ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Πανεπιστημιακές παραδόσεις ΠΑΝΤΕΛΗΣ Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ Επίκουρος Καθηγητής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Γενικά περί εργαστηρίων υψηλών τάσεων... 9 1.1. Εισαγωγή... 9 1.2. Κανόνες ασφάλειας και λειτουργίας εργαστηρίου υψηλών τάσεων... 9 1.2.1. Περίφραξη χώρου δοκιμών...9 1.2.2. Γειώσεις προστασίας... 10 1.2.3. Διεξαγωγή των πειραμάτων... 11 1.3. Εργαστήριο υψηλών τάσεων ΑΠΘ...12 1.3.1. Αποστολή του εργαστηρίου υψηλών τάσεων... 12 1.3.2. Δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων... 13 1.3.3. Επιπλέον στοιχεία εξοπλισμού και εγκαταστάσεων του εργαστηρίου... 14 2. Περιγραφή, κανονισμός ασφάλειας και λειτουργίας του εργαστηρίου υψηλών τάσεων ΑΠΘ... 17 2.1. Σκοπός της άσκησης...17 2.2. Στοιχεία θεωρίας...17 2.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός...21 2.4. Διεξαγωγή της άσκησης...21 3. Μετασχηματιστές δοκιμής και φαινόμενο Ferranti... 23 3.1. Σκοπός της άσκησης...23 3.2. Στοιχεία θεωρίας...23 3.2.1. Μετασχηματιστές δοκιμής... 23 3.2.2. Συνδεσμολογία και λειτουργία των μετασχηματιστών δοκιμής... 23 3.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός...26 3.4. Διεξαγωγή της άσκησης...26 3.5. Ερωτήσεις...27

4. Παραγωγή και μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων... 31 4.1. Σκοπός της άσκησης...31 4.2. Στοιχεία θεωρίας...31 4.2.1. Ορισμοί... 31 4.2.2. Παραγωγή εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων... 32 4.2.3. Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων... 32 4.2.3.1 Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με ωμικό καταμεριστή τάσης και ψηφιακό παλμογράφο...33 4.2.3.2 Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με χωρητικό καταμεριστή τάσης και ψηφιακό παλμογράφο...36 4.2.3.3 Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων μέσω σφαιρικών διακένων...41 4.2.3.4 Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων μέσω πυκνωτή μέτρησης (μέθοδος Chubb-Fortescue)...46 4.2.3.5 Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με χωρητικό καταμεριστή τάσης και ανορθωτικές διατάξεις (μέθοδος Davies-Bowdler-Standring)...48 4.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός...50 4.4. Διεξαγωγή της άσκησης...50 4.5. Ερωτήσεις...53 5. Παραγωγή και μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων... 55 5.1. Σκοπός της άσκησης...55 5.2. Στοιχεία θεωρίας...55 5.2.1. Ορισμοί... 55 5.2.2. Παραγωγή συνεχών υψηλών τάσεων... 56 5.2.2.1 Διάταξη απλής ανόρθωσης...56 5.2.2.2 Διάταξη Villard...58 5.2.2.3 Διάταξη Greinacher...59 5.2.2.4 Διάταξη Cockcroft-Walton...60 5.2.3. Μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων... 63 5.2.3.1 Μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων με αμπερόμετρο και αντίσταση υψηλής τάσης ή μέσω ωμικού καταμεριστή τάσης...63 5.2.3.2 Μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων μέσω σφαιρικών διακένων...64 5.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός...64 5.4. Διεξαγωγή της άσκησης...65 5.5. Ερωτήσεις...69 6. Παραγωγή και μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων... 71 6.1. Σκοπός της άσκησης...71 6.2. Στοιχεία θεωρίας...71 6.2.1. Ορισμοί... 72

6.2.2. Παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων... 74 6.2.3. Μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων... 79 6.2.3.1 Μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων μέσω καταμεριστών τάσης...79 6.2.3.2 Μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων μέσω σφαιρικών διακένων...80 6.2.3.3 Μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων μέσω κρουστικού βολτομέτρου...83 6.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός...83 6.4. Διεξαγωγή της άσκησης...84 6.5. Ερωτήσεις...86 7. Διερεύνηση της απόκρισης των καταμεριστών τάσης υπό κρουστικές υψηλές τάσεις... 87 7.1. Σκοπός της άσκησης...87 7.2. Στοιχεία θεωρίας...87 7.2.1. Απόκριση συστημάτων μέτρησης... 88 7.2.2. Επίδραση των αγωγών σύνδεσης... 89 7.2.3. Επίδραση του κλάδου υψηλής τάσης του καταμεριστή τάσης... 90 7.2.4. Επίδραση του κλάδου χαμηλής τάσης και του καλωδίου μέτρησης... 93 7.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός...97 7.4. Διεξαγωγή της άσκησης...98 7.5. Ερωτήσεις... 100 Παράρτημα: Στοιχεία εξοπλισμού του εργαστηρίου υψηλών τάσεων ΑΠΘ... 101

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η κύρια αποστολή ενός πανεπιστημιακού εργαστηρίου υψηλών τάσεων είναι η απόκτηση εργαστηριακής εμπειρίας στην τεχνολογία των υψηλών τάσεων από τους φοιτητές στο πλαίσιο της εκπαίδευσής τους. Οι φοιτητές ασκούνται στο αντικείμενο αυτό μέσω εργαστηριακών ασκήσεων, οι οποίες υποστηρίζουν και επεκτείνουν τη θεωρητική γνώση που αποκτάται από το μάθημα στην αίθουσα. Το παρόν σύγγραμμα αποτελεί μία προσπάθεια καταγραφής τυπικών εργαστηριακών ασκήσεων στις υψηλές τάσεις, οι οποίες καλύπτουν ποικίλα θέματα όπως τις μεθόδους παραγωγής και μέτρησης υψηλών τάσεων και τη συμπεριφορά των μονώσεων υπό υψηλή τάση. Οι εργαστηριακές ασκήσεις που παρουσιάζονται, είναι σχετικά απλές, δεν απαιτούν ιδιαίτερα ακριβό και σύνθετο εργαστηριακό εξοπλισμό και μεγάλο εργαστηριακό χώρο, υποστηρίζονται με τα α- παραίτητα στοιχεία θεωρίας για τη διεξαγωγή τους και με τη σχετική βιβλιογραφία για περαιτέρω ενασχόληση. Σημειώνεται ότι αντίστοιχο σύγγραμμα στη διεθνή βιβλιογραφία αποτελεί το εξαίρετο βιβλίο του Kind D. (1978), στην πιο πρόσφατη έκδοσή του των Kind, D., and Feser, K. (2001), ενώ στην ελληνική, εργαστηριακές ασκήσεις συγκεντρώνονται στο τέλος του βιβλίου του καθηγητή Ε.Μ.Π. Ι. Αθ. Σταθόπουλου Υψηλές Τάσεις Ι. Ένα εργαστήριο υψηλών τάσεων ανάλογα με τον προορισμό του μπορεί εξειδικεύεται σε δοκιμές ή/και στη ανάπτυξη εξοπλισμού υψηλής τάσης ή ακόμη αποκλειστικά στη βασική έρευνα. Το περιεχόμενο αυτού του συγγράμματος αποτελεί ουσιαστικά μόνον εισαγωγή στο εργαστήριο υψηλών τάσεων διότι κυρίως προσφέρει τα βασικά στοιχεία γνώσεων που πρέπει να αποκομίσει ένας φοιτητής κατά την εκπαίδευσή του ή που πρέπει να έχει ένας μηχανικός με εξειδίκευση στην ηλεκτρική ενέργεια. Ως εκ τούτου, στην πρώτη αυτή προσπάθεια δεν καταγράφονται υπό τη μορφή εργαστηριακών ασκήσεων πολλά από τα ευρεία επιστημονικά και τεχνολογικά α- ντικείμενα που διερευνούνται ή ασκούνται αντίστοιχα σε εργαστήρια υψηλών τάσεων. Το σύγγραμμα είναι αποτέλεσμα αρκετών ετών διδασκαλίας σε προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές καθώς και εργαστηριακής έρευνας στο αντικείμενο των υψηλών τάσεων, τόσο υπό την καθοδήγηση αρχικά του Καθηγητή Κ.Α. Στασινόπουλου στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) και αργότερα του Dr. N. L. Allen στο Πανεπιστήμιο του Manchester όσο και αυτοδύναμης. Αναγνωρίζονται οι πολύτιμες συζητήσεις με τους υποψήφιους διδάκτορες του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του ΑΠΘ καθώς και οι εύστοχες παρατηρήσεις των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του ΑΠΘ, απορρέουσες από την εργαστηριακή άσκησή τους, οι οποίες θεωρούνται ευπρόσδεκτες πάντα. Θεσσαλονίκη, 2008 Παντελής Ν. Μικρόπουλος Επίκουρος Καθηγητής

