Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Κούτρα Κωνσταντίνου του Νικολάου Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού & Τεχνολογίας Υπολογιστών

Transcript

1 Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Κούτρα Κωνσταντίνου του Νικολάου Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού & Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου: Θέμα: «Συμπεριφορά του Εξοπλισμού Ανεμογεννήτριας σε Πλήγμα Κεραυνού» Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 17/01/2018

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κωνσταντίνος Κούτρας 2018 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Κούτρα Κωνσταντίνο,διπλωματούχο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό και Τεχνολογίας Υπολογιστών, 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 τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Συμπεριφορά του Εξοπλισμού Ανεμογεννήτριας σε Πλήγμα Κεραυνού» του κ. Κωνσταντίνου Κούτρα Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών στις 17/01/2018 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: 1.Ελευθερία Πυργιώτη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπουσα Καθηγήτρια 2.Αντώνιος Αλεξανδρίδης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής 3.Θωμάς Ζαχαρίας, Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 17/01/2018 Η Επιβλέπουσα Καθηγήτρια Αν. Καθηγήτρια Ε. Πυργιώτη Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Ν.Βοβός

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στα πλαίσια εκπόνησης αυτής της διατριβής, θα ήθελα να ευχαριστήσω την Καθηγήτρια κυρία Πυργιώτη από το Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων για την πολύ εποικοδομητική συνεργασία μας,όπως και προπτυχιακά άλλωστε, και για την πολύτιμη βοήθεια που μου πρόσφερε για να την ολοκληρώσω όπως επίσης και τους κυρίους Αλεξανδρίδη και Ζαχαρία που δέχτηκαν να την εξετάσουν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για τη χωρίς όρους στήριξή τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. i

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη, «καθαρή» μορφή ενέργειας, που δε μολύνει το περιβάλλον και είναι ανεξάντλητη. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με μεγάλο υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Για την καλύτερη κατανόηση του φαινομένου αυτού, αρχικά περιγράφηκε η ηλεκτρική κατάσταση της γης και η ηλεκτρική συμπεριφορά των νεφών καθώς και οι επιπτώσεις των πληγμάτων των κεραυνών. Αυτά αφορούν στην ανθρώπινη ζωή και στις κατασκευές, στις οποίες διακρίνονται σε θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές επιπτώσεις. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η προσομοίωση ενός κεραυνικού πλήγματος στην επιφάνεια μιας ανεμογεννήτριας και η επίδρασή του σε πολλά άλλα κρίσιμα σημεία αυτής με τη χρήση του προγράμματος COMSOL προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο κίνδυνος στον οποίο εκτίθενται και η σχεδίαση ενός κατάλληλου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας των εξαρτημάτων που την αποτελούν. Στο 1 ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο τρόπος πρόκλησης των κεραυνικών πληγμάτων κατά τη διάρκεια των εκκενώσεων. Αναφέρονται ακόμη μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς, τα είδη των κεραυνών και γίνεται εκτενής αναφορά στο ρεύμα του κεραυνού, τους διαθέσιμους τρόπους προσδιορισμού του, την κοινά αποδεκτή διπλοεκθετική κυματομορφή που το αναπαριστά και τις παραμέτρους του κεραυνού που σχετίζονται με αυτό. Στο 2 ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η δομή και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιμέρους δομικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι η νασέλλα, ο πύργος και η βάση. Παρουσιάζεται ακόμα το περιβάλλον στο οποίο λειτουργούν οι ανεμογεννήτριες, οι ii

6 επιπτώσεις ενός κεραυνικού πλήγματος σε αυτές και καταδεικνύεται η σημασία αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών στο σύγχρονο ενεργειακό τοπίο. Τέλος, παρουσιάζονται τα ισχύοντα πρότυπα και μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννητριών. Στο 3 ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης του μοντέλου της ανεμογεννήτριας και του ορισμού των φυσικών και μαθηματικών μοντέλων στο περιβάλλον του προγράμματος για την προσομοίωση του κεραυνικού πλήγματος. Παρουσιάζονται όλα τα βήματα που ακολουθήθηκαν προκειμένου να λάβουμε ορθά αποτελέσματα. Στο 4 ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα είναι είτε σε μορφή γραφικών παραστάσεων διαφόρων μεγεθών συναρτήσει του χρόνου, είτε σε 3D πάνω στη γεωμετρία της ανεμογεννήτριας σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές. Τα μεγέθη που θα απεικονιστούν με τους δύο προαναφερθέντες τρόπους είναι: Η πυκνότητα ρεύματος και η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο σύνολο του μοντέλου καθώς και σε επιλεγμένα σημεία αυτού ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για την εξαγωγή του κατάλληλου προτεινόμενου ΣΑΠ στα δύο σημεία που κινδυνεύουν περισσότερο από κεραυνικά πλήγματα, τα οποία είναι η κορυφή των πτερυγίων και το πίσω μέρος της νασέλλας. Τέλος, στο 5 ο κεφάλαιο εξάγονται τα συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις και παρουσιάζονται πίνακες ομαδοποιημένων στοιχείων για εύκολη αναφορά και σύγκριση των τιμών. iii

7 Abstract Wind energy is a renewable, pure form of energy that does not pollute the environment and is inexhaustible. Wind turbines are usually located in high altitude locations as well as in flat outdoors, which justifies the high number of lightning strikes that cause many problems in the facility. The thunderbolt is an atmospheric electrical phenomenon that could be defined as a form of electrical disruption characterized by high current which occurs in very large gaps. To better understand this phenomenon, we firstly described the electrical state of the earth and the electrical behavior of the clouds as well as the effects of the lightning strikes. These relate to human life and construction, which are distinguished by thermal, mechanical and electrical effects. The purpose of this thesis is to simulate a lightning strike on the surface of a wind turbine and its effect on many other critical points using the COMSOL program in order to understand the danger to which it is exposed and the necessity for a design of a suitable lightning protection system by its components. In Chapter 1, there is presented how to cause lightning strikes during discharges. There are still light-related sizes, lightning patterns, and an extensive reference to lightning current, available modes of determination, the commonly accepted duplex waveform that represents it, and the lightning parameters associated with it. In Chapter 2, the structure and the operating characteristics of wind turbines are presented. The wind turbine consists of three main parts, each of which consists of other individual components. The three main components of a wind turbine are the nacelle, the tower and the base. The environment in which wind turbines operate, the impact of a lightning strike on them, and the importance of lightning protection of wind turbines in the modern energy landscape are shown. Finally, we present the current standards and methods of lightning protection of wind turbines. In Chapter 3, we present the process of designing the wind turbine model and the definition of physical and mathematical models in the simulated lightning simulation program environment. We present all the steps taken to get the right results. iv

8 In Chapter 4, the results of the simulation are presented. The results are either in the form of graphs of different sizes versus time, or 3D on the geometry of the wind turbine at predetermined times. The magnitudes to be depicted in the two above-mentioned ways are: The current density and the intensity of the electric field in the whole model as well as selected points of this particular interest in extracting the appropriate proposed lightning protection system at the two points most at risk from lightning strikes, which are the top of the blades and the back of the nacelle. Finally, chapter 5 draws out the conclusions from the simulations and presents grouped data tables for easy reference and price comparison. v

9 ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ ΑΠΕ Α/Γ ΔΠ Η/Μ ΣΑΠ CMP GRP rpm SPD XLPE Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ανεμογεννήτρια Διεσπαρμένη Παραγωγή ηλεκτρομαγνητικό Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας Comsol Multiphysics Πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί Στροφές ανά λεπτό Surge Protection Devices (Συσκευές Προστασίας έναντι Υπερτάσεων) Διασυνδεδεμένο πολυαιθυλένιο vi

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή στις Κεραυνικές Εκκενώσεις Εισαγωγή Πρόκληση κεραυνών Κατανομή φορτίων και πεδιακών εντάσεων μέσα σε ένα ηλεκτρισμένο νέφος Χαρακτηριστικά μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς Είδη κεραυνών Ρεύμα κεραυνού και σχετικές παράμετροι Επιπτώσεις κεραυνικών πληγμάτων Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Επιπτώσεις στις κατασκευές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Κεφάλαιο 2 ο Ανεμογεννήτριες και Κεραυνικά Πλήγματα Εισαγωγή Γενικά για την ανεμογεννήτρια Ανεμολογικά Στοιχεία Δομή της ανεμογεννήτριας Κεραυνικό πλήγμα σε ανεμογεννήτρια Επιπτώσεις στα πτερύγια Επιπτώσεις στα έδρανα κύλισης Επιπτώσεις στο ανεμόμετρο Επιπτώσεις στη γεννήτρια Επιπτώσεις στο ηλεκτρονικό σύστημα της ανεμογεννήτριας Επαγόμενες τάσεις Τάσεις επαφής Βηματικές τάσεις Υπερτάσεις Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών Εκτίμηση επιπέδου αντικεραυνικής προστασίας Προτεινόμενο ΣΑΠ για ανεμογεννήτριες vii

11 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 2 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Κεφάλαιο 3 ο Διαδικασία της προσομοίωσης Εισαγωγή Γνωριμία με το πρόγραμμα Model Wizard Σχεδιασμός Γεωμετρίας Μοντέλου Σχεδιασμός πτερυγίων-πλήμνης Σχεδιασμός νασέλλας Δημιουργία των σημείων εφαρμογής του κεραυνικού πλήγματος Σχεδιασμός του πύργου Σχεδιασμός των αγωγών καθόδου Σχεδιασμός του συστήματος γείωσης Συνολική γεωμετρία του μοντέλου Επιλογή Υλικών Διακριτοποίηση του μοντέλου Εισαγωγή φυσικής Εισαγωγή μελέτης Εισαγωγή σημειακών μετρητικών ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 3 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Κεφάλαιο 4ο Αποτελέσματα της προσομοίωσης Εισαγωγή Επεξεργασία Αποτελεσμάτων Αποτελέσματα προσομοίωσης κεραυνικού πλήγματος στο πτερύγιο Αποτελέσματα στη μία διάσταση Αποτελέσματα στις τρεις διαστάσεις Αποτελέσματα προσομοίωσης κεραυνικού πλήγματος στη νασέλλα Αποτελέσματα στη μία διάσταση Αποτελέσματα στις τρεις διαστάσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 4 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Κεφάλαιο 5 ο Συμπεράσματα viii

12 ix

13 Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή στις Κεραυνικές Εκκενώσεις 1.1Εισαγωγή Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Ο κεραυνός εμφανίζεται όταν σε κάποια περιοχή της ατμόσφαιρας επιτυγχάνεται μια ηλεκτρική φόρτιση αρκετά μεγάλη, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται να προκαλούν την ηλεκτρική διάσπαση του αέρα. Ο κεραυνός αποτελείται από ένα οπτικό φαινόμενο, την αστραπή, που οφείλεται στην πυράκτωση των μορίων του αέρα, και από το καθαρά ηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή τη ροή των ηλεκτρικών φορτίων, που συνοδεύεται από τη βροντή, εξαιτίας της απότομης εκτόνωσης των αερίων της περιοχής. 1.2 Πρόκληση κεραυνών Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Υπό συνθήκες καλοκαιρίας, το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0.13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας [1.1]. Ιονισμένα σωματίδια (θετικού και αρνητικού προσήμου) που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες, προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξαιτίας αυτής και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας ιόντα και των δυο προσήμων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και συνεπώς την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δε συμβαίνει οφείλεται στο ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Η κύρια πηγή που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί [1.1]. 1

14 Όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο φορτίζεται ένα σύννεφο το πιθανότερο είναι ότι συντελείται με την γρήγορη άνοδο του θερμού αέρα στο κέντρο της καταιγίδας. Τα κεραυνοφόρα νέφη (κυρίως τύπου «σωρειτομελανία») αποτελούνται στα υψηλότερα επίπεδα του νέφους από κρυστάλλους πάγου και χιονιού που είναι θετικά φορτισμένοι ενώ στα κατώτερα από σταγονίδια βροχής που είναι αρνητικά φορτισμένα. Αυτή είναι η μέση γενική κατάσταση. Αν λάβει κανείς υπόψη περισσότερες λεπτομέρειες η εικόνα είναι πιο περίπλοκη. Υπάρχει για παράδειγμα ένα δευτερεύον στρώμα αρνητικού φορτίου στην κορυφή του νέφους και ενός θετικού στην βάση του. [1.1] Εικόνα 1.1: Ηλεκτρική εικόνα κατά τη διάρκεια εκκενώσεων [1.2] Η δημιουργία φορτίων στα καταιγιδοφόρα νέφη βασίζεται στην ιδέα, ότι σχετικά μεγάλα παγοσφαιρίδια στα νέφη πολώνονται κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου καλού καιρού, έτσι ώστε στο κάτω μέρος να έχουν θετικό και στο άνω αρνητικό φορτίο. Όταν ένα σχετικά μεγάλο πολωμένο παγοσφαιρίδιο πέφτει μέσα στο νέφος και συγκρούεται με μικρότερα παγοσφαιρίδια, ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τα μικρά σφαιρίδια στο μεγαλύτερο. Κατά αυτό τον τρόπο τα μικρά παγοσφαιρίδια φορτίζονται θετικά και παρασυρόμενα από τα ισχυρά ανοδικά ρεύματα μεταφέρονται, ως ελαφρύτερα, προς τα ανώτερα στρώματα του νέφους, ενώ τα μεγαλύτερα, που με τις κρούσεις αυτές φορτίζονται αρνητικά, σαν βαρύτερα καταλήγουν στα κατώτερα στρώματα του νέφους, έτσι ώστε να δημιουργείται ένα στρώμα θετικού φορτίου στο επάνω μέρος του νέφους και ένα αρνητικού στο κάτω μέρος. Τόσο τα αρνητικά όσο και τα θετικά φορτία έχουν την τάση να συγκεντρώνονται σε ορισμένα μέρη που λέγονται «κέντρα φορτίου». Με τον διαχωρισμό του φορτίου το αρχικό ηλεκτρικό πεδίο ενισχύεται. Αποτελέσματα μαθηματικών μοντέλων δείχνουν, ότι το 2

15 ηλεκτρικό πεδίο τα πρώτα s αυξάνεται αργά, αλλά στα επόμενα s αυξάνεται ταχύτατα και μπορεί να πάρει τιμές της τάξης των 0,3 0,5 ΜV/m [1.3]. Σε αυτές λοιπόν τις περιοχές η τιμή του πεδίου μπορεί να φτάσει σε τέτοιες τιμές ώστε να προκαλέσει ιονισμό του αέρα με τη μορφή εκκενώσεων κορώνα που ξεκινούν από αυτά τα αιχμηρά αντικείμενα. Τα θετικά ιόντα που δημιουργούνται σε αυτές τις εκκενώσεις προχωρούν προς τα επάνω ακολουθώντας τις γραμμές του πεδίου. Εν τούτοις μόλις προχωρήσουν λίγο και φτάσουν σε περιοχές με χαμηλή ένταση πεδίου η ταχύτητά τους μειώνεται πολύ και γίνεται ασήμαντη σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου. Η ταχύτητά τους καθορίζεται από την ταχύτητα και την διεύθυνση του ανέμου. Οι εκκενώσεις αυτές είναι αυτές καθαυτές ακίνδυνες αλλά καμιά φορά προαναγγέλουν την πτώση κεραυνού. Οι άλλες δύο μορφές ηλεκτρικών εκκενώσεων είναι εκκενώσεις τύπου «σπινθήρα» και είναι είτε εκκενώσεις μεταξύ κέντρων φορτίου που λέγονται «αστραπές» είτε εκκενώσεις μεταξύ κέντρων φορτίου και γης που λέγονται «κεραυνοί» [1.4] [1.5] Κατανομή φορτίων και πεδιακών εντάσεων μέσα σε ένα ηλεκτρισμένο νέφος [1.6] Ένα ηλεκτρισμένο νέφος περιέχει ίσες περίπου ποσότητες φορτίων και των δύο προσήμων. Η δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου μέσα και γύρω από ένα ηλεκτρισμένο νέφος, καθώς και στην επιφάνεια του εδάφους, οφείλεται στο διαχωρισμό των φορτίων αυτών με συγκέντρωση φορτίων ορισμένου προσήμου σε διακεκριμένες περιοχές του νέφους. Έχει επικρατήσει για το ηλεκτρισμένο νέφος η εικόνα ενός ηλεκτρικού διπόλου με αρνητικό φορτίο στο κατώτερο μέρος του και θετικό στο ανώτερο. Στην πραγματικότητα, η κατανομή των φορτίων μέσα στο νέφος είναι πιο πολύπλοκη. Μετά από ένα κεραυνό ή εντατική πτώση βροχής, το πεδίο του εδάφους αναστρέφεται παροδικά το οποίο μας προδιαθέτει για την παροδική παρουσία θετικού φορτίου πάνω από το έδαφος. Μετρήσεις πεδίου όμως μέσα στο ίδιο το σύννεφο δεν δείχνουν τις ίδιες απότομες αλλαγές στην κατεύθυνση του πεδίου μετά από κεραυνό ή βροχή. Η 3

16 τελευταία αυτή παρατήρηση οδηγεί στην υπόθεση πως η παρουσία θετικού φορτίου στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, κάτω από ένα νέφος, μπορεί να οφείλεται στη ροή φορτίων, από προεξοχές του εδάφους, υπό την επίδραση του αρνητικού φορτίου του νέφους και του εξ αυτού επαγόμενου πεδίου. 1.3 Χαρακτηριστικά μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς Ακολουθούν οι παρακάτω ορισμοί που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρικές εκκενώσεις: Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς τη γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίστροφα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: ένας κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης (που συχνά ονομάζεται και οδηγός οχετός) προχωρά από το σύννεφο προς το έδαφος και ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρά από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός σύνδεσης είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους έναν κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας θετικός οχετός προεκκένωσης και αντίθετα. Από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός οχετός προεκκένωσης. Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο ορίζεται σαν αρνητικό και το αντίθετο. Σύμφωνα με αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει θετική κατεύθυνση [1.1] [1.7]. 4

17 1.4 Είδη κεραυνών Οι ατμοσφαιρικές εκκενώσεις διακρίνονται σε 3 κατηγορίες : 1) Μεταξύ σύννεφου και γης και αντίστροφα 2) Εντός του ίδιου σύννεφου 3) Μεταξύ των σύννεφων [1.4] Ανάμεσα στο σύννεφο και το έδαφος δημιουργείται μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων όταν συγκεντρώνεται φορτίο ενός προσήμου σε μια θέση του σύννεφου και επαγόμενο φορτίο αντίθετου προσήμου στο έδαφος. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα σε αυτή την ζώνη αναπτύσσονται είτε πλησίον του νέφους είτε σε κάποια σημαντική προεξοχή του εδάφους. Έτσι διακρίνουμε τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού : «Κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. «Ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. «Κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. «Ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο [1.4]. 5

18 Εικόνα 1.2: Τα τέσσερα είδη κεραυνών [1.4] 1.5 Ρεύμα κεραυνού και σχετικές παράμετροι Όταν ένα αντικείμενο χτυπηθεί από ένα κεραυνό, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Έτσι από την άποψη της προστασίας από τους κεραυνούς, το ρεύμα αυτό αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική παράμετρο της εκκένωσης του κεραυνού. Το κύριο ρεύμα του κεραυνού είναι αυτό που οφείλεται στον οχετό επιστροφής. Το ηλεκτρικό φορτίο του κατερχόμενου οχετού εξουδετερώνεται από το ετερόσημο φορτίο της γης. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά τη ροή του φορτίου αυτού εξαρτάται καταρχήν από το μέγεθος του φορτίου του νέφους αλλά και από την ταχύτητα με την οποία ο οχετός επιστρέφει από τον ήδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. Επίσης, είναι γνωστό πως κάθε κεραυνός αποτελείται από πολλές διαδοχικές εκκενώσεις, που η καθεμία έχει διαφορετική μορφή και εύρος. Έχει παρατηρηθεί ότι αρνητικοί κεραυνοί φέρουν πολλαπλές εκκενώσεις, ενώ θετικοί κεραυνοί σπανιότατα παρουσιάζουν περισσότερες από μία εκκενώσεις [1.6]. Ο προσδιορισμός του ρεύματος κεραυνού συνήθως γίνεται με δύο τρόπους: Ο ένας εφαρμόζεται σε διάφορες μεθόδους, οι οποίες στηρίζονται σε μια εκτίμηση του ρεύματος που εμφανίζεται από τα 6

19 θερμικά ή μηχανικά αποτελέσματα που προκαλεί το πλήγμα του κεραυνού. Δηλαδή από την τήξη λεπτών μετάλλων ή τα ίχνη πάνω σε λεπτές μεταλλικές επιφάνειες, γίνεται εκτίμηση της συνολικής ενέργειας του κεραυνού, όπως επίσης και του εύρους του ρεύματος από τη σύσφιξη που προκαλεί η ροή του ρεύματος δια μέσου του σωλήνα. Ένας εναλλακτικός τρόπος μέτρησης του ρεύματος κεραυνού είναι η μέθοδος της μαγνητικής ζεύξης. Η μέθοδος στηρίζεται στο ότι όταν το ρεύμα κεραυνού διαρρέει ένα αγωγό, σχηματίζεται γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Αν τοποθετηθεί κοντά στον αγωγό ένα μαγνητικό υλικό, αυτό θα μαγνητιστεί με τη μέγιστη τιμή του πεδίου η οποία εξαρτάται από το μέγιστο ρεύμα που διέρρευσε τον αγωγό. Ωστόσο, η ακρίβεια όλων αυτών των μεθόδων είναι πολύ μέτρια αφενός μεν γιατί δεν μπορούν να μετρήσουν όλες τις περιοχές που εκτείνεται το ρεύμα του κεραυνού, αφετέρου δε γιατί μετρώντας μόνο τη μέγιστη τιμή δε γίνεται διάκριση ανάμεσα στο ρεύμα διαφόρων εκκενώσεων ενός πολλαπλού κεραυνού. Σημαντικοί παράμετροι στην περιγραφή και το χαρακτηρισμό ενός κεραυνού είναι οι ακόλουθοι: Πολικότητα κεραυνού Μέγιστο ρεύμα κεραυνού (εύρος) Χρόνος μετώπου και ουράς Μέγιστη κλίση μετώπου [1.6] Σχήμα 1.1: Κυματομορφή αρνητικής κεραυνικής εκκένωσης συναρτήσει του χρόνου [1.8] 7

