ΡΕΑΛΙΣΤΙΚΗ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΡΕΑΛΙΣΤΙΚΗ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία : ΤΟΠΑΛΤΖΙΚΗ ΒΑΣΙΛΕΙΑ Επιβλέπων καθηγητής : Π.Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2009

Περιεχόμενα Εισαγωγή διπλωματικής εργασίας 2 1. Κεφάλαιο 1 1.1. Εργαστήριο ΥΤ ΑΠΘ 5 1.1.1 Αποστολή του εργαστηρίου ΥΤ 5 1.1.2 Δυνατότητα παραγωγής ΥΤ 6 1.1.3 Επιπλέον στοιχεία εξοπλισμού και εγκαταστάσεων 7 1.2 Παρουσίαση των στοιχείων του εργαστηρίου 9 2. Κεφάλαιο 2 17 2.1. Επεξήγηση σχεδίασης στο AutoCAD 17 2.2. Ρεαλιστική απεικόνιση με 3DS MAX 27 2.3. Συμπεράσματα 30 3. Κεφάλαιο 3 31 3.1. Μετασχηματιστές δοκιμής και φαινόμενο Ferranti 31 3.2. Παραγωγή και μέτρηση εναλλασσόμενων ΥΤ 38 3.3. Παραγωγή και μέτρηση συνεχών ΥΤ 42 3.4. Παραγωγή και μέτρηση κρουστικών ΥΤ 50 4. Κεφάλαιο 4 55 4.1. Διερεύνηση απόκρισης καταμεριστών τάσης υπό Κρ.Υ.Τ. 56 4.2. Εύρεση κατανομής τάσης κατά μήκος αλυσοειδούς μονωτήρα 60 4.3. Διερεύνηση απίδρασης της πίεσης και μήκους διακένου στην τάση διάσπασης διακένων αέρα 65 4.4. Καθορισμός της τάσης διάσπασηςμονωτικού ελαίου υπό υψηλή τάση βιομηχανικής συχνότητας και αξιολόγηση της διηλεκτρικής αντοχής του 67 4.5 Ανίχνευση μερικών εκκενώσεων στον αέρα και μέτρηση των χαρακτηριστικών παραμέτρων τους 71 5. Βιβλιογραφία 75 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Ρεαλιστική τρισδιάστατη απεικόνιση των εργαστηριακών διατάξεων του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ρεαλιστική τρισδιάστατη απεικόνιση των διαφόρων εργαστηριακών διατάξεων που μελετώνται από τους φοιτητές του Τομέα Ηλεκτρικής Ενέργειας στα πλαίσια των μαθημάτων των Υψηλών Τάσεων 1 και Υψηλών Τάσεων 2 που προσφέρονται από το Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των προγραμμάτων που χρησιμοποιήθηκαν. Η τρισδιάστατη σχεδίαση όλων των διατάξεων έγινε με τη βοήθεια του AutoCAD 2009, που είναι πλέον το πιο διαδεδομένο πρόγραμμα CAD (computer aided design) σε παγκόσμιο επίπεδο και δίνει τη δυνατότητα επεξεργασίας και διαμόρφωσης τεχνικών σχεδίων με απόλυτη ακρίβεια. Χρησιμοποιείται ιδιαίτερα για αρχιτεκτονική, μηχανολογική και ηλεκτρολογική σχεδίαση και λειτουργεί τελείως αυτόνομα. Το AutoCAD είναι πολύ συχνά η βάση της εκμάθησης ολοκληρωμένης σχεδίασης με υπολογιστή πριν προχωρήσει κάποιος σε άλλα πιο εξειδικευμένα σχεδιαστικά προγράμματα. Οι πρώτες εκδόσεις του AutoCAD περιείχαν τα βασικά στοιχεία γεωμετρίας όπως γραμμές, κύκλοι, τόξα και κείμενο ως βάση για πιο σύνθετα αντικείμενα. Από τα μέσα της δεκαετίας του 90, το AutoCAD με βάση τη C++ άρχισε να γίνεται όλο και πιο σύγχρονο. Πλέον περιλαμβάνει ένα πλήρες σύνολο σχεδιαστικών εντολών και εργαλείων τόσο για 2D όσο και για 3D σχεδίαση δίνοντας τη δυνατότητα στο σχεδιαστή ενός απόλυτα ποιοτικού αποτελέσματος. Προς το παρόν το AutoCAD τρέχει αποκλειστικά στα λειτουργικά συστήματα της Microsoft. Παλιότερα κυκλοφόρησαν κάποιες εκδόσεις για Unix και Mac αλλά δεν ανανεώθηκαν με αποτέλεσμα να μην έχουν πλέον καμία χρησιμότητα. Για τον φωτορεαλισμό των σχεδίων χρησιμοποιήθηκε το 3D Studio MAX, ένα πρόγραμμα που αναπτύχθηκε από την Autodesk για μοντελοποίηση, δημιουργία κινούμενων εικόνων (animation) και φωτοαπόδοση (rendering). Έχει ισχυρές ικανότητες μοντελοποίησης γεγονός που το κατατάσσει στα περισσότερο δημοφιλή του είδους του. Χρησιμοποιείται κατά κόρον από σχεδιαστές video games, τηλεοπτικών διαφημίσεων και κινηματογραφικών εφέ. Βασικός στόχος της εργασίας αυτής είναι να αποτελέσει βοήθημα για τους φοιτητές αλλά και για όποιον επιθυμεί να μελετήσει τις διατάξεις του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του ΑΠΘ. Η διπλωματική εργασία αποτελείται από τέσσερα κεφάλαια με τα εξής περιεχόμενα : 1 Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του εργαστηρίου και παρουσιάζονται τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν σε όλες τις διατάξεις. 2

2 Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ενδεικτικά η διαδικασία σχεδίασης ενός στοιχείου (διάκενο KF) και φωτοαπόδοσής του από τα δύο παραπάνω προγράμματα. 3 Στο τρίτο κεφάλαιο υπάρχουν οι διατάξεις που μελετώνται στα πλαίσια του μαθήματος Υψηλές Τάσεις 1. 4 Στο τέταρτο κεφάλαιο υπάρχουν οι διατάξεις που μελετώνται στα πλαίσια του μαθήματος Υψηλές Τάσεις 2. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον Επίκουρο Καθηγητή κ. Π. Ν. Μικρόπουλο για την βοήθεια, την υπομονή και τη στήριξή του κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής αυτής εργασίας. 3

4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1. Εργαστήριο υψηλών τάσεων ΑΠΘ Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ιδρύθηκε το 1984 από τον Καθηγητή Κ. Α. Στασινόπουλο και θεσμοθετήθηκε το 2001 με το Προεδρικό Διάταγμα υπ. αριθ. 80/ΦΕΚ Α 66/2001. Επί του παρόντος, στο προσωπικό του εργαστηρίου ανήκουν ένα μέλος ΔΕΠ, ένα μέλος ΕΕΔΙΠ καθώς και πέντε υποψήφιοι διδάκτορες. Το εργαστήριο υψηλών τάσεων εξυπηρετεί εκπαιδευτικές και ερευνητικές ανάγκες στο γνωστικό αντικείμενο της παραγωγής υψηλών τάσεων και ισχυρών ρευμάτων, των μετρήσεων σε υψηλές τάσεις, ισχυρά ρεύματα, των διηλεκτρικών μετρήσεων, της συμπεριφοράς αερίων, υγρών, στερεών διηλεκτρικών καθώς και υψηλού κενού και της αντικεραυνικής προστασίας. 1.1.1. Αποστολή του εργαστηρίου υψηλών τάσεων Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του ΑΠΘ έχει ως αποστολή: Την κάλυψη σε προπτυχιακό και μεταπτυχιακό επίπεδο των διδακτικών και ερευνητικών αναγκών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών καθώς και άλλων τμημάτων του ΑΠΘ σε θέματα που εμπίπτουν στα αντικείμενα δραστηριότητάς του. Στο πλαίσιο του ενεργειακού κύκλου σπουδών του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος προσφέρονται τέσσερα μαθήματα υψηλών τάσεων, τα δύο υποστηρίζονται με εργαστηριακές ασκήσεις, και εκπονούνται διπλωματικές εργασίες ενώ στο πλαίσιο του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος προσφέρονται τρία μαθήματα και εκπονούνται διδακτορικές διατριβές. Τη συνεργασία κάθε μορφής με κέντρα ερευνών και ακαδημαϊκά ιδρύματα με κοινούς επιστημονικούς στόχους. Τη διοργάνωση επιστημονικών εκδηλώσεων, την πραγματοποίηση δημοσιεύσεων και εκδόσεων και την πρόσκληση αναγνωρισμένων επιστημόνων. Το 38ο Διεθνές Συνέδριο Μηχανικών Ισχύος (38th UPEC 1 ) έλαβε χώρα στο ΑΠΘ, μεταξύ 1-3 Σεπτεμβρίου 2003, υπό τη διοργάνωση του εργαστηρίου υψηλών τάσεων. Την παροχή υπηρεσιών σε ιδιώτες και σε κάθε νομικής μορφής οργανισμούς. Οι προσφερόμενες υπηρεσίες περιλαμβάνουν εκτός των άλλων, τη διεξαγωγή ελέγχων και δοκιμών διηλεκτρικής αντοχής ηλεκτρολογικού εξοπλισμού διανομής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, εξειδικευμένες μελέτες αντικεραυνικής προστασίας καθώς και υπολογισμού και συντονισμού των μονώσεων. 1 http://www.eng.auth.gr/upec03/ 5

