Διπλωματική Εργασία. του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΔΕΛΗΓΙΑΝΝΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6500 Θέμα: ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ-ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΚΑΛΩΔΙΩΝ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα:

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ-ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΚΑΛΩΔΙΩΝ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΔΕΛΗΓΙΑΝΝΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Α.Μ.: 6500 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφέρω, πως με την περάτωση της παρούσας διπλωματικής σφραγίζεται ένα από τα πιο δημιουργικά και όμορφα κεφάλαια της ζωής μου, αυτό των φοιτητικών χρόνων. Οφείλω να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτρια μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για τη στήριξη, την καθοδήγηση και τη συνολική συνεισφορά της καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας εργασίας. Ευχαριστώ επίσης θερμά τον επίκουρο καθηγητή κ. Θωμά Ζαχαρία για τη στήριξη και αποδοχή της εργασίας μου. Τέλος, δε θα μπορούσα να μην ευχαριστήσω τους γονείς, την αδερφή μου και τους φίλους μου για την ακατάπαυστη συμπαράσταση και ηθική υποστήριξή τους όλα αυτά τα χρόνια. 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ-ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΚΑΛΩΔΙΩΝ Φοιτητής: ΔΕΛΗΓΙΑΝΝΗΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς εναέριων γραμμών και υπόγειων καλωδίων μεταφοράς υψηλής τάσης έναντι κεραυνών. Για την εξυπηρέτηση του σκοπού αυτού, γίνεται προσομοίωση ενός υβριδικού δικτύου, αποτελούμενου τόσο από εναέριες γραμμές μεταφοράς όσο και από υπόγεια καλώδια, και μελέτη των μεταβατικών υπερτάσεων που εμφανίζονται σε αυτό λόγω κεραυνικών πληγμάτων σε έναν από τους αγωγούς προστασίας του τερματικού πυλώνα, όπου πραγματοποιείται η διασύνδεση εναέριας γραμμής-υπόγειου καλωδίου. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται κάποια θεωρητικά στοιχεία σχετικά με τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Αναλύονται τα είδη των κεραυνών, οι βασικές παράμετροι και τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Επιπλέον, περιγράφονται οι επιπτώσεις από κεραυνικά πλήγματα και ο τρόπος εύρεσης της συχνότητας με την οποία συμβαίνουν κεραυνοί ανά περιοχή. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας και αναπτύσσονται τα βασικά στοιχεία των εναέριων γραμμών και των υπόγειων καλωδίων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, πραγματοποιείται μία σύγκριση αυτών των δύο τρόπων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, παρουσιάζοντας τα θετικά και αρνητικά στοιχεία καθενός από αυτούς. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται τα είδη σφαλμάτων και τα αίτια δημιουργίας αυτών στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται κάποια βασικά χαρακτηριστικά για την κυματομορφή του κεραυνικού ρεύματος. 4

5 Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται η μόνωση και η προστασία τόσο των εναέριων γραμμών όσο και των υπόγειων καλωδίων έναντι κεραυνικών πληγμάτων. Εξετάζονται ακόμα οι μηχανισμοί που εγείρουν υπερτάσεις στη γραμμή μεταφοράς. Έπειτα, για τον καθορισμό της θέσης των αγωγών προστασίας της γραμμής, περιγράφονται οι μέθοδοι της μέγιστης γωνίας αλλά και η ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναπτύσσονται τα επιμέρους στοιχεία του υπολογιστικού προγράμματος ATP-EMTP, το οποίο θα αποτελέσει το μέσο εξομοίωσης για την παρούσα εργασία. Αναφέρονται τα σημεία υπεροχής και η καταλληλότητά του για τέτοιου είδους αναλύσεις και παρουσιάζονται τα επιμέρους υποπρογράμματα από τα οποία αποτελείται. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο ATPDraw, το οποίο είναι το κύριο όργανο της εξομοίωσης. Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά το υβριδικό δίκτυο μεταφοράς υψηλής τάσης που χρησιμοποιείται στην εξομοίωση και αναλύονται τα στοιχεία που το αποτελούν, δηλαδή οι εναέριες γραμμές και τα υπόγεια καλώδια. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων και οι γραφικές παραστάσεις των υπερτάσεων στα διάφορα σημεία του κυκλώματος, εξαιτίας κεραυνικών πληγμάτων, των οποίων το εύρος αυξάνει σε κάθε εξομοίωση. Στη συνέχεια ελέγχεται η επικινδυνότητα των υπερτάσεων που εγείρονται για τα διάφορα μεγέθη κεραυνικού ρεύματος και εάν ο εξοπλισμός σε διαφορετικά σημεία του δικτύου αντέχει τις υπερτάσεις αυτές ή καταστρέφεται. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι επικίνδυνες υπερτάσεις παρατηρούνται σε τμήματα της εναέριας γραμμής μεταφοράς πλησίον του σημείου κεραυνικού πλήγματος. Αντίθετα, το υπόγειο τμήμα του δικτύου αποδεικνύεται πιο ανθεκτικό, καθώς δεν εγείρονται επικίνδυνες υπερτάσεις ακόμα και για πολύ υψηλό κεραυνικό ρεύμα. ABSTRACT The purpose of this diploma thesis is the study of the behavior of overhead transmission lines and underground transmission cables against lightning. In favor of this purpose, a simulation of a hybrid transmission network takes place, which is composed of both overhead lines and underground cables, in order to examine transient overvoltages. These overvoltages are raised due to a lightning that strikes the shield wire of the terminal tower, where the interconnection of overhead line to underground cable takes place. 5

6 Chapter one presents the basic theory concerning atmospheric discharges. It describes the different types of lightning strikes, their parameters and basic characteristics. Furthermore, it analyzes the consequences of lightning and how to find the frequency that a lightning takes place in an area. At the second chapter there is an introduction in the systems of electric energy and a presentation of the basic characteristics of overhead lines and underground cables. In addition, there is a comparison between those two means of electricity transmission. Chapter three examines the types of errors and the causes of them at the electricity transmission lines. Moreover, it gives the basic parameters of the lightning current waveform. Chapter four analyzes the insulation and protection of both overhead lines and underground cables against lightning. It also examines the mechanisms that raise overvoltages at the transmission lines. Afterwards, there are described two methods on how to define the place of shield wires at a transmission line. Chapter five describes the ATP-EMTP simulation program, which is a specific software to simulate power systems. Its superiority for research like the present one is high lined and special emphasis is given to ATPDraw which is the main tool for the simulation. At chapter six there is a detailed analysis of the hybrid network used in this simulation and of its basic components, which are the overhead lines and the underground cables. Furthermore, there is a presentation of the results of the simulation and the graphs of the overvoltages at different spots of the network, due to lightning strikes. Afterwards, there is an evaluation of the risk of overvoltages that are raised for different lightning current sizes and if the equipment at different spots of the network sustains these overvoltages or it is destroyed. From the results, it is concluded that dangerous overvoltages are raised at sections of the overhead line near the lightning strike. On the contrary, the underground section of the network appears to be more resistant, as there are not raised dangerous overvoltages, even when the lightning current was too high. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΕΛΙΔΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ.. 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ: Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ 1.1 Ιστορική αναδρομή Ο κεραυνός ως φυσικό φαινόμενο Τα είδη των κεραυνών Ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων Συνδετικός οχετός και απόσταση διάσπασης Ρεύμα του κεραυνού και σχετικές παράμετροι Συχνότητα με την οποία συμβαίνουν κεραυνοί Επιπτώσεις από πλήγματα κεραυνού..29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Ιστορικά στοιχεία Βασικές λειτουργίες συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας Γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Βασικά στοιχεία γραμμών μεταφοράς Γραμμές μεταφοράς μικρού μήκους Γραμμές μεταφοράς μεσαίου μήκους Γραμμές μεταφοράς μεγάλου μήκους Τύποι αγωγών Μοντελοποίηση γραμμών μεταφοράς Χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Μηχανικά χαρακτηριστικά Καλώδια μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας Βασικά στοιχεία Καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσης και υψηλής τάσης Κατασκευαστικά στοιχεία καλωδίων Αγωγοί καλωδίων Εξομαλυντικά στρώματα Μόνωση

8 Μανδύας Μηχανική ενίσχυση Εξωτερικό προστατευτικό στρώμα Καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης με μόνωση εξαφθοριούχου θείου (SF6) Γενικά Δομή Σύγκριση εναέριων γραμμών με υπόγεια καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Εισαγωγή Τεχνικοί και οικονομικοί παράγοντες Ηλεκτρομαγνητικά πεδία Το Ελληνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας..65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΕΙΔΗ ΚΑΙ ΑΙΤΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΤΙΣ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1 Είδη σφαλμάτων Αίτια δημιουργίας σφαλμάτων στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις και οι χαρακτηριστικές κυματομορφές τους 71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΜΟΝΩΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ 4.1 Γενικά στοιχεία Μηχανισμοί παραγωγής υπερτάσεων από κεραυνούς Υπερτάσεις από επαγωγή Υπερτάσεις από άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε αγωγό φάσης Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας και ανάστροφη διάσπαση Προστασία των γραμμών μεταφοράς από άμεσα πλήγματα των κεραυνών και σφάλμα θωράκισης Μέθοδος της μέγιστης γωνίας Ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος καθορισμού της θέσης των αγωγών προστασίας Προστασία των υπόγειων μεταλλικών αγωγών 95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 5.1 Γενικά στοιχεία για το πρόγραμμα Ιστορικά στοιχεία για το ATP-EMTP Περιγραφή του τρόπου επίλυσης ηλεκτρικών δικτύων με το ATP-EMTP.99 8

9 5.3.1 Επίλυση στο πεδίο του χρόνου Επίλυση στο πεδίο της συχνότητας Βιβλιοθήκες μοντέλων του ATP-EMTP Μελέτες με το ATP-EMTP TACS MODELS Ρουτίνες υποστήριξης στο πρόγραμμα ATP-EMTP Προγράμματα υποστήριξης του ATP-EMTP Control center Το PCPlot Το PlotXY Το GTPPlot Το Programmer s File Editor (PFE) Το ATP-LCC Το ATPDraw Γενικά στοιχεία για το περιβάλλον ATPDraw Τύποι στοιχείων που υποστηρίζονται από το ATPDraw Τύποι αρχείων που υποστηρίζονται από το ATPDraw Διαδικασία εξομοίωσης με χρήση του ATPDraw..120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 6.1 Εισαγωγή Εξομοίωση εναέριων γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης διπλού κυκλώματος Εξομοίωση υπόγειων καλωδίων υψηλής τάσης διπλού κυκλώματος Εξομοίωση κρουστικού ρεύματος κεραυνού-συμπεράσματα Βιβλιογραφία.178 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ: Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Φαινόμενα ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού όπως ο κεραυνός προκαλούσαν από αρχαιοτάτων χρόνων τόσο το δέος όσο και το θαυμασμό του ανθρώπου απέναντι στη φύση. Η άγνοια και η μη δυνατότητα ερμηνείας τους οδηγούσε συχνά στην απόδοσή τους σε υπερφυσικές δυνάμεις. Στις πλείστες των περιπτώσεων μάλιστα, ο άνθρωπος αδυνατώντας να τα εξηγήσει τα θεωρούσε θεϊκά σημάδια και οιωνούς με τα οποία η εκάστοτε θεότητα φανέρωνε είτε την αγανάκτηση είτε την ικανοποίησή της για τα ανθρώπινα έργα. Στην αρχαία ελληνική μυθολογία κατασκεύαζε τους κεραυνούς ο Ήφαιστος στην Αίτνα και ήταν αποκλειστικό προνόμιο του Δία να τους εξαπολύει από τον Όλυμπο. Με τον κεραυνό, ο πατέρας των θεών απειλεί τους εχθρούς του και τον στέλνει στη γη για να ευεργετήσει τους αγαθούς ή να τιμωρήσει τους υβριστές και τους άδικους. Για το σκανδιναβικό πολιτισμό των Βίκινγκς η αστραπή δημιουργείται από το θεό Thor καθώς το σφυρί του χτυπούσε ένα αμόνι, ενώ οδηγούσε το άρμα του στα σύννεφα. Στην ανατολή, τα πρώτα αγάλματα του Βούδα τον εμφανίζουν να φέρει έναν κεραυνό με βέλη σε κάθε άκρη. Οι πρόδρομοι των Ρωμαίων στην Ιταλία, οι Ετρούσκοι, είχαν μελετήσει λεπτομερώς το θέμα των κεραυνών και είχαν υποδιαιρέσει τον ουρανό σε 16 τομείς. Ανάλογα από ποιον τομέα ερχόταν και σε ποια κατεύθυνση έπεφτε ο κεραυνός, είχε διαφορετική σημασία για την ερμηνεία των μελλοντικών γεγονότων. Η εντύπωση των Ετρούσκων ότι κατά την εξέλιξη των κεραυνών έπεφταν στη γη ογκώδεις λίθοι, διατηρήθηκε στη λαϊκή πίστη μέχρι το τέλος του μεσαίωνα. Οι Ρωμαίοι υιοθέτησαν τις ελληνικές απόψεις για τα μετεωρολογικά φαινόμενα, προσαρμόζοντας μόνο τα ονόματα των θεών. Τα αντικείμενα που είχαν κτυπηθεί από κεραυνό ανήκαν στην ιδιοκτησία του Jupiter, ενώ όσοι πέθαιναν από κτύπημα κεραυνού θεωρούνταν ευνοημένοι των θεών. Στην αντίληψη των Ίνκας κατά τον 13 ο -16 ο 10

11 αιώνα μ.χ. η βροντή και η αστραπή ήταν παιδιά του ήλιου και της σελήνης και ελέγχονταν από τον παντοδύναμο βασιλιά, ο οποίος ήταν και ο ίδιος θεός. Εικ.1.1: Θεότητες των κεραυνών στους αρχαίους πολιτισμούς της Ελλάδας (Δίας) και των Βίκινγκς (Θορ). Αρκετά νωρίς παρ όλα αυτά άρχισαν οι φιλόσοφοι να ξεφεύγουν από τις θεοκρατικές αντιλήψεις και να συσχετίζουν τον κεραυνό με τη νέφωση. Οι μαθητές του Θαλή, Αναξίμανδρος και Αναξιμένης τον 6 ο αιώνα π.χ. έδωσαν μάλλον την πρώτη φυσική εξήγηση για το φαινόμενο του κεραυνού. Θεωρούσαν ότι αιτία του κεραυνού ήταν ο άνεμος. Η πίεση του αέρα στα σύννεφα οδηγούσε σε τριβές, οι οποίες δημιουργούσαν τη λάμψη και τη βροντή. Ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος θεωρούσαν ότι οι κεραυνοί κρύβονται από τη φύση στα σύννεφα και διαφεύγουν προς τη γη με διάφορες αφορμές. Στην κωμωδία του Αριστοφάνη «Νεφέλες» εξηγεί ο Σωκράτης στο μαθητή του Στρεψιάδη ότι ο κεραυνός αποτελεί «στεγνό αέρα» που είναι συμπιεσμένος στα σύννεφα. Ο μαθητής του Αριστοτέλη Θεόφραστος κατά τον 3 ο αιώνα π.χ. δίνει επτά αίτια για τη βροντή και ανάλογα για την αστραπή. Επιπλέον, σημαντικές αναφορές στα φαινόμενα του κεραυνού και της αστραπής συναντά κανείς τόσο στο έργο του Έλληνα συγγραφέα Πλούταρχου ( μ.χ.) όσο και σε αυτό του Γάλλου αστρονόμου Φλαμμαρίονα (Camille Flammarion ). Ένας αμερικάνος, προγενέστερος του Φλαμμαρίονα ωστόσο ήταν αυτός ο οποίος κατάφερε να απομυθοποιήσει τον κεραυνό, αποκλείοντας παράλληλα κάθε θεοκεντρική θεωρία που αφορούσε την ερμηνεία του φυσικού αυτού φαινομένου: ο Βενιαμίν Φραγκλίνος (Benjamin Franklin ). Ο διαπρεπής αυτός φυσικός και πολιτικός κατάφερε να 11

12 αποδείξει ότι ο κεραυνός δεν είναι τίποτα περισσότερο παρά μία ηλεκτρική εκκένωση. Με την απόδειξή του αυτή προσπάθησε να εξαλείψει κάθε ίχνος θεοκεντρισμού από την εξήγηση του κεραυνού. Εικ.1.2: Βενιαμίν Φραγκλίνος. 1.2 Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΩΣ ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Στη σημερινή εποχή πλέον οι κεραυνοί έχουν πάψει να αποτελούν μυστήριο καθώς ο μηχανισμός δημιουργίας τους γίνεται ολοένα και πιο κατανοητός χωρίς ωστόσο να έχει επιτευχθεί πλήρως η αποσαφήνισή τους. Οι κεραυνοί συνοδεύονται τόσο από φωτεινά φαινόμενα (τις αστραπές) όσο και από ηχητικά (τις βροντές). Το οπτικοακουστικό θέαμα του κεραυνού είναι ένας συνδυασμός της δυναμικής, της παλμικής κίνησης μορίων αέρα και της αποδιοργάνωσής τους εξαιτίας ηλεκτρικών δυνάμεων. 12

13 Εξετάζοντας την ηλεκτρική κατάσταση της γης, παρατηρείται πως είναι μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5*10 5 C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη και με ένταση μεταξύ 100 και 400 V/m, τιμές που μειώνονται ταχύτατα όσο απομακρυνόμαστε από το έδαφος. Η ανάπτυξη του ως άνω αναφερθέντος ηλεκτρικού πεδίου υπό συνθήκες καλοκαιρίας αποδίδεται στην ύπαρξη ενός στρώματος της ιονόσφαιρας κατειλημμένου με θετικά ηλεκτρικά φορτία, γνωστού ως στρώματος ή ζώνης Heaviside και ευρισκομένου σε μία μέση απόσταση περί τα 100 km από την επιφάνεια του εδάφους. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. Είναι γνωστό πως ιονισμένα σωματίδια και των δύο πρόσημων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξαιτίας αυτής της αγωγιμότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα και των δύο πρόσημων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και ως επακόλουθο την εκφόρτιση της γης. Μία λογικοφανής απάντηση στο ερώτημα γιατί δε συμβαίνει αυτό, είναι ότι η ζώνη Heaviside τροφοδοτείται με φορείς ηλεκτρικού φορτίου από τις καταιγίδες που εξελίσσονται διαρκώς γύρω από τη γη. Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό φορτίο στην κορυφή του και αρνητικό στην προς τη γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Για τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες, χωρίς καμία να είναι γενικώς παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που βασίζονται στη φόρτιση σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη και σε αυτές που βασίζονται στη μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Ενδεικτικά κάποιες 13

14 από τις θεωρίες αυτές είναι το φαινόμενο διασποράς, το φαινόμενο ισχυράς ψύξεως, το φαινόμενο διαρρήξεως κ.α. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου με την ηλεκτρική εικόνα που περιγράφτηκε, διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του. Ως εκ τούτου αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός σύννεφου είναι περίπου 2 λεπτά, που συνεπάγεται πως το σύννεφο περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση σε λίγα μόνο λεπτά. Όταν λοιπόν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο από 1,5 έως 2 kv/m), αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως πολύ ψηλά κτίρια, απαγωγείς κεραυνών κλπ. και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη διαμέσου του αγωγού, στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (point-discharge current). Αυτό το ρεύμα όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. Παραθέτονται πιο κάτω μερικοί ορισμοί για τις διάφορες παραμέτρους του κεραυνού, όπως έχουν υιοθετηθεί από τον K.Berger: Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» προς τη γη γίνεται με έναν «αρνητικό κεραυνό» και ενός θετικού νέφους με έναν «θετικό κεραυνό». Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» ρέει προς τη γη ένα «αρνητικό ρεύμα» και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: Ένας «κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης» (που συχνά ονομάζεται και «οδηγός οχετός») προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος. Ένας «ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης» προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας «ανερχόμενος οχετός σύνδεσης» είναι μία 14

15 εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μία ενδιάμεση θέση μεταξύ σύννεφου και εδάφους ένα κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: Η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας «θετικός οχετός προεκκένωσης» και αντίθετα. Από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας «αρνητικός οχετός προεκκένωσης». Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα «αρνητικό σύννεφο» ορίζεται σαν «αρνητικό» και το αντίθετο. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει «θετική κατεύθυνση». 1.3 ΤΑ ΕΙΔΗ ΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή σε δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μία εσωτερική εκκένωση του νέφους ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός πρόσημου σε μία θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου πρόσημου, που επάγεται εξαιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μία ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε, σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή, στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ στη δεύτερη από το έδαφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). 15

16 Με αυτόν τον τρόπο διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού (Σχήμα 1.3 1α-4α): «Κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης, ο οποίος αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 1α) «Ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 2α) «Κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης ο οποίος αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 3α) «Ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 4α). Σχημα1.3: Είδη κεραυνών: 1α-4α: Ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, 1β-4β: Συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής.[1] Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις παραπάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφογη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από 16

17 τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο κάτω μέρος του Σχ.1.3 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί: Περίπτωση 1β: «κατερχόμενη αρνητική εκκένωση», πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί το συνηθέστερο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στο 90% περίπου επί του συνόλου των περιπτώσεων. Περίπτωση 2β: «ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση», πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 3β: «κατερχόμενη θετική εκκένωση», πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση). Περίπτωση 4β: «ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση», πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Αξίζει να σημειωθεί πως από τους πιο πάνω τύπους, ο ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στο σταθμό του San Salvatore και μελετήθηκε από τον K.Berger, αποτελεί τον ισχυρότερο τύπο κεραυνού που συνοδεύεται από τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος που έχουν καταγραφεί. Η εκκένωση του κεραυνού παρουσιάζει μεγάλη ομοιότητα με την εκκένωση μεγάλων διακένων που παράγονται σήμερα στα εργαστήρια. Το Σχ. 1.4 προέρχεται από πειραματικά αποτελέσματα και δείχνει τη μεταβολή της τάσης διάσπασης, σε σχέση με το μήκος του διακένου, έχοντας σαν παράμετρο το λόγο H/D του ύψους του γειωμένου ηλεκτροδίου προς το μήκος του διακένου. Από το σχήμα προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για την εκκένωση του κεραυνού. Πρώτον, η τάση διάσπασης για αρνητική πολικότητα είναι μεγαλύτερη από αυτή για θετική πολικότητα, επομένως οι καταπονήσεις που προέρχονται από θετικές εκκενώσεις (θετικούς κεραυνούς) είναι πιο δυσμενείς. Δεύτερον, για σταθερό μήκος διακένου, η τάση διάσπασης μικραίνει για αρνητική πολικότητα και αυξάνεται για θετική, όσο το γειωμένο ηλεκτρόδιο γίνεται ψηλότερο. Επομένως για εγκαταστάσεις αρκετά μεγάλου ύψους συγκρινόμενου με την απόσταση διάσπασης, η τάση διάσπασης θα είναι μικρότερη και συνεπάγεται πως το διάκενο εγκατάστασης-σύννεφου θα έχει μικρότερη αντοχή. Μία τρίτη παρατήρηση είναι ότι η κλίση των καμπυλών φαίνεται να πλησιάζει σε κάποιο ανώτατο όριο όσο το μήκος του διακένου μεγαλώνει. Πάντως η μέση μεταβολή της τάσης ορίζεται σαν ο λόγος της τάσης διάσπασης, προς την απόσταση διάσπασης και είναι περίπου 5 kv/cm για αρνητική πολικότητα και 3 kv/cm για θετική. 17

18 Σχήμα 1.4: Κρουστική τάση διάσπασης χειρισμών για διάκενα ράβδουράβδου και ράβδου-πλάκας. (Anderson και Tangen, 1968).[1] 1.4 O ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ Ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων μπορεί να αναλυθεί στις τρεις ακόλουθες φάσεις, όπως φαίνονται και στο Σχήμα 1.5: α. Προεκκένωση. β. Εκκένωση αντίθετης φοράς. γ. Κύρια εκκένωση. α) Προεκκένωση β) Εκκένωση αντίθετης γ) Κύρια εκκένωση φοράς Σχήμα 1.5: Οι τρεις φάσεις της κεραυνικής εκκενώσεως.[5] 18

19 α. Προεκκένωση: Το ηλεκτρισμένο νέφος λίγο πριν από μία κεραυνική εκκένωση, προερχόμενη από αυτό, εμφανίζεται μακροσκοπικά σαν ένα ηλεκτρικό δίπολο, εξαιτίας του οποίου επάγονται στο έδαφος πεδία με ένταση πάνω από 5 kv/m. Στις παρυφές περιοχών του νέφους με μεγάλη πυκνότητα φορτίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να πάρει αρκετά μεγάλες τιμές. Οι υψηλές αυτές εντάσεις, συνδυαζόμενες με τη μικρή πυκνότητα του αέρα και μερικούς άλλους παράγοντες που προκαλούν πρόσθετη τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου, μπορούν να προκαλέσουν έναρξη ιονισμού των μορίων του αέρα από κρούσεις ηλεκτρονίων. Ο ιονισμός αυτός αποτελεί το πρώτο βήμα για την έναρξη μίας ηλεκτρικής εκκένωσης. Το επόμενο βήμα είναι ο σχηματισμός ενός οχετού ο οποίος ακολουθεί τις δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου. Ο οχετός ακολουθεί την κατεύθυνση που θα προκαλέσει την ηλεκτρική σύνδεση και αλληλεξουδετέρωση των δύο ετερόσημων φορτίων. Η εξουδετέρωση αυτή συνοδεύεται από έντονη λάμψη (αστραπή) και δυνατό θόρυβο (βροντή), οι συνέπειες της οποίας στο έδαφος περιορίζονται σε μία παροδική διαταραχή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, που μπορεί να γίνει αισθητή στους δέκτες τηλεοράσεως, ραδιοφώνου, τηλεπικοινωνιών κ.α.. Αν οι γραμμές μέγιστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος, ο οχετός (καλούμενος οχετός προεκκένωσης), θα κατευθυνθεί προς αυτό (Σχήμα 1.5α). Η προεκκένωση ξεκινάει από κάποια περιοχή του σύννεφου όπου το ηλεκτρικό πεδίο αποκτά πολύ μεγάλες τιμές της τάξεως μερικών εκατοντάδων V/m. Δημιουργείται, με αυτόν τον τρόπο, ένας αγώγιμος δρόμος (οχετός), ο οποίος τροφοδοτείται συνέχεια με φορείς ηλεκτρικού φορτίου από το σύννεφο. Έχουμε, κατά συνέπεια, τη δημιουργία υψηλού ηλεκτρικού πεδίου που σε μία διαδικασία ανακύκλωσης συμβάλλει στην προώθηση του προς τη γη. Ως επακόλουθο, η προεκκένωση, αφού ξεκινήσει, αναπτύσσεται από μόνη της στο χώρο του ηλεκτρικού πεδίου, εφ όσον τροφοδοτείται από την πλευρά του σύννεφου με μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου. Ενδέχεται να έχουμε και διακλαδώσεις του αγώγιμου οχετού, που δεν απολήγουν όμως σε γεφύρωσή του προς τη γη, λόγω του ότι δεν υπάρχει διαθεσιμότητα μεγάλου αριθμού ηλεκτρικών φορέων. Η μέση ταχύτητα προωθήσεως του οχετού προεκκενώσεως είναι περίπου 0,3 m/μs. 19

20 β. Εκκένωση αντίθετης φοράς: Η διαμήκης πτώση τάσεως κατά μήκος του οχετού προεκκενώσεως ποικίλει στις διάφορες θέσεις του, η μέση τιμή της όμως είναι μικρότερη από 0,1 kv/cm. Έτσι ο οχετός προεκκένωσης εμφανίζεται, περίπου σαν μία μεταλλική προεξοχή που επεκτείνεται από το σύννεφο προς το έδαφος. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον οχετό προεκκένωσης και ιδίως στο άκρο του προς το έδαφος, είναι εξαιρετικά μεγάλη και υπερβαίνει κατά πολύ την πεδιακή ένταση που απαιτείται για τον ιονισμό του αέρα από κρούσεις (περίπου 30 kv/cm). Για το λόγο αυτό, ο οχετός περιβάλλεται διαρκώς από ένα μανδύα Corona (στεμματοειδούς εκκενώσεως), που εκτείνεται μερικά μέτρα γύρω από αυτόν. Το πάχος του μανδύα αυτού είναι μεγαλύτερο στο προς το έδαφος άκρο του οχετού και αυξάνει όσο η κεφαλή του οχετού πλησιάζει στο έδαφος. Καθώς τώρα ο οχετός κατέρχεται στη γη αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο της γης. Ως αποτέλεσμα, είναι δυνατόν να δημιουργήσει ένα φαινόμενο τύπου Corona, το οποίο καταλήγει σε μια ανερχόμενη εκκένωση, η οποία τείνει να συναντήσει τον κατερχόμενο οχετό, οπότε και έχουμε πλήρη γεφύρωση του διακένου αέρα, με άλλα λόγια, κεραυνικό πλήγμα. Στο Σχήμα 1.6 φαίνεται η μορφή που έχει ο οχετός και ο μανδύας Corona. Σχήμα 1.6: Κεραυνικό κανάλι (οχετός).[5] 20

21 Η απόσταση που θα πρέπει να φτάσει η κεφαλή του κατερχόμενου οχετού για να ξεκινήσει από τη γη η εκκένωση αντίθετης φοράς χαρακτηρίζεται σαν απόσταση ενάυσεως. γ. Κύρια εκκένωση: Στην τελευταία αυτή φάση, η οποία εξελίσσεται με ιδιαίτερα μεγάλη ταχύτητα, συντελείται η γεφύρωση της αποστάσεως μεταξύ νέφους και γης. Ήδη προϋπάρχει αγώγιμος οχετός προεκκένωσης που παίρνει τη μορφή ενός πλήρους οχετού εκκένωσης. Τα κυκλοφορούντα ρεύματα δια μέσου του οχετού είναι της τάξεως των ka, με κλίσεις μετώπου της τάξεως ka/μs ενώ η διάρκεια ροής των ρευμάτων αυτών είναι της τάξεως μερικών δεκάδων μs. Το μήκος ενός κεραυνικού οχετού εξαρτάται από το ύψος που βρίσκεται το αντίστοιχο καταιγιδοφόρο νέφος, ενώ όταν πρόκειται για κεραυνό που λαμβάνει χώρα μεταξύ δύο νεφών εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των αντίστοιχων νεφών. Σε περίπτωση που έχουμε κεραυνοπληξία προς γη, το μήκος κεραυνικών οχετών είναι της τάξεως λίγων χιλιομέτρων το πολύ. Η διάμετρος ενός οχετού εκκένωσης είναι της τάξης μερικών εκατοστών, γιατί από μόνο του το πλάσμα που αναφέρθηκε προηγουμένως, λόγω του μαγνητικού πεδίου αυτοσυμπιέζεται. Η μεγάλη λαμπρότητα του ηλεκτρικού τόξου εξηγεί τέλος και το γεγονός ότι ο κεραυνικός οχετός συχνά οδηγεί σε παροδικές θαμβώσεις Συνδετικός οχετός και απόσταση διάσπασης Η πιο πάνω περιγραφή του κεραυνού είναι εξιδανικευμένη και συνδράμει στην κατανόηση του φαινομένου. Αφορά την περίπτωση που ένα σύννεφο βρίσκεται πάνω από ένα απόλυτα επίπεδο έδαφος ή μια επιφάνεια ήρεμου ύδατος. Αν ένα ηλεκτρισμένο σύννεφο βρεθεί πάνω από μία πολύ υψηλή και σχετικά αιχμηρή προεξοχή του εδάφους (πάνω από m) η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο της προεξοχής αυτής μπορεί να γίνει, εξ επαγωγής, τόσο μεγάλη ώστε ο οχετός προεκκένωσης να αρχίσει από το άκρο της προεξοχής και να κατευθυνθεί προς το σύννεφο. Προκύπτει, κατ αυτόν τον τρόπο, ένας «ανερχόμενος» οχετός προεκκένωσης. Αν οι προεξοχές του εδάφους έχουν σχετικά μικρό ύψος, μερικά μέτρα ή δεκάδες μέτρα, η ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο τους που προκαλείται 21

