ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΧΑΤΖΗΚΑΛΛΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ του ΧΡΙΣΤΟΥ Αριθμός Μητρώου : 6289 ΘΕΜΑ «ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ» ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΕΠΙΚΟΥΡΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ Ε. ΠΥΡΓΙΩΤΗ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας : Πάτρα, 2015

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΧΑΤΖΗΚΑΛΛΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ του ΧΡΙΣΤΟΥ Αριθμός Μητρώου : 6289 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα Επίκουρη Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Καθηγητής Αντώνης Αλεξανδρίδης 3

4 4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στην Επίκουρη καθηγήτρια Κα. Ελευθερία Πυργιώτη, αρχικά για την ανάθεση της διπλωματικής αυτής εργασίας αλλά και για την βοήθεια που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της. Η πολύτιμη καθοδήγηση της και η συμβολή της σε κάθε φάση της εργασίας ήταν ανεκτίμητη. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω και στους κύριους Αντρέα Σταύρου, Σάββα Πετρούση και Παύλο Ζαντή, οι οποίοι με βοήθησαν στην συλλογή όλων των στοιχείων από Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου που χρειάστηκαν για να έρθει εις πέρας η εργασία αυτή. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου, Χρίστο και Μαρία, που ήταν δίπλα μου και με στήριζαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. 5

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι να μελετηθεί και να αξιολογηθεί η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών μέσης τάσης της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου (ΑΗΚ) ενάντια στα πλήγματα κεραυνών. Ο κεραυνός είναι ένα φυσικό φαινόμενο το οποίο μπορεί να προκαλέσει πολλά προβλήματα, όχι μόνο στο δίκτυο της ΑΗΚ, αλλά και σε ηλεκτρικές συσκευές, κτίρια, εγκαταστάσεις και ακόμα και στον ίδιο τον άνθρωπο. Αρχικά γίνεται μια ανασκόπηση στο τι είναι ένα Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας, από ποια μέρη αποτελείται και τον τρόπο λειτουργίας του. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα είδη των σφαλμάτων που μπορούν να προκληθούν σε ένα τέτοιο σύστημα. Το τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζει την οδηγία της IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών. Σκοπός της οδηγίας αυτής είναι να προσδιορίσει τους παράγοντες που συνεισφέρουν στις βλάβες από κεραυνό στις εναέριες γραμμές μεταφοράς και να προτείνει βελτιώσεις τόσο για τις υπάρχουσες αλλά και για τις νέες κατασκευές. Ακολούθως στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μία ιστορική αναδρομή για την εξέλιξη του ηλεκτρισμού στην Κύπρο ενώ παρουσιάζονται και τα στοιχεία που συνθέτουν σήμερα το δίκτυο της ΑΗΚ. Σύντομη αναφορά γίνεται στο κλίμα του νησιού με ιδιαίτερη έμφαση στις καταιγίδες και στον αριθμό ημερών που αυτές παρουσιάζονται. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται μία παρουσίαση των καταγεγραμμένων σφαλμάτων που εμφανίστηκαν στο δίκτυο της μέσης τάσης της ΑΗΚ για μία περίοδο εφτά χρόνων. Γίνεται κατηγοριοποίηση των αιτίων που προκάλεσαν τα σφάλματα αυτά ενώ απομονώνονται και μελετούνται τα σφάλματα που προήλθαν από κεραυνό, αφού με αυτά θα ασχοληθούμε στη συνέχεια. Στο έκτο κεφάλαιο της εργασίας, γίνονται οι θεωρητικοί υπολογισμοί για τον αριθμό των σφαλμάτων στο δίκτυο που μελετούμε, βάσει της οδηγίας που παρουσιάστηκε στο τρίτο κεφάλαιο. Γίνεται σύγκριση των πραγματικών (κεφ. 5) και των θεωρητικών και τέλος εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα που αφορούν το δίκτυο και τη συμπεριφορά του. 6

7 Recording elaboration of lightning strokes on the Medium Voltage network of Cyprus ABSTRACT The aim of the current thesis is to study and assess the behavior of the overhead voltage lines of the Electricity Authority of Cyprus (EAC) against lightning strikes. Lightning is a natural phenomenon that can cause many problems, not only in the network of the EAC, but also in electrical appliances, buildings, installations and even citizens. Foremost, an overview is presented on what a Power System is, demonstrating its composition and its function. Additionally, there is a reference to the types of faults that can occur in such a system. The third chapter presents the design guide of the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) about the behavior of overhead electricity distribution lines against lightning. The purpose of this guide is to identify and determine the factors that contribute to the lightning caused faults and damages and therefore to suggest improvements to existing and new constructions. The fourth chapter depicts a historical overview of the development of electricity in Cyprus, whilst there is a presentment of the elements of today's EAC network. Brief reference to the climate of the island is also reported, with special emphasis on the storms and their frequency. The following chapter provides an overview of the recorded medium voltage faults occurred in the EAC network of period of seven years. Hence, there is a categorization of the origins that caused these faults, while the faults that are generated by lightning are studied in estrangement, since there will be a subsequent further analysis. In the sixth chapter of the current thesis, theoretical calculations are explicated concerning the number of faults on the particular network that we are studying, based on the guide presented in the third chapter. A comparison of the actual faults (ch. 5) and the theoretical faults is being demonstrated and reclaimable conclusions are being recorded regarding the network and its behavior. 7

8 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Ιστορική ανασκόπηση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Κεφάλαιο 2: Σφάλματα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και κεραυνοί Είδη σφαλμάτων Καταπονήσεις γραμμών διανομής Εσωτερικές υπερτάσεις Ατμοσφαιρικές - Εξωτερικές υπερτάσεις Ο κεραυνός ως φυσικό φαινόμενο Ατμοσφαιρικές εκκενώσεις Ρεύμα κεραυνού και σχετικοί παράμετροι Μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από κεραυνούς Υπερτάσεις από επαγωγή Υπερτάσεις από άμεσο πλήγμα Κεφάλαιο 3: ΙΕΕΕ - Οδηγός για τη βελτίωση της συμπεριφοράς των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών Εισαγωγή Σκοπός Ορισμοί Παράμετροι κεραυνών Πτώση κεραυνών Κατανομές Μέγιστου Ρεύματος Κεραυνών Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Πλήγματα Κεραυνών σε εναέριες γραμμές Ύψος κατασκευής Προστασία από παραπλήσιες κατασκευές και δέντρα Βραχυκύκλωμα από επαγόμενη τάση Επίπεδο μόνωσης γραμμών διανομής CFO Τάση της συνδυασμένης μόνωσης Καθορισμός της CFO τάσης για κατασκευές με μονώσεις σειράς

9 3.6.3 Τεχνικά ζητήματα Ικανότητα ξύλου για διακοπή του τόξου Καταστροφή ξύλου λόγω κεραυνού Προστασία γραμμών διανομής με προστατευτικούς αγωγούς Γωνία προστασίας Απαιτήσεις μόνωσης Αποτελεσματικότητα της γείωσης και επίπεδο μόνωσης Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Μήκος αγωγών σύνδεσης αλεξικέραυνων Βραχυκυκλώματα από έμμεσα πλήγματα Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα Προστασία αλεξικέραυνου άνω φάσης Ικανότητα αλεξικέραυνου σε άμεσο πλήγμα Υπόδειγμα χρήσης οδηγού Υπόδειγμα 1 ο - Σχέδιο ξύλινου πυλώνα 15kV Υπόδειγμα 2 ο - Γραμμή διανομής 35kV με αγωγό προστασίας Κεφάλαιο 4: Το δίκτυο της Κύπρου Ο ηλεκτρισμός στην Κύπρο Εγκαταστάσεις παραγωγής, μεταφοράς και διανομής Το κλίμα της Κύπρου Κεφάλαιο 5: Παρουσίαση σφαλμάτων στο δίκτυο της ΑΗΚ Κεφάλαιο 6: Θεωρητικοί Υπολογισμοί - Συγκρίσεις Εισαγωγή Μεθοδολογία Υλοποίηση Υπολογισμών Σύγκριση πραγματικών θεωρητικών σφαλμάτων Κεφάλαιο 7: Συμπεράσματα Κεφάλαιο 8: Βιβλιογραφία

10 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.1 Ιστορική ανασκόπηση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Πριν το 1800, η γνώση γύρω από τον ηλεκτρισμό περιοριζόταν κυρίως στις μελέτες των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων που είχαν γίνει από τους πρωτοπόρους ερευνητές. Αν και σημαντικές νέες ανακαλύψεις, που έγιναν τα επόμενα χρόνια, πρόσθεταν συνεχώς και νέα γνώση στο αντικείμενο του ηλεκτρισμού, εφαρμογές που να οδηγούν σε εκμετάλλευση αυτών των ανακαλύψεων εμφανίστηκαν αρκετά αργότερα. Η πρώτη εμπορική χρήση του ηλεκτρισμού άρχισε γύρω στο 1870, όταν χρησιμοποιήθηκαν οι λαμπτήρες τόξου για φωτισμό οικιών και οδών. Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα, αποτελούμενο από γεννήτρια, καλώδιο, ασφάλεια, μετρητή και φορτία, ήταν αυτό που εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στη πόλη της Νέας Υόρκης, ο ιστορικός σταθμός της Pearl Street που τέθηκε σε λειτουργία το Αυτό ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (DC) που αποτελείτο από μια ατμομηχανή που κινούσε μια γεννήτρια και τροφοδοτούσε με ηλεκτρική ενέργεια 59 καταναλωτές σε μια περιοχή ακτίνας 1.5km. Τα φορτία, που ήταν αποκλειστικά λαμπτήρες πυρακτώσεως, τροφοδοτούνταν σε μία τάση 110V μέσω υπόγειου καλωδίου. Πολύ σύντομα αντίστοιχα συστήματα λειτούργησαν στις περισσότερες μεγαλουπόλεις του κόσμου. Το τεχνικό πρόβλημα που αντιμετώπιζαν αυτά τα πρώτα ηλεκτρικά συστήματα, ήταν ότι παρέμεναν ανενεργά, ή τουλάχιστον υπολειτουργούσαν κατά το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου, καθόσον υπήρχε έλλειψη ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό κατά την διάρκεια της ημέρας. Θα έπρεπε, συνεπώς, να έρθει μια άλλη εφαρμογή για να καλύψει αυτή την έλλειψη ζήτησης. Με την ανάπτυξη των κινητήρων, η ηλεκτρική κινητήρια ισχύς κατέστη γρήγορα πολύ δημοφιλής και χρησιμοποιήθηκε σε πολλές εφαρμογές, λύνοντας ταυτόχρονα το τεχνικό πρόβλημα της έλλειψης ζήτησης. Με τα πρώτα αυτά συστήματα ξεκίνησε αυτό που έμελλε να εξελιχθεί σε μια από τις μεγαλύτερες βιομηχανίες στον κόσμο. Παρά την αρχική ευρεία χρήση των συστημάτων συνεχούς ρεύματος, αυτά πολύ γρήγορα αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Ο λόγος ήταν προφανής. Τα συστήματα συνεχούς δεν είχαν την δυνατότητα να μεταφέρουν ισχύ σε μεγάλες αποστάσεις, διότι για να γίνει κάτι τέτοιο και συγχρόνως να κρατηθούν οι απώλειες μεταφοράς RI 2 και η πτώση τάσης σε αποδεκτά επίπεδα έπρεπε τα επίπεδα τάσης να είναι υψηλά. Υψηλές όμως τάσεις δεν ήταν αποδεκτές ούτε για την παραγωγή, ούτε για την κατανάλωση επειδή δεν το επέτρεπε η τεχνολογία της εποχής αλλά και η ασφάλεια των καταναλωτών. Η λύση συνεπώς θα ήταν να μεταφερόταν η ισχύς σε μεγάλες αποστάσεις υπό 10

11 υψηλότερη τάση, η οποία στη συνέχεια θα μειωνόταν σε χαμηλότερες τιμές στις θέσεις όπου υπήρχαν τα φορτία. Η σχεδίαση και η ανάπτυξη μιας συσκευής που θα μετασχημάτιζε στα επιθυμητά επίπεδα τάση και ρεύμα ήταν επιτακτική ανάγκη. Η ανάπτυξη του μετασχηματιστή οδήγησε στην ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων εναλλασσόμενου ρεύματος, τα οποία έγιναν ακόμη πιο ελκυστικά με την ανάπτυξη των πολυφασικών συστημάτων από τον Nicola Tesla. Οι πρωτοποριακές για την εποχή εφευρέσεις του αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη των σημερινών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Με την επικράτηση του εναλλασσόμενου ρεύματος άρχισε η ανάπτυξη των τοπικών ηλεκτροπαραγωγικών σταθμών οι οποίοι με συστήματα μεταφοράς και διανομής που εκτείνονταν μέχρι τα όρια δράσης τους, εξυπηρετούσαν το φορτίο στενών γεωγραφικών περιοχών. Πολύ σύντομα τέτοια γειτονικά συστήματα άρχισαν να διασυνδέονται ώστε να μπορούν να ανταλλάσσουν ενέργεια και να ικανοποιούν στη βάση της αμοιβαιότητας φορτία αιχμής που μόνα τους θα ήταν αδύνατο να ικανοποιηθούν. Για να μπορέσουν βέβαια να συνδεθούν μεταξύ τους έπρεπε προηγουμένως να λυθεί το τεχνικό πρόβλημα της τυποποίησης της συχνότητας, επειδή υπήρχαν συστήματα που λειτουργούσαν σε διαφορετικές συχνότητες. Στην Ευρώπη η συχνότητα τυποποιήθηκε στα 50Hz, ενώ στην Αμερική και σε μέρος της Ιαπωνίας η τυποποίηση έγινε στα 60 Hz. Η αυξανόμενη ανάγκη για μεταφορά όλο και μεγαλύτερων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις έδρασε σαν κίνητρο για τη χρήση, προοδευτικά, όλο και υψηλότερων επιπέδων τάσεων. Ενώ στα πρώτα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος τα επίπεδα τάσης ήταν 12, 44 και 60 kv, ανήλθαν στα 165kV το 1922,στα 220kV το 1923, στα 287kV το 1935, στα 350kV το 1953, στα 500kV το 1965 και στα 765kV το Για να αποφευχθεί η εξάπλωση ενός απεριόριστου αριθμού από επίπεδα τάσης, γεγονός που θα προκαλούσε σημαντικά προβλήματα στην τυποποίηση του εξοπλισμού, η βιομηχανία επέλεξε κάποια επίπεδα τάσης ως στάνταρ. Αυτά είναι 115, 132, 138, 150, 161, 220, 230 και 275kV για τις Υψηλές Τάσεις (ΥΤ) και 345, 400, 500 και 765 για τις Υπερυψηλές Τάσεις (ΥΥΤ). Με την πάροδο των ετών η βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας εξαπλωνόταν ραγδαία. Οι τεχνολογικές πρόοδοι που επιτυγχάνονταν στη σχεδίαση των διαφόρων συνιστωσών των ενεργειακών συστημάτων ενσωματώνονταν σε κάθε νέα συνιστώσα που εγκαθίστατο, με αποτέλεσμα τη γρήγορη αναβάθμιση του εξοπλισμού. Σήμερα η βιομηχανία ηλεκτρικής ισχύος, σε συνδυασμό με τις άμεσα σχετιζόμενες εταιρείες που κατασκευάζουν πάσης φύσεως ηλεκτρολογικό εξοπλισμό αλλά και ηλεκτρικές συσκευές, κατέστη μια από τις μεγαλύτερες στον κόσμο. Το μέλλον θα απαιτεί συνεχείς επίπονες επιδόσεις των ενεργειακών μηχανικών για βελτίωση των ήδη υπαρχόντων τεχνολογιών και ανάπτυξη νέων καινοτόμων 11

12 τεχνολογιών ώστε να καλύπτονται χωρίς σημαντικές καθυστερήσεις οι ραγδαία αυξανόμενες ανάγκες της κοινωνίας μας σε ηλεκτρική ενέργεια. 1.2 Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) είναι το σύνολο των εγκαταστάσεων (γεννήτριες, μετασχηματιστές, γραμμές μεταφοράς, διακόπτες, διατάξεις αντιστάθμισης) που χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτηθεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα σύνολο καταναλωτών. Για να φέρει σε πέρας αυτήν την αποστολή, το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας διαθέτει: Σταθμούς παραγωγής, εγκατεστημένους στις πιο πρόσφορες προς τούτο περιοχές, όπου παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια σε επαρκείς ποσότητες. Γραμμές μεταφοράς, που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στα κέντρα κατανάλωσης. Δίκτυο διανομής, για τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους επιμέρους καταναλωτές, ώστε να χρησιμοποιηθεί από αυτούς μετατρεπόμενη σε άλλες πιο εξυπηρετικές μορφές, όπως φως, θερμότητα, κίνηση, ήχο κ.λ.π. Για να είναι πρακτικό ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να σχεδιαστεί και να λειτουργεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ασφαλές, αξιόπιστο, φιλικό προς το περιβάλλον και να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια καλής ποιότητας στη χαμηλότερη κατά το δυνατόν τιμή. Παραδοσιακά τρεις είναι οι βασικές λειτουργίες που συνιστούν τη συνολική λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας : η παραγωγή, η μεταφορά και η διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. Και το μικρότερο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα δίκτυο με πολύ μεγάλη πολυπλοκότητα. Ο παράγοντας που κυρίως καθορίζει τη δομή του είναι το μέγεθός του. Άλλη είναι η δομή ενός μεγάλου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας που εξυπηρετεί μία εκτεταμένη γεωγραφική περιοχή και άλλη η δομή ενός μικρού συστήματος που εξυπηρετεί μία μικρή περιοχή. Δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες όσον αφορά τον τρόπο δόμησης ενός συστήματος που να εφαρμόζονται σε όλα τα συστήματα. Το κάθε σύστημα δομείται με βάση τις ιδιαιτερότητες που καλείται να εξυπηρετήσει. Όλα τα συστήματα, όμως, παρουσιάζουν την εξής ομοιότητα : εργάζονται σε διάφορα επίπεδα τάσης που χωρίζονται μεταξύ τους με μετασχηματιστές. 12

13 Είναι κοινή πρακτική να διαιρούμε, με βάση την τάση λειτουργίας, το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας σε τρία υποσυστήματα. Ξεκινώντας από το χαμηλότερο επίπεδο τάσης, διακρίνουμε τα εξής υποσυστήματα : Σύστημα διανομής Σύστημα υπομεταφοράς Σύστημα μεταφοράς Στο σύστημα διανομής χρησιμοποιούνται δύο επίπεδα τάσης διανομής : η πρωτεύουσα τάση ή τάση τροφοδοσίας (π.χ. 15 kv) που χαρακτηρίζεται και μέση τάση (ΜΤ) η δευτερεύουσα τάση ή τάση κατανάλωσης (π.χ. 220 V) που χαρακτηρίζεται και χαμηλή τάση (XT) Το σύστημα διανομής περιλαμβάνει τα δίκτυα διανομής μέσης και χαμηλής τάσης και τους μετασχηματιστές διανομής με τους οποίους η μέση τάση υποβιβάζεται σε χαμηλή τάση. Το σύστημα διανομής τροφοδοτείται από τους υποσταθμούς διανομής (όπου η τάση υποβιβάζεται στην τιμή της μέσης τάσης διανομής) και παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε μικρούς οικιακούς καταναλωτές (υπό τη χαμηλή τάση διανομής) και σε μεσαίου μεγέθους καταναλωτές (υπό τη μέση τάση διανομής). Τα δίκτυα διανομής μέσης και χαμηλής τάσης στις αστικές πυκνοκατοικημένες περιοχές είναι κατά κανόνα υπόγεια, ενώ στις άλλες περιοχές είναι εναέρια. Η διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται σε μία τεχνολογία που καλύπτει ποικίλα και σημαντικά τεχνικά προβλήματα, όπως εγκατάσταση και συντήρηση εναέριων γραμμών και υπογείων καλωδίων, μετρητικές διατάξεις, διακόπτες, ασφάλειες κ.λ.π. Ένα τυπικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να έχει μέχρι και το ήμισυ του επενδυμένου κεφαλαίου του στο δίκτυο διανομής. 13

14 Εικόνα 1.1 Δομή του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας [2] Εικόνα 1.2 Δομή του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας [1] 14

15 Κεφάλαιο 2: Σφάλματα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και κεραυνοί 2.1 Είδη σφαλμάτων Μια γραμμή διανομής μέσης τάσης είναι δυνατόν να βγει εκτός λειτουργίας για πολλούς λόγους. Ο χρόνος που μια γραμμή θα παραμείνει εκτός λειτουργίας διαχωρίζει τα σφάλματα σε τρεις επιμέρους κατηγορίες: Παροδικό Σφάλμα: Είναι το σφάλμα μιας γραμμής, το οποίο την θέτει εκτός λειτουργίας για μερικά δευτερόλεπτα μόνο. Μπορεί, για παράδειγμα, να προκληθεί από ένα κλαδί δένδρου που ακουμπάει τον αγωγό για κάποια δευτερόλεπτα σε περίπτωση ισχυρών ανέμων. Μετά το πέρας αυτού του χρόνου, η γραμμή επανέρχεται σε λειτουργία χωρίς επέμβαση από τους τεχνικούς της αρμόδιας επιχείρησης ηλεκτρικής ενέργειας. Μόνιμο Σφάλμα: Είναι το σφάλμα μιας γραμμής, που την θέτει εκτός λειτουργίας μόνιμα. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να γίνει παρέμβαση συνεργείου της εταιρείας, ώστε να εντοπίσει και να αποκαταστήσει τη βλάβη στη συγκεκριμένη γραμμή. Αυτό το είδος σφάλματος σε μια γραμμή μεταφοράς είναι και το πιο σημαντικό. Παραμένον Σφάλμα: Είναι το είδος του σφάλματος μιας γραμμής, το οποίο ορίζεται ως κάτι ενδιάμεσο του μόνιμου και του παροδικού σφάλματος. Εμφανίζεται όταν η γραμμή είναι εκτός (μόνιμο σφάλμα) και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, χωρίς επέμβαση της Δ.Ε.Η., ξαναμπαίνει στο δίκτυο (παροδικό σφάλμα). 2.2 Καταπονήσεις γραμμών διανομής Οι τάσεις που αναπτύσσονται ανάμεσα στα διάφορα τμήματα ενός συστήματος ισχύος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Τις τάσεις Ομαλής Λειτουργίας, που αναπτύσσονται υπό ομαλές συνθήκες λειτουργίας και τις Υπερτάσεις, που αναπτύσσονται σε εξαιρετικές μόνο περιπτώσεις ή ανωμαλίες και οι οποίες είναι υψηλότερες από τις τάσεις ομαλής λειτουργίας, απ' όπου και η ονομασία τους. 15

