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: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μπεκιάρης Πέτρος του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 6581 Θέμα «Μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης της νήσου Χίου» Επιβλέπουσα κα. Ελευθερία Πυργιώτη Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης της νήσου Χίου» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μπεκιάρης Πέτρος του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 6581 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα Επίκουρη Καθηγήτρια κα. Ελευθερία Πυργιώτη Καθηγητής κ. Αντώνιος Αλεξανδρίδης 3

4 4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης της νήσου Χίου» Φοιτητής: Μπεκιάρης Πέτρος του Δημητρίου Επιβλέπουσα: Επίκουρη Καθηγήτρια κα. Πυργιώτη Ελευθερία Περίληψη Σε αυτήν την διπλωματική εργασία γίνεται η μελέτη της συμπεριφοράς των γραμμών μέσης τάσης σε καταπονήσεις από κεραυνούς της νήσου Χίου. Οι κεραυνοί αποτελούν ένα φυσικό φαινόμενο με επικίνδυνα αποτελέσματα για την ασφάλεια των ανθρώπων, των κτιρίων και των ηλεκτρικών συστημάτων. Έτσι, κεραυνοί που πλήττουν άμεσα γραμμές διανομής ή γειτονικό σε αυτές έδαφος, είναι υπεύθυνοι για τα σφάλματα που λαμβάνουμε στο ηλεκτρικό σύστημα. Το αποτέλεσμα της πτώσης κεραυνού μπορεί να οδηγήσει σε στιγμιαίο ή και μόνιμο σφάλμα. Οι προβλέψεις για την συμπεριφορά των εναερίων γραμμών διανομής εμπεριέχουν πολλές αβεβαιότητες. Μερικές βασικές παράμετροι όπως η πυκνότητα των κεραυνών, που μετριέται με την πυκνότητα των κεραυνών στο έδαφος (GFD), ή ο υπολογισμός του αριθμού των απευθείας πληγμάτων στην γραμμή απέχουν από την πραγματικότητα. Μελετώντας την εργασία αυτή μπορούμε να κάνουμε προβλέψεις σφαλμάτων λόγω κεραυνών σε μια γραμμή διανομής με μια αρκετά καλή ακρίβεια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η δομή των δικτύων διανομής και των γραμμών μέσης τάσης και γίνεται εκτενέστερη αναφορά στις εναέριες γραμμές που είναι και το αντικείμενο της εργασίας αφού αυτές δέχονται τα κεραυνικά πλήγματα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα σφάλματα που μπορούν να προκληθούν στα δίκτυα διανομής και στα αίτια πρόκλησής τους. Τα συχνότερα είναι αυτά από ατμοσφαιρικά αίτια. Παρουσιάζονται επίσης οι διάφορες μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας των γραμμών. 5

6 Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι κεραυνοί και τα χαρακτηριστικά τους. Εξετάζεται ο κεραυνός ως φυσικό αίτιο, τα είδη των κεραυνών καθώς και η μοντελοποίησή του ως κρουστική τάση. Τέλος γίνεται αναφορά στις σημαντικές έννοιες της κεραυνικής στάθμης και των ισοκεραυνικών καμπυλών που θα χρησιμοποιηθούν παρακάτω. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η οδηγία της ΙΕΕΕ στην οποία και έχει βασιστεί αυτή η εργασία και αναφέρεται στην συμπεριφορά των εναέριων γραμμών σε κεραυνικά πλήγματα. Σκοπός της είναι να παρουσιάσει λύσεις για την μείωση των προκληθέντων βραχυκυκλωμάτων. Προσδιορίζεται η συμπεριφορά των γραμμών σε περίπτωση πτώσης κεραυνού, πλήγματα κεραυνών και βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση, το επίπεδο μόνωσης των γραμμών και η προστασία των γραμμών με προστατευτικό αγωγό και αλεξικέραυνα. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται ο θεωρητικός υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων στις γραμμές βάση της οδηγίας του τετάρτου κεφαλαίου. Αναπτύσσεται η καταγραφή των σφαλμάτων και των βλαβών στο δίκτυο Μ.Τ. σε τέσσερις διαφορετικές γραμμές διανομής για τα έτη από το 2003 έως το 2011 στη Χίο. Τέλος γίνεται μια σύγκριση μεταξύ των πραγματικών και των θεωρητικών μετρήσεων και μεταξύ των τεσσάρων γραμμών και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της μελέτης. 6

7 ABSTRACT This diploma thesis studies the lightning performance of electric power overhead distribution lines. The lightning is a natural phenomenon with dangerous effects on the safety of people, buildings and electrical systems. So a lightning that strikes directly to a distribution line, or to the nearby area is responsible for the damage happening to the electric circuit. Lightning usually causes temporary faults onoverhead distribution lines. Estimates of the lightning performance of distribution lines contain many uncertainties. Some of the basics such as lightning intensity measured by ground flash density (GFD), or estimating the number of direct strikes to a distribution line may have significant errors. Often, rough estimates or generally accepted practices are just as effective as detailed calculations. This guide is intended to provide straightforward estimates of lightning-caused faults. The first chapter presents the structure of the electrical distribution network and lines of medium voltage and a more extensive reference is made to the overhead lines which are exposed to lightning. The second chapter refers to errors that can occur in the distribution and the causes of its occurrence. The most common are those of atmospheric origin. Also presents several methods for grounding lines. The third chapter presents the thunderbolts and their characteristics. Examine the lightning as a natural cause, types of lightning and the modeling of a voltage impulse. Finally refer to the important concepts of lightning and isokeravnic level curves which will be used below. The fourth chapter presents the guide of IEEE, to which this thesis is based and refers to the behavior of overhead lines to lightning strikes. The aim is to provide solutions to reduce induced short circuits. Determine the behavior of the lines in case lightning, lightning strikes and short circuits induced by voltage, the insulation level of lines and the protection of lines with a protective conductor and lightning arresters. The fifth and final chapter is a theoretical calculation of the expected flashovers to the lines under the IEEE guide of the fourth chapter. The flashovers and faults in four separate distribution lines are recorded for the years 2003 to 2011 in the island of Chios. A comparison takes place between actual and theoretical measurements and between the four lines, and finally the conclusions of the study are presented. 7

8 Ευχαριστίες Καταρχάς θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτριά μου κα. Ελευθερία Πυργιώτη, που μου ανέθεσε το θέμα της διπλωματικής εργασίας και ανέλαβε την επίιβλεψη της, καθώς και για τις πολύτιμες υποδείξεις ώστε να φτάσω σε ένα άρτιο αποτέλεσμα. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συναδέλφους στη ΔΕΗ Χίου που με μεγάλη προθυμία μου παρείχαν όλα τα απαραίτητα στοιχεία που απαιτούνταν για την εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Πάτρα, Οκτώβριος, Πέτρος Μπεκιάρης 8

9 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Διανομή Ηλεκτρικής ενέργειας Εναέρια δίκτυα μέσης τάσης Υπόγεια δίκτυα μέσης τάσης Υποσταθμοί διανομής Εναέριοι υποσταθμοί Επίγειοι υποσταθμοί Υπόγειοι υποσταθμοί Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύων μέσης τάσης Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύων χαμηλής τάσης Εναέριες γραμμές Υπόγειες γραμμές Διανομή στην Ελλάδα Αποστολή και Στόχοι Στατιστικά στοιχεία Διανομή ηλεκτρικής ενέργειας και περιβάλλον Σφάλματα Τύποι Σφαλμάτων Αιτίες πρόκλησης σφαλμάτων Αντικεραυνική Προστασία Ακίδες Αλεξικέραυνα Αγωγός γης Ηλεκτρικά Ατμοσφαιρικά Φαινόμενα: Κεραυνοί και τα χαρακτηριστικά τους Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις Ηλεκτρική κατάσταση της γης

10 3.3 Κεραυνός ως φυσικό φαινόμενο Είδη κεραυνών Μηχανισμός ατμοσφαιρικών εκκενώσεων Απόσταση διάσπασης Ρεύμα του κεραυνού και σχετικοί παράμετροι Κυματομορφές ρεύματος Ειδική ενέργεια Ισοκεραυνικές καμπύλες Ελλάδα Οδηγία της IEEE για την συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση κεραυνού Εισαγωγή Σκοπός και αναφορές Ορισμοί Παράμετροι κεραυνών Κατανομές μέγιστου ρεύματος κεραυνών Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Πλήγματα κεραυνών σε εναέριες γραμμές Βραχυκύκλωμα από επαγόμενη τάση Επίπεδα μόνωσης γραμμών διανομής CFO τάση συνδυασμένης μόνωσης Προσδιορισμός της CFO(κρίσιμη τιμή της τάσης βραχυκυκλώματος) τάσης για κατασκευές με μονώσεις σειράς Τεχνικά ζητήματα Ικανότητα ξύλου για διακοπή τόξου Καταστροφή ξύλου λόγω κεραυνού Προστασία γραμμών διανομής με προστατευτικούς αγωγούς Γωνία προστασίας Απαιτήσεις μόνωσης

11 4.7.3 Αποτελεσματικότητα της γείωσης και του επιπέδου μόνωσης Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Μήκος αγωγών σύνδεσης αλεξικέραυνων Βραχυκυκλώματα από έμμεσα πλήγματα Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα Υπόδειγμα χρήσης οδηγού Υπόδειγμα - Σχέδιο ξύλινου πυλώνα 15kV Διαδικασία Μετρήσεων Εισαγωγή Μεθοδολογία θεωρητικού υπολογισμού Θεωρητικός υπολογισμός σφαλμάτων στις γραμμές Γραμμή R Γραμμή R Γραμμή R Γραμμή R Δεδομένα σφαλμάτων Σύγκριση και Ανάλυση αποτελεσμάτων Παρατηρήσεις Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

12 12

13 1. Εισαγωγή 1.1 Ιστορική Αναδρομή Πριν το 1800, η γνώση γύρω από τον ηλεκτρισμό περιοριζόταν κυρίως στις μελέτες των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων που είχαν γίνει από κάποιου; 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 εμφανίστηκαν αρκετά αργότερα. Η πρώτη εμπορική χρήση του ηλεκτρισμού άρχισε γύρω στο 1870,όταν χρησιμοποιήθηκαν οι λαμπτήρες τόξου για φωτισμό οικιών και οδών. Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα,ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (dc) που εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στη Νέα Υόρκη το Παρά την αρχική ευρεία χρήση τους,πολύ γρήγορα αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος (ac), λόγω της ανάπτυξης του μετασχηματιστή που παρείχε τη δυνατότητα να μεταβάλλονται εύκολα τα επίπεδα τάσης,και να χρησιμοποιούνται έτσι διαφορετικά επίπεδα για την παραγωγή,τη μεταφορά και τη διανομή, με αποτέλεσμα να κρατούνται σε αποδεκτά επίπεδα οι απώλειες μεταφοράς σε μεγάλες αποστάσεις. Επίσης οι γεννήτριες και οι κινητήρες εναλλασσόμενου ήταν απλούστεροι και φθηνότεροι από του συνεχούς. Με την επικράτηση του εναλλασσόμενου ρεύματος άρχισε η ανάπτυξη των τοπικών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών,οι οποίοι με συστήματα μεταφοράς και διανομής που εκτείνονταν μέχρι τα όρια δράσης τους,εξυπηρετούσαν φορτίο στενών γεωγραφικών περιοχών. Πολύ σύντομα γειτονικά τέτοια συστήματα άρχισαν να διασυνδέονται, ώστε να μπορούν να ανταλλάσσουν ενέργεια και να ικανοποιούν στη βάση της αμοιβαιότητας φορτία αιχμής,που μόνα τους θα ήταν αδύνατο να ικανοποιηθούν. Με τις διασυνδέσεις άλλωστε γινόταν καλύτερη αξιοποίηση του εξοπλισμού κάθε συστήματος. Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας παρουσίασαν συνεχή και αλματώδη ανάπτυξη κατά τον 20ο αιώνα. Στη σημερινή πλέον εποχή, οι γραμμές μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτουν το σύνολο των κατοικημένων περιοχών, εξασφαλίζοντας έτσι την ηλεκτροδότηση του συνόλου των καταναλωτών. Την τελευταία ωστόσο δεκαετία η σημαντική ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιακών μέσων, σε συνδυασμό με την ανάγκη αξιοποίησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την απελευθέρωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας και στη χώρα μας (από το 2001), επιφέρουν αναπόφευκτα την ανάγκη για ορισμένες επιθυμητές αλλαγές στην τεχνική μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας με στόχο την καλύτερη 13

14 εξυπηρέτηση των καταναλωτών, καθώς και την πληρέστερη εκμετάλλευση των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Στη χώρα μας το σύνολο του συστήματος παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας ανήκει στην Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού (ΔΕΗ). Ένα σύγχρονο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας δύναται να διακριθεί στα παρακάτω τμήματα: Τους σταθμούς παραγωγής, όπου και παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια. Τα δίκτυα μεταφοράς, μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η σύνδεση των σταθμών παραγωγής μεταξύ τους και η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας πλησίον των κέντρων κατανάλωσης (ΥΥΤ, ΥΤ). Τα δίκτυα διανομής, μέσω των οποίων πραγματοποιείται η διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές (ΜΤ, ΧΤ). Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις εύκολα και με μικρές απώλειες. Αυτό οφείλεται στους μετασχηματιστές μεταφοράς, με τους οποίους ανυψώνεται αρχικά η τάση (πχ. στα 150kV και στα 400kV), ώστε στη συνέχεια στα κέντρα διανομής υψηλής τάσης (ΚΥΤ) να διανεμηθεί σε γραμμές κυρίως των 20kV (ή 15 kv) όπου ακολούθως ηλεκτροδοτούνται οι μετασχηματιστές διανομής για να υποβιβαστεί η τάση στα 380V/220V και να διανεμηθεί μέσω γραμμών στους καταναλωτές χαμηλής τάσης. Εκτός των καταναλωτών χαμηλής τάσης υπάρχουν και καταναλωτές μέσης τάσης όταν τα φορτία τους ανά φάση είναι μεγαλύτερα από 200Α. Τα εναέρια δίκτυα μεταφοράς και διανομής πλεονεκτούν έναντι των υπογείων δικτύων λόγω του μικρού τους κόστους. 1.2 Διανομή Ηλεκτρικής ενέργειας Με τον παραπάνω όρο εννοούνται οι εγκαταστάσεις που είναι απαραίτητες για την τροφοδοσία των καταναλωτών από τους υποσταθμούς μεταφοράς. Η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει τις γραμμές διανομής που ξεκινούν από τους υποσταθμούς μεταφοράς και καταλήγουν στους υποσταθμούς διανομής και είναι γνωστές σαν γραμμές μέσης τάσης, τους υποσταθμούς διανομής όπου μετασχηματίζεται η μέση τάση στην χαμηλή τάση και τέλος τις γραμμές διανομής χαμηλής τάσης που ξεκινούν από τους υποσταθμούς διανομής και καταλήγουν στους μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας των καταναλωτών. Οι γραμμές διανομής πρέπει να εξασφαλίζουν καλή και οικονομική λειτουργία και το βασικό χαρακτηριστικό που επηρεάζει αυτή τη λειτουργία είναι η πτώση τάσης στην γραμμή διανομής που οφείλεται στην αντίστασή της. Τόσο η αντίσταση όσο και η πτώση τάσης πρέπει να είναι ελάχιστες 14

15 ώστε να εξασφαλίζεται σχετικά σταθερή τάση στους καταναλωτές. Η ελαχιστοποίηση της αντίστασης όμως οδηγεί σε αύξηση του κόστους εγκατάστασης λόγω της απαίτησης για μεγαλύτερη διατομή αγωγών. Η συνεχής τροφοδότηση των καταναλωτών εξασφαλίζεται με τις πολλαπλές συνδέσεις των φορτίων στο δίκτυο, η συνεχής επίβλεψη του δικτύου με κατάλληλες συσκευές και ειδικευμένα συνεργεία άμεσης επισκευής βλαβών. Σχήμα 1.1 Η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τυποποιημένη για την Ελλάδα και την Ευρώπη και γίνεται με εναλλασσόμενο τριφασικό ρεύμα 50 Hz και τάση 220/380V. Οι γραμμές διανομής μέσης τάσης έχουν μόνο τρεις αγωγούς και λειτουργούν με τάση πολική 20 KV αν και υπάρχουν ακόμα γραμμές 22, 11, 15 και 6.6 KV. Οι γραμμές διανομής χαμηλής τάσης εκτός των τριών αγωγών φάσεων περιλαμβάνουν και ουδέτερο αγωγό. Οι υποσταθμοί διανομής μετασχηματίζουν την μέση σε χαμηλή τάση, η παρεχόμενη ισχύς είναι μικρή και κατασκευάζονται μέσα σε πόλεις σε σημεία που εξυπηρετούν καλύτερα τους καταναλωτές. Τα δίκτυα διανομής διακρίνονται σε κλειστά και ανοικτά. Το ανοικτό δίκτυο, μία μορφή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 2, τροφοδοτεί τα φορτία του από ένα σημείο με αποτέλεσμα οποιαδήποτε βλάβη σε ένα σημείο του να απομονώνει όλους τους καταναλωτές που βρίσκονται πέρα από το σημείο της βλάβης. Τα ανοικτά δίκτυα κατασκευάζονται σε αραιοκατοικημένες περιοχές με λίγα φορτία. 15

16 Σχήμα 1.2: Ανοικτό δίκτυο διανομής [2] Στο κλειστό δίκτυο διανομής, μια μορφή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 3, κάθε καταναλωτής μπορεί να τροφοδοτηθεί από τουλάχιστον δύο σημεία με αποτέλεσμα την δυνατότητα εναλλακτικής τροφοδοσίας σε περίπτωση βλάβης. Τα κλειστά δίκτυα κατασκευάζονται σε πυκνοκατοικημένες περιοχές και κοστίζουν περισσότερο από τα ανοικτά δίκτυα. Σχήμα 1.3: Κλειστό δίκτυο διανομής [2] 16

17 1.3 Εναέρια δίκτυα μέσης τάσης Οι γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσης τάσης μεταφέρουν ενέργεια από τους υποσταθμούς Μεταφοράς στους υποσταθμούς Διανομής και μπορεί να είναι τόσο εναέριες όσο και υπόγειες, ανάλογα με θέση του υποσταθμού διανομής. Οι γραμμές διανομής μέσης τάσης περνούν συνήθως από τις μεγάλες οδικές αρτηρίες για λόγους άμεσης πρόσβασης σε αυτές για επιθεώρηση και συντήρηση. Τα κύρια εξαρτήματα των γραμμών μέσης τάσης είναι τα εξής α) Οι αγωγοί, που είναι παρόμοιοι με εκείνους των γραμμών υψηλής τάσης και κατασκευάζονται από αλουμίνιο με ή χωρίς χαλύβδινη ενίσχυση και σε διατομές μικρότερες εκείνων της μεταφοράς. β) Οι στύλοι, που είναι παρόμοιοι με εκείνους των γραμμών υψηλής τάσης χωρίς να χρησιμοποιούνται μεταλλικοί πυλώνες και με μικρότερες διαστάσεις. Πολλές φορές σε ένα στύλο μέσης τάσης συνυπάρχει και γραμμή χαμηλής τάσης. γ) Οι μονωτήρες, που είναι σταθεροί και όχι σε μορφή αλυσίδας. δ) Συστήματα ελέγχου και προστασίας, που είναι τόσο οι αυτόματοι διακόπτες απομόνωσης της γραμμής σε περίπτωση ανωμαλίας όσο και οι ασφάλειες υψηλής τάσης που τοποθετούνται στα σημεία διακλάδωσης και είναι κυλινδρικές με σύρμα που τήκεται σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Οι ασφάλειες συνοδεύονται από αποζεύκτες. Σχήμα 1.4: Πυλώνας μέσης τάσης [πηγή: 17

18 1.4 Υπόγεια δίκτυα μέσης τάσης Οι γραμμές τοποθετούνται μέσα στη γη, σε μικρό βάθος, οπότε οι αγωγοί πρέπει να βρίσκονται σε ειδικό περίβλημα με αποτέλεσμα τα υπόγεια καλώδια. Το κόστος τους είναι περίπου τριπλάσιο εκείνου του κόστους μιας αντίστοιχης εναέριας γραμμής για διάφορους λόγους (κατασκευή, μόνωση, τοποθέτηση, εξαρτήματα). Οι υπόγειες γραμμές είναι ασφαλέστερες και αισθητικά δεν αλλοιώνουν το περιβάλλον. Το υπόγειο καλώδιο αποτελείται από το αγώγιμο μέρος του, δηλαδή τους αγωγούς του (από χαλκό ή αλουμίνιο συνήθως πολύκλωνοι) και τα διάφορα μονωτικά και προστατευτικά στρώματα. Κάθε αγωγός είναι μονωμένος από τους άλλους χωριστά και όλοι μαζί προστατεύονται από ένα ή περισσότερα κοινά μονωτικά στρώματα. Το μονωτικό στρώμα κάθε αγωγού είναι διαφορετικού χρώματος, οι αγωγοί τοποθετούνται ελικοειδώς και μερικές φορές γύρω από το τελικό μονωτικό τοποθετείται μολύβδινος μανδύας. Ένας τύπος υπόγειου καλωδίου φαίνεται στο Σχήμα 5. Σχήμα 1.5: Μορφή υπόγειου καλωδίου [2] Η ψύξη των αγωγών είναι πολύ χειρότερη εκείνης των εναέριων αγωγών και αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη, ιδιαίτερα όταν υπάρχουν πολλοί αγωγοί στο ίδιο αυλάκι. 18

19 Τα σημαντικότερα εξαρτήματα των υπόγειων καλωδίων είναι τα εξής α) Τα κιβώτια διακλαδώσεων, που χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις διακλαδώσεων, αποτελούνται από δύο κομμάτια που κλείνουν αεροστεγώς, στο εσωτερικό τους γίνεται η διακλάδωση των καλωδίων και το υπόλοιπο γεμίζεται με ειδική μονωτική ουσία. β) Τα κιβώτια ενώσεων, που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση δύο κομματιών με όμοιο τρόπο όπως παραπάνω και γ) Τα ακροκιβώτια, που τοποθετούνται στα άκρα των υπόγειων καλωδίων και χρησιμοποιούνται για την ηλεκτρική σύνδεση της υπόγειας γραμμής με μια εναέρια. Η μορφή τους εξαρτάται από τις συνθήκες και ορισμένα φαίνονται στο Σχήμα 6. Σχήμα 1.6: Ακροκιβώτια καλωδίων [2] Τα υπόγεια καλώδια τοποθετούνται μέσα στη γη σε μικρό βάθος από 50 ως 70 cm. Ειδική πρόνοια πρέπει να λαμβάνεται σε περιπτώσεις διαβρωτικών εδαφών και επίσης στο ξετύλιγμα των καλωδίων, ιδιαίτερα στις στροφές και σε ειδικά εδάφη. 1.5 Υποσταθμοί διανομής Σε αυτούς καταλήγουν οι γραμμές μεταφοράς μέσης τάσης και μετατρέπουν την μέση στην χαμηλή τάση. Από τους υποσταθμούς διανομής αναχωρούν οι γραμμές χαμηλής τάσης που καταλήγουν στους μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας των καταναλωτών. 19

20 Χαρακτηρίζονται από την ισχύ τους (που είναι το άθροισμα των ισχύων των μετασχηματιστών τους) και διακρίνονται ανάλογα με τον τόπο εγκατάστασης σε εναέριους, επίγειους και υπόγειους. Η θέση εγκατάστασης καθορίζεται από τις θέσεις και το μέγεθος των φορτίων που θα εξυπηρετηθούν. Κάθε υποσταθμός χωρίζεται σε τρία κύρια τμήματα που είναι το τμήμα (ή κυψέλες) μέσης τάσης, οι μετασχηματιστές και το τμήμα (ή κυψέλες) χαμηλής τάσης Εναέριοι υποσταθμοί Λέγονται έτσι γιατί όλες οι εγκαταστάσεις τους, συμπεριλαμβανομένων των μετασχηματιστών, βρίσκονται τοποθετημένες πάνω σε στύλους. Οι εναέριοι υποσταθμοί εξυπηρετούν εναέρια δίκτυα μέσης και χαμηλής τάσης, αποτελούνται από ένα και πολύ σπάνια δύο μετασχηματιστές με συνολική ισχύ μέχρι 250 KVA. Δεν υπάρχουν στα κέντρα πόλεων και είναι το πιο οικονομικό είδος υποσταθμού. Σχήμα 1.7: Εναέριοι υποσταθμοί διανομής [2] 20

21 Η μορφή ενός τέτοιου υποσταθμού φαίνεται στο Σχήμα 7. Η όλη κατασκευή στηρίζεται σε ένα ή δύο ή το πολύ τέσσερις στύλους ανάλογα με το βάρος της, η γραμμή μέσης τάσης στηρίζεται σε μονωτήρες τύπου κώδωνα, μια διακλάδωσή της φθάνει στον μετασχηματιστή μέσω οργάνων προστασίας (αλεξικέραυνα και ασφαλειοδιακόπτες). Μετά τον μετασχηματιστή η χαμηλή τάση οδηγείται σε ειδικό κιβώτιο με ασφάλειες και όργανα ελέγχου και στην συνέχεια ακολουθεί η γραμμή χαμηλής τάσης. Οι βλάβες τέτοιων υποσταθμών είναι πιο συχνές λόγω των καιρικών συνθηκών και έτσι χρειάζονται πιο συχνά επιθεώρηση και συντήρηση Επίγειοι υποσταθμοί Οι υποσταθμοί αυτοί εγκαθίστανται στην επιφάνεια του εδάφους, κατασκευάζονται για την εξυπηρέτηση μεγάλων σχετικά ισχύων ή όταν υπάρχουν λόγοι αισθητικής ή ασφάλειας. Διακρίνονται στους κλειστούς ή στεγασμένους και τους ανοικτούς επίγειους υποσταθμούς. Εξυπηρετούν τόσο εναέριες όσο και υπόγειες γραμμές. Οι στεγασμένοι επίγειοι υποσταθμοί τοποθετούνται είτε σε ειδικά κτίρια (Σχήμα 8) ή σε χώρους οικοδομών διαρρυθμισμένους κατάλληλα (Σχήμα 9). Οι χώροι που χρησιμοποιούνται για την εγκατάσταση των υποσταθμών χωρίζονται συνήθως με μεταλλικά πλέγματα σε κυψέλες μέσης και χαμηλής τάσης που σε αριθμό είναι διπλάσιες του αριθμού των μετασχηματιστών του υποσταθμού. Εκτός των μετασχηματιστών οι εγκαταστάσεις περιλαμβάνουν τα όργανα μέτρησης, τα αλεξικέραυνα, τους αυτόματους διακόπτες και τις ασφάλειες. 21 Σχήμα 1.8: Κλειστός επίγειος σταθμός σε ειδικό κτήριο [2]