1.1.2. Δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων Η δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων ενός εργαστηρίου εξαρτάται από το διαθέσιμο εξοπλισμό περιορίζεται ωστόσο από τις διαστάσεις του ίδιου του εργαστηρίου. Το εργαστήριο υψηλών τάσεων του ΑΠΘ περιλαμβάνει δύο χώρους δοκιμών υψηλών τάσεων, αντίστοιχους χώρους ελέγχου και μετρήσεων, βοηθητικό εργαστήριο καθώς και χώρους γραφείων και αποθήκης (σχ. 1.1). Ο κύριος χώρος δοκιμών υψηλών τάσεων περικλείεται πλήρως μέσω γειωμένου μεταλλικού πλέγματος σε όλες τις διαστάσεις του. Οι διαστάσεις του μεταλλικού αυτού κλωβού είναι: ύψος 6.5 m, μήκος Σχήμα 1.1: Κάτοψη Εργαστήριου Υψηλών Τάσεων ΑΠΘ. 12 m και πλάτος 7 m. Από τις διαστάσεις αυτές το ύψος των 6.5 m, που είναι και η μικρότερη διάσταση του γειωμένου κλωβού, καθορίζει και τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων του εργαστηρίου. Ειδικότερα, η ελάχιστη απόσταση ασφαλείας των 3.25 m περιορίζει τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων σε τιμές ανάλογα με το είδος των τάσεων ως εξής: ~650 kv(rms) εναλλασσόμενη υψηλή τάση, ~900 kv συνεχή υψηλή τάση, ~1 MV εσωτερική κρουστική υψηλή τάση και ~1.4 ΜV εξωτερική κρουστική υψηλή τάση. Ο δεύτερος χώρος δοκιμών υψηλών τάσεων έχει διαστάσεις: ύψος 2.75m, μήκος 4.15m και πλάτος 3.6m. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, η ελάχιστη απόσταση ασφαλείας των 1.375m όπως προκύπτει από το ύψος του χώρου περιορίζει τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων στο χώρο αυτό ανάλογα με το είδος τους ως εξής: ~275 kv(rms) εναλλασσόμενη υψηλή τάση, ~400 kv συνεχή υψηλή τάση, ~460 kv εσωτερική κρουστική υψηλή τάση και ~650 kv εξωτερική κρουστική υψηλή τάση. Στον κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου είναι εγκατεστημένη μία 10-βάθμια γεννήτρια κρουστικών υψηλών τάσεων 1 MV, 7 kj του οίκου Ferranti. Ακόμη υπάρχει ένα σύστημα κατασκευών με εναλλάξιμα στοιχεία υψηλής τάσης του οίκου Messwandler-Bau (MWB), ο οποίος εξαγοράστηκε από τον οίκο Haefely 2, που παρέχει τη δυνατότητα παραγωγής υψηλών τάσεων ανάλογα με το είδος τους σε ονομαστικές τιμές: 300 kv(rms) εναλλασσόμενη υψηλή τάση, 420 kv συνεχή υψηλή τάση, 560 kv κρουστική υψηλή τάση. Ο έλεγχος των κυκλωμάτων παραγωγής υψηλών τάσεων γίνεται μέσω δύο τραπεζών ελέγχου, εγκατεστημένων δίπλα στις θύρες εισόδου του κυρίως χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων, που φέρουν επιπλέον όργανα μέτρησης των υψηλών τάσεων. Η μία τράπεζα ελέγχου βρίσκεται εντός θαλάμου θωράκισης, κλωβού Faraday, ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα μετρήσεων 2 http://www.haefely.com/ 6

απαλλαγμένων από ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Στο δεύτερο χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων λειτουργούν δύο ηλεκτρονικές γεννήτριες συνεχούς υψηλής τάσης του οίκου Glassman 3, με ονομαστικά στοιχεία 125kV/4kW και 30kV/120W αντίστοιχα, σταθεροποιημένης τάσης εξόδου με ακρίβεια 0.05%. 1.1.3. Επιπλέον στοιχεία εξοπλισμού και εγκαταστάσεων του εργαστηρίου Τα συστήματα γείωσης ενός εργαστηρίου υψηλών τάσεων πρέπει να εξασφαλίζουν πρωτίστως την ασφάλεια του προσωπικού και δευτερευόντως την ασφαλή λειτουργία του εξοπλισμού. Στα συστήματα γείωσης του εργαστηρίου υψηλών τάσεων του ΑΠΘ ανήκουν: Η θεμελιακή γείωση του κτιρίου του εργαστηρίου. Η ανεξάρτητη γείωση στον κυρίως χώρο δοκιμών υψηλών τάσεων, πρόκειται για ράβδο γείωσης στην οποία συνδέονται άμεσα με χάλκινη ταινία γείωσης οι διατάξεις παραγωγής και μέτρησης υψηλών τάσεων. Ο αυτόματος γειωτής ορατών επαφών της 10-βάθμιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων, ο οποίος γειώνει αυτόματα τη γεννήτρια μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας της. Ο αυτόματος γειωτής ορατών επαφών τύπου ES του οίκου MWB, ο οποίος αποτελεί στοιχείο κυκλωμάτων και γειώνει αυτόματα τις διατάξεις παραγωγής υψηλής τάσης μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας τους. Η κινητή γείωση προστασίας, μονωτική ράβδος μήκους 2 m στην άκρη της οποίας υπάρχει αγώγιμη απόληξη αξιόπιστα συνδεδεμένη μέσω αντίστασης με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου. Η κινητή γείωση προστασίας φέρει επιπρόσθετα αγώγιμο άγκιστρο, αξιόπιστα συνδεδεμένο με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου, μέσω του οποίου μπορεί να αναρτάται και να παραμένει επί των στοιχείων εξοπλισμού υψηλής τάσης όταν αυτό απαιτείται. Τα μεταλλικά φύλλα στρώσης του δαπέδου του κυρίως χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων, πρόκειται για φύλλα αλουμινίου διαστάσεων 2 x 1 m και πάχους 2 mm τα οποία είναι συνδεδεμένα αξιόπιστα μεταξύ τους και με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου και αποσκοπούν στον περιορισμό της ανάπτυξης διαφοράς δυναμικού μεταξύ διαφορετικών σημείων γείωσης εξοπλισμού ή κυκλωμάτων υψηλής τάσης και στον περιορισμό της βηματικής τάσης. Οι μανδύες γείωσης και θωράκισης που χρησιμοποιούνται επιπρόσθετα στα ομοαξονικά καλώδια που χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις. Πέραν του βασικού εξοπλισμού παραγωγής υψηλών τάσεων, στο εργαστήριο υπάρχουν πολλά όργανα και συσκευές κατάλληλα για διάφορες μετρήσεις και πειράματα καθώς και βοηθητικός εξοπλισμός συντήρησης: Ζεύγη σφαιρικών διακένων διαμέτρου 1, 2, 5, 10, 25, 50 και 75 cm και βάσεις στήριξης του οίκου Haefely. Συσκευή ανίχνευσης μερικών εκκενώσεων 1 μc, Type 9132 της Tettex Instruments που συνδυάζεται με πρότυπο πυκνωτή 1 nf/ 25 kv(rms) ή 1nF/ 100 kv(rms). Θάλαμος κενού/πίεσης 0-6 bar, 100 kv(rms) τύπου DKU του οίκου MWB. Πρότυπος πυκνωτής SF 6 (3.5 bar), 37 pf, 100 kv(rms), συντελεστή απωλειών 2x10-5 3 http://www.glassmanhv.com/ 7

