Πίνακας περιεχομένων. Κεφάλαιο 1 Ηλεκτρική διάσπαση του αέρα και επιφανειακή διάσπαση..4

Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο του γενικότερου ερευνητικού προγράμματος «Επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην διηλεκτρική αντοχή των μονώσεων» του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κατά την ακαδημαϊκή περίοδο 26-27. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της επιφανειακής διηλεκτρικής αντοχής μονώσεων σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Συγκεκριμένα, σαν μονωτικά υλικά χρησιμοποιήθηκαν : η πορσελάνη, το νάιλον, το Silicon Rubber (ελαστομερές σιλικόνης) και το ΡΤFΕ (πολυτετραφθοροαιθυλένιο ή τεφλόν) και διενεργήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά που εξήχθησαν από τα αντίστοιχα πειράματα με διάκενο αέρα. Μέσω της πειραματικής και θεωρητικής έρευνας γίνεται προσπάθεια να περιγραφούν τα φαινόμενα της επιφανειακής ηλεκτρικής διάσπασης για όλους τους παραπάνω τύπους διακένου υπό την επίδραση θετικών και αρνητικών Κρ.Υ.Τ. Η διπλωματική εργασία αποτελείται από πέντε κεφάλαια με τα εξής περιεχόμενα: Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται βασικά θεωρητικά στοιχεία που σχετίζονται με το μηχανισμό διάσπασης διακένων ακίδας-πλάκας και την επιφανειακή διάσπαση των στερεών μονωτικών. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο χώρος διεξαγωγής των πειραμάτων (χώρος εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων), η πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και η διαδικασία των μετρήσεων που ακολουθήθηκε. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται μέσω τυπικών παλμογραφημάτων του ηλεκτρικού πεδίου οι κατηγορίες προόδου της διάσπασης των διακένων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων υπό μορφή διαγραμμάτων, αναλύονται και εξάγονται συμπεράσματα από την μελέτη τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων του κεφαλαίου τέσσερα. Στο σημείο αυτό, θέλουμε να εκφράσουμε τις ειλικρινείς και θερμές ευχαριστίες μας προς τον επίκουρο καθηγητή κ. Π.Ν.Μικρόπουλο, τόσο για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας όσο και για την συνεπή καθοδήγηση κατά την εκπόνηση της. Επίσης, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον υποψήφιο διδάκτορα Λ.Λαζαρίδη για την πολύτιμη βοήθεια που μας παρείχε κατά την διάρκεια της διπλωματικής αυτής εργασίας 1

Πίνακας περιεχομένων Κεφάλαιο 1 Ηλεκτρική διάσπαση του αέρα και επιφανειακή διάσπαση..4 1.1 Μηχανισμός διάσπασης διακένου ακίδας - πλάκας.. 4 1.2 Επιφανειακή διάσπαση μονωτήρων.... 1 Κεφάλαιο 2 Πειραματική προσέγγιση του ερευνητικού αντικειμένου.....14 2.1 Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του ΑΠΘ..14 2.2 Κρουστικές υψηλές τάσεις... 15 2.3 Πειραματική διάταξη... 16 2.4 Μέτρηση του ηλεκτρικού πεδίου στη γειωμένη πλάκα. 2 2.5 Μέθοδος μέτρησης 21 Κεφάλαιο 3 Περιπτώσεις εξέλιξης της διάσπασης διακένου ακίδαςπλάκας...25 3.1 Γενικά.......25 Κεφάλαιο 4 Πειραματικά αποτελέσματα...31 4.1 Επίδραση του εύρους της επιβαλλόμενης τάσης..34 4.1.1 Θετική LI.34 4.1.2 Αρνητική LI..35 4.1.3 Θετική SI..36 4.1.4 Αρνητική SI..37 4.2 Επίδραση του υλικού του μονωτήρα..38 4.2.1 Θετική LI..38 4.2.2 Αρνητική LI..39 4.2.3 Θετική SI.. 4 4.2.4 Αρνητική SI...4 2

4.3 Επίδραση του είδους της επιβαλλόμενης τάσης 41 4.3.1 Θετική πολικότητα...41 4.3.2 Αρνητική πολικότητα 43 4.4 Επίδραση της πολικότητας....45 4.4.1 Περίπτωση LI 45 4.4.2 Περίπτωση SI....49 Κεφάλαιο 5 Συμπεράσματα.54 5.1 Επίδραση του εύρους της επιβαλλόμενης τάσης.54 5.2 Επίδραση του υλικού του μονωτήρα...55 5.3 Επίδραση του είδους της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης.56 5.4 Επίδραση της πολικότητας...57 Βιβλιογραφία..59 3

Κεφάλαιο 1 Ηλεκτρική διάσπαση του αέρα και επιφανειακή διάσπαση 1.1 Μηχανισμός διάσπασης διακένου θετικής ακίδας - αρνητικής πλάκας 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 1 cm -3 s -1 και -5 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 ¾ 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 ¾ Ο 2- (Η 2 Ο) + Μ +Ε 1 4

ενώ ακόλουθα στάδια ενυδάτωσης μπορούν να συμβούν σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: - - Ο 2 (Η-ΟH) m-1 + H 2 O + Μ ¾ 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 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: r 2 ò n = exp[ ( a - h) 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)>. Στον αέρα, σε ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης, η συνθήκη αυτή ικανοποιείται για τιμές του πεδίου μεγαλύτερες από 26 kv/cm. Σύμφωνα με τον Μeek [1] 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 5

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 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 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 6

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 [2]. 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 7

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. Επομένως, σύμφωνα με τους Galliberti and Stassinopoulos [3], 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 [4] 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 8

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 1 αυξάνει με την αύξηση της υγρασίας. 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 9

μεταξύ της ακίδας και της πλάκας. Η τάση διάσπασης του διάκενο μπορεί να εκφρασθεί από τη σχέση: U 5 =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. 1.2 Επιφανειακή διάσπαση μονωτήρων Η παρουσία ενός στερεού μονωτικού σε ένα διάκενο με αέριο διηλεκτρικό δεν επηρεάζει την τάση διάσπασης του τελευταίου μόνον εφόσον η επιφάνεια του στερεού είναι σε όλα τα σημεία κάθετη στις ισοδυναμικές επιφάνειες του πεδίου, διότι σ αυτήν την περίπτωση δεν επηρεάζει την ηλεκτρική πεδιακή ένταση. Αν όμως η επιφάνεια του στερεού ξεφεύγει έστω και ελάχιστα από την ιδανική αυτή θέση, τότε παρατηρείται ενίσχυση του πεδίου, η οποία μπορεί να προκαλέσει τοπικές εκκενώσεις και ενδεχομένως και διάσπαση με σπινθήρα έρποντα πάνω στην επιφάνεια του στερεού. Μια τέτοια εκκένωση λέγεται επιφανειακή διάσπαση (surface flashover). Συνήθως όταν πρόκειται για επιφανειακή 1

