ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική εργασία ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΟΝΩΤΙΚΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΣΤΗ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΑΚΕΝΩΝ ΑΚΙΔΑΣ-ΠΛΑΚΑΣ ΥΠΟ ΘΕΤΙΚΕΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΑΡΙΟΣ Α. ΖΗΝΩΝΟΣ Επιβλέπων καθηγητής: Παντελής. Ν. Μικρόπουλος Επίκουρος καθηγητής Θεσσαλονίκη 2009

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μηχανισμός διάσπασης σε ανομοιογενή διάκενα... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η Διεξαγωγή του πειράματος 2.1 Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ... 9 2.2 Κρουστικές υψηλές τάσεις (Κρ.Υ.Τ)... 11 2.3 Παραγωγή και μέτρηση Κρ.Υ.Τ... 12 2.4 Τα δοκίμια... 15 2.5 Μέθοδοι μέτρησης... 16 2.5.1 Μέθοδος επιπέδων τάσεως... 16 2.5.2 Μέθοδος αυξομείωσης τάσης... 17 2.6 Απόκτηση και επεξεργασία δεδομένων... 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης... 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 50% Τάση Διάσπασης 4.1 Τάση Διάσπασης U 50... 20 4.2 Τυπική απόκλιση της τάσης U 50... 21 4.3 Μέση πεδιακή ένταση... 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 100% Τάση Διάσπασης 5.1 Τάση διάσπασης U 100... 23 5.2 Μέση πεδιακή ένταση... 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 50% Χρόνος και στιγμιαία τάση διάσπασης 6.1 50% Χρόνος διάσπασης... 25 6.2 Τυπική απόκλιση του 50% χρόνου διάσπασης... 27 6.3 Στιγμιαία τάση διάσπασης... 28 6.4 Τυπική απόκλιση της στιγμιαίας τάσης διάσπασης... 29 6.5 Ανηγμένη στιγμιαία τάση διάσπασης... 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 100% Χρόνος και στιγμιαία τάση διάσπασης 7.1 100% χρόνος διάσπασης... 31 7.2 Στιγμιαία τάση διάσπασης... 33 7.3 Ανηγμένη στιγμιαία τάση διάσπασης... 34 1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Διαδρομή ηλεκτρικού σπινθήρα... 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Συζήτηση-Συμπεράσματα... 37 ΑΝΑΦΟΡΕΣ-ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 39 2

Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού αντικειμένου «Επίδραση μονωτικών επικαλύψεων στη διηλεκτρική αντοχή των μονώσεων» του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. Στόχος ήταν η διερεύνηση της επίδρασης μονωτικής επικάλυψης ενός ηλεκτροδίου, στη διηλεκτρική αντοχή ανομοιογενών διάκενών αέρα. Μελετήθηκαν διάκενα ακίδας-πλάκας και χρησιμοποιήθηκε ως μόνωση εποξική ρητίνη. Η μόνωση αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για κάθε σύστημα και εξοπλισμό υψηλής τάσης, αφού με την αντοχή της εξασφαλίζεται η εύρυθμη λειτουργία των. Στον σύγχρονο εξοπλισμό υψηλών τάσεων επιβάλλεται αύξηση στην αποτελεσματικότητα της μόνωσης και ταυτόχρονη μείωση στις διαστάσεις του εξοπλισμού λαμβάνοντας υπόψη τις αυξημένες περιβαλλοντικές απαιτήσεις της εποχής μας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση διάφορων επικαλύψεων [1], όπως η εποξική ρητίνη, το πολυτετραφθοροαιθυλένιο ή τεφλόν και άλλα. Η προς εξέταση μονωτική επικάλυψη, εποξική ρητίνη, προσφέρει αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μονώσεις αερίου. Ειδικότερα, η επίδραση αυτή της επικάλυψης κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική λόγω της ανάγκης αύξησης της αποτελεσματικότητας της μόνωσης δίχως την αύξηση του μήκους διακένου. Ως παράδειγμα αναφέρονται οι υποσταθμοί όπου επιτυγχάνεται εξαιρετική συμπεριφορά των μονώσεων με μειωμένες διαστάσεις [2]. Επιπλέον η εφαρμογή τέτοιων συστημάτων μόνωσης έχει και οικολογικές ωφέλειες, αφού θα μπορούσε να μειώσει τη χρήση SF 6, το οποίο συμβάλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου [3,4]. Η εργασία υποδιαιρείται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος είναι εισαγωγικό και αναφέρονται βασικά θεωρητικά στοιχεία που σχετίζονται με το μηχανισμό διάσπασης διακένων ακίδας πλάκας καθώς και περιγραφή της διεξαγωγής του πειράματος. Στο δεύτερο μέρος παρατίθονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα: οι καμπύλες πιθανότητας διάσπασης, οι επιβαλλόμενες τάσεις που προκαλούν διάσπαση με πιθανότητα 50% και 100%, ο χρόνος και η στιγμιαία τάση διάσπασης για τις παραπάνω πιθανότητες διάσπασης και η διαδρομή του ηλεκτρικού σπινθήρα. Τέλος στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται τα σημαντικότερα αποτελέσματα και κάποιες προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις ιδιαίτερες μου ευχαριστίες στον επίκουρο καθηγητή Π. Ν. Μικρόπουλο ο οποίος μου εμπιστεύτηκε ένα τόσο σημαντικό και ενδιαφέρον θέμα καθώς και για την πολύτιμη βοήθεια του στην διάρκεια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον υποψήφιο διδάκτορα Π. Ν. Μαυροειδή που ήταν δίπλα μου σε όλη την πορεία και χωρίς την ακούραστη βοήθεια και τις συμβουλές του η ολοκλήρωση της εργασίας αυτής δεν θα ήταν εφικτή. 3

Κεφάλαιο 1 Μηχανισμός διάσπασης σε ανομοιογενή διάκενα Για να ξεκινήσει μια ηλεκτρική εκκένωση σε ένα αέριο διηλεκτρικό μέσο δύο συνθήκες πρέπει να ικανοποιούνται ταυτόχρονα. Πρώτον, πρέπει να βρεθεί τουλάχιστον ένα κατάλληλα τοποθετημένο ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο αέριο και δεύτερον, το ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να είναι ικανής έντασης και διάρκειας ώστε να εξασφαλίσει ότι αυτό το ηλεκτρόνιο θα ξεκινήσει μέσω διαδικασιών ιονισμού του αερίου μία ακολουθία ηλεκτρικών στοιβάδων που θα οδηγήσουν στη διάσπαση. Χωρίς την ύπαρξη αυτού του ελεύθερου ηλεκτρονίου η εκκένωση δε θα ξεκινήσει αμέσως ακόμα και αν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ξεπερνά κατά πολύ την απαιτούμενη ένταση για τη διάσπαση του αερίου. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να περιμένουμε πρώτα τη διάθεση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου μέσω κάποιου από τους τρόπους παραγωγής του, ενώ ο στατιστικός χαρακτήρας τόσο της διαθεσιμότητας των ελεύθερων ηλεκτρονίων όσο και των διαδικασιών ιονισμού του αερίου θα προσδίδει στατιστικό χαρακτήρα και στη διαδικασία της ηλεκτρικής εκκένωσης. Ελεύθερα ηλεκτρόνια παράγονται φυσικά στην ατμόσφαιρα σαν αποτέλεσμα της κοσμικής ακτινοβολίας ή της παρουσίας τοπικών ραδιενεργών υλικών ή λόγω της υπεριώδους ακτινοβολίας του ήλιου. Με αυτούς τους τρόπους ο φυσικός ρυθμός παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι της τάξης των 10 cm -3 s -1 και 100-500 cm -3 αντίστοιχα που είναι ποσότητες αρκετά μικρές. Με τους ίδιους τρόπους παραγωγής, στον αέρα, υπάρχει και μια σταθερή συγκέντρωση αρνητικών ιόντων. Αυτά συνήθως σχηματίζονται από το οξυγόνο το οποίο υπάρχει στον αέρα σε διάφορες μορφές όπως Ο -, Ο 2 -, Ο 3 -. Το πιο διαθέσιμο αρνητικό ιόν στον αέρα είναι το Ο 2 - το οποίο δημιουργείται με μια αντίδραση τριών σωματιδίων όπως: Ο 2 + e + Μ Ο 2 - + Μ + Ε ο όπου Μ είναι το τρίτο σωματίδιο (οξυγόνο ή άζωτο) και Ε ο η ενέργεια που απελευθερώνεται. Με την παρουσία μορίων νερού παράγονται ένυδρα ιόντα Ο 2 - σύμφωνα με την αντίδραση ενυδάτωσης: Ο 2 - + Η 2 Ο + Μ Ο 2 - (Η 2 Ο) + Μ +Ε 1 ενώ ακόλουθα στάδια ενυδάτωσης μπορούν να συμβούν σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: Ο 2 - (Η-ΟH) m-1 + H 2 O + Μ Ο 2 - (Η-ΟH) m + Μ + Ε m. Κάτω από φυσικές ατμοσφαιρικές συνθήκες στον αέρα συμπλέγματα ένυδρων ιόντων οξυγόνου με αριθμό μορίων νερού μεγαλύτερο από 3 (m>3) δεν είναι πολύ πιθανά λόγω του μικρού ρυθμού παραγωγής τους. Στον αέρα, υπό φυσικές συνθήκες, ο ιονισμός εξισορροπείται μέσω του απιονισμού και ο αέρας συμπεριφέρεται ηλεκτρικά ως μόνωση. Με την εφαρμογή όμως μίας θετικής τάσης σε ένα διάκενο με αέρα ως διηλεκτρικό, για μια ικανή τιμή του εύρους της ένα ηλεκτρόνιο τοποθετημένο κατάλληλα κοντά στην άνοδο επιταχύνεται από το ηλεκτρικό πεδίο προς αυτήν, ιονίζοντας τα ουδέτερα μόρια του 4

