ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Πειραματική διερεύνηση της επιφανειακής διηλεκτρικής συμπεριφοράς τυπικών μονωτήρων εναέριων γραμμών Μέσης Τάσης υπό εξωτερικές Κρουστικές Υψηλές Τάσεις Μανιώτης Παντελής Αμοιρίδης Δημήτρης Επιβλέπων καθηγητής : Παντελής Ν. Μικρόπουλος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 215

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Πειραματική διερεύνηση της επιφανειακής διηλεκτρικής συμπεριφοράς τυπικών μονωτήρων εναέριων γραμμών Μέσης Τάσης υπό εξωτερικές Κρουστικές Υψηλές Τάσεις Μανιώτης Παντελής Αμοιρίδης Δημήτρης Επιβλέπων καθηγητής : Παντελής Ν. Μικρόπουλος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 215 2

3

Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, με αντικείμενο μελέτης την πειραματική διερεύνηση της επιφανειακής διηλεκτρικής συμπεριφοράς τυπικών μονωτήρων εναέριων γραμμών Μέσης Τάσης υπό την επίδραση εξωτερικών ΚρΥΤ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται πειραματικά το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης των μονωτήρων, η επίδραση της πολικότητας σε αυτό καθώς επίσης και η σύγκριση των παραπάνω σε μονωτήρες διαφορετικής γεωμετρίας και υλικών. Τέλος, πραγματοποιείται η σύγκριση των παραπάνω αποτελεσμάτων με αυτά ενός ανομοιογενούς διακένου ακίδας-ακίδας. Η δομή της διπλωματικής εργασίας είναι η εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται διάφορα θεωρητικά στοιχεία τα οποία αφορούν τις κρουστικές υψηλές τάσεις και τους μονωτήρες και περιγράφεται εν συντομία το φαινόμενο της επιφανειακής ηλεκτρικής διάσπασης. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο χώρος του εργαστηρίου του ΑΠΘ, καθώς επίσης και ο εξοπλισμός ο οποίος χρησιμοποιήθηκε όπως είναι η γεννήτρια Marx, ο παλμογράφος και η τράπεζα ελέγχου για την τελική συναρμολόγηση της πειραματικής μας διάταξης, η οποία και περιγράφεται στο ίδιο κεφάλαιο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται διάφορα θεωρητικά στοιχεία τα οποία αφορούν την τάση διάσπασης U 5, τον χρόνο διάσπασης t b, την στιγμιαία τάση διάσπασης U b, τη μέθοδο επιπέδων τάσης, τις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης και τις καμπύλες τάσηςχρόνου U-t. Η αναφορά αυτή γίνεται με στόχο να καταστεί κατανοητή η διαδικασία των μετρήσεων, η οποία και περιγράφεται στο ίδιο κεφάλαιο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από την επεξεργασία των δεδομένων που πήραμε κατά την διαδικασία των μετρήσεων στους μονωτήρες. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από την επεξεργασία των δεδομένων που πήραμε κατά την διαδικασία των μετρήσεων στο διάκενο ακίδας-ακίδας. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σύγκριση των διαγραμμάτων των καμπυλών τάσης-χρόνου U-t των μονωτήρων με αυτά του διακένου ακίδας-ακίδας. Στο έβδομο κεφάλαιο πραγματοποιείται ο σχολιασμός των πειραματικών αποτελεσμάτων, καθώς επίσης και προτάσεις για περαιτέρω μελέτη. Το όγδοο κεφάλαιο χρησιμοποιείται ως παράρτημα στο οποίο περιγράφονται αναλυτικότερα τα επί μέρους χαρακτηριστικά των μονωτήρων που χρησιμοποιήθηκαν. 4

Στο ένατο και τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται οι σχετικές βιβλιογραφικές αναφορές οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν κατά την διεξαγωγή της διπλωματικής μας εργασίας. Στο σημείο αυτό θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον κ. Παντελή Ν. Μικρόπουλο, αναπληρωτή καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών για την πολύτιμη βοήθειά του και την καθοδήγηση του η οποία ήταν και καθοριστικής σημασίας για την διεκπεραίωση της διπλωματικής μας εργασίας. 5

6

Περιεχόμενα Πρόλογος... 4 Περιεχόμενα... 7 1. Εισαγωγή... 1 1.1 Κρουστικές υψηλές τάσεις... 1 1.2 Μονωτήρας... 13 1.3 Επιφανειακή διάσπαση μονωτήρα... 13 1.4 Επίδραση της ρύπανσης... 13 1.5 Επιφανειακή διηλεκτρική συμπεριφορά μονωτήρων... 14 1.6 Κατηγορίες μονωτήρων... 14 1.7 Σχεδίαση μονωτήρων... 15 2. Πειραματική διάταξη και εξοπλισμός... 16 2.1 Χώρος εργαστηρίου υψηλών τάσεων... 16 2.2 Δεκαβάθμια γεννήτρια Marx... 17 2.3 Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών... 23 2.4 Παλμογράφος... 24 2.5 Δοκίμια... 25 2.6 Πειραματική διάταξη... 26 3. Διαδικασία μετρήσεων... 28 3.1 Βασικοί ορισμοί... 28 3.2 Απόκτηση πειραματικών δεδομένων... 28 3.3 Μέθοδος επιπέδων τάσης... 3 3.4 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης... 3 3.5 Καμπύλες τάσης-χρόνου U-t... 31 4. Πειραματικά αποτελέσματα μονωτήρων... 32 4.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης μονωτήρων... 32 4.2 Καμπύλες U-t μονωτήρων... 35 4.3 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης... 38 7

4.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες U-t... 39 4.5 Επίδραση των χαρακτηριστικών των μονωτήρων στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης... 4 4.6 Επίδραση των χαρακτηριστικών των μονωτήρων στις καμπύλες U-t... 41 4.7 Αστοχίες Μονωτήρων... 42 5. Πειραματικά αποτελέσματα διακένου ακίδας-ακίδας... 48 5.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης διακένου ακίδας-ακίδας... 48 5.2 Καμπύλες U-t διακένου ακίδας-ακίδας... 5 5.3 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης διακένου ακίδας-ακίδας... 52 5.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες U-t διακένου ακίδας-ακίδας... 53 5.5 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης... 54 5.6 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες U-t... 55 5.7 Συγκεντρωτικό διάγραμμα καμπυλών U-t διακένου ακίδας-ακίδας... 56 6. Σύγκριση καμπυλών U-t μονωτήρων και διακένου ακίδας-ακίδας... 57 7. Συμπεράσματα και προτάσεις... 63 Παράρτημα... 65 Αναφορές... 7 8

9

1. Εισαγωγή 1.1 Κρουστικές υψηλές τάσεις Σύμφωνα με την IEC 66-1:21 [1], κρούση (impulse) θεωρείται κάθε απεριοδικός παλμός τάσης ή ρεύματος που επιβάλλεται σκοπίμως, ο οποίος συνήθως αυξάνει γρήγορα μέχρι ένα μέγιστο και κατόπιν φθίνει με βραδύτερο ρυθμό προς τη μηδενική τιμή. Οι κρουστικές υψηλές τάσεις, ανάλογα με την χρονική διάρκεια του μετώπου τους, κατηγοριοποιούνται σε εξωτερικές (lightning impulse voltages, LI) και σε εσωτερικές (switching impulse voltages, SI). Εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις είναι εκείνες στις οποίες η διάρκεια μετώπου είναι μικρότερη των 2 μs και προσομοιώνουν στο εργαστήριο τις εξωτερικές υπερτάσεις. Αντίστοιχα, εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις είναι εκείνες στις οποίες η διάρκεια μετώπου είναι μεγαλύτερη των 2 μs και προσομοιώνουν στο εργαστήριο τις εσωτερικές υπερτάσεις [2]. Οι εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις χαρακτηρίζονται από το εύρος ή την τάση κορυφής U p, τη διάρκεια μετώπου Τ 1 και τη διάρκεια ημίσεως εύρους Τ 2. Συχνά, λόγω του μεγάλου ρυθμού μεταβολής της τάσης κατά τη διάρκεια του μετώπου, οι αντιδράσεις των παράσιτων αυτεπαγωγών και χωρητικοτήτων των στοιχείων της διάταξης παραγωγής της τάσης ή και των στοιχείων του συστήματος μέτρησης λαμβάνουν σημαντικές τιμές, επηρεάζοντας την παραγόμενη κυματομορφή της τάσης που εμπεριέχει υψηλές συχνότητες. Έτσι, η κυματομορφή αυτή εμφανίζει συνήθως μια καμπή στην αρχή των χρόνων και ταλαντώσεις ή υπερύψωση της τάσης γύρω από το μέγιστό της. Έτσι, ο ακριβής καθορισμός της τιμής της τάσης κορυφής και της διάρκειας μετώπου μιας παραγόμενης εξωτερικής κρουστικής τάσης γίνεται δύσκολος. Για τους λόγους αυτούς, η διάρκεια μετώπου είναι μια συμβατική παράμετρος που ορίζεται ως T 1 =1.67T, όπου Τ το διάστημα μεταξύ το χρονικών στιγμών που αντιστοιχούν στο 3% και 9% της τιμής της τάσης κορυφής (σημεία Α και Β, Σχ. 1.1). Για τους ίδιους λόγους, θεωρούμε ως συμβατική αρχή των χρόνων (σημείο Ο 1, Σχ. 1.1) τη χρονική στιγμή που προηγείται κατά.3τ αυτής που αντιστοιχεί στο 3% της τιμής της τάσης κορυφής (σημείο Α, Σχ. 1.1) και ως διάρκεια ημίσεως εύρους Τ 2 το χρονικό διάστημα από τη συμβατική αρχή των χρόνων μέχρι τη χρονική στιγμή που η τάση έχει μειωθεί στο 5% της τιμής της τάσης κορυφής. Ο προσδιορισμός της τάσης κορυφής γίνεται εύκολα από το μέγιστο της κυματομορφής, υπό την προϋπόθεση ότι η κυματομορφή της τάσης γύρω από το μέγιστο δεν εμφανίζει έντονες ταλαντώσεις ή υπερυψώσεις. Με τον όρο έντονες εννοούμε διαταραχές που το μέγιστο στιγμιαίο εύρος τους ξεπερνά το 5% της τιμής της τάσης κορυφής. Η αναφορά σε εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις γίνεται ως εξής: U p (kv), T 1 / T 2 (μs) 1

Για εργαστηριακές δοκιμές που αναπαράγουν τις καταπονήσεις του εξοπλισμού από εξωτερικές υπερτάσεις χρησιμοποιείται η κανονική εξωτερική κρουστική τάση (Standard LI) κυματομορφής 1.2/5 μs. Γενικότερα, μια εξωτερική κρουστική τάση θεωρείται κανονική (δηλαδή αντιπροσωπευτική των εξωτερικών υπερτάσεων) όταν οι παράμετροί της δε διαφέρουν των αντίστοιχων τυπικών τιμών περισσότερο από ±3% για τη διάρκεια μετώπου, ±2% για τη διάρκεια ημίσεως εύρους και ±3% για την τάση κορυφής [2]. Σχήμα 1.1 : Εξωτερική κρουστική υψηλή τάση (LI), χαρακτηριστικές παράμετροι [2] Οι εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις χαρακτηρίζονται από το εύρος ή την τάση κορυφής U p, τη διάρκεια μετώπου T p και τη διάρκεια ημίσεως εύρους Τ 2 (Σχ. 1.2). Ως διάρκεια μετώπου ορίζεται το χρονικό διάστημα μεταξύ της αρχής των χρόνων και του μέγιστου της κυματομορφής και ως διάρκεια ημίσεως εύρους το χρονικό διάστημα μεταξύ της αρχής των χρόνων και της χρονικής στιγμής που η τάση έχει μειωθεί στο 5% της τιμής της τάσης κορυφής. Επιπρόσθετη χαρακτηριστική παράμετρος είναι ο χρόνος υπέρ του 9%, που ορίζεται ως το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η κρουστική τάση υπερβαίνει το 9% της τιμής της τάσης κορυφής. Η αναφορά σε εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις γίνεται ως εξής: U p (kv), T p /T 2 (μs) Για εργαστηριακές δοκιμές που αναπαράγουν τις καταπονήσεις του εξοπλισμού από εσωτερικές υπερτάσεις χρησιμοποιείται η κανονική εσωτερική κρουστική τάση (Standard SI) κυματομορφής 25/25 μs. Σχήμα 1.2 : Εσωτερική κρουστική υψηλή τάση (SI), χαρακτηριστικές παράμετροι [2] Γενικότερα, μια εσωτερική κρουστική τάση θεωρείται κανονική (δηλαδή αντιπροσωπευτική των εσωτερικών υπερτάσεων) όταν οι παράμετροί της δε διαφέρουν των αντίστοιχων τυπικών 11

