ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗΝ ΠΡΟΟ Ο ΘΕΤΙΚΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΛΕΙΟΥ ΚΥΛΙΝ ΡΙΚΟΥ ΜΟΝΩΤΗΡΑ ΕΠΟΞΙΚΗΣ ΡΗΤΙΝΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗΝ ΠΡΟΟ Ο ΘΕΤΙΚΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΛΕΙΟΥ ΚΥΛΙΝ ΡΙΚΟΥ ΜΟΝΩΤΗΡΑ ΕΠΟΞΙΚΗΣ ΡΗΤΙΝΗΣ ΓΕΩΡΓΙΑ ΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΜΑΥΡΕΠΗΣ ΗΜΗΤΡΙΟΣ Επιβλέπων Καθηγητής: Π.Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος...3 Εισαγωγή...4 Κεφάλαιο 1 ο Επιφανειακή διάσπαση στον ατµοσφαιρικό αέρα µέσω νηµατίου...7 Κεφάλαιο 2 ο Πειραµατική διαδικασία...15 Κεφάλαιο 3 ο Πειραµατικά αποτελέσµατα...30 Κεφάλαιο 4 ο Συζήτηση - Συµπεράσµατα και Προτάσεις για µελλοντική εργασία...55 Βιβλιογραφία...63 Πίνακας Συµβόλων

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το παρόν σύγγραµµα αποτελεί τη διπλωµατική εργασία που εκπονήθηκε στα πλαίσια 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 της υγρασίας στην πρόοδο θετικού νηµατίου κατά µήκος της επιφάνειας λείου κυλινδρικού µονωτήρα εποξικής ρητίνης. Τα χαρακτηριστικά του νηµατίου που µελετώνται είναι: Το ελάχιστο απαιτούµενο εφαρµοζόµενο πεδίο για την ευσταθή πρόοδό του, σε συνάρτηση µε την προσδιδόµενη ενέργεια µέσω ενός παλµού υψηλής τάσης. Η ταχύτητα προόδου του νηµατίου σε σχέση µε το εφαρµοζόµενο πεδίο και την ενέργεια που προσδίδεται από τον εφαρµοζόµενο παλµό τάσης. Η δοµή της διπλωµατικής εργασίας αναλύεται ως εξής: Το πρώτο κεφάλαιο περιλαµβάνει µια εισαγωγή στις βασικές θεωρητικές έννοιες της ηλεκτρικής διάσπασης στον αέρα καθώς και της επιφανειακής διάσπασης στερεών µονωτικών, ενώ γίνεται αναφορά στην επίδραση της υγρασίας στη διάσπαση όπως έχει εκτιµηθεί από προηγούµενες µελέτες. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει την πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε και τη διαδικασία των µετρήσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα µε τη βοήθεια διαγραµµάτων και γίνεται η ανάλυσή τους. Τα συµπεράσµατα που εξάγονται καθώς και οι προτάσεις για περαιτέρω µελλοντική έρευνα παρατίθενται στο τέταρτο κεφάλαιο. Τέλος, παρουσιάζεται όλη η σχετική βιβλιογραφία που χρησιµοποιήθηκε. Σε αυτό το σηµείο θα θέλαµε να εκφράσουµε τις ειλικρινείς και θερµές µας ευχαριστίες προς τον επιβλέποντα της διπλωµατικής εργασίας, κ. Π. Ν. Μικρόπουλο καθώς και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Λ. Τζήµκα, για την αµέριστη και πολύτιµη βοήθεια τους καθ' όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της. Παράλληλα, θα θέλαµε να εκφράσουµε τις ευχαριστίες µας προς τους καθηγητές της Εξεταστικής Επιτροπής. Τέλος εκφράζουµε την ευγνωµοσύνη και τις ευχαριστίες µας προς τις οικογένειες µας, για την αδιάλειπτη ηθική και υλική υποστήριξη καθώς και σε όσους µας στήριξαν σε όλη τη διάρκεια των σπουδών µας. Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2010 Γεωργιάδης Ιωάννης Μαυρεπής ηµήτριος 3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων αναπτύχθηκε κυρίως για να επιλύσει το πρόβληµα της οικονοµικότερης µεταφοράς µεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλες αποστάσεις. Σήµερα, αν και η κύρια χρήση των Υψηλών Τάσεων εξακολουθεί να είναι η ίδια, εντούτοις χρησιµοποιούνται σε πολλούς κλάδους της επιστήµης, όπως στην ιατρική, στις επιστήµες του περιβάλλοντος,στην τεχνολογία του διαστήµατος κ.α. 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 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 του µονωτικού και έχουµε διάσπαση. ιηλεκτρική 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.. Οι υψηλές απαιτήσεις ως προς την ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος που παρέχεται στους καταναλωτές έχουν οδηγήσει στη χρήση υψηλής απόδοσης και βελτιωµένων ιδιοτήτων µονωτικών υλικών τόσο στην παραγωγή, όσο και στη µεταφορά του ηλεκτρικού ρεύµατος υπό υψηλή τάση. Τα στερεά διηλεκτρικά παρουσιάζουν την υψηλότερη διηλεκτρική αντοχή από όλα τα µονωτικά, γι αυτό και αποτελούν βασικό και αναπόσπαστο τµήµα των µονώσεων και γενικότερα των διατάξεων υψηλής τάσης. Ο κύριος σκοπός των µονωτικών αυτών υλικών είναι να προσφέρουν προστασία, να αυξήσουν την αντοχή των συστηµάτων και να δράσουν ως µηχανική υποστήριξη τους. Αφού η παραγωγή και η κατανάλωση του ηλεκτρικού ρεύµατος σπάνια βρίσκονται 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. Για την επιλογή του κατάλληλου στερεού µονωτικού πρέπει κυρίως να ληφθούν υπόψη η υψηλή µονωτική ικανότητα, η χαµηλή διηλεκτρική σταθερά ώστε να παρουσιάζει µικρή χωρητικότητα, ο χαµηλός συντελεστής απωλειών και η υψηλή αντίσταση. 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 παρουσιάζουν δυσκολία στην κατασκευή, ιδιαίτερα σε µεγάλα µεγέθη. Για το λόγο αυτό η αντικατάσταση των κεραµικών µονωτήρων από µονωτήρες πολυµερών 4

