ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΑΔΑΜΙΔΗΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6180 Θέμα: «Συγκριτική μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης.» Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα: Σ ε λ ί δ α

2 2 Σ ε λ ί δ α

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «Συγκριτική μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΑΔΑΜΙΔΗΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Α.Μ.: 6180 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Επίκουρη Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης 3 Σ ε λ ί δ α

4 4 Σ ε λ ί δ α

5 Ευχαριστίες: Θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στην κα. Ε. Πυργιώτη, για την πολύτιμη καθοδήγηση, επίβλεψη και ανάθεση της διπλωματικής εργασίας. Επίσης το διευθυντή και προσωπικό της ΔΕΔΔΗΕ Αιγίου (Διαχειριστής του Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας), κ. Σωτηρόπουλος Ευάγγελος, κ. Μαραγκός Δημήτριος και κ. Παπαγεωργίου Σπυρίδων, για την πολύτιμη βοήθειά τους καθώς και για την παραχώρηση των κατάλληλων δεδομένων. 5 Σ ε λ ί δ α

6 6 Σ ε λ ί δ α

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: «Συγκριτική μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης» Φοιτητής: ΑΔΑΜΙΔΗΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Επιβλέπουσα: ΕΠΙΚΟΥΡΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε αυτή την διπλωματική εργασία γίνεται μελέτη της συμπεριφοράς εναέριων γραμμών διανομής μέσης τάσης από καταπονήσεις κεραυνών. Οι κεραυνοί είναι ένα φυσικό φαινόμενο που δημιουργούν μεγάλα προβλήματα στις ηλεκτρικές συσκευές, στα ηλεκτρικά συστήματα καθώς και στην ασφάλεια του ανθρώπου. Ένα κεραυνικό πλήγμα μπορεί να είναι άμεσο ή έμμεσο αλλά προκαλεί βραχυκυκλώματα και στις δυο περιπτώσεις ειδικότερα εάν η γραμμή διανομής είναι απροστάτευτη. Επειδή είναι ένα φυσικό φαινόμενο, δεν είναι εφικτό να προβλέψουμε απόλυτα την έκβαση του. Διάφορες παράμετροι όπως η πυκνότητα κεραυνών ή ο αριθμός των άμεσων κεραυνικών πληγμάτων απέχουν από τα πραγματικά στοιχεία. Η διπλωματική εργασία αναλύει και παρέχει με ακρίβεια προβλέψεις για σφάλματα από κεραυνικά πλήγματα στις γραμμές διανομής ηλεκτρικής ενέργειας μέσης τάσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας αναφέρεται η οδηγία της ΙΕΕΕ για τη συμπεριφορά έναντι κεραυνών των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός της είναι να παρουσιάσει λύσεις για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής. 7 Σ ε λ ί δ α

8 Επιπλέον προσδιορίζεται η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση πτώσης κεραυνού (πλήγματα κεραυνών και βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση), το αναγκαίο επίπεδο μόνωσης των γραμμών διανομής, η προστασία των γραμμών διανομής με προστατευτικό αγωγό καθώς επίσης και η προστασία των γραμμών με αλεξικέραυνα. Το τρίτο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας εστιάζεται αναλυτικά στα καταγεγραμμένα σφάλματα που προκλήθηκαν από πτώσεις κεραυνών στο δίκτυο μέσης τάσης σε μετασχηματιστές καθώς και στις γραμμές διανομής μέσης τάσης για μια δεκαετία στην περιοχή της Αχαΐας. Η μελέτη γίνεται σε τέσσερις γραμμές διανομής μέσης τάσης με αφετηρία την περιοχή του Αιγίου, γραμμή R21 Αιγίου Βλασιάς, γραμμή R23 Αιγίου Διακοπτού, γραμμή R 22 Αιγίου Ακράτας και γραμμή R29 N. Ερινεού. Το πραγματικό μήκος των συγκεκριμένων γραμμών υπολογίστηκε από τα μονογραμμικά σχέδια που μας παρείχε η ΔΕΔΔΗΕ. Επομένως χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της ΙΕΕΕ οδηγίας, υπολογίζεται η θεωρητική τιμή των κεραυνικών σφαλμάτων. Έπειτα τα καταγεγραμμένα σφάλματα από κεραυνικά πλήγματα συλλέχτηκαν και κατηγοριοποιήθηκαν από την βάση δεδομένων της ΔΕΔΔΗΕ Αιγίου για την χρονική περίοδο παρέχοντας την πραγματική τιμή των κεραυνικών σφαλμάτων. Στο τελευταίο κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα καθώς και μια λεπτομερής σύγκριση θεωρητικών και πραγματικών δεδομένων με διαγράμματα, κατηγοριοποιώντας τα σφάλματα ανά χρόνο και ανά μήνα για τα έτη Σ ε λ ί δ α

9 SUMMARY This diploma thesis focuses on the lightning performance of electric power overhead distribution lines. Lightning is a physical phenomenon which often causes several problems to the distribution systems, building structures, electrical appliances and more importantly to the safety of human beings. When lightning strikes directly to the distribution line or to the nearby area is responsible for temporary or permanent faults on the overhead distribution line. The nature of lightning is impossible to predict with precision. Parameters such as lightning intensity measured by ground flash density (GFD), or estimating the number of direct strikes to a distribution line may have significant errors. This diploma thesis intends to provide most precise estimates of lightning-caused faults. The second chapter of the thesis describes the IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines. The main purpose is to present alternative solutions to reduce the number of flashovers caused by the lightning strike on overhead distribution lines. Specifically we deal with the lightning performance of the overhead distribution lines during lightning (either direct strike or induced flashover), the insulation level of distribution lines, the protection of the distribution lines with a shield wire or arresters. The third chapter analyzes the recorded lightning faults to the distribution network of the region of Achaia, Greece for the last ten years. It focuses on four distribution lines all starting from the region of Aegio. Moreover using the methodology from the IEEE guide, a theoretical value of lightning faults has been calculated. The recorded data that has been collected along with the theoretical value of lightning faults are being detailed compared in the last chapter in order to provide us with a better understanding of the results. 9 Σ ε λ ί δ α

10 10 Σ ε λ ί δ α

11 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ιστορική Αναδρομή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΙΕΕΕ ΟΔΗΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Περίληψη Οδηγίας Πίνακας Ορισμών Παράμετροι κεραυνών Περίπτωση κεραυνικού πλήγματος Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κεραυνού Κανονική λογαριθμική στατιστική κατανομή Παράμετροι των κυματομορφών Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Κεραυνικά πλήγματα σε εναέριες γραμμές Βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από επαγόμενη τάση Βραχυκυκλώματα από απευθείας κεραυνικά πλήγματα Επίπεδο μόνωσης γραμμών διανομής CFO τάση της συνδυασμένης μόνωσης Προσδιορισμός της CFO τάσης για κατασκευές με μόνωσης σειράς Πρακτικές εκτιμήσεις όταν αυξάνεται το CFO της κατασκευής Ικανότητα του ξύλου για διακοπή του τόξου Καταστροφή του ξύλου λόγω κεραυνικού πλήγματος Προστασία των γραμμών διανομής με αγωγό προστασίας Γωνία Προστασίας Απαιτήσεις μόνωσης Αποτελεσματικότητα γείωσης και μόνωσης Τοποθέτηση κατασκευής συστήματος διανομής Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Σ ε λ ί δ α

12 2.8.1 Μήκος αγωγών σύνδεσης των αλεξικεραύνων Βραχυκυκλώματα από έμμεσα πλήγματα Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα Προστασία αλεξικεραύνων άνω φάσης (άμεσο πλήγμα) Ικανότητα απορρόφησης ενέργειας του αλεξικεραύνου ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Παράδειγμα 1 : Σχέδιο ξύλινου βραχίονα 15 kv Παράδειγμα 2 : Γραμμή διανομής 35 kv με αγωγό προστασίας ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β : Τεχνικός σχεδιασμός και υποθέσεις Β1 : Προστασία Β2 : Υπερπηδήσεις που οφείλονται σε επαγόμενη τάση Β.2.1 Απλοποιημένη διαδικασία για την περίπτωση μιας γραμμής με ιδανικές απώλειες εδάφους Β3 : Σχεδιασμός αγωγού προστασίας για απευθείας πλήγματα Β4 : Ανοίγματα μεταξύ αλεξικεραύνων Β.4.1 Άμεσα πλήγματα Β.4.2 Βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από επαγόμενη τάση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Εισαγωγή Θεωρητική μεθοδολογία υπολογισμού σφαλμάτων Θεωρητικός υπολογισμός της γραμμής R 21 Αιγίου - Βλασίας Πραγματικά δεδομένα σφαλμάτων από κεραυνό της γραμμής R Θεωρητικός υπολογισμός της γραμμής R 23 Αιγίου - Διακοπτού Πραγματικά δεδομένα σφαλμάτων από κεραυνό της γραμμής R Θεωρητικός υπολογισμός της γραμμής R 22 Αιγίου - Ακράτας Πραγματικά δεδομένα σφαλμάτων από κεραυνό της γραμμής R Θεωρητικός υπολογισμός της γραμμής R 29 Ν.Ερινέου Πραγματικά δεδομένα σφαλμάτων από κεραυνό της γραμμής R ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ Συγκριτικά διαγράμματα Σχεδιαγράμματα σφαλμάτων των γραμμών διανομής ανά μήνα Παρατηρήσεις - Συμπεράσματα Σ ε λ ί δ α

13 13 Σ ε λ ί δ α

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ιστορική αναδρομή Τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας είναι τα συνολικά τμήματα των εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτήσουν με ηλεκτρική ενέργεια ένα σύνολο καταναλωτών όπου χαρακτηρίζεται από τρείς βασικές λειτουργίες, την παραγωγή, την μεταφορά και την διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις ήταν ένα μείζον πρόβλημα. Το 1880 ο Thomas Eddison δημιούργησε ένα σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, Pearl Street New York City, παρέχοντας σε 59 πελάτες 110V (DC), συνεχούς ρεύματος. Ο πόλεμος των ρευμάτων μεταξύ George Westinghouse (AC) και Thomas Eddison (DC) άρχισε και επικράτησε μετά από χρόνια λόγω των πλεονεκτημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας το εναλλασσόμενο σύστημα ρεύματος. Ο William Stanley ( ) κατασκεύασε το πρώτο επαγωγικό πηνίο (σύγχρονος μετασχηματιστής) καθώς και το πρώτο πλήρες σύστημα υψηλής τάσης μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος δίνοντας την λύση και βάση για την μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα: Το πρωτότυπο του W.Stanley έγινε η βάση για τους σύγχρονους μετασχηματιστές(u.s Patent 349,611). 14 Σ ε λ ί δ α

15 Σχήμα: Ιστορική αναδρομή για την διανομή ηλεκτρική ισχύς [2]. Στην σημερινή αγορά ηλεκτρικής ενέργειας τα σύγχρονα συστήματα διακρίνονται σε: (Α) Σταθμούς Παραγωγής όπου παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια. (Β) Δίκτυο Μεταφοράς όπου γίνεται η μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στα κέντρα κατανάλωσης. (Γ) Δίκτυο Διανομής όπου μέσου αυτού γίνεται η διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας από τα κέντρα κατανάλωσης στους καταναλωτές. Χωρίζεται σε δύο κατηγορίες, στο δίκτυο διανομής μέσης τάσης (20kV) όπου γίνεται η μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύς από τους υποσταθμούς μεταφοράς στους υποσταθμούς διανομής, και στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης (220/380V) όπου γίνεται η μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύς από τους υποσταθμούς διανομής στους καταναλωτές. 15 Σ ε λ ί δ α

16 (α) (β) Σχήμα: (α) Βασικό σχεδιάγραμμα ενός ηλεκτρικού συστήματος (β) Δομή Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας [3]. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται στους σταθμούς παραγωγής και οι μετασχηματιστές μετατρέπουν την χαμηλή τάση σε υψηλή για να μπορέσει να μεταφερθεί με τις γραμμές μεταφοράς σε μεγάλες αποστάσεις. Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται σε υψηλή τάση ( έως 275kV ) και υπερύψηλη τάση ( έως 765kV ) λόγω λιγότερων απωλειών που εξαρτάται επίσης και από την απόσταση και την ποσότητα της ισχύος. 16 Σ ε λ ί δ α

17 Τα κέντρα κατανάλωσης συνήθως δεν βρίσκονται κοντά στους σταθμούς παράγωγης που έχει ως αποτέλεσμα να παρίσταται ανάγκη μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις μέσω των γραμμών μεταφοράς, εναέρια ή υπόγεια. Η ηλεκτρική ενέργεια από την παραγωγή έως την κατανάλωση βρίσκεται συνεχώς σε ροή. Επομένως το δίκτυο μεταφοράς κατευθύνει την ηλεκτρική ενέργεια στους υποσταθμούς μέσης και χαμηλής τάσης (μετατροπή υψηλής τάσης σε μέση και χαμηλή) και με το δίκτυο διανομής την διανέμει στους καταναλωτές. Στο ελλαδικό χώρο οι τιμές του δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας κυμαίνονται στα 400kV/20 kv ή 150 kv/20 kv και η διάταξη του δικτύου διανομής είναι βροχοειδής ή ακτινική. Οι γραμμές μεταφοράς στην Ελλάδα είναι πάντα τριφασικές (AC ρεύμα) καθώς επίσης σπανίως υπάρχει και τέταρτος ουδέτερο αγωγός. Οι γραμμές διανομής για την μέση τάση, 20kV 15kV, είναι επίσης τριφασικές. Κάθε ηλεκτρικός αγωγός προκαλεί μια πτώση τάση, δηλαδή μείωση της τάσης ανάμεσα στα σημεία άφιξης και αναχώρησης της ενεργειακής ροής, καθώς και ηλεκτρικές απώλειες που απορρέουν σε μείωση της καθαρής ενέργειας και είναι ανάλογες του τετραγώνου του ρεύματος. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αγωγών και χωρίζονται σε: - Αγωγοί εξ ολοκλήρου από αλουμίνιο (All- aluminium conductors, AAC) - Αγωγοί εξ ολοκλήρου από κράμα αλουμινίου (All-aluminium alloy conductors, AAAC) - Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με χάλυβα (Aluminium conductors, steelreinforced, ACSR) - Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με κράμα ( Aluminium conductors, alloyreinforced, ACAR) Οι σταθμοί παραγωγής ανάλογα με την πρωτογενή πηγή ενέργειας χωρίζονται σε ατμοηλεκτρικούς, υδροηλεκτρικούς και πυρηνικούς σταθμούς μετατρέποντας την κάθε μορφή σε ηλεκτρική ενέργεια. 17 Σ ε λ ί δ α

18 Πίνακας : Ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, εγκατεστημένη ισχύς (31/12/2003) [3] Εικόνα 1.1 : Υδροηλεκτρικός σταθμός Ν. Πλαστήρα [ 18 Σ ε λ ί δ α

19 Εικόνα 1.2 : Λιγνιτικό κέντρο Δυτικής Μακεδονίας Ορυχείο Νότιου Πεδίου [ Εικόνα 1.3 : Ατμοηλεκτρικός σταθμός Αγ. Δημητρίου [ 19 Σ ε λ ί δ α

20 Εικόνα 1.4 : Αιολικό πάρκο Μονής Τοπλού, Σητεία Κρήτης [ Εικόνα 1.5 : Φωτοβολταϊκός σταθμός Κύθνου[ 20 Σ ε λ ί δ α

21 Στην Ελλάδα πάνω από το 90% της θερμικής παραγωγής προέρχεται από ατμοηλεκτρικούς σταθμούς ενώ οι αεριοστρόβιλοι χρησιμοποιούνται για την επιπλέον κάλυψη σε περίπτωση αυξημένης ζήτησης. Στα μικρά νησιά υπεύθυνοι για την τροφοδότηση είναι οι ντιζελοηλεκτρικοί σταθμοί (πχ. Κρήτη, Ρόδος). Επίσης από άποψη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας χρησιμοποιούνται η ηλιακή και αιολική ενέργεια. Η διαθεσιμότητα της ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται κατά το μεγαλύτερο βαθμό στην ικανότητα του συστήματος καθώς και στην αξιοπιστία του δικτύου μεταφοράς. Το δίκτυο μεταφοράς εξαρτάται κατά κύριο λόγο στην επίδοση των γραμμών διανομής. ΔΙΚΤΥΟ 400kV 150 kv 66 kv DC 400 kv ΣΥΝΟΛΟ ΕΝΑΕΡΙΟ ΥΠΟΓΕΙΟ ΘΑΛΑΣΙΟ ΣΥΝΟΛΟ Πίνακας : Δίκτυο μεταφοράς σε km (Data 31/12/2003) ΔΙΚΤΥΟ 22, 20, 15, 6.6 kv 220kV ΣΥΝΟΛΟ ΕΝΑΕΡΙΟ ΥΠΟΓΕΙΟ ΥΠΟΘΑΛΑΣΙΟ ΣΥΝΟΛΟ Πίνακας : Δίκτυο διανομής σε km (Data 31/12/2003) Ο κεραυνός είναι ένα φυσικό φαινόμενο που δημιουργείται συνήθως κατά την διάρκεια καταιγίδων από ηλεκτροστατικές εκκενώσεις που παράγουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Υπάρχουν τρία βασικά είδη δημιουργίας κεραυνών, από το σύννεφο στη γη, από σύννεφο σε σύννεφο και μεταξύ σύννεφων με την πρώτη κατηγορία να είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος που προκαλεί υπερτάσεις σε εναέριο γραμμές διανομής. Επιπροσθέτως οι φάσεις εκκένωσης ενός κεραυνού αποτελούνται από τρία τμήματα προεκκένωση, εκκένωση αντίθετης φοράς και την κύρια εκκένωση. Ο 21 Σ ε λ ί δ α

22 κεραυνός ξεκινά από υψηλά σημεία πεδιακής έντασης. Επομένως όταν τα θετικά και αρνητικά φορτία βρίσκονται στο ίδιο σύννεφο ή γειτονικά σύννεφα ή μεταξύ σύννεφου και εδάφους τότε δημιουργείται μια τέτοια ζώνη υψηλής πεδιακής έντασης που προκαλεί την εκκένωση. Στο Σχήμα 1.2 (ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης) παρουσιάζεται μια ενδεχόμενη προεκκένωση από το σύννεφο (κατερχόμενο οχετού εκκένωσης) και από το έδαφος ( ανερχόμενου οχετού εκκένωσης) ενώ στο Σχήμα 1.3 (συμπλήρωση είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής) παρουσιάζεται η περίπτωση εάν ο οχετός προεκκένωσης από τα προηγούμενα γεφυρωθεί πλήρως στο διάκενο σύννεφο γης δημιουργώντας έτσι την εκκένωση. Σχήμα 1.2 : (α) Κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης (β) ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης (γ) κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης (δ) ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης Σχήμα 1.3 : (α) κατερχόμενη αρνητική εκκένωση, πιο συνηθισμένος τύπος κεραυνού (β) ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση (γ) κατερχόμενη θετική εκκένωση (δ) ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση 22 Σ ε λ ί δ α