διάσπαση χρησιμοποιείται ο όρος υπερπήδηση. Στην επιφανειακή διάσπαση δεν διασπάται το στερεό μονωτικό αλλά ο αέρας στην επιφάνειά του. Η επιφανειακή διάσπαση στον ατμοσφαιρικό αέρα διευκολύνεται με την ύπαρξη υγρασίας, επειδή λόγω της συμπύκνωσης αυτή επικάθεται με τη μορφή σταγονιδίων πάνω στην επιφάνεια των μονωτήρων δημιουργώντας έτσι αγώγιμες οδούς. Μάλιστα αν η τιμή της υγρασίας υπερβεί μια τιμή, η τάση διάσπασης πέφτει πολύ. Αυτή η τιμή εξαρτάται από το υλικό αλλά και το σχήμα του μονωτήρα. Γι αυτό και το σχήμα των μονωτήρων είναι τέτοιο ώστε τόσο η βροχή όσο και η υγρασία να εμποδίζονται από το να παραμένουν στην επιφάνειά τους, επιπλέον πρέπει να είναι κατά το δυνατόν μακρύτερη η κάθε τυχούσα διαδρομή που μπορεί να πάρει μια επιφανειακή εκκένωση. Έτσι για τον μεν πρώτο λόγω η μεν πάνω πλευρά τους πρέπει να είναι λεία και κυρτή για δε το δεύτερο η κάτω πλευρά είναι κυματοειδής με ποικίλες προεξοχές. Οι μονωτήρες στην ύπαιθρο υποφέρουν και από μια άλλη αιτία και συγκεκριμένα από τη μόλυνση που προκαλούν τα βιομηχανικά κατάλοιπα αλλά και το αλάτι που επικάθονται επάνω τους τόσο στις βιομηχανικές περιοχές όσο και στις παραθαλάσσιες. Ο μηχανισμός της διάσπασης σε «μολυσμένους» μονωτήρες έχει ως εξής: Τα βιομηχανικά κατάλοιπα δεν επηρεάζουν την τάση υπερπήδησης παρά μόνο αν υγρανθούν, π.χ. από βροχή, τότε γίνονται αγώγιμα και προκαλούν τοπικά, συνήθως στα άκρα τους, μεγάλη ανομοιογένεια στο πεδίο. Στο σημείο της μεγάλης τιμής της πεδιακής έντασης δημιουργούνται επιφανειακές εκκενώσεις που τροφοδοτούνται μέσω αγώγιμων υγρανθέντων βιομηχανικών καταλοίπων. Η θερμότητα όμως που εκλύεται από τις εκκενώσεις ξεραίνει τα κατάλοιπα και αναγκάζει τον σπινθήρα προκειμένου να διατηρηθεί, να μετακινηθεί προς υγρές περιοχές. Αν η συνολική επιβεβλημένη τάση είναι ανώτερη από το άθροισμα της πτώσης τάσεως που οφείλεται στις εκκενώσεις συν αυτής κατά μήκος της αγώγιμης οδού τότε είναι δυνατόν να υπάρξει υπερπήδηση. Όπως περιγράφηκε η επιφανειακή διάσπαση είναι στην πραγματικότητα διάσπαση του αέρα που προκαλείται και διευκολύνεται από την ύπαρξη του στερεού διηλεκτρικού. Σε ορισμένα όμως μονωτικά, κυρίως οργανικά και πολυμερή, η θερμότητα που εκλύεται από τις επιφανειακές εκκενώσεις μπορεί να προκαλέσει μόνιμη παραμόρφωση του διηλεκτρικού δημιουργώντας μια αγώγιμη οδό στην επιφάνειά του από ίχνη άνθρακα (tracking). Επίσης στην περίπτωση που η διάσπαση του μονωτικού καταλήξει στην δημιουργία τόξου μπορεί η μεγάλη ενέργεια που εκλύεται να προκαλέσει μόνιμες καταστροφές του μονωτικού. Για την 11

αποφυγή μόνιμων καταστροφών στην επιφάνεια των μονωτήρων συνήθως τίθεται εν παραλλήλω με αυτούς ένα προστατευτικό διάκενο με τάση διάσπασης μικρότερη από την ελάχιστη τάση υπερπήδησης των μονωτήρων ώστε τυχόν δημιουργία τόξου να συμβεί μεταξύ των άκρων του διακένου και όχι επί της επιφάνειας των μονωτήρων. Επίσης μπορεί να γίνονται συχνές πλύσεις των μονωτήρων, ακόμη και υπό τάση ή και να αλείφονται κάθε μερικά χρόνια με ειδικές αλοιφές, να επικαλύπτονται με PTFE, σιλικόνη ή ακόμη και με ημιαγώγιμες επιφάνειες ώστε η αναπτυσσόμενη θερμότητα να ξηραίνει τις επιφάνειες. Σε ό,τι αφορά το μηχανισμό διάσπασης, σε περιοχές υψηλού πεδίου στην επιφάνεια της μόνωσης παρατηρούνται τα πρώτα τοπικά φαινόμενα ιονισμού του αερίου διηλεκτρικού, οι επιφανειακές εκκενώσεις. Η πρώτη παρατηρήσιμη μορφή επιφανειακής εκκένωσης είναι η ηλεκτρονική στιβάδα η οποία, εάν η ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου είναι ίση με αυτή του ακτινικού ηλεκτρικού πεδίου στην κεφαλή της λόγω του φορτίου της, μπορεί να μετατραπεί σε νημάτιο. Το νημάτιο, μια ακολουθία ηλεκτρονικών στιβάδων, αναπτύσσεται κατά μήκος της επιφάνειας της μόνωσης και μπορεί να οδηγήσει στην απ ευθείας επιφανειακή διάσπασή της. Εάν η τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της μόνωσης είναι ικανή, μπορεί να παρατηρηθεί μια άλλη μορφή επιφανειακής εκκένωσης, η εκκένωση κορώνα (corona discharge). Η ανάπτυξη της εκκένωσης κορώνα κατά μήκος της επιφάνειας της μόνωσης, ένα σύστημα από διακλαδιζόμενα νημάτια που ελέγχεται σε μεγάλο βαθμό από το χωρικό φορτίο του ίδιου του συστήματος, μπορεί επίσης να οδηγήσει στην επιφανειακή διάσπαση. Διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν την επιφανειακή διάσπαση παρουσιάστηκαν από τους Sudarshan και Dougal [5] δίνοντας κυρίως έμφαση στις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στη διαχωριστική επιφάνεια στερεού μονωτικού / αερίου, προσπαθώντας να ερμηνευτούν αυτές ως προς την επιρροή τους στην επιφανειακή διάσπαση. Τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της διάσπασης στον αέρα και της διάσπασης του αέρα στην επιφάνεια ενός στερεού μονωτικού οφείλονται σε μια διαφοροποίηση στους συντελεστές που περιγράφουν τις διαδικασίες ιονισμού. Η εκκίνηση και η πρόοδος του ιονισμού εξαρτώνται άμεσα από μια σειρά σημαντικών φυσικών διεργασιών και παραγόντων. Οι συγγραφείς παρουσιάζοντας ερευνητικά αποτελέσματα, κάνοντας παράλληλα μια ανασκόπηση σε προγενέστερες ερευνητικές εργασίες άλλων ερευνητών, παρουσιάζουν μια σειρά παραγόντων οι οποίοι έχουν σημαντική επιρροή στα χαρακτηριστικά των επιφανειακών εκκενώσεων. Μια σχεδόν πλήρης αναφορά αυτών παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.1 που ακολουθεί: 12