5 υλικών είναι συµφέρουσα από όλες τις απόψεις. Αυτά τα νέα υλικά είναι εύκολα στην κατασκευή και παρέχουν µεγάλη ποικιλία στην επιλογή των ιδιοτήτων τους. Μπορούν π.χ. να σχεδιαστούν για να παρουσιάζουν αντοχή στο ηλιακό φως, στις µεταβολές της θερµοκρασίας ή να παρουσιάζουν ικανοποιητική συµπεριφορά σε ρυπασµένο περιβάλλον. Η διάδοση της χρήσης πολυµερών ως µονωτήρων έχει ως αποτέλεσµα την όλο και αυξανόµενη ανάγκη καλύτερης κατανόησης των χαρακτηριστικών των εκκενώσεων στην επιφάνεια των πολυµερών διηλεκτρικών υλικών. Παλαιότερα ο υπολογισµός των µονώσεων ενός δικτύου γινόταν µε βάση 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 ρύπανσης). Ουσιαστικά επικίνδυνες καταπονήσεις που µπορούν να θέσουν σε κίνδυνο τον εξοπλισµό των δικτύων υψηλής τάσης συµπεριλαµβανοµένων και των µονώσεων, οφείλονται στις διάφορες υπερτάσεις. Η προσπάθεια αντιµετώπισης αυτών των υπερτάσεων οδήγησε στη διεξαγωγή εργαστηριακών πειραµάτων καταπόνησης των µονώσεων µε εφαρµογή τυποποιηµένων κρουστικών τάσεων. 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), ωστόσο οι µηχανισµοί που διέπουν την υποβάθµιση, την καταπόνηση και τελικά τη διάσπαση τους δεν είναι ακόµα τελείως κατανοητοί. Λόγω του στοχαστικού χαρακτήρα του φαινοµένου της ηλεκτρικής διάσπασης και επειδή 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 αυτή 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 τις ατµοσφαιρικές συνθήκες 5

6 Στην παρούσα διπλωµατική εργασία διερευνήθηκε πειραµατικά η επίδραση της υγρασίας στην πρόοδο θετικού νηµατίου κατά µήκος της επιφάνειας λείου κυλινδρικού µονωτήρα εποξικής ρητίνης. 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 διάσπασή της. Τα χαρακτηριστικά του νηµατίου που µελετήθηκαν είναι: το ελάχιστο απαιτούµενο πεδίο για την ευσταθή πρόοδό του νηµατίου σε συνάρτηση µε την αρχική προσδιδόµενη ενέργεια µέσω ενός εφαρµοζόµενου παλµού υψηλής τάσης και η ταχύτητα προόδου του σε σχέση µε το εφαρµοζόµενο πεδίο και την ενέργεια που προσδίδεται στο νηµάτιο από τον εφαρµοζόµενο παλµό. ιαπιστώθηκε ότι η µεταβολή της υγρασίας επιδρά στις παραµέτρους του νηµατίου. Τα αποτελέσµατα της έρευνας είναι πρωτότυπα, συµπληρώνοντας το αντίστοιχο κενό που υπάρχει στη βιβλιογραφία και ίσως µε τη σειρά τους αποδειχθούν πολύτιµα για τη σχεδίαση βελτιωµένων µονώσεων υψηλής τάσης. 6

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΙΑΣΠΑΣΗ ΣΤΟΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟ ΑΕΡΑ ΜΕΣΩ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ 1.1 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΙΑΣΠΑΣΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΑΕΡΑ ΣΕ ΟΜΟΙΟΓΕΝΗ ΠΕ ΙΑ ΜΕ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΝΗΜΑΤΙΟΥ Σύµφωνα µε την περιγραφή του µηχανισµού διάσπασης του ατµοσφαιρικού αέρα σε οµοιογενή πεδία µε σχηµατισµό νηµατίου που παρουσιάζεται στο βιβλίο [1], για την εξήγηση της διάσπασης στα αέρια σε οµοιογενή πεδία και κάτω από συνεχή τάση είχε προταθεί αρχικά ο µηχανισµός του Townsend. Ορισµένα φαινόµενα όµως δεν ήταν δυνατό να εξηγηθούν µε βάση το µηχανισµό του Townsend και αυτό οδήγησε στην πρόταση της θεωρίας του µηχανισµού διάσπασης µε σχηµατισµό νηµατίου (streamer) από τους Meek [2] και Raether [3]. Ο 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. Η κεφαλή της στιβάδας αποτελείται κυρίως από ηλεκτρόνια, ενώ η ουρά της από τα κατά πολύ βραδύτερα θετικά ιόντα. Το σχήµα 1.1 δείχνει την επίδραση που έχει το χωρικό φορτίο µιας στιβάδας στο πεδίο του διακένου. Για ευκολία, τα χωρικά φορτία θεωρούνται σφαιρικά. Σχ. 1.1 : Μεταβολή του πεδίου κατά µήκος µιας στιβάδας [1]. 7