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΙΕΕΕ - ΟΔΗΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΟΔΗΓΙΑΣ Οι παρακάτω οδηγίες σχεδιασμού περιέχουν πληροφορίες για την βελτίωση της συμπεριφοράς των εναέριων γραμμών διανομής έναντι των κεραυνικών πληγμάτων και χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο από σχεδιαστές γραμμών διανομής. Οι συγκεκριμένες οδηγίες αναγνωρίζουν ότι χρειάζεται μια σειρά από συμβιβασμούς σε κάθε σχεδιασμό γραμμών διανομής αφού δεν μπορεί να υπάρξει ένα ιδανικό σχέδιο γραμμών. Μπορεί σε κάποιες παραμέτρους όπως η τάση, η χωρητικότητα και η όδευση να οριστούν αρχικά, όμως κάποιες άλλες εξαρτώνται από την κρίση του σχεδιαστή όπως η δομή και η γεωμετρία του υλικού, η θωράκιση εάν υπάρχει, ο βαθμός μόνωσης, η γείωση και η τοποθέτηση αλεξικεραύνων. Οι οδηγίες βοηθούν τον σχεδιαστή στη βελτίωση του σχεδιασμού των γραμμών διανομής από οικονομικής πλευράς. Οι οδηγίες της ΙΕΕΕ θα προσδιορίσουν τους παράγοντες που συμβάλουν στις βλάβες των εναέριων γραμμών διανομής από κεραυνικά πλήγματα καθώς και βελτιώσεις για νέες και υπάρχουσες κατασκευές. Οι οδηγίες αυτές περιορίζονται για προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής για συστήματα με τάση 69 kv. Θεματικός κύκλος προστασίας του εξοπλισμού καλύπτεται από ΙΕΕΕ Std C Ο κύριος σκοπός των οδηγιών είναι η παρουσίαση εναλλακτικών λύσεων για την μείωση των υπερπηδήσεων που προκαλούνται από κεραυνικά πλήγματα στις εναέριες γραμμές. 23 Σ ε λ ί δ α

24 2.2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΙΣΜΩΝ ΑΝΑΣΤΡΟΦΟ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑ ( back flashover) : Βραχυκύκλωμα στην μόνωση λόγω του κεραυνικού πλήγματος σε σημείο ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης που κανονικά βρίσκεται στο δυναμικό του εδάφους ΒΑΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΟΝΩΣΗΣ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ( basic impulse insulation level BIL) : Σημείο αναφοράς της αντοχής της μόνωσης από κεραυνικό πλήγμα όπου εκφράζεται από την μεγαλύτερη τιμή τάσης που αντέχει ένα δεδομένο κύμα τάσης πλήρους ώθησης ΚΡΙΣΙΜΗ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ( critical impulse flashover voltage CFO ) : Η μέγιστη τιμή της κρουστικής τάσης που υπό κανονικές συνθήκες προκαλεί βραχυκύκλωμα στο μέσο που την περιβάλει κατά 50 % των περιπτώσεων ΑΜΕΣΟ ΠΛΗΓΜΑ ( direct stroke ) : Απευθείας κεραυνικό πλήγμα σε οποιοδήποτε σημείο ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης ΓΡΑΜΜΕΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ( distribution line ) : Γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος όπου μέσω αυτών διανέμεται το ρεύμα από έναν υποσταθμό κύριας πηγής στους καταναλωτές, συνήθως τάσεως 34,5 kv ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑ ( flashover ) : Μια ανεπιθύμητη εκκένωση μέσω αέρα γύρω ή πάνω στην επιφάνεια μιας υγρής ή στερεάς μόνωσης, ανάμεσα σε μέρη διαφορετικής πολικότητας ή δυναμικού, παραγόμενη από την εφαρμογή της τάσης όπου το μονοπάτι που έχει καταρρεύσει γίνεται ικανοποιητικά ιονισμένο για να διατηρήσει ένα ηλεκτρικό τόξο ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ ΕΔΑΦΟΥΣ ( ground electrode ) : Ένας αγωγός ή μια ομάδα αγωγών σε στενή επαφή με το έδαφος για να παρέχει σύνδεση με το έδαφος ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ (ground flash density, GFD, Ng ) : Ο μέσος αριθμός των κεραυνικών πληγμάτων ανά μονάδα τόπου ανά μονάδα χρόνου σε μια συγκεκριμένη θέση ( κεραυνοί / km 2 /έτος ). 24 Σ ε λ ί δ α

25 2.2.9 ΜΟΝΩΤΗΣ ΕΠΙΤΟΝΩΝ ( guy insulator ) : Ένα μονωτικό στοιχείο με εγκάρσιες σχισμές για το σκοπό της μόνωσης δύο μερών ενός επιτόνου ή για να παρέχει μονωτικό ρόλο μεταξύ της κατασκευής και του στηρίγματος, καθώς και για να παρέχει προστασία σε περίπτωση σπασμένων καλωδίων. Τα μονωτικά στοιχεία αυτά από πορσελάνη σχεδιάζονται για να πιέζονται σε περίπτωση συμπίεσης αλλά ξύλινοι μονωτές εξοπλισμένοι με κατάλληλο υλικό χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε περιπτώσεις πίεσης ΕΠΙΤΟΝΟ ( guy wire ) :Ένα απομονωμένο καλώδιο που χρησιμοποιείται για στήριξη ημι-ελαστικής έντασης ανάμεση στο πόλο ή την κατασκευή και την ράβδο στήριξης ή μεταξύ κατασκευών ΕΜΜΕΣΟ ΠΛΗΓΜΑ ( indirect stroke ) : Ένα κεραυνικό πλήγμα που δεν χτυπά απευθείας κάποιο σημείο που δικτύου αλλά προκαλεί υπέρταση σε αυτό ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ( induced voltage from lighting strokes ) : Η τάση που προκαλείται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα έμμεσο πλήγμα ΠΡΩΤΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ( lightning first stroke ) : Η πρώτη εκφόρτιση κεραυνού στο έδαφος όταν η αιχμή από το κάθετο μονοπάτι συναντά το μονοπάτι ανόδου από το έδαφος ΑΚΟΛΟΥΘΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ( lightning subsequent stroke ) : Μια εκφόρτιση κεραυνού που ακολουθεί την πορεία απο το πρώτο πλήγμα ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ( lightning flash ) : Η πλήρης εκφόρτιση κεραυνού που κατά κύριο λόγο δημιουργείται από αγωγούς ενός σύννεφου ακολουθούμενοι από ένα ή περισσότερα πλήγματα επιστροφής ΣΦΑΛΜΑ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ( lightning outage ) : Μια διακοπή ρεύματος λόγω του κεραυνικού πλήγματος που οδηγεί σε βλάβη στο σύστημα με αποτέλεσμα να είναι αναγκαία η λειτουργία μιας συσκευής διακοπής για την επιδιόρθωση της βλάβης. 25 Σ ε λ ί δ α

26 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ( line lightning performance ) : Η απόδοση μιας γραμμής που εκφράζεται ως ο ετήσιος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από κεραυνικά πλήγματα σε μια βάση κυκλώματος μιλίου ή πύργου γραμμών μιλίου ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟ/ΑΠΑΓΩΓΕΑΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΑΠΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΟΞΕΙΔΙΑ (metal-oxide surge arrester MOSA ) : Ένας απαγωγέας υπερτάσεων που χρησιμοποιεί βαλβίδες από μεταλλικά οξείδια μη γραμμικής αντίστασης ΕΝΑΕΡΙΟΣ ΑΓΩΓΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ( overhead ground wire OHGW ) : Ένα ή περισσότερα γειωμένα καλώδια τοποθετημένα πάνω από τους αγωγούς φάσης με κύριο σκοπό την διακοπή των άμεσων πληγμάτων για την προστασία των αγωγών φάσεως από αυτά. Μπορεί να γειώνονται άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ( shielding angle ) : Η γωνία που βρίσκεται ανάμεσα στην κατακόρυφη γραμμή μέσω του εναέριου αγωγού εδάφους και μιας γραμμής συνδεδεμένη σε αυτόν με το προστατευτικό αγωγό ΑΓΩΓΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ( shield wire ) : Γειωμένα καλώδια τοποθετημένα κοντά στους αγωγούς φάσεων με σκοπό να προστατεύσουν τους αγωγούς φάσεως από άμεσα κευρανικά πλήγματα, να μειώσουν την επαγόμενη τάση που δημιουργείται από τα εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία, να μειώσουν την κυματική αντίσταση ενός συστήματος OHGW και να αυξήσουν την αμοιβαία κυματική αντίσταση ενός συστήματος OHGW στους προστατευμένους αγωγούς φάσης. Η συνδεσμολογία τους μπορεί να είναι έμμεσα μέσω μικρών ανοιγμάτων είτε ηλεκτρικά συνδεδεμένοι απευθείας στην κατασκευή ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΙΚΟ ΔΙΑΚΕΝΟ ( spark gap ) : Οποιοδήποτε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμένοι μεταξύ τους ή ηλεκτρικά συνδεδεμένοι από απόσταση ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟ ( surge arrester ) : Μια προστατευτική διάταξη για τον περιορισμό των υπερτάσεων στον εξοπλισμό. Αυτό επιτυγχάνεται εκτρέποντας το ρεύμα και διατηρώντας την συσκευή στην αρχική της κατάσταση. 26 Σ ε λ ί δ α

27 2.3 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ Οι κεραυνοί σχετίζονται απόλυτα με τα καιρικά φαινόμενα, επομένως σε πολλές περιοχές οι καταιγίδες είναι ο κύριος λόγος εμφάνισης τους. Ο κεραυνός είναι ένα φυσικό φαινόμενο που δημιουργείται συνήθως κατά την διάρκεια καταιγίδων που προκαλεί βίαιες μετακινήσεις φορτίων μέσα στο δίκτυο υπό την μορφή ρεύματος Ι,πολλών kv. Οποιαδήποτε ηλεκτρική εκκένωση που συμβαίνει στην ατμόσφαιρα και οφείλεται σε καιρικά φαινόμενα ονομάζεται κεραυνός. Υπάρχουν τρεις τρόποι εμφάνισης κεραυνών κατά την διάρκεια καταιγίδας, μέσα στο σύννεφο, μεταξύ σύννεφων και ανάμεσα στο σύννεφο και το έδαφος. Οι κεραυνοί σύννεφου - εδάφους επηρεάζουν τις εναέριες γραμμές διανομής ενώ οι πιο συνηθισμένοι είναι οι κεραυνοί μέσα στα σύννεφα. Οι φάσεις εκκένωσης ενός κεραυνού αποτελείται από τρία τμήματα προεκκένωση, εκκένωση αντίθετης φοράς και την κύρια εκκένωση. Οι βλάβες και οι διακοπές ρεύματος προκαλούνται κατά την διάρκεια μια καταιγίδας από τον άνεμο και τους κεραυνούς (δέντρα, καταστραμμένο υλικό κ.α. ), τα οποία όμως υπολογίζονται σαν αιτία από τους κεραυνούς που αυξάνει πλαστά το αριθμό των διακοπών ρεύματος από του κεραυνούς. Η ένδειξη δραστηριότητας κεραυνών στις περισσότερες περιοχές του κόσμου μπορεί να υπολογιστεί από κεραυνικά δεδομένα (ημέρες καταιγίδων με κεραυνούς ανά έτος) που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο Σχήμα 2.1.Το κεραυνικό επίπεδο είναι μια ένδειξη από τοπικές δραστηριότητες κεραυνών που βασίζεται στις μέσες τιμές των ποσοτήτων, οι οποίες πηγάζουν από διαθέσιμες εδαφικές παρατηρήσεις. Για μια πιο ακριβής απεικόνιση των δραστηριοτήτων των κεραυνών, μπορεί να συλλεχτεί από χάρτες που απεικονίζουν την πυκνότητα πληγμάτων κεραυνών στο έδαφος (GFD), όπου τα δεδομένα πηγάζουν από το δίκτυο εντοπισμού των κεραυνών. 27 Σ ε λ ί δ α

28 Δίκτυα μέτρησης και συστήματα εντοπισμού κεραυνών έχουν εγκατασταθεί σε διάφορα σημεία του κόσμου για μια ολοκληρωμένη συλλογή πληροφοριών και για την αναβάθμιση των GFD χαρτών οι οποίοι παρέχουν ακρίβεια και λεπτομέρεια στο μεγάλο βαθμό. Μερικά στοιχεία που μας παρέχουν οι GFD χάρτες είναι η συχνότητα και ο αριθμός των κεραυνών, η ώρα, η τοποθεσία, η ημερομηνία, η πολικότητα και η εκτίμηση του ρεύματος του μεγίστου κεραυνικού πλήγματος. Επιπροσθέτως οι συγκεκριμένοι χάρτες χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό γραμμών διανομής, για τον υπολογισμό βραχυκυκλωμάτων από κεραυνικά πλήγματα καθώς και για πολλές άλλες αναλύσεις. Η αξιοπιστία μιας γραμμής διανομής εξαρτάται από την έκθεση της στον κεραυνό η οποία για να μπορέσει να προσδιοριστεί, ο μελετητής γραμμών διανομής θα πρέπει να γνωρίζει τον ετήσιο αριθμό κεραυνών ανά μονάδα περιοχής ανά μονάδα χρόνου. Σχήμα 2.1 : Παγκόσμιος Ισοκεραυνικός Χάρτης[IEEE Std ]. 28 Σ ε λ ί δ α

29 Σχήμα 2.2 : Ολική κεραυνική δραστηριότητα (σύννεφου και εδάφους) για Αφρική και Ευρασία [Christianetal.], N t, (km -2 έτος -1 ) [IEEE Std ]. 29 Σ ε λ ί δ α

30 Σχήμα 2.3 : Χάρτης GFD Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής [IEEE Std ]. 30 Σ ε λ ί δ α

31 Σχήμα 2.4: Χάρτης GFD Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής[VAISALA,National Lightning Detection Network] [IEEE Std ]. Οι συγκεκριμένοι χάρτες δημιουργούνται από δίκτυα όπως NLDN που παρέχουν χάρτες GFD με μεγαλύτερη ακρίβεια και λεπτομέρειες σε σύγκριση με οτιδήποτε άλλο. Τα συστήματα περιοχών παρέχουν πολλές σημαντικές παραμέτρους εκτός των κεραυνικών δεδομένων όπως ημερομηνία, ώρα, τοποθεσία, αριθμός πληγμάτων, μέγιστο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και εκτίμηση του μεγίστου του ρεύματος από το κεραυνικό πλήγμα. Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από το κεραυνικό επίπεδο: N g 0.04 T [κεραυνοί/km 2 /έτος] [1] 1.25 d Όπου Τ d = αριθμός των ημερών με κεραυνούς ανά χρόνο 31 Σ ε λ ί δ α

32 ΧΩΡΑ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΕΚΦΡΑΣΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΜΕΞΙΚΟ 1.12 N T ΒΡΑΖΙΛΙΑ 1.12 N T ΚΟΛΟΜΒΙΑ 1.56 N T Πίνακας 2.1: Διαφορετικές εκφράσεις συνάρτησης λόγω τροπικών κλιμάτων σε συγκεκριμένες περιοχές [ Torres et al. ] Μια εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού για το GFD είναι από τα αρχεία ωρών καταιγίδας : g g g d d d N g T [2] 1.1 h Επίσης ένας άλλος τρόπος υπολογισμού για το GFD είναι απευθείας από τα στοιχεία των δικτύων εντοπισμού των κεραυνών ή καταγραφείς κεραυνών. Εάν υπάρχουν δεδομένα πολλών ετών, αυτός ο τρόπος έχει το πλεονέκτημα και την ιδιαιτερότητα να αναγνωρίσει διαφοροποιήσεις τοπικά. Σε περιοχές που δεν υπάρχουν δίκτυα εντοπισμού των κεραυνών ή καταγραφείς κεραυνών, η προτεινόμενη εκτίμηση της πυκνότητας των κεραυνών είναι: Nt Ng [3] 3 Όπου Ν t= Ολική πυκνότητα κεραυνών ανά km 2 ανά χρόνο από τον χάρτη Σχήματος 2.2 Κάθε χρόνο υπάρχει διαφοροποίηση των ποσοστών των κεραυνών και των διακοπών ρεύματος σε σύγκριση με άλλα έτη. Η σταθερή απόκλιση για ετήσιες μετρήσεις δραστηριοτήτων κεραυνών βρίσκεται μεταξύ 20% και 50% από το μέσο όρο. Συγκεκριμένα ένας υπολογισμός GFD για μια μικρή περιοχή, 10 x 10 km, έχει μεγαλύτερη σταθερή απόκλιση μεταξύ 30% και 50% από το μέσο όρο ενώ μεγαλύτερες περιοχές,500 x 500 km, έχουν μικρότερη απόκλιση (20%-25%). 32 Σ ε λ ί δ α

33 Σε περιοχές με χαμηλά επίπεδα κεραυνικής δραστηριότητας, η σταθερή απόκλιση είναι μεγαλύτερη. Επομένως χρειάζονται δεδομένα πολλών ετών για γίνει ένας ακριβής υπολογισμός του μέσου όρου. Συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται δεδομένα για κεραυνούς στο έδαφος μιας μεμονωμένης περιοχής καθώς και για το υπολογισμό των ποσοστών διακοπών από κεραυνούς σε μια γραμμή διανομής από τα στοιχεία διακοπής λειτουργίας. 2.4 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΚΑΝΟΝΙΚΗ-ΛΟΓΑΡΙΘΜΙΚΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ Στο Σχήμα 2.4 παρουσιάζονται περιληπτικά οι παράμετροι κεραυνών για τα πρώτα πλήγματα και η διαφοροποίηση του ρεύματος κορυφής ενός κεραυνού Ι0 μπορεί να προσεγγιστεί από μια λογαριθμική-κανονική κατανομή. Η συνάρτηση που αντιπροσωπεύει την συγκεκριμένη κατανομή για οποιαδήποτε παράμετρο x είναι: f x 2 1 z exp x 2 2 [4] x ln M z Όπου f(x) = πυκνότητα πιθανότητας Μ = η μέση τιμή του x β = κανονική λογαριθμική απόκλιση Οι κεραυνοί αποτελούνται από το πρώτο πλήγμα αλλά μπορεί να επακολουθούν και άλλα πλήγματα, με το ίδιο «μονοπάτι» καταλήγοντας στο ίδιο μέρος πάνω στην γραμμή. 33 Σ ε λ ί δ α

