Mελέτη διάκενων αέρα με μεταβλητά χαρακτηριστικά καταπονούμενα με κρουστικές τάσεις κεραυνών και χειρισμών
Loading...
Date
2009-12-14T11:17:41Z
Authors
Τσιρώνης, Ιωάννης
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
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.
Description
Keywords
Διάκενα αέρα, Κρουστικές τάσεις