμός με σχηματισμό νηματίου (streamer). Ο σχηματισμός ηλεκτρονικών στιβάδων αποτελεί το βασικό φαινόμενο και στους δύο μηχανισμούς. Ο μηχανισμός του Townsend στηρίζεται στην εξακολουθητική παραγωγή δευτερογενών στιβάδων μέχρι τη διάσπαση του διακένου, ενώ ο μηχανισμός νηματίου στη μετατροπή μιας πρωτογενούς στιβάδας σε αγώγιμο νημάτιο, που όταν γεφυρώσει το διάκενο προκαλεί σπινθήρα. Α) ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΚΑΤΑ TOWNSEND Στον μηχανισμό κατά Townsend, αν n 0 είναι ο αριθμός των πρωτογενών φωτοηλεκτρονίων, που παράγονται στη κάθοδο, και n 0 ' ο αριθμός των δευτερογενών, τότε ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων n 0 '' που παράγονται στην κάθοδο θα είναι: n 0 '' = n 0 + n 0 ' (1.47) 32

35 Κάθε ηλεκτρόνιο που παράγεται στην κάθοδο μέχρι να φτάσει στην άνοδο ελευθερώνει (e ad -1) ηλεκτρόνια με ιονισμό κρούσης, άρα ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων που παράγονται από ιονισμό κρούσης είναι n 0 "(e ad - 1). Από τον ορισμό του γ, προκύπτει ότι κάθε τέτοιο ηλεκτρόνιο παράγει γ ηλεκτρόνια στην κάθοδο, άρα: n 0 ' = γ n 0 "(e ad -1) (1.48) και αντικαθιστώντας το n 0 ' με το ίσο του και επιλύοντας προς n 0 '' έχουμε : n 0 '' n 0 = ad 1 γ ( e 1) (1.49) Αν λοιπόν παράγονται στην κάθοδο n 0 " ηλεκτρόνια, θα φθάσουν στην άνοδο η, όπου: ad ad n0e n = n0 '' e = ad 1 γ ( e 1) (1.50) Το ρεύμα που θα διαρρέει το διάκενο θα είναι: I I e ad 0 = ad 1 γ ( e 1) (1.51) Η εξίσωση 1.51 περιγράφει το ρεύμα στο διάκενο πριν συντελεστεί η διάσπαση του (σχήμα 1.6). Για χαμηλές τιμές της τάσης U (άρα και της πεδιακής έντασης (E=U/d) ο συντελεστής γ είναι αμελητέος και η εξίσωση (1.51) μεταπίπτει στην εξίσωση (1.41). Για τιμές τάσης μεγαλύτερες από U 2, o συντελεστής γ, δηλαδή οι δευτερογενείς μηχανισμοί, αρχίζουν να παίζουν σημαντικό ρόλο και για αυτό παρατηρείται μεγαλύτερη κλίση (di/du) στην καμπύλη του σχήματος 1.3. Με τη διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 1.8 φαίνεται η χαρακτηριστική, όπως θα ήταν από τους πρωτογενείς μηχανισμούς. Πάντως και σε αυτή την περιοχή, όπως φαίνεται από την εξίσωση (1.51), η εκκένωση δεν είναι αυτοσυντηρούμενη, δηλαδή αν μηδενιστεί το αρχικό φωτοηλεκτρικό ρεύμα Ι 0 μηδενίζεται και το Ι. Αν αυξηθεί ακόμα περισσότερο η τάση περνάμε σε αυτοσυντηρούμενη εκκένωση. Αυτή η μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη, δηλαδή ο σπινθήρας, συνοδεύεται από μεγάλη αύξηση στο ρεύμα. Σε αυτό το σημείο πράγματι το ρεύμα γίνεται απροσδιόριστο, αφού ο παρονομαστής της εξίσωσης (1.51) μηδενίζεται : γ ( e ad 1) = 1 (1.52) ή επειδή e ad >> 1 μπορεί να απλοποιηθεί: και λογαριθμούμενη γίνεται: γe ad =1 (1.53) 33

36 1 ad = ln + 1 = K (1.54) γ Επειδή το γ είναι μικρό, συνήθως μικρότερο του , το 1/γ είναι ένας αρκετά μεγάλος αριθμός, για αυτό και ο Κ δεν αλλάζει πολύ, κυμαίνεται δε για μια εκκένωση Townsend μεταξύ 8 και 10. Θεωρητικά η τιμή του ρεύματος κατά τη διάσπαση τείνει προς το άπειρο, στην πραγματικότητα όμως αυτή περιορίζεται από τα στοιχεία του κυκλώματος. Οι εξισώσεις (1.52) ή (1.53) προσδιορίζουν τη συνθήκη κάτω από την οποία επέρχεται η διάσπαση του διακένου και αποτελούν το κριτήριο διάσπασης του Townsend. Ο Loeb [22] εξήγησε το κριτήριο του Townsend ως εξής: Για μ < 1 (εξίσωση, 1.46) η εκκένωση είναι μη αυτοσυντηρούμενη επειδή εξαρτάται από το αρχικό φωτοηλεκτρικό ρεύμα Ι 0 (εξίσωση 1.51). Για μ = 1 η εκκένωση είναι αυτοσυντηρούμενη, επειδή για κάθε ηλεκτρονική στοιβάδα θα παραχθεί, κατά μέσον όρο, ένα δευτερογενές ηλεκτρόνιο στην κάθοδο προκαλώντας έτσι μια νέα στιβάδα. Αυτή η σχέση ισχύει μόνο για την ελάχιστη τάση διάσπασης U s, του σχήματος 1.3. Για μ > 1, κάθε στιβάδα θα προκαλέσει την εκπομπή, πάντα κατά μέσο όρο, περισσότερων από ένα δευτερογενή ηλεκτρόνια στην κάθοδο, έτσι ο ιονισμός που προκαλείται από διαδοχικές στιβάδες είναι αθροιστικός. Ο σπινθήρας αναπτύσσεται τόσο πιο γρήγορα, όσο το μ είναι μεγαλύτερο από 1. Αν και η ικανοποίηση του κριτηρίου του Townsend θεωρείται απαραίτητη προκειμένου να διασπασθεί ένα διάκενο, εν τούτοις για να επέλθει γρήγορη αύξηση της έντασης μέχρι τις τιμές που αντιστοιχούν στη διάσπαση, ουσιαστικά πρέπει να ισχύει μ>1. Επειδή όμως ο συντελεστής ιονισμού γ είναι στατιστικό μέγεθος που υπόκειται σε διακυμάνσεις δεν αποκλείεται ακόμα και όταν μ = 1, να έχουμε στιγμιαία μ >1 και να επέλθει ταχύτατα η διάσπαση. Β) ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ME ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΝΗΜΑΤΙΟΥ Ορισμένα φαινόμενα δεν μπορούν να εξηγηθούν με βάση το μηχανισμό του Townsend, π.χ. οι πολύ μικροί χρόνοι που μεσολαβούν μεταξύ της επιβολής της τάσης και της διάσπασης του διακένου, όταν επιβληθούν υπερτάσεις, που συχνά είναι μικρότεροι και από το χρόνο που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο για να διασχίσει το διάκενο. Αυτό συμβαίνει, επειδή ο μηχανισμός 34

37 του Townsend προϋποθέτει ότι για να επιτευχθεί διάσπαση του διακένου χρειάζεται ολόκληρη σειρά από διαδοχικές ηλεκτρονικές στιβάδες. Επί πλέον ο Raether [21] παρατήρησε ότι αν ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων μιας στιβάδας υπερβεί τα 10 6, αλλά όχι τα 10 8 η εξίσωση (1.36) παύει να ισχύει και έχουμε ότι dn < (e ad )dx, δηλαδή ο ρυθμός αύξησης της στιβάδας μειώνεται. Αντίθετα, όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων υπερβεί τα 10 8, το ρεύμα της στιβάδας αυξάνεται και το διάκενο διασπάται. Για να εξηγηθούν αυτά τα φαινόμενα, προτάθηκε η θεωρία του μηχανισμού διάσπασης με σχηματισμό νηματίου (streamer) από τους Meek [23] και Raether [24]. O Meek ανέπτυξε τη θεωρία του θετικού νηματίου, δηλαδή του νηματίου που πηγαίνει από την άνοδο προς την κάθοδο, ενώ ο Raether του αρνητικού, δηλαδή εκείνου που ξεκινά από την κάθοδο και καταλήγει στην άνοδο. Και οι δύο θεωρίες βασίζονται στα φαινόμενα που προκαλούνται στο διάκενο από την στρέβλωση του ομοιογενούς πεδίου, που προκαλείται από την ύπαρξη χωρικών φορτίων κατά μήκος μιας ηλεκτρονικής στιβάδας. Όπως αναφέρθηκε, σε προηγούμενη παράγραφο, η κεφαλή της στιβάδας αποτελείται κυρίως από ηλεκτρόνια, ενώ η ουρά της από τα κατά πολύ βραδύτερα θετικά ιόντα. Το σχήμα 1.9 δείχνει την επίδραση που έχει το χωρικό φορτίο μιας στιβάδας στο πεδίο του διακένου. Για ευκολία, τα χωρικά φορτία θεωρούνται σφαιρικά. Σχήμα 1.9. Μεταβολή του πεδίου κατά μήκος μιας στιβάδας Κατά τον Meek [23], όταν μια στιβάδα που ξεκινά από την κάθοδο φτάσει στην άνοδο, τα ηλεκτρόνια της εξουδετερώνονται και έτσι μένει ένα θετικό χωρικό φορτίο που προκαλείται από τα θετικά ιόντα που παραμένουν στο διάκενο. Το φορτίο αυτό, όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.10.a, έχει κωνικό σχήμα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση θετικών ιόντων πλησίον της ανόδου. 35

38 Εκεί προκαλεί αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και αν το πεδίο αποκτήσει αρκετά μεγάλη τιμή, ακολουθεί ισχυρός ιονισμός. Δημιουργείται συνεπώς πληθώρα φωτοηλεκτρονίων που με τη σειρά τους προκαλούν βοηθητικές ηλεκτρονικές στιβάδες με κατεύθυνση προς τη βάση της κωνικής ουράς. Οι βοηθητικές στιβάδες δημιουργούνται κυρίως κατά μήκος του άξονα της αρχικής στιβάδας, όπου το πεδίο έχει τη μεγαλύτερη τιμή. Τα θετικά ιόντα των βοηθητικών στιβάδων που μένουν πίσω, αφού τα ηλεκτρόνια μπουν στην περιοχή μεγάλης συγκέντρωσης χωρικού φορτίου, στην κεφαλή δηλαδή της κύριας στιβάδας, ενισχύουν και επιμηκύνουν το θετικό χωρικό φορτίο της ουράς της αρχικής στιβάδας με κατεύθυνση προς την κάθοδο (σχήμα 1.10.b). Έτσι, δημιουργείται ένα αυτοπροωθούμενο αγώγιμο νημάτιο, που κάποτε γεφυρώνει το διάκενο (σχήμα 1.10.c) και προκαλεί τη διάσπαση του. Σχήμα Σχηματισμός θετικού νηματίου κατά Meek [23] Στο Σχήμα 1.11 φαίνεται επίσης διαγραμματικά ο σχηματισμός του θετικού νηματίου κατά Meek. 36

