8.11 Προσθήκη επιφανειών υψηλής ειδικής αντίστασης Tηλεπικοινωνίες σε περιβάλλον υψηλών τάσεων.. 45

Transcript

1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ Α 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΦΑΙΡΑ ΕΠΙΡΡΟΗΣ.4 3.ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ ΓΕΙΩΣΗΣ Οδηγούμενη ράβδος Προηγμένες οδηγούμενες ράβδοι Πλάκες γείωσης Πλέγμα γείωσης (ηλεκτρόδια που περιβάλλονται από σκυρόδεμα) Υδροσωλήνες Ηλεκτρολυτική διάταξη ηλεκτροδίου ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ Συλλογή δεδομένων Ανάλυση στοιχείων Σχεδιασμός γείωσης ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΕΔΑΦΟΥΣ Μέθοδος Wenner ή μέτρηση 4 σημείων Πραγματοποιώντας μια δοκιμή 4-σημείων Μετρητές αντίστασης εδάφους Ανάλυση στοιχείων Μετρήσεις μικρού βάθους Μετρήσεις μεγάλου βάθους Θέση μέτρησης ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΕΙΩΣΗΣ ΣΕ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Άμεση γείωση Ουδετέρωση ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΩΝ ΥΠΑΡΧΟΝΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ Μέθοδος τριών σημείων Σχεδιασμός και αξιολόγηση Λανθασμένες μετρήσεις Μέτρηση με σφιγκτήρα Εφαρμογή μέτρησης Παρακολούθηση αντίστασης γείωσης ΑΥΞΗΣΗ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΤΗΣ ΓΗΣ (GPR) Ορισμοί αύξησης δυναμικού γης- Ground Potential Rise (GPR) Ανάλυση GPR Στοιχεία της ειδικής αντίστασης του εδάφους Σχέδια της κατασκευής Δεδομένα από την επιχείρηση ηλεκτρισμού Ασφάλεια προσωπικού κατά τη διάρκεια σφαλμάτων Βηματικές τάσεις Τάσεις επαφής Ελαχιστοποιώντας βηματικές και τάσεις επαφής Κατάλληλη τοποθέτηση των ηλεκτροδίων γείωσης

2 ΜΕΡΟΣ Β 8.11 Προσθήκη επιφανειών υψηλής ειδικής αντίστασης Tηλεπικοινωνίες σε περιβάλλον υψηλών τάσεων ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PC-OPERA Εισαγωγή Προγράμματα ανάλυσης Φιλοσοφία του προγράμματος Μοντέλο στο OPERA-2d Προ-επεξεργασία (pre-processing) Ανάλυση Η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων του OPERA Μεθοδολογία επίλυσης προβλημάτων Συνοριακές συνθήκες ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙ ΤΟ OPERA-2D Μαγνητοστατική και δινορρεύματα Ηλεκτροστατική Στατική ανάλυση Οι εξισώσεις που επιλύνονται Επίλυση προβλήματος με το OPERA-2d/St..71 ΜΕΡΟΣ Γ 11.ΓΕΝΙΚΑ ΟΔΗΓΟΥΜΕΝΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ ΟΔΗΓΟΥΜΕΝΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ ΣΕ ΕΔΑΦΟΣ 2 ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ η Περίπτωση η Περίπτωση ΠΛΕΓΜΑ ΓΕΙΩΣΗΣ Πλευρά μήκους 6m, κόμβος Πλευρά μήκους 6m, κόμβος Πλευρά μήκους 8m, κόμβος Πλευρά μήκους 8m, κόμβος Πλευρά μήκους 8m, κόμβος ΠΛΑΚΑ ΓΕΙΩΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΜΕΝΟ ΑΠΟ ΜΟΝΩΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ (PVC) ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

3 Μέρος Α 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ [1] Στις τελευταίες δεκαετίες, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές μελέτες σχετικά με την αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλεκτροδίου γείωσης και της γης, η οποία θεωρείται ένα τρισδιάστατο ηλεκτρικό κύκλωμα. Το συμπέρασμα ήταν τελικά, ότι η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι αυτή που καθορίζει το σχεδιασμό και την απόδοση των συστημάτων γείωσης. Με την εισαγωγή νέας τεχνολογίας έχει μειωθεί σημαντικά η αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων και του χώματος που τα περιβάλλει, η οποία είναι ένας καθοριστικός παράγοντας για την απόδοση μικρών ηλεκτροδίων. Υπάρχει μεγάλος αριθμός διαφορετικών ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται σήμερα. Τα κυριότερα από αυτά είναι: η τυποποιημένη οδηγούμενη ράβδος, η προηγμένη οδηγούμενη ράβδος, η πλάκα γείωσης, το πλέγμα γείωσης, οι υδροσωλήνες, και το ηλεκτρόδιο ηλεκτρολυτικής διάταξης. Η γείωση υποδιαιρείται σε δύο κατηγορίες: την γείωση εξοπλισμού και την γείωση συστημάτων. Η γείωση εξοπλισμού είναι η διαδικασία με την οποία συνδέουμε τον υπέργειο εξοπλισμό στη γη. Με άλλα λόγια, ο κατάλληλος τρόπος σύνδεσης των καλωδίων με τον εξοπλισμό, μέσω των αγωγών, των κιβωτίων διακοπτών κ.α.. Είναι δηλαδή η διαδικασία με την οποία σκόπιμα δημιουργούμε μια ηλεκτρική σύνδεση με τη γη. Τα θέματα που καλύπτονται παρακάτω είναι η γείωση συστημάτων, τα οφέλη και τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των χρησιμοποιούμενων ηλεκτροδίων και οι κίνδυνοι που εμφανίζονται λόγω της ανόδου του δυναμικού της γης κατά την αποφόρτιση μεγάλων ρευμάτων μέσω αυτής. Επίσης παρουσιάζονται κάποιες μέθοδοι για τη μέτρηση της αντίστασης του εδάφους. Η γείωση εξοπλισμού και γείωση συστημάτων γίνονται όλο και πιο απαραίτητες όσο η τεχνολογία αναπτύσσεται. Είναι γεγονός ότι τα πιο 3

4 σύγχρονα και προηγμένα συστήματα έχουν ιδιαίτερα αυστηρές απαιτήσεις γείωσης. Η κατανόηση των διαθέσιμων ηλεκτρικών στοιχείων μέσω της μέτρησης των χαρακτηριστικών του εδάφους επιτρέπει στον ηλεκτρολόγο μηχανικό να διαχειριστεί τα συστήματα γείωσης που θα συναντήσει πραγματοποιώντας τις σωστές επιλογές για την εκάστοτε περίπτωση. Άλλωστε «για να προστατεύσουμε κάτι που βρίσκεται πάνω από το έδαφος χρειάζεται να γνωρίζουμε το ίδιο το έδαφος». 2. ΣΦΑΙΡΑ ΕΠΙΡΡΟΗΣ [1] Μια σημαντική έννοια ως προς τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόδια γείωσης απάγουν ηλεκτρόνια στη γη αποτελεσματικά αποκαλείται «σφαίρα επιρροής». Η σφαίρα επιρροής (Σχήμα 1) είναι ο όγκος του χώματος στον οποίο έχουμε μια μεγάλη αύξηση δυναμικού όταν το ηλεκτρόδιο διαρρέεται από ένα μεγάλο ρεύμα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος της σφαίρας επιρροής έναντι του όγκου του ηλεκτροδίου, τόσο πιο αποδοτικό είναι το ηλεκτρόδιο. Τα επιμηκυμένα ηλεκτρόδια, όπως οι ράβδοι, είναι τα αποδοτικότερα. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του ηλεκτροδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η επαφή με το χώμα και τόση περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να απαχθεί στη μονάδα του χρόνου. 4

5 Σχήμα 1 Ο τύπος για τον υπολογισμό του όγκου του χώματος είναι: V = 5πL 3 όπου V ο όγκος του χώματος στη σφαίρα επιρροής και L το μήκος ή το βάθος τοποθέτησης του ηλεκτροδίου. Μια απλούστερη εκδοχή της εξίσωσης λαμβάνεται με τη στρογγυλοποίηση του π σε 3. Έτσι έχουμε: V = 5L Κατά συνέπεια, μια ράβδος μήκους 3m θα έχει σφαίρα επιρροής 135 m 3 ενώ μια ράβδος 2.5 m θα έχει περίπου τη μισή (78 m 3 ). 5

6 3. ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ ΓΕΙΩΣΗΣ [1] Ορισμός: Γείωση είναι η διαδικασία με την οποία συνδέουμε ηλεκτρικά οποιοδήποτε μεταλλικό αντικείμενο με τη γη. 3.1 Οδηγούμενη ράβδος Η τυποποιημένη οδηγούμενη ράβδος (ή ράβδος χαλκού) (σχήμα 2) έχει μήκος 2.5 m με 3 m χάλυβα και 5 mm με 10 mm επίστρωμα χαλκού. Αυτό είναι η πιο κοινή συσκευή γείωσης που χρησιμοποιείται από τις πρώτες μέρες του ηλεκτρισμού μέχρι και σήμερα. Σχήμα 2 Οι οδηγούμενες ράβδοι είναι σχετικά φθηνές, εντούτοις, η ευκολία της εγκατάστασης εξαρτάται από τον τύπο χώματος όπου η ράβδος πρόκειται να εγκατασταθεί. Ο χάλυβας που χρησιμοποιείται στην κατασκευή της πρότυπης οδηγούμενης ράβδου καταπονείται ιδιαίτερα λόγω του ότι αντιμετωπίζει βράχους και πέτρες κατά την εισαγωγή του στο έδαφος. Έτσι η εισαγωγή αυτών των ράβδων μπορεί να είναι εξαιρετικά επίπονη εργασία. Απαιτείται ότι οι ράβδοι πρέπει να έχουν τουλάχιστον 2.5 m μήκος και ότι ολόκληρη η επιφάνειά τους θα βρίσκεται σε άμεση επαφή με το χώμα. Οι πιο κοινές ράβδοι που χρησιμοποιούνται από τους 6

7 εμπορικούς και βιομηχανικούς αναδόχους έχουν μέσο μήκος 3 m. Πολλές βιομηχανικές προδιαγραφές απαιτούν αυτό το μήκος ως ελάχιστο. Μια κοινή παρερμηνεία είναι ότι το επίστρωμα χαλκού σε μια τυποποιημένη ράβδο έχει εφαρμοστεί για ηλεκτρικούς λόγους. Ενώ όμως ο χαλκός είναι ένα αγώγιμο υλικό, ο πραγματικός σκοπός του ύπαρξης του στη ράβδο είναι για να παρέχει διαβρωτική προστασία στο χάλυβα που βρίσκεται από κάτω. Πολλά προβλήματα διάβρωσης μπορεί να προκύψουν γιατί ο χαλκός δεν είναι η καλύτερη επιλογή για προστασία. Γι αυτό έχουν κατασκευαστεί οι γαλβανισμένες ράβδοι ώστε να ξεπεραστούν τα προβλήματα διάβρωσης που παρουσιάζονται με τον χαλκό και σε πολλές περιπτώσεις αυτές επιμηκύνουν τη ζωή των συστημάτων γείωσης. Γενικά, οι γαλβανισμένες ράβδοι είναι η καλύτερη επιλογή για χρήση σε οποιαδήποτε γεωγραφική τοποθεσία εκτός των παραθαλάσσιων περιοχών λόγω της υψηλής ποσότητας αλάτων. Ένα επιπλέον μειονέκτημα των ράβδων με επίστρωση χαλκού είναι ότι χαλκός και χάλυβας ως διαφορετικά μέταλλα υφίστανται ηλεκτρόλυση όταν διαρρέονται από ρεύμα. Επιπρόσθετα κατά την εισαγωγή της ράβδου στο έδαφος η επίστρωση μπορεί να καταστραφεί επιτρέποντας διαβρωτικά στοιχεία να έρθουν σε επαφή με το χάλυβα και να μειώσουν τη διάρκεια ζωής του. Το περιβάλλον, η γήρανση, η θερμοκρασία και η υγρασία μπορούν εύκολα να επιδράσουν στις ράβδους δίνοντας τους μια τυπική διάρκεια ζωής μεταξύ 5 και 15 ετών με καλές συνθήκες εδάφους. Οι ράβδοι, επίσης, έχουν πολύ μικρή επιφάνεια η οποία δε βρίσκεται πάντα σε καλή επαφή με το χώμα και έτσι δεν απάγει σωστά το ρεύμα. Αυτό παρατηρείται κυρίως σε βραχώδες έδαφος όπου η ράβδος έρχεται σε επαφή μόνο με τις ακμές των πετρών που την περιβάλλουν. Ένα καλό παράδειγμα θα είναι να φανταστούμε αυτή τη ράβδο να περιβάλλεται από μεγάλες μπίλιες. Λόγω της μικρής επιφάνειας επαφής η αντίσταση της ράβδου θα αυξηθεί μειώνοντας έτσι την αγωγιμότητα της και περιορίζοντας την ικανότητα της να χειριστεί ένα σφάλμα υψηλού ρεύματος. 7

8 3.2 Προηγμένες οδηγούμενες ράβδοι Οι προηγμένες οδηγούμενες ράβδοι (σχήμα 3) παρουσιάζουν ορισμένες βασικές βελτιώσεις σε σχέση με τις απλές. Επειδή παρουσιάζουν χαμηλότερη φυσική αντίσταση κατά την εισαγωγή τους, μπορούν να εγκατασταθούν σε εδάφη που μόνο μεγάλα τρυπάνια θα μπορούσαν να τις εισάγουν ενώ πολύ εύκολα μπορούν να εγκατασταθούν σε λιγότερο απαιτητικά εδάφη. Ο αρθρωτός σχεδιασμός τους βοηθά στη μείωση των ατυχημάτων κατά την εγκατάσταση. Οι μεγαλύτερες επιφάνειες επαφής που διαθέτουν βελτιώνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ χώματος και ηλεκτροδίου. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι αυτού του είδους οι ράβδοι μπορούν να εγκατασταθούν σε βάθη που ξεπερνούν τα 6 m ανάλογα με τις συνθήκες του εδάφους. Η εισαγωγή τους στο έδαφος γίνεται με ειδικά τρυπάνια. Σχήμα 3 Η άκρη της ράβδου είναι φτιαγμένη από υλικό το οποίο της επιτρέπει να διαπεράσει το βραχώδες έδαφος με σχετική ευκολία. Οι προηγμένες 8

9 ράβδοι συνήθως είναι αρθρωτές και σχεδιάζονται σε μήκη των 1.5 m. Έχουν μόνιμες συνδέσεις οι οποίες τις επιτρέπουν να εγκατασταθούν εύκολα. Οι προηγμένες ράβδοι υπάγονται στους ίδιους κανονισμούς με τις απλές. Γενικά, σε ακραίες καιρικές συνθήκες η επίδραση του ψύχους αποτελεί μεγάλο πρόβλημα. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα αντικείμενα που είναι θαμμένα στο έδαφος τείνουν να ανεβούν στην επιφάνεια, σπρώχνοντας το ηλεκτρόδιο. Γι αυτό το λόγο «άγκυρες» συγκολλούνται στον πάτο της ράβδου για να αποτραπεί η μετακίνηση τους, κάτι τέτοιο όμως αυξάνει το κόστος εγκατάστασης. Οι προηγμένες ράβδοι δεν επηρεάζονται από τέτοια φαινόμενα και μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιοδήποτε κλίμα. 3.3 Πλάκες γείωσης Σχήμα 4 Οι πλάκες γείωσης είναι λεπτές χάλκινες πλάκες θαμμένες σε άμεση επαφή με τη γη (σχήμα 4). Οι κανονισμοί απαιτούν επιφάνεια τουλάχιστον 1 επί 1 m. Φερρομαγνητικά υλικά πρέπει να έχουν πάχος τουλάχιστον 0.50 cm, ενώ μη - φερρομαγνητικά υλικά σαν τον χαλκό χρειάζονται μόνο 0.15 cm πάχος. Όπως δείχνεται στο σχήμα 4 οι πλάκες γείωσης πρέπει να τοποθετούνται τουλάχιστον 1 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Ενώ η επιφάνεια τους είναι πολύ 9

10 μεγαλύτερη από αυτή των ράβδων η ζώνη επιρροής είναι σχετικά μικρή (μπορεί να είναι ακόμη και 0,5 m). Αυτή η πολύ μικρή ζώνη προκαλεί υψηλότερη αντίσταση σε σχέση με ηλεκτρόδια παρόμοιας μάζας. Οι αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες που οδηγούν στην καταστροφή τις ράβδου μαστίζουν και τις πλάκες γείωσης. Τέτοιες είναι η διάβρωση, η γήρανση, η θερμοκρασία και η υγρασία. 3.4 Πλέγμα γείωσης (ηλεκτρόδια που περιβάλλονται από σκυρόδεμα) Σχήμα 5 Οι κανονισμοί απαιτούν ότι τα συγκεκριμένα ηλεκτρόδια (σχήμα 5) απαιτούν χρήση σκυροδέματος σε μήκος τουλάχιστον 6 m και τουλάχιστον 1 m σε βάθος. Τα πλεονεκτήματα των συγκεκριμένων ηλεκτροδίων είναι ότι αυξάνουν εντυπωσιακά την επιφάνεια επαφής με το περιβάλλον χώμα. Εντούτοις, η ζώνη της επιρροής δεν αυξάνεται. Επομένως, η αντίσταση του εδάφους είναι ελαφρώς χαμηλότερη απ ότι θα ήταν χωρίς το σκυρόδεμα. Επίσης υπάρχουν μερικά σημαντικά μειονεκτήματα. Όταν ένα ηλεκτρικό σφάλμα εμφανίζεται, το ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να διατρέξει μέσω του σκυροδέματος στη γη. Το σκυρόδεμα, από τη φύση του, συγκρατεί πολύ νερό, η θερμοκρασία του 10

