Πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς...

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ:

Πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς διακένων

ατμοσφαιρικού αέρα ακίδας-ακίδας και ακίδας-πλάκας υπό

εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις

Καραφύλλας Αθανάσιος

Επιβλέπων καθηγητής: Παντελής Ν. Μικρόπουλος

Θεσσαλονίκη 2016

Διπλωματική Εργασία Θεσσαλονίκη 2016

ΤΗΜΜΥ


ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική μελέτη του

φαινομένου της ηλεκτρικής διάσπασης ανομοιογενών διακένων ακίδας-ακίδας και

ακίδας-πλάκας με διηλεκτρικό μέσο τον ατμοσφαιρικό αέρα και μήκος διακένου

μικρότερο του ενός μέτρου. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετάται η

επίδραση του μήκους του διακένου και η πολικότητα της επιβαλλόμενης τάσης πάνω

στο φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης των διακένων και τέλος πραγματοποιείται η

σύγκριση των αποτελεσμάτων ανάμεσα στα διάκενα ακίδας-ακίδας και ακίδας-

πλάκας.

Η διπλωματική εργασίας ακολουθεί την παρακάτω δομή:

Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται τα απαραίτητα θεωρητικά στοιχεία τα οποία

αφορούν τις κρουστικές υψηλές τάσεις και περιγράφεται εν συντομία το

φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης στα διάκενα ατμοσφαιρικού αέρα.

Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία σύντομη περιγραφή του χώρου του

εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. καθώς και του εξοπλισμού που

χρησιμοποιήθηκε κατά την διάρκεια της διπλωματικής εργασίας.

Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται η γενικότερη διαδικασία των πειραματικών

μετρήσεων και διάφορα άλλα θεωρητικά στοιχεία όπως η τάση διάσπασης U50, ο

χρόνος διάσπασης t50, η μέθοδος επιπέδων τάσης και άλλα στοιχεία, τα οποία

καταστούν κατανοητή την διαδικασία των πειραματικών μετρήσεων.

Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων τα οποία

προέκυψαν από την επεξεργασία των δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά την

διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων στα διάκενα ακίδας-ακίδας.

Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων τα οποία

προέκυψαν από την επεξεργασία των δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά την

διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων στα διάκενα ακίδας-πλάκας.

Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται ανάλυση των πειραματικών δεδομένων που

συλλέχθηκαν και παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης-μήκους διακένου, μέσης

πεδιακής έντασης διάσπασης και τα διαγράμματα του συντελεστή διακένου.

Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα που

προέκυψαν κατά την παρουσίαση και ανάλυση των πειραματικών δεδομένων

που συλλέχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας.

Στο όγδοο και τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται οι σχετικές βιβλιογραφικές

αναφορές που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διεξαγωγή αυτής της διπλωματικής

εργασίας.


ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια των σπουδών μου,

την άνοιξη του 2015, στο Τμήμα των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών

Υπολογιστών της Πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου

Θεσσαλονίκης.

Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή του Τμήματος

Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Α.Π.Θ., Παντελή Ν.

Μικρόπουλο, για την βοήθεια και καθοδήγηση που μου προσέφερε κατά την εκπόνηση

τις διπλωματικής μου εργασίας, τον υποψήφιο διδάκτορα Ζαχαρία Δάτσιο που με

βοήθησε στην επίλυση αρκετών τεχνικών προβλημάτων και τέλος τους γονείς μου,

Αρχοντούλα και Νίκο, που χωρίς την υποστήριξη τους δεν θα ήταν δυνατή η

ολοκλήρωση των σπουδών μου και αυτής της διπλωματικής εργασίας.


ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή ............................................................................................. 1

1.1 Κρουστικές Υψηλές Τάσεις ............................................................................................ 4

1.2 Διάκενα ατμοσφαιρικού αέρα........................................................................................ 4

1.2.1 Διάκενα ακίδας-ακίδας ........................................................................................... 4

1.2.2 Διάκενα ακίδας-πλάκας .......................................................................................... 5

Κεφάλαιο 2: Πειραματική διάταξη και εξοπλισμός .................................................. 6

2.1 Χώρος εργαστηρίου υψηλών τάσεων ........................................................................... 6

2.2 Δεκαβάθμια γεννήτρια Marx .......................................................................................... 7

2.3 Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών .................................................................................. 12

2.4 Παλμογράφος ............................................................................................................... 13

2.5 Είδη διακένων ................................................................................................................ 13

2.6 Πειραματική διάταξη .................................................................................................... 14

Κεφάλαιο 3: Διαδικασία μετρήσεων ........................................................................ 16

3.1 Βασικοί ορισμοί ............................................................................................................. 16

3.2 Διαδικασία των πειραματικών μετρήσεων ................................................................. 16

3.3 Μέθοδος επιπέδων τάσης ............................................................................................ 17

3.4 Καμπύλες πιθανότητας-διάσπασης ............................................................................ 18

3.5 Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) .................................................................................... 18

Κεφάλαιο 4: Πειραματικά αποτελέσματα διακένων ακίδας-ακίδας (R-R) ............ 19

4.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm ................... 19

4.2 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για γειωμένη ακίδα ύψους 27 cm ................... 21

4.3 Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) διακένων ακίδας-ακίδας ........................................ 23

4.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης διακένων

ακίδας-ακίδας .................................................................................................................... 26

4.5 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) διακένων ακίδας-

ακίδας ................................................................................................................................. 28

4.6 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες πιθανότητας

διάσπασης .......................................................................................................................... 29

4.7 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες τάσης-χρόνου

(U-t) ..................................................................................................................................... 31

Κεφάλαιο 5: Πειραματικά αποτελέσματα διακένων ακίδας-πλάκας (R-P) ........... 33

5.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για διάκενα ακίδας-πλάκας ............................ 33

5.2 Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) για διάκενα ακίδας-πλάκας ................................... 34



ακίδας-πλάκας ................................................................................................................... 35

5.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) διακένων ακίδας-

πλάκας ................................................................................................................................ 36

5.5 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-πλάκας στις καμπύλες πιθανότητας

διάσπασης .......................................................................................................................... 36

5.6 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-πλάκας στις καμπύλες τάσης-χρόνου

(U-t) ..................................................................................................................................... 38

Κεφάλαιο 6: Ανάλυση πειραματικών αποτελεσμάτων ........................................... 41

6.1 Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου ............................................................................. 41

6.2 Μέση πεδιακή ένταση διάσπασης ............................................................................... 44

6.3 Συντελεστής Διακένου (Gap factor) ............................................................................. 49

Κεφάλαιο 7: Συμπεράσματα ................................................................................... 53

Κεφάλαιο 8: Βιβλιογραφικές αναφορές .................................................................. 55


1

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή

1.1 Κρουστικές υψηλές τάσεις

Σύμφωνα με το πρότυπο IEC 60060-1:2010 [1], κρούση (impulse) θεωρείται κάθε

απεριοδικός παλμός τάσης ή ρεύματος που επιβάλλεται σκοπίμως, ο οποίος συνήθως

αυξάνει γρήγορα μέχρι ένα μέγιστο και κατόπιν φθίνει με βραδύτερο ρυθμό προς τη

μηδενική τιμή.

Ανάλογα με την χρονική διάρκεια του μετώπου τους, οι κρουστικές υψηλές τάσεις

κατηγοριοποιούνται σε εξωτερικές (lightning impulse voltages, LI) και σε εσωτερικές

(switching impulse voltages, SI). Οι εξωτερικές υπερτάσεις προσομοιώνονται στο

εργαστήριο με εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις με διάρκεια μετώπου μικρότερη των

20 μs και αντίστοιχα οι εσωτερικές υπερτάσεις προσομοιώνονται με εσωτερικές

κρουστικές υπερτάσεις με διάρκεια μετώπου μεγαλύτερη των 20 μs [2].

Οι εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις χαρακτηρίζονται από το εύρος ή την

τάση κορυφής UP, τη διάρκεια μετώπου Τ1 και τη διάρκεια ημίσεως εύρους Τ2. Συχνά,

λόγω του μεγάλου ρυθμού μεταβολής της τάσης κατά την διάρκεια του μετώπου, οι

αντιδράσεις των παράσιτων αυτεπαγωγών και χωρητικοτήτων των στοιχείων της

διάταξης παραγωγής της τάσης ή και των στοιχείων του συστήματος μέτρησης,

λαμβάνουν σημαντικές τιμές, επηρεάζοντας την παραγόμενη κυματομορφή της τάσης

που εμπεριέχει υψηλές συχνότητες. Για το λόγο αυτό, η κυματομορφή της τάσης

εμφανίζει συνήθως μια καμπή στην αρχή των χρόνων και ταλαντώσεις ή υπερύψωση

γύρω από το μέγιστό της και κατά συνέπεια ο ακριβής καθορισμός της τιμής της τάσης

κορυφής και της διάρκειας μετώπου μιας παραγόμενης εξωτερικής κρουστικής τάσης

γίνεται δύσκολος. Η διάρκεια μετώπου αποτελεί μια συμβατική παράμετρο που ορίζεται

ως Τ1=1.67*Τ, όπου Τ το διάστημα μεταξύ των χρονικών στιγμών που αντιστοιχούν στο

30 % και 90 % της τιμής της τάσης κορυφής (σημεία Α και Β, Σχ. 1.1). Ακολουθώντας

την ίδια λογική, ως συμβατική αρχή των χρόνων (σημείο Ο1, Σχ. 1.1) ορίζεται η χρονική

στιγμή που προηγείται κατά 0.3*Τ1 αυτής που αντιστοιχεί στο 30% της τιμής τάσης

κορυφής (σημείο Α, Σχ. 1.1) και ως διάρκεια ημίσεως εύρους Τ2 το χρονικό διάστημα

από την συμβατική αρχή των χρόνων μέχρι τη χρονική στιγμή που η τάση έχει μειωθεί

στο 50 % της τιμής της τάσης κορυφής. Ο προσδιορισμός της τάσης κορυφής γίνεται

εύκολα από το μέγιστο της κυματομορφής, υπό την προϋπόθεση ότι η κυματομορφή της

τάσης δεν εμφανίζει έντονες ταλαντώσεις ή υπερυψώσεις γύρω από το μέγιστο. Έντονες

διαταραχές ή υπερυψώσεις θεωρούνται διαταραχές ή υπερυψώσεις που το μέγιστο

στιγμιαίο εύρος τους ξεπερνάς το 5 % της τιμής της τάσης κορυφής. Η αναφορά σε

εξωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις γίνεται ως εξής:

𝑈𝑝(kV), 𝑇1/𝑇2(μs)

Για εργαστηριακές δοκιμές που αναπαράγουν τις καταπονήσεις του εξοπλισμού

από εξωτερικές υπερτάσεις χρησιμοποιείται η “κανονική εξωτερική κρουστική τάση”

(Standard LI) κυματομορφής 1.2/50 μs . Μία εξωτερική κρουστική τάση θεωρείται


2

“κανονική” (αντιπροσωπευτική των εξωτερικών υπερτάσεων) όταν οι παράμετροί της

δεν διαφέρουν των αντίστοιχων τυπικών τιμών περισσότερο από ± 30 % για τη διάρκεια

μετώπου, ± 20 % για τη διάρκεια ημίσεως εύρους και ± 3 % για την τάση κορυφής [2].