34 Τα πρώτα πλήγματα έχουν την μέγιστη τιμή ρεύματος ενώ τα πλήγματα που επακολουθούν έχουν πιο γρήγορο ρυθμό ανύψωσης ρεύματος όπως φαίνεται και από το σχήμα. Σχήμα 2.5 : Πίνακας CIGRE Working Group 33.01, παράμετροι του ρεύματος του κεραυνού [IEEE Std ]. Για να υπολογίσουμε με ένα απλό τρόπο την πιθανολογική κατανομή των κορυφαίων τιμών ρεύματος χρησιμοποιούμε την παρακάτω συνάρτηση [Αnderson] που μας δίνει την πιθανότητα το μέγιστο ρεύμα του κεραυνού Ι0 να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μια συγκεκριμένη τιμή i0 [ka]: P( I i ) i [5] 34 Σ ε λ ί δ α

35 Όπου P( I i ) = η πιθανότητα ότι το πρώτο πλήγμα που επιστρέφει να έχει μέγιστη τιμή 0 0 ρεύματος I 0 που υπερβαίνει i 0. i 0= η μέγιστη τιμή ρεύματος του πρώτου πλήγματος που επιστρέφει. Όταν η μέση μέγιστη τιμή ρεύματος του πρώτου πλήγματος από το Σχήμα 2.5, 31.1 ka, χρησιμοποιηθεί για i0 στην εξίσωση [5], τότε η πιθανότητα της μέγιστης τιμής ρεύματος του κεραυνού I0 που υπερβαίνει το μέσο είναι περίπου 0.5. Η εξίσωση [5] εφαρμόζεται για τιμές I0 μικρότερες των 200kA [Borghetti et al.]. Η διανομή της μέγιστη τιμής των επακόλουθων πληγμάτων υπολογίζεται από [ΙΕΕΕ Std ]: P( I i ) i [6] Όταν η μέση μέγιστη τιμή ρεύματος των επακόλουθων πληγμάτων από το Σχήμα 2.5, 12.3 ka, χρησιμοποιηθεί για i0 στην εξίσωση [6], τότε η πιθανότητα της μέγιστης τιμής ρεύματος του κεραυνού I0 που υπερβαίνει το μέσο είναι περίπου 0.5. Γενικά όλα τα σφάλματα στην προστασία καταλήγουν σε βραχυκυκλώματα στην μόνωση ανεξαρτήτως του χαμηλού επιπέδου της μέγιστης τιμής ρεύματος ή της απόστασης του πλήγματος ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΩΝ Τα άμεσα πλήγματα σε απροστάτευτους αγωγούς δημιουργούν υπερτάσεις που έχουν την ίδια κυματομορφή με το ρεύμα του πλήγματος. Το Σχήμα 2.6 περιγράφει μια τυπική κυματομορφή του ρεύματος του κεραυνού χρησιμοποιώντας κιόλας τις παραμέτρους στην παρακάτω λίστα. 35 Σ ε λ ί δ α

36 Σχήμα 2.6 : Περιγραφή των παραμέτρων των κεραυνών σε κυματική μορφή [IEEE Std ]. Από μια πιο απλή προσέγγιση, οι υπερτάσεις των κοντινών πληγμάτων συνδυάζονται επαγωγικά στην κυματομορφή του ρεύματος που σημαίνει ότι το μέγιστο μέγεθος των υπερτάσεων εξαρτάται από την μέγιστη κλίση Sm. Επίσης η διάρκεια των υπερτάσεων εξαρτάται από το T Πίνακας 2.2 : Παράμετροι του Σχήματος 2.5 [IEEE Std ]. 36 Σ ε λ ί δ α

37 2.5 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Ένα κεραυνικό πλήγμα μπορεί να προκαλέσει διακοπές ρεύματος σε γραμμές διανομής. Τα βραχυκυκλώματα αυτά δημιουργούνται από άμεσα πλήγματα και από μεταβολές τάσεως από κοντινά πλήγματα. Τα άμεσα πλήγματα σε γραμμές διανομής ενέργειας προκαλούν απευθείας βραχυκύκλωμα στις μονώσεις στις περισσότερες των περιπτώσεων. Βεβαίως μετά από παρατηρήσεις πολλές από τις διακοπές λειτουργίας σχετίζονται σε έμμεσο κεραυνικό πλήγμα. Κατά την διάρκεια εκκένωσης κεραυνού οι περισσότερες τάσεις που δημιουργούνται στην γραμμή διανομής και καταλήγουν σε κοντινή απόσταση είναι μικρότερες από 300 kv. Σημαντικό ρόλο παίζουν και το ύψος και η απόσταση των προστατευτικών αντικειμένων γύρω από τις γραμμές διανομής, αφού οι κεραυνοί συγκεντρώνονται στα υψηλότερα σημεία ΚΕΥΡΑΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ Η αξιοπιστία μια γραμμής διανομής εξαρτάται από τον κεραυνό ειδικότερα εάν οι πόλοι της είναι σε υψηλότερα σημεία από την περιβάλλουσα τοποθεσία. Από την παρακάτω εξίσωση [Eriksson] υπολογίζεται το ποσοστό των κεραυνών Ν που πλήττουν μια ανοιχτή περιοχή : h b N N g 10 [7] Όπου h = ύψος του πόλου,m b= το πλάτος της κατασκευής,m (για τις περισσότερες γραμμές διανομής είναι αμελητέο) N g = πυκνότητα των κεραυνών, κεραυνοί/km 2 /έτος Ν = κεραυνοί/100km/έτος 37 Σ ε λ ί δ α

38 Εάν το ύψος του στύλου αυξηθεί κατά 20%, τότε το ποσοστό των κεραυνών στις εναέρια γραμμή διανομής θα αυξηθεί κατά 12%. Η έκθεση της γραμμής διανομής στο κεραυνικό πλήγμα εξαρτάται από το πόσο προεξέχουν οι κατασκευές πάνω από την γύρω περιοχή. Τα φυσικά στοιχεία όπως τα βουνά, δέντρα δρουν σαν προστασία από πλήγματα από κεραυνούς για τις γραμμές διανομής. Επομένως ο παράγοντας προστασίας Sf,ορίζεται ως το τμήμα ανά μονάδα των γραμμών διανομής που προστατεύεται από κοντινά στοιχεία. Ο αριθμός των κεραυνικών πληγμάτων είναι : N N 1 S [8] s f Όπου Ν s = αριθμός των κεραυνών που συλλέγεται από μια προστατευμένη γραμμή (κεραυνοί/100 km/έτος) Ν = ποσοστό κεραυνών σε μια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος (κεραυνοί/100 km/έτος) S f= παράγοντας προστασίας του περιβάλλοντος Ένας παράγοντας θωράκισης, 0.0, σημαίνει ότι η γραμμή διανομής είναι σε ανοιχτό χώρο χωρίς προστασία από κοντινές κατασκευές, ενώ ο παράγοντας θωράκισης, 1.0, σημαίνει ότι η γραμμή διανομής είναι πλήρως καλυμμένη από έμμεσα πλήγματα κεραυνών. Το Σχήμα 2.7 παρουσιάζει ένα τρόπο υπολογισμού του παράγοντα θωράκισης για μια γραμμή διανομής ύψους 10m,όπου υποθέτουμε ότι τα αντικείμενα βρίσκονται μια ευθεία παράλληλη προς την γραμμή διανομής(μια σειρά από δέντρα ή κτιρίων). 38 Σ ε λ ί δ α

39 Σχήμα 2.7 : Παράγοντες θωράκισης λόγω κοντινών αντικειμένων σε διαφορετικά ύψη για γραμμή διανομής 10 m. Το συγκεκριμένο σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τις δυο πλευρές της γραμμής διανομής, εφόσον ο παράγοντας θωράκισης από δεξιά και αριστερά προστεθούν. Παραδείγματος χάρη, έστω μια γραμμή διανομής 10 m με μια σειρά από κτίρια ύψους 7.5m,30mαπό την αριστερή πλευρά της γραμμής διανομής( SfLEFT = 0.23 ) και μια σειρά από κτίρια ύψους 15m,40mαπό την δεξιά πλευρά της γραμμής διανομής( SfRIGHT = 0.4 ). Η πυκνότητα κεραυνών, GFD, είναι 1 κεραυνός/km 2 /έτος και χρησιμοποιώντας την Εξίσωση [7],ο αριθμός άμεσων πληγμάτων στην εναέρια γραμμή διανομής σε ανοιχτό έδαφος είναι κεραυνοί/100 km/έτος. Ο αριθμός των έμμεσων κεραυνικών πληγμάτων δεδομένου των προηγούμενων στοιχείων θα μειωνόταν σε : NS N 1 S fleft S fright ί / 100 km / έ 1 0, 23 0, 4 4,12 ί /100 km / έ [9] Όλα τα απευθείας κεραυνικά πλήγματα θα προκαλέσουν βραχυκυκλώματα στην γραμμή ανεξαρτήτως του επιπέδου μόνωσης ή διαστήματος αγωγών εκτός εάν η μόνωση της γραμμής διανομής προστατεύεται από αγωγό προστασίας. 39 Σ ε λ ί δ α

40 2.5.2 ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ Η θεωρία του Rusck εξηγεί ότι η μέγιστη τάση που προκαλείται σε μια γραμμή μεταφοράς ενέργειας στο πιο κοντινό σημείο του πλήγματος πάνω στην γραμμή υπολογίζεται από : V I h [10] y 0 a max 38.8 Όπου Ι 0 = μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού h a = μέσο ύψος της γραμμής πάνω από το επίπεδο του εδάφους y = η πιο κοντινή απόσταση ανάμεσα στο κεραυνικό πλήγμα και την γραμμή Η παραπάνω εξίσωση χρησιμοποιείται για ένα απείρως μακρύ,μονό αγωγό πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο έδαφος. Ένας εναέριος αγωγός προστασίας ή ένας γειωμένος ουδέτερος αγωγός θα μειώσει την τάση στην μόνωση έως ένα σημείο που εξαρτάται από την γείωση και την απόσταση του γειωμένου αγωγού από τους αγωγούς φάσης ( ). Όταν τα επίπεδα της μόνωσης βρίσκονται σε χαμηλό επίπεδο το ποσοστό των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση αυξάνεται σημαντικά. Στο Σχήμα 2.8 παρουσιάζεται η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων ως συνάρτηση της κρίσιμης τάσης διάσπασης (CFO) μιας γραμμής σε δυο διατάξεις γείωσης. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα η μια γραμμή αντιπροσωπεύει ένα μηγειωμένο κύκλωμα που δεν έχει ούτε ουδέτερο ούτε αγωγό προστασίας ενώ η άλλη γραμμή αντιπροσωπεύει ένα γειωμένο κύκλωμα με γειωμένο ουδέτερο αγωγό ή εναέριο αγωγό προστασίας. Η γείωση στο αγωγό, για μια δεδομένη τιμή CFO, μειώνει την τάση που εμφανίζεται στη μόνωση που έχει ως απόρροια λιγότερα βραχυκυκλώματα. Κατασκευές με κοινή γείωση και μη-μειωμένες κατασκευές έχουν μεγαλύτερο CFO σε σύγκριση με μια κατασκευή πολλαπλής γείωσης λόγω απουσίας του γειωμένου ουδέτερου αγωγού. 40 Σ ε λ ί δ α

41 Σχήμα 2.8: Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής Τα αποτελέσματα του Σχήματος 2.8 αναφέρονται σε γραμμή ανοιχτού εδάφους χωρίς προστασία από δέντρα ή κτίρια που έχει άμεση επιρροή στο αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Επομένως για μια γραμμή διανομής ύψους 10 m σε ανοιχτό έδαφος με GFD = 1 κεραυνό/km 2 /έτος από την εξίσωση [5] : h b N N g 10 Έχουμε μια προσέγγιση της τάξεως των 11 κεραυνών/100 km/έτος λόγω των άμεσων πληγμάτων ενώ οι επαγόμενες τάσεις θα δημιουργήσουν πρόβλημα όταν υπάρχουν χαμηλά επίπεδα μόνωσης στις γραμμές. Εάν το CFO είναι λιγότερο από 75kV σε ένα μη-γειωμένο δίκτυο, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα θα είναι πολύ περισσότερα από τα αντίστοιχα άμεσα. 41 Σ ε λ ί δ α

42 Σε περίπτωση που το CFO αυξηθεί σε 300 kv ή περισσότερο περιορίζεται ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων αρκετά. Επιπλέον σε μεγάλη πλειοψηφία των γραμμών διανομής έχουν τοποθετηθεί αλεξικέραυνα στους μετασχηματιστές που έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της επαγόμενης τάσης από κεραυνικό πλήγμα που όμως επηρεάζει σε μικρό βαθμό σε αγροτικά και αστικά κέντρα ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Οι επιδράσεις των ατελειών εδάφους και του φαινομένου Corona έχουν μικρή επιρροή στην κυματική αντίσταση του αγωγού φάσεως, που απορρέει σε αλλαγές μικρότερες του 30% της τιμής. Εκτός εάν η μόνωση της γραμμής διανομής έχει αγωγό προστασίας (OHGW) ή αλεξικέραυνα, περισσότερο από 99% των απευθείας πληγμάτων θα καταλήξουν σε βραχυκυκλώματα της γραμμής διανομής ανεξαρτήτως του επιπέδου μόνωσης, των διαστημάτων των αγωγών ή της γείωσης. Η κυματική αντίσταση ενός μονού καλωδίου πάνω από το επίπεδο εδάφους είναι: Z h 60 ln r [11] Όπου Ζ 0 = κυματική αντίσταση (Ω) h = ύψος του αγωγού από το επίπεδο του εδάφους (m) r = ακτίνα του αγωγού (m) 42 Σ ε λ ί δ α

43 Η κυματική αντίσταση ενός αγωγού που τροφοδοτείται από την μέση έχει το μισό της τιμής αυτής, και το ρεύμα του κεραυνού θα χωριστεί ισομερώς για κάθε μονοπάτι πάνω από το έδαφος. Ένας απροστάτευτος αγωγός φάσεως με ακτίνα r = 10 mm και ύψος h = 10 m σε τέλειο έδαφος έχει αντίσταση των 456 Ω από την μια άκρη ή 228 Ω σε μια κανονική περίπτωση για απευθείας κεραυνικό πλήγμα που καταλήγει κάπου πάνω στην γραμμή. 2.6 ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Στην πλειοψηφία τους οι εναέριες διατάξεις χρησιμοποιούν διάφορους τύπους μονωτικών υλικών ως κεραυνική προστασία όπως πορσελάνη, αέρας, ξύλο, πολυμερή, fiberglass τα οποία έχουν διαφορετική ισχύ. Η συγκεκριμένη οδηγία της ΙΕΕΕ απευθύνεται σε μηχανικούς συστήματος διανομής για την βελτίωση της μόνωσης των εναέριων γραμμών από κεραυνικό πλήγμα. Τα επίπεδα βραχυκυκλωμάτων από κεραυνικά πλήγματα στις γραμμές διανομής διαμορφώνουν το επίπεδο της μόνωσης καθώς και επηρεάζονται από ορισμένους παράγοντες: i. Πολικότητα και ρυθμός ανόδου της τάσης. ii. Ατμοσφαιρικές συνθήκες καθώς και η πυκνότητα αέρα, ποσοστό υγρασίας, βροχόπτωση και ατμοσφαιρικής μόλυνσης. iii. Διάφοροι φυσικοί παράγοντες όπως το σχήμα και η διαμόρφωση του μονωτήρα, το σχήμα της μεταλλικής διάταξης. Κατά την διαδικασία εκφόρτισης κεραυνικού πλήγματος επάνω σε ξύλο,η ισχύς της μόνωσης εξαρτάται κυρίως από την υγρασία που υπάρχει στην επιφάνεια του παρά από τις φυσικές διαστάσεις του. Η έννοια του CFO που βασίζονται οι οδηγίες προσδιορίζεται ως το επίπεδο τάσης κατά το οποίο έχουμε 50% πιθανότητα βραχυκυκλώματος και 50% πιθανότητα αντοχής σε εργαστηριακές συνθήκες. 43 Σ ε λ ί δ α

44 Βεβαίως εάν χρησιμοποιηθεί μια Γκαουσιανή κατανομή των δεδομένων τότε η πιθανότητα αντίστασης μπορεί να υπολογιστεί από την τιμή CFO και την σταθερή απόκλιση. Μετά από εργαστηριακές μελέτες η προσέγγιση «επιπρόσθετης αντοχής μόνωσης» είναι η πιο βέλτιστη και πρακτική. Συγκεκριμένα χρησιμοποιεί το CFO του βασικού μονωτικού στοιχείου προσθέτοντας την αύξηση του CFO που προσφέρεται από ένα επιπλέον στοιχείο δεδομένου ότι η επιπλέον μονωτική ισχύς είναι πάντα μικρότερη από αυτή που έχει μόνο του το στοιχείο που προστίθεται CFO ΤΑΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Από την αρχή οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί έχουν κατασκευάσει γραμμές διανομής με ξύλινους βραχίονες και πόλους σε σειρά με βασικούς μονωτήρες που έχει ως αποτέλεσμα τη αύξηση της ισχύς της μόνωσης ενάντια στα κεραυνικά πλήγματα. Κατά την διάρκεια των χρόνων έχουν γίνει πολλές εργαστηριακές έρευνες και μελέτες όπου τα αποτελέσματα τους εφαρμόστηκαν σε γραμμές μεταφοράς και όχι σε γραμμές διανομής όπου η πιο ασθενής μόνωση τοποθετείται σε ένα πόλο αντί μεταξύ αγωγών μέσω του αέρα. Πρόσφατα στις γραμμές διανομής χρησιμοποιούνται οι μονωτήρες πολυμερών και οι βραχίονες από fiberglass ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ CFO ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΜΟΝΩΣΕΙΣ ΣΕΙΡΑΣ Σύμφωνα με μελέτες όταν προστεθεί 1 m ξύλου ή fiberglass αναβαθμίζει κατά kV στην αντοχή της μόνωσης κατά των κεραυνικών πληγμάτων. Η μόνωση εναλλασσόμενου ρεύματος λαμβάνεται από το μονωτήρα καθώς ο ξύλινος ή fiberglass βραχίονας θεωρείται ως επιπλέον μονωτικό στοιχείο για την τάση του κεραυνού. 44 Σ ε λ ί δ α

