[ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (GDT) ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ]

Διπλωματική Εργασία Υψηλών Τάσεων Εργασία των φοιτητών: ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Παπαναστασίου Μαρία Χαραλαμπίδης Βασίλης Επιβλέπων Καθηγητής: Π.Ν. Μικρόπουλος [ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (GDT) ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ] Θεσσαλονίκη, 2014

Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε κατά τη διάρκεια του έτους 2014 από τους Μαρία Παπαναστασίου και Βασίλη Χαραλαμπίδη, φοιτητές του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και πραγματεύεται την συμπεριφορά των σπινθηριστών αερίων υπό κρουστικές υπερτάσεις. Στο σημείο αυτό, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κύριο Παντελή Μικρόπουλο, αναπληρωτή καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών ΑΠΘ, για τη συνεχή και ουσιαστική βοήθειά του στην συγκρότηση και ολοκλήρωση της εργασίας, καθώς και για την άριστη συνεργασία που είχαμε. Καθοριστική στην πραγματοποίηση αυτού του έργου ήταν και η βοήθεια του υποψήφιου διδάκτορα Ζαχαρία Δάτσιου. Η καθοδήγηση και το ενδιαφέρον που έδειξε για το αντικείμενο της διπλωματικής και για την πρόοδο της, όσον αφορά στην υλοποίησή της, ήταν σημαντικοί παράγοντες, που οδήγησαν στην επιτυχή ολοκλήρωσή της. Τέλος, ευχαριστούμε τις οικογένειές μας για την αμέριστη συμπαράσταση και υποστήριξη που μας έδειξαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μας και για τα κίνητρα που μας έδιναν να συνεχίσουμε. Μαρία Παπαναστασίου Βασίλης Χαραλαμπίδης Θεσσαλονίκη, 2014 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 2

Περιεχόμενα Περίληψη... 5 Abstract... 6 1. Εισαγωγή... 7 2. Αναμενόμενες υπερτάσεις στα συστήματα χαμηλής τάσης... 8 2.1 Γενικά... 8 2.2 Αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων... 8 2.3 Ζώνες υπέρτασης... 9 2.4 Τρόποι εγκατάστασης των SPD... 11 3. Κατηγορίες SPD... 12 3.1 Varistors... 12 3.1.1 Γενικά... 12 3.1.2 Χαρακτηριστικές παράμετροι των MOV... 13 4. Gas Discharge Tubes... 15 4.1 Λειτουργία των Gas Discharge Tubes... 15 4.1.1 Γενικά... 15 4.1.2 Κατασκευαστικά στοιχεία Γενική λειτουργία... 15 4.1.3 Ηλεκτρική διάσπαση... 17 4.1.4 Ανάλυση λειτουργίας των GDTs σε στάδια... 20 4.1.5 Απόκριση των GDTs... 22 4.2 Κρουστικές τάσεις δοκιμής... 22 4.2.1 Αποσβενύμενη κρουστική τάση... 23 4.2.2 Συνδυασμένο κρουστικό κύμα... 24 4.2.3 Μέγιστες τιμές κρουστικών τάσεων και ρευμάτων... 26 4.3 Διαστασιολόγηση των GDTs... 27 4.3.1 Γενικά... 27 4.3.2 Παράμετροι σχεδίασης... 27 4.3.3 Σύνοψη... 35 4.4 Άλλες υλοποιήσεις των GDTs... 35 4.5 GDTs έναντι των MOVs... 36 5. Βελτίωση της απόκρισης έναντι υπερτάσεων με το συνδυασμό varistors και GDTs... 37 5.1 Προβλήματα από τη χρήση varistor και GDT... 37 5.1.1 Προβλήματα από τη χρήση μόνο varistor... 37 5.1.2 Προβλήματα από τη χρήση μόνο GDT... 38 5.1.3 Προβλήματα στη περίπτωση σύνδεσης GDT και varistor σε σειρά... 39 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 3

5.1.4 Προβλήματα στη περίπτωση σύνδεσης GDT και varistor παράλληλα... 40 5.2 Συνδυασμός GDTs και varistors... 42 5.3 Πλεονεκτήματα της μεθοδολογίας συνδυασμού GDTs και varistors... 42 6. Προσομοίωση συμπεριφοράς των GDTs με το πρόγραμμα ATP-EMTP... 43 6.1 Κρουστική γεννήτρια δοκιμής... 43 6.1.1 Γεννήτρια συνδυασμένης κυματομορφής... 43 6.2 Μοντέλο GDT... 46 6.2.1 Παράμετροι μοντελοποίησης... 46 6.2.2 Μοντέλα προσομοίωσης GDT στο πρόγραμμα SPICE... 47 6.2.3 Μοντέλο GDT κατά A. Larsson et al.... 49 6.2.4 Υλοποίηση μοντέλου GDT... 51 7. Πειραματικές μετρήσεις... 55 7.1 Εισαγωγή... 55 7.2 Πειραματική διάταξη... 57 7.3 Διαδικασία μετρήσεων και αποτελέσματα κρουστικών δοκιμών... 59 8. Συμπεράσματα Προτάσεις βελτίωσης... 64 Βιβλιογραφία... 65 Παράρτημα... 67 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 4

Περίληψη Η διπλωματική αυτή εργασία έχει θέμα την συμπεριφορά των σπινθηριστών αερίων ( Gas Discharge Tubes,GDTs) υπό κρουστικές υπερτάσεις. Αρχικά, αναλύεται σε θεωρητικό επίπεδο η λειτουργία καθώς και τα χαρακτηριστικά των GDTs. Παρατίθενται οι κυματομορφές τάσης-χρόνου των σπινθηριστών αερίων σε κρουστικές υπερτάσεις, όπου φαίνεται η λειτουργία τους. Στη συνέχεια, γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης μοντέλου προσομοίωσης των GDTs στο πρόγραμμα ATP-EMTP. Για την προσομοίωση της κρουστικής γεννήτριας, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της κρουστικής γεννήτριας συνδυασμένης κυματομορφής. Σύμφωνα με το μοντέλο που υλοποιήθηκε στο ATP-EMTP, γίνεται η σύγκριση των κυματομορφών που προκύπτουν σε σχέση με τις αντίστοιχες άλλων μοντέλων της διεθνούς βιβλιογραφίας. Από το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας φαίνεται ότι οι τιμές των τάσεων και χρόνων διάσπασης δεν έχουν σημαντικές αποκλίσεις. Τελειώνοντας, γίνονται πειραματικές δοκιμές σε πραγματικό GDT του εμπορίου στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. για εξαγωγή κυματομορφών διάσπασης, με στόχο τον σχεδιασμό χαρακτηριστικής τάσης-χρόνου. Η πειραματικά αποκτηθείσα χαρακτηριστική είναι παρόμοια με αυτή που παρουσιάστηκε στο θεωρητικό μέρος. Λέξεις κλειδιά: Σπινθηριστής αερίων, Κρουστικές υπερτάσεις, Προστασία έναντι υπερτάσεων, Κρουστική γεννήτρια συνδυασμένης κυματομορφής, Υψηλές Τάσεις ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 5

Abstract The subject of this Diploma thesis is the lightning surge response of gas discharge tubes (GDTs). The GDTs operation and characteristics are analyzed theoretically. A simulation model for GDTs is developed using ATP-EMTP program. The model implements a combination waveform generator for simulating the surge overvoltage and overcurrent stressing the GDTs and uses as reference GDTs response waveforms from literature. Finally, the overvoltage surge response of a GDT was experimentally investigated in High Voltage laboratory of Aristotle University. Key words: Gas Discharge Tubes, GDTs, Gas Discharge Arresters, GDAs, Gas Discharge Protectors, GDPs, Lightning surges, High Voltage Engineering ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 6

1. Εισαγωγή Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο προσδιορισμός της συμπεριφοράς των σπινθηριστών αερίων (Gas Discharge Tubes, GDTs) υπό κρουστικές υπερτάσεις. Αρχικά, γίνεται μία σύντομη αναφορά στα μέσα προστασίας έναντι υπερτάσεων (Surge Protective Devices, SPDs), των οποίων κυριότερες κατηγορίες αποτελούν τα Metal Oxide Varistors, MOVs και οι σπινθηριστές αερίων, GDTs. Αφού παρουσιάζεται συνοπτικά η λειτουργία των MOVs, γίνεται πιο εκτενής ανάλυση στα GDTs, με όλα τα υπόλοιπα κεφάλαια της εργασίας να αφιερώνονται σε αυτά. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται τα κατασκευαστικά τους στοιχεία, ο τρόπος και τα στάδια λειτουργίας τους καθώς και η απόκρισή τους σε κρουστικές υπερτάσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι κρουστικές τάσεις δοκιμής και γίνεται ανάλυση των κριτηρίων επιλογής των GDTs. Το επόμενο κεφάλαιο αναφέρεται στη βελτίωση της απόκρισης έναντι υπερτάσεων χρησιμοποιώντας συνδυασμό των GDTs και MOVs. Για την καλύτερη κατανόηση του θέματος, γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας των GDTs με την χρήση του προγράμματος ATP-EMTP. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, αναλύεται η κρουστική γεννήτρια δοκιμής καθώς και υπάρχοντα μοντέλα προσομοίωσης GDTs. Στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. πραγματοποιήθηκε το αντίστοιχο πείραμα, κατά το οποίο με χρήση μονοβάθμιας κρουστικής γεννήτριας έγιναν επιβολές για διαφορετικά επίπεδα τάσης σε GDT του εμπορίου. Ο έλεγχος της απόκρισής του έγινε με παλμογράφο και στην εργασία παρατίθενται οι κυματομορφές που προέκυψαν. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα όλης της ανάλυσης και αναφέρονται προτάσεις για βελτίωση της διαδικασίας που ακολουθήθηκε όσον αφορά τις προσομοιώσεις και την πειραματική διάταξη. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 7

