Υπολογιστική προσοµοίωση συστηµάτων γείωσης ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Υπολογιστική προσοµοίωση συστηµάτων γείωσης ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ άφνη Α. Κουτσορόδη Καθηγητής : Ιωάννης Αθ. Σταθόπουλος Επιβλέποντες: Ιωάννης Φ. Γκόνος, Βασιλική Θ. Κονταργύρη Αθήνα, εκέµβριος 2004

2 Óôçí ïéêïãýíåéü ìïõ

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ 119 Υπολογιστική προσοµοίωση συστηµάτων γείωσης ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ άφνη Α. Κουτσορόδη Καθηγητής : Ιωάννης Αθ. Σταθόπουλος Επιβλέποντες : Ιωάννης Φ. Γκόνος, Βασιλική Θ. Κονταργύρη Εγκρίθηκε από την τριµελή εξεταστική επιτροπή την 21 η εκεµβρίου Ιωάννης Αθ. Σταθόπουλος Καθηγητής Περικλής. Μπούρκας Καθηγητής Φραγκίσκος Β. Τοπαλής Αναπληρωτής Καθηγητής Αθήνα, εκέµβριος 2004

4 άφνη Α. Κουτσορόδη ιπλωµατούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Με επιφύλαξη παντός δικαιώµατος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανοµή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τµήµατος αυτής, για εµπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανοµή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν µήνυµα. Ερωτήµατα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσηµες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

5 v Περίληψη Τα συστήµατα γείωσης σχεδιάζονται µε σκοπό να παρέχουν την απαραίτητη ασφάλεια σε συνθήκες τόσο κανονικής λειτουργίας όσο και σφάλµατος. Στην παρούσα διπλωµατική εργασία παρουσιάζονται αρχικά οι κανόνες βάσει των οποίων γίνεται ο σχεδιασµός συστηµάτων γείωσης, σύµφωνα µε το πρότυπο ΙΕΕΕ Std Στη συνέχεια γίνεται µελέτη της απόκρισης συχνότητας του συστήµατος και κρίσιµων παραµέτρων του συστήµατος (αντίσταση γείωσης, δυναµικό στην επιφάνεια του εδάφους, τάση επαφής) για διάφορες διατάξεις γείωσης πυλώνων Μέσης Τάσης της ΕΗ. Τέλος γίνεται η σχεδίαση γείωσης ανεµογεννήτριας και η επίδρασή της στο συνολικό σύστηµα γείωσης του αιολικού πάρκου και στην ασφάλειά του. Λέξεις κλειδιά Ειδική αντίσταση εδάφους, Μοντέλο εδάφους, Αντίσταση γείωσης, Σύστηµα γείωσης, Γείωση πυλώνα, Γείωση ανεµογεννήτριας, IEEE Std

6 vi Abstract Earthing systems in AC substations are designed to provide safety under normal operating and fault conditions. In this diploma thesis we first present the design procedure of an earthing system, according to the ΙΕΕΕ Std guide. Next, we examine the frequency response of the earthing system and some critical parameters (potential at the earth surface, touch voltage) for several earthing layouts of towers. Finally, we design an earthing system for a park consisting of several wind turbine generators, and we examine its safety. Key words Soil resistivity, Soil model, Ground Impedance, Ground network, Tower Grounding, Wind Turbine Grounding, IEEE Std

7 vii Πρόλογος Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατεύεται το θέµα του σχεδιασµού συστηµάτων γείωσης. Αναφέρεται περιληπτικά στο πρότυπο ΙΕΕΕ Std και παρουσιάζει συνοπτικά τους βασικούς κανόνες για την ασφαλή σχεδίαση ενός συστήµατος γείωσης. Εξετάζονται διεξοδικά τα τυπικά συστήµατα γειώσεων µε τη βοήθεια του πακέτου λογισµικού CDEGS. Τα εξεταζόµενα συστήµατα γειώσεων αφορούν: α) τη γείωση τυπικών πυλώνων µεταφοράς υψηλής τάσης που χρησιµοποιούνται από την ΕΗ και β) τη γείωση των πύργων των ανεµογεννητριών. Η µελέτη των συστηµάτων γείωσης γίνεται για διάφορες συχνότητες του εγχεόµενου ρεύµατος και ειδικές αντιστάσεις εδάφους. Ειδικότερα, η διπλωµατική εργασία αποτελείται από τα εξής κεφάλαια: Κεφάλαιο 1. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται η ορολογία που χρησιµοποιείται στη συνέχεια στη σχεδίαση ενός συστήµατος γείωσης υποσταθµού, τα είδη γειώσεων καθώς και η µορφή και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των γειωτών. Κεφάλαιο 2. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται λόγος για τους παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση εδάφους. Επίσης παρουσιάζονται µέθοδοι µέτρησης της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Κεφάλαιο 3. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στις βασικές αρχές ασφαλούς σχεδίασης ενός συστήµατος γείωσης και στα όρια ασφάλειας που ισχύουν σύµφωνα µε το πρότυπο ΙΕΕΕ Std Επίσης γίνεται αναφορά στις βασικές αρχές σχεδίασης ενός συστήµατος γείωσης αιολικού πάρκου. Κεφάλαιο 4. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η διαδικασία προσοµοίωσης ενός συστήµατος γείωσης µε τη χρήση του υπολογιστικού πακέτου CDEGS. Κεφάλαιο 5. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται η απόκριση συχνότητας της σύνθετης αντίστασης γείωσης των τυπικών συστηµάτων γείωσης χαρακτηριστικών πυλώνων

8 viii της ΕΗ µε παραµέτρους την ειδική αντίσταση εδάφους και την συχνότητα του εγχεόµενου ρεύµατος. Κεφάλαιο 6. Στο κεφάλαιο αυτό υπολογίζουµε την αντίσταση γείωσης, το δυναµικό στην επιφάνεια του εδάφους και την τάση επαφής για την περίπτωση τυπικών γειώσεων ανεµογεννητριών. Επιλέγεται το κατάλληλο µοντέλο εδάφους, υπολογίζεται η αντίσταση γείωσης και γίνεται η µελέτη ασφάλειας του συστήµατος γείωσης για ορισµένο ρεύµα σφάλµατος. Κεφάλαιο 7. Στο κεφάλαιο αυτό περιέχονται τα συµπεράσµατα που προέκυψαν κατά την εκπόνηση της διπλωµατικής εργασίας σχετικά µε τη σχεδίαση ενός συστήµατος γείωσης υποσταθµού. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω για τη συµπαράσταση και την ανεκτίµητη βοήθειά τους όλους όσους βοήθησαν στην εκπόνηση της παρούσας διπλωµατικής εργασίας και συγκεκριµένα: Τον κ. Ιωάννη Αθ. Σταθόπουλο, καθηγητή του Τοµέα Ηλεκτρικής Ισχύος του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου για την αµέριστη συµπαράστασή του και το άριστο κλίµα συνεργασίας που καλλιέργησε. Τον κ. Ιωάννη Φ. Γκόνο, διδάκτορα µηχανικό του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για τη διάθεση του πολύτιµου χρόνου του προς καθοδήγηση, υποστήριξη και συµπαράστασή µου. Την κα. Βασιλική Θ. Κονταργύρη, υποψήφια διδάκτορα και µηχανικό του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για την ουσιαστική βοήθεια που πρόθυµα και ακούραστα µου παρείχε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας. Τον κ. Γεώργιο Α. Μάνο, διδάκτορα µηχανικό του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για την παροχή όλων των απαραίτητων δεδοµένων για τη µελέτη γείωσης των ανεµογεννητριών. Την οικογένειά µου για την αγάπη και την υποστήριξη που µου προσφέρει σε κάθε δυσκολία.

9 ix Περιεχόµενα Περίληψη v Abstract vi Πρόλογος vii Περιεχόµενα ix Κεφάλαιο 1: Ορολογία και είδη γειώσεων Ορισµοί Βασικές έννοιες Είδη γειώσεων Μέθοδοι γείωσης Είδη ηλεκτροδίων γείωσης 8 Κεφάλαιο 2: Ειδική αντίσταση εδάφους Ειδική αντίσταση Καθορισµός της δοµής του εδάφους 14 Κεφάλαιο 3: Σχεδίαση συστηµάτων γείωσης Καθορισµός ορίων ασφαλείας Ισοδύναµα κυκλώµατα κατά τη διάρκεια σφάλµατος Επίδραση λεπτού στρώµατος υλικού επιφανείας Κριτήρια ανεκτής τάσης Κριτήρια για τη βηµατική τάση και την τάση επαφής Στόχος και αντικείµενο των πλεγµάτων γείωσης Γενικές αρχές στον σχεδιασµό συστήµατος γείωσης Βασικές παράµετροι στον σχεδιασµό πλέγµατος Σχεδιασµός σε δύσκολες συνθήκες Συνδέσεις µε το πλέγµα Σύστηµα αντικεραυνικής προστασίας Εκτίµηση της επικινδυνότητας των κεραυνών Συχνότητα κεραυνικού πλήγµατος σε µια ανεµογεννήτρια 40

10 x Κεφάλαιο 4: Πακέτο λογισµικού SES CDEGS Εισαγωγή Καταχώρηση δεδοµένων RESAP MALZ Προσοµοίωση Παρουσίαση αποτελεσµάτων RESAP MALZ 55 Κεφάλαιο 5: Γείωση πυλώνων της.ε.η Περιγραφή του προβλήµατος Προσοµοιώσεις - Αποτελέσµατα Υπολογισµός σύνθετης αντίστασης Υπολογισµός της βηµατικής τάσης και της τάσης επαφής 69 Κεφάλαιο 6: Γείωση ανεµογεννητριών σε αιολικό πάρκο Συνοπτική περιγραφή του προβλήµατος Μεθοδολογία γείωσης διαδυνδεµένων ανεµογεννητριών Μελέτη περίπτωσης ηµιβραχώδους εδάφους Υπολογισµός του µοντέλου εδάφους Υπολογισµός της σύνθετης αντίστασης γείωσης Υπολογισµός βηµατικών τάσεων και τάσεων επαφής στο σύστηµα των πέντε ανεµογεννητριών Μελέτη περίπτωσης συγκεκριµένου εδάφους 101 Κεφάλαιο 7: Συµπεράσµατα Η επόµενη µέρα 108 Βιβλιογραφία 113

11 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 1 Κεφάλαιο 1 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 1.1 Ορισµοί Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στην ορολογία που χρησιµοποιείται στην ανάπτυξη της διπλωµατικής εργασίας. Η επεξήγηση των όρων γίνεται σύµφωνα µε το πρότυπο ANSI/IEEE Std [1], το οποίο αποτελεί την αναθεωρηµένη έκδοση του προτύπου ΙΕΕΕ Std [2]. Γείωση (ground): Μια αγώγιµη σύνδεση, είτε ηθεληµένη είτε τυχαία, µε την οποία ένα ηλεκτρικό κύκλωµα ή εξοπλισµός συνδέεται στη γη ή σε κάποιο αγώγιµο σώµα σχετικά µεγάλης έκτασης που παίζει το ρόλο της γης. Ρεύµα γης (ground current): Ρεύµα που ρέει προς τη γη ή από τη γη, ή το ισοδύναµο γης. Ηλεκτρόδιο γείωσης (ground electrode): Αγωγός τοποθετηµένος µέσα στη γη που χρησιµοποιείται για να συλλέγει το ρεύµα γης ή το διαρρέον ρεύµα προς τη γη. Πλέγµα γείωσης (grounding grid): Σύστηµα οριζόντιων ηλεκτροδίων γείωσης που αποτελείται από έναν αριθµό διασυνδεµένων, γυµνών αγωγών τοποθετηµένων στη γη, παρέχοντας µια κοινή γείωση για ηλεκτρικές συσκευές ή µεταλλικές κατασκευές, συνήθως σε µια συγκεκριµένη τοποθεσία. Τα πλέγµατα που τοποθετούνται οριζόντια κοντά στην επιφάνεια της γης είναι επίσης αποτελεσµατικά στον έλεγχο των επιφανειακών κλίσεων του δυναµικού. Ένα τυπικό πλέγµα συνήθως συµπληρώνεται από έναν αριθµό ράβδων, και µπορεί να συνδεθεί σε βοηθητικά ηλεκτρόδια γείωσης ώστε να ελαττωθεί η αντίσταση του πλέγµατος. Σύστηµα γείωσης (grounding system): Περιλαµβάνει όλες τις διασυνδεµένες κατασκευές γείωσης µιας συγκεκριµένης περιοχής. Υποµεταβατική αντίδραση (subtransient reactance): Η αντίδραση µιας γεννήτριας στην αρχή ενός σφάλµατος. Αυτή η αντίδραση χρησιµοποιείται στους υπολογισµούς του αρχικού συµµετρικού ρεύµατος σφάλµατος. Το ρεύµα διαρκώς

12 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 2 ελαττώνεται, αλλά θεωρείται ότι είναι σταθερό σε αυτή την τιµή ως πρώτο βήµα, που διαρκεί κατά προσέγγιση 0.05sec µετά την εφαρµογή του σφάλµατος. Ανύψωση δυναµικού γης (Ground Potential Rise (GPR)): Το µέγιστο ηλεκτρικό δυναµικό που ένα πλέγµα γείωσης υποσταθµού µπορεί να λάβει σε σχέση µε ένα αποµακρυσµένο σηµείο γείωσης, το οποίο υποτίθεται ότι έχει το δυναµικό της απόµακρης γης. Αυτή η τάση, GPR, είναι ίση µε το γινόµενο του µέγιστου ρεύµατος που διαρρέει το πλέγµα και της αντίστασης της γείωσης [1]: GPR = Z I (1.1) Όπου Z είναι η σύνθετη αντίσταση του πλέγµατος γείωσης, όπως αυτή φαίνεται από τον αγωγό που διοχετεύει το ρεύµα σφάλµατος προς τη γη. Η σύνθετη αντίσταση Z συνίσταται από τις αντιστάσεις και τις επαγωγικές αντιδράσεις των αγωγών που αποτελούν τη γείωση, και την αντίσταση του όγκου του εδάφους που περικλείει το δίκτυο γείωσης. Σε χαµηλές συχνότητες και για δίκτυα γείωσης που είναι σχετικά µικρού µεγέθους, η αντίσταση του όγκου του εδάφους είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από αυτή των αγωγών του δικτύου. Σε αυτή την περίπτωση, η σύνθετη αντίσταση των αγωγών µπορεί να αµεληθεί στον υπολογισµό του Ζ. Συντελεστής ελάττωσης (decrement factor): Συντελεστής προσαρµογής που χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε την παράµετρο ρεύµατος συµµετρικού σφάλµατος προς γη, σε υπολογισµούς γείωσης για τον έλεγχο της ασφάλειας. Καθορίζει το ισοδύναµο rms της κυµατοµορφής της ασύµµετρης έντασης για δοθείσα χρονική διάρκεια σφάλµατος, t f, λογαριάζοντας την επίδραση της αρχικής συνεχούς συνιστώσας και της απόσβεσης της τελευταίας κατά τη διάρκεια του σφάλµατος. Ενεργό µη συµµετρικό ρεύµα σφάλµατος (effective asymmetrical fault current): Η rms τιµή της κυµατοµορφής της ασύµµετρης έντασης, σαν ολοκλήρωµα καθόλη τη διάρκεια του σφάλµατος. Ισχύει [1]: I F = D I (1.2) f f Όπου I F το ενεργό ρεύµα ασύµµετρου σφάλµατος σε Α I f το rms ρεύµα συµµετρικού σφάλµατος ως προς γη σε Α D f ο συντελεστής ελάττωσης