20 Σχήμα 1.2: Κυματομορφή θετικής κεραυνικής εκκένωσης συναρτήσει του χρόνου [1.8] Τέλος, μια ακόμα ενδιαφέρουσα παράμετρος είναι και η διάρκεια ροής μιας ορισμένης έντασης ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάρκεια τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στην αντίσταση που διαρρέει και κατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερη η ελκυόμενη θερμότητα, αφού είναι ανάλογη του I 2 dt. Για το λόγο αυτό, κεραυνοί με μεγάλη διάρκεια ρεύματος, έστω και αν η μέγιστη τιμή του ρεύματος δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή, ονομάζονται θερμοί κεραυνοί σε αντίθεση με άλλους που μπορεί να αναπτύσσουν μεγάλα ρεύματα μικρής διάρκειας. Για πιθανές περιπτώσεις πυρκαγιάς ή έκρηξης, οι θερμοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι, αντίθετα σε περιπτώσεις ηλεκτρικών συστημάτων, πιο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί με μεγάλες εντάσεις και ας έχουν μικρή διάρκεια, διότι αυτοί επάγουν τις υψηλότερες τάσεις που καταπονούν τις μονώσεις. [1.9] Σχήμα 1.3: Σχηματική αναπαράσταση παραμέτρων κεραυνού [1.10] 8

21 1.6 Επιπτώσεις κεραυνικών πληγμάτων [1.1] Πολλές φορές παρατηρούνται επικίνδυνες επιπτώσεις σε μια κατασκευή και στο περιεχόμενό της, ως αποτέλεσμα άμεσου ή έμμεσου πλήγματος κεραυνού. Ως άμεσο πλήγμα θεωρείται η περίπτωση κατά την οποία ο κεραυνός πλήττει κατευθείαν την κατασκευή ή το συλλεκτήριο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της. Το έμμεσο πλήγμα κεραυνού σε μια κατασκευή αναφέρεται στην περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει τη κοντινή περιοχή της (το έδαφος ή γειτνιάζουσα κατασκευή) ή τις εισερχόμενες παροχές υπηρεσιών κοινής ωφελείας Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Ο κεραυνός μπορεί να προκαλέσει σημαντική βλάβη ή απώλεια της ανθρώπινης ζωής: -Άμεσο πλήγμα: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα δέχεται απευθείας τον κεραυνό αποτελώντας την άμεση διαδρομή όδευσης της εκκένωσης προς τη γη. Αν και έχει παρατηρηθεί, θεωρείται ιδιαίτερα σπάνια περίπτωση, εφόσον η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε έναν άνθρωπο εκτεθειμένο συνεχώς σε επίπεδη περιοχή μπορεί να υπολογιστεί περίπου ως ένα άμεσο πλήγμα κεραυνού ανά χρόνια. -Άμεση επαφή: Εδώ το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται σε επαφή με κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό. -Υπερπήδηση: Το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά σε κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό παροχετεύει παράλληλα τμήμα της εκκένωσης προς τη γη ως αποτέλεσμα της ηλεκτρικής διάσπασης του διακένου αέρα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους. -Βηματική τάση: Σε αυτή την περίπτωση το ανθρώπινο σώμα υπόκειται σε υψηλή τάση λόγω της εμφάνισης διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα πόδια η οποία οφείλεται στην ακτινική διάχυση του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος. Το δυναμικό του εδάφους στη περιοχή πτώσης του κεραυνού φθίνει με την απόσταση από το σημείο πλήγματος. -Επιφανειακή διάσπαση του εδάφους: Σε αυτή την περίπτωση το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά στο σημείο πλήγματος του κεραυνού αποτελεί τμήμα της διαδρομής του ηλεκτρικού τόξου της επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Η επιφανειακή διάσπαση του εδάφους δεν παρατηρείται σε κάθε περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει ένα αντικείμενο ή το έδαφος. Το φαινόμενο είναι συνάρτηση των παραμέτρων 9

22 του κεραυνού καθώς και της κατάστασης της επιφάνειας του εδάφους όπως η μορφολογία, η φύση, το ποσοστό υγρασίας, κ.α. -Τυφλό τραύμα: Το ανθρώπινο σώμα εκτινάσσεται σε απόσταση είτε λόγω των έντονων μυϊκών συσπάσεων που προκαλούνται από τη ροή του ρεύματος διαμέσου του είτε του κρουστικού κύματος πίεσης που συνοδεύει την εκκένωση του κεραυνού Επιπτώσεις στις κατασκευές Οι επιπτώσεις του πλήγματος του κεραυνού σε μια κατασκευή οφείλεται είτε στο ίδιο το ηλεκτρικό τόξο της εκκένωσης, είτε σε δευτερογενή φαινόμενα που παρατηρούνται κατά την διάρκεια της εκκένωσης. Ανάλογα με τα φαινόμενα και τις επιπτώσεις που παρατηρούνται οι επιδράσεις του κεραυνού σε μια κατασκευή μπορούν να χωριστούν σε 3 κατηγορίες: Θερμικές συνέπειες Το ρεύμα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο, κατά το μεγαλύτερό του μέρος στον πυρήνα του οχετού αυτού, ο οποίος έχει διάμετρο 1-2 cm και η θερμοκρασία του φθάνει 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 στη γνωστή βροντή. Στην μελέτη του συστήματος προστασίας, πρέπει να εξετασθούν οι συνέπειες ενός πλήγματος στην αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών του συστήματος, στον κίνδυνο να τρυπηθεί ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο, στη συμπεριφορά των μονωτικών, κ.λ.π. Τα θερμικά αποτελέσματα του πλήγματος εξαρτώνται όχι μόνο από το εύρος του ρεύματος, αλλά και από τη διάρκεια ροής του ρεύματος αυτού. Μηχανικές συνέπειες Οι μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: α) αυτές που αφορούν στο κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής και β) αυτές που αφορούν στις μαγνητικές δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού. Όπως αναφέρθηκε 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 10

23 εξαπλώνεται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, παράγοντας έτσι ένα κύμα πίεσης το οποίο είναι αρχικά στην περιοχή των υπερήχων και μετά εξελίσσεται στη γνωστή βροντή. 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 για τον τραυματισμό ανθρώπων. Όσον 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 δυνάμεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου της τιμής του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης. Τα στοιχεία ενός συστήματος προστασίας δεν τοποθετούνται τόσο κοντά ώστε να υπάρχει σημαντική επίδραση των δυνάμεων αυτών. Όμως αυτές είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών. Ηλεκτρομαγνητικές συνέπειες Μία συνέπεια ενός πλήγματος κεραυνού είναι η εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί μεταξύ των αγωγών του συστήματος προστασίας και εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων της κατασκευής, γνωστή και ως επικίνδυνος σπινθήρας ή side flash. Οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις σχετίζονται με το μέγιστο εύρος και τη κλίση του μετώπου του ρεύματος. Παρατηρούνται επικίνδυνες υπερτάσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν στην ηλεκτρική διάσπαση μονώσεων ως προς γη ή μεταξύ κυκλωμάτων διαφορετικής τάσης, δευτερογενείς υπερπηδήσεις με άμεσο κίνδυνο σημαντικής βλάβης ή απώλειας της ανθρώπινης ζωής, πυρκαγιάς ή έκρηξης καθώς και διαταραχής ή διακοπής της κανονικής λειτουργίας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Ακόμη αναπτύσσονται ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία με επιζήμιες συνέπειες υπό την μορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστημάτων σε εγκαταστάσεις. 11

24 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ [1.1] «Προστασία Κατασκευών από Κεραυνούς», Ελευθερία Πυργιώτη,Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Πάτρα 2010 [1.2] [1.3] «Εισαγωγικά στοιχεία Ατμοσφαιρικής Φυσικής», Χ. Χαλδούπης, Πανεπιστήμιο Κρήτης Τμήμα Φυσικής, Ηράκλειο 2000 [1.4] «Υψηλές Τάσεις», Πυργιώτη Ελευθερία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Πάτρα 2009 [1.5]»Τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων», Στασινόπουλος Κ.Α, Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., 2004, 4η εκδ., Θεσσαλονίκη [1.6] «Μόνωση Ηλεκτρικών Δικτύων Υψηλής Τάσης»,Χ. Μαινεμενλής, Πανεπιστήμιο Πατρών, 1984 [1.7] «Προστασία Τεχνικών Εγκαταστάσεων έναντι Υπερτάσεων»,Ι.Α. Σταθόπουλος, εκδ. Συμεών, Αθήνα, 1989 [1.8] Guide to Lightning Protection in HM Surface Ships, Ministry of Defence, Defence Standard , Issue 2, Publication Date 16 July 2003 [1.9] Διπλωματική Εργασία με θέμα «Επιπτώσεις Πληγμάτων Κεραυνών σε Πλοία», Κωνσταντίνος Κούτρας, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2016 [1.10] PROTECTION OF NAVAL SYSTEMS AGAINST ELECTROMAGNETIC EFFECTS DUE TO LIGHTNING, C. Gomes and M. Z. A. Ab Kadir, Centre of Excellence on Lightning Protection Department of Electrical and Electronics Engineering University Putra Malaysia, Malaysia, Progress In Electromagnetics Research, Vol. 113, ,

25 Κεφάλαιο 2 ο Ανεμογεννήτριες και Κεραυνικά Πλήγματα 2.1 Εισαγωγή Η συνεχής μείωση των ορυκτών αποθεμάτων του πλανήτη καθώς και παράγοντες όπως η ρύπανση από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με συμβατικά μέσα, έχουν οδηγήσει σε μια διαρκώς αυξανόμενη στροφή σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών [2.1]. Η αιολική ενέργεια είναι μια ΑΠΕ, μια καθαρή μορφή ενέργειας, η οποία δε ρυπαίνει το περιβάλλον και δε συμβάλλει, όπως άλλες συμβατικές πηγές με τα καυσαέρια στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Επιπρόσθετα, είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας. Περιβαλλοντικοί κυρίως λόγοι έχουν επιβάλλει τα τελευταία χρόνια μια μεγάλη αύξηση του αριθμού των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών παγκόσμια. Στην Ελλάδα μέχρι το τέλος του 2009 είχαν τοποθετηθεί ανεμογεννήτριες που αντιστοιχούσαν σε 1087 MW εγκατεστημένης ισχύος, ενώ η συνολική εγκατεστημένη ισχύς στην Ευρώπη φτάνει τα MW [2.1]. Επίσης γίνεται ολοένα και πιο συχνή η σύνδεσής τους με το δίκτυο διανομής, ως συστήματα Διεσπαρμένης Παραγωγής (ΔΠ) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπικό επίπεδο ως τμήμα μικροδικτύου για την επίτευξη των πλεονεκτημάτων που συνεπάγεται η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας ως ΑΠΕ. [2.2] Η αύξηση της παραγόμενης ισχύος από τις ανεμογεννήτριες οδηγεί σε αύξηση του ύψους των πύργων τους και αυτό τις καθιστά περισσότερο ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγματα. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με μεγάλο υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Οι επιπτώσεις των κεραυνικών πληγμάτων στις ανεμογεννήτριες ποικίλουν από καταστροφές στα πτερύγια και βλάβες στα συστήματα ελέγχου έως πλήρη καταστροφή της ανεμογεννήτριας. Επιπρόσθετα, είναι υποχρέωση των κατασκευαστών να προστατεύουν τα προσωπικό συντήρησης από τα κεραυνικά πλήγματα, επικίνδυνες βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής. Οι 13

26 περισσότερες σημαντικές επιπτώσεις στους ανθρώπους αφορούν σε βλάβες στο καρδιαγγειακό σύστημα, τους πνεύμονες και το κεντρικό νευρικό σύστημα. Εικόνα 2.1: Μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου[2.1] Εικόνα 2.2: Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών [2.3] 14

27 Η απλή αντιπαραβολή των παραπάνω χαρτών καθιστά σαφές πως υπάρχει σε πολύ μεγάλο βαθμό ταύτιση των περιοχών υψηλού αιολικού δυναμικού και περιοχών με υψηλή συχνότητα εμφάνισης καταιγίδων και κεραυνών. Αυτό σημαίνει πως οι ανεμογεννήτριες λειτουργούν σε περιβάλλον που συχνά έχει καταιγίδες και γίνονται πολύ συχνά στόχος κεραυνικών πληγμάτων. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν) τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. Καθώς, ο ακριβής τρόπος που το κεραυνικό πλήγμα δρα πάνω στην ανεμογεννήτρια, δεν είναι απόλυτα γνωστός, είναι απαραίτητο να βρεθούν ασφαλείς μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών που να βασίζονται στο πρότυπο IEC Συνοψίζοντας, το πρόβλημα που προκαλείται από τα κεραυνικά πλήγματα στις ανεμογεννήτριες, θα μπορούσε να περιγραφεί από τα εξής: (1) Οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται σε τοποθεσίες που είναι εκτεθειμένες σε κεραυνούς. (2) Το υψηλό κόστος επισκευής σε περίπτωση βλάβης συνοδεύεται από σημαντικές απώλειες σε παραγωγή ενέργειας. (3) Τα περισσότερο εκτεθειμένα τμήματα της ανεμογεννήτριας (πτερύγια και περίβλημα της νασέλλας) κατασκευάζονται από συνθετικά υλικά. (4) Τα πτερύγια και η νασέλλα περιστρέφονται και αλλάζουν θέση κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. (5) Σημαντικό μέρος του ρεύματος του κεραυνού περνά μέσα ή κοντά από όλα τα τμήματα της ανεμογεννήτριας. (6) Ηλεκτρικά συνδεμένες ανεμογεννήτριες στα αιολικά πάρκα είναι συχνά τοποθετημένες σε τοποθεσίες με κακές συνθήκες γείωσης, ενώ είναι σημαντικό να υπάρχει ένα αξιόπιστο σύστημα συλλεκτήριων αγωγών. 15

28 2.2 Γενικά για την ανεμογεννήτρια Η αιολική ενέργεια παράγεται ουσιαστικά έμμεσα από την ηλιακή ενέργεια. Ο ήλιος θερμαίνει ανομοιόμορφα την επιφάνεια της γης, επομένως κάθε τόπος θερμαίνεται διαφορετικά. Η ανομοιόμορφη αυτή θέρμανση, προκαλεί την μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από την μια περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας ανέμους. Συνεπώς, άνεμος ονομάζεται κάθε οριζόντια μετακίνηση μάζας ατμοσφαιρικού αέρα. Προκαλείται από διαφορές στην πίεση μεταξύ δυο περιοχών, από τη γενική δηλαδή κυκλοφορία στην ατμόσφαιρα. Για την πλήρη περιγραφή του ανέμου πρέπει να γνωρίζουμε την ένταση, δηλαδή την ταχύτητα με την οποία κινείται, και την διεύθυνσή του. Η διεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου εξαρτώνται τόσο από ειδικούς παράγοντες (γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία, πεδίο πίεσης), όσο και από τους τοπικούς παράγοντες (ανάγλυφο της περιοχής, ύπαρξη θάλασσας). Η γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία οφείλεται στη διαφορετική θερμοκρασία μεταξύ ισημερινού και πόλων, στην περιστροφή της γης καθώς και στην ανομοιομορφία της θερμικής συμπεριφοράς ξηράς και θάλασσας. Για την επιλογή της κατάλληλης θέσης για την εγκατάσταση αιολικών συστημάτων, πρέπει να είναι γνωστά η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου, η επικρατούσα ανατάραξη στην περιοχή, ο στροβιλισμός του ανέμου, καθώς και η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου συναρτήσει του ύψους από το έδαφος. [2.4] Τα συγκροτήματα που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια ονομάζονται ανεμογεννήτριες (Α/Γ). 16

29 Εικόνα 2.3: Ανεμογεννήτριες σε αιολικό πάρκο [2.5] Ανεμολογικά Στοιχεία [2.1] Ένα από τα βασικά μεγέθη που χαρακτηρίζουν την Α/Γ είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου, ο οποίος δίνεται από τον τύπο: λ = ωr v (2.1) Πρόκειται για το λόγο της ταχύτητας λόγω περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου. Στον παραπάνω τύπο με R συμβολίζεται το μήκος του πτερυγίου της ανεμογεννήτριας, με ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής και με V η ταχύτητα του ανέμου. Στο σχήμα 2.1 παρουσιάζεται η μεταβολή του συντελεστή ισχύος του ανεμοκινητήρα (C p ) συναρτήσει του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου (λ). Σχήμα 2.1: Διάγραμμα μεταβολής του Cp συναρτήσει του λ [2.1] 17

30 Φαίνεται ότι για μια συγκεκριμένη τιμή του λ το Cp παίρνει τη μέγιστη τιμή του. Αποδεικνύεται ότι αν β είναι η γωνία βήματος του πτερυγίου, τότε ο συντελεστής ισχύος του ανεμοκινητήρα δίνεται από τον τύπο: όπου: C p (λ, β) = 0.22 ( 116 λ i 0.4β 5) e 12.5 λ i (2.2) 1 λ i = λ+0.08β β 3 +1 (2.3) Για κάθε ταχύτητα ανέμου θα πρέπει η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα να παίρνει τιμές που να βελτιστοποιούν τα λ,β έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη παραγωγή ισχύος από την Α/Γ. Με βάση τις παραπάνω σχέσεις παίρνουμε το διάγραμμά του συναρτήσει του λ έχοντας ως παράμετρο το β. Σχήμα 2.2: Διάγραμμα μεταβολής του Cp συναρτήσει του λ για διάφορες τιμές του β [2.1] Δομή της ανεμογεννήτριας [2.1] [2.6] [2.8] Ο πιο συνηθισμένος τύπος ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιείται σήμερα είναι ο τύπος οριζόντιου άξονα τριών πτερυγίων. Πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα που κάνουν τόσο δημοφιλή αυτού του τύπου τις ανεμογεννήτριες είναι ότι δε χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου 18

31 για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, οπότε και με πολύ μικρές ταχύτητες ανέμου μπορούμε να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Επίσης, εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή, καθώς και βέλτιστη λειτουργία σε μεγάλες τιμές της παραμέτρου περιστροφής «λ», με αποτέλεσμα την αρκετά μεγάλη σχετική ταχύτητα προσβολής των πτερυγίων ενώ είναι εύκολη η συναρμολόγησή τους. Το μεγάλο τους μειονέκτημα είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και δύσκολη. Ταυτόχρονα σε αντίθεση με τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, απαιτούν μηχανισμό ώστε να προσανατολίζονται σωστά προς την ταχύτητα του ανέμου. Αυτός ο μηχανισμός μπορεί να είναι είτε ενεργός μηχανισμός περιστροφής, είτε συνηθέστερα ένα ουραίο πτερύγιο προσανατολισμού στην ταχύτητα του ανέμου. Η τυπική δομή μιας Α/Γ παρουσιάζεται παρακάτω: Εικόνα 2.4: Η τυπική δομή μιας ανεμογεννήτριας [2.7] 19

32 Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των δομικών στοιχείων της ανεμογεννήτριας με τη σειρά που παρουσιάζονται στην Εικόνα 2.4: Πτερύγια: Οι περισσότεροι στρόβιλοι αποτελούνται από δύο ή τρία πτερύγια. Η κίνηση του ανέμου πάνω από τα πτερύγια προκαλεί την περιστροφή τους και μέσω ενός κεντρικού άξονα μετατρέπει την κίνηση του ανέμου σε κυκλική κίνηση στην Α/Γ. Το βασικό χαρακτηριστικό των πτερυγίων είναι το αεροδυναμικό τους σχήμα, που διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοσή τους. Οι περισσότερες Α/Γ αποτελούνται από τρία πτερύγια, ενώ δύο πτερύγια συναντώνται συνήθως σε πολύ μικρές ανεμογεννήτριες για διευκόλυνση σε επίπεδο κατασκευής και εγκατάστασης. Η ένταση των δονήσεων μειώνεται με μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων ενώ ο θόρυβος και η φθορά είναι γενικά μειωμένα και η αποτελεσματικότητα υψηλότερη με τρία αντί για δύο πτερύγια. Οι Α/Γ με μεγαλύτερο αριθμό μικρότερων πτερυγίων λειτουργούν σε χαμηλότερο αριθμό Reynolds οπότε και είναι λιγότερο αποδοτικές. Τέλος με την αύξηση του αριθμού των πτερυγίων αυξάνει και το κόστος της εγκατάστασης της ανεμογεννήτριας. Τα σύγχρονα πτερύγια κατασκευάζονται από ελαφρύ πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί, ενώ μικρότερου μεγέθους πτερύγια κατασκευάζονται από αλουμίνιο ή λεπτά στρώματα ξύλου. Δρομέας (ρότορας): Αποτελείται από τον άξονα και τα πτερύγια. Βήμα πτερυγίου: Πέρα από τον προσανατολισμό της όλης κατασκευής, το ίδιο το πτερύγιο περιστρέφεται γύρω από τον διαμήκη άξονα του προκειμένου να αξιοποιηθεί στο μέγιστο η κινητική ενέργεια του ανέμου. Πέδη: Αποτελεί ένα δισκόφρενο, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί μηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά με σκοπό να σταματήσει το στροφέα σε καταστάσεις που ενέχουν κίνδυνο έκτακτης ανάγκης. Ο έλεγχος της υπερβολικής ταχύτητας στις ανεμογεννήτριες εξασφαλίζεται με δύο τρόπους: αεροδυναμικά ή με μηχανική πέδηση. Ο έλεγχος της υπερβολικής ταχύτητας αεροδυναμικά αποτελεί την καλύτερη μέθοδο για την επιβράδυνση της ανεμογεννήτριας. Το φρενάρισμα της ανεμογεννήτριας μπορεί να επιτευχθεί με τη μεταφορά ενέργειας από τη γεννήτρια, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια της περιστροφής του στροφέα σε θερμότητα. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσιμη στις περιπτώσεις 20