τύπου CP 100 του οίκου MWB. Χωρητικός καταμεριστής τάσης τύπου CS 500-500 (500 kv, 500 pf) του οίκου Haefely. Μετασχηματιστής έντασης Pearson Electronics 4, 1V/A, χρόνου απόκρισης 2ns, 200ΜHz Τρεις ψηφιακοί παλμογράφοι με δυνατότητα επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη λήψη και αποθήκευση παλμογραφημάτων. Ενδεικτικά αναφέρεται ο ψηφιακός παλμογράφος του οίκου Lecroy 5 (WR44Xi), 400 MHz εύρος ζώνης, 825 ps χρόνος απόκρισης, 5GS/s ρυθμός δειγματοληψίας σε κάθε κανάλι και 5 Mpts/Ch ψηφιακή μνήμη. Τέσσερις φωτοπολλαπλασιαστές Thorn EMI 9781R 6 με δυνατότητα σύνδεσης με παλμογράφο για την ανίχνευση και καταγραφή αμυδρών φωτεινών φαινομένων. Συσκευή ελέγχου ηλεκτρικών εγκαταστάσεων τύπου 1653 της FLUKE 7. Ψηφιακή γέφυρα μέτρησης τύπου HM8018 της HAMEG 8. Αφυγραντήρας QD180. Δίκτυο ηλεκτρονικών υπολογιστών και εκτυπωτών. http://www.hameg.com/20.0.html Κυλιομένη γερανογέφυρα 10 t επί της οροφής του εργαστηρίου. Επιπρόσθετα στον εξοπλισμό του εργαστηρίου υψηλών τάσεων συμπεριλαμβάνονται και τα λογισμικά πακέτα: ATP-EMTP 9 (Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients Program), λογισμικό ανοιχτού κώδικα που χρησιμοποιείται σε μελέτες συντονισμού μονώσεων και βραχυκυκλωμάτων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και γενικότερα για την προσομοίωση μεταβατικών καταστάσεων. COMSOL Multiphysics 10, εμπορικό λογισμικό πακέτο μοντελοποίησης, ανάλυσης και λύσης, μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, πολύπλοκων ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων που σχετίζονται με τις εφαρμογές της επιστήμης του μηχανικού. Minitab 15 11, εμπορικό λογισμικό πακέτο στατιστικής ανάλυσης δεδομένων. 4 http://www.pearsonelectronics.com/ 5 http://www.lecroy.com/ 6 http://www.electrontubes.com/ 7 http://www.fluke.com/ 8 http://www.hameg.com/ 9 http://www.emtp.org/ 10 http://www.comsol.com/ 11 http://www.minitab.com/ 8

1.2 Παρουσίαση των στοιχείων του εργαστηρίου Ακολουθεί η φωτορεαλιστική 3D απόδοση όλων των στοιχείων του εργαστηρίου, αφού μετρήθηκαν με ακρίβεια όλες οι διαστάσεις τους με παχύμετρο. Ανορθωτής υψηλής τάσης πυριτίου τύπου GS Τεχνικά Χαρακτηριστικά : Ανάστροφη τάση 140kV Ονομαστικό ρεύμα 20mA Βάρος 9.1 kg Εφαρμογές : Ανορθωτής κατά την παραγωγή συνεχούς υψηλής τάσης και κρουστικών υψηλών τάσεων. Συνδυάζει κατασκευαστικά αντίσταση προστασίας 100 kω. Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM δδτεχνικά Χαρακτηριστικά : δδac τάση 100kV δδχωρητικότητα 100pF δδβάρος 10 kg δδεφαρμογές : δδστοιχείο υψηλής χωρητικού καταμεριστή τάσης για τη μέτρηση του δδμέγιστου εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων. 9

Πυκνωτής φορτίου τύπου CΒ Τεχνικά Χαρακτηριστικά : DC και κρουστικές τάσεις 140kV Χωρητικότητα 1200pF Βάρος 9,5 kg Εφαρμογές : Πυκνωτής φορτίου κατά την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων και στοιχείο υψηλής χωρητικού καταμεριστή τάσης για τη μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων. Πυκνωτής φορτίου τύπου CS Τεχνικά Χαρακτηριστικά : DC και κρουστικές τάσεις 140kV Χωρητικότητα 25000pF Βάρος 10 kg Εφαρμογές : Κρουστικός πυκνωτής φορτίου κατά την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων. Χρησιμοποιείται και ως πυκνωτής εξομάλυνσης κατά την παραγωγή συνεχούς υψηλής τάσης. 10

Αντιστάσεις μετώπου τύπου RD Τεχνικά Χαρακτηριστικά : Κρουστικές τάσεις 140kV Αντίσταση 132Ω, 260Ω, 2400Ω, 14kΩ, 43kΩ Ονομαστική Ισχύς 60W Βάρος 4,5 kg Εφαρμογές : Αντίσταση μετώπου κατά την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων. Η αντίσταση αυτή, σε συνδυασμό με τον πυκνωτή φορτίου, καθορίζει τη μμμμμδιάρκεια μετώπου της παραγόμενης κρουστικής νν νν υψηλής τάσης. Αντιστάσεις ουράς τύπου RΕ Τεχνικά Χαρακτηριστικά : Κρουστικές τάσεις 140kV Αντίσταση 2400Ω, 98kΩ, 282kΩ Ονομαστική Ισχύς 60W Βάρος 4,0 kg Εφαρμογές : Αντίσταση ουράς κατά την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων. Η αντίσταση αυτή, σε συνδυασμό με τον κρουστικό πυκνωτή, καθορίζει τη διάρκεια ημίσεως εύρους της κρουστικής υψηλής τάσης. 11

Αντίσταση μέτρησης τύπου RΜ Τεχνικά Χαρακτηριστικά : DC και κρουστικές τάσεις Αντίσταση Ονομαστικό Ρεύμα Βάρος 140kV 280ΜΩ 0,5mA 4,0 kg Εφαρμογές : Αντίσταση μέτρησης συνεχούς υψηλής τάσης. Αντίσταση φόρτισης τύπου RL Τεχνικά Χαρακτηριστικά : DC και κρουστικές τάσεις Αντίσταση Ονομαστική Ισχύς Βάρος 140kV 10ΜΩ 60W 4,5 kg Εφαρμογές : Αντίσταση φόρτισης κατά την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων. Χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος κατά την παραγωγή συνεχούς ΥΤ. 12

Αγωγοί και μονωτήρες Τεχνικά Χαρακτηριστικά : Υλικό αγωγών Αλουμίνιο Βάρος 1kg Εφαρμογές : Οι αγωγοί τύπου D χρησιμοποιούνται ως μηχανικοί και αγώγιμοι σύνδεσμοι στο επίπεδο του δαπέδου σε συνδυασμό με τις βάσεις στήριξης τύπου F(s). Οι αγωγοί τύπου V χρησιμοποιούνται ως αγώγιμοι σύνδεσμοι σε συνδυασμό με τους συνδέσμους τύπου Κ. Σύνδεσμοι Κ και βάσεις F(s) Τεχνικά Χαρακτηριστικά : Υλικό αγωγών Χυτό Αλουμίνιο Βάρος 2,0kg αντίστοιχα. Εφαρμογές : Στους συνδέσμους τύπου Κ μπορούν να συνδεθούν ταυτόχρονα τέσσερα και δύο στοιχεία σε οριζόντια και κάθετη διάταξη Στις βάσεις στήριξης τύπου F(s) μπορούν να συνδεθούν ταυτόχρονα τέσσερεις αγωγοί τύπου D σε οριζόντια διάταξη και ένα στοιχείο σε κάθετη διάταξη. 13

Αυτόματος γειωτής τύπου ES και ηλεκτρόδιο τύπου EL Τεχνικά Χαρακτηριστικά Γειωτή : DC και κρουστικές τάσεις 140kV Τάση λειτουργίας 24V, 50Hz Βάρος 6,5kg Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ηλεκτροδίου : Διάμετρος 300mm Βάρος 2,0kg Εφαρμογές : O αυτόματος γειωτής ορατών επαφών τύπου ΕS αποτελεί στοιχείο κυκλωμάτων και γειώνει αυτόματα τις διατάξεις παραγωγής ΥΤ μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας τους. Συνδέεται με την τράπεζα ελέγχου SRP 0,5/5E μέσω καλωδίου 6x1mm 2, μήκους 5m. Το ηλεκτρόδιο τύπου EL συνδυάζεται με τον αυτόματο γειωτή. Ακόμη χρησιμοποιείται ως τερματικό ηλεκτρόδιο επί στοιχείων υψηλής όπου απαιτείται εξομάλυνση του πεδίου για τον περιορισμό των εκκενώσεων κορώνα. Σφαιρικό διάκενο KF Τεχνικά Χαρακτηριστικά : Κρουστικές τάσεις 140kV Διάμετρος σφαιρών 100mm Μέγιστη απόσταση ηλεκτροδίων 80mm Βάρος 6,0kg Εφαρμογές : Τα σφαιρικά διάκενα τύπου KF χρησιμοποιούνται κυρίως κατά την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων. Μπορούν να φέρουν βοηθητικό ηλεκτρόδιο για την ελεγχόμενη έναυσή τους. Η απόσταση μεταξύ των σφαιρών ελέγχεται μέσω του κινητήρα ελέγχου AKF. 14

Σφαιρικό διάκενο μέτρησης MF Τεχνικά Χαρακτηριστικά : AC τάση DC και κρουστικές τάσεις Τάση λειτουργίας κινητήρα ελέγχου Βάρος 100kV 140kV 220V, 50Hz 14,5kg Εφαρμογές : Χρησιμοποιείται κυρίως ως διάταξη μέτρησης ΥΤ συνδυάζοντας σφαίρες διαμέτρου 100/50/20mm. Μπορεί να φέρει ηλεκτρόδια τύπου ράβδου ή Rogowski. Η αύξηση ή μείωση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων γίνεται μέσω κινητήρα ή χειροκίνητα. Χωρητικός καταμεριστής τάσης τύπου CS 500-500 του οίκου Haefely 15