13 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 3 Μέγιστο ρεύµα πλέγµατος (maximum grid current): Τιµή του µέγιστου ρεύµατος πλέγµατος, που προκύπτει από τον σχεδιασµό του πλέγµατος και τις συνιστώσες του προβλήµατος γείωσης. Ορίζεται από τον τύπο [1]: I G = D I (1.3) f g Όπου I G το µέγιστο ρεύµα πλέγµατος σε Α D f ο συντελεστής ελάττωσης για ολόκληρη τη διάρκεια του σφάλµατος, t f, σε s I g η rms τιµή του συµµετρικού ρεύµατος στο πλέγµα σε Α Σχήµα 1.1. Βηµατική τάση, τάση επαφής, µεταφερόµενη τάση [1]. Τάση πλέγµατος (mesh voltage): Η µέγιστη τάση επαφής µέσα στο βρόγχο ενός πλέγµατος γείωσης. Τάση επαφής (touch voltage): Η διαφορά δυναµικού ανάµεσα στην ανύψωση δυναµικού γης (GPR) και στο δυναµικό επιφανείας στο σηµείο όπου ένα άτοµο στέκεται ενώ συγχρόνως έχει ένα χέρι σε επαφή µε µια γειωµένη δοµή. Στο σχήµα 1.1 το άτοµο b χρησιµοποιείται για την απεικόνιση της τάσης επαφής. Η διαφορά δυναµικού V2 που βλέπει το σώµα είναι το αποτέλεσµα επαφής ενός χεριού µε τα δυο πόδια. Το υψηλότερο δυναµικό προκύπτει όταν υπάρχει µια µεταλλική δοµή στην άκρη της περιοχής υψηλού δυναµικού, και το άτοµο στέκεται 1m µακριά και ακουµπά αυτή τη δοµή. Ο κίνδυνος από αυτό τον τύπο της επαφής είναι

14 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 4 µεγαλύτερος από τον κίνυνο που σχετίζεται µε τη βηµατική τάση, γιατί η τάση εφαρµόζεται δια µέσου του σώµατος και δύναται να επηρεάσει τους µύες της καρδιάς. Τάση επαφής µετάλλου προς µέταλλο (metal-to-metal touch voltage): Η διαφορά στο δυναµικό ανάµεσα στα µεταλλικά αντικείµενα ή δοµές που περικλείονται στην τοποθεσία του υποσταθµού που µπορεί να γεφυρωθεί µε άµεση επαφή χέρι-µε-χέρι ή χέρι-µε-πόδι. Η τάση επαφής µετάλλου προς µέταλλο ανάµεσα σε µεταλλικά αντικείµενα ή δοµές που συνδέονται στο πλέγµα γείωσης θεωρείται ότι είναι αµελητέα σε συµβατικούς υποσταθµούς. Ωστόσο, η τάση επαφής µετάλλου προς µέταλλο ανάµεσα σε µεταλλικά αντικείµενα ή δοµές που συνδέονται στο µεταλλικό πλέγµα, και σε µεταλλικά αντικείµενα που υπάρχουν στην τοποθεσία του υποσταθµού, όπως ένας µονωµένος φράκτης, αλλά µη-συνδεµένα στο πλέγµα γείωσης, µπορεί να είναι ουσιαστική. Σε έναν τυπικό υποσταθµό, η χειρότερη τάση επαφής συνήθως είναι η διαφορά δυναµικού ανάµεσα σε ένα χέρι και τα πόδια ενός ατόµου, όταν αυτά απέχουν τη µέγιστη δυνατή απόσταση. Βηµατική τάση (step voltage): Η διαφορά δυναµικού στην επιφάνεια της γης που εφαρµόζεται µεταξύ των ποδιών ενός ατόµου, το οποίο κάνει βήµα ανοίγµατος 1m, και δεν έρχεται σε επαφή µε άλλο γειωµένο αντικείµενο. Στο σχήµα 1.1 το άτοµο a χρησιµοποιείται για την επεξήγηση της βηµατικής τάσης. Η διαφορά δυναµικού V 1 που βλέπει το σώµα περιοιρίζεται από την τοµή ανάµεσα στα δυο σηµεία στη γη που απέχουν µεταξύ τους 1m. Εφόσον το δυναµικό στη γη είναι µεγαλύτερο στην περιοχή που γειτονεύει µε το ηλεκτρόδιο, συνεπάγεται ότι το µέγιστο βηµατικό δυναµικό υπό συνθήκες σφάλµατος προς γη θα προκύπτει όταν το άτοµο έχει ένα πόδι στην περιοχή της µέγιστης δυναµικής ανύψωσης και το άλλο πόδι κατά ένα βήµα προς τη γη. Υλικό επιφανείας (surface material): Ένα υλικό που τοποθετείται πάνω από το έδαφος και αποτελείται από, αλλά δεν περιορίζεται σε, πέτρα ή χαλίκι, άσφαλτο, ή τεχνητά υλικά. Το υλικό επιφανείας, ανάλογα µε την ειδική αντίστασή του, µπορεί να επηρεάζει σηµαντικά το ρεύµα που διαρρέει το ανθρώπινο σώµα για την τάση επαφής και τη βηµατική τάση που αφορούν τα πόδια του ανθρώπου.

15 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 5 Συµµετρικό ρεύµα πλέγµατος (symmetrical grid current): Το κλάσµα του συµµετρικού ρεύµατος σφάλµατος προς γη που ρέει ανάµεσα στο πλέγµα γείωσης και τη γη που το περιβάλλει. Μπορεί να εκφραστεί ως [1]: I g = S I (1.4) f f Όπου I g το rms συµµετρικό ρεύµα πλέγµατος σε Α I f το rms συµµετρικό ρεύµα σφάλµατος προς γη σε Α S f ο συντελεστής διαίρεσης του ρεύµατος σφάλµατος. Μεταφερόµενη τάση (transferred voltage): Μια ειδική περίπτωση της τάσης επαφής όπου µια τάση µεταφέρεται προς ή από τον υποσταθµό ή σε ένα απόµακρο σηµείο εξωτερικό της τοποθεσίας του υποσταθµού. Στο σχήµα 1.1 το άτοµο c χρησιµοποιείται για την απεικόνιση του υψηλού δυναµικού που µεταφέρεται σε µια περιοχή µηδενικού δυναµικού µέσω του οπλισµού µιας κεραίας. Εφόσον ο οπλισµός είναι συνδεµένος στην κεντρικό πλέγµα γείωσης του υποσταθµού, η τάση V 3 θα είναι είναι ίση µε την ανύψωση του δυναµικού της γης του υποσταθµού. Στο σχήµα η V 4 παρουσιάζεται µικρότερη από τη V 3. Αυτό συµβαίνει διότι το άτοµο d βρίσκεται σε µερική απόσταση από το κύριο ηλεκτρόδιο γείωσης και συνεπώς υπόκειται στην κλίση δυναµικού γείωσης (ground potential gradient). Τα µεταφερόµενα δυναµικά θεωρείται ότι είναι τα πιο επικίνδυνα, διότι η τάση που εφαρµόζεται στο άτοµο δύναται να είναι ίση µε την πλήρη ανύψωση δυναµικού και όχο µε κλάσµα της, όπως στην περίπτωση της βηµατικής τάσης και της τάσης επαφής. Λόγος Χ/R (X/R ratio): Λόγος της αντίδρασης του συστήµατος προς την αντίσταση. Είναι ενδεικτικός του ρυθµού της ελάττωσης της dc αρχικής συνιστώσας. Ένας µεγάλος Χ/R λόγος αντιστοιχεί σε µια µεγάλη σταθερά χρόνου και ένα χαµηλό ρυθµό ελάττωσης. Ενεργό µήκος (effective length): Το µήκος ενός ηλεκτροδίου γείωσης πέραν του οποίου η αύξησή του δε συνεισφέρει σηµαντικά στη µείωση της κρουστικής σύνθετης αντίστασης του ηλεκτροδίου. Η τιµή του ενεργού µήκους εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους και τον χρόνο µετώπου του κρουστικού ρεύµατος του κεραυνού, και µειώνεται τόσο περισσότερο, όσο µικρότερο είναι το µέτωπο της κυµατοµορφής. Το ενεργό µήκος ενός αγωγού δίνεται από τη σχέση [3]:

16 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 6 l e = 1.4 ( ρ T ) (1.5) Όπου ρ η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm T ο χρόνος µετώπου της κυµατοµορφής σε µsec Το ενεργό µήκος ενός αγωγού θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασµό του συστήµατος γείωσης όταν αυτό θα χρησιµοποιηθεί και για λόγους αντικεραυνικής προστασίας, όπως συµβαίνει στην περίπτωση του συστήµατος γείωσης της ανεµογεννήτριας. 1.2 Βασικές έννοιες Η γείωση ορίζεται ως η αγώγιµη σύνδεση µε το έδαφος των προς γείωση τµηµάτων µιας εγκαταστάσεως ή του ουδέτερου κόµβου µετασχηµατιστών και γεννητριών και αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό µέρος της κατασκευής των κτιριακών εγκαταστάσεων. Σκοπός της γείωσης είναι να κάνει εφικτή την εκφόρτιση των ηλεκτρικών ρευµάτων στη γη µέσω ενός γυµνού µεταλλικού κοµµατιού, του ηλεκτροδίου της γείωσης, το οποίο είναι θαµµένο µέσα στο έδαφος. Για µία συγκεκριµένη εκφόρτιση ρεύµατος η αντίσταση του ηλεκτροδίου γείωσης είναι ο λόγος της διαφοράς δυναµικού (σε Volts) µεταξύ του σηµείου σύνδεσης του ηλεκτροδίου και ενός πιο µακρινού σηµείου της γης (άπειρη γη) και της εκφόρτισης ρεύµατος (σε Amperes), δηλαδή V R =. Η αντίσταση γείωσης του ηλεκτροδίου είναι για το λόγο αυτό µία ωµική I αντίσταση στο γύρω από το ηλεκτρόδιο έδαφος και όχι ένα είδος επιφανειακής αντίστασης του ηλεκτροδίου [3-5]. Η αντίσταση γείωσης την οποία παρέχει ένα ηλεκτρόδιο γειώσεως εκφράζει την αντίσταση διαβάσεώς του, από το αγώγιµο υλικό του ηλεκτροδίου, προς το περιβάλλον έδαφος. Συνεπώς, είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την επιφάνεια επαφής του ηλεκτροδίου µε το έδαφος, και ανάλογη της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Για το λόγο αυτό το υλικό των ηλεκτροδίων γειώσεως είναι κατά κανόνα χαλκός, επικασσιτερωµένος, για την αποφυγή οξείδωσης. Η αντίσταση γειώσεως R γ είναι η συνισταµένη των εν παραλλήλω αναπτυσσόµενων ακτινικά προς την επιφάνεια του ηλεκτροδίου, απειροστών αντιστάσεων διαβάσεως R δ.

17 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 7 Για να είναι ένα σύστηµα γείωσης ασφαλές, πρέπει να εξασφαλίζει την ακεραιότητα του εξοπλισµού και τη συνέχεια της λειτουργίας του σε περίπτωση εµφανίσεως οποιουδήποτε σφάλµατος, παρέχοντας διαδροµή απαγωγής του ρεύµατος και εκτόνωσής του στη γη, καθώς και να προστατεύει από ηλεκτροπληξία άτοµα που είτε δουλεύουν, είτε κινούνται στον περιβάλλοντα χώρο. Για να είναι αυτό εφικτό πρέπει η σύνθετη αντίσταση του συστήµατος να είναι αρκετά χαµηλή (θεωρητικά να είναι ίση µε το µηδέν), ώστε το ρεύµα να οδεύει στη γη µέσω της γείωσης, διατηρώντας τις µέγιστες διαφορές δυναµικού (βηµατική τάση και τάση επαφής) που δηµιουργούνται, κάτω από συγκεκριµένα όρια [1]. 1.3 Είδη γειώσεων Οι γειώσεις διακρίνονται στα εξής είδη ανάλογα µε το σκοπό ύπαρξής τους [6]: 1. Γείωση λειτουργίας. Ονοµάζεται η γείωση που γίνεται για λειτουργικούς λόγους ή για την αποφυγή υπερτάσεων. Αυτή διακρίνεται σε: Άµεση εφόσον δεν περιλαµβάνει άλλη αντίσταση πλην της αντίστασης γείωσης. Έµµεση εφόσον εκτός από την αντίσταση γείωσης περιλαµβάνει και ωµικές, επαγωγικές και χωρητικές αντιστάσεις. Η περίπτωση της ανοικτής γείωσης, δηλαδή όταν στη γραµµή της γείωσης έχει παρεµβληθεί σπινθηριστής ή ασφάλεια διάσπασης, δεν συµπεριλαµβάνεται στις γειώσεις λειτουργίας. 2. Γείωση προστασίας. Καλείται η αγώγιµη σύνδεση των µεταλλικών µερών µιας εγκατάστασης, που δεν ανήκουν στο κύκλωµα λειτουργίας, και εξασφαλίζει την προστασία των ανθρώπων που µπορεί να έρθουν σε επαφή. 3. Γείωση ασφάλειας ή αντικεραυνικής προστασίας. Η γείωση ασφάλειας χρησιµεύει για την ασφάλεια των παρευρισκόµενων στο περιβάλλον που έχει κατασκευαστεί. Ενδεικτικά παραδείγµατα του είδους αυτού είναι οι γειώσεις των αλεξικέραυνων, οι γειώσεις των αντιστατικών δαπέδων των χώρων επείγουσας ιατρικής και των χώρων µε µηχανήµατα προηγµένης τεχνολογίας.