αέρα και παράγοντας έτσι νέα ελεύθερα ηλεκτρόνια με ένα ρυθμό παραγωγής a ανά μονάδα μήκους της διαδρομής του κατά τη φορά του πεδίου. Ο συντελεστής a ονομάζεται «πρώτος συντελεστής ιονισμού» ή «άλφα του Townsend». Ηλεκτρόνια ωστόσο μπορούν να προσαρτηθούν από ουδέτερα μόρια με ένα ρυθμό προσάρτησης η ανά μονάδα μήκους της διαδρομής τους δημιουργώντας έτσι αρνητικά ιόντα. Δημιουργείται έτσι μία ηλεκτρονική στοιβάδα η οποία όταν φτάνει στην άνοδο έχει στην κεφαλή της αριθμό ηλεκτρονίων n και ίσο αριθμό θετικών ιόντων στην ουρά της, που δίνεται από την εξίσωση: r2 n= exp[ ( a η) dx] r1 όπου r 1 και r 2 η αρχή και το τέλος της διαδρομής του ελεύθερου ηλεκτρονίου, και οι δυο συντελεστές a και η εξαρτώνται από το ηλεκτρικό πεδίο Ε και την πίεση p με σχέσεις της μορφής : a/p=f 1 (E/p), η/p=f 2 (E/p). Από την εξίσωση αυτή γίνεται σαφές ότι η αναγκαία συνθήκη για τη δημιουργία της ηλεκτρονικής στοιβάδας είναι ο καθαρός συντελεστής ιονισμού να είναι (a-η)>0. Στον αέρα, σε ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης, η συνθήκη αυτή ικανοποιείται για τιμές του πεδίου μεγαλύτερες από 26 kv/cm. Σύμφωνα με τον Μeek εάν η ένταση του ακτινικού ηλεκτρικού πεδίου στην κεφαλή της στοιβάδας γίνει ίση με την ένταση του αρχικώς επιβαλλόμενου γεωμετρικού πεδίου, η αρχική αυτή στοιβάδα μπορεί να αποκτήσει ένα κρίσιμο μέγεθος (κρίσιμη στοιβάδα), ικανό να επιτρέψει τη δημιουργία ενός αγώγιμου νηματίου, του streamer. Η δημιουργία του streamer είναι αποτέλεσμα της συγκέντρωσης ενός θετικού χωρικού φορτίου από θετικά ιόντα που παρέμεινε στο διάκενο μετά την εξουδετέρωση των ηλεκτρονίων της κεφαλής της στοιβάδας φτάνοντας στην ακίδα. Ο σχηματισμός του streamer ενισχύεται και από δευτερογενείς στοιβάδες που δημιουργούνται από ηλεκτρόνια τα οποία παράγονται κυρίως με φωτοϊονισμό. Σε ένα μη ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο οι streamers προχωρούν κατά μήκος ενός τμήματος του διακένου με ταχύτητα που ξεπερνά τα 100 cm/μs και σταματούν λόγω της μείωσης τόσο του γεωμετρικού πεδίου που επιβάλλεται όσο και λόγω των απωλειών ενέργειας κατά τη διάρκεια της δημιουργίας νέων στοιβάδων. Για να εξασφαλιστεί επομένως η σταθερή ανάπτυξη των streamers σε ένα διάκενο απαιτείται το ηλεκτρικό πεδίο να έχει μια ελάχιστη κρίσιμη τιμή. Διακρίνονται δύο περιπτώσεις: (α) Σε διάκενο θετικής ακίδας- αρνητικής πλάκας, για μια κατάλληλη τιμή του εύρους μιας θετικής κρουστικής υψηλής τάσης και για ένα τουλάχιστον διαθέσιμο ελεύθερο ηλεκτρόνιο, η τιμή της πεδιακής έντασης στην περιοχή κοντά στην ακίδα αποκτά τέτοια τιμή που είναι ικανή να οδηγήσει στον σχηματισμό ενός αριθμού streamers οι οποίοι όλοι μαζί υπερτιθέμενοι αποτελούν την αρχική ή πρώτη κορώνα. Υπάρχει, επομένως, γύρω από το άκρο της ακίδας μια περιοχή υψηλού πεδίου, ένας κρίσιμος όγκος σε κάθε σημείο του οποίου ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να ξεκινήσει μια στοιβάδα ικανή να μετασχηματιστεί σε streamer και να ξεκινήσει έτσι η πρώτη κορώνα. Για την ελάχιστη τιμή επιβαλλόμενης τάσης, ικανής να εμφανιστεί η πρώτη κορώνα υπάρχει μόνο ένα σημείο από το οποίο ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να ξεκινήσει μία τέτοια στοιβάδα. Καθώς αυξάνει η τάση δημιουργείται ο κρίσιμος όγκος ο οποίος καθορίζεται από το εσωτερικό και εξωτερικό του όριο, ανάμεσα στα οποία ο καθαρός συντελεστής ιονισμού είναι πάντα μεγαλύτερος του μηδενός. Το εσωτερικό του όριο θα καθορίζεται από το ελάχιστο μήκος που απαιτείται για το σχηματισμό μιας κρίσιμης ηλεκτρονικής στοιβάδας αφού εάν ένα 5

ηλεκτρόνιο βρίσκεται πολύ κοντά στην ακίδα συγκρούεται με αυτήν προτού προλάβει η στοιβάδα να αποκτήσει φορτίο μεγαλύτερο του κρίσιμου με συνέπεια η στοιβάδα να μη μπορεί να αναπτυχθεί. Τα όρια του κρίσιμου όγκου καθορίζονται από την τιμή του ηλεκτρικού πεδίου άρα από το είδος της ράβδου και τη γεωμετρία της απόληξής της ενώ επίσης είναι συναρτήσεις της εφαρμοζόμενης τάσης και του χρόνου. Γίνεται, επομένως, σαφές ότι η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου, ο όγκος γύρω από το άκρο της ράβδου στο οποίο εφαρμόζεται καθώς και ο ρυθμός παραγωγής ελευθέρων ηλεκτρονίων στον όγκο αυτόν καθορίζουν την έναρξη της εκκένωσης ή αλλιώς τη πρώτη κορώνα αφού τελικά στα διάκενα που μελετήθηκαν η πρώτη κορώνα αναπαριστά τη πρώτη παρατηρήσιμη διαδικασία ιονισμού. Εφόσον ο φυσικός ρυθμός παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρονίων στον αέρα και επομένως και στον κρίσιμο όγκο είναι πολύ μικρός, για την περίπτωση κρουστικών τάσεων όπου οι χρόνοι έναρξης της κορώνα είναι γενικά μικρότεροι από μερικές εκατοντάδες μs, η απόσπαση ηλεκτρονίων από αρνητικά ιόντα κάτω από την επίδραση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου πιστεύεται ότι είναι ο κύριος μηχανισμός παραγωγής πρωτογενών ηλεκτρονίων. Από τις πρώτες εργασίες που ασχολήθηκαν με την εμφάνιση της κορώνα κάτω από κρουστικές τάσεις είναι αυτήν των Ρark και Cones [5]. Σύμφωνα με αυτούς η πρώτη κορώνα εμφανίζεται σαν μια θυσανοειδής εκκένωση η οποία αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό streamers με πολλές διακλαδώσεις που ξεκινούν από μια φωτεινή κοινή ρίζα στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, τον stem. Σαν αποτέλεσμα της έναρξης της πρώτης κορώνα, ένα ποσό αρνητικού φορτίου που δημιουργήθηκε με διαδικασίες ιονισμού ρέει διαμέσου των streamers και stem προς την ακίδα με συνέπεια να μένει στο διάκενο ένα καθαρό θετικό φορτίο το οποίο διαταράσσει την προηγούμενη κατανομή του πεδίου. Έτσι η ένταση του πεδίου μειώνεται στην περιοχή της ακίδας αλλά αυξάνει έξω από τα όρια της ανάπτυξης της κορώνα. Στην ίδια εργασία διαπιστώθηκε ότι οι streamers της πρώτης κορώνα δεν είναι ικανοποιητικά αγώγιμοι αφού παρατηρήθηκαν να ακουμπούν στο γειωμένο ηλεκτρόδιο χωρίς να οδηγούν σε διάσπαση. Το μέγεθος της κορώνα (ακτινική ανάπτυξη, φορτίο) εξαρτάται από την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή που αναπτύσσεται και από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Σε πολύ ανομοιογενή πεδία το εκχεόμενο φορτίο της πρώτης κορώνα είναι ικανό να ελαττώσει σημαντικά την πεδιακή ένταση στην περιοχή της ακίδας. Εφόσον το πεδίο που καθορίζει την εξέλιξη της εκκένωσης προκύπτει από την επαλληλία του εφαρμοζόμενου πεδίου στο διάκενο (γεωμετρικό) και του ηλεκτρικού, το τελευταίο ως συνέπεια της εμφάνισης της πρώτης κορώνα, η εκκένωση θα συνεχίσει εάν και όταν αποκατασταθεί το πεδίο δηλαδή εάν και όταν η πεδιακή ένταση αποκτήσει τιμή ικανή να εξασφαλίσει τη συνέχεια του ιονισμού. Το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μέχρι να συμβεί αυτή η αποκατάσταση ονομάζεται σκοτεινή περίοδος. Κατά τη διάρκεια της σκοτεινής περιόδου δεν μπορούν να ανιχνευτούν διαδικασίες ιονισμού στο διάκενο. Έτσι, με το πέρας της σκοτεινής περιόδου, όταν ανακάμψει το πεδίο, από το stem της πρώτης κορώνα αρχίζουν νέοι streamers οι οποίοι αναπτύσσονται προς την έξω περιοχή αποφεύγοντας το χωρικό φορτίο της πρώτης κορώνα. Η ανάπτυξη τους συνοδεύεται από ένα δεύτερο μέγιστο στο ρεύμα που αντιστοιχεί στην γρήγορη ανάπτυξη της δεύτερης κορώνα. Ταυτόχρονα το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή του ηλεκτροδίου υψηλής τάσης (πλάκας) παρουσιάζει μία δεύτερη πτώση (άνοδος) ως αποτέλεσμα του νέου θετικού χωρικού φορτίου που δημιουργήθηκε. 6