2. Αναμενόμενες υπερτάσεις στα συστήματα χαμηλής τάσης 2.1 Γενικά Η συνηθέστερη αιτία προβλημάτων στην λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού είναι οι κρουστικές υπερτάσεις που διαδίδονται μέσω των καλωδίων παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, όπως είναι τα συστήματα ρύθμισης στροφών ηλεκτροκινητήρων (Variable Speed Drives, VSDs), οι μονάδες ελέγχου και επιτήρησης της γραμμής παραγωγής, συστήματα ηλεκτρικών μετρήσεων, συστήματα αυτομάτου ελέγχου τα οποία χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά ισχύος, τροφοδοτικά αδιάλειπτου παροχής (UPS), καθώς και πλήθος άλλων βιομηχανικών συστημάτων, είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και καταστρέφονται από τις κρουστικές υπερτάσεις. Κρουστικές υπερτάσεις δημιουργούνται στο δίκτυο εξαιτίας του φαινομένου της επαγωγής κατά τη διάρκεια των κεραυνοπτώσεων, καθώς επίσης και από σφάλματα στο δίκτυο ηλεκτρικής παροχής. Οι βλάβες που προκαλούνται στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό και οφείλονται στις κρουστικές υπερτάσεις του δικτύου, έχουν σαν αποτέλεσμα την σημαντική απώλεια εσόδων για την βιομηχανία. Προκειμένου να προστατευθεί ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός από υπερτάσεις, απαιτείται η εγκατάσταση ειδικών συστημάτων απαγωγής κρουστικών υπερτάσεων (Surge Protective Device, SPD) στην παροχή ηλεκτρικής τροφοδοσίας τους. Αυτά τα συστήματα διοχετεύουν τα κρουστικά ρεύματα προς τη γη, εμποδίζοντάς τα να εισβάλουν στον εξοπλισμό και να τον καταστρέψουν. Οι κρουστικές υπερτάσεις που εμφανίζονται στους αγωγούς τροφοδοσίας είναι παλμοί μεγάλου πλάτους και διάρκειας μερικών μs. Η κρουστική υπέρταση συχνά υπερβαίνει την τάση διάσπασης του διηλεκτρικού που χρησιμοποιείται για την μόνωση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, προκαλώντας έτσι βαθμιαία εξασθένηση της μόνωσης και τελικά την καταστροφή του εξοπλισμού. Επαναλαμβανόμενες κρουστικές υπερτάσεις, προκαλούν ελάττωση του αναμενόμενου χρόνου ζωής του εξοπλισμού (Mean Time Before Failure, MTBF). Αποτέλεσμα αυτού είναι να απαιτείται συχνή συντήρηση του εξοπλισμού αυξάνοντας έτσι το κόστος λειτουργίας. Κάθε ηλεκτρική ή ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία εκτίθεται σε κρουστικές υπερτάσεις οι οποίες προέρχονται είτε από το δίκτυο της ΔΕΗ είτε από τη λειτουργία γειτονικού εξοπλισμού εντός του εργοστασίου. Προκειμένου να προστατευθεί ο εξοπλισμός από τις υπερτάσεις αυτές χρησιμοποιούνται οι διατάξεις προστασίας από κρουστικές υπερτάσεις (SPD). Οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται είτε στον κεντρικό πίνακα ηλεκτρικής παροχής, είτε στους υποπίνακες που τροφοδοτούν τον εξοπλισμό. Οι διατάξεις SPD που διατίθενται στο εμπόριο ποικίλουν όσο αφορά την τεχνολογία, τον τρόπο διασύνδεσής τους, την αντοχή τους σε αλλεπάλληλα κρουστικά πλήγματα καθώς και στο επίπεδο προστασίας που προσφέρουν. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής των διατάξεων SPD στη βιομηχανία έχουν δείξει σοβαρά προβλήματα όσο αφορά την ασφάλεια που παρέχουν σε εξοπλισμό και προσωπικό. [1] 2.2 Αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων Οι κρουστικές υπερτάσεις δημιουργούνται στους αγωγούς τροφοδοσίας από την απότομη μεταβολή της ηλεκτρικής κατάστασης του κυκλώματος η οποία προκαλεί την έκλυση μεγάλου ποσού ενέργειας το οποίο βρίσκεται αποθηκευμένο στα επαγωγικά και χωρητικά στοιχεία του δικτύου τροφοδοσίας. Τα αίτια των υπερτάσεων μπορεί να οφείλονται σε παράγοντες έξω από την ηλεκτρική εγκατάσταση μιας μονάδας, όπως: Κεραυνικά πλήγματα Σύνδεση / αποσύνδεση πυκνωτών για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος Διακοπή / επανασύνδεση ηλεκτρικής τροφοδοσίας Σύνδεση / αποσύνδεση μετασχηματιστών διανομής ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 8

Γενικά χαμηλή ποιότητα του δικτύου ηλεκτρικής διανομής Υπερτάσεις όμως δημιουργούνται και στο εσωτερικό της ηλεκτρικής εγκατάστασης από: Τη λειτουργία ασφαλειών και αυτόματων διακοπτών (circuit breakers) Τις ηλεκτρικές μηχανές ισχύος, π.χ. ανελκυστήρες Τα κλιματιστικά μηχανήματα Τα συστήματα ρύθμισης στροφών κινητήρων (Variable Speed Drives, DVS) [1] 2.3 Ζώνες υπέρτασης Οι υπερτάσεις που είναι πιθανό να εμφανιστούν στα AC κυκλώματα χαμηλής τάσης (120 V rms μέχρι 1000 V rms) περιγράφονται στο πρότυπο IEEE C62.41.2 με τίτλο IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits. Το πρότυπο αυτό καθορίζει τρείς τοποθεσίες όπου μπορεί να εμφανιστεί μια υπέρταση. Αυτές είναι οι εξής [2] : o Κατηγορία Α Πρόκειται για περιβάλλοντα με κυκλώματα που εμφανίζουν διακλαδώσεις και εξόδους, τα οποία απέχουν τουλάχιστον 10 m από τη κατηγορία Β και 20 m από τη C. [2][3] o Κατηγορία Β Τα περιβάλλοντα σε αυτή τη κατηγορία βρίσκονται στη πλευρά του φορτίου και χαρακτηρίζονται από μικρά κυκλώματα διακλαδώσεων και γραμμών τροφοδοσίας. [2] o Κατηγορία C Εδώ τα περιβάλλοντα είναι στη πλευρά της γραμμής του δικτύου [2]. Οι υπερτάσεις σε αυτή τη κατηγορία μπορούν να εισέλθουν σε μια εγκατάσταση μέσω της παροχής εισόδου ( service entrance ). Επομένως, τα GDTs πρέπει να διαστασιολογηθούν έτσι ώστε να αντέχουν αυτές τις υπερτάσεις. [3] Στα σχήματα 2.1 και 2.2 φαίνεται το πώς διαχωρίζονται οι τρείς κατηγορίες. Σχήμα 2.1 : Κατηγοριοποίηση των τοποθεσιών κατά IEEE C62.41 [2] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 9

Σχήμα 2.2: Διαχωρισμός τοποθεσιών κατά IEEE C62.41 [3] Μια δεύτερη παράμετρος που χρησιμοποιείται για το προσδιορισμό του περιβάλλοντος όπου μπορεί να εμφανιστεί μια διαταραχή είναι η έκθεση των συστημάτων. Το πρότυπο IEEE C62.41 καθορίζει τρία επίπεδα έκθεσης, το χαμηλό, το μεσαίο και το υψηλό. [3] o Χαμηλό επίπεδο έκθεσης Εφαρμογές με μικρή κεραυνική δραστηριότητα και μικρές αλλαγές φορτίου. o Μεσαίο επίπεδο έκθεσης Συστήματα και γεωγραφικές περιοχές που έχουν μεσαία με υψηλή κεραυνική δραστηριότητα ή εμφανίζουν σημαντικά μεταβατικά φαινόμενα ή και τα δύο μαζί. o Υψηλό επίπεδο έκθεσης Εγκαταστάσεις που έχουν πολύ μεγαλύτερη έκθεση σε υπερτάσεις σε σχέση με αυτές του μικρού και μεσαίου επιπέδου έκθεσης. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 10

2.4 Τρόποι εγκατάστασης των SPD Οι διατάξεις SPD συνδέονται μεταξύ των αγωγών φάσεων, του ουδετέρου και της γης σύμφωνα με τους παρακάτω τρόπους: Προστασία Φάσης - Ουδετέρου (Line to Neutral, L-N): Όταν ένα στοιχείο SPD τοποθετείται μεταξύ του αγωγού τροφοδοσίας και του ουδετέρου αγωγού, προστατεύει από υπερτάσεις που οφείλονται κυρίως σε σφάλματα του δικτύου ηλεκτρικής παροχής. Προστασία Φάσης - Γης (Line to Ground, L-G): Προστασία από κεραυνικά και κρουστικά ρεύματα μεταξύ των φάσεων και της γης. Προστασία Ουδετέρου-Γης (Neutral to Ground, N-G): Προστασία από κεραυνικά και κρουστικά ρεύματα μεταξύ του ουδετέρου και της γης. Στη γενική περίπτωση μιας τριφασικής παροχής, απαιτούνται 7 στοιχεία προστασίας: 3 στοιχεία μεταξύ φάσεων και γης, 1 στοιχείο μεταξύ ουδετέρου και γης και 3 στοιχεία μεταξύ φάσεων και ουδετέρου. [1] Ο τρόπος εγκατάστασής τους φαίνεται στην παρακάτω εικόνα : Σχήμα 2.3: Εγκατάσταση SPDs σε 3φασική παροχή [4] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 11

3. Κατηγορίες SPD Τα SPD διακρίνονται κυρίως σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν διατάξεις μη γραμμικής αντίστασης, ενώ στη δεύτερη διακοπτικού τύπου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της πρώτης κατηγορίας είναι οι διατάξεις MOV (Metal Oxide Varistors), ενώ της δεύτερης οι σπινθηριστές αερίων GDT (Gas Discharge Tubes). [5] Οι τελευταίοι αναλύονται σε ιδιαίτερο κεφάλαιο για πληρέστερη παρουσίασή τους. 3.1 Varistors 3.1.1 Γενικά Πρόκειται για εκτροπείς υπέρτασης, ευρείας εφαρμογής, γρήγορης απόκρισης που περιορίζουν την υπέρταση σε αποδεκτή τιμή. Το varistor είναι κεραμικό, κατασκευασμένο από σκόνη οξειδίου του ψευδαργύρου με κάποια πρόσθετα. Αυτή η σκόνη χαρακτηρίζεται για την χαμηλή αντίσταση και για το ότι είναι περιτριγυρισμένο από κοκκώδη στρώματα προσθέτων με υψηλή αντίσταση. Αυτή η δομή συμπεριφέρεται σαν διόδους συνδεδεμένες σε σειρά ή παράλληλα, εξασφαλίζοντας μία μη γραμμική απόδοση στα varistor. Η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος των varistors είναι ισχυρά μη γραμμική σύμφωνα με τη γενική εξίσωση [6] : Σχήμα 3.1 : Τυπική εικόνα varistor [7] U = ai b και μπορεί να χωριστεί σε τρείς περιοχές : 1. Περιοχή χαμηλού ηλεκτρικού πεδίου Μικρή τάση επιβάλλεται στους ακροδέκτες του varistor, οι δίοδοι δεν άγουν και το varistor συμπεριφέρεται ως μονωτής. 2. Περιοχή μεσαίου ηλεκτρικού πεδίου Σε αυτή την περιοχή, το ρεύμα αυξάνει απότομα όταν το ηλεκτρικό πεδίο φτάσει τιμή μεγαλύτερη των 100 kv/mm. Οι τιμές του ρεύματος σε αυτή την περιοχή κυμαίνονται μεταξύ 1mA και 1kA. 3. Περιοχή υψηλού ηλεκτρικού πεδίου Η πτώση τάσης σε ένα MOV είναι γραμμική μέχρι την καθορισμένη πτώση τάσης της σκόνης οξειδίου του ψευδαργύρου, ενώ η πτώση τάσης στα άκρα μπορεί να αμεληθεί εξαιτίας του φαινομένου σήραγγας (tunnel effect). [8] Τα δημοσιευμένα αποτελέσματα των μετρήσεων από την παραμένουσα τάση των MOV δείχνουν τη δυναμική φύση των varistors, εφόσον η παραμένουσα τάση τους εξαρτάται από την κλίση του μετώπου του ρεύματος. Η παραμένουσα τάση των MOV αυξάνεται όσο μειώνεται η διάρκεια μετώπου του ρεύματος. Η δεύτερη δυναμική ιδιότητα είναι ότι η παραμένουσα τάση των MOV φτάνει το μέγιστό της πριν φτάσει το ρεύμα το μέγιστό του. [8] Τα στοιχεία varistor MOV εμφανίζουν εξαιρετική αντοχή σε ρεύματα μεγάλης έντασης, έχουν γρήγορη απόκριση και παρουσιάζουν χαμηλή τιμή παραμένουσας τάσης. Για τους λόγους αυτούς ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 12

