ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: Ασφαλής Σχεδίαση Συστήματος Γείωσης Φωτοβολταϊκού Πάρκου. Έλενα Μαυρομάτη - Κακάνα. Επιβλέπων καθηγητής: Π.Ν.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: Ασφαλής Σχεδίαση Συστήματος Γείωσης Φωτοβολταϊκού Πάρκου Έλενα Μαυρομάτη - Κακάνα Επιβλέπων καθηγητής: Π.Ν. Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη, 2012

2 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Ειδική αντίσταση εδάφους Χρήση του εδάφους σαν μέσο γείωσης [1] Παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση εδάφους [1] Επίδραση πεδιακής έντασης Επίδραση της μορφής της τάσης Επίδραση του μεγέθους του ρεύματος Επίδραση της θερμοκρασίας, της υγρασίας, της πίεσης και του χημικού περιεχομένου Είδος του εδάφους Πιθανές παρεμβάσεις για μείωση της ειδικής αντίστασης [1] Μέτρηση ειδικής αντίστασης εδάφους [1] Μέθοδος Wenner ή τεσσάρων σημείων Μοντέλα εδάφους [1] Ομοιογενές μοντέλο εδάφους Διστρωματικό μοντέλο εδάφους Πολυστρωματικό μοντέλο Σύγκριση μοντέλων μέτρησης ειδικής αντίστασης [1] Σχεδίαση συστημάτων γείωσης Περιπτώσεις κινδύνου ηλεκτροπληξίας Χαρακτηριστικά ρεύματος που καθορίζουν τον βαθμό βιολογικής βλάβης Επίδραση συχνότητας ρεύματος Επίδραση του μεγέθους και της διάρκειας του ρεύματος Αντίσταση ανθρώπινου σώματος Ανεκτά επίπεδα διέλευσης ρεύματος από το ανθρώπινο σώμα [1] Τάσεις που προκαλούν ηλεκτροπληξία στον άνθρωπο [1] Τάση επαφής Βηματική τάση Επιτρεπτά όρια τάσης [1] Υλικό επιφάνειας [1] Σύστημα γείωσης Είδη και μέθοδοι γείωσης [12] Είδη γειωτών [12] Υλικό ηλεκτροδίων γείωσης Επιλογή διατομής ηλεκτροδίων γείωσης [1] Αντίσταση γείωσης Υπολογισμός αντίστασης γείωσης [1] Υπολογισμός αντίστασης γείωσης όταν το σύστημα περιλαμβάνει ράβδους ενσωματωμένες σε μπετόν [1] Σφάλματα γης [1] 40 3

4 2.10 Προσδιορισμός μέγιστου ρεύματος πλέγματος γείωσης Γεωμετρία συστήματος γείωσης Διαδικασία σχεδίασης συστήματος γείωσης [1] 46 3.Βάσεις και θεμελίωση Φ/Β πάνελ Τρόποι στήριξης φωτοβολταϊκών πάνελ Είδη θεμελίωσης σταθερών βάσεων Πασσαλόμπηξη Βιδωτά θεμέλια Θεμελίωση με μπετόν Θεμελίωση με μεταλλικούς ορθοστάτες Βάσεις τοποθετημένες σε συστήματα παρακολούθησης της πορείας ήλιου (solar trackers) Θεμελίωση βάσεων ηλιοπαρακολουθητών με βιδωτά θεμέλια και μπετόν Επίδραση τρόπου θεμελίωσης Φ/Β βάσεων στην αντίσταση γείωσης Εισαγωγή Μελέτη φωτοβολταϊκού πάρκου Γείωση φωτοβολταϊκού πάρκου με βάσεις που θεμελιώνονται με ράβδους διαφορετικών διατομών Γείωση φωτοβολταϊκού πάρκου με βάσεις που θεμελιώνονται με μπετόν 82 5.Σχεδίαση συστήματος γείωσης Φ/Β πάρκου Σχεδίαση συστήματος γείωσης Μετρήσεις ειδικής αντίστασης Τιμές μετρήσεων φαινόμενης ειδικής αντίστασης Ομοιογενές μοντέλο εδάφους Μη ομοιογενές έδαφος, διστρωματικό μοντέλο εδάφους Περιγραφή συστήματος γείωσης Εισαγωγή δεδομένων στο CYMGRD Προσομοίωση Φ/Β πάρκου με το CYMGRD Συμπεράσματα 116 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 118 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία αποτελεί την διπλωματική μου εργασία στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του τρόπου θεμελίωσης των βάσεων των φωτοβολταϊκών πάνελ, η επίδραση του τρόπου θεμελίωσής τους στην αντίσταση γείωσης του φωτοβολταϊκού πάρκου καθώς και η σχεδίαση του συστήματος γείωσης ενός φωτοβολταϊκού πάρκου. Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο, δίνεται ο ορισμός της ειδικής αντίστασης εδάφους και αναλύονται οι παράγοντες που την επηρεάζουν. Ακόμη, παρουσιάζεται ένας διαδεδομένος τρόπος μέτρησής της καθώς και τα μοντέλα εδάφους. Στο δεύτερο κεφάλαιο, προσδιορίζονται οι παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη για τη σωστή σχεδίαση ενός συστήματος γείωσης. Ακόμη, παρατίθεται ο ορισμός του συστήματος γείωσης και αναλύονται τα είδη και οι μέθοδοι γειώσεων. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές μορφές γειωτών και ο τρόπος υπολογισμού της αντίστασης γείωσης ενός συστήματος. Τέλος, παρουσιάζονται οι γενικές αρχές της διαδικασίας σχεδίασης ενός συστήματος γείωσης. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι τρόποι θεμελίωσης βάσεων φωτοβολταϊκών πάνελ. Οι τρόποι θεμελίωσης αφορούν σταθερές βάσεις καθώς και βάσεις τοποθετημένες σε συστήματα παρακολούθησης της πορείας του ήλιου. Στην συνέχεια στο τέταρτο κεφάλαιο, μελετάται η επίδραση των χαρακτηριστικών του τρόπου θεμελίωσης των βάσεων στην αντίσταση γείωσης ενός φωτοβολταϊκού πάρκου. Για τη διερεύνηση της επίδρασης χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πακέτο CYMGRD. Στο πέμπτο κεφάλαιο, πραγματοποιήθηκε η σχεδίαση του συστήματος γείωσης ενός φωτοβολταϊκού πάρκου, με τη βοήθεια του υπολογιστικού πακέτου CYMGRD. Στόχος της μελέτης ήταν η τοποθέτηση του συστήματος γείωσης με τρόπο ώστε η εγκατάσταση να είναι ασφαλής και ταυτόχρονα οικονομική. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα σημαντικότερα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εργασία. Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Π.Ν Μικρόπουλο, για την άψογη συνεργασία και καθοδήγηση κατά την διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω και τον υποψήφιο διδάκτορα Ζ. Δάτσιο για την πολύτιμη βοήθεια που μου παρείχε για την διεκπεραίωσή της. 5

6 1. Ειδική αντίσταση εδάφους 1.1 Χρήση του εδάφους σαν μέσο γείωσης [1] Η γη χρησιμοποιείται ως το μέσο στο οποίο άγονται και διαχέονται τα ρεύματα σφάλματος μια εγκατάστασης και επιπλέον παρέχει ένα δυναμικό αναφοράς για όλες τις μετρούμενες τάσεις. Τα ηλεκτρόδια γείωσης που τοποθετούνται στο έδαφος μπορούν να αναλυθούν με τα στοιχεία του κυκλώματος του σχήματος 1.1. Όπως φαίνεται, το έδαφος συνήθως παριστάνεται όπως ένας αγωγός με αντίσταση r και με ένα διηλεκτρικό. Γενικά όμως, η γη μπορεί να παρασταθεί με μία αντίσταση καθώς το ρεύμα φόρτισης είναι αμελητέο συγκριτικά με το ρεύμα διαρροής. Σχήμα 1.1 Μοντέλο εδάφους [1] 1.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση εδάφους [1] Η ειδική αντίσταση του εδάφους ρ που αποτελεί ένα μέτρο της ικανότητας της γης να εμποδίζει την αγωγή του ρεύματος στην γη, επηρεάζεται από μια σειρά παραγόντων, η επίδραση των οποίων αναλύονται στην συνέχεια Επίδραση πεδιακής έντασης Η ειδική αντίσταση του εδάφους δεν επηρεάζεται από πεδιακές εντάσεις εκτός εάν αυτές υπερβαίνουν κρίσιμες τιμές. Οι κρίσιμες αυτές τιμές, διαφέρουν ελαφρώς, ανάλογα με το υλικό του εδάφους αλλά συνήθως έχουν εύρος μερικών kv/cm. Σε περίπτωση που οι πεδιακές εντάσεις υπερβούν τις κρίσιμες τιμές, δημιουργούνται τόξα στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Τα τόξα αναπτύσσονται μέσα στην γη, αυξάνουν το ενεργό μέγεθος του ηλεκτροδίου και εκτείνονται μέχρι το σημείο στο οποίο η πεδιακή ένταση μειώνεται σε τιμές τις οποίες το υλικό του εδάφους να μπορεί να αντέξει. Αυτή η κατάσταση απεικονίζεται με τα διάκενα που υπάρχουν στο σχήμα

7 1.2.2 Επίδραση της μορφής της τάσης Σε κρουστικές τάσεις και για γειωτές με μήκος μεγαλύτερο από 10m, έχει παρατηρηθεί αύξηση της αντίστασης, η οποία γίνεται στο μέτωπο τάσης. Η αντίσταση υπό κρουστικές τάσεις χαρακτηρίζεται και σαν κρουστική αντίσταση Επίδραση του μεγέθους του ρεύματος Η ειδική αντίσταση στον χώρο που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια γείωσης μπορεί να επηρεαστεί από το ρεύμα που ρέει από τα ηλεκτρόδια προς το έδαφος. Η θερμοκρασία και η περιεκτικότητα σε υγρασία του εδάφους, καθορίζουν εάν ένα ρεύμα συγκεκριμένου εύρους και διάρκειας θα προκαλέσει ξήρανση και κατ επέκταση μείωση της ενεργού ειδικής αντίστασης. Ένα συντηρητικό όριο πυκνότητας ρεύματος που δεν θα πρέπει να υπερβληθεί είναι 200A/m 2 [2] Επίδραση της θερμοκρασίας, της υγρασίας, της πίεσης και του χημικού περιεχομένου Η περιεκτικότητα σε νερό μεταβάλλεται ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες, την εποχή του χρόνου, τη φύση του υπεδάφους και το βάθος της υπόγειας στάθμης του νερού. Σπάνια το έδαφος είναι πολύ ξηρό, με την άμμο της ερήμου μια κοντινή προσέγγιση σε αυτό. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους είναι κυρίως ηλεκτρολυτική. Έτσι η υγρασία, εφόσον έχει φυσικά χαρακτηριστικά που να την καθιστούν αγώγιμο ηλεκτρολύτη, θα συμβάλλει σε σημαντική μείωση της ειδικής αντίστασης. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2 στην καμπύλη 2, η τιμή της ειδικής αντίστασης μειώνεται απότομα καθώς η υγρασία αυξάνεται ως και την τιμή 15%, ενώ για τιμές πάνω από 22%, η υγρασία δεν έχει μεγάλη επίδραση. Ένας επιπλέον πίνακας που παρουσιάζει την επίδραση της υγρασίας είναι ο πίνακας 1.1. Tο έδαφος γενικά ξηραίνεται επιφανειακά, αλλά σε βάθος μικρότερο του μισού μέτρου διατηρείται συνήθως υγρό, σε όλες τις εποχές του έτους. Γι αυτόν τον λόγο, σε γειωτές ράβδων, λαμβάνεται σαν ενεργό μήκος αυτό που είναι κάτω από 0.5m, ενώ τους γειωτές ταινίας τους τοποθετούμε σε βάθη μεγαλύτερα από 0.5m. Σχήμα 1.2 Επίδραση θερμοκρασίας, υγρασίας και αλάτων στην ειδική αντίσταση εδάφους [1] 7

8 Η ποσότητα της υγρασίας στο έδαφος και κατ επέκταση η ειδική αντίσταση, εξαρτάται επιπλέον από παράγοντες όπως το μέγεθος των κόκκων, από το πόσο συμπαγές είναι, καθώς και από την ποικιλία των μεγεθών τους. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των κόκκων τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της ειδικής αντίστασης. Στην περίπτωση κόκκων μεγάλου μεγέθους η υγρασία κατακρατείται λόγω της επιφανειακής τάσης. Όταν το μέγεθος των κόκκων ποικίλει, τα κενά που δημιουργούνται μεταξύ των μεγάλων σε μέγεθος κόκκων, συμπληρώνονται από τους μικρότερους κόκκους, με αποτέλεσμα η ειδική αντίσταση να μειώνεται [3]. Πίνακας 1.1 Επίδραση της υγρασίας στην ειδική αντίσταση του εδάφους [3],[4] Η ειδική αντίσταση του εδάφους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την υγρασία. Το νερό που περιέχεται στο έδαφος διαλύει συστατικά του εδάφους σχηματίζοντας ηλεκτρολυτικά διαλύματα. Καθώς η ειδική αντίσταση των ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων έχει μεγάλο αρνητικό θερμοκρασιακό συντελεστή, η αντίσταση αυξάνεται όταν μειώνεται η θερμοκρασία. Η μεταβολή της ειδικής αντίστασης λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας εξαρτάται από την εποχή και φθάνει περίπου τα 130% κατά τη διάρκεια του έτους. Στο σχήμα 1.2 στην καμπύλη 3, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στην ειδική αντίσταση για αμμοπηλώδες έδαφος που περιέχει 15.2% υγρασία κατά βάρος. Όσο αυξάνει η θερμοκρασία μέχρι τους 0 C, η ειδική αντίσταση μειώνεται, ενώ για θερμοκρασίες πάνω από 0 C, η μεταβολή είναι αμελητέα. Στους 0 C το νερό του εδάφους παγώνει γι αυτό η ειδική αντίσταση αυξάνεται απότομα. Έχει μετρηθεί ότι η επίδραση της μεταβολής της υγρασίας και της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη σε μικρά βάθη (0.5-1m) λόγω των καιρικών συνθηκών, παρά σε μεγάλα, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3. Έτσι για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα της αντίστασης τοποθετούνται οι γειωτές σε μεγάλα βάθη. Για παράδειγμα ο γειωτής ράβδου που τοποθετείται σε μεγαλύτερα βάθη σε σχέση με έναν επιφανειακό, παρουσιάζει το πλεονέκτημα της μεγαλύτερης σταθερότητας της αντίστασης κατά την διάρκεια του έτους. 8