33 που η κινητική ενέργεια στη γεννήτρια μειώνεται ξαφνικά ή είναι πολύ μικρή για να διατηρήσει την ταχύτητα του στροφέα στα επιτρεπτά επίπεδα. Το κυκλικά επαναλαμβανόμενο φρενάρισμα μειώνει σταδιακά και ελεγχόμενα την ταχύτητα των πτερυγίων. Με αυτόν τον τρόπο, η περιστροφή του στροφέα διατηρείται σε ασφαλή ταχύτητα, ακόμα και στις περιπτώσεις ανέμων υψηλών ταχυτήτων, διατηρώντας ταυτόχρονα, την παραγωγή ενέργειας σε κανονικά επίπεδα. Σε περιπτώσεις εργασιών συντήρησης, ο στροφέας σταματά να περιστρέφεται με τη βοήθεια ενός μηχανικού δισκόφρενου. Τα δισκόφρενα εφαρμόζονται αφού έχει μειωθεί ήδη η ταχύτητα του στροφέα με ηλεκτρομαγνητική πέδηση, καθώς τα μηχανικά φρένα θα φθαρθούν εύκολα εάν εφαρμοστούν για να σταματήσουν τον στροφέα από τη πλήρη ταχύτητα. Άξονας χαμηλής ταχύτητας: Ο άξονας χαμηλής ταχύτητας συνδέεται μεταξύ του στροφέα και του συστήματος μετάδοσης. Ο στροφέας κινεί τον άξονα χαμηλής ταχύτητας περίπου περιστροφές το λεπτό (rpm). Κιβώτιο ταχυτήτων: Ο ρόλος του είναι να μετατρέπει τον αριθμό στροφών από την περιοχή των rpm στην περιοχή των rpm, που είναι η περιοχή στην οποία λειτουργούν οι περισσότερες γεννήτριες. Γεννήτρια: Μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Ελεγκτής: Η βασική λειτουργία του ελεγκτή είναι να δίνει εντολές στον κινητήρα παρεκτροπής σχετικά με το πόσο και προς τα πού να στρέψει τη νασέλλα, έτσι ώστε ο στροφέας να βρίσκεται πάντα κόντρα στη ροή του ανέμου. Ανάλογα με τα δεδομένα που λαμβάνει από το ανεμόπτερο, ενεργοποιεί τη λειτουργία του στροφέα για ταχύτητες ανέμου 8-16 μιλίων την ώρα, ενώ για ταχύτητες μεγαλύτερες από 65 μίλια ανά ώρα σταματά τη λειτουργία του στροφέα, λόγω κινδύνου υπερθέρμανσης της γεννήτριας. Επιπλέον ο ελεγκτής καταγράφει διάφορες παραμέτρους της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας όπως είναι η τάση, το ρεύμα, η συχνότητα, η θερμοκρασία της νασέλλας και της γεννήτριας, το επίπεδο υδραυλικής πίεσης και το επίπεδο δόνησης. Ανεμόμετρο: Υπολογίζει την ταχύτητα του ανέμου και μεταφέρει τα σχετικά δεδομένα της μέτρησης στον ελεγκτή. 21

34 Ανεμοδείκτης: Μετρά την κατεύθυνση του ανέμου και μεταφέρει τα δεδομένα στον ελεγκτή. Νασέλλα: Η νασέλλα αποτελεί το ογκώδες οριζόντιο τμήμα που είναι τοποθετημένο στην κορυφή του πύργου της ανεμογεννήτριας και στο οποίο εφάπτεται ο στροφέας. Η νασέλλα περιλαμβάνει το σύστημα μετάδοσης (κιβώτιο ταχυτήτων), τους άξονες χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και την πέδη. Άξονας υψηλής ταχύτητας: Συνδέεται μεταξύ του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας. Το σύστημα μετάδοσης κινεί τον άξονα ο οποίος με τη σειρά του κινεί τη γεννήτρια με τον υψηλό αριθμό στροφών τον οποίο χρειάζεται η γεννήτρια προκειμένου να παράσχει ηλεκτρική ισχύ. Μηχανισμός παρεκτροπής: Ελέγχεται από τον ελεγκτή και ρόλος του είναι να προσανατολίσει την κατασκευή με τέτοιο τρόπο ώστε τα πτερύγια να βρίσκονται κάθετα στη ροή του ανέμου. Πύργος: Ο πύργος είναι το τμήμα της ανεμογεννήτριας πάνω στον οποίο στηρίζεται η νασέλλα και ο στροφέας. Το ύψος της ανεμογεννήτριας αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα κατά το σχεδιασμό των ανεμογεννητριών του τύπου του οριζόντιου άξονα. Καθώς η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος, οι πιο υψηλοί πύργοι επιτρέπουν την παραγωγή περισσότερου ηλεκτρικού ρεύματος. Η μεταβολή της ταχύτητας με το ύψος, που ονομάζεται διάτμηση του ανέμου είναι εντονότερη κοντά στην επιφάνεια της γης. Χαρακτηριστικά κατά τη διάρκεια της ημέρας η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου είναι ανάλογη με την έβδομη ρίζα του ύψους. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο διπλασιασμός του ύψους του πύργου αυξάνει τις αναμενόμενες ταχύτητες του ανέμου κατά 10% και την αντίστοιχη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια κατά 34%. Ο διπλασιασμός του ύψους του πύργου απαιτεί βέβαια και αντίστοιχο διπλασιασμό της διαμέτρου και επομένως και των κατασκευαστικών υλικών που απαιτούνται, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο και το κόστος κατασκευής. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, όταν η ατμόσφαιρα είναι περισσότερο σταθερή, η ταχύτητα του ανέμου κοντά στο έδαφος μειώνεται σε αντίθεση με το ύψος που βρίσκεται ο στροφέας της ανεμογεννήτριας στο οποίο μπορεί ακόμα και να αυξηθεί. Επομένως, καθώς η Α/Γ θα παράγει περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια της νύχτας, με το διπλασιασμό του ύψους του πύργου, η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει κατά 22

35 20%-60%. Για τις Α/Γ του τύπου του οριζόντιου άξονα η επιλογή του κατάλληλου ύψους γίνεται με βάση το συνδυασμό της αύξησης της παραγωγής ενέργειας και της αντίστοιχης αύξησης του κόστους κατασκευής. Η συνθήκη αυτή επιτυγχάνεται για ύψη διπλάσια ή τριπλάσια του μήκους των πτερυγίων. Οι πύργοι των μεγάλων ανεμογεννητριών μπορεί να είναι σωληνοειδείς χαλύβδινοι πύργοι, πύργοι δικτυωτού χαλύβδινου πλέγματος ή συμπαγείς τσιμεντένιοι πύργοι. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι πύργοι είναι οι σωληνοειδείς χαλύβδινοι, που κατασκευάζονται από κωνικά χαλύβδινα τμήματα ύψους m. Οι πύργοι δικτυωτού χαλύβδινου πλέγματος υπερτερoύν από άποψη κόστους σε σχέση με τους προηγούμενους που απαντώνται σπανιότερα. 2.3 Κεραυνικό πλήγμα σε ανεμογεννήτρια Οι Α/Γ εξαιτίας του ύψους τους αλλά και των θέσεων στις οποίες κατασκευάζονται είναι άμεσα εκτεθειμένες σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Μάλιστα, λόγω και της αύξησης του αριθμού τους τα τελευταία χρόνια με τη στροφή στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των ΑΠΕ, όπως επίσης και του μεγέθους τους για τους λόγους που προαναφέρθηκαν οι καταστροφές από κεραυνικά πλήγματα έχουν αυξηθεί ραγδαία. Ο κίνδυνος να πληγεί από κεραυνικό πλήγμα μια ανεμογεννήτρια αυξάνει γραμμικά με το ύψος, οπότε οι σημερινές ανεμογεννήτριες που ξεπερνούν τα 150 μέτρα σε ύψος καθίστανται ιδιαίτερα εκτεθειμένες σε αυτά. Όταν ο κεραυνός πλήξει τα πτερύγια το ρεύμα διασχίζει όλη την κατασκευή και οδηγείται στο έδαφος. Πιο συγκεκριμένα το ρεύμα περνά μέσα από το πτερύγιο και από τα ρουλεμάν βήματος του πτερυγίου και οδηγείται στην πλήμνη και στον κύριο άξονα. Μετά μέσω του ρουλεμάν του κύριου άξονα κατευθύνεται προς τη νασέλλα και τέλος μέσω του ρουλεμάν παρέκκλισης εισέρχεται στον πύργο και καταλήγει στο έδαφος μέσω της βάσης. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά 23

36 τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν) τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. [2.9] Επιπτώσεις στα πτερύγια Οι καταστροφές στα πτερύγια των Α/Γ, που οφείλονται σε κεραυνούς, είναι αρκετά σοβαρές ενώ το κόστος της αντικατάστασης είναι υψηλό και ο αναγκαίος χρόνος επισκευής είναι μεγάλος. Το μεγαλύτερο ποσοστό των άμεσων κεραυνικών πληγμάτων έχει σαν στόχο τις κορυφές των πτερυγίων λόγω του ότι βρίσκονται σε μεγαλύτερο ύψος από την υπόλοιπη κατασκευή και σε συνδυασμό με το υψηλό κόστος αντικατάστασής τους καθιστά αδίρητη την ανάγκη ύπαρξης ενός κατάλληλου Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) σε αυτά. [2.10] [2.11] Όπως προαναφέρθηκε, τα πτερύγια κατασκευάζονται από μονωτικό υλικό, συνήθως πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί. Ωστόσο, σύμφωνα με το πρότυπο TR IEC [2.12] στην παράγραφο 6.1:«Τα κεραυνικά πλήγματα σε μη αγώγιμα πτερύγια μπορούν να εξηγηθούν από το γεγονός ότι η ρύπανση και το νερό καθιστούν αυτά τα πτερύγια, με το πέρασμα του χρόνου, περισσότερο αγώγιμα». Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε εργαστήρια υψηλών τάσεων έδειξαν ότι το τόξο επαφής ενός μη αγώγιμου πτερυγίου, που έχει ψεκαστεί με αλατούχο νερό, δε διαφέρει από το αντίστοιχο ενός μεταλλικού πτερυγίου. Από τη στιγμή που ένα πτερύγιο προσβληθεί από κεραυνικό πλήγμα, θα ακολουθήσει το σπάσιμο ή η αποσύνθεσή του σύμφωνα με τον παρακάτω μηχανισμό: Η εκκένωση διεισδύει στις κοιλότητες του πτερυγίου και η εσωτερική πίεση αυξάνεται ραγδαία από τη θέρμανση του αέρα ή την εξάτμιση της υγρασίας. Το ρεύμα που ρέει στις επικολλημένες επιφάνειες προκαλεί σπάσιμο στο άκρο του πτερυγίου. Εμφανίζεται ανάφλεξη του ακραίου τμήματος του πτερυγίου. [2.12] Συνεπώς, κάτω από συνθήκες ρύπανσης ακόμα και τα πτερύγια που είναι κατασκευασμένα από μονωτικά υλικά αντιμετωπίζουν τις ίδιες συνέπειες από ένα κεραυνικό πλήγμα με αυτά που αποτελούνται από 24

37 μεταλλικά μέρη. Ακόμα, η πιθανότητα επαφής του κεραυνικού πλήγματος σε πτερύγια που έχουν μολυνθεί από το θαλασσινό νερό είναι μεγαλύτερη σε σχέση με αυτά που δεν έχουν ρυπανθεί. Τέλος, ο μηχανισμός της επακόλουθης αποσύνθεσης ή καύσης μετά την εφαρμογή του κεραυνικού πλήγματος δε διαφέρει σημαντικά στα μονωμένα πτερύγια σε σχέση με τα αγώγιμα. Εικόνα 2.5: Εκκένωση σε μη ρυπασμένο (αριστερά) και ρυπασμένο πτερύγιο (δεξιά) [2.13] Επιπτώσεις στα έδρανα κύλισης [2.11] Το ρεύμα του κεραυνού μετά από τη διέλευσή του από το πτερύγιο της Α/Γ περνά από τα υπόλοιπα μέρη της πριν καταλήξει στο έδαφος. Ένα σημαντικό του μέρος (μπορεί και όλο) περνά από τα έδρανα κύλισης της ανεμογεννήτριας. Ενδέχεται και ένα μέρος του ρεύματος να συνεχίσει τη διαδρομή του κατά μήκος του άξονα προς τη γεννήτρια. Τα έδρανα που συναντά κανείς σε μια Α/Γ είναι τα έδρανα βήματος πτερυγίων, το κύριο αξονικό έδρανο κύλισης, τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, το έδρανο αλλαγής κατεύθυνσης και τα έδρανα της γεννήτριας. Τα έδρανα βήματος πτερυγίων και τα έδρανα αλλαγής της κατεύθυνσης είναι στάσιμα ή αργά περιστρεφόμενα σε αντίθεση με τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, της γεννήτριας και του κύριου αξονικού εδράνου που περιστρέφονται γρήγορα. 25

38 Εικόνα 2.6: (α) Κύριο έδρανο κύλισης, (β) Έδρανο κύλισης της γεννήτριας, (γ) Έδρανο βήματος πτερυγίων και (δ) Έδρανο συστήματος κλίσης. [2.13] Η εμπειρία σχετικά με τις φθορές λόγω πτώσης κεραυνού στα έδρανα κύλισης της Α/Γ είναι πολύ μικρή, διότι συνήθως δεν ελέγχεται η επίδραση της διέλευσης του ρεύματος κεραυνού μετά από κάθε πτώση κεραυνού. Υπάρχουν επιβεβαιωμένες περιπτώσεις φθορών που προκαλούνται στα έδρανα κύλισης λόγω αυτού. Παρόλα αυτά όμως οι βλάβες των εδράνων δεν είναι πάντα εύκολο να αποδοθούν σε κεραυνό, διότι το παραμορφωμένο και λιωμένο υλικό που θα προκύψει δεν είναι δυνατό να μας δείξει από πού προήλθε η ζημιά. Υπάρχουν ωστόσο περιπτώσεις που ο κεραυνός εμφανίζεται ως κύρια αιτία καταστροφής του εδράνου. Ιδιαιτέρως δύο ή τρεις περιπτώσεις βλαβών σε ανεμογεννήτριες αποτέλεσαν αντικείμενο ιδιαίτερης προσοχής λόγω του υψηλού κόστους επισκευής. Στις περιπτώσεις αυτές προκλήθηκε φθορά στα πτερύγια, και μετά από μικρό χρονικό διάστημα αναπτύχθηκε σημαντική φθορά στα μεγάλα κύρια έδρανα κύλισης. Τέτοιες επισκευές των μερών αυτών είναι πολύ δαπανηρές και χρονοβόρες. Σε στάσιμα ή αργά κινούμενα έδρανα βήματος πτερυγίων πραγματοποιήθηκαν δοκιμές, που προσομοιώθηκε το πλήγμα κεραυνού με 26

39 διάφορους τρόπους. Παρουσιάστηκε επίδραση στην επιφάνεια μόνο μερικών σφαιριδίων που ήταν ασήμαντη. Το συμπέρασμα ήταν ότι τα έδρανα αυτά αντέχουν στις επιδράσεις της διέλευσης του ρεύματος του κεραυνού χωρίς να υφίστανται σημαντική φθορά. Όσο όμως μειωνόταν ο αριθμός των σφαιριδίων και όσο αυξανόταν το μηχανικό φορτίο που εφαρμοζόταν η πιθανότητα βλάβης αυξανόταν. Σε έδρανα στα οποία δημιουργήθηκε μονωτικό στρώμα (το οποίο δημιουργείται από τα λιπαντικά που υπάρχουν στα έδρανα) παρατηρήθηκε ότι η φθορά είναι πολύ σοβαρότερη. Στην περίπτωση αυτή παρατηρήθηκε τήξη σε μια περιοχή της επιφάνειας του σφαιριδίου, το έδρανο ήταν περιτυλιγμένο από σπίθες και συνέπεια αυτών ήταν να συγκολληθεί το σφαιρίδιο στον οδηγό. Σε δοκιμές σε στρεφόμενα έδρανα υπήρξε πολύ σοβαρότερη φθορά για χαμηλότερα μεγέθη ρεύματος και ειδικής ενέργειας σε σχέση με τα στάσιμα. Έρευνα σχετικά με τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού από την πλήμνη στο πύργο της Α/Γ έδειξε ότι το 80% του κεραυνικού ρεύματος θα περάσει από το κύριο έδρανο περιστροφής. Το υπόλοιπο 20% θα διέλθει μέσα από το δεύτερο κύριο έδρανο περιστροφής, το κιβώτιο ταχυτήτων και τη γεννήτρια. Άλλα έδρανα όπως το έδρανο βήματος και κλίσης έχουν μεγάλο μέγεθος και μπορούν να θεωρηθούν ως στάσιμα. Το κύριο έδρανο κύλισης, το οποίο έχει σχετικά μικρό μέγεθος έχει αποδειχτεί ως το πιο ευπαθές σε περίπτωση που πληγεί από κάποιο κεραυνό Επιπτώσεις στο ανεμόμετρο [2.14] Τα ανεμόμετρα τοποθετούνται στην κορυφή της νασέλλας άρα είναι αυτονόητο το πόσο εκτεθειμένα καθίστανται λόγω του μεγάλου υψομέτρου. Η πιο συχνή αιτία καταστροφής του ανεμόμετρου είναι η πτώση κεραυνού. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα ηλεκτρονικά μέρη των οργάνων αυτών καταστρέφονται λόγω των επαγόμενων ρευμάτων. Σε κάποιες περιπτώσεις κρουστικά ρεύματα προκαλούν φθορές στο ανεμόμετρο όπως για παράδειγμα τήξη μεταλλικών μερών. Ένα απευθείας κεραυνικό πλήγμα σε ανεμόμετρο σημαίνει την άμεση καταστροφή του, ωστόσο τέτοιου είδους πλήγματα είναι αρκετά σπάνια. 27

40 2.3.4 Επιπτώσεις στη γεννήτρια [2.14] Μετά από κεραυνικό πλήγμα στο πτερύγιο της Α/Γ, το ρεύμα κανονικά διέρχεται από το πτερύγιο, τα ρουλεμάν της πλήμνης, τον άξονα χαμηλής ταχύτητας, το κιβώτιο ταχυτήτων και τον άξονα υψηλής ταχύτητας. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει το ρεύμα για αυτό και δεν φθάνει όλο τελικά στην γεννήτρια. Πλήγμα κεραυνού στη νασέλλα ή στον πύργο θα μπορούσε επίσης να επάγει τάσεις και ρεύματα στα καλώδια ισχύος και στα τυλίγματα της γεννήτριας. Λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου η μόνωση των περιστρεφόμενων περιελίξεων της γεννήτριας δεν είναι αρκετή, έτσι οι γεννήτριες είναι περισσότερο ευάλωτες σε βλάβες από ρεύματα κεραυνού σε σχέση με τον υπόλοιπο ηλεκτρικό εξοπλισμό. Εκτός από τις περιελίξεις της γεννήτριας, ο εξοπλισμός ελέγχου και παρακολούθησης μπορεί επίσης να υποστεί σοβαρές βλάβες. Ακόμη υπό την επίδραση του ηλεκτρικού τόξου, τα ρουλεμάν μπορεί να υποστούν αλλοιώσεις. Συγκεκριμένα μπορεί να εμφανίσουν μικρά βαθουλώματα με αποτέλεσμα να πέσουν. Επίσης μετά από πλήγμα κεραυνού, οι δίοδοι μιας σύγχρονης γεννήτριας μπορεί να χρειαστούν αντικατάσταση Επιπτώσεις στο ηλεκτρονικό σύστημα της ανεμογεννήτριας Αποτέλεσμα της πτώσης του κεραυνού είναι η ροή μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικού φορτίου. Αυτό έχει ως συνέπεια την ασθενή ηλεκτρική και μαγνητική σύζευξη και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που αποδεικνύονται ιδιαίτερα επιβλαβή για τα ηλεκτρονικά υποσυστήματα της ανεμογεννήτριας. Το ρεύμα του κεραυνού περικλείει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Η ενέργεια αυτή προκαλεί βλάβες στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας, εξασφαλίζοντας πρόσβαση σε αυτά μέσω αγώγιμης ζεύξης και της σύζευξης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. [2.3] Αγώγιμη ζεύξη Η αγώγιμη ζεύξη με τα ηλεκτρονικά μέρη της Α/Γ επιτυγχάνεται κυρίως μέσω εξωτερικών τηλεφωνικών γραμμών και γραμμών ισχύος, 28