1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 1.1. Εισαγωγή Η αποστολή ενός πανεπιστημιακού εργαστηρίου υψηλών τάσεων είναι πρωτίστως η απόκτηση εργαστηριακής εμπειρίας στην τεχνολογία των υψηλών τάσεων από τους φοιτητές κατά την εκπαίδευσή τους. Οι φοιτητές ασκούνται στο αντικείμενο αυτό μέσω εργαστηριακών ασκήσεων οι οποίες υποστηρίζουν και επεκτείνουν τη θεωρητική γνώση που αποκτάται από το μάθημα στην αίθουσα. Οι φοιτητές διεξάγουν πειράματα συμμετέχοντας σε ομάδες, συνήθως τριών έως πέντε φοιτητών, υπό την επίβλεψη του κατάλληλα εκπαιδευμένου προσωπικού του εργαστηρίου. Στο πλαίσιο κάθε εργαστηριακής άσκησης οι φοιτητές συναρμολογούν και ελέγχουν τη λειτουργία της πειραματικής διάταξης, διεξάγουν μετρήσεις και ακολούθως συντάσσουν και υποβάλλουν έκθεση στην οποία αξιολογούνται τα αποτελέσματα της άσκησης και απαντώνται ε- ρωτήματα. Γενικότερα ο όρος εργαστήριο υψηλών τάσεων χρησιμοποιείται ακολούθως για την αναφορά: Στο σύνολο του εξοπλισμού του εργαστηρίου που διατίθεται για την υποστήριξη της εκπαιδευτικής διαδικασίας στα μαθήματα των υψηλών τάσεων. Στο σύνολο των υπηρεσιών που προσφέρονται μέσω του εξοπλισμού του εργαστηρίου εντός ή εκτός των εγκαταστάσεών του. Στις διαδικασίες που διέπουν την λειτουργία του εργαστηρίου. 1.2. Κανόνες ασφάλειας και λειτουργίας εργαστηρίου υψηλών τάσεων Ένα εργαστήριο υψηλών τάσεων λειτουργεί με πρωταρχικό γνώμονα την προστασία του προσωπικού και δευτερευόντως του εξοπλισμού του. Επομένως πρέπει να εφαρμόζονται πιστά οι νομοθετικές διατάξεις περί υγιεινής και ασφάλειας των εργαζομένων και επιπρόσθετα να τηρούνται απαρεγκλίτως, από οποιονδήποτε εργάζεται στο εργαστήριο, οι εσωτερικοί κανόνες ασφάλειας και λειτουργίας του εργαστηρίου που προδιαγράφουν την ασφάλεια των χρηστών του και του ιδίου του χώρου του. Ωστόσο, πέραν της τήρησης των κανόνων ασφαλείας και λειτουργίας του εργαστηρίου ο καθένας που εισέρχεται εντός του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων πρέπει προηγούμενα μέσω προσωπικής επιθεώρησης να επιβεβαιώσει ότι όλα τα κυκλώματα τροφοδοσίας των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης έχουν διακοπεί και ότι όλα τα στοιχεία εξοπλισμού που θα μπορούσαν να βρίσκονται υπό υψηλή τάση είναι γειωμένα. 1.2.1. Περίφραξη χώρου δοκιμών Κάθε χώρος δοκιμών υψηλών τάσεων του εργαστηρίου φράσσεται μέσω μεταλλικού πλέγματος, ελάχιστου ύψους 1800 mm, για την αποφυγή της ακούσιας εισόδου του προσωπικού στο

10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ εσωτερικό του. Η μεταλλική περίφραξη είναι ασφαλώς γειωμένη και στην περίπτωση που συγκροτείται από τμήματα τα τελευταία είναι αγώγιμα συνδεδεμένα μεταξύ τους αξιόπιστα. Οι ελάχιστες αποστάσεις του εξοπλισμού υπό υψηλή τάση από το γειωμένο μεταλλικό πλέγμα καθορίζονται σύμφωνα με την οδηγία της IEC 60071-1 1. Οι ελάχιστες αυτές αποστάσεις ασφαλείας εξαρτώνται από το εύρος και το είδος της παραγόμενης υψηλής τάσης. Γενικότερα, ανάλογα με το είδος της παραγόμενης τάσης και για εύρος τάσης έως 1 MV πρέπει να τηρούνται αποστάσεις ασφαλείας τουλάχιστον μεγαλύτερες από: Εναλλασσόμενη υψηλή τάση: ~5 m/mv(rms) Συνεχή υψηλή τάση: ~3.5 m/mv Εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις: ~3 m/mv Εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις: ~2 m/mv. Ανεξάρτητα από τους παραπάνω περιορισμούς πρέπει πάντα να υφίσταται τουλάχιστον η ελάχιστη απόσταση των 50 cm από κάθε στοιχείο υπό υψηλή τάση. Για παραγόμενες τάσεις μεγαλύτερες του 1 MV, ιδιαίτερα δε για εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις, οι παραπάνω αποστάσεις ασφαλείας δεν επαρκούν, πρέπει να αυξάνονται προοδευτικά με το εύρος της παραγόμενης τάσης. Απαγορεύεται η εισαγωγή αγώγιμων αντικειμένων διαμέσου των ανοιγμάτων του πλέγματος εντός του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων κατά τη διάρκεια πειραμάτων. Οι θύρες που οδηγούν στο χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων φέρουν προειδοποιητική πινακίδα σήμανσης κινδύνου και ενδεικτικές λυχνίες που σημαίνουν την ηλέκτριση (κόκκινη) ή μη (πράσινη) των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης. Οι θύρες είναι εξοπλισμένες με θυροδιακόπτη ασφαλείας οι επαφές του οποίου κλείνουν όταν κλείνει η θύρα. Όλοι οι θυροδιακόπτες είναι συνδεδεμένοι εν σειρά με το σύστημα μανδάλωσης ασφαλείας το οποίο αυτόματα διακόπτει την τροφοδοσία τάσης του εξοπλισμού υψηλής τάσης στην περίπτωση που ανοίξει κάποια θύρα του χώρου δοκιμών. Επιπλέον το σύστημα μανδάλωσης ασφαλείας δεν επιτρέπει την τροφοδοσία με τάση των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης όταν κάποια από τις θύρες εισόδου του χώρου δοκιμών είναι ανοικτή. Στην περίπτωση που η συνέχεια της μεταλλικής περίφραξης του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων διακοπεί, όπως κατά τη διάρκεια συναρμολόγησης ή αποσυναρμολόγησης πειραματικών διατάξεων ή για να επιτρέψει την είσοδο εντός του χώρου δοκιμών υψηλής τάσης δοκιμίων μεγάλων διαστάσεων, πρέπει να επιβεβαιώνονται μέσω προσωπικής επιθεώρησης όλες οι παραπάνω προφυλάξεις που αφορούν στην είσοδο του προσωπικού εντός του χώρου δοκιμών υ- ψηλών τάσεων ιδιαιτέρως δε η διακοπή τροφοδοσίας με τάση των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης. Η είσοδος σε κάθε χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων του εργαστηρίου, εντός της μεταλλικής περίφραξης, επιτρέπεται μόνο σε όσους έχουν εργασία και πάντα υπό την επίβλεψη του προσωπικού του εργαστηρίου. 1.2.2. Γειώσεις προστασίας Η είσοδος σε κάθε χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων του εργαστηρίου επιτρέπεται μόνον εφόσον 1 IEC 60071-1:1993, Insulation coordination - Part 1: Definitions, principles and rules