Παραγωγή Παραγωγή Διάχυση Έκλυση αερίων στο Μορφοποιήσεις του πρωτογενών δευτερογενών φορτίου διάκενο ηλεκτρικού πεδίου ηλεκτρονίων -εκπομπή πεδίου ηλεκτρονίων -κρούσεις -ιόντων -Διεγερμένα αέρια -ηλεκτρόδια (ομοιογενές ή -κοσμική ηλεκτρονίων -ηλεκτρονίων -Μέσω χημικών ανομοιογενές πεδίο) -ακτινοβολία -κρούσεις ιόντων διεργασιών -στερεό διηλεκτρικό -φωτοηλεκτρική -εκπομπή πεδίου -Μέσω Μ.Ε. (σχήμα, υλικό, κατάσταση εκπομπή -λόγω κρούσης -απελευθέρωση επιφάνειας, ρύπανση) -μέσω μερικών φωτονίων προσροφημένων -διηλεκτρική σταθερά εκκενώσεων -φωτοϊονισμός αερίων λόγω -κυματομορφή της (Μ.Ε.) πρόσκρουσης επιβαλλόμενης τάσης φωτονίων ή λόγω -επιφανειακή συγκέντρωση υψηλού πεδίου φορτίου Πίνακας 1.1: Παράγοντες με επιρροή στις επιφανειακές εκκενώσεις ( Sudarshan και Dougal ) Γενικά όλες αυτές οι διεργασίες συμμετέχουν στη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών των επιφανειακών εκκενώσεων. Ωστόσο, σε συγκεκριμένες περιπτώσεις διακένων, μόνο μερικές από αυτές κυριαρχούν με συνέπεια να καθορίζουν την εξέλιξη της εκκένωσης και ενδεχομένως την επιφανειακή διάσπαση. 13

Κεφάλαιο 2 Πειραματική προσέγγιση του ερευνητικού αντικειμένου 2.1 Το εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του ΑΠΘ Όλα τα πειράματα της διπλωματικής εργασίας διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. Το εργαστήριο περιλαμβάνει δυο χώρους παραγωγής Υ.Τ., κύριο και δευτερεύον. Επίσης διαθέτει βοηθητικούς χώρους, όπως χώρους ελέγχου και μετρήσεων, γραφείο, βοηθητικό εργαστήριο και αποθήκη. Το ύψος του κυρίου χώρου του εργαστηρίου είναι 6 m, το μήκος 16.2 m και το πλάτος του 7 m. Κατά μήκος της οροφής του υπάρχει κυλιόμενη γερανογέφυρα 1 tn. Ο χώρος αυτός είναι πλήρως θωρακισμένος καθώς περικλείεται από γειωμένο κλωβό Faraday κατασκευασμένο από μεταλλικό πλέγμα. Επιπλέον για μεγαλύτερη ασφάλεια υπάρχει και χωριστή γείωση. Τα 6 m του κυρίου χώρου, που είναι και η μικρότερη διάστασή του, αντιστοιχούν σε μέγιστη απόσταση ασφάλειας 3 m η οποία επιτρέπει μέγιστη παραγωγή ΗVAC 65 kv (rms), ΗVDC 9 kv, LΙ 1 kv και SI 85 kv... Σ Στο κύριο χώρο υπάρχει μια δεκαβάθμια γεννήτρια παραγωγής κρουστικών τάσεων (γεννήτρια Μarx) ονομαστικής τάσεως 1 ΜV που μπορεί να παράγει [] 85 kv SI και [] 885 kv LΙ. Επί πλέον, υφίσταται ένα σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία Υ.Τ. που παρέχει την δυνατότητα παραγωγής Υ.Τ. ύψους έως 3 kv (rms) HVAC, έως [42] 41 kv ΗVDC έως [56] 53 kv LΙ και έως [56] 46 kv SI. Εντός αγκυλών αναφέρεται η ονομαστική και εκτός η πραγματική τιμή των τιμών αυτών. Υπάρχουν δύο τράπεζες χειρισμών των συσκευών αυτών, καθώς και μια συσκευή αυτόματου ελέγχου που συνδεόμενη με μια από αυτές τις τράπεζες και ελεγχόμενη από υπολογιστές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αυτόματη παραγωγή τάσεων ορισμένου ύψους όπως και στον προσδιορισμό της τάσεως διασπάσεως ανομοιογενών διακένων κάτω από κρουστικές Υ.Τ. Για τη καταγραφή των διαφόρων μετρήσεων και την αποφυγή ηλεκτρομαγνητικού θορύβου μπορούν να χρησιμοποιηθούν δυο θάλαμοι θωρακίσεως. Οι καταγραφές αυτές μπορούν να γίνουν είτε συμβατικά είτε και αυτόματα με τη χρησιμοποίηση ψηφιακών παλμογράφων συνδεδεμένων κατάλληλα με υπολογιστές. 14