9 Σχήμα 1.3 Μείωση της ειδικής αντίστασης με την αύξηση του βάθους τοποθέτησης του ηλεκτροδίου [5] Όσον αφορά στην επίδραση της πίεσης, έχει παρατηρηθεί ότι υψηλότερες πιέσεις, που οφείλονται σε πιο συμπαγείς δομές του εδάφους, οδηγούν σε χαμηλότερες τιμές ειδικής αντίστασης. Το νερό επηρεάζεται από την παρουσία αλάτων και επομένως και η ειδική αντίσταση επηρεάζεται ανάλογα. Ένα αρκετά μικρό ποσό διαλυμένων αλάτων είναι ικανό να μειώσει αξιοσημείωτα την ειδική αντίσταση σε σχέση με την τιμή που αυτή έχει όταν το νερό είναι απιονισμένο. Διαφορετικά είδη αλάτων επιδρούν με διαφορετικό τρόπο στα διάφορα είδη εδάφους. Η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται με την παρουσία αλάτων όπως φαίνεται στο σχήμα 1.4. Όμοια στην καμπύλη 3 του σχήματος 1.2, παρουσιάζεται η επίδραση του άλατος δηλαδή του χλωριούχου νατρίου, σε έδαφος που περιέχει 30% κατά βάρος υγρασία. Η ειδική αντίσταση μειώνεται όσο μεγαλύτερο είναι το περιεχόμενο σε άλατα. Σχήμα 1.4 Επίδραση αλάτων στην ειδική αντίσταση [6] Είδος του εδάφους Η τιμή της ειδικής αντίστασης διαφέρει ανάλογα με το είδος του εδάφους. Τυπικά, το έδαφος έχει πολλά στρώματα, το κάθε ένα από τα οποία έχει διαφορετική ειδική αντίσταση. Οι αλλαγές κυρίως εντοπίζονται κατακόρυφα στην γη και είναι σταδιακές. Προκειμένου να σχεδιαστεί ένα σύστημα γείωσης θα πρέπει να μετρηθεί η ειδική αντίσταση. Ειδικά στις περιοχές που παρουσιάζονται μεγάλες αποκλίσεις ανάλογα με το βάθος πρέπει να ληφθούν αρκετές μετρήσεις. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τυπικές τιμές της ειδικής αντίστασης ανάλογα με τον τύπο του εδάφους. 9

10 Πίνακας 1.2 Ειδική αντίσταση εδάφους σε σχέση με το είδος του εδάφους [3], [4] 1.3 Πιθανές παρεμβάσεις για μείωση της ειδικής αντίστασης [1] Συχνά για να μειωθεί η τιμή τις ειδικής αντίστασης χρησιμοποιούνται υλικά επιφανείας επί του εδάφους ή προστίθενται χημικές ουσίες στο έδαφος. Η χρήση των υλικών επιφανείας διαφόρων υλικών όπως χαλίκι ή άσφαλτος βοηθά στο να εμποδίζουν την εξάτμιση της υγρασίας. Με αυτόν τον τρόπο περιορίζουν την ξήρανση των επιφανειακών στρωμάτων του εδάφους σε μεγάλες περιόδους ξηρασίας με αποτέλεσμα να διατηρείται χαμηλή η ειδική αντίσταση. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα που προσφέρουν, ειδικά όσα υλικά παρουσιάζουν μεγάλη αντίσταση, είναι ο περιορισμός του κινδύνου ηλεκτροπληξίας του ανθρώπου από το ρεύμα. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης των διαφόρων υλικών, εξαρτώνται από παράγοντες όπως το είδος του κόκκου, το μέγεθος, τη κατάσταση του κόκκου, τη ποσότητα και το είδος της υγρασίας και τα επίπεδα μόλυνσης της ατμόσφαιρας. Ειδικά το είδος του νερού το οποίο βρίσκεται πάνω στο στρώμα, έχει μεγάλη επίδραση στην μετρούμενη τιμή της ειδικής αντίστασης πάνω στο στρώμα. Έτσι υλικό εκτεθειμένο σε θαλασσινά σταγονίδια νερού έχει σημαντικά χαμηλότερη ειδική αντίσταση από αυτή που θα είχε σε ξηρό περιβάλλον. Τα παραπάνω καθιστούν αναγκαία την χρήση δειγμάτων υλικών επιφανείας όμοιων με την περιοχή όπου πρόκειται να τοποθετηθεί το σύστημα γείωσης ώστε να είναι ακριβής η μέτρηση της ειδικής αντίστασης. Ένας άλλος τρόπος μείωσης της ειδικής αντίστασης είναι η προσθήκη χημικών ουσιών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί χλωριούχο νάτριο, μαγνήσιο ή χλωριούχο ασβέστιο. Χρειάζεται όμως περιοδική ανανέωση των ουσιών και είναι πιθανό να μην επιτραπεί η χρήση αυτής της μεθόδου λόγω της πιθανής διαρροής σε γειτονικές περιοχές. Τέλος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μπεντονίτης ο οποίος είναι φυσικός πηλός, σε περιβάλλοντα που δεν είναι ξηρά. 10

11 1.4 Μέτρηση ειδικής αντίστασης εδάφους [1] Η μέτρηση της αντίστασης του εδάφους είναι η διαδικασία μέτρησης της αντίστασης ενός όγκου χώματος, ώστε να καθοριστεί η αντίστασή του που εκφράζεται σε Ωm. Ο προσδιορισμός της αποτελεί μια από τις βασικότερες παραμέτρους στο σχεδιασμό του συστήματος γείωσης. Παρακάτω, αναλύεται μία από τις πιο βασικές μεθόδους μέτρησής της Μέθοδος Wenner ή τεσσάρων σημείων Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται πιο συχνά. Σε αυτή την μέθοδο τέσσερα ηλεκτρόδια οδηγούνται σε ευθεία γραμμή και κατακόρυφα στο έδαφος. Τα ηλεκτρόδια απέχουν μεταξύ τους ίση απόσταση α και τοποθετούνται σε βάθος b, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.5. Στην συνέχεια μετριέται η τάση μεταξύ των δύο εσωτερικών ηλεκτροδίων και διαιρείται με το ρεύμα που διέρχεται από τα εξωτερικά ηλεκτρόδια. Η τιμή που προκύπτει είναι η τιμή της αντίστασης R. Σχήμα 1.5 Μέθοδος Wenner ή τεσσάρων σημείων [1] Η φαινόμενη ειδική αντίσταση δίνεται από τον παρακάτω τύπο: 1 4R 2 4b b (1.1) Όπου: είναι η φαινόμενη ειδική αντίσταση εδάφους σε Ωm R η μετρούμενη αντίσταση σε Ω α η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών ηλεκτροδίων σε m b το βάθος όπου φτάνουν τα ηλεκτρόδια σε m Σε περίπτωση όπου b<<α χρησιμοποιείται ο παρακάτω προσεγγιστικός τύπος: 11

12 2 R (1.2) Με τους παραπάνω τύπους υπολογίζουμε την ειδική αντίσταση ρ α σε βάθος α σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν μεγάλες διαφορές στην ειδική αντίσταση από στρώμα σε στρώμα. Η μέθοδος αυτή, είναι πολύ απλή και χρειάζεται απλό εξοπλισμό για να πραγματοποιηθεί. Παρέχει επιπλέον τη δυνατότητα μέτρησης της ειδικής αντίστασης σε στρώματα μεγάλου βάθους, χωρίς να χρειάζεται να οδηγηθούν τα ηλεκτρόδια σε τέτοιο βάθος. 1.5 Μοντέλα εδάφους [1] Οι μετρήσεις της ειδικής αντίστασης, χρησιμεύουν στον καθορισμό του μοντέλου που προσεγγίζει ακριβέστερα την δομή του πραγματικού εδάφους. Η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται κυρίως συναρτήσει του βάθους. Επιπλέον παρουσιάζονται διακυμάνσεις στην τιμή της ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες καθώς και με τα στρώματα του εδάφους. Τα μοντέλα που προσεγγίζουν τη δομή του πραγματικού εδάφους είναι το ομοιογενές, το διστρωματικό και το πολυστρωματικό. Ο καθορισμός του μοντέλου που πρέπει να χρησιμοποιηθεί γίνεται συνήθως με υπολογιστικές μεθόδους με υπολογιστή Ομοιογενές μοντέλο εδάφους Το ομοιογενές μοντέλο χρησιμοποιείται όταν δεν υπάρχει μεγάλη διαφοροποίηση στις μετρήσεις της αντίστασης ή σε περιπτώσεις που δεν είναι διαθέσιμες υπολογιστικές μέθοδοι για το διστρωματικό ή το πολυστρωματικό μοντέλο. Γενικά είναι δύσκολο να υπολογιστεί ένα άνω όριο σφάλματος για τις παραμέτρους της γείωσης και έτσι το μοντέλο αυτό μπορεί να δώσει μια πρώτη προσέγγιση της ειδικής αντίστασης του εδάφους, όταν οι τιμές της αντίστασης στα διάφορα στρώματα δεν διαφέρουν πολύ. Η προσεγγιστική τιμή της ειδικής αντίστασης δίνεται από τον αριθμητικό μέσο όρο των τιμών των αντιστάσεων που έχουν μετρηθεί:... (1) (2) (3) (n) (av1) (1.3) Όπου: n (1), (2), (3)... ( n) είναι οι φαινόμενες τιμές της ειδικής αντίστασης που έχουν μετρηθεί όταν τοποθετούνται τα ηλεκτρόδια σε διαφορετικά διαστήματα α σε περίπτωση που χρησιμοποιείται η μέθοδος Wenner. n ο συνολικός αριθμός των μετρήσεων Μια άλλη σχέση που προτείνεται από το IEEE Std είναι: (max) (min) (av2) (1.4) Όπου: 2 (max) είναι η μέγιστη τιμή της φαινόμενης ειδικής αντίστασης (από τις τιμές της μέτρησης) σε Ωm 12

13 (min) είναι η ελάχιστη τιμή της φαινόμενης ειδικής αντίστασης (από τις τιμές της μέτρησης) σε Ωm Η εξίσωση αυτή πρέπει να χρησιμοποιείται με ιδιαίτερη προσοχή καθώς για την εξαγωγή της έγιναν κάποιες υποθέσεις. Για παράδειγμα η χρήση της 1.4 δεν ενδείκνυται σε περιπτώσεις πλέγματος γείωσης χωρίς ράβδους γείωσης. Επιπλέον αν χρησιμοποιηθεί η τιμή της αντίστασης για ομοιογενές έδαφος από την 1.4 για το σχεδιασμό ενός πλέγματος γείωσης, οι ράβδοι πρέπει να φθάνουν τουλάχιστον το βάθος όπου η μετρούμενη τιμή της αντίστασης προσεγγίζει τη τιμή ( av2) Διστρωματικό μοντέλο εδάφους Το μοντέλο αυτό, προσεγγίζει την πραγματική σύσταση των περισσότερων ειδών εδάφους. Χρησιμοποιείται όταν το έδαφος μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα ανώτερο στρώμα με συγκεκριμένο βάθος και ένα κατώτερο στρώμα με άπειρο βάθος. Η απότομη μεταβολή της αντίστασης στα όρια των δύο στρωμάτων μπορεί περιγραφεί με την βοήθεια του συντελεστή ανάκλασης K, οποίος δίνεται από την εξίσωση: K Όπου : (1.5) 1 είναι η ειδική αντίσταση του ανώτερου στρώματος σε Ωm 2 είναι η ειδική αντίσταση του κατώτερου στρώματος σε Ωm Οι αντιστάσεις 1 και 2 μπορούν να υπολογιστούν με γραφική μέθοδο. Η μέθοδος αυτή αναπτύχθηκε από τον Sunde [5]. Αρχικά χρησιμοποιείται το διάγραμμα 1.6 με την υπόθεση ότι οι μετρήσεις έγιναν με την μέθοδο Wenner. 13

14 Σχήμα 1.6 Γραφική μέθοδος του Sunde [1] Τα βήματα της διαδικασίας περιγράφονται παρακάτω: Αρχικά σχηματίζεται το διάγραμμα με την φαινόμενη ειδική αντίσταση στον άξονα ψ και την απόσταση των ηλεκτροδίων, α, στον άξονα x όπως στο σχήμα 1.7. Υπολογίζονται οι τιμές 1 και 2 από το σχεδιάγραμμα 1.7 με οπτική επιθεώρηση. Σε περίπτωση που τα δεδομένα είναι ανεπαρκή προεκτείνεται το διάγραμμα από τις δύο πλευρές του. Καθορίζεται ο λόγος 2 1 και επιλέγεται η καμπύλη που αντιστοιχεί σε αυτόν ή δημιουργείται μία με παρεμβολή, για το πηλίκο αυτό, σε περίπτωση που δεν υπάρχει κάποια που αντιστοιχεί σε αυτόν ακριβώς. Στην συνέχεια επιλέγεται η τιμή του 1 στην περιοχή εντός της κλίσης της καμπύλης του Sunde, που αντιστοιχεί στο 2 1. Επιλέγεται η τιμή h που αντιστοιχεί στον λόγο 1. Η τιμή υπολογίζεται από τον πολλαπλασιασμό του 1 με τον λόγο 1. Στην συνέχεια βρίσκεται η τιμή α από το διάγραμμα 1.7 για την τιμή του που προέκυψε. 14

15 Τέλος υπολογίζεται το βάθος h του ανώτερου στρώματος με βάση την τιμή α. Σχήμα 1.7 Παράδειγμα διαγράμματος συναρτήσει ρ α της απόστασης α [1] Πολυστρωματικό μοντέλο Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις μεγάλων αποκλίσεων των τιμών της ειδικής αντίστασης που δεν καλύπτεται από το μοντέλο δύο στρωμάτων. Προσεγγίζεται με υπολογιστικές μεθόδους με την χρήση υπολογιστή με γραφικές μεθόδους [6]-[9]. 1.6 Σύγκριση μοντέλων μέτρησης ειδικής αντίστασης [1] Για το ομοιογενές μοντέλο και το διστρωματικό στο οποίο η αντίσταση του ανώτερου στρώματος είναι μικρότερη από την αντίσταση του κατώτερου (προκύπτει θετικός συντελεστής ανάκλασης), η πυκνότητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη στους αγωγούς που βρίσκονται στις εξωτερικές άκρες του πλέγματος γείωσης. Στο διστρωματικό μοντέλο, όταν η αντίσταση του κατώτερου στρώματος είναι μεγαλύτερη, προκύπτει αρνητικός συντελεστής ανάκλασης και η πυκνότητα του ρεύματος είναι σχεδόν ομοιόμορφη σε όλους στους αγωγούς. Αυτό οφείλεται στο ότι το ρεύμα του πλέγματος έχει την τάση να κατευθύνεται προς τα κάτω στο στρώμα με την μικρότερη ειδική αντίσταση. Όταν στο διστρωματικό ο συντελεστής ανάκλασης είναι αρνητικός, η αντίσταση είναι μικρότερη από αυτή που προκύπτει από το ομοιογενές μοντέλο με αντίσταση 1. Οι βηματικές και οι τάσεις επαφής είναι επίσης μικρότερες. Αντίστοιχα, η αντίσταση και οι τάσεις είναι μεγαλύτερες στην περίπτωση που ο συντελεστής ανάκλασης είναι θετικός σε σχέση με το ομοιογενές μοντέλο. Τέλος, σε περιπτώσεις όπου το βάθος h του ανώτερου στρώματος, είναι σημαντικά μεγαλύτερο των διαστάσεων του ηλεκτροδίου, η συμπεριφορά του ηλεκτροδίου είναι περίπου ίδια για τα δύο είδη μοντέλων. 15