Σχήμα 1.1: Εξωτερική κρουστική υψηλή τάση (LI), χαρακτηριστικές παράμετροι [2]

Οι εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις χαρακτηρίζονται από το εύρος ή την

τάση κορυφής Up, τη διάρκεια μετώπου ΤP και τη διάρκεια ημίσεως εύρους Τ2 (Σχ. 1.2).

Ως διάρκεια μετώπου ορίζεται το χρονικό διάστημα μεταξύ της αρχής των χρόνων και

του μέγιστου της κυματομορφής και ως διάρκεια ημίσεως εύρους, το χρονικό διάστημα

μεταξύ της αρχής των χρόνων και της χρονικής στιγμής που η τάση έχει μειωθεί στο

50% της τιμής της τάσης κορυφής. Επιπρόσθετη χαρακτηριστική παράμετρος είναι ο

χρόνος “υπέρ του 90 %”, που ορίζεται ως το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η

κρουστική τάση υπερβαίνει το 90 % της τιμής της τάσης κορυφής. Η αναφορά σε

εσωτερικές κρουστικές υψηλές τάσεις γίνεται ως εξής:

𝑈𝑝(kV), 𝑇𝑝/𝑇2(μs)

Για εργαστηριακές δοκιμές που αναπαράγουν τις καταπονήσεις του εξοπλισμού

από εσωτερικές υπερτάσεις χρησιμοποιείται η “κανονική εσωτερική κρουστική τάση”

(Standard SI) κυματομορφής 250/2500 μs. Μία εσωτερική κρουστική τάση θεωρείται

“κανονική” (αντιπροσωπευτική των εσωτερικών υπερτάσεων) όταν οι παράμετροί της

δεν διαφέρουν των αντίστοιχων τυπικών τιμών περισσότερο από ± 20 % για τη διάρκεια

μετώπου, ± 60 % για τη διάρκεια ημίσεως εύρους και ± 3 % για την τάση κορυφής [2].


3

Σχήμα 1.2: Εσωτερική κρουστική υψηλή τάση (SI), χαρακτηριστικές παράμετροι [2]

Η χαρακτηριστική κυματομορφή των κρουστικών υψηλών τάσεων μπορεί εύκολα

να προσομοιωθεί ως η διαφορά δύο φθινουσών εκθετικών συναρτήσεων. Ο τύπος που

περιγράφει μία τέτοια κυματομορφή είναι της μορφής:

𝑈(𝑡) = 𝑈𝑜(𝑒−𝑎𝑡 − 𝑒−𝑏𝑡)

Μία κυματομορφή που περιγράφεται από την παραπάνω συνάρτηση ονομάζεται

διπλεκθετική. Για 𝑎 < 𝑏 , η τάση ξεκινάει από το μηδέν, αυξάνει γρήγορα μέχρι ένα

μέγιστο και στη συνέχεια φθίνει με βραδύτερο ρυθμό τείνοντας και πάλι στο μηδέν.

Μέσω διπλεκθετικών συναρτήσεων προσομοιώνονται οι υπερτάσεις που οφείλονται σε

κεραυνικά πλήγματα και σφάλματα χειρισμών, για αυτό και είναι από τις

σημαντικότερες και συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες συναρτήσεις στα εργαστήρια

παραγωγής υψηλών τάσεων.

Σχήμα 1.3: Παραγωγή ΚρΥτ, Up: τάση κορυφής, Tcr: διάρκεια μετώπου, a2>>a1 [2]


4

1.2 Διάκενα ατμοσφαιρικού αέρα

Η χρησιμοποίηση του ατμοσφαιρικού αέρα ως μονωτικό υλικό εμπεριέχει μεγάλο

ενδιαφέρον διότι ο αέρας ως υλικό έχει μηδενικό κόστος και αποτελεί

αυτεπανορθούμενη μόνωση. Ωστόσο, παρά την ανάπτυξη εξελιγμένων μεθόδων

υπολογισμού των ηλεκτρικών πεδίων και τη γνώση των ιδιοτήτων του αέρα ως

μονωτικού υλικού, η συνολική συμπεριφορά του αέρα υπό συνθήκες ηλεκτρικής

καταπόνησης υπό κρουστικές υψηλές τάσεις δεν γίνεται να προσδιοριστεί υπολογιστικά

με ακρίβεια και αξιοπιστία, για αυτό είναι σημαντικό να επιβεβαιώνεται η συμπεριφορά

της μόνωσης αέρα με πειραματικές δοκιμές σε εργαστήρια υψηλών τάσεων με τη χρήση

γεννητριών υψηλής τάσης [4].

Κατά τον εργαστηριακό υπολογισμό της διηλεκτρικής αντοχής του αέρα

πραγματοποιούνται μετρήσεις της τάσης διάσπασης, δηλαδή της τάσης υπό την οποία

επέρχεται ηλεκτρική διάσπαση ενός διακένου αέρα. Λόγω της στοχαστικής φύσης του

φαινομένου της ηλεκτρικής διάσπασης, η τάση διάσπασης υπόκειται σε στατιστική

διακύμανση και συνήθως απαιτείται μια σειρά δοκιμών για τον στατιστικά αξιόπιστο

προσδιορισμό της.

Τα πλέον χρησιμοποιούμενα διάκενα σε πειραματικές διατάξεις είναι τα διάκενα

σφαίρας-σφαίρας, πλάκας-πλάκας, ακίδας-ακίδας και ακίδας-πλάκας. Στα πλαίσια

αυτής της διπλωματικής εργασίας, μελετάται το φαινόμενα της ηλεκτρικής διάσπασης

υπό εξωτερική κρουστική υψηλή τάση στα διάκενα ακίδας-ακίδας και ακίδας-πλάκας.

1.2.1 Διάκενα ακίδας-ακίδας

Τα διάκενα ακίδας-ακίδας διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον

προσανατολισμό τους, σε οριζόντια και σε κάθετα διάκενα ακίδας-ακίδας. Η μορφολο-

γία των κάθετων διακένων, τα

οποία και μελετώνται στα πλαίσια

αυτής της διπλωματικής φαίνεται

στο σχήμα 1.4. Ανάλογα με τον

συνδυασμό διαφόρων παραγόντων

όπως το σχήμα του διακένου, της

διάρκειας του μετώπου κ.α., η

διάσπαση του διακένου μπορεί να

επέλθει μέσω της ανάπτυξης

ηλεκτρικών εκκενώσεων μίας μόνο

πολικότητας ή μέσω εκκενώσεων

και των δύο πολικοτήτων.

Σημειώνεται ότι μία εκκένωση

χαρακτηρίζεται ως θετική ή

αρνητική ανάλογα με την

πολικότητα του ηλεκτροδίου από

το οποίο ξεκινά [4]. Σχήμα 1.4: Διάκενο ακίδας-ακίδας [4]


5

1.2.2 Διάκενα ακίδας-πλάκας

Τα διάκενα ακίδας-πλάκας προσομοιώνουν εργαστηριακά πολλά διάκενα που

συναντώνται στη πράξη, όπως για παράδειγμα τα διάκενα αγωγών-γης σε εναέριες

γραμμές μεταφοράς. Η διαδικασία της ηλεκτρικής διάσπασής τους ξεκινά από την

ακίδα μέσω θετικής ή αρνητικής ηλεκτρικής εκκένωσης, ανάλογα με την πολικότητα της

ακίδας. Το διάκενο ακίδας-πλάκας είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην τεχνολογία των

υψηλών τάσεων και μάλιστα η διηλεκτρική του αντοχή αποτελεί βάση για τον εμπειρικό

υπολογισμό της διηλεκτρικής αντοχής διακένων διαφορετικής γεωμετρίας ηλεκτροδίων,

μέσω του συντελεστή διακένου (gap factor). Στο σχήμα 1.5 παρουσιάζεται το διάκενο

ακίδας-πλάκας, όπου στο κάτω μέρος βρίσκεται η γειωμένη πλάκα ενώ στο πάνω

μέρος υπάρχει η ακίδα στην οποία επιβάλλονται κρουστικές υψηλές τάσεις θετικής ή

αρνητικής πολικότητας [4].

Σχήμα 1.5: Διάκενο ακίδας-πλάκας, με γειωμένη πλάκα [4]


6


7

Κεφάλαιο 2: Πειραματική διάταξη και εξοπλισμός

2.1 Χώρος εργαστηρίου υψηλών τάσεων

Η διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο

υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ. στο οποίο διενεργούνται ερευνητικές εργασίες και

παράλληλα καλύπτει τις εκπαιδευτικές και πειραματικές ανάγκες των φοιτητών. Το

εργαστήριο αποτελείται από δύο χώρους δοκιμών υψηλών τάσεων που συνοδεύονται

από αντίστοιχους χώρους ελέγχου και μετρήσεων, ένα βοηθητικό εργαστήριο καθώς και

χώρους γραφείων και αποθήκης. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στον

κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου, ο οποίος περικλείεται πλήρως εντός γειωμένου

μεταλλικού πλέγματος σε όλες τις διαστάσεις, με σκοπό την αποφυγή της ακούσιας

εισόδου του προσωπικού αλλά και την μείωση του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου στα

υπό μέτρηση μεγέθη. Οι διαστάσεις του μεταλλικού κλωβού είναι 6.5 m ύψος, 12 m

μήκος και 7 m πλάτος. Κατά μήκος της οροφής υπάρχει κυλιόμενη γερανογέφυρα 10

τόνων.

Σχήμα 2.1: Κάτοψη εργαστηρίου υψηλών τάσεων Α.Π.Θ. [2]


8

Το ύψος του μεταλλικού κλωβού (6 m), που αποτελεί και τη μικρότερη διάσταση

του χώρου δοκιμών, αντιστοιχεί σε ελάχιστη απόσταση ασφαλείας 3.25 m. Η ελάχιστη

αυτή απόσταση ασφαλείας θέτει περιορισμό στην παραγωγή εναλλασσόμενων τάσεων

HVAC στα 650 kV (rms), συνεχών τάσεων HVDC στα 900 kV, εξωτερικών κρουστικών

τάσεων LI στα 1 MV και εσωτερικών κρουστικών τάσεων SI στα 1.4 MV.

Για την παραγωγή κρουστικών υψηλών τάσεων χρησιμοποιήθηκε μία 10-βάθμια

γεννήτρια κρουστικών υψηλών τάσεων 1 MV, 7kJ του οίκου Ferranti, η οποία βρίσκεται

εγκαταστημένη στον κύριο χώρο δοκιμών του εργαστηρίου. Ο έλεγχος των

κυκλωμάτων παραγωγής υψηλών τάσεων γίνεται μέσω δύο τραπεζών ελέγχου,

εγκαταστημένων δίπλα στις θύρες εισόδου του κυρίως χώρου δοκιμών, που φέρουν

όργανα μέτρησης των υψηλών τάσεων.