41 καθώς επίσης και μέσω τοπικών αισθητήρων και καλωδίων ελέγχου. Μέσω της αναπτυσσόμενης υπέρτασης, η ενέργεια διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις για σημαντική απόσταση. Έτσι ροή ενέργειας δεν εμφανίζεται μόνο μεταξύ ζευγών καλωδίων, αλλά παντού γύρω από τα ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως από την είσοδο στην έξοδό τους, κατά μήκος της θωράκισης των καλωδίων ή της στέγασης του ηλεκτρονικού υποσυστήματος. Όπως είναι γνωστό η συνολική τάση για συγκεντρωμένα κυκλώματα σε έναν κλειστό βρόχο πρέπει να είναι ίση με μηδέν. Επομένως όταν το ρεύμα του κεραυνού περάσει από ένα βρόχο, δημιουργεί μία τάση και έτσι θα πρέπει σε κάποιο άλλο μέρος του βρόχου να εμφανιστεί μια ίση και αντίθετη τάση. Τέτοια φαινόμενα έχουν σαν αποτέλεσμα μεγάλες μεταβολές του δυναμικού του βρόχου, με συνέπεια οι τάσεις των ηλεκτρονικών στοιχείων να φθάσουν σε μη αποδεκτά επίπεδα. [2.3] Σύξευξη ηλεκτρικού πεδίου Κατά τη διάρκεια της ροής του ρεύματος από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος προς τη γη, εμφανίζονται μεγάλες τιμές ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό της κατασκευής. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα και τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία δεν μπορούν να αντέξουν αυτές τις τιμές. Όμως τα πράγματα μπορούν να γίνουν ακόμη χειρότερα. Δύο αγωγοί διαχωρισμένοι διηλεκτρικά, έχουν κάποια χωρητικότητα ανάμεσά τους. Αν σχηματιστούν από δύο διαφορετικά δυναμικά στις δύο πλευρές αυτού του πυκνωτή διαδρομές χαμηλής αντίστασης, τότε η τιμή του πεδίου στο διηλεκτρικό θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο προκαλώντας τη διάσπασή του. Αν η διαφορά δυναμικού μεταξύ της πλευράς που βρίσκεται σε δυναμικό εδάφους και της άλλης είναι της τάξης πολλών kv/m, τότε η διηλεκτρική διάσπαση είναι βέβαιη. [2.3] Σύζευξη μαγνητικού πεδίου Το ρεύμα του κεραυνού προκαλεί τη δημιουργία μαγνητικής ροής, η οποία εμπλέκεται με όλα τα καλώδια που είναι κοντά στην διαδρομή ροής του. Καθώς λοιπόν η τιμή του ρεύματος αυξάνεται, η εμπλεκόμενη με τα καλώδια μαγνητική ροή αυξάνεται, επάγοντας σε αυτά μία τάση. Όταν το ρεύμα ρέει κάθετα προς τα καλώδια τότε η επαγόμενη τάση είναι μηδενική, ενώ όταν ρέει παράλληλα προς αυτά η επαγόμενη τάση γίνεται 29

42 μέγιστη. Ακόμη επαγόμενη τάση μπορεί να εμφανιστεί σε τμήματα κλειστού βρόχου ή και σε ολόκληρο τον βρόχο. Έτσι όταν πέφτει κεραυνός κοντά στον πύργο της Α/Γ, χωρίς όμως να πλήττει την κατασκευή, δημιουργούνται ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας. Συνήθως οι αποστάσεις μεταξύ του σημείου πλήγματος και των ηλεκτρονικών στοιχείων είναι αρκετά μεγάλες. Αυτό σημαίνει ότι οι επαγόμενες τάσεις είναι σημαντικές μόνο όταν στα ηλεκτρονικά στοιχεία συνδέονται με μεγάλα μεταλλικά καλώδια όπως αυτά που οδηγούν αισθητήρες ή όργανα ελέγχου. Οι τηλεφωνικές γραμμές και οι γραμμές ισχύος έχουν αξιοσημείωτα μήκη, ωστόσο συνήθως είναι κάθετα στη ροή του ρεύματος κι έτσι δεν επάγεται τάση. [2.3] Συνοπτικά, κύριος στόχος των κεραυνικών πληγμάτων (οπότε και δέχονται όλο το κεραυνικό ρεύμα) είναι τα πτερύγια των Α/Γ και μάλιστα οι άκρες τους λόγω του μεγαλύτερου υψομέτρου στα οποία αυτές βρίσκονται. Οι βλάβες στα πτερύγια είναι οι πιο επιζήμιες τόσο από άποψη κόστους όσο και αναγκαίου χρόνου επιδιόρθωσης που συνεπάγεται και χρόνο μη λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Παρόλα αυτά μελέτες έχουν αποδείξει ότι τα συστήματα ελέγχου τους πλήττονται πιο συχνά από κεραυνικά πλήγματα, όπως επίσης και τα σύνθετα ηλεκτρονικά τους συστήματα καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που φτάνουν σε αυτά δεν έχουν διανύσει μεγάλη απόσταση και δεν έχουν εξασθενίσει αρκετά. 2.4 Επαγόμενες τάσεις [2.3] Οι τάσεις εξ επαγωγής που προκαλούνται στο εσωτερικό της ανεμογεννήτριας μετά την εφαρμογή του κεραυνικού πλήγματος σε αυτή διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: τις τάσεις επαφής, τις βηματικές τάσεις και τις υπερτάσεις Τάσεις επαφής Τάση επαφής είναι το μέρος εκείνο της τάσεως σφάλματος που εμφανίζεται μεταξύ του αγώγιμου τμήματος της κατασκευής και ενός 30

43 αγώγιμου σώματος με το οποίο ο άνθρωπος μπορεί να ευρίσκεται σε ταυτόχρονη επαφή τη στιγμή του σφάλματος [2.15]. Αν η μόνωση μεταξύ των ποδιών του και του αγώγιμου τμήματος δεν είναι αρκετή ώστε να αποτρέψει τον σχηματισμό τόξου, τότε ένα ρεύμα θα περάσει από το σημείο επαφής προς τα πόδια Βηματικές τάσεις Βηματική τάση είναι η τάση μεταξύ των ποδιών για βήμα 1m στην κατεύθυνση της μεγαλύτερης μεταβολής του δυναμικού [2.15]. Όταν ο κεραυνός πλήξει την ανεμογεννήτρια, το ρεύμα ρέει έξω από τη βάση του πύργου, στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια του εδάφους εξουδετερώνοντας έτσι τα φορτία που είχαν δημιουργηθεί σε αυτό από το φορτισμένο σύννεφο που υπήρχε από πάνω. Το χώμα είναι ένα μέσο υψηλής αντίστασης, έτσι μεγάλες ποσότητες δυναμικού θα υπάρχουν στην επιφάνειά του. Όταν λοιπόν ένα άτομο σταθεί στο έδαφος κοντά στον πύργο, που πλήττεται από κεραυνό, θα αναπτυχθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα πόδια του, δηλαδή μια βηματική τάση Υπερτάσεις Η τιμή της αντίστασης γείωσης επιλέγεται μικρή, έτσι ώστε να μειωθούν οι βηματικές τάσεις και οι τάσεις επαφής. Λόγω αυτής της μικρής τιμής προκαλείται μια αύξηση της τάσης στη βάση του πύργου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στη βάση του πύργου και στους εισερχόμενους αγωγούς. Αυτή η διαφορά δυναμικού γίνεται υπέρταση μεταξύ της γραμμής ισχύος και του μετασχηματιστή, που είναι εγκατεστημένος στο επίπεδο του εδάφους μέσα στον πύργο ή μεταξύ μιας γραμμής τηλεπικοινωνιών και μιας συσκευής τηλεπικοινωνιών. 2.5 Αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών Με βάση τα προαναφερθέντα, γίνεται εύκολα αντιληπτή η ανάγκη για τη σχεδίαση του κατάλληλου ΣΑΠ για την προστασία τόσο του 31

44 εξοπλισμού της Α/Γ όσο και του ανθρώπινου δυναμικού που θα εκτελέσει τις εργασίες επιδιόρθωσής της μετά το κεραυνικό πλήγμα. Το προτεινόμενο ΣΑΠ οφείλει να είναι κατάλληλα προσαρμοσμένο στα διαφορετικά υλικά από τα οποία αποτελούνται τα διαφορετικά τμήματα των Α/Γ όπως επίσης και στα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της τοποθεσίας που αυτές τοποθετούνται (μεγάλο υψόμετρο). Η αναγκαιότητα εγκατάστασης ενός ΣΑΠ καθώς και η στάθμη προστασίας καθορίζονται από: Το είδος της εγκατάστασης Την επιφάνεια του κτιρίου Τον αριθμό των καταιγίδων ανά έτος στην περιοχή που βρίσκεται το κτίριο Την τοποθεσία του κτιρίου (π.χ. υψόμετρο, ύπαρξη άλλων κτιρίων κλπ.) Εκτίμηση επιπέδου αντικεραυνικής προστασίας [2.9] Όπως έχει ήδη αναφερθεί στο πρώτο κεφάλαιο, οι Α/Γ είναι άμεσα εκτεθειμένες σε κεραυνικά πλήγματα εξαιτίας της θέσης τους και του μεγάλου ύψους τους. Οι μεγάλες Α/Γ που παράγουν πολλά MW, το οποίο συνεπάγεται και μεγάλο ύψος άνω των 150 m, είναι και οι πιο εκτεθειμένες. Στην προσπάθεια να προστατέψουμε τις ανεμογεννήτριες απαιτείται μια περιεκτική αντικεραυνική προστασία ενώ συγχρόνως θα πρέπει να διασφαλίζεται η συνεχής παραγωγή ενέργειας χωρίς προβλήματα. Σύμφωνα με το IEC διακρίνουμε τέσσερα επίπεδα αντικεραυνικής προστασίας. Τα πτερύγια που είναι προστατευμένα με το υψηλότερο επίπεδο, το επίπεδο 1, προστατεύονται κατά 98% από κεραυνικά πλήγματα χωρίς ουσιαστικές ζημιές. Εσωτερική προστασία απαιτείται για τα ηλεκτρικά και τα συστήματα ελέγχου κυρίως. Τα ρουλεμάν φαίνεται να είναι τα πιο ευάλωτα μηχανικά μέρη, για τα οποία πρέπει να εφαρμόζονται συστήματα προστασίας. Για τα ηλεκτρικά και τα συστήματα ελέγχου σε κτίρια, μια καλά αποδεδειγμένη μέθοδος είναι διαθέσιμη στο σχεδιασμό συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Τα ηλεκτρικά συστήματα χωρίζονται σε τέσσερις «αντικεραυνικές ζώνες προστασίας». H βελτίωση της 32

45 αποτελεσματικότητας των συστημάτων προστασίας που έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο είναι αρκετά γνωστή. Το πρότυπο IEC συνιστά την χρησιμοποίηση των ίδιων μεθόδων για την προστασία των ανεμογεννητριών. Ωστόσο πολύ λίγα είναι γνωστά για την αποδοτικότητα αυτών των μεθόδων. Έχει συμφωνηθεί ότι η αποδοτικότητα της προστασίας είναι μια μεταβλητή στο μοντέλο κόστους που μπορεί να οριστεί αργότερα στηριζόμενη στο γεγονός ότι η τελική διαμόρφωση της ανεμογεννήτριας είναι γνωστή, συμπεριλαμβανομένου των μηχανικών λεπτομερειών των συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Αρχικά θα εκτιμήσουμε το επίπεδο αντικεραυνικής προστασίας, προτού λάβουμε υπόψη μας το IEC και τα ελληνικά πρότυπα. Με τη βοήθεια του παρακάτω αλγορίθμου εκτιμάται η συχνότητα των κεραυνικών πληγμάτων στις Α/Γ, η οποία είναι συνάρτηση της κεραυνικής δραστηριότητας στο σημείο τοποθέτησης, της τοπολογίας της περιοχής και των συνιστωσών της ανεμογεννήτριας. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε έχει διορθώσεις και εκτιμήσεις, έτσι ώστε να μην υπάρχουν ανακρίβειες στο αποτέλεσμα. Η αντικεραυνική μέθοδος εφαρμόστηκε σε ένα αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό, κοντά στην Πάτρα όπως περιγράφεται παρακάτω [2.9]. Ο λόγος που επιλέχθηκε το Παναχαϊκό είναι ότι το υψόμετρο είναι περίπου στα 1600 m, που σημαίνει ότι αυτή η περιοχή είναι ευάλωτη στους κεραυνούς. Οι ανεμογεννήτριες έχουν τις παρακάτω διαστάσεις: Ύψος πύργου: 50m Ακτίνα πτερυγίου: 24m Επειδή το μέγιστο ύψος της ανεμογεννήτριας είναι 74 m, δηλαδή μεγαλύτερο από 60 m είναι απαραίτητη κρίνεται απαραίτητη η εγκατάσταση ειδικού ΣΑΠ. Για τον υπολογισμό της ζώνης προστασίας ακολουθήθηκε η παρακάτω διαδικασία: Αρχικά υπολογίστηκε ο ετήσιος μέσος όρος των άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε κάθε μία ανεμογεννήτρια σύμφωνα με την εξίσωση: όπου: Nd=Ng*Ae*Ce (2.4) 33

46 N d : μέση ετήσια συχνότητα των άμεσων κεραυνών στην κατασκευή, N g : μέση πυκνότητα κεραυνών στο έδαφος μετρούμενη σε καταιγίδες/km 2 ανά έτος, A e : η ισοδύναμη περιοχή συλλογής της κατασκευής εκφρασμένη σε km 2, C e : συντελεστής που εξαρτάται από την θέση της κατασκευής, περιβαλλοντικός συντελεστής. Η παράμετρος N g προκύπτει από τον ισοκεραυνικό χάρτη της χώρας (Εικόνα 2.7) από όπου λαμβάνουμε την παράμετρο Τ που αντιπροσωπεύει τον ετήσιο αριθμό των ημερών καταιγίδας ή το κεραυνικό επίπεδο σε ημέρες καταιγίδων/έτος. Συγκεκριμένα για την περιοχή του Παναχαϊκού από την Εικόνα 2.7 φαίνεται ότι Τ=38 ημέρες καταιγίδας/χρόνο. Έπειτα η παράμετρος N g υπολογίζεται από τη σχέση: Ng = 0.04*T 1.25 (καταιγίδες/(km 2 *χρόνο)) (2.5) Εικόνα 2.7: Ισοκεραυνικός χάρτης Ελλάδας [2.3] Η μέση περιοχή συλλογής A e για μια ανεμογεννήτρια, που είναι εγκατεστημένη σε επίπεδο έδαφος, υπολογίζεται να είναι η περιοχή ενός 34

47 κύκλου με ακτίνα τρεις φορές το συνολικό ύψος της Α/Γ. Θεωρώντας ότι οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται σε απομονωμένες περιοχές ο συντελεστής περιβάλλοντος είναι C e =2. Οπότε η αντικατάσταση των παραπάνω δεδομένων για για τον υπολογισμό του επιπέδου αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών την περιοχή του Παναχαϊκού μας δίνει: Η μέση περιοχή συλλογής είναι: Ae=2π*(3h) 2 =(3*74) 2 *2π=154830,25 m 2 (2.6) Εκφρασμένη σε km 2 η σχέση (2.6) γίνεται: Ae=0,1548 km 2 (2.7) Λαμβάνοντας υπόψιν ότι Τ=38, η σχέση (2.5) γίνεται: Ng=3,7739 (καταιγίδες/(km 2 *χρόνο)) (2.8) Τελικά τα αποτελέσματα από την σχέση (2.4) είναι: N d1 =N g *A e *C e N d1 =3,7739*0,1548*2 Nd1=1,168 κεραυνικά πλήγματα/χρόνο (2.9) Η παράμετρος N d μπορεί επίσης να εκτιμηθεί από την παρακάτω σχέση: Νd2=2,4*10-5 *Ng *742.05*H 2.05 (2.10) Με τις τιμές Νg=3,7739 καταιγίδες/km 2 ανά χρόνο, Η=74m το αποτέλεσμα είναι: Νd 2 =2,4*10-5*3,7739* Nd2=0,6151 κεραυνικά πλήγματα / χρόνο (2.11) 35

48 Η σχέση (2.10) αφορά στις εκτιμήσεις για τις Α/Γ. Με τη σχέση (2.4) εκτιμάται η παράμετρος N d για κτίρια κυρίως και με τις κατάλληλες διορθώσεις εγκρίνεται για Α/Γ. Τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά σύμφωνα με το γεγονός ότι η σχέση (2.4) έχει ως μεταβλητή τον περιβαλλοντικό συντελεστή C e. Η σχέση (2.10) έχει μία μεταβλητή, το ύψος της κατασκευής. Αυτό εξηγεί τη διαφορά των αποτελεσμάτων των δύο σχέσεων.με βάση λοιπόν τις δύο εκτιμήσεις της παραμέτρου N d θα υπολογίζεται η παράμετρος Ε, που εκφράζει την αποδοτικότητα του ΣΑΠ σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: E 1-Nc/Nd (2.12) όπου η παράμετρος N c είναι ένας αδιάστατος δείκτης που λαμβάνει τιμές σχετικά με το περιβάλλον που περιβάλλει την Α/Γ. Συγκεκριμένα, αφού η Α/Γ είναι μονάδα παραγωγής ενέργειας σύμφωνα με με τον ΕΛΟΤ θα ισχύει N c = 5*10-5. Οπότε για τις δύο τιμές του N d η (2.12) γίνεται: Για N d1 =1,1684 κεραυνικά πλήγματα/έτος: Ε 1-N c /N d1 E 1-5*10-5 /1,1684 E 0,99995 Για N d2 =0,6151 κεραυνικά πλήγματα/έτος: Ε 1-N c /N d2 E 1-5*10-5/ E 0,9999 Προκειμένου να καθοριστεί εάν απαιτείται αντικεραυνική προστασία όπως επίσης και το επίπεδο του απαιτούμενου ΣΑΠ παρατίθενται στη συνέχεια οι Πίνακες 2.1 και 2.2 αντίστοιχα. 36

49 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1: Σχέση μεταξύ επιπέδου προστασίας και αποδοτικότητας [2.9] ΕΠΙΠΕΔΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ (P) ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (Ε) I 0,98 II 0,95 III 0,90 IV 0,80 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2: Τιμές αποδοτικότητας και επίπεδα προστασίας [2.9] E>0,98 0,95<Ε 0,98 0,90<Ε 0,95 0,80<Ε 0,90 0<Ε 0,80 E 0 ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Ι ΜΕ ΠΡΟΣΘΕΤΑ ΜΕΤΡΑ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Ι ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΙΙ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΙΙΙ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ IV ΚΑΜΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Επειδή το Ε είναι μεγαλύτερο από 0,98, σύμφωνα με τους πίνακες 2.1 και 2.2 το επίπεδο αντικεραυνικής προστασίας είναι: I με πρόσθετα μέτρα με τις ακόλουθες παραμέτρους του κεραυνικού ρεύματος: μέγιστο ρεύμα 200kA, μέσος ρυθμός αύξησης του ρεύματος 200 ka/μs και ολική μεταφορά φορτίου 300 o C. Πέρα από το γεγονός ότι η αναγκαιότητα των αντικεραυνικών συστημάτων προστασίας των ανεμογεννητριών έχει αποδειχθεί από τους τύπους που αναφέρθηκαν, δεν πρέπει να παραληφθεί ένας επιπλέον και ιδιαίτερα σημαντικός λόγος. Αυτός είναι η προστασία του προσωπικού συντήρησης και των ανθρώπων που μπορεί να βρίσκονται κοντά σε μια ανεμογεννήτρια. Κάθε χρόνο, κοντά στους ανθρώπους τραυματίζονται από κεραυνούς. Οι πιο σημαντικές βλάβες στους ανθρώπους είναι στους πνεύμονες, το καρδιοαγγειακό σύστημα και στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Επειδή οι Α/Γ είναι ευάλωτες στα κεραυνικά πλήγματα, ο κίνδυνος για τους ανθρώπους που βρίσκονται πάνω ή μέσα στην κατασκευή κατά τη διάρκεια της καταιγίδας, είναι μεγαλύτερος από αυτόν σε κανονικά κτίρια. Σύμφωνα με το IEC, δεν πρέπει να εκτελούνται εργασίες όταν επικρατούν συνθήκες κακού καιρού. Οι άνθρωποι μπορεί να εργάζονται μέσα στην νασέλλα κατά τη διάρκεια καταιγίδας. Για αυτή 37

50 την περίπτωση είναι σημαντικό να προστατευθούν από τάσεις επαφής. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ισοδύναμο δυναμικό του εξοπλισμού που θα συνδέεται με τον αγωγό γείωσης. Τα αντικεραυνικά συστήματα προστασίας που προτείνονται παρακάτω προστατεύουν τόσο τον εξοπλισμό όσο και το προσωπικό. [2.3] Προτεινόμενο ΣΑΠ για ανεμογεννήτριες Δεδομένου ότι δεν υπάρχει απολύτως ασφαλής αντικεραυνική προστασία, πολλοί κατασκευαστές σχεδιάζουν το ΣΑΠ έτσι ώστε να παρέχει τη μέγιστη δυνατή προστασία και αξιοπιστία καθώς και να ελαχιστοποιεί ενδεχόμενες βλάβες από κεραυνούς. Το σχέδιο αντικεραυνικής προστασίας που παρουσιάζεται εδώ βασίζεται στα διεθνή πρότυπα IEC και IEC [2.3] Το πρότυπο IEC ορίζει πως κάθε ανεμογεννήτρια πρέπει να έχει τουλάχιστον επίπεδο προστασίας Ι εκτός και αν προκύψει κάτι διαφορετικό από εμπεριστατωμένη εκτίμηση ρίσκου, ανάλογη διαδικασία με αυτήν που ακολουθήθηκε στην υποενότητα Το ΣΑΠ διακρίνεται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στην προστασία του εξωτερικού και του εσωτερικού της Α/Γ. Ο σχεδιασμός του κατάλληλου ΣΑΠ για την επίτευξη εξωτερικής προστασίας περιλαμβάνει τα συστήματα των συλλεκτήριων αγωγών καθώς και τους αγωγούς καθόδου, ενώ η εσωτερική προστασία αποτελείται από το ισοδύναμο δυναμικό και την προστασία υπέρτασης. Το ισοδύναμο δυναμικό και η προστασία υπέρτασης είναι τα πιο σημαντικά μέτρα στην προστασία των των συστημάτων ελέγχου και των ηλεκτρονικών συστημάτων της Α/Γ. Εφόσον η Α/Γ αποτελείται από πολλά μέρη με διαφορετικά χαρακτηριστικά και τοπολογία, συνίσταται ο χωρισμός της κατασκευής σε ζώνες αντικεραυνικής προστασίας. Η μέθοδος των ζωνών προστασίας είναι μια μέθοδος δόμησης περιβάλλοντος ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Η μέθοδος των ζωνών προστασίας έχει σαν στόχο τον περιορισμό σε αποδεκτές τιμές των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, είτε αυτές οφείλονται σε αγώγιμη ζεύξη, είτε σε σύζευξη ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Ο καθορισμός των ζωνών γίνεται με βάση την πιθανότητα απ ευθείας κεραυνικού πλήγματος στην περιοχή μιας ζώνης, το μέγεθος του ρεύματος κεραυνού, καθώς και την ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου 38