22 Σχήμα 1.9: Κλειστός επίγειος σταθμός [2] Εκτός των κλασσικών μονωτήρων ανάρτησης που αναφέρθηκαν και προηγουμένως στους επίγειους υποσταθμούς χρησιμοποιούνται και οι μονωτήρες διέλευσης, μια μορφή των οποίων φαίνεται στο Σχήμα 10. Αυτοί τοποθετούνται στον τοίχο του κτιρίου και στην μία πλευρά τους συνδέεται η γραμμή ενώ στην άλλη οι ακροδέκτες του μετασχηματιστή αφού προηγηθούν τα όργανα προστασίας. Αποτελούνται από μια πλάκα πορσελάνης όπου ενώνονται οι δύο μονωτήρες (εσωτερικός και εξωτερικός), τα άκρα των οποίων συνδέονται με μεταλλική ράβδο τοποθετημένη εσωτερικά κατά τον άξονα των μονωτήρων. 22

23 Σχήμα 1.10: Μονωτήρας διέλευσης [2] Η ψύξη είναι πολύ σημαντική και για τον σκοπό αυτό πρέπει να υπάρχουν ανοίγματα εξαερισμού ή και ανεμιστήρας αν οι συνθήκες ψύξης δεν είναι καλές. Για την επιθεώρηση των υποσταθμών τα όργανα τοποθετούνται πολλές φορές σε άνοιγμα προσιτό από τον εξωτερικό χώρο και ο μετασχηματιστής μπορεί να βρίσκεται σε ράγες. Τελευταία χρησιμοποιούνται οι τυποποιημένοι υποσταθμοί στους οποίους όλα τα μηχανήματα βρίσκονται σε κιβώτια τα οποία απλά πρέπει να συνδεθούν μεταξύ τους. Οι υπαίθριοι επίγειοι υποσταθμοί εξυπηρετούν τόσο υπόγεια όσο και εναέρια δίκτυα, οι εγκαταστάσεις είναι περιφραγμένες και τα όργανα προστασίας είναι τοποθετημένα σε ειδικές κυψέλες. Συνήθως η ισχύς τους είναι μεγαλύτερη των εναέριων και το κόστος τους μικρότερο των στεγασμένων Υπόγειοι υποσταθμοί Κατασκευάζονται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, συνήθως στα κέντρα των πόλεων, κάτω από πλατείες ή πεζοδρόμια. Το πιο σημαντικό πρόβλημα, εκτός εκείνου της ψύξης είναι η στεγανότητα. Συνήθως τα όργανα ελέγχου και χειρισμών τοποθετούνται σε μεταλλικό στεγανό κιβώτιο στην επιφάνεια του εδάφους, το οποίο φέρει και τα ανοίγματα εξαερισμού. Πρόκειται για υποσταθμούς που δίνουν ρεύμα σε έναν καταναλωτή, ο καταναλωτής είναι πελάτης μέσης τάσης και αυτός αναλαμβάνει την μετατροπή σε χαμηλή τάση. Η ηλεκτρική εταιρεία είναι υπεύθυνη μόνο για την γραμμή μέσης τάσης που φθάνει στον μετασχηματιστή. Τα τμήματα πρέπει να είναι απομονωμένα μεταξύ τους. 23

24 Τέτοιοι υποσταθμοί χρησιμοποιούνται για λόγους οικονομίας διότι το τιμολόγιο μέσης τάσης είναι σημαντικά μικρότερο του τιμολογίου χαμηλής τάσης. 1.6 Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύων μέσης τάσης Η κατάστρωση του δικτύου που θα τροφοδοτήσει τους μετασχηματιστές διανομής επηρεάζεται κυρίως από την διαμόρφωση του εδάφους, αλλά και από άλλους περιορισμούς νομικής φύσεως, ως και καλαισθησίας του τοπίου. Οι εναέριες γραμμές κατασκευάζονται από γυμνούς αγωγούς που αποτελούνται από κλώνους αλουμινίου με ψυχή χάλυβα(acsr), γιατί το απλό αλουμίνιο μπορεί να είναι φθηνότερο και ελαφρύτερο από το χαλκό αλλά υστερεί σε μηχανική αντοχή και αγωγιμότητα. Έτσι ο χάλυβας αναλαμβάνει τη μηχανική αντοχή και το αλουμίνιο το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρικού ρεύματος, όντας παράλληλα φτηνότεροι από αγωγούς χαλκού. Οι αγωγοί αυτοί αναρτώνται σε πυλώνες μέσω αλυσίδων μονωτήρων από πορσελάνη ή γυαλί. Σχήμα 1.11: Μορφή Αγωγών Αλουμινίου-Χάλυβα (ACSR) Στη φάση της μεταφοράς η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται υπό τάση 400 ή 150 kv από τους σταθμούς παραγωγής, κυρίως με εναέρια δίκτυα και πυλώνες της Δ.Ε.Η σε μακρινές αποστάσεις. Οι γραμμές μεταφοράς των 400 kv όταν πλησιάζουν στις πόλεις συγκεντρώνονται σε υποσταθμούς υποβιβασμού 400/150 ΚV. Η τάση υποβιβάζεται στα 150 kv μέσω ενός ΜΣ 400/150 kv. Από εκεί τροφοδοτούνται κάποιοι καταναλωτές υψηλής τάσης (ΥΤ) με 150 kv ενώ συνεχίζεται η μεταφορά της ενέργειας με γραμμές των 150 kv. Οι γραμμές των 150 kv καταλήγουν σε υποσταθμούς υποβιβασμού 150/20 kv. Στους υποσταθμούς 150/20 kv υποβιβάζονται τα 150 kv μέσω ΜΣ 150/20 kv στα 20 kv (Μέση Τάση). Ωστόσο υπάρχουν και παλιά δίκτυα ΜΤ των 15 kv, όπου εκεί η τάση υποβιβάζεται στα 15 kv. 24

25 Από τα δίκτυα ΜΤ ξεκινάει η φάση της Διανομής. Η ηλεκτρική ενέργεια υπό ΜΤ διανέμεται τοπικά σε καταναλωτές ΜΤ καθώς επίσης και σε καταναλωτές χαμηλής τάσης (Χ.Τ) εφόσον φυσικά η τάση υποβιβαστεί στα 400V. Οι καταναλωτές MT είναι βιομηχανίες, εργοστάσια κ.α. με ισχύ άνω των 135 kva. Οι καταναλωτές ΧΤ είναι οικίες, μαγαζιά, μικρές βιοτεχνίες κ.α. με ισχύ μέχρι 135 kva. Ο υποβιβασμός της τάσης στα 400 V για την τροφοδότηση καταναλωτών ΧΤ γίνεται σε υποσταθμούς διανομής 20/0,4 kv της Δ.Ε.Η. Οι υποσταθμοί διανομής τοποθετούνται εξωτερικά πάνω στις κολώνες της Δ.Ε.Η και διαθέτουν ΜΣ 20/0,4 kv. Οι γραμμές μέσης τάσης(20kv) που φεύγουν από το Κέντρο Υψηλής Τάσης(ΚΥΤ) μέσω αυτόματων διακοπτών ελαίου(αδε) και η κάθε μία αφορά τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε μία ευρύτερη περιοχή, ονομάζονται γραμμές κορμού και συμβολίζονται με το γράμμα R και έναν αριθμό (πχ. R22). Κάθε μία γραμμή μπορεί να διακλαδίζεται σε άλλες μέσω διακοπτών αυτόματης επαναφοράς(δαε), που ονομάζονται και αυτές γραμμές κορμού. Οι διακόπτες προστασίας θα επέμβουν όταν συμβεί σφάλμα(πχ. βραχυκύκλωμα) σε μία γραμμή κορμού και θα διακόψουν αυτομάτως την ηλεκτροδότηση της γραμμής. Αν το σφάλμα εξακολουθεί να υπάρχει για κάποιο χρονικό διάστημα(τρεις κύκλους λειτουργίας) θα συμβεί οριστικά διακοπή ρεύματος στη συγκεκριμένη γραμμή. Σκοπός αυτής της λειτουργίας είναι να συνεχίζει η ηλεκτροδότηση μιας μεγάλης περιοχής απρόσκοπτα παρά την εμφάνιση παροδικών σφαλμάτων, αλλά και η αποφυγή άσκοπων μετακινήσεων των συνεργείων. Σημειώνεται ότι η διακοπή της ηλεκτροδότησης σε κάθε κύκλο λειτουργίας των ΑΔΕ και των ΔΑΕ συμβαίνει πάντοτε σε κλάσμα του δευτερολέπτου (σχεδόν ακαριαία διακοπή, π.χ. 0,15s, 0,35s, κ.λπ.), που στην πράξη σημαίνει πως δεν υπάρχει αρκετός διαθέσιμος χρόνος για την εκδήλωση αξιόλογων θερμικών φαινομένων (δεν προκαλείται υπερθέρμανση της γραμμής πάνω από τα ανεκτά όρια,πολύ δε περισσότερο δεν δημιουργούνται τήγματα μετάλλου από τους αγωγούς). Οι υποσταθμοί υποβίβασης μέσης τάσης σε χαμηλή (20kV/400V, 230V ) διακρίνονται σε υπαίθριους επί στύλων ισχύος μέχρι 400kVA και σε εσωτερικού χώρου(συνήθως στα υπόγεια πολυκατοικιών) μεγαλύτερης ισχύος. Στους υπαίθριους υποσταθμούς η γραμμή μέσης τάσης ηλεκτροδοτεί τον μετασχηματιστή μέσω μονοπολικών ασφαλειοαποζευκτών ή τριπολικών αποζευκτών, ενώ στους υποσταθμούς εσωτερικού χώρου η ηλεκτροδότηση του μετασχηματιστή γίνεται μέσω συγκροτήματος πινάκων. Σημειώνεται ότι για λόγους διασύνδεσης ή απομόνωσης γραμμών μέσης τάσης (σε περιπτώσεις π.χ. πυρκαγιών, εργασιών συντήρησης και εργασιών αποκατάστασης βλαβών) υπάρχουν στις γραμμές μέσης τάσης μονοπολικοί ασφαλειοαποζεύκτες και τριπολικοί αποζεύκτες μη εντασσόμενοι σε υπαίθριους υποσταθμούς. 25

26 Σχήμα 1.12: Απλοποιημένο παράδειγμα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας [2] 26

27 Η παροχή χαμηλής τάσης (400V, 230V) σε πελάτες χαμηλής τάσης γίνεται μέσω γραμμών χαμηλής τάσης (από γυμνούς αγωγούς ή συνεστραμμένα καλώδια) που ξεκινούν από τον πίνακα χαμηλής τάσης (ασφαλειοκιβώτιο) του υποσταθμού. Η παροχή μέσης τάσης σε καταναλωτές αφορά απορροφημένες εντάσεις ρεύματος άνω των 200Α ανά φάση, όπως συμβαίνει συνήθως σε βιομηχανίες, νοσοκομεία άνω των 100 κλινών, μεγάλα ξενοδοχεία, κτήρια ΑΕΙ, κ.λπ. Στη μέση τάση και στη χαμηλή τάση χρησιμοποιούνται ξύλινοι στύλοι και μερικές φορές στις πόλεις, τσιμεντένιοι για μεγαλύτερη μηχανική αντοχή (και σπανιότερα μεταλλικοί). Τα υλικά και η εγκατάσταση κάθε ξύλινου στύλου είναι τυποποιημένα. Στα δίκτυα χαμηλής τάσης οι χρησιμοποιούμενοι αγωγοί είναι συνήθως από αλουμίνιο ή χαλκό. Η στήριξη των αγωγών πάνω στις ξύλινες τραβέρσες γίνεται με χρήση μονωτήρων που εξασφαλίζουν τη διηλεκτρική αντοχή μεταξύ αγωγών και αγωγών προς γη. Στο τέλος μίας εναέριας γραμμής ή σε αλλαγή της διεύθυνσής της τοποθετούνται επίτονοι ή αντηρίδες γιατί εκεί αναπτύσσονται μεγάλες δυνάμεις στους στύλους. Οι επίτονοι είναι συρματόσχοινα από ατσάλι που αγκυρώνονται εντός του εδάφους κατά κανονισμό της Δ.Ε.Η. Τοποθετούνται πάντοτε εντατήρες ώστε το συρματόσχοινο να τανυστεί σωστά. Το συρματόσχοινο δένεται ψηλά στο στύλο. Οι αντηρίδες είναι ξύλινοι στύλοι και τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο, ώστε να στηρίζουν τους κύριους στύλους. Ο επίτονος σε στύλους μέσης τάσης έχει μονωτήρα στην πάνω μεριά του (δηλαδή προς τη θέση πρόσδεσής του στο στύλο), προς αποφυγή σπινθηρισμών (εκκενώσεων ) από τους αγωγούς προς τον επίτονο. Έχει συνήθως και προφυλακτήρα (προστατευτικό μεταλλικό κάλυμμα) προς τη μεριά πρόσδεσής του στο έδαφος. Οι επίτονοι σε στύλους χαμηλής τάσης δεν διαθέτουν τον μονωτήρα που προαναφέρθηκε γιατί δεν υφίσταται πρόβλημα σπινθηρισμών στους αγωγούς και στους μονωτήρες χαμηλής τάσης. Σημειώνεται ότι στη βιβλιογραφία αλλά και τους διεθνείς κανονισμούς, δεν προβλέπεται γείωση των επιτόνων αφού πρόκειται για συρματόσχοινα που χρησιμοποιούνται μόνο για την ορθή στήριξη των στύλων. Τέλος, να σημειωθεί ότι πολλές φορές γίνεται χρήση των δίδυμων στύλων, δηλαδή 2 στύλων μαζί που συνδέονται με κοχλίες, όταν είναι αδύνατη η χρησιμοποίηση επιτόνου ή αντηρίδας. Η τάση του δικτύου είναι ημιτονοειδούς μορφής και η ενεργός τιμή της κυματομορφής της θεμελιώδους συχνότητας της τάσης αναφοράς καλείται ονομαστική τάση του δικτύου. Κάθε τμήμα του δικτύου σχεδιάζεται ώστε να λειτουργεί υπό ορισμένη ονομαστική τάση και να μπορεί να συνδέεται με διαφορετικά τμήματα του δικτύου που σχεδιάζονται να λειτουργήσουν υπό διαφορετική ονομαστική τάση μέσω μετασχηματιστών. Με κριτήριο το επίπεδο τάσης το δίκτυο χωρίζεται σε τρία μέρη. H συχνότητα του δικτύου αναφέρεται στον ρυθμό επανάληψης του θεμελιώδους κύματος της τάσης ανά δευτερόλεπτο και είναι ενιαία και ίση με τη συχνότητα λειτουργίας του συστήματος για 27

28 ολόκληρο το διασυνδεδεμένο δίκτυο και ενιαία για εκάστοτε απομονωμένο ηλεκτρικό δίκτυο μη διασυνδεδεμένου νησιού. Η ονομαστική τιμή της συχνότητας του δικτύου είναι 50Ηz. Η ονομαστική τάση για το επίπεδο της χαμηλής τάσης σε δίκτυο που αποτελείται από 4 κατακόρυφους διατεταγμένους γυμνούς αγωγούς είναι 230V μεταξύ φάσεως και ουδετέρου (που καλείται φασική τάση) και 400V μεταξύ φάσεων (που καλείται πολική τάση). Η ονομαστική τάση για το επίπεδο μέσης τάσης (ΜΤ) σε δίκτυο το οποίο αποτελείται από τρεις οριζόντια διατεταγμένους αγωγούς είναι 20kV (ή 15kV). Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τα εργοστάσια παραγωγής προς τα κέντρα διανομής υψηλής τάσης (ΚΥΤ) γίνεται με γραμμές υψηλής 66kV, 150kV και 400kV. 1.7 Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύων χαμηλής τάσης Εναέριες γραμμές Οι χρησιμοποιούμενοι στα δίκτυα χαμηλής τάσης αγωγοί είναι συνήθως από χαλκό, και σπάνια από αλουμίνιο. Ο λόγος είναι ότι εξαιτίας των πολλών διακλαδώσεων παροχής, οι χρησιμοποιούμενοι διακλαδωτήρες θα έπρεπε να ήταν διμεταλλικοί, πράγμα ασύμφορο που δημιουργεί και τεχνικά προβλήματα. Αποτελούνται από τρεις φάσεις και ουδέτερο. Ο πέμπτος αγωγός που φαίνεται να υπάρχει σε πολλές περιπτώσεις είναι ο αγωγός δημοτικού φωτισμού. Οι στύλοι είναι ξύλινοι ή τσιμεντένιοι με μικρότερες διαστάσεις εκείνων των γραμμών μέσης τάσης. Μπορεί να βρίσκονται και σχετικά κοντά στις κατοικίες λόγω του ότι η χρησιμοποιούμενη τάση είναι χαμηλή, με την χρησιμοποίηση ειδικών στυλίσκων που στερεώνονται στους τοίχους των κτιρίων. Οι μονωτήρες των γραμμών αυτών είναι μικρότεροι εκείνων της μέσης τάσης αλλά έχουν την ίδια μορφή και κατασκευάζονται από πορσελάνη ή γυαλί. Στα σημεία διακλάδωσης τοποθετούνται σαν στοιχεία προστασίας ασφάλειες που όταν καίγεται το νήμα τους απομονώνουν το τμήμα της γραμμής με την βλάβη Υπόγειες γραμμές Κατασκευάζονται μέσα στις πόλεις για περισσότερη ασφάλεια και για λόγους αισθητικής. Αποτελούνται από υπόγεια καλώδια με μικρότερη διατομή εκείνων της μέσης τάσης, τοποθετούνται σε ειδικά αυλάκια και έχουν όλα τα εξαρτήματα των υπογείων καλωδίων της μέσης τάσης. 28

29 1.8 Διανομή στην Ελλάδα Η Επιχειρησιακή Μονάδα της Διανομής είναι υπεύθυνη για τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας σε όλη την ελληνική επικράτεια, τόσο στην περιοχή του διασυνδεδεμένου συστήματος όσο και στα μη διασυνδεδεμένα νησιά. Παραλαμβάνει την ηλεκτρική ενέργεια από τη Μεταφορά και παρέχει τη δυνατότητα σε όλους τους χρήστες του Δικτύου της να προμηθεύονται την ηλεκτρική ενέργεια που επιθυμούν. Μέσω του Δικτύου της Διανομής, η ΔΕΗ υλοποίησε το τεράστιο έργο του εξηλεκτρισμού της χώρας, δίνοντας τη δυνατότητα ο ηλεκτρισμός να φτάσει σε κάθε γωνιά της Ελλάδας. Η Διανομή είναι σε καθημερινή, άμεση επαφή με την κοινωνία, σε ετοιμότητα μέρα και νύχτα για την εξυπηρέτηση των αναγκών της. Σύμφωνα με το Ν. 2773/1999, η ΔΕΗ, μέσω της Γενικής Διεύθυνσης Διανομής, είναι ο μοναδικός διανομέας ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα, ενώ παραμένει Διαχειριστής του Δικτύου Διανομής. Σήμερα, η Παραγωγή της ΔΕΗ και άλλοι ιδιώτες παραγωγοί, καθώς και οι εισαγωγείς ενέργειας προσφέρουν ηλεκτρική ενέργεια στη χονδρεμπορική αγορά και την εγχέουν στο Διασυνδεδεμένο Ηλεκτρικό Σύστημα της χώρας. Η ενέργεια αυτή διαδοχικά, μέσω των δικτύων Μεταφοράς και Διανομής φθάνει στους καταναλωτές. Σχήμα 1.13: Εργασίες σε στύλο μέσης τάσης 29

30 1.8.1 Αποστολή και Στόχοι Αποστολή της Γενικής Διεύθυνσης Διανομής είναι η ανάπτυξη, συντήρηση και λειτουργία του δικτύου Μέσης και Χαμηλής Τάσης, δηλαδή των δρόμων της ενέργειας, εξυπηρετώντας όλους όσους συνδέονται ή θέλουν να συνδεθούν σ' αυτούς τους δρόμους, με διαφάνεια και αμεροληψία έναντι των διαφόρων παραγωγών, προμηθευτών και καταναλωτών. Στόχος της Διανομής είναι η καλύτερη δυνατή εξυπηρέτηση των χρηστών του δικτύου, δηλαδή η ποιοτική εξυπηρέτηση των χρηστών και η παροχή υψηλής ποιότητας ενέργειας με το χαμηλότερο δυνατό κόστος. Ειδικώς για την Αττική, στη Γενική Διεύθυνση Διανομής υπάγεται και το υπόγειο δίκτυο Υψηλής Τάσης, καθώς και οι κλειστοί Υποσταθμοί Υψηλής Τάσης / Μέσης Τάσης (Κέντρα Διανομής). Οι κεντρικοί στόχοι της διανομής είναι: α) Ποιότητα εξυπηρέτησης: Επιδιώκεται η αναβάθμιση των υπηρεσιών που παρέχονται στους πελάτες, με την ταχύτερη ικανοποίηση των αιτημάτων τους (ηλεκτροδοτήσεις, παραλλαγές), τη βελτίωση του επιπέδου εξυπηρέτησης στα Γραφεία, τηλεφωνική εξυπηρέτηση, διαχείριση λοιπών αιτημάτων & παραπόνων κλπ. β)ποιότητα ενέργειας: Στόχος είναι η βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης ενέργειας με τον εκσυγχρονισμό και την βελτίωση του επιπέδου αξιοπιστίας των εγκαταστάσεων της διανομής και τη βελτίωση των αποδόσεων, ώστε να επιτευχθεί μείωση της έκτασης των διακοπών (προγραμματισμένων και μη), βελτίωση του επίπεδου ποιότητας τάσης, μείωση πλήθους διακοπών, ταχύτεροι χρόνοι αποκατάστασης της ηλεκτροδότησης κλπ. γ)μείωση του Λειτουργικού κόστους: Η υλοποίηση του έργου της Διανομής με το μικρότερο δυνατό λειτουργικό κόστος, πράγμα επιτυγχάνεται με την ενίσχυση, εκσυγχρονισμό και αυτοματοποίηση του Δικτύου, αλλά και την εστίαση στην ιδιαίτερη εξέταση της κάθε συνιστώσας του κόστους λειτουργίας. Προσαρμογή στις απαιτήσεις του νέου περιβάλλοντος. Που σημαίνει εναρμόνιση με το ρυθμιστικό πλαίσιο, εύρωστο και ασφαλές Δίκτυο και αισθητική αναβάθμισή του. Οι εργασίες και οι δραστηριότητες που εκτελούνται από την Επιχειρησιακή Μονάδα της Διανομής αφορούν: Ικανοποίηση νέων αιτημάτων χρηστών Ανάπτυξη του Δικτύου Ενισχύσεις - Βελτιώσεις των Δικτύων Εργασίες Εκμετάλλευσης του Δικτύου 30

31 1.8.2 Στατιστικά στοιχεία Παρακάτω παρατίθενται κάποια βασικά μεγέθη που αφορούν το δίκτυο ΜΤ και ΧΤ, για να γίνει αντιληπτό το μέγεθος του δικτύου και η αύξηση του με την πάροδο των ετών. Βασικά μεγέθη του δικτύου ηλεκτρισμού(στοιχεία του Δεκέμβρη 2011) χλμ. Δίκτυο Μέσης Τάσης (Μ.Τ.) χλμ. Δίκτυο Χαμηλής Τάσης (Χ.Τ.). Συνολικά χλμ. Δικτύου Υποσταθμοί Μέσης Τάσης προς Χαμηλή Τάση (Υ/Σ ΜΤ/ΧΤ) χλμ. Δίκτυο Υψηλής Τάσης (Υ.Τ.) εκ των οποίων 205 χλμ στην Αττική και 744 χλμ στα μη διασυνδεδεμένα νησιά Υποσταθμοί Υψηλής Τάσης προς Μέση Τάση (Υ/Σ ΥΤ/ΜΤ) εκ των οποίων 20 κλειστού τύπου κατανεμημένοι, 199 στο Διασυνδεδεμένο Σύστημα και 25 στα μη Διασυνδεδεμένα νησιά Πελάτες ( ΜΤ & ΧΤ) GWH Καταναλώσεις Πελατών ( στη ΜΤ & στη ΧΤ). Κύρια οικονομικά μεγέθη - Επενδύσεις (Ετήσιες δαπάνες επενδύσεων) 300 εκ.. - Εκμετάλλευση (Ετήσιες λειτουργικές δαπάνες) 440 εκ.. - Ετήσια έσοδα από χρήση δικτύου της τάξης των 800 εκ.. - Πάγια Δικτύων Διανομής με αναπόσβεστη αξία 5 δις. Ακολουθεί ο πίνακας με την χιλιομετρική αύξηση του δικτύου από το 1955 έως το 2010, και μια γραφική αναπαράσταση με την αντίστοιχη αύξηση από το 2000 έως το Είναι προφανή το μέγεθος και η σημασία του έργου του εξηλεκτρισμού της χώρας. 31

32 Πίνακας 1.1 Πίνακας 1.2: Διάγραμμα αύξησης ελληνικού δικτύου από το 2000 [ Διανομή ηλεκτρικής ενέργειας και περιβάλλον Στην εποχή που ζούμε η ανάγκη για τον περιορισμό της αισθητικής αλλά και γενικότερα επιβάρυνσης του περιβάλλοντος είναι επιτακτική. Σε αυτά τα πλαίσια πρέπει να συμμορφώνονται και τα δίκτυα διανομής στην Ελλάδα. Για τον σκοπό αυτό κάθε Επιχείρηση ηλεκτρισμού πρέπει να λαμβάνει τα εξής μέτρα: Υπογειώνει τα δίκτυα σε αστικούς οικισμούς. Προωθεί αποφασιστικά την υπογείωση των δικτύων σε κέντρα και παραδοσιακούς ή τουριστικούς οικισμούς σε συνεργασία με τους τοπικούς φορείς. 32