Γενικά περί εργαστηρίων υψηλών τάσεων 11 όλα τα στοιχεία εξοπλισμού που θα μπορούσαν να βρίσκονται υπό υψηλή τάση είναι γειωμένα. Η γείωση προστασίας των κυκλωμάτων υψηλής τάσης γίνεται μετά τη διακοπή της τροφοδοσίας τους με τάση μέσω της αυτόματης ενεργοποίησης γειωτή ορατών επαφών που αποτελεί στοιχείο των κυκλωμάτων. Ο αυτόματος γειωτής επιτρέπεται να ανοίξει μόνο εφόσον δεν βρίσκεται προσωπικό εντός του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων. Γείωση στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης επιτρέπεται προσαρμόζοντας κατάλληλο α- κροδέκτη γείωσης στο τμήμα του εξοπλισμού που χρήζει γείωσης μόνο μέσω μονωτικής ράβδου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται η κινητή γείωση προστασίας του εργαστηρίου, πρόκειται για μονωτική ράβδο μήκους περίπου 2 m στην άκρη της οποίας έχει κατάλληλα προσαρμοστεί αγώγιμη απόληξη αξιόπιστα συνδεδεμένη μέσω αντίστασης με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου. Η κινητή γείωση προστασίας μπορεί να φέρει επιπρόσθετα αγώγιμο άγκιστρο, αξιόπιστα συνδεδεμένο με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου, μέσω του οποίου μπορεί να αναρτάται και να παραμένει επί των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης ό- ταν αυτό απαιτείται. Κατά τη διάρκεια της εργασίας εντός του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων γειώνονται όλοι οι πυκνωτές που έχουν χωρητικότητα μεγαλύτερη του 1 nf. Οι πυκνωτές αυτοί πρέπει να βραχυκυκλώνονται όταν πρόκειται να αποθηκευτούν. Όλα τα μεταλλικά τμήματα του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων τα οποία δεν φέρουν υψηλή τάση κατά τη διάρκεια των πειραμάτων είναι αξιόπιστα γειωμένα, συνδεδεμένα με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου μέσω αγωγών γείωσης κατάλληλης διατομής. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν και τα μεταλλικά φύλλα στρώσης του δαπέδου του εργαστηρίου που αποσκοπούν στον περιορισμό της ανάπτυξης διαφοράς δυναμικού μεταξύ διαφορετικών σημείων γείωσης εξοπλισμού ή κυκλωμάτων υψηλής τάσης και ιδιαίτερα στον περιορισμό της βηματικής τάσης. Στην ίδια κατηγορία ανήκουν και τα καλώδια που χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις των υψηλών τάσεων τα οποία είναι ομοαξονικά με αξιόπιστα γειωμένη τη θωράκισή τους. 1.2.3. Διεξαγωγή των πειραμάτων Απαγορεύεται η χρήση του εργαστηρίου υψηλών τάσεων για οποιοδήποτε λόγο χωρίς την έ- γκριση του διευθυντή του εργαστηρίου. Κάθε ένας που διεξάγει πειράματα είναι προσωπικά υπεύθυνος για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιεί και για τα πειράματα που διεξάγει. Απαγορεύεται οποιαδήποτε λειτουργία εξοπλισμού υψηλής τάσης εάν δεν βρίσκονται τουλάχιστον δύο άτομα στο εργαστήριο. Κάθε βλάβη ή ζημία του εξοπλισμού του εργαστηρίου υψηλών τάσεων πρέπει να αναφέρεται αμέσως στον διευθυντή του εργαστηρίου. Απαγορεύεται η μετακίνηση οργάνων, συσκευών και γενικότερα στοιχείων εξοπλισμού εκτός του εργαστηρίου υψηλών τάσεων χωρίς την έγκριση του διευθυντή του εργαστηρίου. Ο χώρος του εργαστηρίου πρέπει να διατηρείται καθαρός και τακτοποιημένος. Στους πάγκους εργασίας πρέπει να υπάρχουν μόνο τα απαραίτητα για τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Πρέπει να αποφεύγονται ξένα αντικείμενα προς το πείραμα και κυρίως τα τρόφιμα και τα ποτά. Οι φοιτητές εισέρχονται στο εργαστήριο υψηλών τάσεων μόνο με την παρουσία του υπευθύνου του εργαστηρίου. Οι φοιτητές γνωρίζουν και τηρούν τους κανόνες ασφαλείας και λει-

12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ τουργίας του εργαστηρίου υψηλών τάσεων. Οι φοιτητές διεξάγουν πειράματα συμμετέχοντας σε ομάδες υπό την επίβλεψη του κατάλληλα εκπαιδευμένου προσωπικού του εργαστηρίου. Για λόγους ασφάλειας αλλά και καλής εποπτείας οι ασκούμενοι δεν μπορεί να είναι περισσότεροι από πέντε. Οι φοιτητές κάθε ομάδας συγκεντρώνονται σε συγκεκριμένους χώρους εργασίας όπου και ενημερώνονται από τον υπεύθυνο του εργαστηρίου για το σκοπό και τη διαδικασία διεξαγωγής της εργαστηριακής άσκησης. Οι φοιτητές δε μετακινούνται από τη θέση τους χωρίς την άδεια του υπευθύνου. Κάθε εργαστηριακή άσκηση εκπονείται ακριβώς σύμφωνα με τη γραπτή διατύπωσή της η οποία είναι διαθέσιμη στους φοιτητές πριν από την ημέρα διεξαγωγής της. Για τη συναρμολόγηση και λειτουργία της πειραματικής διάταξης κάθε εργαστηριακής άσκησης χρησιμοποιείται μόνο ο εξοπλισμός που περιγράφεται αναλυτικά στη γραπτή εκφώνηση της. Οι φοιτητές κάθε ομάδας εισέρχονται στο χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων με σκοπό τη συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης, πάντα υπό την επίβλεψη του υπευθύνου του εργαστηρίου και μόνο εφόσον έχουν προηγούμενα βεβαιωθεί, μέσω προσωπικής επιθεώρησης, ότι η πράσινη ενδεικτική λυχνία στις θύρες εισόδου του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων είναι αναμμένη και ότι όλα τα στοιχεία εξοπλισμού που μπορεί να βρίσκονται υπό υψηλή τάση είναι γειωμένα. Οι φοιτητές κάθε ομάδας πριν την εκτέλεση της άσκησης καλούν τον υπεύθυνο του εργαστηρίου να ελέγξει αν η πειραματική διάταξη έχει συναρμολογηθεί σωστά. Η τροφοδοσία με τάση της πειραματικής διάταξης γίνεται μόνο μετά από έλεγχο και έγκριση του υπευθύνου. Με την ολοκλήρωση της εργαστηριακής άσκησης, η πειραματική διάταξη αποσυναρμολογείται και τα στοιχεία του εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκαν τοποθετούνται στην αρχική τους θέση. Οι πάγκοι εργασίας αφήνονται καθαροί και τακτοποιημένοι. 1.3. Εργαστήριο υψηλών τάσεων ΑΠΘ Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ιδρύθηκε το 1984 από τον Καθηγητή Κ. Α. Στασινόπουλο και θεσμοθετήθηκε το 2001 με το Προεδρικό Διάταγμα υπ. αριθ. 80/ΦΕΚ Α 66/2001. Επί του παρόντος, στο προσωπικό του εργαστηρίου ανήκουν ένα μέλος ΔΕΠ, ένα μέλος ΕΕΔΙΠ καθώς και πέντε υποψήφιοι διδάκτορες. Το εργαστήριο υψηλών τάσεων εξυπηρετεί εκπαιδευτικές και ερευνητικές ανάγκες στο γνωστικό αντικείμενο της παραγωγής υψηλών τάσεων και ισχυρών ρευμάτων, των μετρήσεων σε υψηλές τάσεις, ισχυρά ρεύματα, των διηλεκτρικών μετρήσεων, της συμπεριφοράς αερίων, υ- γρών, στερεών διηλεκτρικών καθώς και υψηλού κενού και της αντικεραυνικής προστασίας. 1.3.1. Αποστολή του εργαστηρίου υψηλών τάσεων Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του ΑΠΘ έχει ως αποστολή: Την κάλυψη σε προπτυχιακό και μεταπτυχιακό επίπεδο των διδακτικών και ερευνητικών αναγκών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών καθώς και άλλων τμημάτων του ΑΠΘ σε θέματα που εμπίπτουν στα αντικείμενα δραστηριότη-

Γενικά περί εργαστηρίων υψηλών τάσεων 13 τάς του. Στο πλαίσιο του ενεργειακού κύκλου σπουδών του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος προσφέρονται τέσσερα μαθήματα υψηλών τάσεων, τα δύο υποστηρίζονται με εργαστηριακές ασκήσεις, και εκπονούνται διπλωματικές εργασίες ενώ στο πλαίσιο του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος προσφέρονται τρία μαθήματα και εκπονούνται διδακτορικές διατριβές. Τη συνεργασία κάθε μορφής με κέντρα ερευνών και ακαδημαϊκά ιδρύματα με κοινούς επιστημονικούς στόχους. Τη διοργάνωση επιστημονικών εκδηλώσεων, την πραγματοποίηση δημοσιεύσεων και εκδόσεων και την πρόσκληση αναγνωρισμένων επιστημόνων. Το 38ο Διεθνές Συνέδριο Μηχανικών Ισχύος (38th UPEC 2 ) έλαβε χώρα στο ΑΠΘ, μεταξύ 1-3 Σεπτεμβρίου 2003, υπό τη διοργάνωση του εργαστηρίου υψηλών τάσεων. Την παροχή υπηρεσιών σε ιδιώτες και σε κάθε νομικής μορφής οργανισμούς. Οι προσφερόμενες υπηρεσίες περιλαμβάνουν εκτός των άλλων, τη διεξαγωγή ελέγχων και δοκιμών διηλεκτρικής αντοχής ηλεκτρολογικού εξοπλισμού διανομής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, εξειδικευμένες μελέτες αντικεραυνικής προστασίας καθώς και υπολογισμού και συντονισμού των μονώσεων. 1.3.2. Δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων Η δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων ενός εργαστηρίου εξαρτάται από το διαθέσιμο εξοπλισμό περιορίζεται ωστόσο από τις διαστάσεις του ίδιου του εργαστηρίου. Το εργαστήριο υ- ψηλών τάσεων του ΑΠΘ περιλαμβάνει δύο χώρους δοκιμών υψηλών τάσεων, αντίστοιχους χώρους ελέγχου και μετρήσεων, βοηθητικό εργαστήριο καθώς και χώρους γραφείων και αποθήκης (σχ. 1.1). Ο κύριος χώρος δοκιμών υψηλών τάσεων περικλείεται πλήρως μέσω γειωμένου μεταλλικού πλέγματος σε όλες τις διαστάσεις του. Οι διαστάσεις του μεταλλικού αυτού κλωβού είναι: ύψος 6.5 m, μήκος 12 m και πλάτος 7 m. Από τις διαστάσεις αυτές το ύψος των 6.5 m, Σχήμα 1.1: Κάτοψη Εργαστήριου Υψηλών Τάσεων ΑΠΘ. που είναι και η μικρότερη διάσταση του γειωμένου κλωβού, καθορίζει και τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων του εργαστηρίου. Ειδικότερα, η ελάχιστη απόσταση ασφαλείας των 3.25 m περιορίζει τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων σε τιμές ανάλογα με το είδος των τάσεων ως εξής: ~650 2 http://www.eng.auth.gr/upec03/