16 Κατά κανόνα, οι υπερτάσεις παρόλη τη σύντομη διάρκεια τους ασκούν στις μονώσεις του συστήματος τις πιο σοβαρές καταπονήσεις. Η σοβαρότητα της καταπόνησης καθορίζεται από τη μορφή, το εύρος και τη διάρκεια της τάσης που εμφανίζεται. Γενικά οι καταπονήσεις που δέχεται η μόνωση μιας γραμμής μεταφοράς κατατάσσονται σε: Εξωτερικές: οι ατμοσφαιρικές καταπονήσεις που έχουν σαν πηγή τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις και πιο συγκεκριμένα τους κεραυνούς. Εσωτερικές: που δημιουργούνται από εσωτερικές διαταραχές της ομαλής λειτουργίας του συστήματος Εσωτερικές υπερτάσεις Οι εσωτερικές υπερτάσεις καθορίζονται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά,τη δομή και τον τρόπο εκμετάλλευσης του ηλεκτρικού δικτύου. Ανάλογα με το μηχανισμό γένεσης, τη διάρκεια και το μέγεθος τους υποδιαιρούνται σε: Δυναμικές Μεταβατικές Υπερτάσεις Χειρισμών Δυναμικές Υπερτάσεις: Οι δυναμικές υπερτάσεις έχουν σχετικά μικρό εύρος αλλά μεγάλη διάρκεια, από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέχρι αρκετά λεπτά. Η μορφή μερικών από αυτές μπορεί να είναι η ίδια με τη μορφή της τάσεως λειτουργίας αλλά συνήθως έχουν τη μορφή μιας αποσβενόμενης ταλάντωσης με ιδιαίτερη συχνότητα. Για δίκτυα Υ.Τ. και Υ.Υ.Τ. δεν αντιπροσωπεύουν επικίνδυνες καταπονήσεις για τις μονώσεις, παίζουν όμως σημαντικό ρόλο, γιατί βάσει αυτών γίνεται η επιλογή των συσκευών προστασίας και έτσι καθορίζουν έμμεσα την μόνωση των πιο δαπανηρών τμημάτων του συστήματος (π.χ. μετασχηματιστές, διακόπτες). Οι κυριότερες αιτίες δυναμικών υπερτάσεων είναι : Απόρριψη φορτίου Αποσύνδεση επαγωγικού ή σύνδεση χωρητικού φορτίου. Φαινόμενο Ferranti Βραχυκύκλωμα μίας φάσης προς γη. Μεταβατικές Υπερτάσεις Χειρισμών: Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών αποτελούν μια κατηγορία καταπονήσεων που απόκτησε σημασία μετά την εισαγωγή των δικτύων Υ.Υ.Τ.. και για τα δίκτυα αυτά, οι υπερτάσεις χειρισμών αποτελούν τη σοβαρότερη μορφή καταπονήσεων. Ο λόγος είναι οτι οι υπερτάσεις χειρισμών, όπως και οι δυναμικές, είναι 16

17 ανάλογες προς την ονομαστική τάση λειτουργίας και κατά συνέπεια το εύρος τους αυξάνει με την αύξηση της τάσης κανονικής λειτουργίας. Από τις μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών, εκείνες που συνήθως παίρνουν τις μεγαλύτερες τιμές και είναι και οι πιο επικίνδυνες για τα δίκτυα, είναι αυτές που γεννώνται κατά το κλείσιμο ενός διακόπτη. Σε κάθε αλλαγή καταστάσεως, όπως είναι το κλείσιμο και το άνοιγμα ενός διακόπτη, εμφανίζονται οι υπερτάσεις χειρισμών οι οποίες διαδίδονται στο θεωρούμενο ηλεκτρικό δίκτυο υπό μορφή οδευόντων κυμάτων με σύνθετη κυματομορφή. Οι συνηθέστερες περιπτώσεις ανάπτυξης και διάδοσης τέτοιων υπερτάσεων είναι οι παρακάτω : Διακοπή χωρητικού ρεύματος Ενεργοποίηση και επανάζευξη μιας γραμμής μεταφοράς με ανοιχτό άκρο. Διακοπή μικρών επαγωγικών ρευμάτων Διακοπή ρευμάτων βραχυκυκλώματος Ατμοσφαιρικές - Εξωτερικές υπερτάσεις Οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται στα δίκτυα από τα ηλεκτρικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Οι υπερτάσεις που μπορούν να αναπτυχθούν από ατμοσφαιρικά αίτια είναι σχεδόν ανεξάρτητες από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού συστήματος κι έτσι για δίκτυα ονομαστική τάσης μέχρι 300kV οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι πιο κρίσιμες από τις μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών. Γι αυτό και η σχεδίαση της μόνωσης για συστήματα χαμηλότερα των 300kV γίνεται βάση των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων. Παρόλο που οποιαδήποτε μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου στην ατμόσφαιρα μπορεί να επάγει στο δίκτυο μία τάση, οι μόνες επικίνδυνες για δίκτυα ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται από τους κεραυνούς. 2.3 Ο κεραυνός ως φυσικό φαινόμενο Ατμοσφαιρικές εκκενώσεις Η κεραυνική εκκένωση είναι μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης η οποία όμως συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Κατά τη διάρκεια καταιγίδας συμβαίνει διαχωρισμός φορτίου σε ένα νέφος με τους μηχανισμούς διαχωρισμού των ηλεκτρικών φορτίων να προκύπτουν από πολύπλοκές και σύνθετες διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των νεφών. 17

18 Ένα ηλεκτρισμένο νέφος περιέχει ηλεκτρικά φορτία και των δύο πρόσημων σε ίσες ποσότητες. Φορτία του κάθε πρόσημου καταλαμβάνουν διακεκριμένες περιοχές του σύννεφου. Η φόρτιση ενός νέφους δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας διαχωρισμός φορτίων. Τα σύννεφα παρουσιάζουν κατά κανόνα, στο κάτω μέρος τους ένα σημαντικό φορτίο αρνητικής πολικότητας και ένα φορτίο θετικής πολικότητας στο πάνω μέρος τους. Έτσι στο χώρο μεταξύ σύννεφου και γης αναπτύσσεται ένα ηλεκτρικό πεδίο του οποίου οι δυναμικές γραμμές καταλήγουν στη γη πάνω σε επαγόμενα φορτία αντίθετης πολικότητας από αυτή που έχουν τα φορτία του σύννεφου. Το 80% των κεραυνών προέρχονται από σύννεφα αρνητικά φορτισμένα στο κάτω μέρος τους και γι αυτό καλούνται κεραυνοί αρνητικής πολικότητας. Εικόνα 2.1 Κατανομή του φορτίου εντός του νέφους. Ηλεκτρικό πεδίο νέφους-γης [6] Εικόνα 2.2 Κατανομή φορτίων στο σύννεφο [6] 18

19 Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μια εκκένωση εσωτερική του νέφους ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός πρόσημου σε μία θέση του νέφους και του φορτίου αντίθετου πρόσημου, που επάγεται εξαιτίας του στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και στο έδαφος μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Διακρίνονται 3 είδη ατμοσφαιρικών εκκενώσεων : Εντός του ίδιου σύννεφου: Οι υπάρχουσες πληροφορίες για τους κεραυνούς αυτού του τύπου είναι λίγες και επιπλέον συχνά αντιφάσκουν μεταξύ τους. Γενικά στην περίπτωση αυτή η εκκένωση λαμβάνει χώρα ανάμεσα στο ανώτερο θετικό και στο κατώτερο αρνητικό κέντρο του χωρικού φορτίου. Η διάρκεια της εκκένωσης είναι μεγάλη και το ρεύμα της έχει τιμές μερικές εκατοντάδες Α ως 1κΑ. Μεταξύ δυο σύννεφων: Οι κεραυνοί αυτοί εμφανίζονται σε ύψος μεγαλύτερο του 1km και μικρότερο των 10km. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι ότι έχουν μεγάλο μήκος κεραυνικού τόξου, μέχρι και 40km. Μεταξύ σύννεφου γης: Οι κεραυνοί της κατηγορίας αυτής παρατηρούνται όταν το ηλεκτρικό πεδίο πάρει την κρίσιμη τιμή πλησίον του νέφους (εκκένωση κατερχόμενη), ή πλησίον της γης (εκκένωση ανερχόμενη). Σαν πολικότητα της εκκένωσης λαμβάνεται εκείνη του φορτίου του κάτω μέρους του σύννεφου που την προκάλεσε. Το 80% των κεραυνών που κατευθύνονται στη γη προέρχονται από σύννεφα αρνητικά φορτισμένα στην κάτω περιοχή τους και γι αυτό είναι κεραυνοί αρνητικής πολικότητας. Εικόνα 2.3 Κατανομή ηλεκτρικού φορτίου - είδη ατμοσφαιρικών εκκενώσεων [9] 19

20 Εικόνα 2.3 Κεραυνός από εκκένωση εντός σύννεφου [10] Εικόνα 2.4 Κεραυνός από εκκένωση σύννεφου - σύννεφου [11] Εικόνα 2.5 Κεραυνός από εκκένωση σύννεφου - γης [12] 20

21 Οι τρείς φάσεις της κεραυνικής εκκένωσης είναι : Προεκκένωση Εκκένωση αντίθετης φοράς Κύρια εκκένωση Εικόνα 2.6 Οι τρεις φάσεις της κεραυνικής εκκένωσης [6] Οι υψηλότερες εντάσεις, μέσα στη ζώνη νέφους γης, αναπτύσσονται είτε κοντά στο έδαφος, είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μια σημαντική προεξοχή, στη πλευρά του εδάφους. Στη πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα ακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ τη δεύτερη από το έδαφος (με ένα ανερχόμενο οχετό προεκκέωνσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού : Κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. (Περίπτωση 1α) Ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. (Περίπτωση 2α) Κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. (Περίπτωση 3α) Ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. (Περίπτωση 4α) 21

22 Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με ένα από τους ποιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερεις τύπους κεραυνού στους οποίους διακρίνονται οι παρακάτω ορισμοί: Κατερχόμενη αρνητική εκκένωση: πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στο 90% των περιπτώσεων (περίπτωση 1β). Ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση: πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 2β). Κατερχόμενη θετική εκκένωση: πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 3β) Ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση: πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 4β). Εικόνα 2.7 Είδη κεραυνών [5] Ρεύμα κεραυνού και σχετικοί παράμετροι Όταν ένα αντικείμενο, όπως ένα κτίριο, μια γραμμή μεταφοράς ή ένα αεροπλάνο κτυπηθεί 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 κεραυνικής εκκένωσης. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά την ροή του φορτίου εξαρτάται από το μέγεθος του φορτίου του νέφους και από το μήκος του οχετού εκκενώσεως. Οι μέγιστες 22

23 εντάσεις των κεραυνικών ρευμάτων φθάνουν πολλές δεκάδες ka και η μέση τιμή είναι μικρότερη της τάξεως των 2kA. Το ρεύμα της πρώτης εκκένωσης αυξάνει γρήγορα και φθάνει στη μέγιστη τιμή κορυφής σε μs. Κατόπιν αρχίζει να μειώνεται είτε αμέσως είτε μετά από μια πλατιά κορυφή. Η διάρκεια της ουράς του ρεύματος,όπου και το ρεύμα μειώνεται, είναι τέτοια ώστε το ρεύμα να φθάσει το 20% της τιμής κορυφής σε μs. Το εύρος της πρώτης μερικής εκκένωσης είναι μεγαλύτερο από τις τυχόν επόμενες εκκενώσεις. Εικόνα 2.8 Γενικευμένη κυματομορφή κεραυνικού ρεύματος [6] Μια ενδιαφέρουσα παράμετρος,εκτός από τη μέγιστη τιμή του ρεύματος, είναι και η διάρκεια ροής μιας ορισμένης έντασης ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάρκεια τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στην αντίσταση που διαρρέει, και κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερη η εκλυόμενη θερμότητα, αφού είναι ανάλογη του i 2 dt. Για το λόγο αυτό κεραυνοί με μεγάλη διάρκεια ρεύματος, έστω και αν η μέγιστη τιμή του ρεύματος δεν είναι πολύ ψηλή ονομάζονται θερμοί σε αντίθεση με άλλους που μπορεί να αναπτύσσουν μεγάλα ρεύματα μικρής διάρκειας. Οι θερμοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι μόνο όταν προκύπτει θέμα πυρκαγιάς ή έκρηξης ενώ για ηλεκτρικά συστήματα πιο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί με μεγάλες εντάσεις και μικρή διάρκεια. Οι βασικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν τον κεραυνό σαν ηλεκτρικό φαινόμενο είναι : Η μέγιστη τιμή ρεύματος, i. Η μέγιστη κλίση μετώπου του ρεύματος, di. dt Το μεταφερόμενο φορτίο, i 2 dt. Το ολοκλήρωμα του τετραγώνου του ρεύματος, ποσότητα ανάλογη της εκλυόμενης από το κεραυνικό πλήγμα ενέργειας, i dt. 23

24 Η καθεμιά από τις παραμέτρους αυτές έχει ενοχλητικές, μέχρι καταστροφικές συνέπειες, για ανθρώπινες ζωές και τεχνικές εγκαταστάσεις. Οι συνέπειες ενός πλήγματος κεραυνού μπορεί να είναι θερμικές, μηχανικές ή ηλεκτρικές. Ως συνέπεια της μέγιστης τιμής έχουμε υπερπήδηση μονωτήρων. Η μέγιστη κλίση μετώπου του κεραυνικού ρεύματος καθορίζει τις επαγόμενες τάσεις σε βρόγχους κυκλωμάτων, τάσεις, που αναπτυσσόμενες για παράδειγμα σε λογικά κυκλώματα ή κυκλώματα που περιλαμβάνουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά στοιχεία του συστήματος πλοήγησης ή τηλεπικοινωνίας αεροσκαφών μπορούν να έχουν δραματικές συνέπειες. Το ολοκλήρωμα, δηλαδή το μεταφερόμενο φορτίο, προκαλεί τοπική τήξη και διάτρηση μεταλλικών επιφανειών μικρού πάχους και ακόμη είναι ανάλογο της εκλυόμενης ενέργειας η οποία προκαλεί θερμικά φαινόμενα (τήξη μετάλλων, έναυση εύφλεκτων ατμών ή αερίων). 2.4 Μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από κεραυνούς Η πτώση ενός κεραυνού, είτε απευθείας πάνω στο δίκτυο είτε κοντά σε αυτό, προκαλεί βίαιες μετακινήσεις φορτίων μέσα στο δίκτυο υπό μορφή ρεύματος, I, πολλών ka. Η βασική παράμετρος που αναπτύσσεται στο δίκτυο από τον κεραυνό είναι το ρεύμα, ενώ η υπέρταση είναι ένα δευτερογενές φαινόμενο που εξαρτάται μεν από το ρεύμα του κεραυνού, αλλά και από τα χαρακτηριστικά του δικτύου όπως είναι η κυματική αντίσταση Ζ. Η υπέρταση που προκαλεί στο δίκτυο ένας κεραυνός εξαρτάται επίσης από τον τρόπο με τον οποίο αυτός θα προσβάλει το δίκτυο. Διαφορετική υπέρταση προκαλείται όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου, διαφορετική όταν πλήττει ένα αγωγό προστασίας ή ένα πύργο της γραμμής και διαφορετική όταν πλήττει το γειτονικό προς το δίκτυο έδαφος. Οι σοβαρότερες υπερτάσεις δημιουργούνται στο δίκτυο όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο. Οι υπερτάσεις αυτές είναι τόσο μεγάλες που είναι πρακτικά αδύνατο να κατασκευαστεί δίκτυο με μόνωση τόσο ισχυρή που να μπορεί να τις αντέχει. Για το λόγο αυτό, λαμβάνονται διάφορα μέτρα προστασίας με τα οποία μειώνονται οι υπερτάσεις αυτές σε όρια ανεχτά για τη μόνωση. Οι αναπτυσσόμενες υπερτάσεις από έμμεσα πλήγματα μόνο για γραμμές χαμηλής σχετικά τάσης μπορούν να είναι επικίνδυνες. Υπάρχουν τρεις μηχανισμοί με τους οποίους ένας κεραυνός μπορεί να δημιουργήσει υπέρταση σε μια γραμμή μεταφοράς: α) από επαγωγή, εξαιτίας κεραυνού που πλήττει το έδαφος κοντά στη γραμμή όχι όμως τη γραμμή την ίδια, β) από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε ένα αγωγό 24

25 φάσεως, γ) από πλήγμα στον αγωγό προστασίας με τον οποίο προστατεύονται γενικά οι γραμμές μεταφοράς από κεραυνούς. Στα πρώτα χρόνια που άρχισαν να κατασκευάζονται γραμμές μεταφοράς, επικρατούσε η αντίληψη πως η πιθανότητα ένας κεραυνός να πλήξει άμεσα μια γραμμή μεταφοράς ήταν ασήμαντη και πως όταν αυτό, σπανιότατα, συνέβαινε δεν υπήρχε τρόπος να προληφθεί το βραχυκύκλωμα της γραμμής. Ήταν έτσι γενικά πιστευτό πως το σύνολο σχεδόν των ανωμαλιών που προκαλούσαν οι κεραυνοί οφειλόταν στη επαγωγή. Αποδείχθηκε όμως κατόπιν παρατηρήσεων κα μελετών πως οι ανωμαλίες των γραμμών από κεραυνούς μπορούσαν να οφείλονται και από άμεσα πλήγματα. Για να αντιμετωπιστούν τα βραχυκυκλώματα που προκαλούν οι κεραυνοί στα ηλεκτρικά δίκτυα αναγνωρίστηκαν στη συνέχεια δύο μέθοδοι. Κατά την πρώτη μέθοδο τοποθετούνται σε κατάλληλες θέσεις πάνω από τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις γειωμένοι αγωγοί (αγωγοί προστασίας) που συλλέγουν τα άμεσα πλήγματα προστατεύοντας έτσι τα ενεργά στοιχεία του συστήματος. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Κατά τη δεύτερη μέθοδο συνδέονται ανάμεσα στα ενεργά στοιχεία του συστήματος και τη γη ειδικές συσκευές με ασθενή μόνωση (αλεξικέραυνα) που επιτρέπουν μεν στιγμιαία τη διοχέτευση του φορτίου του κεραυνού στη γη, διακόπτουν όμως στη συνέχεια τη ροή ρεύματος στη συχνότητα του δικτύου. Αλεξικέραυνα ή όπως ορθότερα ονομάζονται, απαγωγείς υπερτάσεων, χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία των συσκευών των σταθμών. 25

26 2.4.1 Υπερτάσεις από επαγωγή Καθώς ο οδηγός οχετός του κεραυνού κατέρχεται προς το έδαφος, κοντά σε μια γραμμή, φορτίο Φ με πρόσημο αντίθετο από αυτό του οχετού, συσσωρεύεται στη περιοχή της γραμμής που πρόσκειται στον οχετό. Εάν ο οχετός δεν πλήξει τη γραμμή αλλά ένα σημείο, Μ, του εδάφους σε απόσταση δ από τον άξονα χχ της γραμμής, τότε, με την απότομη εξουδετέρωση του φορτίου του θα συμβεί, θα πάψει να υπάρχει ο λόγος συσσώρευσης του φορτίου Φ και αυτό θα διαχυθεί με τη μορφή δύο αντίθετων κυμάτων ρεύματος Ι προς τις απομακρυσμένες περιοχές της γραμμής απ όπου είχε προηγούμενα προέλθει. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζ ο της γραμμής, δίνει γένεση σε μια τάση V=ΙΖ ο.επειδή το επαγόμενο φορτίο Φ είναι πάντα σημαντικά μικρότερο από το φορτίο του κεραυνού εξαρτώμενο και από την απόσταση δ οι δύο εντάσεις Ι δεν είναι συνήθως αρκετά μεγάλες ώστε η δημιουργημένη τάση V να αποτελεί κίνδυνο για τις μονώσεις γραμμών Μέσης ή Υψηλής Τάσης. Για γραμμές Χαμηλής Τάσης όμως γραμμές διανομής κάτω από kv η υπέρταση του τύπου αυτού μπορεί να είναι επικίνδυνη για τη μόνωση. Εικόνα 2.9 Δημιουργία υπέρτασης εξ επαγωγής από έμμεσο πλήγμα κεραυνού [4] 26

27 2.4.1 Υπερτάσεις από άμεσο πλήγμα Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσης γραμμής το συνολικό ρεύμα Ι ο του κεραυνού διχάζεται σε δύο τμήματα που διαρρέουν τη γραμμή από το σημείο του πλήγματος Μ προς αντίθετες κατευθύνσεις. Γίνεται γενικά δεκτό πως η τιμή Ι ο του ρεύματος είναι η ίδια είτε ο κεραυνός πλήττει τη γραμμή είτε απευθείας το έδαφος. Έτσι για τον υπολογισμό της υπέρτασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι τιμές ρευμάτων κεραυνών που δίνονται στη βιβλιογραφία που κατά κανόνα προέρχονται από μετρήσεις σε γειωμένες κεραίες. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι ο /2 πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζ ο της γραμμής δίνει την παραγόμενη υπέρταση V = ½ I o Z o. Η υπέρταση αυτή είναι ικανή να διασπάσει τη μόνωση δικτύων ονομαστικής τάσης μέχρι και 500kV. Αυτό δείχνει πως για να αποφευχθούν συχνές διασπάσεις της μόνωσης των γραμμών χρειάζεται κάποιο είδος προστασίας που επιτυγχάνεται με τους αγωγούς προστασίας. Εικόνα 2.10 Δημιουργία υπέρτασης από άμεσο πλήγμα αγωγού φάσης από κεραυνό [4] 27

28 Κεφάλαιο 3: ΙΕΕΕ - Οδηγός για τη βελτίωση της συμπεριφοράς των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών 3.1 Εισαγωγή Η οδηγία απευθύνεται στο σχεδιαστή/μελετητή των γραμμών διανομής και παρέχει πληροφορίες για τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στη βελτίωση της συμπεριφοράς μιας εναέριας γραμμής μεταφοράς σε περίπτωση πτώσης κεραυνού. Ο σχεδιασμός μίας τέλειας γραμμής μεταφοράς δεν είναι εφικτός. Για το λόγο αυτό πρέπει να ληφθούν από τους σχεδιαστές μια σειρά από συμβιβασμούς. Κάποιες παράμετροι όπως η τάση, η χωρητικότητα και η όδευση μπορούν να προκαθοριστούν ενώ άλλες αποφάσεις λαμβάνονται κατά την κρίση του μελετητή. Μπορεί δηλαδή να εξετάσει τη δομή των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν, την τυχόν προστασία της γραμμής από παράπλευρες κατασκευές, το επίπεδο της μόνωσης, την γείωση, και την τοποθέτηση των αλεξικέραυνων. Αυτή η οδηγία θα βοηθήσει τον σχεδιαστή των γραμμών να βελτιστοποιήσει τον σχεδιασμό και οικονομικοτεχνικά. 3.2 Σκοπός Σκοπός της παρούσας οδηγίας είναι να προσδιορίσει τους παράγοντες που συνεισφέρουν στις βλάβες από κεραυνό στις εναέριες γραμμές μεταφοράς και να προτείνει βελτιώσεις τόσο για τις υπάρχουσες αλλά και για τις νέες κατασκευές. Η οδηγία προορίζεται για την προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής συστημάτων με τάσεις κάτω των 69 kv. Στα πλαίσια αυτά, βασικός σκοπός της οδηγίας είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνούς στις εναέριες γραμμές μεταφοράς Μέσης Τάσης 3.3 Ορισμοί Επεξήγηση των βασικών ορισμών των εννοιών και των μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν με σκοπό την πλήρη κατανόηση του αντικειμένου. Ανάστροφο βραχυκύκλωμα κεραυνού (Back flashover lightening): Ορίζεται ως το βραχυκύκλωμα στη μόνωση λόγω πλήγματος από κεραυνό σε κάποιο μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης που συνήθως βρίσκεται στο δυναμικό του εδάφους. Βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (Basic impulse insulation level, BIL)(rated impulse withstand voltage)(surge arresters): Αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνού. 28

