ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΑΠΕ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΑΠΕ Του σπουδαστή ΣΑΡΡΗ ΜΙΧΑΗΛ ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ: Δρ-Μηχ ΚΥΡΙΑΚΟΣ Γ. ΣΙΔΕΡΑΚΗΣ Ηράκλειο Φεβρουάριος 2011 Εσταυρωμένος, Ηράκλειο Κρήτης, Τ.Θ.1939, Τ.Κ , Τηλ.: ,

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή.1 Συμβολισμοί..2 Κεφάλαιο 1 ο..7 1 Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΟΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥ Κεραυνός Είδη κεραυνών Κατερχόμενοι κεραυνοί Ανερχόμενοι κεραυνοί Επιπτώσεις από πλήγματα κεραυνών Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Επιπτώσεις σε κατασκευές...12 Βιβλιογραφία 1 ου κεφαλαίου Κεφάλαιο 2 ο ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Σχεδιασμός του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Μη συμβατικές διατάξεις σύλληψης του κεραυνού Αποτίμηση κινδύνου από πλήγμα κεραυνού Στάθμες προστασίας Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού του Nd Υπολογισμός της μέσης ετήσιας πυκνότητας πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος (Ng) Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής Αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Αναγκαιότητα του ΣΑΠ και επιλογή της στάθμης προστασίας Εγκατάσταση συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Εξωτερική ΕΑΠ Συλλεκτήριο σύστημα Ζώνη προστασίας Μέθοδος της γωνίας προστασίας Μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας

3 Μέθοδος πλέγματος αγωγών Στοιχεία που αποτελούν το συλλεκτήριο σύστημα Σύστημα αγωγών καθόδου Σύστημα γείωσης εξωτερικής ΕΑΠ Ηλεκτρόδια γείωσης Υλικά και ελάχιστες διαστάσεις δομικών στοιχείων Εσωτερική ΕΑΠ Οι ισοδυναμικές συνδέσεις Υπολογισμός του κεραυνικού ρεύματος που ρέει σε εξωτερικά αγώγιμα τμήματα και στα καλώδια εισερχόμενων παροχών της κατασκευής Ελάχιστη διατομή θωράκισης των καλωδίων Διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων από πλήγμα κεραυνού Κατάταξη του εξοπλισμού χαμηλής τάσης σε κατηγορίες υπερτάσεων Κατηγορίες εκτροπέων υπέρτασης χαμηλής τάσης Δευτερογενείς υπερπηδήσεις μεταξύ της εξωτερικής ΕΑΠ και γειτνιαζόντων μεταλλικών εγκαταστάσεων Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας (ΖΑΠ) Ισοδυναμικές συνδέσεις σε ηλεκτρονικά συστήματα..57 Βιβλιογραφία 2 ου κεφαλαίου Κεφάλαιο 3 ο ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Αιολική ενέργεια Γενική λειτουργία ανεμογεννήτριας Λειτουργία Δομή ανεμογεννήτριας Ανάλυση βασικών στοιχείων μίας ανεμογεννήτριας Τρόποι κατασκευής πύργων για μικρές και μεγάλες ανεμογεννήτριες Εγκατεστημένη ισχύς από ανεμογεννήτριες στην Ελλάδα Κεραυνικό πλήγμα σε ανεμογεννήτρια Πτερύγια Δομή των πτερυγίων Τύποι πτερυγίων Τύποι καταστροφής πτερυγίων Δοκιμές κεραυνικού πλήγματος Δοκιμές κεραυνικού πλήγματος σε πτερύγια

4 Πλήγματα κεραυνού σε πτερύγια κατασκευασμένα από μη αγώγιμα υλικά Μέρη της ανεμογεννήτριας τα οποία πλήττονται από κεραυνικό πλήγμα Επιπτώσεις από πτώση κεραυνού Επιπτώσεις στα έδρανα από τη διαρροή του κεραυνικού ρεύματος Συμπεράσματα που βγήκαν από τις πειραματικές μελέτες που έγιναν Αγώγιμη ζεύξη Σύζευξη ηλεκτρικού πεδίου Σύζευξη μαγνητικού πεδίου Τάσεις που εμφανίζονται σε μια ανεμογεννήτρια μετά από πτώση κεραυνού Υπερτάσεις Κόστος επισκευής βλάβης μιας ανεμογεννήτριας από πτώση κεραυνού Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννητριών Η συχνότητα πτώσης κεραυνού σε μια ανεμογεννήτρια Αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Αναγκαιότητα του ΣΑΠ και επιλογή της στάθμης προστασίας Διαδικασία επιλογής της στάθμης προστασίας με χρήση του προτύπου IEC Κεραυνική ή κυλιόμενη σφαίρα Τα σημεία που πλήττονται από κεραυνό σε μια ανεμογεννήτρια Σχεδιασμός και εφαρμογή Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) Εξωτερικό ΣΑΠ Εσωτερικό ΣΑΠ Ισοδυναμικές συνδέσεις Το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της Ε Προστασία πτερυγίων Σύστημα σύλληψης κεραυνού στην επιφάνεια του πτερυγίου Σύστημα σύλληψης κεραυνού στο εσωτερικό της επιφάνειας του πτερυγίου Συγκολλητικές μεταλλικές ταινίες Αγώγιμα υλικά της επιφάνειας του πτερυγίου Αποτελεσματικότητα σύλληψης του κεραυνού Διάφοροι τρόποι αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων Διαστάσεις των υλικών που χρησιμοποιούνται για την αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαφόρων μεθόδων αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων Σύνδεση των πτερυγίων με την πλήμνη περιστροφής και την νασέλλα της ανεμογεννήτριας Δοκιμές σε πτερύγια με σύστημα αντικεραυνικής προστασίας..128

5 3.32 Αντικεραυνική προστασία των εδράνων κύλισης και του κιβωτίου ταχυτήτων Αγωγοί καθόδου Διαδρομές του ρεύματος στα μέρη μιας ανεμογεννήτριας Οι διαδρομές του κεραυνικού ρεύματος στο εσωτερικό της νασέλλας και του πύργου της ανεμογεννήτριας Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος από την πλήμνη περιστροφής στη νασέλλα Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος στην νασέλλα Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος δια μέσου του εδράνου του συστήματος προσανατολισμού Όδευση καλωδίων εξωτερικά του πύργου Ανεμόμετρο Προστασία έναντι υπερτάσεων ( συστήματα SPDs = συσκευές προστασίας από υπερτάσεις ή εκτροπείς υπέρτασης ) Τεχνικά χαρακτηριστικά των συστημάτων SPDs Η χρησιμοποίηση των συστημάτων SPDs σε διάφορα δίκτυα Οι εκτροπής υπέρτασης SPDs σε δίκτυα TN Συμπέρασμα Η θωράκιση και η προστασία της γεννήτριας που βρίσκεται στην κορυφή του πύργου Χρήση απαγωγέων και πυκνωτών υπέρτασης στην γεννήτρια Η θωράκιση και η προστασία των καλωδίων Η προστασία του ηλεκτρονικού συστήματος της ανεμογεννήτριας Τεχνικές προστασίας του ηλεκτρονικού συστήματος της ανεμογεννήτριας Εκτροπή της υπέρτασης που εμφανίζεται στην ανεμογεννήτρια Προστασία έναντι ηλεκτρομαγνητικού πεδίου Σύστημα γείωσης της ανεμογεννήτριας Ορισμοί Αντίσταση γείωσης Ο ρόλος του εδάφους Η μέθοδος των 4 ακροδεκτών του Wenner για την μέτρηση της ειδικής αντίστασης Η συνηθισμένη χρήση των ηλεκτροδίων για την αντίσταση γείωσης Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης σύμφωνα με τους κανονισμούς του IEC Μέθοδοι γείωσης μιας ανεμογεννήτριας..168 Βιβλιογραφία 3 ου κεφαλαίου Κεφάλαιο 4 ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑ'Ι'ΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η ηλιακή ενέργεια Η κατάσταση στην Ελλάδα Εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων Στοιχεία κατασκευής φωτοβολταϊκών συστημάτων Ημιαγωγικά στοιχεία Η ένωση P-N...181

6 4.5.2 Ορθή και ανάστροφη πόλωση της διόδου Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Μορφολογία φωτοβολταϊκού πλαισίου Προβλήματα - επιπτώσεις που προκύπτουν στην απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων Βαθμός απόδοσης φωτοβολταϊκού Τοποθέτηση φωτοβολταϊκών Μετατροπή ενέργειας DC/DC και μετά DC/AC Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Η δημιουργία του φωτορεύματος Αντιστροφέας τάσης Μπαταρίες / Συσσωρευτές Κόστος λειτουργίας Κόστος φωτοβολταϊκών συστημάτων Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταϊκών συστημάτων Κεραυνικά πλήγματα σε φωτοβολταϊκά συστήματα Στάθμες προστασίας Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού του Nd Υπολογισμός της μέσης ετήσιας πυκνότητας πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος (Ng) Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής Αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Αναγκαιότητα του ΣΑΠ και επιλογή της στάθμης προστασίας Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας Εγκατάσταση συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Εξωτερικό και Εσωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) Εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) Αντικεραυνική προστασία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας Υπολογισμός βάθους εισχώρησης δύο κατακόρυφων ράβδων Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια ως επιφάνεια αναφοράς.. 215

7 4.28 Εναλλακτικός τρόπος σχεδιασμού της ΕΑΠ της φωτοβολταϊκής γεννήτριας Αντικεραυνική προστασία του κτιρίου ελέγχου Σύστημα αγωγών καθόδου Εγκατάσταση αγωγών καθόδου με μη μονωμένη εξωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας Σύστημα γείωσης dc φωτοβολταϊκού συστήματος Σύστημα γείωσης κτιρίου ελέγχου της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης Εσωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) Ισοδυναμικές συνδέσεις Όδευση των καλωδίων της εγκατάστασης Μαγνητική θωράκιση Μέτρα προστασίας έναντι υπερτάσεων σε φωτοβολταϊκά συστήματα Συντονισμός των εκτροπέων υπέρτασης Προστασία ενάντια στην ηλεκτροπληξία Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταϊκών συστημάτων εγκατεστημένα σε οροφές κτιρίων Κτίρια με φωτοβολταϊκά συστήματα στην οροφή χωρίς εξωτερική αντικεραυνική προστασία Κτίρια με φωτοβολταϊκά συστήματα στην οροφή με εξωτερική αντικεραυνική προστασία και διατήρηση των αποστάσεων ασφαλείας Κτίρια με φωτοβολταϊκά συστήματα στην οροφή με εξωτερική αντικεραυνική προστασία χωρίς διατήρηση των αποστάσεων ασφαλείας Γείωση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας στην οροφή ενός κτιρίου 233 Βιβλιογραφία 4 ου κεφαλαίου Κεφάλαιο 5 ο ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Γενικά Λειτουργία συνηθέστερου συστήματος (Ηλιακοί πύργοι) Οι τρέχουσες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Άλλα συστήματα CSP Αντικεραυνική προστασία ηλιοθερμικών σταθμών Μελέτη αντικεραυνικής προστασίας ηλιοθερμικού σταθμού Υπολογισμοί για να βρεθεί η αποδεκτή στάθμη προστασίας Εξωτερική ΕΑΠ Εσωτερική ΕΑΠ Βιβλιογραφία 5 ου κεφαλαίου

8 Εισαγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στις μέρες μας όλο και πιο συχνό φαινόμενο είναι η ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Αρκετός κόσμος βλέποντας ότι μπορεί να εκμεταλλευτεί τις διάφορες πηγές ενέργειας που μας προσφέρει η φύση (ηλιακή ενέργεια, αιολική ενέργεια, κ.α.) αποφάσισε να επενδύσει σ αυτές αποσκοπώντας σε οικονομικότερο ηλεκτρικό ρεύμα αλλά και την εκμετάλλευση της περισσευούμενης ηλεκτρικής ενέργειας η οποία θα πωλείται στην ΔΕΗ. Βέβαια για να επενδύσει κάποιος στις ΑΠΕ επειδή είναι αρκετά δαπανηρές εγκαταστάσεις θα πρέπει να τις προστατέψει από διάφορους κινδύνους όπως για παράδειγμα ο ποιο μεγάλος κίνδυνος ο οποίος είναι η πτώση κεραυνού. Στα κεφάλαια που ακολουθούν συνοψίζονται διάφοροι τρόποι αντικεραυνικής προστασίας διαφόρων μορφών Α.Π.Ε. Συγκεκριμένα υπάρχουν στοιχεία για την αντικεραυνική προστασία, οι μέθοδοι που ακολουθούνται ανάλογα με την κάθε περίπτωση. Αναλυτικότερα ασχολούμαστε με την αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών, την αντικεραυνική προστασία των φωτοβολταϊκών συστημάτων και κάνουμε μία μελέτη αντικεραυνικής προστασίας για ηλιοθερμικό σταθμό. 1

9 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] 1. Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΟΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥ 1.1 Κεραυνός Ο κεραυνός είναι ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο και πιο συγκεκριμένα ένας μεγάλου μήκους ηλεκτρικού σπινθήρας. Ο κεραυνός είναι μια ηλεκτρική εκκένωση ατμοσφαιρικής προέλευσης απλή ή πολλαπλή μεταξύ νέφους και γης. Κεραυνοί είναι δυνατόν να λάβουν χώρα μεταξύ των σύννεφων αλλά και εντός των σύννεφων, ωστόσο αυτοί δεν αποτελούν άμμεσο κίνδυνο για μια περιοχή και κατ επέκταση δε λαμβάνονται υπόψη για την αντικεραυνική προστασία. Οι κεραυνοί προκαλούνται από την ύπαρξη ηλεκτρικών φορτίων που εμφανίζονται μέσα στα σύννεφα κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Εικόνα 1.1: Δημιουργία κεραυνών στην ατμόσφαιρα [1] Καταιγίδες υπάρχουν 2 ειδών : Οι θερμικές (συνηθέστερες στα θερμά κλίματα). Αυτές που δημιουργούνται από εισβολή ψυχρού ανέμου μέσα σ ένα όγκο θερμού και υγρού αέρα. 7

10 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] 1.2 Είδη κεραυνών Έχει βρεθεί ότι υπάρχουν 4 ειδών κεραυνοί : Οι αρνητικοί κεραυνοί, που ξεκινούν από το κάτω μέρος του σύννεφου (αρνητικό) προς τη γη. Αυτοί είναι και οι συνηθέστεροι. Οι θετικοί κεραυνοί που ξεκινούν από τη θετική προς το κάτω μέρος του σύννεφου. Και αυτοί είναι συνήθεις αλλά λιγότερο από τους προηγούμενους. Οι αρνητικοί κεραυνοί που ξεκινούν από τη γη προς το πάνω μέρος του σύννεφου. Οι κεραυνοί αυτοί δεν είναι συνήθεις. Οι θετικοί κεραυνοί που ξεκινούν από το πάνω μέρος του σύννεφου προς τη γη. Αυτοί οι κεραυνοί δεν είναι συνήθεις, παρατηρούνται στα ψυχρά κλίματα και είναι αυτοί στους οποίους έχουν παρατηρηθεί τα ισχυρότερα ρεύματα. Εικόνα 1.2: Οι 4 τύποι κεραυνών [2] Οι συνηθέστεροι τύποι κεραυνών διακρίνονται σε 2 ομάδες : Τους κατερχόμενους κεραυνούς Τους ανερχόμενους κεραυνούς Κατερχόμενοι κεραυνοί Οι κατερχόμενοι κεραυνοί ξεκινούν από το νέφος και προχωρούν προς το έδαφος. Αρχίζουν με μία εκκένωση η οποία διαδίδεται από την αρνητική βάση του σύννεφου προς το έδαφος με βήματα μεταξύ (m) και με χρονικές παύσεις περίπου 50μs. Η 8

11 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] λάμψη είναι ορατή μόνο κατά την εκκίνηση του βήματος που διαδίδεται με ταχύτητα περίπου 5 x 10 5 m/s. Η σταδιακά προς τα κάτω κινούμενη εκκένωση αυτού του τύπου ονομάζεται <<βηματοδηγός ή βηματικός leader>>. Στην αρχή κάθε βήματος ο βηματικός leader διακλαδίζεται και οι καινούργιοι κλάδοι συνεχίζουν να κινούνται προς τη γη σε μια σειρά νέων βημάτων και διακλαδώσεων. Μετά από περίπου 20ms η προς τη γη διάδοση της εκκένωσης φέρνει την αρχή του βηματοδηγού πολύ κοντά στο έδαφος και τότε εκπηδούν από αυτό ένας ή περισσότεροι θετικοί leader (ανερχόμενη εκκένωση) και ένας από αυτούς ενώνεται με τον βηματικό. Μόλις γίνει η συνάντηση βηματοδηγού ανερχόμενης εκκένωσης τότε το κανάλι γίνεται λαμπρότερο και διαρρέεται από πολύ ισχυρά ρεύματα. Το φαινόμενο αυτό (που το κανάλι λάμπει) λέγεται οχετός επιστροφής. Η διεργασία της εκκένωσης μπορεί να τελειώσει μετά το χτύπημα επιστροφής. Συνήθως όμως μπορεί να υπάρχει επανάληψη του φαινομένου μία ή και περισσότερες φορές και να έχουμε μια απλή ή πολλαπλές διαδοχικές εκκενώσεις. Η δεύτερη εκκένωση ονομάζεται << βελοειδής ή συνεχής leader >> και προτιμά να διαδίδεται μέσω του προϋπάρχοντος ιονισμένου καναλιού. Οι κατερχόμενοι κεραυνοί διακρίνονται σε δύο τύπους : Κατερχόμενος θετικός κεραυνός Ο θετικός κατερχόμενος κεραυνός αποτελείται μόνο από μια εκκένωση η οποία έχει μικρότερη τιμή ρυθμού αύξησης του ρεύματος (di/dt) αλλά μεγαλύτερη διάρκεια σε σύγκριση με τον αρνητικό κεραυνό. Κατερχόμενος αρνητικός κεραυνός Αυτού του είδους οι κεραυνοί μπορεί να αποτελούνται από μία ή περισσότερες διαδοχικές εκκενώσεις. Για την περίπτωση των διαδοχικών εκκενώσεων έχουν παρατηρηθεί μέχρι και 20 διαδοχικές εκκενώσεις. Συνήθως είναι λιγότερες, περίπου 4 διαδοχικές εκκενώσεις. 9

12 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] Εικόνα 1.3: Κατερχόμενος κεραυνός [2] Ανερχόμενοι κεραυνοί Μερικές φορές μπορεί ο βηματικός leader να αρχίσει από το έδαφος, π.χ από ένα αλεξικέραυνο, από μια αιχμή στη κορυφή ενός πύργου ή γενικότερα από ψηλά κτίρια και να κινηθεί ανοδικά. Δηλαδή ένας θετικός leader ξεκινά από ένα σημείο ισχυρού πεδίου διακλαδιζόμενος όμοια με τους κατερχόμενους κεραυνούς προς τα διάφορα μέρη της βάσης του νέφους. Στη περίπτωση αυτή έχουμε ανερχόμενη εκκένωση. Όταν ο leader φθάσει στο σύννεφο δεν ακολουθεί αμέσως κανάλι επιστροφής. Τότε ή θα ελαττωθεί σιγά-σιγά η φωτεινότητα του καναλιού ή θα ακολουθήσουν μία ή περισσότερες διαδοχικές εκκενώσεις που ξεκινούν με βελοειδή πλέον leader από το σύννεφο προς τη γη ακολουθώντας το κανάλι του αρχικού βηματικού οδηγού. Όμοια με τους κατερχόμενους κεραυνούς μπορεί να έχουμε και εδώ (στους ανερχόμενους κεραυνούς) πολλαπλές διαδοχικές εκκενώσεις οι οποίες έχουν τυπικά τα ίδια μεγέθη σε σχέση με αυτές που εμφανίζονται στους κατερχόμενους κεραυνούς. 1.3 Επιπτώσεις από πλήγματα κεραυνών Πολλές φορές παρατηρούνται επικίνδυνες επιπτώσεις σε μια κατασκευή και στο περιεχόμενο της ως αποτέλεσμα άμεσου ή έμμεσου πλήγματος κεραυνού. Ως άμεσο πλήγμα θεωρείται η περίπτωση κατά την οποία ο κεραυνός πλήττει κατευθείαν την κατασκευή ή το συλλεκτήριο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της. Το έμμεσο πλήγμα κεραυνού σε μια κατασκευή αναφέρεται στην περίπτωση που ο κεραυνός 10

13 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] πλήττει τη κοντινή περιοχή της (το έδαφος ή γειτνιάζουσα κατασκευή) ή τις εισερχόμενες παροχές υπηρεσιών κοινής ωφέλειας Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Ο κεραυνός μπορεί να προκαλέσει σημαντική βλάβη ή απώλεια της ανθρώπινης ζωής: Άμεσο πλήγμα: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα δέχεται απευθείας το κεραυνό αποτελώντας την άμμεση διαδρομή όδευσης της εκκένωσης προς τη γη. Αν και έχει παρατηρηθεί θεωρείται ιδιαίτερα σπάνια περίπτωση εφόσον η συχνότητα άμμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε έναν άνθρωπο εκτεθειμένο συνεχώς σε επίπεδη περιοχή μπορεί να υπολογιστεί περίπου ως ένα άμμεσο πλήγμα κεραυνού ανά 2000 χρόνια. Άμεσση επαφή: Εδώ το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται σε επαφή με κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό. Υπερπήδηση: Το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά σε κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό παροχετεύει παράλληλα τμήμα της εκκένωσης προς τη γη ως αποτέλεσμα της ηλεκτρικής διάσπασης του διακένου αέρα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους. Βηματική τάση: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα υπόκειται σε υψηλή τάση λόγω της εμφάνισης διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα πόδια η οποία οφείλεται στην ακτινική διάχυση του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος. Το δυναμικό του εδάφους στη περιοχή πτώσης του κεραυνού φθίνει με την απόσταση από το σημείο πλήγματος. Επιφανειακή διάσπαση του εδάφους: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά στο σημείο πλήγματος του κεραυνού αποτελεί τμήμα της διαδρομής του ηλεκτρικού τόξου της επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Η επιφανειακή διάσπαση του εδάφους δεν παρατηρείται σε κάθε περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει ένα αντικείμενο ή το έδαφος. Το φαινόμενο είναι συνάρτηση των παραμέτρων του κεραυνού καθώς και της κατάστασης της επιφάνειας του εδάφους όπως η μορφολογία, η φύση, το ποσοστό υγρασίας, κ.α. Τυφλό τραύμα: Το ανθρώπινο σώμα εκτινάσσεται σε απόσταση είτε λόγω των έντονων μυϊκών συσπάσεων που προκαλούνται από τη ροή του ρεύματος 11

14 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] διαμέσου του είτε του κρουστικού κύματος πίεσης που συνοδεύει την εκκένωση του κεραυνού. Η απώλεια της ανθρώπινης ζωής από πλήγμα κεραυνού οφείλεται σε καρδιακή ανακοπή. Τα συμπτώματα που μπορεί να παρατηρηθούν σε επιζώντες είναι παρόμοια με αυτά που παρατηρούνται σε θύματα ηλεκτροπληξίας ωστόσο γενικότερα θεωρείται ότι είναι ασθενέστερα και μικρής χρονικής διάρκειας. Τα συμπτώματα διακρίνονται σε ψυχοσωματικά και οργανικά, παροδικά ή μόνιμα όπως διαταραχή ή απώλεια μνήμης, δυσκολία ή ανικανότητα συγκέντρωσης, μειωμένη διανοητικότητα, διαταραχή ύπνου, ίλιγγος, κεφαλαλγία, ευερεθιστότητα, εύκολη ή χρόνια κόπωση, κατάθλιψη, αγοραφοβία, φωτοφοβία, ακαμψία στις αρθρώσεις, μυϊκές συσπάσεις, απώλεια ακοής, επιφανειακά εγκαύματα, μερική παράλυση Επιπτώσεις σε κατασκευές Οι επιπτώσεις του πλήγματος του κεραυνού σε μια κατασκευή οφείλεται είτε στο ίδιο το ηλεκτρικό τόξο της εκκένωσης είτε σε δευτερογενή φαινόμενα που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της εκκένωσης. Ανάλογα με τα φαινόμενα και τις επιπτώσεις που παρατηρούνται οι επιδράσεις του κεραυνού σε μια κατασκευή μπορεί να χωριστούν σε 3 κατηγορίες : 1. Θερμικές επιδράσεις Οι θερμικές επιδράσεις σχετίζονται με την ειδική ενέργεια του κεραυνού σε περίπτωση ωμικής ζεύξης και με το ολικό φορτίο ή το κρουστικό φορτίο του όταν αναπτύσσονται τόξα στην εγκατάσταση. Παρατηρούνται ρήγματα σε δομικά στοιχεία, διάτρηση ή και τήξη των υλικών της κατασκευής ως αποτέλεσμα της μεγάλης απότομης αύξησης της θερμοκρασίας τους λόγω του φαινομένου Joule και της μεταφοράς μεγάλης ποσότητας ενέργειας μεταξύ του ηλεκτρικού τόξου και της περιοχής του σημείου πλήγματος του κεραυνού στη κατασκευή. Το φαινόμενο Joule εκδηλώνεται ιδιαίτερα έντονο στη περιοχή του σημείου πλήγματος καθώς και κατά τη ροή του ρεύματος του κεραυνού σε σημεία μεγάλης ωμικής αντίστασης όπως κακές επαφές ή σε υλικά μεγάλης ειδικής αντίστασης. 12

15 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] 2. Μηχανικές επιδράσεις Οι μηχανικές επιδράσεις σχετίζονται με τη μέγιστη τιμή του εύρους του ρεύματος του κεραυνού και την ειδική ενέργειά του. Παρατηρούνται μηχανικές καταπονήσεις όπως παραμορφώσεις ή μετακινήσεις των υλικών της κατασκευής ή και αποκόλληση στρωμάτων στρωματόμορφων υλικών ως αποτέλεσμα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που αναπτύσσονται κατά τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού καθώς και της απότομης μεταφοράς ενέργειας μεταξύ του κεραυνού και της κατασκευής. 3. Ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις Οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις σχετίζονται με το μέγιστο εύρος και τη κλίση του μετώπου του ρεύματος. Παρατηρούνται επικίνδυνες υπερτάσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν στην ηλεκτρική διάσπαση μονώσεων ως προς γη ή μεταξύ κυκλωμάτων διαφορετικής τάσης, δευτερογενείς υπερπηδήσεις με άμμεσο κίνδυνο σημαντικής βλάβης ή απώλειας της ανθρώπινης ζωής, πυρκαγιάς ή έκρηξης καθώς και διαταραχής ή διακοπής της κανονικής λειτουργίας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Ακόμη αναπτύσσονται ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία με επιζήμιες συνέπειες υπό τη μορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστημάτων σε εγκαταστάσεις. Συνοπτικά παρουσιάζονται παρακάτω οι διάφορες επιπτώσεις σε σχέση με τις παραμέτρους του κεραυνού. Πίνακας 1.1: Επιπτώσεις σε σχέση με τις παραμέτρους του κεραυνού [3] 13

16 Ο κεραυνός και οι επιπτώσεις του [κεφ. 1ο] Βιβλιογραφία: [1] Εικόνες από [1] Ντοκόπουλος "Βιβλίο Ηλεκτρικών εγκαταστάσεων" [2] Χαλδούπης "Εισαγωγικά στοιχεία ατμοσφαιρικής φυσικής" { } [3] Δανίκας "Στοιχεία υψηλών τάσεων (β έκδοση)" [4] xanourgiou%203.htm 14

17 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2. ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Η αντικεραυνική προστασία είναι ένα σύνθετο αντικείμενο που συνδυάζει το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και τα μέσα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προστασία έναντι των πληγμάτων του. Αν και το μεγαλύτερο μέρος του κεραυνού διοχετεύεται στη γη υπάρχουν περιπτώσεις που ένας κεραυνός να έχει επικίνδυνες επιπτώσεις σε διάφορες κατασκευές ή ακόμα και στον ανθρώπινο παράγοντα. Σκοπός ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας είναι εάν πληγεί από κεραυνό άμεσα ή έμμεσα να διοχετεύσει το ρεύμα της εκκένωσης ελεγχόμενα στη γη και να περιορίσει όσο το δυνατόν περισσότερο τις ζημιές στην εγκατάσταση που έχει σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. 2.1 Σχεδιασμός του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας 15

18 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Ως σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ορίζεται το πλήρες σύστημα που χρησιμοποιείται για να προστατεύσει μία εγκατάσταση ή ακόμα και ολόκληρη την περιοχή της εγκατάστασης από τα πλήγματα κεραυνών. Το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ονομάζεται και ΣΑΠ. Οι επιστήμονες μέχρι και σήμερα δεν έχουν ανακαλύψει μεθόδους έτσι ώστε να μπορέσουν να εμποδίσουν το σχηματισμό κεραυνού ή να τον εμποδίσουν να πλήξει μια κατασκευή. Ουσιαστικά η μέθοδος που χρησιμοποιείται για αντικεραυνική προστασία φαίνεται στο παρακάτω σχεδιάγραμμα. 2.2 Μη συμβατικές διατάξεις σύλληψης του κεραυνού Οι επιστήμονες τα τελευταία χρόνια υποστηρίζουν ότι ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας μπορεί να βελτιωθεί αν χρησιμοποιήσουμε τις λεγόμενες ενεργές διατάξεις σύλληψης του κεραυνού οι οποίες υποτίθεται ότι αυξάνουν το πεδίο δράσης του συστήματος. Υπάρχουν 3 τύποι ενεργών διατάξεων: 1. Τα ραδιενεργά αλεξικέραυνα Τα ραδιενεργά αλεξικέραυνα αποτελούν συλλεκτήριες διατάξεις τύπου ράβδου με ραδιενεργή ουσία στην απόληξη της ράβδου οι οποίες θεωρείται ότι επεκτείνουν την ακτίνα σύλληψης της ακίδας και διευκολύνουν την εκκίνηση θετικών leader μέσω πρόσθετου ιονισμού του αέρα. Τα λεγόμενα αυτά έχουν εξετασθεί τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά και έχει αποδειχθεί ότι τα ραδιενεργά αλεξικέραυνα δεν παρέχουν βελτιωμένη προστασία και επιπλέον έχουν απαγορευθεί με απόφαση της Ελληνικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας ως επικίνδυνα για τη δημόσια υγεία. Εικόνα 2.1: Αλεξικέραυνου ραδιενεργού τύπου [1] 16

19 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2. Τα αλεξικέραυνα απώθησης κεραυνού Τα αλεξικέραυνα απώθησης κεραυνού αποτελούν συλλεκτήριες διατάξεις τύπου ράβδου αλλά με πολλές ακίδες στην απόληξή της σφαιρικά κατανεμημένες. Υποστηρίζεται ότι οι πολλές ακίδες δημιουργούν χωρικό φορτίο γύρω από ην απόληξη της ράβδου που εξουδετερώνει μέρος του φορτίου του σύννεφου που προσεγγίζει τη περιοχή της, παρεμποδίζοντας με τον τρόπο αυτό τη φάση του οχετού επιστροφής επεκτείνοντας επομένως τη παρεχόμενη προστασία. Τα συγκεκριμένα αλεξικέραυνα δεν προβλέπονται από κανένα διεθνή οργανισμό. Εικόνα 2.2: Αλεξικέραυνο απώθησης κεραυνού [1] 3. Τα αλεξικέραυνα πρώιμου οχετού Τα αλεξικέραυνα πρώιμου οχετού είναι συλλεκτήριες διατάξεις τύπου ράβδου οι οποίες ενσωματώνουν ένα μηχανισμό σκανδαλισμού ο οποίος στέλνει παλμούς υψηλής τάσης στην απόληξη της ράβδου όταν τα φορτισμένα σύννεφα καταφθάνουν στη περιοχή εγκατάστασής τους. Η χρήση τους προβλέπεται από τους κανονισμούς διαφόρων χωρών όπως είναι η Γαλλία, η Ισπανία και έχουν ήδη εγκατασταθεί και σε πολλές κατασκευές αν και η αποτελεσματικότητά τους ακόμη δεν έχει αποδειχθεί ικανοποιητικά και οι επιστήμονες παραμένουν επιφυλακτικοί. 17

20 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.3: Αλεξικέραυνο πρώιμου οχετού [1] 2.3 Αποτίμηση κινδύνου από πλήγμα κεραυνού Απόλυτη προστασία έναντι πληγμάτων κεραυνού μπορεί να εξασφαλισθεί μόνο εσωκλείοντας πλήρως την υπό προστασία κατασκευή εντός ενός κελύφους με παχιά μεταλλικά τοιχώματα (κλωβός Faraday). Αν και η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται για τη προστασία ευαίσθητων ηλεκτρονικών διατάξεων όπου απαιτείται αδιάλειπτη και απρόσκοπη λειτουργία το ιδανικό αυτό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας είναι πρακτικά αδύνατο να υλοποιηθεί στις περισσότερες περιπτώσεις προστασίας κατασκευών. Ο σχεδιασμός ενός ΣΑΠ μιας κατασκευής είναι πάντα ένας συμβιβασμός μεταξύ της αποτελεσματικότητας της προστασίας που αυτό παρέχει και του κόστους επένδυσης και συντήρησης του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού που το συνιστά. Ένα τέτοιο σύστημα δε μπορεί ποτέ να εξασφαλίσει την απόλυτη προστασία της κατασκευής ωστόσο μπορεί να μειώσει σε αποδεκτό βαθμό τις επιζήμιες επιπτώσεις του κεραυνού σ αυτήν. Γι αυτό το λόγο ο σχεδιασμός ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας μιας κατασκευής συνιστάται στην επιλογή της αποδεκτής στάθμης προστασίας. 18

21 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.4 Στάθμες προστασίας Η στάθμη προστασίας ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας σχετίζεται με την πιθανότητα με την οποία αυτό προστατεύει ένα χώρο από τις επιπτώσεις του κεραυνού, διαμορφώνει τα χαρακτηριστικά του όπως τις διαστάσεις του και κατατάσει το ΣΑΠ σύμφωνα με την αποτελεσματικότητά του. Η σχέση μεταξύ της στάθμης και της αποτελεσματικότητάς του ΣΑΠ δίνεται στο παρακάτω πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1: Αποτελεσματικότητα επιπέδων προστασίας Επίπεδο προστασίας Αποτελεσματικότητα I 0.98 II 0.95 III 0.90 IV 0.80 Η αποτελεσματικότητα του ΣΑΠ μειώνεται πηγαίνοντας από τη στάθμη προστασίας I στη στάθμη προστασίας IV. Σε κάθε στάθμη προστασίας αντιστοιχούν ανώτατα όρια τιμών των παραμέτρων του κεραυνού οι οποίες έχουν συγκεκριμένη πιθανότητα να μη ξεπεραστούν (πίνακας 2.2). Πίνακας 2.2: Τιμές των παραμέτρων του κεραυνού ανάλογα με τη στάθμη προστασίας Στάθμη προστασίας Παράμετροι κεραυνού Σύμβολο Μονάδα μέτρησης I II III - IV Μέγιστη τιμή ρεύματος I κα Ολικό φορτίο Qtotal C Κρουστικό φορτίο Qimpulse C Ειδική ενέργεια SE kj/ω Μέση κλίση di/dt ka/μs Παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή της κατάλληλης στάθμης προστασίας είναι οι διαστάσεις της εγκατάστασης, η τοποθεσία της και το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο η κατασκευή. Επίσης είναι η κατηγορία στην οποία κατατάσσεται η εγκατάσταση ανάλογα με τη χρήση της και τις συνέπειες τις οποίες θα 19

22 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] έχει η καταστροφή της στον ανθρώπινο παράγοντα και στο περιβάλλον καθώς επίσης και η κεραυνική δραστηριότητα που αναπτύσσεται στη περιοχή που βρίσκεται η εγκατάσταση. Αναλυτικότερα για την επιλογή της κατάλληλης στάθμης προστασίας απαιτείται η γνώση της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων της εγκατάστασης καθώς και της αποδεκτής συχνότητας κεραυνικών πληγμάτων της εγκατάστασης. 2.5 Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Nd εκφράζει το μέσο αριθμό άμεσων κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να συμβούν σε μια κατασκευή ανά έτος και μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: Nd = Ng * Ae * 10-6 πλήγματα κεραυνού ανά έτος όπου, Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Ae : η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής Εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού του Nd όπου, Nd = Ng * Ad * Cd * 10-6 πλήγματα κεραυνού ανά έτος Nd : ο μέσος ετήσιος αριθμός άμεσων πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Ad : η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια άμεσων πληγμάτων κεραυνού στην εγκατάσταση Cd : ο περιβαλλοντικός παράγοντας. Κατάλληλες τιμές είναι Cd=1 σε επίπεδο εδάφους και Cd=2 σε λόφο ή ύψωμα. Στο παρακάτω πίνακα 2.3 υπάρχουν αναλυτικά οι τιμές που μπορεί να πάρει το Cd. 20

23 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Πίνακας 2.3: Τιμές που μπορεί να πάρει το Cd 2.6 Υπολογισμός της μέσης ετήσιας πυκνότητας πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος (Ng) Η μέση ετήσια πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος καθορίζεται με μετρήσεις μέσω δικτύου καταγραφής κεραυνών, ωστόσο σύμφωνα με την IEC εάν η ακριβής τιμή δεν είναι διαθέσιμη αυτή μπορεί να εκτιμηθεί προσεγγιστικά από την παρακάτω εξίσωση: Ng = 0,04 * Td 1,25 πλήγματα κεραυνού ανά km 2 και έτος όπου, Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Td : ο αριθμός των ημερών καταιγίδας ανά έτος (από ισοκεραυνικό χάρτη) Ως ημέρα καταιγίδας για μια συγκεκριμένη περιοχή ορίζεται η ημέρα για την οποία στη περιοχή αυτή έχει γίνει αντιληπτός ο θόρυβος της βροντής και έχει παρατηρηθεί το φαινόμενο της αστραπής δηλαδή του κεραυνού. Γι αυτό για να βρούμε τον αριθμό Td ανατρέχουμε στον ισοκεραυνικό χάρτη και πιο συγκεκριμένα στον ισοκεραυνικό χάρτη της περιοχής. 21

24 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.4: Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας [2] Σημαντικό στοιχείο είναι ότι και η δημοσίευση μετεωρολογικών δεδομένων ωρών καταιγίδας αντί ημερών ανά έτος και η συσχέτισή τους με την πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος: Ng = 0,054 * Th 1,1 πλήγματα κεραυνού ανά km 2 και έτος Έδειξε ότι σε περιοχές μικρής κεραυνικής δραστηριότητας η πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος υπολογισμένη με βάση τις ημέρες καταιγίδας είναι περίπου διπλάσια από την αντίστοιχη υπολογισμένη με βάση τις ώρες καταιγίδας ανά έτος. Γι αυτό για να έχουμε σωστό υπολογισμό της Ng θα πρέπει να γνωρίζουμε τη χρονική διάρκεια των καταιγίδων. 22

25 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.7 Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής Για απομονωμένες περιοχές η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια είναι η επιφάνεια που περικλείεται από το περίγραμμα που προκύπτει από τη τομή της επιφάνειας του εδάφους και μίας ευθείας γραμμής με κλίση 1/3 η οποία διέρχεται από τα υψηλότερα τμήματα της κατασκευής και περιστρεφόμενη γύρω από αυτή. Για μια απομονωμένη ορθογώνια κατασκευή μήκους L, πλάτους W και ύψους H η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση: Ae = LW + 6H(L+W) + 9πH 2, σε m 2 Καλό είναι να αναφέρουμε ότι η ελάχιστη τιμή της ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας σε κάθε περίπτωση δε μπορεί να είναι μικρότερη από το εμβαδόν της κάτοψης της κατασκευής. Εικόνα 2.5: Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια για κατασκευή σε επίπεδο έδαφος [2] 23

26 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.8 Αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Η αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων για μια κατασκευή Nc εκφράζει τη μέγιστη αποδεκτή τιμή του αριθμού άμεσων κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να συμβούν σε μία κατασκευή ανά έτος και μπορούν να προκαλέσουν ζημιά. Η τιμή του Nc μπορεί να εκτιμηθεί μέσω μελέτης αποτίμησης κινδύνου από πλήγμα κεραυνού λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλους συντελεστές όπως είναι ο τύπος δόμησης, η παρουσία εύφλεκτων και εκρηκτικών ουσιών, ληφθέντα μέτρα για μείωση των επιπτώσεων του πλήγματος, πλήθος ανθρώπων που επηρεάζονται από τη καταστροφή, τύπος και σπουδαιότητα υπηρεσιών εξυπηρέτησης του κοινού που επηρεάζονται, αξία των αγαθών που ενδεχομένως καταστραφούν, άλλους συντελεστές. Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή πολλαπλασιάζεται με ένα συντελεστή Κ που βγαίνει από το γινόμενο συντελεστών που λαμβάνουν υπόψη τους τη χρήση του κτιρίου και τον αριθμό των ανθρώπων που στεγάζει (συντελεστής A), τα υλικά κατασκευής του κτιρίου (συντελεστής B), το περιεχόμενο του κτιρίου (συντελεστής C), το βαθμό απομόνωσης του κτιρίου (συντελεστής D) και τη μορφολογία του εδάφους (συντελεστής E). Παρακάτω αναφέρονται οι τιμές που παίρνουν οι παραπάνω συντελεστές. 24

27 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 25

28 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Δηλαδή για το Nd έχουμε: Για το Nc ισχύει ο παρακάτω πίνακας 2.4. Nd = Nd * A * B * C * D * E Πίνακας 2.4: Τιμές που μπορεί να πάρει το NC 2.9 Αναγκαιότητα του ΣΑΠ και επιλογή της στάθμης προστασίας Για να μπορέσουμε να ελέγξουμε αν μια εγκατάσταση χρήζει κάποιου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας πρέπει να γίνει σύγκριση κάποιων δεδομένων. Αυτά τα δεδομένα είναι η σύγκριση της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων της κατασκευής Nd καθώς και της αποδεκτής συχνότητας κεραυνικών πληγμάτων της κατασκευής από κεραυνούς Nc. 26

29 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Συνοπτικότερα έχουμε: Στη περίπτωση που έχουμε Nd <= Nc τότε δεν χρειάζεται ΣΑΠ. Στη περίπτωση που έχουμε Nd > Nc τότε πρέπει να εγκατασταθεί ΣΑΠ αποτελεσματικότητας: Και να επιλεγεί η αποδεκτή στάθμη προστασίας σύμφωνα με το πίνακα 2.5. Πίνακας 2.5: Αποτελεσματικότητα στάθμων προστασίας ΣΑΠ Ουσιαστικά η αποτελεσματικότητα ενός ΣΑΠ πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις του πίνακα 2.5, όμως αν εγκατασταθεί ΣΑΠ αποτελεσματικότητας E > 0.98 ή E < E απαιτείται να ληφθούν επιπλέον μέτρα προστασίας όπως μέτρα περιορισμού των βηματικών τάσεων και των τάσεων επαφής, μέτρα περιορισμού της διάδοσης της φωτιάς και μέτρα μείωσης των επαγόμενων τάσεων λόγω κεραυνών σε ευαίσθητες συσκευές Εγκατάσταση συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας αποτελείται από το εσωτερικό και το εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Τα δύο αυτά συστήματα (εσωτερικό και εξωτερικό) χρησιμοποιούνται ή ξεχωριστά ή σε συνδυασμό ανάλογα με τη προστασία που χρειάζεται. Η εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας 27

30 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] (εξωτερική ΕΑΠ) σκοπό έχει να συλλάβει το κεραυνό πριν πλήξει την υπό προστασία περιοχή και να διοχετεύσει το ρεύμα με ασφάλεια στο έδαφος περιορίζοντας στο ελάχιστο τις θερμικές και μηχανικές επιδράσεις του. Η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας (εσωτερική ΕΑΠ) να προστατέψει το εσωτερικό της εγκατάστασης και να μειώσει στο ελάχιστο τις ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού Εξωτερική ΕΑΠ Η εξωτερική ΕΑΠ αποτελείται από: Το συλλεκτήριο σύστημα που προορίζεται να δέχεται τους κεραυνούς. Το σύστημα αγωγών καθόδου το οποίο εξασφαλίζει την όδευση του ρεύματος του κεραυνού από το συλλεκτήριο σύστημα προς τη γη. Το σύστημα γείωσης που άγει και διαχέει το ρεύμα του κεραυνού στο έδαφος. Επίσης ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασης του συλλεκτήριου συστήματος και του συστήματος των αγωγών καθόδου σε σχέση με τη κατασκευή που χρήζει προστασίας διακρίνεται σε δύο τύπους: Τη μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ, όπου το συλλεκτήριο σύστημα και το σύστημα των αγωγών καθόδου είναι τοποθετημένα έτσι ώστε η οδός ροής του ρεύματος του κεραυνού να μην έρχεται σε επαφή με την κατασκευή. Τη μη μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ, όπου το συλλεκτήριο σύστημα και το σύστημα των αγωγών καθόδου είναι τοποθετημένα έτσι ώστε η οδός ροής του ρεύματος του κεραυνού να μπορεί να έρχεται σε επαφή με τη κατασκευή. Στις περισσότερες περιπτώσεις η εξωτερική ΕΑΠ μπορεί να είναι σε επαφή με την κατασκευή που χρήζει προστασίας. Μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ πρέπει να εγκαθίσταται όταν οι θερμικές επιπτώσεις στο σημείο πλήγματος ή στους αγωγούς που διαρρέονται από ρεύμα κεραυνού μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στη κατασκευή που χρήζει προστασία ή στο περιεχόμενό της. Τυπικές περιπτώσεις είναι κατασκευές με εύφλεκτη επικάλυψη, εύφλεκτοι τοίχοι και χώροι με κίνδυνο έκρηξης ή πυρκαγιάς. 28

31 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.12 Συλλεκτήριο σύστημα Συλλεκτήριο σύστημα ορίζεται το τμήμα της εξωτερικής ΕΑΠ που προορίζεται να δέχεται τους κεραυνούς. Η σχεδίασή του εξαρτάται από τη γεωμετρία της κατασκευής που χρήζει προστασία, την απαιτούμενη στάθμη προστασίας καθώς και τη μέθοδο που λήφθηκε υπόψη για το καθορισμό της ζώνης προστασίας. Το συλλεκτήριο σύστημα μπορεί να αποτελείται από οποιουδήποτε συνδυασμό στοιχείων όπως ράβδοι, τεταμένα σύρματα ή πλέγματα αγωγών. Ο σχεδιασμός του συλλεκτήριου συστήματος του ΣΑΠ είναι κατάλληλος εάν η κατασκευή που χρήζει προστασίας βρίσκεται εξ ολοκλήρου μέσα στη ζώνη προστασίας που αυτό παρέχει Ζώνη προστασίας Για τον προσδιορισμό της ζώνης προστασίας που παρέχει το συλλεκτήριο σύστημα ενός ΣΑΠ χρησιμοποιούνται κυρίως τρείς μέθοδοι: Η μέθοδος της γωνίας προστασίας Η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας Η μέθοδος πλέγματος αγωγών Για τα περισσότερα κτίρια απλής μορφής η μέθοδος της γωνίας προστασίας είναι πιο εύχρηστη, αλλά για σύνθετες μορφές συνιστάται η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας. Η μέθοδος πλέγματος αγωγών χρησιμοποιείται για να προστατέψει επίπεδες επιφάνειες Μέθοδος της γωνίας προστασίας Με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας η ζώνη προστασίας μίας κατακόρυφης ράβδου ύψους ht έχει τη μορφή ενός ορθού κυκλικού κώνου με κορυφή την απόληξη της ράβδου. Παρακάτω υπάρχουν δύο τρόποι συλλεκτηρίου συστήματος με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας. 29

32 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.6: Ζώνη προστασίας συλλεκτήριου συστήματος με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας με κατακόρυφη ράβδο [2] Εικόνα 2.7: Ζώνη προστασίας συλλεκτήριου συστήματος με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας με τεταμένο σύρμα [2] Η ημιγωνία κορυφής α του κώνου προστασίας λαμβάνει τιμές οι οποίες αναγράφονται στο παρακάτω πίνακα 2.6 και εξαρτάται από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας και το ύψος h πάνω από την επιφάνεια που χρήζει προστασίας. Η μέθοδος της γωνίας προστασίας έχει γεωμετρικούς περιορισμούς, συνιστάται για τον προσδιορισμό της ζώνης προστασίας σε κατασκευές απλής σχετικά γεωμετρίας και δεν επιτρέπεται να εφαρμόζεται εάν το ύψος h είναι μεγαλύτερο από την ακτίνα της κυλιόμενης σφαίρας. 30

33 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Πίνακας 2.6: Τιμές που παίρνει η ημιγωνία α Μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας Με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας ο σχεδιασμός του συλλεκτήριου συστήματος είναι κατάλληλος εάν κανένα σημείο της κατασκευής που χρήζει προστασίας δεν έρχεται σε επαφή με μία σφαίρα ακτίνας R εξαρτώμενης από τη στάθμη προστασίας που κυλιέται στο έδαφος γύρω από τη κορυφή της κατασκευής προς όλες τις διευθύνσεις. Κατά την κύλισή της η σφαίρα πρέπει να εφάπτεται μόνο στο έδαφος ή μόνο στο συλλεκτήριο σύστημα ή και στα δύο, και τα σημεία που αυτή δεν αγγίζει είναι προστατευμένα. Επομένως συλλεκτήριοι αγωγοί πρέπει να εγκαθίστανται σε όλα τα σημεία επαφής της κυλιόμενης σφαίρας με την κατασκευή που χρήζει προστασία. Παράδειγμα σχεδίασης ζώνης προστασίας συλλεκτηρίου συστήματος με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας υπάρχει στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 2.8: Ζώνη προστασίας συλλεκτήριου συστήματος με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας όπου R>ht με κατακόρυφη ράβδο [2] 31

34 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.9: Ζώνη προστασίας συλλεκτήριου συστήματος με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας όπου R>ht με τεταμένο σύρμα [2] Αν είχαμε την περίπτωση δύο παράλληλων τεταμένων συρμάτων εγκατεστημένων σε ύψος h πάνω από την επιφάνεια αναφοράς και σε απόσταση d μεταξύ τους, ή δύο ράβδων ύψους h η απόσταση εισχώρησης της κυλιόμενης σφαίρας ακτίνας R εντός του χώρου μεταξύ των συρμάτων ή τν ράβδων μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: Η παραπάνω σχέση ισχύει και στη περίπτωση τεσσάρων κατακόρυφων ράβδων ίσου ύψους h τοποθετημένες στις γωνίες μιας τετράγωνης επιφάνειας όπου η απόσταση d είναι ίση με τη διαγώνιο του σχηματιζόμενου τετραγώνου από τις τέσσερις ράβδους. Η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας εφαρμόζεται στον καθορισμό της ζώνης προστασίας τμημάτων ή και περιοχών μιας κατασκευής πολύπλοκης γεωμετρίας ή στις περιπτώσεις όπου πίνακας 5 αποκλείει την εφαρμογή της μεθόδου γωνίας προστασίας Μέθοδος πλέγματος αγωγών Με τη μέθοδο του πλέγματος αγωγών θεωρούμε ότι εξασφαλίζεται η προστασία ολόκληρης της επιφάνειας εάν ικανοποιούνται τα παρακάτω: 32

35 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Οι αγωγοί του συλλεκτήριου συστήματος τοποθετούνται: Πάνω στις ακμές της οροφής. Πάνω στις προεξοχές της οροφής. Πάνω στις γραμμές της τομής των κεκλιμένων επιφανειών της οροφής εφόσον η κλίση υπερβαίνει το 1/10. Οι πλευρικές επιφάνειες της κατασκευής σε ύψος μεγαλύτερο από τη τιμή τα επιλεγείσας ακτίνας της κυλιόμενης σφαίρας εφοδιάζονται με συλλεκτήρια συστήματα. Οι διαστάσεις του πλέγματος δεν είναι μεγαλύτερες από τις τιμές που δίνονται στο πίνακα 2.6. Καμία μεταλλική εγκατάσταση δεν προεξέχει του προστατευόμενου χώρου από τα συλλεκτήρια συστήματα. Οι αγωγοί του συλλεκτήριου συστήματος ακολουθούν όσο το δυνατόν σύντομες και ευθείες οδεύσεις. Το δίκτυο του συλλεκτήριου συστήματος πρέπει να διαμορφώνεται με τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα του κεραυνού να συναντά τουλάχιστον δύο χωριστές μεταλλικές οδεύσεις προς το σύστημα γείωσης Στοιχεία που αποτελούν το συλλεκτήριο σύστημα Τα στοιχεία που μπορούν να αποτελέσουν στοιχεία συλλεκτήριου συστήματος είναι 2 τα τεχνητά και τα φυσικά. Τεχνητά στοιχεία που αποτελούν το συλλεκτήριο σύστημα Οι ράβδοι, τα τεταμένα σύρματα και το πλέγμα αγωγών θεωρούνται στοιχεία ισοδύναμα μεταξύ τους. Ο σχεδιασμός του συλλεκτήριου συστήματος του ΣΑΠ μπορεί να γίνει με οποιαδήποτε από τα παραπάνω στοιχεία. Ακόμα και με το συνδυασμό τους μπορεί να γίνει ένα πολύ δυνατό συλλεκτήριο σύστημα. Αναλυτικότερα η χρήση ράβδων προτείνεται σε ΣΑΠ μονωμένης εξωτερικής εγκατάστασης αντικεραυνικής προστασίας για την προστασία απλών κατασκευών μικρών διαστάσεων ή μικρών τμημάτων μεγάλων κατασκευών ενώ δεν προτείνεται όταν το ύψος της κατασκευής είναι μεγαλύτερο από την ακτίνα της κυλιόμενης σφαίρας σύμφωνα με την επιλεγείσα στάθμη προστασίας. Από την άλλη η χρήση τεταμένων συρμάτων προτείνεται και για 33

36 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] τις προηγούμενες περιπτώσεις αλλά και επιπλέον σε κατασκευές όπου ο λόγος μήκους προς πλάτος είναι μεγαλύτερος από 4. Φυσικά στοιχεία που αποτελούν το συλλεκτήριο σύστημα Εκτός από τα τεχνητά στοιχεία που αποτελούν το συλλεκτήριο σύστημα υπάρχουν και τα φυσικά. Φυσικά ονομάζονται εκείνα τα στοιχεία που είναι μη εγκατεστημένο συγκεκριμένα για αντικεραυνική προστασία αλλά εξαιτίας από το υλικό που είναι κατασκευασμένο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιπρόσθετα και ως στοιχείο του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Μεταλλικά τμήματα μιας κατασκευής που μπορούν να αποτελέσουν φυσικά συλλεκτήρια στοιχεία είναι: 1. Μεταλλικά φύλλα που καλύπτουν τη κατασκευή υπό κάποιες προϋποθέσεις. 2. Μεταλλικά στοιχεία της κατασκευής της οροφής που βρίσκονται κάτω από μη μεταλλική οροφή υπό τη προϋπόθεση ότι ο υπερκείμενο τμήμα μπορεί να εξαιρεθεί από τη κατασκευή που χρήζει προστασία. 3. Μεταλλικά μέρη όπως υδρορροές, διακοσμητικά στοιχεία, κ.α. των οποίων η διατομή δεν είναι μικρότερη από αυτή που καθορίζεται για τα τυποποιημένα στοιχεία του συλλεκτήριου συστήματος. 4. Μεταλλικοί σωλήνες και δεξαμενές υπό τη προϋπόθεση ότι είναι κατασκευασμένα από υλικό ελάχιστου πάχους 2.5mm και ότι δε θα προκληθεί κίνδυνος ή οποιαδήποτε ανεπιθύμητη κατάσταση εάν διατρηθούν. 5. Μεταλλικοί σωλήνες και δεξαμενές υπό την προϋπόθεση ότι είναι κατασκευασμένα από υλικά πάχους τουλάχιστον ίσου με τη τιμή t που δίνεται στο παρακάτω πίνακα 2.7 και ότι η ανύψωση της θερμοκρασίας στην εσωτερική επιφάνεια στο σημείο πλήγματος δε συνεπάγεται κάποιο κίνδυνο για ανθρώπινη ζωή ή κάτι άλλο. Πίνακας 2.7: Ελάχιστο πάχος μεταλλικών φύλλων ή μεταλλικών αγωγών σε συλλεκτήρια συστήματα 34

37 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.15 Σύστημα αγωγών καθόδου Την απευθείας συνέχεια των στοιχείων του συλλεκτήριου συστήματος αποτελούν οι αγωγοί καθόδου. Κατά την επιλογή του αριθμού και του τρόπου εγκατάστασής τους πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι εάν το ρεύμα του κεραυνού επιμερίζεται σε πολλές οδούς όδευσης μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενών υπερπηδήσεων και περιορίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις στο εσωτερικό της κατασκευής. Γι αυτό το λόγο οι αγωγοί καθόδου πρέπει να κατανέμονται κατά το δυνατόν περιμετρικά της κατασκευής σε συμμετρική διάταξη. Ακόμη πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε από το σημείο πλήγματος μέχρι τη γη να υπάρχουν αρκετές παράλληλες οδοί ροής του ρεύματος, να εξασφαλίζεται η συντομότερη και συνεχής όδευση του ρεύματος του κεραυνού προς τη γη κατά το δυνατόν ευθεία και κατακόρυφη όδευση και α γίνονται ισοδυναμικές συνδέσεις. Οι αγωγοί καθόδου όπως και οι συλλεκτήριοι αγωγοί θα πρέπει να στερεώνονται καλά ώστε οι μηχανικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού ή άλλες καταπονήσεις να μην προκαλούν θραύση ή χαλάρωση ων αγωγών. Ο αριθμός των συνδέσεων κατά μήκος των αγωγών πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός. Επίσης η στιβαρότητα των συνδέσεων πρέπει να εξασφαλίζεται με μεθόδους όπως είναι η μπρουτζοκόλληση, το βίδωμα, η σύσφιξη και η ηλεκτροσυγκόλληση. Η εγκατάσταση των αγωγών καθόδου ανάλογα με διάφορους παράγοντες: Εγκατάσταση αγωγών καθόδου με μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ Στην εγκατάσταση αγωγών καθόδου με μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ ο αριθμός των αγωγών καθόδου εξαρτάται από τα στοιχεία που συνιστούν το συλλεκτήριο σύστημα. Τα στοιχεία αυτά είναι: 1. Αν το συλλεκτήριο σύστημα αποτελείται από ράβδους σε ανεξάρτητους ιστούς ή ένα μόνο ιστό απαιτείται τουλάχιστον ένας αγωγός καθόδου για κάθε ιστό. Σε περίπτωση που οι ιστοί είναι από μέταλλο ή από ενδοσυνδεδεμένο χαλύβδινο οπλισμό δεν είναι αναγκαίος επιπρόσθετος αγωγός καθόδου. 2. Αν το συλλεκτήριο σύστημα αποτελείται από ανεξάρτητα τεταμένα σύρματα ή ένα μόνο σύρμα απαιτείται τουλάχιστον ένας αγωγός καθόδου για κάθε άκρο των συρμάτων. 3. Αν το συλλεκτήριο σύστημα συνιστάται από πλέγμα αγωγών απαιτείται τουλάχιστον ένα αγωγός για κάθε κατασκευή στήριξης του πλέγματος. 35