Ο δευτερεύον χώρος από την πλευρά του είναι ένα δωμάτιο ύψους 2.75 m, μήκους 6.15 m και πλάτους 3.6 m. Η μικρότερη διάσταση είναι 2.75 m που αντιστοιχεί σε μέγιστη απόσταση ασφάλειας 1.375 m και επιτρέπει την μέγιστη παραγωγή ΗVAC 22 kv (rms), ΗVDC 14 kv, LI και SI 15 kv. Στο χώρο αυτό υπάρχει μια ηλεκτρονική συσκευή παραγωγής ΗVDC 125 kv και άλλη μια 3 kv, με ενσωματωμένες διατάξεις ελέγχου. Όπως στον κύριο χώρο έτσι και εδώ, η καταγραφή των διαφόρων μετρήσεων μπορεί να γίνει είτε συμβατικά είτε αυτόματα με την χρήση ψηφιακών παλμογράφων συνδεδεμένων κατάλληλα με υπολογιστές. Τέλος, υπάρχει θάλαμος πιέσεως και υποπιέσεως από 1 mbar έως 5 bar και διηλεκτρικής αντοχής μέχρι 14 kv, σφαιρικά διάκενα διαμέτρου 2, 5, 1 και 25 cm. Επίσης, συσκευή για τον έλεγχο μονωτικών ελαίων καθώς και διάφορες συσκευές όπως μια συσκευή ανιχνεύσεως μερικών εκκενώσεων με πυκνωτές συζεύξεως kv και ανιχνευτές ευρέως και στενού φάσματος, όπως και διάταξη γέφυρας. Αυτές οι συσκευές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και στους δυο χώρους. 2.2 Κρουστικές υψηλές τάσεις Στην τεχνολογία του εργαστηρίου των υψηλών τάσεων «κρουστικός παλμός» ή «κρούση» ορίζεται σύμφωνα με την I.E.C. ένας απεριοδικός μεταβατικός παλμός που επιβάλλεται σκοπίμως και που συνήθως αυξάνει σε ένα μέγιστο σχετικά γρήγορα και μετά μηδενίζεται με βραδύτερο ρυθμό. Οι κρουστικές υψηλές τάσεις αποτελούν το σημαντικότερο είδος εργαστηριακά παραγόμενων τάσεων γιατί μέσω αυτών γίνονται οι εργαστηριακές δοκιμές αντοχής στις υπερτάσεις και οι δοκιμές υπερεντάσεων που εμφανίζονται στα δίκτυα. Τόσο η παραγωγή όσο και οι μετρήσεις των Κρ.Υ.Τ. παρουσιάζουν δυσκολίες επειδή έχουν πολύ μικρή διάρκεια και έτσι τα διάφορα μεταβατικά φαινόμενα μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση. Οι συνηθέστερες αλλά και σημαντικότερες κρουστικές τάσεις είναι οι λεγόμενες διπλοεκθετικές οι οποίες 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 15

χρόνων μέχρι το μέγιστο (μέτωπο) είναι πολύ μεγαλύτερος από το ρυθμό μείωσης της τάσης του υπόλοιπου τμήματος μετά το μέγιστο (ουρά). Η σημασία των διπλοεκθετικών Κρ.Υ.Τ. έγκειται στο ότι εργαστηριακά προσομοιώνουν τις υπερτάσεις από κεραυνούς (εξωτερικές υπερτάσεις) και τις υπερτάσεις χειρισμών (εσωτερικές υπερτάσεις) που εμφανίζονται στις γραμμές μεταφοράς Υ.Τ. Συμβολίζονται ως U p (kv), t f /t h (μs) όπου U p το εύρος της τάσης σε kv, t f η «διάρκεια μετώπου» ή «χρόνος ανόδου» και t h η «διάρκεια ημίσεως εύρους». Ανάλογα με τη διάρκεια μετώπου τους οι διπλοεκθετικές χωρίζονται σύμφωνα με την Ι.Ε.C. σε «μικρής» διάρκειας μετώπου ή «εξωτερικές» κρουστικές τάσεις ή LI (lightning impulses) που αναπαράγουν στο εργαστήριο τις εξωτερικές υπερτάσεις και έχoυν t f <2 μs, και σε «μεγάλης» διάρκειας μετώπου ή «εσωτερικές» κρουστικές τάσεις ή SI (switching impulses) που αναπαράγουν το επικίνδυνο μέρος των εσωτερικών υπερτάσεων των δικτύων και χαρακτηρίζονται από t f >2 μs. Στην διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε και με τα δυο ήδη τάσεων. Προκειμένου να τυποποιηθούν οι δοκιμές σε εξωτερικές υπερτάσεις ορίσθηκε από την Ι.Ε.C. ως «κανονική κρουστική τάση» η 1.2/5 μs. Οι επιτρεπόμενες ανοχές σε μία κανονική LΙ δεν πρέπει να υπερβαίνουν για το εύρος το 3%, για τη διάρκεια μετώπου το 3% και για τη διάρκεια ημίσεως εύρους το 2%. Ταλαντώσεις στην κορυφή μπορεί να γίνουν ανεκτές εφόσον διαρκούν λιγότερο από 1μs και έχουν συχνότητα τουλάχιστον.5 ΜΗz. Για τις δοκιμές που αναπαράγουν τις εσωτερικές υπερτάσεις ως κανονική κρουστική τάση ορίσθηκε η 25/25 μs με ανοχές 2% για τη διάρκεια μετώπου και 6% για τη διάρκεια ημίσεως εύρους. 2.3 Πειραματική διάταξη Η πειραματική διάταξη αποτελείται από μια διβάθμια γεννήτρια Μarx τύπου β η οποία χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη θετικών Κρ.Υ.Τ. και μια τετραβάθμια τύπου β για την παραγωγή αρνητικών Κρ.Υ.Τ κατασκευασμένη από τα εναλλάξιμα στοιχεία που διαθέτει το Εργαστήριο Υψηλών τάσεων του ΑΠΘ. Η παραγόμενη Κρ.Υ.Τ. οδηγείται μέσω ενός εύκαμπτου αγωγού στο ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης, το οποίο είναι μια ράβδος από ορείχαλκο διαμέτρου 1.6cm και καταλήγει σε κωνική ακίδα γωνίας 36. Η ράβδος είναι αναρτημένη από τη γερανογέφυρα του εργαστηρίου μέσω αλυσίδας μονωτήρων αναρτήσεως. Το γειωμένο ηλεκτρόδιο είναι μια μεταλλική πλάκα διαστάσεων 1m x 2m, στο μέσον της οποίας είναι 16