11 οποίου αυξάνεται καθώς αυτό διαρρέεται από ρεύμα. Έτσι υπάρχει η περίπτωση η θερμοκρασία να φτάσει το σημείο βρασμού του νερού έχοντας ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του σε ατμό. Πολλά τέτοια ηλεκτρόδια έχουν καταστραφεί αφού υποβλήθηκαν σε σχετικά μικρά ηλεκτρικά σφάλματα. Μόλις το σκυρόδεμα σπάσει και απομακρυνθεί από τον αγωγό τα κομμάτια του ενεργούν ως ασπίδα αποτρέποντας την επαφή του με το χώμα, με συνέπεια τη δραματική αύξηση της αντίστασης του ηλεκτροδίου. Υπάρχουν πολλά νέα προϊόντα διαθέσιμα στην αγορά με σκοπό να βελτιώσουν το σκυρόδεμα που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια. Αυτό που κάνουν είναι να αναμιγνύουν αγώγιμα υλικά στο μείγμα του σκυροδέματος. Το πλεονέκτημα αυτών των προϊόντων είναι ότι είναι αρκετά αποτελεσματικά στη μείωση της ειδικής αντίστασης του σκυροδέματος, χαμηλώνοντας κατά συνέπεια τη συνολική αντίσταση του ηλεκτροδίου γείωσης. Η σημαντικότερη βελτίωση που προσφέρουν αυτά τα νέα προϊόντα είναι η μείωση της συγκέντρωσης θερμότητας στο σκυρόδεμα κατά τη διάρκεια σφαλμάτων, μειώνοντας έτσι τις πιθανότητες ο ατμός να καταστρέψει το ηλεκτρόδιο. Όμως, μερικά μειονεκτήματα είναι ακόμα εμφανή. Αυτά τα προϊόντα δεν αυξάνουν τη ζώνη επιρροής και υπό αυτήν την προϋπόθεση η αντίσταση του συγκεκριμένου ηλεκτροδίου είναι μόνο ελαφρώς καλύτερη από ότι αν το γυμνό καλώδιο χαλκού ή η ράβδος θα ήταν στο έδαφος. Επίσης μια σοβαρή ανησυχία σχετικά με το ενισχυμένο σκυρόδεμα είναι η χρήση του άνθρακα στο μίγμα. Ο άνθρακας και ο χαλκός έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά και υπάρχει η πιθανότητα θα διαβρώσουν ο ένας τον άλλον με το πέρας του χρόνου. Τα πλέγματα γείωσης (σχήμα 6) ή τα θεμέλια οικοδόμησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπό τους όρους ότι το σκυρόδεμα είναι σε άμεση επαφή με τη γη, ότι οι ράβδοι του πλέγματος έχουν διάμετρο τουλάχιστον 1 cm και ότι υπάρχει μια άμεση σύνδεση μεταξύ των 11

12 ράβδων του πλέγματος και των μεταλλικών αντικειμένων του χώρου που προστατεύεται. Έτσι παρέχεται ένα σύστημα γείωσης που μπορεί να χειριστεί πολύ υψηλά ρεύματα βραχυκύκλωσης. Το βασικό μειονέκτημα στο πλέγμα γείωσης Σχήμα 6 εμφανίζεται κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Εάν το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι πάρα πολύ μεγάλο, η υγρασία στο σκυρόδεμα μπορεί να το υπερθερμαίνει ραγίζοντας το και απειλώντας την ακεραιότητα της οικοδομής. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι το πλέγμα δεν μπορεί να απομονωθεί εύκολα ώστε να καταστεί δυνατή η μέτρηση της αντίστασης γείωσης. 12

13 3.5 Υδροσωλήνες Οι υδροσωλήνες έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς στο παρελθόν ως ηλεκτρόδια γείωσης. Οι αντίσταση των υδροσωλήνων είναι δύσκολο να μετρηθεί και αυτό οφείλεται στη χρήση επιστρωμάτων πίσσας και των πλαστικών εξαρτημάτων συναρμολόγησης. Υπηρεσίες ύδρευσης διάφορων πόλεων έχουν αρχίσει να εγκαθιστούν πλαστικούς μονωτές στις σωληνώσεις για να αποτρέψουν τη ροή του ρεύματος μέσω αυτών και να μειώσουν τα διαβρωτικά αποτελέσματα της ηλεκτρόλυσης. Εφόσον οι υδροσωλήνες είναι συνεχείς κατά μήκος της πόλης, ένα σφάλμα σε παρακείμενες γειτονιές θα μπορούσε να διαδοθεί και να προκαλέσει ζημιές σε ευαίσθητο εξοπλισμό. Γι αυτό οι κανονισμοί απαιτούν την εγκατάσταση ενός τουλάχιστον επιπλέον ηλεκτρόδιου σ αυτόν τον τύπο γείωσης. Υπάρχουν διάφορες πρόσθετες απαιτήσεις συμπεριλαμβανομένων: 3 m του υδροσωλήνα πρέπει να είναι σε άμεση επαφή με τη γη Οι ενώσεις πρέπει να είναι ηλεκτρικά συνεχείς Τα μετρητές δεν μπορούν να στηριχθούν επάνω στο μονοπάτι της γείωσης. Επιπρόσθετες συνδέσεις πρέπει να χρησιμοποιηθούν οπουδήποτε υπάρχουν μονωμένες ενώσεις, σωλήνες, ή μετρητές. Η αρχική σύνδεση στον υδροσωλήνα πρέπει να είναι από την πλευρά του δρόμου. Η αρχική σύνδεση στον υδροσωλήνα θα είναι εντός 1.5 m από το σημείο εισόδου στο κτίριο. Απαιτείται ότι οι υδροσωλήνες συνδέονται στη γη, ακόμα κι αν δεν χρησιμοποιούνται ως μέρος της γείωσης του συστήματος. 13

14 3.6 Ηλεκτρολυτική διάταξη ηλεκτροδίου Το ηλεκτρολυτικό ηλεκτρόδιο (σχήμα 7) κατασκευάστηκε για να αποβάλει τα μειονεκτήματα που βρέθηκαν σε άλλου είδους ηλεκτρόδια. Αυτό το ενεργό ηλεκτρόδιο αποτελείται από έναν κοίλο άξονα χαλκού που είναι γεμισμένος με φυσικά άλατα. Η υγρασία που απορροφάται από τον αέρα αναμιγνύεται με τα άλατα δημιουργώντας ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα που διαρρέεται συνεχώς στο περιβάλλον υλικό, κρατώντας το υγρό και με υψηλό ποσοστό ιοντικού περιεχομένου. Το ηλεκτρόδιο είναι εγκατεστημένο σε μια τρύπα και επιχωματωμένο με ένα ειδικό ιδιαίτερα αγώγιμο παράγωγο. Αυτό το παράγωγο προστατεύει το ηλεκτρόδιο από τη διάβρωση και βελτιώνει την αγωγιμότητά του. Το ηλεκτρολυτικό διάλυμα και το ειδικό παράγωγο παρέχουν μια στερεά σύνδεση μεταξύ του ηλεκτροδίου και του γύρω χώματος που είναι απαλλαγμένο από τις συνέπειες της θερμοκρασίας και της διάβρωσης. Αυτό το ηλεκτρόδιο είναι το μόνο ηλεκτρόδιο γείωσης που βελτιώνεται με την πάροδο του χρόνου. Όλοι οι άλλοι τύποι ηλεκτροδίων θα έχουν μια ραγδαία αύξηση της αντίστασης τους με το πέρασμα ετών. Τα μειονεκτήματα αυτού του τύπου ηλεκτροδίων είναι το κόστος των ιδίων και της εγκατάστασης τους. Σχήμα 7 14

15 Στον πίνακα που ακολουθεί έχουν συγκεντρωθεί τα βασικότερα χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων γείωσης που αναλύθηκαν στις παραπάνω παραγράφους: Πίνακας 1 Oδηγούμενο Ηλεκτρόδιο Προηγμένο oδηγούμενο ηλεκτρόδιο Πλάκα γείωσης Ηλεκτρόδιο περιβαλλόμεν ο από σκυρόδεμα Πλέγμα γείωσης Υδροσωλήνες Ηλεκτρολυτικό ηλεκτρόδιο Αντίσταση προς Μικρή Μέτρια Μικρή Μέτρια Μέτρια Μικρή Άριστη γη (RTG) Αντοχή Μικρή Ικανοποιητική Μικρή Ικανοποιητική Ικανοποιητική Ικανοποιητική Υψηλή στη διάβρωση Επίδραση καιρικών συνθηκών Μεγάλη Μικρή Μεγάλη Μικρή Μεγάλη Ποικίλει Ελάχιστη Μεταβολή αντίστασης με το χρόνο Χειροτερεύει Παραμένει αμετάβλητη Χειροτερεύει Παραμένει αμετάβλητη Παραμένει αμετάβλητη Παραμένει αμετάβλητη Βελτιώνεται Ικανότητα απαγωγής ρεύματος Μικρή Μέτρια Μέτρια Μέτρια Μέτρια Μικρή Μεγάλη Κόστος εγκατάσταση ς Μέτριο Μικρό Μέτριο Μέτριο Μέτριο Μέτριο Μεγάλο Διάρκεια ζωής 5-10 χρόνια χρόνια 5-10 χρόνια χρόνια χρόνια χρόνια χρόνια 15

16 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ [1] Ο σχεδιασμός της γείωσης αρχίζει με μια ανάλυση της περιοχής, τη συλλογή των γεωλογικών στοιχείων της και της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Χαρακτηριστικά ο μηχανικός ή οι κατασκευαστές εξοπλισμού καθορίζουν ένα επιθυμητό μέγεθος αντίστασης προς τη γη (Resistance To Ground- RTG). Οι κανονισμοί επιβάλλουν ότι η αντίσταση αυτή δεν θα υπερβαίνει τα 25 Ω για ένα ενιαίο ηλεκτρόδιο. Εντούτοις, κατασκευαστές υψηλής τεχνολογίας συχνά θα επιτύχουν αντιστάσεις 3 ή 5 Ω ανάλογα με τις απαιτήσεις του εξοπλισμού τους. Πολλές φορές για ευαίσθητο εξοπλισμό σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να απαιτηθεί αντίσταση μόλις 1 Ω. Πίνακας 2: Ειδική αντίσταση υλικού στην επιφάνεια Τύπος υλικού ξηρό υγρό Θρυμ/νος Γρανίτης Συμπαγής Γρανίτης Ασβεστόλιθος Άσφαλτος Τσιμέντο Συλλογή δεδομένων Μόλις διατυπωθεί η ανάγκη γείωσης, η συλλογή δεδομένων αρχίζει. Δοκιμές ειδικής αντίστασης του εδάφους, γεωλογικές έρευνες, και δοκιμαστικές γεωτρήσεις παρέχουν τη βάση για το σχεδιασμό της γείωσης. Συστήνεται μέτρηση της ειδικής αντίστασης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Wenner 4-σημείων λόγω της ακρίβειάς της. Οποιαδήποτε πρόσθετα στοιχεία είναι χρήσιμα μπορούν να συλλεχθούν από τα υπάρχοντα συστήματα γείωσης της περιοχής. 16

17 4.2 Ανάλυση στοιχείων Με όλα τα στοιχεία διαθέσιμα, ειδικά προγράμματα υπολογιστών μπορούν να προσφέρουν μια μοντελοποίηση του εδάφους δείχνοντας την ειδική αντίσταση του σε διάφορα βάθη. Γνωρίζοντας το βάθος όπου υπάρχει το πιο αγώγιμο χώμα βοηθά το μηχανικό να διαμορφώσει ένα σύστημα που θα ικανοποιήσει τις ανάγκες της εφαρμογής. 4.3 Σχεδιασμός γείωσης Η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει την αντίσταση ή την απόδοση ενός συστήματος γείωσης. Είναι η αφετηρία για οποιοδήποτε σχέδιο γείωσης. Η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους ποικίλλει εντυπωσιακά ανά τον κόσμο και επηρεάζεται από την περιεκτικότητα σε ηλεκτρολύτες, υγρασία, μεταλλεύματα και θερμοκρασία (πίνακας 2). 17

18 5. ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΕΔΑΦΟΥΣ [1] Η μέτρηση της αντίστασης του εδάφους είναι η διαδικασία μέτρησης ενός όγκου χώματος ώστε να καθοριστεί η αγωγιμότητα του. Η προκύπτουσα ειδική αντίσταση εκφράζεται σε Ω*m. Η μέτρηση ειδικής αντίστασης είναι ο κρισιμότερος παράγοντας στο σχεδιασμό του συστήματος γείωσης. Τα καλά εδαφολογικά μοντέλα είναι η βάση για όλα τα συστήματα γείωσης και αναπτύσσονται από ακριβείς μετρήσεις της αντίστασης εδάφους. 5.1 Μέθοδος Wenner ή μέτρηση 4 σημείων Η μέθοδος 4 σημείων Wenner (σχήμα 8) είναι η πιο χρησιμοποιημένη μέθοδος για τη μέτρηση της ειδικής αντίστασης του χώματος. Άλλες μέθοδοι υπάρχουν, όπως η μέθοδος Schlumberger, εντούτοις, αυτές σπάνια χρησιμοποιούνται και ποικίλουν μόνο ελαφρώς στο πώς τα διαστήματα μετρήσεων χωρίζονται σε σχέση με τη μέθοδο Wenner. Η ηλεκτρική ειδική αντίσταση είναι η μέτρηση της αντίστασης ανά μονάδα ενός δεδομένου υλικού. Αντιπροσωπεύει την αντίσταση μεταξύ δύο απέναντι πλευρών ενός κύβου πλευράς 1m. Η μέτρηση απαιτεί την τοποθέτηση τεσσάρων ηλεκτροδίων σε ίσες αποστάσεις για να προσεγγιστεί το βάθος του χώματος που εξετάζεται. Τυπικές αποστάσεις είναι 0.3, 0.5, 0.7, 1, 1.2, 1.5, 2.1, 3 m, κ.λπ., με κάθε διάστημα να αυξάνεται από το προηγούμενο κατά έναν παράγοντα περίπου 1,5, μέχρι το μέγιστο διάστημα να είναι ίσο με 1 έως 3 φορές με τη μέγιστη διαγώνια διάσταση του συστήματος γείωσης, με συνέπεια μια μέγιστη απόσταση μεταξύ των εξωτερικών ηλεκτροδίων 3 έως 9 φορές της μέγιστης διαγωνίου του συστήματος. Αυτή είναι μια σειρά μετρήσεων και επαναλαμβάνεται αρκετές φορές σε διαφορετικές διευθύνσεις ώστε να εξασφαλίσει ακριβείς μετρήσεις. Η βασική προϋπόθεση είναι ότι τα ηλεκτρόδια που απέχουν μια απόσταση 1.5 m μεταξύ τους, θα μπορούν να μετρήσουν και 1.5 m σε βάθος. Αυτά το 18

19 ακατέργαστα στοιχεία υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω υπολογιστών για να καθορίσουν την ειδική αντίσταση του εδάφους. Σχήμα Πραγματοποιώντας μια δοκιμή 4-σημείων Στο σχήμα 9 φαίνεται ο τρόπος λήψης μιας σειράς μετρήσεων. Όπως υποδηλώνει και η ονομασία της η μέτρηση αποτελείται από τέσσερις ράβδους που πρέπει να εισαχθούν στη γη. Οι δύο εξωτερικές ράβδοι καλούνται και ηλεκτρόδια ρεύματος C1 και C2 και εγχέουν το ρεύμα στη γη. Τα δύο εσωτερικά ηλεκτρόδια ονομάζονται ηλεκτρόδια δυναμικού P1 και P2 και μετρούν την πραγματική αντίσταση του εδάφους. Σε αυτήν την μέτρηση το ηλεκτρόδιο C1 εισάγεται στη γη σε ένα τμήμα της περιοχής που μετριέται. Τα ηλεκτρόδια P1, P2, και C2 εισάγονται σε 19