τιμών περισσότερο από ±2% για τη διάρκεια μετώπου, ±6% για τη διάρκεια ημίσεως εύρους και ±3% για την τάση κορυφής [2]. Η χαρακτηριστική κυματομορφή των κρουστικών υψηλών τάσεων μπορεί εύκολα να προσομοιωθεί ως η διαφορά δύο φθινουσών εκθετικών συναρτήσεων. Ο τύπος που περιγράφει μια τέτοια κυματομορφή είναι της μορφής: U(t)=U o (e -at -e -bt ) Μία κυματομορφή η οποία περιγράφεται από την παραπάνω συνάρτηση, έχει καθιερωθεί να ονομάζεται διπλεκθετική. Δεδομένου ότι a<b, η τάση ξεκινάει από το μηδέν, αυξάνει γρήγορα μέχρι ένα μέγιστο και στη συνέχεια φθίνει με βραδύτερο ρυθμό, τείνοντας και πάλι στο μηδέν. Οι διπλεκθετικές, εκτός από τις συνηθέστερες, είναι και οι σημαντικότερες των εργαστηριακά παραγόμενων υψηλών τάσεων, διότι μέσω αυτών προσομοιώνονται οι υπερτάσεις που οφείλονται σε κεραυνικά πλήγματα και σφάλματα χειρισμών. Σχήμα 1.3 : Παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων, U p : τάση κορυφής, T cr : διάρκεια μετώπου, a 2 >>a 1 [2] 12

1.2 Μονωτήρας Μονωτικά καλούμε τα υλικά τα οποία υποκείμενα σε τάση, οπωσδήποτε χαμηλή, δεν διαρρέονται από άλλο ρεύμα εκτός από το ρεύμα της διηλεκτρικής μετατόπισης. Σε υψηλότερες όμως τάσεις τα υλικά αυτά είναι δυνατόν να επιτρέπουν τη διέλευση ρεύματος αγωγιμότητας [3]. Οι μονωτήρες είναι γενικά διατάξεις που χρησιμοποιούνται με σκοπό την στήριξη και τον διαχωρισμό των ηλεκτρικών αγωγών, καλωδίων ή ζυγών και να τους μονώνουν ηλεκτρικά ως προς τη γη ή άλλους αγωγούς και συσκευές, χωρίς να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτούς [4]. 1.3 Επιφανειακή διάσπαση μονωτήρα Με τον όρο επιφανειακή διάσπαση μονωτήρα εννοούμε γενικά την απώλεια των μονωτικών ιδιοτήτων ενός μονωτήρα υπό ηλεκτρική καταπόνηση. Το φαινόμενο αυτό το οποίο ονομάζεται και υπερπήδηση είναι ιδιαίτερα σύνθετο, αποτέλεσε και αποτελεί αντικείμενο εκτενούς έρευνας. Ο όρος υπερπήδηση (flashover) προσδιορίζει γενικότερα την τελική φάση του φαινομένου της ηλεκτρικής διάσπασης του αέρα ή όποιου άλλου ρευστού διηλεκτρικού μέσου μέσω σπινθήρα έρποντα πάνω στην επιφάνεια ενός στερεού διηλεκτρικού. Στις υπαίθριες εγκαταστάσεις υψηλής τάσης, εφόσον κατά την υπερπήδηση διασπάται ο αέρας γύρω από την επιφάνεια των μονωτήρων, η διαδικασία της υπερπήδησης επηρεάζεται από το συνδυασμό των παραγόντων που καθορίζουν τη διηλεκτρική αντοχή διακένων αέρα, όπως: η μορφολογία του διακένου, το είδος της τάσης καταπόνησης και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες (συντελεστής πυκνότητας αέρα και υγρασία), και των τεχνικών χαρακτηριστικών του μονωτήρα όπως: η γεωμετρία και το υλικό της μονωτικής επιφάνειάς του. Ωστόσο, πέραν αυτών των παραγόντων, η διηλεκτρική συμπεριφορά των υπαίθριων μονωτήρων εξαρτάται κυρίως από το βαθμό ρύπανσης της επιφάνειας τους [2]. 1.4 Επίδραση της ρύπανσης Οι ρύποι οι οποίοι εμφανίζονται στους μονωτήρες είναι υπό τη μορφή στερεών καταλοίπων που απορρίπτονται στην ατμόσφαιρα από τις βιομηχανίες ή αλατούχου επιστρώματος που μεταφέρεται ως θαλάσσια άλμη από τον αέρα στις παραθαλάσσιες περιοχές ή ακόμη και υπό τη μορφή συνδυασμού των δύο παραπάνω ρύπων. Οι ρύποι αυτοί εάν υγρανθούν, όπως για παράδειγμα σε συνθήκες σιγανής βροχής, δημιουργούν αγώγιμες ή μερικώς αγώγιμες ζώνες στην επιφάνεια του μονωτήρα, οι οποίες μειώνουν την επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή του. Επομένως, η γεωμετρία και οι ιδιότητες της μονωτικής επιφάνειας 13

των μονωτήρων, επηρεάζοντας το βαθμό ύγρανσης και ρύπανσης, καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τη διαδικασία της υπερπήδησης [2]. 1.5 Επιφανειακή διηλεκτρική συμπεριφορά μονωτήρων Για κάθε μονωτήρα, ανάλογα με την πιθανότητα που έχει ο μονωτήρας να διασπαστεί καθώς εφαρμόζουμε σε αυτόν αυξανόμενη τάση καταπόνησης, μπορούμε να διακρίνουμε κάθε μία από τις δύο παρακάτω περιοχές: Περιοχή στην οποία παρατηρείται επιφανειακή διάσπαση με κάποια πιθανότητα σε έναν συγκεκριμένο αριθμό επιβολών τάσης (πιθανότητα διάσπασης -1%) Περιοχή στην οποία παρατηρείται πάντα επιφανειακή διάσπαση κάτω από οποιονδήποτε αριθμό επιβολών τάσης (πιθανότητα διάσπασης 1%) Τα όρια των συγκεκριμένων περιοχών για κάθε μονωτήρα καθορίζονται από πολλούς παράγοντες, μερικοί από τους οποίους είναι η γεωμετρία του μονωτήρα, οι διαστάσεις του, το μήκος ερπυσμού του, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες που επικρατούν κατά την διαδικασία του πειράματος (πίεση, υγρασία κτλ), το υλικό του μονωτήρα, η πολικότητα της επιβαλλόμενης τάσης κτλ. 1.6 Κατηγορίες μονωτήρων Οι μονωτήρες συνοπτικά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν στις εξής κατηγορίες. Ανάλογα με το είδος της τάσης λειτουργίας σε AC ή DC μονωτήρες, ανάλογα με την εφαρμογή τους σε μονωτήρες στήριξης, διέλευσης και ανάρτησης καθώς και σε υπαίθριους ή εσωτερικού χώρου εγκατάστασης και ανάλογα με το μονωτικό υλικό που συνδυάζουν σε κεραμικούς ή πολυμερείς. Τυπικά υλικά αποτελούν η πορσελάνη και το σκληρυμένο γυαλί για τους κεραμικούς και το ελαστομερές καουτσούκ σιλικόνης για τους πολυμερείς [2]. Ανάλογα με το είδος της τάσης λειτουργίας Ανάλογα με την εφαρμογή Ανάλογα με το μονωτικό υλικό που συνδυάζουν 1. AC 2. DC 1. Στήριξης 2. Διέλευσής 3. Ανάρτησης 1. Υπαίθριοι 2. Εσωτερικού χώρου 1. Κεραμικοί 2. Πολυμερείς Σχήμα 1.4 : Κατηγορίες μονωτήρων 14

1.7 Σχεδίαση μονωτήρων Κατά την διαδικασία της σχεδίασης των μονωτήρων η οποία γίνεται με βάση τη διηλεκτρική τους συμπεριφορά, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη διάφοροι παράγοντες οι οποίοι μπορεί να προκύψουν έτσι ώστε οι μονωτήρες να αντέχουν τόσο στην κανονική τους τάση λειτουργίας όσο και σε τυχόν υπερτάσεις οι οποίες μπορεί να εμφανιστούν κατά την διάρκεια λειτουργίας τους. Ειδικότερα, για τους μονωτήρες που χρησιμοποιούνται σε υπαίθριες εγκαταστάσεις υψηλής τάσης όπως στις εναέριες γραμμές μεταφοράς ή διανομής ή στους υποσταθμούς, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η μείωση της επιφανειακής διηλεκτρικής αντοχής τους λόγω της ρύπανσης της μονωτικής επιφάνειάς τους από ρύπους οι οποίοι μεταφέρονται κυρίως με τον άνεμο. Οι ρύποι αυτοί σχηματίζουν αγώγιμες ή μερικώς αγώγιμες επιφανειακές ζώνες όταν υγρανθούν, με αποτέλεσμα να μειώνεται έτσι η επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή των μονωτήρων. Τα τελευταία είκοσι χρόνια η χρήση μονωτήρων από πολυμερές υλικό, όπως ελαστομερές καουτσούκ σιλικόνης, αυξήθηκε σημαντικά. Ο λόγος είναι το ότι είναι ελαφρύτεροι, έχουν μικρότερο κόστος κατασκευής, εγκατάστασης και συντήρησης και θεωρούνται γενικότερα καλύτερη λύση σε σχέση με τους κεραμικούς σε εφαρμογές υπό βεβαρυμμένες συνθήκες ρύπανσης λόγω της σημαντικά καλύτερης επιφανειακής διηλεκτρικής συμπεριφοράς τους. Το κυριότερο μειονέκτημά τους σε σχέση με τους κεραμικούς είναι η σχετικά μικρότερη διάρκεια ζωής τους εξαιτίας της «υποβάθμισης» που υφίστανται. Ο όρος υποβάθμιση (degradation) αναφέρεται στην αλλαγή της δομής ενός υλικού λόγω χημικών και βιολογικών διαδικασιών, υπό την επίδραση παραγόντων που σχετίζονται με το περιβάλλον αλλά και τις συνθήκες μηχανικής και ηλεκτρικής καταπόνησής τους [2]. 15

2. Πειραματική διάταξη και εξοπλισμός 2.1 Χώρος εργαστηρίου υψηλών τάσεων [2] Για την διεξαγωγή του πειράματός μας χρησιμοποιήθηκε το εργαστήριο υψηλών τάσεων του ΑΠΘ το οποίο καλύπτει τις εκπαιδευτικές και πειραματικές ανάγκες των φοιτητών, ενώ παράλληλα διενεργούνται και ερευνητικές εργασίες. Το εργαστήριο αποτελείται από δύο χώρους δοκιμών υψηλών τάσεων, αντίστοιχους χώρους ελέγχου και μετρήσεων, βοηθητικό εργαστήριο καθώς και χώρους γραφείων και αποθήκης. Η διεξαγωγή του πειράματος μας πραγματοποιήθηκε στον κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου. Ο χώρος αυτός περικλείεται πλήρως μέσω γειωμένου μεταλλικού πλέγματος σε όλες του τις διαστάσεις, με σκοπό την αποφυγή της ακούσιας εισόδου του προσωπικού αλλά και την μείωση του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου στα υπό μέτρηση μεγέθη. Οι διαστάσεις του μεταλλικού αυτού κλωβού είναι: ύψος 6.5 m, μήκος 12 m και πλάτος 7 m. Κατά μήκος της οροφής υπάρχει κυλιόμενη γερανογέφυρα 1 tn. Σχήμα 2.1 : Κάτοψη εργαστηρίου υψηλών τάσεων ΑΠΘ [2] Τα 6.5 m ύψους, τα οποία είναι και η μικρότερη διάσταση του χώρου του εργαστηρίου, αντιστοιχούν σε μέγιστη απόσταση ασφαλείας 3.25 m. Αυτή η απόσταση ασφαλείας θέτει περιορισμό στην παραγωγή εναλλασσόμενων τάσεων HVAC στα 65 kv (rms), συνεχών 16