22 από την απλή παρουσία του νέφους πάνω από το έδαφος, δεν είναι αρκετή ώστε να αρχίσει οχετός προεκκένωσης από αυτές. Ο κατερχόμενος όμως οχετός προεκκένωσης, καθώς πλησιάζει το έδαφος, επάγει ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η ένταση του επαγόμενου πεδίου είναι μεγαλύτερη σε προεξοχές του εδάφους. Όταν στο άκρο μίας από αυτές τις προεξοχές η ένταση ενισχυθεί αρκετά, θα αρχίσει από αυτήν ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης, ο λεγόμενος συνδετικός οχετός, που θα κατευθυνθεί προς την κεφαλή του κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης. Με την συνάντηση των δύο οχετών συμπληρώνεται η ημιαγώγιμη σύνδεση νέφους-εδάφους και επακολουθεί ο οχετός επιστροφής με τον οποίο συμπληρώνεται ο κεραυνός. Μία τέτοια λοιπόν προεξοχή δημιουργεί ένα «σημείο προτίμησης» για την περάτωση του οχετού προεκκένωσης. Σ αυτήν ακριβώς την αρχή στηρίζεται η προστασία μιας περιοχής με την γειωμένη μεταλλική ράβδο του αλεξικέραυνου του Franklin. Γίνεται λοιπόν φανερό πως το «σημείο προτίμησης» για την περάτωση του κεραυνού αποφασίζεται μόνο την τελευταία στιγμή, όταν δηλαδή ο οχετός προεκκένωσης πλησιάσει σε τέτοια απόσταση από το έδαφος ώστε να υπάρξουν συνθήκες σύνδεσης του κατερχόμενου οχετού με κάποιο σημείο του εδάφους. Οι συνθήκες σύνδεσης πληρούνται όταν η μέση πεδιακή ένταση ανάμεσα στη κεφαλή του κατερχόμενου οχετού και του «σημείου προτίμησης» πέσει στα 5kV/cm (με την προϋπόθεση πως ο οχετός προεκκένωσης ξεκινά από περιοχή αρνητικού φορτίου). Η απόσταση στην οποία η πεδιακή ένταση πέφτει στην πιο πάνω τιμή ονομάζεται «απόσταση διάσπασης» (Α.Δ.)(striking distance) και προφανώς εξαρτάται από την τάση που παρουσιάζει η κεφαλή του κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης προς το έδαφος. Η τάση αυτή εξαρτάται με τη σειρά της από το μέγεθος του φορτίου του θύλακα του νέφους από τον οποίο ξεκινά ο οχετός προεκκένωσης. Όσο μεγαλύτερο το φορτίο αυτό, τόσο μεγαλύτερη η απόσταση διάσπασης. Οι συνήθεις τιμές της απόστασης διάσπασης ποικίλουν από μερικές δεκάδες μέχρι 150 ή και 200 m. Η Α.Δ. συνδέεται με το ρεύμα με τις σχέσεις: r s =6.7I 0 0.8, r s =8I Αυτό το σημείο μας αποκαλύπτει και την αρχή λειτουργίας των συστημάτων προστασίας από κεραυνούς. Έτσι, σύμφωνα με τους πιο πάνω συλλογισμούς, αν ένα κτίσμα είναι εφοδιασμένο με μεταλλικές γειωμένες προεξοχές για τις οποίες η απόσταση διάσπασης προκύπτει πριν από οποιοδήποτε άλλο σημείο του κτίσματος, οι κεραυνοί θα περατούνται κατά προτίμηση στις προεξοχές αυτές και θα διοχετεύονται στο έδαφος χωρίς να προξενούν ζημιά. Η αρχική εκκένωση του κεραυνού ακολουθείται από επόμενες εκκενώσεις όπως φαίνεται και στο Σχ.1.7. Οι εκκενώσεις αυτές διαδέχονται η 22

23 μία την άλλη σε μικρά χρονικά διαστήματα και η κάθε μία περιλαμβάνει δικό της συνδετικό οχετό και οχετό επιστροφής. Σχήμα 1.7: Δημιουργία ενός κεραυνού (πολλαπλού), όπως φαίνεται από μία φωτογραφική μηχανή κινούμενη προς τα δεξιά.[1] 1.5 ΡΕΥΜΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΚΑΙ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Παράμετροι κεραυνού Μία κεραυνική εκκένωση χαρακτηρίζεται από δύο κατηγορίες παραμέτρων. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει παραμέτρους σχετικές με την ιδιοσυστασία της εκκένωσης, τη διάρκεια των ρευμάτων και τα διαστήματα όπου το ρεύμα είναι μηδενικό κατά την εκδήλωση πολλαπλών εκκενώσεων. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει παραμέτρους σχετιζόμενες με τα κεραυνικά ρεύματα, των οποίων η διάρκεια είναι μικρότερη από λίγα ms. Οι σημαντικότερες παράμετροι είναι οι ακόλουθες: 1. Η μέγιστη τιμή ρεύματος, σαν συνέπεια της οποίας έχουμε υπερπήδηση μονωτήρων, λόγω ανύψωσης δυναμικού του γειωμένου πυλώνα. 23

24 2. Η μέγιστη κλίση μετώπου του κεραυνικού ρεύματος (di/dt) max καθορίζει τις επαγόμενες τάσεις σε βρόχους κυκλωμάτων, δηλαδή τάσεις, που αναπτυσσόμενες λόγου χάρη σε λογικά κυκλώματα ή κυκλώματα που περιλαμβάνουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά στοιχεία του συστήματος πλοήγησης ή τηλεπικοινωνίας αεροσκαφών, μπορούν να έχουν δραματικές συνέπειες. 3. Το ολοκλήρωμα ( ), δηλαδή το μεταφερόμενο φορτίο, γίνεται η αιτία τοπικής τήξης και διάτρησης μεταλλικών επιφανειών μικρού πάχους. 4. Το ολοκλήρωμα του τετραγώνου του ρεύματος ( ), είναι ανάλογο της εκλυόμενης ενέργειας, η οποία προκαλεί θερμικά φαινόμενα (τήξη μετάλλων, έναυση εύφλεκτων ατμών ή αερίων). ΡΕΥΜΑ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Όταν ένα αντικείμενο, όπως ένα κτίριο, μία γραμμή σε μία υπόγεια σήραγγα ή ένα αεροπλάνο που πετά, κτυπηθεί από ένα κεραυνό, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Ως εκ τούτου, από την άποψη της προστασίας από τους κεραυνούς, το ρεύμα αυτό αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική παράμετρο της εκκένωσης του κεραυνού. Το κύριο ρεύμα που συνοδεύει μία εκκένωση κεραυνού, οφείλεται στον οχετό επιστροφής. Το ηλεκτρικό φορτίο του κατερχόμενου οχετού εξουδετερώνεται από το αντίστοιχο ετερόσημο φορτίο της γης. Το φορτίο αυτό ρέει μέσα από τον αγωγό προεκκένωσης που έχει συνδέσει προηγουμένως το σύννεφο με τη γη. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά τη ροή του φορτίου αυτού εξαρτάται κατ αρχήν από το μέγεθος του φορτίου του νέφους αλλά επίσης και από την ταχύτητα με την οποία κινείται ο οχετός επιστροφής από τον ήδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. Για τη μέτρηση αυτού του ρεύματος αλλά και για την απόκτηση μιας αντίληψης για τη μορφή του, τα οποία θα βοηθήσουν να βρεθούν και οι άλλες σχετικές παράμετροι του κεραυνού όπως διάρκεια ροής κλπ., έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι. Οι παλαιότερες στηρίζονται σε μια εκτίμηση του ρεύματος η οποία γινόταν μελετώντας τα θερμικά ή μηχανικά αποτελέσματα που προκαλεί το πλήγμα του κεραυνού. Έτσι, από την τήξη λεπτών μετάλλων ή από τα ίχνη πάνω σε λεπτές μεταλλικές επιφάνειες, γινόταν εκτίμηση της συνολικής ενέργειας του κεραυνού. Επίσης, εκτίμηση του εύρους του ρεύματος γινόταν από τη σύσφιξη που προκαλεί η ροή του ρεύματος διαμέσου ενός σωλήνα. 24

25 Ένας άλλος τρόπος μέτρησης είναι η μέθοδος της μαγνητικής ζεύξης. Η μέθοδος στηρίζεται στο γεγονός ότι όταν το ρεύμα του κεραυνού διαρρέει έναν αγωγό, σχηματίζεται γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Αν τοποθετηθεί κοντά στον αγωγό ένα μαγνητικό υλικό, αυτό θα μαγνητιστεί με τη μέγιστη τιμή του πεδίου η οποία εξαρτάται από το μέγιστο ρεύμα που διέρρευσε τον αγωγό. Αν το υλικό παρουσιάζει μεγάλη υστέρηση μπορεί να μεταφερθεί στο εργαστήριο και να παρθούν οι σχετικές μετρήσεις. Τέτοια μαγνητιζόμενα υλικά τοποθετούνται συνήθως σε επαφή με τα σκέλη μεταλλικών πύργων γραμμών μεταφοράς. Ωστόσο, η ακρίβεια όλων αυτών των μεθόδων είναι μετριότατη γιατί πρώτον δεν μπορούν να μετρήσουν όλες τις περιοχές που εκτείνεται το ρεύμα του κεραυνού όπως φαίνεται στο Σχ.1.8 και δεύτερο γιατί μετρώντας μόνο τη μέγιστη τιμή, δε γίνεται διάκριση ανάμεσα στο ρεύμα διαφόρων εκκενώσεων ενός πολλαπλού κεραυνού. Γι αυτούς τους λόγους, ο πλέον σύγχρονος και αποτελεσματικός τρόπος μέτρησης που χρησιμοποιείται, είναι μέσω του παλμογράφου. Σχήμα 1.8: Κατανομή ρεύματος κεραυνών κατά Burger.[1] 1. Πρώτη εκκένωση αρνητικών κεραυνών 2. Επόμενες εκκενώσεις αρνητικών κεραυνών 3. Θετικοί κεραυνοί Το βασικό πρόβλημα που υπάρχει με τον παλμογράφο, είναι το ότι το φαινόμενο είναι σπάνιο και επομένως δύσκολο να ληφθούν παλμογραφήματα και συγχρόνως είναι αρκετά δαπανηρή μέθοδος. Στο Σχ. 1.9 φαίνονται τα 25

26 παλμογραφήματα του ρεύματος ενός πολλαπλού αρνητικού κεραυνού και ενός θετικού. 26

27 Σχήμα 1.9: Παλμογραφήματα του ρεύματος ενός πολλαπλού αρνητικού κεραυνού (α), και ενός θετικού κεραυνού (β) (K. Berger).[1] Από τα Σχ.1.9(α), (β) βγαίνουν μερικά χρήσιμα συμπεράσματα. Έτσι στο Σχ.1.9(α) φαίνεται ότι το ρεύμα της πρώτης εκκένωσης αυξάνει γρήγορα και φθάνει στη μέγιστη τιμή κορυφής σε μs. Κατόπιν το ρεύμα παύει να αυξάνει και αρχίζει να μειώνεται είτε αμέσως είτε μετά από μία πλατιά κορυφή. Η διάρκεια της ουράς του ρεύματος όπου και το ρεύμα μειώνεται, είναι τέτοια ώστε το ρεύμα να φτάσει τα 20% της τιμής κορυφής σε μs. Σε πολλαπλούς κεραυνούς, οι ακόλουθες εκκενώσεις έχουν πολύ συντομότερο μέτωπο από την πρώτη εκκένωση, φτάνοντας στην τιμή κορυφής σε 1 ή 2 μs. Η ουρά του σχήματος του ρεύματος των ακόλουθων εκκενώσεων είναι παρόμοια με αυτή της πρώτης. Οι μέγιστες τιμές του ρεύματος των ακόλουθων εκκενώσεων είναι κατά κανόνα μικρότερες της τιμής της πρώτης. Οι θετικοί κεραυνοί παρουσιάζουν συχνά υψηλότερες τιμές ρεύματος από τους αντίστοιχους αρνητικούς. Στο Σχ.1.8(β) φαίνεται ότι το μέτωπο του ρεύματος των θετικών κεραυνών διαρκεί περισσότερο από αυτό του αρνητικού ρεύματος, δηλαδή περίπου μs. Η ουρά του επίσης έχει μεγαλύτερη διάρκεια, περίπου 1000 μs. Από τα σχήματα φαίνεται πως μια ενδιαφέρουσα παράμετρος εκτός από τη μέγιστη τιμή του ρεύματος, είναι και η διάρκεια ροής μιας ορισμένης έντασης ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάρκεια τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στην αντίσταση που διαρρέει και κατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερη η εκλυόμενη θερμότητα, αφού είναι ανάλογη του. Για το λόγο αυτό κεραυνοί με μεγάλη διάρκεια ρεύματος, έστω και αν η μέγιστη τιμή του ρεύματος δεν είναι πολύ υψηλή ονομάζονται θερμοί σε αντίθεση με άλλους που μπορεί να αναπτύσσουν μεγάλα ρεύματα μικρής διάρκειας. Οι θερμοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι μόνον όταν προκύπτει θέμα πυρκαγιάς ή έκρηξης ενώ για τα ηλεκτρικά συστήματα πιο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί με μεγάλες εντάσεις και μικρή διάρκεια. 1.6 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΟΠΟΙΑ ΣΥΜΒΑΙΝΟΥΝ ΚΕΡΑΥΝΟΙ Όπως είναι κατανοητό, η συχνότητα με την οποία συμβαίνουν κεραυνικά πλήγματα είναι υψίστης σημασίας για την εκτίμηση του κινδύνου που αποτελεί ο κεραυνός για μια περιοχή και συνεπώς για την κατασκευή ενός αποτελεσματικού συστήματος προστασίας. Είναι λοιπόν αναγκαία η γνώση 27

28 του αριθμού N g, των κεραυνών που πλήττουν μία περιοχή (π.χ. 1km 2 ), στη διάρκεια μίας χρονικής περιόδου (π.χ. 1 έτους). Επειδή για τη μέτρηση αυτού του αριθμού απαιτείται εγκατάσταση ειδικών συσκευών, η πληροφορία δεν είναι διαθέσιμη παρά για περιορισμένες μόνο περιοχές. Αντιθέτως, η πληροφορία που είναι συνήθως διαθέσιμη είναι ο αριθμός Τ των ημερών καταιγίδας μέσα σε ένα χρόνο, η οποία ορίζεται ως κεραυνική στάθμη. Μέρα καταιγίδας χαρακτηρίζεται εκείνη κατά τη διάρκεια της οποίας ακούγεται μία τουλάχιστον βροντή. Το Τ διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Μία γενική παρατήρηση είναι ότι η συχνότητα καταιγίδων συνοδευόμενη από κεραυνούς, είναι μεγαλύτερη στον ισημερινό και μικρότερη στους πόλους. Στο Σχ.1.10 δίνεται χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της Ελλάδος. Σαν ισοκεραυνικές καμπύλες ορίζουμε το γεωμετρικό τόπο των σημείων που έχουν την ίδια κεραυνική στάθμη. Από την κεραυνική στάθμη υπολογίζεται η πυκνότητα ανά έτος και km 2 που πέφτουν στο έδαφος σε ένα συγκεκριμένο τόπο. Έχουν γίνει πολλές μελέτες και μετρήσεις για τη μέτρηση της πυκνότητας των κεραυνών, με σημαντικότερη αυτή του A.J.Eriksson που πρότεινε την ακόλουθη εξίσωση: N g =0.04T 1.25 Για την περίπτωση που είναι διαθέσιμος ο συνολικός αριθμός εκκενώσεων (σύννεφο-σύννεφο, σύννεφο-γη), ο διαχωρισμός του συνολικού αριθμού N t, των εκκενώσεων, σε εκκενώσεις σύννεφου-σύννεφου N c και σύννεφου-γης N g εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος λ και το κλίμα. Έχουν διατυπωθεί δε γι αυτό το λόγο διάφορες σχέσεις όπως: N c /N g = T, για Τ (10<Τ<84) N c /N g = cos(3λ), για λ(0<λ<60 ο ) 28

29 Σχήμα 1.10 : Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών, σε ημέρες καταιγίδων κατά έτος για την Ελλάδα (ΕΜΥ).[1] 1.7 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Το μεγαλύτερο ποσοστό των κεραυνών διοχετεύεται ασφαλώς προς τη γη χωρίς κινδύνους. Ωστόσο, πολλές φορές, παρατηρούνται επικίνδυνες επιπτώσεις σε μία κατασκευή ή και στο περιεχόμενό της ως αποτέλεσμα άμεσου ή έμμεσου πλήγματος κεραυνού. Οι κυριότερες συνέπειες που προκύπτουν από τα πλήγματα των κεραυνών είναι οι εξής: Α) Επιπτώσεις στον άνθρωπο Ένας κεραυνός μπορεί να γίνει η αιτία σημαντικών καταστροφών και να οδηγήσει ακόμα και στην απώλεια της ανθρώπινης ζωής. Οι κεραυνοί που πλήττουν απευθείας ανθρώπους προκαλούν τις πιο πολλές φορές το θάνατο και προξενούν τους περισσότερους θανάτους από κάθε άλλο μετεωρολογικό φαινόμενο. Παρ όλα αυτά, οι πτώσεις κεραυνών απευθείας σε έναν άνθρωπο 29

30 δεν είναι και κατ ανάγκη θανατηφόρες, αν εφαρμοστούν έγκαιρα σε αυτόν μαλάξεις καρδιάς και παρατεταμένη τεχνητή αναπνοή. Και αυτό διότι ένα άτομο το οποίο πλήττεται από κεραυνό χάνει τις αισθήσεις του και διακόπτεται η λειτουργία της καρδιάς και της αναπνοής του. Η πιθανή ανάρρωση μπορεί να είναι ακόμα και πλήρης, εκτός από πιθανές βλάβες στην όραση και στην ακοή του ατόμου. Οι μηχανισμοί μέσω τον οποίων ο κεραυνός θέτει σε κίνδυνο τη σωματική ακεραιότητα αλλά και την ανθρώπινη ζωή είναι οι εξής: Άμεσο πλήγμα. Άμεση επαφή, όταν το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται σε επαφή με κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό. Υπερπήδηση, όταν το ανθρώπινο σώμα διοχετεύει παράλληλα τμήμα της εκκένωσης προς τη γη, ως αποτέλεσμα της ηλεκτρικής διάσπασης του διακένου αέρα που παρεμβάλλεται. Βηματική τάση, η οποία παρατηρείται όταν το ανθρώπινο σώμα υπόκειται σε υψηλή τάση λόγω της εμφάνισης διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα πόδια, που οφείλεται στην ακτινική διάχυση του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος. Επιφανειακή διάσπαση του εδάφους: το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο κοντά στο σημείο πλήγματος αποτελεί τμήμα της διαδρομής του ηλεκτρικού τόξου της επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Τυφλό τραύμα: το ανθρώπινο σώμα εκτινάσσεται σε απόσταση είτε λόγω έντονων μυϊκών συσπάσεων (οπισθοτονική σύσπαση) είτε λόγω του κρουστικού κύματος πίεσης που συνοδεύει την εκκένωση. Β) Θερμικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Τα θερμικά αποτελέσματα ενός κεραυνού εξαρτώνται όχι μόνο από το εύρος του ρεύματος, αλλά και από τη διάρκεια ροής του. Όταν ένα μη συνεχές ρεύμα εκφορτίζεται διαμέσου ενός μεταλλικού αγωγού, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ανάλογη του ( ). Η μέγιστη τιμή του ( ) που αναφέρεται είναι 10 7 A 2 s. Όταν λοιπόν υπολογίζεται η αύξηση της θερμοκρασίας ενός αγωγού, πρέπει να λαμβάνεται υπ όψη ότι η διάχυση της θερμότητας θεωρείται αμελητέα, λόγω της μικρής διάρκειας ροής ρεύματος. Σύμφωνα με το νόμο του Joule, η εκλυόμενη ενέργεια υπό μορφή θερμότητας κατά τη δίοδο κεραυνού δια μέσω ενός αγωγού αντιστάσεως R, είναι: W=R* ( ) Είναι λοιπόν φανερό το γεγονός ότι η ύπαρξη μεγαλύτερης αντίστασης προκαλεί την ανάπτυξη μεγαλύτερων υπερθερμάνσεων. Συνέπειες αυτού του γεγονότος είναι οι συντήξεις σε αγωγούς κεραιών και σε λεπτά χαλύβδινα σύρματα. Η αύξηση της θερμοκρασίας στον αγωγό είναι: 30

31 [ ( ( ) ) ] σε ο Κ α= συντελεστής θερμότητας σε 1/ ο Κ ( ) σε Α 2 s ρ= ειδική αντίσταση του αγωγού σε Ωm q= η διατομή του αγωγού σε m 2 γ= η πυκνότητα του υλικού σε Kg/m 2 C w = ο συντελεστής θερμοχωρητικότητας σε J/Kg*K θ s = θερμοκρασία τήξης Αν ένας κεραυνός πλήξει ένα μονωτικό υλικό ή έναν αγωγό, ο οποίος δεν έχει την κατάλληλη διατομή, τότε το σημείο του πλήγματος θα αποκτήσει πολύ υψηλή θερμοκρασία με συνέπεια τη διάτρηση του υλικού ή την ανάφλεξη του. Εάν το μονωτικό υλικό περιέχει ίχνη υγρασίας, όπως παρατηρείται στα μάρμαρα ή κάποιο μη αγώγιμο υλικό, το ρεύμα του κεραυνού θα ρεύσει μέσω των σημείων που παρουσιάζουν τη μικρότερη αντίσταση. Με αυτό τον τρόπο, η υγρασία μπορεί, λόγω της μεγάλης αύξησης της θερμοκρασίας, να μετατραπεί σε ατμό και η πίεση που θα δημιουργηθεί να προκαλέσει θραύση του υλικού. Παραδείγματα τέτοιων φαινομένων είναι η κατάρρευση πλινθότοιχων, έκρηξη κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα και καταστροφή αρχαίων ελληνικών μαρμάρινων κιόνων. Μία επίσης σημαντική θερμική συνέπεια ενός κεραυνικού πλήγματος είναι η ανάφλεξη υλικών όπως ξυλείες, αχυρένιες στέγες κλπ., όπως επίσης εκρηκτικών υλών ή καυσίμων. Οι συνέπειες αυτές οφείλονται κυρίως στους θερμούς κεραυνούς. Γ) Μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Οι μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: αυτές που αφορούν το κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής και αυτές που αφορούν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν αυτοί διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού. Η θερμοκρασία του οχετού προεκκένωσης μπορεί να ανέλθει στους ο K ή και περισσότερο μέσα σε λίγα μs. Ως επακόλουθο, ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό εξαπλώνεται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, παράγοντας έτσι ένα κύμα πίεσης το οποίο αρχικά βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων και εξελίσσεται στη γνωστή βροντή. Το κύμα αυτό είναι υπεύθυνο για το κύμα αέρα που σηκώνει κεραμίδια από στέγες, φαινόμενο 31

32 που παρατηρείται μετά από ένα άμεσο πλήγμα. Είναι επίσης υπεύθυνο για τον τραυματισμό ανθρώπων. Περνώντας στη δεύτερη κατηγορία συνεπειών, αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του κεραυνικού ρεύματος, υπόκεινται σε ελκτικές δυνάμεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου της τιμής του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης. Οι δυνάμεις αυτές έχουν ως επακόλουθο κάποιες φορές τη συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και τη σύνθλιψη κοίλων αγωγών. Δ) Ηλεκτρικές συνέπειες ενός πλήγματος κεραυνού Μία συνέπεια ενός πλήγματος κεραυνού είναι η εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί μεταξύ των αγωγών του συστήματος προστασίας και εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων της κατασκευής, γνωστή και ως «επικίνδυνος σπινθήρας» ή «side flash». Αυτή η υπερπήδηση κεραυνού παρουσιάζεται αφενός μεν λόγω της μεγάλης πτώσης τάσεως κατά τη διάβαση του κεραυνού προς τη γη και αφετέρου, κατά τη διέλευση του κεραυνού μέσω αγωγού μεγάλης αυτεπαγωγής, λόγω αδράνειας του μαγνητικού πεδίου που εξελίσσεται ταχύτατα. Για να γίνει κατανοητό το φαινόμενο παρουσιάζεται μία οικία με ένα συλλεκτήριο αγωγό στην καμινάδα, η οποία είναι και το ψηλότερο σημείο του κτιρίου. Στο εσωτερικό της κατοικίας υπάρχει μια δεξαμενή νερού, η οποία τροφοδοτείται από ένα μεταλλικό σωλήνα νερού και ο οποίος είναι συνδεδεμένος με ένα άλλο μεταλλικό σωλήνα θαμμένο στη γη. Εάν υποτεθεί ότι ο συλλεκτήριος αγωγός στην καμινάδα πλήττεται από κεραυνό ρεύματος i, το ρεύμα αυτό θα εκφορτιστεί στη γη, μέσω του συλλεκτήριου αγωγού, του αγωγού καθόδου και του γειωμένου ηλεκτροδίου. Ο δρόμος αυτός παρουσιάζει μία αυτεπαγωγή L, και μία αντίσταση γείωσης R. Η κορυφή λοιπόν του συστήματος προστασίας, παρουσιάζει ως προς τη γη διαφορά δυναμικού που δίνεται από τον τύπο: U=iR + L di/dt Εάν η τάση διάσπασης του διακένου D, που είναι η απόσταση των αγωγών προστασίας και της δεξαμενής, είναι μικρότερη από την τάση u, που αναπτύσσεται, τότε θα συμβεί εσωτερική διάσπαση μεταξύ των αγωγών, διοχετεύοντας ένα μεγάλο μέρος του κεραυνικού ρεύματος προς τη γη, με ίσως ολέθρια αποτελέσματα. 32

33 Ε) Ακουστικές επιδράσεις Κατά τη διάρκεια του κεραυνού αναπτύσσεται ηλεκτρομαγνητική δράση, με αποτέλεσμα ο μανδύας αέρα, που περιβάλλει τον οχετό, να συμπιέζεται. Η ηλεκτρομαγνητική υπερπίεση είναι περίπου 2-3 ατμόσφαιρες Με το που εξασθενίζει το κεραυνικό ρεύμα, εξασθενίζει και η υπερπίεση και έτσι ο θερμός πυρήνας του κεραυνού εκρήγνυται και προκαλεί βροντή. 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1.1: Ιστορικά Στοιχεία Η γνώση που υπήρχε γύρω από τον ηλεκτρισμό, κατά τη διάρκεια του 18 ου αιώνα, εξαντλούνταν κυρίως στις μελέτες των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων που διεξήχθησαν από κάποιους πρωτοπόρους ερευνητές. Αν και σημαντικές νέες ανακαλύψεις, που έγιναν τα επόμενα χρόνια, πρόσθεταν συνεχώς και νέα γνώση στο αντικείμενο του ηλεκτρισμού, εφαρμογές που να οδηγούν σε εκμετάλλευση αυτών των ανακαλύψεων παρουσιάστηκαν αρκετά αργότερα. Η πρώτη εμπορική χρήση του ηλεκτρισμού άρχισε περί το 1870, όταν χρησιμοποιήθηκαν οι λαμπτήρες τόξου για φωτισμό οικιών και οδών. Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα, απαρτιζόμενο από γεννήτρια, καλώδιο, ασφάλεια, μετρητή και φορτία, ήταν αυτό που εγκαταστάθηκε από τον πρωτοπόρο ερευνητή Thomas Edison στην πόλη της Νέας Υόρκης. Ο ιστορικός σταθμός της Pearl Street τέθηκε σε λειτουργία το Ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (dc) που αποτελούνταν από μία ατμομηχανή που κινούσε μία γεννήτρια συνεχούς και τροφοδοτούσε με ηλεκτρική ενέργεια 59 καταναλωτές σε μία περιοχή ακτίνας 1.5km. Τα φορτία, τα οποία ήταν αποκλειστικά λαμπτήρες πυρακτώσεως, τροφοδοτούνταν σε μία τάση 110 V μέσω υπόγειου καλωδίου. Αυτή λοιπόν ήταν η σπίθα που εξάπλωσε τη λειτουργία παρόμοιων συστημάτων στις περισσότερες μεγαλουπόλεις σε όλον τον κόσμο. Παρά την αρχική ευρεία χρήση των συστημάτων συνεχούς ρεύματος, αυτά πολύ γρήγορα αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα συστήματα 34

35 εναλλασσόμενου ρεύματος (ac) και ο λόγος ήταν προφανής. Τα συστήματα συνεχούς δεν είχαν τη δυνατότητα να μεταφέρουν ισχύ σε μεγάλες αποστάσεις, διότι για να γίνει αυτό και συγχρόνως να κρατηθούν οι απώλειες μεταφοράς RI 2 και οι πτώσεις τάσεις σε αποδεκτά επίπεδα, έπρεπε τα επίπεδα τάσης να είναι εξαιρετικά υψηλά. Τόσο υψηλές όμως τάσεις, δεν ήταν αποδεκτές ούτε για την παραγωγή ούτε για την κατανάλωση επειδή δεν το επέτρεπε η τεχνολογία της εποχής αλλά και η ασφάλεια των καταναλωτών. Ως συμπέρασμα, η λύση θα ήταν να μεταφερόταν η ισχύς σε μεγάλες αποστάσεις υπό υψηλότερη τάση, η οποία στη συνέχεια θα μειωνόταν σε χαμηλότερα επίπεδα στις θέσεις που υπήρχαν τα φορτία. Η σχεδίαση και η ανάπτυξη μίας συσκευής που θα μετασχημάτιζε στα επιθυμητά επίπεδα τάση και ρεύμα πρόβαλε πλέον σαν επιτακτική ανάγκη. Όλα τα παραπάνω λοιπόν οδήγησαν στην ανάπτυξη του μετασχηματιστή. Ο μετασχηματιστής έγινε αρωγός στην ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων εναλλασσόμενου ρεύματος, τα οποία έγιναν ακόμα πιο ελκυστικά με την ανάπτυξη των πολυφασικών συστημάτων από το Nikola Tesla. Οι πρωτοποριακές για την εποχή εφευρέσεις του Tesla όσον αφορά τους κινητήρες εναλλασσόμενου, τις γεννήτριες, τους μετασχηματιστές και τα συστήματα μεταφοράς αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη των σημερινών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι λοιπόν, η διαμάχη μεταξύ των συστημάτων μεταφοράς συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος έληξε σύντομα υπέρ των δεύτερων για τρεις κυρίως λόγους: 1. Ο μετασχηματιστής παρέσχε τη ζητούμενη δυνατότητα να μεταβάλλονται εύκολα τα επίπεδα τάσης και να χρησιμοποιούνται έτσι διαφορετικά επίπεδα τάσης, για την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. 2. Οι γεννήτριες εναλλασσόμενου ήταν πολύ πιο απλές στην κατασκευή και λειτουργία από τις γεννήτριες συνεχούς. 3. Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ήταν απλούστεροι και φθηνότεροι από τους κινητήρες συνεχούς. Η αυξανόμενη ανάγκη για μεταφορά όλο και μεγαλύτερων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, οδήγησε στη χρήση προοδευτικά όλο και υψηλότερων επιπέδων τάσης. Ενώ λοιπόν στα πρώτα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος τα επίπεδα τάσης ήταν 12, 44 και 60 kv, ανήλθαν στα 165 kv το 1922, στα 220 kv το 1923, στα 287 kv το 1935, στα 350 kv το 1953, στα 500 kv το 1965 και στα 765 kv το Για να αποφευχθεί η εξάπλωση ενός απεριόριστου αριθμού στα επίπεδα τάσης, γεγονός που θα προκαλούσε τιτάνια προβλήματα στην τυποποίηση του εξοπλισμού, η βιομηχανία επέλεξε κάποια επίπεδα τάσης ως τυποποιημένα. Αυτά είναι τα εξής: 115, 132, 138, 150, 161, 220, 230 και 275 kv για τη 35

