ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Σουβαλιώτη Αλέξανδρου του Σπυρίδωνος Αριθμός μητρώου: 7125 Θέμα: ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα: 2018

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σουβαλιώτης Αλέξανδρος 2018 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από το Σουβαλιώτη Αλέξανδρο και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων, κλπ, έχει λάβει την χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. 1

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Σφάλματα σε γραμμές μέσης τάσης» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΣΟΥΒΑΛΙΩΤΗ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥ του ΣΠΥΡΙΔΩΝΟΣ Αριθμός Μητρώου: 7125 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις././. Η Επιβλέπουσα ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Η Διευθύντρια του Τομέα ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια 2

4 3

5 Αριθμός διπλωματικής εργασίας: Θέμα: «Σφάλματα σε γραμμές μέσης τάσης» Φοιτητής: ΣΟΥΒΑΛΙΩΤΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ Επιβλέπουσα: ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετήσουμε κατά πόσο η γεωγραφική περιοχή που βρίσκεται μια γραμμή μέσης τάσης επηρεάζει τα πραγματικά κεραυνικά της σφάλματα ή αυτά που προκαλούνται από τις καιρικές συνθήκες. Ο κεραυνός παραδοσιακά είναι ένα φυσικό φαινόμενο που δημιουργεί μεγάλα προβλήματα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, αλλά και στον ίδιο τον άνθρωπο και για αυτό το λόγο μας έχει απασχολήσει αρκετές φορές η συμπεριφορά του. Τα σφάλματα αυτά μπορούν να επηρεάσουν άμεσα ή έμμεσα τη γραμμή (αν πλήξουν γειτονικό έδαφος) και αυτό να οδηγήσει σε μόνιμο ή στιγμιαίο σφάλμα. Οι προβλέψεις για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής εμπεριέχουν πολλές αβεβαιότητες. Βασικές παράμετροι όπως η πυκνότητα των κεραυνών ή ο υπολογισμός του αριθμού των απευθείας πληγμάτων στη γραμμή μπορεί να απέχουν από την πραγματικότητα. Μέσω αυτής της εργασίας θα προσπαθήσουμε να αποδώσουμε πιο ακριβείς προβλέψεις σφαλμάτων λόγω κεραυνών σε μια γραμμή διανομής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια ιστορική αναφορά στον ηλεκτρισμό, στα πρώτα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας και στην 4

6 εξέλιξή τους, όπως επίσης και στη βασική δομή και τα χαρακτηριστικά ενός ΣΗΕ. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται ένα δίκτυο μέσης τάσης και παρουσιάζονται η δομή, τα χαρακτηριστικά, καθώς και τα χρησιμοποιούμενα υλικά του. Στο τρίτο κεφάλαιο, αφού δοθούν κάποιοι απαραίτητοι ορισμοί που σχετίζονται πιο γενικά με το θέμα που εξετάζουμε, αναλύονται οι παράγοντες που δημιουργούν υπερτάσεις στις γραμμές του δικτύου, επεξηγείται πιο μεθοδικά η έννοια του κεραυνού και αναφέρονται οι καλύτερες μέθοδοι προστασίας της γραμμής. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται όλα τα γραφήματα που προκύπτουν από την ανάλυση των δεδομένων που συγκεντρώσαμε για τις ανάγκες της διπλωματικής η οποία καταλήγει στα απαραίτητα συμπεράσματα. 5

7 Abstract: «Faults on overhead distribution lines of medium voltage» This diploma thesis focuses on the lightning performance of medium voltage overhead distribution lines and attempts to draw conclusions about the importance of the geographic area of the line. Lightning is a phenomenon that is responsible for the cause of various immense problems to Electric Power Systems. When, a lightning stroke happens on a line directly or indirectly through the neighbouring ground, it can lead on permanent faults, usually expressed by overvoltages. Naturally, our distribution and transmission networks are vulnerable to lightning strokes but due to their nature, it is practically impossible to predict their characteristics. This thesis analyzes the most important fault factors such as, the ground flash density and the number of direct strokes. Though, these factors may abstain from reality it is attempted to depict conclusions as close as possible to it. The first chapter provides a historical reference to electricity, to the first electric networks and their evolution until today. Moreover it is presented the structure and the main characteristics of an Electric Power System. The second chapter analyzes a medium voltage network and presents the structure, characteristics and materials used. In the third chapter, after some necessary definitions are given that are more generally related to the subject under analysis, we present the factors that create overvoltages in the network lines. Additionally, the lightning concept is explained more methodically and the best methods of line protection are reported. In the fourth and final chapter, we present all the graphs resulting from the analysis of the data we have gathered for the needs of this thesis and finally we depict all the necessary conclusions. 6

8 7

9 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τη καθηγήτριά μου Πυργιώτη Ελευθερία που μου ανέθεσε το θέμα της διπλωματικής εργασίας και πάντα ήταν πρόθυμη να με βοηθήσει στο οτιδήποτε. Με την καθοδήγηση και τις συμβουλές της κατάφερα να εκπονήσω την παρούσα εργασία. Ευχαριστώ επίσης την οικογένειά μου για τη τεράστια προσπάθεια και υπομονή τους όλα αυτά τα χρόνια, καθώς και όλους τους φίλους μου για τη στήριξή τους κατά τη διάρκεια των προπτυχιακών μου σπουδών. 8

10 9

11 Περιεχόμενα 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ιστορική Αναδρομή Τα πρώτα Δίκτυα Ανάλυση του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας, των δομικών του στοιχείων και της εξέλιξής του ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Εισαγωγή Δίκτυα Μ.Τ Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύων μέσης τάσης και χρησιμοποιούμενα υλικά ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ Ορισμοί Υπερτάσεις Φαινόμενο Κεραυνού Μέθοδοι προστασίας Πανεπιστήμιο Πατρών και σύστημα ΖΕΥΣ.30 4 ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Εισαγωγή Μετρήσεις και πίνακες Γενικά Συμπεράσματα. 45 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 48 10

12 11

13 Κεφάλαιο:1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Ιστορική Αναδρομή[1] Παρόλο που δεν παρατηρούνταν, τα ηλεκτρικά φαινόμενα υπάρχουν στη γη για περισσότερα από 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Οι πρώτες αστραπές στον ουρανό εμφανίστηκαν πολύ πριν εμφανιστούν τα πρώτα ίχνη ζωής. Αρχικά τα φυσικά φαινόμενα που οφείλονταν στον ηλεκτρισμό δεν μπορούσαν να εξηγηθούν, γι αυτό και αποδίδονταν σε θεϊκές πράξεις. Είναι λογικό επομένως, να παρατηρούμε την ύπαρξη «θεού του κεραυνού» στις περισσότερες αρχαίες θρησκείες. Εικόνα 1 Θεοί του κεραυνού, Δίας και Θορ[3] Πέρα από την παρατήρηση του στατικού ηλεκτρισμού, κάτι που ήταν εύκολα εμφανές μέσω της τριβής, πέρασαν πάρα πολλά χρόνια για να κατανοηθεί η έννοια του ηλεκτρισμού σε πιο βαθύ επίπεδο από την ανθρωπότητα. Φτάσαμε έτσι, στο 18 ο αιώνα, όπου ο Βενιαμίν Φραγκλίνος στο γνωστό του πείραμα με το χαρταετό συμπέρανε ότι ο κεραυνός είναι μια ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους. 12