29 Κρίσιμη κρουστική τάση κεραυνών, μονωτές(critical impulse flashover voltage, CFO)(insulators): Η μέγιστη τιμή της κρουστικής τάσης που υπό συγκεκριμένες συνθήκες προκαλεί βραχυκύκλωμα στο μέσο που την περιβάλει, στο 50% των περιπτώσεων. Άμεσο πλήγμα (Direct stroke): Απευθείας κτύπημα κεραυνού σε οποιοδήποτε μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης. Γραμμή διανομής (distribution line): Γραμμές ηλεκτρικής ισχύος που διανέμουν ισχύ από έναν κύριο υποσταθμό στους καταναλωτές, συνήθως με τάση 34.5 kv ή λιγότερο. Βραχυκύκλωμα (γενικά) (flashover): Μια ανεπιθύμητη εκκένωση μέσω του αέρα ή στην επιφάνεια μιας στερεής ή υγρής μόνωσης που οδηγεί σε διάσπαση, ανάμεσα σε μέρη διαφορετικού δυναμικού ή πολικότητας. Παράγεται από εφαρμογή μιας τάσης που το μονοπάτι της διάσπασης έχει ιονιστεί επαρκώς ώστε να διατηρεί ένα ηλεκτρικό τόξο. Ηλεκτρόδιο γείωσης (ground electrode): Ένας αγωγός ή μια ομάδα αγωγών, σε στενή επαφή με το έδαφος με σκοπό να παρέχουν συνεχή σύνδεση με το έδαφος. Πυκνότητα κεραυνών (ground flash density, GFD, Ng): Ο μέσος αριθμός των πληγμάτων από κεραυνό ανά μονάδα χώρου και ανά μονάδα χρόνου σε μια συγκεκριμένη περιοχή (κεραυνοί/ km2/ έτος). Μονωτήρας επιτόνων (guy insulator): Ένα μονωτικό στοιχείο, συνήθως επιμηκυμένης μορφής με εγκάρσιες τρύπες ή σχισμές, με σκοπό την μόνωση δύο μερών ενός επιτόνου ή την παροχή μόνωσης ανάμεσα στην κατασκευή και το στήριγμα. Επίσης παρέχει προστασία σε περίπτωση σπασμένων καλωδίων. Οι πορσελάνινοι μονωτήρες καλωδίων γενικά, είναι σχεδιασμένοι να αντέχουν στην πίεση αλλά συνήθως χρησιμοποιούνται ξύλινοι μονωτήρες κατάλληλα εξοπλισμένοι γι' αυτό το σκοπό. Επίτονο (guy wire): Ένα απομονωμένο καλώδιο που χρησιμοποιείται για υποστήριξη έντασης ημιελαστικού χαρακτήρα ανάμεσα στον πόλο ή την κατασκευή και την ράβδο στήριξης, ή ανάμεσα στις κατασκευές. Έμμεσο πλήγμα (indirect stroke): Ένα χτύπημα κεραυνού που δεν χτυπά απευθείας κάποιο μέρος ενός δικτύου, αλλά μπορεί να προκαλέσει υπέρταση σε αυτό. Επαγόμενη τάση, πλήγματα κεραυνού (induced voltage, lightning stroke): Η τάση που επάγεται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα έμμεσο πλήγμα. 29

30 Πρώτο πλήγμα κεραυνού (lightning first stroke): Η ηλεκτρική εκκένωση στο έδαφος που συμβαίνει όταν η άκρη ενός κατερχόμενου οχετού συναντηθεί με έναν ανερχόμενο από το έδαφος. Ακόλουθο πλήγμα κεραυνού (lightning subsequent stroke): Μία εκκένωση κεραυνού που μπορεί να ακολουθήσει μία πορεία που έχει ήδη προδιαγράψει το πρώτο πλήγμα. Κεραυνός (lightning flash): Η πλήρης εκκένωση κεραυνού, που συνήθως δημιουργείται από αγωγούς ενός σύννεφου ακολουθούμενοι από ένα ή περισσότερα πλήγματα επιστροφής. Σφάλμα λόγω κεραυνού (lightning outage): Είναι η διακοπή ρεύματος, που οφείλεται σε πτώση κεραυνού και προκαλεί ένα ρεύμα σφάλματος στο σύστημα, απαιτώντας την λειτουργία μιας συσκευής διακοπής για τον καθαρισμό του σφάλματος. Συμπεριφορά γραμμών σε κεραυνούς (line lightning performance): Η απόδοση μιας γραμμής που εκφράζεται ως ο ετήσιος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από κεραυνούς σε βάση ενός μιλίου του κυκλώματος ή πύργου γραμμών μιλίου. Αλεξικέραυνο μεταλλικών οξειδίων (ή απαγωγέας υπερτάσεων) (metal-oxide surge arrester, MOSA): Ένα αλεξικέραυνο που χρησιμοποιεί βαλβίδες κατασκευασμένες από υλικά μεταλλικών οξειδίων μη γραμμικής αντίστασης. Εναέριος αγωγός προστασίας (overhead groundwire, OHGW): Είναι το τοποθετημένο καλώδιο (ένα ή περισσότερα) πάνω από τους αγωγούς με σκοπό να διακόπτουν τα άμεσα πλήγματα από κεραυνούς. Μπορεί να συνδέονται στο σύστημα γείωσης άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. Γωνία προστασίας (shielding angle): Η γωνία ανάμεσα στην κατακόρυφη γραμμή μέσω του εναέριου αγωγού γείωσης και στη γραμμή που συνδέει τον εναέριο αγωγό γείωσης με τον προστατευτικό αγωγό. Αγωγός προστασίας (shield wire): Είναι αγωγοί τοποθετημένοι κοντά στους αγωγούς φάσεων και εξυπηρετούν τους σκοπούς: Προστασία των αγωγών φάσης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Μείωση των επαγόμενων τάσεων που προκαλούνται από εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Μείωση της κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW. 30

31 Αύξηση της αμοιβαίας κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW στους προστατευμένους αγωγούς φάσης. Μπορούν να είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένοι απευθείας στην κατασκευή ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. Προστατευτικό διάκενο (spark gap): Οποιοδήποτε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμένοι μεταξύ τους ή συνδέονται ηλεκτρικά σε κάποια απόσταση. Αλεξικέραυνο (surge arrester): Μία προστατευτική συσκευή που περιορίζει τις υπερτάσεις στον εξοπλισμό παρεκκλίνοντας το ρεύμα και διατηρώντας έτσι την συσκευή στην αρχική της κατάσταση. 31

32 3.4 Παράμετροι κεραυνών Πτώση κεραυνών Η πιο συχνά εμφανιζόμενη μορφή είναι ο κεραυνός μέσα σε ένα σύννεφο, αλλά αυτή που επηρεάζει περισσότερο τις εναέριες γραμμές διανομής είναι ο κεραυνός μεταξύ σύννεφου και Γης. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, είναι πιθανόν να συμβούν διακοπές ρεύματος, λόγω των κεραυνών και των ανέμων. Έτσι κάποιες διακοπές που συμβαίνουν λόγω ανέμου, πτώσεις δέντρων ή ελαττωματικού εξοπλισμού είναι πιθανόν να θεωρηθεί ότι συνέβησαν από κεραυνό, κάτι που θα έκανε τον αριθμό των σφαλμάτων λόγο κεραυνού να φαίνεται πλαστά υψηλός. Στις περισσότερες περιοχές του κόσμου, μια ένδειξη της κεραυνικής δραστηριότητας μπορεί να αποκτηθεί από τα κεραυνικά δεδομένα της περιοχής (ημέρες καταιγίδας ανά έτος). Στην Εικόνα 3.1, φαίνεται ο παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης. Το κεραυνικό επίπεδο είναι μια ένδειξη της κατά τόπους κεραυνικής δραστηριότητας που βασίζεται σε μέσες τιμές των ποσοτήτων και προκύπτουν από ιστορικά διαθέσιμες παρατηρήσεις. Ωστόσο, για συγκεκριμένες περιοχές είναι διαθέσιμα και περισσότερο λεπτομερή κεραυνικά δεδομένα. Έτσι μια λεπτομερέστερη απεικόνιση της κεραυνικής δραστηριότητας μπορεί να αποκτηθεί από χάρτες που απεικονίζουν την πυκνότητα κεραυνών στο έδαφος (GFD maps), οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από τις πληροφορίες που μας παρέχουν τα δίκτυα εντοπισμού κεραυνών. Στην Εικόνα 3.2 απεικονίζεται ένα δείγμα ενός τέτοιου χάρτη παγκόσμια και στην εικόνα 3.3 για την Ευρώπη, την Ασία και την Αφρική. Εικόνα 3.1 Παγκόσμιος Ισοκεραυνικός χάρτης [13] 32

33 Εικόνα 3.2 Παγκόσμιος GFD χάρτης [14] Εικόνα 3.3 GFD χάρτης της Ευρώπης - Ασίας - Αφρικής [13] 33

34 Συστήματα εντοπισμού κεραυνών, καθώς και δίκτυα μέτρησης κεραυνών έχουν τοποθετηθεί στη βόρεια Αμερική και σε άλλα μέρη του πλανήτη. Έχοντας αρκετή εμπειρία, αυτά τα δίκτυα μπορούν να παρέχουν λεπτομερείς GFD χάρτες. Οι χάρτες GFD είναι πολύ πιο λεπτομερείς και ακριβείς απ' ότι τα κεραυνικά δεδομένα. Τα συστήματα θέσης παρέχουν επίσης κάποιες χρήσιμες και λεπτομερείς μετρήσεις. Εκτός του ότι παρέχουν την συχνότητα των κεραυνών, τα δίκτυα μπορούν επίσης να μας πληροφορήσουν για την ώρα, την ημερομηνία, την τοποθεσία, τον αριθμό των κεραυνών, το εκτιμώμενο ρεύμα του μεγίστου πλήγματος και την πολικότητα. Σε ορισμένες περιοχές του πλανήτη, αυτά τα συστήματα έχουν ή είναι κοντά στο να έχουν επαρκή στοιχεία (το λιγότερο επτά χρόνων) για να χρησιμοποιηθούν σε σχεδιαστικούς σκοπούς. Αυτή τη στιγμή, οι χάρτες GFD χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό γραμμών διανομής, εκτιμώντας τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνού, καθώς επίσης και σε πολλούς άλλους τύπους ανάλυσης λόγω κεραυνών. Η αξιοπιστία μιας γραμμής διανομής εξαρτάται από την έκθεσή της η όχι σε περιπτώσεις κεραυνών. Για να προσδιορισθεί αυτό ο σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει τον ετήσιο αριθμό κεραυνών ανά μονάδα περιοχής και ανά μονάδα χρόνου (GFD). Το GFD μπορεί να υπολογιστεί με διάφορους τρόπους. Ένας πρώτος τρόπος να προσδιοριστεί είναι από το κεραυνικό επίπεδο της περιοχής, σύμφωνα με την εξίσωση (4.1). [κεραυνοί/km 2 /έτος] (3.1) Όπου : T d : ο αριθμός των ημερών καταιγίδας ανά χρόνο (το κεραυνικό επίπεδο). Ένας άλλος τρόπος υπολογισμού για το GFD μπορεί να προκύψει από τα αρχεία των ωρών καταιγίδας ως εξής: Όπου : T h : ο αριθμός των ωρών καταιγίδας ανά χρόνο (3.2) Εκτιμήσεις για μια μέση τιμή του GFD μπορούν επίσης να γίνουν από τα δίκτυα εντοπισμού κεραυνών ή από τους μετρητές/καταγραφείς των κεραυνών. Αν έχουμε δεδομένα αρκετών ετών, έχουμε το πλεονέκτημα του εντοπισμού των διαφοροποιήσεων σε μια περιοχή. 34

35 Τα ποσοστά των κεραυνών καθώς και οι διακοπές που προκαλούνται λόγω κεραυνού έχουν σημαντικές διακυμάνσεις χρόνο με το χρόνο. Συνήθως, αυτές οι ετήσιες διακυμάνσεις της κεραυνικής δραστηριότητας έχουν μια απόκλιση της τάξης του 20% με 50% από την μέση τιμή τους. Αν περιοριστούμε σε μια μικρή περιοχή, π.χ. 10 km 2, τότε εκτιμάται ότι αυξάνεται αυτή η απόκλιση 30% με 50% από το μέσο όρο. Αντιθέτως, σε μια περιοχή μεγαλύτερης έκτασης, π.χ. 500 km 2 η απόκλιση είναι μικρότερη, της τάξης του 20% με 25% από το μέσο όρο. Σε περιοχές με χαμηλά επίπεδα κεραυνικής δραστηριότητας, η σχετικά σταθερή απόκλιση είναι μεγαλύτερη. Έτσι λοιπόν, με τέτοιες μεγάλες διακυμάνσεις, χρειαζόμαστε δεδομένα πολλών ετών για να υπολογίσουμε με ακρίβεια το μέσο όρο. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό σε δύο περιπτώσεις : Όταν γίνεται χρήση εδαφικών κεραυνικών δεδομένων μια περιοχής Όταν γίνεται εκτίμηση του ποσοστού διακοπών από κεραυνούς από τα στοιχεία διακοπής λειτουργίας Κατανομές Μέγιστου Ρεύματος Κεραυνών Στον Πίνακα 3.1 (CIGRE Working Group 33.01) παρουσιάζονται οι παράμετροι των κεραυνών, σύμφωνα με τον οποίο η διακύμανση που εμφανίζεται στο μέγιστο ρεύμα κεραυνού I 0 μπορεί να προσεγγισθεί με μια λογαριθμική/κανονική κατανομή. Προκειμένου να διαχειριστούμε την πιθανολογική κατανομή των κορυφαίων τιμών ρεύματος με έναν πιο απλό τρόπο, υιοθετείται η ακόλουθη έκφραση: (3.3) Η παραπάνω εξίσωση μας δίνει την πιθανότητα το μέγιστο ρεύμα του κεραυνού Ι 0 να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μια συγκεκριμένη τιμή i 0 [ka]. 35

36 Πίνακας 3.1 CIGRE παράμετροι του ρεύματος κεραυνού [13] 36

37 3.5 Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Εδώ περιγράφεται μια μέθοδος θεωρητικού υπολογισμού των άμεσων και έμμεσων πληγμάτων από κεραυνό στα δίκτυα διανομής. Οι κεραυνοί είναι υπεύθυνοι για έναν μεγάλο αριθμό διακοπών ρεύματος στις γραμμές διανομής. Οι κεραυνοί μπορεί να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα από: α) Άμεσα πλήγματα: Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσης της γραμμής, το συνολικό ρεύμα Iο, διασπάται σε δύο τμήματα που διαρρέουν τη γραμμή από το σημείο του πλήγματος, Μ, προς αντίθετες κατευθύνσεις. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ιο/2, πολλαπλασιασμένο με την κυματική αντίσταση Zο, δίνει με τον τρόπο αυτό την παραγόμενη υπέρταση. V = Io 2 Zo (3.4) Εικόνα 3.4.α Δημιουργία υπερτάσεων από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε αγωγό φάσης [4] β) Επαγόμενες τάσεις από κοντινά στην εγκατάσταση πλήγματα: Καθώς οδηγός οχετός του κεραυνού κατέρχεται προς το έδαφος, κοντά σε μια γραμμή, το φορτίο Φ με πρόσημο αντίθετο από αυτό του οχετού, συσσωρεύεται στην περιοχή της γραμμής που πρόσκειται στον οχετό. Αν ο οχετός δεν πλήξει τη γραμμή, αλλά ένα άλλο σημείο, Μ, του εδάφους σε απόσταση δ από τον άξονα xx' της γραμμής, τότε με την απότομη εξουδετέρωση του φορτίου που θα συμβεί θα πάψει να υπάρχει ο λόγος συσσώρευσης του φορτίου Φ και 37

38 αυτό θα διαχυθεί με τη μορφή δύο αντίθετων κυμάτων ρεύματος I, προς τις απομακρυσμένες περιοχές τις γραμμής, απ' όπου είχε νωρίτερα προέλθει. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι, πολλαπλασιασμένο με την κυματική αντίσταση Zο της γραμμής παράγει μια τάση. V = I. Zo (3.5) Εικόνα 3.4.β Δημιουργία υπερτάσεων εξ' επαγωγής [4] Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων ένα απευθείας (άμεσο) πλήγμα προκαλεί βραχυκύκλωμα στη μόνωση. Για παράδειγμα, ένα μικρής τάξεως πλήγμα κεραυνού 10 ka θα μπορούσε να προκαλέσει μια υπέρταση περίπου 2000 kv, κάτι που όπως καταλαβαίνουμε υπερβαίνει κατά πολύ την στάθμη της μόνωσης των 69 kv που χρησιμοποιείται σ' αυτές τις γραμμές. Παρόλα αυτά, η εμπειρία μας δείχνει ότι πολλές από τις διακοπές ρεύματος που σχετίζονται με κεραυνούς οφείλονται σε πλήγματα που χτυπούν στο έδαφος κοντά στην γραμμή. Οι περισσότερες τάσεις που επάγονται σε μια γραμμή διανομής από πλήγματα κεραυνών κοντά στη γραμμή είναι τις τάξης των 300 kv και λιγότερο. Οι κεραυνοί είναι δυνατόν να απορροφηθούν από ψηλότερα αντικείμενα (σπίτια, δέντρα), έτσι η απόσταση αυτών των αντικειμένων από την γραμμή μεταφοράς επηρεάζει άμεσα την συμπεριφορά της γραμμής σε περίπτωση κεραυνού. 38

39 Εικόνα 3.4γ Περιγραφή των παραμέτρων του κεραυνού [13] Πλήγματα Κεραυνών σε εναέριες γραμμές Ύψος κατασκευής Οι κεραυνοί μπορεί να έχουν πολύ σημαντική επίδραση στην αξιοπιστία μιας γραμμής, ειδικότερα αν οι πόλοι της βρίσκονται σε ψηλότερο επίπεδο από τον περιβάλλοντα χώρο. Οι περισσότεροι κεραυνοί απορροφούνται από υψηλότερες κατασκευές. Ο ρυθμός απορρόφησης κεραυνών Ν, σε ανοιχτό έδαφος (μη ύπαρξη δέντρων ή κτιρίων), προσδιορίζεται από την εξίσωση του Eriksson: (3.6) Όπου: h: είναι το ύψος του στύλου (m) b: το πλάτος της κατασκευής (m) Ng: η πυκνότητα των κεραυνών (κεραυνοί/km 2 /έτος) N: ο αριθμός των κεραυνών/100 km/ έτος Για τις περισσότερες γραμμές διανομής, ο κατασκευαστικός παράγοντας πλάτος (b) είναι σχεδόν αμελητέος. 39

40 Από την εξίσωση (3.6), εάν το ύψος του πόλου αυξηθεί κατά 20%, ο ρυθμός απορρόφησης των κεραυνών σε μια εναέρια γραμμή διανομής θα αυξηθεί κατά 12%. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι μια γραμμή μπορεί να απορροφήσει πολύ περισσότερους κεραυνούς απ' ότι προβλεπόταν αρχικά από το μοντέλο 4.H, που χρησιμοποιείτο για χρόνια. Σύμφωνα με το μοντέλο 4.H ο αριθμός των κεραυνών στην γραμμή διανομής υπολογιζόταν για ένα πλάτος διπλάσιο του ύψους της γραμμής και στις δύο πλευρές της γραμμής. Η έκθεση της γραμμής διανομής στον κεραυνό εξαρτάται από το πόσο προεξέχουν οι κατασκευές πάνω από την γύρω περιοχή. Οι κατασκευές που βρίσκονται σε κορυφές βουνών, οροσειρών, ή λόφων είναι πιο πιθανοί στόχοι κεραυνών από αυτές που είναι προστατευμένες από φυσικά στοιχεία Προστασία από παραπλήσιες κατασκευές και δέντρα Δέντρα και κτίρια που βρίσκονται παράπλευρα των γραμμών διανομής παίζουν σημαντικό ρόλο στην συμπεριφορά τους σε περίπτωση κεραυνού. Έτσι οι παράπλευρες κατασκευές μπορούν να τραβήξουν πολλούς κεραυνούς που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν την γραμμή. Εδώ εισέρχεται ο παράγοντας σκίασης, S f, και ορίζεται το τμήμα ανά μονάδα γραμμών διανομής που προστατεύεται από κοντινά αντικείμενα. Ο αριθμός των πληγμάτων στη γραμμή τότε γίνεται: (3.7) Ένας μηδενικός παράγοντας σκίασης (0.0) σημαίνει ότι η γραμμή βρίσκεται σε ανοιχτό έδαφος χωρίς προστασία από παράπλευρες κατασκευές, ενώ ο παράγοντας σκίασης ένα (1.0) σημαίνει ότι η γραμμή είναι πλήρως καλυμμένη από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Το σχεδιάγραμμα της εικόνας 3.5 δείχνει έναν τρόπο υπολογισμού του παράγοντα σκίασης (προστασίας) για μια γραμμή διανομής ύψους 10m, με παράπλευρες κατασκευές διαφόρων υψών. Τα αντικείμενα υποτίθεται ότι είναι τοποθετημένα σε μια ευθεία γραμμή παράλληλα στην γραμμή διανομής. Αυτό μπορεί να αντιπροσωπεύει μια σειρά δέντρων ή σπιτιών. 40

41 Εικόνα 3.5 Παράγοντες προστασίας λόγω κοντινών αντικειμένων σε διαφορετικά ύψη για γραμμή διανομής ύψους 10m [13] Το σχεδιάγραμμα της εικόνας 3.5 μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και για τις δύο πλευρές της γραμμής διανομής, αν απλά προστεθούν οι παράγοντες προστασίας της δεξιάς και της αριστερής πλευράς (αν το άθροισμα ξεπερνά το 1, τότε ο ολικός παράγοντας προστασίας ισούται με 1). Για παράδειγμα, θεωρούμε μια εναέρια γραμμή διανομής ύψους 10m με τις ακόλουθες σειρές κτιρίων σε κάθε πλευρά : Μια σειρά από κτίρια ύψους 7.5m, 30m από την αριστερή πλευρά της γραμμής διανομής (Sf left = 0.23) Μια σειρά ύψους 15m, 40m από την δεξιά πλευρά της γραμμής διανομής (Sfright 0.4 ) Εάν ο GFD μιας περιοχής είναι 1 κεραυνός/km 2 /έτος, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε μία εναέρια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος θα είναι κεραυνοί/100 km/έτος, από την εξίσωση (3.6). Όταν η γραμμή περνάει δίπλα από σειρά κτιρίων, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων μειώνεται σε: NS = N[1-(Sfleft+Sfright)] =(11,15 κεραυνοί/100km/έτος).[1-(0,23+0,4)] =4,12 κεραυνοί/100km/έτος (3.8) 41