36 βαθμίδα των υψηλών τάσεων και 345, 400, 500 και 765 kv για τη βαθμίδα των υπερύψηλων τάσεων Βασικές λειτουργίες συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας Σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) είναι το σύνολο των εγκαταστάσεων (γεννήτριες, μετασχηματιστές, γραμμές μεταφοράς, διακόπτες, διατάξεις αντιστάθμισης) που χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτηθεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα σύνολο καταναλωτών. Για να φέρει εις πέρας αυτήν την αποστολή, το ΣΗΕ διαθέτει: Σταθμούς παραγωγής, εγκατεστημένους στις πιο πρόσφορες προς τούτο περιοχές, όπου παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια σε επαρκής ποσότητες. Γραμμές μεταφοράς, που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στα κέντρα κατανάλωσης. Δίκτυο διανομής, για τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους επιμέρους καταναλωτές, ώστε να χρησιμοποιηθεί από αυτούς μετατρεπόμενη σε άλλες πιο εξυπηρετικές μορφές, όπως φως, θερμότητα, κίνηση, ήχο κ.λ.π. Για να είναι πρακτικό ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να σχεδιαστεί και να λειτουργεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ασφαλές, αξιόπιστο, φιλικό προς το περιβάλλον και να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια καλής ποιότητας στη χαμηλότερη κατά το δυνατόν τιμή. Όπως προαναφέρθηκε, η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται στους σταθμούς παραγωγής, οι οποίοι, ανάλογα με την πηγή πρωτογενούς ενέργειας που χρησιμοποιούν, διακρίνονται σε ατμοηλεκτρικούς (ΑΗΣ), υδροηλεκτρικούς (ΥΗΣ) και πυρηνικούς (ΠΣ). Στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια η χημική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο καύσιμο (κάρβουνο, λιγνίτη, φυσικό αέριο, πετρέλαιο). Με την καύση του καυσίμου απελευθερώνεται θερμική ενέργεια, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού στο λέβητα. Ο ατμός διοχετεύεται στον ατμοστρόβιλο όπου παρέχει μέρος της ενέργειάς του σε μηχανική μορφή. Ο στρόβιλος με τη σειρά του περιστρέφει τη γεννήτρια όπου η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια η δυναμική ενέργεια των υδάτων. Στους πυρηνικούς σταθμούς ο ελεγχόμενος πυρηνικός αντιδραστήρας αντικαθιστά το συμβατικό λέβητα σαν πηγή θερμικής ενέργειας. Η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία της σχάσης χρησιμοποιείται για την κίνηση μιας ηλεκτρικής γεννήτριας ατμού. Σε 36

37 μικρότερες ποσότητες είναι δυνατόν να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο, τη γεωθερμία και την ηλιακή ενέργεια. Μελέτες έχουν αποδείξει πως οι απαιτήσεις σε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχουν αυξηθεί κατά τις τελευταίες δεκαετίες κατά τρόπο ραγδαίο. Οι μελλοντικές απαιτήσεις αναμένονται ακόμα μεγαλύτερες καθώς το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται διεθνώς συνεχώς αυξάνεται. Ως αποτέλεσμα, πρέπει να γίνει αφενός πληρέστερη εκμετάλλευση των υπαρχόντων συμβατικών πηγών πρωτογενούς ενέργειας, αφετέρου να εξαπλωθεί η έρευνα και η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ώστε το ποσοστό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές να αυξηθεί. Είναι προφανές ότι η καλύτερη θέση εγκατάστασης των σταθμών παραγωγής θα ήταν κοντά στα κέντρα κατανάλωσης, στα σημεία, δηλαδή, όπου παρουσιάζεται η μέγιστη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Οι θέσεις, παρόλα αυτά, όπου είναι διαθέσιμη η πρωτογενής μορφή ενέργειας που θα μετατραπεί σε ηλεκτρική, δε συμπίπτουν απαραιτήτως με τις θέσεις των κέντρων κατανάλωσης. Τίθεται, λοιπόν, το εξής ερώτημα: να εγκατασταθούν οι σταθμοί παραγωγής κοντά στις πηγές ενέργειας και να μεταφέρεται η ηλεκτρική ενέργεια στα κέντρα κατανάλωσης ή να εγκατασταθούν οι σταθμοί παραγωγής κοντά στα κέντρα κατανάλωσης και να μεταφέρεται το καύσιμο; Η επιλογή της θέσης ενός ατμοηλεκτρικού σταθμού, που καταναλώνει συμβατικό καύσιμο, κοντά στην περιοχή εξόρυξης του καυσίμου ή κοντά σε κέντρο κατανάλωσης, εξαρτάται από τη διαφορά κόστους που υπάρχει ανάμεσα στη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας και στη μεταφορά του καυσίμου από το ορυχείο στον τόπο εγκατάστασης του σταθμού. Οι αγωγοί μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου, παραδείγματος χάρη, προτιμούνται διότι προσφέρουν χαμηλού κόστους μεταφορά καυσίμου. Άλλοι παράγοντες που συνεκτιμούνται είναι κυρίως τεχνικοί και περιβαλλοντολογικοί. Για τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς δεν υπάρχουν μεγάλα περιθώρια επιλογής του τόπου εγκατάστασης. Όπως είναι λογικό, εγκαθίστανται εκεί όπου είναι διαθέσιμο το υδάτινο δυναμικό. Οι πυρηνικοί σταθμοί εγκαθίστανται κυρίως κοντά στα κέντρα κατανάλωσης επειδή δε δημιουργούν ιδιαίτερα προβλήματα ατμοσφαιρικής ρύπανσης και το κόστος μεταφοράς καυσίμου είναι μικρό, αν και τα τελευταία χρόνια, λόγω των πυρηνικών ατυχημάτων που συνέβησαν, υπάρχουν σημαντικές αντιδράσεις για την εγκατάσταση νέων πυρηνικών σταθμών πλησίον αστικών κέντρων. Γίνεται λοιπόν κατανοητή η ανάγκη μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η ανάγκη ικανοποιείται μέσω των γραμμών μεταφοράς, που μπορεί να είναι εναέριες ή σπανιότερα υπόγειες. Επειδή το επίπεδο τάσης των γραμμών μεταφοράς καθορίζει το όριο της ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν αυτές να μεταφέρουν, η επίτευξη υψηλών τάσεων 37

38 μεταφοράς έκανε δυνατή τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Ανάλογα με το επίπεδο της τάσης μεταφοράς επιτυγχάνονται χωρητικότητες των γραμμών μεταφοράς που εκτείνονται από 100 MW μέχρι και πάνω από 4000 MW. Τέλος, η διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας μέχρι και τον πιο απομακρυσμένο καταναλωτή γίνεται με ένα πυκνό δίκτυο διανομής μέσης (ΜΤ π.χ.15 kv) και χαμηλής τάσης (ΧΤ π.χ.220 V). 2.2 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Βασικά στοιχεία γραμμών μεταφοράς Οι γραμμές μεταφοράς αποτελούν τις αρτηρίες των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα καλά σχεδιασμένο και με υψηλή ικανότητα μεταφοράς σύστημα γραμμών μεταφοράς καθιστά δυνατή τη μεταφορά μεγάλων ποσών ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Μάλιστα αυτή τους η σημαντικότητα καταδεικνύεται αλλά και συνάμα ολοένα και αυξάνεται από το γεγονός της ολοένα και μεγαλύτερης ποσότητας της μεταφερόμενης ενέργειας την οποία επιβάλλει τόσο ο σύγχρονος τρόπος ζωής όσο και η ανάπτυξη της τεχνολογίας η οποία έχει οδηγήσει σε μεγάλη αύξηση στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί το μέσο παραλαβής της ενέργειας από το σταθμό παραγωγής της και απόδοσής της στα κέντρα κατανάλωσης. Το μέσο εκείνο του συστήματος που περιλαμβάνει τη μεταφορά της ενέργειας ως τους υποσταθμούς και το τελικό δίκτυο διανομής είναι οι γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος. Οποιοδήποτε σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είτε πρόκειται για σύστημα μεταφοράς, όπου οι γραμμές μεταφοράς είναι φορτισμένες υπό ονομαστική τάση 115 έως 765 kv, είτε για σύστημα διανομής, όπου οι γραμμές είναι φορτισμένες με λιγότερη ονομαστική τάση από 20 kv, πρέπει να ικανοποιεί ορισμένες προϋποθέσεις, οι οποίες είναι οι εξής: Α) Το σύστημα μεταφοράς θα πρέπει να παρέχει σταθερή, ή τουλάχιστον σχεδόν σταθερή, τάση και οι τάσεις των φάσεων είναι απαραίτητο να βρίσκονται σε ισορροπία. 38

39 Β) Το κύμα της τάσης πρέπει να έχει ημιτονοειδή μορφή και η συχνότητα να είναι σταθερή. Γ) Η αποδοτικότητα θα πρέπει να πλησιάζει την τιμή εκείνη, η οποία συνεπάγεται το ελάχιστο ετήσιο κόστος μεταφοράς αλλά και συντήρησης του συστήματος. Δ) Η επίδραση του συστήματος μεταφοράς στις εγκαταστάσεις άλλων επιχειρήσεων, όπως είναι αυτές των τηλεφωνικών ή ακόμα και ραδιοφωνικών, που προκαλείται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, θα πρέπει να περιορίζεται εντός παραδεκτών από το νόμο ορίων. Με τον όρο γραμμές μεταφοράς αναφερόμαστε κυρίως στις εναέριες γραμμές, καθώς αυτές είναι που συμμετέχουν με συντριπτικά μεγαλύτερο ποσοστό στα δίκτυα μεταφοράς και διασύνδεσης ηλεκτρικής ενέργειας. Βέβαια υπάρχει και η χρησιμοποίηση υπόγειων γραμμών μεταφοράς υψηλής αλλά και υπερύψηλης τάσης, όμως αυτή η χρήση είναι πολύ περιορισμένη και συναντάται κυρίως στη μεταφορά ή υπομεταφορά μέσα στα αστικά κέντρα αλλά και στις διασυνδέσεις των νησιωτικών περιοχών με την ηπειρωτική χώρα (υποθαλάσσιες γραμμές). Οι γραμμές μεταφοράς μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με τέσσερις κυρίως τρόπους. Αρχικά, με το επίπεδο της τάσης με το οποίο είναι φορτισμένες. Δεύτερον από το μήκος τους, τρίτον από τον αριθμό των κυκλωμάτων τους και τέλος από την ικανότητά τους στη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Με βάση την πρώτη κατηγοριοποίηση, είναι γνωστό πως οι γραμμές μεταφοράς λειτουργούν υπό υψηλές ή υπερύψηλες τάσεις. Στην Ελλάδα για παράδειγμα τα επίπεδα της τάσης στα οποία λειτουργούν είναι 400, 150 και 66 kv. Περνώντας στη δεύτερη κατηγοριοποίηση, οι γραμμές διαχωρίζονται με βάση το μήκος τους και ανάλογα με αυτό έχουν και διαφορετικά ισοδύναμα κυκλώματα. Αν λοιπόν μία γραμμή μεταφοράς είναι μικρότερη από 80 km ορίζεται ως μικρού μήκους. Αν έχει μήκος από 80 km μέχρι 250 km, τότε ορίζεται ως γραμμή μέσου μήκους. Τέλος, αν η γραμμή έχει μήκος μεγαλύτερο από 250 km ορίζεται ως γραμμή μεγάλου μήκους. Στον επόμενο διαχωρισμό, στον οποίο οι γραμμές χωρίζονται με βάση τον αριθμό των κυκλωμάτων τους έχουμε: Γραμμές μεταφοράς απλού κυκλώματος, στις οποίες έχουμε ένα ισοδύναμο τριφασικό κύκλωμα. 39

40 Γραμμές μεταφοράς διπλού κυκλώματος, στις οποίες έχουμε δύο ισοδύναμα τριφασικά κυκλώματα. Στην τελευταία κατηγοριοποίηση, κατά την οποία οι γραμμές διαχωρίζονται με βάση την ικανότητα που έχουν ως προς τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, έχουμε τις εξής περιπτώσεις: Γραμμές μεταφοράς Ελαφρού τύπου Γραμμές μεταφοράς Βαρέως τύπου Γραμμές μεταφοράς Υπερβαρέως τύπου με δίδυμο και τρίδυμο αγωγό ανά φάση. Στη συνέχεια ακολουθεί ο Πίνακας 2.1, ο οποίος διαχωρίζει τις γραμμές μεταφοράς του ελληνικού συστήματος με βάση τις παραπάνω κατηγοριοποιήσεις. Πίνακας 2.1: Γραμμές ελληνικού συστήματος μεταφοράς Γραμμές μεταφοράς μικρού μήκους Όπως προαναφέρθηκε, μία γραμμή μεταφοράς ορίζεται ως μικρού μήκους αν είναι μικρότερη από 80 km. Στην περίπτωση αυτή, η χωρητικότητα είναι τόσο μικρή που μπορεί να παραληφθεί εντελώς χωρίς αυτό να έχει 40

41 σημαντικές επιπτώσεις στην ακρίβεια των υπολογισμών και να θεωρηθεί μόνο η αντίσταση και η επαγωγική αντίδραση της γραμμής. Συνεπάγεται λοιπόν, πως μία γραμμή μικρού μήκους που συνδέεται μεταξύ των ζυγών αναχώρησης (S) και άφιξης (R), παριστάνεται με την ανά φάση συνολική αντίσταση R=rl σε σειρά με την ανά φάση συνολική επαγωγική αντίδραση X=jωLl, όπου l το μήκος της γραμμής, όπως φαίνεται στο Σχ.2.1. Σχήμα 2.1: Ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μικρού μήκους.[4] Επιλύοντας το ισοδύναμο κύκλωμα, μπορούμε εύκολα να φτάσουμε στις εξής εξισώσεις, οι οποίες περιγράφουν τη γραμμή μικρού μήκους: I S =I R V S =V R +I R Z Όπου Ζ=zl είναι η συνολική σύνθετη αντίσταση της γραμμής Γραμμές μεταφοράς μεσαίου μήκους Η περιγραφή των γραμμών μεταφοράς μέσου μήκους εμφανίζει πολλές ομοιότητες με την ανάλυση που κάναμε παραπάνω για τις γραμμές μικρού μήκους. Παρατηρείται ωστόσο μία σημαντική διαφορά, ότι σε αυτού του τύπου τις γραμμές συμπεριλαμβάνουμε και την εγκάρσια αγωγιμότητα, η οποία γενικά μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται μόνο από τη χωρητικότητα της γραμμής. 41

42 Στα μοντέλα τόσο των γραμμών μικρού όσο και των γραμμών μεσαίου μήκους δε λαμβάνεται υπ όψη ο κατανεμημένος χαρακτήρας των παραμέτρων και αυτές θεωρούνται συγκεντρωμένες σε ένα σημείο. Το επικρατέστερο ισοδύναμο κύκλωμα για τη γραμμή μεσαίου μήκους είναι το π-ισοδύναμο κύκλωμα, το οποίο φαίνεται στο Σχ Σε αυτό το ισοδύναμο η χωρητική αγωγιμότητα της γραμμής Υ=jωCl διαιρείται σε δύο ίσα τμήματα το κάθε ένα από τα οποία τοποθετείται στα άκρα αναχώρησης (S) και άφιξης (R) της γραμμής. Σχήμα 2.2: Ονομαστικό π-ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεσαίου μήκους.[4] Το ισοδύναμο κύκλωμα περιγράφεται από τις εξής εξισώσεις: V S =( )V R +ZI R I S =( )YV R +( )I R Αν τώρα επιλύσουμε τις παραπάνω εξισώσεις ως προς τα V R και I R τότε θα έχουμε τις εξισώσεις τις τάσης και του ρεύματος άφιξης V R και I R από το ζυγό άφιξης R συναρτήσει της τάσης και του ρεύματος αναχώρησης V S και I S από το ζυγό αναχώρησης S. Επιλύοντας λοιπόν έχουμε: V R =( )V S -ZI S I R =-( )YV S +( )I S 42

43 Γραμμές μεταφοράς μεγάλου μήκους Το μοντέλο της γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μεσαίου μήκους το οποίο και παρουσιάστηκε παραπάνω δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει με ακρίβεια τη συμπεριφορά ενός ηλεκτρικού συστήματος όταν το μήκος της γραμμής μεταφοράς ξεπερνάει τα 250 km, όταν δηλαδή η γραμμή είναι μεγάλου μήκους. Στην περίπτωση που έχουμε γραμμή μεγάλου μήκους, οι παράμετροι της γραμμής, δηλαδή η αντίσταση, η αυτεπαγωγή και η χωρητικότητα, βρίσκονται ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλο το μήκος της γραμμής. Το γεγονός αυτό πρέπει να ληφθεί υπ όψη στους υπολογισμούς και στις εξισώσεις, έτσι ώστε να μην παρουσιαστούν σοβαρά σφάλματα και οι υπολογισμοί που θα γίνουν να είναι ασφαλείς και έγκυροι. Το προσεγγιστικό π-ισοδύναμο κύκλωμα που παρουσιάστηκε πρωθύστερα, χάνει σε ακρίβεια και αξιοπιστία όσο αυξάνεται το μήκος της γραμμής μεταφοράς. Ως αποτέλεσμα, αποτελούν ιδανική λύση για γραμμές μεσαίου μήκους, όχι όμως και για γραμμές μεγάλου μήκους. Έτσι λοιπόν, η ακριβής αναπαράσταση μιας γραμμής μεταφοράς μεγάλου μήκους με την ίδια φιλοσοφία του π-ισοδύναμου κυκλώματος, δηλαδή με προσεγγιστικό κύκλωμα συγκεντρωμένων παραμέτρων, γίνεται με τη χρήση υπερβολικών εξισώσεων. Αναλυτικότερα, η τάση και το ρεύμα στο ζυγό αναχώρησης S, με βάση τις υπερβολικές εξισώσεις δίνονται από τους εξής τύπους: V R =coshγl-i S Z C sinhγl I R =I S coshγl- sinhγl Πραγματοποιώντας τώρα σύγκριση των εκφράσεων του π-ισοδύναμου κυκλώματος με αυτές των παραπάνω υπερβολικών εξισώσεων, παρατηρούμε ότι: [ ( ) ( ) ( ) ]=[ ] Όπου Z e, Y e, είναι οι παράμετροι του π-ισοδύναμου κυκλώματος. Επιλύοντας την ισότητα μητρών προκύπτει: 43

44 Παρακάτω παρατίθεται το σχεδιάγραμμα το οποίο παρουσιάζει το π- ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς μεγάλου μήκους. Σχήμα 2.3: π-ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς μεγάλου μήκους.[4] Οι παραστάσεις και ονομάζονται συντελεστές διόρθωσης των παραμέτρων Z και του ονομαστικού π-ισοδύναμου κυκλώματος Τύποι αγωγών Όλες ουσιαστικά οι εναέριες γραμμές μεταφοράς χρησιμοποιούν αγωγούς αλουμινίου, λόγω του ότι έχουν πολύ καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, έχουν χαμηλό βάρος και χαμηλό κόστος. Υπάρχουν οι εξής τύποι αγωγών αλουμινίου: 44

45 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, steel-reinforced, ACSR) Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με κράμα (Aluminium conductors, alloyreinforced, ACAR) Οι αγωγοί αλουμινίου είναι κατά κανόνα πολύκλωνοι. Αποτελούνται, δηλαδή, από πολλούς κλώνους, που περιελίσσονται ελικοειδώς σε αλλεπάλληλες στρώσεις έτσι ώστε να σχηματίζουν έναν αγωγό που μοιάζει με συρματόσχοινο. Οι κλώνοι διαδοχικών στρώσεων περιελίσσονται σε αντίθετες κατευθύνσεις για να εμποδίζεται το ξετύλιγμα αυτών και να πετυχαίνεται σύμπτωση της εξωτερικής ακτίνας της μίας στρώσης με την εσωτερική ακτίνα της επόμενης στρώσης. Οι πολύκλωνοι αγωγοί παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευκαμψία, σε σύγκριση με τους μονόκλωνους ίσης διαμέτρου, οπότε είναι περισσότερο εύκαμπτοι και υπόκεινται σε λιγότερες καταπονήσεις. Επίσης, παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι είναι περισσότερο ασφαλείς σε μηχανική θραύση. Ο αριθμός των κλώνων εξαρτάται από τον αριθμό των στρώσεων αλλά και από το εάν όλοι οι κλώνοι είναι της ίδιας διαμέτρου. Στην περίπτωση που όλοι οι κλώνοι είναι της ίδιας διαμέτρου, αυτοί τοποθετούνται σε μία ή περισσότερες στρώσεις γύρω από έναν κεντρικό κλώνο. Το πλήθος των κλώνων σε κάθε στρώση είναι πολλαπλάσιο του 6. Αν υπάρχουν k στρώσεις γύρω από τον κεντρικό κλώνο, τότε ο συνολικός αριθμός των κλώνων είναι 1+3k(k+1). Εξαιτίας του χαμηλού φορτίου θραύσης του αλουμινίου (18 Kgr/mm 2 ), οι αγωγοί ενισχύονται συχνά με πυρήνα από κράμα αλουμινίου (ACAR) ή από χάλυβα (ACSR), που είναι επίσης υπό μορφή κλώνων. Σε αυτή την περίπτωση ο πυρήνας αναλαμβάνει τη μηχανική φόρτιση, ενώ οι κλώνοι αλουμινίου που τον περιβάλλουν χρησιμεύουν για τη διοχέτευση του ρεύματος. Στο Σχ.2.4 φαίνεται η μορφή ενός τυπικού ACSR αγωγού, που αποτελείται από πυρήνα με 7 κλώνους χάλυβα γύρω από τον οποίο υπάρχουν σε δύο στρώσεις 24 κλώνοι αλουμινίου. 45

46 Σχήμα 2.4: Τομή αγωγού ACSR με 7 κλώνους χάλυβα και 24 κλώνους αλουμινίου.[3] Οι αγωγοί των γραμμών μεταφοράς χαρακτηρίζονται από τη διατομή τους που μετριέται σε κυκλικά χιλιοστά (CM). Ένα κυκλικό χιλιοστό είναι το εμβαδόν κύκλου με διάμετρο ένα χιλιοστό της ίντσας. Στις πλείστες των περιπτώσεων χρησιμοποιείται η πολλαπλάσια μονάδα των 1000 κυκλικών χιλιοστών που συμβολίζεται MCM. Ένας αγωγός, λοιπόν, 1000 MCM έχει διάμετρο ίση με μία ίντσα. Στον Πίνακα 2.1 παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των αγωγών που χρησιμοποιεί η ΔΕΗ στο ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Πίνακας 2.1: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά αγωγών ελληνικού συστήματος.[3] 46

47 2.2.2 Μοντελοποίηση γραμμών μεταφοράς Ένα κύκλωμα γραμμής μεταφοράς μπορεί να μοντελοποιηθεί με διάφορους τρόπους. Ένας ιδιαίτερα χρήσιμος τρόπος είναι να ταξινομηθεί η γραμμή σύμφωνα με τον αριθμό των ορθογωνίων φυσικών διαστάσεων, οι οποίες είναι σχετικές με ένα μήκος κύματος στη γραμμή μεταφοράς. Η ταξινόμηση αυτή βασίζεται τόσο στο μήκος κύματος του διαδιδόμενου σήματος όσο και στο μέγεθος της ασυνέχειας. Ανάλογα με το φάσμα της συχνότητας και την απαιτούμενη ακρίβεια, η επιλογή του μοντέλου μπορεί να πραγματοποιηθεί διαφορετικά σ φαινομενικά όμοιες καταστάσεις. Ανεξάρτητα από τον αριθμό των διαστάσεων, προσπαθούμε πάντα να μετατρέψουμε το πρόβλημα σε ένα πρόβλημα ενός κυκλώματος RLC με ιδανικούς μετασχηματιστές και ιδανικές γραμμές μεταφοράς. Αυτός ο τύπος υπολογισμού είναι συνήθως γρηγορότερος από τις διαθέσιμες τεχνικές επίλυσης πεδίων και μας παρέχει μοντέλα σε πιο γνώριμες έννοιες. Μία μονοδιάστατη γραμμή μεταφοράς μοντελοποιείται σαν ένα συσσωρευμένο κύκλωμα με ένα πολύ μεγάλο αριθμό στοιχείων. Το συνολικό μήκος l διαιρείται σε ένα άπειρο πλήθος τμημάτων μήκους Δy. Κάθε συσσωρευμένο στοιχείο αναπαριστά ένα απειροστό τμήμα της φυσικής γραμμής μεταφοράς. Οι κατανεμημένες παράμετροι της γραμμής είναι οι εξής: Αυτεπαγωγή ανά μονάδα μήκους, η οποία συμβολίζεται με L. Χωρητικότητα ανά μονάδα μήκους, η οποία συμβολίζεται με C. Αντίσταση ανά μονάδα μήκους, η οποία συμβολίζεται με R. Αγωγιμότητα ανά μονάδα μήκους, η οποία συμβολίζεται με G Χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Μία γραμμή έχει, όπως έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω, τέσσερις παραμέτρους, οι οποίες επηρεάζουν την εκπλήρωση της ως μέρος ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Οι παράμετροι αυτές είναι οι εξής κατά σειρά σπουδαιότητας: Αυτεπαγωγή της γραμμής, εκφραζόμενη σε Henry ανά μέτρο μήκους. 47

48 Εγκάρσια χωρητικότητα, εκφραζόμενη σε Farad ανά μέτρο μήκους. Ωμική αντίσταση της γραμμής, εκφραζόμενη σε ohm ανά μέτρο μήκους. Εγκάρσια αγωγιμότητα της γραμμής, εκφραζόμενη σε ohm -1 ανά μέτρο μήκους. Οι παράμετροι αυτές συμβολίζονται με L, C, R και G αντίστοιχα, και στις πλείστες των περιπτώσεων στην πράξη εκφράζονται ανά μονάδα μήκους (μέτρο ή χιλιόμετρο) και ανά φάση της γραμμής. Κατά τη λειτουργία της γραμμής οι παράμετροι αυτές εκδηλώνονται ως ηλεκτρικές αντιστάσεις και αντιδράσεις και ονομάζονται επίσης και σταθερές της γραμμής. Πιο κάτω γίνεται μία προσπάθεια ανάλυσης κάθε μίας παραμέτρου ξεχωριστά: Α) Αυτεπαγωγή Η αυτεπαγωγή ενός αγωγού εκφράζεται από τη σχέση: ( ) μετριέται σε henry και ορίζεται ως ο λόγος της μεταβολής της πεπλεγμένης ροής του μαγνητικού πεδίου του ρεύματος του αγωγού προς τη μεταβολή του ρεύματος. Εάν το μαγνητικό κύκλωμα έχει σταθερή μαγνητική διαπερατότητα θα είναι: ( ) henry Για τον υπολογισμό της αυτεπαγωγής μιας γραμμής μεταφοράς χρησιμοποιούμε την εξής διαδικασία: Εφαρμόζουμε το νόμο του διαρρεύματος, από τον οποίο παίρνουμε ότι η πεπλεγμένη ροή στο εσωτερικό κυλινδρικού αγωγού ακτίνας r που διαρρέεται από ρεύμα I είναι: ( ) Wb-t/m Το σύμβολο της μονάδας σημαίνει weber-turn ανά μέτρο μήκους του αγωγού. Η αντίστοιχη αυτεπαγωγή είναι: ( ) henry/m. Για αγωγό από χαλκό ή αλουμίνιο ισχύει L εσ =0,05 Mh/km. Εφαρμόζοντας τον ίδιο νόμο στο εξωτερικό του αγωγού προκύπτει ότι η εξωτερική πεπλεγμένη ροή που οφείλεται στο μαγνητικό πεδίο από την 48

49 επιφάνεια του αγωγού μέχρι απόσταση D για σχετική μαγνητική διαπερατότητα μ r =1, δίνεται από τη σχέση: ( ) Wb-t/m Η αντίστοιχη αυτεπαγωγή θα είναι: ( ) mh/km. Η συνολική αυτεπαγωγή ενός αγωγού μέχρι απόστασης D από το κέντρο του είναι τότε: ( ) mh/km όπου r =re -1/4 =0,7788r, η ακτίνα υποθετικού αγωγού χωρίς εσωτερική ροή. Για την περίπτωση που έχουμε μονοφασική γραμμή δύο αγωγών η αυτεπαγωγή της γραμμής θα είναι: ( ) mh/km Β) Εγκάρσια χωρητικότητα Η ωμική αντίσταση και η επαγωγική αντίδραση είναι τα στοιχεία, τα οποία συνιστούν τη σύνθετη αντίσταση σειράς της γραμμής μεταφοράς. Η χωρητικότητα μαζί με την αγωγιμότητα συνιστούν την εγκάρσια ή παράλληλη σύνθετη αγωγιμότητα της γραμμής. Τα εν σειρά στοιχεία, από τα οποία η αυτεπαγωγή είναι το σημαντικότερο, θέτουν ένα όριο στο ρεύμα της γραμμής και συνεπώς καθορίζουν τη δυνατότητα μεταφοράς της ισχύος της. Τα εν παραλλήλω στοιχεία, από τα οποία η χωρητικότητα είναι το πλέον σημαντικό, αντιπροσωπεύουν μια οδό «διαρροής» για τα ρεύματα της γραμμής. Για τάσεις μεταφοράς της τάξης των 300 έως 500 kv και μήκη γραμμών μεγαλύτερα από 300 km περίπου, οι επιπτώσεις των παράλληλων αυτών στοιχείων αποτελούν πρόβλημα βασικής σημασίας για τους μηχανικούς. Η χωρητικότητα ορίζεται από τη σχέση: ( ) farad (F) ως ο λόγος της μεταβολής του φορτίου προς τη μεταβολή της τάσης, η οποία επιβάλλεται σε έναν αγωγό. Αν η διηλεκτρική σταθερά του μέσου είναι σταθερή, τότε: ( ) F 49