39 Α: εκκίνηση της αρχικής στιβάδας Β: η αρχική στιβάδα φτάνει στην άνοδο C: Θετικό φορτίο εκκινεί ένα νημάτιο D, Ε: Πρόοδος του νηματίου Σχήμα Σχηματισμός του θετικού νηματίου Η μετατροπή της αρχικής ηλεκτρονικής στιβάδας σε νημάτιο μπορεί να γίνει, αν η τιμή Ε rx της έντασης του ακτινικού πεδίου στην κεφαλή της στιβάδας στο τέλος μιας διαδρομής x είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με την αρχική (γεωμετρική) πεδιακή ένταση E m = U/d. Για τον υπολογισμό της τιμής της Ε rx θεωρείται ότι τα θετικά ιόντα με συνολικό φορτίο q, είναι συγκεντρωμένα σε μια σφαίρα με ακτίνα r x στην κεφαλή της στιβάδας. Mε αυτές τις προϋποθέσεις η τιμή της E rx στην ακτίνα r x ή r είναι: E rx 3 [( 4 / 3) πr Nq ] Q10 e = = = rqe N (1.56) 2 2 4πε r 4πε r 3ε όπου Ν χ είναι η πυκνότητα των ιόντων ανά cm Σε μια απόσταση dx στο τέλος της διαδρομής x μιας στιβάδας, ο αριθμός των ιόντων που παράγονται είναι ae ax dx, οπότε: 0 ax ax ae dx ae N = = (1.57) 2 2 πr dx πr και αντικαθιστώντας το N x με την τιμή του από την προηγούμενη εξίσωση : E rx 2 ax qea10 e = (1.58) 3ε 0 πr Η ακτίνα r x είναι η ακτίνα της κεφαλής της στιβάδας όταν έχει διατρέξει απόσταση x και δίνεται από τη σχέση: x r = 2D (1.59) v _ 37

40 όπου ν_ η ταχύτητα της στιβάδας των ηλεκτρονίων και D ο συντελεστής διάχυσης. Με αντικατάσταση έχουμε ότι: E rx 2 ax qea10 e = (1.60) 3ε π 2D( x / v ) 0 Γνωρίζοντας λοιπόν τις τιμές για την ταχύτητα των ηλεκτρονίων v_ και τον συντελεστή διάχυσης D, για τον ατμοσφαιρικό αέρα, και αντικαθιστώντας, βρίσκεται η τιμή του πεδίου σε V/cm: E rx _ ax 7 ae = 5.27x10 (1.61) x / p Η ελάχιστη τάση διάσπασης ευρίσκεται, όταν το κριτήριο για το σχηματισμό του νηματίου, E m = E rx, ικανοποιείται μόλις η αρχική στιβάδα διανύσει το διάκενο. Αν λοιπόν θεωρηθεί ότι είναι E m = Ε rx και x = d, τότε η εξίσωση λογαριθμούμενη γίνεται: a E 1 d ad + ln = ln + ln (1.62) p p 2 p Η εξίσωση αυτή μπορεί να λυθεί αν οι τιμές του α/p είναι γνωστές π.χ. από την εξίσωση (1.39) ή την καμπύλη του Sanders. Με ανάλογο τρόπο ο Raether [24] θεώρησε για το αρνητικό νημάτιο (από κάθοδο προς άνοδο) ότι το κριτήριο για τη δημιουργία και εξέλιξη του νηματίου, το γεωμετρικό (αρχικό) πεδίο πρέπει να είναι περίπου ίσο με το πεδίο που οφείλεται στο αρνητικό χωρικό φορτίο. Το συνολικό πεδίο, επειδή τα δύο πεδία ενεργούν ομόρροπα, προκαλεί τη δημιουργία στιβάδων που οδεύουν προς την άνοδο. Η αρχή αυτών των στιβάδων οφείλεται σε φωτοηλεκτρόνια που παράγονται από τον έντονο φωτοϊονισμό που υπάρχει εμπρός από την κεφαλή του νηματίου (σχήμα 1.12). Σχήμα Σχηματισμός αρνητικού νηματίου κατά Raether [24] 38

41 Σύμφωνα με τον Raether, η εξίσωση που συνδέει την μετάδοση μιας στιβάδας σε ένα διάκενο με την πεδιακή ένταση E m = U/d και Ε rx την πεδιακή ένταση στην κεφαλή της στιβάδας είναι: Er ax = ln x + ln (1.63) E όπου x η απόσταση του κέντρου της κεφαλής της από την κάθοδο. Αφού το κριτήριο για το σχηματισμό του νηματίου είναι E m =Ε rx και η ελάχιστη τάση διάσπασης είναι για x = d, δηλαδή όταν η στιβάδα μετασχηματίζεται σε νημάτιο τη στιγμή που φθάνει στην άνοδο, προκύπτει ότι η εξίσωση για την ελάχιστη τάση διάσπασης είναι: αd = lnd (1.64) Ο Raether υπολόγισε ότι ο αριθμός ηλεκτρονίων που πρέπει να αποκτήσει μια στιβάδα για να μετασχηματιστεί σε νημάτιο είναι περίπου x10 8. Ο αριθμός αυτός αντιστοιχεί σε τιμή του ad 20. Αν και τα κριτήρια του Meek και του Raether είναι εμπειρικά, εν τούτοις η εφαρμογή τους δίνει αποτελέσματα που δεν απέχουν πολύ από την πράξη. Όπως είναι φανερό από την παραπάνω ανάλυση, και ο μηχανισμός κατά Townsend και ο μηχανισμός νηματίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τη διάσπαση ενός ομοιογενούς διακένου. Η αρχική στιβάδα μετασχηματίζεται σε νημάτιο, όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην κεφαλή της ξεπεράσει τον κρίσιμο αριθμό των Αν αυτό συμβεί χρονικά πριν ικανοποιηθεί το κριτήριο Townsend, τότε η διάσπαση, εφόσον επέλθει, θα γίνει με σχηματισμό νηματίου. Αν αντίθετα ικανοποιηθεί το κριτήριο Townsend, πριν τα ηλεκτρόνια της κεφαλής της στιβάδας ξεπεράσουν τα 10 8, τότε η διάσπαση θα γίνει με το μηχανισμό Townsend. Αφού λοιπόν όταν ικανοποιείται το κριτήριο Townsend, ο αριθμός των ηλεκτρονίων της στιβάδας είναι ίσος με 1/γ (εξίσωση 1.53), έπεται ότι για να γίνει διάσπαση με το μηχανισμό νηματίου θα πρέπει να ισχύει η ανισότητα: γ (1.65) Από την εξίσωση (1.65) φαίνεται ότι η επιλογή του μηχανισμού της διάσπασης τελικά είναι συνάρτηση του αερίου, του υλικού της καθόδου, της πεδιακής έντασης και της πίεσης. Είναι λοιπόν δυνατόν αλλάζοντας τις διάφορες παραμέτρους να περάσουμε από τον ένα μηχανισμό στον άλλο. Πειραματικά έχει βρεθεί στον ατμοσφαιρικό αέρα και μόνο για ομοιογενή πεδία, ότι για σχετικά μικρά διάκενα που επιπλέον βρίσκονται κάτω από πιέσεις μικρότερες από την ατμοσφαιρική, δηλαδή για σχετικά μικρές τιμές της παραμέτρου pd, η διάσπαση επέρχεται συνήθως με το μηχανισμό του Townsend. Για ανομοιογενή διάκενα παρατηρείται πάντοτε σχηματισμός νηματίου. Η ηλεκτρική διάσπαση του αέρα σε διάκενο με ανομοιογενές πεδίο μπορεί να λάβει χώρα σε ένα μέτριο ηλεκτρικό πεδίο, που ικανοποιεί επαρκώς 39

42 τις συνθήκες για ιονισμό σε συνθήκες ομοιογενούς πεδίου. Αυτά είναι τα αποτελέσματα από το σχηματισμό θετικών νηματίων σε μία περιορισμένη περιοχή ενός υψηλού πεδίου, τα οποία είναι δυνατόν να εξελιχθούν και σε χαμηλότερα πεδία. (Nasser και Loeb [25], Nasser and Shah [26]). Η πρόοδος του νηματίου μπορεί να γίνει σε μικρό ή και σε μεγαλύτερο διάκενο και εξαρτάται από την μορφή της εφαρμοζόμενης τάσης στο διάκενο, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και την γεωμετρία του διακένου. Το νημάτιο είναι το πρώτο στάδιο στον μηχανισμό της διάσπασης. Στον ατμοσφαιρικό αέρα το απαραίτητο πεδίο προκειμένου να επιτευχθεί διάσπαση είναι περίπου 3x10 3 kv/m, Raether [24]. Είναι γενικά αποδεκτό ότι στην περίπτωση ανομοιογενών διακένων, τα νημάτια αρχίζουν να σχηματίζονται στην ίδια τιμή του πεδίου. Τα νημάτια προηγούνται όλων των διασπάσεων υπό D.C, A.C, εξωτερικές και εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις. Η κατανόηση του σχηματισμού και της προόδου του νηματίου είναι πολύ σημαντική στον καθορισμό της συμπεριφοράς του εξοπλισμού υψηλής τάσης. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη που σχετίζονται με τη δημιουργία και την ανάπτυξη των νηματίων αποτέλεσαν αντικείμενο μελέτης πολλών ερευνητών. Σύμφωνα με τον Marode [27] το νημάτιο αποτελείται από την κεφαλή ή ενεργό περιοχή όπου λαμβάνουν χώρα φωτεινή εκπομπή και διαδικασίες ιονισμού και από το κανάλι ή παθητική περιοχή, όπου ηλεκτρόνια που δημιουργούνται στην κεφαλή ρέουν προς το θετικό ηλεκτρόδιο και προσαρτώνται από ηλεκτραρνητικά μόρια δημιουργώντας αρνητικά ιόντα. Ο Gallimberti [7], στηριζόμενος στις εργασίες των Dawson και Winn [28] και Phelps [29] πρότεινε ότι για να μπορεί ένα νημάτιο να αναπτύσσεται σταθερά πρέπει να ικανοποιείται η παρακάτω εξίσωση που καθορίζει το ισοζύγιο ενεργειών μέσα και γύρω από την κεφαλή του νηματίου: W l =ΔWpot+W g (1.66) όπου Wl είναι οι συνολικές απώλειες ενέργειας κατά τη διάρκεια της δημιουργίας νέων στοιβάδων, ΔW pot η μεταβολή της ηλεκτροστατικής ενέργειας της κεφαλής του νηματίου (μεταξύ της προηγούμενης και επόμενης), ενώ W g είναι η ενέργεια που αποκτάται λόγω του εφαρμοζόμενου πεδίου. Ένα τέτοιο μοντέλο ανάπτυξης του νηματίου μπορεί να εξηγήσει τη διαπίστωση των Dawson and Winn [28] και αργότερα την επιβεβαίωση των Hartmann and Gallimberti [30] ότι νημάτια μπορούν να προοδεύσουν και με μηδενικό εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Σε ένα μη ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο τα νημάτια προχωρούν κατά μήκος ενός τμήματος του διακένου με ταχύτητα που ξεπερνά τα 100 cm/μs και σταματούν λόγω της μείωσης τόσο του γεωμετρικού πεδίου που επιβάλλεται όσο και λόγω των απωλειών ενέργειας κατά τη διάρκεια της δημιουργίας νέων στοιβάδων [30]. Για να εξασφαλιστεί επομένως η σταθερή ανάπτυξη των νηματίων σε ένα διάκενο απαιτείται το ηλεκτρικό πεδίο να έχει μία ελάχιστη κρίσιμη τιμή. 40

