Η απόκριση ενός διάκενου αέρα όταν υποβάλλεται σε μια καταπόνηση μέσω μίας κρουστικής τάσης με ορισμένο σχήμα, μέγεθος και όλα τα λοιπά χαρακτηριστικά της είναι ένα στοχαστικό φαινόμενο που σημαίνει ότι μπορεί να συμβεί ή να μη συμβεί διάσπαση. Ο σκοπός της εργασίας μας ήταν να μελετήσουμε την τάση διάσπασης και την τυπική απόκλιση διακένων σε σχέση με τη μεταβολή των χαρακτηριστικών της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης. Όταν μία ποσότητα αέρα βρεθεί μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, όλα τα ιόντα και ηλεκτρόνια αποκτούν, εκτός από την ακατάστατη θερμική τους κίνηση και μια κατευθυνόμενη ταχύτητα που εξαρτάται από το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου. Για να αρχίσει ιονισμός από κρούσεις ηλεκτρονίων, που είναι ο βασικός μηχανισμός για τη διάσπαση του αέρα, χρειάζεται ένα αρκετά υψηλό πεδίο που πρέπει να υπερβαίνει τα 25 kV/cm. Στο ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο, η αναγκαία πεδιακή ένταση για την έναρξη ιονισμού κρούσεων αποκαθίσταται ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία του διακένου κι έτσι μόλις αρχίσει ο ιονισμός, το εξωτερικά επιβαλλόμενο πεδίο δημιουργεί σχεδόν ακαριαία συνθήκες για πολύ ταχεία εξάπλωση της εκκένωσης και ολοκλήρωση της διάσπασης. Σε ένα ανομοιογενές διάκενο μήκους d, πεδιακή ένταση αρκετά υψηλή για την έναρξη ιονισμού εμφανίζεται μπροστά στο ένα ή και στα δυο ηλεκτρόδια για μια τάση Uα < 25[kV/cm] * d[cm] και γενικά είναι διαφορετική στα διάφορα σημεία του διακένου. Παρόλο που η έναρξη ιονισμού δεν αποτελεί ικανή συνθήκη για τη διάσπαση ανομοιογενούς διακένου, ανομοιογενή διάκενα μπορεί να διασπώνται σε τάση μικρότερη από αυτή που απαιτείται για τη διάσπαση ομοιογενούς διακένου και η διάσπαση τους πραγματοποιείται σε τρεις φάσεις: τη φάση της κορόνα, τη φάση του οχετού προεκκένωσης και της τελικής γεφύρωσης. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών και τα τρία διάκενα (σχήματα 1, 2, 3) στα οποία πραγματοποιήθηκαν τα αντίστοιχα πειράματα είναι: Σχήμα 1. Διάκενο ακίδα – πλάκα Σχήμα 2. Διάκενο ακίδα –σφαίρα Σχήμα 3. Διάκενο σφαίρα – σφαίρα το διάκενο ακίδας - πλάκας με απόσταση διακένου d = 25cm (ακίδα → ράβδος με απόληξη κώνο 15°), το διάκενο ακίδας – σφαίρας με απόσταση διακένου d = 9.5cm και διάμετρο σφαίρας D = 10cm (ακίδα → ράβδος με ημικυκλική απόληξη r =5mm) και το διάκενο σφαίρας – σφαίρας με διάκενο μεταξύ των σφαιρών d = 3cm και διάμετρο σφαιρών D = 10cm. Για την πραγματοποίηση της διαδικασίας τοποθετήθηκαν στην κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου αντιστάσεις διαφόρων τιμών. Με τη μεταβολή της αντίστασης μετώπου και της αντίστασης ουράς της γεννήτριας μεταβάλλαμε το χρόνο μετώπου Tcr και το χρόνο ουράς Tq αντίστοιχα της ληφθείσας κρουστικής τάσης. Έτσι πραγματοποιώντας μετρήσεις για κάθε κρουστική τάση πάνω στο εκάστοτε διάκενο πήραμε για διαφορετικές τάσεις διάσπασης την αντίστοιχή πιθανότητα διάσπασης. Οι τάσεις διάσπασης που προέκυψαν κανονικοποιήθηκαν με τους συντελεστές διόρθωσης υγρασίας και πυκνότητας του αέρα, έγινε δηλαδή αναγωγή των τιμών σε κανονικές συνθήκες. Έπειτα, με τη χάραξη ευθειών πάνω σε φύλα κανονικής κατανομής σύμφωνα πάντα με τα διορθωμένα πειραματικά σημεία, προέκυψε μία πρώτη προσέγγιση της τιμής της τάσεως U50% και της τυπικής απόκλισης σ. Αυτές οι τιμές χρησιμοποιήθηκαν σαν αρχικές σε ένα πρόγραμμα σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN, το οποίο υλοποιούσε τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας, προκειμένου να προκύψει με μεγαλύτερη ακρίβεια η τιμή της τάσης διάσπασης U50%, η τυπική απόκλιση σ και τα όρια αξιοπιστίας τους. Οι τελικές τιμές της τάσης διάσπασης και της τυπικής απόκλισης, που προέκυψαν από την εκτέλεση του