14 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ kv(rms) εναλλασσόμενη υψηλή τάση, ~900 kv συνεχή υψηλή τάση, ~1 MV εσωτερική κρουστική υψηλή τάση και ~1.4 ΜV εξωτερική κρουστική υψηλή τάση. Ο δεύτερος χώρος δοκιμών υψηλών τάσεων έχει διαστάσεις: ύψος 2.75m, μήκος 4.15m και πλάτος 3.6m. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, η ελάχιστη απόσταση ασφαλείας των 1.375m όπως προκύπτει από το ύψος του χώρου περιορίζει τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων στο χώρο αυτό ανάλογα με το είδος τους ως εξής: ~275 kv(rms) εναλλασσόμενη υψηλή τάση, ~400 kv συνεχή υψηλή τάση, ~460 kv εσωτερική κρουστική υψηλή τάση και ~650 kv εξωτερική κρουστική υψηλή τάση. Στον κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου είναι εγκατεστημένη μία 10-βάθμια γεννήτρια κρουστικών υψηλών τάσεων 1 MV, 7 kj του οίκου Ferranti. Ακόμη υπάρχει ένα σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία υψηλής τάσης του οίκου Messwandler-Bau (MWB), ο ο- ποίος εξαγοράστηκε από τον οίκο Haefely 3, που παρέχει τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων ανάλογα με το είδος τους σε ονομαστικές τιμές: 300 kv(rms) εναλλασσόμενη υψηλή τάση, 420 kv συνεχή υψηλή τάση, 560 kv κρουστική υψηλή τάση. Ο έλεγχος των κυκλωμάτων παραγωγής υψηλών τάσεων γίνεται μέσω δύο τραπεζών ελέγχου, εγκατεστημένων δίπλα στις θύρες εισόδου του κυρίως χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων, που φέρουν επιπλέον όργανα μέτρησης των υψηλών τάσεων. Η μία τράπεζα ελέγχου βρίσκεται εντός θαλάμου θωράκισης, κλωβού Faraday, ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα μετρήσεων απαλλαγμένων από ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Στο δεύτερο χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων λειτουργούν δύο ηλεκτρονικές γεννήτριες συνεχούς υψηλής τάσης του οίκου Glassman 4, με ονομαστικά στοιχεία 125kV/4kW και 30kV/120W αντίστοιχα, σταθεροποιημένης τάσης εξόδου με ακρίβεια 0.05%. 1.3.3. Επιπλέον στοιχεία εξοπλισμού και εγκαταστάσεων του εργαστηρίου Τα συστήματα γείωσης ενός εργαστηρίου υψηλών τάσεων πρέπει να εξασφαλίζουν πρωτίστως την ασφάλεια του προσωπικού και δευτερευόντως την ασφαλή λειτουργία του εξοπλισμού. Στα συστήματα γείωσης του εργαστηρίου υψηλών τάσεων του ΑΠΘ ανήκουν: Η θεμελιακή γείωση του κτιρίου του εργαστηρίου. Η ανεξάρτητη γείωση στον κυρίως χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων, πρόκειται για ράβδο γείωσης στην οποία συνδέονται άμεσα με χάλκινη ταινία γείωσης οι διατάξεις παραγωγής και μέτρησης υψηλών τάσεων. Ο αυτόματος γειωτής ορατών επαφών της 10-βάθμιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων, ο οποίος γειώνει αυτόματα τη γεννήτρια μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας της. Ο αυτόματος γειωτής ορατών επαφών τύπου ES του οίκου MWB, ο οποίος αποτελεί στοιχείο κυκλωμάτων και γειώνει αυτόματα τις διατάξεις παραγωγής υψηλής τάσης μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας τους. Η κινητή γείωση προστασίας, μονωτική ράβδος μήκους 2 m στην άκρη της οποίας υπάρχει αγώγιμη απόληξη αξιόπιστα συνδεδεμένη μέσω αντίστασης με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου. Η κινητή γείωση προστασίας φέρει επιπρόσθετα αγώγιμο άγκιστρο, αξιόπιστα συνδεδεμένο με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου, μέσω του 3 http://www.haefely.com/ 4 http://www.glassmanhv.com/

Γενικά περί εργαστηρίων υψηλών τάσεων 15 οποίου μπορεί να αναρτάται και να παραμένει επί των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης όταν αυτό απαιτείται. Τα μεταλλικά φύλλα στρώσης του δαπέδου του κυρίως χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων, πρόκειται για φύλλα αλουμινίου διαστάσεων 2 x 1 m και πάχους 2 mm τα οποία είναι συνδεδεμένα αξιόπιστα μεταξύ τους και με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου και αποσκοπούν στον περιορισμό της ανάπτυξης διαφοράς δυναμικού μεταξύ διαφορετικών σημείων γείωσης εξοπλισμού ή κυκλωμάτων υψηλής τάσης και στον περιορισμό της βηματικής τάσης. Οι μανδύες γείωσης και θωράκισης που χρησιμοποιούνται επιπρόσθετα στα ομοαξονικά καλώδια που χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις. Πέραν του βασικού εξοπλισμού παραγωγής υψηλών τάσεων, στο εργαστήριο υπάρχουν πολλά όργανα και συσκευές κατάλληλα για διάφορες μετρήσεις και πειράματα καθώς και βοηθητικός εξοπλισμός συντήρησης: Ζεύγη σφαιρικών διακένων διαμέτρου 1, 2, 5, 10, 25, 50 και 75 cm και βάσεις στήριξης του οίκου Haefely. Συσκευή ανίχνευσης μερικών εκκενώσεων 1 μc, Type 9132 της Tettex Instruments που συνδυάζεται με πρότυπο πυκνωτή 1 nf/ 25 kv(rms) ή 1nF/ 100 kv(rms). Θάλαμος κενού/πίεσης 0-6 bar, 100 kv(rms) τύπου DKU του οίκου MWB. Πρότυπος πυκνωτής SF 6 (3.5 bar), 37 pf, 100 kv(rms), συντελεστή απωλειών 2x10-5 τύπου CP 100 του οίκου MWB. Χωρητικός καταμεριστής τάσης τύπου CS 500-500 (500 kv, 500 pf) του οίκου Haefely. Μετασχηματιστές έντασης Pearson Electronics 5, 1V/A, χρόνου απόκρισης 2 ns και 50 ns. Τρεις ψηφιακοί παλμογράφοι με δυνατότητα επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη λήψη και αποθήκευση παλμογραφημάτων. Ενδεικτικά αναφέρεται ο ψηφιακός παλμογράφος του οίκου Lecroy 6 (WR44Xi), 400 MHz εύρος ζώνης, 825 ps χρόνος απόκρισης, 5GS/s ρυθμός δειγματοληψίας σε κάθε κανάλι και 5 Mpts/Ch ψηφιακή μνήμη. Τέσσερις φωτοπολλαπλασιαστές Thorn EMI 9781R 7 με δυνατότητα σύνδεσης με παλμογράφο για την ανίχνευση και καταγραφή αμυδρών φωτεινών φαινομένων. Συσκευή ελέγχου ηλεκτρικών εγκαταστάσεων τύπου 1653 της FLUKE 8. Ψηφιακή γέφυρα μέτρησης τύπου HM8018 της HAMEG 9. Αφυγραντήρας QD180. Δίκτυο ηλεκτρονικών υπολογιστών και εκτυπωτών. Κυλιομένη γερανογέφυρα 10 t επί της οροφής του εργαστηρίου. Επιπρόσθετα στον εξοπλισμό του εργαστηρίου υψηλών τάσεων συμπεριλαμβάνονται και τα λογισμικά πακέτα: ATP-EMTP 10 (Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients Program), 5 http://www.pearsonelectronics.com/ 6 http://www.lecroy.com/ 7 http://www.electrontubes.com/ 8 http://www.fluke.com/ 9 http://www.hameg.com/