20 απόσταση 1.5, 3 και 4.5 m αντίστοιχα από τη ράβδο C1 σε ευθεία γραμμή. Σχήμα 9 Έτσι μπορεί να μετρηθεί η ειδική αντίσταση σε βάθος από 0 έως 1.5 m. Σε αυτό το σημείο, ένα γνωστό ρεύμα διαρρέει τα ηλεκτρόδια C1 και C2, ενώ η προκύπτουσα τάση μετριέται από τα P1 και P2. Ο νόμος του Ohm μπορεί έπειτα να εφαρμοστεί για να υπολογίσει μετρούμενη αντίσταση. Τα ηλεκτρόδια C2, P1, και P2 μπορούν έπειτα να μετακινηθούν σε αποστάσεις 3, 6 και 9 m ώστε να μετρήσουν την αντίσταση σε βάθος από 0 έως 3m. Μετακινώντας τα τρία ηλεκτρόδια (C2, P1, και P2) μακριά από το C1 σε ίσα διαστήματα μεταβάλλουμε το βάθος του χώματος που μετριέται. 20

21 5.3 Μετρητές αντίστασης εδάφους Υπάρχουν δύο τύποι μετρητών αντίστασης του εδάφους: οι μετρητές χαμηλής και οι μετρητές υψηλής συχνότητας. Και οι δύο τύποι μετρητών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέθοδο 4 σημείων και την 3 σημείων και μπορούν ακόμη να χρησιμοποιηθούν όπως το τυποποιημένο βολτόμετρο για τη μέτρηση της αντίστασης. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί κατά την επιλογή ενός μετρητή, καθώς η ηλεκτρονική που περιλαμβάνεται στο φιλτράρισμα σημάτων είναι ιδιαίτερα εξειδικευμένη. Γραμμές υψηλής τάσης, ηλεκτρικοί υποσταθμοί, σιδηροδρομικές γραμμές, διάφορες συσκευές εκπομπής σημάτων και πολλοί άλλοι παράγοντες συμβάλλουν στην εισαγωγή θορύβου. Αρμονικές, παρασιτικός θόρυβος 50 Hz, και μαγνητική σύζευξη μπορούν να επηρεάσουν το σήμα μέτρησης με συνέπεια την λανθασμένη μέτρηση της ειδικής αντίστασης. Πίνακας 3 Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση(ω m) Άργιλος Υγρά οργανικά εδάφη Ξηρά οργανικά εδάφη 1000 Άμμος/αμμοχάλικο Ασβεστόλιθος(στην επιφάνεια) Ασβεστόλιθος Σχιστόλιθος Ψαμμίτης Γρανίτης 1000 Bentonite

22 Οι μετρητές χαμηλής συχνότητας, είναι ο προτεινόμενος εξοπλισμός για τη μέτρηση της ειδικής αντίστασης, καθώς εξαλείφουν το πρόβλημα επαγωγής από το οποίο οι υψηλής συχνότητας μετρητές υποφέρουν. Εντούτοις μπορεί να είναι πολύ ακριβοί. Ανάλογα με τη μέγιστη τάση του εξοπλισμού, μετρητές χαμηλής συχνότητας μπορούν να πάρουν μετρήσεις για εξαιρετικά μεγάλα διαστήματα μεταξύ των ηλεκτροδίων. 5.4 Ανάλυση στοιχείων Μόλις συλλεχθούν όλα τα στοιχεία αντίστασης, ο τύπος του πίνακα 4 μπορεί να εφαρμοστεί για να υπολογίσει ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ω*m. Παραδείγματος χάριν, εάν μια αντίσταση 4.5 Ω μετρηθεί σε διάστημα 12 m, η ειδική αντίσταση του εδάφους θα ήταν Ω*m. Αυτό αναφέρεται στην φαινόμενη ειδική αντίσταση και δεν αντιστοιχεί στην πραγματική ειδική αντίσταση του χώματος. Αυτό το στοιχείο πρέπει να ερμηνευθεί με τις κατάλληλες μεθόδους προκειμένου να καθοριστεί η πραγματική ειδική αντίσταση. Πίνακας 4 22

23 5.5 Μετρήσεις μικρού βάθους Οι μετρήσεις μικρού βάθους, περίπου 15 cm, είναι οι πιο σημαντικές για το σχεδιασμό της γείωσης. Το σχήμα 10 καταδεικνύει πώς οι πιο ρηχές μετρήσεις επηρεάζουν τις βαθύτερες. Εάν η μέτρηση στα 1.5 m παρουσιάζει χώμα 50 Ω και στα 3 m που παρουσιάζει χώμα 75 Ω η πραγματική αντίσταση από 1.5 έως 3 m είναι 100 Ω. Απαιτείται υπολογιστής για να ερμηνεύσει κατάλληλα τα στοιχεία των μετρήσεων. Το ίδιο μοτίβο ισχύει και για μεγαλύτερα διαστήματα ηλεκτροδίων. Μετρήσεις βάθους 0.15, 0.30, 0.50, 0.60 και 0.80 m είναι απαραίτητες για το σχεδιασμό αφού οι αγωγοί γείωσης θάβονται σε βάθη 0.50 έως 0.80 m κάτω από την επιφάνεια της γης. Είναι σημαντικό τα ηλεκτρόδια μέτρησης να μπουν σε κατάλληλο βάθος μέσα στη γη για να ληφθούν σωστές μετρήσεις ειδικής αντίστασης. Εάν τα ηλεκτρόδια οδηγηθούν πάρα πολύ βαθιά, μπορεί να είναι δύσκολο να μετρηθεί η ειδική αντίσταση του χώματος. Μια εμπειρική μέθοδος είναι ότι το βάθος διείσδυσης θα πρέπει να είναι λιγότερο από 10% του διαστήματος των ηλεκτροδίων τάσης ενώ τα ηλεκτρόδια ρεύματος δεν πρέπει να εισαχθούν περισσότερο από το 30% της μεταξύ του απόστασης. Σχήμα 10 23

24 5.6 Μετρήσεις μεγάλου βάθους Συχνά, ο τύπος μετρητή καθορίζει το μέγιστο βάθος μέτρησης. Μια γενική οδηγία είναι ότι οι μετρητές υψηλής συχνότητας είναι καλοί για αποστάσεις μικρότερες από 30 m ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ιδιαίτερα σε εδάφη χαμηλής ειδικής αντίστασης. Για μεγαλύτερες αποστάσεις απαιτούνται μετρητές χαμηλής συχνότητας. 5.7 Θέση μέτρησης Η μέτρηση ειδικής αντίστασης πρέπει να γίνει όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σύστημα γείωσης που πρόκειται να εγκατασταθεί. Υπάρχουν δύο ζητήματα που μπορούν να προκαλέσουν μετρήσεις κακής ποιότητας: 1. Ηλεκτρικές παρεμβολές μπορεί να εισάγουν ανεπιθύμητο θόρυβο στο μετρητή. 2. Μεταλλικά αντικείμενα μπορεί να βραχυκυκλώσουν το μονοπάτι από ηλεκτρόδιο σε ηλεκτρόδιο. Η μέτρηση κοντά στην περιοχή είναι σημαντική αλλά όχι πάντα εύκολη. Πολλές επιχειρήσεις ηλεκτρισμού έχουν κανόνες σχετικά με το πόσο κοντά πρέπει να γίνει η μέτρηση της ειδικής αντίστασης προκειμένου θεωρηθεί ως ισχύουσα. Άλλωστε διαφορετικές εδαφολογικές συνθήκες μπορούν να υπάρξουν σε σχετικά κοντινές αποστάσεις. 24

25 6. ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΕΙΩΣΗΣ ΣΕ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ [2] Σε εγκαταστάσεις χαμηλής τάσης για την προστασία έναντι ηλεκτροπληξίας λόγω της εμφάνισης υψηλών τάσεων επαφής χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι της άμεσης γείωσης και της ουδετέρωσης. Η επιλογή της γενικής μεθόδου προστασίας στις ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις μιας πόλεως αποτελεί αρμοδιότητα του Διανομέως Ηλεκτρικής Ενέργειας (Επιχείρηση Ηλεκτρισμού). Η εφαρμογή άμεσης γείωσης και ουδετέρωσης στο ίδιο δίκτυο απαγορεύεται. Όπως προαναφέρθηκε, γείωση, γενικά, είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών τμημάτων των συσκευών, που στην κανονική τους λειτουργία δεν είναι υπό τάση, με τη γη (ηλεκτρόδιο γείωσης) Γείωση λειτουργίας είναι η γείωση ενός τμήματος εγκαταστάσεως που ανήκει στο κύκλωμα λειτουργίας, όπως είναι ο ουδέτερος κόμβος γεννητριών, μετασχηματιστών ή άλλων στοιχείων του δικτύου συνδεδεμένων σε αστέρα. Η γείωση λειτουργίας εκτός της αντίστασης του ηλεκτροδίου γείωσης και της αντίστασης του αγωγού γείωσης μπορεί να περιλαμβάνει και πρόσθετες ωμικές, επαγωγικές ή χωρητικές αντιστάσεις, (π.χ. αντιστάσεις για τον περιορισμό του ρεύματος βραχυκύκλωσης κατά τα σφάλματα με επαφή γης). Γείωση προστασίας είναι η γείωση ενός αγώγιμου τμήματος της εγκατάστασης που δεν ανήκει στο κύκλωμα λειτουργίας για την προστασία ανθρώπων έναντι επικίνδυνων τάσεων επαφής. 6.1 Άμεση γείωση Άμεση γείωση είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με το ηλεκτρόδιο γείωσης όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Δίκτυα με άμεση γείωση χαρακτηρίζονται από τους κανονισμούς ως δίκτυα ΤΤ (το πρώτο Τ συμβολίζει τη γείωση του ουδέτερου κόμβου χωρίς την παρεμβολή πρόσθετων αντιστάσεων του, το δεύτερο Τ την άμεση γείωση)τα μεταλλικά περιβλήματα των συσκευών που προστατεύονται από κοινού με μια διάταξη προστασίας πρέπει να 25

26 συνδέονται με κοινό ηλεκτρόδιο γείωσης. Το ίδιο ισχύει και για συσκευές, με τις οποίες ο άνθρωπος μπορεί να έρθει σε ταυτόχρονη επαφή. Για την επίτευξη μικρών αντιστάσεων γείωσης (μικρότερες από 2Ω) χωρίς μεγάλη δαπάνη είναι δυνατή η χρήση του ήδη διαθέσιμου μεταλλικού δικτύου ύδρευσης στο οποίο γίνεται και η γείωση. Επειδή όμως στα δίκτυα ύδρευσης χρησιμοποιούνται και μη μεταλλικοί σωλήνες ή σύνδεσμοι σωλήνων, η μέθοδος της άμεσης γείωσης έχει ουσιαστικά εγκαταλειφθεί και εφαρμόζεται κυρίως η μέθοδος της ουδετέρωσης. Άμεση γείωση 26

27 6.2 Ουδετέρωση Ουδετέρωση είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με τον ουδέτερο αγωγό του δικτύου όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Δίκτυα με ουδετέρωση χαρακτηρίζονται βάσει των κανονισμών ως δίκτυα ΤΝ (το Τ χαρακτηρίζει τη γείωση του ουδετέρου κόμβου χωρίς την παρεμβολή πρόσθετων αντιστάσεων, το Ν τη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων με τον ουδέτερο). Ο αγωγός προστασίας (5 ος αγωγός σε τριφασικές εγκαταστάσεις) συνδέεται με τον ουδέτερο του δικτύου πριν από το μετρητή. Σε περίπτωση βλάβης της μόνωσης της συσκευής το κύκλωμα το κύκλωμα κλείνει μέσω του ουδέτερου αγωγού. Επειδή ο ουδέτερος αγωγός συνδέεται με το κέλυφος των συσκευών, το δυναμικό του δεν πρέπει να αποκτήσει ούτε κατά την κανονική λειτουργία ούτε σε περιπτώσεις σφαλμάτων επικίνδυνες για τον άνθρωπο τιμές. Ουδετέρωση 27

28 Σύμφωνα με τους κανονισμούς για να επιτρέπεται η εφαρμογή της ουδετέρωσης σε μια εγκατάσταση, πρέπει το δίκτυο διανομής που την τροφοδοτεί και η ίδια η εγκατάσταση να πληρούν ορισμένες συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές είναι: Συνθήκη 1 Για στέρεο βραχυκύκλωμα (μηδενική αντίσταση μεταξύ των σημείων βραχυκύκλωσης) σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου η της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης μεταξύ φάσεως και ουδετέρου θα πρέπει να γίνει διακοπή της τροφοδότησης μέσα σε 5 sec. Στις εγκαταστάσεις που προστατεύονται με ασφάλειες η απαίτηση αυτή θεωρείται ότι πληρούται, εάν η ένταση για στέρεο βραχυκύκλωμα μεταξύ φάσης και ουδέτερου είναι ανώτερη του τριπλάσιου της ονομαστικής έντασης της ασφάλειας που υπάρχει πριν από το σημείο βραχυκύκλωσης. Συνθήκη 2 Η αγωγιμότητα και η μηχανική αντοχή του ουδέτερου πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσες με εκείνες των αγωγών των φάσεων τόσο στο εξωτερικό δίκτυο όσο και στην εσωτερική εγκατάσταση. Συνθήκη 3 Ο ουδέτερος αγωγός γειώνεται: α) Στους υποσταθμούς διανομής. Στη γείωση αυτή συνδέονται και τα μεταλλικά περιβλήματα των υπογείων καλωδίων των αναχωρήσεων χαμηλής τάσης. β) Στα τέρματα των κυρίων γραμμών και των διακλαδώσεων των εναερίων δικτύων και οπωσδήποτε κάθε 300 m. Αν χρειασθεί να 28

29 τοποθετηθούν πρόσθετες γειώσεις για να μειωθεί η συνολική αντίσταση γείωσης του ουδέτερου, οι πρόσθετες αυτές γειώσεις πρέπει να είναι, όσο το δυνατό, ομοιόμορφα κατανεμημένες στο δίκτυο. γ) Στα εναέρια και στα υπόγεια δίκτυα ο ουδέτερος πρέπει να γειώνεται σε κάθε παροχέτευση. Συνθήκη 4 Η συνολική αντίσταση γείωσης του ουδέτερου (στην οποία συμπεριλαμβάνονται και οι γειώσεις στην παροχή των καταναλωτών) δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10 Ω. Η συνολική αντίσταση γείωσης καθορίζεται από μέτρηση στον υποσταθμό διανομής. Αν είναι μεγαλύτερη από 10 Ω τότε θα πρέπει να υπάρχει στον υποσταθμό ιδιαίτερη γείωση, ανεξάρτητη από τη γείωση του ουδετέρου. Συνθήκη 5 Ο ουδέτερος αγωγός δεν πρέπει να περιλαμβάνει ασφάλειες ή διακόπτες (αυτόματους ή μη) και γενικά πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή για την εξασφάλιση της συνέχειας του κυρίως στα σημεία σύνδεσής του. Σε ειδικές περιπτώσεις επιτρέπεται η διακοπή του ουδέτερου μέσα σε εγκαταστάσεις. 29

30 7. ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΩΝ ΥΠΑΡΧΟΝΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ[1] Η μέτρηση της αντίστασης ενός συστήματος γείωσης είναι πολύ σημαντική. Αυτή πρέπει να γίνει κατά την εγκατάσταση του ηλεκτροδίου και έπειτα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Αυτό εξασφαλίζει ότι η αντίσταση του δεν θα αυξηθεί κατά τη πάροδο του χρόνου. Υπάρχουν δύο μέθοδοι μέτρησης για ένα υπάρχον σύστημα γείωσης. Η πρώτη είναι η μέθοδος τριών σημείων και η δεύτερη είναι η μέθοδος του σφιγκτήρα. Η μέθοδος των τριών σημείων απαιτεί την πλήρη απομόνωση από το δίκτυο. Αυτή η δοκιμή είναι η καταλληλότερη και για τα μεγάλα συστήματα γείωσης και για τα μικρά ηλεκτρόδια. Η μέτρηση με σφιγκτήρα απαιτείται να εκτελεσθεί ενώ το σύστημα είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο. Αυτή η δοκιμή είναι ακριβής μόνο για τα μικρά ηλεκτρόδια, αφού χρησιμοποιεί συχνότητες τάξης του kilohertz, οι οποίες «βλέπουνε» τους αγωγούς ως επαγωγικές αντιστάσεις και επομένως δεν απεικονίζουν την αντίσταση ολόκληρου του συστήματος γείωσης. 7.1 Μέθοδος τριών σημείων Η μέθοδος τριών σημείων (σχήμα 11) χρησιμοποιείται για να μετρήσει την αντίσταση στα υπάρχοντα συστήματα γείωσης. Οι δύο πρωταρχικές απαιτήσεις για να ολοκληρωθεί επιτυχώς αυτή η μέθοδος είναι η δυνατότητα απομόνωσης του συστήματος από το δίκτυο και τη γνώση του διαγώνιου μήκους του. Σε αυτή τη μέθοδο, ένα μικρό ηλεκτρόδιο καλούμενο ως Ζ, οδηγείται στη γη σε μια απόσταση 10 φορές του διαγωνίου μήκους του συστήματος γείωσης (ράβδος X). 30