33 Εγκαθιστά συνεπτυγμένους Υποσταθμούς Διανομής (υποσταθμούς τοποθετημένους μέσα σε προκατασκευασμένους επίγειους οικισμούς μικρών διαστάσεων) σε παραδοσιακούς οικισμούς, πλατείες κλπ. Χρησιμοποιεί μονωμένους αγωγούς (συνεστραμμένα καλώδια) σε δασικές περιοχές, ώστε να αποφεύγονται τα κλαδέματα και να εκμηδενίζεται ο κίνδυνος πυρκαγιάς. Τοποθετεί ειδικές κατασκευές πάνω σε στύλους, κυρίως στη Βόρεια και Κεντρική Ελλάδα, για να φτιάχνουν οι πελαργοί τις φωλιές τους χωρίς κίνδυνο (βλ. Εικόνα 1.18). Αποφεύγει τις οδεύσεις δικτύων μέσα από δάση εξαιρετικού κάλλους και εθνικούς δρυμούς. Μελετά και κατασκευάζει τα εναέρια δίκτυα με βάση τις σύγχρονες αντιλήψεις και μεθόδους, ώστε να εξασφαλίζονται οι αρχές για την προστασία του περιβάλλοντος και η απόλυτη τήρηση των όρων της σχετικής νομοθεσίας. Η περιβαλλοντική στρατηγική της ΔΕΗ περιλαμβάνει την ανάπτυξη των τεχνολογιών χαμηλών εκπομπών και επενδύει σημαντικά στην αύξηση του μεριδίου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην παραγωγή που προέρχεται από αιολική ενέργεια, υδροηλεκτρική ενέργεια, ηλιακή, γεωθερμική κ.λπ. Η Επιχείρηση, εκμεταλλευόμενη το έντονο φυσικό ανάγλυφο της χώρας μας, συνεχίζει να κατασκευάζει φράγματα κατά τη ροή των ποταμών και να δημιουργεί τεχνητές λίμνες ή αλλιώς ταμιευτήρες, αξιοποιώντας το υδροδυναμικό της χώρας, σύμφωνα πάντα με τις αρχές της αειφορίας, δηλαδή το σεβασμό στο ισοζύγιο προσφοράς και ζήτησης σε επίπεδο λεκάνης απορροής του κάθε υδατικού διαμερίσματος. Η ΔΕΗ κατέχει και διαχειρίζεται 15 μεγάλους σταθμούς υδροηλεκτρικής ενέργειας. Εκτός από τις εταιρείες ηλεκτρισμού είναι επιτακτικό να κατανοήσει και ο καταναλωτής τα οφέλη που θα προκύψουν γι' αυτόν και για την κοινωνία γενικότερα από την ορθολογική χρήση ενέργειας. Η ορθολογική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας θα γίνει πραγματικότητα όταν ο Έλληνας πολίτης - πελάτης κατανοήσει ότι αυτή δεν είναι ένα ανεξάντλητο αγαθό που του παρέχεται από τη φύση όπως ο αέρας και ο ήλιος, αλλά ότι απαιτείται ένας τεράστιος μηχανισμός για να εξασφαλίζεται η απρόσκοπτη παροχή του, που σημαίνει κόστος γι' αυτόν, για την κοινωνία αλλά και για το περιβάλλον. Ας μην ξεχνάμε ότι η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί ως μια εναλλακτική "πηγή ενέργειας" που δε ρυπαίνει και συμβάλλει στην αειφόρο ανάπτυξη. 33

34 Σχήμα 1.14 [ 34

35 2. Σφάλματα 2.1 Τύποι Σφαλμάτων Μια γραμμή διανομής μέσης τάσης είναι να δυνατόν να βγει εκτός λειτουργίας για πολλούς λόγους. Ο χρόνος που η γραμμή θα παραμείνει εκτός λειτουργίας διαχωρίζει τα είδη των σφαλμάτων σε τρεις επιμέρους κατηγορίες οι οποίες είναι: τα παροδικά, τα μόνιμα και τα παραμένοντα. Παροδικό σφάλμα: είναι το σφάλμα μιας γραμμής το οποίο την θέτει εκτός λειτουργίας για μερικά δευτερόλεπτα. Μπορεί, για παράδειγμα, να προκληθεί από ένα κλαδί δένδρου που θα ακουμπήσει τον αγωγό για κάποια δευτερόλεπτα σε περίπτωση ισχυρών ανέμων. Μετά το πέρας αυτού του χρόνου η γραμμή ξαναμπαίνει σε λειτουργία χωρίς επέμβαση από την αρμόδια επιχείρηση ηλεκτρικής ενέργειας. Μόνιμο σφάλμα: είναι το σφάλμα μιας γραμμής μεταφοράς που την θέτει εκτός λειτουργίας μόνιμα. Σε αυτή την περίπτωση πρέπει να γίνει επέμβαση συνεργείου της εταιρίας (π.χ. Δ.Ε.Η. για την Ελλάδα), ώστε να εντοπιστεί η βλάβη στην συγκεκριμένη γραμμή. Στην συνέχεια να επισκευαστεί και ύστερα να τεθεί η γραμμή ξανά σε λειτουργία. Αυτό το είδος σφάλματος σε μια γραμμή μεταφοράς είναι και το πιο σημαντικό. Παραμένον σφάλμα: είναι το είδος του σφάλματος μιας γραμμής μεταφοράς το οποίο ορίζεται ως κάτι ενδιάμεσο του μόνιμου και του παροδικού σφάλματος. Εμφανίζεται όταν η γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης είναι εκτός (μόνιμο σφάλμα) και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, χωρίς επέμβαση από της Δ.Ε.Η., ξαναμπαίνει στο δίκτυο (παροδικό σφάλμα). Είναι γνωστό ότι τα μόνιμα σφάλματα εμφανίζονται σε πολύ μικρότερο ποσοστό από ότι τα υπόλοιπα, στοιχείο πολύ σημαντικό κυρίως από οικονομική σκοπιά, αλλά βέβαια περαιτέρω μείωσή τους είναι επιθυμητή. 2.2 Αιτίες πρόκλησης σφαλμάτων Σαν μορφή μιας τάσης ορίζεται το διάγραμμα του στιγμιαίου εύρους της, συναρτήσει του χρόνου. Οι ηλεκτρικές τάσεις που εμφανίζονται στις διάφορες θέσεις ενός ηλεκτρικού συστήματος μπορούν να χωριστούν σε δυο μεγάλες κατηγορίες: εκείνες που εμφανίζονται υπό ομαλές συνθήκες λειτουργίας και ονομάζονται «τάσεις ομαλής λειτουργίας» και εκείνες που εμφανίζονται σε 35

36 εξαιρετικές μόνο περιπτώσεις ή ανωμαλίες που δημιουργούνται λόγω αιτιών που θα αναπτυχθούν παρακάτω. Όταν δηλαδή παρουσιάζεται μια συγκεκριμένη αιτία, όπως βλάβη στο υλικό, κακές ατμοσφαιρικές συνθήκες, ρύπανση μονωτήρων, υπερβολική καταπόνηση, ανθρώπινη ενέργεια, πυρκαγιά, τότε δημιουργεί σφάλμα στο σύστημα και επομένως στην τάση. Συνήθως οι τάσεις που εμφανίζονται σε τέτοιου είδους εξαιρετικές περιπτώσεις είναι υψηλότερες από αυτές που επικρατούν υπό ομαλές συνθήκες και για αυτό ονομάζονται υπερτάσεις, που έχουν κατά κανόνα ανώμαλη μορφή. Κατά κανόνα οι υπερτάσεις, παρόλο που διαρκούν πολύ λίγο, ασκούν στις μονώσεις τις πιο σοβαρές διηλεκτρικές καταπονήσεις και για αυτό οι μονώσεις του συστήματος σχεδιάζονται ώστε να αντέχουν στις υπερτάσεις. Επειδή μερικές από τις υπερτάσεις μπορούν να λάβουν εξαιρετικά υψηλές τιμές, όπως αυτές που προέρχονται από κεραυνούς και γενικότερα από κακές ατμοσφαιρικές συνθήκες, η μόνωση έναντι αυτών γίνεται πολύ δαπανηρή ή ακόμα και αδύνατη. Υπάρχουν όμως κι άλλες αιτίες σφαλμάτων όπως είναι η περίπτωση ενός μονωτήρα που η επιφάνεια του παρουσιάζει ένα ορισμένο τύπο ρυπάνσεως, που η τάση ομαλής λειτουργίας, εξαιτίας της συνεχούς εφαρμογής της, αποτελεί πιο σοβαρή καταπόνηση από μια παροδική υπέρταση. Η σχεδίαση της μόνωσης που πρέπει να κατέχει κάθε θέση του συστήματος γίνεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε αυτή να αντέχει στην πιο κρίσιμη και υπερβολική καταπόνηση. Η σχεδίαση της μόνωσης πρέπει λοιπόν να αρχίζει με τον καθορισμό των ηλεκτρικών καταπονήσεων. Η σοβαρότητα μιας καταπόνησης εξαρτάται όμως όχι μόνο από το εύρος της τάσεως, αλλά και από την μορφή και την διάρκεια της. Τη συμπεριφορά μιας μονώσεως όταν υποβάλλεται σε ένα ορισμένο τύπο τάσεως ονομάζουμε απόκριση της μονώσεως. Η απόκριση της μονώσεως αποτελεί ένα καθαρά εμπειρικό μέγεθος το οποίο καθορίζεται με δοκιμές σε εργαστήριο υψηλών τάσεων. Οι δοκιμές αυτές αποβλέπουν στο να διαμορφωθεί η μόνωση με το καλύτερο δυνατό υλικό και κατά τέτοιο τρόπο ώστε όταν υποβάλλεται στις τάσεις που θα την καταπονούν κατά τις ομαλές ή εξαιρετικές συνθήκες λειτουργίας του συστήματος, να μη συμβαίνει ηλεκτρική διάσπαση είτε καθόλου είτε όχι συχνότερα από ότι είναι αποδεκτό. Σύμφωνα με τα παραπάνω, για τη σωστή σχεδίαση των μονώσεων ενός συστήματος ώστε να αποφευχθούν τα σφάλματα, είναι αναγκαία η γνώση των υπερτάσεων που αναμένεται να αναπτυχθούν σε αυτό. Οι υπερτάσεις ανάλογα με τις αιτίες που τις προκαλούν, διακρίνονται σε: α)ατμοσφαιρικές υπερτάσεις: που έχουν σαν πηγή τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις και πιο συγκεκριμένα τις εκκενώσεις νέφους-γης που καλούνται κεραυνοί, με αυτό το είδος υπερτάσεων θα ασχοληθούμε αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο καθώς είναι αυτό το οποίο μας ενδιαφέρει, σε αυτήν την μελέτη. 36

37 β)εσωτερικές υπερτάσεις: που δημιουργούνται από εσωτερικές διαταραχές της ομαλής λειτουργίας του συστήματος. Οι εσωτερικές υπερτάσεις ανάλογα με τον μηχανισμό γενέσεως τους, την διάρκεια και το μέγεθος τους, υποδιαιρούνται ακόμη σε: Δυναμικές υπερτάσεις Μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών Οι δυναμικές υπερτάσεις έχουν σχετικά μικρό εύρος αλλά μεγάλη διάρκεια, από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέχρι αρκετά λεπτά. Η μορφή μερικών από αυτές μπορεί να είναι η ίδια με την μορφή της τάσεως λειτουργίας αλλά συνήθως έχουν τη μορφή μιας αποσβενύμμενης 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, γιατί βάσει αυτών γίνεται η εκλογή των συσκευών προστασίας και έτσι καθορίζουν έμμεσα την μόνωση των πιο δαπανηρών τμημάτων του συστήματος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών έχουν διάρκεια πολύ μικρότερη από τις δυναμικές (μερικές εκατοντάδες μs μέχρι μερικά ms) αλλά κατά κανόνα σημαντικά μεγαλύτερο εύρος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών αποτελούν μια κατηγορία καταπονήσεων που απόκτησε σημασία μόνο μετά την εισαγωγή των δικτύων υπερύψηλης τάσεως (πάνω από 300 kv). Οι υπερτάσεις χειρισμών όπως και οι δυναμικές είναι ανάλογες προς την τάση κανονικής λειτουργίας και κατά συνέπεια το εύρος τους αυξάνει με την αύξηση της τάσεως κανονικής λειτουργίας. Αντίθετα οι υπερτάσεις που μπορούν να αναπτυχθούν από ατμοσφαιρικά αίτια 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 μονώσεως τους γίνεται βάσει των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων. Καθώς όμως η τάση του δικτύου αυξάνει, υπάρχει ένα όριο που οι υπερτάσεις χειρισμών καθίστανται πιο κρίσιμες από τις ατμοσφαιρικές και έτσι η σχεδίαση της μόνωσης θα πρέπει να γίνεται βάσει των υπερτάσεων χειρισμών. Στην αύξηση της σοβαρότητας των καταπονήσεων που προκαλούν οι υπερτάσεις χειρισμών συμβάλλει και το γεγονός πώς ο αέρας, σαν μονωτικό υλικό εμφανίζεται πολύ ασθενέστερος έναντι των υπερτάσεων χειρισμών παρά των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων. Από τις μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών, εκείνες που συνήθως παίρνουν τις μεγαλύτερες τιμές και είναι κατά συνέπεια οι πιο επικίνδυνες για τα δίκτυα, είναι αυτές που δημιουργούνται κατά το κλείσιμο ενός διακόπτη. Από στοιχεία της Δ.Ε.Η. παρατηρούμε ότι τα περισσότερα σφάλματα προκαλούνται από ατμοσφαιρικά αίτια, άρα είναι αυτά για τα οποία θα πρέπει να ληφθεί και η μεγαλύτερη πρόληψη. 37

38 Παρακάτω δίνεται μια ποσοστιαία αναλογία των αιτιών των σφαλμάτων από το 1989 μέχρι το 2002 για το ελληνικό δίκτυο.(ιωαννιδης) 5% ΑΠΟ ΚΑΤΕΣΤΡΑΜΜΕΝΟ ΥΛΙΚΟ 6% ΑΠΟ ΠΥΡΚΑΓΙΑ 55% ΑΠΟ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ 34% ΑΠΟ ΑΛΛΑ Ή ΑΓΝΩΣΤΑ ΑΙΤΙΑ 2.3 Αντικεραυνική Προστασία Ο σκοπός του μέσου προστασίας είναι να περιορίζει την κυματική τάση που ενδεχομένως θα πλήξει το στοιχείο που προστατεύει και να κατευθύνει το κύμα στη γη χωρίς να επηρεάζεται από την τάση Β.Σ. λειτουργίας του δικτύου ή και οποιαδήποτε ανύψωση τάσεως Β.Σ. που προκαλείται π.χ. από βραχυκυκλώματα. Τα συνήθη μέσα προστασίας που χρησιμοποιούνται διεθνώς είναι οι ακίδες τα αλεξικέραυνα και οι αγωγός γης (ή αλλιώς αγωγός προστασίας) Ακίδες Οι ακίδες είναι απλές στην κατασκευή τους και φθηνές, έχουν όμως δύο σοβαρά μειονεκτήματα. Πρώτο, ότι μετά την υπερπήδησή τους από κρουστικό κύμα εξακολουθούν να υπερπηδούνται από την τάση Β.Σ (50 Hz). Για αυτό πρέπει να διακόπτεται η τροφοδότηση του δικτύου σε κάθε λειτουργία μιας ακίδας, για να σταματήσει η υπερπήδησή της και αυτό γίνεται με διακοπή επαναφορά (RECLOSING) του προτεταμένου Ε/Δ ή Δ/ΑΕ. Δεύτερο, ότι όταν τα κύματα έχουν μεγάλη κλίση μετώπου, η υπερπήδησή τους γίνεται σε πολύ υψηλές τάσεις και για να αποφευχθεί αυτό πρέπει να μειωθεί το διάκενό τους, πράγμα που με την σειρά του προκαλεί ανεπιθύμητες διασπάσεις σε μικρότερα κύματα. Σύμφωνα με την Αμερικανική τροποποίηση (ANSI C68.1) τα άκρα των ακίδων είναι κάθετες τομές προς την κατεύθυνση της ράβδου. Κάθε ράβδος μιας ακίδας πρέπει να έχει μήκος τουλάχιστον το μισό του διακένου και απόσταση από το θεωρούμενο επίπεδο γης τουλάχιστον 1.3 φορές το διάκενο συν 10 εκατοστά. Εκτός των ακίδων αυτών, στις οποίες οι δύο ράβδοι βρίσκονται στην ίδια ευθεία υπάρχουν και οι ακίδες Γαλλικού τύπου που έχουν διαφορετικό συσχετισμό διακένου και διάσπασης σε κρουστική τάση. 38

39 2.3.2 Αλεξικέραυνα Τα αλεξικέραυνα παρέχουν το μεγαλύτερο βαθμό προστασίας από κάθε άλλο μέσο προστασίας. Η λειτουργία τους βασίζεται στην ειδική κατασκευή τους που σε γενικές γραμμές περιλαμβάνει δύο στοιχεία, το στοιχείο κενού και το στοιχείο βαλβίδας. Το στοιχείο κενού αποτελείται από μια σειρά διακένων που διασπώνται στις υπερτάσεις όχι όμως και στην τάση του δικτύου. Το στοιχείο της βαλβίδας αποτελείται από σειρά μη γραμμικών αντιστάσεων (πλάκες) από θυρίτη, που εμφανίζουν μικρή αντίσταση στις υπερτάσεις και μεγάλη στο ακόλουθο ρεύμα 50 Hz, δηλαδή το ρεύμα 50 Hz που ακολουθεί μια διάσπαση του αλεξικέραυνου, το οποίο περιορίζουν και διευκολύνουν έτσι την σβέση των τόξων στα διάκενα. Τα αλεξικέραυνα είναι εφοδιασμένα και με αποζευκτικές διατάξεις ή αλλιώς αποζευκτικά που συνδέονται στο κάτω άκρο τους προ του αγωγού γειώσεως τους. Σκοπός των αποζευκτικών είναι να διακόπτουν το προς την γη ρεύμα 50 Hz που εμφανίζεται σε περίπτωση βλάβης του αλεξικέραυνου. Για το σκοπό αυτό η κατασκευή τους βασίζεται σε ένα τηκτό που τήκεται από ρεύμα 50 Hz σε σειρά με ένα πηνίο ή αντίσταση άνθρακα μη γραμμική, ώστε η αντίσταση του τηκτού στο κρουστικό ρεύμα να είναι μεγάλη. Παράλληλα στο σύνολο τηκτού αντίστασης συνδέεται ένα διάκενο αέρος για την απαγωγή του κρουστικού ρεύματος προς γη. Ορισμένα αλεξικέραυνα έχουν στο κάτω μέρος μια μεμβράνη υπερπίεσης, που σε περίπτωση βλάβης του αλεξικέραυνου αποχωρίζεται μαζί με τον αγωγό γειώσεως. Από τα προηγούμενα φαίνεται ότι η λειτουργία αποζευκτικού προκαλεί την αποσύνδεση του αλεξικέραυνου και είναι ένδειξη ότι το αλεξικέραυνο έχει πάθει βλάβη Αγωγός γης Ο αγωγός γης τοποθετείται πάνω από τις εγκαταστάσεις που πρόκειται να προστατεύσει για να συγκεντρώνει και απάγει προς γη τις ηλεκτρικές εκκενώσεις, δια μέσω των κατάλληλων γειώσεων του στις θέσεις στήριξης του. Προκειμένου για γραμμές Μ.Τ. η γωνία προστασίας δηλ. η γωνία που σχηματίζει το επίπεδο που διέρχεται από τον αγωγό γης και την πιο ακραία φάση με το κατακόρυφο επίπεδο που διέρχεται από τον αγωγό γης πρέπει να είναι 40 μοίρες περίπου. Η τάση διασπάσεως μεταξύ οποιουδήποτε σημείου του αγωγού γης ή του αγωγού γειώσεως και της πλησιέστερης φάσης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το δυναμικό που μπορεί να αναπτυχθεί σε κάθε σημείο του αγωγού γης από πτώση κεραυνού 10 ka. Για αυτό αρκεί έλεγχος της τάσεως διασπάσεως στην κορυφή του στύλου και στο μέσο του ανοίγματος. 39

40 Για την στήριξη αγωγού γης σε νέες γραμμές εννοείται ότι θα προβλέπονται εξαρχής κατάλληλα ύψη στύλων χωρίς προσθήκες τεμαχίων στην κορυφή. Ο αγωγός που θα χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις κατασκευής αγωγού θα είναι 16 Τ.Χ ACSR ή ACSR-R. 40

41 3. Ηλεκτρικά Ατμοσφαιρικά Φαινόμενα: Κεραυνοί και τα χαρακτηριστικά τους 3.1 Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται στα δίκτυα από τα ηλεκτρικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Παρόλο που οποιαδήποτε μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου στην ατμόσφαιρα μπορεί να επάγει στο δίκτυο μια τάση, οι μόνες επικίνδυνες για δίκτυα υψηλής τάσεως ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται από τους κεραυνούς. Η πτώση ενός κεραυνού, είτε απευθείας πάνω στο δίκτυο είτε κοντά σε αυτό, προκαλεί βίαιες μετακινήσεις φορτίων μέσα στο δίκτυο υπό μορφή ρεύματος Ι πολλών ka. Σύμφωνα με τους νόμους των οδευόντων κυμάτων, το ρεύμα Ι κυκλοφορώντας μέσα σε ένα στοιχείο του δικτύου που παρουσιάζει κυματική αντίσταση Ζ, προκαλεί υπέρταση ΙΖ. Η βασική δηλαδή παράμετρος που αναπτύσσεται στο δίκτυο από τον κεραυνό είναι το ρεύμα, ενώ η υπέρταση είναι ένα δευτερογενές φαινόμενο που εξαρτάται μεν από το ρεύμα του κεραυνού αλλά και από τα χαρακτηριστικά του δικτύου όπως η κυματική αντίσταση Ζ. Η υπέρταση που προκαλεί στο δίκτυο ένας κεραυνός εξαρτάται επίσης από τον τρόπο με τον οποίο θα προσβάλει το δίκτυο. Διαφορετική υπέρταση προκαλείται όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου-πχ μία φάση γραμμής μεταφοράς- διαφορετική όταν πλήττει ένα αγωγό προστασίας ή ένα πύργο της γραμμής και διαφορετική όταν πλήττει το γειτονικό προς το δίκτυο έδαφος. Οι σοβαρότερες υπερτάσεις δημιουργούνται στο δίκτυο όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο. Οι υπερτάσεις αυτές είναι τόσο μεγάλες που πρακτικά είναι αδύνατο να κατασκευαστεί δίκτυο με μόνωση τόσο ισχυρή που να μπορεί να τις αντέχει. Για το λόγο αυτό λαμβάνονται διάφορα μέτρα προστασίας με τα οποία μειώνονται οι υπερτάσεις αυτές σε όρια ανεκτά για τη μόνωση. Για τη λήψη αυτών των πρόσθετων μέτρων απαιτείται μία πρόσθετη δαπάνη η οποία είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η μείωση των υπερτάσεων που επιδιώκεται με αυτά. Έτσι η επιλογή των μέτρων προστασίας σε συνδυασμό με τη μόνωση του δικτύου που θα προβλεφτεί για να αντέχει στις εναπομένουσες υπερτάσεις,μετά τη μείωση τους από τα μέτρα προστασίας, περιέχει και το οικονομικό θέμα για το οποίο καλείται ο μηχανικός να δώσει βέλτιστη λύση. Στην περίπτωση άμεσου πλήγματος στη γραμμή μεταφοράς, καθώς η κεφαλή του οχετού προεκκενώσεως πλησιάζει στη γραμμή, συγκεντρώνεται θετικό φορτίο στην πλησιέστερη θέση της γραμμής προς την κεφαλή του οχετού. Επειδή αυτό σημαίνει απομάκρυνση ηλεκτρονίων,από το 41

42 σημείο της αναμενόμενης κρούσης προς τα άκρα της γραμμής, δημιουργούνται δύο κύματα αρνητικού φορτίου. Επειδή αφενός το επαγόμενο φορτίο πριν από την επαφή του οχετού με τη γραμμή είναι μικρό και αφετέρου η κάθοδος του οχετού γίνεται με σχετικά μικρή ταχύτητα(σε σύγκριση με την ταχύτητα του οχετού επιστροφής), το ρεύμα που αντιστοιχεί στα κύματα αυτά είναι μικρό. Μόλις όμως ο οχετός έρθει σε επαφή με τη γραμμή, μεγάλη ποσότητα αρνητικών φορτίων διαχέονται από το σημείο κρούσεως προς τα άκρα της γραμμής και δίνουν γένεση σε δύο οδεύοντα κύματα ρεύματος με ένταση ίση με το μισό της εντάσεως του ολικού ρεύματος του κεραυνού. Αν ο οχετός προεκκενώσεως δεν έρθει σε επαφή με τη γραμμή αλλά πλήξει κάποια γειτονική θέση του παρακείμενου εδάφους, μόλις το φορτίο του κεραυνού εξουδετερωθεί, το θετικό φορτίο, που επάχθηκε από τη γειτνίαση του οχετού προεκκενώσεως με τη γραμμή απελευθερώνεται(ή τα απομακρυσμένα ηλεκτρόνια επανέρχονται στη θέση τους) και έτσι τα δύο οδεύοντα κύματα που κατευθύνονται προς τα άκρα της γραμμής αντιστοιχούν στην εικονική μετακίνηση θετικού φορτίου από τη θέση προσεγγίσεως του οχετού προς τα άκρα της γραμμής. Επειδή η ποσότητα του θετικού φορτίου που συγκεντρώνεται εξ επαγωγής είναι μικρή, του εύρος του ρεύματος των κυμάτων που αναπτύσσονται στην παρούσα περίπτωση έμμεσου πλήγματος είναι μικρό. Οι αναπτυσσόμενες υπερτάσεις από έμμεσα πλήγματα μπορούν να γίνουν επικίνδυνες μόνο για γραμμές χαμηλής σχετικά τάσεως. 3.2 Ηλεκτρική κατάσταση της γης Στη σημερινή εποχή πλέον οι κεραυνοί έχουν πάψει να αποτελούν μυστήριο καθώς ο μηχανισμός δημιουργίας του γίνεται όλο και πιο κατανοητός χωρίς ωστόσο να έχει επιτευχθεί πλήρως η αποσαφήνισή του. Οι κεραυνοί συνοδεύονται τόσο από φωτεινά φαινόμενα (τις αστραπές) όσο και από ηχητικά (τις βροντές). Το οπτικοακουστικό θέαμα των κεραυνών και των αστραπών είναι ένας συνδυασμός της δυναμικής της παλμικής κίνησης μορίων αέρα και της αποδιοργάνωσης τους εξαιτίας ηλεκτρικών δυνάμεων. Η γη εμφανίζει μόνιμα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των Cb. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0.13kV/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300kV σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. 42

43 Παρά το γεγονός ότι η κοσμική ακτινοβολία παράγει ιονισμένα σωματίδια, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες προσδίδουν αγωγιμότητα στον αέρα, που θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια την εκφόρτιση της γης, αυτό δεν συμβαίνει. Ο λόγος είναι ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με α αυτό του ρεύματος θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί. 3.3 Κεραυνός ως φυσικό φαινόμενο Η πιο συνηθισμένη εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό στην κορυφή του και αρνητικό στην προς την γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Για τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί θεωρίες, που βασίζονται είτε στην φόρτιση των σταγονιδίων του νέφους, η οποία συμβαίνει όταν αρχίσει η πτώση τους προς τη γη, είτε στην μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου διαταράσσει το ομαλό πεδίο της κατάστασης καλοκαιρίας, με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του. Το σύννεφο περνά από την ουδέτερη κατάσταση στην ηλεκτρισμένη μέσα σε λίγα λεπτά. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (1.5-2 kv/m) αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως πολύ ψηλά κτίρια, απαγωγείς υπερτάσεων (αλεξικέραυνα) και θετικά ιόντα μεταφέρονται από την γη διαμέσου του αγωγού, στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (discharge current). Αυτό το ρεύμα και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού. Δίνονται ορισμοί που έχουν υιοθετηθεί από τον Berger: Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Πολικότητα ρεύματος κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς την γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: Ένας κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος, ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός σύνδεσης είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ σύννεφου και εδάφους έναν κατερχόμενο οχετό. 43

44 Πολικότητα οχετού προεκκένωσης: Η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. 3.4 Είδη κεραυνών Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μια εκκένωση εσωτερική του νέφους ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός πρόσημου σε μια θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου πρόσημου που επάγεται εξ αιτίας του στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στην ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μια 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 στην δεύτερη από το έδαφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι, διακρίνονται 4 περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού (Σχήμα 3.3, 1α-4α) [17]: α) Κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 1α). β) Ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 2α). γ) Κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 3α). δ) Ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 4α). 44