τάσεων HVDC στα 9 kv, εξωτερικών κρουστικών τάσεων LI στα 1MV και εσωτερικών κρουστικών τάσεων SI στα 1.4 MV. 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. Για την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων υπάρχει εγκατεστημένη μία 1-βάθμια γεννήτρια κρουστικών υψηλών τάσεων 1 MV, 7 kj του οίκου Ferranti, η οποία βρίσκεται εγκατεστημένη στον κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου. 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. 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. 2.2 Δεκαβάθμια γεννήτρια Marx [2] Για την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων για την διεξαγωγή του πειράματός μας χρησιμοποιήθηκε η γεννήτρια Marx η οποία είναι εγκατεστημένη στον κύριο χώρο του εργαστηρίου. Συγκεκριμένα, η γεννήτρια αυτή χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εξωτερικών κρουστικών υψηλών τάσεων (ΚρΥΤ τύπου LI) κυματομορφής 1.3/53 μs. Η γεννήτρια αυτή είναι μία γεννήτρια δέκα βαθμίδων, ονομαστικής τάσης 1 MV και ονομαστικής ισχύος (ενέργειας) 7 kj του οίκου Ferranti. Οι πραγματικές τιμές των κρουστικών τάσεων που μπορούν να παραχθούν είναι 85 kv SI και 885 kv LI. 17

Γενικά, οι γεννήτριες Marx είναι πολυβάθμιες γεννήτριες κρουστικών τάσεων διπλεκθετικής μορφής που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τάσεων άνω των 1 kv. Η αρχή λειτουργίας των γεννητριών Marx μπορεί περιληπτικά να χωριστεί σε δύο στάδια. Κατά το πρώτο στάδιο πραγματοποιείται η εν παραλλήλω φόρτιση ενός αριθμού n πυκνωτών φορτίου C Si υπό συνεχή τάση V. Kατά το δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται η μετατροπή των συνδέσεων των C Si σε σειρά με αποτέλεσμα οι τάσεις τους να προστεθούν, και στην συνέχεια ακολουθεί ταυτόχρονη εκφόρτισή τους σε ένα πυκνωτή φορτίου C B. Οι πυκνωτές φορτίου C Si φορτίζονται μέσω αντιστάσεων φόρτισης R Li, ενώ υπάρχουν και αντιστάσεις μετώπου R Di και ουράς R Ei, οι οποίες και καθορίζουν τις παραμέτρους των κυματομορφών των παραγόμενων τάσεων. Σχήμα 2.2 : Σχηματικό διάγραμμα της δεκαβάθμιας γεννήτριας Marx του εργαστηρίου [2] H τροφοδοσία της γεννήτριας πραγματοποιείται μέσω μετασχηματιστή δοκιμής 22 V/ 5 kv, 5 kva. Η τάση εξόδου του παραπάνω μετασχηματιστή, με τη βοήθεια διόδων σε διάταξη Cockcroft-Walton, ανορθώνεται σε σταθερό δυναμικό V ως προς τη γη. Η αλλαγή της πολικότητας της γεννήτριας από αρνητική σε θετική πραγματοποιείται αντιστρέφοντας τη 18

διάταξη των διόδων του κυκλώματος φόρτισης. Το ανορθωμένο αυτό σταθερό δυναμικό V της διάταξης Cockcroft-Walton στη συνέχεια φορτίζει μέσω της αντίστασης φόρτισης R L1 τον πυκνωτή φόρτισης C S1 της πρώτης βαθμίδας. Στη συνέχεια, ο επόμενος πυκνωτής φόρτισης C S φορτίζεται ταυτόχρονα μέσω της επόμενης αντίστασης R L στο ίδιο δυναμικό V με τον προηγούμενο πυκνωτή. Με τον ίδιο τρόπο φορτίζονται και οι υπόλοιποι πυκνωτές φόρτισης C S μέσω των υπολοίπων R L στο ίδιο δυναμικό V, αφού η πτώση τάσης πάνω στις αντιστάσεις φόρτισης θεωρείται αμελητέα. Τα άλλα άκρα των πυκνωτών φόρτισης είναι γειωμένα μέσω των αντιστάσεων ουράς R E (o πυκνωτής φόρτισης της πρώτης βαθμίδας είναι γειωμένος απευθείας). Σχήμα 2.3 : Κύκλωμα φόρτισης της γεννήτριας Marx 19

Μετά την εν παραλλήλω φόρτιση των πυκνωτών φορτίου C S, όπως είπαμε και προηγουμένως, ακολουθεί η μετατροπή της σύνδεσής τους σε σύνδεση σειράς μέσω της διάσπασης των βοηθητικών σφαιρικών διακένων. Η διάσπαση αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί αυτόματα ή ελεγχόμενα. Σχήμα 2.4 : Γεννήτρια Marx του εργαστηρίου ΑΠΘ όπου διακρίνονται τα σφαιρικά διάκενα Κατά την αυτόματη έναυση της γεννήτριας, είτε εφαρμόζεται μία συγκεκριμένη τιμή τάσης φόρτισης και μειώνεται η απόσταση μεταξύ των σφαιρών του βοηθητικού διακένου μέχρι τη διάσπασή του, είτε ρυθμίζεται η απόσταση μεταξύ των σφαιρών του βοηθητικού σφαιρικού διακένου σε μία καθορισμένη τιμή και αυξάνεται η τάση φόρτισης της γεννήτριας μέχρι τη διάσπαση του βοηθητικού διακένου. Στις περιπτώσεις αυτές η τάση φόρτισης της γεννήτριας συμπίπτει με την τάση διάσπασης του βοηθητικού διακένου και επομένως η τάση 2

εξόδου της γεννήτριας υπόκειται στους παράγοντες που καθορίζουν τη διάσπαση ενός σφαιρικού διακένου. Όμως, η τάση διάσπασης των σφαιρικών διακένων είναι ένα στατιστικό μέγεθος. Επομένως κατά τη αυτόματη έναυση της γεννήτριας είναι αδύνατο να καθοριστεί ακριβώς η χρονική στιγμή της έναυσης της γεννήτριας. Για την πραγματοποίηση της διάσπασης των βοηθητικών σφαιρικών διακένων με ελεγχόμενο τρόπο έτσι ώστε να πραγματοποιείται η έναυση της γεννήτριας οποιαδήποτε χρονική στιγμή θέλουμε εμείς, χρησιμοποιείται μία συσκευή η οποία ονομάζεται Trigatron. Η συσκευή αυτή συνδυάζει δύο βασικά ηλεκτρόδια τα οποία σχηματίζουν μεταξύ τους ένα διάκενο σχεδόν ομογενούς πεδίου και ένα τρίτο βοηθητικό. Το ηλεκτρόδιο αυτό μαζί με ένα από τα βασικά ηλεκτρόδια, συνήθως το γειωμένο, σχηματίζει ένα βοηθητικό διάκενο. Κατά τη λειτουργία της συσκευής εφαρμόζεται στα βασικά ηλεκτρόδια τάση η τιμή της οποίας είναι μικρότερη από την τάση διάσπασης του διακένου. Την επιθυμητή χρονική στιγμή, ένας παλμός υψηλής τάσης επιβάλλεται στο βοηθητικό ηλεκτρόδιο. Στη συνηθέστερη σχεδίαση της συσκευής, η επιβολή του παλμού τάσης οδηγεί στη διάσπαση του βοηθητικού διακένου, και ακολούθως ως αποτέλεσμα της ηλεκτρικής εκκένωσης, το σχεδόν ομοιογενές πεδίο στο χώρο του κυρίως διακένου γίνεται τοπικά έντονα ανομοιογενές με αποτέλεσμα την πραγματοποίηση της διάσπασης και του κυρίως διακένου. Η σύνδεση της γεννήτριας Marx με το Trigatron πραγματοποιείται στο πρώτο διάκενο της βαθμίδας. Για τη σωστή λειτουργία της γεννήτριας Marx είναι απαραίτητο τα σφαιρικά διάκενα όλων των βαθμίδων να διασπώνται κατά το δυνατόν ταυτόχρονα. Περιληπτικά, η όλη διαδικασία διάσπασης των διακένων γίνεται ως εξής: αρχικά με το που γίνει η έναυση της γεννήτριας μέσω trigatron η οποία οδηγεί και στη διάσπαση του πρώτου διακένου G 1, η τάση V που έχει ο C S1 πυκνωτής της πρώτης βαθμίδας θα προστεθεί στην ήδη υπάρχουσα τάση V που έχει ο C S2 πυκνωτής της δεύτερης βαθμίδας με αποτέλεσμα αυτός πλέον να αποκτήσει τάση ίση με 2 V (οι C S1 και o C S2 συνδέονται πλέον σε σειρά και ο C S2 δεν προλαβαίνει να εκφορτιστεί καθώς οι αντιστάσεις φόρτισης R L έχουν πολύ μεγάλη τιμή). Έτσι, το βοηθητικό διάκενο G 2 της δεύτερης βαθμίδας βρίσκεται τώρα υπό τάση τουλάχιστον V και διασπάται αμέσως οπότε η τάση του C S2 που μόλις είχε γίνει ίση με 2 V θα προστεθεί στην ήδη υπάρχουσα τάση V που είχε ο C S3, με αποτέλεσμα αυτός να αποκτήσει πλέον τάση ίση με 3 V. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται διαδοχικά σε όλους τους πυκνωτές και θεωρητικά, μόλις διασπαστούν τα σφαιρικά διάκενα όλων των πυκνωτών, αυτοί θα βρίσκονται συνδεδεμένοι σε σειρά υπό συνολική τάση ίση με 1 V ως προς τη γη. Πρακτικά, η έξοδος της γεννήτριας έχει μικρότερη τιμή η οποία είναι ίση με Vp=1 V η, όπου η ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας ο οποίος έχει υπολογιστεί πειραματικά και ισούται με η=,928 για θετικές ΚρΥΤ, και η=,944 για αρνητικές ΚρΥΤ αντίστοιχα [5]. 21

Η εκφόρτιση των εν σειρά συνδεδεμένων πυκνωτών γίνεται στον πυκνωτή φόρτισης C B μέσω των ανά βαθμίδα αντιστάσεων μετώπου R D και της εξωτερικής αντίστασης μετώπου R Df. Η τάση στα άκρα του C B ισούται και με την τάση εξόδου της γεννήτριας. Η εκφόρτιση του πυκνωτή C B γίνεται είτε μέσω του αθροίσματος των αντιστάσεων μετώπου R D και των αντιστάσεων ουράς R E, είτε μέσω της διάσπασης του διακένου μιας τυπικής διάταξης τύπου ράβδου-πλάκας εάν θέσουμε υπό την κρουστική τάση εξόδου της γεννήτριας την αγώγιμη ράβδο. Σχήμα 2.5 : Ο πυκνωτής φορτίου C B και η εξωτερική αντίσταση μετώπου R Df 22

2.3 Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών Για τον έλεγχο του κυκλώματος παραγωγής ΥΤ κατά την διεξαγωγή του πειράματός μας, χρησιμοποιήθηκε η τράπεζα ελέγχου και χειρισμών η οποία βρίσκεται παραπλεύρως της μίας εκ των δύο θυρών εισόδου του κυρίως χώρου του εργαστηρίου. Συγκεκριμένα, η τράπεζα έλεγχου και χειρισμών χρησιμοποιείται για τον έλεγχο [5]: της τάση εξόδου του κυκλώματος φόρτισης της γεννήτριας Marx, μέσω ψηφιακού βολτομέτρου DC της τάσης εξόδου του αυτομετασχηματιστή, η οποία χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής, μέσω ψηφιακού βολτομέτρου AC των αποστάσεων των σφαιρικών διακένων της γεννήτριας Marx, μέσω διακοπτών και ψηφιακής ένδειξης της συσκευής trigatrοn, η οποία χρησιμοποιείται για την έναυση της γεννήτριας, μέσω διακόπτη Σχήμα 2.6 : Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών Η τράπεζα ελέγχου φέρει και επιπλέον διακόπτες για το άνοιγμα και κλείσιμο της κονσόλας, τη ζεύξη πρωτεύοντος και δευτερεύοντος του Μ/Σ δοκιμής, καθώς και διακόπτες για άλλες λειτουργίες. Η τράπεζα ελέγχου διαθέτει επίσης όργανα μετρήσεων της τάσης τροφοδοσίας και των παραγόμενων υψηλών τάσεων, ασφάλειες και ηλεκτρονόμους προστασίας. 23