43 Ο προσδιορισμός της τιμής του πεδίου που απαιτείται για την πρόοδο των νηματίων αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης πολλών ερευνητών. Τα αποτελέσματα ποικίλουν ανάλογα με τη διάταξη και το είδος της τάσης που χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή των νηματίων και ανάλογα με την ομοιογένεια ή όχι του διακένου που μελέτησαν. Ωστόσο, γενικά θεωρείται ότι σε ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης για τη σταθερή πρόοδο των νηματίων απαιτείται η πεδιακή ένταση να έχει τιμές της τάξης των 4,5 5,5 kv/cm. Οι Phelps και Griffiths [31, 32] ονόμασαν το ελάχιστο πεδίο που απαιτείται για την σταθερή ανάπτυξη των νηματίων κρίσιμο πεδίο και διαπίστωσαν ότι αυξάνει με την αύξηση της πυκνότητας του αέρα αλλά και με την αύξηση της απόλυτης υγρασίας. Πρόσφατα, οι Allen και Mikropoulos [33] μελετώντας ένα ομοιογενές διάκενο τριών ηλεκτροδίων, πρότειναν ότι στο δεξιό τμήμα της εξίσωσης (1.66) πρέπει να προστεθεί και ο όρος W p, ο οποίος εκφράζει την ενέργεια που απαιτείται να προσδοθεί για την αρχική δημιουργία του νηματίου. Επομένως η νέα εξίσωση σταθερής ανάπτυξης του νηματίου είναι η εξής: W l = ΔWpot + W g + W p (1.67) Οι συγγραφείς εφάρμοσαν έναν τετραγωνικό παλμό για τη δημιουργία του νηματίου και διαπίστωσαν ότι η επίδραση της προσδιδόμενης ενέργειας W p στο κρίσιμο πεδίο ελαττώνεται όσο ελαττώνεται το εύρος και η διάρκεια του παλμού και όσο το νημάτιο προοδεύει στο διάκενο. Επομένως, απαιτείται μεγαλύτερη προσφορά ενέργειας W g, ώστε να συνεχίσει να ικανοποιείται η εξίσωση (1.67). Αντίστροφα, όσο μεγαλύτερη είναι η συνεισφορά του παλμού W g, τόσο μικραίνει η απαιτούμενη ενέργεια του πεδίου προκειμένου να προοδεύσει το νημάτιο στο διάκενο. 41

44 1.2. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ Στην επιφανειακή διάσπαση, δεν διασπάται το ίδιο το στερεό μονωτικό αλλά ο αέρας κατά μήκος της επιφάνειάς του. Ένας στερεός μονωτήρας σε διάκενο με αέριο διηλεκτρικό, δεν επηρεάζει την τάση διάσπασης του αερίου, όταν η επιφάνειά του είναι κάθετη στις ισοδυναμικές επιφάνειες του πεδίου, επειδή σε αυτή την περίπτωση δεν επιδρά στην πεδιακή ένταση. Αν όμως η επιφάνεια του ξεφύγει έστω και λίγο από την ιδανική αυτή θέση, το πεδίο ενισχύεται τόσες φορές, όσος ο λόγος των διηλεκτρικών σταθερών στερεού και αερίου. Τότε είναι πιθανό να προκληθούν τοπικές εκκενώσεις και ενδεχομένως διάσπαση με σπινθήρα, που έρπει επάνω στην επιφάνεια του στερεού. Αυτή η εκκένωση ονομάζεται επιφανειακή διάσπαση ή υπερπήδηση (flashover) [1]. Σε περιοχές υψηλού πεδίου στην επιφάνεια της μόνωσης παρατηρούνται τα πρώτα τοπικά φαινόμενα ιονισμού του αερίου διηλεκτρικού, οι λεγόμενες επιφανειακές εκκενώσεις. Η πρώτη παρατηρήσιμη μορφή επιφανειακής εκκένωσης είναι η ηλεκτρονική στοιβάδα η οποία, εφόσον η ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου είναι ίση με αυτήν του ακτινικού ηλεκτρικού πεδίου στην κεφαλή της λόγω του φορτίου της [23], μπορεί να μετατραπεί σε νημάτιο. Το νημάτιο, μία ακολουθία ηλεκτρονικών στοιβάδων, αναπτύσσεται κατά μήκος της επιφάνειας της μόνωσης και μπορεί να οδηγήσει στην απευθείας επιφανειακή διάσπαση της. Εάν η τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της μόνωσης είναι ικανή, μπορεί να παρατηρηθεί μία άλλη μορφή επιφανειακής εκκένωσης, η εκκένωση κορώνα (corona discharge). Η ανάπτυξη της εκκένωσης κορώνα κατά μήκος της επιφάνειας της μόνωσης, δηλαδή ένα σύστημα από διακλαδιζόμενα νημάτια που ελέγχεται σε μεγάλο βαθμό από το χωρικό φορτίο του ίδιου του συστήματος, μπορεί επίσης να οδηγήσει στην επιφανειακή διάσπαση. Το νημάτιο αναπτύσσεται υπό την επίδραση του συνολικού ηλεκτρικού πεδίου, αυτού που εφαρμόζεται στο διάκενο και του παραγόμενου από το χωρικό φορτίο στην κεφαλή του, ιονίζοντας το διηλεκτρικό αέριο, ενώ η ανάπτυξη του ενισχύεται και από δευτερογενείς ηλεκτρονικές στοιβάδες που δημιουργούνται από ηλεκτρόνια τα οποία παράγονται κυρίως με φωτοϊονισμό. Εάν το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο είναι ικανό μπορεί να αυξηθεί η αγωγιμότητα του, μέσω θερμικής απόσπασης ηλεκτρονίων από αρνητικά ιόντα, οδηγώντας έτσι στη διάσπαση του διακένου. Στον ατμοσφαιρικό αέρα έχει δειχθεί ότι η υγρασία μειώνει τον καθαρό συντελεστή ιονισμού και το φωτοϊονισμό μέσω της προσάρτησης ηλεκτρονίων και φωτονίων αντίστοιχα από τα μόρια του νερού. Μία στερεά μόνωση μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη του νηματίου, και επομένως και την επιφανειακή διάσπαση, μέσω πολλών διαδικασιών όπως: εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια της λόγω της πρόσκρουσης σε αυτήν φωτονίων, προσάρτηση ηλεκτρονίων και ιόντων στην 42

45 επιφάνεια της διαταράσσοντας την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στο διάκενο λόγω της ανάπτυξης επιφανειακών φορτίων, και τέλος μέσω της διηλεκτρικής σταθεράς και της αγωγιμότητας που τη χαρακτηρίζει. Γενικά, θεωρείται ότι η επιφανειακή διάσπαση στον ατμοσφαιρικό αέρα διευκολύνεται από την ύπαρξη υγρασίας, η οποία συμπυκνώνεται και επικάθεται με τη μορφή σταγονιδίων στην επιφάνεια του μονωτήρα, δημιουργώντας αγώγιμες οδούς. Όταν η τιμή της υγρασίας υπερβεί κάποια τιμή, η τάση διάσπασης μειώνεται εξαιρετικά. Αυτή η κρίσιμη τιμή της υγρασίας εξαρτάται από το υλικό και από το σχήμα των μονωτήρων. Η ρύπανση του περιβάλλοντος επηρεάζει επίσης την διηλεκτρική αντοχή των μονωτήρων. Οι βιομηχανικοί ρύποι επηρεάζουν την τάση υπερπήδησης όταν υγρανθούν, οπότε γίνονται αγώγιμοι και προκαλούν τοπικά μεγάλη ανομοιογένεια. Στα σημεία υψηλής πεδιακής έντασης δημιουργούνται επιφανειακές εκκενώσεις, που τροφοδοτούνται από τους υγρούς βιομηχανικούς ρύπους. Η θερμότητα που εκλύεται από τις εκκενώσεις ξηραίνει τους ρύπους και αναγκάζει τον σπινθήρα να μετακινηθεί σε υγρές περιοχές. Αν η συνολική εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα της πτώσης τάσης από τις εκκενώσεις και αυτής κατά μήκος της αγώγιμης οδού, είναι δυνατόν να υπάρξει υπερπήδηση. Όπως περιγράφεται παραπάνω, η επιφανειακή διάσπαση είναι στην πραγματικότητα διάσπαση του αέρα κατά μήκος της επιφάνειας του στερεού διηλεκτρικού. Οι Allen και Mikropoulos [34] παρουσίασαν αποτελέσματα σχετικά με την ανάπτυξη των νηματίων στην επιφάνεια μονωτήρων σε ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Μετρήθηκαν οι βασικές ιδιότητες των νηματίων, όπως το αναγκαίο για ευσταθή μετάδοση ηλεκτρικό πεδίο και η ταχύτητα μετάδοσης, και έγινε σύγκριση με την περίπτωση του αέρα [33]. Στην πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, τα νημάτια μεταδίδονταν σταθερά με ενδογενές ηλεκτρικό πεδίο και χαρακτηριστική ταχύτητα, ανάλογα με το υλικό του κάθε μονωτήρα. Σε ηλεκτρικά πεδία μεγαλύτερα από ένα κρίσιμο μέγεθος, παρατηρήθηκε η ανάπτυξη ενός συστήματος νηματίων με δύο συνιστώσες, μία κατά μήκος της επιφάνειας του μονωτήρα και μία στον αέρα παρόμοια με την εργασία [35]. Η ταχύτητα της επιφανειακής συνιστώσας εξαρτάται από το διηλεκτρικό υλικό, αυξάνει με το ηλεκτρικό πεδίο και είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του νηματίου όταν υπάρχει μόνο αέρας. Η συνιστώσα του αέρα δεν επηρεάζεται από το διηλεκτρικό, μεταβάλλεται αργά με το ηλεκτρικό πεδίο και η ταχύτητά της είναι μικρότερη από την ταχύτητα του νηματίου όταν δεν υπάρχει το μονωτικό υλικό. Σύμφωνα με τους ίδιους συγγραφείς [34], η υψηλότερη από ότι στον αέρα ταχύτητα του νηματίου όταν αυτό προοδεύει κατά μήκος μιας μονωτικής επιφάνειας, υποδεικνύει ότι στην κεφαλή του νηματίου λαμβάνει χώρα αποδοτικότερος ιονισμός εξαιτίας της φωτοηλεκτρικής εκπομπής από την επιφάνεια του μονωτικού [36, 37, 38]. Παρόλα αυτά η προσάρτηση ιόντων στην επιφάνεια θεωρείται ως ανταγωνιστικός μηχανισμός [36]. Η σειρά των 43