51 στην περιοχή μιας ζώνης προστασίας. Ο χωρισμός αυτός θα γίνει με βάση τα δεδομένα του Πίνακα 2.3 που ακολουθεί: ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3: Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας [2.16] LPZ-0A LPZ-0B LPZ-1 LPZ-2 Στοιχεία εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, πλήρες ρεύμα κεραυνού, ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Στοιχεία μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, πλήρες ρεύμα κεραυνού, ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Στοιχεία μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, μειωμένο ρεύμα κεραυνού, εξασθενημένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Ακόμη πιο μειωμένο ρεύμα κεραυνού, ακόμη πιο εξασθενημένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Χωρίζουμε το ΣΑΠ της ανεμογεννήτριας σε τρεις ζώνες προστασίες ανάλογα με τα μέρη που αυτό προστατεύει. Με βάση τα στοιχεία του Πίνακα 2.3 και τα όσα αναφέρθηκαν νωρίτερα στο Κεφάλαιο 2 για τα μέρη της Α/Γ που εκτίθενται περισσότερο, χρησιμοποιούμε την LPZ-0 για την προστασία του πλήγματος στα πτερύγια και στο ανεμόμετρο, την LPZ-1 στο εσωτερικό τμήμα της Α/Γ και την LPZ-2 για την προστασία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού με ηλεκτρομαγνητική ασπίδα. [2.16] 39

52 Εικόνα 2.8: Διάκριση των ζωνών προστασίας. [2.17] Στις επόμενες υποενότητες ακολουθεί αναλυτικά η στρατηγική σχεδιασμού του ΣΑΠ για το εξωτερικό και το εσωτερικό της Α/Γ. Παρόλα αυτά ισχυρή μέριμνα οφείλει να τηρηθεί και για τη λήψη μέτρων ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης ώστε να εξασφαλιστεί ένα περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας για τον εξοπλισμό της. Για αυτό το λόγο συνίστανται οι κατευθυντήριες γραμμές του IEC-TR Συνιστώμενα μέτρα Η/Μ θωράκισης περιλαμβάνουν: Εγκατάσταση μεταλλικού πλέγματος σε νασέλλες από GRP Μεταλλικό πύργο Θωράκιση καλωδίων Μεταλλικό θάλαμο ελέγχου 40

53 Προστασία των πτερυγίων Κάθε πτερύγιο, αφού είναι σοβαρά εκτεθειμένο σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, πρέπει να διαθέτει ενσωματωμένο ένα δικό του ΣΑΠ. Η γενική ιδέα είναι πως ένας μεταλλικός αγωγός καθόδου που βρίσκεται στο εσωτερικό του πτερυγίου και διατρέχει το μήκος αυτού, οδηγεί το κεραυνικό ρεύμα στον κύριο αγωγό καθόδου και από εκεί στη γη. Ο κεντρικός υποδοχέας συνδέεται με μεταλλικά τμήματα εκατέρωθέν του, τα οποία καταλήγουν στο εξωτερικό του πτερυγίου. Αυτοί οι υποδοχείς επιτελούν το ρόλο να τραβούν πάνω τους τα κεραυνικά πλήγματα, καθώς και να μεταφέρουν την κεραυνική δραστηριότητα μακριά από το μονωτικό υλικό του πτερυγίου και τον αέρα στο εσωτερικό του. [2.16] Εικόνα 2.9: Προτεινόμενο ΣΑΠ πτερυγίου [2.18] Η διάταξη που παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήμα έχει μια σημαντική έλλειψη: δεν προστατεύει από πλήγματα στην άκρη του πτερυγίου, η οποία είναι και η περιοχή που συμβαίνει η συντριπτική πλειοψηφία των απ' ευθείας κεραυνικών πληγμάτων. Για την βελτίωση της αντικεραυνικής συμπεριφοράς των πτερυγίων στην άκρη έχει εφαρμοστεί πληθώρα διατάξεων. Η πλειοψηφία των τύπων προστασίας που χρησιμοποιούνται συνίστανται σε διάφορους τύπους υποδοχέων στην άκρη του πτερυγίου. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι υποδοχέα στην άκρη είναι τρεις. Ο πρώτος τύπος διαθέτει έναν στερεό μεταλλικό υποδοχέα στην άκρη του πτερυγίου, ο δεύτερος τύπος έναν κυκλικό υποδοχέα εγκατεστημένο στην πλευρά του πτερυγίου και ο τρίτος τύπος τρεις υποδοχείς. Ο ένας έχει 41

54 σχήμα ράβδου και βρίσκεται στο άκρο του πτερυγίου και οι άλλοι είναι μικροί μεταλλικοί υποδοχείς που βρίσκονται και στις δύο επιφάνειες του πτερυγίου. [2.19] Εικόνα 2.10: Τύποι υποδοχέων στα άκρα των πτερυγίων: α) υποδοχέας τύπου άκρου, β) υποδοχεάς τύπου δίσκου, γ) υποδοχέας τύπου ράβδου [2.20] Με εφαρμογή πειραμάτων έχει αποδειχθεί ότι ο δεύτερος τύπος υποδοχέα έχει κατώτερα χαρακτηριστικά για όλες τις συνθήκες του κεραυνού εκτός από την κατεύθυνση του πτερυγίου. Οι υποδοχεία τύπου άκρου και ράβδου χαρακτηρίζονται από υψηλή ικανότητα αντικεραυνικής προστασίας. Λόγω της καλύτερης αυτής απόδοσης του πρώτου και του τρίτου τύπου έχουν γίνει απόπειρες βελτίωσης της απόδοσης στους δύο αυτούς υποδοχείς. Στον πρώτο τύπο το μεταλλικό γωνιακό κομμάτι στο κάτω μέρος του πτερυγίου οδηγεί την συγκέντρωση του ηλεκτρικού πεδίου και ο κεραυνός από την πλευρική κατεύθυνση (>90 ο ) τείνει να χτυπήσει την συνοριακή επιφάνεια. Στην προσπάθεια να εμποδιστεί αυτό, προτείνονται δύο ποικιλίες βελτιωμένης σχεδίασης. Η μία είναι ένας υποδοχέας που έχει κεραμικό υλικό μεταξύ του μεταλλικού μέρους και του FRP κομματιού (κεραμικός τύπος υποδοχέα: τύπος 1(α)), και η άλλη είναι ένας υποδοχέας που έχει μια καρφίτσα για την συγκέντρωση του ηλεκτρικού πεδίου στο καταληκτικό άκρο κοντά στο γωνιακό κομμάτι (υποδοχέας τύπου καρφίτσας: τύπος 1(β)). Ο τύπος 1(α) υποδοχέα προορίζεται για την αλλαγή της συγκέντρωσης του ηλεκτρικού πεδίου από την μεταλλική-frp συνοριακή επιφάνεια στη μεταλλική-κεραμική συνοριακή επιφάνεια χωρίς να αλλάζει το εξωτερικό σχήμα του υποδοχέα. Ο τύπος 1(β) υποδοχέα προορίζεται για να αναγκάσει το υπόλοιπο ηλεκτρικό πεδίο να συγκεντρωθεί σε διαφορετικό σημείο από το γωνιακό κομμάτι του υποδοχέα. [2.20] 42

55 Η μέθοδος προστασίας των πτερυγίων η οποία ακολουθείται τα τελευταία χρόνια και έχει δώσει πολύ καλά αποτελέσματα είναι η χρήση κατακερματισμένων απαγωγών κεραυνών. Πρόκειται ουσιαστικά για μια αλυσίδα από μικρά μεταλλικά κουμπιά στερεωμένα πάνω σε μια ταινία από μονωτικό υλικό. Η ταινία αυτή στερεώνεται στην άκρη του πτερυγίου και συνδέεται με τους κυκλικούς υποδοχείς που βρίσκονται πιο μακριά από την άκρη του πτερυγίου. Όταν το ηλεκτρικό πεδίο ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή έχουμε τη δημιουργία τόξου πάνω στα κουμπιά. Ο ιονισμένος δρόμος που δημιουργείται πάνω στην ταινία κρατάει το τόξο έξω από το πτερύγιο και το οδηγεί στους υποδοχείς και μέσω αυτών στον αγωγό καθόδου. Σημαντικά πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι η αξιοπιστία στην προστασία της άκρης του πτερυγίου, το χαμηλό βάρος και όγκος, το μικρό κόστος και η ευκολία στην συντήρηση, αφού το μόνο που χρειάζεται είναι η αντικατάσταση της ταινίας χωρίς να είναι αναγκαίες πρόσθετες εργασίες. Εικόνα 2.11: Κατακερματισμένοι απαγωγοί κεραυνών [2.18] Συνδέσεις γύρω από τα πτερύγια, δαχτυλίδια ολίσθησης και ρουλεμάν εκτροπής Δύο εύκαμπτες συνδέσεις στο εσωτερικό της νασέλλας, προκαλούν μία παράκαμψη του ρεύματος του κεραυνού από την πλάκα, γύρω από το ρουλεμάν της πλάκας και των κύριων ρουλεμάν, μέσω του πλαισίου της νασέλλας, στη βάση του πύργου. Τα καλώδια που χρησιμοποιούνται είναι 50 mm 2 από σίδηρο με μόνωση από XLPE με αντοχή κρουστικής τάσης 43

56 100 kv, 1.2/50 μs. Το XLPE έχει επιλεγεί γιατί είναι πιο ανθεκτικό στις υψηλές θερμοκρασίες (μέγιστη 250 ο C) που προκαλούνται από τα υψηλά ρεύματα του κεραυνού. Εξάλλου με μονωμένα καλώδια δεν υπάρχει κίνδυνος για τάσεις επαφής για το προσωπικό συντήρησης. Ο δακτύλιος ολίσθησης είναι μια συσκευή που επιτρέπει την σύνδεση μιας κινητής καλωδίωσης σε μια σταθερή. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν δακτυλίους ολίσθησης από κράμα χαλκού για να συνδέσουν την καλωδίωση της γεννήτριας με την σταθερή καλωδίωση. Οι δακτύλιοι αυτοί είναι συνήθως τοποθετημένοι στο κομμάτι της γεννήτριας που είναι σταθερά συνδεμένο στην κορυφή του πύργου. Μια σειρά από ψήκτρες γραφίτη είναι τοποθετημένες στο εκτρεπόμενο κομμάτι της γεννήτριας. Εικόνα 2.12: Δαχτυλίδι ολίσθησης [2.9] Αγωγοί καθόδου Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν με ασφάλεια το ρεύμα του κεραυνού στο σύστημα γείωσης. Για τις ανεμογεννήτριες ο ίδιος ο χαλύβδινος πύργος της κατασκευής αποτελεί τη διαδρομή με τη χαμηλότερη αυτεπαγωγή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αγωγός καθόδου. Κατά συνέπεια, όταν ο πύργος της ανεμογεννήτριας δεν είναι αγώγιμος δε χρησιμοποιείται ως αγωγός καθόδου. Στην περίπτωση αυτή επιλέγεται ο αριθμός και ο τρόπος εγκατάστασης των αγωγών καθόδου. Οι αγωγοί καθόδου πρέπει να κατανέμονται, κατά το δυνατόν, περιμετρικά της κατασκευής σε συμμετρική διάταξη. Συνήθως επιλέγονται 3 αγωγοί καθόδου οι οποίοι πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους 44

57 με οριζόντιους περιμετρικούς δακτυλίους κοντά στην στάθμη του εδάφους. Τα καλώδια όλων των συνδέσεων θα πρέπει να είναι επαρκούς διατομής (π.χ. 50mm 2 για Cu) και η μόνωσή τους θα πρέπει να είναι κατά προτίμηση από δικτυωμένο 66 πολυαιθυλένιο (XLPE), ώστε να είναι πιο ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες που προκαλούνται από τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού. Ο μεταλλικός σκελετός της νασέλλας συνδέεται στα θεμέλια του πύργου με καλώδια. Στην περίπτωση χαλύβδινου πύργου, τα ρεύματα του κεραυνού διαμοιράζονται από τη νασέλλα στο ηλεκτρόδιο γείωσης μέσω του ίδιου του αγώγιμου πύργου, αν δεν χρησιμοποιούμε ξεχωριστούς αγωγούς καθόδου. [2.16] [2.19] Έδρανα κύλισης και κιβώτιο ταχυτήτων [2.19] Η διαδρομή του ρεύματος του κεραυνού από τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας προς τον πύργο πραγματοποιείται μέσω του εδράνου του βήματος πτερυγίου, του κυρίως εδράνου και του εδράνου του συστήματος προσανατολισμού. Αυτές είναι επομένως οι εν δυνάμει ευάλωτες περιοχές σε φθορά λόγω του κεραυνικού πλήγματος. Ολοκληρωμένη λύση για το πρόβλημα της προστασίας των εδράνων δεν υπάρχει καθώς υπάρχουν αρκετά προβλήματα στην πράξη. Τα μεγάλα στάσιμα έδρανα δεν υφίστανται σημαντική φθορά από τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού. Για αυτό, για τα έδρανα βήματος και κλίσης μπορούμε να αποφύγουμε την αντικεραυνική προστασία. Παρόλα αυτά προτείνεται η δημιουργία εναλλακτικών διαδρομών του ρεύματος από κάποιον εύκαμπτο αγωγό. Τα στρεφόμενα έδρανα όπως το αξονικό έδρανο και τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας υφίστανται φθορές και θα πρέπει να προστατευθούν. Ένας τρόπος προστασίας είναι να αποτρέπεται το ρεύμα του κεραυνού από το να κυκλοφορεί δια μέσου των εδράνων κύλισης δημιουργώντας εναλλακτικές διαδρομές καθώς και διακοπές στην πορεία του ρεύματος με μονωτικά στρώματα στα έδρανα. 45

58 Αυτό επιβάλλει τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης ή παρόμοιων συσκευών. Με προσεκτική σχεδίαση και τοποθέτηση του δακτυλίου ολίσθησης καθώς και με μικρής τιμής αυτεπαγωγή των συνδέσεων με τη νασέλλα και την επίπεδη πλάκα εξασφαλίζεται ικανοποιητική προστασία. Σύστημα γείωσης [2.16] [2.21] Σύμφωνα με το ελληνικό πρότυπο του ΕΛΟΤ EN [2.24] η αντίσταση γείωσης μπορεί να είναι μικρότερη ή ίση με 10 Ω. Το σύστημα γείωσης εξαρτάται από την τοπολογία και το είδος του εδάφους. Επιπλέον, το σύστημα γείωσης θα πρέπει να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού και να προστατεύει το προσωπικό από πτώσεις τάσεις επαφής και βηματικές. εξής: Συνεπώς, το σύστημα γείωσης των Α/Γ πρέπει να περιλαμβάνει τα αγωγό σε σχήμα δακτυλίου 50mm 2 Cu τοποθετημένο γύρω από τη βάση (σε μια απόσταση 1m) και περίπου 1m κάτω από το επίπεδο του εδάφους, ο αγωγός σε σχήμα δακτυλίου να συμπληρώνεται με δύο ράβδους με επικάλυψη χαλκού μήκους 6m. Οι ράβδοι γείωσης είναι θαμμένες σε κάθε πλευρά του πύργου (180 ο μεταξύ των ράβδων γείωσης), ο αγωγός σε σχήμα δακτυλίου συνδέεται με τα δύο πόδια του πύργου ή δυο αντίθετα σημεία σε έναν σωληνοειδή πύργο. Ο ελεγκτής εδάφους είναι συνδεμένος σε ένα από αυτά τα σημεία. Σε περίπτωση που η αντίσταση του εδάφους δεν είναι επαρκώς χαμηλή το σύστημα γείωσης μπορεί να βελτιωθεί. Οι δύο ράβδοι γείωσης μπορούν να επεκταθούν στα 10m ή δύο επιπλέον ράβδοι 10m ο καθένας τους μπορούν να προστεθούν (90 ο μεταξύ των τεσσάρων ράβδων γείωσης). Για να γειώσουμε τις ανεμογεννήτριες, πρέπει να ενισχυθούν οι πύργοι. Η εγκατάσταση ενός ηλεκτροδίου γείωσης στη βάση του πύργου, και αν δεν υπάρχει, στο έδαφος, πρέπει επίσης να προτιμάται εν όψει της διάβρωσης των αγωγών γείωσης. Το σύστημα γείωσης των βάσεων των πύργων και των λειτουργικών κτιρίων (αν υπάρχουν) είναι συνδεμένα με μια γείωση στην προσπάθεια να έχουμε ένα σύστημα γείωσης με την μεγαλύτερη δυνατή επιφάνεια. Η επέκταση με κάποια ηλεκτρόδια σε 46

59 σχήμα δακτυλίου για τον έλεγχο του δυναμικού, τα οποία πρέπει να είναι διατεταγμένα γύρω από τις βάσεις του πύργου, εξαρτάται από το πόσο υψηλές είναι οι τάσεις επαφής και βήματος, που πρέπει να μειωθούν, για την προστασία του προσωπικού σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος. Κάθε κομμάτι του συστήματος γείωσης έχει μια απόσταση με το άλλο περίπου 4 m. Έτσι δεν υπάρχει κίνδυνος για βηματικές τάσεις στην επιφάνεια της γης κατά την διάρκεια μιας καταιγίδας. Αυτό δημιουργεί μια «ισοδυναμική επιφάνεια» η οποία εμποδίζει τις ενδεχόμενες βηματικές διαφορές σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος. Ο σκοπός που καλείται να επιτελέσει ένα σύστημα γείωσης είναι: 1. Η διάχυση του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος, μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης, χωρίς τη δημιουργία επικίνδυνων υπερτάσεων. 2. Η ισοδυναμική σύνδεση στους αγωγούς καθόδου, όπου αυτό είναι εφικτό. 3. Ο περιορισμός της ανύψωσης του δυναμικού του εδάφους στην περιοχή του. 4. Η αναχαίτηση του κεραυνού στην περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, τιμή αντίστασης γείωσης μικρότερη ή ίση με 10 Ω θεωρείται κατάλληλη για τους σκοπούς του συστήματος της αντικεραυνικής προστασίας. Σύμφωνα με τους κανονισμούς (IEC 62305) υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες διάταξης των ηλεκτροδίων γείωσης: Διάταξη τύπου Α: Η διάταξη αυτού του τύπου περιλαμβάνει ακτινικά οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης. Κάθε αγωγός καθόδου πρέπει να συνδέεται τουλάχιστον σε ένα ανεξάρτητο ηλεκτρόδιο γείωσης, ενώ ο ελάχιστος συνολικός αριθμός ηλεκτροδίων γείωσης πρέπει να είναι δύο. Τα ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να αλληλοσυνδέονται μέσω δακτυλίου ισοδυναμικής σύνδεσης ή ισοδυναμικών ζυγών στην κατασκευή. Διάταξη τύπου Α θεωρείται και μια διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης που επιπρόσθετα περιλαμβάνει περιμετρικό δακτύλιο ισοδυναμικής σύνδεσης 71 αγωγών 47

60 καθόδου ο οποίος βρίσκεται σε επαφή με το έδαφος σε ποσοστό μικρότερο από το 80% του συνολικού μήκους του. Διάταξη τύπου Β: Η διάταξη αυτού του τύπου αποτελείται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου, εξωτερικά της κατασκευής, με τουλάχιστον το 80% του μήκους του σε επαφή με το έδαφος ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Σε μια ανεμογεννήτρια συνήθως χρησιμοποιείται διάταξη τύπου Β με ηλεκτρόδιο τύπου δακτυλίου να τοποθετείται περιμετρικά και το οποίο συνδέεται με το ενισχυμένο σκυρόδεμα των θεμελίων. Εικόνα 2.13: Εγκατάσταση θεμελειακού ηλεκτροδίου γείωσης [2.21] Πιο συγκεκριμένα, λόγω των μεγάλων δυνάμεων που ασκούνται από τον άνεμο στη ανεμογεννήτρια, είναι απαραίτητη μια βάση πύργου με αξιοσημείωτη μηχανική αντοχή. Μία βάση από ενισχυμένο σκυρόδεμα ικανοποιεί αυτή την απαίτηση και ταυτόχρονα συμβάλλει στον σχεδιασμό μίας αποτελεσματικής διαδρομής όδευσης του ρεύματος του κεραυνού προς τη γη. Για ακόμη μεγαλύτερη μηχανική ενίσχυση της βάσης χρησιμοποιούνται ενισχυτικές μπάρες, στο εσωτερικό του σκυροδέματος, που και αυτές μπορούν να συμβάλλουν στην οδήγηση του ρεύματος προς την γη. Το συσσωρευμένο μήκος αυτού του συστήματος μπαρών πρέπει να είναι τουλάχιστον 6 m. Έτσι δημιουργείται ένα πλέγμα μεγάλης έκτασης το οποίο εξασφαλίζει μικρές πυκνότητες ρεύματος. 48

61 Εικόνα 2.14: Σύστημα γείωσης αποτελούμενο από πλέγμα μπαρών, δύο ηλεκτρόδια τύπου δακτυλίου και επιπρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης [2.21] Συσκευές προστασίας έναντι υπερτάσεων [2.22] Εκτός από την προστασία των συσκευών έναντι ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι απαραίτητη και η προστασία τους έναντι επικίνδυνων κρουστικών κυμάτων τάσης και ρεύματος. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται τα SPDs. Στις διάφορες ζώνες προστασίας χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι SPDs. Συγκεντρωτικό ΣΑΠ Ανεμογεννήτριας Ο συνδυασμός όλων των επιμέρους ΣΑΠ που αναπτύχθηκαν σε αυτή την υποενότητα αποτελούν το συνολικό ΣΑΠ της Α/Γ. Στην Εικόνα 2.15 που ακολουθεί, φαίνεται μία άποψη του συνολικού της ΣΑΠ. Σε αυτή την εικόνα φαίνεται το σύστημα γείωσης το οποίο αποτελείται από τρία μέρη γείωσης σε παράλληλη σύνδεση. Είναι σημαντική η προστασία και από υπερτάσεις προκαλούμενες από το κεραυνικό, εκτός των εξωτερικών τμημάτων (πτερύγια, νασέλλα, ανεμόμετρο κ.α.) και των εσωτερικών και ειδικά των ηλεκτρονικών και των συστημάτων ελέγχου. Αυτά τα 49