14 1.2 Τα πρώτα Δίκτυα [2] Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα, αποτελούμενο από γεννήτρια, καλώδιο, ασφάλεια, μετρητή και φορτία, ήταν αυτό που εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στην πόλη της Νέας Υόρκης, στον ιστορικό σταθμό της Pearl Street που τέθηκε σε λειτουργία το Αυτό ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (dc) που αποτελούταν από μία ατμομηχανή που κινούσε μία γεννήτρια συνεχούς και τροφοδοτούσε με ηλεκτρική ενέργεια 59 καταναλωτές σε μία περιοχή ακτίνας 1.5 km. Τα φορτία, που ήταν αποκλειστικά λαμπτήρες πυρακτώσεως, τροφοδοτούνταν σε μία τάση 110 V έσω υπόγειου καλωδίου. Πολύ σύντομα αντίστοιχα συστήματα λειτούργησαν στις περισσότερες μεγαλουπόλεις σε όλον τον κόσμο. Πρακτικά το σύνολο σχεδόν της παραγόμενης σήμερα ηλεκτρικής ενέργειας λαμβάνεται από περιστρεφόμενες γεννήτριες (ισχύος από 100 kw μέχρι και πάνω από 1300 MW και τάσεις λειτουργίας από 480 V μέχρι 25 kv), οπότε το τελευταίο βήμα της μετατροπής ενέργειας που λαμβάνει χώρα σε σταθμούς παραγωγής είναι από μηχανική σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τυπική δομή μιας μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται σχηματικά στο διάγραμμα της Εικόνας 2. Ο στρόβιλος είναι εφοδιασμένος με ρυθμιστή που ελέγχει ή την ταχύτητα περιστροφής ή την ισχύ εξόδου σύμφωνα με κάποια προκαθορισμένη χαρακτηριστική ισχύος-συχνότητας. Η παραγόμενη ισχύς παρέχεται στο δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης. Το συνεχές ρεύμα διέγερσης, που απαιτείται για να παραχθεί το μαγνητικό πεδίο εντός της γεννήτριας, παράγεται από τη διεγέρτρια. Το ρεύμα διέγερσης, και συνεπώς η τερματική τάση της γεννήτριας, ελέγχονται από αυτόματο ρυθμιστή τάσης. Ο μετασχηματιστής μονάδας τροφοδοτεί τα βοηθητικά φορτία του σταθμού παραγωγής, όπως κινητήρες, αντλίες, φωτισμό κ.α. 13

15 Εικόνα 2 Σχηματικό διάγραμμα μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας [2] 1.3 Ανάλυση του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας, των δομικών του στοιχείων και της εξέλιξής του[4] Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) ονομάζεται το σύνολο των εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούνται ώστε ένα σύνολο καταναλωτών να τροφοδοτηθεί με ηλεκτρική ενέργεια. Οι εγκαταστάσεις για τις οποίες μιλάμε μπορεί να είναι οι γραμμές μεταφοράς, οι διατάξεις αντιστάθμισης, οι διακόπτες και οι μετασχηματιστές. Η βασική δομή παραμένει ίδια για κάθε ΣΗΕ, αλλά 14

16 η πολυπλοκότητα μεταβάλλεται ανάλογα τη γεωγραφική περιοχή και το μέγεθος. Τα ΣΗΕ χαρακτηρίζονται από τρεις βασικές λειτουργίες, την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η μεταφορά της σε μεγάλες ποσότητες και αποστάσεις αποτελούσε πάντα μεγάλη πρόκληση. Έτσι, μετά τον Thomas Edison, o William Stanley κατασκεύασε το πρώτο επαγωγικό πηνίο που αποτέλεσε το σύγχρονο μετασχηματιστή, καταφέρνοντας έτσι να σχεδιάσει και το πρώτο πλήρες σύστημα μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα σύγχρονα συστήματα αποτελούνται από: 1) Σταθμούς Παραγωγής. Χωρίζονται σε ατμοηλεκτρικούς, υδροηλεκτρικούς και πυρηνικούς, ανάλογα με την πρωτογενή πηγή ενέργειας που χρησιμοποιούν, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. 2)Δίκτυο Μεταφοράς. Μέσω αυτού, μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας μεταφέρονται στα δίκτυα διανομής. Ο καταναλωτής λαμβάνει την ενέργεια σε χαμηλή ή μέση τάση, όμως για να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες κατά τη μεταφορά, αυτή γίνεται σε υψηλή τάση (έως 275kV) ή υπερύψηλη ( έως 765kV). Φυσικά υπεύθυνοι για τη μεταβολή της τάσης είναι οι μετασχηματιστές. 3)Δίκτυο Διανομής. Εδώ αρχικά μεταφέρεται η ηλεκτρική ισχύς από τους υποσταθμούς μεταφοράς στους υποσταθμούς διανομής μέσω του δικτύου διανομής μέσης τάσης (20kV) και στη συνέχεια από εκεί στον καταναλωτή μέσω του δικτύου διανομής χαμηλής τάσης (220/380V). 15

17 Εικόνα 3 Δομή ΣΗΕ[3] 16

18

19 Κεφάλαιο:2 ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 2.1 Εισαγωγή[12] Η κατασκευή, η επέκταση και η συντήρηση των ΣΗΕ είναι ένα μεγάλο κεφάλαιο που απασχολεί σημαντικό ποσοστό του εργατικού και επιστημονικού δυναμικού. Είναι πολύ σημαντικό να εξασφαλίζεται η αδιάλειπτη τροφοδοσία ηλεκτρικής ισχύος καθώς πιθανή διακοπή από σφάλμα ή κεραυνό μπορεί να προκαλέσει κοινωνικές και οικονομικές ζημίες. Κάθε ΣΗΕ οφείλει να είναι σχεδιασμένο με τρόπο ασφαλή, να είναι φιλικό προς το περιβάλλον και να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια καλής ποιότητας στη χαμηλότερη δυνατή τιμή. Στην Ελλάδα το ρόλο αυτό αναλαμβάνει η ΔΕΔΔΗΕ (ιδρύθηκε ως ΔΕΗ το 1950) και είναι ο κύριος πάροχος ηλεκτρικής ενέργειας σε κάθε Έλληνα καταναλωτή. Αυτό το επιτυγχάνει εκκινώντας από την παραγωγή της σε λιγνιτικές, πετρελαϊκές και υδροηλεκτρικές μονάδες, αιολικά και ηλιακά πάρκα καθώς και μονάδες φυσικού αερίου. Μέχρι το 2001 η ΔΕΗ είχε το μονοπώλιο στην ηλεκτροπαραγωγή, αλλά από τότε συμμετέχουν και άλλες εταιρείες και ιδιώτες. Το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας (80%) παράγεται στη Δυτική Μακεδονία και κυρίως στο νομό Κοζάνης. Πιο συγκεκριμένα, ακριβώς επειδή οι περισσότεροι σταθμοί παραγωγής ενέργειας είναι θερμικοί κι αυτοί κατά 58,3% χρησιμοποιούν λιγνίτη, οι μεγαλύτεροι τέτοιοι σταθμοί έχουν χτιστεί σε περιοχές πλούσιες σε λιγνίτη όπως είναι η Δυτική Μακεδονία, η Ελασσόνα, η Μεγαλόπολη κι η Δράμα. Εξάλλου, το πετρέλαιο χρησιμοποιείται κατά 6,8%, αλλά περιορίζεται συνεχώς λόγω της δυναμικής εισαγωγής στην παραγωγή του φυσικού αερίου με 18