46 ταχυτήτων σε πολύ υψηλά πεδία σαν συνάρτηση του διηλεκτρικού είναι διαφορετική από αυτήν στο ελάχιστο ηλεκτρικό πεδίο για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου. Σύμφωνα με τους Allen και Mikropoulos [34], για χαμηλά πεδία, στα οποία προοδεύει το νημάτιο, με την παρουσία του μονωτικού, η ταχύτητα της συνιστώσας του αέρα είναι σχεδόν ίση με την ταχύτητα όταν υπάρχει μόνο αέρας χωρίς την επιπλέον προσφορά ενέργειας μέσω παλμού. Σε υψηλότερα πεδία η ταχύτητα αυτή είναι σημαντικά μικρότερη. Η συνιστώσα του αέρα δηλαδή προοδεύει χωρίς να κερδίζει καθόλου από την προσφερόμενη μέσω παλμού ενέργεια και σε υψηλά πεδία η πρόοδός της παρακωλύεται από την ανάπτυξη της επιφανειακής συνιστώσας. Σε συνέχεια της προαναφερθείσης εργασίας οι Allen και Mikropoulos [39], [40] μελέτησαν την πρόοδο θετικού νηματίου και τη διάσπαση κατά μήκος κυλινδρικών μονωτήρων με διαφορετικά γεωμετρικά προφίλ. Μετρήθηκαν οι βασικές ιδιότητες της προόδου του νηματίου και της διάσπασης, δηλαδή το απαιτούμενο ηλεκτρικό πεδίο για ευσταθή πρόοδο και η αντίστοιχη ταχύτητα καθώς επίσης το πεδίο και ο χρόνος διάσπασης, όπως επηρεάζονται από το πλάτος του παλμού που χρησιμοποιήθηκε για την δημιουργία του νηματίου και από το προφίλ του μονωτήρα. Οι ερευνητές συμπέραναν ότι υπάρχει μια ισχυρή σχέση ανάμεσα στην πρόοδο του νηματίου και στη διάσπαση, επειδή το προφίλ του μονωτήρα ευρέθηκε να επηρεάζει με παρόμοιο τρόπο τα πεδία διάσπασης και προόδου. Στην εργασία [40] διαπιστώθηκε ότι μία πτυχή, προεξέχουσα της επιφάνειας του μονωτήρα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του πεδίου που απαιτείται για ευσταθή πρόοδο του νηματίου και την μείωση της ταχύτητας για όλα τα εφαρμοζόμενα πεδία, συγκρινόμενα με την περίπτωση λείας επιφάνειας. Για ηλεκτρικά πεδία μεγαλύτερα από την ελάχιστη τιμή που απαιτείται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου κατά μήκος ενός λείου μονωτήρα, όπως προαναφέρθηκε, ένα σύστημα νηματίου διαδίδεται με μια επιφανειακή συνιστώσα που κινείται ταχύτερα από ότι όταν υπάρχει μόνο αέρας και με μια συνιστώσα αέρα με ταχύτητα προόδου μικρότερη από εκείνη για όταν υπάρχει μόνο αέρας. Το αποτέλεσμα της πτυχής ήταν να τροποποιηθεί αυτό το σύστημα νηματίου και να φθάνει στην κάθοδο μόνο η συνιστώσα του αέρα. Με την επίδραση του προφίλ του μονωτήρα στην ανάπτυξη θετικών νηματίων στην επιφάνεια PTFE μονωτήρων σε ομοιογενή πεδία ασχολήθηκαν και οι Pritchard και Allen [41]. Στην εργασία τους μετρήθηκαν οι βασικές ιδιότητες του νηματίου, π.χ. η ταχύτητα και η πιθανότητα μετάδοσης ως συνάρτηση της έντασης πεδίου και συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά για τον αέρα και για κυλινδρικούς μονωτήρες. Τα οριακά και τα ευσταθή επίπεδα πεδίου για την πρόοδο του νηματίου ευρέθηκαν μεγαλύτερα για τα διάφορα σχήματα μονωτήρων από ότι για τον αέρα ή για απλά κυλινδρικά δείγματα, καθώς και τα πεδία διάσπασης. 44

47 Οι Akyuz et al. [42] από μετρήσεις των ρευμάτων που σχετίζονται με την εκκένωση νηματίου σε επιφάνειες μονωτήρων, ανέλυσαν διάφορες παραμέτρους όπως το ελάχιστο πεδίο και το πεδίο ευσταθούς προόδου, τη μέση ταχύτητα και την κατανομή φορτίου του νηματίου και τις σύγκριναν με τις αντίστοιχες για την εκκένωση νηματίου όταν υπάρχει μόνο αέρας. Συμπέραναν λοιπόν, ότι η αύξηση της τιμής του ρεύματος της εκκένωσης και της ταχύτητας προόδου υποδεικνύει μια αύξηση της έντασης του ιονισμού, όταν υπάρχει η επιφάνεια του μονωτήρα. Αυτή η αύξηση του ιονισμού μπορεί να οφείλεται, σύμφωνα με τους Akyuz et al., στο δυναμικό ιονισμού του υλικού της επιφάνειας ή και στην επαύξηση του πεδίου λόγω της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς και του αρνητικού φορτίου που συσσωρεύτηκε στην επιφάνεια πριν από την πρόοδο του νηματίου. Παρά το γεγονός όμως, του αυξημένου ιονισμού, η ελάχιστη τάση που χρειαζόταν το νημάτιο για να διασχίσει το διάκενο και το πεδίο για ευσταθή πρόοδο αυξάνουν στην περίπτωση της επιφάνειας του μονωτήρα. Το τελικό θετικό φορτίο του νηματίου κατά μήκος της επιφάνειας του μονωτήρα φαίνεται να διαχέεται στο αυλάκι του νηματίου, αντί να συγκεντρώνεται στο εμπρός τμήμα του, όπως στην περίπτωση που υπάρχει μόνο αέρας. Στην εργασία των Allen και Hashem [43] διαπιστώθηκε ότι η μεγαλύτερη συγκέντρωση αρνητικών ιόντων στον αέρα γύρω από την επιφάνεια του μονωτήρα διευκολύνει τις επιφανειακές εκκενώσεις νηματίου, παρέχοντας ηλεκτρόνια για την ανάπτυξη του ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ Πολλοί ερευνητές διερεύνησαν την επίδραση της υγρασίας στις εκκενώσεις στον αέρα. Η επίδραση της υγρασίας στην επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτήρων σε ομοιογενή διάκενα δεν έχει διερευνηθεί αρκετά, παρά μόνο σε κάποιες διπλωματικές εργασίες [44],[45],[46] του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. και η εργασία [47] συγκεντρώνει αυτή την προσπάθεια. Στα διάκενα αέρα, η τάση διάσπασης εξαρτάται από την υγρασία και την πυκνότητα του αέρα, η οποία είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος και της ατμοσφαιρικής πίεσης. Στα διάκενα με ανομοιογενή πεδία και στις περιορισμένες σε έκταση περιοχές, που υπάρχει υψηλή ένταση ηλεκτρικού πεδίου, η συσσώρευση βαρέων μορίων Η 2 Ο εμποδίζει την κίνηση των ηλεκτρονίων και των θετικών και αρνητικών ιόντων δυσκολεύοντας έτσι τον σχηματισμό και την πρόοδο των ηλεκτρονικών στιβάδων. Αυτός είναι ο λόγος που η υγρασία έχει ανασταλτική επίδραση στο σχηματισμό και την εξέλιξη της εκκένωσης κορώνα. 45

48 Ιδιαίτερα στην περίπτωση της θετικής κρουστικής κορώνας, με την αύξηση της υγρασίας αυξάνεται η τάση έναρξης της και μειώνεται το ηλεκτρικό φορτίο που εκχέεται στο διάκενο. Οι Phelps και Griffiths [31,32], διαπίστωσαν ότι το κρίσιμο πεδίο για τη δημιουργία νηματίου αυξάνει όχι μόνο με την αύξηση της πυκνότητας του αέρα, αλλά και με την αύξηση της απόλυτης υγρασίας. Η επίδραση της πυκνότητας του αέρα και της απόλυτης υγρασίας στη δημιουργία και μετάδοση των νηματίων επιβεβαιώθηκε αργότερα και από άλλους ερευνητές. Οι Allen και Dring [48] διερεύνησαν πειραματικά την επίδραση της υγρασίας σε αρκετές ιδιότητες της εκκένωσης θετικής κορώνας, ενώ αργότερα οι Allen και Boutlendj [49] συζήτησαν την επίδραση της υγρασίας σε σχέση με τα πειραματικά αποτελέσματά τους για ομοιογενή και ανομοιογενή διάκενα. Σε ανομοιογενή διάκενα, οι Allen, Boutlendj και Lightfoot [50] συσχέτισαν τα γραμμικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής διάσπασης με την ύπαρξη εκκενώσεων νηματίου. Τα όρια της γραμμικότητας βρέθηκαν ότι είναι συνάρτηση της υγρασίας, των διαστάσεων του διακένου και του σχήματος του ηλεκτροδίου. Τα πειράματα αυτά ήταν συνέχεια προηγούμενης εργασίας [51], όπου είχε επίσης ευρεθεί ο σημαντικός ρόλος της υγρασίας σε όλα τα διάκενα που χρησιμοποιήθηκαν. Εξαιτίας της πρακτικής σημασίας των νηματίων, στον καθορισμό του μηχανισμού διάσπασης, η διαδικασία διόρθωσης της τάσης διάσπασης σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης και υγρασίας που υιοθετήθηκε από την IEC 60-1 [16] βασίστηκε στο ελάχιστο ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται για την πρόοδο του θετικού νηματίου E st +, όπου E st + έχει ληφθεί ως 500KV/m για σχετική πυκνότητα του αέρα δ 0 ίση με 1. Αυτό εξαρτάται από την πίεση του αερίου p και την θερμοκρασία T. Κάτω από σταθερές ατμοσφαιρικές συνθήκες p 0 =760 Torr και T 0 =293 Κ, η σχετική πυκνότητα του αέρα είναι δ 0 =1.0. Σε συνθήκες διαφορετικές από κανονικές η τιμή της σχετικής πυκνότητας του αέρα δίνεται από την σχέση: p T0 δ = δ 0 (1.68) p0 T Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της σχετικής πυκνότητας του αέρα δ, η βαθμωτή μεταβολή της τάσης του νηματίου δίνεται ως: E st + =500 δ k kv/m (1.69) όπου ο k ο συντελεστής διόρθωσης για την απόλυτη υγρασία. Σε κανονικές συνθήκες απόλυτης υγρασίας, δηλαδή 11 g/m 3, ισχύει k = 1.0. Ο συντελεστής διόρθωσης της πυκνότητας του αέρα k 1 για την διάσπαση εξαρτάται από την σχετική πυκνότητα του αέρα δ και εκφράζεται ως: k 1 = δ n (1.70) όπου ο εκθέτης n εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση, το μήκος του διακένου και το είδος της προ-εκκενώσεως. Για ανομοιογενή διάκενα, (με πιθανή 46

