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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/2398 |
| Date | 14 December 2009 |
| Creators | Τσιρώνης, Ιωάννης |
| Contributors | Πυργιώτη, Ελευθερία, Τsironis, Ioannis, Πυργιώτη, Ελευθερία, Σπύρου, Νικόλαος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
Page generated in 0.0072 seconds