Επομένως, σύμφωνα με τους Galliberti and Stasinopoulos [6], η έναρξη της δεύτερης κορώνα σχετίζεται άμεσα με την τιμή του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή του stem της πρώτης κορώνα. Η εκκένωση θα εξελιχθεί είτε αν αυξηθεί η εφαρμοζόμενη τάση, είτε αν μειωθεί η αναχαιτιστική συνέπεια του θετικού εκχεόμενου φορτίου από την πρώτη κορώνα λόγω τη διάχυσης και της απομάκρυνσής του είτε εάν αλλάξουν τα χαρακτηριστικά του stem όπως η αγωγιμότητα του. Η δεύτερη κορώνα ακολουθείται από τη συνεχή ανάπτυξη της εκκένωσης που αντιστοιχεί στην έναρξη και επιμήκυνση ενός αγώγιμου καναλιού που ονομάζεται λήντερ. Ωστόσο, η εμφάνιση της δεύτερης κορώνα δεν ταυτίζεται απαραίτητα με την έναρξη της προόδου του λήντερ αφού στην περίπτωση ακίδων με μικρή ακτίνα καμπυλότητας, πολλές κορώνα μπορούν να εμφανιστούν πριν από την έναρξη της συνεχούς ανάπτυξης του λήντερ. Επίσης, σε πιο ομοιογενή πεδία μπορεί να μην υπάρχει σκοτεινή περίοδος και ο χρόνος έναρξης της πρώτης κορώνα να ταυτίζεται με το χρόνο εμφάνισης του λήντερ. Έτσι, σύμφωνα με τον Galliberti [7] η ενέργεια που αποκτάται λόγω της ροής του ρεύματος αποθηκεύεται ως ενέργεια δονήσεων των μορίων του αερίου και αργότερα εκτονώνεται με τη μορφή θερμικής ενέργειας μετά από χρόνο που εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αερίου και την απόλυτη υγρασία. Αυτή η καθυστερημένη αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα τη θερμική απόσπαση ηλεκτρονίων από τα αρνητικά ιόντα των streamers με αποτέλεσμα την αύξηση της αγωγιμότητας του stem. Επί πλέον, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στο stem ρέουν προς το θετικό ηλεκτρόδιο σε ελάχιστο χρόνο με συνέπεια την απότομη αύξηση του θετικού του φορτίου. Επομένως, η αλλαγή τόσο της αγωγιμότητας όσο και του θετικού φορτίου του stem οδηγούν σε μια απότομη αύξηση του πεδίου γύρω από το stem, η οποία μπορεί να προκαλέσει νέο ξεκίνημα φαινομένων ιονισμού όπως και τη δεύτερη κορώνα και το σχηματισμό του λήντερ. Ο λήντερ εμφανίζει τη μορφή ενός στενού και ακανόνιστου αγώγιμου καναλιού που διαδίδεται από το θετικό ηλεκτρόδιο προς τη πλάκα σχηματίζοντας σημαντική γωνία με το εφαρμοζόμενο πεδίο. Η αγωγιμότητα του είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των streamers των κορώνα αφού το πεδίο που απαιτείται για την ανάπτυξη του είναι της τάξης του 1 kv/cm. Ανάλογα με το ρυθμό αύξησης της εφαρμοζόμενης τάσης η πρόοδος του λήντερ μπορεί να είναι συνεχής ή διακοπτόμενη με ξαφνικές επιμηκύνσεις, μέσω διαδοχικών εκκενώσεων κορώνα οι οποίες εκπηδούν από το άκρο του και ονομάζεται λήντερ κορώνα. Η λήντερ κορώνα είναι μια εκκένωση με νηματοειδή δομή που ιονίζει τον αέρα μπροστά από το κανάλι του λήντερ. Έχει πιο αδύναμη και διάχυτη δομή σε σχέση με την πρώτη κορώνα που παρουσιάζει ευρύτερα και πιο διακλαδισμένα νημάτια ενώ επίσης, αναπτύσσεται για υψηλότερες τιμές του πεδίου και με μεγαλύτερη ταχύτητα. Κατά τη διάρκεια της συνεχούς προόδου του ο λήντερ επιμηκύνεται με σχεδόν σταθερή ταχύτητα της τάξης των 1.5-2 cm/μs και με σταθερό ρεύμα που σημαίνει ένα σταθερό φορτίο, της τάξης μερικών δεκάτων μc/m. Ωστόσο, για τις ίδιες πειραματικές συνθήκες, η πρόοδος του λήντερ μπορεί να συντελείται μέσω ξαφνικών επιμηκύνσεων που συνοδεύονται με μεγάλους παλμούς ρεύματος και αύξηση της λαμπρότητάς του. Οι ξαφνικές αυτές επιμηκύνσεις του λήντερ ονομάζονται restrikes. Άμεση συνέπειά τους είναι η αύξηση της συνολικής ταχύτητας διάδοσης του λήντερ παρόλο που η ταχύτητα μεταξύ των restrikes είναι περίπου σταθερή. Επίσης έχει διαπιστωθεί και αργότερα επιβεβαιωθεί ότι η συχνότητα εμφάνισής τους, σχεδόν μηδενική για τιμές απόλυτης υγρασίας μικρότερες από 10 αυξάνει με την αύξηση της υγρασίας. 7

Μόλις ένας ικανοποιητικός αριθμός steamers της λήντερ κορώνα ακουμπήσουν τη πλάκα ξεκινά το τελευταίο στάδιο της διάδοσης του λήντερ που ονομάζεται τελικό άλμα. Υπάρχει όμως περίπτωση, streamers της λήντερ κορώνα (ακόμα και streamers της δεύτερης κορώνα) να ακουμπήσουν στην πλάκα, χωρίς όμως να ξεκινήσει το τελικό στάδιο της εκκένωσης, χωρίς δηλαδή να επέλθει η διάσπαση του διακένου. Το φαινόμενο αυτό, ονομάζεται διάσχιση του διακένου, όπου εξαιτίας των streamers της κορώνα που ακουμπούν στην πλάκα, ένα μέρος του φορτίου της εξουδετερώνεται, εμφανίζοντας έτσι μια μείωση του ηλεκτρικού πεδίου στην πλάκα. Για να επέλθει η διάσπαση, θα πρέπει να αποκατασταθεί το ηλεκτρικό πεδίο, δηλαδή η πεδιακή ένταση να αποκτήσει τιμή ικανή ώστε να εξασφαλιστεί η συνέχεια της εκκένωσης. Στο τελευταίο τμήμα της εκκένωσης η ταχύτητα του λήντερ και το ρεύμα της εκκένωσης αυξάνει σχεδόν εκθετικά και τελικά η διάσπαση ολοκληρώνεται με την αγώγιμη σύνδεση μεταξύ της ακίδας και της πλάκας. Η τάση διάσπασης του διάκενο μπορεί να εκφρασθεί από τη σχέση: U 50 =E 1 L 1 +Es L s όπου L 1 και L s το μήκος του λήντερ και των streamers αντίστοιχα, ενώ Ε 1 και Ε s είναι η μέση πεδιακή ένταση κατά μήκος του λήντερ και των streamers με τιμές Ε 1 1kV/cm και Ε s 5kV/cm αντίστοιχα. Κατά τη φάση του τελικού άλματος η εκκένωση εξελίσσεται πολύ γρήγορα σε σχέση με όλο το προηγούμενο τμήμα της ανάπτυξής της, με συνέπεια η τάση τη στιγμή της εκκίνησης του τελικού άλματος σχεδόν να συμπίπτει με την τάση διάσπασης του διακένου. Η ολοκλήρωση λοιπόν της εκκένωσης επιτυγχάνεται με τη διαδικασία του τελικού άλματος και όχι με το σχηματισμό του λήντερ μια και η ανάπτυξη του ανάλογα με τις συνθήκες μπορεί να σταματήσει ξαφνικά. (β) Για τη περίπτωση διακένου αρνητικής ακίδας - θετικής πλάκας ισχύουν τα παραπάνω με τη διαφορά ότι απαιτούνται μεγαλύτερες τιμές του εφαρμοζόμενου πεδίου για να επιτευχθεί η διάσπαση Αυτό συμβαίνει διότι τα νημάτια της αρνητικής κορώνα έχουν μικρότερη αγωγιμότητα (12 kv/cm). Συγκεκριμένα, σε μικρά διάκενα, αυτές οι μεγάλες τιμές του πεδίου έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας πρώτης κορώνα ικανής, σε αρκετές περιπτώσεις, να διασπάσει το διάκενο τη στιγμή που τα νημάτια της ακουμπήσουν τη πλάκα (streamer breakdown). Οι παράμετροι που επηρεάζουν τη διάσπαση και στις δύο περιπτώσεις είναι το μήκος του διακένου, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες καθώς και το είδος της επιβαλλόμενης κυματομορφής. Η περιγραφή που προηγήθηκε θεωρείται γενική, υπό την έννοια ότι υπάρχουν πολλές παράμετροι που επηρεάζουν το μηχανισμό διάσπασης, τόσο όσον αφορά την έναρξη της εκκένωσης όσο και την εξέλιξή της, όπως η μορφολογία του διακένου, το είδος και η πολικότητα της τάσης καταπόνησης και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες 8