50 Σε αντιστοιχία με την αυτεπαγωγή μιας μονοφασικής γραμμής δύο αγωγών, για την περίπτωση του υπολογισμού της χωρητικότητας έχουμε ότι: ( ( ) ) μf/km προς ουδέτερο Όπου D ορίζεται η απόσταση από το κέντρο του αγωγού και r η ακτίνα του αγωγού. Γ) Ωμική αντίσταση Η ωμική αντίσταση ενός αγωγού στη ροή του συνεχούς ρεύματος εξαρτάται από την ειδική αντίσταση ρ του υλικού του αγωγού και το μέγεθος, σχήμα και θερμοκρασία του. Για έναν αγωγό γραμμής μεταφοράς με ομοιογενή διατομή, το ρεύμα ρέει κατά μήκος του και η αντίσταση R επομένως είναι: όπου ρ η ειδική αντίσταση του αγωγού στη θεωρούμενη θερμοκρασία, l το μήκος του αγωγού, q το εμβαδό της διατομής του αγωγού ή απλώς η διατομή του. Η ειδική αντίσταση χαλκού αγωγιμότητας 100% υπό θερμοκρασία 20 ο C είναι σύμφωνα με τους διεθνείς κανονισμούς ίση με 0, μω-m. Σε εναέριες γραμμές χρησιμοποιούνται αγωγοί από αλουμίνιο με ελάχιστη αγωγιμότητα της τάξης του 61%, αλλά το χρησιμοποιούμενο αλουμίνιο έχει μέση αγωγιμότητα 62%, δηλαδή ειδική αντίσταση 2,808 μω-m στους 20 ο C. Για τα υπόγεια καλώδια χρησιμοποιούνται αγωγοί χαλκού, που έχουν αγωγιμότητα περίπου 100%. Οι αγωγοί χαλκού που χρησιμοποιούνται στις εναέριες γραμμές, παρ όλα αυτά έχουν κατά 2,5% περίπου μικρότερη αγωγιμότητα και επομένως ειδική αντίσταση 0, μω-m στους 20 ο C. Η ωμική αντίσταση μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, ώστε για θερμοκρασίες διαφορετικές από 20 ο C πρέπει να γίνει σχετική διόρθωση. Στην περιοχή 10 ο C έως και 100 ο C η μεταβολή της αντίστασης του αγωγού, όταν το μήκος του είναι ελεύθερο να μεταβληθεί, βρίσκεται ότι είναι γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας σύμφωνα με τον τύπο: ( ) [ ( )] Όπου R θ2 η αντίσταση υπό θερμοκρασία θ 2 R θ1 η αντίσταση υπό θερμοκρασία θ 1 50

51 α θ1 ο θερμοκρασιακός συντελεστής της αντίστασης, υπό θερμοκρασία θ 1. Η θερμοκρασία, στην οποία ζητείται η ωμική αντίσταση των αγωγών των γραμμών, εξαρτάται βεβαίως από την εκάστοτε περίπτωση. Έτσι λοιπόν, για ελαφρά φορτία και μέτριες καιρικές συνθήκες η θερμοκρασία των αγωγών είναι δυνατόν να είναι κοντά στους 20 ο C. Με μεγάλα φορτία κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού μπορεί να πλησιάζει τους 80 ο C ή ακόμα και 100 ο C. Για μέσα φορτία και μέτριες καιρικές συνθήκες η θερμοκρασία των 50 ο C είναι ίσως μία τυπική θερμοκρασία και συνιστάται να χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των παραμέτρων της γραμμής, εάν δεν υπάρχουν πιο συγκεκριμένα σχετικά στοιχεία σχετικά με τις επικρατούσες συνθήκες Μηχανικά χαρακτηριστικά Η μηχανική σχεδίαση των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υπόκειται σε ορισμένους κανόνες, οι οποίοι εξασφαλίζουν κυρίως το απρόσιτο των αγωγών για το κοινό, έχοντας ως απώτερο σκοπό την ασφάλειά του. Οι βασικότερες απαιτήσεις της μηχανικής σχεδίασης των γραμμών αφορούν: 1) Τις ελάχιστες αποστάσεις των αγωγών από το έδαφος και από τα γειτονικά κτίσματα, και 2) Τη μηχανική αντοχή των αγωγών, των μονωτήρων και των φορέων. Οι μηχανικές δυνάμεις, οι οποίες καταπονούν τις γραμμές είναι οι εξής: Το βάρος των αγωγών. Η δύναμη του ανέμου. Πιθανώς το βάρος του πάγου, ο οποίος σχηματίζεται από το χιόνι. Βάση των δυνάμεων αυτών υπολογίζεται τόσο η καταπόνηση και συνεπώς η μηχανική αντοχή αγωγών και στηριγμάτων, όσο και οι αποστάσεις τους από το έδαφος. Ως αποτέλεσμα, διασφαλίζεται η ασφάλεια τόσο των πολιτών όσο και των εργαζομένων, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη συντήρηση και την επίβλεψη του συγκεκριμένου κομματιού της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. 51

52 2.3 ΚΑΛΩΔΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Βασικά στοιχεία Μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας με καλώδια συναντά κανείς σε δύο περιπτώσεις. Όταν το περιβάλλον καθιστά αδύνατη την εναέρια μεταφορά και όταν δεν μπορούν να στηριχθούν οι εναέριοι αγωγοί εξαιτίας μεγάλων ανοιγμάτων. Έτσι λοιπόν, συναντάμε καλωδιακές γραμμές κυρίως στις πόλεις και στην υποθαλάσσια μεταφορά, ενδεχομένως σε συνδυασμό με συνεχές ρεύμα. Οι καλωδιακές γραμμές είναι εξαιρετικά πολυδάπανες (5-10 φορές ακριβότερες από τις αντίστοιχες εναέριες γραμμές) και παρουσιάζουν δυσκολίες στη συντήρησή τους. Παρ όλα αυτά, όπως θα παρουσιασθεί και παρακάτω, με αρωγό την τεχνολογική ανάπτυξη γίνονται προσπάθειες να μειωθεί το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας των καλωδιακών γραμμών. Επιπλέον, τα καλώδια, σε αντιδιαστολή προς τους απλούς μονωμένους αγωγούς, είναι κατασκευές που μπορούν να ενταφιασθούν ή να ποντισθούν, δηλαδή μπορούν να είναι συνεχώς υπό την επίδραση του εδάφους και του νερού, χωρίς αυτό να επηρεάζει τη λειτουργία τους. Ανάλογα με την τάση του δικτύου διακρίνουμε τα παρακάτω είδη καλωδίων: Καλώδια χαμηλής τάσης (ΧΤ): U n <1kV Καλώδια μέσης τάσης (ΜΤ): 1 kv< U n <45 kv Καλώδια υψηλής τάσης (ΥΤ): U n >60 kv όπου U n η ονομαστική τάση δικτύου. Τα καλώδια μεταφοράς και διανομής ταξινομούνται κατά IEC σύμφωνα με τις ονομαστικές τάσεις U 0 /U και U m όπου: U 0 : Η ενεργή φασική τάση μεταξύ αγωγού και γης ή μεταξύ αγωγού και μεταλλικού κελύφους (ομόκεντρου αγωγού, μηχανικής ενίσχυσης, μεταλλικού μανδύα) U: Η ενεργή πολική τάση μεταξύ των αγωγών ( ) U m : Η μέγιστη επιτρεπόμενη ενεργή πολική τάση μεταξύ των αγωγών. Τα καλώδια μπορούν να είναι μονοπολικά (L1), τριπολικά (L1, L2, L3) ή τετραπολικά (L1, L2, L3, N). Τα καλώδια με πάνω από 1kV ονομαστική τάση για τριφασικά συστήματα κατασκευάζονται ως επί το πλείστον, όχι με τέσσερις 52

53 αγωγούς, δηλαδή τρεις φάσεις και ουδέτερος, αλλά με τρεις αγωγούς. Οι αγωγοί περιβάλλονται από έναν κοινό μεταλλικό γειωμένο μανδύα ή μπορεί να υπάρχουν τρεις αγωγοί που ο καθένας τους περιβάλλεται από έναν αποκλειστικά δικό του μανδύα. Τα Σχήματα 2.5, 2.6 δείχνουν αντίστοιχα αυτές τις διατάξεις. Σχήμα 2.5: Τριφασικό σύστημα με τριπολικό καλώδιο, στο οποίο οι αγωγοί περιβάλλονται από κοινό μεταλλικό μανδύα.[12] Σχήμα 2.6.α: Τριφασικό σύστημα με τρία μονοπολικά καλώδια. Καθένας από τους τρεις αγωγούς περιβάλλεται από δικό του μανδύα, οι οποίοι γειώνονται και στα δύο άκρα των καλωδίων.[12] 53

54 Σχήμα 2.6.β: Τριφασικό σύστημα με τρία μονοπολικά καλώδια. Κάθε ένας από τους τρεις αγωγούς περιβάλλεται από δικό του μανδύα, οι οποίοι γειώνονται σε ένα μόνο άκρο των καλωδίων.[12] Καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσης και υψηλής τάσης Κατασκευαστικά στοιχεία καλωδίων Αγωγοί καλωδίων Οι αγωγοί είναι από τα πιο θεμελιώδη στοιχεία των καλωδίων, καθώς είναι αυτοί που μεταφέρουν την ενέργεια. Το υλικό των αγωγών είναι συνήθως ηλεκτροτεχνικός χαλκός (E-Cu) ή ηλεκτροτεχνικό αλουμίνιο (E-Al), όπου ο όρος E προδίδει ότι πρόκειται για τεχνικό υλικό υψηλής αγωγιμότητας. Το αλουμίνιο είναι φθηνότερο και ελαφρύτερο σε σχέση με το χαλκό, αλλά διαβρώνεται ευκολότερα εξαιτίας ηλεκτροχημικών δράσεων, έχει μικρότερη αγωγιμότητα και χαμηλότερη μηχανική αντοχή. Όσον αφορά την ευκαμψία, οι αγωγοί χαρακτηρίζονται κατά IEC ως μονόκλωνοι (U), πολύκλωνοι (V), υψηλής ευκαμψίας πολύκλωνοι (K) και υπερύψηλης ευκαμψίας (F). Εξετάζοντας τη διατομή των αγωγών, αυτή είναι είτε κυκλική (r) είτε κυκλικού τομέα (s), με διατομές μεγαλύτερες από 35mm 2 να σπανίζουν για τον κυκλικό τομέα. Οι κυκλικές διατομές μπορεί να είναι συμπαγείς μέχρι και 16mm 2 για ηλεκτροτεχνικό χαλκό και μέχρι 50mm 2 για ηλεκτροτεχνικό αλουμίνιο. Όταν έχουμε μεγαλύτερες διατομές, οι αγωγοί πρέπει να γίνονται πολύκλωνοι για λόγους ευκαμψίας. Όσον αφορά στους αγωγούς με διατομή κυκλικού τομέα γίνονται μονόκλωνοι και για μεγαλύτερες διατομές (π.χ. μέχρι διατομές 240mm 2 για ηλεκτροτεχνικό αλουμίνιο). 54

55 Στο ελληνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας των 150kV χρησιμοποιούνται αγωγοί διατομής 150, 250, 310, 500 και 650mm 2 για E-Cu και 600, 700, 800 και 1000mm 2 για E-Al. Εξοικονόμηση όγκου επιτυγχάνεται με τη χρήση αγωγών διατομής κυκλικού τομέα ή με συμπίεση των κλώνων (συρματιδίων) σε πολύκλωνους αγωγούς. Η γεωμετρική διατομή του αγωγού μειώνεται με τη συμπίεση, χωρίς την οποία η ενεργός διατομή θα ήταν 78% της γεωμετρικής. Η διαδικασία αυτή γίνεται συνήθως για διατομές μεγαλύτερες από 35mm 2. Για να μειωθεί η αντίσταση όταν έχουμε εναλλασσόμενο ρεύμα σε μεγάλες διατομές, η διατομή του αγωγού κάθε φάσης πρέπει να διαμορφώνεται σε επιμέρους πολύκλωνους κυκλικούς τομείς. Ως αποτέλεσμα, έχουμε μείωση των απωλειών λόγω επιδερμικού φαινομένου (αγωγοί Milliken). Στο Σχ.2.7 φαίνονται οι μορφές που μπορεί να έχει η διατομή ενός αγωγού. Σχήμα 2.7: Αγωγοί καλωδίων: 1) Πλήρης στρογγυλή διατομή (r), 2) Πλήρης κυκλικός τομέας (s), 3) Πολύκλωνη στρογγυλή διατομή (rm), 4) Πολύκλωνη, στρογγυλή, συμπιεσμένη διατομή (rm/v), 5) Πολύκλωνος κυκλικός τομέας (sm), 6) Πολύκλωνη, στρογγυλή διατομή, συμπιεσμένη με κανάλι ψύξης (rm/v h), 7) Διατομή με επιμέρους τομείς, μονωμένους, για μείωση του επιδερμικού φαινομένου, με κανάλι ψύξης στο κέντρο.[12] Η ποιότητα του αγωγού χαρακτηρίζεται μεταξύ άλλων και από την αντίσταση στο συνεχές ρεύμα, σε θερμοκρασία 20 ο C. Αυτό το χαρακτηριστικό αποτελεί την αφετηρία των υπολογισμών της αντίστασης κατά τη λειτουργία του καλωδίου. Επίσης, πρέπει να ληφθεί υπόψη η επίδραση των παρακάτω μεγεθών: 1. Η κατεργασία του αγωγού. 2. Η συστροφή των σωματιδίων σε πολύκλωνους αγωγούς. 3. Η συστροφή του αγωγού κάθε φάσης. 4. Η θερμοκρασία. 55

56 5. Το επιδερμικό φαινόμενο. 6. Το φαινόμενο προσέγγισης Εξομαλυντικά στρώματα Τα εξομαλυντικά στρώματα εφαρμόζονται σε πολύκλωνα καλώδια μέσης και υψηλής τάσης πάνω σε αγωγούς που εμφανίζουν ανώμαλη επιφάνεια, επιφέροντας με αυτόν τον τρόπο μία αξιοσημείωτη εξομάλυνση του ηλεκτρικού πεδίου (Σχ.2.8) και κατά συνέπεια ανύψωση της τάσης αντοχής του καλωδίου. Εξαιτίας της ανωμαλίας που παρουσιάζει η επιφάνεια των πολύκλωνων αγωγών, η πεδιακή ένταση (που μετριέται σε kv/mm) στην επιφάνειά τους είναι αυξημένη εν συγκρίσει με τους μονόκλωνους. Με σκοπό τον περιορισμό της, τοποθετούνται μεταξύ των αγωγών και της μόνωσης στρώματα από ημιαγώγιμα υλικά, όπως χαρτί με γραφίτη ή πλαστικά με γραφίτη. Τα ημιαγώγιμα αυτά στρώματα εξασφαλίζουν τη μη δημιουργία κενών μεταξύ αγωγού και μόνωσης, τα οποία θα οδηγούσαν σε ηλεκτρικές εκκενώσεις και βαθμιαία καταστροφή της μόνωσης, ενώ επιπρόσθετα μειώνουν τη θερμική και μηχανική καταπόνησή της κατά τη διάρκεια των βραχυκυκλωμάτων. Σχήμα 2.8: Επίδραση των εξομαλυντικών στρωμάτων στη μορφή του ηλεκτρικού πεδίου ενός πολύκλωνου αγωγού.[12] 56

57 Μόνωση Όπως είναι φανερό, το είδος και το πάχος του μονωτικού υλικού προσδιορίζουν την ηλεκτρική αντοχή του καλωδίου σε τάση, καθώς και την επιτρεπόμενη ένταση του ρεύματος φόρτισης του αγωγού. Το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας την οποία αντέχει το μονωτικό. Η επιλογή του είδους της μόνωσης γίνεται ανάλογα με την εφαρμογή, λαμβάνοντας υπόψη τις ηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες, καθώς και τη δυνατότητα εύκολης εγκατάστασης του καλωδίου, σε σχέση με την ευκαμψία του ή τη μηχανική αντοχή του. Οι μονωτικές ιδιότητες στα καλώδια χαρακτηρίζονται κυρίως από τη διηλεκτρική αντοχή σε kv/mm, την ωμική αντίσταση του υλικού, το συντελεστή απωλειών tanδ και το επίπεδο των μερικών εκκενώσεων, οι οποίες προκαλούν διάβρωση του υλικού και καταστροφή του. Στον Πίνακα 2.2 προσδιορίζονται οι συνεχείς και οι παροδικά επιτρεπόμενες θερμοκρασίες για διάφορα είδη μονωτικών υλικών. Πίνακας 2.2: Μονωτικά καλωδίων με συνεχείς/παροδικές επιτρεπόμενες θερμοκρασίες Πιο κάτω επισημαίνονται τα υπέρ και τα κατά για τρία συχνά χρησιμοποιούμενα μονωτικά υλικά: το PVC, το PE και το XLPE. Πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) Το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) κατατάσσεται στην κατηγορία των θερμοπλαστικών πολυμερών. Στην αρχική του μορφή είναι διαθέσιμο σαν ένα σχετικά άκαμπτο, σκληρό, λευκό υλικό, το οποίο για να χρησιμοποιηθεί ως μονωτικό καλωδίων προσμιγνύεται με αδρανή υλικά, ελαστικοποιητές, 57

58 σταθεροποιητές, χρώματα και υλικά που μειώνουν την τριβή. Αδρανή σε σκόνες, όπως κιμωλία, προσμιγνύονται στο PVC για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας και για ευκολότερη επεξεργασία, ενώ οι ελαστικοποιητές είναι έλαια, τα οποία όταν προσμιγνύονται ελαττώνουν τις ενδομοριακές τριβές και το καθιστούν ελαστικό ακόμα και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (-10 ο C). Οι σταθεροποιητές δυσχεραίνουν την αποσύνθεση των μακρομορίων του PVC από το φως και τη θερμότητα. Ένα μειονέκτημα του PVC είναι ότι έχει υψηλές διηλεκτρικές απώλειες (tanδ=10-2 ). Επομένως, εφόσον αυτές εξαρτώνται από το τετράγωνο της εφαρμοζόμενης τάσης, χρησιμοποιείται σε τάσεις μέχρι 5,8-10kV. Στις χαμηλές θερμοκρασίες είναι αρκετά εύθραυστο, ενώ σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως σε περίπτωση πυρκαγιάς, διασπάται και σχηματίζεται υδροχλωρίδιο, το οποίο ναι μεν δρα ανασταλτικά στην εξάπλωση της πυρκαγιάς, είναι από την άλλη πολύ τοξικό και οξειδωτικό. Ένα πλεονέκτημα του PVC είναι το ότι είναι εξαιρετικά ανθεκτικό σε χημικές προσβολές και στην υγρασία και λόγω αυτού του προτερήματος, τα καλώδια που το χρησιμοποιούν ως διηλεκτρικό μέσο μπορούν να τοποθετηθούν στο έδαφος, χωρίς πρόσθετη προστασία, με μεγάλο προσδόκιμο ζωής. Η μέγιστη συνεχώς επιτρεπόμενη θερμοκρασία στο PVC είναι 60 έως 70 ο C εξαρτώμενη από την τάση. Για τους χρόνους που διαρκούν τα βραχυκυκλώματα, η μέγιστη βραχυχρόνια επιτρεπόμενη θερμοκρασία είναι 170 ο C. Πολυαιθυλένιο (PE) Το πολυαιθυλένιο (PE) είναι επίσης θερμοπλαστικό πολυμερές, το οποίο χρησιμοποιείται εκτεταμένα σε διάφορες εφαρμογές. Πολύ σημαντικό προτέρημά του είναι το ότι έχει χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες (tanδ=10-4 ). Το χαρακτηριστικό αυτό επιτρέπει τη χρησιμοποίησή του στη μέση τάση. Επιπλέον, είναι φθηνό, χημικά και μηχανικά ανθεκτικό, παρουσιάζει σχεδόν μηδενική απορρόφηση υγρασίας και η θερμοκρασιακή του συμπεριφορά είναι όμοια με του PVC (70 ο C συνεχώς). Αντιθέτως, μειονεκτήματα του είναι ότι συντηρεί τη φλόγα και το ότι διογκώνεται όταν έρχεται σε επαφή με μονωτικό λάδι. Επίσης, ο θερμοκρασιακός συντελεστής διαστολής είναι μεγάλος. Τέλος, προσβάλλεται από την υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία το αποικοδομεί. Δικτυωμένο πολυαιθυλένιο (XLPE) Το δικτυωμένο πολυαιθυλένιο (XLPE) προκύπτει με δικτύωση των μορίων του πολυαιθυλενίου. Η επεξεργασία αυτή το καθιστά χρησιμοποιήσιμο σε διαρκείς θερμοκρασίες 90 ο C. Βραχυχρόνια κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων επιτρέπεται να καταπονηθεί μέχρι 250 ο C. Το δικτυωμένο πολυαιθυλένιο, εκτός της αυξημένης αντοχής του σε υψηλές θερμοκρασίες, παρουσιάζει επιπλέον σε σχέση με το πολυαιθυλένιο και μία βελτιωμένη αντίσταση στη δημιουργία ρωγμών, όταν επιβάλλονται σε αυτό μηχανικές 58

59 τάσεις. Τέλος, εμφανίζει μία αυξημένη αντοχή στην επίδραση χημικών ουσιών, που ενδεχομένως προσβάλλουν την επιφάνειά του Μανδύας Ο μανδύας είναι ένας αγωγός με τον οποίο περιβάλλονται τα καλώδια μέσης και υψηλής τάσης. Οι μεταλλικοί μανδύες γειώνονται στα δύο άκρα τους, ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης τάσης ως προς τη γη υπό κανονική λειτουργία. Επιπλέον, μέσω του γειωμένου αυτού αγωγού ρέουν τα χωρητικά ρεύματα και τα ρεύματα των βραχυκυκλωμάτων διά μέσου μικρής αντίστασης και κατά τρόπο ελεγχόμενο. Με αυτόν τον τρόπο, δεν υπάρχει κίνδυνος να τεθούν υπό τάση τα περί το καλώδιο τμήματα της εγκατάστασης σε περίπτωση σφάλματος. Ο αγωγός αυτός παίζει συχνά και ρόλο προστατευτικού στρώματος κατά την εισβολή της υγρασίας, ή άλλων χημικών επιδράσεων έξω από τη μόνωση. Τέλος, κατασκευάζεται ως επί το πλείστον από μόλυβδο ή αλουμίνιο. Το αλουμίνιο προσδίδει στο καλώδιο μηχανική αντοχή έναντι εξωτερικών αιτίων, αυξημένη αντοχή στους κραδασμούς, υψηλότερη αγωγιμότητα. Απεναντίας, δεν είναι εύκαμπτο και έχει ευαισθησία στη διάβρωση. Αντίθετα, ο μόλυβδος είναι εύκαμπτος, δεν επιτρέπει τη διείσδυση της υγρασίας και αντέχει σε χημικές επιδράσεις του εδάφους. Έχει όμως το μειονέκτημα ότι δεν αντέχει σε κραδασμούς, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ρωγμών. Σε καλώδια τάσης <3,5 kv επιτρέπεται να χρησιμοποιηθεί η μηχανική ενίσχυση ως γειωμένος αγωγός (μανδύας), αρκεί αυτή να έχει κατάλληλη αγωγιμότητα Μηχανική ενίσχυση Κάτω από ειδικές συνθήκες, τα καλώδια μπορεί να καταπονούνται μηχανικά και να καταστραφούν. Η μηχανική ενίσχυση των καλωδίων είναι ένα περίβλημα από ατσάλινα σύρματα ή ταινίες, που προστατεύει το καλώδιο από τις όποιες μηχανικές καταπονήσεις δέχεται κατά τη μεταφορά, εγκατάσταση και λειτουργία του. Αυτές οι ταινίες έχουν μερικά εκατοστά πλάτος και είναι τυλιγμένες αντίστροφα η μία ως προς την άλλη, ώστε να επικαλύπτει η μία τα κενά της άλλης. Το πάχος τους εκλέγεται ανάλογα με τη διάμετρο του καλωδίου και είναι της τάξης του 0,1-1mm. Επίσης, μεταξύ της ενίσχυσης και του μανδύα τοποθετούνται στρώματα από πλαστικές ταινίες και ίνες με πίσσα, ώστε να μην πληγώνεται ο δεύτερος από τα χαλύβδινα σύρματα της ενίσχυσης. Κλείνοντας, σε καλώδια με μανδύες από αλουμίνιο, ή σε καλώδια με πλαστική μόνωση, συχνά η αντοχή σε εφελκυσμό είναι τόσο μεγάλη, ώστε δεν απαιτείται πρόσθετη μηχανική ενίσχυση. 59

60 Εξωτερικό προστατευτικό στρώμα Το εξωτερικό προστατευτικό στρώμα των καλωδίων χρησιμοποιείται για θωράκιση από την υγρασία και κατασκευάζεται από συνθετικό PVC, μόλυβδο ή ίνες γιούτας με πίσσα, με το μόλυβδο να παίζει ταυτόχρονα το ρόλο του μανδύα. Σε καλώδια με μηχανική ενίσχυση υπάρχουν προστατευτικά στρώματα ανάμεσα στο μεταλλικό μανδύα και τη μηχανική ενίσχυση και επιπρόσθετα στρώματα έξω από τη μηχανική ενίσχυση. Στην προστασία με ίνες (φυτικές ή συνθετικές ή υαλοίνες) εμποτισμένες με πίσσα, συνηθίζεται να τοποθετούνται πλαστικές ταινίες μεταξύ τους, με σκοπό τη δημιουργία φραγμάτων για την υγρασία. Επιπλέον, το καλώδιο επικαλύπτεται με σκόνη κιμωλίας ή με ταλκ για να μην κολλάει πάνω στο τύμπανο που ευρίσκεται κατά τη μεταφορά του και να μη δυσχεραίνεται η εγκατάστασή του. Σε καλώδια με μανδύα από αλουμίνιο ή χάλυβα γίνεται χρήση προστατευτικών στρωμάτων από PVC ή πολυαιθυλένιο. Οι μεταλλικοί μανδύες περιβάλλονται κατ αρχήν με αυτοβουλκανιζόμενες αυτοκόλλητες ταινίες μερικών χιλιοστών πάχους και ακολούθως συμπιέζεται πάνω τους ένας μανδύας χωρίς ραφή από PVC ή πολυαιθυλένιο πάχους 4-6mm Καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης με μόνωση εξαφθοριούχου θείου (SF6) Γενικά Οι γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής και υπερύψηλης τάσης με μόνωση εξαφθοριούχο θείο (SF6) ή μίγματος εξαφθοριούχου θείου και αζώτου (SF6-N2) αποτελούν έναν πρωτοποριακό τρόπο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Έτσι λοιπόν, στις περιπτώσεις όπου το περιβάλλον δεν προσφέρεται για εναέρια μεταφορά και όταν είναι αδύνατο να στηριχθούν οι εναέριοι αγωγοί εξαιτίας μεγάλων ανοιγμάτων, οι προαναφερθείσες γραμμές αποτελούν μία ζωτικής σημασίας λύση για τη μεταφορά ισχύος υπογείως χωρίς να παρουσιάζεται μείωση της μεταφορικής ικανότητας σε σχέση με μία εναέρια γραμμή μεταφοράς. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των καλωδίων με μόνωση SF6 είναι ότι λόγω της μεγάλης διατομής των αγωγών τους, παρουσιάζουν μικρότερα μεγέθη ωμικών απωλειών σε σύγκριση με άλλα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, όπως εναέριες γραμμές ή καλώδια με μόνωση από πλαστικό ή με μόνωση χαρτιού εμποτισμένο σε λάδι. Επίσης, το επίπεδο προστασίας του προσωπικού εργασίας της συγκεκριμένης γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ υψηλό λόγω της στερεάς μεταλλικής «περίφραξης» η οποία παρέχει αξιόπιστη προστασία. Έτσι, στην 60

61 περίπτωση που συμβεί κάποιο εσωτερικό σφάλμα, η μεταλλική «περίφραξη» είναι σε θέση να αποτρέψει τη βλάβη. Η παραπάνω δυνατότητα σε συνδυασμό με τις πολύ χαμηλές τιμές ηλεκτρομαγνητικού πεδίου επιτρέπει τη χρήση της γραμμής κοντά σε πυκνοκατοικημένες περιοχές καθώς και σε σιδηροδρομικές σήραγγες. Τέλος, λόγω των χαμηλών εγκάρσιων χωρητικοτήτων, οι γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με μόνωση SF6 δύναται να χρησιμοποιηθούν για μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, έως 100km χωρίς να είναι απαραίτητα μέτρα αντιστάθμισης. Ως επακόλουθο, μειώνεται σημαντικά το κόστος το κόστος λειτουργίας της εγκατάστασης Δομή Η βασική δομή ενός καλωδίου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με μόνωση αερίου παρουσιάζεται στο Σχ.2.9. Σχήμα 2.9: Δομή ενός καλωδίου μεταφοράς με μόνωση αερίου SF6 ή μίγματος αερίου SF6-N2. Τα βασικότερα τμήματα του καλωδίου παρουσιάζονται παρακάτω: Αγωγός Ο εσωτερικός σωληνοειδής αγωγός κατασκευάζεται από αλουμίνιο και είναι αυτός που μεταφέρει την ενέργεια. Είναι σε υψηλή τάση και εγκαθίσταται εντός μίας μεταλλικής «περίφραξης». Ο αγωγός συγκρατείται σε σταθερή θέση με τη βοήθεια στερεών μονωτικών υλικών υποστήριξης. Εξωτερικό μεταλλικό περίβλημα 61

62 Η μεταλλική «περίφραξη», δηλαδή το εξωτερικό περίβλημα της κατασκευής κατασκευάζεται από κράματα αλουμινίου, ως επί το πλείστον γειώνεται και χρησιμεύει ως οδός διαφυγής των χωρητικών ρευμάτων προς το έδαφος. Οι αγωγοί κάθε φάσης προστατεύονται από ξεχωριστά εξωτερικά περιβλήματα στην περίπτωση μονοφασικών καλωδίων. Μόνωση Ο χώρος μεταξύ του αγωγού και του εξωτερικού περιβλήματος εφοδιάζεται είτε με εξαφθοριούχο θείο είτε με μίγμα εξαφθοριούχου θείου και αζώτου υπό συγκεκριμένη πίεση. Αντιδιαβρωτικός μανδύας Στην περίπτωση που η εγκατάσταση των γραμμών μεταφοράς γίνεται απευθείας στο έδαφος, τότε για την αποφυγή της διάβρωσης του εξωτερικού περιβλήματος λόγω της υγρασίας, η μεταλλική «περίφραξη» επικαλύπτεται με ένα στρώμα μανδύα από πολυμερές υλικό, ο οποίος δρα ενάντια της διάβρωσης. 2.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εισαγωγή Στις περισσότερες χώρες ανά τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας, το συντριπτικά μεγαλύτερο ποσοστό του δικτύου μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτεται από εναέριες γραμμές. Παρ όλα αυτά, τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια να υπερτονιστούν τα πλεονεκτήματα των υπόγειων δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Στην κατεύθυνση αυτή κινείται και η οδηγία από την ICF CONSULTING προς την Ευρωπαϊκή Ένωση με τίτλο «Επισκόπηση των προοπτικών υπογείωσης των ηλεκτρικών δικτύων στην Ευρώπη». Πιο κάτω θα γίνει αναφορά στα σημαντικότερα στοιχεία αυτής της οδηγίας που εξυπηρετούν στη σύγκριση των δύο τρόπων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. 62