Αλυσίδα τεσσάρων δισκοειδών μονωτήρων 150 kv κανονικού τύπου Θάλαμος κενού/πίεσης τύπου DKU, 0-5 bar, 140kV (με διάκενα στο εσωτερικό) (με δοχείο ελαίου) Δοχείο πιέσεως τύπου DKU, 1mbar_5bar, 140kV 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Για τη σχεδίαση στο AutoCAD έγινε χρήση μιας μεγάλης γκάμας εντολών που δίνουν τη δυνατότητα δημιουργίας εξαιρετικά λεπτομερών σχεδίων. Θα γίνει επεξήγηση της διαδικασίας της σχεδίασης ενός στοιχείου του εργαστηρίου, για παράδειγμα του σφαιρικού διακένου ΚF. Το τελικό σχέδιο έχει ως εξής: 2.1 Επεξήγηση σχεδίασης στο AutoCAD Αρχικά σχεδιάζουμε το κυρίως σώμα του αντικειμένου που είναι ένας κύλινδρος με τις αντίστοιχες διαστάσεις που μετρήθηκαν με το παχύμετρο στο εργαστήριο : 17

Έπειτα γίνεται εισαγωγή από τη βιβλιοθήκη (που έχει δημιουργηθεί προηγουμένως και χρησιμοποιείται στα περισσότερα στοιχεία του εργαστηρίου) του καπέλου των στοιχείων : και το τοποθετούμε στη σωστή θέση στο τρισδιάστατο επίπεδο x-y-z με την εντολή move εκμεταλλευόμενοι πάντα τη δυνατότητα μαγνητισμού των αντικειμένων που μας δίνει το Autocad : 18

Έπειτα με την εντολή mirror γίνεται κατοπτρισμός του καπέλου αυτού ώστε να τοποθετηθεί και στην κάτω βάση του κυλίνδρου : 19

Το επόμενο βήμα είναι να μετατρέψουμε τον κύλινδρο από συμπαγές στερεό σε στερεό με κενό εσωτερικό, αφήνοντας όμως το κατάλληλο πάχος. Γι αυτό το λόγο δημιουργούμε έναν ομόκεντρο κύλινδρο στο εσωτερικό του κυρίως κυλίνδρου με τις κατάλληλες διαστάσεις : 20

και με την εντολή subtract τον αφαιρούμε από τον αρχικό κύλινδρο : Κατόπιν δημιουργούμε ένα νέο σώμα που αποτελείται από έναν κύλινδρο και δύο σφαίρες καταλλήλων διαστάσεων. Ενώνονται σε ένα συμπαγές σώμα με την εντολή union : 21

το τοποθετούμε στην σωστή θέση, χρησιμοποιούμε και πάλι την εντολή mirror και αφαιρούμε τα δύο σώματα από τον κυρίως κύλινδρο : 22

οπότε το σώμα έχει γίνει πλέον διάτρητο όπως φαίνεται και στην κατάλληλη όψη σε realistic visual style : 23

Με την ίδια διαδικασία κάνουμε όλες τις οπές που υπάρχουν στο διάκενο καθώς και με την εντολή chamfer δημιουργούμε την «κλίση» που έχει στις ακμές του ο κύλινδρος και έχουμε το εξής αποτέλεσμα : Έπειτα δίνουμε το κατάλληλο χρώμα και δημιουργούμε τις σφαίρες που θα τοποθετηθούν στο εσωτερικό του διακένου : 24

Έπειτα τοποθετούνται με την εντολή move στη σωστή θέση : 25

Κάθε τμήμα του αντικειμένου έχει και κάποιο υλικό στην πραγματικότητα. Για το λόγο αυτό τοποθετούμε όλα τα τμήματα σε κατάλληλα layers για να έχουμε δυνατότητα εισαγωγής των υλικών στα όμοια αντικείμενα (που θα ανήκουν προφανώς και στα ίδια layers) : και έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του διακένου. 26

2.2 Ρεαλιστική απεικόνιση με 3DS MAX Απομένει να δώσουμε στο αντικείμενο μια πιο ρεαλιστική απεικόνιση. Αυτό θα γίνει με τη βοήθεια του προγράμματος 3ds max. Κάνουμε import το αντικείμενο από το AutoCAD ως εξής : Το επόμενο βήμα είναι να δημιουργήσουμε τα επιθυμητά υλικά. Ανοίγουμε το material editor και επεξεργαζόμαστε τις διάφορες παραμέτρους, όπως γυαλάδα, διαφάνεια, ημιδιαύγεια, δείκτης διάθλασης και φωτεινότητα : 27

Αφού τα δημιουργήσουμε, τοποθετούμε το καθένα στο αντίστοιχο τμήμα του αντικειμένου και έχουμε το εξής αποτέλεσμα : orbit, Έπειτα, αφού διαλέξουμε την επιθυμητή όψη με τη βοήθεια της εντολής 28

προχωρούμε στο rendering του αντικειμένου με την εκτέλεση της αντίστοιχης εντολής : Το τελικό αποτέλεσμα είναι το εξής : 29

και έτσι καταλήγουμε στο ζητούμενο : 2.3 Συμπεράσματα : Μέσα από την τριβή με την διπλωματική αυτή εργασία έμαθα να χειρίζομαι το AutoCAD καθώς και να εκμεταλλεύομαι την πλειοψηφία των δυνατοτήτων που δίνει για να κάνει τη δουλειά του σχεδιαστή ακόμα πιο εύκολη. Είναι ένα πρόγραμμα περίπλοκο για κάποιον αρχάριο, που απαιτεί πολύ καλή αντίληψη του τρισδιάστατου χώρου καθώς και αρκετή δημιουργικότητα και φαντασία κατά τη σχεδίαση. Το φωτορεαλιστικό αποτέλεσμα του AutoCAD όμως υστερεί πολύ σε σχέση με το αποτέλεσμα άλλων σχεδιαστικών προγραμμάτων. Για το λόγο αυτό μπήκα στη διαδικασία να μάθω κάποια βασικά πράγματα (που να καλύπτουν πλήρως τις ανάγκες μου για την παρούσα εργασία) για το 3DS MAX αφού μίλησα με γνώστες του αντικειμένου. Αυτό ήταν και ένα πιο «διασκεδαστικό» κομμάτι της εργασίας και το αποτέλεσμα ήταν πολύ ικανοποιητικό για τις απαιτήσεις μου. Ακολουθούν οι πειραματικές διατάξεις που εύχομαι να βοηθήσουν τους φοιτητές του τμήματος στην βαθύτερη κατανόηση του αντικειμένου. 30

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των εργαστηριακών διατάξεων του μαθήματος ΥΤ 1. Οι εργαστηριακές ασκήσεις έχουν τα εξής αντικείμενα μελέτης: Υψηλές Τάσεις 1 : Μετασχηματιστές δοκιμής και φαινόμενο Ferranti, στην οποία χρησιμοποιούνται 3 διατάξεις για τον έλεγχο της λειτουργίας ενός ΜΣ δοκιμής, συστοιχίας δύο ΜΣ και συστοιχίας 3 ΜΣ. Παραγωγή και μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων, στην οποία μελετάται η διάταξη για τη μέτρηση ac υψηλών τάσεων με διάφορες μεθόδους. Παραγωγή και μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων, όπου χρησιμοποιούνται τέσσερις διατάξεις, οι οποίες είναι η διάταξη απλής ανόρθωσης, η διάταξη Villard, η διάταξη Greinacher και τέλος η διβάθμια διάταξη Cockroft Walton. Παραγωγή και μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων, στην οποία χρησιμοποιείται διάταξη μονοβάθμιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων. Αναλυτικά, λοιπόν, οι ασκήσεις έχουν ως εξής : 31

1.ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΔΟΚΙΜΗΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ FERRANTI 1.2. Σκοπός της άσκησης Έλεγχος της λειτουργίας των μετασχηματιστών δοκιμής υπό χωρητική φόρτιση. Συνδεσμολογία μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες. 1.3. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου τύπου SRP 0.5/5E. V/m μεγίστου τύπου SM76. Τρεις Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 5kVA, 4% Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM 100pF, 100kV (rms). Πυκνωτής φορτίου τύπου CB 1200pF, 140kV. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140kV τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσμοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 1.4. Διεξαγωγή της άσκησης 1. Μετασχηματιστής δοκιμής, τυλίγματα και δυνατότητες συνδεσμολογίας τους, σύνδεση των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος «εν παραλλήλω», έλεγχος και μέθοδοι μέτρησης της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής. Σχήμα 3.2α: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ελέγχου της λειτουργίας ενός μετασχηματιστή δοκιμής. 32

Τρισδιάστατη απεικόνιση κυκλώματος ελέγχου της λειτουργίας ενός μετασχηματιστή δοκιμής. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 3.2α και έλεγχος της λειτουργίας της. Για τάση εισόδου (πρωτεύοντος) σταθερή και ίση με 30 V μέτρηση της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής υπό χωρητική φόρτιση: α) 100 pf (Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM). β) 1300 pf (Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών μέτρησης τύπου CM και φορτίου τύπου CB). 2. Σύνδεση δύο μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες, σύνδεση των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος κάθε μετασχηματιστή δοκιμής «εν παραλλήλω», 33

Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 3.2β και έλεγχος της λειτουργίας της συστοιχίας των μετασχηματιστών δοκιμής. Για τάση εισόδου σταθερή και ίση με 15 V μέτρηση της τάσης εξόδου της συστοιχίας υπό χωρητική φόρτιση: α) 100 pf (Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM). β) 1300 pf (Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών μέτρησης τύπου CM και φορτίου τύπου CB). Σχήμα 3.2β: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ελέγχου της λειτουργίας συστοιχίας δύο μετασχηματιστών δοκιμής. Τρισδιάστατη απεικόνιση κυκλώματος ελέγχου της λειτουργίας συστοιχίας δύο μετασχηματιστών δοκιμής. 34

3. Σύνδεση τριών μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες, σύνδεση των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος κάθε μετασχηματιστή δοκιμής «εν παραλλήλω», συνδεσμολογίες τυλιγμάτων μεταξύ μετασχηματιστών, έλεγχος και μέθοδοι μέτρησης της τάσης εξόδου της συστοιχίας των τριών μετασχηματιστών δοκιμής. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 3.2γ και έλεγχος της λειτουργίας της συστοιχίας των μετασχηματιστών δοκιμής. Για τάση εισόδου σταθερή και ίση με 10 V μέτρηση της τά σης εξόδου της συστοιχίας υπό χωρητική φόρτιση: α) 100 pf (Πυκνωτής μέτρησης τύπου CM). Σχήμα 3.2γ: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ελέγχου της λειτουργίας συστοιχίας τριών μετασχηματιστών δοκιμής. β) 1300 pf (Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών μέτρησης τύπου CM και φορτίου τύπου CB). Τρισδιάστατη απεικόνιση κυκλώματος ελέγχου της λειτουργίας συστοιχίας τριών μετασχηματιστών δοκιμής. 35

Για τα παραπάνω βήματα διεξαγωγής της άσκησης να συμπληρωθεί ο παρακάτω Πίνακας μετρήσεων: Πίνακας 1: Αποτελέσματα μετρήσεων της τάσης εξόδου διατάξεων Μ/Σ δοκιμής Αριθμός Τάση βαθμίδων Μ/Σ εισόδο δοκιμής υ (V) 1 30 2 15 3 10 Τάση Εξόδου (kv) Φόρτιση 100 pf 1300 pf 1.5. Ερωτήσεις 1. Για κάθε βήμα διεξαγωγής της άσκησης να υπολογιστούν θεωρητικά: 1.1. Η τάση εξόδου της πειραματικής διάταξης λαμβάνοντας υπόψη την τάση εισόδου και το λόγο μετασχηματισμού, ήτοι η ανηγμένη τάση του πρωτεύοντος στο δευτερεύον, U 1. 1.2. Η τάση εξόδου της πειραματικής διάταξης, U 2F, λαμβάνοντας υπόψη την τάση εισόδου, το λόγο μετασχηματισμού και την επίδραση του φαινομένου Ferranti, θεωρώντας την τάση βραχυκύκλωσης, u, κατά περίπτωση όπως παρακάτω: μετασχηματιστής δοκιμής, u = 4 % συστοιχία δύο μετασχηματιστών δοκιμής κατά βαθμίδες, u = 7 % συστοιχία τριών μετασχηματιστών δοκιμή κατά βαθμίδες ς, u = 11 % 1.3. Η ανύψωση της τάσης εξόδου της διάταξης, ε(%), λόγω του φαινομένου Ferranti ως ποσοστό της ανηγμένης τάσης του πρωτεύοντος στο δευτερεύον. Να συγκεντρωθούν οι υπολογισμοί στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 2: Θεωρητικοί υπολογισμοί της τάσης εξόδου διατάξεων μετασχηματιστών δοκιμής Αριθμός βαθμίδων Μ/Σ δοκιμής Τάση Εισόδου (V) Τάσεις Εξόδου U 1 (kv) U 2F (kv) ε(%) 1 30 2 15 3 10 2. Με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων, να υπολογιστεί η ανύψωση της τάσης εξόδου της διάταξης κατά περίπτωση, ε(%), λόγω του φαινομένου Ferranti ως ποσοστό της μετρηθείσας τάσης εξόδου του ενός μετασχηματιστή δοκιμής υπό χωρητική φόρτιση 100 pf. Να συγκεντρωθούν οι υπολογισμοί στον παρακάτω Πίνακα: 36

Πίνακας 3: Ανύψωση της τάσης εξόδου διατάξεων μετασχηματιστών δοκιμής Αριθμός βαθμίδων Μ/Σ δοκιμής Τάση ε(%) Εισόδο Φόρτιση υ (V) 100 pf 1300 pf 1 30 0 2 15 3 10 3. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων και των θεωρητικών υπολογισμών. 37

2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 2.1. Σκοπός της άσκησης Παραγωγή και μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων 2.2. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου M.W.B., τύπου SRP 0.5/5E V/m μεγίστου τύπου SM76 Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 50mA, 5kVA, 4% Δύο πυκνωτές μέτρησης τύπου CM 100 pf, 100 kv (rms). Χωρητικός καταμεριστής τάσης τύπου CS 500-500 του οίκου Haefely. Αντίσταση μέτρησης τύπου RM 280 ΜΩ, 140 kv. Αντίσταση τύπου RE 282 kω, 60W, 140kV. Σφαιρικό διάκενο τύπου ΜF. Αντίσταση χαμηλής τάσης 10 kω. Αμπερόμετρο. Ψηφιακός παλμογράφος. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140kV τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσμοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 2.3. Διεξαγωγή της άσκησης 1. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 4.12 και έλεγχος της λειτουργίας της. Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής να περιοριστεί στα 50 kv μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας των τυλιγμάτων πρωτεύοντος. 2. Χρησιμοποιώντας τέσσερεις (4) διαφορετικές σταθερές τιμές τάσης φόρτισης του μετασχηματιστή δοκιμής, π.χ. τάσεις πρωτεύοντος 30V, 60V, 90V και 120V, μετριέται η εναλλασσόμενη υψηλή τάση ταυτόχρονα μέσω των παρακάτω μεθόδων: i. Μέσω χωρητικού καταμεριστή τάσης και ανορθωτικές διατάξεις. Η μέθοδος εφαρμόζεται στο V/m μεγίστου τύπου SM76 (βλ. (1), σχ. 4.10) το οποίο είναι βαθμονομημένο κατάλληλα ώστε να δείχνει τη μετρούμενη τάση απευθείας σε kv (rms). 38

Σχήμα 4.12: Σχηματικό διάγραμμα πειραματικής διάταξης για τη μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με διάφορες μεθόδους. Τρισδιάστατη απεικόνιση πειραματικής διάταξης για τη μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με διάφορες μεθόδους. 39

ii. Μέσω πυκνωτή μέτρησης (μέθοδος Chubb-Fortescue) (βλ. (2), σχ. 4.12). Γίνεται μέτρηση του ρεύματος που διαρρέει τον πυκνωτή μέτρησης μέσω του A/m και ταυτόχρονα καταγράφεται συνεχώς η κυματομορφή του ρεύματος μέσω του ψηφιακού παλμογράφου. Για τον υπολογισμό της εναλλασσόμενης υψηλής τάσης, η συχνότητα του δικτύου να θεωρηθεί σταθερή και ίση με 50 Hz. iii. Μέσω χωρητικού καταμεριστή τάσης και ψηφιακό παλμογράφο. Ο χωρητικός καταμεριστής τάσης τύπου CS 500-500 του οίκου Haefely (βλ. (3), σχ. 4.12) συνδυάζει χωρητικότητα υψηλής τάσης 500 pf, χωρητικότητα χαμηλής τάσης 178 nf και εξωτερική αντίσταση απόσβεσης 270 Ω. Η τάση εξόδου του χωρητικού καταμεριστή τάσης μεταφέρεται μέσω ομοαξονικού καλωδίου στον ψηφιακό παλμογράφο όπου και καταγράφεται. Για τον υπολογισμό της εναλλασσόμενης υψηλής τάσης, η συνολική παράσιτη χωρητικότητα που παρουσιάζει ο χωρητικός καταμεριστής να θεωρηθεί ίση με 20 pf. iv. Μέσω ωμικού καταμεριστή τάσης και ψηφιακό παλμογράφο. Ο ωμικός καταμεριστής τάσης συνδυάζει την αντίσταση μέτρησης RM στον κλάδο υψηλής τάσης (βλ. (4), σχ. 4.12) και μία αντίσταση χαμηλής τάσης τιμής 10 kω εντός γειωμένου μεταλλικού περιβλήματος στον κλάδο χαμηλής τάσης. Η τάση εξόδου του ωμικού καταμεριστή τάσης μεταφέρεται μέσω ομοαξονικού καλωδίου στον ψηφιακό παλμογράφο όπου και καταγράφεται. v. Μέσω σφαιρικού διακένου. Το σφαιρικό διάκενο τύπου MF συνδυάζει σφαίρες διαμέτρου 10 cm. Υπό σταθερή τάση φόρτισης του μετασχηματιστή δοκιμής μειώνεται με βραδύ ρυθμό έως ότου συμβεί διάσπαση η απόσταση μεταξύ των σφαιρών η οποία και καταγράφεται. Επαναλαμβάνεται η διαδικασία αυτή τρεις φορές για κάθε τάση φόρτισης του μετασχηματιστή δοκιμής και υπολογίζεται η μέση τιμή των τριών μετρήσεων. Για τον υπολογισμό της εναλλασσόμενης υψηλής τάσης, να καταγραφούν οι ατμοσφαιρικές συνθήκες κατά τη διάρκεια του πειράματος και να χρησιμοποιηθεί ο Πίνακας τιμών τάσης διάσπασης σφαιρικών διακένων της IEC 9 που φαίνεται στο σχήμα 4.9. Η παραπάνω διαδικασία μέτρησης εναλλασσόμενης υψηλής τάσης δεν προβλέπεται από την αντίστοιχη οδηγία της IEC9, η προβλεπόμενη διαδικασία περιγράφεται αναλυτικά στην παράγραφο 4.2.3.3, ωστόσο εφαρμόζεται στην εργαστηριακή άσκηση χάριν οικονομίας χρόνου. vi. Μέσω V/m πρωτεύοντος του μετασχηματιστή δοκιμής. Καταγράφεται η ένδειξη του V/m πρωτεύοντος της τράπεζας ελέγχου M.W.B. τύπου SRP 0.5/5E και υπολογίζεται η ανηγμένη τάση του πρωτεύοντος στο δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή δοκιμής. 3. Συμπληρώνεται ο παρακάτω Πίνακας αποτελεσμάτων. Πίνακας 4.2: Αποτελέσματα μέτρησης εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων Τάση πρωτεύοντος (V) Μέθοδος i Μέθοδος ii Τάση (kv) Ρεύμα (A) 9 IEC 60052:2002, Voltage measurement by means of standard air gaps. 40