προσαρμοσμένο το σύστημα μέτρησης του πεδίου στην επιφάνειά της. Το σήμα από τον δοκιμαστήρα αυτόν οδηγείται μέσω ομοαξονικού καλωδίου σε ψηφιακό παλμογράφο όπου καταγράφονται και αποθηκεύονται τα μετρούμενα μεγέθη. Η πειραματική διάταξη απεικονίζεται στο σχ. 2.1. Σχήμα 2.1 : Πειραματική διάταξη Η παραγωγή των Κρ.Υ.Τ. όπως αναφέρθηκε πραγματοποιείται μέσω γεννήτριας Μarx δύο/τεσσάρων βαθμίδων, οι οποίες απεικονίζονται στα σχήματα. 2.2-2.3 αντίστοιχα. Χρησιμοποιούνται αντιστάσεις μετώπου 43 kω και αντιστάσεις ουράς 98 kω για παραγόμενη κυματομορφή 22/2 μs η οποία σύμφωνα με τις προδιαγραφές της Ι.Ε.C. είναι μια κανονική εσωτερική Κρ.Υ.Τ. (SI, Switching Imulse) ενώ χρησιμοποιούνται αντιστάσεις μετώπου και ουράς 132 kω και 24 kω αντίστοιχα καθώς και μια εξωτερική αντίσταση μετώπου R fεξ =26 Ω για παραγόμενη 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). 17

Σχήμα 2.2: Διβάθμια γεννήτρια Marx Σχήμα 2.3: Τετραβάθμια γεννήτρια Marx Για τη μέτρηση της τάσης εξόδου της γεννήτριας Μarx χρησιμοποιήθηκε χωρητικός καταμεριστής τάσης με χωρητικότητα υψηλής τάσης τους πυκνωτές μετώπου της γεννήτριας C 1 =576.75 pf στη διβάθμια και C 1 =288.38 pf στη 4-βάθμια και με χωρητικότητα χαμηλής τάσης C 2 =5.14 μf και στις δυο περιπτώσεις. Η έξοδος του Κ/Τ οδηγείται σε ψηφιακό παλμογράφο όπου καταγράφεται όλη η κυματομορφή της Κρ.Υ.Τ. Επομένως η τάση εξόδου 18

της γεννήτριας θα δίνεται από το γινόμενο του εύρους «U peak» της απόκρισης του χωρητικού Κ/Τ επί το αντίστροφο του λόγου καταμερισμού 1/w. Ο λόγος καταμερισμού προκύπτει από τη σχέση: 2 6C1 w = ( C + C )(6 C + C ) 1 2 1 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: C e 2pe ol = 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=.12 m συνεπώς προκύπτει ότι C e 3 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 =1.112x1-4 και w 4-βάθμιας =.546x1-4. Ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας υπολογίζεται από τη σχέση: U peaklw h = 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. Στο πίνακα 2.1 που ακολουθεί φαίνονται οι συντελεστές χρησιμοποίησης για κάθε τύπο κυματομορφής. o e Βαθμίδες R f (kω) R t (kω) R εξ (Ω) Κυματομορφή η 2 43 98-22/2 (+).818 2 132 24 26 1.3/5 (+).98 4 43 98-22/2 (-).858 4 132 24 26 1.3/5 (-).98 Πίνακας 2.1 : Παραγόμενες κυματομορφές και αντίστοιχοι συντελεστές χρησιμοποίησης η Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν είναι: - διάκενο αέρα ράβδου-πλάκας 12 cm 19

- διάκενο αέρα ράβδου-πλάκας 12 cm γεφυρωμένο με κυλινδρικούς μονωτήρες Επιλέχθηκαν τα παραπάνω γιατί τα ανομοιογενή διάκενα (διάκενα στα οποία η πεδιακή ένταση δεν είναι σταθερή σε κάθε σημείο του διακένου) είναι αυτά που συναντώνται στην πράξη. Επίσης, τα διάκενα ακίδας-πλάκας εμφανίζουν τη μικρότερη διηλεκτρική αντοχή ενώ μέσω των κρουστικών υψηλών τάσεων προσομοιώνονται οι διάφορες υπερτάσεις που παρατηρούνται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Το υλικό των μονωτήρων που χρησιμοποιούνται είναι: - Πολυτετραφθοροαιθυλαίνιο ή τεφλόν (ΡΤFΕ) με ε r =2.1 - Ελαστομερές σιλικόνης (Silicon Rubber - SΙR) με ε r =3.6 - Πολυαμίδιο (Nylon) με ε r =5 - Πορσελάνη (Glazed Porcelain) με ε r =6.5 Το σχήμα των μονωτήρων είναι κυλινδρικό διαμέτρου 6 cm και μήκους 12 cm 2.4 Μέτρηση του ηλεκτρικού πεδίου στη γειωμένη πλάκα Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της εξέλιξης της εκκένωσης καθώς επίσης και των παραγόντων που την καθορίζουν, συνεπώς είναι απαραίτητη η απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στη γειωμένη πλάκα. Χρησιμοποιώντας την μέθοδο Μeek and Collins[ ] για τη μέτρηση της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης επιλέχθηκε κυκλική επιφάνεια, μονωμένη από την υπόλοιπη πλάκα, εμβαδού Α στο κέντρο της γειωμένης πλάκας. Μεταξύ αυτής και της πλάκας τοποθετήθηκε ένας πυκνωτής C του οποίου η τάση στα άκρα αποδεικνύεται ότι είναι κάθε στιγμή ανάλογη της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης (σχ. 2.4). Σχ2.4 Διάταξη μέτρησης της ηλεκτρικής πεδιακής έντασης στη γειωμένη πλάκα 2