20 ποσοστό που κυμαίνεται στο 25,9% ( τα παραπάνω στοιχεία βασίζονται σε έρευνα του 2007). 2.2 Δίκτυα Μ.Τ. Στην Ελλάδα τα δίκτυα διανομής χωρίζονται ανάλογα με το επίπεδο τάσης τους, δηλαδή, Δίκτυα μέσης τάσης (ΜΤ 15-20kV) Δίκτυα χαμηλής τάσης ( XT 220/400V) Στη Χ.Τ. η ονομαστική τάση είναι 230/400V και η τάση τροφοδότησης των καταναλωτών κυμαίνεται στο +/- 10% της ονομαστικής. Αντίστοιχα στη μέση τάση η ονομαστική είναι ανάλογα με το δίκτυο 20, 15 ή 6,6kV και η τάση τροφοδότησης των καταναλωτών επιτρέπεται να κυμαίνεται ξανά στο +/-10%. Τα παραπάνω νούμερα είναι ορισμένα από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Ηλεκτροτεχνικής Τυποποίησης και έχουν εγκριθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση και τη χώρα μας. Οι γραμμές μεταφοράς που ξεκινούν από υποσταθμούς και καταλήγουν σε υποσταθμούς συνήθως δεν έχουν μήκος που να υπερβαίνει τα 250km, ενώ τα ηλεκτρικά δίκτυα διακρίνονται σε 1) Εναέρια και 2) Υπόγεια. Στη συγκεκριμένη διπλωματική θα μελετήσουμε τα εναέρια που είναι τα πλέον διαδεδομένα διότι παρουσιάζουν ευκολία στην κατασκευή, στην επιθεώρηση και στη συντήρησή τους. [6] 19

21 Εικόνα 4 Εναέριο δίκτυο Μ.Τ. [3] Οι εναέριοι υποσταθμοί ονομάζονται έτσι επειδή όλες οι εγκαταστάσεις τους βρίσκονται τοποθετημένες πάνω σε στύλους. Η κατασκευή τους στηρίζεται σε έναν ή δύο στύλους ανάλογα με το βάρος τους, ενώ η γραμμή μέσης τάσης στηρίζεται σε μονωτήρες τύπου κώδωνα. Η διακλάδωση της γραμμής αυτής μπορεί να φτάσει στο μετασχηματιστή μέσω οργάνων προστασίας όπως είναι τα αλεξικέραυνα και οι ασφαλειοδιακόπτες, ενώ μετά από εκεί η τάση οδηγείται σε ειδικό κιβώτιο με ασφάλειες και όργανα ελέγχου και έπειτα ακολουθεί η γραμμή χαμηλής τάσης. Κατά βάση οι γραμμές διανομής μέσης τάσης περνούν συνήθως από κεντρικούς δρόμους για να είναι εύκολα προσβάσιμες σε περίπτωση βλαβών. Παρακάτω αναφέρονται τα κύρια εξαρτήματα που είναι απαραίτητα για ένα τέτοιο δίκτυο. 1. Οι στύλοι που είναι μικρότεροι από τους αντίστοιχους της υψηλής τάσης, ενώ κατασκευάζονται από ξύλο, αντί για μέταλλο. 2. Οι μονωτήρες οι οποίοι είναι σταθεροί και όχι σε μορφή αλυσίδας. 3. Οι αγωγοί που κατασκευάζονται από αλουμίνιο με ή χωρίς χαλύβδινη ενίσχυση και είναι παρόμοιοι με τους αντίστοιχους της υψηλής τάσης. 4. Τέλος, τα συστήματα ελέγχου και προστασίας, που αποτελούνται από αυτόματους διακόπτες απομόνωσης της γραμμής, αλλά και οι ασφάλειες υψηλής τάσης που τοποθετούνται στα σημεία διακλάδωσης και είναι κυλινδρικές 20

22 με σύρμα που τήκεται σε περίπτωση βραχυκυκλώματος, ενώ διαθέτουν και αποζεύκτες. Στη συνέχεια οι γραμμές μεταφοράς των 400kV που έχουν εκκινήσει από τους σταθμούς παραγωγής, όταν πλησιάζουν στις πόλεις συγκεντρώνονται σε υποσταθμούς υποβιβασμού 400/150kV, μέσω χρήσης μετασχηματιστών. Από εκεί και πέρα, ανάλογα με τις απαιτήσεις του καταναλωτή επέρχονται διαδοχικές υποβιβάσεις τάσεως σε νέους υποσταθμούς μέσω μετασχηματιστών. [7] Εικόνα 5 - Δίκτυο Διανομής[3] 2.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύων μέσης τάσης και χρησιμοποιούμενα υλικά [5] Ο τρόπος με τον οποίο θα καταστρωθεί το δίκτυο από πλευράς υλικών εξαρτάται από τη διαμόρφωση του εδάφους, αλλά και από περιορισμούς νομικής φύσεως. 21

23 Οι εναέριες κατασκευές αποτελούνται από γυμνούς αγωγούς που διαθέτουν κλώνους αλουμινίου με ψυχή χάλυβα και τούτο διότι το αλουμίνιο αν και φτηνότερο και ελαφρύτερο από το χαλκό, υστερεί σε μηχανική αντοχή και αγωγιμότητα. Αυτοί οι αγωγοί αναρτώνται σε πυλώνες μέσω αλυσίδων μονωτήρων από πορσελάνη ή γυαλί. Εικόνα 6 Αγωγός Αλουμινίου[3] Κατά τη διαδικασία της επιλογής του κάθε υλικού δίνεται ιδιαίτερη σημασία να τηρούντα οι εξής προϋποθέσεις: χαμηλό ειδικό βάρος, μηχανική αντοχή, ηλεκτρική αγωγιμότητα, μικρό κόστος και τέλος η ελάχιστη οξείδωση στον αέρα. Πιο ειδικά, οι αγωγοί είναι το πιο σημαντικό εξάρτημα καθώς απαιτούν το 40% των χρημάτων κατασκευής γι αυτό και η επιλογή τους γίνεται προσεκτικά. Λαμβάνονται υπόψη πολλοί παράγοντες όπως οι μηχανικές και οι ηλεκτρικές ιδιότητες. Οι πρώτοι αγωγοί ήταν κατασκευασμένοι από χαλκό, αργότερα από αλουμίνιο και τέλος ήρθε η συμπληρωματική ενίσχυση με χάλυβα σε μια προσπάθεια να βελτιώσουν τη σχέση απόδοσης κόστους. Εξετάζοντας τους στύλους, διαχωρίζονται σε ξύλινους ή οπλισμένου σκυροδέματος. Οι δεύτεροι είναι πιο ακριβοί και δύσκολοι στην εγκατάσταση, όμως έχουν κ μεγαλύτεροι διάρκεια ζωής. Σημαντικό εξάρτημα αποτελούν οι μονωτήρες οι οποίοι οφείλουν να έχουν μεγάλη μηχανική αντοχή γιατί πέρα από το βάρος της 22

24 κατασκευής, επιβαρύνονται κι από τις καιρικές συνθήκες. Κατασκευάζονται από πορσελάνη κατά βάση, καθώς οι γυάλινοι είναι πιο ευαίσθητοι και τοποθετούνται με τη μορφή αλυσοειδούς, ενώ σημαντικό είναι το πώς θα σχεδιαστούν καθώς και οι διαστάσεις τους. Σχετικά με τους μετασχηματιστές, αυτών τα χαρακτηριστικά ορίζονται από προκαθορισμένες προδιαγραφές. Η ΔΕΗ χρησιμοποιεί μετασχηματιστές πλήρωσης λαδιού που διαθέτει διηλεκτρικές και ψυχτικές ιδιότητες. Χρησιμοποιούνται και κάποιοι πιο οικολογικοί, πειραματικά, που χρησιμοποιούν υγροποιημένο άζωτο. 23