προγράμματος μας, ομαδοποιήθηκαν σε πίνακες και με τη χρήση του OriginPro 8 λάβαμε τα τελικά διαγράμματα που μας βοήθησαν στην εξαγωγή συμπερασμάτων μέσω των κατάλληλων συγκρίσεων. Με την παρατήρηση των διαγραμμάτων προέκυψε ότι η τάση διάσπασης U50% και για τα τρία διάκενα μειώνεται, όσο ο χρόνος μετώπου Tcr της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης αυξάνει. Συνεπώς οι κρουστικές τάσεις που έχουν μεγάλη διάρκεια μετώπου αποτελούν πιο σοβαρή καταπόνηση για τα διάκενα μας απ’ ότι αυτές με μικρή διάρκεια και τα αντίστοιχα διάκενα αέρα που καταπονούνται με αυτές διασπώνται σε μικρότερη τιμή τάσης. Για το διάκενο ακίδας - πλάκας το διάστημα τιμών από την τάση υπό την οποία η πιθανότητα διάσπασης είναι περίπου μηδενική P≈0% μέχρι την τάση όπου η πιθανότητα διάσπασης είναι βέβαιη P100% είναι μεγαλύτερο σε σχέση με το αντίστοιχο διάστημα τιμών για το διάκενο ακίδας – σφαίρας που με τη σειρά του είναι μεγαλύτερο από αυτό για το διάκενο σφαίρας – σφαίρας. Επίσης συμπεράναμε ότι το διάκενο ακίδας – πλάκας παρουσιάζει τη χαμηλότερη μέση πεδιακή ένταση διάσπασης σε kV/cm, με το διάκενο ακίδα – σφαίρα να το ακολουθεί. Το διάκενο σφαίρα – σφαίρα παρουσιάζει τη μεγαλύτερη μέση πεδιακή ένταση διάσπασης σε kV/cm, από τα άλλα δύο οπότε είναι εκείνο που διασπάται δυσκολότερα, με τη στιβαρότητα του να το κάνει ιδιαίτερα σημαντικό. Τέλος το μήκος του διακένου επηρεάζει την τάση διάσπασης και μάλιστα όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του διακένου τόσο μεγαλύτερη θα είναι αντίστοιχα και η τάση διάσπασης του, τα δύο αυτά μεγέθη είναι ανάλογα μεταξύ τους. / The response of an air gap subjected to stress through a voltage impulse with a certain shape, size and all other features is a reflective phenomenon, which means that a breakdown may happen or not. The purpose of this essay was to study the breakdown voltage and the standard deviation of gaps in relation to the change of the characteristics of the imposed impulse voltage. When a quantity of air is found in an electric field, all ions and electrons acquire, apart from their chaotic thermal motion, a directed velocity, which depends on the size of the electric field. To start ionization by electron impact, which is the main mechanism for the breakihg down of air, a sufficiently high field, exceeding 25kV/cm, is required. In a homogeneous electric field, the necessary field strength-power for initiating impact ionization is restored simultaneously at all points of the gap, so once the ionization begins, the externally imposed field almost instantaneously creates the conditions for the very rapid spread of the discharge and completion of the breakdown. In an inhomogeneous gap with a length of d cm, a sufficiently field strength-power to start ionization occurs in front of one or both electrodes for a voltage Ua < 25 [kV/cm] * d [cm] and is generally different in different parts of the gap. Although the start of ionization is not a sufficient condition for the breakdown of an uneven gap, uneven gaps may tend to break down in voltages smaller than that required for the breakdown of a homogeneous gap and the breakdown takes place in three stages: the stage of the first corona, the stage of the subsequent coronas during which a first corona elongates and the final jump. The experimental procedure was carried out in the High-Voltage Laboratory of the University of Patras and the three types of gaps (figures 1, 2, 3) that were used for the experiments are: Figure 1. Rod – Plane gap Figure 2. Rod – Sphere gap Figure 3. Sphere – Sphere gap the rod-plane gap with a gap distance d = 25cm (a 15° cone-terminated rod), the rod-sphere gap with gap distance d = 9.5cm and diameter of sphere D = 10cm (a