τα varistor έχουν κυριαρχήσει και θεωρούνται ως η πιο αποτελεσματική τεχνολογία για την προστασία του βιομηχανικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού από τις υπερτάσεις. Υπάρχουν δύο τύποι διατάξεων SPD που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία και βασίζονται στη χρήση MOV: οι διατάξεις που χρησιμοποιούν παράλληλα συνδεδεμένα varistor και οι διατάξεις που χρησιμοποιούν ένα μόνο varistor. Τα SPD παράλληλων MOV χρησιμοποιούν κοινά στοιχεία varistor που διατίθενται στο εμπόριο κυρίως για την τοπική προστασία ηλεκτρονικών πλακετών (PCB) από υπερτάσεις, τα οποία δεν έχουν επαρκή αντοχή για την προστασία από κρουστικά ρεύματα μεγάλης έντασης. Τα στοιχεία αυτά έχουν μικρή διάμετρο, συνήθως μικρότερη από 20mm και περιβάλλονται από ρητίνη για την στεγανοποίηση από την υγρασία, η οποία ρητίνη περιορίζει την απόδοση του varistor και μειώνει τη διάρκεια ζωής του. Για να αυξήσουν την μέγιστη αντοχή σε κρουστικά ρεύματα, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν παράλληλα συνδεδεμένα βαρίστορ. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται από την συντριπτική πλειοψηφία των κατασκευαστών SPD. Οι διαφορές των διατάξεων παραλλήλων MOV από διαφορετικούς κατασκευαστές είναι το μέγεθος και ο αριθμός των παράλληλων varistor. [1] 3.1.2 Χαρακτηριστικές παράμετροι των MOV Χαρακτηριστικές παράμετροι των διατάξεων MOV που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή τους ανάλογα με την προστασία που απαιτείται αποτελούν : Η τάση συνεχούς λειτουργίας U c, η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση, εναλλασσόμενη (rms) ή συνεχής, που μπορεί να υφίσταται συνεχώς στα άκρα της διάταξης MOV πρέπει να είναι ίση ή μεγαλύτερη από τη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση λειτουργίας της εγκατάστασης, U cs. U c U cs Λαμβάνοντας υπόψη το δίκτυο χαμηλής τάσης 230/400 V και σε συνδυασμό με 10% επιτρεπόμενη αντοχή [IEC 60364-1:2001] οι αναμενόμενες μέγιστες τάσεις λειτουργίας μιας εγκατάστασης χαμηλής τάσης προκύπτουν 253 V και 440V φασική και πολική αντίστοιχα. Τυπικές τιμές συνεχούς τάσης λειτουργίας διατάξεων MOV αποτελούν για συνδέσεις μεταξύ φάσεων τα 440 V και αντίστοιχα μεταξύ φάσης-ουδετέρου ή φάσης-γης τα 280 V. Η τάση αντοχής σε προσωρινές υπερτάσεις U T, σε περίπτωση σφάλματος στο δίκτυο μέσης τάσης μπορεί να εμφανιστούν προσωρινές υπερτάσεις βιομηχανικής συχνότητας στο δίκτυο χαμηλής τάσης U Toν, διάρκειας από μερικά μs μέχρι την παρέλευση του σφάλματος και εύρους έως και 1200 V (0.2 μs) ανάλογα με το σύστημα γείωσης [IEC 60364-4-44:2003]. Σε κάθε περίπτωση η τάση αντοχής σε προσωρινές υπερτάσεις της διάταξης MOV πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη τιμή της προσωρινής υπέρτασης που μπορεί να εμφανιστεί στην εγκατάσταση : U Τ > U Τον Διατάξεις MOV που έχουν εκλεγεί με συνεχή τάση λειτουργίας σύμφωνα με τα παραπάνω, κατασκευαστικά αντέχουν τις προσωρινές υπερτάσεις βιομηχανικής συχνότητας που μπορεί να εμφανιστούν στο δίκτυο χαμηλής τάσης με ικανοποιητική συντελεστή ασφαλείας υπό την προϋπόθεση ότι συνδυάζουν και ικανοποιητικό επίπεδο προστασίας. Το επίπεδο προστασίας U P, πρόκειται για τιμή κορυφής τάσης που χαρακτηρίζει την ικανότητα περιορισμού της υπέρτασης στα άκρα της διάταξης. Συνήθως από τους κατασκευαστές δίδεται ο λόγος U P /U C όπου το επίπεδο προστασίας αναφέρεται σε ονομαστικό ρεύμα. Τυπικές τιμές ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 13

του λόγου είναι 3/5 με τη μικρότερη τιμή να αντιστοιχεί σε καλύτερη παρεχόμενη προστασία. Το επίπεδο προστασίας U P πρέπει να είναι μικρότερο από τη διαβαθμισμένη κρουστική τάση αντοχής του εξοπλισμού και να ικανοποιεί ένα περιθώριο ασφαλείας τουλάχιστον 20% σε σχέση με τη μέγιστη πιθανή υπέρταση που μπορεί να εμφανιστεί στον εξοπλισμό. Η παραμένουσα τάση U res, η μέγιστη τιμή της τάσης που αναπτύσσεται στα άκρα της διάταξης κατά τη διαρροή της από το ρεύμα της εκκένωσης, η οποία τελικώς και καταπονεί τον εξοπλισμό όσο διαρκεί η υπέρταση. Το ονομαστικό ρεύμα Ι n, η μέγιστη τιμή του ρεύματος κυματομορφής 8/20 μsec. Το κρουστικό ρεύμα Ι imp ή το μέγιστο ρεύμα εκκένωσης Ι max, η μέγιστη τιμή ρεύματος κυματομορφής 10/350 μsec ή 8/20 μsec αντίστοιχα που μπορεί να διαρρεύσει τον εκτροπέα χωρίς να καταστραφεί. Χρησιμοποιείται κατά τις δοκιμές συνεχούς λειτουργίας της διάταξης για τον έλεγχο της θερμικής ευστάθειας. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, η παράμετρος δίνεται σε μονάδες kj/kv και αντιστοιχεί στην τιμή της ενέργειας καταπόνησης της διάταξης MOV κατά τις δοκιμές συνεχούς λειτουργίας της διάταξης για τον έλεγχο της θερμικής της ευστάθειας. Καθορίζεται από το ονομαστικό ρεύμα της διάταξης Ι n και το κρουστικό ρεύμα Ι imp για διατάξεις κλάσης Ι ή το μέγιστο ρεύμα εκκένωσης Ι max για διατάξεις κλάσης ΙΙ. Στις περιπτώσεις που διατάξεις MOV χρησιμοποιούνται για την προστασία εξοπλισμού που μπορεί να αποθηκεύει ενέργεια όπως συστοιχίες πυκνωτών, καλώδια, φίλτρα, η μέγιστη τιμή της ενέργειας αυτής πρέπει να είναι μικρότερη από την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας της διάταξης. Για την επιλογή της κατάλληλης διάταξης MOV, πέραν των παραπάνω χαρακτηριστικών παραμέτρων επιπρόσθετα λαμβάνονται υπόψη η θέση της εγκατάστασής της, εσωτερικού ή εξωτερικού χώρου, και κατά συνέπεια οι συνθήκες του περιβάλλοντος στο σημείο εγκατάστασης, το επίπεδο ρύπανσης, καθώς και τυχόν απαιτήσεις μηχανικής καταπόνησης. Ως γενικός κανόνας, η διάταξη MOV πρέπει να εγκαθίσταται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον εξοπλισμό που χρήζει προστασίας [6]. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 14

4. Gas Discharge Tubes 4.1 Λειτουργία των Gas Discharge Tubes 4.1.1 Γενικά Τα Gas Discharge Tubes, GDTs, (ή αλλιώς Gas Discharge Arresters, GDAs, ή Gas Discharge Protectors, GDPs, ή σπινθηριστές αερίων) αποτελούν ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία για προστασία των κυκλωμάτων και συσκευών χαμηλής τάσης που βρίσκονται μέσα σε κτίρια, έναντι επιβλαβών υπερτάσεων. Οι υπερτάσεις αυτές μπορούν να προκληθούν από ατμοσφαιρικά φαινόμενα, όπως για παράδειγμα λόγω κεραυνικού πλήγματος. Η ανάπτυξη τους ξεκίνησε μόλις πριν από 35 χρόνια. Τα φυσικά φαινόμενα που κρύβονται πίσω από τη λειτουργία τους είναι πολύπλοκα και δεν έχουν ακόμα εξηγηθεί πλήρως. Παρά το γεγονός ότι τα GDTs είναι διαθέσιμα στην αγορά εδώ και κάποιο διάστημα, γίνεται ακόμα πολύ έρευνα γύρω από αυτά, ειδικά λόγω κάποιων προβλημάτων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, όπως της δυσκολίας για διακοπή του ηλεκτρικού τόξου από τα ίδια. [9] 4.1.2 Κατασκευαστικά στοιχεία Γενική λειτουργία Το GDT αποτελείται συνήθως από δύο (σε κάποιες περιπτώσεις και τρία) ηλεκτρόδια παράλληλα μεταξύ τους, σε κάποια απόσταση (δημιουργώντας έτσι ένα διάκενο), σφραγισμένα μέσα σε ένα κεραμικό σωλήνα με διηλεκτρικό μέσο κάποιο αέριο υπό πίεση, διαφορετικό από τον αέρα. Συνήθως, ως διηλεκτρικό μέσο χρησιμοποιείται ένα μείγμα ευγενών αερίων. [10] Στο σχήμα 4.1, παρουσιάζεται το εσωτερικό ενός τυπικού GDT, όπου φαίνονται τα δύο ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από ειδικό κράμα, η ειδική επίστρωση εκπομπής πάνω σε αυτά, το αέριο που χρησιμοποιείται ως διηλεκτρικό μέσο Σχήμα 4.1 : Το εσωτερικό ενός GDT της εταιρίας BOURNS [11] και είναι εγχυμένο παντού στον ενδιάμεσο χώρο και τέλος κάποια υλικά για την ενίσχυση του πεδίου. Στο σχήμα 4.2, δίνονται κάποιες εικόνες των GDTs έτσι όπως μπορεί να τα βρει κανείς στο εμπόριο. Σχήμα 4.2 : Τυπικά GDTs της εταιρίας BOURNS [11] Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας το GDT είναι ουσιαστικά αόρατο στο συνολικό κύκλωμα, λόγω της πολύ μεγάλης αντίστασης που παρουσιάζει (της τάξης των 10 9 Ω). Σε αυτή τη κατάσταση δηλαδή, δεν υπάρχει καθόλου ροή ρεύματος προς τη γη. Όταν όμως εμφανιστεί μία μεγάλη υπέρταση, όπως για παράδειγμα ένα κεραυνικό πλήγμα, τότε λόγω του έντονου ιονισμού των ευγενών αερίων που βρίσκονται μέσα στο σωλήνα, η συνολική αντίσταση του GDT μειώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, τη διάσπαση του διακένου μεταξύ των μεταλλικών ηλεκτροδίων του GDT. Κατά αυτόν τον τρόπο η επικίνδυνη υπέρταση ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 15