42 Όλα τα άμεσα πλήγματα κεραυνών θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα ανεξάρτητα από το επίπεδο μόνωσης, τα διαστήματα των αγωγών, ή της γείωσης άμα η μόνωση της γραμμής διανομής δεν προστατεύεται από αγωγό προστασίας ή αλεξικέραυνα. Γι' αυτό για να εκτιμήσουμε τον αριθμό των άμεσων πληγμάτων χρησιμοποιούμε την εξίσωση (3.6) για ανοιχτό έδαφος ή την (3.6) και (3.7) για μερικώς προστατευμένη γραμμή. Στη θεωρητική ανάλυση, θεωρούμε ότι κάθε πλήγμα θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα στο δίκτυο διανομής Βραχυκύκλωμα από επαγόμενη τάση Σύμφωνα με τη θεωρία του Rusck, η μέγιστη τάση που επάγεται στο κοντινότερο, στο πλήγμα, σημείο μιας γραμμής μεταφοράς δίνεται από τον τύπο: Όπου: Ιο: είναι η μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού ha: είναι το μέσο ύψος της γραμμής πάνω από το επίπεδο του εδάφους y: είναι η πλησιέστερη απόσταση ανάμεσα στη γραμμή και το πλήγμα του κεραυνού (3.9) Η εξίσωση (3.9) χρησιμοποιείται για έναν απείρως μακρύ αγωγό μίας φάσης, πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο έδαφος. Ένας γειωμένος ουδέτερος αγωγός ή ένας εναέριος αγωγός προστασίας θα μείωνε την τάση κατά μήκος της μόνωσης κατά έναν παράγοντα ο οποίος εξαρτάται από τη γείωση και την απόσταση του γειωμένου αγωγού από τους αγωγούς φάσης. Αυτός ο παράγοντας κυμαίνεται μεταξύ 0.6 και 0.9. Η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση μπορεί να αυξηθεί δραματικά για γραμμές με μικρά επίπεδα μόνωσης. Στο σχεδιάγραμμα της Εικόνας 3.6 φαίνεται η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων ως συνάρτηση της κρίσιμης τιμής τάσης διάσπασης (CFO) στη γραμμή. Τα αποτελέσματα φαίνονται για δύο διαφορετικές διατάξεις γείωσης. Το μη-γειωμένο κύκλωμα δεν έχει ούτε ουδέτερο ούτε αγωγό προστασίας, όπως είναι ένα κύκλωμα με τρεις αγωγούς μη γειωμένους ή ένα κύκλωμα με τέσσερις αγωγούς με κοινή γείωση. Τα αποτελέσματα για ένα γειωμένο κύκλωμα αναφέρονται σε ένα κύκλωμα με γειωμένο ουδέτερο αγωγό ή εναέριο αγωγό προστασίας. Ένα γειωμένο κύκλωμα εμφανίζει λιγότερα βραχυκυκλώματα, για μια δεδομένη τιμή CFO, γιατί ο γειωμένος αγωγός μειώνει την τάση που εμφανίζεται πάνω στη μόνωση. Ωστόσο οι μη γειωμένες και οι κοινής γείωσης κατασκευές, έχουν συνήθως μεγαλύτερη CFO από τη φάση στη γείωση, από μία αντίστοιχη κατασκευή κυκλώματος πολλαπλής γείωσης, λόγω της απουσίας του γειωμένου ουδέτερου αγωγού. Οι τιμές είναι κανονικοποιημένες για GFD 1 κεραυνό/km 2 /έτος και ύψος γραμμής 10m. Τα 42

43 αποτελέσματα μπορούν να θεωρηθούν γραμμικά ανάλογα με το μήκος της γραμμής και τον GFD. Εικόνα 3.6 Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής [13] Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο πιο πάνω σχεδιάγραμμα αναφέρονται σε γραμμή σε ανοιχτό έδαφος χωρίς να υπάρχουν κοντά σε αυτήν δέντρα ή κτίρια. Ο αριθμός των 43

44 επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων εξαρτάται από την παρουσία ή όχι γειτονικών αντικειμένων στη γραμμή, που όμως μπορεί να προστατεύουν τη γραμμή από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Αυτό μπορεί να αυξήσει την επαγόμενη τάση, επειδή αυξάνεται ο αριθμός των πληγμάτων κοντά στη γραμμή. Ως σημείο αναφοράς, μια γραμμή διανομής ύψους 10m σε ανοιχτό έδαφος με GFD = 1 κεραυνό/km 2 /έτος θα έχει κατά προσέγγιση 11 κεραυνούς/100km/έτος λόγω των άμεσων πληγμάτων, σύμφωνα με την εξίσωση (3.6). Σε ανοιχτό έδαφος, οι επαγόμενες τάσεις θα είναι πρόβλημα μόνο για τις γραμμές με χαμηλά επίπεδα μόνωσης. Για παράδειγμα, σε ένα μη γειωμένο δίκτυο, ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων θα ξεπερνά τον αριθμό των άμεσων βραχυκυκλωμάτων μόνο αν η CFO είναι λιγότερο από 75 kv (όπως φαίνεται και στο σχεδιάγραμμα 3.6). Σε προστατευμένες περιοχές, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα είναι μεγαλύτερου ενδιαφέροντος. Γενικά, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αν η κρίσιμη τάση διάσπασης (CFO) είναι μεγαλύτερη των 300kV, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα θα είναι σχεδόν μηδενικά. Σχεδόν όλες οι μετρήσεις που αφορούν επαγόμενες τάσεις από κεραυνούς είναι λιγότερες από 300kV, όπως φαίνεται και από το σχεδιάγραμμα 3.6. Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να λάβουμε υπ' όψιν είναι ότι οι περισσότερες γραμμές διανομής έχουν αλεξικέραυνα στους μετασχηματιστές, τα οποία παρέχουν ως ένα βαθμό μείωση της επαγόμενης τάσης από κεραυνό. Ωστόσο αυτή η μείωση μπορεί να είναι μικρή σε αγροτικά και προαστιακά κέντρα. 3.6 Επίπεδο μόνωσης γραμμών διανομής Η οδηγία αυτή, είναι μια προσπάθεια βοηθείας του σχεδιαστή/μελετητή γραμμών διανομής ώστε να βελτιωθούν οι δυνατότητες μόνωσης των εναέριων γραμμών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, εναέριων γραμμών διανομής, χρησιμοποιούνται περισσότεροι του ενός τύποι μονωτικών υλικών για προστασία έναντι των κεραυνών. Τα πιο διαδεδομένα συστατικά που χρησιμοποιούνται γι αυτό το σκοπό είναι η πορσελάνη, ο αέρας, το ξύλο, τα πολυμερή και το fiberglass (υαλονήματα). Καθένα απ' αυτά έχει και τη δική του μονωτική ισχύ. Όταν τα μονωτικά υλικά χρησιμοποιούνται σε σειρά, το συνολικό αποτέλεσμα δεν είναι το άθροισμά τους, αλλά μια λίγο χαμηλότερη τιμή. Οι ακόλουθοι παράγοντες επηρεάζουν τα επίπεδα των βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνών στις γραμμές διανομής και κάνουν δύσκολο τον υπολογισμό τις ολικής στάθμης μόνωσης: Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η πυκνότητα του αέρα, η υγρασία, οι βροχοπτώσεις και ατμοσφαιρική μόλυνση Η πολικότητα και ο ρυθμός αύξησης της τάσης 44

45 Κάποιοι φυσικοί παράγοντες όπως το σχήμα των μονωτήρων, το σχήμα του μεταλλικού υλικού, και η διάταξη του μονωτήρα (που τοποθετείται κάθετα, οριζόντια ή με κάποια γωνία) Εάν το ξύλο παρεμβάλλεται στην πορεία εκφόρτισης του κεραυνικού πλήγματος, τότε το αποτέλεσμα του κεραυνού μπορεί να ποικίλει, εξαρτώμενο κυρίως από την υγρασία στην επιφάνια του ξύλου. Παρόλο που ο σχεδιαστής μηχανικός μπορεί να είναι περισσότερο εξοικειωμένος με το βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (BIL) ενός δεδομένου συνδυασμού μονωτικών υλικών, τα αποτελέσματα της οδηγίας αυτής δίνονται με βάση την CFO των συνδυασμών αυτών. Η CFO προσδιορίζεται ως εκείνο το επίπεδο της τάσης στο οποίο υπάρχει 50% πιθανότητα να συμβεί βραχυκύκλωμα και 50% πιθανότητα να αντέξει η μόνωση. Αυτή η τιμή είναι πειραματική και λαμβάνεται μόνο στο εργαστήριο. Αν υποτεθεί ότι τα δεδομένα από τα βραχυκυκλώματα ακολουθούν μια Γκαουσιανή κατανομή, τότε κάθε συγκεκριμένη πιθανότητα να αντέξει η μόνωση μπορεί να υπολογιστεί στατιστικά από την τιμή της CFO και την κανονική κατανομή. Καθώς τα εργαστηριακά δεδομένα είναι πλέον διαθέσιμα, μελετούνται διάφοροι τρόποι σε μια προσπάθεια να καθοριστεί η εκτιμώμενη CFO για έναν δεδομένο συνδυασμό μονωτικών υλικών. Η προσέγγιση της «επιπρόσθετης αντοχής μόνωσης» μπορεί να είναι η πιο πρακτική. Αυτή η μέθοδος υιοθετήθηκε από μια παρόμοια διαδικασία που χρησιμοποιούταν και νωρίτερα στο σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς, αλλά επέκτεινε την εφαρμογή της σε πολλά μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή γραμμών διανομής. Αυτή χρησιμοποιεί την CFO ως πρωταρχικό μονωτικό στοιχείο και προσθέτει σ' αυτήν την τιμή, την αύξηση της CFO που προσφέρεται από ένα επιπλέον υλικό (έχοντας πάντα υπόψη ότι η επιπλέον μονωτική ισχύς είναι πάντα μικρότερη από αυτή που έχει μόνο του το στοιχείο που προστίθεται) CFO Τάση της συνδυασμένης μόνωσης Από τις απαρχές του σχεδιασμού και της κατασκευής των ηλεκτρικών δικτύων, οι μηχανικοί κατασκεύαζαν τις γραμμές διανομής από ξύλινους βραχίονες και συνέδεαν τους στύλους σε σειρά με τους βασικούς μονωτήρες για να αυξήσουν την αντοχή της γραμμής έναντι των κρουστικών πληγμάτων από κεραυνούς. Στις αρχές του 1930, σε μια σειρά δημοσιεύσεων παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα που προέκυψαν όταν μονωτήρες δοκιμάστηκαν σε συνδυασμό με ξύλο. Μια ερώτηση που γεννάται είναι το κατά πόσο αυξήθηκε η αντοχή της 45

46 μόνωσης, σε περίπτωση κεραυνού, της ήδη υπάρχουσας μόνωσης. Μια μερική απάντηση δόθηκε μετά από χρόνια ερευνών σε πολλά εργαστήρια, και τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν την δεκαετία του 40' και του 50'. Μια γενική περίληψη προηγούμενων εργασιών πάνω στην CFO παρουσιάστηκε στην AIEE Committee Report του 1950, και μια εκτενής αναφορά το Όμως, αυτά τα αποτελέσματα εφαρμόζονταν κυρίως στην κατασκευή γραμμών μεταφοράς και όχι σε γραμμές διανομής. Στις εναέριες γραμμές διανομής, το σημείο με την πιο ασθενή μόνωση είναι συνήθως σε στύλο παρά μεταξύ των αγωγών στον αέρα. Πιο πρόσφατα, η έρευνα στράφηκε σε πολυδιηλεκτρικούς συνδυασμούς που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι έρευνες αφορούσαν στις γραμμές διανομής και μεταφοράς και στο βαθμό αντοχής του ξύλου, όταν αυτό εκτίθεται σε κεραυνό, σε κρουστικές τάσεις χειρισμών και σε κρουστικές τάσεις με απότομο μέτωπο. Πρόσφατα, στις γραμμές διανομής χρησιμοποιούνται μονωτήρες πολυμερών και οι βραχίονες από υαλονήματα (fiberglass) Καθορισμός της CFO τάσης για κατασκευές με μονώσεις σειράς Οι μελέτες έχουν δείξει ότι ένα μέτρο ξύλου ή ένα μέτρο υαλονήματος (fiberglass) προσδίδουν περίπου kv στην ήδη υπάρχουσα μόνωση έναντι των κεραυνών. Για μεγαλύτερα μήκη, η αντοχή της μόνωσης από κεραυνό για έναν ξύλινο ή από fiberglass βραχίονα, σε συνδυασμό με τους μονωτές καθορίζεται κυρίως μόνο από τον εκάστοτε βραχίονα. Έτσι η μόνωση έναντι της εναλλασσόμενης τάσης λαμβάνεται μόνο από το μονωτήρα, ενώ ο ξύλινος ή από υαλονήματα μονωτήρας θεωρείται ως μια επιπλέον μόνωση σε κρουστική τάση κεραυνών. Όταν η πορεία του κεραυνού δεν εμπεριέχει κάποιο ξύλινο βραχίονα ή fiberglass βραχίονα, αλλά δύο ή περισσότερους τύπους μονωτήρων συνδεδεμένων σε σειρά, τότε η κρίσιμη τιμή τάσης βραχυκύκλωσης (CFO) δεν προσδιορίζεται απλώς προσθέτοντας τις τιμές των CFO των ξεχωριστών συστατικών. Η κρίσιμη τιμή της τάσης βραχυκύκλωσης αυτών των συνδυασμένων μονωτήρων λαμβάνεται ως συνάρτηση ενός μεγάλου αριθμού διαφορετικών παραγόντων, ο καθένας από τους οποίους απαιτεί ξεχωριστή ανάλυση. Στις μέρες μας, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί συνδυασμοί και σχηματισμοί που χρησιμοποιούνται από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού. Η εκτεταμένη μέθοδος πρόσθετων-cfo μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η συνολική CFO μιας κατασκευής διανομής με το να: 46

47 Προσδιοριστεί η συμβολή του κάθε ξεχωριστού συστατικού μόνωσης στην συνολική CFO του συνδυασμού Υπολογιστεί η CFO του ολικού συνδυασμού γνωρίζοντας την CFO των συστατικών μόνωσης Αυτό μπορεί να γίνει, είτε χρησιμοποιώντας κάποιους πίνακες είτε γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν τα ήδη υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα, και χρησιμοποιώντας αυτά να συσχετισθεί η επίδραση ενός μονωτικού υλικού προστιθέμενο στο άλλο. Αυτή η διαδικασία στηρίζεται στα χαρακτηριστικά δεδομένα της CFO της βασικής μόνωσης και σε ένα επιπρόσθετο σύνολο σύνθετων δεδομένων που είναι γνωστό ως η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης (CFO voltage) που προστίθεται από ένα συγκεκριμένο συστατικό. Στους υπολογισμούς όπου εμπλέκονται δύο συστατικά, η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης (CFO) του συνδυασμού τους είναι πολύ χαμηλότερη απ' ότι το άθροισμα των δύο ξεχωριστών CFO τιμών τους. Ο μονωτήρας θεωρείται ως η βασική-πρωταρχική μόνωση. Η CFO που αποκτάται για σχηματισμούς που αποτελούνται από δύο συστατικά υπολογίζεται ως η CFO του βασικού συστατικού συν την CFO του δεύτερου συστατικού. Η συνολική CFO τάση για δύο συστατικά είναι: CFO T = CFO ins + CFO add.sec (3.10) Όπου: CFO ins : είναι η CFO του κύριου συστατικού CFO add.sec : είναι η CFO που προστίθεται από το δεύτερο συστατικό Η συνολική CFO τάση τριών και πλέον συστατικών είναι: CFO T = CFO ins + CFO add.sec + CFO add.third CFO add.nth Όπου: CFO add.third : είναι η CFO που προστίθεται από το τρίτο συστατικό CFO add.nth : είναι η CFO που προστίθεται από το δεύτερο συστατικό (3.11) Η ευρέως χρησιμοποιούμενη τιμή κρίσιμης τάσης βραχυκύκλωσης (CFO), καθώς επίσης και η CFO των προστιθέμενων υλικών δίδεται στους Πίνακες 3.2, 3.3,

48 Πίνακας 3.2 Κύρια Μόνωση (CFO Ins ) [13] Πίνακας 3.3 Επιπρόσθετη CFO δευτερευόντων συστατικών (CFO add.sec ) [13] Πίνακας 3.4 Τρίτα συστατικά επιπρόσθετης CFO (CFO add.third ) [13] 48

49 Σημειώσεις για τους Πίνακες 3.2, 3.3, 3.4: Όλες οι τιμές αναφέρονται σε επίπεδα υγρής CFO. Οι τιμές αναφέρονται στο ελάχιστο των τιμών θετικής και αρνητικής πολικότητας. Οι μονωτήρες αναφέρονται μόνο ως παράδειγμα. Για πιο ακριβείς τιμές ανατρέξτε στις επίσημες τιμές των κατασκευαστών. Οι τιμές που δίνονται παραπάνω αναφέρονται σε υγρές συνθήκες, κάτι το οποίο συνιστάται για τον υπολογισμό της CFO, καθώς είναι προφανές ότι αναφερόμαστε σε περιπτώσεις καταιγίδων. Αν έχουμε την CFO υπό ξηρές συνθήκες (συνήθως δίνεται απ' τον κατασκευαστή, ή από εργαστηριακές μετρήσεις) και θέλουμε την CFO υπό υγρές συνθήκες τότε πολλαπλασιάζουμε την CFO υπό ξηρές συνθήκες με ένα συντελεστή 0.8. Γενικά η υγρή τιμή είναι περίπου το της ξηρής. Για συστατικά που δεν αναφέρονται στους παραπάνω πίνακες, η συνολική CFO μπορεί να υπολογιστεί με μειώσεις για το δεύτερο και τρίτο συστατικό, όπως: CFO add.sec = 0,45.CFO ins CFO add.third = 0,20.CFO ins (3.12) Η χρήση της εκτεταμένης μεθόδου πρόσθετων-cfo και των πινάκων που δίνονται σε αυτήν την οδηγία συνήθως δίνει αποτελέσματα με σφάλμα ±20%. Περισσότερο ακριβή αποτελέσματα είναι διαθέσιμα με τις ακόλουθες μεθόδους: Εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών έναντι κεραυνών στην κατασκευή σε υγρές συνθήκες. Αυτή η μέθοδος θα δώσει και τα πιο ακριβή αποτελέσματα. Εκτέλεση δοκιμών έναντι κεραυνών υπό ξηρές συνθήκες, και πολλαπλασιασμός των τιμών με 0.8 για τον υπολογισμό του CFO σε υγρές συνθήκες. Χρήση λεπτομερέστερων τιμών κρίσιμης τάσης βραχυκύκλωσης CFO Τεχνικά ζητήματα Ο εξοπλισμός και τα υλικά υποστήριξης, είναι δυνατόν να μειώσουν την κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης στις δομές διανομής. Αυτοί οι "αδύναμοι σύνδεσμοι" μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλη αύξηση των υπερπηδήσεων από επαγόμενες τάσεις. Μερικές απ' αυτές τις περιπτώσεις περιγράφονται παρακάτω. Επίτονα: τα επίτονα μπορεί να είναι ένας απ' τους κύριους παράγοντες μείωσης της CFO μιας γραμμής. Αυτό γίνεται γιατί, για να έχουν μηχανικό πλεονέκτημα, τα επίτονα γενικά προσκολλώνται ψηλά στον πόλο σε άμεση γειτονία με τα κύρια μονωτικά υλικά. Επειδή τα επίτονα παρέχουν διαδρομή προς τη γη, η παρουσία τους μειώνει την CFO του ολικού 49

50 σχηματισμού. Οι μικροί πορσελάνινοι μονωτές επιτόνων που χρησιμοποιούνται συνήθως, δεν παρέχουν σχεδόν καθόλου επιπλέον μόνωση (γενικά λιγότερο από 30 kv της CFO). Έτσι για να αποκτήσουμε αξιοσημείωτη αντοχή μόνωσης χρησιμοποιούμε μονωτήρες από fiberglass. Ένας μονωτήρας 50cm από fiberglass παρέχει CFO περίπου 250kV. Διακόπτες ασφαλείας: η τοποθέτηση διακοπτών ασφαλείας είναι ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα απροστάτευτων εξοπλισμών που μπορεί να μειώσει την CFO ενός πόλου. Για τα δίκτυα των 15 kv, ένας διακόπτης ασφαλείας μπορεί να έχει 95 kv BIL. Ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασης του διακόπτη, μπορεί το CFO ολόκληρης της κατασκευής να μειωθεί περίπου στα 95 kv (περίπου, επειδή το BIL κάθε μονωτικού συστήματος είναι πάντα μικρότερο από το CFO αυτού του συστήματος). Σε ξύλινους πόλους, το πρόβλημα των διακοπτών ασφαλείας μπορεί να βελτιωθεί με την διευθέτηση της διακοπής έτσι ώστε το υποστήριγμα της σύνδεσης να τοποθετείται στον πόλο μακριά από τους γειωμένους αγωγούς (επίτονα, γειωμένοι αγωγοί, και ουδέτεροι αγωγοί). Τα ίδια ισχύουν και για άλλους διακόπτες και άλλα μέρη του εξοπλισμού που δεν προστατεύονται από αλεξικέραυνα. Ύψος ουδέτερου αγωγού: το ύψος του ουδέτερου αγωγού μπορεί να διαφέρει από γραμμή σε γραμμή, καθότι εξαρτώμενο από το μηχανισμό στήριξης. Στους ξύλινους πόλους, όσο πιο κοντά ο ουδέτερος αγωγός είναι στους αγωγούς φάσης, τόσο πιο χαμηλή είναι η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης. Αγώγιμα υποστηρίγματα και αγώγιμες κατασκευές: η χρήση τσιμεντένιων και ατσάλινων κατασκευών σε εναέριες γραμμές διανομής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που μειώνει σημαντικά την CFO. Μεταλλικοί βραχίονες και μεταλλικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε ξύλινες πολικές κατασκευές. Εάν ένα από αυτά τα υλικά είναι γειωμένο, το αποτέλεσμα είναι το ίδιο με αυτό μιας κατασκευής εξ ολοκλήρου από μέταλλο. Σε τέτοιες κατασκευές, η συνολική CFO παρέχεται από τον μονωτήρα, και μονωτήρες με μεγαλύτερη CFO θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για να αντισταθμίζουν την απώλεια της μόνωσης του ξύλου. Προφανώς, θα πρέπει να υπάρχει ένα ισοζύγιο ανάμεσα στην συμπεριφορά έναντι του κεραυνού και άλλα ζητήματα, όπως ο μηχανικός σχεδιασμός ή η τιμή. Και όντως αυτό το ισοζύγιο υπάρχει και είναι ιδιαίτερα μεγάλης σημασίας. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να γνωρίζει τα αρνητικά αποτελέσματα που μπορεί να έχει το μεταλλικό υλικό στην συμπεριφορά της γραμμής έναντι κεραυνού και θα πρέπει να προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει αυτά τα αποτελέσματα. Σε ξύλινους πόλους και βραχίονες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υποστηρίγματα από ξύλο ή fiberglass για να διατηρηθούν καλά επίπεδα μόνωσης. Πολλαπλά κυκλώματα: όταν αυτά εμφανίζονται σε έναν πόλο συνήθως προκαλούν εξασθένιση της μόνωσης. Οι αυστηρά καθορισμένες αποστάσεις των φάσεων και λιγότερο 50