Όλα τα μεταλλικά αντικείμενα και τμήματα του χώρου δοκιμών υψηλών τάσεων

τα οποία φέρουν τάση κατά την διάρκεια των πειραμάτων είναι αξιόπιστα γειωμένα και

συνδεμένα με την εγκατάσταση γείωσης του εργαστηρίου μέσω αγωγών γείωσης

κατάλληλης διατομής. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν και τα μεταλλικά φύλλα στρώσης

του δαπέδου του εργαστηρίου που αποσκοπούν στον περιορισμό της ανάπτυξης

δυναμικού μεταξύ διαφορετικών σημείων γείωσης εξοπλισμού ή κυκλωμάτων υψηλής

τάσης και ιδιαίτερα στον περιορισμό της βηματικής τάσης. Τα καλώδια που

χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις των υψηλών τάσεων είναι ομοαξονικά με αξιόπιστα

γειωμένη την θωράκιση τους.

2.2 Δεκαβάθμια γεννήτρια Marx [2]

Η δεκαβάθμια γεννήτρια Marx που βρίσκεται εγκατεστημένη στον κύριο

χώρο δοκιμών χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή κρουστικών υψηλών

τάσεων. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εξωτερικών

κρουστικών τάσεων κυματομορφής 1.3/53 μs και οι πραγματικές τιμές των

κρουστικών τάσεων που μπορούν να παραχθούν είναι 850 kV SI και 885 kV LI.

Οι γεννήτριες Marx είναι πολυβάθμιες γεννήτριες κρουστικών υψηλών

τάσεων διπλεκθετικής μορφής που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τάσεων

άνω των 100 kV. Η αρχή λειτουργίας των γεννητριών Marx μπορεί περιληπτικά

να χωριστεί σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο πραγματοποιείται η εν

παραλλήλω φόρτιση ενός αριθμού n πυκνωτών, φορτίου CSi, υπό συνεχή τάση

V0. Κατά το δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται η μετατροπή των συνδέσεων των

πυκνωτών από παράλληλη σε σειρά με αποτέλεσμα οι τάσεις τους να

προστεθούν και στην συνέχεια ακολουθεί ταυτόχρονη εκφόρτισή τους σε έναν

πυκνωτή CB. Οι πυκνωτές φορτίου CSi φορτίζονται μέσω αντιστάσεων φόρτισης

RLi, ενώ υπάρχουν και αντιστάσεις μετώπου RDi και REi, οι οποίες και καθορίζουν

τις παραμέτρους των κυματομορφών των παραγόμενων τάσεων.


9

Σχήμα 2.2: Σχηματικό διάγραμμα της δεκαβάθμιας γεννήτριας Marx του εργαστηρίου

Η τροφοδοσία της γεννήτριας πραγματοποιείται μέσω μετασχηματιστή δοκιμής

220V / 50 kVA. Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή, με τη βοήθεια διόδων σε διάταξη

Cockcroft-Walton, ανορθώνεται σε σταθερό δυναμικό V0 ως προς τη γη. Η αλλαγή της

πολικότητας της γεννήτριας από αρνητική σε θετική πραγματοποιείται αντιστρέφοντας

τη διάταξη των διόδων του κυκλώματος φόρτισης. Το ανορθωμένο σταθερό δυναμικό

V0 της διάταξης Cockcroft-Walton φορτίζει μέσω της αντίστασης φόρτισης RL1 τον

πυκνωτή φόρτισης CS1 της πρώτης βαθμίδας. Στη συνέχεια, ο επόμενος πυκνωτής

φόρτισης CS φορτίζεται ταυτόχρονα μέσω της επόμενης αντίστασης RL στο ίδιο

δυναμικό V0, αφού η πτώση τάσης πάνω στις αντιστάσεις φόρτισης θεωρείται

αμελητέα. Τα άλλα άκρα των πυκνωτών φόρτισης είναι γειωμένα μέσω των

αντιστάσεων ουράς RE (σε αντίθεση με τον πρώτο πυκνωτή φόρτισης που είναι

γειωμένος απευθείας).


10

Σχήμα 2.3: Κύκλωμα φόρτισης της γεννήτριας Marx [3]

Η μετατροπή της σύνδεσης των πυκνωτών φορτίου CS από παράλληλη σε σειρά

γίνεται μέσω της διάσπασης βοηθητικών σφαιρικών διακένων. Η διάσπαση αυτή μπορεί

να πραγματοποιηθεί αυτόματα ή ελεγχόμενα.

Κατά την αυτόματη έναυση της γεννήτριας, είτε εφαρμόζεται μία συγκεκριμένη

τιμή τάσης φόρτισης και μειώνεται η απόσταση μεταξύ των βοηθητικών σφαιρικών

διακένων (με χειρισμούς από την τράπεζα ελέγχου) μέχρι την διάσπασή τους, είτε

ρυθμίζεται η απόσταση μεταξύ των βοηθητικών σφαιρικών διακένων σε μία

καθορισμένη τιμή και αυξάνεται η τάση φόρτισης της γεννήτριας (πάλι με χειρισμούς

από την τράπεζα ελέγχου) μέχρι την διάσπασή τους. Στις περιπτώσεις αυτές η τάση

φόρτισης της γεννήτριας συμπίπτει με την τάση διάσπασης του βοηθητικού διακένου και

επομένως η τάση εξόδου της γεννήτριας υπόκειται στους παράγοντες που καθορίζουν

τη διάσπαση ενός σφαιρικού διακένου. Ωστόσο, λόγω της στοχαστικής φύσης του

φαινομένου των ηλεκτρικών διασπάσεων, η τάση διάσπασης αποτελεί στατιστικό

μέγεθος και για αυτό κατά την αυτόματη έναυση της γεννήτριας δεν είναι δυνατό να

καθοριστεί η ακριβής χρονική στιγμή της έναυσης της γεννήτριας.

Για τον ακριβή καθορισμό της χρονικής στιγμής έναυσης της γεννήτριας είναι

απαραίτητη η ελεγχόμενη έναυση της γεννήτριας και η χρήση ενός Trigatron. Αυτή η

συσκευή αποτελείται από τρία ηλεκτρόδια. Δύο βασικά ηλεκτρόδια τα οποία

σχηματίζουν μεταξύ τους ένα διάκενο σχεδόν ομογενούς πεδίου και ένα τρίτο

βοηθητικό ηλεκτρόδιο το οποίο σχηματίζει με ένα από τα δύο βασικά ηλεκτρόδια ένα

βοηθητικό διάκενο (συνήθως με το βασικό ηλεκτρόδιο που είναι γειωμένο). Κατά την


11

λειτουργία της συσκευής εφαρμόζεται στα βασικά ηλεκτρόδια τάση με τιμή μικρότερη

της τάσης διάσπασης του διακένου τους. Την επιθυμητή χρονική στιγμή εφαρμόζεται

στο βοηθητικό ηλεκτρόδιο ένας παλμός υψηλής τάσης ο οποίος επιφέρει την διάσπαση

του βοηθητικού διακένου. Η διάσπαση του βοηθητικού διακένου μετατρέπει το σχεδόν

ομοιογενές πεδίο του χώρου σε τοπικά έντονα ανομοιογενές με αποτέλεσμα την

διάσπαση και του κυρίως διακένου.

Σχήμα 2.4: Γεννήτρια Marx του εργαστηρίου Α.Π.Θ [3]

Η σύνδεση της γεννήτριας Marx με το Trigatron πραγματοποιείται στο διάκενο

της πρώτης βαθμίδας. Για τη σωστή λειτουργία της γεννήτριας Marx είναι απαραίτητο

τα σφαιρικά διάκενα όλων των βαθμίδων να διασπώνται κατά το δυνατόν ταυτόχρονα.


12

Η διαδικασία διάσπασης των διακένων της γεννήτριας Marx μπορεί να

συνοψιστεί ως εξής: αρχικά με την έναυση της γεννήτριας μέσω του Trigatron οδηγείται

σε διάσπαση το πρώτο διάκενο, G1, της γεννήτριας και η τάση V0 του πυκνωτή CS1 της

πρώτης βαθμίδας θα προστεθεί στην ήδη υπάρχουσα τάση V0 του πυκνωτή CS2 της

δεύτερης βαθμίδας με αποτέλεσμα ο πυκνωτής CS2 να αποκτήσει τάση ίση με 2*V0 (οι

CS1 και o CS2 συνδέονται πλέον σε σειρά και ο CS2 δεν προλαβαίνει να εκφορτιστεί

καθώς οι αντιστάσεις φόρτισης RL έχουν πολύ μεγάλη τιμή). Έτσι, το βοηθητικό διάκενο

G2 της δεύτερης βαθμίδας βρίσκεται τώρα υπό τάση τουλάχιστον V0 και διασπάται

αμέσως οπότε η τάση του CS2 που μόλις είχε γίνει ίση με 2∙V0 θα προστεθεί στην ήδη

υπάρχουσα τάση V0 που είχε ο CS3, με αποτέλεσμα αυτός να αποκτήσει πλέον τάση

ίση με 3∙V0. Η ίδια αλυσιδωτή διαδικασία ακολουθείται για όλους τους πυκνωτές

φόρτισης με αποτέλεσμα όταν διασπαστούν όλα τα σφαιρικά διάκενα των πυκνωτών

αυτοί να βρίσκονται συνδεμένοι σε σειρά υπό συνολική τάση θεωρητικά ίση με 10*V0 ως

προς τη γη. Πρακτικά όμως η έξοδος της γεννήτριας είναι μικρότερη και ισούται με

𝑉𝑝 = 10 ∗ 𝑉0 ∗ 𝑛 , όπου n ο συντελεστής χρησιμοποίησης της γεννήτριας που έχει

υπολογιστεί πειραματικά και είναι ίσος με 𝑛 = 0.928 για θετικές ΚρΥΤ και 𝑛 = 0.944 για

αρνητικές ΚρΥΤ [5].

Η εκφόρτιση των εν σειρά

συνδεδεμένων πυκνωτών γίνεται στον

πυκνωτή φόρτισης CB μέσω των ανά

βαθμίδα αντιστάσεων μετώπου RD και

της εξωτερικής αντίστασης μετώπου

RDf. Η τάση στα άκρα του πυκνωτή CB

ισούται με την τάση εξόδου της

γεννήτριας. Η εκφόρτιση του πυκνωτή

CB γίνεται είτε μέσω του αθροίσματος

των αντιστάσεων μετώπου RD και RDf

και των αντιστάσεων ουράς RE, είτε

μέσω του διακένου που καταπονείται

με την τάση εξόδου της γεννήτριας αν

αυτό διασπαστεί

Σχήμα 2.5: Ο πυκνωτής φορτίου CB και η εξωτερική

αντίσταση μετώπου RDf [3]


13

2.3 Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών

Για τον έλεγχο του κυκλώματος παραγωγής ΥΤ κατά την διεξαγωγή των πειραματικών

μετρήσεων, χρησιμοποιήθηκε η τράπεζα ελέγχου και χειρισμών η οποία βρίσκεται

παραπλεύρως της μίας εκ των δύο θυρών εισόδου του κυρίως χώρου του εργαστηρίου.