18 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ Μέθοδοι γείωσης Οι µέθοδοι γείωσης που χρησιµοποιούνται στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι [6]: Η ουδετέρωση, δηλαδή η αγώγιµη σύνδεση µε τον ουδέτερο αγωγό ή άλλο γειωµένο αγωγό φάσης δικτύου, Η άµεση γείωση, µε απ ευθείας αγώγιµη σύνδεση µε το σύστηµα γείωσης (πλάκα γείωσης, ηλεκτρόδιο, τρίγωνο, κλπ), και Μέσω διακόπτη διαφυγής για την αυτόµατη αποµόνωση του προβληµατικού µέρους της εγκατάστασης. Πάντως και στις τρεις αυτές περιπτώσεις θα πρέπει να επιτυγχάνεται η απόζευξη της εγκατάστασης το πολύ σε 5 δευτερόλεπτα εάν η τάση κάποιου τµήµατος αυτής σε σχέση µε τη γη εξακολουθεί να είναι µεγαλύτερη των 50V. 1.5 Είδη ηλεκτροδίων γείωσης Τα ηλεκτρόδια γείωσης (γειωτές) έχουν τις µορφές που παρουσιάζονται στο Σχήµα 1.2 [7]. Οι τύποι που δίνουν τις αντιστάσεις τους φαίνονται στον Πίνακα 1.1. Οι ελάχιστες διαστάσεις των ηλεκτροδίων γείωσης δίνονται στον Πίνακα 1.2 κατά το άρθρο 27 των Κ.Ε.Η.Ε. (Κανονισµοί Εσωτερικών Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων) [8]. Σχήµα 1.2. Ηλεκτρόδια γειωτών [7]

19 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 9 Γειωτής Τύπος Προσεγγιστικός τύπος Πάσσαλος (πλάγια όψη) l eff l 0. 5 m * R A ρ l eff Πολύγωνο Πασάλων α 1 (κάτοψη) a l R 1 k n A R A 1 = 3 : n = 5 : k 1.2 R A1 =αντίσταση ενός πασάλου K=(1 1.5) για n = 10 : k 1.25 Ταινία γείωσης ή επιφανειακός γειωτής, βάθος h=0,5 1,0 m R ρ l = ln 2 A π l d R A ρ 2 l (πλάγια όψη) Θεµελιακή γείωση 4 D = S π R 4 = 2 π ρ D Πλέγµα σε βάθος 0,5-1,0 m b l D = 4 π (κάτοψη) l g R A ρ ρ + 2 d l g =συνολικό µήκος αγωγού R A ρ 2 D Κυκλικός γειωτής (κάτοψη) ρ 8 D R = ln 2 2 π D d 2 D ln 1 + t 8 D ln d 2 ρ R = ** π D

20 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 10 Γειωτής πλάκας, πλάγια όψη S [m 2 ] ρ R = *** 4.5 α n=2 n=3 n=4 n=5 R = R = R = R = ρ π ρ π ρ π ρ π 2 l ln l 0.27 t d 2 l ln l 0.25 t d 2 l ln l 0.22 t d 2 l ln l 0.09 t d Ηµισφαιρικός γειωτής R = ρ **** π D * Όπου εµφανίζεται το πάχος του αγωγού d, αυτό είναι το ισοδύναµο πάχος A d = 4, όπου Α η διατοµή του αγωγού. π ** Για ακανόνιστους βρόχους µπορεί να χρησιµοποιηθεί η ισοδύναµη διάµετρος D = 0, 33 U, U το µήκος αγωγού. *** Για πλάκες που δεν είναι τετράγωνες θέτουµε: α = S, όπου S η επιφάνεια. **** Για ένα γειωτή όγκου V ακανόνιστου σχήµατος, εφαρµόζεται ο τύπος του 3 σφαιρικού γειωτή µε D = 1,57 V. Πίνακας 1.1: Τύποι για αντιστάσεις γειωτών [5, 7]

21 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΙ Η ΓΕΙΩΣΕΩΝ 11 Υλικό Μορφή γειωτή Χάλυβας γαλβανισµένος (µε 70 µm στρώµα) Χάλυβας επιχαλκωµένος Χαλκός Ταινία 100 mm 2 ελάχιστο πάχος 3 mm 50 mm 2 ελάχιστο πάχος 2 mm 50 mm 2 ελάχιστο πάχος 2 mm Ράβδος στρογγυλή 78 mm 2 =10 φ 50 mm 2 χάλυβα 35 mm 2 χαλκός 35 mm 2 Συρµατόσχοινο 95 mm 2 χονδρόκλωνο (δεν χρησιµοποιείται) 35 mm 2 χονδρόκλωνο (ελάχιστο πάχος κλώνων 1,8 mm) Σωλήνας για πασσάλογειώσεις Ονοµαστική διάµετρος 1 '' (εσωτερική διάµετρος), ελάχιστο πάχος 2 mm Εσωτερική διάµετρος 20mm, ελάχιστο πάχος 2 mm Ράβδος L, Σύµφωνα µε τη ΕΗ, Σύµφωνα µε τη ΕΗ, U, T, I για συνήθως όµως 50 mm 2 στρογγυλή συνήθως όµως πάσσαλο- 100 mm 2, ελάχιστο ράβδος 35 mm 2, ελάχιστο γειώσεις πάχος 3 mm. πάχος 3 mm. Πλάκα Ελάχιστο πάχος 3 mm Ελάχιστο πάχος 2 mm Πίνακας 1.2: Ελάχιστες διατοµές ηλεκτροδίων γειωτών, κατά το άρθρο 27 των Κ.Ε.Η.Ε. [8]

22 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 12 Κεφάλαιο 2 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 2.1 Ειδική αντίσταση Το είδος, το εµβαδόν της επιφάνειας και το βάθος του ηλεκτροδίου γειώσεως εξαρτάται από την ειδική αντίσταση του εδάφους και την επιδιωκόµενη τιµή της αντίστασης γείωσης. Η ειδική αντίσταση εδάφους εξαρτάται από την πυκνότητα και την σύστασή του. Υπάρχει ποικιλία εδαφών και ειδικών αντιστάσεων. Εδάφη χωµατώδη, αµµώδη, βραχώδη, υγρά, ξηρά, ανοµοιογενή, κλπ. Με αντίστοιχη ποικιλία τιµών ειδικών αντιστάσεων, ή αγωγιµοτήτων. Όσο ξηρότερο και πετρώδες το έδαφος, τόσο µεγαλύτερη η ειδική αντίστασή του, ρ, µετρούµενη συνήθως σε Ω m. Σε ανισότροπα εδάφη η ειδική αντίσταση είναι διαφορετική, περιφερειακά του ηλεκτροδίου γειώσεως και µη γραµµική. Ειδικότερα, η υγρασία του εδάφους έχει σηµαντική επίδραση στην ειδική αντίστασή του. Αναφέρεται ενδεικτικά, ότι σε ένα αργιλώδες έδαφος µε 10% περιεχόµενο υγρασίας (κατά βάρος) η ειδική αντίσταση ήταν 30 φορές µεγαλύτερη από το ίδιο έδαφος µε περιεχόµενο υγρασίας 20%. Παρόλα αυτά, η υγρασία από µόνη της δεν παίζει πρωτεύοντα ρόλο στην ειδική αντίσταση. Μόνο εάν η υγρασία περιέχει αρκετά φυσικά συστατικά για να αποτελέσει έναν αγώγιµο ηλεκτρολύτη θα συµβάλει σε σηµαντική µείωση της αντίστασης του εδάφους. Η τεχνητή προσθήκη διαλυτών ουσιών στο νερό, όπως χλωριούχο νάτριο (αλάτι), χλωριούχο ασβέστιο (CaCl 2 ), θειικό χαλκό (CuSO 4 ), ή θειικό µαγνήσιο (MgSO 4 ). είναι ένας πρακτικός τρόπος µείωσης της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Οι εποχιακές µεταβολές της θερµοκρασίας οδηγούν σε κάποια διακύµανση της αντίστασης του εδάφους, ειδικότερα σε περιοχές όπου σηµειώνεται παγετός. Οι διακυµάνσεις αυτού του είδους µπορούν να ελαχιστοποιηθούν µε τη χρησιµοποίηση ηλεκτροδίων γειώσεως σε µεγάλο βάθος [3, 9]. Συµπερασµατικά, οι παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους είναι οι εξής [1, 5, 9]:

23 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ Είδος του εδάφους Ελώδες έδαφος έχει π.χ. πολύ µικρότερη αντίσταση από ότι ξηρός βράχος. Ο Πίνακας 2.1 παρουσιάζει τις ειδικές αντιστάσεις για διάφορα εδάφη. 2. Υγρασία Η αντίσταση µειώνεται αυξανοµένης της υγρασίας του εδάφους. Πρέπει εδώ να παρατηρηθεί ότι το έδαφος µπoρεί να ξηραίνεται επιφανειακά, αλλά σε βάθος κάτω του µισού µέτρου (0,5 m) διατηρείται συνήθως υγρό, σε όλες τις εποχές του έτους. Έτσι, σε γειωτές ράβδου πασσαλωµένους λαµβάνεται σαν ενεργό µήκος αυτό που είναι κάτω από 0,5 m. Για τον ίδιο λόγο τοποθετούµε τους γειωτές ταινίας σε βάθη µεγαλύτερα από 0,5 m. 3. Θερµοκρασία Η µεταβολή της αντίστασης του εδάφους µε τη θερµοκρασία φθάνει περίπου τα 130% κατά τη διάρκεια του έτους. Από τον Ιανουάριο έως τον Φεβρουάριο είναι υψηλότερη και από τον Ιούλιο έως τον Αύγουστο χαµηλότερη. Η αντίσταση µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. 4. Μορφή της τάσης Σε κρουστικές τάσεις και για γειωτές µε µήκος µεγαλύτερο από 10 m, έχει παρατηρηθεί άνοδος της αντίστασης. Σε αρνητικές κρουστικές τάσεις 0,3/30 µs, η αντίσταση θεµελιακού γειωτή ανέρχεται από τα 3 Ω στα 26 Ω. Η άνοδος της αντίστασης γίνεται στο µέτωπο τάσης. Η αντίσταση σε κρουστικές τάσεις χαρακτηρίζεται και σαν κρουστική αντίσταση. Τέλος, έχει µετρηθεί ότι η επίδραση της υγρασίας και της θερµοκρασίας είναι µεγαλύτερη σε µικρά βάθη (0,5-1 m) παρά σε µεγάλα βάθη. Έτσι, ο γειωτής ράβδου που είναι σε µεγάλο βάθος, σε σύγκριση µε ένα επιφανειακό γειωτή, παρουσιάζει το πλεονέκτηµα της σταθερότητας της αντίστασης κατά τη διάρκεια του έτους. Η ειδική αντίσταση του εδάφους µετριέται, µε γέφυρα 4 ηλεκτροδίων. Οι ειδικές αντιστάσεις των διαφόρων εδαφών φαίνονται στον Πίνακα 2.1.

24 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 14 Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση ρ Ε (Ωm) Ελώδες έδαφος 30 Αργιλώδες, πηλώδες ή αγρού 100 Υγρή άµµος 200 Υγρά χαλίκια 500 Ξηρή άµµος, 1000 Πετρώδες και ξηρά χαλίκια 3000 Πίνακας 2.1: Ειδικές αντιστάσεις εδαφών, ενδεικτικές µέσες τιµές κατά το άρθρο 27 των Κ.Ε.Η.Ε. [8] 2.2 Καθορισµός της δοµής του εδάφους Βασική παράµετρος στη µελέτη του συστήµατος γείωσης µιας εγκατάστασης είναι η δοµή του εδάφους ακριβώς κάτω από αυτήν. Συνήθως η δοµή του εδάφους είναι πολύπλοκη, διότι η ειδική του αντίσταση δεν έχει µία σταθερή τιµή, αλλά διαφέρει ανάλογα µε το βάθος το οποίο εξετάζεται, τη θερµοκρασία περιβάλλοντος, την υγρασία, και άλλες συνθήκες. Στο σχεδιασµό συστήµατος γείωσης είθισται να µοντελοποιείται το έδαφος, του οποίου η ειδική του αντίσταση µεταβάλλεται ανάλογα µε το βάθος, ακολουθώντας µια µαθηµατική σχέση, όπως την εκθετική µείωση ή αύξηση, ή συνηθέστερα το διαχωρισµό της γης σε στρώµατα µε σταθερή ειδική αντίσταση το καθένα. Η µορφή των στρωµάτων αυτών δύναται να είναι οριζόντια - που είναι η περίπτωση που συναντάται συχνότερα -, κατακόρυφη, σφαιρική, κτλ. Προς καθορισµό του µοντέλου γης που θα χρησιµοποιηθεί στη µελέτη, χρησιµοποιείται µια σειρά µετρήσεων που πραγµατοποιούνται στην επιφάνεια της γης. Στα σχήµατα 2.1 και 2.2 δίνεται το σύστηµα µέτρησης των τεσσάρων ηλεκτροδίων του Wenner. Τα τέσσερα ηλεκτρόδια είναι τοποθετηµένα σε µια ευθεία

25 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 15 οριζόντια γραµµή, και απέχουν ίση απόσταση µεταξύ τους, α. Οι ηµισφαιρικοί αγωγοί µπορούν να θεωρηθούν ως ηλεκτρόδια που είναι βυθισµένα στη γη και η επίπεδη επιφάνειά τους εφάπτεται στο επίπεδο της γης. Το εξωτερικό ζευγάρι ηλεκτροδίων είναι του ρεύµατος, και το εσωτερικό ζευγάρι είναι της τάσης. Σχήµα 2.1. ιάταξη Wenner µέτρησης ειδικής αντίστασης εδάφους Σχήµα 2.2. Μέτρησης της ειδικής αντίστασης εδάφους µε τη µέθοδο Wenner (πάνω) και τη µέθοδο Schlumberger (κάτω) [3]. Στο ένα από τα ηλεκτρόδια του ρεύµατος το ρεύµα κατευθύνεται προς τη γη και επιστρέφει δια µέσου της στο άλλο. Το εσωτερικό ζευγάρι των ηλεκτροδίων µετρά την αύξηση του δυναµικού της γης ή την τάση ανάµεσα στα ηλεκτρόδια αυτά. Για διαφορετικές αποστάσεις α, παίρνουµε µια δεδοµένη τιµή για το ρεύµα που εισρέει στη γη. Όσο αυξάνεται το α, τόσο βαθύτερα εισρέει το ρεύµα στη γη. Η δοµή και οι παράµετροι του εδάφους προσδιορίζονται από τις σειρές των µετρήσεων ρεύµατος και δυναµικού που παίρνουµε µε τη µέθοδο Wenner, επιλύοντας το πρόβληµα της αντιστροφής ηλεκτρικού πεδίου. Εφαρµόζοντας στα άκρα των ηλεκτροδίων ρεύµατος ρεύµα σταθερής έντασης, η τάση που µετράται στα άκρα του εσωτερικού ζευγαριού ηλεκτροδίων πρέπει να µειώνεται όσο αυξάνεται η απόσταση α, ακόµη και στην περίπτωση που το µοντέλο γης είναι οµοιογενές. Εποµένως οι τιµές V/I ποικίλλουν για τα διάφορα α.

