Επίδραση Μονωτικής Επικάλυψης στη ιηλεκτρική Συµπεριφορά ιάκενων Ακίδας-Πλάκας Υπό Θετικές Κρουστικές Τάσεις Μ. Α. Ζήνωνος Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πολυτεχνική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα mazinono@auth.gr Περίληψη Σκοπός της εργασία είναι η πειραµατική διερεύνηση της επίδρασης µονωτικής επικάλυψης ενός ηλεκτροδίου στην διηλεκτρική συµπεριφορά διακένου ακίδας-πλάκας υπό θετικές κρουστικές τάσεις. Η κατανοµή της πιθανότητας διάσπασης προσδιορίστηκε µε την µέθοδο επιπέδων τάσης και ο χρόνος και η τάση διάσπασης µετρήθηκαν σε σχέση µε το µήκος του διακένου. Σηµείο αναφοράς των µετρήσεων ήταν τα απλά διάκενα όπου το ηλεκτρόδιο δεν ήταν καλυµµένο µε µονωτική επικάλυψη. Παρατηρείται αύξηση στη διηλεκτρική αντοχή των διακένων µε τη χρήση της µονωτικής επικάλυψης, ειδικότερα υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Η επίδραση της κυµατοµορφής της επιβαλλόµενης τάσης περιορίζεται µε την χρήση της επικάλυψης.. Εισαγωγή Η µόνωση αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για κάθε σύστηµα και εξοπλισµό υψηλής τάσης, αφού µε την αντοχή της εξασφαλίζεται η εύρυθµη λειτουργία των. Στον σύγχρονο εξοπλισµό υψηλών τάσεων επιβάλλεται αύξηση στην αποτελεσµατικότητα της µόνωσης και ταυτόχρονη µείωση στις διαστάσεις του εξοπλισµού λαµβάνοντας υπόψη τις αυξηµένες περιβαλλοντικές απαιτήσεις της εποχής µας. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση διάφορων επικαλύψεων [], όπως η εποξική ρητίνη, το πολυτετραφθοροαιθυλένιο ή τεφλόν και άλλα. Η προς εξέταση µονωτική επικάλυψη, εποξική ρητίνη, προσφέρει αύξηση της διηλεκτρικής αντόχης και µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µονώσεις αερίου. Ειδικότερα, η επίδραση αυτή της επικάλυψης κρίνεται ιδιαίτερα σηµαντική λόγω της ανάγκης αύξησης της αποτελεσµατικότητας της µόνωσης δίχως την αύξηση του µήκους διακένου. Ως παράδειγµα αναφέρονται οι υποσταθµοί όπου επιτυγχάνεται εξαιρετική συµπεριφορά των µονόσεων µε µειωµένες διαστάσεις []. Επιπλέον η εφαρµογή τέτοιων συστηµάτων µόνωσης έχει και οικολογικές ωφέλειες, αφού θα µπορούσε να µειώσει τη χρήση SF [-], το οποίο συµβάλει στο φαινόµενο του θερµοκηπίου.. Πειραµατική ιάταξη Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε ήταν ένα διάκενο ακίδας πλάκας., όπου η ακίδα µε τετραγωνική απόληξη και διάµετρο mm, επικαλύφθηκε µε µόνωση εποξικής ρητίνης µε σχετική διηλεκτρική σταθερά.9, µήκους.cm και πάχους mm (σχ.). Τα διάφορα µήκη διακένου που µελετήθηκαν είναι.,,.,,. και cm. Τα αποτελέσµατα από τη µελέτη των απλών διακένων χρησιµοποιήθηκαν ως αναφορά, για την επίδραση της επικάλυψης. Επιβλήθηκαν δύο είδη θετικών κρουστικών τάσεων, εξωτερικές κρουστικές τάσεις και εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Για την παραγωγή θετικών Κρ.Υ.Τ χρησιµοποιήθηκε διβάθµια και τετραβάθµια γεννήτρια Marx, οι οποίες συναρµολογήθηκαν από εναλλάξιµα στοιχεία υψηλών τάσεων που διαθέτει το εργαστήριο. Σχήµα. Σχηµατικό διάγραµµα ηλεκτροδίου µε επικάλυψη, οι τιµές είναι σε mm, το µήκος διακένου συµβολίζεται µε L. Η κυµατοµορφή της παραγόµενης Κρ.Υ.Τ µετρήθηκε µέσω χωρητικού καταµεριστή τάσης και παλµογράφου.
Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής διάσπασης που µελετήθηκαν ήταν η τάση και ο χρόνος διάσπασης καθώς και η διαδροµή του ηλεκτρικού σπινθήρα. Σε κάθε επιβολή της τάσης µετρήθηκε η τιµή του ηλεκτρικού πεδίου στην πλάκα µεσω ενός δοκιµαστήρα Meek and Collins [] και ψηφιακού παλµογράφου. Από τα παλµογραφήµατα του πεδίου στην πλάκα, µετρήθηκε ο χρόνος διάσπασης του διακένου «t b», ενώ µε αντικατάσταση του χρόνου διάσπασης στη διπλεκθετική εξίσωση που αντιστοιχεί στην παραγόµενη κυµατοµορφή υπολογίστηκε η στιγµιαία τάση διάσπασης «U b». Η διαδροµή του ηλεκτρικού σπινθήρα κατά τη διάσπαση παρατηρήθηκε οπτικά. Οι τεχνικές µέτρησης συµπληρώθηκαν µε φωτογραφίες προεκκενώσεων (αντοχή διακένου, σχ.) καθώς και ηλεκτρικής διάσπασης (σχ.). Η µέθοδος προσδιορισµού της τάσης διάσπασης που χρησιµοποιήθηκε ήταν η µέθοδος επιπέδων τάσεως γιατί παρουσιάζει το πλεονέκτηµα του προσδιορισµού ολόκληρης της καµπύλης πιθανότητας διάσπασης. Συγκεκριµένα εφαρµόστηκαν επιβολές (m=) ανά επίπεδο τάσης και κατά συνέπεια η πιθανότητα διάσπασης του διακένου για το συγκεκριµένο επίπεδο τάσης προέκυπτε ως p(u i )= d i /, όπου d i o αριθµός διασπάσεων για το i-οστο επίπεδο. Η χρονική διάρκεια µεταξύ των επιβολών ήταν sec. Ως πρώτο επίπεδο τάσης επιλεγόταν αυτό µε πιθανότητα p(u )= και ως τελευταίο αυτό µε p(u i )=. Με τον τρόπο αυτόν προέκυπτε η καµπύλη πιθανότητας διάσπασης, που στις περισσότερες περιπτώσεις προσεγγίζονταν ικανοποιητικά από την «κανονική» κατανοµή». Κατά συνέπεια υπολογιζόταν η % τάση διάσπασης, U, δηλαδή η τάση που αντιστοιχεί σε % πιθανότητα διάσπασης, καθώς και η τυπική απόκλιση σ. Για κάθε επίπεδο τάσης υπολογίστηκε ο µέσος όρος και η τυπική απόκλιση του χρόνου διάσπασης και της στιγµιαίας τάσης διάσπασης. Οι εφαρµοζόµενες τάσεις διορθώθηκαν σύµφωνα µε την IEC [] ως προς την πυκνότητα του αέρα. Οι ατµοσφαιρικές συνθήκες καταγράφονταν στην αρχή και τέλος της κάθε µέτρησης και ανά µία ώρα. Έγκυρη θεωρείται η µέτρηση κατά τη διάρκεια της οποίας η τιµή της απόλυτη υγρασίας δε µεταβάλλεται περισσότερο από ~ gr/m.. Πειραµατικά Αποτελέσµατα.. Τάση διάσπασης Σχήµα. Περίπτωση αντοχής του διακένου. Στο σχήµα απεικονίζονται ενδεικτικά οι καµπύλες πιθανότητας διάσπασης για κανονικές εξωτερικές και εσωτερικές κρουστικές τάσεις υπό θετική πολικότητα για διάκενο µήκους cm µε και χωρίς επικάλυψη στη ακίδα. Στα σχήµατα και παρατίθενται η % τάση διάσπασης και η τυπική απόκλιση σ όπως αυτές προέκυψαν από τις καµπύλες πιθανότητας διάσπασης. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής των διακένων, ιδιαίτερα υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις (σχ., ). Επίσης, η επίδραση της κυµατοµορφής της επιβαλλόµενης τάσης στη διηλεκτρική αντοχή των διακένων περιορίζεται µε τη χρήση της επικάλυψης. Συµπληρωµατικά αναφέρεται ότι αύξηση του µήκους διακένου οδηγεί σε µεγαλύτερη τάση διάσπασης σε όλες τις περιπτώσεις. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε µείωση της τυπικής απόκλισης σ της κατανοµής πιθανότητας διάσπασης υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις, ενώ αντιθέτως αύξηση της υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις (σχ. ). Σχήµα. ιαδροµή σπινθήρα και από αέρα και κατά µήκος της επικάλυψης.