25 Κεφάλαιο:3 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ 3.1 Ορισμοί [10] Αρχικά θεωρούμε απαραίτητο να δοθούν ορισμένοι ορισμοί που συναντώνται στη συγκεκριμένη διπλωματική, αλλά και που πιο γενικά είναι χρήσιμο να γνωρίζονται σχετικά με το αντικείμενο που εξετάζουμε εδώ. 1. Ανάστροφο βραχυκύκλωμα κεραυνού (back flashover): Βραχυκύκλωμα στη μόνωση ενός μέρους δικτύου ή ηλεκτρικής εγκατάστασης που βρίσκεται κανονικά στο δυναμικό του εδάφους και προκαλείται από κεραυνικό πλήγμα. 2. Βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (basic impulse insulation level): Αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνού 3. Άμεσο πλήγμα (direct stroke): Κεραυνικό πλήγμα σε κάποιο μέρος ενός δικτύου ή ηλεκτρικής εγκατάστασης. 4. Ηλεκτρόδιο γείωσης(ground electrode): Ενας αγωγός σε στενή επαφή με το έδαφος με σκοπό της παροχή σύνδεσης με το έδαφος. 5. Γραμμή διανομής (distribution line): Γραμμές ηλεκτρικής ισχύος που διανέμουν ισχύ από έναν κύριο υποσταθμό στους καταναλωτές, συνήθως με τάση 34,5kV 6. Βραχυκύκλωμα (flashover): Μία 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. 7. Πυκνότητα κεραυνών (ground flash density, Ng): Ο μέσος αριθμός των πληγμάτων από κεραυνό ανά μονάδα χώρου και 24

26 ανά μονάδα χρόνου σε μια συγκεκριμένη περιοχή (κεραυνοί/km2/έτος). 8. Μονωτής επιτόνων (guy insulator): Ένα μονωτικό στοιχείο με επιμήκη μορφή και εγκάρσιες τρύπες ή σχισμές, με σκοπό τη μόνωση δύο μερών ενός επιτόνου ή την παροχή μόνωσης μεταξύ της κατασκευής και του στηρίγματος καθώς και την παροχή προστασίας σε περίπτωση κομμένων καλωδίων. 9. 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. 10. Έμμεσο πλήγμα (indirect stroke): Ένα χτύπημα κεραυνού που δεν χτυπά απευθείας κάποιο μέρος ενός δικτύου, αλλά μπορεί να προκαλέσει υπέρταση σε αυτό. 11. Επαγόμενη τάση (induced voltage): Η τάση που επάγεται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα γειτονικό πλήγμα. 12. Κεραυνικό πλήγμα (lightning flah): Η πλήρης εκφόρτιση ενός κεραυνού που συνήθως δημιουργείται από έναν ή περισσότερους αγωγούς ενός σύννεφου, ακολουθούμενη από ένα ή περισσότερα πλήγματα. 13. Πρώτο κεραυνικό πλήγμα (lightning first stroke): Η ηλεκτρική εκκένωση στο έδαφος που συμβαίνει όταν η άκρη ενός κατερχόμενου οχετού συναντηθεί με έναν ανερχόμενο από το έδαφος. 14. Ακόλουθο πλήγμα κεραυνού (lightning subsequent stroke): Μία εκκένωση κεραυνού που μπορεί να ακολουθήσει μία πορεία που έχει ήδη προδιαγράψει το πρώτο πλήγμα. 15. Έμμεσο πλήγμα (nearby stroke): Κεραυνικό πλήγμα το οποίο δεν καταλήγει σε κάποιο σημείο του δικτύου, αλλά επάγει σημαντική υπέρταση σε αυτό. 16. Ενάεριος αγωγός προστασίας (overhead groundwire): Γειωμένος αγωγός ή αγωγοί τοποθετημένοι πάνω από τους αγωγούς φάσης με σκοπό τη διακοπή άμεσων πληγμάτων. Είναι γειωμένοι άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. 25

27 17. 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. 18. Προστατευτικό διάκενο (spark gap): Οποιοδήποτε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμενένοι μεταξύ τους ή συνδέονται ηλεκτρικά σε κάποια απόσταση. 19. Αλεξικέραυνο (surge arrester): Προστατευτική διάταξη που περιορίζει τις υπερτάσεις στον εξοπλισμό, παρεκκλίνοντας την πορεία του ρεύματος και διατηρώντας τη συσκευή στην αρχική της κατάσταση. 3.2 Υπερτάσεις[8,9] Ως υπέρταση ορίζεται μια μη φυσιολογική τάση ανώμαλης μορφής που εμφανίζεται μεταξύ δύο σημείων του συστήματος και η οποία είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από τη μέγιστη τιμή τάσης που αναμένεται μεταξύ αυτών σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας. Είναι διαταραχές που δημιουργούντα από σφάλματα στη γραμμή τα οποία προκαλούνται από βλάβη στο υλικό, καταπόνηση, δυσμενή καιρικά φαινόμενα, ανθρώπινη ενέργεια και άλλα. Χωρίζονται στις εσωτερικές και τις εξωτερικές. Οι εσωτερικές μπορεί να είναι δυναμικές που προκαλούνται από απόρριψη φορτίου ή αποσύνδεση επαγωγικού φορτίου ή σε περιπτώσεις όπου η τάση άφιξης είναι μεγαλύτερη της τάσης αναχώρησης. Υπάρχουν επίσης και οι υπερτάσεις χειρισμών που προκαλούνται από οποιαδήποτε αλλαγή κατάστασης του δικτύου και διαδίδονται ως κύματα. Αυτές χωρίζονται στις εξής υποκατηγορίες πρόκλησης: 1) διακοπή χωρητικών ρευμάτων, 2) ζεύξη και απόζευξη ανοιχτών γραμμών μεταφοράς, 3) διακοπή ρευμάτων βραχυκυκλώματος, 4) διακοπή μικρών επαγωγικών ρευμάτων, 5) και τέλος ετεροχρονισμός φάσεων κατά τη ζεύξη επαγωγικών φορτίων. Οι εξωτερικές υπερτάσεις σχετίζονται με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις της ατμόσφαιρας, όπου καθώς φορτίζονται τα νέφη δημιουργείται 26

28 διαφορά δυναμικού μεταξύ συγκεντρωμένων φορτίων αντίθετης πολικότητας. Εικόνα 7 Είδη Υπερτάσεων [3] 3.3 Φαινόμενο κεραυνού[8] Ο πιο συχνός τρόπος εμφάνισης του κεραυνού είναι αυτός που δημιουργείται εντός σύννεφου, εμάς μας απασχολεί όμως αυτός που δημιουργείται μεταξύ σύννεφου και γης. Ο κεραυνός ξεκινάει από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης, όπου δύο ετερόσημα φορτία δημιουργούν ανάμεσά τους υψηλές πεδιακές εντάσεις που προκαλούν μια εσωτερική εκκένωση. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων που δημιουργείται, αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος, είτε κοντά στο έδαφος. Αντίστοιχα, η εκκένωση αυτή θα δημιουργήσει είτε ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης, είτε έναν ανερχόμενο. Βάση αυτού, αυτός ο οχετός χωρίζεται στις εξής απλές κατηγορίες, δηλαδή τον 27

29 κατερχόμενο αρνητικό, τον ανερχόμενο θετικό, τον κατερχόμενο θετικό και τον ανερχόμενο αρνητικό. Στη συνέχεια ακολουθούν κάποια χαρακτηριστικά και παράμετροι των κεραυνών που χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση τους και την αντιμετώπιση των προβλημάτων που δημιουργούν στις ανθρώπινες κατασκευές. Έχει οριστεί λοιπόν σαν τάση δοκιμής για τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις, η κρουστική 1.2/50 μsec. Σύμφωνα με την οδηγία IEC 60-1 υπάρχουν τα εξής χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης κρουστικής: Μέτωπο t1±30%, όπου t1~1.7 (t30% t90%) Ουρά t2±20% Εύρος U±3%, όπου η τάση U σχετίζεται με την ονομαστική του εξοπλισμού Τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι σημαντικό να αναφερθούν διότι η τάση διάσπασης ελέγχεται μέσω αυτής της κρουστικής ως τάση δοκιμής και είναι υπεύθυνη για να καθορίσει τα χαρακτηριστικά της κατασκευής των αλεξικέραυνων. Επιπροσθέτως, θα αναφέρουμε και κάποιες παραμέτρους του κεραυνού, όπως είναι α) η επαγόμενη τάση που έχει αρνητική επίδραση σε ηλεκτρικά και λογικά κυκλώματα, β) η ανύψωση δυναμικού τάσης που δημιουργεί προβλήματα σε πυλώνες υψηλής τάσης και οδηγεί σε απομαγνητίσεις, γ) το φορτίο που συμβάλλει στην τήξη των μεταλλικών επιφανειών, δ) η ενέργεια που προκαλεί θερμικά φαινόμενα, ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και άλλα. 3.4 Μέθοδοι προστασίας[6,8] Τα παραπάνω φαινόμενα βλέπουμε ότι μπορούν να αποβούν ιδιαιτέρως καταστροφικά για το δίκτυο, άρα είναι απαραίτητα κάποια μέσα προστασίας που στοχεύουν στο να κατευθύνουν την 28