16 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ λογισμικό ανοιχτού κώδικα που χρησιμοποιείται σε μελέτες συντονισμού μονώσεων και βραχυκυκλωμάτων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και γενικότερα για την προσομοίωση μεταβατικών καταστάσεων. COMSOL Multiphysics 11, εμπορικό λογισμικό πακέτο μοντελοποίησης, ανάλυσης και λύσης, μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, πολύπλοκων ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων που σχετίζονται με τις εφαρμογές της επιστήμης του μηχανικού. Minitab 15 12, εμπορικό λογισμικό πακέτο στατιστικής ανάλυσης δεδομένων. 10 http://www.emtp.org/ 11 http://www.comsol.com/ 12 http://www.minitab.com/

2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ, ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΑΠΘ 2.1. Σκοπός της άσκησης Οι φοιτητές ενημερώνονται γενικότερα για το εργαστήριο υψηλών τάσεων ΑΠΘ και τον εξοπλισμό του, επισκέπτονται τους χώρους του εργαστηρίου και κατανοούν τους κανόνες ασφάλειας και λειτουργίας του εργαστηρίου. 2.2. Στοιχεία θεωρίας Η βασική συνδεσμολογία του ηλεκτρικού κυκλώματος που χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή πειραμάτων στο εργαστήριο συμπεριλαμβάνει το κύκλωμα τροφοδοσίας, το κύκλωμα ελέγχου και προστασίας και το κύκλωμα υψηλής τάσης. Τα κυκλώματα τροφοδοσίας και ελέγχου και προστασίας συνήθως υλοποιούνται μέσω μιας τράπεζας χειρισμών. Περιλαμβάνουν γενικότερα τη σύνδεση με την εγκατάσταση χαμηλής τάσης του εργαστηρίου, διακοπτικά στοιχεία και εξοπλισμό που επιτρέπει τον έλεγχο της τιμής της παραγόμενης τάσης καθώς και μέσα για την προστασία του χειριστή και του ίδιου του εξοπλισμού. Για παράδειγμα στοιχεία του κυκλώματος ελέγχου και προστασίας αποτρέπουν την παραγωγή υψηλής τάσης ή διακόπτουν την παραγωγή της όταν κάποιος από τους διακόπτες ασφαλείας είναι ανοικτός. Τέλος, το κύκλωμα υψηλής τάσης περιλαμβάνει τον εξοπλισμό παραγωγής και μέτρησης υψηλής τάσης καθώς και τα δοκίμια. Το εργαστήριο υψηλών τάσεων διαθέτει δύο τράπεζες ελέγχου, μία τύπου SRP 0.5/5E του οίκου MWB και μία πανομοιότυπη της προηγούμενης, κατασκευής του εργαστηρίου στο πλαίσιο διπλωματικής εργασίας. Γενικότερα, η τράπεζα ελέγχου χρησιμεύει τόσο στον έλεγχο των κυκλωμάτων παραγωγής υψηλής τάσης, συνήθως μέσω ελέγχου της λειτουργίας ενός Μ/Σ δοκιμής, όσο και στον έλεγχο διαφόρων βοηθητικών διατάξεων όπως: σφαιρικά διάκενα, συσκευή Trigatron κ.α. Φέρει όργανα μετρήσεων της τάσης τροφοδοσίας και των παραγόμενων υψηλών τάσεων, διακόπτες ελέγχου, ηλεκτρονόμους προστασίας και ενδεικτικές λυχνίες λειτουργίας. Στα σχήματα 2.1 και 2.2 φαίνονται τα μονογραμμικά διαγράμματα του κυκλώματος ελέγχου και των βοηθητικών κυκλωμάτων της τράπεζας ελέγχου. Για την υλοποίηση των διαφόρων κυκλωμάτων υψηλής τάσης που απαιτούνται στα πειράματα χρησιμοποιείται κατά κανόνα ένα σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία υψηλής τάσης του οίκου ΜWB. Το σύστημα αυτό επιτρέπει την εύκολη και γρήγορη συναρμολόγηση των κυκλωμάτων υψηλής τάσης λόγω της πρακτικής σχεδίασης των στοιχείων του. Οι διαστάσεις ενός τυπικού στοιχείου υψηλής τάσης των 100 kv εναλλασσόμενης τάσης ή 140 kv συνεχούς και κρουστικής υψηλής τάσης του συστήματος φαίνονται στο σχήμα 2.3:

18 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Σχήμα 2.1: Απλοποιημένο μονογραμμικό διάγραμμα τράπεζας ελέγχου Διακόπτες: Κύριος (ΚΔ), Πρωτεύοντος ΑΜ/Σ (ΠΔ), Δευτερεύοντος ΑΜ/Σ (ΔΔ), Ασφαλείας (ΔΑ), Ελέγχου (ΔΕ), Θυροδιακόπτης (ΘΔ) Σχήμα 2.2: Διάγραμμα βοηθητικών κυκλωμάτων της τράπεζας ελέγχου Διακόπτες: Κύριος (ΚΔ), Πρωτεύοντος ΑΜ/Σ (ΠΔ), Δευτερεύοντος ΑΜ/Σ (ΔΔ), Ασφαλείας (ΔΑ), Ελέγχου (ΔΕ), Θυροδιακόπτης (ΘΔ), Βοηθητικός πιεζοδιακόπτης δευτερεύοντος ΑΜ/Σ (ΒΠ), Πιεζοδιακόπτης φώτων (ΠΦ), Πιεζοδιακόπτης σειρήνας (ΠΣ)

Περιγραφή, Κανονισμός ασφαλείας και λειτουργίας του εργαστηρίου υψηλών τάσεων ΑΠΘ 19 Το βασικό κυλινδρικό στέλεχος ενός τυπικού στοιχείου, κατασκευασμένο από σκληρυμένη ινοσανίδα, έχει εξωτερική διάμετρο 110 mm και συνολικό μήκος 500 mm. Στα άκρα του κυλινδρικού αυτού μονωτήρα υφίστανται δίσκοι αλουμινίου οι οποίοι φέρουν κυλινδρικό βιδωτό ακροδέκτη με δακτυλιοειδή σχισμή Σχήμα 2.3: Τυπικό στοιχείο υψηλής τάσης του οίκου MWB για την εύκολη και σταθερή τοποθέτηση του στοιχείου σε κατάλληλους συνδέσμους και τη στήριξή του σε βάση. Ορισμένα στοιχεία που χρησιμοποιούνται και για μετρήσεις φέρουν απόληξη μέτρησης, ενδιάμεση λήψη, στην οποία μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί ομοαξονικό καλώδιο μέτρησης. Η απόληξη αυτή πρέπει να βραχυκυκλώνεται όταν δεν χρησιμοποιείται. Πέραν των βασικών στοιχείων του συστήματος υπάρχουν πολλά άλλα στοιχεία, όπως μετασχηματιστές δοκιμής, σφαιρικά διάκενα, θάλαμοι κενού/πίεσης, μονωτήρες, αγωγοί, ειδικές βάσεις σύνδεσης και στήριξης που έχουν κατάλληλη σχεδίαση ώστε να συνδέονται εύκολα και γρήγορα με τα βασικά στοιχεία. Το στοιχεία υψηλής τάσης του συστήματος κατασκευών του οίκου ΜWB περιγράφονται αναλυτικά στο Παράρτημα Α. Σημειώνεται ότι αν και οι διαστάσεις των στοιχείων υψηλής τάσης καθορίζονται κυρίως από την επιθυμητή τιμή της τάσης αντοχής τους πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη και η μέγιστη επιτρεπτή φόρτισή τους. Συνήθως τα στοιχεία υψηλής τάσης, π.χ. αντιστάσεις, πυκνωτές, κατασκευάζονται από συστοιχίες πολλών στοιχείων χαμηλής τάσης. Στην περίπτωση αυτή δίδεται ιδιαίτερη προσοχή κατά τη σχεδίαση ώστε μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας η κατανομή της τάσης στα επιμέρους στοιχεία χαμηλής τάσης να είναι όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη. Ακόμη, κατά κανόνα στα στοιχεία υψηλής τάσης χρησιμοποιείται ως διηλεκτρικό μέσο ο ατμοσφαιρικός αέρας. Η ικανότητα των στοιχείων όσον αφορά τη μέγιστη επιτρεπτή καταπόνηση και την απαγωγή θερμότητας μπορεί να αυξηθεί εάν χρησιμοποιηθεί ως διηλεκτρικό μέσο μονωτικό έλαιο. Αέρια διηλεκτρικά υπό πίεση, όπως SF 6, χρησιμοποιούνται συνήθως σε πρότυπους πυκνωτές υψηλής τάσης, πρόκειται για πυκνωτές ομοαξονικών κυλινδρικών ηλεκτροδίων, ελαχίστων απωλειών (tanδ<10-5 ) που χρησιμοποιούνται κυρίως ως πυκνωτές αναφοράς κυρίως σε διηλεκτρικές μετρήσεις. Το εργαστήριο υψηλών τάσεων διαθέτει στον εξοπλισμό του έναν πρότυπο πυκνωτή SF 6 (3.5 bar), 37 pf, 100 kv(rms), συντελεστή απωλειών 2x10-5 τύπου CP 100 του οίκου MWB. Στην κατηγορία των στοιχείων υψηλής τάσης ανήκουν και τα διάκενα που χρησιμοποιούνται ως διακόπτες στα κυκλώματα παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων, ως διατάξεις μέτρησης υψηλής τάσης ή ως προστατευτικά διάκενα. Στις περισσότερες των εφαρμογών πρόκειται για σχεδόν ομοιογενή διάκενα ατμοσφαιρικού αέρα δύο ηλεκτροδίων που λειτουργούν ως διακόπτες ελεγχόμενοι από τάση. Διάκενα τριών ηλεκτροδίων, δύο κυρίων και ενός βοηθητικού, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διακόπτες ελεγχόμενοι από χρόνο με συνήθεις εφαρμογές στην ελεγχόμενη έναυση γεννητριών παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων και ισχυρών ρευμάτων και στην παραγωγή αποκομμένων κρουστικών υψηλών τάσεων. Τα περισσότερα δοκίμια που καταπονούνται με υψηλές τάσεις παρουσιάζουν χωρητική συμπεριφορά και φορτίζουν τις διατάξεις παραγωγής υψηλής τάσης. Οι τιμές της χωρητικότητας