51 ξύλο εν σειρά συνήθως μειώνουν τα επίπεδα μόνωσης. Αυτό πραγματοποιείται κυρίως σε γραμμές διανομής που βρίσκονται κάτω από γραμμές μεταφοράς, σε ξύλινους πόλους. Τα κυκλώματα μεταφοράς έχουν συνήθως αγωγό προστασίας που είναι συνδεδεμένος με τη γείωση σε κάθε πόλο. Ο αγωγός γείωσης μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της μόνωσης. Αυτό μπορεί να βελτιωθεί απομακρύνοντας τον αγωγό γείωσης από τους πόλους με διαχωριστήρες από fiberglass. Γραμμές με διαχωριστήρες αγωγών: Οι γραμμές αυτές είναι εναέριες γραμμές διανομής με πολύ κοντινά διαστήματα διαχωρισμού. Επικαλυμμένοι αγωγοί και διαχωριστήρες (15-40 cm) που κρέμονται από έναν μεταβιβαστικό αγωγό (messenger wire), παρέχουν στήριξη και ικανότητα μόνωσης. Μια κατασκευή από διαχωρισμένους αγωγούς θα έχει σταθερό CFO, που είναι συνήθως της τάξης των kv. Λόγω του σχετικά χαμηλού επιπέδου μόνωσης, η συμπεριφορά των γραμμών αυτών έναντι κεραυνού, μπορεί να είναι μικρότερη από μια παραδοσιακή ανοιχτή κατασκευή. Δεν μπορούμε να κάνουμε και πολλά για να αυξήσουμε την CFO μιας τέτοιας διάταξης. Αυτές οι κατασκευές έχουν το πλεονέκτημα του μεταβιβαστικού αγωγού, που συνήθως λειτουργεί και ως αγωγός προστασίας. Κάτι το οποίο μπορεί να μειώσει τα άμεσα πλήγματα από κεραυνούς. Ανάστροφα βραχυκυκλώματα έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να συμβούν λόγω του χαμηλού επιπέδου μόνωσης. Βελτιωμένη γείωση θα μπορούσε να βελτιώσει την συμπεριφορά έναντι κεραυνού. Προστατευτικά διάκενα και σύνδεσμοι μονωτήρων: Η σύνδεση των μονωτήρων συνήθως γίνεται για την πρόληψη της βλάβης που προκαλείται από κεραυνό σε ξύλινους πόλους ή βραχίονες, ή για την πρόληψη φωτιάς στην κορυφή των πόλων. Τα προστατευτικά διάκενα χρησιμοποιούνται επίσης για την πρόληψη καταστροφών από κεραυνούς στα ξύλινα υλικά της κατασκευής (αυτό περιλαμβάνει REA κατασκευές με συγκεκριμένη προστασία πόλων). Σε κάποια σημεία του πλανήτη, τα προστατευτικά διάκενα χρησιμοποιούνται επίσης αντί για αλεξικέραυνα για την προστασία εξοπλισμού. Τα προστατευτικά διάκενα και οι σύνδεσμοι μονωτήρων μειώνουν σημαντικά το CFO μιας κατασκευής. Εάν ήταν δυνατό, τα προστατευτικά διάκενα, οι σύνδεσμοι μονωτήρων και οι κατασκευές προστασίας των πόλων δεν θα χρησιμοποιούνταν για την πρόληψη βλάβης σε ξύλινα τμήματα. Καλύτερες λύσεις για καταστροφές στο ξύλο και για φωτιές στους πόλους είναι οι σύνδεσμοι μονωτήρα-ξύλου στην βάση του μονωτήρα, όπως παρουσιάζεται στο Ικανότητα ξύλου για διακοπή του τόξου Οι ξύλινοι πόλοι και βραχίονες έχουν την ικανότητα της καταστολής τουω τόξου που προκαλείται από κεραυνό και έτσι προλαμβάνουν την εμφάνιση βλαβών στο δίκτυο. Οι ικανότητες του ξύλου για διακοπή είναι κατά κύριο λόγο μια λειτουργία της στιγμιαίας τάσης 51

52 στη συχνότητα του ρεύματος την στιγμή που συμβαίνει η υπερπήδηση λόγω του κεραυνού. Εάν η τάση είναι κοντά σε μηδενική τιμή, είναι πολύ πιθανό η διακοπή να μην προκαλέσει βλάβη. Εάν η ονομαστική τάση κατά μήκος του ξύλινου βραχίονα διατηρηθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η πιθανότητα για την πρόκληση βλάβης μπορεί να μειωθεί κατά πολύ. Αν έχουμε το φαινόμενο των πολλαπλών υπερπηδήσεων, η ικανότητα διακοπής του τόξου είναι πολύ μικρότερη (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.7). Οι περισσότερες γραμμές διανομής θα υποστούν πολλαπλές υπερπηδήσεις από ένα άμεσο πλήγμα. Στις δομές διανομής που εμφανίζουν κατά μήκος του ξύλου, RMS τάση μεγαλύτερη από 10 kv/m ξύλου, η ικανότητα διακοπής του τόξου δεν επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, μια γραμμή διανομής των 13.2 kv με 0.5 m ξύλου μεταξύ του μονωτή της φάσης και του ουδέτερου αγωγού έχει μια βάθμωση τάσης RMS κατά μήκος του ξύλου της τάξης των 132kV/ 3/0.5m = 15.2kV/m. Για αυτά τα επίπεδα της τάσης, εάν επιτυγχάνονται κενά 1 m ξύλου ανάμεσα σε όλους τους αγωγούς φάσης και όλα τα γειωμένα αντικείμενα στον πόλο, τότε η διακοπή μπορεί να γίνει ένας σημαντικός παράγοντας. Αυτό μπορεί ήδη να επιτευχθεί στα κυκλώματα με υψηλά επίπεδα μόνωσης και μακρινές αποστάσεις ξύλου. Στα παραπάνω θεωρούμε ότι όλοι οι κεραυνοί θα δημιουργήσουν σφάλματα. Εικόνα 3.7 Πιθανότητα σχηματισμού τόξου λόγω βραχυκυκλώματος από κεραυνό σε υγρό ξύλινο βραχίονα [13] 52

53 3.6.5 Καταστροφή ξύλου λόγω κεραυνού Οι μακροχρόνιες εμπειρίες από τους τεχνικούς και την συντήρηση υποδεικνύουν ότι η καταστροφή σε πόλους ή σε βραχίονες είναι εξαιρετικά σπάνια. Παρόλα αυτά, σε περιοχές με υψηλά ποσοστά πληγμάτων κεραυνών μπορεί να αποτελεί παράγοντα ανησυχίας υπό ορισμένες συνθήκες. Η πιθανότητα καταστροφής λόγω κεραυνού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, ιδιαίτερα από τα επίπεδα υγρασίας καθώς και την ηλικία του ξύλου. Βλάβες και κατακερματισμός του ξύλου συμβαίνουν μόνο όταν η κατάρρευση είναι στο εσωτερικό τμήμα του τόξου και όχι κατά μήκος της επιφανείας του. Εάν το ξύλο είναι χλωρό, τότε είναι πιο πιθανό να εμφανίσει εσωτερική καταστροφή. Εάν τα ιστορικά δεδομένα αναφέρουν ότι οι καταστροφή του ξύλου είναι πρόβλημα, τότε τα ξύλινα τμήματα πρέπει να προστατεύονται, συνδέοντας τους μονωτήρες. Όμως κάτι τέτοιο οδηγεί σε βραχυκύκλωμα της μόνωσης που προσδίδεται από το ξύλο. Μια καλύτερη λύση θα ήταν να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια επιφανείας τοποθετημένα κοντά στην άκρη του μονωτήρα. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν καλύμματα αγωγών, ταινίες ή άλλες μεταλλικές προεκτάσεις προσαρμοσμένες κοντά στον μονωτήρα στην πιθανή κατεύθυνση του βραχυκυκλώματος. Αυτά οδηγούν σε επιφανειακή βλάβη και όχι σε εσωτερική. Τα προληπτικά μέτρα για την καταστροφή του ξύλου από κεραυνούς μειώνουν επίσης την πιθανότητα για την πρόκληση φωτιάς στην κορυφή των πόλων. Αυτές οι φωτιές είναι αποτέλεσμα της διαρροής του ρεύματος στις συνδέσεις μετάλλων με ξύλο. Οι τοπικοί σύνδεσμοί, ταινίες αγωγών ή καλύμματα, μπορούν να γεφυρώσουν την απόσταση που είναι πολύ πιθανόν να ξεσπάσουν φωτιές, όπως είναι οι ασθενείς μεταλλικές -ξύλινες επαφές. Αυτό είναι προτιμότερο από την ολοκληρωτική σύνδεση των μονωτήρων. 3.7 Προστασία γραμμών διανομής με προστατευτικούς αγωγούς Οι προστατευτικοί αγωγοί, είναι γειωμένοι αγωγοί που τοποθετούνται πάνω από τους αγωγούς φάσης για να διακόπτουν τα πλήγματα των κεραυνών, που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν απευθείας στις φάσεις. Το κρουστικό ρεύμα των κεραυνών εκτρέπεται, μ' αυτόν τον τρόπο προς το έδαφος (διαμέσου ενός γειωμένου στύλου). Για να είναι αποτελεσματικό, ο αγωγός προστασίας γειώνεται σε κάθε στύλο. Τα κρουστικά ρεύματα που δημιουργούνται από κεραυνούς, προκαλούν μια αύξηση του δυναμικού διατρέχοντας την αντίσταση από τον στύλο προς το έδαφος, προκαλώντας μία μεγάλη διαφορά δυναμικού μεταξύ του καθοδικού αγωγού γείωσης και των αγωγών τάσης. Αυτή η διαφορά δυναμικού μπορεί να προκαλέσει ανάστροφα βραχυκυκλώματα κατά μήκος της μόνωσης από τον αγωγό γείωσης προς έναν από τους αγωγούς φάσης. 53

54 Το φαινόμενο του ανάστροφου βραχυκυκλώματος είναι ένας ουσιώδης περιορισμός στην αποτελεσματικότητα των αγωγών προστασίας στις γραμμές διανομής. Οι προστατευτικοί αγωγοί μπορούν να παρέχουν αποτελεσματική προστασία παρά μόνο αν: Χρησιμοποιηθεί καλός σχεδιασμός μόνωσης που να παρέχει την κατάλληλη CFO μεταξύ του καθοδικού αγωγού εδάφους και των αγωγών φάσης. Επιτευχθούν χαμηλές αντιστάσεις γείωσης. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε μια κατασκευή με αγωγό προστασίας χρησιμοποιούμε το Σχήμα της Εικόνας 3.6. Αν προσθέταμε αγωγό προστασίας σε γραμμές διανομής τριών αγωγών θα μειωνόταν ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Αφού ο αγωγός προστασίας είναι γειωμένος, θα καταστείλει τις τάσεις στους αγωγούς φάσης μέσω της χωρητικής σύζευξης. Όσο πιο κοντά βρίσκονται οι αγωγοί φάσης στον αγωγό προστασίας, τόσο καλύτερη θα είναι η σύζευξη, και τόσο μικρότερος θα είναι ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων (παρόλο που αυτό μπορεί να μειώσει το CFO). εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι ακόμα και αν τοποθετήσουμε έναν αγωγό γείωσης κάτω από τους αγωγούς φάσης θα έχουμε σχεδόν το ίδιο αποτέλεσμα με έναν εναέριο αγωγό προστασίας. Σε ένα σύστημα τεσσάρων αγωγών με πολλαπλή γείωση, αν αντικαταστήσουμε τον ουδέτερο αγωγό που βρίσκεται από κάτω με έναν εναέριο προστατευτικό αγωγό, τότε δεν έχουμε μείωση στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης μπορούμε να έχουμε αν χρησιμοποιήσουμε και αγωγό προστασίας και ουδέτερο αγωγό. Το κόστος της εγκατάστασης ενός αγωγού προστασίας σε μια γραμμή διανομής είναι ουσιώδες. Επιπροσθέτως του κόστους των αγωγών, της γείωσης των πόλων, της περαιτέρω μόνωσης, το ύψος των στύλων πρέπει να είναι μεγαλύτερο για να στηρίζει τον αγωγό προστασίας, τόσο ώστε να είναι επαρκής η γωνία προστασίας ανάμεσα στον προστατευτικό αγωγό και τους εξωτερικούς αγωγούς φάσης. Το ύψος τον μεγαλύτερων κατασκευών προσελκύει περισσότερα άμεσα πλήγματα, κάτι που αντισταθμίζει ελάχιστα την μείωση του ποσοστού βραχυκυκλωμάτων που παρέχει η προστασία. Παρά το αυξημένο κόστος και τις δυσκολίες σχεδίασης, οι αγωγοί προστασίας έχουν χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία. 54

55 3.7.1 Γωνία προστασίας Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι όλα τα πλήγματα από κεραυνό καταλήγουν στον προστατευτικό αγωγό και όχι στους αγωγούς φάσης, προτείνεται μια γωνία προστασίας 45 ή λιγότερο (όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.8). Αυτό ισχύει μόνο για γραμμές με ύψος μικρότερο από 15m με αποστάσεις μεταξύ αγωγών μικρότερες από 2m. Ψηλότερες γραμμές απαιτούν μικρότερη γωνία προστασίας. Βλέπε σχετική οδηγία IEEE Std Απαιτήσεις μόνωσης Η αποτελεσματικότητα του αγωγού προστασίας στις γραμμές διανομής εξαρτάται κυρίως από την μόνωση μεταξύ τον καθοδικών αγωγών γείωσης και των αγωγών φάσης. Εάν ο καθοδικός αγωγός γείωσης βρίσκεται σε επαφή με τον στύλο καθ' όλο του το ύψος, είναι δύσκολο να παρασχεθεί επαρκής μόνωση. Σε ξύλινους πυλώνες, είναι συνήθως απαραίτητο να απομονώνουμε τους καθοδικούς αγωγούς γείωσης από τους στύλους στο σημείο άμεσης γειτονίας με τους μονωτήρες των φάσεων και τους βραχίονες. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ράβδους από fiberglass, ή στηρίγματα που τοποθετούνται οριζόντια στον στύλο για να κρατήσουν τον γειωμένο αγωγό cm μακριά από τον στύλο. Η CFO από τον γειωμένο αγωγό προς την κοντινότερη φάση είναι η πιο μικρή τιμή από όλες τις πορείες. Σημαντική μέριμνα θα πρέπει να δοθεί στην μόνωση των επιτόνων προκειμένου να αποκτηθεί η απαραίτητη CFO τιμή. Εικόνα 3.8 Γωνία προστασίας προστατευτικού αγωγού [13] Μία CFO πάνω από kv είναι απαραίτητη για να θεωρηθεί αποτελεσματική η εφαρμογή των προστατευτικών αγωγών. Χρησιμοποιώντας στηρίγματα με γειωμένους πόλους, δεν είναι δύσκολο να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο μόνωσης στις γραμμές διανομής. 55

56 3.7.3 Αποτελεσματικότητα της γείωσης και επίπεδο μόνωσης Η αποτελεσματικότητα του αγωγού προστασίας είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την γείωση. Για να είναι αποτελεσματική μια κατασκευή που φέρει αγωγό προστασίας, οι αντιστάσεις του εδάφους θα πρέπει να είναι μικρότερες των 10Ω εάν η CFO είναι μικρότερη από 200 kv. Εάν δοθεί προσοχή στο επίπεδο μόνωσης και η CFO είναι kv, μία αντίσταση γείωσης 40Ω θα έχει παρόμοια απόδοση. Ο αγωγός προστασίας πρέπει να είναι γειωμένος σε κάθε πόλο για να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το σχήμα 8 δείχνει την συμπεριφορά σε άμεσο πλήγμα και την επίδραση της γείωσης με ένα παράδειγμα προσομοίωσης από υπολογιστή ενός προστατευτικού αγωγού με CFO 175 kv και 350kV. Γραμμές διανομής εγκατεστημένες κάτω από γραμμές μεταφοράς μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευπαθείς σε ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Μεγαλύτερο ύψος κατασκευής και εγκαταστάσεις μεγαλύτερου πλάτους θα προκαλέσουν περισσότερα άμεσα πλήγματα στις κατασκευές. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην διατήρηση υψηλών επιπέδων μόνωσης, προκειμένου να αποφευχθούν υπερβολικά μεγάλα ποσοστά βραχυκυκλωμάτων Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Για να ελαχιστοποιήσουμε τα βραχυκυκλώματα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο και για κάθε φάση, σε συνδυασμό με έναν προστατευτικό αγωγό. Τα αλεξικέραυνα προστατεύουν την μόνωση από ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Ο αγωγός προστασίας διοχετεύει το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος στο έδαφος, έτσι τα αλεξικέραυνα δεν υπόκεινται μεγάλη είσοδο ρεύματος. Τα αλεξικέραυνα καθιστούν τον σχεδιασμό προστατευτικών αγωγών λιγότερο εξαρτημένο από το επίπεδο της μόνωσης και της γείωσης. Εικόνα 3.9 Επίδραση της αντίστασης γείωσης στην απόδοση του προστατευτικού αγωγού (Μήκος ανοίγματος 75m) [13] 56

57 3.8 Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Τα αλεξικέραυνα των γραμμών διανομής χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά στην προστασία του εξοπλισμού όπως είναι οι μετασχηματιστές και οι ρυθμιστές. Τα αλεξικέραυνα λειτουργούν ως υψηλές αντιστάσεις σε συνθήκες κανονικών τάσεων ενώ μετατρέπονται σε χαμηλές αντιστάσεις κατά την διάρκεια κρουστικής τάσης κεραυνού. Το αλεξικέραυνο οδηγεί το κρουστικό αυτό ρεύμα στη γη, ενώ παράλληλα περιορίζει την τάση που εμφανίζεται στον εξοπλισμό στο άθροισμα της τάσης εκφόρτισης του αλεξικέραυνου συν το επαγωγικό ρεύμα στις γραμμές του αλεξικέραυνου και των γειωμένων αγωγών. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία της μόνωσης σε γραμμές διανομής και για την πρόληψη βραχυκυκλωμάτων και διακοπών του κυκλώματος. Διάφοροι τύποι αλεξικέραυνων είναι διαθέσιμοι (π.χ. με διάκενο από καρβίδιο σιλικόνης, απαγωγείς υπερτάσεων με διάκενο ή χωρίς διάκενο από οξείδιο μετάλλου). Από την πλευρά της προστασίας της μόνωσης των γραμμών διανομής, όλα συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο. Κάποιες διαφορές που πιθανόν να υπάρχουν στις χαρακτηριστικές τάσης και ρεύματος μπορεί να προκαλέσουν μόνο μικρή διαφορά στην προστασία της μόνωσης, εφόσον υπάρχει σημαντικό περιθώριο. Για την επιλογή του κατάλληλου αλεξικέραυνου μπορούμε να ανατρέξουμε στο IEEE Std C ή στις οδηγίες του κατασκευαστή. Για την προστασία του εξοπλισμού (και ιδιαίτερα μη-γειωμένων γραμμών), είναι συνήθως απαραίτητο να επιλέγουμε αλεξικέραυνο με το χαμηλότερο δυνατό επίπεδο προστασίας. Ωστόσο, για την προστασία της μόνωσης των γραμμών, κάτι τέτοιο δεν είναι απαραίτητο γιατί το επίπεδο προστασίας του αλεξικέραυνου είναι γενικά χαμηλότερο από αυτό της μόνωσης της γραμμής. Όταν εφαρμόζονται αλεξικέραυνα για προστασία, το ποσοστό αποτυχίας των προστιθέμενων αλεξικέραυνων θα πρέπει να ληφθεί υπ' όψη σε σχέση με την βελτίωση της γραμμής που εξασφαλίζεται από την προσθήκη των αλεξικέραυνων. 57

58 3.8.1 Μήκος αγωγών σύνδεσης αλεξικέραυνων Οι αγωγοί αλεξικέραυνων, που συνδέουν την γραμμή διανομής με τα τερματικά σημεία της γείωσης των αλεξικέραυνων στην κατασκευή, περιέχουν ένα μικρό ποσοστό εσωτερικής επαγωγής. Αυτή η επαγωγή μπορεί να προκαλέσει πτώσεις τάσης L(di/dt) κατά μήκος του αγωγού που άγει το κρουστικό ρεύμα του κεραυνού. Κάθε πτώση τάσης κατά μήκος του αγωγού του αλεξικέραυνου προστίθεται στην τάση εκφόρτισης του αλεξικέραυνου. Έτσι αυξάνεται η τάση που εμφανίζεται στα άκρα των συσκευών που προστατεύονται από το αλεξικέραυνο. Το αποτέλεσμα που έχει το μήκος της γραμμής οδήγησης δεν είναι τόσο σημαντικό στη προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής όσο είναι στη προστασία του εξοπλισμού. Γενικά, το περιθώριο για εναέριους εξοπλισμούς είναι αρκετά μεγάλο. Επίσης, η στάθμη της μόνωσης των γραμμών είναι γενικά μεγαλύτερη από αυτή της βασικής στάθμης μόνωσης BIL. Βέβαια, είναι καλό να διατηρούνται οι γραμμές διανομής με αλεξικέραυνο και οι γειωμένοι αγωγοί όσο το δυνατόν πιο κοντοί και ευθείς. Στο IEEE Std C αναφέρονται περισσότερες πληροφορίες για τις θέσεις τοποθέτησης των αλεξικέραυνων Βραχυκυκλώματα από έμμεσα πλήγματα Τα αλεξικέραυνα μπορούν να μειώσουν κατά πολύ το ποσοστό των επαγόμενων τάσεων από γειτονικά πλήγματα κεραυνών. Στην Εικόνα 3.10 φαίνονται τα αποτελέσματα για επίπεδο μόνωσης των 150 kv ενός κυκλώματος χωρίς γείωση. Αξίζει να σημειωθεί ότι ακόμη και αραιή χρήση αλεξικέραυνων μπορεί να μειώσει σημαντικά τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από τις επαγόμενες τάσεις (τοποθέτηση αλεξικέραυνων ανά 8 στύλους αποδίδουν τουλάχιστον 25% μείωση στα σφάλματα). Σε πολλά κυκλώματα διανομής με πολλούς μετασχηματιστές, τα αλεξικέραυνα που χρησιμοποιούνται για την προστασία των ίδιων των μετασχηματιστών, παρέχουν σημαντική προστασία έναντι επαγόμενων τάσεων. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να προβούν ακόμα πιο αποτελεσματικά στην μείωση των βραχυκυκλωμάτων, εάν χρησιμοποιηθούν για την προστασία των στύλων με μικρά επίπεδα μόνωσης. Αυτά οι «αδύναμοι κρίκοι» του συστήματος μπορεί να είναι διακόπτες, τερματικοί στύλοι ή στύλοι διασταυρώσεων. Η τοποθέτηση αλεξικέραυνων σε αυτούς τους στύλους μπορεί να είναι περισσότερο συμφέρουσα από οικονομική άποψη από τη βελτίωση του επιπέδου μόνωσης της γραμμής. 58

59 Εικόνα 3.10 Αποστάσεις αλεξικέραυνων για βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση (CFO=150kV, h=10m, Ng=1 κεραυνός/km 2 /έτος, μήκος ανοίγματος=75) [13] Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα Η προστασία έναντι άμεσων πληγμάτων κεραυνών είναι δύσκολη υπόθεση λόγω των υψηλών κρουστικών ρευμάτων, των απότομων κλίσεων μετώπου και του μεγάλου ενεργειακού περιεχομένου των κεραυνών. Θεωρητικά, τα αλεξικέραυνα προστατεύουν επαρκώς έναντι άμεσων πληγμάτων, αλλά πρέπει να τοποθετούνται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους (ουσιαστικά σε κάθε στύλο). Το Σχήμα στην εικόνα 3.11 δείχνει υπολογισμούς των διαστημάτων των αλεξικέραυνων για την προστασία ενάντια σε άμεσα πλήγματα. Η ανάλυση στο σχήμα 11 υποθέτει ότι ο ουδέτερος αγωγός είναι γειωμένος σε κάθε στύλο. Ο υψηλός αριθμός βραχυκυκλωμάτων μπορεί να είναι παραπλανητικός σύμφωνα με το σχήμα 11, όπου ο ουδέτερος αγωγός δεν είναι γειωμένος, με εξαίρεση τους στύλους όπου τα αλεξικέραυνα εφαρμόζονται σε όλες τις φάσεις και το επίπεδο μόνωσης από το ουδέτερο γειωμένο αγωγό είναι υψηλό. 59