30 κυματική τάση που θα δημιουργηθεί προς τη γη και όχι προς τη γραμμή καταστρέφοντας της ολοσχερώς. Οι πιο δημοφιλείς τρόποι αντιμετώπισης είναι οι ακίδες, οι αγωγοί γης και τα αλεξικέραυνα. Οι ακίδες αν και είναι απλές στην κατασκευή και φθηνές έχουν κάποια βασικά μειονεκτήματα. Το ένα είναι ότι πρέπει να διακόπτεται η τροφοδότηση του δικτύου σε κάθε λειτουργία μίας ακίδας, καθώς μετά την υπερπήδηση τους από κρουστικό κύμα εξακολουθούν να υπερπηδούνται από την τάση βασικής συχνότητας. Ένα άλλο είναι ότι κάποιες φορές τα κύματα έχουν μεγάλη κλίση μετώπου και η υπερπήδησή τους γίνεται σε πολύ υψηλές τάσεις. Προκειμένου να αποφευχθεί αυτό πρέπει να μειωθεί το διάκενό τους κι αυτό προκαλεί ανεπιθύμητες διασπάσεις σε μικρότερα κύματα. Συνεχίζοντας για τον αγωγό γης, αναφέρουμε ότι τοποθετείται πάνω από την εγκατάσταση που θέλουμε να προστατεύσουμε, ώστε να συγκεντρώνει και να απάγει προς τη γη τις ηλεκτρικές εκκενώσεις, μέσω των σωστών γειώσεων του στις θέσης που στηρίζεται. Οσον αφορά γραμμές μέσης τάσης, η γωνία προστασίας μεταξύ του επιπέδου αγωγού γης και του κατακόρυφου επιπέδου πρέπει να είναι περίπου 40 μοίρες. Τέλος, το πιο διαδεδομένο υλικό προστασίας είναι φυσικά το αλεξικέραυνο. Παρέχει το μεγαλύτερο βαθμό προστασίας καθώς η λειτουργία του βασίζεται στα δύο στοιχεία που διαθέτει, του κενού και της βαλβίδας. Το στοιχείο κενού αποτελείται από μια σειρά διακένων που διασπώνται στις υπερτάσεις, αλλά όχι στην τάση του δικτύου. Το στοιχείο της βαλβίδας διαθέτει σειρά μη γραμμικών αντιστάσεων που εμφανίζουν μικρή αντίσταση στις υπερτάσεις και μεγάλη στο ρεύμα των 50Hz, που ακολουθεί μια διάσπαση του αλεξικέραυνου. Επιτυγχάνει να περιορίζει αυτό το ρεύμα και να επιτρέπει τη σβέση των τόξων στα διάκενα. Το αλεξικέραυνο επίσης διαθέτει αποζευκτικές διατάξεις που σκοπό έχουν να διακόπτουν το ρεύμα προς τη γη που εμφανίζεται σε περίπτωση βλάβης. 29

31 Εικόνα 8 Αλεξικέραυνο [3] 3.5 Πανεπιστήμιο Πατρών και σύστημα ΖΕΥΣ [11,13] Από το 1985 λειτουργεί στο Πανεπιστήμιο Πατρών ένας σταθμός παρακολούθησης της κεραυνικής δραστηριότητας σε ακτίνα των 20 χιλιομέτρων και διαθέτει δύο μετρητές κεραυνών τύπου CIGRE 10khz. Ο ένας μάλιστα έχει κατασκευαστεί μέσα στο ίδιο το εργαστήριο Υψηλών Τάσεων της σχολής των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών. Αυτή ήταν και η πρώτη προσπάθεια καταγραφής κεραυνικών πληγμάτων πανελλαδικά, ενώ σήμερα ο σταθμός μέτρησης περιλαμβάνει 4 μετρητές, με τους δύο πιο πρόσφατους να έχουν κατασκευαστεί και αυτοί στο εργαστήριο. Σχετικά με το σύστημα ΖΕΥΣ, αποτελεί ένα δίκτυο ανίχνευσης αστραπών που λειτουργεί στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών. Ο τρόπος με τον οποίο καταγράφονται τα δεδομένα βασίζεται στο ότι, καθώς συμβαίνει μια ηλεκτρική εκκένωση και έρχεται σε επαφή με το έδαφος, εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χαμηλής συχνότητας η οποία διαδίδεται σφαιρικά από το σημείο όπου συνέβη με πολύ μεγάλες ταχύτητες. Σύμφωνα με το σύστημα ΖΕΥΣ λοιπόν, αν διαθέτουμε μια κεραία μπορούμε να ξεχωρίσουμε δύο κεραυνικά πλήγματα εκμεταλλευόμενοι το γεγονός ότι η κυματομορφή της ακτινοβολίας για κάθε πλήγμα είναι μοναδική. Σε περίπτωση που τοποθετήσουμε τέσσερις σταθμούς που θα καταγράφουν την κυματομορφή σε διαφορετικούς χρόνους και 30

32 πάντα σχετιζόμενοι από την απόσταση του καθενός από το σημείο του συμβάντος, υπολογίζουμε τις αντίστοιχες διαφορές χρόνου άφιξης με βάση ένα σταθμό αναφοράς που έχουμε θέσει. Τέλος υπολογίζεται ο κοινός γεωμετρικός τόπος των σημείων για τα οποία η διαφορά άφιξης του σήματος μεταξύ σταθμού αναφοράς και ενός άλλου είναι ο ίδιος και αν επαναληφθεί για κάθε σταθμό το ίδιο, το σημείο που έχει σημειωθεί η ηλεκτρική εκκένωση θα ταυτίζεται με το σημείο τομής του γεωμετρικού αυτού τόπου. 31

33 Κεφάλαιο:4 ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ 4.1 Εισαγωγή Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα μελετήσουμε μετρήσεις που έχουν παρθεί από διάφορες περιοχές ανά την Ελλάδα και υποδεικνύουν σφάλματα που έχουν σημειωθεί στις γραμμές των δικτύων μέσης τάσης, ενώ θα επικεντρωθούμε στα κεραυνικά (ή οφειλόμενα σε καιρικά) φαινόμενα. Τούτο διότι επιδιώκουμε να εξάγουμε συμπεράσματα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο η γεωγραφική περιοχή, αλλά και η τοπολογία του εδάφους μπορούν να αποτελέσουν παράγοντα που επηρεάζει την αξιοπιστία του δικτύου. Δυστυχώς, λόγω της φύσης της μελέτης των σφαλμάτων αυτών και το γεγονός ότι δεν είναι εύκολο να γνωρίζουμε «ακριβώς» με ποιον τρόπο έχει προκύψει το κάθε σφάλμα, δεν είναι εύκολο να θεωρήσουμε «απολύτως» αξιόπιστα τα νούμερα που συμπεριλαμβάνονται στην έρευνα. Αυτό συμβαίνει, διότι προφανώς, κάθε στιγμή που συμβαίνει μια διακοπή ή μια βλάβη στη γραμμή, δεν είναι δυνατό να υπάρχει αυτόπτης μάρτυρας του αιτίου, ούτε είναι πάντα εφικτό να αναγνωρίζεται αυτό έπειτα, βασιζόμενοι στο είδος της φθοράς. Βέβαια το γεγονός ότι έχουμε συμπεριλάβει δεδομένα από αρκετές περιοχές και σε ευρύ χρονικό διάστημα, συν της εμπειρίας που υπάρχει μέσω των βιβλιογραφιών για διαχωρισμό αυτών των σφαλμάτων, οδηγεί στη βεβαιότητα πως τα αποτελέσματα της μελέτης τείνουν πάρα πολύ κοντά στην πραγματικότητα. Οφείλουμε να τονίσουμε πως στη συγκεκριμένη έρευνα οι μετρήσεις μας αφορούν τα έτη που μπορέσαμε να συγκεντρώσουμε δεδομένα. Αξίζει να σημειωθεί πως κατά το 2003 οι γραμμές του 32