Κεφάλαιο 2 Η Διεξαγωγή του πειράματος 2.1 Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ Όλα τα πειράματα της διπλωματικής εργασίας έλαβαν χώρα στο εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ, το οποίο εξυπηρετεί τις εκπαιδευτικές και ερευνητικές ανάγκες του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Σε ένα εργαστήριο ΥΤ το ανώτατο ύψος των τάσεων που παράγονται και μετρούνται περιορίζεται από τις διαστάσεις του ίδιου του εργαστηρίου. Για την προστασία του εξοπλισμού από ΥΤ ορίζονται, σύμφωνα με την οδηγία της IEC 60071-2 [8], ελάχιστες αποστάσεις ασφαλείας από το γειωμένο μεταλλικό πλέγμα του εργαστηρίου. Οι ελάχιστες αυτές αποστάσεις ασφαλείας εξαρτώνται από το εύρος και το είδος της παραγόμενης υψηλής τάσης. Γενικότερα ανάλογα με το εύρος και τη κυματομορφή της τάσης πρέπει να ισχύουν: Εναλλασσόμενη υψηλή τάση : ~5m/MV(rms) Συνεχή υψηλή τάση : ~3.5m/ΜV Εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις : ~3m/MV Εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις : ~2m/ΜV Το εργαστήριο αποτελείται από δύο χώρους παραγωγής υψηλών τάσεων, κύριο και δευτερεύον, καθώς και από βοηθητικούς χώρους όπως χώρους ελέγχου και μετρήσεων, γραφείο, αποθήκη. Μία κάτοψη του χώρου του εργαστηρίου παρατίθεται στο σχήμα 2.1. Σ Σχήμα 2.1 Κάτοψη εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων Α.Π.Θ. Ο κύριος χώρος του εργαστηρίου, ο οποίος και χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, περικλείεται πλήρως από γειωμένο μεταλλικό πλέγμα σε όλες τις διαστάσεις του. Οι διαστάσεις του μεταλλικού αυτού κλωβού είναι: ύψος 6m, μήκος 12 m, πλάτος 7m.. Τα 6m του ύψους, που είναι και η μικρότερη διάσταση του 9

χώρου αντιστοιχούν σε μέγιστη απόσταση ασφαλείας 3m. Αυτή η απόσταση ασφαλείας δεν επιτρέπει την παραγωγή εναλλασσόμενων τάσεων μεγαλύτερων από 650kV(rms), συνεχών τάσεων από 900kV, εξωτερικών κρουστικών από 1100kV, καθώς και εσωτερικών κρουστικών τάσεων μεγαλύτερων από 850kV. Για την παραγωγή υψηλών τάσεων στο εργαστήριο διατίθενται οι παρακάτω συσκευές: 3 μετασχηματιστές δοκιμής 2x220 V/100 kv/220v, 5 ΚVA που μπορούν να συνδεθούν κατά βαθμίδες 10-βάθμια γεννήτρια παραγωγής κρουστικών τάσεων 1 MV, 11.4 ΚWs Χωρητικός καταμεριστής τάσης 200 pf, 1 MV σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία υψηλών τάσεων που παρέχουν τη δυνατότητα παραγωγής εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων έως 300kV(rms), συνεχών υψηλών τάσεων έως 410kV, καθώς και τυποποιημένων εξωτερικών κρουστικών ΥΤ έως 530kV και εσωτερικών κρουστικών ΥΤ έως 460kV. 3-βάθμιος πολλαπλασιαστής συνεχούς τάσεως Cockroft - Walton 420 kv, 1.1 ΚWs Πυκνωτές, αντιστάσεις, δίοδοι και άλλα εναλλάξιμα στοιχεία εξοπλισμού υψηλών τάσεων. Δύο ανεξάρτητες μεταξύ τους, τράπεζες, ελέγχου και χειρισμών των μετασχηματιστών δοκιμής ώστε να μπορεί ταυτόχρονα να γίνει έλεγχος και χειρισμοί σε δύο διατάξεις υψηλών τάσεων. Κυλιόμενη γερανογέφυρα 10tn τοποθετημένη στην οροφή του εργαστηρίου Επιπλέον στο εργαστήριο υπάρχουν πολλά όργανα και συσκευές κατάλληλα για διάφορες μετρήσεις και πειράματα, όπως: Θάλαμος θωρακίσεως για την αποφυγή ηλεκτρομαγνητικού θορύβου Ζεύγη σφαιρικών διακένων διαμέτρου 1, 2, 5, 10, 25, 50 και 75 cm Συσκευή ανίχνευσης μερικών εκκενώσεων Θάλαμος πίεσης και υποπίεσης 1 mbar - 5 bar, διηλεκτρικής αντοχής 14 KV. Πρότυπος πυκνωτής SF6 38 pf, 140 kv Γέφυρα Schering για τη μέτρηση χωρητικοτήτων και συντελεστών απωλειών των διηλεκτρικών που συνδυάζεται με όργανο μηδενισμού υψηλής ακρίβειας Τέσσερις ψηφιακοί παλμογράφοι με δυνατότητα επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη λήψη και αποθήκευση παλμογραφημάτων Τέσσερις φωτοπολλαπλασιαστές με δυνατότητα σύνδεσης με παλμογράφο για την ανίχνευση και καταγραφή αμυδρών φωτεινών φαινομένων Παθητικοί χωρητικοί δοκιμαστήρες τύπου Meek-Collins για τη μέτρηση του ηλεκτρικού πεδίου Δίκτυο έξι ηλεκτρονικών υπολογιστών και τεσσάρων εκτυπωτών. 10

2.2 Κρουστικές υψηλές τάσεις (Κρ.Υ.Τ) Σύμφωνα με την IEC 60060-1 [9], κρούση (impulse) θεωρείται κάθε απεριοδικός μεταβατικός παλμός τάσης ή ρεύματος που μεταβάλλεται σκοπίμως, ο οποίος συνήθως αυξάνει γρήγορα μέχρι ένα μέγιστο και κατόπιν φθίνει με βραδύτερο ρυθμό προς τη μηδενική τιμή. Οι κρούσεις που εμφανίζονται ως κρουστικές υψηλές τάσεις, είναι το σημαντικότερο είδος εργαστηριακά παραγομένων τάσεων, γιατί μέσω αυτών γίνονται οι εργαστηριακές δοκιμές για αντοχή στις υπερτάσεις που εμφανίζονται στα δίκτυα. Οι κυριότερες κρουστικές τάσεις είναι οι λεγόμενες «διπλεκθετικές» (σχήματα 2.2, 2.3). Αυτές είναι της μορφής υ(t) =U o (e -at -e -bt ) αποτελούνται, δηλαδή, από τη διαφορά δυο φθινουσών εκθετικών συναρτήσεων. Επειδή a<b, έπεται ότι ο ρυθμός αύξησης της τάσης στο τμήμα της κυματομορφής από την αρχή των χρόνων μέχρι το μέγιστο (μέτωπο) είναι πολύ μεγαλύτερος από το ρυθμό μείωσης της τάσης του υπόλοιπου τμήματος μετά το μέγιστο (ουρά). Σχήμα 2.2 Σχήμα 2.3 Οι διπλεκθετικές κρουστικές τάσεις διακρίνονται ανάλογα με τη χρονική διάρκεια του μετώπου σε «μικρής» διάρκειας μετώπου ή «εξωτερικές» κρουστικές τάσεις (LI) με t f <20 μs και σε «μεγάλης» διάρκειας μετώπου ή «εσωτερικές» κρουστικές τάσεις (SI) με t f >20 μs. Προκειμένου να τυποποιηθούν οι δοκιμές σε εξωτερικές υπερτάσεις ορίσθηκε από την Ι.Ε.C ως «κανονική κρουστική τάση» η 1.2/50 μs (σχ.2.2). Οι επιτρεπόμενες ανοχές σε μία κανονική εξωτερική κρουστική τάση δεν πρέπει να υπερβαίνουν για το εύρος το 3%, για τη διάρκεια μετώπου το 30% και για τη διάρκεια ημίσεως εύρους το 20%. Ταλαντώσεις στην κορυφή μπορεί να γίνουν ανεκτές εφόσον διαρκούν λιγότερο από 1μs και έχουν συχνότητα τουλάχιστον 0.5 ΜΗz. Για τις δοκιμές που αναπαράγουν τις εσωτερικές υπερτάσεις ως κανονική κρουστική τάση ορίσθηκε η 250/2500 μs (σχ.2.3) με ανοχές 20% για τη διάρκεια μετώπου και 60% για τη διάρκεια ημίσεως εύρους. 11