49 ανάπτυξη νηματίων και λήντερ) οι συντελεστές διόρθωσης των ατμοσφαιρικών συνθηκών είναι μεγαλύτεροι, όταν οι εκκενώσεις προκαλούνται από θετικά νημάτια. Από τους Pigini et al [52] προτάθηκε μια παράμετρος G ώστε να γίνει μια πρόχειρη εκτίμηση, για τη σχέση μεταξύ της τάσης U 50 (ανά μονάδα μήκους) και του απαιτούμενου πεδίου E + st και δίνεται από τη σχέση: Εδώ το E st + G U 50 l E = + s U 50 = 500 l δ k (1.71) ρυθμίζεται από τους παράγοντες δ και k ανάλογα με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Ο παράγοντας G μεταβάλλεται μεταξύ του 0 και 1 όταν λαμβάνει χώρα διάσπαση εξαιτίας της από κοινού δημιουργίας λήντερ και θετικών νηματίων, Feser και Pigini [53]. Όταν η δημιουργία νηματίων αποτελεί και το κύριο φαινόμενο προεκκένωσης, η τιμή του G πλησιάζει το 1. Ο εκθέτης n για την διόρθωση της πυκνότητας του αέρα, ο σχετικός με τον παράγοντα G, έχει μέγιστη τιμή ίση με 1, IEC [16] (1989). Η επίδραση της υγρασίας στην πρόοδο θετικού νηματίου και στη διάσπαση σε ομοιογενές πεδίο στον αέρα μελετήθηκε από τους Μikropoulos et al. [54]. Σε αυτή την εργασία μετρήθηκαν πειραματικά το ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου, η ταχύτητα προόδου σε τιμές πεδίου που συντηρούν την ευσταθή πρόοδο του νηματίου ή και μεγαλύτερες, ο χρόνος διάσπασης και τα αντίστοιχα πεδία. Ο αέρας ήταν σε ατμοσφαιρική πίεση, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταβάλλονταν φυσικά και η απόλυτη υγρασία είχε τιμές που κυμαίνονταν από 5.5 μέχρι 18 g/m 3. Ευρέθηκε ότι με την αύξηση της υγρασίας, απαιτείται μεγαλύτερο πεδίο για την πρόοδο του νηματίου και την διάσπαση. Η ταχύτητα προόδου επίσης αυξάνει όταν αυξάνει η υγρασία, ενώ αντίθετα ο χρόνος διάσπασης μειώνεται. Το ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου βρέθηκε να αυξάνει με ρυθμό 1.22% ανά g/m 3. H ταχύτητα του νηματίου ακολουθεί υπερβολική εξίσωση σε σχέση με το πεδίο και ο ρυθμός της αύξησης εξαρτάται από την υγρασία. Το πεδίο διάσπασης αυξάνεται όταν αυξάνεται η υγρασία, με μικρότερο όμως ρυθμό συγκρινόμενο με το πεδίο που απαιτείται για ευσταθή πρόοδο, ενώ ο χρόνος διάσπασης μειώνεται. Όπως προαναφέρθηκε, πρόσφατα με την εργασία [47] διερευνήθηκε η επίδραση της υγρασίας στην πρόοδο θετικού νηματίου και στη διάσπαση σε ομοιογενές πεδίο στον αέρα, αλλά και κατά μήκος της επιφάνειας ενός κυλινδρικού μονωτήρα από PTFE. Διαπιστώθηκε ότι η υγρασία δρα ανασταλτικά, τόσο στη ανάπτυξη του νηματίου όσο και στην διαδικασία της διάσπασης. Σε αυτή την εργασία μετρήθηκαν πειραματικά το ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου, η ταχύτητα προόδου σε τιμές πεδίου που συντηρούν την ευσταθή πρόοδο του νηματίου ή και μεγαλύτερες, ο χρόνος διάσπασης και τα αντίστοιχα πεδία που απαιτούνται για διάσπαση. Ο αέρας ήταν σε ατμοσφαιρική πίεση, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταβάλλονταν φυσικά και η 47

50 απόλυτη υγρασία είχε τιμές που κυμαίνονταν για τα πειράματα από 5 μέχρι 19,5 g/m 3. Η αύξηση της υγρασίας οδηγεί σε μεγαλύτερο πεδίο για την πρόοδο του νηματίου και την διάσπαση. Η ταχύτητα προόδου του νηματίου κάτω από πεδία που απαιτούνται για την ευσταθή πρόοδο του, αυξάνει όταν αυξάνει η υγρασία τόσο στην περίπτωση του αέρα, όσο και του μονωτήρα. Παρόλα αυτά κάτω από ηλεκτρικά πεδία υψηλότερα από αυτά που απαιτούνται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου, η ταχύτητα προόδου του κατά μήκος του μονωτήρα, μειώνεται καθώς αυξάνει η υγρασία κάτι που έρχεται σε αντίθεση με αυτό που βρέθηκε στον αέρα [54]. Επίσης με την αύξηση της υγρασίας ο χρόνος διάσπασης μειώνεται στον αέρα, ενώ στην περίπτωση του μονωτήρα η επίδραση αυτή είναι συνάρτηση του εφαρμοζόμενου πεδίου. Επιπλέον το πεδίο διάσπασης, αυξάνεται με την αύξηση της υγρασίας. Το ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται για την ευσταθή πρόοδο του νηματίου κατά μήκος της επιφάνειας του μονωτήρα βρέθηκε να αυξάνει με ρυθμό 1.25% ανά g/m 3 απόλυτης υγρασίας, ενώ για τον αέρα αυξάνει ρυθμό 1,22% ανά g/m 3. Τέλος η ταχύτητα του νηματίου του μονωτήρα ακολουθεί υπερβολική εξίσωση σε σχέση με το πεδίο και ο ρυθμός της αύξησης εξαρτάται από την υγρασία. Συνοψίζοντας, φαίνεται από τα παραπάνω ότι η επίδραση της υγρασίας στην επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτήρων σε ομοιογενή πεδία απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση ιδιαίτερα σε σχέση με το υλικό του μονωτήρα, ενώ η επίδραση μονωτικών επιστρώσεων στην επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτήρων σε ομοιογενή πεδία δεν έχει διερευνηθεί καθόλου. Έτσι στο πλαίσιο του γενικότερου ερευνητικού προγράμματος «Επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτικών υλικών στον αέρα» του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. στην παρούσα εργασία διερευνάται, μέσω σειράς πειραμάτων, η επίδραση των μονωτικών επιστρώσεων στην ανάπτυξη θετικού νηματίου, σε ομοιογενές πεδίο, κατά μήκος της επιφάνειας κυλινδρικών μονωτήρων από Nylon (με και χωρίς μονωτικές επιστρώσεις), ενώ ο περιβάλλον αέρας είναι σε ατμοσφαιρική πίεση και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταβάλλονταν φυσικά. Συγκεκριμένα, οι ιδιότητες του νηματίου που μελετούνται είναι: το ελάχιστο πεδίο που απαιτείται για τη σταθερή ανάπτυξή του σε σχέση με την αρχική ενέργεια που του προσδίδεται μέσω ενός παλμού υψηλής τάσης (για τη διευκόλυνση σχηματισμού του νηματίου). η ταχύτητα προόδου του σε σχέση με το εφαρμοζόμενο πεδίο και την αρχική ενέργεια που προσδίδεται στο νημάτιο. Οι ιδιότητες αυτές διερευνώνται σε σχέση με τη μεταβολή της υγρασίας. 48

51 Κεφάλαιο 2o ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 2.1. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, η ένταση πεδίου που είναι αναγκαία για την εκκίνηση του νηματίου είναι μεγαλύτερη από αυτή που χρειάζεται για τη διάδοσή του. Σε ένα ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο, από τη στιγμή που η ένταση πεδίου είναι αρκετά υψηλή, ώστε να αναπτύξει νημάτιο, οι συνθήκες που απαιτούνται για την διάδοσή του ικανοποιούνται παντού στο διάκενο και η διάσπαση θα επέλθει οπωσδήποτε. Όμως, με την τοποθέτηση μιας μικρής αγώγιμης ακίδας ως ηλεκτρόδιο σε διάκενο σχηματιζόμενο από δυο παράλληλα επίπεδα ηλεκτρόδια, είναι δυνατόν να υπάρξει νημάτιο, χωρίς απαραίτητα να οδηγήσει σε διάσπαση. Με κατάλληλο σχεδιασμό, τέτοιες διατάξεις χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο για την ελεγχόμενη παραγωγή νηματίων. Η πειραματική διάταξη τριών ηλεκτροδίων που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την εργασία φαίνεται στο σχήμα 2.1 και ευρίσκεται στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Αποτελείται από ένα σύστημα τριών ηλεκτροδίων, εκ των οποίων τα δύο είναι παράλληλα επίπεδα δισκοειδή ηλεκτρόδια (διάκενο πλάκας-πλάκας). Το τρίτο ηλεκτρόδιο είναι μια ακίδα που βρίσκεται σε μια οπή στο κέντρο του κάτω ηλεκτροδίου. Η ακίδα είναι τοποθετημένη με τέτοιο τρόπο, ώστε ο άξονάς της να είναι κάθετος στο επίπεδό της πλάκας και η κορυφή της αιχμής της να βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Το κάτω ηλεκτρόδιο είναι γειωμένο, ενώ στο επάνω εφαρμόζεται υψηλή αρνητική συνεχής τάση. Η διάταξη μπορεί να χρησιμοποποιηθεί για τη μελέτη των ηλεκτρικών εκκενώσεων τόσο στον αέρα όσο και κατά μήκος της επιφανείας μονωτήρων. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται η πειραματική διάταξη και ο τρόπος τοποθέτησης ενός μονωτήρα κυλινδρικού σχήματος, έτσι ώστε οι βάσεις του να εφάπτονται στις επιφάνειες των δύο πλακών και η περιμετρική του επιφάνεια να είναι κάθετη σε αυτές. Η ακμή που ενώνει την κάτω παράλληλη επιφάνεια με την περιμετρική εφάπτεται στην ακίδα. Στο διάκενο των δυο παράλληλων ηλεκτροδίων, λόγω της εφαρμοζόμενης υψηλής αρνητικής συνεχούς τάσης, αναπτύσσεται ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο ή σωστότερα "σχεδόν ομοιογενές πεδίο" και θετικά νημάτια ξεκινούν από την ακίδα και αναπτύσσονται προς την κάθοδο, κατά μήκος της περιμετρικής επιφάνειας της μόνωσης. Όπως ήδη αναφέραμε ο μονωτήρας 49