16 2. Σχεδίαση συστημάτων γείωσης 2.1 Περιπτώσεις κινδύνου ηλεκτροπληξίας Ένας από τους στόχους του συστήματος γείωσης των φωτοβολταϊκών πάρκων αλλά και όλων των συστημάτων γείωσης, είναι η προστασία του ανθρώπου που βρίσκεται στην περιοχή της γείωσης. Πιθανές καταστάσεις κινδύνου είναι οι παρακάτω: Μεγάλο ρεύμα σφάλματος προς γη σε σχέση με το σύστημα γείωσης και την αντίστασή του προς άπειρη γη. Τέτοια αντίσταση ειδική εδάφους και κατανομή ρευμάτων σφάλματος ώστε να εμφανίζονται μεγάλες διαφορές δυναμικού στην επιφάνεια. Παρουσία ανθρώπου σε τέτοια θέση ώστε το σώμα του να γεφυρώνει σημεία με μεγάλη διαφορά δυναμικού. Απουσία ικανής αντίστασης σε επαφή με τον άνθρωπο, που να περιορίζει το ρεύμα που διέρχεται από το σώμα του στις προηγούμενες περιπτώσεις. Διάρκεια ροής του ρεύματος σφάλματος μέσα από το σώμα τέτοια ώστε να προκαλεί σωματικές βλάβες ή θάνατο. 2.2 Χαρακτηριστικά ρεύματος που καθορίζουν τον βαθμό βιολογικής βλάβης Οι επιδράσεις του ρεύματος όταν διέρχεται από ζωτικά όργανα του ανθρώπινου σώματος, εξαρτώνται από την διάρκεια του σφάλματος, το μέγεθος της τιμής του ρεύματος και την συχνότητα. Το πιο επικίνδυνο πλήγμα είναι αυτό που προκαλεί κοιλιακή μαρμαρυγή. Η τελευταία, είναι μία αρρυθμία κατά την οποία οι κοιλίες παύουν να εκτελούν μια οργανωμένη συστολή με αποτέλεσμα την ανυπαρξία κοιλιακής σύσπασης και διακοπή της κυκλοφορίας. Ουσιαστικά είναι μία θανατηφόρα αρρυθμία αν δεν αντιμετωπισθεί με ηλεκτρική ανάταξη σε 3 λεπτά Επίδραση συχνότητας ρεύματος Το ανθρώπινο σώμα επηρεάζεται από το ηλεκτρικό ρεύμα κυρίως στις συχνότητες 50-60Hz. Ένα ρεύμα τιμής 0.1Α σε αυτές τις συχνότητες μπορεί να αποβεί θανατηφόρο. Έρευνες έχουν αποδείξει ότι σε συχνότητες 0-25Hz ρεύμα μεγαλύτερης έντασης του 0.1Α δεν προκαλεί βλάβες στο ανθρώπινο σώμα. Το ίδιο συμβαίνει και στην περιοχή συχνοτήτων Hz όπου είναι ανεκτά αρκετά μεγάλα ρεύματα [10], [11] Επίδραση του μεγέθους και της διάρκειας του ρεύματος Οι πιο συνηθισμένες επιπτώσεις του ρεύματος που προκαλούνται καθώς αυξάνεται η έντασή του πάνω από το όριο αντίληψης, είναι οι μυϊκές συσπάσεις, η απώλεια των αισθήσεων, ο ινιδισμός της καρδιάς, φραγή του αναπνευστικού συστήματος και εγκαύματα. Στη συνέχεια παρατίθενται οι επιδράσεις του ρεύματος ανάλογα με την έντασή του, όπως δίνονται από τον κανονισμό IEEE Std [1]. Σε βιομηχανική συχνότητα, ρεύματα 1mA αποτελούν το κατώφλι της αντίληψης του ρεύματος. Αυτό σημαίνει ότι ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται ένα μούδιασμα στα χέρια, που προκαλείται από το ρεύμα που τον διαπερνά. Ρεύματα τιμής 1-6mA, γενικά δεν 16

17 επηρεάζουν την ικανότητα να ελέγξει τους μυς του και έτσι μπορεί να αφήσει το αντικείμενο υπό τάση. Σε κάποιες περιπτώσεις είναι πιθανό οι βλάβες στους εσωτερικούς ιστούς να μην εκδηλωθούν κατά την επαφή, αλλά ενδέχεται να παρουσιαστούν εσωτερικές βλάβες σε μεταγενέστερο χρόνο. Στις τιμές 9-25mA, προκαλείται πόνος και είναι δύσκολο ή αδύνατο να ελέγξει τους μυς ώστε να ελευθερώσει το αντικείμενο. Η πιθανότητα να συμβεί σπασμός εγκλωβισμού, εξαρτάται από το μέγεθος της έντασης του ρεύματος. Αυτό το ρεύμα, το οποίο διαφέρει από άτομο σε άτομο, δεν είναι αρχικά επικίνδυνο. Όμως, η παρατεταμένη επαφή, λόγω της αδυναμίας απομάκρυνσης του χεριού καθώς και η αυξημένη επιφάνεια επαφής λόγω του «γραπώματος», μετατρέπει ταχύτατα το αρχικά ακίνδυνο ρεύμα, σε πιθανά θανατηφόρο. Για ακόμη μεγαλύτερα ρεύματα προκαλείται δυσκολία στην αναπνοή. Μέχρι και αυτές τις τιμές ρεύματος τα προβλήματα που προκαλούνται είναι γενικά αναστρέψιμα και εξαφανίζονται αφού περάσει το ρεύμα, εκτός εάν έχει προκληθεί σοβαρή βλάβη στους μυς και έχει σταματήσει η αναπνοή για μερικά λεπτά. Ρεύμα έντασης mA μπορεί να προκαλέσει ινιδισμό των καρδιακών κοιλιών και θάνατο. Έτσι είναι πολύ σημαντικό το σύστημα γείωσης να σχεδιάζεται έτσι ώστε να έχει ως όριο ρεύματος, αυτό της κοιλιακής μαρμαρυγής ανεξάρτητα από την διάρκεια της έκθεσης στο ρεύμα αυτό. Η πιο επικίνδυνη περίπτωση είναι αυτή που όπου ένα μεγάλο ποσό του ρεύματος διέρχεται από την καρδιά. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση που το ρεύμα περνά από το αριστερό χέρι στα δύο πόδια και λέγεται ρεύμα αναφοράς I ref. Κατά IEC οποιοδήποτε άλλο ρεύμα που περνά από άλλο δρόμο, θα προκαλέσει το ίδιο αποτέλεσμα με το ρεύμα αναφοράς που περνάει από το χέρι στα δύο πόδια [12]: Iref F2 I (2.1) Οπου: F 2 ο συντελεστής ρεύματος καρδιάς ο οποίος δίνεται από τον επόμενο πίνακα. Πίνακας 2.1 Συντελεστής ρεύματος καρδιάς F 2 [12] δρόμος συντελεστής ρεύματος καρδιάς F 2 δρόμος συντελεστής ρεύματος καρδιάς F 2 αριστερό χέρι-ένα ή δύο πόδια και δύο χέρια-δύο πόδια 1.0 αριστερό χέριπλάτη 0.7 χέρι-χέρι 0.4 δεξί χέρι-στήθος 1.3 δεξί χέρι-ένα οποιοδήποτε ή και τα δύο πόδια 0.8 αριστερό χέριστήθος 1.5 δεξί χέρι-πλάτη 0.3 οπίσθια-δύο χέρια ή ένα χέρι δεξί ή αριστερό

18 Στο επόμενο σχήμα ρεύματος διάρκειας, παρουσιάζονται οι περιοχές επιδράσεων στον οργανισμό, ανεξαρτήτως ηλικίας και βάρους [12]. Ο δρόμος ρεύματος είναι από το αριστερό χέρι στα δύο πόδια. Διακρίνονται οι εξής περιοχές: Περιοχή 1: Το ρεύμα δεν είναι αντιληπτό όσο μεγάλος να είναι ο χρόνος. Περιοχή 2: Σπάνια παρατηρείται κάποια σοβαρή βιολογική επίδραση. Περιοχή 3: Υπάρχει κίνδυνος ασφυξίας και ο παθών μπορεί να μην μπορεί να απελευθερωθεί από το αντικείμενο. Περιοχή 4: Εξαιρετικά επικίνδυνη περιοχή με πιθανότητες μαρμαρυγής για την περιοχή c 1 - c 2 έως 5%, περιοχή c 2 -c 3 πιθανότητα ως 50% και περιοχή μετά την c 3, πιθανότητα μεγαλύτερη του 50%. Σχήμα 2.1 Περιοχές επίδρασης του εναλλασσόμενου ρεύματος Hz [12] Αντίσταση ανθρώπινου σώματος Η σύνθετη αντίσταση του ανθρώπινου σώματος αποτελείται από κυρίως από ωμική αντίσταση και ελάχιστη χωρητικότητα, συνδεδεμένες παράλληλα. Σε συχνότητες όμως 50-60Hz, προσεγγίζεται από μια ωμική αντίσταση. Το κυκλωματικό ισοδύναμο του ανθρώπινου σώματος μπορεί να αναπαρασταθεί όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα, όπου Z P1 και Z P2 είναι η σύνθετη αντίσταση του δέρματος, Z i η εσωτερική σύνθετη αντίσταση και Z T η ολική σύνθετη αντίσταση. Η εσωτερική σύνθετη αντίσταση Z i, έχει περίπου την τιμή των 300Ω, ενώ η αντίσταση του δέρματος Z P1 και Z P2 μεταβάλλονται με εύρος τιμών Ω [13]. 18

19 Σχήμα 2.2 Κυκλωματικό ισοδύναμο ανθρώπινου σώματος Γενικά η τιμή της σύνθετης αντίστασης μεταβάλλεται με τους παράγοντες που ακολουθούν [12]: Την τάση επαφής. Η αντίσταση είναι μη γραμμική και μειώνεται με την αύξηση της τάσης επαφής. Από τον δρόμο που ακολουθεί το ρεύμα στο σώμα. Το φύλο, την ηλικία και την σωματική διάπλαση του ατόμου. Τον τύπο του μονωτικού που παρεμβάλλεται όπως παπούτσια, γάντια κτλ. Την μηχανική πίεση που εφαρμόζεται κατά την επαφή. Όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη, η πίεση και η επιφάνεια επαφής του σώματος με τον αγωγό τόσο μειώνεται η αντίσταση. Την σύσταση των σωματικών υγρών και την ποσότητα ξένων ουσιών όπως φάρμακα, αλκοόλ κτλ. Την ψυχολογική κατάσταση του ατόμου. Την κατάσταση δέρματος, όπως το πάχος της επιδερμίδας, την ποσότητα υγρασίας κτλ. Η αντίσταση του ποδιού σε σχέση με τη γη, θεωρώντας ότι το πόδι προσεγγίζεται από έναν μεταλλικό αγώγιμο δίσκο ακτίνας b (m), που εφάπτεται σε επιφάνεια ομοιογενούς εδάφους ειδικής αντίστασης ρ (Ωm) και αμελώντας την αντίσταση επαφής των υποδημάτων [1]. Δίνεται από τον παρακάτω τύπο: R f (2.2) 4b Συνήθως η ακτίνα του μεταλλικού δίσκου λαμβάνεται ίση με 0.08m. Για την σχεδίαση του συστήματος γείωσης σύμφωνα με τον κανονισμό IEEE Std [1], θεωρείται ότι οι αντιστάσεις επαφής του ποδιού και του χεριού καθώς και οι αντιστάσεις των ενδυμάτων όπως γαντιών και υποδημάτων θεωρούνται μηδενικές. Προσεγγιστικά η αντίσταση του ανθρώπινου σώματος για τον δρόμο χέρι-πόδια ή χέρι-χέρι ή μεταξύ των ποδιών θεωρείται R B =1000Ω. Ο δρόμος ροής ρεύματος είναι πιο επικίνδυνος στην περίπτωση χεριού-ποδιών και χεριού-χεριού σε σχέση με όταν περνάει μεταξύ των ποδιών, γιατί το ρεύμα διέρχεται από ζωτικά όργανα όπως η καρδιά. Ωστόσο, μια τάση ανάμεσα στα πόδια μπορεί να προκαλέσει πτώση του ατόμου με αποτέλεσμα μεγάλης ροής ρεύματος από το στήθος και ενδεχομένως θάνατο, γι αυτό λαμβάνεται υπόψη. 19

20 2.2.4 Ανεκτά επίπεδα διέλευσης ρεύματος από το ανθρώπινο σώμα [1] Το ρεύμα και η διάρκεια αγωγής του από το ανθρώπινο σώμα, πρέπει να μην προκαλούν κοιλιακή μαρμαρυγή. Το ρεύμα σχετίζεται με την ενέργεια που απορροφάται κατά την διάρκεια του πλήγματος, η οποία δίνεται από την παρακάτω εξίσωση που ισχύει αποκλειστικά για χρόνους s [14],[15]. 2 SB IB ts (2.3) Όπου: IB είναι η rms τιμή του ρεύματος που διέρχεται από το σώμα SB είναι μια εμπειρική σταθερά που σχετίζεται με την ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος που είναι ανεκτή από ένα συγκεκριμένο ποσοστό ανθρώπων ts είναι η διάρκεια έκθεσης στο σφάλμα σε s Οι Dalziel και Lee [13], κατέληξαν ότι ένα ποσοστό 99.5%, μπορεί να αντέξει χωρίς πιθανότητα μαρμαρυγής το ρεύμα που δίνεται από την παρακάτω εξίσωση (0.03-3s): k IB (2.4) t s Οπου : k S B συγκριτικά με την εξίσωση 2.3. Επιπλέον ο Dalziel κατέληξε στο ότι η ενέργεια ρεύματος που μπορεί να αντέξει το 99.5% του πληθυσμού που ζυγίζει 50kg, είναι S = και άρα η τιμή του k είναι k Γι αυτή την τιμή του k το ρεύμα παίρνει την τιμή IB t s B για άτομο που ζυγίζει 50kg (2.5) Για άτομα που ζυγίζουν 70kg οι τιμές που προέκυψαν είναι: S B =0.024, k=0.157 και I B (2.6) t s Η επιτρεπτή ένταση ηλεκτρικού ρεύματος συναρτήσει του χρόνου έκθεσης στο σφάλμα, φαίνεται στο διάγραμμα 2.3. Οι δύο ευθείες αφορούν σωματικό βάρος 50kg και 70kg και περιγράφουν τις εξισώσεις 2.5 και 2.6 και η καμπύλη μορφής Ζ που προκύπτει από τη μελέτη του Biegelmeier [16]. Η τελευταία δίνει όριο 500mA για χρόνους ως 0.2s που μειώνεται στα 50mA για χρόνο 2s. 20