20 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ των διαφόρων δοκιμίων ποικίλουν ανάλογα με την τάση λειτουργίας τους ή/και με την ονομαστική τους ισχύ ωστόσο μερικές προσεγγιστικές τιμές αποτελούν 1, 2 : Μονωτήρες στήριξης και ανάρτησης: ~20 pf Μονωτήρες διέλευσης 30-500 pf Μετασχηματιστές μέτρησης: 75-450 pf Μετασχηματιστές ισχύος (μεταξύ τυλίγματος υψηλής και όλων των υπολοίπων τμημάτων) μέχρι 1 MVA ~3000 pf 1 έως 10 MVA 900-10000 pf 10 έως 100 MVA 2000-12000 pf 100 έως 1000 MVA 3500-16000 pf Εκτροπείς υπέρτασης (αλεξικέραυνα γραμμής) 80-120 pf Καλώδια ΥΤ 100-700 pf/m Η χωρητική φόρτιση των διατάξεων παραγωγής υψηλής τάσης κατά τις δοκιμές πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη τόσο για την εκλογή του κατάλληλου εξοπλισμού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της υψηλής τάσης όσο και κατά τη διεξαγωγή των δοκιμών. Κατά τη διάρκεια πειραμάτων με κρουστικές υψηλές τάσεις ή κατά την ηλεκτρική διάσπαση βοηθητικών διακένων ή και δοκιμίων όπου η τάση στα άκρα τους καταρρέει, παρατηρούνται έντονα μεταβατικά φαινόμενα που οφείλονται κυρίως στις ταχύτατες μεταβολές των ρευμάτων και των τάσεων. Ως αποτέλεσμα, τα ταχύτατα μεταβαλλόμενα ρεύματα που διαρρέουν τις συνδέσεις του εξοπλισμού με την εγκατάσταση γείωσης μπορούν να προκαλέσουν, ακόμη και σε γειωμένα αντικείμενα, σημαντικά υψηλές υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις αυτές κατά κανόνα δεν αποτελούν κίνδυνο για το προσωπικό, λόγω της μικρής περικλειόμενης ενέργειας, ωστόσο μπορούν να οδηγήσουν στην καταστροφή ευαίσθητου ηλεκτρονικού εξοπλισμού ή στην εμφάνιση θορύβου στα ηλεκτρικά σήματα κατά τις μετρήσεις. Μία άλλη αιτία εμφάνισης επιζήμιων υ- περτάσεων αποτελούν τα παράσιτα ρεύματα λόγω των παρασίτων χωρητικοτήτων που παρουσιάζουν τα ογκώδη στοιχεία του εξοπλισμού υψηλής τάσης ως προς τα γειωμένα μέρη του εργαστηρίου. Τα παράσιτα ρεύματα αυτά λαμβάνουν σημαντικές τιμές κατά την ταχύτατη κατάρρευση της τάσης σε πειράματα ηλεκτρικής διάσπασης και εάν ρέουν εκτός του χώρου δοκιμών μπορεί να προκαλέσουν ανεπιθύμητες υπερτάσεις. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών στο εργαστήριο υψηλών τάσεων υφίσταται σύστημα γείωσης μικρής τιμής αυτεπαγωγής και αντίστασης γείωσης. Το δάπεδο του κυρίως χώρου δοκιμών έχει επιστρωθεί με μεταλλικά φύλλα αλουμινίου συνδεδεμένα αξιόπιστα μεταξύ τους και με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου. Οι συνδέσεις των ακροδεκτών γείωσης του εξοπλισμού με το σύστημα γείωσης του εργαστηρίου γίνονται μέσω χάλκινων ταινιών μικρής αυτεπαγωγής και αντίστασης και όλα τα καλώδια που χρησιμοποιούνται για γειώσεις, μετρήσεις και για τον έλεγχο των διατάξεων είναι όσο το δυνατόν βραχεία και οδεύουν ευθεία υπόγεια μέσα σε κανάλια. Ιδιαίτερα τα καλώδια που χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις είναι ο- μοαξονικά με γειωμένο μανδύα και επιπρόσθετα θωρακισμένα έναντι ηλεκτρομαγνητικού θο- 1 IEEE Std C37.011-1994, IEEE application guide for transient recovery voltage for AC high-voltage circuit breakers rated on a symmetrical current basis. 2 Kind D.: An introduction to high-voltage experimental technique. Vieweg., Braunschweig, 1978.

Περιγραφή, Κανονισμός ασφαλείας και λειτουργίας του εργαστηρίου υψηλών τάσεων ΑΠΘ 21 ρύβου μέσω γειωμένου μεταλλικού μανδύα που περιβάλλει τον πρώτο. Οι επιδράσεις των παρασίτων χωρητικοτήτων, κατ επέκταση των παράσιτων ρευμάτων, ελαχιστοποιούνται μέσω του γειωμένου μεταλλικού κλωβού που περιβάλλει τον κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου. Τα παράσιτα ρεύματα ρέουν μόνο εντός του κλωβού και μέσω της γείωσης του κλωβού προς τη γη. Τέλος, ιδιαίτερη προσοχή δίδεται για τον περιορισμό των αναπόφευκτων επιδράσεων του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου στα ηλεκτρικά σήματα μετρήσεων ταχέως μεταβαλλόμενων φαινομένων. Οι μετρήσεις αυτές συνήθως λαμβάνονται μέσω συστήματος θωρακισμένων ομοαξονικών καλωδίων και ψηφιακού παλμογράφου. Ο ψηφιακός παλμογράφος τροφοδοτείται μέσω μετασχηματιστή απομόνωσης και λειτουργεί εντός κλωβού θωράκισης ο οποίος συνδέεται στην εγκατάσταση γείωσης του κυρίως χώρου δοκιμών μόνο μέσω του γειωμένου μανδύα του ομοαξονικού καλωδίου μέτρησης. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονται κλειστοί βρόχοι γης, μεταξύ του μανδύα του ομοαξονικού καλωδίου μέτρησης και του συστήματος γείωσης, και κατά συνέπεια και παράσιτα ρεύματα που επηρεάζουν τις μετρήσεις. Η χρήση μετασχηματιστή απομόνωσης, το δευτερεύον τύλιγμά του δεν έχει σύνδεση ούτε με το πρωτεύον τύλιγμα ούτε με τη γη, εξασφαλίζει γαλβανική απομόνωση, ηλεκτρικό διαχωρισμό, μεταξύ της γείωσης της τροφοδοσίας και των γειωμένων τμημάτων της πειραματικής διάταξης μεταξύ των οποίων πάντα αναπτύσσονται διαφορές δυναμικού. 2.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου τύπου SRP 0.5/5E του οίκου MWB Σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία υψηλής τάσης του οίκου ΜWB 2.4. Διεξαγωγή της άσκησης Ενημέρωση για το εργαστήριο υψηλών τάσεων ΑΠΘ και τον εξοπλισμό του. Ενημέρωση για τους κανόνες ασφάλειας και λειτουργίας του εργαστηρίου. Έλεγχος της λειτουργίας της τράπεζας ελέγχου.