2.3 Παραγωγή και μέτρηση Κρ.Υ.Τ Για τις ανάγκες του πειράματος παρήχθησαν εσωτερικές και εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις θετικής πολικότητας. Η παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων έγινε μέσω γεννητριών Marx, οι οποίες κατασκευάστηκαν από εναλλάξιμα στοιχεία υψηλών τάσεων που διαθέτει το εργαστήριο. Για την παραγωγή θετικών Κρ.Υ.Τ χρησιμοποιήθηκαν διβάθμια και τετραβάθμια γεννήτρια Marx τύπου β. Η τροφοδοσία των γεννητριών έγινε μέσω μετασχηματιστή δοκιμής 2x220 V/100 kv/220v, 5 ΚVA. Στα σχήματα 2.4 και 2.5 απεικονίζονται οι συνδεσμολογίες των κυκλωμάτων της διβάθμιας και της τετραβάθμιας γεννήτριας Κρ.Υ.Τ που χρησιμοποιήθηκαν: Σχήμα 2.4 Διβάθμια γεννήτρια Marx. Σχήμα 2.5 Τετραβάθμια γεννήτρια Marx. 12

Στο σχήμα 2.6 παρατίθεται μία φωτογραφία της τετραβάθμιας γεννήτριας Marx που κατασκευάσθηκε στο εργαστήριο. Σχήμα 2.6 Άποψη της τετραβάθμιας γεννήτριας Marx. Για την παραγωγή εσωτερικών Κρ.Υ.Τ χρησιμοποιήθηκαν αντιστάσεις μετώπου 43 kω και αντιστάσεις ουράς 98 kω με τις οποίες η παραγόμενη κυματομορφή είναι η 220/2100 μs η οποία σύμφωνα με τις προδιαγραφές της Ι.Ε.C. είναι μια κανονική εσωτερική Κρ.Υ.Τ. (SI, Switching Impulse) ενώ για την παραγωγή εξωτερικών Κρ.Υ.Τ χρησιμοποιήθηκαν αντιστάσεις μετώπου και ουράς 132 Ω και 2400 Ω αντίστοιχα καθώς και μια εξωτερική αντίσταση μετώπου Rfεξ=260 Ω οι οποίες παράγουν κυματομορφή 1.3/49 μs η οποία σύμφωνα με τις προδιαγραφές της Ι.Ε.C. είναι μια κανονική εξωτερική Κρ.Υ.Τ. (LI, Lightning Impulse). Ένα βασικό μέγεθος που χαρακτηρίζει την εκμετάλλευση της τάσης μιας γεννήτριας Marx είναι ο συντελεστής χρησιμοποίησης η. Εάν μετρηθούν με ακρίβεια οι τιμές των τάσεων φόρτισης U o και εξόδου U out της γεννήτριας ο συντελεστής χρησιμοποίησης προκύπτει ως ο λόγος δύο τάσεων. Εφόσον η τάση εξόδου της γεννήτριας σχετίζεται με την τάση φόρτισής της μέσω της εξίσωσης u (t ) = U O γ ( e at e β t ) και εφόσον οι σταθερές α, β και γ στην ίδια εξίσωση καθορίζονται από τα στοιχεία της γεννήτριας, είναι φυσικό η τιμή του συντελεστή χρησιμοποίησης να εξαρτάται από τις τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της γεννήτριας με άμεση συνέπεια η τιμή του να ποικίλει ανάλογα με τη διπλεκθετική κυματομορφή τάσης που παράγεται κάθε φορά. Για τη μέτρηση της τάσης εξόδου της γεννήτριας Μarx χρησιμοποιήθηκε χωρητικός καταμεριστής τάσης με χωρητικότητα υψηλής τον πυκνωτή μετώπου της γεννήτριας, ο οποίος αποτελείται από την εν σειρά σύνδεση n πυκνωτών 1200pf, 13

όπου n ο αριθμός των βαθμίδων, άρα με ισοδύναμη χωρητικότητα C 1 =600 pf στη διβάθμια και C 2 =300 pf στη τετραβάθμια. Η χωρητικότητα χαμηλής ήταν C 2 =5.14 μf. Η έξοδος του καταμεριστή τάσης οδηγείται σε ψηφιακό παλμογράφο όπου καταγράφεται όλη η κυματομορφή της Κρ.Υ.Τ. Ο λόγος καταμερισμού προκύπτει από τη σχέση: w = 2 6C1 ( C + C )(6 C + C ) 1 2 1 e όπου C e η παράσιτη χωρητικότητα που παρουσιάζει ο C Κ/Τ προς τα γειωμένα μέρη του εργαστηρίου. Αν ο Κ/Τ θεωρηθεί σαν ένας μεταλλικός κύλινδρος πάνω σε έναν οριζόντιο μεταλλικό δίσκο θα ισχύει: 2 π ε o l C e = l ln(1.15 ) d όπου ε o η διηλεκτρική σταθερά του κενού, l το συνολικό ύψος του καταμεριστή και d η διατομή των στοιχείων του. Για τον 2-βάθμιο C Κ/Τ ισχύει l=1.4 m και d=0.12 m συνεπώς προκύπτει ότι C e 30 pf, ενώ για τη περίπτωση της 4-βάθμιας γεννήτριας είναι l=2.8m οπότε προκύπτει C e 47 pf. Σύμφωνα με τα παραπάνω προκύπτει ότι ο λόγος καταμερισμού του C Κ/Τ είναι w 2-βάθμιας =1.112x10-4 και w 4-βάθμιας =0.546x10-4. Ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας υπολογίζεται από τη σχέση: U peaklw η = nu όπου U peak είναι το εύρος της Κρ.Υ.Τ. που μετράται στον παλμογράφο, w ο λόγος καταμερισμού του C Κ/Τ, n ο αριθμός των βαθμίδων της γεννήτριας και U o η τάση φόρτισης της πρώτης βαθμίδας η οποία μετράται μέσω ωμικού καταμεριστή. Τέλος ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για τη συναρμολόγηση της γεννήτριας Marx και για τη μέτρηση των κρουστικών υψηλών τάσεων είναι: Τράπεζα ελέγχου κατασκευής M.W.B., τύπου SRP 0.5/5E V/m μεγίστου τύπου SM76 για τη μέτρηση της τάσης του Μ/Σ. V/m συνεχούς τύπου GM78 για τη μέτρηση της τάσης φόρτισης της 1 ης βαθμίδας. Παθητικός χωρητικός δοκιμαστήρας τύπου Meek-Collins για τη μέτρηση του ηλεκτρικού πεδίου Ψηφιακός παλμογράφος τεσσάρων καναλιών, Lecroy. Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 5kVA, 4%. Ανορθωτές Υ.Τ με αντίσταση εν σειρά τύπου GS 100ΚΩ,140 ΚV,20 ma πυκνωτές φορτίου τύπου CB 1200pF, 140kV κρουστικοί πυκνωτές τύπου CS 25000 pf,140 KV πυκνωτής μέτρησης με μεσαία λήψη τύπου CM 100pF, 140 KV αντιστάσεις μετώπου τύπου RD 132 ΚΩ, 43ΚΩ, 60W 140KV αντιστάσεις ουράς τύπου RE 2400Ω, 98ΚΩ, 60W 140KV εξωτερική αντίσταση ουράς τύπου RD 260Ω, 60W 140KV αντίσταση φόρτισης τύπου RL 10MΩ, 60W 140KV αντίσταση μέτρησης με μεσαία λήψη τύπου RD 280ΜΩ, 140 KV o 14