34 δικτύου πανελλαδικά έτυχαν βελτίωσης προστασίας, μέσω αναβάθμισης των υλικών, γεγονός που κάνει την έρευνά μας σύγχρονη και αξιόπιστη. Καθώς δεν είχαμε δεδομένα από τον ίδιο αριθμό ετών για κάθε πόλη, θα παρουσιάσουμε πίνακες με την απόκλιση πραγματικών με θεωρητικών δεδομένων που επιβεβαιώνουν πως όσο πιο μεγάλο ήταν το δείγμα μας, τόσο πιο αξιόπιστα και κοντά στο μέσο όρο ήταν τα αποτελέσματά μας. Τέλος, πρέπει να τονιστεί σε αυτό το σημείο ότι όλοι οι θεωρητικοί υπολογισμοί που αναφέρονται παρακάτω έχουν υπολογιστεί σύμφωνα με τη οδηγία της ΙΕΕΕ για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Βάση αυτών δηλαδή, συν των πραγματικών δεδομένων που έχουμε αντλήσει από τη ΔΕΗ θα κάνουμε τις συγκρίσεις και θα διεξάγουμε τα συμπεράσματά μας. 4.2 Μετρήσεις και πίνακες [10, 14-27] Για τα γραφήματα που θα ακολουθήσουν έχουμε συμπεριλάβει μετρήσεις φοιτητών του τμήματος από τις αντίστοιχες διπλωματικές τους που έχουν κάνει υπολογισμό θεωρητικών σφαλμάτων βάση χρήσης των κατάλληλων τύπων της οδηγίας ΙΕΕΕ. Επίσης, έχουν παρθεί από εκεί τα αντίστοιχα πραγματικά δεδομένα που έλαβε ο καθένας από την ΔΕΗ της περιοχής του. Όλα τα δεδομένα αυτά τα έχω επεξεργαστεί και συγκρίνει ο ίδιος με σκοπό να διαμορφώσω διάφορα κριτήρια γεωγραφικών συσχετισμών. Τελικά προέκυψαν οι κάτωθι μετρήσεις όπως και παρουσιάζονται. 33

35 Πραγματικά / km Θεωρητικά / km Γράφημα 1 - Σύγκριση πραγματικών/ θεωρητικών δεδομένων για σφάλματα ανά χιλιόμετρο Στον παραπάνω πίνακα παρουσιάζουμε τις περιοχές, τα δεδομένα των οποίων θα χρησιμοποιήσουμε για να εξάγουμε τα συμπεράσματά μας. Παρατηρείται μια ποικιλομορφία καθώς πρόκειται για περιοχές της δυτικής και ανατολικής ηπειρωτικής Ελλάδας, καθώς και για νησιά. Υπάρχει μια παράθεση των θεωρητικών δεδομένων ( που έχουν υπολογιστεί από τους τύπους που προαναφέραμε ), καθώς και των πραγματικών που προκύπτουν από τις μετρήσεις που έχουν παρθεί από την ΔΕΔΔΗΕ της εκάστοτε περιοχής. Είναι λογικό τα θεωρητικά δεδομένα να εμφανίζονται παντού υψηλότερα των πραγματικών. Ενας από τους σημαντικότερους λόγους που συμβαίνει αυτό είναι η ελλιπής πληροφορία για το συντελεστή προστασίας των γραμμών διανομής Sf, καθώς σε όλες τις περιπτώσεις οι θεωρητικοί υπολογισμοί έχουν γίνει με τη θεωρητική προσέγγιση της τιμής αυτής, βάση των στοιχείων της ΔΕΗ, αντί να 34

36 εξεταστεί κάθε περιοχή της γραμμής ξεχωριστά. Πρέπει να τονιστεί πως αυτό είναι ένα δύσκολο εγχείρημα, λόγω του μεγάλου μήκους των γραμμών, καθώς επίσης και της φυσιολογίας της κάθε περιοχής. Ενας άλλος παράγοντας που παίζει ρόλο είναι πως οι κλιματολογικές συνθήκες κάθε περιοχής δεν είναι οι ίδιες κάθε χρόνο. Για το λόγο αυτό έχει επιλεχθεί ένα μέσο Td (μέρες με καταιγίδα το χρόνο) και τα αποτελέσματα προκύπτουν σύμφωνα με αυτό. Τέλος, παίζει σημαντικό ρόλο αυτό που αναφέρθηκε και νωρίτερα, το ότι δηλαδή δεν είναι εύκολο σε καμία περίπτωση να γνωρίζουμε την αιτία ακριβώς του σφάλματος κι αν είναι όντως κεραυνικό, καθώς προφανώς οι τεχνικοί της ΔΕΗ δεν βρίσκονται στο σημείο του σφάλματος τη στιγμή που αυτό συμβαίνει Θεωρητικά Δεδομένα Γράφημα 2 - Θεωρητικά δεδομένα σε φθίνοντα αριθμό ανά χιλιόμετρο 35

37 Πραγματικά δεδομένα Γράφημα 3 - Πραγματικά δεδομένα σε φθίνοντα αριθμό ανά χιλιόμετρο Για να επιβεβαιωθεί αυτό που αναφέραμε και πριν, η ταξινόμησή τους διαφέρει από τον ένα πίνακα στον άλλο, αν και στις πρώτες τουλάχιστον θέσεις παρουσιάζεται μια ομοιογένεια, με τις Ρόδο, Ναύπακτο, Χίο, Λακωνία, Καλαμάτα και Αχαΐα να βρίσκονται στις ψηλότερες θέσεις και στις δύο περιπτώσεις. Αφού είδαμε λοιπόν τις περιοχές τις οποίες θα μελετήσουμε και έχουμε μια πρώτη εικόνα της συχνότητας σφαλμάτων σε κάθε μία από αυτές, από εδώ και πέρα θα ορίσουμε διάφορες κατηγορίες. 36

38 Απόκλιση Γράφημα 4 - Απόκλιση μεταξύ θεωρητικών και πραγματικών δεδομένων σε φθίνοντα αριθμό Ο παραπάνω πίνακας έχει ευθεία αντιστοίχηση σχετικά με τον αριθμό των ετών που προστίθενται για να υπολογιστεί ο μέσος όρος και εν συνεχεία η απόκλιση. Ετσι λοιπόν όσων περισσότερων ετών πραγματικά δεδομένα έχουμε για κάθε πόλη, τόσο μικρότερη παρουσιάζεται η απόκλιση σε σχέση με τα θεωρητικά. Εν προκειμένω, η Κρήτη ήταν η περιοχή από αυτές που είχαμε στη διάθεσή μας που είχε δεδομένα από τα λιγότερα χρόνια. Ο συγκεκριμένος πίνακας παρουσιάζεται για να έχουμε μια εικόνα στη συνέχεια των γραφημάτων επί του βαθμού αξιοπιστίας της κάθε περιοχής. 37