22 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

3. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΔΟΚΙΜΗΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ FERRANTI 3.1. Σκοπός της άσκησης Έλεγχος της λειτουργίας των μετασχηματιστών δοκιμής υπό χωρητική φόρτιση. Συνδεσμολογία μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες. 3.2. Στοιχεία θεωρίας 3.2.1. Μετασχηματιστές δοκιμής Ο μετασχηματιστής δοκιμής αποτελεί το βασικότερο στοιχείο εξοπλισμού ενός εργαστηρίου υψηλών τάσεων καθώς χρησιμοποιείται για την παραγωγή εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων. Οι εναλλασσόμενες υψηλές τάσεις είναι απαραίτητες τόσο για δοκιμές εξοπλισμού όσο και για την παραγωγή συνεχών ή κρουστικών υψηλών τάσεων. Οι μετασχηματιστές δοκιμής είναι μετασχηματιστές υψηλής τάσης σχετικά μικρών διαστάσεων με δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της τάσης εξόδου τους από το μηδέν μέχρι τη μέγιστη τιμή. Είναι μονοφασικοί, η ισχύς τους ποικίλει από 1 600 kva ωστόσο για δοκιμές εξοπλισμού υψηλής τάσης χρησιμοποιούνται κυρίως μετασχηματιστές μικρής ισχύος μέχρι περίπου 200 kva. Ορισμένοι από αυτούς είναι κατάλληλης σχεδίασης ώστε να μπορούν να συνδεθούν παράλληλα για μεγαλύτερη ισχύ ή κατά βαθμίδες για την παραγωγή υψηλότερων τάσεων. Η ψύξη τους κατά κανόνα είναι φυσική ενώ οι μονώσεις τους σχεδιάζονται με βάση τη μέγιστη τάση λειτουργίας τους. 3.2.2. Συνδεσμολογία και λειτουργία των μετασχηματιστών δοκιμής Το εργαστήριο υψηλών τάσεων διαθέτει τρεις μετασχηματιστές δοκιμής τύπου TEO 100/10 του οίκου MWB (σχ. 3.1), τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά του μετασχηματιστή δοκιμής αυτού του τύπου παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α. Ο έλεγχος της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής εξασφαλίζεται ελέγχοντας την τάση εισόδου του, τάση πρωτεύοντος τυλίγματος, μέσω ενός αυτομετασχηματιστή μεταβαλλόμενης τάσης εξόδου ο οποίος βρίσκεται στην τράπεζα ελέγχου τύπου SRP 0.5/5E. Το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή δοκιμής αποτελείται από δύο όμοια τυλίγματα ίσης δυνατότητας φόρτισης. Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος, για τη μέγιστη τάση τροφοδοσίας, μέγιστη τάση εξόδου του αυτομετασχηματιστή, ο μετασχηματιστής δοκιμής αποδίδει μέγιστη τιμή τάσης εξόδου 100 kv(rms) (ονομαστική τάση, τυλίγματα πρωτεύοντος «εν παραλλήλω», σχ. 3.1) ή 50 kv(rms) (τυλίγματα πρωτεύοντος «εν σειρά», σχ. 3.1) επιτρέποντας στην τελευταία περίπτωση μεγαλύτερη ακρίβεια ρύθμισης της τάσης εξόδου του.

24 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Ο μετασχηματιστής δοκιμής τύπου TEO 100/10 συνδυάζει τύλιγμα ζεύξης ίσης δυνατότητας φόρτισης με την ονομαστική του πρωτεύοντος που επιτρέπει τη συνδεσμολογία κατά βαθμίδες δύο ή τριών μετασχηματιστών. Η δυνατότητα συνδεσμολογίας κατά βαθμίδες αποδεικνύεται ιδιαίτερα χρήσιμη κατά την παραγωγή τάσεων υψηλότερων των ~500 kv. Το βάρος και το μέγεθος του εξοπλισμού όπως και οι μονώσεις που απαιτούνται για την παραγωγή αυτών των τάσεων επιμερίζονται σε βαθμίδες μικρότερου βάρους και μεγέθους και σαφώς μικρότερων απαιτήσεων μόνωσης. Επομένως η μεταφορά και η εγκατάσταση του απαιτούμενου εξοπλισμού γίνεται απλούστερη. Μειονέκτημα της συνδεσμολογίας κατά βαθμίδες αποτελεί το γεγονός της ασύμμετρης φόρτισης του πρωτεύοντος τυλίγματος κάθε βαθμίδος ωστόσο το γεγονός αυτό λαμβάνεται υπόψη Σχήμα 3.1: Μετασχηματιστής δοκιμής ΤΕΟ 100/10 κατά τη σχεδίαση του μετασχηματιστή. Επιπρόσθετα, κατά τη συνδεσμολογία των μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες ενισχύονται οι όποιες αρμονικές στην τάση του πρωτεύοντος με αποτέλεσμα τη σημαντική παραμόρφωση της τάσης εξόδου της συστοιχίας. Ο έλεγχος της τάσης εξόδου μιας συστοιχίας μετασχηματιστών δοκιμής συνδεδεμένων κατά βαθμίδες, εξασφαλίζεται ελέγχοντας την τάση εισόδου του πρώτου μετασχηματιστή της συστοιχίας. Στο σχήμα 3.2 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα της συνδεσμολογίας κατά βαθμίδες τριών μετασχηματιστών δοκιμής καθώς και η φόρτιση των τυλιγμάτων τους ενώ στον Πίνακα 3.1 φαίνονται τα ονομαστικά στοιχεία διατάξεων μετασχηματιστών δοκιμής τύπου TEO 100/10. Πίνακας 3.1: Ονομαστικά στοιχεία διατάξεων μετασχηματιστών δοκιμής τύπου TEO 100/10 Ονομαστική τάση (kv rms), λειτουργία «εν κενώ» Ισχύς (kva), συνεχής φόρτιση Μετασχηματιστής δοκιμής Διάταξη δύο βαθμίδων Διάταξη τριών βαθμίδων 100 200 300 5 5 5 Ονομαστικό ρεύμα (ma) 50 25 16 Τάση βραχυκύκλωσης (%) 4 7 11 Η φόρτιση των μετασχηματιστών δοκιμής είναι σχεδόν πάντα χωρητική λόγω της εσωτερικής χωρητικότητάς τους και των διαφόρων δοκιμίων που συνδέονται στην έξοδό τους. Η τάση εξόδου τους, τάση δευτερεύοντος τυλίγματος U 2, υπολογίζεται προσεγγιστικά από τη σχέση 1 : 1 Kind D.: An introduction to high-voltage experimental technique. Vieweg., Braunschweig, 1978.

Μετασχηματιστές δοκιμής και φαινόμενο Ferranti 25 U U 1 LC 2 1 2 1 ω k όπου U 1 ' η ανηγμένη τάση του πρωτεύοντος στο δευτερεύων, L k η αυτεπαγωγή της σύνθετης αντίστασης βραχυκύκλωσης και C η συνολική χωρητικότητα (εσωτερική και δοκιμίου) φόρτισης του μετασχηματιστή δοκιμής. Από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει ότι υπό χωρητική φόρτιση η τάση του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή δοκιμής είναι πάντα μεγαλύτερη από την ανηγμένη τάση του πρωτεύοντος στο δευτερεύων ήτοι το γινόμενο της τάσης του πρωτεύοντος επί το λόγο μετασχηματισμού. Η επίδραση αυτή της χωρητικής φόρτισης, γνωστή και ως φαινόμενο Ferranti, γίνεται τόσο εντονότερη όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητική φόρτιση του μετασχηματιστή. Το ποσοστό της ανύψωσης της τάσης του δευτερεύοντος λόγω της χωρητικής φόρτισης μπορεί να Σχήμα 3.2: Σχηματικό διάγραμμα της συνδεσμολογίας κατά βαθμίδες τριών μετασχηματιστών δοκιμής. υπολογιστεί μέσω της τάσης βραχυκύκλωσης του μετασχηματιστή, u, στην περίπτωση που το συνολικό χωρητικό φορτίο C διαρρέεται από το ονομαστικό ρεύμα, I n, υπό ονομαστική τάση, U n. Η τάση βραχυκύκλωσης θα δίδεται από τη σχέση: u I ωl U n k = n 2 ω L C k και επομένως, συνδυάζοντας τις δυο παραπάνω εξισώσεις, η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής προκύπτει: U 1 U 1 u 2 1. Ολοκληρώνοντας, ο υπολογισμός της τάσης εξόδου, τάση δευτερεύοντος τυλίγματος, του μετασχηματιστή δοκιμής μέσω του γινομένου της τάσης πρωτεύοντος επί το λόγο μετασχηματισμού μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά σφάλματα ιδιαίτερα στις περιπτώσεις μεγάλης χωρητικής φόρτισης, μετασχηματιστών δοκιμής με τάση βραχυκύκλωσης μεγάλης τιμής και σε υψηλές συχνότητες τάσης λειτουργίας.