% Πιθανότητα ιάσπασης % 9% 8% % % % % % % % % Τάση (kv) Σχήµα. Καµπύλες πιθανότητας διάσπασης, οι καµπύλες σχεδιάστηκαν µε βάση την κανονική κατανοµή. % Τάση ιάσπασης(kv)...... Σχήµα. % τάση διάσπασης συναρτήσει του µήκους διακένου, οι κάθετες γραµµές αντιστοιχούν σε σ. σ% 8...... Σχήµα. Τυπική τιµή απόκλιση της U συναρτήσει του µήκους διακένου.. Χρόνος και στιγµιαία τάση διάσπασης 8 % Τάση ιάσπασης...... % Τάση ιάσπασης...... Χρόνος διάσπασης(µs) % Τάση ιάσπασης...... Μήκος διακένου(m) % Τάση ιάσπασης...... Σχήµα. Χρόνος διάσπασης συναρτήσει του µήκους διακένου, οι κάθετες γραµµές αντιστοιχούν σε σ. % πιθανότητα διάσπασης για όλες τις περιπτώσεις. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί κατά κανόνα σε σηµαντικά µεγαλύτερους χρόνους διάσπασης υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις. Κάτι τέτοιο δεν παρατηρείται υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Στο σχήµα 8 παρουσιάζεται η στιγµιαία τάση διάσπασης συναρτήσει του µήκους διακένου σε επίπεδο τάσης που αντιστοιχεί σε % πιθανότητα διάσπασης. Ανατρέχοντας και στο σχήµα, προκύπτει ότι οι καµπύλες της στιγµιαίας τάσης διάσπασης είναι παρόµοιες µε αυτές της U. Το διάκενα µε επικάλυψη παρουσιάζουν µεγαλύτερες στιγµιαίες τάσεις διάσπασης και άρα µεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή, ειδικότερα για εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Παρόµοια συµπεριφορά της στιγµιαίας τάσης διάσπασης παρατηρείται και υπό εφαρµοζόµενες τάσεις που αντιστοιχούν σε % πιθανότητα διάσπασης. Στιγµιαία Τάση ιάσπασης (kv)......... Σχήµα 8. Στιγµιαία τάση διάσπασης συναρτήσει του µήκους διακένου, οι κάθετες γραµµές αντιστοιχούν σε σ. Στο σχήµα φαίνεται ο χρόνος διάσπασης για εφαρµοζόµενες τάσεις που αντιστοιχούν σε % και
.. ιαδροµή ηλεκτρικού σπινθήρα Κατά τη διάρκεια των µετρήσεων καταγραφόταν η διαδροµή του ηλεκτρικού σπινθήρα κατά την διάσπαση στα διάκενα µε επικάλυψη στην ακίδα. Υπάρχουν τρεις πιθανές διαδροµές που µπορεί να ακολουθήσει ο σπινθήρας κατά την διάσπαση: ιαµέσου του αέρα µόνο, µακριά από την επικάλυψη Κατά µήκος της επιφάνειας της επικάλυψης. Συνδυασµός των προηγουµένων διαδροµών (Σχ. ). ιαπιστώθηκε ότι η διαδροµή του ηλεκτρικού σπινθήρα εξαρτάται από µια σειρά παραγόντων όπως η κυµατοµορφή της επιβαλλόµενης τάσης, το µήκος του διακένου. Υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις παρατηρήθηκε ότι η διαδροµή του ηλεκτρικού σπινθήρα ήταν κατά κύριο λόγο κατά µήκος της επιφάνειας της επικάλυψης ενώ υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις ο ηλεκτρικός σπινθήρας ακολουθούσε, κατά κύριο, διαδροµή διαµέσου του αέρα. Αναλυτικά ποσοστά παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Πίνακας. ιαδροµή ηλεκτρικού τόξου Μήκος LI(+) U LI(+) U διακένο Μ% Α% ΜΑ% Μ% Α% ΜΑ% υ.cm 8.. cm.cm 8 cm...cm 8. 8. cm 8.. Μήκος SI(+) U SI(+) U διακένο υ Μ% Α% ΜΑ% Μ% Α% ΜΑ%.cm....9.8 cm.......cm 9. 89. cm...8...cm.9..8 8..8 cm 9.. Συζήτηση Σε όλες τι περιπτώσεις και ειδικότερα υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις η τάση διάσπασης είναι σηµαντικά µεγαλύτερη στα διάκενα µε επικάλυψη στην ακίδα. (σχ. και ). Η αύξηση αυτή διακρίνεται καλύτερα στο σχήµα 9 όπου παρουσιάζονται οι λόγοι των U τόσο µεταξύ των διακένων µε και χωρίς επικάλυψη, όσο και µεταξύ των διαφορετικών κυµατοµορφών της επιβαλλόµενης τάσης. Στο σχήµα 9 παρατηρείται επίσης η διαφορετική επίδραση της επιβαλλοµένης κυµατοµορφής στα απλά Λόγοι των % Τάσεων ιάσπασης............. /. Απλό SI(+).