31 Σχήμα 11 Μια δεύτερη ράβδος (Y) τοποθετείται ευθύγραμμα σε μια απόσταση από τη ράβδο Χ που είναι ίση με το διαγώνιο μήκος του συστήματος. Σε αυτό το σημείο, ένα γνωστό ρεύμα εφαρμόζεται μέσω των Χ και Ζ, ενώ η προκύπτουσα τάση μετριέται από τα Χ και Υ. Ο νόμος του Ohm μπορεί έπειτα να εφαρμοστεί για να υπολογίσει τη μετρημένη αντίσταση. Η ράβδος Υ απομακρύνεται έπειτα σε μια απόσταση 2x του διαγώνιου μήκους του συστήματος σε ευθεία γραμμή με το Χ και το Ζ, για να επαναλάβει τη μέτρηση αντίστασης στο νέο διάστημα. Αυτό θα συνεχιστεί, μετακινώντας τη ράβδο Υ 3x, 4x,...9x του διαγώνιου μήκους για να ολοκληρωθεί η μέθοδος πραγματοποιώντας συνολικά εννέα μετρήσεις αντίστασης. 31

32 7.2 Σχεδιασμός και αξιολόγηση Η μέθοδος τριών σημείων παριστάνεται με τη χάραξη των αποτελεσμάτων πάνω σε ένα σύστημα αξόνων Χ-Y, όπου σημειώνεται η αντίσταση συναρτήσει της απόστασης. Κατά προσέγγιση στο μέσο της απόστασης μεταξύ του κέντρου του υπό μέτρηση ηλεκτροδίου και της ράβδου Ζ, υπάρχει ένα «επίπεδο σημείο» (σημείο καμπής), όπως φαίνεται στη γραφική παράσταση. Η αντίσταση αυτού του σημείου είναι η ζητούμενη αντίσταση γείωσης. 7.3 Λανθασμένες μετρήσεις Εάν δεν παρατηρηθεί η ύπαρξη επίπεδου σημείου στην γραφική παράσταση, τότε η μέτρηση θεωρείται άκυρη (σχήμα 12). Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι η ράβδος Ζ δεν τοποθετήθηκε αρκετά μακριά από τη ράβδο Χ, και μπορεί να δείξει ότι το διαγώνιο μήκος του συστήματος δεν καθορίστηκε σωστά. Εάν η επίπεδη περιοχή βρίσκεται πολύ χαμηλά και εκτείνεται σε ολόκληρο το μήκος της γραφικής τότε και πάλι η μέτρηση θεωρείται άκυρη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η σύνδεση με το τηλεφωνικό δίκτυο δεν έχει απομονωθεί από το σύστημα γείωσης. Σχήμα 12 32

33 7.4 Μέτρηση με σφιγκτήρα Η μέτρηση με σφιγκτήρα (σχήμα 13) είναι μια από τις νεότερες μεθόδους μέτρησης της αντίστασης ενός συστήματος γείωσης ή ενός ηλεκτροδίου. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί έναν ειδικό μετασχηματιστή για να επιβάλλει μια εναλλασσόμενη τάση (συχνά 1.7 khz) στο σύστημα. Σε αντίθεση με τη μέθοδο τριών σημείων που απαιτεί το σύστημα να είναι εντελώς απομονωμένο, αυτή η μέθοδος απαιτεί ότι το σύστημα θα είναι συνδεδεμένο με το ηλεκτρικό δίκτυο ώστε να παρέχεται ένα μονοπάτι επιστροφής για το σήμα. Όμως υπάρχουν μερικοί περιορισμοί, που επιβάλλουν ότι : 1. Η ποσότητα του ρεύματος που διαρρέει το σύστημα δεν πρέπει να υπερβαίνει τα όρια των κατασκευαστών. 2. Το σήμα δοκιμής πρέπει να εισαχθεί στην κατάλληλη θέση, ώστε μέσω του συστήματος γείωσης να περάσει στη γη. 3. Αυτό το όργανο μετρά την τιμή της αντίστασης του συστήματος και τη σύνθετη αντίσταση της εγκατάστασης συμπεριλαμβανομένης της ουδέτερης καλωδίωσης. Λόγω της υψηλής συχνότητας η σύνθετη αντίσταση της ουδέτερης καλωδίωσης δεν είναι αμελητέα και μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την αντίσταση του εδάφους. Έτσι ένα σύστημα με πολύ χαμηλή αντίσταση δεν μπορεί να μετρηθεί επακριβώς. 4. Η αντίσταση ενός μεγάλου συστήματος γείωσης στα 50 Hz μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη απ' ότι στα 1.7 khz. 33

34 Σχήμα Εφαρμογή μέτρησης Η κατάλληλη χρήση αυτής της μεθόδου απαιτεί τη σύνδεση του ουδετέρου με τον αστέρα του μετασχηματιστή. Η εναλλασσόμενη τάση επιβάλλεται στο σύστημα και επιστρέφει μέσω της γης και του ουδέτερου αγωγού. Μεγάλη προσοχή πρέπει να ληφθεί σε αυτό το σημείο γιατί παρατηρούνται πολλά λάθη. Το πιο κοινό απ αυτά εμφανίζεται όταν η εναλλασσόμενη τάση εφαρμόζεται σε ένα μη αποδεκτό σημείο οδηγώντας σε βραχυκύκλωμα. Η μέθοδος αυτή μπορεί να μετρήσει συστήματα γείωσης που είναι διασυνδεδεμένα και δεν απαιτεί τη διακοπή τους για τη λήψη μετρήσεων. 34

35 7.6 Παρακολούθηση αντίστασης γείωσης Η παρακολούθηση της αντίστασης γείωσης είναι η διαδικασία αυτοματοποιημένης ή/και συνεχούς μέτρησης της. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν την προαναφερθείσα μέθοδο για να ελέγχουν συνεχώς την απόδοση κρίσιμων συστημάτων. Μερικά από αυτά μπορούν να παρέχουν την αυτοματοποιημένη υποβολή στοιχείων. Αυτοί οι νέοι μετρητές μπορούν να λειτουργήσουν σε πραγματικό χρόνο χωρίς να απαιτείται διακοπή της ηλεκτροδότησης. 35

36 8. ΑΥΞΗΣΗ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΤΗΣ ΓΗΣ (GPR) [1] Η αύξηση του δυναμικού της γης (Ground Potential Rise - GPR) είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται όταν μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας ρέουν προς τη γη. Αυτό συμβαίνει όταν παρουσιάζεται σφάλμα σε υποσταθμούς ή σε πυλώνες υψηλής τάσης (π.χ. σε περίπτωση κεραυνού - ατμοσφαιρική υπέρταση). Όταν μεγάλα ρεύματα απαχθούν στη γη θα αυξηθεί το δυναμικό όχι μόνο του συστήματος γείωσης αλλά και του γύρω εδάφους (σχήμα 14). Σχήμα 14 Οι τάσεις που παράγονται από ένα σφάλμα μπορεί να είναι επικίνδυνες και για το προσωπικό και για τον εξοπλισμό. Όπως περιγράφηκε νωρίτερα, το έδαφος έχει αντίσταση που θα έχει ως αποτέλεσμα μια 36

37 πτώση τάσης να εμφανιστεί κατά μήκος της πορείας του ρεύματος. Οι προκύπτουσες διαφορές δυναμικού θα προκαλέσουν τη ροή ρευμάτων σε οποιοιδήποτε κοντινό αγώγιμο αντικείμενο. 8.1 Ορισμοί αύξησης δυναμικού γης - Ground Potential Rise (GPR) Το GPR όπως καθορίζεται από την IEEE Std. 367 είναι το αποτέλεσμα της εμπέδησης ενός ηλεκτροδίου γείωσης και του ρεύματος που το διαρρέει. Το GPR όπως καθορίζεται από την IEEE Std ως το μέγιστο δυναμικό που μπορεί να υποστεί το πλέγμα γείωσης ενός υποσταθμού. Αυτή η τάση είναι ίση με το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει το πλέγμα επί την αντίσταση του. Γεγονότα GPR δημιουργούν προβλήματα όταν ρεύματα μεγάλου μεγέθους ρέουν προς τη γη. Αυτά εμφανίζονται σε έναν υποσταθμό, σε πυλώνες υψηλής τάσης, σε μια ράβδο ή ένα μετασχηματιστή. Σε περιπτώσεις όπου ένα γεγονός GPR μπορεί να είναι μεγάλης σπουδαιότητας, πρέπει να παίρνονται προφυλάξεις για την ασφάλεια προσωπικού και εξοπλισμού. Το δυναμικό της γης μειώνεται απότομα γύρω από την περίμετρο του συστήματος γείωσης αλλά δεν μηδενίζεται. Στην πραγματικότητα, σε ένα τέλεια ομοιογενές χώμα, το δυναμικό του εδάφους είναι αντιστρόφως ανάλογο της απόστασης από το κέντρο της γείωσης. Ο τύπος είναι ο ακόλουθος: V ground = R ground I 2πL όπου το δυναμικό είναι σε Volt, η ειδική αντίσταση σε Ω*m, το ρεύμα σε A και η απόσταση σε m. Μια συνηθισμένη συνέπεια ενός GPR περιλαμβάνει το θάνατο ζώων σε πτώση κεραυνού. Το ρεύμα θα διαδοθεί ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις δημιουργώντας μεγάλες βηματικές τάσεις, αυτό οδηγεί σε μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των ποδιών, που αναγκάζει το ρεύμα να διατρέξει τον οργανισμό συμπεριλαμβανομένης της καρδιάς προκαλώντας το θάνατο. 37

38 Μελέτες GPR πραγματοποιούνται σε υποσταθμούς και σε πυλώνες υψηλής τάσης. Οι υποσταθμοί έχουν μεγαλύτερες περιοχές γείωσης σε σχέση με τους πυλώνες. Οι πυλώνες αντιπροσωπεύουν τις πιο δύσκολες στο χειρισμό καταστάσεις GPR και συχνά δεν προστατεύονται εκτός κι αν βρίσκονται σε περιοχές προσβάσιμες στους ανθρώπους. 8.2 Ανάλυση GPR Ο σκοπός μιας μελέτης GPR είναι να καθοριστεί το επίπεδο κινδύνου που συνδέεται με μια δεδομένη υπέρταση για το προσωπικό ή/και τον εξοπλισμό. Όταν ο βαθμός κινδύνου προσδιοριστεί πρέπει να παρθούν οι απαραίτητες προφυλάξεις ώστε να κάνουν την περιοχή ασφαλή. Για να το κάνει αυτό ο μηχανικός πρέπει να προσδιορίσει την ελάχιστη γείωση για κάθε θέση. Ο μηχανικός πρέπει επίσης να λάβει υπόψη όλες οι εθνικές και κοινοτικές οδηγίες που επιβάλλονται από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού. Μόλις προσδιοριστεί το ελάχιστο σύστημα γείωσης ο μηχανικός πρέπει να εκτελέσει μια ανάλυση GPR και να προσδιορίσει την έκταση οποιωνδήποτε ηλεκτρικών κινδύνων. Τα στοιχεία που αναφέρονται σε μια μελέτη GPR περιλαμβάνουν τα εξής: Το εμβαδό του προτεινόμενου πλέγματος γείωσης, την αντίσταση του, το ρεύμα σφάλματος που αναμένεται να προκύψει, η άνοδος τάσης του εδάφους, ο λόγος X/R και ο χρόνος εκκαθάρισης σφάλματος. Επίσης υπολογίζονται οι βηματικές τάσεις και οι τάσεις επαφής. Ο μηχανικός χρειάζεται τρία είδη πληροφοριών για να πραγματοποιήσει μια μελέτη GPR: 1. Στοιχεία της ειδικής αντίστασης του εδάφους 2. Σχέδια της κατασκευής 3. Δεδομένα από την επιχείρηση ηλεκτρισμού 38

39 8.3 Στοιχεία της ειδικής αντίστασης του εδάφους Τα στοιχεία της ειδικής αντίστασης του εδάφους πρέπει να περιλάβουν μετρήσεις ειδικής αντίστασης για πολλαπλά διαστήματα ηλεκτροδίων. Οι βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής αντιπροσωπεύουν την κύρια ανησυχία για την ασφάλεια προσωπικού. Απαιτείται κατανόηση των χαρακτηριστικών του εδάφους σε διάφορα βάθη ώστε να δημιουργηθεί ένα αποδοτικό και ασφαλές σύστημα γείωσης. 8.4 Σχέδια της κατασκευής Τα σχέδια της κατασκευής πρέπει να παρουσιάζουν το σχεδιάγραμμα του πυλώνα υψηλής τάσεως ή του υποσταθμού συμπεριλαμβανομένης της περίφραξης. Επίσης πρέπει να περιληφθούν οποιεσδήποτε διασυνδέσεις είτε ισχύος είτε τηλεπικοινωνιακές. Στην περίπτωση πυλώνα το ύψος και η απόσταση μεταξύ των αγωγών πρέπει να αναλύονται διεξοδικώς. Αυτές οι πληροφορίες είναι απαραίτητες ώστε να εξεταστούν κατάλληλα οι βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής. 8.5 Δεδομένα από την επιχείρηση ηλεκτρισμού Η επιχείρηση ηλεκτρισμού πρέπει να παρέχει τις ακόλουθες πληροφορίες: 1. Φασικό ρεύμα σφάλματος για κάθε γραμμή 2. Χρόνος εκκαθάρισης σφαλμάτων 3. Τάση γραμμών 4. Λόγος Χ/R 5. Αγωγούς προστασίας και χαρακτηριστικά αυτών 6. Μέση απόσταση από πυλώνα σε πυλώνα 7. Χαρακτηριστικές τιμές αντίστασης γείωσης πυλώνων 39

40 8.6 Ασφάλεια προσωπικού κατά τη διάρκεια σφαλμάτων Ο μηχανικός είναι απαραίτητο να αναπτύξει συστήματα ασφάλειας σύμφωνα με τους υπάρχοντες κανονισμούς για να προστατεύσει το ανθρώπινο δυναμικό όπου κίνδυνοι GPR είναι υπαρκτοί. Οι υποσταθμοί θεωρούνται πάντα εργασιακοί χώροι και οι βηματικές τάσεις και οι τάσεις επαφής πρέπει να απαλειφθούν. Οι πυλώνες μεταφοράς και διανομής δε θεωρούνται πάντα χώροι εργασίας και επομένως απαλλάσσονται συχνά αυτών των απαιτήσεων. Το ρεύμα που απαιτείται για να προκαλέσει την καρδιακή προσβολή ονομάζεται ρεύμα μαρμαρυγής. Πολλές διαφορετικές μέθοδοι υπάρχουν για τη μέτρηση αυτού του ρεύματος εντούτοις η μέθοδος 50 kg-ieee είναι η συνηθέστερα χρησιμοποιημένη. Η μέθοδος δείχνει ότι επίπεδο μαρμαρυγής είναι αντιστρόφως ανάλογο προς την τετραγωνική ρίζα της διάρκειας των σφαλμάτων. Η διάρκεια σφαλμάτων είναι το διάστημα που απαιτείται ώστε παρέμβουν τα ρελέ του συστήματος αποκόπτοντας το ρεύμα. Τελικά ο μηχανικός πρέπει να καθορίσει δύο πράγματα: 1. Την μέγιστη επιτρεπόμενη τάση που ένα πρόσωπο μπορεί ακίνδυνα να υποστεί σε ένα συγκεκριμένο εργασιακό χώρο. 2. Τις πραγματικές τάσεις που θα εμφανιστούν κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος. Κάθε σύστημα θα έχει διαφορετικά επίπεδα τάσεων και για τα δύο από τα ανωτέρω λόγω διαφορετικών συνθηκών που επικρατούν. 40

41 8.7 Βηματικές τάσεις Η πτώση τάσης στο χώμα που περιβάλλει ένα σύστημα γείωσης μπορεί να παρουσιάσει κινδύνους στο προσωπικό που στέκεται κοντά σ αυτό. Το προσωπικό που «κινείται» στην κατεύθυνση της κλίσης της τάσης θα μπορούσε να υποβληθεί σε επικίνδυνο δυναμικό. Επικίνδυνες βηματικές τάσεις μπορούν να εμφανιστούν σε σημαντική απόσταση μακριά από τη θέση σφάλματος (σχήμα 15). Η ειδική αντίσταση και η διαστρωμάτωση του εδάφους παίζουν σημαντικό ρόλο στο πόσο επικίνδυνο ένα σφάλμα μπορεί να είναι. Οι υψηλές ειδικές αντιστάσεις τείνουν να αυξήσουν τις βηματικές τάσεις. Ένα άνω στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης και ένα κάτω στρώμα χαμηλής αντίστασης δημιουργούν υψηλές βηματικές τάσεις κοντά στο ηλεκτρόδιο γείωσης. Το κατώτατο στρώμα ειδικής αντίστασης «τραβάει» περισσότερο ρεύμα μέσω του ηλεκτροδίου από το υψηλό στρώμα, με συνέπεια μεγάλες πτώσεις τάσης πλησίον του ηλεκτροδίου. Το χειρότερο σενάριο εμφανίζεται όταν το χώμα έχει αγώγιμα άνω στρώματα και όχι ιδιαίτερα αγώγιμα κάτω στρώματα. Σε αυτήν την περίπτωση, το ρεύμα σφάλματος διασχίζει το άνω αγώγιμο στρώμα για πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις. 8.8 Τάσεις επαφής Όταν ένα σφάλμα εμφανίζεται σε έναν πυλώνα ή έναν υποσταθμό το ρεύμα θα περάσει μέσω οποιωνδήποτε μεταλλικών αντικειμένων προς τη γη. Αν ένα άτομο αγγίξει ένα τέτοιο αντικείμενο ή βρεθεί σε μια κρίσιμη απόσταση σχετικά με αυτό τότε θα υποβληθεί σε επικίνδυνη τάση. 41