σφαιρικά διάκενα τύπου KF Κινητήρας διακένου AKF Trigatron κατασκευής Α.Π.Θ.. Πυκνωτής Χ.Τ. 5.14μF και εν σειρά αντίσταση 50Ω. Αντιστάσεις Χ.Τ. 1.3Ω, 5.1Ω και 50Ω. Αυτόματη γείωση τύπου ES. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140kV τύπου IS, αγωγοί Υ.Τ. τύπου V, συνδετήρες "αντικορώνα" τύπου Κ, γειωτές τύπου Ε, βάσεις τύπου F(s) και F(h), προστατευτικό διάκενο για τον ψηφιακό παλμογράφο, ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 2.4 Τα δοκίμια Η προς μελέτη πειραματική διάταξη περιλαμβάνει ένα διάκενο ακίδας πλάκας. Η παραγόμενη Κρ.Υ.Τ. οδηγείται μέσω ενός εύκαμπτου αγωγού στο ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης, το οποίο είναι μια κυλινδρική ράβδος η ακίδα της οποίας έχει επίπεδη απόληξη διαμέτρου 12mm. Η ράβδος είναι αναρτημένη από τη γερανογέφυρα του εργαστηρίου μέσω μονωτήρων ανάρτησης, ενώ η γειωμένη πλάκα, διαστάσεων 197 102 cm, ήταν από αλουμίνιο πάχους 2 mm στηριγμένη 80 cm πάνω από το πάτωμα του εργαστηρίου. Τα διάφορα μήκη διακένου που μελετήθηκαν είναι 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5 και 15cm. Μελετήθηκαν διάκενα με μονωτική επικάλυψη και απλά διάκενα. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη των απλών διάκενων χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά, για την επίδραση της επικάλυψης. Μία άποψη της πειραματικής διάταξης παρουσιάζεται στο σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7 Άποψη της πειραματικής διάταξης. 15

Η ακίδα με τετραγωνική απόληξη και διάμετρο 12mm, επικαλύφθηκε με μόνωση εποξικής ρητίνης με σχετική διηλεκτρική σταθερά 3.9, μήκους 12.7cm και πάχους 4mm (σχ.2.8). Σχήμα 2.8 Σχηματικό διάγραμμα ηλεκτροδίου με επικάλυψη, οι τιμές είναι σε mm, το μήκος διακένου συμβολίζεται με L. 2.5 Μέθοδοι μέτρησης Ο μηχανισμός της διάσπασης σε ανομοιογενή διάκενα όπως αυτό που μελετούμε, είναι εξαιρετικά πολύπλοκος και εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Κατά συνέπεια μπορεί να λεχθεί ότι η τάση διάσπασης είναι στοχαστικό φαινόμενο και ως εκ τούτου αναλύεται στατιστικά. Θεωρώντας τη τάση διάσπασης ως τυχαία μεταβλητή μας ενδιαφέρει η καμπύλη κατανομής πιθανότητας p(u), η U 50, η τάση δηλαδή που το διάκενο διασπάται στο 50% των περιπτώσεων και η συμβατική απόκλιση z που ορίζεται ως η διαφορά των τάσεων διασπάσεως 50% και 16%, z=u 50 -U 16. H IEC 60060-1 [9] δέχεται ότι η τάση διάσπασης μπορεί να προσδιορισθεί μέσω των παρακάτω τυποποιημένων δοκιμών: 1. Μέθοδο επιπέδων τάσης (Multiple-level test) 2. Μέθοδο αυξομείωσης τάσης (Up and down tests) 2.5.1 Μέθοδος επιπέδων τάσεως Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή επιβάλλονται στο προς μελέτη της συμπεριφοράς του διάκενο, τάσεις εύρους U i (όπου i=1,2 n και n ο αριθμός των επιπέδων τάσης) m i φορές ανά επίπεδο. Αν το διάκενο διασπαστεί d i φορές στο i-στο επίπεδο τάσης, τότε η πιθανότητα διάσπασης του διακένου, για το συγκεκριμένο επίπεδο τάσης,θεωρείται ίση με p(u i )= d i / m i. Ως πρώτο επίπεδο τάσης επιλέγεται αυτό με πιθανότητα p(u 1 )=0 και ως τελευταίο αυτό με p(u i )= 1. Η αύξηση της τάσης ανά επίπεδο πρέπει να είναι 2 3% της αναμενόμενης U 50. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται n σημεία με συντεταγμένες [U i, p(u i )] τα οποία παρίστανται γραφικά προσδιορίζοντας έτσι τη καμπύλη πιθανότητας διάσπασης του διακένου. Εφόσον η καμπύλη πιθανότητας προσεγγίζει κάποια γνωστή κατανομή προσδιορίζεται η μέση τιμή, δηλαδή η U 50, και η συμβατική απόκλιση z. Σε πολλές περιπτώσεις η κατανομή πιθανότητας διάσπασης μπορεί να προσεγγιστεί πολύ ικανοποιητικά με την «κανονική» κατανομή και επομένως οι παράμετροι U 50 και z ταυτίζονται με τη μέση τιμή και τυπική απόκλιση αντίστοιχα. Για να έχει αξιοπιστία η 16

μέθοδος πρέπει ο αριθμός των ανά επίπεδο επιβολών τάσης να είναι αρκετά μεγάλος (m 10). 2.5.2 Μέθοδος αυξομείωσης τάσης Στη μέθοδο αυτή επιβάλλεται στο διάκενο κρουστική υψηλή τάση, επιπέδου U i, που διαφέρει σε κάθε επιβολή από το προηγούμενό του κατά ΔU= 2 3 της αναμενόμενης U 50. Η τιμή του επιπέδου τάσης κάθε διαδεχόμενης επιβολής εξαρτάται από το αποτέλεσμα της προηγούμενης επιβολής τάσης. Εάν μια επιβολή τάσης οδήγησε σε αντοχή (διάσπαση) τότε η αμέσως επόμενη επιβολή τάσης γίνεται σε επίπεδο τάσης αυξημένο (μειωμένο) κατά ΔU. Ο χρόνος ανάμεσα σε διαδοχικές επιβολές τάσης ήταν 60 sec ώστε να φορτίζεται πλήρως η γεννήτρια. Ως πρώτο επίπεδο τάσης θεωρείται αυτό στο οποίο έγιναν τουλάχιστον δύο επιβολές της τάσης. Το αποτέλεσμα της μεθόδου είναι οι αριθμοί k i για τους οποίους ισχύει n= k i, όπου n ο συνολικός αριθμός επιβολών τάσης. Η αναμενόμενη U 50 εκτιμάται μέσω της σχέσης U 50 = ( k i * U i )/n. Η μέθοδος δίνει με μεγάλη πιθανότητα (όρια εμπιστοσύνης 95%) μια τιμή που βρίσκεται μεταξύ της πιθανότητας διάσπασης p(u)=0.3 και p(u)=0.7. 2.6 Απόκτηση και επεξεργασία δεδομένων Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής διάσπασης που μελετήθηκαν ήταν η τάση και ο χρόνος διάσπασης καθώς και η διαδρομή του ηλεκτρικού σπινθήρα. Σε κάθε επιβολή της τάσης μετρήθηκε η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου στην πλάκα μέσω ενός δοκιμαστήρα Meek and Collins [10] και ψηφιακού παλμογράφου. Από τα παλμογραφήματα του πεδίου στην πλάκα, μετρήθηκε ο χρόνος διάσπασης του διακένου «t b», ενώ με αντικατάσταση του χρόνου διάσπασης στη διπλεκθετική εξίσωση που αντιστοιχεί στην παραγόμενη κυματομορφή υπολογίστηκε η στιγμιαία τάση διάσπασης «U b». Η διαδρομή του ηλεκτρικού σπινθήρα κατά τη διάσπαση παρατηρήθηκε οπτικά. Οι τεχνικές μέτρησης συμπληρώθηκαν με φωτογραφίες προεκκενώσεων (αντοχή διακένου, σχ.2.9) καθώς και ηλεκτρικής διάσπασης (σχ.2.10). Σχήμα 2.9 Περίπτωση αντοχής του διακένου. Σχήμα 2.10 Περίπτωση διάσπασης διακένου. 17

Η μέθοδος προσδιορισμού της τάσης διάσπασης που χρησιμοποιήθηκε ήταν η μέθοδος επιπέδων τάσεως γιατί παρουσιάζει το πλεονέκτημα του προσδιορισμού ολόκληρης της καμπύλης πιθανότητας διάσπασης. Συγκεκριμένα εφαρμόστηκαν 20 επιβολές (m=20) ανά επίπεδο τάσης και κατά συνέπεια η πιθανότητα διάσπασης του διακένου για το συγκεκριμένο επίπεδο τάσης προέκυπτε ως p(u i )= d i /20, όπου d i o αριθμός διασπάσεων για το i-οστό επίπεδο. Η χρονική διάρκεια μεταξύ των επιβολών ήταν 60 sec. Ως πρώτο επίπεδο τάσης επιλεγόταν αυτό με πιθανότητα p(u 1 )=0 και ως τελευταίο αυτό με p(u i )=1. Με τον τρόπο αυτόν προέκυπτε η καμπύλη πιθανότητας διάσπασης, που στις περισσότερες περιπτώσεις προσεγγίζονταν ικανοποιητικά από την «κανονική» κατανομή». Κατά συνέπεια υπολογιζόταν η 50% τάση διάσπασης, U 50, δηλαδή η τάση που αντιστοιχεί σε 50% πιθανότητα διάσπασης, καθώς και η τυπική απόκλιση σ. Για κάθε επίπεδο τάσης υπολογίστηκε ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση του χρόνου διάσπασης και της στιγμιαίας τάσης διάσπασης. Οι εφαρμοζόμενες τάσεις διορθώθηκαν σύμφωνα με την IEC (600)60-1 [9] ως προς την πυκνότητα του αέρα. Η διόρθωση αυτή γίνεται ως εξής: υ υ δ / n in = i( p, t) όπου U in είναι οι τάσεις «αναγόμενες»σε κανονικές συνθήκες (p o = 760 mmhg, t o = 20 o C ) ενώ U i(p,t) είναι οι τάσεις στις πειραματικές συνθήκες πίεσης p (mmηg) και θερμοκρασίας t( o C) και δ ο συντελεστής διόρθωσης για την πυκνότητα του αέρα που δίνεται από τη σχέση: p293 δ = p (273 ) o + t ενώ n ένας συντελεστής που λαμβάνει τιμή ίση με 1 για τα μήκη διακένου που μελετήθηκαν. Για όλες τις μετρήσεις η τιμή της απόλυτης υγρασίας κυμάνθηκέ μεταξύ 15.7-18.7 gr/m 3 και της σχετικής υγρασίας μεταξύ 79.5-90.7 %. Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες καταγράφονταν στην αρχή και τέλος της κάθε μέτρησης και ανά μία ώρα. Έγκυρη θεωρείται η μέτρηση κατά τη διάρκεια της οποίας η τιμή της απόλυτη υγρασίας δε μεταβάλλεται περισσότερο από ~1 gr/m 3. 18