Για την εύρεση του φορτίου στην επιφάνεια του μονωμένου ηλεκτροδίου (άρα και στα άκρα του πυκνωτή C)ισχύουν οι εξισώσεις: q( t) = AD( t) q( t) = CV ( t) όπου D(t) η διηλεκτρική μετατόπιση και V(t) η τάση στα άκρα του πυκνωτή. Επίσης D( t) =e o E( t) όπου Ε(t) η ηλεκτρική πεδιακή ένταση και ε o η διηλεκτρική σταθερά του κενού. Επομένως προκύπτει ότι: C E( t) = v( t) e o A Επειδή C, Α και ε o είναι σταθερά η εξίσωση μπορεί να γραφεί Ε(t)=Κ.ν(t). Η τιμή της σταθεράς Κ ρυθμίζεται με κατάλληλη εκλογή τιμής πυκνωτή C ώστε η ευαισθησία του καταγραφικού οργάνου να είναι ικανή για την απεικόνιση ολόκληρου του φαινομένου Στη συνέχεια, για την απεικόνιση της πεδιακής έντασης, μεταφέρθηκε η τάση των άκρων του πυκνωτή στον παλμογράφο, μέσω ομοαξονικού καλωδίου 5 Ω με επιπλέον θωράκιση, για τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο, έναν περιβάλλοντα χάλκινο αγωγό. Παραδείγματα απεικόνισης της εξέλιξης της εκκένωσης ακολουθούν αναλυτικά σε επόμενη παράγραφο. Ο παλμογράφος που χρησιμοποιήθηκε ήταν ψηφιακός της LeCroy, τεσσάρων καναλιών με δυνατότητα αποθήκευσης, τύπου WaveRunner 44Xi στα 4 MHz εύρος ζώνης. 2.5 Μέθοδος μέτρησης Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω της μεθόδου επιπέδων τάσεως [IEC], με 2 επιβολές ανά επίπεδο. Η χρονική διάρκεια μεταξύ των επιβολών ήταν τουλάχιστον 6 sec, χρόνος αρκετός για την πλήρη επαναφόρτιση της γεννήτριας Μarx (45-6 sec για την 4-βάθμια). Η μέθοδος εφαρμόστηκε για τον προσδιορισμό των κατανομών των βασικών μεγεθών που σχετίζονται με την διάσπαση του διακένου. Η φόρτιση της πρώτης βαθμίδας της γεννήτριας Μarx αυξάνονταν κατά 2 kv συνήθως (μπορεί και 1 kv ή και.5 kv ανάλογα το εύρος U 2.5 -U 97.5 ) ανά επίπεδο. Επίσης, επιβάλλονται και επίπεδα τάσης μεγαλύτερα της τάσης που αντιστοιχεί σε % πιθανότητα διάσπασης, ώστε να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά των 21

εκκενώσεων σε ακόμη μεγαλύτερες καταπονήσεις. Από τις 2 επιβολές της τάσης σε κάθε επίπεδο προκύπτει η μέση τιμή και η συμβατική απόκλιση κάθε ενός μεγέθους στο συγκεκριμένο επίπεδο. Σε κάθε επιβολή της τάσης από τα παλμογραφήματα του πεδίου στη γειωμένη πλάκα μετρούνταν χρόνος διάσπασης του διακένου t b με βάση τον οποίο προκύπτει η στιγμιαία τάση διάσπασης U b από την αντικατάσταση του χρόνου διάσπασης, t b στην διπλοεκθετική εξίσωση. Επίσης προκύπτουν τα μεγέθη 5% τάση διάσπασης U 5 ( η τάση που αν επιβληθεί θα είναι τουλάχιστον 5% η πιθανότητα διάσπασης του διακένου), η 2.5% τάση διάσπασης U threshold καθώς και η 97.5% τάση διάσπασης U stability που ορίζονται αντίστοιχα με την U 5. Οι τάσεις όλων των επιπέδων διορθώνονται ως προς την πυκνότητα του αέρα ώστε να καταστεί δυνατή η μελέτη της επίδρασης της υγρασίας στα παρατηρούμενα φαινόμενα. Η διόρθωση αυτή γίνεται ως εξής: u = u d in / i( p, t) όπου U in είναι οι τάσεις διορθωμένες σε κανονικές συνθήκες (p o = 76 mmhg, t o = 2 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 d = p (273 ) o + t Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν για υψηλές τιμές της απόλυτης υγρασίας (περίπου 19.3 με 24 gr/m 3 ) για όλους τους τύπους διακένων. Παρακάτω παρατίθενται πίνακες με τις απόλυτες τιμές της υγρασίας για κάθε τύπο διακένου, τον συντελεστή διόρθωσης για την πυκνότητα του αέρα και την αντίστοιχη σχετική υγρασία για κάθε τύπο κυματομορφής καθώς και τα αντίστοιχα διαγράμματα. 22

AIR (εr=1) PTFE (εr=2.1) SΙR h SI(+) SI(-) LI(+) LI(-) h h R H h R H (gr/m 3 ) R H % δ (gr/m 3 ) R H % δ (gr/m 3 ) % δ (gr/m 3 ) % δ 19.6 77.982 19.7 77.975 19.95 63.963 19.37 72.976 19.7 72.976 21.6 77.968 23.86 74.968 2. 69.97 2.7 71.974 21.93 76.5.971 - - - 22.7 76.973 21.3 74.969 - - - - - - - - - 21.4 74.966 - - - - - - - - - 22.7 77.965 - - - - - - - - - 23 76.968 - - - - - - - - - 19.3 71.986 22.2 77.973 19.62 62.974 22.2 77.973 2.2 72.965 2.75 75.971 22.1 71.966 2.75 75.971 2.94 71.975 21.8 77.965 22.93 74.968 21.8 77.965 23.59 71.959 2.79 77.971 19.35 63.963 2.79 77.971 - - - 21. 76.968 24. 77.963 21. 76.968 (εr=3.6) NYLON - - - 22.91 77.972 - - - 22.91 77.972 2.9 77.981 2.61 7.974 2.5 71.974 2.61 7.974 21.2 72.967 2.89 77.971 21.1 68.966 2.89 77.971 ν (εr=5) PORCELAIN - - - 22.7 75.5.974 22.39 7.967 22.7 75.5.974 19.9 7.98 18.69 67.971 2.22 65.966 18.69 67.971 21.4 72.966 2.3 7.975 22.5 68.965 2.3 7.975 - - - 21.6 7.971 - - - 21,6 7.971 - - - 21.2 72.973 - - - 21.2 72.973 (εr=6.5) - - - 22.3 79.968 - - - 22.3 79.968 Πίνακας 2.2:Συντελεστές διόρθωσης, αντίστοιχες απόλυτες και σχετικές υγρασίες των μετρήσεων που διεξήχθησαν 23

Από τα παρακάτω διαγράμματα φαίνεται ότι η σχετική υγρασία έχει αυξητική τάση με την αύξηση της απόλυτης υγρασίας, ενώ ο συντελεστής πυκνότητας του αέρα τείνει να μειώνεται με την αύξηση της απόλυτης υγρασίας. 8 25 Σχετική υγρασία, R.H.% 75 7 65 Απόλυτη υγρασία h,gm -3 23 21 19 17 6 17 18 19 2 21 22 23 24 25 Απόλυτη υγρασία h, grm -3 15.955.96.965.97.975.98.985.99 Συντελεστής διόρθωσης για τη πυκνότητα του αέρα, δ Σχήμα 2.5:Επίδραση της απόλυτης υγρασίας στην σχετική υγρασία και μεταβολή της απόλυτης υγρασίας συναρτήσει του συντελεστή διόρθωσης για την πυκνότητα του αέρα. 24