8 Κατά τον Meek [2], 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 1.2.a, έχει κωνικό σχήµα µε τη µεγαλύτερη συγκέντρωση θετικών ιόντων πλησίον της ανόδου. Εκεί προκαλεί αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και αν το πεδίο αποκτήσει αρκετά µεγάλη τιµή, ακολουθεί ισχυρός ιονισµός. ηµιουργείται 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 1.2.b). Έτσι, δηµιουργείται ένα αυτοπροωθούµενο αγώγιµο νηµάτιο, που κάποτε γεφυρώνει το διάκενο (σχήµα 1.2.c) και προκαλεί τη διάσπαση του. Σχ. 1.2 :Σχηµατισµός θετικού νηµατίου κατά Meek [1]. Η µετατροπή της αρχικής ηλεκτρονικής στιβάδας σε νηµάτιο µπορεί να γίνει, αν η τιµή E 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 E rx θεωρείται ότι τα θετικά ιόντα µε συνολικό φορτίο q, είναι συγκεντρωµένα σε µια σφαίρα µε ακτίνα r x στην κεφαλή της στιβάδας. Με αυτές τις προϋποθέσεις η τιµή της E rx στην ακτίνα r x ή r είναι: E 3 2 ( ) π r N q q10 [43 ]10 10 = = = (1.1) 2 2 x x e rx rq 2 2 x enx 4πε 0rx 4πε 0rx 3ε 0 όπου Ν x είναι η πυκνότητα των ιόντων ανά cm 3. 8

9 Σε µια απόσταση dx στο τέλος της διαδροµής x µιας στιβάδας, ο αριθµός των ιόντων που παράγονται είναι αe ax dx οπότε: N x ax ax = ae dx ae π r dx = π r (1.2) 2 2 x x και αντικαθιστώντας το N x µε την τιµή του από την προηγούµενη εξίσωση: E rx 2 qa e 10 e 3επr 0 x ax = (1.3) Η ακτίνα r x είναι η ακτίνα της κεφαλής της στιβάδας όταν έχει διατρέξει απόσταση x και δίνεται από τη σχέση: x (1.4) rx = 2D v όπου ν_ η ταχύτητα της στιβάδας των ηλεκτρονίων και D ο συντελεστής διάχυσης. Με αντικατάσταση έχουµε ότι: E rx 2 ax qeα10 e = 3ε π 2D( x / v 0 ) (1.5) Γνωρίζοντας λοιπόν τις τιµές για την ταχύτητα των ηλεκτρονίων ν_ και τον συντελεστή διάχυσης D, για τον ατµοσφαιρικό αέρα και αντικαθιστώντας στην εξίσωση βρίσκεται η τιµή του πεδίου σε V/cm : E rx ae αx 7 = 5.27x10 (1.6) x / p Η ελάχιστη τάση διάσπασης βρίσκεται, όταν το κριτήριο για το σχηµατισµό του νηµατίου, Ε m = Ε rx, ικανοποιείται µόλις η αρχική στιβάδα διανύσει το διάκενο. Αν λοιπόν θεωρηθεί ότι είναι Ε m = Ε rx και x = d, τότε η εξίσωση λογαριθµούµενη γίνεται: a E 1 d α d + ln = ln + ln (1.7) p p 2 p Η εξίσωση αυτή µπορεί να λυθεί αν οι τιµές του α/p είναι γνωστές. Με ανάλογο τρόπο ο Raether [3] θεώρησε για το αρνητικό νηµάτιο (από κάθοδο προς άνοδο) ότι το κριτήριο για τη δηµιουργία και εξέλιξη του νηµατίου περιγράφεται από τη σχέση: ad = ln d (1.8) 9

10 Ο Raether [4] 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 αd = 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 µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να περιγράψει τη διάσπαση ενός οµοιογενούς διακένου. Η αρχική στιβάδα µετασχηµατίζεται σε νηµάτιο, όταν ο αριθµός των ηλεκτρονίων στην κεφαλή της ξεπεράσει τον κρίσιµο αριθµό των Αφού λοιπόν όταν ικανοποιείται το κριτήριο Townsend, ο αριθµός των ηλεκτρονίων της στιβάδας είναι ίσος µε 1/γ, έπεται ότι για να γίνει διάσπαση µε το µηχανισµό νηµατίου θα πρέπει να ισχύει η ανισότητα: γ (1.9) Από την εξίσωση (1.9) 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. 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 [3]. Είναι γενικά αποδεκτό ότι στην περίπτωση ανοµοιογενών διακένων, τα νηµάτια αρχίζουν να σχηµατίζονται στην ίδια τιµή του πεδίου. 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 [5] 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 [6], στηριζόµενος στις εργασίες των Dawson και Winn[7] και Phelps [8] πρότεινε ότι για να µπορεί ένα νηµάτιο να αναπτύσσεται σταθερά πρέπει να ικανοποιείται η 10

11 παρακάτω εξίσωση που καθορίζει το ισοζύγιο ενεργειών µέσα και γύρω από την κεφαλή του νηµατίου: Wl = W pot +W g (1.10) όπου Wl είναι οι συνολικές απώλειες ενέργειας κατά τη διάρκεια της δηµιουργίας νέων στοιβάδων, W 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 [7] και αργότερα την επιβεβαίωση των Hartmann and Gallimberti [9], 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 στιβάδων [9]. Για να εξασφαλιστεί εποµένως η σταθερή ανάπτυξη των νηµατίων σε ένα διάκενο απαιτείται το ηλεκτρικό πεδίο να έχει µία ελάχιστη κρίσιµη τιµή. 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 [10, 11] 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 [12] µελετώντας ένα οµοιογενές διάκενο τριών ηλεκτροδίων, πρότειναν ότι στο δεξιό τµήµα της εξίσωσης (1.10) 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 = W pot +W g +W p (1.11) 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 p, ώστε να συνεχίσει να ικανοποιείται η εξίσωση (1.11). Αντίστροφα, όσο µεγαλύτερη είναι η συνεισφορά του παλµού W p, τόσο µικραίνει η απαιτούµενη ενέργεια του πεδίου προκειµένου να προοδεύσει το νηµάτιο στο διάκενο. 11