21 Σχήμα 2.3 Εξάρτηση I B από τον χρόνο t s [1] 2.3 Τάσεις που προκαλούν ηλεκτροπληξία στον άνθρωπο [1] Με την βοήθεια του ρεύματος I B, το ρεύμα δηλαδή που δεν προκαλεί μαρμαρυγή στον άνθρωπο, καθορίζονται τα όρια βηματικής και τάσης επαφής που μπορεί να αντέξει ένας άνθρωπος. Αναλυτικότερα, η συνολική ανεκτή τάση, βηματική και επαφής, καθορίζεται από το ρεύμα που περνάει από τον άνθρωπο I b σε περίπτωση σφάλματος, που είναι ίσο με το I B Τάση επαφής Η τάση επαφής εμφανίζεται μεταξύ του χεριού και των ποδιών ενός ανθρώπου, όταν έρχεται σε επαφή με ένα γειωμένο αντικείμενο της εγκατάστασης. Ουσιαστικά, είναι η διαφορά του δυναμικού μεταξύ της ανύψωσης δυναμικού του συστήματος γείωσης (GPR) και της επιφάνειας του εδάφους στο σημείο όπου στέκεται ο άνθρωπος. Στο σχήμα 2.4, παρουσιάζεται η περίπτωση όπου ένας άνθρωπος έρχεται σε επαφή με το χέρι του στο σημείο Η, με ένα μεταλλικό γειωμένο αντικείμενο της εγκατάστασης, όταν συμβαίνει ένα σφάλμα. Το ρεύμα σφάλματος I f, οδηγείται στην γη μέσω του πλέγματος. Το σημείο Η έχει το ίδιο δυναμικό με το σύστημα γείωσης ενώ το σημείο F είναι η περιοχή της γης που είναι σε επαφή με τα πόδια. Το ρεύμα I b ρέει από το σημείο Η στο προς το σημείο F. 21

22 Σχήμα 2.4 Τάση επαφής [1] Οι αντιστάσεις του ισοδύναμου κυκλώματος που αντιστοιχεί στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζονται στο σχήμα που ακολουθεί. Η αντίσταση R g είναι η αντίσταση γείωσης και η R f είναι η αντίσταση του ποδιού σε σχέση με τη γη. Σχήμα 2.5 Αντιστάσεις κυκλώματος κατά την τάση επαφής [1] Με την βοήθεια του θεωρήματος Thevenin (επόμενο σχήμα), σχηματίζεται το κυκλωματικό ισοδύναμο του κυκλώματος σφάλματος στην περίπτωση τάσης επαφής. Η τάση V th, είναι η τάση μεταξύ των σημείων H και F, όταν ο άνθρωπος απουσιάζει. Η αντίσταση Thevenin, Z th, είναι η αντίσταση όπως φαίνεται από τα σημεία H και F, με τις πηγές του κυκλώματος βραχυκυκλωμένες. Τελικά το ρεύμα I b που διαρρέει τον άνθρωπο δίνεται από: I b Vth Z R th B με R B την αντίσταση του σώματος (2.7) Σχήμα 2.6 Ισοδύναμο Thevenin για την τάση επαφής [1] Η αντίσταση Z th ισούται με τον παράλληλο συνδυασμό των ποδιών του ανθρώπου και επομένως είναι ίση με 22

23 Z R 2 f th (2.8) Αν ληφθεί ως ακτίνα του δίσκου (με τον οποίο προσεγγίζεται η αντίσταση του πέλματος) b, η τυπική της τιμή που είναι ίση με 0.08m, η αντίσταση Thevenin προκύπτει: R. 2 f Zth 1.5 Τελικά η τάση επαφής για ρεύμα I B ίσο με I b είναι ίση με : Etouch I B(R B 1.5 ) με R B την αντίσταση του σώματος (2.9) Βηματική τάση Η βηματική τάση είναι η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα πόδια ενός ατόμου, όταν το άτομο γεφυρώνει με τα πόδια του μια απόσταση 1m, χωρίς να είναι σε επαφή με άλλα γειωμένα αντικείμενα. Όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα, το ρεύμα I b περνά από το ένα πόδι του ανθρώπου στο σημείο F1 και καταλήγει μέσω του σώματος στο άλλο του πόδι στο σημείο F2. Τα σημεία F1 και F2 είναι τα σημεία της επιφάνειας του εδάφους που είναι σε επαφή με τα πόδια. Σχήμα 2.7 Βηματική τάση [1] Το ισοδύναμο Thevenin φαίνεται στο επόμενο. Η τάση V th, είναι η τάση μεταξύ των σημείων F1 και F2, όταν ο άνθρωπος απουσιάζει. Η αντίσταση Thevenin, Z th, είναι η αντίσταση όπως φαίνεται από τα σημεία F1 και F2, με τις πηγές του κυκλώματος βραχυκυκλωμένες. Τελικά το ρεύμα I b που διαρρέει τον άνθρωπο δίνεται από την εξίσωση

24 2.8 Ισοδύναμο Thevenin στην βηματική τάση [1] Η αντίσταση Z th ισούται με τον εν σειρά συνδυασμό των ποδιών του ανθρώπου και επομένως είναι ίση με Zth 2R f 6 και επομένως η βηματική τάση προκύπτει από Estep I B(R B 6 ) (2.10) Επιτρεπτά όρια τάσης [1] Στο σχήμα 2.9 παρουσιάζονται πέντε βασικές περιπτώσεις στις οποίες υπάρχει κίνδυνος ηλεκτροπληξίας. Αφορούν τάσεις επαφής (E t ), βηματικές (E s ), βρόχου (E m ), επαφής μεταξύ μεταλλικών γειωμένων στοιχείων (E mm ) και από μεταφορά (E trrd ). Για επαφή πόδι με πόδι, το ισοδύναμο κύκλωμα είναι αυτό του σχήματος 2.7, και η τάση είναι ίση με E s (βηματική τάση). Για τις τρεις περιπτώσεις επαφής χέρι με πόδια που παρουσιάζονται στο σχήμα 2.9, η τάση U ισούται με την E t (τάση επαφής), E m (τάση βρόχου) ή την τάση E trrd (μεταφερόμενη τάση). Το κύκλωμα που αφορά την επαφή μέταλλο με μέταλλο, είτε χέρι με χέρι, είτε χέρι με πόδια, δίνεται στο σχήμα 2.10 όπου η U είναι ίση με τη μέταλλο με μέταλλο τάση επαφής, E mm. Κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος, η γη άγει τα ρεύματα που προέρχονται από το πλέγμα και από άλλα μόνιμα ηλεκτρόδια γείωσης που είναι θαμμένα στο έδαφος. Οι διαφορές δυναμικού που προκαλούνται έχουν σημαντική επίδραση στην τιμή της U. Σε συμβατικούς υποσταθμούς, η τυπική περίπτωση τάσης επαφής μέταλλο με μέταλλο, προκύπτει όταν μεταλλικά αντικείμενα ή κατασκευές στην περιοχή του υποσταθµού δεν είναι συνδεδεμένα µε το πλέγµα γείωσης. Αντικείμενα όπως σωλήνες και φράκτες που είναι τοποθετημένα εντός ή κοντά στην περιοχή που βρίσκεται το πλέγμα και δεν συνδέονται με αυτό, αποτελούν χαρακτηριστικές περιπτώσεις κινδύνου. Η συγκεκριμένη τάση, αποκτά κρίσιμη τιμή για ένα άτοµο το οποίο στέκεται πάνω ή ακουμπά ένα γειωµένο αντικείμενο ενώ ταυτόχρονα έρχεται σε επαφή µε μεταλλικό αντικείμενο ή κατασκευή που δεν είναι γειωμένη. Για να αποφευχθεί ο κίνδυνος συνδέονται τα επικίνδυνα σηµεία µε το πλέγµα του υποσταθµού. Η μεταφερόμενη τάση προκύπτει όταν ένας άνθρωπος στέκεται εντός της περιοχής του υποσταθµού και ακουµπά έναν αγωγό γειωµένο σε απομακρυσμένο σηµείο, ή όταν στέκεται σε απομακρυσμένο σηµείο και ακουµπά αγωγό που συνδέεται µε το πλέγµα γείωσης. Κατά τη διάρκεια σφάλµατος, το προκαλούµενο δυναµικό στη γη µπορεί να είναι ίσο ή και µεγαλύτερο από το GPR του πλέγματος. Ο κίνδυνος από τις εξωτερικές µεταφερόµενες τάσεις (επαγόµενες από κυκλώµατα επικοινωνιών, σωλήνες, κτλ) αποφεύγεται χρησιμοποιώντας συσκευές αποµόνωσης ή ουδετέρωσης και θεωρώντας τα κυκλώματα αυτά (σωλήνες, κτλ), ισοδύναμα µε ενεργές γραµµές. 24

25 2.9 Τυπικές περιπτώσεις έκθεσης σε επικίνδυνες τάσεις [1] 2.10 Τυπικές περιπτώσεις επαφής μέταλλο με μέταλλο σε υποσταθμό GIS [1] 25

26 2.11 Τυπική περίπτωση εκτεταμένου μεταφερόμενου δυναμικού [1] Σε περίπτωση σφάλματος, ο βαθμός πλήγματος εξαρτάται από την ενέργεια που απορροφάται από το σώμα μέχρι να εκκαθαριστεί το σφάλμα ή να διακοπεί η λειτουργία του συστήματος. Τα επιτρεπτά όρια βηματικής τάσης διαμορφώνονται με χρήση της σχέσης 2.10 ως εξής: E step50 (1000 6C s s) για βάρος 50kg (2.11) t s E step70 (1000 6C s s) για βάρος 70kg (2.12) t s Τα ανεκτά επίπεδα τάσης επαφής υπολογίζονται με βάση την σχέση R 2 f Etouch I B(R B ) και προκύπτουν: E touch50 ( C s s) για βάρος 50kg (2.13) t s E touch70 ( C s s) για βάρος 70kg (2.14) t s 26

27 Σε περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται υλικό επιφάνειας τότε C S =1 και ρ S =ρ (οι έννοιες θα επεξηγηθούν στη συνέχεια). Οι εξισώσεις 2.13 και 2.14 χρησιμοποιούνται και για τα όρια τάσης επαφής μετάλλουμετάλλου για τους δρόμους χέρι-χέρι και χέρι-πόδια. Η διαφορά είναι ότι θεωρούμε την ειδική αντίσταση του εδάφους μηδενική δηλαδή ρ S =0 και ότι η ισοδύναμη αντίσταση του σώματος είναι R B. Έτσι προκύπτουν τα παρακάτω όρια: E 116 για βάρος 50kg (2.15) t mm touch50 s E 157 για βάρος 70kg (2.16) t mm touch70 s 2.4 Υλικό επιφάνειας [1] Η σχέση που δίνει την αντίσταση του ποδιού ως προς την γη (σχέση 2.2), βασίζεται στην υπόθεση ότι το έδαφος είναι ομοιογενές. Στην επιφάνεια του εδάφους πάνω από το πλέγμα, τοποθετείται συχνά, ένα υλικό επιφάνειας μεγάλης ειδικής αντίστασης, με στόχο να αυξήσει την αντίσταση επαφής μεταξύ του εδάφους και των ποδιών του ανθρώπου. Το σχετικά μικρό βάθος του υλικού επιφανείας είναι συγκρίσιμο με την ακτίνα του μεταλλικού δίσκου που μοντελοποιεί το ανθρώπινο πόδι, οπότε η υπόθεση της ομοιόμορφης ειδικής αντίστασης εδάφους κατά τον κατακόρυφο άξονα δεν ισχύει πλέον. Κατά την οριζόντια διεύθυνση, για ένα άτομο που βρίσκεται στην περιοχή του υποσταθμού, το υλικό επιφανείας θεωρείται ότι εκτείνεται ως το άπειρο. Σε περίπτωση που η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι μικρότερη από την ειδική αντίσταση του επιφανειακού στρώματος, ένα μικρό μέρος του ρεύματος πλέγματος ρέει προς τα άνω και η τάση στην επιφάνεια θα διαφέρει ελάχιστα από αυτή που θα είχαμε χωρίς το επιπλέον στρώμα. Το ρεύμα όμως που θα εισέλθει στον ανθρώπινο οργανισμό θα μειωθεί αρκετά καθώς θα υπάρχει μεγαλύτερη αντίσταση επαφής μεταξύ των ποδιών του με τη γη. Στην αντίθετη περίπτωση, όπου το έδαφος έχει μεγαλύτερη ειδική αντίσταση από το υλικό στην επιφάνεια, ένα σημαντικό μέρος του ρεύματος που διαρρέει το πλέγμα γείωσης θα ανέλθει στο στρώμα του υλικού. Η συγκέντρωση του ρεύματος στην επιφάνεια θα προκαλέσει διαφορετικά δυναμικά στην επιφάνεια. Συμπερασματικά, η σχέση ανάμεσα στην ειδική αντίσταση του επιφανειακού στρώματος και της ειδικής αντίστασης του εδάφους καθορίζει το ρεύμα που διέρχεται από το ανθρώπινο σώμα και την διαμόρφωση τω δυναμικών στην επιφάνεια. Τέλος, σημαντική παράμετρος που καθορίζει το βαθμό που επηρεάζει το υλικό επιφανείας είναι το πάχος του στρώματος αυτού του υλικού. Η αντίσταση του ποδιού όταν προστίθεται υλικό επιφάνειας δίνεται από [13]: (2.17) 4b s R f [ ]C s 27

28 Οπου: s η ειδική αντίσταση του υλικού επιφάνειας σε Ωm ρ η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm b η ακτίνα του μεταλλικού δίσκου που προσομοιώνει το πόδι Cs είναι ο συντελεστής μείωσης υλικού επιφάνειας Ο τελευταίος συντελεστής Cs μπορεί να υπολογιστεί από τον παρακάτω εμπειρικό τύπο: 0.09(1 ) s Cs 1 2hs 0.09 όπου το h s είναι το πάχος του επιφανειακού στρώματος σε m [17]. (2.18) 2.5 Σύστημα γείωσης Σύστημα γείωσης, είναι η αγώγιμη σύνδεση, σκόπιμη ή τυχαία, μέσω της οποίας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ή μια συσκευή συνδέεται με τη γη ή με αγώγιμο σώμα τέτοιας έκτασης που να θεωρείται γη [1]. Οι στόχοι του συστήματος γείωσης είναι οι εξής [12]: Να παρέχει τα κατάλληλα μέσα ώστε να διοχετεύεται το ρεύμα στην γη, σε κανονικές ή σε συνθήκες σφάλματος χωρίς να προκαλείται υπέρβαση των ορίων λειτουργίας του εξοπλισμού. Ωστόσο, το σύστημα γείωσης πρέπει να επιτρέπει τη ροή αρκετού ρεύματος σφάλματος ώστε να λειτουργήσουν οι συσκευές ασφάλειας της εγκατάστασης και να απομονωθεί το σφάλμα Να εξασφαλίζει τη διατήρηση της συνέχειας της παροχής Να εξασφαλίζει ότι ένας άνθρωπος που βρίσκεται στην περιοχή γείωσης δεν διατρέχει κίνδυνο ηλεκτροπληξίας Είδη και μέθοδοι γείωσης [12] Η γείωση, μπορεί να είναι συνεχής ή να διακόπτεται παρεμβάλλοντας ένα διάκενο σπινθηριστή οπότε προκύπτει η ανοιχτή γείωση. Ανάλογα με την χρήση της, διακρίνουμε τρεις κατηγορίες γείωσης: 1. γείωση λειτουργίας: είναι η γείωση ενός σημείου ενεργού κυκλώματος και πραγματοποιείται για την αποφυγή υπερτάσεων. Αυτή διακρίνεται σε: Άμεση, εφόσον δεν περιλαμβάνει άλλη αντίσταση εκτός της αντίστασης γείωσης. Έμμεση, όταν εκτός από την αντίσταση γείωσης περιλαμβάνει ωμικές, επαγωγικές και χωρητικές αντιστάσεις. 28