42 Σχήμα 15 Παραδείγματος χάριν εάν ένα πρόσωπο αγγίζει τη βάση ενός πυλώνα υψηλής τάσης τη στιγμή που εμφανίζεται ένα σφάλμα, το ρεύμα θα ταξιδέψει από τον πυλώνα στο χέρι και μέσω του σώματος στη γη (σχήμα 16). Μια προσεκτική ανάλυση απαιτείται για να καθοριστούν αποδεκτά ρεύματα στα οποία μπορεί να αντισταθεί το σώμα για κάποιο χρονικό διάστημα. Οι κανονισμοί χρησιμοποιούν μια απόσταση 1 m για τον υπολογισμό των τάσεων επαφής. Πολλές φορές οι μηχανικοί χρησιμοποιούν μια απόσταση 2 ή 3 m για να επιτύχουν μεγαλύτερα επίπεδα ασφαλείας. 42

43 8.9 Ελαχιστοποιώντας βηματικές και τάσεις επαφής Αυτό επιτυγχάνεται μέσω των εξής τεχνικών: 1. Μείωση της αντίστασης του συστήματος γείωσης 2. Κατάλληλη τοποθέτηση των ηλεκτροδίων γείωσης 3. Προσθήκη επιφανειών υψηλής ειδικής αντίστασης Η κατανόηση αυτών των τεχνικών είναι το κλειδί στη μείωση και εξάλειψη οποιοιδήποτε κινδύνων. Αυτό μπορεί να γίνει μόνο μέσω της χρήσης τρισδιάστατης ηλεκτρικής προσομοίωσης του εδάφους και της γείωσης. Η μείωση της αντίστασης της γείωσης είναι συχνά ο καλύτερος τρόπος να μειωθούν τα αρνητικά αποτελέσματα οποιουδήποτε σφάλματος. Έτσι μειώνοντας την αντίσταση της γείωσης αυξάνεται το ρεύμα που ρέει προς τη γη με αποτέλεσμα την εμφάνιση μικρότερης διαφοράς δυναμικού. Παραδείγματος χάριν, εάν το ρεύμα σφάλματος είναι 5000 Α και η αντίσταση του συστήματος γείωσης είναι 10 Ω, θα εμφανιστεί τάση V. Εάν μειώσουμε τη αντίσταση σε 5 Ω και το ρεύμα αυξηθεί στα 7000 Α θα έχουμε τάση V. Όπως βλέπουμε στο παραπάνω παράδειγμα, η μείωση της αντίστασης θα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση βηματικών και τάσεων επαφής. Σχήμα 16 43

44 8.10 Κατάλληλη τοποθέτηση των ηλεκτροδίων γείωσης Μια χαρακτηριστική προδιαγραφή για τους αγωγούς γείωσης σε υψηλής τάσεως πυλώνες ή υποσταθμούς είναι η ηλεκτρική σύνδεση όλων των μεταλλικών αντικειμένων με τη γη. Το βάθος και η απόσταση σε έναν βρόχο γείωσης μπορούν να ποικίλουν. Τυπικά απαιτείται ένας γυμνός αγωγός χαλκού που θάβεται σε άμεση επαφή με τη γη, 1 m από την περίμετρο του αντικειμένου και 50 cm σε βάθος. Ο σκοπός αυτού του βρόχου είναι να ελαχιστοποιηθεί η τάση μεταξύ του αντικειμένου και της γης όπου ένα πρόσωπο μπορεί να βρεθεί. Είναι απαραίτητο ότι όλα τα μεταλλικά αντικείμενα του περιβάλλοντος θα συνδεθούν με το σύστημα. Είναι επίσης σημαντικό ότι η ειδική αντίσταση του χώματος θα ληφθεί υπ όψη στον υπολογισμό του βάθους τοποθέτησης των ηλεκτροδίων. Παραδείγματος χάριν, σε χώμα με ένα στρώμα ξηρής, επιφάνειας, υψηλής ειδικής αντίστασης, η τοποθέτηση ηλεκτροδίων θα είναι αναποτελεσματική. Ένα στρώμα χαμηλής ειδικής αντίστασης κάτω απ αυτό θα ήταν μια πιο κατάλληλη τοποθεσία. Επιπλέον, ενώ η τάση επαφής κοντά στο βρόχο μπορεί να είναι μειωμένη, σε μικρή απόσταση απ αυτόν μπορεί να αυξηθεί λόγω της μειωμένης «ζώνης επιρροής» αυτών των αγωγών γείωσης. Τέλος, οι βηματικές τάσεις είναι πιθανό να αυξηθούν σε αυτές τις θέσεις. Πράγματι, αυτό είναι γεγονός κοντά στη περίμετρο του συστήματος γείωσης Προσθήκη επιφανειών υψηλής ειδικής αντίστασης Μια από τις απλούστερες μεθόδους αποφυγής των επικίνδυνων τάσεων είναι η προσθήκη ενός υλικού με μεγάλη ειδική αντίσταση δηλαδή με τη χρήση ειδικών παπουτσιών. Όταν είναι στεγνά, έχουν αντίσταση εκατομμυρίων Ω στα πέλματα τους και είναι ένα άριστο εργαλείο για την ασφάλεια προσωπικού. Αφ' ετέρου, όταν αυτά είναι υγρά και βρώμικα, το ρεύμα μπορεί να παρακάμψει τα πέλματα. Επιπλέον, υποτίθεται ότι το ευρύ κοινό, το οποίο μπορεί να έχει 44

45 πρόσβαση σε αυτές τις περιοχές, θα φορέσει τέτοιο προστατευτικό εξοπλισμό. Μια άλλη τεχνική που χρησιμοποιείται για να μετριάσει τους πιθανούς κινδύνους είναι η προσθήκη επιφανειών υψηλής ειδικής αντίστασης γύρω από ένα πυλώνα ή έναν υποσταθμό. Η άσφαλτος είναι μια άριστη εναλλακτική λύση Tηλεπικοινωνίες σε περιβάλλον υψηλών τάσεων Όταν μια περιοχή που διαθέτει εγκαταστάσεις υψηλών τάσεων διασχίζεται από τηλεπικοινωνιακές γραμμές, τότε απαιτούνται ειδικά μέτρα για να προστατέψουν τους σταθμούς μεταγωγής από ανεπιθύμητες τάσεις. Αυτές οι προφυλάξεις καθορίζονται από τα πρότυπα 387, 487, 1590 της ΙΕΕΕ και απαιτούν μελέτη της αύξησης δυναμικού της γης (GPR) στην περιοχή. Για την προστασία των τηλεφωνικών σταθμών μεταγωγής απαιτείται η χρήση οπτικών ινών αντί καλωδίων χαλκού. Ένα κουτί μετατροπής από χαλκό σε οπτική ίνα πρέπει να τοποθετηθεί εκτός της επιφάνειας σφάλματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 17 ώστε να μη δημιουργηθεί πρόβλημα υπέρτασης στο τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Σχήμα 17 45

46 Μέρος B 9.ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PC-OPERA [3] 9.1 Εισαγωγή Το OPERA-2d είναι μια ακολουθία προγραμμάτων ανάλυσης δισδιάστατων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Τα προγράμματα χρησιμοποιούν τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων για να λύσουν τις μερικές διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν τη συμπεριφορά των πεδίων. Αυτές οι εξισώσεις περιλαμβάνουν: 1. Εξίσωση Poisson 2. Εξίσωση Helmholtz 3. Εξίσωση Διάχυσης Η επίλυση αυτών των εξισώσεων αποτελεί ένα βασικό τμήμα του σχεδιασμού στις ακόλουθες περιπτώσεις: 1. Μαγνητοστατική 2. Ηλεκτροστατική 3. Χρονομεταβλητά μαγνητικά πεδία (χαμηλή συχνότητα ) Η δυνατότητα μοντελοποίησης μη γραμμικών υλικών είναι βασική σε αυτές τις εφαρμογές. Το λογισμικό χρησιμοποιεί τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Λόγω της απαίτησης πολλών πληροφοριών πριν γίνει η ανάλυση, η εισαγωγή δεδομένων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό αμφίδρομο προ-επεξεργαστή. Χρησιμοποιώντας τη γραφική αμφίδρομη διαδικασία στα πλαίσια της προ- επεξεργασίας, ο μοντελοποιημένος χώρος διαιρείται σε μια συνεχή ομάδα τριγωνικών στοιχείων. Το φυσικό μοντέλο μπορεί να περιγραφεί σε καρτεσιανές ή κυλινδρικές συντεταγμένες. Όταν ετοιμαστεί το μοντέλο, η λύση υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον κατάλληλο τύπο ανάλυσης. Υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις για ανάλυση των διαφορετικών τύπων ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης π.χ. 46

47 στατική και στη μόνιμη κατάσταση. Το πρόγραμμα ανάλυσης καθορίζει τη σωστή λύση, περιλαμβάνοντας μη γραμμικά φαινόμενα αν αυτά έχουν μοντελοποιηθεί. Το αποτέλεσμα τότε μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας έναν μετ-επεξεργαστή. Όπως και στην περίπτωση του προ-επεξεργαστή, ο μετ-επεξεργαστής ελέγχεται κατά κύριο λόγο από την αμφίδρομη επικοινωνία μέσα από έναν κατάλογο με γραφικά. Πολλές μεταβλητές του συστήματος είναι διαθέσιμες για έλεγχο, περιλαμβάνοντας δυναμικά, ρεύματα, πεδία, δυνάμεις και θερμοκρασία. Το πρόσθετο χαρακτηριστικό των μεταβλητών που ορίζονται από το χρήστη επιτρέπει στα αποτελέσματα της επίλυσης να είναι προσαρμοσμένα σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Τα αριθμητικά σφάλματα, λόγω του κακού προσδιορισμού του πλέγματος, αναλύονται και αυτά ώστε το πλέγμα να βελτιωθεί και να επιτύχουμε την επιθυμητή ακρίβεια των αποτελεσμάτων. 9.2 Προγράμματα ανάλυσης Υπάρχουν 7 προγράμματα ανάλυσης στη δισδιάστατη έκδοση του OPERA. Όλα δέχονται δεδομένα προετοιμασμένα από τον προ- και τον μετ-επεξεργαστή και δημιουργούν αρχεία αποτελεσμάτων που μπορούν να διαβαστούν από τον προ- και τον μετ-επεξεργαστή. 47

48 Τα 7 προγράμματα ανάλυσης είναι: Στατικά ST Γραμμικά ή μη γραμμικά μαγνητοστατικά ή ηλεκτροστατικά με ισοτροπικά υλικά και μόνιμους μαγνήτες SP Ηλεκτροστατικά, περιλαμβάνοντα τις συνέπειες χωρικών φορτίων από δέσμες σωματιδίων Δινορρεύματα AC Μόνιμης κατάστασης εναλλασσόμενα δινορρεύματα με γραμμικά ή μη γραμμικά υλικά και εξαρτημένες πηγές ρεύματος ή τάσης. Οι επιτρεπτότητες μπορούν να ληφθούν από τα δεδομένα της περιοχής,από μια προηγούμενη ST ή TR λύση, ή να υπολογιστούν από το πεδίο της AC λύσης. Σε όλες τις περιπτώσεις η επιτρεπτότητα μπορεί να είναι σύνθετη. TR Μεταβατικά δινορρεύματα γραμμικά με ή μη γραμμικά υλικά, συνδεδεμένα σε εξωτερικά κυκλώματα. VL Δινορρεύματα επαγόμενα από κίνηση σταθερής ταχύτητας ενός τμήματος του μοντέλου λαμβάνοντας υπ όψη και το υπόλοιπο. RM Διαμορφωτής περιστροφικής κίνησης: ένας διαμορφωτής μεταβατικών δινορρευμάτων, επεκτεινόμενος ώστε να περικλείει τις συνέπειες της περιστροφής συμπαγούς σώματος, χρονομεταβλητά ρεύματα και σύνδεση σε εξωτερικά κυκλώματα. Ανάλυση καταπόνησης SA Ανάλυση καταπόνησης, χρησιμοποιώντας σημειακές δυνάμεις σαν εισόδους ή πυκνότητες δύναμης του σώματος υπολογισμένες από προηγούμενη ηλεκτρομαγνητική ανάλυση. Θερμική ανάλυση TH Θερμική ανάλυση, χρησιμοποιώντας σημειακές θερμοκρασίες σαν εισόδους και πυκνότητες ισχύος στοιχείων από προηγούμενη ηλεκτρομαγνητική ανάλυση. THTR Μεταβατική έκδοση της θερμικής ανάλυσης. Υπάρχει επίσης ένα ακόμα χρήσιμο πρόγραμμα: DXF Ένα πρόγραμμα που μεταφράζει DXF αρχεία σε OPERA-2d εκτελέσιμα αρχεία εισαγωγής (.comi). Στο σχήμα φαίνεται ένα εικονίδιο του OPERA-2d στο οποίο διακρίνονται τα διαφορετικά προγράμματα ανάλυσης 48

49 Σχήμα 9.1: Τα προγράμματα ανάλυσης του OPERA-2d 9.3 Φιλοσοφία του προγράμματος Μια πλήρης λύση προβλήματος με το OPERA-2d αποτελείται από 3 φάσεις: προετοιμασία δεδομένων ή προ-επεξεργασία, ανάλυση και επίδειξη αποτελεσμάτων ή μετ-επεξεργασία. Επειδή ο προ- και ο μετεπεξεργαστής είναι ένα πρόγραμμα, οποιαδήποτε τροποποίηση στα δεδομένα μπορεί να γίνει αμέσως μετά την μετ- επεξεργασία. 9.4 Μοντέλο στο OPERA-2d Ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων μπορούν να αναπαρασταθούν από δισδιάστατα μοντέλα. Αυτό υποθέτει ότι η διάταξη εμπίπτει σε μια από τις ακόλουθες κατηγορίες: 1. μεγάλο μήκος σε μια διεύθυνση, με ομοιόμορφη εγκάρσια διατομή στο μεγαλύτερο μήκος. Σε τέτοιες διατάξεις, μια λογική προσέγγιση είναι να υποθέσουμε ότι για μεγάλο μέρος του μήκους, η κατανομή του πεδίου στη διατομή δεν μεταβάλλεται και ότι δεν υπάρχει συνιστώσα του πεδίου παράλληλα στον διαμήκη άξονα. Στο OPERA-2d, τέτοια μοντέλα έχουν ΧΥ συμμετρία. 2. συμμετρικό εκ περιστροφής. Δεν υπάρχει γωνιακή συνιστώσα του πεδίου και η κατανομή του πεδίου είναι ίδια για κάθε αξονική τομή. Για να μοντελοποιηθεί μια τέτοια διάταξη επιλέγεται ένα σύστημα κυλινδρικών συντεταγμένων, όπως φαίνεται στο Σχήμα

50 Σχήμα 9.2: Με την επιλογή Axisymmetry δημιουργείται ένα σύστημα κυλινδρικής Συμμετρίας 9.5 Προ-επεξεργασία (pre-processing) Η γεωμετρία μιας διάταξης που θα αναλυθεί με το OPERA-2d παρουσιάζεται στον προ- και μετ-επεξεργαστή σαν μια ομάδα πολυγωνικών περιοχών στο δισδιάστατο επίπεδο. Τα δεδομένα της κάθε περιοχής εισάγονται με τη γραμμή εντολών Draw, ενώ τα εικονίδια που αντιστοιχούν στις εντολές σχεδιασμού των περιοχών (επιλογή σημείων, σχεδιασμός άξονα συντεταγμένων κ.ο.κ.) φαίνονται στο Σχήμα 9.3: 50

51 Σχήμα 9.3: Η γραμμή εντολών draw για τη σχεδίαση των περιοχών της διάταξης υπό μελέτη 1: Εισαγωγή μονάδων μέτρησης μεγεθών εισόδου 2: Εισαγωγή ιδιοτήτων σε τομέα υπό επιλεγμένη γραμμή 3: Τοποθέτηση σημείου με το mouse, χειρονακτικά 4: Τοποθέτηση σημείου σε γωνία τομέα 5: Τοποθέτηση σημείου σε construction line - ευθεία 6: Τοποθέτηση σημείου σε construction line καμπύλη 7: Τοποθέτηση σημείου με επιλογή καρτεσιανών ή πολικών συντεταγμένων 8: Διαγραφή τελευταίου σημείου 9: Κλείσιμο τομέα από τέσσερα διαδοχικά τοποθετημένα σημεία 10: Δημιουργία γραμμής από δύο σημεία 11: Δημιουργία καμπύλης με τρία σημεία (ακρογωνιαία και στο μέσο της) 12: Δημιουργία καμπύλης με τρία σημεία (ακρογωνιαία και στο κέντρο της) 13: Παρουσίαση καρτεσιανού grid 14: Παρουσίαση πολικού grid 15: Δημιουργία παραλληλόγραμμου τομέα 16: Δημιουργία τραπεζοειδούς τομέα 17: Δημιουργία κυκλικού τομέα Τα δεδομένα αυτά μπορούν να «μορφοποιηθούν» με τη γραμμή εντολών Modify, από την οποία προκύπτει ένα σύνολο επιλογών (μετακίνηση περιοχών, επιλογή ιδιοτήτων πλευρών κ.α.) που φαίνεται στη σειρά εργαλείων του Σχήματος 9.4: 51