12 1.2 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΙΑΣΠΑΣΗ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ Στην επιφανειακή διάσπαση, δεν διασπάται το ίδιο το στερεό µονωτικό αλλά ο αέρας κατά µήκος της επιφάνειας του. Ένας στερεός µονωτήρας σε διάκενο µε αέριο διηλεκτρικό, δεν επηρεάζει την τάση διάσπασης του αερίου, όταν η επιφάνεια 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 στιβάδα, η οποία εφόσον η ένταση του εφαρµοζόµενου ηλεκτρικού πεδίου είναι ίση µε αυτήν του ακτινικού ηλεκτρικού πεδίου στην κεφαλή της λόγω του φορτίου της [2], µπορεί να µετατραπεί σε νηµάτιο. Το νηµάτιο, µία ακολουθία ηλεκτρονικών στιβάδων, αναπτύσσεται κατά µήκος της επιφάνειας των µονωτήρων 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 στιβάδες 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 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. 12

13 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 [13] παρουσίασαν αποτελέσµατα σχετικά µε την ανάπτυξη των νηµατίων στην επιφάνεια µονωτήρων σε οµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Μετρήθηκαν οι βασικές παράµετροι των νηµατίων, όπως το αναγκαίο για ευσταθή πρόοδο ηλεκτρικό πεδίο και η ταχύτητα προόδου, και έγινε σύγκριση µε την περίπτωση του αέρα [12]. Έχει αποδειχθεί ότι το απαιτούµενο ηλεκτρικό πεδίο για ευσταθή πρόοδο και η αντίστοιχη ταχύτητα είναι και τα δύο υψηλότερα όταν το νηµάτιο προοδεύει κατά µήκος µιας µονωτικής επιφάνειας παρά στον αέρα µόνο. Αυτό συµβαίνει διότι οι απώλειες ενέργειας της προόδου του νηµατίου κατά µήκος της επιφάνειας του µονωτήρα είναι µεγαλύτερες από ότι στην περίπτωση που υπάρχει µόνο αέρας και διότι στην κεφαλή του νηµατίου λαµβάνει χώρα αποδοτικότερος ιονισµός εξαιτίας της φωτοηλεκτρικής εκποµπής από την επιφάνεια του µονωτικού [14,15,16]. Παρόλα αυτά η προσάρτηση ιόντων στην επιφάνεια θεωρείται ως ανταγωνιστικός µηχανισµός [14]. Σύµφωνα µε τους Allen και Mikropoulos [13] η σειρά των ταχυτήτων σε πεδία υψηλότερα από τα πεδία για ευσταθή πρόοδο ( overfileds ), σαν συνάρτηση του διηλεκτρικού είναι διαφορετική από αυτήν στο ελάχιστο ηλεκτρικό πεδίο για την ευσταθή πρόοδο του νηµατίου. Για πεδία λίγο µεγαλύτερα από τα πεδία για ευσταθή πρόοδο ( low overfields ), στα οποία προοδεύει το νηµάτιο µε την παρουσία του µονωτικού, παρατηρείται η ανάπτυξη δύο συνιστωσών νηµατίου, η επιφανειακή και αυτή του αέρα. Η ταχύτητα της συνιστώσας του αέρα είναι σχεδόν ίση µε την ταχύτητα όταν υπάρχει µόνο αέρας χωρίς την επιπλέον προσφορά ενέργειας µέσω παλµού. Σε ακόµη 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 πρόοδος της παρακωλύεται από την ανάπτυξη της επιφανειακής συνιστώσας. 13

14 1.3 ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ 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. 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 [17], [18], [19], [20]. Στην εργασία [20] 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 ΡΤFΕ. ιαπιστώθηκε ότι η υγρασία δρα ανασταλτικά, τόσο στη ανάπτυξη του νηµατίου όσο και στην διαδικασία της διάσπασης. Στα διάκενα µε ανοµοιογενή πεδία και στις περιορισµένες σε έκταση περιοχές, που υπάρχει υψηλή ένταση ηλεκτρικού πεδίου, η συσσώρευση βαρέων µορίων Η 2 O εµποδίζει την κίνηση των ηλεκτρονίων και των θετικών και αρνητικών ιόντων δυσκολεύοντας έτσι τον σχηµατισµό και την πρόοδο των ηλεκτρονικών στιβάδων. 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. 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ 2.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ Η πειραµατική διάταξη τριών ηλεκτροδίων που χρησιµοποιήθηκε σε αυτή την εργασία φαίνεται στο σχήµα 2.1 και βρίσκεται στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων 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 άξονας της να είναι κάθετος στο επίπεδο 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 χρησιµοποιηθεί 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 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 διάρκεια τους µπορούν να µεταβάλλονται, αφού εξαρτώνται από τα στοιχεία της γεννήτριας. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα διπλωµατική χρησιµοποιήθηκε και κατά την εκπόνηση προηγούµενης διπλωµατικής [21]. 15

16 - HVDC 12 cm Σχ. 2.1 : Σχηµατική πειραµατική διάταξη, η απόσταση µεταξύ των ηλεκτροδίων είναι 12 cm ΗΛΕΚΤΡΟ ΙΑ - ΑΚΙ Α - 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 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 στήριξης, ακµής 1.23 m, κατασκευασµένο από ράβδους χάλυβα (εικόνα 2.2). 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. 16

17 Εικόνα 2.1 : ιάκενο παράλληλων πλακών Εικόνα 2.2 : Στο εσωτερικό διακρίνεται ο κυβικός µεταλλικός κλωβός στήριξης ακµής 1.23 m. 17