hemisphere r=5mm terminated rod) and the sphere-sphere gap with a gap between the spheres of d = 3cm and diameter of spheres D = 10cm. To carry out the procedure, resistances of various laboratory values were put in the impulse generator. After the change of the front resistance and tail resistance of the generator, we changed the front time Tcr and time the tail time Tq respectively of the received impulse voltage. Thus, making measurements for each impulse voltage over each gap, we extrapolated different breakdown voltages, corresponding to the probability of breaking down. The breakdown voltages generated were standardized with correction factors for air humidity and density, i.e. values were reduced to normal conditions. Subsequently, by drawing lines on normal distribution sheets, always according to the corrected experimental points, we derived a first approximation of the value of voltage U50% and standard deviation σ. These values were used as starting values in a program using the FORTRAN programming language, which implemented the method of maximum likelihood, to more accurately obtain the value of the breakdown voltage U50%, the standard deviation σ and limits of their reliability. The final values of the breakdown voltage and the standard deviation, resulting from the implementation of our program, were grouped in tables and, using the OriginPro 8, we derived the final charts that helped us to draw conclusions by means of appropriate comparisons. By observing the diagrams, we saw that the breakdown voltage U50% for all three gaps reduces as the front time Tcr of the imposed impulse voltage increases. Therefore, the impulse voltages that have a long front time cause more severe stress on our gaps than those with a short duration and the corresponding air gaps stressed with these break down with a smaller voltage value. For the rod-plane gap, the margin of values from the voltage in which the probability of breakdown is almost zero P≈0% until the voltage where the probability of breakdown is certain, P100%, is greater in relation to the corresponding margin of values for the rod-sphere gap, which in turn is larger than that of the sphere-sphere gap. We also concluded that the rod-plane gap presents a lower mean breaking down strength in kV/cm, followed by the rod-sphere gap. The sphere-sphere gap has the greatest mean breaking down strength in kV/cm than this of the other two. It is thus the most difficult to break down, with its strength rendering it very important. Finally, the length of the gap affects the breakdown voltage and, in fact, the larger the length of the gap, the greater, respectively, its breakdown voltage, with these two values being proportionate.

Η παρούσα διπλωματική εργασία καταπιάνεται με τη μελέτη της συμπεριφοράς των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε καταπόνηση με κρουστικές τάσεις κεραυνών. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόστηκαν σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο κρουστικές τάσεις, συμφωνά με τον κανονισμό IEC 61730-2,και μετρήθηκε το αν και κατά πόσο επηρεάστηκε η λειτουργία του πλαισίου. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει το θεωρητικό πλαίσιο της έρευνας. Αναλυτικότερα, παρέχεται η αρχή λειτουργίας του μονοκρυσταλλικού πλαισίου, και αναφέρονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά αυτού που χρησιμοποιήσαμε στην παρούσα εργασία. Παρατίθεται η αρχή λειτουργίας της κρουστικής γεννήτριας που χρησιμοποιήθηκε στο πειραματικό σκέλος και δίνεται ο ορισμός της κρουστικής τάσης. Τέλος, δίνονται πληροφορίες ως προς τη μετρητική συσκευή που χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της καλής λειτουργίας του πλαισίου. Το δεύτερο κεφάλαιο σχετίζεται με το πειραματικό κομμάτι της έρευνας. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται οι κρουστικές τάσεις που έπληξαν το πλαίσιο και γίνεται εκτενής και σαφής αναφορά στον κανονισμό IEC 61730-2 που υπαγορεύει τους κανόνες διεξαγωγής του πειράματος. Τέλος, παρουσιάζονται οι ακριβείς συνθήκες διεξαγωγής της πειραματικής διαδικασίας ενώ περιέχονται φωτογραφίες που πάρθηκαν κατά τη διάρκεια υλοποίησης της έρευνας. Στο τρίτο κεφάλαιο καταγράφονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων καλής λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου και παρουσιάζονται σε πίνακες και χαρακτηριστικές I-V. Αποτελέσματα που πάρθηκαν τόσο πριν όσο και μετά από κάθε καταπόνηση. Κλείνοντας, στο τέταρτο και τελευταίο κεφαλαίο, εξάγονται συμπεράσματα και γίνεται εκτενής ανάλυση των αποτελεσμάτων που καταγράφηκαν στο κεφάλαιο 3. Τα τελικά συμπεράσματα σχετίζονται με το αν επηρεάστηκε ή όχι η καλή λειτουργία του κυττάρου. Ακόμα, παρουσιάζονται κάποιες αδυναμίες της έρευνας μας καθώς και κάποια ερωτήματα-προτάσεις περεταίρω διευρένησης, που μας γεννήθηκαν κατά την ενασχόλησή μας με το θέμα. / This thesis deals with the study of the behavior of the modules when applying lightning impulse voltages. In particular, percussive tendencies were applied to a solar cell, according to the regulation IEC 61730-2, and it was measured whether and how the functioning of the framework was affected. The first chapter provides the theoretical framework of the research. More specific, it is given the operating principle of the single crystal framework and there are referred the technical features which were used in this work. It is presented the operating principle of the impulse generator used in the experimental arm and it is given the definition of “voltage impulse”. Finally, there are presented information on the measuring device used to the study of the proper functioning of the framework. The second chapter is related to the experimental part of the investigation. To be more specified, there are given the percussive tendencies that affected cell and a detailed and clear reference to IEC 61730-2 regulation that dictates the rules of our experiments. Finally, we present the precise conditions under which the experimental procedure was done and there are contained photographs which were took during the implementation of the survey. In the third chapter, they are displayed the results of the measurements proper operation of photovoltaic panel and they are presented in tables and characteristic IV. The results were obtained both before and after each exposure Finally, in the fourth and final chapter, conclusions are drawn and there is a detailed analysis of the results recorded in chapter 3. The final conclusions relating to whether or not the proper cell function was affected . In conclusion, they are presented some shortcomings in our research and some questions (further recommendations for research), there were entered to our minds during our involvement with the issue.

Η ευρεία χρήση του ηλεκτρισμού και η συνεχής αύξηση των μεγεθών μεταφοράς και διανομής της υψηλής τάσης αναγκάζει τον επιστημονικό κόσμο να επενδύσει στην κατανόηση της συμπεριφοράς των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων δηλαδή των κρουστικών τάσεων κεραυνών, και των εσωτερικών υπερτάσεων όπως των κρουστικών τάσεων χειρισμών όπως και της συμπεριφοράς του εξοπλισμού των υψηλών τάσεων. Είναι αναγκαία επίσης η κατανόηση της αλληλεπίδρασης των πιο πάνω για σκοπούς βελτίωσης της ασφάλειας και της αξιοπιστίας του εξοπλισμού των υψηλών τάσεων. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του κατά πόσον τα χρονικά χαρακτηριστικά των κρουστικών τάσεων μπορούν να επιδράσουν στη τάση διάσπασης των διακένων αέρα και γενικότερα στην συμπεριφορά τους. Έτσι αναζητείται η τάση διάσπασης του διακένου αέρα τόσο ποσοτικά (μεταβολή στο μέγεθος) όσο και ποιοτικά (μεταβολή των στατιστικών χαρακτηριστικών). Η διπλωματική εργασία τούτη αποτελεί μια συνεισφορά στην διεθνή ερευνητική προσπάθεια που γίνεται πάνω στο αντικείμενο συλλογής πληροφοριών και εξαγωγής συμπερασμάτων για τα διάφορα είδη κρουστικών τάσεων σε συνδυασμό με τα διάκενα αέρα. Αρχικά παρατίθενται μια θεωρητική ανασκόπηση βασιζόμενη στην διεθνή βιβλιογραφία που αφορά τα κυκλώματα παραγωγής κρουστικών τάσεων στο εργαστήριο. Σκοπός τούτου είναι η αποσαφήνιση του τρόπου παραγωγής των κρουστικών τάσεων στο εργαστήριο με πρωτοβάθμιες, δευτεροβάθμιες και πολυβάθμιες κρουστικές γεννήτριες. Επίσης παρουσιάζεται ένα θεωρητικό μοντέλο υπολογισμού των αναμενόμενων κρουστικών τάσεων μιας δευτεροβάθμιας κρουστικής γεννήτριας του οποίου τα αποτελέσματα παρουσιάζονται. Στη συνέχεια παρατίθεται μια θεωρητική ανασκόπηση που αφορά τα διάκενα αέρα, τους μηχανισμούς διάσπασης τους, τον τρόπο ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων και την επίδραση που έχουν στην διάσπαση των διακένων αέρα οι ατμοσφαιρικές συνθήκες. Όλα τα παραπάνω έχουν σκοπό να αποσαφηνίσουν τους παράγοντες που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής ώστε να εξασφαλιστούν τα πλέον αξιόπιστα πειραματικά αποτελέσματα, καθώς και η δημιουργία μιας βάσης θεωρητικών δεδομένων που θα βοηθήσουν στην αξιοποίηση των πειραματικών μετρήσεων. Για την διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας χρησιμοποιήθηκε η γεννήτρια κρουστικών τάσεων Multi test set της εταιρείας Haefely, κομμάτι του ηλεκτρομηχανικού εξοπλισμού του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων. Με αυτήν την γεννήτρια παρήχθησαν κρουστικές τάσεις τάξης μεγέθους 100 kV και ένα πλήθος τύπων κρουστικών τάσεων ως προς τα χρονικά χαρακτηριστικά ουράς και μετώπου τα οποία παρήχθησαν με συνδυασμό των αντιστάσεων μετώπου R2 με τις αντιστάσεις ουράς R1. Μέσω κατάλληλου κρουστικού βολτομέτρου και με ψηφιακό παλμογράφο έγιναν οι μετρήσεις αυτών των τάσεων και η αποτύπωση των κυματομορφών τους. Τα διάκενα αέρα τα οποία καταπονήθηκαν σε αυτές τις κρουστικές τάσεις είναι: Σφαίρα-Σφαίρα, Ακίδα-Σφαίρα, Ακίδα-Ακίδα. Για τον υπολογισμό της τάσης διάσπασης U50% λήφθησαν για κάθε περίπτωση 3 έως 4 σετ των 30 έως 50 μετρήσεων. Τα συνολικά αποτελέσματα και η διαγραμματική τους απεικόνιση με τις απαραίτητες επ’αυτών παρατηρήσεις, ενσωματώνονται στην εργασία και βασιζόμενη σε αυτά ακολουθεί η απαραίτητη συμπερασματολογία. Το αποτέλεσμα αυτής της εργασίας ήταν η διαπίστωση θεωρητικά και πειραματικά του τρόπου επίδρασης των κατασκευαστικών στοιχείων της γεννήτριας στα χρονικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων κρουστικών τάσεων. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη των συγκεκριμένων διακένων αέρα έχει σαν αποτέλεσμα μικρή αύξηση των χρονικών χαρακτηριστικών της κρουστικής τάσεως (χρόνου ουράς και μετώπου) τάξεως του 2-3%. Το βασικό συμπέρασμα όμως είναι ότι τα χρονικά χαρακτηριστικά των κρουστικών τάσεων παίζουν καθοριστικό ρόλο στην τάση διάσπασης U50% των διακένων αέρα. Συγκεκριμένα για γρήγορους χρόνους μετώπου η τάση διάσπασης U50% βρίσκεται στο χαμηλό επίπεδο και αυξάνεται απότομα για μεγαλύτερους χρόνους μετώπου Τ1 και αποτελεί την μέγιστη τάση διάσπασης. Στη συνέχεια με την αύξηση των χρόνων μετώπου η τάση διάσπασης U50% μειώνεται. Η επίδραση των χρόνων ουράς είναι ότι καθώς αυξάνονται μειώνουν την τάση διάσπασης U50%. / The worldwide use of electricity and the continuous increase of demand in the distribution of high voltage, has forced the entire scientific community