29 Η περίπτωση της ανοικτής γείωσης, δε συμπεριλαμβάνεται στις γειώσεις λειτουργίας. 2. Γείωση προστασίας: είναι η γείωση ενός μεταλλικού μέρους που δεν είναι στοιχείου ηλεκτρικού κυκλώματος. Μειώνει τις τάσεις επαφής και είναι πάντα συνεχής. 3. Γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας: είναι η ανοιχτή ή η συνεχής γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας που διοχετεύει το ρεύμα του κεραυνού στη γη, προστατεύοντας με αυτό τον τρόπο τα παρευρισκόμενα άτομα στον περιβάλλοντα χώρο. Οι μέθοδοι γείωσης που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής: Ουδετέρωση: είναι η αγώγιμη σύνδεση με τον ουδέτερο αγωγό ή άλλο γειωμένο αγωγό φάσης δικτύου. Άμεση γείωση: είναι η απ ευθείας αγώγιμη σύνδεση στο σύστημα γείωσης. Με διακόπτη διαφυγής: με την βοήθειά του απομονώνεται το μέρος της εγκατάστασης που έχει πρόβλημα Είδη γειωτών [12] Αρχικά, ως ηλεκτρόδιο γείωσης θεωρείται ένας αγωγός τοποθετημένος στη γη, που χρησιμοποιείται για να συλλέγει ή/και να διαχέει το ηλεκτρικό ρεύμα του σφάλματος στην γη. Τα ηλεκτρόδια γείωσης ή γειωτές έχουν διάφορες μορφές όπως ράβδου, ταινίας πλέγματος, πλάκας κτλ. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζονται κάποιες από τις μορφές τους. Σχήμα 2.12 μορφές γειωτών [12] 29

30 Στην συνέχεια, παρατίθενται οι τύποι των αντιστάσεων που παρουσιάζουν οι παραπάνω γειωτές σε μορφή πίνακα και ακολουθεί περιγραφή κάποιων γειωτών που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός συστήματος γείωσης φωτοβολταϊκού πάρκου. Πίνακας 2.2 Aντιστάσεις γειωτών [12] Όπου το πάχος του αγωγού d, ισοδυναμεί με 2A, όπου Α είναι η διατομή των αγωγών. 30

31 Γειωτής ράβδου Είναι ένας σωλήνας ονομαστικής διαμέτρου μεγαλύτερης της μίας ίντσας ή μία ράβδος στρογγυλή ή προφίλ από γαλβανισμένο χάλυβα, π.χ. U, L, Τ ή Ι-προφίλ. Η ράβδος καρφώνεται κατακόρυφα ή λοξά (π.χ. 20 ) ως προς την κατακόρυφο στο έδαφος σε βάθος π.χ. 2.5m με σφυρί χεριού, ή με μηχανικό σφυρί. Το κάτω μέρος διαμορφώνεται σαν ακίδα για να οδηγείται καλύτερα στο έδαφος. Η αντίσταση γείωσης είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη του βάθους. Η αντίσταση του γειωτή δεν εξαρτάται ιδιαίτερα από το πάχος ή τη διάμετρο της ράβδου. Σε περίπτωση που το επιτρέπει η μηχανική αντοχή, προτείνονται ηλεκτρόδια χαλκού ή επιμολυβδωμένα ηλεκτρόδια, γιατί αντέχουν στη διάβρωση. Γειωτής ταινίας Είναι ταινία ή συρματόσχοινο που τοποθετείται σε χαντάκι βάθους συνήθως m ώστε να υπάρχει υγρό έδαφος. Η ταινία μπορεί να είναι χάλυβας γαλβανισμένος ή επιχαλκωμένος. Χρησιμοποιούνται επίσης χάλκινες ταινίες. Η ταινία μπορεί να τοποθετηθεί ευθύγραμμα ή κυκλικά γύρω από την εγκατάσταση οπότε έχουμε γειωτή βρόγχου. Η αντίσταση είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη του μήκους. Για το ίδιο μήκος ταινίας, ο ευθύγραμμος γειωτής έχει μικρότερη αντίσταση από τον κυκλικό. Δε συνιστάται συρματόσχοινο αντί ταινίας σαν ηλεκτρόδιο γείωσης, γιατί διαβρώνεται γρήγορα. Έτσι, πρέπει να αποφεύγονται χάλκινα ή επιχαλκωμένα ηλεκτρόδια ειδικά σε περιοχές που υπάρχουν χαλύβδινοι σωλήνες. Γειωτής πλέγματος Πλέγμα από ταινίες με τετραγωνικά ανοίγματα πλάτους 10x20m, τοποθετείται οριζόντια σε βάθος m. Τα ελάχιστα πάχη είναι όπως στους γειωτές ταινίας. Το πλεονέκτημα των γειωτών πλέγματος είναι ότι οι βηματικές τάσεις στο έδαφος, επάνω από το πλέγμα, είναι αμελητέες. Ανοίγματα μεγαλύτερα από 0.7m έχουν μεγαλύτερες βηματικές τάσεις από τα ανοίγματα των 0.5m. Θεμελιακή γείωση Η θεμελιακή γείωση είναι ένας γειωτής ταινίας που τοποθετείται στο κάτω μέρος των θεμελίων των κτιρίων, μέσα στο σκυρόδεμα. Η τοποθέτηση γίνεται στη βάση των εξωτερικών τοίχων αποτελώντας ένα κλειστό βρόχο. Επειδή το έδαφος και το σκυρόδεμα των θεμελίων συνήθως είναι υγρό όλο το έτος, ο θεμελιακός γειωτής έχει σχετικά χαμηλή αντίσταση γείωσης. Τιμές των 2Ω ή μικρότερες δεν είναι σπάνιες. Το ηλεκτρόδιο γείωσης τοποθετείται στο περιμετρικό θεμέλιο του κτιρίου. Σε περιπτώσεις που υπάρχει μόνωση κατά της υγρασίας πρέπει να τοποθετηθεί προς την πλευρά του εδάφους. Για διαστάσεις κτιρίων μεγαλύτερες από 10m, τοποθετούνται και εγκάρσιες συνδέσεις ώστε κανένα σημείο να μην απέχει περισσότερο από 10m από τον περιμετρικό γειωτή. Απολήξεις και συνδέσεις των ηλεκτροδίων γείωσης Οι διατομές των αγωγών που οδηγούν από τις εγκαταστάσεις στους γειωτές, φέρουν ρεύματα μόνο σε σφάλματα. Το μέρος του γειωτή ή της σύνδεσης που προεξέχει από το έδαφος μονώνεται κατά της υγρασίας με πίσσα ή άλλα μονωτικά με 30cm μόνωση μέσα και 30cm έξω από το έδαφος. 31

32 Επιφανειακοί και βαθείς γειωτές Οι γειωτές ανάλογα με το βάθος τους, χωρίζονται σε επιφανειακούς όπως οι γειωτές ταινίας, πλέγματος και οι ακτινικοί και σε βαθείς γειωτές, όπως οι ράβδοι γείωσης. Στους βαθείς γειωτές, η αντίσταση μεταβάλλεται λιγότερο με τον χρόνο σε σχέση με τους επιφανειακούς, γιατί η θερμοκρασία και η υγρασία του εδάφους δεν μεταβάλλεται ιδιαίτερα σε μεγάλα βάθη. 2.6 Υλικό ηλεκτροδίων γείωσης Κάθε στοιχείο του συστήματος γείωσης, συμπεριλαμβανομένων των αγωγών πλέγματος, των συνδέσεων των ηλεκτροδίων κτλ πρέπει να σχεδιαστεί σύμφωνα με τον επιθυμητό χρόνο ζωής της εγκατάστασης. Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει είναι τα εξής: Επαρκή αγωγιμότητα ώστε να μην συνεισφέρει σε αυξομειώσεις της τάσης. Αντοχή στην τήξη και σε μηχανικές καταπονήσεις στη χειρότερη περίπτωση ρεύματος σφάλματος και διάρκειας αυτού. Αντοχή σε διάφορες μορφές μηχανικών καταπονήσεων. Να διατηρεί τις ιδιότητές του όταν εκτίθεται σε συνθήκες που προκαλούν διάβρωση και να αντέχει σε δυσμενείς φυσικές συνθήκες. Τα υλικά τα οποία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των αγωγών παρατίθενται παρακάτω: Χαλκός: χρησιμοποιείται πολύ συχνά καθώς παρουσιάζει μεγάλη αγωγιμότητα και υψηλή αντοχή σε διάβρωση μέσα στο έδαφος. Χάλυβας επιχαλκωμένος: σε συνδυασμό με τον χαλκό, αποτελεί καλή λύση κυρίως για ράβδους θαμμένες στο έδαφος και λιγότερο συχνά για το πλέγμα. Αλουμίνιο: σπάνια τοποθετείται σε πλέγματα γιατί διαβρώνεται εύκολα από κάποια είδη εδάφους και από εναλλασσόμενα ρεύματα. Επιπλέον το διαβρωμένο κομμάτι του δεν επιτρέπει την ροή του ρεύματος. 2.7 Επιλογή διατομής ηλεκτροδίων γείωσης [1] Για την επιλογή της διατομής των αγωγών για το σύστημα γείωσης πρέπει να ελεγχθεί η θερμοκρασία που αναπτύσσεται πάνω στους αγωγούς, το είδος του ρεύματος και κάποια χαρακτηριστικά του υλικού τους. Για συμμετρικά ρεύματα, που δεν παρουσιάζουν DC συνιστώσα δηλαδή, η διατομή του αγωγού υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση: 32

33 A mm 2 4 TCAP10 K0 Tm ( )ln( ) Όπου: I t K T c r r 0 (2.19) Amm 2 η διατομή του αγωγού σε mm 2 Ι η rms τιμή του ρεύματος σφάλματος σε ka Τ m η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία σε C T α η θερμοκρασία περιβάλλοντος σε C Τ r η θερμοκρασία αναφοράς για τον προσδιορισμό των σταθερών του υλικού σε C α 0 ο θερμικός συντελεστής ειδικής αντίστασης στους 0 C σε ( C) 1 α r ο θερμικός συντελεστής ειδικής αντίστασης σε θερμοκρασία Τ r σε ρ r η ειδική αντίσταση του αγωγού γείωσης σε θερμοκρασία Τ r σε Κ 0 ισούται με 1 0 ή (1 r) Tr σε C ( C) 1 cm t c η διάρκεια του σφάλματος σε s TCAP η θερμοχωρητικότητα ανά μονάδα όγκου σε 3 J/(cm C) Στον επόμενο πίνακα δίνονται τιμές για τις παραμέτρους α r, Κ 0, Τ m, ρ r και TCAP. υλικό Χαλκός μαλακής ανόπτησης (soft drawn) Χαλκός εμπορικός (hard drawn) Αγωγός από επιχαλκωμένο χάλυβα Αγωγός από επιχαλκωμένο χάλυβα Αγωγιμότητα (%) Πίνακας 2.3 Τιμές για α r, Κ 0, Τ m, ρ r και TCAP [1] α r στους 20 C ( C) 1 Κ 0 στους 0 C Τ m C ρ r 20 C cm TCAP θερμοχωρητικότητα 3 J/(cm C) 33

34 Ράβδοι από επιχαλκωμένο χάλυβα Αλουμίνιο βαθμού EC Κράμα αλουμινίου 5005 Κράμα αλουμινίου 6201 Αγωγοί από χάλυβα με επικάλυμμα αλουμινίου Χάλυβας Ράβδοι από ανοξείδωτο χάλυβα Χαλύβδινοι ράβδοι με επικάλυψη ψευδαργύρου Ανοξείδωτος χάλυβας Σε περίπτωση μη συμμετρικού ρεύματος όπου λαμβάνεται υπόψη η DC συνιστώσα, η θερμοκρασία του αγωγού θα είναι υψηλότερη από ότι σε συμμετρικό, για τις ίδιες συνθήκες σφάλματος. Η μηχανική καταπόνηση καθώς και η ενέργεια που απορροφάται θα είναι επίσης μεγαλύτερη, κατά τέσσερις φορές. Για τον υπολογισμό της διατομής του αγωγού, στην σχέση 2.19, στην θέση του ρεύματος χρησιμοποιείται η rms τιμή του ασύμμετρου ρεύματος. 2.8 Αντίσταση γείωσης Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, όλα τα γειωμένα στοιχεία βρίσκονται στο δυναμικό της γης, που είναι σχεδόν μηδενικό. Αυτό είναι το δυναμικό ενός γειωμένου ουδέτερου αγωγού που είναι σχεδόν ίδιο με το δυναμικό της άπειρης γης. Κατά τη διάρκεια όμως ενός σφάλματος γείωσης, το τμήμα του ρεύματος σφάλματος που διοχετεύεται μέσω του συστήματος γείωσης στη γη, προκαλεί την ανύψωση του δυναμικού του συστήματος. Το μέγιστο ηλεκτρικό δυναμικό που μπορεί να αποκτήσει το σύστημα γείωσης σε σχέση με το δυναμικό της άπειρης γης, ονομάζεται GPR (ανύψωση του δυναμικού της γης). Η τιμή του είναι ίση με [1]: GPR I R (2.20) G g Όπου: IG είναι το μέγιστο ρεύμα πλέγματος σε A 34