18 2.1.2 ΜΟΝΩΤΗΡΑΣ ΕΠΟΞΙΚΗΣ ΡΗΤΙΝΗΣ Ο µονωτήρας που χρησιµοποιήθηκε είναι κατασκευασµένος από εποξική ρητίνη (epoxy resin - ER). Το ύψος του είναι 12 cm και η διάµετρός του 6 cm. Ο τύπος του υλικού είναι epoxy 305 και µε βάση τις οδηγίες για την κατασκευή του µονωτήρα τηρήθηκε αναλογία δύο ποσοτήτων ρητίνης προς µία του σκληρυντικού κατά όγκο. Η εποξική ρητίνη είναι ένα θερµοσκληρυνόµενο πολυµερές που σχηµατίζεται από την αντίδραση δύο διαφορετικών χηµικών. Αυτά αναφέρονται ως «ρητίνη» και «σκληρυντικό». Η ρητίνη αποτελείται από µονοµερή ή µικρής αλυσίδας πολυµερή µε µία εποξική ένωση στο τέλος τους. Συνηθέστερα η εποξική ρητίνη παράγεται από την αντίδραση µεταξύ επιχλωρουδρίνης και βισφαινόλης-α. Σπανιότερα η τελευταία αντικαθίσταται από άλλα παρόµοια χηµικά. Το σκληρυντικό αποτελείται από πολυαµινικά πολυµερή, όπως η τριαιθυλενετετραµίνη (ΤΕΤΑ). Όταν ρητίνη και σκληρυντικό αναµιχθούν, οι αµινικές ενώσεις αντιδρούν µε τις εποξικές για να σχηµατιστεί ένας οµοιοπολικός δεσµός. Κάθε ένωση αζώτουυδρογόνου ΝΗ µπορεί να αντιδράσει µε µία εποξική ένωση και να σχηµατίσει ένα άκαµπτο και ανθεκτικό πολυµερές. Η διαδικασία του πολυµερισµού µπορεί να ελεγχθεί µέσω της θερµοκρασίας και της ποσότητας ρητίνης-σκληρυντικού και διαρκεί από λίγα λεπτά έως µερικές ώρες. Η εποξική ρητίνη βρίσκει ευρεία χρήση σαν µέσω επίστρωσης, συγκόλλησης και σαν µονωτικό υλικό. Η ποικιλία πολυµερισµού της, δίνει στο υλικό µεγάλο εύρος ιδιοτήτων. Χαρακτηριστική είναι η εξαιρετική ικανότητα συγκόλλησης, η υψηλή χηµική και θερµική αντίσταση, οι εξαιρετικές µηχανικές ιδιότητες και η άριστη µονωτική ικανότητα της. Οι εποξικές ρητίνες βρίσκουν εφαρµογή σαν συγκολλητικό υλικό στην αεροναυπηγική, στην αυτοκινητοβιοµηχανία και γενικά σε κατασκευές που απαιτούν ισχυρή και απαιτητική συγκόλληση. Λόγω της άριστης µονωτικής της ικανότητας η εποξική ρητίνη χρησιµοποιείται ευρέως σε ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήµατα. Χαρακτηριστική είναι η χρήση της σε κινητήρες, γεννήτριες, µετασχηµατιστές κλπ. Γενικά προστατεύει τα ηλεκτρικά στοιχεία από βραχυκύκλωµα, από τη σκόνη και την υγρασία. Η µηχανική της αντοχή είναι επίσης ένα στοιχείο που εξυπηρετεί την χρήση της ως µέσο µόνωσης. Οι ηλεκτρικές και µηχανικές ιδιότητες του µονωτήρα που χρησιµοποιήθηκε φαίνονται στον παρακάτω τεχνικό φυλλάδιο: 18

19 19

20 2.1.3 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 [22], η οποία 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. 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 2.1. Σχ. 2.2 : Σύστηµα παραγωγής τετραγωνικών παλµών Πίνακας 2.1 : Προδιαγραφές καλωδίων RS UMR 67 COAXIAL CABLE BLACK SHEATH 50 m 50 Ω 100 pf/m Max 40 kv d.c. Max RF peakv 6.5 kv Attenuation: 100 MHz 1GHz 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 2.3) που χρησιµοποιείται είναι γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης ±30kV της εταιρίας GLASSMAN και έχει τη δυνατότητα µεταβολής της τάσης ανά 0.1 kv µέσω του 20

21 περιστροφικού ποτενσιόµετρου. ιαθέτει ψηφιακή οθόνη ένδειξης της εξόδου της και περιοριστή ρεύµατος που ρυθµίζεται από τον χειριστή. Τα χαρακτηριστικά της γεννήτριας φαίνονται στον πίνακα 2.2. Εικόνα 2.3 : Γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης ±30kV GLASSMAN HIGH VOLTAGE INC. MODEL: PS/FC30R REVERSIBLE POLARITY SERIAL: M Πίνακας 2.2 : Προδιαγραφές γεννήτριας παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης ±30 kv OUTPUT VOLTAGE (kv) OUTPUT CURRENT(mA) STORED ENERGY (J) OUTPUT CABLE 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. Η µια ράβδος είναι σταθερή, ενώ η άλλη κινείται. 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 21

22 γεννήτρια. Μόλις φτάσει στην γεννήτρια, ο παλµός ανακλάται χωρίς αντιστροφή φάσης και µηδενίζει το δυναµικό της γραµµής. Έτσι 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. Το µέγεθος του παλµού εξαρτάται από την τιµή της εφαρµοζόµενης τάσης. Όταν ο παλµός µε ύψος V/2 φτάσει στην αντίσταση προσαρµογής των 50 Ω, εφαρµόζεται παλµός τάσης ύψους V/4 στο φορτίο προσαρµογής (αντίσταση) και παλµός τάσης ύψους V/4 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 ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Η τροφοδοσία της υψηλής τάσης γίνεται µέσω µιας γεννήτριας παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης ±125 kv της εταιρίας GLASSMAN (εικόνα 2.4). 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 2.4 : Γεννήτρια παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης ±125 k\/ GLASSMAN HIGH VOLTAGE INC. MODEL: PS/PK125R030-CE REVERSIBLE POLARITY SERIAL: M Πίνακας 2.3 :Προδιαγραφές γεννήτριας παραγωγής συνεχούς υψηλής τάσης ±125 kv 22

23 OUTPUT VOLTAGE (kv) OUTPUT CURRENT (ma) ΜΕΤΡΗΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ 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. Έτσι, ανάµεσα σε αυτό και στον κεντρικό αγωγό του καλωδίου προέκυψε ο πυκνωτής υψηλής τάσης του χωρητικού καταµεριστή C1, µε διηλεκτρικό την εσωτερική µόνωση του καλωδίου. Ως πυκνωτής χαµηλής τάσης C2, 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 απεικόνιση του στον παλµογράφο (εικόνα 2.5). Εικόνα 2.5 : Ψηφιακός παλµογράφος 23