οδηγείται μέσω του GDT στη γη, προστατεύοντας έτσι τη συσκευή που τοποθετείται παράλληλα σε αυτό. Μόλις περάσει η υπέρταση, το GDT επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, εμφανίζοντας και πάλι πολύ μεγάλη αντίσταση. [10][11][12] Ο χρόνος απόκρισης των GDTs στην υπέρταση είναι σχετικά μεγάλος, η τάση έναυσης τους παρουσιάζει στατιστική διακύμανση εφόσον εξαρτάται από το ρυθμό ανόδου της υπέρτασης, ωστόσο μπορούν να φέρουν μεγάλα ρεύματα 1.5 με 20 ka [6]. Παρά τις έντονες υπερτάσεις που μπορούν να διέλθουν από τα GDTs, αυτά παρουσιάζουν μεγάλη διάρκεια ζωής που μπορεί να ξεπεράσει τα 20 χρόνια. [11] Τα GDTs χρησιμοποιούνται κυρίως σε κυκλώματα ασθενών ρευμάτων, όπως στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, στα συστήματα μεταφοράς δεδομένων ή σε ηλεκτρονικές εφαρμογές (σχήμα 4.3) [6]. Αυτό οφείλεται στη πολύ μικρή χωρητικότητα που παρουσιάζουν, η οποία δεν περιορίζει το εύρος των κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας σε τέτοιο βαθμό όσο άλλα μη γραμμικά στοιχεία προστασίας [10]. Ωστόσο, τα GDTs κρίνονται ακατάλληλα για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές που περιλαμβάνουν ευαίσθητο εξοπλισμό. Αυτό οφείλεται σε τρείς παράγοντες [1] : 1. Αργή απόκριση στα κρουστικά ρεύματα. Η τάση ενεργοποίησης τους εξαρτάται από το ρυθμό ανόδου της υπέρτασης με αποτέλεσμα σε πολλές περιπτώσεις η τάση στα άκρα του, πριν την ενεργοποίηση του GDT, να υπερβαίνει την τάση αντοχής του εξοπλισμού που προστατεύουν προκαλώντας κατά συνέπεια την καταστροφή του. 2. Σε μερικές περιπτώσεις η κατάσταση αγωγιμότητας διατηρείται για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα μετά την έλευση του κρουστικού παλμού (follow current). Το φαινόμενο αυτό προκαλεί παροδική διακοπή της τροφοδοσίας του εξοπλισμού με αποτέλεσμα την δυσλειτουργία ή την διακοπή λειτουργίας του εξοπλισμού με όλα τα αρνητικά αποτελέσματα που μια τέτοια κατάσταση επιφέρει στις σύγχρονες βιομηχανικές μονάδες. 3. Η ηλεκτρική εκκένωση που δημιουργείται μεταξύ των ηλεκτροδίων στο εσωτερικό του GDT είναι ένα βίαιο φαινόμενο το οποίο παράγει ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στο παρακείμενο εξοπλισμό, προκαλώντας δυσλειτουργία του. Σχήμα 4.3 : Προστασία με GDT κυκλωμάτων ασθενών ρευμάτων [6] Στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα χρησιμοποιούνται και άλλες βασικές συνδεσμολογίες των GDTs όπως αυτές που φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα (4.4) : ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 16

Σχήμα 4.4 : Βασικά κυκλώματα τοποθέτησης των GDTs στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα [13] 4.1.3 Ηλεκτρική διάσπαση Προτού γίνει η λεπτομερής ανάλυση της λειτουργίας του GDT κρίνεται απαραίτητη η διεξοδική μελέτη των φυσικών φαινομένων που κρύβονται πίσω από αυτό και τα οποία οδηγούν στη τελική διάσπαση αυτού [14]. Αρχικά, θα γίνει αναφορά σε κάποιες βασικές έννοιες και παραδοχές της ηλεκτρικής διάσπασης, κι έπειτα η ανάλυση θα προχωρήσει με τη μελέτη της διάσπασης των αερίων. Δεν θα δοθεί έμφαση στους τύπους που διέπουν τα φαινόμενα, παρά μόνο στη φυσική τους εξήγηση. 4.1.3.1 Βασικές έννοιες Σύμφωνα με το βιβλίο Τεχνολογία Υψηλών Τάσεων του Κ.Α. Στασινόπουλου : Ιονισμός είναι το φαινόμενο όπου ένα ηλεκτρόνιο αποσπάται από ένα άτομο, αφήνοντας το άτομο με ένα θετικό φορτίο, δηλαδή μετατρέποντας το σε θετικό ιόν. Έτσι αντί ενός ηλεκτρικά ουδέτερου ατόμου προκύπτει ένα ζεύγος ηλεκτρονίου θετικού ιόντος. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να αποσπαστεί ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο από την ελκτική επίδραση του πυρήνα είναι ίση με το γινόμενο του φορτίου του ηλεκτρονίου επί το «πρώτο δυναμικό ιονισμού». Η ενέργεια αυτή εκφράζεται σε ηλεκτρονικά βολτ (ev). Όταν η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που επιταχυνόμενο από κάποιο ηλεκτρικό πεδίο συγκρούεται με ένα ουδέτερο μόριο ή άτομο αερίου υπερβεί την τιμή της ελάχιστης ενέργειας ιονισμού του αερίου, τότε είναι δυνατό να προκαλέσει ιονισμό οπότε από ένα ουδέτερο άτομο προκύπτει ένα θετικό ιόν και ένα ηλεκτρόνιο. Αυτός ο τρόπος ιονισμού λέγεται «ιονισμός κρούσεως». Ο ιονισμός κρούσεως, όπως άλλωστε και κάθε τρόπος ιονισμού, είναι στοχαστικό φαινόμενο. Για κάθε αέριο υπάρχει μια βέλτιστη για ιονισμό δέσμη ενέργειας των ηλεκτρονίων. Τα πολύ ταχέα ηλεκτρόνια έχουν την τάση να περνούν από ένα άτομο χωρίς να το ιονίζουν. Φωτοϊονισμός ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο προσκρούοντας σε ένα άτομο, μπορεί να το ιονίσει. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος του φωτονίου ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 17

τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του, άρα και η πιθανότητα να μπορέσει αυτό να προκαλέσει φωτοϊονισμό. Ο όρος «θερμοϊονισμός» περιλαμβάνει τον ιονισμό που προκαλείται από υψηλή θερμοκρασία. Τα άτομα και τα μόρια ενός αερίου όταν θερμαίνονται πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, αποκτούν αρκετή ενέργεια ώστε να μπορούν να ιονίσουν λόγω μοριακών και ηλεκτρονικών κρούσεων αλλά και ακτινοβολίας. Ο θερμοϊονισμός είναι η κύρια αιτία του ιονισμού στις στήλες των ηλεκτρικών τόξων. Θεωρείται αμελητέος για θερμοκρασίες μικρότερες από 1000 Κ. Η κάθοδος ασκεί πολύ μεγάλη επίδραση στις εκκενώσεις μέσα στα αέρια παρέχοντας τα απαραίτητα ηλεκτρόνια για την έναρξη και για τη συντήρηση των εκκενώσεων. Η παροχή ή καλύτερα απόσπαση των ηλεκτρονίων από την κάθοδο μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους που όλοι μαζί λέγονται «καθοδικά φαινόμενα». Για να καταστεί δυνατόν να αποσπαστούν ηλεκτρόνια από την κάθοδο (επίπεδο Fermi) χρειάζεται ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας. Η ενέργεια αυτή λέγεται «έργο εξαγωγής» και είναι χαρακτηριστικό του υλικού της καθόδου. Για τα συνηθέστερα μέταλλα κυμαίνεται περί τα 4 ev. 4.1.3.2 Διάσπαση στα αέρια 4.1.3.2.1 Γενικά Περαιτέρω, η όλη ανάλυση θα γίνει με βάση ότι τα διάκενα βρίσκονται σε ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Στη πραγματικότητα δεν υπάρχουν τελείως ομοιογενή διάκενα. Ωστόσο, η συμπεριφορά τους προσεγγίζει σε μεγάλο βαθμό αυτή των ομοιογενών. Αυτά τα διάκενα ονομάζονται σχεδόν ομοιογενή διάκενα. 4.1.3.2.2 Σχηματισμός ηλεκτρονικών στιβάδων Όταν επιβάλλεται τάση σε ομοιογενές διάκενο, τα αρχικά ελεύθερα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε αυτό επιταχύνονται από την κάθοδο προς την άνοδο λόγω της ταυτόχρονης αύξησης του πεδίου. Όταν η κινητική τους ενέργεια ξεπεράσει το πρώτο δυναμικό ιονισμού, εάν συγκρουστούν με άτομα του αερίου θα προκαλέσουν τη δημιουργία νέων ηλεκτρονίων λόγω ιονισμού κρούσεως. Αυτά επιταχύνονται επίσης προς την άνοδο και συνεχίζεται με αυτό τον τρόπο μία επαναλαμβανόμενη διαδικασία ιονισμού. Αυτή λοιπόν είναι η διαδικασία σχηματισμού των ηλεκτρονικών στιβάδων. Οι ηλεκτρονικές στιβάδες έχουν κωνική μορφή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι φορείς τους αυξάνονται εκθετικά όσο η στιβάδα προχωράει προς την άνοδο. Τα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται στην κεφαλή, ενώ τα θετικά ιόντα μένουν στην ουρά καθώς τα πρώτα αναπτύσσουν μεγαλύτερες ταχύτητες. Μια τυπική εικόνα ηλεκτρονικής στιβάδας φαίνεται στο σχήμα 4.5. Σχήμα 4.5: Ηλεκτρονική στιβάδα [14] 4.1.3.2.3 Δευτερογενή φαινόμενα Εκτός από τα αρχικά ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της καθόδου, υπάρχουν και κάποιοι άλλοι μηχανισμοί που μπορούν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια και να συμβάλλουν στη δημιουργία ηλεκτρονικών στιβάδων. Οι μηχανισμοί αυτοί ονομάζονται δευτερογενή φαινόμενα και έχουν μεγαλύτερη επίδραση κάτω από πολύ υψηλές τάσεις. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 18