52 εφάπτεται της ακίδας και γεφυρώνει το διάκενο. Για την εκκίνηση των νηματίων εφαρμόζονται στην ακίδα θετικοί τετραγωνικοί παλμοί υψηλής τάσης, παραγόμενοι από μια γεννήτρια τετραγωνικών παλμών υψηλής τάσης, στηριζόμενοι στην αρχή της εκφόρτισης μίας γραμμής υψηλής τάσης σε μία άλλη αφόρτιστη και κλεισμένη στο άκρο της με τη χαρακτηριστική της αντίσταση. Οι παλμοί απεικονίζονται στην οθόνη του παλμογράφου μέσω ομοαξονικού χωρητικού καταμεριστή, το δε εύρος και η διάρκειά τους μπορούν να μεταβάλλονται, αφού εξαρτώνται από τα στοιχεία της γεννήτριας. Σχήμα 2.1. Σχηματική πειραματική διάταξη, η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι 12 cm ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ - ΑΚΙΔΑ - ΚΛΩΒΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Η πειραματική διάταξη είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο, ώστε το αναπτυσσόμενο ηλεκτρικό πεδίο να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο ομοιογενές. Τα δυο παράλληλα ηλεκτρόδια είναι δισκοειδή ηλεκτρόδια με διάμετρο 50 cm και πάχος 2.5 cm. Η εξωτερική τους ακμή είναι καμπυλωτή με ακτίνα καμπυλότητας 1.25 cm για να αποφευχθεί το φαινόμενο κορώνα. Το ηλεκτρόδιο της καθόδου είναι συμπαγές, ενώ το ηλεκτρόδιο της ανόδου έχει μια οπή διαμέτρου 1.5 cm στο κέντρο με μία πολύ μικρή ακτίνα καμπυλότητας για να αποφευχθεί και εκεί το φαινόμενο κορώνα. Στην οπή αυτή τοποθετείται η χαλύβδινη ακίδα με την βοήθεια μιας έδρασης από μονωτικό υλικό στο κάτω μέρος του ηλεκτροδίου. Στην ακίδα εφαρμόζονται θετικοί τετραγωνικοί παλμοί 50

53 για την έναρξη των νηματίων. Τα ηλεκτρόδια βρίσκονται σε απόσταση 12 cm το ένα από το άλλο (εικόνα 2.1). Το όλο σύστημα των τριών ηλεκτροδίων βρίσκεται μέσα σε έναν κυβικό μεταλλικό κλωβό ακμής 1.23 m κατασκευασμένο από ράβδους χάλυβα (εικόνα 2.2). Το μέγεθος αυτό είναι αναγκαίο σύμφωνα με τους κανονισμούς ασφαλείας για να αποφεύγονται τα φαινόμενα διαπήδησης. Ο κλωβός και το ηλεκτρόδιο της ανόδου είναι συνδεμένα με την θεμελιακή γείωση του Εργαστηρίου. Το ηλεκτρόδιο της καθόδου εισέρχεται στον κλωβό από την επάνω πλευρά, καθώς στηρίζεται μέσω μονωτήρα από την οροφή του Εργαστηρίου. Το κάτω μέρος του κλωβού καλύπτεται από φύλλο αλουμινίου στο οποίο με τη βοήθεια τριών μονωτήρων και μιας ξύλινης βάσης τοποθετήθηκε το ηλεκτρόδιο της ανόδου. Οι μονωτήρες αυτοί ακουμπούν σε ένα κοχλιοφόρο άξονα ο καθένας με περικόχλιο τύπου πεταλούδας, ώστε να είναι δυνατή η μεταβολή του μήκους τους από τη βάση και συνεπώς η αυξομείωση του διακένου. Εικόνα 2.1. Παράλληλα δισκοειδή ηλεκτρόδια και μονωτήρας από Nylon. Εικόνα 2.2. Στο εσωτερικό διακρίνεται ο κυβικός μεταλλικός κλωβός ακμής 1.23 m. 51

54 ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ Στα πειράματα που περιλαμβάνει η εργασία μας χρησιμοποιήθηκαν τρεις κυλινδρικοί μονωτήρες, μήκους 12cm και διαμέτρου 6cm, από Nylon (με και χωρίς επιστρώσεις), οι οποίοι φαίνονται στην εικόνα 2.3. Στην παράγραφο αυτή γίνεται μία σύντομη περιγραφή των ιδιοτήτων τόσο του υλικού των μονωτήρων (Nylon), όσο και των υλικών επίστρωσης. Εικόνα 2.3. Οι μονωτήρες από Nylon που χρησιμοποιήθηκαν (με και χωρίς επιστρώσεις) NYLON Το Nylon ή αλλιώς πολυαμίδιο 6 G ανήκει στην κατηγορία των πολυμερών. Τα πολυμερή είναι υψηλομοριακές (μακρομοριακές ή πολυμερείς) οργανικές ενώσεις που λόγω του μεγάλου αριθμού των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν απέναντι στις άλλες μορφές ύλης, τείνουν να αντικαταστήσουν τις τελευταίες στη σύγχρονη εποχή. Γενικά τα πολυμερή, στο μεγαλύτερο ποσοστό τους, δε διαβρώνονται, είναι ομοιογενή ως συνθετικά υλικά, αντέχουν σε μεγάλες καταπονήσεις, ανθίστανται σε πολλές χημικές ενώσεις, χυτεύονται όπως τα μέταλλα, βάφονται, παρουσιάζουν ελκυστική εμφάνιση και τέλος με τη χαμηλή πυκνότητα που τα χαρακτηρίζει περιορίζουν αισθητά το κόστος τους, όταν το γεγονός αυτό το παρατηρήσει κανείς από το πρίσμα της σχέσης αντοχής προς βάρος. Ειδικότερα το Nylon (πολυαμίδιο 6 G) είναι ένα από τα πιο ευρύτατα χρησιμοποιούμενα βιομηχανικά πλαστικά, είναι υλικό γενικής χρήσης και χρησιμοποιείται ως μόνωση σε διατάξεις υψηλής τάσης. Οι πλεονεκτικές ιδιότητες του είναι αυτές που του προσδίδουν αυτή ακριβώς τη θέση. Το Nylon σαν υλικό είναι σκληρό, ελαστικό, με μεγάλη αντοχή στους κραδασμούς και στα χτυπήματα, με υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας και αντίσταση στη διάβρωση. Ακόμα και με απορρόφηση υγρασίας πολλές μηχανικές ιδιότητες διατηρούν 52

55 σχεδόν ίδια την τιμή τους. Επίσης, είναι ανθεκτικό απέναντι σε πολλούς διαλύτες δεν αντέχει όμως στα οξέα, βάφεται, έχει εύκολη συγκόλληση και εξαιρετική κατεργασία. Διατίθεται σε ράβδους, διάτρητα, εξάγωνα, σωληνάκια, κυλίνδρους και πλάκες. Το Nylon (πολυαμίδιο 6 G) είναι ένα προϊόν συμπύκνωσης του αδιπικού οξέος και της εξαμεθυλοδιαμίνης. Ο χημικός του τύπος είναι: ( -NH (CH 2 ) 5 CO- ) n και μερικές από τις ιδιότητες του φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ [Nylon ή πολυαμίδιο 6 G] Ειδικό βάρος 1,14 g/cm 3 Χρώμα άσπρο Αντοχή σε εφελκυσμό 80 N/mm 2 Επιμήκυνση % Μέτρο ελαστικότητας N/mm 2 Όριο καμπής 130 N/mm 2 Όριο θλίψης 70 N/mm 2 Αντοχή σε κρούση Δεν σπάει Απορρόφηση υγρασίας 2,5 3 % Διηλεκτρική σταθερά 10 5 Hz Διηλεκτρικός συντελεστής απώλειας 10 5 Hz Ειδική εσωτερική αντίσταση Αντίσταση επιφανείας Διηλεκτρική αντοχή Σημείο τήξης Θερμοπερατότητα Ειδική θερμοχωρητικότητα 3,7 E r 0,027 0,3 tanδ Ω cm Ω kv/mm 220 ο C 0,23 W/K m 1,7 kj/kg οc -1 Γραμμικός συντελεστής θερμικής διαστολής Κ Θερμοκρασία λειτουργίας (συνεχής) Θερμοκρασία λειτουργίας (σύντομη) Θερμοκρασία ανάφλεξης -40 έως +100 ο C 160 ο C 420 ο C Βαθμός διάθλασης 1,53 53

56 ΥΛΙΚΑ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗΣ Η περιβαλλοντική μόλυνση των υπαίθριων μονωτήρων υψηλής τάσης, είναι μια μακροπρόθεσμη πηγή σοβαρών προβλημάτων υπερπηδήσεων, τα οποία οδηγούν σε διακοπές λειτουργίας των γραμμών και μειωμένη αξιοπιστία. Η μόλυνση μπορεί να έρθει με πολλές μορφές. Οι σημαντικότερες είναι: Ωκεάνιος ή αλατούχος ψεκασμός. Αλατισμένη ομίχλη. Βιομηχανική ρύπανση, η οποία μπορεί να περιλάβει τα πετροχημικά, τα μεταλλεύματα μετάλλων, τον άνθρακα και τη σκόνη τσιμέντου. Ρύποι από αυτοκίνητα, οχήματα. Αερομεταφερόμενος σκόνη και ρύποι. Γεωργική από τα λιπάσματα και άλλους ρύπους. Το αντίκτυπο των ηλεκτρικών εκκενώσεων μπορεί να περιλαμβάνει τα εξής: Διακοπές στη λειτουργία της επιχείρησης. Πιθανές ανάγκες για εκτενείς επισκευές. Απώλεια εισοδήματος ή πρόστιμα. Επιπτώσεις ασφάλειας. Γενικότερα προβλήματα στη βιομηχανία, στον τουρισμό, στους καταναλωτές. Ελλιπείς ή άσχημες δημόσιες σχέσεις. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προστατευτούν οι μονωτήρες από φαινόμενα υπερπηδήσεων λόγω των επικαθήμενων ρύπων: Η πλύση με νερό, που είναι επαναλαμβανόμενη κατά τη διάρκεια του έτους και ακριβή. Αυξημένο επίπεδο μόνωσης-απόστασης που πρέπει να διανύσει το τόξο (creepage distance). Ανθεκτική μόνωση "λούστρου", αν και αυτή μπορεί να βλαφτεί εύκολα και είναι δαπανηρή για να υλοποιηθεί. Λιπαίνοντας, χρησιμοποιώντας κάποιον υδρογονάνθρακα ή κατά προτίμηση στη διαδρομή τόξων το ανθεκτικό λίπος σιλικόνης, το οποίο διαποτίζεται με σκόνη και ρύπους και πρέπει να καθαρίζεται και να αντικαθίσταται τακτικά. Χρήση συνθετικών μονωτήρων σιλικόνης. Χρήση ελαστομερών υλικών επικάλυψης των μονωτήρων που είναι υδρόφοβα και εμποδίζουν την επικάθηση σκόνης και ρύπων. 54