45 Όταν κατά την διαδικασία πορείας του κεραυνικού πλήγματος στο έδαφος δεν συναντά ξύλινο ή fiberglass βραχίονα, αλλά δύο ή περισσότερους μονωτήρες στη σειρά τότε το CFO αυτών των συνδυαστικών μονωτήρων λαμβάνεται από μια σειρά διαφορετικών παραγόντων με ξεχωριστή ανάλυση. Πολλές επιχειρήσεις χρησιμοποιούν τέτοιους συνδυασμούς από μια τεράστια «βιβλιοθήκη». Βεβαίως η εκτεταμένη μέθοδος πρόσθετων CFO μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το υπολογισμό του συνολικού CFO μιας κατασκευής διανομής από: i. Προσδιορισμό της συμβολής του κάθε ξεχωριστού στοιχείου μόνωσης στο συνολικό συνδυαστικού CFO ii. Υπολογισμό του συνολικού συνδυαστικού CFO, έχοντας γνώση της τιμής CFO των στοιχείων μόνωσης Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση πινάκων ή καμπυλών πειραματικών δεδομένων, και την μετέπειτα αξιοποίηση για την συσχέτιση αποτελεσμάτων ενός μονωτικού στοιχείου που προστίθεται σε ένα άλλο. Βασικά στοιχεία της συγκεκριμένης διαδικασίας είναι τα ενδεικτικά δεδομένα CFO της βασικής μόνωσης καθώς και σε ένα επιπρόσθετο σύνολο δεδομένων. Όταν εμπλέκονται δύο στοιχεία σε ένα σχηματισμό, το CFO του συνδυασμού είναι μικρότερης κλίμακας από το σύνολο των μεμονωμένων CFO. Η βασική μόνωση θεωρείται ο μονωτήρας. Η συνολική CFO τάση για δύο στοιχεία είναι : CFO CFO CFO [12] total insulator add.second Όπου CFO total= κρίσιμη τάση βραχυκυκλώματος του κύριου στοιχείου CFO add.second = κρίσιμη τάση βραχυκυκλώματος που προστίθεται από το δεύτερο στοιχείο 45 Σ ε λ ί δ α

46 Ενώ η συνολική κρίσιμη τάση βραχυκυκλώματος για περισσότερα από δυο στοιχεία υπολογίζεται από : CFO CFO CFO CFO... CFO [13] total insulator add.sec ond add. third add. nth Όπου CFO add.third = κρίσιμη τάση βραχυκυκλώματος που προστίθεται από το τρίτο στοιχείο CFO add.nth = κρίσιμη τάση βραχυκυκλώματος που προστίθεται από το n στοιχείο Παρακάτω παρουσιάζονται σε πίνακες οι πιο συχνές τιμές CFO και τα πρόσθετα στοιχεία όπου αναφέρονται σε υγρές συνθήκες. Από εργαστηριακές διαδικασίες ή από τους κατασκευαστές συλλέγονται οι ξηρές συνθήκες που πολλαπλασιάζοντας με ένα συντελεστή 0,8 έχουμε μια εκτίμηση των τιμών CFO υπό υγρές συνθήκες. Οι συντελεστές κυμαίνονται μεταξύ 0,7 0,9. Οι τιμές των παρακάτω πινάκων είναι για επίπεδα υγρού CFO.Επίσης οι τιμές είναι το ελάχιστο των τιμών αρνητικής και θετικής πολικότητας καθώς και για περισσότερες πληροφορίες για τους μονωτήρες πρέπει να διασταυρωθούν με τις ακριβές τιμές των κατασκευαστών. 46 Σ ε λ ί δ α

47 Σχήμα 2.9: Κύρια Μόνωση (CFO insulator), CFO δεύτερων εξαρτημάτων ( CFO add.second), CFO τρίτων εξαρτημάτων ( CFO add.third) [IEEE Std ]. Για εξαρτήματα που δεν περιέχονται στους παραπάνω πίνακες το συνολικό CFO υπολογίζεται με μειώσεις για το δεύτερο και τρίτο εξάρτημα : CFO add.second 0.45 CFOinsulator [14] CFO CFO add third insulator Αυτή η μέθοδος έχει ποσοστό σφάλματος ±20% ενώ πιο ακριβείς μέθοδοι είναι: 1. Εργαστηριακές δοκιμές από κεραυνικό πλήγμα στην κατασκευή κατά από υγρές συνθήκες. 2. Δοκιμές από κεραυνικό πλήγμα κάτω από ξηρές συνθήκες και πολλαπλασιασμός των τιμών με συντελεστή 0,8 για το υπολογισμό του CFO σε υγρές συνθήκες. 3. Χρήση λεπτομερειακών CFOs εξαρτημάτων. 4. Παραπομπή σε άλλα αποτελέσματα από δοκιμές σε κατασκευές διανομής. 47 Σ ε λ ί δ α

48 2.6.2 ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ ΟΤΑΝ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ ΤΟ CFO ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Μια σημαντική μείωση στο CFO προέρχεται από τον εξοπλισμό και τα υλικά υποστήριξης στις κατασκευές διανομής. Αυτή η μείωση στο CFO στις κατασκευές μπορεί να αυξήσει τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενες τάσεις. Αναφέρονται αναλυτικά παρακάτω διάφορες περιπτώσεις: Επίτονα : Η συμμέτοχή τους στην μείωση του CFO είναι καθοριστική αφού τοποθετούνται ψηλά στο πόλο σε κοντινή απόσταση από τα κύρια μονωτικά στοιχεία παρέχονται μια διαδρομή προς το έδαφος. Χρησιμοποιώντας μικρούς μονωτήρες επιτόνων από πορσελάνη αποδίδεται πολύ λίγη επιπλέον μόνωση της τάξεως λιγότερο από 30 kv του CFO. Ενώ συγκριτικά ένας μονωτήρας από fiberglass 50 cm παρέχει CFO της τάξεως του 250kV. Διακόπτες ασφαλείας : Η εγκατάσταση διακοπτών ασφαλείας είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα απροστάτευτου εξοπλισμού που μπορεί να ελαττώσει το CFO ενός στύλου. Για συστήματα των 15kV, ο διακόπτης ασφαλείας μπορεί να έχει 95kV BIL. Βεβαίως εξαρτώμενο από τον τρόπο που ο διακόπτης έχει τοποθετηθεί, αυτό μπορεί να μειώσει το CFO ολόκληρης της κατασκευής σε 95 kv επειδή το BIL κάθε συστήματος μόνωσης είναι πάντα μικρότερο από το CFO αυτού του συστήματος. Στην εφαρμογή σε ξύλινους πόλους οι βλάβες στους διακόπτες ασφαλείας μπορεί να βελτιωθεί τακτοποιώντας την βλάβη έτσι ώστε το μπράτσο σύνδεσης να τοποθετηθεί μακριά από τους γειωμένους αγωγούς ( επίτονα, γειωμένοι αγωγοί, ουδέτεροι αγωγοί). Συγκεκριμένα αυτό διευρύνεται και σε διακόπτες σε άλλα μέρη του εξοπλισμού που δεν προστατεύονται από αλεξικέραυνα. Ύψος ουδέτερου αγωγού: Σε κάθε γραμμή, το ύψος του ουδέτερου αγωγού διαφέρει εξαρτώμενο από το εξοπλισμό που είναι συνδεδεμένος. Στους ξύλινους στύλους, όσο πιο κοντά είναι ο ουδέτερος αγωγός στους αγωγού φάσης, τόσο πιο χαμηλό είναι το CFO. 48 Σ ε λ ί δ α

49 Ηλεκτρικά Αγώγιμα Κατασκευαστικά Υλικά : Με την χρήση κατασκευών από ατσάλι και τσιμέντο στις εναέριες γραμμές διανομής που αυξάνεται ραγδαία έχει ως απόρροια να μειώνει σημαντικά το CFO. Μεταλλικοί βραχίονες και υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε ξύλινες κατασκευές στύλων. Εάν τα υλικά αυτά είναι γειωμένα, τότε έχουμε το ίδιο αποτέλεσμα σαν η κατασκευή να ήταν εξ ολοκλήρου μεταλλική. Στις συγκεκριμένες κατασκευές, το συνολικό CFO παρέχεται από το μονωτήρα όπου αντισταθμίζουν την απώλεια μόνωσης του ξύλου. Βεβαίως παραχωρήσεις γίνονται ανάμεσα στην συμπεριφορά έναντι του κεραυνού και το μηχανικό σχεδιασμό ή τιμή. Ο μηχανικός θα πρέπει να γνωρίζει τα αρνητικά αποτελέσματα που περιέχει το μεταλλικό υλικό έναντι κεραυνικού πλήγματος και να προσπαθήσει να ελαχιστοποιήσει αυτά για καλύτερο σχεδιασμό. Γενικά χρησιμοποιούνται υποστηρίγματα από ξύλο ή fiberglass για να μεγαλύτερη μόνωση σε ξύλινους στύλους και σχεδιασμό βραχιόνων. Πολλαπλά κυκλώματα σε ένα πόλο : Όταν έχουμε πολλαπλά κυκλώματα σε ένα πόλο στις περισσότερες περιπτώσεις καταλήγουν σε μειωμένη μόνωση. Επίσης όταν χρησιμοποιούμε λιγότερο ξύλο εν σειρά και καθορισμένες αποστάσεις φάσεων έχουμε σαν αποτέλεσμα μειωμένα επίπεδα μόνωσης συνήθως σε γραμμές διανομής που στηρίζονται κάτω από γραμμές μεταφοράς σε ξύλινους πόλους. Οι γραμμές μεταφοράς έχουν ένα προστατευτικό αγωγό γείωσης σε κάθε πόλο που μπορεί να μειώσει την μόνωση και αντιμετωπίζεται με απομάκρυνση του συγκεκριμένου αγωγού από το πόλο με διαχωριστήρες fiberglass. Προστατευτικά διάκενα και σύνδεσμοι μονωτήρων :Η σύνδεση των μονωτήρων γίνεται μερικές φορές για να αποτραπεί η πρόκληση βλάβης από κεραυνικό πλήγμα στους ξύλινους πόλους ή βραχίονες καθώς και αποτροπή φωτιάς στο κορυφή των πόλων. Μια επιπλέον χρησιμότητα των προστατευτικών διακένων είναι να αποτρέπουν καταστροφές από κεραυνούς στα ξύλινα στοιχεία της κατασκευής. Χρησιμοποιήθηκαν στην πράξη από την Rural Utility Service distribution specifications στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1983 αλλά δεν προβλέπεται πλέον. Σε ορισμένα σημεία στο κόσμο χρησιμοποιούνται έναντι των αλεξικέραυνων για την προστασία του εξοπλισμού. 49 Σ ε λ ί δ α

50 Οι σύνδεσμοι μονωτήρων και τα προστατευτικά διάκενα μειώνουν σημαντικά το CFO της κατασκευής. Βέβαια δεν είναι η βέλτιστη αντιμετώπιση έναντι στη πρόληψη βλάβης σε ξύλινα τμήματα όπως για παράδειγμα οι σύνδεσμοι μονωτήρα- ξύλου στη βάση του μονωτήρα. Γραμμές με διαχωριστήρες αγωγών :Οι συγκεκριμένες γραμμές είναι εναέριες γραμμές διανομής με μικρά διαχωριστικά διαστήματα. Οι επικαλυμμένοι αγωγοί και διαχωριστήρες (15 40cm) που κρέμονται από ένα μεταβιβαστικό αγωγό παρέχουν στήριξη και ικανότητα μόνωσης. Ένα τέτοιος σχηματισμός από διαχωρισμένους αγωγούς θα έχει σταθερό CFO ( kV). Επειδή το επίπεδο μόνωσης είναι χαμηλό, οι επιδόσεις έναντι των κεραυνών θα είναι μειωμένη σε σύγκριση με μια παραδοσιακή ανοιχτή κατασκευή [Powell R. - April 1965]. Οι συγκεκριμένες κατασκευές έχουν το πλεονέκτημα του μεταβιβαστικού αγωγού που δρα στην πλειοψηφία των περιπτώσεων ως αγωγός προστασίας το οποίο μειώνει κατά ένα βαθμό τα βραχυκυκλώματα από απευθείας κεραυνικό πλήγμα. Σε αντίθεση βέβαια με ανάστροφα βραχυκυκλώματα που έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να συμβούν λόγω του χαμηλού επιπέδου μόνωσης. Μια βελτιωμένη γείωση θα μπορούσα να βελτιώσει την επίδοση έναντι στα κεραυνικά πλήγματα εάν η αγωγιμότητα του εδάφους είναι μεγάλη και ο διαχωρισμός μεταξύ των ουδετέρων είναι μικρότερη από 30 m. Οι γραμμές με διαχωριστήρες αγωγών τοποθετούνται σε περιοχές όπου υπάρχουν επαφές με δέντρα και δημιουργούν βλάβες. Το διαχωριστικό καλώδιο (spacer cable) προστατεύεται από απευθείας κεραυνικά πλήγματα. Επίσης η αναλογία από επαγόμενα βραχυκυκλώματα μειώνεται επειδή εφαρμόζεται ίδιο δυναμικό σε κάθε διαχωριστήρα αγωγό όταν διαφωτίζονται από ηλεκτρομαγνητικά πεδία από το κοντινό κεραυνικό πλήγμα. 50 Σ ε λ ί δ α

51 2.6.3 ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ΓΙΑ ΔΙΑΚΟΠΗ ΤΟΥ ΤΟΞΟΥ Οι ξύλινοι πόλοι και βραχίονες έχουν την ικανότητα να αποτρέπουν την δημιουργία τόξου που προκαλείται από το κεραυνό και να το προλαμβάνουν από την πρόκληση βλάβης στην συχνότητα του ρεύματος. Οι συγκεκριμένες ικανότητες του ξύλου για την διακοπή του τόξου είναι μια λειτουργία της στιγμιαίας τάσης στη συχνότητα του ρεύματος την χρονική στιγμή του βραχυκυκλώματος από το κεραυνικό πλήγμα. Εάν η τάση είναι κοντά στο μηδέν, είναι πολύ πιθανό το τόξο να εξαφανιστεί χωρίς να προκαλέσει βλάβη. Εάν η ονομαστική τάση κατά μήκος του ξύλινου βραχίονα διατηρηθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η πιθανότητα πρόκλησης βλάβης μειώνεται δραστικά. Εάν εμφανιστούν πολλαπλά βραχυκυκλώματα, η πιθανότητα για διακοπή είναι ελάχιστη (Σχήμα). Από άποψη πιθανοτήτων,οι περισσότερες γραμμές διανομής θα υποστούν πολλαπλά βραχυκυκλώματα από άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Σε κατασκευές διανομής που έχουν RMS τάση στο ξύλο μεγαλύτερη από 10 kv/m του ξύλου, η διακοπή μπορεί να μην έχει ικανοποιητικό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα μια γραμμή διανομής 13,2 kv με 0,5m ξύλο μεταξύ του μονωτήρα φάσης και του ουδετέρου αγωγού, έχει κλίση τάσης RMS στο ξύλο : 13.2kV 15.2 kv / m 3 0.5m [Παράδειγμα] Για αυτήν την τάση εάν έχουμε κενά ξύλου 1m ανάμεσα σε όλους τους αγωγού φάσης και όλα τα γειωμένα αντικείμενα στο πόλο, τότε η διακοπή παίζει σημαντικό ρόλο. Αυτό επιτυγχάνεται σε κυκλώματα με υψηλά επίπεδα μόνωσης και μεγάλες αποστάσεις ξύλου. Στην συγκεκριμένη οδηγία, παίρνουμε την παραδοχή ότι όλα τα βραχυκυκλώματα προκαλούν βλάβες. 51 Σ ε λ ί δ α

52 Σχήμα 2.10: Πιθανότητα ενός τόξου ρεύματος λόγω βραχυκυκλώματος από κεραυνό σε ξύλινο βραχίονα υπό υγρές συνθήκες [IEEE Std ] ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ ΞΥΛΟΥ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ Σύμφωνα με εμπειρικά δεδομένα, οι βλάβες στους πόλους ή βραχίονες από κεραυνούς είναι σχετικά σπάνιες, βεβαίως όμως σε ορισμένες περιοχές με υψηλή συχνότητα κεραυνών μπορεί να προκαλέσει ανησυχία. Υπάρχει πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την πιθανότητα βλάβης από κεραυνό ειδικότερα η υγρασία και η ηλικία του ξύλου. Η καταστροφή και ο θρυμματισμός του ξύλου συμβαίνει όταν η βλάβη είναι εσωτερική στο ξύλο και όχι στην επιφάνεια του. Εάν το ξύλο είναι πράσινο, είναι πολύ πιθανό η βλάβη να είναι εσωτερική. Για την προστασία του ξύλου χρησιμοποιείται η σύνδεση των μονωτήρων που έχει ως απόρροια να βραχυκυκλώνεται ο ξύλινος βραχίονας. Μια καλύτερη εναλλακτική λύση είναι η χρήση επιφανειακών ηλεκτροδίων που προσαρμόζονται κοντά στην άκρη των μονωτήρων τα οποία μπορεί να είναι καλύμματα αγωγών, ταινίες, μεταλλικές προεκτάσεις προσαρμοσμένες κοντά στο μονωτήρα στη πιθανή κατεύθυνση του βραχυκυκλώματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διακοπή κοντά στην επιφάνεια αντί εσωτερικά του ξύλου. 52 Σ ε λ ί δ α