39 Πραγματικά Θεωρητικά Απόκλιση 37.9% Γράφημα 5 - Πανελλαδικοί Μέσοι Όροι ανά χιλιόμετρο Εδώ παρατίθεται ο πίνακας με τους πανελλαδικούς μέσους όρους για να αποτελέσει έναν οδηγό των διαγραμμάτων από εδώ και πέρα. Θα προσπαθήσουμε στη συνέχεια να δούμε πως επηρεάζουν τα αποτελέσματά μας οι θερμοκρασίες που επικρατούς στις δυτικές περιοχές καθώς σύμφωνα με την ΕΜΥ είναι αυτές που παρουσιάζουν πιο συχνές βροχές και πιο άστατα καιρικά φαινόμενα. Σε αυτή την προσπάθεια θα κατηγοριοποιήσουμε πόλεις που έχουν θάλασσα από τα δυτικά, τις ηπειρωτικές που είναι λιγότερο ευάλωτες σε ανέμους, καθώς και τα νησιά που παρουσιάζουν πιο τυχαία συμπεριφορά. 38

40 Πραγματικά Μ.Ο Δυτικές Ηπειρωτικές Νησιά Γράφημα 6 - Πραγματικά δεδομένα ανά χιλιόμετρο και σύγκριση με το μέσο όρο τους Στο παραπάνω γράφημα επιβεβαιώνεται η πρόβλεψή μας πως οι πόλεις που βάλλονται από δυτικά καιρικά φαινόμενα (έχουν δηλαδή ως αποτέλεσμα πιο έντονες καιρικές συνθήκες) και δεν έχουν βουνά να τις προστατεύουν στα δυτικά τους, παρουσιάζουν και τα περισσότερα σφάλματα στις γραμμές τους, αφού ξεφεύγουν του μέσου όρου. Πέραν αυτού, παρόλο που τα νούμερα στα νησιά προσεγγίζουν το μέσο όρο πρέπει να τονιστεί ότι αυτό εμπεριέχει μια τυχαιότητα, καθώς όπως είδαμε και παραπάνω τα πραγματικά σφάλματα διαφέρουν πολύ από νησί σε νησί. Θα εξετάσουμε τώρα πιο γενικά το κατά πόσο η ύπαρξη θάλασσας δίπλα στη γραμμή επηρεάζει και τα σφάλματα για αυτό και στην επόμενη κατηγορία μας θα χωρίσουμε τις πόλεις αναλόγως. 39

41 Πραγματικά Μ.Ο Παραθαλάσσιες Υπόλοιπες Γράφημα 7 - Σύγκριση πραγματικών δεδομένων σχετικά με τον πανελλήνιο μέσο όρο για παραθαλάσσιες και μη περιοχές Στο παραπάνω γράφημα συμπεραίνουμε πως όντως οι παραθαλάσσιες περιοχές είναι πιο ευάλωτες στα κεραυνικά σφάλματα. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τον παρακάτω πίνακα που δείχνει τα Νg ( τα πλήγματα εδάφους ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο κάθε χρόνο ) και βασίζεται σε μια μελέτη που διεξήγαγε το ίδιο το τμήμα και ο τομέας των ΣΗΕ και αφορά τα έτη

42 Νg Γράφημα 8 - Πίνακας με τα πλήγματα εδάφους ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανάλογα με το γεωγραφικό διαμέρισμα Καθώς ο συντελεστής Ng εξαρτάται άμεσα από τις μέρες καταιγίδας, Ng = 0.04Τd 1.25 καταλήγουμε στο προφανές συμπέρασμα αν αντιστοιχήσουμε τα δύο παραπάνω γραφήματα, ότι δηλαδή πόλεις με περισσότερες μέρες βροχής, καταλήγουν να έχουν και περισσότερα πραγματικά κεραυνικά πλήγματα στις γραμμές μέσης τάσης τους. 41

43 Πραγματικά δεδομένα 530m 369m 325m 235m 175m 189m 83m 53m 26m 23m 18m 4m 3m 2m Γράφημα 9 - Πραγματικά σφάλματα ανά χιλιόμετο για περιοχές τοποθετημένες σε φθίνοντα αριθμό σχετικά με το μέσο υψόμετρο της γραμμής Εδώ γίνεται μια προσπάθεια να εξετάσουμε το κατά πόσο το υψόμετρο της γραμμής επηρεάζει τον αριθμό σφαλμάτων της. Έχουμε υπολογίσει το μέσο υψόμετρο κάθε γραμμής και στη συνέχεια τοποθετήσαμε τις περιοχές βάση του γραφήματος. Από την «αταξία» που παρατηρείται συμπεραίνουμε πως το υψόμετρο που βρίσκεται η κάθε γραμμή δεν επηρεάζει τα σφάλματα που συμβαίνουν σε αυτή. Αυτό είναι λογικό, αφού όπως θα δούμε και παρακάτω σημασία έχει η μορφολογία του εδάφους και το ποσό προστατευμένη είναι δεξιά και αριστερά η γραμμή. 42

44 Απόσταση σε km Γράφημα 10 - Φθίνουσα σειρά ανάλογα με την απόσταση της γραμμής από τη θάλασσα 0.6 Πραγματικά δεδομένα Γράφημα 11 - Πραγματικά σφάλματα ανά χιλιόμετρο σε σύγκριση με την απόστασή τους από τη θάλασσα 43

45 Επιβεβαιώνοντας και την προηγούμενη διαπίστωση κρίνουμε πως ούτε η απόσταση από τη θάλασσα επηρεάζει τα σφάλματα. Υπάρχει βέβαια το παράδοξο του προηγούμενου γραφήματος, με τις παραθαλάσσιες περιοχές που έρχεται σε αντιδιαστολή με το συγκεκριμένο συμπέρασμα. Μπορεί να εξηγηθεί όμως ως εξής: όλες οι παραθαλάσσιες περιοχές της έρευνας μας ( πλην φυσικά των νησιών ) είναι της δυτικής ηπειρωτικής Ελλάδας. Το γεγονός αυτό μας κάνει να συνειδητοποιούμε ότι δεν έχει εν τέλει σημασία αν βρίσκεται κοντά στη θάλασσα η γραμμή μας, αλλά αν βάλλεται από τους δυτικούς ανέμους που είναι και οι πιο δυνατοί και γενικά από καιρικές συνθήκες στα δυτικά. Επομένως, ο αυξημένος αριθμός σφαλμάτων που εμφανίζονται οφείλονται στο ότι στα δυτικά τους είναι ακάλυπτες, έχουν δηλαδή απουσία γεωγραφικής ή κτιριακής προστασίας. Στην παρακάτω εικόνα έχουμε χωρίσει χρωματικές κατηγορίες ανάλογα με το υπέδαφος της κάθε περιοχής. Ως γνωστόν, οι περιοχές με χαμηλή βλάστηση ή οι πεδιάδες έχουν λιγότερη προστασία από κεραυνούς σε σχέση με ορεινές ή δενδρώδεις περιοχές, καθώς η ίδια η μορφολογία του εδάφους μπορεί να προκαλέσει «ασπίδα» για τη γραμμή. Έτσι λοιπόν χωρίσαμε τις εξής χρωματικές κατηγορίες: 44

46 Εικόνα 9 - Χρωματική διαβάθμιση σχετιζόμενη με την τοπολογία του εδάφους Παρουσιάζουμε παρακάτω το γράφημα με τα πραγματικά δεδομένα κάθε περιοχής συναρτήσει της τοπολογίας της, για να ελέγξουμε αν επιβεβαιώνεται η αρχική μας θεώρηση. 45