63 2.4.2 Τεχνικοί και οικονομικοί παράγοντες Υπόγεια καλώδια χρησιμοποιούνται σχεδόν σε όλες τις Ευρωπαϊκές χώρες, κυρίως σε κομμάτια των δικτύων μεταφοράς και διανομής σε αστικές περιοχές, όπως επίσης και σε χώρους οικολογικού ή ιστορικού ενδιαφέροντος, οι οποίοι πρέπει να διαφυλαχθούν. Παρ όλα αυτά, η υπογείωση των γραμμών μεταφοράς είναι ακριβότερη από τη χρησιμοποίηση εναέριων γραμμών για τους εξής κυρίως λόγους: Απαιτείται επιπρόσθετη μόνωση, καθώς τα καλώδια συχνά τοποθετούνται μόλις ένα μέτρο κάτω από το έδαφος. Χρειάζεται επιπλέον έκταση (περίπου 2000m 2 ) στα άκρα των καλωδίων, όπου αυτά πρέπει να συνδεθούν με τις εναέριες γραμμές. Η πρόσβαση στα σημεία που είναι θαμμένα τα καλώδια είναι ζωτικής σημασίας για τη συντήρηση και επισκευή τους και για αυτό το λόγο η έκταση πάνω από τα καλώδια δε δύναται να χρησιμοποιηθεί για αγροτικούς ή βιομηχανικούς σκοπούς. Σε ένα ήδη υπάρχον δίκτυο εναέριων γραμμών μεταφοράς, είναι πολύ δύσκολο και πολύπλοκο να ενσωματωθούν υπόγεια καλώδια λόγω της διαφοράς στην αντίσταση. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, είναι απαραίτητο να χωριστούν τα ενοποιημένα δίκτυα και να λειτουργήσουν ως μεμονωμένα, γεγονός το οποίο απαιτεί επιπλέον επενδύσεις ώστε να αυξηθεί η μετασχηματισμένη ενέργεια σε αυτά τα μεμονωμένα δίκτυα. Εξαιτίας των λόγων αυτών, η διαφορά κόστους ανάμεσα στις εναέριες γραμμές μεταφοράς και τα υπόγεια καλώδια δεν παραμένει η ίδια όσο αυξάνεται η μεταφορά ισχύος. Αντίθετα, όσο μεγαλώνει η ισχύς, το κόστος των υπόγειων καλωδίων αυξάνεται περισσότερο από το κόστος μίας αντίστοιχης εναέριας γραμμής. Για παράδειγμα, το κόστος κεφαλαίου υπογείων καλωδίων σε τάσεις μέχρι 90kV υπολογίζεται ότι είναι δύο φορές ακριβότερο από το αντίστοιχο για εναέριες γραμμές. Για τάσεις περί τα 225 kv, οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι τα υπόγεια καλώδια είναι τρεις φορές ακριβότερα, ενώ για τάσεις στα 400 kv είναι 10 φορές ακριβότερα. Από την άλλη μεριά, το κόστος λειτουργίας και συντήρησης των υπόγειων καλωδίων υπολογίζεται στο ένα δέκατο από το αντίστοιχο κόστος μίας εναέριας γραμμής μεταφοράς. Επιπλέον, εάν ληφθεί υπόψη ότι τα υπόγεια καλώδια έχουν χαμηλότερες απώλειες από τις εναέριες γραμμές, η διαφορά κόστους μειώνεται σημαντικά. Επίσης, αυτή τη στιγμή υπάρχει αξιοσημείωτο πλεόνασμα σε καλώδια στην αγορά. Το γεγονός αυτό έχει 63

64 οδηγήσει, σύμφωνα με τελευταίες έρευνες το κόστος για υπόγεια καλώδια να είναι μόνο 3-4 φορές ακριβότερο από το αντίστοιχο των εναέριων γραμμών. Τα υπόγεια καλώδια είναι ανθεκτικά σε ακραία καιρικά φαινόμενα και όπως είναι φυσικό δεν προκαλούν θανάτους ή τραυματισμούς από επαφή με τη γραμμή. Αντίθετα, βλάβες σε εναέριες γραμμές λόγω καταιγίδας αναφέρονται συχνά. Ένα ακόμα πλεονέκτημα των υπόγειων καλωδίων είναι ότι δεν προσβάλλουν την αισθητική των περιοχών που διασχίζουν αφού είναι κάτω από το έδαφος, σε αντίθεση με τις εναέριες γραμμές μεταφοράς. Με τα υπόγεια καλώδια τέλος εξομαλύνονται και οι αντιδράσεις τοπικών κοινωνιών που δεν επιθυμούν εναέριες γραμμές μεταφοράς στην περιοχή τους Ηλεκτρομαγνητικά πεδία Τις τελευταίες τρείς δεκαετίες, ένα σημαντικό πλήθος ερευνών έχουν πραγματοποιηθεί παγκοσμίως για να εξετάσουν εάν ο ηλεκτρισμός, και πιο συγκεκριμένα, η παρουσία ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (EMF) έχει δυσμενείς επιπτώσεις στην υγεία του ανθρώπου. Παρότι δεν υπάρχουν αδιάσειστα στοιχεία, υπάρχουν κάποιες επιστημονικές αποδείξεις που υποδηλώνουν ότι η υπερβολική έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορεί να είναι ζημιογόνα για την υγεία. Τα ηλεκτρικά πεδία παράγονται από την παρουσία δυναμικού (τάσης). Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η τάση τόσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό πεδίο. Τα ηλεκτρικά πεδία μετριούνται σε βολτς ανά μέτρο (V/m). Τα μαγνητικά πεδία παράγονται από το ρεύμα και όπως προηγουμένως, όσο μεγαλύτερο το ρεύμα, τόσο μεγαλύτερο το μαγνητικό πεδίο. Τα μαγνητικά πεδία μετριούνται σε μικροτέσλα (μt). Τα ηλεκτρικά πεδία δεν μπορούν να διαπεράσουν αντικείμενα και γενικότερα κατασκευές, σε αντίθεση με τα μαγνητικά πεδία, τα οποία διαπερνούν τα περισσότερα αντικείμενα. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει εκδώσει μία σύσταση όσον αφορά περιορισμούς στην έκθεση του ανθρώπου σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Σύμφωνα με αυτήν, τα όρια είναι 100μT για μαγνητικά πεδία και 5000 V/m για ηλεκτρικά πεδία. Επίσης όρια έχουν οριστεί για το ελάχιστο ύψος που πρέπει να έχουν οι εναέριες γραμμές μεταφοράς Σε κάποιες χώρες τέλος, η νομοθεσία απαγορεύει την κατασκευή νέων κατοικιών κοντά σε γραμμές μεταφοράς. Ένας μεγάλων πυλώνας γραμμής μεταφοράς 400kV παράγει περίπου 5-10μT ακριβώς κάτω από τη γραμμή και περίπου V/m. Αυτά τα 64

65 επίπεδα πέφτουν όσο μεγαλώνει η απόσταση από τη γραμμή. Για παράδειγμα, περί τα 25m μακριά από τον πυλώνα, το μαγνητικό πεδίο υπολογίζεται ότι είναι 5μT και το ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα σε 200 και 500V/m. Τα υπόγεια καλώδια παράγουν υψηλότερα μαγνητικά πεδία ακριβώς από πάνω τους στην επιφάνεια του εδάφους, σε σχέση με τις εναέριες γραμμές μεταφοράς. Αυτό είναι αναμενόμενο, καθώς η απόσταση μεταξύ του καλωδίου και του επιπέδου του εδάφους είναι μικρότερη από την αντίστοιχη των εναέριων γραμμών. Παραδείγματος χάρη, ένα υπόγειο καλώδιο 400kV παράγει περισσότερο από 30μT στο επίπεδο του εδάφους. Στα 2 μέτρα από το έδαφος το μαγνητικό πεδίο πέφτει στα 10μT και μειώνεται ταχύτατα όσο απομακρυνόμαστε από το καλώδιο. Τέλος, εξαιτίας των υλικών μόνωσης και του εδάφους, τα υπόγεια καλώδια δεν παράγουν καθόλου ηλεκτρικό πεδίο. 2.5 ΤΟ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το δίκτυο μεταφοράς της Δ.Ε.Η. στην Ελλάδα λειτουργεί υπό τάσεις 400kV, 150kV και 66kV. Τη σπονδυλική στήλη του διασυνδεδεμένου συστήματος μεταφοράς αποτελούν οι τρεις γραμμές διπλού κυκλώματος των 400kV, που μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια κυρίως από το σπουδαιότερο για τη χώρα μας ενεργειακό κέντρο παραγωγής της Δυτικής Μακεδονίας. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πως στην περιοχή αυτή παράγεται περί το 70% της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής της χώρας που εν συνεχεία μεταφέρεται στα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης της Κεντρικής και Νότιας Ελλάδας, στα οποία καταναλώνεται περίπου το 65% της ηλεκτρικής ενέργειας. Εκτός από τις εναέριες γραμμές μεταφοράς των 400kV, το διασυνδεδεμένο σύστημα μεταφοράς διαθέτει επιπλέον εναέριες και υπόγειες γραμμές των 150kV και υποβρύχια καλώδια των 150kV που συνδέουν τα νησιά του Ιονίου (Ζάκυνθο, Κεφαλονιά, Λευκάδα και Κέρκυρα) με το ηπειρωτικό σύστημα μεταφοράς, καθώς και μία υποβρύχια διασύνδεση της Κέρκυρας με την Ηγουμενίτσα στα 66kV. Στα τέλη του 2005 το σύστημα μεταφοράς περιελάμβανε επίσης 533 μετασχηματιστές και αυτομετασχηματιστές με συνολική ονομαστική ισχύ 41660MVA. Στα πλαίσια της ενεργειακής συνεργασίας μεταξύ των γειτονικών χωρών, το ελληνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι συνδεδεμένο με τα ηλεκτρικά συστήματα των βαλκανικών χωρών και πρόσφατα με το ηλεκτρικό σύστημα της Ιταλίας. Πιο συγκεκριμένα, η Ελλάδα διασυνδέεται με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Αλβανίας με δύο γραμμές μεταφοράς, μία των 400kV και μία των 150kV. Επιπλέον, η 65

66 διασύνδεση με τη Βουλγαρία αποτελείται από μία μοναδική γραμμή των 400kV, ενώ η διασύνδεση με την ΠΓΔΜ πραγματοποιείται με δύο γραμμές των 400kV. Η συνολική ονομαστική δυναμικότητα όλων αυτών των διασυνδέσεων είναι περί τα 4400MW. Επίσης, η επικοινωνία του ελληνικού με το ιταλικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται μέσω μιας διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος συνολικού μήκους 270 χιλιομέτρων, 163 από τα οποία είναι υποβρύχια, 400kV. Η συνολική ισχύς αυτής της διασύνδεσης ανέρχεται στα 500MW. Τέλος, το 2008 ολοκληρώθηκε η διασύνδεση μεταξύ του ελληνικού και του τουρκικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μίας εναέριας γραμμής μεταφοράς των 400kV με ονομαστική φαινόμενη ισχύ 2000MVA. Αξίζει να αναφερθεί ακόμα, ότι η Ελλάδα είναι μέλος της UCTE (Union for Coordination of Transmission of Electricity) και ως επακόλουθο το διασυνδεδεμένο σύστημα της Ελλάδας λειτουργεί σύγχρονα και παράλληλα με το υπόλοιπο διευρωπαϊκό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Το Ελληνικό δίκτυο διανομής μέσης τάσης αποτελείται από γραμμές των 22kV, 20kV, 15kV και 6.6kV, ενώ το αντίστοιχο δίκτυο χαμηλής τάσης από γραμμές των 380V και 220V. Στους Πίνακες 2.2 και 2.3 που παρατίθενται παρακάτω φαίνονται τα μήκη των δικτύων μεταφοράς και διανομής ανά τάση λειτουργίας και είδος δικτύου. Πίνακας 2.2: Δίκτυο μεταφοράς (km) ελληνικού συστήματος. [13] Πίνακας 2.3: Δίκτυο διανομής (km) ελληνικού συστήματος. [13] 66

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΕΙΔΗ ΚΑΙ ΑΙΤΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΤΙΣ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1 ΕΙΔΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Μία γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής και υπερύψηλης τάσης είναι δυνατόν να τεθεί εκτός λειτουργίας για διάφορους λόγους. Το χρονικό διάστημα, στο οποίο η γραμμή θα παραμείνει εκτός λειτουργίας, διαχωρίζει τα είδη των σφαλμάτων σε τρεις επιμέρους κατηγορίες, οι οποίες είναι το παροδικό, το μόνιμο και το παραμένον σφάλμα. Παροδικό σφάλμα: είναι το σφάλμα μιας γραμμής μεταφοράς, το οποίο τη θέτει εκτός λειτουργίας για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, της τάξης των μερικών δευτερολέπτων. Είναι δυνατόν, για παράδειγμα, να προκληθεί από ένα κλαδί δένδρου που θα ακουμπήσει τον αγωγό για κάποια δευτερόλεπτα σε περίπτωση κατά την οποία επικρατούν ισχυροί άνεμοι στην περιοχή. Μετά το πέρας αυτού του χρονικού διαστήματος, η γραμμή επανατίθεται σε λειτουργία χωρίς να είναι αναγκαία κάποια περαιτέρω επέμβαση από τη Δ.Ε.Η.. Μόνιμο σφάλμα: είναι το σφάλμα μίας γραμμής μεταφοράς, το οποίο τη θέτει εκτός λειτουργίας μόνιμα, λόγω μίας από τις αιτίες που αναφέρονται παρακάτω στο παρών κεφάλαιο. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να υπάρξει άμεση επέμβαση της Δ.Ε.Η., ώστε να εντοπιστεί η βλάβη στη συγκεκριμένη γραμμή, εν συνεχεία να επισκευαστεί και ύστερα να ξαναμπεί η γραμμή σε λειτουργία. Αυτό το είδος σφάλματος σε μία γραμμή μεταφοράς είναι και το πιο σημαντικό και παράλληλα το πιο επικίνδυνο για την αξιοπιστία της γραμμής μεταφοράς αλλά και γενικότερα της επιχείρησης ηλεκτρισμού. Παραμένον σφάλμα: είναι το είδος του σφάλματος μίας γραμμής μεταφοράς, το οποίο ορίζεται ως κάτι το ενδιάμεσο μεταξύ του παροδικού και του μόνιμου σφάλματος μίας γραμμής μεταφοράς 67

68 ηλεκτρικής ενέργειας. Εμφανίζεται όταν η γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης είναι εκτός λειτουργίας, γεγονός το οποίο συνάδει με ένα μόνιμο σφάλμα της γραμμής μεταφοράς, όμως μετά από την πάροδο κάποιου χρονικού διαστήματος, χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση εκ μέρους της Δ.Ε.Η., η γραμμή μεταφοράς επανατίθεται σε λειτουργία, γεγονός σύμφυτο με τα παροδικά σφάλματα. 3.2 ΑΙΤΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι ηλεκτρικές τάσεις που εμφανίζονται στις διάφορες θέσεις ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας έχουν τη δυνατότητα να διαχωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Α) Εκείνες οι τάσεις, οι οποίες εμφανίζονται υπό ομαλές συνθήκες λειτουργίας και ονομάζονται τάσεις ομαλής λειτουργίας του συστήματος. Β) Εκείνες που εμφανίζονται σε ειδικές μόνο περιπτώσεις ή ανωμαλίες, οι οποίες δημιουργούνται λόγω διαφόρων αιτίων και λόγω του γεγονότος ότι κατά κανόνα παρουσιάζουν μεγαλύτερα πλάτη από τις προαναφερθείσες τάσεις ομαλής λειτουργίας ονομάζονται υπερτάσεις. Όπως είναι εύκολα κατανοητό, λόγω του γεγονότος ότι οι υπερτάσεις είναι πιο υψηλές από τις τάσεις ομαλής λειτουργίας, έχουν τη δυνατότητα να προκαλέσουν τις πιο σοβαρές διηλεκτρικές καταπονήσεις στις γραμμές μεταφοράς. Ως επακόλουθο, οι μονώσεις του συστήματος μεταφοράς σχεδιάζονται έτσι ώστε να είναι σε θέση να ανταπεξέλθουν σε τέτοιου είδους καταπονήσεις και έτσι είναι ως επί το πλείστον ισχυρότερες από τις μονώσεις εκείνες, οι οποίες απαιτούνται για την αντιμετώπιση των τάσεων ομαλής λειτουργίας. Οι υπερτάσεις λοιπόν, εγείρονται από συγκεκριμένα αίτια, όπως για παράδειγμα βλάβη στο υλικό της γραμμής μεταφοράς, κακές ατμοσφαιρικές συνθήκες (καταιγίδα), ρύπανση των μονωτήρων της γραμμής, υπερβολική καταπόνηση των διαφόρων μερών του συστήματος, ανθρώπινη ενέργεια, πυρκαγιά, κεραυνός. Όταν παρουσιάζεται κάποιο από αυτά τα αίτια ή συνδυασμός αυτών, δημιουργείται σφάλμα στο σύστημα, και συνεπακόλουθα στην τάση του, η οποία και αυξάνεται. Επειδή μερικές από τις υπερτάσεις μπορούν να λάβουν εξαιρετικά υψηλές τιμές, όπως αυτές που προέρχονται από κεραυνούς, η μόνωση έναντι 68

69 αυτών των υπερτάσεων γίνεται πολύ δαπανηρή ή ακόμα και αδύνατη. Για το λόγο αυτό, λαμβάνονται κάποια επιπλέον μέτρα τα οποία αποσκοπούν στη μείωση του μεγέθους των υπερτάσεων και αποκαλούνται έλεγχος των υπερτάσεων. Υπάρχουν παρ όλα αυτά κι άλλες αιτίες σφαλμάτων όπως είναι η περίπτωση ενός μονωτήρα, η επιφάνεια του οποίου παρουσιάζει ένα ορισμένο τύπο ρύπανσης, κατά την οποία, η τάση ομαλής λειτουργίας, εξαιτίας της συνεχούς εφαρμογής της, αποτελεί πιο σοβαρή καταπόνηση από μία παροδική υπέρταση. Ως αποτέλεσμα, ο σχεδιασμός της μόνωσης την οποία θα πρέπει να έχει κάθε θέση και κάθε στοιχείο του συστήματος μεταφοράς γίνεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε αυτή να αντέχει στην πιο κρίσιμη και υπερβολική καταπόνηση στην οποία υπάρχει και η πιθανότητα να εκτεθεί σε κάποια μελλοντική στιγμή της λειτουργίας του. Ο σχεδιασμός λοιπόν της μόνωσης πρέπει να αρχίζει με τον καθορισμό των ηλεκτρικών καταπονήσεων. Το πόσο σημαντική είναι μία καταπόνηση δεν εξαρτάται μόνον από το εύρος της επιβαλλόμενης τάσης, αλλά και από τη διάρκεια και τη μορφή της. Η συμπεριφορά μίας μόνωσης, όταν αυτή υποβάλλεται σε κάποιον ορισμένο τύπο τάσης ονομάζεται απόκριση της μόνωσης. Η απόκριση της μόνωσης αποτελεί ένα καθαρά εμπειρικό, ηλεκτρικό μέγεθος, το οποίο καθορίζεται με δοκιμές στα εργαστήρια υψηλών τάσεων. Οι δοκιμές αυτές γίνονται έτσι ώστε να διαμορφωθεί η μόνωση με τα καλύτερα δυνατά υλικά, έτσι ώστε όταν θα υποβληθεί στις τάσεις που θα την καταπονούν να μη συμβαίνει ηλεκτρική διάσπαση της μόνωσης είτε καθόλου είτε με μικρότερη συχνότητα από τη μέγιστη αποδεκτή, η οποία και καθορίζεται από τον κατασκευαστή, αλλά και από τις απαιτήσεις οι οποίες υπάρχουν και αφορούν την εύρυθμη και παράλληλα αποτελεσματική λειτουργία του εν λόγω συστήματος αναφοράς. Ως επακόλουθο, για τη σωστή σχεδίαση των μονώσεων ενός συστήματος, είναι αναγκαία η γνώση των υπερτάσεων που αναμένεται να επιβληθούν σε αυτό. Οι υπερτάσεις, ανάλογα με τις αιτίες που τις προκαλούν, διακρίνονται στις εξής ακόλουθες κατηγορίες: Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις αυτές, έχουν σαν πηγή τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις και πιο συγκεκριμένα τις εκκενώσεις νέφουςγης, δηλαδή τους κεραυνούς. Εσωτερικές υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις αυτές δημιουργούνται συνήθως από εσωτερικές διαταραχές της ομαλής λειτουργίας του συστήματος. Οι εσωτερικές υπερτάσεις υποδιαιρούνται σε δύο ακόμα κατηγορίες, ανάλογα με το μηχανισμό από τον οποίο δημιουργούνται, αλλά και με βάση 69

70 άλλα χαρακτηριστικά τους όπως είναι η διάρκεια και το μέγεθός τους. Αυτές οι κατηγορίες είναι οι εξής: 1. Δυναμικές υπερτάσεις. 2. Μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών. Οι δυναμικές υπερτάσεις έχουν σχετικά μικρό εύρος αλλά μεγάλη διάρκεια, η οποία κυμαίνεται από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέχρι αρκετά λεπτά. Η μορφή κάποιων από αυτές μπορεί να είναι παρόμοια με τη μορφή της τάσεως λειτουργίας. Στις πλείστες των περιπτώσεων παρ όλα αυτά, έχουν τη μορφή μιας αποσβενυμμένης ταλάντωσης με ιδιαίτερη συχνότητα. Οι δυναμικές υπερτάσεις, παρόλο που για δίκτυα υψηλής τάσεως, μέχρι 300kV και υπερύψηλης τάσης kv δεν αντιπροσωπεύουν επικίνδυνες καταπονήσεις για τις μονώσεις, παίζουν σημαντικό ρόλο ωστόσο στην εκλογή των συσκευών προστασίας και με αυτό τον τρόπο καθορίζουν έμμεσα τη μόνωση των πιο δαπανηρών τμημάτων του συστήματος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών προκαλούνται κυρίως από διακοπτικά φαινόμενα. Έχουν διάρκεια πολύ μικρότερη από τις δυναμικές υπερτάσεις (μερικές εκατοντάδες μs μέχρι μερικά ms) αλλά κατά κανόνα σημαντικά μεγαλύτερο εύρος. Εντούτοις, τα πλάτη τους σχετίζονται πάντα με την τάση λειτουργίας και η μορφή τους επηρεάζεται από τις εκάστοτε εμπεδήσεις του συστήματος όπως επίσης και από τις διακοπτκές συνθήκες. Η κυματομορφή αυτού του είδους υπέρτασης μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνη στα διάφορα συστήματα μόνωσης, ειδικά στη μόνωση ατμοσφαιρικού αέρα σε συστήματα μεταφοράς με επίπεδα τάσης υψηλότερα από 245 kv. Σχήμα3.1: Γενική μορφή διακοπτικών κρουστικών τάσεων.[10] 70

71 Το Σχήμα 3.1 απεικονίζει την κλίση ενός διακοπτικού κρουστικού παλμού. Ο χρόνος Τ 2 ονομάζεται χρόνος ημίσεως πλάτους και ορίζεται ως ο χρόνος από την εκκίνηση της υπέρτασης έως τη στιγμή που αυτή θα φτάσει μειούμενη το 50% της τιμής κορυφής. Ο χρόνος κορυφής Τ p είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της εκκίνησης και της στιγμής που η τάση έχει φθάσει τη μέγιστη τιμή της. Αυτός ο ορισμός θα μπορούσε να επικριθεί, καθώς είναι δύσκολο να εδραιωθεί η πραγματική τιμή κορυφής με υψηλή ακρίβεια. Μία επιπρόσθετη παράμετρος είναι επομένως ο χρόνος T d, δηλαδή ο χρόνος παραμονής πάνω από το 90% της τιμής κορυφής. Σύμφωνα με την τυποποίηση IEC 60, ο τυποποιημένος διακοπτικός κρουστικός παλμός έχει χρονικές παραμέτρους (συμπεριλαμβανόμενων των ανοχών): T p =250μs±20% T 2 =2500μs±60% και κατά συνέπεια περιγράφεται σαν ένας 250/2500 κρουστικός παλμός. Αντιθέτως, οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι σχεδόν ανεξάρτητες από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού συστήματος. Για το λόγο αυτό, στα συστήματα χαμηλότερης τάσης (μέχρι 300 kv), οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι πιο κρίσιμες από τις μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών και έτσι η σχεδίαση της μόνωσης γίνεται με βάση τα χαρακτηριστικά τα οποία προκύπτουν από τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Καθώς όμως η τάση του δικτύου αυξάνει, υπάρχει ένα όριο πέρα από το οποίο οι υπερτάσεις χειρισμών είναι περισσότερο κρίσιμες από τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις και έτσι η σχεδίαση της μόνωσης θα πρέπει να γίνεται βάσει των υπερτάσεων χειρισμών. Το γεγονός ότι ο αέρας, σαν μονωτικό υλικό εμφανίζεται πολύ ασθενέστερος έναντι των υπερτάσεων χειρισμών παρά των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων, συμβάλλει στην αύξηση της κρισιμότητας των καταπονήσεων που προκαλούν οι υπερτάσεις χειρισμών. 3.3 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΕΣ ΤΟΥΣ Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται στα δίκτυα από τα ηλεκτρικά φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια των καταιγίδων. Παρόλο που οποιαδήποτε μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου στην ατμόσφαιρα, όπως για παράδειγμα είναι η εξουδετέρωση δύο ετερόσημων φορτίων με μια εκκένωση εσωτερική του νέφους ή δύο γειτονικών νεφών, έχει τη δυνατότητα να επάγει μία τάση στο ηλεκτρικό δίκτυο, οι μόνες επικίνδυνες για τη μόνωση και άρα για την ομαλή και αξιόπιστη λειτουργία των δικτύων 71

72 υψηλής και υπερύψηλης τάσης είναι οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις που προκαλούνται από κεραυνικά φαινόμενα. Η υπέρταση που προκαλείται σε ένα δίκτυο από έναν κεραυνό, εξαρτάται, όπως είναι κατανοητό, από τον τρόπο με τον οποίο αυτός θα προσβάλλει το δίκτυο. Επομένως, διαφορετική είναι η υπέρταση, η οποία προκαλείται όταν ένας κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου, όπως είναι για παράδειγμα ένας αγωγός φάσης και διαφορετική όταν πλήττεται από τον κεραυνό ένας αγωγός προστασίας των φάσεων της γραμμής, ή ένας πύργος της γραμμής και ακόμα διαφορετική όταν πλήττεται το έδαφος γειτονικά προς το δίκτυο, με τη σημαντικότητα των πληγμάτων να φθίνει όσο απομακρυνόμαστε από τις φάσεις των γραμμών μεταφοράς. Οι πιο σοβαρές και επικίνδυνες υπερτάσεις συμβαίνουν σε ένα δίκτυο, όταν πλήγματα ενός κεραυνού βάλλουν τους αγωγούς φάσης ή τους ζυγούς των υπαίθριων υποσταθμών. Τα πλάτη είναι πολύ υψηλά, συνήθως της τάξης των 1000 kv ή περισσότερο, καθώς κάθε πλήγμα μπορεί να εισάγει μέσα στη γραμμή μεταφοράς κεραυνικά ρεύματα μέχρι περίπου 100 ka κι ακόμα περισσότερο. Κάθε πλήγμα ακολουθείται τότε από οδεύοντα κύματα, των οποίων το πλάτος περιορίζεται συχνά από τη μέγιστη αντοχή της μόνωσης της εναέριας γραμμής. Ο ρυθμός ανόδου της τάσης ενός τέτοιου οδεύοντος κύματος είναι στην εκκίνησή του απευθείας ανάλογος της κλίσης του κεραυνικού ρεύματος, η οποία μπορεί να υπερβαίνει τα 100 ka/μs, και τα επίπεδα τάσης μπορούν απλά να υπολογιστούν από το ρεύμα πολλαπλασιαζόμενο με την ενεργό κυματική εμπέδηση της γραμμής. Τάσεις υπερβολικά υψηλών επιπέδων αποκόπτονται αμέσως λόγω κατάρρευσης της μόνωσης και, ως εκ τούτου, οδεύοντα κύματα με απότομα μέτωπα και ενίοτε πιο απότομα ουραία τμήματα μπορούν να καταπονήσουν σφοδρά τη μόνωση των μετασχηματιστών ισχύος ή άλλου εξοπλισμού υψηλής τάσης. Συστήματα κεραυνικής προστασίας, απαγωγείς υπερτάσεων και οι διαφόρων ειδών απώλειες θα αποσβέσουν και θα παραμορφώσουν τα οδεύοντα κύματα και, επομένως, μέσα στο σύστημα μεταφοράς είναι παρούσες κεραυνικές υπερτάσεις με πολύ διαφορετικές κυματομορφές. 72

73 Σχήμα 3.2: Γενική μορφή και ορισμοί κεραυνικών κρουστικών (ΚΚ) τάσεων. (α) Πλήρης ΚΚ παλμός. (β) ΚΚ παλμός αποκομμένος επί του ουραίου τμήματος. (γ) ΚΚ παλμός αποκομμένος επί του μετώπου.[10] Μία χαρακτηριστική μορφή κεραυνικής κρουστικής τάσης φαίνεται στο Σχήμα 3.2.(α). Οι διάφορες εθνικές και διεθνείς τυποποιήσεις καθορίζουν την κρουστική τάση σαν μία μονοπολική τάση η οποία ανέρχεται κατά το μάλλον ή ήττον γρήγορα σε μία τιμή κορυφής και ακολούθως φθίνει σχετικά αργά στο μηδέν. Θα πρέπει να τονιστεί ότι η «κατ ουσίαν ή συμβατική εκκίνηση» Ο 1 ορίζεται στο σημείο όπου η ευθεία ΑΒ τέμνει τον άξονα του χρόνου. Ο «χρόνος μετώπου» Τ 1, και πάλι μία συμβατική παράμετρος, ορίζεται για πλήρεις ή αποκομμένους κεραυνικούς κρουστικούς παλμούς ως 1.67 φορές 73

74 το διάστημα Τ μεταξύ των στιγμών που ο παλμός είναι 30 επί τοις εκατό και 90 επί τοις εκατό της τιμής κορυφής. Για κρουστικούς παλμούς αποκομμένους στο μέτωπο ο «χρόνος αποκοπής» T c είναι περίπου ίσος με Τ 1. Η αιτία ορισμού του σημείου Α στο 30% του επιπέδου τάσης έγκειται στη δυσκολία να ληφθεί μία ομαλή κλίση στην πρώτη άνοδο της τάσης, καθώς τα συστήματα μέτρησης και επίσης οι παράσιτες χωρητικότητες και αυτεπαγωγές μπορούν να προξενήσουν ταλαντώσεις. Για τις περισσότερες εφαρμογές, ο (συμβατικός) χρόνος μετώπου Τ 1 είναι 1.2μs και ο (συμβατικός) χρόνος ημίσεως πλάτους Τ 2 είναι 50μs. Γενικά, οι προδιαγραφές επιτρέπουν μία ανοχή μέχρι ±30% για τον Τ 1 και ±20% για τον Τ 2. Τέτοιες κρουστικές τάσεις αναφέρονται ως Τ 1 /Τ 2 κρουστικοί παλμοί και, ως εκ τούτου, ο κρουστικός παλμός 1.2/50 είναι σήμερα η αποδεκτή τυποποίηση κεραυνικής κρουστικής τάσης. 74

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΜΟΝΩΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ένα από τα πιο σημαντικά και κρίσιμα θέματα για έναν ηλεκτρολόγο μηχανικό κατά τη σχεδίαση μιας γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι η πρόβλεψη και η σχεδίαση μιας αξιόπιστης μόνωσης της γραμμής από κεραυνικά πλήγματα. Είναι απολύτως λογικό, πως για να έχουμε μία σωστή και αξιόπιστη εκλογή μόνωσης, θα πρέπει η δαπάνη της αρχικής εγκατάστασης, προστιθέμενη στην πιθανή ζημία η οποία θα προκύψει από τυχόντα σφάλματα, να ελαχιστοποιηθεί. Σκεπτόμενοι προς αυτή την κατεύθυνση, η σχεδίαση της μόνωσης μιας γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, πραγματοποιείται ούτως ώστε να παρουσιάζεται στην γραμμή ένας προκαθορισμένος αριθμός σφαλμάτων ανά έτος. Όσον αφορά αστοχίες από κεραυνικά πλήγματα, ένα ή δύο σφάλματα από κεραυνούς το έτος ανά 100 χιλιόμετρα γραμμής μεταφοράς θα ήταν ένας ικανοποιητικός αριθμός. Επίσης, μία ανάλογη συχνότητα, όσον αφορά αστοχίες της μόνωσης οι οποίες προέρχονται από υπερτάσεις χειρισμών, θα μπορούσε να γίνει αποδεκτή. Οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις εγείρουν τους περισσότερους κινδύνους για ηλεκτρικά δίκτυα μεταφοράς φορτισμένα με τάση έως τα επίπεδα των 300 kv, ενώ για τα αντίστοιχα δίκτυα της υπερύψηλης τάσης, τις υψηλότερες και κρισιμότερες καταπονήσεις τις αποτελούν οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών. Επομένως, τα κεραυνικά πλήγματα είναι μία από τις κυριότερες αιτίες ύπαρξης μεγάλων προβλημάτων στα σύγχρονα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, προκαλώντας διαταραχές και διακοπές στην ηλεκτροδότηση. Παρ όλα αυτά, λόγω του τυχαίου χαρακτήρα των κεραυνικών πληγμάτων, είναι δύσκολο έως και ακατόρθωτο να δοθεί και να μελετηθεί ένα ντετερμινιστικό μοντέλο για την αντικεραυνική προστασία των γραμμών μεταφοράς. Ως εκ τούτου, πρέπει να προσεγγιστεί το πρόβλημα από στατιστικής σκοπιάς. 75