35 Rg είναι η αντίσταση γείωσης σε Ω Παρατηρείται επομένως, εξάρτηση μεταξύ της τιμής της αντίστασης γείωσης ενός συστήματος και της ανύψωσης δυναμικού της γης. Συγκεκριμένα, επιδιώκεται μικρή τιμή της αντίστασης (<1Ω για υποσταθμούς), ώστε να αυξηθεί κατά το δυνατόν λιγότερο το δυναμικό της γης σε περίπτωση σφάλματος Υπολογισμός αντίστασης γείωσης [1] Για σύστημα γείωσης πλέγματος χωρίς ράβδους και για ομοιογενές έδαφος η αντίσταση γείωσης δίνεται από: R g [ (1 )] (2.21) L 20A 1 h 20 A Όπου: T L T το συνολικό μήκος των αγωγών γείωσης σε m A το εμβαδό της επιφάνειας που καταλαμβάνει το πλέγμα γείωσης σε m 2 h το βάθος όπου είναι τοποθετημένο το πλέγμα γείωσης σε m Στην περίπτωση γείωσης συστήματος που περιλαμβάνει πλέγμα αλλά και κάθετες ράβδους η αντίσταση γείωσης δίνεται από την [18]: 2 R1R2 Rm Rg R R 2R Όπου: 1 2 m (2.22) R 1 η αντίσταση γείωσης των αγωγών πλέγματος σε Ω R 2 η αντίσταση γείωσης των ράβδων σε Ω R m η αντίσταση μεταξύ των αγωγών πλέγματος και των ράβδων σε Ω Στην συνέχεια δίνονται οι τύπου υπολογισμού των R 1, R 2, R m : 2L k L R [ln( ) k ] c 1 c 1 ' 2 Lc A (2.23) 4L 2k L R 1 R 2 R 2 [ln( ) 1 ( nr 1) ] 2nRL R b A (2.24) 2L k L R [ln( ) k 1] c 1 c m 2 Lc Lr A (2.25) 35

36 Όπου: ρ η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm L c το συνολικό μήκος των αγωγών πλέγματος σε m ισούται με 2h για αγωγούς σε βάθος h σε m ή με α για αγωγούς στην επιφάνεια του εδάφους σε m 2α η διάμετρος του αγωγού σε m Α η επιφάνεια που είναι καλυμμένη με αγωγούς σε m 2 k 1 και k 2 συντελεστές που υπολογίζονται με διαγράμματα [1] L R το μήκος κάθε ράβδου σε m 2b η διάμετρος ράβδου σε m n R ο αριθμός των ράβδων στο σύστημα γείωσης επιφάνειας A Υπολογισμός αντίστασης γείωσης όταν το σύστημα περιλαμβάνει ράβδους ενσωματωμένες σε μπετόν [1] Συχνά οι ράβδοι ενός συστήματος γείωσης όπως αυτοί που στηρίζουν τις βάσεις φωτοβολταϊκών πάνελ, είναι ενσωματωμένες σε μπετόν. Το μπετόν επειδή είναι υγροσκοπικό απορροφά την υγρασία του εδάφους. Με αυτόν τον τρόπο όταν μπλοκ μπετού είναι θαμμένα στο έδαφος, συμπεριφέρονται ως ημιαγωγοί με ειδική αντίσταση συνήθως Ωm [19]. Το γεγονός αυτό ενδιαφέρει ειδικά στις περιπτώσεις όπου η ειδική αντίσταση του εδάφους έχει μεσαία ή μεγάλη τιμή, καθώς μια μεταλλική ράβδος ενσωματωμένη σε μπετόν παρουσιάζει μικρότερη αντίσταση από ένα όμοιο ηλεκτρόδιο θαμμένο απευθείας στο έδαφος. Η χρήση του οπλισμού των θεμελίων στο σύστημα γείωσης, μπορεί να αποτελέσει ταυτόχρονα και μειονέκτημα για τους ακόλουθους λόγους: Από την μία πλευρά δεν είναι πρακτική η σχεδίαση θεμελίων για κατασκευές όπου οι ράβδοι οπλισμού δεν είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένοι με τα μεταλλικά μέρη της κατασκευής. Ακόμη και αν πραγματοποιηθεί με εξαιρετικά μεγάλη προσοχή η τοποθέτηση του κοχλία αγκύρωσης ώστε να αποφευχθεί επαφή των μετάλλων, το μπετόν ως ημιαγωγός μπορεί να δημιουργήσει αυτή την ηλεκτρική σύνδεση. Από την άλλη πλευρά έστω και μια μικρή παρουσία DC συνιστώσας ρεύματος μπορεί να προκαλέσει διάβρωση του μεταλλικού οπλισμού. Επίσης παρόλο που η παρουσία ac ρεύματος δεν προκαλεί διάβρωση, ένα μόνο ποσοστό της τάξης του 0.01% του ac ρεύματος στην διεπαφή της χαλύβδινης μπάρας και του μπετόν μπορεί να ανορθωθεί και να οδηγήσει σε διάβρωση [20]. Είναι δυνατό να καταστραφεί το μπετόν είτε από το προηγούμενο φαινόμενο καθώς ο διαβρωμένος χάλυβας καταλαμβάνει 2.2 φορές μεγαλύτερο όγκο από τον φυσιολογικό, παράγοντας με αυτόν τον τρόπο πιέσεις μεγαλύτερες των 35MPa, είτε 36

37 από την διέλευση πολύ μεγάλου ρεύματος που εξατμίζει την υγρασία του μπετόν απότομα. Υπάρχει ένα κατώφλι δυναμικού περίπου 60V, που αφορά την διάβρωση λόγω της DC συνιστώσας ρεύματος. Κάτω από αυτό το όριο δεν εμφανίζεται διάβρωση. Προκειμένου να βρεθεί το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να διαρρεύσει ηλεκτρόδια γείωσης που βρίσκονται μέσα στο μπετόν, έχουν γίνει πειράματα από τους Bogajewski, Dawalibi, Gervais και Mukhedkar [21], από τους Dick και Holliday [22] καθώς και από τους Miller, Hart και Brown [23]. Το βραχυχρόνιο ρεύμα I CE που μπορεί να διαρρεύσει ηλεκτρόδια γείωσης που βρίσκονται μέσα σε μπετόν, μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση του Ollendorff [24] για ένα ρεύμα που μπορεί να διαρρέει συνεχώς, πολλαπλασιασμένο με τον συντελεστή 1.4 όπως φαίνεται στην επόμενη εξίσωση: 1.4 I 1.4(I ) 2 (T T ) (2.26) CE g v Rz Όπου: λ g η θερμική αγωγιμότητα της γης σε 0 W /(m C) R z η αντίσταση γείωσης της ράβδου που είναι ενσωματωμένη σε μπετόν σε Ω ρ η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm T α η θερμοκρασία περιβάλλοντος σε C T v είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία που αποτρέπει την ξαφνική εξάτμιση της υγρασίας σε C I το ρεύμα που μπορεί να ρέει συνεχώς σε Α Η εφαρμοσιμότητα της παραπάνω εξίσωσης έχει επαληθευτεί από τους Bogajewski, Dawalibi, Gervais και Mukhedkar [21], μέσω εκτεταμένων δοκιμών σε στύλους από μπετόν. Προκειμένου να αποφευχθεί ενδεχόμενη βλάβη το πραγματικό ρεύμα I CE, πρέπει είναι μικρότερο από αυτό που υπολογίζεται από την εξίσωση Ένα περιθώριο ασφαλείας 20-25% είναι συνήθως αρκετό για τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές. Το βραχυχρόνιο ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί επίσης από το επόμενο σχήμα. 37

38 Σχήμα 2.13 Υπολογισμός βραχυχρόνιου ρεύματος I CE για ράβδους ενσωματωμένες σε μπετόν [1] Για τον υπολογισμό της αντίστασης γείωσης κάθετων ράβδων ενσωματωμένων σε μπετό οι Fagan and Lee [25] χρησιμοποιούν την επόμενη εξίσωση: 1 R ( [ln(d / d)] [ln(8l /D ) 1]) CE rod c c r c 2Lr (2.27) Όπου: ρ c η ειδική αντίσταση του μπετόν σε Ωm ρ η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm L r το μήκος κάθε ράβδου σε m d η διάμετρος των ράβδων σε m Dc η διάμετρος του μπλοκ μπετόν σε m Η προηγούμενη εξίσωση μπορεί να συσχετιστεί με την εξίσωση που χρησιμοποιείται συνήθως για ράβδους γείωσης μήκους L r και διαμέτρου d η οποία είναι: R rod [ln(8l r / d) 1] 2L r (2.28) 38

39 Έτσι η εξίσωση 2.27 μπορεί να επιλυθεί ως εξής: 1 R { [ln(8l /D ) 1] [ln(8l / d) 1] [ln(8l /D ) 1]} CE rod r c c r c r c 2Lr (2.29) Η παραπάνω εξίσωση αντιπροσωπεύει τον συνδυασμό δύο αντιστάσεων σε σειρά: Της αντίστασης γείωσης υπολογισμένη σύμφωνα με την εξίσωση 2.28 ενός τσιμεντένιου κυλίνδρου διαμέτρου D C που είναι θαμμένος σε έδαφος ειδικής αντίστασης ρ Της αντίστασης γείωσης από το εσωτερικό τμήμα διαμέτρου D C που περιέχει μεταλλική ράβδο διαμέτρου d Η παραπάνω προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για ηλεκτρόδια οποιουδήποτε σχήματος. Οι εξισώσεις 2.28 και 2.29 μπορούν να κωδικοποιηθούν ως εξής: R SM F(,S,G) (2.30) o RDM F( c,s o,g) F(,S i,g) F( c,s i,g) (2.31) Όπου: R SM η αντίσταση του ηλεκτροδίου σύμφωνα με την εξίσωση 2.28 R DM η αντίσταση του ηλεκτροδίου σύμφωνα με την εξίσωση 2.29 S 0 η επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου σε m 2 G o παράγοντας γεωμετρίας που εξαρτάται από το σχήμα του ηλεκτροδίου Έτσι οι εξισώσεις 2.30 και 2.31 ισχύουν για μεγάλη ποικιλία ηλεκτροδίων, θαμμένων στο έδαφος που περιβάλλονται από συγκεντρικό κέλυφος υλικού διαφορετικής ειδικής αντίστασης από το έδαφος. Τέλος, κατά την σχεδίαση συστήματος γείωσης με ράβδους ενσωματωμένες σε μπετόν πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι τόσο το ρεύμα που διαρρέει τα ηλεκτρόδια σε περίπτωση σφάλματος όσο και το τυχόν συνεχές ρεύμα που μπορεί να τα διαρρέει, διατηρούνται σε επιτρεπτά επίπεδα. Αυτό είναι εφικτό, όταν πολλά ηλεκτρόδια άγουν το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος σφάλματος. 39

40 2.9 Σφάλματα γης [1] Προκειμένου να υπολογιστεί το ρεύμα σφάλματος είναι απαραίτητο προηγουμένως να καθοριστούν τα είδη σφαλμάτων που μπορεί να παρουσιαστούν. Ο καθορισμός τους αποτελεί το πρώτο βήμα για τον προσδιορισμό του μέγιστου ρεύματος πλέγματος όπως θα παρουσιαστεί στην συνέχεια. Εξετάζονται λοιπόν, το μονοφασικό σφάλμα προς γη και το διφασικό σφάλμα προς γη. Σφάλματα που συμβαίνουν ταυτόχρονα και οδηγούν σε πολύ μεγάλα ρεύματα λαμβάνονται υπόψη μόνο αν η πιθανότητα να εμφανιστούν είναι πολύ μεγάλη. Η ενεργός τιμή του ρεύματος σφάλματος στο ομοπολικό σύστημα, I 0, για διφασικό σφάλμα προς γη δίνεται από τον τύπο: E (R 2jX 2) I0 (R jx ) [R R 3R j(x X )] (R jx ) (R 3R jx ) f f 0 (2.32) Οπου: E η φασική τάση σε V R f η αντίσταση σφάλματος σε Ω (συνήθως λαμβάνεται ίση με μηδέν) R 1 η αντίσταση ορθού συστήματος σε Ω R 2 η αντίσταση αντίστροφου συστήματος σε Ω R 0 η αντίσταση ομοπολικού συστήματος σε Ω X 1 η αντίδραση ορθού συστήματος Ω Χ 2 η αντίδραση αντίστροφου συστήματος σε Ω Χ 0 η αντίδραση ομοπολικού συστήματος σε Ω Η αντίστοιχη τιμή για μονοφασικό σφάλμα προς γη δίνεται από: E I0 3R R R R j(x X X ) f (2.33) Αν αγνοηθούν οι ωμικές αντιστάσεις προκύπτουν οι παρακάτω απλοποιημένοι τύποι για το ρεύμα στο ομοπολικό σύστημα. Για το διφασικό: EX 2 I0 X (X X ) (X X ) (2.34) 40

41 Και για το μονοφασικό: I 0 E X X X (2.35) Η αντίσταση σφάλματος R f, θεωρείται μηδενική στην περίπτωση σφάλματος λόγω βλάβης στη μόνωση εντός του υποσταθμού, ώστε τα αποτελέσματα να βρίσκονται στην ασφαλή πλευρά. Στο σημείο αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη η χειρότερη περίπτωση σφάλματος. Το χειρότερο σφάλμα είναι αυτό που προκαλεί την μεγαλύτερη ροή ρεύματος στην γη 3I 0. Η μεγαλύτερη τιμή I 0 αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη τιμή του I G (μέγιστο ρεύμα πλέγματος που επεξηγείται στη συνέχεια). Έτσι η χειρότερη περίπτωση προκύπτει για μονοφασικό σφάλμα όταν 2 2 Z1Z0 Z2 και για διφασικό όταν Z1Z0 Z2. Στην περίπτωση όπου Z1 Z2προκύπτουν αντίστοιχα Z0 Z2και Z0 Z2όπου Z1 R1 jx1, Z2 R2 jx2 και Z0 R0 jx Προσδιορισμός μέγιστου ρεύματος πλέγματος γείωσης Το μέγιστο ρεύμα πλέγματος προκύπτει συνήθως στο πιο επικίνδυνο σφάλμα. Για να προσδιοριστεί η τιμή του και έτσι να σχεδιαστεί σωστά το πλέγμα ακολουθούμε τα παρακάτω βήματα σύμφωνα με τον κανονισμό IEEE Std [1]: 1) Εντοπίζουμε το είδος και το σημείο εκδήλωσης των σφαλμάτων προς γη που προκαλούν τη μεγαλύτερη ροή ρεύματος μεταξύ του συστήματος γείωσης και του περιβάλλοντος εδάφους κι επομένως τη μεγαλύτερη τιμή του GPR και της διαφοράς δυναμικού στην επιφάνεια της γης. 2) Υπολογίζουμε το συντελεστή καταμερισμού S f για το σφάλμα του προηγούμενου βήματος. Η τιμή του δίνεται από [1]: S I 3I I I f g 0 g f (2.36) Όπου: Ig είναι η rms τιμή του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος πλέγματος. Αποτελεί το μέρος του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος γείωσης που ρέει από το πλέγμα γείωσης στην περιβάλλουσα γη I f είναι το συμμετρικό ρεύμα βραχυκύκλωσης (σχήμα 2.14). Αποτελεί τη μέγιστη rms τιμή του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος αμέσως μετά την εμφάνιση του σφάλματος. Έτσι, αντιπροσωπεύει την rms τιμή της συμμετρικής συνιστώσας στο πρώτο μισό του κύκλου ρεύματος που αναπτύσσεται αμέσως μετά την εκδήλωση του σφάλματος, σε μηδενικό χρόνο. Για σφάλματα φάσης-γης ορίζεται ως: I 3I (2.37) '' f(0 ) 0 41