2.4 Παλμογράφος Για την απεικόνιση των κυματομορφών των κρουστικών τάσεων και την μέτρηση των αντίστοιχων χρόνων διάσπασης που παρατηρήθηκαν κατά την διεξαγωγή του πειράματός μας, χρησιμοποιήθηκε ο ψηφιακός παλμογράφος TDS364B της εταιρείας Tektronix (εύρος φάσματος 6MHz, συχνότητα δειγματοληψίας 5 GS/s). Συγκεκριμένα, ο παλμογράφος συνδέθηκε στον κλάδο χαμηλής τάσης του χωρητικού καταμεριστή τάσης, ο οποίος έχει χωρητικότητα υψηλής τάσης τον πυκνωτή φορτίου C B της γεννήτριας Marx (2pF) και χωρητικότητα χαμηλής τάσης.296μf [5]. Σχήμα 2.7 : Παλμογράφος Tektronix TDS364B 24

2.5 Δοκίμια Τα υπό μελέτη δοκίμια ήταν συνολικά 6 μονωτήρες. Από αυτούς οι 4 ήταν κεραμικοί, ενώ οι υπόλοιποι δύο (οι οποίοι ήταν και ίδιοι μεταξύ τους) ήταν πολυμερείς. Για κάθε μονωτήρα μελετήθηκε η επιφανειακή διηλεκτρική συμπεριφορά του υπό την επίδραση εξωτερικών ΚρΥΤ τόσο θετικής όσο και αρνητικής πολικότητας. Στον πίνακα που ακολουθεί γίνεται μία σύντομη περιγραφή στα δοκίμια αυτά, ενώ στο παράρτημα το οποίο και βρίσκεται στο τέλος της εργασίας γίνεται η αντίστοιχη αναλυτική τους. Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 2 kv ANSI 56-1 CFO 1.5Χ4μs, positive CFO 1.5Χ4μs, negative Μήκος ερπυσμού 15 kv 19 kv 33 cm Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 2 kv ANSI 56-3 CFO 1.5Χ4μs, positive CFO 1.5Χ4μs, negative Μήκος ερπυσμού 2 kv 265 kv 53 cm Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 22 kv ANSI 56-4 CFO 1.5Χ4μs, positive CFO 1.5Χ4μs, negative Μήκος ερπυσμού 225 kv 31 kv 88 cm Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 2kV CFO 1.5Χ4μs, positive CFO 1.5Χ4μs, negative Μήκος ερπυσμού 2 kv 2 kv 53 cm Τύπος: Μονωτήρας Πολυμερής Μ.Τ. 24kV BIL Μήκος ερπυσμού 175 kv 58.5 cm Σχήμα 2.8 : Υπό μελέτη δοκίμια 25

2.6 Πειραματική διάταξη Η διεξαγωγή του πειράματός μας μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, το οποίο και πραγματοποιήθηκε με στόχο την μελέτη της επιφανειακής διηλεκτρικής συμπεριφοράς των μονωτήρων υπό την επίδραση εξωτερικών ΚρΥΤ, αρχικά στερεώσαμε την τραβέρσα στην οποία θα στηριζόταν ο κάθε μονωτήρας σε ένα βοηθητικό τραπέζι του εργαστηρίου. Το τραπέζι αυτό είχε την δυνατότητα κίνησης με ρόδες, με αποτέλεσμα να καταστεί εύκολη η μεταφορά της όλης κατασκευής. Στην συνέχεια στερεώσαμε τους υπό μελέτη μονωτήρες ανάλογα με τις ανάγκες μέτρησης στην τραβέρσα. Έπειτα, συνδέαμε κάθε φορά το πάνω άκρο του υπό μελέτη μονωτήρα στην έξοδο της γεννήτριας Marx, ενώ ταυτόχρονα γειώναμε το κάτω άκρο στο οποίo και στηριζόταν στην γείωση του εργαστηρίου. Ο έλεγχος της γεννήτριας γινόταν μέσω της τράπεζας ελέγχου, ενώ με την βοήθεια του παλμογράφου καταγραφόταν η κυματομορφή η οποία κατέφθανε στον μονωτήρα από την οποία και υπολογίζαμε τον χρόνο διάσπασης σε περίπτωση που είχε παρατηρηθεί ηλεκτρική διάσπαση, διαφορετικά σημειώναμε ότι παρατηρήθηκε ηλεκτρική αντοχή. Η όλη διάταξη παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα 2.9 : Πειραματική διάταξη (πρώτο στάδιο) 26

Στο δεύτερο στάδιο, το οποίο και πραγματοποιήθηκε με στόχο την σύγκριση της συμπεριφοράς ενός ανομοιογενούς διακένου όπως αυτό των μονωτήρων με ένα ανομοιογενές διάκενο ακίδας-ακίδας, χρησιμοποιήθηκε η διάταξη η οποία περιγράφεται στο επόμενο σχήμα. Σύμφωνα με αυτή, η απόσταση του μεταλλικού φύλλου από το δάπεδο ήταν 71.5 cm, η ακίδα η οποία ήταν στερεωμένη στο τραπέζι είχε μήκος 52 cm, ενώ η ακίδα η οποία συνδεόταν με την γεννήτρια Marx είχε μήκος 1 cm. Η απόσταση του διακένου μεταξύ ακίδας-ακίδας δεν ήταν σταθερή, αλλά λάμβανε κάθε μία από τις τιμές 1 cm, 2 cm, 3 cm και 4 cm, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα. Αξίζει να σημειωθεί ότι για κάθε μία από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο διάκενο ακίδας-ακίδας, το σημείο στο οποίο βρισκόταν το διάκενο ως προς το δάπεδο του εργαστηρίου βρισκόταν περίπου στο ίδιο επίπεδο με το αντίστοιχο επίπεδο που προέκυπτε κατά το πρώτο στάδιο της διεξαγωγής του πειράματός μας στους μονωτήρες. Σχήμα 2.1 : Πειραματική διάταξη (δεύτερο στάδιο) 27

3. Διαδικασία μετρήσεων 3.1 Βασικοί ορισμοί Τάση διάσπασης U 5 : Το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης σε ανομοιογενή διάκενα είναι φαινόμενο στοχαστικό και εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Έτσι, όταν επιβληθεί μία συγκεκριμένη τάση σε αυτό, την μία φορά μπορεί να διασπαστεί και την άλλη όχι. Ως τάση διάσπασης U 5 ονομάζεται η τάση εκείνη στην οποία για έναν συγκεκριμένο αριθμό επιβολών το διάκενο διασπάται στο 5% των περιπτώσεων. Χρόνος διάσπασης t b : Ως χρόνος διάσπασης t b ορίζεται το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από την επιβολή της τάσης μέχρι την κατάρρευσή της. Στιγμιαία τάση διάσπασης U b : Η στιγμιαία τάση διάσπασης U b υπολογίζεται αντικαθιστώντας στην διπλεκθετική συνάρτηση της κρουστικής τάσης την τιμή του χρόνου διάσπασης t b και ισούται με την τιμή που έχει η διπλεκθετική συνάρτηση την συγκεκριμένη χρονική στιγμή. 3.2 Απόκτηση πειραματικών δεδομένων Όπως αναφέρθηκε και στην ενότητα 2.6, η διεξαγωγή του πειράματός μας χωρίζεται σε δύο στάδια. Κατά το πρώτο στάδιο, ο προς μέτρηση μονωτήρας ο οποίος και ήταν αποθηκευμένος στον χώρο του εργαστηρίου του ΑΠΘ, καθαριζόταν επιφανειακά με οινόπνευμα με στόχο την απαλλαγή του από τυχόν σκόνες, λίπη κτλ. Έπειτα στηριζόταν στην τραβέρσα η οποία είχε τοποθετηθεί στο βοηθητικό τραπέζι στήριξης και στην συνέχεια συνδεόταν με την γεννήτρια Marx και την γείωση του εργαστηρίου, όπως περιγράφεται στην αντίστοιχη ενότητα που αφορά την πειραματική διάταξη. Κατόπιν, ρυθμιζόταν η πολικότητα της γεννήτριας Marx σε θετική ή αρνητική ανάλογα με τις ανάγκες της μέτρησης. Πριν από κάθε μέτρηση, λαμβάνονταν οι ενδείξεις της πίεσης καθώς και της θερμοκρασίας ξηρού και υγρού θερμομέτρου, μέσω των οποίων υπολογιζόταν η απόλυτη υγρασία. Οι ίδιες ενδείξεις λαμβάνονταν και με την ολοκλήρωση της κάθε μέτρησης και καταγραφόταν η μέση τιμή τους από την οποία υπολογιζόταν η σχετική πυκνότητα του αέρα συναρτήσει της πίεσης P (mmhg) και της θερμοκρασίας (ξηρού θερμομέτρου) T ( o C) από τη σχέση: Στην συνέχεια τροφοδοτούσαμε την γεννήτρια Marx μέσω της τράπεζας ελέγχου και εφαρμόζαμε σε κάθε μονωτήρα διάφορες επιβολές ΚρΥΤ σύμφωνα με την μέθοδο επιπέδων τάσης που περιγράφεται παρακάτω. Ο χρόνος ανάμεσα σε κάθε επιβολή ήταν τουλάχιστον ένα λεπτό. Η έναυση της γεννήτριας πραγματοποιούνταν με την βοήθεια του διακόπτη 28

Trigatron. Με την βοήθεια του παλμογράφου υπολογίζαμε τους χρόνους διάσπασης που παρατηρήθηκαν στην περίπτωση που είχε πραγματοποιηθεί ηλεκτρική διάσπαση, διαφορετικά σημειώναμε ότι παρατηρήθηκε ηλεκτρική αντοχή. Τα αποτελέσματα αυτά, δηλαδή τις τιμές των χρόνων διάσπασης ή τις ελλείψεις αυτών σε περίπτωση ηλεκτρικής αντοχής, τα αποθηκεύαμε με την βοήθεια του προγράμματος Excel με σκοπό την μελλοντική τους επεξεργασία. Κατά το δεύτερο στάδιο, αρχικά χρησιμοποιήθηκε ένα τραπέζι του εργαστηρίου το οποίο έχει ως επιφάνεια στο επάνω του μέρος ένα μεταλλικό αγώγιμο φύλλο. Το φύλλο αυτό το συνδέσαμε με την γείωση του εργαστηρίου. Στην συνέχεια στερεώσαμε στο φύλλο αυτό την πρώτη από τις δύο ακίδες, ενώ την δεύτερη την στερεώσαμε στον γερανό ο οποίος βρίσκεται στην οροφή του εργαστηρίου. Με αυτό τον τρόπο δημιουργήσαμε το διάκενο ακίδας-ακίδας που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή του πειράματός μας, με την κάτω ακίδα να είναι συνδεδεμένη στη γη και την πάνω ακίδα να είναι συνδεδεμένη στην έξοδο της γεννήτριας Marx του εργαστηρίου. Η απόσταση μεταξύ των δύο ακίδων ρυθμιζόταν κατάλληλα με την βοήθεια του γερανού. Συγκεκριμένα, η απόσταση των διακένου ρυθμίστηκε στα 1 cm, 2 cm, 3 cm και 4 cm. Στην συνέχεια ρυθμιζόταν και πάλι η πολικότητα της γεννήτριας Marx και ακολουθήθηκε ακριβώς η ίδια διαδικασία που περιγράφεται στο πρώτο στάδιο και αφορά την μέτρηση των ατμοσφαιρικών συνθηκών, την τροφοδότηση της γεννήτριας Marx και την καταγραφή των αποτελεσμάτων στο Excel με στόχο την μελλοντική τους επεξεργασία. 29