76 4.2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ Υπάρχουν τρεις κυρίαρχοι τρόποι, με τους οποίους ένας κεραυνός μπορεί να προκαλέσει υπέρταση και ως επακόλουθο προβλήματα σε μία γραμμή μεταφοράς. Αυτοί οι τρόποι είναι οι εξής: α. Από επαγωγή, εξ αιτίας κάποιου κεραυνού που πλήττει το έδαφος κοντά στην υπό μελέτη γραμμή, αλλά όχι την ίδια τη γραμμή. β. Με άμεσο πλήγμα του κεραυνού σε έναν αγωγό φάσης της γραμμής μεταφοράς. γ. Με πλήγμα στον αγωγό προστασίας. Παλαιότερα, επικρατούσε η πεποίθηση πως η πιθανότητα απευθείας πλήξης μίας γραμμής μεταφοράς από κεραυνό είναι απειροελάχιστη και δεν έχριζε μελέτης και αν παρ όλα αυτά συνέβαινε κάτι τέτοιο δεν υπήρχε δυνατότητα να προληφθεί και να απαλειφθεί το προκληθέν βραχυκύκλωμα στη γραμμή. Ως εκ τούτου, επικρατούσε η άποψη πως το σύνολο των ανωμαλιών που δημιουργούνταν στις γραμμές μεταφοράς οφείλονταν στην επαγωγή. Ύστερα όμως από επισταμένες μελέτες, οι ερευνητές ανακάλυψαν πως οι ανωμαλίες των γραμμών από κεραυνούς οφείλονται και σε άμεσα πλήγματα κεραυνών και άρχισαν να προτείνονται τρόποι για την προστασία των γραμμών μεταφοράς από τέτοιες περιπτώσεις. Επομένως, για να αντιμετωπιστούν τα βραχυκυκλώματα τα οποία προκαλούν οι κεραυνοί στα ηλεκτρικά δίκτυα μεταφοράς ενέργειας αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι. Σύμφωνα με την πρώτη μέθοδο, τοποθετούνται αγωγοί προστασίας σε κατάλληλες θέσεις πάνω από τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, οι οποίοι συλλέγουν τα άμεσα κεραυνικά πλήγματα, παρέχοντας έτσι προστασία στα ενεργά στοιχεία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά τη δεύτερη μέθοδο, αλεξικέραυνα συνδέονται ανάμεσα στα ενεργά στοιχεία του συστήματος και τη γη και επιτρέπουν στιγμιαία τη διοχέτευση του φορτίου του κεραυνού στη γη, όμως έπειτα διακόπτουν τη ροή του ρεύματος στη συχνότητα του δικτύου. Αλεξικέραυνα ή διαφορετικά απαγωγείς υπερτάσεων χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία των συσκευών των σταθμών Υπερτάσεις από επαγωγή Καθώς το κεραυνικό ρεύμα κατέρχεται προς το έδαφος που βρίσκεται κοντά σε κάποια γραμμή μεταφοράς, ένα ηλεκτρικό φορτίο αντίθετο με αυτό 76

77 του κεραυνικού ρεύματος συγκεντρώνεται στην περιοχή της γραμμής, η οποία πρόσκειται στον κεραυνό. Εάν αυτός ο κεραυνός δεν πλήξει τη γραμμή μεταφοράς, αλλά κάποιο σημείο το οποίο βρίσκεται εκτός της γραμμής μεν, πλησίον αυτής δε, θα σταματήσει να υπάρχει η αιτία της συσσώρευσης του προαναφερθέντος φορτίου και ως εκ τούτου αυτό το φορτίο θα διαχυθεί με τη μορφή δύο ίσων και αντίθετων κυμάτων ηλεκτρικού ρεύματος I προς τις απομακρυσμένες περιοχές της γραμμής από τις οποίες είχε πρωτύτερα προέλθει. Καθένα από αυτά τα ρεύματα I, όταν πολλαπλασιαστεί με την κυματική αντίσταση Z 0 της γραμμής μεταφοράς, μας δίνει μία δημιουργούμενη τάση: V=I Z 0 Επειδή παρ όλα αυτά το επαγόμενο φορτίο της γραμμής είναι πάντα σημαντικά μικρότερο από το αντίστοιχο φορτίο του κεραυνού- εξαρτάται βεβαίως και από την απόσταση που υπάρχει μεταξύ της γραμμής και του σημείου στο οποίο τελικά πέφτει ο κεραυνός- οι δύο εντάσεις ρεύματος I δεν είναι αρκετά μεγάλες ώστε η επαγόμενη τάση V να προκαλέσει κίνδυνο στις γραμμές μεταφοράς μέσης και υψηλής τάσης. Αντιθέτως, για γραμμές χαμηλής τάσης, η υπέρταση αυτού του τύπου είναι ικανή να προκαλέσει σημαντικές φθορές στη μόνωση της γραμμής. Η δημιουργία υπερτάσεων εξ επαγωγής από έμμεσο πλήγμα κεραυνού φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 4.1. Σχήμα 4.1: Δημιουργία υπερτάσεως εξ επαγωγής από έμμεσο πλήγμα κεραυνού.[11] 77

78 4.2.2 Υπερτάσεις από άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε αγωγό φάσης Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσης της γραμμής μεταφοράς, το συνολικό ρεύμα I 0 του κεραυνού χωρίζεται σε δύο ίσα ρεύματα τα οποία διαρρέουν τη γραμμή, με αφετηρία το σημείο στο οποίο έχει πληγεί η γραμμή από τον κεραυνό, προς αντίθετες κατευθύνσεις. Γενικά γίνεται αποδεκτό, ότι η τιμή του ρεύματος I 0 είναι η ίδια είτε ο κεραυνός πλήττει απευθείας τη γραμμή είτε πλήττει το έδαφος. Ως εκ τούτου, καθένα από αυτά τα δύο ρεύματα έντασης I 0 πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Z 0 της γραμμής μεταφοράς θα δώσει μία παραγόμενη υπέρταση, η οποία βρίσκεται από την εξής σχέση: ( ) Για να γίνει αντιληπτή η τάξη μεγέθους της παραγόμενης αυτής υπέρτασης στη γραμμή θα χρησιμοποιήσουμε ένα παράδειγμα. Έστω κεραυνός έντασης I 0 =28kA, ο οποίος πλήττει μία γραμμή με κυματική αντίσταση Z 0 =350Ω. Τότε θα έχουμε: ( ) Η παραγόμενη αυτή υπέρταση έχει τη δυνατότητα να διασπάσει τη μόνωση δικτύων υψηλής και υπερύψηλης τάσης. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την ανάγκη κάποιου είδους προστασίας των γραμμών και μία καλή λύση είναι η χρησιμοποίηση αγωγών προστασίας Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας και ανάστροφη διάσπαση Ένας αποτελεσματικός τρόπος ούτως ώστε να προληφθούν τα άμεσα πλήγματα των κεραυνών στους αγωγούς φάσης είναι η τοποθέτηση ενός ή δύο αγωγών προστασίας, οι οποίοι συνδέονται με τους μεταλλικούς πύργους. Αν τηρηθούν όλες οι προδιαγραφές και τοποθετηθούν σωστά οι αγωγοί προστασίας, το σύνολο των κεραυνών οι οποίοι θα έπλητταν τον αγωγό μίας φάσης συλλέγονται από τους αγωγούς προστασίας. 78

79 Η ένταση I 0 του ρεύματος του κεραυνού, χωρίζεται όπως και προηγουμένως σε δύο ίσα τμήματα έντασης I 0, τα οποία κατά τον ίδιο τρόπο ρέουν, από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος στον αγωγό προστασίας και σε αντίθετες μεταξύ τους κατευθύνσεις, έχοντας τη μορφή οδευόντων κυμάτων. Το αντίστοιχο κύμα της τάσης που προκαλείται από το κάθε ένα από αυτά τα κύματα ρεύματος θα είναι: ( ) με Z g να είναι η κυματική αντίσταση του αγωγού προστασίας. Εάν παραδεχθούμε την υπόθεση πως ο αγωγός προστασίας τερματίζει σε έναν μεταλλικό πύργο, χωρίς να συνεχίζεται από την άλλη μεριά του πύργου, τότε το ρεύμα έντασης I 0 θα περάσει διαμέσου του πύργου και της αντίστασης γείωσής του στη γη. Γενικά, ανακλάσεις με αντίθετο πρόσημο, οι οποίες λαμβάνουν χώρα στη βάση του πύργου υπερτίθενται στο προσπίπτων οδεύον κύμα της τάσης V προκαλώντας έτσι τη μείωσή του. Επειδή όμως αυτό το ρεύμα έντασης πύργου, αυτός αποκτά στιγμιαία την τάση: I 0 διαρρέει την αντίσταση γείωσης R του μεταλλικού ( ) Μία επιπρόσθετη υπερύψωση της τάσης V προκύπτει εξαιτίας της αυτεπαγωγής, την οποία έχει ο μεταλλικός πύργος και κυμαίνεται περίπου στα 20μΗ. Εξ άλλου, οι αγωγοί φάσης διατηρούν περίπου το δυναμικό της γης λόγω της χωρητικής τους ζεύξης με αυτήν. Ως εκ τούτου, συνυπολογίζοντας όλα τα παραπάνω, βλέπουμε ότι ανάμεσα στον μεταλλικό πύργο και στους αγωγούς των φάσεων εμφανίζεται η τάση V=I 0 R, η οποία αν είναι αρκετά υψηλή έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει διάσπαση της μόνωσης. Στην πραγματικότητα, η καταπόνηση αυτή είναι μικρότερη από την τιμή V=I 0 R εξαιτίας της ζεύξης μεταξύ των αγωγών προστασίας και των αγωγών φάσης. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάστροφη διάσπαση. Το μέγεθος της τάσης V=I 0 R εξαρτάται από το ρεύμα I 0 του κεραυνού καθώς και από την αντίσταση γείωσης R του μεταλλικού πύργου. Επομένως γίνεται εύκολα αντιληπτό, πως για να μειωθεί ο κίνδυνος της εμφάνισης ανάστροφων διασπάσεων πρέπει η αντίσταση γείωσης των πύργων να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Για να γίνει αντιληπτό αυτό το φαινόμενο, φέρνουμε πάλι ως παράδειγμα αυτό που χρησιμοποιήθηκε και νωρίτερα, δηλαδή έναν κεραυνό με ρεύμα έντασης I 0 =28kA, που αυτή τη φορά πλήττει έναν αγωγό προστασίας, και ως αντίσταση γείωσης του πύργου λαμβάνεται μία αντιπροσωπευτική τιμή 79

80 R=30Ω. Έτσι, η τάση που θα εμφανιστεί ανάμεσα στο μεταλλικό πύργο και στους αγωγούς των φάσεων θα είναι τώρα: και η μόνωση του πύργου θα είναι στις πλείστες των περιπτώσεων σε θέση να ανταπεξέλθει σε μία τέτοια τιμή της τάσης. Αν όμως το ρεύμα του κεραυνού είναι μεγαλύτερης έντασης, έστω I 0 =100 ka τότε αυτόματα αναπτύσσεται τάση της τάξης των 3000kV. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι εκτός από την αντίσταση γείωσης R των μεταλλικών πύργων, η πιθανότητα σφάλματος μιας γραμμής μεταφοράς από ανάστροφη διάσπαση εξαρτάται και από το εύρος των ρευμάτων των κεραυνών. Στην προηγούμενη ανάλυση, θεωρήσαμε ότι ο αγωγός προστασίας τον οποίο πλήττει ο κεραυνός τερματίζεται στον μεταλλικό πύργο και δεν συνεχίζεται μετά από αυτόν. Στην πραγματικότητα, όμως, κάτι τέτοιο δε συμβαίνει. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα έντασης I 0 το οποίο φτάνει στην κορυφή του πύργου να μη διοχετεύεται εξολοκλήρου στη γη μέσα από την αντίσταση γείωσης R του πύργου, αλλά μόνο ένα μέρος αυτού του ρεύματος να διοχετεύεται στη γη, ενώ το υπόλοιπο μέρος να συνεχίζει την πορεία του διαμέσου της συνέχειας του αγωγού προστασίας ή και μέσα από το δεύτερο αγωγό προστασίας, εφόσον αυτός υπάρχει. Για όλους τους προαναφερθέντες λόγους γίνεται φανερό ότι, για το σωστό και ακριβή υπολογισμό της έντασης του ρεύματος, το οποίο τελικά θα διοχετευθεί στη γη μέσα από την αντίσταση γείωσης R του πύργου, απαιτείται μία περισσότερο προσεκτική ανάλυση των δεδομένων συνθηκών, οι οποίες επικρατούν στην κορυφή του πύργου. Υπάρχει πιθανότητα να κριθεί απαραίτητη επιπλέον χρήση της θεωρίας μετάδοσης και ανάκλασης οδευόντων κυμάτων και η προσφυγή ακόμα και σε εμπειρικές παραδοχές, αφού πολλές από τις παραμέτρους, οι οποίες αφορούν την κατάσταση στην κορυφή του πύργου δεν είναι απόλυτα γνωστές. Για να γίνουν όλα τα παραπάνω περισσότερο σαφή, παρατίθεται ένα διάγραμμα, το οποίο και δείχνει την προστασία μίας γραμμής μεταφοράς με τη χρησιμοποίηση αγωγού προστασίας. 80

81 Σχήμα 4.2: Προστασία γραμμής μεταφοράς με αγωγό προστασίας.[11] 4.3 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΑΠΟ ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑ ΘΩΡΑΚΙΣΗΣ Όπως έχει καταστεί αντιληπτό από τα παραπάνω, τα μεγαλύτερα προβλήματα στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτουν όταν κάποιος κεραυνός πλήξει άμεσα έναν αγωγό φάσης της γραμμής. Για αυτόν το λόγο, χρησιμοποιούνται αγωγοί προστασίας, ώστε να έχουμε μεγαλύτερη θωράκιση των αγωγών φάσης και του συστήματος γενικότερα. Με την κατάλληλη τοποθέτηση των αγωγών προστασίας πάνω από τους αγωγούς φάσης επιτυγχάνουμε την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας P της άμεσης πλήξης ενός αγωγού φάσης. Προκύπτει λοιπόν ότι σε γραμμές μεταφοράς, οι οποίες είναι εφοδιασμένες με τους κατάλληλους αγωγούς προστασίας, η πλειοψηφία των αστοχιών και των σφαλμάτων που δημιουργούνται από κεραυνούς οφείλονται στο φαινόμενο των ανάστροφων βραχυκυκλωμάτων. Αντιθέτως, μόνο ένα μικρό ποσοστό αστοχιών οφείλεται σε κεραυνούς, οι οποίοι παρακάμπτοντας το σύστημα αγωγών προστασίας, κατάφεραν ένα άμεσο πλήγμα σε κάποιον 81

82 αγωγό φάσης. Αυτά ακριβώς τα σφάλματα, δηλαδή όταν πλήττονται οι αγωγοί φάσης, ονομάζονται σφάλματα θωράκισης. Η πιθανότητα P ενός σφάλματος θωράκισης, η οποία ορίζεται σαν ο λόγος του αριθμού των κεραυνών οι οποίοι τελικά πλήττουν έναν αγωγό φάσης παρακάμπτοντας τους αγωγούς προστασίας προς το συνολικό αριθμό των κεραυνών, οι οποίοι πλήττουν τη γραμμή μεταφοράς, εξαρτάται από την κατάλληλη τοποθέτηση των αγωγών προστασίας. Έχουν αναπτυχθεί δύο μέθοδοι για τον καθορισμό των θέσεων των αγωγών προστασίας, έτσι ώστε να υπάρχει το βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα και αυτές είναι οι εξής: Μέθοδος της μέγιστης γωνίας Ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος Μέθοδος της μέγιστης γωνίας Ένα εμπειρικό κριτήριο για τον καθορισμό της θέσης που πρέπει να τοποθετηθούν οι αγωγοί προστασίας αποτελεί η γωνία θ, η οποία σχηματίζεται μεταξύ του επιπέδου του αγωγού φάσεως και του κατακόρυφου επιπέδου, το οποίο περιέχει τον αγωγό προστασίας. Η γωνία θ γίνεται περισσότερο κατανοητή παρατηρώντας το Σχήμα 4.3 ενός πύργου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. 82

83 Σχήμα 4.3: Καθορισμός θέσης αγωγών προστασίας και γωνία θ.[11] Το απαιτούμενο μέγεθος της γωνίας θ δεν είναι απολύτως προκαθορισμένο. Εντούτοις, έχει παρατηρηθεί από την εμπειρία ότι σε γραμμές με όχι και τόσο ψηλούς πύργους και γωνίας θ<30, το μεγαλύτερο μέρος των κεραυνών συλλαμβάνεται από τους αγωγούς προστασίας. Έτσι επιτυγχάνεται και ο αντικειμενικός στόχος όλης αυτής της διαδικασίας ο οποίος είναι η προστασία των αγωγών των φάσεων των γραμμών μεταφοράς 83

84 καθότι, αν πληγούν αυτοί οι αγωγοί δημιουργούνται τα πιο σοβαρά προβλήματα στις γραμμές μεταφοράς. Αυτός ο απλοϊκός και συνάμα αποτελεσματικός τρόπος καθορισμού της γωνίας θ χρησιμοποιήθηκε κατά κόρον στο παρελθόν. Σήμερα όμως οι συνθήκες έχουν αλλάξει. Όταν λοιπόν κατασκευάστηκαν γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, φορτισμένες με υψηλότερες τάσεις (πάνω από 220kV) και με ψηλότερους πύργους, παρατηρήθηκε πως σε αυτές τις γραμμές μεταφοράς παρουσιάζονταν περισσότερα σφάλματα θωράκισης σε σχέση με τις γραμμές με χαμηλότερους πύργους, παρόλο που και στις δύο περιπτώσεις η γωνία θ ήταν η ίδια. Ως εκ τούτου, κατέστη σαφές ότι εκτός από τη γωνία θ, ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει επίσης την πιθανότητα P εμφάνισης ενός σφάλματος θωράκισης σε μια γραμμή μεταφοράς είναι το ύψος των πύργων. Επιπλέον, εκτός από τους προαναφερθέντες παράγοντες, η πιθανότητα P εξαρτάται και από την ένταση του ρεύματος του κεραυνού, ο οποίος θα πλήξει τη γραμμή. Έχοντας όμως θεωρήσει το σύνολο των κεραυνών, οι οποίοι θα πλήξουν μια γραμμή μεταφοράς σε μία αρκετά μεγάλη χρονική περίοδο, και όχι ένα μεμονωμένο κεραυνικό πλήγμα, και δεχόμενοι ότι η στατιστική κατανομή των ρευμάτων των κεραυνών, οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε αυτήν την προκαθορισμένη υπό μελέτη χρονική περίοδο, είναι ορισμένη και γνωστή, τότε η πιθανότητα P της εμφάνισης σφάλματος θωράκισης θα είμαστε σε θέση να πούμε ότι θα εξαρτάται μόνο από τη γεωμετρία και τις διαστάσεις του πύργου, δηλαδή μόνο από τη γωνία θ και το ύψος του. Επομένως, σκεπτόμενοι προς αυτή την κατεύθυνση δύο ερευνητές, ο Kostenko και ο Burgesdorf, στηριζόμενοι σε μεγάλο αριθμό παρατηρήσεων, διατύπωσαν μία εμπειρική σχέση η οποία συνδέει την πιθανότητα P με τη γωνία θ και με το μέσο ύψος h των αγωγών προστασίας. Η σχέση αυτή είναι η ακόλουθη: με την πιθανότητα P να είναι εκφρασμένη επί τοις εκατό, τη γωνία θ σε μοίρες και το ύψος h σε μέτρα. Ως μέσο ύψος των αγωγών προστασίας έχει οριστεί το μέσο ύψος ανάρτησης μειωμένο κατά τα 2/3 του βέλους. Αν για παράδειγμα η γωνία θ είναι 30 και το ύψος h=25m, η παραπάνω σχέση δίνει P=0.46%. Εφόσον θέλουμε να βρούμε τον αριθμό των κεραυνικών πληγμάτων ανά 100km της γραμμής και ανά έτος, τα οποία πλήττουν τους αγωγούς φάσης έχοντας προηγουμένως παρακάμψει τους αντίστοιχους αγωγούς προστασίας θα πρέπει να πολλαπλασιάσουμε τα 84

85 P/100 της υπολογισμένης πιθανότητας που προέκυψε, με τον αριθμό Ν των αναμενόμενων πληγμάτων κεραυνού ανά 100km της γραμμής και ανά έτος. Παρ όλα αυτά, επειδή σφάλματα θωράκισης μπορούν να συμβούν και με κεραυνούς, οι οποίοι έχουν ασθενή ένταση ρεύματος, είναι πιθανό ένα σφάλμα θωράκισης να μην προκαλέσει κάποιο σφάλμα στη μόνωση της γραμμής μεταφοράς. Εάν V μ είναι η τάση την οποία αντέχει η γραμμή μεταφοράς και V κ είναι η αντίστοιχη τάση, η οποία αναπτύσσεται από ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε έναν αγωγό φάσης, βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν ισχύει: V κ >V μ, δηλαδή μόνο αν η αναπτυσσόμενη από τον κεραυνό τάση ξεπεράσει την αντοχή της γραμμής ως προς τη φόρτισή της σε τάση. Η τάση V κ δίνεται από την παρακάτω σχέση: Άρα βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν η ένταση του ρεύματος του κεραυνού είναι μεγαλύτερη από μία κρίσιμη τιμή εντάσεως ρεύματος, την οποία είναι σε θέση να αντέξει η γραμμή μεταφοράς και αντιστοιχεί στην κρίσιμη τάση V μ. Αν αυτή η τιμή ονομαστεί I μ, τότε βραχυκύκλωμα θα εμφανιστεί εάν: Έτσι λοιπόν, αν έχουμε μια γραμμή μεταφοράς η οποία είναι φορτισμένη υπό ονομαστική τάση 150kV και η οποία έχει μία τάση μόνωσης εναντίον των κεραυνών BIL=750 kv, και κυματική αντίσταση Z 0 =500Ω, βραχυκύκλωμα λόγω άμεσου πλήγματος θα συμβεί μόνο εάν:, δηλαδή αν Άρα βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν ισχύει: Εάν όμως η γραμμή μεταφοράς είναι φορτισμένη υπό ονομαστική τάση 420 kv, τότε θα έχει τάση μόνωσης εναντίον κεραυνών BIL=1425 kv και η κυματική αντίσταση της γραμμής μεταφοράς είναι Z 0 =200Ω αντίστοιχα, το ρεύμα του κεραυνού που απαιτείται για να έχουμε βραχυκύκλωμα είναι: 85

86 Άρα βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν ισχύει: Ο Burgesdorf πρότεινε για την πιθανότητα P 1, δηλαδή την πιθανότητα με την οποία η ένταση του ρεύματος κάποιου κεραυνού μπορεί να υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της έντασης του ρεύματος το οποίο αντέχει η γραμμή μεταφοράς, τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο: όπου η πιθανότητα P 1 είναι εκφρασμένη επί τοις εκατό και η ένταση I 1 σε ka. Ο αναμενόμενος αριθμός σφαλμάτων θωράκισης Ν 1 ανά έτος και ανά 100km της γραμμής μεταφοράς, η οποία αντέχει σε ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα, του οποίου η ένταση έχει την τιμή I 1 =I μ, θα δίνεται από την ακόλουθη σχέση: με Ν να είναι ο αναμενόμενος αριθμός πληγμάτων κεραυνού ανά 100km της γραμμής και ανά έτος, P η πιθανότητα της εμφάνισης σφάλματος θωράκισης στη γραμμή μεταφοράς και P 1 η πιθανότητα με την οποία η ένταση του ρεύματος κάποιου κεραυνού μπορεί να υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της έντασης του ρεύματος, το οποίο αντέχει η γραμμή μεταφοράς. Παραδείγματος χάρη, υποθέτουμε για κάποια γραμμή μεταφοράς και έναν πύργο τα εξής στοιχεία: θ=30 και h=25m. Με βάση αυτά ισχύει: και άρα Θεωρώντας σαν I 1 την κρίσιμη τιμή της έντασης του ρεύματος I μ =3kA, όπως υπολογίστηκε παραπάνω θα έχουμε: και άρα Υποθέτοντας ότι η συγκεκριμένη γραμμή μεταφοράς δέχεται 200 πλήγματα κεραυνού ανά 100km της γραμμής και ανά έτος, τότε τα πιθανά σφάλματα θωράκισης θα δοθούν από: Άρα Ν 1 =0.82 σφάλματα θωράκισης ανά 100km της γραμμής και ανά έτος. 86

87 4.3.2 Ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος καθορισμού της θέσης των αγωγών προστασίας Η ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος καθορισμού της θέσης των αγωγών προστασίας έχει τις βάσεις της στην έννοια της απόστασης διάσπασης. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στο γεγονός ότι η θέση την οποία θα πλήξει ο κεραυνός αποφασίζεται μόνο τη στιγμή κατά την οποία η κεφαλή του κατερχόμενου κεραυνικού ρεύματος πλησιάσει την επιφάνεια της γης σε απόσταση διάσπασης. Ως απόσταση διάσπασης έχει οριστεί το μήκος του διακένου, το οποίο διασπάται υπό την τάση της κεφαλής του κεραυνικού ρεύματος (ως προς τη γη). Εξαιτίας του γεγονότος ότι η τάση αυτή εξαρτάται από το φορτίο του κεραυνικού ρεύματος, είναι πασιφανές πως η απόσταση διάσπασης είναι μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι και αυτό το κεραυνικό φορτίο. Ούτως ώστε να μπορεί να γίνει μια κάποια εκτίμηση για το μέγεθος της απόστασης διάσπασης, γίνεται αποδεκτό πως η μέση απαιτούμενη τάση διάσπασης είναι 3 έως 6 kv/cm. Σχεδιάζοντας το περίγραμμα της απόστασης διάσπασης r s γύρω από τους αγωγούς προστασίας, τους αγωγούς των φάσεων αλλά και τη γη, όπως αυτό φαίνεται και στο παρακάτω Σχήμα 4.4, είναι εμφανές ότι μόνο κάποιος κεραυνός, η κεφαλή ρεύματος του οποίου θα διέλθει μέσω του τόξου ΒΓ θα, είναι σε θέση να πλήξει τον αγωγό φάσης της γραμμής μεταφοράς. Αντιθέτως, εάν διέλθει από τα τόξα ΑΒ και ΓΔ θα πλήξει τον αγωγό προστασίας της γραμμής μεταφοράς και τη γη αντίστοιχα. Εντούτοις, επειδή η απόσταση διάσπασης υπό αυτή την τάση εξαρτάται από τη γεωμετρία του διακένου, η απόσταση διάσπασης ως προς τη γη r sg είναι αναγκαίο να λαμβάνεται διαφορετική γενικά από την απόσταση διάσπασης ως προς τους αγωγούς φάσεων και τους αγωγούς προστασίας r s. Οι δύο αυτές αποστάσεις διάσπασης συνδέονται μεταξύ τους με την εξής σχέση: όπου το είναι μία σταθερά, η οποία κυμαίνεται από 0.65 για γραμμές υπερύψηλης τάσης μέχρι 1 για γραμμές χαμηλής τάσης. Η παραπάνω σχέση δύναται να θεωρηθεί ανάλογη με τη σχέση καθορισμού του συντελεστή διακένου. Το σχήμα που ακολουθεί έχει σχεδιαστεί για 87

88 Σχήμα 4.4: Τοποθέτηση του αγωγού προστασίας με βάση την απόσταση διάσπασης.[11] Από το παραπάνω σχεδιάγραμμα είναι δυνατό να εξαχθεί πως όσο η απόσταση διάσπασης r s αυξάνεται, τόσο μειώνεται το εκτεθειμένο περίγραμμα ΒΓ, μέσω του οποίου ένας κεραυνός είναι σε θέση να πλήξει τον αγωγό φάσης της γραμμής, για κάποια συγκεκριμένη θέση του αγωγού προστασίας. Τελικά, πέραν μίας ορισμένης τιμής της r s, η οποία συμβαίνει για κεραυνούς με φορτία μεγαλύτερα από μία ορισμένη τιμή, το περίγραμμα ΒΓ μηδενίζεται. Εξαιτίας του γεγονότος ότι το φορτίο του κεραυνού σχετίζεται άμεσα με την ένταση του ρεύματος I 0, θα πρέπει αυτά τα δύο μεγέθη να ορίζουν μία μαθηματική σχέση. Η σχέση αυτή είναι η ακόλουθη: 88

89 όπου η απόσταση διάσπασης r s μετριέται σε μέτρα και η ένταση του ρεύματος του κεραυνού I 0 σε ka. Μία άλλη μαθηματική σχέση που έχει διατυπωθεί για τα δύο αυτά μεγέθη είναι η εξής: Στο Σχήμα 4.5 παρουσιάζονται κάποιες καμπύλες με διάφορες εκτιμήσεις της απόστασης διάσπασης για αρνητικό κατερχόμενο κεραυνό. Η πιο έγκυρη καμπύλη από αυτές θεωρείται η καμπύλη 3. Σχήμα 4.5: Εξάρτηση της απόστασης διάσπασης από το εύρος ρεύματος αρνητικών κεραυνών.[11] Χρησιμοποιώντας σαν παράδειγμα έναν κεραυνό έντασης ρεύματος I 0 =20 ka, η καμπύλη νούμερο 3 μας δίνει μία απόσταση διάσπασης r s περίπου 68m, ενώ η πρώτη σχέση δίνει r s =73.6m και η δεύτερη r s =56m αντίστοιχα. 89

90 Με βάση την παραπάνω θεωρία, κεραυνοί οι οποίοι έχουν ένταση ρεύματος I 0 μεγαλύτερη από την τιμή για την οποία μηδενίζεται το εκτιθέμενο σε κεραυνικό πλήγμα περίγραμμα ΒΓ, δεν έχουν τη δυνατότητα να πλήξουν τους αγωγούς των φάσεων. Κεραυνοί, ωστόσο, με Ι 0 =I μ, τέτοιοι ώστε: όπου V μ είναι η τάση μόνωσης της γραμμής μεταφοράς και Z 0 η κυματική της αντίσταση, είναι ακίνδυνοι για την γραμμή μεταφοράς ακόμα και αν πλήξουν τον αγωγό μιας φάσης της γραμμής. Η απόσταση διάσπασης r sc, η οποία αντιστοιχεί στο Ι μ καλείται κρίσιμη απόσταση διάσπασης. Βραχυκυκλώματα από κεραυνούς, τα οποία οφείλονται σε ατελή θωράκιση της γραμμής μεταφοράς, μπορούν να συμβούν σε μία γραμμή μόνο για τιμές της έντασης του ρεύματος Ι 0 του κεραυνού, οι οποίες βρίσκονται μεταξύ δύο ορίων τα οποία ορίζονται με τους παραπάνω συλλογισμούς. Μελετώντας το παραπάνω σχεδιάγραμμα, φαίνεται πως η μέγιστη γωνία θ, την οποία πρέπει να σχηματίζει ο αγωγός προστασίας με τον αγωγό φάσης, μικραίνει όσο αυξάνεται το ύψος του πύργου. Βασιζόμενοι σε αυτή τη θεωρία, δεν είναι σωστό να καθορίζεται η θέση τοποθέτησης του αγωγού προστασίας με βάση τη γωνία θ s, και η επικρατούσα πεποίθηση ότι μία γωνία θ s =30 εξασφαλίζει αποτελεσματική προστασία από κεραυνούς, δεν είναι απόλυτα αποδεκτή. Στο παρακάτω Σχήμα 4.6 γίνεται φανερή η γεωμετρική σχέση, η οποία υφίσταται ανάμεσα στη γωνία προστασίας θ s και στα υπόλοιπα χαρακτηριστικά της γραμμής. 90