62 συστήματα είναι υπεύθυνα για την αξιόπιστη λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Ο μόνος ασφαλής τρόπος προστασίας των εσωτερικών τμημάτων είναι με ισοδυναμικές συνδέσεις όπως φαίνεται παρακάτω (Εικόνα 2.15). Έτσι, υπάρχει μία ισοδυναμική σύνδεση μεταξύ του επεξεργαστή κορυφής και της γεννήτριας με τον αγωγό καθόδου, τον πύργο και τον ελεγκτή εδάφους. Εικόνα 2.15: Το συνολικό ΣΑΠ μιας ανεμογεννήτριας [2.23] 50

63 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 2 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ [2.1] «Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα», Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2009 [2.2] «Εξελιγμένα Δίκτυα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας», Νικόλαος Α. Βοβός, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2016 [2.3] «Προστασία Κατασκευών από Κεραυνούς», Ελευθερία Πυργιώτη, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Πάτρα 2010 [2.4] «Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον», Α. Μπάης, ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη 2010 [2.5] [2.6] «Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι», Θωμάς Ζαχαρίας, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2008 [2.7] [2.8] [2.9] Sokratis Pastromas, Eleftheria Pyrgioti, Demosthenes Agoris: An application of an intergrated lightning protection system for wind turbines paper T2-49 XVth ISH 2007 International Symposium on High Voltage Engineering, Ljubljana, Slovenia, Aug , [2.10] Richard Kithil, Case Study of Lightning Damage on Wind Turbine Blade National Lightning Safety Institute (NLSI) June [2.11] Ian Coton, Nick Jenkins and Krishnan Pandiaraj: Lighting Protection for Wind Turbine Blades and Bearings, UMIST, Manchester UK, [2.12] Blas Hermoso, Shigeru Yokoyama : Review of Research Methods for Lightning Protection in Wind Turbine Blades and Activity of Cigre WG C4.409, paper ICLP th International Conference on Lightning Protection, Cagliari, Italy, Sept , [2.13] [2.14] N.Stefanatos, P.Papadopoulos, E.Binopoulos, A.Kostakos and G.Spyridakis : Effects of Long Term Operation on the Performance Characteristics of Cup Anemometers Centre for Renewable Energy Sources (SRES), Wind Energy Department Laboratory. 51

64 [2.15] «Ειδικά κεφάλαια ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και δικτύων», Δ. Κ. Τσανάκας, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα [2.16] BS IEC Lightning Protection Standard [2.17] [2.18] [2.19] IEC Ed. 1.0: Protection against lightning Part 1: General Principles, IEC, [2.20] Atsutoshi Muto, Jun Suzuki, and Toshiaki Ueda: Performance Comparison of Wind Turbine Blade Receptor for Lightning Protection paper ICLP th International Conference on Lightning Protection, Cagliari, Italy, Sept , [2.21] Fellensiek W., Bohm A.: Earth and lightning protection system for ENERCON WEC s, PE-EW-DC010-Erdung und Blitzschutz-Rev003 ger-eng, , [2.22] [2.23] ml [2.24] ΕΛΟΤ EN Protection against lightning Διπλωματική Εργασία με θέμα «Αντικεραυνική Προστασία Ανεμογεννητριών», Σιάνας Δημήτριος, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών 52

65 Κεφάλαιο 3 ο Διαδικασία της προσομοίωσης 3.1 Εισαγωγή Στα πλαίσια αυτής της εργασίας πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση ενός κεραυνικού πλήγματος πλάτους ρεύματος 100 ka στο περιβάλλον του προγράμματος COMSOL MULTIPHYSICS (CMP) σε μοντέλο τρίπτερης ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα το οποίο σχεδιάστηκε στο ίδιο πρόγραμμα. Τα διάφορα μέρη της Α/Γ κατασκευάστηκαν με τα υλικά που αναπτύχθηκαν στα παραπάνω κεφάλαια και σχεδιάστηκε το ΣΑΠ που προτάθηκε στο τέλος του Κεφαλαίου 2 κάνοντας ορισμένες απλοποιήσεις λόγω των περιορισμένων δυνατοτήτων του προγράμματος και της διαθέσιμης μνήμης του υπολογιστή στον οποίο πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση. Εκτελέστηκαν δύο προσομοιώσεις στα δύο πιο εκτεθειμένα τμήματα της Α/Γ σύμφωνα με τα προαναφερθέντα στο Κεφάλαιο 2. Η μία προσομοίωση εκτελέστηκε με την εφαρμογή του κεραυνικού πλήγματος στο άκρο ενός πτερυγίου και η άλλη στο πίσω μέρος του εξωτερικού περιβλήματος της νασέλλας και λήφθηκαν μετρήσεις της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος στα σημεία που είναι πιο ευαίσθητα στην επίδραση του κεραυνικού ρεύματος σύμφωνα με τη θεωρία που ήδη διατυπώθηκε. Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναφερθούμε εκτενέστατα σε όλα τα βήματα που ακολουθήθηκαν προκειμένου η προσομοίωση να μας δώσει ορθά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο επόμενο κεφάλαιο. 3.2 Γνωριμία με το πρόγραμμα Όλα τα αποτελέσματα της εξομοίωσης που παρουσιάζονται σε αυτήν την εργασία δημιουργήθηκαν με χρήση του λογισμικού πακέτου COMSOL, το οποίο χρησιμοποιεί την μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Το COMSOL, όπως μαρτυρά το όνομά του, είναι ένα εργαλείο εξομοίωσης ικανό να επιλύει προβλήματα από πολλούς κλάδους της φυσικής, όπως Ηλεκτρομαγνητισμού, Θερμοδυναμικής, Ρευστών, Στατικής κ.α. Το COMSOL (CMP) έχει αποδειχτεί ότι είναι ικανό να 53

66 υπολογίζει αριθμητικά με μεγάλη ακρίβεια, τις λύσεις σε προβλήματα των οποίων οι αναλυτικές λύσεις είναι γνωστές. [3.1][3.2] Στις επόμενες υποενότητες ακολουθούν τα κύρια μέρη του εν λόγω προγράμματος Model Wizard Η κατασκευή (ή η εισαγωγή) ενός μοντέλου και η εξομοίωσή του στη συνέχεια είναι διαδικασίες οι οποίες πραγματοποιούνται μέσω του οδηγού του προγράμματος, του Model Wizard. Το πρώτο βήμα είναι η επιλογή των διαστάσεων του χώρου όπου θα γίνει η μοντελοποίηση της γεωμετρίας στην οποία θα πραγματοποιηθεί η προσομοίωση (Εικόνα 3.1). Οι επιλογές είναι οι εξής: 3D, 2D axisymmetric, 2D, 1D axisymmetric, 1D και 0D. Το μοντέλο της Α/Γ είναι αυτονόητο ότι εκτείνεται σε τρεις διαστάσεις, ωστόσο η επιλογή 2D axisymmetric μας δίνει τη δυνατότητα να δουλέψουμε ένα τρισδιάστατο μοντέλο σε δύο διαστάσεις όταν υπάρχει συμμετρία. Με την αξιοποίηση της συμμετρίας ενός μοντέλου μπορούμε να επιτύχουμε μείωση του μεγέθους του κατά το ήμισυ ή και περισσότερο, καθιστώντας το έτσι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την επίλυση μεγάλων σε έκταση προβλημάτων. Αυτό μπορεί να εφαρμοστεί σε περιπτώσεις όπου οι γεωμετρίες και οι υποθέσεις που γίνονται κατά τη μοντελοποίηση περιλαμβάνουν συμμετρίες. Η αξονική συμμετρία είναι συνηθισμένη για κυλινδρικές και άλλες παρόμοιες τρισδιάστατες γεωμετρίες. Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχουν μεταβολές στην ακτινική (r) και κάθετη (z) διεύθυνση μόνο και όχι στην αζιμούθια γωνιακή (θ) διεύθυνση. Έτσι μπορεί να επιλυθεί το διδιάστατο πρόβλημα στο rzεπίπεδο αντί για το τρισδιάστατο, κάτι το οποίο μπορεί να εξοικονομήσει τόσο σημαντική ποσότητα μνήμης όσο και χρόνου υπολογισμού. Για να εκμεταλλευτούμε τα επίπεδα και τους άξονες συμμετρίας, ολόκληρη η γεωμετρία, οι ιδιότητες των υλικών καθώς και οι συνοριακές συνθήκες πρέπει να είναι συμμετρικές και οποιαδήποτε φορτία ή πηγές πρέπει να είναι συμμετρικά ή αντισυμμετρικά. Με αυτό τον τρόπο, μπορούμε να καταλήξουμε σε ένα μοντέλο συμμετρικό, το οποίο μπορεί να είναι το μισό, το ένα τέταρτο ή το ένα όγδοο της αρχικής γεωμετρίας του προβλήματός μας και να εφαρμόσουμε τις κατάλληλες συμμετρικές ή 54

67 αντισυμμετρικές συνοριακές συνθήκες [3.3]. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούμε μια αποτελεσματική, από πλευρά κατανάλωσης μνήμης, γεωμετρία. Στη περίπτωσή μας όμως μια Α/Γ δεν μπορεί να θεωρηθεί συμμετρική για αυτό και επιλέγουμε τη δημιουργία τρισδιάστατου μοντέλου. Εικόνα 3.1: Επιλογή διαστάσεων χώρου για τη μοντελοποίηση Στη συνέχεια καλούμαστε να επιλέξουμε τη διεπιφάνεια φυσικής ή το συνδυασμό αυτών που θα εργαστούμε, όπως φαίνεται στην Εικόνα

68 Εικόνα 3.2: Μενού του CMP με τις διεπιφάνειες φυσικής Στην ουσία, η κάθε διεπιφάνεια φυσικής περιλαμβάνει πρότυπα εξισώσεων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ενός μοντέλου προς εξομοίωση. Η δυνατότητα του CMP να επιλύει συζευγμένα προβλήματα φυσικής είναι προφανής από το εύρος λειτουργιών που μπορεί να χρησιμοποιήσει ο χρήστης, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Για την εξομοίωση της δημιουργίας και διάδοσης του κεραυνικού πλήγματος στην επιφάνεια της Α/Γ, χρειαζόμαστε το AC/DC Module, από το οποίο επιλέγουμε την διεπιφάνεια Electric Currents. 56

69 Εικόνα 3.3: Επιλογή της διεπιφάνειας Electric Currents Στο κάτω μέρος της οθόνης στο κέντρο εμφανίζεται η ποσότητα της μνήμης που καταναλώνει το πρόγραμμα. Στην Εικόνα 3.4 εμφανίζονται δύο νούμερα, MB τα οποία αντιπροσωπεύουν το πόσο της φυσικής και της εικονικής μνήμης που δεσμεύεται από το CMP αντίστοιχα. Εικόνα 3.4: Η φυσική και εικονική μνήμη που δεσμεύεται από το CMP 57

70 Έπειτα, επιλέγοντας Study, μπορούμε να διαλέξουμε τι είδους μελέτη θέλουμε να εκτελέσουμε. Εφόσον έχουμε φαινόμενο που εκτυλίσσεται με την πάροδο του χρόνου, επιλέγουμε Time Dependent, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.5. Τέλος, επιλέγοντας Done, μεταφερόμαστε στο περιβάλλον εργασίας του COMSOL Desktop, όπου καλούμαστε να σχεδιάσουμε την γεωμετρία μας, την οποία βλέπουμε στο παράθυρο Graphics. Εικόνα 3.5: Επιλογή είδους μελέτης για το προς εξέταση μοντέλο 3.3 Σχεδιασμός Γεωμετρίας Μοντέλου Η διαδικασία της προσομοίωσης γίνεται στο κύριο μενού του CMP, το Model Builder. Η σειρά με την οποία είναι τοποθετημένες οι καρτέλες μας προϊδεάζουν για την αλληλουχία των βημάτων που πρέπει να ακολουθηθεί για να επιτευχθεί ορθά η προσομοίωση [3.4]. Η πρώτη 58

71 καρτέλα που συναντάμε είναι η καρτέλα Geometry, όπου σχεδιάζουμε το προς εξέταση μοντέλο στο γραφικό περιβάλλον του CMP. Το μεγαλύτερο τμήμα του μοντέλου σχεδιάστηκε στο περιβάλλον του CMP εκμεταλλευόμενοι το πλήθος των επιλογών που μας προσφέρει το μενού Geometry. Εικόνα 3.6: Το μενού Geometry Σχεδιασμός πτερυγίων-πλήμνης Για την κατασκευή των πτερυγίων και της πλήμνης της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιήθηκε η δυνατότητα του CMP για εισαγωγή έτοιμων μοντέλων. Αυτό έγινε γιατί η αναπαράσταση της περίπλοκης μορφής των πτερυγίων υπερέβαινε τις σχεδιαστικές δυνατότητες του CMP. Το τμήμα που εισήχθη ήταν τα πτερύγια και η πλήμνη της ανεμογεννήτριας, από ένα μοντέλο, σχεδιασμένο στο SOLIDWORKS μέσω της επιλογής Import στο μενού Home. Η μορφή των πτερυγίων είναι μια τυπική μορφή πτερυγιών ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα. 59

72 Εικόνα 3.7: Τα πτερύγια και η πλήμνη που εισήχθηκαν από το SOLIDWORKS Το υπόλοιπο μοντέλο προτιμήθηκε να σχεδιαστεί στο περιβάλλον του CMP Desktop αντί να εισαχθεί, όπως τα πτερύγια, διότι θα γινόταν πολύ δύσκολη η παραμετροποίηση τμημάτων του μοντέλου, όπως για παράδειγμα η διατομή των αγωγών καθόδου. Καθώς η αναλυτική περιγραφή του σχεδιασμού της γεωμετρίας δεν είναι το αντικείμενο της παρούσας εργασίας, παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά τα βασικότερα σημεία ενδιαφέροντος του σχεδιασμού. Αξίζει σε αυτό το σημείο να επισημανθεί ότι η γεωμετρία είναι απλοποιημένη σε κάποια τμήματα. Αυτό ήταν αναγκαίο, καθώς μια λεπτομερής αναπαράσταση της κατασκευής, πέρα από πολύ χρονοβόρα διαδικασία, θα οδηγούσε σε ένα μοντέλο το οποίο θα απαιτούσε τεράστια υπολογιστική ισχύ. Παρά τις απλοποιήσεις, η ακρίβεια των αποτελεσμάτων δεν επηρεάζεται Σχεδιασμός νασέλλας Η νασέλλα σχεδιάστηκε στο περιβάλλον του CMP μέσω του μενού Geometry να έχει μήκος 5 μέτρα. Αποτελείται από δύο στρώματα, ένα εξωτερικό πάχους 12 cm στο οποίο χρησιμοποιήθηκε το υλικό GRP (όπως 60

73 θα αναφερθεί και σε επόμενη υποενότητα) και ένα εσωτερικό πάχους 2 cm που αποτελεί την Η/Μ θωράκισή της για την προστασία των ευαίσθητων συστημάτων ελέχου και ηλεκτρονικών που βρίσκονται σε αυτή τη θέση. Μετά από αυτό το δεύτερο στρώμα, έχει εισαχθεί αέρας από τη βιβλοθήκη υλικών του CMP. Από τα εργαλεία της καρτέλας Geometry επιλέγουμε το Work Plane. Το εργαλείο αυτό μας επιτρέπει να διαχειριζόμαστε το 3D μοντέλο ως μονοδιάστατο ή διδιάστατο, αναλόγως τις παραμέτρους που θα θέσουμε. Επιλέγοντας plane type xy plane z coordinate: διαχειριζόμαστε τη νασέλλα ως κάτοψη,όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.8, και από εκεί καταγράφοντας τις συντεταγμένες των διαστάσεών της σε άξονες x-y-z, δημιουργούμε τα δύο στρώματα και το κοίλωμα αέρος εσωτερικά του δεύτερου στρώματος. Για την δημιουργία των κοιλωμάτων, επιλέγουμε έτοιμα blocks από την καρτέλα Primitives του Geometry, και επιλέγουμε να εισάγουμε τις συντεταγμένες που επιθυμούμε για την τοποθέτηση αυτών των blocks (cubes και hexaedrons) [3.5]. Εικόνα 3.8: Κάτοψη του μοντέλου με χρήση του εργαλείου Work Plane 61

74 Οι επιφάνειες που μετατράπηκαν σε διδιάστατες μέσω της εντολής Work Plane έγιναν τελικώς 3D μέσω της εντολής Extrude που μας δίνει την δυνατότητα να μετατρέψουμε ένα διδιάστατο σχήμα σε τρισδιάστατο. Έτσι προέκυψε η τελική μορφή της νασέλλας σε τρεις διαστάσεις όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.9: Εικόνα 3.9: Η νασέλλα του προς εξομοίωση μοντέλου Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να τονιστεί ότι ο εξοπλισμός που βρίσκεται στο εσωτερικό της νασέλλας δε σχεδιάστηκε λόγω σχεδιαστικών περιορισμών του CMP. Ωστόσο, δεδομένου το ότι οι απαγωγοί υπερτάσεων έχουν λειτουργήσει δεν χάνουμε σε ακρίβεια υπολογισμών καθώς μας ενδιαφέρει το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό της νασέλλας Δημιουργία των σημείων εφαρμογής του κεραυνικού πλήγματος Στο σημείο αυτό δημιουργήθηκαν τα σημεία που θα πληγούν από τον κεραυνό. Σύμφωνα με το [3.6], το μέτωπο του κεραυνού προσομοιώνεται σε μία απειροστή επιφάνεια πολύ μικρών διαστάσεων σε σχέση με την επιφάνεια του προς εξέταση μοντέλου. Για αυτό, το 62

75 μέτωπο του κεραυνού προσομοιώθηκε σε μια επιφάνεια 0.2 x 0.2 m 2 (Εικόνα 3.10). Δημιουργήθηκαν δύο τέτοια σημεία, ένα στο άκρο ενός εκ των τριών πτερυγίων και ένα στο πίσω μέρος του εξωτερικού στρώματος της νασέλλας, όπως φαίνεται στις Εικόνες 3.11 και 3.12 αντίστοιχα. Εικόνα 3.10: Επιφάνεια εφαρμογής κεραυνικού πλήγματος [3.5] Εικόνα 3.11: Σημείο εφαρμογής κεραυνικού πλήγματος στο άκρο πτερυγίου Εικόνα 3.12: Σημείο εφαρμογής κεραυνικού πλήγματος στη νασέλλα 63

76 3.3.4 Σχεδιασμός του πύργου Ο πύργος σχεδιάστηκε να είναι πρακτικά ένας κοίλος κώνος πολύ μικρής κλίσης και μεγάλου ύψους. Από την επιλογή Primitives Cone στη γραμμή γεωμετρίας σχεδιάζουμε τους 2 κώνους και τους τοποθετούμε τον έναν μέσα στον άλλον. Ο πύργος σχεδιάστηκε να έχει 40 m ύψος. Η βάση του έχει ακτίνα 2 μέτρα, ενώ η πάνω άκρη έχει αντίστοιχα ακτίνα 1 μέτρο, όπως φαίνεται και στην Εικόνα Εικόνα 3.13: Τα χαρακτηριστικά σχεδίασης του πύργου 64

77 Εικόνα 3.14: Ο πύργος στο γραφικό περιβάλλον του CMP Σχεδιασμός των αγωγών καθόδου Οι αγωγοί καθόδου στο εσωτερικό των πτερυγίων καθώς και ο κεντρικός αγωγός καθόδου που συνδέει την πλήμνη με τον πύργο σχεδιάστηκαν να έχουν τη μορφή κυλίνδρου. Οι αγωγοί αυτοί έχουν ακτίνα 2.5 cm. Η σύνδεση μεταξύ της πλήμνης και του πύργου έγινε σχεδιάζοντας έναν κυκλικό δίσκο. Στη συνέχεια ο δίσκος αυτός πέρασε κατά μήκος μια γραμμής. Με αυτή τη διαδικασία δημιουργήθηκε ένα στερεό σταθερής κυκλικής διατομής το οποίο φτάνει μέχρι το πάνω μέρος του πύργου. Επίσης στα άκρα του πτερυγίου που εφαρμόστηκε το κεραυνικό πλήγμα σχεδιάστηκε ένας κυκλικός δίσκος ο οποίος έχει το ρόλο του μεταλλικού υποδοχέα. Για τους αγωγούς καθόδου το υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν χάλυβας και για τους μεταλλικούς υποδοχείς αλουμίνιο. 65

78 Εικόνα 3.15: Οι συλλεκτήριοι και ο κεντρικός αγωγός καθόδου του μοντέλου Σχεδιασμός του συστήματος γείωσης Το σύστημα γείωσης λόγω περιορισμένων σχεδιαστικών δυνατοτήτων και τεράστιας απαίτησης σε υπολογιστική ισχύ δε σχεδιάστηκε λεπτομερώς. Όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 2, σύμφωνα με τον ΕΛΟΤ, η αντίσταση γείωσης δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10 Ω σε καμία περίπτωση για την αποφυγή τάσεων εξ επαφής. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιήθηκε ένα παραλληλεπίπεδο στα θεμέλια του πύργου, το οποίο υπολογίστηκε για να έχει αντίσταση 10 Ω Συνολική γεωμετρία του μοντέλου Η σύνδεση των διαφορετικών τμημάτων του ΣΑΠ έγινε με την εντολή Union με την οποία ενώθηκαν σε ένα ενιαίο ΣΑΠ οι συλλεκτήριοι και ο κεντρικός αγωγός καθόδου και στη συνέχεια με την επιλογή Partition γίνεται η ομαδοποίηση όλων των τμημάτων του μοντέλου ώστε να αντιμετωπιστούν ως ενιαίο μοντέλο κατά την εξομοίωση. Παρακάτω φαίνεται η συνολική γεωμετρία της Α/Γ: 66