53 Παίρνοντας προληπτικά μέτρα για την καταστροφή του ξύλου από κεραυνικά πλήγματα, μειώνουμε επίσης την πιθανότητα για ανάφλεξη στην κορυφή του πόλου όπου προκαλούνται από διαρροές ρεύματος στις συνδέσεις μετάλλων με ξύλο. Η βέλτιστη προσέγγιση είναι μια τοπική σύνδεση των μονωτήρων με ταινίες ή καλύμματα αγωγών στο τμήμα που είναι πιο πιθανό ξεκινήσει. 2.7 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΜΕ ΑΓΩΓΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ (OHGW- Overhead Ground wire) Οι βασικές αρχές για την προστασία των εναέριων γραμμών διανομής από απευθείας κεραυνικό πλήγμα λαμβάνουν υπόψιν ότι : - Η χρήση OHGW μειώνουν την πιθανότητα των απευθείας πληγμάτων στους αγωγούς φάσης αλλά αυξάνουν την πιθανότητα των ανάστροφων βραχυκυκλωμάτων. Επίσης μπορεί να μειώσει το κίνδυνο διακοπών από κεραυνούς εάν η αγωγιμότητα του εδάφους είναι υψηλή. Η επιθυμητή τιμή της αντίστασης του εδάφους εξαρτάται από το CFO της γραμμής, και γενικότερα η αντίσταση κάθε πόλου πρέπει να είναι λιγότερο από CFO (kv) / (15kA) για να είναι 25% πιο αποτελεσματικό ενάντια στα ανάστροφα βραχυκυκλώματα από απευθείας κεραυνικά πλήγματα. Πρακτικά είναι σχεδόν απίθανο να έχουμε τέτοιες τιμές στις αντιστάσεις των πόλων στις περισσότερες περιοχές. - Η χρήση αλεξικέραυνων σε όλες τις φάσεις σε ένα τριφασικό σύστημα και εφαρμοσμένες στο ίδιο πόλο μπορεί να μειώσει την αναλογία των βραχυκυκλωμάτων από απευθείας κεραυνικά πλήγματα εάν γίνει σωστή επιλογή αυτών. Η απόσταση των αλεξικέραυνων δεν πρέπει να είναι περισσότερο από ένα ή δύο ανοίγματα πόλων. 53 Σ ε λ ί δ α

54 - Η χρήση και των δύο προστατευτικών μεθόδων παρέχει επιπλέον προστασία στις γραμμές διανομής. Οι OHGW κατευθύνουν το μεγαλύτερο ποσοστό της κεραυνικής ενέργειας μακριά από τους αγωγούς φάσεως και του εξοπλισμού, και τα αλεξικέραυνα περιορίζουν την κορυφή της τάσης και μειώνουν τα ανάστροφα βραχυκυκλώματα πιο αποτελεσματικά σε σύγκριση με την γείωση σε κάθε πόλο. Ακόμα και μετά την χρήση αυτού του υβριδικού συστήματος, βραχυκυκλώματα θα συμβούν αλλά σε μειωμένο αριθμό. Συγκεκριμένα οι αγωγοί προστασίας είναι γειωμένοι και τοποθετούνται πάνω στους αγωγούς φάσης για την διακοπή των κεραυνικών πληγμάτων και μέσω του γειωμένου πόλου, το ρεύμα του κεραυνού κατευθύνεται στο έδαφος. Το ρεύμα του κεραυνού διατρέχει την γειωμένη αντίσταση του πόλου προκαλώντας μια πιθανή αύξηση, με αποτέλεσμα μια διαφορά στην τάση μεταξύ του γειωμένου πόλου και των αγωγών φάσεων. Αυτή η διαφορά στην τάση μπορεί να προκαλέσει ένα ανάστροφο βραχυκύκλωμα στην μόνωση από το γειωμένο πόλο σε ένα από τους αγωγούς φάσεως. Το φαινόμενο του ανάστροφου βραχυκυκλώματος είναι ένας ουσιαστικός περιορισμός για την αποτελεσματικότητα των εφαρμογών των προστατευτικών αγωγών σε γραμμές διανομής. Οι προστατευτικοί αγωγοί παρέχουν αποτελεσματική προστασία μόνο εάν : - Χρησιμοποιούνται πρακτικές σχεδίασης καλής μόνωσης για να παρέχεται ικανοποιητικό CFO ανάμεσα στο γειωμένο καθοδικό πόλο και τους αγωγούς φάσεως. - Αποκτηθούν χαμηλές αντιστάσεις γείωσης. Το παρακάτω σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μπορέσουμε να κάνουμε μια εκτίμηση των βραχυκυκλωμάτων που δημιουργούνται για τον σχεδιασμό ενός προστατευτικού αγωγού (OHGW). 54 Σ ε λ ί δ α

55 Σχήμα 2.11: Αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενες τάσεις που δημιουργούνται προς το επίπεδο μόνωσης των γραμμών διανομής [Borghetti et al.] [IEEE Std ]. Για κυκλώματα διανομής με τρεις αγωγούς, η προσθήκη ενός προστατευτικού αγωγού θα μειώσει το αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται. Επειδή ο προστατευτικός αγωγός είναι γειωμένος, καταστέλλονται οι τάσεις στους αγωγούς φάσεως μέσω της χωρητικής σύζευξης. Όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των αγωγών φάσεων με τον προστατευτικό αγωγό, τόσο καλύτερη είναι η σύζευξη με αποτέλεσμα να προκαλούνται μικρότερες τάσεις. Προσθέτοντας ένα γειωμένο αγωγό κάτω από τους αγωγούς φάσης θα έχει τα ίδιο αποτέλεσμα με ένα εναέριο προστατευτικό αγωγό. Για κυκλώματα διανομής με τέσσερις αγωγούς και σύστημα πολλαπλής γείωσης, αντικαθιστώντας τον ουδέτερο αγωγό που βρίσκεται από κάτω με έναν εναέριο προστατευτικό αγωγό δεν θα μειώσει τον αριθμό βραχυκυκλωμάτων. Παρόλα αυτά ο συνδυασμός του προστατευτικού και του ουδετέρου αγωγού θα αυξήσει την επίδοση έως ένα επίπεδο επειδή ο συντελεστής σύζευξης θα είναι μεγαλύτερος. Από άποψη κόστους, η πρόσθεση ενός OHGW στον σχεδιασμό γραμμών διανομής μπορεί να είναι ουσιώδες. Επιπροσθέτως στο κόστος του αγωγού, των πόλων γείωσης και της επιπλέον μόνωσης, το ύψος των στύλων πρέπει να είναι μεγαλύτερο για να στηρίξουν τους αγωγούς προστασίας έτσι ώστε να είναι 55 Σ ε λ ί δ α

56 επαρκής η γωνία προστασίας ανάμεσα στο προστατευτικό αγωγό και τους εξωτερικούς αγωγούς φάσης. Όμως από την άλλη πλευρά το μεγαλύτερο ύψος των κατασκευών προσελκύει περισσότερα άμεσα κεραυνικά πλήγματα που αντισταθμίζει αμυδρά την μείωση του ποσοστού βραχυκυκλωμάτων που παρέχει η προστασία ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Για να μπορέσουμε να εξασφαλίσουμε ότι όλα τα κεραυνικά πλήγματα θα καταλήξουν στον προστατευτικό αγωγό και όχι στους αγωγούς φάσεως, προτείνεται μια γωνία των 45 0 ή λιγότερο. Αυτή η οδηγία ισχύει μόνο για γραμμές ύψους μικρότερες από 15m με αποστάσεις μεταξύ αγωγών κάτω από 2m. Πιο υψηλές γραμμές διανομής χρειάζονται μικρότερες γωνίες προστασίας [ΙΕΕΕ Std ]. Σχήμα 2.12 : Γωνία προστασίας προστατευτικού αγωγού(ohgw) [IEEE Std ]. 56 Σ ε λ ί δ α

57 2.7.2 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Η αποτελεσματικότητα των προστατευτικών αγωγών εξαρτάται πολύ από την μόνωση που παρέχεται ανάμεσα στο γειωμένο αγωγό και τους αγωγούς φάσεως. Είναι αρκετά δύσκολο να υπάρχει επαρκής μόνωση όταν ο γειωμένος αγωγός είναι σε επαφή με τον πόλο σε όλο το ύψος του. Στους ξύλινου στύλους είναι αναγκαίο να απομονωθεί ο γειωμένος πόλος από το στύλο κοντά στους μονωτήρες φάσης και τους βραχίονες με την βοήθεια ράβδων fiberglass ή οριζόντια στηρίγματα για να υπάρχει 30-60cm απόσταση από τον γειωμένο αγωγό και το στύλο. Το CFO από τον γειωμένο αγωγό στην κοντινότερη φάση είναι η ελάχιστη τιμή από τις άλλες πορείες. Ένα CFO πάνω από kv είναι απαραίτητη η εφαρμογή προστατευτικών αγωγών. Έτσι χρησιμοποιώντας στηρίγματα με γειωμένους πόλους, μπορεί να επιτευχθεί το επίπεδο μόνωσης στις γραμμές διανομής ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΓΕΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΜΟΝΩΣΗΣ Η αποτελεσματικότητα του προστατευτικού αγωγού εξαρτάται από την γείωση. Επομένως οι αντιστάσεις του εδάφους πρέπει να είναι μικρότερες από 10Ω εάν το CFO είναι μικρότερο από 200kV. Εάν όμως το CFΟ είναι kv, τότε η αντίσταση γείωσης 40Ω θα παρουσιάσει την ίδια απόδοση. Για να έχουμε επαρκή αποτελέσματα ο προστατευτικός αγωγός θα πρέπει να γειώνεται σε κάθε στύλο. 57 Σ ε λ ί δ α

58 Σχήμα 2.13 : Επίδραση της αντίστασης εδάφους σε ένα προστατευτικού αγωγού(ohgw) με CFO 175kV και 350kV [IEEE Std ] ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Όταν έχουμε τοποθετημένες τις γραμμές διανομής κάτω από τις γραμμές μεταφοράς, γίνονται πιο ευπαθείς σε ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Όσο μεγαλύτερα σε ύψος και πλάτος είναι οι κατασκευές, τόσο μεγαλύτερη πιθανότητα έχουν να πληγούν από άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Η πιθανότητα ενός ανάστροφου βραχυκυκλώματος είναι μεγαλύτερη στα κυκλώματα διανομής παρά στα κυκλώματα μεταφοράς. Αυτό συμβαίνει γιατί οι αγωγοί διανομής είναι πιο μακριά από τους προστατευτικούς αγωγούς που καταλήγει σε χαμηλότερο συνδυασμό τάσεως και μεγαλύτερη τάση στη μόνωση σε σύγκριση με τους αγωγούς μεταφοράς. Η αντοχή της μόνωσης στα κυκλώματα διανομής είναι συνήθως μικρότερα από τα κυκλώματα μεταφοράς. Πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή για να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα η αντίσταση γείωσης και σε υψηλά επίπεδα η μόνωση για να αποφευχθούν μεγάλες τιμές βραχυκυκλωμάτων στα κυκλώματα διανομής. 58 Σ ε λ ί δ α

59 2.7.5 ΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ Για να μπορέσουμε να εξαλείψουμε ένα μεγάλο τμήμα των πιθανών βραχυκυκλωμάτων, χρησιμοποιούμε αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο και φάση σε συνδυασμό με ένα προστατευτικό αγωγό. Τα αλεξικέραυνα προστατεύουν την μόνωση από ανάστροφα βραχυκυκλώματα ενώ ο προστατευτικός αγωγός διοχετεύει το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος στη γη, για να μην επηρεαστούν τα αλεξικέραυνα από την μεγάλη ποσότητα ρεύματος εισόδου. Με την τοποθέτηση των αλεξικέραυνων, ο σχεδιασμός των προστατευτικών αγωγών εξαρτάται λιγότερο από το επίπεδο μόνωσης και γείωσης. 2.8 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ Τα αλεξικέραυνα διανομής χρησιμοποιούνται για την προστασία μόνωσης εξοπλισμών ( μετασχηματιστές, ρυθμιστές). Λειτουργούν σαν υψηλές αντιστάσεις σε κανονικές τάσεις λειτουργίας και ως χαμηλές αντιστάσεις σε κεραυνικές συνθήκες οδηγώντας το ρεύμα στο έδαφος και περιορίζοντας την τάση της κατασκευής στο άθροισμα της τάσης εκφόρτισης του αλεξικέραυνου συν το επαγωγικό ρεύμα στις γραμμές του αλεξικέραυνου και των γειωμένων αγωγών. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία της μόνωσης σε γραμμές διανομής μειώνοντας την ύπαρξη βραχυκυκλωμάτων και διακοπών στα κυκλώματα. Χωρίζονται σε πολλά διαφορετικά είδη αλεξικέραυνων όπως με διάκενα, από καρβίδιο σιλικόνης, με ή χωρίς διάκενα από οξείδιο του μετάλλου έχοντας όλα την ίδια απόδοση [ΙΕΕΕ Std C ]. Για την προστασία του εξοπλισμού στις περισσότερες περιπτώσεις επιλέγεται αλεξικέραυνο με το μικρότερο προστατευτικό επίπεδο όμως για την προστασία μόνωσης δεν είναι αναγκαίο αφού το προστατευτικό επίπεδο του αλεξικέραυνου είναι πολύ χαμηλότερο από το επίπεδο μόνωσης της γραμμής. Γενικά κανένα αλεξικέραυνα δεν μπορεί να αντέξει ένα απευθείας πλήγμα αλλά διαμοιράζοντας το σε παράλληλα αλεξικέραυνα είναι αποδοτικό και μπορεί να κρατήσει την διασκόρπιση της ενέργειας αυτής σε λογικά επίπεδα. 59 Σ ε λ ί δ α

60 Όταν τοποθετούνται αλεξικέραυνα για την προστασία, το ποσοστό αποτυχίας των επιπλέον αλεξικέραυνων θα πρέπει να εξεταστεί μαζί με την βελτίωση της γραμμής από την προσθήκη αυτών ΜΗΚΟΣ ΑΓΩΓΩΝ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΩΝ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΩΝ Οι αγωγοί αλεξικέραυνων που συνδέουν την γραμμή διανομής και τα τερματικά εδάφους των αλεξικέραυνων στην κατασκευή, εμφανίζουν μικρή ποσότητα εσωτερικής επαγωγής η οποία προκαλεί L x (di/ dt) πτώσεις τάσεως που εμφανίζονται στους αγωγούς. Κάθε πτώση τάσης κατά μήκος ενός αγωγού αλεξικέραυνου θα επιβαρύνει την τάση εκφόρτισης του αλεξικεραύνου, αυξάνοντας την τάση που εμφανίζεται στις συσκευές που προστατεύονται από τα αλεξικέραυνα. Η επίδραση του μήκους αλεξικέραυνου στην προστασία της μόνωσης δεν είναι τόσο σημαντική όσο η προστασία του εξοπλισμού. Όταν έχουμε εναέριο εξοπλισμό, το περιθώριο είναι αρκετά υψηλό καθώς επίσης και η μόνωση της γραμμής είναι μεγαλύτερη από το κανονικό BIL του εξοπλισμού. Η βέλτιστη προσέγγιση βέβαια είναι να διατηρούνται μικρά μήκη αγωγών και ευθείες συνδέσεις μεταξύ των αλεξικεραύνων και των αγωγών γης όσο το δυνατόν είναι εφικτό [ IEEE Std C περισσότερες πληροφορίες] ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΕΜΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Τα αλεξικέραυνα μπορούν να μειώσουν δραστικά το ποσοστό βραχυκυκλωμάτων λόγω των τάσεων που προκαλούνται από έμμεσα πλήγματα. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει την μόνωση επιπέδου 150kV για ένα μηγειωμένο κύκλωμα. Έστω και η ασθενής χρήση αλεξικέραυνων μπορεί να μειώσει σημαντικά το ποσοστό βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από την τάση, πχ μια τοποθέτηση αλεξικέραυνων ανά 8 στύλους αποδίδουν τουλάχιστον 25% μείωση στα σφάλματα. Βέβαια στα περισσότερα κυκλώματα διανομής με μεγάλο αριθμό μετασχηματιστών, τα αλεξικέραυνα εγκαθίστανται για την προστασία των μετασχηματιστών με μεγάλη αποτελεσματικότητα. 60 Σ ε λ ί δ α

61 Σχήμα 2.14 : Αποστάσεις αλεξικέραυνων για βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση. (CFO = 150kV h = 10m N g = 1 κεραυνός/km 2 /έτος μήκος ανοίγματος = 75m) Η πιο αποτελεσματική χρήση των αλεξικέραυνων είναι η προστασία στύλων με μικρά επίπεδα μόνωσης. Αυτοί οι «αδύναμοι σύνδεσμοι» ή «weak links» μπορούν να είναι οι διακόπτες, οι τερματικοί στύλοι, στύλοι διασταυρώσεων. Από άποψη κόστους η εγκατάσταση αλεξικέραυνων έναντι βελτίωση του επιπέδου μόνωσης μπορεί να είναι πιο οικονομική ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Η προστασία έναντι στα άμεσα πλήγματα είναι μεγάλη πρόκληση λόγω των υψηλών κρουστικών ρευμάτων, των μεγάλων κλίσεων μετώπου, και της υψηλής ενέργειας των κεραυνών. Για να μπορέσουν τα αλεξικέραυνα θεωρητικά να αποδώσουν, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη συχνότητα, ουσιαστικά σε κάθε στύλο. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει αποτελέσματα για διαστήματα αλεξικέραυνων για την προστασία από άμεσα πλήγματα. Υποθέτει ότι ο ουδέτερος αγωγός είναι γειωμένος σε κάθε στύλο. Μπορεί να είναι παραπλανητικός ο μεγάλος αριθμός βραχυκυκλωμάτων στο παρακάτω σχήμα 61 Σ ε λ ί δ α

62 όπου ο ουδέτερος αγωγός δεν είναι γειωμένος εκτός από τους στύλους όπου τα αλεξικέραυνα εφαρμόζονται σε όλες τις φάσεις και το επίπεδο μόνωσης από το ουδέτερο γειωμένο αγωγό είναι υψηλό. Σχήμα 2.15 : Απόσταση αλεξικέραυνων για προστασία από άμεσα πλήγματα. (το μήκος του ανοίγματος είναι 75 m) ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ ΑΝΩ ΦΑΣΗΣ ( ΑΜΕΣΟ ΠΛΗΓΜΑ ) Εάν ο αγωγός άνω φάσης έχει εγκατασταθεί έτσι ώστε να αναχαιτίζει όλα τα κεραυνικά πλήγματα, τα αλεξικέραυνα μπορούν να τοποθετηθούν στην άνω φάση κάνοντας το να συμπεριφέρεται σαν αγωγός προστασίας. Κατά την διάρκεια του κεραυνικού πλήγματος, το αλεξικέραυνο στην άνω φάση θα κατευθύνει το κύμα ρεύματος προς το έδαφος προστατεύοντας το κύκλωμα όταν η αντίσταση γείωσης είναι αρκετά χαμηλή και η μόνωση στις απροστάτευτες φάσεις αρκετά υψηλή. Όπως συμπεριφέρεται ο αγωγός προστασίας έτσι και εδώ θα πρέπει να διατηρήσουμε το υψηλό επίπεδο μόνωσης στις απροστάτευτες φάσεις. Από το Σχήμα 2.13 χρησιμοποιώντας τις καμπύλες ενός αγωγού προστασίας μπορούμε να υπολογίσουμε την αποτελεσματικότητα ενός σχεδιασμού αλεξικέραυνου άνω φάσης, κάνοντας χρήση αυτού σε κάθε στύλο για να αυξηθεί η αποδοτικότητα. 62 Σ ε λ ί δ α