Μέθοδος iii Μέθοδος iv Μέθοδος v Μέθοδος vi Τάση p-p (V) Τάση p-p (V) Μήκος διακένου (mm) Τάση (V) 2.4. Ερωτήσεις 1. Ποια μέθοδος μέτρησης εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων στις παρούσες συνθήκες είναι πιο ακριβής κατά τη γνώμη σας και γιατί; 2. Επεξεργασία των μετρήσεων 2.1. Τα αποτελέσματα της μέτρησης εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με τις διάφορες μεθόδους σύμφωνα με τον Πίνακα 4.2 να εκφραστούν σε ενδεικνύμενη τιμή εναλλασσόμενης υψηλής τάσης αντίστοιχα. 2.2. Με δεδομένη την απάντηση του 1ου ερωτήματος, να υπολογισθούν τα σχετικά σφάλματα, ε(%), των υπολοίπων μεθόδων μέτρησης εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων. 2.3. Τα αποτελέσματα των ερωτημάτων 2.1 και 2.2. να συγκεντρωθούν στον παρακάτω Πίνακα και να σχολιαστούν. Πίνακας 4.3: Μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων με διάφορες μεθόδους Τάση πρωτεύοντος (V) Μέθοδος i Μέθοδος ii Μέθοδος iii Μέθοδος iv Μέθοδος v Μέθοδος vi Τάση (kv) ε(%) Τάση (kv) ε(%) Τάση (kv) ε(%) Τάση (kv) ε(%) Τάση (kv) ε(%) Τάση (kv) ε(%) 41

3. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΝΕΧΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 3.1. Σκοπός της άσκησης Παραγωγή και μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων, διερεύνηση της λειτουργίας των διαφόρων κυκλωμάτων ανόρθωσης υψηλής τάσης 3.2. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου M.W.B., τύπου SRP 0.5/5E. V/m μεγίστου τύπου SM76 και συνεχούς τύπου GM78. Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 50mA, 5kVA, 4%. Δύο πυκνωτές μέτρησης τύπου CM 100 pf, 100 kv (rms). Πυκνωτής φορτίου τύπου CΒ 1200 pf, 140 kv. Τέσσερις κρουστικοί πυκνωτές τύπου CS 25000pF, 140kV. Αντίσταση τύπου RE 2400 Ω, 60W, 140kV. Δύο αντιστάσεις φόρτισης τύπου RL 10 ΜΩ, 60W, 140kV. Τρεις αντιστάσεις μέτρησης τύπου RM 280 ΜΩ, 140 kv. Πέντε ανορθωτές YT με αντίσταση εν σειρά τύπου GS, 100kΩ, 140kV, 20mA. Αυτόματος γειωτής τύπου ES και ηλεκτρόδιο τύπου EL. Αντίσταση χαμηλής τάσης 10 kω και ψηφιακός παλμογράφος. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140 kv τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσμοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 3.3. Διεξαγωγή της άσκησης 1. Διάταξη απλής ανόρθωσης i. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 5.7 και έλεγχος της λειτουργίας της. Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής να περιοριστεί στα 50 kv μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας των τυλιγμάτων πρωτεύοντος. 42

Σχήμα 5.7: Σχηματικό διάγραμμα διάταξης απλής ανόρθωσης και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. Τρισδιάστατη απεικόνιση διάταξης απλής ανόρθωσης και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. ii. Διερεύνηση της επίδρασης της τιμής του πυκνωτή εξομάλυνσης της ανορθωτικής διάταξης και της τιμής του φορτίου στην παραγόμενη συνεχή υψηλή τάση. Με σταθερή τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής (~20 kv) ελέγχεται η κυματομορφή της ανορθωμένης τάσης μέσω του παλμογράφου και γίνονται μετρήσεις σύμφωνα με τον Πίνακα 5.1: 43

Πίνακας 5.1: Αποτελέσματα μέτρησης τάσης εξόδου της διάταξης απλής ανόρθωσης. Τάση εξόδου μετασχηματιστή δοκιμής (kv) Πυκνωτής Εξομάλυνσης 100 pf 1200 pf 25 nf Φορτίο εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ U DC (kv) U max (V) U min (V) όπου: U DC η τιμή της συνεχούς υψηλής τάσης η οποία λαμβάνεται ως ένδειξη του V/m συνεχούς τύπου GM78, ενώ U max και U min η τιμή κορυφής και η ελάχιστη τιμή της ανορθωμένης τάσης αντίστοιχα, μετρούμενες μέσω του ωμικού καταμεριστή τάσης και του ψηφιακού παλμογράφου. 2. Διάταξη Villard i. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 5.8 και έλεγχος της λειτουργίας της. Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής να περιοριστεί στα 50 kv μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας των τυλιγμάτων πρωτεύοντος. Σχήμα 5.8: Σχηματικό διάγραμμα διάταξης Villard και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. 44

Τρισδιάστατη απεικόνιση διάταξης Villard και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. ii. Με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της τιμής του φορτίου στην παραγόμενη ανορθωμένη υψηλή τάση, για την ίδια τιμή τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής όπως στο βήμα 1.ii, ελέγχεται η κυματομορφή της ανορθωμένης τάσης μέσω του παλμογράφου και γίνονται μετρήσεις σύμφωνα με τον Πίνακα 5.2. Πίνακας 5.2: Αποτελέσματα μέτρησης τάσης εξόδου της διάταξης Villard Τάση εξόδου μετασχηματιστή δοκιμής (kv) Φορτίο εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ U DC (kv) U max (V) U min (V) όπου: U DC η τιμή της συνεχούς υψηλής τάσης η οποία λαμβάνεται ως ένδειξη του V/m συνεχούς τύπου GM78, ενώ U max και U min η τιμή κορυφής και η ελάχιστη τιμή της ανορθωμένης τάσης αντίστοιχα, μετρούμενες μέσω του ωμικού καταμεριστή τάσης και του ψηφιακού παλμογράφου. 3. Διάταξη Greinacher i. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 5.9 και έλεγχος της λειτουργίας της. Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής να περιοριστεί στα 50 kv μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας των τυλιγμάτων πρωτεύοντος. 45

Σχήμα 5.9: Σχηματικό διάγραμμα διάταξης Greinacher και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. Τρισδιάστατη απεικόνιση διάταξης Greinacher και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. ii. Με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της τιμής του φορτίου στην παραγόμενη ανορθωμένη υψηλή τάση, για την ίδια τιμή τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής όπως στο βήμα 1.ii, ελέγχεται η κυματομορφή της ανορθωμένης τάσης μέσω του παλμογράφου και γίνονται μετρήσεις σύμφωνα με τον Πίνακα 5.3. Πίνακας 5.3: Αποτελέσματα μέτρησης τάσης εξόδου της διάταξης Greinacher Τάση εξόδου μετασχηματιστή δοκιμής (kv) Φορτίο εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ U DC (kv) U max (V) U min (V) όπου: U DC η τιμή της συνεχούς υψηλής τάσης η οποία λαμβάνεται ως ένδειξη του V/m συνεχούς τύπου GM78, ενώ U max και U min η τιμή κορυφής και η ελάχιστη τιμή της ανορθωμένης τάσης αντίστοιχα, μετρούμενες μέσω του ωμικού καταμεριστή τάσης και του ψηφιακού παλμογράφου. 46