Κεφάλαιο 3 Περιπτώσεις εξέλιξης της διάσπασης διακένου ακίδας - πλάκας Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται ενδεικτικά παλμογραφήματα του ηλεκτρικού πεδίου στη γειωμένη πλάκα όπως αυτά απεικονίζονται στον Π/Γ μέσω της μεθόδου Meek & Collins και ελήφθησαν κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. 3.1 Γενικά Για την εξέλιξη της εκκένωσης στη γειωμένη πλάκα παρατηρήθηκε ότι σε μία απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στην πλάκα η εκκένωση κορώνα εμφανίζεται ως απότομη αύξηση του πεδίου (άλμα), η οποία οφείλεται στο εκχεόμενο φορτίο από τη δημιουργία της. Σε κάθε στάδιο της εκκένωσης το μέγεθος του άλματος του πεδίου στην πλάκα εξαρτάται από την ποσότητα του φορτίου που εκχέει η κορώνα αλλά και από την απόσταση του από την πλάκα. Μειώσεις της τιμής του πεδίου δηλώνουν, ανάλογα με το στάδιο της εκκένωσης ότι οι streamers των κορώνα (πρώτης, δεύτερης ή λήντερ κορώνα) έχουν φτάσει στην πλάκα και έτσι μέρος του φορτίου των κορώνα εξουδετερώνεται Η εμφάνιση και η διάρκεια της ραγδαίας σχεδόν εκθετικής αύξησης του πεδίου πριν από τη διάσπαση συμπίπτει αντίστοιχα με την έναρξη και τη διάρκεια του τελικού άλματος. Τη στιγμή της διάσπασης το σήμα παρουσιάζει κατάρρευση. Οι περιπτώσεις εξέλιξης της εκκένωσης ανάλογα με το εύρος της επιβαλλόμενης τάσης είναι: - εμφάνιση της εκκένωσης κορώνα η οποία δεν διασχίζει πλήρως το διάκενο - πλήρης διάσχιση του διακένου από την εκκένωση χωρίς να επέλθει διάσπαση - διάσπαση του διακένου Στα ακόλουθα παλμογραφήματα γίνονται εμφανείς οι παραπάνω περιπτώσεις. Πιο συγκεκριμένα στο σχ. 3.1 απεικονίζεται η εφαρμογή κρουστικής τάσης θετικής SI σε διάκενο αέρα υπό τάση 73.6 kv. Έχουμε διαδοχικές εκκενώσεις κορώνα οι οποίες είναι εμφανείς από 25

τα άλματα που εμφανίζει το πεδίο, όμως τα νημάτια δεν ακουμπούν στη πλάκα και έτσι δεν έχουμε διάσχιση του διακένου. Με κόκκινο χρώμα φαίνεται η τάση στην έξοδο του χωρητικού καταμεριστή ενώ με κίτρινο χρώμα φαίνεται το μετρούμενο πεδίο στη γειωμένη πλάκα. Στο σχήμα 3.2 για τον ίδιο τύπο κυματομορφής και διάκενο, αλλά τάση 8.4 kv παρατηρείται διάσχιση του διακένου σε χρόνο t ar και στη συνέχεια διαδοχικές εκκενώσεις κορώνα φτάνουν στη γειωμένη πλάκα. Ωστόσο το διάκενο δεν διασπάται παρόλο που νημάτια ακουμπούν στην πλάκα, εξουδετερώνοντας έτσι μέρος του φορτίου τους. Για θετική SI με εύρος 93.6 kv εφαρμοζόμενη σε διάκενο αέρα παρατηρείται διάσπαση σε χρόνο t b με συνεπαγόμενη κατάρρευση του πεδίου (σχήμα 3.3). Σχήμα 3.1: SI(+) AIR 73.6 kv Σχήμα 3.2: SI(+) AIR 8.4 kv 26

Σχήμα 3.3: SI(+) AIR 93.6 kv Στο σχήμα 3.4 απεικονίζεται η εφαρμογή θετικής LI εύρους 52.8 kv σε διάκενο αέρα. Είναι εμφανής η πρώτη κορώνα από το άλμα του πεδίου στη γειωμένη πλάκα ενώ δεν παρατηρείται περαιτέρω εξέλιξη της εκκένωσης αφού η κορώνα δεν συνοδεύεται από διάσχιση, γεγονός που συμβαίνει υπό τάση 6.4 kv στο σχήμα 3.5 όπου έχουμε διάσχιση του διακένου σε χρόνο t ar και γίνεται εμφανής από την απότομη αύξηση του πεδίου και την επακόλουθη απότομη πτώση του. Στη συνέχεια το πεδίο σταθεροποιείται σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο. Στο σχήμα 3.6 η εφαρμογή θετικής LI εύρους 98.1 kv συνεπάγεται διάσπαση του διακένου σε χρόνο t b. Εμφανείς είναι οι ταλαντώσεις μετά την κατάρρευση του πεδίου, χαρακτηριστικές της LI κυματομορφής. Σημειώνεται επίσης και ο χρόνος t ar διάσχισης του διακένου ενώ εμφανείς είναι και πάλι οι ενδιάμεσες διαδοχικές εκκενώσεις κορώνα που γεφυρώνουν το διάκενο μέχρι που αυτό διασπάται σε χρόνο t b. 27

Σχήμα 3.4: LI(+) AIR 52.8 kv Σχήμα 3.5: LI(+) AIR 6.4 kv Σχήμα 3.6: LI(+) AIR 98.1 kv Στο σχήμα 3.7 απεικονίζεται η επιβολή αρνητικής SI εύρους 142.6 kv σε διάκενο πορσελάνη. Το διάκενο δε διασπάται ενώ χαρακτηριστικό είναι γεγονός ότι η αύξηση του πεδίου δε γίνεται με διακριτά άλματα όπως στην περίπτωση θετικής πολικότητας. Το διάκενο όμως διασπάται σε ίδιο επίπεδο τάσης (142.6 kv) αλλά σε διαφορετική επιβολή σε χρόνο t b (σχήμα 3.8). Χαρακτηριστικό είναι ότι στις αρνητικές πολικότητες ο χρόνος διάσχισης συμπίπτει με το χρόνο διάσπασης του διακένου. Δηλαδή μόλις τα νημάτια ακουμπήσουν την πλάκα το διάκενο γεφυρώνεται και διασπάται. Εν προκειμένω η κατάρρευση του πεδίου δε συνοδεύεται από ταλαντώσεις καθώς πρόκειται για SI. 28