63 2.8.5 ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟΥ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ Τα αλεξικέραυνα διανομής χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες ταξινόμησης ενέργειας στο παρακάτω πίνακα : ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ ΜΙΚΡΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΣΑΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΓΑΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ (mm) ΚΛΑΣΗ ΚΛΑΣΗ (kv/kj MCOV) (J/cm 3 ) ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ ΑΠΟ ΑΜΕΣΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΑΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΗ ΓΡΑΜΜΗ % - 100% % - 50% % - 33% ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3: Κατηγοριοποίηση των αλεξικέραυνων για σύστημα διανομής [IEEE Std ]. Το ποσοστό αποτυχίας για τα αλεξικέραυνα στο παραπάνω πίνακα είναι για τριφασικές γραμμές με ουδέτερο χωρίς προστατευτικό αγωγό, σε κάθε στύλο και κάθε φάση. Για γραμμές με αλεξικέραυνα μόνο στο εξοπλισμό και/ή προστασία γραμμής με δύο ή περισσότερα ανοίγματα μεταξύ αλεξικέραυνων, το ποσοστό αποτυχίας για κάθε άμεσο πλήγμα είναι αρκετά μειωμένο. Τα αλεξικέραυνα κατά μέσο όρο είναι σε μεγάλη απόσταση από την κατάληξη του πλήγματος (flash termination) επομένως οι απροστάτευτοι μονωτές μεταξύ αυτών καταλήγουν σε βραχυκυκλώματα, διοχετεύοντας το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος στο έδαφος και μειώνοντας επίσης το ποσοστό ενέργειας της λειτουργίας. Η ενέργεια των αλεξικέραυνων από τις υπερτάσεις που δημιουργούνται ή τις καταλήξεις στους προστατευτικούς αγωγούς (OHGW) είναι επίσης μικρότερη από τις απευθείας καταλήξεις σε φάσεις. Τα αλεξικέραυνα μικρής λειτουργίας χρησιμοποιούνται κανονικά σε ειδικές περιπτώσεις προστασίας υπόγειων εγκαταστάσεων. Η βιομηχανία γενικά χρησιμοποιεί τα αλεξικέραυνα μεσαίας ή μεγάλης λειτουργίας για την προστασία των εναέριων γραμμών διανομής. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια υπάρχει βελτίωση στην διάρκεια ζωής (5% - 15%) για τα αλεξικέραυνα μεγάλης λειτουργίας σε σύγκριση με αυτά της μεσαίας λειτουργίας. 63 Σ ε λ ί δ α

64 Σε εφαρμογές που είναι εκτεθειμένα ( π.χ. γραμμή διανομής σε ανοιχτό χώρο χωρίς προστατευτικό αγωγό, OHGW), τα αλεξικέραυνα διανομής από οξειδία μετάλλου μπορούν να υποστούν μεγάλα ποσοστά αποτυχίας λόγω των απευθείας πληγμάτων. Ένα σημαντικά μεγάλο ποσοστό των κεραυνικών πληγμάτων στα αλεξικέραυνα καταλήγει σε ενέργεια η οποία υπερβαίνει την ικανότητα που έχει δημοσιευτεί από τους κατασκευαστές και τα 4/10 μs εκκένωσης του κύματος δοκιμής [McDermott et al]. Ένα άλλο μειονέκτημα στο σχεδιασμό των αλεξικεραύνων από οξείδιο του μετάλλου είναι η ύπαρξη βραχυκυκλωμάτων δίπλα στα μπλοκ όταν αυτά είναι κάτω από την επήρεια πολλαπλών πληγμάτων. Έχουνε γίνει διάφορες μελέτες, σε εργαστηριακό και βιομηχανικό περιβάλλον, αξιολογώντας την αποδοτικότητα των αλεξικέραυνων σε μονά πλήγματα ή πολλαπλά πλήγματα [Darveniza et al., Fernandez et al.,schoene et al.]. Η ενέργεια που διαχέεται σε ένα αλεξικέραυνο κατά την διάρκεια του απευθείας πλήγματος δεν είναι κανονικά η μέγιστη ενέργεια του πλήγματος. Μεγάλο ποσοστό της ενέργειας διαμοιράζεται με τα κοντινά αλεξικέραυνα ή διαχέεται στο έδαφος από το σύστημα διανομής. Επίσης παρά της μεγάλης πιθανότητας αποτυχίας ενός απομονωμένου αλεξικέραυνου από κεραυνικό πλήγμα, έχει καταγραφεί μικρότερο ποσοστό αποτυχίας λόγω της απορρόφησης τμήματος της ενέργειας από τα παρακείμενα αλεξικέραυνα. Το αλεξικέραυνο που παθαίνει την βλάβη είναι συνήθως κοντά στο πλήγμα, αλλά δεν είναι πάντα κοντά στην κατάληξη του εκτεθειμένου αγωγού. Σε κανονικές συνθήκες, ένα μονό αλεξικέραυνο θα αποτύχει πρώτα ηλεκτρικά χωρίς να επηρεάσει τίποτα άλλο, αλλά κάποιες δοκιμές έχουν δείξει πολλαπλές βλάβες από ένα μονό πλήγμα. Παραδείγματος χάριν σε ένα κύκλωμα διανομής 50km των 13.2kV με ένα μείγμα από τριφασικούς τροφοδότες και μονοφασικά πλευρικούς, έχοντας αλεξικέραυνα σε κάθε φάση και στύλο, θα υπάρχουν περίπου 1000 στύλοι και 2000 αλεξικέραυνα. Σε ανοιχτό έδαφος, αυτή η γραμμή θα δέχεται 20 κεραυνικά 64 Σ ε λ ί δ α

65 πλήγματα ανά χρόνο σε μια περιοχή μεγάλης συχνότητας κεραυνών το οποίο θα καταλήξει σε σφάλματα 2 7 αλεξικέραυνα μεγάλης λειτουργίας ανά χρόνο. Μετά από υπολογισμό της προστασίας του περιβάλλοντος και της μειωμένης κεραυνικής πιθανότητας σε μέτρια κλίματα, το καταγεγραμμένο ποσοστό αποτυχίας των αλεξικέραυνων μεγάλης κλίμακας του 1 2 ανά πενταετία στο New York State by Barker et al. μπορούν να συμβαδίσει με τα δεδομένα του Πίνακα. Υπάρχει μια ποικιλία αιτιών για τους οποίους τα αλεξικέραυνα μπορούν να παρουσιάσουν σφάλματα ( υπέρβαση ορίων υπέρτασης, μακροπρόθεσμη διείσδυση υγρασίας, σφάλματα στα μηχανικά μέρη). Οι εναέριες γραμμές διανομής θα πρέπει να επιθεωρούνται και να επισκευάζονται τακτικά διαφορετικά η απόδοση τους έναντι στα κεραυνικά πλήγματα θα υποβαθμιστεί με το χρόνο. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Παράδειγμα 1: Σχέδιο Ξύλινου Βραχίονα 15 kv Μια υπηρεσία πραγματοποιεί αναθεώρηση του σχεδιασμού της για γραμμής διανομής με τρεις αγωγούς, τάξης 15 kv. Η υπηρεσία αυτή βρίσκεται σε μια περιοχή με μέτρια κεραυνικά επίπεδα με 40 ημέρες θύελλες και κεραυνούς ανά χρόνο. Οι μονωτήρες είναι ANSI - τάξης 55-4 με πορσελάνινη κορυφή. Υποθέστε ότι οι βραχίονες είναι αγώγιμοι και χρησιμοποιούνται μονωτικές κορυφές από ατσάλι. Τα επίτονα έχουν μονωτήρες με πορσελάνη (ANSI - τάξης 54-4). Το σταθερό μέγεθος στύλου είναι 12,2 m με βάθος θεμελίωσης στη γη 2m.Στόχος είναι να υπολογιστεί το επίπεδο συμπεριφοράς έναντι κεραυνού με βάση το σχέδιο και να διερευνηθούν οι βελτιώσεις. 65 Σ ε λ ί δ α

66 Σχήμα Α.1 : Σχέδιο ξύλινου βραχίονα τάξης 15 kv [IEEE Std ] g ί / km / έ Εναλλακτικός τρόπος υπολογισμού των απευθείας πληγμάτων: Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από την Εξίσωση [3] N g=12/3=4 κεραυνοί/km 2 /έτος Το ύψος του πάνω αγωγού είναι 10,2m με πλάτος κατασκευής 2,24m. Επομένως ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος είναι: ί /100 km / έ Σ ε λ ί δ α

67 ΠΙΝΑΚΑΣ Α.1 Υπολογισμοί CFO για πιθανές πορείες βραχυκυκλωμάτων για μελέτη πόλου 15 KV. ΑΠΟ ΣΕ ΠΟΡΕΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΟ (kv) ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Μεσαία φάση Επίτονο Μονωτήρες (105kV) σε 152 0,2m ξύλινου πόλου(47kv) σε μονωτήρα καλωδίων (0kV) Εξωτερική φάση Επίτονο Μονωτήρες (105kV) σε 268 0,6m ξύλινου βραχίονα(105kv) σε 0,2mξύλινου πόλου (13 kv)μονωτήρα καλωδίων (0kV) Δεξιά φάση Μεσαία φάση Μονωτήρες (105kV) σε 275 0,6m ξύλινου βραχίονα(150kv) στο δεύτερο μονωτήρα (20kV) Δεξιά φάση Μεσαία φάση Αέρας 360 Θεωρώντας ένα προστατευτικό παράγοντα 0,75 και όλα τα άμεσα κεραυνικά πλήγματα θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα, ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από άμεσο πλήγμα είναι: ύ ά ή 11,5 ώ /100 km / έ Επαγόμενα Βραχυκυκλώματα: Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται σε ανοιχτό έδαφος υπολογίζεται από το παρακάτω σχήμα, χρησιμοποιώντας την μικρότερη CFO πορεία 152 kv : 67 Σ ε λ ί δ α

68 induced B ώ ώ /100 km / έ ύ ά Το μεγαλύτερο τμήμα της γραμμής διανομής είναι προστατευμένο,περισσότερα πλήγματα μπορεί να καταλήξουν κοντά στη γραμμή χωρίς απευθείας άμεσο πλήγμα. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων λόγω τάσης θα πρέπει να είναι μεταξύ της τιμής των άμεσων και έμμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Έτσι κάνοντας μια εκτίμηση καταλήγουμε στο : Induced Flashovers 16 ώ /100 km / έ έ ά 16 11,5 27,5 ά /100 km / έ Μέθοδοι Βελτίωσης: Οι αλλαγές στην μόνωση για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων από τάση είναι η κύρια εκδοχή προς εξέταση με στόχο 300kV CFO. 68 Σ ε λ ί δ α

69 i. Χρήση 50cm μονωτήρες τύπου αλυσίδας από fiberglass.έτσι μπορούμε να μειώσουμε την μεσαία CFO από την φάση στο καλώδιο σε 310kV [0,5m μονωτήρας από fiberglass τύπου αλυσίδας (250kV) + (0.45 x 105kV=47kV) + 0.2m ξύλινου στύλου ( 0.2mx 65 kv/m=13kv)]. Κατά γενική άποψη ελαχιστοποιούμε τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από την τάση. ii. Χρήση ξύλινων βραχιόνων. Αυξάνοντας την ποσότητα του ξύλου στην πορεία του βραχυκυκλώματος από την μεσαία φάση στο καλώδιο. Το CFO θα είναι 255kV [μονωτήρας (105KV) + ξύλινος βραχίονας (0,52mx 250 kv/m=130kv) + ξύλινος στύλος (0,3mx 65 kv/m =20kV)].Αυτό μειώνει το αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από τάση σε λιγότερο από 0,8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος. Επιπροσθέτως άλλα σχέδια κατασκευών πρέπει να εξεταστούν (τερματικός στύλος, γωνία και διασταύρωση). Οι επιλογές προς βελτίωση μπορούν να συγκριθούν από άποψη κόστους με τα υπάρχοντα σχέδια. Παράδειγμα 2: Γραμμή διανομής 35kV με αγωγό προστασίας (OHGW) Μια υπηρεσία θέλει να χρησιμοποιήσει ένα σχέδιο προστατευμένης γραμμής διανομής για τα ουδέτερα κυκλώματα της πολλαπλής γείωσης με τέσσερις αγωγούς (Σχήμα Α2). Ο παράγοντας προστασίας που θα τοποθετηθεί η γραμμή είναι 0,5 με GFD = 6,7 κεραυνούς/km 2 /έτος. Το σχέδιο παρέχει μια προστατευτική γωνία Οι μονωτές φάσης είναι ANSI - class 57-2, με μονωτήρες σε πορσελάνινους στύλους σε ατσάλινα στηρίγματα. Ο προστατευτικός αγωγός υποστηρίζεται από ένα μονωτή ANSI-class 55-5, με πορσελάνινες κορυφές. Η γραμμή διανομής χρησιμοποίει ξύλινους πόλους 15.24m και κάθε πόλος είναι γειωμένος με αντίσταση εδάφους 10Ω ή λιγότερο. 69 Σ ε λ ί δ α

70 Πίνακας Α.2: Μόνωση CFO για γραμμή 35kV του Σχήματος Α.2. Σχήμα Α.2 : Κατασκευή ξύλινου στύλου 35kV με προστατευτικό αγωγό. 70 Σ ε λ ί δ α

71 Από τους υπολογισμούς στο Πίνακα Α.2 καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι χρειάζονται στηρίγματα αποκλίσεων από fiberglass με κατεύθυνση προς το έδαφος. Ο αγωγός που καταλήγει στο έδαφος αντισταθμίζεται από ένα μονωτήρα 0.46 m στηρίγματος απόκλισης από fiberglass και προσαρμόζεται στο στύλο 0.49 m κάτω από το κάτω αγωγό φάσης. Εάν δεν υπήρχαν τα στηρίγματα αποκλίσεων, το CFO θα ήταν 180 kv που θα προκαλούσε βραχυκυκλώματα λόγω της τάσης, ενώ ο προστατευτικός αγωγός δεν θα ήταν τόσο αποδοτικός έναντι στα άμεσα πλήγματα. Η μικρότερη πορεία CFO είναι 261 kv, οι πιο σημαντικές πορείες είναι οι πορείες βραχυκυκλώματος από την φάση στο έδαφος(phase-to-ground). Ο λόγος είναι επειδή η τάση για ένα πλήγμα στο προστατευτικό αγωγό και οι επαγόμενες τάσεις είναι πιέσεις τάσης από φάση στο έδαφος. Η χαμηλότερη πορεία βραχυκυκλώματος από φάση στο έδαφος είναι 325 kv από την φάση C στο γειωμένο αγωγό του στύλου. Άμεσα πλήγματα : Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από : g έ / km / έ Το ύψος του προστατευτικού αγωγού είναι 13.13m και το πλάτος αγωγών φάσης είναι 1.22m.Επομένως υπολογίζεται ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων από : h b N Ng ί /100 km / έ Κάνοντας μια εκτίμηση για τα πλήγματα που χρησιμοποιούν ένα παράγοντα προστασίας 0.5 : Άμεσα πλήγματα σε γραμμή διανομής = 44.4 κεραυνοί/100 km/έτος Επειδή η γραμμή διανομής είναι γειωμένη σε κάθε πόλο και η γωνία προστασίας είναι μικρότερη από 45 0, όλα τα πλήγματα στην γραμμή διανομής κάνοντας μια θεώρηση ότι πλήττουν τον προστατευτικό αγωγό. Από το παρακάτω σχήμα μπορούμε να προσδιορίσουμε τον αριθμό των 71 Σ ε λ ί δ α

72 βραχυκυκλωμάτων (αντίσταση εδάφους 10Ω, CFO 350 kv ): Άμεσα πλήγματα= 44.4 κεραυνοί/100km/έτοςx0.04 = = 1.8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Επαγόμενα βραχυκυκλώματα: Με CFO 325 kv, η κατασκευή μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ανθεκτική σε βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από την τάση. Τότε όλα τα βραχυκυκλώματα οφείλονται στα άμεσα πλήγματα και όλα προκαλούν βλάβες. Συνολικές βλάβες = άμεσα = 1.8 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος Μέθοδοι βελτίωσης: Το Σχήμα Α.2 έχει καλή απόδοση σε περίπτωση κεραυνού. Ένα τμήμα που μπορούμε να εστιάσουμε είναι ο σχεδιασμός τη γειωμένης αντίστασης 10Ω ίσως είναι δύσκολο να επιτευχθεί. Το παραπάνω σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει την μείωση στην απόδοση λόγω της αντίστασης της βάσης. Εάν για παράδειγμα η αντίσταση της βάσης είναι 50Ω, το ποσοστό βραχυκυκλώματος θα αυξηθεί κατά 35% για τα άμεσα πλήγματα (15.3 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος). Μια μέθοδος βελτίωσης είναι η χρήση υποστηριγμάτων από fiberglass έναντι από ατσάλι που θα οδηγήσει σε αύξηση του CFΟ φάσης προς φάσης και φάσης προς έδαφος. 72 Σ ε λ ί δ α

73 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Τεχνικός Σχεδιασμός και Υποθέσεις Β1: Προστασία Για τον υπολογισμό του παράγοντα προστασίας για ένα συγκεκριμένο τμήμα μιας γραμμής διανομής χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρογεωμετρικό πρότυπο. Μια γραμμή διανομής ή ένα άλλο αντικείμενο έχει συγκεκριμένη ακτίνα προσέλκυσης που αυξάνεται με το ύψος και εξαρτάται από τη πυκνότητα ρεύματος του κεραυνού. Η εξίσωση για τον υπολογισμό των αποστάσεων του πλήγματος [Equation from IEEE Working Group on Estimating the Lightning Performance of Transmission lines] : rs 10 I [Εξίσωση B.1] r g 0.9 r s Όπου r s= απόσταση του πλήγματος από το αγωγό, m r g = απόσταση του πλήγματος από το έδαφος, m I 0 = η μεγαλύτερη τιμή ρεύματος του κεραυνού, ka Tο ηλεκτρογεωμετρικό πρότυπο χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς του παράγοντα προστασίας και για τις εκτιμήσεις αναφλέξεων από τάση. Επιπροσθέτως μπορεί να εκτιμηθεί ο αριθμός των έμμεσων πληγμάτων σε μια γραμμή διανομής. Αυτή είναι μια εναλλακτική προσέγγιση στο τύπο Eriksson [Εξίσωση 7]. Το συγκεκριμένο πρότυπο δίνει αποτελέσματα για άμεσα πλήγματα που είναι κοντά στο τύπο Eriksson για γραμμές ύψους κάτω από 15m ενώ για μεγαλύτερα ύψη γραμμών διανομής, η διαφορά είναι μεγαλύτερη. 73 Σ ε λ ί δ α