38 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εγκατάσταση αγωγών καθόδου με μη μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ Για την εγκατάσταση αγωγών καθόδου με μη μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ που το συλλεκτήριο σύστημα αποτελείται από ράβδους ή τεταμένα σύρματα απαιτείται τουλάχιστον ένας αγωγός καθόδου για κάθε ράβδο ή για κάθε άκρο των συρμάτων. Όταν το συλλεκτήριο συνιστάται από πλέγμα αγωγών οι αγωγοί καθόδου τουλάχιστον δύο τοποθετούνται περιμετρικά της κατασκευής που χρήζει προστασίας εξασφαλίζοντας ότι η μέση απόσταση μεταξύ τους να μην είναι μεγαλύτερη από τις τιμές του παρακάτω πίνακα 2.8. Επιπλέον απαιτείται να γίνεται ισαπέχουσα τοποθέτηση των αγωγών καθόδου επί της περιμέτρου και όσο το δυνατόν πλησιέστερα στις γωνίες της κατασκευής. Επίσης πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους με τη βοήθεια οριζόντιων περιμετρικών δακτυλίων κοντά στη στάθμη του εδάφους καθώς και ανάλογα με τις διαστάσεις της κατασκευής με επιπλέον οριζόντιους περιμετρικούς δακτυλίους σε κατακόρυφα διαστήματα όπως φαίνεται στο πίνακα 2.8. Ακόμη συνιστάται η εγκατάσταση των αγωγών καθόδου και των περιμετρικών δακτυλίων να προβλέπει κάποια απόσταση μεταξύ αυτών και κάθε πόρτας ή παραθύρου της κατασκευής. Πίνακας 2.8: Μέση απόσταση μεταξύ των αγωγών καθόδου και μεταξύ των περιμετρικών δακτυλίων ανάλογα με τη στάθμη προστασίας Η εγκατάσταση των αγωγών καθόδου επί της κατασκευής εξαρτάται από τα δομικά στοιχεία της. Ειδικότερα οι αγωγοί καθόδου μπορούν να εγκαθίστανται ως ακολούθως: 1. Αν ο τοίχος της κατασκευής είναι από εύφλεκτο υλικό οι αγωγοί καθόδου μπορούν να εγκαθίστανται στην επιφάνεια των τοίχων υπό την προϋπόθεση ότι η ανύψωση της θερμοκρασίας τους λόγω της ροής του ρεύματος του κεραυνού δεν είναι επικίνδυνη για το υλικό του τοίχου. 36

39 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2. Αν ο τοίχος της κατασκευής είναι από εύφλεκτο υλικό και η ανύψωση της θερμοκρασίας των αγωγών καθόδου είναι επικίνδυνη οι αγωγοί καθόδου πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε η απόσταση μεταξύ αυτών και του τοίχου να είναι πάντοτε μεγαλύτερη από 0.1m. Μεταλλικά εξαρτήματα στήριξης μπορούν να βρίσκονται σ επαφή με το τοίχο. 3. Οι αγωγοί καθόδου δεν πρέπει να εγκαθίστανται μέσα σε οριζόντιες ή κατακόρυφες υδρορροές ακόμη και αν καλύπτονται με μονωτικό υλικό διότι η υγρασία μπορεί να οδηγήσει στη διάβρωσή τους. Φυσικοί αγωγοί καθόδου ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Ως φυσικοί αγωγοί καθόδου μιας κατασκευής μπορούν να χαρακτηριστούν τα εξής: 1. Μεταλλικές εγκαταστάσεις οι οποίες μπορούν να επικαλύπτονται με μονωτικό υλικό υπό την προϋπόθεση ότι η ηλεκτρική συνέχεια μεταξύ των διαφόρων τμημάτων τους είναι αξιόπιστη και στιβαρή και ότι οι διαστάσεις τους είναι τουλάχιστον ίσες με αυτές που καθορίζονται για τους τυποποιημένους αγωγούς καθόδου. 2. Ο μεταλλικός σκελετός ή ο ενδοσυνδεδεμένος χαλύβδινος οπλισμός του σκυροδέματος της κατασκευής λαμβάνοντας υπόψη τον κίνδυνο ανεπιθύμητων μηχανικών επιδράσεων από τη ροή του ρεύματος του κεραυνού, στις περιπτώσεις αυτές δεν είναι απαραίτητοι οριζόντιοι περιμετρικοί δακτύλιοι. 3. Στοιχεία των όψεων προεξέχοντα κιγκλιδώματα και επιμέρους κατασκευές των μεταλλικών όψεων υπό προϋποθέσεις διαστάσεων και στιβαρούς ηλεκτρικής συνέχειας. Σύνδεσμοι ελέγχου αγωγών ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Οι σύνδεσμοι ελέγχου τοποθετούνται στο σημείο σύνδεσης κάθε αγωγού καθόδου με το σύστημα γείωσης έτσι ώστε να υπάρχει η δυνατότητα να ελέγχεται η ηλεκτρική συνέχεια του υπολοίπου κυκλώματος της εξωτερικής ΕΑΠ. Επιπλέον με τον τρόπο αυτό παρέχεται η δυνατότητα μέτρησης της αντίστασης γείωσης των ηλεκτροδίων γείωσης. Στις περιπτώσεις που έχουμε φυσικούς αγωγούς καθόδου ο σύνδεσμος ελέγχου δεν είναι απαραίτητος. 37

40 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.16 Σύστημα γείωσης εξωτερικής ΕΑΠ Το σύστημα γείωσης σκοπό έχει να μεταφέρει το ρεύμα με ασφάλεια στο έδαφος μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης χωρίς να αναπτύσσονται επικίνδυνες υπερτάσεις. Επίσης συνδέει ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου όπου είναι εφικτό, να περιορίζει την ανύψωση του δυναμικού του εδάφους στη περιοχή του καθώς και να αναχαιτίζει το κεραυνό στη περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Αν και πάντα συνίσταται η όσον το δυνατόν χαμηλότερη τιμή αντίστασης γείωσης έχει περισσότερο σημασία στην αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης η μορφή και οι διαστάσεις του παρά η τιμή της αντίστασης γείωσης που παρουσιάζει. Από την άποψη της αντικεραυνικής προστασίας την καλύτερη λύση αποτελεί μια ενιαία γείωση ενσωματωμένη στο κτίριο η οποία μπορεί να προσφέρει πλήρη προστασία σε όλες τις εγκαταστάσεις της κατασκευής Ηλεκτρόδια γείωσης Ένα ή περισσότερα περιμετρικά ηλεκτρόδια τύπου δακτυλίου, κατακόρυφα ή κεκλιμένα ηλεκτρόδια, ακτινικά ηλεκτρόδια και ηλεκτρόδια θεμελιακής γείωσης είναι τα καταλληλότερα σαν ηλεκτρόδια γείωσης. Επίσης πλάκες ή μικρά πλέγματα αγωγών μπορούν να χρησιμοποιηθούν αλλά συνιστάται να αποφεύγονται όταν υπάρχει πιθανότητα διάβρωσης ειδικά στα σημεία σύνδεσης. Επίσης καταλληλότερο είναι να χρησιμοποιούνται πολλά ηλεκτρόδια σωστά διατεταγμένα παρά ένα ηλεκτρόδιο μεγάλου μήκους διότι τα πολλά ηλεκτρόδια είναι πιο αποτελεσματικά σε σχέση με το ένα. Το ελάχιστο μήκος ενός ηλεκτροδίου γείωσης l είναι συνάρτηση της απαιτούμενης στάθμης προστασίας και της ειδικής αντίστασης του εδάφους ρ. Σύμφωνα με την για ΣΑΠ στάθμης προστασίας II IV λαμβάνεται ίσο με 5m ανεξάρτητα από την ειδική αντίσταση του εδάφους. Για ΣΑΠ στάθμης προστασία I λαμβάνεται ίσο με 5m για ρ < 500Ω.m ενώ για μεγαλύτερες τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους αυξάνει γραμμικά. Στη περίπτωση που ένα ΣΑΠ δεν περιλαμβάνει εξωτερική ΕΑΠ αλλά απαιτείται σύστημα γείωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης ένα οριζόντιο ηλεκτρόδιο l ή ένα κατακόρυφο μήκους 0.5l. Για τον ίδιο σκοπό μπορεί να χρησιμοποιηθεί η γείωση της ηλεκτρικής εγκατάστασης χαμηλής τάσης υπό την προϋπόθεση ότι το συνολικό μήκος των ηλεκτροδίων γείωσης είναι σύμφωνα με τα προηγούμενα ανάλογα με τη γεωμετρία των ηλεκτροδίων γείωσης. Τα ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να ενταφιάζονται εξωτερικά της κατασκευής που χρήζει προστασίας 38

41 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] κατά το δυνατόν ομοιόμορφα κατανεμημένα ώστε να ελαχιστοποιούνται φαινόμενα ηλεκτρικής σύζευξης μέσα στο έδαφος. Ακόμη πρέπει να εξασφαλίζεται η εύκολη επιθεώρησή τους κατά τη κατασκευή του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Ο τύπος των ηλεκτροδίων γείωσης και το βάθος ενταφιασμού τους πρέπει να επιλέγονται με βάση την ελαχιστοποίηση των επιδράσεων της διάβρωσης, της ξήρανσης ή του παγώματος του εδάφους ώστε να εξασφαλίζεται σταθερή ισοδύναμη ειδική αντίσταση του εδάφους. Τα ηλεκτρόδια γείωσης εκτείνονται σε μεγάλο βάθος και έτσι είναι αποτελεσματικά σε εδάφη που η ειδική τους αντίσταση μειώνεται με το βάθος και όπου τα συνήθη μήκη κατακόρυφων ηλεκτροδίων δεν εξασφαλίζουν επαφή με το υπέδαφος χαμηλής ειδικής αντίστασης. Πίνακας 2.9: Ελάχιστο μήκος ηλεκτροδίου γείωσης συναρτήσει της στάθμης προστασίας Τα ηλεκτρόδια των γειώσεων κατατάσσονται σε 4 περιπτώσεις: 1. Διάταξη τύπου A Οι διατάξεις τύπου A περιλαμβάνουν οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης. Το ελάχιστο μήκος κάθε ηλεκτροδίου καθορίζεται ως l για ακτινικά οριζόντια ηλεκτρόδια ή 0.5l για κατακόρυφα ή κεκλιμένα ηλεκτρόδια όπου l είναι το ελάχιστο μήκος ακτινικού ηλεκτροδίου όπως φαίνεται και στο πίνακα 2.9. Σε διάφορες όμως περιπτώσεις αυτά τα μήκη μπορούν να μη ληφθούν υπόψη υπό την προϋπόθεση όμως ότι επιτυγχάνεται αντίσταση γείωσης μικρότερη από 10Ω. Σε περίπτωση όμως που έχουμε πολλά ηλεκτρόδια μαζί υπόψη λαμβάνεται το συνολικό τους μήκος. Οι διατάξεις των ηλεκτροδίων τύπου A είναι κατάλληλες για εδάφη μικρής τιμής ειδικής αντίστασης ακόμα και για μικρά κτίσματα. Κάθε αγωγός καθόδου της εξωτερικής ΕΑΠ πρέπει να συνδέεται τουλάχιστον σ ένα ανεξάρτητο ηλεκτρόδιο γείωσης ενώ ο ελάχιστος συνολικός αριθμός ηλεκτροδίων γείωσης πρέπει να είναι δύο. Τα ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να αλληλοσυνδέονται μέσω δακτυλίου ισοδυναμικής σύνδεσης ή ισοδυναμικών 39

42 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] ζυγών στην κατασκευή και εάν η περιοχή εγκατάστασή τους είναι προσβάσιμη από ανθρώπους ή ζώα πρέπει να λαμβάνονται ειδικά μέσα προστασίας. Διάταξη τύπου A θεωρείται και μια διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης που επιπρόσθετα περιλαμβάνει περιμετρικό δακτύλιο ισοδυναμικής σύνδεσης των αγωγών καθόδου ο οποίος βρίσκεται σε επαφή με το έδαφος σε ποσοστό μικρότερο από το 80% του συνολικού του μήκους του. Τα ακτινικά ηλεκτρόδια πρέπει να ενταφιάζονται σε βάθος όχι μικρότερο από 0.5m γιατί ελαχιστοποιεί τις επιδράσεις της διάβρωσης, της ξήρανσης ή του παγώματος του εδάφους εξασφαλίζοντας σχετικά σταθερή ισοδυναμική ειδική αντίσταση του εδάφους και ανεξάρτητη από την εποχή του έτους. Επιπλέον το μεγαλύτερο βάθος ενταφιασμού οδηγεί σε μικρότερη ανύψωση δυναμικού του εδάφους σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού. 2. Διάταξη τύπου B Οι διατάξεις αυτού του τύπου αποτελούνται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου εξωτερικά της κατασκευής με τουλάχιστον το 80% του μήκους του σε επαφή με το έδαφος ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Το περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου πρέπει κατά προτίμηση να ενταφιάζεται σε βάθος τουλάχιστον 0.5m και σε απόσταση τουλάχιστον 1m από τους εξωτερικούς τοίχους της κατασκευής. Η αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης μειώνεται όταν τμήμα του μήκους του ηλεκτροδίου γείωσης κατανέμεται εκτός εδάφους. Κατά τη θεμελιακή γείωση το ηλεκτρόδιο γείωσης, ταινία ή αγωγός τοποθετείται μέσα στο σκυρόδεμα, στη βάση των περιμετρικών θεμελίων της κατασκευής καθώς και των εσωτερικών της όταν πρόκειται για κατασκευή μεγάλων διαστάσεων. Οι διατάξεις των ηλεκτροδίων γείωσης τύπου B συνιστάται στις περιπτώσεις όπου ο ενταφιασμός των ηλεκτροδίων είναι πρακτικά δύσκολος έως αδύνατος. 3. Διάταξη τύπου πλέγματος Οι διατάξεις τύπου πλέγματος χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις που κατά κανόνα συμπεριλαμβάνουν πολλές γειτονικές κατασκευές. Επίσης είναι σημαντικό οι διατάξεις ηλεκτροδίων γείωσης των επιμέρους κατασκευών να αλληλοσυνδέονται σχηματίζοντας ένα σύστημα γείωσης τύπου πλέγματος. Το πλέγμα των αγωγών γείωσης πρέπει να επεκτείνεται στα εξωτερικά όρια της βιομηχανικής εγκατάστασης. Το σύστημα γείωσης πλέγματος εξασφαλίζει χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης και περιορίζει δραστικά τις επικίνδυνες επιδράσεις του κεραυνού λόγω υψηλών τιμών τάσης επαφής και βηματικής τάσης. 40

43 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 4. Διάταξη φυσικών ηλεκτροδίων γείωσης Τέλος, υπάρχουν τα φυσικά ηλεκτρόδια γείωσης, για τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα μέρη της κατασκευής. Τέτοια μέρη της κατασκευής είναι ο ενδοσυνδεδεμένος χαλύβδινος οπλισμός του σκυροδέματος των θεμελίων ή άλλες κατάλληλες υπόγειες μεταλλικές κατασκευές των οποίων τα χαρακτηριστικά είναι σύμφωνα με τις απαιτήσεις των υλικών των ηλεκτροδίων γείωσης. Στη περίπτωση που χρησιμοποιείται ο οπλισμός των θεμελίων ως ηλεκτρόδιο γείωσης πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στις ενδοσυνδέσεις του ώστε να αποφεύγεται θραύση του σκυροδέματος κατά τη διέλευση του κεραυνικού ρεύματος από μέσα του Υλικά και ελάχιστες διαστάσεις δομικών στοιχείων Τα δομικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας όπως είναι αγωγοί, σύνδεσμοι, ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να αντέχουν στις θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρομαγνητικές επιπτώσεις του ρεύματος του κεραυνού καθώς και σε άλλες τυχαίες μηχανικές καταπονήσεις φυσικής αιτίας. Επιπλέον για την επιλογή τους πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η πιθανότητα διάβρωσης τόσο της προστατευμένης κατασκευής όσο και των ίδιων των στοιχείων ανάλογα με την εφαρμογή τους στην εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας. Στο παρακάτω πίνακα 2.10 υπάρχουν τα υλικά και οι ελάχιστες διαστάσεις των υλικών του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Πίνακας 2.10: Υλικά και ελάχιστες διαστάσεις (mm 2 ) των υλικών του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας 41

44 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.18 Εσωτερική ΕΑΠ Η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής Προστασίας περιλαμβάνει όλα τα μέσα προστασίας που πρέπει να ληφθούν ώστε να περιοριστούν σε αποδεκτό βαθμό οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις ου κεραυνικού ρεύματος στο εσωτερικό αλλά και περιμετρικά της κατασκευής που χρειάζεται προστασία ανεξάρτητα αν χρειάζεται εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας. Η αναγκαιότητα ή μη της εσωτερικής ΕΑΠ καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την τοποθέτηση της εξωτερικής ΕΑΠ σε σχέση με τα αγώγιμα τμήματα και τις εσωτερικές εγκαταστάσεις της κατασκευής. Ως μέσα προστασίας που συνιστούν την εσωτερική ΕΑΠ θεωρούνται οι ισοδυναμικές συνδέσεις, η τήρηση των αποστάσεων, η μόνωση Οι ισοδυναμικές συνδέσεις Με τις ισοδυναμικές συνδέσεις περιορίζουμε την πιθανότητα εμφάνισης επικίνδυνων υπερτάσεων σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού σε μια κατασκευή ή ακόμη γενικότερα ενός σφάλματος σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση ή ηλεκτρονική εγκατάσταση της κατασκευής. Επίσης οι ισοδυναμικές συνδέσεις πρέπει να γίνονται στις περιπτώσεις όπου δεν ικανοποιούνται οι αποστάσεις ασφαλείας μεταξύ της μονωμένης εξωτερικής ΕΑΠ και της ίδιας κατασκευής ή μεταξύ της μη μονωμένης εξωτερικής ΕΑΠ και γειτονικών μεταλλικών εσωτερικών ή εξωτερικών εγκαταστάσεων καθώς και ηλεκτρικών εγκαταστάσεων της κατασκευής. Οι ισοδυναμικές συνδέσεις πραγματοποιούνται είτε μέσω συνδετήρων αγωγών όπου η ηλεκτρική συνέχεια δεν εξασφαλίζεται με φυσικές συνδέσεις, είτε μέσω εκτροπέων υπέρτασης όπου δεν επιτρέπεται η άμεση αγώγιμη σύνδεση. Για την υλοποίηση των απαιτούμενων ισοδυναμικών συνδέσεων στο υπόγειο ή γενικά στη στάθμη του εδάφους της κατασκευής που χρειάζεται προστασία εγκαθιστούμε ένα ζυγό εξίσωσης δυναμικών ο οποίος συνδέεται με το σύστημα γείωσης και στον οποίο καταλήγουν όλοι οι συνδετήριοι αγωγοί και οι ακροδέκτες γείωσης των εκτροπέων υπέρτασης. 42

45 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.10: Ισοδυναμικές συνδέσεις εγκαταστάσεων μέσω ζυγού εξίσωσης δυναμικών [2] Επίσης στο ζυγό εξίσωσης δυναμικών συνδέονται μέσω συνδετήριων αγωγών ο ενδοσυνδεδεμένος οπλισμός του σκυροδέματος της κατασκευής ή ο μεταλλικός σκελετός της, οι εσωτερικές μεταλλικές εγκαταστάσεις της όπως υδραυλική ή θέρμανσης καθώς και οι θωρακίσεις, ή οι μεταλλικοί σωλήνες όδευσης των καλωδίων των εσωτερικών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων ισχυρών ή ασθενών ρευμάτων. Επιπλέον στο ζυγό εξίσωσης δυναμικών συνδέονται μέσω συνδετήριων αγωγών είτε εκτροπέων υπερτάσεων όλες οι παροχές υπηρεσιών κοινής ωφέλειας δηλαδή ηλεκτρισμού, τηλεπικοινωνιών, φυσικού αερίου, ύδρευσης όσο το δυνατόν πλησιέστερα στην είσοδό τους στην κατασκευή. Στα δίκτυα ΤΝ (γειωμένος ουδέτερος) ο αγωγός προστασίας ΡΕ ή ο κοινός αγωγός ουδετέρου-γείωσης ΡΕΝ συνδέονται απευθείας στο ζυγό εξίσωσης δυναμικών μέσω συνδετήριων αγωγών ενώ οι ενεργοί αγωγοί συνδέονται μέσω εκτροπέων υπέρτασης. Όταν οι παροχές υπηρεσιών κοινής ωφέλειας εισέρχονται στη κατασκευή στο επίπεδο του εδάφους από διαφορετικά σημεία εγκαθίστανται ζυγός ισοδυναμικών συνδέσεων σε κάθε σημείο εισόδου των παροχών ο οποίος συνδέεται άμεσα με το σύστημα γείωσης και με τον συνδεδεμένο οπλισμό του σκυροδέματος των θεμελίων της κατασκευής. Στην περίπτωση συστήματος γείωσης διάταξης ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Α ζυγοί εξίσωσης δυναμικών συνδέονται άμεσα σε κάθε ηλεκτρόδιο γείωσης και επιπρόσθετα διασυνδέονται εσωτερικά της κατασκευής μέσω περιμετρικού δακτυλίου ισοδυναμικής σύνδεσης. 43

46 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.11: Ισοδυναμική σύνδεση στη περίπτωση που οι παροχές κοινής ωφέλειας εισέρχονται στη κατασκευή στο επίπεδο του εδάφους από διαφορετικά σημεία (Διάταξη τύπου Α) [2] Στην περίπτωση συστήματος γείωσης με διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου B οι ζυγοί ισοδυναμικών συνδέσεων συνδέονται άμεσα με τον περιμετρικό δακτύλιο γείωσης ή τη θεμελιακή γείωση. Εικόνα 2.12: Ισοδυναμική σύνδεση στη περίπτωση που οι παροχές κοινής ωφέλειας εισέρχονται στη κατασκευή στο επίπεδο του εδάφους από διαφορετικά σημεία (Διάταξη τύπου Β) [2] Όταν οι παροχές υπηρεσιών κοινής ωφέλειας εισέρχονται στην κατασκευή σε κάποιο ύψος από το επίπεδο του εδάφους οι ζυγοί ισοδυναμικών συνδέσεων διασυνδέονται εσωτερικά ή εξωτερικά του εξωτερικού τοίχου της κατασκευής μέσω περιμετρικού δακτυλίου ισοδυναμικής σύνδεσης. Ο τελευταίος συνδέεται με τους αγωγούς καθόδου της εξωτερικής ΕΑΠ και με τον ενδοσυνδεδεμένο οπλισμό του σκυροδέματος της 44

47 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] κατασκευής εάν υφίσταται σε διαστήματα όπως αυτά καθορίζονται για τις αποστάσεις μεταξύ των αγωγών καθόδου (πίνακας 2.8). Στη περίπτωση μονωμένης εξωτερικής ΕΑΠ πραγματοποιείται ισοδυναμική σύνδεση μεταξύ της εξωτερικής ΕΑΠ και της ίδιας της κατασκευής μόνο στη στάθμη του εδάφους. Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιείται και στη περίπτωση που δομικά στοιχεία της κατασκευής (π.χ. ο μεταλλικός σκελετός) αποτελούν φυσικούς αγωγούς καθόδου. Οι αγωγοί ισοδυναμικών συνδέσεων πρέπει να αντέχουν το ποσοστό του ρεύματος του κεραυνού που τους διαρρέει. Το ποσοστό αυτό συνήθως είναι μικρό όταν διασυνδέουν ισοδυναμικά μεταλλικές εγκαταστάσεις στο εσωτερικό της κατασκευής ενώ γίνεται σημαντικό όταν διασυνδέουν εξωτερικά αγώγιμα τμήματα με το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Το ποσοστό αυτό του ρεύματος του κεραυνού καθορίζει τις ελάχιστες διαστάσεις των αγωγών ισοδυναμικών συνδέσεων (πίνακας 2.9) και μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με την παρακάτω μέθοδο Υπολογισμός του κεραυνικού ρεύματος που ρέει σε εξωτερικά αγώγιμα τμήματα και στα καλώδια εισερχόμενων παροχών της κατασκευής Το κεραυνικό ρεύμα κατά τη διαδρομή του προς τη γη μοιράζεται στο σύστημα γείωσης και στα εξωτερικά αγώγιμα τμήματα καθώς και στα καλώδια των εισερχόμενων παροχών κοινής ωφέλειας της κατασκευής που είναι συνδεδεμένα στο ζυγό εξίσωσης δυναμικών είτε άμεσα μέσω αγωγών ισοδυναμικών συνδέσεων είτε μέσω εκτροπέων υπέρτασης. Το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που διαρρέει αντίστοιχα κάθε εξωτερικό αγώγιμο τμήμα ή καλώδιο των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής εξαρτάται από το πλήθος τους, την ισοδυναμική αντίσταση γείωσής τους και από την ισοδύναμη αντίσταση γείωσης του συστήματος γείωσης της κατασκευής. Το ρεύμα If μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: όπου, (Α) 45

48 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] I(kA): Το ρεύμα του κεραυνού αντίστοιχο με την επιλεχθείσα στάθμη προστασίας (πίνακας 2.2). Ze(Ω): Η ισοδυναμική αντίσταση γείωσης του συστήματος γείωσης. Zi(Ω): Η ισοδυναμική αντίσταση γείωσης κάθε εξωτερικού αγώγιμου τμήματος ή καλωδίου των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής. n: Ο συνολικός αριθμός των εξωτερικών αγώγιμων τμημάτων και των καλωδίων των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής. Οι ισοδυναμικές αντιστάσεις γείωσης Ze και Zi εξαρτώνται από την ειδική αντίσταση του εδάφους η οποία υπάρχει στο παρακάτω πίνακα Πίνακας 2.11: Τιμές ισοδυναμικών αντιστάσεων γείωσης Ze και Zi ανάλογα με την ειδική αντίσταση του εδάφους Αντίστοιχα το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού διοχετεύεται στη γη μέσω του συστήματος γείωσης της κατασκευής και υπολογίζεται από τη σχέση: Ο δεύτερος όρος του γινομένου της εξίσωσης (Α) μπορεί να παραστεί μέσω ενός συντελεστή Kp που εκφράζει το ποσοστό του ρεύματος του κεραυνού που διαρρέει αντίστοιχα κάθε εξωτερικό αγώγιμο τμήμα ή καλώδιο των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής. Λαμβάνοντας υπόψη το πίνακα 2.11 οι τιμές του συντελεστή Kp παρουσιάζονται συναρτήσει της ειδικής αντίστασης του εδάφους στο πίνακα 2.12 σε 46

49 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] σχέση με την επιλεχθείσα στάθμη προστασίας και το συνολικό αριθμό των εξωτερικών αγώγιμων τμημάτων και των καλωδίων των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής. Πίνακας 2.12: Συντελεστής κατανομής του ρεύματος του κεραυνού Kp συναρτήσει της ειδικής αντίστασης του εδάφους Σύμφωνα με το πίνακα 2.12 το ποσοστό του ρεύματος του κεραυνού που παροχετεύεται στη γη μέσω του συστήματος γείωσης της κατασκευής αυξάνει με τη μείωση του αριθμού των εισερχόμενων παροχών καθώς και βαίνοντας από τη στάθμη IV στην I. Εάν η ειδική αντίσταση του εδάφους ή η στάθμη προστασίας δεν είναι γνωστές το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που ρέει σε κάθε εξωτερικό αγώγιμο τμήμα ή καλώδιο των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής μπορεί προσεγγιστικά να υπολογιστεί από τη σχέση: Θεωρώντας ότι το 50% του συνολικού ρεύματος του κεραυνού παροχετεύεται στη γη μέσω του συστήματος γείωσης της κατασκευής. Σε κατοικίες το τηλεφωνικό δίκτυο μπορεί να μη ληφθεί υπόψη στον υπολογισμό του παράγοντα n της εξίσωσης (Α) καθώς θεωρείται ότι δεν επηρεάζει το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που διαρρέει τις υπόλοιπες παροχές σε περίπτωση πλήγματος. Ωστόσο σύμφωνα με μελέτες το τηλεφωνικό δίκτυο πρέπει να συνδέεται ισοδυναμικά στο ζυγό εξίσωσης δυναμικών και για τον καθορισμό των ισοδυναμικών συνδέσεων 47

50 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι τα τηλεφωνικά καλώδια διαρρέονται από ρεύμα τουλάχιστον 5% του ρεύματος του κεραυνού. Στις περιπτώσεις μάλιστα που στις εισερχόμενες παροχές της κατασκευής χρησιμοποιούνται καλώδια χωρίς θωράκιση ή τα καλώδια δεν οδεύουν σε μεταλλικούς σωλήνες, το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που διαρρέει κάθε αγωγό του καλωδίου If υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση: όπου m είναι ο αριθμός των αγωγών του καλωδίου και το If δίνεται από τη σχέση (Α) Ελάχιστη διατομή θωράκισης των καλωδίων Όταν τα καλώδια των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής είναι θωρακισμένα και η θωράκισή τους είναι γειωμένη και στα δύο τους άκρα τότε θεωρείται ότι το ρεύμα του κεραυνού διαρρέει την θωράκισή τους. Σ αυτή τη περίπτωση υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης υπέρτασης μεταξύ της θωράκισης και του ενεργού αγωγού του καλωδίου. Η υπέρταση εξαρτάται από το υλικό και τις διαστάσεις της θωράκισης καθώς και από το μήκος και τον τρόπο όδευσης του καλωδίου. Σύμφωνα με διεθνές πρότυπο η ελάχιστη διατομή της θωράκισης που εξασφαλίζει την αυτοπροστασία ενός καλωδίου δεν απαιτείται εγκατάσταση εκτροπέα υπέρτασης και θα δίνεται από τον παρακάτω τύπο: όπου, If (ka): είναι το ρεύμα του κεραυνού που ρέει στην θωράκιση ρc (Ω.m): είναι η ειδική αντίσταση της θωράκισης (τυπικές τιμές για Cu: 1.7x10-8 Ω.m, Al: 2.7x10-8 Ω.m) Lc (m): είναι το μήκος του καλωδίου σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα

51 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Uc (kv): είναι η κρουστική τάση αντοχής του καλωδίου ανάλογα με την ονομαστική τάση λειτουργίας του σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα 2.14 Πίνακας 2.13: Μήκος καλωδίου ανάλογα με τη κατάσταση της θωράκισης σε σχέση με το έδαφος Πίνακας 2.14: Κρουστική τάση αντοχής του καλωδίου ανάλογα με την ονομαστική τάση λειτουργίας 2.22 Διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων από πλήγμα κεραυνού Οι πιθανές υπερτάσεις που μπορεί να εμφανιστούν στις εγκαταστάσεις χαμηλής τάσης υπερτίθενται στη τάση λειτουργίας της εγκατάστασης και μπορεί να αναπτυχθούν είτε μεταξύ ενεργού αγωγού και γης είτε μεταξύ ενεργών αγωγών. Μπορούν να καταταγούν γενικότερα σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με την αιτία που τις προκαλεί. Αυτές οι κατηγορίες είναι: 1. Υπερτάσεις λόγω άμεσου ή έμμεσου πλήγματος κεραυνού 2. Υπερτάσεις λόγω ηλεκτροστατικών εκκενώσεων 3. Υπερτάσεις λόγω χειρισμών 4. Υπερτάσεις βιομηχανικής συχνότητας 49

52 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Αν και οι παράμετροι των υπερτάσεων αυτών, όπως ο ρυθμός ανόδου της τάσης, διάρκεια, ενέργεια κ.α. διαφέρουν μεταξύ τους κάθε κατηγορία υπερτάσεων μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα επιζήμια για τον εξοπλισμό της κατασκευής. Μία ιδανική διάταξη προστασίας έναντι υπερτάσεων πρέπει να συμπεριφέρεται ως ανοικτό κύκλωμα υπό κανονική λειτουργία της εγκατάστασης και πρέπει σε περίπτωση υπέρτασης να άγει χωρίς καθυστέρηση υπό τάση λίγο μεγαλύτερη της τάσης λειτουργίας της εγκατάστασης, να μην επιτρέπει η τάση στην εγκατάσταση να αυξηθεί κατά τη διάρκεια που άγει, να περιορίζει το ρεύμα σφάλματος και να απορροφά την ενέργεια που το συνοδεύει, να επιστρέφει στην κανονική κατάσταση λειτουργίας της μετά την παρέλευση της υπέρτασης και να μη καταστρέφεται ποτέ. Οι εκτροπείς υπέρτασης αποτελούν βασικές διατάξεις ευρείας εφαρμογής και προστασίας μιας εγκατάστασης έναντι υπερτάσεων. Η προστασία που παρέχουν οι εκτροπείς υπέρτασης συνίσταται γενικότερα είτε στην αποκοπή της υπέρτασης είτε στον περιορισμό της σε αποδεκτή τιμή είτε στο συνδυασμό των δύο. Ωστόσο γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι η πλήρης και αποτελεσματική προστασία έναντι υπερτάσεων μίας κατασκευής λόγω πλήγματος κεραυνού δεν μπορεί να εξασφαλιστεί με τη χρησιμοποίηση ενός και μόνο εκτροπέα υπέρτασης είτε διότι τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δεν είναι στο σύνολό τους αυτά της ιδανικής διάταξης προστασίας είτε διότι η αιτία της υπέρτασης μπορεί να ποικίλει ιδιαίτερα. Ακόμη στα διάφορα σημεία μίας εγκατάστασης μπορεί να απαιτείται διαφορετικό επίπεδο προστασίας εφόσον τόσο η τάση λειτουργίας όσο και πιθανές υπερτάσεις μπορεί να διαφέρουν σημαντικά σε τιμή. Στη πράξη χρησιμοποιούνται διάφορες διατάξεις προστασίας, ένας εκτροπέας υπέρτασης ή συνδυαστικά πολλοί με επιπλέον στοιχεία για το συντονισμό τους ανάλογα με την ανάγκη προστασίας. Η επιλογή των κατάλληλων διατάξεων προστασίας προϋποθέτει τη μελέτη συντονισμού των μονώσεων της εγκατάστασης Κατάταξη του εξοπλισμού χαμηλής τάσης σε κατηγορίες υπερτάσεων Ο εξοπλισμός χαμηλής τάσης κατατάσσεται σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με τις υπερτάσεις που πιθανώς μπορεί να υπάρξουν: Κατηγορία υπερτάσεων I: Εξοπλισμός μειωμένης απαίτησης προστασίας έναντι υπερτάσεων όπως για παράδειγμα στοιχεία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. 50

53 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Κατηγορία υπερτάσεων II: Εξοπλισμός στον οποίο δεν αναμένεται ανάπτυξη υπερτάσεων λόγω πλήγματος κεραυνού αλλά μπορεί να αναπτυχθούν υπερτάσεις άλλης κατηγορίας όπως για παράδειγμα οι κοινές ηλεκτρικές συσκευές κατοικιών ή φορητός εξοπλισμός. Κατηγορία υπερτάσεων III: Εξοπλισμός στον οποίο δεν αναμένεται ανάπτυξη υπερτάσεων λόγω πλήγματος κεραυνού αλλά μπορεί να αναπτυχθούν υπερτάσεις άλλης κατηγορίας και όπου η αξιοπιστία και η διαθεσιμότητα του εξοπλισμού ή των εξαρτώμενων κυκλωμάτων αποτελούν ειδική προϋπόθεση όπως για παράδειγμα αποτελούν τα μέσα προστασίας, διακόπτες, ρευματολήπτες. Κατηγορία υπερτάσεων IV: Εξοπλισμός στον οποίο αναμένεται ανάπτυξη λόγω πλήγματος κεραυνού. Παράδειγμα αποτελεί ο εξοπλισμός στα όρια της ηλεκτρικής εγκατάστασης μίας κατασκευής όπως οι εναέριες γραμμές και τα καλώδια μεταφοράς του δικτύου χαμηλής τάσης, οι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας και οι αυτόματοι διακόπτες ισχύος. Μετά την κατάταξη του εξοπλισμού σε κάποια κατηγορία υπερτάσεων το επίπεδο μόνωσης του η διαβαθμισμένη κρουστική τάση αντοχής μπορεί να επιλεχθεί από τον παρακάτω πίνακα ανάλογα με τη μέγιστη ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος ως προς γη. Πίνακας 2.15: Διαβαθμισμένη κρουστική τάση αντοχής εξοπλισμού χαμηλής τάσης ανάλογα με τη μέγιστη ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος ως προς γη 51

54 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Οι διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων συστημάτων χαμηλής τάσης κατατάσσονται σε τρείς κλάσεις I III αναφορικά με το επίπεδο προστασίας που παρέχουν και διακρίνονται σε κατηγορίες ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Κλάση I: Συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που ενδέχεται να διαρρέονται από τμήμα του ρεύματος του κεραυνού. Συνιστάται η εγκατάστασή τους σε σημεία υψηλού κινδύνου από άμεσο πλήγμα κεραυνού όπως στις εναέριες γραμμές μεταφοράς του δικτύου χαμηλής τάσης ή στα σημεία εισόδου των παροχών κοινής ωφέλειας σε κατασκευές προστατευμένες με σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Οι διατάξεις της κλάσης αυτής ονομάζονται αλεξικέραυνα. Κλάση II: Συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται ως μέσα προστασίας έναντι υπερτάσεων από έμμεσα πλήγματα κεραυνού ή από χειρισμούς. Συνιστάται η εγκατάστασή τους σε σημεία μικρότερης απαίτησης προστασίας έναντι υπερτάσεων όπως στο γενικό πίνακα χαμηλής τάσης του καταναλωτή. Κλάση III: Συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις μειωμένης απαίτησης προστασίας έναντι υπερτάσεων λόγω χειρισμών όπως για παράδειγμα προστασία συσκευών εντός της κατασκευής Κατηγορίες εκτροπέων υπέρτασης χαμηλής τάσης Υπάρχουν τέσσερις βασικές κατηγορίες εκτροπέων υπέρτασης χαμηλής τάσης των οποίων η παρεχόμενη προστασία προδιαγράφεται από αντίστοιχους κανονισμούς της IEC: Σπινθηριστές αερίων: Οι σπινθηριστές είναι ή ένα διάκενο ή πολλά διάκενα σε σειρά, δύο ή τριών ηλεκτροδίων, εσώκλειστο σε σωλήνα με διηλεκτρικό μέσο κάποιο αέριο υπό πίεση διαφορετικό από τον αέρα. Οι σπινθηριστές αερίων χρησιμοποιούνται κυρίως σε κυκλώματα ασθενών ρευμάτων όπως στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, στα συστήματα μεταφοράς δεδομένων ή σε ηλεκτρονικές εφαρμογές. Ο χρόνος απόκρισή τους στην υπέρταση είναι σχετικά μεγάλος, η τάση έναυσης τους παρουσιάζει στατιστική διακύμανση εφόσον εξαρτάται από το ρυθμό ανόδου της υπέρτασης ωστόσο μπορούν να 52

55 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] μεταφέρουν μεγάλα ρεύματα ka. Στο παρακάτω σχήμα παριστάνονται τριών ειδών κυκλώματα με σπινθηριστές που πιθανόν να συναντήσουμε. Εικόνα 2.13: Προστασία με σπινθηριστές αερίων κυκλωμάτων ασθενών ρευμάτων [2] Δίοδοι περιορισμού υπέρτασης: Οι δίοδοι περιορισμού υπέρτασης θεωρούνται εξελιγμένες δίοδοι και είναι παρόμοιες με τις διόδους zener, με ταχύτατη απόκριση στην υπέρταση αλλά μικρής ισχύος. Αποτελούν στοιχεία διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων σε κυκλώματα χαμηλής τάσης συνδεδεμένες είτε μόνες είτε σε συστοιχία. Θυρίστορ περιορισμού υπέρτασης: Τα θυρίστορ περιορισμού υπέρτασης θεωρούνται στοιχεία ισχύος παρόμοια των θυρίστορ ή των triacs με αργή απόκριση στην υπέρταση αλλά μεγάλης ισχύος. Αποτελούν στοιχεία διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων σε κυκλώματα χαμηλής τάσης που συνδυάζουν την αποκοπή και τον περιορισμό της υπέρτασης. Διατάξεις Metal Oxide Varistors: Πρόκειται για εκτροπείς υπέρτασης, ευρείας εφαρμογής, γρήγορης απόκρισης που περιορίζουν την υπέρταση σε αποδεκτή τιμή. Αποτελούνται από μη γραμμικές αντιστάσεις κατά κανόνα βαρύστορες μεταλλικών οξειδίων των οποίων η χαρακτηριστικά τάσης-ρεύματος είναι ισχυρά μη γραμμική. 53

56 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Εικόνα 2.14: Προστασία τυπικής εγκατάστασης Χαμηλής Τάσης έναντι υπερτάσεων [2] 2.25 Δευτερογενείς υπερπηδήσεις μεταξύ της εξωτερικής ΕΑΠ και γειτνιαζόντων μεταλλικών εγκαταστάσεων Πολλές φορές σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού στο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενών υπερπηδήσεων μεταξύ της εξωτερικής ΕΑΠ και της ίδιας της κατασκευής στην περίπτωση μονωμένης εξωτερικής ΕΑΠ ή μεταξύ της εξωτερικής ΕΑΠ και γειτνιαζόντων μεταλλικών εγκαταστάσεων καθώς και ηλεκτρικών εγκαταστάσεων της κατασκευής. Το πιο σημαντικό μέσο προστασίας έναντι δευτερογενών υπερπηδήσεων πέραν της μόνωσης είναι οι ισοδυναμικές συνδέσεις. Για τις ισοδυναμικές συνδέσεις έχουμε αναφερθεί σε παραπάνω παράγραφο. Εάν όμως δεν είναι πρακτικά δυνατό να υλοποιηθούν τότε η διαχωριστική απόσταση S μεταξύ των αγωγών της εξωτερικής ΕΑΠ (μονωμένης ή μη) και των γειτνιαζόντων αγώγιμων τμημάτων της κατασκευής ή των εσωτερικών εγκαταστάσεών της πρέπει να είναι μεγαλύτερη της απόστασης ασφαλείας D. Παρακάτω υπάρχει η ανάλογη σχέση: όπου, το ki εξαρτάται από την επιλεχθείσα στάθμη προστασίας σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα

57 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Πίνακας 2.16: Τιμές συντελεστή ki για το καθορισμό της απαιτούμενης διαχωριστικής απόστασης μεταξύ της εξωτερικής ΕΑΠ και άλλων εγκαταστάσεων της κατασκευής Το kc εξαρτάται από τον αριθμό και τη χωροθέτηση των αγωγών καθόδου, τους οριζόντιους περιμετρικούς δακτυλίους που διασυνδέουν ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου καθώς και από το τύπο του συλλεκτήριου συστήματος και του συστήματος γείωσης. Λαμβάνει τιμές 1 για έναν αγωγό καθόδου, 0.66 για δύο αγωγούς καθόδου και 0.44 για περισσότερους αγωγούς καθόδου συμμετρικά τοποθετημένους στις τρείς διαστάσεις της κατασκευής με απόσταση μεταξύ τους 20m (στάθμη προστασίας III). Το km εξαρτάται από το διαχωριστικό μέσο που παρεμβάλλεται μεταξύ των εγκαταστάσεων που ελέγχεται η γειτνίασή τους και λαμβάνει τιμές 1 εάν πρόκειται για αέρα και 0.5 εάν πρόκειται για στέρεο υλικό. Το L είναι το μήκος του αγωγού καθόδου από το σημείο που ελέγχεται η γειτνίαση μέχρι το πλησιέστερο σημείο ισοδυναμικής σύνδεσης. Στη περίπτωση που δομικά στοιχεία της κατασκευής (π.χ. ο μεταλλικός σκελετός) χρησιμοποιούνται ως φυσικοί αγωγοί καθόδου ως μήκος L θεωρείται η απόσταση από το σημείο γειτνίασης μέχρι το σημείο σύνδεσης στο φυσικό αγωγό καθόδου Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας (ΖΑΠ) Οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας είναι περιοχές εκτός και εντός της κατασκευής που χρήζει προστασίας όπου οι αναμενόμενες ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι καθορισμένες σε σχέση με την επικινδυνότητά τους και επομένως μπορούν να περιοριστούν. Οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας οριοθετούνται από σημαντικές αλλαγές των ηλεκτρομαγνητικών συνθηκών αποτελώντας περιοχές αυξανόμενης απαίτησης ηλεκτρομαγνητικής προστασίας βαίνοντας από την εξωτερική περιοχή της κατασκευής όπου υπάρχει κίνδυνος άμεσου πλήγματος προς το εσωτερικό 55

58 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] της όπου πρέπει να εξασφαλίζεται η ηλεκτρομαγνητική ατρωσία συσκευών. Αναλυτικότερα για τις ζώνες αντικεραυνικής προστασίας έχουμε: ΖΑΠ 0Α: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. ΖΑΠ 0Β: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. ΖΑΠ 1: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα και όπου το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να τα διαρρεύσει είναι περιορισμένο σε σχέση με τη ΖΑΠ 0Β. Στη ζώνη αυτή οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού μπορούν να περιοριστούν ανάλογα με τα μέτρα θωράκισης που λαμβάνονται. ΖΑΠ 2: Ζώνες όπου απαιτείται περαιτέρω μείωση του τμήματος του ρεύματος του κεραυνού καθώς και περαιτέρω εξασθένιση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε σχέση με την αμέσως προηγούμενη ΖΑΠ. Στο εσωτερικό καθώς και στα όρια των ΖΑΠ πρέπει να γίνονται ισοδυναμικές συνδέσεις είτε μέσω συνδετήριων αγωγών είτε μέσω εκτροπέων υπέρτασης. Σε κάθε ΖΑΠ οι ισοδυναμικές συνδέσεις πρέπει να γίνονται σύμφωνα με την ανάλυση του παρακάτω σχήματος ενώ ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στο συντονισμό των μονώσεων της εγκατάστασης. Εικόνα 2.15: Διαχωρισμός της περιοχής μιας κατασκευής σε Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας και ισοδυναμικές συνδέσεις [2] 56

59 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] 2.27 Ισοδυναμικές συνδέσεις σε ηλεκτρονικά συστήματα Οι ισοδυναμικές συνδέσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρονικά συστήματα είναι δύο, η ακτινική διάταξη και η διάταξη τύπου πλέγματος. Σύμφωνα με την ακτινική διάταξη όλα τα μεταλλικά στοιχεία συνδέονται μέσω συνδετήριων αγωγών ακτινικά, ανεξάρτητα μεταξύ τους σε ένα μόνο σημείο. Στο σημείο αυτό, σημείο αναφοράς γείωσης γίνεται η σύνδεση με το σύστημα γείωσης της κατασκευής. Τα καλώδια τροφοδοσίας και μεταφοράς σημάτων πρέπει να οδεύουν παράλληλα για την αποφυγή βρόχων ενώ στο σημείο αναφοράς γείωσης συνδέονται εάν απαιτούνται οι εκτροπείς υπέρτασης. Η ακτινική διάταξη ισοδυναμικών συνδέσεων χρησιμοποιείται σε σχετικά μικρά συγκεντρωμένα ηλεκτρονικά συστήματα όπου όλες οι παροχές εισέρχονται στο σύστημα από ένα μόνο σημείο. Το ένα και μόνο σημείο σύνδεσης των στοιχείων του συστήματος μεταξύ τους εξασφαλίζει την αποφυγή βρόχων καθώς και των ρευμάτων επιστροφής μέσω κοινής γης. Από την άλλη στη διάταξη ισοδυναμικών σταθμών τύπου πλέγματος τα μεταλλικά στοιχεία του συστήματος συνδέονται μεταξύ τους μέσω ισοδυναμικών συνδέσεων και επιπλέον σε πολλά σημεία με το σύστημα γείωσης της κατασκευής. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται γενικότερα σε σχετικά μεγάλα ηλεκτρονικά συστήματα όπου πολλά καλώδια τροφοδοσίας και μεταφοράς σημάτων οδεύουν μεταξύ των στοιχείων του συστήματος και οι παροχές εισέρχονται στο σύστημα από πολλά σημεία. Το πυκνό πλέγμα των ισοδυναμικών συνδέσεων περιορίζει το μαγνητικό πεδίο στην περιοχή της εγκατάστασης. Σε πολύπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα οι δύο διατάξεις ισοδυναμικών συνδέσεων μπορούν να συνδυαστούν προκειμένου να υπάρξει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Εικόνα 2.16: Βασικές διατάξεις ισοδυναμικών συνδέσεων σε ηλεκτρονικά συστήματα [2] 57

60 Αντικεραυνική προστασία [κεφ. 2ο] Βιβλιογραφία: [1] Εικόνες από [2] ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Πανεπιστημιακές παραδόσεις ΠΑΝΤΕΛΗΣ Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ Επίκουρος Καθηγητής 58

61 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3. ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Τα συγκροτήματα που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια λέγονται ανεμογεννήτριες ή ανεμοηλεκτρικές γεννήτριες. Οι ανεμογεννήτριες είναι κατατάσσονται στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας τις λεγόμενες και ΑΠΕ. Στη χώρα μας τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότεροι άνθρωποι ενδιαφέρονται να εγκαταστήσουν ανεμογεννήτριες έτσι να έχουν όφελος όχι μόνο από οικονομική πλευρά αλλά και από οικολογική πλευρά καθώς οι ανεμογεννήτριες είναι φιλικές προς το περιβάλλον. 3.1 Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από την μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας. Καθώς ο αέρας θερμαίνεται, διαστέλλεται γίνεται πιο ελαφρύς, ανεβαίνει σε ύψος περίπου 10 km από το επίπεδο της θάλασσας και κατευθύνεται προς τα ψυχρότερα μέρη που είναι ο βορράς και ο νότος. Καθώς συμβαίνει αυτό η ατμοσφαιρική πίεση μειώνεται με αποτέλεσμα μάζες ψυχρού αέρα να κατευθύνονται προς την περιοχή του χαμηλού βαρομετρικού. Αυτή ακριβώς η κίνηση των αερίων μαζών δημιουργεί τον άνεμο. [2] Η αιολική ενέργεια είναι μια από τις παλαιότερες μορφές φυσικής ενέργειας. Αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και είχε αποφασιστική συμβολή στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Ο άνθρωπος την χρησιμοποίησε για πρώτη φορά στα ιστιοφόρα πλοία γεγονός που συνέβαλε στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας κατασκευάστηκε ο ανεμόμυλος, εξέλιξη του οποίου είναι η ανεμογεννήτρια που αποτελεί και την πιο σημαντική σύγχρονη εφαρμογή της αιολικής ενέργειας. [3] Τα τελευταία χρόνια λόγω του έντονου προβληματισμού για την μείωση των αποθεμάτων των συμβατικών μορφών ενέργειας και την ολοένα αυξανόμενη ρύπανση του περιβάλλοντος, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) καταλαμβάνουν συνεχώς αυξανόμενο μερίδιο στην παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια, ως μια μορφή ΑΠΕ, δεν θα μπορούσε να ακολουθήσει αντίθετη πορεία. Έτσι 59

62 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] έχει εξελιχθεί και αυτή σε μια από τις βασικότερες μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 3.2 Γενική λειτουργία ανεμογεννήτριας Η βασική λειτουργίας μίας ανεμογεννήτριας είναι η μετατροπή της αιολικής ενέργειας (κινητική ενέργεια) σε ηλεκτρική. Αρχικά αυτό το οποίο διακρίνουμε σε μια ανεμογεννήτρια είναι τα πτερύγιά της τα οποία περιστρέφονται όταν φυσάει. Η κίνηση αυτή των πτερυγίων μεταδίδεται στον άξονα περιστροφής ο οποίος χάρη σε ένα σύστημα προσανατολισμού βρίσκεται πάντα παράλληλα προς την κατεύθυνση του ανέμου. Έπειτα η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική από μια γεννήτρια. Εικόνα 3.1: Ανεμογεννήτρια [1] Λειτουργία Ο άνεμος περιστρέφει τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας τα οποία είναι συνδεδεμένα με ένα περιστροφικό άξονα. Ο άξονας περνάει μέσα σε ένα κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής. Το κιβώτιο συνδέεται με έναν άξονα μεγάλης ταχύτητας περιστροφής ο οποίος με τη σειρά του κινεί μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Αν η ένταση του ανέμου ενισχυθεί πάρα πολύ, η 60

63 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] τουρμπίνα έχει ένα φρένο που περιορίζει την υπερβολική αύξηση περιστροφής των πτερυγίων, για να περιοριστεί η φθορά της και να αποφευχθεί η καταστροφή της. 3.3 Δομή ανεμογεννήτριας Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη τα οποία και αυτά αποτελούνται από άλλα επιμέρους στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μίας ανεμογεννήτριας είναι: Νασέλλα Πύργος Βάση Ανάλυση βασικών στοιχείων μίας ανεμογεννήτριας Νασέλλα Η νασέλλα είναι το οριζόντιο ογκώδες τμήμα που είναι τοποθετημένο στην κορυφή του πύργου της ανεμογεννήτριας. H νασέλλα είναι το μέρος της ανεμογεννήτριας όπου βρίσκονται και τα πτερύγια. Εικόνα 3.2: Νασέλλα ανεμογεννήτριας [5] 61

64 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Η νασέλλα χρησιμοποιείται για την στέγαση των επιμέρους στοιχείων της. Αυτά είναι: Στροφέας Ο στροφέας περιστρέφεται από τον άνεμο ξεκινώντας έτσι τη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αποτελείται από 2 ή 3 πτερύγια και τη πλήμνη στην οποία είναι τοποθετημένα. Παρά το γεγονός ότι οι στροφείς με 2 πτερύγια γλιτώνουν το κόστος και το βάρος ενός επιπλέον πτερυγίου, έχουν επικρατήσει οι στροφείς με 3 πτερύγια. Αυτό συμβαίνει γιατί ένας στροφέας με 2 πτερύγια χρειάζεται μεγαλύτερη περιστροφική ταχύτητα για να παράγει την ίδια ενέργεια. Δύο ακόμη μειονεκτήματα τους είναι ο αυξημένος θόρυβος και τα προβλήματα ευστάθειας για ανεμογεννήτριες με άκαμπτη κατασκευή. Άξονας χαμηλής ταχύτητας Ο άξονας χαμηλής ταχύτητας συνδέεται μεταξύ του στροφέα και του συστήματος μετάδοσης. Ο στροφέας κινεί τον άξονα και αυτός με τη σειρά του κινεί το σύστημα μετάδοσης. Φρένο Στον άξονα υψηλής ταχύτητας υπάρχει τοποθετημένο ένα δισκόφρενο που μπορεί να εφαρμοστεί μηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά για να σταματήσει τον στροφέα σε κατάσταση έκτακτης ανάγκης ή όταν πρέπει να γίνουν εργασίες επισκευής ή συντήρησης στην ανεμογεννήτρια. Στη πράξη το φρενάρισμα επιτελείται από ένα στοιχείο που ονομάζεται διαβήτης του φρένου. Εξασφαλίζει ακόμη ότι αφού σταματήσει ο στροφέας, δε θα ξεκινήσει να περιστρέφεται. Το δισκόφρενο είναι κατασκευασμένο από ατσάλι. Επειδή το φρενάρισμα προκύπτει από τη τριβή μεταξύ του φρένου και του δίσκου, τα φρένα των ανεμογεννητριών δέχονται μεγάλες πιέσεις. Γι αυτό το λόγο κατασκευάζονται από ειδικό μεταλλικό κράμα ικανό να αντέχει ακόμα και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες της τάξης των 700 βαθμών κελσίου. Μηχανισμός παρεκτροπής 62

65 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Κάθε φορά που αλλάζει η κατεύθυνση του ανέμου, παίρνει εντολή από τον ελεγκτή και στρέφει τον στροφέα έτσι ώστε να είναι κόντρα στη ροή του αέρα. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα τροχό που στρέφει ολόκληρη τη νασέλλα. Κινητήρας παρεκτροπής Ο κινητήρας παρεκτροπής θέτει σε κίνηση τον τροχό του μηχανισμού παρεκτροπής και όπως φαίνεται και στην εικόνα βρίσκεται ακριβώς από κάτω του. Σύστημα μετάδοσης Είναι ένα βαρύ και δαπανηρό τμήμα που συνδέει τον άξονα χαμηλής ταχύτητας με τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνει τη ταχύτητα περιστροφής από rpm (στροφές ανά λεπτό) σε rpm, αφού αυτή είναι η απαιτούμενη ταχύτητα περιστροφής για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια από τη γεννήτρια. Ανεμογεννήτριες μέχρι 150kW έχουν σύστημα μετάδοσης δύο επιπέδων, ανεμογεννήτριες στα 300kW έχουν σύστημα τριών επιπέδων (2 επίπεδα και ένας ενδιάμεσος άξονας) ενώ τέλος ανεμογεννήτριες άνω των 450kW έχουν σύστημα δύο επιπέδων σε συνδυασμό με έναν οδοντωτό τροχό. Γεννήτρια Παράγει εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα καθώς περιστρέφεται. Τα πτερύγια αρχικά μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε περιστροφική και στη συνέχεια η γεννήτρια την μετατρέπει σε ηλεκτρική. Έπειτα το ρεύμα οδηγείται προς τα κάτω μέσω του πύργου χρησιμοποιώντας καλώδια ισχύος. Ελεγκτής Ο ελεγκτής είναι ένα από τα σημαντικότερα τμήματα της ανεμογεννήτριας αφού συμμετέχει στην λήψη αποφάσεων για όλα σχεδόν τα ζητήματα ασφαλείας. Η βασική λειτουργία του είναι να δίνει εντολές στον κινητήρα παρεκτροπής σχετικά με το πόσο και προς τα πού να στρέψει την νασέλλα έτσι ώστε ο στροφέας να βρίσκεται πάντα κόντρα στη ροή του ανέμου. Επιπλέον ανάλογα με τα δεδομένα που λαμβάνει από το 63

66 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ανεμόμετρο, είτε θέτει σε λειτουργία τον στροφέα (για ταχύτητες αέρα 8-16 μίλια ανά ώρα), είτε ενεργοποιεί το φρένο για να σταματήσει την περιστροφή του στροφέα τόσο για μεγάλες ταχύτητες αέρα (πάνω από 65 μίλια ανά ώρα,όπου εκεί κινδυνεύει να υπερθερμανθεί η γεννήτρια). Εκτός όμως από τις παραπάνω λειτουργίες ο ελεγκτής μετράει και άλλες παραμέτρους είτε ως αναλογικά, είτε ως ψηφιακά σήματα. Αυτές είναι η τάση, το ρεύμα, η συχνότητα, η θερμοκρασία (της νασέλλας και της γεννήτριας), το επίπεδο υδραυλικής πίεσης, το επίπεδο δόνησης, η υπερθέρμανση των κινητήρων και της γεννήτριας ενώ επιτελεί και τη ρύθμιση του διαβήτη του φρένου. Ανεμόμετρο Το ανεμόμετρο μετρά την ταχύτητα του αέρα και μεταφέρει τα δεδομένα της μέτρησης στον ελεγκτή. Ανεμοδείκτης Ο ανεμοδείκτης στρέφεται από τον αέρα. Στη συνέχεια ενημερώνει τον ελεγκτή σχετικά με τη κατεύθυνση του ανέμου και ο ελεγκτής δίνει εντολή στον μηχανισμό παρεκτροπής. Βαθμός κλίσης Τα πτερύγια παίρνουν ανάλογη κλίση ή στρέφονται ώστε να τεθούν εκτός της ροής του ανέμου για να εμποδίσουν τον στροφέα να περιστρέφεται σε πολύ υψηλές ή χαμηλές ταχύτητες αέρα. Άξονας υψηλής ταχύτητας Ο άξονας υψηλής ταχύτητας συνδέεται μεταξύ του συστήματος μετάδοσης και της γεννήτριας. Το σύστημα μετάδοσης κινεί τον άξονα και αυτός με τη σειρά του κινεί τη γεννήτρια παρέχοντάς της υψηλή ταχύτητα για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κάλυμμα προστασίας 64