Συγκεκριμένα, η τράπεζα ελέγχου και χειρισμών χρησιμοποιείται για τον έλεγχο [5]:

της τάση εξόδου του κυκλώματος φόρτισης της γεννήτριας Marx, μέσω

ψηφιακού βολτομέτρου DC

της τάσης εξόδου του αυτομετασχηματιστή, η οποία χρησιμοποιείται για τον

έλεγχο της τάσης εξόδου του μετασχηματιστή δοκιμής, μέσω ψηφιακού

βολτομέτρου AC

των αποστάσεων των σφαιρικών διακένων της γεννήτριας Marx, μέσω

διακοπτών και ψηφιακής ένδειξης

της συσκευής Trigatron, η οποία χρησιμοποιείται για την έναυση της γεννήτριας

μέσω διακόπτη

Σχήμα 2.6: Τράπεζα ελέγχου και χειρισμών [3]

Η τράπεζα ελέγχου φέρει διακόπτες για το άνοιγμα και κλείσιμο της κονσόλας, τη

ζεύξη του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος πηνίου του μετασχηματιστή δοκιμής

καθώς και διακόπτες για άλλες λειτουργίες. Επίσης διαθέτει και όργανα μετρήσεως της

τάσης τροφοδοσίας και των παραγόμενων υψηλών τάσεων, ασφάλειες και

ηλεκτρονόμους προστασίας.


14

2.4 Παλμογράφος

Για την απεικόνιση των κυματομορφών των κρουστικών τάσεων και την μέτρηση

των αντίστοιχων χρόνων διάσπασης που παρατηρήθηκαν κατά την διεξαγωγή των

μετρήσεων, χρησιμοποιήθηκε ο ψηφιακός παλμογράφος TDS3064B της εταιρείας

Tektronix (εύρος φάσματος 600MHz, συχνότητα δειγματοληψίας 5 GS/s). Συγκεκριμένα,

ο παλμογράφος συνδέθηκε στον κλάδο χαμηλής τάσης του χωρητικού καταμεριστή

τάσης, ο οποίος έχει χωρητικότητα υψηλής τάσης τον πυκνωτή φορτίου CB της

γεννήτριας Marx (200pF) και χωρητικότητα χαμηλής τάσης 0.296μF [5].

Σχήμα 2.7: Παλμογράφος Tektronix TDS3064B

2.5 Είδη διακένων

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε το φαινόμενο της

ηλεκτρικής διάσπασης ανομοιογενών διακένων με διηλεκτρικό μέσο τον ατμοσφαιρικό

αέρα. Ειδικότερα, έγιναν πειράματα πάνω σε δύο τύπους διακένων: πάνω σε διάκενα

ακίδας-ακίδας και σε διάκενα ακίδας-πλάκας. Για κάθε κατηγορία των παραπάνω

διακένων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με επιβαλλόμενες εξωτερικές κρουστικές

υψηλές τάσεις κυματομορφής 1.3/53 μs, τόσο θετικής όσο και αρνητικής πολικότητας.

Ακόμη, χρησιμοποιήθηκαν διάκενα διαφορετικού μήκους, από 15 cm έως 60 cm. Όσον

αφορά τα διάκενα ακίδας-ακίδας, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με δύο διαφορετικού

τύπου γειωμένες ακίδες. Μία ακίδα ύψους 52 cm και μία μικρότερη, ύψους 27 cm. Στον

παρακάτω πίνακα απεικονίζονται αναλυτικά όλα τα επιμέρους διάκενα πάνω στα

οποία πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις:


15

Πίνακας 1.1 Μήκη διακένων πάνω στα οποία πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις

Διάκενα ακίδας-ακίδας (cm)

Ύψος γειωμένης ακίδας 52 cm Ύψος γειωμένης ακίδας 27 cm

Θετική

Πολικότητα

Αρνητική

πολικότητα

Θετική

Πολικότητα

Αρνητική

πολικότητα

15 15 30 30

20 20 35 35

25 25 45 45

30 30 50 50

35 35 55 -

40 40 60 -

Διάκενα ακίδας-πλάκας (cm)

Θετική πολικότητα Αρνητική πολικότητα

20 20

40 30

60 40

2.6 Πειραματική διάταξη

Η διαδικασία των μετρήσεων μπορεί να χωριστεί σε δύο διακριτά στάδια. Κατά

την διάρκεια του πρώτου σταδίου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις πάνω στα διάκενα

ακίδας-ακίδας και στο δεύτερο στάδιο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις των διακένων

ακίδας-πλάκας.

Κατά την διάρκεια των μετρήσεων των διακένων ακίδας-ακίδας, στερεώθηκε

στην έξοδο της γεννήτριας Marx, μετά τον πυκνωτή φορτίου και την εξωτερική

αντίσταση μετώπου RDf, μία χάλκινη ακίδα ύψους 52 cm. Στη συνέχεια ακριβώς κάτω

από αυτή την ακίδα τοποθετήθηκε ένα βοηθητικό τραπέζι καλυμμένο με γειωμένα

μεταλλικά φύλλα. Πάνω στο βοηθητικό τραπέζι στερεώθηκε η δεύτερη ακίδα ύψους 52 ή

27 cm, ανάλογα με το ποια κατηγορία διακένων ήταν υπό εξέταση. Με την βοήθεια της

γερανογέφυρας του εργαστηρίου γινόταν η ρύθμιση του μήκους του διακένου, έχοντας

πάντα υπόψιν οι 2 ακίδες να βρίσκονται στην ίδια κατακόρυφη ευθεία και το μήκος του

διακένου να μένει σταθερό. Έχοντας εξασφαλίσει το σωστό μήκος διακένου και την

σωστή θέση των ακίδων πραγματοποιούνταν οι μετρήσεις για το συγκεκριμένο μήκος

διακένου και στις δύο πολικότητες.

Όσον αφορά τα διάκενα ακίδας-πλάκας, η διάταξη παρέμενε σχεδόν ίδια με την

διαφορά ότι πλέον δεν χρησιμοποιούνταν η κάτω ακίδα αλλά τα μεταλλικά φύλλα


16

προσομοίωναν την επιφάνεια της πλάκας. Πριν πραγματοποιηθούν μετρήσεις τα

μεταλλικά φύλλα καθαρίζονταν με οινόπνευμα για να απομακρυνθούν τυχόν

ακαθαρσίες και ελέγχονταν ώστε να εξασφαλιστεί η ομοιογένεια της επιφάνειας τους.

Με την βοήθεια της γερανογέφυρας ρυθμίζονταν και πάλι το μήκος του διακένου και

μετακινώντας το βοηθητικό τραπέζι διασφαλίζονταν ότι η κατακόρυφη ευθεία που

ένωνε την ακίδας με την πλάκα βρίσκονταν πάντα στο κέντρο της πλάκας. Το ύψος στο

οποίο βρισκόταν η πλάκα ήταν ίσο με 71.5 cm.

Σχήμα 2.8 Πειραματική διάταξη κατά την διάρκεια μετρήσεων διακένων ακίδας-ακίδας


17

Κεφάλαιο 3: Διαδικασία μετρήσεων

3.1 Βασικοί ορισμοί

Παρακάτω παρατίθενται μερικοί ορισμοί που αφορούν μεγέθη τα οποία

συναντώνται κατά την διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς ανομοιογενών

διακένων με διηλεκτρικό μέσο τον ατμοσφαιρικό αέρα.

Ως τάση διάσπασης U50 ορίζεται η τάση για την οποία η πιθανότητα διάσπασης

είναι 50 % [2], δηλαδή για έναν συγκεκριμένο αριθμό επιβολών υπό την συγκεκριμένη

τάση οδηγούμαστε σε 50 % πιθανότητα διάσπασης και σε 50 % πιθανότητα αντοχής.

Ως χρόνος διάσπασης tb, ορίζεται το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από την

επιβολή της τάσης μέχρι και την κατάρρευσή της [2].

Ως στιγμιαία τάση διάσπασης Ub ορίζεται η τάση που προκύπτει αν στην

διπλεκθετική συνάρτηση της κρουστικής τάσης ο χρόνος αντικατασταθεί με τον χρόνο

tb. Η τιμή της διπλεκθετικής συνάρτησης για χρόνο tb ισούται με την τιμή της τάσης

διάσπασης Ub.

3.2 Διαδικασία των πειραματικών μετρήσεων

Αρχικά, πριν από την διεξαγωγή οποιαδήποτε μέτρησης πραγματοποιούνταν o

έλεγχος τόσο του εξοπλισμού όσο και του κυρίως χώρου δοκιμών ώστε να

εξασφαλιστεί ότι ο εξοπλισμός δεν παρουσιάζει προβλήματα και ο χώρος δεν φέρει ξένα

αντικείμενα τα οποία πιθανόν να επηρεάσουν, με οποιοδήποτε τρόπο, την διεξαγωγή

των μετρήσεων. Στη συνέχεια ελέγχονταν και ρυθμίζονταν η διάταξη ώστε να

διασφαλιστεί ότι οι μετρήσεις θα πραγματοποιηθούν για την σωστή κατηγορία διακένων

και ότι δεν έχει παρουσιαστεί κάποια φθορά στην πειραματική διάταξη. Πριν την

έναρξη των πειραματικών μετρήσεων πραγματοποιούταν υπολογισμός της απόλυτης

υγρασίας του χώρου και λήψη της θερμοκρασίας μέσω υγρού και ξηρού θερμομέτρου. Ο

υπολογισμός της απόλυτης υγρασίας γίνονταν μέσω διαγραμμάτων, χρησιμοποιώντας

την θερμοκρασία υγρού και ξηρού θερμομέτρου. Ακόμη λαμβάνονταν η τιμή της πίεσης

P (mmHg) μέσω αριθμημένης στήλης υδραργύρου. Οι ίδιες ενδείξεις λαμβάνονταν και με

την ολοκλήρωση της κάθε μέτρησης και καταγραφόταν η μέση τιμή τους από την οποία

υπολογιζόταν η σχετική πυκνότητα του αέρα συναρτήσει της πίεσης P και της

θερμοκρασίας (ξηρού θερμομέτρου) T (oC) από τη σχέση:

𝛿 =𝑃

760∗

293

273 + 𝑇

Έχοντας εξασφαλίσει την αδιάληπτη λειτουργία του εξοπλισμού ξεκινούσε η

διαδικασία των πειραματικών μετρήσεων. Από την στιγμή αυτή και μετά δεν

ξαναγινόταν καμία είσοδος στον χώρο δοκιμών ώστε ο χώρος να παραμείνει

αναλλοίωτος κατά την διάρκεια διεξαγωγής των μετρήσεων. Όλοι οι χειρισμοί

πραγματοποιούνταν από την τράπεζα ελέγχου. Τροφοδοτώντας την γεννήτρια Marx

εφαρμόζονταν στο υπό εξέταση διάκενο επιβολές ΚρΥΤ σύμφωνα με την μέθοδο των

επιπέδων τάσης που περιγράφεται παρακάτω. Η έναυση της γεννήτριας


18

πραγματοποιούνταν με την βοήθεια του διακόπτη Trigatron, ενώ σε περίπτωση που δεν

εκκινούσε η γεννήτρια, η έναυση γινόταν χειροκίνητα, μειώνοντας την απόσταση των

βοηθητικών σφαιρικών διακένων της γεννήτριας. Με την βοήθεια του παλμογράφου

καταγράφονται οι χρόνοι διάσπασης στην περίπτωση ηλεκτρικής διάσπασης ενώ

διαφορετικά σημειώνονταν ότι παρατηρήθηκε ηλεκτρική αντοχή. Τα αποτελέσματα

καταγράφονταν με την βοήθεια φορητού ηλεκτρονικού υπολογιστή σε φύλλα Excel.