74 Β2 :Υπερπηδήσεις που οφείλονται σε επαγόμενη τάση Β.2.1 : Απλοποιημένη διαδικασία για την περίπτωση μιας γραμμής με ιδανικές απώλειες εδάφους Αυτή η διαδικασία παρουσιάζεται από την IEEE Working Group Report βασισμένο στην απλοποιημένη εξίσωση Rusck για τον υπολογισμό των επαγόμενων τάσεων από κεραυνούς και στην εφαρμογή μια στατιστικής μεθόδου από Wagnerand McCann. Η στατιστική μέθοδος αυτή έχει βελτιωθεί από Chowdhuri όπου θεωρεί ότι τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία του κεραυνού μεταδίδονται πάνω στο έδαφος με τέλεια αγωγιμότητα, για την οποία κάθε πεδίο γύρω από τους αγωγούς γραμμών διανομής είναι ανύπαρκτο. Οι βασικές παράμετροι που αναλύονται είναι το GFD Ng, η απόσταση του πλήγματος rs και η μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού. Δεδομένης της τυχαίας φύσης του κεραυνού, κάθε υπολογισμός πρέπει να διατηρηθεί εντός πιθανολογικών βάσεων επομένως πρέπει να χρησιμοποιηθούν οι πιθανολογικές διανομές των παραμέτρων. Η απόσταση του πλήγματος που εξετάζεται ώστε να προσδιοριστεί η απόσταση από την γραμμή διανομής πέρα από την οποία ο κεραυνός δεν θα πλήξει την γραμμή είναι αυτή από την Εξίσωση Β1. Υπάρχουν πολλά πρότυπα για την τάση τα οποία εξαρτώνται από πολλές παραμέτρους, συμπεριλαμβανομένου και του ηλεκτρογεωμετρικού μοντέλου, του μοντέλου για το ρεύμα του πλήγματος, της ταχύτητας επιστροφής του πλήγματος και των χαρακτηριστικών της κυματομορφής του ρεύματος. Το μοντέλο του Rusck επιλέγεται για επαγόμενες τάσεις λόγω της απλοποιημένης μορφής του. Σύμφωνα με τη εξίσωση του Rusck η μέγιστη τάση που προκαλείται σε μια γραμμή ρεύματος στο πλησιέστερο σημείο του πλήγματος είναι: V max Z I h v 1 y c 2 v 2 c [Εξίσωση Β.2] 74 Σ ε λ ί δ α

75 Όπου Z Ι 0 = μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού h = μέσο ύψος της γραμμής διανομής πάνω από το επίπεδο εδάφους y = πλησιέστερη απόσταση ανάμεσα στο πλήγμα του κεραυνού και τη γραμμή v = ταχύτητα επιστροφής του πλήγματος v 0 = ταχύτητα του φωτός σε ελεύθερο διάστημα Η τιμή για Ζ 0 είναι 30Ω, και η τιμή ν κυμαίνεται από 0.29 x 10 8 m/s 2.4 x 10 8 m/s [Idone and Orville] Για τον υπολογισμό της συχνότητας βραχυκυκλωμάτων, η μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού κυμαίνεται μεταξύ 1-200kA που χωρίζεται σε διαστήματα 1kA, και η πιθανότητα να είναι η μέγιστη τιμή ρεύματος μέσα σε αυτό το διάστημα υπολογίζεται από την Εξίσωση 6. Αυτό υπολογίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στην πιθανότητα να είναι το ρεύμα ίσο ή μεγαλύτερο από το κατώτατο όριο και την πιθανότητα να φτάσει ή να ξεπεράσει το ρεύμα το ανώτατο όριο. Η μέγιστη απόσταση ymax για κάθε διάστημα μέγιστης τιμής ρεύματος για την οποία ο κεραυνός μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα στην μόνωση της γραμμής διανομής. Επομένως προκύπτει ένα επιλύσουμε την εξίσωση Β.2 ως y, θεωρώντας το I0ως το χαμηλότερο όριο ρεύματος για το διάστημα και επίσης θεωρώντας Vmax 1.5 CFO. Ο παράγοντας 1.5 είναι μια τιμή κατά προσέγγιση που διαπιστώνεται και την χαρακτηριστική τάση χρόνου, όπου για πολύ μικρούς χρόνους η στάθμη προστασίας είναι μεγαλύτερη. Όμως αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται για την επαγόμενη τάση, προστατευτικό αγωγό, και για υπολογισμούς διαστημάτων ανάμεσα στα 75 Σ ε λ ί δ α

76 αλεξικέραυνα. Οι συγκριμένες τάσεις θεωρούνται ότι έχουν πολύ μικρότερης διάρκειας κύματα από το δεδομένο κύμα δοκιμής 1.2/50μs. Η ελάχιστη απόσταση ymax για την οποία ο κεραυνός δεν θα εκτραπεί προς το γραμμή υπολογίζεται από την Εξίσωση Β.3 [ΙΕΕΕ Working Group Report].Για το λόγο αυτό, τα rsκαι rgυπολογίζονται από το ανώτατο όριο του διαστήματος όπου μπορούμε να το παρατηρήσουμε στο Σχήμα Β.1. Σχήμα Β.1 :Χρήση του ηλεκτρογεωμετρικού και Rusck μοντέλου για το προσδιορισμό του απευθείας πλήγματος ή βραχυκυκλώματος από επαγόμενη τάση [IEEE - Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, ΙΕΕΕStd ]. 2 min s g 2 y r r h [Εξίσωση Β.3] Όπου y max= περιοχή στο Σχήμα Β.1 που είναι εκτεθειμένη στο απευθείας πλήγμα (m) r s = απόσταση πλήγματος από την εναέρια γραμμή, Εξίσωση Β.1 (m) 76 Σ ε λ ί δ α

77 r g = απόσταση πλήγματος από το έδαφος, Εξίσωση Β.1 (m) h = μέσο ύψος την γραμμής διανομής πάνω από τον επίπεδο εδάφους (m) Παραδείγματος χάριν, σύμφωνα με την παραπάνω διαδικασία, με CFO = 200 kv, για ένα διάστημα ρεύματος 49 ka 50 ka, έχουμε ymin = 84.6 m και ymax = 72.5 m. Σε ανοιχτό έδαφος, υπάρχουν τρεις διαφοροποιήσεις : i. Εάν το κεραυνικό πλήγμα καταλήξει μεταξύ y = 0 και y = ymin = 72.5 m, τότε το πλήγμα θα χτυπήσει την γραμμή. ii. Εάν το κεραυνικό πλήγμα καταλήξει μεταξύy = ymin = 72.5 m και y = ymax = 84.6 m, τότε το πλήγμα θα χτυπήσει στο έδαφος και θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα λόγω επαγόμενης τάσης. iii. Πάνω από y = ymax = 84.6 m, το πλήγμα θα χτυπήσει το έδαφος χωρίς να προκαλέσει βραχυκύκλωμα. Τελικά ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων στις μονώσεις ανά 100 km σε γραμμή διανομής ανά χρόνο, Fp, λαμβάνεται από το άθροισμα των συνεισφορών από όλα τα εξεταζόμενα διαστήματα : 200 F 2 N 0,1 P y y p g i i max i i 1 min [Εξίσωση Β.4] Όπου F p = αριθμός των βραχυκυκλωμάτων μόνωσης σε 100 km μιας γραμμής ανά χρόνο Ν g = πυκνότητα κεραυνών (πλήγματα ανά km 2 ανά χρόνο) i = πρώτο επιστρεφόμενο πλήγμα μεγίστου ρεύματος, όπου αυξάνεται σε διαστήματα Δ iαπό 1 ka 200 ka P i = P(i) P(i+Δ i) y imax = περιοχή στο Σχήμα Β.1 ευάλωτα στα βραχυκυκλώματα από απευθείας πλήγματα ή από επαγόμενες τάσεις (m) y min = περιοχή στο Σχήμα Β.1 ευάλωτα στα απευθείας πλήγματα 77 Σ ε λ ί δ α

78 Η επίδραση της παρουσίας ενός γειωμένου προστατευμένου αγωγού ή ουδέτερου αγωγού υπολογίζεται από το παρακάτω σχήμα με την ακόλουθη εξίσωση [proposed by Rusck]. Σχήμα Β.2: Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής [IEEE Guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines, IEEE Std ]. Αυτή η προσέγγιση εκφράζει ποσοστό βελτίωσης η ως: ' V max hsw Zsw c 1 V h Z 2 R max sw g [Εξίσωση Β.5] Z sw c h h sw 60 ln h h sw Όπου V max= η επαγόμενη τάση του κεραυνού στην γραμμή του αγωγού με την παρουσία του αγωγού προστασίας (kv) V max = η επαγόμενη τάση στο αγωγό χωρίς τον αγωγό προστασίας από την εξίσωση Β.2 (kv) 78 Σ ε λ ί δ α

79 h sw = ύψος του αγωγού προστασίας (m) h = ύψος του αγωγού φάσεως (m) Z sw-c = η αμοιβαία κυματική αντίσταση μεταξύ του αγωγού προστασίας και του αγωγού της γραμμής Ζ sw = η κυματικής αντίσταση του αγωγού προστασίας R g = αντίσταση γείωσης συνεχούς ρεύματος (Ω) Αυτή η εξίσωση αποκτήθηκε υποθέτοντας το γειωμένο ουδέτερο αγωγό ή αγωγό προστασίας με πραγματική ακτίνα και με συνεχής γειωμένες συνδέσεις [Rusck]. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Σχήμα Β.2 αναφέρονται στην περίπτωση όπου η = 0.75 [by Short]. Υπάρχει μια πιο απλοποιημένη διαδικασία για τις απώλειες εδάφους πάνω στο εύρος των επαγόμενων τάσεων [Darveniza]. Ξεκινώντας από τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Guerrieri et Al. και στο Nucciand Rachidi, μια επέκταση της εξίσωσης του Rusck Β.2 αναλύεται: h h 0.25 [Εξίσωση Β.6] eff V heff Io y max 28 Όπου h eff = το ενεργό ύψος του αγωγού (m) ρ = η αντίσταση του εδάφους (Ωm), αγωγιμότητα σ (ms/m) = 1000/ρ h = το μέσο ύψος της γραμμής διανομής πάνω από το επίπεδο του εδάφους (m) I o = η μέγιστη τιμή του ρεύματος επιστροφής του πλήγματος (ka) y = η πιο κοντινή απόσταση μεταξύ του κεραυνικού πλήγματος και της γραμμής (m) 79 Σ ε λ ί δ α

80 Β.3 Σχεδιασμός Αγωγού Προστασίας για απευθείας πλήγματα Η εκτίμηση για την επίδοση του αγωγού προστασίας διαμορφώνεται, χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση από το Working Group on Estimating the Lighting Performance of Overhead Lines και χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα FLASH στο ΙΕΕΕ Standard με επιπλέον πληροφορίες από Andersonκαι ΙΕΕΕ Working Group Report. Τα μικρά διαστήματα μεταξύ των στύλων στις γραμμές διανομής, εμποδίζουν τον ακριβή σχεδιασμό με τον υπάρχοντα αλγόριθμο που έχει σαν αποτέλεσμα να γίνονται κάποιες αναγκαίες διαφοροποιήσεις για τις γραμμές διανομής. Επειδή έχουμε μικρότερα ανοίγματα στις γραμμές διανομής, οι ανακλάσεις από τους παρακείμενους στύλους μειώνουν την τάση μόνωσης. Οι ανακλάσεις από τους παρακείμενους πόλους μειώνουν τόσο την μέγιστη τιμή ρεύματος καθώς και την «ουρά» στην κυματομορφή. Για τους υπολογισμούς της μέγιστης τιμής τάσης, χρειάζονται μόνο οι παρακείμενοι στύλοι. Για τον υπολογισμό της «ουράς» των τάσεων πρέπει να συμπεριληφθούν και επιπρόσθετοι στύλοι (το μοντέλο FLASH παραβλέπει πύργους πέρα από το κοντινό άνοιγμα). Το μοντέλο FLASH εκτελεί υπολογισμούς τάσεων στην επιστροφή της πρώτης ανάκλασης από τον παρακείμενο πύργο, περίπου 2μs, και ξανά μετά από πολλαπλές ανακλάσεις των 6μs. Για γραμμές διανομής υπολογίζεται τάση με διάρκεια μετώπου μόνο 2μs. Θεωρείται ότι οι ανακλάσεις από τους παρακείμενους στύλους θα μειώσουν γρήγορα την «ουρά», έτσι ώστε εάν δεν παρουσιαστεί βραχυκύκλωμα στα 2 μs της κορυφή ρεύματος, να μην παρουσιαστεί καθόλου γενικά. Οι τάσεις με συχνότητα ισχύος (50Ηz) μπορούν να παραληφθούν που μπορεί να επηρεάσουν ποιες φάσεις θα πληγούν, αλλά δεν θα αλλάξει το γενικό ποσοστό βραχυκυκλωμάτων. 80 Σ ε λ ί δ α

81 Η κυματική αντίσταση του στύλου είναι τυπικά μεγάλη αλλά ο χρόνος μετάδοσης (t = hsw / c ) είναι μικρός, που καταλήγει ότι η συνδυασμένη επίδραση αυτών δεν συμβάλει σημαντικά στην γραμμική αύξηση της τάσης στο μέτωπο του κύματος. Επομένως οι επιδράσεις των στύλων μπορούν να παραβλεφθούν. Το απλοποιημένο μοντέλο που εξετάζεται παρουσιάζεται στο Σχήμα Β.3 μαζί με τους παρακείμενους γειωμένους στύλους. Το Ζs είναι η αντίσταση του ίδιου του κύματος από τον αγωγό προστασίας (OHGW). Σχήμα Β.3:Απλοποιημένο μοντέλο άμεσου πλήγματος σε ένα αγωγό προστασίας (OHGW) για γραμμές διανομής [IEEE - Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, ΙΕΕΕ Std ]. Μια έκφραση για την τάση, συμπεριλαμβανομένων ανακλάσεων από παρακείμενους στύλους, λύνεται σε t = 2μs όπως φαίνεται και στην εξίσωση Β.7: 1 1 I ZW R N V t ZI IR W [Εξίσωση Β.7] 81 Σ ε λ ί δ α

82 Ri Z Z R i [Εξίσωση Β.8] Z W 2 2 Ri Z Z Rn 2 Z R Z R i n [Εξίσωση Β.9] Ri Z Rn Z R Z R i n [Εξίσωση Β.10] R n Zs Rn 0.5 Z R s o [Εξίσωση Β.11] Όπου V= τάση στο ηλεκτρόδιο γείωσης στην περιοχή πλήγματος (kv) I R = η μέγιστη τιμή του ρεύματος επιστροφής του πλήγματος (ka) t= γραμμικό μέτωπο κύματος όλων των πρώτων αρνητικών ανακλώμενων πληγμάτων (2μs) τ = χρόνος μετάδοσης για τον επόμενο παρακείμενο στύλο με ταχύτητα του φωτός c (s) Z = το ½ της εμπέδησης κύματος μονής κατεύθυνσης (Ζ s) ενός γειωμένου αγωγού (Ω) R i = αντίσταση βάσης του τοπικού στύλου συμπεριλαμβανομένης τις επιδράσεις ιονισμού (Ω) R o = αντίσταση βάσης του παρακείμενου στύλου χωρίς τις επιδράσεις ιονισμού (Ω) R n= παράλληλη αντίσταση των δύο βάσεων παρακείμενων στύλων και των γειωμένων αγωγών Ζ Ι= εγγενής εμπέδηση (Ω) Ζ W= εμπέδηση κύματος (Ω) ψ = αδιάστατος συντελεστής απόσβεσης 82 Σ ε λ ί δ α

83 Ν = ο αριθμός των σχετικών ανακλάσεων από τον παρακείμενο στύλο, μεγαλύτερη τιμή που μπορεί να φτάσει ο αριθμός κυμάτων ( t/2τ) Η τάση από την φάση-εδάφους διαμέσου της μόνωσης ισούται με V(1-Cn), όπου το Cn είναι ο συντελεστής σύζευξης τροποποιημένα για αποτελέσματα corona [IEEE Standard , Anderson and the IEEE Working Group]. Μια παρατήρηση όμως, εάν η ακτίνα coronaξεπεράσει ένα μεγάλο τμήμα του ανοίγματος από τον καλώδιο προστασίας στον αγωγό, ο συντελεστής σύζευξης προσεγγίζει μηδενικά ανάστροφα βραχυκυκλώματα αλλά η πιθανότητα βραχυκυκλωμάτων μεσαίου ανοίγματος αυξάνεται. Μια μη γραμμική γείωση που δίνεται από τις ακόλουθες εξισώσεις χρησιμοποιείται για τη βάση του στύλου που έχει πληγεί [CIGRE Working Group and Mousa] : R i R 0 i 1 I R g [Εξίσωση Β.12] I g Eg [Εξίσωση Β.13] 2 R 2 0 i R I R R0 Z [Εξίσωση Β.14] R Z 0 Όπου R i= αντίσταση της βάσης του στύλου R o = η κανονική μέτρηση της αντίστασης χαμηλού ρεύματος (Ω) I g= το ρεύμα αναφοράς κατά το οποίο οι επιδράσεις ιονισμού γίνονται σημαντικές (ka) E g= επίπεδο ιονισμού του εδάφους, υπολογίζεται 300kV/m [Mousa] ρ = αντίσταση εδάφους (Ωm) 83 Σ ε λ ί δ α