67 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Τα κάλυμμα προστασίας προστατεύει από διάφορους κινδύνους (π.χ. καιρικές συνθήκες, πτηνά, κ.α.) τα επιμέρους στοιχεία που βρίσκονται στο εσωτερικό της νασέλλας. Πλήμνη Τα πτερύγια σε όλες τις ανεμογεννήτριες στερεώνονται στη πλήμνη. Η πλήμνη κατασκευάζεται από έναν ειδικό τύπο ισχυρού κράματος σιδήρου που ονομάζεται χυτοσίδηρος. Πτερύγια Το βασικό χαρακτηριστικό των πτερυγίων είναι το αεροδυναμικό τους σχήμα που διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοσή τους. Ακόμα και μικρές αλλαγές στον σχεδιασμό τους μπορούν να αλλάξουν τη καμπύλη της ασκούμενης δύναμης καθώς και το επίπεδο θορύβου. Η βάση τους είναι στερεωμένη στη πλήμνη. Η πίσω πλευρά του πτερυγίου είναι πιο κυρτή από τη μπροστινή. Αυτό σε συνδυασμό με το αεροδυναμικό σχήμα προκαλούν τη περιστροφή του πτερυγίου. Το πλάτος, το πάχος και η συστροφή των πτερυγίων είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ της ανάγκης για αεροδυναμικό σχήμα και της ανάγκης για ανθεκτικότητα. Τα σύγχρονα πτερύγια κατασκευάζονται από ελαφρύ πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί, ενώ μικρότερου μεγέθους πτερύγια κατασκευάζονται από αλουμίνιο ή λεπτά στρώματα ξύλου. [4], [5] Πύργος Εικόνα 3.3: Νασέλλα ανεμογεννήτριας [4],[5] 65

68 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Ο πύργος είναι ένα τμήμα της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιείται για τη στήριξη της νασέλλας και του στροφέα. Στο εσωτερικό του υπάρχει μια σάλα για το προσωπικό και ένας ανελκυστήρας για τα εργαλεία και τον εξοπλισμό. Εικόνα 3.4: Πύργος ανεμογεννήτριας [1] Το ύψος του πύργου είναι σημαντικός παράγοντας που λαμβάνεται υπ όψιν κατά το σχεδιασμό μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. Σκοπός του πύργου είναι να υψώνει την ανεμογεννήτρια όσο το δυνατόν ψηλότερα. Ο άνεμος έχει μεγαλύτερες ταχύτητες σε μεγάλα ύψη. Η μεταβολή της ταχύτητας με το ύψος, που ονομάζεται διάτμηση του ανέμου είναι εντονότερη κοντά στην επιφάνεια. Χαρακτηριστικά κατά τη διάρκεια της ημέρας η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου είναι ανάλογη με την έβδομη ρίζα του ύψους. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι ο διπλασιασμός του ύψους του πύργου αυξάνει τις αναμενόμενες ταχύτητες αέρα κατά 10% και τη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια κατά 34%. Βέβαια από το διπλασιασμό του ύψους συνεπάγεται και διπλασιασμός της διαμέτρου, δηλαδή περισσότερο υλικό άρα και μεγαλύτερο κόστος κατασκευής. Στη διάρκεια της νύχτας, ή καλύτερα όταν η ατμόσφαιρα γίνεται σταθερή, η ταχύτητα του ανέμου κοντά στο έδαφος συνήθως υποχωρεί ενώ στο ύψος που βρίσκεται ο στροφέας της ανεμογεννήτριας όχι μόνο δε μειώνεται πολύ αλλά μπορεί ακόμα και να αυξηθεί. Κατά συνέπεια η ταχύτητα του 66

69 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ανέμου είναι μεγαλύτερη και η ανεμογεννήτρια θα παράγει περισσότερη ενέργεια τη νύχτα απ ότι κατά τη διάρκεια της ημέρας. Σε αυτή τη περίπτωση διπλασιάζοντας το ύψος η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να αυξηθεί από 20% έως και 60%. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι επιλογή του ύψους του πύργου είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ της αύξησης της παραγόμενης ενέργειας και της αύξησης του κόστους κατασκευής. Ο συμβιβασμός αυτός επιτυγχάνεται για ύψη διπλάσια ή τριπλάσια από το μήκος των πτερυγίων. 3.4 Τρόποι κατασκευής πύργων για μικρές και μεγάλες ανεμογεννήτριες[6] Α) Για μικρές ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται καλωδιωτοί σωληνοειδής πύργοι. Πολλές μικρές ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν στενούς πύργους που στηρίζονται με συρμάτινα καλώδια. Το πλεονέκτημά τους είναι η εξοικονόμηση βάρους, που συνεπάγεται μικρότερο κόστος κατασκευής. Το μειονέκτημά τους είναι η δύσκολη πρόσβαση γύρω τους, γεγονός που τους καθιστά λιγότερο κατάλληλους για αγροτικές περιοχές. Τέλος, είναι περισσότερο επιρρεπείς σε βανδαλισμούς με αποτέλεσμα να περιορίζεται η συνολική ασφάλεια. Εικόνα 3.5: Σωληνοειδής χαλύβδινοι πύργοι [1] Β) Για μεγάλες ανεμογεννήτριες υπάρχουν 3 ειδών πύργοι: 67

70 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Σωληνοειδείς χαλύβδινοι πύργοι Οι περισσότερες μεγάλες ανεμογεννήτριες έχουν σωληνοειδής χαλύβδινους πύργους που κατασκευάζονται σε τμήματα ύψους μέτρων με φλάντζες σε κάθε άκρο και που ενώνονται όλα μαζί. Οι πύργοι αυτοί έχουν σχήμα κώνου (δηλαδή με αύξηση της διαμέτρου προς τη βάση) προκειμένου να αυξηθεί η αντοχή τους και ταυτόχρονα για την εξοικονόμηση υλικών. Εικόνα 3.6: Σωληνοειδής χαλύβδινοι πύργοι [1] Πύργοι δικτυωτού πλέγματος Οι πύργοι αυτοί κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας συγκολλημένα κομμάτια χάλυβα. Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι το κόστος, καθώς ένας πύργος δικτυωτού πλέγματος απαιτεί μόνο τη μισή ποσότητα υλικών απ ότι ένας σωληνοειδής πύργος με την ίδια ακαμψία. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι η εμφάνιση τους γι αυτό για λόγους αισθητικής έχει σχεδόν καταργηθεί η χρήση τους για μεγάλες σύγχρονες ανεμογεννήτριες. 68

71 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.7: Πύργος δικτυωτού πλέγματος [1] Συμπαγείς τσιμεντένιοι πύργοι Οι πύργοι αυτοί είναι κατασκευασμένοι εξ ολοκλήρου από τσιμέντο. Έχουν ύψος μέτρα. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι το κόστος ενώ το βασικό τους πλεονέκτημα είναι το βάρος που έχουν και έτσι έχουν πολύ μεγάλη σταθερότητα. Εικόνα 3.8: Τσιμεντένιος συμπαγείς πύργος [1] Βάση [3], [4] Οι βάσεις των ανεμογεννητριών συνήθως κατασκευάζονται από σκυρόδεμα ενισχυμένο με χαλύβδινες μπάρες. 69

72 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.9: Βάση ανεμογεννήτριας [1] Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι σχεδιασμού: 1. Έχει τη μορφή ενός ρηχού επίπεδου δίσκου με διάμετρο 12 περίπου μέτρα και πάχος 1 μέτρο. 2. Έχει τη μορφή ενός βαθύτερου κυλίνδρου με διάμετρο 4.5 περίπου μέτρα και βάθος 5 μέτρα. Στο εσωτερικό της στεγάζονται οι μετρητές και τα καλώδια και κρατάει το στρόβιλο ψηλά πάνω από το επίπεδο του εδάφους για τη προστασία του περιβάλλοντος χώρου αλλά και των ανθρώπων από τα περιστρεφόμενα πτερύγια. Ακόμη η βάση ανυψώνει το στρόβιλο πάνω από τα περιβάλλοντα εμπόδια που θα μπορούσαν σε διαφορετική περίπτωση να εμποδίζουν τη ροή του ανέμου και να περιορίζουν έτσι τη παραγόμενη ενέργεια. 3.5 Εγκατεστημένη ισχύς από ανεμογεννήτριες στην Ελλάδα [7] Για την εγκατεστημένη ισχύ από ανεμογεννήτριες στην Ελλάδα έχουμε: Στο παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η ισχύς και ο αριθμός των γεννητριών που εγκαταστάθηκαν σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας κατά τη διάρκεια του έτους Στη τελευταία στήλη φαίνεται η κατασκευάστρια εταιρεία. 70

73 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πίνακας 3.1: Ισχύς και αριθμός ανεμογεννητριών το έτος 2008 [7] Περιοχή MW Αριθμός ανεμογεννητριών Κατασκευαστής Πάτμος ENERCON E-40/6.44E2 Χανιά ENERCON E-40/6.44E2 Ηράκλειο ENERCON E-48 Ηράκλειο ENERCON E-44 Ίος ENERCON E-40/6.4/E2 Αρκαδία 24 8 VESTAS V90 3MW Αρκαδία 18 6 VESTAS V90 3MW Αρκαδία 15 5 VESTAS V90 3MW Ναύπακτος VESTAS V80 2MW Αργολίδα 8 4 VESTAS V90 3MW Χανιά ENERCON E-40/6.44E2 Σύνολο Όπως παρατηρούμε τη πρωτιά έχει η Αρκαδία με 19 ανεμογεννήτριες και συνολική ισχύ της τάξης των 57 MW. Ακολουθούν τα Χανιά με 18 ανεμογεννήτριες και ισχύ 10.8 MW και το ηράκλειο με 15 ανεμογεννήτριες με ισχύ MW. Περίοπτη θέση κατέχει και η Ναύπακτος με 12 ανεμογεννήτριες και ισχύ 24 MW. Τέλος, παρατηρούμε ότι όλες οι ανεμογεννήτριες προέρχονται από τις εταιρείες ENERCON και VESTAS. Στο παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η ισχύς και ο αριθμός των γεννητριών που εγκαταστάθηκαν ανά περιφέρεια της Ελλάδας μέχρι και το Πίνακας 3.2: Ισχύς και αριθμός α/γ ανά περιφέρεια έως το 2008 [7] Περιοχή MW Αριθμός ανεμογεννητριών Μακεδονία και Θράκη Στερεά Ελλάδα κ Εύβοια Κρήτη Πελοπόννησος Νότιο Αιγαίο Βόρειο Αιγαίο Θεσσαλία Ιόνιο Αττική Σύνολο

74 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Παρατηρούμε ότι τη πρώτη θέση καταλαμβάνει η Στερεά Ελλάδα μαζί με την Εύβοια διαθέτοντας 380 ανεμογεννήτριες με συνολική ισχύ MW. Ακολουθεί η Ανατολική Μακεδονία και Θράκη με 187 ανεμογεννήτριες και με συνολική ισχύ MW. Παρατηρούμε ότι οι περιοχές που καταλαμβάνουν τις δύο πρώτες θέσεις διαθέτουν σχεδόν το 50% της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος της χώρας. Στη τελευταία θέση βρίσκεται η Αττική με 6 ανεμογεννήτριες και συνολική ισχύ 3.12 MW. Στο παρακάτω πίνακα φαίνεται η ανάπτυξη της Ελλάδας στο τομέα της αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας ξεκινώντας από το 1983 και φτάνοντας μέχρι και το Πίνακας 3.3: Εγκατεστημένη ισχύς τη περίοδο [7] Έτος MW

75 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Παρατηρούμε ότι μέχρι και το 1990 οι αιολικές εγκαταστάσεις ήταν σχεδόν ανύπαρκτες. Το 1991 και το 1992 ο ρυθμός ανάπτυξης έχει τις δύο μεγαλύτερες τιμές του με 3.00 MW και MW αντίστοιχα. Τα επόμενα χρόνια παρουσιάζεται μια πτώση για να φτάσουμε στο 1999 έχοντας αύξηση φτάνοντας στο MW εγκατεστημένης ισχύος. 3.6 Κεραυνικό πλήγμα σε ανεμογεννήτρια Η πτώση κεραυνού προκαλεί συχνά σοβαρές βλάβες στις ανεμογεννήτριες. Η πτώση ενός κεραυνού μπορεί να προκαλέσει: Α) Τη καταστροφή των πτερυγίων. Εικόνα 3.10: Πλήγμα κεραυνού στα πτερύγια [1] Εικόνα 3.11: Πλήγμα κεραυνού στα πτερύγια [1] 73

76 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Β) Τη καταστροφή της νασέλλας μέσα στην οποία βρίσκονται τα περισσότερα σημαντικά μέρη μιας ανεμογεννήτρια. Εικόνα 3.12: Πλήγμα κεραυνού στη νασέλλα [1] Οι βασικοί λόγοι για τους οποίους οι ανεμογεννήτριες είναι ευάλωτες σε πλήγματα κεραυνού είναι οι ακόλουθοι: Το ύψος Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες μπορούν να ξεπεράσουν ακόμη και τα 150 μέτρα σε ύψος. Όπως είναι γνωστό όσο πιο ψηλή είναι μια κατασκευή τόσο πιθανότερο είναι να δεχτεί πλήγμα από κεραυνό. Μάλιστα σε κατασκευές που το ύψος τους ξεπερνάει τα 60 μέτρα, μπορούν να προκύψουν και πλήγματα σε πλευρικά σημεία της κατασκευής. Αυτά τα πλευρικά χτυπήματα αποτελούν ένα σοβαρό λόγο ανησυχίας για τις ανεμογεννήτριες, δεδομένου ότι ακόμα και προστατευμένα να είναι τα πτερύγια μπορεί να υποστούν σοβαρές ζημιές. Ο βαθμός απομόνωσης Οι ανεμογεννήτριες είναι συνήθως τοποθετημένες σε παράκτιες περιοχές, λόφους ή σε κορυφογραμμές βουνών περιοχές δηλαδή που παρατηρούνται υψηλές ταχύτητες του αέρα. Οι περιοχές αυτές είναι συνδεδεμένες με υψηλά ποσοστά πτώσεις κεραυνών. Τέλος, το γεγονός ότι αυτές οι περιοχές είναι συνήθως απομακρυσμένες έτσι ώστε οι ανεμογεννήτριες να είναι μακριά από ψηλά αντικείμενα (που ευνοούν τα χτυπήματα κεραυνών). Τα πιο ευάλωτα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα μέρη της ανεμογεννήτριας είναι: 74

77 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Τα πτερύγια Ο πύργος Η πλήμνη Το πλαίσιο της νασέλλας Τα αλεξικέραυνα στη κορυφή της νασέλλας Ουσιαστικά όμως τα σημείο της ανεμογεννήτριας που πλήγεται άμεσα από τη πτώση ενός κεραυνού είναι τα πτερύγια. [9], [10] 3.7 Πτερύγια Τα πτερύγια είναι το πρώτο τμήμα της ανεμογεννήτριας που συναντά ο κεραυνός όταν πλήττει μια ανεμογεννήτρια. Οι επιπτώσεις του πλήγματος του κεραυνού στα πτερύγια εξαρτώνται πέρα από τα χαρακτηριστικά του κεραυνού και από τη δομή του πτερυγίου. Όταν ο κεραυνός πλήξει τα πτερύγια το ρεύμα διασχίζει όλη τη κατασκευή και οδηγείται στο έδαφος. Πιο συγκεκριμένα το ρεύμα περνάει μέσα από το πτερύγιο και από τα ρουλεμάν βήματος του πτερυγίου και οδηγείται στη πλήμνη και στο κύριο άξονα. Μετά μέσω του ρουλεμάν του κυρίου άξονα κατευθύνεται προς τη νασέλλα. Έπειτα μέσω του ρουλεμάν παρέκκλισης εισέρχεται στο πύργο και καταλήγει στο έδαφος μέσω της βάσης Δομή των πτερυγίων Τα σύγχρονα πτερύγια των ανεμογεννητριών είναι μεγάλες κοίλες κατασκευές που παράγονται από συνθετικά υλικά, όπως για παράδειγμα πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού (Glass Reinforced Plastic GRP), το ξύλο, σύνθεση ξύλου με μεταλλικά ελάσματα και πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (Carbon Reinforced Plastic, CRP) το οποίο χρησιμοποιείται και για τη κατασκευή εξειδικευμένων συστατικών της ανεμογεννήτριας. Η επιφάνεια των δύο πλευρών ενός πτερυγίου τις περισσότερες φορές κατασκευάζεται από χωριστά φύλλα ινών γυαλιού ή άλλα συνθετικά υλικά που συγκολλούνται κατά 75

78 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] μήκος των άκρων και των χειλών εκφυγής προς μια δομή εσωτερικής μεταφοράς φορτίου (εσωτερικό υλικό του πτερυγίου) επίσης κατασκευασμένο από ίνες γυαλιού. Εσωτερικά του πτερυγίου υπάρχουν μεγάλες γεμάτες αέρα κοιλότητες διαμορφωμένες στο σχήμα της επιφάνειας και της εσωτερικής δομής με τέτοιο τρόπο που να διατηρούν τεντωμένο το πτερύγιο σε όλο το μήκος του. [9] Εικόνα 3.13: Πτερύγιο ανεμογεννήτριας [1] Το πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού (GRP) και το ξύλο είναι σαν υλικά και τα δύο μη αγώγιμα και αναμένεται να είναι επιρρεπή σε κεραυνική ζημιά παρόλο που παλαιότερα οι ελπίδες ότι ο κεραυνός δε θα έπληττε πτερύγια κατασκευασμένα μόνο από μη αγώγιμα υλικά ήταν υψηλές. Το πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CRP) παρόλο που είναι αγώγιμο αναμένεται να υποστεί ζημιά λόγω κεραυνικών πληγμάτων. Ιδανικό υλικό πτερυγίων για προστασία από κεραυνό θα ήταν το ατσάλι αλλά δε χρησιμοποιείται πλέον για τη κατασκευή ολόκληρου του πτερυγίου για εμπορικές, συνδεδεμένες με το δίκτυο ανεμογεννήτριες μιας και είναι βαρύ και καταπονείται. Ένα πολύ κοινό χαρακτηριστικό των πτερυγίων των ανεμογεννητριών είναι το φρένο άκρης το οποίο τυπικά αποτελεί το 10% έως το 15% του τμήματος του πτερυγίου. Το σύστημα του φρένου άκρης κρατάει ένα ελατήριο το οποίο απελευθερώνεται σε συνθήκες υπερβολικής ταχύτητας περιστροφής, από τη φυγόκεντρο δύναμη και το φρένο άκρης κινείται προς τα έξω και περιστρέφεται κατά 90. [12] 76

79 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Τύποι πτερυγίων Υπάρχουν διάφοροι τύποι πτερυγίων ανάλογα με το μηχανισμό ελέγχου και το μηχανισμό φρεναρίσματος που διαθέτουν. Τα είδη πτερυγίων που θα ασχοληθούμε είναι τέσσερα και είναι: Τα φτερά τύπου A Τα φτερά τύπου B Τα φτερά τύπου C Τα φτερά τύπου D Εικόνα 3.14: Τύποι πτερυγίων ανεμογεννήτριας [9] Τα φτερά τύπου A Τα φτερά τύπου A χρησιμοποιούν ένα πτερύγιο (πηδάλιο κλίσεως, flap) στο εξωτερικό τμήμα του χείλους προσβολής, προκειμένου να φρενάρει. Στα φτερά του τύπου αυτού τα σημεία που παρατηρείται η πτώση του κεραυνού βρίσκονται συχνά στις χαλύβδινες αρθρώσεις του πτερυγίου και παρατηρείται σημαντική φθορά δεδομένου ότι η διατομή των χαλύβδινων καλωδίων (steel wire) που χρησιμοποιούνται για την ηλεκτρική λειτουργία του συστήματος του πτερυγίου είναι συνήθως ανεπαρκής να άγει το παραγόμενο από το κεραυνό ρεύμα. 77

80 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Τα φτερά τύπου B Τα φτερά τύπου B χρησιμοποιούν ένα σύστημα φρένου άκρης (tip brake) το οποίο κρατάει ένα ελατήριο που απελευθερώνεται σε συνθήκες υπερβολικής ταχύτητας περιστροφής από τη φυγόκεντρο δύναμη. Με τα φτερά αυτού του τύπου τα σημεία που παρατηρείται η πτώση του κεραυνού εμφανίζονται σχεδόν πάντα μερικές δεκάδες εκατοστά από τη πιο απομακρυσμένη άκρη ή στις πλευρές της κινούμενης άκρης στη θέση του πιο ακραίου τέλους του άξονα (tip shaft). Από το σημείο πλήγματος του κεραυνού σχηματίζεται τόξο κεραυνού εσωτερικά του τμήματος των άκρων στο πιο ακραίο τέλος του άξονα των άκρων. Τόξο επίσης σχηματίζεται εσωτερικά του κυρίως φτερού κάτω στη χαλύβδινη φλάντζα της βάσης στη ρίζα του φτερού. Τέτοια εσωτερικά τόξα προκαλούν αμετάβλητη καταστροφή στο φτερό. Φτερά των τύπων A και B χρησιμοποιήθηκαν ευρέως στις παλαιότερης τεχνολογίας ανεμογεννήτριες μεγέθους των 100kW. Τα φτερά τύπου C Τα φτερά τύπου C είναι ένας σύγχρονος σχεδιασμός με φρένο άκρης που ελέγχεται από χαλύβδινο καλώδιο (steel wire). Στα φτερά του τύπου αυτού τα σημεία πλήγματος του κεραυνού εμφανίζονται κυρίως μερικές δεκάδες εκατοστά από τη πιο απομακρυσμένη άκρη του φτερού ή στις πλευρές της άκρης στη θέση του πιο ακραίου τέλους του άξονα της κινούμενης άκρης. Με αυτό το τύπο φτερών όπως και με το τύπο B, τόξο κεραυνού σχηματίζεται εσωτερικά του τμήματος της κινούμενης άκρης ανάμεσα στο σημείο πλήγματος του κεραυνού και του πιο ακραίου άξονα προκαλώντας ευρύτατη και μεγάλη καταστροφή. Στα φτερά τύπου C η καταστροφή στο κυρίως φτερό παρατηρείται κυρίως όταν το χαλύβδινο καλώδιο δεν είναι σε θέση να άγει το κεραυνικό ρεύμα. Τα χαλύβδινα καλώδια που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό είναι ελάχιστης διαμέτρου 10mm για φτερά μήκους 17m. Τέτοια καλώδια είναι ικανά να άγουν το περισσότερο παραγόμενο ρεύμα, και για το λόγο αυτό προστατεύουν το κυρίως φτερό απ τη καταστροφή. Τα φτερά τύπου D Το φτερό τύπου D κατασκευάζεται εξ ολοκλήρου από μη αγώγιμα υλικά. Όπως και με τους υπόλοιπους τύπους φτερών, τα σημεία πλήγματος του κεραυνού παρατηρούνται 78

81 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] κυρίως κοντά στην άκρη του φτερού. Σε σύγκριση με τους άλλους τύπους φτερών, τα σημεία πλήγματος μπορούν επίσης να βρεθούν τυχαία διανεμημένα σε άλλες θέσεις κατά μήκος του φτερού Τύποι καταστροφής πτερυγίων Χαρακτηριστικοί τύποι καταστροφής που υφίστανται τα πτερύγια στα σημεία πλήγματος του κεραυνού είναι η αποφλοίωση και αποτέφρωση του συνθετικού υλικού της επιφάνειας, η υπερθέρμανση ή τήξη των μεταλλικών μερών, καθώς επίσης και η απόσχιση κομματιών των απώτατων άκρων των πτερυγίων. Όσον αφορά τη διάτρηση της επιδερμίδας του πτερυγίου θα μπορούσε πολύ παραστατικά να λεχθεί ότι ο κεραυνός μοιάζει σαν να «ράβει» μέσα και έξω από την επιδερμίδα του πτερυγίου κατά μήκος του. Η μεγαλύτερη και σοβαρότερη καταστροφή στα πτερύγια ανεμογεννήτριας προκαλείται κατά τη δημιουργία τόξου κεραυνού στο εσωτερικό του πτερυγίου. Τα τόξα αυτά μπορούν να σχηματιστούν στις γεμάτες αέρα κοιλότητες μέσα στο πτερύγιο ή κατά μήκος των εσωτερικών επιφανειών επαφής των φύλλων κατασκευής του πτερυγίου. Ένας άλλος τύπος καταστροφής παρατηρείται όταν το παραγόμενο ρεύμα ή μέρος αυτού άγεται μέσα ή μεταξύ των στρωμάτων του συνθετικού υλικού, πιθανώς εξαιτίας του ότι στα στρώματα αυτά συσσωρεύεται και συγκρατείται κάποια υγρασία. Το κρουστικό κύμα που προκαλείται από τέτοια εσωτερικά τόξα μπορεί κυριολεκτικά να προκαλέσει έκρηξη στο πτερύγιο αποσχίζοντας το επιφανειακό τμήμα το πτερυγίου κατά μήκος των άκρων και απ το εσωτερικό δοκάρι. Μπορούν να παρατηρηθούν όλες οι βαθμίδες καταστροφής του πτερυγίου, από το ράγισμα της επιφάνειας του έως την ολοκληρωτική αποσάρθρωση και αποσύνθεση του φτερού. Σε κάποιες περιπτώσεις τα κύματα πίεσης έχουν διαδοθεί απ το πτερύγιο που πλήγεται και μέσω της πλήμνης προς τα άλλα πτερύγια προκαλώντας μεγάλες καταστροφές και σε αυτά. Τα εσωτερικά τόξα συχνά σχηματίζονται ανάμεσα στο σημείο πλήγματος του κεραυνού στην άκρη του πτερυγίου και κάποιου αγώγιμου τμήματος εσωτερικά του πτερυγίου. Με το τύπο C, η καταστροφή συχνά περιορίζεται στη περιοχή της άκρης ενώ το κυρίως πτερύγιο δεν υφίσταται βλάβη. Ευρύτερη καταστροφή στα πτερύγια τύπου C έχει παρατηρηθεί όταν το τόξο σχηματιστεί στο εσωτερικό του κυρίως πτερυγίου. Χαρακτηριστικά αυτό έχει συμβεί σε περιπτώσεις όπου το χαλύβδινο καλώδιο που ελέγχει το φρένο της άκρης ήταν ανεπαρκούς διατομής ώστε να άγει το κεραυνικό 79

82 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ρεύμα απ το άκρο του άξονα προς τη πλήμνη. Στα φτερά τύπου A το κυρίως πτερύγιο καταστρέφεται. Το φαινόμενο που ευθύνεται για τη μεγάλη δομική καταστροφή των πτερυγίων των ανεμογεννητριών είναι επομένως ο σχηματισμός του κρουστικού κύματος γύρω απ το τόξο του κεραυνού στο εσωτερικό του πτερυγίου. Επίσης καταστροφή μπορεί να εμφανιστεί όταν το τόξο του κεραυνού σχηματίζεται στην εξωτερική επιφάνεια ή όταν το παραγόμενο ρεύμα άγεται από μεταλλικά μέρη με ανεπαρκή διατομή Δοκιμές κεραυνικού πλήγματος Συχνά διεξάγονται δοκιμές σε εργαστήρια υψηλών τάσεων όπου προσομοιώνεται η πτώση κεραυνού. Γίνονται δύο ειδών δοκιμές: Δοκιμές με υψηλές τάσεις Δοκιμές με υψηλά ρεύματα Οι δοκιμές με τη χρήση υψηλών τάσεων χρησιμοποιούνται για να μελετηθεί η διηλεκτρική αντοχή των υλικών, οι διαδρομές του ρεύματος του κεραυνού καθώς και τα σημεία που ενδεχομένως θα πλήξει ο κεραυνός. Οι δοκιμές υψηλών ρευμάτων οι οποίες έχουν αρκετά μεγαλύτερη ενέργεια αλλά χαμηλότερες τάσεις χρησιμοποιούνται για να μελετηθεί η αντοχή των στοιχείων που απαρτίζουν το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας στα υψηλά ρεύματα και για να δοκιμαστεί η κατασκευαστική αντοχή των πτερυγίων σε εσωτερικά τόξα Δοκιμές κεραυνικού πλήγματος σε πτερύγια Σε δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε πτερύγια από γυαλί ενισχυμένο από ίνες άνθρακα (GRP) χωρίς συστήματα αντικεραυνικής προστασίας διαπιστώθηκε ότι σε ρυπασμένα πτερύγια παρατηρείται πιο συχνά επιφανειακή εκκένωση κατά μήκος όλου του πτερυγίου και σε κάποιες περιπτώσεις εκκένωση που διεισδύει στο εσωτερικό του πτερυγίου ενώ στα μη ρυπασμένα παρατηρείται ως επί το πλείστον επιφανειακή εκκένωση που αρχίζει από τα μισά του φτερού. [13],[14] 80

83 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Σε δοκιμές υψηλών ρευμάτων που πραγματοποιήθηκαν σε πτερύγια από γυαλί ενισχυμένο από ίνες άνθρακα (GRP) παρατηρήθηκε ότι όταν λαμβάνει χώρα εκκένωση στην επιφάνεια του πτερυγίου (όταν δηλαδή το ρεύμα ρέει πάνω στην επιφάνεια) καίγεται το υλικό της επιφάνειας με αποτέλεσμα να εμφανίζονται καπνοί χωρίς όμως το πτερύγιο να εκρήγνυται και να είναι σε θέση να ξαναχρησιμοποιηθεί. Όταν όμως το ρεύμα ρέει εντός του πτερυγίου τότε το πτερύγιο μπορεί να εκραγεί διότι έχουμε αύξηση της πίεσης στο εσωτερικό του. Στα ρυπασμένα πτερύγια παρατηρείται και μια πολύ μεγαλύτερη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου στην άκρη τους Πλήγματα κεραυνού σε πτερύγια κατασκευασμένα από μη αγώγιμα υλικά Τα πλήγματα του κεραυνού σε πτερύγια από μη αγώγιμα υλικά (πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού και το ξύλο) μπορούν εν μέρει να ερμηνευθούν απ το γεγονός ότι η ρύπανση και το νερό καθώς επίσης και τα άλατα καθιστούν τα πτερύγια αυτά πιο αγώγιμα με τη πάροδο του χρόνου. Επίσης η παρουσία υγρασίας και ακαθαρσιών επάνω στα πτερύγια ή σε κοιλότητες βοηθούν στη δημιουργία αγώγιμων δεδομένων. Ο συνδυασμός των υψηλών θερμοκρασιών του κεραυνού και της παραμένουσας εσωτερικής υγρασίας μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα όπου η συσσωρευμένη υγρασία μεταβάλλεται σε ατμό με ολοένα και αυξανόμενη πίεση. Αποτέλεσμα του γεγονότος αυτού μπορεί να είναι η έκρηξη του πτερυγίου, αποχωρισμός κομματιών του πτερυγίου, επιμήκης ρωγμές, φωτιά λόγω παρουσίας υδραυλικών συστημάτων που χρησιμοποιούν ρευστά και διάφορα υγρά καθώς επίσης και λόγω των λιπαντικών και των λαδιών και των άλλων εύφλεκτων υλικών που χρησιμοποιούνται. [13],[15] Εικόνα 3.15: Εκκένωση σε μη ρυπασμένο πτερύγιο [1] 81

84 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.16: Εκκένωση σε ρυπασμένο πτερύγιο [1] 3.8 Μέρη της ανεμογεννήτριας τα οποία πλήττονται από κεραυνικό πλήγμα Το κεραυνικό ρεύμα μετά από τη διέλευσή του από το πτερύγιο της ανεμογεννήτριας περνά από τα υπόλοιπα μέρη της στη διαδρομή του προς το έδαφος. Όλο ή μέρος του ρεύματος του κεραυνού θα περάσει από τα έδρανα κύλισης της ανεμογεννήτριας. Έδρανα κύλισης Τα έδρανα που συναντά κανείς σε μια ανεμογεννήτρια είναι τα έδρανα βήματος πτερυγίων, το κύριο αξονικό έδρανο κύλισης, τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, το έδρανο αλλαγής κατεύθυνσης και τα έδρανα της γεννήτριας. Τα έδρανα βήματος πτερυγίων και τα έδρανα αλλαγής κατεύθυνσης είναι στάσιμα ή αργά περιστρεφόμενα σε αντίθεση με τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων της γεννήτριας και του κυρίου αξονικού εδράνου που περιστρέφονται γρήγορα. 82

85 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.17: Κύριο έδρανο κύλισης [1] Εικόνα 3.18: Έδρανο κύλισης της γεννήτριας [1] Εικόνα 3.19: Έδρανο βήματος πτερυγίων [1] 83

86 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.20: Έδρανο συστήματος κλίσης [1] 3.9 Επιπτώσεις από πτώση κεραυνού [22] 84

87 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.10 Επιπτώσεις στα έδρανα από τη διαρροή του κεραυνικού ρεύματος [9],[12],[18] Η πρακτική εμπειρία σχετικά με τις βλάβες λόγω πτώσης κεραυνού στα έδρανα κύλισης της ανεμογεννήτριας είναι πολύ μικρή, γιατί συνήθως δεν ελέγχεται η επίδραση της διέλευσης του ρεύματος κεραυνού μετά από κάθε πτώση κεραυνού. Υπάρχουν επιβεβαιωμένες περιπτώσεις φθορών που προκαλούνται στα έδρανα κύλισης λόγω του ρεύματος του κεραυνού. Παρόλα αυτά όμως οι βλάβες των εδράνων δεν είναι πάντα εύκολο να αποδοθούν σε κεραυνό, διότι το παραμορφωμένο και λιωμένο υλικό που θα προκύψει δεν είναι δυνατό να μας δείξει από πού προήλθε η ζημιά. Υπάρχουν ωστόσο περιπτώσεις όπου ο κεραυνός εμφανίζεται σαν κύρια αιτία καταστροφής του εδράνου. Ιδιαιτέρως δύο ή τρείς περιπτώσεις βλαβών σε ανεμογεννήτριες πρέπει να αναφερθούν δεδομένου ότι αντικείμενο ιδιαίτερης προσοχής ειδικά λόγου του υψηλού κόστους επισκευής. Στις περιπτώσεις αυτές οι ανεμογεννήτριες χτυπήθηκαν από κεραυνό που προκάλεσε φθορά στα πτερύγια και λίγο χρόνο αργότερα αναπτύχθηκε σημαντική φθορά στα μεγάλα κύρια έδρανα κύλισης. Τέτοιες επισκευές των μερών αυτών είναι πολύ δαπανηρές και ιδιαίτερα για ανεμογεννήτριες εγκατεστημένες παράκτια. Το κόστος επιδιόρθωσης της βλάβης είναι μεγάλο γιατί η επισκευή των εδράνων απαιτεί τη μετακίνηση όλης της νασέλλας και του ρότορα της ανεμογεννήτριας. Μια αναφορά τεκμηριωμένη ότι το έδρανο κλίσης μιας ανεμογεννήτριας αποσυναρμολογήθηκε αμέσως μετά από πλήγμα κεραυνού και η ανεμογεννήτρια τέθηκε εκτός λειτουργίας. Διάβρωση και εκδορές έως και 3mm σε διάμετρο βρέθηκαν στο 1/3 των σφαιριδίων του εδράνου. Παρόμοια σημάδια παρατηρήθηκαν και στον οδηγό του εδράνου. Σύμφωνα με το κατασκευαστή του εδράνου ο χρόνος ζωής του εδράνου θα μειωνόταν στο 1/3 της διάρκειας ζωής της οποίας είχε κατασκευαστεί να αντέξει Συμπεράσματα που βγήκαν από τις πειραματικές μελέτες που έγιναν Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω δεν έχει διερευνηθεί ιδιαίτερα η επίδραση της βλάβης που προκαλείται σε μια ανεμογεννήτρια από τη διέλευση ρεύματος του κεραυνού διαμέσου των εδράνων. Βέβαια όμως έχουν γίνει κάποια πειράματα σε 85

88 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] εργαστηριακούς χώρους και στα οποία βγήκαν κάποια συμπεράσματα τα οποία αναφέρονται παρακάτω. Δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε στάσιμα ή αργά κινούμενα έδρανα βήματος πτερυγίων όπου προσομοιώθηκε το πλήγμα κεραυνού με διάφορους τρόπους. Παρουσιάστηκε επίδραση στην επιφάνεια μόνο μερικών σφαιριδίων και η ζημιά ήταν ασήμαντη. Το συμπέρασμα ήταν ότι τα έδρανα αυτά αντέχουν στις επιδράσεις της διέλευσης του ρεύματος του κεραυνού χωρίς να υφίστανται σημαντική φθορά. Παρατηρήθηκε όμως ότι όσο μειωνόταν ο αριθμός σφαιριδίων και όσο αυξανόταν το μηχανικό φορτίο που εφαρμοζόταν η ευαισθησία της βλάβης αυξανόταν. Τα έδρανα στα οποία εφαρμόστηκε μεγαλύτερο φορτίο εμφάνισαν φθορές σε αυλακωτή μορφή κατά μήκος της ζώνης επαφής των σφαιριδίων και των οδηγών. Στα στάσιμα ή αργά κινούμενα έδρανα οι μεταλλικές επιφάνειες σφαιριδίων-οδηγών επιτρέπουν στο ρεύμα να περάσει δια μέσου του εδράνου χωρίς το σχηματισμό τόξου και χωρίς να παρατηρηθούν σημαντικές φθορές. Σε έδρανα στα οποία δημιουργήθηκε μονωτικό στρώμα (το οποίο δημιουργείται από τα λιπαντικά που υπάρχουν στα έδρανα) παρατηρήθηκε ότι η φθορά είναι πολύ σοβαρότερη. Στη περίπτωση αυτή παρατηρήθηκε τήξη σε μια περιοχή της επιφάνειας του σφαιριδίου, το έδρανο ήταν περιτυλιγμένο από σπίθες και συνέπεια αυτών να συγκολληθεί το σφαιρίδιο στον οδηγό. Σε δοκιμές σε στρεφόμενα έδρανα υπήρξε πολύ σοβαρότερη φθορά για χαμηλότερα μεγέθη ρεύματος και ειδικής ενέργειας σε σχέση με τα στάσιμα. Παρατηρήθηκαν αρκετά κοιλώματα της επιφάνειας στα σφαιρίδια και γύρω από τον οδηγό του εδράνου, η συνεχής περιστροφή του οποίου προκαλούσε ολοένα και περισσότερα τέτοια σημάδια. Αιτία της βλάβης είναι και πάλι η δημιουργία τόξου μεταξύ των σφαιριδίων και των οδηγών στα σημεία διακοπής μέσω μονωτικού υδροδυναμικού λιπαντικού στρώματος που έχουν τα περιστρεφόμενα έδρανα. Έρευνα σχετικά με τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού από τη πλήμνη στο πύργο της ανεμογεννήτριας έδειξε ότι το 80% του κεραυνικού ρεύματος θα περάσει από το κύριο έδρανο περιστροφής. Το υπόλοιπο 20% θα διέλθει μέσα απ το δεύτερο κύριο έδρανο περιστροφής, το κιβώτιο ταχυτήτων και τη γεννήτρια. Άλλα έδρανα όπως το έδρανο βήματος και κλίσης έχουν μεγάλο μέγεθος και μπορούν να θεωρηθούν ως στάσιμα αν και το 100% του ρεύματος του κεραυνού διέρχεται απ αυτά. Το κύριο έδρανο κύλισης, το οποίο έχει σχετικά μικρό μέγεθος έχει αποδειχτεί ως το πιο ευπαθές σε περίπτωση που πληγεί από κάποιο κεραυνικό πλήγμα. 86

89 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Επιπτώσεις στο κιβώτιο ταχυτήτων από τη διαρροή του κεραυνικού ρεύματος [9] Γι αυτή τη περιοχή της ανεμογεννήτριας (κιβώτιο ταχυτήτων) δεν υπάρχει μέχρι στιγμής κάποια τεκμηριωμένη άποψη. Σε κάποιες περιπτώσεις λόγω κεραυνικού πλήγματος στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας είχαν πληγεί το κιβώτιο ταχυτήτων και τα αξονικά έδρανα κύλισης. Παρόλα αυτά δεν έχει αποδειχθεί αν αυτό είναι επακόλουθο της ζημιάς που υφίσταται το κύριο έδρανο κύλισης. Σε κάποιες περιπτώσεις έχουν παρατηρηθεί κοιλώματα σε αποσυναρμολογημένα κιβώτια ταχυτήτων. Επιπτώσεις στο ανεμόμετρο της ανεμογεννήτριας [17] Τα ανεμόμετρα σε μια ανεμογεννήτρια χρησιμοποιούνται για να πραγματοποιούνται οι απαραίτητες μετρήσεις της ταχύτητας καθώς και της κατεύθυνσης του ανέμου. Τα ανεμόμετρα τοποθετούνται στη κορυφή της νασέλλας άρα είναι εκτεθειμένα. Η πιο συχνή αιτία καταστροφής του ανεμομέτρου είναι η πτώση κεραυνού. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα ηλεκτρονικά μέρη των οργάνων αυτών καταστρέφονται λόγω των επαγόμενων ρευμάτων. Σε κάποιες περιπτώσεις κρουστικά ρεύματα προκαλούν φθορές στο ανεμόμετρο όπως για παράδειγμα τήξη μεταλλικών μερών. Πλήγμα κεραυνού στο ανεμόμετρο συντελεί στη καταστροφή όλων των μερών του, όμως δεν έχουμε συχνά τέτοιου είδους πλήγματα. Επιπτώσεις στο σύστημα της ανεμογεννήτριας [18] Όταν ένα κεραυνικό πλήγμα πλήξει μια ανεμογεννήτρια θα πρέπει να περάσει από το πτερύγιο, τα ρουλεμάν της πλήμνης, τον άξονα χαμηλής ταχύτητας, το κιβώτιο ταχυτήτων και τον άξονα υψηλής ταχύτητας. Ωστόσο υπάρχουν και άλλες διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει το ρεύμα γι αυτό και δεν φτάνει όλο το ρεύμα στη γεννήτρια. Πλήγμα κεραυνού στη νασέλλα ή στο πύργο θα μπορούσε επίσης να επάγει τάσεις και ρεύματα στα καλώδια ισχύος και στα τυλίγματα της γεννήτριας. Λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου η μόνωση των περιστρεφόμενων τυλιγμάτων της γεννήτριας δεν είναι αρκετή, έτσι οι γεννήτριες είναι περισσότερο ευάλωτες σε βλάβες από ρεύματα κεραυνού, σε σχέση με τον υπόλοιπο ηλεκτρικό εξοπλισμό. Εκτός από τα τυλίγματα της γεννήτριας, ο εξοπλισμός ελέγχου και παρακολούθησης μπορεί επίσης να υποστεί σοβαρές βλάβες. Ακόμη υπό την επίδραση του ηλεκτρικού τόξου τα 87

90 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ρουλεμάν μπορεί να υποστούν αλλοιώσεις. Συγκεκριμένα μπορεί να εμφανίσουν μικρά βαθουλώματα με αποτέλεσμα να πέσουν. Επίσης μετά από πλήγμα κεραυνού οι δίοδοι μιας σύγχρονης γεννήτριας μπορεί να χρειαστούν αντικατάσταση. Επιπτώσεις στο ηλεκτρονικό σύστημα της ανεμογεννήτριας [18] Όταν πέφτει ένας κεραυνός δημιουργείται γρήγορη ροή μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικού φορτίου. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου έχουμε ασθενή ηλεκτρική και μαγνητική σύζευξη, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και δημιουργούνται προβλήματα στα υποσυστήματα της ανεμογεννήτριας. Το ρεύμα του κεραυνού περικλείει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Η ενέργεια αυτή είναι που προκαλεί βλάβες στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας εξασφαλίζοντας πρόσβαση σε αυτά μέσω αγώγιμης ζεύξης και της σύζευξης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Λόγω της πολύ μεγάλης τιμής του κεραυνικού ρεύματος αναπτύσσονται εξίσου μεγάλες διαφορές δυναμικού κατά μήκος της διαδρομής του οι οποίες με τη σειρά τους δημιουργούν υπερτάσεις ικανές να προκαλέσουν βλάβες Αγώγιμη ζεύξη Η ενέργεια του ρεύματος του κεραυνού οδηγείται στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας κυρίως μέσω εξωτερικών τηλεφωνικών γραμμών και γραμμών ισχύος, καθώς επίσης και μέσω τοπικών αισθητήρων και καλωδίων ελέγχου. Μέσω της αναπτυσσόμενης υπέρτασης, η ενέργεια διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις για σημαντική απόσταση. Έτσι ροή ενέργειας δεν εμφανίζεται μόνο μεταξύ ζευγών καλωδίων, αλλά παντού γύρω από τα ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως από την είσοδο στην έξοδο τους, κατά μήκος της θωράκισης των καλωδίων ή της στέγασης του ηλεκτρονικού υποσυστήματος. Όπως είναι γνωστό η συνολική τάση σε ένα κλειστό βρόχο πρέπει να είναι ίση με μηδέν. Επομένως όταν το κεραυνικό ρεύμα περάσει από ένα βρόχο δημιουργεί μία τάση και έτσι θα πρέπει σε κάποιο άλλο μέρος του βρόχου να εμφανιστεί μία ίση και αντίθετη τάση. Τέτοια φαινόμενα έχουν σαν αποτέλεσμα μεγάλες μεταβολές του δυναμικού του βρόχου με συνέπεια οι τάσεις των ηλεκτρονικών στοιχείων να φτάσουν σε μη αποδεκτά επίπεδα. 88

91 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Σύζευξη ηλεκτρικού πεδίου Κατά τη διάρκεια της ροής του ρεύματος από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος προς τη γη εμφανίζονται μεγάλες τιμές ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό της κατασκευής. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα και τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία δε μπορούν να αντέξουν αυτές τις τιμές. Όμως τα πράγματα μπορούν να γίνουν ακόμη χειρότερα. Δύο αγωγοί διαχωρισμένοι διηλεκτρικά έχουν κάποια χωρητικότητα ανάμεσά τους. Αν σχηματιστούν από δύο διαφορετικά δυναμικά στις δύο πλευρές αυτού του πυκνωτή, διαδρομές χαμηλής αντίστασης, τότε η τιμή του πεδίου στο διηλεκτρικό θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο προκαλώντας τη διάσπασή του. Αν η μία πλευρά του πυκνωτή βρίσκεται σχεδόν στο δυναμικό του εδάφους και η άλλη σε δυναμικό πολλών kv/m, τότε θα έχουμε σίγουρα διηλεκτρική διάσπαση Σύζευξη μαγνητικού πεδίου Το ρεύμα του κεραυνού προκαλεί τη δημιουργία μαγνητικής ροής, η οποία εμπλέκεται με όλα τα καλώδια που είναι κοντά στη διαδρομή ροής του. Καθώς λοιπόν η τιμή του ρεύματος αυξάνεται, η εμπλεκόμενη με τα καλώδια μαγνητική ροή αυξάνεται επάγοντας σε αυτά μία τάση. Όταν το ρεύμα ρέει κάθετα προς τα καλώδια τότε η επαγόμενη τάση είναι μηδενική, ενώ όταν ρέει παράλληλα προς αυτά η επαγόμενη τάση γίνεται μέγιστη. Ακόμη επαγόμενη τάση μπορεί να εμφανιστεί σε τμήματα κλειστού βρόγχου ή σε ολόκληρο το βρόγχο. Έτσι όταν πέφτει ο κεραυνός κοντά σο πύργο της ανεμογεννήτριας χωρίς όμως να πλήττει τη κατασκευή, δημιουργούνται ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας. Συνήθως οι αποστάσεις μεταξύ του σημείου πλήγματος και των ηλεκτρονικών στοιχείων είναι αρκετά μεγάλες. Αυτό σημαίνει ότι οι επαγόμενες τάσεις είναι σημαντικές μόνο όταν στα ηλεκτρονικά στοιχεία συνδέονται μεγάλα μεταλλικά καλώδια όπως αυτά που οδηγούν αισθητήρες ή όργανα ελέγχου. Οι τηλεφωνικές γραμμές και οι γραμμές ισχύος έχουν αξιοσημείωτα μήκη, όμως δεν επάγεται τάση διότι είναι κάθετα στη ροή του ρεύματος. 89

92 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.13 Τάσεις που εμφανίζονται σε μια ανεμογεννήτρια μετά από πτώση κεραυνού Τάση επαφής Η τάση επαφής εμφανίζεται όταν κάποιος αγγίξει ένα οποιοδήποτε αγώγιμο τμήμα της κατασκευής κατά τη διάρκεια κεραυνικού πλήγματος με συνέπεια να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των ποδιών και του σημείου επαφής. Αν η μόνωση μεταξύ των ποδιών του και του αγώγιμου τμήματος της ανεμογεννήτριας δεν είναι αρκετή ώστε να αποτρέψει τον σχηματισμό τόξου, τότε ένα ρεύμα θα περάσει από το σημείο επαφής προς τα πόδια. [18] Βηματική τάση Όταν ο κεραυνός πλήξει την ανεμογεννήτρια, το ρεύμα ρέει έξω από τη βάση του πύργου, στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια του εδάφους εξουδετερώνοντας έτσι τα φορτία που είχαν δημιουργηθεί σε αυτό από το φορτισμένο σύννεφο που υπήρχε από πάνω. Το χώμα είναι ένα μέσο υψηλής αντίστασης και γι αυτό μεγάλες ποσότητες δυναμικού θα υπάρχουν στην επιφάνεια του. Όταν λοιπόν ένα άτομο σταθεί στο έδαφος κοντά στο πύργο που πλήττεται άμεσα ή έμμεσα από κεραυνό θα αναπτυχθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα πόδια του που ονομάζεται βηματική τάση. [12] Επαγόμενες τάσεις Μία από τις επιπτώσεις ενός κεραυνικού πλήγματος είναι η δημιουργία επαγόμενων τάσεων και υπερτάσεων από τις οποίες πλήττονται κυρίως το σύστημα ελέγχου και τα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας. Σε αυτά τα συστήματα παρατηρούνται συχνά βλάβες. Κύματα τάσεων μπορούν να προκληθούν τόσο από άμεσο πλήγμα κεραυνού (στην ίδια την ανεμογεννήτρια), όσο και από έμμεσο (σε εξωτερικά συστήματα της ανεμογεννήτριας ή σε σημείο στο έδαφος δίπλα στην ανεμογεννήτρια). Μία πτώση κεραυνού κοντά στην ανεμογεννήτρια μπορεί να προκαλέσει υπερτάσεις σε εισερχόμενα σήματα, στις τηλεφωνικές γραμμές και στις γραμμές ισχύος. Το μέγεθος των υπερτάσεων μπορεί να είναι κάποιες δεκάδες kv. Αν ο κεραυνός χτυπήσει μια γειτονική ανεμογεννήτρια, τότε οι υπερτάσεις έχουν τουλάχιστον το προαναφερθέν μέγεθος (κάποιες δεκάδες kv), το οποίο όμως εξαρτάται εν μέρει από το πόσο 90

93 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] αποτελεσματικό είναι το σύστημα γείωσης της πληγείσας ανεμογεννήτριας. Ουσιαστικά οι επαγόμενες τάσεις οφείλονται στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί το ρεύμα του κεραυνού καθώς διαρρέει την ανεμογεννήτρια. Το ρεύμα οδηγείται στο έδαφος ακολουθώντας την πιο σύντομη διαδρομή με την μικρότερη αυτεπαγωγή. Πιθανές διαδρομές είναι ο μεταλλικός σκελετός της κατασκευής και φυσικά τα καλώδια. Συνήθως το μεγαλύτερο μέρος του κεραυνικού ρεύματος ρέει μέσω του εξωτερικού μέρους της ίδιας κατασκευής, μειώνοντας έτσι τις τιμές των πεδίων στο εσωτερικό της. Αν ο κατασκευαστής δεν έχει μεριμνήσει για τα παραπάνω τότε μεγάλο μέρος του ρεύματος περνάει μέσα από τα καλώδια με κίνδυνο καταστροφής της μόνωσης τους. Πειράματα έχουν δείξει ότι τα καλώδια μικρού μεγέθους μπορεί να εκραγούν όταν διαρρέονται από ρεύμα μεγαλύτερο των 100 ka. Το σύστημα ελέγχου και το σύστημα της γεννήτριας αποτελούνται από ένα σύνολο οργάνων μετρήσεων και ελέγχου που συνδέονται μεταξύ τους μέσω καλωδίων. [12] 3.14 Υπερτάσεις Η τιμή της αντίστασης γείωσης επιλέγεται μικρή με σκοπό να μειωθούν οι βηματικές τάσεις και οι τάσεις επαφής. Έτσι λόγω της μικρής τιμής της αντίστασης προκαλείται μία αύξηση της τάσης στη βάση του πύργου και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στη βάση του πύργου και στους εισερχόμενους αγωγούς. Αυτή η διαφορά δυναμικού γίνεται υπέρταση μεταξύ της γραμμής ισχύος και του μετασχηματιστή που είναι εγκατεστημένος στο επίπεδο του εδάφους μέσα στο πύργο ή μεταξύ μιας γραμμής τηλεπικοινωνιών και μιας συσκευής τηλεπικοινωνιών. [20],[21] 3.15 Κόστος επισκευής βλάβης μιας ανεμογεννήτριας από πτώση κεραυνού Το κόστος επισκευής βλάβης μιας ανεμογεννήτριας είναι διαφορετικό από περιοχή σε περιοχή. Αυτό συμβαίνει διότι μπορεί η ανεμογεννήτρια να βρίσκεται στη μια περίπτωση στη στεριά και σε άλλη περίπτωση στη θάλασσα. Όπως καταλαβαίνουμε άλλα τα έξοδα για επισκευή στη στεριά και άλλα στη θάλασσα. Επίσης ρόλο παίζει και η συχνότητα των κεραυνικών πληγμάτων που πραγματοποιούνται ανά περιοχή όλο το χρόνο. 91

94 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.16 Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννητριών Εικόνα 3.21: Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννήτριας [31] 3.17 Παράμετροι συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Για να μπορέσουμε να τοποθετήσουμε το κατάλληλο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας θα πρέπει να γνωρίζουμε κάποιους παραμέτρους όπως είναι το ύψος της κατασκευής, η μορφολογία του εδάφους, κ.α. Ο σκοπός κάθε συστήματος αντικεραυνικής προστασίας είναι να περιοριστεί η πιθανή φθορά σε ανεκτό επίπεδο. Το ανεκτό αυτό επίπεδο βασίζεται σε έναν αποδεκτό κίνδυνο αν εμπλέκεται κίνδυνος της ανθρώπινης ακεραιότητας. Αν η ανθρώπινη ασφάλεια δεν ενταχθεί μέσα σ αυτό το πλαίσιο ή ακόμα ο κίνδυνος της ζημιάς είναι κάτω από τον αποδεκτό κίνδυνο για τον άνθρωπο, τότε οποιαδήποτε ανάλυση είναι καθαρά οικονομική. Αυτό γίνεται αξιολογώντας το κόστος εγκατάστασης του συστήματος της αντικεραυνικής προστασίας ενάντια στο κόστος της φθοράς και της καταστροφής που θα αποτρέψει. 92

95 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Το πρότυπο IEC περιλαμβάνει κάποιες πληροφορίες σχετικά με την αξιολόγηση του κινδύνου πτώσης κεραυνού σε μια εγκατάσταση. Οι πληροφορίες που περιέχονται σ αυτές τις δημοσιεύσεις συνοψίζονται παρακάτω και χρησιμοποιούνται προκειμένου να επεξηγηθούν ορισμένα σημαντικά ζητήματα συγκεκριμένα για τους κινδύνους στις ανεμογεννήτριες Η συχνότητα πτώσης κεραυνού σε μια ανεμογεννήτρια [24],[25],[29] Το πρώτο στάδιο σε οποιαδήποτε ανάλυση κινδύνου κεραυνού είναι η εκτίμηση της συχνότητας πτώσεις κεραυνών στη περιοχή που θέλουμε να εγκαταστήσουμε ανεμογεννήτρια. Το πρότυπο IEC δίνει μια καθοδήγηση στο πως μπορεί να εκτιμηθεί η συχνότητα πτώσης κεραυνού. Αξιολογώντας τη συχνότητα πτώσης κεραυνού σε μια εγκατάσταση ανεμογεννήτριας η συλλογή στοιχείων που απαριθμούν την τοπική πυκνότητα πτώσης κεραυνού σε δεδομένη περιοχή (Ng), είναι απαραίτητη. Η πυκνότητα πτώσης κεραυνών στο έδαφος είναι ένα μέτρο του ετήσιου αριθμού των κεραυνών που πέφτουν σε μια έκταση 1km 2. Οι τιμές για διάφορες τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο μεταβάλλονται μεταξύ του 0 και του 20. Ο ετήσιος αριθμός των ημερών καταιγίδας είναι ο αριθμός των ημερών κατά τις οποίες μπορεί να υπάρξει καταιγίδα και κεραυνοί σε μια δεδομένη περιοχή και μεταβάλλεται μεταξύ 5 και 30 ημερών στην Ευρώπη, ενώ σε κάποια άλλα μέρη μπορεί να φτάσει τις 140. Μετρήσεις της πυκνότητας πτώσης κεραυνού στο έδαφος γίνονται όλο και συχνότερα μιας και εγκαθίστανται συστήματα ανίχνευσης κεραυνικών πληγμάτων. Έτσι μπορούν να αποκτηθούν χάρτες της πυκνότητας των κεραυνικών πληγμάτων σε μια δεδομένη περιοχή. Αν η πυκνότητα πτώσης κεραυνού σε περιοχή δεν είναι διαθέσιμη, μπορεί τότε να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την ακόλουθη σχέση: Ng = 0,04 * Td 1,25 όπου, Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Td : ο αριθμός των ημερών καταιγίδας ανά έτος που λαμβάνεται από ισοκεραυνικούς χάρτες που λαμβάνονται από εθνικές μετεωρολογικές υπηρεσίες Ο ισοκεραυνικός χάρτης για την Ελλάδα απεικονίζεται στη παρακάτω εικόνα. 93

96 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.22: Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας [25] Ο παραπάνω χάρτης απεικονίζει την διαφοροποίηση της κεραυνικής δραστηριότητας σε μια γεωγραφική περιοχή. Η πυκνότητα των κεραυνικών πληγμάτων είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για να εκτιμήσουμε τον κίνδυνο από κεραυνό. Πολύ σημαντικός όμως παράγοντας είναι και η πολικότητα του κεραυνού. Παγκοσμίως, το 90% όλων των κατερχόμενων κεραυνών είναι αρνητικής πολικότητας. Σε αντίθεση, σε μερικές συγκεκριμένες περιοχές του κόσμου το 90% των κατεχόμενων κεραυνών είναι θετικής πολικότητας. 94