60 Εικόνα 3.11 Απόσταση αλεξικέραυνων για προστασία από άμεσα πλήγματα (Μήκος ανοίγματος 75m) [13] Προστασία αλεξικέραυνου άνω φάσης Εάν ο αγωγός της άνω φάσης έχει τοποθετηθεί έτσι ώστε να παρεμποδίζει τα πλήγματα των κεραυνών, τα αλεξικέραυνα μπορούν να εφαρμοστούν στην άνω φάση, κάτι που τα κάνει να λειτουργούν ως αγωγοί προστασίας. Κατά το πλήγμα, το αλεξικέραυνο άνω φάσης θα κατευθύνει το κρουστικό ρεύμα στο έδαφος. Το κύκλωμα θεωρείται προστατευμένο αν η αντίσταση γείωσης είναι αρκετά μικρή και η μόνωση των απροστάτευτων φάσεων είναι αρκετά μεγάλη. Όπως σε ένα αγωγό προστασίας, θα πρέπει να δοθεί προσοχή για την διατήρηση υψηλού επιπέδου μόνωσης στις απροστάτευτες φάσεις. Οι καμπύλες ενός αγωγού προστασίας (Εικόνα 3.9) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της αποτελεσματικότητας της σχεδίασης αλεξικέραυνου στην άνω φάση. Τα αλεξικέραυνα θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε σχεδόν κάθε στύλο ή πύργο, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη προστασία Ικανότητα αλεξικέραυνου σε άμεσο πλήγμα Σε εφαρμογές με συνήθη έκθεση σε κεραυνούς (π.χ. ανοιχτή γραμμή διανομής, χωρίς αγωγό προστασίας), τα αλεξικέραυνα που ανήκουν στις κατηγορίες διανομής και αυτά των μεταλλικών οξειδίων μπορούν να υποστούν περιστασιακές βλάβες λόγω των άμεσων 60

61 πληγμάτων. Ένα σημαντικό ποσοστό άμεσων πληγμάτων κεραυνών μπορούν να αναγκάσουν τα αλεξικέραυνα να απορροφήσουν ενέργεια πέρα από την ικανότητα που έχει ορίσει ο κατασκευαστής και το 4/10 μs κρουστικό κύμα δοκιμής. Αυτό μετριάζεται από το γεγονός ότι τα αλεξικέραυνα έχουν επιδείξει αρκετά μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας από ότι είναι δημοσιευμένο. Άλλος ένας μηχανισμός αποτυχίας στο σχεδιασμό αλεξικέραυνων από οξείδια του μετάλλου είναι τα περιστατικά βραχυκυκλώματα γύρω από τα εμπόδια, όταν τα αλεξικέραυνα υπόκεινται σε πολλαπλά πλήγματα. Τα επιφανειακά βραχυκυκλώματα λόγω πολλαπλών πληγμάτων είναι λιγότερο πιθανά για αλεξικέραυνα χωρίς διάκενα, όπως αυτά με περίβλημα από πολυμερή. 61

62 3.9 Υπόδειγμα χρήσης οδηγού Υπόδειγμα 1 ο - Σχέδιο ξύλινου πυλώνα 15kV Μία εταιρία πραγματοποιεί αναθεώρηση του σχεδιασμού της για γραμμή διανομής με τρεις αγωγούς, τάξης 15kV (Σχήμα 4.11). Η γραμμή βρίσκεται σε μία περιοχή με μέτρια πρόκληση κεραυνών, με κεραυνικό επίπεδο 40 ημερών με θύελλες και κεραυνούς ανά χρόνο. Οι μονωτήρες είναι ANSI-class 55-4, μονωτήρες με πορσελάνινη κορυφή. Υποθέστε ότι οι βραχίονες είναι αγώγιμοι και χρησιμοποιούνται μονωτικές κορυφές από ατσάλι. Τα επίτονα έχουν μονωτήρες με πορσελάνη (ANSI-class 54-4). Το σταθερό μέγεθος στύλου είναι 12.2m με βάθος στερέωσης στη γη 2m. Σκοπός είναι να υπολογιστεί το επίπεδο συμπεριφοράς έναντι κεραυνού με βάση αυτό το σχέδιο και να διερευνηθούν οι βελτιώσεις. Εικόνα 3.12 Σχέδιο ξύλινου βραχίονα τάξης 15kV [13] 62

63 Επίπεδο μόνωσης: Το CFO για διάφορες πιθανές πορείες βραχυκυκλωμάτων παρουσιάζεται στον Πίνακα 3.5. Άμεσα πλήγματα: Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από το κεραυνικό επίπεδο ως εξής: N g = 0.04(40) 1.25 = 4 κεραυνοί / km 2 / έτος Το ύψος του αγωγού είναι 10.2 μέτρα με πλάτος κατασκευής 2.24 μέτρα. από την εξίσωση (3.6), ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος είναι: Ν = 4[28(10.2) ]/10=46 κεραυνοί / 100km / έτος Πίνακας 3.5 Υπολογισμός CFO για πιθανές πορείες βραχυκυκλώματος για μελέτη πυλώνα 15kV Υποθέτοντας έναν προστατευτικό παράγοντα 0.75, και ότι όλα τα άμεσα πλήγματα θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα, ο εκτιμώμενος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από άμεσο πλήγμα θα είναι: Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα= 11.5 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Επαγόμενα βραχυκυκλώματα: Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται στην ύπαιθρο μπορεί να υπολογιστεί από το Σχήμα 4.5, χρησιμοποιώντας την μικρότερη CFO πορεία των 152kV και πολλαπλασιάζοντας με το GFD: Επαγόμενα βραχυκυκλώματα(ύπαιθρος) = (4)2κεραυνοί/100km/έτος = 8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος 63

64 Επειδή το μεγαλύτερο μέρος της γραμμής διανομής είναι προστατευμένο (οριοθετείται από ψηλές κατασκευές, π.χ. Sf= 0.75), μεγαλύτερα σε μέγεθος πλήγματα μπορούν να καταλήξουν κοντά στην γραμμή, χωρίς να χτυπήσουν απευθείας στην γραμμή διανομής. Αυτό θα προκαλέσει περισσότερα επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων λόγω τάσης θα πρέπει να βρίσκεται μεταξύ του αριθμού των έμμεσων πληγμάτων στην ύπαιθρο (8 κεραυνοί/100km/έτος σε αυτήν την περίπτωση) και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων στην ύπαιθρο (46 κεραυνοί/100km/έτος σε αυτήν την περίπτωση). Ως μια εκτίμηση, θα υποθέσουμε ότι τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση είναι δύο φορές τα βραχυκυκλώματα στην ύπαιθρο. Προκληθέντα βραχυκυκλώματα = 16 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Όλα τα βραχυκυκλώματα θεωρούνται ότι προκαλούν βλάβες. Συνολικές βλάβες = άμεσες + επαγόμενων τάσεων=27.5 σφάλματα/100km/έτος Εκδοχές βελτίωσης προς εξέταση: Έχει αποφασιστεί να εξεταστούν οι αλλαγές που είναι σχετικά οικονομικές και εύκολες στην εφαρμογή. Οι αλλαγές στην μόνωση για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων από τάση είναι η κύρια εκδοχή προς εξέταση, με στόχο 300 kv CFO. Χρήση 50 cm από μονωτήρες τύπου αλυσίδας από fiberglass. Αυτό θα αυξήσει την CFO από την μεσαία φάση στο επίτονο σε 310 kv [0.5m μονωτήρας από fiberglass τύπου αλυσίδας (250 kv) + μονωτήρας ( kv= 47 kv) m ξύλινου στύλου (0.2 m. 65 kv/m= 13 kv)]. Αυτό ουσιαστικά ελαχιστοποιεί τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση. Χρήση ξύλινων βραχιόνων. Αυτό προσθέτει μια σημαντική ποσότητα ξύλου στην πορεία του βραχυκυκλώματος από την μεσαία φάση στο επίτονο. Η CFO σε αυτή την πορεία θα ήταν περίπου 255 kv [μονωτήρας (105 kv) + ξύλινος βραχίονας (0.52 m. 250 kv/m= 130 kv) + ξύλινος στύλος (0.3 m. 65kV/ m= 20kV)]. Αυτό μειώνει τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε λιγότερο από 0.8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος. Άλλα σχέδια κατασκευών, όπως τερματικός στύλος, γωνία και διασταύρωση, μπορούν να εξετασθούν. Οι επιλογές βελτίωσης μπορούν τότε να συγκριθούν από άποψη κόστους με τα υπάρχοντα σχέδια και κατά την αξιόπιστη βελτίωση της επισκευής και της ποιότητας ισχύος. 64

65 3.9.2 Υπόδειγμα 2 ο - Γραμμή διανομής 35kV με αγωγό προστασίας Μία εταιρία σκέφτεται να χρησιμοποιήσει ένα σχέδιο προστατευμένης γραμμής διανομής για το δίκτυο τεσσάρων αγωγών 35kV. Η γραμμή θα τοποθετηθεί σε περιοχή με συντελεστή σκίασης 0.5, που προκύπτει από τα γειτονικά αντικείμενα και κεραυνικό επίπεδο 60 μέρες καταιγίδας ανά έτος. Το σχέδιο ορίζει γωνία προστασίας 24ο. Οι μονωτήρες των φάσεων είναι ANSI-class 55-5, με πορσελάνινα άκρα. Η γραμμή διανομής στηρίζεται σε ξύλινους πυλώνες ύψους 15.24m, κάθε πυλώνας είναι γειωμένος με μια αντίσταση γείωσης 10Ω ή λιγότερο. Εικόνα 3.13 Κατασκευή ξύλινου πυλώνα 35kV με αγωγό προστασίας [13] 65

66 Από τους υπολογισμούς της CFO του Πίνακα 3.6 είναι προφανές ότι χρειάζονται στηρίγματα γείωσης-αγωγού από fiberglass. Ο αγωγός γείωσης έχει μία απόσταση 0.46m από τον στύλο, και είναι προσαρτημένος στον στύλο 0.49m κάτω από τον χαμηλότερό αγωγό. Χωρίς τα στήριγμα τα η τιμή της CFO θα ήταν 180kV, πράγμα που θα οδηγούσε σε επαγόμενες υπερτάσεις βραχυκυκλωμάτων. Παρόλο που το χαμηλότερο CFO μονοπάτι είναι 261kV, τα κρισιμότερα μονοπάτια είναι τα βραχυκυκλωμένα μονοπάτια φάσης-γης, λόγω της υπέρτασης από πλήγμα στον αγωγό προστασίας και κατά συνέπεια των επαγόμενων τάσεων προκαλούνται καταπονήσεις στους αγωγούς φάσης. Το χαμηλότερο μονοπάτι βραχυκυκλώματος φάσης-γης είναι 325kV από την φάση C στην γη. Πίνακας 3.6 CFO προστατευτικού αγωγού 35kV [13] Άμεσα πλήγματα: Η τιμή του GFD υπολογίζεται από το κεραυνικό επίπεδο ως εξής: Ng = 0.04(60) 1.25 = 6.68 κεραυνοί / km 2 / έτος Το ύψος του αγωγού προστασίας είναι 1.13m το πλάτος του αγωγού της φάσης είναι 1.22 m. Από την εξίσωση 3.6 ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοικτό έδαφος είναι: Ν = 6.68[(28* )/10] = 87.7 κεραυνοί/ 100km / έτος 66

67 Τα εκτιμώμενα πλήγματα με χρήση του συντελεστή σκίασης 0.5 είναι: Άμεσα πλήγματα στην γραμμή διανομής = 43,8 κεραυνοί/100km/έτος Επειδή η γραμμή γειώνεται σε κάθε στύλο και η γωνία προστασίας είναι μικρότερη των 45 o, όλοι οι κεραυνοί υποθέτουμε ότι χτυπούν τον αγωγό προστασίας. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων μπορεί να υπολογιστεί από το Σχήμα 3.9 με μία αντίσταση γείωσης 10Ω χρησιμοποιώντας την καμπύλη για 350kV CFO. Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα = (43.8 κεραυνοί/ 100km/ έτος)*(4% ποσοστό βραχυκυκλωμάτων) = 1.8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Επαγόμενα βραχυκυκλώματα: Με CFO στα 325kV, η διάταξη μπορούμε να παραδεχτούμε ότι είναι απρόσβλητη σε επαγόμενα βραχυκυκλώματα (είναι εκτός καμπύλης στο Σχήμα 3.6). Επομένως ο συνολικός αριθμός των βραχυκυκλωμάτων οφείλεται σε άμεσα πλήγματα και όλα τα βραχυκυκλώματα υποθέτουμε ότι προκαλούν σφάλματα άρα: Συνολικές βλάβες = άμεσα = 1.8 σφάλμάτα / 100 km / έτος Εκδοχές βελτίωσης προς εξέταση: Ο σχεδιασμός που υποδεικνύεται στην Εικόνα 3.13 διαθέτει άριστη αντικεραυνική συμπεριφορά. Μία ανησυχία είναι ο στόχος των 10Ω στην αντίσταση γείωσης που μπορεί να είναι δύσκολος να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Το Σχήμα 3.9 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της υποβάθμισης της αντικεραυνικής συμπεριφοράς λόγω της αντίστασης γείωσης. Για παράδειγμα με μια αντίσταση της τάξης των 50Ω, η αναλογία των βραχυκυκλωμάτων θα αυξηθεί στο 35% των άμεσων πληγμάτων (15 σφάλματα/ 100 km/ έτος). Μια επιλογή βελτίωσης θα ήταν η χρήση fiberglass βραχιόνων μόνωσης αντί των μεταλλικών. Αυτό θα αύξανε σημαντικά την CFO φάσης προς φάση και φάσης προς γη. Κατά την σύγκριση αυτής της διάταξης με την απροστάτευτη, η αύξηση του κόστους της κατασκευής πρέπει να συγκριθεί με την μείωση του κόστους αποκατάστασης των βλαβών. 67

68 Κεφάλαιο 4: Το δίκτυο της Κύπρου 4.1 Ο ηλεκτρισμός στην Κύπρο Ο ηλεκτρισμός στην Κύπρο, έχει μια ιστορία πέραν των 100 χρόνων. Πρωτοεμφανίστηκε στις αρχές του 20ου αιώνα και συγκεκριμένα το 1903, με την εγκατάσταση από την τότε αποικιακή Αγγλική Κυβέρνηση μιας ηλεκτρογεννήτριας για τις ανάγκες του Αρμοστίου στη Λευκωσία. Μια δεύτερη ηλεκτρογεννήτρια εγκαταστάθηκε μετά από λίγο καιρό στο Γενικό Νοσοκομείο Λευκωσίας. Το αγαθό όμως του ηλεκτρισμού, οι Κύπριοι άρχισαν να το απολαμβάνουν από το 1912, όταν δηλαδή άρχισε η παραγωγή και η δημόσια διάθεση του. Πρωτοπόρα πόλη στον τομέα αυτό ήταν η Λεμεσός, στην οποία ιδρύθηκε εταιρεία ηλεκτρισμού και εγκαθιδρύθηκε μηχανοστάσιο με ηλεκτρογεννήτριες. Τον αμέσως επόμενο χρόνο, ιδρύθηκε η Ηλεκτρική Εταιρεία Λευκωσίας. Όπως ήταν φυσικό, τη Λεμεσό και τη Λευκωσία, ακολούθησαν αρκετά χρόνια αργότερα (από το 1922 και μετά) και άλλες πόλεις. Συγκεκριμένα, το 1922 δημιουργήθηκαν Δημοτικές Ηλεκτρικές Επιχειρήσεις στις πόλεις Αμμοχώστου, Λάρνακας και Πάφου, ενώ στην Κερύνεια, το Δημαρχείο προχώρησε στη δημιουργία Ηλεκτρικής Εταιρείας το Σταδιακά απέκτησαν τις δικές τους ηλεκτρικές εταιρείες και διάφορα αγροτικά κέντρα όπως η Μόρφου, οι Πλάτρες, ο Πεδουλάς, το Παραλίμνι, τα Λεύκαρα, ο Ξερός, η Λεύκα, το Λευκόνοικο κ.α. Μέχρι το 1952 που ιδρύθηκε η Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου, η διάδοση του ηλεκτρισμού στην Κύπρο συνεχιζόταν με πολύ αργό ρυθμό, ενώ ο εξηλεκτρισμός της υπαίθρου ήταν ουσιαστικά ανύπαρκτος. Τα μηχανοστάσια των Ηλεκτρικών Επιχειρήσεων βρίσκονταν σε κεντρικό σημείο της πόλης ή του χωριού, ο δε θόρυβος από τη λειτουργία τους ήταν μια ατέλειωτη οχληρία για τους περίοικους. Οι ηλεκτρογεννήτριες των περισσοτέρων ηλεκτρικών επιχειρήσεων ήταν μεταχειρισμένες και τα προβλήματα λειτουργίας τους πολλά. Οι καιρικές συνθήκες δε, επηρέαζαν πολύ τη λειτουργία των μηχανών αυτών. Τα ηλεκτρικά δίκτυα Διανομής, εκτός του ότι αυτά ήταν σε κακά χάλια, ήταν και ανεπαρκή για την κάλυψη όλων των αναγκών των καταναλωτών. Για ν αντιληφθούμε καλύτερα σε τι κατάσταση βρισκόταν το δίκτυο Διανομής, αξίζει ν αναφερθεί πως υπήρχαν περιπτώσεις που τους ηλεκτρικούς πασσάλους αποτελούσαν τα γνωστά βολίτζια από κυπριακό πεύκο, ενώ σε μερικές περιπτώσεις οι πάσσαλοι ήταν καμωμένοι από μπετόν. 68

69 Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η πιο πάνω κατάσταση δεν μπορούσε να συνεχιστεί για πάντα, γιατί πέραν του γεγονότος ότι αυτός ο τρόπος παραγωγής και διανομής του ηλεκτρισμού ήταν αντιοικονομικός, δεν επέτρεπε και τη γρήγορη εξάπλωση του, στοιχείο απαραίτητο για την ανάπτυξη και την πρόοδο του τόπου γενικά. Ριζική και μόνιμη λύση στο πρόβλημα, θα έδινε η εγκαθίδρυση ενός κεντρικού οργανισμού εξηλεκτρισμού για την κάλυψη των αναγκών ολόκληρης της Κύπρου. Μετά το τέλος του Β Παγκοσμίου Πολέμου, τέθηκε στην Αγγλία το ζήτημα της υπαγωγής της ηλεκτροπαραγωγού βιομηχανίας υπό πλήρη Δημόσιο έλεγχο. Όπως ήταν φυσικό, οι τότε αποφάσεις που αφορούσαν την Αγγλία επηρέαζαν και την Κύπρο. Έτσι, από το 1944 άρχισε να μελετάται το ενδεχόμενο της παροχής ηλεκτρισμού επί παγκύπριας κλίμακας, από ένα ή δύο ηλεκτροπαραγωγούς σταθμούς. Έτσι κλήθηκαν στην Κύπρο ειδικοί εμπειρογνώμονες οι οποίοι ετοίμασαν μελέτη και το 1946, την υπέβαλαν στην Κυβέρνηση. Στη συνέχεια το 1947, ο τότε Κυβερνήτης της Κύπρου, διόρισε πενταμελή Ομάδα Εργασίας με εντολή να προχωρήσει στην υλοποίηση της πρότασης των εμπειρογνωμόνων για εγκαθίδρυση ηλεκτροπαραγωγού σταθμού. Η Ομάδα αυτή, εργάστηκε εντατικά, ώστε να γίνει κατορθωτό ν αρχίσουν εργασίες για την κατασκευή ηλεκτροπαραγωγού σταθμού στις 20 Μαρτίου 1950, στη Δεκέλεια που ήταν ο τόπος που επιλέχτηκε από την Ομάδα Εργασίας. Η πρώτη φάση του σταθμού, που αποπερατώθηκε με χρηματοδότηση της Κυβέρνησης, τέθηκε σε λειτουργία στις 2 Φεβρουαρίου Οι υπόλοιπες φάσεις του σταθμού συμπληρώθηκαν σταδιακά για να φτάσει στην ολική δυναμικότητα των 84 ΜW. Εικόνα 4.1 Ο ηλεκτροπαραγωγικός σταθμός της Δεκέλειας [15] 69

70 Ο σταθμός αυτός, καθώς και οι άλλοι που αποπερατώθηκαν στη συνέχεια λειτουργούν με το μαζούτ ως καύσιμο, το οποίο η ΑΗΚ εξασφαλίζει με εισαγωγή από το εξωτερικό. Όπως ήταν φανερό, με την λειτουργία του πρώτου ηλεκτροπαραγωγού σταθμού, θα έπρεπε να ιδρυθεί και ο οργανισμός που θα είχε την ευθύνη για την παραγωγή, μεταφορά και διανομή του ηλεκτρισμού. Έτσι, με βάση τον Περί Αναπτύξεως Ηλεκτρισμού Νόμο, ιδρύθηκε στις 30 Οκτωβρίου 1952 η Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (ΑΗΚ). Σύμφωνα με το νόμο αυτό η ΑΗΚ είχε το δικαίωμα να απαλλοτριώσει τις υπάρχουσες ηλεκτρικές εταιρείες. Στα δύο πρώτα χρόνια της ίδρυσης της, η ΑΗΚ προχώρησε στην απαλλοτρίωση των ηλεκτρικών επιχειρήσεων όλων των πόλεων της Κύπρου, για ν αρχίσει έτσι η μεγάλη προσπάθεια εξηλεκτρισμού του νησιού. Με τη λειτουργία του σταθμού Δεκέλειας, είχαν κατασκευαστεί και οι βασικές γραμμές μεταφοράς που θα ένωναν τον σταθμό με τις κυριότερες πόλεις. Έτσι, κατασκευάστηκαν οι γραμμές Δεκέλειας-Λευκωσίας, Δεκέλειας-Λάρνακας, Λάρνακας- Λεμεσού. Απ εδώ και πέρα, η ανάπτυξη της ΑΗΚ και φυσικά ο εξηλεκτρισμός της Κύπρου προχώρησε με γοργά βήματα, βήματα που έγιναν άλματα μετά την ανακήρυξη της Κυπριακής Δημοκρατίας το Χαρακτηριστικά, αναφέρουμε πως το 1952, απολάμβαναν το αγαθό του ηλεκτρισμού 20 περίπου χιλιάδες καταναλωτές. Ένα χρόνο μετά την ίδρυση της ΑΗΚ οι καταναλωτές αυξήθηκαν στις 38 περίπου χιλιάδες, ενώ μέχρι την ανακήρυξη της Κυπριακής Δημοκρατίας, το 1960, είχαμε 80 περίπου χιλιάδες καταναλωτές. Μετά την ανακήρυξη της Κυπριακής Δημοκρατίας το 1960, ο ρυθμός εξηλεκτρισμού της Κύπρου ήταν πραγματικά εντυπωσιακός. Έτσι από 80 περίπου χιλιάδες πελάτες που υπήρχαν το 1960, το 1966 ανέβηκαν στις , το 1973 στις , το 1982 στις , το 1988 στις , το 1998 στις πελάτες, το 2004 στις , τo 2006 στις το 2008 στις και το 2012 ξεπέρασαν τις Με όλο αυτό τον οργασμό που παρατηρήθηκε σε όλους τους τομείς της Κυπριακής οικονομίας (βιομηχανικό, εμπορικό, αγροτικό) πολύ σύντομα ο ένας και μοναδικός ηλεκτροπαραγωγός σταθμός δεν αρκούσε. Οι αυξημένες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια υπαγόρευαν την εγκαθίδρυση και νέου ηλεκτροπαραγωγού σταθμού. Έτσι, αφού επιλέγηκε χώρος στην παραλία κοντά στο χωριό Μονή, η ΑΗΚ προχώρησε στην κατασκευή και δεύτερου σταθμού, η πρώτη φάση του οποίου συμπληρώθηκε το 1966 και μέχρι το 1976, όταν το έργο αποπερατώθηκε είχε ισχύ 180MW. Το 2008 στον Η / Σ Μονής λειτουργούσαν έξι μονάδες πετρελαίου/ ατμού των 30 ΜW και τέσσερις αεροστρόβιλοι των 37,5 ΜW με συνολική ισχύ 70