26 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 16 Ο λόγος της διαφοράς δυναµικού προς το ρεύµα ορίζεται ως φαινόµενη αντίσταση και εξαρτάται από τη γεωµετρία του ηλεκτροδίου και την ειδική αντίσταση του εδάφους. Η φαινόµενη ειδική αντίσταση του εδάφους ρ υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση [1, 11, 12]: 4 π a R ρ = (2.1) 1+ 2 a a a + 4 b a + b όπου R είναι η φαινόµενη αντίσταση (η ένδειξη του οργάνου), α η απόσταση µεταξύ των βοηθητικών ηλεκτροδίων και b το βάθος στο οποίο βρίσκονται τα ηλεκτρόδια. Όταν α>>b τότε η παραπάνω εξίσωση καταλήγει στην ακόλουθη: ρ = 2 π R a (2.2) Αποδεικνύεται ότι εάν η γη είναι οµοιογενής, η ακριβής τιµή της φαινόµενης ειδικής αντίστασης είναι ανεξάρτητη του α, και σχεδόν ισούται µε την πραγµατική ειδική αντίσταση της γης. Κατόπιν πληθώρας µετρήσεων προέκυψε ότι το έδαφος έχει συνήθως πολυστρωµατική δοµή. Εποµένως, είναι απαραίτητη µία µεθοδολογία για τον υπολογισµό των παραµέτρων της δοµής του εδάφους (ειδική αντίσταση και βάθος του κάθε στρώµατος του εδάφους). Στη βιβλιογραφία υπάρχουν διαθέσιµες µεθοδολογίες για τον υπολογισµό αυτών των παραµέτρων για διστρωµατική και τριστρωµατική δοµή του εδάφους χρησιµοποιώντας µετρήσεις της ειδικής αντίστασης του εδάφους [3, 10, 12]. Για την περίπτωση του διστρωµατικό εδάφους ο υπολογισµός των παραµέτρων του είναι ένα πρόβληµα βελτιστοποίησης. Για τον υπολογισµό των τριών παραµέτρων (ρ 1 η ειδική αντίσταση του επάνω στρώµατος του εδάφους, ρ 2 η ειδική αντίσταση του κάτω στρώµατος του εδάφους και h 1 το βάθος του πάνω στρώµατος) είναι απαραίτητη η ελαχιστοποίηση της συνάρτησης F g : F g = N ρ m ai ρ ρ m i= 1 αi c αi (2.3) όπου m ρ ai είναι η i-οστή µέτρηση της ειδικής αντίστασης του εδάφους για απόσταση µεταξύ των βοηθητικών ηλεκτροδίων ίση µε α, ενώ c ρ ai είναι ο υπολογισµός της

27 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 17 ειδικής αντίστασης του εδάφους για απόσταση µεταξύ των βοηθητικών ηλεκτροδίων ίση µε α που αντιστοιχεί στο i-οστό ζεύγος µετρήσεων. Ο υπολογισµός της ειδικής αντίστασης του εδάφους γίνεται χρησιµοποιώντας τις εξισώσεις ( ) [3, 10, 12]: + = B A K n n c a ρ 1 ρ (2.4) όπου =... 1 n ρ ρ ρ ρ + = Κ (2.5) = a h n A (2.6) = A + 3 B (2.7) Ο υπολογισµός των παραµέτρων του τριστρωµατικού εδάφους είναι και αυτός ένα πρόβληµα βελτιστοποίησης. Για τον υπολογισµό των πέντε παραµέτρων (ρ 1 η ειδική αντίσταση του επάνω στρώµατος του εδάφους, ρ 2 η ειδική αντίσταση του µεσαίου στρώµατος του εδάφους, ρ 3 η ειδική αντίσταση του κάτω στρώµατος του εδάφους, h 1 το βάθος του πάνω στρώµατος και h 2 το βάθος του µεσαίου στρώµατος) είναι απαραίτητη η ελαχιστοποίηση της συνάρτησης F g (σχέση 2.3) έχοντας διαθέσιµη µία οµάδα από Ν µετρήσεις ειδικής αντίστασης του εδάφους (µε τη µέθοδο Wenner) συναρτήσει της απόστασης των βοηθητικών ηλεκτροδίων. Ο υπολογισµός της ειδικής αντίστασης του εδάφους γίνεται χρησιµοποιώντας τις εξισώσεις ( ) [3]: + = λ λ α λ α λ α ρ ρ α d f c )] (2 J ) ( [J ) ( (2.8) όπου J o είναι η συνάρτηση Bessel πρώτου είδους, µηδενικής τάξης. Το ƒ(λ) υπολογίζεται από την επόµενη εξίσωση: λ λ λ λ λ λ = ) ( ) ( ) ( h h h h h h h e k e k e k k e k e k f (2.9)

28 ΕΙ ΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ 18 Ενώ οι συντελεστές ανάκλασης του εδάφους k 1 και k 2 υπολογίζονται από τις σχέσεις: ρ ρ 2 1 k 1 = (2.10) ρ 2 + ρ1 ρ3 ρ 2 k 2 = (2.11) ρ + ρ Μια άλλη µέθοδος µέτρησης της ειδικής αντίστασης του εδάφους είναι η µέθοδος Schlumberger (σχήµα 2.2). Η µέθοδος αυτή απαιτεί τη χρήση ενός ευαίσθητου οργάνου και τεσσάρων βοηθητικών ηλεκτροδίων, σε συνδεσµολογία που δίνεται σε παρακάτω σχήµα. Σύµφωνα µε αυτή τη µέθοδο, η µέση αντίσταση του εδάφους δίνεται από τη σχέση d a ρ = R π [ Ω m] (2.12) 2 a όπου d είναι το µισό της απόστασης των ακραίων βοηθητικών ηλεκτροδίων ( d = AB 2 ), ενώ α είναι το µισό της απόστασης των δύο µεσαίων βοηθητικών ηλεκτροδίων ( a = MN ). 2 Η µέθοδος µέτρησης που ακολουθήθηκε για τη διεξαγωγή µετρήσεων που χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία είναι η µέθοδος Wenner, ευρέως χρησιµοποιούµενη στην ερευνητική κοινότητα, διότι επηρεάζεται λιγότερο από τα φαινόµενα αλλοίωσης του σήµατος (θόρυβος), εν αντιθέσει µε τη δεύτερη συχνότερα χρησιµοποιούµενη µέθοδο µέτρησης, τη µέθοδο Schlumberger. Η τελευταία απαιτεί τη µετακίνηση µόνο των δυο ακραίων ηλεκτροδίων από το σύνολο τεσσάρων ηλεκτροδίων της διάταξης, για τη λήψη διαφορετικής µέτρησης, ενώ στη µέθοδο Wenner, απαιτείται η µετακίνηση και των τεσσάρων ηλεκτροδίων. Συνεπώς η µέθοδος Schlumberger απαιτεί λιγότερη χειρωνακτική εργασία. Εν τούτοις, το πρόβληµα αλλοίωσης του σήµατος είναι µεγαλύτερης σηµασίας, και έτσι επιλέγεται η µέθοδος µέτρησης Wenner.

29 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 19 Κεφάλαιο 3 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 3.1 Καθορισµός ορίων ασφαλείας Κατά τη διάρκεια ενός τυπικού σφάλµατος προς γη, η ροή του ρεύµατος προς τη γη θα παράγει ανυψώσεις δυναµικού µέσα στον υποσταθµό και γύρω από αυτόν. Το παρακάτω σχήµα δείχνει την παραπάνω περίπτωση για έναν υποσταθµό µε απλό ορθογώνιο πλέγµα γείωσης σε οµοιογενές έδαφος. Εάν δεν ληφθούν προφυλάξεις στο σχεδιασµό της γείωσης, οι µέγιστες κλίσεις δυναµικού στην επιφάνεια της γης µπορεί να έχουν αρκετά µεγάλη τιµή κατά τη διάρκεια σφάλµατος προς γη, ώστε να τεθεί σε κίνσυνο άτοµο που βρίσκεται στην περιοχή. Επιπλέον, επικίνδυνες τάσεις µπορεί να αναπτυχθούν ανάµεσα σε γειωµένες κατασκευές ή περιβλήµατα εξοπλισµών και της κοντινής γης. Σχήµα 3.1. Ισοδυναµικές καµπύλες ενός τυπικού πλέγµατος γείωσης, µε ή χωρίς ηλεκτρόδια γείωσης [1]. Οι συνθήκες υπό τις οποίες είναι πιθανό ένα ατύχηµα ηλεκτροπληξίας είναι οι εξής:

30 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 20 i) Σχετικά µεγάλο ρεύµα σφάλµατος προς γη σε σχέση µε την περιοχή του συστήµατος γείωσης και την αντίστασή του ως προς απόµακρη γη. ii) Η ειδική αντίσταση του εδάφους και η κατανοµή των ρευµάτων γης, που προκαλούν υψηλές κλίσεις δυναµικού σε σηµεία στην επιφάνεια της γης. iii) Η παρουσία ατόµου σε τέτοιο σηµείο, στιγµή και στάση ώστε το σώµα του γεφυρώνει δυο σηµεία µεγάλης διαφοράς δυναµικού. iv) Η απουσία επαρκούς αντίστασης επαφής ή άλλης αντίστασης σε σειρά για να περιορίσει το ρεύµα που διαρρέει το σώµα σε µια ασφαλή τιµή, όταν πληρούνται οι συνθήκες i έως iii. v) Η διάρκεια του σφάλµατος και της επαφής µε το σώµα, και συνεπώς της ροής του ρεύµατος µέσα στο σώµα για επαρκή χρόνο ώστε να προκαλέσει τραυµατισµό του ατόµου, για τη συγκεκριµένη ένταση ρεύµατος. Η µικρή συχνότητα ατυχηµάτων οφείλεται κυρίως στη µικρή πιθανότητα ταυτόχρονης εµφάνισης όλων των παραπάνω συνθηκών. Τα όρια ασφαλείας που πρέπει να ικανοποιεί ένα σύστηµα γείωσης µιας εγκατάστασης, καθορίζονται από το συνδυασµό τιµών των διαφόρων παραµέτρων (πχ χρόνος εκκαθάρισης σφάλµατος, συχνότητα, ένταση, µοντέλο εδάφους) που προκαλούν τραυµατισµό στο άτοµο. i) Επίδραση της συχνότητας. Η επίδραση του ρεύµατος στον άνθρωπο είναι σηµαντική σε συχνότητες 50Hz ή 60Hz. Στις συγκεκριµένες συχνότητες, ρεύµατα έντασης περίπου 0.1A µπορεί να προκαλέσουν τον θάνατο. Σε ορισµένες περιπτώσεις το ανθρώπινο σώµα µπορεί να αντέξει πολύ µεγάλα ρεύµατα που οφείλονται σε κεραυνική τάση. ii) Επίδραση της έντασης και της διάρκειας. Ρεύµα έντασης 1mA θεωρείται το κατώτατο όριο που γίνεται αντιληπτό. Ρεύµατα έντασης 1-6mA, που συχνά αναφέρονται ως ρεύµατα διαφεύγοντα, αν και είναι δυσάρεστα στην αίσθηση που προκαλούν, δεν επηρεάζουν την ικανότητα του ατόµου που κρατά ένα αντικείµενο να ελέγξει τους µύες του και να αφήσει το αντικείµενο. Ρεύµατα έντασης 9-25mA µπορούν να είναι επώδυνα, και να προκαλέσουν δυσκολία ή αδυναµία στον έλεγχο αντικειµένου που κρατά το άτοµο. Ρεύµατα ακόµη µεγαλύτερης έντασης προκαλούν µυικές συσπάσεις, που µε τη σειρά τους µπορούν να επιφέρουν δυσκολία στην

31 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 21 αναπνοή. Αυτές όµως οι επιδράσεις δεν είναι µόνιµες και παύουν όταν διακοπεί η ροή του ρεύµατος µέσα στο άτοµο, εκτός εάν η σύσπαση είναι πολύ σοβαρή και η αναπνοή έχει διακοπεί για λεπτά της ώρας. Ρεύµατα έντασης mA προκαλούν κοιλιακό ινιδισµό, καρδιακή ανακοπή, δυσκολία στην αναπνοή και µπορούν να επιφέρουν τραυµατισµό ή θάνατο. Στο σχεδιασµό συστήµατος γείωσης δίνεται σηµασία στο κατώφλι κοιλιακού ινιδισµού, δηλαδή επιδιώκεται τα ρεύµατα σφάλµατος να είναι έντασης µικρότερης από 60mA. Tα ρεύµατα έντασης Ι Β, µικρότερης του κατωφλίου κοιλιακού ινιδισµού, και µε διάρκεια sec σχετίζονται µε την ενέργεια που απορροφάται από το σώµα του ατόµου σύµφωνα µε την εξίσωση [1] S B = I 2 B t s (3.1) Όπου I B η rms τιµή του ρεύµατος που διαρρέει το σώµα, σε Α t s η διάρκεια έκθεσης στο ρεύµα, σε sec S B η εµπειρική σταθερά που σχετίζεται µε την ενέργεια που αντέχει ορισµένο ποσοστό του πληθυσµού. iii) Χρόνος εκκαθάρισης του σφάλµατος. Λαµβάνοντας υπόψη τη σηµασία του χρόνου εκκαθάρισης του σφάλµατος, όπως διαφαίνεται στην εξίσωση (3.1), συµπεραίνεται ότι επιδιώκεται όσο το δυνατόν ταχύτερη εκκαθάριση του σφάλµατος, για τους παρακάτω λόγους: Η πιθανότητα έκθεσης σε ηλεκτρικό σοκ µειώνεται δραµατικά εάν ο χρόνος εκκαθάρισης σφάλµατος είναι µικρός. οκιµές και η εµπειρία από το παρελθόν έχουν δείξει ότι η πιθανότητα σοβαρού τραυµατισµού ή θανάτου µειώνεται σηµαντικά εάν η χρονική διάρκεια της ροής του ρεύµατος στο ανθρώπινο σώµα είναι σύντοµη. Συνεπώς, στον καθορισµό της ανώτατης επιτρεπόµενης τιµής για το ρεύµα που διαρρέει το σώµα λαµβάνεται υπόψη ο χρόνος εκκαθάρισης σφάλµατος των συσκευών προστασίας, ή της ασφάλειας backup. Για πιο συντηρητικά όρια, χρησιµοποιείται στη σχέση (3.1) ο χρόνος εκκαθάρισης σφάλµατος της ασφάλειας backup.

32 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 22 Όπως αναλύθηκε προηγουµένως, ο σχεδιασµός συστήµατος γείωσης πρέπει να εξασφαλίζει ότι η διάρκεια και η ένταση του ρεύµατος συχνότητας 50Hz ή 60Hz που διαρρέει το ανθρώπινο σώµα δεν θα υπερβαίνει το κατώφλι πέρα από το οποίο προκαλείται κοιλιακός ινιδισµός. Από τη σχέση (3.1) είναι εµφανής η σχέση του χρονικού διαστήµατος που είναι ανεκτή η ροή του ρεύµατος στο σώµα και της έντασης του ρεύµατος, θεωρώντας πάντα συχνότητα 50Hz ή 60Hz. Χρησιµοποιώντας τη σχέση (3.1) προκύπτει [1]: I k B = (3.2) t s Όπου k = S B (3.3) Πειράµατα απέδειξαν ότι το 99.5% των ατόµων που ζυγίζουν περίπου 50kg έχουν ως ανώτατο όριο απορροφούµενης ενέργειας από ρεύµα S B = Τότε k B = και η σχέση για τον υπολογισµό του ανώτατου ορίου για την ένταση του ρεύµατος που διαρρέει το σώµα γίνεται [1] I B = για άτοµα σωµατικού βάρους 50kg. (3.4) t s Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η σχέση (3.4) δίνει Ι Β = 116mA για t s = 1sec και Ι Β = 367mA για t s = 0.1sec. Αντίστοιχα πειράµατα για άτοµα σωµατικού βάρους 70kg αντιστοιχούν σε S B = και k = 0.157, οπότε [1] I B = για άτοµα σωµατικού βάρους 70kg. (3.5) t s Συγκρίνοντας τις σχέσεις (3.4) και (3.5) συµπεραίνεται ότι επιτρέπονται ρεύµατα αρκετά µεγαλύτερης έντασης για άτοµα σωµατικού βάρους 70kg. Στα πλαίσια όµως της επίτευξης µεγαλύτερης ασφάλειας, στην παρούσα εργασία χρησιµοποιείται το πιο συντηρητικό όριο, ήτοι το όριο για άτοµα 50kg. Τα παραπάνω συµπεράσµατα αποδίδονται και γραφικά στο σχήµα 3.2.