Ο χρόνος ανάμεσα σε κάθε επιβολή ήταν, αυστηρά, τουλάχιστον 60 s ώστε να

διασφαλιστεί ότι η γεννήτρια προλάβαινε να επαναφορτιστεί πλήρως στο επιθυμητό

επίπεδο τάσης, το διάκενο αέρα να προλάβει να αποκαταστήσει τις μονωτικές του

ιδιότητες αλλά και να επανέλθει στα φυσιολογικά της επίπεδα η ηλεκτρική φόρτιση του

χώρου. Κατά την διεξαγωγή όλων των πειραματικών μετρήσεων δόθηκε ιδιαίτερη

έμφαση ώστε οι συνθήκες διεξαγωγής κάθε μέτρησης να είναι κατά το δυνατόν ίδιες.

Για αυτό το λόγο όλες οι μετρήσεις ξεκινούσαν πρωινές ώρες και τελείωναν το

απόγευμα. Ακόμη, δόθηκε έμφαση ώστε ο χώρος, ανάμεσα σε διαφορετικές μετρήσεις,

να έχει παρόμοια επίπεδα υγρασίας. Για το λόγο αυτό έγινε προσπάθεια οι μετρήσεις να

γίνονται σε μέρες με παρόμοιες καιρικές συνθήκες ενώ σε μέρες με έντονα φαινόμενα

(καταιγίδες, έντονες βροχοπτώσεις κ.τ.λ.) δεν πραγματοποιούνταν μετρήσεις.

3.3 Μέθοδος επιπέδων τάσης

Για την διεξαγωγή του πειράματος εφαρμόστηκε η μέθοδος των επιπέδων τάσης

που περιγράφεται στην IEC 60060-1:2010 [1]. Σύμφωνα με αυτήν, για κάθε ένα από τα n

επίπεδα σταθερής τιμής τάσης Ui, εφαρμόζεται ένας αριθμός mi επιβολών ανά επίπεδο.

Εάν το διάκενο διασπαστεί di φορές στο i-οστό επίπεδο τάσης, τότε για το συγκεκριμένο

επίπεδο θεωρείται πιθανότητα διάσπασης ίση με 𝑝(𝑈𝑖) = 𝑑𝑖/𝑚𝑖. Για τις περιπτώσεις των

διακένων όπου απαιτούνταν δεδομένα για την δημιουργία διαγραμμάτων καμπυλών

τάσης-χρόνου (U-t) και καμπυλών πιθανότητας διάσπασης, χρησιμοποιήθηκαν 20

επίπεδα τάσης και για κάθε επίπεδο γίναν κατά κανόνα 20 επιβολές (όταν η διασπορά

των τιμών των χρόνων διάσπασης ανά επίπεδο μειωνόταν αρκετά, γινόταν λιγότερες

επιβολές). Στις περιπτώσεις διακένων όπου απαιτούνταν μόνο η δημιουργία των

καμπυλών πιθανότητας διάσπασης χρησιμοποιήθηκαν 10 επίπεδα τάσης, καθώς ο

αριθμός αυτός εξασφαλίζει ικανοποιητικά αποτελέσματα για τις συγκεκριμένες

περιπτώσεις. Το βήμα με το οποίο αυξανόταν τα επίπεδα ήταν κατά ομάδες επιπέδων

τάσης σταθερό, ενώ καθώς αυξανόταν η τάση, αυξανόταν κατάλληλα και το βήμα με

στόχο την κάλυψη του προβλήματος κατά τον καλύτερο πρακτικό τρόπο. Οι παραπάνω

νόρμες ακολουθήθηκαν για την διεξαγωγή όλων των μετρήσεων και προέκυψαν μονάχα

ελάχιστες περιπτώσεις στις οποίες χρειάστηκε να γίνουν διαφοροποιήσεις. Οι

περιπτώσεις αυτές αφορούσαν τεχνικούς περιορισμούς του εξοπλισμού και πριν από

κάθε διαφοροποίηση γινόταν διαβούλευση με τον επιβλέποντα καθηγητή για να

διασφαλιστεί η ακεραιότητα των αποτελεσμάτων.


19

3.4 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης

Το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης στα διάκενα με έντονα ανομοιογενές

πεδίο στο χώρο μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι γενικά στοχαστικό. Η στατιστική

συμπεριφορά της διηλεκτρικής αντοχής ενός διακένου μπορεί σε κάποιο βαθμό να

αναλυθεί με την βοήθεια της πιθανότητας διάσπασης, δηλαδή την πιθανότητα που έχει

το συγκεκριμένο διάκενο για μία δεδομένη τιμή τάσης να διασπαστεί [2].

Τα ζεύγη τιμών εφαρμοζόμενης τάσης-πιθανότητας διάσπασης, που προκύπτουν

πειραματικά μέσω της μεταβολής της τιμής της εφαρμοζόμενης τάσης, ορίζουν την

κατανομή πιθανότητας διάσπασης. Η κατανομή πιθανότητας διάσπασης ενός διακένου

μπορεί αναλυτικά να οριστεί ως η συνάρτηση της τάσης διάσπασης U50 και της

συμβατικής απόκλισης, z, η οποία υπολογίζεται ως U50-U16, όπου U16 είναι η τάση εκείνη

η οποία οδηγεί σε πιθανότητα διάσπασης 16%. Σε πολλές περιπτώσεις η κατανομή της

πιθανότητας διάσπασης μπορεί να προσεγγιστεί πολύ ικανοποιητικά με την “κανονική”

κατανομή και επομένως οι παράμετροι U50 και z ταυτίζονται με την μέση τιμή και την

τυπική απόκλιση αντίστοιχα [2].

3.5 Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t)

Κατά την εφαρμογή της μεθόδου των επιπέδων τάσης, ανάλογα με το επίπεδο της

τάσης, ο χρόνος διάσπασης μπορεί να βρίσκεται είτε στο μέτωπο είτε στην ουρά της

ΚρΥΤ που εφαρμόζεται. Στην πράξη, στα “χαμηλά” επίπεδα η διάσπαση

πραγματοποιείται στην ουρά ενώ στα “υψηλά” στο μέτωπο της εφαρμοζόμενης ΚρΥΤ,

με την αύξηση της τάσης να οδηγεί στην μείωση των χρόνων διάσπασης και την

μετάβαση από την μία περιοχή χρόνων στην άλλη. Οι καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t)

αποτελούν γραφήματα τα οποία για μία σειρά επιπέδων τάσης απεικονίζουν είτε την

στιγμιαία είτε την μέγιστη τιμή κάθε επιπέδου συναρτήσει του αντίστοιχου χρόνου

διάσπασης. Αν η διάσπαση πραγματοποιήθηκε στο μέτωπο απεικονίζουν την στιγμιαία

τιμή ενώ αν η διάσπαση πραγματοποιήθηκε στην ουρά απεικονίζουν την μέγιστη τιμή [6].

Σχήμα 3.1 Καμπύλη τάσης-χρόνου (U-t) [6]


20


21

Κεφάλαιο 4: Πειραματικά αποτελέσματα διακένων ακίδας -ακίδας (R-R)

4.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm

Έπειτα από την συλλογή των πειραματικών δεδομένων, καταστρώθηκαν τα

παρακάτω διαγράμματα που περιγράφουν την καμπύλη πιθανότητας διάσπασης και

την προσέγγιση της με την κανονική κατανομή, τόσο για θετική όσο και για αρνητική

πολικότητα, για κάθε διάκενο ακίδας-ακίδας στο οποίο πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις.

Σχήμα 4.1: Διάκενο R-R, 15 cm, LI(+) Σχήμα 4.2: Διάκενο R-R, 15 cm, LI(-)




22



Σχήμα 4.11: Διάκενο R-R, 40 cm LI(+) Σχήμα 4.12: Διάκενο R-R, 40 cm, LI(-)


23

4.2 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για γειωμένη ακίδα ύψους 27 cm






24

Σχήμα 4.21: Διάκενο R-R, 55 cm, LI(+) Σχήμα 4.22: Διάκενο R-R, 60 cm, LI(+)

Στους πίνακες 4.1 και 4.2 που ακολουθούν, παρουσιάζονται συνοπτικά οι τιμές

της τάσης διάσπασης U50 και της τυπικής απόκλισης σ (%) που υπολογίστηκαν για όλα

τα διάκενα ακίδας-ακίδας μαζί με τις αντίστοιχες ατμοσφαιρικές συνθήκες και την

πολικότητα της επιβαλλόμενης τάσης.

Πίνακας 4.1: Διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm

Διάκενο Πολικότητα P (mmHg) T (oC) H (gm-3) δ U50 (kV) σ (%)

15 cm Θετική 765 14.7 9.730 1.025 126.8 4.71

Αρνητική 771 14.7 9.415 1.033 134.9 1.55

20 cm Θετική 767 14.2 10.31 1.029 155.4 3.33

Αρνητική 760 14.2 10.91 1.020 182.7 2.86

25 cm Θετική 775 15.5 10.90 1.035 198.2 6.79

Αρνητική 771 16.0 10.65 1.029 209.2 6.27

30 cm Θετική 763 14.7 11.56 1.022 219.2 4.51

Αρνητική 767 15.5 11.52 1.025 257.0 4.56

35 cm Θετική 765 15.7 12.31 1.021 237.3 4.88

Αρνητική 754 16.0 12.50 1.005 295.4 4.78

40 cm Θετική 757 15.5 10.92 1.011 260.7 3.77

Αρνητική 757 16.2 11.10 1.009 337.2 3.44


25

Πίνακας 4.2: Διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 27 cm


30 cm Θετική 768 17.5 12.67 1.019 218.7 6.12

Αρνητική 764 18.0 13.04 1.012 250.0 5.25

35 cm Θετική 768 17.5 12.67 1.019 236.4 5.37

Αρνητική 764 18.0 13.04 1.012 293.6 4.95

45 cm Θετική 763 18.0 13.37 1.011 274.0 3.65

Αρνητική 760 15.7 10.15 1.015 366.5 4.03

50 cm Θετική 763 15.2 10.09 1.020 287.8 3.29

Αρνητική 760 15.5 10.90 1.015 523.2 3.98

55 cm Θετική 756 15.5 11.21 1.010 317.6 3.32

60 cm Θετική 756 15.5 11.21 1.010 338.6 1.85

4.3 Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) διακένων ακίδας-ακίδας


παρακάτω διαγράμματα που περιγράφουν την καμπύλη τάσης-χρόνου (U-t), τόσο για

θετική όσο και για αρνητική πολικότητα, για κάθε διάκενο ακίδας-ακίδας στο οποίο

πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις. Υπενθυμίζεται ότι για τα διάκενα 15, 20, 25, 30, 35, 40

cm χρησιμοποιήθηκε γειωμένη ακίδα 52 cm, ενώ για τα διάκενα 45 και 50 cm

χρησιμοποιήθηκε γειωμένη ακίδα 27 cm.