Κεφάλαιο 3 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης Η διάσπαση σε ανομοιογενή διάκενα, είναι φαινόμενο στοχαστικό, καθώς ο μηχανισμός της διάσπασης σε ανομοιογενή πεδία εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Έτσι, όταν επιβληθεί μια συγκεκριμένη τάση σε ένα διάκενο τη μία φορά μπορεί αυτό να διασπαστεί ενώ την άλλη όχι. Επομένως ο όρος «προσδιορισμός ή μέτρηση της τάσης διάσπασης» ενός διακένου είναι γενικός και θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ελλιπής. Θεωρώντας λοιπόν το φαινόμενο ως στοχαστικό και αναλύοντας το στατιστικά η κατανομή της πιθανότητας διάσπασης συναρτήσει της επιβεβλημένης τάσης ακολουθεί μια ολοκληρωμένη «Γκαουσσιανή» ή αλλιώς μια «κανονική» κατανομή οριζόμενη από μια «μέση τιμή» U m και μια «τυπική απόκλιση» σ. Για τη «μέση τιμή» U m, το διάκενο θεωρείται ότι διασπάται περίπου στο 50% των περιπτώσεων για αυτό καλείται και «τάση διάσπασης U 50». Πρέπει να αναφερθεί ότι στα πειραματικά αποτελέσματα παρατηρήθηκαν εξαιρέσεις από την κανονική κατανομή οι οποίες όμως δεν μελετήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στο σχήμα 3.1 απεικονίζονται ενδεικτικά οι καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για κανονικές εξωτερικές και εσωτερικές κρουστικές τάσεις υπό θετική πολικότητα για απλό διάκενο και διάκενο με επικάλυψη Epoxy για μήκη 5cm, 10cm και 12.5cm. 100% 90% 80% 70% SI(+) Δ. Απλό 5cm LI(+) Δ. Επικάλυψη 5cm LI(+) Δ. Επικάλυψη 5cm SI(+) Δ. Επικάλυψη 5cm p% 60% 50% 40% 30% 20% SI(+) Δ. Απλό 10cm LI(+) Δ. Απλό 10cm LI(+) Δ. Επικάλυψη 10cm SI(+) Δ. Επικάλυψη 10cm SI(+) Δ. Απλό 12.5cm LI(+) Δ. Απλό 12.5cm 10% 0% 0 50 100 150 200 250 U(kV) Σχήμα 3.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης. LI(+) Δ. Επικάλυψη 12.5cm SI(+) Δ. Επικάλυψη 12.5cm Από το σχήμα 3.1 εξάγονται τα εξής συμπεράσματα: Η τάση διάσπασης αυξάνει με την αύξηση του μήκους διακένου. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή. Σε απλά διάκενα παρατηρείται μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις, ενώ σε διάκενο με επικάλυψη παρατηρείται το αντίθετο. 19

Κεφάλαιο 4 4.1 Τάση Διάσπασης U 50 50% Τάση Διάσπασης Στο σχήμα 4.1 παρατίθεται η τάση διάσπασης U 50, δηλαδή η τάση που αντιστοιχεί σε 50% πιθανότητα διάσπασης, συναρτήσει του μήκους διακένου και για τα δύο είδη διακένων. 250 200 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη U50(kV) 150 100 50 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 4.1 U 50 συναρτήσει του μήκους διακένου, οι κάθετες γραμμές αντιστοιχούν σε σ. Από το σχήμα 4.1 οδηγούμαστε σε πολύ χρήσιμα συμπεράσματα. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής των διακένων, ιδιαίτερα υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Επίσης, η επίδραση της κυματομορφής της επιβαλλόμενης τάσης στη διηλεκτρική αντοχή των διακένων περιορίζεται με τη χρήση της επικάλυψης. Συμπληρωματικά αναφέρεται ότι αύξηση του μήκους διακένου οδηγεί σε μεγαλύτερη τάση διάσπασης σε όλες τις περιπτώσεις. Σε διάκενο χωρίς επικάλυψη παρατηρούμε μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις ενώ αντίθετα σε διάκενο με επικάλυψη παρατηρούμε μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. 20

4.2 Τυπική απόκλιση της τάσης U 50 Στο σχήμα 4.2 παρουσιάζεται η τυπική απόκλιση της U 50 συναρτήσει του μήκους διακένου και για τα δύο είδη διακένων. 8 7 6 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη 5 σ%(u50) 4 3 2 1 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 4.2 Τυπική τιμή απόκλιση της U 50 συναρτήσει του μήκους διακένου. Όπως προκύπτει από το σχήμα 4.2 στο απλό διάκενο οι τιμές της τυπικής απόκλισης τόσο για εξωτερικές κρουστικές τάσεις όσο και για εσωτερικές κρουστικές τάσεις ακολουθούν παρόμοια φθίνουσα πορεία, με τις τιμές της τυπικής απόκλισης υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις να είναι μικρότερες κατά 1% με 2% περίπου. Στο διάκενο με επικάλυψη υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις παρατηρείται μια αύξηση της τυπικής απόκλισης και μάλιστα σε αντίθεση με τις άλλες περιπτώσεις παρουσιάζει μία τάση να αυξάνεται με την αύξηση του μήκους διακένου. Αντίθετα για εξωτερικές κρουστικές τάσεις στο διάκενο με επικάλυψη παρατηρείται σημαντική μείωση στην τιμή της τυπικής απόκλισης σε σχέση με το απλό διάκενο. 21

4.3 Μέση πεδιακή ένταση Στο σχήμα 4.3 παρουσιάζεται η μέση πεδιακή ένταση συναρτήσει του μήκους διακένου και για τα δύο είδη διακένων. U50/L(MV/m) 6 5 4 3 2 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ.Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη 1 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 4.3 Μέση πεδιακή ένταση συναρτήσει του μήκους διακένου. Παρατηρώντας το σχήμα 4.3 αρχικά παρατηρείται ότι τόσο για απλό διάκενο όσο και για διάκενο με επικάλυψη η μέση πεδιακή ένταση μειώνεται με την αύξηση του μήκους διακένου. Στο απλό διάκενο βλέπουμε ότι έχουμε μεγαλύτερη πεδιακή ένταση υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις, ενώ σε αντίθεση στο διάκενο με επικάλυψη έχουμε μεγαλύτερη πεδιακή ένταση υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις κάτι το οποίο ήταν αναμενόμενο αν ανατρέξουμε στο σχήμα 4.1. Ειδικότερα για τις περιπτώσεις του διακένου με επικάλυψη εξάγονται ενδιαφέροντα συμπεράσματα. Η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε μεγαλύτερη πεδιακή ένταση για το ίδιο μήκος διακένου. Η καμπύλη της μέσης πεδιακής έντασης για διάκενο με επικάλυψη, όπως έχει ήδη προαναφερθεί, είναι φθίνουσα όπως για απλό διάκενο, με τη διαφορά ότι παρατηρείται καταρχάς ένα μεγαλύτερο εύρος τιμών της πεδιακής έντασης και επιπλέον μία «τάση κορεσμού» με την αύξηση του μήκους διακένου, όπου οι καμπύλες και για εσωτερικές κρουστικές τάσεις και για εξωτερικές κρουστικές τάσεις τείνουν να συμπίπτουν. Έτσι μπορεί να λεχθεί ότι η χρήση της επικάλυψης περιορίζει την επίδραση της κυματομορφής της επιβαλλόμενης τάσης. 22