79 Εικόνα 3.16: Η συνολική γεωμετρία του μοντέλου 3.4 Επιλογή Υλικών Όπως προαναφέρθηκε, η επιλογή των υλικών έχει μεγάλη σημασία για τα αποτελέσματα της εξομοίωσης διότι η πυκνότητα ρεύματος και το ηλεκτρικό πεδίο (μεγέθη που καταγράφονται κατά την εξομοίωση) διαδίδονται διαφορετικά αναλόγως των ιδιοτήτων των υλικών. Το πρόγραμμα CMP διαθέτει στο πακέτο λογισμικού μια τεράστια βιβλιοθήκη υλικών που χρησιμοποιούνται αναλόγως των εφαρμογών που αξιοποιείται το πρόγραμμα, ένα μέρος του καταλόγου της οποίας φαίνεται στην Εικόνα Επίσης δίνεται η δυνατότητα δημιουργίας υλικών με τις ιδιότητες που ορίζει ο χρήστης και ενσωμάτωσής τους στη βιβλιοθήκη του προγράμματος, όπως και ο εμπλουτισμός της βιβλιοθήκης υλικών με στοιχεία από άλλα προγράμματα. Από το μενού του Model Builder Materials Add Material επιλέγουμε από την βιβλιοθήκη τα υλικά που θα χρησιμοποιήσουμε στο μοντέλο της Α/Γ. Στη συνέχεια δίνεται η δυνατότητα να επεξεργαστούμε 67

80 τις ιδιότητες των υλικών που εισάγουμε. Το πρόγραμμα αναγνωρίζει αυτόματα ποιες ιδιότητες των υλικών θα αξιοποιηθούν κατά την εξομοίωση, αναλόγως των διεπαφών φυσικής που έχουμε εισάγει στο μοντέλο και μας πληροφορεί αν κάποια τιμή πρέπει να δοθεί από τον χρήστη. Για τη διεπαφή Electric Currents, οι τιμές που ζητούνται να εισάγει ο χρήστης είναι η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα (σ), η σχετική ηλεκτρική διαπερατότητα (ε r ) και η σχετική μαγνητική διαπερατότητα (μ). Εικόνα 3.17: Τμήμα της βιβλιοθήκης υλικών του CMP 68

81 Συνοπτικά τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1 που ακολουθεί: ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1: Κατάλογος υλικών που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο της Α/Γ [3.7] [3.8] Τμήμα μοντέλου Υλικό σ ε r μ Πτερύγια, GRP e-10 εξωτερικό νασέλλας, Πλήμνη Αγωγοί καθόδου, Χάλυβας 4e6 1 1 πύργος Μεταλλικοί Αλουμίνιο 3.774e7 1 1 υποδοχείς στα άκρα των πτερυγίων Μεταλλικός Σίδηρος 1.12e κλωβός στη νασέλλα Εσωτερικό νασέλλας, πτερυγίων και πύργου Αέρας Διακριτοποίηση του μοντέλου Για την εξομοίωση των μοντέλων το COMSOL χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Αυτό σημαίνει πως το πρόγραμμα διακριτοποιεί το μοντέλο προς εξομοίωση σε απειροελάχιστα μικρά κομμάτια και σε αυτά εφαρμόζει τις εξισώσεις του προβλήματος διαδοχικά ώστε να εμφανίσει τα αποτελέσματα. Το πρόγραμμα COMSOL μας επιτρέπει να διαχειριστούμε αρκετές από τις παραμέτρους διακριτοποίησης σε πλέγμα (Mesh) του μοντέλου. Επιθυμούμε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη διακριτοποίηση (μεγαλύτερος αριθμός διακριτών στοιχείων μικρότερα «κομματάκια» του μοντέλου) για μεγαλύτερη ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Όμως περισσότερα διακριτά στοιχεία συνεπάγονται μεγαλύτερες απαιτήσεις υπολογιστικής ισχύος (μέγεθος μνήμης RAM) και χρόνο υπολογισμού. 69

82 Η πιο απλή επιλογή είναι Model Builder Mesh Physics Controlled Mesh Element size : και επιλέγουμε από τα προκαθορισμένα μεγέθη. Παραδείγματα των τριών μεγαλύτερων διακριτοποιήσεων αυτής της λειτουργίας φαίνονται στην Εικόνα Παρατηρούμε πώς μειώνεται το μέγεθος των στοιχείων γύρω από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος, ανάλογα με την επιλογή που έχουμε κάνει, αλλά και πώς μεταβάλλεται ο ρυθμός αύξησης του μεγέθους των στοιχείων όσο απομακρυνόμαστε από το σημείο ενδιαφέροντος (επιφάνεια μετώπου κεραυνικού πλήγματος). Εικόνα 3.18: Δικακριτοποίηση στη νασέλλα με τις επιλογές Extra Fine, Finer και Fine αντίστοιχα Επιλέγοντας Model Builder Mesh User Controlled Mesh μπορούμε να παραμετροποιήσουμε τη διακριτοποίηση ώστε να αξιοποιήσουμε καλύτερα τους υπολογιστικούς μας πόρους. Δύναται να επιλέξουμε (Model Builder Mesh Size Custom) το μέγεθος του μεγαλύτερου και μικρότερου στοιχείου, τον ρυθμό αύξησης τους, τον συντελεστή στα σημεία καμπυλότητας και άλλες παραμέτρους που επηρεάζουν τον τρόπο που θα διακριτοποιηθεί το μοντέλο. Επίσης στο μενού Mesh στις καρτέλες μπορούμε να παραμετροποιήσουμε την διακριτοποίηση ακόμα περισσότερο. 70

83 Εικόνα 3.19: Το μενού Mesh με τις επιλογές για τη διακριτοποίηση του μοντέλου Το ελάχιστο μέγεθος στοιχείου είναι μικρό για να μπορεί να προσεγγίσει ικανοποιητικά τις σχετικά μικρές διαστάσεις των αγωγών καθόδου αλλά και του συλλέκτη στην άκρη του πτερυγίου. Επίσης χρειάστηκε να επιλέξουμε μέγιστο μέγεθος στοιχείου καθώς η κατασκευή είναι μεγάλη. Για να έχουμε γρήγορη μετάβαση από μικρά σε μεγάλα στοιχεία έχουμε αυξήσει τον παράγοντα μεγέθυνσης των στοιχείων σε 2. Στην Εικόνα 3.20 παρουσιάζεται το τελικό διακριτοποιημένο μοντέλο: 71

84 Εικόνα 3.20: Το τελικό διακριτοποιημένο μοντέλο Τέλος, από την καρτέλα Mesh Evaluate Statistics το πρόγραμμα μας δίνει τον αριθμό των στοιχείων που θα προκύψουν από την δεδομένη διακριτοποίηση (χωρίς να τρέξει την εξομοίωση) ενώ με την εντολή plot δύναται να παραστήσει γραφικά το πλέγμα του μοντέλου με παράμετρο το μέγεθος των στοιχείων ή την ποιότητα τους. Επομένως, ο αριθμός των διακριτών στοιχείων και των βαθμών ελευθερίας που συνεπάγονται για τους οποίους το CMP επιλύει το μοντέλο προς εξέταση είναι: domain elements boundary elements 0,03088 minimum quality of elements 0,5821 average quality of elements 72

85 3.6 Εισαγωγή φυσικής Αφού ολοκληρώθηκε η γεωμετρία του μοντέλου προς εξομοίωση και η διακριτοποίησή του σε πλέγμα, το επόμενο βήμα είναι ο ορισμός των εξισώσεων που θα εφαρμοστούν σε κάθε κομμάτι του πλέγματος και στο μοντέλο συνολικά κατ επέκταση. Αυτό γίνεται μέσω των διεπαφών φυσικής στο Model Builder, είτε ορίζοντάς τες από την αρχή μέσω τον Model Wizard όπως αναφέρθηκε, είτε εισάγοντας επιπλέον από την καρτέλα Physics. Για την προσομοίωση ενός κεραυνικού πλήγματος σε Α/Γ θα χρειαστούμε τις εξισώσεις της διεπαφής Electric Currents του μενού AC/DC Module. Η διεπαφή αυτή χρησιμοποιείται για να υπολογίσει ηλεκτρικά πεδία, ρεύματα και κατανομές δυναμικού σε αγώγιμα μέσα υπό συνθήκες όπου τα επαγωγικά φαινόμενα μπορούν να αμεληθούν, δηλαδή στις περιπτώσεις όπου το επιδερμικό βάθος είναι πολύ μεγαλύτερο από το εξεταζόμενο αντικείμενο κάτι που ισχύει για την παρούσα εργασία. Η διεπαφή Electric Currents λύνει μια εξίσωση διατήρησης των ρευμάτων βασισμένη στον νόμο του Ohm, με το βαθμωτό ηλεκτρικό δυναμικό ως εξαρτημένη μεταβλητή. [3.1] Μόλις εισάγουμε την διεπαφή στο μοντέλο, ενεργοποιούνται 3 «κόμβοι» που δεν μπορούμε να απενεργοποιήσουμε. Πρόκειται για τους: Current Conservation, Electric Insulation και Initial Values. Μπορούμε να ενεργοποιήσουμε διάφορους άλλους κόμβους ανάλογα με την φυσική του μοντέλου και τον τρόπο που επιθυμούμε να εισάγουμε τη διαταραχή (εδώ το κεραυνικό ρεύμα). Οι κόμβοι επενεργούν στο σώμα του εξεταζόμενου μοντέλου (Domain), στις επιφάνειες (Boundary), στις ακμές (Edges) ή/και στα σημεία (Points), όπως φαίνεται από την Εικόνα Δεν είναι όλοι οι κόμβοι επιλέξιμοι σε κάθε περιοχή, όπως επίσης υπάρχουν αλληλοσυγκρουόμενοι κόμβοι που επενεργούν σε κάποια περιοχή του μοντέλου και το πρόγραμμα επιλέγει αυτόματα ποιος θα επικρατήσει ή μπορεί φυσικά να το επιλέξει ο χρήστης (αυτό επισημαίνεται με την έκφραση override δίπλα από την περιοχή στην οποία το πρόγραμμα έχει επιλέξει ότι επικρατεί κάποιος άλλος κόμβος και όχι ο επιλεγμένος), όπως επίσης και κόμβοι που επικουρούν άλλους σε κάποια περιοχή. Κάθε κόμβος εισάγει μια σειρά εξισώσεων στο μοντέλο (που θα ισχύουν μόνο για τις περιοχές που έχει ενεργοποιηθεί ο κόμβος) και χρησιμοποιεί δεδομένα που τα εισάγει ο χρήστης «τοπικά» (για τον συγκεκριμένο κόμβο 73

86 μόνο π.χ. θερμοκρασία νερού) ή δεδομένα από την διεπαφή Materials (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) ή δεδομένα που έχει ορίσει ο χρήστης και ισχύουν «καθολικά» στο μοντέλο (στο μενού Model Builder Global Definitions Parameters). Οι επιλογές που έχει και οι εξισώσεις που εισάγει κάθε κόμβος διαφέρουν. Στην Εικόνα 3.22 φαίνονται οι επιλογές του στάνταρ κόμβου Current Conservation, ανάλογη μορφή έχουν και οι υπόλοιποι κόμβοι. [3.2] Εικόνα 3.21: Οι επιλογές που παρέχει το μενού Physics και κάποιοι από τους διαθέσιμους κόμβους της διεπαφής Electric Currents 74

87 Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των κόμβων που ενεργοποιήθηκαν για την υλοποίηση της προσομοίωσης με τις εξισώσεις που εισάγουν στις περιοχές του υπό εξέταση μοντέλου [3.2]: Current Conservation: Πρόκεται για τον κυρίαρχο κόμβο που εισάγεται αυτόματα με τη διεπαφή Electric Currents. Εισάγει την εξίσωση συνέχειας για το ηλεκτρικό δυναμικό και προσφέρει την διεπαφή για να οριστεί η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα σ όπως η καταστατική σχέση και η σχετική διηλεκτρική σταθερά ε r για το ρεύμα μετατόπισης. Τα σ, ε r έχουν ήδη οριστεί στις ιδιότητες των υλικών. Εδώ ορίζουμε επιπλέον τις τοπικές τιμές θερμοκρασίας Τ = K και πίεσης P = 1 atm. Ο συγκεκριμένος κόμβος επενεργεί σε όλες τις οντότητες του μοντέλου εξ ορισμού. Electric Insulation: Είναι ο προκαθορισμένος κόμβος για τις εξισώσεις των επιφανειών, όπου και επιδρά σε όλες εκτός και αν το μεταβάλλουμε εμείς αυτό με κάποιον άλλο κόμβο. Εισάγει την ηλεκτρική απομόνωση στις εξωτερικές επιφάνειες του μοντέλου Αυτή η επιφανειακή συνθήκη σημαίνει ότι δεν ρέει ρεύμα μέσα στο μοντέλο από εξωτερική πηγή, ότι δηλαδή το σύστημά μας προς μελέτη είναι απομονωμένο. Στις εσωτερικές επιφάνειες δεν εφαρμόζεται. Initial Values: Προκαθορισμένος κόμβος όπου μπορούμε να δώσουμε αρχική τιμή στην εξαρτημένη μεταβλητή (εδώ το βαθμωτό ηλεκτρικό δυναμικό) για να εξυπηρετήσει σαν αρχική συνθήκη σε 75

88 κάποιο μεταβατικό πρόβλημα προσομοίωσης. Εδώ δεν χρειάζεται, οπότε ορίζουμε V = 0. Ο συγκεκριμένος κόμβος επίσης εφαρμόζεται σε όλο το σώμα του μοντέλου εξ ορισμού. Ground: Είναι ένας κόμβος που εφαρμόζεται σε επιφάνειες και υποδηλώνει μηδενικό ηλεκτρικό δυναμικό, δηλαδή γείωση. Τον εφαρμόζουμε στην κάτω επιφάνεια του εδάφους στο μοντέλο (Εικόνα 3.22) Εικόνα 3.22: Η επιφάνεια που ορίστηκε ο κόμβος Ground Point Current Source: Είναι ένας κόμβος που διατυπώνει μια σημειακή πηγή ρεύματος. Αυτός ο κόμβος χρησιμοποιήθηκε για να προσομοιώσει το ρεύμα κεραυνού και την πάρα πολύ μικρή σε σχέση με την υπόλοιπη κατασκευή επιφάνεια που πλήγεται από αυτόν. Για την εισαγωγή του κεραυνικού πλήγματος χρησιμοποιήθηκε μια διπλοεκθετική συνάρτηση. Η κυματομορφή που αναπαρίσταται είναι αυτή ενός κεραυνικού πλήγματος 100 ka 10/350 μs όπως αυτή που ορίζεται από τα διεθνή πρότυπα για δοκιμές και μετρήσεις υψηλών τάσεων, η οποία φαίνεται στο Σχήμα 3.1. [3.6] 76

89 Σχήμα 3.1: Το προφίλ της δοκιμαστικής κυματομορφής όπως προσδιορίζεται στο IEC (2006) series πρότυπο ώστε να εξομοιωθεί το κρουστικό ρεύμα κεραυνού [3.9] Ο χρόνος Τ1 είναι περίπου ίσος με τον χρόνο ανόδου της κυμματομορφής ενώ ο χρόνος Τ2 δίνει το 50% πλάτος της κυμματομορφής. Ο εκάστοτε συνδυασμός των χρόνων αυτών προσδιορίζει τη δεδομένη πειραματική κυματομορφή. Οι δυο πιο διαδεδομένες πειραματικές κυματομορφές είναι η 8/20 μs και η 10/350 μs. Για δεδομένη μέγιστη τιμή, η 10/350 μs περιέχει μεγαλύτερη ενέργεια και φορτίο από την 8/20 μs και είναι η κυματομορφή που μελετάμε στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής. Όμως και οι δύο κυματομορφές αποτυγχάνουν να αναπαραστήσουν επαρκώς τους μεγάλους χρόνους ανόδου των περισσότερων επακόλουθων αρνητικών κεραυνών. Το κεραυνικό πλήγμα εισάγεται με την συνάρτηση: Iimp=kd * I0* [exp( t T2) exp( t/t1)] [3.1] όπου : I0 = 100 ka η μέγιστη ένταση κεραυνικού ρεύματος k d : συντελεστής διόρθωσης της κυματομορφής για να έχει εύρος ίσο με I0 77

90 Τ 1 : χρόνος μετώπου Τ2: χρόνος ουράς Τα t 1, t 2, k d και I 0 εισάγονται ως παράμετροι από το μενού Model Builder Component 1 Definitions Variables ως εξής: Εικόνα 3.23: Ορισμός των παραμέτρων της εξίσωσης του κεραυνικού ρεύματος Επίσης, από το μενού Model Builder Component 1 Definitions Analytic1 ορίζουμε την παραπάνω διπλοεκθετική συνάρτηση, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.23 και επιλέγοντας Plot βλέπουμε την κυματομορφή της (Εικόνες 3.24 και 3.25). 78

91 Εικόνα 3.24: Ο ορισμός της συνάρτησης func1(t) που περιγράφει την κυματομορφή 10/350 μs Εικόνα 3.25: Η κυματομορφή της διπλοεκθετικής συνάρτησης του κεραυνικού ρεύματος 79

92 3.7 Εισαγωγή μελέτης [3.1] Η εξέλιξη του φαινομένου του κεραυνού και οι επιπτώσεις του πλήγματος θα μελετηθούν στον χρόνο, για αυτό χρησιμοποιούμε την time dependent study. Η επιλογή γίνεται αρχικά στο Model Wizard όπως προαναφέρθηκε ή οποιαδήποτε στιγμή στο μενού Study. Το κεραυνικό πλήγμα που θα μελετήσουμε, η 10/350 κυματομορφή, θα παρατηρηθεί για 300 μs. Το πρόγραμμα ορίζεται να συλλέγει μετρήσεις για το μοντέλο την εξομοίωσης ανά 3 μs. Η εισαγωγή των εντολών αυτών γίνεται στο Model Builder Study1 Step1: Time Dependent, όπως φαίνεται στην Εικόνα Η επιλογή αυτή καθορίζει τον όγκο των πληροφοριών (δεδομένων ΜΒ) που θα συλλέξει το πρόγραμμα, καθότι όσο συχνότερα δειγματοληπτεί το πρόγραμμα τόσα περισσότερα δεδομένα αποθηκεύει στα σετ επίλυσης. Στις επιλογές του μενού αυτού μπορούμε επίσης να καθορίσουμε ποια διεπαφή φυσικής θα χρησιμοποιήσει το πρόγραμμα κατά την εξομοίωση και ποιο μοντέλο διακριτοποίησης δύναται να έχουμε παραπάνω από ένα μοντέλα διακριτοποίησης αλλά κάθε ένα αντιστοιχεί σε ξεχωριστή μελέτη, αν θέλουμε να τα εξετάσουμε ταυτόχρονα. Σημειώνεται ότι κάθε μελέτη (κόμβος Study) παράγει ένα δικό της σετ αποτελεσμάτων (που θα αναφερθούν παρακάτω). Στη συνέχεια επιλέγουμε τον αλγόριθμο με τον οποίο θα λυθεί το πρόβλημα. Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες μεθόδων επίλυσης, οι άμεσες direct, και οι επαναληπτικές iterative. Γενικά, για μικρά δισδιάστατα και τρισδιάστατα μοντέλα, ο προκαθορισμένος τύπος που επιλέγεται από το πρόγραμμα είναι η άμεση μέθοδος. Οι άμεσες μέθοδοι επίλυσης μπορούν να χειριστούν τα περισσότερα μη-μοναδικά συστήματα και είναι πολύ σταθερές και γρήγορες για μικρά μοντέλα. Δυστυχώς, γίνονται πολύ αργές για μεγάλα μοντέλα, καθώς οι απαιτήσεις τους σε μνήμη είναι μεταξύ N1.5 και N2, όπου Ν είναι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας στο μοντέλο. Συνεπώς, η προκαθορισμένη μέθοδος επίλυσης για μεγάλα τρισδιάστατα μοντέλα είναι η επαναληπτική μέθοδος GMRES. Οι απαιτήσεις μνήμης για έναν επαναληπτικό αλγόριθμο αυξάνονται ανάλογα με το N. Για την επιλογή ευθύ ή επαναληπτικού αλγορίθμου πηγαίνουμε στο υπομενού Study1 Solver Configurations Solver1 Time Dependent Solver1 Fully Coupled, όπου επιλέγουμε την μέθοδο επίλυσης για τα γραμμικά συστήματα αλλά και τις μεθόδους επανάληψης και απόσβεσης για τα μη γραμμικά, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. 80

93 Εικόνα 3.26: Μενού επιλογών ευθύ αλγορίθμου επίλυσης Όσον αφορά τις άμεσες μεθόδους επίλυσης όλες τους δουλεύουν πάνω σε γενικά γραμμικά συστήματα της μορφής Α*x = β και χρησιμοποιούν την παραγοντοποίηση LU στον πίνακα Α ώστε να υπολογίσουν την λύση. Χρησιμοποιούν έναν αλγόριθμο κατάταξης που μεταθέτει τις στήλες του πίνακα Α ώστε να ελαχιστοποιήσει τον αριθμό μη μηδενικών στοιχείων στους παράγοντες L και U. Όλοι οι άμεσοι αλγόριθμοι επωφελούνται από παράλληλη χρήση μνήμης, όπως για παράδειγμα με πολυπύρηνους επεξεργαστές. Ο αλγόριθμος που προτιμήθηκε ήταν ο PARDISO. 81

94 3.8 Εισαγωγή σημειακών μετρητικών Για την καλύτερη εποπτεία του φαινομένου εισάγουμε μετρητικά ρεύματος (πυκνότητα ρεύματος) και τάσης (ηλεκτρικό πεδίο) σε επιλεγμένα σημεία αυξημένου ενδιαφέροντος στο μοντέλο μας. Τα μετρητικά αυτά Probes τα εισάγουμε από το μενού Definitions του Model Builder. Τα μετρητικά μπορούν να καταγράφουν τιμές σε block - κομμάτι γεωμετρίας του μοντέλου (domain) και να εξάγουν την μέση τιμή, την μέγιστη/ελάχιστη ή το ολοκλήρωμα. Υπάρχουν μετρητικά που καταγράφουν τιμές επιφανείας (boundary) ακμών (edge) και σημείων (point). Τα σημειακά μετρητικά που χρησιμοποιήσαμε στην εργασία τα ορίσαμε σε συγκεκριμένες θέσεις του μοντέλου χρησιμοποιώντας τις συντεταγμένες σε άξονες x-y-z, όπως φαίνεται χαρακτηριστικά στην Εικόνα Εικόνα 3.27: Το μενού ορισμού σημειακού μετρητικού 82