4.1.3.2.4 Μηχανισμός διάσπασης κατά Townsend με σχηματισμό νηματίου Οι δύο μηχανισμοί διάσπασης ομοιογενών διακένων κάτω από συνεχή τάση είναι οι εξής: 1. Ο μηχανισμός Townsend και 2. Ο μηχανισμός με σχηματισμό νηματίου (streamer). Σύμφωνα με τον πρώτο, πρέπει να δημιουργηθούν δευτερογενείς στιβάδες μέχρις ότου διασπαστεί το διάκενο. Ο δεύτερος αφορά το σχηματισμό νηματίου από την πρωτογενή στιβάδα προκαλώντας σπινθήρα όταν γεφυρωθεί το διάκενο. Για να δημιουργηθεί νημάτιο πρέπει ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην κεφαλή της ηλεκτρονικής στιβάδας να είναι μεγαλύτερος από 10 8. Αν αυτό γίνει προτού εκπληρωθεί το κριτήριο του Townsend (για το οποίο ισχύει γ e ad 1, όπου 1. το γ είναι ο δεύτερος συντελεστής ιονισμού ή γάμα του Townsend και ορίζεται ως ο αριθμός των δευτερογενών ηλεκτρονίων που παράγονται, κατά μέσον όρο, στην κάθοδο για κάθε ηλεκτρόνιο που παράγεται από ιονισμό κρούσεως, 2. το α είναι ο πρώτος συντελεστής ιονισμού ή άλφα του Townsend και ορίζεται ως ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ελευθερώνονται μέσω ιονισμού κρούσεως από ένα ηλεκτρόνιο όταν αυτό προχωρεί 1 cm κατά τη φορά του πεδίου, 3. το d είναι η απόσταση της καθόδου από την άνοδο), τότε αν υπάρξει διάσπαση αυτή θα είναι με σχηματισμό νηματίου. Διαφορετικά θα ισχύει ο μηχανισμός του Townsend. 4.1.3.3 Αέρια μονωτικά 4.1.3.3.1 Φαινόμενα σε ομοιογενή διάκενα, νόμος του Paschen Ο νόμος του Paschen συσχετίζει την τάση διάσπασης με την πίεση και το μήκος του διακένου. Η καμπύλη του Paschen φαίνεται στο σχήμα 4.6. Κάθε αέριο ή μίγμα αερίων έχει και διαφορετική καμπύλη. Δεξιά του pdmin στην καμπύλη Paschen ο αριθμός κρούσεων είναι μεγάλος αλλά η ενέργεια μικρή, ενώ αντίθετα αριστερά του, η ενέργεια μεγάλη και ο αριθμός κρούσεων μικρός. 4.1.3.3.2 Ηλεκτρικό τόξο και εκκενώσεις αίγλης Όταν ένα διάκενο διασπαστεί δημιουργείται Σχήμα 4.6 : Καμπύλη του Paschen σπινθήρας. Ο σπινθήρας αυτός είναι δυνατόν να [14] εξελιχθεί σε ηλεκτρικό τόξο, το οποίο αποτελεί μία αυτοσυντηρούμενη εκκένωση. Η μετατροπή του σπινθήρα σε ηλεκτρικό τόξο εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της πηγής και των αντιστάσεων του κυκλώματος που τροφοδοτεί το διάκενο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, κυρίως σε χαμηλές πιέσεις, υπάρχουν ενδιάμεσες καταστάσεις μεταξύ του σπινθήρα και της μετατροπής του σε ηλεκτρικό τόξο, οι οποίες ονομάζονται εκκενώσεις αίγλης. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 19

4.1.4 Ανάλυση λειτουργίας των GDTs σε στάδια Η συμπεριφορά των GDTs μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα στάδια (a,b,c και d), έτσι όπως φαίνονται στο σχήμα 4.7. Στο συγκεκριμένο σχήμα το Vs αναφέρεται στη DC τάση διάσπασης, το Vd στη στιγμιαία τάση διάσπασης, το Td στο χρόνο καθυστέρησης, η κυματομορφή e στην υπέρταση και η f στο ρεύμα. Στάδιο a Σχήμα 4.7 : Συμπεριφορά των GDTs σε περίπτωση υπέρτασης διάγραμμα τάσης, ρεύματος συναρτήσει του χρόνου [15] Όσο η τάση αυξάνει μέχρι τη στιγμιαία τάση διάσπασης του GDT δεν υπάρχει καμία ροή ρεύματος. Σε αυτή τη φάση το GDT παρουσιάζει μια σχεδόν άπειρη αντίσταση (R > 1 GΩ). Όταν φτάσει μια τάση με τιμή μεγαλύτερη της DC τάσης διάσπασης, τότε ξεκινά η διαδικασία εκκένωσης του αερίου που βρίσκεται μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αύξηση της συγκέντρωσης των ηλεκτρονίων έχει ως συνέπεια την αύξηση της έντασης (Ε) του ηλεκτρικού πεδίου. Με επαρκή κινητική ενέργεια, τα ηλεκτρόνια ιονίζουν τα άτομα του αερίου και προκαλούν μια δευτερεύουσα εκπομπή ηλεκτρονίων από τη κάθοδο. Η πραγματική εκκένωση του αερίου συμβαίνει όταν η τάση γίνεται ίση με τη δυναμική τάση διάσπασης (Vd). Ο χρόνος που χρειάζεται προκειμένου η τάση να αυξηθεί από τη DC τάση διάσπασης (Vs) στη δυναμική τάσης διάσπασης (Vd) ονομάζεται ως στατιστική καθυστέρηση (Td). Αυτή η τιμή μπορεί να βρεθεί ύστερα από πειραματικές μετρήσεις σχετικά με την απόκριση του GDT. [15] Η μαθηματική συνάρτηση του Td δίνεται ως εξής: Όπου, Td: ο χρόνος καθυστέρησης, T d = α S b [s] (Σχέση 4.1) [15] S: η κλίση μετώπου της υπέρτασης εκφρασμένη σε volts ανα δευτερόλεπτο (V/sec), και α, b: εμπειρικοί συντελεστές για κάθε τύπο GDT. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 20

Στάδιο b Μετά τη δημιουργία του σπινθήρα υφίσταται η εκκένωση αίγλης. Η τάση πέφτει στο επίπεδο της τάσης αίγλης (glow voltage), με τις τιμές να κυμαίνονται από 90 μέχρι 300 V, ανάλογα με κάθε τύπο GDT, ενώ οι τιμές του ρεύματος από 0.2 Α μέχρι και 1.5 Α. Όταν δημιουργηθεί μια αγώγιμη διαδρομή μεταξύ των ηλεκτροδίων, τότε παρατηρείται η εμφάνιση ενός νηματίου, το οποίο προκαλεί τον ιονισμό των αερίων μεταξύ των ηλεκτροδίων. Κατά αυτόν τον τρόπο, το ρεύμα που διέρχεται μέσα από το GDT αυξάνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της διαμέτρου του νηματίου. Αυτό έχει ως επακόλουθο την αύξηση του δευτερεύοντος ιονισμού των αερίων. Στη τελική φάση, το νημάτιο μεταπίπτει σε ηλεκτρικό τόξο. [15] Αυτό το συνεχώς μεταβαλλόμενο ρεύμα μπορεί να μοντελοποιηθεί αλλάζοντας την αντίσταση του τόξου σύμφωνα με τη συνάρτηση του Toepler: K d R(t) = t idt 0 [Ω] (Σχέση 4.2) [15] Όπου, K: η σταθερά του Toepler. Η τιμή αυτή αλλάζει ανάλογα με τη σύνθεση και πίεση του αερίου, όπως επίσης και με την απόσταση d μεταξύ των ηλεκτροδίων. d: η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων. Ο παρονομαστής στη σχέση 4.2 αντιπροσωπεύει το πλήθος των ηλεκτρονίων και ιόντων που μεταδίδονται σε κάποιο χρονικό διάστημα t μέσω του νηματίου. Στη φάση διάσπασης, το ρεύμα μεταξύ των ηλεκτροδίων αυξάνει απότομα, και ταυτόχρονα, η αντίσταση μειώνεται σύμφωνα με τη παραπάνω σχέση. Όταν το ρεύμα ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή, το νημάτιο μεταπίπτει σε ηλεκτρικό τόξο. [15] Στάδιο c Στο στάδιο αυτό υφίσταται η παρουσία του ηλεκτρικού τόξου. Η πολύ χαμηλή τάση του (οι τιμές κυμαίνονται μεταξύ 10 με 35 V) είναι θεωρητικά ανεξάρτητη του ρεύματος για ένα μεγάλο εύρος τιμών τάσεων. Όσο το ρεύμα αυξάνει, γίνεται η μετάβαση από τάση αίγλης (glow voltage) σε τάση τόξου (arc voltage), δηλαδή από το φαινόμενο της εκκένωσης αίγλης στην εμφάνιση του ηλεκτρικού τόξου. Το GDT είναι περισσότερο αποτελεσματικό σε αυτή τη κατάσταση γιατί το ρεύμα εκκένωσης μπορεί να φτάσει τα πολλά χιλιάδες ampere χωρίς καμία ανάλογη αύξηση της τάσης του τόξου. Το αγώγιμο κανάλι που έχει δημιουργηθεί από το ηλεκτρικό τόξο αποτελείται από ιονισμένα αέρια. Η κύρια πηγή των φορέων ηλεκτρικής φόρτισης αντιστοιχεί στην εκπομπή ηλεκτρονίων από τη κάθοδο (Τ περίπου 3000 Κ). [15] Στάδιο d Όσο η υπέρταση μειώνεται, το ρεύμα που περνά μέσα από το GDT επίσης μειώνεται μέχρι να πέσει κάτω από μια ελάχιστη τιμή απαραίτητη για τη διατήρηση του ηλεκτρικού τόξου. Όταν το ρεύμα πέσει κάτω από 0.03 Α, η εκπομπή θερμικών ηλεκτρονίων σταματά, κι έτσι η κάθοδος αρχίζει και κρυώνει. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διακοπή του ηλεκτρικού τόξου. Αφότου το GDT έχει περάσει από το στάδιο της εκκένωσης αίγλης, αυτό ανοίγει σε τάση πάνω από ένα συγκεκριμένο εύρος τιμών. [15] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 21