Κεφάλαιο 5 5.1 Τάση διάσπασης U 100 100% Τάση Διάσπασης Στο σχήμα 5.1 παρουσιάζεται η τάση διάσπασης U 100, η τάση δηλαδή που αντιστοιχεί σε 100% επίπεδο διάσπασης, συναρτήσει του μήκους διακένου και για τα δύο είδη διακένου. 250 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Απλό 200 LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη U100(kV) 150 100 50 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 5.1 U 100 συναρτήσει του μήκους διακένου, οι κάθετες γραμμές αντιστοιχούν σε σ. Παρατηρώντας το σχήμα 5.1 ένα πρώτο συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η αύξηση του μήκους διακένου οδηγεί σε μεγαλύτερες τάσεις U 100 ανεξάρτητα από το είδος της επιβαλλόμενης τάσης. Επίσης στο διάκενο με επικάλυψη παρουσιάζεται σημαντική αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής του ιδιαίτερα υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις ενώ στο απλό διάκενο παρουσιάζεται μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις. Τέλος στο διάκενο με επικάλυψη περιορίζεται η επίδραση του είδους της κυματομορφής. 23

5.2 Μέση πεδιακή ένταση Στο σχήμα 5.2 παρουσιάζεται η μέση πεδιακή ένταση για τάση διάσπασης U 100 συναρτήσει του μήκους διακένου και για τα δύο είδη διακένων. 7 6 5 LI(+) Δ. Aπλό SI(+) Δ. Aπλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Eπικάλυψη U100/L(MV/m) 4 3 2 1 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 5.2 Μέση πεδιακή ένταση συναρτήσει του μήκους διακένου. Όπως φαίνεται από το σχήμα η μέση πεδιακή ένταση μειώνεται με την αύξηση του μήκους του διακένου για όλες τις περιπτώσεις. Στο απλό διάκενο βλέπουμε ότι έχουμε μεγαλύτερη πεδιακή ένταση υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις, ενώ σε αντίθεση στο διάκενο με επικάλυψη έχουμε μεγαλύτερη πεδιακή ένταση υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Για τα διάκενα με επικάλυψη παρατηρείται ότι η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε μεγαλύτερη πεδιακή ένταση για το ίδιο μήκος διακένου. Η καμπύλη της μέσης πεδιακής έντασης για διάκενο με επικάλυψη είναι φθίνουσα όπως για απλό διάκενο, με τη διαφορά ότι παρατηρείται καταρχάς ένα μεγαλύτερο εύρος τιμών της πεδιακής έντασης και επιπλέον μία «τάση κορεσμού» με την αύξηση του μήκους διακένου, όπου οι καμπύλες και για εσωτερικές κρουστικές τάσεις και για εξωτερικές κρουστικές τάσεις τείνουν να συμπίπτουν. Έτσι συμπεραίνουμε ότι η χρήση της επικάλυψης περιορίζει την επίδραση της κυματομορφής της επιβαλλόμενης τάσης. 24

Κεφάλαιο 6 50% Χρόνος και στιγμιαία τάση διάσπασης 6.1 50% Χρόνος διάσπασης Στα σχήματα 6.1.α και 6.1.β παρουσιάζεται ο 50% χρόνος διάσπασης, δηλαδή ο χρόνος διάσπασης που αντιστοιχεί σε 50% επίπεδο τάσης διάσπασης, συναρτήσει του μήκους διακένου και ανά κυματομορφή επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης. 7 6 LI(+) Δ. Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη 600 500 SI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Επικάλυψη 5 400 tb (μs) 4 3 tb(μs) 300 2 200 1 100 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) (α) 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 6.1 Χρόνος διάσπασης που αντιστοιχεί στο 50% επίπεδο τάσης, συναρτήσει του μήκους διακένου υπό: (α) εξωτερικές κρουστικές τάσεις (β) εσωτερικές κρουστικές τάσεις, οι κάθετες γραμμές αντιστοιχούν σε σ. (β) Από το σχήμα 6.1.α παρατηρείται ότι η χρήση της επικάλυψης οδηγεί σε σημαντικά μεγαλύτερους χρόνους διάσπασης υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις, με εξαίρεση το μικρό μήκος των 2.5cm. Υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις δεν παρατηρείται κάτι τέτοιο αφού από το σχήμα 6.1.β δεν μπορεί να διακριθεί σαφής συμπεριφορά των διακένων με επικάλυψη ως προς τα απλά διάκενα για τον χρόνο διάσπασης. Στο σχήμα 6.2 παρουσιάζεται ο κανονικοποιημένος χρόνος διάσπασης συναρτήσει του μήκους διακένου. Η κανονικοποίηση του χρόνου έγινε σύμφωνα με τον πίνακα 6.1, όπου t' f όχι ο συμβατικός χρόνος μετώπου όπως ορίζεται από την IEC 60060-1 [9], αλλά ο χρόνος από το 0 μέχρι το μέγιστο της κυματομορφής ο οποίος μετρήθηκε πειραματικά. Ο κανονικοποιημένος χρόνος διάσπασης μας προσφέρει τη δυνατότητα να αντιληφθούμε σε ποιά χρονική στιγμή, σε σχέση με τη χρονική στιγμή που παρουσιάζεται το μέγιστο της κυματομορφής, συμβαίνει η διάσπαση, ενώ μπορεί να γίνει άμεση σύγκριση του χρόνου διάσπασης που αντιστοιχεί στα διάφορα είδη διακένων και κυματομορφών. Πίνακας 6.1 Χρόνος από 0 μέχρι μέγιστο κυματομορφής Είδος επιβαλλόμενης τάσης t' f (μs) LI(+) 2 SI(+) 220 25

3.5 3.0 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη 2.5 tb/tf 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 6.2 Κανονικοποιημένος χρόνος διάσπασης συναρτήσει του μήκους διακένου. Όπως φαίνεται από το σχήμα 6.2 υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις στα διάκενα με επικάλυψη η διάσπαση εμφανίζεται πιο καθυστερημένα σε σχέση με το απλά διάκενα, σε χρόνο 2.5 με 3 φορές μεγαλύτερο από το χρόνο μετώπου. Εξαίρεση αποτελεί το μικρό μήκος των 2.5cm.Υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις παρατηρείται στα διάκενα με επικάλυψη ότι η διάσπαση, κατά κανόνα, εμφανίζεται νωρίτερα από ότι στο απλά διάκενα. Συγκρίνοντας τα διάκενα με επικάλυψη παρατηρείται ότι υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις η διάσπαση εμφανίζεται πιο καθυστερημένα από ότι υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. 26

6.2 Τυπική απόκλιση του 50% χρόνου διάσπασης Στο σχήμα 6.3 παρουσιάζεται η τυπική απόκλιση του 50% χρόνου διάσπασης συναρτήσει του μήκους διακένου. 50 45 40 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη 35 30 σ%(tb) 25 20 15 10 5 0 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 L(m) Σχήμα 6.3 Τυπική απόκλιση του 50% χρόνου διάσπασης συναρτήσει του μήκους διακένου. Όπως προκύπτει από το σχήμα 6.3 η χρήση της επικάλυψης υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις οδηγεί σε αύξηση στις τιμές της τυπικής απόκλισης, σε περίπου διπλάσιες τιμές, σε σχέση με τα απλά διάκενα. Σε σχέση με την αύξηση του μήκους διακένου παρατηρείται μια σταθερότητα στις τιμές της τυπικής απόκλισης υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις τόσο για διάκενα με επικάλυψη όσο και για απλά διάκενα, με εξαίρεση το μήκος των 2.5cm. Υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις παρατηρείται ότι στα μικρά μήκη διακένου οι τιμές της τυπικής απόκλισης είναι μεγαλύτερες για απλά διάκενα, ενώ για στα μεγαλύτερα μήκη διακένου παρατηρείται το αντίθετο, δηλαδή, μεγαλύτερες τιμές για διάκενα με επικάλυψη. 27

6.3 Στιγμιαία τάση διάσπασης Στο σχήμα 6.4 παρουσιάζεται η στιγμιαία τάση διάσπασης συναρτήσει του μήκους διακένου. Η στιγμιαία τάση διάσπασης υπολογίζεται αντικαθιστώντας στη διπλεκθετική συνάρτηση κρουστικής τάσης, η οποία αντιστοιχεί στη πειραματική κυματομορφή, τη τιμή του 50% χρόνου διάσπασης. 250 200 LI(+) Δ. Απλό SI(+) Δ. Απλό LI(+) Δ. Επικάλυψη SI(+) Δ. Επικάλυψη Ub(kV) 150 100 50 0 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 L(m) Σχήμα 6.4 Στιγμιαία τάση διάσπασης συναρτήσει του μήκους διακένου, οι κάθετες γραμμές αντιστοιχούν σε σ. Παρατηρώντας το σχήμα 6.4 και ανατρέχοντας και στο σχήμα 4.1, προκύπτει ότι οι καμπύλες της στιγμιαίας τάσης διάσπασης είναι παρόμοιες με αυτές της U 50. Το διάκενα με επικάλυψη παρουσιάζουν μεγαλύτερες στιγμιαίες τάσεις διάσπασης και άρα μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή, ειδικότερα για εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Σε διάκενο χωρίς επικάλυψη παρατηρούμε μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εξωτερικές κρουστικές τάσεις ενώ αντίθετα σε διάκενο με επικάλυψη παρατηρούμε μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις. Η επίδραση της κυματομορφής της επιβαλλόμενης τάσης στη διηλεκτρική αντοχή των διακένων περιορίζεται με τη χρήση της επικάλυψης. 28