57 Κύριο χαρακτηριστικό των υλικών επίστρωσης είναι η υψηλή υδροφοβία. Αυτή η υδροφοβική ικανότητα είναι πρωταρχικής σπουδαιότητας επειδή είναι αυτός ο παράγοντας που ελέγχει το βαθμό ύγρανσης των μολυσματικών παραγόντων και με αυτόν τον τρόπο το ποσό τρέχουσας αύξησης ρευμάτων διαρροής επιφανείας. Η υγρασία στην επιφάνεια μονωτήρων θα διαμορφωθεί σε σταγονίδια και έτσι θα αποτρέψει την επικάθηση ρύπων στην επιφάνεια τους, οι οποίοι εάν υγρανθούν οδηγούν στη δημιουργία ενός αγώγιμου στρώματος ιονισμένων σωματιδίων που οδηγούν στην αυξανόμενη ηλεκτρική διαρροή, δημιουργία τόξων και τελικά στην ηλεκτρική διάσπαση. Τα υλικά επίστρωσης είναι υδρόφοβα και εμποδίζουν την επικάθηση υγρασίας και ρύπων στην επιφάνεια των μονωτήρων. Επιπλέον παρέχουν έναν υψηλό βαθμό αντίστασης επιφανειακών ηλεκτρικών τόξων. Τα υλικά επίστρωσης προσφέρουν: Μακροπρόθεσμη απόρριψη νερού. Αυτό είναι ανεκτίμητο στις εφαρμογές υψηλής τάσης, γιατί οι ρυπογόνοι παράγοντες στην επιφάνεια των μονωτήρων γίνονται υγροί και παράγουν ένα αγώγιμο στρώμα, που συμβάλλει σε αύξηση στα ρεύματα διαρροής, με αποτέλεσμα να σχηματίσει τόξο, και τελικά ηλεκτρική εκκένωση. Αντίσταση στην ατμοσφαιρική και χημική υποβάθμιση. Οι μονωτήρες με επίστρωση παραμένουν απρόσβλητοι από άλατα, αερομεταφερόμενους ρύπους, βροχή και υγρασία. Αντίσταση στο να σχηματιστεί ηλεκτρικό τόξο και φαινόμενο κορώνα. Έχουν υψηλή αντοχή και παρέχουν προστασία στους μονωτήρες κατά τη διάρκεια των αλατισμένων θυελλών ή άλλων σοβαρών γεγονότων ρύπανσης. Τα υλικά επίστρωσης μπορούν να εφαρμοστούν σε: γυαλί, πορσελάνη και συνθετικούς μονωτήρες, και όπου οι βελτιωμένες διηλεκτρικές ιδιότητες επιφάνειας απαιτούνται. μονωτήρες γραμμών και σταθμών, καθώς επίσης σε μετασχηματιστές οργάνων και σχετικές συσκευές. άλλες εφαρμογές που απαιτούν την αντίσταση τόξων, όπως σε πίνακες, σε διακόπτες ισχύος και σε μεγάλες μηχανές. ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΟΥΝ ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗΣ ΤΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ Τα υλικά επίστρωσης των μονωτήρων λειτουργούν τροποποιώντας τις ιδιότητες επιφάνειας του μονωτήρα με τη δημιουργία μιας υδροφοβικής 55

58 επιφάνειας που εμποδίζει το μηχανισμό δημιουργίας τόξου σε ένα αρχικό στάδιο αποτρέποντας το σχηματισμό μιας αγώγιμης ταινίας νερού και με αυτόν τον τρόπο περιορίζει τα επιφανειακά ρεύματα διαρροής. Τα υλικά επίστρωσης περιέχουν πρόσθετες ουσίες που είναι ανθεκτικές σε υψηλές θερμοκρασίες και αποφεύγεται η ζημιά ή η καταστροφή του μονωτήρα κάτω από έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα. Η χρήση των επιστρωμάτων έχει εφαρμοστεί ευρέως, ως εκ των υστέρων λύση στους υπάρχοντες μονωτήρες γραμμών και υποσταθμών που βρίσκονται σε ιδιαίτερα μολυσμένα περιβάλλοντα. ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥΣ Σύσταση Όλα τα επιστρώματα σιλικόνης, διασκορπίζονται σε ένα διαλυτικό μέσο για να επιτρέψουν την εφαρμογή με τον ψεκασμό, την εμβάπτιση, ή τη μέθοδο επίστρωσης και βαφής του μονωτήρα με βούρτσα. Η σύσταση κάθε υλικού καθορίζεται από την απώλεια βάρους στη θερμοκρασία δωματίου υπό τους ίδιους εργαστηριακούς όρους. Η περιεκτικότητα σε στερεά είναι σημαντική από μια προοπτική δαπανών δεδομένου ότι ο διαλύτης χάνεται επάνω στην εφαρμογή και μόνο τα στερεά παραμένουν στο μονωτήρα. Είναι δύσκολο να συγκριθεί από τις πληροφορίες φύλλων στοιχείων των κατασκευαστών, δεδομένου ότι μερικοί εκθέτουν την αξία από τον όγκο και άλλοι από το βάρος. Η μετατροπή δεν είναι απλή δεδομένου ότι οι δηλωμένες συγκεκριμένες πυκνότητες είναι για τα μίγματα διασποράς. Τα αποτελέσματα σε επί % στερεά σύμφωνα με εργαστηριακές μετρήσεις κυμαίνονται για τα διάφορα υλικά που κυκλοφορούν στην αγορά μεταξύ 69,5% και 76,1%, σύμφωνα με τον πίνακα ενός κατασκευαστή που ακολουθεί. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗΣ Μέγεθος Μονάδα μέτρησης Τιμή Υλικό πλήρωσης % Ποσοστό Πυριτίου (Si) % % ΝΑPTHA % Durometer Shore A Tensile psi Elongation % Mod 100% psi ASTM Tear die B Ppi Spec.Gravity, wet % Solids (by weight) % % Solids (by volume) % Spec.Gravity, slab

59 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥΣ Η μακροπρόθεσμη ηλεκτρική συμπεριφορά του υλικού επίστρωσης των μονωτήρων μετά από εμβάπτιση σε νερό είναι κρίσιμη. Η δυνατότητα της επίστρωσης να περιορίζει την απορρόφηση νερού είναι σημαντική και ποικίλλει με τον τύπο του υλικού πλήρωσης, προδιαγραφής καθαρότητας του και της επεξεργασίας των υλικών πλήρωσης που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του. Διαρκής έκθεση σε υγρά περιβάλλοντα, οδηγεί στην απορρόφηση νερού καθώς επίσης και τις αμετάκλητες αλλαγές στην ηλεκτρική συμπεριφορά της επίστρωσης. Η ηλεκτρική απόδοση ακόμη και 100 ώρες μέσα σε απιονισμένο νερό δείχνει ότι η επίστρωση ορισμένων υλικών είναι πολύ επιρρεπής στο να απορροφά το νερό και να χαλαρώνει τις βασικές μονωτικές της ιδιότητες. Η ηλεκτρική απόδοση των διαφόρων υλικών επίστρωσης κάτω από κανονικές και "υγρές" συνθήκες παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. Μέγεθος Μονάδα μέτρησης Τιμή Dielectric Strength, V/mil Volume Resistivity Ohm*cm x 1013 Ohm*cm Dissipation Factor 60 Hz Διηλεκτρική σταθερά Ξηρό Τόξο Sec Ύστερα από 100 ώρες βύθισης σε νερό Dielectric Strength, V/mil Volume Resistivity Ohm*cm x 1013 Ohm*cm Dissipation Factor 60 Hz Διηλεκτρική σταθερα 57

60 Βύθιση σε νερό Η ικανότητα των υλικών επίστρωσης να περιορίζουν την απορρόφηση νερού είναι βασική στη μακροπρόθεσμη απόδοση και τη διατήρηση των βασικών ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Η αλλαγή στο βάρος (ποσό ένδειξης απορρόφησης νερού) ύστερα από βύθιση στο νερό για 100 ώρες σε θερμοκρασία δωματίου κυμαίνεται μεταξύ 0,38% και 3,7%. Επαναφορά της υδροφοβικής συμπεριφοράς ύστερα από ζημιά λόγω φαινομένου κορώνας Ο ρυθμός της επαναφοράς της υδρόφοβης ιδιότητας των υλικών επίστρωσης είναι πολύ ουσιώδης και πρέπει να είναι όσο το δυνατόν γρηγορότερος. Ποικίλει ανάλογα με το υλικό και κυμαίνεται μεταξύ 45 λεπτών μέχρι και 7 ωρών. Συγκεκριμένα στα πειράματα μας χρησιμοποιήσαμε: έναν μονωτήρα Nylon χωρίς επίστρωση, έναν μονωτήρα Nylon με επίστρωση από κάποιο πράσινο υλικό και έναν μονωτήρα Nylon με επίστρωση από κάποιο άσπρο υλικό. Έτσι οι παραπάνω μονωτήρες από το σημείο αυτό και έπειτα θα ονομάζονται: μονωτήρας "N", μονωτήρας "G" και μονωτήρας "W" αντίστοιχα. Μονωτήρας "N" Μονωτήρας "G" Μονωτήρας "W" 58

61 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ "Ειδικά βιομηχανικά πλαστικά" Χατζηαυγουστής, (Nylon). Looms, J.S. Insulators for High Voltages. Peter Peregrinnus Ltd. London, UK J. Montesinos, R. Gorur, and J. Goudie. Electrical Performance of RTV Silicone Rubber Coatings after Exposure to an Acidic Environment. Annual Report of the 1998 Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Atlanta, Georgia, USA. IEEE Kim S. H., et al, "Chemical Changes at the Surface of RTV Silicone Rubber Coatings on Insulators During Dry Band Arcing," IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 1, No. 1, Feb, 1994 Goudie, J., M Owen and T. Orbeck. A Review of Possible Degradation Mechanisms of Silicone Elastomers in High Voltage Applications. Annual Report of the 1998 Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Atlanta, Georgia, USA. IEEE Goudie, J. Silicones for Outdoor Insulator Maintenance. IEEE 2002 International Symposium on Electrical Insulation, Boston, Massachusetts. 59