33 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 23 Σχήµα 3.2. Ρεύµα που ρέει στο ανθρώπινο σώµα, συναρτήσει του χρόνου[1]. 3.2 Ισοδύναµα κυκλώµατα κατά τη διάρκεια σφάλµατος Το ανθρώπινο σώµα προσεγγίζεται µε µια αντίσταση, για συνεχή και εναλλασσόµενα ρεύµατα, συχνότητας 50Hz ή 60Hz. Στη µελέτη ασφάλειας από ρεύµατα σφάλµατος θεωρείται ότι το ρεύµα που διαρρέει το ανθρώπινο σώµα ακολουθεί τη διαδροµή από ένα χέρι προς τα δυο πόδια, δηλαδή την χειρότερη περίπτωση, διότι όλο το σώµα διαρρέεται από το ρεύµα, και µάλιστα οι σηµαντικότεροι µύες του ανθρώπινου σώµατος. Η εσωτερική αντίσταση του σώµατος είναι περίπου 300Ω, ενώ οι τιµές για την αντίσταση του σώµατος συµπεριλαµβανοµένου του δέρµατος κυµαίνονται από 500Ω έως 3000Ω. Η αντίσταση του ανθρώπινου σώµατος µειώνεται όταν το δέρµα τρυπηθεί στο σηµείο επαφής. Θεωρώντας µηδενικές τις αντιστάσεις επαφής του χεριού και του ποδιού καθώς επίσης και τις αντιστάσεις για γάντια και για παπούτσια, είθισται να λαβάνεται ως τιµή για την αντίσταση του ανθρώπινου σώµατος από χέρι σε πόδι ή από χέρι σε χέρι τα 1000Ω [1]: R =1000Ω (3.6) B Στα πλαίσια µελέτης της λιγότερο επικίνδυνης περίπτωσης για τον άνθρωπο, όπως είναι η περίπτωση ροής του ρεύµατος από πόδι σε πόδι, είναι δυνατή η θεώρηση µεγαλύτερης αντίστασης για το ανθρώπινο σώµα, όµως προτιµάται η διεξαγωγή της µελέτης από την ασφαλή πλευρά.

34 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 24 Στο σχήµα 3.3 απεικονίζεται η περίπτωση που το άτοµο εκτίθεται σε τάση επαφής. Η συνολική εγκατάσταση ισοδυναµεί µε µία σύνθετη αντίσταση Ζ και το ρεύµα σφάλµατος, Ι f, διαχωρίζεται στο ρεύµα που ρέει προς τη γη, I g, και το ρεύµα I b που διαρρέει τον άνθρωπο αντίστασης R B. Το άτοµο αγγίζει το σύστηµα στο σηµείο Η και ακουµπά στη γη στο σηµείο F. Σχήµα 3.3. Έκθεση σε τάση επαφής [1]. Το ισοδύναµο Thevenin κύκλωµα για την έκθεση σε τάση επαφής δίνεται στο παρακάτω σχήµα 3.4.β. Έχει υπολογιστεί η V Th από το σχήµα 3.4.α, όπου είναι ανοικτοκυκλωµένα τα σηµεία Η και F στα οποία συνδέεται ο άνθρωπος. Η ισοδύναµη αντίσταση Thevenin είναι η αντίσταση του συστήµατος, όπως αυτή φαίνεται από τα σηµεία Η και F. Το ρεύµα που διαρρέει το ανθρώπινο σώµα είναι [1]: I b V = Th (3.7) Z Th + R B Σχήµα 3.4. α: Οι αντιστάσεις σε κύκλωµα τάσης επαφής. β: Ισοδύναµο κύκλωµα τάσης επαφής [1]. Στο παρακάτω σχήµα 3.5, απεικονίζεται η περίπτωση που το άτοµο εκτίθεται σε βηµατική τάση. Η συνολική εγκατάσταση ισοδυναµεί µε µία σύνθετη αντίσταση Ζ και το ρεύµα σφάλµατος, Ι f, ισούται µε το ρεύµα που ρέει προς τη γη, I g. Το ρεύµα I b

35 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 25 που διαρρέει τον άνθρωπο ακολουθεί µέσα στο σώµα του τη διαδροµή από το ένα πόδι F 1 ως το άλλο πόδι F 2. Τα σηµεία F 1 και F 2 είναι τα σηµεία της επιφάνειας της γης που είναι σε επαφή µε τα πόδια του ανθρώπου. Σχήµα 3.5. Έκθεση σε βηµατική τάση [1]. Το ισοδύναµο κύκλωµα Thevenin δίνεται στο σχήµα 3.6. Όπως και προηγουµένως, η τάση V Th είναι η τάση στα άκρα που ακουµπά ο άνθρωπος, F 1 και F 2, όταν αυτά είναι ανοικτοκυκλωµένα. Το άτοµο αγγίζει το σύστηµα στο σηµείο Η και ακουµπά στη γη στο σηµείο F. Η ισοδύναµη αντίσταση Thevenin είναι η αντίσταση του συστήµατος, όπως αυτή φαίνεται από τα σηµεία F 1 και F 2. Το ρεύµα που διαρρέει το ανθρώπινο σώµα είναι [1]: I b V = Th (3.7) Z Th + R B Σχήµα 3.6. Ισοδύναµο κύκλωµα βηµατικής τάσης [1]. Για το κύκλωµα που αντιστοιχεί στην τάση επαφής [1] R f Z Th = (3.8) 2

36 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 26 Και για το κύκλωµα που αντιστοιχεί στη βηµατική τάση [1] Z = 2 (3.9) Th R f Όπου R f είναι η αντίσταση του ενός ποδιού, ως προς το έδαφος, αγνοώντας το σύστηµα γείωσης, σε Ω. Ως κυκλωµατικό ισοδύναµο για το πόδι του ανθρώπου, θεωρείται ένας αγώγιµος µεταλλικός δίσκος. Η αντίσταση επαφής των υποδηµάτων, όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, αγνοείται. Η αντίσταση ως προς το έδαφος ενός µεταλλικού δίσκου ακτίνας b [m] στην επιφάνεια οµοιογενούς εδάφους ειδικής αντίστασης ρ [Ωm)] δίνεται από τη σχέση [1]: R f = ρ 4 b (3.10) Συνηθίζεται να χρησιµοποιείται, για την αναπαράσταση του ποδιού, µεταλλικός δίσκος ακτίνας 0.08m, οπότε οι σχέσεις (3.8) και (3.9) γίνονται [1]: Z = 1. 5 ρ για το κύκλωµα τάσης επαφής (3.11) Th Z = 6. 0 ρ για το κύκλωµα βηµατικής τάσης (3.12) Th Από τα παραπάνω προκύπτουν τα επιτρεπτά όρια για τις τάσεις [1]: E = I ( R ρ ) όριο για την τάση επαφής (3.13) touch B B E = I ( R ρ ) όριο για τη βηµατική τάση (3.14) step B B 3.3 Επίδραση λεπτού στρώµατος υλικού επιφανείας Η παραπάνω θεώρηση έγινε υποθέτοντας ότι το έδαφος είναι οµοιογενές, µε συγκεκριµένη ειδική αντίσταση. Ωστόσο, στην επιφάνεια της γης που βρίσκεται πάνω από το θαµµένο πλέγµα γείωσης, είθισται να τοποθετείται ένα στρώµα πάχους 0.08m-0.15m υλικού µεγάλης ειδικής αντίστασης, όπως χαλίκι. Με αυτό τον τρόπο, αυξάνεται η αντίσταση ανάµεσα στο έδαφος και στα πόδια του ανθρώπου, που ακουµπούν σε αυτό. Το σχετικά µικρό βάθος του υλικού επιφανείας είναι συγκρίσιµο µε την ακτίνα του µεταλλικού δίσκου που µοντελοποιεί το ανθρώπινο

37 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 27 πόδι, οπότε η υπόθεση της οµοιόµορφης ειδικής αντίστασης εδάφους κατά τον κατκόρυφο άξονα δεν ισχύει πλέον. Κατά την οριζόντια διεύθυνση, για ένα άτοµο που βρίσκεται στην περιοχή του υποσταθµού, το υλικό επιφανείας θεωρείται ότι εκτείνεται ως το άπειρο. Εάν το έδαφος κάτω από το υλικό επιφανείας έχει µικρότερη ειδική αντίσταση από το υλικό επιφανείας, τότε κλάσµα του ρεύµατος που διαρρέει το πλέγµα γείωσης θα ανέβει στο στρώµα του υλικού, και η τάση στην επιφάνεια ελάχιστα θα διαφέρει από αυτή στην περίπτωση χωρίς το υλικό επιφανείας. Ωστόσο, το ρεύµα που θα εισέλθει στο ανθρώπινο σώµα θα µειωθεί αρκετά, διότι θα υπάρχει µεγαλύτερη αντίσταση επαφής των ποδιών του ανθρώπου µε τη γη. Η περίπτωση που το στρώµα επιφανείας είναι αρκετά µεγάλου πάχους ώστε να θεωρηθεί οµοιογενούς ειδικής αντίστασης προς κάθε διεύθυνση, δύναται να είναι αρκετά ευνοϊκότερη. Στην αντίθετη περίπτωση που το έδαφος έχει µεγαλύτερη ειδική αντίσταση από το υλικό επιφανείας, ένα σηµαντικό µέρος του ρεύµατος που διαρρέει το πλέγµα γείωσης θα ανέβει στο στρώµα του υλικού. Τα δυναµικά επιφανείας τώρα θα είναι διαφορετικά, εξαιτίας της συγκέντρωσης ρεύµατος κοντά στην επιφάνεια. Συνεπώς, η τοποθέτηση, ή µη, υλικού επιφανείας επηρεάζει το ρεύµα που διαρρέει το άτοµο ή τα δυναµικά επιφανείας, ανάλογα µε τη σχέση της ειδικής του αντίστασης και της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Βασική παράµετρος που καθορίζει το βαθµό που επηρεάζει το υλικό επιφανείας είναι το πάχος του στρώµατος αυτού του υλικού. Οι παρακάτω εξισώσεις δίνουν την αντίσταση προς γη του ποδιού, πάνω στο υλικό επιφανείας [1]: R f ρ = s C 4 b s (3.15) + n C s = 1 16 b k R m( n h ) ρ 2 s s (3.16) k ρ ρ = s (3.17) ρ + ρ s όπου C s k ο συντελεστής µείωσης του στρώµατος επιφανείας ο συντελεστής ανάκλασης ανάµεσα σε υλικά διαφορετικών ειδικών αγωγιµοτήτων

38 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 28 ρ s ρ h s b η ειδική αντίσταση του υλικού επιφανείας σε Ωm η ειδική αντίσταση της γης υπό το υλικό επιφανείας σε Ωm το πάχος του υλικού επιφανείας σε m η ακτίνα του κυκλικού µεταλλικού δίσκου που µοντελοποιεί το πόδι σε m R m(2nhs) είναι η αµοιβαία αντίσταση γείωσης ανάµεσα σε δυο παρόµοιες, παράλληλες, οµοαξονικές πλάκες, που απέχουν απόσταση 2nh s, µέσα σε ένα µέσο απείρων διαστάσεων, ειδικής αντίστασης ρ s, σε Ωm. Ο παρακάτω εµπειρικός τύπος δίνει την τιµή του Cs, µε απόκλιση 5% από την εξίσωση που προκύπτει από την αναλυτική επίλυση [1] ρ 1 ρ s C = s 2 h s (3.18) 3.4 Κριτήρια ανεκτής τάσης Τα σχήµατα 3.7 και 3.8 δείχνουν πέντε βασικές περιπτώσεις που αφορούν ένα άτοµο και γειωµένες εγκαταστάσεις κατά τη διάρκεια βραχυκυκλώµατος. Για επαφή πόδι µε πόδι, το ισοδύναµο κύκλωµα είναι αυτό του σχήµατος (3.6), και η τάση είναι ίση µε Ε s (βηµατική τάση). Για τα τρία παραδείγµατα επαφής χέρι µε πόδια που δίνονται στο σχήµα 3.7, η τάση U ισούται µε E t (τάση επαφής), E m (τάση mesh) ή E trrd (µεταφερόµενη τάση). Το κύκλωµα που αφορά την επαφή µέταλλο µε µέταλλο, είτε χέρι µε χέρι, είτε χέρι µε πόδια, δίνεται στο σχήµα 3.9 όπου η U είναι ίση µε τη µέταλλο µε µέταλλο τάση επαφής, E mm. Κατά τη διάρκεια ενός σφάλµατος, η γη άγει τα ρεύµατα που προέρχονται από το πλέγµα και άλλα µόνιµα ηλεκτρόδια γείωσης που είναι θαµµένα κάτω από την επιφάνεια της γης. Οι προκαλούµενες κλίσεις δυναµικού έχουν ουσιαστική επίδραση στην τιµή του U.

39 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 29 Σχήµα 3.7. Βασικές περιπτώσεις προσβολής ανθρώπου από ρεύµα [1]. Σχήµα 3.8. Τυπική περίπτωση εκτεταµένου µεταφερόµενου δυναµικού [1].

40 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 30 Σχήµα 3.9. Τυπικές περιπτώσεις επαφής µέταλλο µε µέταλλο σε υποσταθµό GIS [1]. Στην περίπτωση των συµβατικών υποσταθµών, η τυπική περίπτωση της µέταλλο µε µέταλλο τάση επαφής προκύπτει όταν µεταλλικά αντικείµενα ή κατασκευές µέσα στην περιοχή του υποσταθµού δεν είναι συνδεµένα µε το πλέγµα γείωσης. Αντικείµενα όπως σωλήνες, rails, φράκτες που εντοπίζονται µέσα ή κοντά στην περιοχή όπου είναι θαµµένο το πλέγµα γείωσης του υποσταθµού, και που δεν είναι συνδεµένα µε το πλέγµα γείωσης, ικανοποιούν την παραπάνω συνθήκη. Η µέταλλο µε µέταλλο τάση επαφής θα αποκτήσει τότε µεγάλη τιµή, επικίνδυνη για ένα άτοµο που στέκεται πάνω ή ακουµπά σε ένα γειωµένο αντικείµενο ή κατασκευή και που έρχεται σε επαφή µε µεταλλικό αντικείµενο ή κατασκευή που δεν είναι γειωµένο. Στην πράξη, για να αποφευχθεί ο κίνδυνος από τη µέταλλο µε µέταλλο τάση επαφής, συνδέονται τα δυνητικά επικίνδυνα σηµεία µε το πλέγµα του υποσταθµού. Η περίπτωση της µεταφερόµενης τάσης προκύπτει όταν ένα άτοµο που στέκεται µέσα στην περιοχή του υποσταθµού, ακουµπήσει έναν αγωγό γειωµένο σε απόµακρο σηµείο, ή όταν ένα άτοµο που στέκεται σε απόµακρο σηµείο ακουµπήσει αγωγό που συνδέεται µε το πλέγµα γείωσης του υποσταθµού. Κατά τη διάρκεια σφάλµατος, το προκαλούµενο δυναµικό στη γη µπορεί να είναι ίσο ή και µεγαλύτερο από το GPR ενός πλέγµατος γείωσης που αποφορτίζει το ρεύµα σφάλµατος. Ο κίνδυνος από τις εξωτερικές µεταφερόµενες τάσεις (επαγόµενες από κυκλώµατα επικοινωνιών, σωλήνες, κτλ) αποφεύγεται χρησιµοποιώντας συσκευές αποµόνωσης ή ουδετέρωσης και θεωρώντας τα εν λόγω κυκλώµατα, σωλήνες, κτλ, ισοδύναµα µε ενεργοποιηµένες γραµµές.