to turn and invest to the study and understanding the behavior of atmospheric surge phenomenon such as thunder, lighting, impulse voltage, and the internal over voltages such as switching voltages. It is considered essential to investigate the response and behavior of the high voltage equipment. The challenging part is to gain the knowledge on how these interact with each other, in order to improve the security and reliability of high voltage machines. The aim of this thesis is to investigate whether the time variant characteristics of the impulse voltages can affect the degradation behavior of air discharge. Our target is to discover the chopping voltage of air gaps in actual number but also to find out the variation of its statistical characteristics. This paper will contribute to the international research effort of collect information and extracting results for the various types of impulse voltage combined with air gaps. Initially we present a theoretical approach based on the international bibliography concerning the circuits that create impulse voltages in a laboratory environment. Our aim is to clarify the way impulse voltages are produced in the laboratory, from singlestage, two-stage and multi-stage impulse generators. Furthermore, we present a theoretical model for calculating the impulse voltage created by a two-stage impulse generator. All these results are also included in our paper. Next, we complete our overview by presenting the air discharge phenomena, analysis methods used to investigate experimental result and the overall effect of atmospheric conditions on air discharge splitting. All these aim to clarify the factors which need to be taken into consideration in order to secure reliable experimental results but also a more complete database of the theoretical data that can be utilised in more advanced experimental methods. In order to complete our experiments we used the Multi test set impulse voltage generator, produced by Haefely Company and is a part of high Voltage laboratory equipment. With the help of this generator we managed to produce a number of impulse voltages of size 100 kV, and various types of impulse voltages using the time variant characteristics connecting together tail and head resistors R2 and R1 respectively. Using a suitable impulse voltage meter and a digital oscilloscope we managed to measure these voltages and create a graphical representation of their waveforms. The air-gaps created from these voltages are: Sphere-Sphere, Spike- Sphere, Spike-Spike. In order to calculate the chopping voltage U50% we collected 3 to 4 set consisted of 30-50 measurements. The overall results and their diagram presentation followed by relevant conclusions are included in this paper. Based on these we were able to draw all necessary conclusions. On this paper we managed to extract theoretically and experimentally how all constructional elements of the generator affect the time variant characteristics of the impulse voltages created. We also concluded that adding specific air gaps will result to a slight increase of the time variant characteristic of the impulse voltage (frontwave and tail-wave duration) by 1%-3%.The main conclusion was that the time variant characteristics of impulse voltages play a decisive role in the chopping voltage U50% of air gaps. More specifically, for short-duration of wave-front T1 the chopping voltage U50% lays on the lower level whereas it automatically increases for bigger duration Τ1 and this is our higher chopping voltage. Then the chopping voltage U50% is reduced by increasing the duration of wave-front T1. Also the increase of wave-tail duration results to a reduction of chopping voltage U50%.