Επικάλυψη /.Απλό. Απλο LI/SI. Επικάλυψη LI/SI...... Σχήµα 9. Λόγοι των % τάσεων διάσπασης διάκενα και στα διάκενα µε επικάλυψη. Συγκεκριµένα τα πρώτα εµφανίζουν µεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις ενώ τα δεύτερα υπό εσωτερικές. Επικαλύπτοντας την ακίδα, αυξάνεται η διαδροµή του ηλεκτρικού τόξου, οπότε είναι ενδιαφέρον να γίνει µια σύγκριση µεταξύ της τάσης διάσπασης των διακένων µε επικάλυψη µε διάκενα αέρα συνολικού µήκος ίσου µε αυτό που αντιστοιχεί από το πάνω µέρος της επικάλυψης έως την πλάκα. Αυτό γίνεται στο σχήµα όπου τα σηµεία που αντιστοιχούν στα διάκενα µε επικάλυψη µετατοπίζονται στον άξονα του µήκους του διακένου κατά το µήκος που αντιστοιχεί στην επιπλέον διαδροµή που προσφέρει η µόνωση. Ακόµη, η καµπύλης προσέγγισης των σηµείων που αντιστοιχούν στα απλά διάκενα προεκτείνεται ώστε να µπορεί να γίνει η παραπάνω σύγκριση. Στο σχήµα παρατηρείται ότι για τα διάκενα µε επικάλυψη η τάση διάσπασης υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις είναι ελαφρώς µεγαλύτερη από την τάση διάσπασης αντίστοιχου διακένου χωρίς επικάλυψη. Αυτό % Τάση ιάσπασης(kv) (τροποποιηµένο µηκος) (τροποποιηµένο µήκος)........ Σχήµα. % τάση διάσπασης, λαµβάνοντας υπόψη το µήκος της επικάλυψης
δεν ισχύει υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις όπου η αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής είναι πολύ µεγαλύτερη. Τα παραπάνω µπορούν να αποδοθούν αφενός στις διαφορές της επιφανειακής διάσπασης και της διάσπασης απλών διακένων αέρα, αφετέρου στο πραγµατικό µήκος του ηλεκτρικού σπινθήρα όπως αυτό προκύπτει από τη διαδροµή που αυτός ακολουθεί (Πίνακας ). Επιπρόσθετα, πιθανή επιφανειακή συγκέντρωση φορτίου λόγω των προεκκενώσεων µπορεί να επηρεάσει τη διηλεκτρική συµπεριφορά των διακένων µε επικάλυψη.. Συµπεράσµατα Από την πειραµατική διερεύνηση διακένων ακίδαςπλάκας µε µονωτική επικάλυψη στην ακίδα υπό θετικές κρουστικές τάσεις προκύπτουν ότι µε τη χρήση της µονωτικής επικάλυψης: Αυξάνεται η διηλεκτρική αντοχή ειδικότερα υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Περιορίζεται η επίδραση της κυµατοµορφής στη διηλεκτρική αντοχή. Εµφανίζονται γενικότερα µεγαλύτεροι χρόνοι διάσπασης για εξωτερικές κρουστικές τάσεις.. Αναφορές [] L. Ming, A. Jaksts, L. Rongsheng, F. Owmann, and M. Leijon: Recent trends within insulation systems for transmission and distribution apparatus, in Proc. of th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Vol., pp.89 8, June. [] T. Shioiri, J. Sato, T. Ozaki, O. Sakaguchi, T. Kamikawaji, M. Miyagawa, M. Homma and K. Suzuki: Insulation technology for medium voltage solid insulated switchgear, Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp. -, October. [] J. Sato, T. Shioru, M. Miyagawa, T. Yoshida and K. Yokokura: Composite insulation technology for new compact /8kV C-GIS, IEEE Transmission and Distribution Conference, Vol., pp. 89-9, April 999. [] N. Masaki, T. Yoshida, K. and Kato: Compact /kv C-GIS That Meets Space Saving Requirements Toshiba review, Vol., no 9, pp. 9-, 99. [] IEC -: High-voltage test techniques, Part : General definitions and requirements, 989 [] J.M. Meek, and M.M.C. Collins: Measurement of electric fields at electrode surfaces, Electronics Letters, Vol., p., 9