97 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εάν μια ανεμογεννήτρια βρίσκεται σε περιοχή όπου παρατηρείται μεγάλο ποσοστό κεραυνών θετικής πολικότητας, πρέπει να ληφθούν μέτρα αυξημένης αντικεραυνικής προστασίας. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι θετικοί κεραυνοί κυριαρχούν κατά τους χειμερινούς μήνες και στην Ευρώπη, ένα μεγάλο ποσοστό τέτοιων θετικών κεραυνών μπορεί να παρατηρηθεί σε περιοχές δίπλα στον Ατλαντικό ωκεανό ή στην Βόρεια θάλασσα. [24],[25],[30] Η μέση ετήσια συχνότητα άμεσων πληγμάτων κεραυνού σε μια εγκατάσταση μπορεί να υπολογιστεί από το παρακάτω τύπο: Nd = Ng * Ad * Cd * 10-6 όπου, Nd : ο μέσος ετήσιος αριθμός άμεσων πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Ad : η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια άμεσων πληγμάτων κεραυνού στην εγκατάσταση Cd : ο περιβαλλοντικός παράγοντας. Κατάλληλες τιμές είναι Cd=1 για ανεμογεννήτρια σε επίπεδο εδάφους και Cd=2 για ανεμογεννήτρια σε λόφο ή ύψωμα. Στο παρακάτω πίνακα υπάρχουν αναλυτικά οι τιμές που μπορεί να πάρει το Cd. Πίνακας 3.4: Τιμές που μπορεί να πάρει το Cd Η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια για εγκατάσταση καθορίζεται ως μια περιοχή της επιφάνειας του εδάφους που παρουσιάζει την ίδια ετήσια συχνότητα άμεσων πληγμάτων κεραυνού με την εγκατάσταση. Ο υπολογισμός της ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας βασίζεται στη γεωμετρία της κατασκευής. Με την αύξηση της έκτασης ή του ύψους της κατασκευής αυξάνεται ανάλογα και η ισοδύναμη 95

98 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] συλλεκτήρια επιφάνεια. Ο αριθμός των κατερχόμενων κεραυνών προς την κατασκευή λαμβάνεται πολλαπλασιάζοντας την ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής με την πυκνότητα πτώσης κεραυνών στην περιοχή. Έτσι αν η μέση ετήσια πυκνότητα κεραυνοπληξίας είναι 0.7 πλήγματα ανά km 2 ανά έτος και έστω ότι η κατασκευή έχει ισοδύναμη περιοχή συλλογής 0.1 km 2 τότε θα δέχεται περίπου 0.07 πλήγματα κατερχόμενων κεραυνών ανά έτος. Για μεμονωμένες κατασκευές η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια, είναι η περιοχή που περικλείεται από την οριακή γραμμή η οποία είναι η τομή της επιφάνειας του εδάφους και της επιφάνειας που προκύπτει από πλήρη περιστροφή της ευθείας με κλίση 1/3 ως προς τον ορίζοντα η οποία διέρχεται από τα υψηλότερα σημεία της κατασκευής. Συστήνεται όλες οι ανεμογεννήτριες να σχεδιάζονται σαν ένας ψηλός ιστός με ύψος ίσο με το ύψος της πλήμνης συν την ακτίνα του ρότορα. Αυτό ισχύει για ανεμογεννήτρια με οποιοδήποτε τύπο πτερυγίων συμπεριλαμβανομένων και των πτερυγίων που απλώς είναι κατασκευασμένα από μη αγώγιμο υλικό όπως πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού. Η εικόνα που ακολουθεί δείχνει την ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια που σχηματίζεται από μια ανεμογεννήτρια εγκατεστημένη σε επίπεδο έδαφος. Εμφανώς η περιοχή αυτή είναι ένας κύκλος με ακτίνα τρείς φορές το ύψος της ανεμογεννήτριας. Η ακόλουθη εξίσωση μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του ετήσιου αριθμού πληγμάτων κεραυνού σε ανεμογεννήτρια εγκατεστημένη σε επίπεδο έδαφος. [24],[25],[30] Nd = Ng * π * (3*hw) 2 *10-6 Nd = Ng * π * 9*hw 2 *10-6 όπου, hw : το ενεργό ύψος της ανεμογεννήτριας σε μέτρα (το ύψος της πλήμνης συν την ακτίνα το ρότορα) 96

99 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.23: Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια [24],[30] Η παραπάνω μέθοδος δεν λαμβάνει υπ όψιν της την πιθανή συμμετοχή των ανερχόμενων κεραυνών στην συχνότητα των πληγμάτων. Αυτός ο τύπος κεραυνών μπορεί να εμφανιστεί σε ανεμογεννήτρια πάνω από 100m εγκατεστημένες σε περιοχές όπου τα σύννεφα είναι κοντά σ αυτές όπως για παράδειγμα ορεινές περιοχές και περιοχές όπου παρατηρούνται χειμερινές καταιγίδες Αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή [27],[28],[29] Η αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων για μια κατασκευή Nc εκφράζει τη μέγιστη αποδεκτή τιμή του αριθμού άμεσων κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να συμβούν σε μία κατασκευή ανά έτος και μπορούν να προκαλέσουν ζημιά. Η τιμή του Nc μπορεί να εκτιμηθεί μέσω μελέτης αποτίμησης κινδύνου από πλήγμα κεραυνού λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλους συντελεστές όπως είναι ο τύπος δόμησης, η παρουσία εύφλεκτων και εκρηκτικών ουσιών, ληφθέντα μέτρα για μείωση των επιπτώσεων του πλήγματος, πλήθος ανθρώπων που επηρεάζονται από τη καταστροφή, τύπος και σπουδαιότητα υπηρεσιών εξυπηρέτησης του κοινού που επηρεάζονται, αξία των αγαθών που ενδεχομένως καταστραφούν, άλλους συντελεστές. Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή πολλαπλασιάζεται με ένα συντελεστή Κ που βγαίνει από το γινόμενο συντελεστών που λαμβάνουν υπόψη τους 97

100 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] τη χρήση του κτιρίου και τον αριθμό των ανθρώπων που στεγάζει (συντελεστής A), τα υλικά κατασκευής του κτιρίου (συντελεστής B), το περιεχόμενο του κτιρίου (συντελεστής C), το βαθμό απομόνωσης του κτιρίου (συντελεστής D) και τη μορφολογία του εδάφους (συντελεστής E). Παρακάτω αναφέρονται οι τιμές που παίρνουν οι παραπάνω συντελεστές. 98

101 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Δηλαδή για το Nd έχουμε: Nd = Nd * A * B * C * D * E Για το Nc ισχύει ο παρακάτω πίνακας. 99

102 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πίνακας 3.5: Τιμές που μπορεί να πάρει το NC 3.20 Αναγκαιότητα του ΣΑΠ και επιλογή της στάθμης προστασίας Για να μπορέσουμε να ελέγξουμε αν μια εγκατάσταση χρήζει κάποιου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας πρέπει να γίνει σύγκριση κάποιων δεδομένων. Αυτά τα δεδομένα είναι η σύγκριση της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων της κατασκευής Nd καθώς και της αποδεκτής συχνότητας κεραυνικών πληγμάτων της κατασκευής από κεραυνούς Nc. 100

103 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Συνοπτικότερα έχουμε: Στη περίπτωση που έχουμε Nd <= Nc τότε δεν χρειάζεται ΣΑΠ. Στη περίπτωση που έχουμε Nd > Nc τότε πρέπει να εγκατασταθεί ΣΑΠ αποτελεσματικότητας: όπου, Rd : ο κίνδυνος βλάβης Ra : ο ανεκτός κίνδυνος βλάβης Το πρότυπο IEC καθορίζει τέσσερα επίπεδα συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Αυτά εμφανίζουν τις αποδοτικότητες όπως φαίνονται στον επόμενο πίνακα. Πίνακας 3.6: Αποτελεσματικότητα επιπέδων προστασίας [27],[28],[29] Επίπεδο προστασίας Αποτελεσματικότητα I 0.98 II 0.95 III 0.90 IV 0.80 Το αποδοτικότερο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας θα αποτελείται από μεγαλύτερες διαμέτρους αγωγών και πιο σύνθετα συστήματα εγκαταστάσεων κάτω απ τη γη και θα διακρίνεται από πολλά και σε μικρή απόσταση μεταξύ τους σημεία σύλληψης του κεραυνού. Τα επίπεδα ρεύματος, ενέργειας, εύρους αύξησης του ρεύματος και της μεταφοράς φορτίου που απαιτούνται ώστε να ληφθούν οι διάφορες αποδοτικότητες μεγέθους του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας φαίνονται στον επόμενο πίνακα. 101

104 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πίνακας 3.7: Τιμές των παραμέτρων του κεραυνού ανάλογα με τη στάθμη προστασίας [27],[28],[29] Στάθμη προστασίας Μονάδα μέτρησης I II III - IV Παράμετροι κεραυνού Σύμβολο Μέγιστη τιμή ρεύματος I Ka Ολικό φορτίο Qtotal C Κρουστικό φορτίο Qimpulse C Ειδική ενέργεια SE kj/ω Μέση κλίση di/dt ka/μs Διαδικασία επιλογής της στάθμης προστασίας με χρήση του προτύπου IEC [27],[28],[29] E > 0.98 Στάθμη I + επιπλέον προστατευτικά μέτρα 0.95 < E 0.98 Στάθμη I 0.90 < E 0.95 Στάθμη II 0.80 < E 0.90 Στάθμη IIΙ 0 < E 0.80 Στάθμη IV E 0 Δεν χρειάζεται προστασία Παρακάτω υπάρχει σχεδιάγραμμα με την διαδικασία που ακολουθείται αναλυτικά για το πώς θα επιλέξουμε την κατάλληλη στάθμη προστασίας. 102

105 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 103

106 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.22 Κεραυνική ή κυλιόμενη σφαίρα [29] Η κεραυνική ή κυλιόμενη σφαίρα χρησιμοποιείται σε μια κατασκευή για να προσδιοριστεί η θέση του εξοπλισμού της αντικεραυνικής προστασίας. Είναι μια διεθνώς αναγνωρισμένη μέθοδος η οποία χρησιμεύει ιδιαίτερα σε εφαρμογές με πολύπλοκη γεωμετρία. Εικόνα 3.24: Κεραυνική ή κυλιόμενη σφαίρα [27] Όπως έχει περιγραφεί στο κεφάλαιο 1 (κεραυνός), ο βηματικός leader ξεκινά από το σύννεφο προς το έδαφος. Καθώς η απόσταση μεταξύ της αρχής του βηματικού leader με το έδαφος μειώνεται το ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια της γης αυξάνεται. Όταν η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου στο επίπεδο του εδάφους ξεπεράσει τη τιμή διάσπασης του ατμοσφαιρικού αέρα, εκπηδούν από το σημείο αυτό ενωτικοί leaders, οι οποίοι κινούνται προς τα πάνω. Η άκρη του βηματικού leader μπορεί να κατέλθει σε μια προκαθορισμένη απόσταση από το επίπεδο του εδάφους πριν ενωθεί με τους ανερχόμενους ενωτικούς leaders, απόσταση που καθορίζεται από το αυξανόμενο ηλεκτρικό πεδίο στο έδαφος. Η μικρότερη απόσταση μεταξύ της άκρης του βηματικού leader και του σημείου εκκίνησης των ενωτικών leader είναι γνωστή σαν απόσταση πρόσκρουσης. 104

107 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Το μοντέλο της κυλιόμενης σφαίρας βασίζεται στην υπόθεση ότι προσεγγίζει ανεπηρέαστη έως το σημείο της απόστασης πλήγματος. Το σημείο της ένωσης καθορίζεται από το προεξέχον αντικείμενο, το οποίο έχει τη μικρότερη απόσταση από την άκρη του βηματικού leader. Έπειτα εκπηδούν οι ανερχόμενοι leaders. Επίσης υπάρχει μια αναλογία μεταξύ της τιμής κορυφής του ρεύματος του κεραυνού και του ηλεκτρικού φορτίου που είναι αποθηκευμένο στον leader. Επιπλέον η ένταση του πεδίου στο έδαφος συνδέεται γραμμικά με το φορτίο που είναι αποθηκευμένο στον leader. Η σχέση μεταξύ της τιμής κορυφής του ρεύματος και της απόστασης πλήγματος είναι: R = 10 * I 0.65 Από την παραπάνω εξίσωση συμπεραίνουμε ότι κεραυνός με ρεύμα χαμηλότερης τιμής κορυφής του ρεύματος προσεγγίζει τα αντικείμενα στην γη σε μικρότερη απόσταση σε σχέση με κεραυνό με ρεύμα υψηλότερης τιμής κορυφής. Επίσης όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο προστασίας τόσο χαμηλότερη είναι η τιμή κορυφής του ρεύματος. Στο παρακάτω πίνακα βρίσκεται η σχέση μεταξύ του επιπέδου προστασίας με την απόσταση πρόσκρουσης και τη τιμή κορυφής του ρεύματος. Πίνακας 3.8: Σχέση μεταξύ του επιπέδου προστασίας, της απόστασης πρόσκρουσης και της τιμής κορυφής του ρεύματος [27],[28],[29] Επίπεδο προστασίας Απόσταση πρόσκρουσης R (m) Τιμή ρεύματος κορυφής I (ka) I II III IV Με βάση την υπόθεση του μοντέλου της κυλιόμενης σφαίρας ανάλογα με τη θέση του αντικειμένου είναι απαραίτητο να συμπεριλάβουμε και τα παρακείμενα κτίρια και αντικείμενα. Επιπλέον για κάθε επίπεδο προστασίας απαιτείται και διαφορετική ακτίνα της κυλιόμενης σφαίρας. Το κέντρο της σφαίρας είναι η άκρη του βηματοδηγού, την οποία θα συναντήσουν οι ανερχόμενοι leader. Η σφαίρα κυλίεται σε όλες τις πιθανές διευθύνσεις γύρω από το αντικείμενο και σημειώνονται τα αντίστοιχα σημεία επαφής. Αυτά τα σημεία επαφής είναι πιθανά σημεία της πρόσκρουσης, επομένως ο εξοπλισμός σύλληψης του κεραυνού θα πρέπει να εγκατασταθεί στα σημεία αυτά. Με τη βοήθεια 105

108 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] του μοντέλου αυτού γίνεται εμφανές ότι υπάρχει φυσική προστασία για κάποια σημεία, άρα τα σημεία αυτά δεν χρειάζεται να προστατευθούν. Σε ακραία σημεία υψηλών κατασκευών έχει παρατηρηθεί να πλήττονται σημεία που δεν προσδιορίζονται από το μοντέλο της κυλιόμενης σφαίρας. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι σε πολλαπλά κεραυνικά πλήγματα η άκρη του βηματοδηγού μετατοπίζεται λόγω του ανέμου. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με το να ορίζουμε γύρω απ τα σημεία αυτά μια περιοχή ακτίνας περίπου ενός μέτρου, μέσα στην οποία κεραυνικά πλήγματα είναι εξίσου πιθανό να προκύψουν. Εικόνα 3.25: Το μοντέλο της κυλιόμενης σφαίρας [26] 3.23 Τα σημεία που πλήττονται από κεραυνό σε μια ανεμογεννήτρια [24] Όταν άμεσα κεραυνικά πλήγματα πλήξουν μια ανεμογεννήτρια το πιθανότερο σημείο της ανεμογεννήτριας που θα χτυπηθεί είναι τα πτερύγια της, όπου θα προκαλέσουν μεγάλες καταστροφές σε αυτά καθώς και σε όλα τα σημεία μιας ανεμογεννήτριας που βρίσκονται στην πορεία του κεραυνικού ρεύματος όπως είναι οι άξονες της ανεμογεννήτριας, τα έδρανα κύλισης, το κιβώτιο ταχυτήτων, η γεννήτρια, ο πύργος. Επίσης ζημιά θα προκαλέσει και στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας όχι μόνο λόγω του άμεσου σε αυτή κεραυνικού πλήγματος αλλά και λόγω των υπερτάσεων και γενικότερα επαγόμενων τάσεων εξ αιτίας της ευρύτερης κεραυνικής δραστηριότητας σε μια περιοχή. Γι αυτό μια ανεμογεννήτρια πρέπει να είναι προστατευμένη ώστε να 106

109 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] αποφευχθούν και οι δομικές καταστροφές αλλά και οι βλάβες στα ηλεκτρονικά συστήματά της. Οι τρόποι προστασίας για τη μη δομική καταστροφή μιας ανεμογεννήτριας από κεραυνικό πλήγμα είναι: Θα πρέπει να τοποθετήσουμε κοντά στην κατασκευή που θέλουμε να προστατέψουμε μια άλλη αγώγιμη κατασκευή η οποία θα αποτελεί και σημείο πρόσπτωσης του κεραυνού και θα παρέχει προστασία για το εκτεθειμένο αντικείμενο. Στη πράξη σε μια ανεμογεννήτρια αυτή η μέθοδος χρησιμεύει για τη προστασία της νασέλλας και του ανεμόμετρου υποθέτοντας για παράδειγμα ότι τα πτερύγια με αντικεραυνική προστασία παρέχουν μια περιοχή προστασίας. Για να προστατευτούν τα πτερύγια με τη μέθοδο αυτή θα έπρεπε να κατασκευαστεί μια παρακείμενη κατασκευή η οποία θα έπρεπε να είναι πάρα πολύ ψηλή, πράγμα που είναι αρκετά δύσκολο. Θα πρέπει να προβλέπεται αγώγιμος δρόμος επαρκούς διατομής ώστε να άγει το παραγόμενο από το κεραυνό ρεύμα με ασφάλεια στο έδαφος. Αν υπάρχουν κατασκευές με μεγάλη ωμική αντίσταση όπως για παράδειγμα πτερύγια με ίνες άνθρακα τα οποία θα μπορούσαν να καταστραφούν από υψηλά ρεύματα τότε απαιτούνται παράλληλοι αγωγοί και έτσι η ενέργεια στο προσβεβλημένο συστατικό του πτερυγίου θα είναι πολύ πιο μειωμένη. Να διασφαλιστεί ότι τα υλικά στα οποία προσπίπτει ο κεραυνός δεν θα είναι ευάλωτα σε ότι αφορά καταστροφές από το ηλεκτρικό τόξο που οφείλονται όχι μόνο στο υψηλής έντασης ρεύμα του τόξου αλλά και στις επιδράσεις του εν γένει Σχεδιασμός και εφαρμογή Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) [29] Προκειμένου να αποφανθούμε εάν απαιτείται η εγκατάσταση ενός Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) σε μια κατασκευή και εάν απαιτείται σε ποια στάθμη προστασίας θα πρέπει να εντάξουμε το σχεδιασμό της, θα πρέπει να συμβουλευτούμε το πρότυπο ΕΛΟΤ Στο συγκεκριμένο πρότυπο δίνοντας δεδομένα όπως την χρήση της κατασκευής, τις διαστάσεις της, την γεωγραφική της θέση, κ.λ.π και λαμβάνοντας διάφορες παραμέτρους βαρύτητας από αντίστοιχους πίνακες, εξάγεται κάποιο 107

110 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] αποτέλεσμα με τη βοήθεια του οποίου τεκμηριώνεται η τελική απόφαση. Αφού έχουμε κατατάξει την υποψήφια κατασκευή (ανεμογεννήτρια) σε κάποια εκ των σταθμών προστασίας ξεκινώντας από την πιο αυστηρή (Στάθμη προστασίας I) προβαίνουμε στον σχεδιασμό και στην υλοποίηση της εγκατάστασης του ΣΑΠ σύμφωνα με τον ΕΛΟΤ Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο το ΣΑΠ αποτελείται από το εξωτερικό ΣΑΠ και το εσωτερικό ΣΑΠ Εξωτερικό ΣΑΠ [29] Το εξωτερικό ΣΑΠ αποτελείται από: Το συλλεκτήριο σύστημα Τους αγωγούς καθόδους Το σύστημα γείωσης Το συλλεκτήριο σύστημα Το συλλεκτήριο σύστημα σκοπό έχει να συλλέξει το κεραυνικό ρεύμα και να το διοχετεύσει μέσω των αγωγών καθόδου στο σύστημα γείωσης με ασφάλεια. Μπορεί να σχεδιαστεί ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό σύμφωνα με τις παρακάτω μεθόδους: α. Γωνία προστασίας β. Κυλιόμενης σφαίρας γ. Βρόχου Το συλλεκτήριο σύστημα μπορεί να αποτελείται από οποιοδήποτε συνδυασμό των ακόλουθων στοιχείων: α. Ράβδων όπου η τοποθέτησή τους γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχουν προστασία υπό μία γωνία η οποία εξαρτάται από την υψομετρική διαφορά μεταξύ αυτών και της υπό προστασία επιφάνειας και της στάθμης προστασίας όπως φαίνεται στο πίνακα 3.9 που ακολουθεί. 108

111 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] β. Τεταμένων συρμάτων όπου ισχύουν ανάλογα με τα των μεταλλικών ράβδων. γ. Πλέγματος αγωγών όπου πλέγμα από αγωγούς συνήθως κυκλικής διατομής οι οποίοι τοποθετούνται επί του δώματος ή επί της στέγης. Η διαστασιολόγηση του βρόχου εξαρτάται από τη στάθμη προστασίας σύμφωνα με το παρακάτω πίνακα 3.9. Πίνακας 3.9: Ύψος κατασκευής, διαστάσεις βρόχων και ακτίνα κυλιόμενης σφαίρας Ύψος κατασκευής Στάθμη Ακτίνα κυλιόμενης h(m) Διαστάσεις προστασίας σφαίρας R(m) βρόχων (m) Γωνία Προστασίας Ι * * * 5 II * * 10 III * 15 IV * Σ αυτές τις περιπτώσεις εφαρμόζεται η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας και των βρόχων. Αγωγοί καθόδου Οι αγωγοί καθόδου έχουν σκοπό να οδηγήσουν το κεραυνικό ρεύμα από το συλλεκτήριο σύστημα με ασφάλεια στο σύστημα γείωσης. Τοποθετούνται είτε περιμετρικά στις εξωτερικές παράπλευρες επιφάνειες του κτιρίου, είτε εγκιβωτισμένοι στο σκυρόδεμα των υποστυλωμάτων της κατασκευής, σε μέση απόσταση που δίνεται στο πίνακα 3.10, ανάλογα με τη κατάταξη της στάθμης προστασίας της κατασκευής. Πίνακας 3.10: Μέση απόσταση αγωγών καθόδου Στάθμη προστασίας Μέση απόσταση αγωγών καθόδου I 10m II 15m III 20m IV 25m Τοποθέτηση των αγωγών καθόδου στις εξωτερικές παράπλευρες επιφάνειες Οι αγωγοί που χρησιμοποιούνται είναι ιδίου υλικού με τους αγωγούς του συλλεκτηρίου. Η στήριξη των αγωγών καθόδου γίνεται κατά ανάλογο τρόπο με την στήριξη των αγωγών του συλλεκτηρίου. Ένα έως δύο μέτρα περίπου πριν από την είσοδο του αγωγού καθόδου στο έδαφος τοποθετείται λυόμενος σύνδεσμος για 109

112 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] χαλύβδινους αγωγούς ή για χάλκινους που σκοπό έχει τον διαχωρισμό του συλλεκτηρίου συστήματος και των αγωγών καθόδου από το σύστημα γείωσης, για την μέτρηση του τελευταίου και την συντήρηση γενικώς του ΣΑΠ. Κατά την είσοδο των αγωγών στο έδαφος θα πρέπει να επενδύονται με αντιδιαβρωτική ταινία, πριν και μετά την είσοδο τους στο έδαφος προς αποφυγή της διάβρωσης των αγωγών σε εκείνο το σημείο. Κατά ανάλογο τρόπο ενεργούμε γενικώς όταν οι αγωγοί αλλάζουν μέσο όπως για παράδειγμα από το μπετόν στο έδαφος. Εγκιβωτισμός των αγωγών καθόδου Οι αγωγοί καθόδου μπορούν να εγκιβωτιστούν στα τοιχία ή στα υποστυλώματα του κτιρίου στο στάδιο κατασκευής του. Σ αυτή την περίπτωση τοποθετείται χαλύβδινος αγωγός θερμά επιψευδαργυρωμένος και συγκρατείται γεφυρώνεται με τον οπλισμό του κτιρίου με κατάλληλα στηρίγματα οπλισμού ανά 2m περίπου. Σύστημα γείωσης Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να επιτυγχάνει την διάχυση του κεραυνικού ρεύματος μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στο χώρο όπου είναι κατασκευασμένη. Η απαίτηση της τιμής της αντίστασης του συστήματος γείωσης είναι είτε κάτω από 10Ω, είτε ένα ελάχιστο μήκος γειωτή. Τα παραπάνω μπορούν να επιτευχθούν τοποθετώντας σε κάθε κάθοδο ηλεκτρόδια όπως: Ραβδοειδείς (σταυρού θερμά επιψευδαργυρωμένα, κυκλικής διατομής επιχαλκωμένα). Πλάκες θερμά επιψευδαργυρωμένες ή χάλκινες. Ταινίες θερμά επιψευδαργυρωμένες ή χάλκινες. Γειωτές τύπου E θερμά επιψευδαργυρωμένοι ή χάλκινοι. Είτε κατασκευάζοντας περιμετρική ή θεμελιακή γείωση. 110

113 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.26 Εσωτερικό ΣΑΠ [29] Το εσωτερικό ΣΑΠ έχει σκοπό των μείωση των τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια του κεραυνικού πλήγματος επί της κατασκευής ή πλησίον αυτής, στις ηλεκτρικά αγώγιμες εγκαταστάσεις της, σε αποδεκτά επίπεδα έτσι ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος ανάπτυξης επικίνδυνων σπινθήρων ή τάσεων επαφής. Η μείωση των τάσεων επιτυγχάνεται με ισοδυναμικές συνδέσεις και τους απαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων Ισοδυναμικές συνδέσεις Ο σκοπός των ισοδυναμικών συνδέσεων είναι να μειώσουν τις διαφορές δυναμικού μεταξύ των μεταλλικών μερών και εγκαταστάσεων στο εσωτερικό του υπό προστασία χώρου και να μειώσουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται κατά την άμεση ή έμμεση κεραυνοπληξία, εντός αυτού. Εικόνα 3.26: Αναμονές από θεμελιακή γείωση για ισοδυναμικές συνδέσεις [43] 111

114 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.27: Αναμονή από θεμελιακή γείωση για ισοδυναμική σύνδεση [43] Ο εσωτερικός χώρος του υπό προστασία χώρου πρέπει να διαιρεθεί σε Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας (ΖΑΠ) προκειμένου να ορισθούν χώροι διαφορετικής επίδρασης κεραυνικής ηλεκτρομαγνητικής κρούσης σύμφωνα με το IEC [29] ΖΑΠ ΟΑ: Ζώνη όπου τα στοιχεία της κατασκευής που ανήκουν στην ζώνη, υπόκεινται σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα, και συνεπώς μπορεί να χρειαστεί να μεταφέρουν το πλήρες κεραυνικό ρεύμα. Σ αυτή τη ζώνη το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δεν είναι ασθενές. ΖΑΠ ΟΒ: Ζώνη όπου τα στοιχεία της κατασκευής που ανήκουν στη ζώνη δεν υπόκεινται σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο επίσης δεν είναι ασθενές. ΖΑΠ 1: Ζώνη όπου τα στοιχεία της κατασκευής που ανήκουν στη ζώνη, δεν υπόκεινται σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα και όπου τα ρεύματα σε όλα τα αγώγιμα μέρη που περιλαμβάνονται σε αυτή τη ζώνη είναι πού μειωμένα σε σχέση με τα ρεύματα των ζωνών ΟΒ. Σε αυτή τη ζώνη το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να είναι ασθενές ανάλογα με τα μέτρα θωράκισης. ΖΑΠ 2: Ζώνη όπου έχουμε ακόμη πιο μειωμένο ρεύμα κεραυνού. Σε αυτή τη ζώνη το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι ακόμη πιο εξασθενημένο. Παρακάτω υπάρχει εικόνα όπου βλέπουμε τις Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας (ΖΑΠ) μιας ανεμογεννήτριας. 112

115 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.28: Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας ανεμογεννήτριας (ΖΑΠ) [24],[38] Εάν απαιτείται μία επιπλέον μείωση επαγόμενων ρευμάτων ή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, πρέπει να δημιουργούνται συμπληρωματικές ζώνες. Στα όρια του ΖΑΠ τοποθετούνται Ισοδυναμικοί Ζυγοί (ΙΖ) πάνω στους οποίους γεφυρώνονται τα μεταλλικά μέρη και οι εγκαταστάσεις που διασχίζουν τα όρια των ζωνών (μεταλλικές σωλήνες, καλωδιώσεις, κλπ) με τη χρήση κατάλληλων περιλαίμιων και συνδέσμων. Προτείνεται ο ισοδυναμικός ζυγός σχήματος ταινίας για την ελαχιστοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών κρούσεων. Υπάρχουν διάφοροι τύποι τέτοιων ισοδυναμικών ζυγών. Οι ισοδυναμικές συνδέσεις πραγματοποιούνται είτε μέσω γυμνών αγωγών είτε μέσω καλωδίων και εάν είναι απαραίτητο μέσω απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων και υπερεντάσεων. Η διατομή των αγωγών των ισοδυναμικών συνδέσεων δίδονται από τον πίνακα 3.11 του ΕΛΟΤ Για την περίπτωση όπου οι παραπάνω αγωγοί διαρρέονται από μεγάλο μέρος του ρεύματος του κεραυνού { Ik >= 0.25 * Ik }. Για τη περίπτωση όπου οι παραπάνω αγωγοί διαρρέονται από μικρό μέρος του ρεύματος του κεραυνού { Ik < 0.25 * Ik } οι απαιτούμενες διατομές δίδονται από το πίνακα 3.12 του ΕΛΟΤ

116 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πίνακας 3.11: Διατομή των αγωγών των ισοδυναμικών συνδέσεων Στάθμη προστασίας Διατομή (mm^2) Υλικό Cu 16 I έως και IV Al 25 Fe 50 Πίνακας 3.12: Διατομή των αγωγών των ισοδυναμικών συνδέσεων σε περίπτωση που διαρρέονται από μικρό μέρος του ρεύματος του κεραυνού Στάθμη προστασίας Διατομή (mm^2) Υλικό Cu 6 I έως και IV Al 10 Fe 16 Στον ισοδυναμικό ζυγό μπορούν να απολήξουν διαφορετικές γειώσεις είτε απ ευθείας είτε μέσω απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων και σπινθηριστών στην περίπτωση που επιθυμούμε τον διαχωρισμό τους. Χρήση των τελευταίων γίνεται κατά την περίπτωση όπως η σύνδεση σωλήνων ή μεταλλικών αντικειμένων που βρίσκονται υπό καθοδική προστασία ή σε ειδικές περιπτώσεις που δεν επιτρέπεται η άμεση ηλεκτρική σύνδεση γειώσεων που εξυπηρετούν διαφορετικές εγκαταστάσεις. Εικόνα 3.29: Ισοδυναμικές συνδέσεις [43] 114

117 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.30: Ισοδυναμικές συνδέσεις [43] Εικόνα 3.31: Ισοδυναμικές συνδέσεις [43] 3.28 Το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της Ε-40 [29] Η Ε-40 είναι εξοπλισμένη με το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της ENERCON το οποίο εκτρέπει τα χτυπήματα των κεραυνών μακριά από την ανεμογεννήτρια χωρίς να προκληθεί ζημιά στα πτερύγια ή το υπόλοιπο τμήμα της μηχανής. Αυτό επιτυγχάνεται καθώς το σύστημα κατευθύνει το κεραυνό από τα πτερύγια του ρότορα ή από την υψηλότερη επιφάνεια της ατράκτου μέσα στο έδαφος. Η μονάδα εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας περιλαμβάνει ειδικότερα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας στα πτερύγια του ρότορα και σύστημα εκτροπής του ρεύματος του κεραυνού. Τα πεδία παρεμβολής καθώς και οι τάσεις παρεμβολής μέσα στην ανεμογεννήτρια μειώνονται, λόγω του συστήματος εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας. Με τον τρόπο αυτό αποκλείεται η διείσδυση μεγαλύτερης ποσότητας ρεύματος. Για ολοκληρωμένη προστασία τόσο του ηλεκτρικού όσο και του 115

118 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ηλεκτρονικού εξοπλισμού λαμβάνονται περαιτέρω μέτρα τα οποία αναφέρονται ως σύστημα εσωτερικής αντικεραυνικής προστασίας Προστασία πτερυγίων [24],[30] Για το σύστημα της αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας θα πρέπει να τηρούνται κάποιες προδιαγραφές: Να είναι ικανό να διασκορπίζει την ενέργεια που μεταδίδεται από τον κεραυνό χωρίς να προκαλούνται επιβλαβείς επιπτώσεις για το προσωπικό, την κατασκευή και τα όργανα της ανεμογεννήτριας. Το κόστος της εγκατάστασης και της συντήρησής του να μην είναι μεγάλο. Να είναι συμβατό με την κατασκευή των πτερυγίων και να μην δημιουργεί προβλήματα στην ορθή λειτουργία τους. Να είναι σε θέση να αντέχει σε επαναλαμβανόμενα κεραυνικά πλήγματα. Να είναι εύκολο να επιδιορθωθεί και να επισκευαστεί σε περίπτωση βλάβης του. Η αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων θα πρέπει να στοχεύει στο να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού από το σημείο πρόσπτωσης ως τη πλήμνη περιστροφής με σκοπό την αποφυγή δημιουργίας τόξου στο εσωτερικό του πτερυγίου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί εκτρέποντας το παραγόμενο από το κεραυνό ρεύμα απ το σημείο πρόπτωσης κατά μήκος της επιφάνειας προς τη ρίζα του πτερυγίου, χρησιμοποιώντας μεταλλικούς αγωγούς είτε ενσωματωμένους στην επιφάνεια του πτερυγίου είτε κατά μήκος του άκρου του. Μια άλλη μέθοδος είναι η προσθήκη αγώγιμου υλικού στο ίδιο το υλικό της επιφάνειας του πτερυγίου κατά τρόπο που να καθιστά το πτερύγιο ικανοποιητικά αγώγιμο για την ασφαλή διέλευση του ρεύματος του κεραυνού στη βάση του πτερυγίου. Τα πτερύγια που κατασκευάζονται από αγώγιμα υλικά όπως ο χάλυβας και το ατσάλι παρόλο που και αυτά υφίστανται ζημιές από πλήγμα κεραυνού παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά όσον αφορά την αντικεραυνική προστασία τους. Αυτό οφείλεται στο ότι το κεραυνικό ρεύμα θα καταλήξει στη πλήμνη χωρίς να παρέμβει στη γεννήτρια, στο εσωτερικό δηλαδή της ανεμογεννήτριας. Παρά το γεγονός όμως αυτό πτερύγια από τέτοιου είδους υλικό πλέον δεν χρησιμοποιούνται συχνά. 116

119 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.32: Αντικεραυνική προστασία πτερυγίων [24],[30] Σύστημα σύλληψης κεραυνού στην επιφάνεια του πτερυγίου [24],[30] Οι μεταλλικοί αγωγοί στην επιφάνεια του πτερυγίου που εξυπηρετούν σαν στοιχεία του συστήματος σύλληψης του κεραυνού ή συστήματος καθόδου πρέπει να έχουν διαφορετική διατομή ώστε να είναι σε θέση να αντέξουν ένα άμεσο χτύπημα κεραυνού και επιπλέον να άγουν όλο το κεραυνικό ρεύμα. Επιπλέον απαιτούνται ορισμένες και ακριβείς διαστάσεις προκειμένου να επιτευχθεί ικανοποιητική και αξιόπιστης ενσωμάτωσή τους στην επιφάνεια του πτερυγίου. Η ελάχιστη διατομή για αλουμίνιο είναι 50mm 2 και η επίτευξη αξιόπιστης ενσωμάτωσης τέτοιου τύπου αγωγών μπορεί να είναι προβληματική. Επιπλέον οι αγωγοί που επικολλούνται στην επιφάνεια του πτερυγίου μπορεί να επηρεάσουν αρνητικά την αεροδυναμική του πτερυγίου ή ακόμη να παράγουν ανεπιθύμητο θόρυβο Σύστημα σύλληψης κεραυνού στο εσωτερικό της επιφάνειας του πτερυγίου [24],[30] Για τους αγωγούς που εμφυτεύονται μέσα στο πτερύγιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν καλώδια ή μεταλλικά πλέγματα είτε από αλουμίνιο είτε από χαλκό. Επίσης υπάρχουν διάφορα συστήματα προστασίας όπου μεταλλικός αγωγός συνδεδεμένος στη βάση του 117

120 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] πτερυγίου τοποθετείται είτε στην επιφάνεια του φτερού κατά μήκος του χείλους εκφυγής είτε εμφυτεύονται στο εσωτερικό τη ίδιας διαδρομής. Ορισμένες κατασκευές πτερυγίου αποτελούνται από μεταλλικούς αγωγούς τοποθετημένους κατά μήκος τόσο του χείλους εκφυγής όσο και του χείλους προσβολής (τύπος C). Επιπλέον κάποιες κατασκευές διαθέτουν παραλήπτες τοποθετημένους στην επιφάνεια γύρω από το πτερύγιο σε διάφορες θέσεις κατά μήκος του πτερυγίου, κάθε ένας από τους οποίους συνδέεται με τους αγωγούς κατά μήκος των άκρων του πτερυγίου. Μια λύση στα προβλήματα που δημιουργούνται με τους αγωγούς που τοποθετούνται στην επιφάνεια του πτερυγίου είναι η τοποθέτησή τους μέσα στο πτερύγιο. Τα μεταλλικά προσαρτήματα για τον αγωγό διαπερνούν την επιφάνεια του πτερυγίου και εξυπηρετούν ως ιδιαίτεροι παραλήπτες του κεραυνού. Τέτοιο αντικεραυνικό σύστημα χρησιμοποιείται στα αεροσκάφη. Το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας που χρησιμοποιείται σε πολλά πτερύγια σήμερα από τους κατασκευαστές διαθέτει τέτοιους μικρούς παραλήπτες τοποθετημένους στην άκρη του πτερυγίου (τύποι A και B). Από τους παραλήπτες στην άκρη, ένα εσωτερικό σύστημα αγωγών οδηγεί προς τα κάτω το παραγόμενο ρεύμα, προς τη βάση του πτερυγίου. Για τα πτερύγια με φρένο άκρης, το χαλύβδινο καλώδιο που ελέγχει την κινούμενη άκρη χρησιμοποιείται σαν αγωγός καθόδου (τύπος A). Αν το πτερύγιο δεν διαθέτει σύστημα φρένου άκρης, τότε ένα καλώδιο χαλκού τοποθετημένο κατά μήκος του εσωτερικού δοκαριού χρησιμοποιείται σαν αγωγός καθόδου προς τη βάση του πτερυγίου (τύπος B). Τα τελευταία χρόνια έχουν παραχθεί αρκετές χιλιάδες πτερύγια με αυτό το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Οι πιο πρόσφατες εμπειρίες με αυτή την αντικεραυνική προστασία για πτερύγια μήκους ως 20m είναι πολύ ελπιδοφόρες Συγκολλητικές μεταλλικές ταινίες [24],[30] Οι συγκολλητικές μεταλλικές ταινίες που τοποθετούνται στην επιφάνεια του φτερού έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες περιπτώσεις. Παρ όλα αυτά τέτοιες ταινίες έτειναν να αποκολληθούν μέσα σε λίγους μήνες. Θεωρώντας ότι το πρόβλημα της συγκράτησης της ταινίας στο πτερύγιο μπορεί να λυθεί, είναι πιθανό οι μεταλλικές ταινίες να αποτελέσουν μια ενδιαφέρουσα μέθοδο προστασίας, ειδικά στα υπάρχοντα μη προστατευμένα πτερύγια. Θα πρέπει όμως να σημειωθεί ότι τα μεγάλα κύματα πίεσης που συνδέονται με την καθοδήγηση του κεραυνού πλησίον της επιφάνειας του πτερυγίου μπορούν να οδηγήσουν σε δομική καταστροφή. 118

121 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Αγώγιμα υλικά της επιφάνειας του πτερυγίου [24],[30] Για το σύστημα σύλληψης του κεραυνού που τοποθετείται στην επιφάνεια του πτερυγίου υπάρχει και μια εναλλακτική λύση που είναι να γίνει η ίδια η επιφάνεια αγώγιμη. Στη βιομηχανία των αεροσκαφών η αντικεραυνική προστασία των συνθετικών υλικών από ίνες γυαλιού και άνθρακα για τα πτερύγια και τις επιφάνειες που εκτίθενται σε κεραυνούς επιτυγχάνεται προσθέτοντας αγώγιμο υλικό στα εξωτερικά στρώματα και έτσι με αυτόν τον τρόπο να περιορίζεται η φθορά σε μια μικρή περιοχή απ το σημείο προσκόλλησης του κεραυνού. Το αγώγιμο υλικό μπορεί να είναι μέταλλο που ψεκάζεται πάνω στην επιφάνειά του, ίνες με μεταλλική επίστρωση στα εξωτερικά στρώματα του συνθετικού υλικού, μεταλλικό καλώδιο που υφαίνεται στα εξωτερικά στρώματα του συνθετικού υλικού ή μεταλλικά πλέγματα που τοποθετούνται ακριβώς κάτω απ την επιφάνεια. Η αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων των ανεμογεννητριών έχει γίνει με μεταλλικό πλέγμα τοποθετημένο κατά μήκος των πλευρών των πτερυγίων ακριβώς κάτω από τη ζελατινώδη στρώση (συνθετικό επίστρωμα της επιφάνειας του πτερυγίου). Κάποιες φορές η πιο απομακρυσμένη άκρη του πτερυγίου είναι κατασκευασμένη είτε από μέταλλο είτε καλυμμένη με μεταλλικό φύλλο. Πρέπει βέβαια να τονιστεί ότι κάθε υλικό στην εξωτερική επιφάνεια του πτερυγίου είναι ευάλωτο σε αποσάθρωση λόγω διάβρωσης και από τη στιγμή που υπάρχει απαίτηση να είναι λεπτό για αεροδυναμικούς λόγους οποιαδήποτε φθορά αποτελεί πρόβλημα Αποτελεσματικότητα σύλληψης του κεραυνού [24],[30] Η αποτελεσματικότητα σύλληψης είναι ένα ζήτημα με τις μεθόδους αντικεραυνικής προστασίας που εφαρμόζουν συστήματα διακριτών παραληπτών του κεραυνού, τοποθετημένους στην επιφάνεια του πτερυγίου. Οι στερεοί αγωγοί στην επιφάνεια και οι παραλήπτες που διεισδύουν σ αυτήν πρέπει να τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε η πιθανότητα πρόσπτωσης του κεραυνού στο απροστάτευτο τμήμα της επιφάνειας να μειωθεί σε αποδεκτό επίπεδο. Η απόσταση των παραληπτών που δίνουν μια αποτελεσματικότητα σύλληψης ίση με αυτήν των στερεών αγωγών, θα ήταν θεωρητικά το διάστημα όπου η επιφανειακή τάση διάσπασης κατά μήκος της επιφάνειας του αγωγού είναι μικρότερη απ τη τάση διάσπασης του επιφανειακού υλικού του πτερυγίου. Ωστόσο στη πράξη επιδρούν πολλοί παράγοντες όπως η 119

122 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] επιρροή της γήρανσης, των ρωγμών, της υγρασίας και της ρύπανσης. Επιπλέον η αποτελεσματικότητα σύλληψης των παραληπτών και των άλλων στοιχείων θα επηρεάζεται απ την παρουσία των αγώγιμων υλικών μέσα στο πτερύγιο. Αυτή είναι συγκεκριμένα και η περίπτωση όπου υπάρχουν γωνίες και άκρες στο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, σημεία επιρρεπή σε ισχυρές παραμορφώσεις και αυξήσεις του ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ανερχόμενους leader από τα σημεία αυτά αντί τους παραλήπτες. Κοιλότητες αέρα πάνω από τον αγωγό μπορεί να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητες εκκενώσεις και κατά συνέπεια σε ανερχόμενες εκκενώσεις Διάφοροι τρόποι αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων [24],[30] Τους διάφορους τρόπους αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων θα μπορούσαμε να τους κατηγοριοποιήσουμε με το αν το πτερύγιο διαθέτει ή δεν διαθέτει φρένο άκρης. Πτερύγια χωρίς φρένο άκρης Καμία προστασία Εξωτερικό μεταλλικό κάλυμμα στην άκρη και μεταλλικό δίχτυ / πλέγμα στην επιφάνεια Παραλήπτες στην άκρη συνδεδεμένοι με εσωτερικό αγωγό που καταλήγει στη γη Πτερύγια με φρένο άκρης Καμία ιδιαίτερη προστασία αλλά χρήση του εσωτερικού αγώγιμου καλωδίου του φρένου και του άξονα του φρένου από ίνες άνθρακα Παραλήπτες στην άκρη του πτερυγίου, εσωτερικός αγωγός μέσα στον άξονα του φρένου και σύνδεση με το καλώδιο ελέγχου Στενή και λεπτή αγώγιμη ταινία κατά μήκος του χείλους εκφυγής 120

123 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Διαστάσεις των υλικών που χρησιμοποιούνται για την αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων [24],[28],[30] Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων των ανεμογεννητριών θα πρέπει να είναι ικανά να αντέξουν και να αντισταθούν στις ηλεκτρικές, θερμικές και ηλεκτροδυναμικές πιέσεις και καταπονήσεις που επιβάλλονται απ το κεραυνικό ρεύμα. Οι ελάχιστες διαστάσεις των υλικών που χρησιμοποιούνται σαν στοιχεία σύλληψης του κεραυνού καθώς και αγωγοί καθόδου παρουσιάζονται στο πίνακα Πίνακας 3.13: Ηλεκτρόδια σύλληψης και αγωγοί καθόδου που χρησιμοποιούνται σαν στοιχεία σύλληψης του κεραυνού Υλικό Ηλεκτρόδια σύλληψης [mm^2] Αγωγός καθόδου [mm^2] Χαλκός Αλουμίνιο Χάλυβας Στο πίνακα 3.14 βλέπουμε τις διαστάσεις που λαμβάνουν υπόψη τις ηλεκτρικές και ηλεκτροδυναμικές επιδράσεις και προβλέπουν τυχαίες καταπονήσεις και οι οποίες έχουν μελετηθεί και συμπεριληφθεί στο IEC Technical Committee 81 s (IEC 62305). Με λίγα λόγια περιγράφουμε τις προτεινόμενες διαστάσεις υλικών αντικεραυνικής προστασίας. 121

124 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πίνακας 3.14: Διαστάσεις που λαμβάνουν υπόψη τις ηλεκτρικές και ηλεκτροδυναμικές επιδράσεις Ελάχιστη διατομή Υλικό Μορφή [mm^2] Χαλκός Στερεά ταινία 50 Συμπαγείς ράβδοι 50 Πλεγμένο καλώδιο 50 Συμπαγείς ράβδοι για σύλληψη 200 Αλουμίνιο Στερεά ταινία 70 Συμπαγείς ράβδοι 50 Πλεγμένο καλώδιο 50 Κράμα αλουμινίου Στερεά ταινία 50 Συμπαγείς ράβδοι 50 Πλεγμένο καλώδιο 50 Συμπαγείς ράβδοι για σύλληψη 200 Γαλβανισμένος εν θερμό χάλυβας Στερεά ταινία 50 Συμπαγείς ράβδοι 50 Πλεγμένο καλώδιο 50 Συμπαγείς ράβδοι για σύλληψη 200 Ανοξείδωτος χάλυβας Στερεά ταινία 60 Συμπαγείς ράβδοι 75 Πλεγμένο καλώδιο 70 Συμπαγείς ράβδοι για σύλληψη 200 Τα μέρη υπό φορτίο όπως τα χαλύβδινα καλώδια για το φρένο των άκρων πρέπει να είναι ακόμη περισσότερο ανθεκτικά, καθώς η μηχανική αντοχή μειώνεται αν αυτό θερμανθεί σε υψηλές θερμοκρασίες. Έχει παρατηρηθεί ότι τα χαλύβδινα καλώδια για το φρένο άκρης έχουν σπάσει ή λιώσει εξαιτίας του παραγόμενου ρεύματος ακόμη και για τα καλώδια διαμέτρου έως 100mm (διατομή 78mm 2 ). Η ανύψωση της θερμοκρασίας των αγωγών που μεταφέρουν το κεραυνικό ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω εξίσωση (IEC 61819): [32] 122

125 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] όπου, θ - θ0 : η ανύψωση της θερμοκρασίας των αγωγών (K) α : ο συντελεστής αντίστασης (1/ K) W/R : η ενέργεια του παλμού του ρεύματος (J/Ω) Ρο : η ωμική αντίσταση του αγωγού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (Ωm) q : η διατομή του αγωγού (m 2 ) γ : η πυκνότητα του υλικού (kg/m 3 ) Cw : η θερμοχωρητικότητα (J/kgK) Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαφόρων μεθόδων αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων [33] Δικτυωτό πλέγμα στην άκρη του πτερυγίου Πλεονεκτήματα: Εικόνα 3.33: Δικτυωτό πλέγμα στην άκρη του πτερυγίου [33] Η δημιουργία του πλέγματος στην επιφάνεια είναι σχετικά απλή Δεν παρατηρείται εκκένωση διαμέσου της δομής του πτερυγίου Προστασία ολόκληρου του πτερυγίου Μειονεκτήματα: Είναι δυνατόν να καταστραφεί η δομή του πλέγματος Η επισκευή και η αντικατάσταση είναι δύσκολο να γίνουν 123

126 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Μεταλλικό κάλυμμα στην άκρη του πτερυγίου Εικόνα 3.34: Μεταλλικό κάλυμμα στην άκρη του πτερυγίου [33] Πλεονεκτήματα: Σχετικά περιορισμένες φθορές Είναι δυνατή η αντικατάστασή του Μειονεκτήματα: Δαπανηρή κατασκευή και στερέωση στις ίνες γυαλιού (υλικό των περισσότερων πτερυγίων) Η ικανότητα διοχέτευσης του ρεύματος πρέπει να είναι διασφαλισμένη Παραλήπτες σε διάφορες θέσεις κατά μήκος του πτερυγίου Εικόνα 3.35: Παραλήπτες σε διάφορες θέσεις κατά μήκος του πτερυγίου [33] 124

127 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πλεονεκτήματα: Σχετικά περιορισμένες φθορές Μειονεκτήματα: Μικρή επιφάνεια σύλληψης Δαπανηρή κατασκευή και στερέωση στις ίνες γυαλιού (υλικό των περισσότερων πτερυγίων) Η ικανότητα διοχέτευσης του ρεύματος πρέπει να είναι διασφαλισμένη Μεταλλικοί αγωγοί στο πτερύγιο Εικόνα 3.36: Μεταλλικοί αγωγοί στο πτερύγιο [33] Πλεονεκτήματα: Σχετικά περιορισμένες φθορές Δεν παρατηρείται εκκένωση διαμέσου της δομής του πτερυγίου προς το εσωτερικό του Επιπρόσθετη προστασία και των πλευρικών τμημάτων Μειονεκτήματα: Δαπανηρή κατασκευή και στερέωση στις ίνες γυαλιού (υλικό των περισσότερων πτερυγίων) Δύσκολη αντικατάσταση Απαραίτητη η ανοχή τους κατά την λειτουργία 125

128 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Σύνδεση των πτερυγίων με την πλήμνη περιστροφής και την νασέλλα της ανεμογεννήτριας [34] Στην άκρη του πτερυγίου το σύστημα οδήγησης του ρεύματος προς τα κάτω έχει συνήθως το τελείωμά του είτε στη χαλύβδινη φλάντζα της βάσης είτε στην πλήμνη. Αν το πτερύγιο έχει ρύθμιση περιστροφής του βήματος του προβλέπεται κάποια σύνδεση πάνω από το έδρανο, όπως κάποια επαφή που κυλίεται ή κάποιο εύκαμπτο καλώδιο που δεν εμποδίζει την κίνηση της περιστροφής του πτερυγίου. Η εύκαμπτη αυτή σύνδεση πέρα απ το έδρανο μπορεί να συνδυαστεί με το εσωτερικό τμήμα του αγωγού οδήγησης στο πτερύγιο. Στα πτερύγια με φρένο άκρης το υδραυλικό σύστημα που θέτει σε εφαρμογή το καλώδιο ελέγχου πρέπει να προστατευθεί. Οι υδραυλικοί κύλινδροι που συνήθως χρησιμοποιούνται μπορεί να καταστραφούν από ανάφλεξη που ξεκινά απ την εσωτερική τους ράβδο, στο περίβλημα και το σώμα του κυλίνδρου. Συνήθως ο κύλινδρος του υδραυλικού συστήματος προστατεύεται παρεκκλίνοντας το ρεύμα μέσω ενός εύκαμπτου συνδετικού λουριού που επιτρέπει την κίνηση του υπόλοιπου συστήματος. Προσοχή πρέπει να δοθεί στην μείωση της χαλαρότητας αυτών των συνδετικών λουριών, δεδομένου ότι η πτώση τάσης με αυτεπαγωγή μπορεί να γίνει πολύ υψηλή με συνέπεια την ανεπαρκή προστασία του κυλίνδρου. Γύρω από τη ρίζα του πτερυγίου πολλές φορές υπάρχει ένα δαχτυλίδι από αλουμίνιο που είναι συνδεδεμένο με τον εσωτερικό αγωγό της αντικεραυνικής προστασίας. Το δαχτυλίδι αυτό είναι προσαρμοσμένο έτσι ώστε να υπάρχει επαρκής απόσταση από τα μεταλλικά μέρη στη περιοχή σύνδεσης με το πτερύγιο. Το γεγονός αυτό βοηθά στο να αποτρέπονται ανεπιθύμητες εκκενώσεις κατά την διάρκεια κεραυνικού πλήγματος καθώς και να διασκορπίζεται το ρεύμα. Τα έδρανα (κύλισης και στάσιμα) έτσι είναι προστατευμένα από φθορές λόγω κεραυνού επειδή ο διασκορπισμός του ρεύματος λαμβάνει μέρος στη ρίζα του πτερυγίου και όχι δια μέσου της πλήμνης και των εδράνων. 126

129 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.37: Σχεδιασμός αντικεραυνικής προστασίας πτερυγίου [34] Όσον αφορά την διαδρομή του ρεύματος από τα πτερύγια προς τη νασέλλα χρησιμοποιούνται πολλές φορές διάκενα τα οποία σχηματίζονται με ράβδους στη νασέλλα και με δαχτυλίδι από αλουμίνιο στο τέλος του πτερυγίου. Υπάρχει μία ράβδος για κάθε πτερύγιο η οποία έχει μια κωνική άκρη με σκοπό να αυξάνεται στη περιοχή της άκρης η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε σχέση με τις γύρω περιοχές ώστε να δημιουργείται σπινθήρας στο διάκενο. Μετά το ρεύμα άγεται προς τη νασέλλα και μέσω των ολισθαινόντων οδηγών προς τον πύργο. Εικόνα 3.38: Σχηματισμός διακένου για την όδευση του ρεύματος προς τη νασέλλα [34] 127

130 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Δοκιμές σε πτερύγια με σύστημα αντικεραυνικής προστασίας [36] Παρακάτω υπάρχουν αναλυτικά οι δοκιμές που έχουν πραγματοποιηθεί σε πτερύγια ανεμογεννητριών με τέσσερα διαφορετικά συστήματα αντικεραυνικής προστασίας τα οποία είναι: Δοκιμές σε πτερύγια με παραλήπτη Δοκιμές σε πτερύγια με μεταλλικό κάλυμμα Δοκιμές σε πτερύγια με φρένο άκρης Δοκιμές σε πτερύγια με αγώγιμο επικαλυπτικό στρώμα Δοκιμές σε πτερύγια με παραλήπτη [36] Έχουν πραγματοποιηθεί δοκιμές με κρουστικές υψηλές τάσεις σε τμήματα πτερυγίων κατασκευασμένα από γυαλί ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (GRP). Τα πτερύγια αυτά είναι εφοδιασμένα με σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, το οποίο συνιστάται από έναν χάλκινο παραλήπτη προσαρμοσμένο στην επιφάνεια του φτερού κοντά στη κορυφή του και συνδεδεμένο με εσωτερικό αγωγό καθόδου, ο οποίος έχει σύνδεση με τη γη. Οι δοκιμές διεξήχθησαν με διαφορετικές χωρικές διευθετήσεις του τμήματος του πτερυγίου όπως κάθετα, με γωνία 45 ως προς το έδαφος και οριζόντια. Στη περίπτωση της κάθετης και μετά από επαναλαμβανόμενες δοκιμές παρατηρήθηκε ότι σε πολλές περιπτώσεις η εκκένωση διαδίδονταν κατά μήκος της επιφάνειας της κορυφής του πτερυγίου και προσκολλούσε στον παραλήπτη. Μερικές φορές περνούσε δια μέσου του αέρα και προσκολλούσε κατ ευθείαν στον παραλήπτη. Όταν η εκκένωση κατέληγε στην κορυφή της άκρης του πτερυγίου στη διαδρομή της προς τον παραλήπτη κατέστρεφε τμήμα της άκρη. Στη περίπτωση της τοποθέτησης με γωνία 45 ως προς το έδαφος δεν παρατηρήθηκε καμία καταστροφή μετά από επαναλαμβανόμενες δοκιμές. Τις περισσότερες φορές η εκκένωση διαδιδόταν κατά μήκος της επιφάνειας του πτερυγίου και προσκολλούσε στον παραλήπτη. Όταν το πτερύγιο τοποθετούνταν οριζόντια στην περίπτωση αρνητικής κρουστικής τάσης ο παραλήπτης μπορούσε να διακόψει επιτυχώς την εκκένωση πολλές φορές. Στην περίπτωση όμως της θετικής κρουστικής τάσης η εκκένωση διαπερνούσε το πτερύγιο περίπου από τη μέση του και συνέχιζε προς τον παραλήπτη και τέλος 128

131 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] προσκολλούνταν στον αγωγό καθόδου. Στις παρακάτω τρεις φωτογραφίες βλέπουμε τη συμπεριφορά της εκκένωσης σε πτερύγιο που είναι τοποθετημένο κάθετα με τον παραλήπτη. Εικόνα 3.39: Μπροστινή όψη πτερυγίου [36] Εικόνα 3.40: Δεξιά όψη πτερυγίου [36] 129

132 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.41: Πληγείσα περιοχή πτερυγίου [36] Στις παρακάτω τρεις φωτογραφίες βλέπουμε τη συμπεριφορά της εκκένωσης σε πτερύγιο που είναι τοποθετημένο οριζόντια με τον παραλήπτη. Εικόνα 3.42: Μπροστινή όψη πτερυγίου [36] 130

133 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.43: Δεξιά όψη πτερυγίου [36] Εικόνα 3.44: Πληγείσα περιοχή πτερυγίου [36] Δοκιμές σε πτερύγια με μεταλλικό κάλυμμα [36] Εκτός από το παραπάνω τρόπο αντικεραυνικής προστασίας με τον παραλήπτη στην επιφάνεια του πτερυγίου χρησιμοποιείται επίσης σαν μέθοδος προστασίας και με ένα μεταλλικό κάλυμμα στη κορυφή του πτερυγίου συνδεδεμένο με έναν αγωγό καθόδου που καταλήγει στη γη. Σε δοκιμές που διεξήχθησαν σε πτερύγια με αυτό το σύστημα 131