Σχήμα 3.7: SI(-) PORCELAIN 142.6 kv Σχήμα 3.8: SI(-) PORCELAIN 142.6 kv Στο σχήμα 3.9 φαίνεται η περίπτωση LI(-) κυματομορφής εύρους 171.5 kv εφαρμοζόμενη σε διάκενο PTFE. Το διάκενο δε διασπάται όπως συμβαίνει σε διαφορετική επιβολή ίδιου επιπέδου τάσης και απεικονίζεται στο σχήμα 3.1. Η διάσπαση επέρχεται σε χρόνο t b μόλις τα νημάτια της πρώτης κορώνα γεφυρώσουν το διάκενο ενώ το πεδίο της γειωμένης πλάκας ταλαντώνεται μετά την κατάρρευσή του. 29

Σχήμα 3.9: LI(-) PTFE 171.5 kv Σχήμα 3.1: LI(-) PTFE 171.5 kv 3

Κεφάλαιο 4 Πειραματικά αποτελέσματα Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που διεξήχθησαν κατά την εκπόνηση της εργασίας αυτής καθώς επίσης πραγματοποιείται και σχολιασμός των κυριοτέρων παρατηρήσεων. Όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως, η 5% τάση διάσπασης U 5 είναι η τάση που αν επιβληθεί στο διάκενο, αυτό θα διασπαστεί με πιθανότητα τουλάχιστον 5%. Αντίστοιχα με την U 5 ορίζεται η 2.5% τάση διάσπασης U threshold (U th ) καθώς και 97.5% τάση διάσπασης U stability (U st ). Στον πίνακα 4.1 που ακολουθεί παρατίθενται τυπικές τιμές της 5% τάσης διάσπασης U 5 για όλους τους τύπους των διακένων που μελετήθηκαν και για τις τέσσερις διαφορετικές κυματομορφές. Θετική SI Αρνητική SI Θετική LI Αρνητική LI Υλικό U 5 (kv) σ % U 5 (kv) σ % U 5 (kv) σ % U 5 (kv) σ % AIR 79.2 2.22 273.4.63 11.7 6. 215.4 2.8 PTFE 79.8 4.36 21.3 2.76 91.8 3.7 177.5 1.2 SIR 82.1 6.32 21.3 8.6 89.6 4.9 189.7 8.12 NYLON 83.2 3.34 196.7 1.7 9.5 7.4 168.2 1. PORC 83.5 4. 211.2 4.21 77.9 4.9 198.1 4.1 Πίνακας 4.1 : Τυπικές U 5 και αντίστοιχες τυπικές αποκλίσεις για όλους τους τύπους των διακένων Στη συνέχεια ακολουθούν συγκεντρωτικά διαγράμματα για την επίδραση της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού του μονωτήρα στην τάση U 5 και στον χρόνο διάσπασης t b συναρτήσει του είδους και της πολικότητας της επιβαλλόμενης τάσης. Σημειώνεται ότι η U 5 είναι μεγαλύτερη για αρνητική πολικότητα επιβαλλόμενης τάσης και για τις δύο κυματομορφές και για την LI κυματομορφή υπό θετική πολικότητα ενώ αντίστροφα για την SI κυματομορφή υπό θετική πολικότητα. Η αύξηση της ε r οδηγεί σε μείωση της U 5 υπό LI θετικής πολικότητας και υπό SI αρνητικής πολικότητας, ενώ σε σταθερότητα έως τάση αύξησης υπό LI αρνητικής πολικότητας και υπό SI θετικής πολικότητας. Η μείωση της U 5 με την αύξηση της ε r μπορεί να αποδοθεί στις υψηλότερες τιμές πεδίου στην περιοχή της ακίδας ενώ η αύξηση της U 5 με την αύξηση της ε r μπορεί να εξηγηθεί στο γεγονός ότι για τάσεις γύρω από την U 5 η εκκένωση εξελίσσεται μέσω δύο 31

συνιστωσών, μιας κατά μήκος της επιφάνειας του μονωτήρα και μιας στον περιβάλλοντα αέρα. Η διάσπαση επέρχεται πάντα μέσω της δεύτερης υπό την αρνητική επίδραση της πρώτης. Για μεγαλύτερες τιμές τάσης η διάσπαση λαμβάνει χώρα κατά μήκος του μονωτήρα με αποτέλεσμα το υλικό να επιδρά άμεσα στην διαδικασία της διάσπασης και η συμπεριφορά του διακένου να είναι παρόμοια με την θετική LI [7]. Τέλος από τα διαγράμματα (ε)-(η) φάνηκε ότι για τις περιπτώσεις της θετικής LI και αρνητικής SI ο χρόνος διάσπασης μειώνεται με αύξηση του ε r, στην περίπτωση της αρνητικής LI ο χρόνος διάσπασης παραμένει σταθερός και ανεξάρτητος του υλικού του μονωτήρα, ενώ για την περίπτωση της θετικής SI ο χρόνος διάσπασης αυξάνεται με την αύξηση της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού. Σε όλες τις περιπτώσεις οι χρόνοι διάσπασης είναι μικρότεροι για επιβαλλόμενες τάσεις αρνητικής πολικότητας σε σύγκριση με τους χρόνους διάσπασης των αντίστοιχων θετικών κυματομορφών γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στις υψηλότερες τιμές εφαρμοζόμενης τάσης που απαιτούνται στις πρώτες. Ακόμη παρατηρείται σε όλες τις περιπτώσεις, πλην της αρνητικής LI και θετικής SI, ότι ο χρόνος διάσπασης είναι μικρότερος με την παρουσία μονωτήρα και μειώνεται με αύξηση της ε r, στην περίπτωση της αρνητικής LI παραμένει σταθερός ενώ στην περίπτωση της θετικής SI τείνει να αυξάνεται με την αύξηση της ε r. 12 3 LI(-) SI(-) 11 LI(+) SI(+) 25 Voltage, kv 9 8 Voltage, kv 2 15 7 6 1 2 3 4 5 6 7 Relative permittiviy ε r. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Relative permittivity, ε r (α) (β) 32