24 Σχ. 2.3 : Χωρητικός καταµεριστής τάσης Επειδή η πρόοδος του νηµατίου σχετίζεται µε την εκποµπή φωτός, ειδικά από την κεφαλή του, το νηµάτιο παρακολουθείται µε δυο φωτοπολλαπλασιαστές 9781Β της ΤΗΟRN ΕΜΙ, που παρέχουν κάθετη εποπτεία 0.6 cm ο καθένας, κατά µήκος του διακένου (εικόνα 2.6). 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 2.6 : Φωτοπολλαπλασιαστές 24

25 2.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Σκοπός των µετρήσεων είναι η µελέτη της επίδρασης της υγρασίας στην πρόοδο θετικού νηµατίου κατά µήκος του µονωτήρα ER. Η πειραµατική διαδικασία περιλαµβάνει τις εξής τρείς µετρήσεις: Υπολογισµός της πιθανότητας προόδου νηµατίου και των ελάχιστων πεδίων για έναρξη προόδου, για πρόοδο µε πιθανότητα 50 % και για ευσταθή πρόοδο νηµατίου. Υπολογισµός της ταχύτητας για ευσταθή πρόοδο του νηµατίου. Μέτρηση της ταχύτητας του νηµατίου σε πεδία µεγαλύτερα από αυτά της ευσταθούς προόδου (overfields). Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν σε φυσικά µεταβαλλόµενες ατµοσφαιρικές συνθήκες στο διάστηµα µεταξύ Μαρτίου και Οκτωβρίου του 2010 µε σκοπό την κάλυψη ενός µεγάλου εύρους απόλυτης υγρασίας το οποίο κυµάνθηκε από 11 έως 22 g/m 3. Η κάθε πειραµατική µέτρηση διεξήχθη σε όσο το δυνατόν συντοµότερο χρονικό διάστηµα ώστε να εξασφαλιστεί η µικρότερη δυνατή µεταβολή της υγρασίας. Σε περίπτωση µεταβολής της απόλυτης υγρασίας µεγαλύτερης του 1,5 g/m 3 η µέτρηση θεωρούνταν άκυρη. Η γνώση της ατµοσφαιρικής πίεσης σε κάθε πείραµα εξυπηρετούσε στον υπολογισµό του συντελεστή διόρθωσης της πυκνότητας του αέρα δ µέσω του τύπου [23]: Όπου : p η ατµοσφαιρική πίεση σε mmhg και δ = p T T η θερµοκρασία του χώρου σε Kelvin. Η ηλεκτρική πεδιακή ένταση E υπολογιζόταν µε βάση τον συντελεστή δ, την αρνητική dc τάση V που επιβαλλόταν κάθε στιγµή στο ηλεκτρόδιο της καθόδου και το µήκος του διακένου που ήταν σταθερά 12 cm σύµφωνα µε τον τύπο: V E = / δ 0.12 [ kv m] παραγράφους. Τα διαφορετικά είδη µετρήσεων που έγιναν περιγράφονται αναλυτικά στις επόµενες 25

26 2.2.1 ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΠΡΟΟ ΟΥ ΤΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ Η πιθανότητα προόδου του θετικού νηµατίου, δηλαδή ανάπτυξης και διάδοσης του σε ολόκληρο το µήκος του διακένου, έχει βρεθεί ότι αυξάνεται µε την αύξηση του εφαρµοζόµενου πεδίου και µάλιστα ακολουθεί κανονική κατανοµή. Για την εύρεση της πιθανότητας προόδου και ταχύτητας του νηµατίου µετρήθηκε ο χρόνος που έκανε το νηµάτιο να διαδοθεί από την άνοδο στην κάθοδο, για βαθµιαία αυξανόµενες τιµές του πεδίου µε βήµα 1 kv. Σύµφωνα µε τη µέθοδο των επιπέδων τάσης, οι τιµές του πεδίου αυξάνονται περίπου 2 % (που αντιστοιχεί σε βήµα 1 kv), από το ένα επίπεδο στο άλλο, µέχρι η πιθανότητα να µεταβληθεί από 0 σε 1. Για κάθε επίπεδο τάσης στο διάκενο, εφαρµόστηκαν 20 παλµοί στην ακίδα αρχίζοντας από την οριακή τιµή που δεν παρατηρείται καµία πρόοδος του νηµατίου (πιθανότητα 0%) µέχρι την τιµή πεδίου που το νηµάτιο διαδίδεται στο διάκενο µε πιθανότητα 1. Στο τελευταίο επίπεδο τάσης ελήφθησαν 40 τιµές αντί για 20. Επειδή η κατανοµή είναι κανονική [12], από κάθε κατανοµή υπολογίστηκε η µέση τιµή, Ε 50, και η τυπική απόκλιση σ του πεδίου. Επίσης υπολογίστηκαν τα πεδία προόδου νηµατίου µε πιθανότητα και 0.975, τα οποία ονοµάζονται "ελάχιστο πεδίο έναρξης προόδου του νηµατίου", E th (threshold) και "ελάχιστο πεδίο για ευσταθή πρόοδο του νηµατίου", E st (stability) [12]. Οι µετρήσεις αυτές έγιναν για τιµές του παλµού στην ακίδα από 3 kv έως 6 kv, µε βήµα 0.5 kv όµως για χαµηλό παλµό παρατηρήθηκε δυσκολία στο σχηµατισµό νηµατίου για αυτό και ορισµένες µετρήσεις ξεκινούν από εύρος παλµού στην ακίδα 3,5 ή 4 kv αντί 3 kv. Τα σχήµατα 2.4 και 2.5 απεικονίζουν δύο χαρακτηριστικά παλµογραφήµατα που δείχνουν το σήµα στον παλµογράφο, όταν δεν παρατηρείται πρόοδος του νηµατίου και όταν το νηµάτιο φτάνει στην κάθοδο αντίστοιχα. Για κάθε επίπεδο έντασης του εφαρµοζόµενου πεδίου και για συγκεκριµένο εύρος παλµού εφαρµόσθηκαν στην ακίδα, όπως προαναφέρθηκε, 20 παλµοί. Για κάθε ένα παλµό εµφανίζονταν στον παλµογράφο τα αντίστοιχα σήµατα από τους φωτοπολλαπλασιαστές της ανόδου και της καθόδου (Σχ. 2.4). Σε περίπτωση που το σήµα της καθόδου ήταν όπως απεικονίζεται στο Σχ. 2.4 θεωρούνταν ότι ξεκίνησε νηµάτιο από την άνοδο αλλά δεν έφτασε στην κάθοδο. Αντίθετα όταν το σήµα στον παλµογράφο είχε την µορφή του Σχ. 2.5 υπήρχε πρόοδος του νηµατίου και καταγραφόταν ο χρόνος που έκανε το νηµάτιο να διασχίσει το διάκενο ως η διαφορά των χρόνων στους οποίους το νηµάτιο εµφανίζεται στην άνοδο και στην κάθοδο αντίστοιχα. Στο τέλος των 20 επιβολών µε βάση τον αριθµό των προόδων υπολογιζόταν η πιθανότητα προόδου για το συγκεκριµένο πεδίο και το συγκεκριµένο εύρος παλµού και συνεχιζόταν η διαδικασία στο επόµενο επίπεδο έως ότου η πιθανότητα προόδου να έφθανε το 100 %. Κατόπιν άλλαζε το εύρος παλµού και η διαδικασία συνέχιζε. Τα παρακάτω παλµογραφήµατα αντιστοιχούν σε εύρος παλµού 6 kv και σε εντάσεις του εφαρµοζόµενου πεδίου ίσες µε 440 kv/m για το Σχ. 2.4 που δεν παρατηρείται πρόοδος νηµατίου και 473 kv/m για το Σχ. 2.5 που παρατηρείται πρόοδος. 26