134 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] προστασίας παρατηρήθηκε ότι η εκκένωση κατέληγε απ ευθείας στο αγώγιμο κάλυμμα και το κεραυνικό ρεύμα οδηγούνταν με ασφάλεια στο έδαφος δια μέσου του αγωγού καθόδου. Παρ όλα αυτά όμως σε κάποιες περιπτώσεις παρατηρήθηκε ότι η εκκένωση προσκολλούσε στη κορυφή του πτερυγίου ακριβώς κάτω από το μεταλλικό κάλυμμα. Παρά το ότι προκαλούνται και με αυτήν την μέθοδο φθορές στο πτερύγιο, η μέθοδος αυτή παρέχει ένα σχετικά υψηλότερο επίπεδο προστασίας σε σχέση με τη μέθοδο με τον παραλήπτη. Στις παρακάτω τρεις φωτογραφίες βλέπουμε τη συμπεριφορά της εκκένωσης σε πτερύγιο με μεταλλικό κάλυμμα. Εικόνα 3.45: Χτύπημα στο μεταλλικό κάλυμμα του πτερυγίου [36] Εικόνα 3.46: Χτύπημα στην άκρη του πτερυγίου [36] 132

135 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.47: Πληγείσα περιοχή [36] Δοκιμές σε πτερύγια με φρένο άκρης [25] Δοκιμές έχουν πραγματοποιηθεί σε πτερύγια με φρένο άκρης, με το φρένο άκρης να έχει ήδη κινηθεί προς τα έξω και να έχει περιστραφεί κατά 90 με συνέπεια ένα μέρος του άξονα του φρένου να είναι εκτεθειμένο. Στα πτερύγια αυτά το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας αποτελούνταν από έναν εσωτερικό αγωγό που περνά δια μέσου του άξονα του φρένου. Στο πτερύγιο είναι τοποθετημένα κάποια στοιχεία στήριξης για να εξασφαλίζεται η σωστή λειτουργία του φρένου άκρης. Τα στοιχεία αυτά δεν συνδέονται με τη γη ενώ το περίβλημα του αισθητήρα συνδέεται με τη γη. Δοκιμές με κρουστικές υψηλές τάσεις έδειξαν ότι όταν το ηλεκτρόδιο βρισκόταν πολύ κοντά στον παραλήπτη τότε ο παραλήπτης αποτελούσε και το σημείο προσκόλλησης της εκκένωσης. Όταν όμως το ηλεκτρόδιο βρισκόταν στο επίπεδο του κυρίως σώματος του πτερυγίου όλες οι εκκενώσεις προσκολλούσαν σε μέρη του μηχανισμού του φρένου άκρης. Σε λίγες περιπτώσεις πλήττονταν ο άξονας του φρένου ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις η εκκένωση προσκολλούσε στον αισθητήρα και στα σημεία στήριξης. Ένα σημαντικό συμπέρασμα είναι ότι όλα τα μεταλλικά μέρη που συνδέονται με το μηχανισμό φρένου άκρης θα έπρεπε να είναι στιβαρά συνδεδεμένα με το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Τα στοιχεία στήριξης πλήττονταν κάτι που σημαίνει σχηματισμό τόξου μέσα στο πτερύγιο μεταξύ του στοιχείου στήριξης και του γειωμένου άξονα του φρένου. Συνδέοντας τα στοιχεία στήριξης με το σύστημα 133

136 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] αντικεραυνικής προστασίας θα αποτρεπόταν η φθορά από το τόξο στον άξονα του φρένου και θα αποφεύγονταν οι φθορές λόγω υπερτάσεων. Δοκιμές σε πτερύγια με αγώγιμο επικαλυπτικό στρώμα [37] Εδώ τίθενται υπό δοκιμή κάτω από υψηλές τάσεις πτερύγια ή τμήματα πτερυγίων που διαθέτουν ένα αγώγιμο επικαλυπτικό στρώμα σε ένα τμήμα της επιφάνειάς τους. Πιο συγκεκριμένα έχουν διεξαχθεί δοκιμές σε αγώγιμα στρώματα πτερυγίων βελτιωμένα με ένα ειδικό μείγμα αντιμονίου. Η βελτίωση έγινε για 10% και 30% του μείγματος του αντιμονίου. Τα αγώγιμα αυτά στρώματα τοποθετήθηκαν σε ένα μέρος της επιφάνειας ενός επιμήκους τμήματος πτερυγίου από γυαλί ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (GRP). Έπειτα από δοκιμές με υψηλές τάσεις παρατηρήθηκε για το αγώγιμο στρώμα με 10% ότι η εκκένωση δεν κινείται κατά μήκος του στρώματος αλλά από την επιφάνεια του πτερυγίου που δεν καλύπτεται, από το υλικό δηλαδή του πτερυγίου. Σε αντίθεση είναι η εκκένωση για το αγώγιμο στρώμα με 30% πραγματοποιήθηκε κατά μήκος του αγώγιμου επικαλυπτικού στρώματος. Στην περίπτωση μάλιστα αυτή η ηλεκτρική διάσπαση λάμβανε χώρα για μεγαλύτερα επίπεδα τάσης. Δοκιμές με υψηλά ρεύματα έδειξαν ότι για αυξανόμενο πάχος του αγώγιμου στρώματος αυξάνεται και ο αριθμός των διασπάσεων που υφίσταται. Το ίδιο συμβαίνει καθώς αυξάνεται η επιφάνεια του αγώγιμου στρώματος. Στις παρακάτω τρεις φωτογραφίες βλέπουμε τα αποτελέσματα δοκιμών σε πτερύγια με επικαλυπτικό στρώμα. Εικόνα 3.48: Διάσπαση στο επικαλυπτικό στρώμα με 10% αντιμόνιο [37] 134

137 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.49: Εκκενώσεις στο στρώμα με 30% αντιμόνιο [37] Εικόνα 3.50: Διάσπαση σε στρώμα με 30% αντιμόνιο [37] 3.32 Αντικεραυνική προστασία των εδράνων κύλισης και του κιβωτίου ταχυτήτων [25] Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος μετά τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας είναι προς τον πύργο μέσω του εδράνου του βήματος πτερυγίου, του κυρίως εδράνου και του εδράνου του συστήματος προσανατολισμού. Αυτές είναι επομένως εν δυνάμει ευάλωτες περιοχές σε φθορά λόγω του κεραυνικού πλήγματος. Ολοκληρωμένη λύση για το πρόβλημα της προστασίας των εδράνων δεν υπάρχει καθώς υπάρχουν αρκετά προβλήματα στην πράξη. 135

138 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Όπως έχει ήδη ειπωθεί τα μεγάλα υπερφορτωμένα και στάσιμα έδρανα δεν υφίστανται σημαντική φθορά από τη διέλευση του κεραυνικού ρεύματος. Για το λόγο αυτό τα αργά κινούμενα έδρανα όπως τα έδρανα βήματος και κλίσης ίσως να μην έχουν ανάγκη αντικεραυνικής προστασίας. Παρ όλα αυτά όμως προτείνεται η δημιουργία εναλλακτικών διαδρομών του ρεύματος από κάποιον εύκαμπτο αγωγό από τους ολισθαίνοντες οδηγούς ή από κάποια παρόμοια κατασκευή. Τα στρεφόμενα έδρανα (κυρίως αξονικό έδρανο, έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας) σε αντίθεση με τα στάσιμα υφίστανται φθορές και θα πρέπει να δοθεί αυξημένο ενδιαφέρον για την προστασία τους. Για να αποφευχθεί η φθορά και οι δυσμενείς συνέπειες του κεραυνικού ρεύματος ένας ασφαλής τρόπος είναι να αποτρέπεται το ρεύμα του κεραυνού από το να κυκλοφορεί δια μέσου των εδράνων κύλισης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί δημιουργώντας εναλλακτικές διαδρομές καθώς και διακοπές στην πορεία του ρεύματος με μονωτικά στρώματα στα έδρανα. Ενώ για την αντικεραυνική προστασία αυτό είναι μια καλή μέθοδος στην πράξη δεν είναι και τόσο πρακτικό λόγω των απαιτήσεων των φορτίων των εδράνων κύλισης. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι είναι δύσκολο να συνδυαστεί η ανάγκη της λίπανσης για την μείωση των τριβών και ταυτόχρονα η καλή μεταλλική επαφή που απαιτείται ώστε να άγεται το παραγόμενο ρεύμα. Η δημιουργία εναλλακτικών διαδρομών συντελεί στο να μειωθεί το ρεύμα που διέρχεται από τα έδρανα, όμως αυτό παρουσιάζει κάποιες δυσκολίες στο να εφαρμοστεί. Τα έδρανα από την κατασκευαστική τους φύση παρουσιάζουν μικρή αυτεπαγωγή και μικρή αντίσταση επομένως είναι δύσκολο να υπάρξει εναλλακτική διαδρομή για το ρεύμα που να παρουσιάζει μικρότερη αυτεπαγωγή και αντίσταση. Μια επιπρόσθετη δυσκολία είναι ότι οι πρόσθετες εγκατεστημένες συνδέσεις θα πρέπει να διασχίζουν στρεφόμενα μέρη. Αυτό επιβάλλει την χρήση δακτυλίων ολίσθησης η παρόμοιων συσκευών. Με προσεκτική σχεδίαση και τοποθέτηση του δακτυλίου ολίσθησης καθώς και με μικρής τιμής αυτεπαγωγή των συνδέσεων με την νασέλλα και την επίπεδη πλάκα μπορεί να εξασφαλιστεί καλή προστασία. Ο δακτύλιος ολίσθησης είναι μια συσκευή που επιτρέπει την μεταφορά ισχύος από ένα στατικό, ακίνητο μέρος σε ένα στρεφόμενο και το αντίθετο. [25] 3.33 Αγωγοί καθόδου [28],[34],[38] Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν το ρεύμα του κεραυνικού πλήγματος με ασφάλεια στο σύστημα γείωσης της ανεμογεννήτριας. Συγκεκριμένα 136

139 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] πρέπει η διαδρομή που θα ακολουθήσει το ρεύμα να είναι αυτή με την μικρότερη αυτεπαγωγή. Για το λόγο αυτό πρέπει να είναι κατά το δυνατόν σύντομη, συνεχής, ευθεία και κατακόρυφη (έτσι περιορίζεται η αυτεπαγωγή κατά μήκος). Επίσης πρέπει να εξασφαλίζεται ότι δεν θα περνάει κοντά από ευαίσθητες συσκευές (ηλεκτρονικά συστήματα της ανεμογεννήτριας). Για τις περισσότερες ανεμογεννήτριες ο ίδιος χαλύβδινος πύργος της κατασκευής αποτελεί την διαδρομή με την χαμηλότερη αυτεπαγωγή και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αγωγός καθόδου. Με το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος να ρέει κατά μήκος των εξωτερικών τοιχωμάτων του πύργου, τα μαγνητικά πεδία στο εσωτερικό της κατασκευής είναι αρκετά εξασθενημένα. Όταν ο πύργος της ανεμογεννήτριας δεν είναι αγώγιμος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αγωγός καθόδου. Στην περίπτωση αυτή κατά την επιλογή του αριθμού και του τρόπου εγκατάστασης των αγωγών καθόδου πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι αν το ρεύμα του κεραυνού επιμερίζεται σε πολλές οδούς όδευσης, μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενών υπερπηδήσεων και περιορίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις στο εσωτερικό της κατασκευής. Επομένως οι αγωγοί καθόδου πρέπει να κατανέμονται κατά το δυνατόν περιμετρικά της κατασκευής σε συμμετρική διάταξη. Στις περισσότερες περιπτώσεις επιλέγονται τουλάχιστον 3 αγωγοί καθόδου οι οποίοι πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους με οριζόντιους περιμετρικούς δακτυλίους κοντά στη στάθμη του εδάφους, ενώ ανάλογα με το ύψος της ανεμογεννήτριας και την επιλεγμένη στάθμη προστασίας χρησιμοποιούνται επιπλέον δακτύλιοι σε κατακόρυφα διαστήματα όπως ορίζονται στο πίνακα Πίνακας 3.15: Μέση απόσταση των δακτυλίων σε κατακόρυφα διαστήματα Στάθμη Μέση απόσταση προστασίας (m) I 10 II 10 III 15 IV 20 Οι αγωγοί καθόδου πρέπει να στερεώνονται καλά ώστε οι μηχανικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού ή άλλες καταπονήσεις να μην προκαλούν θραύση ή χαλάρωση των αγωγών. Ο αριθμός των συνδέσεων κατά μήκος των αγωγών πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός. Η στιβαρότητα των συνδέσεων πρέπει να εξασφαλίζεται με μεθόδους όπως μπρουτζοκόλληση, ηλεκτροσυγκόλληση, σύσφιξη, βίδωμα ή με 137

140 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ειδικούς κοχλιωτούς συνδέσμους. Παρακάτω ακολουθούν παραστατικά οι συνδέσεις των αγωγών καθόδου με την νασέλλα, τον πύργο και τα θεμέλια του πύργου όπου βρίσκεται και το σύστημα γείωσης. Τα καλώδια όλων των συνδέσεων θα πρέπει να είναι επαρκούς διατομής (πχ 50mm 2 για Cu) και η μόνωσή τους θα πρέπει να είναι κατά προτίμηση από δικτυωμένο πολυαιθυλένιο (XLPE) ώστε να είναι πιο ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες που προκαλούνται από την διέλευση του ρεύματος του κεραυνού. Ο μεταλλικός σκελετός της νασέλλας συνδέεται στα θεμέλια του πύργου με καλώδια (πχ Cu 50mm 2 ). Η νασέλλα, τα δαχτυλίδια του εδράνου του συστήματος προσανατολισμού και ο πύργος της ανεμογεννήτριας συνδέονται μεταξύ τους και η σύνδεση αυτή καταλήγει στα θεμέλια του πύργου όπου υπάρχει το σύστημα γείωσης. Επιπρόσθετα οι ολισθαίνουσες επαφές του εδράνου κύλισης του συστήματος προσανατολισμού είναι εφοδιασμένα με χάλκινες συνδέσεις διαμέτρου 30 mm. Αυτό γίνεται με σκοπό να περάσει το ρεύμα του κεραυνού από την βάση της νασέλλας στις ολισθαίνουσες επαφές του συστήματος προσανατολισμού και στον πύργο χωρίς να επηρεαστεί ο εξοπλισμός του συστήματος προσανατολισμού. Ο αγωγός καθόδου στη βάση του πύργου συνδέεται με τον πύργο και με το σύστημα γείωσης που βρίσκεται στα θεμέλια του πύργου. Εικόνα 3.51: Σύνδεση του αγωγού καθόδου με τον πύργο και μέσω των θεμελίων με το σύστημα γείωσης [38] Αν ο πύργος της ανεμογεννήτριας είναι κατασκευασμένος από χάλυβα τα κεραυνικά ρεύματα διαμοιράζονται από την νασέλλα στο ηλεκτρόδιο γείωσης μέσω του ίδιου του 138

141 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] αγώγιμου πύργου αν δεν χρησιμοποιούμε ξεχωριστούς αγωγούς καθόδους. Υπάρχουν βέβαια βραχίονες συγκολλημένοι με τον πύργο που τον συνδέουν με το ηλεκτρόδιο γείωσης. Αν ο πύργος είναι κατασκευασμένος από τσιμέντο για να διασφαλιστεί η αγωγή του ρεύματος προς τη γη χρησιμοποιούνται χαλύβδινες λωρίδες που συνδέουν τον πύργο με τα θεμέλια και κατά συνέπεια νε το σύστημα γείωσης. Εικόνα 3.52: Σύνδεση μεταξύ του τσιμεντένιου πύργου και του θεμελιακού ηλεκτροδίου γείωσης [34] 3.34 Διαδρομές του ρεύματος στα μέρη μιας ανεμογεννήτριας [25] Όταν ένα κεραυνικό πλήγμα πλήξει μια ανεμογεννήτρια τα μέρη που θα πληγούν περισσότερο είναι τα ευαίσθητα μέρη της (ηλεκτρονικά μέρη). Σε μια ανεμογεννήτρια υπάρχουν πολλών ειδών αισθητήρες οι οποίοι μεταδίδουν πληροφορίες στον εξοπλισμό ελέγχου της. Τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι ελεγκτές κατεύθυνσης ανέμου, αισθητήρες ταχύτητας του άξονα και μετρητές θερμοκρασιών. Υπάρχουν επίσης αισθητήρες σχετικοί με το μηχανισμό του βήματος πτερυγίου ή του μηχανισμού φρένου άκρης. Κατά το πλήγμα από κεραυνό στο πύργο ή στο πτερύγιο επάγονται τάσεις και ρεύματα στην καλωδίωση που συνδέει τα παραπάνω όργανα. Οι αισθητήρες και τα κυκλώματα ελέγχου είναι πιο ευάλωτοι σε σχέση με τα κυκλώματα ισχύος λόγω του ότι έχουν σχετικά χαμηλές τάσεις λειτουργίας. 139

142 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Αντίστοιχη εικόνα με τις διαδρομές του κεραυνικού ρεύματος σε μια ανεμογεννήτρια απεικονίζεται στην εικόνα Εικόνα 3.53: Αισθητήρες, εξοπλισμός ελέγχου, εξοπλισμός ισχύος και όδευση καλωδίων σε μια τυπική ανεμογεννήτρια [25] 140

143 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Οι διαδρομές του κεραυνικού ρεύματος στο εσωτερικό της νασέλλας και του πύργου της ανεμογεννήτριας Σε μελέτες αντικεραυνικής προστασίας οποιασδήποτε κατασκευής δίδεται έμφαση οι συνδέσεις να είναι χαμηλής αντίστασης. Πολύ σημαντική παράμετρος για την προστασία των ηλεκτρικών συστημάτων στο εσωτερικό μιας ανεμογεννήτριας επίσης είναι οι αυτεπαγωγές που σχετίζονται με τις συνδέσεις. Κατά την πτώση του κεραυνού στη νασέλλα ή στο πτερύγιο το ρεύμα ρέει μέσω της κατασκευής προς το έδαφος. Από την πλήμνη μέχρι το έδαφος υπάρχει επαρκής μεταλλική κατασκευή για να μεταφέρει το ρεύμα χωρίς να δημιουργούνται δομικές καταστροφές. Το ρεύμα θα διαμοιραστεί μεταξύ οποιονδήποτε αγώγιμων διαδρομών και αυτό που παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο για το πώς θα διαμοιραστεί το ρεύμα είναι οι αυτεπαγωγές των διαδρομών αυτών. Τα καλώδια και οποιαδήποτε αγώγιμα σύρματα αποτελούν πιθανές διαδρομές του ρεύματος. Ένας καλός σχεδιασμός θα εξασφάλιζε την ύπαρξη διαδρομών του ρεύματος έτσι ώστε το ρεύμα που μεταφέρεται από τα καλώδια να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Οι διαδρομές του ρεύματος που εγκαθίστανται θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερης αυτεπαγωγής για να είναι πιο αποτελεσματικές. Όταν έχουμε πολλά κεραυνικά πλήγματα, το κεραυνικό ρεύμα που ρέει κατά μήκος μιας συνδετικής λωρίδας μήκους 10cm θα δημιουργήσει τάση περίπου 10kV. Τάση τέτοιας τιμής θα μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρική διάσπαση σε οποιονδήποτε αισθητήρα ή εξοπλισμό και έγχυση υψηλών ρευμάτων στα καλώδια. Η τάση μπορεί να μειωθεί τουλάχιστον κατά 10 φορές αν τα καλώδια οδεύουν μέσα σε μεταλλικό κανάλι σχήματος U ή σε αυλάκι. Θα μπορούσε απλά να λεχθεί ότι μικρές αλλαγές στη γεωμετρία των εγκαταστάσεων μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες διαφορές στις επαγόμενες τάσεις. Το να υπάρχει ένας αγωγός ικανός να μεταφέρει το ρεύμα δεν είναι το μοναδικό ζήτημα όταν είναι πιθανές βλάβες στο ηλεκτρονικό σύστημα. Τα καλώδια ενδέχεται να μην υποστούν καμία καταστροφή, αλλά είναι πιθανά αποτελέσουν αιτία για να εγχυθούν καταστροφικά ρεύματα στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό. 141

144 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος από την πλήμνη περιστροφής στη νασέλλα [25] Η πλήμνη περιστροφής περιλαμβάνει αισθητήρες και μηχανισμούς για την κίνηση των πτερυγίων. Τα καλώδια των αισθητήρων στην περιστρεφόμενη πλήμνη πρέπει να διασχίζουν την νασέλλα μέσω δακτυλίων ολίσθησης και αυτό θα μπορούσε να είναι μια εκτεθειμένη περιοχή όπου η όδευση των καλωδίων είναι σημαντική. Η όδευση των καλωδίων σε τέτοια εκτεθειμένη περιοχή προκαλεί σημαντική διαφορά στα μεταβατικά φαινόμενα που παρατηρούνται. Σχηματικά η περιοχή της πλήμνης και του κυρίως εδράνου που είναι κατασκευασμένη από χάλυβα, οι καλωδιώσεις που βρίσκονται στην πλήμνη είναι τοπικά θωρακισμένες. Η πρακτική της όδευσης των καλωδίων από την πλήμνη περιστροφής στον χαλύβδινο άξονα ή στο εσωτερικό ενός σταθερού μεταλλικού σωλήνα είναι καλή μιας και ο σωλήνας θωρακίζει αποτελεσματικά τα καλώδια από μαγνητικά πεδία. Σε μια ιδανική περίπτωση οι δακτύλιοι ολίσθησης θα πρέπει να βρίσκονται στην πλευρά του κιβωτίου ταχυτήτων στο κυρίως έδρανο όπου τα ρεύματα που ρέουν είναι σχετικά μικρά. Αυτό συμβαίνει γιατί το μεγαλύτερο μέρος του κεραυνικού ρεύματος θα περάσει στη μεταλλική επιφάνεια μέσω του κυρίως εδράνου. Ο δακτύλιος ολίσθησης εκτός του κυρίως εδράνου θα ήταν εκτεθειμένος, κάτι που θα πρέπει να αποφεύγεται. Τα χαλύβδινα καλώδια που διασχίζουν το πτερύγιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν αγωγοί του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας αν έχουν επαρκή διατομή (50mm 2 ) αλλά θα πρέπει να συντηρείται στο τέλος της πλήμνης. Στο σημείο αυτό το ρεύμα θα πρέπει να άγεται ασφαλώς στο εσωτερικό χωρίς να διαρρέει κατά μήκος τα καλώδια των αισθητήρων ή τον υδραυλικό μηχανισμό όπου μπορούν να προκληθούν μεγάλες φθορές. Μια πιθανή μέθοδος θα ήταν να τοποθετηθεί ένα μονωτικό διάκενο στο χαλύβδινο καλώδιο και να συμπεριληφθεί ένας παράλληλος δρόμος προς την πλήμνη μέσω σπινθηριστών. Τα διάκενα θα μπορούσαν απλά να είναι μια οπή στην διαδρομή του καλωδίου. Κάποιες φθορές αναμένονται και στις δύο πλευρές του διακένου, και έτσι για να προστατευτεί το χαλύβδινο καλώδιο από τέτοιες φθορές χρησιμοποιούνται πολλές φορές λεπτοί μεταλλικοί σωλήνες στην εξωτερική πλευρά του καλωδίου. 142

145 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος στην νασέλλα [25] Υπάρχουν δύο είδη διαδρομών κεραυνικού ρεύματος για την νασέλλα: 1. Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος σε μια τυπική νασέλλα Στη πράξη είναι πολύ δύσκολο να έχουμε μεταλλική νασέλλα με τόσο συνεχείς συνδέσμους σε όλες τις αρθρώσεις της. Αν η νασέλλα είναι μεταλλική είναι πιθανόν να έχει: Λίγα σημεία ηλεκτρικής σύνδεσης Καμία άμεση ηλεκτρική συνέχεια μεταξύ το κυρίως εδράνου και της νασέλλας Η έλλειψη συνδέσμων προκύπτει λόγω της αναγκαιότητας να υπάρχουν μονωτικά στρώματα, εμπόδια από καουτσούκ κτλ. Στην περίπτωση κεραυνικού πλήγματος στο πτερύγιο, το ρεύμα ρέει εν μέρει κατά μήκος της επίπεδης πλάκας της νασέλλας, μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας. Η μεταλλική νασέλλα δεν παρέχει τόσο αποτελεσματική θωράκιση όσο αναμένεται. Μπορεί βέβαια να αυξηθεί με το να έχουμε εύκαμπτες συνδέσεις και ελαστικούς συνδέσμους σε επαφή με το κύριο έδρανο. Με τα προηγούμενα προσεγγίζουμε την ιδανική περίπτωση. Σε αντίθετη περίπτωση ένα πολύ σημαντικό ποσοστό του ρεύματος θα ρέει προς το κιβώτιο ταχυτήτων και την γεννήτρια. Αν η νασέλλα είναι κατασκευασμένη από ίνες γυαλιού αντί για μέταλλο τότε δεν παρέχεται καμία θωράκιση, και πάλι μεγάλο ποσοστό του ρεύματος θα ρέει προς το κιβώτιο ταχυτήτων και την γεννήτρια. Είναι λογικό να ειπωθεί ότι στις περιπτώσεις αυτές περίπου το 50% του κεραυνικού ρεύματος θα ρέει προς το κιβώτιο ταχυτήτων από το κυρίως έδρανο. Παρ όλα αυτά όμως αν οι άξονες μετάδοσης της κίνησης περιλαμβάνουν υλικό από καουτσούκ που παρέχει ηλεκτρική απομόνωση ώστε να αποτρέπεται η ροή ρεύματος στο κιβώτιο ταχυτήτων, τότε αυτό μπορεί να είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για να μειωθεί η ένταση των μεταβατικών φαινομένων στα μέρη που είναι τοποθετημένα στην γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων. 2. Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος σε μια νασέλλα με ιδανικές συνδέσεις Στην περίπτωση που θα είχαμε ιδανική σύνδεση η νασέλλα θα ήταν κατασκευασμένη από μεταλλικά φύλλα και θα υπήρχαν συνεχείς συνδέσεις και ηλεκτρικές συνδέσεις 143

146 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] γύρω από όλα τα φύλλα. Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι στην νασέλλα θα υπήρχαν αρκετοί εύκαμπτοι σύνδεσμοι ή αρκετές συνδετικές λωρίδες και θα υπήρχε έτσι συνεχής μεταλλική σύνδεση. Θα υπάρχει επίσης καλή σύνδεση ανάμεσα στο κυρίως έδρανο και στην νασέλλα όχι μόνο στη επίπεδη βάση της αλλά και στο άνω μέρος της. Εάν το ρεύμα δεν μπορεί εύκολα να περάσει από το έδρανο στην νασέλλα (είτε δια μέσου μιας άμεσης σύνδεσης είτε από κοντινούς συνδέσμους της νασέλλας προς την επίπεδη πλάκα) τότε το ρεύμα θα ρέει κατά μήκος της επίπεδης πλάκας και θα δημιουργεί επαγόμενες τάσεις στις καλωδιώσεις στο εσωτερικό της νασέλλας. Εάν η επίπεδη πλάκα και η νασέλλα προσφέρουν μια κλειστή αγώγιμη κατασκευή τότε το ρεύμα θα περιοριστεί στην επιφάνειά της και ένα μικρό ποσοστό του θα ρέει στο εσωτερικό της νασέλλας. Για να επιτευχθεί αυτό, το έδρανο θα πρέπει να είναι πολύ καλά συνδεδεμένο με την επίπεδη πλάκα και την νασέλλα, ειδάλλως το ρεύμα δεν μπορεί εύκολα να άγεται από την νασέλλα και θα συνεχίσει να ρέει κατά μήκος του άξονα. Στην περίπτωση αυτή και κατά την διάρκεια κεραυνικού πλήγματος στο πτερύγιο το ρεύμα του κεραυνού άγεται κατά μήκος του άξονα προς το κυρίως έδρανο. Αν το κυρίως έδρανο είναι συνδεδεμένο και με την νασέλλα και με την επίπεδη πλάκα τότε σχεδόν όλο το ρεύμα θα άγεται εκτός των εδράνων πάνω στην εξωτερική επιφάνεια της νασέλλας και δια μέσου της επιφάνειας της επίπεδης πλάκας επάνω στην νασέλλα. Αυτό είναι μια καλή λύση μιας και το ρεύμα εξ ολοκλήρου στο εξωτερικό της νασέλλας και ο εσωτερικός εξοπλισμός παραμένει ανεπηρέαστος. Εάν υπάρχει διαδρομή του ρεύματος μεταξύ του κυρίως εδράνου και του κιβωτίου ταχυτήτων με υλικό από καουτσούκ τότε αυτό είναι πολύ καλύτερο καθώς αποτρέπει κάθε ρεύμα που ρέει προς την γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων. Το ρεύμα ρέει δια μέσου του εξωτερικού της νασέλλας ομοιόμορφα προς τα κάτω διασχίζοντας το έδρανο του συστήματος προσανατολισμού και τον πύργο. Στην ιδανική αυτή περίπτωση το έδρανο του συστήματος προσανατολισμού δεν απαιτείται να έχει μονωτικές επιφάνειες και επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει ομοιόμορφα μέσω της περιφέρειάς του Η διαδρομή του κεραυνικού ρεύματος δια μέσου του εδράνου του συστήματος προσανατολισμού [25] Εδώ το ρεύμα μπορεί να άγεται ελεύθερα από ολόκληρη την περιφέρειά τους. Το έδρανο δεν διακόπτει σημαντικά την θωράκιση που παρέχεται από τον ίδιο τον πύργο. 144

147 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Αν όμως το έδρανο περιλαμβάνει μονωτικό στρώμα πιθανόν υλικό όπως PTFE αυτό θα παρουσιάζει ένα φράγμα στην ροή του ρεύματος. Τέτοιο έδρανο θα έχει τουλάχιστον ένα δακτύλιο ολίσθησης για να προβάλει ηλεκτρική συνέχεια. Το κεραυνικό ρεύμα θα πρέπει να είναι συγκεντρωμένο στην περιοχή του δακτυλίου ολίσθησης. Καθώς το κεραυνικό ρεύμα δεν ρέει πλέον ομοιόμορφα στην εξωτερική επιφάνεια της νασέλλας ή του πύργου η περιοχή αυτή μπορεί να αποτελεί πηγή επαγόμενων τάσεων. Είναι πολύ καλύτερο να υπάρχουν περισσότερες από μια κινητές επαφές στον δακτύλιο ολίσθησης. Οι επαφές αυτές πρέπει να είναι διασκορπισμένες γύρω από την περιφέρεια του πύργου ώστε η ομοιομορφία της ροής του ρεύματος προς το κάτω μέρος του πύργου να εξασφαλίζεται Όδευση καλωδίων εξωτερικά του πύργου [25] Το ρεύμα του κεραυνού ρέει κάτω από ον πύργο προς το έδαφος μέσω του συστήματος γείωσης και έπειτα διαχέεται στην επιφάνεια του εδάφους. Τα καλώδια που είναι εγκατεστημένα στο έδαφος είναι δυνατό να αποτελέσουν κατάλληλη διαδρομή για τα ρεύματα αυτά. Αν όπως είναι πιθανόν το έδαφος να είναι πετρώδες ή να έχει μεγάλη ωμική αντίσταση τότε τα μεγάλου μήκους καλώδια ισχύος ή τα καλώδια των ηλεκτρονικών συστημάτων παρέχουν μια σημαντική διαδρομή για το ρεύμα. Για μονωμένα καλώδια ισχύος οι τάσεις για μήκη πάνω από 1km είναι δυνατόν να προκαλέσουν διάσπαση της μόνωσής τους. Η χρήση εκτροπέων υπέρτασης είναι πολύ σημαντική. Ενώ τα καλώδια ισχύος έχουν από την φύση τους μια αντοχή στα μεταβατικά φαινόμενα του κεραυνού, τα καλώδια σημάτων και τα σχετιζόμενα με αυτά ηλεκτρονικά μέρη είναι ιδιαίτερα ευάλωτα. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται οπτικές ίνες. Και αυτές οι οπτικές ίνες δεν θα πρέπει να έχουν καλώδια με μεταλλικά ίχνη καθώς μπορούν να μεταφέρουν ρεύμα και να τηχθούν. Η περίπτωση των καλωδίων που οδεύουν ανάμεσα στον πύργο και στον παρακείμενο μετασχηματιστή ισχύος δεν είναι τόσο σοβαρή, επειδή τα μήκη των οδεύσεων είναι σχετικά μικρά και είναι σχετικά εύκολο να υπάρξει προστασία. Για λόγους ασφάλειας η βάση του πύργου έχει ένα καλώδιο γείωσης που ενώνει το σύστημα ισχύος στον πύργο με την κυψέλη (ή τις κυψέλες) που περιέχει συστήματα διαχείρισης ισχύος και εκεί πρέπει να υπάρχει καλή σύνδεση με τη γη. Οι επαγόμενες τάσεις στα καλώδια σημάτων και του ηλεκτρονικού εξοπλισμού γενικότερα μπορούν να μειωθούν σε μέγεθος απλά με το να οδεύουν τα καλώδια στο εσωτερικό ενός μεταλλικού σωλήνα συνδεδεμένου και στον πύργο και 145

148 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] στην κατασκευή που περικλείει τον μετασχηματιστή. Συνηθίζεται η κατασκευή που περικλείει τον μετασχηματιστή να γειώνεται στην γείωση του πύργου, έτσι τα καλώδια μπορούν να οδεύουν μαζί ανάμεσα στις δύο αυτές κατασκευές, με τα ευαίσθητα καλώδια να είναι θωρακισμένα. Εικόνα 3.54: Όδευση καλωδίων σημάτων μεταξύ του πύργου και της κατασκευής που περικλείει τον μετασχηματιστή [25] 3.36 Ανεμόμετρο [25],[34],[38] Εικόνα 3.55: Ανεμόμετρο [34] Ένα από τα βασικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι και το ανεμόμετρο. Το ανεμόμετρο είναι τοποθετημένο στην κορυφή της νασέλλας. Για λόγους αντικεραυνικής προστασίας το ανεμόμετρο είναι συχνά τοποθετημένο κάτω από έναν ιστό στον οποίο καταλήγει ο κεραυνός έτσι ώστε η πιθανότητα άμεσου πλήγματος του ανεμομέτρου να ελαχιστοποιείται. Ο ιστός αυτός θα πρέπει να είναι 1m ψηλότερο από το ανεμόμετρο ώστε το ανεμόμετρο να βρίσκεται μέσα στον κώνο προστασίας των 30 όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. 146

149 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.56: Ανεμόμετρο [25] Παρόλο που αυτό προστατεύει το ανεμόμετρο από άμεσο πλήγμα, οι καλωδιώσεις που υπάρχουν στην νασέλλα (για τους αισθητήρες κτλ) βρίσκονται σε εκτεθειμένη θέση. Σε ότι αφορά τους αισθητήρες που βρίσκονται στην περιοχή της νασέλλας συχνά τροφοδοτούνται με ισχύ από μια συσκευή κοντά τους. Οι αισθητήρες όπως και τα ανεμόμετρα, οι διακόπτες κτλ συχνά είναι απομονωμένοι από το μεταλλικό κουτί κάτι που βοηθά στην αντικεραυνική προστασία. Για καλώδια που οδεύουν εξωτερικά του βραχίονα που στηρίζει το ανεμόμετρο όπως φαίνεται στη παραπάνω εικόνα το καλώδιο θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στον μεταλλικό βραχίονα στήριξης. Όταν το καλώδιο στην πορεία του προς τα κάτω βρίσκεται δίπλα στον ιστό που προστατεύει το ανεμόμετρο (σημείο Β στην προηγούμενη εικόνα), το οποίο είναι ικανό να μεταφέρει μεγάλες ποσότητες ρεύματος τότε απαιτούνται επιπλέον μέτρα προστασίας. Κάποιες ενέργειες που θα μπορούσαμε να κάνουμε σαν επιπλέον μέτρα προστασίας είναι: 1. Όδευση σε σωλήνα στερεωμένο σε σημεία κατά μήκος του με τον ιστό. 2. Όδευση σε εύκαμπτους, πεπλεγμένους μεταξύ τους αγωγούς και συνδεδεμένους με τον ιστό 3. Όδευση σε σωλήνα καλωδίων με σχήμα U ή C 4. Όδευση των καλωδίων πολύ κοντά στον ιστό Αν η νασέλλα είναι μεταλλική τότε οι πεπλεγμένοι αγωγοί ή οι σωλήνες των καλωδίων θα πρέπει να είναι συγκολλημένοι με την νασέλλα στο σημείο που τα καλώδια την διαπερνούν. 147

150 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Για την περίπτωση της μεταλλικής νασέλλας, όταν η καλωδίωση οδεύει από τον ιστό μέσα στην νασέλλα το πρόβλημα είναι μικρό. Από την στιγμή που ο ιστός είναι καλά συγκολλημένος με την μεταλλική νασέλλα τότε απλά τα καλώδια συνεχίζουν την διαδρομή τους στην εσωτερική επιφάνεια της νασέλλας. Για την περίπτωση της νασέλλας από συνθετικό υλικό το κεραυνικό ρεύμα που διαρρέει τον ιστό θα πρέπει να άγεται ασφαλώς στο μεταλλικό δάπεδο της νασέλλας. Ενώ η αγωγή τέτοιων ρευμάτων μπορεί εύκολα να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας αγωγούς επαρκούς διατομής, τα καλώδια του ανεμομέτρου θα πρέπει να προστατεύονται, και ιδιαίτερη φροντίδα θα πρέπει να δίδεται στο να αποτραπούν επαγόμενες τάσεις στα καλώδια του ανεμομέτρου. Ένας εναλλακτικός τρόπος προστασίας του ανεμομέτρου είναι με ένα χαλύβδινο δακτυλίδι γύρω από αυτό. Το δακτυλίδι προστασίας είναι συνδεδεμένο με την εσωτερική κατασκευή της νασέλλας. Το θωρακισμένο καλώδιο οδηγείται στο εσωτερικό της κατασκευής από τον αισθητήρα στην νασέλλα. Εικόνα 3.57: Το ανεμόμετρο μαζί με το προστατευτικό δακτυλίδι [38] 3.37 Προστασία έναντι υπερτάσεων ( συστήματα SPDs = συσκευές προστασίας από υπερτάσεις ή εκτροπείς υπέρτασης ) [39],[40] Βέβαια για την ανεμογεννήτρια για αντικεραυνική προστασία πρέπει να προβλέψουμε και την παρουσία κυμάτων τάσης και ρεύματος. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται τα SPDs. Στις διάφορες ζώνες προστασίας που αναφέραμε παραπάνω χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι SPDs. 148

151 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Στα όρια των ζωνών 0Α-1 χρησιμοποιούνται SPDs που πρέπει να μπορούν να φέρουν πολλές φορές τμήματα του κεραυνικού ρεύματος κυματομορφής 10/350μs χωρίς να καταστρέφεται ο προστατευόμενος εξοπλισμός. Αυτά τα SPDs είναι τύπου 1 και ονομάζονται απαγωγείς ρεύματος κεραυνού. Σκοπός τους είναι να αποτρέψουν το επιβλαβές τμήμα του κεραυνικού ρεύματος από το να εισέλθει στην ηλεκτρική εγκατάσταση της κατασκευής. Στα όρια των ζωνών 0Β-1 και πάνω ή των ζωνών 1-2 και πάνω χρειάζεται προστασία έναντι παλμών ρεύματος χαμηλής ενέργειας που προέρχονται συνήθως από τάσεις που επάγονται εξωτερικά ή από κύματα που παράγονται από το ίδιο σύστημα. Έτσι χρησιμοποιούνται SPDs τύπου 2 που ονομάζονται συσκευές προστασίας έναντι κυμάτων και πρέπει να αντέχουν παλμούς ρεύματος 8/20 μs. Στα όρια των ζωνών 2-3 και πάνω χρησιμοποιούνται SPDs τύπου 3 για την προστασία των τερματικών συσκευών έναντι κυμάτων που αναπτύσσονται μεταξύ της φάσης και του ουδέτερου. Στους παρακάτω 2 πίνακες (πίνακας 3.16 και πίνακας 3.17) αναφέρονται οι διάφοροι τύποι SPDs. Βέβαια είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι το πρότυπο E DIN VDE / A1 and -6 / A2 ίσχυε μέχρι τον Οκτώβριο του Το πρότυπο αυτό αντικαταστάθηκε από το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN [17],[18] Πίνακας 3.16: Διάφοροι τύποι SPDs 149

152 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Πίνακας 3.17: Διάφοροι τύποι SPDs 3.38 Τεχνικά χαρακτηριστικά των συστημάτων SPDs [39],[40] Μια ιδανική διάταξη προστασίας έναντι υπερτάσεων πρέπει να συμπεριφέρεται ως ανοικτό κύκλωμα υπό κανονική λειτουργία της εγκατάστασης σε περίπτωση υπέρτασης να άγει χωρίς καθυστέρηση υπό τάση λίγο μεγαλύτερη της τάσης λειτουργίας της εγκατάστασης να μην επιτρέπει η τάση στην εγκατάσταση να αυξηθεί κατά τη διάρκεια 150

153 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] που άγει, να περιορίζει το ρεύμα σφάλματος και να απορροφά την ενέργεια που το συνοδεύει να επιστρέφει στην κανονική κατάσταση λειτουργίας μετά την παρέλευση της υπέρτασης και να μην καταστρέφεται ποτέ. Παρακάτω αναφέρονται συνοπτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά των SPDs: 1. Μέγιστη τάση συνεχούς λειτουργίας Vc: Η μέγιστη τάση συνεχούς λειτουργίας είναι η rms τιμή ης μέγιστης τάσης που μπορεί να εφαρμοστεί στα άκρα του εκτροπέα υπέρτασης κατά την διάρκεια της λειτουργίας. Είναι η μέγιστη τάση στην διάταξη κατά την διάρκεια που δεν άγει, που εξασφαλίζει ότι η διάταξη θα επιστρέψει στην κατάσταση αυτήν (της μη αγωγιμότητας) μετά την παρέλευση της υπέρτασης. Η τιμή της επιλέγεται ώστε να είναι ίση ή μεγαλύτερη από την μέγιστη επιτρεπόμενη τάση λειτουργίας της προστατευόμενης εγκατάστασης. 2. Κρουστικό ρεύμα Iimp: Είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος κυματομορφής 10/35μs ή 8/20μs αντίστοιχα που μπορεί να διαρρεύσει τον εκτροπέα χωρίς να καταστραφεί. 3. Ονομαστικό ρεύμα In: Είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος κυματομορφής 8/20μs. Χρησιμοποιείται για δοκιμές κατάταξης για SPDs τύπου 2 καθώς και για δοκιμές συντήρησης και βελτίωσης για SPDs τύπου 1 και Επίπεδο προστασίας Vp: Είναι η τιμή κορυφής της τάσης που χαρακτηρίζει την ικανότητα του περιορισμού της υπέρτασης στα άκρα της διάταξης. Συνήθως από τους κατασκευαστές δένεται ο λόγος Vp / Vc όπου το επίπεδο προστασίας αναφέρεται σε ονομαστικό ρεύμα. Επιλέγεται να είναι μικρότερο από την διαβαθμισμένη κρουστική τάση αντοχής του εξοπλισμού και να ικανοποιεί ένα περιθώριο ασφαλείας τουλάχιστον 20% σε σχέση με την μέγιστη πιθανή υπέρταση που μπορεί να εμφανιστεί στον εξοπλισμό. 151

154 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 5. Ικανότητα απαγωγής ακόλουθου ρεύματος υπό τάση Vc: Πρόκειται για την rms τιμή του ακόλουθου ρεύματος δηλαδή του ρεύματος που διαρρέει την διάταξη μετά την διέλευση του κυρίου ρεύματος που μπορεί αυτόματα να εξαλειφθεί από την διάταξη όταν εφαρμοστεί η τάση Vc. Η ικανότητα αυτή θα πρέπει να αντιστοιχεί στο μέγιστο αναμενόμενο ρεύμα στην θέση εγκατάστασης του SPD, διαφορετικά πρέπει να χρησιμοποιηθεί μία ασφάλεια που θα αποτρέπει το ρεύμα αυτό να διαρρεύσει το SPD. Σύμφωνα με τα πρότυπα IEC και EN (VDE 0675 τμήματα 6-11), SPDs που συνδέονται μεταξύ ουδετέρων αγωγών και αγωγών προστασίας όπου μετά την απόκριση του SPD μπορεί να εμφανιστεί ένα ακόλουθο ρεύμα και πρέπει να έχουν ικανότητα απαγωγής ακόλουθου ρεύματος Ifl < 100A rms. 6. Προσωρινή υπέρταση Tov: Σε περίπτωση σφάλματος στο δίκτυο μέσης τάσης μπορεί να εμφανιστούν προσωρινές υπερτάσεις βιομηχανικής συχνότητας στο δίκτυο χαμηλής τάσης, διάρκειας από μερικά μs μέχρι την παρέλευση του σφάλματος και εύρους μέχρι και 1200 V ( 0.2μs ). Σε κάθε περίπτωση η διάταξη θα πρέπει να μπορεί να αντέχει την μέγιστη τιμή της προσωρινής υπέρτασης που μπορεί να εμφανιστεί στην εγκατάσταση Η χρησιμοποίηση των συστημάτων SPDs σε διάφορα δίκτυα [39] Υπάρχουν διάφορα δίκτυα όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα συστήματα SPDs. Τέτοια δίκτυα είναι πχ δίκτυα TN, δίκτυα TT, δίκτυα IT. Ακολουθεί η περιγραφή της σύνδεσης των εκτροπέων υπέρτασης (SPDs) σε δίκτυα TN με ουδετερογείωση, περίπτωση που προσεγγίζει περισσότερο τη μορφή του δικτύου στο εσωτερικό της ανεμογεννήτριας Οι εκτροπής υπέρτασης SPDs σε δίκτυα TN [39] Για την προστασία έναντι έμμεσων πληγμάτων στα δίκτυα με ουδετερογείωση χρησιμοποιούνται διατάξεις προστασίας έναντι υπερρευμάτων και λοιπών ρευμάτων (RCD = Residual Current Device). 152

155 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Εικόνα 3.58: Διπολικό RCD [39] Αυτές οι διατάξεις πρέπει να τοποθετηθούν μετά τα SPDs (κυρίως τύπου 1 και 2). Σε διαφορετική περίπτωση μπορεί να υποστούν μηχανικές βλάβες λόγω των υψηλών δυναμικών που αναπτύσσονται από το κεραυνικό ρεύμα. Εικόνα 3.59: Κατεστραμμένο RCD από ρεύμα κεραυνού [39] Τα SPDs πρέπει πάντα να χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μία ασφάλεια σαν διάταξη προστασίας έναντι υπερρευμάτων. 153

156 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.41 Συμπέρασμα Έχοντας υπ όψιν τα όσα αναφέραμε και αναλύσαμε παραπάνω είναι απαραίτητη η αποτελεσματική προστασία των διαφόρων συσκευών της ανεμογεννήτριας έναντι των επιδράσεων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και των επικίνδυνων υπερτάσεων που προκαλούνται από την διέλευση του κεραυνικού ρεύματος. Για το λόγο αυτό θωρακίζονται τόσο οι συσκευές όσο και τα καλώδια ενώ γίνεται και χρήση των συστημάτων προστασίας από υπερτάσεις (SPDs ) Η θωράκιση και η προστασία της γεννήτριας που βρίσκεται στην κορυφή του πύργου [25],[41] Ένας αποτελεσματικός τρόπος για να προστατευθεί η γεννήτρια από άμεσο πλήγμα κεραυνού είναι να τοποθετηθεί στο εσωτερικό ενός κλειστού χώρου που θα παρέχει ηλεκτροστατική και ηλεκτρομαγνητική θωράκιση. Αυτός ο χώρος είναι η νασέλλα. Γι αυτό το λόγο πρέπει να είναι κατασκευασμένη από μεταλλικά φύλλα με συνεχείς ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ τους. Επίσης πρέπει να υπάρχει καλή σύνδεση μεταξύ του κύριου ρουλεμάν και της νασέλλας όχι μόνο στη βάση της νασέλλας αλλά και στο πάνω μέρος της. Με αυτό τον τρόπο το ρεύμα του κεραυνού οδηγείται εξ ολοκλήρου στο εξωτερικό μέρος της νασέλλας και έτσι τα εσωτερικά μέρη της νασέλλας παραμένουν ανεπηρέαστα. Ακόμη καλύτερα αν υπάρχουν βούρτσες από καουτσούκ κατά των κραδασμών μεταξύ του κύριου ρουλεμάν και του κιβωτίου ταχυτήτων ή μεταξύ του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας, τότε δεν περνάει καθόλου ρεύμα από το κιβώτιο ταχυτήτων και την γεννήτρια. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν κάποια ανοίγματα στην νασέλλα για εξαερισμό και για την είσοδο του άξονα και των καλωδίων, η νασέλλα παρέχει ικανοποιητική προστασία στην γεννήτρια. Ηλεκτρομαγνητική θωράκιση στα ανοίγματα αυτά καθώς και θωράκιση των καλωδίων περιορίζουν το ρεύμα του κεραυνού που εισέρχεται στο εσωτερικό της νασέλλας. Τον ίδιο σκοπό έχει και η χρήση δακτυλιδιών ολίσθησης που οδηγούν μέρος του κεραυνικού ρεύματος από τον άξονα της ανεμογεννήτριας στο εξωτερικό της νασέλλας. 154

157 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] 3.43 Χρήση απαγωγέων και πυκνωτών υπέρτασης στην γεννήτρια [41] Είναι πιθανό να εμφανιστούν διαφορές δυναμικού στον εξοπλισμό που βρίσκεται στο εσωτερικό της νασέλλας με αποτέλεσμα να προκληθούν βλάβες λόγω της δημιουργίας ηλεκτρικού τόξου. Αν το πλαίσιο της γεννήτριας βρεθεί σε δυναμικό μεγαλύτερο από το βασικό επίπεδο μόνωσης των περιελίξεών της τότε μπορεί να δημιουργηθεί μία οπή και να χρειαστεί συντήρηση. Η μόνωση της γεννήτριας πρέπει να υφίσταται επίβλεψη και συντήρηση κάθε φορά που εμφανίζεται υπέρταση λόγω κεραυνικού πλήγματος. Ωστόσο λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου οι γεννήτριες δεν μπορούν να μονωθούν στο ίδιο επίπεδο με τις υπόλοιπες ηλεκτρικές συσκευές της ανεμογεννήτριας. Ένας αποδεκτός τρόπος για την προστασία της γεννήτριας απέναντι σε κεραυνικό πλήγμα είναι η χρήση απαγωγέων και πυκνωτών υπέρτασης. Όμως η τοποθέτησή τους στη νασέλλα έχει σαν αποτέλεσμα ένας ήδη μικρός χώρος να γίνει ακόμα μικρότερος προκαλώντας πιθανώς προβλήματα αξιοπιστίας που μπορεί να οδηγήσουν σε κάποιες αλλαγές του σχεδιασμού του συστήματος προστασίας. Αν η νασέλλα παρέχει αποτελεσματική θωράκιση και τα κύματα που εισέρχονται από τις γραμμές ισχύος είναι επαρκώς εξασθενημένα από το σύστημα προστασίας του μετασχηματιστή τότε δεν είναι απαραίτητη επιπλέον προστασία της γεννήτριας έναντι κυμάτων. Το σύστημα προστασίας που θα παρουσιαστεί προστατεύει την γεννήτρια περιορίζοντας τις τάσεις μεταξύ του αγωγού και της σιδερένιας βάσης της μηχανής καθώς και μεταξύ των στροφών των περιελίξεων. Στην ανάλυση που ακολουθεί η γεννήτρια αντιμετωπίζεται σαν μία γραμμή μετάδοσης με κατανεμημένες σταθερές. Η τάση κατά μήκος του αγωγού παράγει τάση μεταξύ των στροφών των τυλιγμάτων και όσο μικρότερος είναι ο ρυθμός ανόδου της τάσης αυτής τόσο μικρότερη είναι και η πίεση που ασκείται μεταξύ των στροφών. Ο ρυθμός ανόδου μπορεί να ελεχθεί με ένα κύκλωμα που αποτελείται από μία αυτεπαγωγή και μία χωρητικότητα σε σειρά. Αν εφαρμοστεί μια τάση Eα στο κύκλωμα τότε η τάση Ec του πυκνωτή θα ταλαντεύεται μέχρι οι απώλειες του κυκλώματος να αποσβέσουν τις ταλαντώσεις. Η Ec ταλαντεύεται γύρω από την Eα με περίοδο που δίνεται από την σχέση: T = 2π(LC) 1/2 Και ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει την κορυφή είναι T/2. Με κατάλληλη επιλογή των L και C ο χρόνος αυτός μπορεί να κρατηθεί στο ελάχιστο. Η τιμή της Eα καθορίζει τον ρυθμό ανόδου. 155

158 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Οπότε τρία στοιχεία απαιτούνται για να περιορίσουν τον ρυθμό ανόδου της τάσης μεταξύ των στροφών των περιελίξεων: 1. Μία αυτεπαγωγή 2. Μία χωρητικότητα 3. Ένας τρόπος να περιοριστεί η τάση Eα Η Eα περιορίζεται στην πράξη από έναν απαγωγέα στα τερματικά των γραμμών του μετασχηματιστή διανομής. Η γεννήτρια συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή έτσι ώστε η τάση που εφαρμόζεται από το τερματικό της γεννήτριας στην σιδερένια βάση της μηχανής να είναι Ec. Όμως αυτό το σύστημα από μόνο του δεν θα προστατεύσει την γεννήτρια γιατί η Ec θα μπορούσε να υπερβεί την Eα γεγονός που θέτει σε κίνδυνο την μόνωση μεταξύ του αγωγού και του σιδήρου. Για να εξασφαλιστεί αποτελεσματική προστασία πρέπει η Ec να διατηρηθεί ίση ή μικρότερη από την Eα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί εγκαθιστώντας έναν ακόμα απαγωγέα παράλληλα με τον πυκνωτή. Όταν η Ec φτάσει την τάση αφής του δεύτερου απαγωγέα περιορίζεται. Η αυτεπαγωγή L μπορεί να είναι ένα πηνίο ή μια αυτεπαγωγή κατανεμημένη σε ορισμένο μήκος της γραμμής. Ο πυκνωτής C είναι ειδικά κατασκευασμένος για προστασία απέναντι σε κύματα. Ο απαγωγέας της γραμμής είναι ή ενδιάμεσου τύπου ή τύπου διανομής. Ειδικός απαγωγέας για στρεφόμενες μηχανές πρέπει να χρησιμοποιηθεί για την γεννήτρια. Ο σκοπός ενός απαγωγέα είναι να περιορίσει την κορυφή της τάσης. Για να το πετύχει πρέπει να λειτουργεί σαν μονωτής συνήθως για τάση συχνότητας 60HZ και σαν αγωγός για υψηλά ρεύματα κεραυνού. Όταν το ρεύμα του κεραυνού γίνει αμελητέο πρέπει να λειτουργήσει πάλι σαν μονωτής στην κανονική τάση της γεννήτριας Η θωράκιση και η προστασία των καλωδίων [25] Όπως είδαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο όταν ένας κεραυνός πλήξει το πτερύγιο της ανεμογεννήτριας το ρεύμα του διαρρέει την νασέλλα και αφού περάσει από το κιβώτιο ταχυτήτων και τον άξονα υψηλής ταχύτητας φτάνει στην γεννήτρια. Έτσι επάγονται υπερτάσεις στα καλώδια των αισθητήρων κατά μήκος του εξωτερικού μέρους του κιβωτίου και της γεννήτριας. Οι τάσεις αυτές μπορούν να μειωθούν αποτελεσματικά με τη θωράκιση των καλωδίων και την όδευσή τους μέσα σε ειδικά κανάλια. Πιο 156

159 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] συγκεκριμένα τα καλώδια οδεύουν κοντά στην επιφάνεια της γεννήτριας σε ειδικές διαδρομές που είναι καλά συνδεδεμένες στην κατασκευή. Έτσι οι επαγόμενες τάσεις μειώνονται από αρκετές εκατοντάδες V/m σε μερικές δεκάδες V/m. Επαγόμενες υπερτάσεις μπορεί ακόμα να εμφανιστούν και στα καλώδια που κατευθύνονται από το κιβώτιο ταχυτήτων ή την γεννήτρια προς την βάση της νασέλλας. Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν ελάχιστες διαθέσιμες διαδρομές για να οδηγηθεί το ρεύμα στην βάση. Έτσι οι πυκνότητες του ρεύματος στα καλώδια αυτά είναι πολύ μεγάλες. Όταν ο κεραυνός. Όταν ο κεραυνός πλήξει τα πτερύγια το ρεύμα θα οδηγηθεί στον άξονα οδήγησης, ένα μέρος του θα συνεχίσει προς το κιβώτιο ταχυτήτων και ένα μικρότερο μέρος θα φτάσει τελικά στην γεννήτρια. Η ποσότητα του ρεύματος που φτάνει τελικά στην γεννήτρια εξαρτάται από το αν η νασέλλα είναι μεταλλική και από τον τρόπο με τον οποίο στοιχεία όπως το κιβώτιο ταχυτήτων και τα ρουλεμάν είναι συνδεδεμένα. Αν χρησιμοποιηθούν μικρά καλώδια τα οποία οδεύουν κοντά στους συνδετικούς ιμάντες τότε μπορεί να επιτευχθεί αξιοσημείωτη μείωση της επαγόμενης τάσης. Αν οδηγηθούν ακριβώς ενάντια στον ιμάντα στις συνδέσεις των καλωδίων τότε θα μειωθεί ακόμη περισσότερο η τάση αλλά στην πράξη είναι συχνά δύσκολο να συνδεθούν ογκώδη καλώδια με αυτόν τον τρόπο. Πιο αποτελεσματική είναι η χρήση μιας πλάκας ή πάλι ενός καναλιού μέσα στο οποίο θα οδεύουν τα καλώδια και που θα πρέπει να είναι καλά στερεωμένο στην κατασκευή και στα δύο άκρα. Περαιτέρω μείωση της τάσης μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση συζευκτήρων από καουτσούκ έναντι κραδασμών. Το κιβώτιο ταχυτήτων και η γεννήτρια δεν αποτελούν πλέον άμεσο τμήμα της διαδρομής του κεραυνικού ρεύματος αν και πάλι ένα μικρό μέρος του θα αποκλίνει από τη βάση της νασέλλας και θα περάσει στην γεννήτρια Η προστασία του ηλεκτρονικού συστήματος της ανεμογεννήτριας [41] Ένα από τα κυριότερα συστήματα μιας ανεμογεννήτριας είναι και το ηλεκτρονικό της σύστημα από το οποίο εξαρτάται και η σωστή λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Αποτελείται από αισθητήρες οι οποίοι ανιχνεύουν διάφορες παραμέτρους όπως είναι η κατεύθυνση και η ένταση του ανέμου, αν υπάρχει επικάθηση πάγου στα πτερύγια κλπ. Σε αυτές τις πληροφορίες βασίζεται η λήψη σωστών αποφάσεων. Αν λοιπόν το ηλεκτρονικό σύστημα δεν είναι επαρκώς προστατευόμενο τότε ενδεχόμενο κεραυνικό πλήγμα θα προκαλέσει λανθασμένες ενδείξεις των αισθητήρων που θα οδηγήσουν σε 157