41 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ Κριτήρια για τη βηµατική τάση και την τάση επαφής Η ασφάλεια ενός ατόµου έγκειται στην αποφυγή απορρόφησης ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας µεγαλύτερης από ένα συγκεκριµένο όριο, όπως περιγράφηκε σε προηγούµενη παράγραφο. Για τη βηµατική τάση το όριο είναι [1]: E step ( R B + R f ) I B = 2 (3.19) Για σωµατικό βάρος 50kg [1]: E step50 Και για σωµατικό βάρος 70kg [1]: E step70 = = ( C ρ ) ( C ρ ) Όµοια, το όριο για την τάση επαφής είναι [1]: s s s s t t s s (3.20) (3.21) E touch R = B + R f 2 I B (3.22) Για σωµατικό βάρος 50kg [1]: E touch50 Και για σωµατικό βάρος 70kg [1]: Όπου E touch70 = = ( C ρ ) ( C ρ ) s s s s t t s s (3.23) (3.24) ρ 1 ρ s C = s 2 h s E step η βηµατική τάση σε V E touch η τάση επαφής σε V r s t s η ειδική αντίσταση του υλικού επιφανείας σε Ωm η διάρκεια που διαρρέει το ρεύµα το ανθρώπινο σώµα, σε sec

42 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 32 Εάν δεν χρησιµοποιείται υλικό επιφανείας, τότε C s =1 και ρ s =ρ. Αντικαθιστώντας στις παραπάνω σχέσεις ρ s =0 προκύπτουν τα όρια για τη µέταλλο µε µέταλλο τάση επαφής: Για σωµατικό βάρος 50kg [1]: E 116 mm touch50 = (3.25) t s Και για σωµατικό βάρος 70kg [1]: Ε mm touch70 =157 (3.26) t s Όπου E mm η µέταλλο µε µέταλλο τάση επαφής σε V. 3.6 Στόχος και αντικείµενο των πλεγµάτων γείωσης Ο σχεδιασµός και η κατασκευή πλέγµατος γείωσης για µια εγκατάσταση ή έναν υποσταθµό στοχεύει στην ασφαλή γείωση της εγκατάστασης. Η γείωση πρέπει να παρέχει το µέσο µεταφοράς ηλεκτρικών ρευµάτων στη γη υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες σφάλµατος, χωρίς να παραβιάζεται κανένα από τα όρια λειτουργίας και του εξοπλισµού, και χωρίς να επηρεάζεται η συνέχεια της παροχής. Πρέπει ακόµη να εξασφαλίζεται ότι ένα άτοµο που βρίσκεται κοντά στις γειωµένες εγκαταστάσεις δεν εκτίθεται στον κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Στη µελέτη της γείωσης δεν πρέπει να αµελείται η αλληλεπίδραση του συστήµατος γείωσης προς σχεδιασµό και της τυχαίας (accidental) γείωσης, που πρόσκαιρα εγκαθίσταται όταν ένα άτοµο εκτίθεται σε ένα δυναµικό κλίσης στο εσωτερικό µιας γειωµένης εγκατάστασης. Μια χαµηλή αντίσταση του υποσταθµού ως προς τη γη δεν παρέχει την απαιτούµενη ασφάλεια. εν υπάρχει απλή σχέση ανάµεσα στην αντίσταση του συστήµατος γείωσης ως σύνολο και του µέγιστου ρεύµατος στο οποίο ένα άτοµο δύναται να εκτεθεί. Συνεπώς, ένας υποσταθµός σχετικά χαµηλής αντίστασης µπορεί να είναι επικίνδυνος, ενώ ένας άλλος υποσταθµός µε υψηλή αντίσταση µπορεί να είναι ασφαλής, ή να καταστεί ασφαλής µε προσεκτικό σχεδιασµό. Κατά τη διάρκεια ενός σφάλµατος προς γη, η ροή του ρεύµατος προς γη θα παράγει κλίσεις δυναµικού

43 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 33 µέσα στον υποσταθµό και γύρω από αυτόν. Η ασφάλεια του προσωπικού καθορίζεται από τις τιµές της τάσης επαφής, της βηµατικής τάσης και του µεταφερόµενου δυναµικού. Επιπλέον, η γείωση µιας εγκατάστασης πρέπει να προστατεύει την ίδια την εγκατάσταση από καταπόνηση και την καταστροφή των συσκευών που αυτή περιλαµβάνει. Αυτό επιτυγχάνεται µε τον έλεγχο της ανύψωσης του δυναµικού γης (rise of earth potential, ισοδύναµα ground potential rise), ώστε να µην καταστραφούν οι µονώσεις της εγκατάστασης. Πάντως το σύστηµα γείωσης πρέπει να είναι τέτοιο ώστε αρκετό ρεύµα σφάλµατος να ρέει για να λειτουργήσουν οι συσκευές ασφάλειας της εγκατάστασης, για να αποµονωθεί το σφάλµα. Το σύστηµα γείωσης πρέπει να περιλαµβάνει ηλεκτρόδια γείωσης για να επιτρέπει το ρεύµα να ρέει προς τη γη, και επίσης ένα δίκτυο αγωγών για να επιτρέπει το ρεύµα σφάλµατος να ρέει µέσα σε ολόκληρο το πλέγµα γείωσης, δηλαδή να διαµοιράζεται. Ειδικότερα στην περίπτωση αιολικού πάρκου, πρέπει να ληφθεί υπόψιν στο σχεδιασµό του συστήµατος γείωσης η κεραυνική προστασία. Ο κίνδυνος από κεραυνό για µια τοποθεσία είναι συνάρτηση του ύψους της κατασκευής, της τοπογραφίας και την πιθανότητα εκδήλωσης κεραυνού στην ευρύτερη περιοχή, σύµφωνα µε ισοκεραυνικούς χάρτες. Λαµβάνοντας υπόψη το ύψος κάθε ανεµογγενήτριας και το γεγονός ότι τα αιολικά πάρκα κατασκευάζονται σε κορυφές βουνών χωρίς βλάστηση, είναι εµφανής η ανάγκη µελέτης της κεραυνικής προστασίας σε συνδυασµό µε το σύστηµα γείωσης του αιολικού πάρκου. 3.7 Γενικές αρχές στο σχεδιασµό συστήµατος γείωσης Ένα σύστηµα γείωσης σχεδιάζεται και εγκαθίσταται µε σκοπό τον περιορισµό των κλίσεων δυναµικού γης σε τέτοια επίπεδα τάσης και ρεύµατος ώστε, υπό συνθήκες σφάλµατος, να µην κινδυνεύουν άτοµα, ούτε όµως ο εξοπλισµός. Επίσης πρέπει να είναι δυνατή η συνέχιση της παροχής υπηρεσίας. Από την παραπάνω ανάλυση είναι φανερό ότι η µελέτη και ο σχεδιασµός ενός συστήµατος γείωσης λαµβάνει υπόψη τα ασφαλή όρια για τη βηµατική τάση και την τάση επαφής, σύµφωνα µε την τιµή του ρεύµατος σφάλµατος και το συνολικό χρόνο εκκαθάρισης του σφάλµατος.

44 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 34 Στη συντριπτική πλειοψηφία των συστηµάτων γείωσης που χρησιµοποιούνται, το σχήµα του πλέγµατος γείωσης δίνεται από ένα συνδυασµό οριζόντιων αγωγών µε κατακόρυφες ράβδους, που ξεκινούν από το πλέγµα και εκτείνονται προς µεγαλύτερο βάθος στη γη. Μερικοί από τους λόγους που χρησιµοποιούνται κατακόρυφοι ράβδοι σε συνδυασµό µε οριζόντιους αγωγούς δίνονται παρακάτω: a. Στους υποσταθµούς ένα ηλεκτρόδιο είναι, από µόνο του, ανεπαρκές για να παρέχει ένα ασφαλές σύστηµα γείωσης. Από την άλλη πλευρά, όταν αρκετά ηλεκτρόδια, όπως οι ράβδοι γείωσης, συνδεθούν µεταξύ τους και µε όλους τους ουδέτερους και τα µεταλλικά πλαίσια του εξοπλισµού και τις κατασκευές που πρέπει να γειωθούν, το αποτέλεσµα είναι µια διάταξη πλέγµατος από ηλεκτρόδια γείωσης, ανεξάρτητα από τον αρχικό σκοπό. Εάν επιπλέον το έδαφος όπου τοποθετείται το πλέγµα έχει χαµηλή ειδική αντίσταση, τότε αυτό το δίκτυο µπορεί να αποτελεί άριστο σύστηµα γείωσης. b. Εάν το µέγεθος του ρεύµατος που διαχέεται στη γη είναι µεγάλο, τότε πρέπει να εγκατασταθεί πλέγµα µε αντίσταση τόσο χαµηλή, ώστε το GPR να µην προκαλεί µεταβολές δυναµικού στην επιφάνεια της γης επικίνδυνες για τον άνθρωπο. Ένα σύστηµα που συνδυάζει ένα οριζόντιο πλέγµα και έναν αριθµό κατακόρυφων ράβδων έχει τα εξής πλεονεκτήµατα: Το οριζόντιο πλέγµα είναι αποτελεσµατικό στον περιορισµό των τάσεων επαφής και των βηµατικών τάσεων στην επιφάνεια της γης, εφόσον αυτό είναι σε µικρό βάθος, συνήθως m. Εντούτοις, µακρείς κατακόρυφοι ράβδοι σταθεροποιούν την απόδοση αυτού του συστήµατος. Σε πολλές εγκαταστάσεις, η σταθερότητα είναι σηµαντική, διότι η ειδική αντίσταση των ανώτερων στρωµάτων του εδάφους µεταβάλλεται ανάλογα µε τις καιρικές συνθήκες (υγρασία και βροχή, θερµοκρασία), ενώ η ειδική αντίσταση των κατώτερων στρωµάτων του εδάφους παραµένει σχεδόν σταθερή. Οι ράβδοι που διαπερνούν το έδαφος χαµηλής ειδικής αντίστασης είναι πολύ πιο αποτελεσµατικοί στη διάχυση του ρεύµατος σφάλµατος στην περίπτωση διστρωµατικού ή πολυστρωµατικού εδάφους, του οποίου το ανώτερο στρώµα έχει υψηλότερη ειδική αντίσταση από τα κατώτερα στρώµατα.

45 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 35 Εάν οι ράβδοι εγκατασταθούν κατά µήκος της περιµέτρου του πλέγµατος σε έδαφος µε οµοιόµορφη ειδική αντίσταση ή µειούµενη όσο αυξάνεται το βάθος, τότε θα µειωθούν σηµαντικά οι απότοµες κλίσεις του δυναµικού επιφανείας κοντά στην περιφέρεια του πλέγµατος. 3.8 Βασικές παράµετροι στον σχεδιασµό πλέγµατος Μια σχολαστική ανάλυση ενός συστήµατος γείωσης µε πλέγµα συνήθως ξεκινά µε την επιθεώρηση της εγκατάστασης του υποσταθµού, όπου διακρίνονται ο κυρίως εξοπλισµός και οι βασικές δοµές. Για τον σχεδιασµό ενός τυπικού πλέγµατος γείωσης λαµβάνονται τα εξής υπόψη: 1. Ένας συνεχής αγώγιµος βρόχος πρέπει να περιβάλλει την περίµετρο. Αυτό βοηθά την αποφυγή υψηλής συγκέντρωσης ρεύµατος και συνεπώς, τη δηµιουργία υψηλών κλίσεων δυναµικού στην περιοχή του πλέγµατος και στις άκρες των αγωγών που προεξέχουν. Όσο αυξάνεται η περίµετρος της περιοχής που περιβάλλει το πλέγµα, µειώνεται και η σύνθετη αντίσταση του πλέγµατος. Για τη µεταβατική σύνθετη αντίσταση του πλέγµατος, αυτό συµβαίνει µέχρι µια ορισµένη τιµή για την επιφάνεια, την κρίσιµη επιφάνεια (effective area). 2. Μέσα στο βρόχο, οι αγωγοί συνήθως τοποθετούνται σε παράλληλη συστοιχία και, όπου αυτό είναι δυνατό, κατά µήκος των δοµών ή του εξοπλισµού προς γείωση, για να εξασφαλίζεται το µικρό µήκος των συνδέσεων µε τη γείωση. 3. Ένα τυπικό πλέγµα γείωσης υποσταθµού µπορεί να περιλαµβάνει 4/0 γυµνούς αγωγούς χαλκού θαµµένους σε βάθος m σε απόσταση 3-7m µεταξύ τους, σε ορθογωνικό πλέγµα. Στις συνδέσεις των αγωγών, αυτοί πρέπει να είναι καλά συνδεµένοι. Οι ράβδοι µπορεί να είναι στις ακµές του πλέγµατος και στα σηµεία σύνδεσης των αγωγών, κατά µήκος της περιµέτρου του πλέγµατος. Επίσης ράβδοι µπορεί να εγκατασταθούν στον κύριο εξοπλισµό του υποσταθµού, ιδίως κοντά σε αλεξικέραυνα. Σε πολυστρωµατικά εδάφη και σε εδάφη υψηλής ειδικής αντίστασης, µπορεί να είναι χρήσιµο να τοποθετηθούν µακρύτεροι ράβδοι ή ράβδοι σε περισσότερα σηµεία σύνδεσης.

46 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ Αυτό το πλέγµα γείωσης εκτείνεται σε όλη την περιοχή του υποσταθµού και συχνά πέρα από τη γραµµή του φράκτη. Πολλαπλοί αγωγοί καθόδου ή µεγαλύτερης διατοµής αγωγοί χρησιµοποιούνται όπου προκύπτει µεγάλη συγκέντρωση ρεύµατος, όπως στην περίπτωση ουδετέρου-προς-γη σύνδεση των γεννητριών, της συστοιχίας πυκνωτών, ή των µετασχηµατιστών. 5. Ο λόγος των διαστάσεων του ορθογωνικού πλέγµατος κυµαίνεται συνήθως από 1:1 ως 1:3, εκτός αν από την ανάλυση προκύπτουν διαφορετικές τιµές. Η πυκνότητα του πλέγµατος έχει σχετικά µικρή επίδραση στη µείωση της αντίστασης του πλέγµατος. Ο πρωταρχικός ρόλος των κάθετων και οριζοντίων αγωγών είναι ο έλεγχος των δυναµικών επιφανείας. Επίσης εξασφαλίζουν πολλαπλές διαδροµές για το ρεύµα σφάλµατος που θα διαχέεται στο πλέγµα, και έτσι ελαχιστοποιείται η πτώση τάσης µέσα στο ίδιο το πλέγµα. 3.9 Σχεδιασµός σε δύσκολες συνθήκες Σε περιοχές όπου η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι πολύ µεγάλη ή η περιοχή του υποσταθµού, και συνεπώς η διαθέσιµη περιοχή για το πλέγµα γείωσης είναι πολύ περιορισµένη, µπορεί να µην είναι εφικτή η κατασκευή συστήµατος γείωσης µε χαµηλή αντίσταση, µε τη µέθοδο που περιγράφηκε προηγουµένως. Ο έλεγχος των δυναµικών επιφανείας σε αυτή την περίπτωση είναι ιδιαίτερα δύσκολος. Μερικές από τις λύσεις που εφαρµόζονται είναι οι εξής: 1. Σύνδεση σε αποµακρυσµένο πλέγµα γείωσης και γειτονικά συστήµατα γείωσης, ένα συνδυασµένο σύστηµα που χρησιµοποιεί τις ξεχωριστές εγκαταστάσεις σε κτίρια, υπόγειες κατασκευές, κτλ. Η χρήση αποµακρυσµένων ηλεκτροδίων γείωσης απαιτεί προσεκτική µελέτη των µεταφερόµενων δυναµικών, των περιοχών µε αλεξικέραυνα, και άλλων κρίσιµων σηµείων. Μια σηµαντική πτώση τάσης µπορεί να αναπτυχθεί µεταξύ των των τοπικών και των αποµακρυσµένων εγκαταστάσεων γείωσης, ειδικά για κρουστικές τάσεις υψηλής συχνότητας (κεραυνός). 2. Χρήση ράβδων σε µεγάλο βάθος και άνοιγµα πηγαδιών γείωσης.

47 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ ιάφορα πρόσθετα βελτιωτικά εδάφους, σε συνδυασµό µε το πλέγµα και τις κατακόρυφες ράβδους. 4. Χρήση στρωµάτων από αγωγούς. Προτείνεται ο συνδυασµός προσθήκης υλικού επιφανείας και η κατασκευή στρώµατος από σύρµατα, σε συνδυασµό πάντα µε το πλέγµα γείωσης, για να εξισορροπηθούν οι κλίσεις δυναµικού κοντά στην επιφάνεια. Ένα τυπικό στρώµα από σύρµαταµπορεί να αποτελείται από ατσάλινα σύρµατα copper-clad Νο.6 AWG, σε διάταξη ορθογωνικού πλέγµατος 0.6mx0.6m, εγκατεστηµένο στην επιφάνεια της γης και κάτω από το υλικό επιφανείας, και συνδεµένο µε το κύριο πλέγµα γείωσης σε αρκετά σηµεία. 5. Χρήση άλλων διαθέσιµων µέσων για την ελάττωση της συνολικής αντίστασης του συστήµατος γείωσης, όπως η σύνδεση στατικών αγωγών και ουδετέρων στη γείωση. Ακόµη συνηθίζεται η χρήση µεταλλικών αντικειµένων στην περιοχή του υποσταθµού που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως εφεδρικά ηλεκτρόδια γείωσης, ή ως σύνδεσµοι µε άλλα συστήµατα γείωσης. 6. Όπου αυτό είναι δυνατό, η τοποθέτηση υλικού χαµηλής ειδικής αντίστασης αρκετά µεγάλου όγκου, σε κοντινή απόσταση, ώστε αυτό το υλικό να χρησιµοποιηθεί ως επιπλέον (δορυφορικό) πλέγµα. Αυτό το δορυφορικό πλέγµα, όταν συνδέεται επαρκώς µε το κύριο πλέγµα, θα ελαττώσει τη συνολική αντίσταση και συνεπώς το GPR του πλέγµατος γείωσης. Αυτό το υλικό µπορεί να είναι λάσπη, ή ακόµη τµήµα µιας µεγάλης κατασκευής, όπως ποσότητα τσιµέντου που ανήκει σε υδροηλεκτρικό φράγµα Συνδέσεις µε το πλέγµα Αγωγοί κατάλληλης µέγιστης αµπεροχωρητικότητας και µηχανικής αντοχής πρέπει να χρησιµοποιούνται για τις συνδέσεις µεταξύ: 1. Όλων των ηλεκτροδίων γείωσης, όπως οι ράβδοι, rodbeds, πηγάδια γείωσης, και, όπου αυτό εφαρµόζεται, µέταλλο, νερό, σωλήνες αερίου, κτλ. 2. Όλων των υπέργειων αγώγιµων µεταλλικών τµηµάτων που µπορούν σε περίπτωση ατυχήµατος να ενεργοποιηθούν, όπως µεταλλικές κατασκευές, πλαίσια µηχανών, µεταλλικά στέγαστρα, κτλ. Επίσης, τα αγώγιµα µεταλλικά τµήµατα που µπορεί να

48 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 38 είναι σε διαφορετικό δυναµικό σε σχέση µε άλλα µεταλλικά τµήµατα που έχουν ενεργοποιηθεί πρέπει να συνδέονται µεταξύ τους, συνήθως διαµέσου του πλέγµατος γείωσης. 3. Όλων των πηγών ρεύµατος σφάλµατος όπως αλεξικέραυνα, συστοιχίες πυκνωτών ή πυκνωτές ζεύξης, µετασχηµατιστές, και, όπου χρειάζεται, µεταξύ των ουδετέρων των µηχανών και των κυκλωµάτων φωτισµού και ισχύος. Το συνηθέστερα χρησιµοποιούµενο υλικό για αυτές τις συνδέσεις είναι καλώδια χαλκού ή ταινίες χαλκού Σύστηµα αντικεραυνικής προστασίας Σκοπός της αντικεραυνικής προστασίας είναι να εκτρέψει προς αυτήν µια εκφόρτιση κεραυνού η οποία αλλιώς θα χτυπήσει ένα τρωτό σηµείο του αιολικού πάρκου. Το σύστηµα αντικεραυνικής προστασίας πρέπει να εξασφαλίζει την ασφαλή αγωγή του κεραυνικού ρεύµατος από το σηµείο που κτυπά ο κεραυνός προς τη γη. Συγχρόνως πρέπει να ελαχιστοποιεί τις επαγόµενες τάσεις και τις κλίσεις δυναµικού µέσα στην κατασκευή και να αποφορτίζει το κεραυνικό ρεύµα προς τη γείωση χωρίς την παραγωγή επικίνδυνων κλίσεων δυναµικού στην επιφάνεια της γης. Απαιτείται από τα πρότυπο IEC [13] για την αντεραυνική προστασία, το εν λόγω σύστηµα να συνδέεται µε το σύστηµα γείωσης του αιολικού πάρκου. Αυτό στοχεύει στη µείωση του κινδύνου των µεγάλων διαφορών δυναµικού ανάµεσα στις ανεµογεννήτριες, ο οποίος µπορεί να προκαλέσει µεγάλα µεταφερόµενα δυναµικά. Το φάσµα του κεραυνικού ρεύµατος περιέχει συνιστώσες υψηλής συχνότητας, από τα 10kHz έως και µεγαλύτερη των 1ΜHz, οι οποίες αντιδρούν µε την επαγωγική αντίδραση του συστήµατος γείωσης. Αυτή η αντίδραση µπορεί να αυξήσει τη συνολική επαγωγική αντίδραση της γείωσης σε τιµή αρκετά µεγαλύτερη από την τιµή της αντίδρασης στα 50Ηz. Η επαγωγή των οριζοντίων ηλεκτροδίων γείωσης που συνδέουν κάθε ανεµογεννήτρια του πάρκου είναι µεγαλύτερη κατά τα πρώτα µsec της κυµατοµορφής του κεραυνικού ρεύµατος. Ως συνέπεια οι µεταφερόµενες υπερτάσεις προς τις γειτονικές ανεµογεννήτριες µειώνονται. Η ανύψωση του

49 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 39 δυναµικού είναι τοπική, στην ανεµογεννήτρια που κτυπά ο κεραυνός. Είναι λοιπόν επιθυµητή η σύνδεση κάθε ανεµογεννήτριας µε τη γειτονική της. Κάθε κεραυνός είναι διαφορετικός, επειδή οι κεραυνοί παράγονται από σύννεφα διαφορετικά. Η κατανοµή της πιθανότητας για κάθε ηλεκτρική παράµετρο χρησιµοποιείται για την περιγραφή ενός κεραυνικού πλήγµατος σε µια συγκεκριµένη δοµή, και τον υπολογισµό του ποσοστού των κεραυνικών πληγµάτων των οπίων η ένταση ξεπερνά µια δεδοµένη τιµή, σε Amperes. Οι περισσότεροι κεραυνοί ανά τον κόσµο είναι αρνητικά κρουστικά ρεύµατα σχετικά µικρής έντασης, και η εκφόρτιση γίνεται από το σύννεφο προς τη γη. Σπανιότεροι είναι οι κεραυνοί που προκύπτουν από το θετικό τµήµα του σύννεφου. Ανεξάρτητα πάντως της πολικότητας, η ροή του ρεύµατος είναι µονοδροµική, και έχει χρόνο ανύψωσης µερικά µsec, και µερικές δεκάδες µsec χρόνο ουράς Εκτίµηση της επικινδυνότητας των κεραυνών Η πιθανότητα να κτυπήσει κεραυνός µια δοµή, πχ µιαν ανεµογεννήτρια, είναι συνάρτηση του ύψους της συγκεκριµένης δοµής, της τοπογραφίας της περιοχής και της κεραυνικής δραστηριότητας της περιοχής. Οι επιδράσεις των κεραυνικών πληγµάτων σε µια τοποθεσία µπορούν να προκαλέσουν καθένα από τα εξής, ή και συνδυασµό τους: Θάνατο ή τραυµατισµό του προσωπικού Βλάβη του εξοπλισµού ή διακοπή λειτουργίας Βλάβη σε κτίρια ή κατασκευές Απώλεια ή φθορά αποθηκευµένων δεδοµένων Το σύστηµα κεραυνικής προστασίας σχεδιάζεται έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις, ή ο κίνδυνος, σε ένα ανεκτό όριο. εν είναι δυνατή η εγγυηµένη πλήρης προστασία από τους παραπάνω κινδύνους, ωστόσο αυτοί µπορούν να µειωθούν σηµαντικά εάν δοθεί προσοχή στη γείωση, στις συσκευές ασφάλειας και στο σχεδιασµό ολόκληρου του αιολικού πάρκου.

50 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 40 Όταν ένας κεραυνός κτυπήσει έναν πύργο το κεραυνικό ρεύµα ρέει από τον πύργο προς το έδαφος, προκαλώντας τοπικά ανύψωση του δυναµικού της γης, και εποµένως ανύψωση του δυναµικού γης στον αστέρα του µετασχηµατιστή της ανεµογεννήτριας. Τα καλώδια ισχύος που συνδέουν τη γεννήτρια µεταφέρουν αυτή την τάση στα ελίγµατα της γεννήτριας. Εξαιτίας της πτώσης τάσης κατά µήκος του πύργου της ανεµογεννήτριας, υπάρχει διαφορά δυναµικού ανάµεσα στο περίβληµα της γεννήτριας και τα τυλίγµατά της. Αυτή η διαφορά δυναµικού µπορεί να υπερβεί την κανονική τάση λειτουργίας και να προκαλέσει κατάρρευση της µόνωσης της γεννήτριας. Ένα κεραυνικό πλήγµα περνώντας προς τη γη διαµέσου της γείωσης θα προκαλέσει κατάρρευση του εδάφους γύρω από τα ηλεκτρόδια γείωσης. Εάν µια θαµµένη κατασκευή είναι µέσα στην περιοχή κατάρρευσης, τότε θα προκληθεί ζηµιά στο περίβληµα ή στο µεταλλικό µέρος της κατασκευής, και είναι πιθανή η πρόκληση πυρκαγιάς Συχνότητα κεραυνικού πλήγµατος σε µια ανεµογεννήτρια Η πιθανότητα να κτυπήσει κεραυνός µια ανεµογεννήτρια κατά τη διάρκεια ενός χρόνου, είναι το γινόµενο της πυκνότητας κεραυνικών εκκενώσεων και του ενεργού εµβαδού συλλογής της κατασκευής. Η πυκνότητα κεραυνού, Νg, είναι ο αριθµός των κεραυνών προς γη ανά τετραγωνικό χιλιόµετρο κατά τη διάρκεια ενός χρόνου. Το αντίστοιχο εµβαδό συλλογής της κατασκευής ορίζεται ώς το εµβαδό της γης που έχει την ίδια ετήσια συχνότητα άµεσων κεραυνών, όπως η κατασκευή. Στην περίπτωση που αυτά τα δεδοµένα δεν είναι διαθέσιµα, το IEC δίνει οδηγίες για την εκτίµηση της συχνότητας κεραυνικού πλήγµατος [13] N 0.04 T 1.15 = = ανά km 2 ανά έτος (3.27) g = d Όπου T d είναι ο αριθµός των ηµερών µε καταιγίδα ετησίως, όπως δίνεται από ισοκεραυνικούς χάρτες. Τα παρακάτω σχήµατα δίνουν τις ηµέρες µε καταιγίδα ετησίως στον κόσµο και στην Ελλάδα.

51 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ 41 Σχήµα Παγκόσµιος χάρτης µέσου ετήσιου όρου ηµερών καταιγίδων [14, 15]. Σχήµα Χάρτης της Ελλάδος µέσου ετήσιου όρου ηµερών καταιγίδων [14, 15]. H µέση ετήσια συχνότητα των άµεσων κεραυνικών πληγµάτων σε µια ανεµογεννήτρια δίνεται από τη σχέση [13]:

52 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ N d = N g 9 π h 10 = π = ετησίως (3.28) Όπου N g είναι η µέση τοπική πυκνότητα κεραυνικών εκκενώσεων προς γη και h είναι το ενεργό ύψος της ανεµογεννήτριας, και ισούται µε το άθροισµα του ύψους όπου βρίσκεται η καµπίνα ελέγχου και της ακτίνας του ρότορα. Σύµφωνα µε το την οδηγία IEC , απαιτείται σύστηµα κεραυνικής προστασίας επιπέδου 1. Το απαιτούµενο ρεύµα κορυφής για ένα σύστηµα κεραυνικής προστασίας επιπέδου-1 είναι 200kA [13]. Η αποδοτικότητα του συστήµατος κεραυνικής προστασίας (lightning protection system efficiency, LPS efficiency) πρέπει να είναι τέτοια ώστε να συµβαίνουν το πολύ 1 στα 1000 κρίσιµα περιστατικά κάθε χρόνο. Το LPS δίνεται από τον τύπο [13]: E > 3 { 1 10 } 100% E > 99.95%. (3.29)

53 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 43 Κεφάλαιο 4 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS Το πακέτο λογισµικού CDEGS (Current Distribution Electromagnetic Interference Grounding and Soil Structure Analysis, Version ) της εταιρείας SES χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση συστήµατος γείωσης. Η διαδικασία που ακολουθείται διακρίνεται σε τρία µέρη, την καταχώρηση δεδοµένων, όπου γίνεται ο ορισµός των παραµέτρων του εδάφους και του συστήµατος γείωσης, την προσοµοίωση της λειτουργίας του συστήµατος υπό τις συνθήκες που ορίσαµε στο πρώτο µέρος και την παρουσίαση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης, αριθµητικά και µε τη µορφή γραφηµάτων. 4.1 Εισαγωγή Εκτελούµε το πρόγραµµα CDEGS.exe. Μας ζητείται να επιλέξουµε ένα JobID. Η φράση αυτή εισάγεται στο όνοµα των αρχείων εισόδου και εξόδου ώστε να αναγνωρίζονται εύκολα από το χρήστη. Αφού επιλεγεί, η οθόνη του προγράµµατος είναι η ακόλουθη: Σχήµα 4.1. Η αρχική οθόνη του προγράµµατος CDEGS.