45 Σχήμα 3.1: Είδη κεραυνών: 1α-4α)ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης,1β-4β)συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής [17] Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους 4 τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο κατώτερο μέρος του Σχήματος 3.3 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί: Περίπτωση 1β: κατερχόμενη αρνητική εκκένωση, πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με έναν κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στα 90% περίπου των περιπτώσεων. Περίπτωση 2β: ανερχόμενος θετικός οχετός / αρνητική εκκένωση, πηγάζει από μια 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 μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Από τους πιο πάνω τύπους, ο 4β που πρωτοπαρατηρήθηκε στον σταθμό του San Salvatore και μελετήθηκε από τον Berger, αποτελεί τον ισχυρότερο τύπο κεραυνού που συνοδεύεται από τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος που έχουν καταγραφεί. 45

46 3.5 Μηχανισμός ατμοσφαιρικών εκκενώσεων Σε περιοχές νέφους με μεγάλη πυκνότητα φορτίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να πάρει αρκετά μεγάλες τιμές. Οι ψηλές εντάσεις συνδυαζόμενες με την μικρή πυκνότητα του αέρα λόγω ύψους 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 μιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Το επόμενο βήμα είναι ο σχηματισμός οχετού ο οποίος ακολουθεί με μεγάλες αποκλίσεις τις γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου. Αν οι γραμμές μέγιστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος, ο οχετός θα κατευθυνθεί προς αυτό. Ο μηχανισμός με τον οποίο προχωρεί ο οχετός αυτός που ονομάζεται οχετός προεκκένωσης έχει διερευνηθεί αρκετά καλά τόσο από άμεσες παρατηρήσεις κεραυνών, όσο και στο εργαστήριο. Η πρόοδος του πραγματοποιείται με διαδοχικά βήματα με μήκος το καθένα μερικά μέτρα ή δεκάδες μέτρα. Η μέση ταχύτητα προόδου του οχετού προεκκένωσης είναι 0.15 m/μs. Η ταχύτητα αυτή όσο και αν φαίνεται τεράστια, είναι μικρή σε σύγκριση με την ταχύτητα μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων(και του φωτός) στο κενό, που είναι τα 300 m/μs. Το Σχήμα δείχνει τον αρχικό μετασχηματισμό ενός κεραυνού (με πολλαπλές εκκενώσεις), όπως καταγράφηκε από μία κάμερα που κινείται από αριστερά προς τα δεξιά. Όπως φαίνεται από το Σχήμα ο οχετός προεκκένωσης παρουσιάζει αρκετούς κλάδους. Έχουν ληφθεί άλλωστε φωτογραφίες όπου ένας κεραυνός πλήττει περισσότερα από ένα σημεία. Καθώς ο οχετός προεκκένωσης κατέρχεται, αυξάνεται το ρεύμα του σαν συνέπεια της αύξησης του ρεύματος ιονισμού που παράγεται από την δημιουργία ιόντων αντίθετου πρόσημου από προεξοχές της επιφάνειας του εδάφους. Σε κάποια στιγμή αυτής της αύξησης ένας ή περισσότεροι οχετοί ξεπηδούν από αυτά τα σημεία και καθώς φέρουν αντίθετο φορτίο σε σχέση με το φορτίο του κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης, έλκονται ισχυρά μεταξύ τους. Οι οχετοί που ξεπηδούν από το έδαφος ονομάζονται συνδετικοί οχετοί. Μόλις οι δύο οχετοί συνδεθούν, ακολουθεί η φάση του οχετού επιστροφής, που αρχίζει από το σημείο σύνδεσης των δύο οχετών και που εκδηλώνεται με ραγδαία αύξηση του ρεύματος. Η θέση σύνδεσης των δύο οχετών γίνεται συχνά φανερή σε φωτογραφίες του κεραυνού με μία απότομη αλλαγή της κατεύθυνσης του κατερχόμενου οχετού με τον σχηματισμό ενός βρόχου Σχήμα

47 Σχήμα 3.2: Δημιουργία ενός πολλαπλού κεραυνού όπως φαίνεται από μία φωτογραφική μηχανή κινούμενη προς τα δεξιά [17] Συνήθως η αρχική εκκένωση του κεραυνού ακολουθείται από επόμενες Σχήμα 3.4. Οι εκκενώσεις αυτές διαδέχονται η μία την άλλη σε μικρά χρονικά διαστήματα και η καθεμία της περιλαμβάνει δικό της συνδετικό οχετό και οχετό επιστροφής. Συνήθως οι διαδοχικές αυτές εκκενώσεις ακολουθούν την ίδια όδευση που χαράζει η αρχική εκκένωση χωρίς όμως να αποκλείεται και το αντίθετο. Έχει γενικά παρατηρηθεί πως πολλαπλές εκκενώσεις παρουσιάζουν συνήθως οι κατερχόμενοι αρνητικοί κεραυνοί, που όπως αναφέρθηκε αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό κεραυνών, ενώ οι θετικοί πολλαπλοί κεραυνοί είναι σπανιότατοι. 47

48 Σχήμα 3.3: Σχηματική παράσταση ενός κεραυνού, όπου φαίνεται το σημείο σύνδεσης του αρνητικού κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης και του συνδετικού οχετού [17] 3.5 Απόσταση διάσπασης Καθώς ο κατερχόμενος (θετικός ή αρνητικός) οχετός προεκκένωσης πλησιάζει το έδαφος, η κεφαλή του παρουσιάζει ως προς το έδαφος τάση μερικών δεκάδων ΜV. Το σημείο που θα πλήξει ο κεραυνός καθορίζεται μόλις ο κατερχόμενος οχετός πλησιάζει το έδαφος σε απόσταση τέτοια, που με την τάση που επικρατεί ανάμεσα στην κεφαλή του οχετού και την γη, να μπορεί να συμβεί διάσπαση. Η απόσταση αυτή ονομάζεται απόσταση διάσπασης. Η απόσταση διάσπασης, όπως γίνεται αντιληπτό, εξαρτάται από το φορτίο του οχετού προεκκένωσης και κατά συνέπεια από το ρεύμα του. Για τον καθορισμό της απόστασης διάσπασης ο Whitehead δίνει την παρακάτω εμπειρική σχέση, όπου rs η απόσταση διάσπασης και Ι0 το ρεύμα του κεραυνού r s =6.7 Io 0.8 Σημ. rs σε m,i o σε ka 48

49 3.6 Ρεύμα του κεραυνού και σχετικοί παράμετροι Όταν ένα αντικείμενο, όπως ένα κτίριο, μια γραμμή σε υπόγεια σήραγγα ή ένα αεροπλάνο που πετά, δεχθεί πλήγμα από κεραυνό, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Έτσι, 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 μια 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 την γη. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά την ροή του φορτίου αυτού εξαρτάται αρχικά από το μέγεθος του φορτίου του νέφους αλλά επίσης και από την ταχύτητα με την οποία ο οχετός επιστροφής από τον ήδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. Για την μέτρηση αυτού του ρεύματος όπως και για την απόκτηση μιας αντίληψης για την μορφή του, τα οποία θα βοηθήσουν να βρεθούν και οι άλλες σχετικές παράμετροι του κεραυνού όπως η διάρκεια ροής κλπ., έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι. Οι παλιότερες στηρίζονται σε μια εκτίμηση του ρεύματος που γινόταν από τα θερμικά ή μηχανικά αποτελέσματα που προκαλεί το πλήγμα του κεραυνού. Έτσι από την τήξη λεπτών μετάλλων ή τα ίχνη πάνω σε μεταλλικές επιφάνειες, γινόταν εκτίμηση της συνολικής ενέργειας του κεραυνού, επίσης εκτίμηση του εύρους του ρεύματος γινόταν από την σύσφιξη που προκαλεί η ροή του ρεύματος διαμέσου ενός σωλήνα. Ένας άλλος τρόπος μέτρησης είναι η μέθοδος της ηλεκτρομαγνητικής ζεύξης. Η μέθοδος στηρίζεται στο ότι το ρεύμα του κεραυνού διαρρέει έναν αγωγό, σχηματίζεται γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Αν τοποθετηθεί κοντά στον αγωγό ένα μαγνητικό υλικό, αυτό θα μαγνητισθεί με την 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 ληφθούν οι σχετικές μετρήσεις. Τέτοια μαγνητίζοντα υλικά (magnetic links) τοποθετούνται συνήθως σε επαφή με τα σκέλη των μεταλλικών πύργων γραμμών μεταφοράς. Ωστόσο, ο σύγχρονος τρόπος μέτρησης που χρησιμοποιείται είναι μέσω του παλμογράφου. Το βασικό πρόβλημα που υπάρχει με τον παλμογράφο είναι ότι είναι δύσκολο, λόγω της φύσης του φαινομένου να ληφθούν παλμογραφήματα και συγχρόνως είναι μια αρκετά δαπανηρή μέθοδος. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα και κανονισμούς το κεραυνικό ρεύμα χαρακτηρίζεται από ορισμένες παραμέτρους, με την βοήθεια των οποίων περιγράφονται τα διάφορα φαινόμενα κατά την εξάσκηση δυνάμεων και ηλεκτροχημικά φαινόμενα, που παρουσιάζονται κατά την διέλευση 49

50 του κεραυνικού ρεύματος σε έναν αγωγό και η επαγωγική επίδραση σε βρόχους κυκλωμάτων. Για την θερμική καταπόνηση του ηλεκτροτεχνικού εξοπλισμού από το κεραυνικό ρεύμα ενδιαφέρουν ιδιαίτερα η κυματομορφή του εν λόγω ρεύματος, η μέγιστη τιμή του και η ειδική ενέργεια που εξετάζονται ακολούθως Κυματομορφές ρεύματος Οι τυπικές κυματομορφές του ρεύματος και της τάσης του κεραυνού δίνονται παρακάτω: Σχήμα 3.4: Κυματομορφή τυπικής κρουστικής τάσης(1.2/50μsec) [8] 50

51 Σχήμα 3.5: Κυματομορφή τυπικού κρουστικού ρεύματος(8/20μsec) Σχήμα 3.6: Πλήρης κρουστική τάση κεραυνών [8] 51

52 Σχήμα 3.7: Κρουστική τάση κεραυνών, αποκομμένη κατά μέτωπο [8] 52

53 Σχήμα 3.8: Παραδείγματα κρουστικών τάσεων κεραυνών, με ταλαντώσεις ή διακυμάνσεις. a,b Η τιμή της τάσεως δοκιμής, προσδιορίζεται από την μέση καμπύλη (διακεκομμένη τιμή). c,d Η τιμή της τάσεως δοκιμής, προσδιορίζεται από την τιμή της κορυφής. e,f,g,h Δεν έχει δοθεί ιδιαίτερη καθοδήγηση για τον προσδιορισμό της τιμής δοκιμής. 53

54 Σχήμα 3.9: Κρουστική τάση κεραυνών, αποκομμένη κατά ουρά Σχήμα 3.10: Κρουστική τάση γραμμικού μετώπου αποκομμένη κατά μέτωπο 54

55 Πρόκειται για ένα ρεύμα κρουστικής μορφής που χαρακτηρίζεται κατά τους κανονισμούς (VDE, IEC, κλπ) από την διάρκεια μετώπου Τ1, που είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να φθάσει η τιμή του ρεύματος το 90% της μέγιστης τιμής του Imax και η διάρκεια ουράς Τ2, που είναι ο χρόνος κατά τον οποίο η τιμή ρεύματος επιστρέφει από την μέγιστη τιμή στο μισό (50% του Imax).Η αναφορά στο κρουστικό ρεύμα γίνεται με τις τιμές των δύο αυτών χρόνων μετρούμενων σε μsec με την μορφή T1/T2, π.χ. 10/350μsec που προσομοιώνει κατά τα διεθνή πρότυπα τον φυσικό κεραυνό για τις εργαστηριακές μετρήσεις. Αυτή η μορφή ρεύματος καθορίζεται από την εξίσωση Heidler t 10 ( ) T1 i(t)= I max t 10 1 ( ) T 1 t T2 e = I k t 10 ( ) T1 t 1 ( ) T 1 10 t T2 e (3.3) Όπου: K, ο συντελεστής διόρθωσης της μέγιστης τιμής του ρεύματος I, Τ1, η σταθερά του χρόνου μετώπου και Τ2, η σταθερά του χρόνου ουράς Οι τιμές των οποίων στην παρούσα εργασία δίνονται από τον ακόλουθο πίνακα (με βάση το πρότυπο IEC ): Πίνακας 3.1: Οι τιμές παραμέτρων της εξίσωσης Ηeidler με βάση τη στάθμη προστασίας [20] Όπου: Imax, το μέγιστο ρεύμα, 55

56 Τ1, ο χρόνος μετώπου και Τ2, ο χρόνος ουράς ή από την διπλοεκθετική εξίσωση για ένα παλμό: i(t) Imax (e at -- e bt ) (3.4) Όπου Imax το μέγιστο ρεύμα, a, η σταθερά κορυφής και b, η σταθερά ουράς. Πολύ συχνά το κεραυνικό ρεύμα προσομοιώνεται μαθηματικά και με την διπλοεκθετική εξίσωση: a i(t) = I max1 (e 1 t - e b1t a ) +I max2 (e 2 t b e 2 t ) (3.5) Όπου: Imaxl, η μέγιστη τιμή του ρεύματος του πρώτου παλμού, Imax2, η μέγιστη τιμή ρεύματος του δεύτερου παλμού, α1,α2, οι σταθερές κορυφής και b1,b2, η σταθερές ουράς. Το Imax2 είναι πολύ μικρότερο του Imaxl. Ο δεύτερος παλμός ακολουθεί τον πρώτο με χρονικό μεσοδιάστημα της τάξεως των msec. Στην πράξη το ρεύμα κεραυνού προσομοιώνεται μόνο με το πρώτο μέρος της εξίσωσης (3.5) που εκφράζει τον πρώτο κύριο παλμό. 56

57 Σχήμα 3.11: Διάγραμμα για τον υπολογισμό των χρονικών σταθερών του κρουστικού ρεύματος τ 1:ο χρόνος μετώπου,τ2:ο χρόνος ημίσεως εύρους, Ιmax:το μέγιστο ρεύμα, α η σταθερά κορυφής, b:η σταθερά ουράς Ο τρόπος υπολογισμού των συντελεστών a και b στην σχέση (3.4) είναι μέσω του διαγράμματος στο Σχήμα 3.13, όπου ο λόγος T2/T1 αντιστοιχεί στον λόγο του χρόνου μετώπου προς τον χρόνο ημίσεως εύρους και τα α και β στις χρονικές σταθερές a και b αντίστοιχα Ειδική ενέργεια Η ειδική ενέργεια SE που εκλύεται από το ρεύμα του κεραυνού υπολογίζεται με την σχέση: t SE = W R = 2 i ( t) dt (3.6) 0 Όπου W, η ειδική ενέργεια και R, η ωμική αντίσταση που διαρρέεται από το ρεύμα i(t). 57

58 Η ειδική ενέργεια είναι καθοριστικός παράγοντας σχετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας και με την ηλεκτροδυναμική καταπόνηση των υλικών και εξαρτημάτων στις εγκαταστάσεις αντικεραυνικής προστασίας όπως των από το κεραυνικό ρεύμα διαρρεόμενων αγωγών και στατικών ηλεκτρικών συνδέσμων σε συστήματα αντικεραυνικής προστασίας.. Κατά τον υπολογισμό της θερμικής καταπόνησης υπό κεραυνικό ρεύμα των αγωγών και των στατικών ηλεκτρικών συνδέσμων σε συστήματα αντικεραυνικής προστασίας απαιτείται να ληφθεί υπόψη και η επίδραση του μεταβατικού επιδερμικού φαινομένου (transient skin effect). Αντίθετα με τις εκτενείς ερευνητικές εργασίες που πραγματοποιήθηκαν σχετικά με το επιδερμικό φαινόμενο σε συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος, η ενασχόληση με το μεταβατικό επιδερμικό φαινόμενο σε συστήματα που καταπονούνται με κεραυνικό κρουστικό ρεύμα συναντώνται σπάνια στην διεθνή βιβλιογραφία. Όσον δε αφορά τον υπολογισμό της θερμικής συμπεριφοράς αλλά και την μέτρηση της αύξησης της θερμοκρασίας κυλινδρικών αγωγών και στατικών ηλεκτρικών συνδέσμων κατά την καταπόνησή τους σε εργαστηριακό περιβάλλον, με προσομοιωμένο κεραυνικό ρεύμα της μορφής 10/350μsec, απ' όσο γνωρίζουμε, δεν έχουν πραγματοποιηθεί. 3.7 Ισοκεραυνικές καμπύλες Μία περιοχή χαρακτηρίζεται από την κεραυνική στάθμη (γνωστή και ως κεραυνικό επίπεδο). Η στάθμη αυτή ορίζεται ως το πλήθος των ημερών κατά τις οποίες παρατηρείται καταιγίδα στην συγκεκριμένη περιοχή (ή αλλιώς γίνονται αντιληπτές αυτή), ορισμός βέβαια είναι αρκετά υποκειμενικός, μάλιστα αγνοεί και την ποικιλία και σοβαρότητα των θυελλών. Μέσω του παραπάνω κριτηρίου έχουμε την δυνατότητα να κατατάξουμε τις διάφορες περιοχές. Ενώνοντας λοιπόν τις περιοχές ενός χάρτη οι οποίες παρουσιάζουν το ίδιο κεραυνικό επίπεδο προκύπτει μία ισοκεραυνική καμπύλη. Παρακάτω παρουσιάζονται οι ισοκεραυνικές καμπύλες όλης της υφηλίου. 58

59 Σχήμα 3.12: Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της υφιλίου [ΕΜΥ] Από την κεραυνική στάθμη υπολογίζεται η πυκνότητα των κεραυνών ανά έτος και km2 που πέφτουν στο έδαφος σε ένα συγκεκριμένο τόπο. Υπάρχουν πολλές μελέτες και μετρήσεις για την μέτρηση της πυκνότητας των κεραυνών, με σημαντικότερη αυτή του A.J.Eriksson που πρότεινε την ακόλουθη εξίσωση : 59

60 Ng 0.04T 1.25 (3.7) Αξίζει επίσης να παρατηρηθεί ότι η τιμή του Ng επηρεάζεται τόσο από την φύση της θύελλας όσο και από τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της περιοχής (στις ορεινές περιοχές ειδικότερα παρατηρούνται περισσότεροι κεραυνοί από ότι στις πεδινές). 3.8 Ελλάδα Το κλίμα της Ελλάδας είναι τυπικά μεσογειακό: ήπιοι και υγροί χειμώνες, σχετικά θερμά και ξηρά καλοκαίρια και, γενικά, μακρές περίοδοι ηλιοφάνειας κατά την μεγαλύτερη διάρκεια του έτους. Η Ελλάδα βρίσκεται μεταξύ των παραλλήλων 340 ο και 420 ο του Βορείου ημισφαιρίου και βρέχεται από την Ανατολική Μεσόγειο. Λεπτομερέστερα στις διάφορες περιοχές της Ελλάδας παρουσιάζεται μια μεγάλη ποικιλία κλιματικών τύπων, πάντα βέβαια μέσα στα πλαίσια του Μεσογειακού κλίματος. Αυτό οφείλεται στην τοπογραφική διαμόρφωση της χώρας που έχει μεγάλες διαφορές υψομέτρου (υπάρχουν μεγάλες οροσειρές κατά μήκος της κεντρικής χώρας και άλλοι ορεινοί όγκοι) και εναλλαγή ξηράς και θάλασσας. Έτσι από το ξηρό κλίμα της Αττικής και γενικά της Ανατολικής Ελλάδας μεταπίπτουμε στο υγρό της Βόρειας και Δυτικής Ελλάδας. Τέτοιες κλιματικές διαφορές συναντώνται ακόμη και σε τόπους που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, πράγμα που παρουσιάζεται σε λίγες μόνο χώρες σε όλο τον κόσμο. Από κλιματολογικής πλευράς το έτος μπορεί να χωριστεί κυρίως σε δύο εποχές: Την ψυχρή και βροχερή χειμερινή περίοδο που διαρκεί από τα μέσα του Οκτωβρίου και μέχρι το τέλος Μαρτίου και τη θερμή και άνομβρη εποχή που διαρκεί από τον Απρίλιο έως τον Οκτώβριο. Κατά την πρώτη περίοδο οι ψυχρότεροι μήνες είναι ο Ιανουάριος και ο Φεβρουάριος, όπου κατά μέσον όρο η μέση ελάχιστη θερμοκρασία κυμαίνεται από 5-10 C στις παραθαλάσσιες περιοχές, από 0-5 C στις ηπειρωτικές περιοχές και με χαμηλότερες τιμές κάτω από το μηδέν στις βόρειες περιοχές. Οι βροχές στη χώρα μας ακόμη και τη χειμερινή περίοδο δεν διαρκούν για πολλές ημέρες και ο ουρανός της Ελλάδας δεν μένει συννεφιασμένος για αρκετές συνεχόμενες ημέρες, όπως συμβαίνει σε άλλες περιοχές της γης. Οι χειμερινές κακοκαιρίες διακόπτονται συχνά κατά τον Ιανουάριο και το πρώτο δεκαπενθήμερο του Φεβρουαρίου από ηλιόλουστες ημέρες, τις γνωστές από την αρχαιότητα "Αλκυονίδες ημέρες". Η χειμερινή εποχή είναι γλυκύτερη στα νησιά του Αιγαίου και του Ιουνίου από ότι στη Βόρεια και Ανατολική Ελλάδα. 60

61 Σχήμα 3.13: Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της Ελλάδας [ΕΜΥ] Κατά τη θερμή και άνομβρη εποχή ο καιρός είναι σταθερός, ο ουρανός σχεδόν αίθριος, ο ήλιος λαμπερός και δεν βρέχει εκτός από σπάνια διαλείμματα με ραγδαίες βροχές ή καταιγίδες μικρής όμως διάρκειας. Η θερμότερη περίοδος είναι το τελευταίο δεκαήμερο του Ιουλίου και το πρώτο του Αυγούστου οπότε η μέση μεγίστη θερμοκρασία κυμαίνεται από 29 C μέχρι 35 C. Κατά τη θερμή εποχή οι υψηλές θερμοκρασίες μετριάζονται από τη δροσερή θαλάσσια αύρα στις παράκτιες περιοχές της χώρας και από τους βόρειους ανέμους (ετήσιες) που φυσούν κυρίως στο Αιγαίο. 61

62 Η άνοιξη έχει μικρή διάρκεια, διότι ο μεν χειμώνας είναι όψιμος, το δε καλοκαίρι αρχίζει πρώιμα. Το φθινόπωρο είναι μακρύ και θερμό και πολλές φορές παρατείνεται στη Νότια Ελλάδα και μέχρι τα μισά του Δεκεμβρίου. Παρακάτω φαίνεται ο ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας. 62

63 4. Οδηγία της IEEE για την συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση κεραυνού 4.1 Εισαγωγή Αυτή η οδηγία μας παρέχει πληροφορίες για τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στη βελτίωση της συμπεριφοράς μιας εναέριας γραμμής μεταφοράς σε πτώση κεραυνού, και απευθύνεται στον σχεδιαστή/μελετητή των γραμμών διανομής. Σύμφωνα με την οδηγία αυτή, δεν είναι δυνατόν να υπάρξει σχεδιασμός της τέλειας γραμμής διανομής. Για αυτόν τον λόγο μια σειρά από συμβιβασμούς πρέπει να ληφθούν από τους σχεδιαστές των γραμμών. Ενώ κάποιες παράμετροι όπως η τάση, η όδευση και η χωρητικότητα μπορούν να προκαθοριστούν, άλλες αποφάσεις λαμβάνονται κατά το δοκούν του μελετητή. Μπορεί δηλαδή να εξετάσει την δομή/γεωμετρία των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν, την τυχόν προστασία της γραμμής από παράπλευρες κατασκευές, το επίπεδο της μόνωσης, την γείωση, και την τοποθέτηση των αλεξικέραυνων. Αυτή η οδηγία θα βοηθήσει τον σχεδιαστή γραμμών διανομής να βελτιστοποιήσει τον σχεδιασμό των γραμμών και οικονομικοτεχνικά. 4.2 Σκοπός και αναφορές Σκοπός: Η παρούσα οδηγία θα προσδιορίσει τους παράγοντες που συνεισφέρουν στις βλάβες από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής, και θα προτείνει βελτιώσεις για τις υπάρχουσες αλλά και τις νέες κατασκευές. Η οδηγία προορίζεται για την προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής συστημάτων με τάση κάτω από 69kV. Θέματα προστασίας του εξοπλισμού αναφέρονται στο IEEE Std C Σε αυτά τα πλαίσια, βασικός σκοπός αυτής της οδηγίας είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής Μέσης Τάσης. Αναφορές: Αυτή η οδηγία θα πρέπει να χρησιμοποιείται σε συνάρτηση με τους ακόλουθους κανονισμούς. Όταν οι ακόλουθοι κανονισμοί έχουν δεχτεί κάποιες εγκεκριμένες αναθεωρήσεις, τότε θα ισχύουν αυτές. IEEE Std C , IEEE Οδηγία για την Εφαρμογή Αλεξικέραυνων από Μεταλλικά Οξείδια για τα Συστήματα Εναλλασσόμενου Ρεύματος (ANSI). 63

64 4.3 Ορισμοί Παρακάτω παρατίθενται οι βασικοί ορισμοί των εννοιών και των μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν για την πλήρη κατανόηση του αντικειμένου. Ανάστροφο βραχυκύκλωμα κεραυνού (back flashover lightning): Ορίζεται ως το βραχυκύκλωμα στη μόνωση λόγω πλήγματος από κεραυνό σε κάποιο μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης που συνήθως βρίσκεται στο δυναμικό του εδάφους. Βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (basic impulse insulation level, BIL ή bil) (rated impulse withstand voltage) (surge arresters): Αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνού. Κρίσιμη κρουστική τάση κεραυνών, μονωτές (critical impulse flashover voltage, CFO) (insulators): Η μέγιστη τιμή της κρουστικής τάσης που, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, προκαλεί βραχυκύκλωμα στο μέσο που την περιβάλει, στο 50% των περιπτώσεων. Άμεσο πλήγμα (direct stroke): Ένα απευθείας χτύπημα κεραυνού σε οποιοδήποτε μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης. Γραμμή διανομής (distribution line): Γραμμές ηλεκτρικής ισχύος που διανέμουν ισχύ από έναν κύριο υποσταθμό στους καταναλωτές, συνήθως με τάση 34.5 kv ή λιγότερο. Τονίζεται ότι αυτή η οδηγία αφορά τάσεις εως και 69 kv. Βραχυκύκλωμα (γενικά) (flashover): Μια ανεπιθύμητη εκκένωση μέσω του αέρα ή στην επιφάνεια μιας στερεής ή υγρής μόνωσης που οδηγεί σε διάσπαση, ανάμεσα σε μέρη διαφορετικού δυναμικού ή πολικότητας. Παράγεται από εφαρμογή μιας τάσης που το μονοπάτι της διάσπασης έχει ιονιστεί επαρκώς ώστε να διατηρεί ένα ηλεκτρικό τόξο. Ηλεκτρόδιο γείωσης (ground electrode): Ένας αγωγός ή μια ομάδα αγωγών, σε στενή επαφή με το έδαφος με σκοπό να παρέχουν συνεχή σύνδεση με το έδαφος. Πυκνότητα κεραυνών (ground flash density, GFD, Ng): Ο μέσος αριθμός των πληγμάτων από κεραυνό ανά μονάδα χώρου και ανά μονάδα χρόνου σε μια συγκεκριμένη περιοχή (κεραυνοί/ km2/ έτος). Μονωτήρας επιτόνων (guy insulator): Ένα μονωτικό στοιχείο, συνήθως επιμηκυμένης μορφής με εγκάρσιες τρύπες ή σχισμές, με σκοπό την μόνωση δύο μερών ενός επιτόνου ή την παροχή μόνωσης ανάμεσα στην κατασκευή και το στήριγμα. Επίσης παρέχει προστασία σε περίπτωση σπασμένων καλωδίων. Οι πορσελάνινοι μονωτήρες καλωδίων γενικά, είναι σχεδιασμένοι να 64