26 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 3.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου τύπου SRP 0.5/5E. V/m μεγίστου τύπου SM76. Τρεις Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 5kVA, 4% Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM 100pF, 100kV (rms). Πυκνωτής φορτίου τύπου CB 1200pF, 140kV. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140kV τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσμοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 3.4. Διεξαγωγή της άσκησης 1. Μετασχηματιστής δοκιμής, τυλίγματα και δυνατότητες συνδεσμολογίας τους, σύνδεση των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος «εν παραλλήλω», έλεγχος και μέθοδοι μέτρησης της τάσης ε- ξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής. Σχήμα 3.2α: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος και φωτορεαλιστική απεικόνιση πειραματικής διάταξης ελέγχου της λειτουργίας ενός μετασχηματιστή δοκιμής. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 3.2α και έλεγχος της λειτουργίας της. Για τάση εισόδου (πρωτεύοντος) σταθερή και ίση με 30 V μέτρηση της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής υπό χωρητική φόρτιση: α) 100 pf (Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM). β) 1300 pf (Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών μέτρησης τύπου CM και φορτίου τύπου CB). 2. Σύνδεση δύο μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες, σύνδεση των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος κάθε μετασχηματιστή δοκιμής «εν παραλλήλω», συνδεσμολογίες τυλιγμάτων μεταξύ μετασχηματιστών, έλεγχος και μέθοδοι μέτρησης της τάσης εξόδου της συστοιχίας των δύο μετασχηματιστών δοκιμής. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 3.2β και έλεγχος της λειτουργίας της συστοιχίας των μετασχηματιστών δοκιμής. Για τάση εισόδου σταθερή και ίση με 15 V μέτρηση της τάσης εξόδου της συστοιχίας υπό χωρητική φόρτιση: α) 100 pf (Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM). β) 1300 pf (Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών μέτρησης τύπου CM και φορτίου τύπου CB).

Μετασχηματιστές δοκιμής και φαινόμενο Ferranti 27 Σχήμα 3.2β: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος και φωτορεαλιστική απεικόνιση πειραματικής διάταξης ελέγχου της λειτουργίας συστοιχίας δύο μετασχηματιστών δοκιμής. 3. Σύνδεση τριών μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες, σύνδεση των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος κάθε μετασχηματιστή δοκιμής «εν παραλλήλω», συνδεσμολογίες τυλιγμάτων μεταξύ μετασχηματιστών, έλεγχος και μέθοδοι μέτρησης της τάσης εξόδου της συστοιχίας των τριών μετασχηματιστών δοκιμής. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 3.2γ και έλεγχος της λειτουργίας της συστοιχίας των μετασχηματιστών δοκιμής. Για τάση εισόδου σταθερή και ίση με 10 V μέτρηση της τάσης εξόδου της συστοιχίας υπό χωρητική φόρτιση: α) 100 pf (Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM). β) 1300 pf (Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών μέτρησης τύπου CM και φορτίου τύπου CB). Για τα παραπάνω βήματα διεξαγωγής της άσκησης να συμπληρωθεί ο Πίνακας μετρήσεων: Πίνακας 1: Αποτελέσματα μετρήσεων της τάσης εξόδου διατάξεων Μ/Σ δοκιμής Τάση Αριθμός βαθμίδων εισόδου Μ/Σ δοκιμής (V) 1 30 Τάση Εξόδου (kv) Φόρτιση 100 pf 1300 pf 2 15 3 10 3.5. Ερωτήσεις 1. Για κάθε βήμα διεξαγωγής της άσκησης να υπολογιστούν θεωρητικά: 1.1. Η τάση εξόδου της πειραματικής διάταξης λαμβάνοντας υπόψη την τάση εισόδου και το λόγο μετασχηματισμού, ήτοι η ανηγμένη τάση του πρωτεύοντος στο δευτερεύον, U 1.

28 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Σχήμα 3.2γ: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος και φωτορεαλιστική απεικόνιση πειραματικής διάταξης ελέγχου της λειτουργίας συστοιχίας τριών μετασχηματιστών δοκιμής. 1.2. Η τάση εξόδου της πειραματικής διάταξης, U 2F, λαμβάνοντας υπόψη την τάση εισόδου, το λόγο μετασχηματισμού και την επίδραση του φαινομένου Ferranti, θεωρώντας την τάση βραχυκύκλωσης, u, κατά περίπτωση όπως παρακάτω: μετασχηματιστής δοκιμής, u = 4 % συστοιχία δύο μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες, u = 7 % συστοιχία τριών μετασχηματιστών δοκιμή κατά βαθμίδες ς, u = 11 % 1.3. Η ανύψωση της τάσης εξόδου της διάταξης, ε(%), λόγω του φαινομένου Ferranti ως ποσοστό της ανηγμένης τάσης του πρωτεύοντος στο δευτερεύον. Να συγκεντρωθούν οι υπολογισμοί στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 2: Θεωρητικοί υπολογισμοί της τάσης εξόδου διατάξεων μετασχηματιστών δοκιμής Αριθμός βαθμίδων Μ/Σ δοκιμής Τάση Εισόδου (V) Τάσεις Εξόδου U 1 (kv) U 2F (kv) ε(%) 1 30 2 15 3 10

Μετασχηματιστές δοκιμής και φαινόμενο Ferranti 29 2. Με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων, να υπολογιστεί η ανύψωση της τάσης εξόδου της διάταξης κατά περίπτωση, ε(%), λόγω του φαινομένου Ferranti ως ποσοστό της μετρηθείσας τάσης εξόδου του ενός μετασχηματιστή δοκιμής υπό χωρητική φόρτιση 100 pf. Να συγκεντρωθούν οι υπολογισμοί στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 3: Ανύψωση της τάσης εξόδου διατάξεων μετασχηματιστών δοκιμής Αριθμός βαθμίδων Μ/Σ δοκιμής Τάση Εισόδου (V) 1 30 0 2 15 3 10 ε(%) Φόρτιση 100 pf 1300 pf 3. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων και των θεωρητικών υπολογισμών.

30 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

4. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 4.1. Σκοπός της άσκησης Παραγωγή και μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων 4.2. Στοιχεία θεωρίας Οι εναλλασσόμενες υψηλές τάσεις είναι ιδιαίτερα σημαντικές σε ένα εργαστήριο υψηλών τάσεων διότι χρησιμοποιούνται τόσο για δοκιμές εξοπλισμού όσο και ως πρώτο βήμα για την παραγωγή συνεχών ή κρουστικών υψηλών τάσεων. Κατά τις εργαστηριακές δοκιμές εξοπλισμού, οι εναλλασσόμενες υψηλές τάσεις ως τάσεις δοκιμής προσομοιώνουν όχι μόνο την τάση λειτουργίας, η οποία καταπονεί συνεχώς τον εξοπλισμό, αλλά και τις προσωρινές υπερτάσεις που εμφανίζονται στα συστήματα. Οι τελευταίες μπορεί να εμφανιστούν σε ένα σύστημα λόγω διάφορων αιτιών όπως: απόρριψη φορτίου, ενεργοποίηση αφόρτιστων γραμμών, σφάλματα γης και φαινόμενα συντονισμού ή από συνδυασμό αυτών. Η τιμή κορυφής, η κυματομορφή και η διάρκειά τους εξαρτώνται από την αιτία προέλευσής τους, ωστόσο ως αντιπροσωπευτική κυματομορφή κατά τη προσομοίωσή τους στο εργαστήριο θεωρείται η εναλλασσόμενη υψηλή τάση βιομηχανικής συχνότητας και διάρκειας 1 min. 4.2.1. Ορισμοί Σύμφωνα με την IEC 1, κατά τις δοκιμές υπό εναλλασσόμενη υψηλή τάση ως τάση δοκιμής ορίζεται η τιμή κορυφής της εναλλασσόμενης υψηλής τάσης, U ˆ, διά 2. Ο ορισμός αυτός προϋποθέτει ότι η κυματομορφή της εναλλασσόμενης τάσης δεν αποκλίνει σημαντικά από την ημιτονοειδή. Η τιμή κορυφής μιας εναλλασσόμενης τάσης, u(t), ορίζεται ως η μέγιστη τιμή της, ενώ η ενεργός ή ενδεικνύμενη τιμή μιας εναλλασσόμενης τάσης, U rms, ορίζεται κατά τη διάρκεια μιας πλήρους περιόδου, T, ως: 1 T 2 Urms u () t dt T 0 =. Μία εναλλασσόμενη υψηλή τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δοκιμές εξοπλισμού εφόσον η κυματομορφή της είναι παρόμοια στις δύο ημιπεριόδους και προσεγγίζει την ημιτονοειδή. Η εναλλασσόμενη τάση θεωρείται ημιτονοειδής εάν ο λόγος της τάσης κορυφής προς την ενεργό τιμή της τάσης ισούται με 2± 5%. Η απαίτηση αυτή ως προς την κυματομορφή της τάσης 1 IEC 60060-1:1989, High Voltage test techniques Part 1: General definitions and test requirements.