84 Ι R= η μέγιστη τιμή ρεύματος του πλήγματος (ka) Z = το ½ της εμπέδησης κύματος μονής κατεύθυνσης (Ζ s) ενός γειωμένου αγωγού (Ω) Επειδή πολύ λιγότερο ρεύμα θα διατρέξει το έδαφος των παρακείμενων στύλων, η αντίσταση του χαμηλού ρεύματος, Ro, χρησιμοποιείται για την γείωση τους (Εξίσωση Β.11). Στα 2μs, η χαρακτηριστική τάσης χρόνου θεωρείται ότι έχει μια άνοδο 1.5 φορές του CFO. Αυτή είναι σχετικά παρόμοια με την χαρακτηριστική τάσης χρόνου για μήκη μονωτήρων στο μοντέλο FLASH ( 1.52 φορές το CFO σε 2μs ). Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται για να βρει ένα κρίσιμο ρεύμα που χρησιμοποιείται για την εύρεση της πιθανότητας βραχυκυκλωμάτων χρησιμοποιώντας την Εξίσωση 4. Το υπόλοιπο των υποθέσεων για τον σχεδιασμό των προστατευτικών αγωγών είναι το ίδιο με το μοντέλο FLASH. Σχήμα Β.4 : Επίδραση της αντίστασης εδάφους σε ένα προστατευτικού αγωγού (OHGW) με CFO 175kV και 350kV. Για τον προστατευτικό αγωγό τα αποτελέσματα παρουσιάζοντα στο Σχήμα Β.4, Cn = 0.35, Zs = 400 Ω, ρ = 1000 Ωm, άνοιγμα μεταξύ στύλων = 75m, τ = 0.25μs. 84 Σ ε λ ί δ α

85 Β.4 Ανοίγματα μεταξύ αλεξικεραύνων Β.4.1 Άμεσα Πλήγματα Εάν ένα άμεσο πλήγμα συμβεί στο μεσοδιάστημα ανάμεσα σε ένα στύλο με αλεξικέραυνα και σε ένα στύλο χωρίς, τότε η τάση που θα αναπτυχθεί στον απροστάτευτο στύλο προσδιορίζεται από την απόσταση ανάμεσα στο κεραυνό και τον στύλο με τα αλεξικέραυνα. Αυτό προσδιορίζεται από την παρακάτω εξίσωση: V L I Z VIR c 2 t 0 m [Εξίσωση Β.15] Όπου V = η μέγιστη τιμή τάσεως κατά μήκος της μόνωσης V IR= το επίπεδο τάσης από την εκφόρτιση λόγω αλεξικεραύνου L = απόσταση με το επόμενο στύλο με αλεξικέραυνα (m), το οποίο είναι το μισό μήκος του ανοίγματος στο μεσοδιάστημα c = ταχύτητα κύματος (3x 10 8 m/s) I= η μέγιστη τιμή του κρουστικού ρεύματος του κεραυνού Ζ ο = η εμπέδηση υπέρτασης της γραμμής t m = το γραμμικό ισοδύναμο 0-100% του χρόνου μετώπου, θεωρείται 2μs για ένα μεγάλο ανακλώμενο πρώτο πλήγμα. Η μέγιστη τιμή ρεύματος από κεραυνικό πλήγμα που απαιτείται για να προκαλέσει βραχυκύκλωμα μπορεί να βρεθεί θέτοντας V = 1.5 x CFO και λύνοντας για Imidspan. I midspam 2 c tm 1.5 CFO V LZ o IR [Εξίσωση Β.15] 85 Σ ε λ ί δ α

86 Ο παράγοντας 1.5 προσεγγίζει την αύξηση στην χαρακτηριστική τάσης χρόνου. Θεωρώντας Τf = 2 μs, CFO = 350 kv, Zo = 10Ω,VIR = 40 kv, το ποσοστό των βραχυκυκλωμάτων υπολογίζεται ως: Imidspan 19.4kA Η πιθανότητα υπέρβασης αυτού του ρεύματος, Εξίσωση 4, δίνει την πιθανότητα βραχυκυκλωμάτων ως: Pmin span 77.2% Ένα άμεσο πλήγμα σε ένα απροστάτευτο στύλο από αλεξικέραυνα με φάσεις, θεωρείται ότι θα προκληθεί 100% βραχυκύκλωμα. Τώρα στην περίπτωση έμμεσου πλήγματος σε ένα στύλο που προστατεύεται από αλεξικέραυνα, η πιθανότητα βραχυκυκλώματος για τον επόμενο απροστάτευτο στύλο εξακολουθεί να υπάρχει. Αυτό προσδιορίζεται από το CFO του απροστάτευτου στύλου και από την αντίσταση εδάφους Roστο στύλο με τα αλεξικέραυνα. I pole 1.5 CFO VIR [Εξίσωση Β.16] R o Η πιθανότητα βραχυκυκλωμάτων μπορεί να υπολογιστεί από την κρίσιμη τιμή ρεύματος Ipole με VIR = 40kV. Εάν Ro = 25 Ω και CFO = 150 kv, τότε : Ipole = 7.4kV, Ppole = 98% Εάν Rg = 10 Ω και CFO = 350kV, τότε: Ipole = 48.5kV, Ppole = 24% Κάνοντας χρήση των πιθανοτήτων ενός πλήγματος σε στύλους με και χωρίς αλεξικέραυνα και για το μεσοδιάστημα μεταξύ στύλων ( υποθέτοντας 50% του χρόνου που χτυπά στο μεσοδιάστημα), 86 Σ ε λ ί δ α

87 είναι δυνατό να παράγουμε ένα πίνακα βραχυκυκλωμάτων σε συσχετισμό με τα διαστήματα των αλεξικεραύνων, όπως παρουσιάζεται στο Πίνακα Β.1 : ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΞΥ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΩΝ ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ Rg= 25Ω, CFO = 150kV ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ Rg= 10Ω, CFO = 350kV ΑΠΕΙΡΟ Πίνακας Β.1 : Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα για διαφορετικά διαστήματα από το επόμενο αλεξικέραυνο. Με δύο διαστήματα μεταξύ αλεξικεραύνων και Rg= 10Ω, CFO = 350kV: Υποθέτοντας 50% που χτυπά στο μεσοδιάστημα (Pmid = 77.2% ), 25% καταλήγει σε στύλο με αλεξικέραυνα ( Ppole = 24% ), 25% καταλήγει σε απροστάτευτο στύλο ( 100% ), επομένως έχουμε : PROBABILITY P 0.5 P % pole mid Για τρία διαστήματα μεταξύ αλεξικεραύνων έχουμε : PROBABILITY Ppole P Για τέσσερα διαστήματα μεταξύ αλεξικεραύνων έχουμε : PROBABILITY Ppole P Β.4.2 ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ mid mid Εφαρμόζεται η χρήση του μοντέλου Rusckγια τις τάσεις που προκαλούνται από κοντινά πλήγματα. Εάν ένας κεραυνός πλήξει κάθετα τη θέση ενός στύλου με 87 Σ ε λ ί δ α

88 αλεξικέραυνα, θεωρείται ότι δεν θα προκληθούν βραχυκυκλώματα. Εάν όμως γίνει το ίδιο σε στύλο χωρίς αλεξικέραυνα, η τάση που αναπτύσσεται προσδιορίζεται από : V V IR 2 LV pk T f c [Εξίσωση Β.17] Όπου L = η διαχωριστική απόσταση με τον επόμενο στύλο με αλεξικέραυνα V IR= το επίπεδο εκφόρτισης του αλεξικέραυνου c = η ταχύτητα του κύματος V pk/t f = το ποσοστό αύξησης της επαγόμενης τάσης Η επαγόμενη τάση που απαιτείται για να προκαλέσει ένα βραχυκύκλωμα μπορεί να βρεθεί εάν θέσουμε V = 1.5 x CFO ( 1.5 είναι ο παράγοντας που αναπαριστά την άνοδο στην καμπύλη βραχυκυκλώματος τάσης χρόνου). Tf c Vpk 1.5 CFO VIR 2 L [Εξίσωση Β.18] Εάν το Vpk /1.5 χρησιμοποιείται ως ισοδύναμο CFO, ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων ετησίως μπορεί να υπολογιστεί για αυτόν τον στύλο. Αυτό βρίσκεται από τον αριθμό βραχυκυκλωμάτων για CFO ίσο με Vpk/1.5 στην καμπύλη βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από τάση (παρακάτω σχήμα, un-grounded curve). 88 Σ ε λ ί δ α

89 Για CFO = 150kV, VIR = 40kV, Tf = 1μs, L = 75 m έχουμε : ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΧΡΙ ΤΟ ΕΠΟΜΕΝΟ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗ ΤΑΣΗ ΓΙΑ ΠΡΟΚΛΗΣΗ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΙΣΟΤΙΜΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ / 100 km / έτος Vpk [kv] 0 ΑΠΕΙΡΟ , , ,8 Πίνακας Β.2 : Αριθμός από επαγόμενα βραχυκυκλώματα για διαφορετικά διαστήματα μέχρι το επόμενο αλεξικέραυνο. Ακόμη και τα μεγάλα διαστήματα έχουν αρκετά καλή απόδοση εάν παρατηρήσουμε, κάθε 300m μειώνονται τα βραχυκυκλώματα κατά 28% της τιμής χωρίς αλεξικέραυνα). Υπολογίζοντας το μέσο όρο των παραπάνω αριθμών για διαστήματα αλεξικέραυνων, καταλήγουμε στο Πίνακα Β Σ ε λ ί δ α

90 ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΞΥ ΑΡΙΘΜΟΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ / ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΩΝ 100 km / έτος GFD = 1 ΚΕΡΑΥΝΟΣ/km 2 /ΕΤΟΣ ,06 3 0,08 4 0,51 5 0,76 6 0,94 ΧΩΡΙΣ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ 1,79 Πίνακας Β.3 :Επαγόμενα βραχυκυκλώματα για διάφορα διαστήματα αλεξικέραυνων (CFO = 150kV ) Η χρήση εξίσωσης για διαχωρισμό αποστάσεων για επαγόμενες τάσεις δεν είναι σωστή, επειδή δεν είναι ακριβώς ένα διακινούμενο κύμα. Τα πεδία που προκαλούνται ουσιαστικά κινούνται από την κατεύθυνση του κεραυνικού πλήγματος κατά μήκος της υποτείνουσας του τριγώνου και όχι από την γωνία. Η τάση αρχίζει να αναπτύσσεται στο παρακείμενο στύλο προτού φτάσει εκεί ένα ισοδύναμο κύμα όπου καθιστά την μέθοδο διαχωρισμού αποστάσεων πιο συντηρητική. Στις παρακάτω εικόνες μπορούμε να δούμε διάφορους τύπους αλεξικεραύνων διάφορων εταιρειών που υπάρχουν στην σημερινή αγορά. 90 Σ ε λ ί δ α

91 Εικόνα : Αλεξικέραυνο μέσης τάσεως, SIEMENS. Εικόνα : Διατομή ενός αλεξικεραύνου. 91 Σ ε λ ί δ α

92 Εικόνα : Αλεξικέραυνα μέσης τάσης από μεταλλικά οξείδια τύπου POLIM-D, ABB Τα διαγράμματα και σχήματα του κεφαλαίου πηγάζουν από ΙEEE Std Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines. 92 Σ ε λ ί δ α

93 Κεφάλαιο 3 0 : ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι μετρήσεις έχουν πραγματοποιηθεί σε τέσσερις γραμμές που υπάγονται στην περιφερειακή διεύθυνση Πελοποννήσου Ηπείρου στο Υ/Σ Αιγίου. Οι γραμμές αυτές είναι : R -23 Γραμμή Αιγίου Διακοπτού (μήκος 107,173 km) R -21 Γραμμή Αιγίου Βλασιάς (μήκος 180,915km) R 22 Γραμμή Αιγίου Ακράτας (μήκος 167,569 km) R 29 Γραμμή Ν.Ερινεού (μήκος 101,587 km) Σχήμα 3.1: Σχεδιάγραμμα των γραμμών διανομής της ΔΕΔΔΗΕ Αιγίου. 93 Σ ε λ ί δ α

94 Σχήμα 3.2: Σχεδιάγραμμα αφετηρίας των γραμμών διανομής της ΔΕΔΔΗΕ Αιγίου. R -21 (Γαλάζιο χρώμα), R 22 (Μωβ χρώμα), R 23 (Πράσινο χρώμα), R 29 (Μαύρο χρώμα). Σύμφωνα με τις οδηγίες της ΙΕΕΕ για την συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος υπολογίζουμε σε θεωρητικό επίπεδο τα σφάλματα που προκύπτουν από ένα τέτοιο πλήγμα. Έπειτα συγκρίνεται ο θεωρητικός υπολογισμός με τα πραγματικά δεδομένα από την βάση δεδομένων της ΔΕΔΔΗΕ. Όλα τα παρακάτω σχήματα χρησιμοποιήθηκαν από την οδηγία της ΙΕΕΕ, IEEE - Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, IEEE Std , IEEE Power & Energy Society. 94 Σ ε λ ί δ α

95 Σχήμα 3.3: Παράδειγμα υποσταθμού της περιοχής. 3.2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΓΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Η μεθοδολογία που ακολουθείται για τον υπολογισμό του συνολικού αριθμού σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μεσαίας τάση γίνεται με την πρόσθεση του αριθμού βραχυκυκλωμάτων από άμεσα κεραυνικά πλήγματα, από έμμεσα κεραυνικά πλήγματα και βραχυκυκλώματα από ζημιές στο προστατευτικό εξοπλισμό. Χωρίζεται σε διάφορα στάδια τα οποία είναι: 1. Ng Εκτίμηση πυκνότητας κεραυνών περιοχής με την βοήθεια του ισοκεραυνικού χάρτη της Ελλάδας και υπολογισμό των ημέρων καταιγίδας στην συγκεκριμένη περιοχή. T έ ί / έ d N g 0.04 T 1.25 d 95 Σ ε λ ί δ α

96 Σχήμα 3.4 : Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας 2. Ν Εκτίμηση των κεραυνικών πληγμάτων σε απροστάτευτη γραμμή h b N N g Sf Υπολογισμός του συντελεστή προστασίας της γραμμής. Ο αριθμός των κεραυνικών πληγμάτων σε μια γραμμή μειώνεται δραστικά όταν υπάρχουν γειτονικά δέντρα, ψηλά κτίρια ή άλλες γραμμές. 96 Σ ε λ ί δ α

97 Σχήμα 3.5 : Απόσταση των αντικειμένων από την γραμμή διανομής (m) 4. Ns Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων από άμεσα κεραυνικά πλήγματα στη γραμμή διανομής. N N 1 S s 5. Ni Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων από έμμεσα κεραυνικά πλήγματα στη γραμμή διανομής. Επομένως από το παρακάτω σχήμα και θεωρώντας το μικρότερο CFO path προσδιορίζεται ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. f Σχήμα 3.6 : Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής. 97 Σ ε λ ί δ α

98 Από το παρακάτω πίνακα για τις γραμμές διανομής 20 kv μπορούμε να προσδιορίσουμε το μικρότερο CFO path στην συγκεκριμένη περίπτωση που προκύπτει από πίνακες για την τυπική αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνών. Έπειτα ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων που προσδιορίζεται για ανοιχτό έδαφος και απροστάτευτη γραμμή, πολλαπλασιάζεται με την πυκνότητα των κεραυνών της συγκεκριμένης περιοχής που μελετάμε. Σύμφωνα με την οδηγία της ΙΕΕΕ για να υπολογίσουμε τον αριθμό των έμμεσων βραχυκυκλωμάτων σε προστατευμένη γραμμή θεωρούμε ότι ο αριθμός αυτός βρίσκεται κάπου μεταξύ του αριθμού των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Μέγιστη τάση λειτουργίας εξοπλισμού Um (kv), r.m.s τιμή Τυπική αντοχή σε μικρής διάρκειας εναλλασσόμενη τάση (kv), r.m.s. τιμή Τυπική αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνών (kv), r.m.s. τιμή Πίνακας 3.1: Τυπικά επίπεδα μόνωσης για 20kV (IEC 71) 6. Np Εκτίμηση των σφαλμάτων που οφείλονται στην αστοχία των προστατευτικών διατάξεων. 7. Ν Εκτίμηση του συνολικού αριθμού των σφαλμάτων στην γραμμή διανομής. N NP NS Ni 8. Νtotal - Αναγωγή του συνολικού αριθμού σφαλμάτων ( 100 km / έτος ) στο πραγματικό μήκος της γραμμής που εξετάζουμε. 98 Σ ε λ ί δ α

99 Εικόνα 3.1 : Χάρτης από δορυφόρο για την περιοχή μελέτης (Google Maps) Εικόνα 3.2 : Χάρτης από δορυφόρο για την περιοχή μελέτης (Google Maps) 99 Σ ε λ ί δ α

100 Εικόνα 3.3 : Χάρτης από δορυφόρο για την περιοχή μελέτης (Google Maps) 3.3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΓΡΑΜΜΗΣ R-21 ΑΙΓΙΟΥ ΒΛΑΣΙΑΣ Η γραμμή Αιγίου Βλασίας δεν προστατεύεται από αγωγούς προστασίας αλλά μόνο με αλεξικέραυνα τοποθετημένα στους μετασχηματιστές και σε διάφορες ενώσεις των γραμμών. Το συνολικό μήκος της γραμμής από το μονογραμμικό χάρτη της ΔΕΔΔΗΕ είναι 180,915 km. Αρχικά, σύμφωνα με τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδος για την περιοχή τους Αιγίου η εκτίμηση των ημερών καταιγίδας ανά έτος εκτιμάται : Td = 30 ημέρες καταιγίδας / έτος Η πυκνότητα κεραυνών στη Γη υπολογίζεται από το παρακάτω τύπο : N ί / km / έ g 100 Σ ε λ ί δ α

101 Η μέση τιμή για το ύψος της γραμμής είναι 12 m και το πλάτος είναι 2,5 m. Επομένως ο αριθμός σφαλμάτων που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών, σε αθωράκιστη γραμμή υπολογίζεται από : 0.6 0,6 28 h b ,5 N Ng 2,81 35, 64 ί /100 km / έ Έπειτα υπολογίζεται ο προστατευτικός παράγοντας Sf όλης της διάταξης από άμεσα κεραυνικά πλήγματα ( κτίρια, δέντρα, βουνά παρέχουν προστασία).στο παρακάτω σχήμα από τις οδηγίες ΙΕΕΕ υπολογίζουμε το συντελεστή προστασίας. Σχήμα 3.7 : Απόσταση των αντικειμένων από την γραμμή διανομής (m) Σύμφωνα με τα δεδομένα που υπάρχουν προκύπτει ο συντελεστής προστασίας. Τα δεδομένα έχουν ως εξής: Μια μέση απόσταση 30 m από την κατασκευή Ύψος εμποδίων στην δεξιά πλευρά 10m Sf1=0.35 Ύψος εμποδίων στην αριστερή πλευρά 10m Sf2=0.35 S f S f 1 S f Σ ε λ ί δ α