160 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] κακές αποφάσεις σχετικά με την λειτουργία της ανεμογεννήτριας με καταστροφικές συνέπειες. Γι αυτό το λόγο τα ηλεκτρονικά συστήματα πρέπει να προστατεύονται τόσο από την ολοκληρωτική καταστροφή όσο και από μία απλή δυσλειτουργία που μπορεί να προκαλέσει ένα κεραυνικό πλήγμα. Υπάρχουν δύο φιλοσοφίες στις οποίες μπορεί να βασιστεί ο σχεδιασμός του συστήματος προστασίας του ηλεκτρονικού συστήματος της ανεμογεννήτριας. Στην πρώτη υπάρχουν διαφορετικές περιοχές κάθε μία από τις οποίες μειώνει δραστικά την υπέρταση. Είναι πιθανό να υπάρχει ένα εξωτερικό στρώμα θωράκισης που μειώνει αποτελεσματικά το κυρίως μέρος της ενέργειας του κεραυνού. Οι διατάξεις προστασίας αυτού του στρώματος μπορεί να αποκρίνονται λίγο πιο αργά από την αρχική άνοδο της υπέρτασης, μπορούν όμως να αντέξουν και τελικά να την περιορίσουν. Ωστόσο μέσα σε αυτό το εξωτερικό στρώμα υπάρχει μία περιοχή όπου εμφανίζεται μία μικρή παραμένουσα υπέρταση η οποία όμως αντιμετωπίζεται από άλλα γρηγορότερα μέσα προστασίας. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται (με διαδοχικά στρώματα προστασίας) μέχρι τελικά η παραγόμενη υπέρταση να έχει μειωθεί σε επιτρεπτά επίπεδα και η υπό προστασία ηλεκτρονική συσκευή να μην απειλείται. Στην δεύτερη φιλοσοφία αναφέρεται σε διαφορετικά επίπεδα προστασίας δηλαδή σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας και τάσης στα οποία λειτουργούν τα διάφορα μέσα προστασίας. Για παράδειγμα οι γραμμές κοινής ωφέλειας έχουν μεγάλες ασφάλειες και απαγωγείς υπέρτασης που απορροφούν μεγάλο μέρος της ενέργειας του κεραυνού και μειώνουν την παραγόμενη υπέρταση στα επιτρεπτά για τις γραμμές τοπικών παροχών επίπεδα. Στις γραμμές τοπικών παροχών υπάρχουν μέσα προστασίας με μικρότερη τάση λειτουργίας τα οποία μειώνουν περαιτέρω την υπέρταση. Η διαδικασία συνεχίζεται με διαδοχικά επίπεδα έως ότου η παραγόμενη υπέρταση να μειωθεί σε αποδεκτά επίπεδα και να μην κινδυνεύει η υπό προστασία συσκευή Τεχνικές προστασίας του ηλεκτρονικού συστήματος της ανεμογεννήτριας [41] Οι βασικές τεχνικές προστασίας που χρησιμοποιούνται για την προστασία του ηλεκτρονικού συστήματος της ανεμογεννήτριας είναι δύο: 1. Η εκτροπή της υπέρτασης που εμφανίζεται στο σύστημα 2. Η θωράκιση του συστήματος έναντι υπερτάσεων 158

161 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Επιπλέον κατά την διάρκεια δυσλειτουργίας του συστήματος λόγω κεραυνικού πλήγματος είναι συχνά απαραίτητο να διατηρηθούν ορισμένα ηλεκτρονικά δεδομένα ζωτικής σημασίας μέχρι να επιστρέψει το σύστημα στην κανονική λειτουργία Εκτροπή της υπέρτασης που εμφανίζεται στην ανεμογεννήτρια [41] Αυτή η μέθοδος προστασίας επιτυγχάνεται με δύο βασικούς τρόπους. Ο πρώτος είναι να οδηγηθεί το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας της υπέρτασης κατά μήκος μιας σχετικά ασφαλούς και προκαθορισμένης διαδρομής έτσι ώστε τα στοιχεία της ανεμογεννήτριας να παρακαμφθούν και να μην υποστούν βλάβες. Η διαδρομή αυτή αποτελείται από το αλεξικέραυνο, τον αγωγό καθόδου και την γείωση. Ο δεύτερος τρόπος είναι να χρησιμοποιηθούν συσκευές σε κομβικές θέσεις για να παρεκκλίνουν εκείνο το μέρος της ενέργειας που δεν ρέει μέσω της προκαθορισμένης διαδρομής. Γενικά το ρεύμα πρέπει να οδηγείται στην γη χωρίς να περνάει μέσα ή κοντά από τις ηλεκτρονικές διατάξεις της ανεμογεννήτριας. Αυτό σημαίνει ότι οι ηλεκτρονικές διατάξεις πρέπει να τοποθετούνται μακριά από τους αγωγούς καθόδου, τα πόδια του πύργου, τα καλώδια υποστήριξης κλπ. Όσο πιο μεγάλη είναι η απόσταση της διαδρομής ροής του κεραυνικού ρεύματος από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό τόσο ασθενέστερο είναι το επαγόμενο μαγνητικό πεδίο. Αν αυτό δεν είναι εφικτό τότε πρέπει να εξασφαλιστεί ότι το ρεύμα περνάει γύρω από τα ηλεκτρονικά στοιχειά σε ίσες αποστάσεις έτσι ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται τα ίσα και αντίθετα μαγνητικά πεδία δίνοντας μηδενικό συνολικό πεδίο. Η θωράκιση των ηλεκτρονικών συσκευών μπορεί να μειώσει ακόμη περισσότερο τις επιδράσεις των μεταβαλλόμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Ιδανική θωράκιση αποτελεί μία κλειστή κυλινδρική συμπαγής και αγώγιμη κατασκευή (κλωβός Faraday) της οποίας η εξωτερική επιφάνεια χρησιμεύει για να οδηγήσει το ρεύμα στο έδαφος. Θεωρητικά το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της είναι μηδενικό. Τέλος το ρεύμα διαχέεται στο έδαφος μακριά από ηλεκτρονικό εξοπλισμό και γραμμές ισχύος. Οι διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν απαγωγείς, ρελαί και συσκευές περιορισμού. Η λειτουργία τους βασίζεται στην αρχή ότι η σύνθετη αντίσταση της επιθυμητής διαδρομής ροής είναι μικρότερη από αυτήν της διαδρομής που θέλουμε να προστατεύσουμε. Για να μπορέσει να περιορίσει την τάση μία τέτοια διάταξη 159

162 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] χρειάζεται και μία σύνθετη αντίσταση σειράς, το μέγεθος της οποίας είναι καθοριστικής σημασίας. Μερικές φορές το υπάρχον καλώδιο μπορεί να παίξει τον ρόλο σύνθετης αντίστασης. Τα ρελαί συνήθως συνδέονται μέσω καλωδίου με το σύστημα έτσι ώστε όταν το ρεύμα ξεπεράσει μια συγκεκριμένη τιμή να διακόψουν το κύκλωμα. Έχουν αργή απόκριση και κατασκευάζονται για να χρησιμοποιούνται ως διακόπτες φορτίου. Οι συσκευές περιορισμού είναι ένας τύπος απαγωγέα και αναφέρονται συνήθως σε διατάξεις όπως σωλήνες αερίου. Συσκευές με ταχύτερη απόκριση περιλαμβάνουν βαρύστορες διόδους zener και ειδικές διόδους περιορισμού που ονομάζονται Transorb (ΤΜ). Γενικά όσο γρηγορότερη απόκριση έχει μια διάταξη τόσο λιγότερη ενέργεια μπορεί να διαχειριστεί και τόσο πιο κοντά στην προστατευόμενη συσκευή τοποθετείται Προστασία έναντι ηλεκτρομαγνητικού πεδίου [41] Πρόκειται είτε για μια κλειστή κατασκευή που περικλείει την υπό προστασία συσκευή ή για ένα καλώδιο που οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού στο έδαφος χωρίς να περάσει από την συσκευή. Η θωράκιση έναντι ηλεκτρικού πεδίου εξαρτάται από την κατανομή του επιφανειακού φορτίου στην θωράκιση έτσι ώστε να εμποδιστεί η ηλεκτρική ροή που παράγεται από εξωτερικά ηλεκτρικά φορτία. Η θωράκιση έναντι μαγνητικού πεδίου εξαρτάται από την ευθυγράμμιση των μαγνητικών διπόλων στην θωράκιση ώστε να εμποδιστούν οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου που προέρχονται από εξωτερικές ροές ρευμάτων ή μαγνητισμένες εξωτερικές πηγές. Συνήθως η θωράκιση αποτελείται από πολλά στρώματα. Με την χρήση των κατάλληλων υλικών και την προσεκτική κατασκευή μπορεί να εξασφαλιστεί θωράκιση της τάξης των 40 decibel ή και περισσότερο από κάθε στρώμα. Αν απαιτείται θωράκιση σε μία συγκεκριμένη περιοχή συχνοτήτων μπορεί να υπάρχουν συνδέσεις μεταξύ θωρακίσεων σε άλλες συχνότητες. Δύο στρώματα θωράκισης το ένα μέσα στο άλλο που παρέχουν θωράκιση 40 decibel το καθένα, δίνουν συνολική θωράκιση της τάξης των 80 decibel. Decibel = 10 log(p1/p2) όπου, 160

163 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] P1 είναι η ισχύς εκτός της θωράκισης και P2 η ισχύς εντός αυτής. Κάθε στρώμα πρέπει να είναι χωρισμένο από τα υπόλοιπα για το φάσμα συχνοτήτων της θωράκισης. Αν δύο στρώματα συνδεθούν μεταξύ τους μέσω μίας διαδρομής χαμηλής αντίστασης σε κάποια περιοχή συχνοτήτων τότε θα έχουμε κατανομή φορτίου ανάμεσά τους και θα υποβιβαστούν σε ένα ενιαίο στρώμα στην περιοχή αυτή. Γενικά η θωράκιση είναι πιο αποτελεσματική όσο αυξάνεται η συχνότητα Σύστημα γείωσης της ανεμογεννήτριας [25],[41],[39],[42] Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να διαχέεται το ρεύμα του κεραυνού προς το έδαφος μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης χωρίς να αναπτύσσονται επικίνδυνες υπερτάσεις, να συνδέει ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου όπου αυτό είναι εφικτό, να περιορίζει την ανύψωση του δυναμικού του εδάφους στην περιοχή του και τέλος να αναχαιτίζει τον κεραυνό στην περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους Ορισμοί 1. Ηλεκτρόδιο γείωσης: Είναι ένας αγωγός που βρίσκεται σε αγώγιμη επαφή με τη γη, ή ένας αγωγός στο σκυρόδεμα, ο οποίος είναι σε επαφή με τη γη μέσω μιας μεγάλης επιφάνειας. 2. Γη αναφοράς (άπειρη γη): Το μέρος της γης εκτός της περιοχής επιρροής ενός ηλεκτροδίου γείωσης ή ένας συστήματος γείωσης όπου μεταξύ δύο σημείων δεν εμφανίζεται καμία διαφορά δυναμικού λόγω του ρεύματος που ρέει στην γη. 3. Οριζόντιο ηλεκτρόδιο γείωσης: Είναι ένα οριζόντια θαμμένο ηλεκτρόδιο γείωσης. 4. Ράβδος γείωσης: Είναι ένα κάθετα θαμμένο ηλεκτρόδιο γείωσης. 5. Αγωγός γείωσης: Είναι ένας αγωγός που συνδέει ένα μέρος της εγκατάστασης που πρέπει να γειωθεί σε ένα ηλεκτρόδιο γείωσης ή ένας αγωγός ο οποίος 161

164 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] συνδέει ηλεκτρόδια γείωσης και βρίσκεται εκτός του εδάφους ή είναι θαμμένος στο έδαφος και μονωμένος από αυτό. 6. Αγωγός σύνδεσης: Είναι ένας αγωγός που εξασφαλίζει ισοδυναμικές συνδέσεις. 7. Ισοδυναμική σύνδεση: Είναι η αγώγιμη σύνδεση μεταξύ αγώγιμων μερών για να μειωθεί η διαφορά δυναμικού ανάμεσα σε αυτά τα μέρη. 8. Σύστημα γείωσης: Είναι ένα τοπικά περιορισμένο σύστημα από αγώγιμα συνδεδεμένα ηλεκτρόδια γείωσης ή μεταλλικά μέρη ισοδύναμης αποτελεσματικότητας (βάσεις θεμελίων πύργου, οπλισμοί, μεταλλικά περιβλήματα καλωδίων) από αγωγούς γείωσης και αγωγούς συνδέσεων. 9. Ανύψωση δυναμικού της γης: Είναι η τάση σε ένα σύστημα γείωσης και στη γη αναφοράς. 10. Τάση επαφής: Είναι το μέρος της ανύψωσης δυναμικού της γης που μπορεί να δεχθεί ο άνθρωπος και οφείλεται σε σφάλματα γης υποθέτοντας ότι το ρεύμα ρέει μέσω του ανθρώπινου σώματος από τα χέρια στα πόδια. 11. Βηματική τάση: Είναι το μέρος της ανύψωσης δυναμικού της γης που μπορεί να δεχθεί ένας άνθρωπος με άνοιγμα ποδιών 1m, υποθέτοντας ότι το ρεύμα ρέει μέσω του ανθρώπινου σώματος από το ένα πόδι στο άλλο. 12. Μεταφερόμενα δυναμικά: Είναι μία ειδική περίπτωση των τάσεων επαφής όπου μια τάση μεταφέρεται από την ανεμογεννήτρια σε ένα απομακρυσμένο σημείο εξωτερικά της ανεμογεννήτριας Αντίσταση γείωσης Πρέπει να αναφερθεί ότι είναι πολύ σημαντικό η αντίσταση γείωσης να έχει όσο το δυνατόν χαμηλότερη τιμή γιατί έτσι μειώνονται δραστικά οι τάσεις επαφής και οι βηματικές τάσεις. Επίσης περιορίζονται οι μέγιστες τάσεις κατά μήκος του πύργου συμβάλλοντας έτσι στην προστασία των ηλεκτρονικών συσκευών αλλά και άλλων 162

165 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ευάλωτων στοιχείων της ανεμογεννήτριας. Ο αρχικός παλμός του κεραυνικού ρεύματος διασχίζει τον πύργο προς τα κάτω. Αν στο τέλος της διαδρομής δεν συναντήσει γείωση ή συναντήσει σύστημα γείωσης με πολύ μεγάλη αντίσταση τότε ένας παλμός τάσης ίδιου μεγέθους αντανακλάται και κατευθύνεται προς το σημείο πλήγματος διπλασιάζοντας τις τάσεις ανά μονάδα μήκους. Μια τέτοια κατάσταση σε μια ανεμογεννήτρια μπορεί να προκαλέσει διάσπαση των μονώσεων, αναφλέξεις και να απειλήσει την ασφάλεια του προσωπικού. Γι αυτό αν σχεδιαστεί σύστημα γείωσης με πολύ χαμηλή αντίσταση τότε αντανακλάται ένας παλμός τάσης με αντίθετη πολικότητα από τον αρχικό παλμό ρεύματος προκαλώντας σημαντική μείωση της πτώσης τάσης κατά μήκος του πύργου. Υπάρχει όμως και μία αρνητική συνέπεια γιατί καθώς το επιστρέφον κύμα τάσης συνοδεύεται από ένα κύμα ρεύματος, αυξάνονται τα ρεύματα και οι τάσεις που επάγονται μέσω μαγνητικής σύζευξης Ο ρόλος του εδάφους Η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος γείωσης εξαρτάται πάρα πολύ από την ειδική αντίσταση του εδάφους. Από ηλεκτρική σκοπιά η γη είναι ένα μη ομογενές, ανισότροπο, μη γραμμικό και με διαδοχικά επίπεδα μέσο. Επιπρόσθετα η ηλεκτρική συμπεριφορά της είναι η συνάρτηση ης περιεχόμενης υγρασίας, της χαμηλής σύνθεσης, της θερμοκρασίας και της πίεσης. Ο πίνακας 3.18 δείχνει τις τυπικές τιμές της ειδικής αντίστασης συγκεκριμένων εδαφών αλλά οι τιμές αυτές ποικίλουν πολύ. Πίνακας 3.18: Τυπικές τιμές της ειδικής αντίστασης συγκεκριμένων εδαφών Ειδική αντίσταση σε Τύπος εδάφους Ωm Χουμώδες έδαφος, βάλτος Υγρή άμμος 200 Αμμώδες έδαφος, ξερό 500 Ξερή άμμος 1000 Πετρώδες έδαφος 3000 Επειδή οι τιμές της ειδικής αντίστασης γείωσης του εδάφους ποικίλουν πολύ ο μόνος ικανοποιητικός τρόπος για την εύρεση της τιμής της είναι να μετριέται κάθε φορά απ ευθείας η ειδική αντίσταση γείωσης. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι για την μέτρηση της 163

166 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ειδικής αντίστασης της γης. Όλες οι μέθοδοι περιλαμβάνουν το πέρασμα του ρεύματος μέσω αυτής της αντίστασης και της μέτρησης της πτώσης τάσης κατά μήκος της. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι αυτή των τεσσάρων σημείων ακροδεκτών (μέθοδος Wenner). Για την εφαρμογή αυτής της μεθόδου η γη θεωρείται ότι είναι ένα ομογενές ισότροπο μέσο. Άλλοι μέθοδοι που διεξάγονται με την βοήθεια υπολογιστή μπορούν να αναλύσουν τύπους εδαφών με πολλά επίπεδα Η μέθοδος των 4 ακροδεκτών του Wenner για την μέτρηση της ειδικής αντίστασης [25] Εικόνα 3.60: Η μέθοδος των 4 ακροδεκτών για την μέτρηση της ειδικής αντίστασης [25] Με την μέθοδο του Wenner για την μέτρηση της ειδικής αντίστασης του εδάφους έχουμε τέσσερα μικρά ηλεκτρόδια μονωμένα εκτός από ένα σημείο στις άκρες του εισέρχονται κάθετα στη γη σε ίση απόσταση [a] μεταξύ τους. Οι άκρες των ηλεκτροδίων βρίσκονται σε βάθος [b]. Ένα ρεύμα I περνάει ανάμεσα στα εξωτερικά ηλεκτρόδια και μια διαφορά δυναμικού V μετριέται μεταξύ των εσωτερικών ηλεκτροδίων. Η κοινή αντίσταση R ορίζεται ως ο λόγος V/I. Όταν το b<0.1 η παραπάνω εξίσωση γίνεται ως εξής: 164

167 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Και πρέπει στο σημείο αυτό να τονιστεί ότι η ειδική αντίσταση του εδάφους σε κάθε θέση είναι δυνατό να ποικίλει κατά την διάρκεια ενός έτους καθώς το περιεχόμενο της υγρασίας του εδάφους μεταβάλλεται. Γι αυτό η ειδική αντίσταση του εδάφους πρέπει να μετριέται πολλές φορές κατά την διάρκεια ενός έτους Η συνηθισμένη χρήση των ηλεκτροδίων για την αντίσταση γείωσης Κατακόρυφη ράβδος: Χρησιμοποιείται για να μειώσει την αντίσταση γείωσης σε περιοχές με χαμηλή ειδική αντίσταση εδάφους, γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Οριζόντιος αγωγός: Χρησιμοποιείται ενώνοντας χωριστά συστήματα γείωσης. Μειώνει την σύνθετη αντίσταση γείωσης όταν η ειδική αντίσταση εδάφους δεν μειώνεται με το βάθος. Ηλεκτρόδιο τύπου δακτυλίου: Χρησιμοποιείται γύρω από ιστούς και πύργους ανεμογεννήτριας. Επίσης χρησιμοποιείται πολλές φορές ένας αριθμός ξεχωριστών δακτυλίων Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης σύμφωνα με τους κανονισμούς του IEC [28],[34],[41] Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες διάταξης των ηλεκτροδίων γείωσης, η διάταξη τύπου Α και η διάταξη τύπου Β. Διάταξη τύπου Α Η διάταξη τύπου Α περιλαμβάνει ακτινικά οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης. Κάθε αγωγός καθόδου πρέπει να συνδέεται τουλάχιστον σε ένα ανεξάρτητο 165

168 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] ηλεκτρόδιο γείωσης ενώ ο ελάχιστος συνολικός αριθμός ηλεκτροδίων γείωσης πρέπει να είναι δύο. Τα ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να αλληλοσυνδέονται μέσω δακτυλίου ισοδυναμικής σύνδεσης ή ισοδυναμικών ζυγών στην κατασκευή. Διάταξη τύπου Α θεωρείται και μία διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης που επιπρόσθετα περιλαμβάνει περιμετρικό δακτύλιο ισοδυναμικής σύνδεσης των αγωγών καθόδου ο οποίος βρίσκεται σε επαφή με το έδαφος σε ποσοστό μικρότερο από το 80% του συνολικού μήκους του. Διάταξη τύπου Β Η διάταξη τύπου Β αποτελείται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου εξωτερικά της κατασκευής με τουλάχιστον το 80% του μήκους του σε επαφή με το έδαφος ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Σε μια ανεμογεννήτρια συνήθως χρησιμοποιείται διάταξη τύπου Β με ηλεκτρόδιο τύπου δακτυλίου να τοποθετείται περιμετρικά και το οποίο συνδέεται με το ενισχυμένο σκυρόδεμα των θεμελίων. Εικόνα 3.61: Εγκατάσταση θεμελιακού ηλεκτροδίου γείωσης [34] Επειδή ασκούνται μεγάλες δυνάμεις από τον άνεμο στην ανεμογεννήτρια είναι απαραίτητη μια βάση πύργου με αξιοσημείωτη μηχανική αντοχή. Μία βάση από ενισχυμένο σκυρόδεμα ικανοποιεί αυτό το σκοπό αλλά ταυτόχρονα συμβάλλει και στον 166

169 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] σχεδιασμό μίας αποτελεσματικής διαδρομής όδευσης του κεραυνικού ρεύματος προς τη γη. Για ακόμη περισσότερη μηχανική ενίσχυση της βάσης χρησιμοποιούνται ενισχυτικές μπάρες στο εσωτερικό του σκυροδέματος που και αυτές μπορούν να συμβάλλουν στην οδήγηση του ρεύματος προς τη γη. Ο αριθμός των ισχυρά διασυνδεδεμένων μπαρών αλλά και το μήκος της κάθε μπάρας πρέπει να επιλέγουν έτσι ώστε το συσσωρευμένο μήκος αυτού του συστήματος μπαρών να είναι τουλάχιστον 6 μέτρα. Έτσι δημιουργείται ένα πλέγμα μεγάλης έκτασης το οποίο εξασφαλίζει μικρές πυκνότητες ρεύματος περιορίζοντας έτσι τις θερμικές βλάβες και τις διασπάσεις. Εικόνα 3.62: Πλέγμα διασυνδεδεμένων μπαρών [41] Όμως εκτός από το σύστημα των ενισχυτικών μπαρών πάντα χρησιμοποιούνται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια τύπου δακτυλίου εξωτερικά της ανεμογεννήτριας σε απόσταση τουλάχιστον 1m από τους εξωτερικούς τοίχους και θαμμένα σε βάθος τουλάχιστον 0.5m. Τα ηλεκτρόδια αυτά χρησιμοποιούνται γιατί εξασφαλίζουν εξίσωση δυναμικών στο έδαφος γύρω από την βάση του πύργου, μειώνουν τις τάσεις επαφής και τις βηματικές τάσεις γύρω από την βάση του πύργου καθιστώντας εφικτή την πρόσβαση στην περιοχή αυτή και τέλος αποτρέπουν την επιφανειακή διάσπαση του εδάφους ή την διάσπαση εντός του σκυροδέματος. Επίσης ο αριθμός των επιπλέον ηλεκτροδίων δεν πρέπει να είναι μικρότερος από τον αριθμό των αγωγών καθόδου με ελάχιστη τιμή 2. Δηλαδή αν χρησιμοποιηθεί σαν αγωγός καθόδου ο πύργος της ανεμογεννήτριας τότε θα πρέπει να τοποθετηθούν 2 επιπλέον ηλεκτρόδια. Οι ανεμογεννήτριες είναι συνήθως εγκατεστημένες σε βραχώδεις ή ξηρές περιοχές και γενικά σε περιοχές με υψηλή αντίσταση εδάφους και γι αυτό για να επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή της αντίστασης χρησιμοποιούνται επιπρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης τα οποία συνδέονται στο εξωτερικό ηλεκτρόδιο. Τα επιπρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης είναι ακτινικά θαμμένοι αγωγοί που μπορούν να επιμηκυνθούν 167

170 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] τόσο όσο χρειάζεται για να μειωθεί η τιμή της αντίστασης. Για πολύ βραχώδη εδάφη οι αγωγοί αυτοί τοποθετούνται στην επιφάνεια του εδάφους. Εικόνα 3.63: Σύστημα γείωσης αποτελούμενο από πλέγμα μπαρών, δύο ηλεκτρόδια τύπου δακτυλίου και επιπρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης [41] 3.52 Μέθοδοι γείωσης μιας ανεμογεννήτριας [41] Η γείωση μιας ανεμογεννήτριας γίνεται τοποθετώντας ένα ηλεκτρόδιο τύπου δακτυλίου γύρω από τα θεμέλια και συνδέεται μέσω των θεμελίων με τον πύργο της ανεμογεννήτριας. Κάθετοι ράβδοι ή οριζόντια ηλεκτρόδια συνδέονται συχνά με το δακτυλιοειδές ηλεκτρόδιο γείωσης ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη τιμή της αντίστασης γείωσης. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, τιμή της αντίστασης γείωσης μικρότερη ή ίση με 10 Ω θεωρείται κατάλληλη για τους σκοπούς του συστήματος της αντικεραυνικής προστασίας. Σε ένα αιολικό πάρκο το ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου είναι ένα μέρος μόνο ενός πολύ μεγαλύτερου συστήματος γείωσης. Σε ένα αιολικό πάρκο το σύστημα των καλωδίων συνδέεται σε ένα μετασχηματιστή με το πρωτεύον του τύλιγμα σε συνδεσμολογία αστέρα ή στον υποσταθμό του πάρκου. Οι ξεχωριστές γειώσεις κάθε ανεμογεννήτριας είναι συνδεδεμένες μέσω της μεταλλικής θωράκισης των καλωδίων ισχύος. Αυτό συντελεί στο να μειωθεί η συνολική σύνθετη αντίσταση γείωσης σε μια χαμηλή τιμή. 168

171 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] Βιβλιογραφία: [1] Εικόνες από και 1 Εικόνα από [2] Δημήτρης Β. Κανελλόπουλος "Αιολική ενέργεια" [3] Ευθύμιος Καραλής "Λειτουργία και έλεγχος συστήματος ανεμογεννήτριας" Διπλωματική εργασία [4] Internet " [5] Internet " MaterialsandManufacturing_FactSheet.pdf" [6] Internet " - Διάφορες πληροφορίες [7] Internet " [8] [9] IEC wind tyrbine generator systems-part24:lightning [10] Lightning damage of owecs [11] [12] Lightning protection of wind tyrbines [13] Exerimental studiew on lightning protection design for wind turbine blades [14] 169

172 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] [15] Case study of lightning damage to wind turbine blade, National Lightning Safety Institute [16] Lightning protection for wind turbine blades and bearings [17] Wind energy department laboratory for wind turbine testing, Pikermi Attiki Greece [18] College of engineering and technology southern illinois university carbonable [19] [20] Experimental and analytical studies of lightning overvoltages in wind turbine gneration systems [21] Study on lightning damage mechanism of wind power generators [22] Ηλεκτρικές εγκαταστάσεις II Δρ-Μηχ Κυριάκος Γ. Σιδεράκης ΑΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ ΣΤΕΦ/ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ [23] [24] IEC , Wind Tyrbine Generator (lightning protection) [25] Lightning protection of wind turbines (Google.gr) [26] Μοντελοποιηση ενος καναλιου εκκενωσεων και η ηλεκτρικη του επιδραση στο συστημα αντικεραυνικης προστασιας ενος πτερυγιου ανεμογεννητριας - Διπλωματική εργασία (Σπυρίδωνος Φωτίου) [27] Ηλεκτρικές εγκαταστάσεις II Δρ-Μηχ Κυριάκος Γ. Σιδεράκης ΑΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ ΣΤΕΦ/ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ [28] IEC "Protection against lightning" 170

173 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών [κεφ. 3ο] [29] [30] Lightning protection of wind turbines "IET POWER AND ENERGY SERIES 58" [31] [32] IEC [33] [34] Earth and lightning protection system for ENERCON WEC's "W.Fellensiek,A.Bohm [35] nourgiou%203.htm [36] [37] ting.pdf [38] [39] [40] [41] [42] %20Final.pdf [43] 171

174 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑ'Ι'ΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εικόνα 4.1: Συστοιχίες φωτοβολταικών συστημάτων [1] 4.1 Η ηλιακή ενέργεια [4] Στις μέρες μας η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό της στους μεγάλους θερμοηλεκτρικούς και υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Οι παραπάνω μορφές παραγωγής ενέργειας καταναλώνουν πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κάρβουνο ή ουράνιο και άλλα σχάσιμα υλικά ή χρησιμοποιούν υδατοπτώσεις. Όλες όμως αυτές οι ενεργειακές πηγές έχουν σχετικά περιορισμένες προοπτικές αφού τα αέρια, υγρά ή στερεά και γενικά συμβατικά καύσιμα, άλλα και τα πυρηνικά καύσιμα, εξαντλούνται βαθμιαία, ενώ και η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι ποσοτικά καθορισμένη και γεωγραφικά περιορισμένη. Επιπλέον, γνωστές είναι και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των παραπάνω μορφών παραγωγής ενέργειας, καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη και χρήση τεχνολογιών για την εκμετάλλευση ήπιων μορφών ενέργειας. Το ενδιαφέρον για την ηλιακή ενέργεια εντάθηκε όταν χάρη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, διαπιστώθηκε η πρακτική δυνατότητα της εύκολης, άμεσης και αποδοτικής 172

175 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών. Η φωτοβολταϊκή μέθοδος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια έχει κυρίως πλεονέκτημα, αν εξαιρέσουμε το σχετικά υψηλό κόστος για τις περισσότερες εφαρμογές, η αδυναμία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας να παράγει συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια λόγω των διακυμάνσεων της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια του 24ώρου και η απαίτηση της χρησιμοποίησης μεγάλων σχετικά επιφανειών λόγω της μικρής ποιότητας της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. [8] Εικόνα 4.2: Τιμές ηλιακής ακτινοβολίας για την Ελλάδα [8] Τα πλεονεκτήματα της φωτοβολταϊκής μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι τα ακόλουθα: Ανανεώσιμη και ελεύθερα διαθέσιμη ενεργειακή πηγή. Ικανοποιητική απόδοση μετατροπής. Σχετικά εύκολη μέθοδος κατασκευής των ηλιακών κυττάρων από πρώτες ύλες. Πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων. 173

176 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Τα ηλιακά στοιχεία δεν έχουν κινούμενα μέρη και είναι σχεδόν απαλλαγμένα από την ανάγκη επίβλεψης και συντήρησης. Ακόμα και σε περίπτωση βλάβης, η αποκατάστασή της λειτουργίας γίνεται εύκολα λόγω της σπονδυλωτής μορφής της φωτοβολταϊκής διάταξης. Η φωτοβολταϊκή μετατροπή δεν προκαλεί ρύπανση στο περιβάλλον, ούτε θόρυβο ή άλλη ενόχληση και δεν δημιουργεί απόβλητα. Δίνει την δυνατότητα ανεξαρτησίας από κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής, καθιστώντας τη μία λογικού κόστος παροχή ενέργειας σε εγκαταστάσεις απομακρυσμένες από το κυρίως δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί μπορούν να λειτουργήσουν με όσο μικρή ισχύ ζητηθεί. Η αναλογία της παραγόμενης ισχύος ως προς το βάρος της διάταξης είναι αρκετά μεγάλη, περίπου 100W/kg, που είναι σημαντική ιδιότητα για τις διαστημικές εφαρμογές. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των ημιαγώγιμων υλικών και η συνεχής μείωση του κόστους παραγωγής τους, οδηγούν σε σταδιακή μείωση και του κόστους των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Ένα βασικό μειονέκτημα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι ότι, σε αντίθεση με πολλά άλλα συστήματα μετατροπής, η τροφοδοσία του (ηλιακή ακτινοβολία) δεν είναι καθόλου σταθερή αλλά αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής. ακολουθώντας συχνά απότομες και απρόβλεπτες διακυμάνσεις. Το ποσό της ενέργειας που περιέχεται στο φως του ήλιου, ονομάζεται ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και με μία πιο αυστηρή ορολογία, ροή ακτινοβολίας που ορίζεται ως το ποσό της ενέργειας της ακτινοβολίας που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα εμβαδού μιας επιφάνειας τοποθετημένης κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας και εκφράζεται συνήθως σε Kw/ m 2. Επίσης στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνεια τους. Ένα μέρος από την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχειού και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον, ενώ από την ακτινοβολία που διεισδύει ένα μέρος πάλι συμβάλλει στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Η ηλιακή ενέργεια είναι καθαρή, ήπια και ανανεώσιμη. Η ηλιακή ακτινοβολία δεν ελέγχεται από κανέναν και αποτελεί ένα ανεξάρτητο εγχώριο ενεργειακό πόρο που παρέχει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Τα φωτοβολταϊκά τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα 174

177 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] θεωρούνται τα ιδανικά συστήματα ενεργειακής μετατροπής καθώς χρησιμοποιούν την πλέον διαθέσιμη πηγή ενέργειας στον πλανήτη και παράγουν ηλεκτρισμό που αποτελεί την πιο χρήσιμη μορφή ενέργειας. Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα φωτοβολταικών είναι αδιαμφισβήτητα. Κάθε κιλοβατώρα που παράγεται από φωτοβολταϊκά και άρα όχι από συμβατικά καύσιμα συνεπάγεται με την αποφυγή έλκυσης ενός περίπου κιλού διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό σύστημα του ενός κιλοβάτ αποτρέπει κάθε χρόνο την έλκυση 1,3 1,4 τόνων διοξειδίου του άνθρακα, όσο δηλαδή θα απορροφούσαν δύο στρέμματα δάσους. Επιπλέον συνεπάγεται λιγότερες εκπομπές άλλων επικίνδυνων ρύπων όπως είναι τα αιωρούμενα μικροσωματίδια, τα οξείδια του αζώτου, κτλ. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα πυροδοτούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και αλλάζουν το κλίμα της γης, ενώ η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία και το περιβάλλον. Η βαθμιαία αύξηση των μικρών ηλεκτροπαραγωγών μπορεί να καλύψει αποτελεσματικά τη διαρκή αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας η οποία σε διαφορετική περίπτωση θα έπρεπε να καλυφθεί με μεγάλες επενδύσεις για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από μικρούς παραγωγούς μπορεί να περιορίσει επίσης την ανάγκη επενδύσεων σε νέες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Το κόστος μιας νέας γραμμής μεταφοράς είναι υψηλό αν λάβουμε υπόψη μας πέρα από τον τεχνολογικό εξοπλισμό και θέματα που σχετίζονται με την εξάντληση των φυσικών πόρων και τις αλλαγές στις χρήσεις της. Οι διάφοροι παραγωγοί πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν ιδανική λύση για τη μελλοντική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στις περιπτώσεις όπου αμφισβητείτε η ασφάλεια της παροχής. Η τοπική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν δοκιμάζεται από δαπανηρές ενεργειακές απώλειες που αντιμετωπίζει το ηλεκτρικό δίκτυο, απώλειες οι οποίες στην Ελλάδα ανέρχονται σε 10,6% κατά μέσο όρο. Από την άλλη η μέγιστη παραγωγή ηλιακού ηλεκτρισμού συμπίπτει χρονικά με τις ημερήσιες αιχμές της ζήτησης βοηθώντας έτσι στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου στην αποφυγή black out και στη μείωση του συνολικού κόστους της ηλεκτροπαραγωγής δεδομένου ότι η κάλυψη αυτών των αιχμών είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Σημειωτέον ότι κάθε ώρα black out κοστίζει στην εθνική οικονομία εκατομμύρια ευρώ. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας με τη χρήση φωτοβολταικών παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα: Μηδενική ρύπανση Αθόρυβη λειτουργία 175

178 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής (γύρω στα 30 χρόνια) Απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα Δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες Ελάχιστη συντήρηση 4.2 Η κατάσταση στην Ελλάδα [8] Σε γενικές γραμμές, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στην Ελλάδα παράγει κατά μέσο όρο ετησίως περί τις κιλοβατώρες ανά εγκαταστημένο κιλοβάτ (ΚWh / έτος /KW). Προφανώς στις νότιες και πιο ηλιόλουστες περιοχές της χώρας ένα φωτοβολταϊκό παράγει περισσότερο ηλιακό ηλεκτρισμό απ ότι στις βόρειες. Υπάρχουν πάνω από 550 kwp εγκατεστημένων Φ/Β συστημάτων σε όλη τη χώρα. Τα μεγαλύτερα συστήματα έχουν εγκατασταθεί από τη ΔΕΗ. Οι εφαρμογές αυτές αφορούν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το δίκτυο των νησιών και την ηλεκτροδότηση μικρών χωριών. Μεγαλύτερο πλήθος συστημάτων, πάνω από 350 άλλα μικρότερης ισχύος, έχει εγκαταστήσει η υπηρεσία φάρων του πολεμικού ναυτικού. Ένα ακόμα μεγαλύτερο πλήθος έχει εγκατασταθεί από ιδιώτες για ηλεκτροδότηση εξοχικών κατοικιών, μικρών ξενοδοχειακών μονάδων, μοναστηριών κ.λπ. Οι εγκαταστάσεις αυτές έχουν γίνει χωρίς καμία οικονομική ενίσχυση από την πολιτεία. Εκτίμηση για το αξιοποιήσιμο δυναμικό δεν είναι δυνατόν να δοθεί, γιατί η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να αξιοποιηθεί παντού, φθάνει να προσφέρει μια οικονομικά βιώσιμη λύση. Το μέσο κόστος παραγωγής της ΔΕΗ, σε τιμές του 1994, για το διασυνδεδεμένο σύστημα (Ηπειρωτική Ελλάδα) ήταν 0.04 / kwp, ενώ το μέσο κόστος παραγωγής στα νησιά κυμάνθηκαν από 0.23 μέχρι 0.30 / kwp. Αν, συνεπώς, προστεθεί στην τιμή της kwp, το εξωτερικό κόστος που παράγεται στη νησιωτική χώρα, αυτή αυξάνεται και η ψαλίδα ανάμεσα στα Φ/Β κα στα συμβατικά καύσιμα κλείνει. Όσο για ορισμένα από τα νησιά, η τιμή της τοπικά παραγόμενης ενέργειας είναι ήδη τέτοια, που η Φ/Β ενέργεια είναι σήμερα πιθανότατα η πλέον συμφέρουσα λύση στις περιπτώσεις που προγραμματίζεται ενίσχυση του τοπικού δικτύου της ΔΕΗ. Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι το κόστος ηλεκτροπαραγωγής κατά τη διάρκεια ωρών αιχμής, για πολλά από τα νησιά που παρουσιάζουν σχετικά χαμηλό μέσο κόστος, είναι δύο και τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό, γεγονός που σημαίνει, ότι και σε αυτά τα 176

179 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] νησιά η χρήση Φ/Β συστημάτων πιθανόν να αποτελέσει μια ανταγωνιστική πρόταση στο μέλλον. Πίνακας 4.1: Εξέλιξη αγοράς φωτοβολταικών στην Ελλάδα [1] 4.3 Εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων [9] Τα Φ/Β συστήματα απευθύνονται σε περιοχές εφαρμογών, όπου το σχετικά υψηλό κόστος τους δεν αποτελεί σημαντικό εμπόδιο. Οι εφαρμογές αυτές συνήθως χαρακτηρίζονται από: χαμηλές ενεργειακές ανάγκες έλλειψη εναλλακτικών τρόπων παροχής ενέργειας ή όπου υπάρχουν, αυτοί είναι πολύ ακριβοί (π.χ. σύνδεση με ένα απομακρυσμένο δίκτυο) απαιτήσεις υψηλής αξιοπιστίας ή και χαμηλές ανάγκες συντήρησης 177

180 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Σαν κυριότερες κατηγορίες εφαρμογών Φ/Β συστημάτων μπορούν να θεωρηθούν οι εξής: α) Καταναλωτικά προϊόντα (0, Wp) Τα συστήματα της κατηγορίας αυτής χρησιμοποιούνται σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες με το δίκτυο ή σε τροχόσπιτα, σκάφη αναψυχής, κ.λπ., για τη εξυπηρέτηση αναγκών φωτισμού και ψύξης και για προϊόντα όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές φανοί κ.α. Εικόνα 4.3: Εφαρμογή φωτοβολταϊκών προϊόντων [1] β) Αυτόνομα ή απομονωμένα συστήματα (100Wp 200 KWp) Στην κατηγορία αυτή συγκαταλέγονται συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κατοικίες και μικρούς οικισμούς που δεν είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Ακόμη χρησιμοποιούνται για: αφαλάτωση / άντληση / καθαρισμό νερού φωτισμό (δρόμων, πάρκων, αεροδρομίων) συστήματα τηλεπικοινωνιών, τηλεμετρήσεων και συναγερμού συστήματα σηματοδότησης (οδικής κυκλοφορίας, ναυτιλίας, αεροναυτιλίας) ψύξη (αγροτικών προϊόντων, φαρμάκων κ.λπ.) 178

181 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] γ) Συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο (100 KWp αρκετά MWp) Εικόνα 4.4: Αυτόνομη κατοικία με φωτοβολταϊκά [9] Στην κατηγορία αυτή, που σύμφωνα με τις συμβατικές θεωρήσεις προς το παρόν δεν αξιολογείτε σαν οικονομικά βιώσιμη, διακρίνονται δύο κατηγορίες συστημάτων: Φ/Β συστήματα μεγέθους έως μερικών εκατοντάδων kwp που τροφοδοτούν κατοικίες, συγκροτήματα κατοικιών ή άλλα κτίρια και όπου η τυχόν πλεονάζουσα ενέργεια τροφοδοτείται (πωλείται) προς το δίκτυο. Φ/Β σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπου η παραγόμενη ενέργεια διοχετεύεται απευθείας στο δίκτυο. Εικόνα 4.5: Εφαρμογές φωτοβολταικών για διασύνδεση με το δίκτυο [9] 179

182 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Για τα Φ/Β συστήματα που αναρτώνται σε κτίρια (σε προσόψεις, οροφές, κ.λπ.), σε σύνδεση με το δίκτυο, τελευταία έχει εκδηλωθεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τα οφέλη που προκύπτουν είναι : Συγχρονισμός Ψυκτικών φορτίων κτιρίων με μέγιστη παραγόμενη ισχύ από Φ/Β Αποφυγή χρήσης γης Αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Επίσης, γίνεται προσπάθεια για χρήση των Φ/Β και ως δομικών στοιχείων στα κτίρια, αυξάνοντας έτσι τα οικονομικά οφέλη, εκτός από αυτά που ήδη αναφέρθηκαν. 4.4 Στοιχεία κατασκευής φωτοβολταϊκών συστημάτων [4] Το κύριο συστατικό κάθε φωτοβολταϊκού συστήματος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα φωτοβολταϊκά ηλεκτρικά στοιχεία. Τα στοιχεία αυτά είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκου που καθώς δέχονται στην επιφάνειά τους την ηλιακή ακτινοβολία εκδηλώνουν μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην μπρός και πίσω όψη τους. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής του και την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται ένα ηλιακό στοιχείο μπορεί να δώσει τάση V και πυκνότητα ρεύματος ma ανά cm 2 της επιφάνειάς του. 4.5 Ημιαγωγικά στοιχεία [4] Το βασικό ημιαγωγικό υλικό που χρησιμοποιείται στην κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι το πυρίτιο. Για την παρασκευή του πυριτίου χρησιμοποιείται πυριτική άμμος περιεκτικότητας 99.5% σε διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και άνθρακας ( C ) που αναμειγνύονται μεταξύ τους και θερμαίνονται σε υψηλή θερμοκρασία. Το αποτέλεσμα είναι η πρόκληση αναγωγής από τον άνθρακα στο διοξείδιο του πυριτίου και στην συνέχεια η λήψη μετά από τον σχετικό καθαρισμό του πυριτίου σε λιωμένη κατάσταση. 180

183 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Η ένωση P-N [4] Οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των διατάξεων ημιαγωγών δεν προέρχονται κυρίως από την δημιουργία φορέων αλλά οφείλονται περισσότερο στην διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών είναι η ένωση p-n, που μπορούμε να θεωρήσουμε ότι σχηματίζεται όταν έλθουν σε στενή επαφή ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p με ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου n. Αμέσως τότε ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τύπου p διαχέεται προς το τεμάχιο του τύπου n όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος απ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι επίσης πολύ λιγότερα. Η ανάμιξη των φορέων και η αύξηση της συγκέντρωσης των φορέων μειονότητας στις περιοχές κοντά στην διαχωριστική επιφάνεια των τεμαχίων τύπου p και n ανατρέπουν την κατάσταση ισορροπίας που υπήρχε πριν. Η αποκατάσταση των συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις των φορέων μέχρι οι συγκεντρώσεις ους να πάρουν τιμές που να ικανοποιούν το νόμο δράσης των μαζών. Για αυτό η περιοχή γύρω από μια ένωση p-n ονομάζεται ζώνη εξάντλησης των φορέων. Η διάταξη ημιαγωγών που αποτελείται από μια ένωση p-n και από μια ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τμήμα της ονομάζεται δίοδος ημιαγωγού ή απλά δίοδος. Σε αντίθεση με τους ευκίνητους φορείς των ημιαγωγών που τείνουν να διαχέονται προς τις περιοχές με τη μικρότερη συγκέντρωσή τους η συγκέντρωση των αρνητικών ιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι αποδέκτες στο τμήμα τύπου p και η συγκέντρωση των θετικών ιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι δότες στο τμήμα τύπου n παραμένουν αμετάβλητες αφού τα ιόντα όπως συνήθως όλα τα άτομα στα στερεά μένουν ακίνητα στο σώμα. Έτσι το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική ουδετερότητα και οι δύο πλευρές της ένωσης p-n φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος που περιέχει την ένωση p-n παρουσιάζει εντελώς διαφορετική συμπεριφορά στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος ανάλογα με τη φορά του Ορθή και ανάστροφη πόλωση της διόδου [4] Η μία περίπτωση είναι να επιβληθεί στη δίοδο p-n ορθή πόλωση, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί με το τμήμα τύπου n της διόδου και ο θετικός πόλος με το τμήμα τύπου p. 181

184 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Αντίστροφα στην ανάστροφη πόλωση δηλαδή αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί με το τμήμα τύπου p και ο θετικός με το τμήμα τύπου n γίνεται επανασύνδεση των οπών του τμήματος τύπου p με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή και από την άλλη μεριά απομάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τμήματος προς το θετικό πόλο της πηγής. 4.6 Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι: Φωτοβολταϊκά στοιχειά πυριτίου Φωτοβολταϊκά στοιχεία άλλων υλικών Φωτοβολταϊκά στοιχειά πυριτίου [4] Το πυρίτιο είναι από τα πιο διαδεδομένα στοιχεία στη φύση αφού αποτελεί το 25% του γήινου φλοιού. Το καθαρό πυρίτιο παράγεται από την άμμο, της οποίας το κύριο συστατικό είναι το οξείδιο του πυριτίου. Η πρώτη φάση του καθαρισμού γίνεται με την ανάτηξη από την οποία προκύπτει πυρίτιο μεταλλουργικής ποιότητας. SiO 2 +2C Si + 2CO Η δεύτερη φάση περιλαμβάνει τη μετατροπή του μεταλλουργικού πυριτίου, με τη βοήθεια υδροχλωρικού οξέος, σε αέριο τριχλωροσιλάνιο. Si+3HCI Si HCI 3 + H 2 Στην τρίτη φάση γίνεται ο καθαρισμός του τριχλωροσιλανίου με κλασματική απόσταξη και η αναγωγή του με υδρογόνο, οπότε παράγεται πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας. 182

185 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Στην τελευταία φάση το ηλεκτρονικό πυρίτιο τήκεται και ανακρυσταλλώνεται με ακόμη μεγαλύτερη καθαρότητα σε κυλινδρική μονοκρυσταλλίκη μορφή διαμέτρου 10cm περίπου. Στη συνέχεια από τον κύλινδρο κόβονται δίσκοι πάχους 0,5mm, οι οποίοι αφού λειανθούν διαμορφώνονται σε διόδους επαφής p-n με διάχυση ή εμφύτευση των κατάλληλων προσμίξεων. Το φ/β στοιχείο αποκτά την τελική του μορφή με την συγκόλληση των ηλεκτροδίων στις δύο όψεις του δίσκου, την κάλυψη της εμπρός επιφάνειας με αντανακλαστικό επίστρωμα και την στεγανοποίηση. Το πυρίτιο είναι ο ημιαγωγός, που κυριάρχησε μέχρι σήμερα σαν υλικό κατασκευής των Φ/Β στοιχείων. Ανάλογα με τη δομή του βασικού υλικού ή τον ιδιαίτερο τρόπο κατασκευής, τα Φ/Β στοιχεία πυριτίου διακρίνονται σε τέσσερις τύπους: 1. Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (c-si) Αποτελούνται από μεγάλους κρυστάλλους, το πάχος του υλικού είναι σχετικά μεγάλο (~300 μm) και έχουν χρώμα σκούρο μπλε. Σε εργαστηριακή μορφή το Φ/Β στοιχείο έχει απόδοση 21 24%, ενώ σε μορφή Φ/Β πλαισίων η απόδοση είναι 13 16%. Εικόνα 4.6: Κομμάτι φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου [8] Εικόνα 4.7: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου [8] 183

186 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 2. Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου ( m-si) Κόβονται σε στοιχεία τετραγωνικής μορφής και αποτελούνται από λεπτά επιστρώματα πάχους μm. Έχουν χρώμα γαλάζιο και στην επιφάνεια του στοιχείου διακρίνονται διαφορετικές μονοκρυσταλλικές περιοχές. Σε εργαστηριακή μορφή το Φ/Β στοιχείο έχει απόδοση 17 20%, ενώ σε μορφή Φ/Β πλαισίων η απόδοση 12 14%. Τέλος, το κόστος κατασκευής τους είναι μικρότερο από το αντίστοιχο του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Εικόνα 4.8: Κομμάτι φωτοβολταϊκού πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου [8] Εικόνα 4.9: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου [8] 3. Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας Είναι λεπτή ταινία πολυκρυσταλλικού πυριτίου, η οποία δημιουργείται από τηγμένο υλικό. Το Φ/Β στοιχείο έχει απόδοση 13% και περιορισμένη χρήση λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής. 4. Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (α-si) Το άμορφο πυρίτιο διαφέρει από το κρυσταλλικό πυρίτιο. Το ενεργειακό χάσμα του κυμαίνεται από 1,2 ev έως 1,6 ev, ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής του, ενώ το ενεργειακό χάσμα του κρυσταλλικού πυριτίου έχει σταθερή τιμή 1,1 ev. 184

187 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] To μεγάλο του πλεονέκτημα είναι ότι έχει πολύ μεγαλύτερο συντελεστή απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να αρκεί ένα λεπτό στρώμα πάχους λίγων μm για την κατασκευή των Φ/Β στοιχείων. Η μικρή ποσότητα χρησιμοποιούμενου υλικού μειώνει το κόστος παραγωγής. Το άμορφο πυρίτιο έχει στρεβλωμένους χημικούς δεσμούς, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει μέτριες ηλεκτρικές ιδιότητες. Η βελτίωσή τους εξασφαλίζεται με την προσθήκη ατόμων υδρογόνου, που συμπληρώνουν τους ατελείς χημικούς δεσμούς. Το Φ/Β στοιχείο από υδρογονούχο άμορφο πυρίτιο α-si: Η έχει απόδοση 6 8%. Σήμερα κατασκευάζονται διατάξεις από δύο ή τρία Φ/Β στοιχεία, που τοποθετούνται το ένα πίσω από το άλλο, τα οποία είναι διαφορετικά κράματα άμορφου πυριτίου (α-si: Ge, α- Si:C κ.λπ.). Τα Φ/Β στοιχεία έχουν διαφορετικό ενεργειακό χάσμα και εμπρός τοποθετείται εκείνο που έχει το μεγαλύτερο. Τελευταίο τοποθετείται το Φ/Β στοιχείο με το μικρότερο ενεργειακό χάσμα. Έτσι, τα φωτόνια μικρής ενέργειας που διέρχονται από το πρώτο στοιχείο, απορροφούνται από το δεύτερο ή το τρίτο περιορίζοντας τη θερμική μετατροπή. Μία τέτοια διάταξη έχει απόδοση 10 12%. Εικόνα 4.10: Πάνελ άμορφου πυριτίου [8] Εικόνα 4.11: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο άμορφου πυριτίου [8] 185

188 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Φωτοβολταϊκά στοιχεία άλλων υλικών [4] Εκτός από τα Φ/Β στοιχεία πυριτίου, τα οποία αποτελούν και τα πιο διαδεδομένα σήμερα στον κόσμο, κατασκευάζονται Φ/Β στοιχεία και από άλλα υλικά, τα οποία προς το παρόν εμφανίζουν μειονεκτήματα που περιορίζουν τη χρήση τους. Τα πιο σημαντικά από αυτά είναι τα ακόλουθα: 1. Φωτοβολταϊκό στοιχείο αρσενικούχου γαλλίου (GaAs) Παρουσιάζει τη μεγαλύτερη απόδοση (25%) και το υψηλότερο κόστος κατασκευής και χρησιμοποιείται σε διαστημικές εφαρμογές. 2. Φωτοβολταϊκό στοιχείο δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CuInSe 2 ) Έχει χαμηλό κόστος κατασκευής και μικρή απόδοση σε μορφή Φ/Β πλαισίου, η οποία μπορεί να φτάσει το 8 10% με την προσθήκη γαλλίου Ga. 3. Φωτοβολταϊκό στοιχείο θειούχου χαλκού θειούχου καδμίου (Cu 2 S/CdS) Έχει χαμηλό κόστος κατασκευής αλλά όχι σταθερή απόδοση, η οποία φτάνει το 10%. 4.7 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο [4] Ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από πολλές φωτοβολταϊκές κυψέλες που είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους. Η φωτοβολταϊκή κυψέλη είναι η στοιχειώδης μονάδα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος γιατί εκεί μετατρέπεται η ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Υπάρχουν πολλά είδη φωτοβολταϊκών κυψελών διαθέσιμα στην αγορά και πολλά άλλα υπό ανάπτυξη. Χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά και διατάξεις με στόχο την μέγιστη παραγωγή ενέργειας από την συσκευή με όσο το δυνατόν χαμηλότερο κόστος. Έχουν κατασκευαστεί κυψέλες στο εργαστήριο με απόδοση που ξεπερνά το 30%. Ωστόσο η απόδοση αυτών που κυκλοφορούν στο εμπόριο είναι περίπου η μισή. Η τάση που εκδηλώνει ένα Φ/Β στοιχείο πυριτίου σε κανονική ηλιακή ακτινοβολία είναι έως 0,5 V και η ηλεκτρική ισχύς που παράγει δεν ξεπερνά τα 0,4 W περίπου. Είναι, λοιπόν, προφανές ότι οι τιμές αυτές θεωρούνται πολύ μικρές για την τροφοδότηση των 186

189 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] συνηθισμένων ηλεκτρικών καταναλώσεων. Λύση στο πρόβλημα αποτελεί η σύνδεση των Φ/Β σε σειρά, κατά τρόπο ανάλογο της σύνδεσης των ηλεκτρικών πηγών. Ένα σύνολο Φ/Β στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά, έτσι ώστε να αποτελούν εύχρηστη σε μέγεθος μονάδα, ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module) και για λόγους ευκολίας γράφεται Φ/Β πλαίσιο. Εικόνα 4.12: Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε σειρά και παράλληλα [1] H σύνδεση Φ/Β στοιχείων σε σειρά πρέπει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 1. Δυνατότητα συνδυασμού με ηλεκτρικό συσσωρευτή τυπικής ονομαστικής τάσεως 12V, για να είναι δυνατή η αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. 2. Ευκολία μεταφοράς, ενσωμάτωσης σε μεγαλύτερα σύνολα και αντικατάστασης σε περίπτωση βλάβης Η σύνδεση Φ/Β στοιχείων σε σειρά γίνεται με τη σύνδεση του θετικού ηλεκτροδίου του ενός στοιχείου με το αρνητικό ηλεκτρόδιο του επόμενου. Κατά την σύνδεση ν όμοιων Φ/Β στοιχείων σε σειρά ισχύουν οι αντίστοιχοι κανόνες συνδεσμολογίας ηλεκτρικών πηγών είναι: 1. Το Φ/Β πλαίσιο έχει ανάλογα πολλαπλάσια τάση ανοιχτού κυκλώματος V OCΠ 2. Το Φ/Β πλαίσιο έχει ρεύμα βραχυκύκλωσης I SCΠ ίσο με το αντίστοιχο I SC του ενός Φ/Β στοιχείου. 187

190 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Μορφολογία φωτοβολταϊκού πλαισίου Τα Φ/Β πλαίσια κατασκευάζονται σε μορφή σάντουιτς. Πάνω σε ένα φύλλο από μέταλλο (συνήθως αλουμίνιο) ή από ενισχυμένο πλαστικό, στερεώνονται τα Φ/Β στοιχεία με κατάλληλη κολλητική ουσία. Το φύλλο αυτό αποτελεί την πλάτη του πλαισίου. Η εμπρός όψη των στοιχείων καλύπτεται από προστατευτικό φύλλο γυαλιού ή διαφανούς πλαστικού. Τα δύο φύλλα, εμπρός και πίσω, συγκρατούνται μεταξύ τους με τη βοήθεια ταινίας από συνθετικό ελαστικό και συσφίγγονται με περιμετρικό μεταλλικό περίβλημα. Είναι προφανές ότι η κατασκευή αυτή εξασφαλίζει την απαραίτητη μηχανική αντοχή, τις υποδοχές στήριξης και την αυξημένη στεγανότητα για προστασία από την υγρασία. Εικόνα 4.13: Μορφολογία φωτοβολταϊκού πλαισίου [1] Τα Φ/Β στοιχεία συνδέονται σε σειρά και διατάσσονται σε κλάδους (στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου) με στόχο την όσο το δυνατόν καλύτερη προσαρμογή των φωτοβολταϊκών πλαισίων στα κτίρια. Στις στέγες των παραδοσιακών κτιρίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν Φ/Β πλαίσια με τη μορφή κεραμιδιών. Στις πλευρές μπορούν να τοποθετηθούν πλαίσια με τη μορφή ζωγραφικών πινάκων. Σε διαδρόμους μεγάλων κτιριακών συγκροτημάτων προτείνεται η χρήση ημιπερατών φωτοβολταϊκών πλαισίων, τα οποία συνδυάζουν τον ημερήσιο φυσικό φωτισμό των διαδρόμων και τον τεχνητό φωτισμό από φωτοβολταϊκή ηλεκτρική ενέργεια. 188