3.3 Μέθοδος επιπέδων τάσης Για την διεξαγωγή του πειράματός μας εφαρμόσαμε την μέθοδο των επιπέδων τάσης που περιγράφεται στην IEC 66-1:21 [1]. Σύμφωνα με αυτήν, για κάθε ένα από τα n επίπεδα σταθερής τιμής τάσης U i, εφαρμόζεται ένας αριθμός m i επιβολών ανά επίπεδο. Εάν το διάκενο διασπαστεί d i φορές στο i-οστό επίπεδο τάσης, τότε για το συγκεκριμένο επίπεδο θεωρείται πιθανότητα διάσπασης ίση με p(u i )=d i /m i. Στην περίπτωσή μας, για κάθε μονωτήρα πήραμε περίπου 2 επίπεδα τάσης και για κάθε επίπεδο πήραμε κατά κανόνα 2 επιβολές. Διαφοροποιήσεις στους παραπάνω αριθμούς προέκυψαν ελάχιστες, και αυτές πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με την εμπειρία των χειριστών από τις ανάγκες που προέκυψαν κατά την διεξαγωγή του πειράματος για την κάλυψη του προβλήματος. Το βήμα με το οποίο αυξανόταν τα επίπεδα ήταν κατά ομάδες επιπέδων τάσης σταθερό, ενώ καθώς αυξανόταν η τάση, αυξανόταν κατάλληλα και το βήμα με στόχο την κάλυψη του προβλήματος κατά τον καλύτερο πρακτικό τρόπο. 3.4 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης Το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης στα διάκενα με έντονα ανομοιογενές πεδίο στο χώρο μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι γενικά στοχαστικό. Η στατιστική συμπεριφορά της διηλεκτρικής αντοχής ενός διακένου μπορεί σε κάποιο βαθμό να αναλυθεί με την βοήθεια της πιθανότητας διάσπασης, δηλαδή την πιθανότητα που έχει το συγκεκριμένο διάκενο για μία δεδομένη τιμή τάσης να διασπαστεί [2]. Κατά την διεξαγωγή του πειράματος μας, η οποία και πραγματοποιήθηκε με την χρήση της μεθόδου των επιπέδων τάσης, προέκυψαν διάφορα ζεύγη τιμών εφαρμοζόμενης τάσηςπιθανότητας διάσπασης. Τα ζεύγη αυτά ορίζουν και την κατανομή της πιθανότητας διάσπασης που αναφέραμε παραπάνω. Η κατανομή αυτή μπορεί αναλυτικά να οριστεί ως συνάρτηση δύο παραμέτρων : της τάσης διάσπασης U 5, δηλαδή της τάσης εκείνης η οποία οδηγεί σε πιθανότητα διάσπασης 5%, και της συμβατικής απόκλισης, z, η οποία υπολογίζεται ως U 5 - U 16, όπου U 16 είναι η τάση εκείνη η οποία οδηγεί σε πιθανότητα διάσπασης 16%. Σε αρκετές περιπτώσεις η κατανομή της πιθανότητας διάσπασης μπορεί να προσεγγιστεί πολύ ικανοποιητικά με την κανονική κατανομή οπότε και οι παράμετροι U 5 και z ταυτίζονται με την μέση τιμή και την τυπική απόκλιση αντίστοιχα [2]. 3

3.5 Καμπύλες τάσης-χρόνου U-t Κατά την εφαρμογή της μεθόδου των επιπέδων τάσης, ανάλογα με το επίπεδο της τάσης, ο χρόνος διάσπασης μπορεί να βρίσκεται είτε στο μέτωπο είτε στην ουρά της ΚρΥΤ που εφαρμόζεται. Στην πράξη, στα χαμηλά επίπεδα η διάσπαση πραγματοποιείται στην ουρά ενώ στα υψηλά στο μέτωπο της εφαρμοζόμενης ΚρΥΤ, με την αύξηση της τάσης να οδηγεί στην μείωση των χρόνων διάσπασης και την μετάβαση από την μία περιοχή χρόνων στην άλλη. Η καμπύλη τάσης-χρόνου U-t είναι ένα γράφημα το οποία για μία σειρά επιπέδων τάσης απεικονίζει είτε την στιγμιαία είτε την μέγιστη τιμή κάθε επιπέδου συναρτήσει του αντίστοιχου χρόνου διάσπασης, ανάλογα με το αν αυτή πραγματοποιήθηκε στο μέτωπο ή στην ουρά. Συγκεκριμένα, για τα επίπεδα στα οποία η διάσπαση πραγματοποιήθηκε στο μέτωπο, απεικονίζει την στιγμιαία τιμή της τάσης συναρτήσει του χρόνου διάσπασης, ενώ για τα επίπεδα στα οποία πραγματοποιήθηκε στην ουρά, την μέγιστη τιμή της τάσης συναρτήσει του χρόνου διάσπασης [6]. Σχήμα 3.1 : Καμπύλη τάσης-χρόνου U-t [6] 31

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 4. Πειραματικά αποτελέσματα μονωτήρων 4.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης μονωτήρων Με βάση τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, καταστρώθηκαν τα παρακάτω διαγράμματα τα οποία περιγράφουν την καμπύλη πιθανότητας διάσπασης και την προσέγγισή της με την κανονική κατανομή τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα σε κάθε μονωτήρα. Στους τίτλους των διαγραμμάτων αυτών αναγράφεται η CFO για τους κεραμικούς μονωτήρες και το BIL για τους πολυμερείς. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=756mmHg T=19 o C H=14.13gm -3 δ=.998 185 195 25 215 225 235 Σχήμα 4.1 : Μονωτήρας 56-1,LI(-), CFO=19kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=755.5mmHg T=18 o C H=12. 72gm -3 δ=1.1 12 13 14 15 16 17 Σχήμα 4.2 : Μονωτήρας 56-1,LI(+), CFO=15kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=76mmHg T=19 o C H=15.7gm -3 δ=1.3 23 24 25 26 27 28 29 Σχήμα 4.3 : Μονωτήρας 56-3,LI(-), CFO=265kV 32

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=763 mmhg T=19.5 o C H=15.38gm -3 δ=1,6 25 26 27 28 29 3 31 32 33 Σχήμα 4.4 : Μονωτήρας 56-4, LI(-), CFO=31kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=761mmHg T=19.5 o C H=14.62gm -3 δ=1.3 19 2 21 22 23 24 25 26 Σχήμα 4.5 : Μονωτήρας 56-4, LI(+), CFO=225kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 η μέτρηση P=76mmHg T=18.5 o C H=14.42gm -3 δ=1.5 2 η μέτρηση P=759mmHg T=16 o C H=12.5gm -3 δ=1.13 18 19 2 21 22 23 Σχήμα 4.6 : Μον/ρας τύπου κώδωνα,li(-), CFO=2kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 η μέτρηση P=76mmHg T=19.25 o C H=15.7gm -3 δ=1.3 2 η μέτρηση P=759mmHg T=16 o C H=11.9gm -3 δ=1.13 155 165 175 185 195 25 Σχήμα 4.7 : Μον/ρας τύπου κώδωνα, LI(+), CFO=2kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=769mmHg T=18 o C H=12.72gm -3 δ=1.19 275 28 285 29 295 3 35 Σχήμα 4.8 : Μονωτήρας πολυμερής, LI(-), BIL=175kV 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=769mmHg T=17.5 o C H=12.99gm -3 δ=1.21 16 165 17 175 18 185 19 195 Σχήμα 4.9 : Μονωτήρας πολυμερής, LI(+), BIL=175kV 33

Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκεντρωτικά οι τιμές οι οποίες υπολογίστηκαν πειραματικά για κάθε μονωτήρα και αφορούν την τάση διάσπασης U 5 και την τυπική απόκλιση σ(%), μαζί με τις αντίστοιχες ατμοσφαιρικές συνθήκες κατά τις οποίες υπολογίστηκαν οι παραπάνω τιμές, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα. Επίσης, στον ίδιο πίνακα παρουσιάζονται για κάθε μονωτήρα και οι αντίστοιχες τιμές για την τάση διάσπασης U 5 που προκύπτουν από τις προδιαγραφές του κάθε ενός, σύμφωνα με τους κατασκευαστές. Μικρές αποκλίσεις οι οποίες προκύπτουν ανάμεσα στην τάση διάσπασης U 5 που υπολογίσαμε πειραματικά σε σχέση με την αντίστοιχη τάση διάσπασης U 5 η οποία προκύπτει από τις προδιαγραφές του κάθε μονωτήρα σύμφωνα με τους κατασκευαστές, ενδεχομένως οφείλονται στις ατμοσφαιρικές συνθήκες και σε μικροδιαφορές στους χρόνους μετώπου και ουράς μεταξύ των δικών μας πειραμάτων και αυτών των κατασκευαστών. Μον/ρας Πολ/τα P(mmHg) T( o C) H(gm -3 ) δ σ (%) U 5 (kv) U 5Κατ (kv) 56-1 Αρνητική 756 19 14.13.998 2.88 21.9 19 Θετική 755.5 18 12.72 1.1 4.7 141.3 15 56-3 Αρνητική 76 19 15.7 1.3 4.37 254.7 265 Θετική - - - - - - 2 56-4 Αρνητική 763 19.5 15.38 1.6 4.29 282.9 31 Θετική 761 19.5 14.62 1.3 4.77 22.7 225 Κώδωνας Αρνητική 1 76 18.5 14.42 1.5 2.97 195.7 2 Αρνητική 2 759 16 12.5 1.13 2.46 22.1 2 Αρνητική 3 759 16 11.9 1.13 - - 2 Θετική 1 76 19.25 15.7 1.3 3.75 177.3 2 Θετική 2 759 16 11.9 1.13 4.38 173.2 2 Πολ/ρής Αρνητική 769 18 12.72 1.19 1.43 287.5 - Θετική 769 17.5 12.99 1.21 3.6 175.7 - Σχήμα 4.1 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα μονωτήρων 34

4.2 Καμπύλες U-t μονωτήρων Με βάση τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, καταστρώθηκαν τα διαγράμματα που περιγράφουν την καμπύλης τάσης-χρόνου U-t του κάθε μονωτήρα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες αυτές, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα σε κάθε μονωτήρα. 4 35 3 25 2 15 1 5 P=756mmHg T=19 o C H=14.13gm -3 δ=,998 1 2 3 4 5 6 7 Σχήμα 4.11 : Μονωτήρας 56-1, LI(-), CFO=19kV 45 4 35 3 25 2 15 1 5 P=755.5mmHg T=18 o C H=12.72gm -3 δ=1.1 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 4.12 : Μονωτήρας 56-1, LI(+), CFO=15kV 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 P=76mmHg T=19 o C H=15.7gm -3 δ=1.3 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 4.13 : Μονωτήρας 56-3, LI(-), CFO=265kV 35

7 6 5 4 3 2 1 P=763mmHg T=19.5 o C H=15.38gm -3 δ=1.6 1 2 3 4 5 6 7 Σχήμα 4.14 : Μονωτήρας 56-4, LI(-), CFO=31kV 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 P=761mmHg T=19.5 o C H=14.62gm -3 δ=1.3 Σχήμα 4.15 : Μονωτήρας 56-4, LI(+), CFO=225kV 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Αρχική Δεύτερη Τρίτη 1 2 3 4 5 6 7 Σχήμα 4.16 : Μον/ρας τύπου κώδωνα,li(-),cfo=2kv Σχήμα 4.17 : Μον/ρας τύπου κώδωνα, LI(+),CFO=2kV 1 η : P=76mmHg, T=18.5 o C, H=14.42gm -3, δ=1.5 1 η : P=76mmHg, T=19.25 o C, H=15.7gm -3, δ=1.3 2 η : P=759mmHg, T=16 o C, H=12.5gm -3, δ=1.13 2 η : P=759mmHg, T=16 o C, H=11.9gm -3, δ=1.13 3 η : P=759mmHg, T=16 o C, H=11.9gm -3, δ=1.13 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Αρχική Δεύτερη 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 P=769mmHg T=18 o C H=12.72gm -3 δ=1.19 1 2 3 4 5 6 7 Σχήμα 4.18 : Μονωτήρας πολυμερής, LI(-), BIL=175kV 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 P=769mmHg T=18 o C H=12.72gm -3 δ=1.19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 4.19 : Μονωτήρας πολυμερής, LI(+), BIL=175kV 36