71 330 ΜW. Από την 1η Ιουλίου 2013, και ύστερα από σχετική έγκριση της ΡΑΕΚ, οι συμβατικές ατμοηλεκτρικές μονάδες παραγωγής του Η/Σ Μονής απενεργοποιήθηκαν Εικόνα 4.2 Ο ηλεκτροπαραγωγικός σταθμός της Μονής [15] Μετά την ανάκαμψη από τα τραγικά γεγονότα του 1974, η ανάπτυξη σ όλους τους τομείς της Κυπριακής οικονομίας ήταν αλματώδης. Πολύ γρήγορα, διαφάνηκε η ανάγκη για την εγκαθίδρυση και τρίτου ηλεκτροπαραγωγού σταθμού που θα αντικαθιστούσε τον παλιό και αντιοικονομικό πια πρώτο σταθμό της Δεκέλειας. Ως τοποθεσία για την ανέγερση του νέου αυτού σταθμού καθορίστηκε και πάλι η Δεκέλεια. Έτσι δίπλα στον παλιό σταθμό, άρχισαν το Φεβρουάριο του 1980, οι εργασίες για την ανέγερση του Ηλεκτροπαραγωγού Σταθμού Δεκέλεια Β. Η πρώτη μονάδα του σταθμού, δυναμικότητας 60 ΜW αποπερατώθηκε και τέθηκε σε λειτουργία το Επιπρόσθετες μονάδες τέθηκαν σε λειτουργία το 1983, 1989, 1992 και 1993 για να φτάσει η ολική δυναμικότητα του σταθμού τώρα στα 360 ΜW. Μετά την αποπεράτωση του ηλεκτροπαραγωγού Σταθμού Δεκέλεια Β, ο ηλεκτροπαραγωγός σταθμός «Δεκέλεια Α» ο οποίος λειτούργησε για πάνω από 30 χρόνια (συνήθης διάρκεια τέτοιων Ηλεκτροπαραγωγών Σταθμών) απενεργοποιήθηκε τον Ιούνιο του 2002 και ακολούθως κατεδαφίστηκε. 71

72 Το 1997 άρχισαν εργασίες για την ανέγερση ενός νέου ηλεκτροπαραγωγού σταθμού στην περιοχή Βασιλικού. Η πρώτη φάση του Ηλεκτροπαραγωγού Σταθμού λειτούργησε το 2000 και περιλάμβανε ένα αεριοστρόβιλο των 38ΜW και δύο Ατμοστρόβιλους των 130ΜW ο καθένας. Κατά το τέλος του 2010 ο Η/Σ Βασιλικού είχε εγκατεστημένη ισχύ 648 MW (τρείς Ατμοστρόβιλοι προς 130 MW ο καθένας, μία Μονάδα Συνδυασμένου Κύκλου 220 MW και ένα Αεριοστρόβιλο 38 MW). Εικόνα 4.3 Ο ηλεκτροπαραγωγικός σταθμός του Βασιλικού [15] 72

73 4.2 Εγκαταστάσεις παραγωγής, μεταφοράς και διανομής Η Κύπρος δεν διαθέτει πρωτογενείς πηγές ενέργειας, για αυτό η Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (ΑΗΚ) βασίζεται για την παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας αποκλειστικά σε εισαγόμενα καύσιμα, κυρίως μαζούτ. Επί του παρόντος, η ΑΗΚ διαθέτει τρεις Ηλεκτροπαραγωγούς Σταθμούς, με συνολική εγκαταστημένη ισχύ 1478 MW όπως φαίνεται στον πίνακα πιο κάτω: Σταθμός Βασιλικού Σταθμός Δεκέλειας 3 x 130 MW Ατμοηλεκτρικές Μονάδες 390 MW 1 x 38 MW Αεριοστρόβιλος 38 MW 2 x 220 Μονάδες Συνδυασμένου Κύκλου 440 MW 6 x 60 MW Ατμοηλεκτρικές Μονάδες 2 x 50 MW Μηχανές Εσωτερικής Καύσης 360 MW 100 MW Σταθμός Μονής 4 x 37,5 MW Αεριοστρόβιλοι 150 MW Συνολική Εγκατεστημένη Ισχύς 1478 MW Πίνακας 4.1 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας της ΑΗΚ [15] 73

74 74

75 Πίνακας 4.2 Εγκαταστάσεις παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας της ΑΗΚ [16] 75

76 Εικόνα 4.4 Σύστημα παραγωγής και μεταφοράς Χάρτης Κύπρου [16] 76

77 Το δίκτυο της ΑΗΚ διαθέτει : Δίκτυο χαμηλής τάσης (Χ.Τ.) 415V Δίκτυο μέση τάσης (Μ.Τ.) 11 και 22 kv Δίκτυο υψηλής τάσης (Υ.Τ.) 66 και 132kV ενώ όπως φαίνεται και από τα στοιχεία πιο πάνω, η Κύπρος δεν διαθέτει δίκτυο υπερυψηλής τάσης (Υ.Υ.Τ.). Παρακάτω παρουσιάζονται οι βασικοί τύποι πυλώνων που χρησιμοποιούνται κατά κανόνα στο δίκτυο μέσης τάσης (Μ.Τ.) της ΑΗΚ πού είναι και με αυτή που καταπιάνεται η εν λόγω εργασία. 4.5.α [15] 4.5.β [15] 77

78 4.5.γ [15] 4.5.δ [15] 4.5.ε [προσωπική φωτογραφία] 78

79 4.5.στ [προσωπική φωτογραφία] 4.5.ζ [προσωπική φωτογραφία] 4.5.η [προσωπική φωτογραφία] 4.5.θ [προσωπική φωτογραφία] Εικόνες 4.5 Πυλώνες μεταφοράς Μέσης Τάσης 11kV 79

80 4.3 Το κλίμα της Κύπρου Η Κύπρος βρίσκεται κατά μέσο όρο σε βόρειο γεωγραφικό πλάτος 35 ο και ανατολικό γεωγραφικό μήκος 33 ο και περιβάλλεται από την ανατολική Μεσόγειο θάλασσα. Στην επίδραση της θάλασσας αυτής οφείλει η Κύπρος το κλίμα της. Τα κύρια χαρακτηριστικά του μεσογειακού κλίματος της Κύπρου είναι το ζεστό και ξηρό καλοκαίρι από τα μέσα του Μάη μέχρι τα μέσα του Σεπτέμβρη, ο βροχερός αλλά ήπιος χειμώνας από τα μέσα του Νοέμβρη μέχρι τα μέσα του Μάρτη και οι δύο ενδιάμεσες μεταβατικές εποχές, το φθινόπωρο και η Άνοιξη. Στη διάρκεια του καλοκαιριού η Κύπρος βρίσκεται κάτω από την επίδραση του εποχιακού βαρομετρικού χαμηλού. Αποτέλεσμα της επίδρασης αυτής είναι οι ψηλές θερμοκρασίες και ο καθαρός ουρανός. Η βροχόπτωση είναι πολύ χαμηλή με μέση τιμή το 5% της μέσης ολικής βροχόπτωσης του χρόνου ολόκληρου. Στη διάρκεια του χειμώνα η Κύπρος επηρεάζεται από το συχνό πέρασμα μικρών υφέσεων και μετώπων που κινούνται στη Μεσόγειο με κατεύθυνση από τα δυτικά προς τα ανατολικά. Οι καιρικές αυτές διαταραχές διαρκούν συνήθως από μια μέχρι τρεις μέρες κάθε φορά και δίνουν τις μεγαλύτερες ποσότητες βροχής. Η συνολική μέση βροχόπτωση στους μήνες Δεκέμβρη, Γενάρη και Φλεβάρη αντιστοιχεί περίπου με το 60% της βροχόπτωσης του χρόνου ολόκληρου. Βροχόπτωση: Η μέση βροχόπτωση πάνω από ολόκληρη την Κύπρο για τον χρόνο ως σύνολο είναι περίπου 480 χιλιοστόμετρα. Από τα στοιχεία που υπάρχουν η πιο χαμηλή βροχόπτωση ήταν 182 χιλιοστόμετρα και η ψηλότερη 751 χιλιοστόμετρα. Η πιο έντονη περίοδος βροχόπτωσης είναι από το Νοέμβριο μέχρι το Μάρτιο. Την άνοιξη και το φθινόπωρο οι βροχές είναι κυρίως τοπικές ενώ η βροχόπτωση κατά την καλοκαιρινή περίοδο είναι πολύ χαμηλή. Χιονόπτωση συμβαίνει σπάνια στις πεδινές περιοχές και στην οροσειρά του Πενταδακτύλου, συμβαίνει όμως συχνά την χειμερινή περίοδο σε περιοχές της οροσειράς του Τροόδους με υψόμετρο πάνω από χίλια μέτρα. Θερμοκρασία Αέρα: Η Κύπρος έχει ζεστό καλοκαίρι και ήπιο χειμώνα, όμως η γενική αυτή κατάσταση διαφοροποιείται από τόπο σε τόπο από δύο παράγοντες, (α) το ανάγλυφο που ελαττώνει τη θερμοκρασία κατά 5 βαθμούς Κελσίου περίπου κάθε 1,000 μέτρα ύψος και (β) την επίδραση της θάλασσας που έχει σαν αποτέλεσμα πιο δροσερό καλοκαίρι και σχετικά πιο ήπιο χειμώνα στις παράλιες περιοχές. Τον Ιούλη και Αύγουστο οι μέσες ημερήσιες θερμοκρασίες κυμαίνονται μεταξύ 29 βαθμών στην κεντρική πεδιάδα και 22 βαθμών στις ψηλότερες κορυφές του Τροόδους, ενώ οι μέσες μέγιστες θερμοκρασίες στους μήνες αυτούς είναι 36 και 27 βαθμοί αντίστοιχα. Το Γενάρη οι μέσες ημερήσιες θερμοκρασίες είναι 10 80

81 βαθμοί στην κεντρική πεδιάδα και 3 βαθμοί στις ψηλότερες κορυφές του Τροόδους, με μέσες ελάχιστες θερμοκρασίες 5 και 0 βαθμούς αντίστοιχα. Παγετός συμβαίνει συχνά το χειμώνα και την άνοιξη. Υγρασία: Το υψόμετρο και η απόσταση από την παραλία παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των τιμών της σχετικής υγρασίας του αέρα, που σε μεγάλο βαθμό είναι ενδεικτικές των διαφορών στη θερμοκρασία του αέρα από περιοχή σε περιοχή. Στη διάρκεια της μέρας κατά το χειμώνα και σε όλες τις νύχτες του χρόνου η σχετική υγρασία κυμαίνεται κυρίως μεταξύ 65% και 95%. Τα μεσημέρια του καλοκαιριού η σχετική υγρασία κατεβαίνει πολύ χαμηλά. Στην κεντρική πεδιάδα είναι γύρω στο 30% και κάποτε κατεβαίνει μέχρι και 15%. Άνεμοι: Οι γενικοί άνεμοι είναι κυρίως ελαφροί ως μέτριοι δυτικοί ή νοτιοδυτικοί το χειμώνα και βόρειοι ή βορειοδυτικοί το καλοκαίρι. Οι πολύ ισχυροί άνεμοι είναι σπάνιοι. Αναφορικά με την ταχύτητα οι άνεμοι στην περιοχή της Κύπρου είναι κυρίως ελαφροί ως μέτριοι. Οι ισχυροί άνεμοι με ταχύτητα 24 κόμβων και πάνω είναι μικρής διάρκειας και συμβαίνουν σε περιπτώσεις μεγάλης κακοκαιρίας. Οι πολύ ισχυροί άνεμοι (ταχύτητα ανέμου 34 κόμβοι και πάνω) είναι σπάνιοι και συμβαίνουν κυρίως στις προσήνεμες περιοχές όταν επηρεάζουν την Κύπρο συστήματα με πολύ χαμηλές πιέσεις. Πολύ σπάνια επίσης συμβαίνουν ανεμοστρόβιλοι πάνω από θάλασσα ή πάνω από ξηρά με διάμετρο περίπου 100 μέτρα. Χαλάζι και καταιγίδες: Χαλάζι πέφτει κατά μέσο όρο 2 ως 3 φορές το χρόνο στις πεδινές περιοχές και μέχρι 10 φορές το χρόνο στις ορεινές περιοχές, συνήθως μεταξύ Νοέμβρη και Μάη. Η πιο πιθανή περίοδος για να συμβεί σοβαρή χαλαζόπτωση είναι από το Δεκέμβρη μέχρι τον Απρίλη, το χαλάζι όμως που πέφτει νωρίς το καλοκαίρι και το φθινόπωρο είναι πιο επικίνδυνο γιατί προκαλεί σοβαρές ζημιές. Οι καταιγίδες είναι σπάνιες από τον Ιούνη μέχρι το Σεπτέμβρη, συμβαίνουν όμως κατά μέσο όρο σε 4 μέχρι 5 μέρες σε κάθε μήνα από τον Οκτώβρη μέχρι το Γενάρη και σε 2 μέχρι 3 μέρες σε κάθε μήνα από το Φλεβάρη μέχρι το Μάη. Μήνες Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβρης Νοέμβρης Δεκέμβρης Ιανουάριος Ημέρες καταιγίδας 2 έως 3 0 έως 1 4 έως 5 81

82 Κεφάλαιο 5: Παρουσίαση σφαλμάτων στο δίκτυο της ΑΗΚ Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει μία παρουσίαση των σφαλμάτων που παρουσιάστηκαν στο δίκτυο της ΑΗΚ. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω την Αρχή Ηλεκτρισμού και το προσωπικό της, για την ευγενή παραχώρηση των στοιχείων αυτών καθώς και όλων των άλλων πληροφοριών αναφορικά με το δίκτυο που χρειάστηκαν. Το αρχείο σφαλμάτων που θα μελετήσουμε αφορά τις επαρχίες Λάρνακας και ελεύθερης περιοχής Αμμοχώστου και καλύπτει μία περίοδο 7 χρόνων, από 01/01/2004 έως 30/11/2010. Στις περιοχές λοιπόν Λάρνακας και Αμμοχώστου παρουσιάστηκαν συνολικά 4349 σφάλματα όπως φαίνεται και στον πιο κάτω πίνακα. Οι αιτίες των σφαλμάτων θα παρουσιαστούν αναλυτικότερα στη συνέχεια. ΕΤΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΑ Grand Total 4349 Πίνακας 5.1 Σφάλματα ανά έτος Γράφημα 5.1 Σφάλματα ανά έτος

83 Παρατηρούμε ότι η ΑΗΚ έρχεται αντιμέτωπη με ένα σχετικά σταθερό αριθμό σφαλμάτων κάθε χρόνο, ο οποίος ανέρχεται στα 500 με 700. Για να έχουμε μία πιο σωστή εικόνα αναφορικά με τα είδη και τις αιτίες των σφαλμάτων γίνεται κατηγοριοποίηση βάσει των αιτίων που τα προκάλεσαν, όπως φαίνεται και πιο κάτω. ΑΙΤΙΑ ΣΥΝΟΛΟ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΓΝΩΣΤΗ 1176 ΑΛΛΕΣ ΑΙΤΙΕΣ 30 ΑΝΕΜΟΙ 238 ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ 37 ΑΝΙΣΟΖΥΓΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 35 ΒΛΑΒΗ ΣΤΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΖΕΥΞΗΣ 11 ΔΕΝΤΡΑ 342 ΔΙΑΡΡΟΗ SF6 1 ΔΙΑΡΡΟΗ ΛΑΔΙΟΥ 1 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΟΥ 7 ΕΙΣΟΔΟΣ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑΚΕΣ ΕΓΚΑΤ. 1 ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΑΗΚ 10 ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΞΕΝΟΣ 204 ΚΕΡΑΥΝΟΣ 629 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΛΑΒΗ ΑΣΦΑΛΕΙΩΝ 40 ΞΕΝΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ 180 ΟΧΗΜΑ - ΔΥΣΤΥΧΗΜΑ 528 ΠΟΝΤΙΚΟΙ/ΕΡΠΕΤΑ 6 ΠΟΥΛΙΑ 30 ΠΥΡΚΑΓΙΑ 25 ΤΟΥΡΚΟΚΡΑΤΟΥΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ 15 ΥΓΡΑΣΙΑ 35 ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ 195 ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ 377 ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΠΑΣΣΑΛΟΥ 17 ΧΑΛΑΡΗ ΕΠΑΦΗ/ΚΑΒΑΛΕΤΤΟ 159 ΧΑΡΤΑΕΤΟΙ 20 Grand Total 4349 Πίνακας 5.2 Αριθμός σφαλμάτων ανά αιτία 83

84 Γράφημα 5.2 Ποσοστό σφαλμάτων ανά αιτία 0% 4% 0% 0% 9% ΑΓΝΩΣΤΗ 1% 1% 4% 0% 1% 0% 27% ΑΛΛΕΣ ΑΙΤΙΕΣ ΑΝΕΜΟΙ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΑΝΙΣΟΖΥΓΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΒΛΑΒΗ ΣΤΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΖΕΥΞΗΣ ΔΕΝΤΡΑ ΔΙΑΡΡΟΗ SF6 ΔΙΑΡΡΟΗ ΛΑΔΙΟΥ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΟΥ ΕΙΣΟΔΟΣ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑΚΕΣ ΕΓΚΑΤ. 12% ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΑΗΚ 1% ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΞΕΝΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΣ 5% ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΛΑΒΗ ΑΣΦΑΛΕΙΩΝ ΞΕΝΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΟΧΗΜΑ - ΔΥΣΤΥΧΗΜΑ 4% 1% 8% 1% 1% 0% ΠΟΝΤΙΚΟΙ/ΕΡΠΕΤΑ ΠΟΥΛΙΑ ΠΥΡΚΑΓΙΑ ΤΟΥΡΚΟΚΡΑΤΟΥΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΥΓΡΑΣΙΑ 14% 5% 0% 0% 0% 0% 0% ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΠΑΣΣΑΛΟΥ ΧΑΛΑΡΗ ΕΠΑΦΗ/ΚΑΒΑΛΕΤΤΟ ΧΑΡΤΑΕΤΟΙ 84

85 Όπως φαίνεται ξεκάθαρα και από το πιο πάνω γράφημα, τα σφάλματα που είναι πιθανόν να προκύψουν σε ένα δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας οφείλονται σε διάφορους λόγους, πολλοί από τους οποίους είναι απρόβλεπτοι και πολύ δύσκολο για την ΑΗΚ να τα περιορίσει. Για παράδειγμα το μεγαλύτερο ποσοστό σφαλμάτων με 27% είναι άγνωστης αιτίας ενώ ένα άλλο αρκετά σημαντικό ποσοστό με 12% προήλθε από Οχήματα/Δυστυχήματα. Αιτίες που είναι μη αναμενόμενες, απρόβλεπτες, εντελώς τυχαίες ή συμπτωματικές. Όμως παρατηρούμε ότι η 2 η μεγαλύτερη αιτία σφαλμάτων με ποσοστό 14% είναι τα πλήγματα από κεραυνούς. Ποσοστό που αντιστοιχεί σε 629 σφάλματα. Ακολουθεί η υποχώρηση μόνωσης με 9%. Αυτά είναι σφάλματα τα οποία προέρχονται από αιτίες που θα μπορούσαν να αποφευχθούν είτε να μειωθούν στον ελάχιστο δυνατό βαθμό με τη σωστή λήψη προληπτικών μέτρων και μεθόδων ασφαλείας και προστασίας του δικτύου. Για να έχουμε μία καλύτερη εικόνα για τις αιτίες που προκαλούν τα σφάλματα στο δίκτυο, περιορίσαμε τις κατηγορίες σε 4 βασικές. Η κατηγοριοποίηση έγινε με την λογική μιας γενικότερης αιτίας που προκάλεσε το κάθε σφάλμα όπως για παράδειγμά τα φυσικά αίτια στα οποία εμπίπτουν αιτίες όπως τα πλήγματα από κεραυνούς, οι άνεμοι, η υγρασία κτλ. Οι άλλες κατηγορίες είναι ο ανθρώπινος παράγοντας (Εργολάβοι, Οχήματα-Δυστυχήματα), οι μηχανικές βλάβες (Υποχώρηση μόνωσης, υποχώρηση πασσάλου, Μηχανική βλάβη ασφαλειών) και Αλλά (Άγνωστες αιτίες). ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΛΛΑ 1221 ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ 979 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΒΛΑΒΕΣ 842 ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ 1307 Grand Total 4349 Πίνακας 5.3 Κατηγορίες Αιτιών 85

86 Γράφημα 5.3 Ποσοστό - Κατηγορίες Αιτιών 30% 28% ΑΛΛΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΒΛΑΒΕΣ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ 19% 23% Βλέπουμε ότι τα φυσικά αίτια κατέχουν την 1 η θέση σε ότι αφορά την πρόκληση σφαλμάτων στο δίκτυο για την υπό εξέταση περίοδο. Εάν απομονώσουμε τα φυσικά αίτια, στα οποία εμπίπτουν και οι κεραυνοί, παρατηρούμε ότι ένα μεγάλο ποσοστό των σφαλμάτων από φυσικά αίτια οφείλεται στα κρούσματα κεραυνών. Γράφημα 5.4 Ανάλυση φυσικών αιτιών 2% 1% 2% 3% 18% ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΑΝΕΜΟΙ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΔΕΝΤΡΑ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΣ 48% 26% ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΕΙΣΟΔΟΣ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑΚΕΣ ΕΓΚΑΤ. ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΠΟΝΤΙΚΟΙ/ΕΡΠΕΤΑ 0% 0% ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ ΠΟΥΛΙΑ 86

87 Μπορούμε έτσι να βγάλουμε ένα ασφαλές συμπέρασμα, πως τα πλήγματα από κεραυνούς είναι μία από τις σημαντικότερες αιτίες σφαλμάτων στα εναέρια δίκτυα διανομής της Ηλεκτρικής Ενέργειας Στον πιο κάτω πίνακα ασχολούμαστε καθαρά με τα πλήγματα των κεραυνών και βλέπουμε τον αριθμό αυτών ανά έτος στην περίοδο που εξετάζουμε ΕΤΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΥΝΟΛΟ 629 Πίνακας 5.4 Σφάλματα από κεραυνούς ανά έτος Γράφημα 5.5 Σφάλματα από κεραυνούς ανά έτος