52 Σχήμα 9.4:Η γραμμή εντολών modify 1: Μορφοποίηση σημείου (αλλαγή θέσης, διαγραφή κ.τ.λ.) 2: Μορφοποίηση γραμμής (καμπυλότητα, δυναμικό, κατανομή σημείων) 3: Μορφοποίηση τομέα (ιδιότητες) 4: Δημιουργία νέου σημείο στο μέσο μιας construction line, δεδομένης καμπύλης 5: Ορισμός δυναμικών σε γειτονικές καμπύλες 6: Ομαδοποίηση regions (τομέων) υπό κοινή ετικέτα 7: Αντιγραφή αντικειμένων (τομέων ή γκρουπ) 8: Μετακίνηση αντικειμένων (τομέων ή γκρουπ) 9: Διαγραφή αντικειμένων (τομέων ή γκρουπ) 10: Περιστροφή αντικειμένων (τομέων ή γκρουπ) Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι αν η σχεδίαση μίας περιοχής δεν έχει ολοκληρωθεί ώστε να κλείσει το πολύγωνο / περιοχή, τότε, σε περίπτωση που κλείσει το παράθυρο της εντολής Draw, η σχεδίαση που έχει προηγηθεί, ακυρώνεται. Μια περιοχή μπορεί να είναι μια «δευτέρου πλάνου» περιοχή η οποία καλύπτει όλο το χώρο του προβλήματος. Στο Σχήμα 9.5 φαίνεται ο χαρακτηρισμός μιας περιοχής σαν περιοχή «δεύτερου πλάνου» με την επιλογή background : 52

53 Σχήμα 9.5: Χαρακτηρισμός μιας περιοχής σαν περιοχή «δεύτερου πλάνου» (background) Οι άλλες περιοχές είναι μη επικαλυπτόμενα πολύγωνα που προσδιορίζουν τα άλλα υλικά στο πρόβλημα. Για τις περιοχές αυτές επιλέγουμε το χαρακτηρισμό polygon (Σχήμα 9.6). Σχήμα 9.6:Χαρακτηρισμός μιας περιοχής σαν πολύγωνο (polygon) Όλες οι ιδιότητες των υλικών και οι οριακές συνθήκες αποθηκεύονται με την κάθε περιοχή. Εξαίρεση σε αυτό αποτελούν οι μη γραμμικές 53

54 σχέσεις μεταξύ πυκνότητας ροής και έντασης πεδίου που αποθηκεύονται ως πίνακες τιμών, οι οποίοι συνδέονται με τις περιοχές με κωδικούς αριθμούς υλικών. Τέτοιοι ΒΗ πίνακες τιμών προσδιορίζονται και μορφοποιούνται με την εντολή BH data. Για διατάξεις με επαναλαμβανόμενες περιοχές υπάρχουν εντολές αντιγραφής, οι οποίες δημιουργούν πολλαπλά αντίγραφα της περιοχής με τις ίδιες ιδιότητες υλικού. Οι περιοχές μπορούν να αντιγραφούν με την εντολή Make copies of regions. Μέσα σε κάθε περιοχή, η δημιουργία πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων είναι αυτόματη, χρησιμοποιώντας σαν εισαγόμενα δεδομένα τις συντεταγμένες των κορυφών, τις καμπυλότητες και τις υποδιαιρέσεις των πλευρών. Στο Σχήμα 9.7 βλέπει κανείς ότι είναι δυνατή η κατά βούληση μεταβολή του μεγέθους της καμπυλότητας που φέρει μια πλευρά ενός πολυγώνου (curvature), καθώς και των πεπερασμένων στοιχείων του πλέγματος που αντιστοιχούν σε αυτήν (number of elements). 54

55 Σχήμα 9.7: Καθορισμός της καμπυλότητας και των στοιχείων μιας πλευράς Υπάρχουν δύο κατηγορίες σχημάτων των περιοχών, τα τετράπλευρα και γενικά πολύγωνα. Το πλέγμα μέσα στα τετράπλευρα δημιουργείται από μετασχηματισμό σε μοναδιαίο τετράγωνο και κανονική υποδιαίρεση. Το πλέγμα είναι κατ αυτό τον τρόπο προβλεπόμενο και ο χρόνος δημιουργίας του μικρός. Εσωτερικοί κόμβοι προστίθενται, αν είναι απαραίτητο, για να επιτύχουν μεγέθη στοιχείων που διαφέρουν λίγο εκατέρωθεν των περιοχών και σχήματα στοιχείων που είναι κατά το δυνατό περίπου ισόπλευρα. Τα πολύγωνα επιτρέπουν σε μεγάλες περιοχές χώρου, ειδικά κοντά στα όρια να πλεγματοποιούνται με τον ελάχιστο αριθμό περιοχών. Το πλέγμα δημιουργείται με την εντολή 55

56 Generate mesh, οπότε εμφανίζεται το εικονίδιο του Σχήματος 9.8, ενώ, ύστερα από τη διαμόρφωσή του τελευταίου κάνει την εμφάνισή του ένα ενημερωτικό εικονίδιο που πληροφορεί το χρήστη για το πλήθος των πεπερασμένων στοιχείων που έχουν σχηματιστεί (number of elements), αλλά και για τον αριθμό των κόμβων (number of nodes) του πλέγματος (Σχήμα 9.9). Σχήμα 9.8: Η εντολή δημιουργίας πλέγματος generate mesh 56

57 Σχήμα 9.9: Το παράθυρο που εμφανίζεται μετά τη δημιουργία του πλέγματος Οι περιοχές χρησιμοποιούνται επίσης στη μετ-επεξεργασία ως οι μικρότερες μονάδες της περιοχής στην οποία μπορεί να γίνει ολοκλήρωση (εντολή Field Integrals). Το OPERA-2d, κατά την προεπεξεργασία, εκτός από τις εντολές δημιουργίας και επίδειξης του πλέγματος (Generate mesh και Display mesh), διαθέτει, επίσης, εντολή επίδειξης των δεδομένων της περιοχής, (List region data), όπως, επίσης, και εντολές αποθήκευσης (Save) και ανάγνωσης (Open) αρχείων οι οποίες διακρίνονται στα εικονίδια του Σχήματος

58 Σχήμα 9.10: Τα εικονίδια που εμφανίζονται κατά την αποθήκευση (save) και την ανάγνωση (open) ενός αρχείου. Όπως φαίνεται, τα αρχεία αποθηκεύονται με τη μορφή (.op2). Πριν αποθηκευτεί ένα αρχείο δεδομένων πρέπει να καθοριστεί το είδος της ανάλυσης που θα χρησιμοποιηθεί. Στην περίπτωση ανάλυσης για ηλεκτροστατικό πεδίο, η εντολή που επιλέγεται είναι η Static analysis (Σχήμα 9.11). 58

59 Σχήμα 9.11: Εντολή ανάλυσης για ηλεκτροστατικό πεδίο Δεν είναι απαραίτητη περαιτέρω αλληλεπίδραση πριν τρέξουμε το πρόγραμμα ανάλυσης, το οποίο μπορεί να τρέξει χωρίς να «βγούμε» από τον προ- και τον μετ- επεξεργαστή. 59

60 9.6 Ανάλυση Για την παροχή των επιπρόσθετων πληροφοριών που είναι απαραίτητες για κάθε πρόγραμμα ανάλυσης, χρησιμοποιείται η εντολή Start analysis, η οποία επιτρέπει στο χρήστη να καθορίσει στοιχεία όπως: ανοχή σύγκλισης, σημεία χρονικής εισόδου, μη γραμμικό επαναληπτικό τύπο κλπ. Μετά από αυτό τα προγράμματα ανάλυσης δεν χρειάζονται πρόσθετες πληροφορίες από τον χρήστη. Τα προγράμματα δημιουργούν αρχεία αποτελεσμάτων που περιέχουν ένα αντίγραφο των δεδομένων και της λύσης και ένα αρχείο που περιέχει διαγνωστικά. Μετ επεξεργασία (Post-processing): Ο προ- και ο μετ-επεξεργαστής, OPERA-2d/PP, μπορεί να διαβάσει αρχεία αποτελεσμάτων από τα προγράμματα ανάλυσης, να εμφανίζει και να επεξεργάζεται λύσεις. Οι λύσεις αποτελούνται από τις τιμές του δυναμικού που λαμβάνονται στους κόμβους του πλέγματος, καθώς και από τις τιμές των στοιχείων του πλέγματος για το ρεύμα, την πυκνότητα φορτίου, τη διαπερατότητα ή την επιτρεπτότητα. Οποιαδήποτε απλή πεδιακή ποσότητα (δυναμικό, ένταση πεδίου, πυκνότητα ροής, πυκνότητα ρεύματος κλπ) μπορεί να εμφανίζεται σε σημεία, (με την εντολή Fields at a point), κατά μήκος γραμμών, (με την εντολή Fields along a line) ή με τη μορφή δυναμικών γραμμών ή χρωματικών περιοχών που υπερτίθενται στο σχήμα της διάταξης σαν περιγράμματα στις περιοχές. (με την εντολή Contour map). Το αντίστοιχο εικονίδιο διακρίνεται στο Σχήμα

61 Σχήμα 9.12: Με την επιλογή single colour lines το ηλεκτρικό πεδίο είναι δυνατό να παρασταθεί μέσω των δυναμικών γραμμών Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν αλγεβρικές εκφράσεις τέτοιων πεδιακών ποσοτήτων. Πρόσθετη επεξεργασία μπορεί να πάρει την μορφή ολοκληρώσεων κατά μήκος γραμμών ή πάνω σε περιοχές (με την εντολή Fields along region sides), δίνοντας τιμές για δυνάμεις, αποθηκευμένες ενέργειες κλπ, ή υπολογισμό τροχιάς σωματιδίων. Η πρώτη απαίτηση για μια πεδιακή τιμή από τον μετ-επεξεργαστή δείχνει στο πρόγραμμα να εκτελέσει «μέση τιμή πεδίου». Η χρησιμοποιούμενη μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων δίνει παραγώγους δυναμικού ασυνεχείς από το ένα στοιχείο στο επόμενο. Η διαδικασία «μέσης τιμής πεδίου» βρίσκει την μέση τιμή κάθε στοιχείου που περικλείει ένα κόμβο και εφαρμόζει αυτή τη μέση τιμή στον κόμβο (οι φυσικές ασυνέχειες διατηρούνται). Οι επιλεγείσες μέσες τιμές χρησιμοποιούνται σε όλες τις εντολές του μετ-επεξεργαστή, αλλά μερικές εντολές μπορούν να χρησιμοποιήσουν και τις κανονικές τιμές (αυτές που δεν έχουν υποστεί τη διαδικασία «μέσης τιμής»). Σύγκριση των «μέσων τιμών» και των κανονικών τιμών πεδίου επιτρέπει μια 61

62 εκτίμηση των τοπικών και ολικών σφαλμάτων στη λύση. Αυτές οι εκτιμήσεις σφάλματος υπολογίζονται ακολουθώντας τη διαδικασία «μέσης τιμής» του πεδίου και μπορούν να εμφανιστούν με τον ίδιο τρόπο που εμφανίζονται τα πεδία. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία Β και Η, μπορούν επίσης να υπολογισθούν με την ολοκλήρωση των μαγνητίσεων και των πυκνοτήτων ρεύματος σε κάθε στοιχείο. 9.7 Η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων του OPERA Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό λύσης των μερικών διαφορικών ή ολοκληρωτικών εξισώσεων που είναι δύσκολο να λυθούν με αναλυτικές μεθόδους. Οι μερικές διαφορικές και ολοκληρωτικές εξισώσεις περιγράφουν ένα πεδίο είτε άμεσα με τις μεταβλητές του πεδίου αυτού π.χ. την πυκνότητα μαγνητικής ροής Β είτε χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση που σχετίζεται με το πεδίο μέσω των grad και div. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να εφαρμοστεί γενικά σε οποιοδήποτε πρόβλημα με οποιοδήποτε είδος μη γραμμικότητας. Βασίζεται στην διαίρεση του χώρου στον οποίο ικανοποιείται η εξίσωση σε μικρά στοιχεία όγκου (τα πεπερασμένα στοιχεία). Μέσα σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο χρησιμοποιείται ένα απλό πολυώνυμο που προσεγγίζει την λύση. Η γενική ιδέα που χρησιμοποιείται στην ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων είναι ανεξάρτητη των διαστάσεων του χώρου. Αφετηρία της ανάλυσης αποτελεί η εξίσωση Poisson που περιγράφει το δυναμικό σε μια διάσταση: ε Φ = ρ (9.1) Η συνάρτηση δυναμικού μπορεί να είναι ένα ηλεκτροστατικό δυναμικό. Σε αυτή την περίπτωση, το ρ θα είναι γραμμική πυκνότητα φορτίου. Για να οριστεί το δυναμικό χρειάζονται οριακές συνθήκες που μπορεί να είναι είτε τιμές του δυναμικού, είτε της παραγώγου του, για παράδειγμα: Φ x = 0 (9.2) Για την λύση της εξίσωσης με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων 62

63 ο χώρος διαιρείται σε στοιχεία όγκου. Μέσα σε κάθε τέτοιο στοιχείο το δυναμικό θα προσεγγίζεται από το γραμμικό πολυώνυμο: Φ( x ) = α + β x (9.3) Το ηλεκτροστατικό δυναμικό θα είναι συνεχές στο χώρο, παρ όλο που η παράγωγος του μπορεί να είναι ασυνεχής αν και η επιτρεπτότητα ε είναι ασυνεχής. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων πρέπει να μπορεί να δείξει αυτή την συμπεριφορά έτσι είναι βολικό η σχέση (9.3) να χαρακτηρίζεται από τις τιμές του δυναμικού στους κόμβους του στοιχείου και να χρησιμοποιεί τις ίδιες τιμές για άλλα πολυώνυμα που έχουν κοινό κόμβο. Μια περαιτέρω απλοποίηση μπορεί να γίνει τροποποιώντας την σχέση (9.3) με όρους κομβικών συναρτήσεων Νi που καθορίζονται ως εξής: 1, x = x i N i ( x) = 0, x = x j, j i (9.4) όπου xi είναι η x συντεταγμένη του κόμβου i. Η σχέση (3.3) μπορεί τώρα να πάρει την μορφή: Φ( x ) = N 1 ( x ) Φ1 + Ν 2 ( x ) Φ 2 (9.5) Οι συναρτήσεις Νi εκφράζονται σε όρους τοπικών συντεταγμένων μέσα στο στοιχείο. Χρησιμοποιώντας το σύστημα τοπικών συντεταγμένων ξ οι συναρτήσεις Νi γράφονται ως εξής: N 1 = 1 (1 ξ ) 2 N 2 = 1 (1 ξ ) (9.6) 2 1 ξ 1 Οι συναρτήσεις Νi κάθε κόμβου ορίζονται μόνο εντός των στοιχείων που περιλαμβάνουν αυτόν τον κόμβο και είναι μηδενικές εκτός των στοιχείων αυτών. Η μέθοδος υπολογισμού του δυναμικού φ με χρήση χαρακτηριστικών τιμών δυναμικού των κόμβων και συναρτήσεων Νi αποτελεί τη βάση, στην οποία πολλές εναλλακτικές διαδικασίες μπορούν να στηριχθούν για την επίλυση της σχέσης (9.2). Οι μέθοδοι διακύμανσης (variational methods), ελαχίστων τετραγώνων και συντελεστών βαρύτητας (weighted residual) είναι τρεις από τις 63