4.1.5 Απόκριση των GDTs Μια τυπική εικόνα της απόκρισης ενός GDT φαίνεται στο σχήμα 4.8. Η τάση και ο χρόνος διάσπασης του GDT ποικίλει ανάλογα με τη κλίση της κυματομορφής της υπέρτασης που επιβάλλεται [16]. Γίνεται εμφανές ότι όσο μεγαλύτερη είναι η κλίση τόσο μικρότερος είναι και ο χρόνος διάσπασης. Αντίστοιχα, όσο μικρότερη η κλίση τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος διάσπασης. Κατά αυτόν τον τρόπο μια μεγάλη τάση καταπόνησης προκαλεί γρήγορη αντίδραση του GDT. Το αντίθετο συμβαίνει σε μικρές τάσεις καταπόνησης. Σχήμα 4.8 : Χαρακτηριστική εκκένωσης ενός τυπικού GDT [16] 4.2 Κρουστικές τάσεις δοκιμής Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE C62.41.2-2002 [17] oι δύο προτεινόμενες κρουστικές τάσεις δοκιμής είναι η αποσβενύμενη κρουστική τάση ( ring wave ) 0.5 μs 100 khz και το συνδυασμένο κρουστικό κύμα (τάσης και ρεύματος) 1.2/50 μs 8/20 μs. Αξίζει ωστόσο να σημειωθεί ότι η IEC στο πρότυπο 61643-1 εισήγαγε τις κλάσεις των διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων (GDTs, MOVs, κλπ.) ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και όρισε ότι αυτές που ανήκουν στην κλάση Ι πρέπει να δοκιμάζονται με κρουστικό ρεύμα 10/350 μs. [8] Η κλάση Ι συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που ενδέχεται να διαρρέονται από τμήμα του ρεύματος του κεραυνού. Συνίσταται η εγκατάστασή τους σε σημεία υψηλού κινδύνου από άμεσο πλήγμα κεραυνού όπως στις εναέριες γραμμές μεταφοράς του δικτύου χαμηλής τάσης ή στα σημεία εισόδου των παροχών κοινής ωφέλειας σε κατασκευές προστατευμένες με σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Οι διατάξεις της κλάσης αυτής καλούνται συνήθως «αλεξικέραυνα». [6] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 22

4.2.1 Αποσβενύμενη κρουστική τάση Μια τυπική εικόνα της αποσβενύμενης κρουστικής τάσης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (4.9). Σχήμα 4.9 : Η 100 khz αποσβενύμενη κρουστική τάση [17] Η συγκεκριμένη κρουστική τάση χαρακτηρίζεται από δύο παραμέτρους, τον χρόνο ανόδου (0.5 μs) και τη συχνότητα ταλαντώσεων ( ringing frequency, 100kHz). Το πλάτος της τάσης μειώνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να ισχύουν τα εξής για τις μέγιστες απόλυτες τιμές των τάσεων: [17] o Το ποσοστό της δεύτερης μέγιστης τιμής της τάσης προς τη πρώτη είναι μεταξύ 40% με 90%. o Το ποσοστό της τρίτης μέγιστης τιμής της τάσης προς την δεύτερη, καθώς και το ποσοστό της τέταρτης προς την τρίτη είναι μεταξύ 40% με 80%. Δεν χρειάζεται περαιτέρω έλεγχος ως προς τις μέγιστες τιμές καθώς από την πέμπτη μέγιστη τιμή της τάσης και μετά το πλάτος είναι αμελητέο σε τέτοιο βαθμό ώστε και ο πιο ευαίσθητος εξοπλισμός να μην επηρεάζεται. o Ο χρόνος ανόδου καθορίζεται από το διάστημα των χρονικών στιγμών που αντιστοιχούν στο 10% και 90% της τάσης κορυφής. Η συχνότητα υπολογίζεται από το πρώτο και τρίτο σημείο μηδενισμού της κυματομορφής μετά το αρχικό μέγιστο της τάσης. o Το ονομαστικό πλάτος της πρώτης μέγιστης τιμής είτε της τάσης ανοιχτού κυκλώματος είτε του ρεύματος βραχυκύκλωσης καθορίζεται από την κατηγορία της τοποθεσίας όπου εμφανίζεται η υπέρταση (για τις οποίες έγινε λόγος προηγουμένως) καθώς και από το επίπεδο έκθεσης των συστημάτων. o Ο λόγος της μέγιστης τάσης ανοιχτού κυκλώματος προς τη μέγιστη τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης είναι 12 Ω για την περίπτωση τοποθεσίας κατηγορίας Β και 30 Ω για αυτή της κατηγορίας Α. o Δε λαμβάνεται υπόψιν η κυματομορφή του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Ωστόσο, καθορίζεται η μέγιστη τιμή που λαμβάνει αυτή ανάλογα με την κατηγορία της τοποθεσίας. Ο μικρός χρόνος ανόδου της τάσης κορυφής μαζί με τη μέγιστη τιμή του ρεύματος έχουν ως αποτέλεσμα ο λόγος di/dt να γίνεται ιδιαίτερα μεγάλος. Κατ αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται σημαντικά επαγωγικά φαινόμενα στα σημεία σύνδεσης των συσκευών που υποβάλλονται σε δοκιμές. [17] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 23

4.2.2 Συνδυασμένο κρουστικό κύμα Το συνδυασμένο κρουστικό κύμα προκύπτει από τον συνδυασμό κρουστικής τάσης ανοιχτού κυκλώματος 1.2/50 μs και κρουστικού ρεύματος βραχυκύκλωσης 8/20 μs. Όταν δεν είναι γνωστά τα στοιχεία του φορτίου ή πρόκειται να αλλάξουν κατά τη διάρκεια της υπέρτασης τότε συνίσταται η χρήση μιας γεννήτριας που παράγει ταυτόχρονα και τα δύο κρουστικά κύματα (όπως για παράδειγμα η γεννήτρια Shaffner). Αντίθετα, όταν είναι γνωστά τα στοιχεία φόρτισης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ξεχωριστές γεννήτριες για τις δοκιμές τάσης και ρεύματος. [17] Όσον αφορά την κυματομορφή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος, αυτή αποτελεί μία εξωτερική κρουστική τάση, η οποία χαρακτηρίζεται από διάρκεια μετώπου ίση με 1.2 μs και διάρκεια ημίσεως εύρους 50 μs. Μια τυπική εικόνα της κρουστικής τάσης ανοιχτού κυκλώματος 1.2/50 μs φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (4.10) : Σχήμα 4.10 : Κυματομορφή κρουστικής τάσης 1.2/50 μs [17] Η διάρκεια μετώπου είναι μία συμβατική παράμετρος, η οποία ορίζεται ως Τ1=1.67Τ όπου Τ το διάστημα μεταξύ των χρονικών στιγμών που αντιστοιχούν στο 30% και 90% της τιμής της τάσης κορυφής (σημεία Α και Β, σχήμα 4.11). Ως συμβατική αρχή των χρόνων (01, σχήμα 4.11) θεωρείται η χρονική στιγμή που προηγείται κατά 0.3Τ αυτής που αντιστοιχεί στο 30% της τιμής της τάσης κορυφής (σημείο Α, σχήμα 4.11). Κατ αντιστοιχία η διάρκεια ημίσεως εύρους μιας εξωτερικής υπέρτασης είναι μία συμβατική παράμετρος, η οποία ορίζεται ως το χρονικό διάστημα από τη συμβατική αρχή των χρόνων μέχρι την στιγμή που η τάση έχει μειωθεί στο 50% της τιμής της τάσης κορυφής. [18] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 24

Σχήμα 4.11 : Εξωτερική κρουστική τάση, χαρακτηριστικές παράμετροι [18] Συνεχίζοντας, για την κυματομορφή κρουστικού ρεύματος βραχυκύκλωσης, η διάρκεια μετώπου είναι 8 μs και η διάρκεια ημίσεως εύρους 20 μs. Μια τυπική εικόνα αυτής φαίνεται στο σχήμα 4.12. Σχήμα 4.12 : Κυματομορφή κρουστικού ρεύματος [17] Εδώ η διάρκεια μετώπου είναι ίση με 1.25*(t90-t10). Τα t90 και t10 αναφέρονται στις χρονικές στιγμές που αντιστοιχούν στα σημεία 90% και 10% του ρεύματος κορυφής της κυματομορφής αντίστοιχα. [17] Ως συμβατική αρχή των χρόνων θεωρείται η χρονική στιγμή που προηγείται κατά 0.1*(t90-t10) αυτής που αντιστοιχεί στο 10% της τιμής του ρεύματος κορυφής. Και πάλι ο χρόνος ημίσεως εύρους ορίζεται ως το χρονικό διάστημα από τη συμβατική αρχή των χρόνων μέχρι την στιγμή που το ρεύμα έχει μειωθεί στο 50% της τιμής του ρεύματος κορυφής. [18] Οι τιμές των τάσεων και ρευμάτων κορυφής των κυματομορφών εξαρτώνται από την κατηγορία της τοποθεσίας και από το επίπεδο έκθεσης. Ο λόγος της μέγιστης τάσης προς το μέγιστο ρεύμα είναι σταθερός και ίσος με 2 Ω. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 25

4.2.3 Μέγιστες τιμές κρουστικών τάσεων και ρευμάτων Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE C62.41, οι μέγιστες τιμές τάσεων και ρευμάτων των κυματομορφών 0.5 μs 100 khz και 1.2/50 μs 8/20 μs, καθώς και η αντίστοιχη αντίσταση παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα : Πίνακας 4.1 : Μέγιστες τιμές κρουστικών τάσεων και ρευμάτων δοκιμής ανάλογα με την κατηγορία της τοποθεσίας και το επίπεδο έκθεσης [2] Ο διαχωρισμός στον πιο πάνω πίνακα έγινε με βάση την κατηγορία της τοποθεσίας καθώς και το επίπεδο έκθεσης. Οι αριθμοί που μπαίνουν δίπλα στην κατηγορία τοποθεσίας δηλώνουν το βαθμό επικινδυνότητας όσον αφορά το επίπεδο έκθεσης σε υπερτάσεις. Το 1 δηλώνει το λιγότερο επικίνδυνο επίπεδο και το 3 το σοβαρότερο. Τα περιβάλλοντα της κατηγορίας C, όπως παρατηρεί κανείς απ τον πίνακα, υποβάλλονται μόνο στο συνδυασμένο κρουστικό κύμα, της κατηγορίας Α μόνο στην αποσβενύμενη κρουστική τάση, ενώ αυτά της κατηγορίας Β και στις δύο. Ο λόγος που η μέγιστη τιμή τάσης στην κατηγορία Β περιορίζεται στα 6 kv είναι εξαιτίας συγκεκριμένων χαρακτηριστικών που υφίστανται στις συνδέσεις των συσκευών. Επίσης, απ τον πίνακα φαίνεται ότι στην κατηγορία Β η μέγιστη τιμή του ρεύματος είναι 3 kα. Αυτό γιατί η IEEE κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η αντίσταση των καλωδίων που καταλήγουν στις συσκευές περιορίζουν το ρεύμα σε τέτοιο βαθμό που δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 3 kα. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 26

