Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΑΛΛΗ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6998 Θέμα «Μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης στην περιοχή Άμφισσας» Επιβλέπουσα ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Σεπτέμβριος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης στην περιοχή Άμφισσας» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΑΛΛΗ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6998 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ο Διευθυντής του Τομέα ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ Καθηγητής 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές μέσης τάσης στην περιοχή Άμφισσας» Φοιτητής: ΚΑΛΛΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ Επιβλέπουσα: ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετηθεί η συμπεριφορά των γραμμών Μέσης Τάσης (διανομής), όταν αυτές πλήττονται ή άμεσα είτε έμμεσα από κεραυνούς. Ο κεραυνός είναι ένα φυσικό φαινόμενο που προκαλεί μεγάλα προβλήματα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας αλλά και στον ίδιο τον άνθρωπο. Όπως είναι λογικό, το δίκτυο μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ευάλωτο σε κεραυνικά πλήγματα. Στην περίπτωση που ένας κεραυνός πλήξει μία γραμμή, τότε εμφανίζονται σφάλματα στο δίκτυο, συνήθως με τη μορφή υπερτάσεων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι υπερτάσεις αυτές ξεπερνούν την τάση αντοχής της μόνωσης και μπορούν έτσι να δημιουργήσουν μόνιμες ή στιγμιαίες βλάβες στον εξοπλισμό. Ειδικά στην περίπτωση απουσίας προστατευτικών διατάξεων, οι βλάβες αυτές θα είναι κατά πάσα πιθανότητα μόνιμες, κάτι που συνοδεύεται συνήθως από σοβαρές οικονομικές επιπτώσεις. Λόγω της φύσης του κεραυνού, είναι πρακτικά αδύνατο να προβλέψουμε τα χαρακτηριστικά του. Στη μελέτη αυτή, χρησιμοποιούνται προσεγγιστικά μοντέλα με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια και αναλύονται οι βασικοί παράγοντες των σφαλμάτων όπως, η κεραυνική πυκνότητα στο έδαφος (GFD) και το πλήθος άμεσων και έμμεσων πληγμάτων στη γραμμή. Για την ανάλυση αυτή χρησιμοποιούμε ειδικούς πίνακες και χάρτες (π.χ. ισοκεραυνικός χάρτης). Στόχος της μελέτης είναι η εφαρμογή του θεωρητικού μοντέλου υπολογισμού σφαλμάτων σε δύο πραγματικές γραμμές και η σύγκριση των αποτελεσμάτων με πραγματικά δεδομένα 12 ετών ( ). Τα αποτελέσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της αντικεραυνικής συμπεριφοράς, για την πρόβλεψη σφαλμάτων και για την ελάττωση των σφαλμάτων στις γραμμές διανομής. 3

4 Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία ιστορική αναφορά στον Ηλεκτρισμό, στα πρώτα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας και στην εξέλιξή τους στα σημερινά Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η δομή των ΣΗΕ, οι βασικές τους λειτουργίες και γίνεται λόγος για τα σφάλματα που επηρεάζουν την ευστάθειά τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και τα χαρακτηριστικά του, με ιδιαίτερη έμφαση σε αυτά που προκαλούν βλάβες στον εξοπλισμό των γραμμών. Περιγράφονται τρόποι πρόβλεψης και παρατήρησης κεραυνών και παρουσιάζονται τα μέσα προστασίας που χρησιμοποιούμε. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η οδηγία της IEEE για την αντικεραυνική συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός της είναι η βελτίωση των συστημάτων σε τεχνικό και οικονομικό υπόβαθρο, ώστε να μειωθούν τα σφάλματα. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η μελέτη των δύο γραμμών διανομής της περιοχής Άμφισσας. Αναλύεται και εφαρμόζεται η μεθοδολογία που χρησιμοποιούμε για τον θεωρητικό υπολογισμό των σφαλμάτων. Παρουσιάζεται η κάθε γραμμή ξεχωριστά και δίνονται μορφολογικές και κλιματολογικές πληροφορίες. Τέλος, συγκεντρώνονται τα πραγματικά δεδομένα και γίνεται μία σύγκριση με τα θεωρητικά που υπολογίσαμε. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από τη σύγκριση των πραγματικών και θεωρητικών σφαλμάτων. Αναλύονται ενδιαφέροντα διαγράμματα σχετικά με την εμφάνιση και τη διασπορά του φαινομένου ανά περιοχή και ανά χρονική περίοδο. 4

5 Abstract This diploma thesis focuses on the lightning performance of medium voltage overhead distribution lines. Lightning is a phenomenon that causes immense problems to Electric Power Systems and is dangerous for humans, too. Naturally, our distribution and transmission networks are vulnerable to lightning strokes. If a stroke happens on a line, then there are faults, usually expressed by overvoltages. The majority of these overvoltages are higher than the critical insulation voltage and cause faults, permanently or momentarily, that can damage the equipment. Especially when there are no protection devices, those faults will probably be permanent, something that leads to serious economic consequences. Due to the nature of the lightning stroke, it is practically impossible to predict its characteristics. This thesis uses models with the greatest possible accuracy and analyzes the most important fault factors such as, the ground flash density (GFD) and the number of direct strokes or induced flashover voltages from nearby strokes. For this analysis we use appropriate tables and maps, i.e. lightning maps. The purpose of this thesis is to apply a theoretical model of fault calculation on two real distribution lines and to compare the results with 12-year given data ( ). The results can be used to improve the lightning performance and to predict and reduce future faults. The first chapter provides a historical reference to Electricity, to the first electric power networks and to their evolution to what we have today. More specifically, we present their structure, their basic functions and the faults that affect their stability. In the second chapter we analyze the lightning as a physical phenomenon focusing on its characteristics and emphasizing on those which can cause faults to distribution lines. We present some observation and prediction methods for lightning strokes and finally, we mention the most common used protection devices. The third chapter presents the IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines. Its purpose is to improve the power systems technically and economically, in order to decrease the number of lightning induced faults. In the fourth chapter we study the lightning performance of two distribution lines that are located in Amfissa, Greece. The theoretical method of calculating faults is analyzed and applied. Each line is presented separately and morphological and climatological information are given. Finally, we gather the real data provided by HEDNO (Hellenic Electricity Distribution Network Operator) and compare them to the theoretical results. In the fifth and last chapter, the conclusions that where extracted from the comparison between theoretical and practical faults are presented. We analyze interesting diagrams which show the occurrence and the dispersion of the lightning strokes per area and per year. 5

6 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτριά μου κυρία Πυργιώτη Ελευθερία για την καθοδήγηση, επίβλεψη και ανάθεση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, το προσωπικό του ΔΕΔΔΗΕ Περιοχή Άμφισσας για τις πολύτιμες πληροφορίες που μου παρείχαν, αλλά κυρίως για τη στήριξη και το ενδιαφέρον που έδειξαν κατά τη διάρκεια της πρακτικής μου άσκησης εκεί. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα την οικογένειά μου, για τη στήριξη και την εμπιστοσύνη τους κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. 6

7 7

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΩΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΣΗΕ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΚΤΥΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΝΑΕΡΙΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΓΕΙΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΟΝΩΣΗ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ 22 2 ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΦΥΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΤΑΣΗ 33 3 ΟΔΗΓΙΑ ΤΗΣ IEEE ΓΙΑ ΤΗ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΟΡΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΟΥ 47 8

9 3.6.1 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΜΗ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΜΕΝΟΥΣ ΑΓΩΓΟΥΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΚΟΝΤΑ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΑΣΗ CFO ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΑΣΗΣ CFO ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΜΟΝΩΣΗ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΘΕΩΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ CFO ΣΕ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ΤΟΞΟΥ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ΖΗΜΙΑ ΣΤΟ ΞΥΛΟ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΣΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΙΑ ΚΑΛΥΤΕΡΗ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΑΕΡΙΟΣ ΑΓΩΓΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΜΟΝΩΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΓΕΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΜΟΝΩΣΗΣ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΝΑΕΡΙΟΙ ΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΕ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ ΜΗΚΟΣ ΤΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΓΕΙΩΣΗΣ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΠΑΡΑΠΛΗΣΙΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑΤΑ ΣΕ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ 73 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 74 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 79 9

10 4 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΑΜΦΙΣΣΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΓΡΑΜΜΗ R-1 (ΧΡΙΣΣΟ-ΔΕΛΦΟΙ-ΑΡΑΧΩΒΑ) ΓΡΑΜΜΗ R-2 (ΓΑΛΑΞΕΙΔΙ-ΑΓΙΟΙ ΠΑΝΤΕΣ-ΕΡΑΤΕΙΝΗ) ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΓΡΑΜΜΗ R-1 (ΧΡΙΣΣΟ ΔΕΛΦΟΙ ΑΡΑΧΩΒΑ) ΓΡΑΜΜΗ R-2 (ΓΑΛΑΞΕΙΔΙ ΑΓΙΟΙ ΠΑΝΤΕΣ ΕΡΑΤΕΙΝΗ) ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 109 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

11 11

12 1. ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ηλεκτρικά φαινόμενα εμφανίστηκαν στο σύμπαν από τις πρώτες κιόλας στιγμές του. Πάνω από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν δεν υπήρχε ίχνος ζωής στον πλανήτη μας, εμφανίστηκαν οι πρώτες αστραπές στον ουρανό. Τα ηλεκτρικά φαινόμενα παίζουν σημαντικό ρόλο και στη λειτουργία των οργανισμών. Τα μάτια δέχονται φωτεινές ακτίνες και τις μετατρέπουν σε στοιχειώδη ηλεκτρικά σήματα, που μεταδίδονται στον εγκέφαλο από τα νεύρα. Η αντίληψη και η σκέψη, αλλά ακόμα και η ικανότητα της κίνησης, εξαρτώνται ολοκληρωτικά από τα στοιχειώδη ηλεκτρικά σήματα, που διαδίδονται αστραπιαία μέσα από το νευρικό δίκτυο του ανθρώπινου εγκεφάλου. [11] Η ύπαρξη του ηλεκτρισμού στην αρχαιότητα, έγινε γνωστή κυρίως με τη μορφή του στατικού ηλεκτρισμού, που είχε παρατηρηθεί,συνήθως, μετά από τριβή με αντικείμενα από ἤλεκτρον (σήμερα κεχριμπάρι). Τα φυσικά φαινόμενα, ωστόσο, που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό δεν μπορούσαν να εξηγηθούν και έτσι αποδίδονταν σε θεϊκές πράξεις. Στις περισσότερες αρχαίες θρησκείες υπήρχε ο θεός του κεραυνού, ο οποίος θεωρούταν υπεύθυνος για τα πλήγματα που συνήθως ερμηνεύονταν ως σημάδια. Εικόνα 1 Αρχαίες θεότητες του κεραυνού. Από αριστερά Δίας Ραϊτζίν Θορ [13] Μέχρι και το 18 ο αιώνα, δεν υπήρχε μεγάλη πρόοδος στην κατανόηση και τη μελέτη του κεραυνού και γενικότερα του ηλεκτρισμού. Τότε, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος, με το γνωστό του πείραμα, έθεσε τις βάσεις για ό,τι ακολούθησε. Στο πείραμα αυτό, ο Φραγκλίνος έδεσε ένα κλειδί στο μεταξένιο νήμα ενός χαρταετού, τον οποίο πέταξε στη διάρκεια μιας καταιγίδας. Σύντομα διαπίστωσε ότι το μεταλλικό κλειδί είχε φορτιστεί ηλεκτρικά, αφού όταν πλησίασε σε αυτό το χέρι του, δημιουργήθηκαν σπινθήρες και ένιωσε ένα σοκ. Ο ηλεκτρισμός πέρασε από τα σύννεφα στο κλειδί μέσω του νήματος. Έτσι ο Φραγκλίνος απέδειξε ότι ο κεραυνός είναι μια ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους. [11] 12

13 Μέχρι τα τέλη του ίδιου αιώνα, οι έρευνες των Maxwell ( ), Volta ( ), Faraday ( ) αλλά και πολλών άλλων, οδήγησαν στην κατανόηση του ηλεκτρισμού και στην αξιοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας. 1.2 ΠΡΩΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Παρά τις πολλές νέες ανακαλύψεις, που έγιναν κατά το 18 ο αιώνα, οι εφαρμογές που οδηγούν στην εκμετάλλευση αυτών των ανακαλύψεων εμφανίστηκαν αρκετά αργότερα. Η πρώτη εμπορική χρήση του ηλεκτρισμού άρχισε γύρω στο 1870, όταν χρησιμοποιήθηκαν οι λαμπτήρες τόξου για φωτισμό οικιών και οδών. Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα, αποτελούμενο από γεννήτρια, καλώδιο, ασφάλεια μετρητή και φορτία, ήταν αυτό που εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στην πόλη της Νέας Υόρκης, ο ιστορικός σταθμός της Pearl Street που τέθηκε σε λειτουργία το Αυτό ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (dc) που αποτελούταν από μία ατμομηχανή που κινούσε μία γεννήτρια συνεχούς και τροφοδοτούσε με ηλεκτρική ενέργεια 59 καταναλωτές σε μία περιοχή ακτίνας 1.5 km. Τα φορτία, που ήταν αποκλειστικά λαμπτήρες πυρακτώσεως, τροφοδοτούνταν σε μία τάση 110 V έσω υπόγειου καλωδίου. Πολύ σύντομα αντίστοιχα συστήματα λειτούργησαν στις περισσότερες μεγαλουπόλεις σε όλον τον κόσμο. [2] Tη νύκτα της 1η Μαΐου του 1893 στη Διεθνή Έκθεση του Σικάγο, ο Grover Cleveland, ο 24ος πρόεδρος των Η.Π.Α., φωταγώγησε την πόλη του Σικάγο με λυχνίες που λειτουργούσαν με εναλλασσόμενο ρεύμα. [12]. Αυτό ήταν το πρώτο δίκτυο εναλλασσόμενου, μελετημένο και κατασκευασμένο από τον Nikola Tesla. Παρά την αρχική ευρεία χρήση των συστημάτων συνεχούς ρεύματος, αυτά πολύ γρήγορα αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος (ac). Ο λόγος ήταν προφανής. Τα συστήματα συνεχούς δεν είχαν τη δυνατότητα να μεταφέρουν ισχύ σε μεγάλες αποστάσεις, διότι για να γίνει κάτι τέτοιο και συγχρόνως να κρατηθούν οι απώλειες μεταφοράς (RI 2 ) και οι πτώσεις τάσης σε αποδεκτά επίπεδα, έπρεπε τα επίπεδα τάσης να είναι υψηλά. Υψηλές όμως τάσεις δεν ήταν αποδεκτές ούτε για την παραγωγή ούτε για την κατανάλωση επειδή δεν το επέτρεπε η τεχνολογία της εποχής αλλά και η ασφάλεια των καταναλωτών. Η λύση, συνεπώς, θα ήταν να μεταφερόταν η ισχύς σε μεγάλες αποστάσεις υπό υψηλότερη τάση, η οποία στη συνέχεια θα μειωνόταν σε χαμηλότερες τιμές στις θέσεις όπου υπήρχαν τα φορτία. Η σχεδίαση και η ανάπτυξη μίας εφαρμογής που θα μετασχημάτιζε στα επιθυμητά επίπεδα τάση και ρεύμα πρόβαλε πλέον σαν επιτακτική ανάγκη. Η ανάπτυξη του μετασχηματιστή οδήγησε στην ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων εναλλασσόμενου ρεύματος, τα οποία έγιναν ακόμη πιο ελκυστικά με την ανάπτυξη των πολυφασικών συστημάτων από το Nikola Tesla. Οι πρωτοποριακές για την εποχή εφευρέσεις του όσον αφορά τους κινητήρες εναλλασσόμενου, τις γεννήτριες, τους μετασχηματιστές και τα συστήματα μεταφοράς αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη των σημερινών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. [2] 13

14 1.3 ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΣΗΕ Με την επικράτηση του εναλλασσόμενου ρεύματος, άρχισε η ανάπτυξη των τοπικών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών, οι οποίοι, με συστήματα μεταφοράς και διανομής που εκτείνονταν μέχρι τα όρια δράσης τους, εξυπηρετούσαν το φορτίο στενών γεωγραφικών περιοχών. Πολύ σύντομα γειτονικά τέτοια συστήματα άρχισαν να διασυνδέονται, ώστε να μπορούν να ανταλλάσσουν ενέργεια. [2] ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται με την εκμετάλλευση διαφόρων πρωτογενών πηγών ενέργειας και παρουσιάζει μεγάλες διαφοροποιήσεις από χώρα σε χώρα, ανάλογα με τους διαθέσιμους εγχώριους Ενεργειακούς Πόρους, την Ενεργειακή Πολιτική της χώρας, τις γεωλογικές, γεωφυσικές και κλιματολογικές ιδιαιτερότητες αυτής. Οι πηγές παραγωγής ενέργειας διακρίνονται στις συμβατικές που βασίζονται σε ορυκτά στερεά, υγρά ή αέρια καύσιμα, όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας (λιθάνθρακας και λιγνίτης), το φυσικό αέριο, στην πυρηνική ενέργεια και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) που χρησιμοποιούν ανεξάντλητες πηγές (άνεμος, ήλιος, νερό) και δεν καταναλώνουν τα περιορισμένα ενεργειακά ορυκτά αποθέματα. [14] Οι απαιτήσεις σε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχουν αυξηθεί τις τελευταίες δεκαετίες κατά τρόπο ραγδαίο. Οι μελλοντικές απαιτήσεις αναμένονται ακόμα μεγαλύτερες καθόσον το ποσοστό της μη ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται διεθνώς συνεχώς μειώνεται προς όφελος της ηλεκτρικής ενέργειας. Παρουσιάζεται λοιπόν φανερή η ανάγκη να γίνει αφενός πληρέστερη εκμετάλλευση των υπαρχόντων συμβατικών πηγών πρωτογενούς ενέργειας, αφετέρου να αναζητηθούν νέες πηγές για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πρακτικά το σύνολο σχεδόν της παραγόμενης σήμερα ηλεκτρικής ενέργειας λαμβάνεται από περιστρεφόμενες γεννήτριες (ισχύος από 100 kw μέχρι και πάνω από 1300 MW και τάσεις λειτουργίας από 480 V μέχρι 25 kv), οπότε το τελευταίο βήμα της μετατροπής ενέργειας που λαμβάνει χώρα σε σταθμούς παραγωγής είναι από μηχανική σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τυπική δομή μιας μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται σχηματικά στο διάγραμμα του Σχήματος 1. Ο στρόβιλος είναι εφοδιασμένος με ρυθμιστή που ελέγχει ή την ταχύτητα περιστροφής ή την ισχύ εξόδου σύμφωνα με κάποια προκαθορισμένη χαρακτηριστική ισχύος-συχνότητας. Η παραγόμενη ισχύς παρέχεται στο δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης. Το συνεχές ρεύμα διέγερσης, που απαιτείται για να παραχθεί το μαγνητικό πεδίο εντός της γεννήτριας, παράγεται από τη διεγέρτρια. Το ρεύμα διέγερσης, και συνεπώς η τερματική τάση της γεννήτριας, ελέγχονται από αυτόματο ρυθμιστή τάσης. Ο μετασχηματιστής μονάδας τροφοδοτεί τα βοηθητικά φορτία του σταθμού παραγωγής, όπως κινητήρες, αντλίες, φωτισμό κ.α. [2] 14

15 Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας [2] Στην Ελλάδα, Η ΔΕΗ Α.Ε. δραστηριοποιείται ως Παραγωγός και είναι ο κύριος Προμηθευτής ηλεκτρικής ενέργειας. Κατέχει (στοιχεία 2013) περίπου το 75% της εγκατεστημένης ισχύος των θερμοηλεκτρικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής στην ηπειρωτική Ελλάδα συμπεριλαμβάνοντας στο ενεργειακό της μείγμα λιγνιτικούς, υδροηλεκτρικούς και πετρελαϊκούς σταθμούς, καθώς και σταθμούς φυσικού αερίου, αλλά και μονάδες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Παράγοντας σχεδόν το 50% της ηλεκτρικής της παραγωγής από λιγνίτη, είναι ο 2ος μεγαλύτερος παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας από λιγνίτη στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Προμηθεύει περίπου το 98% (στοιχεία 2013) της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, σύμφωνα με την πρόσφατη ελληνική νομοθεσία (ν. 4001/2011) παραμένει στην ιδιοκτησία της το δίκτυο διανομής συνολικού μήκους χλμ.(στοιχεία 2009), ενώ η κυριότητα του εθνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μήκους χλμ. μεταβιβάζεται στον ΑΔΜΗΕ Α.Ε. 15

16 Μετά την απόσχιση από τη ΔΕΗ Α.Ε. των κλάδων Μεταφοράς και Διανομής, δημιουργήθηκαν δύο 100% θυγατρικές εταιρείες της ΔΕΗ Α.Ε., ο ΑΔΜΗΕ Α.Ε. (Ανεξάρτητος Διαχειριστής Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Α.Ε.) και ο ΔΕΔΔΗΕ Α.Ε. (Διαχειριστής Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας Α.Ε.). Ο ΑΔΜΗΕ Α.Ε. έχει την ευθύνη της διαχείρισης, λειτουργίας, ανάπτυξης και συντήρησης του Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας και των διασυνδέσεών του, ενώ ο ΔΕΔΔΗΕ Α.Ε. έχει την ευθύνη για τη διαχείριση, ανάπτυξη, λειτουργία και συντήρηση του Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας. [14] ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το κάθε σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας δομείται με βάση τις ιδιαιτερότητες που καλείται να εξυπηρετήσει. Όλα τα συστήματα, όμως, παρουσιάζουν την εξής ομοιότητα: εργάζονται σε διάφορα επίπεδα τάσης που χωρίζονται μεταξύ τους με μετασχηματιστές. Είναι κοινή πρακτική να διαιρούμε, με βάση την τάση λειτουργίας, το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας σε τρία υποσυστήματα. Ξεκινώντας από το χαμηλότερο επίπεδο τάσης, διακρίνουμε τα εξής υποσυστήματα: 1. Σύστημα διανομής 2. Σύστημα υπομεταφοράς 3. Σύστημα μεταφοράς Στο Σχήμα 2, φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο δομείται ένα τυπικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα διανομής περιλαμβάνει τα δίκτυα διανομής μέσης και χαμηλής τάσης και τους μετασχηματιστές διανομής με τους οποίους η μέση τάση υποβιβάζεται σε χαμηλή τάση. Το σύστημα διανομής από τους υποσταθμούς διανομής (όπου η τάση υποβιβάζεται στην τιμή της μέσης τάσης διανομής) και παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε μικρούς οικιακούς καταναλωτές (υπό τη χαμηλή τάση διανομής) και σε μεσαίου μεγέθους καταναλωτές (υπό τη μέση τάση διανομής). Τα δίκτυα διανομής μέσης και χαμηλής τάσης στις αστικές πυκνοκατοικημένες περιοχές είναι κατά κανόνα υπόγεια, ενώ στις άλλες περιοχές είναι εναέρια. 16

17 Σχήμα 2 Δομή συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας [2] Το σύστημα υπομεταφοράς διανέμει ηλεκτρική ενέργεια σε έναν αριθμό υποσταθμών διανομής που βρίσκονται σε κάποια γεωγραφική περιοχή σε ένα επίπεδο τάσης, που τυπικά κυμαίνεται μεταξύ 23 kv και 150 kv. Αυτό δέχεται την ενέργεια είτε κατευθείαν από σταθμούς παραγωγής είτε από το σύστημα μεταφοράς μέσω υποσταθμών (ζεύξεως ή/και μετασχηματισμού). Μεγάλοι καταναλωτές είναι δυνατόν να εξυπηρετηθούν κατευθείαν από το σύστημα υπομεταφοράς. Τα δίκτυα υπομεταφοράς του σήμερα είναι κατά κανόνα τα δίκτυα μεταφοράς του χθες, τα οποία λόγω της αύξησης της διάστασης του συστήματος καλούνται να επιτελέσουν πλέον ένα ρόλο διαφορετικό από εκείνον που επιτελούσαν μέχρι τώρα. Το σύστημα μεταφοράς διαφέρει και ως προς τη λειτουργία και ως προς τα χαρακτηριστικά από τα συστήματα διανομής και υπομεταφοράς. Ενώ τα δύο τελευταία μεταφέρουν ενέργεια από μια πηγή προς τα επιμέρους φορτία, το σύστημα μεταφοράς αφενός χειρίζεται μεγαλύτερα ποσά ισχύος, αφετέρου διασυνδέει όλους τους σταθμούς παραγωγής και όλα τα σημεία μεγάλης κατανάλωσης του συστήματος. Το σύστημα μεταφοράς δέχεται την ενέργεια κατευθείαν από τους σταθμούς παραγωγής μέσω μετασχηματιστών ανύψωσης της 17

18 τάσης και είναι δυνατόν να εξυπηρετεί κατευθείαν πολύ μεγάλους καταναλωτές και να ανταλλάσσει, μέσω διασυνδετικών γραμμών, ενέργεια με άλλα γειτονικά ενεργειακά συστήματα. Η βασική διαφορά στο σκοπό που εξυπηρετεί το σύστημα μεταφοράς, συγκρινόμενο με τα συστήματα διανομής και υπομεταφοράς, φαίνεται στον τρόπο δόμησης των δικτύων. Ενώ τα δύο τελευταία έχουν γενικά (όχι όμως πάντοτε) ακτινική δομή, επειδή σκοπεύουν στο να διοχετεύουν την ηλεκτρική ενέργεια σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις, το σύστημα μεταφοράς έχει δομή βρόχου και συνεπώς είναι σε θέση να διοχετεύει την ενέργεια σε μεγαλύτερο συνδυασμό κατευθύνσεων και να εξυπηρετεί έτσι καλύτερα το σκοπό της μεταφοράς. [2] Εικόνα 2 Υποσταθμός μετατροπής Υ.Τ. σε Μ.Τ. [13] 18

19 Εικόνα 3 Το δίκτυο μεταφοράς στην Ελλάδα [13] 19

20 1.4 ΔΙΚΤΥΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Το δίκτυο διανομής στην Ελλάδα διαχειρίζεται από το ΔΕΔΔΗΕ. Τα βασικά μεγέθη του δικτύου για το 2015, όπως αναφέρονται στην ιστοσελίδα της εταιρίας είναι: χλμ. Δίκτυο Μέσης Τάσης (Μ.Τ.) χλμ. Δίκτυο Χαμηλής Τάσης (Χ.Τ.). Συνολικά χλμ. Δικτύου Υποσταθμοί Μέσης Τάσης προς Χαμηλή Τάση (Υ/Σ ΜΤ/ΧΤ) χλμ. Δίκτυο Υψηλής Τάσης (Υ.Τ.) εκ των οποίων 200χλμ στην Αττική και 745χλμ στα μη διασυνδεδεμένα νησιά Υποσταθμοί Υψηλής Τάσης προς Μέση Τάση (Υ/Σ ΥΤ/ΜΤ), εκ των οποίων 19 κλειστού τύπου, κατανεμημένοι 199 στο Διασυνδεδεμένο Σύστημα και 26 στα μη Διασυνδεδεμένα νησιά Πελάτες ( ΜΤ & ΧΤ) GWH Καταναλώσεις Πελατών ( στη ΜΤ & στη ΧΤ). [15] Στόχος των γραμμών διανομής είναι η διοχέτευση της ηλεκτρικής ενέργειας από τον τόπο παραγωγής στον τόπο κατανάλωσης χωρίς αλλοίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της. Αυτό τυπικά σημαίνει ότι η τάση στο τέλος της γραμμής πρέπει να μη διαφέρει σημαντικά από την τάση στην αρχή της, η συχνότητα λειτουργίας να παραμένει σταθερή και οι απώλειες να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες ΕΝΑΕΡΙΑ ΔΙΚΤΥΑ Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής είναι στην πλειοψηφία τους εναέρια. Τα εναέρια δίκτυα έχουν το πλεονέκτημα ότι σε περίπτωση βλάβης, ο εντοπισμός της γίνεται εύκολα και άμεσα, αλλά έχουν το μειονέκτημα της έκθεσης στα καιρικά φαινόμενα, στην πανίδα και στον άνθρωπο. Αυτό τα τελευταία χρόνια έχει βέβαια εξαλειφθεί με τη χρήση συνεστραμμένων αγωγών μονωμένων μεταξύ τους. 20

21 Εικόνα 4 Προβλήματα που πρέπει να ξεπεραστούν κατά το σχεδιασμό και την κατασκευή εναέριας γραμμής [4] Η σωστή μελέτη ενός συστήματος διανομής είναι πολύ δύσκολο πρόβλημα, γιατί πρέπει να προβλεφθούν μελλοντικοί καταναλωτές που θα μπορούν να διασυνδεθούν με ασφάλεια στο δίκτυο και χωρίς να διαταράξουν την ισορροπία του. Ένα άλλο μεγάλο πρόβλημα είναι η σωστή όδευση, καθώς το δίκτυο θα πρέπει να είναι εύκολα προσβάσιμο σε περίπτωση βλάβης, αλλά είναι και επιθυμητό να μην εμπλέκεται με το δίκτυο μεταφοράς ή με πυκνοκατοικημένες περιοχές. [3] Το τελευταίο πρόβλημα οδήγησε στην ανάπτυξη των υπόγειων δικτύων ΥΠΟΓΕΙΑ ΔΙΚΤΥΑ Σε περιπτώσεις όπου η καλαισθησία, τα οικονομικά ή οι καταστάσεις συντήρησης καθιστούν τα εναέρια δίκτυα αδύνατα, κατασκευάζονται τα υπόγεια δίκτυα. Ενώ τα εναέρια δίκτυα θεωρούνται, κατά κανόνα, φθηνότερα και ευκολότερα στη συντήρηση, η εξέλιξη των υπόγειων καλωδίων και των κατασκευαστικών μεθόδων έχουν κάνει τα υπόγεια δίκτυα ανταγωνιστικά. [4] Το βασικό τους μειονέκτημα είναι το πολύ υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με τα εναέρια, το οποίο όμως αντισταθμίζεται από τη μείωση των βλαβών, λόγω της καλής μόνωσης και της προστασίας από εξωγενείς παράγοντες. Ένα άλλο μειονέκτημα των υπογείων δικτύων είναι η μειωμένη δυνατότητα φόρτισής τους, λόγω του περιορισμού στην ανύψωση της θερμοκρασίας του μονωτικού υλικού. 21

22 Εικόνα 5 Παράδειγμα υπόγειου δικτύου σε κατοικημένη περιοχή [4] Τα υπόγεια δίκτυα κατασκευάζονται πάντα με μορφή βρόχου, έτσι ώστε, σε περίπτωση βλάβης, να υπάρχει τροφοδοσία από άλλη κατεύθυνση και απομόνωση του μικρότερου δυνατού τμήματος. Έτσι μπορούμε να ξεπεράσουμε άλλο ένα πρόβλημα των εναέριων δικτύων που είναι στην πλειοψηφία τους ακτινικά. [16] ΜΟΝΩΣΗ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ Δεδομένου ότι τα δίκτυα διανομής λειτουργούν ακτινικά, η προστασία τους είναι δυνατή με απλές διατάξεις διαβαθμισμένες κατάλληλα. Κατά μήκος του δικτύου διανομής μέσης τάσης εγκαθίστανται μέσα ζεύξεως, όπως αποζεύκτες και διακόπτες φορτίου και μέσα προστασίας όπως διακόπτες ισχύος (ΑΔΕ), διακόπτες απομονώσεως (sectionalizers) και ασφάλειες. Τα μέσα ζεύξεως χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση ή απομόνωση των τμημάτων του δικτύου (π.χ. σε περιπτώσεις πυρκαγιών, εργασιών συντήρησης και αποκατάστασης βλαβών). Τα μέσα προστασίας χρησιμοποιούνται για την αυτόματη απομόνωση τμημάτων του δικτύου σε περίπτωση σφάλματος. Λόγω του ότι τα εναέρια δίκτυα μέσης τάσης είναι 22

23 εκτεθειμένα, η συχνότητα εμφάνισης σφαλμάτων είναι αυξημένη. Αξιοσημείωτο είναι ότι σε ποσοστό που υπερβαίνει το 80% του συνόλου, τα σφάλματα είναι παροδικά. [6] Τους χειμερινούς μήνες, ο δυνατός άνεμος ή ο σχηματισμός πάγου μπορεί να φέρουν σε επαφή τους αγωγούς των εναέριων γραμμών, δημιουργώντας στιγμιαία ένα προσωρινό βραχυκύκλωμα μεταξύ των φάσεων ή μεταξύ φάσης και γης. Τους καλοκαιρινούς μήνες, η αστοχία στη μόνωση των ραγισμένων μονωτήρων σε συνδυασμό με τη σκόνη που επικάθεται στους μονωτήρες δημιουργεί υπερπηδήσεις που προκαλούν βραχυκυκλώματα μεταξύ φάσης και γης. [16] Αυτό που καθορίζει τη μόνωση μιας γραμμής μεταφοράς, είναι οι ελάχιστες αποστάσεις μεταξύ των φάσεων ή μεταξύ των φάσεων και της γης. Αυτές τις ελάχιστες αποστάσεις, τις εξασφαλίζουμε μέσω της ανάρτησης ή στήριξης των αγωγών των φάσεων με μονωτήρες. Εικόνα 6 Κατάρρευση μόνωσης μονωτήρα και υπερπήδηση [13] Το βασικό χαρακτηριστικό της μόνωσης που εξασφαλίζει ένας μονωτήρας για μια γραμμή μεταφοράς είναι ότι αυτή είναι εξωτερική και αυτοεπανερχόμενη. Δηλαδή, όταν υπόκειται σε εξωγενείς επιδράσεις (π.χ. ρύπανση) και μετά από μία διάσπαση (αν δεν έχουν υπάρξει καταστροφικές συνέπειες) η μόνωση μπορεί να επανέλθει και να λειτουργήσει κανονικά με τις αρχικές ιδιότητές της. Έτσι, κατά συνέπεια, όταν ένα σφάλμα εμφανίζεται πάνω στη γραμμή μετά από μία υπέρταση, εάν η μόνωση της γραμμής δεν έχει υποστεί κάποια μόνιμη βλάβη, η λειτουργία της θα αποκατασταθεί μετά τη σβέση του τόξου. 23

24 Γενικά, τις καταπονήσεις που δέχεται η μόνωση του μονωτήρα μιας γραμμής μεταφοράς, κατατάσσουμε σε εξωτερικές και εσωτερικές: οι εξωτερικές καταπονήσεις, προέρχονται κυρίως από κεραυνικά πλήγματα πάνω στην ηλεκτρική γραμμή, διαδίδονται μέσω αυτής και καταπονούν με σοβαρές, συχνά, συνέπειες τον εξοπλισμό του δικτύου. οι εσωτερικές καταπονήσεις προέρχονται από το γεγονός ακριβώς της λειτουργίας της γραμμής και χωρίζονται: 1. στην τάση συχνότητας λειτουργίας, με την οποία λειτουργεί η γραμμή υπό κανονικές συνθήκες, 2. στις παροδικές υπερτάσεις συχνότητας λειτουργίας, που έχουν διάρκεια της τάξεως του ενός δευτερολέπτου, 3. στις υπερτάσεις χειρισμών, με διάρκεια εκατοντάδων έως χιλιάδων μs. [5] Περισσότερα σχετικά με τη μόνωση στις γραμμές διανομής και τα αίτια κατάρρευσής της, αναφέρονται στο Κεφάλαιο 3. 24

25 2. ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ 2.1 Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΦΥΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ο κεραυνός μπορεί να οριστεί ως μία παροδική ηλεκτρική εκφόρτιση, μεγάλου ρεύματος της οποίας το μονοπάτι μετριέται σε χιλιόμετρα. Ο κεραυνός συμβαίνει όταν κάποια περιοχή της ατμόσφαιρας αποκτά αρκετά μεγάλο ηλεκτρικό φορτίο, έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο που σχετίζεται με το φορτίο αυτό προκαλεί ηλεκτρική κατάρρευση του αέρα. Κάθε κεραυνικό πλήγμα ξεκινάει με μία ελάχιστα φωτεινή εκφόρτιση, τον οχετό προεκκένωσης, ο οποίος διαδίδεται από το σύννεφο στο έδαφος και ακολουθείται από ένα πολύ φωτεινό πλήγμα επιστροφής. Το πλήγμα επιστροφής διαδίδεται από το έδαφος προς το σύννεφο. Η εκφόρτιση που προηγείται του πρώτου πλήγματος επιστροφής ονομάζεται βηματικός οχετός. [7] Εικόνα 1 Βήματα σχηματισμού του οχετού επιστροφής. Διακρίνεται το κανάλι του οχετού προεκκένωσης και ο σχηματισμός Corona γύρω από αυτό [9] Διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού: - Κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. - Ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. - Κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. - Ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι 25

26 ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που φαίνονται στην Εικόνα 2, στους οποίους δίνονται οι παρακάτω ορισμοί: - Κατερχόμενη αρνητική εκκένωση, πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στα 90% περίπου των περιπτώσεων. - Ανερχόμενος θετικός οχετός/ αρνητική εκκένωση, πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. - Κατερχόμενη θετική εκκένωση πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση) - Ανερχόμενος αρνητικός οχετός/ θετική εκκένωση, πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από εάν θετικό σύννεφο. Εικόνα 2 Είδη κεραυνών: α ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, β συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής. l: οχετός προεκκένωσης, r: οχετός επιστροφής, v: κατεύθυνση μετάδοσης [9] [7] Η πιο πάνω εικόνα των κεραυνών είναι απλοποιημένη. Στην πραγματικότητα, πριν ο οχετός προεκκένωσης συναντήσει το έδαφος (ή το νέφος) ένας αντίθετος οχετός αναπτύσσεται από την αντίθετη πλευρά που έρχεται να προυπαντήσει τον κύριο οχετό προεκκένωσης. [9] 26

27 Εικόνα 3 Κεραυνικό πλήγμα: (a) σταθερή φωτογραφία, (b) φωτογραφία με κινούμενο φιλμ. [8] Μετά την κύρια εκκένωση, άλλα φορτία που βρίσκονται μέσα στο νέφος, αλλά σχετικά μακριά από το σημείο δημιουργίας του αρχικού οχετού, φθάνουν εκεί αργότερα και περνούν από την αγώγιμη οδό της κυρίας εκκενώσεως και δημιουργούν έτσι ένα ρεύμα μικρής έντασης και μεγάλης διάρκειας. Το ρεύμα αυτό είναι το πιο επικίνδυνο και προκαλεί τις περισσότερες υλικές ζημιές, εξ αιτίας της μεγάλης ενέργειας που περιέχει. Μετά την πρώτη κύρια εκκένωση, σχηματίζονται πολλές φορές, μέσα στο νέφος, νέοι αγώγιμοι δρόμοι που συνδέουν το σημείο σχηματισμού του αρχικού οχετού με άλλα φορτία μέσα στο νέφος. [18] ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Όταν ένα αντικείμενο, όπως ένα κτήριο, μία γραμμή σε μία υπόγεια σήραγγα ή ένα αεροπλάνο που πετά, χτυπηθεί από ένα κεραυνό, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Έτσι από την άποψη της προστασίας από τους κεραυνούς, το ρεύμα αυτό αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική παράμετρο της εκκένωσης του κεραυνού. Το κύριο ρεύμα που συνοδεύει μία εκκένωση κεραυνού, οφείλεται στον οχετό επιστροφής. Το ηλεκτρικό φορτίο του κατερχόμενου οχετού εξουδετερώνεται από το αντίστοιχο ετερόσημο φορτίο της γης. Το φορτίο αυτό ρέει μέσα από τον αγωγό προεκκένωσης που έχει συνδέσει προηγουμένως το σύννεφο με τη γη. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά τη ροή του φορτίου αυτού, εξαρτάται κατ αρχήν από το μέγεθος του φορτίου του νέφους, αλλά επίσης και από την ταχύτητα με την οποία δημιουργείται ο οχετός επιστροφής, από τον ήδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. [9] 27

28 Το ρεύμα της κύριας εκκένωσης του κεραυνού έχει τη μορφή μιας απεριοδικής ταλάντωσης, δηλαδή μοιάζει με ένα κρουστικό ρεύμα. Τυπική μορφή της μεταβολής ενός κρουστικού ρεύματος φαίνεται στο Σχήμα 1. Ενώ το ρεύμα του οχετού προεκκένωσης είναι της τάξης των μερικών Amperes, η μέγιστη τιμή του ρεύματος της κύριας εκκένωσης παίρνει μεγάλες τιμές. Κατά κανόνα οι εντάσεις ρεύματος κεραυνών είναι κάτω από 20 ka. Το 85% των περιπτώσεων παρουσιάζει ρεύματα κάτω από 60 ka. Τα δευτερεύοντα ρεύματα διαρκούν μέχρι μερικά δέκατα του δευτερολέπτου με εντάσεις συνήθως από 20 έως 100 A. [18] Σχήμα 1 Τυπική κυματομορφή μεταβολής κρουστικού ρεύματος. [18] Πίνακας 1 Παράμετροι κεραυνού που αρχίζει με κατερχόμενο πλήγμα [Berger et al., 1975] 28

29 2.1.3 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Για την εκτίμηση του κινδύνου που αποτελεί ο κεραυνός για μια περιοχή και συνεπώς για την κατασκευή ενός αποτελεσματικού συστήματος προστασίας, είναι αναγκαία η γνώση του αριθμού Ng, των κεραυνών που πλήττουν μία περιοχή (π.χ. 1 km 2 ), στη διάρκεια μίας χρονικής περιόδου (π.χ. 1 έτους). Επειδή, για τη μέτρηση αυτού του αριθμού απαιτείται εγκατάσταση ειδικών συσκευών, η πληροφορία δεν είναι διαθέσιμη παρά για περιορισμένες μόνο περιοχές. Αντίθετα, η πληροφορία που είναι συνήθως διαθέσιμη είναι ο αριθμός T των ημερών καταιγίδας. Το T διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Μία γενική παρατήρηση είναι ότι η συχνότητα καταιγίδων συνοδευόμενη από κεραυνούς, είναι μεγαλύτερη στον ισημερινό και μικρότερη στους πόλους. [9] Για το σκοπό αυτόν, έχουν δημιουργηθεί χάρτες που περιγράφουν την τοπική κεραυνική δραστηριότητα, ή απευθείας μέσω του Ng, είτε μέσω του T. Αυτοί οι χάρτες λέγονται ισοκεραυνικοί. Χάρτης 1 Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης (NASA Lightning Team) [19] Είναι φανερό πως η κατανομή των κεραυνών ανά τη γη δεν είναι ομοιογενής. Αυτό είναι λογικό, αφού σε κάποιες περιοχές υπάρχουν πολύ σπάνια οι κατάλληλες συνθήκες για τη δημιουργία καταιγίδων. Η NASA έχει δορυφόρους σε τροχιά, με αισθητήρες κατασκευασμένους για τον εντοπισμό κεραυνών. Τα δεδομένα αυτών των δορυφόρων μεταδίδονται στη γη και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτών των χαρτών, που βασίζονται συνήθως σε ετήσιες μετρήσεις ανά μονάδα επιφάνειας. 29

30 Περισσότερα για τους ισοκεραυνικούς χάρτες και για τη χρήση τους στην πρόβλεψη κεραυνικών πληγμάτων στο Κεφάλαιο 3. Χάρτης 2 Ισοκεραυνικές καμπύλες στην Ελλάδα. [20] Κάθε κεραυνική δραστηριότητα περιλαμβάνει πολλές διαφορετικές φυσικές διεργασίες, οι οποίες είναι συσχετισμένες με χαρακτηριστικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Είναι γνωστό πως ο κεραυνός εκπέμπει σημαντικό ποσό ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε συχνότητες από κάτω από 1 Hz έως σχεδόν 300 MHz, με μέγιστο στο φάσμα συχνοτήτων από 5 έως 10 khz για κεραυνούς σε αποστάσεις πάνω από 50 km. Επίσης, είναι γνωστό ότι ο κεραυνός παράγει ακτίνες-χ (έως Hz ή περισσότερο), αν και στο επίπεδο της γης συνήθως δεν εντοπίζονται σε απόσταση μεγαλύτερη από 1 km από την πηγή. 30

31 Γενικά, κάθε παρατηρήσιμο ηλεκτρομαγνητικό σήμα από κεραυνό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό της κεραυνικής διαδικασίας που το δημιούργησε. Εκτός από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ο κεραυνός παράγει και ακουστική ακτινοβολία η οποία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό της τοποθεσίας της πηγής. [8] Για τις τρεις πιο συνήθεις τεχνικές εντοπισμού: εντοπισμός διεύθυνσης μαγνητικού πεδίου (MDF), χρόνος άφιξης (TOA) και ανάλυση κύματος (Interferometry), ο τύπος των πληροφοριών που έχουμε συλλέξει εξαρτάται από τη συχνότητα (ή ισοδύναμα το μήκος κύματος) της ανιχνευόμενης ακτινοβολίας (Rakov and Uman, 2003). Τα ακριβή συστήματα εντοπισμού που, είτε αντικατοπτρίζουν όλο τον οχετό είτε εντοπίζουν μόνο το σημείο του πλήγματος ή το κέντρο φόρτισης στο σύννεφο, χρησιμοποιούν πολλαπλούς αισθητήρες. Κάποιοι αισθητήρες τοποθετημένοι στην επιφάνεια της γης εντοπίζουν την ύπαρξη κεραυνού, αλλά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εντοπίσουν τη θέση του. Άλλοι οπτικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε δορυφόρους σε τροχιά και ανιχνεύουν τη διάθλαση του φωτός του κεραυνού στα σύννεφα, και έτσι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια μικρότερη των 10 km το σημείο του πλήγματος. Επίσης, οι αισθητήρες που είναι εγκατεστημένοι σε δορυφόρο, δεν μπορούν να διαχωρίσουν τα πλήγματα στο έδαφος με αυτά μεταξύ των σύννεφων. Οι ακόλουθες τεχνικές συνδυάζουν αισθητήρες πολλών ειδών και έτσι δημιουργείται ένα σύστημα εντοπισμού κεραυνών. Εντοπισμός διεύθυνσης μαγνητικού πεδίου: Χρησιμοποιούνται δύο κάθετοι και οριζόντιοι βρόχοι με επίπεδα NS και EW, που ο καθένας μετράει μαγνητικό πεδίο από κάποιον κάθετο πομπό. Αυτό γίνεται γιατί η τάση εξόδου ενός ορισμένου βρόχου, από το νόμο του Faraday, είναι ανάλογη του συνημιτόνου της γωνίας μεταξύ του διανύσματος του μαγνητικού πεδίου και του διανύσματος του επιπέδου του βρόχου. Αυτού του είδους οι ανιχνευτές χωρίζονται σε 2 κύριες κατηγορίες: τους ανιχνευτές στενής ζώνης (narrow band ή tunned) και τους ευρείας ζώνης (wideband). Και στις δύο περιπτώσεις, η τεχνική εντοπισμού περιλαμβάνει την υπόθεση πως το εκπεμπόμενο ηλεκτρικό πεδίο έχει κάθετο προσανατολισμό και το αντίστοιχο μαγνητικό πεδίο έχει οριζόντιο προσανατολισμό και κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης. Τεχνική χρόνου άφιξης: Ένας απλός αισθητήρας χρόνου άφιξης δίνει το χρόνο κατά τον οποίο κάποιο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του κεραυνού καταφθάνει στην κεραία. Τα συστήματα εντοπισμού τέτοιου τύπου χωρίζονται σε τρεις γενικές κατηγορίες: (1) πολύ μικρής εμβέλειας (μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες μέτρα), (2) μικρής εμβέλειας (δεκάδες χιλιόμετρα), και (3) μεγάλης εμβέλειας (εκατοντάδες ή χιλιάδες χιλιόμετρα). Τα συστήματα πολύ μικρής και μικρής εμβέλειας λειτουργούν συνήθως σε VHF (δηλαδή συχνότητες από 30 έως 300 MHz), ενώ τα μεγάλης εμβέλειας λειτουργούν με VLF (3 έως 300 khz). Τα μικρής εμβέλειας χρησιμοποιούνται για να παρέχουν εικόνες των καναλιών του κεραυνού και για τη μελέτη της χωρικής και χρονικής εξέλιξης της εκφόρτισης. Τα μεγάλης εμβέλειας χρησιμοποιούνται στον εντοπισμό του σημείου πλήγματος στο έδαφος ή προσεγγιστικά την τοποθεσία του κεραυνού. 31

32 Ανάλυση κύματος: Εκτός από ακτινοβολία μεμονωμένων παλμών, ο κεραυνός παράγει ηχητικές εκρήξεις ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που διαρκούν για κάποιες εκατοντάδες μs. Αυτές οι εκρήξεις είναι δύσκολο να εντοπιστούν με την τεχνική χρόνου άφιξης, λόγω της δυσκολίας αναγνώρισης των μεμονωμένων παλμών. Στην περίπτωση της ανάλυσης κύματος, δε χρειάζεται αναγνώριση παλμών, αφού το όργανο ανάλυσης μετράει διαφορά φάσης μεταξύ σημάτων στενής ζώνης που αντιστοιχούν στις εκρήξεις που λαμβάνονται από τους αισθητήρες. Το πιο απλό όργανο ανάλυσης αποτελείται από δύο κεραίες σε απόσταση μερικών μέτρων, η καθεμία συνδεδεμένη μέσω ενός φίλτρου στενής ζώνης σε ένα δέκτη. Η έξοδος των δεκτών μεταφέρεται σε έναν ανιχνευτή φάσης που παράγει τάση ανάλογη της διαφοράς φάσης μεταξύ των δύο σημάτων. Η διαφορά φάσης αυτή, ορίζει ένα επίπεδο στο οποίο βρίσκεται η πηγή. Για τον ακριβή εντοπισμό θέσης της πηγής είναι αναγκαία η ύπαρξη τριών κεραιών. [8] Κάποια σύγχρονα συστήματα που χρησιμοποιούν τις παραπάνω τεχνικές είναι τα: 1. Lightning Mapping Array (LMA), MHz Παρέχει μια τρισδιάστατη απεικόνιση για μεμονωμένα τμήματα κεραυνικών καναλιών. Μπορεί να απεικονίσει χιλιάδες σημεία ενός κεραυνού για να αποκαλύψει την τοποθεσία του και την εξέλιξή του. [21] 2. National Lightning Detection Network (NLDN), 400 Hz-400 khz Αναπτύχθηκε από το New Mexico Institute of Mining and Technology και αποτελείται από περισσότερους από 100 απομακρυσμένους, επίγειους σταθμούς σε όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες, οι οποίοι χαρτογραφούν σε πραγματικό χρόνο τα κεραυνικά πλήγματα. Οι αισθητήρες στέλνουν τα δεδομένα μέσω δορυφόρου στο Network Control Center στο Tucson, Arizona. Μέσα σε δευτερόλεπτα, το NCC επεξεργάζεται πληροφορίες σχετικά με την τοποθεσία, το χρόνο, την πολικότητα και την ενίσχυση του κάθε πλήγματος. [21] 3. Precision Lightning Network (USPLN), khz Το δίκτυο αυτό χρησιμοποιεί την τεχνική χρόνου άφιξης σε VLF/LF και περιλαμβάνει 100 αισθητήρες ηλεκτρικού πεδίου που καλύπτουν τις ηπειρωτικές ΗΠΑ και άλλα μέρη της Βόρειας Αμερικής. [8] 4. Global Lightning Dataset (GLD360), VLF Χρησιμοποιεί ένα μεγάλο αριθμό στρατηγικά τοποθετημένων αισθητήρων ανά τον κόσμο. Οι τοποθεσίες πλήγματος βρίσκονται χρησιμοποιώντας τις τεχνικές χρόνου άφιξης και εντοπισμού διεύθυνσης πεδίου σε συνδυασμό με έναν αλγόριθμο αναγνώρισης κυματομορφής κεραυνού. [8] Στην Ελλάδα, υπάρχει το σύστημα ΖΕΥΣ. Ένα δίκτυο ανίχνευσης αστραπών το οποίο λειτουργεί στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών. Το δίκτυο περιλαμβάνει έξι δέκτες στην Ευρώπη (Τσίλμπολτον στην Αγγλία, Roskilde στη Δανία, Ιάσιο στη Ρουμανία, Αθήνα στην Ελλάδα, Λάρνακα στην Κύπρο και Mazagon στην Ισπανία). Τα δεδομένα που προκύπτουν από το σύστημα ΖΕΥΣ αξιοποιούνται από το πρόγραμμα TALOS (Thunder And Lightning Observation System). Ο στόχος της ανάλυσης των δεδομένων ηλεκτρικών εκκενώσεων είναι διττός. Αρχικά είναι η επισκόπηση της τρέχουσας κεραυνικής δραστηριότητας πάνω από περιοχές και αστικά κέντρα, κάνοντας χρήση κλασικών χαρτών ηλεκτρικών εκκενώσεων και πινάκων. Στη συνέχεια, το δίκτυο ανίχνευσης κεραυνών ZEUS και λογισμικό που θα αναπτυχθεί θα χρησιμοποιηθούν από κοινού για τη δημιουργία ενός συστήματος βραχυπρόθεσμης άμεσης πρόγνωσης (nowcasting) των 32

33 περιοχών που ενδέχεται να πληγούν από κεραυνική δραστηριότητα κατά τα επόμενα 30 ως 60 λεπτά. Απώτερος στόχος είναι η δημιουργία, η στατιστική επαλήθευση και η παροχή ενός επιχειρησιακού εργαλείου πρόβλεψης το οποίο θα προβάλλει τη θέση και κίνηση των καταιγίδων καθώς και τη σχετιζόμενη κεραυνική δραστηριότητα. Στόχος είναι η μέθοδος να μπορεί να εφαρμοστεί όχι μόνο πάνω από τον Ελλαδικό χώρο αλλά και σε άλλες περιοχές. [17] 2.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΤΑΣΗ Ο σκοπός των μέσων προστασίας είναι να περιορίζουν την κυματική τάση που ενδεχομένως θα πλήξει το στοιχείο που προστατεύει και να κατευθύνει το κύμα στη γη χωρίς να επηρεάζεται από την τάση λειτουργίας του δικτύου ή οποιαδήποτε ανύψωση τάσης βασικής συχνότητας που προκαλείται από βραχυκυκλώματα. Τα συνήθη μέσα προστασίας που χρησιμοποιούνται διεθνώς είναι οι ακίδες, τα αλεξικέραυνα και ο αγωγός γης. Ακίδες: Οι ακίδες είναι απλές στην κατασκευή τους και φθηνές, έχουν όμως δύο σοβαρά μειονεκτήματα. Πρώτο, ότι μετά την υπερπήδησή τους από κρουστικό κύμα εξακολουθούν να υπερπηδούνται από την τάση βασικής συχνότητας, γι αυτό πρέπει να διακόπτεται η τροφοδότηση του δικτύου σε κάθε λειτουργία μίας ακίδας, για να σταματήσει η υπερπήδησή της και αυτό γίνεται με διακοπή-επαναφορά του προτεταγμένου διακόπτη αυτόματης επαναφοράς. Δεύτερο, ότι όταν τα κύματα έχουν μεγάλη κλίση μετώπου, η υπερπήδησή τους γίνεται σε πολύ υψηλές τάσεις και για να αποφευχθεί αυτό πρέπει να μειωθεί το διάκενό τους, πράγμα που με τη σειρά του προκαλεί ανεπιθύμητες διασπάσεις σε μικρότερα κύματα. Αλεξικέραυνα: Τα αλεξικέραυνα παρέχουν το μεγαλύτερο βαθμό προστασίας από κάθε άλλο μέσο. Η λειτουργία τους βασίζεται στην ειδική κατασκευή τους, που σε γενικές γραμμές περιλαμβάνει δύο στοιχεία, το στοιχείο κενού και το στοιχείο βαλβίδας. Το στοιχείο κενού αποτελείται από μία σειρά διακένων που διασπώνται στις υπερτάσεις, όχι όμως και στην τάση του δικτύου. Το στοιχείο της βαλβίδας αποτελείται από σειρά μη γραμμικών αντιστάσεων (πλάκες) από θυρίτη, που εμφανίζουν μικρή αντίσταση στις υπερτάσεις και μεγάλη στο ακόλουθο ρεύμα 50 Hz, δηλαδή ρεύμα 50 Hz που ακολουθεί μία διάσπαση του αλεξικέραυνου, το οποίο περιορίζουν και διευκολύνουν έτσι τη σβέση των τόξων στα διάκενα. Τα αλεξικέραυνα είναι εφοδιασμένα και με αποζευκτικές διατάξεις που συνδέονται στο κάτω άκρο τους, προ του αγωγού γειώσεώς τους. Σκοπός των αποζευκτικών είναι να διακόπτουν το προς τη γη ρεύμα 50 Hz που εμφανίζεται σε περίπτωση βλάβης του αλεξικέραυνου. Για το σκοπό αυτό η κατασκευή τους βασίζεται σε ένα τηκτό που τήκεται από ρεύμα 50 Hz σε σειρά με ένα πηνίο ή αντίσταση άνθρακα μη γραμμική, ώστε η αντίσταση του τηκτού στο κρουστικό ρεύμα να είναι μεγάλη. 33

34 Παράλληλα, στο σύνολο τηκτού-αντίστασης συνδέεται ένα διάκενο αέρος για την απαγωγή του κρουστικού ρεύματος προς τη γη. Ορισμένα αλεξικέραυνα έχουν στο κάτω μέρος μία μεμβράνη υπερπίεσης, που σε περίπτωση βλάβης του αλεξικέραυνου αποχωρίζεται μαζί με το αγωγό γειώσεως. Από τα προηγούμενα φαίνεται ότι η λειτουργία του αποζευκτικού προκαλεί την αποσύνδεση του αλεξικέραυνου κα είναι ένδειξη ότι το αλεξικέραυνο έχει πάθει βλάβη. Εικόνα 4 Παράδειγμα αλεξικέραυνου με μεταλλικά οξείδια [13] 34

35 Αγωγός γης: Ο αγωγός γης τοποθετείται πάνω από τις εγκαταστάσεις που πρόκειται να προστατεύσει, για να συγκεντρώνει και να απάγει προς τη γη τις ηλεκτρικές εκκενώσεις, δια μέσου των κατάλληλων γειώσεων του στις θέσεις στήριξής του. Προκειμένου, για γραμμές Μ.Τ., η γωνία προστασίας, δηλαδή η γωνία που σχηματίζει το επίπεδο που διέρχεται από τον αγωγό γης και την πιο ακραία φάση με το κατακόρυφο επίπεδο που διέρχεται από τον αγωγό γης πρέπει να είναι 40 περίπου. Η τάση διασπάσεως μεταξύ οποιουδήποτε σημείου του αγωγού γης ή του αγωγού γειώσεως και της πλησιέστερης φάσης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το δυναμικό που μπορεί να αναπτυχθεί σε κάθε σημείο του αγωγού γης από πτώση κεραυνού 10 ka. Γι αυτό αρκεί έλεγχος της τάσης διάσπασης στην κορυφή του στύλου και στο μέσο του ανοίγματος. [10] Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία πιο λεπτομερής αναφορά στα μέσα προστασίας και στη χρήση τους. 35

36 3. ΟΔΗΓΙΑ ΤΗΣ IEEE ΓΙΑ ΤΗ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι οδηγίες σχεδίασης περιέχουν πληροφορίες σχετικές με μεθόδους βελτίωσης της συμπεριφοράς των εναέριων γραμμών μεταφοράς σε περιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος. Θεωρούμε ότι δεν υπάρχει ιδανική γραμμή καθώς και ότι γίνεται μια σειρά από συμβάσεις στο σχεδιασμό των γραμμών. Κάποιες παράμετροι, όπως η τάση, η όδευση, ή η χωρητικότητα, είναι ίσως προδιαγεγραμμένες, ενώ άλλες, όπως το υλικό κατασκευής, η γεωμετρία, η προστασία (εάν υπάρχει), το επίπεδο μόνωσης, η γείωση και η τοποθέτηση αλεξικέραυνων, αφήνονται στην κρίση του σχεδιαστή. Οι οδηγίες θα βοηθήσουν το σχεδιαστή να βελτιστοποιήσει τη γραμμή σε ό,τι αφορά τεχνικο-οικονομικούς παράγοντες. 3.2 ΣΚΟΠΟΣ Οι οδηγίες θα προσδιορίσουν τους παράγοντες που συμβάλλουν στη δημιουργία σφαλμάτων στις εναέριες γραμμές από κεραυνικά σφάλματα και θα προτείνει βελτιώσεις για τις ήδη υπάρχουσες ή τις νέες κατασκευές. Οι οδηγίες περιορίζονται στην προστασία της μόνωσης των γραμμών μεταφοράς για συστήματα με τάση μικρότερη ή ίση των 69kV. Η προστασία του εξοπλισμού καλύπτεται στο IEEE Std C62.22 TM Ο κύριος σκοπός των οδηγιών αυτών είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνικά πλήγματα. 3.3 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Τα ακόλουθα αναφερόμενα έγγραφα είναι απαραίτητα για την εφαρμογή αυτών των οδηγιών. Όταν αυτά έχουν δεχθεί τροποποιήσεις ή αναθεωρήσεις, τότε θα ισχύουν τα τελευταία. IEEE Std C62.22 TM -2009, IEEE Guide for the Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Systems (ANSI) IEEE Std 1243 TM -1997, IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines. 36

37 3.4 ΟΡΙΣΜΟΙ Οι παρακάτω ορισμοί ισχύουν σε όλο το έγγραφο. 1. Ανάστροφο βραχυκύκλωμα κεραυνού (back flashover): Βραχυκύκλωμα στη μόνωση ενός μέρους δικτύου ή ηλεκτρικής εγκατάστασης που βρίσκεται κανονικά στο δυναμικό του εδάφους και προκαλείται από κεραυνικό πλήγμα 2. Βασικό επίπεδο μόνωσης από κεραυνικό πλήγμα (basic impulse insulation level, BIL): Η μέγιστη τιμή ενός κεραυνικού πλήγματος για την οποία η μόνωση επιδεικνύει 90% πιθανότητα αντοχής (ή 10% πιθανότητα κατάρρευσης), κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. 3. Πλήγμα από σύννεφο στο έδαφος (cloud-to-ground lightning flash): Εκφόρτιση στο έδαφος που περιλαμβάνει το πρώτο πλήγμα, το οποίο μπορεί να ακολουθηθεί και από άλλα πλήγματα καθώς και κρουστικά ή συνεχή ρεύματα. 4. Κρίσιμη κρουστική τάση κεραυνού (CFO) (μονωτές): Η μέγιστη τιμή ενός κρουστικού κύματος που, κάτω από ορισμένες συνθήκες, δημιουργεί βραχυκύκλωμα στο περιβάλλον μέσο στο 50% των περιπτώσεων. 5. Άμεσο πλήγμα (direct stroke): Κεραυνικό πλήγμα σε κάποιο μέρος ενός δικτύου ή ηλεκτρικής εγκατάστασης. 6. Γραμμή διανομής (distribution line): Γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος, οι οποίες διανέμουν την ισχύ από έναν υποσταθμό βάσης στους καταναλωτές, συνήθως σε τάση 34,5kV ή μικρότερη. 7. Βραχυκύκλωμα (flashover): Ανεπιθύμητη εκκένωση μέσω του αέρα τριγύρω ή πάνω από μια επιφάνεια ενός στερεού ή υγρού μονωτή, ανάμεσα σε μέρη διαφορετικού δυναμικού ή πολικότητας, που δημιουργείται από την εφαρμογή τάσης, όπου το μονοπάτι κατάρρευσης γίνεται αρκετά ιονισμένο ώστε να διατηρήσει ένα ηλεκτρικό τόξο. 8. Ηλεκτρόδιο γείωσης (ground electrode): Ένας αγωγός ή ομάδα αγωγών σε στενή επαφή με το έδαφος με σκοπό την παροχή σύνδεσης με το έδαφος. 9. Πυκνότητα κεραυνών (GFD) (Ng): Ο μέσος αριθμός των κεραυνικών πληγμάτων ανά μονάδα επιφάνειας, ανά μονάδα χρόνου σε μία συγκεκριμένη τοποθεσία. 10. Μονωτής επιτόνων (guy insulator): Ένα μονωτικό στοιχείο με επιμήκη μορφή και εγκάρσιες τρύπες ή σχισμές, με σκοπό τη μόνωση δύο μερών ενός επιτόνου ή την παροχή μόνωσης μεταξύ της κατασκευής και του στηρίγματος καθώς και την παροχή προστασίας σε περίπτωση κομμένων καλωδίων. 11. Επίτονο (guy wire): Ένα απομονωμένο καλώδιο που χρησιμοποιείται για στήριξη ημιελαστικής έντασης μεταξύ ενός πόλου ή κατασκευής και της ράβδου στήριξης, ή μεταξύ κατασκευών. 12. Επαγόμενη τάση (induced voltage): Η τάση που επάγεται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα γειτονικό πλήγμα. 13. Κεραυνικό πλήγμα (lightning flash): Η πλήρης εκφόρτιση ενός κεραυνού που συνήθως δημιουργείται από έναν ή περισσότερους αγωγούς ενός σύννεφου, ακολουθούμενη από ένα ή περισσότερα πλήγματα. 14. Πρώτο κεραυνικό πλήγμα (lightning first return stroke): Η πρώτη κεραυνική εκφόρτιση στο έδαφος όταν η αιχμή του μονοπατιού καθόδου συναντά το μονοπάτι ανόδου από το έδαφος. 15. Ακόλουθο κεραυνικό πλήγμα (lightning subsequent stroke): Μία κεραυνική εκφόρτιση που ακολουθεί την πορεία του πρώτου πλήγματος. 37

38 16. Σφάλμα από κεραυνικό πλήγμα (lightning outage): Διακοπή ρεύματος λόγω βραχυκυκλώματος από κεραυνικό πλήγμα, το οποίο προκαλεί βλάβη στο σύστημα και καθιστά απαραίτητη τη χρήση διακοπτών για την επιδιόρθωση της βλάβης. 17. Συμπεριφορά γραμμής σε κεραυνικά πλήγματα (line lightning performance): Η συμπεριφορά της γραμμής που εκφράζεται ως ο ετήσιος αριθμός βραχυκυκλωμάτων από κεραυνικό πλήγμα ανά χιλιόμετρο κυκλώματος ή χιλιόμετρο πύργων γραμμών. 18. Αλεξικέραυνο υπερτάσεων από μεταλλικά οξείδια (metal-oxide surge arrester) (MOSA): Ένας απαγωγέας υπερτάσεων που χρησιμοποιεί βαλβίδες από μεταλλικά οξείδια μη γραμμικής αντίστασης. 19. Έμμεσο πλήγμα (nearby stroke): Κεραυνικό πλήγμα το οποίο δεν καταλήγει σε κάποιο σημείο του δικτύου, αλλά επάγει σημαντική υπέρταση σε αυτό. 20. Εναέριος αγωγός προστασίας (overhead groundwire) (OHGW): Γειωμένος αγωγός ή αγωγοί τοποθετημένοι πάνω από τους αγωγούς φάσης με σκοπό τη διακοπή άμεσων πληγμάτων. Είναι γειωμένοι άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. 21. Γωνία προστασίας (shielding angle): Η γωνία μεταξύ της κατακόρυφης γραμμής μέσω του εναέριου αγωγού προστασίας και της γραμμής που ενώνει τον εναέριο αγωγό προστασίας με τον προστατευτικό αγωγό. 22. Αγωγός προστασίας (shield wire): Γειωμένοι αγωγοί τοποθετημένοι κοντά στους αγωγούς φάσης με σκοπό: α) Μείωση της πιθανότητας άμεσου πλήγματος στους αγωγούς φάσης, β) Μείωση επαγόμενων τάσεων από εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία, γ) Μείωση της κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW, δ) Αύξηση της αμοιβαίας κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW για την προστασία των αγωγών φάσης. Ένας γειωμένος ουδέτερος κάτω από τους αγωγούς φάσης λειτουργεί σαν αγωγός προστασίας, αλλά όχι σαν OHGW. 23. Προστατευτικό διάκενο (spark gap): Κάθε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμένοι, ή ηλεκτρικά συνδεδεμένοι από απόσταση. 24. Αλεξικέραυνο (surge arrester): Προστατευτική διάταξη που περιορίζει τις υπερτάσεις στον εξοπλισμό, παρεκκλίνοντας την πορεία του ρεύματος και διατηρώντας τη συσκευή στην αρχική της κατάσταση. 3.5 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ Οι κεραυνοί εμφανίζονται κατά τη διάρκεια καταιγίδων και άλλων καιρικών φαινομένων. Δημιουργούνται εντός του σύννεφου, από σύννεφο σε σύννεφο και από σύννεφο στο έδαφος. Συχνότερη είναι η εμφάνισή τους εντός ενός σύννεφου, αλλά αυτοί από τα σύννεφα στο έδαφος είναι αυτοί που επηρεάζουν τις εναέριες γραμμές μεταφοράς. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας προκαλούνται διακοπές ρεύματος από τον αέρα καθώς και από κεραυνούς. Πολλές φορές, διακοπές από άνεμο, δέντρα ή ελαττωματικό εξοπλίσμό, θεωρούνται ότι προκλήθηκαν από κεραυνό, κάνοντας έτσι τον αριθμό των διακοπών που σχετίζεται με κεραυνικό πλήγμα να φαίνεται μεγαλύτερος από τον πραγματικό. Η αξιοπιστία της γραμμής μεταφοράς εξαρτάται από την έκθεσή της στον κεραυνό. Για να ορίσει την έκθεση, ο σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει την πυκνότητα κεραυνών (GFD), που 38

39 μετριέται από το Ng (αριθμός κεραυνικών πληγμάτων στο έδαφος ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά έτος) και υπολογίζεται ώς εξής ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΕΣ ΘΕΩΡΗΣΕΙΣ Το ποσοστό των διακοπών που οφείλονται σε κεραυνικό πλήγμα διαφέρει αρκετά από χρόνο σε χρόνο (βλ. Darveniza [B37], MacGorman et al. [B69]). Ιστορικά, η τυπική απόκλιση των ετήσιων μετρήσεων της κεραυνικής δραστηριότητας κυμαίνεται από το 20% έως το 50% της μέσης τιμής. Για μικρές εκτάσεις π.χ. 10 km 2, η προσέγγιση της πυκνότητας κεραυνών έχει τυπική απόκλιση περίπου 30% με 50% από το μέσο. Μεγαλύτερες εκτάσεις π.χ. 500 km 2, έχουν μικρότερη τυπική απόκλιση (20%-50%). Σε περιοχές με χαμηλότρερη κεραυνική δραστηριότητα, η σχετική τυπική απόκλιση είναι μεγαλύτερη. Με τόσο μεγάλες τυπικές αποκλίσεις, χρειάζεται χρόνια για την ακριβή εκτίμηση της μέσης τιμής, ειδικά σε περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται δεδομένα από επίγειους σταθμούς ή από αρχεία βλαβών. Εκτιμήσεις του μέσου GFD μπορούν,επίσης, να εξαχθούν απευθείας από δεδομένα ενός δικτύου ανίχνευσης κεραυνών ή από μετρητές κεραυνών. Εάν τα χρόνια συλλογής των δεδομένων είναι αρκετά, έχουμε τη δυνατότητα αναγνώρισης της τοπικής μεταβλητότητας ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΑΠΟ ΑΡΧΕΙΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Η κεραυνική πυκνότητα Ng,για εύκρατες περιοχές, μπορεί να εκτιμηθεί από το κεραυνικό επίπεδο Td, χρησιμοποιώντας την Eξίσωση (1) από Anderson et al. [B6]: Ng = 0.04Td 1.25 (1) όπου Ng είναι η κεραυνική πυκνότητα σε κεραυνούς/km 2 /έτος Td είναι οι μέρες καταιγίδας/έτος Σημειώνεται ότι, επειδή για τροπικές περιοχές αυτή η έκφραση παρουσιάζει μεγάλα σφάλματα, προτείνονται εναλλακτικές της εξίσωσης (1), ανάλογα με την περιοχή (Torres et al. [B29]). Μία άλλη εκτίμηση του GFD μπορεί να γίνει αξιοποιώντας τα δεδομένα για ωριαίες καταιγίδες (MacGorman et al. [B69]), όπως φαίνεται στην εξίσωση (2): Ng = 0.054Th 1.1 (2) όπου Ng είναι η κεραυνική πυκνότητα σε κεραυνούς/km 2 /έτος Th είναι ο αριθμός των ωρών καταιγίδας/έτος 39

40 Λόγω της αβεβαιότητας για την επιλογή της κατάλληλης εξίσωσης και την κακή ποιότητα των στατιστικών παρατηρήσεων σε περιοχές με χαμηλή κεραυνική δραστηριότητα, δε θα έπρεπε να χρησιμοποιούνται κεραυνικά δεδομένα για την εκτίμηση της απόδοσης μιας γραμμής μεταφοράς. Ένας ακόμα τρόπος για τον υπολογισμό του GFD είναι με τη χρήση δορυφορικών αισθητήρων, οι οποίοι αντιλαμβάνονται όλα τα είδη των κεραυνών και καλύπτουν σχεδόν όλες τις περιοχές. Εάν υπάρχουν δεδομένα πολλών ετών, η μέθοδος αυτή έχει το πλεονέκτημα να αναγνωρίζει τις διαφοροποιήσεις τοπικά. Σε περιοχές που δεν υπάρχουν επίγειοι καταγραφείς κεραυνών, η προτεινόμενη εκτίμηση της κεραυνικής πυκνότητας είναι: Ng = Nt / 3 (3) όπου Ng είναι η κεραυνική πυκνότητα σε κεραυνούς/km 2 /έτος Nt είναι η ολική κεραυνική πυκνότητα/km 2 όπως φαίνεται στους παρακάτω χάρτες. Χάρτης 1 Συνολική κεραυνική δραστηριότητα Ασίας και Αυστραλίας, Christian et al. [B24] 40

41 Χάρτης 2 Συνολική κεραυνική δραστηριότητα Βόρειας και Νότιας Αμερικής, Christian et al. [B24] 41

42 Χάρτης 3 Συνολική κεραυνική δραστηριότητα Αφρικής και Ευρασίας, Christian et al. [B24] Μία πιο λεπτομερής απεικόνιση της κεραυνικής δραστηριότητας, μπορεί να βρεθεί σε χάρτες κεραυνικής πυκνότητας (GFD), οι οποίοι κατασκευάζονται από πληροφορίες που συλλέγονται από δίκτυα ανίχνευσης κεραυνών που λειτούργησαν στο παρελθόν. Ένας τέτοιος χάρτης είναι ο Χάρτης 4. 42

43 Χάρτης 4 GFD στις Η.Π.Α., Vaisala [B78] Οι χάρτες αυτοί παρέχουν δεδομένα με μεγαλύτερη ακρίβεια και περισσότερες λεπτομέρειες από αντίστοιχους χάρτες κατασκευασμένους από παρατήρηση κεραυνικής δραστηριότητας ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΗΣ Τα κεραυνικά πλήγματα μπορούν να θεωρηθούν πηγές συνεχούς ρεύματος. Απευθείας πλήγματα σε απροστάτευτους αγωγούς, προκαλούν υπερτάσεις με ίδιες κυματομορφές με αυτές του ρεύματος του πλήγματος. Στο Σχήμα 1, περιγράφεται η τυπική κυματομορφή του ρεύματος του κεραυνικού πλήγματος με τη χρήση των παραμέτρων που ακολουθούν. 43

44 Σχήμα 1 Παράμετροι της κυματομορφής του κεραυνικού ρεύματος (IEEE Std ) Σχήμα 2 Κυματομορφή του κεραυνικού ρεύματος (IEEE Std ) Με απλή κυκλωματική προσέγγιση, οι υπερτάσεις από έμμεσα πλήγματα μπορούν να συμπεριληφθούν στη συγκεκριμένη κατανομή. Αυτό σημαίνει ότι το μέγιστο πλάτος της υπέρτασης σχετίζεται με τη μέγιστη κλίση Sm και η διάρκεια της υπέρτασης με το χρόνο T10/90. 44

45 ΚΑΝΟΝΙΚΗ ΛΟΓΑΡΙΘΜΙΚΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ Η γενική εξίσωση για τη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας για οποιαδήποτε παράμετρο x, δίνεται από την εξίσωση (4) : f(x) = 1 β x 2π exp ( z2 2 ) (4) z = ln ( x M ) β όπου f(x) είναι η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας M είναι η μέση τιμή του x β είναι η κανονική λογαριθμική απόκλιση ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ Τα κεραυνικά πλήγματα αποτελούνται από ένα πρώτο πλήγμα, το οποίο ίσως ακολουθείται από ένα ή περισσότερα πλήγματα, που ακολουθούν την ίδια διαδρομή και καταλήγουν στο ίδιο σημείο της γραμμής. Τα αρχικά πλήγματα έχουν μεγαλύτερη μέγιστη τιμή ρεύματος, ενώ τα επακόλουθα πλήγματα έχουν πιο γρήγορο ρυθμό ανύψωσης, όπως φαίνεται και στον πίνακα 1. 45

46 Πίνακας 1 Προτεινόμενες τιμές για τις παραμέτρους του ρεύματος κεραυνού (CIGRÉ Working Group [B27]) Για να υπολογίσουμε με ευκολία την πιθανότητα το μέγιστο ρεύμα του κεραυνού I0 να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μία συγκεκριμένη τιμή i0, χρησιμοποιούμε την παρακάτω συνάρτηση (Anderson [B4]) : P(I 0 i 0 ) = 1 1+( i 0 31 )2.6 (5) όπου P(I0 i0) είναι η πιθανότητα το ρεύμα του πρώτου πλήγματος να έχει μέγιστη τιμή Ι0 που ξεπερνάει την τιμή i0 i0 είναι η αναμενόμενη τιμή του ρεύματος του πρώτου κεραυνικού πλήγματος (ka). 46

47 Η κατανομή των ρευμάτων των ακόλουθων πληγμάτων προσεγγίζεται από την (IEEE Std ) : P(I 0 i 0 ) = 1 1+( i 0 12 )2.7 (6) όπου P(I0 i0) είναι η πιθανότητα το ρεύμα του επακόλουθου πλήγματος να έχει μέγιστη τιμή Ι0 που ξεπερνάει την τιμή i0 i0 είναι η αναμενόμενη τιμή του ρεύματος του επακόλουθου κεραυνικού πλήγματος (ka) Γενικά, τα σφάλματα στην προστασία προκαλούνται από πλήγματα με μικρά ρεύματα και αντίστοιχα μικρή απόσταση πλήγματος (IEEE Std ). Η πιθανότητα το ρεύμα του πρώτου πλήγματος να είναι μικρότερο απο i0 είναι, σύμφωνα με την εξίσωση (5), (1 - P(I0 i0)). Αυτά τα πλήγματα πιθανότατα ακολουθούνται από άλλα με μεγαλύτερη τιμή ρεύματος (εξίσωση (6)). Αυτό σημαίνει ότι σχεδόν όλα τα σφάλματα έχουν ως αποτέλεσμα βραχυκυκλώματα στη μόνωση, ανεξαρτήτως της χαμηλής τιμής του ρεύματος ή της απόστασης του πλήγματος. 3.6 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Οι κεραυνοί ευθύνονται για αρκετές διακοπές στις γραμμές μεταφοράς. Τα βραχυκυκλώματα μπορεί να προκαλούνται από: 1. Απευθείας πλήγμα στη γραμμή 2. Επαγόμενες τάσεις από κοντινά πλήγματα ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΜΗ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΜΕΝΟΥΣ ΑΓΩΓΟΥΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΚΑΙ ΥΨΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Οι κεραυνοί έχουν μεγάλη σχέση με την αξιοπιστία της γραμμής, ειδικά στην περίπτωση που οι στύλοι είναι σε ψηλότερο σημείο από το περιβάλλον έδαφος. Το ποσοστό των κεραυνών Ν που πλήττουν μια ανοιχτή περιοχή, προσεγγίζεται από την Εξίσωση (7), Eriksson [B49]: N = N g ( 28 h0.6 + b ) (7) 10 όπου Ν είναι ο αριθμός των κεραυνών/100 km/έτος Νg είναι η πυκνότητα των πληγμάτων, κεραυνοί/km 2 /έτος h είναι το ύψος του ψηλότερου αγωγού του στύλου σε m 47

48 b το πλάτος της κατασκευής σε m Για τις περισσότερες γραμμές, ο παράγοντας b μπορεί να παραληφθεί συγκρινόμενος με το συνολικό πλάτος. Από την Εξίσωση (7), εάν το ύψος του στύλου αυξηθεί κατά 20%, η πιθανότητα βραχυκυκλώματος στη γραμμή μεταφοράς αυξάνεται κατά 12%. Ακόμα, χρησιμοποιώντας την ακτίνα έλξης της γραμμής ως γωνία προστασίας, η γωνία αυτή μεταβάλλεται από 77 έως ΠΑΡΕΜΠΟΔΙΣΗ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΠΑΡΑΠΛΗΣΙΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ Η έκθεση της γραμμής μεταφοράς σε κεραυνούς εξαρτάται από το πόσο προεξέχουν οι κατασκευές από τον περιβάλλοντα χώρο. Δέντρα και κτήρια παίζουν σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά της γραμμής, αφού μπορούν να αποκόψουν άμεσα πλήγματα που θα χτυπούσαν τη γραμμή. Η επιρροή αυτή εκφράζεται από το συντελεστή προστασίας Sf, ο οποίος ορίζεται ως το ανά μονάδα ποσοστό της γραμμής που προστατεύεται από παραπλήσια αντικείμενα. Τότε ο αριθμός των πληγμάτων στη γραμμή είναι: N s = N(1 S f ) (8) όπου Ns είναι ο αριθμός των πληγμάτων στην προστατευμένη γραμμή (κεραυνοί/100 km/ έτος) Ν είναι ο αριθμός των κεραυνών/100 km/ έτος Sf ο συντελεστής προστασίας, με τιμές από 0 έως 1 Συντελεστής προστασίας Sf=0, σημαίνει ότι η γραμμή μεταφοράς βρίσκεται σε ανοιχτό χώρο και δεν παρέχεται προστασία από παραπλήσια αντικείμενα. Συντελεστής προστασίας Sf=1, σημαίνει πως η γραμμή είναι απόλυτα προστατευμένη από απευθείας πλήγματα. Αυτό, όμως δε σημαίνει ότι είναι προστατευμένη από όλα τα κεραυνικά φαινόμενα. Στο Σχήμα 3 φαίνεται μια μέθοδος προσέγγισης του συντελεστή προστασίας για αντικείμενα διαφόρων υψών και για γραμμή μεταφοράς ύψους 10m. Θεωρούμε ότι τα αντικείμενα βρίσκονται από τη μία πλευρά της γραμμής και παράλληλα με αυτή. 48

49 Σχήμα 3 Συντελεστές προστασίας Sf εξαιτίας αντικειμένων διαφορετικού ύψους σε γραμμή μεταφοράς ύψους 10m Το Σχήμα 3, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για αντικείμενα και στις δύο πλευρές της γραμμής προσθέτοντας τους συντελεστές από τη δεξιά και την αριστερή πλευρά (εάν το άθροισμα είναι μεγαλύτερο από 1, τότε λέμε ότι ο συνολικός συντελεστής είναι ίσος με 1) ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΟΥΣ ΑΓΩΓΟΥΣ Το φαινόμενο Corona και το φαινόμενο κακής γείωσης παίζουν σχετικά μικρό ρόλο στη διαμόρφωση της τιμής της συνολικής αντίδρασης ενός αγωγού φάσης (αλλαγές μικρότερες από 30% της τιμής). Εάν η μόνωση της γραμμής μεταφοράς δεν είναι προστατευμένη με εναέριο αγωγό προστασίας ή αλεξικέραυνα, πάνω από 99% των απευθείας πληγμάτων θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα ανεξάρτητα από το επίπεδο μόνωσης, την απόσταση των αγωγών ή τη γείωση. Έτσι, για την εκτίμηση του αριθμού βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνού χρησιμοποιούμε την Εξίσωση (7) για γραμμή σε ανοιχτό χώρο και την Εξίσωση (8) για μερικώς προστατευμένη γραμμή. 49

50 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΑΓΩΓΟΥ ΦΑΣΗΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ, ΧΑΜΗΛΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Η συνολική αντίδραση ενός εναέριου καλωδίου, που τροφοδοτείται από το ένα άκρο, υπολογίζεται από τη σχέση: Ζ 0 = 60 ln ( όπου 2000 h ) (9) r Ζ0 είναι η συνολική αντίδραση (Ω) h είναι το ύψος του αγωγού από το έδαφος (m) r είναι η ακτίνα του αγωγού (mm) Η αντίδραση ενός αγωγού που τροφοδοτείται από το μέσο του είναι το μισό αυτής της τιμής, και το ρεύμα κεραυνού θα χωριστεί ισομερώς στα δύο ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ CORONA Χρησιμοποιώντας τις Εξισώσεις (5) και (9), παρατηρούμε ότι σε περίπτωση πλήγματος (για κάποιες τυπικές τιμές μέγιστου ρεύματος και αντίστασης), η μέγιστη τάση υπερβαίνει το 1MV για το 99% του χρόνου. Λόγω του φαινομένου Corona, αυξάνεται η θεωρητική ακτίνα του αγωγού, αυξάνοντας και τη χωρητικότητά του και μειώνοντας τη συνολική αντίδραση. Εάν η θεωρητική ακτίνα λόγω του φαινομένου Corona υπερκαλύψει παρακείμενους αγωγούς, αυτοί θα έχουν σχεδόν ίδια τάση με τον αγωγό που έχει χτυπηθεί. Εάν η θεωρητική ακτίνα του αγωγού υπερβεί την απόσταση από αγωγό σε αγωγό ή από αγωγό σε ουδέτερο, υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα για βραχυκύκλωμα στο μέσο των αγωγών της γραμμής ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΗ ΤΕΛΕΙΑΣ ΓΕΙΩΣΗΣ ΣΕ ΥΨΗΛΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ Η συνολική αντίδραση αγωγού πάνω από έδαφος πεπερασμένης αγωγιμότητας αυξάνεται όταν μειώνεται η αγωγιμότητα του εδάφους και η συχνότητα. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, το ύψος h στην Εξίσωση (9), θα έπρεπε να ήταν μιγαδικός αριθμός (βλ. Gary [B51] και Darveniza [B43]), βασισμένος τόσο στην αγωγιμότητα του εδάφους όσο και στη συχνότητα. Η επίδραση της πεπερασμένης αγωγιμότητας του εδάφους στη συνολική αντίδραση παριστάνεται με αποδεκτή ακρίβεια, αντικαθιστώντας το πραγματικό ύψος της γραμμής h στην Εξίσωση (9), με την πραγματική τιμή του υποθετικού ύψους (βλ. Darveniza [B43]) που δίνεται από τη σχέση: h eff = h σ (10) όπου heff είναι το υποθετικό ύψος που χρησιμοποιούμε για τον υπολογισμό της Ζ0 (m) 50

51 h είναι η απόσταση του αγωγού από το έδαφος (m) σ είναι η αγωγιμότητα ομογενούς εδάφους κάτω από τον αγωγό (ms/m) Για ρεαλιστικά αποτελέσματα, η αγωγιμότητα του εδάφους στη συχνότητα που μας ενδιαφέρει (124 khz για το πρώτο πλήγμα), θα έπρεπε να περιλαμβάνει τις μεταβολές που προκαλούνται από τη συχνότητα στην αγωγιμότητα αλλά και στην ηλεκτρική διαπερατότητα του εδάφους. Έτσι, η αγωγιμότητα στα 124 khz περιορίζεται σε ένα ελάχιστο σ 1 ms/m, ακόμα και σε πετρώδεις περιοχές με εξαιρετικά χαμηλή αγωγιμότητα ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΚΟΝΤΑ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ Εμπειρία και παρατηρήσεις μας δείχνουν ότι πολλές από τις βλάβες στις γραμμές χαμηλής μόνωσης συμβαίνουν λόγω κεραυνών που πλήττουν το έδαφος ή κτήρια κοντά στη γραμμή. Οι περισσότερες τάσεις εξ επαγωγής στις γραμμές μεταφοράς είναι μικρότερες από 300 kv. Τείνουν να έχουν παλμό μικρής διάρκειας σε σχέση με τα τυπικά πλήγματα και να είναι μονοπολικές, ειδικά για κεραυνούς δίπλα στη γραμμή. Για έδαφος με απώλειες, η κυματομορφή της επαγόμενης τάσης εξαρτάται από τη θέση κατά μήκος της γραμμής και η πολικότητα μπορεί να μεταβάλλεται από το ένα άκρο της γραμμής στο άλλο. Ο μηχανικός ΣΗΕ μπορεί να πραγματοποιήσει λεπτομερείς εκτιμήσεις των υπερτάσεων εξ επαγωγής. Ο ακριβής υπολογισμός των υπερτάσεων προϋποθέτει ύπαρξη επαρκών μοντέλων για την ηλεκτρομαγνητική σύζευξη του ηλεκτρομαγνητικού παλμού κεραυνού (LEMP) που αστράφτει χωρίς να τερματίζει απ ευθείας σε αγωγό γραμμής τοποθετημένης σε έδαφος με απώλειες. Μία απ τις απλούστερες αναλυτικές σχέσεις για τον υπολογισμό του πλάτους των επαγόμενων υπερτάσεων εισάχθηκε από τον Rusck [B100]. Αυτή η ανάλυση είναι περιορισμένη για απείρου μήκους εναέρια γραμμή με ένα αγωγό, τοποθετημένη σε ιδανικό έδαφος, διεγειρόμενη από LEMP που παράγεται από κεραυνό με βηματικό ρεύμα και διάδοση κατά μήκος καναλιού που αναπαρίσταται με μοντέλο γραμμικής μετάδοσης χαμηλής ταχύτητας σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός. Η απλοποιημένη σχέση του Rusck μας δίνει ένα ρυθμιστικό όριο, αλλά πολλές φορές καταλήγει σε παραπλανητικά αποτελέσματα. Υπολογίζει ότι η μέγιστη υπέρταση είναι: U m = 30 (1 + v c 2 ( v c )2) (h I p ) d (11) όπου Um είναι η μέγιστη υπέρταση στο κοντινότερο σημείο που έγινε το πλήγμα (kv) v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κεραυνικού πλήγματος (m/s), συνήθως c/3 c είναι η ταχύτητα του φωτός, 3x10 8 m/s Ip είναι το μέγιστο ρεύμα του πλήγματος (ka) h είναι η απόσταση του αγωγού από το έδαφος (m) 51

52 d είναι η απόσταση από τη γραμμή έως το κάθετο σημείο τερματισμού του πλήγματος (m) Ένας περιορισμός στην εξίσωση Rusck, σχετικός με τη μη τέλεια γείωση, μπορεί να αποφευχθεί αυξάνοντας τεχνητά το ύψος των αγωγών χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (10). Οι κεραυνοί συλλέγονται από ψηλά αντικείμενα και το ύψος και η απόσταση των δέντρων, των κτηρίων, φωτιστικών στύλων και άλλων κατασκευών από τη γραμμή μεταφοράς επηρεάζουν την συμπεριφορά της. Για ψηλά κτήρια, η Εξίσωση (11), δεν δίνει σωστό αποτέλεσμα καθώς ισχύει ότι v = c και το μοντέλο του Rusck δε θα πρέπει να χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς αυτούς. Οι Baba και Rakov [B8] εφαρμόζουν αριθμητικές μεθόδους για αυτό το πρόβλημα και καταλήγουν στο ότι πλήγματα σε ψηλά αντικείμενα (όπως ανεμογεννήτριες), σε απόσταση μικρότερη από 100 m από τη γραμμή μεταφοράς, μπορεί να επάγουν 50% έως 80% υψηλότερες υπερτάσεις από πλήγματα στο έδαφος στο σημείο της γραμμής. Πιο λεπτομερή μοντέλα (βλ. Nucci et al. [B79], [B80], [B81], [B82]), επιτρέπουν μια πιο ακριβή μελέτη των ρεαλιστικών παραμέτρων των γραμμών. Επιπλέον, η ύπαρξη των μετασχηματιστών μεταφοράς με συσκευές προστασίας, καθώς και η ύπαρξη αλεξικέραυνων, γειώσεων ουδετέρου και εναέριων αγωγών προστασίας κατά μήκος της γραμμής, θα πρέπει να συνυπολογίζονται έτσι ώστε να προβλεφθεί η ολική απόκριση της γραμμής στο φωτισμό των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων από παραπλήσιο πλήγμα. Οι υπολογισμοί για την τάση εξ επαγωγής πρέπει να γίνονται ως εξής: - Επιλέγουμε ένα υποψήφιο σημείο πλήγματος και τα μέγιστα μέτρα των μεγεθών πρώτου και επακόλουθου πλήγματος - Εκτιμάται το ρεύμα κεραυνού στο σημείο που γίνεται η επαφή με τη γη - Επιλέγεται ένα μοντέλο κεραυνικού πλήγματος, το οποίο περιγράφει τη χώρο-χρονική κατανομή του ρεύματος κατά μήκος του καναλιού. Φυσιολογικά, το εκπεμπόμενο πεδίο από αυτό το ρεύμα υπερτερεί των ηλεκτροστατικών ή επαγόμενων πεδίων για μικρούς χρόνους κατά τον υπολογισμό των επαγόμενων υπερτάσεων (βλ. Uman et al. [B111] ) - Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που σχετίζεται με το ρεύμα υπολογίζεται παντού στη γραμμή, λαμβάνοντας υπ όψη, όπου χρειάζεται την επίδραση της αγωγιμότητας του εδάφους (βλ. Cooray [B34] και Rubinstein [B99]. - Το υπολογισμένο, πλέον, ηλεκτρομαγνητικό πεδίο χρησιμοποιείται για να υπολογίσουμε τις υπερτάσεις μέσω ενός μοντέλου σύζευξης πεδίου και γραμμής μεταφοράς, βασισμένο στα δεδομένα μας (βλ. Agrawal et al. [B1]) - Η απόκριση των τμημάτων του ΣΗΕ στις επαγόμενες υπερτάσεις υπολογίζεται χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα τύπου EMTP (Electro-Magnetic Transient Program), το οποίο δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού της απόκρισης της γραμμής σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία εξωτερικής διέγερσης - Ο υπολογισμός επαναλαμβάνεται αρκετές φορές, για διαφορετικά σημεία πλήγματος και μέγιστα μέτρα έτσι ώστε να εξομοιωθούν αρκετά χρόνια λειτουργίας - Τα αποτελέσματα κανονικοποιούνται με βάση το τοπικό GFD. Όπως και για πολλές άλλες εφαρμογές, τα μοντέλα αυτά χρειάζονται εκτέλεση σε κώδικες προγραμματισμού, αφού, εν γένει απαιτούν αριθμητική ολοκλήρωση των σχετικών εξισώσεων. 52

53 Όλα τα περιγραφικά μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξαχθούν οι καμπύλες κεραυνικής απόδοσης, οι οποίες δείχνουν τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων/100km/έτος ως προς την τάση CFO της γραμμής. Σε αυτό το κεφάλαιο, γίνεται λόγος για τα αποτελέσματα που αποκτήθηκαν χρησιμοποιώντας την γενική προσέγγιση που περιγράφεται πιο πάνω. Ο υπολογισμός LEMP χρησιμοποιεί το απλό και σχετικά ακριβές Transmission Line return-stroke μοντέλο του Uman et al. [B111]. Η σύζευξη μεταξύ LEMP και αγωγούς γραμμής υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το μοντέλο Agrawal et al. [B1]. Το Σχήμα 4 παρουσιάζει τη συχνότητα βραχυκυκλώματος ως συνάρτηση της τάσης CFO, μιας εναέριας, απείρου μήκους γραμμής με ένα αγωγό, ύψους 10m και τοποθετημένη πάνω από αγώγιμο έδαφος. Οι τιμές είναι κανονικοποιημένες για GFD με Ng=1 κεραυνός/km 2 /έτος και μεταβάλλεται γραμμικά ανάλογα με το GFD. Σχήμα 4 Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από τάση εξ επαγωγής ως προς το επίπεδο μόνωσης της γραμμής μεταφοράς, Borghetti et al. [B22] Σημείωση Στο Σχήμα 4, το ιδανικό έδαφος (ideal ground) έχει άπειρη αγωγιμότητα αγωγιμότητα 10mS/m ισούται με αντίσταση 100Ωm αγωγιμότητα 1mS/m ισούται με 1000 Ωm. Η μέθοδος Monte Carlo που χρησιμοποιείται για την απόκτηση των αποτελεσμάτων του Σχήματος 4 περιγράφεται στο Παράρτημα Β. Η παράμετρος στο Σχήμα 4 παρουσιάζει τρεις τιμές της αγωγιμότητας του εδάφους σ. Όταν κάνουμε εκτίμηση επαγόμενων τάσεων από κεραυνούς (βλ. Rachidi et al. [B91] και CIGRÉ C4.401 [B30] ) η πεπερασμένη τιμή της αγωγιμότητας του εδάφους, απ τη μία αυξάνει τις απώλειες διάδοσης στη γραμμή, απ την 53

54 άλλη έχει επίσης επιρροή στη διάδοση του LEMP. Ενώ το πρώτο φαινόμενο τείνει να μειώσει τη διάδοση του κύματος κατά μήκος της γραμμής, το δεύτερο τείνει να αυξήσει το πλάτος των επαγόμενων τάσεων. Αυτό το δεύτερο φαινόμενο είναι αυτό που αυξάνει τις τάσεις ακόμα περισσότερο από αυτές που προκύπτουν σε περίπτωση ιδανικού εδάφους (βλ. Ishii et al. [B65], Rachidi et al. [B91] και CIGRÉ C4.401 [B30] ). Ως σημείο αναφοράς, μια γραμμή μεταφοράς 10 μέτρων σε ανοιχτό χώρο με GFD=1 κεραυνός/km 2 /έτος έχει περίπου 11 απευθείας πλήγματα/100km/έτος, χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (7), που το καθένα έχει ως αποτέλεσμα κάποιο βραχυκύκλωμα. Σε ανοιχτό χώρο, οι επαγόμενες τάσεις είναι πρόβλημα για γραμμές που χαρακτηρίζονται από χαμηλά επίπεδα μόνωσης ή είναι τοποθετημένες πάνω από έδαφος χαμηλής αγωγιμότητας. Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχήμα 4 είναι για γραμμή μεταφοράς σε ανοιχτό χώρο, δηλαδή χωρίς παραπλήσια δέντρα ή κτήρια. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων εξαρτάται επίσης από την παρουσία αντικειμένων τα οποία προφυλάσσουν τη γραμμή από απευθείας πλήγματα. Αυτό μπορεί να αυξήσει τα βραχυκυκλώματα από τάση εξ επαγωγής, καθώς υπάρχουν περισσότερα κοντινά στη γραμμή πλήγματα. Γι αυτό το λόγο, σε προφυλαγμένες περιοχές, τα βραχυκυκλώματα αυτά είναι πιο ανησυχητικά. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικές με τα αποτελέσματα του Σχήματος 4, υπάρχουν στο Παράρτημα Β. Μία γείωση ουδετέρου ή ένας εναέριος αγωγός προστασίας θα μειώσει την τάση κατά μήκος της μόνωσης κατά ένα παράγοντα που εξαρτάται από το χώρο μεταξύ γειτονικών γειώσεων, από την αντίσταση γείωσης και από την απόσταση του αγωγού γείωσης από τους αγωγούς φάσης. Γι αυτή την ανάλυση, έχει χρησιμοποιηθεί ένας συντελεστής προστασίας από μία σχέση του Rusck [B100], υποθέτοντας πως η γείωση ουδετέρου ή ο αγωγός προστασίας είναι μη-φωτισμένος αγωγός και με συνεχείς συνδέσεις γείωσης. Ο συντελεστής αυτός παίρνει τιμές συνήθως μεταξύ 0.6 και 0.9. Η χρήση τέτοιων συντελεστών προστασίας δίνει αρκετά ακριβή αποτελέσματα μόνο για μικρές αποστάσεις μεταξύ γειτονικών γειώσεων, π.χ. 30m και για ιδανική αγωγιμότητα εδάφους. Για υπολογισμούς μεγαλύτερης ακρίβειας, η επιρροή ενός αγωγού γείωσης θα έπρεπε να ληφθεί υπ όψη ως αγωγός πολύκλωνης γραμμής, όπως στο Rachidi et al. [B91], και να υπολογιστεί η πραγματική απόσταση μεταξύ γειτονικών γειώσεων, όπως στο Paolone et al. [B84]. Η παράμετρος που έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στην ικανότητα προστασίας είναι η απόσταση μεταξύ γειτονικών τερματικών γειώσεων, ενώ μικρότερης σημασίας είναι η τιμή της αντίστασης που επιτυγχάνεται σε κάθε στύλο, επειδή οι αντιστάσεις στύλων είναι συνήθως πολύ μικρότερες από τη συνολική αντίδραση της γείωσης ουδετέρου ή του εναέριου αγωγού προστασίας. Τα γειωμένα κυκλώματα, π.χ. κυκλώματα με γείωση ουδετέρου ή εναέριο αγωγό προστασίας, αναμένεται να έχουν λιγότερα βραχυκυκλώματα για συγκεκριμένη CFO γιατί ο αγωγός γείωσης μειώνει την τάση κατά μήκος της γραμμής μέσω του φαινομένου ηλεκτρομαγνητικής προστασίας. Παρ όλα αυτά, η ύπαρξη του αγωγού γείωσης έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν δύο πιθανές διαδρομές βραχυκυκλώματος: 1. Διαδρομή από αγωγό φάσης στη γη 2. Διαδρομή από αγωγό φάσης στον αγωγό γείωσης 54

55 Η δεύτερη διαδρομή χαρακτηρίζεται από χαμηλότερη τιμή CFO, το οποίο σημαίνει πως, τελικά, η γραμμή θα έχει συνολικά μειωμένο CFO. Αυτό μπορεί να επαληθευθεί από υπάρχοντα υπολογιστικά εργαλεία (βλ. Yokohama [B114] και Borghetti et al. [B22]). Η εγγύτητα των αλεξικέραυνων μπορεί να μετριάσει τις επιδράσεις των επαγόμενων τάσεων. Τα αποτελέσματα των Borghetti et al. [B22] και Paolone et al. [B84] δείχνουν ότι μπορεί να υπάρξει μία σημαντική βελτίωση στη συμπεριφορά της γραμμής, μειώνοντας την απόσταση μεταξύ των αλεξικέραυνων σε μικρότερη από μερικές εκατοντάδες μέτρα. Όπως και πριν, για ακριβέστερη εκτίμηση της ανάγκης να προστατεύσουμε κάθε φάση με αλεξικέραυνο και την ιδανική τοποθέτηση αυτών, χρειάζεται χρήση κατάλληλων λογισμικών, καθώς και γνώση των μη-γραμμικών χαρακτηριστικών των συσκευών προστασίας. Μία ξεκάθαρη εκτίμηση της έμμεσης συμπεριφοράς της γραμμής θα πρέπει να λάβει υπ όψη της την πραγματική τοπολογία και γεωμετρία των δικτύων μεταφοράς, τα οποία, εν γένει, αποτελούνται από μικρές γραμμές που τερματίζουν σε μέρη του ΣΗΕ (π.χ. φορτία και μετασχηματιστές) που προστατεύονται από αλεξικέραυνα. Γι αυτό το λόγο υπάρχουν επαρκή υπολογιστικά εργαλεία τύπου EMTP, βλ. Nucci and Rachidi [B83]. Όπως με την οδηγία IEEE Std και το μεγαλύτερο μέρος της δημοσιευμένης βιβλιογραφίας, τα αποτελέσματα εκφράζονται σε βραχυκυκλώματα/100km/έτος. Αυτή η μονάδα μέτρησης έχει νόημα για συστήματα μεταφοράς που χαρακτηρίζονται από μεγάλα τμήματα γραμμής με ομοιογενή κατασκευή. Προτείνεται τα αποτελέσματα της μελέτης της κεραυνικής συμπεριφοράς της γραμμής μεταφοράς να παρουσιάζονται κάνοντας αναφορά στο συγκεκριμένο σύστημα, δηλαδή στην τοπολογία του και στη σύνθεσή του, και απλά αναφέροντας τα αποτελέσματα σε αριθμό βραχυκυκλωμάτων ανά έτος ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Ο οδηγός αυτός θα προσπαθήσει να βοηθήσει το μηχανικό σχεδιασμού του ΣΗΕ να βελτιστοποιήσει τις δυνατότητες μόνωσης των εναέριων γραμμών μεταφοράς. Οι περισσότερες εναέριες κατασκευές χρησιμοποιούν πάνω από ένα τύπο μονωτικού υλικού για αντικεραυνική προστασία. Τα πιο συνηθισμένα μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή εναέριων γραμμών μεταφοράς είναι η πορσελάνη, ο αέρας, το ξύλο, τα πολυμερή και ο πολυεστέρας. Όταν τα υλικά χρησιμοποιούνται σε σειρά, η συνολική μόνωση δεν είναι το άθροισμα των επιμέρους μονώσεων, αλλά λίγο μικρότερη. Οι ακόλουθοι παράγοντες επηρεάζουν το μέγεθος του βραχυκυκλώματος και καθιστούν δύσκολο τον προσδιορισμό του επιπέδου μόνωσης: a. Ατμοσφαιρικές συνθήκες όπως πυκνότητα του αέρα, υγρασία, βροχόπτωση και ατμοσφαιρική ρύπανση b. Η πολικότητα και ο ρυθμός αύξησης της τάσης c. Φυσικοί παράγοντες όπως το σχήμα του μονωτήρα, το σχήμα των μεταλλικών εξαρτημάτων και η διάταξη του μονωτήρα. 55

56 Η επίδραση του ξύλου στην αντοχή της διαδρομής εκφόρτισης μπορεί να διαφοροποιείται αρκετά. Η βελτίωση εξαρτάται κυρίως από το ποσοστό υγρασίας αλλά και από τις διαστάσεις του ξύλου. Ακόμα και αν ο μηχανικός σχεδίασης είναι εξοικειωμένος με το βασικό κρουστικό επίπεδο μόνωσης (BIL) ενός συγκεκριμένου συνδυασμού μονωτικών υλικών, τα αποτελέσματα του οδηγού αυτού δίνονται στη μορφή της τάσης CFO αυτών των συνδυασμών. Ως τάση CFO ορίζουμε ένα επίπεδο τάσης στο οποίο υπάρχει 50% πιθανότητα κατάρρευσης της μόνωσης και 50% πιθανότητα αντοχής. Η τιμή αυτή καθορίζεται με εργαστηριακές δοκιμές, και τείνει να ακολουθεί μια στενή κανονική κατανομή, σε σχέση με τις πλατιές λογαριθμικές-κανονικές κατανομές ανοχής που φαίνονται στον Πίνακα 1. Αν θεωρήσουμε ότι η ισχύς του βραχυκυκλώματος ακολουθεί επίσης την κανονική κατανομή, τότε κάθε πιθανότητα αντοχής του υλικού μπορεί να υπολογιστεί στατιστικά από την απόκλιση των κατανομών. Καθώς τα εργαστηριακά δεδομένα άρχισαν να γίνονται διαθέσιμα, μελετήθηκαν και αρκετές μέθοδοι σε μία προσπάθεια να αναπτυχθεί μια διαδικασία, έτσι ώστε να γίνει δυνατός ο υπολογισμός της αναμενόμενης τάσης CFO για συγκεκριμένο συνδυασμό υλικών ΤΑΣΗ CFO ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Από τα πρώτα χρόνια, οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί κατασκεύαζαν γραμμές μεταφοράς χρησιμοποιώντας ξύλινους βραχίονες και στύλους, σε σειρά με βασικούς μονωτήρες έτσι ώστε να αυξήσουν την αντοχή της μόνωσης της γραμμής. Στις αρχές της δεκαετίας του 30, υπήρχαν αρκετές εργασίες που παρουσίαζαν τα αποτελέσματα από το συνδυασμό μονωτήρων και ξύλου. Έτσι προέκυψε η απορία, πόσο μπορεί να ενισχύσει τη βασική πορσελάνινη μόνωση το ξύλο. Μία μερική απάντηση ήρθε από εργαστηριακές έρευνες και τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν κατά τις δεκαετίες του 40 και του 50, βλ. Clayton and Shankle [B31]. Μία γενική σύνοψη όλων των προηγούμενων μελετών για την τάση CFO παρουσιάστηκε το 1950 στο AIEEE Committee Report [B2] και μια εκτεταμένη αναφορά [Β3] το Πιο πρόσφατα, η έρευνα συνεχίστηκε πάνω σε πολύ-διηλεκτρικούς συνδυασμούς που χρησιμοποιούνται στα ΣΗΕ. Αυτές οι έρευνες αφορούσαν γραμμές μεταφοράς και την αντοχή του ξύλου σε κρουστικές τάσεις κεραυνού, εναλλασσόμενες και ταχέως μετώπου, βλ. Darveniza et al.[b36], Guerrieri et al. [B56], Jakob et al. [B66] και [B67], Pigini et al. [B89], Ross and Grzybowski [B97], Shwehdi [B106], Shwendi and El-Kieb [B107]. Στις αρχές του 70, εισάχθηκαν στις γραμμές μονωτήρες από πολυμερή και βραχίονες από πολυεστέρα, βλ. Cherney et al. [B25], Elrod and Menzel [B47], Grzybowski and Jakob [B57], Shwehdi [B106] και Shwendi and El-Kieb [B107]. Από την πλευρά της κεραυνικής συμπεριφοράς, οι μονωτήρες από πολυμερή τείνουν να δίνουν την ίδια ανοχή σε κρουστικό βραχυκύκλωμα όπως και οι κεραμικοί μονωτήρες ίδιων διαστάσεων. 56

57 3.6.5 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΑΣΗΣ CFO ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΜΟΝΩΣΗ Μελέτες έχουν δείξει ότι 1m ξύλου ή πολυεστέρα προσθέτει περίπου 330 kv μέχρι 500 kv στην αντοχή της συνολικής μόνωσης, βλ. Grzybowski et al. [B57], [B58] και [Β59]. Για μεγαλύτερα μήκη, η αντοχή της μόνωσης του ξύλινου ή πολυεστερικού βραχίονα σε συνδυασμό με μονωτήρα υπολογίζεται κυρίως λαμβάνοντας υπ όψη μόνο το βραχίονα. Η ονομαστική μόνωση AC τάσης λαμβάνεται μόνο από το μονωτήρα και ο ξύλινος ή πολυεστερικός βραχίονας χρησιμεύει ως επιπλέον μόνωση για κεραυνική υπέρταση. Όταν η διαδρομή του κεραυνού προς τη γη δεν περιλαμβάνει ξύλινο ή πολυεστερικό βραχίονα αλλά περιλαμβάνει δύο ή περισσότερους μονωτήρες διαφορετικού τύπου σε σειρά, η τάση CFO του συνδυασμού δεν ισούται με την απλή πρόσθεση των επί μέρους τιμών. Οι τάσεις αυτές των συνδυασμένων μονωτήρων ελέγχονται από κάποιους παράγοντες, καθένας εκ των οποίων χρειάζεται ξεχωριστή ανάλυση. Σήμερα, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί συνδυασμοί και σχηματισμοί σε χρήση. Η εκτεταμένη μέθοδος πρόσθεσης CFO χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τη συνολική τάση CFO μιας κατασκευής της γραμμής μεταφοράς μέσω: a. Εκτίμησης της συνεισφοράς κάθε μονωτικού υλικού στη συνολική μόνωση b. Προσέγγισης της συνολικής CFO γνωρίζοντας τις επί μέρους CFO Αυτό συνήθως γίνεται είτε με πίνακες ή με καμπύλες που δείχνουν τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα, και χρησιμοποιούν τα δεδομένα αυτά για να συσχετίσουν την επίδραση των που έχει το ένα υλικό στο άλλο. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στα χαρακτηριστικά της βασικής μόνωσης και σε επιπρόσθετα σύνθετα δεδομένα που λαμβάνονται κατά την προσθήκη κάποιου συγκεκριμένου στοιχείου. Σε εγκαταστάσεις που εμπλέκονται δύο στοιχεία, η τάση CFO του συνδυασμού είναι πολύ μικρότερη από το άθροισμα των επί μέρους τάσεων. Ο μονωτήρας θεωρείται κύρια μόνωση. Η τελική CFO είναι: CFO T = CFO ins + CFO add.sec + CFO add.third + + CFO add.nth (12) όπου CFOT είναι η τάση CFO όλων των ειδών μόνωσης CFOins είναι η τάση CFO της κύριας μόνωσης CFOadd.sec είναι η τάση CFO που προστίθεται από το δεύτερο στοιχείο CFOadd.third είναι η τάση CFO που προστίθεται από το τρίτο στοιχείο CFOadd.nth είναι η τάση CFO που προστίθεται από το νιοστό στοιχείο 57

58 Πίνακας 2 Τάση CFO κύριων και επιπρόσθετων στοιχείων Οι τιμές που φαίνονται στον Πίνακα 2 αναφέρονται σε συνθήκες υγρασίας, οι οποίες συνιστώνται για την εκτίμηση του CFO. Για τιμές σε συνθήκες ξηρασίας μπορούμε να διαιρέσουμε τις τιμές αυτές με 0.8±0.1. Για στοιχεία που δεν υπάρχουν στον Πίνακα 2, η συνολική CFO εκτιμάται κάνοντας μειώσεις για τα υπόλοιπα στοιχεία, π.χ. : CFO add.sec = 0.45 CFO ins CFO add.third = 0.2 CFO ins (13) όπου CFOadd.sec είναι η τάση CFO που προστίθεται από το δεύτερο στοιχείο CFOadd.third είναι η τάση CFO που προστίθεται από το τρίτο στοιχείο 58

59 CFOins είναι η τάση CFO της κύριας μόνωσης Η χρήση της εκτεταμένης μεθόδου πρόσθεσης CFO και οι πίνακες που δίνονται, μπορούν να δώσουν λύσεις με σφάλμα ±20%. Μεταβολές στην υγρασία του στύλου λόγω της έκθεσής του και η χημική επεξεργασία σε μικρότερο βαθμό, επηρεάζουν την αντίσταση του στύλου καθώς και τη μόνωση του στύλου και του βραχίονα. Πιο ακριβείς εκτιμήσεις μπορούν να γίνουν με τις ακόλουθες μεθόδους: a. Εργαστηριακές κρουστικές δοκιμές της κατασκευής υπό συνθήκες υγρασίας. b. Κρουστικές δοκιμές σε ξηρές συνθήκες και πολλαπλασιασμός της τιμής με 0.8 c. Χρήση πιο συγκεκριμένων τάσεων CFO που δίνονται στα Jakob et al. [B66] και [B67], ή Shwehdi [B106] d. Αναφορά σε άλλα εργαστηριακά αποτελέσματα κατασκευών, όπως στα Armstrong et al. [B7], ή Darveniza et al. [B37] και [B38] ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΘΕΩΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ CFO ΣΕ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ Ο εξοπλισμός και τα υλικά υποστήριξης της γραμμής μπορούν να μειώσουν την τάση CFO κάτω από το συνιστώμενο όριο των 300 kv, έτσι ώστε να μετριαστούν τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενες υπερτάσεις. Η μείωση της CFO σε ευάλωτες κατασκευές μπορεί να αυξήσει κατά πολύ τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε κάποιες περιπτώσεις ΕΠΙΤΟΝΑ Τα επίτονα είναι σημαντικός παράγοντας μείωσης της CFO μιας κατασκευής. Για μηχανικούς λόγους, τα επίτονα συνήθως συνδέονται ψηλά στο στύλο, πλησίον των κύριων μονωτικών στοιχείων. Επειδή τα επίτονα παρέχουν μια ηλεκτρική διαδρομή προς τη γη, η παρουσία τους συνήθως μειώνει την CFO της κατασκευής. Τα μικρά πορσελάνινα επίτονα μόνωσης που χρησιμοποιούνται, παρέχουν πολύ μικρή επιπλέον μόνωση (μείωση μικρότερη από 30 kv στη CFO). Ένας μονωτήρας από πολυεστέρα σε σειρά με ένα επίτονο παρέχουν μεγάλη ενίσχυση στη μόνωση (π.χ. μονωτήρας 50cm έχει τάση CFO περίπου 250 kv) ΜΑΧΑΙΡΩΤΕΣ ΑΣΦΑΛΕΙΕΣ Η βάση των ασφαλειών είναι ένα κύριο παράδειγμα απροστάτευτου εξοπλισμού που μπορεί να μειώσει την τάση CFO του στύλου. Για συστήματα της τάξης των 15 kv, οι μαχαιρωτές ασφάλειες έχουν BIL 95 kv. Ανάλογα με το πώς είναι εγκατεστημένες οι ασφάλειες, μπορεί να μειώσουν την CFO ακόμα και κατά 95 KV. Σε ξύλινους στύλους, το πρόβλημα των ασφαλειών μπορεί συνήθως να βελτιωθεί, απομακρύνοντας το βραχίονα σύνδεσης από γειωμένους αγωγούς. Αυτό το πρόβλημα υπάρχει και με διακόπτες και γενικά με απροστάτευτο από αλεξικέραυνα εξοπλισμό. 59

60 ΥΨΟΣ ΟΥΔΕΤΕΡΟΥ ΑΓΩΓΟΥ Σε κάθε γραμμή, το ύψος του ουδέτερου μπορεί να διαφέρει, ανάλογα με τον εξοπλισμό που είναι συνδεδεμένος. Στους ξύλινους στύλους, όσο πιο κοντά βρίσκεται ο ουδέτερος στους αγωγούς φάσης, τόσο χαμηλότερη είναι η CFO ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΓΩΓΙΜΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Η χρήση τσιμέντου και ατσαλιού στις κατασκευές εναέριων γραμμών μεταφοράς μειώνει κατά πολύ την τάση CFO σε σύγκριση με κατασκευές από ξύλο ή πολυεστέρα. Στους ξύλινους στύλους χρησιμοποιούνται επίσης μεταλλικοί βραχίονες και μεταλλικά εξαρτήματα. Εάν ο εξοπλισμός αυτός είναι γειωμένος, η συμπεριφορά του μπορεί να είναι παρόμοια με κατασκευή εξ ολοκλήρου από μέταλλο. Σε τέτοιες κατασκευές, η συνολική CFO παρέχεται μόνο από το μονωτήρα και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μονωτήρες με μεγαλύτερη CFO, για να ισοσταθμιστούν οι απώλειες της ξύλινης μόνωσης. Προφανώς, πρέπει να γίνονται παραχωρήσεις μεταξύ της συμπεριφοράς της γραμμής και άλλων παραγόντων, όπως η μηχανική σχεδίαση και τα οικονομικά. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι αυτές οι παραχωρήσεις υπάρχουν. Ο σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει τις αρνητικές συνέπειες του μεταλλικού υλικού και να προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει τις συνέπειες αυτές ΔΙΑΚΕΝΑ ΣΠΙΝΘΗΡΑ ΚΑΙ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ Για την ελαχιστοποίηση του κινδύνου βλάβης από κεραυνό σε ξύλινους στύλους ή βραχίονες, πραγματοποιείται κάποιες φορές συγκόλληση μονωτήρων. Επίσης χρησιμοποιούνται διάκενα σπινθήρα για την προστασία του ξύλινου εξοπλισμού. Η χρήση των διάκενων αυτών προτάθηκε από το Rural Utility Service distribution specifications στις ΗΠΑ το 1983, αλλά πλέον δε συνιστάται, βλ. USDA [B112]. Σε κάποια μέρη, τα διάκενα σπινθήρα χρησιμοποιούνται αντί για αλεξικέραυνο από μεταλλικά οξείδια, ή σε σειρά με αυτό για προστασία εξοπλισμού. Τα διάκενα σπινθήρα και οι δεσμοί μονωτήρων μειώνουν την CFO μιας κατασκευής. Εάν είναι δυνατό, τα διάκενα σπινθήρα, οι δεσμοί μεταξύ των μονωτήρων και οι συνδεσμολογίες προστασίας του στύλου δε θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για να αποτρέπουν ζημιά στο ξύλο. Καλύτερες λύσεις για αυτό αποτελούν τοπικοί δεσμοί μονωτήρα-ξύλου στη βάση του μονωτήρα, όπως θα δούμε και στο ΠΟΛΛΑΠΛΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΣΤΟΝ ΙΔΙΟ ΣΤΥΛΟ Τα πολλαπλά κυκλώματα στον ίδιο στύλο προκαλούν μείωση στη μόνωση. Αυτό ισχύει και για γραμμές μεταφοράς μέσης ή χαμηλής τάσης σε ξύλινους στύλους, κατασκευασμένες κάτω από γραμμές υψηλής τάσης. Οι γραμμές υψηλής τάσης έχουν συνήθως εναέριο αγωγό προστασίας με γείωση σε κάθε στύλο, πράγμα που μειώνει τη μόνωση. Αυτό μπορεί να βελτιωθεί μεταφέροντας τη γείωση μακριά από το στύλο με διαχωριστές από πολυεστέρα. 60

61 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΕΣ ΚΑΛΩΔΙΩΝ Τα κυκλώματα με διαχωριστές καλωδίων είναι εναέρια κυκλώματα μεταφοράς με πολύ μικρή απόσταση μεταξύ των αγωγών. Τα καλυμμένα καλώδια και οι διαχωριστές (15 40 cm) κρέμονται από έναν αγωγό οδηγό που παρέχει στήριξη και μόνωση. Μία τέτοια διάταξη έχει σταθερή CFO, συνήθως μεταξύ 150 και 200 kv. Λόγω του σχετικά χαμηλού επιπέδου μόνωσης, η κεραυνική συμπεριφορά της διάταξης μπορεί να είναι χειρότερη από μία πιο παραδοσιακή διάταξη, βλ. Powell et al. [B90]. Η διάταξη αυτή έχει το πλεονέκτημα του αγωγού οδηγού, ο οποίος δρα και σαν εναέριος αγωγός προστασίας. Αυτό μπορεί να μειώσει κάποια βραχυκυκλώματα από απευθείας πλήγματα. Τα ανάστροφα βραχυκυκλώματα θα συμβούν, κατά πάσα πιθανότητα, λόγω της χαμηλής μόνωσης. Μία βελτιωμένη γείωση μπορεί να βελτιώσει την κεραυνική συμπεριφορά, αν η αγωγιμότητα του εδάφους είναι μεγάλη και η απόσταση μεταξύ των γειώσεων είναι μικρότερη από 30 m. Τα κυκλώματα με διαχωριστές εγκαθίστανται κυρίως σε περιοχές που υπάρχει πρόβλημα αξιοπιστίας λόγω επαφής των αγωγών με δέντρα. Επίσης, μπορεί να εγκατασταθούν κάτω από ήδη εγκατεστημένα κυκλώματα ανοιχτού τύπου για εξοικονόμηση χώρου. Και στις δύο περιπτώσεις, το κύκλωμα είναι, σε γενικές γραμμές, προστατευμένο από απευθείας πλήγματα. Ακόμη, το ποσοστό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων είναι μειωμένο επειδή επάγεται παρόμοια τάση σε κάθε έναν από τους κοντινούς αγωγούς ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ΤΟΞΟΥ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ Οι ξύλινοι στύλοι και βραχίονες έχουν την ικανότητα να αυξάνουν την AC τάση του τόξου σε τιμές που ελαχιστοποιούν τον κίνδυνο σφάλματος ισχύος συχνότητας, βλ. Armstrong et al. [B7] και Darveniza et al. [B37] και [B38]. Οι ικανότητα απόσβεσης τόξου του ξύλου είναι μια συνάρτηση της στιγμιαίας ισχύος με τη συχνότητα τάσης κατά μήκος του τόξου τη στιγμή που συμβαίνει το βραχυκύκλωμα. Εάν η τάση πλησιάζει το μηδέν, το τόξο είναι πολύ πιθανό να σβήσει χωρίς να προκαλέσει κάποιο σφάλμα. Αν η ονομαστική τάση διατηρηθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η πιθανότητα δημιουργίας σφάλματος μειώνεται αρκετά. Αν συμβούν πολλαπλά βραχυκυκλώματα, η απόσβεση του τόξου είναι λιγότερο πιθανή (βλ. Σχήμα 5). Στις περισσότερες γραμμές, τα βραχυκυκλώματα που δημιουργούνται από κάθε απευθείας πλήγμα είναι περισσότερα από ένα. Σε κατασκευές που έχουν βαθμίδες RMS τάσης κατά μήκος του ξύλου μεγαλύτερες από 10 kv/m, η απόσβεση τόξου δεν προσφέρει κάποιο σημαντικό πλεονέκτημα. Γι αυτές τις οδηγίες, έχουμε κάνει τη συντηρητική υπόθεση πως όλα τα βραχυκυκλώματα προκαλούν σφάλματα. 61

62 Σχήμα 5 Πιθανότητα δημιουργίας τόξου λόγω κεραυνικού πλήγματος πάνω σε βρεγμένο ξύλινο βραχίονα, από Darveniza et al. [B38] ΖΗΜΙΑ ΣΤΟ ΞΥΛΟ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ Η εμπειρία έχει δείξει ότι οι ζημιές στους στύλους και στους βραχίονες είναι εξαιρετικά σπάνιες, βλ. Darveniza [B37]. Ωστόσο, σε περιοχές μεγάλης κεραυνικής δραστηριότητας, μπορεί να είναι πρόβλημα κάτω από ορισμένες συνθήκες. Η πιθανότητα πρόκλησης ζημιάς εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, ειδικά την υγρασία και τη γήρανση του ξύλου. Το ράγισμα του ξύλου συμβαίνει όταν η κατάρρευση είναι εσωτερική. Εάν το ξύλο είναι πράσινο, είναι πιο πιθανό να καταρρεύσει εσωτερικά. Εάν υπάρχει ιστορικό που δείχνει ότι υπάρχει πρόβλημα από ζημιές στο ξύλο, τότε το ξύλο μπορεί να προστατευτεί συνδέοντας τους μονωτήρες. Παρ όλα αυτά, αυτή η αντιμετώπιση παρακάμπτει την ικανότητα μόνωσης του ξύλου. Μια καλύτερη λύση θα ήταν η χρήση επιφανειακών ηλεκτροδίων (τυλίγματα καλωδίων, ταινίες, ή άλλες μεταλλικές προεκτάσεις) εγκατεστημένων στην άκρη του μονωτήρα. Έτσι η κατάρρευση γίνεται εξωτερικά αντί για εσωτερικά. Τα προληπτικά μέτρα αυτά, μειώνουν επίσης την πιθανότητα φωτιάς στο στύλο, αποτέλεσμα τόξων, βλ. Darveniza [B37] και Ross [B97]. 62

63 3.6.9 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΣΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ ΓΙΑ ΚΑΛΥΤΕΡΗ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ Στο υποκεφάλαιο αυτό είδαμε όλες τις λεπτομέρειες σχετικά με την προστασία των γραμμών μεταφοράς από επαγόμενες τάσεις, λόγω πληγμάτων στην κοντινή τους περιοχή. Το πιο δύσκολο ζήτημα αναλύεται στα υποκεφάλαια που ακολουθούν και είναι το πώς προστατεύουμε τη γραμμή από απευθείας πλήγματα. Η προστασία με εναέριο αγωγό προστασίας είναι αποτελεσματική στις γραμμές μεταφοράς επειδή το γινόμενο του κεραυνικού ρεύματος με την τοπική αντίσταση πυλώνα είναι μικρότερο από την τάση CFO του μονωτήρα στις περισσότερες περιπτώσεις. Σε γραμμές με μειωμένη CFO με τάση συστήματος μικρότερη από 69 kv, ο αγωγός εναέριας προστασίας είναι λιγότερο αποτελεσματικός ή αναποτελεσματικός τελείως. Αντιθέτως, η βασική φιλοσοφία για την προστασία εναέριων αγωγών γραμμών μεταφοράς από άμεσα πλήγματα περιλαμβάνει τα εξής: - Η χρήση των εναέριων αγωγών προστασίας μειώνει τον κίνδυνο απευθείας πλήγματος στους αγωγούς φάσης, αλλά αυξάνει τον κίνδυνο ανάστροφου βραχυκυκλώματος. Εάν η αγωγιμότητα του εδάφους είναι υψηλή, ο εναέριος αγωγός προστασίας μπορεί να μειώσει τις διακοπές λόγω κεραυνού. Η επιθυμητή τιμή αγωγιμότητας του εδάφους εξαρτάται από τη CFO της γραμμής και γενικά, η αντίσταση κάθε στύλου πρέπει να είναι μικρότερη από CFO(kV)/15 ka για να είναι περίπου 25% αποτελεσματική εναντίον βραχυκυκλωμάτων από απευθείας πλήγματα. Συνήθως δεν είναι πρακτική η επίτευξη τέτοιων τιμών αντίστασης στύλου στις πιο πολλές περιοχές. - Η χρήση αλεξικέραυνων σε όλες τις φάσεις ενός τριφασικού συστήματος στον ίδιο στύλο μπορεί να μειώσει το ποσοστό βραχυκυκλωμάτων από άμεσα πλήγματα. Η απόσταση μεταξύ των αλεξικέραυνων δεν πρέπει να είναι πάνω από ένα ή δύο ανοίγματα, λόγω των μικρών χρόνων ανόδου των κεραυνών. Ακόμα και με τη χρήση ισχυρών αλεξικέραυνων, θα πρέπει να αναμένεται ένα σφάλμα της τάξεως του 20%. - Η συνδυασμένη χρήση αλεξικέραυνων και εναέριου αγωγού προστασίας παρέχει συμπληρωματική προστασία στις γραμμές μεταφοράς. Οι εναέριοι αγωγοί προστασίας εκτρέπουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του κεραυνού μακριά από τους αγωγούς φάσης και τον υπόλοιπο εξοπλισμό και τα αλεξικέραυνα περιορίζουν τις μέγιστες τάσεις μονωτήρων και μειώνουν το ποσοστό ανάστροφων βραχυκυκλωμάτων. Αυτός ο υβριδικός συνδυασμός θεωρείται αποτελεσματικός, αλλά αυτό δε σημαίνει ότι τα βραχυκυκλώματα δε θα συνεχίσουν να εμφανίζονται. Ένας τελευταίος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπ όψη είναι η αποτελεσματική χρήση των περιορισμένων οικονομικών πόρων. 63

64 3.7 ΕΝΑΕΡΙΟΣ ΑΓΩΓΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Οι εναέριοι αγωγοί προστασίας είναι γειωμένοι αγωγοί, τοποθετημένοι πάνω από τους αγωγούς φάσης, με σκοπό να ανακόψουν κεραυνικά πλήγματα που υπό άλλες συνθήκες θα τερμάτιζαν στους αγωγούς φάσης. Το ρεύμα του κεραυνού εκτρέπεται στο έδαφος μέσω καναλιών πάνω στο στύλο. Η αποτελεσματικότητα των εναέριων αγωγών προστασίας απαιτεί να είναι γειωμένοι σε κάθε στύλο. Το ρεύμα του κεραυνού που ρέει μέσω του στύλου στο έδαφος, προκαλεί μια αύξηση δυναμικού η οποία δημιουργεί μια τεράστια διαφορά δυναμικού μεταξύ του αγωγού εδάφους και των αγωγών φάσης. Αυτό μπορεί να προκαλέσει ανάστροφο βραχυκύκλωμα. Το φαινόμενο του ανάστροφου βραχυκυκλώματος είναι ένας ουσιώδης περιορισμός της αποτελεσματικότητας του εναέριου αγωγού προστασίας, ο οποίος μπορεί να παρέχει αποτελεσματική προστασία μόνο όταν: a. Χρησιμοποιούνται τεχνικές σχεδιασμού καλής μόνωσης, έτσι ώστε να έχουμε επαρκή CFO μεταξύ του αγωγού εδάφους και των αγωγών φάσης b. Έχουμε χαμηλή αντίσταση εδάφους Το Σχήμα 4 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του αριθμού επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων για το σχεδιασμό εναέριου αγωγού προστασίας. Εφ όσον ο αγωγός προστασίας είναι γειωμένος, θα μειώσει τις τάσεις στους αγωγούς φάσης μέσω σύζευξης της κυματικής αντίδρασης. Όσο πιο κοντά είναι οι αγωγοί φάσης στον αγωγό προστασίας, τόσο καλύτερη και η σύζευξη και τόσο μικρότερες θα είναι και οι επαγόμενες τάσεις. Σε τετρασυρματικό δίκτυο, εάν αλλάξουμε τον ουδέτερο με έναν αγωγό προστασίας, δε θα μειωθεί ιδιαίτερα ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων, αφού δε θα υπάρξει ιδιαίτερη αλλαγή στην αμοιβαία κυματική αντίδραση, η οποία επηρεάζει τη σύζευξη. Ωστόσο, έχοντας και ουδέτερο αλλά και εναέριο αγωγό προστασίας θα βελτιωθεί η απόδοση έως ένα βαθμό αφού ο συντελεστής σύζευξης θα είναι μεγαλύτερος. Το κόστος να συμπεριληφθεί ένας εναέριος αγωγός προστασίας στο σχεδιασμό μιας γραμμής μεταφοράς μπορεί να είναι ουσιώδες. Εκτός από το κόστος του αγωγού, των γειώσεων του στύλου και της επιπλέον μόνωσης, το ύψος του στύλου πρέπει να είναι μεγαλύτερο για να υποστηρίξει τον αγωγό προστασίας, έτσι ώστε να υπάρχει επαρκής γωνία προστασίας μεταξύ του αγωγού προστασίας και των αγωγών φάσης. Όσο μεγαλύτερο το ύψος της κατασκευής, τόσο περισσότερους κεραυνούς προσελκύει και αυτό αντισταθμίζει τη μείωση του ποσοστού βραχυκυκλωμάτων που παρέχει η εναέρια προστασία. Παρ όλο το κόστος και τις δυσκολίες σχεδιασμού, ο εναέριος αγωγός προστασίας έχει χρησιμοποιηθεί σε γραμμές μεταφοράς με μεγάλη επιτυχία ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Για να τερματίζουν οι κεραυνοί στον εναέριο αγωγό προστασίας και όχι στους αγωγούς φάσης, χρειάζεται γωνία προστασίας (όπως φαίνεται στο Σχήμα 6) 45 ή μικρότερη. Αυτό ισχύει για γραμμές χαμηλότερες από 15m και με απόσταση μεταξύ αγωγών μικρότερη από 2 m. Ψηλότερες γραμμές απαιτούν μικρότερη γωνία προστασίας. 64

65 Οι περισσότερες καμπύλες γωνίας προστασίας που σχεδιάζονται για κυκλώματα μεταφοράς, ξεκινούν με ένα κρίσιμο ρεύμα 5kA για να προκαλέσουν ένα βραχυκύκλωμα λόγω σφάλματος της προστασίας. Πρέπει να αναφερθεί ότι τα κρίσιμα ρεύματα στα κυκλώματα διανομής θα μπορούσαν να είναι μικρότερα, μεταξύ 2 ka και 3 ka και αυτό θα επιδρούσε στη μείωση της απαιτούμενης γωνίας προστασίας. Μετρήσεις δικτύων εντοπισμού κεραυνών στη Βόρεια Αμερική καταδεικνύουν την πιθανότητα να μειωθούν οι μέσες τιμές των ρευμάτων, βλ. Cummins et al. [B35]. Τα ηλεκτρομαγνητικά μοντέλα που διαμορφώνουν τη βάση των προτάσεων για τη γωνία προστασίας είναι υπό διαρκή έρευνα. Σε περιοχές όπου υπάρχουν γραμμές μεταφοράς που λειτουργούν καλά με γωνία 45, αυτή η πρακτική μπορεί να συνεχιστεί. Μία μικρότερη γωνία, π.χ. 30, θα έπρεπε να χρησιμοποιηθεί για νέες κατασκευές ή standard κατασκευών και για βελτίωση της ποιότητας ισχύος σε ήδη υπάρχουσες γραμμές. Σχήμα 6 Γωνία προστασίας εναέριου αγωγού προστασίας ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Η αποτελεσματικότητα του εναέριου αγωγού προστασίας στις γραμμές μεταφοράς εξαρτάται πολύ από τη μόνωση μεταξύ του αγωγού γείωσης και των αγωγών φάσης. Αν ο αγωγός γείωσης είναι σε επαφή με το στύλο σε όλο του το ύψος, είναι δύσκολο να παρέχουμε επαρκή γείωση. Σε ξύλινους στύλους, είναι συνήθως απαραίτητο να απομονώσουμε τον αγωγό γείωσης από το στύλο στις περιοχές που βρίσκονται κοντά στους αγωγούς φάσης και στους βραχίονες. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ράβδους από πολυεστέρα ή διαχωριστικά 65

66 που τοποθετούνται οριζόντια στο στύλο για να κρατήσουν τον αγωγό γείωσης 30 cm 60 cm μακριά από το στύλο. Η τιμή που περιορίζει περισσότερο τη μόνωση είναι η CFO από τον αγωγό γείωσης ως την κοντινότερη σε αυτόν φάση. Επίσης, θα πρέπει να ληφθούν μέτρα, έτσι ώστε να μονωθούν τα επίτονα για να αποκτηθεί η απαιτούμενη CFO. Είναι απαραίτητο να υπάρχει μία υπέρβαση της CFO κατά 250 έως 300 kv, για να είναι αποτελεσματικός ο εναέριος αγωγός προστασίας. Χρησιμοποιώντας διαχωριστικά, είναι εύκολο να επιτευχθούν τα επιθυμητά αποτελέσματα μόνωσης στις γραμμές μεταφοράς ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΓΕΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΜΟΝΩΣΗΣ Η αποτελεσματικότητα του εναέριου αγωγού προστασίας είναι άμεσα εξαρτημένη από τη γείωση. Η αντίσταση του εδάφους πρέπει να είναι μικρότερη από 10 Ω, εάν η CFO είναι μικρότερη από 200 kv. Αν δοθεί προτεραιότητα στο επίπεδο μόνωσης και η CFO είναι 300kV 350 kv, μία αντίσταση εδάφους 30 Ω θα έχει την ίδια λειτουργία. Ο εναέριος αγωγός προστασίας θα πρέπει να είναι γειωμένος σε κάθε στύλο. Το Σχήμα 7 δείχνει την επίδραση της γείωσης σε ένα άμεσο πλήγμα, καθώς και ένα παράδειγμα εξομοίωσης ενός αγωγού προστασίας σε υπολογιστή, με CFO 175 kv και 350 kv. Σημείωση Άνοιγμα μεταξύ στύλων 75m Σχήμα 7 Επίδραση της αντίστασης εδάφους στη συμπεριφορά του εναέριου αγωγού προστασίας 66

67 3.7.4 ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Τα δίκτυα διανομής που κατασκευάζονται κάτω από δίκτυα μεταφοράς μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στα ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Ψηλότερες κατασκευές και μεγαλύτερες οδεύσεις προσελκύουν περισσότερα απευθείας πλήγματα. Έτσι, πρέπει να ληφθούν μέτρα για να διατηρηθεί υψηλή η μόνωση και να αποφευχθούν αφύσικα υψηλά ποσοστά βραχυκυκλωμάτων. Επιπλέον, η τάση που αναπτύσσεται και προκαλεί το ανάστροφο βραχυκύκλωμα είναι μεγαλύτερη σε γραμμές διανομής παρά σε γραμμές μεταφοράς. Αυτό συμβαίνει διότι οι αγωγοί διανομής είναι μακρύτερα από τον εναέριο αγωγό προστασίας και έχουν μικρότερη τάση σύζευξης και μεγαλύτερη τάση κατά μήκος της μόνωσης από κάθε αγωγό μεταφοράς. Η αντοχή της μόνωσης είναι συνήθως μικρότερη στα δίκτυα διανομής απ ότι στα δίκτυα μεταφοράς. Οι αγωγοί διανομής θα βραχυκυκλώσουν πρώτοι και θα επιβαρύνουν μετά τη συμπεριφορά των αγωγών μεταφοράς. Θα πρέπει να ληφθούν μέτρα, έτσι ώστε να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα η αντίσταση γης και σε υψηλά επίπεδα η μόνωση για να μην έχουμε υπερβολικά ποσοστά βραχυκυκλωμάτων. Στα κυκλώματα που είναι εγκατεστημένα κάτω από άλλα, θα πρέπει να τοποθετηθούν και αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο. Αυτά μπορούν να βοηθήσουν ακόμα και αν εγκατασταθούν μόνο στη μία φάση ΕΝΑΕΡΙΟΙ ΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ Για την εξάλειψη ενός μεγάλου μέρους πιθανών βραχυκυκλωμάτων, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο και σε κάθε φάση σε συνδυασμό με εναέριο αγωγό προστασίας. Τα αλεξικέραυνα προστατεύουν τη μόνωση από τα βραχυκυκλώματα. Ο αγωγός προστασίας εκτρέπει το ρεύμα στο έδαφος, έτσι ώστε να μην εκτεθούν τα αλεξικέραυνα σε μεγάλα ποσά ενέργειας. Έτσι, τα αλεξικέραυνα, κάνουν την κατασκευή του αγωγού προστασίας λιγότερο εξαρτώμενη από το επίπεδο μόνωσης και τη γείωση. Ένας περιορισμός στην προσέγγιση αυτή είναι η αυξανόμενη ύπαρξη βραχυκυκλωμάτων στο μέσο του ανοίγματος, όταν η απόσταση αγωγού φάσης αγωγού προστασίας είναι μικρότερη από την ακτίνα Corona στον αγωγό προστασίας. 3.8 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΕ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΑ Τα αλεξικέραυνα προσφέρουν προστασία από υπερτάσεις για τη μόνωση του εξοπλισμού, όπως μετασχηματιστές και ρυθμιστές τάσης. Λειτουργούν σαν μεγάλες εμπεδήσεις σε τάσεις κανονικής λειτουργίας και γίνονται μικρές εμπεδήσεις κατά τη διάρκεια κεραυνικών πληγμάτων. Έτσι, οδηγούν το ρεύμα στη γη, ενώ περιορίζουν την τάση στον εξοπλισμό. Τα αλεξικέραυνα χρησιμοποιούνται για την προστασία της μόνωσης των γραμμών μεταφοράς, μειώνοντας την ύπαρξη βραχυκυκλωμάτων και άλλων διακοπών στα κυκλώματα. Πολλά διαφορετικά είδη έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς, όπως κενά εσωτερικά από καρβίδια του πυριτίου, εσωτερικά, εξωτερικά και συμπαγή από οξείδια μετάλλων. Από τη σκοπιά της προστασίας των γραμμών, όλα δρουν με παρόμοιο τρόπο. Οι διαφορές στα χαρακτηριστικά της τάσης εκφόρτισης προκαλούν μόνο μικρές διαφορές 67

68 στην προστασία της μόνωσης, εφ όσον υπάρχει φυσιολογική απόσταση. Πολλές έρευνες έχουν εξετάσει την αποτελεσματικότητα διαφόρων αποστάσεων αλεξικέραυνων, βλ. Paolone et al. [B84], [B85] και Short et al. [B104]. Σε γενικές γραμμές κανένα αλεξικέραυνο δεν μπορεί να αντέξει απευθείας πλήγμα, αλλά ο διαμοιρασμός μεταξύ παράλληλων αλεξικέραυνων είναι αποτελεσματικός, βλ. Mata et al. [B73] και [B74], και αυτός ο διαμοιρασμός μπορεί να περιορίσει την ενέργεια διάσπασης σε λογικά επίπεδα. Για προστασία εξοπλισμού (ειδικά υπόγειων καλωδίων), είναι καμιά φορά απαραίτητο να επιλεγεί αλεξικέραυνο με το μικρότερο δυνατό επίπεδο προστασίας. Αντίθετα, για την προστασία της μόνωσης της γραμμής, δε χρειάζεται κάτι τέτοιο αφού το επίπεδο προστασίας του αλεξικέραυνου είναι, σε γενικές γραμμές, αρκετά χαμηλότερο από το επίπεδο μόνωσης της γραμμής ΜΗΚΟΣ ΑΓΩΓΟΥ ΓΕΙΩΣΗΣ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ Οι αγωγοί που ενώνουν τη γραμμή μεταφοράς και τα τερματικά των αλεξικέραυνων στη γη με τον εξοπλισμό που προστατεύουν έχουν ένα μικρό ποσό επαγωγής. Η επαγωγή αυτή, αναγκάζει την πτώση τάσης L( di dt ) να εμφανίζεται στον αγωγό του αλεξικέραυνου. Κάθε πτώση τάσης στον αγωγό του αλεξικέραυνου θα εμφανίσει στο αλεξικέραυνο τάση εκφόρτισης. Αυτό θα αυξήσει την τάση που εμφανίζεται στις συσκευές που προστατεύονται από το αλεξικέραυνο. Η επίδραση του μήκους του αγωγού γείωσης δεν είναι τόσο σημαντική στην προστασία της μόνωσης της γραμμής όσο στην προστασία του εξοπλισμού. Για εναέριο εξοπλισμό, το περιθώριο είναι συνήθως πολύ υψηλό. Επίσης, το επίπεδο μόνωσης της γραμμής είναι εν γένει πολύ μεγαλύτερο από το βασικό επίπεδο μόνωσης του εξοπλισμού. Φυσικά, είναι πάντα καλό να διατηρούμε τα αλεξικέραυνα και τους αγωγούς γείωσης όσο πιο κοντά και ευθεία μπορούμε ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΠΑΡΑΠΛΗΣΙΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Τα αλεξικέραυνα μειώνουν κατά πολύ τα βραχυκυκλώματα λόγω επαγόμενων υπερτάσεων από παραπλήσια πλήγματα. Το Σχήμα 8 παρουσιάζει αποτελέσματα για μία μόνωση με CFO 150 kv για αγείωτο κύκλωμα. Τεχνικά συμπεράσματα εμφανίζονται στο Παράρτημα Β. 68

69 Σημείωση CFO = 150kV, h = 10m, Ng = 1 κεραυνός/km 2 /έτος, άνοιγμα στύλων = 75m Σχήμα 8 Απόσταση αλεξικέραυνων για βραχυκυκλώματα λόγω επαγόμενων υπερτάσεων Τα αλεξικέραυνα μπορούν να είναι ακόμα πιο αποτελεσματικά στη μείωση των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων, εάν χρησιμοποιούνται για την προστασία στύλων με μικρά επίπεδα μόνωσης. Αυτοί οι αδύναμοι κρίκοι μπορεί να περιλαμβάνουν μαχαιρωτές ασφάλειες, τερματικούς στύλους, ή διασταυρώσεις. Εγκαθιστώντας αλεξικέραυνα σε τέτοιους στύλους μπορεί να είναι πιο οικονομικό απ τη βελτίωση του επιπέδου μόνωσης ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Η προστασία από απευθείας πλήγματα είναι δύσκολη λόγω των μεγάλων ρευμάτων, των απότομων ρυθμών αύξησης και των μεγάλων ποσών ενέργειας σε κάθε κεραυνικό πλήγμα. Στη θεωρία, τα αλεξικέραυνα μπορούν να παρέχουν προστασία από τα πλήγματα αυτά, αλλά πρέπει να είναι εγκατεστημένα σε πολύ κοντινές αποστάσεις (ιδανικά σε κάθε στύλο). Το Σχήμα 9 δείχνει εκτιμήσεις βραχυκυκλωμάτων για διάφορες αποστάσεις μεταξύ των αλεξικέραυνων. Η ανάλυση του Σχήματος 9 υποθέτει ότι ο ουδέτερος είναι γειωμένος σε κάθε στύλο. Ο μεγάλος αριθμός βραχυκυκλωμάτων, μπορεί να είναι παραπλανητικός όπου ο ουδέτερος δεν είναι γειωμένος, εκτός από στύλους που έχουμε εγκατεστημένα αλεξικέραυνα σε όλες τις φάσεις και το επίπεδο μόνωσης του ουδέτερου προς τη γη είναι υψηλό. 69

70 Σημείωση Το άνοιγμα μεταξύ των στύλων είναι 75m. Σχήμα 9 Αποτελεσματικότητα απόστασης μεταξύ αλεξικέραυνων για προστασία από άμεσο πλήγμα ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ ΤΟΥ ΨΗΛΟΤΕΡΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΦΑΣΗΣ Εάν ο ψηλότερος αγωγός φάσης είναι τοποθετημένος έτσι ώστε να ανακόπτει όλα τα κεραυνικά πλήγματα, τα αλεξικέραυνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτόν, κάνοντας τον να λειτουργεί σαν εναέριος αγωγός προστασίας. Έτσι, σε περίπτωση πλήγματος, το αλεξικέραυνο θα οδηγήσει το ρεύμα στο έδαφος. Το κύκλωμα θα παραμείνει προστατευμένο εάν η αντίσταση γείωσης του αλεξικέραυνου είναι αρκετά χαμηλή και η μόνωση των απροστάτευτων φάσεων είναι αρκετά υψηλή. Για την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της κατασκευής αυτής μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι καμπύλες για τους εναέριους αγωγούς προστασίας όπως φαίνονται στο Σχήμα 7. Για ιδανική προστασία, θα πρέπει να τοποθετηθούν αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΟΥ Τα αλεξικέραυνα διανομής χωρίζονται σε τρεις ενεργειακές κλάσεις στον Πίνακα 3. Πίνακας 3 Κλάσεις αλεξικέραυνων συστημάτων διανομής 70

71 Οι ενεργειακές κλάσεις στον Πίνακα 3 είναι οι ελάχιστες τιμές των κατασκευαστών, μετρημένες σε δοκιμές εκφόρτισης. Στην πραγματικότητα, τα υψηλής ποιότητας αλεξικέραυνα, τύπου MOV, απορροφούν περισσότερο από 500 J/cm 3 κατά την καταστροφή τους υπό σταθερό γινόμενο I t, ανεξάρτητα από τη διάρκεια της εφαρμοζόμενης τάσης, βλ. Ringler et al. [B95]. Οι εκτιμήσεις των ποσοστών σφάλματος των αλεξικέραυνων είναι για τρεις φάσεις συν τις ουδέτερες γραμμές χωρίς εναέριο αγωγό προστασίας, έχοντας αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο και σε κάθε φάση. Για γραμμές με αλεξικέραυνα μόνο στον εξοπλισμό και/ή γραμμές με αλεξικέραυνα τοποθετημένα σε απόσταση μεγαλύτερη από δύο ανοίγματα, το ποσοστό σφάλματος μπορεί να είναι αρκετά χαμηλότερο. Κατά μέσο όρο, τα αλεξικέραυνα είναι πιο μακριά από το σημείο που τερματίζει ο κεραυνός και οι απροστάτευτοι μονωτήρες μεταξύ των αλεξικέραυνων και του σημείου αυτού βραχυκυκλώνουν, εκτρέποντας το περισσότερο ρεύμα στο έδαφος, περιορίζοντας έτσι τον ενεργειακό φόρτο. Η ενέργεια του αλεξικέραυνου από επαγόμενες υπερτάσεις ή τερματισμούς σε εναέριο αγωγό προστασίας είναι επίσης αρκετά χαμηλότερη από τον τερματισμό απευθείας πάνω σε φάσεις και συμβαίνει η ίδια μείωση του ποσοστού σφάλματος. Τα αλεξικέραυνα μικρού φόρτου χρησιμοποιούνται συνήθως σε ιδιάζουσες περιπτώσεις, για την προστασία υπόγειας εγκατάστασης. Η βιομηχανία γενικά χρησιμοποιεί τα άλλα δύο είδη για την προστασία εναέριων γραμμών. Η μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης των αλεξικέραυνων μεγάλου φόρτου βελτιώνουν το χρόνο ζωής τους κατά 5% - 15% σε σύγκριση με αυτό των φυσιολογικού φόρτου. Σε εκτεθειμένες κατασκευές (π.χ. γραμμή μεταφοράς σε ανοιχτό χώρο χωρίς εναέριο αγωγό προστασίας), τα αλεξικέραυνα από οξείδια μετάλλων που χρησιμοποιούνται για γραμμές διανομής μπορεί να εμφανίσουν ανεπίτρεπτα ποσοστά σφάλματος λόγω των απευθείας πληγμάτων. Ένα σημαντικό ποσοστό των πληγμάτων αυτών έχει ως αποτέλεσμα ενεργειακό φόρτο που ξεπερνάει την ικανότητα απορρόφησης που προβλέπει ο κατασκευαστής, βλ. McDermott et al. [B76]. Αυτό ισοσταθμίζεται από το γεγονός ότι τα αλεξικέραυνα από μεταλλικά οξείδια μπορεί να έχουν πολύ μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης από την ονομαστική, Ringler et al. [B95]. Ένα άλλο αίτιο σφάλματος αλεξικέραυνων από μεταλλικά οξείδια είναι η ύπαρξη βραχυκυκλωμάτων γύρω απ αυτά όταν υπόκεινται σε πολλαπλά πλήγματα. Επιφανειακά βραχυκυκλώματα λόγω πολλαπλών πληγμάτων είναι πιο απίθανο να συμβούν σε αλεξικέραυνα χωρίς κενό αέρος όπως αυτά που βασίζονται σε πολυμερή, βλ. Darveniza et al. [B40]. Η ενέργεια που απορροφάται από ένα αλεξικέραυνο κατά τη διάρκεια ενός άμεσου πλήγματος δεν είναι ολόκληρη η ενέργεια του κεραυνού. Κάποιες κρουστικές εκφορτίσεις, οι περισσότερες εκφορτίσεις από την ουρά του κύματος και συνεχή ρεύματα, μοιράζονται με άλλα παραπλήσια αλεξικέραυνα ή ρέουν προς το έδαφος μέσα από το σύστημα μεταφοράς. Μελέτες πάνω σε τεχνητούς κεραυνούς και μετρήσεις απευθείας πάνω σε εξοπλισμό, δείχνουν ότι υπάρχουν υψηλά επίπεδα διάχυσης ενέργειας τα οποία ξεπερνούν τα όρια ενός αλεξικέραυνου, αλλά το 75% της ενέργειας αυτής προέρχεται από συνεχή ρεύματα μεταξύ των πληγμάτων, βλ. Barker et al. [B9]. Είναι γνωστό επίσης, πως παρά την υψηλή πιθανότητα της κατάρρευσης ενός απομονωμένου αλεξικέραυνου από άμεσο πλήγμα, έχουμε πολύ λιγότερα σφάλματα λόγω της ύπαρξης παραπλήσιων αλεξικέραυνων που απορροφούν ένα μέρος της ενέργειας. 71

72 Το αλεξικέραυνο που καταρρέει είναι συνήθως κοντά στο πλήγμα, αλλά δεν είναι πάντα το κοντινότερο στον εκτεθειμένο αγωγό. Κανονικά, το ένα αλεξικέραυνο καταρρέει, αφήνοντας τα άλλα ανέπαφα, αλλά έχουν καταγραφεί και πολλαπλές βλάβες από ένα πλήγμα. Όταν ερμηνευθεί σε επίπεδο συστήματος, ένα μεγάλο ποσοστό σφαλμάτων από απευθείας πλήγματα μπορεί να μην έχει τόσο μεγάλη επιρροή στο σύστημα. Αναλύοντας την περίπτωση γραμμής 50 km στα 13,2 kv με τριφασικούς αγωγούς κύριας τροφοδότησης και μονοφασικούς αγωγούς παράπλευρης, με αλεξικέραυνα σε όλους τους στύλους και τις φάσεις, θα υπήρχαν περίπου 1000 στύλοι και 2000 αλεξικέραυνα. Σε ανοιχτό χώρο, η γραμμή αυτή δέχεται περίπου 20 πλήγματα ανά έτος σε μία περιοχή με μεγάλη κεραυνική πυκνότητα, όπως η Florida. Αυτό οδηγεί σε κατάρρευση 2 έως 7 αλεξικέραυνων μεγάλου φόρτου ανά έτος. Τα αλεξικέραυνα μπορεί να παρουσιάσουν σφάλμα για διάφορους λόγους, εκτός από τον υπερβολικό ενεργειακό φόρτο λόγω κεραυνού. Συμβαίνουν, επίσης όταν ξεπερνιούνται τα όρια της προσωρινής υπέρτασης, λόγω μακροχρόνιας υγρασίας ή λόγω βλάβης μηχανικού μέρους. Οι εναέριες γραμμές με αλεξικέραυνα πρέπει να επιθεωρούνται ανά κάποιες χρονικές περιόδους και να συντηρούνται, αλλιώς η κεραυνική συμπεριφορά της γραμμής θα χειροτερέψει με το χρόνο. 3.9 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Είναι λογικό να χρησιμοποιήσουμε υπόγεια καλώδια παρά εναέρια ως μία μέθοδο βελτίωσης της κεραυνικής συμπεριφοράς της γραμμής. Αυτό ανταλλάσσει ένα πακέτο προβληματισμών αξιοπιστίας, όπως οι καιρικές συνθήκες και η εμπλοκή χλωρίδας και πανίδας με τη γραμμή, με ένα άλλο, όπως μόνωση του καλωδίου, εκσκαφές και μεγάλο χρονικό διάστημα για την εύρεση και διόρθωση των σφαλμάτων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το οικονομικό ισοζύγιο ευνοεί τις εναέριες κατασκευές. Τα υπόγεια καλώδια προσβάλλονται από κεραυνικά πλήγματα, είτε απευθείας ή επαγόμενα ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ Σε ένα πείραμα που διεξήχθη το 1993 στο Camp Blanding, Florida, μελετήθηκαν οι επιδράσεις των κεραυνικών πληγμάτων στις υπόγειες γραμμές μεταφοράς. Τα καλώδια ήταν 15 kv, ομοαξονικά, με μόνωση πολυαιθυλενίου μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού αγωγού. Ένα από τα καλώδια (Καλώδιο Α) είχε περιβάλλουσα μόνωση και ήταν τοποθετημένο σε σωλήνα από PVC, ένα δεύτερο (Καλώδιο Β) είχε περιβάλλουσα μόνωση και ήταν απ ευθείας θαμμένο στο έδαφος, ενώ το τρίτο ήταν απ ευθείας θαμμένο χωρίς μόνωση. Τα τρία καλώδια ήταν θαμμένα σε απόσταση 5 m το ένα απ το άλλο και σε βάθος 1 m. Προκλήθηκαν 30 κεραυνοί και απελευθερώθηκε κεραυνικό ρεύμα στο έδαφος, ακριβώς πάνω απ τα καλώδια. Στα Baker and Short [B11], [B12] και [Β13] αναφέρθηκαν τα εξής αποτελέσματα: - Μετά την επαφή του κεραυνού με το έδαφος, ένα μεγάλο μέρος του ρεύματος έρευσε στον ουδέτερο αγωγό του καλωδίου, με το 15% - 25% του συνολικού ρεύματος κεραυνού να ανιχνεύεται 70 m από το σημείο του πλήγματος. 72

73 - Η μεγαλύτερη τάση που μετρήθηκε μεταξύ του κεντρικού αγωγού και του ουδέτερου που τον περιβάλλει ήταν 17 kv, που είναι μικρότερη από το βασικό επίπεδο μόνωσης του καλωδίου. - Οι τάσεις που μετρήθηκαν στο δευτερεύον του μετασχηματιστή ήταν μέχρι 4 kv και θα μπορούσαν να αποτελέσουν απειλή για τις οικιακές συσκευές. Σύμφωνα με το Baker and Short [B13], τα πλήγματα ήταν έως 10 m μακριά από κάθε πλευρά του αγωγού ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑΤΑ ΣΕ ΥΠΟΓΕΙΑ ΚΑΛΩΔΙΑ Στο Paolone et al. [B84] μετρήθηκαν επαγόμενα ρεύματα της τάξης των 100 Α σε θήκες υπόγειων καλωδίων που βρίσκονταν σε απόσταση m μακριά από τις πηγές των κεραυνών, το οποίο σημαίνει ότι μπορεί να αναπτυχθεί δυναμικό περίπου 30 kv για πηγές ρεύματος 10 ka. Τώρα, το ελάχιστο επίπεδο επαγόμενων υπερτάσεων που αντέχει ένα καλώδιο θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 30 kv και οι απαιτήσεις μπορεί να υπερβούν τα 100 kv όταν συνυπολογιστούν όλοι οι παράγοντες. 73

74 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΧΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΟΔΗΓΙΑΣ Α.1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΞΥΛΙΝΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ 15 kv Πρόβλημα: Πραγματοποιείται επιθεώρηση σε μία κατασκευή τρισυρματικής γραμμής μεταφοράς κλάσης 15 kv (βλ. Σχήμα Α.1). Η κατασκευή βρίσκεται σε περιοχή μέτριας κεραυνικής δραστηριότητας με 12 κεραυνούς/km 2 /έτος. Οι μονωτήρες είναι τύπου ANSI 55-4 με πορσελάνινη κορυφή. Υποθέστε πως ο βραχίονας είναι αγώγιμος και χρησιμοποιούνται μονωτικές κορυφές από ατσάλι. Τα επίτονα έχουν μονωτήρες από πορσελάνη (ANSI 54-4). Το μέγεθος του στύλου είναι 12.2 m με βάθος θεμελίωσης 2 m. Ο σκοπός είναι να προσεγγιστεί η κεραυνική συμπεριφορά και να ερευνηθούν βελτιώσεις. Σχήμα Α.1 Σχεδίαση ξύλινου βραχίονα 15 kv Επίπεδο μόνωσης. Η τάση CFO για διαφορετικά μονοπάτια φαίνεται στον Πίνακα Α.1 Πίνακας Α.1 Υπολογισμοί CFO για διαφορετικά μονοπάτια για το στύλο του Σχήματος Α.1 74

75 Απευθείας πλήγματα. Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από την Εξίσωση (3). Ng=12/3=4 κεραυνοί/km 2 /έτος Το μέγιστο ύψος αγωγού είναι 10.2 m και το πλάτος της κατασκευής είναι 2.24 m. Από την Εξίσωση (7), ο αριθμός των απευθείας πληγμάτων είναι Ν = 4 [28 (10.2) ] 10 = 46 κεραυνοί/100 km/έτος Υποθέτοντας ένα συντελεστή προστασίας 0.75 και ότι όλα τα απευθείας πλήγματα προκαλούν βραχυκυκλώματα, ο εκτιμώμενος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων αυτών είναι 11.5 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος. Επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό χώρο μπορεί να εκτιμηθεί από το Σχήμα 5, χρησιμοποιώντας το χαμηλότερο μονοπάτι CFO στα 152 kv, την καμπύλη μετρίας αγωγιμότητας σ=10 ms/m, και πολλαπλασιάζοντας με το GFD: Επαγόμενα βραχυκυκλώματα (ανοιχτό έδαφος) = 4 x 2 = 8 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος Επειδή το μεγαλύτερο μέρος της γραμμής είναι προστατευμένο (περιφραγμένο από ψηλά κτήρια, π.χ. Sf = 0.75), κάποια ισχυρά πλήγματα τερματίζουν κοντά στη γραμμή αυξάνοντας έτσι τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων θα πρέπει να είναι κάπου ανάμεσα στον αριθμό επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό χώρο και στον αριθμό απευθείας πληγμάτων σε ανοιχτό χώρο. Θα υποθέσουμε ότι είναι διπλάσια από τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα σε ανοιχτό χώρο, δηλαδή 16 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος. Άρα όλα τα βραχυκυκλώματα θα είναι: Συνολικά σφάλματα = απευθείας + επαγόμενα = 27.5 σφάλματα/100 km/έτος Επιλογές βελτίωσης. Αποφασίστηκε να γίνουν αλλαγές που είναι σχετικά φτηνές και εύκολες στην εφαρμογή τους. Βασικός στόχος είναι αλλαγές στη μόνωση για τη μείωση βραχυκυκλωμάτων από τάση εξ επαγωγής. a. Χρήση πολυεστερικού μονωτήρα για επίτονα 50 cm. Αυτό θα αυξήσει την CFO μεταξύ του μεσαίου αγωγού και του επιτόνου στα 310 kv [0.5 m πολυεστερικός μονωτήρας επιτόνου (250 kv) + μονωτήρας (0.45 x 105 kv = 47 kv) m ξύλινος στύλος (0.2 m x 65 kv/m = 13 kv)]. Αυτό θεωρητικά εξαλείφει τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενες υπερτάσεις. Σημείωση: Επειδή ο μονωτήρας από πολυεστέρα έχει CFO πολύ μεγαλύτερη από κάθε άλλο στοιχείο, λαμβάνεται πρώτη υπ όψη. b. Χρήση ξύλινων βραχιόνων. Αυτό θα προσθέσει σημαντικό ποσό ξύλου στο μονοπάτι από τη μεσαία φάση στο μονωτήρα. Η τάση CFO στο μονοπάτι αυτό θα είναι περίπου 255 kv [μονωτήρας (105 kv) + ξύλινος βραχίονας (0.52 m x 250 kv/m = 130 kv) + ξύλινος στύλος (0.3 m x 65 kv/m = 20 kv)]. Αυτό μειώνει τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε λιγότερο από 0.8 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος. 75

76 Θα πρέπει να εξεταστεί και ο σχεδιασμός των υπόλοιπων κατασκευών, όπως τερματικοί στύλοι ή διασταυρώσεις. Τότε, οι βελτιώσεις θα είναι συγκρίσιμες με τις υπάρχουσες κατασκευές, τόσο σε επίπεδο κόστους, όσο και σε επίπεδο απόδοσης. Α.2 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΕ ΕΝΑΕΡΙΟ ΑΓΩΓΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 35 kv Πρόβλημα: Θα κατασκευαστεί μία προστατευμένη τετρασυρματική γραμμή μεταφοράς 35 kv με γειωμένο ουδέτερο (βλ. Σχήμα Α.2). Η γραμμή θα εγκατασταθεί σε περιοχή με συντελεστή προστασίας 0.5, που παρέχεται από παραπλήσια αντικείμενα και GFD 6.7 κεραυνοί/km 2 /έτος. Η σχεδίαση προβλέπει συντελεστή προστασίας 24. Οι μονωτήρες των φάσεων είναι τύπου ANSI 57-2, πορσελάνινοι σε ατσάλινους βραχίονες. Ο εναέριος αγωγός προστασίας υποστηρίζεται από έναν πορσελάνινο μονωτήρα κορυφής, τύπου Η γραμμή χρησιμοποιεί ξύλινους στύλους ύψους m, και κάθε στύλος είναι γειωμένος με αντίσταση εδάφους 10 Ω ή μικρότερη. Σχήμα Α.2 Κατασκευή ξύλινου στύλου με εναέριο αγωγό προστασίας 35 kv 76

77 Πίνακας Α.2 Τάσεις CFO μονώσεων για τη γραμμή του Σχήματος Α.2 Από τους υπολογισμούς στον Πίνακα Α.2, είναι προφανές ότι χρειάζονται στηρίγματα του αγωγού γείωσης από πολυεστέρα. Ο αγωγός αυτός πρέπει να έχει απόσταση από το στύλο 0.46 m, κάτι που επιτυγχάνεται με στηρίγματα, τοποθετημένα 0.49 m κάτω από τον τελευταίο αγωγό φάσης. Χωρίς τα στηρίγματα, η CFO θα ήταν 180 kv, πράγμα που θα προκαλούσε βραχυκυκλώματα λόγω τάσεων εξ επαγωγής και ο αγωγός προστασίας δεν θα απέτρεπε αποτελεσματικά τα απευθείας πλήγματα. Παρ όλο που η χαμηλότερη τάση CFO είναι 261 kv, τα μονοπάτια που είναι πιο επίφοβα είναι αυτά από τις φάσεις στη γη, επειδή όλες οι τάσεις που προκαλούν τα βραχυκυκλώματα στρεσάρουν την τάση μεταξύ του αγωγού φάσης και του αγωγού γείωσης. Το χαμηλότερο μονοπάτι είναι 325 kv, από τη φάση C στον αγωγό γείωσης του στύλου. Άμεσα πλήγματα. Το GFD βρίσκεται απ ευθείας από χάρτες: Ng = 6.7 κεραυνοί/km 2 /έτος Το ύψος του εναέριου αγωγού προστασίας είναι 13.1 m και το πλάτος των αγωγών φάσης είναι 1.5 m. Από την Εξίσωση (7), ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό χώρο είναι: Ν = 6.7 [28 (13.1) ] 10 = 88.8 κεραυνοί/100 km/έτος Ο εκτιμώμενος αριθμός απ ευθείας πληγμάτων χρησιμοποιώντας συντελεστή προστασίας 0.5 είναι 44.4 κεραυνοί/100 km/έτος. Επειδή η γραμμή διανομής είναι γειωμένη σε κάθε στύλο και η γωνία προστασίας είναι μικρότερη από 45, όλα τα πλήγματα στη γραμμή υποτίθεται ότι χτυπάνε τον εναέριο αγωγό προστασίας. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας το ποσοστό των πληγμάτων που προκαλούν βραχυκύκλωμα (4%) από το Σχήμα 7 για αντίσταση γείωσης 10 Ω και CFO 350 kv και μέγιστο ρεύμα πρώτου κεραυνικού πλήγματος από τον Πίνακα 1. 77

78 Βραχυκύκλωμα από άμεσα πλήγματα = (44.4 κεραυνοί/100 km/έτος)(0.04) = 1.8 βραχυκυκλώματα/100 km/έτος Επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Με CFO στα 325 kv, ξεπερνώντας τον οριζόντιο άξονα στο Σχήμα 4, η κατασκευή μπορεί να θεωρηθεί ότι μένει ανεπηρέαστη από βραχυκυκλώματα λόγω επαγόμενων τάσεων για έδαφος χαμηλής αγωγιμότητας που ξεπερνάει τα 10 ms/m. Τα συνολικά βραχυκυκλώματα είναι δηλαδή: Συνολικά σφάλματα = άμεσα = 1.8 σφάλματα/100 km/έτος Επιλογές βελτίωσης. Η σχεδίαση που φαίνεται στο Σχήμα Α.2 έχει πολύ καλή κεραυνική συμπεριφορά. Μία ανησυχία είναι ότι ο στόχος των 10 Ω στην αντίσταση γείωσης είναι πολύ δύσκολος να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Το Σχήμα 7 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της μείωσης της απόδοσης λόγω της αντίστασης θεμελίωσης. Για παράδειγμα, αν η αντίσταση αυτή είναι 50 Ω, το ποσοστό βραχυκυκλωμάτων θα αυξηθεί κατά 35%. Μία επιλογή θα ήταν η χρήση πολυεστερικών βραχιόνων αντί των ατσάλινων που προτείνονται. Αυτό θα προκαλούσε αύξηση στην CFO μεταξύ των φάσεων και μεταξύ φάσης και γείωσης. Συγκρίνοντας την κατασκευή αυτή με μη προστατευμένες κατασκευές, η αύξηση του κατασκευαστικού κόστους ισορροπείται από το μετριασμό του κόστους των διακοπών ρεύματος λόγω βραχυκυκλωμάτων. 78

79 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΕΧΝΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Β.1 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Για την εκτίμηση του συντελεστή προστασίας για ένα συγκεκριμένο μέρος της γραμμής μεταφοράς, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ηλεκτρο-γεωμετρικό μοντέλο. Αυτό βασίζεται στην ιδέα ότι η γραμμή μεταφοράς έχει μία ακτίνα μέσα στην οποία προσελκύει τα πλήγματα. Η ακτίνα αυτή αυξάνεται με το ύψος και εξαρτάται από το μέγεθος του πρώτου πλήγματος. Παρ όλο που έχουν προταθεί αρκετά μοντέλα, η εξίσωση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απόστασης του πλήγματος είναι η Εξίσωση (Β.1), που υιοθετήθηκε από το IEEE Working Group on Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines [B62]. r s = 10 I (B.1) r g = 0.9 r s όπου rs είναι η απόσταση του πλήγματος από τον αγωγό (m) rg είναι η απόσταση του πλήγματος από τη γη (m) I0 είναι το μέγιστο ρεύμα πρώτου πλήγματος (ka) Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς που φαίνονται στο Σχήμα 3 και για τις εκτιμήσεις των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενες τάσεις (βλ. Β.2). Το μοντέλο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του αριθμού των άμεσων πληγμάτων στη γραμμή. Αυτή είναι μια εναλλακτική προσέγγιση της Εξίσωσης (5) και δίνει αποτελέσματα για άμεσα πλήγματα και γραμμές με ύψος κάτω από 15 m. Για μεγαλύτερα ύψη, η διαφορά με την Εξίσωση (5) είναι πολύ μεγαλύτερη. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές πλευρικές αποστάσεις πλήγματος, παίρνουμε διαφορετικές συμπεριφορές της γραμμής. Ωστόσο, αυτές οι διαφορές τείνουν να μειωθούν όσο μειώνεται η αγωγιμότητα του εδάφους, βλ. Borghetti et al. [B17] και Guerrieri et al. [B56], επειδή οι κεραυνοί που τερματίζουν στο έδαφος κοντά στη γραμμή επάγουν υπερτάσεις που προκαλούν βραχυκυκλώματα ούτως ή άλλως. Β.2 ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΑΣΕΙΣ ΕΞ ΕΠΑΓΩΓΗΣ Η κεραυνική συμπεριφορά των εναέριων γραμμών αναπαρίσταται γενικά με καμπύλες, οι οποίες αναφέρουν πόσα βραχυκυκλώματα συμβαίνουν στη γραμμή ανά έτος, σα συνάρτηση της μόνωσής της. Καθώς η ρεαλιστική διαμόρφωση της γραμμής δε μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα απλό αγωγό πάνω από τέλεια αγώγιμο έδαφος και το ρεύμα κεραυνού δεν έχει βηματική κυματομορφή όπως υποτίθεται στη φόρμουλα του Rusck η πιο πάνω διαδικασία μπορεί να καταλήξει, αρκετές φορές, σε λάθος εκτιμήσεις της κεραυνικής συμπεριφοράς. Γι αυτό το 79

80 λόγο, εφαρμόζοντας μια πιο γενική και ακριβή προσέγγιση, παίρνουμε μια νέα έκδοση του Σχήματος 4, ξεπερνώντας έτσι τους περιορισμούς του απλοποιημένου μοντέλου του Rusck. Αυτή η νέα διαδικασία θα παρουσιαστεί λεπτομερώς στο Β.2.1. Εφ όσον είναι μεγάλη η διαφορά και αφού είναι, τώρα, τεχνικά εφικτή η χρήση του κώδικα για τον υπολογισμό της επαγόμενης υπέρτασης λόγω του κεραυνού [Β68], ο υπολογισμός της έμμεσης κεραυνικής συμπεριφοράς μπορεί να περιλαμβάνει την επίδραση της αγωγιμότητας του εδάφους, η οποία μπορεί να ενισχύσει κατά πολύ την επαγόμενη τάση. Επίσης, ο χρόνος ανόδου του κεραυνικού ρεύματος παίζει σημαντικό ρόλο στο πρόβλημα και θα πρέπει να συνυπολογιστεί. B.2.1 ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΙΑ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΕΔΑΦΟΣ ΜΕ Η ΧΩΡΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ Η διαδικασία αυτή, που παρουσιάζεται στο IEEE Working Group Report [B6], είναι βασισμένη στη χρήση της απλοποιημένης φόρμουλας του Rusck για τον υπολογισμό των επαγόμενων από κεραυνό τάσεων και στην εφαρμογή μίας στατιστικής μεθόδου που προτείνεται στο Wagner and McCann [B113]. Η μέθοδος αυτή βελτιώθηκε από το Chowdhuri [B26], έτσι ώστε να λαμβάνει υπ όψη τη στατιστική κατανομή του χρόνου ανόδου του κεραυνικού ρεύματος, εκτός από αυτόν της μέγιστης τιμής, καθώς και συντελεστές συσχέτισης μεταξύ μέγιστης τιμής και χρόνου ανόδου. Οι βασικές παράμετροι της διαδικασίας είναι το GFD Ng, η απόσταση πλήγματος rs και η πηγή, η οποία σε αυτό το μοντέλο είναι το μέγιστο ρεύμα I0. Δεδομένης της τυχαίας φύσης του κεραυνού, κάθε υπολογισμός πρέπει να διατηρείται εντός πιθανολογικών βάσεων, και έτσι, πρέπει να χρησιμοποιηθούν στατιστικές κατανομές των εμπλεκόμενων παραμέτρων. Η οδηγία αυτή υιοθετεί την κατανομή που περιγράφεται από την Εξίσωση (4) για τα μέγιστα ρεύματα, υποθέτοντας ότι δεν εξαρτάται από το λεγόμενο tower effect, βλ. Borghetti et al. [B20] και Rizk [B96], ότι είναι δηλαδή η κατανομή του ρεύματος κεραυνού στο επίπεδο του εδάφους. Η απόσταση του πλήγματος είναι η απόσταση πέρα από την οποία ένας κεραυνός δε θα πλήξει τη γραμμή και δίνεται από την Εξίσωση (Β.1). Σύμφωνα με την απλοποιημένη φόρμουλα του Rusck [B100], η μέγιστη τάση Vmax που επάγεται σε μία γραμμή στο σημείο πιο κοντά στο πλήγμα είναι: V max = Z 0I 0 h y (1 + v c 1 (B.2) 2 (v c) 2) όπου Ζ0 είναι 1 (4π) μ 0 ε 0 ή 30 Ω μ0 και ε0 είναι αντίστοιχα η διαπερατότητα και η επιτρεπτότητα του κενού (H/m, F/m) I0 είναι το μέγιστο ρεύμα του πρώτου πλήγματος (ka) h είναι το μέσο ύψος της γραμμής μεταφοράς (m) 80

81 y είναι η κοντινότερη απόσταση μεταξύ της γραμμής και του πλήγματος v είναι η ταχύτητα του πλήγματος, συνήθως c/3 c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, 3x10 8 m/s Η τιμή για το Z0 είναι 30 Ω και η μετρημένη ταχύτητα του κεραυνού κυμαίνεται μεταξύ 0.29x10 8 m/s και 2.4x10 8 m/s, βλ. Idone and Orville [B60]. Η απλοποιημένη φόρμουλα του Rusck εξάχθηκε από τα πιο γενικά μοντέλα που προτάθηκαν στο [B100] στην περίπτωση μιας βηματικής κυματομορφής κεραυνικού ρεύματος και μιας απείρου μήκους μονοσυρματικής γραμμής πάνω από τέλεια αγώγιμο έδαφος. Αυτές οι υποθέσεις είναι μη ρεαλιστικές για τις γραμμές μεταφοράς. Όπως περιγράφεται στο IEEE Working Group Report [B61], η διαδικασία ακολουθεί τα παρακάτω βήματα έτσι ώστε να εκτιμηθεί η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων. Το πλάτος του κεραυνικού ρεύματος από 1 ka έως 200 ka χωρίζεται σε διαστήματα των 1 ka, και η πιθανότητα του μέγιστου ρεύματος να βρίσκεται μέσα σε συγκεκριμένο διάστημα υπολογίζεται από την Εξίσωση (4). Μετά, υπολογίζεται η μέγιστη απόσταση ymax, για κάθε διάστημα ρεύματος, στην οποία ο κεραυνός μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα στη μόνωση. Αυτό γίνεται λύνοντας την Εξίσωση (Β.2), λαμβάνοντας ως I0 το χαμηλότερο όριο του διαστήματος και ως Vmax = 1.5 x CFO. Ο συντελεστής 1.5 είναι μία προσέγγιση που αντιπροσωπεύει την ανοδική κλίση στην καμπύλη μόνωσης τάσης - χρόνου. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται για υπολογισμούς επαγόμενης τάσης, εναέριου αγωγού προστασίας και διάκενου αλεξικέραυνων. Αυτές οι τάσεις έχουν, θεωρητικά, πολύ μικρότερη διάρκεια από τις δοκιμαστικές καμπύλες με 1.2/50 μs. Η ελάχιστη απόσταση ymin για την οποία ο κεραυνός δε θα εκτραπεί στη γραμμή, υπολογίζεται από την Εξίσωση (B.3), όπως προτείνεται στο IEEE Working Group Report [B61]. Για αυτό, τα rs και rg υπολογίζονται χρησιμοποιώντας το άνω όριο του διαστήματος ρεύματος. y min = r s 2 (r g h) 2 (B.3) όπου ymin είναι η ζώνη που φαίνεται στο Σχήμα Β.1 και δεν πλήττεται άμεσα (m) rs είναι η απόσταση του πλήγματος από τη γραμμή (m) rg είναι η απόσταση του πλήγματος από τη γη (m) h είναι το μέσο ύψος της γραμμής μεταφοράς (m) Αυτό φαίνεται γραφικά στο Σχήμα B.1 81

82 Σχήμα Β.1 Χρήση του ηλεκτρο-γεωμετρικού μοντέλου και του μοντέλου του Rusck για τον ορισμό βραχυκυκλώματος από απ ευθείας πλήγμα ή από τάση εξ επαγωγής Για παράδειγμα, ακολουθώντας τη διαδικασία που περιγράφηκε, με CFO=150 kv, για διάστημα ρεύματος από 49kA έως 50kA και ymax =84.6 m και ymin=72.5 m, σε ανοιχτό χώρο, έχουμε τα ακόλουθα τρία σενάρια: a. Εάν ο κεραυνός χτυπήσει μεταξύ y=0 και y=ymin, το πλήγμα θα τερματίσει στη γραμμή b. Εάν ο κεραυνός χτυπήσει μεταξύ y=ymin και y=ymax, το πλήγμα θα τερματίσει στο έδαφος και θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα λόγω τάσης εξ επαγωγής c. Πάνω από y=ymax, το πλήγμα θα τερματίσει στο έδαφος και δε θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα Τελικά, ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση ανά 100 km γραμμής ανά έτος, Fp, υπολογίζεται σαν το άθροισμα των πιθανοτήτων όλων των διαστημάτων, όπως διατυπώνεται εδώ: 200 F p = 2 N g 0.1 i=1 P i (y i max y i min ) (B.4) όπου Fp είναι ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων ανά 100 km ανά έτος Ng είναι η κεραυνική πυκνότητα (κεραυνοί/km 2 /έτος) 82

83 i είναι η αρίθμηση των διαστημάτων στα οποία έχει χωριστεί το μέγιστο ρεύμα πρώτου πλήγματος (ka) Pi είναι το P(i)-P(i+Δi ) χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (5) yi max είναι η ευάλωτη στα έμμεσα και άμεσα βραχυκυκλώματα ζώνη του Σχήματος (Β.1) (m) yi min είναι η ευάλωτη στα απευθείας πλήγματα ζώνη του Σχήματος (Β.1) (m) Η επίδραση της γείωσης ή ενός ουδέτερου αγωγού εκτιμήθηκε στο Σχήμα 4, χρησιμοποιώντας την επόμενη εξίσωση, που προτάθηκε στο Rusck [B100]. Η προσέγγιση αυτή εκφράζει το λόγο βελτίωσης η ως: η = V max = 1 h sw Z sw c V max h Z sw +2R g (B.5) Z sw c = 60 ln ( h+ h sw h h sw ) όπου V max είναι η επαγόμενη τάση στον αγωγό όταν υπάρχει αγωγός προστασίας (kv) Vmax είναι η επαγόμενη τάση στον αγωγό χωρίς αγωγό προστασίας από την Εξίσωση (Β.2) (kv) hsw είναι το ύψος του αγωγού προστασίας (m) h είναι το ύψος του αγωγού φάσης (m) Zsw-c είναι η αμοιβαία επαγωγή μεταξύ του αγωγού προστασίας και του αγωγού γραμμής Zsw είναι η επαγωγή του αγωγού προστασίας (Ω) από την Εξίσωση (9) Rg είναι η DC αντίσταση γείωσης (Ω) Στα παραπάνω καταλήξαμε θεωρώντας τον αγωγό προστασίας ή τον ουδέτερο με πραγματική ακτίνα και με συνεχείς γειώσεις (βλ. Rusck [B100]). Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχήμα 4 αφορούν την περίπτωση που η=0.75, όπως δίνεται στο Short [B105]. Φαίνονται επίσης στο Σχήμα Β.4 και θα συζητηθούν αργότερα. Υπάρχει μια απλοποιημένη μεταχείριση για την επίδραση του εδάφους με απώλειες στην ενίσχυση της επαγόμενης τάσης στο Darveniza [B43]. Ξεκινώντας από τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Guerrieri et al. [B56] και Nucci and Rachidi [B81], αναπτύσσεται μία επέκταση της Εξίσωσης (B.2) του Rusck: h eff = h ρ (Β.6) V max = 28 I 0 h eff y όπου 83

84 heff είναι το υποθετικό ύψος του αγωγού (m) ρ είναι η ειδική αντίσταση του εδάφους (Ωm), η αγωγιμότητα είναι σ (ms/m) = 1000/ρ h είναι το μέσο ύψος της γραμμής μεταφοράς (m) I0 είναι το μέγιστο ρεύμα πρώτου πλήγματος (ka) y είναι η μικρότερη απόσταση μεταξύ του πλήγματος και της γραμμής (m) Σημειώστε ότι η στατιστική διαδικασία για να εξαχθούν οι καμπύλες όταν υπάρχει μη ιδανικό έδαφος είναι ίδια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε για ιδανικό έδαφος. Β.2.2 ΜΕΘΟΔΟΣ MONTE CARLO ΓΙΑ ΠΟΛΥΣΥΡΜΑΤΙΚΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΙΔΑΝΙΚΟ ΚΑΙ ΜΗ ΙΔΑΝΙΚΟ ΕΔΑΦΟΣ Έχουν εξαχθεί λεπτομερή μοντέλα για τον προσδιορισμό της επαγόμενης τάσης, βλ. Agrawal et al. [B1], De La Rosa [B46], Master and Uman [B70] και Nucci et al. [B80], [B81] και [B82]. Έχουν γίνει προσπάθειες για να κατασκευαστεί ένα ολοκληρωμένο μοντέλο, το οποίο λαμβάνει υπ όψη την επίδραση του εδάφους στην ενίσχυση των μέγιστων ρευμάτων και στην κυματομορφή των επαγόμενων τάσεων. Η διαδικασία αυτή, χρησιμοποιήθηκε για την απόκτηση του Σχήματος 4, με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: a. Την εφαρμογή της μεθόδου Monte Carlo η οποία επιτρέπει άμεση συμπερίληψη των στατιστικών κατανομών των εμπλεκόμενων παραμέτρων και των συντελεστών συσχέτισης των. b. Τη χρήση πιο γενικών και ακριβών μοντέλων για τον υπολογισμό των επαγόμενων τάσεων κατά μήκος της πολυσυρματικής γραμμής, σχεδιασμένων να λαμβάνουν υπ όψη κάθε κυματομορφή του κεραυνικού ρεύματος και την πεπερασμένη αγωγιμότητα του εδάφους στον υπολογισμό της διάδοσης του πλήγματος και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, βλ. Cooray [B32] και [B34] και Rubinstein [B99]. Επίσης, είναι σημαντικό να συνυπολογίζουμε την ύπαρξη πολλαπλών γειώσεων στον αγωγό προστασίας (ή στον ουδέτερο), όταν εκτιμούμε τα σχετικά αποτελέσματα της μετρίασης. Η διαδικασία εύρεσης της κεραυνικής συμπεριφοράς μιας γραμμής μεταφοράς ορίζεται από τα παρακάτω βήματα από το Borghetti et al. [B22]. B ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗΣ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ (LIOV) [B68] Τα πιο πάνω μοντέλα περιγράφονται πλήρως στο Nucci and Rachildi [B83] έχουν μεταφραστεί σε έναν υπολογιστικό κώδικα (LIOV, lightning induced overvoltage code 1 ). Ξεκινώντας από την κυματομορφή του κεραυνικού ρεύματος, ο LIOV παρέχει ένα μοντέλο πλήγματος, βλ. Nucci et al. [B78] και Uman et al. [B111], που δίνει τη χωρική και χρονική κατανομή του ρεύματος πάνω στη γραμμή. Μετά, υπολογίζεται ο ηλεκτρομαγνητικός παλμός του κεραυνού (LEMP), χρησιμοποιώντας τους τύπους από το Master and Uman [B70], καθώς και τη φόρμουλα Cooray-Rubinstein [B32], [B34] και [B99], έτσι ώστε να ληφθεί υπ όψη η επίδραση του εδάφους στο μεταδιδόμενο πεδίο. 1 Ο κώδικας LIOV αναπτύχθηκε εν μέσω μίας διεθνούς συνεργασίας που συμπεριλαμβάνει το Πανεπιστήμιο της Bologna, το Swiss Federal Institute of Technlogy (Lausanne) και το Πανεπιστήμιο Ρώμης La Sapienza. Υπάρχει διαθέσιμη έκδοση του κώδικα για ιδανικό και για μη ιδανικό έδαφος για εναέρια γραμμή στο 84

85 Έπειτα χρησιμοποιείται το μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης Agrawal et al. [B1], κατάλληλα επεξεργασμένο για την περίπτωση του μη ιδανικού εδάφους, για να αναπαρασταθεί η σύζευξη μεταξύ του LEMP και της πολυσυρματικής γραμμής, που τελικά επιτρέπει την εκτίμηση των επαγόμενων υπερτάσεων κατά μήκος της γραμμής. Η ακρίβεια του LIOV έχει επαληθευτεί από τη σύγκριση με πειραματικά δεδομένα, τόσο σε μοντέλα μικρής κλίμακας, βλ. Paolone et al. [B84], και Piantini et al. [B88], όσο και σε πειράματα κανονικής κλίμακας με πρόκληση κεραυνού, βλ. Paolone et al. [B85]. B ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΥΖΕΥΞΗΣ AGRAWAL ET AL. Το μοντέλο σύζευξης Agrawal et al. [B1] για το πρόβλημα που μας ενδιαφέρει περιγράφεται από τις ακόλουθες εξισώσεις: [v x i s (x, t)] + [L ij ] [i t i(x, t)] + [ξ gij ] [i t i(x, t)] = [E e x (x, h i, t)] (B.7) [i x i(x, t)] + [C ij ] [v t i s (x, t)] = 0 (B.8) [v i (x, t)] = [v i s (x, t)] + [v i e (x, t)] = [v i s (x, t)] [ όπου h i 0 E e z (x, z, t)dz] (B.9) [E x e (x, h i, t)] είναι η οριζόντια συνιστώσα του προσπίπτοντος ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος του άξονα x στο ύψος του αγωγού hi [E z e (x, z, t)] είναι η κάθετη συνιστώσα του προσπίπτοντος ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο x κατά μήκος του αγωγού στο ύψος z [ξ gij ] είναι ο πίνακας της παροδικής αντίστασης εδάφους [L ij ] και [C ij ] είναι οι πίνακες εξωτερικής επαγωγής και χωρητικότητας ανά μονάδα μήκους της γραμμής [i i (x, t)] είναι το διάνυσμα του ρεύματος είναι το σύμβολο της συνέλιξης [v i s (x, t)] είναι το διάνυσμα της τάσης σκέδασης [v i e (x, t)] είναι το διάνυσμα της τάσης διέγερσης [v i (x, t)] είναι το διάνυσμα της συνολικής τάσης Οι οριακές συνθήκες για την τάση σκέδασης [v i s (x, t)] και στα δύο άκρα της γραμμής (x=0, x=l) είναι: [v i s (0, t)] = [R 0 ][i i (0, t)] [v i e (0, t)] (B10) [v i s (L, t)] = [R L ][i i (L, t)] [v i e (L, t)] 85

86 B ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ MONTE CARLO Ένας μεγάλος αριθμός κεραυνών ntot παράγεται τυχαία σε μια αριθμητική διαδικασία, βλ. Borghetti et al. [B22]. Κάθε κεραυνός χαρακτηρίζεται από τρεις παραμέτρους: - Ip είναι το μέγιστο ρεύμα του πρώτου πλήγματος - tf είναι ο χρόνος που συμβαίνει αυτό - y είναι η μικρότερη απόσταση του πλήγματος από τη γραμμή Μόνο τα πρώτα πλήγματα λαμβάνονται υπ όψη στην ανάλυση. Χρειάζεται περαιτέρω δουλειά για να συμπεριληφθούν οι επιδράσεις των ακόλουθων πληγμάτων και επίλυση αρκετών ανοικτών ζητημάτων όπως: i. Σχέση μεταξύ μονοπατιών πρώτου και επακόλουθων πληγμάτων ii. Συσχέτιση μεταξύ των παραμέτρων ρευμάτων πρώτου και επακόλουθων πληγμάτων iii. Ο αριθμός των επακόλουθων πληγμάτων Οι πρώτες δύο ποσότητες, για τα πρώτα πλήγματα, ακολουθούν τη λογαριθμοκανονική κατανομή δύο σταδίων που υιοθετήθηκε από το Anderson and Erikkson [B5] και το CIGRÉ [B27]. Η μέθοδος Monte Carlo επιλέγει τυχαίες τιμές που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κατανομών για αρνητικές παραμέτρους πρώτων πληγμάτων που βρίσκονται στον Πίνακα Β.1. Η αριθμητική μέθοδος, βλ. Borghetti et al. [Β22], περιλαμβάνει ένα συντελεστή συσχέτισης μεταξύ του tf και του Ip, που ισούται με Πίνακας Β.1 Παράμετροι λογαριθμοκανονικής κατανομής για αρνητικά κατερχόμενα πρώτα πλήγματα [Β27] Αυτές οι στατιστικές κατανομές έχουν εξαχθεί κυρίως από μετρήσεις σε εξοπλισμένους πυλώνες. Μία μέση τιμή 31 ka είναι κατάλληλη για πυλώνες μεταφοράς με ύψος μέχρι 140 m, βλ. Takami and Okabe [B110]. Οι μετρήσεις στους πυλώνες επηρεάζονται από ανακλάσεις, βλ. Guerrieri et al. [B55]. Επίσης, για ψηλότερους πυλώνες, υπάρχει ένας αυξανόμενος λόγος ανερχόμενων κεραυνών που οδηγεί σε επακόλουθα πλήγματα. Επίσης, η ηλεκτρομαγνητική θεωρία αναφέρει ότι οι κατανομές ενίσχυσης του ρεύματος των κεραυνών που συλλέγεται από τους πυλώνες ευνοούν τιμές μεγαλύτερες από εκείνες των κατανομών των πληγμάτων στη γη, βλ. Borghetti et al. [B20]. Όλα αυτά έχουν παραληφθεί σκοπίμως από την οδηγία αυτή. 86

87 Β ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΤΟΠΟΘΕΣΙΩΝ ΤΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΣΤΗ ΓΗ Η απόσταση από την υποτιθέμενη τοποθεσία πλήγματος ως τη γραμμή y θεωρείται πως είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη έως την τιμή ymax στο Σχήμα Β.1. Πλήγμα σε απόσταση μεγαλύτερη από αυτή, θεωρείται ότι δεν μπορεί να προκαλέσει βλάβη στη γραμμή. Από το σύνολο της κεραυνικής δραστηριότητας, επιλέγονται τα συμβάντα που έχουν σχέση με τα έμμεσα πλήγματα μεταξύ των αποστάσεων ymin και ymax, υιοθετώντας ένα μοντέλο έτσι ώστε να οριστεί το ymin. Χρησιμοποιείται το μοντέλο απόστασηε πήγματος που παρουσιάζεται στην Εξίσωση (Β.1). Μία σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων που αποκτούνται με τη χρήση άλλων μοντέλων παρουσιάζεται στο Borghetti et al. [B22]. Για κάθε έμμεσο πλήγμα, η μέγιστη τιμή της επαγόμενης τάσης στη γραμμή υπολογίζεται από τον κώδικα LIOV που περιγράφηκε πριν. Αν n είναι ο αριθμός των πληγμάτων που παράγουν επαγόμενη τάση μεγαλύτερη από το επίπεδο μόνωσης, ο αριθμός των ετήσιων σφαλμάτων στη μόνωση ανά 100 km γραμμής μεταφοράς Fp δίνεται από: F p = 200 n n tot N g y max (B.11) όπου Fp είναι ο αριθμός πληγμάτων από επαγόμενη τάση ανά 100 km γραμμής ανά έτος Ng είναι ο ετήσιος αριθμός πυκνότητας κεραυνών (κεραυνοί/km 2 /έτος) ymax είναι η απόσταση που ορίζεται στο Σχήμα Β.1 ntot είναι ο συνολικός αριθμός πληγμάτων στην περιοχή ±ymax Με σκοπό να λάβουμε τα αποτελέσματα του Σχήματος 4, η διαδικασία αυτή εφαρμόστηκε σε γραμμή μήκους 2 km, με συνολική αντίσταση και στα δύο άκρα Ζ0, με απόσταση πληγμάτων ίση και από τα δύο άκρα της γραμμής και έχοντας διαμόρφωση παρόμοια με γραμμή απείρου μήκους. B.2.3 ΓΡΑΜΜΗ ΕΝΟΣ ΑΓΩΓΟΥ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΤΕΛΕΙΟ ΕΔΑΦΟΣ Η πιο γενική διαδικασία που παρουσιάζεται σε αυτές τις οδηγίες και αυτή που παρουσιάζεται σε παλιότερες εκδόσεις διαφέρουν σε δύο κύρια σημεία: a. Τη στατιστική προσέγγιση b. Τη μέθοδο υπολογισμού της μέγιστης επαγόμενης τάσης Για κανάλι κάθετο σε τέλεια αγώγιμο έδαφος, το μοντέλο σύζευξης Agrawal et al. και το μοντέλο Rusck έχουν τα ίδια αποτελέσματα, βλ. Coorey [B33]. Είναι λοιπόν δυνατό να συγκρίνουμε την επίδραση του δεύτερου σημείου κάνοντας τους υπολογισμούς LIOV και Monte Carlo κρατώντας σταθερό το tf και ίσο με μία μικρή τιμή στη μέθοδο Monte Carlo. Το Σχήμα Β.2 παρουσιάζει τα αποτελέσματα αυτά, χρησιμοποιώντας tf=1 μs για την καμπύλη C, η οποία δείχνει να ταιριάζει με την καμπύλη A που παίρνουμε από το μοντέλο Rusck. 87

88 Σε αντίθεση, τα αποτελέσματα από το Borghetti et al. [B22] για μια ρεαλιστική κατανομή του χρόνου μετώπου του πρώτου πλήγματος από το Anderson and Erikkson [B5] δείχνει μία διαφορά τάξης μεγέθους στο ποσοστό βραχυκυκλωμάτων για γραμμή με τάση CFO kv. Σχήμα Β.2 Επίδραση του χρόνου μετώπου στο ποσοστό βραχυκυκλωμάτων γραμμής μεταφοράς ΣΗΜΕΙΩΣΗ 1 Καμπύλη (Α) από το IEEE Std 1410 TM 2002 χρησιμοποιώντας το μοντέλο Rusck για βηματικό κύμα πάνω από τέλειο έδαφος ΣΗΜΕΙΩΣΗ 2 -- Καμπύλη (Β) από ανάλυση LIOV για ρεαλιστική κατανομή χρόνου μετώπου πάνω από τέλειο έδαφος ΣΗΜΕΙΩΣΗ 3 Καμπύλη (C) από την ανάλυση LIOV για χρόνου μετώπου 1μs πάνω από τέλειο έδαφος ΣΗΜΕΙΩΣΗ 4 Χρησιμοποιείται διάταξη με ίδιο συντελεστή προστασίας όπως η προηγούμενη έκδοση, δηλαδή 0.75, βλ. Short [B105] ΣΗΜΕΙΩΣΗ 5 Η γραμμή έχει ύψος h=10 m με ακτίνα r=5 mm Β.2.4 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΔΙΣΥΡΜΑΤΙΚΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΙΔΑΝΙΚΟ ΕΔΑΦΟΣ Σχετικά με το φαινόμενο μετρίασης του εναέριου αγωγού προστασίας, η προτεινόμενη διαδικασία LIOV λαμβάνει υπ όψη τη σύζευξη LEMP του εναέριου αγωγού προστασίας μαζί με την παρουσία πολλαπλών γειώσεων, όπως περιγράφεται από το Paolone et al. [B84]. Με σκοπό να συνυπολογίσουμε τη θέση του πλήγματος σε σχέση με τις θέσεις των πολλαπλών συνδέσεων με τη γη, με ειδική αναφορά στις κοντινότερες, θεωρούμε πως τα τυχαία σημεία 88

89 που συμβαίνει το πλήγμα είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα εντός μίας συγκεκριμένης επιφάνειας που περιλαμβάνει τη γραμμή καθώς και όλους τους κεραυνούς σε απόσταση 1 km και μικρότερη από τη γραμμή. Το Σχήμα Β.3 παρουσιάζει τη σύγκριση μεταξύ του ποσοστού βραχυκυκλωμάτων του Σχήματος 4 της προηγούμενης έκδοσης (καμπύλη Α) και αυτού που παίρνουμε χρησιμοποιώντας τη διαδικασία που περιγράφει αυτή η οδηγία, με τον αγωγό προστασίας να γειώνεται κάθε 30 m (καμπύλη B) και κάθε 500 m (καμπύλη C), για την περίπτωση γραμμής πάνω από ιδανικό έδαφος. Και οι δύο καμπύλες B και C, προκύπτουν ορίζοντας το tf να είναι ίσο με 1 μs, έτσι ώστε να είναι σταθερή η σύγκριση και να δώσει έμφαση στην επίδραση της απόστασης μεταξύ των γειώσεων στα αποτελέσματα. Το Σχήμα Β.3 δείχνει ότι το η από την Εξίσωση (Β.5) δίνει ακριβή αποτελέσματα μόνο για μικρές αποστάσεις μεταξύ δύο γειτονικών γειώσεων, σε συμφωνία με τα αποτελέσματα του Paolone et al. [B84]. Σχήμα Β.3 Επίδραση της απόστασης μεταξύ γειώσεων στο ποσοστό βραχυκυκλωμάτων με τη χρήση μοντέλων ταχέως μετώπου ΣΗΜΕΙΩΣΗ 1 Καμπύλη Α από το IEEE Std χρησιμοποιώντας το μοντέλο Rusck για βηματικό κύμα πάνω από ιδανικό έδαφος με τον αγωγό προστασίας να θεωρείται πως έχει δυναμικό ίσο με 0 ΣΗΜΕΙΩΣΗ 2 Καμπύλη B από την ανάλυση LIOV με χρόνο μετώπου 1 μs, πάνω από ιδανικό έδαφος και γείωση κάθε 30 m ΣΗΜΕΙΩΣΗ 3 Καμπύλη C από την ανάλυση LIOV με χρόνο μετώπου 1 μs, πάνω από ιδανικό έδαφος και γείωση κάθε 500 m ΣΗΜΕΙΩΣΗ 4 Χρησιμοποιείται διάταξη με τον ίδιο συντελεστή προστασίας όπως η προηγούμενη έκδοση, δηλαδή 0.75, βλ. Short [B105] 89

90 ΣΗΜΕΙΩΣΗ 5 Η γραμμή έχει ύψος h=10 m με ακτίνα r=5 mm ένας αγωγός προστασίας τοποθετείται σε ύψος h=8.37 m πάνω από το τέλεια αγώγιμο έδαφος έχοντας την ίδια ακτίνα και αντίσταση σε κάθε σημείο γείωσης Rg=0 Ω Β.2.5 ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Σχήμα 4 αναφέρονται σε γραμμή μεταφοράς σε ανοιχτό χώρο. Ένα κύκλωμα που έχει κοντά δέντρα ή κτήρια δεν θα έχει τόσα απευθείας πλήγματα, αλλά υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να εμφανιστούν βραχυκυκλώματα από επαγόμενες τάσεις αφού τα κοντινά αυτά αντικείμενα προσελκύουν κεραυνούς. Β.3 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΓΩΓΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΓΙΑ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Η εκτίμηση της συμπεριφοράς του εναέριου αγωγού προστασίας μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας παρόμοια προσέγγιση με αυτή του Working Group on Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines που χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα FLASH στο IEEE Standard με επιπλέον πληροφορίες στο Anderson [B4] και στο IEEE Working Group Report [Β62]. Όσο μικρότερη η απόσταση μεταξύ των στύλων της γραμμής, τόσο καλύτερη και η μοντελοποίηση με τον υπάρχοντα λογάριθμο, άρα είναι απαραίτητες κάποιες αλλαγές στη γραμμή μεταφοράς. Λόγω των μικρότερων ανοιγμάτων στις γραμμές, οι αντανακλάσεις από τους γειτονικούς στύλους θα μειώσουν κατά πολύ την τάση μόνωσης. Οι αντανακλάσεις αυτές, μειώνουν όχι μόνο τη μέγιστη τάση, αλλά και την ουρά της κυματομορφής. Για τους υπολογισμούς της μέγιστης τάσης, πρέπει να λαμβάνονται υπ όψη μόνο οι γειτονικοί στύλοι. Για τους υπολογισμούς της τάσης ουράς, συνυπολογίζουμε και επιπλέον στύλους. Το μοντέλο FLASH πραγματοποιεί υπολογισμούς τάσης στην επιστροφή της πρώτης αντανάκλασης από γειτονικό πυλώνα, σε περίπου 2 μs, και ξανά μετά από πολλαπλές αντανακλάσεις στα 6 μs. Για γραμμές διανομής, υπολογίζεται μόνο για 2 μs. Υποτίθεται ότι οι αντανακλάσεις από τους γειτονικούς στύλους θα μειώσουν την ουρά, έτσι ώστε αν δεν γίνει βραχυκύκλωμα στα πρώτα 2 μs, δε θα γίνει καθόλου. Τάσεις στη συχνότητα λειτουργίας (50 Hz) μπορούν να παραληφθούν. Ακόμα και αν μπορεί να επηρεάσει τη φάση στην οποία θα γίνει το βραχυκύκλωμα, θεωρείται πως δεν επηρεάζει το συνολικό ποσοστό βραχυκυκλωμάτων. Η συνολική αντίσταση των δεσμών των στύλων είναι μεγάλη, αλλά ο χρόνος διάδοσης είναι μικρός (t = hsw / c), οπότε η συνολική επίδραση δε συνεισφέρει στην αύξηση τάσης στον γραμμικά αυξανόμενο μέτωπο του κύματος. Έτσι, οι επιδράσεις των στύλων μπορούν να παραληφθούν. Το απλοποιημένο μοντέλο φαίνεται στο Σχήμα Β.4 με τις γειώσεις των γειτονικών στύλων. Zs είναι η αυτεπαγωγή του εναέριου αγωγού προστασίας. 90

91 Σχήμα Β.4 Απλοποιημένο μοντέλο απευθείας πλήγματος σε εναέριο αγωγό προστασίας Μία έκφραση για την τάση, συμπεριλαμβάνοντας και τις αντανακλάσεις, λύνεται για t = 2 μs όπως φαίνεται στην Εξίσωση (Β.6). V = I R 2 t [Z I Z W(1 ψ Ν ) 1 ψ ] + I R τ Z W [ (1 ψν ) (1 ψ) 2 ΝψΝ 1 ψ ] (Β.12) Z I = Z W = R i Z Z+ R i 2R 2 i Z (Z R n) (Z+ R i ) 2 (Z+ R n ) (B.13) (B.14) ψ = (Z R i) (Z+ R i ) (Z R n ) (Z+ R n ) (B.15) R n = 0.5 Z S R o (Z S + R o ) (B.16) όπου V είναι η τάση στον αγωγό γείωσης στο σημείο του πλήγματος (kv) IR είναι το μέγιστο ρεύμα πρώτου πλήγματος (ka) t είναι το θεωρητικό ισοδύναμο γραμμικό μέτωπο για όλα τα αρνητικά πρώτα πλήγματα (2 μs) τ είναι ο χρόνος διάδοσης στον επόμενο στύλο με ταχύτητα του φωτός c (s) Z είναι το μισό της συνολικής αντίστασης Zs του αγωγού γείωσης από την Εξίσωση (10) (Ω) Ri είναι η αντίσταση θεμελίωσης του στύλου αναφοράς συμπεριλαμβανομένων των φαινομένων ιονισμού (Ω) Ro είναι η αντίσταση θεμελίωσης του γειτονικού στύλου χωρίς τα φαινόμενα ιονισμού (Ω) 91

92 Rn είναι η παράλληλη αντίσταση των θεμελιώσεων και αγωγών γείωσης ZI είναι η εσωτερική αντίσταση (Ω) ZW είναι η κυματική αντίσταση (Ω) ψ είναι ο αδιάστατος συντελεστής απόσβεσης N είναι ο αριθμός των αντανακλάσεων από το γειτονικό στύλο, δηλαδή ο μεγαλύτερος ακέραιος t/2τ Η τάση από τη φάση στη γη κατά μήκος της μόνωσης ισούται με V (1 - Cn), όπου Cn είναι ο συντελεστής σύζευξης τροποποιημένος από το φαινόμενο Corona, όπως στο IEEE Standard , Anderson [B4] και το IEEE Working Group [B62]. Σημειώστε ότι, εάν η ακτίνα Corona ξεπεράσει ένα μεγάλο μέρος του κενού μεταξύ αγωγού προστασίας και αγωγού φάσης, ο συντελεστής σύζευξης πλησιάζει τη μονάδα, αλλά η πιθανότητα για βραχυκύκλωμα στο μέσο του ανοίγματος αυξάνεται. Για ηλεκτρόδια μίας ράβδου που μπορούν να ιονιστούν σε ημισφαιρική ζώνη για απευθείας ρεύμα κεραυνού, χρησιμοποιείται μια μη γραμμική γείωση, που δίνεται από τις ακόλουθες εξισώσεις, βλ. CIGRÉ Working Group [B27] και Mousa [B77]: R i = R o 1+ i R I g (B.17) I g = E gρ 2πR o 2 i R = I R R oz R o + Z (B.18) (B.19) όπου Ri είναι η αντίσταση θεμελίωσης που είναι συνάρτηση του ρεύματος θεμελίωσης Ro είναι η φυσιολογικά μετρημένη αντίσταση (χαμηλή συχνότητα χαμηλό ρεύμα) (Ω) Ig είναι το ρεύμα αναφοράς στο οποίο γίνονται σημαντικά τα φαινόμενα ιονισμού (ka) Eg είναι το επίπεδο ιονισμού του εδάφους, περίπου 300 kv/m, βλ. Mousa [B77] ρ είναι ηειδική αντίσταση του εδάφους (Ωm) IR είναι το μέγιστο ρεύμα πλήγματος (ka) Z είναι το μισό της συνολικής αντίστασης Zs του αγωγού γείωσης από την Εξίσωση (10) (Ω) Επειδή από τους γειτονικούς στύλους θα διαρρεύσει πολύ μικρότερο ρεύμα, στην Εξίσωση (Β.16) χρησιμοποιούμε την αντίσταση Ro. Στα 2 μs, η καμπύλη τάσης-χρόνου μόνωσης θεωρείται πως αυξάνεται σε 1.5 φορά τη CFO. Αυτό είναι παρόμοιο με την καμπύλη τάσης-χρόνου για μήκη μονωτήρων που 92

93 χρησιμοποιείται στο μοντέλο FLASH (1.52 φορές τη CFO για 2 μs). Το μοντέλο αυτό επαναλαμβάνεται για την εύρεση ενός κρίσιμου ρεύματος που χρησιμεύει στην εύρεση της πιθανότητας βραχυκυκλώματος χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4). Για τα αποτελέσματα του αγωγού γείωσης που φαίνονται στο Σχήμα 7, Cn=0.35, Zs=400 Ω, ρ=1000 Ωm, άνοιγμα=75 m, χρόνος διάδοσης ανοίγματος=0.25 μs. B.4 ΔΙΑΚΕΝΟ ΑΛΕΞΙΚΕΡΑΥΝΩΝ Β.4.1 ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Εάν ένα απευθείας πλήγμα τερματίσει στο μέσο του ανοίγματος, μεταξύ ενός στύλου με αλεξικέραυνα και ενός χωρίς, η τάση που μπορεί να αναπτυχθεί στον απροστάτευτο στύλο καθορίζεται από την απόσταση μεταξύ του πλήγματος και του στύλου με τα αλεξικέραυνα. Αυτό καθορίζεται από: V = (V IR + L c όπου IZ o 2t m ) (B.20) V είναι η μέγιστη τάση κατά μήκος της μόνωσης VIR είναι το επίπεδο εκφόρτισης τάσης του αλεξικέραυνου L είναι η απόσταση μέχρι τον επόμενο στύλο με αλεξικέραυνο (m) c είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος (3 x 10 8 m/s) I είναι το μέγιστο κρουστικό ρεύμα κεραυνού Zo είναι η συνολική αντίσταση της γραμμής tm είναι το γραμμικό ισοδύναμο 0-100% χρόνου μετώπου (2 μs για μεγάλο πρώτο πλήγμα) Το μέγιστο ρεύμα που απαιτείται για την πρόκληση βραχυκυκλώματος, μπορεί να βρεθεί θέτοντας V=1.5 CFO και λύνοντας ως προς Imidspan : I midspan = 2ct m (1.5 CFO V IR ) LZ o (B.21) Υποθέτοντας ότι tm = 2 μs, CFO = 350 kv, Zo = 400 Ω, L = 75 m και VIR = 40 kv, το ποσοστό βραχυκυκλωμάτων υπολογίζεται: I midspan = 19.4 ka Η πιθανότητα να ξεπεραστεί αυτό το ρεύμα, δίνεται από την Εξίσωση (4): P midspan = 77.2 % 93

94 Ένα απευθείας πλήγμα σε στύλο χωρίς αλεξικέραυνο θεωρείται ότι προκαλεί βραχυκύκλωμα σε ποσοστό 100 %. Ένα απευθείας πλήγμα σε απόλυτα προστατευμένο στύλο δε θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα, αλλά υπάρχει ακόμα η πιθανότητα βραχυκυκλώματος στον επόμενο μη προστατευμένο στύλο. Αυτό εξαρτάται από την τάση CFO του απροστάτευτου στύλου και την αντίσταση του εδάφους Ro στο στύλο με τα αλεξικέραυνα. I pole = 1.5 CFO V IR R o (B.22) Η πιθανότητα βραχυκυκλώματος μπορεί να υπολογιστεί από το κρίσιμο ρεύμα Ipole με VIR =40 kv. Εάν Ro = 25 Ω και CFO = 150 kv, τότε Ipole = 7.4 ka, Ppole = 98% Εάν Ro = 10 Ω και CFO = 350 kv, τότε Ipole = 48.5 ka, Ppole = 24% Χρησιμοποιώντας τις πιθανότητες για στύλους με αλεξικέραυνα, για στύλους χωρίς αλεξικέραυνα και για αγωγούς μεταξύ των στύλων (υποθέτοντας πως στο 50% των περιπτώσεων, ο κεραυνός πλήττει το μέσο του ανοίγματος), υπάρχει η δυνατότητα να κατασκευάσουμε ένα πίνακα όπως ο Β.2. Πίνακας Β.2 Βραχυκυκλώματα από απευθείας πλήγματα για διάφορα ανοίγματα Με δύο ανοίγματα μεταξύ αλεξικέραυνων και Ro = 10 Ω και CFO = 350 kv, ο πίνακας συμπληρώνεται ως εξής: Έστω ότι το 50% των πληγμάτων τερματίζουν στο μέσο του ανοίγματος (Pmidspan = 77.2%), 25% τερματίζουν στο στύλο με τα αλεξικέραυνα (Ppole = 24%) και 25% τερματίζουν στον απροστάτευτο στύλο (100% βραχυκύκλωμα), άρα η πιθανότητα είναι: Πιθανότητα = Ppole Pmidspan = 70% Για τρία ανοίγματα μεταξύ των αλεξικέραυνων έχουμε: 3/6 + 1/6 Ppole + 2/6 Pmidspan Και για τέσσερα: 5/8 + 1/8 Ppole + 2/8 Pmidspan 94

95 Β.4.2 ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΕΠΑΓΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ Με τη διαδικασία που περιγράφηκε στο Β.2.2, μπορούν να αναλυθούν πιο ρεαλιστικές διαμορφώσεις γραμμής από αυτές που υπήρχαν σε προηγούμενες εκδόσεις, για παράδειγμα να περιλαμβάνονται ενεργές συσκευές προστασίας. Μία μονοσυρματική γραμμή ύψους h = 10 m, έχει τοποθετημένα αλεξικέραυνα ανά τακτικά διαστήματα κατά μήκος της γραμμής. Σύμφωνα με τις συστάσεις του IEEE Fast Fronts Transient Task Force [B63], τα αλεξικέραυνα μοντελοποιούνται χρησιμοποιώντας μια μηγραμμική χαρακτηριστική V-I, η οποία αποκτήθηκε από τη δοκιμή τυπικού αλεξικέραυνου 20 kv σε παλμό 1.2/50 μs, βλ. Borghetti et al. [B21]. Το Σχήμα Β.5 δείχνει την επιρροή των αλεξικέραυνων και της απόστασης μεταξύ δύο διαδοχικών αλεξικέραυνων στην περίπτωση του ιδανικού εδάφους. Σχήμα Β.5 Καμπύλες ποσοστών βραχυκυκλωμάτων στην περίπτωση γραμμής πάνω από ιδανικό έδαφος, με ή χωρίς αλεξικέραυνα (SA) τοποθετημένα κάθε 500 m και 200 m h=10 m, Ng=1 κεραυνός/km 2 /έτος Τα αποτελέσματα του Σχήματος Β.5 δείχνουν ότι υπάρχει μία σημαντική βελτίωση στην κεραυνική συμπεριφορά της γραμμής, μειώνοντας την απόσταση μεταξύ των αλεξικέραυνων κάτω από 300 m, σε συμφωνία με τα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν στο Borghetti et al. [B21]. 95

96 Σχήμα Β.6 Καμπύλες ποσοστών βραχυκυκλωμάτων στην περίπτωση γραμμής h = 10 m, πάνω από έδαφος με απώλειες (σg = 1 ms/m), με και χωρίς αλεξικέραυνα (SA) τοποθετημένα κάθε 500 m και 200 m, Ng = 1 κεραυνός/km 2 /έτος Η κεραυνική συμπεριφορά των γραμμών με χαμηλή CFO μπορεί να υποβιβαστεί παρά να βελτιωθεί με την παρουσία των αλεξικέραυνων, όπως φαίνεται στο Σχήμα Β.6. Αυτό γίνεται λόγω των ανακλάσεων που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια λειτουργίας των αλεξικέραυνων, και είναι ιδιαίτερα σημαντικό για περιοχές πλήγματος μακριά από τη γραμμή και για μεγάλες αποστάσεις μεταξύ διαδοχικών αλεξικέραυνων, βλ. Paolone et al. [B84]. 96

97 4. ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΑΜΦΙΣΣΑΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε δύο επιλεγμένες γραμμές από το δίκτυο διανομής της Περιοχής Άμφισσας ως προς την αντικεραυνική τους προστασία. Το δίκτυο διανομής είναι, εν γένει, το πιο πολύπλοκο τμήμα ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας και παράλληλα το πιο δαπανηρό λόγω του μεγάλου όγκου του εξοπλισμού που απαιτείται για τη σωστή λειτουργία του. Αυτό, βέβαια είναι και το μεγάλο του μειονέκτημα, καθώς η έκθεση του εξοπλισμού αυτού σε εξωγενείς παράγοντες κάνει το δίκτυο πολύ ευάλωτο σε σφάλματα σε σύγκριση με άλλα τμήματα του ΣΗΕ. Για το σωστό σχεδιασμό ενός δικτύου διανομής είναι απαραίτητη η μελέτη αντικεραυνικής προστασίας. Ο σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει ακριβώς τις αντοχές των χρησιμοποιούμενων υλικών και φυσικά να λαμβάνει υπ όψη του τις διαφορετικές καιρικές συνθήκες που επικρατούν σε κάθε περιοχή και ενδέχεται να καταπονήσουν την εγκατάσταση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, θα μελετήσουμε θεωρητικά το κατά πόσο είναι προστατευμένες οι γραμμές: - R-1 ΑΜΦΙΣΣΗΣ και - R-2 ΑΜΦΙΣΣΗΣ Οι γραμμές αυτές στην αρμοδιότητα του ΔΕΔΔΗΕ και υπάγονται στην Περιφέρεια Κεντρικής Ελλάδας και συγκεκριμένα στην Περιοχή Άμφισσας. Στο σημείο αυτό, οφείλω να ευχαριστήσω το Διευθυντή Περιοχής Άμφισσας κ. Σιούτα Συμεών, τον Τομεάρχη Εκμετάλλευσης Δικτύου Περιοχής Άμφισσας κ. Μαγκλάρα Ευθύμιο και γενικότερα το προσωπικό για την παροχή των δεδομένων και για τις πολύτιμες συμβουλές τους. Για να καταλήξουμε στα συμπεράσματά μας ακολουθήσαμε τον τρόπο θεωρητικού υπολογισμού των σφαλμάτων από κεραυνούς, όπως αναφέρεται στο IEEE Std για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού. Ακόμη, λάβαμε από το ΔΕΔΔΗΕ τα δεδομένα των σφαλμάτων που έχουν συμβεί στις γραμμές του δικτύου διανομής για δέκα χρόνια, από το 2003 έως το Οι δύο γραμμές που επιλέχθηκαν προς μελέτη είναι εντελώς διαφορετικές (μία ορεινή και μία κατά μήκος παραλιακού δρόμου), έτσι ώστε να μπορούμε να έχουμε μία σφαιρική άποψη για την προστασία των γραμμών στην περιοχή. Τα ακριβή χωροταξικά χαρακτηριστικά των γραμμών παρουσιάζονται παρακάτω, για κάθε γραμμή ξεχωριστά. 97

98 4.2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Οι γραμμές μέσης τάσης στην Ελλάδα δεν προστατεύονται από εναέριο αγωγό προστασίας. Έχει αποδειχτεί ότι για τάσεις λειτουργίας κάτω των 60 kv, η εγκατάσταση τέτοιου αγωγού είναι αντιοικονομική. Έτσι, οι γραμμές των 20 kv της μέσης τάσης και οι γραμμές χαμηλής τάσης 220/380 V προστατεύονται από αλεξικέραυνα και από αυτόματους διακόπτες ταχείας επαναφοράς. Για το θεωρητικό υπολογισμό των συνολικών σφαλμάτων από κεραυνούς πρέπει να αθροίσουμε τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων από άμεσα πλήγματα στη γραμμή, τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων λόγω τάσης εξ επαγωγής από πλήγματα κοντά στη γραμμή και τον αριθμό των σφαλμάτων λόγω ζημιάς του προστατευτικού εξοπλισμού. Η διαδικασία του υπολογισμού ακολουθεί τα εξής βήματα: 1. Εκτίμηση της κεραυνικής πυκνότητας (Ng) στην υπό εξέταση περιοχή. Για τον υπολογισμό χρησιμοποιούμε δεδομένα από τον ισοκεραυνικό χάρτη της περιοχής ή άλλα μετεωρολογικά δεδομένα. Από τον ισοκεραυνικό χάρτη βρίσκουμε το πλήθος των ημερών καταιγίδας ανά έτος (Td) και καταλήγουμε στην κεραυνική πυκνότητα μέσω της σχέσης: N g = 0.04 T d 1.25 κεραυνοί/km 2 /έτος 2. Εκτίμηση των κεραυνικών πληγμάτων σε απροστάτευτη γραμμή μέσω της σχέσης: N = N g ( 28 h0.6 +b 10 ) κεραυνοί/100 km/ έτος 3. Υπολογισμός του συντελεστή προστασίας της γραμμής (Sf). Ο υπολογισμός γίνεται με βάση το Σχήμα 3 του Κεφαλαίου 3. Ο συντελεστής αυτός πρέπει να υπολογιστεί, διότι ο αριθμός των πληγμάτων μειώνεται δραστικά σε περίπτωση που η γραμμή προστατεύεται από ψηλά δέντρα, κτήρια ή άλλες κατασκευές. 4. Υπολογισμός των βραχυκυκλωμάτων από άμεσα πλήγματα στη γραμμή, μέσω της σχέσης: N s = N (1 S f ) κεραυνοί/100 km/ έτος 5. Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων από έμμεσα πλήγματα. Χρησιμοποιώντας το Σχήμα 1, και θεωρώντας το μικρότερο CFO path προσδιορίζεται ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. 98

99 Σχήμα 1 Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση σε σχέση με το επίπεδο μόνωσης της γραμμής [1] Το χαμηλότερο CFO path επιλέγεται από τον Πίνακα 1. Για γραμμή διανομής στα 20 kv, η τυπική αντοχή στην κρουστική τάση κεραυνών είναι 125 kv. Πίνακας 1 Τυπικά επίπεδα μόνωσης για 20 kv Έπειτα, ανάγουμε το νούμερο αυτό στο πραγματικό ύψος γραμμής H, και την πραγματική κεραυνική πυκνότητα της υπό μελέτη περιοχής Ng μέσω της σχέσης: N i = M H 10 N g 1 Σύμφωνα με την οδηγία της IEEE για τον υπολογισμό τον αριθμό των έμμεσων βραχυκυκλωμάτων σε προστατευόμενη γραμμή, θεωρούμε ότι ο αριθμός αυτός 99

100 βρίσκεται κάπου ανάμεσα μεταξύ του αριθμού των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε ανοιχτό έδαφος και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος. 6. Εκτίμηση της τάξης σφαλμάτων που οφείλεται στη μη καλή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων (Np). 7. Εκτίμηση του Nl (overall outage rate) από τη σχέση: N l = N s + N i + N p κεραυνοί/100 km/έτος 8. Ανάγουμε το Nl στο πραγματικό μήκος της γραμμής και βρίσκουμε το ζητούμενο Nολ ΓΡΑΜΜΗ R-1 (ΧΡΙΣΣΟ ΔΕΛΦΟΙ ΑΡΑΧΩΒΑ) Η πρώτη γραμμή που εξετάζουμε είναι η γραμμή R-1 περιοχής Άμφισσας. Η γραμμή αυτή ξεκινάει από τον υποσταθμό υψηλής προς μέση τάση και καταλήγει σε διασύνδεση με γραμμή μέσης τάσης της περιοχής Λειβαδιάς λίγο έξω από την Αράχωβα. Στην Εικόνα 1, με μοβ χρώμα, βλέπουμε την όδευση του κορμού της γραμμής αυτής, σε ένα κατά προσέγγιση σχεδιασμό με βάση το λειτουργικό σχέδιο του ΔΕΔΔΗΕ. Εικόνα 1 Όδευση κορμού γραμμής R-1 Άμφισσας [13] Πρόκειται για μια ορεινή γραμμή, η οποία ξεκινάει από τους πρόποδες του Παρνασσού και καταλήγει σε περιοχές με υψόμετρο m. Η γραμμή αυτή παρουσιάζει μέτρια συχνότητα σφαλμάτων σε σχέση με τις υπόλοιπες γραμμές της περιοχής. Για τον υπολογισμό του αριθμού σφαλμάτων, θα ακολουθήσουμε τη μεθοδολογία που περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα και έπειτα θα συγκρίνουμε τον αριθμό αυτό με τον αριθμό των πραγματικών σφαλμάτων που έχουν καταγραφεί από το ΔΕΔΔΗΕ μέσω του Ημερολογίου Διακοπών και Βλαβών. 100

101 Το πρώτο βήμα είναι να υπολογίσουμε το συνολικό μήκος της γραμμής. Σύμφωνα με το λειτουργικό σχέδιο, έχει μήκος 104,559 km. Σε αυτό, εκτός από το μήκος του κορμού, συνυπολογίζεται και το μήκος των διακλαδώσεων της γραμμής. Η εκτίμηση των ημερών καταιγίδας ανά έτος στην κεντρική Στερεά Ελλάδα υπολογίζεται από το Χάρτη 2 στο Κεφάλαιο 2 και είναι: T d = 15 ημέρες καταιγίδας/έτος Άρα η κεραυνική πυκνότητα είναι: N g = 0.04 T d 1.25 = 0.04 (15) 1.25 = 1.18 κεραυνοί/km 2 /έτος Θεωρούμε ότι το μέσο ύψος της γραμμής από τη γη είναι κατά μέσο όρο H=12 m ενώ το πλάτος της είναι b=2.5 m. Με αυτά τα δεδομένα θα υπολογίσουμε τον αριθμό των σφαλμάτων που οφείλονται στα άμεσα κεραυνικά πλήγματα. N = N g ( 28 H0.6 +b 10 ) = 1.18 ( ) = κεραυνοί/100 km/έτος 10 Σημειώνουμε ξανά ότι η σχέση αυτή χρησιμοποιείται διότι η γραμμή δεν προστατεύεται από εναέριο αγωγό προστασίας. Επόμενο βήμα είναι να εισάγουμε το συντελεστή προστασίας Sf, που αντιπροσωπεύει το ποσοστό προστασίας της γραμμής από τα άμεσα πλήγματα εξ αιτίας των παραπλήσιων δέντρων ή κατασκευών. Η συγκεκριμένη γραμμή, βρίσκεται σε ορεινή περιοχή με σχετικά αραιή βλάστηση. Σύμφωνα με το Σχήμα 3 του Κεφαλαίου 3, ο συντελεστής προστασίας υπολογίζεται ως εξής: Θεωρούμε ότι, κατά μέσο όρο, η γραμμή προστατεύεται αριστερά και δεξιά από αντικείμενα 10 m (στην περίπτωσή μας δέντρα κατά κύριο λόγο) που βρίσκονται σε 101

102 απόσταση 50 m. Έτσι, έχουμε συντελεστή προστασίας από δεξιά Sf1=0.2 και από αριστερά Sf2=0.2. Άρα, τελικά ο συνολικός συντελεστής είναι Sf=0.4. Τώρα μπορούμε να υπολογίσουμε το συνολικό αριθμό άμεσων πληγμάτων από τη σχέση: N s = N (1 S f ) = = κεραυνοί/100 km/έτος Το επόμενο βήμα είναι να υπολογίσουμε τα έμμεσα πλήγματα λόγω επαγόμενης τάσης. Θεωρώντας μικρότερο CFO path σε ανοιχτό έδαφος 125 kv και με βάση το Σχήμα 1 βλέπουμε ότι έχουμε 3 επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Ανάγοντας τον αριθμό αυτό στην κεραυνική πυκνότητα και στο ύψος της γραμμής έχουμε: Επαγόμενα βραχυκυκλώματα = = κεραυνοί/100 km/έτος 10 1 Όπως έχει αναφερθεί κα προηγουμένως, όταν μία γραμμή είναι προστατευμένη, τότε δέχεται λιγότερα άμεσα πλήγματα. Όμως το όφελος που λαμβάνουμε από αυτή τη λειτουργία των συσκευών προστασίας, αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι περισσότερα ψηλά δέντρα ή κατασκευές οδηγούν σε περισσότερα επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Για να καταλήξουμε στον τελικό αριθμό των βραχυκυκλωμάτων αυτών, θεωρούμε μία προσαύξηση της τάξης του 50% στον αριθμό που υπολογίσαμε. Έτσι καταλήγουμε: N i = = κεραυνοί/100 km/έτος Θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν σφάλματα που να οφείλονται στην κακή λειτουργία των προστατευτικών διατάξεων, δηλαδή Np=0, βρίσκουμε το συνολικό αριθμό που συμβαίνουν στη γραμμή. Ν = N s + N i + N p = = κεραυνοί/100 km/έτος Και τελικά, ανάγοντας στο ολικό μήκος της γραμμής: N ολ. = = σφάλματα/έτος 102

103 4.2.2 ΓΡΑΜΜΗ R-2 (ΓΑΛΑΞΕΙΔΙ ΑΓΙΟΙ ΠΑΝΤΕΣ ΕΡΑΤΕΙΝΗ) Η δεύτερη γραμμή προς μελέτη είναι η γραμμή R-2 Άμφισσας, η οποία ξεκινάει επίσης από τον υποσταθμό υψηλής προς μέση τάση και διανύει μία αρκετά μεγάλη απόσταση για να τροφοδοτήσει τις παραθαλάσσιες περιοχές: Γαλαξείδι, Άγιοι Πάντες, Πάνορμος, Ερατεινή και παραλία Τολοφώνας και να καταλήξει σε διασύνδεση με γραμμή του πρακτορείου Ναυπάκτου. Επίσης, διασυνδέεται με άλλες δύο γραμμές της περιοχής Άμφισσας, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί βρόχος και μέσω αυτού, συνεχής λειτουργία σε περίπτωση βλάβης. Στην Εικόνα 2 φαίνεται προσεγγιστικά η όδευση του κορμού της γραμμής. Εικόνα 2 Όδευση κορμού γραμμής R-2 Άμφισσας [13] ΣΗΜΕΙΩΣΗ Στην εικόνα αναπαρίσταται μόνο το μέρος της γραμμής που χρησιμοποιείται για τροφοδοσία. Δεν φαίνεται ένα μεγάλο μέρος της που τη διασυνδέει με άλλες. Το μήκος της γραμμής υπολογίστηκε 117,6755 km, με βάση το λειτουργικό σχέδιο του ΔΕΔΔΗΕ. Για τον υπολογισμό των σφαλμάτων θα ακολουθήσουμε τη διαδικασία που χρησιμοποιήσαμε και πριν. Από τον ισοκεραυνικό χάρτη βλέπουμε ότι: T d = 20 ημέρες καταιγίδας/έτος Άρα η κεραυνική πυκνότητα στην επιφάνεια της γης είναι: N g = 0.04 T d 1.25 = 0.04 (20) 1.25 = 1.69 κεραυνοί/km 2 /έτος Θεωρούμε ότι το ύψος της γραμμής είναι H=12 m και το πλάτος της b=2.5 m. Υπολογίζουμε τον αριθμό των σφαλμάτων από άμεσα πλήγματα από τη σχέση: N = N g ( 28 H0.6 +b 10 ) = 1.69 ( ) = κεραυνοί/100 km/έτος

104 Εισάγουμε το συντελεστή προστασίας Sf. Θεωρούμε ότι η γραμμή προστατεύεται μόνο από τη μία μεριά από βουνό και δέντρα, αφού στο μεγαλύτερό της μήκος, η άλλη της μεριά είναι εκτεθειμένη στη θάλασσα και έχει χαμηλότερο υψόμετρο. Στην Εικόνα 3 φαίνεται η υψομετρική αυτή διαφορά στις δύο πλευρές της γραμμής. Εικόνα 3 Παράδειγμα όδευσης γραμμής R-2 Η γραμμή προστατεύεται σε απόσταση 10 m από βουνό και δέντρα ύψους 15 m περίπου. Άρα έχουμε συντελεστή προστασίας Sf=0.9, όπως φαίνεται και στο σχήμα: Αφού υπολογίσαμε το συντελεστή προστασίας, τώρα θα βρούμε το συνολικό αριθμό άμεσων πληγμάτων από τη σχέση: N s = N (1 S f ) = = κεραυνοί/100 km/έτος 104