ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΠΟΓΙΑΤΖΗ ΣΩΤΗΡΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6928 Θέμα: ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΕΠΑΓΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα:

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΕΠΑΓΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΟΓΙΑΤΖΗ ΣΩΤΗΡΙΟΥ Α.Μ.: 6928 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

3 Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται οι υπερτάσεις ενός φωτοβολταϊκού πάρκου που βρίσκεται στην Πάτρα οι οποίες προκαλούνται από πλήγματα κεραυνών. Στην εργασία χρησιμοποιείται το λογισμικό EMTP-ATP όπου στην εξομοίωση συμπεριλαμβάνεται το πλέγμα γείωσης αλλά και οι βάσεις στήριξης μαζί με το συλλεκτήριο σύστημα. Ειδικότερα, η εργασία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: Στο 1 ο κεφάλαιο περιγράφεται η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά τους. Αρχικά περιγράφεται η Φ/Β κυψέλη και οι τύποι βιομηχανικής κατασκευής τους. Ακολούθως αναφέρεται η αρχή λειτουργίας του Φ/Β φαινομένου και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φ/Β κυψελίδων. Επίσης αναφέρονται οι κατηγορίες των Φ/Β συστημάτων και η δομή τους. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται λόγος στο φαινόμενο του κεραυνού. Αρχικά αναφέρονται τρία φαινόμενα που προκαλούν τα ηλεκτρικά φορτία στα νέφη και έπειτα τα είδη κεραυνικών εκκενώσεων. Παραθέτονται κάποια είδη κρουστικών υπερτάσεων από ατμοσφαιρικές υπερτάσεις κεραυνών και τα κύρια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Τέλος, περιγράφεται ο κεραυνός σύμφωνα με τον κανονισμό IEC και επισυνάπτονται οι επιπτώσεις του που αφορούν υπερθερμάνσεις, μηχανικές καταπονήσεις και ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται η μελέτη και ο σχεδιασμός συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Η μελέτη περιέχει τις στάθμες προστασίας και τις μεταβλητές τις οποίες την καθορίζουν. Μετέπειτα υποδεικνύεται ο τρόπος επιλογής της στάθμης. Στον σχεδιασμό αναφέρονται οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας και τέλος περιγράφεται η εξωτερική και η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας. Στο 4 ο κεφάλαιο γίνεται εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας σε Φ/Β πάρκο στην Πάτρα. Περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του επικείμενου Φ/Β πάρκου, η μελέτη και ο σχεδιασμός της αντικεραυνικής προστασίας του. Στο 5 ο και τελευταίο κεφάλαιο, γίνεται η επιλογή του μοντέλου βάσεων στήριξης, πλέγματος γείωσης και κατακόρυφων ραβδών όπου και υπολογίζονται οι παράμετροι τους. Ακολούθως, γίνεται η εισαγωγή τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης EMTP-ATP όπου εξετάζονται τρία διαφορετικά κυκλώματα. Το 1 ο περιέχει μόνο το πλέγμα γείωσης συνδεδεμένο με τη βάση στήριξης αλλά και τους αγωγούς του συλλεκτηρίου συστήματος. Το 2 ο περιέχει επιπρόσθετα από το πρώτο και ράβδους γείωσης των 2m (μία σε κάθε κόμβο του πλέγματος γείωσης όπου συνδέεται το συλλεκτήριο σύστημα) και το 3 ο επιπρόσθετα από το δεύτερο ακόμα μία ράβδο γείωσης σε κάθε κόμβο του πλέγματος που συνδέεται το συλλεκτήριο σύστημα. Παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις και τα αποτελέσματα και των τριών κυκλωμάτων. Τέλος, εξάγονται τα συμπεράσματα, όσον αφορά τις τάσεις που αναπτύσσονται στους προς μελέτη κόμβους.

4 Abstract The present thesis studies the overvoltages of a solar park located in Patra caused by lightning strikes. In this work the EMTP-ATP software is used where the emulation includes the grounding grid and the support bases with the collector system. In particular, the paper can be summarized as follows: The 1st chapter describes the technology of photovoltaics and their characteristics are presented. Initially the PV cell and its industrial types are described. Then the principle of operation of PV phenomenon follows as well as the electrical characteristics of PV cells. The categories of PV systems and their structure are also listed. The 2nd chapter refers to the phenomenon of lightning. Originally referred to the three phenomenons that cause the electrical loads in the clouds and then sorts of lightning evacuations. Some types of impulse overvoltages from lightning atmospheric overvoltages and their main electrical characteristics are listed. Finally, the lightning in accordance with regulation IEC is described and the effects related to overheating, mechanical stresses and electromagnetic phenomenons are attached. The 3rd chapter presents the study and design of lightning protection systems. The study contains protection levels and variables which determine it. Later on, the way of choice of the level is indicated. In designing the lightning protection zones are refferred and finally the external and internal lightning protection installation are described. In the 4th chapter the lightning protection in a PV park in Patra is installed. It describes the features of the forthcoming PV park the study and design of lightning protection. In the 5th and last chapter, the choice of the model of support bases, grounding grid and vertical bars is been made where their parameters are calculated. Subsequently, by using the EMTP-ATP simulation programme three different circuits are examined. The first only contains the grounding grid connected to the base support but also, it contains the pipelines of the collector system. The 2nd contains in addition to the first grounding rods of 2 m (one on each node of the grounding grid where the collector system is connected) and the 3rd in addition to the first two grounding rods once on each node in the grid where the collector system is connected. The graphs and the results of all three circuits are presented. Finally, the conclusions are drawn, regarding the trends developed in to study nodes.

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο... 1 Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών Εισαγωγή Χαρακτηριστικά Φ/Β Φ/Β κυψέλη [1] Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκου [1] Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του Φ/Β στοιχείου Φωτοβολταϊκά συστήματα [1] Δομή Φ/Β συστημάτων [1]... 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Ανασκόπηση του φαινομένου του Κεραυνού Εισαγωγή [9] Ηλεκτρικά φορτία στα νέφη [10] Είδη κεραυνικών εκκενώσεων Γραφικές κεραυνών [12] Κύρια χαρακτηριστικά κεραύνου [1] Περιγραφή του κεραυνού σύμφωνα με τον κανονισμο IEC [23] Επιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος [1] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Μελέτη και σχεδιασμός ΣΑΠ Εισαγωγή Μελέτη επιλογής στάθμης ΣΑΠ [14] Στάθμες προστασίας Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Αποδεκτή συχνότητα ζηµιών από κεραυνικά πλήγµατα Επιλογή της στάθμης προστασίας [32][14] Σχεδιασμός ΣΑΠ [14] Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας Εξωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας Εσωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας [14]... 36

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Φ/Β πάρκου Φ/Β πάρκο Μελέτη της στάθμης προστασίας της εγκατάστασης Σχεδιασμός αντικεραυνικής εγκατάστασης Εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Εξομοίωση βάσεων στήριξης και πλέγματος γείωσης Περιγραφή μοντέλου βάσεων στήριξης Περιγραφή μοντέλου πλέγματος γείωσης και κατακόρυφων ραβδών [21] Εξομοίωση Κύκλωμα 1 ο Κύκλωμα 2 ο Κύκλωμα 3 ο Σύγκριση γραφικών παραστάσεων και μέγιστων τάσεων στους κόμβους Γραφικές παραστάσεις Διαγράμματα Μπάρες Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 81

7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών 1.1 Εισαγωγή Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται ευρέως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τα τελευταία χρόνια. Η άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η μεγάλη διάρκεια ζωής, η δυνατότητα σταδιακής υλοποίησης του συστήματος και οι ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης καθιστούν τους κύριους λόγους διάδοσης αυτών των συστημάτων. 1.2 Χαρακτηριστικά Φ/Β Τα Φ/Β πλαίσια αποτελούνται από πολλές ηλιακές κυψέλες. Οι κυψέλες ομαδοποιούνται σε πλαίσια και τα πλαίσια συναθροίζονται για να διαμορφώσουν μια συστοιχία. Ανάλογα με την εφαρμογή, η συστοιχία μπορεί να αποτελείται από μία κυψέλη, ένα πλαίσιο, ή πολλά πλαίσια. Εικόνα 1.1 Μέρη Φ/Β Συστοιχίας [24] Φ/Β κυψέλη [1] Το υλικό, που χρησιμοποιείται ευρύτατα στη βιομηχανία των κυψελίδων είναι το Πυρίτιο (Si). Υπάρχουν τέσσερεις τύποι: μονοκρυσταλλικού, πολυκρυσταλλικού, άμορφου Πυριτίου και τύπου ταινίας. Μια τυπική ηλιακή κυψέλη μονοκρυσταλλικού 1

9 Πυριτίου έχει βαθύ μπλε χρώμα και το πάχος του υλικού είναι σχετικά μεγάλο (300μm). Ζυγίζει λιγότερο από 10 gr ενώ το μήκος και το πλάτος της είναι περίπου 10cm, ανάλογα με τον κατασκευαστή. Η μεμονωμένη κυψέλη παράγει, υπό βέλτιστες συνθήκες, κατά προσέγγιση 1,5 Watts στα 0,5 Volts. Έχει απόδοση από 21% ~ 24%, ενώ με τη μορφή των Φ/Β πλαισίων, μεταξύ 13~18%. Τα Φ/Β στοιχεία με κυψέλες πολυκρυσταλλικού Πυριτίου συνήθως κόβονται σε τετράγωνη μορφή. Αποτελούνται από λεπτά επιστρώματα, πάχους 10 ~ 50μm. Στην επιφάνεια υπάρχουν οι μονοκρυσταλλικές περιοχές όπου τα όρια τους αποτελούν θέσεις παγίδευσης των φορέων. Όσο μεγαλύτερες οι διαστάσεις των μονοκρυσταλλικών περιοχών του πολυκρυσταλλικού Φ/Β στοιχείου, τόσο υψηλότερη η απόδοση του, η οποία κυμαίνεται από 10~14% σε βιομηχανική μορφή Φ/Β πλαισίου. Τα Φ/Β στοιχεία με άμορφο Πυρίτιο στηρίζονται στην τεχνολογία λεπτών επιστρώσεων, πολύ χαμηλού κόστους παραγωγής. Η απόδοσή τους είναι έντονα μειωμένη. Το ιδιαίτερο κατασκευαστικό χαρακτηριστικό τους είναι η δυνατότητα δημιουργίας διαδοχικών Φ/Β στοιχείων σε μεγάλες επιφάνειες Φ/Β πλαισίων. Τέλος τα Φ/Β στοιχεία ταινίας είναι κατασκευασμένα με πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο με απόδοση περί το 13% και είναι περιορισμένης βιομηχανικής παραγωγής. Εικόνα 1.2 Τύποι πυριτίου (μονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό, άμορφο και ταινία) Οι ηλιακές κυψέλες έχουν ως αρχή λειτουργίας το Φ/Β φαινόμενο όπου η απορροφούμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική. Παρακάτω εξηγείται το φαινόμενο λεπτομερώς Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκού [1] Η φωτοβολταϊκή τεχνολογία στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο όπου πρωτοανακαλύφθηκε το 1839, αλλά η εφαρμογή του έγινε το 1954 μετά την ανακάλυψη των ημιαγωγών. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται στην απευθείας μετατροπή της προσπίπτωντος ηλιακής ακτινοβολίας σε μια επιφάνεια σε ηλεκτρική. 2

10 Για την λειτουργία του φαινομένου χρησιμοποιούνται κυρίως δίοδοι ημιαγωγών πυριτίου με τη μορφή ενός δίσκου, όπου οι ενώσεις p-n εκτείνονται σε όλο το πλάτος του. Όταν το φωτόνια, που αποτελούν το ηλιακό φως, προσπίπτουν σε μια διάταξη από τέτοιους δίσκους ημιαγωγών περνούν αδιατάραχτα την επαφή τύπου n και χτυπούν τα άτομα της περιοχής τύπου p. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p αρχίζουν και κινούνται μεταξύ των οπών ώσπου τελικά φτάνουν στην περιοχή της διόδου όπου και έλκονται πλέον από το θετικό πεδίο της εκεί περιοχής. Κάθε φωτόνιο το οποίο έχει ξεπεράσει το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού απορροφάται σε ένα χημικό δεσμό και ελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο. Έτσι δημιουργείται μια περίσσεια από ζεύγη φορέων, ηλεκτρονίων και οπών. Οι πρόσθετοι φορείς, φορτίζουν τους χώρους τους οποίους φτάνουν, με πλεονάζοντα φορτία. Η συνεχείς κίνηση των φωτοδημιουργούμενων φορέων μαζί με το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται στην επαφή δύο διαφορετικών υλικών, αποτελεί ρεύμα, με φορά αυτή του ενδογενούς πεδίου. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται φωτόρευμα. Εικόνα 1.3 Φ/Β φαινόμενο [2] Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του Φ/Β στοιχείου Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα Φ/Β κυττάρου [3] Με την δημιουργία ενός προτύπου το οποίο είναι ηλεκτρικά ισοδύναμο με το φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορούμε να κατανοήσουμε την ηλεκτρική του συμπεριφορά. Το πρότυπο αυτό βασίζεται σε διακριτά ηλεκτρικά στοιχεία των οποίων η συμπεριφορά είναι γνωστή. Σκοπός του είναι να περιγράψει με επαρκή 3