4.3 Διαστασιολόγηση των GDTs 4.3.1 Γενικά Προκειμένου να γίνει η επιλογή συγκεκριμένων GDTs από κατασκευαστές πρέπει να ελεγχθούν κάποιες παράμετροι διαστασιολόγησής τους. Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει αναλυτική παρουσίαση αυτών προσδιορίζοντας τις μεθόδους με τις οποίες εξάγονται. Η ανάλυση που ακολουθεί στηρίζεται στο πρότυπο IEEE C62.31-2006 [19] με τίτλο Standard Test Methods for Low-Voltage Gas-Tube Surge-Protective Device Components. 4.3.2 Παράμετροι σχεδίασης Οι έλεγχοι που περιγράφονται παρακάτω θα πρέπει να γίνονται στις εξής ατμοσφαιρικές συνθήκες: Θερμοκρασία : 25 ± 5 Σχετική υγρασία : < 60% Πίεση : 80 kpa μέχρι 104 kpa 4.3.2.1 DC τάση διάσπασης ( DC spark-over voltage ) Για τον προσδιορισμό της dc τάσης διάσπασης γίνεται χρήση του παρακάτω κυκλώματος : Σχήμα 4.13 : Κύκλωμα για προσδιορισμό DC τάσης διάσπασης [19] Όπου, PS : τροφοδοτικό μεταβλητής dc τάσης, με κυμάτωση που δεν ξεπερνάει το 3% υπό πλήρη ισχύ. R1 = 50 kω, αντίσταση περιορισμού του ρεύματος φόρτισης. R2 = 10 Ω, αντίσταση περιορισμού του ρεύματος εκκένωσης. C = 1μF, χωρητικότητα dc φόρτισης. V : βολτόμετρο ή παλμογράφος για καταγραφή της τάσης διάσπασης. DUT (Device Under Test) : πρόκειται για το GDT που υποβάλλεται σε έλεγχο. Επιβάλλεται dc τάση με κυματομορφή τύπου ράμπας, με κλίση που δεν ξεπερνά τα 2000 V/s. Συνίσταται κλίση 100 V/s σύμφωνα με την εταιρία EPCOS [13]. Επειδή η dc τάση διάσπασης είναι ένα στοχαστικό φαινόμενο πρέπει να γίνουν τουλάχιστον πέντε επιβολές τάσης θετικής πολικότητας, ακολουθούμενες από πέντε αρνητικής σε διαδοχικά διαστήματα μικρότερα του ενός λεπτού. Όταν γίνει διάσπαση του GDT, προκειμένου να περιοριστεί η διάρκεια του ακολουθούντος ρεύματος, οι ακροδέκτες εξόδου του κυκλώματος συνήθως βραχυκυκλώνονται. Σε περίπτωση μεγάλης διάρκειας αυτού τα αποτελέσματα δεν θα ήταν σωστά. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 27

4.3.2.2 Χωρητικότητα ( Capacitance C ) Γίνεται υπολογισμός της χωρητικότητας μεταξύ των ακροδεκτών του GDT σε μία συγκεκριμένη συχνότητα. Η τελευταία συνίσταται να είναι 1 MHz, όταν δεν υπάρχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις στην εφαρμογή του. Κατά το πρότυπο DIN VDE [13] η χωρητικότητα πρέπει να είναι μικρότερη του 5 pf. 4.3.2.3 Αντίσταση μόνωσης ( Insulating Resistance ) Πρόκειται για την αντίσταση που παρουσιάζει το GDT όταν δεν έχει εμφανιστεί ακόμα κάποια υπέρταση. Όπως έχει ειπωθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο, αυτή η αντίσταση παίρνει πολύ μεγάλες τιμές. Κατά το πρότυπο DIN VDE [13] πρέπει η αντίσταση μόνωσης να είναι μεγαλύτερη του 10 10 Ω. Για τον υπολογισμό της εφαρμόζεται μία dc τάση τύπου ράμπας στους ακροδέκτες του GDT. Όταν η τάση αυτή επιτευχθεί, δεν πραγματοποιείται καμία μέτρηση πριν περάσουν τουλάχιστον 100 ms (το διάστημα από Τ1 μέχρι Τ2 όπως φαίνεται στο σχήμα 4.14). Η μέτρηση θα πραγματοποιηθεί στα επόμενα δευτερόλεπτα χωρίς όμως να ξεπεραστούν τα 10 s (το διάστημα από Τ1 μέχρι Τ3 του σχήματος 4.14). Όταν δεν υπάρχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις στην εφαρμογή του GDT, συνηθίζεται η dc τάση να ισούται με 100 V ± 5% για GDTs με dc τάση διάσπασης μεγαλύτερη ή ίση των 230 V και 50 V ± 5% για GDTs με dc τάση διάσπασης μικρότερη των 230 V. Τα αποτελέσματα για την αντίσταση μόνωσης μπορεί να επηρεαστούν από το ρεύμα βραχυκύκλωσης του κυκλώματος ελέγχου. Κατ αυτό τον τρόπο, το ρεύμα αυτό πρέπει να περιορίζεται στα 8 με 10 ma. Σχήμα 4.14 : Επιβαλλόμενη τάση κατά τη διάρκεια ελέγχου της αντίστασης μόνωσης [19] 4.3.2.4 Δυναμική τάση διάσπασης ( Impulse spark-over voltage ) Επιβάλλεται κρουστική τάση με κυματομορφή τύπου ράμπας με συγκεκριμένη κλίση και καταγράφεται η τιμή της τάσης διάσπασης. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μετά από τουλάχιστον 15 λεπτά για αντίθετης πολικότητας τάση. Επειδή το φαινόμενο της διάσπασης είναι στοχαστικό, για κάθε πολικότητα τάσης πρέπει να εφαρμοστούν τουλάχιστον πέντε κρουστικές τάσεις στους ακροδέκτες του GDT σε χρόνο μικρότερο από ένα λεπτό μεταξύ τους. Έπειτα καταγράφεται η τάση διάσπασης για κάθε μία από αυτές με σκοπό να προκύψει μία μέση τιμή διάσπασης. Όταν δεν υπάρχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις στην εφαρμογή του GDT, η κλίση της dc τάσης τύπου ράμπας που εφαρμόζεται πρέπει να έχει μία από τις ακόλουθες τιμές: 100 V/μs, 500 V/μs, 1 kv/μs, 5 kv/μs και 10 kv/μs. Στο ακόλουθο διάγραμμα (σχήμα 4.15) φαίνεται η διάσπαση ενός GDT για επιβολή ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 28

δύο τάσεων με κλίση 1 kv/μs και 100 V/μs, έτσι όπως δίνεται από φυλλάδια της εταιρίας EPCOS [13]. Σχήμα 4.15 : Δυναμική τάση διάσπασης για τάσεις με κλίση 1 kv/μs και 100 V/μs [13] 4.3.2.5 Μέγιστο ρεύμα εκκένωσης ( Maximum single impulse discharge current ) Επιβάλλονται κρουστικά ρεύματα 8/20 μs ή 10/1000 μs ή και τα δύο μαζί προκειμένου να εξεταστεί η ικανότητα του GDT να φέρει τέτοια ρεύματα χωρίς σφάλματα. Το μέγιστο ρεύμα εκκένωσης αντιστοιχεί στη μέγιστη τιμή των κρουστικών ρευμάτων που επιβάλλονται. 4.3.2.6 Διάρκεια ζωής ( Impulse life ) Γίνεται επιβολή κρουστικών ρευμάτων συγκεκριμένου πλάτους και διάρκειας στο GDT με σκοπό τον έλεγχο σφαλμάτων αυτού. Η διαδικασία συνοψίζεται στον παρακάτω πίνακα : Μέγιστη τιμή ρεύματος (±5%) [Α] Κυματομορφή Επαναλήψεις Χρόνος μεταξύ επαναλήψεων [min] 10,50,100,200,300,500 10/1000 50,100,300,400,1500,3000 2 600,1000,2000 10/250 5,25 3 500,1000,2500,4000 10/350 1 2500,5000,10000,20000 8/20 1,5,10 5 Πίνακας 4.2 : Προτεινόμενες τιμές για έλεγχο της διάρκειας ζωής των GDTs [19] Όταν δεν υπάρχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις στην εφαρμογή του GDT, συνίστανται να γίνονται πολλές επαναλήψεις για μικρά πλάτη ρεύματος, και λίγες για μεγάλα. Το παρακάτω διάγραμμα (σχήμα 4.16) προέρχεται από την εταιρία BOURNS και δείχνει ότι σε 1000 επιβολές κρουστικού ρεύματος 10/1000 μs, πλάτους 500 Α, η τάση διάσπασης του GDT είναι μεταξύ των ορίων ανοχής του. Διαφορετικά GDTs έχουν άλλα όρια ανοχής ανάλογα με τις τιμές που δίνει ο κατασκευαστής. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 29

Σχήμα 4.16 : Παράδειγμα ελέγχου διάρκειας ζωής ενός GDT της εταιρίας BOURNS για κρουστικά ρεύματα 500 Α, 10/1000 μs [12] 4.3.2.7 AC ρεύμα εκκένωσης ( AC discharge current ) Επιβάλλεται ένα εναλλασσόμενο ρεύμα 50 Hz μία φορά για εννιά κύκλους (ή δέκα φορές για πενήντα κύκλους) στους ακροδέκτες του GDT και ελέγχεται η αντοχή αυτού. [20] Το ac ρεύμα εκκένωσης δίνεται σε rms τιμή και προτείνεται ο έλεγχος της αντοχής του GDT σε αυτό σύμφωνα με τον πίνακα που ακολουθεί για διάφορες rms τιμές ρεύματος : Ρεύμα (± 5%) [Α rms] Διάρκεια [s] Επαναλήψεις Χρόνος μεταξύ των επαναλήψεων [min] 0.5 30 1 1 1 60 3 2.5,5,10,20 1 5,10 3 65,130 0.183 (11 κύκλοι) 1 120 0.1 1 Πίνακας 4.3 : Προτεινόμενες τιμές για έλεγχο αντοχής των GDTs σε ac ρεύματα εκκένωσης [19] 4.3.2.8 Μέγιστο εναλλασσόμενο ακολουθόν ρεύμα ( Maximum alternating follow current ) Σκοπός αυτού του ελέγχου είναι ο υπολογισμός του μέγιστου εναλλασσόμενου ακολουθούντος ρεύματος που μπορεί να αποσβεστεί από το GDT χωρίς σφάλμα. Προκειμένου να προσδιοριστεί αυτή η τιμή σχεδιάζεται η ακόλουθη διάταξη : ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 30