27 Σχ. 2.4 : Σήµα παλµογράφου για πεδιακή ένταση 440 kv/m και εύρος παλµού 6 kv. Το ίχνος (1) αντιστοιχεί στο σήµα του φωτοπολλαπλασιαστή που στοχεύει στην άνοδο και το (2) στο σήµα του φωτοπολλαπλασιαστή που στοχεύει στη κάθοδο. Νηµάτιο ξεκινάει από την άνοδο (1) και δεν φτάνει στην κάθοδο (2). 420 ns Σχ. 2.5 : Σήµα παλµογράφου για πεδιακή ένταση 473 kv/m και εύρος παλµού 6 kv. Παρατηρείται ευσταθής πρόοδος νηµατίου. Το νηµάτιο ξεκινάει από την άνοδο και φτάνει ύστερα από 420ns στην κάθοδο. 27

28 2.2.2 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΥΣΤΑΘΟΥΣ ΠΡΟΟ ΟΥ ΤΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ Με βάση τα δεδοµένα που προέκυψαν από το πείραµα της προόδου του νηµατίου, καθώς και από τον υπολογισµό των πεδιακών εντάσεων E st, Ε 50 και E th που περιγράφηκε πιο πάνω, υπολογίστηκε η ταχύτητα ευσταθούς προόδου του νηµατίου V st και η τυπική της απόκλιση σ (%). Η ταχύτητα αυτή είναι η ταχύτητα του νηµατίου όταν στο διάκενο εφαρµόζεται πεδιακή ένταση ίση µε την ελάχιστη ένταση για ευσταθή πρόοδο του νηµατίου, E st. Όπως προαναφέρθηκε στο πείραµα της προόδου καταγράφηκαν όλοι οι χρόνοι που χρειάστηκε το νηµάτιο για να διασχίσει το διάκενο. Χρησιµοποιώντας τους χρόνους που αντιστοιχούσαν σε ένταση πεδίου ίση µε αυτή για ευσταθή πρόοδο του νηµατίου υπολογίστηκε η µέση ταχύτητα ευσταθούς προόδου για κάθε εφαρµοζόµενο παλµό στην ακίδα ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ ΣΕ ΠΕ ΙΑ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΑ ΑΠΟ ΑΥΤΑ ΤΗΣ ΕΥΣΤΑΘΟΥΣ ΠΡΟΟ ΟΥ Οι τιµές του χρόνου προόδου του νηµατίου µετρήθηκαν για διάφορα επίπεδα του εφαρµοζόµενου πεδίου από την περιοχή που αντιστοιχεί σε ευσταθή πρόοδο και πάνω µε τον τρόπο που φάνηκε στο Σχ Για κάθε επίπεδο τάσης έγιναν 20 µετρήσεις. Τα επίπεδα τάσης ξεκινούσαν από 54 kv και αυξάνονταν µε βήµα 6 kv, που αντιστοιχεί σε µια αύξηση του πεδίου κατά περίπου 50 kv/m, µέχρι τα 120 kv. Οι µετρήσεις έγιναν για τιµές εύρους παλµού στην ακίδα 3 kv, 4.5 kv και 6 kv. Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο µέσος χρόνος προόδου του νηµατίου, η µέση ταχύτητα προόδου και η τυπική απόκλιση σ, για κάθε εφαρµοζόµενο πεδίο και παλµό. Σε κάποιες περιπτώσεις οι µετρήσεις σταµατούσαν σε µικρότερα επίπεδα τάσης διότι εµφανίζονταν µη ελεγχόµενες συνεχείς διασπάσεις του διακένου.. Στο σχήµα 2.6 φαίνεται ένα τυπικό παλµογράφηµα αυτών των µετρήσεων για ένταση πεδίου ίση µε 659 kv/m και εφαρµοζόµενο παλµό 6 kv. Καθώς αυξάνονταν τα επίπεδα τάσης στον παλµογράφο παρουσιαζόταν και ένα δεύτερο νηµάτιο που έφτανε στην κάθοδο χωρίς όµως αντίστοιχη εµφάνιση δεύτερου νηµατίου στην άνοδο. Έχει βρεθεί στο παρελθόν ότι αυτό το φαινόµενο οφείλεται στην διακλάδωση του θετικού νηµατίου που ξεκινά από την ακίδα σε δύο συνιστώσες, µία που συνεχίζει να διασχίζει το διάκενο στην επιφάνεια του µονωτήρα (η επιφανειακή συνιστώσα) και µία που συνεχίζει µέσω του αέρα αποµακρυνόµενη από τον µονωτήρα (συνιστώσα του αέρα). Η διακλάδωση αυτή συµβαίνει συνήθως λίγο πριν την µέση του µονωτήρα [13]. Η επιφανειακή συνιστώσα φτάνει στην κάθοδο γρηγορότερα από αυτήν του αέρα η οποία διανύει µεγαλύτερη απόσταση. Στις µετρήσεις συµπεριλήφθηκε και η ταχύτητα της συνιστώσας του αέρα. Στο σχήµα 2.7 φαίνεται ένα τυπικό παλµογράφηµα της εµφάνισης των δύο συνιστωσών του νηµατίου για ένταση πεδίου ίση µε 761 kv/m και εφαρµοζόµενο παλµό 6 kv. 28