47 Πραγματικά δεδομένα Γράφημα 12 - Πίνακας πραγματικών δεδομένων ορισμένος από τη χρωματική κατηγοριοποίηση Εύκολα λοιπόν συμπεραίνουμε την άμεση εξάρτηση μεταξύ υπεδάφους και πραγματικών πληγμάτων. Είναι λογικό ότι υπάρχουν διάφορα στοιχεία στη φύση που μπορούν να επηρεάσουν την προστασία των γραμμών, όπως είναι υψηλή βλάστηση, δέντρα ή βουνά. Μια προστατευμένη γραμμή δέχεται πολύ λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών απ ότι μια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος. 3.3 Γενικά Συμπεράσματα Αφού συγκεντρώσαμε όλα τα γραφήματα καταλήξαμε σε όλα τα συμπεράσματα που θα μπορούσαμε που έχουν να κάνουν με τη γεωγραφική θέση της κάθε περιοχής, όπως και παρουσιάζονται: 1. Είναι λογικό και επιδιωκόμενο τα θεωρητικά σφάλματα να είναι περισσότερα των πραγματικών. Εκ πρώτης όψης δεν μπορούμε να είμαστε πάντα βέβαιοι για την αξιοπιστία των στοιχείων της ΔΕΔΔΗΕ, αλλά κρίνοντας το δείγμα μας αρκετά μεγάλο για να αποτύχει, καταλήγουμε ότι οι γραμμές σήμερα στη χώρα έχουν έναν πολύ υψηλό βαθμό προστασίας, εξ ου και ο λόγος που τα προσδοκώμενα βάσει θεωρητικής ανάλυσης υπερτερούν των πραγματικών. 46

48 2. Όσο πιο κεντρικά βρίσκεται η περιοχή τόσο πιο αναμενόμενος είναι συνήθως και πιο μικρός ο συνολικός αριθμός των σφαλμάτων τους. Υπάρχει βέβαια και η περίπτωση των νήσων, όμως όπως προείπαμε το γεγονός της τυχαιότητας της θερμοκρασίας και των ημερών βροχής, της τοπολογίας της περιοχής, αλλά και του μικρού δείγματος εν προκειμένω για την έρευνα μας, θα έκανε αναξιόπιστο κάποιο παραπάνω συμπέρασμα ως προς αυτά. 3. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που καθορίζουν τα σφάλματα είναι το Ng. 4. Η τοπολογία του εδάφους και κυρίως η φυσική ή τεχνητή προστασία που παρέχεται περιμετρικά της γραμμής παίζουν τον πιο καθοριστικό παράγοντα. 5. Η απόσταση από τη θάλασσα σε ευθεία γραμμή και ανεξάρτητα από τη μεριά την οποία βρίσκεται, όπως επίσης και το φυσικό υψόμετρο της γραμμής δεν επηρεάζουν τις πραγματικές μετρήσεις. Συνοψίζοντας, η συγκεκριμένη διπλωματική καταλήγει σε ένα βασικό συμπέρασμα, βάσει των στοιχείων που κατάφερε να συγκεντρώσει και να μελετήσει. Από καθαρά γεωγραφική άποψη οι γραμμές που βρίσκονται σε περιοχές που βάλλονται από τα δυτικά μη έχοντας κάποια φυσική «ασπίδα» έχουν και τη μεγαλύτερη πιθανότητα να εμφανίσουν περισσότερα πραγματικά σφάλματα ανά χιλιόμετρο. Δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι ακριβώς για το λόγο που μπορεί να προκύπτει αυτό, μιας και ούτε η ΕΜΥ παρουσιάζει κάποια ποικιλία συμπερασμάτων για τις περιοχές αυτές. Μπορούμε ωστόσο να καταλήξουμε ότι ο συνδυασμός των άτακτων δυτικών καιρικών συνθηκών με τις μέρες βροχής, συν αυτό που αναφέραμε παραπάνω, καταλήγουν να μας οδηγούν σε αυτά τα συμπεράσματα. Είναι μια πρώτη προσπάθεια που γίνεται πανελλαδικά για να καταλήξουμε σε τέτοια συμπεράσματα, όμως το γεγονός πως καταφέρνουμε να απορρίψουμε διάφορους άλλους γεωγραφικούς παράγοντες όπως είναι το υψόμετρο και η απόσταση από τη θάλασσα είναι πάρα πολύ σημαντικό και χρήσιμο για μελέτες που θα ακολουθήσουν. 47

49 Βιβλιογραφία [1] [2] Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, Βοβός Ν., Γιαννακόπουλος Γ., Εκδόσεις Ζήτη, Ιούλιος 2008, [3] [4] Μήλιας-Αργείτης Ι. (1999), Εισαγωγή στα ΣΗΕ., Πανεπιστήμιο Πατρών, [5] Μπακιρτζής Α. (1998), Οικονομική λειτουργία συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, [6] Μαινεμενλής Χρ. (2004), Μόνωση δικτύων υψηλής τάσης, Πανεπιστήμιο Πατρών, [7] Πυργιώτη Ελ. (2008), Εξοπλισμός Υψηλών Τάσεων, σημειώσεις μαθήματος, [8] Πυργιώτη Ελ. (2004), Σχεδιασμός προστασίας κατασκευών από κεραυνούς, Πανεπιστήμιο Πατρών, [9] Πυργιώτη Ελ. (2004), Συνθετικοί μονωτήρες και επικαλύψεις μονωτήρων υψηλής τάσης, σημειώσεις, Πανεπιστήμιο Πατρών, [10] IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines (IEEE Std ), [11] Τσανάκας Δ. (1998), Εισαγωγή στα ΣΗΕ, Πανεπιστήμιο Πατρών, [12] [13] [14] Αδαμίδης Χριστόφορος: Συγκριτική Μελέτη Σφαλμάτων από Κεραυνούς σε γραμμές Μέσης Τάσης, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα

50 [15] Ταμβάκος Δημήτριος: Μελέτη αντικεραυνικής συμπεριφοράς διανομής Αιγίου- Καλαβρύτων, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2009 [16] Χελιώτης Θεόδωρος: Μελέτη Σφαλμάτων σε Δίκτυα Μέσης Τάσης, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2015 [17] Κάλλης Χρήστος: Συγκριτική Μελέτη Σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης στην περιοχή Άμφισσας, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2016 [18] Μακρυγιάννης Νικόλας : Μελέτη αντικεραυνικής συμπεριφοράς εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας στην περιοχή της Καλαμάτας, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2011 [19] Χατζηγεωργίου Πρόδρομος: Ανάλυση Σφαλμάτων γραμμών διανομής Μέσης Τάσης Νομού Αιτωλ/νίας από κεραυνικά πλήγματα, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2014 [20] Ζήσης Βασίλειος: Σφάλματα στο δίκτυο μέσης τάσης νήσου Κρήτης, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2012 [21] Παναγιώτης Κόνιαρης: Μελέτη Σφαλμάτων σε Δίκτυα Μέσης Τάσης στο νομό Λακωνίας, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2015 [22] Βλάχος Κωνσταντίνος: Συγκριτική Μελέτη Σφαλμάτων σε Δίκτυα Μέσης Τάσης, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2016 [23] Ελληνας Εμμανουήλ: Ανάλυση Σφαλμάτων Δικτύου Μέσης Τάσης(διανομής) νήσου Ρόδου από πλήγματα κεραυνών, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2013 [24] Ζήρας Γαβριήλ: Μελέτη Σφαλμάτων από κεραυνούς σε Δίκτυα Μέσης Τάσης, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2013 [25] Κρατημένος Ιωάννης: Μελέτη Σφαλμάτων από κεραυνούς σε Γραμμές Μέσης Τάσης της περιοχής Τριπόλεως, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα 2013 [26] Αμπράζης Γεώργιος-Μάριος: Μελέτη Σφαλμάτων σε γραμμές Μέσης Τάσης της περιοχής Χαλκίδας, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα

51 [27] Μπεκιάρης Πέτρος: Μελέτη Σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές Μέσης Τάσης της νήσου Χίου, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα