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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΖΗΡΑ ΓΑΒΡΙΗΛ Αριθμός Μητρώου: 6253 Θέμα: ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα:

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΖΗΡΑ ΓΑΒΡΙΗΛ Α.Μ.: 6253 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγηση και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υπάλληλο της ΔΕΗ Τρικάλων κ. Κώστα Αναγνωστόπουλο για την πολύτιμη βοήθεια του και τη διάθεση του αρχείου βλαβών της ΔΕΗ. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την στήριξή τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Φοιτητής: ΖΗΡΑΣ ΓΑΒΡΙΗΛ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε αυτή την διπλωματική εργασία γίνεται μελέτη των σφαλμάτων των εναέριων γραμμών διανομής μέσης τάσης από καταπονήσεις κεραυνών στην περιοχή του νομού Τρικάλων. Η εργασία αυτή αναλύει και παρέχει με σχετική ακρίβεια προβλέψεις για σφάλματα από κεραυνικά πλήγματα στις γραμμές διανομής ηλεκτρικής ενέργειας μέσης τάσης. Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις έννοιες που σχετίζονται με τους κεραυνούς και τα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κεραυνοί είναι ένα φυσικό φαινόμενο που δημιουργούν μεγάλα προβλήματα στις ηλεκτρικές συσκευές, στα ηλεκτρικά συστήματα καθώς και στην ασφάλεια του ανθρώπου. Ένα κεραυνικό πλήγμα μπορεί να είναι άμεσο ή έμμεσο αλλά προκαλεί βραχυκυκλώματα και στις δυο περιπτώσεις ειδικότερα εάν η γραμμή διανομής είναι απροστάτευτη. Επιπλέον αναφέρονται οι θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές συνέπειες των κεραυνών. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση του δικτύου της ΔΕΗ, της μεταφοράς και της διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως επίσης και των ειδών των υποσταθμών. Τέλος γίνεται αναφορά στα είδη των σφαλμάτων, στα αίτια πρόκλησής τους και στους τρόπους αντιμετώπισής τους. Στο 2 ο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας αναφέρεται η οδηγία της ΙΕΕΕ για τη βελτίωση της αντικεραυνικής συμπεριφοράς των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός της είναι να παρουσιάσει λύσεις για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής. Επιπλέον προσδιορίζεται η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση πτώσης κεραυνού (πλήγματα κεραυνών και βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση), το αναγκαίο επίπεδο μόνωσης των γραμμών διανομής, η προστασία των γραμμών διανομής με προστατευτικό αγωγό καθώς επίσης και η προστασία των γραμμών με αλεξικέραυνα. 4

5 Το 3 ο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας εστιάζει στην επεξεργασία των μετρήσεων και στα συμπεράσματα που καταλήξαμε. Αρχικά γίνεται ο θεωρητικός υπολογισμός των κεραυνικών σφαλμάτων, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της οδηγίας της ΙΕΕΕ. Έπειτα τα καταγεγραμμένα σφάλματα από κεραυνικά πλήγματα συλλέχτηκαν και κατηγοριοποιήθηκαν από το αρχείο βλαβών της ΔΕΗ Τρικάλων για την χρονική περίοδο παρέχοντας την πραγματική τιμή των κεραυνικών σφαλμάτων. Η μελέτη έγινε ενδεικτικά σε 4 γραμμές εξασφαλίζοντας ότι μεταξύ τους έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια έγινε μια λεπτομερής σύγκριση θεωρητικών και πραγματικών δεδομένων με διαγράμματα, κατηγοριοποιώντας τα σφάλματα ανά χρόνο και ανά μήνα για τα έτη Τέλος από όλη αυτή τη διαδικασία καταλήξαμε σε κάποια συμπεράσματα τα οποία και διατυπώσαμε. 5

6 ABSTRACT This diploma thesis focuses on the lightning performance of electric power overhead distribution lines in the prefecture of Trikala. This paper analyzes and provides relatively accurate forecast errors from lightning strikes on power distribution lines MV. In the first chapter is an introduction to the concepts associated with lightning and electricity distribution networks. Lightning is a natural phenomenon that creates major problems in electrical appliances, electrical systems and the security of person. A lightning strike in can be direct or indirect but causing short circuits in both cases especially if the distribution line is unprotected. Furthermore indicating the thermal, mechanical and electrical effects of lightning. There is also an analysis of the DEH network, of transmission and distribution network of electricity, as well as the types of substations. Finally we refer to the kinds of errors, the causes of its occurrence and ways to overcome them. The second chapter of this thesis describes the "IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines". The main purpose is to present alternative solutions to reduce the number of flashovers caused by the lightning strike on overhead distribution lines. Specifically we deal with the lightning performance of the overhead distribution lines during lightning (either direct strike or induced flashover), the insulation level of distribution lines, the protection of the distribution lines with a shield wire or arresters. The third chapter of this thesis focuses on the analysis of the measurements and the conclusions reached. Initially in the theoretical calculation of the lightning faults, using the methodology of Directive IEEE. Then the recorded errors by lightning strikes were collected and categorized by files of DEH in Trikala for the period provide the actual value of the lightning faults. The study was limited to four lines by ensuring that each have different characteristics. Then became a detailed comparison of theoretical and actual data charts, categorizing errors by year and month for the years Finally this whole process ended up with some conclusions. 6

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 4 ABSTRACT... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο - ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΣΥΝΝΕΦΟΥ ΟΡΙΣΜΟΙ ΣΧΕΤΙΚΟΙ ΜΕ ΤΟΝ ΚΕΡΑΥΝΟ ΕΙΔΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΟΠΟΙΑ ΣΥΜΒΑΙΝΟΥΝ ΚΕΡΑΥΝΟΙ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΑΕΡΙΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΙΔΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΙΤΙΑ ΠΡΟΚΛΗΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ (ΜΕΣΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ) ΑΚΙΔΕΣ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ ΑΓΩΓΟΣ ΓΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο - ΙΕΕΕ - ΟΔΗΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΤΙΣ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

8 2.3 ΟΡΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ ΜΕΓΙΣΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΥΨΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΠΟ ΚΟΝΤΙΝΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΔΕΝΤΡΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΤΑΣΗ CFO ΤΗΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΖΟΝΤΑΣ ΤΗΝ CFO ΤΑΣΗ ΓΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΜΟΝΩΣΕΙΣ ΣΕΙΡΑΣ ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΤΟΝΑ ΔΙΑΚΟΠΗ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΥΨΟΣ ΟΥΔΕΤΕΡΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΑΓΩΓΙΜΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΓΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΗΡΕΣ ΑΓΩΓΩΝ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΙΚΑ ΔΙΑΚΕΝΑ ΚΑΙ ΣΥΝΔΕΣΜΟΙ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΞΥΛΟΥ ΓΙΑ ΔΙΑΚΟΠΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΜΕ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΙΚΟ ΑΓΩΓΟ ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΜΟΝΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΚΑΙ ΜΟΝΩΣΗΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ ΜΗΚΟΣ ΑΓΩΓΩΝ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΩΝ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΩΝ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΕΜΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ

9 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ ΑΝΩ ΦΑΣΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ ΑΜΕΣΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Β.1 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Β.2 ΥΠΕΡΠΗΔΗΣΕΙΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΕ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ Β.2.1 ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ B.2.2 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΜΜΕΣΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟ Β.2.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ Β.2.4 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Β.3 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΓΩΓΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ B.4 ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΩΝ Β.4.1 ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Β.4.2 ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΛΟΓΩ ΤΑΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο - ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΓΡΑΜΜΗ R-24K (ΚΑΛΑΜΠΑΚΑΣ) ΓΡΑΜΜΗ R-32K (ΚΑΛΑΜΠΑΚΑΣ) ΓΡΑΜΜΗ R-36Λ (ΛΟΓΓΟΥ) ΓΡΑΜΜΗ R-24Φ (ΦΑΝΕΡΩΜΕΝΗΣ) ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΤΟ 2003 ΕΩΣ ΤΟ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Όταν ο Benjamin Frankin (Βενιαμίν Φραγκλίνος) αμερικανός φιλόσοφος, πολιτικός και επιστήμονας ανακοίνωσε το 1753 την ανακάλυψή του για το «αλεξικέραυνο» περιέγραψε, ότι η κύρια λειτουργία του, ήταν να εμποδίζει τον κεραυνό. Είχε παρατηρήσει στο εργαστήριο, ότι φορτισμένα αντικείμενα με στατικό ηλεκτρισμό μπορούσαν να εκφορτιστούν, αν πλησιάζαμε κοντά τους μια γειωμένη μεταλλική βελόνα και έβγαλε το συμπέρασμα, ότι με τον ίδιο τρόπο θα μπορούσε να εκφορτιστεί ένα υπερκείμενο σύννεφο σε θύελλα, αν τοποθετούσαμε σ' ένα κτίριο, υψηλές και μυτερές γειωμένες ράβδους. Αναγνώριζε, ότι το αλεξικέραυνό του μπορούσε να προστατεύει την κατασκευή με το να κατευθύνει τυχόν αστραπές ακίνδυνα προς το έδαφος, άλλα αυτή τη λειτουργία του τη θεωρούσε δευτερεύουσα και λιγότερο σημαντική. Σήμερα, γνωρίζουμε, ότι τα αλεξικέραυνα δεν μπορούν να απελευθερώσουν φορτίο, είτε για να εμποδίσουν τον κεραυνό, είτε για να επηρεάσουν τη γένεσή του, και ότι η μοναδική τους λειτουργία είναι η σύλληψη των υπερπηδήσεων προς το έδαφος και η ακίνδυνη διάχυση του ρεύματος στη Γη ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Το αρνητικό αυτό φορτίο προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ένα ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση δυναμικών γραμμών από την ατμόσφαιρα προς την γη και η ένταση του ηλεκτρικού αυτού πεδίου είναι γύρω στα 0,13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει στην ατμόσφαιρα παρουσιάζοντας μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία αυτού του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα της προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Ένεκα αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη έχει μια τάση της τάξης των 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. 10

11 Είναι γνωστό πως ιονισμένα σωματίδια και των δύο πρόσημων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα μια αγωγιμότητα. Ένεκα αυτής της αγωγιμότητας και του προαναφερθέντος ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα και των δύο πρόσημων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την σταδιακή εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατ' επέκταση την εκφόρτιση της γης. Αυτό δεν συμβαίνει διότι η γη δέχεται ταυτόχρονα ένα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία που τροφοδοτεί την γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΣΥΝΝΕΦΟΥ Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό φορτίο στην κορυφή του και αρνητικό στην προς την γη πλευρά του. Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα πως κάθε σύννεφο έχει αυτή την ηλεκτρική δομή. Απλά αυτή είναι η συνηθέστερη. Για τον τρόπο με τον οποίο συγκεντρώνονται τα ηλεκτρικά φορτία σε ένα σύννεφο έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες χωρίς κάποια από αυτές να είναι γενικά παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που βασίζονται στην φόρτιση σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς την γη και σε αυτές που βασίζονται στην μεταφορά φορτίων στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το ηλεκτρικό πεδίο με τον τρόπο που παρουσιάστηκε προηγουμένως, διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα να προκαλείται η αναστροφή του και κατά συνέπεια να αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος που ρέει προς την γη. Ο χρόνος που χρειάζεται ένα σύννεφο, για να μεταβεί από την ουδέτερη κατάστασή του στην ηλεκτρισμένη, είναι περί τα 2 λεπτά. Συνεπώς η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου είναι 2 λεπτά. Με τον σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους το ηλεκτρικό πεδίο της καλοκαιρίας αφού αναστραφεί αποκτά την κατεύθυνση της κακοκαιρίας και η τιμή της έντασής του φθάνει τα 10 kv/m. Ο κεραυνός έχει σαν αποτέλεσμα να διαταράσσει την ισορροπία αυτού του πεδίου για λίγα μs και μετά επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης αποκτήσει μία ιδιαίτερα υψηλή τιμή (πάνω από 2 kv/m) αρχίζει ο ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους όπως πολύ ψηλά κτήρια, πυλώνες μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος κ.α. και θετικά ιόντα μεταφέρονται μέσω του αγωγού από την γη στην 11

12 ατμόσφαιρα. To ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού προεξοχής (pointdischargecurrent). Αυτό το ρεύμα όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. Πάντως πρέπει να σημειωθεί πως η ταχύτητα αυτών των ιόντων είναι μικρή σε σχέση με αυτή της κίνησης του ανέμου κατά την διάρκεια μιας καταιγίδας με άμεση συνέπεια η κίνησή τους να καθορίζεται από την κίνηση του ανέμου, έτσι ώστε πολλά από αυτά τα ιόντα να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Επομένως η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση τριών παραγόντων: α) το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου, β) το ύψος του αγωγού, γ) την ταχύτητα του ανέμου. Πρέπει να σημειωθεί πως δεν προκαλούν ηλεκτρικές εκκενώσεις όλα τα σύννεφα. Σχήμα 1.1 :Τυπικό παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια ηλεκτρικής καταιγίδας. Οι θετικές τιμές του πεδίου αντιστοιχούν στην κατεύθυνση του πεδίου καλοκαιρίας. [1] 12

13 1.1.4 ΟΡΙΣΜΟΙ ΣΧΕΤΙΚΟΙ ΜΕ ΤΟΝ ΚΕΡΑΥΝΟ > Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» προς την γη γίνεται με ένα «αρνητικό κεραυνό» και ενός θετικού νέφους με έναν «θετικό κεραυνό». > Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» ρέει προς την γη ένα «αρνητικό ρεύμα» και αντίθετα. > Οχετός προεκκένωσης: Η διαδικασία ιονισμού του αέρα. > Κατεύθυνση οχετός προεκκένωσης: Υπάρχει ο «κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης» και ο «ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης». Ο κατερχόμενος προχωρεί από το σύννεφο προς την γη ενώ ο ανερχόμενος το αντίθετο. Ένας «ανερχόμενος οχετός σύνδεσης» είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μία ενδιάμεση θέση έναν κατερχόμενο οχετό. > Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: Η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης είναι ουσιαστικά η πολικότητα που έχει το φορτίο από το οποίο ξεκινά η προεκκένωση. Παράδειγμα από ένα αρνητικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης και καταλήγει ένας θετικός ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης. > Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: Το ηλεκτρικό πεδίο προσδιορίζεται από την πολικότητα της περιοχής του. Τουτέστιν κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο έχουμε αρνητικό ηλεκτρικό πεδίο ΕΙΔΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Ο κεραυνός ξεκινάει 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 μία εκκένωση εσωτερικά του νέφους ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός πρόσημου σε μία θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου πρόσημου, που επάγεται εξαιτίας του στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μία ζώνη αυξημένων παιδικών εντάσεων. Οι 13

14 υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε στην περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με έναν κατερχόμενο οχετό εκκένωσης) ενώ στη δεύτερη από το έδαφος (με έναν ανερχόμενο οχετό εκκένωσης). Έτσι διακρίνουμε τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού: α) Ο «κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικά φορτισμένο νέφος. β) Ο «ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικά φορτισμένο νέφος. γ)ο «κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικά φορτισμένο νέφος. δ) Ο «ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικά φορτισμένο νέφος. Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους διαχωρίσει το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί. α) «κατερχόμενη αρνητική εκκένωση» που πηγάζει από ένα αρνητικά φορτισμένο νέφος με έναν κατερχόμενο αρνητικός οχετό προεκκένωσης. Αυτός ο τύπος κεραυνού είναι και ο πιο συνηθισμένος καταλαμβάνοντας το 90% των περιπτώσεων. β) «ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση» που πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικά φορτισμένο νέφος.γ) «κατερχόμενη θετική εκκένωση» που πηγάζει από ένα θετικά φορτισμένο νέφος. δ) «ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση» που πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικά φορτισμένο νέφος. 14

15 Σχήμα 1.2: Είδη κεραυνών: "a" ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, "β" συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής. 1: οχετός προεκκένωσης, r: οχετός επιστροφής, ν: κατεύθυνση μετάδοσης. [1] Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Σε περιοχές του νέφους με μεγάλη πυκνότητα φορτίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να πάρει αρκετά μεγάλες τιμές. Οι υψηλές εντάσεις συνδυαζόμενες με την μικρή πυκνότητα του αέρα (λόγω ύψους) και μερικούς άλλους παράγοντες που προκαλούν πρόσθετη 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. Αν οι γραμμές μέγιστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος τότε ο οχετός θα ακολουθήσει αυτή την κατεύθυνση και θα προκαλέσει ηλεκτρική σύνδεση και αλληλεξουδετέρωση των δύο ετερόσημων φορτίων. Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται «οχετός προεκκένωσης». Η πρόοδος του πραγματοποιείται με διαδοχικά βήματα και με μήκος το καθένα μερικά μέτρα ή δεκάδες μέτρα. Η μέση ταχύτητα προόδου του οχετού προεκκένωσης είναι τα 0,15 m/ks και είναι πολύ μικρή συγκρινόμενη με την ταχύτητα του φωτός που είναι τα 300m/KS. Η διαμήκης πτώση τάσης κατά μήκος του οχετού (πριν αυτός συναντήσει το έδαφος) ποικίλει στις διάφορες θέσεις του, η μέση τιμή της πάντως είναι μικρότερη από 0,1 kv/cm. Έτσι ο οχετός προεκκένωσης εμφανίζεται σαν μία μεταλλική προεξοχή που επεκτείνεται από το σύννεφο προς το έδαφος. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον οχετό προεκκένωσης και ιδίως στο προς το έδαφος άκρο του είναι μεγάλη και υπερβαίνει κατά πολύ την πεδιακή ένταση που απαιτείται για ιονισμό από κρούσεις (30 kv/cm). Γι' αυτό το λόγο, ο 15

16 οχετός περιβάλλεται συνέχεια από έναν μανδύα κορόνα που εκτείνεται μερικά μέτρα γύρω από αυτόν. Το πάχος του είναι μεγαλύτερο στο προς το έδαφος άκρο του οχετού, όσο η κεφαλή του οχετού φτάνει στο έδαφος. Όταν η κεφαλή του οχετού φτάσει σε μια απόσταση από το έδαφος τέτοια που η μέση πεδιακή ένταση να είναι περί τα 5 kv/cm, το τελευταίο αυτό μήκος γεφυρώνεται ολόκληρο από κορόνα και μετατρέπεται ταχύτατα (20-30 KS) επίσης σε οχετό. Με αυτό το τελευταίο βήμα, που ορίζεται σαν το «τελικό πήδημα», το φορτίο της περιοχής του νέφους από όπου άρχισε ο οχετός προεκκένωσης βρίσκεται, μέσω αυτού, ημιαγώγιμα συνδεδεμένο με το έδαφος. Μέσα από αυτή την ημιαγώγιμη σύνδεση εκκενώνεται το φορτίου του νέφους με ένα μεγάλο ρεύμα (πολλές δεκάδες ή εκατοντάδες ka). Από το ρεύμα αυτό ο οχετός προεκκένωσης θερμαίνεται και αποκτά πολύ μεγάλη λαμπρότητα. Η θέρμανση του οχετού προεκκένωσης από το άκρο που αυτός συναντά το έδαφος και προχωρεί προς το σημείο εκκίνησης του με ταχύτητα μερικά δέκατα της ταχύτητας του φωτός, δηλαδή πολύ μεγαλύτερη από αυτή με την οποία προχωρεί ο οχετός προεκκένωσης. Η φάση αυτή με την οποία συμπληρώνεται η εκκένωση ονομάζεται «οχετός επιστροφής». Σχήμα 1.3: Τα βήματα σχηματισμού του οχετού επιστροφής. Διακρίνεται το κανάλι του οχετού προεκκένωσης και ο σχηματισμός κορόνα γύρω από αυτό. [1] Η πιο πάνω περιγραφή του κεραυνού είναι εξιδανικευμένη και αφορά την περίπτωση που ένα σύννεφο βρίσκεται πάνω από ένα απόλυτα επίπεδο έδαφος ή μία επιφάνεια ήρεμου ύδατος. Αν ένα ηλεκτρισμένο σύννεφο βρεθεί πάνω από μία 16

17 πολύ υψηλή και σχετικά αιχμηρή προεξοχή του εδάφους (πάνω από 100 ή 150 m) η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο της προεξοχής αυτής μπορεί να γίνει, εξ επαγωγής, τόσο μεγάλη ώστε ο οχετός προεκκένωσης να ξεκινήσει από το άκρο της προεξοχής και να κατευθυνθεί προς το σύννεφο. Προκύπτει έτσι ένας «ανερχόμενος» οχετός προεκκένωσης. Αν η προεξοχή του εδάφους έχει σχετικά μικρό ύψος τότε ο οχετός προεκκένωσης δεν είναι ικανός να αρχίσει από αυτή. Ο κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης, καθώς πλησιάζει το έδαφος, επάγει ένα ηλεκτρικό φορτίο η ένταση του οποίου είναι μεγαλύτερη σε προεξοχές του εδάφους. Όταν στο άκρο μιας από αυτές τις προεξοχές η ένταση ενισχυθεί αρκετά, θα αρχίσει από αυτή ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης (συνδετικός οχετός) που θα κατευθυνθεί προς την κεφαλή του κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης. Με την συνάντηση των δύο οχετών συμπληρώνεται η ημιαγώγιμη σύνδεση νέφουςεδάφους και ακολουθεί ο οχετός επιστροφής με τον οποίο συμπληρώνεται ο κεραυνός. Η αρχική εκκένωση του κεραυνού ακολουθείται από επόμενες εκκενώσεις όπως φαίνεται στο Σχ.1.4. Οι εκκενώσεις αυτές διαδέχονται η μία την άλλη σε μικρά χρονικά διαστήματα και η κάθε μία 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 παρατηρηθεί πως πολλαπλές εκκενώσεις παρουσιάζουν οι κατερχόμενοι αρνητικοί κεραυνοί που αποτελούν και το μεγαλύτερο ποσοστό των κεραυνών, ενώ πολλαπλοί θετικοί κεραυνοί είναι σπανιότατοι. 17

18 I--20ms-I ms -I 40ms-H Σχήμα 1.4: Δημιουργία ενός κεραυνού (πολλαπλού), όπως φαίνεται από μια φωτογραφική μηχανή κινούμενη προς τα δεξιά. [1] ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι κεραυνών: - Ο καθοδικός κεραυνός, που ξεκινάει από έναν καθοδικό οχετό προεκκένωσης από το σύννεφο προς τη γη. - Ο ανοδικός κεραυνός, που ξεκινάει από ένα ανοδικό οχετό προεκκένωσης από ένα αντικείμενο προς το σύννεφο. Κυρίως οι καθοδικοί κεραυνοί εμφανίζονται σε επίπεδο έδαφος και σε χαμηλότερα αντικείμενα, ενώ για τις εκτιθέμενες και για τα υψηλότερα αντικείμενα οι ανοδικοί κεραυνοί κυριαρχούν. Με αποτελεσματικό ύψος η πιθανότητα ενός άμεσου πλήγματος κεραυνού στα αντικείμενα αυξάνεται και οι φυσικές συνθήκες αλλάζουν. Το ρεύμα ενός κεραυνού αποτελείται από μία ή περισσότερες διαφορετικές εκκενώσεις: - Μικρής διάρκειας κεραυνοί με διάρκεια μικρότερη των 2 ms (Σχ.1.5 ). - Μεγάλης διάρκειας κεραυνοί με διάρκεια μεγαλύτερη των 2 ms (Σχ.1.6 ). 18

19 Σχήμα 1.5: Ορισμοί για τους παραμέτρους κεραυνών μικρής διάρκειας[3] Ο 1 I Τ 1 Τ 1 τυπική έναρξη αιχμή ρεύματος χρόνος μετώπου χρόνος ουράς Σχήμα 1.6: Ορισμοί για τους παραμέτρους κεραυνών μεγάλης διάρκειας (τυπικά 2 ms <T long < 1 s). [3] T long Q long διάρκεια εκκένωσης φορτίο κεραυνού μεγάλης διάρκειας 19

20 1.1.8 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΟΠΟΙΑ ΣΥΜΒΑΙΝΟΥΝ ΚΕΡΑΥΝΟΙ Επειδή για την γνώση του αριθμού N g, των κεραυνών που πλήττουν μια περιοχή (ανά 1 km2) στη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου (1 έτος), απαιτείται εγκατάσταση ειδικών συσκευών, η πληροφορία δεν είναι διαθέσιμη παρά για περιορισμένες μόνο περιοχές. Αντίθετα η πληροφορία που είναι διαθέσιμη είναι ο αριθμός T d των ημερών καταιγίδας. Το T d διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Μία γενική παρατήρηση είναι ότι η συχνότητα καταιγίδων συνοδευόμενη από κεραυνούς, είναι μεγαλύτερη στον ισημερινό και μικρότερη στους πόλους. Στο Σχήμα 1.7 δίνεται ο χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της Ελλάδος. Σαν ισοκεραυνικές καμπύλες ονομάζουμε τις περιοχές του ίδιου Τ d. Στο Σχήμα 1.8 δίνεται ο παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης. Σχήμα 1.7 : Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών, σε ημέρες καταιγίδων κατ έτος για την Ελλάδα (ΕΜΥ). [1] 20

21 Σχήμα 1.8: Παγκόσμιος χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών σε ημέρες καταιγίδων κατ έτος. [1] ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Το ρεύμα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο στον πυρήνα του οχετού προεκκένωσης και έχει διάμετρο 1 ή 2 cm και η θερμοκρασία του φθάνει τους Κ μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Αυτή η απίστευτα υψηλή θερμοκρασία έχει σαν αποτέλεσμα την ατμοποίηση των υδρατμών που υπάρχουν στο περιβάλλον δημιουργώντας έτσι αραιώματα και πυκνώματα του αέρα δηλαδή ένα ηχητικό κύμα το οποίο στην αρχή ανήκει στο φάσμα των υπερήχων και έπειτα περνάει στην βροντή. Η ατμοποίηση αυτή έχει και άλλες συνέπειες. Σε γενικές γραμμές η αύξηση της θερμοκρασίας ενός αγωγού ένεκα του κεραυνού δεν έχει καταστρεπτικές συνέπειες. Υπάρχει όμως μια περίπτωση που η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί ζημιά. Αυτό συμβαίνει όταν το ρεύμα ενός κεραυνού ή μέρος αυτού εκφορτίζεται διαμέσου ενός αγωγού ο οποίος σε μια ένωση παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση λόγω π.χ. μιας κακής σύνδεσης μεταξύ δύο αγωγών. Τότε μπορεί να προκληθεί σπινθήρας που θα οφείλεται στην στιγμιαία υπέρταση. 21

22 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ Διάφοροι παράγοντες όπως, το κλίμα, η εποχή και η μορφολογία του εδάφους επηρεάζουν την εκδήλωση ενός κεραυνού και την έντασή του. Για παράδειγμα σε μια περιοχή με εύκρατο κλίμα τα χαρακτηριστικά του κεραυνού επηρεάζονται από την ορεογραφική κατάσταση της περιοχής. Στις ορεινές περιοχές, η ένταση του ρεύματος του κεραυνού, όπως και το σχετικό φορτίο, είναι μικρά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μικρή απόσταση μεταξύ της γης και του νέφους προκαλεί εκκενώσεις στη γη πριν ολοκληρωθεί η διαδικασία φορτίσεως του νέφους και στο ότι το μικρό σχετικά μήκος του αγωγού του κεραυνού έχει σαν επακόλουθο τη συσσώρευση ενός μικρού μόνο φορτίου κατά μήκος αυτού. Ο αριθμός των εκκενώσεων στις ορεινές περιοχές είναι πάντοτε μεγαλύτερος από εκείνο στις πεδινές. Στις πεδινές περιοχές, όπου η απόσταση νέφους - γης είναι μεγαλύτερη σημειώνονται λιγότερες εκκενώσεις, αλλά με υψηλή ένταση ρεύματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σχετικά σπάνια το ηλεκτρικό πεδίο είναι τέτοιο, ώστε να επιτρέπει κεραυνό νέφους -γης. Η μεγάλη ένταση ρεύματος οφείλεται στην παρουσία νεφών πολύ φορτισμένων και οχετών εκκενώσεως μεγάλου μήκους. Σημαντικό ρόλο στη δημιουργία κεραυνικών εκκενώσεων παίζει και η εποχή. Το καλοκαίρι τα σύννεφα βρίσκονται σε σημαντικό ύψους από το έδαφος, έτσι πολλές εκκενώσεις πραγματοποιούνται εντός ενός νέφους ή μεταξύ νεφών. Αυτό έχει σαν συνέπεια μία απότομη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του εδάφους ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ Ο οχετός προεκκένωσης ενός πλήγματος έχει ένα στενό κεντρικό πυρήνα περιβαλλόμενο από ένα μεγαλύτερο σχηματισμό κορόνα. Το ρεύμα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο, κατά το μεγαλύτερο μέρος στον πυρήνα του οχετού αυτού, ο οποίος έχει διάμετρο ένα ή δύο εκατοστά και η θερμοκρασία του φτάνει στους Κ ή και περισσότερο. Αυτή η θερμοκρασία προκαλεί ατμοποίηση των υδρατμών που υπάρχουν, δημιουργώντας έτσι τοπικά αραιώματα και πυκνώματα του αέρα, δηλαδή ένα ηχητικό κύμα, που στην αρχή βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων, μετά όμως καταλήγει στην βροντή. Η στιγμιαία ισχύς που διαχέεται ως θερμότητα σε ένα αγωγό που οφείλεται σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα εκφράζεται ως P(t) = i 2 R. Η θερμική ενέργεια που παράγεται επομένως εκφράζεται από την ωμική αντίσταση του μέσου από το οποίο εκφορτίζεται το ρεύμα πολλαπλασιασμένη με την ολική ισχύ αυτού. Αυτή η ενέργεια εκφράζεται σε μονάδες Joules ή Watt ανά δευτερόλεπτα και ισούται με: W=R i 2 dt. 22

23 Τα θερμικά αποτελέσματα ενός πλήγματος επομένως εξαρτώνται όχι μόνο από το εύρος του ρεύματος, αλλά και από τη διάρκεια ροής του και αυτό γιατί η αύξηση της θερμοκρασίας σε έναν αγωγό, μέσα από τον οποίο εκφορτίζεται το ρεύμα του κεραυνού, είναι ανάλογη του W/R= i 2 dt. Όταν υπολογίζεται η αύξηση της θερμοκρασίας ενός αγωγού, πρέπει να λαμβάνεται υπ' όψη ότι η διάχυση της θερμότητας θεωρείται αμελητέα, λόγω της μικρής διάρκειας ροής του ρεύματος. Τότε η αύξηση της θερμοκρασίας σε ένα μέσο με αντίσταση R δίνεται από τον τύπο: 1 W /R exp 2 1 q Cw (1.1) Όπου Δθ η άνοδος της θερμοκρασίας του αγωγού (K) W/R η ειδική ενέργεια της τρέχουσας άμεσης κατανάλωσης (Κ / Ω) α ο συντελεστής θερμοκρασίας της αντίστασης (1 / K) ρ ο η ειδική ωμική αντίσταση του αγωγού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (Ωm) q η επιφάνεια διατομής του αγωγού (m 2 ) γ η πυκνότητα του υλικού (kg/m 3 ) C w η θερμοχωρητικότητα (J/kgK) Στον Πίνακα 1.1 δίνονται οι τιμές των παραμέτρων για το αλουμίνιο, το σίδηρο, τον χαλκό και τον ανοξείδωτο χάλυβα. Πίνακας 1.1[3] Στο Σχήμα 1.9 φαίνεται η μεταβολή της θερμοκρασίας χάλκινων αγωγών με διαφορετικές διαμέτρους, συναρτήσει του W/R. Για αγωγούς από αλουμίνιο, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι περίπου 1.5 φορά των τιμών που φαίνονται στο σχήμα. 23

24 Σχήμα 1.9: Αύξηση της θερμοκρασίας σε χάλκινους αγωγούς σαν συνάρτηση του W/R, με παράμετρο την διατομή τους. [1] Η αύξηση της θερμοκρασίας σε αγωγούς από χάλυβα και χαλκό δίνεται στο Σχήμα Από το σχήμα και για W/R ίσο με 10 7 A 2 s και διατομή του αγωγού περίπου 50 mm 2 η αύξηση της θερμοκρασίας φτάνει τους 140 C, θερμοκρασία που δεν είναι επικίνδυνη. Σχήμα 1.10: Αύξηση της θερμοκρασίας σε χάλκινους και χαλύβδινους αγωγούς.[1] 24

25 Υπάρχει όμως μία περίπτωση που η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να προκαλέσει ζημιά. Αυτό συμβαίνει όταν το ρεύμα του κεραυνού ή ένα μέρος αυτού, εκφορτίζεται διαμέσου ενός αγωγού, ο οποίος σε μία ένωση παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση, λόγω π.χ. μίας φτωχής σύνδεσης μεταξύ δύο αγωγών. Τότε μπορεί να προκληθεί ένας ισχυρός σπινθήρας, που οφείλεται στην στιγμιαία υπέρταση που παρουσιάζεται (μεγάλη αντίσταση * ρεύμα που εκφορτίζεται) Ο κίνδυνος να τρυπηθεί ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο έχει πρακτική σημασία για τα μεταλλικά φύλλα που χρησιμοποιούνται σαν υλικά οροφής σε κτίρια και στην επιφάνεια των αεροσκαφών. Πιο συγκεκριμένα αν ένα τέτοιο μεταλλικό φύλλο πληγεί από έναν κεραυνό με ρεύμα i, η θερμότητα που θα αναπτυχθεί στο σημείο του πλήγματος είναι ανάλογη του u idt=u q. όπου u είναι η πτώση τάσης και q το φορτίο που είναι ανάλογο με το ρεύμα του κεραυνού. Φαίνεται λοιπόν ότι η τήξη του μετάλλου είναι ανάλογη του φορτίου του κεραυνού. Ο όγκος του μετάλλου που θα τακεί στο σημείο που θα εκφορτιστεί ένα πλήγμα κεραυνού δίνεται από τον τύπο: V w 1 c c w s s σε m 3 (1.2) όπου: W η ενέργεια του κεραυνού τη στιγμή που πλήττει το συγκεκριμένο σημείο σε J γ η πυκνότητα του υλικού σε kg/m 3 C w η ειδική θερμοχωρητικότητα του υλικού σε J/(kg K) θ s C s η διαφορά θερμοκρασίας σε ο C η ειδική θερμότητα τήξης σε J/Kg Επειδή W = Q * U A,K από την σχέση 1.2 προκύπτει: V U AK, 1 Q c c w s s (1.3) όπου U A,K η καθοδική τάση Στον Πίνακα 1.2 δίνονται οι τιμές των παραμέτρων γ, C w, θ s και C s για το αλουμίνιο, τον σίδηρο, τον χαλκό και τον ανοξείδωτο χάλυβα. 25

26 Πίνακας 1.2[3] Αν ένας κεραυνός πλήξει ένα μονωτικό υλικό ή ένα «φτωχό» αγωγό, το σημείο του πλήγματος θα αποκτήσει πολύ υψηλή θερμοκρασία και θα έχει σαν αποτέλεσμα την διάτρηση του υλικού ή την ανάφλεξή του. Τέτοιες οπές ενός ή δύο εκατοστών έχουν παρατηρηθεί σε τζάμια παραθύρου, λόγω πλήγματος κεραυνού. Εάν το μονωτικό περιέχει ίχνη υγρασίας, όπως συμβαίνει στα μάρμαρα ή κάποιο άλλο μη αγώγιμο υλικό, το ρεύμα του κεραυνού θα ρεύσει μέσω των σημείων που παρουσιάζουν μεγαλύτερη αγωγιμότητα. Όμως έτσι η υγρασία μπορεί, λόγω θερμοκρασίας, να μετατραπεί σε ατμό και η πίεση που δημιουργείται να προκαλέσει θραύση του υλικού. Παραδείγματα τέτοιων φαινομένων είναι η κατάρρευση πλινθότοιχων, έκρηξη κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα και καταστροφή αρχαίων ελληνικών μαρμάρινων κιόνων. Ένα άλλο παράδειγμα της τρομακτικής δύναμης που περικλείεται σ' αυτού του είδους τα πλήγματα αναφέρεται στους κανονισμούς της Ν. Αφρικής. Ένα ισχυρό πλήγμα σε ένα πετρώδες έδαφος διέλυσε 70 τόνους από αυτό, σε μία απόσταση 250 μέτρων. Άλλη σημαντική θερμική συνέπεια ενός πλήγματος κεραυνού είναι η ανάφλεξη υλικών όπως ξυλείες, αχυρένιες στέγες κ. λ. π., όπως επίσης εκρηκτικών υλών και υγρών καυσίμων. Οι συνέπειες αυτές οφείλονται κυρίως στους «θερμούς κεραυνούς», οι οποίοι έχουν μεγάλη διάρκεια ροής ρεύματος ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ Οι μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: α) αυτές που αφορούν το κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής και β) αυτές που αφορούν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού. 26

27 Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο η θερμοκρασία του οχετού προεκκένωσης μπορεί να ανέβει στους Κ ή περισσότερο μέσα σε λίγα μs. Αποτέλεσμα αυτού είναι ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό να εξαπλώνεται με πολύ μεγάλη ταχύτητα, παράγοντας έτσι ένα κύμα πίεσης το οποίο είναι στην αρχή στην περιοχή των υπερήχων και μετά εξελίσσεται στη γνωστή βροντή. Το Σχήμα 1.3 δείχνει πως μεταδίδεται το κύμα αυτό από τον κεντρικό πυρήνα του οχετού προεκκένωσης. Αυτό το κύμα είναι επίσης υπεύθυνο για το κύμα αέρα που σηκώνει κεραμίδια οροφών, φαινόμενο που παρατηρείται μετά από ένα άμεσο πλήγμα. Είναι επίσης υπεύθυνο και για τον τραυματισμό ανθρώπων. Σχήμα 1.11: Κατανομή της πίεσης που δημιουργείται από την θερμότητα του οχετού, στο χώρο, με παράμετρο τον χρόνο. [1] Όσο αφορά τη δεύτερη κατηγορία συνεπειών, αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές μαγνητικές δυνάμεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου της τιμής του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης. Αυτές οι δυνάμεις είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύπλοκων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών. Μπορούμε να υπολογίσουμε την μαγνητική δύναμη που ασκείται σε δύο παράλληλους αγωγούς μήκους l, που διαρρέονται από ρεύμα i και βρίσκονται σε απόσταση d με την βοήθεια του τύπου: F(t) όπου: 2 l i (t) (1.4) 2 d F(t) η μαγνητική δύναμη σε Ν 27

28 i(t) μ ο l d η ένταση του ρεύματος σε Α η μαγνητική διηλεκτρική σταθερά του αέρα (4π10-7 H/m) το μήκος των αγωγών σε m η απόσταση μεταξύ των ευθύγραμμων παράλληλων αγωγών σε m Σχήμα 1.12: Δύο παράλληλοι αγωγοί όπου διαρρέονται από το ίδιο ή αντίθετο ρεύμα και βρίσκονται σε απόσταση d. [3] Τέτοιες δυνάμεις μπορούν να ασκηθούν και σε έναν μόνο αγωγό όταν αυτός σχηματίζει μία ορθή γωνία σε κάποιο σημείο του. Όταν λοιπόν ένας τέτοιος αγωγός εκφορτίζει το ρεύμα ενός κεραυνού, υπόκεινται σε μία δύναμη που τείνει να τον ισιώσει. Το μέγεθος της δύναμης αυτής είναι ανάλογο του τετραγώνου του ρεύματος. Όμως ακόμη και όταν το ρεύμα είναι της τάξης των 200 ka, η δύναμη αυτή δεν φαίνεται να ξεπερνά τους λίγους τόνους. Στο σχήμα δίνεται η κατανομή της δύναμης πάνω σε έναν τέτοιο αγωγό συναρτήσει της απόστασης από το σημείο αλλαγής κατεύθυνσης. Αν όμως η γωνία δεν είναι ορθή αλλά αμβλεία τότε η μαγνητική δύναμη μειώνεται. Έτσι σε έναν αγωγό με μεγάλη ακτίνα καμπυλότητας μειώνονται οι πιθανότητες να υποστεί ζημιά όταν πληγεί από κάποιον κεραυνό. 28

29 Σχήμα 1.13: Συνηθισμένος αγωγός ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας.[3] Σχήμα 1.14: Διάγραμμα καταπονήσεων του αγωγού του Σχ.1.13 όταν διαρρέεται από ρεύμα[3] 29

30 Σχήμα 1.15: Δύναμη ανά μονάδα μήκους κατά μήκος του οριζόντιου αγωγού του Σχ [3] ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ Μία ηλεκτρική συνέπεια ενός πλήγματος κεραυνού είναι η εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί μεταξύ των αγωγών του συστήματος προστασίας και εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων μιας κατασκευής, γνωστή και ως "επικίνδυνος σπινθήρας" ή "sideflash". Για να γίνουν κατανοητές οι συνθήκες που οδηγούν σε ένα τέτοιου είδους σφάλμα, δίνεται το Σχήμα 1.16 το οποίο δείχνει το περίγραμμα μιας κατοικίας με έναν συλλεκτήριο αγωγό στην καμινάδα. Στο εσωτερικό της κατοικίας υπάρχει μια δεξαμενή νερού, η οποία τροφοδοτείται από ένα μεταλλικό σωλήνα νερού και ο οποίος είναι συνδεδεμένος με έναν άλλο μεταλλικό σωλήνα που είναι θαμμένος στην γη. 30

31 Σχήμα 1.16: Πλήγμα κεραυνού σε μία κατοικία με σύστημα προστασίας και δίκτυο σωληνώσεων νερού γειωμένων ανεξάρτητα, όπου φαίνεται ο κίνδυνος της μεταξύ τους διάσπασης. [1] Αν υποτεθεί ότι ο συλλεκτήριος αγωγός στην καμινάδα πλήττεται από έναν κεραυνό με ρεύμα i, το ρεύμα αυτό θα εκφορτιστεί στη γη μέσω του συλλεκτήριου αγωγού, του αγωγού καθόδου και του γειωμένου ηλεκτροδίου. Ο δρόμος αυτός παρουσιάζει μία αυτεπαγωγή L και η αντίσταση του γειωμένου ηλεκτροδίου μπορεί να περιγραφεί από την αντίσταση γείωσης R. Η κορυφή λοιπόν του συστήματος προστασίας θα παρουσιάσει ως προς τη γη διαφορά δυναμικού που δίνεται από τον τύπο: di u i R L (1.5) dt Αυτή η τάση είναι της τάξεως κάποιων χιλιάδων kv. Η δεξαμενή όμως, μέσω του συστήματος των σωληνώσεων, έχει το δυναμικό της γης ακόμη και όταν η κατασκευή πλήττεται από κεραυνό. Έτσι η στιγμιαία τάση u εμφανίζεται μεταξύ του συστήματος προστασίας και της δεξαμενής. Αν η τάση διάσπασης του διακένου D, που είναι η απόσταση μεταξύ αγωγών προστασίας και δεξαμενής, είναι μικρότερη από την, τότε θα συμβεί εσωτερική διάσπαση μεταξύ των αγωγών του συστήματος και της δεξαμενής, διοχετεύοντας ένα μεγάλο μέρος του ρεύματος προς τη γη, με ίσως καταστροφικά αποτελέσματα. Εσωτερική διάσπαση μπορεί να συμβεί και κάτω από άλλες συνθήκες. Στο Σχήμα 1.17 εικονίζεται μια αγροτική αποθήκη με μεταλλική οροφή και μέσα σε αυτή ένας άνθρωπος που κρατά ένα εργαλείο. Αν ένα πλήγμα κεραυνού συμβεί σε μικρή 31

32 σχετικά απόσταση από την αποθήκη, η οροφή της θα βρεθεί σε μία διαφορά δυναμικού ως προς τη γη, που δίνεται από την σχέση: u 2 uc 1 1 c c 1 2 (1.6) όπου u 1 το δυναμικό του οχετού ως προς τη γη και c 1,c 2 οι χωρητικότητες όπως σημειώνονται στο Σχήμα Αυτή η διαφορά δυναμικού u 2, ίσως είναι ικανή να προκαλέσει εσωτερική διάσπαση. Σχήμα 1.17: Εσωτερική διάσπαση οφειλόμενη σε έμμεσο πλήγμα κεραυνού και στην έλλειψη γείωσης της στέγης. [1] Μία άλλη ηλεκτρική συνέπεια ενός πλήγματος φαίνεται στο Σχήμα Στο σχήμα αυτό φαίνεται η εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού που πλήττει το έδαφος. Σε ομοιόμορφα εδάφη, η κατανομή του ρεύματος όσο και της τάσης γίνεται με ομαλό τρόπο (Σχήμα 1.18). Αν ένας άνθρωπος ή ζώο βρίσκεται πλησίον του σημείου, θα εμφανιστεί μία διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων του, η οποία δίνεται από την σχέση: S u i 2 d(d S) (1.7) όπου i ρ S το εύρος του ρεύματος του κεραυνού σε Α η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm η απόσταση των άκρων σε m 32

33 d η απόσταση μεταξύ του σημείου του πλήγματος και του πλησιέστερου άκρου του ανθρώπου σε m Αυτή η διαφορά δυναμικού είναι η αιτία ενός ρεύματος που θα ρεύσει μέσω των άκρων και του χαμηλότερου μέρος του σώματος. Αυτή η διαφορά δυναμικού είναι υπεύθυνη για τον θάνατο μεγάλων ζώων, λόγω του μεγάλου ανοίγματος των άκρων τους. Σχήμα 1.18: Κατανομή του ρεύματος (α) και της τάσης (β) κατά την διάρκεια της εκφόρτισης του ρεύματος του κεραυνού. [1] 33

34 1.2 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας παρουσίασαν μία συνεχή και αλματώδη ανάπτυξη κατά τον 20ο αιώνα. Εμφανίστηκαν στα τέλη του 19ου αιώνα οπότε και έκαναν την εμφάνισή τους και οι πρώτες εφαρμογές του ηλεκτρισμού. 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 επιφέρουν αναπόφευκτα την ανάγκη για ορισμένες επιθυμητές αλλαγές στην τεχνική της μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας με στόχο την καλύτερη εξυπηρέτηση των καταναλωτών σε συνδυασμό με 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 παράγεται στους σταθμούς παραγωγής και οι μετασχηματιστές μετατρέπουν την χαμηλή τάση σε υψηλή για να μπορέσει να μεταφερθεί με τις γραμμές μεταφοράς σε μεγάλες αποστάσεις. Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται σε υψηλή τάση ( έως 275kV ) και υπερύψηλη τάση ( έως 765kV ) λόγω λιγότερων απωλειών που εξαρτάται επίσης και από την απόσταση και την ποσότητα της ισχύος. Τα κέντρα κατανάλωσης συνήθως δεν βρίσκονται κοντά στους σταθμούς παράγωγης που έχει ως αποτέλεσμα να παρίσταται ανάγκη μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις μέσω των γραμμών μεταφοράς, εναέρια ή υπόγεια. Η ηλεκτρική ενέργεια από την παραγωγή έως την κατανάλωση βρίσκεται συνεχώς σε ροή. Επομένως το δίκτυο μεταφοράς κατευθύνει την ηλεκτρική ενέργεια στους υποσταθμούς μέσης και χαμηλής τάσης (μετατροπή 34

35 υψηλής τάσης σε μέση και χαμηλή) και με το δίκτυο διανομής την διανέμει στους καταναλωτές. Στο ελλαδικό χώρο οι τιμές του δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας κυμαίνονται στα 400kV/20 kv ή 150 kv/20 kv και η διάταξη του δικτύου διανομής είναι βροχοειδής ή ακτινική. Οι γραμμές μεταφοράς στην Ελλάδα είναι πάντα τριφασικές (AC ρεύμα) καθώς επίσης σπανίως υπάρχει και τέταρτος ουδέτερο αγωγός. Οι γραμμές διανομής για την μέση τάση, 20kV - 15kV, είναι επίσης τριφασικές. Κάθε ηλεκτρικός αγωγός προκαλεί μια πτώση τάση, δηλαδή μείωση της τάσης ανάμεσα στα σημεία άφιξης και αναχώρησης της ενεργειακής ροής, καθώς και ηλεκτρικές απώλειες που απορρέουν σε μείωση της καθαρής ενέργειας και είναι ανάλογες του τετραγώνου του ρεύματος. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αγωγών και χωρίζονται σε: - Αγωγοί εξ ολοκλήρου από αλουμίνιο (All- aluminium conductors, AAC) - Αγωγοί εξ ολοκλήρου από κράμα αλουμινίου (All-aluminium - alloy conductors, AAAC) - Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με χάλυβα (Aluminium conductors, steelreinforced, ACSR) - Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με κράμα ( Aluminium conductors, alloyreinforced, ACAR) ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 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. 35

36 Σχήμα 1.19: Τύποι πυλώνων και στύλων για γραμμές μεταφοράς και διανομής [ΠΗΓΗ: www. idahopower. com] 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 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. Η χαμηλή τάση 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. 36

37 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 1.20, 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. Στο κλειστό δίκτυο διανομής, μια μορφή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 1.21, 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 1.20: Ανοικτό δίκτυο διανομής[7] 37

38 Σχήμα 1.21: Κλειστό δίκτυο διανομής[7] ΕΝΑΕΡΙΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ 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 1. 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. 2. 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. 3. Οι μονωτήρες, που είναι σταθεροί και όχι σε μορφή αλυσίδας. 4. 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 38

39 κυλινδρικές με σύρμα που τήκεται σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Οι ασφάλειες συνοδεύονται από αποζεύκτες ΕΙΔΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ 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) ΑΙΤΙΑ ΠΡΟΚΛΗΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ 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 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 39

40 συνθήκες και για αυτό ονομάζονται υπερτάσεις. 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: 1. 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. 2. 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 40

41 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 ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ (ΜΕΣΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ) 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 41

42 συνήθη μέσα προστασίας που χρησιμοποιούνται διεθνώς είναι οι ακίδες τα αλεξικέραυνα και οι αγωγός γης (ή αλλιώς αγωγός προστασίας) ΑΚΙΔΕΣ 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 ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ 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 χι µως 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 42

43 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 ΑΓΩΓΟΣ 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 40ο 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. 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. 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΙΕΕΕ - ΟΔΗΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΤΙΣ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ[13] 2.1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι παρακάτω οδηγίες σχεδιασμού περιέχουν πληροφορίες για την βελτίωση της συμπεριφοράς των εναέριων γραμμών διανομής έναντι των κεραυνικών πληγμάτων και χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο από σχεδιαστές γραμμών διανομής. Οι συγκεκριμένες οδηγίες αναγνωρίζουν ότι χρειάζεται μια σειρά από συμβιβασμούς σε κάθε σχεδιασμό γραμμών διανομής αφού δεν μπορεί να υπάρξει ένα ιδανικό σχέδιο γραμμών. Μπορεί σε κάποιες παραμέτρους όπως η τάση, η χωρητικότητα και η όδευση να οριστούν αρχικά, όμως κάποιες άλλες εξαρτώνται από την κρίση του σχεδιαστή όπως η δομή και η γεωμετρία του υλικού, η θωράκιση εάν υπάρχει, ο βαθμός μόνωσης, η γείωση και η τοποθέτηση αλεξικέραυνων. Οι οδηγίες βοηθούν τον σχεδιαστή στη βελτίωση του σχεδιασμού των γραμμών διανομής από οικονομικής άποψης. A) ΠΕΔΙΟ Η παρούσα οδηγία θα προσδιορίσει τους παράγοντες που συμβάλλουν στις βλάβες από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής, και θα προτείνει βελτιώσεις για υπάρχουσες και νέες κατασκευές. Η οδηγία αυτή περιορίζεται στην προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής για συστήματα με τάση 69kV και κάτω. Ζητήματα προστασίας του εξοπλισμού καλύπτονται στο IEEE Std C B) ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της οδηγίας είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για την μείωση των υπερπηδήσεων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές. 44

45 2.2 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Η παρούσα οδηγία καλό θα ήταν να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με τα ακόλουθα δεδομένα. Όταν τα ακόλουθα δεδομένα παραμερίζονται από μία εγκεκριμένη αναθεώρηση, θα ισχύει η αναθεώρηση. Αυτές οι αναφορές θα ενημερώνονται αυτόματα κατά την διάρκεια της διαδικασίας έκδοσης. ΙΕΕΕ Std C , IEEE Οδηγία για την Εφαρμογή Αλεξικέραυνων από Μεταλλικά Οξείδια για τα Συστήματα Εναλλασσόμενου Ρεύματος (ANSI). 2.3 ΟΡΙΣΜΟΙ Ανάστροφο βραχυκύκλωμα: Ένα βραχυκύκλωμα στη μόνωση λόγω πλήγματος από κεραυνό σε μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης που συνήθως βρίσκεται στο δυναμικό του εδάφους Βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (BIL): Σημείο αναφοράς για την αντοχή της μόνωσης έναντι κεραυνών, το οποίο εκφράζεται αναφορικά με την μεγαλύτερη τιμή τάσης που αντέχει ένα δεδομένο κύμα (τάσης) πλήρους ώθησης Κρίσιμη κρουστική τάση κεραυνών (CFO) (μονωτές): Η μεγαλύτερη τιμή της υπέρτασης που, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, προκαλεί υπερπήδηση στο 50% των περιπτώσεων Άμεσο πλήγμα: Ένα χτύπημα κεραυνού απευθείας σε οποιοδήποτε μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης Γραμμή διανομής: Γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος που διανέμουν το ρεύμα από έναν υποσταθμό κύριας πηγής στους καταναλωτές, συνήθως με τάση 34.5 kv ή λιγότερο. Σημείωση: Αυτή η οδηγία αφορά μόνο σε τάσεις από 69 kv και λιγότερο Βραχυκύκλωμα (γενικά): Μια ανεπιθύμητη εκκένωση μέσω του αέρα γύρω ή πάνω στην επιφάνεια μιας στερεής ή υγρής μόνωσης, ανάμεσα 45

46 σε μέρη διαφορετικού δυναμικού ή πολικότητας, που παράγεται από την εφαρμογή της τάσης Ηλεκτρόδιο εδάφους: Ένας αγωγός ή μια ομάδα αγωγών σε στενή επαφή με τον έδαφος με σκοπό να παρέχει σύνδεση με το έδαφος Πυκνότητα κεραυνών (GFD) (N g ): Ο μέσος αριθμός των πληγμάτων από κεραυνό ανά μονάδα τόπου ανά μονάδα χρόνου σε μια συγκεκριμένη θέση (κεραυνοί/ km 2 / έτος) Μονωτής επιτόνων: Ένα μονωτικό στοιχείο, συνήθως επιμηκυμένης μορφής με εγκάρσιες τρύπες ή σχισμές, με σκοπό την μόνωση δύο μερών ενός επίτονου ή την παροχή μόνωσης ανάμεσα στην κατασκευή και το στήριγμα, καθώς και την προστασία σε περίπτωση σπασμένων καλωδίων. Οι πορσελάνινοι μονωτές καλωδίων γενικά σχεδιάζονται για να πιέζεται η πορσελάνη σε περίπτωση συμπίεσης, αλλά γενικά στην πίεση χρησιμοποιούνται ξύλινοι μονωτές εξοπλισμένοι με το κατάλληλο υλικό Επίτονος: Ένα απομονωμένο καλώδιο για στήριξη ημιελαστικής έντασης ανάμεσα στον πόλο ή την κατασκευή και την ράβδο στήριξης, ή ανάμεσα στις κατασκευές Επαγόμενη τάση (πλήγματα κεραυνού): Η τάση που προκαλείται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα έμμεσο πλήγμα Πρώτο πλήγμα κεραυνού: Η πρώτη εκφόρτιση κεραυνού στο έδαφος Κεραυνικό πλήγμα: Η πλήρης εκφόρτιση κεραυνού, που συνήθως δημιουργείται από αγωγούς ενός σύννεφου που ακολουθούνται από ένα ή περισσότερο πλήγματα επιστροφής. 46

47 Σφάλμα λόγω κεραυνικού πλήγματος: Μια διακοπή ρεύματος που ακολουθείται από έναν κεραυνό που προκαλεί βλάβη στο ρεύμα του συστήματος, απαιτώντας έτσι την λειτουργία μιας συσκευής μετατροπής για την επιδιόρθωση της βλάβης Ακόλουθο πλήγμα κεραυνού: Μία εκφόρτιση κεραυνού που μπορεί να ακολουθήσει μία πορεία που έχει ήδη προδιαγράψει το πρώτο πλήγμα Συμπεριφορά γραμμών σε κεραυνούς: Η απόδοση μιας γραμμής που εκφράζεται ως ο ετήσιος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από κεραυνούς σε μία βάση κυκλώματος μιλίου ή πύργου γραμμών μιλίου Αλεξικέραυνο/Απαγωγέας Υπερτάσεων από μεταλλικά οξείδια (MOSA): Ένα αλεξικέραυνο που χρησιμοποιεί βαλβίδες κατασκευασμένες από υλικά μεταλλικών οξειδίων μη γραμμικής αντίστασης Έμμεσο πλήγμα: Ένα χτύπημα κεραυνού που δεν χτυπά απευθείας σε κάποιο μέρος ενός δικτύου, αλλά προκαλεί υπέρταση σε αυτό Εναέριος αγωγός προστασίας (OHGW): Αγωγός γης ή αγωγοί τοποθετημένοι πάνω από τους αγωγούς φάσης με σκοπό την διακοπή άμεσων πληγμάτων για την προστασία των αγωγών φάσης από άμεσα πλήγματα. Μπορεί να είναι γειώνονται άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων Γωνία προστασίας: Η γωνία ανάμεσα στην κατακόρυφη γραμμή μέσω του εναέριου αγωγού εδάφους και μιας γραμμής που συνδέει τον εναέριο αγωγό εδάφους με τον προστατευτικό αγωγό αγωγός προστασίας: Αγωγοί τοποθετημένοι κοντά στους αγωγούς φάσης για τους εξής σκοπούς: α) Προστασία των αγωγών φάσης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. 47

48 β) Μείωση των τάσεων που προκαλούνται από εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. γ) Μείωση της κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW. δ) Αύξηση της αμοιβαίας αντίστασης κύματος ενός συστήματος OHGW στους προστατευμένους αγωγούς φάσης. Μπορούν να είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένοι απευθείας στην κατασκευή ή έμμεσα μέσω μικρών ανοιγμάτων Προστατευτικό διάκενο: Οποιοδήποτε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμένοι μεταξύ τους ή ηλεκτρικά συνδεδεμένοι από απόσταση Αλεξικέραυνο: Μία προστατευτική συσκευή για τον περιορισμό των υπερτάσεων στον εξοπλισμό, η οποία παρεκκλίνει το ρεύμα κύματος και επαναφέρει την συσκευή στην αρχική της κατάσταση. Μπορεί να επαναλάβει αυτές τις λειτουργίες όπως έχουν προσδιοριστεί. 2.4 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Ο κεραυνός συμβαίνει κατά τη διάρκεια καταιγίδων, χιονοθυελλών και άλλων φυσικών φαινομένων. Παρόλα αυτά, στις περισσότερες περιοχές, οι καταιγίδες είναι η κύρια αιτία κεραυνών. Οι καταιγίδες προκαλούν κεραυνούς μέσα στο σύννεφο, μεταξύ σύννεφων και ανάμεσα σε σύννεφο και έδαφος. Οι κεραυνοί μέσα στα σύννεφα είναι οι πιο συνηθισμένοι, αλλά ο κεραυνός ανάμεσα σε σύννεφο και έδαφος επηρεάζει τις εναέριες γραμμές διανομής. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας προκαλούνται διακοπές ρεύματος από τον άνεμο και τους κεραυνούς. Διακοπές που προκαλούνται από άνεμο, τα δένδρα και κατεστραμμένο εξοπλισμό, κάποιες φορές θεωρούνται αποτέλεσμα κεραυνών. Αυτό κάνει τον αριθμό των διακοπών από κεραυνούς να φαίνεται πλαστά υψηλός. 48

49 Σχήμα 2.1: Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης Στις περισσότερες περιοχές του κόσμου, μία ένδειξη δραστηριότητας κεραυνών μπορεί να αποκτηθεί από κεραυνικά δεδομένα (ημέρες καταιγίδων με κεραυνούς ανά έτος). Ένα παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης υπάρχει στο Σχήμα 2.1. Το κεραυνικό επίπεδο είναι μία ένδειξη από τοπική δραστηριότητα κεραυνών που βασίζεται στις μέσες ποσότητες, οι οποίες προκύπτουν από ιστορικά διαθέσιμες εδαφικές παρατηρήσεις. Υπάρχουν και πιο λεπτομερή κεραυνικά δεδομένα ή χάρτες συγκεκριμένων περιοχών του κόσμου. Μια πιο λεπτομερής απεικόνιση της δραστηριότητας των κεραυνών μπορεί να αποκτηθεί από χάρτες για την πυκνότητα πληγμάτων κεραυνών στο έδαφος (GFD) που δημιουργούνται από πληροφορίες που λαμβάνονται μέσω δικτύων εντοπισμού των κεραυνών. Ένα δείγμα GFD χάρτη των ΗΠΑ υπάρχει στο Σχήμα

50 Σχήμα 2.2: Χάρτης GFD Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής) Συστήματα θέσεων κεραυνών και δικτύων μέτρησης των κεραυνών έχουν τοποθετηθεί στην Β. Αμερική και σε άλλα σημεία του κόσμου. Έχοντας αρκετή εμπειρία, αυτά τα δίκτυα μπορούν να παράσχουν λεπτομερείς GFD χάρτες. Οι GFD χάρτες μπορούν να παρέχουν μεγαλύτερη λεπτομέρεια και ακρίβεια από αυτήν των στοιχείων βροντών. Τα συστήματα θέσης δίνουν επίσης ποσότητες από μετρήσεις, που είναι πιο χρήσιμες και λεπτομερείς από τα κεραυνικά δεδομένα. Εκτός από το να δίνουν την συχνότητα των κεραυνών, τα δίκτυα μπορούν επίσης να παρέχουν την ημερομηνία, την ώρα, την θέση, τον αριθμό των πληγμάτων, την εκτίμηση του ρεύματος του μεγαλύτερου πλήγματος και την πολικότητα. Σε κάποιες περιοχές του κόσμου, αυτά τα συστήματα έχουν ή πλησιάζουν στο να έχουν αρκετά δεδομένα (τουλάχιστον 7 χρόνων) για σχεδιαστικούς σκοπούς. Οι χάρτες GFD προς το παρόν χρησιμοποιούνται για σχεδιασμό γραμμών διανομής, για 50

51 τον υπολογισμό βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνούς, και για πολλούς άλλους τύπους αναλύσεων των κεραυνών. Η αξιοπιστία μιας γραμμής διανομής εξαρτάται από την έκθεσή της στον κεραυνό. Για να προσδιοριστεί η έκθεση, ο μελετητής γραμμών διανομής πρέπει να γνωρίζει τον ετήσιο αριθμό κεραυνών ανά μονάδα περιοχής ανά μονάδα χρόνου. Αυτό το GFD μπορεί να υπολογιστεί με πολλούς τρόπους. Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από το κεραυνικό επίπεδο [Β5] 1 χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): N g = 0.04 T 1.25 d [κεραυνοί/km 2 /έτος] (1) όπου T d είναι ο αριθμός των ημερών με κεραυνούς ανά χρόνο (το κεραυνικό επίπεδο). Μια άλλη εκτίμηση για το GFD μπορεί να αποκτηθεί από τα αρχεία ωρών με κεραυνούς [Β31], όπως δείχνει η εξίσωση (2): N g = T 1.1 h [κεραυνοί/km 2 /έτος] (2) Υπολογισμοί για το GFD μπορούν να αποκτηθούν επίσης απευθείας από τα στοιχεία των δικτύων εντοπισμού των κεραυνών ή από μετρητές λάμψεων. Εάν υπάρχουν στοιχεία αρκετών χρόνων, αυτό έχει το πλεονέκτημα αναγνώρισης τοπικών διαφοροποιήσεων. Τα ποσοστά των κεραυνών και των διακοπών που προκαλούνται από αυτούς έχουν αξιόλογη διαφοροποίηση από χρόνο σε χρόνο [Β31, Β15]. Η ιστορική, σταθερή απόκλιση για ετήσιες μετρήσεις δραστηριοτήτων κεραυνών κυμαίνεται από 20% μέχρι 50% από το μέσο όρο. Υπολογισμοί για GFD σε μια μικρή περιοχή όπως 10*10 km έχουν μεγαλύτερη σταθερή απόκλιση περίπου 30-50% από το μέσο όρο. Μεγαλύτερες περιοχές όπως 500*500 km έχουν μικρότερη σταθερή απόκλιση 20-25% από το μέσο όρο. Σε περιοχές με μικρότερα επίπεδα δραστηριότητας κεραυνών, η σχετικά σταθερή απόκλιση είναι υψηλότερη. 1 Οι αριθμοί στις αγκύλες αντιστοιχούν σε εκείνους της βιβλιογραφίας στο Παράρτημα Γ της οδηγίας ΙΕΕΕ. 51

52 Με τέτοιες μεγάλες σταθερές αποκλίσεις, χρειάζονται δεδομένα πολλών χρόνων για να υπολογιστεί με ακρίβεια ο μέσος όρος. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιούνται δεδομένα για κεραυνούς στο έδαφος μιας μεμονωμένης περιοχής και για τον υπολογισμό των ποσοστών διακοπών από κεραυνούς σε μια γραμμή διανομής, από τα στοιχεία διακοπής λειτουργίας ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ ΜΕΓΙΣΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Από την πολύ περιεκτική περίληψη των παραμέτρων κεραυνών που παρουσιάζονται από το CIGRE Working Group (που παρουσιάζεται στον Πίνακα 2.1) [Β17], για τα πρώτα πλήγματα, η διαφοροποίηση του ρεύματος κορυφής ενός κεραυνού Ι o μπορεί να προσεγγιστεί από μια κατανομή λογαριθμικήκανονική. Η συνάρτηση που αντιπροσωπεύει την συγκεκριμένη κατανομή για οποιαδήποτε παράμετρο x είναι: 1 z f (x) exp (3) 2 x 2 ό ln x/ M z όπου f(x) : πυκνότητα πιθανότητας Μ : η μέση τιμή του x β : κανονική λογαριθμική απόκλιση Για να υπολογίσουμε με ένα απλό τρόπο την πιθανολογική κατανομή των κορυφαίων τιμών ρεύματος χρησιμοποιούμε την παρακάτω συνάρτηση [Anderson] που μας δίνει την πιθανότητα το μέγιστο ρεύμα του κεραυνού Ι ο να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μια συγκεκριμένη τιμή i ο [ka]: 1 P(I o io) (4) 1 / 31 όπου i 2.6 o Ρ(I o > i o ) : η πιθανότητα ότι το πρώτο πλήγμα που επιστρέφει να έχει μέγιστη τιμή ρεύματος I o > i o. i o : η μέγιστη τιμή ρεύματος του πρώτου πλήγματος που επιστρέφει. 52

53 Πίνακας 2.1: Παράμετροι κεραυνικών ρευμάτων CIGRE 33.01[B17] Πίνακας 2.1: Παράμετροι κεραυνικών ρευμάτων CIGRE 33.01[B17](Συνέχεια) 53

54 Σχήμα 2.3: Περιγραφή παραμέτρων της κεραυνικής κυματομορφής 54

55 2.5 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Αυτό το τμήμα περιγράφει τη διαδικασία υπολογισμού του αριθμού των άμεσων και επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε κυκλώματα διανομής. Οι κεραυνοί μπορεί να ευθύνονται για πολλές διακοπές ρεύματος σε γραμμές διανομής. Ο κεραυνός μπορεί να προκαλέσει βραχυκυκλώματα από α) Άμεσα πλήγματα β) Μεταβολή τάσης από κοντινά πλήγματα Απευθείας κεραυνός σε γραμμές διανομής ενέργειας προκαλεί βραχυκυκλώματα στις μονώσεις στην πλειοψηφία των περιπτώσεων. Για παράδειγμα, ένα πλήγμα 10 ka θα μπορούσε να παράγει μία υπέρταση περίπου 2000 kv, πέρα από τα επίπεδα μόνωσης των εναέριων γραμμών διανομής ονομαστικής τάσης 69 kv. Παρόλα αυτά, η εμπειρία και οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι πολλές από τις διακοπές λειτουργίας, που σχετίζονται με κεραυνούς, σε γραμμές με μικρή μόνωση οφείλονται στον κεραυνό που πέφτει στο έδαφος κοντά στην γραμμή. Οι περισσότερες τάσεις που προκαλούνται σε μια γραμμή διανομής από εκκενώσεις κεραυνών που καταλήγουν κοντά στην γραμμή είναι μικρότερες από 300 kv. Οι κεραυνοί μπορούν να συγκεντρωθούν από ψηλότερα αντικείμενα, και έτσι το ύψος και η απόσταση από την γραμμή διανομής των προστατευτικών αντικειμένων, όπως τα δέντρα και τα κτίρια, θα επηρεάσουν την συμπεριφορά της γραμμής σε περίπτωση κεραυνού ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΥΨΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Ο κεραυνός μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην αξιοπιστία μιας γραμμής, ειδικά εάν οι πόλοι της είναι πιο ψηλά από την περιβάλλουσα τοποθεσία. Το ποσοστό των κεραυνών N, που πλήττουν ανοιχτή περιοχή (όχι μεγάλα δέντρα ή κτίρια κοντά), υπολογίζεται από την εξίσωση Eriksson: h b N N g (5) 10 όπου: h: ύψος του πόλου (m) b: το πλάτος της κατασκευής (m) N g : πυκνότητα των κεραυνών [κεραυνοί/km 2 /έτος] 55

56 N: συχνότητα συλλογής κεραυνών [κεραυνοί/100km/έτος] Για τις περισσότερες γραμμές διανομής, ο παράγοντας πλάτους της κατασκευής b είναι αμελητέος. Από την Εξίσωση (5), εάν το ύψος του πόλου αυξάνεται κατά 20%, το ποσοστό κεραυνών στην εναέρια γραμμή διανομής θα αυξανόταν κατά 12%. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η γραμμή διανομής μπορεί να συγκεντρώσει πολλούς περισσότερους κεραυνούς από όσους θα προβλεπόταν από το 4 x Η μοντέλο που χρησιμοποιείτο για πολλά χρόνια. Στο μοντέλο 4 x Η, ο αριθμός των κεραυνών που συγκεντρώνονταν από την γραμμή διανομής υπολογιζόταν από ένα πλάτος δύο φορές 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 κατά μήκος των κορυφών των βουνών, οροσειρών ή λόφων θα είναι πιο πιθανοί στόχοι για πλήγματα από κεραυνούς από αυτές που προστατεύονται από φυσικά στοιχεία ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΠΟ ΚΟΝΤΙΝΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΔΕΝΔΡΑ Δένδρα και κτίρια μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο στην συμπεριφορά των γραμμών διανομής έναντι κεραυνών. Μπορούν να τραβήξουν πολλούς κεραυνούς που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν μια γραμμή. Ο παράγοντας προστασίας S f, προσδιορίζεται ως το τμήμα ανά μονάδα των γραμμών διανομής που προστατεύονται από κοντινά αντικείμενα. Ο αριθμός των πληγμάτων στην γραμμή είναι τότε N N 1 S (6) s f Ένας προστατευτικός παράγοντας 0.0 σημαίνει ότι η γραμμή διανομής είναι σε ανοιχτό έδαφος χωρίς καθόλου προστασία από κοντινά αντικείμενα, και ο παράγοντας 1.0 σημαίνει ότι η γραμμή διανομής είναι τελείως προστατευμένη από άμεσα πλήγματα. Το Σχήμα 2.4 παρουσιάζει ένα τρόπο υπολογισμού του παράγοντα θωράκισης για μια γραμμή διανομής ύψους 10m,όπου υποθέτουμε ότι τα αντικείμενα βρίσκονται μια ευθεία παράλληλη προς την γραμμή διανομής(μια σειρά από δέντρα ή κτιρίων). Το συγκεκριμένο σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τις δυο πλευρές της γραμμής διανομής, εφόσον ο παράγοντας θωράκισης από δεξιά και αριστερά προστεθούν. Παραδείγματος χάρη, έστω μια γραμμή διανομής 10 m : 56

57 α) με μια σειρά από κτίρια ύψους 7.5 m,30 m από την αριστερή πλευρά της γραμμής διανομής(sf LEFT =0.23). β) με μια σειρά από δέντρα ύψους 15m,40 m από την δεξιά πλευρά της γραμμής διανομής(sf RIGHT = 0.4 ). Σχήμα 2.4: Παράγοντες θωράκισης λόγω κοντινών αντικειμένων σε διαφορετικά ύψη για γραμμή διανομής 10 m. Εάν το GFD είναι 1 κεραυνός/km 2 /έτος, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων στην εναέρια γραμμή διανομής σε ανοιχτό έδαφος θα ήταν κεραυνοί/100 km/έτος [από την Εξίσωση (5)]. Με τις σειρές των κτιρίων, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων θα μειωνόταν σε: Ns = N [1-(Sf left +Sf right )] (7) = (11.15 κεραυνοί/100km/έτος) [1- ( )] = 4.12 κεραυνοί/100km/έτος Εκτός από το εάν η μόνωση της γραμμής διανομής προστατεύεται από αγωγό προστασίας ή αλεξικέραυνα, όλοι οι κεραυνοί θα προκαλέσουν βραχυκυκλώματα ανεξάρτητα από το επίπεδο μόνωσης, τα διαστήματα αγωγών, ή το έδαφος. Για αυτό, προκειμένου να εκτιμηθεί ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων λόγω των άμεσων πληγμάτων από κεραυνούς, χρησιμοποιείστε την Εξίσωση (5) για μια γραμμή διανομής σε ανοιχτό έδαφος, ή τις Εξισώσεις (5) και (6) για μια μερικώς προστατευμένη γραμμή. Υποτίθεται ότι όλα τα βραχυκυκλώματα θα προκαλέσουν βλάβες στο κύκλωμα διανομής. 57

58 2.5.2 ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ Η θεωρία του Rusck εξηγεί ότι η μέγιστη τάση που προκαλείται σε μια γραμμή μεταφοράς ενέργειας στο πιο κοντινό σημείο του πλήγματος πάνω στην γραμμή υπολογίζεται από : Ih o a Vmax 38.8 [kv](8) y όπου Ι ο = μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού h α = μέσο ύψος της γραμμής πάνω από το επίπεδο του εδάφους y = η πιο κοντινή απόσταση ανάμεσα στο κεραυνικό πλήγμα και την γραμμή Η παραπάνω εξίσωση χρησιμοποιείται για ένα απείρως μακρύ,μονό αγωγό πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο έδαφος. Ένας εναέριος αγωγός προστασίας ή ένας γειωμένος ουδέτερος αγωγός θα μειώσει την τάση στην μόνωση έως ένα σημείο που εξαρτάται από την γείωση και την απόσταση του γειωμένου αγωγού από τους αγωγούς φάσης ( ). Όταν τα επίπεδα της μόνωσης βρίσκονται σε χαμηλό επίπεδο το ποσοστό των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση αυξάνεται σημαντικά. Στο Σχήμα 2.5 παρουσιάζεται η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων ως συνάρτηση της κρίσιμης τάσης διάσπασης (CFO) μιας γραμμής σε δυο διατάξεις γείωσης. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα η μια γραμμή αντιπροσωπεύει ένα μηγειωμένο κύκλωμα που δεν έχει ούτε ουδέτερο ούτε αγωγό προστασίας ενώ η άλλη γραμμή αντιπροσωπεύει ένα γειωμένο κύκλωμα με γειωμένο ουδέτερο αγωγό ή εναέριο αγωγό προστασίας. Η γείωση στο αγωγό, για μια δεδομένη τιμή CFO, μειώνει την τάση που εμφανίζεται στη μόνωση που έχει ως απόρροια λιγότερα βραχυκυκλώματα. Κατασκευές με κοινή γείωση και μη-μειωμένες κατασκευές έχουν μεγαλύτερο CFO σε σύγκριση με μια κατασκευή πολλαπλής γείωσης λόγω απουσίας του γειωμένου ουδέτερου αγωγού. Οι τιμές είναι ομαλοποιημένες για ένα GFD από 1 κεραυνό/^τι2/έτος και μια γραμμή διανομής ύψους 10m. Τα αποτελέσματα μπορούν να κυμανθούν γραμμικά ανάλογα με το μήκος και το GFD. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.5 είναι για μια γραμμή διανομής σε ανοιχτό έδαφος χωρίς κοντινά δένδρα ή κτίρια. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται εξαρτάται από την παρουσία κοντινών αντικειμένων που μπορούν να προστατεύσουν την γραμμή από άμεσα πλήγματα. Αυτό μπορεί να αυξήσει τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από την τάση, καθώς θα υπάρχουν περισσότερα κοντινά πλήγματα. 58

59 Ως σημείο αναφοράς, μια γραμμή διανομής ύψους 10m σε ανοιχτό έδαφος με GFD= 1 [κεραυνό/km 2 /έτος] θα έχει κατά προσέγγιση 11 κεραυνούς/100 km/έτος λόγω των άμεσων πληγμάτων, χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5). Σε ανοιχτό έδαφος, οι τάσεις που προκαλούνται θα είναι πρόβλημα μόνο για τις γραμμές με πολύ χαμηλά επίπεδα μόνωσης. Για παράδειγμα, ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από την τάση θα υπερέχει από τον αριθμό βραχυκυκλωμάτων από άμεσο πλήγμα για ένα μη-γειωμένο κύκλωμα, μόνο εάν το CFO είναι λιγότερο από 75kV (από το Σχήμα 2.5). Σε προστατευμένες περιοχές, τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από την τάση είναι ιδιαίτερης σημασίας. Τυπικά, μία υπόθεση που χρησιμοποιείται για γραμμές διανομής είναι ότι εάν το CFO είναι 300 kv ή περισσότερο, τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται θα περιοριστούν. Σχεδόν όλες οι μετρήσεις από την τάση είναι μικρότερες από 300 kv, και το Σχήμα 2.5 δείχνει ότι μια γραμμή με CFO μεγαλύτερο από 300 kv θα έχει πολύ λίγα βραχυκυκλώματα από τάση. Ένας ακόμη παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι οι περισσότερες γραμμές διανομής έχουν μετασχηματιστές διανομής που προστατεύονται από αλεξικέραυνα. Αυτές παρέχουν επίσης ως ένα βαθμό μείωση των βραχυκυκλωμάτων από τάση. Παρόλα αυτά, αυτή η μείωση μπορεί να είναι μικρή σε αγροτικά και προαστιακά κέντρα. 59