88 Ο πίνακας και το γράφημα μας βοηθούν να κάνουμε μια σημαντική διαπίστωση. Ο αριθμός των πληγμάτων από κεραυνούς δεν είναι σταθερός χρόνο με το χρόνο, αλλά αντίθετα παρουσιάζει σημαντικές αυξομειώσεις. Συγκεκριμένα, το 2010 είχαμε μόλις 10 σφάλματα που οφείλονταν σε κεραυνό ενώ το 2006 είχαμε πάνω από πενταπλάσια, δηλαδή 162. Αυτό μας επιτρέπει να διαπιστώσουμε ότι ο αριθμός των σφαλμάτων στο δίκτυο δεν μπορεί να εξαρτάται μόνο από το δίκτυο το ίδιο αλλά και από άλλους παράγοντες, όπως είναι κυρίως οι επικρατούσες καιρικές συνθήκες την δεδομένη χρονική περίοδο. Επίσης ένα άλλο σημείο που χρήζει αναφοράς και μπορεί να εξηγεί μερικώς την σημαντική αυτή αυξομείωση, είναι και τα σφάλματα τα οποία οφείλονται σε άγνωστες αιτίες. Πιθανότατα κάποια από αυτά να είναι κεραυνικά πλήγματα τα οποία δεν εξακριβώθηκαν και έτσι δεν μπορούν να συμπεριληφθούν στη στατιστική μας ανάλυση. Αν συγκρίνουμε το σύνολο των σφαλμάτων από πλήγματα κεραυνού στο δίκτυο Μ.Τ. με τα αντίστοιχα των δικτύων Υ.Τ. και Χ.Τ. τότε παρατηρούμε ότι το δίκτυο Μ.Τ. δέχεται πολύ μεγαλύτερο αριθμό πληγμάτων σε σχέση με τα αλλά δύο δίκτυα. ΤΑΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Χ.Τ. (415 V) 22 M.T. (11 kv) 604 Y.T. (132/66 kv) 3 ΣΥΝΟΛΟ 629 Πίνακας 5.5 Σφάλματα κεραυνού ανά δίκτυο Γράφημα 5.5 Σφάλματα κεραυνού ανά δίκτυο Χ.Τ. (415 V) M.T. (11 kv) Y.T. (132/66 kv) 88

89 Μία εξήγηση για το γεγονός πως το δίκτυο Μ.Τ. έχει τα περισσότερα σφάλματα από κεραυνούς μπορεί να είναι η σημασία που δίνεται στην προστασία του δικτύου Υ.Τ. έναντι των πληγμάτων κεραυνού σε σχέση με τις γραμμές διανομής των δικτύων Μέσης και Χαμηλής Τάσης. Ένας επιπρόσθετος παράγοντας μπορεί να είναι το μήκος της διαδρομής των εναέριων γραμμών του κάθε δικτύου αφού όσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή από γραμμές, τόσο μεγαλύτερη και η πιθανότητα ενός πλήγματος από κεραυνό. Χαρακτηριστικά ενώ οι εναέριες γραμμές μεταφοράς 132kVέχουν συνολικό μήκος διαδρομής περίπου 400km οι αντίστοιχες γραμμές Μέσης Τάσης έχουν μήκος διαδρομής περίπου 5600 km (Κεφάλαιο 4, πίνακας 4.2). Το δίκτυο Μ.Τ. παρουσιάζει τα περισσότερα σφάλματα από πλήγματα κεραυνούς. Αν αναλογιστούμε ότι οι υπερτάσεις που δημιουργούνται από τέτοια πλήγματα είναι αισθητά μεγαλύτερες από την ονομαστική τάση του δικτύου και τη στάθμη μόνωσης του τότε το γεγονός αυτό δεν πρέπει να μας ξενίζει. Το πιο πάνω ισχύει φυσικά και για το δίκτυο Χ.Τ. Το μικρό πλήθος σφαλμάτων όμως πολύ πιθανόν να οφείλεται στο γεγονός ότι ένα δίκτυο Χ.Τ. δεν είναι τόσο εκτεθειμένο σε πλήγματα από κεραυνούς αφού τόσο το μικρό ύψος των πυλώνων, η ξύλινη κατασκευή τους και η υπογειοποίηση των γραμμών μειώνουν το κίνδυνο έναντι τέτοιων πληγμάτων. Γενικά τα σφάλματα από πλήγματα κεραυνών που θα παρουσιαστούν σε ένα δίκτυο δεν εξαρτώνται από ένα και μόνο αποκλειστικά παράγοντα, όπως για παράδειγμα το μέγεθός της τάσης, οι καιρικές συνθήκες, το μήκος της γραμμής, οι μέθοδοι προστασίας και άλλα, και ούτε μπορούμε να εξάγουμε μια ασφαλή σχέση μεταξύ των παραγόντων αυτών και του πλήθους των σφαλμάτων που θα παρουσιαστούν στο δίκτυο. 89

90 Ανάλυση σφαλμάτων στο δίκτυο Μέσης Τάσης (11kV) Σε αυτό το σημείο θα ασχοληθούμε συγκεκριμένα με το δίκτυο των 11kV και θα δούμε με τον ίδιο τρόπο όπως και πριν τις σημαντικότερες αιτίες που προκαλούν σφάλματα στο δίκτυο αυτό. ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΛΛΑ 259 ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ 207 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΒΛΑΒΕΣ 416 ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ 721 Grand Total 1603 Πίνακας 5.6 Σφάλματα ανά κατηγορία στα 11kV Γράφημα 5.6 Σφάλματα ανά κατηγορία στα 11kV % % % ΑΛΛΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΒΛΑΒΕΣ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ % 90

91 Αρχικά βλέπουμε πως για την περίοδο που μελετούμε το δίκτυο Μέσης Τάσης είχε 1603 σφάλματα. Σημαντικότερα αίτια ήταν τα φυσικά με 721 σφάλματα (45%), στη συνέχεια οι μηχανικές βλάβες (26%) και τέλος τα άλλα αίτια και ο ανθρώπινος παράγοντας με 16% και 13% αντίστοιχα Ας δούμε όμως αναλυτικότερα όλες τις αιτίες που προκάλεσαν σφάλματα στο δίκτυο. ΤΑΣΗ: 11kV ΑΙΤΙΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΓΝΩΣΤΗ 234 ΑΛΛΕΣ ΑΙΤΙΕΣ 13 ΑΝΕΜΟΙ 45 ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ 14 ΒΛΑΒΗ ΣΤΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΖΕΥΞΗΣ 9 ΔΕΝΤΡΑ 36 ΔΙΑΡΡΟΗ SF6 1 ΔΙΑΡΡΟΗ ΛΑΔΙΟΥ 1 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΟΥ 3 ΕΙΣΟΔΟΣ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑΚΕΣ ΕΓΚΑΤ. 1 ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΑΗΚ 5 ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΞΕΝΟΣ 52 ΚΕΡΑΥΝΟΣ 604 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΛΑΒΗ ΑΣΦΑΛΕΙΩΝ 31 ΞΕΝΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ 30 ΟΧΗΜΑ - ΔΥΣΤΥΧΗΜΑ 98 ΠΟΝΤΙΚΟΙ/ΕΡΠΕΤΑ 5 ΠΟΥΛΙΑ 8 ΠΥΡΚΑΓΙΑ 18 ΤΟΥΡΚΟΚΡΑΤΟΥΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ 12 ΥΓΡΑΣΙΑ 3 ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ 13 ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ 313 ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΠΑΣΣΑΛΟΥ 13 ΧΑΛΑΡΗ ΕΠΑΦΗ/ΚΑΒΑΛΕΤΤΟ 33 ΧΑΡΤΑΕΤΟΙ 8 Grand Total 1603 Πίνακας 5.7 Αριθμός σφαλμάτων ανά αιτία στα 11k 91

92 Γράφημα 5.7 Ποσοστό σφαλμάτων ανά αιτία στα 11k 1% 0% 2% 15% ΑΓΝΩΣΤΗ 20% 1% ΑΛΛΕΣ ΑΙΤΙΕΣ ΑΝΕΜΟΙ 0% 1% 3% 1% 2% 1% 0% 0% 0% 0% ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΒΛΑΒΗ ΣΤΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΖΕΥΞΗΣ ΔΕΝΤΡΑ ΔΙΑΡΡΟΗ SF6 ΔΙΑΡΡΟΗ ΛΑΔΙΟΥ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΟΥ 1% 0% 1% 0% 3% 0% ΕΙΣΟΔΟΣ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑΚΕΣ ΕΓΚΑΤ. ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΑΗΚ ΕΡΓΟΛΑΒΟΣ ΞΕΝΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΣ 6% ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΛΑΒΗ ΑΣΦΑΛΕΙΩΝ ΞΕΝΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΟΧΗΜΑ - ΔΥΣΤΥΧΗΜΑ 2% 2% ΠΟΝΤΙΚΟΙ/ΕΡΠΕΤΑ ΠΟΥΛΙΑ ΠΥΡΚΑΓΙΑ ΤΟΥΡΚΟΚΡΑΤΟΥΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΥΓΡΑΣΙΑ 38% ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ ΥΠΟΧΩΡΗΣΗ ΠΑΣΣΑΛΟΥ ΧΑΛΑΡΗ ΕΠΑΦΗ/ΚΑΒΑΛΕΤΤΟ ΧΑΡΤΑΕΤΟΙ 92

93 Είναι φανερό, τόσο από τον πίνακα 5.7, όσο και από το γράφημα 5.7 πως σημαντικότερη αιτία πρόκλησης σφαλμάτων στο δίκτυο Μέσης Τάσης της ΑΗΚ είναι τα πλήγματα από κεραυνό. Το δίκτυο έχει κατά μέσο όρο 86,3 σφάλματα προερχόμενα από κεραυνό το χρόνο. Συνολικά 604 σφάλματα με ποσοστό 38%. Στη συνέχεια είναι η υποχώρηση μόνωσης με 313 σφάλματα (20%) ενώ τρίτη είναι τα άγνωστα/αδιευκρίνιστα αίτια με 234 σφάλματα (15%). ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΣΤΑ 11kV ΣΥΝΟΛΟ 604 Πίνακας 5.8 Σφάλματα από κεραυνούς ανά έτος στα 11kV Γράφημα 5.8 Σφάλματα από κεραυνούς ανά έτος στα 11kV ΣΦΑΛΜΑΤΑ

94 Κεφάλαιο 6: Θεωρητικοί Υπολογισμοί - Συγκρίσεις 6.1 Εισαγωγή Στο Κεφάλαιο αυτό θα γίνει η μελέτη και ο υπολογισμός των σφαλμάτων από κεραυνούς στο δίκτυο Μέσης Τάσης στις επαρχίες Λάρνακας και ελεύθερης Αμμοχώστου, κατά την περίοδο Εικόνα 6.1 Οι υπό μελέτη επαρχίες (Μπλε - Λάρνακα, Πράσινο - Αμμόχωστος) [18] Η επαρχία Λάρνακας είναι μια από τις έξι επαρχίες της Κύπρου. Ένα μικρό της μέρος βρίσκεται στα κατεχόμενα, ένα άλλο μέρος στο Ηνωμένο Βασίλειο, ενώ η υπόλοιπη βρίσκεται στο ελεύθερο τμήμα του νησιού. Συνορεύει βορειοδυτικά με την Επαρχία Λευκωσίας, βόρεια με την Επαρχία Αμμοχώστου και δυτικά με την Επαρχία Λεμεσού. Πρωτεύουσα της επαρχίας είναι η Λάρνακα. Η επαρχία Λάρνακας αποτελεί την πέμπτη σε μέγεθος (με συνολική έκταση 1129 τετραγωνικά χιλιόμετρα.) επαρχία της Κύπρου. Οι δήμοι της επαρχίας Λάρνακας είναι οι: Δήμος Λάρνακας Δήμος Αραδίππου 94

95 Δήμος Αθηένου Δήμος Λευκάρων Δήμος Λειβαδιών Δήμος Δρομολαξιάς-Μενεού Η επαρχία Αμμόχωστου είναι μια από τις 6 επαρχίες της Κύπρου. Συνορεύει βορειοδυτικά με την Επαρχία Κερύνειας, δυτικά με την Επαρχία Λευκωσίας και νοτιοδυτικά με την επαρχία Λάρνακας. Πρωτεύουσα της επαρχίας είναι η Αμμόχωστος. Το μεγαλύτερο τμήμα της επαρχίας βρίσκεται στο κατεχόμενο από τους Τούρκους τμήμα του νησιού. Η συνολική έκταση της επαρχίας είναι 1979 τετραγωνικά χιλιόμετρα. Οι δήμοι της επαρχίας Αμμόχωστου είναι οι: Δήμος Αμμοχώστου ** Δήμος Παραλιμνίου Δήμος Αγίας Νάπας Δήμος Δερύνειας Δήμος Λευκόνοικου ** Δήμος Ακανθούς ** Δήμος Λύσης ** Δήμος Σωτήρας ** Από το 1974 βρίσκονται υπό Τουρκική κατοχή. 6.2 Μεθοδολογία Ο υπολογισμός του ολικού αριθμού σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές διανομής γίνεται αν αθροίσουμε τον αριθμό τριών επιμέρους τύπων σφαλμάτων. Αυτά είναι ο αριθμός βραχυκυκλωμάτων από άμεσα πλήγματα κεραυνών στη γραμμή, ο αριθμός βραχυκυκλωμάτων λόγω επαγωγής τάσης από πλήγματα σε παραπλήσια αντικείμενα και τα σφάλματα από ζημιά του προστατευτικού εξοπλισμού. Η μεθοδολογία ακολουθεί τα εξής βήματα: 1ο Βήμα: Εκτίμηση της πυκνότητας των κεραυνών στην περιοχή που εξετάζουμε (Ng). Η πυκνότητα κεραυνών στη γη μπορεί να εκτιμηθεί από τα δεδομένα του ισοκεραυνικού χάρτη. Για την Κύπρο όμως δεν υπάρχει αντίστοιχος χάρτης, γι αυτό θα αρκεστούμε στα δεδομένα που συλλέξαμε από την Μετεωρολογική Υπηρεσία Κύπρου. 95

96 2ο Βήμα: Εκτίμηση των πληγμάτων των κεραυνών σε απροστάτευτη γραμμή (N), αυτό εξαρτάται από τον τύπο του στύλου και της γραμμής και γίνεται με βάση τον τύπο: 3ο Βήμα: Υπολογισμός του Sf συντελεστή θωράκισης της γραμμής από γειτονικά αντικείμενα με βάση το παρακάτω γράφημα. Γειτονικά δέντρα, ψηλά αντικείμενα ή και άλλες γραμμές ελαττώνουν ουσιαστικά τον αριθμό των πληγμάτων σε μία γραμμή. 4ο Βήμα: Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων Ns που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών στη γραμμή. 5ο Βήμα: Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων Ni που οφείλονται σε έμμεσα πλήγματα στη γραμμή. Δηλαδή προσδιορισμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. O αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων υπολογίζεται από το σχήμα 4.5 και θεωρώντας το μικρότερο CFO path. Αυτό προκύπτει από τους πίνακες που δίνουν την τυπική αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνών. 96

97 Βρίσκουμε τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος, δηλαδή για απροστάτευτη γραμμή. Έπειτα ανάγουμε αυτήν την τιμή στις συνθήκες της εκάστοτε περιοχής, πολλαπλασιάζοντας την με το GFD της περιοχής μελέτης. Σύμφωνα με την οδηγία της IEEE για να υπολογίσουμε τον αριθμό των έμμεσων βραχυκυκλωμάτων σε προστατευμένη γραμμή θεωρούμε ότι ο αριθμός αυτός βρίσκεται κάπου μεταξύ του αριθμού των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος. 6o Βήμα: Εκτίμηση της τάξης σφαλμάτων Νp που οφείλεται στην μη καλή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων. 7o Βήμα: Εκτίμηση του Ν tot (overall outage rate). O Ν tot για μια γραμμή προκύπτει εάν προσθέσουμε όλα τα επιμέρους που υπολογίσαμε στα προηγούμενα βήματα, δηλαδή το Ns, το Ni και το Np: Στη συνέχεια, το Ν1 που υπολογίσαμε πιο πάνω είναι ανά 100km. Επομένως για να υπολογίσουμε το συνολικό Ν tot αναγάγουμε το Ν1 στο μήκος της γραμμής την οποία μελετούμε. 97

98 6.3 Υλοποίηση Υπολογισμών 1 ο Βήμα: Υπολογισμός Πυκνότητας Κεραυνών (Ng) Η πυκνότητα κεραυνών σε μία περιοχή υπολογίζεται αν γνωρίζουμε το κεραυνικό της επίπεδο, δηλαδή των αριθμό των ημερών καταιγίδας ανά χρόνο(td). Για την Κύπρο ο αριθμός αυτός, σύμφωνα με τα δεδομένα της μετεωρολογικής υπηρεσίας είναι 30 μέρες. Επομένως: Ng = 0,04. Td 1,25 Ng = 0, ,25 Ng = 2, 8 2 ο Βήμα: Εκτίμηση πληγμάτων σε απροστάτευτη γραμμή h: Το ύψος του στύλου b: Το πλάτος του στύλου N = Ng ( 28. h0,6 + b ) 10 N = 2,8 ( ,6 + 2,5 ) 10 N = 35, 5 3 ο Βήμα: Εκτίμηση συντελεστή σκίασης Σύμφωνα με την μορφολογία του εδάφους όπως αυτή φαίνεται χρησιμοποιώντας το Google Earth θεωρούμε ένα συντελεστή σκίασης Sf=0,8 4 ο Βήμα: Υπολογισμός Ns Sf left = Sf right = 0,4 Ns = N (1 (Sf left + Sf right )) = 35,5(1 (0,4 + 0,4) = 35,5. (1 0,2) Ns = 7, 1 5 ο Βήμα: Υπολογισμός των έμμεσων πληγμάτων Η μέση τάση στο δίκτυο της ΑΗΚ είναι 11kV. Ο στύλος είναι ξύλινος με ύψος 12 μέτρα, πλάτος κατασκευής 2,5 μέτρα και οι μονωτήρες είναι από πορσελάνη. Σύμφωνα με αυτά τα δεδομένα 98

99 και σύμφωνα με τον πίνακα της οδηγίας που υπολογίζει το CFO path (σελ 23), η τυπική αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνών είναι τα 150 kv Όπως φαίνεται από το σχεδιάγραμμα, για CFO 150kV τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα ανά 100 χιλιόμετρα, ανά χρόνο είναι: 2 Κάνοντας αναγωγή στο GFD της υπό μελέτη περιοχής έχουμε: Ng. (επαγόμενα βραχυκυκλώματα) = Ng. 2 = 5, 6 Βεβαίως όταν μια γραμμή προστατεύεται, τότε δέχεται λιγότερα άμεσα πλήγματα κεραυνών. Το κέρδος όμως της λειτουργίας των διαφόρων δομών προστασίας αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι οι κατασκευές αυτές (ψηλά κτίρια, δέντρα) προσελκύουν και περισσότερα 99

100 κεραυνικά πλήγματα κοντά στη γραμμή διανομής με αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Για να καταλήξουμε στον τελικό αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων θεωρούμε μια προσαύξηση της τάξης του 80% στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοικτό έδαφος. Όπως είναι κατανοητό μεγάλος συντελεστής προστασίας ή θωράκισης συνεπάγεται και μεγάλο αριθμό επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων στη γραμμή διανομής. Σύμφωνα με την οδηγία της IEEE ο συνολικός αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων για μια γραμμή αναμένεται να είναι μεταξύ του αριθμού των άμεσων πληγμάτων σε ανοικτό έδαφος και του αριθμού των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοικτό έδαφος. Άρα προκύπτει: Ni = 5,6 + 5,6.0,8 Ni = 10, 08 6 ο Βήμα: Υπολογισμός σφαλμάτων λόγω κακής λειτουργίας των προστατευτικών διατάξεων Κάνοντας την παραδοχή ότι δεν υπάρχουν σφάλματα λόγω κακής λειτουργιάς των προστατευτικών διατάξεων στη γραμμή τότε θεωρούμε: 7 ο Βήμα: Υπολογισμός συνολικών Np = 0 Έχοντας υπολογίσει στα προηγούμενα βήματα τα Ns (4 ο βήμα), Ni (5 ο βήμα) και Np (6 ο βήμα) τότε μπορούμε να υπολογίσουμε το συνολικό αριθμό σφαλμάτων στη γραμμή, ανά 100 χιλιόμετρα και ανά έτος. Ν συνολικό = Νs + Ni + Np = 7,1 + 10, N συνολικό = 17, 18 Για να υπολογίσουμε τα συνολικά σφάλματα στη γραμμή την οποία μελετούμε χρειαζόμαστε το συνολικό μήκος της, το οποίο είναι 1599,901 χιλιόμετρα. Επομένως: Ν total = 1599,901 17, N total = 273 βραχυκυκλώματα/100km/έτος 100

101 ΣΥΝΟΨΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Td [ημέρες καταιγίδας/έτος] 30 Ng [κεραυνοί/km 2 /έτος] 2,8 h[m] 12 b[m] 2,5 Άμεσα πλήγματα N 35,5 Sf left 0,4 Sf right 0,4 Ns [βραχυκ/100km/έτος] 7,1 Επαγόμενα 2 Επαγόμενα Αναγωγή στο GFD 5,6 Ni [βραχυκ/100km/έτος] 10,08 Λοιπά Np [βραχυκ/100km/έτος] 0 Συνολικά N συνολικό [βραχυκ/100km/έτος] 17,18 Συνολικό μήκος [km] 1599,901 Συνολικά βραχυκυκλώματα με Ν αναγωγή στο μήκος της γραμμής total [βραχυκ/100km/έτος] Σύγκριση πραγματικών θεωρητικών σφαλμάτων ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΣΤΑ 11kV ΣΥΝΟΛΟ 604 ΜΕΣΟΣ ΟΡΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΝΑ ΕΤΟΣ 86,28 101

102 Σύγκριση πραγματικών-θεωρητικών σφαλμάτων Πραγματικά Θεωρητικά Διαφορά Διαφορά (%) Σύνολο Μέσος Όρος Σύγκριση θεωρητικών-πραγματικών σφαλμάτων Πραγματικά Θεωρητικά Παρατηρούμε ότι τα πραγματικά σφάλματα από κεραυνούς που έχουν καταγραφεί είναι πολύ λίγα συγκριτικά με τα θεωρητικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν είμαστε σε θέση να ξέρουμε πότε ένα σφάλμα προκαλείτε από πλήγμα κεραυνού με σιγουριά. Ο μόνος τρόπος για να είμαστε σίγουροι είναι αν υπάρχει καταστροφή των μονώσεων ή του εξοπλισμού από το κεραυνικό πλήγμα. Έτσι ένας μεγάλος αριθμός σφαλμάτων από τα δεδομένα της ΑΗΚ έχουν καταγραφεί ως "Άλλη αιτία" ή "Άγνωστη αιτία". Άρα δεν μπορούμε να τα κατατάξουμε απευθείας ως πλήγματα κεραυνών. 102