65 αντέχουν στην πίεση αλλά συνήθως χρησιμοποιούνται ξύλινοι μονωτήρες κατάλληλα εξοπλισμένοι γι' αυτό το σκοπό. Επίτονο (guy wire): Ένα απομονωμένο καλώδιο που χρησιμοποιείται για υποστήριξη έντασης ημιελαστικού χαρακτήρα ανάμεσα στον πόλο ή την κατασκευή και την ράβδο στήριξης, ή ανάμεσα στις κατασκευές. Έμμεσο πλήγμα (indirect stroke): Ένα χτύπημα κεραυνού που δεν χτυπά απευθείας κάποιο μέρος ενός δικτύου, αλλά μπορεί να προκαλέσει υπέρταση σε αυτό. Επαγόμενη τάση, πλήγματα κεραυνού (induced voltage, lightning stroke): Η τάση που επάγεται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα έμμεσο πλήγμα. Πρώτο πλήγμα κεραυνού (lightning first stroke): Η ηλεκτρική εκκένωση στο έδαφος που συμβαίνει όταν η άκρη ενός κατερχόμενου οχετού συναντηθεί με έναν ανερχόμενο από το έδαφος. Ακόλουθο πλήγμα κεραυνού (lightning subsequent stroke): Μία εκκένωση κεραυνού που μπορεί να ακολουθήσει μία πορεία που έχει ήδη προδιαγράψει το πρώτο πλήγμα. Κεραυνός (lightning flash): Η πλήρης εκκένωση κεραυνού, που συνήθως δημιουργείται από αγωγούς ενός σύννεφου ακολουθούμενοι από ένα ή περισσότερα πλήγματα επιστροφής. Σφάλμα λόγω κεραυνού (lightning outage): Είναι η διακοπή ρεύματος, που οφείλεται σε πτώση κεραυνού και προκαλεί ένα ρεύμα σφάλματος στο σύστημα, απαιτώντας την λειτουργία μιας συσκευής διακοπής για τον καθαρισμό του σφάλματος. Συμπεριφορά γραμμών σε κεραυνούς (line lightning performance): Η απόδοση μιας γραμμής που εκφράζεται ως ο ετήσιος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από κεραυνούς σε βάση ενός μιλίου του κυκλώματος ή πύργου γραμμών μιλίου. Αλεξικέραυνο μεταλλικών οξειδίων (ή απαγωγέας υπερτάσεων) (metal-oxide surge arrester, MOSA): Ένα αλεξικέραυνο που χρησιμοποιεί βαλβίδες κατασκευασμένες από υλικά μεταλλικών οξειδίων μη γραμμικής αντίστασης. Εναέριος αγωγός προστασίας (overhead groundwire, OHGW): Είναι το τοποθετημένο καλώδιο (ένα ή περισσότερα) πάνω από τους αγωγούς με σκοπό να διακόπτουν τα άμεσα πλήγματα από κεραυνούς. Μπορεί να συνδέονται στο σύστημα γείωσης άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. 65

66 Γωνία προστασίας (shielding angle): Η γωνία ανάμεσα στην κατακόρυφη γραμμή μέσω του εναέριου αγωγού γείωσης και στη γραμμή που συνδέει τον εναέριο αγωγό γείωσης με τον προστατευτικό αγωγό. Αγωγός προστασίας (shield wire): Είναι αγωγοί τοποθετημένοι κοντά στους αγωγούς φάσεων και εξυπηρετούν τους σκοπούς: α)προστασία των αγωγών φάσης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. β)μείωση των επαγόμενων τάσεων που προκαλούνται από εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. γ)μείωση της κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW. δ)αύξηση της αμοιβαίας κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW στους προστατευμένους αγωγούς φάσης. Μπορούν να είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένοι απευθείας στην κατασκευή ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. Προστατευτικό διάκενο (spark gap): Οποιοδήποτε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμένοι μεταξύ τους ή συνδέονται ηλεκτρικά σε κάποια απόσταση. Αλεξικέραυνο (surge arrester): Μία προστατευτική συσκευή που περιορίζει τις υπερτάσεις στον εξοπλισμό παρεκκλίνοντας το ρεύμα και διατηρώντας έτσι την συσκευή στην αρχική της κατάσταση. 4.4 Παράμετροι κεραυνών Η πιο συχνά εμφανιζόμενη μορφή είναι ο κεραυνός μέσα σε ένα σύννεφο, αλλά αυτή που επηρεάζει περισσότερο τις εναέριες γραμμές διανομής είναι ο κεραυνός μεταξύ σύννεφου και Γης. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, είναι πιθανόν να συμβούν διακοπές ρεύματος, λόγω των κεραυνών και των ανέμων. Έτσι κάποιες διακοπές που συμβαίνουν λόγω ανέμου, πτώσεις δέντρων ή ελαττωματικού εξοπλισμού είναι πιθανόν να θεωρηθεί ότι συνέβησαν από κεραυνό, κάτι που θα έκανε τον αριθμό των σφαλμάτων λόγο κεραυνού να φαίνεται πλαστά υψηλός. Στις περισσότερες περιοχές του κόσμου, μια ένδειξη της κεραυνικής δραστηριότητας μπορεί να αποκτηθεί από τα κεραυνικά δεδομένα της περιοχής (ημέρες καταιγίδας ανά έτος). Στο Σχήμα 4.1, φαίνεται ο 66

67 παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης. Το κεραυνικό επίπεδο είναι μια ένδειξη της κατά τόπους κεραυνικής δραστηριότητας που βασίζεται σε μέσες τιμές των ποσοτήτων και προκύπτουν από ιστορικά διαθέσιμες παρατηρήσεις. Ωστόσο, για συγκεκριμένες περιοχές είναι διαθέσιμα και περισσότερο λεπτομερή κεραυνικά δεδομένα. Έτσι μια λεπτομερέστερη απεικόνιση της κεραυνικής δραστηριότητας μπορεί να αποκτηθεί από χάρτες που απεικονίζουν την πυκνότητα κεραυνών στο έδαφος (GFD maps), οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από τις πληροφορίες που μας παρέχουν τα δίκτυα εντοπισμού κεραυνών. Στο Σχήμα 4.2 απεικονίζεται ένα δείγμα ενός τέτοιου χάρτη για τις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Σχήμα 4.1: Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης 67

68 Σχήμα 4.2: Χάρτης GFD (ΗΠΑ) Συστήματα εντοπισμού κεραυνών, καθώς και δίκτυα μέτρησης κεραυνών έχουν τοποθετηθεί στη βόρεια Αμερική και σε άλλα μέρη του πλανήτη. Έχοντας αρκετή εμπειρία, αυτά τα δίκτυα μπορούν να παρέχουν λεπτομερείς GFD χάρτες. Οι χάρτες GFD είναι πολύ πιο λεπτομερείς και ακριβείς απ' ότι τα κεραυνικά δεδομένα. Τα συστήματα θέσης παρέχουν επίσης κάποιες χρήσιμες και λεπτομερείς μετρήσεις. Εκτός του ότι παρέχουν την συχνότητα των κεραυνών, τα δίκτυα μπορούν επίσης να μας πληροφορήσουν για την ώρα, την ημερομηνία, την τοποθεσία, τον αριθμό των κεραυνών, το εκτιμώμενο ρεύμα του μεγίστου πλήγματος και την πολικότητα. Σε ορισμένες περιοχές του πλανήτη, αυτά τα συστήματα έχουν ή είναι κοντά στο να έχουν επαρκή στοιχεία (το λιγότερο επτά χρόνων) για να χρησιμοποιηθούν σε σχεδιαστικούς σκοπούς. Αυτή τη στιγμή, οι χάρτες GFD χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό γραμμών διανομής, εκτιμώντας τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνού, καθώς επίσης και σε πολλούς άλλους τύπους ανάλυσης λόγω κεραυνών. 68

69 Η αξιοπιστία μιας γραμμής διανομής εξαρτάται από την έκθεσή της η όχι σε περιπτώσεις κεραυνών. Για να προσδιορισθεί αυτό ο σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει τον ετήσιο αριθμό κεραυνών ανά μονάδα περιοχής και ανά μονάδα χρόνου (GFD). Το GFD μπορεί να υπολογιστεί με διάφορους τρόπους. Ένας πρώτος τρόπος να προσδιοριστεί είναι από το κεραυνικό επίπεδο της περιοχής, σύμφωνα με την εξίσωση (4.1). Όπου : N g = 0.04T [κεραυνοί/km/έτος] (4.1) Td: ο αριθμός των ημερών καταιγίδας ανά χρόνο (το κεραυνικό επίπεδο). Ένας άλλος τρόπος υπολογισμού για το GFD μπορεί να προκύψει από τα αρχεία των ωρών καταιγίδας ως εξής: 1. 1 N g = T h (4.2) Εκτιμήσεις για μια μέση τιμή του GFD μπορούν επίσης να γίνουν από τα δίκτυα εντοπισμού κεραυνών ή από τους μετρητές/καταγραφείς των κεραυνών. Αν έχουμε δεδομένα αρκετών ετών, έχουμε το πλεονέκτημα του εντοπισμού των διαφοροποιήσεων σε μια περιοχή. Τα ποσοστά των κεραυνών καθώς και οι διακοπές που προκαλούνται λόγω κεραυνού έχουν σημαντικές διακυμάνσεις χρόνο με το χρόνο. Συνήθως, αυτές οι ετήσιες διακυμάνσεις της κεραυνικής δραστηριότητας έχουν μια απόκλιση της τάξης του 20% με 50% από την μέση τιμή τους. Αν περιοριστούμε σε μια μικρή περιοχή, π.χ. 10 km2, τότε εκτιμάται ότι αυξάνεται αυτή η απόκλιση 30% με 50% από το μέσο όρο. Αντιθέτως, σε μια περιοχή μεγαλύτερης έκτασης, π.χ. 500 km2 η απόκλιση είναι μικρότερη, της τάξης του 20% με 25% από το μέσο όρο. Σε περιοχές με χαμηλά επίπεδα κεραυνικής δραστηριότητας, η σχετικά σταθερή απόκλιση είναι μεγαλύτερη. Έτσι λοιπόν, με τέτοιες μεγάλες διακυμάνσεις, χρειαζόμαστε δεδομένα πολλών ετών για να υπολογίσουμε με ακρίβεια το μέσο όρο. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό σε δύο περιπτώσεις : Όταν γίνεται χρήση εδαφικών κεραυνικών δεδομένων μια περιοχής Όταν γίνεται εκτίμηση του ποσοστού διακοπών από κεραυνούς από τα στοιχεία διακοπής λειτουργίας. 69

70 4.4.2 Κατανομές μέγιστου ρεύματος κεραυνών Στον Πίνακα 4.1(CIGRE Working Group 33.01) παρουσιάζονται οι παράμετροι των κεραυνών, σύμφωνα με τον οποίο η διακύμανση που εμφανίζεται στο μέγιστο ρεύμα κεραυνού Ι ο μπορεί να προσεγγισθεί με μια λογαριθμική/κανονική κατανομή. Προκειμένου να διαχειριστούμε την πιθανολογική κατανομή των κορυφαίων τιμών ρεύματος με έναν πιο απλό τρόπο, υιοθετείται η ακόλουθη έκφραση: P(Io i 0 ) = 1 i 1 ( 31 0 ) 2.6 (4.3) Η παραπάνω εξίσωση μας δίνει την πιθανότητα το μέγιστο ρεύμα του κεραυνού Ιο να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μια συγκεκριμένη τιμή io [ka]. Πίνακας. 4.1: CIGRE παράμετροι του ρεύματος κεραυνού 70

71 4.5 Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Εδώ περιγράφεται μια μέθοδος θεωρητικού υπολογισμού των άμεσων και έμμεσων πληγμάτων από κεραυνό στα δίκτυα διανομής. Οι κεραυνοί είναι υπεύθυνοι για έναν μεγάλο αριθμό διακοπών ρεύματος στις γραμμές διανομής. Οι κεραυνοί μπορεί να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα από: α) Άμεσα πλήγματα: Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσης της γραμμής, το συνολικό ρεύμα Iο, διασπάται σε δύο τμήματα που διαρρέουν τη γραμμή από το σημείο του πλήγματος, Μ, προς αντίθετες κατευθύνσεις. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ιο/2, πολλαπλασιασμένο με την κυματική αντίσταση Zο, δίνει με τον τρόπο αυτό την παραγόμενη υπέρταση. I 0 V = 2 Z 0 (4.4) Σχήμα 4.3α: Δημιουργία υπερτάσεων από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε αγωγό φάσης [8] β) Επαγόμενες τάσεις από κοντινά στην εγκατάσταση πλήγματα: Καθώς οδηγός οχετός του κεραυνού κατέρχεται προς το έδαφος, κοντά σε μια γραμμή, το φορτίο Φ με πρόσημο αντίθετο από 71

72 αυτό του οχετού, συσσωρεύεται στην περιοχή της γραμμής που πρόσκειται στον οχετό. Αν ο οχετός δεν πλήξει τη γραμμή, αλλά ένα άλλο σημείο, Μ, του εδάφους σε απόσταση δ από τον άξονα xx' της γραμμής, τότε με την απότομη εξουδετέρωση του φορτίου που θα συμβεί θα πάψει να υπάρχει ο λόγος συσσώρευσης του φορτίου Φ και αυτό θα διαχυθεί με τη μορφή δύο αντίθετων κυμάτων ρεύματος, I, προς τις απομακρυσμένες περιοχές τις γραμμής, απ' όπου είχε νωρίτερα προέλθει. Κάθε ένα από τα ρεύματα I, πολλαπλασιασμένο με την κυματική αντίσταση Zο της γραμμής παράγει σε μια τάση. V = I Z 0 (4.5) Σχήμα 4.3β: Δημιουργία υπερτάσεων εξ επαγωγής από έμμεσο πλήγμα κεραυνού σε αγωγό φάσης [8] Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων ένα απευθείας (άμεσο) πλήγμα προκαλεί βραχυκύκλωμα στη μόνωση. Για παράδειγμα, ένα μικρής τάξεως πλήγμα κεραυνού 10 ka θα μπορούσε να προκαλέσει μια υπέρταση περίπου 2000 kv, κάτι που όπως καταλαβαίνουμε υπερβαίνει κατά πολύ την στάθμη της μόνωσης των 69 kv που χρησιμοποιείται σ' αυτές τις γραμμές. Παρόλα αυτά, η εμπειρία μας δείχνει ότι πολλές από τις διακοπές ρεύματος που σχετίζονται με κεραυνούς οφείλονται σε πλήγματα που χτυπούν στο έδαφος κοντά στην γραμμή. Οι περισσότερες τάσεις που επάγονται σε μια γραμμή διανομής από πλήγματα κεραυνών κοντά στη γραμμή είναι τις τάξης των 300 kv και λιγότερο. Οι κεραυνοί είναι δυνατόν να απορροφηθούν από ψηλότερα αντικείμενα 72

73 (σπίτια, δέντρα), έτσι η απόσταση αυτών των αντικειμένων από την γραμμή μεταφοράς επηρεάζει άμεσα την συμπεριφορά της γραμμής σε περίπτωση κεραυνού. Σχήμα 4.3γ: Περιγραφή παραμέτρων των κεραυνών[8] Πλήγματα κεραυνών σε εναέριες γραμμές Α. Ύψος κατασκευής Οι κεραυνοί μπορεί να έχουν πολύ σημαντική επίδραση στην αξιοπιστία μιας γραμμής, ειδικότερα αν οι πόλοι της βρίσκονται σε ψηλότερο επίπεδο από τον περιβάλλοντα χώρο. Οι περισσότεροι κεραυνοί απορροφούνται από υψηλότερες κατασκευές. Ο ρυθμός απορρόφησης κεραυνών Ν, σε ανοιχτό έδαφος (μη ύπαρξη δέντρων ή κτιρίων), προσδιορίζεται από την εξίσωση του Eriksson: 73 28h 0. 6 b Ν = Νg ( ) (4.6) 10

74 Όπου: h: είναι το ύψος του στύλου (m) b: το πλάτος της κατασκευής (m) Ng: η πυκνότητα των κεραυνών (κεραυνοί/km2/έτος) N:ο αριθμός των κεραυνών/100 km/ έτος Για τις περισσότερες γραμμές διανομής, ο κατασκευαστικός παράγοντας πλάτος (b) είναι σχεδόν αμελητέος. Από την εξίσωση (4.6), εάν το ύψος του πόλου αυξηθεί κατά 20%, ο ρυθμός απορρόφησης των κεραυνών σε μια εναέρια γραμμή διανομής θα αυξηθεί κατά 12%. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι μια γραμμή μπορεί να απορροφήσει πολύ περισσότερους κεραυνούς απ' ότι προβλεπόταν αρχικά από το μοντέλο 4 H, που χρησιμοποιείτο για χρόνια. Σύμφωνα με το μοντέλο 4 H ο αριθμός των κεραυνών στην γραμμή διανομής υπολογιζόταν για ένα πλάτος διπλάσιο του ύψους της γραμμής και στις δύο πλευρές της γραμμής. Η έκθεση της γραμμής διανομής στον κεραυνό εξαρτάται από το πόσο προεξέχουν οι κατασκευές πάνω από την γύρω περιοχή. Οι κατασκευές που βρίσκονται σε κορυφές βουνών, οροσειρών, ή λόφων είναι πιο πιθανοί στόχοι κεραυνών από αυτές που είναι προστατευμένες από φυσικά στοιχεία. B. Προστασία από κοντινές κατασκευές και δέντρα Δέντρα και κτίρια που βρίσκονται παράπλευρα των γραμμών διανομής παίζουν σημαντικό ρόλο στην συμπεριφορά τους σε περίπτωση κεραυνού. Έτσι οι παράπλευρες κατασκευές μπορούν να τραβήξουν πολλούς κεραυνούς που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν την γραμμή. Εδώ εισέρχεται ο παράγοντας σκίασης, Sf, και ορίζεται το τμήμα ανά μονάδα γραμμών διανομής που προστατεύεται από κοντινά αντικείμενα. Ο αριθμός των πληγμάτων στη γραμμή τότε γίνεται: 74 Ν s = N (1- S f ) (4.7) Ένας μηδενικός παράγοντας σκίασης (0.0) σημαίνει ότι η γραμμή βρίσκεται σε ανοιχτό έδαφος χωρίς προστασία από παράπλευρες κατασκευές, ενώ ο παράγοντας σκίασης ένα (1.0) σημαίνει ότι η γραμμή είναι πλήρως καλυμμένη από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Το Σχήμα 4.4 δείχνει έναν τρόπο υπολογισμού του παράγοντα σκίασης (προστασίας) για μια γραμμή διανομής ύψους 10m, με παράπλευρες κατασκευές διαφόρων υψών. Τα αντικείμενα

75 υποτίθεται ότι είναι τοποθετημένα σε μια ευθεία γραμμή παράλληλα στην γραμμή διανομής. Αυτό μπορεί να αντιπροσωπεύει μια σειρά δέντρων ή σπιτιών. Σχήμα 4.4: Παράγοντες προστασίας λόγω κοντινών αντικειμένων σε διαφορετικά ύψη για μια γραμμή διανομής ύψους 10m [17] Το Σχήμα 4.4 μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και για τις δύο πλευρές της γραμμής διανομής, αν απλά προστεθούν οι παράγοντες προστασίας της δεξιάς και της αριστερής πλευράς (αν το άθροισμα ξεπερνά το 1, τότε ο ολικός παράγοντας προστασίας ισούται με 1). Για παράδειγμα, θεωρούμε ένα μια εναέρια γραμμή διανομής ύψους 10m με τις ακόλουθες σειρές κτιρίων σε κάθε πλευρά : α) Μια σειρά από κτίρια ύψους 7.5m, 30m από την αριστερή πλευρά της γραμμής διανομής (Sfleft 0.23) β) Μια σειρά ύψους 15m, 40m από την δεξιά πλευρά της γραμμής διανομής ( Sfright 0.4 ) Εάν ο GFD μιας περιοχής είναι 1 κεραυνός/km2/έτος, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε μία εναέρια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος θα είναι κεραυνοί/100 km/έτος, από την Εξίσωση (4.6). Όταν η γραμμή περνάει δίπλα από σειρά κτιρίων, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων μειώνεται σε: 75

76 Ns = N[1- (Sfleft + Sfright)] = (11.5 κεραυνοί/100km/έτος) [1-( )] = 4.12 κεραυνοί/100km/έτος (4.8) Όλα τα άμεσα πλήγματα κεραυνών θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα ανεξάρτητα από το επίπεδο μόνωσης, τα διαστήματα των αγωγών, ή της γείωσης άμα η μόνωση της γραμμής διανομής δεν προστατεύεται από αγωγό προστασίας ή αλεξικέραυνα. Γι' αυτό για να εκτιμήσουμε τον αριθμό των άμεσων πληγμάτων χρησιμοποιούμε την εξίσωση (4.6) για ανοιχτό έδαφος ή την (4.6) και (4.7) για μερικώς προστατευμένη γραμμή. Στη θεωρητική ανάλυση, θεωρούμε ότι κάθε πλήγμα θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα στο δίκτυο διανομής Βραχυκύκλωμα από επαγόμενη τάση Σύμφωνα με τη θεωρία του Rusck, η μέγιστη τάση που επάγεται στο κοντινότερο, στο πλήγμα, σημείο μιας γραμμής μεταφοράς δίνεται από: I0h V max = 38.8 y a (4.9) Όπου : Ιο: είναι η μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού Ha: είναι το μέσο ύψος της γραμμής πάνω από το επίπεδο του εδάφους y: είναι η πλησιέστερη απόσταση ανάμεσα στη γραμμή και το πλήγμα του κεραυνού Η εξίσωση (4.9) χρησιμοποιείται για έναν απείρως μακρύ αγωγό, μίας φάσης, πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο έδαφος. Ένας γειωμένος ουδέτερος αγωγός ή ένας εναέριος αγωγός προστασίας θα μείωνε την τάση κατά μήκος της μόνωσης κατά έναν παράγοντα ο οποίος εξαρτάται από τη γείωση και την απόσταση του γειωμένου αγωγού από τους αγωγούς φάσης. Αυτός ο παράγοντας κυμαίνεται μεταξύ 0.6 και 0.9. Η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση μπορεί να αυξηθεί δραματικά για γραμμές με μικρά επίπεδα μόνωσης. Στο Σχήμα 4.5 φαίνεται η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων ως συνάρτηση της κρίσιμης τιμής τάσης διάσπασης (CFO) στη γραμμή. Τα αποτελέσματα φαίνονται για δύο διαφορετικές διατάξεις γείωσης. Το μη-γειωμένο κύκλωμα δεν έχει ούτε ουδέτερο ούτε αγωγό προστασίας, όπως είναι ένα κύκλωμα με τρεις αγωγούς μη γειωμένους ή ένα κύκλωμα με τέσσερις αγωγούς με κοινή γείωση. Τα αποτελέσματα για ένα γειωμένο κύκλωμα 76

77 αναφέρονται σε ένα κύκλωμα με γειωμένο ουδέτερο αγωγό ή εναέριο αγωγό προστασίας. Ένα γειωμένο κύκλωμα εμφανίζει λιγότερα βραχυκυκλώματα, για μια δεδομένη τιμή CFO, γιατί ο γειωμένος αγωγός μειώνει την τάση που εμφανίζεται πάνω στη μόνωση. Ωστόσο οι μη γειωμένες και οι κοινής γείωσης κατασκευές, έχουν συνήθως μεγαλύτερη CFO από τη φάση στη γείωση, από μία αντίστοιχη κατασκευή κυκλώματος πολλαπλής γείωσης, λόγω της απουσίας του γειωμένου ουδέτερου αγωγού. Οι τιμές είναι κανονικοποιημένες για GFD 1 κεραυνό/km2/έτος και ύψος γραμμής 10m. Τα αποτελέσματα μπορούν να θεωρηθούν γραμμικά ανάλογα με το μήκος της γραμμής και τον GFD. Σχήμα 4.5: Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής [17] 77

78 Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο παραπάνω σχήμα αναφέρονται σε γραμμή σε ανοιχτό έδαφος χωρίς να υπάρχουν κοντά σε αυτήν δέντρα ή κτίρια. Ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων εξαρτάται από την παρουσία ή όχι γειτονικών αντικειμένων στη γραμμή, που όμως μπορεί να προστατεύουν τη γραμμή από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Αυτό μπορεί να αυξήσει την επαγόμενη τάση, επειδή αυξάνεται ο αριθμός των πληγμάτων κοντά στη γραμμή. Ως σημείο αναφοράς, μια γραμμή διανομής ύψους 10m σε ανοιχτό έδαφος με GFD = 1 κεραυνό/km2/έτος θα έχει κατά προσέγγιση 11 κεραυνούς/100km/έτος λόγω των άμεσων πληγμάτων, σύμφωνα με την εξίσωση (4.6). Σε ανοιχτό έδαφος, οι επαγόμενες τάσεις θα είναι πρόβλημα μόνο για τις γραμμές με χαμηλά επίπεδα μόνωσης. Για παράδειγμα, σε ένα μη γειωμένο δίκτυο, ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων θα ξεπερνά τον αριθμό των άμεσων βραχυκυκλωμάτων μόνο αν η CFO είναι λιγότερο από 75 kv (όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.5). Σε προστατευμένες περιοχές, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα είναι μεγαλύτερου ενδιαφέροντος. Γενικά, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αν η κρίσιμη τάση διάσπασης (CFO) είναι μεγαλύτερη των 300kV, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα θα είναι σχεδόν μηδενικά. Σχεδόν όλες οι μετρήσεις που αφορούν επαγόμενες τάσεις από κεραυνούς είναι λιγότερες από 300kV, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 4.5. Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να λάβουμε υπ' όψιν είναι ότι οι περισσότερες γραμμές διανομής έχουν αλεξικέραυνα στους μετασχηματιστές, τα οποία παρέχουν ως ένα βαθμό μείωση της επαγόμενης τάσης από κεραυνό. Ωστόσο αυτή η μείωση μπορεί να είναι μικρή σε αγροτικά και προαστιακά κέντρα. 4.6 Επίπεδα μόνωσης γραμμών διανομής Η παρούσα οδηγία, είναι μια προσπάθεια βοηθείας του σχεδιαστή/μελετητή γραμμών διανομής ώστε να βελτιωθούν οι δυνατότητες μόνωσης των εναέριων γραμμών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, εναέριων γραμμών διανομής, χρησιμοποιούνται περισσότεροι του ενός τύποι μονωτικών υλικών για προστασία έναντι των κεραυνών. Τα πιο διαδεδομένα συστατικά που χρησιμοποιούνται γι αυτό το σκοπό είναι η πορσελάνη, ο αέρας, το ξύλο, τα πολυμερή και το fiberglass (υαλονήματα). Καθένα απ' αυτά έχει και τη δική του μονωτική ισχύ. Όταν τα μονωτικά υλικά χρησιμοποιούνται σε σειρά, το συνολικό αποτέλεσμα δεν είναι το άθροισμά τους, αλλά μια λίγο χαμηλότερη τιμή. Οι ακόλουθοι παράγοντες επηρεάζουν τα επίπεδα των βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνών στις γραμμές διανομής και κάνουν δύσκολο τον υπολογισμό τις ολικής στάθμης μόνωσης : 78