4. Διβάθμια διάταξη Cockroft-Walton i. Συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης σύμφωνα με το σχήμα 5.10 και έλεγχος της λειτουργίας της. Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής να περιοριστεί στα 50 kv μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας των τυλιγμάτων πρωτεύοντος. Σχήμα 5.10: Σχηματικό διάγραμμα διβάθμιας διάταξης Cockcroft-Walton και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. Τρισδιάστατη απεικόνιση διβάθμιας διάταξης Cockcroft-Walton και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων. 47

ii. Με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της τιμής του φορτίου στην παραγόμενη ανορθωμένη υψηλή τάση, για την ίδια τιμή τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής όπως στο βήμα 1.ii, ελέγχεται η κυματομορφή της ανορθωμένης τάσης μέσω του παλμογράφου και γίνονται μετρήσεις σύμφωνα με τον Πίνακα 5.4. Πίνακας 5.4: Αποτελέσματα μέτρησης τάσης εξόδου διβάθμιας διάταξης Cockcroft-Walton Τάση εξόδου μετασχηματιστή δοκιμής (kv) Φορτίο εν κενώ 20 ΜΩ U DC (kv) U max (V) U min (V) όπου: U DC η τιμή της συνεχούς υψηλής τάσης, U max η τιμή κορυφής και U min η ελάχιστη τιμή της ανορθωμένης τάσης αντίστοιχα, μετρούμενες μέσω του ωμικού καταμεριστή τάσης και του ψηφιακού παλμογράφου. Σημείωση Κατά τη διεξαγωγή της άσκησης, για την ασφαλή λειτουργία των διατάξεων η τάση εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής δεν πρέπει να ξεπεράσει τα 50 kv. Ακόμη, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στους πυκνωτές των διαφόρων διατάξεων μήπως παραμένουν φορτισμένοι μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας. 3.4. Ερωτήσεις 1. Αιτιολογείστε την απαίτηση του ορίου των 50 kv της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής. 2. Επεξεργασία των μετρήσεων 2.1. Για κάθε βήμα διεξαγωγής της άσκησης, λαμβάνοντας υπόψη το λόγο καταμερισμού του ωμικού καταμεριστή τάσης να υπολογιστεί κατά περίπτωση η κυμάτωση της ανορθωμένης τάσης και να εκφραστεί ως ποσοστό της αντίστοιχης U DC, ισοδύναμα να υπολογιστεί ο συντελεστής κυμάτωσης. 2.2. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών του προηγούμενου ερωτήματος να συγκεντρωθούν μαζί με τις αντίστοιχες μετρηθείσες τιμές U DC και U max στον παρακάτω Πίνακα αποτελεσμάτων: Πίνακας 5.5: Αποτελέσματα μέτρησης συνεχών υψηλών τάσεων Τάση εξόδου μετασχηματιστή δοκιμής (kv) Διάταξη απλής ανόρθωσης Πυκνωτής Εξομάλυνσης Φορτίο 100 pf 1200 pf 25 nf εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ U DC (kv) 48

U max (kv) δu(%) Διάταξη Villard Διάταξη Greinacher Διβάθμια διάταξη Cockcroft-Walton Φορτίο εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ εν κενώ 280 ΜΩ 10 ΜΩ εν κενώ 20 ΜΩ U DC (kv) U max (kv) δu(%) 3. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων αναφορικά με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε διάταξης παραγωγής συνεχών υψηλών τάσεων. 4. Να ελεγχθεί κατά περίπτωση εάν η παραγόμενη συνεχής υψηλή τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δοκιμές εξοπλισμού σύμφωνα με την οδηγία IEC 60060-1:1989. 49

4. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 4.1. Σκοπός της άσκησης Παραγωγή και μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων, διερεύνηση της λειτουργίας μονοβάθμιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων 4.2. Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου M.W.B., τύπου SRP 0.5/5E. V/m μεγίστου τύπου SM76 και συνεχούς τύπου GM78. Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 50mA, 5kVA, 4%. Δύο πυκνωτές μέτρησης τύπου CM 100 pf, 100 kv (rms). Πυκνωτής φορτίου τύπου CΒ 1200 pf, 140 kv. Ένας κρουστικός πυκνωτής τύπου CS 25000pF, 140kV. Δύο ανορθωτές YT με αντίσταση εν σειρά τύπου GS, 100kΩ, 140kV, 20mA. Μία αντίσταση φόρτισης τύπου RL 10 ΜΩ, 60W, 140kV. Μία αντίσταση μέτρησης τύπου RM 280 ΜΩ, 140 kv. Δύο αντιστάσεις τύπου RD 132 Ω, 60W, 140kV Μία αντίσταση τύπου RD 43 kω, 60W, 140kV Μία αντίσταση τύπου RE 2400 Ω, 60W, 140kV. Μία αντίσταση τύπου RE 98 kω, 60W, 140kV Ένα σφαιρικό διάκενο τύπου KF με βοηθητικό ηλεκτρόδιο Κινητήρας ελέγχου σφαιρικών διακένων τύπου AKF Αυτόματος γειωτής τύπου ES και ηλεκτρόδιο τύπου EL. Κλάδος χαμηλής τάσης χωρητικού καταμεριστή τάσης που συνδυάζει πυκνωτή 5.14 μf και αντίσταση προσαρμογής 50 Ω. Ψηφιακός παλμογράφος. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140 kv τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσμοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 4.3. Διεξαγωγή της άσκησης 1. Συναρμολόγηση μονοβάθμιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων σύμφωνα με το σχήμα 6.9 και έλεγχος της λειτουργίας της. 2. Εύρεση των ορίων λειτουργίας της συσκευής Τrigatron για απόσταση μεταξύ των σφαιρών του βοηθητικού διακένου ~3 cm και για τις δύο πολικότητες της τάσης φόρτισης. 50

Σχήμα 6.9: Σχηματικό διάγραμμα μονοβάθμιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων (τύπου a) και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης. Τρισδιάστατη απεικόνιση μονοβάθμιας γεννήτριας παραγωγής κρουστικών υψηλών τάσεων (τύπου a) και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης. 3. Να υπολογιστεί ο λόγος καταμερισμού του χωρητικού καταμεριστή τάσης, αμελώντας την επίδραση της παράσιτης χωρητικότητας. 4. Υπό σταθερή τάση φόρτισης της γεννήτριας, U o, να μετρηθούν η τιμή κορυφής, U p, η διάρκεια μετώπου, T cr, και η διάρκεια ημίσεως εύρους, T t, της παραγόμενης κρουστικής υψηλής τάσης για τους παρακάτω συνδυασμούς τύπου της γεννήτριας και ζεύγους αντιστάσεων μετώπου και ουράς: i. Γεννήτρια τύπου a και ζεύγος αντιστάσεων 132Ω/ 2400Ω ii. Γεννήτρια τύπου b και ζεύγος αντιστάσεων 132Ω/ 2400Ω iii. Γεννήτρια τύπου a και ζεύγος αντιστάσεων 43kΩ/ 98kΩ 51

iv. Γεννήτρια τύπου b και ζεύγος αντιστάσεων 43kΩ/ 98kΩ 5. Να υπολογιστεί ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων για κάθε συνδυασμό τύπου γεννήτριας/ ζεύγους αντιστάσεων μετώπου και ουράς. 6. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων και υπολογισμών, βήματα 4 και 5 της διεξαγωγής της άσκησης, να συγκεντρωθούν στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 6.2: Αποτελέσματα μέτρησης κρουστικών τάσεων διαφόρων κυματομορφών Τάση φόρτισης U o (kv): Τύπος γεννήτριας a a b b Ζεύγος αντιστάσεων 132Ω/ 2400Ω 43kΩ/ 98kΩ 132Ω/ 2400Ω 43kΩ/ 98kΩ U p (kv) T cr (μs) T t (μs) η 7. Στην έξοδο γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων αρνητικής πολικότητας, τύπου b με αντιστάσεις μετώπου και ουράς 43 kω και 98 kω αντίστοιχα, να συνδεθεί παράλληλα, μέσω αντίστασης RD 132 Ω, σφαιρικό διάκενο με σφαίρες διαμέτρου 10 cm και απόσταση μεταξύ τους 2 cm. Εάν, σύμφωνα με τους Πίνακες της IEC 5, η τάση διάσπασης του σφαιρικού διακένου υπό αρνητική κρουστική τάση και κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες είναι U s = 59 kv μέσω της μεθόδου «αυξομείωσης τάσης» με είκοσι επιβολές τάσης να υπολογιστεί ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας. Προηγούμενα, θεωρώντας ότι η παραγόμενη κυματομορφή προσομοιώνει εργαστηριακά τις «εσωτερικές» υπερτάσεις, να ελεγχθεί εάν το αποτέλεσμα της μέτρηση της τάσης μέσω του σφαιρικού διακένου είναι αποδεκτό σύμφωνα με την IEC 60060-1. 4.4. Ερωτήσεις 1. Για κάθε συνδυασμό τύπου γεννήτριας/ ζεύγους αντιστάσεων μετώπου και ουράς σύμφωνα με το βήμα 4 της διεξαγωγής της άσκησης: i. να γραφεί η αναλυτική εξίσωση της κυματομορφής της παραγόμενης τάσης, ii. να υπολογιστούν θεωρητικά ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας, η διάρκεια μετώπου και η διάρκεια ημίσεως εύρους της παραγόμενης τάσης. 2. Για κάθε συνδυασμό τύπου γεννήτριας/ ζεύγους αντιστάσεων μετώπου και ουράς σύμφωνα με το βήμα 4 της διεξαγωγής της άσκησης να παρασταθούν γραφικά σε συγκριτικό διάγραμμα η μετρηθείσα και η αντίστοιχη θεωρητικά υπολογισμένη κρουστική τάση. Να σχολιαστεί το αποτέλεσμα της σύγκρισης. 3. Να ελεγχθεί εάν οι παραγόμενες κρουστικές υψηλές τάσεις μπορούν να θεωρηθούν «κανονικές» σύμφωνα με την IEC 3, δηλαδή εάν μπορούν να προσομοιώσουν εργαστηριακά τις «εξωτερικές» και τις «εσωτερικές» υπερτάσεις. 5 IEC 60052:2002, Voltage measurement by means of standard air gaps. 3 IEC 60060-1:1989, High Voltage test techniques Part 1: General definitions and test requirements. 52