91 Σχήμα 4.6: Γεωμετρικές σχέσεις για την έκφραση της γωνίας προστασίας θ s.[11] Τα H και Υ, αναπαριστούν αντίστοιχα τα μέσα ύψη των αγωγών προστασίας και των αγωγών φάσεων, το C τη μέση απόσταση ανάμεσα σε έναν αγωγό προστασίας και τον αγωγό της φάσης, τον οποίο υποτίθεται πως προστατεύει από τα κεραυνικά πλήγματα. Τα r s και r sg αντιπροσωπεύουν την απόσταση διάσπασης προς τους αγωγούς προστασίας και φάσεων της γραμμής μεταφοράς και τη γη αντίστοιχα. Ανάμεσα στο εκτιθέμενο τόξο θ και στα υπόλοιπα στοιχεία που παρατίθενται στο παραπάνω σχήμα, ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις: και προχωρώντας σε αντικατάσταση έχουμε: 91

92 Η γραμμή μεταφοράς είναι τέλεια προστατευμένη αν ισχύει ότι θ=0, κάτι το οποίο συμβαίνει για την κρίσιμη τιμή της απόστασης διάσπασης r sc. Έτσι ισχύει: ( ) ( ) και εάν υποθέσουμε ότι οι αποστάσεις διάσπασης r s και r sg είναι μεταξύ τους ίσες, έχουμε: ( ) ( ) Με βάση την τελευταία εξίσωση χαράζονται οι καμπύλες, οι οποίες παρουσιάζονται στο παρακάτω Σχήμα 4.7 και δίνουν την κρίσιμη γωνία θ sc συναρτήσει του λόγου του μέσου ύψους y του αγωγού φάσεως προς την κρίσιμη απόσταση διάσπασης r sc, η οποία αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ένταση ρεύματος του κεραυνού. Σχήμα 4.7: Η κρίσιμη γωνία θ sc συναρτήσει του λόγου. 92

93 Για την περάτωση του σχεδιασμού των καμπυλών αυτών, έγινε η παραδοχή ότι η απόσταση διάσπασης για τους αγωγούς φάσης και τους αγωγούς προστασίας r s έχει το ίδιο μέγεθος με την απόσταση διάσπασης για το έδαφος r sg. Θα εξετάσουμε το ακόλουθο παράδειγμα, ώστε να γίνει πιο κατανοητή η κατάσταση η οποία περιγράψαμε. Έστω ότι έχουμε μία γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Έχουμε επιπλέον έναν κεραυνό, ο οποίος με τη σειρά του θα έχει ως κρίσιμη απόσταση διάσπασης r sc =100m. Ισχύει λοιπόν: Αναζητώντας την κρίσιμη γωνία στις καμπύλες που έχουν παρατεθεί, θα βρούμε ότι: Εάν τώρα θεωρήσουμε έναν πιο ασθενή κεραυνό, για τον οποίο η κρίσιμη απόσταση διάσπασης r sc θα είναι r sc =50m, τότε αντίστοιχα με τα προηγούμενα θα ισχύει: Αναζητώντας αντίστοιχα την κρίσιμη γωνία στις καμπύλες του σχήματος 4.7, θα βρούμε ότι: Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα του προαναφερθέντος παραδείγματος συμφωνούν με την παρατήρηση ότι για κάποια ορισμένη γραμμή μεταφοράς, η πιθανότητα να συμβούν σφάλματα θωράκισης είναι μεγαλύτερη για ασθενέστερους κεραυνούς. Εξάλλου, από τις καμπύλες παρατηρούμε πως κάτω από ορισμένες συνθήκες μπορεί να απαιτείται ακόμα και αρνητική γωνία προστασίας για την κατάλληλη προστασία της γραμμής μεταφοράς. 93

94 Έχοντας ως θεμέλιο την παραπάνω μέθοδο και κάποια επιπλέον δεδομένα, ο ερευνητής Whitehead παρήγαγε τις καμπύλες οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω και δίνουν τον αριθμό των αναμενόμενων βραχυκυκλωμάτων n της γραμμής μεταφοράς από σφάλματα θωράκισης ως συναρτήσει της γωνίας θ s καθώς και της στάθμης μόνωσης BIL της υπό μελέτης γραμμής μεταφοράς για συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων ως προς τη γη N g =4 ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά έτος. Επίσης, παρήγαγε τις καμπύλες και για δύο διαφορετικές γραμμές μεταφοράς, οι οποίες δεν έχουν τα ίδια μέσα ύψη και έχουν η μεν πρώτη μέσο ύψος H =23m, η δε δεύτερη έχει μέσο ύψος H =30m. Πιο κάτω παρατίθεται ένα σχεδιάγραμμα το οποίο και παρουσιάζει κάποιες καμπύλες για την εκτίμηση των πιθανών βραχυκυκλωμάτων από τα σφάλματα θωράκισης της γραμμής. Σχήμα 4.8: Καμπύλες για την εκτίμηση πιθανών βραχυκυκλωμάτων γραμμής από σφάλματα θωράκισης.[11] 94

95 4.4 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΓΩΓΩΝ Όταν ένας κεραυνός πλήξει το έδαφος, το ρεύμα του εκφορτίζεται στη μάζα της γης. Η τελική κατανομή του ρεύματος εξαρτάται κατά πολύ από την ανομοιογένεια του εδάφους, επειδή το ρεύμα θα ρέει όπου είναι πιο εύκολο, δηλαδή κατά μήκος αγώγιμων κοιτασμάτων ή γεωλογικών σφαλμάτων που είναι διάχυτα σε έδαφος με μικρή αγωγιμότητα. Εξ αιτίας αυτού του γεγονότος, όταν υπάρχει ένας μεταλλικός αγωγός μεγάλου μήκους, η μεταλλική του επιφάνεια θα βραχυκυκλώσει τμήμα του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται στο έδαφος από πλήγμα κεραυνού, με τον ίδιο τρόπο όπως ένας απαγωγέας κεραυνών βραχυκυκλώνει τμήμα του ηλεκτρικού πεδίου στον αέρα κάτω από έναν οχετό κεραυνού που πλησιάζει. Το ρεύμα του κεραυνού συγκεντρώνεται στην επιφάνεια του αγωγού, ενώ το βάθος διείσδυσης του κεραυνού είναι κυρίως συνάρτηση της επικρατούσας ειδικής αντίστασης του εδάφους (Berger 1963). Για εδάφη με χαμηλή αντίσταση, το βάθος διείσδυσης φτάνει το πολύ μερικές δεκάδες μέτρα, αλλά για εδάφη υψηλής ειδικής αντίστασης, πολύ επικίνδυνα μεγέθη ρεύματος μπορούν να εισχωρήσουν σε βάθος μερικών χιλιομέτρων. Η εμπειρία δείχνει ότι κίνδυνοι από κεραυνούς είναι μεγαλύτεροι σε ορεινές περιοχές. Από την άλλη μεριά, είναι πρακτικά ανύπαρκτοι σε εδάφη με μεγάλη αγωγιμότητα ή σε βιομηχανικές περιοχές, όπου μεταλλικές τροχιές και γειωμένοι σωλήνες βοηθούν το ρεύμα κεραυνού να εκφορτιστεί κοντά στην επιφάνεια του εδάφους. Επομένως για να προστατευτούν οι υπόγειοι μεταλλικοί αγωγοί, οι οποίοι βρίσκονται έξω από μονάδες παραγωγής, από τα υπόγεια ρεύματα κεραυνών θα πρέπει να συνδέονται κάθε 30m με το σύστημα γείωσης. Το γειωμένο συλλεκτήριο σύστημα που θα καλύπτει όλη την επιφάνεια των αγωγών θα πρέπει να βρίσκεται σε αρκετή απόσταση μακριά από αυτούς. Μία απόσταση 10m ανάμεσα στους αγωγούς του εναέριου δικτύου θα είναι επαρκής. Αν ένα τέτοιο συλλεκτήριο σύστημα γειωθεί σε αρκετό βάθος, η ενεργός του ωμική αντίσταση γείωσης είναι απίθανο να ξεπεράσει κλάσμα του ενός Ohm. Συνεπάγεται λοιπόν ότι ακόμα κι αν ένα εξαιρετικά υψηλό ρεύμα κεραυνού, για παράδειγμα 400kA, εκφορτιστεί σε αυτό, το δυναμικό του σχετικά με τη γη δε θα ξεπεράσει τις μερικές δεκάδες kv. Η διηλεκτρική αντοχή σε κρουστική τάση του εδάφους κυμαίνεται μεταξύ 2 και 5 Kv/cm. Ένα διάκενο μικρότερο από 1m μεταξύ του γειωμένου συλλεκτήριου συστήματος και οποιουδήποτε τμήματος του μεταλλικού αγωγού είναι επαρκές για να αποτρέψει τον κίνδυνο εσωτερικής διάσπασης. 95

96 Κάποιοι υπόγειοι αγωγοί μπορούν αν προστατευτούν με ένα αναρτημένο συλλεκτήριο δίκτυο, όμως μπορεί να αποδειχθεί περισσότερο δαπανηρό από ένα γειωμένο συλλεκτήριο κύκλωμα. Σύμφωνα με τους αυστριακούς κανονισμούς δε χρειάζεται καμία προστασία αν η οροφή των υπόγειων αγωγών καλύπτεται από 2.5m τουλάχιστον εδάφους και αν η αντίστασή του δεν ξεπερνάει τα 200Ωm ακόμα και κάτω από παρατεινόμενη ξηρασία. Η αντικεραυνική προστασία ενός σταθμού αγωγών βασίζεται στη γενική αρχή του διαχωρισμού του σε ζώνες αντικεραυνικής προστασίας (Lightning Protection Zones). Οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας (ΖΑΠ ή LPZ) είναι περιοχές εκτός και εντός της κατασκευής που χρίζει προστασίας όπου οι αναμενόμενες ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι καθορισμένες σε σχέση με την επικινδυνότητά τους, και επομένως μπορούν να περιοριστούν. Οι ΖΑΠ οριοθετούνται από σημαντικές αλλαγές των ηλεκτρομαγνητικών συνθηκών αποτελώντας περιοχές αυξανόμενης απαίτησης ηλεκτρομαγνητικής προστασίας βαίνοντας από την εξωτερική περιοχή της κατασκευής, όπου υπάρχει κίνδυνος άμεσου πλήγματος, προς το εσωτερικό της όπου πρέπει να εξασφαλίζεται η ηλεκτρομαγνητική ατρωσία των συσκευών. Κατά την προστασία της κατασκευής οριοθετούνται οι παρακάτω ΖΑΠ: ΖΑΠ 0 Α : Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, όπου οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. ΖΑΠ 0 Β : Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, όπου οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού είναι μη περιορισμένες. ΖΑΠ 0 Γ : Ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα και όπου το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να τα διαρρεύσει είναι περιορισμένο σε σχέση με τη ΖΑΠ 0 Β. Στη ζώνη αυτή οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού μπορούν να περιοριστούν ανάλογα με τα μέτρα προστασίας που λαμβάνονται. Ακόλουθες ζώνες (ΖΑΠ 1,2 ): Ζώνες όπου απαιτείται περαιτέρω μείωση του τμήματος του ρεύματος του κεραυνού καθώς και περαιτέρω εξασθένηση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε σχέση με την αμέσως προηγούμενη ΖΑΠ. Πιο συγκεκριμένα, για την περίπτωση ενός σταθμού αγωγών, ο διαχωρισμός τους σε ΖΑΠ φαίνεται στο Σχήμα 4.9. Επίσης, η αντικεραυνική προστασία τους απαιτεί πολύπλοκους περιοριστές υπέρτασης (SPDs). 96

97 Σχήμα 4.9: Αντικεραυνική προστασία για ένα σταθμό αγωγών. 97

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 5.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Το πρόγραμμα εξομοίωσης ATP-EMTP (αρχικά που προέρχονται από τις λέξεις Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients Program), αποτελεί ένα από τα περισσότερο χρησιμοποιούμενα προγράμματα, αν όχι το πιο δημοφιλές, όσον αφορά στην ψηφιακή εξομοίωση ηλεκτρομαγνητικών καθώς και ηλεκτρομηχανικών συστημάτων και φαινομένων, για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του προγράμματος αποτελεί το γεγονός ότι διαθέτει υψηλές δυνατότητες μοντελοποίησης διαφόρων συστημάτων. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε με κύριο σκοπό να γίνει αρωγός στην προσομοίωση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και εξοπλισμού. Ο πυρήνας του προγράμματος αποτελείται από έναν μεταφραστή (compiler), ο οποίος μεταφράζει τα κατάλληλα γραμμένα αρχεία εισόδου σε αρχεία εξόδου-αποτελεσμάτων. Ο μεταφραστής υποστηρίζεται από άλλες εφαρμογές (υποστηρικτικά προγράμματα), τα οποία χρησιμεύουν στη διαδικασία κατασκευής των αρχείων εισόδου ή στην επεξεργασία αρχείων εξόδου. Πιο αναλυτικά, το ATP-EMTP αναλύει το σύστημα που θα του δοθεί στο πεδίο του χρόνου, επιλύοντας τις διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων τα οποία απαρτίζουν το κύκλωμα ή το ηλεκτρικό δίκτυο. Οι διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων αυτών λύνονται από τον πυρήνα του προγράμματος αριθμητικά. Η ανάλυση του κυκλώματος, με επίλυση διαφορικών εξισώσεων, δίνει στο πρόγραμμα τη δυνατότητα να υπολογίζει όλα τα μεταβατικά φαινόμενα που θα εμφανιστούν σε αυτό. Φυσικά, αυτό δε σημαίνει ότι με το ATP-EMTP υπολογίζονται μόνο μεταβατικές καταστάσεις, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ανάλυση κυκλωμάτων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Επιπρόσθετα, ένα ακόμα βασικό χαρακτηριστικό του προγράμματος είναι πως στηρίζεται σε ένα πλήθος ρουτινών, κύριος ρόλος των οποίων είναι να χτίζουν μοντέλα για τη σωστότερη, αποδοτικότερη και πιο αποτελεσματική λειτουργία του ATP-EMTP. Συν τοις άλλοις, το ATP-EMTP παρέχει πολλές 98

99 επιπλέον λειτουργίες, οι οποίες αφορούν υπολογισμούς σε ηλεκτρικά δίκτυα αλλά και σε συστήματα, προχωρώντας πέρα από τη μελέτη μεταβατικών φαινομένων. Από όλα τα παραπάνω μπορούμε αβασάνιστα να συμπεράνουμε πως το ATP-EMTP αποτελεί ένα ισχυρότατο εργαλείο στα χέρια των μηχανικών, το οποίο και μπορούμε να εκμεταλλευτούμε, ούτως ώστε να ωθήσουμε τη μελέτη των ηλεκτρικών μεγεθών ένα βήμα πιο μπροστά. 5.2 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ATP-EMTP Το EMTP έκανε την εμφάνισή του στα δρώμενα της ψηφιακής προσομοίωσης το έτος 1984 από τον Meyer και από την εταιρία Bonneville Power Administration (BPA), η οποία εδρεύει στο Portland της πολιτείας του Oregon στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αργότερα, μία προσπάθεια με στόχο την εμπορικοποίηση του συγκεκριμένου προϊόντος γίνεται από τον οργανισμό EMTP Development Coordination Group, καθώς και από το ινστιτούτο Electric Power Research Institute, το οποίο εδρεύει στο Palo Alto της πολιτείας της Καλιφόρνια των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής. Ως τροχοπέδη στην προσπάθεια εμπορικοποίησης του προϊόντος, δημιουργήθηκε ένας «κλώνος» του EMTP, το ATP. Η κίνηση αυτή έφερε τα επιθυμητά από τους υποκινητές της αποτελέσματα και από τότε το ATP χρησιμοποιείται ελεύθερα από τους χρήστες και επίσης επιδέχεται συνεχείς αλλαγές από όλη την επιστημονική κοινότητα η οποία ασχολείται με το συγκεκριμένο αντικείμενο μελέτης, καθιστώντας το με αυτό τον τρόπο ανάμεσα στα κορυφαία στο είδος του προγράμματα. Όπως είναι κατανοητό, η χρήση του ATP-EMTP απαιτεί τη χορήγηση ειδικής άδειας από τους υπευθύνους, η οποία όμως δίνεται χωρίς καμία απολύτως χρέωση, με μόνη προϋπόθεση και ταυτόχρονα δέσμευση από το χρήστη για τη μη συμμετοχή του σε οποιαδήποτε μορφής προσπάθεια, που έχει ως απώτερο σκοπό της την εκμετάλλευση του προγράμματος για οικονομικούς λόγους. 5.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΤΡΟΠΟΥ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΟ ATP-EMTP Το ATP-EMTP περιλαμβάνει μεθόδους επίλυσης του ηλεκτρικού δικτύου στο πεδίο του χρόνου (time domain) και στο πεδίο της συχνότητας (frequency 99

100 domain). Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία σύντομη περιγραφή σε αυτές τις μεθόδους επίλυσης Επίλυση στο πεδίο του χρόνου Ο εξοπλισμός του ηλεκτρικού δικτύου περιγράφεται στο ATP-EMTP χρησιμοποιώντας εξισώσεις κόμβων, έχοντας ως άγνωστες μεταβλητές του προβλήματος τις τάσεις στους κόμβους. Τα ρεύματα στους κλάδους του δικτύου υπολογίζονται ως συναρτήσεις των τάσεων των αντίστοιχων κόμβων. Με στόχο την επίλυση του προβλήματος στο πεδίο του χρόνου, γίνεται διακριτοποίηση των φυσικών μεγεθών. Αυτό σημαίνει ότι το φυσικό μέγεθος του χρόνου χωρίζεται σε διακριτά Δt διαστήματα, στα οποία πραγματοποιούνται οι υπολογισμοί. Οι τιμές όλων των μεταβλητών του συστήματος θεωρούνται γνωστές για τη χρονική στιγμή t-δt και το ζητούμενο είναι ο υπολογισμός τους τη χρονική στιγμή t. Το διάστημα διακριτοποίησης Δt θεωρείται τόσο μικρό, ώστε οι διαφορικές εξισώσεις οι οποίες περιγράφουν τα στοιχεία του εξοπλισμού να προσεγγίζονται με την πρέπουσα ακρίβεια χρησιμοποιώντας εξισώσεις διαφορών. Ας θεωρήσουμε τη διαφορική εξίσωση που περιγράφει τον επαγωγό: Η διαφορική εξίσωση αυτή μπορεί να προσεγγιστεί ικανοποιητικά από την ακόλουθη αλγεβρική εξίσωση διαφοράς: ( ) ( ) ( ) ( ) η οποία μπορεί να γραφεί και: ( ) [ ( ) ( ) ( )] Εάν θεωρήσουμε την ισοδύναμη αγωγιμότητα, η οποία παραμένει σταθερή κατά το χρονικό διάστημα Δt, και το γνωστό όρο: ( ) ( ), η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως: 100

101 ( ) ( ) ( ) Ή αλλιώς: [ ][ ( )] [ ( )] [ ] Όπου: [G]: πίνακας αγωγιμοτήτων nxn (συμμετρικός) [u(t)]: πίνακας nx1 τιμών τάσεων [i(t)]: πίνακας nx1 τιμών ρευμάτων [I hist ]: πίνακας nx1 γνωστών τιμών, με μονάδα το Α Κατά την επίλυση του προβλήματος, επειδή σε μερικούς κόμβους είναι γνωστή η τιμή της τάσης, λόγω πηγών τάσεων ή γείωσης, ο πίνακας των τάσεων [u(t)] διασπάται σε [u A (t)], ο οποίος περιέχει το σύνολο Α των κόμβων με άγνωστη τιμή της τάσης και σε [u B (t)], ο οποίος περιέχει το σύνολο των κόμβων με γνωστή τιμή της τάσης. Έτσι η εξίσωση γίνεται: [ ][ ( )] [ ( )] [ ] [ ][ ( )] Οι άγνωστες τάσεις του συνόλου Α υπολογίζονται επιλύοντας την εξίσωση ως προς [U A (t)]. Η ακριβής διαδικασία επίλυσης που ακολουθείται από το EMTP είναι η ακόλουθη: Δημιουργούνται οι πίνακες [G AA ] και [G AB ]. Ο πίνακας [G AA ] διαγωνοποιείται με απαλοιφή. Σε κάθε χρονικό βήμα, ανανεώνονται οι τιμές του δεξιού σκέλους της παραπάνω σχέσης από γνωστές τιμές τάσεων και εντάσεων των ρευμάτων. Το σύστημα γραμμικών εξισώσεων το οποίο προκύπτει επιλύεται ως προς το διάνυσμα [U A (t)]. Στο τέλος της επίλυσης, ενημερώνεται με τις νέες μεταβλητές που θα προκύψουν ο πίνακας [I hist ], ώστε να χρησιμοποιηθεί στο επόμενο βήμα επίλυσης: Η μεταβατική προσομοίωση μπορεί να ξεκινήσει από: 1. Μηδενικές αρχικές συνθήκες 2. Συνθήκες μόνιμης κατάστασης λειτουργίας, σε συγκεκριμένη συχνότητα (δηλαδή 1 πηγή), ή σε υπερτιθέμενες συχνότητες (πολλές πηγές με διαφορετικές συχνότητες). 101

102 5.3.2 Επίλυση στο πεδίο της συχνότητας Το ATP-EMTP έχει επίσης τη δυνατότητα για επίλυση στο πεδίο της συχνότητας, για μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του δικτύου. Οι εξισώσεις κόμβων γράφονται με τη χρήση φασόρων, ενώ με τον ίδιο τρόπο αναπαρίστανται οι τάσεις και τα ρεύματα που κυκλοφορούν στο δίκτυο. Για ένα δίκτυο με n κόμβους καταστρώνεται το σύστημα: όπου: [ ][ ] [ ] [Y]: Συμμετρική μήτρα αγωγιμοτήτων, μεγέθους nxn (περιέχει μιγαδικά στοιχεία) [V]: Διάνυσμα nx1, (περιέχει φάσορες) [I]: Διάνυσμα nx1, (περιέχει φάσορες) Για την επίλυση του συστήματος, το διάνυσμα [V] χωρίζεται σε [V A ] και [V B ], όπου Α το υποσύνολο των αγνώστων τιμών των τάσεων και Β το υποσύνολο των γνωστών τιμών. Οι άγνωστες τάσεις υπολογίζονται επιλύοντας το γραμμικό αλγεβρικό σύστημα: [ ][ ] [ ] [ ][ ] 5.4 ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΕΣ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΤΟΥ ATP-EMTP Τα παρακάτω περιεχόμενα μπορούν να βρεθούν σε μια οποιαδήποτε βιβλιοθήκη μοντέλων του προγράμματος ATP-EMTP. Αναλυτικά, οι κυριότερες βιβλιοθήκες είναι: Συζευγμένα ή μη συζευγμένα γραμμικά στοιχεία R, L, C, συγκεντρωμένων παραμέτρων. Γραμμές μεταφοράς καθώς και καλώδια με κατανεμημένες αλλά και εξαρτώμενες από τη συχνότητα παραμέτρους. Εξοπλισμός με μη γραμμικά στοιχεία, όπως είναι οι απαγωγείς υπερτάσεων (με κενό αλλά και χωρίς κενό), οι μετασχηματιστές οι οποίοι παρουσιάζουν φαινόμενα κόρου κ.τ.λ. 102

103 Κανονικοί διακόπτες αλλά και χρονικά μεταβαλλόμενοι ή ακόμα και εξαρτώμενοι από την τάση διακόπτες, στατιστικοί διακόπτες (κυρίως για μελέτες με τη μέθοδο Monte Carlo). Βαλβίδες για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος όπως είναι οι δίοδοι, τα θυρίστορ, τα τρανζίστορ αλλά και τα triacs όλα ελεγχόμενα από TACS/MODELS. Πηγές τάσης αλλά και έντασης πολλών διαφορετικών τύπων, όπως ημιτονοειδούς μορφής, μορφής ράμπας, εκθετικής μορφής, μορφής υπέρτασης και άλλες επιπλέον. Στρεφόμενες μηχανές, μονοφασικές, τριφασικές, σύγχρονες αλλά και ασύγχρονες. Δυνατότητα κατασκευής ηλεκτρικών μοντέλων από τον κάθε χρήστη του προγράμματος. 5.5 ΜΕΛΕΤΕΣ ΜΕ ΤΟ ATP-EMTP Ακολούθως, θα παρουσιαστούν κάποιες τυπικές μελέτες ηλεκτρομαγνητικών και ηλεκτρομηχανικών φαινομένων, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να πραγματοποιηθούν με τη χρήση του προγράμματος ATP- EMTP: Μελέτες οι οποίες αφορούν υπερτάσεις που οφείλονται σε κεραυνούς. Διακοπτικά, μεταβατικά φαινόμενα αλλά και λάθη, είτε είναι συμμετρικά είτε όχι. Συστηματικές αλλά και στατιστικές μελέτες, οι οποίες αφορούν εμφανίσεις υπερτάσεων, οφειλόμενες σε διάφορες αιτίες. Ταχύτατα μεταβατικά φαινόμενα σε συστήματα μεταφοράς. Μοντελοποίηση μηχανών. Διακοπτικά φαινόμενα μετασχηματιστών καθώς και επαγωγών και χωρητικοτήτων, οι οποίες παρουσιάζουν φαινόμενα υστέρησης. Διάφορες εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος, όπως μελέτες με θυρίστορς και τρανζίστορς. 103

104 Διάφορες εφαρμογές της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας. Αρμονική ανάλυση. Έλεγχος της αξιοπιστίας, καθώς και της αντοχής της μόνωσης των συσκευών προστασίας του ηλεκτρικού συστήματος. Αξίζει να αναφερθεί το γεγονός ότι είναι δυνατή η μοντελοποίηση ή ακόμα και ο έλεγχος διαφόρων συστημάτων ή επίσης φαινομένων τα οποία παρουσιάζουν μία μη γραμμική συμπεριφορά, όπως είναι επί παραδείγματι το φαινόμενο Corona, χρησιμοποιώντας μοντέλα του προγράμματος τα οποία ονομάζονται TACS και μιας γλώσσας εξομοίωσης, η οποία έχει επίσης προαναφερθεί και ονομάζεται MODELS. Τα δύο αυτά προαναφερθέντα στοιχεία του ATP-EMTP μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την εξομοίωση δυναμικών συστημάτων τα οποία δεν περιέχουν κανένα ηλεκτρικό κύκλωμα ή σύστημα. Τα στοιχεία αυτά αναλύονται περισσότερο παρακάτω TACS Το TACS (ακρώνυμο των λέξεων Transient Analysis of Control Systems) είναι ένα στοιχείο το οποίο χρησιμεύει για την εξομοίωση συστημάτων στο πεδίο του χρόνου. Στη διαδικασία αυτή χρησιμοποιείται ένα μπλοκ διάγραμμα για την αναπαράσταση του συστήματος ελέγχου του υπό μελέτη φαινομένου. Το TACS αρχικά δημιουργήθηκε έτσι ώστε να είναι σε θέση να προσομοιώσει τους μετατροπείς HVDC, αλλά μπορεί επιπλέον να φανεί χρήσιμο και σε άλλες περιπτώσεις εξομοίωσης όπως είναι επί παραδείγματι τα ακόλουθα προβλήματα: Συστήματα ηλεκτρονικών ισχύος αλλά και συστήματα έναυσης ηλεκτρονικών ισχύος, όπως για παράδειγμα είναι οι γέφυρες με θυρίστορς. Συστήματα διέγερσης σύγχρονων μηχανών. Τόξα ηλεκτρικού ρεύματος όπως αυτά τα οποία εμφανίζονται κατά το άνοιγμα ή το κλείσιμο των διακοπτών ενός κυκλώματος (τόξα λόγω μεταβατικών φαινομένων), αλλά και τόξα τα οποία εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της διάσπασης της μόνωσης κάποιου διηλεκτρικού υλικού (τόξα υπερπήδησης της μόνωσης). Για την πρέπουσα αναπαράσταση του φυσικού προβλήματος μέσω του TACS είναι απαραίτητη η ανταλλαγή κάποιων μεγεθών τα οποία χρειάζονται 104

105 για την εξομοίωση του συστήματος, ανάμεσα στο TACS και στο ηλεκτρικό κύκλωμα το οποίο αναπαριστά το πραγματικό ηλεκτρικό σύστημα, το οποίο μελετάται από το ATP-EMTP. Η συνεργασία αυτή αφορά κυρίως την ανταλλαγή διαφόρων τιμών και κυματομορφών όπως είναι αυτές οι οποίες παρατίθενται παρακάτω: Τιμές αλλά και μορφές των τάσεων των κόμβων του ηλεκτρικού κυκλώματος. Όχι η τάση του καθενός κόμβου αλλά μόνο η τάση κάποιων προεπιλεγμένων από το χρήστη κόμβων. Τιμή αλλά και μορφή της έντασης του ρεύματος των διακοπτών του κυκλώματος καθώς και κατάσταση των διακοπτών (ανοικτός ή κλειστός). Τιμές των χρονικά μεταβαλλόμενων αντιστάσεων του συστήματος (ωμικών και μη). Τιμές αλλά και μορφές των πηγών τάσεως ή και έντασης του ρεύματος, οι οποίες υπάρχουν στο κύκλωμα MODELS Το MODELS είναι μία γενικής περιγραφής γλώσσα προσομοίωσης, η οποία υποστηρίζεται από έναν μεγάλο αριθμό εργαλείων προσομοίωσης και χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση χρονικά μεταβαλλόμενων συστημάτων. Είναι σημαντικό να αναφερθεί πως έχει τη δυνατότητα να επεξεργάζεται δεδομένα και να παράγει τα αντίστοιχα αποτελέσματα, τα οποία αφορούν την εξομοίωση του υπό μελέτη συστήματος, είτε στο πεδίο της συχνότητας είτε στο πεδίο του χρόνου. Επιπρόσθετα, έχει την ικανότητα να επιτρέπει στο χρήστη του ATP-EMTP την εισαγωγή, την περιγραφή αλλά και τον έλεγχο αυθαίρετων προς το πρόγραμμα δεδομένων, όπως επίσης και διαφορετικών στοιχείων και μεταβλητών, δίνοντας ταυτόχρονα πρόσφορο έδαφος για τη διασύνδεση άλλων προγραμμάτων αλλά και στοιχείων στο περιβάλλον του ATP-EMTP. Τέλος, η περιγραφή του κάθε μοντέλου, επιτρέπεται να γίνεται χρησιμοποιώντας ελεύθερο σχηματισμό, όπως επίσης και σύνταξη με βάση κάποιες λέξεις κλειδιά σε τοπικό επίπεδο, ενώ είναι παράλληλα και αυτοτεκμηριούμενη. 105

106 5.6 ΡΟΥΤΙΝΕΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP- EMTP Σε πολλές περιπτώσεις είναι αναγκαίο να υπάρξει μία μετατροπή, ούτως ώστε τα στοιχεία του κατασκευαστή να μπορούν να επεξεργαστούν από το πρόγραμμα ATP-EMTP. Οι ενσωματωμένες λειτουργίες μέσα στο πρόγραμμα, οι οποίες επωμίζονται το ρόλο αυτό ονομάζονται ρουτίνες υποστήριξης του ATP-EMTP. Οι παρακάτω υποενότητες υπάρχουν μέσα στο πρόγραμμα στο οποίο αναφερόμαστε: Υπολογισμός των παραμέτρων των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και των καλωδίων τα οποία υπάρχουν σε αυτό το εναέριο σύστημα μεταφοράς, χρησιμοποιώντας τα μοντέλα LINE CONSTANTS, καθώς και CABLE PARAMETERS, τα οποία υπάρχουν ενσωματωμένα στο πρόγραμμα. Δημιουργία εξαρτώμενων από το πεδίο συχνότητας δεδομένων των γραμμών μεταφοράς, τα οποία χρειάζονται να περαστούν μέσα στο ATP (όπως για παράδειγμα γίνεται όταν μελετάμε μια γραμμή με το μοντέλο αναπαράστασης της γραμμής μεταφοράς J. Marti). Υπολογισμός των δεδομένων των μοντέλων των μετασχηματιστών του συστήματος, το οποίο μελετάται από το χρήστη του προγράμματος (π.χ. XFORMER, BCTRAN). Μετατροπή η οποία είναι απαραίτητη στις καμπύλες υστέρησης, καθώς και στις αντίστοιχες καμπύλες για τον κορεσμό. 5.7 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΟΥ ATP-EMTP Το πρόγραμμα αποτελείται από επιμέρους υποσυστήματα, τα οποία εκτός από το βασικό προσομοιωτή περιλαμβάνουν υπορουτίνες που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία των δεδομένων εισόδου, όπως για την αναπαράσταση και επεξεργασία των δεδομένων εξόδου. Όσων αφορά την προετοιμασία των δεδομένων εισόδου, ενδεικτικά αναφέρονται ότι υπάρχουν ρουτίνες για την κατασκευή των παραμέτρων μιας γραμμής μεταφοράς με βάση τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της, τον υπολογισμό των παραμέτρων συζευγμένων RL, για την αναπαράσταση 106

107 πολυφασικών, με πολλά τυλίγματα μετασχηματιστών, στο πεδίο του χρόνου κ.ο.κ. Αντίστοιχα, υπάρχουν ρουτίνες για την επεξεργασία δεδομένων εξόδου, όπως επί παραδείγματι για τη δημιουργία γραφικών παραστάσεων κ.ο.κ. Εκτενής αναφορά στις υποστηρικτικές εφαρμογές θα γίνει στη συνέχεια. Στο Σχήμα 5.1 φαίνονται τα προγράμματα τα οποία υποστηρίζουν το ATP-EMTP καθώς και την αλληλεπίδραση την οποία έχουν μεταξύ τους αλλά και με το κυρίως πρόγραμμα. Σχήμα 5.1: Τα υποστηρικτικά προγράμματα του ATP-EMTP.[15] 107

108 5.7.1 Control center Το ATP Control Center (ATPCC) είναι ένα εύχρηστο εργαλείο για τη διαχείριση των διάφορων προγραμμάτων του ATP-EMTP. Το ATPCC υποστηρίζει τα προγράμματα ATPDraw, PCPlot και οποιοδήποτε πρόγραμμα σχετικό με το ATP-EMTP, το οποίο λειτουργεί σε περιβάλλον των Windows. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ATPCC είναι: Δυνατότητα χρήσης δύο διαφορετικών εκδόσεων του ATP ταυτόχρονα. Δυνατότητα χρήσης του επιθυμητού από το χρήστη editor. Πάνω από 10 εξωτερικά προγράμματα έχουν τη δυνατότητα να συνδεθούν με το ATP Control Center. Event window, το οποίο έχει την ικανότητα να απεικονίζει τις ήδη εκτελεσμένες εντολές. Επανεκτέλεση των εντολών από το event window. Σχήμα 5.2: Το περιβάλλον του ATPCC.[15] 108

109 Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει την επικοινωνία του ATP Control Center με τα υπόλοιπα προγράμματα: Σχήμα 5.3: Διάγραμμα επικοινωνίας του ATPCC με τις υπόλοιπες εφαρμογές.[15] Το PCPlot Το PCPlot είναι πρόγραμμα σχεδιασμού κυματομορφών και γραφικών παραστάσεων. Αναλυτικότερα, το PCPlot επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου ATP-EMTP με κατάληξη *.pl4 και σχεδιάζει αντιστοίχως τις γραφικές παραστάσεις. Τα αρχεία με κατάληξη *.pl4 προκύπτουν ως έξοδοι από τις εκδόσεις του ATP-EMTP: Salford, Watcom και GNU/Mingw32. Τα κύρια χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου προγράμματος είναι τα εξής: 109

110 Έχει μέγιστο όριο επεξεργασίας και σχεδιασμού τον αριθμό των έξι μεταβλητών. Έχει τη δυνατότητα επιλογής χρωμάτων. Υπάρχει η επιλογή της μεγέθυνσης. Δυνατότητες αντιγραφής-επικόλλησης, BMP format saving. Στο Σχήμα 5.4 φαίνεται το περιβάλλον λειτουργίας του PCPlot. Σχήμα 5.4: Περιβάλλον λειτουργίας του PCPlot.[15] Το PlotXY Το PlotXY είναι πρόγραμμα το οποίο χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό των απαιτούμενων κυματομορφών και γραφικών παραστάσεων. Πιο διεξοδικά, το PlotXY επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου από το ATP-EMTP τα οποία έχουν κατάληξη *.pl4 και σχεδιάζει αντίστοιχα τις γραφικές παραστάσεις. Τα αρχεία με κατάληξη *.pl4 προκύπτουν ως έξοδοι από τις εκδόσεις του ATP-EMTP: Salford, Watcom και GNU/Mingw

111 Το πρόγραμμα PlotXY δημιουργήθηκε αρχικά για να γίνεται η μεταεπεξεργασία αρχείων του ATP-EMTP. Επιπλέον, υποστηρίζει και αρχεία τύπου ASCII data. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του είναι: Το PlotXY διαθέτει εύχρηστο GUI (Graphical User Interface). Έχει ως μέγιστο όριο επεξεργασίας και σχεδιασμού έξι μεταβλητές. Παρέχεται η δυνατότητα σχεδιασμού από τρία αρχεία στο ίδιο φύλλο. Το πρόγραμμα έχει την ικανότητα να παρέχει σχεδιασμό ως προς χρόνο ή ακόμα και με ΧΥ προεπιλεγμένους άξονες. Παρέχεται η δυνατότητα στο χρήστη να επιλέξει τα χρώματα της αρεσκείας του μέσα από μία πλούσια ποικιλία χρωμάτων. Υπάρχει επιλογή μεγέθυνσης των διαγραμμάτων τα οποία επεξεργάζεται ο χρήστης. Υπάρχει πρόβλεψη από τον κατασκευαστή, ώστε να παρέχονται δυνατότητες αντιγραφής-επικόλλησης και BMP format saving. Στο Σχήμα 5.5 παρατίθενται κάποιες χαρακτηριστικές εικόνες του προγράμματος PlotXY. Σχήμα 5.5: Περιβάλλον του προγράμματος PlotXY.[15] 111

112 5.7.4 Το GTPPlot Το GTPPlot είναι πρόγραμμα σχεδιασμού των εξόδων του ATP-EMTP, όπως και τα δύο προηγούμενα. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του είναι ότι λειτουργεί και σε Linux. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του είναι: Εύκολο στη χρήση GUI (Graphical User Interface). Ως μέγιστο όριο επεξεργασίας και σχεδιασμού έχει τα σημεία και τις 1000 μεταβλητές. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό το οποίο εισάγεται από το GTPPlot είναι ο σχεδιασμός ανάλυσης FOURIER. Αντίθετα από τα προηγούμενα, δεν υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου από το ποντίκι. Παρέχεται η δυνατότητα επιλογής χρωμάτων. Υφίσταται η επιλογή μεγέθυνσης των εξόδων του συστήματος. Υποστηρίζονται οι δυνατότητες αντιγραφής-επικόλλησης και BMP format saving. 112

113 Σχήμα 5.6: Περιβάλλον λειτουργίας του GTPPlot.[15] Το Programmer s File Editor (PFE) Το PFE είναι text editor που λειτουργεί σε Windows. Με τον PFE ο χρήστης ελέγχει τα αρχεία εισόδου και εξόδου του EMTP. 113

114 Σχήμα 5.7: Το περιβάλλον λειτουργίας του PFE.[15] Καθώς το PFE εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες με το notepad, έχει εγκαταλειφθεί η ανάπτυξή του Το ATP-LCC Το ATP-LCC αποτελεί μία καινοτομία στο πρόγραμμα του ATP-EMTP. Στο συγκεκριμένο πρόγραμμα, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να επιλέξει τα στοιχεία και τα δεδομένα για τη διατομή αλλά και για το υλικό μιας εναέριας γραμμής μεταφοράς, καθώς και ενός συστήματος εναέριων καλωδίων μέσω περιβάλλοντος παραθύρων. Με βάση τα τοποθετούμενα από το χρήστη δεδομένα, το πρόγραμμα ATP-LCC δημιουργεί ένα ATP αρχείο, το οποίο είναι έτοιμο να διαβαστεί και να επεξεργαστεί από το ATP, ούτως ώστε το τελευταίο να είναι σε θέση να δημιουργήσει ένα αρχείο εξόδου ή ένα αρχείο εξόδου πινάκων (LIS αρχείο). Το πρόγραμμα ATP-LCC αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο αφορά τα στοιχεία για τις σταθερές των γραμμών και το δεύτερο αφορά τα αντίστοιχα δεδομένα για τα καλώδια. Αυτά τα δύο στελέχη του προγράμματος χρησιμοποιούνται από το πρόγραμμα και από το χρήστη ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και σε ξεχωριστά παραθυρικά περιβάλλοντα. Αναλυτικότερα, το πρόγραμμα ATP-LCC υποστηρίζει: 114

115 1) Σταθερές γραμμών: συνεχείς παράμετροι π-ισοδύναμα γραμμών μεταφοράς. Έξοδοι μοναδικής απόκρισης. Έξοδοι αμοιβαίας σύζευξης. Έξοδοι λογαριθμικής συχνότητας. 2) Σταθερές καλωδίων: εναέριες γραμμές Μονοπολικά καλώδια. Καλώδια εσωκλειόμενου σωλήνα. Υποστηρίζονται π-ισοδύναμα καθώς και γραμμές και καλώδια τύπου J. Marti. Στις πλείστες των περιπτώσεων, το εξαγόμενο από το ATP-LCC αρχείο είναι έτοιμο να διαβαστεί από το ATPDraw έτσι ώστε να υπάρχει η δυνατότητα να προχωρήσει η διαδικασία της προσομοίωσης. Εξαιρούνται οι περιπτώσεις των π-ισοδύναμων ονομαστικών κυκλωμάτων. Στο Σχήμα 5.8 παρατίθεται το παραθυρικό περιβάλλον του ATP-LCC. Σχήμα 5.8: Περιβάλλον του ATP-LCC.[14] 115

116 5.8 ΤΟ ATPDraw Γενικά στοιχεία για το περιβάλλον ATPDraw Το πρόγραμμα ATPDraw είναι ένας γραφικός προεπεξεργαστής για το πρόγραμμα ATP σε περιβάλλον Windows. Με το ATPDraw δίδεται στο χρήστη η δυνατότητα της γραφικής απεικόνισης στον υπολογιστή του κυκλώματος ή του ηλεκτρικού συστήματος προς προσομοίωση. Μέσα από το πρόγραμμα αναπαρίσταται με τη μορφή δομικών στοιχείων το κυκλωματικό σχέδιο του κυκλώματος ή ηλεκτρικού δικτύου. Επιπλέον, ορίζονται οι απαραίτητες παράμετροι με σχετικά εύκολο και απλό τρόπο, προκειμένου να προχωρήσει ο μελετητής στην ανάλυση με το ATP-EMTP. Η έξοδος του ATPDraw είναι το αρχείο εισόδου (text file) που χρειάζεται το ATP-EMTP, ώστε να προσομοιώσει το σύστημα. Στο περιβάλλον του προγράμματος ATPDraw, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να διαλέξει ανάμεσα από σωρεία άλλων, προκαθορισμένων από το σύστημα του προγράμματος, στοιχείων, αυτά τα στοιχεία τα οποία ο ίδιος θεώρει ως κατάλληλα για τη γραφική αναπαράσταση, αλλά και τη μελέτη του ηλεκτρικού δικτύου, το οποίο θέλει να προσομοιώσει και να μελετήσει, ή ακόμη και να εισαγάγει ο ίδιος δικά του στοιχεία. Επίσης, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να δώσει ο ίδιος ονόματα στους κόμβους του υπό μελέτη ηλεκτρικού συστήματος, το οποίο κατασκεύασε με τη χρήση του ATPDraw. Παρ όλα αυτά, κατά κανόνα η ονομασία των κόμβων του ηλεκτρικού συστήματος είναι μια εργασία η οποία εκτελείται από το ίδιο το πρόγραμμα. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι το ATPDraw αναλαμβάνει την κατασκευή του σωστού αρχείου εισόδου, το οποίο πρόκειται να διαβαστεί από το ATP-EMTP, προκειμένου να προχωρήσουμε στην εξομοίωση του υπό μελέτη ηλεκτρικού συστήματος. Το ATPDraw έχει ένα συγκεκριμένο περιβάλλον για τα Windows και προσφέρει επίσης άπλετη βοήθεια στο χρήστη. Στο παρακάτω Σχήμα 5.9 βλέπουμε όλα τα στοιχεία τα οποία είναι σε θέση να επεξεργάζεται το ATPDraw. Όπως παρατηρούμε, το συγκεκριμένο πρόγραμμα είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει πολλά ηλεκτρικά εργαλεία, όπως είναι οι αντιστάτες, γραμμικοί ή μη καθώς και εξαρτώμενοι ή όχι από το χρόνο, μετασχηματιστές τάσης ή ακόμα και ρεύματος, πηνία συζευγμένα ή όχι, πυκνωτές, στοιχεία τα οποία αφορούν γραμμές μεταφοράς, καθώς και πολλά άλλα στοιχεία. 116

117 Σχήμα 5.9: Τα ήδη υπάρχοντα στοιχεία στο περιβάλλον του ATPDraw.[15] Επιπρόσθετα, όλες οι λειτουργίες οι οποίες είναι εν γένει αποδεκτές από όλα τα προγράμματα τα οποία λειτουργούν στο περιβάλλον των Windows, είναι αποδεκτές και από το ATPDraw όπως είναι για παράδειγμα η λειτουργία αντιγραφή-επικόλληση, η περιστροφή των στοιχείων, η ομαδοποίησή τους, η εισαγωγή καθώς και η εξαγωγή δεδομένων στο σύστημα, όπως και οι δυνατότητες αναίρεσης και επανάληψης. Το περιβάλλον στο οποίο δουλεύει ο χρήστης ο οποίος έχει επιλέξει να πραγματοποιήσει την προσομοίωση του ηλεκτρικού συστήματος φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα

118 Σχήμα 5.10: Περιβάλλον λειτουργίας του ATPDraw.[15] Ένα τυπικό κύκλωμα του προγράμματος ATPDraw φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 5.11: Κύκλωμα του ATPDraw.[15] 118

119 5.8.2 Τύποι στοιχείων που υποστηρίζονται από το ATPDraw To ATPDraw υποστηρίζει τους ακόλουθους τύπους στοιχείων: Γραμμικοί κλάδοι καθώς και συγκεντρωμένα στοιχεία, περιλαμβανομένων και των TACS. Μη γραμμικοί κλάδοι στοιχείων. Διακόπτες. Πηγές τάσης αλλά και έντασης. Δυνατότητα κατασκευής νέων μοντέλων από το χρήστη (MODELS). Δυνατότητα ορισμού στοιχείων από το χρήστη (User Object) Τύποι αρχείων που υποστηρίζονται από το ATPDraw Οι τύποι αρχείων, οι οποίοι υποστηρίζονται από το περιβάλλον του προγράμματος ATPDraw, είναι οι ακόλουθοι:.atp-atp αρχείο. Τα αρχεία αυτού του συγκεκριμένου τύπου παράγονται από το ATPDraw και μεταφράζονται απευθείας με το ATP-EMTP..adp-project αρχείο. Τα αρχεία αυτού του τύπου περιέχουν την περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος καθώς και όλα τα εξωτερικά οριζόμενα στοιχεία αυτού, όπως είναι τα model, user specified, line/cable data, αλλά και lib αρχεία. Μαζί με αυτό το αρχείο, ανοίγουν και τα υπόλοιπα εξωτερικά αρχεία, τα οποία αφορούν το συγκεκριμένο κύκλωμα, ούτως ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία και εξομοίωσή του..sup-support αρχείο. Αρχεία αυτού του τύπου περιλαμβάνουν πληροφορίες για κάθε στοιχείο του συστήματος ξεχωριστά, όπως είναι για παράδειγμα ο αριθμός συνδέσεων, το εικονίδιο, το κείμενο βοήθειας κ.τ.λ..mod,.lib-model, user specified αρχείο. Αρχεία τα οποία περιέχουν πληροφορίες για τα MODEL ή για τα User Specified στοιχεία αντίστοιχα. 119

120 5.8.4 Διαδικασία εξομοίωσης με χρήση του ATPDraw Με αρωγό το πρόγραμμα ATPDraw, ο μελετητής σχεδιάζει το κύκλωμα που θέλει να εξομοιώσει, το οποίο μαζί με όλες τις παραμέτρους αποθηκεύεται σε αρχείο με κατάληξη.adp. Κατόπιν, παράγεται το αρχείο κειμένου με την κατάληξη.atp, το οποίο και θα αποτελέσει την είσοδο του ATP-EMTP. Ο χρήστης έχει την ευχέρεια να ζητήσει από το πρόγραμμα ATP- EMTP το σχεδιασμό των επιθυμητών από τον ίδιο ηλεκτρικών ποσοτήτων τοποθετώντας τους απαιτούμενους μετρητές της τάσης και της έντασης του ρεύματος στους κατάλληλους κόμβους του κυκλωματικού σχεδιαγράμματος, το οποίο έχει κατασκευαστεί από τον ίδιο το χρήστη στο περιβάλλον του ATPDraw. Μετά το πέρας της διαδικασίας της προσομοίωσης, επιστρέφεται ένα αρχείο κειμένου με την κατάληξη.lis καθώς και ένα αρχείο με κατάληξη.pl4, στην περίπτωση που η προσομοίωση ολοκληρωθεί επιτυχώς. Σε αντίθετη περίπτωση, παράγεται το σφάλμα κατά τη διαδικασία της προσομοίωσης. Το αρχείο.pl4 περιλαμβάνει τις γραφικές παραστάσεις, οι οποίες έχουν ζητηθεί από το χρήστη. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ζητήσει τις γραφικές παραστάσεις και τα διαγράμματα των μεγεθών τα οποία έχει ζητήσει από την προσομοίωση και τα οποία περιέχονται στο παραπάνω αρχείο με τη χρήση αρκετών υποπρογραμμάτων του κυρίως προγράμματος, όπως επί παραδείγματι τα GTPlot και PlotXY. Η πορεία της εξομοίωσης του επιθυμητού από το χρήστη ηλεκτρικού συστήματος, στην περίπτωση κατά την οποία μελετάται η συμπεριφορά μιας εναέριας γραμμής φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 5.12: Σχήμα 5.12: Διαδικασία εξομοίωσης ηλεκτρικού συστήματος με χρήση του ATP-EMTP.[15] 120

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με τη βοήθεια του λογισμικού ATP-EMTP θα γίνει εξομοίωση ενός υβριδικού δικτύου, το οποίο απαρτίζεται από εναέριες γραμμές και υπόγεια καλώδια μεταφοράς υψηλής τάσης. Στην εργασία αυτή μελετάται η επίδραση κεραυνικού πλήγματος τόσο στο εναέριο τμήμα της γραμμής μεταφοράς όσο και στο υπόγειο. Στις επόμενες ενότητες παρουσιάζονται αναλυτικά τα στοιχεία του δικτύου. 6.2 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Για την εξομοίωση εναέριων γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης θα χρησιμοποιηθεί το μοντέλο LCC που είναι ενσωματωμένο στο ATPDraw. Είναι το πλέον κατάλληλο μοντέλο του προγράμματος για εξομοίωση οποιουδήποτε είδους εναέριας γραμμής μεταφοράς. Παρέχει τη δυνατότητα τοποθέτησης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της γραμμής με σημείο αναφοράς το έδαφος, καθώς και των χαρακτηριστικών στοιχείων των καλωδίων, όπως αντίσταση ανά μονάδα μήκους, με αυτόματο υπολογισμό των αντίστοιχων μητρών των διαφορικών συστημάτων των εξισώσεων της γραμμής. Το μοντέλο LCC μας παρέχει τη δυνατότητα να επιλέξουμε ανάμεσα σε διάφορες μεθόδους επίλυσης των εξισώσεων της γραμμής, όπως επί παραδείγματι Bergeron, JMarti, Noda. Στην παρούσα εξομοίωση θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος JMarti. Το δίκτυο που θα μελετήσουμε και παράλληλα θα εξομοιώσουμε, αποτελείται από εναέριες γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης 400kV με πυλώνες διπλού κυκλώματος. Οι πυλώνες διπλού κυκλώματος φέρουν δύο τριφασικά κυκλώματα συμμετρικά ως προς τον κατακόρυφο άξονα του πυλώνα. Επιπλέον, κάθε τριφασικό κύκλωμα έχει τρία ζεύγη κατακόρυφα τοποθετημένων αγωγών, δηλαδή δύο αγωγούς ανά φάση. Επίσης, ο πυλώνας φέρει στην κορυφή του δύο αγωγούς προστασίας. Αξίζει να 121

122 αναφερθεί, τέλος, πως παρόμοιοι πυλώνες χρησιμοποιούνται και στο ελληνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 6.1: Τυπικός πυλώνας 400kV διπλού κυκλώματος του ελληνικού συστήματος μεταφοράς.[16] Αρωγός στην προσομοίωση των πυλώνων 400 kv διπλού κυκλώματος στάθηκε η εργασία των Pantelis N. Mikropoulos, Thomas E. Tsovilis, Zacharias G. Datsios και Nikos C. Mavrikakis. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται μοντέλα προσομοίωσης των πυλώνων και των βασικών χαρακτηριστικών των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Σύμφωνα με την εργασία αυτή, για τη μοντελοποίηση του πυλώνα ξεκινάμε με την παραδοχή ότι ο πυλώνας μπορεί να αναπαρασταθεί από μία ωμική αντίσταση συνδεδεμένη σε σειρά με μία παράλληλη σύνδεση ωμικής αντίστασης και αυτεπαγωγής. Η διάταξη αυτή επαναλαμβάνεται 4 φορές, 3 φορές για τις 3 φάσεις της γραμμής μεταφοράς και μία φορά ακόμα για τον αγωγό προστασίας. Στη βάση του πύργου τοποθετούμε μία αντίσταση που καταλήγει σε γείωση. Το αντίστοιχο μοντέλο του πύργου φαίνεται στο Σχ.6.2: 122

123 Σχήμα6.2: Μοντέλο πύργου στο ATP-EMTP. Όσων αφορά τις τιμές των παραμέτρων, σύμφωνα με την προαναφερθείσα εργασία και το μοντέλο Ishii, ισχύει Z t1 =Z t2 =Z t3 =220Ω και Z t4 =150Ω. Για τους παράλληλους συνδυασμούς R-L, ισχύει για την πρώτη διάταξη R 1 =11.4Ω και L 1 =3.4μH, για τη δεύτερη διάταξη R 2 =19.4Ω και L 2 =5.8μH, για την τρίτη διάταξη R 3 =18.3Ω και L 3 =5.5μH, ενώ για την τέταρτη διάταξη ισχύει R 4 =33.5Ω και L 4 =10μH. Τέλος, η τιμή της αντίστασης γείωσης στη βάση του πύργου είναι R 0 =10Ω. Οι παραπάνω τιμές για τις αντιστάσεις και τις αυτεπαγωγές των παράλληλων συνδυασμών R-L προέκυψαν από τους παρακάτω τύπους: όπου h είναι το συνολικό ύψος του πύργου, v T είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος, η οποία θεωρείται ίση με την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή v T =3*10 8 m/s. Τα διαστήματα h 1, h 2, h 3 καθορίζονται στο παρακάτω σχήμα

124 Σχήμα 6.3: Καθορισμός διαστημάτων h 1, h 2, h 3. Για τους πυλώνες της παρούσας προσομοίωσης ισχύει h 1 =5m, h 2 =8.5m και h 3 =8m. Εκτός από τα χαρακτηριστικά των πυλώνων, είναι απαραίτητα τα στοιχεία των αγωγών φάσεως αλλά και προστασίας που θα χρησιμοποιηθούν και φαίνονται στον παρακάτω πίνακα 6.1. Πίνακας 6.1: Χαρακτηριστικά αγωγών φάσεως και προστασίας.[20] Σε πολλές περιπτώσεις είναι απαραίτητη η θεώρηση εσωτερικής ακτίνας στους αγωγούς των φάσεων, κυρίως στις γραμμές υψηλής τάσης. Είναι βασικό στοιχείο, μιας και θα καθορίσει την εσωτερική κατανομή της αντίστασης στον αγωγό (δεν είναι ομοιόμορφη η αντίσταση) που με τη σειρά της θα ορίσει τη συμπεριφορά στο επιδερμικό φαινόμενο. 124

125 Αφού γίνει η εισαγωγή των παραμέτρων στο LCC μοντέλο, παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα τα χαρακτηριστικά της γραμμής μεταφοράς, τα στοιχεία των πυλώνων που χρησιμοποιήθηκαν, όπως επίσης και οι γεωμετρικές εικονικές τοποθετήσεις των αγωγών που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση με το πρόγραμμα ATP-EMTP. Σχήμα 6.4: Μοντέλο εναέριας γραμμής μεταφοράς. 125

126 Σχήμα 6.5: Παράμετροι εναέριας γραμμής μεταφοράς και πυλώνων. 126

127 Σχήμα 6.6: Γεωμετρική απεικόνιση αγωγών φάσεως και προστασίας. 6.3 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Περνώντας στην εξομοίωση των υπόγειων καλωδίων υψηλής τάσης, χρησιμοποιείται εκ νέου το μοντέλο LCC του ATPDraw, καθώς υπάρχει η δυνατότητα επιλογής για δημιουργία υπόγειου καλωδίου. Τα χαρακτηριστικά των καλωδίων που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση αποκομίστηκαν από το εγχειρίδιο της ABB για καλώδια XLPE. Όπως είναι κατανοητό, για την παρούσα εργασία επιλέχθηκε καλώδιο ικανό να ανταποκριθεί σε τάση 400kV. Στον παρακάτω Πίνακα 6.2 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του καλωδίου όπως αναγράφονται στο εγχειρίδιο της ABB. 127

128 Πίνακας 6.2: Χαρακτηριστικά καλωδίου 400kV.[18] Μία εικόνα με τα επίπεδα του καλωδίου παρουσιάζεται παρακάτω. Σχήμα 6.7: Το χρησιμοποιηθέν καλώδιο στην εξομοίωση.[18] Αφού εισαχθούν τα κατάλληλα δεδομένα στο μοντέλο LCC, παρουσιάζονται πιο κάτω σε εικόνες το μοντέλο του καλωδίου, καθώς και η γεωμετρική απεικόνιση των καλωδίων στο έδαφος. 128

129 Σχήμα 6.8: Μοντέλο υπόγειου καλωδίου στο ATP. 129

130 Σχήμα 6.9: Γεωμετρική απεικόνιση υπόγειων καλωδίων υψηλής τάσης διπλού κυκλώματος. Το τελικό δίκτυο, με τη βοήθεια του οποίου θα γίνει η μελέτη των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων στις εναέριες γραμμές μεταφοράς και στα υπόγεια καλώδια, παρουσιάζεται στο Σχήμα

131 Σχήμα 6.10: Κύκλωμα προς εξομοίωση κεραυνικών υπερτάσεων. Η διασύνδεση των τερματικών πυλώνων με τα υπόγεια καλώδια γίνεται σύμφωνα με την εργασία των Kresimir Fekete, Srete Nikolovski, Goran Knezević, Marinko Stojkov, Zoran Kovač, οι οποίοι μελέτησαν την υπογείωση ενός τμήματος υψηλής τάσης του κροατικού δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται δύο παράλληλα υπόγεια καλώδια, τα οποία συνδέονται με το δίκτυο μεταφοράς μέσω των τερματικών πυλώνων Τ5 και Τ6. Εκτός από τους τερματικούς πυλώνες, τα υπόγεια καλώδια συνδέονται επίσης σε τέσσερα σημεία και με ένα χάλκινο καλώδιο γείωσης με αντίσταση R=0.0665Ω και αυτεπαγωγή L=0.23mH. Ο τρόπος σύνδεσης των υπόγειων καλωδίων φαίνεται σε μεγέθυνση στο Σχήμα

132 Σχήμα 6.11: Διασύνδεση υπόγειων καλωδίων με το δίκτυο. 6.4 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΚΡΟΥΣΤΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Για αναλυτικούς σκοπούς, όπως στη συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιείται ως ρεύμα κεραυνού αυτό που πρότεινε αρχικά ο Heidler και είναι σύμφωνο με το διεθνή κανονισμό της IEC Η κυματομορφή του ρεύματος δίνεται από τον ακόλουθο τύπο[21]: ( ) ( ) ( ) (1) Ι: ρεύμα κορυφής k: διορθωτικός συντελεστής ρεύματος κορυφής t: χρόνος τ 1 : χρόνος μετώπου τ 2 : χρόνος ουράς ή χρόνος ημίσεως εύρους 132

133 Η εξομοίωση του κρουστικού ρεύματος σύμφωνα με τον παραπάνω τύπο στο ATPDraw πραγματοποιείται με τη βοήθεια του μοντέλου της κρουστικής γεννήτριας Heidler. Στο κύκλωμα της προσομοίωσης, ο κεραυνός πλήττει τον αγωγό προστασίας του τερματικού πυλώνα T6, όπως φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 6.12: Θέση κεραυνικού πλήγματος. Σύμφωνα λοιπόν με τον τύπο (1) για την κυματομορφή του κρουστικού ρεύματος, είμαστε σε θέση να πραγματοποιήσουμε δοκιμές κεραυνικών πληγμάτων στο δίκτυο με τις ακόλουθες τιμές για το πλάτος κεραυνού, το χρόνο μετώπου και το χρόνο ουράς: 133

134 I(kA) k τ 1 (μs) τ 2 (μs) Στην προσομοίωση θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στις επιπτώσεις του κεραυνικού πλήγματος στις εναέριες γραμμές μεταφοράς και στα υπόγεια καλώδια. Για το σκοπό αυτό έχουν τοποθετηθεί βολτόμετρα τόσο σε σημεία της εναέριας γραμμής μεταφοράς όσο και στα υπόγεια καλώδια. Αναλυτικότερα, βολτόμετρο έχει τοποθετηθεί στη διασύνδεση του τερματικού πυλώνα T6 με το υπόγειο καλώδιο, στον πυλώνα T6 στο σημείο του κεραυνικού πλήγματος, στον πυλώνα T10 2km μακριά από το κεραυνικό πλήγμα, στο υπόγειο καλώδιο 672 μέτρα μακριά από το κεραυνικό πλήγμα και στον τερματικό πυλώνα T5, στον οποίο γίνεται η υπογείωση του δεύτερου υπόγειου καλωδίου. Στο Σχήμα 6.13 παρουσιάζεται το μοντέλο της γεννήτριας Heidler στο ATPDraw και το περιβάλλον εισαγωγής δεδομένων για το είδος του κεραυνού. 134