11 ακρίβεια την καμπύλη I-V, να καθορίσει το σημείο μέγιστης ισχύος ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας και έντασης ακτινοβολίας που υπάρχουν και να χρησιμοποιηθεί σε λειτουργία συσκευών ελέγχου και μέτρησης. Το πιο απλό μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος ενός Φ/Β κυττάρου αποτελείται από μια ιδανική πηγή ρεύματος παράλληλα με μια ιδανική δίοδο όπως δείχνει το σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1 Απλό μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος Φ/Β κυττάρου [3] Η τρέχουσα πηγή αντιπροσωπεύει το ρεύμα που παράγεται από τα φωτόνια (συχνά δηλώνεται ως I ph ή I L ), και η παραγωγή είναι σταθερή κάτω από μια σταθερή θερμοκρασία και προσπίπτουσα ακτινοβολία του φωτός. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί μια ισορροπία όταν η τάση, που θα αναπτυχθεί ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, θα προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που θα αντισταθμίζει το φωτόρευμα. Για να γίνει αυτό πρέπει να ισχύει η σχέση: Όπου I ph = το φωτόρευμα I 0 = το ανάστροφο ρεύμα κόρου q = το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο C k= η σταθερά Boltzmann T= η απόλυτη θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin A= συντελεστής εξαρτημένος από την ποιότητα της διόδου Ένα πιο σύνθετο μοντέλο φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί Σχήμα 1.2 Σύνθετο μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος Φ/Β κυττάρου [3] 4

12 Επιπρόσθετα υπάρχει μία παράλληλη αντίσταση R sh και μία σειριακή R s. H R sh ονομάζεται αντίσταση διαρροής εφόσον συνδέεται με τη διαρροή ρεύματος μεταξύ των άκρων της επαφής p-n. Αφορά διαδρομές ρεύματος διαρροής στο εσωτερικό της επαφής p-n μεταξύ σημείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναμικού ίση με την τάση στα άκρα της διόδου. Η τιμή της, σε πολύ καλής απόδοσης Φ/Β στοιχεία, είναι μεγαλύτερη των 10 3 Ω. Όσο η R sh ελαττώνεται προκαλείται έντονη ελάττωση του ρεύματος καθώς προχωρούμε προς την τάση ανοικτού κυκλώματος, V oc. Η R s αφορά στην αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το σώμα της διόδου και στις ωμικές αντιστάσεις των σημείων πρόσφυσης των ηλεκτροδίων της επαφής καθώς και κατά μήκος των μεταλλικών κλάδων τους. Με την αύξηση της R s ελαττώνεται δραστικά η αντίστοιχη μέγιστη ισχύος που αποδίδει το στοιχείο ενώ περιορίζει την περιοχή τάσεων στην οποία αντιστοιχεί σταθερό ρεύμα βραχυκύκλωσης. Τυπικές τιμές της R s για καλής ποιότητας Φ/Β στοιχεία είναι από 0,1 ~ 0,3. Οι δύο αυτές αντιστάσεις μειώνουν την αποδοτικότητα του Φ/Β στοιχείου αφού επηρεάζουν τόσο την τάση V L όσο και το ρεύμα I L. Το ρεύμα I L υπολογίζεται από την σχέση: Η παραπάνω εξίσωση δεν είναι γραμμική. Οι παράμετροι Ι ph, R s, R sh και Α ποικίλουν ανάλογα τη θερμοκρασία και εξαρτώνται από τις ανοχές του κατασκευαστή. Όταν το Φ/Β στοιχείο είναι χωρίς φορτίο η V L = V oc και I L = 0 ενώ σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc = Ι L και V L = Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V ενός Φ/Β στοιχείου Για τον προσδιορισμό των σημείων μέγιστης ισχύος και για τον έλεγχο της αποδοτικής λειτουργίας ενός Φ/Β στοιχείου χρειαζόμαστε την χαρακτηριστική καμπύλη I V. 5

13 Σχήμα 1.3 Χαρακτηριστική καμπύλη I-V Φ/Β στοιχείου [4] Η ισχύς που παράγει μία ηλιακή κυψέλη είναι: σε Watt όπου: V η τάση στην έξοδο I το ρεύμα στην έξοδο Η μέγιστη ισχύς σε Watt όπου: V m η τάση στο σημείο μέγιστης ισχύος I m το ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος. Στο σχήμα φαίνεται το σημείο μέγιστης ισχύος όπου προφανώς ισούται με το εμβαδόν του ορθογωνίου και αναφέρεται ως ονομαστική ισχύς της ηλιακής κυψέλης. Επίσης το ρεύμα βραχυκυκλώσεως I sc είναι το σημείο της καμπύλης όπου η τάση V=0 και η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc είναι το σημείο όπου το ρεύμα I=0. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την χαρακτηριστική καμπύλη είναι οι μεταβολές της θερμοκρασίας και της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Στην περίπτωση της μεταβολής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας το ρεύμα που παρέχει η διάταξη είναι πρακτικά ανάλογο προς την ποσότητα της ακτινοβολίας που δέχεται, δηλαδή προς το γινόμενο της έντασης της ακτινοβολίας επί το εμβαδόν της επιφάνειας του. Το σχήμα που ακολουθεί μας το επιβεβαιώνει. 6

14 Σχήμα 1.4 Μεταβολή της I-V συναρτήσει της ακτινοβολίας [6] Το ρεύμα βραχυκύκλωσης μεταβάλλεται γραμμικά με την ακτινοβολία, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος μένει σχεδόν σταθερή στις μεταβολές της ακτινοβολίας για μεγάλες σχετικά τιμές ακτινοβολίας. Γενικά εάν η προσπίπτουσα στο Φ/Β ακτινοβολία μειωθεί, το ρεύμα μειώνεται αναλογικά ενώ η τάση αλγοριθμικά. Σε περίπτωση κύμανσης της θερμοκρασίας σε υψηλά επίπεδα, παρατηρείται μία μικρή αύξηση του φωτορεύματος και μείωσης της τάσης ανοικτού κυκλώματος, όπως διαπιστώνεται και από το σχήμα. Όμως η ισχύς εξόδου της κυψέλης τελικά μειώνεται, σε αντίθεση με ένα θερμικό σύστημα. Σχήμα 1.4 Μεταβολή της I-V συναρτήσει της θερμοκρασίας [6] 7

15 1.3 Φωτοβολταϊκά συστήματα [1] Τα Φ/Β συστήματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Στα εκτός δικτύου συστήματα όπου δεν είναι συνδεδεμένα στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο και διακρίνονται σε αυτόνομα, στα οποία η Φ/Β συστοιχία αποτελεί την αποκλειστική πηγή ενέργειας και σε υβριδικά, στα οποία περιλαμβάνεται και άλλη πηγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα αυτόνομα επίσης χωρίζονται σε Φ/Β συστήματα άμεσης τροφοδοσίας του φορτίου της εφαρμογής, στα οποία η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποδίδεται απευθείας στην κατανάλωση χωρίς αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές και σε συστήματα με αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Και στα συνδεδεμένα στο δίκτυο όπου τα συστήματα αυτά συνδέονται απ ευθείας στο εθνικό δίκτυο ηλεκτρικής παροχής. Στα συστήματα αυτά δεν απαιτείται αποθήκευση της παραγόμενης Φ/Β ηλεκτρικής ενέργειας. Διακρίνονται σε αυτά που είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, ως κατανεμημένα συστήματα και σε εκείνα που συνιστούν κεντρικούς Φ/Β σταθμούς μεγάλης ισχύος, των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο. Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο Φ/Β συστήματα αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό του συνόλου των εγκαταστημένων συστημάτων παγκοσμίως. Εικόνα 1.4 Φ/Β σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο [5] 8

16 1.3.1 Δομή Φ/Β συστημάτων [1] Η κύρια δομή των Φ/Β συστημάτων, όπως φαίνεται και στα σχήματα πιο πάνω είναι οι Φ/Β συστοιχίες που ουσιαστικά στο σύνολό τους αποτελούν τη Φ/Β γεννήτρια, τις μονάδες μετατροπής ισχύος και τους συσσωρευτές όταν πρόκειται για αυτόνομο σύστημα Φ/Β συστοιχία Με τον όρο Φ/Β συστοιχία αναφερόμαστε συνήθως στις συνιστώσες που εξετάζονται σε αυτό το χωρίο δηλαδή σε όλα τα πλαίσια ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, την καλωδίωση και τις διόδους τους, καθώς και τη βάση της συστοιχίας. Τα Φ/Β στοιχεία μπορούν να συνδεθούν σε σειρά και παράλληλα, ανάλογα με τον επιδιωκόμενο σκοπό. Η σύνδεση σε σειρά Ν ομοίων Φ/Β στοιχείων, οδηγεί σε σύστημα με ανάλογα πολλαπλάσια τάση ανοικτού κυκλώματος, ενώ η σύνδεση παράλληλα σε σύστημα όπου το ρεύμα είναι πολλαπλάσιο με το πλήθος των Φ/Β στοιχείων. Μερικά παραδείγματα χαρακτηριστικών καμπύλων σε σύνδεση σειρά και παράλληλα φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. (α) (β) Σχήμα 1.5 Χαρακτηριστικές τεσσάρων κυψελών σε σειρά (α) και παράλληλα (β) συνδεδεμένες [6] Με την απλή σύνδεση των Φ/Β πλαισίων σε σειρά δημιουργούνται προβλήματα. Η σκίαση ή βλάβη κάποιου Φ/Β στοιχείου προκαλεί ολική αχρήστευση του συστήματος. Ο παρατεταμένος σκιασμός του στοιχείου αυτού, σε συνδυασμό με τον έντονο φωτισμό των υπολοίπων μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή του και κατά συνέπεια στην αχρήστευση όλου του πλαισίου. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως κατάσταση θερμικής κηλίδας του Φ/Β στοιχείου και για να αποτραπεί χρησιμοποιούμε διόδους παράκαμψης. Επίσης προκειμένου να αποκλειστεί η εκφόρτιση του συσσωρευτή μέσω των Φ/Β πλαισίων του κλάδου, κατά τη διάρκεια της νύκτας και η κυκλοφορία ρευμάτων που επιβάλλουν ένας ή περισσότεροι κλάδοι στους υπόλοιπους χρησιμοποιούνται σε κάθε κλάδο δίοδοι αντεπιστροφής. Οι παραπάνω αναφερόμενοι δίοδοι δείχνονται σχηματικά. 9

17 Σχήμα 1.6 Δίοδος παράκαμψης και αντεπιστροφής σε κύκλωμα [7] Συσσωρευτές Οι συσσωρευτές είναι ουσιαστικά μετατροπείς χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική και έχουν τη δυνατότητα να εκτελούν αυτή τη μετατροπή και προς την αντίθετη κατεύθυνση παρέχοντας με άμεσο τρόπο τη δυνατότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιούνται κυρίως στα αυτόνομα συστήματα, εν μέρει στα υβριδικά και σπάνια στα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο. Χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένας συσσωρευτής είναι μεγάλη διάρκεια ζωής, μεγάλο βαθμό απόδοσης, μικρό ρυθμό αυτοεκφόρτισης και μικρές απαιτήσεις συντήρησης. Η υπερφόρτιση των συσσωρευτών πρέπει να αποφεύγεται γιατί γίνεται ηλεκτρόλυση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο που είναι επικίνδυνο, χάνονται υγρά που πρέπει να συμπληρωθούν άρα απαιτείται συντήρηση και τέλος, δημιουργούνται αέρια που ανακατεύουν το υγρό με αποτέλεσμα να βραχυκυκλωθεί το στοιχείο και να καταστραφεί. Παρακάτω βλέπουμε στο σχήμα τον κύκλο φόρτισης εκφόρτισης. Σχήμα 1.7 Φόρτιση/Εκφόρτιση συσσωρευτών [8] 10

18 Μετατροπείς Για τις ανάγκες της κατανάλωσης το ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να μετατρέπεται από εναλλασσόμενο σε συνεχές ή και το αντίθετο. Αυτό τον σκοπό εξυπηρετούν οι μετατροπείς ισχύος. Υπάρχουν τρεις τύποι μετατροπέων: Μετατροπέας DC-DC Ο μετατροπέας αυτός μετατρέπει συνεχή τάση σε συνεχή μεγαλύτερης ή μικρότερης τιμής, ανάλογα με τις απαιτήσεις. Τα Φ/Β συστήματα χρησιμοποιούν ευρέως αυτό τον μετατροπέα. Στα Φ/Β συστήματα χρειάζεται η παραγόμενη από αυτά ηλεκτρική ενέργεια να μεταφέρεται με όσο γίνεται υψηλότερη τάση, ώστε το ρεύμα στη γραμμή μεταφοράς να είναι χαμηλό και αντίστοιχα να έχουμε χαμηλές απώλειες. Επίσης στο χώρο των συσσωρευτών ο μετατροπέας DC-DC προσαρμόζει την τάση της συστοιχίας στην τάση του συσσωρευτή. Μετατροπέας DC-AC Στις πλείστες Φ/Β εφαρμογές η χρησιμοποίηση αυτού του μετατροπέα επιβάλλεται αφού το εναλλασσόμενο ρεύμα επικρατεί σε κάθε είδους οικιακές χρήσεις και εφαρμογές καθώς και στην βιομηχανία. Μπορούμε να μετατρέψουμε το συνεχές σε εναλλασσόμενο με τρεις τρόπους. 1. Με συνδυασμό κινητήρα συνεχούς ρεύματος με γεννήτρια εναλλασσόμενου. 2. Με χρήση μηχανικού ή ηλεκτρικού διακοπτικού συστήματος με μετασχηματιστή. 3. Με τον καθαρά ηλεκτρονικό μετατροπέα DC-AC converter. Μετατροπέας AC-DC Στη διάταξη αυτή συνδυάζεται ένα σύστημα ανόρθωσης της παρεχόμενης, από την ενεργειακή πηγή, εναλλασσόμενης ηλεκτρικής τάσης, χωρίς την παρεμβολή μετασχηματιστή, με μια διάταξη μετατροπής συνεχούς σε συνεχές ρεύμα. 11

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Ανασκόπηση του φαινομένου του Κεραυνού Εικόνα 2.1 Πλήγμα κεραυνών 2.1 Εισαγωγή [9] Η γη βρίσκεται πάντα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των C. Η κύρια αιτία αυτής της μόνιμης φόρτισης, πιστεύεται, ότι προκαλείται από τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και τους κεραυνούς. Η κεραυνική εκκένωση μπορεί να οριστεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Μια μεγάλη ηλεκτρική φόρτιση μεγαλώνει την πιθανότητα εμφάνισης κεραυνού στην ατμόσφαιρα ενώ τα ηλεκτρικά πεδία που συνδέονται με τη φόρτιση προκαλούν την ηλεκτρική διάσπαση του αέρα. Με την κεραυνική εκκένωση έχουμε ένα οπτικό φαινόμενο, την αστραπή, που οφείλεται στην πυράκτωση των μορίων του αέρα, και από καθαρά ηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή τη ροή των ηλεκτρικών φορτίων, που συνδέονται από τη βροντή, εξαιτίας της απότομης εκτόνωσης των αερίων της περιοχής. Ο αέρας σε μια δημιουργία αστραπής θερμαίνεται σε βαθμούς 12

20 Fahrenheit, περίπου πέντε φορές πιο μεγάλη θερμοκρασία από την επιφάνεια του ήλιου. 2.2 Ηλεκτρικά φορτία στα νέφη [10] Δεν έχει καθοριστεί επακριβώς ο τρόπος συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα νέφη αλλά έχουν επικρατήσει δύο θεωρίες. Η πρώτη βασίζεται στη θεωρία της φόρτισης σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη και η δεύτερη βασίζεται στη μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Υπάρχουν τρία φαινόμενα τα οποία μπορεί να υποτεθεί ότι παίζουν ρόλο στο πως διαχωρίζονται τα ηλεκτρικά φορτία. Το φαινόμενο της διασποράς Οι ποσότητες νερού που υπάρχουν στο εσωτερικό των συννέφων καταιγίδας υπό την επίδραση αναταράξεων που προκαλούνται από ανοδικά ρεύματα αέρος που κινούνται με ταχύτητα 30 40m/s δίνουν σταγονίδια οδηγούμενα προς το πάνω μέρος του νέφους, τα οποία εμφανίζουν ηλεκτρικό φορτίο, όπως ακριβώς και τα σταγονίδια νερού που γεμίζουν τον χώρο κοντά σε καταρράκτες. Με αυτό τον τρόπο το σύννεφο εμφανίζεται σαν ένα ηλεκτρικό δίπολο με το αρνητικό και το θετικό φορτίο να είναι τοποθετημένα αντίστοιχα, στην πάνω και κάτω περιοχή του σύννεφου. Φαινόμενο ισχυράς ψύξεως Το φαινόμενο αποδεικνύεται πειραματικά. Σε μια πλάκα χαλκού, η οποία βρίσκεται σε κατάσταση ισχυράς ψύξης-θερμοκρασία μεταξύ ο C- και μονωμένη ηλεκτρικά έναντι του περιβάλλοντος πέφτουν σταγόνες νερού. Λόγω της εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας, της αγώγιμης πλάκας χαλκού, μέρος του νερού στερεοποιείται άμεσα, δημιουργώντας κρυστάλλους πάγου πάνω στη πλάκα. Το υπόλοιπο μέρος του νερού, εκτινάσσεται προς τα πάνω διατηρώντας την υγρή μορφή του. Πειραματικά διαπιστώνεται ότι τα προς τα πάνω εκτινασσόμενα σταγονίδια νερού παρουσιάζουν θετικό φορτίο, ενώ η πλάκα χαλκού εμφανίζει αρνητικό φορτίο. Στον διαχωρισμό τώρα, των ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικό του νέφους, το ρόλο της ψυχρής πλάκας, αναλαμβάνουν κρύσταλλοι πάγου, οι οποίοι κατευθύνονται λόγω του βάρους τους προς τα κάτω, μεταφέροντας έτσι στο κάτω μέρος του νέφους το αρνητικό τους φορτίο, ενώ τα προς τα πάνω εκτινασσόμενα σταγονίδια φορτίζουν θετικά το πάνω μέρος του νέφους. Έτσι εξηγείται η δημιουργία ηλεκτρικού δίπολου στο νέφος με φορτισμένο αρνητικά το κάτω μέρος του. Ο μηχανισμός της ισχυράς ψύξεως θα μπορούσε να εξηγήσει τον διαχωρισμό 13

21 των ηλεκτρικών φορτίων σε εκείνα τα σύννεφα από τα οποία προέρχεται το 80 % των προς την γη κεραυνών, αν εξαιρέσουμε το γεγονός ότι κατά το πείραμα με την πλάκα χαλκού εμφανίζονται μη αμελητέα ηλεκτρικά φορτία, μόνο όταν οι σταγόνες νερού περιλαμβάνουν προσμίξεις όπως NH4 OH. Φαινόμενο διαρρήξεως Σε ένα κρύσταλλο πάγου του οποίου το εσωτερικό (πυρήνας) διατηρείται ακόμη σε υγρή μορφή, τα ιόντα + Η (περίπου 10 φορές πιο ευκίνητα από τα ιόντα OH-) λόγω της πτωτικής μεταβολής της θερμοκρασίας από τον πυρήνα προς το περίβλημα του κρυστάλλου, κινούνται προς το περίβλημα στο οποίο και προσδίδουν θετικό φορτίο. Τα σχετικά δυσκίνητα ιόντα OH-, μένουν στον πυρήνα στον οποίο προσδίδουν αρνητικό φορτίο. Με την βαθμιαία ψύξη του πυρήνα, προκαλείται αύξηση του όγκου του, που έχει σαν συνέπεια την διάρρηξη του περιβλήματος του κρυστάλλου, με αποτέλεσμα οι βαριοί πυρήνες OH- να πέφτουν προς τα κάτω, ενώ τα τεμάχια στα οποία διαρρηγνύεται η θετικά φορτισμένη επιφάνεια του κρυστάλλου, λόγω των αναταράξεων που επικρατούν στο νέφος, μεταφέρονται προς τα ανώτερα στρώματά του. Με το φαινόμενο της διαρρήξεως μπορεί να εξηγηθεί η δημιουργία ηλεκτρικού διπόλου, με τα αρνητικά φορτία στην κάτω περιοχή του. 2.3 Είδη κεραυνικών εκκενώσεων Υπάρχουν τρία είδη κεραυνικών εκκενώσεων όπως διαπιστώνεται και από το σχήμα(2.1): 1. Κεραυνοί ανάμεσα σε σύννεφα και στη γη: Όταν το ηλεκτρικό πεδίο πάρει μια κρίσιμη τιμή πλησίον του νέφους έχουμε κατερχόμενη εκκένωση ενώ όταν γίνει πλησίον της γης, έχουμε ανερχόμενη εκκένωση. Σαν πολικότητα της εκκένωσης λαμβάνεται εκείνη του φορτίου του κάτω μέρους του νέφους, που την προκάλεσε. 2. Κεραυνός μέσα στο ίδιο σύννεφο: Η εκκένωση λαμβάνει χώρα ανάμεσα στο ανώτερο θετικό και κατώτερο αρνητικό κέντρο του χωρικού φορτίου. Το ρεύμα έχει τιμές από μερικές εκατοντάδες έως 1000 A και ο χρόνος εκτόνωσης μεγάλος. Θεωρείται ως ο πιο συνηθισμένος τρόπος εκφόρτισης. 3. Κεραυνός ανάμεσα στα σύννεφα: Οι κεραυνοί αυτοί έχουν μεγάλο μήκος κεραυνικού τόξου, έως και 40 km. Εκδηλώνονται σε ύψος μεγαλύτερο του 1km και μικρότερο των 12km. 14

22 Σχήμα 2.1 Είδη κεραυνικών εκκενώσεων [11] 2.4 Γραφικές κεραυνών [12] Κάθε κεραυνική εκκένωση χαρακτηρίζεται από κρουστική τάση δηλαδή μονόφορη τάση με μικρή διάρκεια. Η μορφή των κρουστικών αυτών τάσεων πλησιάζει τη μορφή μιας διπλοεκθετικής τάσης που έχει την παρακάτω αναλυτική έκφραση και χαρακτηρίζεται από την γραφική του σχήματος(2.2). Σχήμα 2.2 Χαρακτηριστική διπλοεκθετικής τάσης [17] 15

23 Παράμετροι διπλοεκθετικής τάσης: U εύρος τάσης το 90% της διάρκειας μετώπου διάρκεια ουράς Το ουσιαστικό χαρακτηριστικό του μετώπου μιας κρουστικής τάσης είναι η κλίση, δηλαδή πόσο γρήγορα η τάση παίρνει τη μεγαλύτερή της τιμή. Το είναι μέχρις ώτου η τάση πέσει στο 50% του εύρους της. Επειδή το μέτωπο έχει κατά κανόνα πολύ μικρότερη διάρκεια από την ουρά, ο χρόνος μετριέται από την αρχή της τάσης. Μιά κρουστική τάση με μέτωπο και ουρα συμβολίζεται με / μs. Για ατμοσφαιρικές υπερτάσεις κεραυνών και για έλεγχο μονώσεων έχει τυποποιηθεί η κρουστική τάση με 1,2/50 μs όπως φαίνεται και στην παρακάτω γραφική. Σχήμα 2.3 Παράδειγμα κρουστικής τάσης Στη συνέχεια παραθέτονται κάποια είδη κρουστικών υπερτάσεων από ατμοσφαιρικές υπερτάσεις κεραυνών. Σχήμα 2.4 Πλήρης κρουστική τάση κεραυνών 16

24 Σχήμα 2.5 Κρουστική τάση κεραυνών, αποκομμένη κατά μέτωπο Σχήμα 2.6 Κρουστική τάση κεραυνών, αποκομμένη κατά ουρά 17

25 Σχήμα 2.7 Κρουστική τάση γραμμικού μετώπου, αποκομμένη κατά μέτωπο 2.5 Κύρια χαρακτηριστικά κεραύνου [1] 1. Η µέγιστη τιµή ρεύµατος ( ). 2. Η µέγιστη κλίση του ρεύµατος του κεραυνού. 3. Το µεταφερόµενο φορτίο. 4. Το ολοκλήρωµα του τετραγώνου του ρεύµατος : Αποτελεί ποσό ανάλογο µε την ενέργεια της κεραυνικής εκκένωσης και δύναται να προκαλέσει θερµικά φαινόµενα. 2.6 Περιγραφή του κεραυνού σύμφωνα με τον κανονισμό IEC [23] Η κυματομορφή του ρεύματος κεραυνού σύμφωνα με τον κανονισμό της IEC έχει τη μορφή: Όπου, I = η μέγιστη τιμή του ρεύματος κεραυνού k = ο παράγοντας συσχέτισης για τη μέγιστη τιμή του ρεύματος t = είναι ο χρόνος 18

26 τ1 = ο χρόνος μετώπου τ2 = είναι ο χρόνος ουράς Οι παράμετροι της εξίσωσης ρεύματος κεραυνού δίνονται στον πίνακα που ακολουθεί: Πίνακας 5.2 Παράμετροι ρεύματος κεραυνού 2.7 Επιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος [1] Κατά την πτώση του προκαλούνται σοβαρά ατυχήματα εφόσον ο κεραυνός στοχεύει σε όλη την επιφάνεια της γης. Τα πιο σημαντικά είναι αυτά που αφορούν την ανθρώπινη ζωή έτσι κατανοώντας τα φαινόμενα που προκαλούνται, μπορούμε να τα μειώσουμε. Τα πιο σημαντικά φαινόμενα είναι τα εξής: α) Υπερθερμάνσεις (μέχρι και ) Τα θερμικά αποτελέσματα του πλήγματος εξαρτώνται όχι μόνον από το εύρος του ρεύματος αλλά και από τη διάρκεια ροής του. Όταν ένα μη συνεχές ρεύμα εκφορτίζεται διαμέσου ενός μεταλλικού αγωγού, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ανάλογη του. Η ενέργεια που προκαλείται από μία αντίσταση R όταν διαρρέεται από ρεύμα είναι. Επίσης όταν υπολογίζεται η αύξηση της θερμοκρασίας ενός αγωγού, πρέπει να λαμβάνεται υπ όψη ότι η διάχυση της θερμότητας θεωρείται αμελητέα λόγω της μικρής διάρκειας ροής ρεύματος. Αν ένας κεραυνός πλήξει ένα μονωτικό υλικό ή ένα φτωχό αγωγό, το σημείο του πλήγματος θα αποκτήσει πολύ υψηλή θερμοκρασία και θα έχει σαν αποτέλεσμα την διάτρηση του υλικού και την ανάφλεξή του. β)ηλεκτρικά φαινόμενα Ένα πολύ συχνό φαινόμενο είναι η εσωτερική διάσπαση μεταξύ των αγωγών του συστήματος προστασίας και των εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων της κατασκευής. Αν η τάση διάσπασης του διακένου μεταξύ τους, είναι μικρότερη από την τάση μεταξύ του αγωγού προστασίας και τη γη τότε έχουμε εσωτερική διάσπαση. Για να αποφευχθεί αυτός ο κίνδυνος πρέπει τα αγώγιμα στοιχεία της κατασκευής να συνδεθούν με τους αγωγούς προστασίας. Εσωτερική διάσπαση συμβαίνει και κάτω από άλλες συνθήκες. Αν ένα πλήγμα κεραυνού συμβεί σε σχετικά κοντινή απόσταση 19

27 από ένα σπίτι με μεταλλική οροφή, αυτή η οροφή θα βρεθεί σε μια διαφορά δυναμικού ως προς τη γη. Αυτή η διαφορά ίσως είναι ικανή να προκαλέσει εσωτερική διάσπαση μέσα στο σπίτι μεταξύ μεταλλικής οροφής και κάποιου αγώγιμου μέσου. Μια άλλη ηλεκτρική συνέπεια είναι όταν πλησίον κάποιου ανθρώπου ή ζώου πέσει κεραυνός. Εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων τους. Αυτή η διαφορά δυναμικού είναι η αιτία ενός ρεύματος που θα ρεύσει μέσω των άκρων και του χαμηλότερου μέρους του σώματος. Αυτά έχουν σαν συνέπεια την παράλυση του ανθρώπου ή τον θάνατο του ζώου. γ) Μηχανικές καταπονήσεις Οι μηχανικές συνέπειες ενός πλήγματος κεραυνού είναι δύο κατηγοριών. Αυτές που αφορούν το κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής είναι η πρώτη. Η απότομη αύξηση της θερμοκρασίας έχει σαν αποτέλεσμα ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό να εξαπλώνεται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, παράγοντας έτσι ένα κύμα πίεσης το οποίο είναι αρχικά στην περιοχή των υπερήχων και μετά εξελίσσεται στη γνωστή βροντή. Αυτό το κύμα είναι υπεύθυνο για το κύμα αέρα που σηκώνει κεραμίδια οροφών και για τον τραυματισμό ανθρώπων. Οι μηχανικές συνέπειες που αφορούν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού είναι η δεύτερη κατηγορία. Αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές δυνάμεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου της τιμής του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόσταση. Έτσι κα23ι τα στοιχεία ενός συστήματος προστασίας τοποθετούνται σε μια απόσταση όπου δεν επιδρούν αυτές οι δυνάμεις. Όμως αυτές οι δυνάμεις είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών. Επίσης μια μηχανική επίδραση που αξίζει να αναφερθεί είναι ότι κατά την εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού μέσο αγωγού που σχηματίζει ορθή γωνία, υπόκειται σε μια δύναμη που τείνει να τον ισιώσει. Το μέγεθος της δύναμης αυτής είναι ανάλογο του τετραγώνου του ρεύματος έτσι πρέπει να λαμβάνεται πρόνοια, η ακτίνα καμπυλότητας του αγωγού να είναι σχετικά μεγάλη. δ) Ηλεκτρομαγνητικά πεδία Αναπτύσσονται ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία με επιζήμιες συνέπειες υπό τη μορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστημάτων σε εγκαταστάσεις. 20

28 Πίνακας 2.1 Επιπτώσεις σε σχέση με τις παραμέτρους του κεραυνού [13] 21

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Μελέτη και σχεδιασμός ΣΑΠ 3.1 Εισαγωγή Ο σχεδιασμός του ΣΑΠ (Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας) είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ της αποτελεσματικότητας της προστασίας που αυτό παρέχει και του κόστους επένδυσης και συντήρησης του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού που το συνιστά. Ο τύπος και ο τρόπος τοποθέτησης ενός ΣΑΠ πρέπει να µελετηθεί προσεκτικά παράλληλα µε τον σχεδιασµό µιας νέας κατασκευής, επειδή τότε µπορεί να γίνει µέγιστη εκµετάλλευση των αγώγιµων τµηµάτων της κατασκευής. Έτσι, ο σχεδιασµός και η κατασκευή µιας ολοκληρωµένης εγκατάστασης γίνονται ευκολότερα, οικονοµικότερα και µε αυξηµένη αισθητική και αποτελεσµατικότητα. 3.2 Μελέτη επιλογής στάθμης ΣΑΠ [14] Στάθμες προστασίας Σε κάθε ΣΑΠ επιλέγεται μία στάθμη προστασίας που σχετίζεται με την πιθανότητα με την οποία επιθυμούμε να προστατεύεται μια εγκατάσταση. Η κατάλληλη στάθµη προστασίας επιλέγεται µε βάση την αξιολόγηση του κινδύνου ζηµίας. H αποτελεσματικότητα των ΣΑΠ και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά κάθε μιας δίνονται στους παρακάτω πίνακες: Πίνακας 3.1 Αποτελεσματικότητα σε σχέση με την στάθμη προστασίας [14] 22

30 Πίνακας 3.2 Παράμετροι ρεύματος κεραυνού σε σχέση με την στάθμη [14] Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων,, σε μια περιοχή εκφράζει τον μέσο αριθμό κεραυνών που μπορούν να πλήξουν άμεσα μια κατασκευή ανά έτος και υπολογίζεται με την ακόλουθη εξίσωση: (3.1) όπου: είναι η μέση ετήσια πυκνότητα πληγμάτων κεραυνού στο έδαφος, εκφράζει δηλαδή τον αναμενόμενο μέσο αριθμό κεραυνικών πληγμάτων στο έδαφος ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και έτος στην περιοχή εγκατάστασης της προς μελέτη κατασκευής. Το μπορεί να δοθεί από ειδικούς χάρτες. Εναλλαχτικά καθορίζεται με τους χάρτες που δίνουν το μέσο όρο ημερών καταιγίδας ανά έτος και με τη βοήθεια της σχέσης (3.2) Στο σχήμα παρουσιάζεται ο χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της Ελλάδας. 23

31 Σχήμα 3.1 Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της Ελλάδας (EMY) ο περιβαλλοντικός συντελεστής, ο καθορισμός του οποίου γίνεται ανάλογα της θέσης της κατασκευής και οι τιμές που παίρνει φαίνονται στον πίνακα Πίνακας 3.3 Τιμές περιβαλλοντικού συντελεστή σε σχέση με την θέση κατασκευής [14] είναι η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής, σε τετραγωνικά μέτρα, που ορίζεται ως μια επίπεδη επιφάνεια εδάφους που έχει την ίδια μέση ετήσια συχνότητα πληγμάτων κεραυνού με την κατασκευή. Το καθορίζει την 24

32 επιφάνεια που περικλείεται µέσα στο περίγραμµα που προκύπτει από την τοµή της επιφάνειας του εδάφους και µιας ευθείας γραµµής µε κλίση 1/3 η οποία διέρχεται από τα ψηλότερα τµήµατα της κατασκευής (εφαπτομένη στην κατασκευή) και περιστρεφόμενη γύρω από αυτή. Η ισοδύναμη επιφάνεια υπολογίζεται ως εξής: (3.3) όπου L το μήκος, W το πλάτος και H το ύψος της κατασκευής. Σχήμα 3.2 Διάγραμμα κατασκευής ισοδυναμικής επιφάνειας [15] Αποδεκτή συχνότητα ζηµιών από κεραυνικά πλήγµατα Ο συντελεστής είναι αυτός που καθορίζει την αποδεκτή συχνότητα ζημιών σε μια κατασκευή. Συγκεκριμένα είναι ο μέγιστος αποδεκτός αριθμός κεραυνικών πληγμάτων ανά έτος. Η τιμή της μπορεί να εκτιμηθεί μέσω μελέτης αποτίμησης κινδύνου από πλήγμα κεραυνού λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλους συντελεστές όπως: 25

33 τύπος δόμησης παρουσία εύφλεκτων υλικών και εκρηκτικών ουσιών ληφθέντα μέτρα για μείωση των επιπτώσεων του πλήγματος πλήθος ανθρώπων που επηρεάζονται από την καταστροφή τύπος και σπουδαιότητα υπηρεσιών εξυπηρέτησης του κοινού που επηρεάζονται αξία αγαθών που ενδεχομένως καταστραφούν κ.α. Πίνακας 3.4 Ενδεικτικές τιμές του Nc για κάποιες κατασκευές Επιλογή της στάθμης προστασίας [32][14] Η καταλληλότερη μέθοδος επιλογής της στάθμης προστασίας γίνεται με την αποτίμηση του συνολικού κινδύνου R. Για να γίνει αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν προγράμματα τα οποία είναι εξειδικευμένα για το σκοπό αυτό για τον λόγο ότι υπάρχουν πολλοί συντελεστές που πρέπει να λάβουμε υπόψιν μας. Ο κίνδυνος R ορίζεται ως η πιθανότητα ανά χρόνο να πραγματοποιηθεί απώλεια στη δομή ή στο περιεχόμενο της εγκατάστασής μας. Κάθε συνιστώσα κινδύνου ( ) μπορεί να εκφραστεί από τη σχέση: (3.4) 26

34 Όπου: είναι ο ετήσιος αριθμός επικίνδυνων γεγονότων είναι η πιθανότητα βλάβης σε κτίριο είναι η συνεπακόλουθη απώλεια Οι συνιστώσες, που σχετίζονται με τις βλάβες,, αναφέρονται σε κίνδυνο λόγω πλήγματος κεραυνού στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, η που σχετίζεται με τη βλάβη αναφέρεται στον κίνδυνο λόγω πλήγματος κεραυνού κοντά στο κτίριο, η που σχετίζονται με τις βλάβες,, αναφέρονται σε κίνδυνο λόγω πλήγματος κεραυνού στις υπηρεσίες που συνδέονται στην εγκατάσταση και η που σχετίζεται με τη βλάβη αναφέρονται σε κίνδυνο λόγω πλήγματος κεραυνού κοντά σε γραμμή συνδεδεμένη στο κτίριο. Συνήθως οι Φ/Β εγκαταστάσεις απαιτούν στάθμη προστασίας III ή τουλάχιστον III. [17] Ένας άλλος τρόπος επιλογής σύμφωνα με το ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ1197 περιγράφεται παρακάτω. Για να είναι απαραίτητο να εγκατασταθεί αντικεραυνική πραστασία πρέπει το. Μετέπειτα πρέπει να υπολογιστεί ο τύπος της αποτελεσματικότητας (3.5) και να επιλεγεί η κατάλληλη στάθμη προστασίας σύμφωνα με τον Πίνακα(3.5) Πίνακας 3.5 [14] 3.3 Σχεδιασμός ΣΑΠ [14] Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας Η αντικεραυνική προστασία χωρίζεται σε ζώνες όπου είναι περιοχές εντός και εκτός της κατασκευής που χρίζει προστασίας όπου οι αναμενόμενες ηλεκτρομαγνητικές 27

35 επιδράσεις του κεραυνού είναι καθορισμένες σε σχέση με την επικινδυνότητά τους και επομένως μπορούν να περιοριστούν. Οι Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας (ΖΑΠ) οριοθετούνται ως: ΖΑΠ 0Α: ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα ΖΑΠ 0β: ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα ΖΑΠ 0γ: ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα και όπου το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να τα διαρρεύσει είναι περιορισμένο σε σχέση με τη ΖΑΠ 0β Ακόλουθες Ζώνες (ΖΑΠ 1,2...): ζώνες όπου απαιτείται περαιτέρω μείωση του ρεύματος του κεραυνού σε σχέση με την αμέσως προηγούμενη ΖΑΠ Εξωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας Η εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας στόχο έχει να συλλάβει τον κεραυνό πριν αυτός πλήξει την υπό προστασία κατασκευή, να διοχετεύσει το ρεύμα του κεραυνού από το σημείο του πλήγματος στη γη και να το διαχέει στο έδαφος χωρίς αυτό να προκαλεί θερμικές και μηχανικές ζημιές και επικίνδυνες υπερτάσεις για τους ανθρώπους και το υλικό. Η εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας αποτελείται από το συλλεκτήριο σύστημα, το σύστημα αγωγών καθόδου και το σύστημα γείωσης όπου και θα επεξηγηθούν διεξοδικά πιο κάτω Συλλεκτήριο σύστημα Το συλλεκτήριο σύστημα είναι το τµήµα της εξωτερικής ΕΑΠ που προορίζεται να δέχεται τους κεραυνούς. Η σχεδίαση του συλλεκτήριου συστήματος εξαρτάται από τη γεωμετρία και το μέγεθος καθώς επίσης και από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας της κατασκευής που χρίζει προστασίας. Τα συλλεκτήρια συστήµατα µπορούν να αποτελούνται από οποιοδήποτε συνδυασµό ράβδων τεταµένων συρµάτων και πλέγµατος αγωγών. Για τον καθορισµό της θέσης του συλλεκτηρίου συστήµατος χρησιµοποιούνται η µέθοδος της γωνίας προστασίας η µέθοδος της κυλιόµενης σφαίρας και η μέθοδος του πλέγµατος όπου περιγράφονται πιο κάτω. Η μέθοδος της γωνίας προστασίας Είναι η πιο απλή μέθοδος προστασίας. Με τη μέθοδο αυτή η ζώνη προστασίας μίας κατακόρυφης ράβδου ύψους h t έχει τη μορφή ενός ορθού κυκλικού κώνου με 28

36 κορυφή την απόληξη της ράβδου. Παρουσιάζονται δύο τρόποι συλλεκτήριου συστήματος με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας. Σχήμα 3.3 Όγκος προστασίας συλλεκτήριου συστήματος μιας κατακόρυφης ράβδου [13] Σχήμα 3.4 Όγκος προστασίας συλλεκτήριου συστήματος ενός τεταμένου σύρματος [13] Το σύμβολο α είναι γωνία που λαμβάνει τιμές οι οποίες αναγράφονται στο παρακάτω πίνακα και εξαρτάται από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας και το ύψος h πάνω από την επιφάνεια που χρήζει προστασίας. Η μέθοδος της γωνίας προστασίας προτιμάται για τον προσδιορισμό της ζώνης προστασίας σε κατασκευές απλής σχετικά γεωμετρίας και δεν επιτρέπεται να εφαρμόζεται εάν το ύψος h είναι μεγαλύτερο από την ακτίνα της κυλιόμενης σφαίρας. 29

37 Η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας Πίνακας 3.5 [14] Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται με τον εξής τρόπο. Με την κύλιση μίας σφάιρας που η ακτίνα της θα καθορίζεται από την υφιστάμενη στάθμη προστασίας πρέπει να εφάπτεται μόνο στο έδαφος ή μόνο στο συλλεκτήριο σύστημα ή και στα δύο. Με αυτό το τρόπο τα σημεία τα οποία δεν αγγίζει είναι προστατευμένα. Επομένως συλλεκτήριοι αγωγοί πρέπει να εγκαθίστανται σε όλα τα σημεία επαφής της κυλιόμενης σφαίρας με την κατασκευή που χρήζει προστασία. Παρακάτω φαίνεται η χρήση της κυλιόμενης σφαίρας με κατακόρυφη ράβδο και με τεταμένο σύρμα. Σχήμα 3.5 Όγκος προστασίας συλλεκτήριου συστήματος μιας κατακόρυφης ράβδου [13] 30

38 Σχήμα 3.6 Όγκος προστασίας συλλεκτήριου συστήματος ενός τεταμένου σύρματος [13] Η μέθοδος του πλέγµατος Η μέθοδος του πλέγματος χρησιμοποιείται όταν η κατασκευή που χρήζει προστασίας είναι πιο ψηλή από την επιλεγείσα ακτίνα κυλιόμενης σφαίρας και όταν ο πίνακας αποκλείει την εφαρμογή της μεθόδου γωνίας προστασίας. Η κατασκευή χωρίζεται σε τμήματα και ανάλογα τη στάθμη προστασίας επιλέγονται οι διαστάσεις του πλέγματος συλλεκτήριων αγωγών. Η εγκατάστασή τους γίνεται ξεκινώντας από την περίμετρο της κατασκευής καταλήγοντας στο κέντρο. Οι αποστάσεις μεταξύ των αγωγών είναι το πολύ ίσες με τις προκαθορισμένες και οι αγωγοί πρέπει να ακολουθούν όσο το δυνατόν σύντομες και ευθείες οδεύσεις Σύστημα αγωγών καθόδου Η συνέχεια των στοιχείων του συλλεκτήριου συστήματος είναι οι αγωγοί καθόδου. Οι αγωγοί αυτοί πρέπει να τοποθετηθούν με τρόπο που να μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενών υπερπηδήσεων και να περιορίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος στο εσωτερικό της κατασκευής. Γενικά η τοποθέτησή τους πρέπει να γίνει με τρόπο τέτοιο ώστε: να υπάρχουν αρκετές παράλληλες οδοί ροής ρεύματος από το σημείο του πλήγματος μέχρι τη γη να εξασφαλίζεται η συντομότερη και συνεχής όδευση του ρεύματος του κεραυνού προς τη γη να γίνονται ισοδυναμικές συνδέσεις οπουδήποτε είναι απαραίτητο 31

39 να είναι στερεωμένοι σωστά ώστε οι μηχανικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού να μην προκαλούν θραύση ή χαλάρωση των αγωγών. ο αριθμός των συνδέσεων κατά μήκος των αγωγών να είναι ο ελάχιστος δυνατός. Η τοποθέτηση των αγωγών καθόδου εξαρτάται από την κατηγορία της εξωτερικής εγκατάστασης αντικεραυνικής προστασίας σε σχέση με το αν βρίσκονται σε επαφή ή όχι με την κατασκευή. Έτσι, τμήματα της κατασκευής όπως μεταλλικές εγκαταστάσεις οι οποίες μπορούν να επικαλύπτονται με μονωτικό υλικό ή στοιχεία των όψεων της κατασκευής μπορούν να θεωρηθούν ως φυσικοί αγωγοί καθόδου. Παρακάτω δίνονται οι αποστάσεις μεταξύ των αγωγών καθόδου σε σχέση με την στάθμη προστασίας. Πίνακας 3.6 [14] Σύστημα γείωσης Το σύστημα γείωσης σκοπό έχει την εκφόρτιση του ρεύματος ενός πλήγματος κεραυνού με ασφάλεια στο έδαφος μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης χωρίς να αναπτύσσονται επικίνδυνες υπερτάσεις. Επίσης να συνδέει ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου όπου είναι εφικτό, να περιορίζει την ανύψωση του δυναμικού του εδάφους στη περιοχή του καθώς και να αναχαιτίζει το κεραυνό στη περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Κατά τη ροή ρεύματος στην γείωση έχουμε μια μεταβατική κατάσταση. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταβατική συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης είναι το σχήμα και οι διαστάσεις του καθώς επίσης και η ειδική αντίσταση του εδάφους που το περιβάλλει. Ανάλογα με το είδος του εδάφους, η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται με αποτέλεσμα να πρέπει να ληφθεί υπόψη στις 32

40 παραμέτρους του συστήματος γείωσης. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει κάποιες τιμές της αντίστασης του εδάφους σε σχέση με το είδος του. Πίνακας 3.7 Ειδική αντίσταση σε σχέση με τον τύπο εδάφους [4] Επίσης ο ιονισμός του εδάφους είναι ένα φαινόμενο που επηρεάζει τη μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος γείωσης. Ο ιονισμός του εδάφους είναι το φαινόμενο που ενδέχεται να συμβεί όταν το ηλεκτρικό πεδίο στην πλευρική επιφάνεια των ηλεκτροδίων γείωσης ξεπεράσει το πεδίο ιονισμού του εδάφους. Υπάρχουν τριών ειδών γειώσεις και διακρίνονται ανάλογα με τον σκοπό ύπαρξης τους: γείωση λειτουργίας που γίνεται για λειτουργικούς λόγους ή για αποφυγή υπερτάσεων γείωση προστασίας όπου συνδέονται τα μεταλλικά μέρη μιας εγκατάστασης που δεν ανήκουν στο κύκλωμα λειτουργίας και εξασφαλίζουν την προστασία των ανθρώπων που μπορεί να έρθουν σε επαφή με αυτά. γείωση ασφαλείας ή αντικεραυνικής προστασίας που χρησιμεύει στην ασφάλεια των παρευρισκόμενων στον περιβάλλοντα χώρο. Οι μέθοδοι γείωσης που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι η ουδετέρωση, η αγώγιμη δηλαδή σύνδεση με τον ουδέτερο ή άλλο γειωμένο αγωγό φάσης δικτύου, η άμεση γείωση και μέσω διακόπτη διαφυγής για την αυτόματη απομόνωση του προβληματικού μέρους της εγκατάστασης. Τα κυριότερα είδη γειωτών φαίνονται παρακάτω: 33

41 Σχήμα 3.7 Είδη γειωτών [1] Η αντίσταση γείωσης του ηλεκτροδίου για ένα δεδοµένο ρεύµα εκκένωσης κεραυνού, είναι ο λόγος της διαφοράς δυναµικού µεταξύ ενός σηµείου του ηλεκτροδίου και ενός σηµείου του εδάφους, σε Volts προς το ρεύµα εκκένωσης σε amperes. Η αντίσταση γείωσης εποµένως, είναι η ωµική αντίσταση του περιβάλλοντος το ηλεκτρόδιο εδάφους και όχι κάποια επιφανειακή αντίσταση του ηλεκτροδίου. Ο υπολογισμός αντιστάσεων κάποιων γειώσεων γίνεται με τη χρήση των παρακάτω εξισώσεων βάση του είδους τους. 34

42 Πίνακας 3.8 Σχέσεις υπολογισμού αντιστάσεων γειωτών [1] 35

43 *Όπου εμφανίζεται το πάχος του αγωγού d, αυτό είναι το ισοδύναμο πάχος. **Για ακανόνιστους βρόγχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ισοδύναμη διάμετρος, U το μήκος αγωγού. **Για πλάκες που δεν είναι τετράγωνες θέτουμε:, S η επιφάνεια. ***Για γειωτή όγκου V ακανόνιστου σχήματος, εφαρμόζεται ο τύπος του σφαιρικού γειωτή με Εσωτερική Εγκατάσταση Αντικεραυνικής Προστασίας [14] Η εσωτερική ΕΑΠ έχει ως σκοπό να περιορίσει τις ανεπιθύμητες ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις του ρεύματος του κεραυνού στο εσωτερικό της κατασκευής σε αποδεκτό βαθμό. Οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις και υπερτάσεις περιορίζονται με ισοδυναμικές συνδέσεις, με θωράκιση, δρομολόγηση καλωδίων και κυρίως διατάξεων προστασίας όπου και θα εξετάσουμε παρακάτω. Η αναγκαιότητα ή μη της εσωτερικής ΕΑΠ καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την τοποθέτηση της εξωτερικής ΕΑΠ σε σχέση με τα αγώγιμα τμήματα και τις εσωτερικές εγκαταστάσεις της κατασκευής Ισοδυναμικές Συνδέσεις Οι ισοδυναμικές συνδέσεις σκοπό έχουν να περιορίζουν την πιθανότητα εμφάνισης επικίνδυνων υπερτάσεων σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού σε μια κατασκεύη, εξασφαλίζοντας την εξίσωση του δυναμικού μεταξύ σημείων του κυκλώματος ή μεταξύ διαφορετικών κυκλωμάτων. Αυτές οι συνδέσεις πραγματοποιούνται είτε μέσω συνδετήρων αγωγών όπου η ηλεκτρική συνέχεια δεν εξασφαλίζεται με φυσικές συνδέσεις, είτε μέσω εκτροπέων υπέρτασης όπου δεν επιτρέπεται η άμεση αγώγιμη σύνδεση. Για την υλοποίηση των απαιτούμενων ισοδυναμικών συνδέσεων στο υπόγειο ή γενικά στη στάθμη του εδάφους της κατασκευής που χρειάζεται προστασία εγκαθιστούμε ένα ζυγό εξίσωσης δυναμικών ο οποίος συνδέεται με το σύστημα γείωσης και στον οποίο καταλήγουν όλοι οι συνδετήριοι αγωγοί και οι ακροδέκτες γείωσης των εκτροπέων υπέρτασης. 36

44 Σχήμα 3.8 Ισοδυναμικές συνδέσεις εγκαταστάσεων μέσω ζυγού εξίσωσης δυναμικών [13] Είναι σημαντικό οι αγωγοί των ισοδυναμικών συνδέσεων να αντέχουν το ποσοστό του ρεύματος του κεραυνού που τους διαρρέει. Το ποσοστό αυτό θα καθορίσει τις ελάχιστες διαστάσεις των αγωγών ισοδυναμικών συνδέσεων Θωράκιση καλωδίων Όταν τα καλώδια των εισερχόμενων παροχών της κατασκευής είναι θωρακισμένα και η θωράκισή τους είναι γειωμένη και στα δύο τους άκρα τότε θεωρείται ότι το ρεύμα του κεραυνού διαρρέει την θωράκισή τους. Σ αυτή τη περίπτωση υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης υπέρτασης μεταξύ της θωράκισης και του ενεργού αγωγού του καλωδίου. Η υπέρταση εξαρτάται από το υλικό και τις διαστάσεις της θωράκισης καθώς και από το μήκος και τον τρόπο όδευσης του καλωδίου. H ελάχιστη διατομή της θωράκισης που εξασφαλίζει την αυτοπροστασία ενός καλωδίου όπου δεν απαιτείται εγκατάσταση εκτροπέας υπέρτασης, δίνεται από τον παρακάτω τύπο σε mm2: Όπου: = το ρεύμα που ρέει στη θωράκιση σε ka = ειδική αντίσταση της θωράκισης σε Ωm = μήκος καλωδίου = κρουστική τάση διάσπασης καλωδίου σε kv 37

45 Οι παρακάτω πίνακες δίνουν τιμές για το μήκος και την κρουστική τάση διάσπασης καλωδίου. Πίνακας 3.9 Υπολογισμός μήκος καλωδίου [14] Πίνακας 3.10 Κρουστική τάση διάσπασης καλωδίου [14] Δρομολόγηση καλωδίων Η σημαντικότητα της σωστής δρομολόγησης των καλωδίων είναι μεγάλη αφού αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση των περιοχών επαγόμενων τάσεων λόγω των βρόχων που σχηματίζουν τα καλώδια και έτσι περιορίζονται οι εσωτερικά επαγόμενες υπερτάσεις. Η ελαχιστοποίηση των περιοχών των βρόχων μπορεί να επιτευχθεί οδηγώντας τους αγωγούς όσο το δυνατόν πιο κοντά στους προστατευτικούς αγωγούς συνδέσεων ή οδηγώντας τις ηλεκτρικές και τις γραμμές σήματος μαζί Διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων [18][20] Όπως φαίνεται και στο σχήμα(3.9) τοποθετούνται διατάξεις προστασίας(spd) τόσο στην DC πλευρά όσο και στην AC πλευρά πλευρά της εγκατάστασης. Εάν το μήκος του κυκλώματος μεταξύ του SPD και του DC-AC-μετατροπέα είναι πολύ μεγάλο, η διάδοση των κυμάτων τάσεων οδηγούνται σε φαινόμενα ταλάντωσης. Αυτό μπορεί να αυξήσει την υπέρταση στους ακροδέκτες εισόδου του αντιστροφέα έως και δύο φορές του επιπέδου προστασίας των SPD. Επιπλέον, εάν ένας κεραυνός πέσει κοντά στην Φ/Β εγκατάσταση προκαλείται υπέρταση στην καλωδίωση μεταξύ του SPD και του αντιστροφέα και έτσι μειώνεται η αποτελεσματικότητα της προστασίας του SPD. 38

46 Σχήμα 3.9 Βασικό κυκλωματικό διάγραμμα προστασίας υπερτάσεων [19] Έχουμε τρεις κλάσεις διατάξεων προστασίας(spd) όπου διαχωρίζονται αναφορικά με το επίπεδο προστασίας που παρέχουν και διακρίνονται σε κατηγορίες ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους: Κλάση Ι: Συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που ενδέχεται να διαρρέονται από τμήμα ρεύματος του κεραυνού. Συνιστάται η εγκατάσταση τους σε σημεία υψηλού κινδύνου. Οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται στα όρια των ΖΑΠ 0Α Β και ΖΑΠ1 (U p <4kV). Κλάση ΙΙ: Συμπεριλαμβάνει διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται ως μέσα προστασίας έναντι υπερτάσεων από έμμεσα πλήγματα κεραυνού ή από χειρισμούς. Όρια τοποθέτησης τους ΖΑΠ1 και ΖΑΠ2 (U p <2kV). Κλάση ΙΙΙ: Συμπεριλαμβάνει διατάξεις που χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις μειωμένης απαίτησης προστασίας έναντι υπερτάσεων. Όρια τοποθέτησης τους ΖΑΠ2 και ΖΑΠ3 (U p <1kV). Στις Φ/Β συστοιχίες, συγκεκριμένα στα κιβώτια διασύνδεσης είναι ανάγκη να τοποθετούνται εκτροπείς υπέρτασεις κατά το δυνατό πλησιέστερα στις Φ/Β γεννήτριες. Στις περιπτώσεις αυτές εγκαθίστανται εκτροπείς υπέρτασεις κλάσης Ι. Με αυτό το τρόπο προστατεύονται τοπικά τα Φ/Β στοιχεία και εμποδίζονται οι υπερπηδήσεις εξαιτίας των ηλεκτρομαγνητικών επιδράσεων στα στοιχεία. Στον αντιστροφέα από την άλλη, εάν η απόσταση μεταξύ των Φ/Β γεννητριών και του DC-AC αντιστροφέα υπερβαίνει τα 10m τότε πρέπει να τοποθετηθεί ένας επιπλέον εκτροπέας υπέρτασης κλάσης ΙΙ όσο πιο κοντά γίνεται στην DC είσοδο. Ακόμα συσκευές προστασίας έναντι υπερτάσεων κλάσης ΙΙ πρέπει να τοποθετηθούν στην AC έξοδο του αντιστροφέα. 39

47 Επίσης μέτρα προστασίας στα συστήματα επεξεργασίας δεδομένων πρέπει να ληφθούν. Το κτίριο ελέγχου περιλαμβάνει ένα απομονωμένο διαγνωστικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιείται για έναν απλό και γρήγορο έλεγχο λειτουργίας του συστήματος. Το σύστημα αυτό περιέχει εξωτερικούς αισθητήρες έτσι είναι απαραίτητο να συνδέσουμε τα καλώδια τους που εισέρχονται στο κτίριο μέσω εκτροπέων υπέρτασης κλάσης ΙΙΙ όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.10 Σύστημα προστασίας εξωτερικών αισθητήρων [19] Ο τύπος των διατάξεων προστασίας που προτιμούνται για τα κυκλώματα της Φ/Β γεννήτριας είναι βαρίστορ μεταλλικών οξειδίων MOV(Metal Oxide Varistors). Πρόκειται για εκτροπείς υπέρτασης ευρείας εφαρμογής, γρήγορης απόκρισης που περιορίζουν την υπέρταση σε αποδεκτή τιμή. Αποτελούνται από μη γραμμικές αντιστάσεις των οποίων η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος είναι ισχυρά μη γραμμική σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση. Για την επιλογή των εκτροπέων υπέρτασης πρέπει να ληφθούν κάποια στοιχεία υπόψιν. Η μέγιστη τιμή DC τάσης της εγκατάστασης πρέπει να είναι μικρότερη της παραμένουσας τάσης των εκτροπέων αποκοπής της υπέρτασης ώστε να εξασφαλίζεται η σβέση τους μετά το πέρας της υπέρτασης. Η παραμένουσα τάση ενός έκτροπα υπέρτασης αποτελείται από δύο συνιστώσες, την πτώση τάσης στα άκρα του κατά τη διάρκεια που άγει και την πτώση τάσης κατά μήκος των συνδέσεων λόγω της αυτεπαγωγής τους. Αυτές οι μέγιστες τιμές πρέπει να έχουν άθροισμα μικρότερο από τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή υπέρτασης του εξοπλισμού που χρήζει προστασίας. 40

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Φ/Β πάρκου 4.1 Φ/Β πάρκο Το υπό εξέταση φωτοβολταϊκό πάρκο βρίσκεται στην Πάτρα όπου η κάτοψη έχει δοθεί από την εταιρία Energia Patras. Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκής εγκατάστασης: Φ/Β γεννήτριες Scheuten P συνολική ισχύ 424x235Wp=99,64kWp - 6 inverters SMA TRIPOWER 17000TL-10 - συνολική έκταση 1,85 τετραγωνικά χιλιόμετρα Σχήμα 4.1 Κάτοψη Φ/Β πάρκου σε μεγέθυνση [16] Η κάτοψη του Φ/Β πάρκου (σχήμα 4.3) σχεδιαστικέ στο AutoCAD 2008 για ευκολία της εγκατάστασης όπως θα δούμε παρακάτω. Οι διαστάσεις των πλαισίων που χρησιμοποιήθηκαν είναι 1,651m x 0,986m με κλίση 30 μοίρες. Ο τρόπος τοποθέτησης των πλαισίων καθώς και των βάσεων στήριξης αυτών φαίνεται στα παρακάτω σχήματα της κάτοψης και της πλάγιας όψης. 41

49 Σχήμα 4.2 Κάτοψη φωτοβολταϊκού πάρκου στο AutoCAD Σχήμα 4.3 Πλάγια όψη 4.2 Μελέτη της στάθμης προστασίας της εγκατάστασης Η διαδικασία που θα ακολουθηθεί είναι αυτή που ειπώθηκε στο τρίτο κεφάλαιο. Χρειάζεται να καθοριστούν οι διαστάσεις της υπό προστασίας κατασκευής. Ύψος Εφόσον τα φωτοβολταϊκά έχουν 30 μοίρες κλίση το ύψος τους θα είναι. Όμως λαμβάνοντας υπόψην και το ύψος της κατασκευής προσθέτουμε ακόμα 0,35m έτσι το ισοδύναμο ύψος είναι H=2m. Μήκος και Πλάτος Το μήκος και το πλάτος της κατασκευής έχει βρεθεί με τη βοήθεια της κάτοψης στο AutoCAD. Η ενδιάμεση απόσταση των συστοιχιών είναι 2,5 φορές το ύψος της 42

50 κατασκευής σύμφωνα με την Energia Patras. Μήκος L = 34,45m και πλάτος W=53,5m. Έτσι σύμφωνα με τον τύπο (3.3) η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής είναι. Ο μέσος όρος ημερών καταιγίδας ανά έτος στην Πάτρα είναι έτσι ο τύπος (3.2) παίρνει την τιμή και επειδή η κατασκευή είναι απομονωμένη σε πεδιάδα που σε απόσταση 3Η δεν υπάρχει άλλη κατασκευή, ο περιβαλλοντικός συντελεστής είναι. Τέλος η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων(3.1) υπολογίζεται. Επίσης επιλέγουμε τον συντελεστής. Με όλα αυτά τα αποτελέσματα έχουμε την δυνατότητα να υπολογίσουμε την στάθμη προστασίας. ΣΤΑΘΜΗ ΙΙΙ Εξάλλου, παρόλους τους υπολογισμούς, για φωτοβολταϊκά συστήματα μεγαλύτερα των 10kW χρησιμοποιείται τουλάχιστον στάθμη ΙΙΙ. 4.3 Σχεδιασμός αντικεραυνικής εγκατάστασης Εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Με την στάθμη προστασίας που επιλέξαμε μπορούμε να ορίσουμε την απόσταση των κάθετων ράβδων που θα χρησιμοποιηθούν για συλλεκτήριο σύστημα που είναι το πολύ 20m σύμφωνα με τον Πίνακα (3.6). Για την τοποθέτηση του συλλεκτήριου συστήματος χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας όπου με την βοήθεια του AutoCAD επιλέχθηκαν το μέγιστο οικονομικό μήκος και οι αποστάσεις των συλλεκτήριων ραβδών. Η ακτίνα της κοιλιόμενης σφαίρας για την επιλεγείσα στάθμη είναι 45m σύμφωνα με τον Πίνακα(3.5). Ο τρόπος χρησιμοποίησης της κοιλιόμενης σφαίρας φαίνεται στο σχήμα(4.5) και μετά από αρκετούς ελέγχους τοποθετήθηκαν ράβδοι των 1,3m στερεωμένοι στη βάση στήριξης. 43

51 Σχήμα 4.4 Έλεγχος και επιλογή μήκους ραβδών συλλεκτήριου συστήματος Έπειτα γίνεται τοποθέτηση ταινίας πλέγματος γείωσης. Χρησιμοποιήθηκε πλέγμα γείωσης 18,5m x 7,89m σε βάθος 0,7m. Η κάτοψη του φαίνεται στο παρακάτω σχήμα με κόκκινο χρώμα μαζί με την τοποθέτηση των ραβδών του συλλεκτήριου συστήματος(κύκλοι). Σχήμα 4.5 Κάτοψη με πλέγμα γείωσης 44

52 Για ακόμα περισσότερη απόδοση του συστήματος τοποθετήθηκαν κατακόρυφες ράβδοι συνδεδεμένοι στους κόμβους του πλέγματος γείωσης όπου είναι συνδεδεμένο το συλλεκτήριο σύστημα. Οι κατακόρυφοι γειωτές είναι χαλύβδινοι επιχαλκωμένοι ράβδοι με πάχος επιχάλκωσης 250μm. Έχουν μήκος 2m και διάμετρο 12mm Εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Η εσωτερική αντικεραυνική προστασία γίνεται με εκτροπείς υπέρτασης με διατάξεις MOV. Έχουν τοποθετηθεί εκτροπείς κλάσης Ι ένας σε κάθε κουτί διασύνδεσης της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Καθώς τα DC καλώδια που οδηγούνται από τα Φ/Β πάνελ στον αντιστροφέα έχουν μήκος μεγαλύτερο των 10m τοποθετήθηκαν εκτροπείς κλάσης Ι στην είσοδο και κλάσης ΙΙ στην έξοδο του αντιστροφέα. Η τοποθέτηση τους φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.6 Τοποθέτηση εκτροπέων υπέρτασης SPD [20] Επίσης τοποθετήθηκαν εκτροπείς υπέρτασης κλάσης ΙΙΙ για προστασία των συστημάτων μετρήσεων και ελέγχου που βρίσκονται εντός του κτιρίου ελέγχου. 45

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Εξομοίωση βάσεων στήριξης και πλέγματος γείωσης 5.1 Περιγραφή μοντέλου βάσεων στήριξης Οι βάσεις στήριξης των φωτοβολταϊκών είναι κατασκευασμένες από αλουμίνιο, από την εταιρία Alumil solar και έχουν την έξης συνδεσμολογία όπως φαίνεται στο σχήμα(5.1) Σχήμα 5.1 Συνδεσμολογία βάσεων στήριξης Για την εξομοίωση των βάσεων πρέπει να βρεθεί η αυτεπαγωγή και η αντίσταση των αλουμινίων δοκών. Αυτό γίνεται με προσεγγιστικό τρόπο. Η τομή της οριζόντια δοκού φαίνεται παρακάτω με τις διαστάσεις σε mm. 46

54 Το σχήμα αυτό προσεγγίζεται με τομή σωλήνα όπου η εσωτερική ακτίνα είναι b=45mm και η εξωτερική c=47mm. Έτσι χρησιμοποιήθηκε ο γνωστός τύπος της αυτεπαγωγής σωλήνα, ανά μονάδα μήκους [23] Όπου το H m 1 Έχουμε δύο διαφορετικά μήκη δοκών έτσι: Για τις αντιστάσεις έχει χρησιμοποιηθεί ο τύπος, Όπου ρ η ειδική αντίσταση αλουμινίου το μήκος της δοκού (m) Α η επιφάνεια της τομής της δοκού (m) 5.2 Περιγραφή μοντέλου πλέγματος γείωσης και κατακόρυφων ραβδών [21] Κατά την ροή ηλεκτρικού ρεύματος το πλέγμα γείωσης υπόκειται σε μεταβατικά φαινόμενα. Μοντέλα γείωσης όπως της προσέγγισης γραμμής μεταφοράς, της υβριδικής προσέγγισης και της κυκλωματικής τα οποία βασίζονται στην θεωρία των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων βοηθούν στην εξομοίωση του φαινομένου αυτού. Στην συγκεκριμένη περίπτωση για την αναπαράσταση μη συγκεντρωμένων παραμέτρων ηλεκτροδίων γείωσης έχει χρησιμοποιηθεί η κυκλωματική προσέγγιση. Το πλεονέκτημα της προσέγγισης αυτής είναι η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της και η εύκολη εφαρμογή της. Κατά το μοντέλο αυτό, η προσομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης, γίνεται με τη χρήση π-ισοδυνάμων RLC κυκλωμάτων. Σε προσομοιώσεις χαμηλών συχνοτήτων, μία αντίσταση γείωσης αποκρίνεται ικανοποιητικά και αμελείται η χωρική και επαγωγική απόκριση του ηλεκτροδίου. Όμως για καλύτερη και ακριβή προσέγγιση θα χρησιμοποιηθεί RLC κύκλωμα. Το σχήμα(5.1) αναπαριστά την κυκλωματική προσέγγιση RLC ενώ στο σχήμα(5.2) παρουσιάζεται ένα ηλεκτρόδιο γείωσης με μη συγκεντρωμένες παραμέτρους. 47

55 Σχήμα 5.2 [21] Η αντίσταση R χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση των απωλειών στο ηλεκτρόδιο. Η αγωγιμότητα G αναπαριστά τις απώλειες προς τη γη. L είναι η αυτεπαγωγή του ηλεκτροδίου και C η χωρητικότητα του ηλεκτροδίου με το έδαφος. Σχήμα 5.3 [21] Για να είμαστε πιο σαφής για να γίνει αυτό εφικτό πρέπει να κάνουμε κάποιες παραδοχές. Η ειδική αντίσταση ρ του εδάφους είναι παντού ίδια όπως η διηλεκτρική σταθερά ε και η μαγνητική του διαπερατότητα μ. Η ακτίνα του ηλεκτροδίου γείωσης είναι πολύ μικρότερη από το μήκος του και το μήκος κύματος. Στον πίνακα 5.1 υπάρχουν ενδεικτικά κάποιες σχέσεις υπολογισμού των στοιχείων των RLC κυκλωμάτων. 48

56 Πίνακας 5.1 Οι σχέσεις που θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των παραμέτρων των αγωγών γείωσης του πλέγματος είναι η εξής: Ενώ οι σχέσεις που θα χρησιμοποιηθούν για τις κατακόρυφες ράβδους είναι αυτές του πίνακα(5.1) Όπου: o ρ: η ειδική αντίσταση του εδάφους (Ωm) o I i : το μήκος του ηλεκτροδίου γείωσης (m) o α: η διάμετρος του ηλεκτροδίου γείωσης (m) o h: το βάθος ενταφιασμού του ηλεκτροδίου (m) o ε: η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους (F/m) 49

57 o D: η διάμετρος του ηλεκτροδίου γείωσης (m) o μ 0 : η μαγνητική διαπερατότητα του κενού 4.π.10-7 (H/m) Η ειδική αντίσταση εδάφους που θα χρησιμοποιηθεί είναι Η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους που θα χρησιμοποιηθεί θα είναι αυτή για αμμώδες ξηρό έδαφος όπου μια ενδεικτική τιμή της είναι Το πλέγμα γείωσης είναι τύπου ταινίας και έχει ισοδύναμη διάμετρο και μήκη των 7,89m και των 18,5 m. Έτσι για κάθε μήκος θα υπολογιστούν διαφορετικές παράμετροι. Το βάθος ενταφιασμού του πλέγματος είναι. Μήκος 7,89m Μήκος 18,5m Οι κατακόρυφοι ράβδοι γείωσης έχουν μήκος και διάμετρο και οι υπολογισμοί των παραμέτρων τους είναι οι εξής: 5.3 Εξομοίωση Στην εξομοίωση που ακολουθεί θα εξεταστούν τρία κυκλώματα. Το 1 ο περιέχει μόνο το πλέγμα γείωσης συνδεδεμένο με τη βάση στήριξης αλλά και τους αγωγούς του συλλεκτηρίου συστήματος. Το 2 ο περιέχει επιπρόσθετα από το πρώτο και ράβδους γείωσης των 2m (μία σε κάθε κόμβο του πλέγματος γείωσης όπου συνδέεται το συλλεκτήριο σύστημα) και το 3 ο επιπρόσθετα από το δεύτερο ακόμα μία ράβδο γείωσης σε κάθε κόμβο του πλέγματος που συνδέεται το συλλεκτήριο σύστημα. Θα χρησιμοποιηθούν κεραυνοί εξομοίωσης 10/350μs και 1,2/50μs των 100kA. Η εξομοίωση του συστήματος πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό ATP-EMTP. 50

58 5.3.1 Κύκλωμα 1 ο Σχήμα 5.4 Κύκλωμα εξομοίωσης με αριθμούς που αντιστοιχούν στο σχήμα(5.5) Οι αριθμοί στο σχήμα(5.4) είναι οι βάσεις στήριξης και αντιστοιχούνται με τους αριθμούς στο σχήμα(5.5). Οι κόκκινες γραμμές υποδεικνύουν το συλλεκτήριο σύστημα ενώ στο κέντρο είναι το πλέγμα γείωσης. Σχήμα 5.5 Παρακάτω στα δύο επόμενα σχήματα φαίνονται κάποια μέρη του κυκλώματος σε μεγέθυνση για να γίνει καλύτερα κατανοητό ενώ το τρίτο σχήμα είναι για υπόδειξη και ονομασία των κόμβων οι οποίοι θα εξεταστούν. 51

59 Σχήμα 5.6 Μεγέθυνση του πλέγματος γείωσης Σχήμα 5.7 Μεγέθυνση των βάσεων στήριξης όπου περιέχει μια πηγή κρουστικού ρεύματος συνδεδεμένη στο συλλεκτήριο σύστημα (τμήματα 1 και 2) 52

60 Σχήμα 5.8 Κύκλωμα με υπόδειξη και ονομασία των κόμβων που θα εξεταστούν παρακάτω Ο κόμβος Α και Ε είναι σημεία όπου θα συνδέεται το κρουστικό ρεύμα Οι κόμβοι Α1, Ε1, Κ1 είναι σημεία που βρίσκονται πάνω στις βάσεις στήριξης και θα μετρηθούν οι τάσεις τους Οι κόμβοι Α2, Ε2, Κ2 είναι σημεία που βρίσκονται πάνω στο πλέγμα γείωσης και θα μετρηθούν οι τάσεις τους Εξομοίωση πλήγματος κεραυνού σε ακραία δοκό του συλλεκτήριου συστήματος Θα εξεταστεί η περίπτωση να πληγεί κεραυνός στην πάνω αριστερά δοκό (κόμβος Α) του συλλεκτήριου συστήματος ενώ θα γίνει εξομοίωση του κεραυνού με ρεύμα 100kA πρώτα για 10/350μs και έπειτα για 1,2/50μs. 53

61 Ακολούθως στον πίνακα φαίνονται οι μέγιστες τιμές τάσεων των κόμβων και στα σχήματα οι γραφικές παραστάσεις τους. Μέγιστες τιμές σε kv Κόμβοι 10/350μs 1,2/50μs A1 155, ,640 A2 105, ,480 E1 7,972 7,971 E2 7,721 7,711 K1 0,974 0,973 K2 1,045 1,044 Πίνακας 5.2 Μέγιστες τιμές κόμβων όταν το πλήγμα γίνεται στον κόμβο Α Σχήμα 5.3 Tάσεις στους κόμβους Α1 και Α2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 54

62 Σχήμα 5.4 Τάσεις στους κόμβους Ε1, Ε2, Κ1και Κ2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.5 Τάσεις στους κόμβους Α1 και Α2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 55

63 Σχήμα 5.6 Τάσεις στους κόμβους Ε1, Ε2, Κ1και Κ2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Εξομοίωση πλήγματος κεραυνού σε μια κεντρική δοκό του συλλεκτήριου συστήματος Θα εξεταστεί η περίπτωση να πληγεί κεραυνός σε κεντρική δοκό δηλαδή στην (Ε) του συλλεκτήριου συστήματος ενώ θα γίνει εξομοίωση του κεραυνού με ρεύμα 100kA πρώτα για 10/350μs και έπειτα για 1,2/50μs. Ακολούθως στον πίνακα φαίνονται οι μέγιστες τιμές τάσεων των κόμβων και στα σχήματα οι γραφικές παραστάσεις τους. Μέγιστες τιμές σε kv Κόμβοι 10/350μs 1,2/50μs A1 7,973 7,971 A2 8,141 8,140 E1 169, ,050 E2 45,142 45,144 K1 7,952 7,950 K2 7,241 7,240 Πίνακας 5.3 Μέγιστες τιμές κόμβων όταν το πλήγμα γίνεται στον κόμβο Ε 56

64 Σχήμα 5.7 Τάσεις στους κόμβους Ε1 και Ε2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.8 Τάσεις στους κόμβους Α1, Α2, Κ1και Κ2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 57

65 Σχήμα 5.9 Τάσεις στους κόμβους Ε1 και Ε2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Σχήμα 5.10 Τάσεις στους κόμβους Α1, Α2, Κ1και Κ2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 58

66 5.3.2 Κύκλωμα 2 ο Σχήμα 5.11 Όπως φαίνεται στο πιο πάνω κύκλωμα έχουν προστεθεί και οι ράβδοι γείωσης (ένας σε κάθε σημείο) και είναι αυτοί με μπλε χρώμα. Οι κόμβοι που θα εξεταστούν είναι οι ίδιοι απλώς έχουν αλλαχτεί οι ονομασίες τους για ευκολότερη αναφορά σε αυτούς στο μέλλον. Επίσης έχει γίνει μεγέθυνση στο πλέγμα γείωσης για καλύτερη κατανόηση στο σχήμα(5.12). Οι κόμβοι Α και Ε είναι σημεία όπου θα συνδέεται το κρουστικό ρεύμα Οι κόμβοι ΑΑ1, ΕΕ1, ΚΚ1 είναι σημεία που βρίσκονται πάνω στις βάσεις στήριξης και θα μετρηθούν οι τάσεις τους Οι κόμβοι ΑΑ2, ΕΕ2, ΚΚ2 είναι σημεία που βρίσκονται πάνω στο πλέγμα γείωσης και θα μετρηθούν οι τάσεις τους 59

67 Σχήμα 5.12 Μεγέθυνση του πλέγματος γείωσης Εξομοίωση πλήγματος κεραυνού σε ακραία δοκό του συλλεκτήριου συστήματος Θα εξεταστεί η περίπτωση να πληγεί κεραυνός στην πάνω αριστερά δοκό (κόμβος Α) του συλλεκτήριου συστήματος ενώ θα γίνει εξομοίωση του κεραυνού με ρεύμα 100kA πρώτα για 10/350μs και έπειτα για 1,2/50μs. Ακολούθως στον πίνακα φαίνονται οι μέγιστες τιμές τάσεων των κόμβων και στα σχήματα οι γραφικές παραστάσεις τους. Μέγιστες τιμές σε kv Κόμβοι 10/350μs 1,2/50μs AΑ1 129, ,140 AΑ2 87,398 87,416 ΕE1 5,547 5,546 EΕ2 5,529 5,527 KΚ1 0,601 0,601 KΚ2 0,692 0,692 Πίνακας 5.4 Μέγιστες τιμές κόμβων όταν το πλήγμα γίνεται στον κόμβο Α 60

68 Σχήμα 5.13 Τάσεις στους κόμβους ΑΑ1 και ΑΑ2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.14 Τάσεις στους κόμβους EΕ1, EΕ2, KΚ1 και Κ22 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 61

69 Σχήμα 5.15 Τάσεις στους κόμβους ΑA1 και ΑA2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Σχήμα 5.16 Τάσεις στους κόμβους ΕE1, ΕE2, ΚK1 και Κ22 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 62

70 Εξομοίωση πλήγματος κεραυνού σε μια κεντρική δοκό του συλλεκτήριου συστήματος Θα εξεταστεί η περίπτωση να πληγεί κεραυνός σε κεντρική δοκό δηλαδή στην (Ε) του συλλεκτήριου συστήματος ενώ θα γίνει εξομοίωση του κεραυνού με ρεύμα 100kA πρώτα για 10/350μs και έπειτα για 1,2/50μs. Ακολούθως στον πίνακα φαίνονται οι μέγιστες τιμές τάσεων των κόμβων και στα σχήματα οι γραφικές παραστάσεις τους. Μέγιστες τιμές σε kv Κόμβοι 10/350μs 1,2/50μs AΑ1 5,547 5,546 AΑ2 6,085 6,084 EΕ1 146, ,550 EΕ2 35,107 35,106 KΚ1 5,489 5,487 KΚ2 5,162 5,161 Πίνακας 5.5 Μέγιστες τιμές κόμβων όταν το πλήγμα γίνεται στον κόμβο Ε Σχήμα 5.17 Τάσεις στους κόμβους ΕΕ1 και ΕΕ2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 63

71 Σχήμα 5.18 Τάσεις στους κόμβους ΑΑ1, ΑΑ2, ΚΚ1 και ΚK2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.19 Τάσεις στους κόμβους ΕE1 και ΕE2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 64

72 Σχήμα 5.20 Τάσεις στους κόμβους ΑA1, ΑA2, ΚK1 και ΚK2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Κύκλωμα 3 ο Σχήμα 5.21 Όπως φαίνεται στο πιο πάνω κύκλωμα έχουν προστεθεί περισσότεροι ράβδοι γείωσης από προηγουμένως (δύο σε κάθε σημείο) και είναι αυτοί με μπλε χρώμα. Οι κόμβοι που θα εξεταστούν είναι οι ίδιοι απλώς έχουν αλλαχτεί οι ονομασίες τους για ευκολότερη αναφορά σε αυτούς στο μέλλον. Επίσης έχει γίνει μεγέθυνση στο πλέγμα γείωσης για καλύτερη κατανόηση στο σχήμα(5.22). 65

73 Οι κόμβοι Α και Ε είναι σημεία όπου θα συνδέεται το κρουστικό ρεύμα Οι κόμβοι ΑΑ1, ΕΕ1, ΚΚ1 είναι σημεία που βρίσκονται πάνω στις βάσεις στήριξης και θα μετρηθούν οι τάσεις τους Οι κόμβοι ΑΑ2, ΕΕ2, ΚΚ2 είναι σημεία που βρίσκονται πάνω στο πλέγμα γείωσης και θα μετρηθούν οι τάσεις τους Σχήμα 5.21 Μεγέθυνση του πλέγματος γείωσης Εξομοίωση πλήγματος κεραυνού σε ακραία δοκό του συλλεκτήριου συστήματος Θα εξεταστεί η περίπτωση να πληγεί κεραυνός στην πάνω αριστερά δοκό (κόμβος Α) του συλλεκτήριου συστήματος ενώ θα γίνει εξομοίωση του κεραυνού με ρεύμα 100kA πρώτα για 10/350μs και έπειτα για 1,2/50μs. Ακολούθως στον πίνακα φαίνονται οι μέγιστες τιμές τάσεων των κόμβων και στα σχήματα οι γραφικές παραστάσεις τους. Μέγιστες τιμές σε kv Κόμβοι 10/350μs 1,2/50μs AΑΑ1 110, ,420 AΑΑ2 74,633 74,746 ΕΕE1 4,077 4,076 EΕΕ2 4,162 4,161 KΚΚ1 0,402 0,401 KΚΚ2 0,495 0,495 Πίνακας 5.4 Μέγιστες τιμές κόμβων όταν το πλήγμα γίνεται στον κόμβο Α 66

74 Σχήμα 5.22 Τάσεις στους κόμβους ΑΑΑ1 και ΑΑΑ2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.23 Τάσεις στους κόμβους EΕΕ1, EΕΕ2, KΚΚ1 και ΚKK2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 67

75 Σχήμα 5.24 Τάσεις στους κόμβους ΑAA1 και ΑAA2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Σχήμα 5.25 Τάσεις στους κόμβους ΕEE1, ΕEE2, ΚKK1 και ΚKK2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 68

76 Εξομοίωση πλήγματος κεραυνού σε μια κεντρική δοκό του συλλεκτήριου συστήματος Θα εξεταστεί η περίπτωση να πληγεί κεραυνός σε κεντρική δοκό δηλαδή στην (Ε) του συλλεκτήριου συστήματος ενώ θα γίνει εξομοίωση του κεραυνού με ρεύμα 100kA πρώτα για 10/350μs και έπειτα για 1,2/50μs. Ακολούθως στον πίνακα φαίνονται οι μέγιστες τιμές τάσεων των κόμβων και στα σχήματα οι γραφικές παραστάσεις τους. Μέγιστες τιμές σε kv Κόμβοι 10/350μs 1,2/50μs AAA1 4,077 4,076 AAA2 4,786 4,785 EΕE1 128, ,980 EEΕ2 28,161 28,159 KKΚ1 4,010 4,009 KΚK2 3,882 3,881 Πίνακας 5.5 Μέγιστες τιμές κόμβων όταν το πλήγμα γίνεται στον κόμβο Ε Σχήμα 5.26 Τάσεις στους κόμβους EEE1 και ΕEΕ2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 69

77 Σχήμα 5.18 Τάσεις στους κόμβους ΑAΑ1, ΑAΑ2, ΚKΚ1 και ΚKK2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.19 Τάσεις στους κόμβους ΕEE1 και ΕEE2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 70

78 Σχήμα 5.20 Τάσεις στους κόμβους ΑAA1, ΑAA2, ΚKK1 και ΚKK2 όπου Ε σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 5.4 Σύγκριση γραφικών παραστάσεων και μέγιστων τάσεων στους κόμβους Παραθέτοντας τις τάσεις ίδιων κόμβων αλλά διαφορετικών κυκλωμάτων σε μία γραφική παράσταση κάθε φορά μπορεί ευκολότερα να φανεί η διαφορά της απόδοσης των κυκλωμάτων αυτών. Παρουσιάζονται γραφικές και διαγράμματα μπαρών για ρεύμα 10/350μs και 1,2/50μs των 100kA Γραφικές παραστάσεις Σχήμα 5.21 Τάσεις κόμβων Α1, ΑΑ1 και ΑΑΑ1 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 71

79 Σχήμα 5.22 Τάσεις κόμβων E1, EE1 και EEE1 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.23 Τάσεις κόμβων E2, EE2 και EEE2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 72

80 Σχήμα 5.24 Τάσεις κόμβων Κ2, ΚΚ2 και ΚΚΚ2 όπου Α σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.25 Τάσεις κόμβων E1, EE1 και EEE1 όπου E σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 73

81 Σχήμα 5.26 Τάσεις κόμβων Α1, ΑΑ1 και ΑΑΑ1 όπου E σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA Σχήμα 5.27 Τάσεις κόμβων Κ2, ΚΚ2 και ΚΚΚ2 όπου E σημείο πλήγματος με ρεύμα 10/350μs των 100kA 74

82 Σχήμα 5.28 Τάσεις κόμβων Α1, ΑΑ1 και ΑΑΑ1 όπου A σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Σχήμα 5.29 Τάσεις κόμβων E1, EE1 και EEE1 όπου A σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 75

83 Σχήμα 5.30 Τάσεις κόμβων Κ2, ΚΚ2 και ΚΚΚ2 όπου A σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Σχήμα 5.31 Τάσεις κόμβων E1, EE1 και EEE1 όπου E σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 76

84 Σχήμα 5.32 Τάσεις κόμβων Α1, ΑΑ1 και ΑΑΑ1 όπου E σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA Σχήμα 5.33 Τάσεις κόμβων Κ2, ΚΚ2 και ΚΚΚ2 όπου E σημείο πλήγματος με ρεύμα 1,2/50μs των 100kA 77

85 5.4.2 Διαγράμματα Μπάρες Επειδή οι κόμβοι που ελέγχουμε και στα τρία κυκλώματα κατά αντιστοιχία είναι οι ίδιοι στα παρακάτω διαγράμματα βάζουμε τον συμβολισμό μόνο του 1 ου κυκλώματος (π.χ. ο κόμβος Α1 είναι ίδιος με ΑΑ1 και ΑΑΑ1). Οι μπλε μπάρες συμβολίζουν τους κόμβους του 1ου κυκλώματος χωρίς ράβδους γείωσης ενώ οι κόκκινες και πράσινες μπάρες συμβολίζουν τους κόμβους του 2ου και του 3ου κυκλώματος με μία ράβδο σε κάθε κόμβο και δύο ράβδους αντίστοιχα. Μέγιστες τάσεις κόμβων kv Χωρίς ράβδους 60 Με μια ράβδο 40 Με δύο ράβδους 20 0 A1 A2 E1 E2 K1 K2 Κόμβοι Σχήμα 5.34 Μέγιστες τάσεις για πλήγμα στον κόμβο Α με ρεύμα 10/350μs Μέγιστες τάσεις κόμβων kv Χωρίς ράβδους 80 Με μια ράβδο 60 Με δύο ράβδους A1 A2 E1 E2 K1 K2 Κόμβοι Σχήμα 5.35 Μέγιστες τάσεις για πλήγμα στον κόμβο Ε με ρεύμα 10/350μs 78

86 kv kv Μέγιστες τάσεις κόμβων A1 A2 E1 E2 K1 K2 Κόμβοι Χωρίς ράβδους Με μια ράβδο Με δύο ράβδους Σχήμα 5.36 Μέγιστες τάσεις για πλήγμα στον κόμβο Α με ρεύμα 1,2/50μs Μέγιστες τάσεις κόμβων A1 A2 E1 E2 K1 K2 Κόμβοι Χωρίς ράβδους Με μια ράβδο Με δύο ράβδους Σχήμα 5.34 Μέγιστες τάσεις για πλήγμα στον κόμβο Ε με ρεύμα 1,2/50μs 79