64 ευρύτερα χρησιμοποιούμενες μεθόδους. Οι συντελεστές βαρύτητας έχουν διαδεδομένη εφαρμογή σε προγράμματα λογισμικού προκειμένου να υλοποιηθεί μία αριθμητική επίλυση. Μία προσεγγιστική επίλυση ως προς φ καθορίζεται από την απαίτηση να ικανοποιείται η παρακάτω συνάρτηση: W ( ε Φ ρ ) dx = 0 (9.7) όπου W είναι η συνάρτηση βάρους, από την οποία παίρνει το όνομά της και η μέθοδος. Ολοκληρώνοντας την σχέση (9.7) κατά τμήματα, προκειμένου να μειωθεί η τάξη της διαφόρισης που εφαρμόζεται στο φ, προκύπτει μια προσεγγιστική λύση για το δυναμικό φ : b ( W ε Φ + W ρ )dx W ε Φ a b = 0 (9.8) x a όπου α, b τα όρια ολοκλήρωσης της εξίσωσης. Η σχέση (9.8) οδηγεί κατευθείαν σε αριθμητικό υπολογισμό της λύσης χρησιμοποιώντας τα πεπερασμένα στοιχεία και τις συναρτήσεις Νi που εξηγήθηκαν πιο πάνω. Η συγκεκριμένη μέθοδος επίλυσης πλεονεκτεί έναντι των άλλων, αφού οι συναρτήσεις W και φ δε χρειάζονται συνεχή παραγώγιση και επιπλέον καθορίζονται εύκολα οι φυσικές οριακές συνθήκες στην επιφάνεια της περιοχής Φ / x. Ο τομέας από α έως b διαιρείται σε γραμμικά στοιχεία και οι αντίστoιχοι κόμβοι δίνουν ένα συνδυασμό ανεξάρτητων συναρτήσεων βάρους. Από αυτές τις συναρτήσεις βάρους μπορούν να αναπτυχθούν εξισώσεις με την απαίτηση ότι η σχέση (9.8) ικανοποιείται για κάθε συνάρτηση βάρους. Η εξίσωση για τη συνάρτηση βάρους Wi θα εξαχθεί από την: (9.9) για όλα τα στοιχεία που περιέχουν τον κόμβο i. Παίρνοντας όλες τις εξισώσεις για τις διαφορετικές συναρτήσεις βάρους θα έχουμε ένα σύστημα γραμμικών εξισώσεων που σε μητρική μορφή γράφονται ως: K Φ = S (9.10) όπου Κ ο πίνακας των συντελεστών, Φ το διάνυσμα των άγνωστων τάσεων στους κόμβους και S το διάνυσμα των οριακών συνθηκών ή των πυκνοτήτων φορτίου. Οι συντελεστές στον πίνακα Κ έχουν τη μορφή: 64

65 b K ij = N i ε N jdx (9.11) a Αξίζει να σημειωθεί, ότι, παρ όλο που η ολοκλήρωση στην σχέση (9.11) γίνεται για όρια από α έως b, μόνο τα στοιχεία που περιλαμβάνουν και τους δύο κόμβους i και j συνεισφέρουν. Οι εξισώσεις στη σχέση (9.10) συχνά δεν είναι γραμμικές επειδή η επιτρεπτότητα ε εξαρτάται από την ένταση του πεδίου, που προφανώς δεν είναι γραμμική. Για την επίλυση αυτών των μη γραμμικών εξισώσεων χρησιμοποιείται η μέθοδος Newton-Raphson. Δίνεται μια αρχική τιμή στα δυναμικά Φ n και υπολογίζεται μια νέα λύση Φ n+1 επιλύνοντας το γραμμικοποιημένο Ιακωβιανό σύστημα: Φ n+1 = Φ n J n 1 R n (9.12) όπου το υπόλοιπο R n δίνεται από την: R n = K n Φ n S n και η Ιακωβιανή J n από την: J n = Φ n (K n Φ n S n ) 9.8 Μεθοδολογία επίλυσης προβλημάτων Με διαδοχικές επαναλήψεις της μεθόδου Newton-Raphson προσεγγίζεται η ζητούμενη τιμή του δυναμικού. Οι χρήστες της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων πρέπει να αποδείξουν ότι το μοντέλο είναι σύμφωνο με το φυσικό πρόβλημα. Στην περίπτωση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων είναι συχνά δυνατό να εκτελεστούν απλοί υπολογισμοί, οι οποίοι δίνουν μία σειρά απαντήσεων που αποτελούν ένα σημαντικό μέρος της ανάλυσης. Μέχρι να αποδειχτεί η ακρίβεια του μοντέλου, δεν είναι σκόπιμο να εξετάζονται τα λάθη λόγω ασυνέχειας. Προκειμένου να προκύψουν αξιόπιστα αποτελέσματα, είναι απαραίτητο να ακολουθηθούν τα παρακάτω βήματα: 1. Επίλυση του απλούστερου δυνατού προβλήματος, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας γραμμικά υλικά ή υλικά με μοναδιαία ή μεγάλη σχετική διαπερατότητα ή επιτρεπτότητα. 65

66 2. Έλεγχος ότι η λύση έχει την αναμενόμενη συμμετρία. 3. Έλεγχος ότι η λύση συμφωνεί με τις προβλέψεις που προέκυψαν μέσω της απλής γραμμικής ολοκλήρωσης (εφ όσον είναι εφαρμόσιμη η προσέγγιση της άπειρης διαπερατότητας) 4. Εάν το πεδίο είναι χρονομεταβλητό, κρίνεται σκόπιμος ο έλεγχος ότι οι σταθερές του χρόνου συμφωνούν τα μοντέλα ισοδυνάμων κυκλωμάτων. 9.9 Συνοριακές συνθήκες Οι συνοριακές συνθήκες χρησιμοποιούνται για δύο λόγους, αφ ενός παρέχουν τον τρόπο ώστε να μειωθεί το μέγεθος των πεπερασμένων στοιχείων κατά την αναπαράσταση συμμετρικών προβλημάτων και αφ ετέρου προσεγγίζουν το μαγνητικό πεδίο σε μεγάλες αποστάσεις από τη διάταξη. Τα προβλήματα συμμετρίας και τα συμμετρικά πεδία υποδηλώνονται με συνοριακές συνθήκες δυναμικού εφαρμοζόμενες στο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Οι απλούστεροι τύποι συνοριακών συνθηκών είναι: Πίνακας 9.1 Απλές συνοριακές συνθήκες Συμμετρικό πεδίο Βαθμωτό δυναμικό Διανυσματικό δυναμικό H n = 0 ή B n = 0 = 0 A = constant H t = 0 ή B t = 0 Φ = constant = 0 Στο ηλεκτροστατικό πεδίο οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων πρέπει να προσδιοριστούν με συνοριακή συνθήκη δυναμικού (v = value). Στο Σχήμα 9.13 φαίνεται η διαδικασία αυτή μέσω της εντολής assigned potential. 66

67 Σχήμα 9.13: Ορισμός δυναμικού Εκτός από αυτή την περίπτωση, οι υπόλοιπες συνοριακές συνθήκες που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα πρέπει να εφαρμόζονται μόνο στις εξωτερικές επιφάνειες του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Η συνθήκη που εφαρμόζεται από το πρόγραμμα, εάν καμία συνθήκη δεν οριστεί σε μία εξωτερική επιφάνεια, είναι: 67

68 Πίνακας 9.2 Αυτόματα εφαρμοζόμενες συνοριακές συνθήκες Συμμετρικό πεδίο Βαθμωτό δυναμικό Διανυσματικό δυναμικό H n = 0 B t = 0 = 0 = ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙ ΤΟ OPERA-2D [3] 10.1 Μαγνητοστατική και δινορρεύματα Η ένταση του μαγνητικού πεδίου (Η) και η πυκνότητα ρεύματος (J) συνδέονται με τη σχέση: H = J (9.15) ενώ η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (Ε) συνδέεται με την πυκνότητα μαγνητικής ροής (Β) με την σχέση: E = B (9.16) t Η απόκλιση της πυκνότητας μαγνητικής ροής (Β) ισούται με μηδέν B = 0 (9.17) Η πυκνότητα μαγνητικής ροής μπορεί να εκφραστεί συναρτήσει της έντασης του μαγνητικού πεδίου και της διαπερατότητας ως εξής: B = μ( H H c ) (9.18) όπου H c η δύναμη κάθε μόνιμου μαγνήτη. Η πυκνότητα ρεύματος μπορεί να εκφραστεί συναρτήσει της έντασης ηλεκτρικού πεδίου και της αγωγιμότητας σ με την σχέση: J =σe (9.19) Το διάνυσμα μαγνητικού δυναμικού (Α) ορίζεται ως: B = A (9.20) και το βαθμωτό δυναμικό (φ ) ως: H = Φ (9.21) 68

69 10.2 Ηλεκτροστατική Η διηλεκτρική μετατόπιση (D) και η πυκνότητα φορτίου συνδέονται με την σχέση: D = ρ (9.22) και η ένταση ηλεκτρικού πεδίου και η επιτρεπτότητα συνδέονται με τη διηλεκτρική μετατόπιση μέσω της: D = εε (9.23) Το ηλεκτρικό δυναμικό (V) ορίζεται ως: V = E (9.24) Η απόκλιση της πυκνότητας ρεύματος (J) ισούται με μηδέν: J = 0 (9.25) 10.3 Στατική ανάλυση Η στατική ανάλυση των πεδίων του PC-OPERA επιλύνει σταθερό μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο. Το μοντέλο μπορεί να περιέχει υλικά με μη γραμμική διαπερατότητα μ ή επιτρεπτότητα ε σε σύστημα καρτεσιανών ή κυλινδρικών συντεταγμένων. Μπορούν επίσης να λυθούν και άλλοι τύποι πεδίων όπως, για παράδειγμα, πεδία που περιγράφονται από μη-γραμμικές εξισώσεις Poisson ή από ροή ηλεκτρικών ρευμάτων Οι εξισώσεις που επιλύνονται Το OPERA-2d/St υπολογίζει το βαθμωτό ή διανυσματικό δυναμικό που καθορίζεται από μια μη γραμμική εξίσωση Poisson. Το διανυσματικό δυναμικό συνήθως χρησιμοποιείται για ανάλυση μαγνητικών πεδίων επειδή τα αποτελέσματα του βαθμωτού δυναμικού δεν μπορούν να περιέχουν ρεύμα σαν πηγή των πεδίων, ωστόσο αν ένα μοντέλο έχει σαν διέγερση μόνο οριακές συνθήκες ή μόνιμους μαγνήτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και οι δύο μορφές δυναμικού. Η εξίσωση που πρέπει να επιλυθεί στην περίπτωση μαγνητοστατικού πεδίου που χρησιμοποιεί 69

70 διανυσματικό μαγνητικό δυναμικό είναι η εξής: 1 Α Ηc = J (9.26) μ Η αντίστοιχη εξίσωση στην περίπτωση υπολογισμού βαθμωτού δυναμικού είναι: μ ( Φ H c ) = ρ (9.27) Η τιμή του ρ πρέπει να είναι μηδενική για το βαθμωτό μαγνητικό δυναμικό, ενώ εάν το φ είναι βαθμωτό ηλεκτρικό δυναμικό τότε το ρ είναι πυκνότητα φορτίου. Ο όρος c H παριστάνει μόνιμους μαγνήτες για ανάλυση μαγνητικών πεδίων και ηλεκτρικά φορτία, για ανάλυση ηλεκτρικών πεδίων. Προετοιμασία για επίλυση με το OPERA-2d/St Τα δεδομένα που χρειάζονται για την ανάλυση ενός μοντέλου εισάγονται με την εντολή Solution type. Ο χρήστης μπορεί να δώσει τις πιο κάτω εντολές: 1. Γραμμική ή μη γραμμική λύση: Για γραμμική επίλυση χρησιμοποιείται η τιμή της επιτρεπτότητας που δίνεται ως παράμετρος της περιοχής ενώ για μη γραμμική επίλυση (μη γραμμικά υλικά) χρησιμοποιούνται οι χαρακτηριστικές BH ή DE. 2. Καθορισμός η όχι του πλέγματος: Με αυτή την εντολή ο χρήστης επιλέγει αν το πλέγμα ορίζεται αυτόματα από την ανάλυση η αν ορίζεται από τον χρήστη. Αν το πλέγμα ορίζεται από τον χρήστη τότε μπορούν να δοθούν: 3. Ο μέγιστος αριθμός επαναλήψεων 4. Ο μέγιστος αριθμός των στοιχείων 5. Τελική ακρίβεια σύγκλισης % 6. Συντελεστής κλίμακας: Ο συντελεστής κλίμακας πολλαπλασιάζει τις τιμές των φορτίων, της πυκνότητας ρεύματος και τις μη μηδενικές οριακές συνθήκες. 7. Νέα λύση ή φόρτωση της ήδη υπάρχουσας 70

71 10.5 Επίλυση προβλήματος με το OPERA-2d/St Η επίλυση προβλημάτων με την στατική ανάλυση γίνεται από το κύριο μενού του προγράμματος και ακολουθούμε τα παρακάτω βήματα: Εισάγεται το αρχείο του μοντέλου που είναι σε μορφή (.op2) Επιλογή στατικής ανάλυσης Επεξεργασία αρχείου (.op2) Αποθήκευση αποτελεσμάτων σε αρχείο μορφής (.st) Έξοδος από το πρόγραμμα ανάλυσης Για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων ανοίγουμε το αρχείο μορφής (.st) που έχει δημιουργηθεί από το πρόγραμμα ανάλυσης. 71

72 Μέρος Γ : Εξομοίωση στο OPERA-2D 11. ΓΕΝΙΚΑ Οι διατάξεις γείωσης οι οποίες μοντελοποιήθηκαν με το πρόγραμμα Opera-2d είναι οι εξής: 1) Οδηγούμενο ηλεκτρόδιο. 2) Οδηγούμενο ηλεκτρόδιο σε έδαφος 2 στρωμάτων. Διακρίνουμε 2 περιπτώσεις: 2.α)Το ηλεκτρόδιο βρίσκεται στο άνω στρώμα. 2.β)Το ηλεκτρόδιο διαπερνά και τα 2 στρώματα εδάφους. 3) Πλέγμα γείωσης. 4) Πλάκα γείωσης. 5) Ηλεκτρόδιο γείωσης με μονωτικά. Ο τύπος ανάλυσης που χρησιμοποιήθηκε ήταν: Στατική Ανάλυση (ST) για γραμμικό ηλεκτροστατικό πεδίο σε ισοτροπικό υλικό (Start analysis Analysis module Static Analysis). Για τον τύπο επίλυσης (Solution Type) επελέγη Field type Electric, Geometry XY, Potential Type Scalar Potential, Element Type Linear, ενώ το δυναμικό ορίστηκε στα 10 kv. Επίσης, πρέπει να αναφερθεί ότι ως πρότυπα για τις διατάξεις που μοντελοποιούνται στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν και θέματα που θίγονται στις δημοσιεύσεις [4],[5],[6],[7] της βιβλιογραφίας. 72

73 Τα χαρακτηριστικά των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για τις εξομοιώσεις συνοψίζονται στον πίνακα που ακολουθεί: Υλικό Διηλεκτρική Σταθερά (ε r ) Ειδική Αντίσταση (Ωm) Αγωγός Χώμα τύπου Χώμα τύπου PVC 3, Αέρας ΟΔΗΓΟΥΜΕΝΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ Σ αυτή την περίπτωση χρησιμοποιήσαμε μεταλλικό ηλεκτρόδιο μήκους 2 m και πάχους 1 cm το οποίο τοποθετήσαμε σε «χώμα τύπου 1». Για την καλύτερη εμφάνιση των αποτελεσμάτων το χώμα εκτείνεται σε ακτίνα 40 m γύρω από το ηλεκτρόδιο και βάθος 20 m. Εικόνα 1 Οδηγούμενο ηλεκτρόδιο 73

74 Παρακάτω απεικονίζονται τα αποτελέσματα της ηλεκτροστατικής ανάλυσης. Αυτά περιλαμβάνουν τις χρωματικές απεικονίσεις του δυναμικού (POT) και του ηλεκτροστατικού πεδίου (Emod) όπως επίσης και διαγράμματα των ανωτέρω μεγεθών στην επιφάνεια του εδάφους (y=0m) και κατά μήκος του ηλεκτροδίου (x=0m). Η τάση βραχυκύκλωσης που χρησιμοποιήθηκε είναι 10 kv. Εικόνα 2 Χρωματική απεικόνιση δυναμικού (Coloured zones of POT) Εικόνα 3 Χρωματική απεικόνιση ηλεκτροστατικού πεδίου (Coloured zones of Emod) 74

75 Εικόνα 4 POT για y=0m Εικόνα 5 POT για x=0m 75

76 Εικόνα 6 Emod για y=0m Επίσης, πρόκειται να μελετηθεί η επίδραση της βηματικής τάσης και του ρεύματος που διαρρέει τον ανθρώπινο οργανισμό. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο του παρακάτω σχήματος, μπορούμε να βρούμε ότι η αντίσταση του ανθρώπινου σώματος για όδευση πόδιπόδι είναι: Z T = Z TE + Z TE = 500 Ω Ω = 1000 Ω 76