62 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΩΝ ΠΑΛΜΩΝ Για την παραγωγή των τετραγωνικών παλμών έχουν σχεδιαστεί συστήματα από διάφορους ερευνητές. Σε αυτή την εργασία, η παραγωγή των τετραγωνικών παλμών βασίζεται στην τεχνική που χρησιμοποίησε ο Pulfrey [55]. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως η τεχνική αυτή στηρίζεται στην εκφόρτιση μίας γραμμής σε υψηλή τάση σε μία άλλη. Στη διάταξη του Pulfrey τα διάκενα σπινθήρων ήταν σε ατμοσφαιρική πίεση και έτσι οι ανεπιθύμητες ανακλάσεις του κύματος τάσης μπορούσαν να περιοριστούν σημαντικά. Η διάταξη είχε τη δυνατότητα να παράγει παλμούς μεγέθους μέχρι 30 kv, διάρκειας από 4 ως 40 ns και χρόνου ανάπτυξης 1 ns. Στην παρούσα διάταξη (σχήμα 2.2) χρησιμοποιήθηκαν δυο όμοια ομοαξονικά καλώδια, το ένα μήκους 12 m και το άλλο 30 m. Οι προδιαγραφές των καλωδίων φαίνονται στον πίνακα ns 12 m, HV cable Σχήμα 2.2. Σύστημα παραγωγής τετραγωνικών παλμών 60

63 Πίνακας 2.1 Προδιαγραφές καλωδίων RS UMR 67 COAXIAL CABLE BLACK SHEATH 50 m 50 Ω 100 pf m Μax 40 kv d.c. Max RF peakv 6.5 kv Attenuation: 100 MHz 1 GHz 0-68 db 2-52 db UR No. M67 Το καλώδιο των 12 m φορτίζεται αρχικά σε τάση V από μια γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης μέσω μιας αντίστασης φόρτισης R C = 10 ΜΩ. Η γεννήτρια (εικόνα 2.4) που χρησιμοποιείται είναι γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης +30kV της εταιρίας GLASSMAN και έχει τη δυνατότητα μεταβολής της τάσης ανά 0.1 kv μέσω της περιστροφικού ποτενσιόμετρου. Διαθέτει ψηφιακή οθόνη ένδειξης της εξόδου της και περιοριστή ρεύματος που ρυθμίζεται από τον χειριστή. Τα χαρακτηριστικά της γεννήτριας φαίνονται στον πίνακα 2.2. Εικόνα 2.4. Γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης +30 kv GLASSMAN HIGH VOLTAGE INC. MODEL: PS/FC30R REVERSIBLE POLARITY SERIAL: M

64 Πίνακας 2.2. Προδιαγραφές γεννήτριας παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης +30 kv OUTPUT OUTPUT STORED ENERGY OUTPUT CABLE VOLTAGE (kv) CURRENT (ma) (J) RG-80U Στη συνέχεια, το καλώδιο των 12 m εκφορτίζεται στο, μέχρι εκείνη τη στιγμή, αφόρτιστο καλώδιο των 30 m, με τη χρήση απλού διακόπτη. Το καλώδιο των 30 m καταλήγει στην ακίδα μέσω μιας αντίστασης προσαρμογής 50 Ω. Η ένωση της ακίδας με την αντίσταση προσαρμογής γίνεται μέσω μιας σφαίρας, για να αποφευχθεί το φαινόμενο κορώνα. Ο διακόπτης που συνδέει τα δυο καλώδια είναι ουσιαστικά ένα διάκενο ράβδου - ράβδου με σφαιρικά ηλεκτρόδια. Η μια ράβδος είναι σταθερή, ενώ η άλλη κινείται και πλησιάζει ή απομακρύνει τα ηλεκτρόδια. Η κίνηση της ράβδου πραγματοποιείται με τη βοήθεια κινητήρα, ο χειρισμός του οποίου γίνεται από απόσταση μέσω μιας κονσόλας χειρισμού. Η λειτουργία του διακόπτη έχει ως εξής: Αρχικά ο διακόπτης είναι ανοικτός, η πρώτη γραμμή είναι φορτισμένη υπό τάση V και η δεύτερη γραμμή αφόρτιστη. Όταν, μέσω του συστήματος κίνησης της μιας ράβδου πλησιάσουμε τα ηλεκτρόδια, το φορτισμένο καλώδιο των 12 m εκφορτίζεται στο μεγαλύτερο καλώδιο και παράγει ένα τετραγωνικό παλμό 185 ns, που οδεύει κατά μήκος του δεύτερου καλωδίου και φτάνει στην ακίδα. Η διάρκεια του παλμού εξαρτάται από το μήκος του πρώτου καλωδίου. Πιο αναλυτικά, όταν ο διακόπτης κλείσει, παλμός τάσης V/2 οδεύει κατά μήκος του καλωδίου των 30 m, ενώ ταυτόχρονα παλμός τάσης ίσος με V/2 οδεύει μέσω του πρώτου καλωδίου προς τη γεννήτρια. Μόλις φτάσει στην γεννήτρια, ο παλμός ανακλάται χωρίς αντιστροφή φάσης και μηδενίζει το δυναμικό της γραμμής. 'Ετσι όταν ο παλμός ξαναφτάσει στον διακόπτη, που παραμένει κλειστός, ο παλμός στο καλώδιο των 30 m μηδενίζεται. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται παλμός με διάρκεια 2l C v C (sec), όπου l C το μήκος του αρχικά φορτισμένου καλωδίου και v C η ταχύτητα του παλμού. Tο μέγεθος του παλμού εξαρτάται από την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης. 'Οταν ο παλμός με ύψος V/2 φτάσει στην αντίσταση προσαρμογής των 50 Ω, εφαρμόζεται παλμός τάσης ύψους V/4 στο φορτίο προσαρμαγής (αντίσταση) και παλμός τάσης ύψους V/4 62

65 στην ακίδα. Η αντίσταση προσαρμογής είναι κατασκευασμένη από 4 αλυσίδες αντιστάσεων άνθρακα σε σειρά. Η κάθε αλυσίδα αποτελείται από 5 αντιστάσεις των 39 Ω και μια των 5 Ω. Στα πειράματα μας, εφαρμόζουμε επιβολή τετραγωνικού παλμού στο διάκενο κάθε 10 sec περίπου ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Η τροφοδοσία της υψηλής τάσης γίνεται μέσω μιας γεννήτριας παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης -125 kv της εταιρίας GLASSMAN (εικόνα 2.5). Η ρύθμιση της τιμής της επιβαλλόμενης τάσης γίνεται μέσω του περιστροφικού ποτενσιόμετρου της γεννήτριας, ενώ υπάρχει ψηφιακή οθόνη ένδειξης της τάσης εξόδου της γεννήτριας, η οποία δείχνει ανά πάσα στιγμή την τιμή της τάσης. Η μεταβολή τιμής της τάσης γίνεται ανά 1 kv. Η γεννήτρια έχει προστασία από τα υπερρεύματα μέσω μιας διάταξης που διακόπτει το κύκλωμα όταν το ρεύμα ξεπεράσει την τιμή ασφαλείας που καθορίζεται από τον χρήστη. Ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης και στη γεννήτρια παρεμβάλλεται μια αντίσταση 282 kω για τον περαιτέρω περιορισμό του ρεύματος και την ομαλότερη λειτουργία της γεννήτριας. Εικόνα 2.5. Γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης -125 kv GLASSMAN HIGH VOLTAGE INC. MODEL: PS/PK125R030-CE REVERSIBLE POLARITY SERIAL: M

66 Πίνακας 2.3 Προδιαγραφές γεννήτριας παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης -125 kv OUTPUT VOLTAGE (kv) OUTPUT CURRENT (ma) MΕΤΡΗΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ Η μέτρηση του εφαρμοζόμενου τετραγωνικού παλμού γίνεται με τη βοήθεια αυτοσχέδιου χωρητικού καταμεριστή τάσης (σχήμα 2.3), ο οποίος είναι κατασκευασμένος ως εξής: Σε απόσταση μισού μέτρου από την ακίδα στην άκρη του καλωδίου αφαιρέθηκε ένα κομμάτι της εξωτερικής μόνωσης του καλωδίου μήκους 3 cm, στη συνέχεια κόπηκε ο μανδύας του καλωδίου, χωρίς όμως να αφαιρεθεί και τυλίχθηκε λεπτό φύλλο χαλκού γύρω από το μονωτικό του καλωδίου. 'Ετσι, ανάμεσα σε αυτό και στον κεντρικό αγωγό του καλωδίου προέκυψε ο πυκνωτής υψηλής τάσης του χωρητικού καταμεριστή C 1, με διηλεκτρικό την εσωτερική μόνωση του καλωδίου. Ως πυκνωτής χαμηλής τάσης C 2, χρησιμοποιήθηκε η χωρητικότητα του καλωδίου που οδεύει στον παλμογράφο, σε σειρά με ειδικό θωρακισμένο κιβώτιο με χωρητικότητα κατάλληλης τιμής, ώστε να απαλλάσσεται το σήμα από τον θόρυβο και να είναι δυνατή η ευκρινής απεικόνισή του στον παλμογράφο (εικόνα 2.6). Εικόνα 2.6. Παλμογράφος. 64

67 Πυκνωτής Υ.Τ χωρητικού καταμεριστή τάσεως. Plastic Insulation Braid Polythene Conductor Brass Strip Tape 4.0 pf 50 Ω 4.7nF DSO Σχήμα 2.3. Χωρητικός καταμετρητής τάσης Επειδή η πρόοδος του νηματίου σχετίζεται με την εκπομπή φωτός, ειδικά από την κεφαλή του, το νημάτιο παρακολουθείται με δυο φωτοπολλαπλασιαστές 9781Β της THORN ΕΜI, που παρέχουν κάθετη εποπτεία 0.6 cm ο καθένας, κατά μήκος του διακένου (εικόνα 2.7). Οι φωτοπολλαπλασιαστές τροφοδοτούνται από κατάλληλα αυτοσχέδια τροφοδοτικά με τάση γύρω στα 1000 V και δίνουν έξοδο, μέσω μιας σύνθετης αντίστασης προσαρμογής 50 Ω στον παλμογράφο. Ο ένας φωτοπολλαπλασιαστής στοχεύει στο ηλεκτρόδιο της ανόδου και ο άλλος σε αυτό της καθόδου. Τα σήματα των φωτοπολλαπλασιαστών απεικονίζονται ταυτόχρονα στον παλμογράφο, οπότε από τη μέτρηση της μεταξύ τους απόστασης προκύπτουν τα διάφορα ζητούμενα μεγέθη. Εικόνα 2.7. Φωτοπολλαπλασιαστές. 65