Όπως φαίνεται και από τα σχήματα 4.16 και 4.17, στην περίπτωση του μονωτήρα τύπου κώδωνα, το ίδιο πείραμα πραγματοποιήθηκε τρεις φορές για αρνητική πολικότητα και δύο φορές για θετική, με απώτερο στόχο την μεγαλύτερη αξιοπιστία του πειράματός μας. Για διευκόλυνση της παραπάνω διεργασίας, δημιουργήθηκε ένα αντιπροσωπευτικό διάγραμμα των τριών καμπυλών που αφορούν την εφαρμογή αρνητικών ΚρΥΤ και ένα αντιπροσωπευτικό διάγραμμα των δύο καμπυλών που αφορούν την εφαρμογή θετικών ΚρΥΤ. Συγκεκριμένα, το αντιπροσωπευτικό διάγραμμα που αφορά την εφαρμογή ΚρΥΤ αρνητικής πολικότητας προέκυψε από τους μέσους όρους των τάσεων και χρόνων της δεύτερης και τρίτης σειράς του σχήματος 4.16, ενώ το αντιπροσωπευτικό διάγραμμα που αφορά την εφαρμογή ΚρΥΤ θετικής πολικότητας προέκυψε από τους μέσους όρους των τάσεων και χρόνων της πρώτης και της δεύτερης του σχήματος 4.17. Τα διαγράμματα αυτά παρουσιάζονται στη συνέχεια. 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 4.2 : Μον/ρας τύπου κώδωνα, LI(-), CFO=2kV Σχήμα 4.21 : Μον/ρας τύπου κώδωνα, LI(+), CFO=2kV 37

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 4.3 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες πιθανότητας διάσπασης του κάθε μονωτήρα και για τις δύο πολικότητες σε κοινό διάγραμμα, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με την επίδραση τις πολικότητας στις καμπύλες αυτές. Όπως προκύπτει εύκολα από τις εικόνες 4.2-4.23, η τάση διάσπασης U 5 σε κάθε μονωτήρα είναι μεγαλύτερη για αρνητική πολικότητα σε σχέση με την θετική, αφού σε κάθε περίπτωση, η καμπύλη πιθανότητας διάσπασης για αρνητική πολικότητα βρίσκεται πάντα δεξιότερα της αντίστοιχης θετικής. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 12 135 15 165 18 195 21 225 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 19 21 23 25 27 29 31 33 Σχήμα 4.2 : Μονωτήρας 56-1 Σχήμα 4.21 : Μονωτήρας 56-4 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 16 17 18 19 2 21 22 Σχήμα 4.22 : Μονωτήρας τύπου κώδωνα 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 12 16 2 24 28 32 Σχήμα 4.23 : Μονωτήρας πολυμερής 38

4.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες U-t Όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα της ενότητας 4.2, η αλλαγή της πολικότητας από αρνητική σε θετική έχει κάποια επίδραση στις καμπύλες τάσης-χρόνου U-t. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης-χρόνου U-t του κάθε μονωτήρα και για τις δύο πολικότητες σε κοινό διάγραμμα, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με την επίδραση τις πολικότητας στις καμπύλες αυτές. 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 4.24 : Μονωτήρας 56-1 Σχήμα 4.25 : Μονωτήρας 56-4 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 4.26 : Μονωτήρας τύπου κώδωνα 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 4.27 : Μονωτήρας πολυμερής 39

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 4.5 Επίδραση των χαρακτηριστικών των μονωτήρων στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης Όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα της ενότητας 4.1, η αλλαγή των επί μέρους χαρακτηριστικών των μονωτήρων (γεωμετρία, διαστάσεις, υλικό κτλ) έχει κάποιο αντίκτυπο στις καμπύλες πιθανότητας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες πιθανότητας όλων των μονωτήρων σε κοινό διάγραμμα, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα. 1 9 8 7 6 5 Kwdwnas 56-1 56-3 56-4 Polymeris 4 3 2 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 Σχήμα 4.28 : Καμπύλη πιθανοτήτων για όλους τους μονωτήρες, LI(-) 1 9 8 7 6 56-1 Kwdwnas Polymeris 56-4 5 4 3 2 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 Σχήμα 4.29 : Καμπύλη πιθανοτήτων για όλους τους μονωτήρες, LI(+) 4

4.6 Επίδραση των χαρακτηριστικών των μονωτήρων στις καμπύλες U-t Όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα της ενότητας 4.2, η αλλαγή των επί μέρους χαρακτηριστικών των μονωτήρων (γεωμετρία, διαστάσεις, υλικό κτλ) έχει και αυτή κάποιο αντίκτυπο στις καμπύλες τάσης-χρόνου U-t. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσηςχρόνου U-t όλων των μονωτήρων σε κοινό διάγραμμα, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα. 7 6 5 4 Kwdwnas 56-1 56-3 56-4 Polymeris 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 4.3 : Καμπύλη τάσης-χρόνου U-t για όλους τους μονωτήρες, LI(-) 7 6 5 56-1 Kwdwnas Polymeris 56-4 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 Σχήμα 4.31 : Καμπύλη τάσης-χρόνου U-t για όλους τους μονωτήρες, LI(+) 41

4.7 Αστοχίες Μονωτήρων Κατά την διεξαγωγή του πειράματός μας, και συγκεκριμένα στους μονωτήρες 56-3 και σε κάθε έναν από τους δύο πολυμερείς αντιμετωπίσαμε τα εξής προβλήματα: Κατά την εφαρμογή της μεθόδου επιπέδων τάσης στον 56-3, και συγκεκριμένα στο τελευταίο επίπεδο για τάση εξόδου της γεννήτριας U p =47 kv αρνητική, οι τελευταίες τρεις από τις 2 μετρήσεις δεν μπόρεσαν να πραγματοποιηθούν λόγω αστοχίας του υλικού του μονωτήρα. Ωστόσο, το συγκεκριμένο επίπεδο μπορεί να θεωρηθεί ολοκληρωμένο χωρίς την εισαγωγή κάποιου λάθους, λόγω της μικρής διασποράς που είχαν οι υπόλοιπες μετρήσεις σε αυτό. Η διεξαγωγή του παραπάνω πειράματος στον 56-3 για τάση θετικής πολικότητας ήταν αδύνατο να πραγματοποιηθεί, λόγω της καταστροφής του μονωτήρα η οποία περιγράφτηκε παραπάνω. Κατά την εφαρμογή της μεθόδου επιπέδων τάσης σε κάθε έναν από τους πολυμερείς μονωτήρες διαπιστώθηκε ότι η καμπύλη τάσης χρόνου είχε κάποια απόκλιση από την αναμενόμενη συμπεριφορά. Όπως διαπιστώθηκε στην συνέχεια, η απόκλιση αυτή οφειλόταν και πάλι στην αστοχία του υλικού του κάθε μονωτήρα. Πρέπει να σημειωθεί ότι λόγω της ομοιότητας των δύο πολυμερών μονωτήρων, ο πρώτος χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά για την διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς του σε τάση αρνητικής πολικότητας, ενώ ο δεύτερος για την αντίστοιχη διερεύνηση σε τάση θετικής πολικότητας. Η συγκεκριμένη ενέργεια πραγματοποιήθηκε, λόγω της φύσης του υλικού τους, για την αποφυγή αλλοίωσης των αποτελεσμάτων λόγω φόρτισης η οποία θα μπορούσε να προκύψει κατά την διάρκεια των επιβολών σε αυτούς. Δυστυχώς, δεν είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε το ακριβές σημείο στο οποίο παρατηρήθηκε η αστοχία σε κανέναν από τους δύο πολυμερείς μονωτήρες που μελετήσαμε, ωστόσο, σε κάθε μία από τις καμπύλες τάσης-χρόνου U-t σε αυτούς, η μη ομαλή συμπεριφορά παρατηρείται για τάση εξόδου της γεννήτριας περίπου ίση με U p =45kV. Για την καλύτερη κατανόηση αυτής της μη ομαλής συμπεριφοράς, το ίδιο πείραμα πραγματοποιήθηκε σε κάθε έναν από τους πολυμερείς μονωτήρες άλλες δύο επιπλέον φορές. Το συμπέρασμα που προέκυψε είναι ότι και για τους δύο μονωτήρες, η αστοχία του υλικού τους πραγματοποιήθηκε για τάση εξόδου της γεννήτριας περίπου ίση με U p =45kV, με αποτέλεσμα ο ηλεκτρικός σπινθήρας να πρέπει να καλύψει πλέον μικρότερη απόσταση από την κανονική και οι καμπύλες τάσης-χρόνου να μετατοπιστούν αριστερότερα από την αναμενόμενή τους πορεία. Αυτό φαίνεται και από τα παρακάτω διαγράμματα στα οποία και στις δύο επιπλέον διεξαγωγές του πειράματός μας, οι καμπύλες τάσης-χρόνου εξακολουθούν να ακολουθούν την νέα αριστερότερη πορεία, η οποία συνεχίζεται πλέον και για τάση εξόδου της γεννήτριας χαμηλότερη από U p =45kV. Τα διαγράμματα αυτά παρουσιάζονται στην συνέχεια, ενώ μετά από αυτά παρουσιάζονται φωτογραφίες στις οποίες και απεικονίζονται οι αστοχίες αυτές. 42

6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Σχήμα 4.32 : Καμπύλη τάσης-χρόνου U-t για αστοχία πολυμερή υπό LI(-) Αρχική Δεύτερη Τρίτη P=769mmHg T=18 o C H=12.72gm -3 δ=1.19 P=769mmHg T=18 o C H=12.72gm -3 δ=1.19 P=767mmHg T=17.5 o C H=12.36gm -3 δ=1.18 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 4.33 : Καμπύλη τάσης-χρόνου U-t για αστοχία πολυμερή υπό LI(+) Αρχική Δεύτερη Τρίτη P=769mmHg T=17.5 o C H=12.99gm -3 δ=1.21 P=769mmHg T=17.5 o C H=12.36gm -3 δ=1.21 P=762mmHg T=17.5 o C H=14.24gm -3 δ=1.11 43

Σχήμα 4.34 : Αστοχία μονωτήρα 56-3 Σχήμα 4.35 : Αστοχία μονωτήρα 56-3 44

Σχήμα 4.36 : Αστοχία μονωτήρα πολυμερή υπό LI(-) 45

Σχήμα 4.37 : Αστοχία μονωτήρα πολυμερή υπό LI(-) Σχήμα 4.38 : Αστοχία μονωτήρα πολυμερή υπό LI(+) 46

Σχήμα 4.39 : Tracking μονωτήρα πολυμερή Σχήμα 4.4 : Tracking μονωτήρα πολυμερή 47

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 5. Πειραματικά αποτελέσματα διακένου ακίδας-ακίδας 5.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης διακένου ακίδας-ακίδας Με βάση τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, καταστρώθηκαν τα παρακάτω διαγράμματα τα οποία περιγράφουν την καμπύλη πιθανότητας διάσπασης και την προσέγγισή της με την κανονική κατανομή τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα για κάθε ένα από τα μήκη που εφαρμόσαμε στο διακένο ακίδας-ακίδας. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=75mmHg T=15.5 o C H=11.52gm -3 δ=1.2 1 15 11 115 12 125 Σχήμα 5.1 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 1cm, LI(-) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=75mmHg T=15.5 o C H=11.9gm -3 δ=1.2 8 85 9 95 1 15 11 115 Σχήμα 5.2 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 1cm, LI(+) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=748mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=1. 17 175 18 185 19 195 2 Σχήμα 5.3 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 2cm, LI(-) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=746mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=.997 13 14 15 16 17 18 19 2 21 Σχήμα 5.4 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 2cm, LI(+) 48