42 Όπου: If (0 ) είναι η αρχική rms τιμή του συμμετρικού ρεύματος βραχυκύκλωσης '' I0 είναι η rms τιμή της ομοπολικής συνιστώσας του συμμετρικού ρεύματος που αναπτύσσεται αμέσως μετά την έναρξη του σφάλματος, αντιπροσωπεύοντας τις αντιδράσεις των περιστρεφόμενων μηχανών που συμβάλλουν στο σφάλμα. Το αρχικό συμμετρικό ρεύμα βραχυκύκλωσης θεωρείται ότι παραμένει σταθερό σε όλη την διάρκεια του σφάλματος. Σχήμα 2.14 Συμμετρικό ρεύμα σφάλματος DC συνιστώσα συνολικό ρεύμα [1] Η τιμή του συντελεστή καταμερισμού εξαρτάται από παράγοντες όπως την θέση του σφάλματος, την ύπαρξη θαμμένων αγωγών και καλωδίων στην περιοχή γείωσης, από τους αγωγούς προστασίας γραμμών μεταφοράς κτλ. Μέθοδοι για τον αναλυτικό υπολογισμό του παρουσιάζονται στον κανονισμό IEEE Std [1]. 3) Για κάθε σφάλμα υπολογίζουμε τον συντελεστή εξασθένισης D f που βασίζεται στον χρόνο που διαρκεί το σφάλμα t f. Η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη για να ληφθεί υπόψη η επίδραση της DC συνιστώσας. Γενικά το ασύμμετρο ρεύμα σφάλματος περιλαμβάνει την υπομεταβατική και μεταβατική ac συνιστώσα καθώς και την DC συνιστώσα. Όλες οι συνιστώσες μειώνονται εκθετικά με διαφορετικό ρυθμό η καθεμία. Ωστόσο θεωρούμε ότι οι ac συνιστώσες διατηρούν την αρχική τους τιμή. To μη συμμετρικό ρεύμα σφάλματος δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: tt i f(t) 2 E Y ac[sin( t ) e sin( )] (2.38) 42

43 Οπου: if () t η στιγμιαία τιμή του μη συμμετρικού ρεύματος σφάλματος σε Α τη χρονική στιγμή t E ω α Yac η rms τιμή της φασικής τάσης πριν το σφάλμα σε V κυκλική συχνότητα σε rad/s η γωνία της τάσης κατά την εμφάνιση του σφάλματος σε rad η φάση του ρεύματος σε rad η ισοδύναμη ac αγωγιμότητα του συστήματος σε mhos Τ α η σταθερά χρόνου της dc συνιστώσας σε s ( T X R ) Για τον προσδιορισμό του λόγου Χ/R (που είναι ενδεικτικός του βαθμού μείωσης της DC συνιστώσας) χρησιμοποιούνται το φανταστικό (Χ) και πραγματικό (R) μέρος της υπομεταβατικής σύνθετης αντίστασης του σφάλματος. Η μεγαλύτερη τιμή της dc συνιστώσας που αντιστοιχεί στη χειρότερη περίπτωση, παρουσιάζεται για ( ) 2.Έτσι η εξίσωση 2.38 γίνεται : tt i (t) 2 EY [e cos( t)] (2.39) f ac Η ενεργός τιμή για το μη συμμετρικό ρεύμα για όλη την διάρκεια του σφάλματος ορίζεται ως εξής: t f 2 [i f(t)] dt f 0 1 I F t (2.40) Οπου: t f η συνολική χρονική διάρκεια του σφάλματος σε s Τελικά προκύπτει: t 2 f 2 IF I f [i f(t)] dt tf 0 (2.41) Οπου: I f είναι η rms τιμή του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος. Έτσι η τιμή του συντελεστή εξασθένισης προκύπτει : 43

44 2t f IF T T Df 1 (1 e ) If tf (2.42) Η εξίσωση 2.42 χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης για συγκεκριμένους λόγους X/R και διάρκειες σφάλματος. Όταν η διάρκεια του σφάλματος είναι πολύ μεγάλη, (μεγαλύτερη των 30 κύκλων) θεωρούμε ότι ο συντελεστής εξασθένησης είναι ίσος με τη μονάδα. Τυπικές τιμές του συντελεστή εξασθένισης για διάφορες τιμές του X/R και της διάρκειας σφάλματος δίνονται στον πίνακα ) Επιλέγουμε το μεγαλύτερο γινόμενο DfIg και συνεπώς την χειρότερη περίπτωση σφάλματος. Πίνακας 2.4 Τυπικές τιμές του D f [1] Διάρκεια σφάλματος t f Παράγοντας εξασθένισης D f Λεπτά Κύκλοι στα 60Hz X/R=10 X/R=20 X/R=30 X/R= Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή όταν πρόκειται να επεκταθεί μελλοντικά το σύστημα γείωσης. Οι μελλοντικές νέες συνδέσεις μπορούν να αυξήσουν ή να μειώσουν το ρεύμα I G. Αν στο υπάρχον σύστημα δεν προβλέπονται περιθώρια αύξησης του ρεύματος I G τότε οι μελλοντικές επεκτάσεις θα μειώσουν την ασφάλεια που παρέχει το σύστημα και θα αυξηθεί το κόστος τοποθέτησης των νέων συνδέσεων. Μια μέθοδος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, είναι να ληφθεί το συνολικό ρεύμα σφάλματος I F μεταξύ του πλέγματος και της περιβάλλουσας γης, αγνοώντας τον συντελεστή καταμερισμού. Με αυτή την υπόθεση το τωρινό σύστημα θα είναι ασφαλές και δεν θα υπερβληθεί το μέγιστο ρεύμα 44

45 σφάλματος όταν συνυπολογίζεται ο συντελεστής καταμερισμού και θα υπάρχει δυνατότητα να επεκταθεί στο μέλλον παραμένοντας ασφαλές. Ωστόσο, αν δεν ληφθεί υπόψη ο συντελεστής καταμερισμού οδηγούμαστε σε υπερδιαστασιολόγηση του πλέγματος Γεωμετρία συστήματος γείωσης Για να σχεδιαστεί ένα πλέγμα γείωσης ενός υποσταθμού, είναι απαραίτητο αρχικά να ληφθεί ένα σχεδιάγραμμα του υποσταθμού που να περιλαμβάνει όλο τον εξοπλισμό του και τη θέση που πρόκειται να τοποθετηθεί. Τα αρχικά βήματα που πρέπει να γίνουν είναι τα παρακάτω [1]: Ένας συνεχόμενος αγώγιμος βρόχος πρέπει να περικλείει όσο δυνατόν μεγαλύτερη επιφάνεια στην περιοχή του υποσταθμού. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται η αντίσταση γείωσης, αποφεύγεται η συγκέντρωση υψηλών ρευμάτων στην περιοχή του πλέγματος και στις άκρες των αγωγών που προεξέχουν καθώς και η εμφάνιση επικίνδυνων δυναμικών. Στο εσωτερικό του βρόχου, οι αγωγοί τοποθετούνται παράλληλα και κατά μήκος του εξοπλισμού που πρόκειται να γειωθεί, ώστε να μειώνεται το μήκος των απαιτούμενων συνδέσεων με το σύστημα γείωσης. Ένα τυπικό πλέγμα γείωσης περιλαμβάνει αγωγούς γυμνού χαλκού τοποθετημένους σε βάθος m και σε απόσταση 3-7m μεταξύ τους σε ορθογωνικό πλέγμα. Οι συνδέσεις μεταξύ των αγωγών στους κόμβους του πλέγματος πρέπει να είναι σταθερές. Οι ράβδοι γείωσης τοποθετούνται στις ακμές του πλέγματος και στους κόμβους των αγωγών κατά μήκος της περιμέτρου ώστε να περιορίζουν τις απότομες αυξήσεις της τάσης κατά μήκος της. Επίσης μπορούν να τοποθετηθούν και στον κύριο εξοπλισμό του υποσταθμού, κυρίως κοντά σε εκτροπείς υπέρτασης. Σε περίπτωση διστρωματικού ή πολυστρωματικού μοντέλου οι ράβδοι θα πρέπει να τοποθετούνται σε τέτοιο βάθος ώστε να φθάνουν το στρώμα με την μικρότερη ειδική αντίσταση. Στις περιπτώσεις όπου εμφανίζονται υψηλές συγκεντρώσεις ρευμάτων, όπως για παράδειγμα στη σύνδεση ουδετέρου-γης γεννήτριας, μετασχηματιστών ή συστοιχίας πυκνωτών, απαιτείται αύξηση των διαστάσεων των αγωγών γείωσης ή πολλαπλοί αγωγοί γείωσης. Συχνά για τους παραπάνω λόγους, επεκτείνεται το σύστημα γείωσης εκτός του φράχτη γύρω από τον υποσταθμό. Ο λόγος των διαστάσεων του ορθογωνικού πλέγματος γείωσης κυμαίνεται συνήθως από 1:1 έως 1:3. Η πυκνότητα του πλέγματος δεν επηρεάζει σημαντικά την μείωση της αντίστασης γείωσης. Η χρήση των οριζόντιων και κάθετων αγωγών έχουν ως βασικό στόχο τον έλεγχο των δυναμικών πάνω στην επιφάνεια του πλέγματος και την παροχή πολλαπλών δρόμων διοχέτευσης του ρεύματος στη γη, μειώνοντας σημαντικά την πτώση τάσης μέσα στο ίδιο το πλέγμα. Σήμερα, η πλειοψηφία των συστημάτων γείωσης περιλαμβάνει συνδυασμό οριζόντιων αγωγών και κάθετων ράβδων. Οι πιο σημαντικοί λόγοι για τους οποίους ακολουθείται αυτή η μέθοδος παρουσιάζονται στην συνέχεια: Ένα ηλεκτρόδιο από μόνο του συνήθως είναι ανεπαρκές για να παρέχει ένα ασφαλές σύστημα γείωσης. Όταν όμως αρκετά ηλεκτρόδια όπως οι ράβδοι 45

46 γείωσης, συνδεθούν μεταξύ τους και με όλους τους ουδέτερους, τα μεταλλικά πλαίσια του εξοπλισμού και τις κατασκευές που πρέπει να γειωθούν, προκύπτει μια διάταξη πλέγματος από ηλεκτρόδια γείωσης, ανεξάρτητα από τον αρχικό στόχο. Στην περίπτωση που το έδαφος όπου τοποθετείται το πλέγμα έχει χαμηλή ειδική αντίσταση, τότε αυτό το δίκτυο μπορεί να αποτελέσει ένα άριστο σύστημα γείωσης. Εάν το μέγεθος του ρεύματος που διαχέεται στη γη είναι μεγάλο, τότε πρέπει να εγκατασταθεί πλέγμα με πολύ μικρή αντίσταση, ώστε το GPR να μην προκαλεί επικίνδυνες διαφορές δυναμικού πάνω στην επιφάνεια της γης. Ένα σύστημα που συνδυάζει ένα οριζόντιο πλέγμα και έναν αριθμό κατακόρυφων ράβδων παρουσιάζει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Το οριζόντιο πλέγμα είναι αποτελεσματικό στον περιορισμό των τάσεων επαφής και των βηματικών τάσεων, εφόσον είναι τοποθετημένο σε μικρό βάθος, συνήθως m. Η χρήση όμως κατακόρυφων ράβδων μεγάλου μήκους σταθεροποιούν την απόδοση αυτού του συστήματος. Η σταθερότητα είναι σημαντική διότι η ειδική αντίσταση των ανώτερων στρωμάτων του εδάφους μεταβάλλεται ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες ενώ των κατώτερων στρωμάτων του εδάφους παραμένει σχεδόν σταθερή στην διάρκεια του έτους. Στις περιπτώσεις διστρωματικού ή πολυστρωματικού εδάφους όπου τα ανώτερα στρώματα έχουν μεγαλύτερη ειδική αντίσταση από τα κατώτερα, η χρήση κατακόρυφων ράβδων μεγάλου μήκους που φθάνουν τα στρώματα χαμηλής ειδικής αντίστασης είναι πιο αποτελεσματική καθώς διευκολύνουν την διάχυση των ρευμάτων σφάλματος στη γη. Η τοποθέτηση κατακόρυφων ράβδων κατά μήκους της περιμέτρου του πλέγματος, σε έδαφος με ομοιόμορφη ειδική αντίσταση (ή ειδική αντίσταση που μειώνεται με την αύξηση του βάθους) συμβάλλει σημαντικά στην ελάττωση των δυναμικών επιφάνειας στην περιφέρεια του πλέγματος γείωσης. Με το πλέγμα γείωσης πρέπει να συνδέονται τα επόμενα στοιχεία με την βοήθεια αγωγών επαρκούς ηλεκτρικής και μηχανικής αντοχής: Όλα τα ηλεκτρόδια γείωσης όπως τα ηλεκτρόδια του πλέγματος, οι μεταλλικοί σωλήνες ύδρευσης ή αερίου κτλ. Όλα τα στοιχεία πάνω στο έδαφος που σε περίπτωση σφάλματος τεθούν υπό τάση όπως μεταλλικά δομήματα, μεταλλικά περιβλήματα, δοχεία μετασχηματιστών κτλ. Επίσης μεταλλικά μέρη που έχουν διαφορετικό δυναμικό από γειτονικά μεταλλικά μέρη που έχουν τεθεί υπό τάση λόγω σφάλματος, πρέπει να συνδεθούν με το πλέγμα. Οποιεσδήποτε πηγές ρεύματος σφάλματος π.χ. συστοιχίες πυκνωτών, μετασχηματιστές, πυκνωτές ζεύξης κτλ Διαδικασία σχεδίασης συστήματος γείωσης [1] Τα βήματα για την σχεδίαση του συστήματος γείωσης είναι τα εξής: 1) Συλλέγονται πληροφορίες για την περιοχή όπου θα γίνει η εγκατάσταση. Στην συνέχεια μετριέται η ειδική αντίσταση του εδάφους και καθορίζεται το μοντέλο του εδάφους που θα χρησιμοποιηθεί (ομοιογενές, διστρωματικό κλπ). 46