79 α)οι ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η πυκνότητα του αέρα, η υγρασία, οι βροχοπτώσεις και ατμοσφαιρική μόλυνση β)η πολικότητα και ο ρυθμός αύξησης της τάσης γ)κάποιοι φυσικοί παράγοντες όπως το σχήμα των μονωτήρων, το σχήμα του μεταλλικού υλικού, και η διάταξη του μονωτήρα (που τοποθετείται κάθετα, οριζόντια ή με κάποια γωνία) Εάν το ξύλο παρεμβάλλεται στην πορεία εκφόρτισης του κεραυνικού πλήγματος, τότε το αποτέλεσμα του κεραυνού μπορεί να ποικίλει, εξαρτώμενο κυρίως από την υγρασία στην επιφάνια του ξύλου. Παρόλο που ο σχεδιαστής μηχανικός μπορεί να είναι περισσότερο εξοικειωμένος με το βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (BIL) ενός δεδομένου συνδυασμού μονωτικών υλικών, τα αποτελέσματα της οδηγίας αυτής δίνονται με βάση την CFO των συνδυασμών αυτών. Η CFO προσδιορίζεται ως εκείνο το επίπεδο της τάσης στο οποίο υπάρχει 50% πιθανότητα να συμβεί βραχυκύκλωμα και 50% πιθανότητα να αντέξει η μόνωση. Αυτή η τιμή είναι πειραματική και λαμβάνεται μόνο στο εργαστήριο. Αν υποτεθεί ότι τα δεδομένα από τα βραχυκυκλώματα ακολουθούν μια Γκαουσιανή κατανομή, τότε κάθε συγκεκριμένη πιθανότητα να αντέξει η μόνωση μπορεί να υπολογιστεί στατιστικά από την τιμή της CFO και την κανονική κατανομή. Καθώς τα εργαστηριακά δεδομένα είναι πλέον διαθέσιμα, μελετούνται διάφοροι τρόποι σε μια προσπάθεια να καθοριστεί η εκτιμώμενη CFO για έναν δεδομένο συνδυασμό μονωτικών υλικών. Η προσέγγιση της «επιπρόσθετης αντοχής μόνωσης» μπορεί να είναι η πιο πρακτική. Αυτή η μέθοδος υιοθετήθηκε από μια παρόμοια διαδικασία που χρησιμοποιούταν και νωρίτερα στο σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς, αλλά επέκτεινε την εφαρμογή της σε πολλά μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή γραμμών διανομής. Αυτή χρησιμοποιεί την CFO ως πρωταρχικό μονωτικό στοιχείο και προσθέτει σ' αυτήν την τιμή, την αύξηση της CFO που προσφέρεται από ένα επιπλέον υλικό (έχοντας πάντα υπόψη ότι η επιπλέον μονωτική ισχύς είναι πάντα μικρότερη από αυτή που έχει μόνο του το στοιχείο που προστίθεται) CFO τάση συνδυασμένης μόνωσης Από τις απαρχές του σχεδιασμού και της κατασκευής των ηλεκτρικών δικτύων, οι μηχανικοί κατασκεύαζαν τις γραμμές διανομής από ξύλινους βραχίονες και συνέδεαν τους στύλους σε σειρά με τους βασικούς μονωτήρες για να αυξήσουν την αντοχή της γραμμής έναντι των κρουστικών πληγμάτων από κεραυνούς. Στις αρχές του 1930, σε μια σειρά δημοσιεύσεων παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα που προέκυψαν όταν μονωτήρες δοκιμάστηκαν σε συνδυασμό με ξύλο. Μια 79

80 ερώτηση που γεννάται είναι το κατά πόσο αυξήθηκε η αντοχή της μόνωσης, σε περίπτωση κεραυνού, της ήδη υπάρχουσας μόνωσης. Μια μερική απάντηση δόθηκε μετά από χρόνια ερευνών σε πολλά εργαστήρια, και τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν την δεκαετία του 40' και του 50'. Μια γενική περίληψη προηγούμενων εργασιών πάνω στην CFO παρουσιάστηκε στην AIEE Committe Report του 1950, και μια εκτενής αναφορά το Όμως, αυτά τα αποτελέσματα εφαρμόζονταν κυρίως στην κατασκευή γραμμών μεταφοράς και όχι σε γραμμές διανομής. Στις εναέριες γραμμές διανομής, το σημείο με την πιο ασθενή μόνωση είναι συνήθως σε στύλο παρά μεταξύ των αγωγών στον αέρα. Πιο πρόσφατα, η έρευνα στράφηκε σε πολυδιηλεκτρικούς συνδυασμούς που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι έρευνες αφορούσαν στις γραμμές διανομής και μεταφοράς και στο βαθμό αντοχής του ξύλου, όταν αυτό εκτίθεται σε κεραυνό, σε κρουστικές τάσεις χειρισμών και σε κρουστικές τάσεις με απότομο μέτωπο. Πρόσφατα, στις γραμμές διανομής χρησιμοποιούνται μονωτήρες πολυμερών και οι βραχίονες από υαλονήματα (fiberglass) Προσδιορισμός της CFO(κρίσιμη τιμή της τάσης βραχυκυκλώματος) τάσης για κατασκευές με μονώσεις σειράς Οι μελέτες έχουν δείξει ότι ένα μέτρο ξύλου ή ένα μέτρο υαλονήματος (fiberglass) προσδίδουν περίπου kv στην ήδη υπάρχουσα μόνωση έναντι των κεραυνών. Για μεγαλύτερα μήκη, η αντοχή της μόνωσης από κεραυνό για έναν ξύλινο ή από fiberglass βραχίονα, σε συνδυασμό με τους μονωτές καθορίζεται κυρίως μόνο από τον εκάστοτε βραχίονα. Έτσι η μόνωση έναντι της εναλλασσόμενης τάσης λαμβάνεται μόνο από το μονωτήρα, ενώ ο ξύλινος ή από υαλονήματα μονωτήρας θεωρείται ως μια επιπλέον μόνωση σε κρουστική τάση κεραυνών. Όταν η πορεία του κεραυνού δεν εμπεριέχει κάποιο ξύλινο βραχίονα ή fiberglass βραχίονα, αλλά δύο ή περισσότερους τύπους μονωτήρων συνδεδεμένων σε σειρά, τότε η κρίσιμη τιμή τάσης βραχυκύκλωσης (CFO) δεν προσδιορίζεται απλώς προσθέτοντας τις τιμές των CFO των ξεχωριστών συστατικών. Η κρίσιμη τιμή της τάσης βραχυκύκλωσης αυτών των συνδυασμένων μονωτήρων λαμβάνεται ως συνάρτηση ενός μεγάλου αριθμού διαφορετικών παραγόντων, ο καθένας από τους οποίους απαιτεί ξεχωριστή ανάλυση. Στις μέρες μας, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί συνδυασμοί και σχηματισμοί που χρησιμοποιούνται από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού. Η εκτεταμένη μέθοδος πρόσθετων-cfo μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η συνολική CFO μιας κατασκευής διανομής με το να: 80

81 α)προσδιοριστεί η συμβολή του κάθε ξεχωριστού συστατικού μόνωσης στην συνολική CFO του συνδυασμού β)υπολογιστεί η CFO του ολικού συνδυασμού γνωρίζοντας την CFO των συστατικών μόνωσης. Αυτό μπορεί να γίνει, είτε χρησιμοποιώντας κάποιους πίνακες είτε γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν τα ήδη υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα, και χρησιμοποιώντας αυτά να συσχετισθεί η επίδραση ενός μονωτικού υλικού προστιθέμενο στο άλλο. Αυτή η διαδικασία στηρίζεται στα χαρακτηριστικά δεδομένα της CFO της βασικής μόνωσης και σε ένα επιπρόσθετο σύνολο σύνθετων δεδομένων που είναι γνωστό ως η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης (CFO voltage) που προστίθεται από ένα συγκεκριμένο συστατικό. Στους υπολογισμούς όπου εμπλέκονται δύο συστατικά, η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης (CFO) του συνδυασμού τους είναι πολύ χαμηλότερη απ' ότι το άθροισμα των δύο ξεχωριστών CFO τιμών τους. Ο μονωτήρας θεωρείται ως η βασική-πρωταρχική μόνωση. Η CFO που αποκτάται για σχηματισμούς που αποτελούνται από δύο συστατικά υπολογίζεται ως η CFO του βασικού συστατικού συν την CFO του δεύτερου συστατικού. Η συνολική CFO τάση για δύο συστατικά είναι: Όπου: 81 CFO T = CFO ins + CFO add.sec (4.10) CFOins: είναι η CFO του κύριου συστατικού CFOadd.sec: είναι η CFO που προστίθεται από το δεύτερο συστατικό Η συνολική CFO τάση τριών και πλέον συστατικών είναι: Όπου: CFO T = CFO ins + CFO add.sec + CFO add.third + +CFO add.nth (4.11) CFOadd.third: είναι η CFO που προστίθεται από το τρίτο συστατικό CFOadd.nth: είναι η CFO που προστίθεται από το νιοστό στοιχείο Η ευρέως χρησιμοποιούμενη τιμή κρίσιμης τάσης βραχυκύκλωσης (CFO), καθώς επίσης και η CFO των προστιθέμενων υλικών δίδεται στους Πίνακες 4.2, 4.3, 4.4.

82 Πίνακας 4.2: Κύρια μόνωση (CFOins) Πίνακας 4.3: Επιπρόσθετη CFO δευτερευόντων συστατικών (CFOadd.sec) 82

83 Πίνακας 4.4: Τρίτα συστατικά επιπρόσθετης CFO (CFOadd.third) ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ για τους Πίνακες 4.2, 4.3, 4.4: 1)Όλες οι τιμές αναφέρονται σε επίπεδα υγρής CFO. 2)Οι τιμές αναφέρονται στο ελάχιστο των τιμών θετικής και αρνητικής πολικότητας. 3)Οι μονωτήρες αναφέρονται μόνο ως παράδειγμα. Για πιο ακριβείς τιμές ανατρέξτε στις επίσημες τιμές των κατασκευαστών Οι τιμές που δίνονται παραπάνω αναφέρονται σε υγρές συνθήκες, κάτι το οποίο συνιστάται για τον υπολογισμό της CFO, καθώς είναι προφανές ότι αναφερόμαστε σε περιπτώσεις καταιγίδων. Αν έχουμε την CFO υπό ξηρές συνθήκες (συνήθως δίνεται απ' τον κατασκευαστή, ή από εργαστηριακές μετρήσεις) και θέλουμε την CFO υπό υγρές συνθήκες τότε πολλαπλασιάζουμε την CFO υπό ξηρές συνθήκες με ένα συντελεστή 0.8. Γενικά η υγρή τιμή είναι περίπου το της ξηρής. Για συστατικά που δεν αναφέρονται στους παραπάνω πίνακες, η συνολική CFO μπορεί να υπολογιστεί με μειώσεις για το δεύτερο και τρίτο συστατικό, όπως: CFO add.sec = 0.45 CFOins (4.12) 83 CFOadd.third = 0.20 CFOins Η χρήση της εκτεταμένης μεθόδου πρόσθετων-cfo και των πινάκων που δίνονται σε αυτήν την οδηγία συνήθως δίνει αποτελέσματα με σφάλμα ±20%. Περισσότερο ακριβή αποτελέσματα είναι διαθέσιμα με τις ακόλουθες μεθόδους: α)εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών έναντι κεραυνών στην κατασκευή σε υγρές συνθήκες. Αυτή η μέθοδος θα δώσει και τα πιο ακριβή αποτελέσματα.

84 β)εκτέλεση δοκιμών έναντι κεραυνών υπό ξηρές συνθήκες, και πολλαπλασιασμός των τιμών με 0.8 για τον υπολογισμό του CFO σε υγρές συνθήκες. γ)χρήση λεπτομερέστερων τιμών κρίσιμης τάσης βραχυκύκλωσης CFO Τεχνικά ζητήματα Ο εξοπλισμός και τα υλικά υποστήριξης, είναι δυνατόν να μειώσουν την κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης στις δομές διανομής. Αυτοί οι "αδύναμοι σύνδεσμοι" μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλη αύξηση των υπερπηδήσεων από επαγόμενες τάσεις. Μερικές απ' αυτές τις περιπτώσεις περιγράφονται παρακάτω. Επίτονα: τα επίτονα μπορεί να είναι ένας απ' τους κύριους παράγοντες μείωσης της CFO μιας γραμμής. Αυτό γίνεται γιατί, για να έχουν μηχανικό πλεονέκτημα, τα επίτονα γενικά προσκολλώνται ψηλά στον πόλο σε άμεση γειτονία με τα κύρια μονωτικά υλικά. Επειδή τα επίτονα παρέχουν διαδρομή προς τη γη, η παρουσία τους μειώνει την CFO του ολικού σχηματισμού. Οι μικροί πορσελάνινοι μονωτές επιτόνων που χρησιμοποιούνται συνήθως, δεν παρέχουν σχεδόν καθόλου επιπλέον μόνωση (γενικά λιγότερο από 30 kv της CFO). Έτσι για να αποκτήσουμε αξιοσημείωτη αντοχή μόνωσης χρησιμοποιούμε μονωτήρες από fiberglass. Ένας μονωτήρας 50cm από fiberglass παρέχει CFO περίπου 250kV. Διακόπτες ασφαλείας: η τοποθέτηση διακοπτών ασφαλείας είναι ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα απροστάτευτων εξοπλισμών που μπορεί να μειώσει την CFO ενός πόλου. Για τα δίκτυα των 15 kv, ένας διακόπτης ασφαλείας μπορεί να έχει 95 kv BIL. Ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασης του διακόπτη, μπορεί το CFO ολόκληρης της κατασκευής να μειωθεί περίπου στα 95 kv (περίπου, επειδή το BIL κάθε μονωτικού συστήματος είναι πάντα μικρότερο από το CFO αυτού του συστήματος). Σε ξύλινους πόλους, το πρόβλημα των διακοπτών ασφαλείας μπορεί να βελτιωθεί με την διευθέτηση της διακοπής έτσι ώστε το υποστήριγμα της σύνδεσης να τοποθετείται στον πόλο μακριά από τους γειωμένους αγωγούς (επίτονα, γειωμένοι αγωγοί, και ουδέτεροι αγωγοί). Τα ίδια ισχύουν και για άλλους διακόπτες και άλλα μέρη του εξοπλισμού που δεν προστατεύονται από αλεξικέραυνα. Ύψος ουδέτερου αγωγού: το ύψος του ουδέτερου αγωγού μπορεί να διαφέρει από γραμμή σε γραμμή, καθότι εξαρτώμενο από το μηχανισμό στήριξης. Στους ξύλινους πόλους, όσο πιο κοντά ο ουδέτερος αγωγός είναι στους αγωγούς φάσης, τόσο πιο χαμηλή είναι η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης. 84

85 Αγώγιμα υποστηρίγματα και αγώγιμες κατασκευές: η χρήση τσιμεντένιων και ατσάλινων κατασκευών σε εναέριες γραμμές διανομής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που μειώνει σημαντικά την CFO. Μεταλλικοί βραχίονες και μεταλλικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε ξύλινες πολικές κατασκευές. Εάν ένα από αυτά τα υλικά είναι γειωμένο, το αποτέλεσμα είναι το ίδιο με αυτό μιας κατασκευής εξ ολοκλήρου από μέταλλο. Σε τέτοιες κατασκευές, η συνολική CFO παρέχεται από τον μονωτήρα, και μονωτήρες με μεγαλύτερη CFO θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για να αντισταθμίζουν την απώλεια της μόνωσης του ξύλου. Προφανώς, θα πρέπει να υπάρχει ένα ισοζύγιο ανάμεσα στην συμπεριφορά έναντι του κεραυνού και άλλα ζητήματα, όπως ο μηχανικός σχεδιασμός ή η τιμή. Και όντως αυτό το ισοζύγιο υπάρχει και είναι ιδιαίτερα μεγάλης σημασίας. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να γνωρίζει τα αρνητικά αποτελέσματα που μπορεί να έχει το μεταλλικό υλικό στην συμπεριφορά της γραμμής έναντι κεραυνού και θα πρέπει να προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει αυτά τα αποτελέσματα. Σε ξύλινους πόλους και βραχίονες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υποστηρίγματα από ξύλο ή fiberglass για να διατηρηθούν καλά επίπεδα μόνωσης. Πολλαπλά κυκλώματα: όταν αυτά εμφανίζονται σε έναν πόλο συνήθως προκαλούν εξασθένιση της μόνωσης. Οι αυστηρά καθορισμένες αποστάσεις των φάσεων και λιγότερο ξύλο εν σειρά συνήθως μειώνουν τα επίπεδα μόνωσης. Αυτό πραγματοποιείται κυρίως σε γραμμές διανομής που βρίσκονται κάτω από γραμμές μεταφοράς, σε ξύλινους πόλους. Τα κυκλώματα μεταφοράς έχουν συνήθως αγωγό προστασίας που είναι συνδεδεμένος με τη γείωση σε κάθε πόλο. Ο αγωγός γείωσης μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της μόνωσης. Αυτό μπορεί να βελτιωθεί απομακρύνοντας τον αγωγό γείωσης από τους πόλους με διαχωριστήρες από fiberglass. Γραμμές με διαχωριστήρες αγωγών: Οι γραμμές αυτές είναι εναέριες γραμμές διανομής με πολύ κοντινά διαστήματα διαχωρισμού. Επικαλυμμένοι αγωγοί και διαχωριστήρες (15-40 cm) που κρέμονται από έναν μεταβιβαστικό αγωγό (messenger wire), παρέχουν στήριξη και ικανότητα μόνωσης. Μια κατασκευή από διαχωρισμένους αγωγούς θα έχει σταθερό CFO, που είναι συνήθως της τάξης των kv. Λόγω του σχετικά χαμηλού επιπέδου μόνωσης, η συμπεριφορά των γραμμών αυτών έναντι κεραυνού, μπορεί να είναι μικρότερη από μια παραδοσιακή ανοιχτή κατασκευή. Δεν μπορούμε να κάνουμε και πολλά για να αυξήσουμε την CFO μιας τέτοιας διάταξης. Αυτές οι κατασκευές έχουν το πλεονέκτημα του μεταβιβαστικού αγωγού, που συνήθως λειτουργεί και ως αγωγός προστασίας. Κάτι το οποίο μπορεί να μειώσει τα άμεσα πλήγματα από κεραυνούς. Ανάστροφα βραχυκυκλώματα έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να συμβούν λόγω του χαμηλού επιπέδου μόνωσης. Βελτιωμένη γείωση θα μπορούσε να βελτιώσει την συμπεριφορά έναντι κεραυνού. Προστατευτικά διάκενα και σύνδεσμοι μονωτήρων: Η σύνδεση των μονωτήρων συνήθως γίνεται για την πρόληψη της βλάβης που προκαλείται από κεραυνό σε ξύλινους πόλους ή βραχίονες, ή για 85

86 την πρόληψη φωτιάς στην κορυφή των πόλων. Τα προστατευτικά διάκενα χρησιμοποιούνται επίσης για την πρόληψη καταστροφών από κεραυνούς στα ξύλινα υλικά της κατασκευής (αυτό περιλαμβάνει REA κατασκευές με συγκεκριμένη προστασία πόλων). Σε κάποια σημεία του πλανήτη, τα προστατευτικά διάκενα χρησιμοποιούνται επίσης αντί για αλεξικέραυνα για την προστασία εξοπλισμού. Τα προστατευτικά διάκενα και οι σύνδεσμοι μονωτήρων μειώνουν σημαντικά το CFO μιας κατασκευής. Εάν ήταν δυνατό, τα προστατευτικά διάκενα, οι σύνδεσμοι μονωτήρων και οι κατασκευές προστασίας των πόλων δεν θα χρησιμοποιούνταν για την πρόληψη βλάβης σε ξύλινα τμήματα. Καλύτερες λύσεις για καταστροφές στο ξύλο και για φωτιές στους πόλους είναι οι σύνδεσμοι μονωτήρα-ξύλου στην βάση του μονωτήρα, όπως παρουσιάζεται στο Ικανότητα ξύλου για διακοπή τόξου Οι ξύλινοι πόλοι και βραχίονες έχουν την ικανότητα της καταστολής του τόξου που προκαλείται από κεραυνό και έτσι προλαμβάνουν την εμφάνιση βλαβών στο δίκτυο. Οι ικανότητες του ξύλου για διακοπή είναι κατά κύριο λόγο μια λειτουργία της στιγμιαίας τάσης στη συχνότητα του ρεύματος την στιγμή που συμβαίνει η υπερπήδηση λόγω του κεραυνού. Εάν η τάση είναι κοντά σε μηδενική τιμή, είναι πολύ πιθανό η διακοπή να μην προκαλέσει βλάβη. Εάν η ονομαστική τάση κατά μήκος του ξύλινου βραχίονα διατηρηθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η πιθανότητα για την πρόκληση βλάβης μπορεί να μειωθεί κατά πολύ. Αν έχουμε το φαινόμενο των πολλαπλών υπερπηδήσεων, η ικανότητα διακοπής του τόξου είναι πολύ μικρότερη (όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.6). Οι περισσότερες γραμμές διανομής θα υποστούν πολλαπλές υπερπηδήσεις από ένα άμεσο πλήγμα. Στις δομές διανομής που εμφανίζουν κατά μήκος του ξύλου, RMS τάση μεγαλύτερη από 10 kv/m ξύλου, η ικανότητα διακοπής του τόξου δεν επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, μια γραμμή διανομής των 13.2 kv με 0.5 m ξύλου μεταξύ του μονωτή της φάσης και του ουδέτερου αγωγού έχει μια βάθμωση τάσης RMS κατά μήκος του ξύλου της τάξης των 132kV / 3 / 0.5m 15.2kV / m. Για αυτά τα επίπεδα της τάσης, εάν επιτυγχάνονται κενά 1 m ξύλου ανάμεσα σε όλους τους αγωγούς φάσης και όλα τα γειωμένα αντικείμενα στον πόλο, τότε η διακοπή μπορεί να γίνει ένας σημαντικός παράγοντας. Αυτό μπορεί ήδη να επιτευχθεί στα κυκλώματα με υψηλά επίπεδα μόνωσης και μακρινές αποστάσεις ξύλου. Στα παραπάνω θεωρούμε ότι όλοι οι κεραυνοί θα δημιουργήσουν σφάλματα. 86

87 Σχήμα 4.6: Πιθανότητα σχηματισμού τόξου, λόγω βραχυκυκλώματος από κεραυνό σε υγρό ξύλινο βραχίονα[17] Καταστροφή ξύλου λόγω κεραυνού Οι μακροχρόνιες εμπειρίες από τους τεχνικούς και την συντήρηση υποδεικνύουν ότι η καταστροφή σε πόλους ή σε βραχίονες είναι εξαιρετικά σπάνια. Παρόλα αυτά, σε περιοχές με υψηλά ποσοστά πληγμάτων κεραυνών μπορεί να αποτελεί παράγοντα ανησυχίας υπό ορισμένες συνθήκες. Η πιθανότητα καταστροφής λόγω κεραυνού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, ιδιαίτερα από τα επίπεδα υγρασίας καθώς και την ηλικία του ξύλου. Βλάβες και κατακερματισμός του ξύλου συμβαίνουν μόνο όταν η κατάρρευση είναι στο εσωτερικό τμήμα του τόξου και όχι κατά μήκος της επιφανείας του. Εάν το ξύλο είναι χλωρό, τότε είναι πιο πιθανό να εμφανίσει εσωτερική καταστροφή. Εάν τα ιστορικά δεδομένα αναφέρουν ότι οι καταστροφή του ξύλου είναι πρόβλημα, τότε τα ξύλινα τμήματα πρέπει να προστατεύονται, συνδέοντας τους μονωτήρες. Όμως κάτι τέτοιο οδηγεί σε βραχυκύκλωμα της μόνωσης που προσδίδεται από το ξύλο. Μια καλύτερη λύση θα ήταν να 87

88 χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια επιφανείας τοποθετημένα κοντά στην άκρη του μονωτήρα. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν καλύμματα αγωγών, ταινίες ή άλλες μεταλλικές προεκτάσεις προσαρμοσμένες κοντά στον μονωτήρα στην πιθανή κατεύθυνση του βραχυκυκλώματος. Αυτά οδηγούν σε επιφανειακή βλάβη και όχι σε εσωτερική. Τα προληπτικά μέτρα για την καταστροφή του ξύλου από κεραυνούς μειώνουν επίσης την πιθανότητα για την πρόκληση φωτιάς στην κορυφή των πόλων. Αυτές οι φωτιές είναι αποτέλεσμα της διαρροής του ρεύματος στις συνδέσεις μετάλλων με ξύλο. Οι τοπικοί σύνδεσμοί, ταινίες αγωγών ή καλύμματα, μπορούν να γεφυρώσουν την απόσταση που είναι πολύ πιθανόν να ξεσπάσουν φωτιές, όπως είναι οι ασθενείς μεταλλικές - ξύλινες επαφές. Αυτό είναι προτιμότερο από την ολοκληρωτική σύνδεση των μονωτήρων. 4.7 Προστασία γραμμών διανομής με προστατευτικούς αγωγούς Οι προστατευτικοί αγωγοί, είναι γειωμένοι αγωγοί που τοποθετούνται πάνω από τους αγωγούς φάσης για να διακόπτουν τα πλήγματα των κεραυνών, που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν απευθείας στις φάσεις. Το κρουστικό ρεύμα των κεραυνών εκτρέπεται, μ' αυτόν τον τρόπο προς το έδαφος (διαμέσω ενός γειωμένου στύλου). Για να είναι αποτελεσματικό, ο αγωγός προστασίας γειώνεται σε κάθε στύλο. Τα κρουστικά ρεύματα που δημιουργούνται από κεραυνούς, προκαλούν μια αύξηση του δυναμικού διατρέχοντας την αντίσταση από τον στύλο προς το έδαφος, προκαλώντας μία μεγάλη διαφορά δυναμικού μεταξύ του καθοδικού αγωγού γείωσης και των αγωγών τάσης. Αυτή η διαφορά δυναμικού μπορεί να προκαλέσει ανάστροφα βραχυκυκλώματα κατά μήκος της μόνωσης από τον αγωγό γείωσης προς έναν από τους αγωγούς φάσης. Το φαινόμενο του ανάστροφου βραχυκυκλώματος είναι ένας ουσιώδης περιορισμός στην αποτελεσματικότητα των αγωγών προστασίας στις γραμμές διανομής. Οι προστατευτικοί αγωγοί μπορούν να παρέχουν αποτελεσματική προστασία παρά μόνο αν: α)χρησιμοποιηθεί καλός σχεδιασμός μόνωσης που να παρέχει την κατάλληλη CFO μεταξύ του καθοδικού αγωγού εδάφους και των αγωγών φάσης. β)επιτευχθούν χαμηλές αντιστάσεις γείωσης. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε μια κατασκευή με αγωγό προστασίας χρησιμοποιούμε το Σχήμα 4.5. Αν προσθέταμε αγωγό προστασίας σε γραμμές διανομής τριών αγωγών θα μειωνόταν ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Αφού ο αγωγός προστασίας είναι γειωμένος, θα καταστείλει τις τάσεις στους αγωγούς φάσης μέσω της 88