191 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Προβλήματα - επιπτώσεις που προκύπτουν στην απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων [2] Θα πρέπει να αναφέρουμε τέσσερα πολύ σοβαρά προβλήματα, τα οποία μπορούν ακόμα και να καταστρέψουν ένα Φ/Β πλαίσιο. Πρόκειται για την υγρασία, την υπερθέρμανση ενός Φ/Β στοιχείου η οποία ονομάζεται κατάσταση θερμικής κηλίδας, η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και η επίδραση της σκόνης. Υγρασία Επειδή η απόλυτη στεγανοποίηση ενός Φ/Β πλαισίου είναι πολύ δύσκολη, οι περισσότεροι κατασκευαστές πιστεύουν ότι είναι προτιμότερο να μπορεί να αναπνέει το πλαίσιο, έτσι ώστε να μην παγιδεύεται στο εσωτερικό του η υγρασία. Είναι προφανές ότι όσοι υδρατμοί εισέρχονται στο πλαίσιο συμπυκνώνονται σε νερό. Έτσι, για την απομάκρυνση του νερού προβλέπουν μία οπή στον πίνακα συνδέσεων, την οποία καλύπτουν με σήτα προκειμένου να αποτρέψουν την είσοδο μικρών ζώων. Υπερθέρμανση Φ/Β στοιχείου Όταν ένα Φ/Β στοιχείο δεν δέχεται την προσπίπτουσα στο Φ/Β πλαίσιο ηλιακή ακτινοβολία (π.χ. καλύπτεται από ένα φύλλο ή κάποιο άλλο εμπόδιο), σταματάει να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Επειδή όμως τα Φ/Β στοιχεία συνδέονται σε σειρά, που σημαίνει ότι το Φ/Β στοιχείο με το μικρότερο ρεύμα βραχυκύκλωσης επιβάλλει στο Φ/Β πλαίσιο το δικό του ρεύμα, το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα από το πλαίσιο τείνει στο μηδέν. Παράλληλα, το σκιασμένο Φ/Β στοιχείο δέχεται το άθροισμα των τάσεων όλων των άλλων στοιχείων ανάστροφα και αρχίζει να υπερθερμαίνεται. Το φαινόμενο αυτό προκαλεί τελικά την καταστροφή του Φ/Β στοιχείου (αναγνωρίζεται γιατί αποκτά καφέ χρώμα), αλλά μπορεί να προκαλέσει ακόμα και πυρκαγιά αν το Φ/Β πλαίσιο συνδέεται με ηλεκτρικό συσσωρευτή 24 V. Η προστασία της εγκατάστασης εξασφαλίζεται με την παράλληλη σύνδεση μίας διόδου παράκαμψης ΔΠ ( by-pass diode) σε κάθε ομάδα Φ/Β στοιχείων. Συνδέοντας μία δίοδο ανά 18 στοιχεία σε ένα Φ/Β πλαίσιο με 36 στοιχεία σε σειρά, διατηρούμαι την ανάστροφη τάση, που θα δεχθεί το σκιασμένο Φ/Β στοιχείο μικρότερη από 10 V. Έτσι, αποφεύγουμε την υπερθέρμανση του, αλλά και το Φ/Β πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα κι αν κάποιο Φ/Β στοιχείο του καταστραφεί. Οι δίοδοι 189

192 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] παράκαμψης τοποθετούνται στο κιβώτιο συνδέσεων, που βρίσκεται στο πίσω μέρος του Φ/Β πλαισίου. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας ή διαφορετικά η μεταβολή της έντασης της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνειά του το φωτοβολταϊκό πλαίσιο κατά τη διάρκεια της ημέρας αλλά και του έτους καθιστά την τροφοδοσία του μη σταθερή η οποία αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής. Επομένως η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς του πλαισίου εξαρτάται από την χρονική μεταβολή της έντασης της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνειά του. Η αυξομείωση αυτή δεν κάνει καλό στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο και του επιφέρει φθορά η οποία εμφανίζεται με τον καιρό. Η επίδραση της σκόνης Η επίδραση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων από την ρύπανση και την σκόνη του περιβάλλοντος δεν είναι καθόλου αμελητέα. Αντίθετα με τη χρήση ενός αδιάστατου συντελεστή υπεισέρχεται και αυτή η παράμετρος στον υπολογισμό της μέγιστης απόδοσης. Ο παραπάνω συντελεστής παίρνει τιμή 0.8 για περιβάλλον με υψηλό επίπεδο ρύπανσης. Πάντως η κλίση με την οποία τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ευνοεί τον καθαρισμό της επιφάνειάς τους από την βροχή και τον αέρα και έτσι περιορίζεται η επίδραση του συγκεκριμένου παράγοντα. Στις περιπτώσεις όμως που τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται με οριζόντια κλίση συνίσταται ο περιοδικός καθαρισμός τους Βαθμός απόδοσης φωτοβολταϊκού Το πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας, ονομάζεται βαθμός απόδοσης η Π του Φ/Β πλαισίου. όπου, η Π = P Mπ / P ΗΑ 190

193 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] P Mπ (W) : μέγιστη αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς Φ/Β πλαισίου P ΗΑ (W) : ισχύς προσπίπτουσας ακτινοβολίας Αν η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας P ΗΑ δίνεται ανά μονάδα επιφανείας, δηλαδή σε (W/m 2 ), η σχέση του βαθμού απόδοσης γίνεται η Π = P Mπ / (P ΗΑ* S Π ) όπου, P Mπ (W) : μέγιστη αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς Φ/Β πλαισίου P ΗΑ (W/ m 2 ) : ισχύς προσπίπτουσας ακτινοβολίας. S Π (m 2 ) : επιφάνεια Φ/Β πλαισίου Ο βαθμός απόδοσης η Π του Φ/Β πλαισίου μπορεί να γραφεί και ως πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, που παράγει το Φ/Β πλαίσιο επί ένα χρονικό διάστημα, προς την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια επί το ίδιο χρονικό διάστημα όπου, η Π = Ε Mπ / (Ε ΗΑ* S Π ) Ε Mπ (ΚWh) : μέγιστη αποδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια Φ/Β πλαισίου Ε ΗΑ (ΚWh/ m 2 ) : ενέργεια προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας S Π (m2) : επιφάνεια Φ/Β πλαισίου Ο βαθμός απόδοσης η Π του Φ/Β πλαισίου επηρεάζεται από τέσσερις παράγοντες: 1. Γήρανση Η απόδοση του Φ/Β πλαισίου μειώνεται λόγω της αλλοίωσης των υλικών κατασκευής των Φ/Β στοιχείων. Για την διαχρονική μείωση της απόδοσης λαμβάνουμε το συντελεστή γήρανσης σ γ =0,90 191

194 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 2. Ρύπανση επιφάνειας Η απόδοση του Φ/Β πλαισίου, ιδίως εκείνου που έχει μικρή κλίση, μειώνεται λόγω της ρύπανσης της επιφάνειας του από την επικάθηση σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από τη θάλασσα, εντόμων, ακαθαρσιών κ.λπ. Η μείωση της απόδοσης είναι σημαντικότερη σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές λόγω αιθάλης, γι αυτό και απαιτείται περιοδικός καθαρισμός της επιφάνειας με απορρυπαντικό. Σε περιοχές με συχνές χιονοπτώσεις ή ισχυρούς ανέμους, το Φ/Β πλαίσιο πρέπει να τοποθετείται κάθετα ή με κλίση 45 ο αντίστοιχα, για να μην συγκρατείται το χιόνι και η σκόνη. Για τους παραπάνω λόγους λαμβάνουμε ένα συντελεστή ρύπανσης σ ρ σύμφωνα με τις ακόλουθες τιμές. σ ρ = 0,95 για πλαίσια που καθαρίζονται συχνά 0,90 για πλαίσια ελαφρώς σκονισμένα 0,80 για πλαίσια οριζόντια και ακάθαρτα 3. Αύξηση θερμοκρασίας Η απόδοση του Φ/Β πλαισίου επηρεάζεται σημαντικά από την άνοδο της θερμοκρασίας των Φ/Β στοιχείων, των οποίων η μέση θερμοκρασία είναι 30 ο C περίπου μεγαλύτερη από αυτή της λειτουργίας του σε πρότυπες συνθήκες STC. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε τον συντελεστή θερμοκρασίας σ θ. σ θ = 1-[t a +30)-25]*0.004 όπου, t a [ ο C] : μέση μηνιαία θερμοκρασία αέρα 4. Δίοδος αντεπιστροφής Η δίοδος αντεπιστροφής ΔΑ, που εμποδίζει την εκφόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτή διαμέσου του Φ/Β πλαισίου, όταν αυτό δεν φωτίζεται, προκαλεί απώλειες ενέργειας της τάξεως του 1%. Οι απώλειες αυτές λαμβάνονται υπόψη με τον συντελεστή απωλειών διόδου σ δ =0,99 192

195 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Τοποθέτηση φωτοβολταϊκών Η τοποθέτηση των Φ/Β πλαισίων γίνεται σε στέγες κτιρίων, σε στύλους, σε ικριώματα, σε πλαγιές λόφων και σε ελεύθερους χώρους. Για τη σωστή λειτουργία της εγκατάστασης κάθε Φ/Β πλαίσιο πρέπει να έχει ανοιχτό ορίζοντα, δηλαδή, να μην σκιάζεται από κτίρια, δέντρα κ.λπ. Ειδικά στα κτίρια, η τοποθέτηση γίνεται με τρεις τρόπους : 1. Σταθερά στηρίγματα Τα στηρίγματα είναι ξύλινα ή μεταλλικά και προσφέρουν εύκολη πρόσβαση στο εμπρός και το πίσω μέρος των Φ/Β πλαισίων, για να μπορεί να γίνει η συντήρηση, ενώ παράλληλα εξασφαλίζουν καλό αερισμό και δροσισμό των Φ/Β στοιχείων. Εικόνα 4.14: Σταθερό στήριγμα φωτοβολταϊκού [1] 2. Στηρίγματα ρυθμιζόμενης κλίσης Τα στηρίγματα επιτρέπουν στα Φ/Β πλαίσια να προσανατολίζονται και να παρακολουθούν την κίνηση του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας. Οι αυτοματισμοί αυξάνουν σημαντικά το κόστος της εγκατάστασης, αλλά βελτιώνουν το βαθμό απόδοσης του συστήματος, επειδή όπως είναι γνωστό, η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη σε μία επιφάνεια κάθετη προς αυτήν. 193

196 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Εικόνα 4.15: Στήριγμα ρυθμιζόμενης κλίσης για φωτοβολταϊκό [1] 3. Ενσωμάτωση στο κέλυφος του κτιρίου Τα Φ/Β πλαίσια ενσωματώνονται στο κέλυφος του κτιρίου και καλύπτουν τμήματα της οροφής ή των εξωτερικών τοίχων, αντικαθιστώντας μεγάλες επιφάνειες δομικών στοιχείων. Τα νέου τύπου ημιδιαφανή πλαίσια μπορούν να τοποθετηθούν στη θέση υαλοπινάκων και στεγάστρων συνδυάζοντας την ηλιοπροστασία με την παραγωγή ενέργειας. Εικόνα 4.16: Φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετημένα πάνω σε κτίριο [1] 194

197 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.8 Μετατροπή ενέργειας DC/DC και μετά DC/AC Αναπόσπαστα συστατικά μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι οι διατάξεις για την μετατροπή της παραγόμενης ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε μορφή κατάλληλη για την τροφοδότηση των φορτίων. Οι διατάξεις αυτές αποτελούνται από έναν DC/DC μετατροπέα σε συνδυασμό με έναν DC/AC αντιστροφέα. Εικόνα 4.17: Διάγραμμα φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο με μπαταρίες για αποθήκευση ενέργειας η οποία τροφοδοτεί καταναλωτές συνεχούς και εναλλασσομένου ρεύματος [1] Ο αντιστροφέας αυτός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και για τη σύνδεση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης με το δίκτυο ώστε να παρέχει σε αυτό την περίσσεια της φωτοβολταϊκής ισχύος. 195

198 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Εικόνα 4.18: Διάγραμμα φωτοβολταϊκού συστήματος διασυνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ [1] 4.9 Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο [6] Είναι γνωστό ότι τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι όσο διαρκεί η ακτινοβόληση μια περίσσεια από ζεύγη φορέων πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς αυτοί καθώς κυκλοφορούν στο στερεό μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n οπότε θα δεχθούν την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου. Έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Δηλαδή η διάταξη αποτελεί μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο Η δημιουργία του φωτορεύματος [6] Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται κατάλληλη ακτινοβολία διεγείρεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτορεύμα Iφ που η τιμή του θα είναι ανάλογη προς 196

199 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο. Αν υποθέσουμε ότι έχουν εξασφαλιστεί οι βασικές προϋποθέσεις για ένα καλό φωτοβολταϊκό στοιχείο τότε για την πυκνότητα του φωτορεύματος ισχύει ικανοποιητικά η σχέση: όπου, Iφ = e*g*(ln+lp) e : Το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο g : Ο ρυθμός δημιουργίας ζευγών φορέων από τα φωτόνια της ακτινοβολίας Ln : Το μέσο μήκος διάχυσης των ηλεκτρονίων Lp : Το μέσο μήκος διάχυσης των οπών Ως φασματική απόκριση S ορίζεται το πλήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σχέση με τη ροή Φ και αποτελεί χρήσιμο μέγεθος για τον υπολογισμό του φωτορεύματος. Για ακτινοβολία μήκους κύματος λ η φασματική απόκριση S(λ) θα είναι: όπου, S(λ) = Iφ(λ) / e*φ(λ) Φ(λ) : Το πλήθος των φωτονίων με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από λ μέχρι λ+dλ. Συνεπώς το συνολικό φωτόρευμα του στοιχείου όταν δέχεται πολυχρωματική ακτινοβολία θα είναι: Iφ= e* S(λ)* Φ(λ) dλ Η τιμή της φασματικής απόκρισης και συνεπώς του φωτορεύματος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου εξαρτάται από πολλούς κατασκευαστικούς παράγοντες όπως ο συντελεστής ανάκλασης στην επιφάνεια του στοιχείου, ο συντελεστής απορρόφησης και το πάχος του ημιαγωγού, το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων, κλπ. 197

200 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.11 Αντιστροφέας τάσης Στις δύο κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων δηλαδή στα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο φωτοβολταϊκά συστήματα και στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται αντιστροφείς τάσης. Ο σχεδιασμός ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος ξεκινάει με την επιλογή του κατάλληλου αντιστροφέα τάσης. Ο αντιστροφέας τάσης καθορίζει τη τάση του συστήματος από τη πλευρά του συνεχούς και η φωτοβολταϊκή γεννήτρια μπορεί τότε να διαμορφωθεί ανάλογα με τα χαρακτηριστικά εισόδου του αντιστροφέα. Η αρμοδιότητά του είναι να μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγεται από την ηλιακή κυψέλη σε εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας 50 Hz προσαρμοζόμενο στο δίκτυο. Οι συγκεκριμένοι αντιστροφείς θα πρέπει να ανταποκρίνονται εξίσου καλά στα χαρακτηριστικά του δικτύου όσο και στην απόδοση της ηλιακής γεννήτριας. Από την άλλη οι αντιστροφείς τάσης για τα αυτόνομα συστήματα είναι τελείως διαφορετικοί. Σ ένα τυπικό οικιακό σύστημα ο λόγος της ονομαστικής ισχύος προς τη μέση ισχύ είναι περίπου 25:1. Για το λόγο αυτό ο αντιστροφέας πρέπει να έχει υψηλή απόδοση γύρω στο 90% στα μερικά φορτία και συγκεκριμένα στη περιοχή του 5-10% της ονομαστικής ισχύος. Μερικά από τα στοιχεία που πρέπει να έχει ο συγκεκριμένος αντιστροφέας τάσης είναι ικανότητα να αντέχει στα βραχυκυκλώματα, ελάχιστες δυνατές υπερτάσεις για επαγωγικά και χωρητικά φορτία, μικρή διακύμανση στη συχνότητα και την τάση εξόδου, κλπ Μπαταρίες / Συσσωρευτές Η αποθήκευση ενέργειας με χρήση μπαταριών για τα φωτοβολταϊκά συστήματα αναφέρεται κυρίως για τις εφαρμογές των αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων και τα οποία δεν συνδέονται στο δίκτυο. Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα απαιτούν αποθήκευση ενέργειας που να αντισταθμίζουν περιόδους χωρίς ή με ανεπαρκή ηλιακή ακτινοβολία όπως κατά τη διάρκεια της νύχτας ή συννεφιασμένων ημερών. Σε κάθε περίπτωση όπου απαιτείται αποθήκευση ενέργειας ο κλασσικός συσσωρευτής είναι η πιο συμβατική μορφή αποθήκευσης ενέργειας για ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Αυτό οφείλεται στο ότι τα χαρακτηριστικά του συνεχούς 198

201 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] ρεύματος που διαθέτει επιτρέπουν την απευθείας σύνδεση μεταξύ της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και της μπαταρίας δίχως την ανάγκη για οποιαδήποτε μετατροπή ή μετασχηματισμό της παραγόμενης ενέργειας. Δυστυχώς στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα η μπαταρία εμφανίζεται να είναι το πιο αδύναμο σημείο του όλου συστήματος καθώς η διάρκεια ζωής της είναι μια τάξη μεγέθους μικρότερη από εκείνη των υπόλοιπων στοιχείων του συστήματος Κόστος λειτουργίας [7] Μια τυπική φωτοβολταϊκή συστοιχία αποτελείται από ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Όταν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια εκτεθούν στην ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπουν το 10% περίπου της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Επιπλέον η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται αθόρυβα, αξιόπιστα και δίχως καμία επιβάρυνση στο περιβάλλον. Δεδομένου ότι στην Ελλάδα η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι περίπου 1800 KWh ανά τετραγωνικό μέτρο το έτος ένα φωτοβολταϊκό σύστημα 3 KWp εγκατεστημένο σε οροφή κατοικίας στην Κρήτη θα μπορούσε να παρέχει 4700 KWh/έτος όση περίπου και η μέση κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μιας τετραμελούς οικογένειας. Το κόστος ενός αυτόνομου οικιακού συστήματος με αποθήκευση σε μπαταρίες ανέρχεται στα E/ KWp Κόστος φωτοβολταϊκών συστημάτων [7] Όταν κάποιος θέλει να φτιάξει ένα φωτοβολταϊκό πάρκο θα πρέπει να γνωρίζει πως το κόστος εξοπλισμού και εγκατάστασης είναι περίπου 5-5.5% E/Wp. Επίσης θα πρέπει να συνυπολογίσει τα έξοδα για την αγορά του οικοπέδου, την διαμόρφωσή του και την περίφραξη αυτού, τις μελέτες και την σύνδεση με την ΔΕΗ. Στο συνολικό κόστος είναι επίσης και η αγορά των ηλιακών συλλεκτών δηλαδή όλος ο εξοπλισμός τους (φωτοβολταϊκοί συλλέκτες, πλαίσια στήριξης, λοιπός ενεργειακός εξοπλισμός), το κόστος της μελέτης (μηχανικός και σχέδια), καθώς και τα έξοδα για την αγορά του αντιστροφέα, των μπαταριών (για αυτόνομες χρήσεις) καθώς και του υπόλοιπου ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Επίσης μια τέτοια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση έχει και κάποιο κόστος λειτουργίας που εμπεριέχει τα έξοδα συντήρησης του εξοπλισμού, τα έξοδα ασφάλισης, τα έξοδα φύλαξης και τα έξοδα του προσωπικού. 199

202 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.14 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταϊκών συστημάτων Εικόνα 4.19: Αντικεραυνική προστασία σε φωτοβολταϊκά συστήματα [1] Κεραυνικά πλήγματα σε φωτοβολταϊκά συστήματα Ο κίνδυνος άμεσων και έμμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι αρκετά υψηλός λόγω του τρόπου εγκατάστασής τους και της εκτεθειμένης επιφάνειάς τους. Για να έχουμε μεγάλη διάρκεια ζωής σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι απαραίτητη μια αποτελεσματική αντικεραυνική προστασία και μια καλή προστασία υπέρτασης. Στις μέρες μας τα φωτοβολταϊκά εγκαθίστανται όχι μόνο στις οροφές κατοικιών αλλά και πολλές ιδιωτικές εταιρείες επενδύουν σε φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν σε οροφές κτιρίων και σε ανοιχτές αχρησιμοποίητες περιοχές. Κατά συνέπεια οι πιθανές επιδράσεις του κεραυνού σε φωτοβολταϊκά συστήματα που είναι εγκατεστημένα σε κτίρια μπορούν να επηρεάσουν ολόκληρο το κτίριο. Σε μεγάλη πλειοψηφία τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι εγκατεστημένα σε απομονωμένες περιοχές καταλαμβάνοντας μεγάλες εκτάσεις με τους συλλέκτες εγκατεστημένους στην ύπαιθρο και τις αναγκαίες ευαίσθητες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές λειτουργίας μέσα σε κτίρια. Κάτω από αυτές τις συνθήκες τα κάτοπτρα είναι εκτεθειμένα από άμεσο κεραυνικό πλήγμα και επιρρεπή σε κρουστικές υπερτάσεις που δημιουργούνται από το κεραυνό ή από χειρισμούς του ηλεκτρικού δικτύου. Συγκεκριμένα η κύρια απειλή των 200

203 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι οι ηλεκτρικές εκκενώσεις κατά την διάρκεια των καταιγίδων. Οι αιτίες για υπερτάσεις σε φωτοβολταϊκά συστήματα είναι οι επαγωγικές ή χωρητικές τάσεις οι οποίες προκύπτουν από κεραυνικά πλήγματα, εκφορτίσεις κεραυνών κα διακοπτικούς χειρισμούς του συστήματος. Τα κεραυνικά πλήγματα σε φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές ζημιές στα πλαίσια και στους αντιστροφείς με αποτέλεσμα σοβαρές συνέπειες στην λειτουργία του συστήματος. Επίσης το κόστος επιδιόρθωσης του συστήματος είναι πολύ μεγάλο και η αποτυχία του συστήματος μπορεί να έχει μεγάλες οικονομικές επιπτώσεις στη λειτουργία της μονάδας. Γι αυτό το λόγο απαιτείται ένας καλός συντονισμός των αντικεραυνικών μέτρων προστασίας και των μέτρων προστασίας υπέρτασης Στάθμες προστασίας Η στάθμη προστασίας ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας σχετίζεται με την πιθανότητα με την οποία αυτό προστατεύει ένα χώρο από τις επιπτώσεις του κεραυνού, διαμορφώνει τα χαρακτηριστικά του όπως τις διαστάσεις του και κατατάσει το ΣΑΠ σύμφωνα με την αποτελεσματικότητά του. Η σχέση μεταξύ της στάθμης και της αποτελεσματικότητάς του ΣΑΠ δίνεται στο παρακάτω πίνακα 4.2. Πίνακας 4.2: Αποτελεσματικότητα επιπέδων προστασίας Επίπεδο προστασίας Αποτελεσματικότητα I 0.98 II 0.95 III 0.90 IV 0.80 Η αποτελεσματικότητα του ΣΑΠ μειώνεται πηγαίνοντας από τη στάθμη προστασίας I στη στάθμη προστασίας IV. Σε κάθε στάθμη προστασίας αντιστοιχούν ανώτατα όρια τιμών των παραμέτρων του κεραυνού οι οποίες έχουν συγκεκριμένη πιθανότητα να μη ξεπεραστούν (πίνακας 4.3). 201

204 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Πίνακας 4.3: Τιμές των παραμέτρων του κεραυνού ανάλογα με τη στάθμη προστασίας Στάθμη προστασίας Παράμετροι κεραυνού Σύμβολο Μονάδα μέτρησης I II III - IV Μέγιστη τιμή ρεύματος I Ka Ολικό φορτίο Qtotal C Κρουστικό φορτίο Qimpulse C Ειδική ενέργεια SE kj/ω Μέση κλίση di/dt ka/μs Παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή της κατάλληλης στάθμης προστασίας είναι οι διαστάσεις της εγκατάστασης, η τοποθεσία της και το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο η κατασκευή. Επίσης είναι η κατηγορία στην οποία κατατάσσεται η εγκατάσταση ανάλογα με τη χρήση της και τις συνέπειες τις οποίες θα έχει η καταστροφή της στον ανθρώπινο παράγοντα και στο περιβάλλον καθώς επίσης και η κεραυνική δραστηριότητα που αναπτύσσεται στη περιοχή που βρίσκεται η εγκατάσταση. Αναλυτικότερα για την επιλογή της κατάλληλης στάθμης προστασίας απαιτείται η γνώση της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων της εγκατάστασης καθώς και της αποδεκτής συχνότητας κεραυνικών πληγμάτων της εγκατάστασης Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Nd εκφράζει το μέσο αριθμό άμεσων κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να συμβούν σε μια κατασκευή ανά έτος και μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: όπου, Nd = Ng * Ae * 10-6 πλήγματα κεραυνού ανά έτος Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Ae : η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής 202

205 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού του Nd όπου, Nd = Ng * Ad * Cd * 10-6 πλήγματα κεραυνού ανά έτος Nd : ο μέσος ετήσιος αριθμός άμεσων πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Ad : η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια άμεσων πληγμάτων κεραυνού στην εγκατάσταση Cd : ο περιβαλλοντικός παράγοντας. Κατάλληλες τιμές είναι Cd=1 σε επίπεδο εδάφους και Cd=2 σε λόφο ή ύψωμα. Στο παρακάτω πίνακα 3 υπάρχουν αναλυτικά οι τιμές που μπορεί να πάρει το Cd. Πίνακας 4.4: Τιμές που μπορεί να πάρει το Cd 4.17 Υπολογισμός της μέσης ετήσιας πυκνότητας πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος (Ng) Η μέση ετήσια πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος καθορίζεται με μετρήσεις μέσω δικτύου καταγραφής κεραυνών, ωστόσο σύμφωνα με την IEC εάν η ακριβής τιμή δεν είναι διαθέσιμη αυτή μπορεί να εκτιμηθεί προσεγγιστικά από την παρακάτω εξίσωση: Ng = 0,04 * Td 1,25 πλήγματα κεραυνού ανά km 2 και έτος 203

206 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] όπου, Ng : η μέση ετήσια πυκνότητα τοπικής πτώσης κεραυνού ανά km 2 Td : ο αριθμός των ημερών καταιγίδας ανά έτος Ως ημέρα καταιγίδας για μια συγκεκριμένη περιοχή ορίζεται η ημέρα για την οποία στη περιοχή αυτή έχει γίνει αντιληπτός ο θόρυβος της βροντής και έχει παρατηρηθεί το φαινόμενο της αστραπής δηλαδή του κεραυνού. Γι αυτό για να βρούμε τον αριθμό Td ανατρέχουμε στον ισοκεραυνικό χάρτη και πιο συγκεκριμένα στον ισοκεραυνικό χάρτη της περιοχής. Εικόνα 4.20: Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας [1] Σημαντικό στοιχείο είναι ότι και η δημοσίευση μετεωρολογικών δεδομένων ωρών καταιγίδας αντί ημερών ανά έτος και η συσχέτισή τους με την πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος: Ng = 0,054 * Th 1,1 πλήγματα κεραυνού ανά km 2 και έτος 204

207 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Έδειξε ότι σε περιοχές μικρής κεραυνικής δραστηριότητας η πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος υπολογισμένη με βάση τις ημέρες καταιγίδας είναι περίπου διπλάσια από την αντίστοιχη υπολογισμένη με βάση τις ώρες καταιγίδας ανά έτος. Γι αυτό για να έχουμε σωστό υπολογισμό της Ng θα πρέπει να γνωρίζουμε τη χρονική διάρκεια των καταιγίδων Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής Για απομονωμένες περιοχές η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια είναι η επιφάνεια που περικλείεται από το περίγραμμα που προκύπτει από τη τομή της επιφάνειας του εδάφους και μίας ευθείας γραμμής με κλίση 1/3 η οποία διέρχεται από τα υψηλότερα τμήματα της κατασκευής και περιστρεφόμενη γύρω από αυτή. Για μια απομονωμένη ορθογώνια κατασκευή μήκους L, πλάτους W και ύψους H η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση: Ae = LW + 6H(L+W) + 9πH 2, σε m 2 Καλό είναι να αναφέρουμε ότι η ελάχιστη τιμή της ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας σε κάθε περίπτωση δε μπορεί να είναι μικρότερη από το εμβαδόν της κάτοψης της κατασκευής. Εικόνα 4.21: Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια για κατασκευή σε επίπεδο έδαφος [1] 205

208 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.19 Αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Η αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων για μια κατασκευή Nc εκφράζει τη μέγιστη αποδεκτή τιμή του αριθμού άμεσων κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να συμβούν σε μία κατασκευή ανά έτος και μπορούν να προκαλέσουν ζημιά. Η τιμή του Nc μπορεί να εκτιμηθεί μέσω μελέτης αποτίμησης κινδύνου από πλήγμα κεραυνού λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλους συντελεστές όπως είναι ο τύπος δόμησης, η παρουσία εύφλεκτων και εκρηκτικών ουσιών, ληφθέντα μέτρα για μείωση των επιπτώσεων του πλήγματος, πλήθος ανθρώπων που επηρεάζονται από τη καταστροφή, τύπος και σπουδαιότητα υπηρεσιών εξυπηρέτησης του κοινού που επηρεάζονται, αξία των αγαθών που ενδεχομένως καταστραφούν, άλλους συντελεστές. Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή πολλαπλασιάζεται με ένα συντελεστή Κ που βγαίνει από το γινόμενο συντελεστών που λαμβάνουν υπόψη τους τη χρήση του κτιρίου και τον αριθμό των ανθρώπων που στεγάζει (συντελεστής A), τα υλικά κατασκευής του κτιρίου (συντελεστής B), το περιεχόμενο του κτιρίου (συντελεστής C), το βαθμό απομόνωσης του κτιρίου (συντελεστής D) και τη μορφολογία του εδάφους (συντελεστής E). Παρακάτω αναφέρονται οι τιμές που παίρνουν οι παραπάνω συντελεστές. 206

209 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 207

210 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Δηλαδή για το Nd έχουμε: Nd = Nd * A * B * C * D * E Για το Nc ισχύει ο παρακάτω πίνακας 4.5. Πίνακας 4.5: Τιμές που μπορεί να πάρει το NC 4.20 Αναγκαιότητα του ΣΑΠ και επιλογή της στάθμης προστασίας Για να μπορέσουμε να ελέγξουμε αν μια εγκατάσταση χρήζει κάποιου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας πρέπει να γίνει σύγκριση κάποιων δεδομένων. Αυτά τα δεδομένα είναι η σύγκριση της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων της κατασκευής Nd καθώς και της αποδεκτής συχνότητας κεραυνικών πληγμάτων της κατασκευής από κεραυνούς Nc. 208

211 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Συνοπτικότερα έχουμε: Στη περίπτωση που έχουμε Nd <= Nc τότε δεν χρειάζεται ΣΑΠ. Στη περίπτωση που έχουμε Nd > Nc τότε πρέπει να εγκατασταθεί ΣΑΠ αποτελεσματικότητας: Και να επιλεγεί η αποδεκτή στάθμη προστασίας σύμφωνα με το πίνακα 4.6. Πίνακας 4.6: Αποτελεσματικότητα στάθμων προστασίας ΣΑΠ Ουσιαστικά η αποτελεσματικότητα ενός ΣΑΠ πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις του πίνακα 4.6, όμως αν εγκατασταθεί ΣΑΠ αποτελεσματικότητας E > 0.98 ή E < E απαιτείται να ληφθούν επιπλέον μέτρα προστασίας όπως μέτρα περιορισμού των βηματικών τάσεων και των τάσεων επαφής, μέτρα περιορισμού της διάδοσης της φωτιάς και μέτρα μείωσης των επαγόμενων τάσεων λόγω κεραυνών σε ευαίσθητες συσκευές Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας [17] Η αντικεραυνική προστασία μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης βασίζεται στην γενική αρχή του διαχωρισμού της σε ζώνες αντικεραυνικής προστασίας. Οι Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας (ΖΑΠ) είναι περιοχές εκτός και εντός της κατασκευής που 209

212 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] χρίζει προστασίας όπου οι αναμενόμενες ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι καθορισμένες σε σχέση με την επικινδυνότητά τους και επομένως μπορούν να περιοριστούν. Οι ΖΑΠ οριοθετούνται από σημαντικές αλλαγές των ηλεκτρομαγνητικών συνθηκών αποτελώντας περιοχές αυξημένης απαίτησης ηλεκτρομαγνητικής προστασίας βαίνοντας από την εξωτερική περιοχή της κατασκευής όπου υπάρχει κίνδυνος άμεσου πλήγματος προς το εσωτερικό της όπου πρέπει να εξασφαλίζεται η ηλεκτρομαγνητική ατρωσία των συσκευών. Οι Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας χωρίζονται στις εξής ζώνες: ΖΑΠ ΟΑ: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. ΖΑΠ ΟΒ: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. ΖΑΠ ΟΓ: Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευές μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα και όπου το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να διαρρεύσει είναι περιορισμένο σε σχέση με τη ΖΑΠ ΟΒ. Στη ζώνη αυτή οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού μπορούν να περιοριστούν ανάλογα με τα μέτρα θωράκισης που λαμβάνονται. ΖΑΠ 2,1: Ζώνες όπου απαιτείται περαιτέρω μείωση του τμήματος του ρεύματος του κεραυνού καθώς και περαιτέρω εξασθένιση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε σχέση με την αμέσως προηγούμενη ΖΑΠ. Στο εσωτερικό καθώς και στα όρια των ΖΑΠ πρέπει να γίνονται ισοδυναμικές συνδέσεις είτε μέσω συνδετήριων αγωγών είτε μέσω εκτροπέων υπέρτασης. 210

213 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Εικόνα 4.22: Διαχωρισμός σε ΖΑΠ μιας κατασκευής [1] 4.22 Εγκατάσταση συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας αποτελείται από το εσωτερικό και το εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Τα δύο αυτά συστήματα (εσωτερικό και εξωτερικό) χρησιμοποιούνται ή ξεχωριστά ή σε συνδυασμό ανάλογα με τη προστασία που χρειάζεται. Η εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας (εξωτερική ΕΑΠ) σκοπό έχει να συλλάβει το κεραυνό πριν πλήξει την υπό προστασία περιοχή και να διοχετεύσει το ρεύμα με ασφάλεια στο έδαφος περιορίζοντας στο ελάχιστο τις θερμικές και μηχανικές επιδράσεις του. Η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας (εσωτερική ΕΑΠ) να προστατέψει το εσωτερικό της εγκατάστασης και να μειώσει στο ελάχιστο τις ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού Εξωτερικό και Εσωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) [21] Έτσι για να αποφύγουμε τις σοβαρές επιπτώσεις ενός κεραυνικού πλήγματος χρησιμοποιούμε ένα Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) το οποίο είναι το πλήρες σύστημα που χρησιμοποιείται για να προστατεύσει μια εγκατάσταση από κεραυνικό πλήγμα. Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) αποτελείται από: Εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) Εσωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) 211

214 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.24 Εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) [21] Η εξωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας (ΕΑΠ) στόχο έχει να συλλάβει τον κεραυνό πριν αυτός πλήξει την υπό προστασία κατασκευή, να διοχετεύσει το ρεύμα του κεραυνού από το σημείο του πλήγματος στη γη και να το διαχέει στο έδαφος χωρίς αυτό να προκαλεί θερμικές και μηχανικές ζημιές στην κατασκευή και επικίνδυνες υπερτάσεις. Το εξωτερικό σύστημα αποτελείται από: 1. Το συλλεκτήριο σύστημα που σκοπό έχει να συλλέξει το κεραυνικό ρεύμα και να το διοχετεύσει μέσω των αγωγών καθόδου στο σύστημα γείωσης με ασφάλεια. Αποτελείται από ράβδους (ακίδες, τεταμένα σύρματα, πλέγμα αγωγών (βρόχοι). 2. Τους αγωγούς καθόδου που σκοπό έχουν να οδηγήσουν το κεραυνικό ρεύμα από το συλλεκτήριο με ασφάλεια στο σύστημα γείωσης. Αποτελείται από αγωγούς διατεταγμένους συνήθως περιμετρικά της κατασκευής. 3. Το σύστημα γείωσης που σκοπός του είναι να επιτευχθεί η διάχυση του κεραυνικού ρεύματος μέσα στη γη με ασφάλεια χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις. Αποτελείται από οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης τοποθετημένα εντός του εδάφους ή εγκιβωτισμένα σε σκυρόδεμα. Η εγκατάσταση του Εξωτερικού ΣΑΠ των φωτοβολταϊκών συλλεκτών και της υπόλοιπης εγκατάστασης σχεδιάζονται σύμφωνα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα ΕΛΟΤ EN και την απαιτούμενη κλάση προστασίας η οποία υπολογίζεται από το πρότυπο ΕΛΟΤ Το Εξωτερικό ΣΑΠ των συλλεκτών αποτελείται συνήθως από σύστημα ιστών βασιζόμενο στη μέθοδο της γωνίας προστασίας και της δε υπόλοιπης εγκατάστασης βασιζόμενο στη μέθοδο των βρόχων. Όλος ο εξοπλισμός που θα χρησιμοποιηθεί θα πρέπει πρώτα να έχει δοκιμαστεί σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ EN

215 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Εικόνα 4.23: Εξωτερικό ΣΑΠ φωτοβολταϊκών συστημάτων [10] Η σχεδίαση του συλλεκτηρίου συστήματος εξαρτάται από τη γεωμετρία της κατασκευής που χρίζει προστασία, από το μέγεθος της και από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας. Για τον προσδιορισμό ης ζώνης προστασίας που παρέχει το συλλεκτήριο σύστημα χρησιμοποιούνται η μέθοδος της γωνίας προστασίας, η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας για πιο σύνθετες μορφές κτιρίων και μέθοδος του πλέγματος αγωγών κυρίως για την προστασία επίπεδων επιφανειών. Ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασης του συλλεκτηρίου συστήματος και του συστήματος των αγωγών καθόδου η εξωτερική ΕΑΠ διακρίνεται σε δύο τύπους: 1. Τη μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ όπου το συλλεκτήριο σύστημα και το σύστημα των αγωγών καθόδου είναι τοποθετημένα έτσι ώστε η οδός ροής του ρεύματος του κεραυνού να μην έρχεται σε επαφή με την κατασκευή του. 2. Τη μη μονωμένη εξωτερική ΕΑΠ όπου το συλλεκτήριο σύστημα και το σύστημα των αγωγών καθόδου είναι τοποθετημένα έτσι ώστε η οδός ροής του ρεύματος του κεραυνού να μπορεί να έρχεται σε επαφή με την κατασκευή. Αυτό που πρέπει να επισημανθεί είναι ότι στις εγκαταστάσεις των φωτοβολταϊκών συστημάτων θα πρέπει το εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας να σχεδιάζεται έτσι ώστε όλα τα μέρη της εγκατάστασης να βρίσκονται κάτω από την προστασία τυχόν κεραυνικών πληγμάτων. 213

216 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.25 Αντικεραυνική προστασία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια περιλαμβάνει τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, την dc καλωδίωση και τα κουτιά διασύνδεσης της γεννήτριας. Επειδή η φωτοβολταϊκή γεννήτρια είναι ιδιαίτερα εκτεθειμένη εξ αιτίας της θέσης της μπορεί να πληγεί ευκολότερα από κεραυνικά πλήγματα και γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η χρήση της εξωτερικής ΕΑΠ. Τα στοιχεία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας τοποθετούνται μέσα στη ζώνη προστασίας ενός μονωμένου συλλεκτηρίου συστήματος. Η σχεδίαση βασίζεται στη στάθμη III αντικεραυνικής προστασίας για φωτοβολταϊκά συστήματα μεγαλύτερα των 10 kw. Σύμφωνα με τη στάθμη προστασίας το ύψος και ο αριθμός των κατακόρυφων ράβδων καθορίζονται με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας και βέβαια κανένα τμήμα της γεννήτρια δεν πρέπει να βρίσκεται εκτός της προστατευμένης περιοχής. Βέβαια καλό είναι να τονιστεί ότι σε κάθε ράβδο αντιστοιχεί ένας αγωγός καθόδου. Τέλος μπορούμε να πούμε ότι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια κατατάσσεται στη ζώνη προστασίας ΖΑΠ ΟΒ Υπολογισμός βάθους εισχώρησης δύο κατακόρυφων ράβδων Στην περίπτωση που έχουμε δύο κατακόρυφους ράβδους ύψους h που απέχουν απόσταση d και ακτίνας R εντός του χώρου μεταξύ των ράβδων το βάθος εισχώρησής τους είναι: Εικόνα 4.24: Ζώνη προστασίας δύο κατακόρυφων ράβδων [1] 214

217 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Επειδή απαιτείται προστασία όλου του χώρου η απόσταση εισχώρησης της κυλιόμενης σφαίρας πρέπει να είναι μικρότερη από το ύψος h. Η παραπάνω σχέση ισχύει και στην περίπτωση τεσσάρων κατακόρυφων ράβδων ίσου ύψους τοποθετημένους στις γωνίες μιας τετραγωνικής επιφάνειας όπου η απόσταση d είναι ίση με τη διαγώνιο του σχηματιζόμενου τετραγώνου Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια ως επιφάνεια αναφοράς Σ αυτή τη περίπτωση λαμβάνεται υπ όψιν το ψηλότερο σημείο του φωτοβολταϊκού πάνελ διότι τα φωτοβολταϊκά πάνελ τις περισσότερες φορές είναι τοποθετημένα με κλίση ώστε να έχουν καλύτερη απόδοση. Η εξωτερική ΕΑΠ της γεννήτριας μπορεί να είναι μονωμένη εμποδίζοντας έτσι την εμφάνιση υπερπηδήσεων. Γι αυτό το λόγο μεταξύ του συλλεκτηρίου συστήματος και των μεταλλικών πλαισίων των πάνελ πρέπει να τηρείται μια απόσταση ασφαλείας. Η απόσταση αυτή μεταξύ των αγωγών και των πάνελ ονομάζεται S και πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την D. Παρακάτω βλέπουμε τη σχέση υπολογισμού της D. S D και D = ki *( kc/km )*L(m) όπου, ki: Εξαρτάται από την επιλεχθείσα στάθμη προστασίας σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα 4.7. Πίνακας 4.7: Τιμές του ki σύμφωνα με τις στάθμες προστασίας [1] Στάθμη προστασίας ki I 0.1 II III - IV 0.05 kc: Εξαρτάται από τον αριθμό και τη χωροθέτηση των αγωγών καθόδου από τους οριζόντιους περιμετρικούς δακτυλίους που διασυνδέουν ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου καθώς και από το τύπο του συλλεκτηρίου συστήματος και του συστήματος γείωσης. Λαμβάνει τιμές οι οποίοι υπάρχουν στον παρακάτω πίνακα 4.8. Στη τελευταία 215

218 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] περίπτωση όμως για περισσότερους αγωγούς πρέπει να τοποθετηθούν συμμετρικά στις τρείς διαστάσεις της κατασκευής με απόσταση 20m. Πίνακας 4.8: Τιμές του kc σύμφωνα με τους αγωγούς καθόδου [1] Αγωγοί καθόδου kc περισσότερους από km: Εξαρτάται από το διαχωριστικό μέσο που παρεμβάλλεται μεταξύ των εγκαταστάσεων που ελέγχεται η γειτνίασή τους. Στη περίπτωση των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων λόγω του αέρα η τιμή αυτή είναι 1. L(m) : Είναι το μήκος του αγωγού καθόδου από το σημείο που ελέγχεται η γειτνίαση μέχρι το πλησιέστερο σημείο ισοδυναμικής σύνδεσης Εναλλακτικός τρόπος σχεδιασμού της ΕΑΠ της φωτοβολταϊκής γεννήτριας Ο εναλλακτικός τρόπος σχεδιασμού της εξωτερικής ΕΑΠ της φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι με χρήση κατακόρυφων ράβδων οι οποίες θα είναι τοποθετημένες πάνω στο φωτοβολταϊκό πάνελ. Το ύψος των ράβδων αυτών είναι γύρω στο 1 m γιατί αν τοποθετήσουμε κατακόρυφους ράβδους με μεγαλύτερο ύψος τότε είναι δύσκολη η στήριξη αυτών. Ο μεταλλικός σκελετός του πάνελ εκτελεί χρέη αγωγού καθόδου μαζί με τους επιπρόσθετους αγωγούς καθόδου που ενδέχεται να τοποθετηθούν Αντικεραυνική προστασία του κτιρίου ελέγχου Ο προσδιορισμός της ζώνης προστασίας του κτιρίου ελέγχου της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας μία από τις παρακάτω μεθόδους. Βέβαια για το κτίριο ελέγχου θα χρησιμοποιήσουμε εξωτερική ΕΑΠ στάθμης III. Τώρα αναλύονται οι διάφοροι μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. 216

219 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας Όταν η κατασκευή είναι πολύπλοκη τότε ένας τρόπος αντικεραυνικής προστασίας είναι και η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή ο σχεδιασμός του συλλεκτηρίου συστήματος είναι κατάλληλος εάν κανένα σημείο της κατασκευής που χρήζει προστασίας δεν έρχεται σε επαφή με μια σφαίρα ακτίνας R εξαρτώμενης από τη στάθμη προστασίας που κυλίεται στο έδαφος γύρω και στη κορυφή της κατασκευής προς όλες τις κατευθύνσεις. Εικόνα 4.25: Ζώνη προστασίας με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας [1] Κατά την κύλισή της η σφαίρα πρέπει να εφάπτεται μόνο στο έδαφος ή μόνο στο συλλεκτήριο σύστημα ή και στα δύο και τα σημεία που αυτή αγγίζει είναι προστατευμένα (πράσινο). Γι αυτό πρέπει να εγκατασταθούν συλλεκτήριοι αγωγοί σε όλα τα σημεία της επαφής της κυλιόμενης σφαίρας με το κτίριο ελέγχου της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Μέθοδος της γωνίας προστασίας Ο προσδιορισμός της ζώνης προστασίας που παρέχει το συλλεκτήριο σύστημα στο κτίριο ελέγχου μπορεί εδώ να γίνει με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας στη περίπτωση όμως που το υπό προστασία κτίριο είναι σχετικά απλής κατασκευής και το ύψος δεν είναι μεγαλύτερο από το ύψος της κυλιόμενης σφαίρας. Βέβαια το κτίριο 217

220 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] ελέγχου εξοπλίζεται με εξωτερική ΕΑΠ στάθμης III. Η ημιγωνία προστασίας εξαρτάται από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας και το ύψος πάνω από την επιφάνεια που χρειάζεται προστασία. Οι τιμές της γωνίας προστασίας παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα 4.9. Πίνακας 4.9: Τιμές της ημιγωνίας προστασίας [1] * Στις περιπτώσεις αυτές εφαρμόζονται οι μέθοδοι της κυλιόμενης σφαίρας και του πλέγματος αγωγών. Εικόνα 4.26: Ζώνη προστασίας με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας [1] 3. Μέθοδος του πλέγματος αγωγών Στο κτίριο οι πλευρικές επιφάνειες σε ύψος μεγαλύτερο από την τιμή της επιλεγείσης ακτίνας της κυλιόμενης σφαίρας, (στην περίπτωση που αυτή η μέθοδος έχει επιλεγεί ως η καταλληλότερη) εφοδιάζονται με συλλεκτήρια συστήματα σύμφωνα με τη μέθοδο 218

221 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] του πλέγματος αγωγών. Οι αγωγοί του συλλεκτηρίου συστήματος τοποθετούνται πάνω στις ακμές της οροφής, στις γραμμές της τομής των κεκλιμένων επιφανειών της οροφής εφόσον η κλίση υπερβαίνει το 1/10. Επίσης οι πλευρικές επιφάνειες της κατασκευής σε ύψος μεγαλύτερο από τη τιμή της επιλεγείσας ακτίνας της κυλιόμενης σφαίρας εφοδιάζονται με συλλεκτήρια συστήματα ενώ καμία μεταλλική εγκατάσταση δεν προεξέχει του προστατευόμενου χώρου. Οι αγωγοί του συλλεκτηρίου συστήματος ακολουθούν όσο το δυνατόν σύντομες και ευθείες οδεύσεις. Το δίκτυο του συλλεκτηρίου συστήματος πρέπει να διαμορφώνεται έτσι ώστε το ρεύμα του κεραυνού να συναντά τουλάχιστον δύο χωριστές μεταλλικές οδεύσεις προς το σύστημα γείωσης Σύστημα αγωγών καθόδου Ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας είναι και οι αγωγοί καθόδου. Αυτοί αποτελούν την συνέχεια του συλλεκτηρίου συστήματος. Για την επιλογή και τον τρόπο εγκατάστασής τους πρέπει να λάβουμε υπ όψη ότι εάν το ρεύμα του κεραυνού μοιράζεται σε πολλές οδούς όδευσης μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενών υπερπηδήσεων και περιορίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του στο εσωτερικό της κατασκευής. Επομένως οι αγωγοί αυτοί πρέπει να τοποθετηθούν κατά το δυνατό περιμετρικά του κτιρίου και σε διάταξη συμμετρική. Επίσης η τοποθέτησή τους πρέπει να γίνει με τρόπο ώστε να υπάρχουν αρκετές παράλληλες οδοί ροής του ρεύματος από το σημείο του πλήγματος μέχρι τη γη για να εξασφαλίζεται η συντομότερη και συνεχής όδευση του ρεύματος του κεραυνού προς τη γη. Οι αγωγοί καθόδου όπως και οι συλλεκτήριοι αγωγοί θα πρέπει να στερεώνονται καλά ώστε οι μηχανικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού να μην προκαλούν θραύση ή χαλάρωση των αγωγών. Ο αριθμός των συνδέσεων κατά μήκος των αγωγών πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός ενώ η τοποθέτησή τους εξαρτάται από την κατηγορία της εξωτερικής ΕΑΠ σε σχέση με το αν βρίσκονται σε επαφή ή όχι με το κτίριο. 219

222 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.31 Εγκατάσταση αγωγών καθόδου με μη μονωμένη εξωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας Η εγκατάσταση για το κτίριο ελέγχου είναι μη μονωμένη όπου το συλλεκτήριο σύστημα και το σύστημα των αγωγών καθόδου είναι τοποθετημένα έτσι ώστε η οδός ροής του ρεύματος του κεραυνού να μπορεί να έρχεται σε επαφή με την κατασκευή. Στη περίπτωση που το συλλεκτήριο σύστημα αποτελείται από ράβδους ή τεταμένα σύρματα απαιτείται τουλάχιστον ένας αγωγός καθόδου για κάθε ράβδο ή για κάθε άκρο των συρμάτων. Καθώς οι τοίχοι του κτιρίου είναι από μη εύφλεκτα υλικά οι αγωγοί καθόδου μπορούν να εγκατασταθούν στην επιφάνεια ή μέσα στο τοίχο και βέβαια οι αγωγοί καθόδου συνδέονται με το σύστημα της θεμελιακής γείωσης. Επίσης εκτός από τους αγωγούς καθόδους που μπαίνουν για την αντικεραυνική προστασία μπορούν να θεωρηθούν αγωγοί καθόδου και διάφορα τμήματα του κτιρίου όπως είναι μεταλλικές εγκαταστάσεις που καλύπτονται από μονωτικό υλικό, στοιχεία των όψεων, κλπ Σύστημα γείωσης dc φωτοβολταϊκού συστήματος [18],[19],[22] Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να διαχέεται το ρεύμα του κεραυνού στο έδαφος μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης χωρίς να αναπτύσσονται επικίνδυνες υπερτάσεις, να συνδέει ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου όπου αυτό είναι εφικτό, να περιορίζει την ανύψωση του δυναμικού του εδάφους στην περιοχή του, καθώς και να αναχαιτίζει τον κεραυνό στην περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Τόσο για την γείωση της dc πλευράς όσο και για το κτίριο ελέγχου προτιμάται μόνο μία ολοκληρωμένη δομή γείωσης. Εάν εγκατασταθεί ξεχωριστό ηλεκτρόδιο γείωσης στη dc πλευρά τότε αυτό πρέπει να είναι συνδεδεμένο με τη θεμελιακή γείωση του κτιρίου ώστε να μην είναι δυνατή η εμφάνιση διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δύο αυτών συστημάτων σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού. Η ένωση των δύο ξεχωριστών γειώσεων μειώνει σημαντικά την αντίσταση γείωσης. Πιο συγκεκριμένα στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το σύστημα γείωσης μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. 220

223 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Εικόνα 4.27: Γείωση φωτοβολταϊκής εγκατάστασης [1] Τα μεταλλικά πλαίσια πάνω στα οποία τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται στο σύστημα γείωσης κάθε 10m. Με το σύστημα γείωσης συνδέονται ισοδυναμικά και οι ράβδοι. Το σύστημα γείωσης πλέγματος εξασφαλίζει χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης και περιορίζει δραστικά τις επικίνδυνες επιδράσεις του κεραυνού. Τα επιφανειακά ηλεκτρόδια γείωσης τοποθετούνται σε βάθος τουλάχιστον 0.5 m μέσα στο έδαφος. Τα πλέγματα συνδέονται μεταξύ τους με συνδέσμους τριών και τεσσάρων αγωγών και οι σύνδεσμοι στο έδαφος πρέπει να τυλίγονται με ταινία έτσι ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος διάβρωσης εξαιτίας των καιρικών συνθηκών Σύστημα γείωσης κτιρίου ελέγχου της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης [18],[19],[22] Η καλύτερη λύση για το κτίριο ελέγχου είναι η ενσωματωμένη γείωση η οποία μπορεί να προσφέρει πλήρη προστασία σε όλες τις εγκαταστάσεις της κατασκευής. Στη περίπτωση του κτιρίου θα χρησιμοποιήσουμε διάταξη ηλεκτροδίου γείωσης τύπου Β ή αλλιώς θεμελιακή γείωση. Η θεμελιακή γείωση εξασφαλίζει χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης, δημιουργία ισοδυναμικής επιφάνειας, προστασία του ηλεκτροδίου από τη διάβρωση λόγω εγκιβωτισμού στο μπετό, κλπ. Η διάταξη αυτή αποτελείται από ένα 221

224 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] περιμετρικό ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης εγκιβωτισμένο στο σκυρόδεμα των θεμελίων του κτιρίου το οποίο μπορεί να είναι σε μορφή ταινίας ή κυλινδρικής διατομής. Κατά τη θεμελιακή γείωση το ηλεκτρόδιο γείωσης, ταινία ή αγωγός τοποθετείται μέσα στο σκυρόδεμα, στη βάση των περιμετρικών θεμελίων της κατασκευής. Το ηλεκτρόδιο θα πρέπει να αποτελείται από τμήματα σχετικά μεγάλου μήκους ώστε να απαιτούνται κατά το δυνατό λίγες συνδέσεις. Ακόμα θα πρέπει να τοποθετείται έτσι ώστε να περιβάλλεται από όλες τις πλευρές του από τουλάχιστον 5cm σκυροδέματος. Αν χρησιμοποιηθεί ηλεκτρόδιο γείωσης σε μορφή ταινίας αυτή πρέπει να τοποθετηθεί με τη μεγαλύτερη διάσταση της διατομής της κατακόρυφα. Επομένως δημιουργείται ένας γειωμένος κλειστός βρόχος ή γειωμένο πλέγμα αγωγών ανάλογα με τις διαστάσεις της κατασκευής. Ο τρόπος εγκατάστασής του εξασφαλίζει μικρή αντίσταση γείωσης και ικανοποιητική προστασία έναντι της διάβρωσης. Στη περίπτωση κεραυνικού πλήγματος στην εξωτερική ΕΑΠ στα άκρα των αγωγών καθόδου αναπτύσσονται διαφορετικά δυναμικά λόγω μη ομοιόμορφης κατανομής του ρεύματος του κεραυνού σε ολόκληρο το δίκτυο των αγωγών καθόδου αλλά και λόγο διαφορών στην τιμή της αντίστασης γείωσης. Τα δυναμικά αυτά εξισώνονται μέσω της διάταξης ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Β. Η λήψη της θεμελιακής γείωσης είναι το συνδετικό στοιχείο της διάταξης γείωσης με την εγκατάσταση, τις ισοδυναμικές συνδέσεις, τα συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών, την εγκατάσταση της αντικεραυνικής προστασίας, κλπ. Μπορεί να είναι σε μορφή ακροδέκτη γείωσης ή ζυγού γείωσης ή σε μορφή στρογγυλού αγωγού ή ταινίας. Για τη σύνδεση της ηλεκτρικής εγκατάστασης, των ισοδυναμικών συνδέσεων, κλπ με τη θεμελιακή γείωση κατασκευάζονται λήψεις όσο το δυνατόν πλησιέστερα στις θέσεις εγκατάστασης πινάκων διανομής που προβλέπεται η άμεση σύνδεσή τους στη γείωση καθώς και όπου θα πραγματοποιηθούν οι κύριες και συμπληρωματικές ισοδυναμικές συνδέσεις που προβλέπονται από το πρότυπο ΕΛΟΤ HD 384. Σε όλες τις περιπτώσεις θα πρέπει οι λήψεις να συνδέονται στο ηλεκτρόδιο γείωσης με το μικρότερο δυνατό μήκος αγωγού γείωσης. Ο αγωγός γείωσης είναι ένας αγωγός που συνδέει τη λήψη θεμελιακής γείωσης με το ηλεκτρόδιο γείωσης. Κύριος ακροδέκτης ή κύριος ζυγός γείωσης είναι ένας ακροδέκτης ή ζυγός που προορίζεται για την ηλεκτρική σύνδεση αγωγών για σκοπούς γείωσης. 222

225 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.34 Εσωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΕΑΠ) [21] Η εσωτερική αντικεραυνική προστασία περιλαμβάνει όλα τα μέσα προστασίας που πρέπει να ληφθούν ώστε να περιοριστούν σε αποδεκτό βαθμό οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού στο εσωτερικό και στα περιφερειακά τμήματά της που χρειάζονται προστασία από τυχόν κεραυνικό πλήγμα. Το εσωτερικό σύστημα αποτελείται από: 1. Τις ισοδυναμικές συνδέσεις που σκοπό έχουν την προστασία ατόμων από τάσεις επαφής και την αποτροπή ανάπτυξης επικίνδυνων τόξων εντός της προστατευόμενης κατασκευής. 2. Τους επαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων που σκοπό έχουν τη μείωση επαγόμενων κρουστικών τάσεων σε ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα Ισοδυναμικές συνδέσεις [17] Οι ισοδυναμικές συνδέσεις πραγματοποιούνται με άμεση γεφύρωση του μεταλλικού εξοπλισμού με τη γείωση μέσω αγωγών ακολουθώντας την πλέον σύντομη οδό. Οι αγωγοί και τα εξαρτήματα σύνδεσης πρέπει να έχουν επιτυχώς δοκιμαστεί σύμφωνα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα ΕΛΟΤ. Οι ισοδυναμικές συνδέσεις των ηλεκτρικά μονωμένων δικτύων και συσκευών πραγματοποιούνται μέσω απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων [25] που επιλέγονται ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του δικτύου του αναμενόμενου κεραυνικού ή κρουστικού ρεύματος στη θέση εγκατάστασής τους και της στάθμης μόνωσης των δικτύων και συσκευών. Οι επαγωγοί απαιτείται να δοκιμάζονται σύμφωνα με το πρότυπο EN Επίσης το πρότυπο ΕΛΟΤ EN συμφέρει οικονομικά λαμβάνοντας υπ όψιν το Εσωτερικό και Εξωτερικό ΣΑΠ. Επίσης εξασφαλίζουν την εξίσωση του δυναμικού μεταξύ των σημείων ενός κυκλώματος ή διαφορετικών κυκλωμάτων περιορίζοντας κατά συνέπεια την πιθανότητα εμφάνισης επικίνδυνων υπερτάσεων σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού ή σφάλματος σε μια ηλεκτρολογική εγκατάσταση. Ισοδυναμικές συνδέσεις πρέπει να γίνονται στην περίπτωση που δεν ικανοποιούνται οι αποστάσεις ασφαλείας μεταξύ της μονωμένης εξωτερικής ΕΑΠ και της ίδιας της κατασκευής. Οι ισοδυναμικές συνδέσεις υλοποιούνται έσω συνδετήριων αγωγών και εκτροπέων υπέρτασης όπου δεν επιτρέπεται η άμεση 223