95 Εικόνα 3.28: Ορισμός σημειακού μετρητικού για μέτρηση πυκνότητας ρεύματος (αριστερά) και έντασης ηλεκτρικού πεδίου (δεξιά) Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3.28 για να ορίσουμε ένα σημειακό μετρητικό να μετρά πυκνότητα ρεύματος ή ένταση ηλεκτρικού πεδίου εισάγουμε στο πεδίο Expression τις εκφράσεις ec.normj ή ec.norme αντίστοιχα. Μετά και από αυτό το βήμα είμαστε έτοιμοι να πραγματοποιήσουμε την προσομοίωση μέσω της επιλογής Compute από την καρτέλα Home. Πραγματοποιήθηκαν όπως έχει ήδη αναφερθεί δύο προσομοιώσεις και τα αποτελέσματά τους αποθηκεύτηκαν στην καρτέλα Results, τα οποία είναι το αντικείμενο του επόμενου κεφαλαίου. 83

96 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 3ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ [3.1] COMSOL Multiphysics v5.3 Reference Manual [3.2] COMSOL Multiphysics v5.3 AC/DC Module User's Guide [3.3] Διπλωματική Εργασία με θέμα «Διηλεκτρική Μελέτη Διακένων Ελαίου», Σκουλούδης Βύρων, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2014 [3.4] [3.5] Διπλωματική Εργασία με θέμα ««Εξομοίωση αποτελεσμάτων κεραυνικού πλήγματος σε μεταλλικό πλοίο», Χολέβας Αναστάσιος, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2015 [3.6] «Προστασία Κατασκευών από Κεραυνούς», Ελευθερία Πυργιώτη, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Πάτρα 2010 [3.7] [3.8] [3.9] IEC , Ed-01, Protection against lightning,

97 Κεφάλαιο 4 ο Αποτελέσματα της προσομοίωσης 4.1 Εισαγωγή Με την ολοκλήρωση των εξομοιώσεων, το πρόγραμμα μας εμφανίζει τους βαθμούς ελευθερίας για τους οποίους ο solver έλυσε το γραμμικό σύστημα όπως αναφέρθηκε στο 3 ο Κεφάλαιο. Για το συγκεκριμένο μοντέλο, ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας για τους οποίους επιλύθηκε ήταν Μόλις η κάθε προσομοίωση ολκληρωθεί, τα αποτελέσματά της αποθηκεύονται στον τελευταίο κόμβο του Model Builder (που είναι και η τελευταία καρτέλα του CMP Desktop), Results [4.1]. Εικόνα 4.1: Οι επιλογές του μενού Results 4.2 Επεξεργασία Αποτελεσμάτων [4.1] Στον κόμβο Results βρίσκονται όλα τα εργαλεία για την ανάλυση και επεξεργασία των αποτελεσμάτων και την παρουσίαση τους με μια πληθώρα επιλογών για τον χρήστη να διαλέξει αυτές που ανταποκρίνονται καλύτερα στο πρόβλημα που μελετάει. Τα εργαλεία αυτά ομαδοποιούνται στις παρακάτω κατηγορίες: Data Sets Περιλαμβάνουν την πηγή δεδομένων εδώ αποθηκεύονται τα αποτελέσματα που εξάγει το πρόγραμμα στα επιλεγμένα χρονικά σημεία της μελέτης - τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κατασκευή γραφικών παραστάσεων ή τρισδιάστατων γραφημάτων. Για να γίνει αυτό, πρέπει να επιλεχθεί η λύση και η αντίστοιχη γεωμετρία, υπάρχει όμως και η επιπλέον δυνατότητα μετασχηματισμού ενός data set, με την οποία μπορούμε για παράδειγμα να συνδυάσουμε λύσεις (π.χ. Στην περίπτωση 85

98 που διενεργούσαμε δύο διαφορετικές μελέτες) ή να υπολογίσουμε δεδομένα κατά μήκος μιας γραμμής. Από την καρτέλα Results Data Sets More Data Sets μπορούμε να δούμε όλες τις επιλογές που προσφέρει το πρόγραμμα. Μόλις ολοκληρωθεί η εξομοίωση, το πρόγραμμα δημιουργεί αυτόματα 3 Data Sets : το Solution1 που περιλαμβάνει τα αποτελέσματα της εξομοίωσης σε 3D (ίδιες διαστάσεις με το μοντέλο προς εξέταση), το Function 1D που περιέχει τα αποτελέσματα της εξομοίωσης που μπορούν να παρουσιαστούν με γραφήματα και το Probe Solution που περιέχει τα δεδομένα από τα σημειακά μετρητικά. Εισάγουμε ένα ακόμη χρήσιμο Data Set επιφανειακό, το Surface1, που λαμβάνει τιμές από το Solution1 αλλά μόνο για τις εξωτερικές επιφάνειες της Α/Γ, όπως τις επιλέξαμε και δημιουργήσαμε ένα αντίστοιχο selection list στο μενού Definition του Model Builder, Εικόνα D, 2D και 3D Plot Groups Εικόνα 4.2: Δημιουργία του Surface1 Ένα Plot Group είναι μια συλλογή από διαγράμματα τα οποία μπορούν να απεικονιστούν ταυτόχρονα στο Graphics Window. Τα plot 86

99 groups περιλαμβάνουν μονοδιάστατα (1D) διαγράμματα (γραφήματα), διδιάστατα (2D) διαγράμματα (επιφανειακά διαγράμματα για παράδειγμα), και τρισδιάστατα (3D) διαγράμματα (χωρικά διαγράμματα για παράδειγμα) με πολλά διαφορετικά είδη διαγραμμάτων και πλήθος επιλογών παρουσίασης. Τα διαγράμματα σε ένα plot group μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν ούτως ώστε να προσδιοριστεί η επιθυμητή τελική εικόνα. Οι διεπαφές φυσικής δημιουργούν αυτόματα κάποια κατάλληλα διαγράμματα από προεπιλογή τα οποία ομαδοποιούνται σε plot groups που έχουν κατάλληλο επεξηγηματικό τίτλο. Τα Plot Groups έχουν ένα μενού παραμέτρων όπου καθορίζουμε τον τίτλο, τις επιλογές σχεδίασης και τα υπομνήματα ενώ κάθε Plot έχει ξεχωριστό δικό του υπομενού επιλογών, Εικόνες 4.3 και 4.4 αντίστοιχα. Εικόνα 4.3: Το μενού επιλογών του 3D Plot 87

100 Εικόνα 4.4: Το υπομενού επιλογών για το διάγραμμα Multislice σε ένα 3D Plot Group Όπως βλέπουμε από την Εικόνα 4.4, δύναται να ρυθμίσουμε την κλίμακα των χρωματικών διαγραμμάτων, το είδος, να επιλέξουμε την θέση του υπομνήματος καθώς και να ρυθμίσουμε την γραφική απεικόνιση τους ανάλυση, αριθμός στοιχείων pixel, μέγεθος γραμματοσειράς κ.ά. Το αποτέλεσμα των ρυθμιζόμενων παραμέτρων φαίνεται στο Graphics Window, Εικόνα 4.5: 88

101 Εικόνα 4.5 : Το Graphics Window κατά την επεξεργασία του ανωτέρω 3D Plot Group Multislice Derived values and tables Οι εξαγόμενες τιμές (derived values) προκύπτουν από τον υπολογισμό τιμών ολοκληρωμάτων, ή τιμών μεταβλητών σε συγκεκριμένες θέσεις. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών αποθηκεύονται σε πίνακες, οι οποίοι είναι προσβάσιμοι από το υπομενού Tables του μενού Results. Τα δεδομένα που έχουν αποθηκευτεί σε πίνακες μπορούμε να τα απεικονίσουμε γραφικά, σε γραφήματα μονοδιάστατα ή διαγράμματα πολυδιάστατα αναλόγως της διάστασης του πίνακα [4.2]. Το πρόγραμμα δημιουργεί αυτόματα δύο πίνακες για τις τιμές των Nonlinear Solver και Time Dependent Solver κατά την επίλυση, για τις εξαγόμενες τιμές - αν έχουμε ορίσει κάποια, για τις τιμές των μετρητικών και το Evaluation 3D που μας δίνει μια τιμή - εκτίμηση σε οποιοδήποτε σημείο του μοντέλου κάνουμε διπλό κλικ πάνω στο Graphics Window της επιφάνειας εργασίας. 89

102 4.3 Αποτελέσματα προσομοίωσης κεραυνικού πλήγματος στο πτερύγιο Όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 3, η εξίσωση που παριστάνει την 10/350 μs κυματομορφή εισάχθηκε στον κόμβο Point Current Source (Εικόνα 4.6). Εικόνα 4.6: Η εισαγωγή του κεραυνικού πλήγματος στον κόμβο Point Current Source Μετά το πέρας της προσομοίωσης, λάβαμε τις μετρήσεις σε μία διάσταση από τα σημειακά μετρητικά που τοποθετήθηκαν όπως εξηγήθηκε παραπάνω (βλέπε 1D Plot Group) και σε τρεις διαστάσεις μπορούμε να δούμε την κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος (βλέπε 3D Plot Group) Αποτελέσματα στη μία διάσταση Χρησιμοποιήθηκαν μετρητικά για να μετρήσουν την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και άλλα μετρητικά για την πυκνότητα ρεύματος. Τα μετρητικά για την καταγραφή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου τοποθετήθηκαν στις παρακάτω θέσεις: 90

103 1. Στη βάση ακριβώς δίπλα απο τον πύργο: Ορίστηκε για να εξετάσουμε την ανάπτυξη βηματικών τάσεων. Όπως αναλύθηκε και παραπάνω λόγω των απλοποιήσεων οι τιμές αυτές θα είναι αρκετές τάξεις μεγέθους πάνω από τις πραγματικές. Εικόνα 4.7: Μέτρηση έντασης ηλεκτρικού πεδίου στο χώμα 2. Σημείο στη νασέλλα κοντά στο πλήγμα κεραυνού: Ορίστηκε για να εξετάσουμε την ανάπτυξη πεδίων επικίνδυνων για τον εξοπλισμό. Εικόνα 4.8: Μέτρηση έντασης ηλεκτρικού πεδίου στη νασέλλα κοντά στο πλήγμα 91

104 3. Σημείο στο εσωτερικό του πτερυγίου: Για να εξετάσουμε τον κίνδυνο ανάπτυξης ηλεκτρικού τόξου στο εσωτερικό του πτερυγίου, περίπτωση που όπως προαναφέρθηκε, μπορεί να είναι καταστροφική για το πτερύγιο. Εικόνα 4.9: Μέτρηση έντασης ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό του πτερυγίου Παρακάτω φαίνονται οι αντίστοιχες κυματομορφές: Σχήμα 4.1: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στο χώμα 92

105 Σχήμα 4.2: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στη νασέλλα Σχήμα 4.3: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην άκρη του πτερυγίου Από το σχήμα 4.1 παρατηρούμε την εμφάνιση δυναμικού πολύ μεγάλης έντασης στη βάση πολύ κοντά στον πύργο. Αυτό σημαίνει την ύπαρξη δυναμικού το οποίο μπορεί να έχει δραματικές επιπτώσεις για το προσωπικό συντήρησης και επιδιόρθωσης των βλαβών. Αποδεικνύεται 93

106 λοιπόν ότι δεν αρκεί η απλή γείωση των 10 Ω για να εξασφαλιστεί η ανθρώπινη προστασία. Αντίθετα, όπως φαίνεται από το σχήμα 4.2 δεν αναπτύσσεται καμμία σοβαρή υπέρταση στη νασέλλα. Η πολύ μικρή τιμή της Ε στη νασέλλα οφείλεται αφενός στην Η/Μ της θωράκιση προστατεύοντας με αυτό τον τρόπο τα συστήματα ελέγχου και τα ηλεκτρονικά που είναι και τα πρώτα που προσβάλλονται από το κεραυνικό ρεύμα, αφετέρου στο ότι βρίσκεται πιο μακριά από το κεραυνικό πλήγμα σε σχέση με το εσωτερικό του πτερυγίου. Τέλος, ο συλλέκτης τύπου άκρου λειτουργεί αποτελεσματικά στο άκρο του πτερυγίου, αφού η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου δε συμβάλλει στην ανάπτυξη τόξου στο εσωτερικό του, το οποίο οδηγεί στη διηλεκτρική του διάσπαση. Συνοπτικά, το προτεινόμενο ΣΑΠ αποδεικνύεται ότι προστατεύει τον ευαίσθητο εξοπλισμό της Α/Γ. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, χρησιμοποιήθηκαν σημειακά μετρητικά και για την καταγραφή της πυκνότητας ρεύματος. Η πυκνότητα ρεύματος και κυρίως η μεταβολή της ενδιαφέρει στα σημεία σύνδεσης των αγωγών καθόδου λόγω της απότομης μεταβολής της κατεύθυνσης του ρεύματος. Συνεπώς, για την καταγραφή της πυκνότητας ρεύματος χρησιμοποιήθηκαν μετρητικά στα παρακάτω σημεία: 1. Σημείο εφαρμογής του κεραυνικού πλήγματος Εικόνα 4.10: Μέτρηση πυκνότητας ρεύματος στο σημείο εφαρμογής του κεραυνικού πλήγματος 94

107 2. Σημείο στη σύνδεση αγωγού καθόδου με τον πύργο Εικόνα 4.11: Μέτρηση πυκνότητας ρεύματος στο σημείο σύνδεσης του αγωγού καθόδου με τον πύργο 3. Σημείο επαφής του πύργου με τη βάση Εικόνα 4.12: Μέτρηση πυκνότητας ρεύματος στο σημείο επαφής του πύργου με τη βάση Ακολουθούν οι αντίστοιχες κυματομορφές: 95

108 Σχήμα 4.4: Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος σε σημείο πολύ κοντά στο κεραυνικό πλήγμα Σχήμα 4.5: Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος στο σημείο σύνδεσης με τον κεντρικό αγωγό καθόδου 96

109 Σχήμα 4.6: Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος στην επαφή του πύργου με την επιφάνεια της βάσης Παρατηρούμε ότι η πυκνότητα ρεύματος στο σημείο σύνδεσης είναι αρκετά υψηλή. Αυτό οφείλεται στην αλλαγή κατεύθυνσης της φοράς του ρεύματος στη συγκεκριμένη θέση, με αποτέλεσμα να αλλάζει το διάνυσμά του και να συσσωρεύεται σε αυτό το σημείο αφού δεν απομακρύνεται το ίδιο γρήγορα όπως στο πτερύγιο. Αντίθετα, στην επαφή του πύργου με τη βάση το μέτρο της έντασης του ρεύματος είναι πολύ μικρότερο. Μια πιθανή εξήγηση είναι η πολύ μεγαλύτερη διατομή του πύργου σε σχέση με αυτή του αγωγού καθόδου. Καταγραφή των peaks σε πίνακες Στον Πίνακα 4.1 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα peaks των γραφικών που είδαμε στα προηγούμενα σχήματα όπως τα κατέγραψαν τα σημειακά μετρητικά που χρησιμοποιήθηκαν. 97

110 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: ΜΕΓΙΣΤΕΣ ΤΙΜΕΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΠΛΗΓΜΑ ΣΤΗΝ ΑΚΡΗ ΠΤΕΡΥΓΙΟΥ Σημείο Μοντέλου Βάση Νασέλλα Εσωτερικό Πτερυγίου Άκρο Πτερυγίου Σύνδεση αγωγού καθόδου με πύργο Επαφή πύργου με βάση Είδος Μέτρησης Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Πυκνότητα Ρεύματος Πυκνότητα Ρεύματος Πυκνότητα Ρεύματος Χρονική Στιγμή (μs) Τιμή (V/m για Ε - Α/m^2 για J) *10^ *10^ *10^ *10^ *10^ *10^3 Ολοκληρώνοντας με τα αποτελέσματα στη μία διάσταση παρουσιάζεται στο σχήμα 4.7 το διάγραμμα σύγκλισης του nonlinear solver, που όπως έχουμε ήδη αναφερθεί επιλέχθηκε να είναι ο PARDISO. Όπως παρατηρούμε χρειάστηκε 61 επαναλήψεις για να συγκλίνει στην τελική τιμή για την πρώτη προσομοίωση. 98

111 Σχήμα 4.7: Το διάγραμμα σύγκλισης του PARDISO για την πρώτη προσομοίωση Αποτελέσματα στις τρεις διαστάσεις Παρακάτω θα παρουσιαστούν τρισδιάστατες απεικονίσεις για την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και την πυκνότητα ρεύματος. Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου (χρωματική κλίμακα V/m) 0 μs 39 μs 99

112 72 μs 150 μs 300 μs 100

113 Πυκνότητα Ρεύματος (χρωματική κλίμακα A/m 2 ) 0 μs 39 μs 72 μs 150 μs 300 μs 101

114 4.4 Αποτελέσματα προσομοίωσης κεραυνικού πλήγματος στη νασέλλα Εκτός από την προσομοίωση στο άκρο του πτερυγίου, πραγματοποιήθηκε μια αντίστοιχη στο δεύτερο πιο εκτεθειμένο μέρος της Α/Γ, το πίσω μέρος του εξωτερικού περιβλήματος της νασέλλας. Παρόμοια με τα προηγούμενα, η εξίσωση του κεραυνικού ρεύματος εισήχθη στον κόμβο Point Current Source στο σημείο που εμφανίζεται στην Εικόνα 4.13: Εικόνα 4.13: Εισαγωγή σημείο νασέλλας όπου εφαρμόστηκε το κεραυνικό πλήγμα Μετά το πέρας της προσομοίωσης, ομοίως με πριν, λάβαμε τις μετρήσεις σε μία διάσταση από τα σημειακά μετρητικά που τοποθετήθηκαν όπως εξηγήθηκε παραπάνω (βλέπε 1D Plot Group) και σε τρεις διαστάσεις μπορούμε να δούμε την κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος (βλέπε 3D Plot Group) Αποτελέσματα στη μία διάσταση Αντίστοιχα με την προηγούμενη παράγραφο τοποθετήθηκαν σημειακά μετρητικά σε σημεία ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για την καταγραφή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος. Ενδεικτικά ακολουθούν τα παρακάτω σχήματα που απεικονίζουν τις μεταβολές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος αντίστοιχα: 102

115 Σχήμα 4.8: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στη βάση κοντά στον πύργο της Α/Γ Σχήμα 4.9: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στη νασέλλα κοντά στο κεραυνικό πλήγμα 103

116 Σχήμα 4.10: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στο δεύτερο στρώμα της νασέλλας Σχήμα 4.11: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στη σύνδεση σταθερής και κινητής καλωδίωσης Παρατηρούμε ότι και σε αυτή την περίπτωση αναπτύσσεται μια μεγάλη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στο χώμα το οποίο οφείλεται στη μη αποτελεσματική γείωση που έχουμε τοποθετήσει, όπως και στη μικρή ιδιαίτερα τιμή του Ε στο εσωτερικό της νασέλλας καταδεικνύοντας τη σημασία της Η/Μ της θωράκισης. Ακόμα, και σε αυτή 104

117 την περίπτωση το προτεινόμενο ΣΑΠ προστατεύει τον εξοπλισμό από πιθανή διηλεκτρική διάσπαση. Σχήμα 4.12: Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος στο σημείο σύνδεσης με τον κεντρικό αγωγό καθόδου Σχήμα 4.13: Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος σε εσωτερικό σημείο της νασέλλας 105

118 Σχήμα 4.14: Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος κοντά στο σημείο εφαρμογής του κεραυνικού πλήγματος Παρατηρούμε ότι υπάρχει και σε αυτή την περίπτωση αυξημένη τιμή της πυκνότητας του ρεύματος στο σημείο όπου αλλάζει η κατεύθυνση της φοράς του διανύσματος του ρεύματος όπως εξηγήθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Επίσης, αποδεικνύεται ότι το ΣΑΠ προστατεύει απόλυτα τα δύο πιο ευάλωτα σημεία της Α/Γ, δηλαδή το πτερύγιο και τη νασέλλα. Ακολουθεί ο Πίνακας 4.2 που έχει καταχωρημένα τα peaks των παραπάνω μεγεθών. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2: ΜΕΓΙΣΤΕΣ ΤΙΜΕΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΠΛΗΓΜΑ ΣΤΗ ΝΑΣΕΛΛΑ Σημείο Μοντέλου Βάση Νασέλλα Είδος Μέτρησης Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Χρονική Στιγμή (μs) Τιμή (V/m για Ε - Α/m^2 για J) *10^ *10^5 106

119 Ψήκτρα Εσωτερικό Νασέλλας Αγωγός Καθόδου Κεραυνικό πλήγμα Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Πυκνότητα Ρεύματος Πυκνότητα Ρεύματος Πυκνότητα Ρεύματος *10^ *10^ *10^ *10^ Αποτελέσματα στις τρεις διαστάσεις Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου (κλίμακα χρωμάτων V/m) 0 μs 39 μs 72 μs 107

120 150 μs 300 μs Πυκνότητα Ρεύματος (κλίμακα χρωμάτων A/m 2 ) 0 μs 108

121 39 μs 72 μs 109

122 150 μs 300 μs Ένα ακόμα σημαντικό θέμα που χρίζει ιδιαίτερης μνείας είναι η ανάπτυξη ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου όπου υπάρχουν ασυνέχειες υλικών, όπως στο σημείο όπου βρίσκεται ο δακτύλιος ολίσθησης, στην Εικόνα 4.14 που ακολουθεί. 110

123 Εικόνα 4.14: Ανάπτυξη μεγάλης έντασης ηλεκτρικού πεδίου σε σημείο ασυνέχειας υλικού Σχήμα 4.15: Μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου σε σημείο ασυνέχειας υλικών (δακτύλιος ολίσθησης) ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 4ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ [4.1] COMSOL Multiphysics v5.3 Reference Manual [4.2] 111