89 χωρητικής σύζευξης. Όσο πιο κοντά βρίσκονται οι αγωγοί φάσης στον αγωγό προστασίας, τόσο καλύτερη θα είναι η σύζευξη, και τόσο μικρότερος θα είναι ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων (παρόλο που αυτό μπορεί να μειώσει το CFO). εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι ακόμα και αν τοποθετήσουμε έναν αγωγό γείωσης κάτω από τους αγωγούς φάσης θα έχουμε σχεδόν το ίδιο αποτέλεσμα με έναν εναέριο αγωγό προστασίας. Σε ένα σύστημα τεσσάρων αγωγών με πολλαπλή γείωση, αν αντικαταστήσουμε τον ουδέτερο αγωγό που βρίσκεται από κάτω με έναν εναέριο προστατευτικό αγωγό, τότε δεν έχουμε μείωση στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης μπορούμε να έχουμε αν χρησιμοποιήσουμε και αγωγό προστασίας και ουδέτερο αγωγό. Το κόστος της εγκατάστασης ενός αγωγού προστασίας σε μια γραμμή διανομής είναι ουσιώδες. Επιπροσθέτως του κόστους των αγωγών, της γείωσης των πόλων, της περαιτέρω μόνωσης, το ύψος των στύλων πρέπει να είναι μεγαλύτερο για να στηρίζει τον αγωγό προστασίας, τόσο ώστε να είναι επαρκής η γωνία προστασίας ανάμεσα στον προστατευτικό αγωγό και τους εξωτερικούς αγωγούς φάσης. Το ύψος τον μεγαλύτερων κατασκευών προσελκύει περισσότερα άμεσα πλήγματα, κάτι που αντισταθμίζει ελάχιστα την μείωση του ποσοστού βραχυκυκλωμάτων που παρέχει η προστασία. Παρά το αυξημένο κόστος και τις δυσκολίες σχεδίασης, οι αγωγοί προστασίας έχουν χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία Γωνία προστασίας Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι όλα τα πλήγματα από κεραυνό καταλήγουν στον προστατευτικό αγωγό και όχι στους αγωγούς φάσης, προτείνεται μια γωνία προστασίας 45 ή λιγότερο (όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.7). Αυτό ισχύει μόνο για γραμμές με ύψος μικρότερο από 15m με αποστάσεις μεταξύ αγωγών μικρότερες από 2m. Ψηλότερες γραμμές απαιτούν μικρότερη γωνία προστασίας. Βλέπε σχετική οδηγία IEEE Std Απαιτήσεις μόνωσης Η αποτελεσματικότητα του αγωγού προστασίας στις γραμμές διανομής εξαρτάται κυρίως από την μόνωση μεταξύ τον καθοδικών αγωγών γείωσης και των αγωγών φάσης. Εάν ο καθοδικός αγωγός γείωσης βρίσκεται σε επαφή με τον στύλο καθ' όλο του το ύψος, είναι δύσκολο να παρασχεθεί επαρκής μόνωση. Σε ξύλινους πυλώνες, είναι συνήθως απαραίτητο να απομονώνουμε τους καθοδικούς αγωγούς γείωσης από τους στύλους στο σημείο άμεσης γειτονίας με τους μονωτήρες των φάσεων και τους βραχίονες. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ράβδους από fiberglass, ή στηρίγματα που τοποθετούνται οριζόντια στον στύλο για να κρατήσουν τον γειωμένο αγωγό cm μακριά από τον στύλο. Η CFO από 89

90 τον γειωμένο αγωγό προς την κοντινότερη φάση είναι η πιο μικρή τιμή από όλες τις πορείες. Σημαντική μέριμνα θα πρέπει να δοθεί στην μόνωση των επιτόνων προκειμένου να αποκτηθεί η απαραίτητη CFO τιμή. Μία CFO πάνω από kv είναι απαραίτητη για να θεωρηθεί αποτελεσματική η εφαρμογή των προστατευτικών αγωγών. Χρησιμοποιώντας στηρίγματα με γειωμένους πόλους, δεν είναι δύσκολο να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο μόνωσης στις γραμμές διανομής. Σχήμα 4.7: Προστατευτική γωνία προστατευτικού αγωγού 90

91 4.7.3 Αποτελεσματικότητα της γείωσης και του επιπέδου μόνωσης Η αποτελεσματικότητα του αγωγού προστασίας είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την γείωση. Για να είναι αποτελεσματική μια κατασκευή που φέρει αγωγό προστασίας, οι αντιστάσεις του εδάφους θα πρέπει να είναι μικρότερες των 10Ω εάν η CFO είναι μικρότερη από 200 kv. Εάν δοθεί προσοχή στο επίπεδο μόνωσης και η CFO είναι kv, μία αντίσταση γείωσης 40Ω θα έχει παρόμοια απόδοση. Ο αγωγός προστασίας πρέπει να είναι γειωμένος σε κάθε πόλο για να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το σχήμα 8 δείχνει την συμπεριφορά σε άμεσο πλήγμα και την επίδραση της γείωσης με ένα παράδειγμα προσομοίωσης από υπολογιστή ενός προστατευτικού αγωγού με CFO 175 kv και 350kV. Γραμμές διανομής εγκατεστημένες κάτω από γραμμές μεταφοράς μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευπαθείς σε ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Μεγαλύτερο ύψος κατασκευής και εγκαταστάσεις μεγαλύτερου πλάτους θα προκαλέσουν περισσότερα άμεσα πλήγματα στις κατασκευές. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην διατήρηση υψηλών επιπέδων μόνωσης, προκειμένου να αποφευχθούν υπερβολικά μεγάλα ποσοστά βραχυκυκλωμάτων. Σχήμα 4.8: Αποτέλεσμα της αντίστασης γείωσης στην απόδοση του προστατευτικού αγωγού(το μήκος του ανοίγματος είναι 75μ) 91

92 4.7.4 Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Για να ελαχιστοποιήσουμε τα βραχυκυκλώματα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο και για κάθε φάση, σε συνδυασμό με έναν προστατευτικό αγωγό. Τα αλεξικέραυνα προστατεύουν την μόνωση από ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Ο αγωγός προστασίας διοχετεύει το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος στο έδαφος, έτσι τα αλεξικέραυνα δεν υπόκεινται μεγάλη είσοδο ρεύματος. Τα αλεξικέραυνα καθιστούν τον σχεδιασμό προστατευτικών αγωγών λιγότερο εξαρτημένο από το επίπεδο της μόνωσης και της γείωσης. 4.8 Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Τα αλεξικέραυνα των γραμμών διανομής χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά στην προστασία του εξοπλισμού όπως είναι οι μετασχηματιστές και οι ρυθμιστές. Τα αλεξικέραυνα λειτουργούν ως υψηλές αντιστάσεις σε συνθήκες κανονικών τάσεων ενώ μετατρέπονται σε χαμηλές αντιστάσεις κατά την διάρκεια κρουστικής τάσης κεραυνού. Το αλεξικέραυνο οδηγεί το κρουστικό αυτό ρεύμα στη γη, ενώ παράλληλα περιορίζει την τάση που εμφανίζεται στον εξοπλισμό στο άθροισμα της τάσης εκφόρτισης του αλεξικέραυνου συν το επαγωγικό ρεύμα στις γραμμές του αλεξικέραυνου και των γειωμένων αγωγών. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία της μόνωσης σε γραμμές διανομής και για την πρόληψη βραχυκυκλωμάτων και διακοπών του κυκλώματος. Διάφοροι τύποι αλεξικέραυνων είναι διαθέσιμοι (π.χ. με διάκενο από καρβίδιο σιλικόνης, απαγωγείς υπερτάσεων με διάκενο ή χωρίς διάκενο από οξείδιο μετάλλου). Από την πλευρά της προστασίας της μόνωσης των γραμμών διανομής, όλα συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο. Κάποιες διαφορές που πιθανόν να υπάρχουν στις χαρακτηριστικές τάσης και ρεύματος μπορεί να προκαλέσουν μόνο μικρή διαφορά στην προστασία της μόνωσης, εφόσον υπάρχει σημαντικό περιθώριο. Για την επιλογή του κατάλληλου αλεξικέραυνου μπορούμε να ανατρέξουμε στο IEEE Std C ή στις οδηγίες του κατασκευαστή. Για την προστασία του εξοπλισμού (και ιδιαίτερα μη-γειωμένων γραμμών), είναι συνήθως απαραίτητο να επιλέγουμε αλεξικέραυνο με το χαμηλότερο δυνατό επίπεδο προστασίας. Ωστόσο, για την προστασία της μόνωσης των γραμμών, κάτι τέτοιο δεν είναι απαραίτητο γιατί το επίπεδο προστασίας του αλεξικέραυνου είναι γενικά χαμηλότερο από αυτό της μόνωσης της γραμμής. Όταν εφαρμόζονται αλεξικέραυνα για προστασία, το ποσοστό αποτυχίας των προστιθέμενων αλεξικέραυνων θα πρέπει να ληφθεί υπ' όψη σε σχέση με την βελτίωση της γραμμής που εξασφαλίζεται από την προσθήκη των αλεξικέραυνων. 92

93 4.8.1 Μήκος αγωγών σύνδεσης αλεξικέραυνων Οι αγωγοί αλεξικέραυνων, που συνδέουν την γραμμή διανομής με τα τερματικά σημεία της γείωσης των αλεξικέραυνων στην κατασκευή, περιέχουν ένα μικρό ποσοστό εσωτερικής επαγωγής. Αυτή η επαγωγή μπορεί να προκαλέσει πτώσεις τάσης L(di/dt) κατά μήκος του αγωγού που άγει το κρουστικό ρεύμα του κεραυνού. Κάθε πτώση τάσης κατά μήκος του αγωγού του αλεξικέραυνου προστίθεται στην τάση εκφόρτισης του αλεξικέραυνου. Έτσι αυξάνεται η τάση που εμφανίζεται στα άκρα των συσκευών που προστατεύονται από το αλεξικέραυνο. Το αποτέλεσμα που έχει το μήκος της γραμμής οδήγησης δεν είναι τόσο σημαντικό στη προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής όσο είναι στη προστασία του εξοπλισμού. Γενικά, το περιθώριο για εναέριους εξοπλισμούς είναι αρκετά μεγάλο. Επίσης, η στάθμη της μόνωσης των γραμμών είναι γενικά μεγαλύτερη από αυτή της βασικής στάθμης μόνωσης BIL. Βέβαια, είναι καλό να διατηρούνται οι γραμμές διανομής με αλεξικέραυνο και οι γειωμένοι αγωγοί όσο το δυνατόν πιο κοντοί και ευθείς. Στο IEEE Std C αναφέρονται περισσότερες πληροφορίες για τις θέσεις τοποθέτησης των αλεξικέραυνων Βραχυκυκλώματα από έμμεσα πλήγματα Τα αλεξικέραυνα μπορούν να μειώσουν κατά πολύ το ποσοστό των επαγόμενων τάσεων από γειτονικά πλήγματα κεραυνών. Στο Σχήμα 4.9 φαίνονται τα αποτελέσματα για επίπεδο μόνωσης των 150 kv ενός κυκλώματος χωρίς γείωση. Αξίζει να σημειωθεί ότι ακόμη και αραιή χρήση αλεξικέραυνων μπορεί να μειώσει σημαντικά τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από τις επαγόμενες τάσεις (τοποθέτηση αλεξικέραυνων ανά 8 στύλους αποδίδουν τουλάχιστον 25% μείωση στα σφάλματα). Σε πολλά κυκλώματα διανομής με πολλούς μετασχηματιστές, τα αλεξικέραυνα που χρησιμοποιούνται για την προστασία των ίδιων των μετασχηματιστών, παρέχουν σημαντική προστασία έναντι επαγόμενων τάσεων. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να προβούν ακόμα πιο αποτελεσματικά στην μείωση των βραχυκυκλωμάτων, εάν χρησιμοποιηθούν για την προστασία των στύλων με μικρά επίπεδα μόνωσης. Αυτά οι «αδύναμοι κρίκοι» του συστήματος μπορεί να είναι διακόπτες, τερματικοί στύλοι ή στύλοι διασταυρώσεων. Η τοποθέτηση αλεξικέραυνων σε αυτούς τους στύλους μπορεί να είναι περισσότερο συμφέρουσα από οικονομική άποψη από τη βελτίωση του επιπέδου μόνωσης της γραμμής. 93

94 Σχήμα 4.9: Αποστάσεις αλεξικέραυνων για βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα Η προστασία έναντι άμεσων πληγμάτων κεραυνών είναι δύσκολη υπόθεση λόγω των υψηλών κρουστικών ρευμάτων, των απότομων κλίσεων μετώπου και του μεγάλου ενεργειακού περιεχομένου των κεραυνών. Θεωρητικά, τα αλεξικέραυνα προστατεύουν επαρκώς έναντι άμεσων πληγμάτων, αλλά πρέπει να τοποθετούνται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους (ουσιαστικά σε κάθε στύλο). Το Σχήμα 4.10 δείχνει υπολογισμούς των διαστημάτων των αλεξικέραυνων για την προστασία ενάντια σε άμεσα πλήγματα. Η ανάλυση στο σχήμα 10 υποθέτει ότι ο ουδέτερος αγωγός είναι γειωμένος σε κάθε στύλο. Ο υψηλός αριθμός βραχυκυκλωμάτων μπορεί να είναι παραπλανητικός σύμφωνα με το σχήμα 10, όπου ο ουδέτερος αγωγός δεν είναι γειωμένος, με εξαίρεση τους στύλους όπου τα αλεξικέραυνα εφαρμόζονται σε όλες τις φάσεις και το επίπεδο μόνωσης από το ουδέτερο γειωμένο αγωγό είναι υψηλό. 94

95 Σχήμα 4.10: Απόσταση αλεξικέραυνων για προστασία από άμεσα πλήγματα( το μήκος ανοίγματος είναι 75m) Προστασία αλεξικέραυνου άνω φάσης Εάν ο αγωγός της άνω φάσης έχει τοποθετηθεί έτσι ώστε να παρεμποδίζει τα πλήγματα των κεραυνών, τα αλεξικέραυνα μπορούν να εφαρμοστούν στην άνω φάση, κάτι που τα κάνει να λειτουργούν ως αγωγοί προστασίας. Κατά το πλήγμα, το αλεξικέραυνο άνω φάσης θα κατευθύνει το κρουστικό ρεύμα στο έδαφος. Το κύκλωμα θεωρείται προστατευμένο αν η αντίσταση γείωσης είναι αρκετά μικρή και η μόνωση των απροστάτευτων φάσεων είναι αρκετά μεγάλη. Όπως σε ένα αγωγό προστασίας, θα πρέπει να δοθεί προσοχή για την διατήρηση υψηλού επιπέδου μόνωσης στις απροστάτευτες φάσεις. Οι καμπύλες ενός αγωγού προστασίας (Σχήμα 4.8) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της αποτελεσματικότητας της σχεδίασης αλεξικέραυνου στην άνω φάση. Τα αλεξικέραυνα θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε σχεδόν κάθε στύλο ή πύργο, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη προστασία. 95

96 Ικανότητα αλεξικέραυνου σε άμεσο πλήγμα Σε εφαρμογές με συνήθη έκθεση σε κεραυνούς (π.χ. ανοιχτή γραμμή διανομής, χωρίς αγωγό προστασίας), τα αλεξικέραυνα που ανήκουν στις κατηγορίες διανομής και αυτά των μεταλλικών οξειδίων μπορούν να υποστούν περιστασιακές βλάβες λόγω των άμεσων πληγμάτων. Ένα σημαντικό ποσοστό άμεσων πληγμάτων κεραυνών μπορούν να αναγκάσουν τα αλεξικέραυνα να απορροφήσουν ενέργεια πέρα από την ικανότητα που έχει ορίσει ο κατασκευαστής και το 4/10 μs κρουστικό κύμα δοκιμής. Αυτό μετριάζεται από το γεγονός ότι τα αλεξικέραυνα έχουν επιδείξει αρκετά μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας από ότι είναι δημοσιευμένο. Άλλος ένας μηχανισμός αποτυχίας στο σχεδιασμό αλεξικέραυνων από οξείδια του μετάλλου είναι τα περιστατικά βραχυκυκλώματα γύρω από τα εμπόδια, όταν τα αλεξικέραυνα υπόκεινται σε πολλαπλά πλήγματα. Τα επιφανειακά βραχυκυκλώματα λόγω πολλαπλών πληγμάτων είναι λιγότερο πιθανά για αλεξικέραυνα χωρίς διάκενα, όπως αυτά με περίβλημα από πολυμερή. 4.9 Υπόδειγμα χρήσης οδηγού Υπόδειγμα - Σχέδιο ξύλινου πυλώνα 15kV Πρόβλημα: Μία εταιρία πραγματοποιεί αναθεώρηση του σχεδιασμού της για γραμμή διανομής με τρεις αγωγούς, τάξης 15kV (Σχήμα 4.11). Η γραμμή βρίσκεται σε μία περιοχή με μέτρια πρόκληση κεραυνών, με κεραυνικό επίπεδο 40 ημερών με θύελλες και κεραυνούς ανά χρόνο. Οι μονωτήρες είναι ANSI-class 55-4, μονωτήρες με πορσελάνινη κορυφή. Υποθέστε ότι οι βραχίονες είναι αγώγιμοι και χρησιμοποιούνται μονωτικές κορυφές από ατσάλι. Τα επίτονα έχουν μονωτήρες με πορσελάνη (ANSI-class 54-4). Το σταθερό μέγεθος στύλου είναι 12.2m με βάθος στερέωσης στη γη 2m. Σκοπός είναι να υπολογιστεί το επίπεδο συμπεριφοράς έναντι κεραυνού με βάση αυτό το σχέδιο και να διερευνηθούν οι βελτιώσεις. 96

97 Σχήμα 4. 11: Σχέδιο ξύλινου βραχίονα τάξης 15kV Επίπεδο μόνωσης: Το CFO για διάφορες πιθανές πορείες βραχυκυκλωμάτων παρουσιάζεται στον Πίνακα Α.1. Άμεσα πλήγματα: Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από το κεραυνικό επίπεδο ως εξής: 97

98 Ng = = 4 κεραυνοί/100km /έτος Το ύψος του πάνω αγωγού είναι 10.2 m με πλάτος κατασκευής 2.24 m. Από την εξίσωση (4.6), ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος είναι Ν = 4[28(10.2) ]/10 = 46 κεραυνοί/ 100km /έτος Θεωρώντας έναν προστατευτικό παράγοντα 0.75, και ότι όλα τα άμεσα πλήγματα θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα, ο εκτιμώμενος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από άμεσο πλήγμα θα είναι: Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα= 11.5 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Επαγόμενα βραχυκυκλώματα: Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται στην ύπαιθρο μπορεί να υπολογιστεί από το Σχήμα 4.5, χρησιμοποιώντας την μικρότερη CFO πορεία των 152kV και πολλαπλασιάζοντας με το GFD: Επαγόμενα βραχυκυκλώματα(ύπαιθρος)=4 2 κεραυνοί/ 100km /έτος =8 βραχυκυκλώματα/ 100km /έτος Επειδή το μεγαλύτερο μέρος της γραμμής διανομής είναι προστατευμένο (οριοθετείται από ψηλές κατασκευές, π.χ. Sf= 0.75), μεγαλύτερα σε μέγεθος πλήγματα μπορούν να καταλήξουν κοντά στην γραμμή, χωρίς να χτυπήσουν απευθείας στην γραμμή διανομής. Αυτό θα προκαλέσει περισσότερα επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων λόγω τάσης θα πρέπει να βρίσκεται μεταξύ του αριθμού των έμμεσων πληγμάτων στην ύπαιθρο (8 κεραυνοί/100km/έτος σε αυτήν την περίπτωση) και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων στην ύπαιθρο (46 κεραυνοί/100km/έτος σε αυτήν την περίπτωση). Ως μια εκτίμηση, θα υποθέσουμε ότι τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση είναι δύο φορές τα βραχυκυκλώματα στην ύπαιθρο. Προκληθέντα βραχυκυκλώματα = 16 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Όλα τα βραχυκυκλώματα θεωρούνται ότι προκαλούν βλάβες. Συνολικές βλάβες= άμεσες + επαγόμενων τάσεων=27.5 σφάλματα/100km/έτος Εκδοχές βελτίωσης προς εξέταση: Έχει αποφασιστεί να εξεταστούν οι αλλαγές που είναι σχετικά οικονομικές και εύκολες στην εφαρμογή. Οι αλλαγές στην μόνωση για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων από τάση είναι η κύρια εκδοχή προς εξέταση, με στόχο 300 kv CFO. 98

99 α)χρήση 50 cm από μονωτήρες τύπου αλυσίδας από fiberglass. Αυτό θα αυξήσει την CFO από την μεσαία φάση στο επίτονο σε 310 kv [0.5m μονωτήρας από fiberglass τύπου αλυσίδας (250 kv) + μονωτήρας ( kv= 47 kv) m ξύλινου στύλου (0.2 m 65 kv/m= 13 kv)]. Αυτό κατ' ουσία ελαχιστοποιεί τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση. β)χρήση ξύλινων βραχιόνων. Αυτό προσθέτει μια σημαντική ποσότητα ξύλου στην πορεία του βραχυκυκλώματος από την μεσαία φάση στο επίτονο. Η CFO σε αυτή την πορεία θα ήταν περίπου 255 kv [μονωτήρας (105 kv) + ξύλινος βραχίονας (0.52 m 250 kv/m= 130 kv) + ξύλινος στύλος (0.3 m 65kV/ m= 20kV)]. Αυτό μειώνει τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε λιγότερο από 0.8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος. Άλλα σχέδια κατασκευών, όπως τερματικός στύλος, γωνία και διασταύρωση, μπορούν να εξετασθούν. Οι επιλογές βελτίωσης μπορούν τότε να συγκριθούν από άποψη κόστους με τα υπάρχοντα σχέδια και κατά την αξιόπιστη βελτίωση της επισκευής και της ποιότητας ισχύος. 99

100 100

101 5. Διαδικασία Μετρήσεων 5.1 Εισαγωγή Η αντικεραυνική προστασία των γραμμών διανομής κατέχει κυρίαρχο ρόλο στο σχεδιασμό της όλης διάταξης των γραμμών. Σκοπός της έρευνας είναι να εξετάσουμε κατά πόσο θεωρούνται προστατευμένες από πλήγματα κεραυνών οι γραμμές διανομής μέσης τάσης. Η νήσος Χίος έχει 8 γραμμές διανομής. Συγκεκριμένα εξετάσθηκαν οι παρακάτω γραμμές R-250 γραμμή Αιολικό Πάρκο Μελανιούς-Χίος (καλύπτει το βόρειο τμήμα του νησιού) R-260 γραμμή που καλύπτει την περιοχή των Καμποχώρων R-220 γραμμή που καλύπτει την περιοχή των Μαστιχοχωρίων R-230 αστική γραμμή της πόλης της Χίου Οι γραμμές αυτές υπάγονται στην περιφερειακή διεύθυνση νησιών της ΔΕΗ. Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Καλαμάκη Γεώργιο (Διευθυντή ΔΕΗ Χίου) για την πολύτιμη βοήθειά του και τη συνεργασία του, καθώς θα ήταν αδύνατη η περάτωση της διπλωματικής μου εργασίας χωρίς τη συμβολή του. Για να καταλήξουμε στο συμπέρασμά μας ακολουθήσαμε τον τρόπο θεωρητικού υπολογισμού των σφαλμάτων από κεραυνό που αναφέρεται στην οδηγία της IEEE για την συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση κεραυνού. Επίσης λάβαμε από τη ΔΕΗ τα δεδομένα των σφαλμάτων που έχουν συμβεί στις δύο γραμμές διανομής από το 2003 έως και το Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των θεωρητικών και των πραγματικών σφαλμάτων θα μπορέσουμε να αναπτύξουμε τα συμπεράσματά μας. Επίσης θα γίνει και μια σύγκριση μεταξύ των γραμμών. Οι τέσσερις γραμμές που επιλεχθήκαν για την παρούσα μελέτη έγιναν με αυτό το κριτήριο. Επιλέξαμε μία αρκετά ευάλωτη γραμμή σε κεραυνικά πλήγματα, δύο μέτριες και μία αστική με ελάχιστα πλήγματα. Τα γεωγραφικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά των γραμμών θα παρουσιαστούν και θα αναλυθούν παρακάτω για κάθε μια γραμμή ξεχωριστά. 5.2 Μεθοδολογία θεωρητικού υπολογισμού Πριν αρχίσουμε τον θεωρητικό υπολογισμό των σφαλμάτων πρέπει να αναφέρουμε ότι καμία από τιε εν λόγω γραμμές δεν προστατεύεται από αγωγό ή αγωγούς προστασίας, παρά μόνο από αλεξικέραυνα, τα οποία έχουν τοποθετηθεί στους μετασχηματιστές και στις διάφορες ενώσεις των γραμμών. Επίσης οι γραμμές διανομής που δεν έχουν αγωγούς προστασίας εφοδιάζονται με 101