4. Στο κύριο τμήμα της άσκησης η παραγόμενη κρουστική υψηλή τάση μετριέται μέσω χωρητικού καταμεριστή τάσης και ψηφιακού παλμογράφου. Εναλλακτικό τρόπο μέτρησης της παραγόμενης κρουστικής τάσης αποτελεί η διαδικασία του βήματος 7 της διεξαγωγής της άσκησης. Ποια τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των δύο τρόπων μέτρησης; 53

54

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των εργαστηριακών διατάξεων του μαθήματος ΥΤ 2. Οι εργαστηριακές ασκήσεις έχουν τα εξής αντικείμενα μελέτης: Υψηλές Τάσεις 2 : Διερεύνηση της απόκρισης των καταμεριστών τάσης υπό κρουστικές υψηλές τάσεις, με χρήση διβάθμιας γεννήτριας Marx, καταμεριστών τάσης και κυκλωμάτων μέτρησης. Εύρεση της κατανομής της τάσης κατά μήκος αλυσοειδούς μονωτήρα, όπου χρησιμοποιούνται τρεις ΜΣ δοκιμής και δισκοειδής μονωτήρας. Διερεύνηση της επίδρασης της πίεσης και του μήκους του διακένου στην τάση διάσπασης διακένων αέρα, με χρήση αντίστοιχης διάταξης. Καθορισμός της τάσης διάσπασης μονωτικού ελαίου υπό ΥΤ βιομηχανικής συχνότητας και αξιολόγηση της διηλεκτρικής αντοχής του. Ανίχνευση μερικών εκκενώσεων στον αέρα και μέτρηση των χαρακτηριστικών παραμέτρων τους, όπου χρησιμοποιείται διάταξη άμεσης ανίχνευσης και μέτρησης ΜΕ. Αναλυτικά, λοιπόν, οι ασκήσεις έχουν ως εξής : 55

1. ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΜΕΡΙΣΤΩΝ ΤΑΣΗΣ ΥΠΟ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΨΗΛΕΣ ΤΑΣΕΙΣ 1.1 Σκοπός της άσκησης Μέτρηση κρουστικών υψηλών τάσεων με καταμεριστές τάσης. Διερεύνηση της απόκρισης των καταμεριστών τάσης υπό κρουστικές υψηλές τάσεις. 1.2 Χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός Τράπεζα ελέγχου M.W.B., τύπου SRP 0.5/5E. V/m μεγίστου τύπου SM76 και συνεχούς τύπου GM78. Μ/Σ δοκιμής τύπου TEO 100/10, 2 220V/100kV/220V, 50mA, 5kVA, 4%. Ένας πυκνωτής μέτρησης τύπου CM 100 pf, 100 kv (rms). Δύο πυκνωτές φορτίου τύπου CΒ 1200 pf, 140 kv. Δύο κρουστικοί πυκνωτές τύπου CS 25000pF, 140kV. Δύο ανορθωτές YT με αντίσταση εν σειρά τύπου GS, 100kΩ, 140kV, 20mA. Δύο αντιστάσεις φόρτισης τύπου RL 10 ΜΩ, 60W, 140kV. Μία αντίσταση μέτρησης τύπου RM 280 ΜΩ, 140 kv. Δύο αντιστάσεις τύπου RD 132 Ω, 60W, 140kV. Μια αντίσταση τύπου RD 260 Ω, 60W, 140kV. Τρείς αντιστάσεις τύπου RE 2400 Ω, 60W, 140kV. Δύο αντιστάσεις τύπου RE 98 kω, 60W, 140kV. Τέσσερις αντιστάσεις τύπου RE 282 kω, 60W, 140kV. Ένα σφαιρικό διάκενο τύπου KF. Ένα σφαιρικό διάκενο τύπου KF με βοηθητικό ηλεκτρόδιο. Κινητήρας ελέγχου σφαιρικών διακένων τύπου AKF Αυτόματος γειωτής τύπου ES και ηλεκτρόδιο τύπου EL. Κλάδος χαμηλής τάσης χωρητικού καταμεριστή τάσης που συνδυάζει πυκνωτή 5.13 μf και αντίσταση προσαρμογής 50 Ω. Τρείς κλάδοι χαμηλής τάσης ωμικού καταμεριστή τάσης που συνδυάζουν αντίσταση 1.3 Ω, 5.1 Ω και 50 Ω αντίστοιχα.. Ψηφιακός παλμογράφος τεσσάρων καναλιών. Διάφορα λοιπά αντικείμενα όπως μονωτήρες 140 kv τύπου IS, αγωγοί τύπου V και D, σύνδεσμοι τύπου Κ, βάσεις τύπου F(s), ομοαξονικά καλώδια, κ.ά. 56

1.1 Διεξαγωγή της άσκησης 1. Συναρμολόγηση της διβάθμιας γεννήτριας Marx σύμφωνα με το σχήμα 7.6 και έλεγχος της λειτουργίας της. Σχήμα 7.6: Σχηματικό διάγραμμα διβάθμιας γεννήτριας Marx και καταμεριστών τάσης καθώς και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης. Τρισδιάστατη απεικόνιση διβάθμιας γεννήτριας Marx και καταμεριστών τάσης καθώς και συνδεσμολογίες κυκλωμάτων μέτρησης. 2. Για κάθε καταμεριστή τάσης να υπολογιστούν ο λόγος καταμερισμού και η παράσιτη χωρητικότητα που αυτός παρουσιάζει. Για τον υπολογισμό της παράσιτης χωρητικότητας να χρησιμοποιηθεί η παρακάτω προσεγγιστική σχέση, βλ. τμήμα 4.2.3.2: C e 2 0 1.15 ln d 57

όπου: d και l η διάμετρος και το μήκος της στήλης του κάθε καταμεριστή αντίστοιχα και ε 0 = 8.85 x 10-12 F/m η διηλεκτρική σταθερά του κενού. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών να συγκεντρωθούν στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 7.1: Παράσιτη χωρητικότητα και λόγος καταμερισμού καταμεριστών τάσης Παράσιτη χωρητικότητα (pf) Λόγος καταμερισμού Καταμεριστής τάσης 600pF/5.13μF 4800Ω/1.3Ω 196kΩ/5.1Ω 564kΩ/50Ω 3. Αποσύνδεση των ωμικών καταμεριστών. 3.1 Για δεδομένη τιμή τάσης φόρτισης της γεννήτριας, U o, (π.χ. 50 kv) να μετρηθούν η τιμή κορυφής της τάσης εξόδου του καταμεριστή τάσης, U 2, η διάρκεια μετώπου, T 1, και η διάρκεια ημίσεως εύρους, T 2, της παραγόμενης κρουστικής υψηλής τάσης. 3.2 Να υπολογιστούν η τιμή κορυφής της παραγόμενης κρουστικής υψηλής τάσης, U p, και ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας Marx. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και των υπολογισμών να συγκεντρωθούν στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 7.2: Αποτελέσματα μέτρησης κρουστικής υψηλής τάσης μέσω χωρητικού καταμεριστή τάσης Τάση φόρτισης U o (kv): Καταμεριστής τάσης 600pF/5.13μF U 2 (V) T 1 (μs) T 2 (μs) U p (kv) Συντελεστής χρησιμοποίησης 4. Σύνδεση των ωμικών καταμεριστών τάσης. 4.1 Για δεδομένη τιμή τάσης φόρτισης της γεννήτριας και ίση με αυτή του προηγούμενου βήματος της άσκησης, U o, να μετρηθούν η τιμή κορυφής της τάσης εξόδου των καταμεριστών τάσης, U 2, η διάρκεια μετώπου, T 1, και η διάρκεια ημίσεως εύρους, T 2, της παραγόμενης κρουστικής υψηλής τάσης μέσω όλων των καταμεριστών τάσης ταυτόχρονα. 4.2 Να υπολογιστούν η τιμή κορυφής της παραγόμενης κρουστικής υψηλής τάσης, U p, και ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας Marx. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και των υπολογισμών να συγκεντρωθούν στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας 7.3: Αποτελέσματα μέτρησης κρουστικής υψηλής τάσης μέσω χωρητικού και ωμικών καταμεριστών τάσης 58