226 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] αγώγιμη σύνδεση. Αυτό το δίκτυο συνδέσεων συνδεόμενο με το σύστημα γείωσης αποτελεί το ολοκληρωμένο σύστημα γείωσης. Στο υπόγειο θα εγκαταστήσουμε ένα ζυγό εξίσωσης δυναμικών στον οποίο καταλήγουν όλοι οι συνδετήριοι αγωγοί και οι ακροδέκτες γείωσης των εκτροπέων υπέρτασης. Στο ζυγό αυτό συνδέονται μέσω συνδετήριων αγωγών ο ενδοσυνδεδεμένος οπλισμός του σκυροδέματος της κατασκευής, οι εσωτερικές μεταλλικές εγκαταστάσεις της, τα εξωτερικά αγώγιμα τμήματα, οι μαγνητικές θωρακίσεις που αποτελούν το σύνορο κάθε ζώνης προστασίας και οι μεταλλικοί σωλήνες όδευσης των καλωδίων. Επίσης στο ζυγό συνδέονται μέσω συνδετήριων αγωγών είτε εκτροπέων υπέρτασης όλες οι παροχές κοινής ωφέλειας όσο το δυνατό πλησιέστερα στην είσοδο τους στην κατασκευή και τα εσωτερικά συστήματα μέσω εκτροπέων υπέρτασης. Γενικά θα πρέπει όλα τα μεταλλικά συστήματα να συνδέονται μεταξύ τους καθώς και όλα τα ενεργά συστήματα μέσω εκτροπέων υπέρτασης (SPDs). Οι ισοδυναμικές συνδέσεις είναι προτιμότερο να πραγματοποιούνται κοντά στην είσοδο της κατασκευής ώστε να εμποδίζεται μέρος του ρεύματος του κεραυνού να διαπερνάει το κτίριο. Στη περίπτωση που οι παροχές κοινής ωφέλειας εισέρχονται στη κατασκευή μας στο επίπεδο του εδάφους από διαφορετικά σημεία εγκαθιστούμε ένα ζυγό ισοδυναμικών συνδέσεων σε κάθε σημείο εισόδου των παροχών. Οι ζυγοί αυτοί συνδέονται άμεσα με τη θεμελιακή γείωση. Συνολικά τέσσερις ζυγοί συνδέονται μεταξύ τους με ένα περιμετρικό δακτύλιο ισοδυναμικής σύνδεσης. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζουμε την αγώγιμη σύνδεση μεταξύ τους. Εικόνα 4.28: Ισοδυναμικές συνδέσεις [1] 224

227 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.36 Όδευση των καλωδίων της εγκατάστασης Η σωστή όδευση των αγωγών ελαχιστοποιεί τις περιοχές επαγόμενων τάσεων που δημιουργούν οι βρόχοι που σχηματίζουν τα καλώδια, περιορίζοντας έτσι τις εσωτερικά επαγόμενες υπερτάσεις. Οι περιοχές των βρόχων πρέπει να ελαχιστοποιούν και αυτό επιτυγχάνεται οδηγώντας τους αγωγούς όσο το δυνατόν πιο κοντά στους προστατευτικούς αγωγούς συνδέσεων ή οδηγώντας τις ηλεκτρικές και γραμμές σήματος μαζί. Η όδευση των καλωδίων της φωτοβολταϊκής γεννήτριας πρέπει να ικανοποιεί τις ακόλουθες απαιτήσεις: Τα καλώδια πρέπει να εγκαθίστανται με τρόπο που να ακολουθούν τις μικρότερες δυνατές διαδρομές. Τα καλώδια στην dc πλευρά της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης πρέπει να οδεύουν μαζί Μαγνητική θωράκιση Σκοπός της μαγνητικής θωράκισης είναι να μειώσει το μαγνητικό πεδίο μέσα στη ζώνη προστασίας το οποίο προέρχεται από τα κεραυνικά πλήγματα μέσα ή κοντά στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Με το τρόπο αυτό το μη εξασθενημένο μαγνητικό πεδίο μειώνεται σε μια επαρκώς χαμηλότερη τιμή. Η χωρική μαγνητική θωράκιση χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει χωριστές προστατευόμενες περιοχές. Αρχικά ολόκληρο το κτίριο ελέγχου αποτελεί το πρώτο επίπεδο της θωράκισης ΖΑΠ1 ενώ μέσα στο κτίριο δημιουργείται ένα ξεχωριστό δωμάτιο που περικλείει τον ευαίσθητο φωτοβολταϊκό εξοπλισμό και αποτελεί το δεύτερο επίπεδο θωράκισης ΖΑΠ2. Επίσης μια περιορισμένη μέσω ενός προστατευτικού καλύμματος περιοχή μέσα στο δωμάτιο αυτό περιέχει τη συσκευή ελέγχου και παρακολούθησης ΖΑΠ2 ή ΖΑΠ3. Η θωράκιση των καλωδίων της φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι απαραίτητη όταν τα πάνελ είναι συνδεδεμένα με το εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Στις εσωτερικές ζώνες αντικεραυνικής προστασίας η μαγνητική θωράκιση των καλωδίων χρησιμοποιείται μόνο όταν αυτά τροφοδοτούν ευαίσθητο εξοπλισμό. Η θωράκιση των καλωδίων περιορίζεται με χρήση μεταλλικού καλλύματος καλωδίου ή με κλειστούς μεταλλικούς αγωγούς καλωδίων. Όταν τα καλώδια των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής είναι θωρακισμένα και η θωράκισή τους είναι γειωμένη και στα δύο άκρα τους το ρεύμα του κεραυνού θεωρείται ότι διαρρέει τη θωράκισή τους. Σ αυτή όμως 225

228 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] την περίπτωση υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης υπέρτασης μεταξύ της θωράκισης και του ενεργού αγωγού του καλωδίου. Η υπέρταση εξαρτάται από το υλικό και τις διαστάσεις της θωράκισης καθώς και από το μήκος και τον τρόπο όδευσης του καλωδίου. Στις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις η θωράκιση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τη χρήση μεταλλικών πλαισίων και ελασμάτων αλουμινίου στην πίσω πλευρά είναι ιδιαίτερα σημαντική. Το ίδιο σημαντικά είναι και τα μεταλλικά στηρίγματα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας γιατί αποτελούν μέρος δικτύου συνδέσεων βοηθώντας στη θωράκιση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Εικόνα 4.29: Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας [1] 4.38 Μέτρα προστασίας έναντι υπερτάσεων σε φωτοβολταϊκά συστήματα [10] Οι διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων συστημάτων χαμηλής τάσης κατατάσσονται σε τρεις κλάσεις: Κλάση I: Η κλάση I συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που ενδέχεται να διαρρέονται από τμήμα του κεραυνικού ρεύματος. Συνιστάται η εγκατάστασή 226

229 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] τους σε σημεία υψηλού κινδύνου. Έτσι λοιπόν οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται στα όρια των ΖΑΠ ΟΑ-ΟΒ και ΖΑΠ 1. Κλάση II: Η κλάση II συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται ως μέσα προστασίας έναντι υπερτάσεων από έμμεσα πλήγματα κεραυνού. Συνιστάται η εγκατάστασή τους σε σημεία μικρότερης απαίτησης προστασίας. Έτσι λοιπόν οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται στα όρια των ΖΑΠ 1 και ΖΑΠ 2. Κλάση III: Η κλάση III συμπεριλαμβάνει διατάξεις που χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις μειωμένης απαίτησης προστασίας έναντι υπερτάσεων. Έτσι λοιπόν οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται στα όρια των ΖΑΠ 2 και ΖΑΠ 3. Στα κιβώτια διασύνδεσης που είναι κοντά στη φωτοβολταϊκή γεννήτρια τοποθετούνται εκτροπείς υπέρτασης. Συγκεκριμένα τοποθετούνται στις φωτοβολταϊκές συστοιχίες εκτροπείς υπέρτασης κλάσης I. Εάν τα dc καλώδια που οδηγούνται από τα φωτοβολταϊκά πάνελ στον αντιστροφέα έχουν μήκος μεγαλύτερο από 10 m τότε η ύπαρξη εκτροπέα υπέρτασης στο κιβώτιο διασύνδεσης δίπλα στη φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν μας καλύπτει. Σε αυτή τη περίπτωση όμως θα τοποθετήσουμε εκτροπέα υπέρτασης κλάσης II στην dc είσοδο του αντιστροφέα. Επίσης στην έξοδο του ac αντιστροφέα θα τοποθετήσουμε επίσης συσκευή υπέρτασης κλάσης II. Εικόνα 4.30: Κύκλωμα διάταξης έναντι υπερτάσεων [1] Για το κτίριο ελέγχου υπάρχει ένα απομονωμένο σύστημα το οποίο χρησιμοποιείται για έναν απλό και γρήγορο έλεγχο λειτουργίας του συστήματος. Αυτό δίνει τη δυνατότητα 227

230 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] στο χειριστή να αντιλαμβάνεται οποιαδήποτε δυσλειτουργία του συστήματος όσο το δυνατόν νωρίτερα προτού υπάρξουν σοβαρές βλάβες. Οι διάφορες μετρήσεις πραγματοποιούνται με εξωτερικούς αισθητήρες. Οι αισθητήρες τοποθετούνται κι αυτοί μέσα στο ΖΑΠ όπως και τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Παρ όλα αυτά υπερτάσεις που προέρχονται από επαγωγικά φαινόμενα κατά την πραγματοποίηση ενός πλήγματος κεραυνού μπορεί να επηρεάσουν τα συστήματα μέτρησης. Για να το αποφύγουμε αυτό πρέπει να συνδέσουμε τα καλώδια των αισθητήρων μέτρησης που εισέρχονται στο κτίριο με εκτροπείς υπέρτασης κλάσης III. Εικόνα 4.31: Σύστημα προστασίας των αισθητήρων με εκτροπείς υπέρτασης [1] 4.39 Συντονισμός των εκτροπέων υπέρτασης [10] Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες συχνά χρειάζονται δύο ή περισσότερες διατάξεις προστασίας σε σειρά ώστε να περιορίσουν την ηλεκτρική τάση στον υπό προστασία εξοπλισμό σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Για να πετύχουμε τον επιθυμητό καταμερισμό της τάσης στις διατάξεις προστασίας ανάλογα με την ικανότητα απορρόφησης ενέργεια της κάθε διάταξης είναι απαραίτητος ο συντονισμός τους. Σύμφωνα με τις αρχές του συντονισμού απαιτείται γνώση των χαρακτηριστικών των εκτροπέων υπέρτασης και του υπό προστασία φωτοβολταϊκού εξοπλισμού. Λαμβάνοντας υπ όψιν ότι σε φωτοβολταϊκές γεννήτριες χρησιμοποιούνται μόνο εκτροπείς περιορισμού τάσης υπάρχουν δύο τρόποι συντονισμού: Η παραμένουσα τάση όλων των διατάξεων να είναι ίδια ή Να αυξάνει βηματικά από την εξωτερική διάταξη προς την εσωτερική 228

231 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.40 Προστασία ενάντια στην ηλεκτροπληξία Για να αποφύγουμε την ηλεκτροπληξία στα φωτοβολταϊκά συστήματα θα πρέπει τα επικίνδυνα ενεργά μέρη να μην είναι προσιτά σε κάποιο ανθρώπινο άγγιγμα. Γι αυτό σε κανονικές συνθήκες οι αγωγοί ή τα αγώγιμα τμήματα που έχουν τη τάση να φέρουν επικίνδυνες τάσεις στην κανονική λειτουργία δεν πρέπει να είναι προσιτά σε κάποια επαφή από κάποιο άτομο που δεν γνωρίζει ή και ακόμα και από άτομο που έρθει σε επαφή ασυναίσθητα. Η βασική μέθοδος ενάντια στην άμεση επαφή είναι η προστασία μέσω μόνωσης. Σε περίπτωση αποτυχίας ή απροσεξίας των χειριστών μια επιπρόσθετη προστασία είναι η χρήση προστατευτικών συσκευών. Αυτές οι συσκευές αποτελούνται από ένα συνδυασμό συσκευών ελέγχου και διακοπτικών συσκευών εξαιτίας της ειδικής λειτουργικής ικανότητας να διακόπτει τη λειτουργία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Θεμιτές συσκευές ελέγχου θα μπορούσαν να είναι ένας διακόπτης διαφυγής σε γειωμένη φωτοβολταϊκή γεννήτρια ενώ σε μη γειωμένα συστήματα μια συσκευή ελέγχου της μόνωσης. Από την άλλη σε περίπτωση έμμεσης επαφής (σφάλμα γείωσης) η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι με αυτόματη διακοπή της παροχής. Με αυτή τη μέθοδο εμποδίζουμε την επαφή με μια επικίνδυνη τάση στην εγκατάσταση μετά από ένα σφάλμα γείωσης Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταϊκών συστημάτων εγκατεστημένα σε οροφές κτιρίων Εικόνα 4.32: Φωτοβολταϊκά συστήματα εγκατεστημένα σε οροφή κτιρίου [1] 229

232 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Με το να εγκαταστήσουμε φωτοβολταϊκά συστήματα πάνω σε ταράτσες κτιρίων δεν αυξάνει τον κίνδυνο πλήγματος κεραυνού. Παρ όλα αυτά είναι πιθανό να υπάρξει ένας αυξανόμενος κίνδυνος για τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της καλωδίωσης των φωτοβολταϊκών γραμμών μέσα στο κτίριο στις ήδη υπάρχουσες οδεύσεις των καλωδίων διότι το ρεύμα των εκκενώσεων μπορεί να προκαλέσει επιδράσεις σους αγωγούς Κτίρια με φωτοβολταϊκά συστήματα στην οροφή χωρίς εξωτερική αντικεραυνική προστασία [10],[16] Εικόνα 4.33: Προστασία έναντι υπερτάσεων χωρίς εξωτερική αντικεραυνική προστασία [10],[16] Στην dc είσοδο του inverter κάθε ένας από τους αγωγούς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας πρέπει να προστατεύεται με έναν εκτροπέα μεταξύ του (+) και του (-). Αυτή η εγκατάσταση παρέχει προστασία για φωτοβολταϊκά συστήματα με τάση μέχρι 1000V dc. Η τάση λειτουργίας της συσκευής προστασίας πρέπει να είναι 10% υψηλότερη από την αναμενόμενη τάση ανοιχτού κυκλώματος της γεννήτριας κατά τη διάρκεια της μέγιστης ηλιοφάνειας μιας κρύας χειμωνιάτικής μέρας. Οι πιθανές τοποθεσίες που θα μπορούσαμε να εγκαταστήσουμε τους εκτροπείς υπέρτασης είναι η dc είσοδος του inverter, η ac έξοδος του inverter και η παροχή χαμηλής τάσης. 230

233 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.43 Κτίρια με φωτοβολταϊκά συστήματα στην οροφή με εξωτερική αντικεραυνική προστασία και διατήρηση των αποστάσεων ασφαλείας [10],[16] Εικόνα 4.34: Προστασία έναντι υπερτάσεων με εξωτερική αντικεραυνική προστασία και τήρηση των αποστάσεων ασφαλείας [10],[16] Το φωτοβολταϊκό σύστημα στην επιφάνεια της σκεπής πρέπει να σχεδιαστεί λαμβάνοντας υπ όψιν το ήδη σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Για το λόγο αυτό το φωτοβολταϊκό σύστημα πρέπει να εγκατασταθεί μέσα στη ζώνη προστασίας του συστήματος της εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας για να εξασφαλίσει την προστασία του ενάντια στα άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Με τη χρήση των κατάλληλων συλλεκτήριων συστημάτων όπως για παράδειγμα τεταμένα σύρματα, άμεσα κεραυνικά πλήγματα πάνω στα φωτοβολταϊκά πάνελ μπορούν να αποφευχθούν. Τα επιπλέον τεταμένα σύρματα που πιθανόν μπορεί να τοποθετηθούν εκ των υστέρων πρέπει να τοποθετηθούν με τρόπο που να εμποδίζουν τα άμεσα πλήγματα στη γεννήτρια και να μην προκαλούν σκίαση στην επιφάνεια των φωτοβολταϊκών πάνελ διότι θα έχουμε μείωση της απόδοσής τους. Επίσης πρέπει να λάβουμε υπ όψιν μας ότι η απόσταση ασφαλείας πρέπει να διατηρείται ανάμεσα στα φωτοβολταϊκά στοιχεία και στα μεταλλικά μέρη. Ένα βασικό μέρος της αντικεραυνικής προστασίας είναι οι ισοδυναμικές συνδέσεις για όλα τα αγώγιμα συστήματα που εισέρχονται έξω από το κτίριο. Οι απαιτήσεις των ισοδυναμικών συνδέσεων ικανοποιούνται με άμεση σύνδεση 231

234 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] όλων των μεταλλικών συστημάτων και έμμεση μέσω εκτροπέων υπέρτασης όλων των ενεργών συστημάτων στο ζυγό εξίσωσης δυναμικών. Οι ισοδυναμικές συνδέσεις όπως έχουμε προαναφέρει πρέπει να πραγματοποιούνται στην είσοδο της κατασκευής για να εμποδίζεται η εισχώρηση του ρεύματος της εκκένωσης στο εσωτερικό του κτιρίου. Και στη περίπτωση αυτή τοποθετούμε έναν εκτροπέα υπέρτασης στη παροχή χαμηλής τάσης Κτίρια με φωτοβολταϊκά συστήματα στην οροφή με εξωτερική αντικεραυνική προστασία χωρίς διατήρηση των αποστάσεων ασφαλείας [10],[11],[16] Εικόνα 4.35: Προστασία έναντι υπερτάσεων με εξωτερική αντικεραυνική προστασία χωρίς τήρηση των αποστάσεων ασφαλείας [10],[16] Σε πολλές περιπτώσεις βλέπουμε σκεπές να είναι γεμάτες από φωτοβολταϊκά συστήματα. Στις περιπτώσεις αυτές όμως είναι πολύ δύσκολο έως ακατόρθωτο να τηρήσουμε τις αποστάσεις ασφαλείας. Στη περίπτωση αυτή πρέπει να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις των ρευμάτων που μεταφέρονται μέσα στο κτίριο μέσω των dc αγωγών και να εξασφαλιστεί η ισοδυναμική σύνδεσή τους. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα του κεραυνού πρέπει να συμπεριληφθεί στην ισοδυναμική σύνδεση και να τοποθετηθούν εκτροπείς υπέρτασης στους dc αγωγούς. Επίσης ισοδυναμικές συνδέσεις πρέπει να πραγματοποιηθούν και για την είσοδο της χαμηλής τάσης. 232

235 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] 4.45 Γείωση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας στην οροφή ενός κτιρίου [18],[19] Για να μπορέσουμε να γειώσουμε το φωτοβολταϊκό πάνελ που βρίσκεται πάνω στην οροφή του κτιρίου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διάφορους τρόπους. Αρχικά μπορούμε να συνδέσουμε το φωτοβολταϊκό πάνελ μέσω ενός αγωγού σύνδεσης με το ηλεκτρικό σύστημα το οποίο είναι γειωμένο. Η μέθοδος αυτή είναι απλή στην υλοποίηση της αλλά σε περίπτωση πλήγματος όλο το ρεύμα του κεραυνού διοχετεύεται στη γη μέσα από το κτίριο. Αυτό είναι εξαιρετικά επικίνδυνο καθώς η αμοιβαία επαγωγή μεταξύ του αγωγού σύνδεσης και των γειτονικών αγωγών σε περίπτωση πλήγματος θα προκαλέσει έντονες υπερτάσεις οδηγώντας σε καταστροφή της μόνωσης. Επίσης μπορούμε να γειώσουμε το πάνελ απευθείας μέσω ενός ηλεκτροδίου γείωσης. Αυτή η απομόνωση των γειώσεων όμως δεν έχει καμία αξία. Η αντίσταση μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων γείωσης είναι πιθανό να είναι αρκετά χαμηλή τόσο ώστε να πραγματοποιηθεί μια σημαντική ροή ρεύματος στο σύστημα. Αυτή η ροή με τη σειρά της θα προκαλέσει μια μεγάλη διαφορά δυναμικού μεταξύ της γείωσης και του ενεργειακού συστήματος. Τέλος η πιο συνηθέστερη μέθοδος είναι αυτή που χρησιμοποιείται ένα ξεχωριστό ηλεκτρόδιο γείωσης ενώ τα δύο ξεχωριστά ηλεκτρόδια συνδέονται ισοδυναμικά στο πεδίο της γης. Με τη μέθοδο αυτή εξασφαλίζουμε την διοχέτευση του ρεύματος με ασφάλεια στη γη χωρίς να υπάρξουν διάφορες δυσάρεστες παρενέργειες. Εικόνα 4.36: Σύνδεση φωτοβολταϊκού συστήματος με τη γη [1] 233

236 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] Βιβλιογραφία: [1] Εικόνες από [2] %CE%A1%CE%93%CE%91%CE%A3%CE%99%CE%91%20(%CE%9D.%CE%98.).pdf [3] - Διπλωματική εργασία [4] - Διπλωματική εργασία [5] - Διπλωματική εργασία [6] Ανάλυση Εγκατάστασης Διασυνδεδεμένου Φωτοβολταϊκού συστήματος - Διπλωματική εργασία [7] [8] [9] [10] %CE%A1%CE%93%CE%91%CE%A3%CE%99%CE%91%20(%CE%9D.%CE%98.).pdf [11] [12] - Διπλωματική εργασία [13] - Διπλωματική εργασία [14] - Διπλωματική εργασία 234

237 Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταικών συστημάτων [κεφ. 4ο] [15] Εργαστηριακό μικροδίκτυο με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και συσσωρευτές - Διπλωματική εργασία [16] [17] [18] [19] [20] [21] E%A1%CE%9F%CE%9C%CE%97%CE%A7%CE%91%CE%9D%CE%9F%CE%9B%CE%9F%CE %93%CE%99%CE%9A%CE%91/%CE%93%CE%95%CE%99%CE%A9%CE%A3%CE%95%CE% 99%CE%A3/Elemko/grounding%20and%20surge%20protection.pdf - Ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ 1412 [22] Ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ "Απαιτήσεις για θεμελιακή γείωση" [23] %20PROTECTION%20MATERIALS%20O.K/3.%20EQUIPOTENTIAL%20BONDING%20SYSTE M%20COMPONENTS.pdf [24] %20PROTECTION%20MATERIALS%20O.K/2.%20EARTHING%20SYSTEM%20COMPONENT S.pdf [25] 235

238 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ 5. ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΑΘΜΟΙ Εικόνα 5.1: Ηλιοκερμικόσ ςτακμόσ * Γενικά Αρκετι ενζργεια από τον ιλιο πζφτει ςτθ γθ κάκε μζρα. Ωςτόςο τα τελευταία χρόνια ζχουμε αρχίςει να αξιοποιοφμαι τισ δυνατότθτεσ τθσ θλιακισ ενζργειασ. Μία ουςιαςτικά καινοφργια και ςιγά ςιγά αναπτυςςόμενθ μορφι ανανεϊςιμθσ πθγισ ενζργειασ είναι οι θλιοκερμικοί ςτακμοί. Πολλζσ εταιρείεσ κοινισ ωφζλειασ χρθςιμοποιοφν κάτοπτρα για να ςυγκεντρϊςουν κερμότθτα από τον ιλιο ϊςτε να παράγουν φιλικά προσ το περιβάλλον θλεκτρικι ενζργεια. Ζτςι θ αφκονία θλιακισ ενζργειασ κακίςταται ωσ εναλλακτικι λφςθ ςτισ παραδοςιακζσ μονάδεσ θλεκτροπαραγωγισ που καίνε ρυπογόνα ορυκτά καφςιμα όπωσ πετρζλαιο και άνκρακα. Άλλα οφζλθ με τουσ θλιοκερμικοφσ ςτακμοφσ παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ είναι το χαμθλό λειτουργικό κόςτοσ, θ ικανότθτα παραγωγισ ενζργειασ ςε περιόδουσ υψθλισ ηιτθςθσ και τθ μείωςθ τθσ ειςαγωγισ ξζνου πετρελαίου. Οι 236

239 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ θλιοκερμικοί ςτακμοί επειδι αποκθκεφουν τθν ενζργεια που παρζχει ο ιλιοσ μποροφν να λειτουργιςουν όλο το 24-ωρο ανεξάρτθτα από τισ καιρικζσ ςυνκικεσ. 5.2 Λειτουργία ςυνθκζςτερου ςυςτιματοσ (Ηλιακοί πφργοι) ε αντίκεςθ με τα φωτοβολταϊκά τα οποία χρθςιμοποιοφν το φωσ για τθν παραγωγι θλεκτρικισ ενζργειασ με επίκεντρο θλιακά ςυςτιματα παραγωγισ τα θλιοκερμικά ςυγκεντρϊνουν τθν θλιακι ακτινοβολία ςε ςυλλζκτεσ (κάτοπτρα) που αυτά με τθ ςειρά τουσ επικεντρϊνουν τθν ακτινοβολία πάνω ςε ζνα κερμικό δζκτθ παρόμοιο με ζνα ςωλινα λζβθτα. Ο δζκτθσ απορροφά το θλιακό φϊσ και το μετατρζπει ςε κερμότθτα. Η κερμότθτα ςτθ ςυνζχεια μεταφζρεται ςε μια γεννιτρια ατμοφ όπου μετατρζπεται ςε θλεκτρικι ενζργεια. Αυτι θ τεχνολογία μπορεί να χρθςιμοποιθκεί για τθ παραγωγι θλεκτρικοφ ρεφματοσ για ποικίλεσ εφαρμογζσ. Τπάρχουν ςυςτιματα που είναι τόςο μικρά όςο λίγα kw αλλά και ςυςτιματα που είναι MW και ςυνδζονται με το δίκτυο. Εικόνα 5.2: Λειτουργία θλιοκερμικισ μονάδασ *1+ 237

240 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ 5.3 Οι τρζχουςεσ τεχνολογίεσ παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ Επί του παρόντοσ υπάρχουν τζςςερισ τεχνολογίεσ (οικογζνειεσ) CSP οι οποίεσ μποροφν να ταξινομθκοφν με τον τρόπο που δζχονται τθν θλιακι ακτινοβολία. Αυτοί οι τφποι είναι: Παραβολικοί κάδοι Σα παραβολικά ςυςτιματα αποτελοφνται από παράλλθλεσ ςειρζσ κατόπτρων (ανακλαςτικζσ διατάξεισ). Οι ςυςτοιχίεσ των κατόπτρων είναι δυνατόν να είναι άνω των 100 μζτρων με κυρτι επιφάνεια. Η επικάλυψι τουσ είναι ςχεδιαςμζνθ να επιτρζπει ςτουσ ςωλινεσ να απορροφιςουν υψθλά επίπεδα θλιακισ ακτινοβολίασ ενϊ εκπζμπουν πολφ λίγθ υπζρυκρθ ακτινοβολία. Οι ςωλθνϊςεισ είναι μονωμζνεσ με γυάλινο περίβλθμα. ε αυτοφσ τουσ ςωλινεσ κυκλοφορεί κάποιο μζςω μεταφοράσ κερμότθτασ όπωσ ςυνκετικό κερμικό ζλαιο. Αφοφ κερμανκεί ςε κερμοκραςία 400 C από τισ θλιακζσ ακτίνεσ που ζχουν ςυγκεντρωκεί το ζλαιο αντλείται ςε μία ςειρά εναλλακτϊν κερμότθτασ ϊςτε να παραχκεί υπζρκερμοσ ατμόσ. Οι ανακλαςτιρεσ είναι προγραμματιςμζνοι να κινοφνται παράλλθλα με τον ιλιο κακϊσ διαςχίηει τον ουρανό ϊςτε να ζχουμε μεγαλφτερθ αξιοποίθςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ. υγκεκριμζνα τα παραβολικά ςυςτιματα ςυγκεντρϊνουν τθν θλιακι ακτινοβολία ςε μια ειδικι επιφάνεια, πάνω ςε ζνα ςωλινα δζκτθ που βρίςκεται κατά μικοσ τθσ γραμμισ επαφισ ενόσ ενιαίου άξονα εντοπιςμοφ που είναι παραβολικά κυρτόσ. Η κερμότθτα ςυλλζγεται και χρθςιμοποιείται για να παράγει ατμό που παράγει θλεκτρικι ενζργεια από μία ςτροβυλογεννιτρια. Εικόνα 5.3: Παραβολικοί κάδοι *1+ 238

241 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Δορυφορικζσ κεραίεσ (κινθτόσ δζκτθσ) Οι δορυφορικζσ κεραίεσ λαμβάνουν τισ ακτίνεσ του ιλιου ςε ζνα κομβικό ςθμείο και ςυγκρατείται ςτο κζντρο του πιάτου. Ολόκλθρθ θ ςυςκευι είναι ςχεδιαςμζνθ να κινείται προσ τον ιλιο ϊςτε να μπορεί να απορροφά όςο ο δυνατόν μεγαλφτερθ ακτινοβολία. Σα περιςςότερα πιάτα ζχουν ανεξάρτθτο κινθτιρα. Σα πιάτα προςφζρουν τθν υψθλότερθ θλιακό-θλεκτρικι μετατροπι. Τπάρχει ια εξαίρεςθ ςτα πολφ μεγάλα πιάτα τα οποία ζχουν αποδεδειγμζνα ςυμβατά με κερμικι αποκικευςθ και καφςιμα. Οι ςυγκεντρωτζσ παραβολικοφ πιάτου είναι ςυγκριτικά μικρζσ μονάδεσ με μία γεννιτρια τοποκετθμζνθ ςτο ςθμείο του ανακλαςτι. Σο μζγεκοσ τουσ κυμαίνεται ςε διάμετρο από 5 μζχρι 15 μζτρα και ςε ονομαςτικι ιςχφ από 5 μζχρι 50kW. Όπωσ όλεσ οι τεχνολογίεσ ςυγκζντρωςθσ μποροφν επιπροςκζτωσ να ενιςχυκοφν από φυςικό αζριο ι βιοαζριο, παρζχοντασ εγγυθμζνθ ιςχφ οποιαδιποτε ςτιγμι. Οι επιςτιμονεσ ιςχυρίηονται ότι θ μαηικι παραγωγι κα είναι ωσ αποτζλεςμα θ ανταγωνιςτικότθτα αλλά και κάποια ςτιγμι πολφ μεγαλφτερα λιακά κερμικά ςυςτιματα. Εικόνα 5.4: Δορυφορικζσ κεραίεσ *1+ Ηλιακοί πφργοι / Κεντρικόσ ςυλλζκτθσ Οι θλιακοί πφργοι είναι γνωςτοί και ωσ ςφςτθμα κεντρικοφ δζκτθ με εκατοντάδεσ ι χιλιάδεσ μικροφσ ανακλαςτιρεσ να επικεντρϊνουν τισ ακτίνεσ του θλίου επάνω ςε αυτοφσ (θλιακοφσ πφργουσ). τον θλιακό πφργο επιτυγχάνονται πολφ υψθλζσ κερμοκραςίεσ με αποτζλεςμα τθν αφξθςθ τθσ αποτελεςματικότθτασ κατά τθν οποία θ κερμότθτα μετατρζπεται ςε θλεκτρικι ενζργεια και το κόςτοσ τθσ κερμικισ 239

242 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ αποκικευςθσ μειϊνεται. Οι ςχεδιαςτζσ μποροφν να επιλζξουν μια ευρεία ποικιλία των κατόπτρων (heliostats). Ζχουν δοκιμαςτεί διάφορα μζςα μεταφοράσ κερμότθτασ ςυμπεριλαμβανομζνου των νερό/ατμόσ, υγροποιθμζνα άλατα, υγρό νάτριο και αζρασ. ε ζναν θλιακό πφργο υγροποιθμζνο άλατοσ το υγρό άλασ κερμοκραςίασ 290 C αντλείται από μια κρφα δεξαμενι αποκικευςθσ και διαμζςου του ςυλλζκτθ όπου κερμαίνεται ςτουσ 565 C οδθγείται ςε μια κερμι δεξαμενι για αποκικευςθ. Όταν απαιτείται παραγωγι ιςχφοσ από το ςτακμό το κερμό υγρό αλάτι οδθγείται ςε ζναν ατμοπαραγωγό όπου παράγεται υπζρκερμοσ ατμόσ για ζνα ςυμβατικό ςφςτθμα ατμοςτροβίλου. Από τον ατμοπαραγωγό το αλάτι επιςτρζφει ςτθν κρφα δεξαμενι όπου αποκθκεφεται ϊςτε να επαναλθφκεί θ διαδικαςία. Εικόνα 5.5: Ηλιακοί πφργοι *1+ Γραμμικοί ανακλαςτιρεσ Οι γραμμικοί ανακλαςτιρεσ προςεγγίηουν το παραβολικό ςχιμα. Χρθςιμοποιοφνται μεγάλεσ ςειρζσ επίπεδων ι κυρτϊν κατόπτρων για να αντικατοπτρίηουν τισ ακτίνεσ του ιλιου πάνω ςτο ςτακερό δζκτθ. Μια πρόςφατθ ανακάλυψθ είναι γνωςτι ωσ ςυμπαγισ γραμμικοί ανακλαςτιρεσ οι οποίοι χρθςιμοποιοφν δφο παράλλθλουσ δζκτεσ για κάκε γραμμι των κατόπτρων. 240

243 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Εικόνα 5.6: Γραμμικοί ανακλαςτιρεσ * Άλλα ςυςτιματα CSP Επίςθσ υπάρχουν και άλλα ςυςτιματα CSP τα οποία είναι πολφ μικρότερα. Πρόκειται για ςτακεροφσ δζκτεσ με παραβολικζσ γοφρνεσ. Αυτά κυρίωσ χρθςιμοποιοφνται ςτθν Ινδία για ςυςκευζσ μαγειρζματοσ με ατμό ςε διάφορεσ εγκαταςτάςεισ που ςερβίρουν χιλιάδεσ γεφματα τθν θμζρα. 5.5 Αντικεραυνικι προςταςία θλιοκερμικϊν ςτακμϊν Εικόνα 5.7: Ηλιοκερμικόσ ςτακμόσ *1+ 241

244 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Εικόνα 5.8: Κφκλοσ Λειτουργίασ ενόσ θλιοκερμικοφ ςτακμοφ * Μελζτθ αντικεραυνικισ προςταςίασ θλιοκερμικοφ ςτακμοφ *** Η μελζτθ κα γίνει με ςτοιχεία που ζχουν παρκεί από το internet (και ίςωσ να μθν είναι τα ςωςτά) και αφορά τον θλιοκερμικό ςτακμό που πρόκειται να καταςκευαςτεί ςτθ θτεία Κριτθσ. 242

245 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Πίνακασ 5.1: Δεδομζνα θλιοκερμικοφ ςτακμοφ Περιοχι θτεία Κριτθσ Ιςχφσ MW Αρικμόσ θλιακϊν ςυλλεκτϊν 3125 Ζκταςθ εγκατάςταςθσ 3000 ςτρζμματα Μικοσ ζκταςθσ L 3000 m Πλάτοσ ζκταςθσ W 1000 m Υψοσ πφργου H 120 m Αρικμόσ των θμερϊν καταιγίδασ ανά ζτοσ Td 40 (από τον ιςοκεραυνικό χάρτθ) Περιοχι Πεδινι Εργαηόμενοι 100 Κόςτοσ 250 εκατομμφρια ευρϊ Ο θλιακόσ κερμικόσ ςτακμόσ ο οποίοσ κα ζχει ιςχφ MW (θ ακριβισ ιςχφσ κα προςδιοριςτεί από τισ μελζτεσ), κα αξιοποιεί ςε πρϊτο ςτάδιο τθν θλιακι ακτινοβολία τθν οποία κα ςυγκεντρϊνει μζςω ειδικϊν κατόπτρων για τθ κζρμανςθ του νεροφ και εν ςυνεχεία κα μετατρζπει το παραγόμενο ατμό ςε θλεκτρικι ενζργεια μζςω γεννιτριασ Τπολογιςμοί για να βρεκεί θ αποδεκτι ςτάκμθ προςταςίασ Αρχικά κα βροφμε τθ μζςθ ετιςια πυκνότθτα πλθγμάτων κεραυνοφ ςτο ζδαφοσ Ng. Ng = 0.04 * Td 1.25 Από τα δεδομζνα ζχουμε ότι Td=40 (εικόνα 2.4) Ng = 0.04 * = 4.02 πλιγματα κεραυνοφ ανά km 2 και ζτοσ 1 ςτρζμμα = 1000 τ.μ. οπότε 3000 ςτρζμματα = τ.μ. (m 2 ) Σο μικοσ L=3000 m και το πλάτοσ W=1000 m Άρα ζχουμε: L*W=3000 m*1000 m = m 2 243

246 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Οπότε για ιςοδφναμθ ςυλλεκτιρια επιφάνεια Ae ζχουμε: Ae = LW + 6*H*(L+W) + 9*π*H 2, m 2 Από τα δεδομζνα που υπάρχουν ςτο πίνακα 5.1 ζχουμε: L = 3000 m,w = 1000 m,h = 120 m άρα, Ae = LW + 6*H*(L+W) + 9*π*H 2 Ae = 3000*1000+6*120*( )+9*3.14*(120) 2 Ae = Ae = m 2 Οπότε για τθ ςυχνότθτα άμεςων κεραυνικϊν πλθγμάτων ςε μια καταςκευι Nd υπολογίηεται ωσ εξισ: Nd = Ng * Ae * 10-6 Nd = 4.02 * * 10-6 Nd = πλιγματα κεραυνοφ ανά ζτοσ τθ ςυνζχεια κα υπολογίςουμε το Ndϋ με τθ βοικεια των ςυντελεςτϊν A,B,C,D,E που αναφζρονται ςτα ςτοιχεία τθσ καταςκευισ. Από τουσ πίνακεσ λοιπόν ζχουμε: A = 1.0 B = 0.4 C = 1.3 D = 1.0 E =

247 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ οπότε ζχουμε, Ndϋ = Nd * A * B * C * D * E Ndϋ = * 1.0 * 0.4 * 1.3 * 1.0 * 0.3 Ndϋ = Σζλοσ, ζχουμε: E 1 - Σο Nc ςτθ περίπτωςι μασ ιςοφται με: άρα Nc = 5*10-5 (πίνακασ 2.4) E 1 (5*10-5 / ) E 0.99 Από τα παραπάνω ςυμπεραίνουμε ότι κα πρζπει να χρθςιμοποιθκεί θ ςτάκμθ προςταςίασ I + επιπλζον μζςα προςταςίασ (πίνακασ 2.5). Σα επιπλζον μζςα προςταςίασ είναι: Μζτρα περιοριςμοφ των βθματικϊν τάςεων και των τάςεων επαφισ Μζτρα περιοριςμοφ τθσ διάδοςθσ τθσ φωτιάσ Μζτρα μείωςθσ των επαγόμενων τάςεων λόγω κεραυνϊν ςε ευαίςκθτεσ ςυςκευζσ Εξωτερικι ΕΑΠ Η εξωτερικι ΕΑΠ αποτελείται από: Σο ςυλλεκτιριο ςφςτθμα που κακορίηεται να δζχεται τουσ κεραυνοφσ Σο ςφςτθμα αγωγϊν κακόδου το οποίο εξαςφαλίηει τθν όδευςθ του ρεφματοσ του κεραυνοφ από το ςυλλεκτιριο ςφςτθμα προσ τθ γθ Σο ςφςτθμα γείωςθσ που άγει και διαχζει το ρεφμα του κεραυνοφ ςτο ζδαφοσ 245

248 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Σο ςυλλεκτιριο ςφςτθμα τθ περίπτωςι μασ επειδι το κτίριο είναι απλισ μορφισ κα χρθςιμοποιιςουμε τθ μζκοδο τθσ γωνίασ προςταςίασ ϊςτε να προςδιορίςουμε τθ ηϊνθ προςταςίασ που κα παρζχει το ςυλλεκτιριο ςφςτθμα. φμφωνα με τθ μζκοδο τθσ γωνίασ προςταςίασ θ ηϊνθ προςταςίασ μίασ κατακόρυφθσ ράβδου φψουσ ht ζχει τθ μορφι ενόσ ορκοφ κυκλικοφ κϊνου με τθ κορυφι τθν απόλθξθ τθσ ράβδου. Η θμιγωνία κορυφισ α του κϊνου προςταςίασ λαμβάνει τιμζσ από το πίνακα 2.6. φμφωνα με το πίνακα 2.6 και τθ ςτάκμθ προςταςίασ που ζχουμε υπολογίςει παραπάνω θ ράβδοσ κα ζχει φψοσ 20 m και θ θμιγωνία α κα είναι 25. Σο ςφςτθμα αγωγϊν κακόδου Οι αγωγοί κακόδου αποτελοφν τθν απευκείασ ςυνζχεια των ςτοιχείων του ςυλλεκτιριου ςυςτιματοσ. τθ περίπτωςι μασ θ εγκατάςταςθ των αγωγϊν κακόδου ςε ΑΠ κα είναι με μονωμζνθ εξωτερικι ΕΑΠ. Δθλαδι: (τα παρακάτω εξαρτϊνται από τα υλικά τα οποία κα είναι καταςκευαςμζνθ θ καταςκευι) Αν το ςυλλεκτιριο ςφςτθμα αποτελείται από ράβδουσ ςε ανεξάρτθτουσ ιςτοφσ (ι ζνα μόνο ιςτό) απαιτείται τουλάχιςτον ζνασ αγωγόσ κακόδου για κάκε ιςτό. τθ περίπτωςθ ιςτϊν από μζταλλο ι από ενδοςυνδεδεμζνο χαλφβδινο οπλιςμό δεν είναι αναγκαίοσ επιπρόςκετοσ αγωγόσ κακόδου. Επίςθσ μποροφμε να ζχουμε και φυςικοφσ αγωγοφσ κακόδου δθλαδι κάποια τμιματα τθσ καταςκευισ τα οποία εξαιτίασ των υλικϊν από τα οποία είναι καταςκευαςμζνα μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν ςαν αγωγοί κακόδου. Σζτοιεσ καταςκευζσ μπορεί να είναι: (τα παρακάτω εξαρτϊνται από τα υλικά τα οποία κα είναι καταςκευαςμζνθ θ καταςκευι) 246

249 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Μεταλλικζσ εγκαταςτάςεισ οι οποίεσ μποροφν να επικαλφπτονται με μονωτικό υλικό Ο μεταλλικόσ ςκελετόσ ι ο ενδοςυνδεδεμζνοσ χαλφβδινοσ οπλιςμόσ του ςκυροδζματοσ τθσ καταςκευισ τοιχεία των όψεων (προεξζχοντα κιγκλιδϊματα κ.α.) Σζλοσ κα πρζπει ςτο ςθμείο ςφνδεςθσ κάκε αγωγοφ κακόδου με το ςφςτθμα γείωςθσ να τοποκετείται ζνασ ςφνδεςμοσ ελζγχου για να υπάρχει θ δυνατότθτα να ελζγχεται θ θλεκτρικι ςυνζχεια του υπολοίπου κυκλϊματοσ τθσ εξωτερικισ ΕΑΠ. Σο ςφςτθμα γείωςθσ κοπόσ του ςυςτιματοσ γείωςθσ είναι να διαχζεται το ρεφμα του κεραυνοφ ςτο ζδαφοσ μζςω των θλεκτροδίων γείωςθσ χωρίσ να αναπτφςςονται επικίνδυνεσ υπερτάςεισ, να ςυνδζει ιςοδυναμικά τουσ αγωγοφσ κακόδου όπου είναι εφικτό, να περιορίηει τθν ανφψωςθ του δυναμικοφ του εδάφουσ ςτθν περιοχι του κακϊσ και να αναχαιτίηει τον κεραυνό ςτθ περίπτωςθ επιφανειακισ διάςπαςθσ του εδάφουσ. Από τθν άποψθ τθσ αντικεραυνικισ προςταςίασ τθν καλφτερθ λφςθ αποτελεί μία ενιαία γείωςθ ενςωματωμζνθ ςτο κτίριο, θ οποία μπορεί να προςφζρει πλιρθ προςταςία ςε όλεσ τισ εγκαταςτάςεισ τθσ καταςκευισ. Κατάλλθλα θλεκτρόδια γείωςθσ αποτελοφν ζνα ι περιςςότερα περιμετρικά θλεκτρόδια τφπου δακτυλίου, κατακόρυφα ι κεκλιμζνα θλεκτρόδια, ακτινικά θλεκτρόδια και θλεκτρόδια κεμελιακισ γείωςθσ. Τπολογιςμόσ του ελάχιςτου μικουσ θλεκτροδίου γείωςθσ L1(m) Η ειδικι αντίςταςθ του εδάφουσ (ρ) ςτθ περιοχι είναι μεγαλφτερθ από 500 Ω.m. Εμείσ ζχουμε επιλζξει ςτάκμθ προςταςίασ I οπότε από το πίνακα 2.9 για το ελάχιςτο μικοσ του θλεκτροδίου γείωςθσ είναι: L1(m)=0.03*ρ 10, για 500 < ρ(ω.m) <3000 Σο (ρ) για τθ περιοχι μασ είναι 1000 Ω.m οπότε ζχουμε: L1(m)=0.03* L1(m) = 20m 247

250 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Η διάταξθ των θλεκτροδίων γείωςθσ που κα χρθςιμοποιθκεί κα είναι τφπου πλζγματοσ. Οι διατάξεισ τφπου πλζγματοσ χρθςιμοποιοφνται ςε βιομθχανικζσ εγκαταςτάςεισ που κατά κανόνα ςυμπεριλαμβάνουν πολλζσ γειτονικζσ καταςκευζσ. Επίςθσ είναι ςθμαντικό οι διατάξεισ θλεκτροδίων γείωςθσ των επιμζρουσ καταςκευϊν να αλλθλοςυνδζονται ςχθματίηοντασ ζνα ςφςτθμα γείωςθσ τφπου πλζγματοσ. Σο πλζγμα των αγωγϊν γείωςθσ πρζπει να επεκτείνεται ςτα εξωτερικά όρια τθσ βιομθχανικισ εγκατάςταςθσ. Σο ςφςτθμα γείωςθσ πλζγματοσ εξαςφαλίηει χαμθλι τιμι αντίςταςθσ γείωςθσ και περιορίηει δραςτικά τισ επικίνδυνεσ επιδράςεισ του κεραυνοφ λόγω υψθλϊν τιμϊν τάςθσ επαφισ και βθματικισ τάςθσ. Σζλοσ μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν και φυςικά θλεκτρόδια γείωςθσ. Σζτοια φυςικά θλεκτρόδια μπορεί να είναι ο ενδοςυνδεδεμζνοσ χαλφβδινοσ οπλιςμόσ του ςκυροδζματοσ των κεμελίων ι άλλεσ κατάλλθλεσ υπόγειεσ μεταλλικζσ καταςκευζσ των οποίων τα χαρακτθριςτικά είναι ςφμφωνα με τισ απαιτιςεισ των υλικϊν των θλεκτροδίων γείωςθσ. Τλικά και ελάχιςτεσ διαςτάςεισ των δομικϊν ςτοιχείων του ΑΠ Από τον πίνακα 2.10 ζχουμε τα υλικά και τισ ελάχιςτεσ διαςτάςεισ τουσ. Σο υλικό που κα χρθςιμοποιθκεί κα είναι χαλκόσ (Cu) με 35 αγωγοφσ ςυλλεκτιριου ςυςτιματοσ, 16 αγωγοφσ κακόδου, 50 αγωγοφσ ςυςτιματοσ γείωςθσ, 16 αγωγοφσ ιςοδυναμικϊν ςυνδζςεων και 6 αγωγοφσ ιςοδυναμικϊν ςυνδζςεων που από αυτοφσ περνάει ζνα μικρό ποςοςτό του κεραυνικοφ ρεφματοσ (<25%). Αντικεραυνικι προςταςία ςυλλεκτϊν (κατόπτρων) αυτι τθ περίπτωςθ λαμβάνεται υπ όψιν το ψθλότερο ςθμείο του κατόπτρου διότι τα κάτοπτρα τισ περιςςότερεσ φορζσ είναι τοποκετθμζνα με κλίςθ ϊςτε να ζχουν καλφτερθ απόδοςθ. Η εξωτερικι ΕΑΠ των κατόπτρων μπορεί να είναι μονωμζνθ εμποδίηοντασ ζτςι τθν εμφάνιςθ υπερπθδιςεων. Γι αυτό το λόγο μεταξφ του ςυλλεκτθρίου ςυςτιματοσ και των μεταλλικϊν πλαιςίων των κατόπτρων πρζπει να τθρείται μια απόςταςθ αςφαλείασ. Η απόςταςθ αυτι μεταξφ των αγωγϊν και των κατόπτρων ονομάηεται S και πρζπει να είναι μεγαλφτερθ από τθν D. Παρακάτω βλζπουμε τθ ςχζςθ υπολογιςμοφ τθσ D. 248

251 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ όπου, S D και D = ki *( kc/km )*L(m) ki: Εξαρτάται από τθν επιλεχκείςα ςτάκμθ προςταςίασ ςφμφωνα με τον παρακάτω πίνακα 5.1. (τθ περίπτωςι μασ ki=0.1) Πίνακασ 5.1: Σιμζσ του ki ςφμφωνα με τισ ςτάκμεσ προςταςίασ τάθμη προςταςίασ ki I 0.1 II III - IV 0.05 kc: Εξαρτάται από τον αρικμό και τθ χωροκζτθςθ των αγωγϊν κακόδου από τουσ οριηόντιουσ περιμετρικοφσ δακτυλίουσ που διαςυνδζουν ιςοδυναμικά τουσ αγωγοφσ κακόδου κακϊσ και από το τφπο του ςυλλεκτθρίου ςυςτιματοσ και του ςυςτιματοσ γείωςθσ. Λαμβάνει τιμζσ οι οποίοι υπάρχουν ςτον παρακάτω πίνακα 5.2. τθ τελευταία περίπτωςθ όμωσ για περιςςότερουσ αγωγοφσ πρζπει να τοποκετθκοφν ςυμμετρικά ςτισ τρείσ διαςτάςεισ τθσ καταςκευισ με απόςταςθ 20m. (τθ περίπτωςι μασ kc =0.44) Πίνακασ 5.2: Σιμζσ του kc ςφμφωνα με τουσ αγωγοφσ κακόδου Αγωγοί καθόδου kc περιςςότερουσ από km: Εξαρτάται από το διαχωριςτικό μζςο που παρεμβάλλεται μεταξφ των εγκαταςτάςεων που ελζγχεται θ γειτνίαςι τουσ. τθ περίπτωςθ των κατόπτρων λόγω του αζρα θ τιμι αυτι είναι 1. L(m) : Είναι το μικοσ του αγωγοφ κακόδου από το ςθμείο που ελζγχεται θ γειτνίαςθ μζχρι το πλθςιζςτερο ςθμείο ιςοδυναμικισ ςφνδεςθσ. 249

252 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ οπότε ζχουμε: D = ki *( kc/km )*L(m) D = 0.1 * (0.44/1) * 20 D = 0.1 * 0.44 * 20 D = 0.88 m Σο S δεν το γνωρίηουμε για να κάνουμε τθν επαλικευςθ. Εναλλακτικόσ τρόποσ ςχεδιαςμοφ τθσ εξωτερικισ ΕΑΠ των κατόπτρων Ο εναλλακτικόσ τρόποσ ςχεδιαςμοφ τθσ εξωτερικισ ΕΑΠ των κατόπτρων είναι με χριςθ κατακόρυφων ράβδων οι οποίεσ κα είναι τοποκετθμζνεσ πάνω ςτο πάνελ των κατόπτρων. Σο φψοσ των ράβδων αυτϊν είναι γφρω ςτο 1 m γιατί αν τοποκετιςουμε κατακόρυφουσ ράβδουσ με μεγαλφτερο φψοσ τότε είναι δφςκολθ θ ςτιριξθ αυτϊν. Ο μεταλλικόσ ςκελετόσ του πάνελ εκτελεί χρζθ αγωγοφ κακόδου μαηί με τουσ επιπρόςκετουσ αγωγοφσ κακόδου που ενδζχεται να τοποκετθκοφν. Εικόνα 5.9: Πανοραμικι εικόνα θλιοκερμικοφ ςτακμοφ *1+ 250

253 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Εςωτερικι ΕΑΠ Η εςωτερικι ΕΑΠ περιλαμβάνει όλα τα μζςα προςταςίασ που πρζπει να λθφκοφν ϊςτε να περιοριςτοφν ςε αποδεκτό βακμό οι θλεκτρομαγνθτικζσ επιδράςεισ του ρεφματοσ του κεραυνοφ ςτο εςωτερικό και ςτθ γειτονιά τθσ καταςκευισ που χριηει προςταςίασ. Η εςωτερικι ΕΑΠ κακορίηεται από τθ τοποκζτθςθ τθσ εξωτερικισ ΕΑΠ και με τισ εςωτερικζσ εγκαταςτάςεισ τθσ καταςκευισ. Ουςιαςτικά θ εςωτερικι ΕΑΠ αποτελείται από: Σισ ιςοδυναμικζσ ςυνδζςεισ Σθ τιρθςθ των ελαχίςτων διαχωριςτικϊν αποςτάςεων Σθ μόνωςθ Οι ιςοδυναμικζσ ςυνδζςεισ Οι ιςοδυναμικζσ ςυνδζςεισ πραγματοποιοφνται είτε μζςω ςυνδετιρων αγωγϊν όπου θ θλεκτρικι ςυνζχεια δεν εξαςφαλίηεται με φυςικζσ ςυνδζςεισ, είτε μζςω εκτροπζων υπζρταςθσ όπου δεν επιτρζπεται θ άμεςθ αγϊγιμθ ςφνδεςθ. Για τθν υλοποίθςθ των απαιτοφμενων ιςοδυναμικϊν ςυνδζςεων ςτο υπόγειο ι γενικά ςτθ ςτάκμθ του εδάφουσ τθσ καταςκευισ που χρειάηεται προςταςία εγκακιςτοφμε ζνα ηυγό εξίςωςθσ δυναμικϊν ο οποίοσ ςυνδζεται με το ςφςτθμα γείωςθσ και ςτον οποίο καταλιγουν όλοι οι ςυνδετιριοι αγωγοί και οι ακροδζκτεσ γείωςθσ των εκτροπζων υπζρταςθσ. Εικόνα 5.10: Ιςοδυναμικζσ ςυνδζςεισ εγκαταςτάςεων μζςω ηυγοφ εξίςωςθσ δυναμικϊν *2] 251

254 Αντικεραυνική προςταςία εγκαταςτάςεων Α.Π.Ε. Αντικεραυνική προςταςία ηλιοθερμικών ςταθμών [κεφ. 5ο] Σαρρήσ Μιχαήλ Επίςθσ ςτο ηυγό εξίςωςθσ δυναμικϊν ςυνδζονται μζςω ςυνδετιριων αγωγϊν ο ενδοςυνδεδεμζνοσ οπλιςμόσ του ςκυροδζματοσ τθσ καταςκευισ ι ο μεταλλικόσ ςκελετόσ τθσ, οι εςωτερικζσ μεταλλικζσ εγκαταςτάςεισ τθσ όπωσ υδραυλικι ι κζρμανςθσ κακϊσ και οι κωρακίςεισ, ι οι μεταλλικοί ςωλινεσ όδευςθσ των καλωδίων των εςωτερικϊν θλεκτρικϊν εγκαταςτάςεων ιςχυρϊν ι αςκενϊν ρευμάτων. Επιπλζον ςτο ηυγό εξίςωςθσ δυναμικϊν ςυνδζονται μζςω ςυνδετιριων αγωγϊν είτε εκτροπζων υπερτάςεων όλεσ οι παροχζσ υπθρεςιϊν κοινισ ωφζλειασ δθλαδι θλεκτριςμοφ, τθλεπικοινωνιϊν, φυςικοφ αερίου, φδρευςθσ όςο το δυνατόν πλθςιζςτερα ςτθν είςοδό τουσ ςτθν καταςκευι. τα δίκτυα ΣΝ (γειωμζνοσ ουδζτεροσ) ο αγωγόσ προςταςίασ ΡΕ ι ο κοινόσ αγωγόσ ουδετζρου-γείωςθσ ΡΕΝ ςυνδζονται απευκείασ ςτο ηυγό εξίςωςθσ δυναμικϊν μζςω ςυνδετιριων αγωγϊν ενϊ οι ενεργοί αγωγοί ςυνδζονται μζςω εκτροπζων υπζρταςθσ. Όταν οι παροχζσ υπθρεςιϊν κοινισ ωφζλειασ ειςζρχονται ςτθ καταςκευι ςτο επίπεδο του εδάφουσ από διαφορετικά ςθμεία εγκακίςτανται ηυγόσ ιςοδυναμικϊν ςυνδζςεων ςε κάκε ςθμείο ειςόδου των παροχϊν ο οποίοσ ςυνδζεται άμεςα με το ςφςτθμα γείωςθσ και με τον ςυνδεδεμζνο οπλιςμό του ςκυροδζματοσ των κεμελίων τθσ καταςκευισ. Παραπάνω αναφζραμε ότι κα χρθςιμοποιθκεί ςφςτθμα γείωςθσ θλεκτροδίου τφπου Β. τθ περίπτωςθ αυτι του ςυςτιματοσ γείωςθσ με διάταξθ θλεκτροδίων γείωςθσ τφπου B οι ηυγοί ιςοδυναμικϊν ςυνδζςεων ςυνδζονται άμεςα με τον περιμετρικό δακτφλιο γείωςθσ ι τθ κεμελιακι γείωςθ. Εικόνα 5.11: Ιςοδυναμικι ςφνδεςθ ςτθ περίπτωςθ που οι παροχζσ κοινισ ωφζλειασ ειςζρχονται ςτθ καταςκευι ςτο επίπεδο του εδάφουσ από διαφορετικά ςθμεία (Διάταξθ τφπου Β) *2] Όταν οι παροχζσ υπθρεςιϊν κοινισ ωφζλειασ ειςζρχονται ςτθν καταςκευι ςε κάποιο φψοσ από το επίπεδο του εδάφουσ οι ηυγοί ιςοδυναμικϊν ςυνδζςεων διαςυνδζονται εςωτερικά ι εξωτερικά του εξωτερικοφ τοίχου τθσ καταςκευισ μζςω περιμετρικοφ 252