102 διακόπτες ταχείας επαναφοράς. Η διατομή και ο τύπος των αγωγών είναι 3 95ACSR που σημαίνει ότι έχουμε τις τρεις αγωγούς για τις τρεις φάσεις διατομής 95mm από αλουμίνιο με ψυχή από χάλυβα. Ο υπολογισμός του ολικού αριθμού σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές διανομής γίνεται πολύ απλά αν αθροίσουμε τρία νούμερα: τον αριθμό βραχυκυκλωμάτων από άμεσα πλήγματα κεραυνών στη γραμμή, τον αριθμό βραχυκυκλωμάτων εξαιτίας γειτονικών πληγμάτων και τέλος τα σφάλματα από ζημιά του προστατευτικού εξοπλισμού. Η μεθοδολογία ακολουθεί τα εξής βήματα: Βήμα 1 : Εκτίμηση της πυκνότητας των κεραυνών στην περιοχή που εξετάζουμε (Ng). Η πυκνότητα κεραυνών στη γη μπορεί να εκτιμηθεί από τα δεδομένα του ισοκεραυνικού χάρτη της Ελλάδας σε συνάρτηση με μια εμπειρική προσέγγιση της κεραυνικής δραστηριότητας που λαμβάνεται από τους ντόπιους κατοίκους. Βήμα 2: Εκτίμηση των πληγμάτων των κεραυνών σε απροστάτευτη γραμμή (N), αυτό εξαρτάται από τον τύπο του στύλου και της γραμμής και γίνεται με βάση τον τύπο 4.6. Δηλαδή σε γραμμή χωρίς εξωτερική προστασία, π.χ. δέντρα, σπίτια και άλλα. Βήμα 3: Υπολογισμός του Sf συντελεστή θωράκισης της γραμμής από γειτονικά αντικείμενα με βάση το σχήμα 4.4. Γειτονικά δέντρα, ψηλά αντικείμενα ή και άλλες γραμμές ελαττώνουν ουσιαστικά τον αριθμό των πληγμάτων σε μία γραμμή. Βήμα 4: Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων Ns που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών στη γραμμή. Βήμα 5: Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων Ni που οφείλονται σε έμμεσα πλήγματα στη γραμμή. Δηλαδή προσδιορισμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. O αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων υπολογίζεται από το σχήμα 4.5 και θεωρώντας το μικρότερο CFO path (στην περίπτωσή μας 125 kv). Αυτό προκύπτει από τους πίνακες που δίνουν την τυπική αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνών. Στην παρούσα περίπτωση των γραμμών διανομής 20kV έχουμε (IEC - 71)[8]: 102

103 Πίνακας 5.1 Βρίσκουμε τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος, δηλαδή για απροστάτευτη γραμμή. Έπειτα ανάγουμε αυτήν την τιμή στις συνθήκες της εκάστοτε περιοχής, πολλαπλασιάζοντας την με το GFD της περιοχής μελέτης. Σύμφωνα με την οδηγία της IEEE για να υπολογίσουμε τον αριθμό των έμμεσων βραχυκυκλωμάτων σε προστατευμένη γραμμή θεωρούμε ότι ο αριθμός αυτός βρίσκεται κάπου μεταξύ του αριθμού των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Βήμα 6: Εκτίμηση της τάξης σφαλμάτων Νp που οφείλεται στην μη καλή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων. Βήμα 7: Εκτίμηση του Νολ. (overall outage rate). O Νολ. για μια γραμμή διανομής δίνεται από την έκφραση: όπου, N1 Ns Ni Np Ns= Υπολογίζεται από το Βήμα 4 Ni= Υπολογίζεται από το Βήμα 5 Np= Υπολογίζεται από το Βήμα 6 Βήμα 8: Το N1 που υπολογίσθηκε με την παραπάνω διαδικασία είναι ανά 100km και έτος. Τέλος ανάγουμε το Ν1 στο πραγματικό μήκος της γραμμής και προκύπτει το Νολ.. 103

104 5.3 Θεωρητικός υπολογισμός σφαλμάτων στις γραμμές Παρακάτω ακολουθεί ο θεωρητικός υπολογισμός των σφαλμάτων για κάθε γραμμή ξεχωριστά Γραμμή R-250 Η πρώτη γραμμή που μελετήσαμε είναι η R-250, που ενώνει το αιολικό πάρκο Μελανιούς και όλο το βόρειο τμήμα του νησιού με την πόλη της Χίου. Πρόκειται κυρίως για ορεινές εκτάσεις και χωριά με μέτρια βλάστηση λόγω των ισχυρών ανέμων. Είναι η γραμμή με τα περισσότερα πλήγματα καθώς τροφοδοτεί τα πιο ορεινά χωριά του νησιού ( Πελινναίο όρος που αποτελεί μια βραχώδη και απόκρημνη οροσειρά) που του χειμερινούς μήνες παρουσιάζουν ισχυρούς ανέμους και συχνές κακοκαιρίες. Παρακάτω ακολουθεί ο γεωγραφικός χάρτης της περιοχής καθώς και η όδευση της γραμμής, για να έχει μια οπτική ιδέα της υπό εξέταση γραμμής ο αναγνώστης. Οι εικόνες λήφθηκαν από το διαδικτυακό ιστότοπο Google Maps και η γραμμή σχεδιάστηκε προσεγγιστικά με βάση το μονογραμμικό σχέδιο που παρουσιάστηκε από την ΔΕΗ. Σύμφωνα με το μονογραμμικό χάρτη που μας δόθηκε από τη ΔΕΗ υπολογίστηκε το συνολικό μήκος της γραμμής στα 80χλμ. Θα ακολουθήσουμε τη μεθοδολογία που περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα για να υπολογίσουμε ον αριθμό σφαλμάτων λόγω κεραυνών που θα συνέβαιναν θεωρητικά στη συγκεκριμένη γραμμή και μετά θα τα συγκρίνουμε με τον αριθμό των πραγματικών σφαλμάτων που πήραμε από τη ΔΕΗ. Η εκτίμηση των ημερών καταιγίδας ανά έτος για την περιοχή της Χίου υπολογίζεται από τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδας ως: Td =45 ημέρες καταιγίδα/έτος Από τον τύπο 4.1 υπολογίζουμε την πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης : Ng= 0.04*(45) 1.25 = 4.66 κεραυνοί/km/έτος Θεωρούμε το ύψος της γραμμής 12m και το πλάτος της 2.5m. Οπότε με αυτά τα δεδομένα υπολογίζουμε τον αριθμό των σφαλμάτων που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών, σε αθωράκιστη γραμμή : 28* h^0.6 b N= Ng*( ) = 59.1 κεραυνοί/100km/έτος

105 Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να θεωρήσουμε έναν προστατευτικό παράγοντα Sf που θα αντιπροσωπεύει το ποσοστό προστασίας της όλης διάταξης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Την προστασία αυτή μπορεί να παρέχουν δέντρα, κτίρια ή βουνά ή γενικότερα υψηλότερες κατασκευές. Σχήμα 5.1: Χάρτης από δορυφόρο με την όδευση της γραμμής R

106 Μία προστατευμένη γραμμή δέχεται πολύ λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών από ότι μια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος. Σύμφωνα με το σχήμα 4.4 της οδηγίας υπολογίζουμε τον συντελεστή προστασίας ως εξής: Από τις πληροφορίες που μας παρείχε η ΔΕΗ, ότι πρόκειται για ορεινή δύσβατη περιοχή με μέτρια βλάστηση και υψηλές αντιστάσεις γειώσεων, θεωρούμε ότι γύρω από την γραμμή υπάρχουν αντικείμενα χαμηλότερου ύψους: - Μια μέση απόσταση 25 m από την κατασκευή. - Ύψος εμποδίων από την δεξιά πλευρά 7.5 m => Sf1 = Ύψος εμποδίων από την αριστερή πλευρά 7.5 m => Sf2 = 0.25 Σχήμα 5.2: Υπολογισμός του Sf για την γραμμή R-250 Για να προκύψει ο συνολικός συντελεστής προστασίας προσθέτουμε τους δύο επιμέρους συντελεστές. Άρα ο ολικός συντελεστής είναι: S = Sfl + Sfr =

107 Αφού έχουμε υπολογίσει τον συνολικό συντελεστή προστασίας μπορούμε να βρούμε τον συνολικό αριθμό των άμεσων πληγμάτων της γραμμής από τον τύπο Ns=N(1-Sf) = 59.1(1-0.5)= 29.5 κεραυνοί/100km/έτος Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός των έμμεσων πληγμάτων των κεραυνών στη γραμμή. Ο αριθμός αυτός σε ανοιχτό έδαφος υπολογίζεται από το σχήμα 4.5 της οδηγίας θεωρώντας το μικρότερο CFO path, που στην περίπτωσή μας είναι 125 kv, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Από το παραπάνω σχήμα θεωρούμε ότι ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων είναι τρία (3). Κάνουμε αναγωγή αυτού του αριθμού στην πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης και έχουμε: Επαγόμενα βραχυκυκλώματα= 4.66*3= κεραυνοί/100km/έτος. Όπως αναφέραμε και προηγουμένως όταν μια γραμμή είναι προστατευμένη τότε δέχεται λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών. Όμως το όφελος που λαμβάνουμε από αυτή τη λειτουργία των διαφόρων δομών προστασίας αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι περισσότερα ψηλά κτίρια ή δέντρα θα οδηγήσουν σε περισσότερα κοντινά πλήγματα στη γραμμή διανομής, που μπορεί να δημιουργήσουν επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Για να καταλήξουμε στον τελικό αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων, δηλαδή στον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων, θεωρούμε μια προσαύξηση της τάξης του 80% στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Αυτό γίνεται γιατί μεγάλος συντελεστής προστασίας συνεπάγεται περισσότερα πλήγματα κοντά στην γραμμή, άρα περισσότερα επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Σύμφωνα με την οδηγία της IEEE ο συνολικός αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων βρίσκεται κάπου ανάμεσα στον αριθμό των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος και στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Έτσι καταλήγουμε στο: Ni= 13.98*1.8= 25.1 κεραυνοί/100km/έτος Θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν σφάλματα που να οφείλονται στην κακή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων, δηλαδή ότι Νp = 0, υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που συμβαίνουν στην γραμμή διανομής R Όπως προκύπτει: Ν ολ = Ni+Ns+Np= =54.6 σφάλματα/έτος. Κάνοντας αναγωγή στο ολικό μήκος της γραμμής προκύπτει ο συνολικός αριθμός των βραχυκυκλωμάτων Nολικο, που είναι

108 Νολικο =Ν*0.80=43.6 σφάλματα/έτος. Σχήμα 5.3: Υπολογισμός επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων 108

109 5.3.2 Γραμμή R-220 Η δεύτερη γραμμή που μελετήσαμε είναι η R-220 που τροφοδοτεί το νοτιότερο τμήμα της Χίου, τα λεγόμενα Μαστιχοχώρια. Πρόκειται για μία περιοχή αποτελούμενη από χαμηλούς λόφους και πεδινές εκτάσεις όπου καλλιεργούνται ελιές, αμυγδαλιές, αμπέλια αλλά κυρίως, ο σχίνος που παράγει τη μαστίχα. Είναι μία γραμμή που παρουσιάζει μέτρια συχνότητα πληγμάτων. Σύμφωνα με το μονογραμμικό χάρτη που μας δόθηκε το συνολικό μήκος της γραμμής υπολογίσθηκε 45km. Παρακάτω ακολουθεί ο γεωγραφικός χάρτης της περιοχής καθώς και η όδευση της γραμμής, για να έχει μια οπτική ιδέα της υπό εξέταση γραμμής ο αναγνώστης. Οι εικόνες λήφθηκαν από το διαδικτυακό ιστότοπο Google Maps και η γραμμή σχεδιάστηκε προσεγγιστικά με βάση το μονογραμμικό σχέδιο που παρουσιάστηκε από την ΔΕΗ. Θα ακολουθήσουμε την ίδια μεθοδολογία όπως και στην προηγούμενη γραμμή. T d = 45 μέρες καταιγίδας/έτος Ν g = 0.04* = 4.66 κεραυνοί/100km/έτος Θεωρούμε μέσο ύψος της γραμμής 12m και το πλάτος της στα 2.5m. Οπότε από αυτά τα δεδομένα υπολογίζουμε τον αριθμό τον σφαλμάτων που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών, σε αθωράκιστη γραμμή από τον τύπο 4.6 ως: Ν= Ν g ( * h b ) = 59.1 κεραυνοί/100km/έτος 10 Εδώ θα εισάγουμε τον προστατευτικό παράγοντα Sf που αντιπροσωπεύει το ποσοστό προστασίας της όλης διάταξης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Την προστασία αυτή μπορεί να παρέχουν δέντρα, κτίρια ή βουνά ή γενικότερα ψηλότερες κατασκευές. Μια προστατευμένη γραμμή δέχεται πολύ λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών από ότι μια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος. Από τις πληροφορίες που έχουμε ξέρουμε ότι πρόκειται για μία πεδινή περιοχή θεωρούμε ότι γύρω από τη γραμμή υπάρχουν δέντρα και κατασκευές κοντύτερα από τη γραμμή: - Μια μέση απόσταση 20 m από την κατασκευή. - Ύψος εμποδίων από την δεξιά πλευρά 10 m => S f1 = Ύψος εμποδίων από την αριστερή πλευρά 10 m => S f2 =

110 Σχήμα 5. 4: Χάρτης από δορυφόρο με την όδευση της γραμμής R-220 Σχήμα 5.5: Υπολογισμός συντελεστή προστασίας για την γραμμή R

111 Για να προκύψει ο συνολικός συντελεστής προστασίας προσθέτουμε τους δύο επιμέρους συντελεστές. Άρα ο ολικός συντελεστής είναι: S f = S fl + S fr = 0.78 Αφού έχουμε υπολογίσει τον συνολικό συντελεστή προστασίας μπορούμε να βρούμε τον συνολικό αριθμό των άμεσων πληγμάτων της γραμμής από τον τύπο 4.7: N s = N(1-S f ) = 59.1*0.22= 13 κεραυνοί/100km/έτος Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός των έμμεσων πληγμάτων των κεραυνών στη γραμμή. Ο αριθμός αυτός σε ανοιχτό έδαφος υπολογίζεται από το σχήμα 4.5 της οδηγίας θεωρώντας το μικρότερο CFO path, που στην περίπτωσή μας είναι 125kV, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Είναι η ίδια περίπτωση με την προηγούμενη γραμμή σχήμα 5.5. Από το παραπάνω σχήμα θεωρούμε ότι ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων είναι τρία (3). Κάνουμε αναγωγή αυτού του αριθμού στην πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης και έχουμε : Επαγόμενα βραχυκυκλώματα =4,66*3= κεραυνοί/100km/έτος Για να καταλήξουμε στον τελικό αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων, δηλαδή στον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων, θεωρούμε μια προσαύξηση της τάξης του 80% στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Έτσι: N t =13.98*1.8= κεραυνοί/100km/έτος Θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν σφάλματα που να οφείλονται στην κακή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων, δηλαδή ότι Νp = 0, υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που συμβαίνουν στην γραμμή διανομής R Όπως προκύπτει: Ν= Ni+ Ns+ Np = = κεραυνοί/100km/έτος Κάνοντας αναγωγή στο ολικό μήκος της γραμμής (45km) προκύπτει ο συνολικός αριθμός των βραχυκυκλωμάτων Nολ. που είναι: Nολ = 38.16*0.45 = κεραυνοί/έτος Γραμμή R-260 Η τρίτη γραμμή που μελετήσαμε είναι η R-260, μία γραμμή που ενώνει την περιοχή των Καμποχώρων. Η περιοχή αυτή προστατεύεται από τους βόρειους ψυχρούς ανέμους και από τους 111

112 ισχυρούς νοτιάδες λόγω των βουνών, με αποτέλεσμα να υπάρχει αρκετή βλάστηση. Παρακάτω ακολουθεί ο γεωγραφικός χάρτης της περιοχής καθώς και η όδευση της γραμμής, για να έχει μια οπτική ιδέα της υπό εξέταση γραμμής ο αναγνώστης. Οι εικόνες λήφθηκαν από το διαδικτυακό ιστότοπο Google Maps και η γραμμή σχεδιάστηκε προσεγγιστικά με βάση το μονογραμμικό σχέδιο που παρουσιάστηκε από την ΔΕΗ. Σχήμα 5. 6: Χάρτης από δορυφόρο με την όδευση της γραμμής R-260 Γενικά είναι μία γραμμή με μέτρια συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων σε σχέση με τις υπόλοιπες του νησιού. Σύμφωνα με το μονογραμμικό χάρτη που μας δόθηκε από τη ΔΕΗ υπολογίσθηκε το συνολικό μήκος της γραμμής στα 40km. Θα ακολουθήσουμε πάλι την ίδια μεθοδολογία. 112

113 T d =45 ημέρες καταιγίδας/έτος. Από τον τύπο 4.1 υπολογίζουμε την πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης : Ng= 0.04*(45) 1.25 = 4.66 κεραυνοί/km/έτος Θεωρούμε μέσο ύψος της γραμμής 12m και το πλάτος της στα 2.5m. Οπότε από αυτά τα δεδομένα υπολογίζουμε τον αριθμό τον σφαλμάτων που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών, σε αθωράκιστη γραμμή από τον τύπο 4.6 ως: Ν= Ν g ( * h b ) = 59.1 κεραυνοί/100km/έτος 10 Εδώ θα εισάγουμε τον προστατευτικό παράγοντα Sf που αντιπροσωπεύει το ποσοστό προστασίας της όλης διάταξης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Την προστασία αυτή μπορεί να παρέχουν δέντρα, κτίρια ή βουνά ή γενικότερα ψηλότερες κατασκευές. Μια προστατευμένη γραμμή δέχεται πολύ λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών από ότι μια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος. Από τις πληροφορίες που έχουμε ξέρουμε ότι πρόκειται για μία περιοχή με αρκετή βλάστηση, οπότε θα τη θεωρήσουμε καλά θωρακισμένη από άμεσα πλήγματα : Μια μέση απόσταση 20 m από την κατασκευή. - Ύψος εμποδίων από την δεξιά πλευρά 10 m => S f1 = Ύψος εμποδίων από την αριστερή πλευρά 10 m => S f2 = 0.4 Για να προκύψει ο συνολικός συντελεστής προστασίας προσθέτουμε τους δύο επιμέρους συντελεστές. Άρα ο ολικός συντελεστής είναι: S f = S fl + S fr = 0.8 Αφού έχουμε υπολογίσει τον συνολικό συντελεστή προστασίας μπορούμε να βρούμε τον συνολικό αριθμό των άμεσων πληγμάτων της γραμμής από τον τύπο 4.7: N s = N(1-S f ) = 59.1*0.2 = κεραυνοί/100km/έτος Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός των έμμεσων πληγμάτων των κεραυνών στη γραμμή. Ο αριθμός αυτός σε ανοιχτό έδαφος υπολογίζεται από το σχήμα 4.5 της οδηγίας θεωρώντας το μικρότερο CFO path, που στην περίπτωσή μας είναι 125kV, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Είναι η

114 ίδια περίπτωση με την προηγούμενη γραμμή σχήμα 5.5. Από το παραπάνω σχήμα θεωρούμε ότι ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων είναι τρία (3). Κάνουμε αναγωγή αυτού του αριθμού στην πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης και έχουμε : Επαγόμενα βραχυκυκλώματα =4,66*3= κεραυνοί/100km/έτος Για να καταλήξουμε στον τελικό αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων, δηλαδή στον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων, θεωρούμε μια προσαύξηση της τάξης του 80% στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Έτσι: N t =13.98*1.8= κεραυνοί/100km/έτος Θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν σφάλματα που να οφείλονται στην κακή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων, δηλαδή ότι Νp = 0, υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που συμβαίνουν στην γραμμή διανομής R Όπως προκύπτει: Ν= Ni+ Ns+ Np= = κεραυνοί/100km/έτος Κάνοντας αναγωγή στο ολικό μήκος της γραμμής (40km) προκύπτει ο συνολικός αριθμός των βραχυκυκλωμάτων Nολ. που είναι: N ολ = 36.98*0.4= κεραυνοί/έτος Γραμμή R-230 Η τελευταία γραμμή που θα μελετήσουμε είναι η R-230, μία αστική γραμμή της πόλης της Χίου. Είναι μία γραμμή με πολύ μικρότερη συχνότητα σφαλμάτων σε σχέση με τις υπόλοιπες που εξετάσαμε. Το συνολικό της μήκος υπολογίστηκε από το μονογραμμικό που μας δόθηκε από τη ΔΕΗ στα 14km. Παρακάτω ακολουθεί ο γεωγραφικός χάρτης της περιοχής καθώς και η όδευση της γραμμής, για να έχει μια οπτική ιδέα της υπό εξέταση γραμμής ο αναγνώστης. Οι εικόνες λήφθηκαν από το διαδικτυακό ιστότοπο Google Maps και η γραμμή σχεδιάστηκε προσεγγιστικά με βάση το μονογραμμικό σχέδιο που παρουσιάστηκε από την ΔΕΗ. Η εκτίμηση των ημερών καταιγίδας ανά έτος για την περιοχή της Χίου υπολογίζεται από τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδας ως: Td =45 ημέρες καταιγίδα/έτος 114

115 Σχήμα 5. 7: Χάρτης απο δορυφόρο με την όδευση της γραμμής R

116 Από τον τύπο 4.1 υπολογίζουμε την πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης : 116 Ng= 0.04*(45) 1.25 = 4.66 κεραυνοί/km/έτος Θεωρούμε το ύψος της γραμμής 12m και το πλάτος της 2.5m. Οπότε με αυτά τα δεδομένα υπολογίζουμε τον αριθμό των σφαλμάτων που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών, σε αθωράκιστη γραμμή : 28* h^0.6 b N= Ng*( ) = 59.1 κεραυνοί/100km/έτος 10 Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να θεωρήσουμε έναν προστατευτικό παράγοντα Sf που θα αντιπροσωπεύει το ποσοστό προστασίας της όλης διάταξης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Την προστασία αυτή μπορεί να παρέχουν δέντρα, κτίρια ή βουνά ή γενικότερα υψηλότερες κατασκευές. Μία προστατευμένη γραμμή δέχεται πολύ λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών από ότι μια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος. Από τις πληροφορίες που έχουμε ξέρουμε ότι πρόκειται για μία αστική γραμμή οπότε και τη θεωρούμε πολύ καλά θωρακισμένη από άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Έτσι επιλέγουμε: - Μια μέση απόσταση 20 m από την κατασκευή. - Ύψος εμποδίων από την δεξιά πλευρά 10 m => S f1 = Ύψος εμποδίων από την αριστερή πλευρά 10 m => S f2 = 0.45 Για να προκύψει ο συνολικός συντελεστής προστασίας προσθέτουμε τους δύο επιμέρους συντελεστές. Άρα ο ολικός συντελεστής είναι: S f = S fl + S fr = 0.9 Αφού έχουμε υπολογίσει τον συνολικό συντελεστή προστασίας μπορούμε να βρούμε τον συνολικό αριθμό των άμεσων πληγμάτων της γραμμής από τον τύπο 4.7: N s = N(1-S f ) = 59.1*0.1 = 5.91 κεραυνοί/100km/έτος Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός των έμμεσων πληγμάτων των κεραυνών στη γραμμή. Ο αριθμός αυτός σε ανοιχτό έδαφος υπολογίζεται από το σχήμα 4.5 της οδηγίας θεωρώντας το μικρότερο CFO path, που στην περίπτωσή μας είναι 125kV, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Είναι η ίδια περίπτωση με την προηγούμενη γραμμή σχήμα 5.5. Από το παραπάνω σχήμα θεωρούμε ότι ο

117 αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων είναι τρία (3). Κάνουμε αναγωγή αυτού του αριθμού στην πυκνότητα των κεραυνών στην επιφάνεια της γης και έχουμε : Επαγόμενα βραχυκυκλώματα =4,66*3= κεραυνοί/100km/έτος Για να καταλήξουμε στον τελικό αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων, δηλαδή στον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων, θεωρούμε μια προσαύξηση της τάξης του 80% στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος. Έτσι: N t =13.98*1.8= κεραυνοί/100km/έτος Θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν σφάλματα που να οφείλονται στην κακή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων, δηλαδή ότι Νp = 0, υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που συμβαίνουν στην γραμμή διανομής R Όπως προκύπτει: Ν= Ni+ Ns+ Np = = 31 κεραυνοί/100km/έτος Κάνοντας αναγωγή στο ολικό μήκος της γραμμής (14km) προκύπτει ο συνολικός αριθμός των βραχυκυκλωμάτων Nολ. που είναι: N ολ =31*0.14 = 4.34 κεραυνοί/έτος. 5.4 Δεδομένα σφαλμάτων Παρακάτω παρατίθενται όλα τα σφάλματα που συνέβησαν στις τέσσερις γραμμές υπό εξέταση και λήφθηκαν από τη ΔΕΗ. Συλλέξαμε έναν μεγάλο αριθμό βλαβών από το αρχείο της ΔΕΗ μαζί με τα αίτια των βλαβών που εμφανίζονται στα Σ.Α.Β.(σημείωμα αποκατάστασης βλαβών), και οι οποίες αιτίες μπορεί να είναι 15 ειδών: 1. Κεραυνός 2. Άνεμος 3. Ατάνυστοι Αγωγοί 4. Πάγος Χιόνι 5. Ρύπανση 6. Κλαδιά Δέντρων 117

118 7. Ξένα Σώματα 8. Ανθρώπινη Παρέμβαση 9. Ζώα Πτηνά 10. Κακοτεχνία 11. Υλικά Δικτύου 12. Άλλα Αίτια 13. Κακοκαιρία 14. Κακός Χειρισμός 15. Άγνωστο Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφέρουμε ότι τα σφάλματα που έχουν καταχωρηθεί σαν κεραυνοί είναι ένα μικρό ποσοστό μόνο, για τον λόγο ότι δεν είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε με σιγουριά πότε ένα σφάλμα οφείλεται σε πλήγμα κεραυνού. Ο μόνος τρόπος να σιγουρευτούμε είναι αν υπάρχει καταστροφή της μόνωσης ή του εξοπλισμού από τον κεραυνό. Έτσι παρατηρούμε ένα μεγάλο πλήθος σφαλμάτων από τα δεδομένα της ΔΕΗ, να έχουν κατοχυρωθεί ως Κακοκαιρία, Άλλο Αίτιο ή Άγνωστο. 118

119 ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΓΡΑΜΜΗ ΕΤΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ R R

120 ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΓΡΑΜΜΗ ΕΤΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ R R

121 R-250 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΟΙ ΚΑΚΟΚΑΙΡΙΑ ΥΛΙΚΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΛΛΑ ΑΙΤΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ ΞΕΝΑ ΣΩΜΑΤΑ ΖΩΑ-ΠΤΗΝΑ ΑΓΝΩΣΤΟ R-220 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΟΙ ΚΑΚΟΚΑΙΡΙΑ ΥΛΙΚΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΛΛΑ ΑΙΤΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ ΞΕΝΑ ΣΩΜΑΤΑ ΖΩΑ-ΠΤΗΝΑ ΑΓΝΩΣΤΟ 121

122 R-260 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΟΙ ΚΑΚΟΚΑΙΡΙΑ ΥΛΙΚΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΛΛΑ ΑΙΤΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ ΞΕΝΟ ΣΩΜΑ ΑΓΝΩΣΤΟ R-230 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΟΙ ΚΑΚΟΚΑΙΡΙΑ ΥΛΙΚΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΛΛΑ ΑΙΤΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ ΞΕΝΟ ΣΩΜΑ ΑΓΝΩΣΤΟ ΚΑΚΟΤΕΧΝΙΑ 122