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: Σ.Η.Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Πολίτη Ηλία του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: 7611 Θέμα «ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ» Επιβλέπουσα ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πολίτη Ηλία του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: 7611 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη καθηγήτρια Ο Διευθυντής του Τομέα ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ Καθηγητής 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ ΣΕ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ» Φοιτητής: Πολίτης Ηλίας Επιβλέπουσα: Πυργιώτη Ελευθερία Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει σαν σκοπό την μελέτη, σχεδίαση και ανάλυση ενός μοντέλου προσομοίωσης της επαγομένης τάσης από μια γραμμή μεταφοράς Υψηλής Τάσης σε έναν αγωγό μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αεριού που είναι τοποθετημένος κάτω από την επιφάνεια της γης. Σε ευρύτερο πλαίσιο, η εγκατάσταση σωλήνων μεταφοράς πετρελαίου και αεριού έχει αναπτυχθεί ραγδαία τα τελευταία πενήντα χρόνια και συνεχίζει να αναπτύσσεται ώστε να καλύψει τις ανάγκες για ζήτηση ενέργειας. Παράλληλα το ηλεκτρικό δίκτυο επεκτείνεται και σε περιοχές όπου δεν υπήρχε τα προηγούμενα χρονιά. Για λόγους κόστους αλλά και καλύτερου ελέγχου των δικτύων, είθισται οι κατασκευές μεταφοράς ρεύματος με τις κατασκευές σωληνώσεων για μεταφορά πρώτων υλών να γειτνιάζουν. Κατά συνέπεια, οι περιπτώσεις παραλληλισμού, προσέγγισης και διασταύρωσης γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης με αγωγούς μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου είναι συχνή. Στις περιπτώσεις αυτές, η ηλεκτρομαγνητική επίδραση πάνω στον αγωγό μεταφοράς από την γραμμή Υ/Τ πρέπει να εξετάζεται. Επομένως ο στόχος της παρούσας μελέτης είναι η εξέταση της επίδρασης μιας γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης πάνω σε έναν υπόγειο αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, κατά την διάρκεια ενός κεραυνού επί της γραμμής. 3

4 Η δομή της εργασίας είναι η παρακάτω: Το πρώτο κεφάλαιο περιέχει την εισαγωγική θεωρία για τις υψηλές τάσεις. To δεύτερο κεφάλαιο, ασχολείται με τα βασικά χαρακτηριστικά του φαινομένου του κεραυνού. Tο τρίτο κεφάλαιο, περιέχει μία σύντομη αναφορά στις γραμμές μεταφοράς, στους πυλώνες και στους μονωτήρες Υψηλής Τάσης. Το τέταρτο κεφάλαιο, ασχολείται με τις σωληνώσεις μεταφοράς πετρελαίου και φυσικού αεριού. Tο πέμπτο κεφάλαιο, περιλαμβάνει λίγες πληροφορίες για το λογισμικό ATP-EMTP, το οποίο χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση σε αυτή την εργασία. Στο έκτο κεφάλαιο, εξηγείται πως μοντελοποιούνται οι παράμετροι της διάταξης. Το έβδομο κεφάλαιο, που είναι ο πυρήνας αυτής της εργασίας, αφορά τη μοντελοποίηση της επίδρασης της γραμμής μεταφοράς Υψηλής Τάσης στον υπόγειο αγωγό μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Τέλος στο όγδοο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και εξάγονται κάποια συμπεράσματα για τη διάταξη. Λέξεις κλειδιά: Υψηλές τάσεις, υπερτάσεις, υπόγειοι αγωγοί, γραμμές μεταφοράς. 4

5 Abstract Τhis thesis aims to examine, design and analyze a simulation model of induced voltage by a high voltage transmission line in an oil or gas pipeline positioned below the earth surface. In a general view, the installation of oil and gas transport pipes has grown rapidly over the last fifty years and set attention to the needs for energy demand. Alongside the electricity grid extends to areas where it had no presence the previous years. For cost reasons but also optimal maintenance and control, the power transmission lines constructions are placed close to piping constructions. Consequently, the cases of parallelism, approaching and crossover of transmission lines with pipelines are a common case. In these cases, the electromagnetic field on the transmission line must be considered towards the evaluation of the impact on pipelines. Therefore the objective of this thesis is to examine the effect of a high voltage transmission line on an underground hydrocarbon transferring pipeline, during a lightning strike on the high voltage line. The structure of the thesis is mentioned below: The first chapter contains the introductory theory of high voltages. The second chapter deals with the key features of the phenomenon of lightning. The third chapter contains a brief reference to transmission lines, the structures responsible to carry the transmission lines and high voltage insulators. The fourth chapter deals with oil & gas transportation pipelines. The fifth chapter contains little information on the ATP-EMTP software, which is used for modeling in this thesis. Τhe sixth chapter, explains how the parameters of the layout are modeled. Chapter seven, which is the core of this thesis, is about modeling the impact of the high voltage transmission line to the buried pipeline, used for oil or gas transportation. Finally, in the eighth chapter we present the results of the simulation and draw some conclusions about the layout. Keywords: High voltages, overvoltage, underground pipelines, transmission lines. 5

6 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κυρία Πυργιώτη Ελευθερία για την πολύτιμη καθοδήγησή της κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω ολόψυχα την οικογένειά μου και κυρίως τους γονείς μου για την αμέριστη υλική και ηθική υποστήριξη που μου παρείχαν κατά τη διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. 6

7 Περιεχόμενα Περίληψη... 3 Abstract... 5 Ευχαριστίες ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Υψηλές τάσεις Δίκτυα υψηλών τάσεων Είδη Υπερτάσεων ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Εισαγωγή Ηλεκτρκή κατάσταση της γης Ηλεκτρική συμπεριφορά του σύννεφου Είδη κεραυνών Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων Ρεύμα του κεραυνού και σχετικοί παράμετροι Φυσικά χαρακτηριστικά κεραυνού - εξομοίωση στο εργαστήριο Συνέπειες πληγμάτων Θερμικές συνέπειες Μηχανικές συνέπειες Ηλεκτρικές συνέπειες ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ - ΠΥΛΩΝΕΣ - ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ Εισαγωγή Γραμμές μεταφοράς Κυκλωματικό μοντέλο γραμμής μεταφοράς Τύποι αγωγών Πυλώνες Καταπόνηση πυλώνων από κεραυνούς

8 3.4 Μονωτήρες Υψηλής Τάσης Βασικοί ορισμοί ΑΓΩΓΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ / ΑΕΡΙΟΥ Εισαγωγή Κατηγορίες αγωγών με βάση τη μεταφερόμενη ουσία Κατηγορίες αγωγών με βάση το σκοπό χρήσης Κατασκευή σωληναγωγών Τεχνολογία κατασκευής σωληναγωγών Έλεγχος λειτουργίας ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP Εισαγωγή To λογισμικό ATP-EMTP ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟ ATP Εισαγωγή Γεννήτρια προσομοίωσης κεραυνού Γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης 400kV Μοντέλο πυλώνων γραμμής μεταφοράς Υ/Τ Μονωτήρας υψηλής τάσης Υπόγειος αγωγός μεταφοράς φυσικού αερίου/πετρελαίου ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Υ/Τ ΣΤΟΝ ΥΠΟΓΕΙΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ Ή ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Χωρητική σύζευξη Επαγωγική σύζευξη Ωμική σύζευξη Αντίσταση που μεσολαβεί μεταξύ δύο ηλεκτροδίων γείωσης ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Παρουσίαση αποτελεσμάτων για y=50m Παρουσίαση αποτελεσμάτων για y=100m Παρουσίαση αποτελεσμάτων για y=500m Συμπεράσματα

9 1 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ 1.1 Υψηλές τάσεις Σύμφωνα με τους κανονισμούς της Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής (IEC), ως δίκτυα υψηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος χαρακτηρίζονται αυτά που λειτουργούν με τάση υψηλότερη του 1 kv (rms), ενώ ως δίκτυα χαμηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος αυτά που λειτουργούν υπό τάση χαμηλότερη ή ίση με 1 kv. Ο εξοπλισμός υψηλής τάσης με ονομαστικές τάσεις 1 kv έως 50 kv, παραδοσιακά χαρακτηρίζεται και ως εξοπλισμός μέσης τάσης και η υψηλή τάση μέχρι το όριο αυτό μέση τάση (MV). Η τάση από 50 kv έως 345 kv χαρακτηρίζεται ως υψηλή τάση (HV), η τάση από 345 kv έως 765 kv χαρακτηρίζεται ως υπερυψηλή τάση (ΕΗV) ενώ άνω των 765 kv ως ιδιαίτερα υψηλή τάση (UHV). 1.2 Δίκτυα υψηλών τάσεων Κάθε ένα από τα δίκτυα υψηλής τάσης εναλλασσομένου ρεύματος χαρακτηρίζεται από τρεις χαρακτηριστικές τάσεις (IEC ): Την ονοματσική τάση του συστήματος Un, που ορίζεται ως μια κατάλληλα εκτιμημένη τιμή τάσης, που χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό ή τον καθορισμό του. Την ύψιστη τάση λειτουργίας του συστήματος Uh, που ορίζεται ως η ενεργός τιμή της υψηλότερης τάσης που μπορεί να σημειωθεί οποιαδήποτε χρονική στιγμή και σε 9

10 οποιοδήποτε σημείο του δικτύου κατά την κανονική λειτουργία του, δηλαδή χωρίς να υπολογίζονται οι υπερτάσεις που μπορεί να αναπτυχθούν σε συνθήκες μη μόνιμης κατάστασης λειτουργίας. Την ύψιστη τάση λειτουργίας για τον εξοπλισμό Um, που ορίζεται ως η ενεργός τιμή της υψηλότερης τάσης που μπορεί να αντέξει ο εξοπλισμός που θα συνδεθεί στο δίκτυο υπό συνθήκες μόνιμης κατάστασης λειτουργίας του δικτύου. Στην Ελλάδα απαντώνται δίκτυα υψηλής τάσης με τις ακόλουθες ονομαστικές τάσεις και ύψιστες τάσεις λειτουργίας του εξοπλισμού: Ονομαστική τάση Ύψιστη τάση λειτουργίας εξοπλισμού Δίκτυο μεταφοράς 400 kv 400 kv 420 kv Δίκτυο μεταφοράς 150 kv 150 kv 170 kv Δίκτυο μεταφοράς 66 kv 66 kv 72.5 kv Δίκτυα διανομής 20 kv 20 kv 24 kv Δίκτυα διανομής 15 kv 15 kv 17.5 kv Εσωτερικά δίκτυα 6 kv 6 kv 7.2 kv Πίνακας 1.1: Δίκτυα υψηλής τάσης Ελλάδας. 10

11 1.3 Είδη Υπερτάσεων Οι υπερτάσεις χωρίζονται ανάλογα με το αίτιο δημιουργίας τους σε: Ατμοσφαιρικές (που προκαλούνται από το φαινόμενο του κεραυνού) Εσωτερικές (Δυναμικές και χειρισμών) Και ανάλογα με τη χρονική τους διάρκεια και την κυματομορφή τους σε: Διαρκείς Παροδικές Μεταβατικές Σύνθετες ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΡΩΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 1. Πυργιώτη, Ε., Υψηλές Τάσεις, Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών. 11

12 2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ 2.1 Εισαγωγή Σχ. 2.1: Η κατανομή των ηλεκτρικών φορτίων πριν από την εκδήλωση κεραυνού. [3] Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται εκτενέστερη αναφορά στο κεραυνικό φανόμενο που αποτελεί αίτιο δημιουργίας των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων. Ο κεραυνός δημιουργείται κατά τη διάρκεια των καταιγίδων. Οφείλεται στη συγκέντρωση σε διαφορετικές περιοχές θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων. Έτσι, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο και όταν η ένταση του φτάσει σε μεγάλη τιμή, ξεσπά ο κεραυνός με διάτρηση του αέρα και δημιουργία σπινθήρα [4]. 12

13 2.1.1 Ηλεκτρκή κατάσταση της γης Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς την γη με ένταση περίπου 0.13kV/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατενεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300kV σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. Είναι γνωστό πως ιονισμένα σωματίδια και των δύο προσήμων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξ αιτίας αυτής της αγωγιμότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα και των δύο προσήμων 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 ισοδύναμο μ αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί Ηλεκτρική συμπεριφορά του σύννεφου Σχ. 2.2: Τυπική ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου. [2] 13

14 Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο θετικό στην κορυφή του και αρνητικό στην προς την γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Για τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες, χωρίς καμία να είναι γενικά παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν 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 ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου με την ηλεκτρική εικόνα που περιγράφτηκε, διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του, 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, 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, αφού πρώτα αναστραφεί αποκτά με την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (από τη γη προς την ατμόσφαιρα), τιμές που φθάνουν τα 10kV/m. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού ή εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται πάλι στην προηγούμενη τιμή του. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο από 1,5 εώς 2 kv/m) αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως πολύ ψηλά κτήρια, απαγωγείς κεραυνών κλπ. Και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη διαμέσου αγωγού στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (point-discharge current). Αυτό το ρεύμα, όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. 14

15 Πάντως πρέπει να σημειωθεί πως η ταχύτητα αυτών των ιόντων είναι μικρή, συγκρινόμενη με αυτή του ανέμου, κατά την διάρκεια της καταιγίδας και έτσι η κίνηση τους καθορίζεται κυρίως από την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε πολλά από τα ιόντα αυτά να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Επομένως η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου, του ύψους του αγώγου (αγωγίμου επιφάνειας, ενός βρεγμένου κτηρίου, δένδρου κλπ.) από το οποίο παράγεται και από την ταχύτητα του ανέμου. Ενδεικτικά αναφέρεται πως για αγωγούς ύψους μερικών δεκάδων μέτρων η τιμή του είναι λίγα μa,ενώ σε ορεινές περιοχές που τα σύννεφα είναι πιο πυκνά μερικά ma. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται πως εκκενώσεις στο σύννεφο και προς τη γη μπορούν να παρατηρηθούν, όταν η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια αποκτά τιμές της τάξης των 3kV/m και άνω. Σχ.2.3: Τυπικό παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια ηλεκτρικής καταιγίδας. Οι θετικές τιμές του πεδίου αντιστοιχούν στην κατεύθυνση του πεδίου καλοκαιρίας. [1], [2] 15

16 Σημειώνεται πως δεν προκαλούν όλα τα σύννεφα ηλεκτρικές εκκενώσεις έστω κι αν παρουσιάζουν τις απαιτόυμενες συνθήκες φόρτισης. 2.2 Είδη κεραυνών Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλης πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο 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 του φορτίου αντίθετου προσήμου, που επάγεται εξαιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μία ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκενωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ στη δεύτερη από το έδαφος (με ένα ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού που απεικονίζονται στο Σχ 2.4(1α-4α). «κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 1α). «ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 2α). «κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 3α). «ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 4α). 16

17 Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζονται στο κατώτερο μέρος του Σχ 2.4(1β-4β) 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 συνηθισμενο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στα 90% περίπου των περιπτώσεων. Περίπτωση 2β: «ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση» πηγάζει από μια 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 μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Σχ. 2.4: Είδη κεραυνών: «α» ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, «β» συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής, 1: οχετός προεκκένωσης, r:οχετός επιστροφής, ν:κατεύθυνση μετάδοσης. [2] 17

18 2.3 Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Σε συμφωνία με τους διατυπωθέντες από τον K. Berger παρατίθενται ορισμοί για τις διάφορες παραμέτρους του κεραυνού: Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» προς τη γη γίνεται με ένα «αρνητικό κεραυνό» και ενός θετικού νέφους με ένα «θετικό κεραυνό». Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» ρέει προς τη γη ένα «αρνητικό ρεύμα» και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: Ένας «κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης» (που συχνά ονομάζεται και «οδηγός οχετός») προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος, ένας «ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης» προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας «ανερχόμενος οχετός σύνδεσης» είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ σύννεφου και εδάφους, ένα κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: H πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας «θετικός οχετός προεκκένωσης» και αντίθετα. Από μια 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 με αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει «θετική κατεύθυνση». 18

19 2.3 Ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων Έναρξη της εκκένωσης του κεραυνού: Σε περιοχές του νέφους με μεγάλη πυκνότητα φορτίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να πάρει αρκετά μεγάλες τιμές. Οι υψηλές εντάσεις συνδυαζόμενες με την μικρή πυκνότητα του αέρα (λόγω του ύψους) και μερικούς άλλους παράγοντες που προκαλούν πρόσθετη τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου, μπορούν να προκαλέσουν έναρξη ιονισμού των μορίων του αέρα από κρούσεις ηλεκτρονίων. Ο ιονισμός αυτός αποτελεί το πρώτο βήμα για την έναρξη μιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Το επόμενο βήμα είναι ο σχηματισμός ενός οχετού ο οποίος ακολουθεί (με σημαντικές όμως αποκλίσεις) τις γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου. Η εικόνα που δόθηκε για την τυπική μορφή ενός σύννεφου, είναι πολύ γενική, καθώς το ίδιο το σύννεφο μπορεί να περιέχει θύλακες ετερόσημων φορτίων έτσι ώστε να είναι δυνατόν η περιοχή μέγιστων εντάσεων του ηλεκτρικού πεδίου να κατευθύνεται προς κάποιο άλλο θύλακα ετερόσημου φορτίου ή ακόμα και προς κάποια περιοχή γειτονικού νέφους με επίσης ετερόσημο φορτίο. Ένας οχετός ακολουθώντας αυτή την κατεύθυνση θα προκαλέσει ηλεκτρική σύνδεση και εξουδετέρωση των δύο ετερόσημων φορτίων. Η εξουδετέρωση αυτή συνοδεύεται από έντονη λάμψη (αστραπή) και δυνατό θόρυβο (βροντή). Οι συνέπειές της όμως στο έδαφος περιορίζονται σε μια παροδική διαταραχή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που μπορεί να γίνει αισθητή σε δέκτες ραδιοφώνου, τηλεόρασης, τηλεπικοινωνιών, κλπ. Αν οι γραμμές μέγιστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος ο οχετός θα κατευθυνθεί προς αυτό. Ο μηχανισμός με τον οποίο προχωρεί ο οχετός αυτός, που ονομάζεται «οχετός προεκκένωσης», έχει διερευνυθεί αρκετά καλά τόσο από άμεσες παρατηρήσεις κεραυνών όσο και στο εργαστήριο. Η πρόοδος του πραγματοποιείται όπως ειπώθηκε με διαδοχικά βήματα, με μήκος το καθένα μερικά μέτρα ή δεκάδες μέτρα. Η μέση ταχύτητα προόδου του οχετού προεκκένωσης είναι τα 0,15 m/μs. Η ταχύτητα αυτή όσο κι αν φαίνεται τεράστια είναι μικρή σε σύγκριση με την ταχύτητα μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (και του φωτός) στο κενό που είναι τα 300 m/μs. Η φάση του οχετού επιστροφής: Η διαμήκης πτώση τάσης κατά μήκος του οχετού (πρίν αυτός συναντήσει το έδαφος) ποικίλει στις διάφορες θέσεις του (μικρότερη προς το σημείο έναρξης του οχετού), η μέση τιμή της όμως είναι μικρότερη από 0,1kV/cm. Έτσι, ο οχετός 19

20 προεκκένωσης εμφανίζεται περίπου σαν μια μεταλλική προεξοχή που επεκτείνεται από το σύννεφο προς το έδαφος. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον οχετό προεκκένωσης, και ιδίως στο προς το έδαφος άκρο του, είναι μεγάλη και υπερβαίνει κατά πολύ την πεδιακή ένταση που απαιτείται για ιονισμό από κρούσεις (30 kv/cm). Για αυτό το λόγο, ο οχετός περιβάλλεται διαρκώς από ένα μανδύα κορόνα που επεκτείνεται μερικά μέτρα γύρω από αυτόν. Το πάχος του μανδύα αυτού είναι μεγαλύτερο στο προς το έδαφος άκρο του οχετού και αυξάνει, όσο η κεφαλή του οχετού πλησιάζει το έδαφος. Όταν η κεφαλή του οχετού φτάσει σε μία απόσταση από το έδαφος τέτοια που η μέση πεδιακή ένταση να είναι περί τα 5 kv/cm, το τελευταίο αυτό μήκος γεφυρώνεται ολόκληρο από κορόνα και μετατρέπεται ταχύτατα (σε μs) επίσης σε οχετό. Με αυτό το τελευταίο βήμα, που ορίζεται σαν το «τελικό πήδημα», το φορτίο της περιοχής του νέφους από όπου άρχισε ο οχετός προεκκένωσης βρίσκεται, μέσω του οχετού προεκκένωσης, ημιαγώγιμα συνδεδεμένο με το έδαφος. Μέσα από την ημιαγώγιμη αυτή σύνδεση εκκενώνεται το φορτίο του νέφους με ένα μεγάλο ρεύμα (πολλές δεκάδες ή εκατοντάδες ka). Από το ρεύμα αυτό ο οχετός προεκκένωσης θερμαίνεται και αποκτά πολύ μεγαλύτερη λαμπρότητα (Σχήμα 2.5). Η θέρμανση του οχετού προεκκένωσης αρχίζει από το άκρο που αυτός συναντά το έδαφος και προχωρεί προς το σημείο εκκίνησής του με ταχύτητα μερικά δέκατα της ταχύτητας του φωτός, δηλαδή πολύ μεγαλύτερη από αυτή με την οποία προχωρεί ο οχετός προεκκένωσης. Η φάση αυτή με την οποία συμπληρώνεται η εκκένωση ονομάζεται «οχετός επιστροφής» και η εκκένωση του σύννεφου προς τη γή «κεραυνός». Σχ. 2.5: Τα βήματα σχηματισμού του οχετού επιστροφής. Διακρίνεται το κανάλι του οχετού προεκκένωσης και ο σχηματισμός κορόνα γύρω από αυτό[1]. 20

21 Η παραπάνω περιγραφή του κεραυνικού φαινομένου είναι εξιδανικευμένη και αφορά την περίπτωση που ένα σύννεφο βρίσκεται πάνω από απόλυτα επίπεδο έδαφος ή ήρεμη υδάτινη εππιφάνεια. Εξαιτίας των ανωμαλιών και προεξοχών του εδάφους το σημείο πρόσπτωσης του κεραυνού αποφασίζεται μόνο την τελευταία στιγμή όταν δηλαδή ο οχετός προεκκένωσης πλησιάσει σε τέτοια απόσταση από το έδαφος ώστε να υπάρξουν συνθήκες σύνδεσης του κατερχόμενου οχετού με κάποιο σημείο του εδάφους. Οι συνθήκες σύνδεσης πληρούνται όταν η μέση πεδιακή ένταση ανάμεσα στην κεφαλή του κατερχόμενου οχετού και του «σημείου προτίμησης» πέσει στα 5 kv / cm (με την προυπόθεση πως ο οχετός προεκκένωσης ξεκινά από περιοχή αρνητικού φορτίου). Η απόσταση στην οποία η πεδιακή ένταση πέφτει στην πιο πάνω τιμή ονομάζεται «απόσταση διασπάσεως» (striking distance). 2.4 Ρεύμα του κεραυνού και σχετικοί παράμετροι Όταν ένα αντικείμενο, όπως ένα κτήριο, μία γραμμή σε μια υπόγεια σήραγγα ή ένα αεροπλάνο που πετά, χτυπηθεί από ένα κεραυνό, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Έτσι από την άποψη της προστασίας από τους κεραυνούς, το ρεύμα αυτό αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική παράμετρο της εκκένωσης του κεραυνού. Το κύριο ρεύμα που συνοδεύει μία εκκένωση κεραυνού, οφείλεται στην εκκένωση αντίθετης φοράς. Το ηλεκτρικό φορτίο του κατερχόμενου οχετού εξουδετερώνεται από το αντίστοιχο ετερόσημο φορτίο της γης. Το φορτίο αυτό ρέει μέσα από τον αγωγό προεκκένωσης που έχει συνδέσει προηγουμένως το σύννεφο με την γη. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά τη ροή του φορτίου αυτού εξαρτάται κατά αρχήν από το μέγεθος του φορτίου του νέφους, αλλά επίσης και από την ταχύτητα με την οποία διαδίδεται η εκκένωση αντίθετης φοράς, μέσα από τον ήδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. Οι θετικοί κεραυνοί παρουσιάζουν συχνά υψηλότερες τιμές ρεύματος από τους αντίστοιχους αρνητικούς. Μια ενδιαφέρουσα παράμετρος εκτός από τη μέγιστη τιμή του ρεύματος, είναι και η διάρκεια ροής μιας ορισμένης έντασης ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάρκεια τόσο 21

22 μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στην αντίσταση που διαρρέει και κατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερη η ελκυόμενη θερμότητα, αφού είναι ανάλογη του. Για το λόγο αυτό κεραυνοί με μεγάλη διάρκεια ρεύματος, έστω και αν η μέγιστη τιμή του ρεύματος δεν είναι πολύ υψηλή, ονομάζονται θερμοί σε αντίθεση με άλλους που μπορεί να αναπτύσσουν μεγάλα ρεύματα μικρής διάρκειας. Οι θερμοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι μόνον όταν προκύπτει θέμα πυρκαγιάς ή έκρηξης ενώ για τα ηλεκτρικά συστήματα πιο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί με μεγάλες εντάσεις και μικρή διάρκεια. 2.5 Φυσικά χαρακτηριστικά κεραυνού - εξομοίωση στο εργαστήριο Η εκκένωση του κεραυνού παρουσιάζει μεγάλη ομοιότητα με την εκκένωση μεγάλων διακένων που παράγονται σήμερα στο εργαστήριο. Το Σχήμα 2.6 προέρχεται από πειραματικά αποτελέσματα (Anderson και Tangen, 1968), και δείχνει τη μεταβολή της τάσης διάσπασης, σε σχέση με το μήκος του διακένου, έχοντας σαν παράμετρο το λόγο H/D του ύψους του γειωμένου ηλεκτροδίου προς το μήκος του διακένου. Από το παρακάτω σχήμα, εξάγουμε μερικά χρήσιμα συμπεράσματα για την μελέτη των βημάτων τα οποία ακολουθεί η εκκένωση ενός κεραυνού. Η τάση διάσπασης για αρνητική πολικότητα είναι μεγαλύτερη από αύτη για θετική πολικότητα, επομένως οι καταπονήσεις που προέρχονται από θετικές εκκενώσεις (θετικούς κεραυνούς) είναι πιο δυσμενείς. Επίσης για σταθερό μήκος διακένου, η τάση διάσπασης μικραίνει για αρνητική πολικότητα και αυξάνεται για θετική, όσο το γειωμένο ηλεκτρόδιο γίνεται ψηλότερο. Επομένως για εγκαταστάσεις αρκετά μεγάλου ύψους συγκρινόμενου με την απόσταση διάσπασης, η τάση διάσπασης θα είναι μικρότερη και επομένως το διάκενο εγκατάστασης - σύννεφου θα έχει μικρότερη αντοχή. 22

23 Σχ. 2.6: Κρουστική τάση διάσπασης χειρισμών για διάκενα ράβδου-πλάκας. (Anderson και Tangen, 1968) [1] Μια τρίτη παρατήρηση είναι ότι η κλίση των καμπυλών φαίνεται να πλησιάζει σε κάποιο ανώτατο όριο όσο το μήκος του διακένου μεγαλώνει. Πάντως η μέση μεταβολή της τάσης, ορίζεται σαν λόγος της τάσης διάσπασης, προς την απόσταση διάσπασης και είναι περίπου 5kV/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 κατά 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 αππο 3 μέχρι 50 m. 23

24 στον ίδιο σταθμό παρατηρήθηκε πως ο θετικός οχετός (κατερχόμενος ή ανερχόμενος) δεν παρουσιάζει ευδιάκριτα βήματα και ότι προχωρεί με ταχύτητα 0.24 m/s. Σχ. 2.7: Σχηματική παράσταση ενός κεραυνού, όπως φαίνεται το σημείο σύνδεσης του αρνητικού κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης και του συνδετικού οχετού. Διακρίνονται οι πολλαπλοί ανερχόμενοι οχετοί. [1] 2.6 Συνέπειες πληγμάτων Θερμικές συνέπειες Τα θερμικά αποτελέσματα του πλήγματος εξαρτώνται όχι μόνον από το εύρος του ρεύματος αλλά και από τη διάρκεια ροής του. Παραδείγματα τέτοιων συνεπειών είναι η αύξηση της θερμοκρασίας αγωγών, ο κίνδυνος να τρυπηθεί ένα μεταλικό φύλλο και η θραύση μονοτικών υλικών που περιέχουν ίχνη υγρασίας. 24

25 2.6.2 Μηχανικές συνέπειες Οι μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: Αυτές που αφορούν το κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής. Αυτές που αφορόυν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς όταν διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού Παραδείγματα τέτοιων συνεπειών είναι η ανύψωση κεραμιδιών κατοικιών και οι ελκτικές δυνάμεις ανάμεσα σε παράλληλους αγωγούς οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού Ηλεκτρικές συνέπειες Η κύρια ηλεκτρική συνέπεια είναι η εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί κάτω από διάφορες συνθήκες. Για παράδειγμα αν ένα πλήγμα κερανού συμβεί σε κοντινή απόσταση από μια υπαίθρια αποθήκη με μεταλλική οροφή, η τελευταία θα βρεθεί σε διαφορά δυναμικού ως προς τη γη η οποία είναι ικανή να προκαλέσει εσωτερική διάσπαση. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΕΥΤΕΡΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 1. Πυργιώτη, Ελευθερία, 2014, Προστασία κατασκευών από κεραυνούς. Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. 2. Golde, R., 1978, LIGHTNING Volume I: Physics of Lightning, Academic Press

26 3. ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ - ΠΥΛΩΝΕΣ - ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ 3.1 Εισαγωγή Ο σκοπός της παρούσας ενότητας είναι η βασική ανάλυση των γραμμών μεταφοράς και των αντίστοιχων πυλώνων και των μονωτήρων που αποτελούν επιμέρους τμήματα της διάταξης που εξετάζεται. 3.2 Γραμμές μεταφοράς Οι γραμμές μεταφοράς αποτελούν τις αρτηρίες των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα καλά σχεδιασμένο και με υψηλή ικανότητα μεταφοράς σύστημα γραμμών μεταφοράς επιτρέπει τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις[1] Κυκλωματικό μοντέλο γραμμής μεταφοράς Η επιπόλαιη υπόθεση ότι το κυκλωματικό μοντέλο της γραμμής μεταφοράς είναι απλό είναι λανθασμένη διότι υπάρχουν τρία ηλεκτρικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία των γραμμών μεταφοράς και δεν μπορούν να αγνοηθούν[1]: Οι τάσεις σειράς που επάγονται στους αγωγούς και προκαλούνται από τα μαγνητικά πεδία που τους περιβάλλουν. Τα εγκάρσια ρεύματα διαρροής μεταξύ των αγωγών που προκαλούνται από τα ηλεκτρικά πεδία που υπάρχουν στο χώρο μεταξύ των αγωγών. Η ωμική αντίσταση του υλικού των αγωγών. 26

27 Για να ενσωματωθούν αυτά τα τρία φαινόμενα στην παράσταση μιας γραμμής μεταφοράς, θα πρέπει να είναι γνωστά τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της. Αυτά αποδεικνύεται ότι μπορούν να εκφραστούν αντίστοιχα μέσω των εξής τριών παραμέτρων γραμμής[1]: Εν σειρά επαγωγή L, σε Η/m Εγκάρσια χωρητικότητα C, σε F/m Εν σειρά αντίσταση R, σε Ω/m Οι παράμετροι αυτές είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες καθ όλο το μήκος της γραμμής και στις περισσότερες πρακτικές περιπτώσεις εκφράζονται ανά μονάδα μήκους και ανά φάση της γραμμής Τύποι αγωγών Όλες ουσιαστικά οι εναέριες γραμμές μεταφοράς χρησιμοποιούν αγωγούς αλουμινίου λόγω του ότι έχουν χαμηλό κόστος, πολύ καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και είναι ελαφριοί. Χρησιμποιούνται οι εξής τύποι αγωγών[1]: Αγωγοί εξ ολοκληρου από αλουμίνιο (All- aluminium conductors, AAC) Αγωγοί εξ ολοκλήρου αοπό κράμα αλουμινίου (All-aluminium-alloy conductors, AAAC) Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με χάλυβα (Aluminium conductors, steel-reinforced, ACSR) Αγωγοί αλουμινίου ενισχυμένοι με κράμα (Aluminium conductors, alloy-reinforced, ACAR) 27

28 3.3 Πυλώνες Αφού στην εργασία αυτή υπολογίζονται οι επαγόμενες τάσεις σε υπόγειο αγωγό υδρογονανθράκων που προκαλούνται από κεραυνικό πλήγμα στην κορυφή του κεντρικού πυλώνα της διάταξης, κρίνεται σκόπιμο να γίνει μια αναφορά στη συμπεριφορά ενός πυλώνα όταν πλήττεται από κεραυνό Καταπόνηση πυλώνων από κεραυνούς [2] Αν στην κορυφή ενός πύργου-πυλώνα εφαρμοστεί ένα κύμα εντάσεως εύρους Ι και ολόκληρο το ρεύμα αυτό διοχετευθεί στη γη μέσω της αντίστασης γείωσής του, R, ο πυλώνας θα βρεθεί στιγμιαία περίπου στην τάση 2ΙR. Αν γίνει όμως αυστηρότερη εφαρμογή της θεωρίας των οδευόντων κυμάτων προκύπτει πως το συμπέρασμα αυτό ισχύει για κύματα ρεύματος με διάρκεια μετώπου σημαντικά μεγαλύτερη από τον χρόνο διπλής διαδρομής «τ» του ύψους του πύργου από το οδεύον κύμα. Για κύματα με πολύ απότομο μέτωπο η μέγιστη τάση που εμφανίζεται στην κορυφή του πύργου είναι ανεξάρτητη από την αντίσταση γείωσής του και κατά κανόνα πολύ υψηλότερη από την τιμή 2IR. Για το λόγο αυτό, ρεύματα κεραυνών με πολύ απότομο μέτωπο είναι ιδιαίτερα επικίνδυνα για τις γραμμές μεταφοράς με σχετικά υψηλούς πύργους. Για την κατανόηση του φαινομένου θεωρείται η παρακάτω απλουστευμένη μορφή ενός πυλώνα: Σχ. 3.1: Καταπόνηση της μόνωσης υψηλών πύργων από κεραυνούς με απότομο μέτωπο[2] 28

29 Θεωρούμε ότι ο πύργος-πυλώνας έχει κυματική αντίσταση σταθερή σε όλο το ύψος του. Αν στην κορυφή του πύργου προσπέσει τριγωνικό κύμα έντασης με κλίση μετώπου α (ka/μs), όταν στην κορυφή του πύργου φτάσει μια ανάκλαση που αντιστοιχεί σε στιγμιαία ένταση i=αt, το ρεύμα σε αυτή τη θέση θα έχει ήδη αποκτήσει την τιμή i+2ατ = α(t+2τ) και η τάση που θα αναπτυχθεί στην κορυφή του πύργου από την συμβολή προσπίπτοντος και ανακλώμενου κύματος θα είναι: R 2R U a( t 2 ) t t 2 R 1 R / Z Από τις πιο πάνω σχέσεις φαίνεται πως αν η κλίση, α, του μετώπου του ρεύματος του κεραυνού είναι μικρή, ο χρόνος, t, που χρειάζεται το ρεύμα i=αt στην κορυφή του πύργου για να αποκτήσει αξιόλογη τιμή θα είναι κατά πολύ μεγαλύτερος από τον χρόνο διπλής διαδρομής, 2τ. Έτσι, η συνιστώσα ρεύματος 2ατ μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα σε σύγκριση με την συνιστώσα at. Για πολύ μικρό α μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα και η συνιστώσα τάσεως 2ατ σε σύγκριση με την 2R t παρόλο που η μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από την R. Σε αυτήν 1 R / την περίπτωση (πολύ μικρή κλίση μετώπου) η τάση U που αναπτύσσεται στην κορυφή του πύργου μπορεί να θεωρηθεί κατά προσέγγιση ίση με: U 2R t 1 R / Z και κατά τον χρόνο Τ (διάρκεια μετώπου) που η ένταση φθάνει την μέγιστη τιμή της Ι = at, η τάση στην κορυφή του πύργου θα γίνει: V 2R I 1 R/ Z, ή για R<< έχουμε: V = 2IR. Αντίθετα για μεγάλη κλίση μετώπου (μεγάλο α) η τάση αt που αναπτύσσεται στην κορυφή του πύργου παίρνει μεγάλες τιμές πριν από την άφιξη ανακλάσεως από την κορυφή του. Αν 29

30 μάλιστα η διάρκεια του μετώπου του ρεύματος του κεραυνού είναι μικρότερη από την διάρκεια της διπλής διαδρομής 2τ, στην κορυφή του πύργου θα εμφανιστεί η τάση V = I, όπου Ι το εύρος του ρεύματος του κεραυνού. Από τα ανωτέρω γίνεται φανερό πως ανάλογα με την κλίση του μετώπου του ρεύματος του κεραυνού, η τάση που αναπτύσσεται στην κορυφή του πύργου μπορεί να κυμαίνεται από μια τιμή περίπου ίση με 2ΙR μέχρι την τιμή I. Τονίζεται πως το Ι δεν είναι το ρεύμα του κεραυνού αλλά αυτό που διαρρέει τον πύργο συνολικά και που γενικά είναι σημαντικά μικρότερο από το πρώτο. ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ Α) Κατά την μελέτη των φαινομένων ανακλάσεως στον πύργο έγινε δεκτό πως ο πύργος παρουσιάζει καθ όλο το μήκος του σταθερή κυματική αντίσταση. Αυτό δεν είναι σωστό. Ο πύργος δεν είναι ομογενής γραμμή και κατά συνέπεια δεν μπορεί να του αποδοθεί μια σταθερή - σε όλο το μήκος του - κυματική αντίσταση. Το μέγεθος του πύργου που παρομοιάζει με αυτό που ονομάζουμε κυματική αντίσταση μεταβάλλεται από θέση σε θέση του πύργου και μάλιστα κατά τρόπο ασυνεχή, έτσι που να καταφθάνουν στην κορυφή του ανακλάσεις πολύ πριν φθάσει η τελική ανάκλαση από την βάση του. Β) Η αντίσταση R δεν παρουσιάζει κι αυτή μια σταθερή τιμή, αλλά εξαιτίας αυτεπαγωγών και χωρητικοτήτων που είναι αλληλένδετες με αυτή, αποκτά την τιμή R μόνο μετά την πάροδο μιας μεταβατικής περιόδου. Γ) Όπως αναφέρθηκε, ο χρόνος διαδρομής του πύργου αποκτά σημασία μόνο για ρεύματα με πολύ απότομο μέτωπο. Όταν όμως ένας κεραυνός πλήξει έναν αγωγό προστασίας το φαινόμενο κορόνα που συνοδεύει το κύμα τάσεως μέχρι να φθάσει στον πύργο έχει σαν συνέπεια να μειώνει την κλίση του μετώπου και έτσι κύματα που φθάνουν στον πύργο μέσα από έναν αγωγό προστασίας δεν έχουν, κατά κανόνα, επικίνδυνα απότομο μέτωπο. Μόνο πλήγματα πολύ κοντά στην κορυφή ενός πύργου μπορούν να αναπτύξουν κύματα με επικίνδυνα απότομο μέτωπο. 30

31 3.4 Μονωτήρες Υψηλής Τάσης [3] Οι μονωτήρες υψηλής τάσης αποτελούν βασικά δομικά στοιχεία ενός συστήματος Μεταφοράς και Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας. Πρόκειται για εξοπλισμό σχετικά χαμηλού κόστους, που όμως επηρεάζει σημαντικά την αξιοπιστία του συστήματος. Αξίζει να αναφερθεί ότι μια ενδεχόμενη αστοχία σε ένα και μόνο μονωτήρα αρκεί για να θέσει εκτός λειτουργίας μια Γραμμή Μεταφοράς. Συνεπώς η αξιόπιστη συμπεριφορά των μονωτήρων αποτελεί βασική προϋπόθεση για την λειτουργία των Σ.Η.Ε. (Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας). Η ηλεκτρική μόνωση των δικτύων Μεταφοράς και Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας βασίζεται σε σημαντικό βαθμό στην μονωτική ικανότητα του αέρα, ο οποίος δεν κοστίζει και επιπλέον έχει την ικανότητα ανάκτησης της μονωτικής συμπεριφοράς μετά από μια διάσπαση. Έτσι μειώνεται σημαντικά το κόστος κατασκευής όσο και λειτουργίας των δικτύων. Για την δημιουργία όμως διακένων αέρος, επιβάλλεται η χρήση διατάξεων ικανών να διατηρήσουν τον ηλεκτρικό διαχωρισμό των αγωγών Υψηλής Τάσης, δεδομένου ότι ο αέρας δεν μπορεί να εξασφαλίσει την απαραίτητη μηχανική υποστήριξη. Οι διατάξεις αυτές κατασκευάζονται από στερεά μονωτικά υλικά και είναι γνωστές ως Μονωτήρες Υψηλής Τάσης. Για τη λειτουργία του μονωτήρα ενδιαφέρουν τόσο η ηλεκτρική όσο και η μηχαμική συμπεριφορά: Ηλεκτρική συμπεριφορά Η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός μονωτήρα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το χρησιμοποιούμενο διηλεκτρικό(πορσελάνη, γυαλί, Silicone Rubber κτλ). Σε κάθε περίπτωση όμως πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ των ιδιοτήτων του όγκου και της επιφάνειας. Ηλεκτρική διάσπαση στον όγκο του υλικού: Διάτρηση Ηλεκτρική διάσπαση στην επιφάνεια του υλικού: Υπερπήδηση 31

32 Μηχανική συμπεριφορά Η μηχανική συμπεριφορά ενός μονωτήρα έχει επίσης ιδιαίτερη σημασία για την λειτουργία του. Μια ενδεχόμενη αστοχία της μηχανικής ακεραιότητας ενός μονωτήρα συνήθως συνεπάγεται πολύωρη διακοπή της λειτουργίας, ενώ πτώση του αγωγού μπορεί να οδηγήσει σε επιπλέον προβλήματα. Αξίζει να αναφερθεί ότι για το λόγο αυτό σε Γραμμές Μεταφοράς που διασχίζουν δρόμους χρησιμοποιούνται διπλοί μονωτήρες, ώστε στο ενδεχόμενο μηχανικής αστοχίας να αποφευχθεί η πτώση του αγωγού. Σχ. 3.2: Μονωτήρας Υψηλής Τάσης[4] 32

33 3.4.1 Βασικοί Ορισμοί [3] -Μήκος ερπυσμού: Η απόσταση σε mm πουπαρεμβάλλεται μεταξύ των μεταλλικών άκρων ενός μονωτήρα ακολουθώντας το προφίλ του και εξαιρώντας τα ενδιάμεσα μεταλλικά τμήματα. -Αξονικό μήκος: Ορίζεται ως η κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των άκρων του μονωτήρα. -Θρυμματισμός: Ο θρυμματισμός παρατηρείται στην περίπτωση μονωτήρων από γυαλί, ως αποτέλεσμα της καταπόνησης από ένα ηλεκτρικό τόξο ή λόγω βανδαλισμού. Το μονωτικό υλικό θρυμματίζεται, ενώ είναι σημαντικό το ότι διατηρείται η μηχανική ακεραιότητά τους. -Επιφανειακή διάβρωση: Παρατεταμένη επιφανειακή δραστηριότητα μπορεί να οδηγήσει στην επιφανειακή διάβρωση μονωτήρων από γυαλί, με αποτέλεσμα την μερική καταστροφή της επιφάνειας ως και τη συνολική καταστροφή του μονωτήρα. Στην περίπτωση των συνθετικών μονωτήρων μπορεί επίσης να παρατηρηθεί επιφανειακή διάβρωση με αποτέλεσμα την αποκάλυψη του πυρήνα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΤΡΙΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 1. Γιαννακόπουλος, Γ., Βοβός, Α., 2008, Εισαγωγή στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 2. Πυργιώτη, Ε., Υψηλές Τάσεις, Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών. 3. Πυργιώτη, Ε., Μονωτήρες Υψηλής Τάσης, Πάτρα: Εργαστήριο Υψηλών τάσεων uploaded by P1ayer, released to public domain by author Adrian Pringstone 33

34 4 ΑΓΩΓΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ / ΑΕΡΙΟΥ 4.1 Εισαγωγή [1] Η μεταφορά με σωληναγωγούς ορίζεται ως η μεταφορά αγαθών μέσω σωλήνα. Μπορούν να μεταφερθούν υγρά και αέρια, αλλά ακόμη και στερεές κάψουλες (πνευματικοί σωλήνες). Αναφορικά με τα υγρά και τα αέρια αγαθά, κάθε χημικά σταθερή ουσία μπορεί να μεταφερθεί μέσω ενός τέτοιου συστήματος αγωγού. 4.2 Κατηγορίες αγωγών με βάση τη μεταφερόμενη ουσία [1] Σχ. 4.1: Υπόγειος αγωγός μεταφοράς φυσικού αερίου [2] Πετρελαίου και φυσικού αερίου: Οι αγωγοί μεταφοράς κατασκευάζονται από ατσάλινους ή πλαστικούς σωλήνες με εσωτερική διάμετρο που κυμαίνεται από mm. Οι αγωγοί πετρελαίου ή φυσικού αερίου θάβονται σε βάθος από 0,91m εώς 1,83m. Για την προστασία τους από κρούσεις, φθορές λόγω τριβής και διαβρώσεις χρησιμοποιούνται ποικίλες μέθοδοι όπως ξύλινα καλύμματα, περιβλήματα από τσιμέντο ή/και πέτρες, πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας, και πρόσθετες επενδύσεις με άμμο ή ειδικά μηχανήματα. Η συνεχής κίνηση του πετρελαίου εξασφαλίζεται από ειδικούς σταθμούς άντλησης κατά μήκος του αγωγού και η ταχύτητα ροής κυμαίνεται από 1m/s εώς 6m/s. Όσον αφορά το φυσικό αέριο, οι σωληναγωγοί μεταφοράς κατασκευάζονται από ανθρακούχο χάλυβα και η διάμετρός τους ποικίλει σε μέγεθος από 51 έως 1.500mm, ανάλογα με τον τύπο του αγωγού. Το φυσικό αέριο συμπιέζεται σε ειδικούς σταθμούς συμπίεσης και είναι άοσμο 34

35 εκτός αν αναμειχθεί με μερκαπτάνη (υλικό οσφρητικής αναγνώρισης) λόγω απάιτησης της εκάστοτε ρυθμιστικής αρχής. Σχήμα 4.2: Υπέργειος αγωγός μεταφοράς φυσικού αερίου [3] Αμμωνίας Βιοκαυσίμων Γαιάνθρακα και ορυκτών Υδρογόνου Νερού Αλκοολούχων και μη ποτών 4.3 Κατηγορίες αγωγών με βάση το σκοπό χρήσης [1] Συλλεκτήριοι Αγωγοί: Ομάδα από μικρότερους διασυνδεδεμένους αγωγούς που σχηματίζουν σύνθετα δίκτυα και αποσκοπούν στη μεταφορά αργού πετρελαίου ή φυσικού αερίου από πολλά γειτονικά πηγάδια σε ένα εργοστάσιο επεξεργασίας. 35

36 Αγωγοί Μεταφοράς: Έχουν μεγάλο μήκος και διαμέτρο και μεταφέρουν προϊόντα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, πετρελαϊκά υποπροϊόντα) μεταξύ πόλεων, χωρών ακόμη και ηπείρων. Αυτα τα δίκτυα μεταφοράς περιλαμβάνουν διάφορους σταθμούς είτε συμπίεσης στους αγωγούς φυσικού αερίου, είτε άντλησης στους αγωγούς μεταφοράς πετρελαίου. Αγωγοί Διανομής: Αποτελούνται από πολλούς διασυνδεδεμένους αγωγούς μικρής διαμέτρου, που χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν τα προϊόντα στον τελικό καταναλωτή. Περιλαμβάνουν δηλαδή τις γραμμές τροφοδοσίας που διανέμουν το φυσικό αέριο σε σπίτια και επιχειρήσεις. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν και οι τερματικοί αγωγοί για την διανομή προϊόντων σε δεξαμενές και εγκαταστάσεις αποθήκευσης. 4.4 Κατασκευή Σωληναγωγών [1] Κατά την κατασκευή ενός σωληναγωγού μεταφοράς το αντίστοιχο σχέδιο καλύπτει όχι μόνο το καθαρά κατασκευαστικό κομμάτι τοποθέτησης του αγωγού και κατασκευής των σταθμών άντλησης και των σταθμών συμπίεσης, αλλά επίσης καλύπτει το σχεδιασμό για την εγκατάσταση των επιτόπιων οργάνων που επιτυγχάνουν τον απομακρυσμένο έλεγχο του αγωγού. Η διαδρομή που ακολουθεί ο αγωγός είναι γνωστή με το όνομα «δικαίωμα πορείας». Γενικά οι σωληναγωγοί αναπτύσσονται και κατασκευάζονται ακολουθώντας τα επόμενα βήματα: Ανοιχτός διαγωνισμός για όποιον επιθυμεί να έχει την ευκαιρία να αποκτήσει μέρος των διακιωμάτων του αγωγού Επιλογή της διαδρομής Σχεδιασμός σωληναγωγού Απόκτηση άδειας από τις ρυθμιστικές αρχές 36

37 Επίβλεψη της διαδρομής Καθαρισμός της διαδρομής Εργασίες διάνοιξης τάφρων της κυρίας οδού και των διασταυρώσεων (με δρόμους, σιδηρόδρομους, άλλους αγωγούς, κλπ). Εγκατάσταση του αγωγού Εγκατάσταση διασταυρώσεων, βαλβίδων κλπ. Επικάλυψη αγωγού και τάφρων Δοκιμές στον αγωγό 4.5 Τεχνολογία κατασκευής σωληναγωγών [1] Τα δίκτυα αγωγών μεταφοράς αποτελούνται από πολλά κομμάτια εξοπλισμού τα οποία λειτουργούν μαζί για να μεταφέρουν προϊόντα από μια τοποθεσία σε μια άλλη. Τα κύρια στοιχεία ενός συστήματος σωληναγωγών είναι: Σταθμοί αρχικής έγχυσης: Γνωστοί επίσης και ως σταθμοί τροφοδοσίας, αποτελούν την αρχή του συστήματος όπου το προϊόν εκχύνεται μέσα στη γραμμή. Σε αυτές τις τοποθεσίες συνήθως βρίσκονται αποθηκευτικές εγκαταστάσεις, αντλίες και συμπιεστές. Σταθμοί Συπμπιεστών και Αντλιών: Αντλίες ή συμπιεστές που μεταφέρουν υγρά ή αέρια (αντίστοιχα) είναι τοποθετημένες κατά μήκος του αγωγού με σκοπό να κινούν το προϊόν μέσα στον αγωγό. Η τοποθεσία αυτών των σταθμών καθορίζεται από την τοπογραφία του εδάφους, των τύπο του προϊόντος που μεταφέρεται ή τις λειτουργικές συνθήκες του δικτύου. Σταθμοί Μερικής Παράδοσης: Γνωστοί επίσης ως «ενδιάμεσοι σταθμοί», αυτές οι εγκαταστάσεις επιτρέπουν στον χειριστή του αγωγού να διανέμει μέρος του προϊόντος που μεταφέρει ο αγωγός. Σταθμοί Βαλβίδων Μπλοκαρίσματος: Αυτοί αποτελούν την πρώτη γραμμή προστασίας των σωληναγωγών. Μέσω των βαλβίδων αυτών ο χειριστής μπορεί να απομονώσει οποιοδήποτε τμήμα της γραμμής του αγωγού για εργασίες συντήρησης ή για να απομονώσει κάποια ρωγμή ή διαρροή. Οι σταθμοί αυτοί συνήθως τοποθετούνται κάθε 32 με 48 km, ανάλογα με 37

38 τον τύπο του αγωγού (αυτή είναι η συνήθης πρακτική κυρίως για αγωγούς που μεταφέρουν ρευστά). Η επιλογή της τοποθεσίας τους εξαρτάται αποκλειστικά από την φύση του μεταφερόμενου προϊόντος, την διαδρομή που ακολουθεί ο αγωγός και/ή τις λειτουργικές συνθήκες της γραμμής. Ρυθμιστικοί Σταθμοί: Αποτελούν έναν ειδικό τύπο σταθμών βαλβίδων όπου ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να απελευθερώσει μέρος της πίεσης του αγωγού. Σταθμοί Τελικής Παράδοσης: Γνωστοί επίσης και ως τερματικοί σταθμοί, είναι οι τοποθεσίες όπου το προϊόν διανέμεται στους καταναλωτές. Έχουν τη μορφή μιας τερματικής δεξαμενής για αγωγούς μεταφοράς υγρών ή μιας τερματικής διασύνδεσης στο δίκτυο διανομής για αγωγούς μεταφοράς αερίων. 4.6 Έλεγχος λειτουργίας [1] Οι επιτόπιες συσκευές είναι όργανα, μονάδες συλλογής δεδομένων και συσκευές επικοινωνίας. Τα όργανα περιλαμβάνουν διακόπτες και μετρητές ροής, πίεσης και θερμοκρασίας, καθώς και σειρά άλλων οργάνων για την μέτρηση των σχετικών δεδομένων που απαιτούνται. Αυτά τα όργανα εγκαθίστανται κατά μήκος του αγωγού μεταφοράς σε συγκεκριμένες τοποθεσίες, όπως σταθμούς έγχυσης ή παράδοσης, σταθμούς άντλησης ή συμπίεσης, αλλά και σταθμούς βαλβιδών μπλοκαρίσματος. Τα δεδομένα που μετρώνται από αυτά τα επιτόπια όργανα, συγκεντρώνονται έπειτα στις τοπικές Απομακρυσμένες Τερματικές Μονάδες (ΑΤΜ ή RTU) που μεταφέρουν τα δεδομένα του πεδίου σε μια κεντρική τοποθεσία σε πραγματικό χρόνο, χρησιμοποιώντας συστήματα επικοινωνιών, όπως δορυφορικά κανάλια επικοινωνίας, μικροκυματικές συνδέσεις και συνδέσεις κινητής τηλεφωνίας. Οι σωληναγωγοί μεταφοράς ελέγχονται και λειτουργούνται εξ αποστάσεως από το ευρέως γνωστό «Δωμάτιο Κεντρικού ελέγχου». Σε αυτό το κέντρο, όλα τα δεδομένα που σχετίζονται με τις μετρήσεις που αφορούν τον αγωγό καταχωρούνται σε μια κεντρική βάση δεδομένων. Τα δεδομένα αυτά συλλέγονται από πολλαπλά RTU s κατά μήκος του αγωγού. Έπειτα παρουσιάζονται στο χειριστή του συστήματος μέσω του εξοπλισμού επικοινωνίας ανθρώπου - 38

39 μηχανής (π.χ. οθόνες), ώστε ο χειριστής να έχει μια εικόνα της λειτυργικής κατάστασης του αγωγού. Ο χειριστής μπορεί να παρακολουθεί τις υδραυλικές συνθήκες του αγωγού, αλλά και να στέλνει εντολές χειρισμού (άνοιγμα/κλεισιμο βαλβίδων, εκκίνηση/παύση αντλιών και συμπιεστών, κλπ) μέσω του συστήματος SCADA (εποπτικού ελέγχου και συλλογής πληροφοριών). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΤΕΤΑΡΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

40 5 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 5.1 Εισαγωγή Σκοπός της εργασίας είναι η ανάλυση των επαγόμενων υπερτάσεων σε έναν υπόγειο αγωγό μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου από κεραυνικό πλήγμα σε παρακείμενη γραμμή μεταφοράς Υ/Τ. Οι επαγόμενες αυτές υπερτάσεις, δύνανται να προκαλέσουν διάβρωση του αγωγού, γι αυτό απαιτούνται μέτρα προστασίας. Ωστόσο είναι δύσκολο να μετρηθούν οι επαγόμενες υπερτάσεις σε έναν πραγματικό υπόγειο αγωγό και έτσι επιλέχθηκε η προσομοίωση με το λογισμικό ATP-EMTP (Alternative Transients Program - Electromagnetic Transients Program). Η επιλογή αυτή έγινε διότι το πρόγραμμα εξομοίωσης ΑΤΡ-ΕΜΤΡ είναι ένα από τα πιο χρησιμοποιούμενα προγράμματα για την ψηφιακή εξομοίωση ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων, για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, διαθέτοντας μεγάλες δυνατότητες μοντελοποίησης. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε με σκοπό την προσομοίωση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και εξοπλισμού. 5.2 To λογισμικό ATP-EMTP Το ATP-EMTP αναλύει το σύστημα που θα του δοθεί στο πεδίο του χρόνου επιλύοντας τις διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων τα οποία απαρτίζουν το κύκλωμα ή το ηλεκτρικό δίκτυο. Οι διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων αυτών λύνονται από τον πυρήνα του προγράμματος αριθμητικά. Η ανάλυση του κυκλώματος, με επίλυση διαφορικών εξισώσεων, δίνει στο πρόγραμμα τη δυνατότητα να υπολογίζει όλα τα μεταβατικά φαινόμενα που θα εμφανιστούν σε αυτό. Φυσικά, αυτό δε σημαίνει ότι με το ΑΤΡ - ΕΜΤΡ υπολογίζονται μόνο μεταβατικές καταστάσεις αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ανάλυση κυκλωμάτων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. 40

41 Ο πυρήνας του προγράμματος αποτελείται από έναν μεταφραστή (compiler) που μεταφράζει τα κατάλληλα γραμμένα αρχεία εισόδου, σε αρχεία εξόδου-αποτελεσμάτων. Ο μεταφραστής υποστηρίζεται από άλλες εφαρμογές (υποστηρικτικά προγράμματα) που χρησιμεύουν στη διαδικασία κατασκευής των αρχείων εισόδου ή επεξεργασίας των αρχείων εξόδου. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκαν κυρίως δύο υποστηρικτικά προγράμματα: Το ATPDraw για το σχεδιασμό της διάταξης προς εξομοίωση, και το PlotXY για την απεικόνιση των γραφικών παραστάσεων. Σχ. 5.1: Περιβάλλον λειτουργίας του ATPDraw 41

42 Σχ. 5.2: Περιβάλλον λειτουργίας του PlotXY ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΕΜΠΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 1. EMTP for students, Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων Πανεπιστημίου Πατρών Πάτρα. 42

43 6 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟ ATP Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας έγινε τροποποίηση του μοντέλου που ανέπτυξε ο Νταλούκας Απόστολος στην εργασία του με τίτλο «ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ», βασιζόμενος στην εργασία του Παπαγιάννη Μάριου Παναγιώτη με τίτλο «ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΥΠΕΡΓΕΙΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ-ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΠΑΡΑΚΕΙΜΕΝΗ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ». Η τροποποίηση έγκειται στο ότι το μοντέλο αυτής της εργασίας αφορά υπόγειο αγωγό πετρελαίου ή φυσικού αερίου. 6.1 Εισαγωγή Τα τμήματα που συναποτελούν τη συνολική διάταξη είναι: Κρουστική γεννήτρια για την προσομοίωση του κεραυνού. Γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης 400kV. Πυλώνες του δικτύου μεταφοράς με τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια γείωσης. Μονωτήρες Υψηλής Tάσης. Υπόγειος αγωγός μεταφοράς φυσικού αερίου. Αλληλεπίδραση μεταξύ της γραμμής μεταφοράς Υ/Τ και του υπόγειου αγωγού φυσικού αερίου ή πετρελαίου. 43

44 6.2 Γεννήτρια προσομοίωσης κεραυνού Για την εξομοίωση του κεραυνικού πλήγματος πάνω στη γραμμή μεταφοράς Υ/Τ, χρησιμοποιήθηκε μια από τις ήδη υπάρχουσες πηγές του ATP-Draw, η πηγή Heidler type 15. Σχ. 6.1: Πηγή Heidler type 15 και τυπικός καθορισμός των παραμέτρων της.[12] Η πηγή Heidler έχει τιμές ρεύματος 100kA, τιμές χρόνων μετώπου και ουράς 1.2/50μs για το γρήγορο και 10/350μs για το αργό σήμα, ενώ ο χρόνος έναρξης και παύσης της γεννήτριας ήταν πάντα οι χρονικές στιγμές 0s και 1000s αντίστοιχα. Στην εξομοίωση θεωρήθηκε πως το κεραυνικό πλήγμα συμβαίνει στην κορυφή του πυλώνα Τ0 της διάταξης, σημείο από το οποίο διέρχονται και οι δύο αγωγοί προστασίας της γραμμής μεταφοράς. 6.3 Γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης 400kV Για το μοντέλο της παρούσας εργασίας, η προσομοίωση της γραμμής Υ/Τ διπλού κυκλώματος (δύο ισοδύναμα τριφασικά κυκλώματα) των 400kV προσεγγίζεται βάσει των αρχών που διέπουν το ελληνικό σύστημα. Για την προσομοίωση της γραμμής αυτής χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Line Cable Couple (LCC) στο πρόγραμμα ATP-Draw. Για την προσομοίωση της γραμμής, 44

45 λαμβάνονται τα δεδομένα από το ελληνικό δίκτυο[1]. Οι διατομές των αγωγών του μοντέλου είναι ίσες με 954MCM για τους αγωγούς φάσης και 520MCM για τους αγωγούς προστασίας. Με βάση τις σχέσεις: 1MCM = 0,5067 mm και 2 2 r υπολογίστηκαν οι ακτίνες των αγωγών: Αγωγός φάσης 1,24cm = 0,0124m Αγωγός προστασίας 0,9155cm = 0,009155m Από τα σχέδια των πυλώνων που στερεώνονται οι αγωγοί υπολογίστηκαν τα ύψη των καλωδίων της γραμμής μεταφοράς και μαζί με τις διατομές τοποθετήθηκαν ως παράμετροι του ATP-Draw για την προσομοίωση της γραμμής. Επιπλέον, συμπληρώθηκαν και παράμετροι για την πλήρη μοντελοποίηση όπως [2]: Αντίσταση DC των αγωγών της γραμμής Εσωτερική ακτίνα των αγωγών Πλήθος αγωγών που αντιστοιχεί σε μία φάση του κάθε κυκλώματος και απόσταση που τους χωρίζει Ύψος καλωδίων στο μέσο των πυλώνων, λαμβάνοντας υπόψη το βέλος κάμψης. Η ενσωμάτωση αυτών των δεδομένων της γραμμής μεταφοράς υλοποιήθηκε στην καρτέλα Data του Line Cable Couple μοντέλου όπως αναφέρεται κάτωθι. Αρχικά όμως ορίζονται κάποιες βασικές παράμετροι του μοντέλου. Για τη μοντελοποίηση της γραμμής μεταφοράς επιλέγεται το μοντέλο J.Marti ως το καλύτερο για τη εξέταση μεταβατικών φαινομένων[4], συνδυάζοντας παράλληλα 8 αγωγούς (δύο τριφασικά κυκλώματα και 2 αγωγούς προστασίας), μονάδες SI συστήματος, ρυθμίσεις που άπτονται του εύρους συχνοτήτων, επιλογές ενσωμάτωσης επιδερμικού φαινόμενου και μεγέθη όπως το μήκος του κάθε μέρους της γραμμής που προσομοιώνει το αρχείο LCC. Το αρχείο μοντελοποίησης της γραμμής μεταφοράς επιτρέπει την επιλογή μεταξύ: 45

46 Υπέργειας γραμμής μεταφοράς Καλωδίου ενιαίου πυρήνα Καλωδίου εγκλεισμένου σε σωλήνα Για την γραμμή μεταφοράς χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της υπέργειας γραμμής και οι αντίστοιχοι παράμετροι σημειώνονται στο Σχήμα 6.2. Σχ. 6.2: Γραμμή μεταφοράς και καθορισμός παραμέτρων [12] 46

47 Στο Σχήμα 6.3 αποτυπώνονται οι τιμές των δεδομένων με τις παραμέτρους που έχουν οριστεί για τους αγωγούς μεταφοράς. Σχ. 6.3: Καρτέλα Data για λεπτομέρειες της γραμμής μεταφοράς [12] Κάνοντας χρήση του View Model, εμφανίζεται η απεικόνιση των δεδομένων που εισάχθηκαν, για την επιβεβαίωση της διάταξης. Για τα δεδομένα της γραμμής που ορίστηκαν, η διάταξη φαίνεται στο Σχήμα

48 Σχ. 6.4: Καρτέλα View Model για απεικόνιση της θέσης των καλωδίων της γραμμής [12] Στην τρίτη καρτέλα καθορίζονται τα ονόματα των κόμβων όπως και ο χαρακτηρισμός αυτών ως μέρος του συνολικού μοντέλου για την καλύτερη διαχείριση αυτού (Σχήμα 6.5). 48

49 Σχ. 6.5: Καρτέλα Nodes για την κωδικοποίηση των καλωδίων στη γραμμή μεταφοράς [12] Στην εργασία έγινε χρήση 40 αρχείων LCC, μήκους 100m το καθένα προς εξομοίωση γραμμής μεταφοράς συνολικού μήκους 4km. Στο αριστερό μέρος της διάταξης τοποθετήθηκαν οι πηγές τάσης. Αφού η μοντελοποίηση αφορά γραμμή διπλού κυκλώματος, χρησιμοποιήθηκαν δύο τριφασικές πηγές εναλλασσόμενης τάσης των 400kV με start time -1s (δηλαδή πριν το κεραυνικό πλήγμα). Οι γεννήτριες έχουν αρχική γωνία φάσης 0 και είναι γειωμένες. Το μοντέλο των γεννητριών στο άκρο της γραμμής απεικονίζεται στο Σχήμα

50 Σχ. 6.6: Πηγές τάσης στην γραμμή μεταφοράς[12] Στο τελικό μέρος της διάταξης βρίσκεται το πέρας της γραμμής των 4km. Υπό συνθήκες φόρτισης, οι αγωγοί της γραμμής μεταφοράς τερματίζονται σε υπολογισμένες αντιστάσεις, οι τιμές των οποίων προέκυψαν μέσω της σχέσης: 2h Zo 60 ln r o που αναπαριστά ευθεία κυλινδρική γραμμή ακτίνας r 0, σε ύψος h πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο επίπεδο γης [3]. Ως ύψος h λογίζεται το μέσο ύψος των καλωδίων. Για τον υπολογισμό του μέσου ύψους χρησιμοποιήθηκε η σχέση: 50

51 2 h h o (βέλος κάμψης) 3 όπου για το βέλος κάμψης του ελληνικού συστήματος λαμβάνεται η τιμή 7.3m. Στον Πίνακα 6.1 παρατίθενται οι τιμές για τα μέσα ύψη των αγωγών. Πίνακας 6.1: Υπολογισμός μέσων υψών για αγωγούς φάσης και προστασίας. v. αγωγού Αρχικό ύψος(m) Μέσο ύψος(m) Βέλος Κάμψης(m) Μετά τον καθορισμό του μέσου ύψους και για ακτίνα r 0 = m των αγωγών φάσης, υπολογίζονται οι τιμές των αντιστάσεων προσαρμογής. Τα αποτελέσματα παρατίθενται στον Πίνακα 6.2. Πίνακας 6.2: Υπολογισμός αντιστάσεων προσαρμογής [12]. ν. αγωγού Αντιστάσεις Προσαρμογής (Ω)

52 Με την γνώση αυτών των τιμών, το αντίστοιχο μοντέλο στο EMTP απεικονίζεται στο Σχήμα 6.7. Σχ. 6.7: Αντιστάσεις φορτίου στα άκρα της γραμμής μεταφοράς[12] 52

53 6.4 Μοντέλο πυλώνων γραμμής μεταφοράς Υ/Τ Ο πυλώνας S15 της ΔΕΗ είναι αυτός που επιλέγεται για την μοντελοποίηση στο σύστημα της παρούσας εργασίας. Το ύψος του πυλώνα είναι 44,95m και το μέγιστο πλάτος 18,8m. Στο Σχήμα 6.8 απεικονίζεται ο εν λόγω πυλώνας. Σχ. 6.8: Πυλώνας γραμμών μεταφοράς. 53

54 Για την προσομοίωση μέσω του ATP-EMTP είναι απαραίτητη η χρήση ενός μοντέλου το οποίo έχει τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά [5]: χαμηλούς συντελεστές σύζευξης μεταξύ αγωγών προστασίας και αγωγών φάσης εξασθένιση και διασπορά των κυμάτων ρεύματος που διαδίδονται κατά μήκος του πυλώνα σταδιακή αυξομείωση της τάσης στους αγωγούς προστασίας των μονωτήρων (archon - flashovers) τιμές κορυφής των τάσεων των αγωγών προστασίας των μονωτήρων (archon-flashovers) που να κατέρχονται από την πάνω χωροταξικά φάση στην κάτω. Προκειμένου το μοντέλο εξομοίωσης του πυλώνα να έχει τα ανωτέρω χαρακτηριστικά, έγινε χρήση του μοντέλου πυλώνα που ανέπτυξε αρχικά ο A.Ametani[6], και βελτιώθηκε περαιτέρω, πέντε έτη αργότερα από την ομάδα των Hashimoto, Baba, Nagaoko και Itamoto υπό την καθοδήγηση πάλι του A. Ametani [5]. Το κυκλωματικό αυτό μοντέλο φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχ.6.9 Κυκλωματικό μοντέλο πυλώνα των Ametani, Hashimoto, Baba, Nagaoka και Itamoto [5],[6] 54

55 Για τον υπολογισμό των επιμέρους μεγεθών έγινε χρήση των σχέσεων: Ri Ri xi L i 2 R i όπου o 2 Z 1 1 R1 R t 2 R3 ln h x4 a1 2 Z 4 1 R t 4 ln h a4 h είναι ο χρόνος «μεταφοράς» του κύματος επί του πυλώνα, a1... a4 0,89 οι c συντελεστές εξασθένισης του κύματος κατά την διάδοση του στον πυλώνα, h το ύψος του πυλώνα με διαστάσεις x1 8, 75 m, x2 8,50 m, x3 8, 00 m, x4 19, 70m και co 300 m / s η ταχύτητα του φωτός στον κενό χώρο. Στο Πίνακα 6.3 παρατίθενται οι τιμές των αντιστάσεων ZT1 ZT 2 ZT 3, Z T 4 που απαιτούνται από την εξίσωση όσο και η αντίσταση γείωσης R f [6] από το Ιαπωνικό ΣΗΕ των 500kV που είναι πολύ κοντά στο ελληνικό των 400kV. Γίνεται αντιληπτό ότι το ηλεκτρόδιο γείωσης έχει γείωση R f. Πίνακας 6.3: Προτεινόμενες τιμές των κεραυνικών εμπεδήσεων/αντιστάσεων εξομοίωσης ενός πυλώνα γραμμής μεταφοράς [6]. 55

56 Ο υπολογισμός της χωρητικότητας C1 C T 1 (χωρητικότητα κορυφής πυλώνα) δίνεται από: όπου 2 h ό C T1 T Z T1 και VT 276 m / s. Βάσει των ανωτέρω τιμών υπολογίζονται οι τιμές των V επιμέρους παραμέτρων που συνθέτουν το μοντέλο για την περίπτωση που εξετάζεται και αντιστοιχούν στα δεδομένα του πυλώνα S15 του ελληνικού ΣΗΕ. Πίνακας 6.4: Αποτελέσματα υπολογισμών για τα στοιχεία του κυκλωματικού μοντέλου πυλώνα του Σχ 6.9 [12]. Παράμετρος Τιμή Παράμετρος Τιμή τ μs R Ω ΔR L μη ΔR L μη ΔR L μη R Ω L μη R Ω Rf 10 Ω R Ω τt μs ΔR CT μf Επίσης, όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, οι εμπεδήσεις και. πήραν τιμές: Βάσει των ανωτέρω τιμών, στο Σχήμα 6.10 απεικονίζεται το μοντέλο του πυλώνα με όλες τις παραμέτρους που περιγράφηκαν και ενσωματώθηκαν στο πρόγραμμα. Για όλο το μήκος της γραμμής μεταφοράς που είναι αντικείμενο εξέτασης έντεκα πυλώνες επιλέγονται για να καλύψουν το σύστημα των 4km. Πέριξ του κεντρικού πυλώνα Τ0 αναπτύχθηκαν πέντε πυλώνες εκατέρωθεν για την κάλυψη του συνολικού μήκους γραμμής. Ο συγκεκριμένος συνολικός αριθμός πυλώνων δικαιολογείται από το γεγονός ότι τα ρεύματα κατά 56

57 μήκος αυτών μειώνονται σημαντικά λόγω της απόστασης και δύναται να θεωρηθούν αμελητέα μετά από πέντε διατάξεις πυλώνων[7]. Σχ. 6.10: προστασίας[12] Κυκλωματικό μοντέλο πυλώνα όπου φαίνεται η σύνδεση με τους αγωγούς Όσον αφορά την επιλογή της γείωσης των πύργων, επιλέγεται η απλοποιημένη προσέγγιση μιας ωμικής αντίστασης. Η ακρίβεια του μοντέλου Amenani [5],[6] κρίνεται ικανοποιητική για τις ανάγκες της προσομοίωσης στην παρούσα εργασία, συνεπώς δεν υιοθετείται πιο συνθέτη προσέγγιση. Η τιμή που λαμβάνει η αντίσταση γείωσης είναι ίση με την τιμή R f όπως επιλέχθηκε ανωτέρω, συνεπώς λαμβάνει τιμή 10Ω. 57

58 6.5 Μονωτήρας υψηλής τάσης [8] Σε συνέχεια του μοντέλου του πυλώνα, έπεται η μοντελοποίηση των μονωτήρων. Το μοντέλο του μονωτήρα αποτέλεσε αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας του Α. Νταλούκα και δεν κρίνεται σκόπιμο να παρουσιαστεί λεπτομερώς σε αυτή την εργασία. Θα γίνει μόνο μια σύντομη αναφορά στη λογική λειτουργίας του. Το μοντέλο δέχεται ως δεδομένο εισόδου την τάση μεταξύ των δύο ακρότατων σημείων του μονωτήρα και το συγκρίνει με την παραμετρική τάση στην οποία ο μονωτήρας εμφανίζει υπερπήδηση. Όταν η τάση στα άκρα είναι μικρότερη από το όριο, το μοντέλο διατηρεί τη διάταξη του μονωτήρα. Αντίθετα, όταν η τάση είναι μεγαλύτερη, τότε κλείνει ο διακόπτης και υπάρχει βραχυκύκλωμα. Με άλλα λόγια, το μοντέλο χάνει τα χαρακτηριστικά του μονωτήρα. Το φαινόμενο της υπερπήδησης συμβαίνει όταν η διαφορά δυναμικού γίνει ίση ή μεγαλύτερη από την αντοχή του σε τυποποιημένες συνθήκες κεραυνών που ορίζονται ως VFO (kv). Παρακάτω φαίνεται η ενσωμάτωση των μονοτήρων σε πυλώνες και γραμμή μεταφοράς. Σχ. 6.11: Προσθήκη των μοντέλων του μονωτήρα 58

59 6.6 Υπόγειος αγωγός μεταφοράς φυσικού αερίου/πετρελαίου Η εξομοίωση του αγωγού φυσικού αερίου/πετρελαίου έγινε χρησιμοποιώντας κατάλληλο κυκλωματικό μοντέλο και εντάσσοντάς το στο περιβάλλον ATP-Draw του προγράμματος EMTP. Στο πλαίσιο αυτό υιοθετήθηκε το μοντέλο των Caulker, Ahmad και Mohamed [9] όπου θεωρείται ότι ο αγωγός αποτελεί σύνολο ηλεκτρικών στοιχείων που εμφανίζουν αντίσταση, χωρητικότητα και επαγωγή. Για την προσομοίωση του αγωγού χρησιμοποιήθηκε ένα μονοφασικό RLC Π-ισοδύναμο μοντέλο γραμμής και οι τιμές των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν προέκυψαν από μια σειρά μετρήσεων που διεξήχθησαν από τους προαναφερθέντες. Σχ. 6.12: Τμήμα του αγωγού κατά τη διάρκεια των μετρήσεων [9] 59

60 Τα τρία τμήματα μεταλλικού σωλήνα μετρήθηκαν μέσω οργάνων προς εύρεση του ηλεκτρικού τους ισοδύναμου (αντίσταση, χωρητικότητα και επαγωγή). Υπολογίστηκε ακολούθως ο μέσος όρος των τιμών αυτών προκειμένου να εξαχθεί το ανά μονάδα μήκους ισοδύναμο κύκλωμα του αγωγού. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παραθέτονται στον Πίνακα 6.5 όπου αναφέρεται και ο υπολογισμός των ανά μονάδα μήκους τιμών. Μήκος (cm) Διάμετρος (cm) L (μη) C(μF) R(Ω) Μέση Τιμή για 63cm αγωγού Αναγωγή για 1m αγωγού Πίνακας 6.5: Παράμετροι των σωλήνων που αποτελούν τμήματα του αγωγού[9] Μέσω χρήσης των παραμέτρων αυτών, γίνεται η προσομοίωση ενός αγωγού στο ATP-Draw του EMTP. Η ενσωμάτωση των παραμέτρων αυτών αποτυπώνεται στο ισοδύναμο κύκλωμα του Σχήματος Σχ. 6.13: RLC π-ισοδύναμο στο ATP-Draw και εισαγωγή των απαιτούμενων παραμέτρων[12] 60

61 Το μήκος του κάθε ισοδυνάμου είναι 100m, ώστε να υπάρχει πλήρης αντιστοιχία με τα LCC αρχεία που προσομοιώνουν τη γραμμή μεταφοράς. Έτσι, λαμβάνονται 40 στοιχεία RLC ισοδύναμου κυκλώματος προς κάλυψη του μήκους του αγωγού μεταφοράς, ο οποίος είναι παράλληλα στη γραμμή της τάσης των 4km. Η ενδεικτική απεικόνιση στο ATP-Draw παρατίθεται στο Σχήμα Σχ. 6.14: Κεντρικό τμήμα του αγωγού, ενσωματωμένο στο περιβάλλον του ATP-Draw[12] Τα άκρα του αγωγού μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου πρέπει να γειώνονται με μια αντίσταση της τάξης των Ω. Αν και η γείωση αυτή εκατέρωθεν του αγωγού κρίνεται απαραίτητη, δεν είναι απαραίτητη η δαπάνη μεγάλων χρηματικών ποσών για εργασίες μείωσης της αντίστασης γείωσης στα δύο άκρα του αγωγού [10]. Στην εργασία αυτή λαμβάνεται η προτεινόμενη από τον Ametani τιμή αντίστασης γείωσης R 10 [11]. Πέραν της γείωσης στα άκρα, υπάρχει και γείωση κατά μήκος του αγωγού. Γενικά για την προστασία των υπογείων αγωγών από τα ρεύματα κεραυνών απαιτείται η σύνδεση τους ανά 30m με το σύστημα γείωσης[13]. Στην παρούσα εργασία και δεδομένου ότι δεν εξετάζονται απλοί μεταλλικοί αγωγοί αλλά αγωγοί πετρελαίου, γίνεται για λόγους απλότητας η υπόθεση εργασίας ύπαρξης γείωσης ανά 400m και η τιμή της ορίσθηκε στα 10Ω. Επίσης για λόγους απλότητας οι γειώσεις θεωρήθηκαν κάθετα ηλετρόδια. Σημειώνονται δύο στοιχεία που αφορούν τον υπόγειο αγωγό μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου στην παρούσα μελέτη. Το βάθος τοποθέτησης του αγωγού είναι στo 1.5m, απόσταση του κέντρου του σωλήνα από το έδαφος με βάση τα όσα αναφέρθηκαν στην αντίστοιχη μελέτη ανάλυσης των υπογείων αγωγών. Επιπρόσθετα, οι υπόγειοι όπως και οι υπέργειοι αγωγοί μεταφοράς καλύπτονται με ειδικές επιστρώσεις. Οι επιστρώσεις αυτές έχουν σκοπό την μόνωση τους οπότε και επιδρούν άμεσα στην προστασία των αγωγών. Η προσομοίωση της συμπεριφοράς των επιστρώσεων του αγωγού είναι πολύπλοκη και δεν εξετάζεται στην παρούσα εργασία. g 61

62 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΚΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 1. Τσανάκας, Δ., Συμμετρικές συνιστώσες και ανάλυση σφαλμάτων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ξάνθη. 2. Καστανός, Γεώργιος., 20;;. Ανάλυση Υπερτάσεων από Εγκαταστάσεις Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε Δίκτυα Υψηλών Τάσεων με το EMTP (διπλωματική εργασία). Πάτρα. 3. I. A. Metwally (Sultan Qaboos University, College of Engineering, Department of Electrical and Computer Engineering, P.O. 33, Al-Khod, Muscat-123, Sultanate of Oman), and F. Heidler (University of the Federal Armed Forces Munich, Faculty of Electrical Engineering, EIT 7, Werner Heisenberg Weg 39, D Neubiberg, Germany), Mitigation of the produced voltages in AC overhead power-lines/pipelines parallelism during power frequency and lightning conditions, EUROPEAN TRANSACTIONS ON ELECTRICAL POWER Euro. Trans. Electr. 4. Akihiro,Ametani.,Naotsugu Uchida, Hiroshi Isogai, (Doshisha University Kyoto. Japan ), EMTP Simulations of Induced Voltages to an Underground Gas Pipeline and Its Contermeasures : 15th PSCC, Liege, August 2005, (Session 36, Paper 2). 5. Soh, Hashimoto., κ.α. (Doshisha University, Kyoto Japan). Naoki, Itamoto Hokuriku Electric Power Company. Toyama Japan. AN EQUIVALENT CIRCUIT OF A TRANSMISSION-LINE TOWER STRUCK BY LIGHTNING. 30th International Conference on Lightning Protection - ICLP 2010: Italy - September 13th - 17th, Ametani, Α., Fellow IEEE. /Kawamura, Τ., Fellow IEEE. A Method of a Lightning Surge Analysis Recommended in Japan Using EMTP. EEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 20, NO. 2, April Hui Yuan. κ.α. senior member IEEE and Lintao Wang, (State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing , China). Lightning Induced Voltage on the Underground Pipeline near Overhead Transmission Line. 62

63 8. Διπλωματική εργασία του Νταλούκα Αποστόλου με τίτλο «Μοντελοποίηση Μονωτήρων Υψηλής Τάσης», Παν. Πατρών., Caulker, C., Universiti Teknologi Malaysia / Institute of High Voltage and High Current, Johor Bahru, Malaysia. Effect of Lightning Induced Voltages on Gas Pipelines using ATP-EMTP Program. 2nd IEEE International Conference on Power and Energy (PECon 08), December 1-3, 2008, Johor Baharu, Malaysia. 10. Ametani, A., Baba, R., Doshisha University, Kyoto , Japan. Umemura, T., Hosokawa, A., Tokyo Gas Co. Tokyo , Japan. Induced Voltages on a Pipeline due to Electro-Magnetic and Static Coupling with a Power Line. Japan. 11. Ametani, Akihiro., Naotsugu Uchida, Hiroshi Isogai, Doshisha University Kyoto, Japan. EMTP Simulations of Induced Voltages to an Underground Gas Pipeline and Its Contermeasures. 15th PSCC, Liege, August 2005, Session 36, Paper 2. Japan. 12. Διπλωματική εργασία του Παπαγιάννη Μάριου-Παναγιώτη με τίτλο «Επαγόμενες υπερτάσεις σε υπέργειο αγωγό μεταφοράς φυσικού αερίου-πετρελαίου από κεραυνικό πλήγμα σε παρακείμενη γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης», Παν. Πατρών, Διπλωματική εργασία του Δεληγιάννη Αναστάσιου με τίτλο «Υπολογισμός Υπερτάσεων Λόγω Κεραυνών Σε Συνδέσεις Εναέριων Γραμμών -Υπογείων Καλωδίων», Παν. Πατρών,

64 7 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Υ/Τ ΣΤΟΝ ΥΠΟΓΕΙΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ Ή ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Το σημείο αυτό αποτελεί το βασικό αντικείμενο εξέτασης της παρούσας εργασίας και περιέχει το πλαίσιο της μοντελοποίησης της αλληλεπίδρασης της γραμμής μεταφοράς με ένα υπόγειο αγωγό μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Η επιλογή κοινών δρόμων όδευσης των αγωγών ηλεκτρισμού και υδρογονανθράκων αποτελεί σήμερα κοινή πρακτική. Άρα διαπιστώνεται παραλληλισμός, έμμεση προσέγγιση ή διατσταυρώσεις γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης με αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου ή πετρελαίου, υπέργειους και υπόγειους. Είναι συνεπώς σημαντική η ανάγκη μελέτης της ηλεκτρομαγνητικής επίδρασης επί του αγωγού φυσικού αερίου ή πετρελαίου από την γραμμή Υ/Τ. Η ιδιαιτερότητα της περίπτωσης που εξετάζεται συνίσταται στο γεγονός ότι μεταξύ αγωγού και γραμμής μεταφοράς μεσολαβεί τόσο ο αέρας όσο και το έδαφος αφού ο αγωγός που εξετάζεται είναι υπόγειος. Επομένως η ζεύξη του με τη γραμμή Υ/Τ διαφέρει από την περίπτωση του υπέργειου αγωγού. Ο αγωγός μεταφοράς φυσικού αερίου ή πετρελαίου δύναται να υπόκειται σε παρεμβολές προερχόμενες από τρία είδη σύζευξης που είναι τα εξής, [1]: Χωρητική σύζευξη Επαγωγική σύζευξη Ωμική σύζευξη 7.1 Χωρητική σύζευξη Η χωρητική σύζευξη επηρεάζει μόνο τους υπέργειους αγωγούς, διότι εμφανίζουν χωρητικότητα τόσο ως προς την γραμμή Υ/Τ όσο και ως προς την γή. Αντίθετα, οι υπόγειοι αγωγοί θωρακίζονται από το έδαφος στο οποίο είναι θαμμένοι και δεν επηρεάζονται από χωρητική σύζευξη [1]. 64

65 7.2 Επαγωγική σύζευξη Για να βρεθεί η επαγωγική σύζευξη έγινε σχετική βιβλιογραφική έρευνα και βρέθηκαν διάφορα άρθρα που προσπαθούν να προσεγγίσουν μαθηματικά την αμοιβαία σύνθετη αντίσταση Zm μεταξύ εναέριων και υπόγειων αγωγών. Ιστορικά, πρώτος ο Pollaczek το 1926 [3] αποτύπωσε μαθηματικές εκφράσεις για τον υπολογισμό των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων μέσα σε έδαφος που προκαλούνται από ένα θαμμένο ηλεκτρόδιο διαρρεόμενο από ρεύμα. Το 1927, ο Pollaczek [2] παρουσίασε μια διατύπωση για τον υπολογισμό της αμοιβαίας σύνθετης αντίστασης μεταξύ εναέριων και υπογείων συστημάτων μεταφοράς. Οι εξισώσεις του Pollaczek γενικοποιούνται στην ακόλουθη μορφή[4]: E1 ( y, z) m Z( i, k) J 0 j ( ) 0( mid ) 0( mid) F1 ( s)exp( jys) ds 2 exp F() s 1 h s m h s m i 2 k s m s m To πρόβλημα με τις εξισώσεις του Pollaczek έιναι ότι περιέχουν εξαιρετικά ασταθή ολοκληρώματα και δεν έχουν μια αναλυτική λύση κλειστού τύπου. Έκτοτε πολλοί προσπάθησαν να δώσουν αναλυτική λύση στην εξίσωση του Pollaczek λαμβάνοντας υπ όψην τις φυσικές παραμέτρους που διέπουν το πρόβλημα. Για παράδειγμα ο Lucca[5] διατύπωσε μια μαθηματική σχέση, εάν απλό τύπο κατά προσέγγιση για τον υπολογισμό της αμοιβαίας σύνθετης αντίστασης μεταξύ εναέριας γραμμής και υπόγειας 65

66 γραμμής, όπως μοντελοποιείται ο αγωγός μεταφοράς στην παρούσα μελέτη. Η γεωμέτρια του προβλήματος που εξέτασε ο Lucca φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχ. 7.1: Διάταξη υπόγειου και υπέργειου αγωγού κατά Lucca[5] όπου (x1,y1) και (x2,y2) ορίζονται οι θέσεις των δύο αγωγών πάνω και κάτω από το έδαφος. Η απλοποιημένη σχέση στην οποία κατέληξε ο Lucca η απόδειξη της οποίας ξεφεύγει από τα όρια αυτής της εργασίας είναι η εξής: Z m 2 2 j o R12 2y y 3 ln R12 3 R 12 όπου, R12 y1 y2, R12 y a a x2 x1, y y1 y2, ke j 0 e και jk e Όμως για να εφαρμοστεί ο τύπος του Lucca πρέπει να πληρούνται οι παρακάτω περιορισμοί: y1 0 e 0.5 y2 0 e 0.1 R12 0 e

67 Ο Uribe μεταξύ άλλων απλοποίησε τον τύπο του Lucca εισάγωντας τις παρακάτω αδιάστατες παραμέτρους[6],[7]: h 1 2, όπου p p j x h2 h1 h Σχ. 7.2: Διάταξη που μελετήθηκε από τον Uribe[6] Τα όρια στα οποία κυμαίνονται οι φυσικές παράμετροι και οι αδιάστατες παράμετροι δίνονται στους παρακάτω πίνακες. 67

68 Πίνακας 7.1.: Εύρος φυσικών παραμέτρων[6] Πίνακας 7.2.: Εύρος αδιάστατων παραμέτρων[6] Ο απλοποιημένος τύπος στον οποίο κατέληξε ο Uribe είναι ο παρακάτω: m j ln j με 1 2 j / Επιλογή τύπου για την προσομοίωση Στην παρούσα εργασία χρησιμοποίηθηκε για τον υπολογισμό της αμοιβαίας σύνθετης αντίστασης ο τύπος που προτείνεται από τον Ametani[4] που παρουσιάζει μεγαλύτερη 68