77 Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η επίδραση του συνεχούς ρεύματος που διαρρέει τον ανθρώπινο οργανισμό. Το συνεχές ρεύμα γίνεται αντιληπτό για εντάσεις Ι>2 ma. Στη ζώνη 2 το ρεύμα προκαλεί συστολή των μυών μόνο κατά την επαφή και τη διακοπή της επαφής και κατά τη μεταβολή του ρεύματος. Για την πρόκληση σπασμωδικής συστολής των μυών, ώστε ο άνθρωπος να μην μπορεί να ανοίξει το χέρι που κρατάει τον αγωγό, απαιτούνται για το συνεχές ρεύμα σχετικά μεγάλες εντάσεις Ι>300 ma (για το εναλλασσόμενο ρεύμα Ι>10 ma) [2]. Επίδραση του συνεχούς ρεύματος στον ανθρώπινο οργανισμό [1] Ζώνη 1 : Συνήθως καμία αντίδραση. Ζώνη 2 : Συνήθως καμία επιβλαβής φυσιολογική επίδραση. Ζώνη 3 : Συνήθως δεν αναμένεται καμία οργανική βλάβη. Με την αύξηση του ρεύματος και του χρόνου είναι πιθανές παροδικές διαταραχές των καρδιακών παλμών. Ζώνη 4 : Πιθανότητα καρδιακής μαρμαρυγής: Κατώφλι μαρμαρυγής καμπύλη c 1, αύξηση πιθανότητας μέχρι περίπου 5% καμπύλη c 2, μέχρι 50% καμπύλη c 3 και πάνω από 50% πέραν της καμπύλης c 3. Με την αύξηση του ρεύματος και του χρόνου είναι δυνατά σοβαρά εγκαύματα. 77

78 Έτσι προκύπτει ο παρακάτω πίνακας με τις βηματικές τάσεις και το ρεύμα που μπορεί να διαρρεύσει το ανθρώπινο σώμα,για Ζ ΤΟΛ = Ζ ΤΕ + Ζ Π = 2000 Ω, όπου Ζ Π = 1000 Ω η αντίσταση των παπουτσιών, σε διάφορες αποστάσεις από το ηλεκτρόδιο γείωσης και για βήμα μήκους 1m: Περιοχή Απόσταση (m) Μέση Βηματική Τάση (V) Ρεύμα(mA) Α Β Γ Δ Αν θεωρήσουμε ένα μέσο χρόνο εκκαθάρισης σφάλματος t = 100 ms τότε έχουμε: Περιοχή Α: βρισκόμαστε στη ζώνη 4, πριν από την καμπύλη c 1 με κάτω του 5% πιθανότητα μαρμαρυγής και εγκαυμάτων. Περιοχή Β: βρισκόμαστε στη ζώνη 3 με πιθανές τις διαταραχές των καρδιακών παλμών. Περιοχή Γ: βρισκόμαστε επίσης στη ζώνη 3 με πιθανές τις διαταραχές των καρδιακών παλμών. Περιοχή Δ: βρισκόμαστε στη ζώνη 2 με καμία επιβλαβή φυσιολογική αντίδραση. 78

79 13. ΟΔΗΓΟΥΜΕΝΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ ΣΕ ΕΔΑΦΟΣ 2 ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Πολλές φορές το έδαφος της τοποθεσίας στην οποία εγκαθίσταται το ηλεκτρόδιο γείωσης δεν είναι ομοιογενές αλλά αποτελείται από διαφορετικά στρώματα χώματος. Αυτά τα στρώματα έχουν διαφορετικές τιμές διηλεκτρικής σταθεράς και ειδικής αντίστασης. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διαφοροποίηση της «σφαίρας επιρροής» και του φαινομένου της αύξησης του δυναμικού (GPR) σε περίπτωση απαγωγής μεγάλου ρεύματος σφάλματος μέσω του ηλεκτροδίου. Παραδείγματα πολυστρωματικών εδαφών εμφανίζονται πχ σε υποσταθμούς όταν ηθελημένα αντικαθίσταται το ανώτερο στρώμα χώματος με κάποιο με καταλληλότερη σύσταση. Επίσης σε υδροηλεκτρικά φράγματα τα ηλεκτρόδια υπάρχει περίπτωση να εγκατασταθούν σε βραχώδες έδαφος το οποίο όμως βρίσκεται σε επαφή με το νερό. Βέβαια η πιο συνήθης περίπτωση εμφάνισης πολυστρωματικού εδάφους είναι σε θεμέλια κτιρίων όταν το σκυρόδεμα της κατασκευής και το χώμα της περιοχής έρχονται σε επαφή. Στην παρούσα εργασία εξετάσαμε έδαφος 2 στρωμάτων όπου το άνω στρώμα είναι «χώμα τύπου 2» με ειδική αντίσταση 1000 Ωm ενώ το χαμηλότερο στρώμα είναι «χώμα τύπου 1» με ειδική αντίσταση 200 Ωm. Το ηλεκτρόδιο που χρησιμοποιήθηκε είχε μήκος 2 m και πάχος 1 cm με ε r =10 5 και ρ= 10-5 Ωm. Το χώμα που χρησιμοποιήσαμε στο μοντέλο που ακολουθεί έχει βάθος 20 m και εκτείνεται σε απόσταση 40 m γύρω από το ηλεκτρόδιο. 79

80 η Περίπτωση Στην πρώτη περίπτωση το άνω στρώμα «τύπου 2» εκτείνεται σε βάθος 3 m ενώ από κει και κάτω (3 m ως 20 m) το «χώμα τύπου 1». Εικόνα 7.Έδαφος 2 στρωμάτων (1 η περίπτωση) Ακολουθούν τα αποτελέσματα της ηλεκτροστατικής ανάλυσης με τις χρωματικές απεικονίσεις του δυναμικού (POT) και του ηλεκτροστατικού πεδίου (Emod) όπως επίσης και διαγράμματα των ανωτέρω μεγεθών στην επιφάνεια του εδάφους (y=0 m) και κατά μήκος του ηλεκτροδίου (x=0 m).η τάση βραχυκύκλωσης που χρησιμοποιήθηκε είναι 10 kv. Εικόνα 8 Χρωματική απεικόνιση δυναμικού (POT coloured zones) 80

81 Εικόνα 9 Χρωματική απεικόνιση ηλεκτροστατικού πεδίου (Emod coloured zones) Εικόνα 10 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m 81

82 Εικόνα 11 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=0m Εικόνα 12 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Emod) για y=0m 82

83 Με βάση τα παραπάνω διαγράμματα μπορούμε να συμπληρώσουμε τον παρακάτω πίνακα με τις τιμές της βηματικής τάσης και του ρεύματος που μπορεί να διαρρεύσει το ανθρώπινο σώμα στην περιοχή γύρω από το ηλεκτρόδιο για Ζ ΤΟΛ = 2000 Ω: Περιοχή Απόσταση (m) Μέση Βηματική Τάση (V) Ρεύμα(mA) Α Β Γ Δ Παρατηρούμε ότι στην περιοχή 0 ως 5 m εμφανίζεται μέση βηματική τάση 1000 V, τιμή μεγαλύτερη της αντίστοιχης σε ομοιογενές έδαφος. Η απότομη αυτή κλίση της καμπύλης οφείλεται στην ειδική αντίσταση του άνω στρώματος του εδάφους. Στις υπόλοιπες περιοχές ακολουθείται μια πιο ομαλή κλίση του διαγράμματος της τάσης σε σχέση με την απόσταση όπως φαίνεται στις εικόνες 10 και 11. Έτσι, για ένα μέσο χρόνο εκκαθάρισης σφάλματος t = 1 ms έχουμε: Περιοχή Α: βρισκόμαστε στη ζώνη 4 με κάτω από 5% πιθανότητες καρδιακής μαρμαρυγής. Περιοχή Β: βρισκόμαστε στη ζώνη 3 με πιθανές τις διαταραχές των καρδιακών παλμών. Περιοχή Γ: βρισκόμαστε στη ζώνη 2 με καμία επιβλαβή φυσιολογική αντίδραση. Περιοχή Δ: βρισκόμαστε στη ζώνη 2 με καμία επιβλαβή φυσιολογική αντίδραση. 83

84 η Περίπτωση Έπειτα μελετάται η περίπτωση κατά την οποία το άνω στρώμα του εδάφους «τύπου 2» εκτείνεται σε βάθος μόλις 1m. Έτσι το ηλεκτρόδιο γείωσης βρίσκεται κατά το ήμισυ, στο έδαφος «τύπου 2» και στο έδαφος «τύπου 1» που βρίσκεται από κάτω όπως φαίνεται και στην εικόνα 13. Εικόνα 13 Έδαφος 2 στρωμάτων (2 η περίπτωση) Εικόνα 14 Χρωματική απεικόνιση δυναμικού (POT coloured zones) 84

85 Εικόνα 15 Χρωματική απεικόνιση ηλεκτροστατικού πεδίου(εmod coloured zones) Τα διαγράμματα της τάσης και του πεδίου έχουν τώρα την παρακάτω μορφή: Εικόνα 16 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m 85

86 Εικόνα 17 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=0m Εικόνα 18 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Εmod) για y=0m 86

87 Παρατηρώντας τις εικόνες 16,17 και 18 είναι εμφανής η ανομοιομορφία που προκύπτει στα διαγράμματα εξ αιτίας της μεταβολής στη σύσταση του εδάφους. Το άνω στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης (1000 Ωm) είναι υπεύθυνο για την αρχικά απότομη μεταβολή της τάσης. Όσο απομακρυνόμαστε από το ηλεκτρόδιο και η επίδραση του άνω στρώματος μειώνεται επιστρέφουμε σε μια πιο ομαλή μεταβολή της τάσης. Από τα δεδομένα της εικόνας 21 μπορούμε να συμπληρώσουμε τα στοιχεία του παρακάτω πίνακα: Περιοχή Απόσταση (m) Μέση Βηματική Τάση (V) Ρεύμα (ma) Α Β Γ Δ Έτσι για χρόνο εκκαθάρισης σφάλματος t = 100 ms έχουμε: Περιοχή Α: βρισκόμαστε στη ζώνη 4 με κάτω από 5% πιθανότητες καρδιακής μαρμαρυγής. Περιοχή Β: βρισκόμαστε στη ζώνη 3 με πιθανές τις διαταραχές των καρδιακών παλμών. Περιοχή Γ: βρισκόμαστε στη ζώνη 2 με καμία επιβλαβή φυσιολογική αντίδραση. Περιοχή Δ: βρισκόμαστε στη ζώνη 2 με καμία επιβλαβή φυσιολογική αντίδραση. 87

88 14. ΠΛΕΓΜΑ ΓΕΙΩΣΗΣ Η επόμενη διάταξη γείωσης που μοντελοποιήσαμε με το πρόγραμμα OPERA-2D είναι το πλέγμα γείωσης. Ως πρότυπο χρησιμοποιήσαμε το πλέγμα γείωσης το οποίο έχει εγκατασταθεί έξω από το εργαστήριο Υψηλών Τάσεων. Οι διαστάσεις του είναι 6m 8m, το βάθος τοποθέτησης του είναι 1 m και αποτελείται από ράβδους μήκους 2 m. Η διαδικασία που ακολουθήσαμε είναι να απεικονίσουμε δισδιάστατα το πλέγμα σε 2 όψεις (πλευρά 6m και πλευρά 8m) και να τοποθετήσουμε τον αγωγό σύνδεσης με την ηλεκτρική εγκατάσταση σε κάθε κόμβο του πλέγματος. Έπειτα συγκεντρώσαμε τα αποτελέσματα της ανάλυσης τα οποία και παρουσιάζουμε 14.1 Πλευρά μήκους 6 m, κόμβος 1 Θεωρώντας το προφίλ της πλευράς μήκους 6m έχουμε: Εικόνα 19 Πλέγμα γείωσης (πλευρά 6m, κόμβος 1) 88

89 Με την επιλογή Contour map Coloured zones Expression Emod, POT λαμβάνουμε τις εξής απεικονίσεις: Εικόνα 20 Χρωματική απεικόνιση δυναμικού (POT coloured zones) Εικόνα 21 Χρωματική απεικόνιση ηλεκτροστατικού πεδίου (Εmod coloured zones) 89

90 Tα διαγράμματα της τάσης και του πεδίου στην επιφάνεια και κατά μήκος του ηλεκτροδίου σύνδεσης έχουν ως εξής: Εικόνα 22 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m Εικόνα 23 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=0m 90

91 Εικόνα 24 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Emod) για y=0m Λαμβάνοντας ως σημείο αναφοράς τη θέση εισαγωγής του αγωγού σύνδεσης έχουμε τους παρακάτω πίνακες για τις 2 πλευρές του πλέγματος. Θεωρώντας και πάλι χρόνο εκκαθάρισης σφάλματος t = 100 ms μπορούμε να κατατάξουμε την κάθε περιοχή στην αντίστοιχη ζώνη επικινδυνότητας. 91

92 Αριστερό τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ Δεξί τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α (c 1 c 2 ) Β Γ Δ Σημείωση: Στο διάγραμμα δυναμικού (POT, εικόνα 22) χρησιμοποιήθηκε ιδιαίτερα μικρό βήμα στο σχεδιασμό, γι αυτό και στην περιοχή Α του δεξιού τμήματος φαίνεται μια πολύ μικρή βηματική τάση. Κάτι τέτοιο είναι άλλωστε αναμενόμενο, καθώς κάτω από αυτή την περιοχή εκτείνεται το πλέγμα, το οποίο και δημιουργεί μια σχετικά ισοδυναμική και ακίνδυνη για τον άνθρωπο επιφάνεια. 92

93 14.2 Πλευρά μήκους 6m, κόμβος 2 Προχωρώντας στον επόμενο κόμβο του πλέγματος έχουμε: Εικόνα 25 Πλέγμα γείωσης (πλευρά 6m, κόμβος 2) Ενώ τα διαγράμματα τάσης και πεδίου θα είναι: Εικόνα 26 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m 93

94 Εικόνα 27 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=8m Εικόνα 28 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Emod) για y=0m Μπορούμε εύκολα με βάση τα σχήματα να συμπληρώσουμε τους πίνακες με τις τιμές τάσεων και ρευμάτων που θα προκύψουν για το αριστερό και το δεξί τμήμα της διάταξης: 94

95 Αριστερό τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ Δεξί τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ

96 14.3 Πλευρά μήκους 8 m, κόμβος 1 Αλλάζοντας το προφίλ της διάταξης (πλευρά 8 m), έχουμε: Εικόνα 29 Πλέγμα γείωσης (πλευρά 8m, κόμβος 1) Ακολουθούν οι χρωματικές απεικονίσεις και τα διαγράμματα της τάσης και του ηλεκτροστατικού πεδίου: Εικόνα 30 Χρωματική απεικόνιση δυναμικού (POT coloured zones) 96

97 Εικόνα 31 Χρωματική απεικόνιση ηλεκτροστατικού πεδίου (Εmod coloured zones) Εικόνα 32 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m 97

98 Εικόνα 33 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=6m Εικόνα 34 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Εmod) για y=0m Συμπληρώνοντας τους πίνακες για τις 2 πλευρές της διάταξης έχουμε: 98

99 Αριστερό τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ Δεξί τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ Εδώ επίσης θα αναμέναμε την ύπαρξη μιας ισοδυναμικής επιφάνειας κάτω από την περιοχή Α του δεξιού τμήματος λόγω του πλέγματος, κάτι όμως που δεν φαίνεται εδώ λόγω της μικρής λεπτομέρειας που επελέγη στην απεικόνιση των διαγραμμάτων. 99

100 14.4 Πλευρά μήκους 8 m, κόμβος 2 Τοποθετώντας το ηλεκτρόδιο σύνδεσης στον δεύτερο κόμβο έχουμε το εξής σχήμα: Εικόνα 35 Πλέγμα γείωσης (πλευρά 8m, κόμβος 2) Ενώ τα διαγράμματα που λαμβάνουμε έχουν την παρακάτω μορφή: Εικόνα 36 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m 100

101 Εικόνα 37 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=8m Εικόνα 38 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Εmod) για y=0m Με βάση τα παραπάνω μπορούμε να συμπληρώσουμε τους παρακάτω πίνακες θεωρώντας πάντοτε Ζ ΤΟΛ = 2000 Ω. 101

102 Αριστερό τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ Δεξί τμήμα Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ

103 14.5 Πλευρά μήκους 8 m, κόμβος 3 Τοποθετώντας το ηλεκτρόδιο σύνδεσης στον μεσαίο κόμβο του πλέγματος θα λαμβάνουμε τα εξής: Εικόνα 39 Πλέγμα γείωσης (πλευρά 8m, κόμβος 3) Εικόνα 40 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για y=0m 103

104 Εικόνα 41 Διάγραμμα δυναμικού (POT) για x=10m Εικόνα 42 Διάγραμμα ηλεκτροστατικού πεδίου (Εmod) για y=0m 104

105 Λόγω της συμμετρικότητας της διάταξης η μορφή του διαγράμματος είναι όμοια στο αριστερό και στο δεξί τμήμα. Έτσι έχουμε: Περιοχή Απόσταση Μέση Βηματική Ρεύμα Ζώνη (m) Τάση (V) (ma) επικινδυνότητας Α Β Γ Δ

106 15. ΠΛΑΚΑ ΓΕΙΩΣΗΣ Έπειτα θα μελετήσουμε την πλάκα γείωσης. Οι διαστάσεις της πλάκας που χρησιμοποιήσαμε ήταν 1m 1m με πάχος 1 cm και βάθος τοποθέτησης 1m. Ακολουθεί το σχήμα και οι απεικονίσεις του δυναμικού και του ηλεκτροστατικού πεδίου: Εικόνα 43 Πλάκα γείωσης Εικόνα 44 Χρωματική απεικόνιση δυναμικού (POT coloured zones) 106