60 Σχήμα 2.5: Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής 2.6 ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Αυτή η οδηγία είναι μια προσπάθεια για να βοηθηθεί ο μηχανικός του συστήματος διανομής στο να βελτιώσει την μόνωση από κεραυνό των εναέριων γραμμών διανομής. Οι περισσότερες εναέριες κατασκευές χρησιμοποιούν περισσότερους από έναν τύπους μονωτικών υλικών για προστασία από κεραυνό. Τα πιο συνηθισμένα μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές εναέριων γραμμών διανομής είναι η πορσελάνη, ο αέρας, το ξύλο, τα πολυμερή και το fiberglass. Το κάθε στοιχείο έχει την δική του μονωτική ισχύ. Όταν τα μονωτικά υλικά χρησιμοποιούνται στη σειρά, το επίπεδο μόνωσης που προκύπτει δεν είναι το άθροισμα των επιπέδων που σχετίζονται με το κάθε συστατικό, αλλά κάτι λιγότερο από αυτήν την τιμή. 60

61 Οι ακόλουθοι παράγοντες επηρεάζουν τα επίπεδα βραχυκυκλωμάτων από κεραυνό στις γραμμές διανομής και καθιστούν δύσκολη την εκτίμηση για το επίπεδο της τελικής μόνωσης: α) Ατμοσφαιρικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων της πυκνότητας του αέρα, της υγρασίας, της βροχόπτωσης και της ατμοσφαιρικής μόλυνσης. β) Η πολικότητα και ο ρυθμός αύξησης της τάσης. γ) Φυσικοί παράγοντες όπως το σχήμα του μονωτήρα, το σχήμα του μεταλλικού υλικού, και η διαμόρφωση του μονωτήρα (που τοποθετείται κάθετα, οριζόντια ή με κάποια γωνία). Εάν το ξύλο είναι στην πορεία εκφόρτισης του πλήγματος του κεραυνού, το αποτέλεσμα του πλήγματος στην ισχύ της μόνωσης μπορεί να είναι σχετικά ποικίλο, εξαρτώμενο κυρίως από την υγρασία επάνω στην επιφάνεια του ξύλου. Η ισχύς της μόνωσης εξαρτάται σε μικρότερο βαθμό από τις φυσικές διαστάσεις του ξύλου. Παρόλο που ο μελετητής- μηχανικός μπορεί να είναι περισσότερο εξοικειωμένος με το βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (BIL) ενός δεδομένου συνδυασμού μονωτικών υλικών, το αποτέλεσμα αυτής της οδηγίας δίνεται με βάση το CFO αυτών των συνδυασμών. Το CFO προσδιορίζεται από το επίπεδο τάσης στο οποίο στατιστικά υπάρχει 50% πιθανότητα για βραχυκύκλωμα και 50% πιθανότητα αντοχής-αντίστασης. Αυτή η τιμή προσδιορίζεται σε εργαστηριακές συνθήκες. Εάν υποτεθεί μια Gaussian διανομή δεδομένων βραχυκυκλώματος, τότε κάθε συγκεκριμένη πιθανότητα αντίστασης μπορεί να υπολογιστεί στατιστικά από την τιμή CFO και την σταθερή απόκλιση. Καθώς γίνονταν διαθέσιμα τα εργαστηριακά δεδομένα, μελετήθηκαν διάφορες μέθοδοι στην προσπάθεια να αναπτυχθεί μια διαδικασία για τον προσδιορισμό του αναμενόμενου CFO ενός συγκεκριμένου συνδυασμού από μονωτικά υλικά. Η προσέγγιση «επιπρόσθετη αντοχή μόνωσης» μπορεί να είναι η πιο πρακτική. Αυτή η μέθοδος υιοθετήθηκε από μια παρόμοια διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε νωρίτερα στο σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς, αλλά έχει επεκταθεί στην εφαρμογή της σε πολλά μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή γραμμών διανομής. Χρησιμοποιεί το CFO του βασικού ή πρωτεύοντος μονωτικού υλικού και προσθέτει σε αυτήν την τιμή την αύξηση του CFO που προσφέρεται από ένα επιπλέον υλικό (έχοντας υπόψη ότι η επιπλέον μονωτική ισχύς είναι πάντα μικρότερη από αυτή που έχει μόνο το στοιχείο που προστίθεται). 61

62 2.6.1 ΤΑΣΗ CFO ΤΗΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Από πολύ νωρίς, οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί έχουν κατασκευάσει γραμμές διανομής χρησιμοποιώντας ξύλινους βραχίονες και πόλους σε σειρά με βασικούς μονωτήρες για να αυξήσουν την ισχύ της μόνωσης των γραμμών διανομής ενάντια του κεραυνού. Στις αρχές του 1930, σε μια σειρά μελετών παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα που προέκυψαν όταν μονωτήρες δοκιμάστηκαν σε συνδυασμό με ξύλο. Προκύπτει ένα ζήτημα για το πόση επιπλέον μόνωση έναντι της τάσης του κεραυνού προέκυπτε στην αρχική μόνωση (τον μονωτήρα). Ένα μέρος της απάντησης προέκυψε μέσα από την έρευνα σε πολλά εργαστήρια, και κάποια αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν το 1940 και το 1950 [Β12]. Μια γενική περίληψη προηγούμενων εργασιών πάνω στο CFO παρουσιάστηκε στην AIEE Committe Report του 1950 [Β2], και μια εκτενής αναφορά [Β5] το Παρόλα αυτά, αυτά τα αποτελέσματα εφαρμόστηκαν περισσότερο στην κατασκευή γραμμών μεταφοράς και όχι σε γραμμές διανομής. Στις εναέριες γραμμές διανομής, η πιο αδύναμη μόνωση γενικά τοποθετείται σε μια πολική κατασκευή και όχι ανάμεσα στους αγωγούς μέσω του αέρα. Πιο πρόσφατα, η έρευνα συνεχίστηκε σε πολυδιηλεκτρικούς συνδυασμούς που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι έρευνες αφορούσαν στις γραμμές διανομής και μεταφοράς και στο βαθμός αντοχής του ξύλου, όταν αυτό εκτίθεται σε κεραυνό, σε κρουστικές τάσεις χειρισμών και σε κρουστικές τάσεις με απότομο μέτωπο. [B14, B38, B25, B30, B29, B46, B47, B41]. Πρόσφατα, στις γραμμές διανομής χρησιμοποιούνται οι μονωτήρες πολυμερών και οι βραχίονες από fiberglass [Β48, Β49, Β10, Β21, Β26] ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΖΟΝΤΑΣ ΤΗΝ CFO ΤΑΣΗ ΓΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΜΟΝΩΣΕΙΣ ΣΕΙΡΑΣ Έρευνες έχουν δείξει ότι 1 m ξύλου ή fiberglass προσθέτει περίπου kv στην αντοχή ολόκληρης της μόνωσης έναντι των κεραυνών. Για μεγαλύτερα μήκη, η αντοχή της μόνωσης έναντι του κεραυνού στο βραχίονα από ξύλο ή fiberglass και του συνδυασμού μονωτών προσδιορίζεται κυρίως μόνο από τον ξύλινο ή fiberglass βραχίονα. Η μόνωση εναλλασσόμενου ρεύματος λαμβάνεται μόνο από το μονωτήρα, και ο ξύλινος ή fiberglass βραχίονας θεωρείται μόνο ως επιπλέον μονωτικό για την τάση του κεραυνού. Όταν η πορεία του κεραυνού στο έδαφος δεν συναντά ένα ξύλινο ή fiberglass βραχίονα, αλλά δύο ή περισσότερους μονωτήρες στη σειρά, το CFO του συνδυασμού δεν αποκτάται προσθέτοντας απλώς το κάθε CFO των συστατικών. Τα CFOs αυτών των συνδυαστικών μονωτήρων ελέγχονται από μια σειρά διαφορετικών παραγόντων, καθένας από τους οποίους απαιτεί ιδιαίτερη ξεχωριστή ανάλυση. 62

63 Σήμερα, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί συνδυασμοί και σχηματισμοί που χρησιμοποιούνται από τις επιχειρήσεις. Η εκτεταμένη μέθοδος πρόσθετων-cfo μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί το συνολικό CFO μιας κατασκευής διανομής με το να: α) Προσδιοριστεί η συμβολή του κάθε ξεχωριστού συστατικού μόνωσης στο συνολικό CFO του συνδυασμού β) Υπολογιστεί το συνολικό CFO του συνδυασμού, γνωρίζοντας το CFO των συστατικών μόνωσης Αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας είτε τους πίνακες είτε τις καμπύλες που διαθέτουν τα δεδομένα των πειραμάτων, και χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα να συσχετίσει (κανείς) το αποτέλεσμα του ενός μονωτικού υλικού που προστίθεται σε ένα άλλο. Αυτή η διαδικασία στηρίζεται στα ενδεικτικά δεδομένα CFO της βασικής μόνωσης και σε ένα επιπρόσθετο σύνολο σύνθετων δεδομένων που δίνονται ως η CFO τάση που προστίθεται από ένα συγκεκριμένο συστατικό. Σε σχηματισμούς όπου υπάρχουν δύο συστατικά στοιχεία, το CFO του συνδυασμού είναι πολύ μικρότερο από το σύνολο των μεμονωμένων CFOs. Ο μονωτήρας θεωρείται η πρωταρχική ή η βασική μόνωση. Το CFO που αποκτάται για σχηματισμούς που αποτελούνται από δύο συστατικά υπολογίζεται ως το CFO του βασικού συστατικού συν το CFO του δεύτερου συστατικού. Η συνολική CFO τάση για δύο συστατικά είναι CFO T = CFO ins + CFO add.sec (9) Όπου CFO ins είναι το CFO του κύριου συστατικού CFO add.sec είναι το CFO που προστίθεται από το δεύτερο συστατικό Η συνολική CFO τάση τριών και περισσοτέρων συστατικών είναι: CFO T = CFO ins + CFO add.sec + CFO add.third + + CFO add.nth (10) Όπου CFO add.third είναι το CFO που προστίθεται από το τρίτο συστατικό CFO add.nth είναι το CFO που προστίθεται από το n στοιχείο Το μεμονωμένο CFO που χρησιμοποιείται πιο συχνά και τα πρόσθετα-cfo συστατικά παρουσιάζονται στους πίνακες : 63

64 Πίνακας 2.2: Κύρια μόνωση(cfo ins ) Πίνακας 2.2: Κύρια μόνωση(cfo ins ) (συνέχεια) 64

65 Πίνακας 2.3: Επιπρόσθετο CFO δεύτερων υλικών (CFO add.sec ) Πίνακας 2.4: Επιπρόσθετο CFO τρίτων υλικών (CFO add.third ) *Σημείωση (για τους παραπάνω πίνακες) 1. Όλες οι τιμές είναι για επίπεδα υγρού CFO. 2. Οι τιμές είναι το ελάχιστο των τιμών αρνητικής και θετικής πολικότητας. 3. Οι μονωτήρες παρουσιάζονται μόνο ως παραδείγματα. Ανατρέξτε στα δεδομένα του κατασκευαστή για πιο ακριβείς τιμές. Παρακάτω παρουσιάζονται σε πίνακες οι πιο συχνές τιμές CFO και τα πρόσθετα στοιχεία όπου αναφέρονται σε υγρές συνθήκες. Από εργαστηριακές διαδικασίες ή από τους κατασκευαστές συλλέγονται οι ξηρές συνθήκες που πολλαπλασιάζοντας με ένα συντελεστή 0,8 έχουμε μια εκτίμηση των τιμών CFO υπό υγρές συνθήκες. Οι συντελεστές κυμαίνονται μεταξύ 0,7-0,9. Για συστατικά που δεν δίνονται στον Πίνακα 2.3 ή 2.4, το συνολικό CFO μπορεί να υπολογιστεί με μειώσεις για το δεύτερο και τρίτο συστατικό, ως εξής: 65