26






27





28


ακίδας-ακίδας

Προκειμένου να γίνει πιο σαφής η επίδραση της πολικότητας της επιβαλλόμενης

τάσης πάνω στην καμπύλη πιθανότητας διάσπασης των διακένων ακίδας-ακίδας,

σχεδιάστηκαν σε κοινό διάγραμμα οι καμπύλες πιθανότητας διάσπασης και των δύο

πολικοτήτων. Από τα διαγράμματα γίνεται εύκολα παρατηρήσιμο ότι η τάση

διάσπασης U50 για καθένα από τα μήκη των διακένων είναι μεγαλύτερη για αρνητική

πολικότητα, αφού σε κάθε περίπτωση η καμπύλη πιθανότητας διάσπασης για τις

αρνητικές πολικότητες βρίσκεται πάντοτε δεξιότερα των αντίστοιχων θετικών.

Σχήμα 4.39: Διάκενο R-R, 15 cm με γειωμένη

ακίδα 52 cm Σχήμα 4.40: Διάκενο R-R, 20 cm με γειωμένη

ακίδα 52 cm



ακίδα 52 cm


29



ακίδα 27 cm



ακίδα 27 cm



ακίδα 27 cm

Αξίζει να σημειωθεί σε αυτό το σημείο, πως από τα διαγράμματα που

απεικονίζονται στα σχήματα 4.43 έως 4.46 γίνεται εμφανής η επίδραση του ύψους της

γειωμένης ακίδας. Γίνεται φανερό ότι και για τα δύο μήκη διακένων, 30 και 35 cm, το

μήκος της γειωμένης ακίδας δεν επηρεάζει σημαντικά την καμπύλη πιθανότητας

διάσπασης.


30

4.5 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) διακένων

ακίδας-ακίδας

Όπως για τις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης, έτσι και για τις καμπύλες τάσης

χρόνου (U-t) έγινε σχεδίαση των καμπυλών σε κοινό διάγραμμα και για τις δύο

πολικότητες. Με αυτό τον τρόπο επιδιώκεται και πάλι να καταστεί εμφανής η επίδραση

της πολικότητας πάνω στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t). Γίνεται φανερό ότι η

επίδραση της πολικότητας είναι πιο σημαντική για χαμηλότερα επίπεδα τάσης, όπου

εμφανίζονται μεγαλύτεροι χρόνοι διάσπασης, ενώ για μεγαλύτερες τάσεις και

μικρότερους χρόνους διάσπασης, η επίδραση της πολικότητας πάνω στις καμπύλες

τάσης χρόνου (U-t) είναι σχεδόν αμελητέα.



ακίδα 52 cm



ακίδα 52 cm


31



ακίδα 52 cm



ακίδα 27 cm

4.6 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες

πιθανότητας διάσπασης

Στη συνέχεια σχεδιάστηκαν σε ένα συγκεντρωτικό διάγραμμα οι καμπύλες

πιθανότητας διάσπασης όλων των διακένων ακίδας-ακίδας που εξετάστηκαν, τόσο για

την θετική όσο και την αρνητική πολικότητα, ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή

συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση του μήκους του διακένου πάνω στις

καμπύλες πιθανότητας διάσπασης. Γίνεται φανερό πως καθώς αυξάνεται το μήκος του

διακένου, τόσο σε θετική όσο και σε αρνητική πολικότητα, σημειώνεται και αντίστοιχη

μετακίνηση της καμπύλης πιθανότητας διάσπασης δεξιότερα πάνω στον άξονα της

τάσης, δηλαδή σημειώνεται αύξηση της U50.


32

Σχήμα 4.57: Καμπύλες πιθανότητας για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-ακίδας, LI(+)

Σχήμα 4.58: Καμπύλες πιθανότητας για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-ακίδας, LI(-)


33

4.7 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-ακίδας στις καμπύλες τάσης-

χρόνου (U-t)

Όπως και στην προηγούμενη ενότητα, οι καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) όλων των

διακένων ακίδας-ακίδας που εξετάστηκαν, σχεδιάστηκαν σε ένα συγκεντρωτικό

διάγραμμα, τόσο για την θετική όσο και την αρνητική πολικότητα, ώστε να καταστεί

εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση του μήκους του διακένου

πάνω στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t). Υπενθυμίζεται ότι για τα διάκενα 15, 20, 25,

30, 35, 40 cm χρησιμοποιήθηκε γειωμένη ακίδα 52 cm, ενώ για τα διάκενα 45 και 50 cm

χρησιμοποιήθηκε γειωμένη ακίδα 27 cm.

Σχήμα 4.59: Καμπύλες τάσης χρόνου (U-t) για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-ακίδας, LI(+)


34

Σχήμα 4.60: Καμπύλες τάσης χρόνου (U-t) για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-ακίδας, LI(-)


35

Κεφάλαιο 5: Πειραματικά αποτελέσματα διακένων ακίδας -πλάκας

5.1 Καμπύλες πιθανότητας διάσπασης για διάκενα ακίδας-πλάκας (R-P)


παρακάτω διαγράμματα που περιγράφουν την καμπύλη πιθανότητας διάσπασης και

την προσέγγιση της με την κανονική κατανομή, τόσο για θετική όσο και για αρνητική

πολικότητα, για κάθε διάκενο ακίδας-πλάκας στο οποίο πραγματοποιήθηκαν

μετρήσεις.

Σχήμα 5.1: Διάκενο R-P, 20 cm, LI(+) Σχήμα 5.2: Διάκενο R-P, 20 cm, LI(-)




36

Στον πίνακα 5.1 που ακολουθεί, παρουσιάζονται συνοπτικά οι τιμές της τάσης

διάσπασης U50 και της τυπικής απόκλισης σ (%) που υπολογίστηκαν για όλα τα διάκενα

ακίδας-πλάκας μαζί με τις αντίστοιχες ατμοσφαιρικές συνθήκες και την πολικότητα της

επιβαλλόμενης τάσης.

Πίνακας 5.1: Συγκεντρωτικά στοιχεία για διάκενα ακίδας-πλάκας


20 cm Θετική 765 22.7 17.50 0.994 132.1 4.96

Αρνητική 763 22.2 16.96 0.996 258.5 3.79

40 cm Θετική 765 21.5 15.83 1.002 217.0 4.55

Αρνητική 757 16.2 15.27 1.009 462.6 3.00

60 cm Θετική 765 22.0 16.85 1.000 305.2 2.54

30 cm Αρνητική 763 22.2 16.96 0.996 258.5 3.79

5.2 Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) για διάκενα ακίδας-πλάκας


παρακάτω διαγράμματα που περιγράφουν την καμπύλη τάσης-χρόνου (U-t), τόσο για

θετική όσο και για αρνητική πολικότητα, για κάθε διάκενο ακίδας-πλάκας στο οποίο

πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις.



37




ακίδας-πλάκας

Από τα κοινά διαγράμματα των καμπυλών πιθανότητας διάσπασης και για τις

δύο πολικότητες γίνεται εύκολα παρατηρήσιμο ότι η τάση διάσπασης U50 για καθένα

από τα μήκη των διακένων είναι μεγαλύτερη για αρνητική πολικότητα, αφού σε κάθε

περίπτωση η καμπύλη πιθανότητας διάσπασης για τις αρνητικές πολικότητες βρίσκεται

πάντοτε δεξιότερα των αντίστοιχων θετικών. Παρατηρείται ακόμη ότι συγκριτικά με τα

διάκενα ακίδας-ακίδας, στα διάκενα ακίδας-πλάκας η U50 είναι εμφανώς μεγαλύτερη

για αρνητική πολικότητα σε σχέση με την U50 θετικής πολικότητας.

Σχήμα 5.13: Διάκενο R-P, 20 cm Σχήμα 5.14: Διάκενο R-P,40 cm


38

5.4 Επίδραση της πολικότητας στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) διακένων

ακίδας-πλάκας

Όπως για τις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης, έτσι και για τις καμπύλες τάσης

χρόνου (U-t) έγινε σχεδίαση των καμπυλών σε κοινό διάγραμμα και για τις δύο

πολικότητες. Με αυτό τον τρόπο επιδιώκεται και πάλι να καταστεί εμφανής η επίδραση

της πολικότητας πάνω στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t). Παρατηρείται, όπως και στα

διάκενα ακίδας-ακίδας, πως η επίδραση της πολικότητας είναι έντονη για χαμηλότερα

επίπεδα τάσης όπου οι χρόνοι διάσπασης είναι μεγαλύτεροι, ενώ για υψηλές τάσεις και

μικρότερους χρόνους διάσπασης η επίδραση της πολικότητας πάνω στις καμπύλες

τάσης χρόνου (U-t) είναι σχεδόν αμελητέα.

Σχήμα 5.15: Διάκενο R-P,20 cm Σχήμα 5.16: Διάκενο R-P,40 cm

5.5 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-πλάκας στις καμπύλες

πιθανότητας διάσπασης

Στη συνέχεια σχεδιάστηκαν σε ένα συγκεντρωτικό διάγραμμα οι καμπύλες

πιθανότητας διάσπασης όλων των διακένων ακίδας-πλάκας που εξετάστηκαν, τόσο

για την θετική όσο και την αρνητική πολικότητα, ώστε να καταστεί εύκολη η διεξαγωγή

συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση του μήκους του διακένου πάνω στις

καμπύλες πιθανότητας διάσπασης. Γίνεται φανερό πως καθώς μεγαλώνει το μήκος του

διακένου, τόσο για θετική όσο και για αρνητική πολικότητα, οι καμπύλες πιθανότητας

διάσπασης μετακινούνται δεξιά πάνω στον άξονα της τάσης, δηλαδή η τάση

διάσπασης U50 μεγαλώνει.


39

Σχήμα 5.17: Καμπύλες πιθανότητας για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-πλάκας, LI(+)

Σχήμα 5.18: Καμπύλες πιθανότητας για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-πλάκας, LI(-)


40

5.6 Επίδραση του μήκους του διακένου ακίδας-πλάκας στις καμπύλες τάσης-

χρόνου (U-t)

Όπως και στην προηγούμενη ενότητα, οι καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) όλων

των διακένων ακίδας-ακίδας που εξετάστηκαν, σχεδιάστηκαν σε ένα συγκεντρωτικό

διάγραμμα, τόσο για την θετική όσο και την αρνητική πολικότητα, ώστε να καταστεί

εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση του μήκους του διακένου

πάνω στις καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t).

Σχήμα 5.19: Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-πλάκας, LI(+)


41

Σχήμα 5.20: Καμπύλες τάσης-χρόνου (U-t) για όλα τα μήκη διακένων ακίδας-πλάκας, LI(-)


42


43

Κεφάλαιο 6: Ανάλυση πειραματικών δεδομένων

6.1 Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου

Τα εξεταζόμενα διάκενα χωρίστηκαν σε τρεις γενικές κατηγορίες, στα διάκενα

ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm, στα διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη

ακίδας ύψους 27 cm και στα διάκενα ακίδας-πλάκας. Έπειτα από την διεξαγωγή των

πειραματικών μετρήσεων πάνω στα διάφορα είδη διακένων που εξετάστηκαν,

συγκεντρώθηκαν τα απαραίτητα δεδομένα ώστε να είναι δυνατό να οριστούν μεγέθη

όπως η U50, δηλαδή η τάση για την οποία η πιθανότητα διάσπασης είναι 50 %. Στη

συνέχεια ορίζονται δύο ακόμα μεγέθη, η τάση κατωφλίου Uth και η τάση σταθερής

διάσπασης Ust. Ως τάση κατωφλίου ορίζεται η τάση για την οποία η πιθανότητα

διάσπασης είναι 2,5 % και ως τάση σταθερής διάσπασης, η τάση για την οποία η

πιθανότητα διάσπασης είναι 97,5 % [2]. Για κάθε κατηγορία διακένων σχεδιάστηκαν οι

καμπύλες τάσης-μήκους διακένου που απεικονίζουν τις εξισώσεις που περιγράφουν την

μεταβολή της U50, Uth και Ust για αυξανόμενο μήκους διακένου. Με την βοήθεια αυτών

των εξισώσεων γίνεται εύκολος ο προσεγγιστικός υπολογισμός των προαναφερόμενων

τάσεων για διάκενα χωρίς να προηγηθεί η χρονοβόρος διαδικασία των πειραματικών

μετρήσεων. Σκοπός των εξισώσεων αυτών δεν είναι ο ακριβής υπολογισμός της τάσης

διάσπασης για ένα συγκεκριμένο μήκος διακένου, καθώς για τον ακριβή υπολογισμό

είναι απαραίτητη η διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων. Οι καμπύλες αυτές

αποσκοπούν στο να δώσουν μία γρήγορη και ικανοποιητική προσέγγιση για την τάση

διάσπασης, για ένα συγκεκριμένο μήκος διακένου, που βοηθά στην κατανόηση του

γενικότερου φαινομένου της διάσπασης διακένων. Από τα διαγράμματα που

ακολουθούν γίνεται φανερό ότι η τάση διάσπασης είναι μεγαλύτερη για αρνητική

πολικότητα σε όλες τις κατηγορίες διακένων και ότι η επίδραση της πολικότητας είναι

εντονότερη στα διάκενα ακίδας-πλάκας και στα διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη

ακίδα ύψους 27 cm.

6.1.1 Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου για διάκενα ακίδας-ακίδας (R-R) με

γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm

Σχήμα 6.1: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,

R-R, LI(+) Σχήμα 6.2: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,

R-R,LI(-)


44

Σχήμα 6.3: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,U50, για θετική και αρνητική πολικότητα, R-R

6.1.2 Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου για διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη

ακίδα ύψους 27 cm


R-R, LI(+) Σχήμα 6.5: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,

R-R,LI(-)


45

Σχήμα 6.6: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,U50, για θετική και αρνητική πολικότητα, R-R

6.1.3 Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου για διάκενα ακίδας-πλάκας


R-P, LI(+) Σχήμα 6.8: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,

R-P,LI(-)


46

Σχήμα 6.9: Καμπύλες τάσης-μήκους διακένου,U50, για θετική και αρνητική πολικότητα, R-P

6.2 Μέση πεδιακή ένταση διάσπασης

Πέρα από την τάση διάσπασης, ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη μελέτη του

φαινομένου της διάσπασης διακένων παρουσιάζει και το μέγεθος της μέσης πεδιακής

έντασης της διάσπασης. Η μέση πεδιακή ένταση είναι ένα φυσικό μέγεθος, η μεταβολή

του οποίου παρέχει πληθώρα πληροφοριών για τη συμπεριφορά του διακένου και για το

μηχανισμό της διάσπασής του. Λόγω της πολυπλοκότητας του αναλυτικού

υπολογισμού της μέσης πεδιακής έντασης στα ανομοιογενή διάκενα αέρα, η μέση

πεδιακή ένταση, Εm, μπορεί να υπολογιστεί έμμεσα από την ακόλουθη σχέση:

𝐸𝑚 =𝑈50

𝑙

όπου U50 η τάση διάσπασης σε kV, με πιθανότητα διάσπασης 50 % και l το μήκος του

υπό εξέταση διακένου σε m. [4]

Όπως και στην προηγούμενη ενότητα για την τάση διάσπασης, για κάθε

κατηγορία διακένων σχεδιάστηκε η καμπύλη της μέσης πεδιακής έντασης συναρτήσει

του μήκους του διακένου. Από τις εξισώσεις των καμπυλών είναι δυνατό και πάλι να

υπολογιστεί προσεγγιστικά η τιμή της μέσης πεδιακής έντασης για κάποιο διάκενο

συγκεκριμένου μήκους. Όπως γίνεται φανερό, η επίδραση της πολικότητας είναι

εντονότερη στα διάκενα ακίδας-πλάκας και ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 27

cm ενώ στα διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα 52 cm είναι λιγότερο έντονη.


47

6.2.1 Μέση πεδιακή ένταση για διάκενα ακίδας-ακίδας (R-R) με γειωμένη ακίδα

ύψους 52 cm

Σχήμα 6.10: Μέση πεδιακή ένταση για θετική και αρνητική πολικότητα, R-R


48

6.2.2 Μέση πεδιακή ένταση για διάκενα ακίδας-ακίδας (R-R) με γειωμένη ακίδα

ύψους 27 cm

Σχήμα 6.11: Μέση πεδιακή ένταση για θετική και αρνητική πολικότητα, R-R


49

6.2.3 Μέση πεδιακή ένταση για διάκενα ακίδας-πλάκας (R-P)

Σχήμα 6.12: Μέση πεδιακή ένταση για θετική και αρνητική πολικότητα, R-P


50

6.2.4 Επίδραση του ύψους της γειωμένης ακίδας στη μέση πεδιακή ένταση για τα

διάκενα ακίδας-ακίδας (R-R)

Σχήμα 6.13: Μέση πεδιακή ένταση για θετική πολικότητα, R-R, 27 & 52 cm, LI(+)

Σχήμα 6.14: Μέση πεδιακή ένταση για αρνητική πολικότητα, R-R, 27 & 52 cm, LI(-)


51

6.3 Συντελεστής Διακένου (Gap factor)

To διάκενο αέρα ακίδας-πλάκας αντιπροσωπεύει την πιο ανομοιογενή κατανομή

ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ δύο ακίδων και υπό θετική τάση καταπόνησης συνήθως

παρουσιάζει μικρότερη τάση διάσπασης. Για το λόγο αυτό, το διάκενο αέρα ακίδας-

πλάκας χρησιμοποιείται ως μία βασική αναφορά για τον υπολογισμό και τον καθορισμό

του συντελεστή διακένου (k). Ο συντελεστής διακένου ορίζεται ως ο λόγος της U50

τάσης διάσπασης για το διάκενο οποιαδήποτε μορφής, προς την U50 τάση διάσπασης

του βασικού διακένου ακίδας-πλάκας, για την ίδια απόσταση μεταξύ των ακίδων.

𝛴𝜐𝜈𝜏휀𝜆휀𝜎𝜏ή𝜍 𝛿𝜄𝛼𝜅έ𝜈𝜊𝜐: 𝑘 =𝑈50

𝑈50,𝑅−𝑃

Ο παραπάνω ορισμός χρησιμοποιείται για διάκενα αέρα και για μήκη διακένου

τόσο μεγαλύτερα όσο και μικρότερα του ενός μέτρου.

Η έννοια του συντελεστή διακένου είναι χρήσιμη στο προσδιορισμό της U50 τάσης

διάσπασης για διάφορα διάκενα αέρα με μορφολογία ακίδων διαφορετική από αυτή της

ακίδας-πλάκας. Όταν το μήκος και ο συντελεστής διακένου σε μία συγκεκριμένη

διάταξη είναι γνωστά, τότε η τάση με πιθανότητα διάσπασης 50 % αυτού του διακένου

μπορεί να προσδιοριστεί πολλαπλασιάζοντας τον συντελεστή διακένου, k, με την τιμή

της U50,R-P, η οποία είναι διαθέσιμη από πειραματικές δοκιμές που έχουν γίνει σε διάκενα

ακίδας-πλάκας [4].

Χρησιμοποιώντας τις πειραματικές μετρήσεις για τα διάφορα μήκη διακένων

ακίδας-ακίδας και ακίδας-πλάκας που εξετάστηκαν, σχεδιάστηκαν τα γραφήματα που

παρουσιάζουν την τιμή του συντελεστή διακένου για γειωμένη ακίδα ύψους 27 και 52

cm, τόσο για θετική όσο και αρνητική πολικότητα. Από τα γραφήματα γίνεται φανερό

ότι η επίδραση του ύψους της γειωμένης ακίδας στον καθορισμό του συντελεστή

διακένου είναι εντονότερη για θετική πολικότητα, ενώ για αρνητική πολικότητα το ύψος

της γειωμένης ακίδας δεν επηρεάζει σημαντικά τον συντελεστή διακένου.


52

Σχήμα 6.15: Συντελεστής διακένου R-R, γειωμένης ακίδας ύψους 27 cm, LI (+)

Σχήμα 6.16: Συντελεστής διακένου R-R, γειωμένης ακίδας ύψους 27 cm,LI (-)


53

Σχήμα 6.17: Συντελεστής διακένου R-R, γειωμένης ακίδας ύψους 52 cm, LI (+)

Σχήμα 6.18: Συντελεστής διακένου R-R, γειωμένης ακίδας ύψους 52 cm,LI (-)


54


55

Κεφάλαιο 7: Συμπεράσματα

Στην πλειοψηφία των εφαρμογών της τεχνολογίας υψηλών τάσεων συναντώνται

διάκενα διαφορετικού τύπου και μήκους. Η κατανόηση του φαινομένου της ηλεκτρικής

διάσπασης ανομοιογενών διακένων με διηλεκτρικό μέσο τον ατμοσφαιρικό αέρα,

αποτελεί σύνθετη αλλά σημαντική διαδικασία. Η σωστή κατανόηση του φαινομένου

οδηγεί στην ορθή διαστασιολόγηση του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού στις εφαρμογές

υψηλής τάσης αλλά και στην πρόληψη αστοχιών.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, εξετάστηκε η διηλεκτρική

συμπεριφορά ανομοιογενών διακένων ακίδας-ακίδας και ακίδας-πλάκας με

διηλεκτρικό μέσο τον ατμοσφαιρικό αέρα, καθώς διάκενα αυτού του τύπου είναι ευρέως

διαδεδομένα και βρίσκουν πληθώρα εφαρμογών. Πιο συγκεκριμένα, αποκτήθηκαν μέσω

πειραματικών μετρήσεων καμπύλες πιθανότητας διάσπασης, καμπύλες τάσης-χρόνου

(U-t) και καμπύλες τάσης-μήκους διακένου τόσο για θετική όσο και για αρνητική

πολικότητα. Ακόμη υπολογίστηκαν η μέση πεδιακή ένταση διάσπασης καθώς και ο

συντελεστής διακένου για τα διάκενα ακίδας-ακίδας, πάλι για θετική και αρνητική

πολικότητα. Παρακάτω παρουσιάζονται εν συντομία τα συμπεράσματα που μπορούν

να εξαχθούν από την μελέτη των καμπυλών και των συγκριτικών διαγραμμάτων.

Η πολικότητα της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης έχει σημαντική επίδραση

τόσο στις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης όσο και στις καμπύλες τάσης-χρόνου

(U-t). Όσον αφορά τις καμπύλες πιθανότητας διάσπασης, σε όλες τις κατηγορίες των

διακένων που εξετάστηκαν, στην περίπτωση της αρνητικής πολικότητας παρατηρείται

μετατόπιση της καμπύλης πιθανότητας διάσπασης προς τα δεξιά, πάνω στον οριζόντιο

άξονα της τάσης, που έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη τιμή για την τάση U50 σε

αρνητική πολικότητα. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται και στα διαγράμματα τάσης-

χρόνου, όπου για αρνητική πολικότητα η καμπύλη U-t βρίσκεται πάντοτε άνωθεν της

καμπύλης U-t για θετική πολικότητα. Ωστόσο στην περίπτωση των καμπυλών τάσης-

χρόνου, η επίδραση της πολικότητας γίνεται μικρότερη για υψηλότερα επίπεδα τάσης,

όπου εμφανίζονται μικρότεροι χρόνοι διάσπασης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, για αρκετά

υψηλές τιμές τάσης, οι καμπύλες U-t για αρνητική και θετική πολικότητα σχεδόν να

ταυτίζονται ενώ για χαμηλότερες τιμές τάσης να είναι ξεκάθαρη η επίδραση της

πολικότητας πάνω στις καμπύλες U-t.

Σημαντική είναι επίσης η επίδραση του μήκους τους διακένου τόσο στις καμπύλες

πιθανότητας διάσπασης όσο και στις καμπύλες τάσης-χρόνου. Με την αύξηση του

μήκους του διακένου παρατηρείται μετατόπιση των καμπυλών πιθανότητας διάσπασης,

σε αρνητική και θετική πολικότητα, δεξιότερα πάνω στον οριζόντιο άξονα της τάσης με

αποτέλεσμα όσο αυξάνεται το μήκους του διακένου να αυξάνεται και η τιμή της τάσης

U50. Στην περίπτωση των καμπυλών τάσης-χρόνου, η αύξηση του μήκους του διακένου

συνεπάγεται μετατόπιση της καμπύλης U-t ψηλότερα κατά την διεύθυνση του

κατακόρυφου άξονα της τάσης.


56

Στη συνέχεια, από τα διαγράμματα τάσης-μήκους διακένου, γίνεται εύκολα

αντιληπτό ότι η τάση διάσπασης είναι μεγαλύτερη για αρνητική πολικότητα σε όλες τις

κατηγορίες διακένων και ότι η επίδραση της πολικότητας είναι εντονότερη στα διάκενα

ακίδας-πλάκας και στα διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 27 cm σε

σχέση με τα διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm. Το φαινόμενο αυτό

οφείλεται στην φύση των αρνητικών εκκενώσεων, καθώς οι αρνητικές εκκενώσεις

απαιτούν σημαντικά μεγαλύτερες τιμές μέσου πεδίου στο διάκενο για να αναπτυχθούν

σε σχέση με τις θετικές εκκενώσεις και επομένως η τάση διάσπασης ενός διακένου υπό

θετικές τάσεις καταπόνησης είναι σημαντικά μικρότερη σε σχέση με την αντίστοιχη υπό

αρνητικές τάσεις. Ακόμη, όσο μεγαλύτερο γίνεται το ύψος της γειωμένης ακίδας τόσο

πιο μεγάλο γίνεται το μέσο πεδίο του διακένου, γεγονός που εξηγεί την μικρότερη

επίδραση της πολικότητας στα διάκενα ακίδας-ακίδας με γειωμένη ακίδα ύψους 52 cm

σε σχέση με τις υπόλοιπες κατηγορίες διακένων που εξετάστηκαν. Η μελέτη των

καμπυλών μέσης πεδιακής έντασης επιβεβαιώνει την παραπάνω πρόταση, αφού είναι

φανερό πως στην περίπτωση του διακένου ακίδας-πλάκας η επίδραση της πολικότητας

είναι εντονότερη σε σχέση με τις υπόλοιπες κατηγορίες διακένων που εξετάστηκαν.

Σημειώνεται ακόμη, ότι η μέση πεδιακή ένταση, τόσο για θετική όσο και για αρνητική

πολικότητα, παρουσιάζει φθίνουσα εκθετική μορφή που φθίνει με την αύξηση του

μήκους του διακένου σε όλες τις περιπτώσεις των διακένων που εξετάστηκαν.

Σχετικά με τον συντελεστή διακένου ακίδας-ακίδας, ο υπολογισμός του

πραγματοποιήθηκε ως το πηλίκο της μέσης πεδιακής έντασης διάσπασης του διακένου

ακίδας–ακίδας, προς την αντίστοιχη Εm του διακένου αναφοράς, ακίδας–πλάκας, για

το ίδιο μήκος διακένου. Διαπιστώθηκε ότι ο συντελεστής διακένου στην περίπτωση

εφαρμογής τάσεων αρνητικής πολικότητας είναι μικρότερος της μονάδας, γεγονός που

οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το διάκενο αέρα ακίδας–ακίδας παρουσιάζει μικρότερη

διηλεκτρική αντοχή σε σχέση με το διάκενο ακίδας–πλάκας στην καταπόνηση υπό

τάσεις αρνητικής πολικότητας. Το ακριβώς αντίθετο διαπιστώθηκε για θετική

πολικότητα, δηλαδή το διάκενο αέρα ακίδας-ακίδας παρουσιάζει μεγαλύτερη

διηλεκτρική αντοχή σε σχέση με το διάκενο ακίδας-πλάκας στην καταπόνηση υπό

τάσεις αρνητικής πολικότητας.

Συνοψίζοντας, τόσο για τα διάκενα ακίδας-πλάκας όσο και για τα διάκενα

ακίδας-ακίδας, για να συμβεί διάσπαση απαιτούνται υψηλότερες εφαρμοζόμενες τάσεις

υπό αρνητική παρά υπό θετική πολικότητα σε όλες τις περιπτώσεις. Ακόμη, η αύξηση

του μήκους του διακένου προκαλεί αύξηση της απαιτούμενης τάσης για να επέλθει

διάσπαση. Τέλος, μέσω των εξισώσεων που αντιπροσωπεύουν τις καμπύλες τάσης-

μήκους διακένου για διάκενα ακίδας-πλάκας και του συντελεστή διακένου είναι

δυνατός ο υπολογισμός της U50 τάσης διάσπασης για διάκενα αέρα ακίδας-ακίδας με

διάφορα μήκη.

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας δόθηκε έμφαση στην επίδραση του

μήκους του διακένου και της πολικότητας της επιβαλλόμενης τάσης πάνω στο

φαινόμενο της ηλεκτρικής διάσπασης των ανομοιογενών διακένων ατμοσφαιρικού


57

αέρα ακίδας-ακίδας και ακίδας πλάκας. Ωστόσο, τονίζεται ξανά ότι το φαινόμενο της

ηλεκτρικής διάσπασης διακένων αποτελεί ιδιαίτερα σύνθετο φαινόμενο και για αυτό το

λόγο η μελέτη του υπό διαφορετικές σκοπιές είναι απαραίτητη. Στα πλαίσια της

περαιτέρω διερεύνησης της διηλεκτρικής συμπεριφοράς των παραπάνω διακένων θα

παρουσίαζε ιδιαίτερο ενδιαφέρον η επανάληψη των πειραματικών μετρήσεων σε

διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση της υγρασίας

και της θερμοκρασίας στην διάσπαση των διακένων. Ακόμη, σε μελλοντικά πειράματα,

θα είχε μεγάλο ενδιαφέρον η μέτρηση του ρεύματος που παρουσιάζεται κατά την

διάσπαση των διακένων. Η τιμή του ρεύματος αποτελεί σημαντική πληροφορία για τον

μηχανισμό διάσπασης των διακένων και μπορεί να βοηθήσει στην βαθύτερη κατανόηση

του φαινομένου. Τέλος η διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων για παραπάνω μήκη

διακένων (μικρότερα των 15 cm αλλά και μεγαλύτερα του ενός μέτρου) θα μπορούσε να

δώσει πληθώρα πληροφοριών για τον μηχανισμό της διάσπασης των διακένων υπό

διαφορετικές συνθήκες και γεωμετρίες.


58


59

Κεφάλαιο 8: Βιβλιογραφικές αναφορές

[1] IEC 60060-1: "High-voltage test techniques, Part1: General definitions and

requirements", 2010.

[2] Π. Ν. Μικρόπουλος, "Εργαστηριακές Ασκήσεις στην Τεχνολογία των Υψηλών

Τάσεων", Σημειώσεις Υψηλών Τάσεων 1 και 2, Θεσσαλονίκη 2008.

[3] Αμοιρίδης Δημήτριος, Μανιώτης Παντελής, "Πειραματική διερεύνηση διηλεκτρικής

συμπεριφοράς τυπικών μονωτήρων εναέριων γραμμών ΜΤ υπό την επίδραση

εξωτερικών ΚρΥΤ", Διπλωματική εργασία, εργαστήριο υψηλών τάσεων, ΑΠΘ,

Θεσσαλονίκη 2015

[4] Σιούρη Παρασκευή, "Διηλεκτρική αντοχή διακένων ατμοσφαιρικού αέρα ακίδας-

πλάκας και ακίδας-ακίδας μήκους έως 1m", Διπλωματική εργασία, εργαστήριο υψηλών

τάσεων, ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη 2014.

[5] Γεώργιος Θ. Γκίκας, Κυριάκος Γ. Κυριακίδης, "Πειραματική διερεύνηση της

θωράκισης έναντι άμεσων κεραυνικών πληγμάτων εναέριων γραμμών μεταφοράς

υπερυψηλής τάσης (UHV) μεγάλης κλίμακας", Διπλωματική εργασία, εργαστήριο

υψηλών τάσεων, ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη 2012.

[6] Recommendations for high-voltage testing: EEI-NEMA subcommittee report,"

Electrical Engineering, vol.59, no.10, pp.598-602, Oct. 1940.


60

Πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς...

Documents

Transcript of Πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς...