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: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ανδρουλάκης Νικόλαος του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου:

2 Θέμα «ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ» Επιβλέπουσα Επίκουρη Καθηγήτρια Πυργιώτη Ελευθερία Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2016

3 Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον συγγραφέα, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

4 Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την στήριξή τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων.

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Αντικεραυνική προστασία συστημάτων» τηλεπικοινωνιακών Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΑΝΔΡΟΥΛΑΚΗ ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΤΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα: ο διευθυντής του τομέα: Επίκουρη Καθηγήτρια Πυργιώτη Ελευθερία Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης

6 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Αντικεραυνική προστασία τηλεπικοινωνιακών συστημάτων» Φοιτητής: Επιβλέπουσα : Ανδρουλάκης Νικόλαος Του Γεωργίου Επίκουρη καθηγήτρια Πυργιώτη Ελευθερία

7 Περίληψη Στη παρούσα πτυχιακή στόχος μας είναι να δώσουμε τις στρατηγικές και τεχνικές που ακολουθούνται για την προστασία από κεραυνούς των συστημάτων τηλεπικοινωνιών τόσο σε μία απλή κατοικία όσο και στις μόνιμες εγκαταστάσεις και κτίρια τηλεπικοινωνιών. Στο κεφάλαιο 1 περιγράφουμε το φαινόμενο του κεραυνού τα είδη του, τα φυσικά χαρακτηριστικά του, τον τρόπο που δημιουργείται, καθώς και πως λειτουργεί σε μία καταιγίδα. Στο κεφάλαιο 2 δίνουμε γενικά την έννοια της Αντικεραυνικής προστασίας καθώς και πως γενικά γίνεται η προστασία κτιρίων, ανθρώπων, ηλεκτρικών εγκαταστάσεων, ποια υλικά χρησιμοποιούμε στην αντικεραυνική προστασία. Στο κεφάλαιο 3 δίνουμε τις επιπτώσεις που έχουμε από την επίδραση των κεραυνών στις τηλεπικοινωνίες, στις κεραίες, την συχνότητα των βλαβών, τις καταπονήσεις στις ενσύρματες και ασύρματες επικοινωνίες. Στο κεφάλαιο 4 εστιάζουμε στα μέτρα προστασίας στους τηλεπικοινωνιακούς σταθμούς, στα δίκτυα επικοινωνιών εναέρια και υπόγεια. Στο τέλος δίνουμε σειρά συμπερασμάτων που προκύπτουν από όλα τα παραπάνω

8 Title: Effects of lightning strikes on telecommunication systems Abstract Aim of this diploma thesis is to study and simulate a lighting strike on the telecommunication systems and its effects at various points of them in order to realise the danger in which the telecommunication systems are being placed and the urgent need for taking appropriate measures to protect them. In chapter one, we describe the phenomenon of lighting, it s physical characteristics, the way it is created and how it works. In chapter two, we give the general concept of lighting protection, especially about the protection of buildings, people, electrical systems, what materials we use in lighting protection etc. In chapter three, we explain the effects that we have because of the influence of lighting in telecommunications, antennas, frequency of lesions, the stresses in wired and wireless telecommunications. In chapter four, we focus on protection measures in the telecommunication stations, communication networks, overhead and underground. Finally, we give a series of conclusions derived of all the above.

9

10 Αντικεραυνικη προστασια τηλεπικοινωνιακων συστηματων Διπλωματική Εργασία Ανδρουλάκης Νικόλαος Υπεύθυνη Καθηγήτρια: Πυργιώτη Ελευθερία

11 Περιεχόμενα Αντικεραυνικη προστασια τηλεπικοινωνιακων συστηματων Εισαγωγή Κεφάλαιο 1 Το φαινόμενο του Κεραυνού. Κεραυνικά Πλήγματα Ηλεκτρική κατάσταση της γης Τα συνεφα Κεραυνοί Είδη κεραυνών Φυσικά χαρακτηριστικά του κεραυνού Δημιουργία Κεραυνού Η Δημιουργία της καταιγίδας και των ηλεκτρικών φορτίων από αυτή Κεφάλαιο 2 Γενική Αντικεραυνική Προστασία Σκοπός Αντικεραυνικής Προστασίας Ισοδυναμικές συνδέσεις σε ηλεκτρονικά συστήματα Προστασία κτιρίων Προστασία της ανθρώπινης ζωής Προστασία ηλεκτρικών εγκαταστάσεων Σχεδιασμός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Υλικά κυκλωμάτων αντικεραυνικής προστασίας Σταθερές ηλεκτρικών συνδέσμων Κεφάλαιο 3 Τηλεπικοινωνίες και Κεραυνοί Κεραυνοί και Τηλεπικοινωνίες Σταθερές Δομές - Κεραίες Ο κλωβός Γειώσεις και κατασκευή τους Συχνότητα αναμενόμενων βλαβών... 48

12 3.6 Καταπόνηση υπό κεραυνικό κρουστικό ρεύμα Μόνιμοι ηλεκτρικοί σύνδεσμοι σε κυκλώματα αντικεραυνικής προστασίας και κυκλώματα γειώσεων γενικά Γενικές αρχές και ορισμοί σε κυκλώματα αντικεραυνικής προστασίας Κεφάλαιο 4 Αντικεραυνική Προστασία στις Τηλεπικοινωνίες Προστασία Τηλεπικοινωνιακού Κτιρίου Κατασκευή της εγκατάστασης γείωσης Προστασία οικιακών συσκευών και συσκευών Τηλεπικοινωνιών σε κατοικία Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης Χαρακτηριστικοί παράμετροι επιλογής Σωστή εφαρμογή αντικεραυνικής προστασίας 81 Συμπεράσματα 84 Βιβλιογραφία... 86

13

14 Εισαγωγή Tα τηλεπικοινωνιακά συστήματα είναι ευαίσθητα σε βλάβες από άμεσα κεραυνικά πλήγματα στις γραμμές ή στις κεραίες τους. Δυσμενή επίδραση μπορεί να έχουν πάνω σ' αυτά κεραυνοί που πέφτουν σε γειτονικές εγκαταστάσεις, ενώ υπερτάσεις μπορούν να δημιουργηθούν στα δίκτυά τους από πτώση κεραυνού σε κοντινές γραμμές αλλά - ιδιαίτερα- και παράλληλες ηλεκτρικές γραμμές κατά μήκος των τηλεφωνικών δικτύων. Τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας έχουν σκοπό να προστατευθεί ο άνθρωπος και οι ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές διατάξεις από κρουστικές υπερτάσεις οι οποίες οφείλονται είτε σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα είτε σε έμμεσο πλήγμα. Έχουν μεθόδους προστασίας που είναι πολύπλοκες και απαιτούν συστηματική έρευνα από το στάδιο της μελέτης των τηλεπικοινωνιακών εγκαταστάσεων. Για την επίτευξη της προστασίας από τους κεραυνούς των εγκαταστάσεων τηλεπικοινωνίας, που είναι εξαιρετικής σημασίας για την οικονομία κάθε χώρας, υπάρχουν Διεθνείς και Eθνικοί Kανονισμοί, οι οποίοι πρέπει να τηρούνται απαρέγκλιτα. Η προστασία ενός τηλεπικοινωνιακού κτιρίου και τη λειτουργία αλλά και προστασία των εντός αυτού εγκαταστάσεων θα πρέπει να κατασκευαστεί με τέτοιο τρόπο που να αποβλέπει στα εξής: -Στην ασφάλεια των εργαζομένων που συντηρούν τις εγκαταστάσεις αλλά και στην προστασία του κτιρίου και των εντός αυτού εγκαταστάσεων από επικίνδυνες εσωτερικές ή εξωτερικές υπερτάσεις. -Στην καλή λειτουργικότητα των εγκαταστάσεων δηλαδή στον περιορισμό της διαφωνίας και των θορύβων εντός των προδιαγραφομένων τιμών.

15 -Στην παροχέτευση στη γη όλων των ρευμάτων υψηλών συχνοτήτων κύρια από τα ανορθωτικά συγκροτήματα, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα στο δίκτυο της Δ.Ε.Η και του ΟΤΕ. Στη χρησιμοποίηση της γης ως αγωγού επιστροφής ενός τηλεπικοινωνιακού κυκλώματος. -Στην επίτευξη σταθερού δυναμικού αναφοράς για την ικανοποιητική λειτουργία της εγκατάστασης και τη διεξαγωγή μετρήσεων. Για την πραγματοποίηση των ανωτέρω επιβάλλεται η κατασκευή της εγκατάστασης γείωσης η οποία περιλαμβάνει: Τη γείωση αντικεραυνιιιής προστασίας δηλαδή τη γείωση έναντι ατμοσφαιρικών εκκενώσεων των προστατευτικών διατάξεων του κτιρίου ή μεμονωμένων μεταλλικών κατασκευών για τη διοχέτευση στη γη των ρευμάτων από τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις.

16 Κεφάλαιο 1 Το φαινόμενο του Κεραυνού. Κεραυνικά Πλήγματα 1.1 Ηλεκτρική κατάσταση της γης Η γη εμφανίζεται σταθερά ηλεκτρικά φορτισμένη με αρνητικό φορτίο της τάξης των 5x10 5. Ως γνωστόν ιονισμένα σωματίδια και των δυο πρόσημων παραγόμενα από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Λόγω αυτής της αγωγιμότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, τα θετικά και αρνητικά ιόντα κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δεν συμβαίνει οφείλεται στο ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο που ισοδυναμεί μ αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία (πηγή) που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί. Το φορτίο αυτό δημιουργεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με την κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς την γη με ένταση περίπου 0.13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου προκαλεί την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. 1.2 Τα συνεφα Η συνηθέστερη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό φορτίο στην κορυφή του και αρνητικό στην προς την γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να είναι γενικός κανόνας. Για τον τρόπο

17 συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες, όμως καμία δεν είναι γενικά παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που βασίζονται στην φόρτιση σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη και σε αυτές που βασίζονται στη μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας διαταράσσεται λοιπόν από το ηλεκτρικό πεδίο σε ένα σύννεφο, με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του, και έτσι αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός σύννεφου είναι περίπου 2 λεπτά, πράγμα που σημαίνει πως το σύννεφο περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση σε λίγα μόνον λεπτά. Με το σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, εφόσον πρώτα αναστραφεί αποκτά με την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (από τη γη προς την ατμόσφαιρα), τιμές που φθάνουν τα 10 kv/m. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού ή εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται πάλι στην προηγούμενη τιμή του. Το σχήμα 1 δείχνει ένα τυπικό παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας.

18 Σχήμα 1 [1.American Standards NFPA 780, Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.] Στην επιφάνεια της γης, όταν το ηλεκτρικό πεδίο που προκαλείται από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο από 1,5 έως 2 kv/m) αρχίζει ο ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως πολύ ψηλά κτίρια, απαγωγείς κεραυνών κλπ. και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη διαμέσου του αγωγού, στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (pointdischarge current). Αυτό το ρεύμα όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. Αξίζει να σημειωθεί πως η ταχύτητα των ιόντων αυτών είναι μικρή, συγκρινόμενη με του ανέμου την ταχύτητα, κατά την διάρκεια της καταιγίδας και έτσι η κίνησή τους καθορίζεται κυρίως από την ταχύτητα ]

19 του ανέμου, έτσι ώστε πολλά από τα ιόντα αυτά να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Έτσι η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου, του ύψους του αγωγού (αγώγιμου επιφανείας, ενός βρεγμένου κτιρίου, δένδρου κλπ.) από το οποίο παράγεται και από την ταχύτητα του ανέμου. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως για αγωγούς ύψους μερικών 10άδων μέτρων η τιμή του είναι μερικά μα, ενώ σε ορεινές περιοχές όπου τα σύννεφα είναι πιο πυκνά μερικά ma. Στο σχήμα 1 φαίνεται επίσης πως εκκενώσεις στο σύννεφο και προς τη γη μπορούν να παρατηρηθούν, όταν η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια αποκτά τιμές της τάξης των 3 kv/m και πάνω. Πρέπει εδώ να σημειωθεί πως όλα τα σύννεφα δεν προκαλούν ηλεκτρικές εκκενώσεις, έστω κι αν παρουσιάζουν συνθήκες φόρτισης. 1.3 Κεραυνοί Διάφοροι ορισμοί υπάρχουν στην βιβλιογραφία ενώ υπάρουν πάρα πολλές παράμετροι που περιγράφουν το φαινόμενο του κεραυνού. Οι περισσότεροι τελικά έχουν ακολουθήσει τις βασικές αρχές που έχει θέσει ο Κ. Berger. Έτσι έχουμε τα παρακάτω μεγέθη Πολικότητα κεραυνού: η εκκένωση ενός "αρνητικού νέφους" προς τη γη που γίνεται με ένα "αρνητικό κεραυνό" και ενός θετικού νέφους μ' ένα "θετικό κεραυνό". Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: κατά εκκένωση ενός "αρνητικού νέφους" που ρέει προς τη γη ένα "αρνητικό ρεύμα" και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: Ένας "κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης" (ονομαζόμενος και "οδηγός οχετός") προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος, ένας "ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης"

20 προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας "ανερχόμενος οχετός σύνδεσης" είναι μία εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μία ενδιάμεση θέση μεταξύ σύννεφου και εδάφους ένα κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: Η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης είναι ίδια με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας "θετικός οχετός προεκκένωσης" και αντίθετα. Από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας "αρνητικός οχετός προεκκένωσης". Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα "αρνητικό σύννεφο" ορίζεται σαν "αρνητικό" και το αντίθετο. Σύμφωνα μ' αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει "θετική κατεύθυνση 1.4 Είδη κεραυνών Ο κεραυνός αρχίζει από υψηλής πεδιακής έντασης σημεία. Μέσα στο ίδιο σύννεφο δύο ετερόσημα φορτία ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μία εκκένωση εσωτερική του νέφους, ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός προσήμου σε μία θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου προσήμου, που επάγεται εξαιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μία ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Μέσα στη ζώνη αυτή οι υψηλότερες εντάσεις είναι πιθανό να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η πιθανή εκκένωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει

21 από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ στη δεύτερη από το έδαφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού. Στο σχήμα 2 φαίνονται οι παρακάτω περιπτώσεις Σχήμα 2. Είδη κεραυνών. Ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης[1.american Standards NFPA 780, Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.] ] Περίπτωση 1α: "Κατερχόμενος αρνητικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 2α: "ανερχόμενος θετικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 3α: "κατερχόμενος θετικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. Περίπτωση 4α: "ανερχόμενος αρνητικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Αν ο οχετός προεκκένωσης (αναπτυσσόμενος με έναν από τους τέσσερις παραπάνω τρόπους) γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφογη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από

22 τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο κατώτερο μέρος του σχήματος 2 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί. Περίπτωση 1β: "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. Περίπτωση 2β: "ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση" πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 3β:"κατερχόμενη θετική εκκένωση" πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση). Περίπτωση 4β: "ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση" πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Από τους πιο πάνω τύπους, ο 4β που πρώτο-παρατηρήθηκε στο σταθμό του San Salvatore και μελετήθηκε από τον Κ. Βerger, αποτελεί τον ισχυρότερο τύπο κεραυνού που συνοδεύεται από τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος που έχουν καταγραφεί. Φαίνεται πως σε όλες τις υπερυψώσεις του εδάφους ο τύπος 4β αντικαθιστά τον 3β και γι αυτό ο τύπος 3β είναι γενικά σπάνιος. Κατά τον K.Berger οι κεραυνοί αυτοί εμφανίζονται μία μόνο φορά στο τέλος της καταιγίδας. 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 προϋπαντήσει τον κύριο οχετό προεκκένωσης. 1.5 Φυσικά χαρακτηριστικά του κεραυνού Η εκκένωση του κεραυνού εμφανίζει μεγάλη ομοιότητα με την εκκένωση μεγάλων διακένων τα οποία παράγονται σήμερα στο εργαστήριο. Το σχήμα 3 προέρχεται από πειραματικά αποτελέσματα

23 (Anderson και Tangen,1968), και δείχνει τη μεταβολή της τάσης 20 διάσπασης, σε σχέση με το μήκος του διακένου, έχοντας σαν παράμετρο το λόγο Η/D του ύψους του γειωμένου ηλεκτροδίου προς το μήκος του διακένου [1.American Standards NFPA 780, Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.] Από το σχήμα συμπεραίνουμε κάποια πράγματα τα οποία είναι χρήσιμα για τη μελέτη των βημάτων που προχωρεί η εκκένωση του κεραυνού. Η τάση διάσπασης για θετική πολικότητα είναι μικρότερη από αυτή για αρνητική πολικότητα, επομένως οι καταπονήσεις που προέρχονται από θετικές εκκενώσεις (θετικούς κεραυνούς) είναι πιο δυσμενείς. Επίσης, με σταθερό μήκος διακένου, η τάση διάσπασης ελαττώνεται, για αρνητική πολικότητα και αυξάνεται για θετική, όσο το γειωμένο

24 ηλεκτρόδιο γίνεται ψηλότερο. Άρα για εγκαταστάσεις αρκετά μεγάλου ύψους σε σύγκριση με την Απόσταση Διάσπασης, η τάση διάσπασης θα είναι μικρότερη και επομένως το διάκενο εγκατάστασης - σύννεφου θα έχει μικρότερη αντοχή. Μία ακόμη παρατήρηση, είναι ότι η κλίση των καμπύλων μοιάζει να πλησιάζει σε κάποιο ανώτατο όριο όσο το μήκος του διακένου μεγαλώνει. Ωστόσο η μέση μεταβολή της τάσης, ορίζεται σαν ο λόγος της τάσης διάσπασης, προς την απόσταση διάσπασης και είναι περίπου 5 kv/cm για αρνητική πολικότητα και 3 kv/cm για θετική. Για τον κατερχόμενο αρνητικό οχετό ο μηχανισμός που παρατηρείται στο εργαστήριο μοιάζει με αυτό που παρατηρείται σε διάφορες φωτογραφίες κεραυνών. Η βηματική πρόοδος του οχετού του κεραυνού συμπίπτει με τις αναλαμπές που παρουσιάζει ο οχετός προεκκένωσης με το τέλος του μετασχηματισμού κάθε φωτεινού στελέχους, σε ενδοδιάκενο οχετό προεκκένωσης. Στον Ελβετικό σταθμό παρατήρησης κεραυνών του San Salvatore, διαπιστώθηκε πως τα βήματα επιμήκυνσης του κατερχόμενου αρνητικού οχετού προεκκένωσης ποικίλουν από 3 μέχρι 50 m. Στον ίδιο σταθμό παρατηρήθηκε πως ο θετικός οχετός (κατερχόμενος ή ανερχόμενος) δεν παρουσιάζει ευδιάκριτα βήματα και ότι προχωρεί με ταχύτητα 0.24 m/μs. 1.6 Δημιουργία Κεραυνού Κεραυνός λέγεται η ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ νέφους και γης. Το φαινόμενο αυτό, παρόλο που είναι τόσο παλιό όσο και ο πλανήτης μας, μπόρεσε να εξηγηθεί μόνο κατά τους τελευταίους 2 αιώνες. Από το 1753 όπου ο B. Franklin απέδειξε την ύπαρξη ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού μέχρι σήμερα, με πολλές μοντέρνες μεθόδους και πειράματα έχει αποκτηθεί αρκετή γνώση επάνω στο φαινόμενο αυτό και κατά συνέπεια

25 έχουν αναπτυχθεί αρκετά ασφαλείς τρόποι προστασίας από τους κινδύνους ενός κεραυνού. Στο σχήμα 4 δίνεται μία τυπική μορφή κρουστικού ρεύματος. Το κρουστικό ρεύμα χαρακτηρίζεται κατά τους κανονισμούς (VDE, ΙΕC, κ.λ.π.) από τη διάρκεια μετώπου Ts, που είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να φθάσει η τιμή του ρεύματος το 90 % της μέγιστης τιμής του Imax και τη διάρκεια ημίσεως εύρους της ουράς Tr, που είναι ο χρόνος κατά τον οποίο η τιμή του ρεύματος επιστρέφει από τη μέγιστη τιμή της στο μισό της (50% του Imax). Η αναφορά στο κρουστικό ρεύμα γίνεται με τις τιμές των δύο αυτών χρόνων μετρούμενων σε μs με τη μορφή Ts/Tr, π.χ. 1,2/50. Χαρακτηριστικά ακόμη του κρουστικού ρεύματος είναι η μέγιστη τιμή του Imax καθώς και η συνολική ενέργεια W/R που εκλύεται από αυτό. Σχήμα 3. Τυπική μορφή κρουστικού ρεύματος. Τs : χρόνος μετώπου,tr : χρόνος ημίσεως εύρους [39. AEG. Hilfsbuch fur electrische Licht und KraftAnlagen. Verlag W. Girardet, Essen, 1957.] ]

26 Ο φυσικός κεραυνός προσομοιώνεται με κρουστική τάση 1,2/50 μs έχει δηλαδή: Τs=1,1μs και Tr=50μs. Για τις εργαστηριακές μετρήσεις προσομοίωσης του κεραυνικού ρεύματος χρησιμοποιείται η μορφή 10/350 μs. Μία μαθηματική σχέση που προσομοιώνει το κρουστικό ρεύμα δίνεται στη σχέση: i( t) I max n T t t 10 e t / T όπου Imax η κορυφή του κεραυνικού ρεύματος, η συντελεστής διόρθωσης κορυφής, Τ και τ χρονικές σταθερές κορυφής και ουράς αντίστοιχα. Πολύ συχνά το κεραυνικό ρεύμα προσομοιώνεται μαθηματικά και με διπλοεκθετική εξίσωση για ένα παλμό: - l 3 ( ) ( ) 1 t - l 2 t - l t - l 4 t i() t = A Χe - e + BΧe - e n όπου An η μέγιστη τιμή του ρεύματος του πρώτου παλμού, Β η μέγιστη τιμή του ρεύματος (κατά πολύ μικρότερη της A n ) του παλμού που ακολουθεί τον πρώτο με χρονικό μεσοδιάστημα της τάξεως των ms και λ1, λ3 και λ2, λ4 χρονικές σταθερές της κορυφής και της ουράς αντίστοιχα. Στην πράξη το κεραυνικό ρεύμα προσομοιώνεται μόνο με το πρώτο μέρος της εξίσωσης (που εκφράζει τον κύριο πρώτο παλμό). Έτσι η παραπάνω εξίσωση γίνεται:

27 I n - l 1t - l 2t ( ) max i() t = Χe - e όπου η μέγιστη τιμή του ρεύματος A n έχει αντικατασταθεί με τον λόγο Imax/n για αντιστοιχία με τη σχέση Ένας τρόπος υπολογισμού των χρονικών συντελεστών λ1 και λ2 είναι μέσω διαγραμμάτων που δίνονται στη βιβλιογραφία. Ένα τέτοιο διάγραμμα δίνεται στο σχήμα όπου ο λόγος Τ2/Τ1 αντιστοιχεί στον λόγο του χρόνου μετώπου προς τον χρόνο ημίσεως εύρους Ts /Tr και α και β στις χρονικές σταθερές λ1 και λ2 αντίστοιχα. Σχήμα 4. Διάγραμμα για τον υπολογισμό των χρονικών σταθερών του κρουστικού ρεύματος.[39.aeg. Hilfsbuch fur electrische Licht und KraftAnlagen. Verlag W. Girardet, Essen, ] Τ1 : χρόνος μετώπου, Τ2 : χρόνος ημίσεως εύρους

28 Θα εξηγήσουμε παρακάτω,οσο το δυνατό καλύτερα,τη δημιουργία της καταιγίδας, των ηλεκτρικών φορτίων που δημιουργούνται από αυτήν, όπως και τις ηλεκτρικές εκκενώσεις που μπορεί να προέλθουν από αυτά. 1.7 Η Δημιουργία της καταιγίδας και των ηλεκτρικών φορτίων από αυτή. Τα ανοδικά ρεύματα και η υγρασία είναι απαραίτητες προυποθέσεις για τη δημιουργία καταιγίδας. Όταν μόνο συνυπάρξουν οι 2 αυτοί παράγοντες σε κατάλληλη «ποσότητα» και αναλογία έχουμε καταιγίδα με επακόλουθα ισχυρές ηλεκτρικές εκκενώσεις. Η πρώτη προϋπόθεση είναι τα ανοδικά ρέυματα. Αυτά τα ρεύματα δημιουργούνται με διαφόρους τρόπους. Το καλοκαίρι, π.χ., η επιφάνεια του εδάφους που θερμαίνεται μεταδίδει ένα μέρος της θερμότητάς της στο κατώτερο στρώμα του αέρα. Ο αέρας αυτός διαστέλλεται, γίνεται ελαφρύτερος και ανεβαίνει στα ψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Έτσι δημιουργούνται ανοδικά ρεύματα τα οποία εύκολα αναγνωρίζονται επειδή σχηματίζουν σύννεφα τύπου «σωρείτη» ή «σωρειτομελανία». Άλλος τρόπος δημιουργίας ανοδικών ρευμάτων είναι η εισβολή ψυχρού ανέμου μέσα σε όγκο ζεστού αέρα ο οποίος εξαναγκάζεται σε άνοδο. Η υγρασία είναι η δεύτερη προυπόθεση. Υγρασία προκαλείται με συνεχή εξάτμιση νερού που ευρίσκεται στην επιφάνεια της γης. Ο ζεστός αέρας που ανέρχεται με ανοδικό ρεύμα στα υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας ψύχεται, (η θερμοκρασιακή πτώση είναι ευθύγραμμη συνάρτηση του ύψους), έτσι αυξάνει η σχετική υγρασία. Υπάρχει λοιπόν ένα ύψος όπου η κατάσταση του αέρα έχει φθάσει το σημείο δρόσου (ύψος συμπυκνώσεως). Από την επίδραση δε άλλων παραγόντων, όπως θερμοκρασία και ταχύτητα ανέμου, εξαρτάται ο σχηματισμός νέφους καταιγίδας, δημιουργία βροχής, ή χάλαζας.

29 Κεφάλαιο 2 Γενική Αντικεραυνική Προστασία 2.1 Σκοπός Αντικεραυνικής Προστασίας Το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας έχει σκοπό να προστατευθεί ο άνθρωπος και οι ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές διατάξεις από κρουστικές υπερτάσεις που οφείλονται είτε σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα είτε σε έμμεσο πλήγμα. Όπως προβλέπει το πρότυπο ΕΛΟΤΕΝ , ο όγκος της κατασκευής που πρόκειται να προστατευθεί χωρίζεται σε ζώνες LPZ ( lightning protection zones), σε συνάρτηση κυρίως της έντασης των κεραυνικών επιδράσεων στο χώρο και κατά δεύτερο, της διηλεκτρικής αντοχής των υπό προστασία ηλεκτρικών συσκευών. Οι βασικές LPZ είναι οι ακόλουθες : LPZ 0A : Αντικείμενα υπόκεινται σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα στη ζώνη αυτή και είναι εκτεθειμένα σε κρουστικές υπερτάσεις και ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις χωρίς απόσβεση. LPZ 0B : Αντικείμενα δεν δέχονται άμεσα κεραυνικό πλήγμα εδώ, ενώ είναι εκτεθειμένα σε κρουστικές υπερτάσεις και ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις χωρίς καμία απόσβεση. LPZ 1 : Στη ζώνη αυτή αντικείμενα υπόκεινται σε ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις μειωμένης έντασης από τις προηγούμενες ζώνες. LPZ 2 ν : Στη ζώνη αυτή αντικείμενα υπόκεινται σε εξασθενισμένες ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις, ανάλογα με τα μέτρα προστασίας που έχουν προβλεφθεί στην προηγούμενη ζώνη.

30 Εικονα : Overall view of the lightning protection zone concept according to IEC (EN ) [11. IEC , Ed01. Protection against Lightning] 2.2 Ισοδυναμικές συνδέσεις σε ηλεκτρονικά συστήματα Παρακάτω στο σχήμα παρουσιάζονται οι δύο βασικές μέθοδοι ισοδυναμικών συνδέσεων σε ηλεκτρονικά συστήματα. Όλα τα μεταλλικά στοιχεία, σύμφωνα με την ακτινική διάταξη, συνδέονται μέσω συνδετηρίων αγωγών ακτινικά, ανεξάρτητα μεταξύ τους, σε ένα μόνο σημείο. Στο σημείο αυτό, που είναι σημείο αναφοράς γείωσης, γίνεται η σύνδεση με το σύστημα γείωσης της κατασκευής. Τα καλώδια τροφοδοσίας και μεταφοράς σημάτων πρέπει να οδεύουν παράλληλα για την αποφυγή βρόχων, ενώ στο σημείο αναφοράς γείωσης συνδέονται, εάν απαιτούνται, απαγωγοί υπερτάσεων εκτροπής. Η ακτινική διάταξη ισοδυναμικών συνδέσεων χρησιμοποιείται σε σχετικά μικρά, συγκεντρωμένα ηλεκτρονικά συστήματα όπου όλες οι παροχές εισέρχονται στο σύστημα από ένα μόνο σημείο. Το ένα και μόνο σημείο

31 σύνδεσης των στοιχείων του συστήματος μεταξύ τους εξασφαλίζει την αποφυγή βρόχων καθώς και των ρευμάτων επιστροφής μέσω κοινής γης. Βασικές διατάξεις ισοδυναμικών συνδέσεων σε ηλεκτρονικά συστήματα [10 Gomes, C., On the selection and installation of surge protection devices in a TT wiring system for equipment and human safety. Safety Science.] Στη διάταξη ισοδυναμικών συνδέσεων τύπου πλέγματος τα μεταλλικά στοιχεία του συστήματος συνδέονται μεταξύ τους μέσω ισοδυναμικών συνδέσεων και επιπλέον σε πολλά σημεία με το σύστημα γείωσης της κατασκευής. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται γενικότερα σε σχετικά μεγάλα ηλεκτρονικά συστήματα όπου πολλά καλώδια τροφοδοσίας και μεταφοράς σημάτων οδεύουν μεταξύ των στοιχείων του συστήματος και οι παροχές εισέρχονται στο σύστημα από πολλά σημεία. Το πυκνό πλέγμα των ισοδυναμικών συνδέσεων περιορίζει το μαγνητικό πεδίο στην περιοχή εγκατάστασης.

32 Σε πιο πολύπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα οι 2 διατάξεις ισοδυναμικών συνδέσεων είναι δυνατό να συνδυαστούν προκειμένου να εκμεταλλευτούμε τα πλεονεκτήματά τους. Τέλος, οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του κεραυνού έχουν εξάρτηση από το σύστημα γείωσης, τις ισοδυναμικές συνδέσεις, τα μέσα θωράκισης καθώς και τον τρόπο όδευσης και εγκατάστασης των μεταλλικών δικτύων και των καλωδίων. Οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις περιορίζονται σημαντικά μέσω της θωράκισης της εγκατάστασης εξωτερικά ή τμηματικά στο εσωτερικό της. Εξωτερική θωράκιση αποτελεί ένα συλλεκτήριο σύστημα τύπου πλέγματος, ενώ εσωτερική θωράκιση μπορεί να γίνει σε δωμάτιο στο εσωτερικό της, που περιέχει ευαίσθητα ηλεκτρονικά συστήματα, μέσω αγώγιμου πυκνού πλέγματος, τοποθετημένου στο ασβεστοκονίαμα του δωματίου, που συνδέεται ισοδυναμικά με την υπόλοιπη εγκατάσταση μέσω ζυγού εξίσωσης δυναμικών. Η παράλληλη όδευση των γραμμών παροχών για την αποφυγή βρόχων καθώς και η χρησιμοποίηση καλωδίων με θωράκιση ή επιπρόσθετα η όδευσή τους εντός μεταλλικών σωλήνων περιορίζουν σημαντικά τις ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού. 2.3 Προστασία κτιρίων Κατά κύριο λόγο, οι κίνδυνοι των κτιρίων συνίστανται στην πρόκληση πυρκαγιών καθώς και σε εκρηκτικά φαινόμενα που οφείλονται σε απότομη ατμοποίηση ποσοτήτων νερού. Τέτοιο κίνδυνο αντιμετωπίζουν οι στέγες, οι εξώστες και οι κεφαλές των καπνοδόχων. Πυρκαγιές από κεραυνούς σημειώνονται σε αγροτικά σπίτια με ελαφρές στέγες. Στον κίνδυνο της απότομης ατμοποιήσεως νερού είναι εκτεθειμένα τα αρχαιολογικά μνημεία. Τα μνημεία αυτά, άφθονα στη χώρα μας, βρίσκονται τις περισσότερες φορές πάνω σε υψώματα. Το πρόβλημα της

33 προστασίας των μνημείων αυτών, έγκειται στην σχεδίαση αντικεραυνικής εγκαταστάσεως, αόρατης από τους επισκέπτες το οποίο παρουσιάζει σημαντική δυσκολία. 2.4 Προστασία της ανθρώπινης ζωής Σε περίπτωση που ένα μέρος του ρεύματος του κεραυνού διέλθει από το ανθρώπινο σώμα παρατηρούνται τα ίδια φαινόμενα όταν το σώμα βρεθεί κάτω από διαφορά δυναμικού μιας συνηθισμένης ηλεκτρικής εγκαταστάσεως αλλά σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό. Πιο συγκεκριμένα κατά το ατύχημα της κεραυνοπληξίας παρατηρούνται σοβαρές οργανικές ανωμαλίες όπως καρδιακή μαρμαρυγή, απώλεια αισθήσεων, στάση της καρδιάς, shock με νευρική παράλυση, βαριά εγκαύματα κλπ. Μεταβολή της συχνότητας καταιγίδων κατά την διάρκεια της ημέρας (πάνω) και κατά την διάρκειας του έτους (κάτω) [10.Gomes, C., On the selection and installation of surge protection devices in a TT wiring system for equipment and human safety. Safety Science.] Εάν το ατύχημα της κεραυνοπληξίας δεν έχει θανατηφόρο αποτέλεσμα εμφανίζονται συνήθως παραλύσεις νεύρων ή μυών χωρίς παρενέργειες.

34 Εντός λίγων ωρών ή το πολύ μέσα σε μερικές μέρες επανέρχεται η φυσιολογική τους λειτουργία. Υψηλού κινδύνου είναι επίσης η παρουσία ανθρώπου σε μέρος όπου κοντά πέφτει κεραυνός και αυτό γιατί το σώμα με την εκκένωση χάνει ξαφνικά το ηλεκτρικό φορτίο που είχε πάρει από επαγωγή από το νέφος, αλλά κυρίως διότι η αναπτυσσόμενη βηματική τάση μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές. 1. Σε χώρους κλειστού κατά μεγάλο ποσοστό ο άνθρωπος είναι εξασφαλισμένος όταν το κτίσμα έχει καλή αντικεραυνική προστασία. 2. Στην ύπαιθρο εγκυμονεί ο κίνδυνος όταν σε ώρα καταιγίδας σταθεί κανείς όρθιος σε ανοικτό πεδίο, εξαιτίας της αυξημένης πεδιακής εντάσεως που δημιουργείται πάνω από το σώμα του. Επίσης επικίνδυνη είναι και η παραμονή ατόμων κοντά σε δένδρα ή ψηλούς τοίχους, όπου κατά την κακοκαιρία τα άτομα καταφεύγουν για να προφυλαχθούν από τη βροχή. Οι τοίχοι είναι επικίνδυνοι γιατί είναι δυνατό κάπου κοντά να υπάρχει γείωση αλεξικέραυνου. Πρακτικά βρίσκεται κανείς σε ασφάλεια σε απόσταση 30 m από το σημείο εισόδου του κεραυνού στην γη. Επιπρόσθετα όταν κανείς στέκεται (εν μέσω κακοκαιρίας) πρέπει να έχει τα πόδια του κλειστά, για να αποφύγει τη δημιουργία βηματικής τάσεως (βηματική τάση είναι η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των πελμάτων, όταν αυτά απέχουν 1m μεταξύ τους, τη στιγμή εισόδου του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος). Στην πράξη πρέπει να έχει ο καθένας υπ' όψη του ότι όταν η χρονική διαφορά μεταξύ κεραυνού

35 και βροντής είναι μικρότερη από 10 δευτερόλεπτα, τότε η καταιγίδα βρίσκεται σε απόσταση το πολύ 3 χιλιομέτρων και από τη στιγμή εκείνη βρίσκεται σε περιοχή αυξημένου κινδύνου. 2.5 Προστασία ηλεκτρικών εγκαταστάσεων Από τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, το κομμάτι που υποφέρει άμεσα από τις πτώσεις κεραυνών, είναι τα εναέρια ηλεκτρικά δίκτυα και οι υπαίθριες συσκευές, όπως μετασχηματιστές, διακόπτες, κλπ. καθώς και τα τηλεφωνικά δίκτυα, τηλεοράσεις, κεραίες, VIDEO, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, ασύρματοι, γενικά ηλεκτρικές συσκευές, αναμεταδότες τηλεοράσεως, αντλιοστάσια, ηλεκτρικά μηχανήματα εγκαταστημένα στο ύπαιθρο κλπ. Τόσο από την απ' ευθείας πτώση κεραυνού πάνω σε στοιχεία του ηλεκτρικού δικτύου όσο και από τη διέλευση φορτισμένου νέφους πάνω από το δίκτυο δημιουργούνται υπερτάσεις με μορφή κρουστικών κυμάτων οι οποίες καταπονούν τα υπόλοιπα στοιχεία των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Τα κυριότερα χρησιμοποιούμενα μέσα για την προστασία των ηλεκτρικών συσκευών είναι : 1. Γειώσεις στύλων και ιστών γραμμής. 2. Γραμμές ή αγωγοί γης. 3. Σπινθηριστές. 4. Αλεξικέραυνα τύπου βαλβίδας ή μη γραμμικής αντιστάσεως και τύπου ιονισμού. 2.6 Σχεδιασμός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Οι μόνιμοι ηλεκτρικοί σύνδεσμοι χρησιμοποιούνται πολύ στα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας και στα κυκλώματα γειώσεων. Οι σταθεροί σύνδεσμοι αντικεραυνικής προστασίας χρησιμοποιούνται για τη

36 σύνδεση των αγωγών απαγωγής του κεραυνικού πλήγματος προς τη γείωση. Η απαίτηση για εγκατάσταση, ή όχι, συστήματος αντικεραυνικής προστασίας σε μία κατασκευή, και εάν ναι, σε ποια στάθμη προστασίας εντάσσεται, εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η χρήση της κατασκευής, η γεωγραφική της -θέση, οι διαστάσεις της, κ.λ.π. Το ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ 1412 υπολογίζει διάφορους συντελεστές, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους παράγοντες και αποφαίνεται εάν η εγκατάσταση είναι απαραίτητη. Ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας αναφέρονται στο ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ Στις επόμενες παραγράφους δίνονται γενικές έννοιες και ορισμοί σύμφωνα με αυτό το πρότυπο. 2.6 Υλικά κυκλωμάτων αντικεραυνικής προστασίας. Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) είναι το πλήρες σύστημα που χρησιμοποιείται για να προστατεύσει ένα χώρο από τις επιπτώσεις ενός κεραυνού. Τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας χωρίζονται σε εξωτερικά και εσωτερικά. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας πρέπει να αντέχουν στις ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές συνέπειες του ρεύματος του κεραυνού και στις ενδεχόμενες καταπονήσεις χωρίς να καταστρέφονται. Στην επιλογή του υλικού και των διαστάσεων του πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και η πιθανότητα διάβρωσης τόσο της προστατευόμενης κατασκευής όσο και του ΣΑΠ. Στον πίνακα 1.1 δίνονται τα υλικά από τα οποία πρέπει να κατασκευάζονται τα ΣΑΠ, όπως αναφέρονται στο προτύπο ΕΛΟΤ 1197.

37 Στον πίνακα 1.2 δίνονται οι ελάχιστες διαστάσεις των υλικών του ΣΑΠ και στον πίνακα 1.3 οι ελάχιστες διαστάσεις των συνδετήριων αγωγών, σύμφωνα πάντα με το ελληνικό πρότυπο. Στον πίνακα 1.4 δίνεται το ελάχιστο πάχος των μεταλλικών φύλλων ή σωλήνων του συλλεκτήριου συστήματος και στον πίνακα 1.5 η διαστασιολόγηση των αγωγών που χρησιμοποιούνται στο συλλεκτήριο σύστημα. Η στήριξη των παραπάνω αγωγών γίνεται ανά 1m περίπου και οπωσδήποτε σε κάθε αλλαγή κατευθύνσεως του αγωγού, ένα προ της αλλαγής και ένα μετά, με κατάλληλα στηρίγματα κατασκευασμένα κατά DIN. Το υλικό των στηριγμάτων πρέπει να είναι ίδιο με εκείνο του αγωγού προκειμένου να αποφεύγονται γαλβανικά φαινόμενα, διότι σε σύντομο χρονικό διάστημα θα υπάρξει διάβρωση είτε στον αγωγό είτε στο στήριγμα. Η παραπάνω αρχή εφαρμόζεται και στα λοιπά υλικά της αντικεραυνικής προστασίας. Στην περίπτωση των μη αγώγιμων κατασκευών (καμινάδες, δώμα κ.λ.π) τοποθετείται ακίδα επί της άνω επιφάνειας αυτών, η οποία γεφυρώνεται με το κύριο συλλεκτήριο σύστημα, μέσω σταθερών ηλεκτρικών συνδέσμων με αγωγό ιδίων διαστάσεων και υλικού με τους αγωγούς του κύριου συλλεκτήριου συστήματος. Αυτό μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τη δημιουργία βρόχων οι οποίοι μέσω τουλάχιστον δύο αγωγών καθόδου συνδέονται με το κύριο συλλεκτήριο σύστημα. Εάν δεν είναι δυνατή η χρήση εξαρτημάτων του ιδίου υλικού, για την αποφυγή ηλεκτροχημικής διάβρωσης θα πρέπει να παρεμβάλλεται διμεταλλική επαφή Cupal ή αντίστοιχη μεταξύ διαφορετικών υλικών π.χ. χάλκινων και επιψευδαργυρωμένων.

38 Χρήση Στον αέρα Στο έδαφος Στο σκυρόδεμα Υλικό : Χαλκός Συμπαγής Πολύκλωνος Ως περίβλημα Συμπαγής Πολύκλωνος Ως περίβλημα Διάβρωση Αντοχή Κίνδυνος σε Ηλεκτρολυτική με έναντι πολλών υλικών μεγάλη συγκέντρωση χλωριδίων Θειϊκές Ενώσεις οργανικά υλικά Υλικό : Χάλυβας γαλβανισμένος εν θερμώ Συμπαγής Συμπαγής Συμπαγής καλή ακόμη Πολύκλωνος και σε όξινα εδάφη χαλκό Υλικό : Ανοξείδωτος χάλυβας Συμπαγής Συμπαγής έναντι νερό με Πολύκλωνος πολλών Διαλυμένα υλικών Χλωρίδια Υλικό : Αλουμίνιο Συμπαγής Βασικά χαλκό Πολύκλωνος Εδάφη Υλικό : Μόλυβδος Συμπαγής Συμπαγής σε εδάφη Ως περίβλημα Ως περίβλημα με μεγάλη όξινα εδάφη χαλκό συγκέντρωση σε σουλφίδια Πίνακας 1.1: Υλικά του ΣΑΠ και συνθήκες χρησιμοποίησης τους [40 GREENWOOD J.A., WILLIAMSON J.P.B. Electrical conduction in solids II. Theory of tempeturedependent conductors. Proc. Roy. Soc ]

39 Στάθμη Υλικό Συλλεκτήριο Αγωγοί Σύστημα προστασίας Ι έως και IV σύστημα καθόδου γείωσης Cu 35 mm Αl 70 mm Fe 50 mm Πίνακας 1.2: Ελάχιστες διαστάσεις των υλικών του ΣΑΠ [40 GREENWOOD J.A., WILLIAMSON J.P.B. Electrical conduction in solids II. Theory of tempeturedependent conductors. Proc. Roy. Soc ] Στάθμη Υλικό Διατομή ( mm Ι έως και IV Cu 16 Αl 25 Fe 50 2 Πίνακας 1.3: Ελάχιστες διαστάσεις συνδετήριων αγωγών [40 GREENWOOD J.A., WILLIAMSON J.P.B. Electrical conduction in solids II. Theory of tempeturedependent conductors. Proc. Roy. Soc ] Στάθμη Υλικό 2 Πάχος ( mm ) Ι έως και IV Cu 4 Αl 5 Fe 7 1. Πίνακας 1.4: Ελάχιστο πάχος μεταλλικών φύλλων ή μεταλλικών σωλήνων του συλλεκτήριου συστήματος[40 GREENWOOD J.A., WILLIAMSON J.P.B. Electrical conduction in solids II. Theory of tempeturedependent conductors. Proc. Roy. Soc ]

40 Περιβάλλον Yλικό Αγωγών Διαστασιολόγηση Ρυπογόνο Παραθαλάσσιο Ηπειρωτικά Χαλκός Cu Χάλυβας επιψευδαργυρωμένος Κράμα Αλουμινίου Μονόκλωνος αγωγών Φ8mm Πολύκλωνος 2 Φ50 mm Φ8mm Φ10mm Φ8mm Φ9mm 2. Πίνακας 1.5: Διαστασιολόγηση αγωγών που χρησιμοποιούνται στο συλλεκτήριο σύστημα [40 GREENWOOD J.A., WILLIAMSON J.P.B. Electrical conduction in solids II. Theory of tempeturedependent conductors. Proc. Roy. Soc ] 2.7 Σταθερές ηλεκτρικών συνδέσμων Σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο Εn , τα δοκίμια αρχικά πρέπει να υποβληθούν σε συνθήκες γήρανσης (αλατώδης ομίχλη και ατμόσφαιρα ύγρανσης). Στη συνέχεια και χωρίς να μεσολαβήσει καθαρισμός της διάταξης, τα δοκίμια υποβάλλονται τρεις φορές σε κρούση ρεύματος δοκιμής, όπως καθορίζεται στον πίνακα 2. Το μεσοδιάστημα μεταξύ των κρούσεων πρέπει να είναι επαρκές για την ψύξη της διάταξης των δοκιμίων πλησίον της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Class Imax W/R td High 100kA± 2,5MJ/Ω ± 20% 2ms Norm 50kA± 0,63MJ/Ω ± 2ms Τιμές ηλεκτρικού ελέγχου λυόμενων συνδέσμων αντικεραυνικής προστασίας

41 Το ρεύμα δοκιμής ορίζεται από τη μέγιστη τιμή Imax, την προσδιορισθείσα ενέργεια W/R και τη διάρκεια του td. Ο λυόμενος σύνδεσμος θεωρείται ότι έχει περάσει επιτυχώς τη δοκιμή, εάν: 1. Η αντίσταση επαφής, μετρούμενη με πηγή τουλάχιστον 10Α κατά το δυνατόν εγγύτερα στο συνδετικό εξάρτημα, δεν υπερβαίνει το 1 mω. 2. Δεν παρατηρείται με γυμνό μάτι ή και υποβοηθούμενη όραση άνευ μεγεθύνσεως οιαδήποτε ρωγμή, ή χαλάρωση στη δομή του, ή παραμόρφωση ως προς το αρχικό σχήμα. 3. Αναφορικά προς τις βιδωτές συνδέσεις σύσφιξης, η ροπή χαλάρωσης είναι μεταξύ 1.25 και 1.5 επί της αρχικής ροπής σύσφιξης.

42 Κεφάλαιο 3 Τηλεπικοινωνίες και Κεραυνοί 3.1 Κεραυνοί και Τηλεπικοινωνίες Tα συστήματα τηλεπικοινωνιών έχουν ευαισθησία σε βλάβες από άμεση πτώση κεραυνού στις γραμμές ή στις κεραίες τους. Δυσμενή επίδραση είναι πιθανό να έχουν πάνω σ' αυτά κεραυνοί που πέφτουν σε γειτονικές εγκαταστάσεις, ενώ υπερτάσεις μπορούν να δημιουργηθούν στα δίκτυά τους από πτώση κεραυνού σε κοντινές και ιδιαίτερα παράλληλες ηλεκτρικές γραμμές κατά μήκος των τηλεφωνικών δικτύων. Οι τεχνικές μέθοδοι προστασίας τους είναι πολύπλοκες και απαιτούν συστηματική έρευνα από το στάδιο της μελέτης των τηλεπικοινωνιακών εγκαταστάσεων. Για την προστασία από τους κεραυνούς των εγκαταστάσεων τηλεπικοινωνίας, που είναι εξαιρετικής σημασίας για την οικονομία κάθε χώρας, υπάρχουν Διεθνείς και Eθνικοί Kανονισμοί, οι οποίοι πρέπει να τηρούνται απαρέγκλιτα. 3.2 Σταθερές Δομές - Κεραίες Η κεραία ουσιαστικά είναι μια μεταλλική κατασκευή η οποία έχει ως κύρια λειτουργία της την μετατροπή των υψίσυχνων τάσεων ή ρευμάτων σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην περίπτωση που η κεραία χρησιμοποιείτε ως πομπός. Στην περίπτωση που η κεραία μας είναι δέκτης εκτελεί την αντίστροφη λειτουργία. Η κεραία μπορεί να εκτελεί και τις δυο λειτουργίες και έτσι να είναι ταυτόχρονα πομπός και δέκτης. Παρακάτω φαίνεται ένα παράδειγμα εκπομπής και λήψης ηλεκτρομαγνητικού κύματος από κεραίες

43 Είδη κεραιών Τα είδη των κεραιών είναι τρία και παρουσιάζονται πιο κάτω: α) κατευθυντικές κεραίες β) πολυκατευθυντικές κεραίες γ) Ημικατευθυντικές κεραίες.στην κατευθυντική κεραία το χαρακτηριστικό πρότυπο εκπομπής της είναι έντονα ενισχυμένο προς μια κατεύθυνση. Κεραίες αυτού του τύπου είναι τα πιάτα και η κεραία με πλέγμα (Grid). Παράδειγμα για την κεραία με πλέγμα φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κεραία με πλέγμα (Grid) [18 Kithil, R., Lightning protection for telecommunications facilities. In: International Lightning Detection Conference, Tucson, AZ, April]

44 Μια πολυκατευθυντική κεραία εκπέμπει προς όλες τις κατευθύνσεις. Τέτοια κεραία είναι η ομοιοκατευθυντική κεραία (omni) η οποία παρουσιάζεται σχηματικά πιο κάτω. Ομοιοκατευθυντική κεραία (omni) [18 Kithil, R., Lightning protection for telecommunications facilities. In: International Lightning Detection Conference, Tucson, AZ, April].Οι ημικατευθυντικές κεραίες είναι μια ενδιάμεση κατηγορία των προηγούμενων. Αυτή η κατηγορία κεραιών εκπέμπει με γωνία οριζόντιας κάλυψης από 50 έως 180 μοίρες. Αυτού του τύπου κεραίες έχουμε την τομεακή (sector). Ημικατευθυντική κεραία [18 Kithil, R., Lightning protection for telecommunications facilities. In: International Lightning Detection Conference, Tucson, AZ, April] Στις κεραίες συνήθως χρησιμοποιούνται τα λεγόμενα αλεξικέραυνα ιονισμού.

45 3.3. Ο κλωβός Ο κλωβός αποτελεί την εξέλιξη των αλεξικέραυνων τύπου ακίδας (αλεξικέραυνα Franklin). Επινοήθηκε για κτίρια μεγάλων διαστάσεων όπου η χρήση του αλεξικέραυνου τύπου ακίδας δεν προστατεύει πλήρως, τόσο λόγω του ύψους όσο και των λοιπών διαστάσεων (πλάτος και μήκος) του κτιρίου. Με τον κλωβό επιδιώκεται μια καλή προσέγγιση του μεταλλικού περιβλήματος του κτιρίου, γι αυτό είναι προφανές όσο πιο μικρό είναι το άνοιγμα του βρόγχου (α) του κλωβού τόσο περισσότερο αποτελεσματικότερη είναι η εγκατάσταση. Στην πράξη χρησιμοποιείται α = 5 20 m. 3.4 Γειώσεις και κατασκευή τους Οι τρόποι επίτευξης της κατασκευής των γειώσεων είναι: α) Γείωση με το δίκτυο ύδρευσης ή τους μανδύες των υπόγειων καλωδίων Μόνο μεταλλικοί σωλήνες υπήρχαν στις πόλεις, για την ύδρευση, και το μεγάλο μήκος τους ήταν ιδανικό ως ηλεκτρόδιο γείωσης. Τελευταία όμως έχουν εγκατασταθεί πολλά δίκτυα ύδρευσης με πλαστικούς σωλήνες, ενώ μόνο οι κεντρικοί αγωγοί μεγάλης διαμέτρου και οι αγωγοί μεγάλων πιέσεων γίνονται με μεταλλικούς σωλήνες, που κι αυτών η αγωγιμότητα διακόπτεται από τα ενδιάμεσα πλαστικά δίκτυα. Γι αυτό το λόγο πρέπει να αποφεύγεται η χρησιμοποίηση του δικτύου ύδρευσης σαν αποκλειστικού μέσου γείωσης. Όταν υπάρχει στις πόλεις εκτεταμένο δίκτυο υπόγειων καλωδίων με μολύβδινο μανδύα, συνδέονται οι γειώσεις στους μανδύες αυτούς.

46 Στην περίπτωση αυτή η γείωση γίνεται με αγωγό χάλκινο που συνδέεται με ειδικά κολάρα. Σπάνια, αντί για αγωγός χαλκού χρησιμοποιείται λάμα χαλύβδινη επιψευδαργυρομένη. Το κολάρο συνήθως στερεώνεται με σύσφιξη και επικασσιτερώνεται. Ποτέ δεν χρησιμοποιούνται για γείωση οι σωλήνες φωταερίου και οι μανδύες των τηλεφωνικών καλωδίων. β) Τεχνητές γειώσεις Οι τεχνητές γειώσεις επιτυγχάνονται με τη χρήσιμοποίηση κατάλληλων ηλεκτροδίων ώστε να εξασφαλίζεται η απαιτούμενη αγωγιμότητα με τη μικρή αντίσταση γείωσης. Ένας τρόπος να επιτευχθεί γείωση είναι με σωλήνες χαλύβδινους (1 1/2" ή 2"), μήκους από τρία έως πέντε μέτρα. Για να έχουμε την επιθυμητή γείωση σχηματίζονται και τρίγωνα γειώσεων. Άλλος τρόπος είναι να τοποθετηθούν μέσα στο χώμα πλάκες ή πλέγματα χαλκού σε βάθος περίπου 50 cm. Οι πλάκες έχουν συνήθως επιφάνεια 50 cm 2. Οι αγωγοί γείωσης πρέπει να είναι μονοκόμματοι και να αποφεύγονται οι συνδετήρες, γιατί αποτελούν τα ασθενή σημεία των γειώσεων. Αντίσταση γειώσεων Μεγάλη σημασία για τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις έχει η αντίσταση γείωσης. Όσο μεγαλύτερη είναι για παράδειγμα η αντίσταση γείωσης του ουδέτερου κόμβου ενός μετασχηματιστή, τόσο μικρότερη θα είναι η ένταση μονοφασικού (προς γη) βραχυκυκλώματος, γιατί η αντίσταση γειώσεως παρεμβάλλεται στο κύκλωμα μέσα από το οποίο περνάει η ένταση του σφάλματος. Ενώ αντίθετα, όταν γειώνουμε ένα μεταλλικό περίβλημα μιας ηλεκτρικής συσκευής για λόγους ασφάλειας, η αντίσταση

47 γειώσεως πρέπει να έχει χαμηλή τιμή, αλλιώς δεν προστατεύει τους ανθρώπους. Συχνά για να μειώσουμε την αντίσταση γειώσεως τοποθετούμε πολλές ράβδους ή σύρματα γειώσεως. Στην περίπτωση αυτή, αν η απόσταση μεταξύ των δύο ή περισσότερων γειώσεων είναι σημαντική, η αντίσταση γειώσεως υπολογίζεται σαν οι δύο ή περισσότερες αντιστάσεις των διαφόρων ηλεκτροδίων να είναι παράλληλες. Αυτό βέβαια ισχύει αν οι αποστάσεις α1, α2, α3 είναι μεγάλες, π.χ. για κατακόρυφες ράβδους γειώσεως μήκους δυο μέτρων να είναι α1, α2, α3 > 20m. Αντίθετα αν βάλουμε πολύ κοντά τα ηλεκτρόδια γειώσεως, τότε θα έχουμε μικρή μείωση της αντίστασης γείωσης. Αποστάσεις των ηλεκτροδίων [16 ITUT REC K.20:2003, Series K: Protection against Interference; Resistibility of Telecommunication Equipment Installed in a Telecommunications Centre to Overvoltages and Overcurrents.] Το μεταλλικό πλέγμα το κατασκευάζουμε από αγωγούς χαλκού ή επιψευδαργυρωμένες χαλύβδινες λάμες. Σε εγκαταστάσεις μέσης και υψηλής τάσης κατασκευάζονται συνήθως τα μεταλλικά πλέγματα, για να αποφευχθεί η λεγόμενη βηματική τάση. Όπως είδαμε παραπάνω η αντίσταση γειώσεως οφείλεται κυρίως στην αντίσταση του χώματος που βρίσκεται γύρω από το ηλεκτρόδιο γειώσεως. Έτσι μέσα σε αυτή την αντίσταση έχουμε μια πτώση τάσης που συνολικά ισούται προς. Η

48 διαφορά δυναμικού που παρουσιάζεται μεταξύ δύο σημείων της επιφάνειας του εδάφους λέγεται βηματική τάση, γιατί μπορεί ένας άνθρωπος που βηματίζει εκεί, να βρεθεί σε αυτή την τάση. Όταν λοιπόν έχουμε βηματική τάση επικίνδυνη, εγκαθιστούμε ένα πλέγμα γείωσης και έτσι το έδαφος γίνεται ισοδυναμική επιφάνεια. Πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι η διαφορά δυναμικού αρχίζει να γίνεται επικίνδυνη για τον άνθρωπο όταν ξεπερνάει τα 50 V. α) β) α)γείωση μεταλλικών περιβλημάτων με την κατασκευή πλέγματος β) Σε περίπτωση σφάλματος ο άνθρωπος βρίσκεται υπό τάση Ur 3.5 Συχνότητα αναμενόμενων βλαβών Συχνότητα αναμενομένων βλαβών σε τηλεπικοινωνιακούς πύργους Δεν είναι αρκετό το να υπολογίσουμε τη συχνότητα κεραυνοπτώσεων επάνω σε μια εγκατάσταση. Μας ενδιαφέρει και να υπολογίσουμε ποιες πιθανότητες βλαβών θα υπάρξουν από τις κεραυνοπτώσεις αυτές. Με αυτό τον τρόπο θα μπορέσουμε να οδηγηθούμε σε συμπεράσματα για την έκταση αλλά και την ποιότητα κατασκευής της αντικεραυνικής προστασίας που πρέπει να προβλέψουμε.

49 Και στην περίπτωση αυτή έχουμε τύπους με εμπειρική σύνθεση και στατιστικό περιεχόμενο. Η συχνότητα αναμενομένων βλαβών, από κεραυνοπτώσεις, των μηχανημάτων ενός τηλεπικοινωνιακού πύργου, δίδεται από τη σχέση: nτ (S) = 100.(C.H+h) 2.nc.Dp.bgT/h κεραυvοπτώσεις/έτος όπου: g, ο συντελεστής ποιότητας (ΚΑ.Κm) του πύργου και b ο συντελεστής σωρευτικής συχνότητας του ρεύματος του κεντρικού (L/KA). Συνήθης τιμή του είναι 16h προς 4,5x10 2 L/KA οπότε το 50% των κεραυvοπτώσεων έχει τιμή έντασης μεγαλύτερη ή ίση από 16 ΚΑ. Η τάση U που αναπτύσσεται από την πτώση ενός κεραυνού στον πύργο είναι ίση προς U = RtΙ όπου Rt είναι η σύνθετη αντίσταση που παρουσιάζει ο πύργος στη δίοδο του ρεύματος I του κεραυνού (που υπολογίζεται από μετρήσεις). Αν χρησιμοποιήσουμε την rms τιμή ρεύματος που επιτρέπει να περάσει μέσα από τον πύργο, τότε έχουμε Urms = Rt.lrms Αφού ευρεθεί αυτή η τιμή τότε μπορούμε να υπολογίσουμε το συντελεστή ποιότητας ως εξής: g = Urms.h/ Rt, για να το χρησιμοποιήσουμε στον τύπο που δώσαμε για τον nt (S) Συχνότητα κεραυνοπτώσεων σ άλλες τηλεπικοινωνιακές εγκαταστάσεις

50 Η συχνότητα των κεραυνικών πληγμάτων αλλά και η αναμενόμενη συχνότητα βλαβών εξαρτόνται από το είδος των εγκαταστάσεων. Οι σχετικοί υπολογισμοί είναι πολύπλοκοι γιατί οι αντίστοιχες σχέσεις είναι εξαιρετικά σύνθετες. Δίνουμε έτσι μερικά παραδείγματα: 1 ) n(s)=1 OO.(C,H+h) 2 ne.d. e k1 0,8 b g k 0 h Δίδει τον αριθμό κεραυνοπτώσεων ανά έτος που πιθανότατα προκαλέσουν βλάβες σε υπόγεια καλώδια με αγώγιμο εξωτερικό μανδύα που ξεκινούν ή καταλήγουν σε τηλεπικοινωνιακούς πύργους. όπου ρ η ειδική αντίσταση γείωσης (Ω.m) μ0=4π.10-7 H/m Τh, ο χρόνος μείωσης του ρεύματος του κεραυνού στο ήμισυ της αρχικής τιμής του (sec). Κ1, ο λόγος του ολικού ρεύματος προς το ρεύμα που διαρρέει το μανδύα, συνήθως ίσος προς 2. 2) 0 τύπος ng(i) = br p ne e I l I. D κεραυνοί ανά έτος n U b D δίνει τον αριθμό κεραυνοπτώσεων που πιθανόν να προκαλέσουν βλάβες σε υπόγεια καλώδια με μονωτικό εξωτερικό περίβλημα όπου: l το μήκος του καλωδίου (Km) και I το ρεύμα του κεραυνού (ΚΑ)

51 bl g 2 3) Ο τύπος ng=2.ne.l.b.c.d e ldl 1,36 κεραυνοπτώσεις ανά 0 e k έτος δίνει τον αριθμό κεραυνοπτώσεων που πιθανόν να προκαλέσουν βλάβες στα υπόγεια καλώδια με αγώγιμο εξωτερικό μανδύα. h 4) Όταν έχουμε μια εναέρια γυμνή γραμμή μήκους l (Km) ή εναέρια καλώδια, σε ύψος h (Km) επάνω από το έδαφος, τότε η ζώνη εύρους 4h εκατέρωθεν τους θεωρείται σαν συλλεκτήρια επιφάνεια κεραυνών που μπορεί να πλήξουν την εγκατάσταση. Η αναμενόμενη συχνότητα πληγμάτων δίδεται από τη σχέση: nl =ne.8h.d.i κεραυνοπτώσεις ανά έτος Ο αριθμός των κεραυνοπτώσεων οι οποίες πιθανόν να προκαλέσουν βλάβες στην περίπτωση αυτή, δίδεται από τη σχέση: na =nll.ρ -b.imax οπού Ιmax είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να δεχθεί το καλώδιο και η οποία δίδεται από τη σχέση : Imax= 2l g n z (KA) το δε z είναι σταθερός παράγοντας που δίδεται από τη σχέση 3p E0 S z= 2 8L όπου S είναι η απόσταση μεταξύ των πασσάλων γείωσης του καλωδίου,

52 L η αυτεπαγωγή του μανδύα του προς γη ανά μονάδα μήκους του καλωδίου και g ο συντελεστής ποιότητας καλωδίου Από παρατηρήσεις προέκυψε πως κατά μέσο όρο ένας στους 100 κεραυνούς προκαλεί βλάβη στις εναέριες γραμμές, σπάζοντας τα σύρματα. Η minimum τιμή έντασης του ρεύματος του κεραυνού που είναι ικανή για να σπάσουν τα σύρματα αυξάνεται με την τετραγωνική ρίζα της διατομής του σύρματος. Έτσι αυξάνοντας τη διατομή της γραμμής, επιτυγχάνεται μέτρια μόνο αύξηση των μέτρων προστασίας της 3.6 Καταπόνηση υπό κεραυνικό κρουστικό ρεύμα. Στο σχήμα παρακάτω δίνεται μια τυπική μορφή κρουστικού ρεύματος. Το κρουστικό αυτό ρεύμα χαρακτηρίζεται κατά τους κανονισμούς (VDE, IEC κ.λ.π.) από τη διάρκεια μετώπου Τ S, η οποία είναι ο χρόνος που χρειάζεται το ρεύμα ώστε να φθάσει το 90% της μέγιστης τιμής του Ιmax και τη διάρκεια ημίσεως εύρους της ουράς Τr, που είναι ο χρόνος κατά τον οποίο το ρεύμα επιστρέφει από το Ιmax στο 50% του Ιmax. Χαρακτηριστικά ακόμη του κεραυνικού ρεύματος είναι η μέγιστη τιμή Ιmax και η συνολική ενέργεια W/R που εκλύεται από αυτό [32, 42, 61,62].

53 3. Τυπική μορφή κρουστικού ρεύματος όπου ΤS ο χρόνος μετώπου και Τr ο χρόνος ημίσεως εύρους. [19 ITUT REC K.31:1993, Bonding Configuration and Earthing Inside a Subscriber s Building.] Ο φυσικός κεραυνός προσομοιώνεται με κρουστική τάση 1,2/50 μs έχει δηλαδή: ΤS =1,2 μs και Τr =50 μs. Για τις εργαστηριακές ασκήσεις προσομοίωσης του κεραυνικού ρεύματος χρησιμοποιείται η 10/350 μs. Μια μαθηματική σχέση που προσομοιώνει το κεραυνικό ρεύμα είναι η παρακάτω i(t) = I MAX 10 t n T t e t / r όπου Ιmax η κορυφή του κεραυνικού πλήγματος, n ο συντελεστής διόρθωσης κορυφής, Τ και r χρονικές σταθερές κορυφής και ουράς αντίστοιχα. Πολύ συχνά το κεραυνικό πλήγμα προσομοιώνεται μαθηματικά και μα διπλοεκθετική εξίσωση για ένα παλμό: i(t) = An (e -λ 1 t e -λ 2 t ) + B(e -λ 3 t e -λ 4 t )

54 όπου An η μέγιστη τιμή του ρεύματος του πρώτου παλμού, Β η μέγιστη τιμή του ρεύματος (κατά πολύ μικρότερη της An) του παλμού που ακολουθεί τον πρώτο με χρονικό μεσοδιάστημα της τάξης των ms και λ1, λ2 και λ3, λ4 χρονικές σταθερές της κορυφής και της ουράς αντίστοιχα. Στην πράξη το κεραυνικό ρεύμα προσομοιώνεται μόνο με το πρώτο μέρος της εξίσωσης. Έτσι έχουμε : i(t) = I MAX (e -λ t 1 e -λ 2 t ) n όπου η μέγιστη τιμή του ρεύματος An έχει αντικατασταθεί με το λόγο Ιmax /n για αντιστοιχία με την σχέση i(t) = I MAX 10 t n T t e t / r Ένας τρόπος να υπολογίσουμε τους χρονικούς συντελεστές λ1 και λ2 είναι μέσω διαγραμμάτων στη βιβλιογραφία. Ένα τέτοιο διάγραμμα δίνεται στο παρακάτω σχήμα όπου ο λόγος Τ2/Τ1 αντιστοιχεί στο λόγο ΤS/ Τr και α και β στις χρονικές σταθερές λ1 και λ2 αντίστοιχα.

55 Διάγραμμα για τον υπολογισμό των χρονικών σταθερών του κρουστικού ρεύματος όπου Τ1 ο χρόνος μετώπου και Τ2 ο χρόνος ημίσεως εύρους. [19 ITUT REC K.31:1993, Bonding Configuration and Earthing Inside a Subscriber s Building.] 3.7 Μόνιμοι ηλεκτρικοί σύνδεσμοι σε κυκλώματα αντικεραυνικής προστασίας και κυκλώματα γειώσεων γενικά. Ευρεία χρήση των μόνιμων ηλεκτρικών συνδέσμων έχουμε στα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας και στα κυκλώματα γειώσεων. Οι σταθεροί σύνδεσμοι αντικεραυνικής προστασίας χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των αγωγών απαγωγής του κεραυνού προς τη γείωση. Το αν υπάρχει ή όχι απαίτηση για εγκατάσταση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και αν ναι, σε ποια στάθμη προστασίας εντάσσεται καθορίζεται από το ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ 1412 το οποίο υπολογίζει διάφορους συντελεστές και αποφαίνεται αν η εγκατάσταση είναι απαραίτητη ή όχι, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας αναφέρεται στο ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ 1197.

56 3.8 Γενικές αρχές και ορισμοί σε κυκλώματα αντικεραυνικής προστασίας. Το πλήρες σύστημα που χρησιμοποιείται για την προστασία ενός χώρου από τις επιπτώσεις ενός κεραυνού λέγεται Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ). Τα ΣΑΠ διακρίνονται σε εξωτερικά και εσωτερικά. Το εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Το εξωτερικό ΣΑΠ αποτελείται από το συλλεκτήριο σύστημα, τους αγωγούς καθόδου και το σύστημα γείωσης. 1. Το συλλεκτήριο σύστημα Το συλλεκτήριο σύστημα καθώς και οι μέθοδοι προσδιορισμού της προστατευόμενης περιοχής όπου βασίζεται η κατασκευή του έχουν αναλυθεί διεξοδικά στο κεφάλαιο 3 της παρούσας διπλωματικής εργασίας και δε χρειάζεται οποιαδήποτε περαιτέρω αναφορά.

57 2. Οι αγωγοί καθόδου Οι αγωγοί καθόδου είναι το τμήμα που χρησιμεύει για να διοχετεύει το ρεύμα του κεραυνού από το συλλεκτήριο σύστημα στο σύστημα γείωσης, Οι συνδέσεις γίνονται με μόνιμους ηλεκτρικούς συνδέσμους οι οποίοι αποτελούν αντικείμενο διερεύνησης ως προς τη συμπεριφορά τους υπό κρουστικά κεραυνικά ρεύματα. Οι αγωγοί καθόδου τοποθετούνται είτε περιμετρικά στις εξωτερικές επιφάνειες του κτιρίου, είτε εγκιβωτισμένοι στο σκυρόδεμα των υποστυλωμάτων της κατασκευής, σε μέση απόσταση που δίνεται στον πίνακα 4.5 ανάλογα με τη στάθμη προστασίας της εγκατάστασης. 4. Η μέση απόσταση αγωγών καθόδου σε σχέση με τη στάθμη προστασίας. [16 ITUT REC K.20:2003, Series K: Protection against Interference; Resistibility of Telecommunication Equipment Installed in a Telecommunications Centre to Overvoltages and Overcurrents.] Επίσης, για τη μείωση της πιθανότητας επικίνδυνου σπινθήρα, μέσα στον προστατευμένο χώρο, οι αγωγοί καθόδου πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε σε σχέση με το σημείο πλήγματος μέχρι τη γη : να υπάρχουν αρκετές παράλληλοι οδοί ροής του ρεύματος

58 να είναι το μήκος των οδών ροής του ρεύματος το μικρότερο δυνατό 3. Το σύστημα γείωσης Το κεραυνικό πλήγμα διαχέεται στο έδαφος μέσω του συστήματος γεώσης. Η διάχυση αυτή πρέπει να επιτυγχάνεται με ταχύτητα και ασφάλεια, ώστε να μην δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον προστατευμένο χώρο. Την επίτευξη του στόχου αυτού συνιστά τόσο η τιμή της αντίστασης γείωσης όσο και η μορφή και οι διαστάσεις του συστήματος γείωσης. Τα συστήματα γείωσης κατασκευάζονται είτε με περιμετρική είτε με θεμελιακή γείωση είτε με τοποθέτηση ηλεκτροδίων σε κάθε κάθοδο. Όπως προαναφέρθηκε οι συνδέσεις ως προς τους αγωγούς καθόδου γίνεται μέσω μόνιμων ηλεκτρικών συνδέσμων, που εξετάζονται στα πλαίσια της εργασίας αυτής. Το εσωτερικό σύστημα κεραυνικής προστασίας, Το εσωτερικό σύστημα αποτελείται από τις διατάξεις, πλέον αυτών που απαιτούνται στο εξωτερικό σύστημα, με τις οποίες μπορούν να μειωθούν οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού στο εσωτερικό του προστατευμένου χώρου. Η μείωση των τάσεων επιτυγχάνεται με ισοδυναμικές συνδέσεις και απαγωγούς κρουστικών υπερτάσεων.

59 Υλικά κυκλωμάτων αντικεραυνικής προστασίας. Στα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας τα υλικά που χρησιμοποιούνται πρέπει να αντέχουν στις ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές συνέπειες του ρεύματος του κεραυνού και στις ενδεχόμενες καταπονήσεις χωρίς να καταστρέφονται. Στην επιλογή του υλικού και των διαστάσεων του πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και η πιθανότητα διάβρωσης τόσο της προστατευμένης κατασκευής όσο και του ΣΑΠ. Η στήριξη των παραπάνω αγωγών γίνεται ανά 1 m περίπου και οπωσδήποτε σε κάθε αλλαγή κατεύθυνσης του αγωγού, ένα προς της αλλαγής και ένα μετά, με κατάλληλα στηρίγματα κατασκευασμένα κατά DIN. Το υλικό των στηριγμάτων πρέπει να είναι το ίδιο με εκείνο του αγωγού προκειμένου να αποφεύγονται γαλβανικά φαινόμενα, διότι σε σύντομο χρονικό διάστημα θα υπάρξει διάβρωση είτε στον αγωγό είτε στο στήριγμα. Η ανωτέρω αρχή βρίσκει εφαρμογή και στα λοιπά υλικά της αντικεραυνικής προστασίας. Στην περίπτωση των μη αγώγιμων κατασκευών (καμινάδες, δώμα κ.λ.π.) τοποθετείται ακίδα επί της άνω επιφάνειας αυτών, η οποία γεφυρώνεται με το κύριο συλλεκτήριο σύστημα, μέσω σταθερών ηλεκτρικών συνδέσμων με αγωγό ιδίων διαστάσεων και υλικού με τους αγωγούς του κύριου συλλεκτήριου συστήματος. Αυτό μπορεί επίσης να γίνει με τη δημιουργία βρόχων οι οποίοι μέσω τουλάχιστον δυο αγωγών καθόδου συνδέονται με το κύριο συλλεκτήριο σύστημα. Εάν είναι δυνατή η χρησιμοποίηση εξαρτημάτων του ίδιου υλικού, για την αποφυγή ηλεκτροχημικής διάβρωσης θα πρέπει να παρεμβάλλεται διμεταλλική επαφή Cupal ή αντίστοιχη μεταξύ διαφορετικών υλικών π.χ. χάλκινων και επιψευδαργυρωμένων.

60 Κεφάλαιο 4 Αντικεραυνική Προστασία στις Τηλεπικοινωνίες 4.1 Προστασία Τηλεπικοινωνιακού Κτιρίου Στο σύστημα προστασίας ενός τηλεπικοινωνιακού κτιρίου και τη λειτουργία αλλά και προστασία των εντός αυτού εγκαταστάσεων θα πρέπει να κατασκευαστεί μια εγκατάσταση γείωσης που θα αποβλέπει στα εξής: Στην ασφάλεια του προσωπικού που συντηρεί τις εγκαταστάσεις αλλά και στην προστασία του κτιρίου και των εντός αυτού εγκαταστάσεων από επικίνδυνες εσωτερικές ή εξωτερικές υπερτάσεις. - Στην καλή λειτουργικότητα των εγκαταστάσεων δηλαδή στον περιορισμό της διαφωνίας και των θορύβων εντός των προδιαγραφομένων τιμών. Στην παροχέτευση στη γη όλων των ρευμάτων υψηλών συχνοτήτων κύρια από τα aνορθωτικά συγκροτήματα, τα οποία είναι δυνατόν να προκαλέσουν προβλήματα στο δίκτυο της Δ.Ε.Η και του ΟΤΕ. Στη χρησιμοποίηση της γης ως επιστροφικού αγωγού ενός τηλεπικοινωνιακού κυκλώματος. Στην εξασφάλιση σταθερού δυναμικού αναφοράς για την ικανοποιητική λειτουργία της εγκατάστασης και τη διεξαγωγή μετρήσεων. Για την παραγματοποίηση των ανωτέρω επιβάλλεται η κατασκευή της εγκατάστασης γείωσης η οποία περιλαμβάνει. o Τη γείωση λειτουργίας, δηλαδή τη γείωση των τμημάτων μιας εγκατάστασης ή διάταξης που ανήκουν στο κύκλωμα λειτουργίας για καθαρά λειτουργικούς λόγους, (ουδέτερος κόμβος γεννήτριας, θετικός πόλος συστοιχίας) μέσω ενός αγωγού που ονομάζεται αγωγός γείωσης λειτουργίας (Α.Γ.Λ).

61 o Τη γείωση προστασίας δηλαδή τη γείωση χωρίς παρεμβολή άλλων αντιστάσεων κάθε αγώγιμου τμήματος μιας εγκατάστασης ή διάταξης που δεν ανήκει στο κύκλωμα λειτουργίας για την προστασία του προσωπικού έναντι υψηλών τάσεων επαφής, μέσω του ονομαζόμενου αγωγού γείωσης προστασίας. o Τη γείωση αντικεραυνιιιής προστασίας δηλαδή τη γείωση έναντι ατμοσφαιρικών εκκενώσεων των προστατευτικών διατάξεων του κτιρίου ή μεμονομένων μεταλλικών κατασκευών για τη διοχέτευση στη γη των ρευμάτων από τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις. 4.2 Κατασκευή της εγκατάστασης γείωσης Εγκατάσταση γείωσης αντικεραυντικής προστασίας Τη μορφή κλωβού faraday θα έχει η εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας και θα αποτελείται από τους αγωγούς συλλογής (συλλεκτικούς αγωγούς) τους αγωγούς καθόδου (απαγωγής) και από τον περιμετρικό γειωτή ή κυρίως γείωση που αποτελεί βέβαια και το γειωτή που καταλήγουν και οι εγκαταστάσεις γείωσης λειτουργίας και προστασίας. Για την επίτευξη ενός κατά το δυνατόν τέλειου, κλωβού Faraday θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί κατάλληλα ο οπλισμός του κτιρίου κατά την κατασκευή τού εκ μπετόν σκελετού του. Για αυτό θα πρέπει: 1. Να γίνεται σύνδεση μεταξύ τους με σύρματα οι διασταυρωμένες μπετόβεργες σε όσο το δυνατό περισσότερα σημεία έτσι επιτυγχάνεται ένας ικανοποιητικός αριθμός αγώγιμων συνδέσεων, το ίδιο θα πρέπει να συμβάλει και στον οπλισμό από έναν όροφο στον άλλο.

62 2. Να αφεθούν αναμονές στο δώμα για να συνδεθούν οι συλλεκτικοί αγωγοί αλλά και στα υποστηλώματα τουλάχιστον σε κάθε όροφο ώστε να μπορούν να συνδεθούν οι απαγωγοί. 3. Επίσης στη θεμελίωση θα πρέπει να αφήνονται αναμονές για τη σύνδεση του οπλισμού με την εγκατάσταση γειώσεως. 4. Κάθε μεταλλική κατασκευή του κτιρίου εάν είναι δυνατό να μπορεί να συνδεθεί με τους οπλισμούς αυτού. 4.3 Προστασία οικιακών συσκευών και συσκευών Τηλεπικοινωνιών σε κατοικία Πολλά είναι τα προβλήματα που μπορεί να δημιουργήσει η είσοδος ενός κρουστικού κύματος στα δίκτυα μιας κατασκευής, από απλά μέχρι ανεπανόρθωτα. Απώλειες μνήμης: αν και δεν έχουμε μόνιμη ζημία, παρατηρούνται συχνά απώλειες μνήμης, «πάγωμα» οθονών, αδικαιολόγητη επανεκκίνηση ηλεκτρονικών συσκευών, κλπ. χωρίς μόνιμες ή ανεπανόρθωτες βλάβες. Συνήθης αιτία απώλειας εργατοωρών, και κίνδυνος δυσάρεστων καταστάσεων σε περιπτώσεις ευαίσθητου και σημαντικού λογισμικού (π.χ. τράπεζες). Βαθμιαία φθορά: μακροπρόθεσμη έκθεση σε κρουστικά κύματα μικρής έντασης, οδηγεί σε μερική φθορά ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, μικραίνοντας τη διάρκεια ζωής και αυξάνοντας την πιθανότητα αστοχίας υλικού ή καταστροφής. Ολική καταστροφή: κρουστικά κύματα μπορούν να καταστρέψουν συσκευές, ηλεκτρονικά κυκλώματα, οθόνες ακόμα και σε σημείο που να είναι αδύνατη η επισκευή τους. Αυτό συμβαίνει όταν διασπαστεί το

63 μονωτικό μέσο της συσκευής. Σπινθήρες, τόξα ή εκρήξεις μπορεί να αποτελέσουν εστίες φωτιάς και απαρχή επικίνδυνων καταστάσεων όπως ηλεκτρικά σοκ κλπ. Ο κίνδυνος είναι ακόμα μεγαλύτερος σε περιπτώσεις που σε μια κατασκευή περιέχονται εύφλεκτα ή εκρηκτικά υλικά ή υπάρχει μεγάλη πυκνότητα ανθρώπων. Έμμεσες συνέπειες: όλα τα παραπάνω οδηγούν σε αδυναμία εργασίας, κόστος αντικατάστασης και επισκευής, απώλεια παραγωγικού χρόνου, καθυστερήσεις και απώλειες πελατών, αναγκαιότητα υπερωριών, περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις λόγω κακής λειτουργίας ή υπολειτουργίας κλπ. Απαγωγείς κρουστικών υπερτάσεων Αναφέραμε νωρίτερα ότι οι κρουστικές υπερτάσεις μπορούν να περάσουν μέσα στα ηλεκτρικά κυκλώματα είτε μέσα από την ηλεκτρική παροχή, συμπεριλαμβανομένου και του αγωγού γειώσεως, είτε μέσα από τις τηλεφωνικές γραμμές, τις γραμμές μεταφοράς δεδομένων και τις γραμμές μεταφοράς αναλογικών σημάτων (από κεραία τηλεόρασης, κάμερα παρακολούθησης κλπ.) και γενικά μέσα από οποιοδήποτε ηλεκτρικά αγώγιμο δίκτυο. Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων(surge protection devices ή SPDs), που συχνά θα συναντηθούν και ως αλεξικέραυνα ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων, είναι οι συσκευές αυτές που τοποθετούνται πριν από τα μηχανήματα που θέλουμε να προστατεύσουμε ή σε συγκεκριμένα σημεία μέσα στο δίκτυο, με στόχο να μειώσουν το κρουστικό κύμα άμεσα σε μεγέθη ακίνδυνα. Η αρχή λειτουργίας τους είναι η εξής: ο κάθε απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων, SPD, χαρακτηρίζεται σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας του, από μία πολύ υψηλή αντίσταση μεταξύ των άκρων του. Όταν στο δίκτυο που είναι συνδεδεμένος εφαρμοστεί μία κρουστική τάση με τιμή μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης του SPD, βραχυκυκλώνει τα άκρα

64 του σε χρόνο της τάξης ns, μειώνοντας έτσι τις διαφορές δυναμικού μεταξύ των ηλεκτρικά μονωμένων αγωγών και μεταξύ των γειωμένων μερών, σε στάθμη που πρέπει να είναι χαμηλότερη της διηλεκτρικής αντοχής των μονωτικών της εγκατάστασης, όπως αυτή ορίζεται στο Διεθνές πρότυπο IEC (Πίνακας 1). Η τάση αυτή ονομάζεται τάση προστασίας (Up) και είναι το βασικότερο κριτήριο επιλογής του SPD. Θα αναφερθούμε σε αυτήν εκτενέστερα στη συνέχεια. Όταν η τάση του δικτύου επανέλθει στα φυσιολογικά επίπεδα, ο απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων, SPD, αυτόματα επανέρχεται στην αρχική φυσιολογική του θέση, χωρίς την ανάγκη διακοπής της παροχής του ηλεκτρικού δικτύου, αντικατάσταση τηκτών, ή επαναοπλισμού αυτόματων διακοπτών. Βέβαια, υπάρχουν κάποιες βασικές προϋποθέσεις που πρέπει να τηρηθούν για την επιτυχία της προστασίας, και οι σημαντικότερες είναι οι ακόλουθες: Συμβατότητα με το σύστημα: να μη προκαλεί λειτουργικά προβλήματα στις συσκευές που προστατεύει, όπως π.χ. να διατηρεί τις ιδιότητές του υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας των συσκευών ώστε να μη γειώνει τους ενεργούς αγωγούς. Σωστή επιλογή στάθμης προστασίας: η τάση προστασίας, UP, λειτουργίας του SPD, πρέπει να είναι μικρότερη της στάθμης μόνωσης της συσκευής που προστατεύει. Αν για παράδειγμα πρέπει να προστατευθεί ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα με διηλεκτρική αντοχή 800V, ο απαγωγός κρουστικής υπέρτασης θα πρέπει να χαρακτηρίζεται με UP<800V, ή ακόμη χαμηλότερη, έτσι ώστε να προστατευθεί η συσκευή επαρκώς και να υπάρχει και ένα όριο ασφαλείας. Βιωσιμότητα: για αξιόπιστη μακράς διάρκειας λειτουργία, το SPD που θα επιλεγεί πρέπει να μπορεί να αντέξει το μεγαλύτερο κρουστικό ρεύμα

65 Ι imp ή Ιmax που αναμένεται στο συγκεκριμένο σημείο εγκατάστασής του και υπολογίζεται με βάση την αναγκαία στάθμη προστασίας, όπως αναφέρεται στη συνέχεια. 4.4 Χαρακτηριστικοί παράμετροι επιλογής Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων επιλέγονται λαμβάνοντας υπόψη τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και τις ιδιαιτερότητες του συστήματος στο οποίο τοποθετούνται. Πιο αναλυτικά οι παράμετροι που παίζουν ρόλο στην επιλογή τους είναι οι εξής: Χαρακτηριστικά δικτύου: Για να εξασφαλιστεί η συμβατότητα με το δίκτυο είναι αναγκαία η γνώση των τριών επόμενων παραμέτρων. Η Ονομαστική τάση λειτουργίας (Voltage rating, UN, ή Continuous operating voltage, UC) καθορίζεται με βάση την ονομαστική τάση της ηλεκτρικής γραμμής. Η μέγιστη τάση λειτουργίας σύμφωνα με τις προδιαγραφές κυμαίνεται περίπου στο +15% της ονομαστικής τιμής. Για τα Ελληνικά δεδομένα, όπως και για ολόκληρη την Ευρώπη, σύμφωνα με οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης, η ονομαστική τάση λειτουργίας για όλα τα δίκτυα χαμηλής τάσης είναι 230/400V. Για τα ασθενή ρεύματα (π.χ. σήματα data) ονομαστική τάση είναι η θετική ή αρνητική τιμή κορυφής του σήματος (Voltage peak value, Upk). Το Ονομαστικό ρεύμα λειτουργίας, (Continuous operating current, IC), ενδιαφέρει μόνο στην περίπτωση που ο απαγωγός συνδέεται σε σειρά με το δίκτυο. Τέλος, ανάλογα με τη Συχνότητα λειτουργίας, f, του δικτύου, επιλέγεται και ο απαγωγός που λειτουργεί στην ανάλογη συχνότητα. Τάση εκφόρτισης ή Παραμένουσα τάση (Residual voltage, Ures): είναι η τάση που αναπτύσσεται στα άκρα του απαγωγού κρουστικών υπερτάσεων κατά τη διάρκεια της διέλευσης του ονομαστικού ρεύματος

66 εκφόρτισης, το οποίο ορίζεται παρακάτω. Η μέγιστη παραμένουσα τάση(voltage limiting) είναι αυτή που αντιστοιχεί στο μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης που μπορεί να αντέξει ο συγκεκριμένος απαγωγός. Στην περίπτωση απαγωγού τύπου σπινθηριστή η παραμένουσα τάση ισούται με την Τάση διάσπασης(sparkover voltage), την τάση δηλαδή στην οποία έχουμε έναρξη του σπινθήρα. Όπως γίνεται σαφές, όσο μικρότερη είναι η τάση προστασίας ενός απαγωγού τόσο το καλύτερο, και τόσο πιο ευαίσθητες συσκευές μπορεί να προστατεύσει. Τάση προστασίας (Voltage protection level, UP):η συγκεκριμένη παράμετρος χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά του απαγωγού και πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη παραμένουσα τάση ή την τάση διάσπασης. Η χρησιμότητα της παραμέτρου αυτής είναι ίσως η σημαντικότερη όλων, καθώς μεγαλύτερη τάση προστασίας από αυτή που αντέχει η υπό προστασία συσκευή, θα οδηγήσει σε ανεπαρκή προστασία της και ενδεχόμενη καταστροφή της. Μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης (Maximum discharge current, Imax ή Maximum impulse current, Iimp): είναι το μεγαλύτερο ρεύμα εκφόρτισης που διέρχεται μέσα από το αλεξικέραυνο δικτύου τουλάχιστον για μία φορά, χωρίς αυτό να καταστραφεί. Με βάση αυτή τη μεταβλητή εξασφαλίζεται η βιωσιμότητα του απαγωγού. Το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφή κρούσης του κύματος. Όταν λέμε μορφή κρούσης (Impulse wave shape) εννοούμε το πηλίκο του χρόνου που φτάνει το ρεύμα στη μέγιστη τιμή του, προς το χρόνο που πέφτει στο μισό της μέγιστης τιμής. Ο λόγος που χρησιμοποιείται είναι το γεγονός ότι κάθε κρουστικό κύμα έχει απρόβλεπτη μορφή κρούσης και συνεπώς τα μεγέθη δεν είναι συγκρίσιμα. Εισάγοντας αυτή την παράμετρο είμαστε πιο ακριβής στον καθορισμό του Imax της αντικεραυνικής συσκευής. Για παράδειγμα, ένας

67 απαγωγός στο οποίο εφαρμόζεται κρούση μορφής 8/20μs έχει ικανότητα Imax=5kA. Στον ίδιο απαγωγό αν εφαρμοστεί κρούση μορφής 4/10μs για παράδειγμα, έχει ικανότητα Imax=65kA. Η μορφή κρούσης καθορίζεται από τα Διεθνή πρότυπα IEC σε 8/20μs, ενώ σε ειδικές περιπτώσεις για τη μέτρηση του Imax φτάνει και σε διάρκεια τα 10ms (IEC ). Από εδώ και στο εξής ότι τιμές έντασης και αν αναφέρονται, ως μορφή κρούσης θα εννοείται η 8/20μs. Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (Nominal discharge current, In): Ετσι ονομάζεται το ρεύμα αυτό που μπορεί να αντιμετωπιστεί από τον απαγωγό για τουλάχιστον είκοσι φορές, χωρίς αυτός να παρουσιάσει δυσλειτουργία. Όταν για παράδειγμα λέμε ότι ο συγκεκριμένος απαγωγός έχει Imax=40kA και In=15kA, ρεύματος 8/20μs εννοούμε ότι μπορεί να αντεπεξέλθει χωρίς να καταστραφεί σε ρεύμα 40kA τουλάχιστον μία φορά και σε ρεύμα 15kA τουλάχιστον για είκοσι φορές, πάντα μορφής 8/20μs. Υπέρταση μεγάλης διάρκειας του ηλεκτρικού πεδίου διανομής, UTOV: μία σημαντική παράμετρος που πρέπει να συνεκτιμάται κατά την επιλογή του απαγωγού, κυρίως στα ενεργειακά συστήματα, είναι οι υπερτάσεις του συστήματος μακράς διάρκειας UTOV, με χρονική διάρκεια 0,05<t<10s. Οι τάσεις αυτές λόγω της διάρκειάς τους δεν έχουν κρουστική μορφή και ο απαγωγός υπερτάσεων, αν λειτουργήσει για να τις μειώσει υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να καταστραφεί, καθώς καταπονείται για μεγάλη χρονική διάρκεια από το ρεύμα του συστήματος που ρέει μέσα σε αυτόν. Στατιστικά, έχει αποδειχθεί ότι σε απομονωμένα δίκτυα η καταστροφή των απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων από αυτό το αίτιο, είναι συνηθέστερη από ότι η καταστροφή τους από ένα κεραυνικό ρεύμα. Το Διεθνές πρότυπο IEC της σειράς συνιστά στις εταιρείες διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να κατασκευάζουν δίκτυα που οι υπερτάσεις

68 μεγάλης διάρκειας να μην υπερβαίνουν την τιμή 1,5xUN+750V για χρόνο 0,05<t<5s, και την τιμή 1,5xUNV για χρόνο 5<t<10s. Η επιλογή του κατάλληλου απαγωγού κρουστικών υπερτάσεων θα πρέπει να γίνεται με το κριτήριο να λειτουργεί σε τάσεις μεγαλύτερες της U TOV, όπως αυτή ορίζεται από το IEC Αν και αναφέρθηκε, δηλαδή, ότι όσο μικρότερη είναι η τάση προστασίας τόσο το καλύτερο, οι ελάχιστες τιμές της UP περιορίζονται από την UTOV. Χρόνος απόκρισης(time Response, tr): είναι ο χρόνος που απαιτείται μέχρις ότου να ενεργοποιηθεί η λειτουργία του απαγωγού. Είναι πολύ βασική παράμετρος, καθώς πρέπει να λειτουργήσει πριν περάσει το κύμα και κάνει τη ζημιά και πρέπει να είναι μικρότερος των 25 ns (25x10-9 ). Αυτός είναι και ο λόγος που οι σταθεροποιητές τάσης (UPS) δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αντικεραυνική προστασία, καθώς ο χρόνος απόκρισής τους είναι συγκριτικά πολύ μεγαλύτερος (της τάξης των ms, 10-3 ). Αντιθέτως, κινδυνεύουν και οι ίδιοι από τα κρουστικά κύματα και χρειάζονται προστασία. Υπάρχουν και άλλες μεταβλητές που παίζουν ρόλο στην επιλογή του σωστού απαγωγού, όπως η ισχύς λειτουργίας, η θερμοκρασία λειτουργίας, το μέγιστο υψόμετρο λειτουργίας κλπ. που δεν χρήζουν ανάλυσης τη συγκεκριμένη στιγμή, καθώς ο ρόλος τους είναι σημαντικός μεν, πολύ λεπτομερειακός δε.. Είδη απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων Ανάλογα με το τι συσκευή θέλουμε να προστατεύσουμε και από ποια σημεία εισόδου του κύματος, υπάρχουν και οι αντίστοιχοι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων. Οι απαγωγοί που συνηθέστερα συναντώνται είναι οι εξής: Οι απαγωγοί μέσης τάσης έχουν σκοπό να προστατεύσουν

69 έναν υποσταθμό ή γενικότερα ένα δίκτυο μέσης τάσης από κρουστικά κύματα ερχόμενα από το δίκτυο της ΔΕΗ. Η ονομαστική τάση λειτουργίας τους είναι συνήθως για τη χώρα μας 21kV και τοποθετούνται παράλληλα με το δίκτυο, ένας σε κάθε φάση (συνολικά τρεις για τριφασικό ρεύμα). Αποτελούν την πρώτη βαθμίδα προστασίας, και χωρίζονται σε πορσελάνης και πολυμερίου(polymer). Οι απαγωγοί χαμηλής τάσης για συστήματα TN-S, όπως αυτό της ΔΕΗ (εκτός από το ιστορικό κέντρο της Αθήνας που έχει σύστημα ΤΤ και στο οποίο χρησιμοποιούνται πάλι οι ίδιοι απαγωγοί), τοποθετούνται στον κεντρικό πίνακα και παράλληλα στην κάθε φάση του ρεύματος αλλά και στον ουδέτερο (συνολικά τέσσερα για τριφασικό ρεύμα, δύο για μονοφασικό). Όποτε κρίνεται σκόπιμο τοποθετούνται απαγωγοί και στους υποπίνακες ως επιπλέον ζώνες προστασίας, αλλά και ακριβώς πριν από μία συσκευή. Επαναλαμβάνεται σε αυτό το σημείο ότι οι συγκεκριμένοι απαγωγοί δεν πρέπει κατά την απαγωγή των κρουστικών υπερτάσεων να διακόπτουν την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο μηδενίζοντας την τάση του δικτύου, αλλά να συνεχίζεται η ομαλή τροφοδοσία του, έστω και με μεγαλύτερη τάση, μέσα στα πλαίσια της αντοχής των μονωτικών των συσκευών που τροφοδοτούνται από το δίκτυο, όπως αυτές ορίζονται στο IEC (Πίνακας 1 ).

70 Δυναμικό μεταξύ φάσης και ουδέτερου, εξαγόμενο από τις ονομαστικές τάσεις Διηλεκτρική αντοχή συσκευής, U s (Volts) λειτουργίας a.c. ή d.c. (Volts) Κατηγορία Συσκευής (*) Ι ΙΙ ΙΙΙ ΙV Αντοχή των μονωτικών των συσκευών που τροφοδοτούνται από το δίκτυο, [IEC , Table 1] Οι κεραίες των τηλεοράσεων συλλαμβάνουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο των κεραυνών και δια μέσου του ομοαξονικού καλωδίου διοχετεύουν την υπέρταση στις συνδεδεμένες συσκευές προκαλώντας την καταστροφή τους. Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων κεραιών προστατεύουν τους δέκτες από αυτές τις υπερτάσεις διοχετεύοντάς τις στη γείωση. Το κύκλωμα προστασίας του απαγωγού δεν πρέπει να επηρεάζει την καλή λειτουργία των συσκευών, ούτε να προκαλεί απώλεια της ισχύος και εξασθένιση του σήματος που συλλαμβάνει η συσκευή, για αυτό και πρέπει να είναι ανάλογης ισχύος και συχνότητας. Ανάλογοι απαγωγοί υπάρχουν και για πομπούς δέκτες χαμηλής ισχύος και συχνοτήτων από VHF ως UHF (κάμερες παρακολούθησης κλπ.). (*) Οι παραπάνω αναφερόμενες κατηγορίες συσκευής του Πίνακα 1 ορίζονται ως εξής: Κατηγορία υλικά, διατάξεις ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων, όπως καλώδια, τηκτές ΙV : ασφάλειες, κιλοβατοωρόμετρα. Κατηγορία ΙΙΙ : Κατηγορία ΙΙ : Κατηγορία Ι : [[IEC ] διατάξεις μόνιμα συνδεδεμένες στην ηλεκτρική εγκατάσταση των οποίων η αξιοπιστία λειτουργίας τους διέπεται από ειδικές απαιτήσεις όπως διακόπτες, κινητήρες και γενικά συσκευές και μηχανήματα βιομηχανικών εγκαταστάσεων. διατάξεις και συσκευές οικιακής χρήσης μόνιμα συνδεδεμένες στην ηλεκτρική εγκατάσταση, φορητές συσκευές και εργαλεία. σε αυτή ανήκουν οι ηλεκτρονικές συσκευές και γενικά κάθε ηλεκτρονικό κύκλωμα.

71 Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων τηλεμετρίας και τηλεχειρισμών προστατεύουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά κυκλώματα και διατάξεις από κρουστικά ρεύματα που εισέρχονται από τις γραμμές μεταφοράς δεδομένων ή σημάτων. Οι απαγωγοί αυτοί εγκαθίστανται σε σειρά με το δίκτυο και κοντά στις υπό προστασία συσκευές, επιτρέποντας τη διέλευση όλων των σημάτων και δεδομένων. Πρέπει να είναι συμβατοί με το δίκτυο και να μην προκαλούν παρεμβολές, επιδράσεις ή εξασθενίσεις στα σήματα. Σε περίπτωση καταστροφής τους βραχυκυκλώνουν με τη γείωση ώστε να γίνει αντιληπτή η απώλειά τους και να προστατεύσουν το σύστημα μέχρι την αντικατάστασή τους. Τέλος, για να προστατεύσουμε τηλεφωνικές συσκευές ή ψηφιακά κέντρα από την είσοδο κρουστικών υπερτάσεων διαμέσου του δικτύου του ΟΤΕ, χρησιμοποιούμε ειδικούς απαγωγούς που τοποθετούνται σε σειρά με το τηλεφωνικό δίκτυο και υπάρχουν είτε ημιαγωγικού τύπου, είτε τύπου σπινθηριστή.f 3. Ζώνες προστασίας Σύμφωνα με το Διεθνές πρότυπο IEC , η πληρέστερη προστασία ενός δικτύου από κρουστικές υπερτάσεις επιτυγχάνεται με το διαχωρισμό του σε ζώνες προστασίας. Ως πρώτη ζώνη τοποθετούμε απαγωγούς που έχουν την ικανότητα να αντεπεξέρχονται σε κρουστικά ρεύματα μεγάλης έντασης και ενέργειας. Στις υπόλοιπες ζώνες χρησιμοποιούνται μικρότεροι απαγωγοί, καθώς το κυρίως κρουστικό κύμα έχει ήδη «κοπεί» στην πρώτη ζώνη, που στόχο έχουν να μειώσουν βαθμιαία την παραμένουσα τάση στα επιθυμητά όρια. Ο διαχωρισμός του δικτύου σε αυτές τις ζώνες γίνεται με βάση τις εξής παραμέτρους: Τη διηλεκτρική αντοχή των συσκευών που θέλουμε να προστατεύσουμε. Βασιζόμενοι στον Πίνακα 1 και ανάλογα με την ευαισθησία της κάθε συσκευής, την προστατεύουμε με τις ανάλογες ζώνες προστασίας. Το συνολικό μήκος

72 του δικτύου. Ένα κρουστικό κύμα, ανακλώμενο μέσα σε καλωδιώσεις μεγάλου μήκους έχει τη δυνατότητα να μεγαλώσει ξανά (μπορεί να διπλασιαστεί σε απόσταση δέκα μέτρων) και να προκαλέσει καταστροφές ακόμα και με την παρουσία προστασίας στην είσοδο της εγκατάστασης. Απαιτούμενη στάθμη προστασίας Μέγιστο ρεύμα κορυφής κεραυνού Ι(kΑ) Στάθμη Ι 200 Στάθμη ΙΙ 150 Στάθμη ΙΙΙ 100 Στάθμη IV 100 Όσο αυστηρότερη η στάθμη προστασίας, τόσο αυξάνει και η πρόληψη έναντι μεγάλων κεραυνικών ρευμάτων [Διεθνές πρότυπο ΙΕC ,] Τη στάθμη προστασίας της κατασκευής. Όσο πιο προβληματική είναι μια ενδεχόμενη διακοπή λειτουργίας και όσο ακριβότερο είναι το κόστος των υπό προστασία συσκευών, τόσο πιο λεπτομερειακή είναι και η προστασία. Για τον υπολογισμό της στάθμης προστασίας μπορούμε να ανατρέξουμε στο Ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ Κατόπιν, και ανάλογα με τη στάθμη προστασίας, βασιζόμενοι στο Διεθνές πρότυπο ΙΕ C , αποφασίζουμε πιο πρέπει να πάρουμε ως μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης στους υπολογισμούς μας για τον υπολογισμό του καταμερισμού του κεραυνικού ρεύματος. Το αναμενόμενο μέγεθος του κεραυνικού ρεύματος. Υπάρχει η δυνατότητα να υπολογιστεί η τάξη μεγέθους του κεραυνικού ρεύματος σε ένα δεδομένο σημείο του δικτύου. Με δεδομένη τη γνώση του πώς καταμερίζεται το ρεύμα του κεραυνού στις διάφορες καλωδιώσεις και

73 σωληνώσεις του κτιρίου, το υπολογιζόμενο μέγεθος εξαρτάται από κάποιους παράγοντες όπως το αν η περιοχή έχει προϊστορία μεγάλης κεραυνικής δραστηριότητας, αλλά και το αν ένα συγκεκριμένο σημείο του δικτύου κινδυνεύει από άμεσο ή έμμεσο χτύπημα. Αναγκαίες αποστάσεις μεταξύ βαθμίδων προστασίας και πτώση της παραμένουσας τάσης ανά βαθμίδα προστασίας.[46 Surge protection for telecommunication accesses, LIGHTNING PROTECTION GUIDE, Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται πώς μειώνεται βαθμιαία η παραμένουσα τάση ανά ζώνη προστασίας, φτάνοντας έτσι σε επίπεδα ακίνδυνα για τις υπό προστασία συσκευές. Παράλληλα, τονίζεται η αναγκαία απόσταση μεταξύ των διαφόρων ζωνών, έτσι ώστε να εξαλειφθεί η περίπτωση μια δευτερεύουσα ζώνη να λειτουργήσει πριν την προηγούμενη.

74 Μέγεθος και καταμερισμός κεραυνικού ρεύματος Καταμερισμός του κεραυνικού ρεύματος σε μία κατασκευή. [46 Surge protection for telecommunication accesses, LIGHTNING PROTECTION GUIDE, Υπάρχει η εντύπωση ότι όσο μεγαλύτερο κεραυνικό ρεύμα μπορεί να αντέξει ένας απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων, τόσο το καλύτερο. Αυτό είναι σωστό μόνο με την προϋπόθεση ότι, πρώτον, τα μεγέθη που ακούγονται πλησιάζουν την πραγματικότητα και δεν υφίστανται για λόγους εντυπωσιασμού και μόνο, και δεύτερον, ότι η παραμένουσα τάση που αφήνει να περάσει στις συγκεκριμένες τιμές ρεύματος, είναι μικρότερη από τη διηλεκτρική αντοχή των συσκευών που πρέπει να προστατεύσει. Επίσης, πρέπει να γίνει κατανοητό κάτι που συχνά δε λαμβάνεται υπόψη. Πρωτεύον στόχος του απαγωγού είναι να προστατεύσει τις ηλεκτρικές συσκευές και κατά δεύτερον να «αυτοπροστατευτεί». Αν ένας απαγωγός καταστραφεί από ένα κρουστικό ρεύμα και όλες οι υπόλοιπες συσκευές δεν πάθουν τίποτα, θεωρείται επιτυχία και όχι αποτυχία.

75 Σύμφωνα με το Διεθνές πρότυπο IEC , σελίδα 19, λοιπόν, εάν ένας κεραυνός πέσει σε ένα κτίριο με εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, το μισό ρεύμα του θα διοχετευτεί στη γη διαμέσου της προστασίας αυτής και το άλλο μισό θα ψάξει να βρει δρόμο προς τη γη διαμέσου των διαφόρων σωληνώσεων και καλωδίων της κατασκευής, όπως η ύδρευση, ο αγωγός υγραερίου και της ηλεκτρικής παροχής (Σχήμα 2). Θεωρείται ότι το ρεύμα κατανέμεται ισομερώς μεταξύ όλων αυτών των διόδων προς τη γείωση, εκτός από το καλώδιο του τηλεφώνου από το οποίο περνά λιγότερο από το 5% του ρεύματος και, τις περισσότερες φορές, κατά συνθήκη αγνοείται χωρίς πολύ μεγάλη απόκλιση. Ας πάρουμε για παράδειγμα την περίπτωση πτώσης ενός κεραυνού 200kA, ενός πολύ μεγάλου κεραυνικού πλήγματος, που είναι και μια πολύ σπάνια περίπτωση (από τη στιγμή που θα πέσει ένας κεραυνός η πιθανότητα να είναι τόσο μεγάλος είναι μικρότερη από 1%). Σύμφωνα με το Σχήμα 2 λοιπόν, τα 100 ka θα διοχετευτούν απευθείας στη γη δια μέσου της εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας, ενώ τα υπόλοιπα 100kA θα διανεμηθούν ισομερώς στο εσωτερικό δίκτυο του κτιρίου, και συγκεκριμένα στο ενεργειακό δίκτυο, στο δίκτυο νερού και στο δίκτυο υγραερίου (αν υπάρχει). Συνεπώς, το ρεύμα σε καθένα από αυτά δεν θα ξεπεράσει τα 30 ka. Κατά προέκταση, το κρουστικό ρεύμα που θα περάσει από την κάθε φάση και τον ουδέτερο, με την προϋπόθεση ότι έχουμε τριφασικό ρεύμα, δε θα ξεπεράσει τα 7,5kA (30kAx4). Μια πιο αναλυτική μέθοδος υπολογισμού του καταμερισμού του κεραυνικού ρεύματος μπορεί να βρεθεί στο Διεθνές πρότυπο , παράγραφος 2.7.2, που βασίζεται στην ειδική αντίσταση εδάφους όπου γειώνεται ο κάθε αγωγός. Τοποθετώντας πολύ μεγαλύτερους απαγωγούς, χωρίς να προσέξουμε την παραμένουσα τάση που αφήνουν και το τι ακριβώς χρειαζόμαστε στη συγκεκριμένη περιοχή του δικτύου, πέρα του ότι είναι ένα ανώφελο

76 οικονομικό κόστος, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα η προστασία μας να είναι ελλιπής. Στην περίπτωση που οι αποστάσεις μέσα στο κτίριο είναι μεγάλες και ταυτόχρονα απαιτείται μέγιστος βαθμός προστασίας, όπως προαναφέρθηκε, συνιστάται η τοποθέτηση απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων και στους υποπίνακες της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, δημιουργώντας κάποιες ζώνες προστασίας. Έτσι, κάθε συσκευή προστατεύεται όσο ακριβώς χρειάζεται, χωρίς ελλείψεις και ανακρίβειες, αλλά και χωρίς υπερβολές. Η λογική των ζωνών προστασίας από κρουστικές υπερτάσεις σε μια κατασκευή. Κάθε συσκευή προστατεύεται με βάση τη διηλεκτρική της αντοχή, φτάνοντας μέχρι και στην τέταρτη στάθμη προστασίας. [46 Surge protection for telecommunication accesses, LIGHTNING PROTECTION GUIDE, ]

77 4.5 H σωστή εφαρμογή της αντικεραυνικής προστασίας Για να ανταποκριθεί στην εξέλιξη του ευαίσθητου σε υπερτάσεις ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού κατοικιών ή επιχειρήσεων, καθώς και στο αυξανόμενο κόστος από βλάβες που οφείλονται σε κεραυνούς, έχει τεθεί νομικά μια νέα προδιαγραφή η NFC όπου επιβάλλει πλέον, για συγκεκριμένες περιπτώσεις, την εγκατάσταση ενός αντικεραυνικού. Tα Aντικεραυνικά που απαιτεί η νεα προδιαγραφή στη νέα της έκδοση, η προδιαγραφή ηλεκτρικών εγκαταστά- σεων NFC , συμπληρωμένη από το νεο οδηγό επιλογής UTE C , καθιστά πλέον και στην Eλλάδα απαραίτητη, σε ορισμένες περιπτώσεις, την εγκατάσταση Aντικεραυνικών, κατά κύριο λόγο δε στην περίπτωση παρουσίας αλεξικέραυνου στην εγκατάσταση. Αλλά και ο συνδυασμός άλλων κριτηρίων όπως η γεωγραφική θέση, ο τύπος του κτιρίου, ο βαθμός έκθεσης σε οι βλάβες που προκαλεί ο κεραυνός. Oι καταιγίδες, και πιο συγκεκριμένα ο κεραυνός, είναι τα πιο γνωστά αλλά και τα πιο καταστροφικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα. Μία από τις συνέπειές τους μπορεί να είναι η φθορά ή ακόμα και η καταστροφή του ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού ενός κτιρίου. Κάθε χρόνο παρουσιάζουν έτσι βλάβες ή καταστρέφονται χιλιάδες υπολογιστές, modem, τηλεοράσεις, DVD player, hifi, home cinema και οθόνες plasma ως συνέπεια κεραυνικών πληγμάτων ή υπερτάσεων. Ωστόσο, πολύ λίγοι ιδιώτες φροντίζουν να προστατεύσουν αυτόν τον κεραυνούς (απομονωμένο κτίριο ή εν μέσω άλλων κτιρίων) ή ο τύπος της γραμμής διανομής XT, μπορεί να συμβάλλει εξίσου στην αναγκαιότητα εγκατάστα- σης ενός Aντικεραυνικού. Και φυσικά το κόστος του εξοπλι-

78 σμού και η αναγκαιότητα της αδιάλειπτης λειτουργίας του, είναι καθοριστικοί παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Γι αυτό το σκοπό διατίθεται ένας ολοκληρωμένος οδηγός επιλογής, τόσο στο γενικό μας κατάλογο όσο και σε ξεχωριστή καρτέλα. Τα κριτήρια εγκατάστασης ενός αντικεραυνικού H προδιαγραφή NF C καθιστά αναγκαία την εγκατάσταση ενός κύριου αντικεραυνικού, τοποθετημένου στην είσοδο της ηλεκτρικής εγκατάστασης ενός κτιρίου, και κυρίως στην περίπτωση παρουσίας ενός αλεξικέραυνου. Υπάρχουν όμως και άλλοι παράγοντες που μπορούν να καταστήσουν απαραίτητη την εγκατάσταση ενός αντικεραυνικού : - η ανάγκη της αδιάλειπτης λειτουργίας μιας εγκατάστασης, από την οποία εξαρτάται η υγεία ή ασφάλεια των ατόμων στο εσωτερικό του κτιρίου (π.χ. ιατρικός εξοπλισμός) - το κεραυνικό προφίλ της κάθε περιοχής (κατανομή έντασης πτώσεων κεραυνού ανά τετ. χιλιόμετρο ανά έτος) - το άμεσο περιβάλλον του κτιρίου - ο τύπος της γραμμής διανομής XT (εναέρια ή υπόγεια) - το ελάχιστο επίπεδο λειτουργικότητας της εγκατάστασης - το κόστος του εξοπλισμού. H ικανότητα απόσβεσης ενός αντικεραυνικού εξαρτάται από το επίπεδο κινδύνου κεραυνοπληξίας της κάθε περιοχής. H παρουσία αλεξικέραυνου αυξάνει αυτόν τον κίνδυνο και αποτελεί ξεχωριστή περίπτωση. H διάρκεια ζωής του αντικεραυνικού σε μια εγκατάσταση, και άρα η αδιάλειπτη λειουργία αυτής, εξαρτάται από την ικανότητα απόσβεσης του αντικεραυνικού, η οποία όμως δεν επηρεάζει το επίπεδο προστασίας του εξοπλισμού (δηλ. την παραμένουσα τάση) το οποίο παραμένει πάντα χαμηλό.

79 Oι κανόνες εγκατάστασης που υπαγορεύει η προδιαγραφή NF C και ο οδηγός επιλογής UTE C ), το μήκος των αγωγών σύνδεσης του κλάδου προστασίας από υπερτάσεις (αυτόματη ασφάλεια + αντικεραυνικό + μπάρα γείωσης) θα πρέπει να είναι το ελάχιστο δυνατό (κάτω από 50 cm). 2) Oι γραμμές της εγκατάστασης θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο ευθύγραμμές, ώστε να μην δημιουργούνται πρόσθετα επαγωγικά φαινόμενα ή βρόχοι που δημιουργούν ταλαντώσεις. 3) O κλάδος του αντικεραυνικού θα πρέπει να μην διασταυρώνεται με τους αγωγούς της γραμμής του προστατευόμενου εξοπλισμού. 4) H διατομή των αγωγών του κλάδου προστασίας (που συνδέ- ονται στους ακροδέκτες του α- ντικεραυνικού) θα πρέπει να είναι η μεγαλύτερη δυνατή. Συγκεκριμένα, τουλάχιστον 4 mm2 για τη σύνδεση του ακρο- δέκτη γείωσης ενός αντικεραυ- νικού τύπου 2, και πάνω από 16 mm2 για αυτόν ενός τύπου 1. 5) Tο ηλεκτρόδιο γείωσης θα πρέπει να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της προδιαγραφής NF C και γενικά καλό είναι να έχει όσο το δυνατόν μικρότερη αντίσταση. Στην περίπτωση παρουσίας αλεξικέραυνου θα πρέπει να είναι μικρότερη από 10 Ω. Θα πρέπει επίσης να υπάρχει μόνο μια και κοινή σύνδεση προς γη. 6) Tο ρελέ διαφυγής που θα τοποθετηθεί πριν από το αντικεραυνικό θα πρέπει να είναι επιλεκτικό τύπου "S" ή αντιμεταβατικό.

80 7) Θα πρέπει να προβλεφθεί κάποιο υλικό για την αποσύνδεση του αντικεραυνικού από το κύκλωμα, τύπου αυτόματης ασφάλειας ή ασφαλειοαποζεύκτη. 8) O τύπος του προστατευόμενου εξοπλισμού καθώς και η απόστασή του από το κύριο αντικεραυνικό καθορίζουν την εγκατάσταση ή όχι επιπλέον αντικεραυνικών και δη επιμέρους προστασίας Το βασικό κύκλωμα βάση της προδιαγραφής είναι το παρακάτω [Schneider Electric Surge Protection 03/2010]

81 Στη παρακάτω εικόνα φαίνεται η διάταξη με τους τύπους αντικεραυνικής προστασίας που μπορεί να προστεθεί σε μία κατοικία σύμφωνα με τα παραπάνω: Τύπος αντικεραυνικού [Schneider Electric Surge Protection 03/2010] T1: μόνο όταν υπάρχει αλεξικέραυνο T2: συστηματική χρήση. T3: μόνο συμπληρωματικά με T2 (μικρότερο ρεύμα εκφόρτισης) αν η απόσταση των φορτίων από το αντικεραυνικό εισόδου Τ2 είναι μεγαλύτερη από 30m Επιπρόσθετα με τη συμβατική τηλεφωνική επέκταση, μια σύνδεση ADSL απαιτεί, μια κάρτα διασύνδεσης δικτύου ή ΑΤΜ κάρτα στο PC και ένα συγκεκριμένο ADSL modem και splitter για τον διαχωρισμό των τηλεφωνικών και των δεδομένων κίνησης των επικοινωνιών. Η επέκταση τηλεφώνου μπορεί εναλλακτικά να εγκατασταθεί με ανάλογο την πρόσβαση ISDN. Ο διαχωριστής διαχωρίζει το ανάλογο σήμα φωνής ή το ψηφιακό σήμα ISDN των δεδομένων ADSL υπό εξέταση όλων των σημαντικών

82 παραμέτρων του συστήματος, όπως αντιστάσεις, εξασθένηση, επίπεδα, κ.λ.π. Έτσι η λειτουργία ενός δικτύου crossover. Ο splitter συνδέεται στην πλευρά εισόδου της στο τηλέφωνο έξοδος. Στο πλευρό της παραγωγής της, παρέχει το σήματα υψηλότερης συχνότητας από τη συχνότητα ADSL ζώνης για το μόντεμ ADSL, αφενός, και ελέγχει την επικοινωνία στο εύρος χαμηλών συχνοτήτων με την NTBA ή ο ανάλογο τερματικό εξοπλισμό. Από το διαιρέτη θα πρέπει να είναι συμπαγής και αποδοτική, είναι συνήθως σχεδιασμένο σε παθητική μορφή, δηλαδή χωρίς τη δική του ισχύ προμήθεια. Τα modems ADSL κατασκευάζεται σε διαφορετικούς τύπους. Εξωτερικές συσκευές πολύ συχνά χρησιμοποιούν ένα ξεχωριστό splitter. Το μόντεμ ADSL είναι συνδεδεμένο με τον υπολογιστή μέσω Ethernet (10 Mbit / s), ATM25, ή μια διεπαφή USB. Επιπλέον, το μόντεμ απαιτεί μία 230 V τάση τροφοδοσίας. To ISDN (Integrated Services Digital Network) χρησιμοποιείται για την παροχή διαφορετικών υπηρεσιών σε ένα κοινό δημόσιο δίκτυο. Τόσο φωνής όσο και δεδομένων μπορούν να μεταφερθούν από την ψηφιακή μετάδοση. Ένα τερματισμού δικτύου μονάδα (ΝΤ) είναι η διασύνδεση μεταφοράς για το συνδρομητή. Η γραμμή τροφοδοσίας του ψηφιακού τοπικών ανταλλαγής είναι μια σειρά 4-wire. Επιπλέον, η NT είναι τροφοδοτείται με 230 V. Το αντίστοιχο κύκλωμα προστασίας για τις ADSL και ISDN γραμμές είναι το παρακάτω:

83 Surge protection for telecommunication accesses, LIGHTNING PROTECTION GUIDE, [46]