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=749mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=1.1 215 235 255 275 295 315 Σχήμα 5.5 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 3cm, LI(-) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=747mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=.998 18 2 22 24 26 28 Σχήμα 5.6 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 3cm, LI(+) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=759mmHg T=16 o C H=12.5gm -3 δ=1.13 29 31 33 35 37 39 Σχήμα 5.7 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 4cm, LI(-) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P=759mmHg T=16 o C H=12.5gm -3 δ=1.13 22 24 26 28 3 32 Σχήμα 5.8 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 4cm, LI(+) Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκεντρωτικά οι τιμές που υπολογίστηκαν για την τάση διάσπασης U 5 και την τυπική απόκλιση σ(%) για όλα τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας μαζί με τις αντίστοιχες ατμοσφαιρικές συνθήκες, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα. Διάκενο Πολικότητα P(mmHg) T( o C) H(gm -3 ) δ U 5 (kv) σ (%) 1cm Αρνητική 75 15.5 11.52 1.2 112.1 3.8 Θετική 75 15.5 1.9 1.2 93.9 6.11 2cm Αρνητική 748 15.5 12.12 1. 184.4 2.27 Θετική 746 15.5 12.12.997 164.8 7. 3cm Αρνητική 749 15.5 12.12 1.1 249.5 5.85 Θετική 747 15.5 12.12.998 223.6 8.71 4cm Αρνητική 759 16 12.5 1.13 333.3 4.71 Θετική 759 16 12.5 1.13 263.1 7.11 Σχήμα 5.9 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα διακένου ακίδας-ακίδας 49

5.2 Καμπύλες U-t διακένου ακίδας-ακίδας Με βάση τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, καταστρώθηκαν τα διαγράμματα που περιγράφουν την καμπύλη τάσης-χρόνου U-t για κάθε ένα από τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες αυτές, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα. 25 2 15 P=75mmHg T=15.5 o C H=11.52gm -3 δ=1.2 25 2 15 P=75mmHg T=15.5 o C H=1.9gm -3 δ=1.2 1 1 5 5 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 5.1 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 1cm, LI(-) 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 5.11 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 1cm, LI(+) 5 4 3 P=748mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=1. 5 4 3 P=746mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=.997 2 2 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 5.12 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 2cm, LI(-) 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 5.13 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 2cm, LI(+) 5

7 6 5 4 3 2 1 P=749mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=1.1 2 4 6 8 1 Σχήμα 5.14 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 3cm, LI(-) 7 6 5 4 3 2 1 P=747mmHg T=15.5 o C H=12.12gm -3 δ=.998 2 4 6 8 1 Σχήμα 5.15 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 3cm, LI(+) 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 Σχήμα 5.16 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 4cm, LI(-) P=759mmHg T=16 o C H=12.5gm -3 δ=1.13 8 7 6 5 4 3 2 1 P=759mmHg T=16 o C H=12.5gm -3 δ=1.13 2 4 6 8 1 Σχήμα 5.17 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 4cm, LI(+) 51

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 5.3 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης διακένου ακίδας-ακίδας Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για κάθε ένα από τα εφαρμοζόμενα μήκη στο διάκενο ακίδας-ακίδας και για τις δύο πολικότητες σε κοινό διάγραμμα, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με την επίδραση τις πολικότητας στις καμπύλες αυτές. Όπως προκύπτει εύκολα από τις εικόνες 5.18-5.21, η τάση διάσπασης U 5 του κάθε διακένου είναι μεγαλύτερη για αρνητική πολικότητα σε σχέση με την θετική, αφού σε κάθε περίπτωση, η καμπύλη πιθανότητας διάσπασης για αρνητική πολικότητα βρίσκεται πάντα δεξιότερα της αντίστοιχης θετικής. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 8 9 1 11 12 13 Σχήμα 5.18 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 1cm 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 13 14 15 16 17 18 19 2 21 Σχήμα 5.19 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 2cm 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 18 2 22 24 26 28 3 Σχήμα 5.2 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 3cm 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 22 25 28 31 34 37 4 Σχήμα 5.21 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 4cm 52

5.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες U-t διακένου ακίδας-ακίδας Όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα της ενότητας 5.2, η αλλαγή της πολικότητας από αρνητική σε θετική έχει κάποια επίδραση στις καμπύλες τάσης-χρόνου U-t. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης-χρόνου U-t που προέκυψαν για κάθε ένα από τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας και για τις δύο πολικότητες σε κοινό διάγραμμα, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με την επίδραση τις πολικότητας στις καμπύλες αυτές. 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 5.22 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 1cm 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Σχήμα 5.23 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 2cm 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 Σχήμα 5.24 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 3cm 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 Σχήμα 5.25 : Διάκενο ακίδας-ακίδας 4cm 53

Πιθανότητα διάσπασης (%) Πιθανότητα διάσπασης (%) 5.5 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες πιθανότητας διάσπασης που προέκυψαν για όλα τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας σε κοινό διάγραμμα, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με την επίδραση του μήκους του διακένου στις καμπύλες αυτές. 1 9 8 7 6 5 4 3 1cm 2cm 3cm 4cm 2 1 5 1 15 2 25 3 35 4 Σχήμα 5.26 : Καμπύλες πιθανότητας για όλα τα μήκη διάκενου ακίδας-ακίδας, LI(-) 1 9 8 7 6 5 4 3 1cm 2cm 3cm 4cm 2 1 5 1 15 2 25 3 35 4 Σχήμα 5.27 : Καμπύλες πιθανότητας για όλα τα μήκη διάκενου ακίδας-ακίδας, LI(+) 54

5.6 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες U-t Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης-χρόνου U-t που προέκυψαν για όλα τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας σε κοινό διάγραμμα, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με την επίδραση του μήκους στις καμπύλες αυτές. 8 7 6 5 1 neg 2 neg 3 neg 4 neg 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 5.28 : Επίδραση μήκους σε διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) 8 7 6 5 1 pos 2 pos 3 pos 4 pos 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 5.29 : Επίδραση μήκους σε διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(+) 55

5.7 Συγκεντρωτικό διάγραμμα καμπυλών U-t διακένου ακίδας-ακίδας Στο επόμενο διάγραμμα παρουσιάζονται συγκεντρωτικά οι καμπύλες U-t που προέκυψαν για όλα τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας και για τις δύο πολικότητες σε κοινό διάγραμμα. Όπως είναι προφανές, αύξηση του μήκους του διακένου έχει ως αποτέλεσμα η καμπύλη U-t να μετακινηθεί προς τα πάνω δίνοντας έτσι μεγαλύτερες τιμές στην τάση διάσπασης U 5 και για τις δύο πολικότητες, με την θετική πολικότητα να βρίσκεται ελαφρώς χαμηλότερα σε σχέση με την αρνητική για όλα τα μήκη του διακένου. 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 5.3 : Επίδραση μήκους σε διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) & LI(+) 56

6. Σύγκριση καμπυλών U-t μονωτήρων και διακένου ακίδας-ακίδας Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες U-t του κάθε μονωτήρα μαζί με τις καμπύλες U-t για όλα τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας σε κοινό διάγραμμα, με στόχο να καταστεί εύκολη η συσχέτιση των διάφορων χαρακτηριστικών (μήκος ερπυσμού μονωτήρα-μήκος διακένου ακίδας-ακίδας, ύψος μονωτήρα-μήκος διακένου ακίδαςακίδας) τα οποία ενδεχομένως επηρεάζουν την μεταξύ τους θέση. 8 7 6 5 4 1 neg 2 neg 3 neg 4 neg 56-1 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 6.1 : Σύγκριση μονωτήρα 56-1 με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) 8 7 6 5 4 1 neg 2 neg 3 neg 4 neg 56-3 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 6.2 : Σύγκριση μονωτήρα 56-3 με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) 57

8 7 6 5 1 neg 2 neg 3 neg 4 neg 56-4 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 6.3 : Σύγκριση μονωτήρα 56-4 με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) 8 7 6 5 1 neg 2 neg 3 neg 4 neg Kwdwnas 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 6.4 : Σύγκριση μονωτήρα τύπου κώδωνα με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) 58

8 7 6 5 4 1 neg 2 neg 3 neg 4 neg Polymeris 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σχήμα 6.5 : Σύγκριση πολυμερή μονωτήρα με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(-) 8 7 6 5 1 pos 2 pos 3 pos 4 pos 56-1 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 6.6 : Σύγκριση μονωτήρα 56-1 με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(+) 59

8 7 6 5 4 1 pos 2 pos 3 pos 4 pos 56-4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 6.7 : Σύγκριση μονωτήρα 56-4 με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(+) 8 7 6 5 4 1 pos 2 pos 3 pos 4 pos Kwdwnas 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 6.8 : Σύγκριση μονωτήρα τύπου κώδωνα με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(+) 6

8 7 6 5 4 1 pos 2 pos 3 pos 4 pos Polymeris 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Σχήμα 6.9 : Σύγκριση πολυμερή μονωτήρα με διάκενα ακίδας-ακίδας, LI(+) Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται συγκεντρωτικά το μήκος ερπυσμού του κάθε μονωτήρα μαζί με το ύψος του, καθώς επίσης και μία από τις τιμές που αφορούν τα εφαρμοζόμενα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας, έτσι ώστε να καταστεί εύκολη η κατανόηση της ύπαρξης συσχέτισης ή μη των χαρακτηριστικών αυτών μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, στην τέταρτη στήλη του πίνακα σημειώνεται το μήκος του διακένου ακίδας-ακίδας το οποίο σύμφωνα με τα παραπάνω διαγράμματα φαίνεται να είναι πιο κοντά στην καμπύλη U-t του εκάστοτε μονωτήρα για τάση αρνητικής πολικότητας, ενώ στην πέμπτη στήλη σημειώνεται το μήκος του διακένου ακίδας-ακίδας το οποίο σύμφωνα με τα παραπάνω διαγράμματα φαίνεται να είναι πιο κοντά στην καμπύλη U-t του εκάστοτε μονωτήρα για τάση θετικής πολικότητας. Μονωτήρας Μήκος ερπυσμού(cm) Ύψος (cm) Μήκος διακένου (cm), LI(-) Μήκος διακένου (cm), LI(+) 56-1 33 14.6 2 2 56-3 53 19.1 3-56-4 88 24.1 3 3 Κώδωνας 53 21.5 2 2 Πολυμερής 58.5 26 3 3 Σχήμα 6.1 : Συσχέτιση χαρακτηριστικών μονωτήρων με μήκη διακένων ακίδας-ακίδας Παρατηρούμε ότι όσον αφορά τους μονωτήρες 56-1, 56-3 και 56-4 δεν υπάρχει κάποια συσχέτιση μεταξύ των χαρακτηριστικών τους (μήκος ερπυσμού, ύψος) και του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας, παρόλο που από τα διαγράμματα φαίνεται ότι για κάθε έναν από τους παραπάνω μονωτήρες, η καμπύλη U-t του κάθε ενός είναι παρόμοια με αυτές κάθε ενός από τα μήκη του διακένου ακίδας-ακίδας που εφαρμόστηκαν. 61