54 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS Καταχώρηση εδοµένων Στο πλαίσιο µε την επιγραφή Data Entry επιλέγουµε το Toolbox: Σχήµα 4.2. Οι διάφορες εφαρµογές του προγράµµατος CDEGS. Εδώ, οι εφαρµογές που µας ενδιαφέρουν είναι η RESAP και η MALZ RESAP Σχήµα 4.3. Η αρχική εικόνα στο RESAP.

55 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 45 Επιλέγοντας τη RESAP εισάγουµε µετρήσεις για την ειδική αντίσταση εδάφους οι οποίες έχουν γίνει είτε µε τη µέθοδο Wenner (βλ. Κεφάλαιο2) είτε µε τη µέθοδο Schlumberger. Σχήµα 4.4. Εισαγωγή δεδοµένων στο RESAP. Αφού εισάγουµε τις µετρήσεις, µε την επιλογή Soil Type προσδιορίζουµε το µοντέλο που πιστεύουµε ότι προσεγγίζει το εν λόγω έδαφος, πχ οριζόντια πολυστρωµατικό: Σχήµα 4.5. Εισαγωγή της δοµής του εδάφους στο RESAP.

56 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 46 Η εφαρµογή RESAP στη συνέχεια υπολογίζει αυτόµατα (ή καθ ορισµό του χρήστη) πόσα στρώµατα περιλαµβάνει το µοντέλο και την ειδική αντίσταση καθενός. Με την επιλογή Optimization επιλέγουµε τη µέθοδο ελαχιστοποίησης για τον υπολογισµό των παραµέτρων του µοντέλου εδάφους και ρυθµίζουµε την ακρίβεια των υπολογισµών (η µέθοδος Marquardt περιορίζεται στον προσδιορισµό των παραµέτρων πολυστρωµατικού µοντέλου οριζόντιων στρωµάτων): Σχήµα 4.6. Εισαγωγή της µεθοδολογίας επίλυσης στο RESAP. Σχήµα 4.7. Οθόνη υπολογισµών στο RESAP. Με την επιλογή Computations µπορούµε να επιλέξουµε ορισµένες µετρήσεις τις οποίες επιθυµούµε να ακολουθήσει το µοντέλο εδάφους (επιλογή Lock), όπως επίσης να επιλέξουµε το κατάλληλο φίλτρο για τους υπολογισµούς. Συνήθως

57 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 47 επιλέγεται το Standard Filter, ενώ το High Precision Filter επιλέγεται µόνο σε περιπτώσεις όπου η ειδική αντίσταση εδάφους παρουσιάζει πολύ µεγάλες διαφορές. Επιστρέφουµε στο αρχικό παράθυρο του RESAP και επιλέγουµε OK / Submit MALZ Σχήµα 4.8. Αρχική οθόνη MALZ. Επιλέγοντας αυτή την εφαρµογή έχουµε τη δυνατότητα σχεδιασµού του συστήµατος γείωσης. Αρχικά, επιλέγουµε το σύστηµα µονάδων που θα χρησιµοποιήσουµε, δηλαδή το µετρικό ή το βρετανικό σύστηµα µονάδων. Με την επιλογή Soil Type ορίζουµε το µοντέλο εδάφους που χρησιµοποιούµε προσδιορίζοντας τις τιµές για την ειδική αντίσταση και το πάχος κάθε στρώµατος ή εισάγοντας αυτόµατα τις πληροφορίες αυτές µε την επιλογή Import Soil Data από την εφαρµογή RESAP:

58 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 48 Σχήµα 4.9. Επιλογή της δοµής του εδάφους. Στη συνέχεια σχεδιάζουµε το σύστηµα γείωσης επιλέγοντας System. Σχήµα Η οθόνη της εισαγωγής του συστήµατος γείωσης στο MALZ. Εδώ προσδιορίζουµε τις διαστάσεις των αγωγών ή του πλέγµατος, τη διάταξή τους, το υλικό τους, καθώς και το ρεύµα ενεργοποίησης (ρεύµα σφάλµατος που διαρρέει το σύστηµα γείωσης):

59 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 49 Σχήµα Η οθόνη της εισαγωγής της ενεργοποίησης του συστήµατος γείωσης στο MALZ. Η διαδικασία αυτή µπορεί να γίνει µε χειροκίνητη εισαγωγή των στοιχείων στον πίνακα που εικονίζεται παραπάνω είτε µε γραφικό τρόπο µε την επιλογή SesCAD: Σχήµα Γραφικός τρόπος εισαγωγής του συστήµατος γείωσης µε την επιλογή SesCAD. Στο παράδειγµα που παρουσιάζεται στα Σχήµατα και το σύστηµα γείωσης αποτελείται από ένα τετραγωνικό πλέγµα διαστάσεων 100m 100m και τέσσερις

60 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 50 ράβδους στις γωνίες του πλέγµατος, µήκους 10m. Στο γραφικό περιβάλλον SesCAD ο σχεδιασµός του πλέγµατος και των αγωγών γίνεται επιλέγοντας Edit Create Object και στη συνέχεια Grid ή Simple Conductor αντίστοιχα και ο σχεδιασµός των ράβδων επιλέγοντας Tools Create Rods. Επιλέγοντας Detailed Grid προσδιορίζουµε την ακριβή θέση του πλέγµατος ενώ µε την επιλογή Simple Grid ορίζουµε τις διαστάσεις του πλέγµατος, το οποίο τοποθετείται αυτόµατα συµµετρικά του άξονα yy. Το υλικό των αγωγών ορίζεται στο πεδίο Characteristics, όπου έχουµε τη δυνατότητα επιλογής του τύπου σύνδεσης των αγωγών (Lead Type), του τύπου αγωγού (Conductor Type), τον τύπο του επικαλυπτικού στρώµατος του αγωγού (Coating Type) και της ακτίνας διατοµής του αγωγού (Radius), η οποία µπορεί να επιλεγεί από µια λίστα τυποποιηµένων αγωγών (επιλογή κουµπιού ). Σχήµα Ορισµός των υλικών των αγωγών του συστήµατος γείωσης. Το πεδίο Energization σχετίζεται µε τον ορισµό του ρεύµατος ενεργοποίησης που γίνεται στο System, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.11 και το Subdivision µε την διαίρεση του αγωγού σε όσα κοµµάτια προσδιορίσουµε µε την επιλογή explicit, στο πεδίο Subdivision #. Η διαίρεση του αγωγού γίνεται επίσης αυτόµατα στις συνδέσεις του µε τους υπόλοιπους αγωγούς µε την επιλογή Presubdivide (Nsub) στο System (Σχήµα 4.10). Η διαίρεση του αγωγού αποσκοπεί στον ακριβή υπολογισµό της κατανοµής του ρεύµατος διαρροής προς γη στο πλέγµα γείωσης σε περίπτωση µη οµογενούς εδάφους [16, 17].

61 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 51 Στην περίπτωση όπου εξετάζουµε την απόκριση του συστήµατος γείωσης σε υψηλές συχνότητες πρέπει να λαµβάνουµε υπόψη τον εξής περιορισµό για την κατάτµηση του αγωγού [17]: 1 ρ segm 3160 segm f wavelength ρ f (4.1) όπου segm ρ f το µήκος των κοµµατιών στα οποία χωρίζεται ο αγωγός, σε m η ειδική αντίσταση σε Ωm η συχνότητα σε Ηz Επιπλέον, γενικά, θα πρέπει το µήκος του κοµµατιού, segm, να είναι τουλάχιστον πέντε φορές µεγαλύτερο της ακτίνας του αγωγού πλέγµατος. Για την πραγµατοποίηση της προσοµοίωσης απαραίτητη είναι η δηµιουργία ενός Profile (κόκκινο πλέγµα στην Σχήµα 4.12). Αυτό ορίζεται είτε στο SesCAD επιλέγοντας Edit Create Object Profiles είτε επιλέγοντας Computations στο αρχικό παράθυρο της εφαρµογής MALZ: Σχήµα Η οθόνη εισαγωγής των δεδοµένων για τους υπολογισµούς στο MALZ.

62 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 52 Το Profile ορίζει «σηµεία παρατήρησης» για τον υπολογισµό της τάσης επαφής και της βηµατικής και είναι απαραίτητο να επεκτείνεται κατά περίπου 3 µέτρα εκτός του υποσταθµού που µελετάµε [16, 17]. Στα πεδία dx, dy, dz καθορίζεται η απόσταση µεταξύ των Profiles στους τρεις άξονες. Με την επιλογή Computations µπορούµε, όπως φαίνεται στην Σχήµα 4.14 να εξετάσουµε τη συµπεριφορά του συστήµατος γείωσης σε διάφορες συχνότητες, επιλέγοντας Multiple στο πεδίο Frequency και ορίζοντας τις συχνότητες που µας ενδιαφέρουν στο πεδίο Define Frequencies. Η επιλογή αυτή χρησιµοποιείται στην ανάλυση σφαλµάτων µε ευρύ φάσµα συχνοτήτων, όπως είναι οι κεραυνοί. Επιστρέφουµε στο αρχικό παράθυρο του MALZ και επιλέγουµε OK / Submit. 4.3 Προσοµοίωση Αφού επιλέξουµε Submit All στο Toolbox, πατάµε στο κουµπί RESAP ή MALZ στο παράθυρο Engineering. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται η προσοµοίωση του συστήµατος γείωσης που σχεδιάσαµε, στις συνθήκες που ορίσαµε και υπολογίζονται η ειδική αντίσταση και το µοντέλο εδάφους (RESAP) και η εµπέδηση γείωσης, το GPR, η βηµατική και η τάση επαφής κοκ (MALZ). 4.4 Παρουσίαση αποτελεσµάτων Στο πλαίσιο µε την επιγραφή Plot / Report / Print επιλέγουµε το Toolbox:

63 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 53 Σχήµα Η οθόνη. Εδώ µας ενδιαφέρουν οι εφαρµογές RESAP και MALZ RESAP Επιλέγοντας την εφαρµογή RESAP εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών: Σχήµα Η οθόνη της εφαρµογής RESAP. Ορίζουµε τον τίτλο του γραφήµατος ώστε να ξεχωρίζουµε τις διάφορες περιπτώσεις µετρήσεων και πατώντας στο κουµπί Draw σχεδιάζεται µε τη βοήθεια του εργαλείου

64 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 54 GraRep το γράφηµα της φαινόµενης ειδικής αντίστασης εδάφους. Σηµειώνουµε ότι στον οριζόντιο άξονα του γραφήµατος, µεταβλητή είναι η απόσταση µεταξύ των ηλεκτροδίων µέτρησης. Όπως επισηµαίνουµε όµως στο Κεφάλαιο 2 η ειδική αντίσταση σε βάθος α δίνεται από τη σχέση 2.1 ή 2.2 του Κεφαλαίου2 για απόσταση µεταξύ ηλεκτροδίων ίση µε α. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι η µεταβλητή στον οριζόντιο άξονα αναφέρεται είτε στην απόσταση µεταξύ ηλεκτροδίων είτε στο βάθος. Σηµειώνουµε ότι η ειδική αντίσταση που δίνεται από τη σχέση 2.1 λέγεται «φαινόµενη» στην περίπτωση µη οµοιογενούς εδάφους [16, 18]. Σχήµα Γραφική παρουσίαση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Πατώντας στο κουµπί Report στο παράθυρο RESAP (Σχήµα 4.16) παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης σε µορφή κειµένου:

65 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 55 Σχήµα Παρουσίαση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης της ειδικής αντίστασης του εδάφους σε µορφή κειµένου MALZ Επιλέγοντας την εφαρµογή MALZ εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών:

66 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 56 Σχήµα Επιλογή τρόπου παρουσίαση των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης. Εισάγουµε τον τίτλο του διαγράµµατος στο πεδίο Plot Title. Με την επιλογή Report εµφανίζονται σε µορφή κειµένου τα δεδοµένα που εισάγουµε στο πρώτο µέρος, σε σχέση µε τις διαστάσεις του πλέγµατος και τα χαρακτηριστικά του εδάφους, καθώς επίσης η τιµή της σύνθετης αντίστασης γείωσης για µία ή περισσότερες συχνότητες (πεδίο Frequency Select). Επίσης µε την επιλογή Select a Range of Conductors εξετάζουµε ένα µέρος µόνο του πλέγµατος όπως και µε την επιλογή Zoom, ενώ µε την επιλογή Energization Scaling Factor έχουµε τη δυνατότητα αλλαγής του ρεύµατος ενεργοποίησης χωρίς να είναι απαραίτητη η εκ νέου προσοµοίωση. Πατώντας στο κουµπί Draw εµφανίζεται το διάγραµµα του δυναµικού, του ρεύµατος διαρροής ή διαφόρων χαρακτηριστικών των αγωγών γείωσης (επιλέγουµε το µέγεθος που µας ενδιαφέρει στο πεδίο Data Type). Επιλέγοντας Computations έχουµε το παρακάτω σχήµα:

67 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 57 Σχήµα Επιλογή τρόπου παρουσίαση των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης. Εδώ υπάρχει η δυνατότητα υπολογισµού του δυναµικού σε οποιοδήποτε σηµείο του profile, της τάσης επαφής και της βηµατικής, οι οποίες υπολογίζονται ως η διαφορά του GPR από το δυναµικό στην επιφάνεια του εδάφους και η διαφορά δυναµικού ανάµεσα σε δυο σηµεία της επιφάνειας αντίστοιχα. Τα µεγέθη αυτά απεικονίζονται συναρτήσει των διαστάσεων του profile σε φυσικές µονάδες ή ποσοστό (%) σε διδιάστατο ή τρισδιάστατο διάγραµµα. Οι γραφικές παραστάσεις σχεδιάζονται µε την επιλογή Draw. Με την επιλογή Advanced έχουµε στη διάθεσή µας ένα ολοκληρωµένο report της προσοµοίωσης, όπου καταγράφονται αναλυτικά οι υπολογιζόµενες τιµές της τάσης σε κάθε σηµείο του profile. Με την επιλογή Setup επιλέγουµε τον τρόπο απεικόνισης των διαγραµµάτων, πχ διδιάστατο, τρισδιάστατο, µε ισοϋψείς:

68 ΠΑΚΕΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ SES CDEGS 58 Σχήµα Επιλογή τρόπου απεικόνισης των διαγραµµάτων. Τέλος, η επιλογή Safety, µας δίνει τη δυνατότητα του υπολογισµού της αντίστασης ποδιού καθώς και των επιτρεπόµενων τάσεων βηµατικής και επαφής (επιλογή Report) σύµφωνα µε τους διεθνείς κανονισµούς (IEEE, IEC): Σχήµα Επιλογής παραµέτρων υπολογισµού.