Σχήμα 4.17 : Διάταξη υπολογισμού μέγιστου εναλλασσόμενου ακολουθούντος ρεύματος [19] Όπου, Ε1 : ac πηγή 50 ή 60 Hz. R1 : αντίσταση περιορισμού ρεύματος. DUT (Device Under Test) : GDT Ο : παλμογράφος Ε2 : μονωτικό διάκενο R2 : αντίσταση μόνωσης Όπως φαίνεται και από το παραπάνω σχήμα (4.17) εφαρμόζεται μία ac πηγή 50 ή 60 Hz με τάση ανοιχτού κυκλώματος 25, 120, 208, 240 ή 480 V. Όταν το GDT ενεργοποιηθεί λόγω ενός κρουστικού ρεύματος, η ac πηγή θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να παρέχει ακολουθόν ρεύμα σε 30 ηλεκτρικές μοίρες ή λιγότερο απ τη στιγμή που η τάση γίνει μηδενική. Το κρουστικό ρεύμα πρέπει να είναι μιας κατεύθυνσης και να έχει την ίδια πολικότητα με αυτή του μισού κύκλου της ac πηγής. Επίσης, το κρουστικό ρεύμα θα πρέπει να έχει συγκεκριμένο πλάτος και διάρκεια έτσι ώστε να εξασφαλίζεται πως το GDT βρίσκεται στην κατάσταση εκκένωσης τόξου. Το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αποσβεστεί από το GDT χωρίς σφάλμα, καθορίζει το μέγιστο εναλλασσόμενο ακολουθόν ρεύμα. 4.3.2.9 DC έλεγχος συνέχειας GDT δύο ηλεκτροδίων ( DC holdover test for two electrode devices ) Ο έλεγχος αυτός γίνεται προκειμένου να βρεθούν οι μέγιστες τιμές του άμεσου ρεύματος που μπορεί να αποσβέσει το GDT για δοσμένη τάση ανοιχτού κυκλώματος και γνωστές συνθήκες λειτουργίας του κυκλώματος. Με μία επιβολή υπέρτασης, το GDT ενεργοποιείται και τελικά επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση όταν αυτή εξαλειφθεί πλήρως. Το κρουστικό ρεύμα που επιβάλλεται στο GDT πρέπει να έχει πλάτος 100 Α και διάρκεια 10/1000 μs ίδιας πολικότητας με την dc πηγή. Πρέπει να γίνουν τρεις διαδοχικές επιβολές σε χρόνο λιγότερο από ένα λεπτό. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται αντιμεταθέτοντας τους ακροδέκτες του GDT. Οι δοκιμές διεξάγονται στο κύκλωμα του ακόλουθου σχήματος (4.18). Η αντίσταση R3 θα πρέπει να μειωθεί από τιμές για τις οποίες δεν παρατηρείται συνέχεια, μέχρι εκείνες όπου υφίσταται συνέχεια για περισσότερο από μία καθορισμένη περίοδο. Το ρεύμα IR3 θα πρέπει να καθοριστεί για αυτή την κατάσταση. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 31

Σχήμα 4.18 : Διάταξη για τον DC έλεγχο συνέχειας GDT δύο ηλεκτροδίων [19] Όπου, Ε1 : μονωτικό διάκενο R1 : αντίσταση περιορισμού υπέρτασης R2 : προαιρετική αντίσταση για προσομοίωση της αντίστασης κυκλώματος (136 Ω-150 Ω) C1 : προαιρετική χωρητικότητα για προσομοίωση των συνθηκών λειτουργίας (0.083 μf με 0.1 μf) DUT (Device Under Test) : GDT Ο : παλμογράφος D1 : δίοδος IR3 : άμεσο ρεύμα που περνά από την αντίσταση R3 με βραχυκυκλωμένο το GDT. PS1 : σταθερή dc πηγή τάσης. 4.3.2.10 DC έλεγχος συνέχειας GDT τριών ηλεκτροδίων ( DC holdover test for three electrode devices ) Δεν αλλάζει σε τίποτα με τον προηγούμενο έλεγχο, παρά μόνο το κύκλωμα δοκιμών όπου πλέον χρησιμοποιείται GDT τριών ηλεκτροδίων. Το κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα 4.19 : Σχήμα 4.19 : Διάταξη για τον DC έλεγχο συνέχειας GDT τριών ηλεκτροδίων [19] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 32

Όπου, Ε1 : μονωτικό διάκενο R1, R7 : αντίσταση περιορισμού υπέρτασης D1, D2, D3, D4 : δίοδοι PS1, PS2 : σταθερές dc πηγές τάσης IR2, IR6 : άμεσα ρεύματα που περνούν από τις αντιστάσεις R2, R6 αντίστοιχα με το GDT βραχυκυκλωμένο R3, R5 : προαιρετικές αντιστάσεις για προσομοίωση της αντίστασης του κυκλώματος (136 Ω με 150 Ω) C1, C3 : προαιρετικές χωρητικότητες για προσομοίωση των συνθηκών λειτουργίας του κυκλώματος (0.083 μf με 0.1 μf) C2 : προαιρετική χωρητικότητα για προσομοίωση των συνθηκών λειτουργίας του κυκλώματος (0.043 μf) R4 : προαιρετική αντίσταση για προσομοίωση της αντίστασης του κυκλώματος (272 Ω) DUT (Device Under Test) : GDT O : παλμογράφος Οι αντιστάσεις R2 και R6 θα πρέπει να μειωθούν από τιμές για τις οποίες δεν παρατηρείται συνέχεια, μέχρι εκείνες όπου υφίσταται συνέχεια για περισσότερο από μία καθορισμένη περίοδο. Τα ρεύματα IR2 και IR6 θα πρέπει να καθοριστούν για αυτή την κατάσταση. 4.3.2.11 Χρόνος μετάβασης ( Transition time ) Εδώ προσδιορίζεται ο χρόνος που χρειάζεται προκειμένου να γίνει η μετάβαση για το GDT από την dc τάση διάσπασης (V1 στο σχήμα 4.21) στο διπλάσιο της τάσης τόξου (2V3 στο σχήμα 4.21). Εφαρμόζεται λοιπόν κρουστική υπέρταση 10/1000 μs. Η μέγιστη κρουστική τάση πρέπει να είναι τουλάχιστον δύο φορές μεγαλύτερη της dc τάσης διάσπασης. Το μέγιστο κρουστικό ρεύμα πρέπει να είναι 1.5 με 4 φορές της τιμής του ρεύματος μετάβασης από το στάδιο αίγλης στην εμφάνιση του τόξου. Χρησιμοποιείται το κύκλωμα του σχήματος 4.20 και με τη βοήθεια του παλμογράφου εξάγεται η κυματομορφή της διάσπασης του GDT (σχήμα 4.21), απ όπου φαίνεται ο χρόνος μετάβασης. Σχήμα 4.20 : Κύκλωμα για τον προσδιορισμό του χρόνου μετάβασης [19] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 33

Σχήμα 4.21 : Κυματομορφή διάσπασης GDT [19] Όπου, T2-T1 : χρόνος μετάβασης V1 : τάση διάσπασης V2 : τάση αίγλης V3 : τάση τόξου 4.3.2.12 Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος ( Voltage current characteristic ) Προκειμένου να εξαχθεί η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος χρησιμοποιείται το ακόλουθο κύκλωμα: Σχήμα 4.22 : Κύκλωμα για τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής τάσης ρεύματος ενός GDT [19] Όπου, Ε1 : ac πηγή 50 ή 60 Hz με μέγιστη τιμή τουλάχιστον 1.5 φορές την τάση διάσπασης του GDT S : διακόπτης R1 : αντίσταση περιορισμού υπέρτασης DUT (Device Under Test) : GDT R2 : αντίσταση περιορισμού ρεύματος VV : σήμα κάθετου άξονα παλμογράφου VH : σήμα οριζόντιου άξονα παλμογράφου ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 34

4.3.3 Σύνοψη Τα κύρια χαρακτηριστικά που ελέγχονται κατά την επιλογή ενός GDT από τους κατασκευαστές και τα οποία προσδιορίστηκαν πλήρως προηγουμένως είναι τα εξής : DC τάση διάσπασης Δυναμική τάση διάσπασης Μέγιστο ρεύμα εκκένωσης AC ρεύμα εκκένωσης Διάρκεια ζωής Αντίσταση μόνωσης Χωρητικότητα Πέρα από αυτά τα χαρακτηριστικά λαμβάνονται επίσης υπόψιν οι διαστάσεις του GDT. 4.4 Άλλες υλοποιήσεις των GDTs Προκειμένου να εξασφαλιστεί γρήγορη απόκριση των GDTs σε υπερτάσεις έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές. Δύο από αυτές είναι α) η χρησιμοποίηση μηχανισμού trigger σε τρίτο ηλεκτρόδιο μέσα στο σωλήνα του GDT, και β) η εφαρμογή των νανοσωλήνων άνθρακα (carbon nanotubes) ως ηλεκτροδίων στα GDTs. Όσον αφορά τη πρώτη τεχνική, το τρίτο ηλεκτρόδιο τοποθετείται ανάμεσα στα άλλα δύο, σε απόσταση 0.5 mm από αυτά, έτσι όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.23. Σε αυτό το ηλεκτρόδιο επιβάλλεται μια ενισχυμένη υπέρταση, η κλίση της οποίας είναι 5.6 φορές μεγαλύτερη από την υπέρταση δοκιμής. Η ενισχυμένη υπέρταση προκαλεί εκκένωση πριν η υπέρταση δοκιμής φτάσει την τάση διάσπασης [15]. Με αυτή την τεχνική λοιπόν πετυχαίνονται τα εξής: 1. Ο χρόνος διάσπασης μειώνεται όσο η κλίση του επιβαλλόμενου κρουστικού ρεύματος αυξάνει. Σχήμα 4.23: GDT με τρία ηλεκτρόδια [15] 2. Εφαρμόζοντας το μηχανισμό trigger στο τρίτο ηλεκτρόδιο, η κλίση της τάσης trigger αυξάνεται 6.2 φορές περισσότερο από τη κλίση της τάσης δοκιμής. Έτσι, χρησιμοποιώντας αυτή τη τεχνική πετυχαίνεται η τάση διάσπασης να μειωθεί από 45% σε 57.6%. Η δεύτερη τεχνική αφορά την αντικατάσταση των ηλεκτροδίων του GDT με μονοτοιχωματικά carbon nanotubes (SWNTs). Τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά προκαλούν αύξηση ενός ενισχυτικού παράγοντα του ηλεκτρικού πεδίου, με αποτέλεσμα την ευκολότερη διάσπαση των ηλεκτρονίων. Κατά αυτόν τον τρόπο πετυχαίνεται σημαντικά βελτιωμένη απόδοση όσον αφορά την τάση διάσπασης, ενώ υπάρχει και μεγαλύτερη αξιοπιστία έναντι των απλών GDTs. Η χαμηλή τάση διάσπασης καθώς και η μικρή διακύμανση αυτής, κάνουν τα GDTs με carbon nanotubes ελκυστικά για χρήση σε ανώτερα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, όπως τα ADSL και HDSL, όπου η ανοχή είναι στενότερη σε σχέση με αυτή που μπορούν να παρέχουν τα απλά GDTs. [10] ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ GAS DISCHARGE TUBES ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Θεσσαλονίκη 2014 35