Από την άλλη πλευρά, στον μονωτήρα τύπου κώδωνα αλλά και στον πολυμερή παρατηρούμε την ύπαρξη συσχέτισης μεταξύ των χαρακτηριστικών τους, και συγκεκριμένα του ύψους τους, με το μήκος του διακένου ακίδας-ακίδας. Συγκεκριμένα, η καμπύλη U-t στον μονωτήρα τύπου κώδωνα βρίσκεται πολύ κοντά στην καμπύλη U-t του διακένου ακίδαςακίδας με μήκος διακένου 2 cm, ενώ παράλληλα ο μονωτήρας αυτός έχει ύψος 21.5 cm, τιμή η οποία βρίσκεται πολύ κοντά στο παραπάνω μήκος. Έτσι, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο μονωτήρας τύπου κώδωνα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, μπορεί να προσομοιωθεί ικανοποιητικά με το διάκενο ακίδας-ακίδας των 2 cm. Ομοίως, η καμπύλη U-t στον πολυμερή μονωτήρα βρίσκεται πολύ κοντά στην καμπύλη U-t του διακένου ακίδας-ακίδας με μήκος διακένου 3 cm, ενώ παράλληλα ο μονωτήρας αυτός έχει ύψος 26 cm, τιμή η οποία βρίσκεται πολύ κοντά στο παραπάνω μήκος. Έτσι, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο πολυμερής μονωτήρας που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, μπορεί να προσομοιωθεί ικανοποιητικά με το διάκενο ακίδας-ακίδας των 3 cm. Επιπλέον, παρατηρώντας τα παραπάνω διαγράμματα καταλήξαμε στο εξής συμπέρασμα : Με την εφαρμογή θετικών ΚρΥΤ στους μονωτήρες πήραμε αποτελέσματα, τα οποία επεξεργαζόμενα μας έδωσαν καμπύλες τάσης-χρόνου U-t παρόμοιες με αυτές που μας έδωσαν τα αποτελέσματα της εφαρμογής θετικών ΚρΥΤ στα διάκενα ακίδας-ακίδας. Ειδικότερα, από τα σχήματα 6.6 εώς 6.9 βλέπουμε ότι οι καμπύλες U-t των μονωτήρων 56-1, 56-4, κώδωνα και πολυμερή έχουν σχεδόν την ίδια κλίση με τις καμπύλες των διακένων μήκους 2, 3, 2 και 3 εκατοστών αντίστοιχα. Απλώς, οι καμπύλες των διακένων είναι κατά τι μετατοπισμένες προς τα πάνω ή προς τα κάτω, φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να αποφευχθεί (δηλαδή οι καμπύλες των μονωτήρων και των διακένων ακίδας-ακίδας να συνέπεφταν) αν δοκιμάζαμε διαφορετικά μήκη διακένων, με τιμές ενδιάμεσες, μέχρι να βρεθεί εκείνο το μήκος διακένου που δίνει καμπύλη U-t ίδια με αυτή του εκάστοτε μονωτήρα. Επιπλέον, οφείλουμε να λάβουμε υπόψη και τις διαφορές των ατμοσφαιρικών συνθηκών υπό τις οποίες διεξήχθη το κάθε πείραμα. Η παρατήρηση αυτή μας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι όταν εφαρμόζουμε ΚρΥΤ θετικής πολικότητας στους μονωτήρες, η ηλεκτρική διάσπαση συμβαίνει με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο συμβαίνει και κατά την εφαρμογή ΚρΥΤ στα διάκενα ακίδας-ακίδας ή με άλλα λόγια στον άερα. Σε αντίθεση με τις θετικές, στις αρνητικές ΚρΥΤ δε φαίνεται να ισχύει κάτι παρόμοιο. 62

7. Συμπεράσματα και προτάσεις Οι μονωτήρες αποτελούν ένα από τα βασικότερα στοιχεία εξοπλισμού των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. Έτσι, η αξιοπιστία και η σωστή λειτουργία τους είναι καθοριστικής σημασίας για την ομαλή λειτουργία των ηλεκτρικών δικτύων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάστηκε η διηλεκτρική συμπεριφορά που εμφανίζουν τυπικοί μονωτήρες εναέριων γραμμών διανομής ΜΤ σε συνθήκες εργαστηρίου υπό την επίδραση εξωτερικών ΚρΥΤ. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε το φαινόμενο της επιφανειακής διάσπασης, η επίδραση της πολικότητας, καθώς επίσης και η επίδραση των διάφορων χαρακτηριστικών (γεωμετρία, διαστάσεις, υλικό) του κάθε μονωτήρα σε αυτό. Τυπικά μεγέθη αποτελούν η πιθανότητα διάσπασης, η τάση διάσπασης U 5, ο χρόνος διάσπασης t b και η στιγμιαία τάσης διάσπασης U b. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν συνοψίζονται στη συνέχεια. Για κάθε μονωτήρα, ανάλογα με την πιθανότητα που έχει ο μονωτήρας να διασπαστεί καθώς εφαρμόζουμε σε αυτόν αυξανόμενη τάση καταπόνησης, μπορούμε να διακρίνουμε κάθε μία από τις δύο παρακάτω περιοχές: Περιοχή στην οποία παρατηρείται διάσπαση με κάποια πιθανότητα σε έναν συγκεκριμένο αριθμό επιβολών (πιθανότητα διάσπασης -1%) Περιοχή στην οποία παρατηρείται πάντα διάσπαση κάτω από οποιονδήποτε αριθμό επιβολών (πιθανότητα διάσπασης 1%) Σε κάθε μονωτήρα, η πολικότητα επιδρά στα όρια των συγκεκριμένων περιοχών, και συγκεκριμένα, για θετική πολικότητα τα όρια αυτά βρίσκονται σε χαμηλότερο επίπεδο τάσης από ότι σε αρνητική. Αυτό φαίνεται και στις καμπύλες πιθανότητας, στις οποίες για θετική τάση, οι καμπύλες βρίσκονται αριστερότερα από τις αντίστοιχες της αρνητικής. Οι ιδιότητες του κάθε μονωτήρα (γεωμετρία, διαστάσεις, υλικό, μήκος ερπυσμού κτλ) φαίνεται να έχουν και αυτές επίδραση στα όρια αυτά. Ωστόσο, λόγω των πολλών αυτών ιδιοτήτων, είναι δύσκολο στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας να προκύψει κάποια συσχέτιση μεταξύ των ιδιοτήτων αυτών και των ορίων των παραπάνω περιοχών. Εν γένει, τα όρια αυτά αυξάνονται με την αύξηση του μήκους ερπυσμού, κάτι το οποίο στην περίπτωση μας δεν ισχύει απόλυτα αφού φαίνεται να παίζουν ρόλο και οι υπόλοιποι παράγοντες όπως η γεωμετρία του μονωτήρα, το υλικό του κτλ. Σε κάθε μονωτήρα, στην πρώτη περιοχή κατά την οποία είχε παρατηρηθεί ηλεκτρική διάσπαση με κάποια πιθανότητα, η διάσπαση προέκυπτε πάντα στην ουρά της επιβαλλόμενης ΚρΥΤ που εφαρμόζαμε. Αύξηση του επιπέδου τάσης στην συγκεκριμένη περιοχή είχε εν γένει αποτέλεσμα την μείωση του μέσου όρου των χρόνων διάσπασης ανά επίπεδο, κάτι το οποίο 63

δεν ίσχυε πάντα, ιδιαίτερα στα χαμηλά επίπεδα της συγκεκριμένης περιοχής. Ο λόγος είναι το ότι εξαιτίας της στοχαστικής φύσης του φαινομένου της διάσπασης, στα πολύ χαμηλά επίπεδα προέκυπτε πολύ μεγάλη διασπορά στους μετρούμενους χρόνους διάσπασης ανά επίπεδο. Ωστόσο, με την περαιτέρω αύξηση της τάσης, η διασπορά αυτή μειωνόταν με αποτέλεσμα οι χρόνοι διάσπασης να αποκτούν μία πιο ομαλή συμπεριφορά. Η πολικότητα δεν έπαιξε κάποιο ρόλο στην συγκεκριμένη συμπεριφορά. Στην δεύτερη περιοχή είχαμε την συνέχιση της πιο πάνω συμπεριφοράς, ενώ από ένα σημείο και μετά οι χρόνοι διάσπασης που μετρούσαμε προέκυπταν στο μέτωπο της επιβαλλόμενης ΚρΥΤ. Φτάνοντας σε πολύ υψηλά επίπεδα, αναλόγως πάντα με τα δεδομένα του μονωτήρα, οι χρόνοι διάσπασης είχαν αποκτήσει πολύ μικρές τιμές και η διάσπαση πραγματοποιούνταν όλο και πιο αριστερά στο μέτωπο των επιβαλλόμενων ΚρΥΤ. Στα υψηλά αυτά επίπεδα, η διασπορά των επιβαλλόμενων ΚρΥΤ ανά επίπεδο είχε αποκτήσει και αυτή πολύ μικρές τιμές της τάξης του 5%. Όπως είναι φυσικό, η πολικότητα δεν έπαιξε κάποιο ρόλο στην συγκεκριμένη συμπεριφορά και σε αυτή την περιοχή. Στα πλαίσια της περαιτέρω διερεύνησης της διηλεκτρικής συμπεριφοράς τυπικών μονωτήρων εναέριων γραμμών ΜΤ υπό την επίδραση ΚρΥΤ, ιδιαίτερο ενδιαφέρον θα είχε η πραγματοποίηση της παραπάνω μελέτης σε περισσότερους μονωτήρες, διαφορετικής γεωμετρίας και υλικών, με στόχο την καλύτερη κατανόηση της επίδρασης των επί μέρους χαρακτηριστικών του κάθε ενός στο φαινόμενο της επιφανειακής διάσπασης. Επίσης, ιδιαίτερο ενδιαφέρον θα είχε και η διεξαγωγή ενός αντίστοιχου πειράματος με αντικείμενο μελέτης την επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών, και ιδιαίτερα της υγρασίας στο φαινόμενο της επιφανειακής διάσπασης. 64

Παράρτημα Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 2 kv ANSI 56-1 [4] Σχήμα Π.1 : Μονωτήρας 56-1 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ύψος Πλάτος Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, θετική Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, αρνητική Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν ξηρό Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν υγρό Τάση διατρήσεως H 146 mm D 191 mm 15 kv 19 kv 95 kv 6 kv 13 kv Μέγιστη τάση παρεμβολής ραδιοφωνική συχνότητα 1 khz με τάση δοκιμής 15 kv Μήκος ερπυσμού Αντοχή σε εγκάρσια δύναμη Θερμοκρασία περιβάλλοντος Βάρος 1 μv 33 cm 13 Kg -2 o C έως 5 o C 3.2 Kg Υλικό από πορσελάνη υγρής μεθόδου με καφέ εφυάλωση 65

Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 2 kv ANSI 56-3 [4] Σχήμα Π.2 : Μονωτήρας 56-3 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ύψος Πλάτος Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, θετική Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, αρνητική Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν ξηρό Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν υγρό Τάση διατρήσεως H 191 mm D 267 mm 2 kv 265 kv 125 kv 8 kv 165 kv Μέγιστη τάση παρεμβολής ραδιοφωνική συχνότητα 1 khz με τάση δοκιμής 15 kv Μήκος ερπυσμού Αντοχή σε εγκάρσια δύναμη Θερμοκρασία περιβάλλοντος Βάρος 2 μv 53 cm 136 Kg -2 o C έως 5 o C 6 Kg Υλικό από πορσελάνη υγρής μεθόδου με καφέ εφυάλωση 66

Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 22 kv ANSI 56-4 [4] Σχήμα Π.3 : Μονωτήρας 56-4 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ύψος Πλάτος Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, θετική Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, αρνητική Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν ξηρό Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν υγρό Τάση διατρήσεως H 241 mm D 35 mm 225 kv 31 kv 14 kv 95 kv 185 kv Μέγιστη τάση παρεμβολής ραδιοφωνική συχνότητα 1 khz με τάση δοκιμής 15 kv Μήκος ερπυσμού Αντοχή σε εγκάρσια δύναμη Θερμοκρασία περιβάλλοντος Βάρος 2 μv 88 cm 13 Kg -2 o C έως 5 o C 12 Kg Υλικό από πορσελάνη υγρής μεθόδου με καφέ εφυάλωση 67

Τύπος: Μονωτήρας Κώδωνος Μ.Τ. 2kV [4] Σχήμα Π.4 : Μονωτήρας τύπου κώδωνα Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ύψος Πλάτος Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, θετική Κρίσιμη κρουστική τάση υπερπηδήσεως 1.5Χ4μs, αρνητική Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν ξηρό Τάση υπερπηδήσεως 5Hz, εν υγρό Τάση διατρήσεως H 215 mm D 2 mm 2 kv 2 kv 125 kv 8 kv 165 kv Μέγιστη τάση παρεμβολής ραδιοφωνική συχνότητα 1 khz με τάση δοκιμής 15 kv Μήκος ερπυσμού Αντοχή σε εγκάρσια δύναμη Θερμοκρασία περιβάλλοντος Βάρος 2 μv 53 cm 136 Kg -2 o C έως 5 o C 6 Kg Υλικό από πορσελάνη υγρής μεθόδου με καφέ εφυάλωση 68

Τύπος: Μονωτήρας Πολυμερής Μ.Τ. 24kV [7] Σχήμα Π.5 : Μονωτήρας Πολυμερής [7] Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ύψος Μήκος μόνωσης Διάμετρος μεγάλη Διάμετρος μικρή Απόσταση δίσκων Βασικό επίπεδο μόνωσης Τάση βιομηχανικής συχνότητας Μήκος ερπυσμού Ονομαστική μηχανική αντοχή σε εφελκυσμό Βάρος H 26 mm H1 21 mm D1 12 mm D2 15 mm H2 57 mm 175 kv 7 kv 58.5 cm 5 kn 2 Kg 69