29 Σχ. 2.6 : Σήµα παλµογράφου των µετρήσεων ταχύτητας του νηµατίου όπου το πεδίο που εφαρµόζεται στο διάκενο έχει τιµή 659 kv/m και ο εφαρµοζόµενος παλµός 6 kv. Στην κάθοδο υπάρχει εµφάνιση µόνο της επιφανειακής συνιστώσας του νηµατίου. Σχ. 2.7 : Σήµα παλµογράφου των µετρήσεων ταχύτητας του νηµατίου όπου το πεδίο που εφαρµόζεται στο διάκενο έχει τιµή 761 kv/m και ο εφαρµοζόµενος παλµός 6 kv. Στην κάθοδο υπάρχει εµφάνιση τόσο της επιφανειακής συνιστώσας όσο και της συνιστώσας του αέρα του νηµατίου. 29

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1 ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΠΡΟΟ ΟΥ ΝΗΜΑΤΙΟΥ ιαγράµµατα πιθανότητας προόδου νηµατίου συναρτήσει του εφαρµοζόµενου πεδίου. Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα, καταστρώθηκαν τα διαγράµµατα πιθανότητας προόδου του νηµατίου σε συνάρτηση µε το εφαρµοζόµενο πεδίο στο διάκενο για όλες τις υγρασίες. Είναι διαγράµµατα προόδου νηµατίου για διαφορετικό ύψος παλµών για την κάθε υγρασία. Ενδεικτικά ακολουθούν τρία από αυτά τα διαγράµµατα για υγρασίες g/m 3, g/m 3 και g/m 3 : Πιθανότητα (p.u.) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 6 kv 5 kv 4 kv 3 kv 0, E/δ (kv/m) Σχ. 3.1: Πιθανότητα προόδου νηµατίου συναρτήσει του εφαρµοζόµενου πεδίου. Υγρασία h = g/m 3. Παράµετρος επίδρασης το εύρος παλµού. 30

31 Πιθανότητα (p.u.) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 6 kv 5 kv 4 kv 3 kv 0,2 0, E/δ (kv/m) Σχ. 3.2: Πιθανότητα προόδου νηµατίου συναρτήσει του εφαρµοζόµενου πεδίου. Υγρασία h = g/m 3. Παράµετρος επίδρασης το εύρος παλµού. Πιθανότητα (p.u.) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 6 kv 5 kv 4 kv 3 kv 0,2 0, E/δ (kv/m) Σχ. 3.3: Πιθανότητα προόδου νηµατίου συναρτήσει του εφαρµοζόµενου πεδίου. Υγρασία h =13.85 g/m 3. Παράµετρος επίδρασης το εύρος παλµού. 31

32 Από τα παραπάνω διαγράµµατα συµπεραίνεται ότι για µία συγκεκριµένη υγρασία η πιθανότητα προόδου του νηµατίου αυξάνεται µε την αύξηση του εφαρµοζόµενου ηλεκτρικού πεδίου στο διάκενο. Επίσης, η αύξηση του παλµού στην ακίδα οδηγεί παράλληλα σε αύξηση της πιθανότητας προόδου του νηµατίου για σταθερή τιµή πεδίου στο διάκενο ή αντίστροφα η µείωση του παλµού στην ακίδα απαιτεί υψηλότερο ηλεκτρικό πεδίο για την διατήρηση της ίδιας πιθανότητας προόδου του νηµατίου. Τα ίδια συµπεράσµατα προκύπτουν για όλες τις υγρασίες. Επιβεβαιώνεται εποµένως ότι η κατανοµή του µέσου πεδίου προόδου του νηµατίου µπορεί ικανοποιητικά να θεωρηθεί κανονική [24,25]. Ακολουθούν δύο διαγράµµατα στα οποία φαίνεται η πιθανότητα προόδου του νηµατίου συναρτήσει του πεδίου για τρεις διαφορετικές υγρασίες και για σταθερό εύρος παλµού. Στο πρώτο το εύρος παλµού είναι 6 kv και στο δεύτερο 4 kv. Οι πιθανότητες και στα δύο διαγράµµατα αντιστοιχούν σε υγρασίες g/m 3, g/m 3 και g/m 3 : 1 0,9 0,8 Πιθανότητα (p.u.) 0,7 0,6 0,5 0,4 0, g/m3 0, g/m3 0, g/m E/δ (kv/m) Σχ. 3.4: Πιθανότητα προόδου νηµατίου συναρτήσει του εφαρµοζόµενου πεδίου. Εύρος παλµού 6 kv. Παράµετρος επίδρασης η υγρασία. 32