47 2) Προσδιορίζεται το μέγεθος και τα χαρακτηριστικά των αγωγών, θεωρώντας το ρεύμα 3I 0 το μεγαλύτερο ρεύμα σφάλματος που μπορεί να εμφανιστεί. Ο χρόνος t c αντιπροσωπεύει τον μέγιστο πιθανό χρόνο εκκαθάρισης σφάλματος. 3) Ελέγχεται η τάση επαφής και η βηματική τάση ως προς τα επιτρεπτά όρια και επιλέγεται ο χρόνος έκθεσης στο σφάλμα t s. Ο χρόνος αυτός επιλέγεται συνήθως ίσος με τη διάρκεια σφάλματος t f εκτός από τις περιπτώσεις όπου ο χρόνος t f είναι το άθροισμα των χρόνων διαδοχικών σφαλμάτων. Η επιλογή των χρόνων πρέπει να εκφράζει τη χειρότερη περίπτωση σε σχέση με τον συντελεστή εξασθένισης και τη μέγιστη τιμή ανεκτού ρεύματος από τον άνθρωπο. 4) Καταστρώνεται ένα αρχικό σχέδιο το οποίο πρέπει να περιλαμβάνει έναν αγώγιμο βρόχο που περικλείει ολόκληρη την περιοχή προς γείωση καθώς και τους απαραίτητους συνδέσμους της γείωσης με τον εξοπλισμό που υπάρχει. Η εκτίμηση των αποστάσεων μεταξύ των αγωγών γείωσης και της θέσης των ράβδων γείωσης πρέπει να βασίζονται στην τιμή του μέγιστου ρεύματος I G. 5) Εκτιμάται η αντίσταση γείωσης, για ομοιογενές έδαφος αρχικά και στην συνέχεια με την βοήθεια υπολογιστή βρίσκεται η ακριβής τιμή της, με την προϋπόθεση ότι επιλέχθηκε σωστά το μοντέλο εδάφους. 6) Για το τελικό σχέδιο του συστήματος γείωσης το ρεύμα I G πρέπει να αντιπροσωπεύει την πιθανή επέκταση του υποσταθμού στο μέλλον, τον συντελεστή εξασθένησης D f και τη χειρότερη περίπτωση σφάλματος. Ωστόσο για να μην οδηγηθούμε σε υπερδιαστασιολόγηση του συστήματος γείωσης πρέπει να ληφθεί υπόψη στον σχεδιασμό του πλέγματος μόνο το μέρος του συνολικού ρεύματος σφάλματος 3I 0 που κατευθύνεται από το σύστημα γείωσης προς την άπειρη γη. 7) Αν στο αρχικό σχέδιο η τιμή της ανύψωσης δυναμικού γης (GPR) είναι μικρότερη του επιτρεπτού ορίου για την τάση επαφής, περαιτέρω ανάλυση δεν είναι απαραίτητη. Ακολουθεί η προσθήκη επιπλέον αγωγών για τη σύνδεση του εξοπλισμού του υποσταθμού με το σύστημα γείωσης. 8) Υπολογίζεται η τάση βρόχου και η βηματική τάση. 9) Αν η τάση βρόχου είναι μικρότερη του επιτρεπτού ορίου τάσης επαφής τότε η σχεδίαση είναι σχεδόν έτοιμη. Αν είναι μεγαλύτερη τότε πρέπει να ξαναγίνει έλεγχος του αρχικού σχεδίου. 10) Αν οι τάσεις επαφής και η βηματική είναι μικρότερες των επιτρεπτών ορίων του εξοπλισμού, η σχεδίαση ολοκληρώνεται με την προσθήκη συνδέσεων του εξοπλισμού του υποσταθμού στο σύστημα γείωσης για. Αν υπερβαίνουν τα όρια, το αρχικό σχέδιο πρέπει να ελεγχθεί. 11) Αν μόνο οι τάσεις επαφής ή μόνο οι βηματικές υπερβαίνουν τα επιτρεπτά όρια τότε πρέπει να αναθεωρηθεί η σχεδίαση του πλέγματος. Αυτό επιτυγχάνεται με επιπρόσθετες ράβδους γείωσης, με μείωση της απόστασης μεταξύ των αγωγών του πλέγματος γείωσης κλπ. 12) Τέλος, ακόμη και στην περίπτωση που επιτευχθούν οι κατάλληλες τάσεις επαφής και βηματικές, μπορεί να χρειάζεται η προσθήκη επιπλέον ράβδων γείωσης και αγωγών στο πλέγμα. Οι αγωγοί αυτοί είναι απαραίτητοι στην περίπτωση όπου ο εξοπλισμός του υποσταθμού βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από το πλέγμα και 47

48 είναι δύσκολη η σύνδεσή του με αυτό. Οι ράβδοι γείωσης μπορεί να είναι αναγκαίοι στη βάση εκτροπέων υπέρτασης, στη γείωση των ουδετέρων μετασχηματιστών κλπ. Για το τελικό σχέδιο πρέπει να ληφθούν επίσης υπόψη πιθανές εισερχόμενες υπερτάσεις. Τέλος κάποιες από τις βελτιστοποιήσεις που μπορούν να γίνουν στο αρχικό σχέδιο του συστήματος γείωσης ώστε να εξαλειφθούν κίνδυνοι από επικίνδυνα δυναμικά είναι οι παρακάτω: Μείωση της συνολικής αντίστασης γείωσης του πλέγματος. Η μείωση της συνολικής αντίστασης θα επιφέρει μείωση του GPR και έτσι μείωση των βηματικών και των τάσεων επαφής. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος να μειωθεί η αντίσταση είναι με αύξηση της επιφάνειας που καταλαμβάνει το πλέγμα. Για τον σκοπό αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ράβδοι σε μεγάλο βάθος που να φθάνουν τα στρώματα του εδάφους με την μικρότερη αντίσταση. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται ειδικά στην περίπτωση που η επιφάνεια για γείωση είναι μικρή. Πιο πυκνό πλέγμα. Ένας τρόπος για τον έλεγχο των τάσεων είναι η τοποθέτηση των αγωγών του πλέγματος σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Συχνά το πρόβλημα είναι πιο έντονο στην περίμετρο του πλέγματος ειδικά στους υποσταθμούς με μικρή επιφάνεια προς γείωση και μεγάλη αντίσταση. Τρόποι αντιμετώπισης του τελευταίου, είναι η αύξηση της πυκνότητας των ράβδων στην περίμετρο, η τοποθέτηση παράλληλων αγωγών γείωσης γύρω από την περίμετρο σε διαδοχικά αυξανόμενο βάθος όσο αυξάνεται η απόσταση από τον υποσταθμό, η τοποθέτηση των αγωγών που βρίσκονται κοντά στην περίμετρο σε μικρότερη απόσταση κτλ. Μείωση του ολικού ρεύματος σφάλματος. Με την μείωσή του επιτυγχάνεται ταυτόχρονα και μείωση όλων των επικίνδυνων δυναμικών. Αν η μείωση του ρεύματος πραγματοποιηθεί έτσι ώστε ο χρόνος εκκαθάρισης σφάλματος να αυξηθεί, οι κίνδυνοι δεν θα εξαλειφθούν. Περιορισμός πρόσβασης σε συγκεκριμένες περιοχές ώστε να αποφευχθούν κίνδυνοι πλήγματος. Τα παραπάνω αφορούν κυρίως τη σχεδίαση συστήματος γείωσης υποσταθμών. Η σχεδίαση συστημάτων γείωσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων παρουσιάζεται στο 5 0 κεφάλαιο. 48

49 3.Βάσεις και θεμελίωση Φ/Β πάνελ 3.1 Τρόποι στήριξης φωτοβολταϊκών πάνελ Τα Φ/Β πάνελ εδράζονται στο έδαφος με δύο κυρίως τρόπους [26]: 1. με βάσεις σταθερής κλίσης ως προς την οριζόντιο, που ονομάζονται «σταθερής βάσης» 2. με βάσεις επί διατάξεων παρακολούθησης της πορείας του ήλιου. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται συστήματα ιχνηλάτησης της πορείας του ήλιου ή ηλιοπαρακολουθητές ή trackers. 3.2 Είδη θεμελίωσης σταθερών βάσεων Οι σταθερές βάσεις αποτελούν τον απλούστερο και οικονομικότερο τρόπο έδρασης Φ/Β πάνελ. Η βασική αρχή σχεδιασμού τους, καθορίζεται το ότι οι ακτίνες του ήλιου θα πρέπει να προσπίπτουν κάθετα στην επιφάνεια των πάνελ κατά τις μεσημεριανές ώρες. Έτσι, οι βάσεις κατασκευάζονται με τρόπο ώστε να επιτρέπουν την τοποθέτηση των πάνελ σε σταθερή κλίση, περίπου Η συγκεκριμένη κλίση θεωρείται ικανοποιητική ως μέση τιμή για τα ελληνικά δεδομένα. Η ιδανική κλίση είναι αρκετά µικρότερη κατά τους καλοκαιρινούς µήνες και αρκετά µεγαλύτερη κατά τους χειµερινούς [26]. Πριν την κατασκευή των βάσεων, πραγματοποιείται μελέτη, ώστε να διαπιστωθεί η στατική αντοχή τους σε φορτία όπως ο άνεμος και το χιόνι. Επιπλέον μελετάται η αντοχή τους σε αντίξοες καιρικές συνθήκες όπως είναι σεισμοί και οι τυφώνες. Συνήθως το υλικό κατασκευής τους είναι αλουµίνιο ή ανοξείδωτος χάλυβας. Εικόνα 3.1 Τυπική σταθερή βάση στήριξης [26] Τα πάνελ μπορούν να τοποθετηθούν στις βάσεις με οριζόντια (landscape) ή κάθετη (portrait) διάταξη. Στην οριζόντια διάταξη, τα πάνελ τοποθετούνται κατά μήκος των στηριγμάτων (εικόνα 3.2α). Στην περίπτωση που τα πάνελ τοποθετούνται εγκάρσια (κάθετη 49

50 διάταξη), επιτρέπουν την εγκατάσταση πολλών σειρών πάνελ ώστε να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση (εικόνα 3.2β). Εικόνα 3.2α Οριζόντια διάταξη πάνελ 4x4 πάνελ σε σειρά [27] Εικόνα 3.2β Κάθετη διάταξη πάνελ 3x6 πάνελ σε σειρά [27] Η θεμελίωση των σταθερών βάσεων μπορεί να πραγματοποιηθεί με τους επόμενους βασικούς τρόπους: με την έμπηξη στο έδαφος πασσάλων, την τοποθέτηση βιδωτών θεμελίων καθώς και με τη χρήση μπετόν. Κάθε ένας από αυτούς τους τρόπους θεμελίωσης χρησιμοποιείται ανάλογα με το είδος του εδάφους, το μέγεθος της εγκατάστασης και το κόστος Πασσαλόμπηξη Η μέθοδος της πασσαλόμπηξης (εικόνα 3.3), περιλαμβάνει την τοποθέτηση σε μικρά βάθη εδαφοπασσάλων πάνω στους οποίους τοποθετείται η βάση. Μπορεί να γίνει είτε απευθείας ([28]) ή με την χρήση σκυροδέματος όπως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια. Η απευθείας πασσαλόμπηξη χρησιμοποιείται κυρίως, όταν το μέγεθος εγκατάστασης είναι μεγάλο ή το έδαφος είναι ακατάλληλο για χρήση μπετόν. Αρχικά, ένα πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ο μικρός χρόνος εγκατάστασης καθώς στο μονοπάσσαλο σύστημα στήριξης (ένας πάσσαλος ανά τρίγωνο στήριξης) απαιτεί λιγότερο χρόνο για αλφάδιασμα των πασσάλων και λιγότερα εξαρτήματα όπως βίδες. Επιπλέον πραγματοποιείται ελάχιστη παρέμβαση στο έδαφος και επομένως δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Επίσης, το κόστος εγκατάστασης είναι σχετικά μικρό με αυτό το είδος θεμελίωσης αλλά απαιτεί αυτοψία και γεωτεχνική μελέτη της περιοχής, ώστε να διαπιστωθεί κατά πόσο είναι εφικτή η μέθοδος, χωρίς να δημιουργούνται προβλήματα στατικής επάρκειας των βάσεων. Τέλος, προσφέρει εύκολη πρόσβαση για συντήρηση. 50

51 Εικόνα 3.3 Περίπτωση θεμελίωσης με εδαφόμπηξη βάσεων [26] Εικόνα 3.4 Θεμελίωση βάσης με τη μέθοδο απευθείας πασσαλόμπηξης [28] Οι εδαφοπάσσαλοι κατασκευάζονται συνήθως από χάλυβα γαλβανισμένο εν θερμώ. Σε πολλές περιπτώσεις προστίθενται επιπλέον υλικά για μεγαλύτερη προστασία από διαβρώσεις στο έδαφος. Οι εδαφοπάσσαλοι διατίθενται σε πολλά μεγέθη και σχήματα στην αγορά όπως είναι οι τραπεζοειδείς, IPE, C, RHS και οι sigma. Οι αντίστοιχες βάσεις μπορεί να διαθέτουν ένα ή δύο πασσάλους ανά τρίγωνο στήριξης. Οι πάσσαλοι μορφής IPE και RHS αποτελούν ελατές διατομές χάλυβα που παράγονται μέσω έλασης εν θερμώ [29]. Οι IPE ανήκουν στην κατηγορία των υψίκορμων διπλών ταυ με παράλληλα πέλματα. Οι RHS ανήκουν στην κατηγορία των κοιλοδοκών ορθογωνικής διατομής και λόγω του κλειστού τους σχήματος διαθέτουν εξαιρετική ικανότητα παραλαβής στρεπτικής επιπόνησης θλίψης και κάμψης. Επίσης το κλειστό τους σχήμα περιορίζει την διάβρωση. 51

52 Οι τραπεζοειδείς πάσσαλοι αποτελούν μία μορφή εδαφοπάσσαλων με πολλά πλεονεκτήματα. Αρχικά, παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση κάμψης και κατά συνέπεια οι βάσεις στήριξης γίνονται πιο σταθερές σε φορτία ανέμου και χιονιού. Επιπλέον, η εσωτερική και η εξωτερική τους πλευρά χρησιμοποιούνται για την ολίσθηση του εδάφους, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται βέλτιστη ενσωμάτωση με το έδαφος. Επιπρόσθετα, ενσωματώνονται άρτια σε εδάφη με προβληματική στιβαδοποίηση. Τέλος, δεν χρησιμοποιούνται τομές ή εγκοπές κοντά στο έδαφος, που δημιουργούν πιθανά σημεία διάβρωσης [30]. ---Αποτελεσματική ενσωμάτωση με το έδαφος στην φορά της φόρτισης --- Αποδοτική επιφάνεια προσβολής για την εξωτερική τριβή Εικόνα 3.5 Τραπεζοειδής μορφή πασσάλου [30] Υπάρχει μεγάλη ποικιλία σταθερών βάσεων που διατίθενται από εταιρίες στην αγορά. Οι βάσεις διαφέρουν μεταξύ τους ως προς διάφορα χαρακτηριστικά όπως τον τρόπο θεμελίωσης, τα υλικά κατασκευής, την αντοχή σε φορτία ανέμου και χιονιού, το κόστος, το βάρος. Κάποιες από τις βάσεις που θεμελιώνονται με πασσαλόμπηξη παρουσιάζονται στην συνέχεια. Οι δύο βάσεις που ακολουθούν κατασκευάζονται από την ίδια εταιρία [31] και χωρίζονται με βάση το βάρος τους σε kg/w. Οι βάσεις είναι κατασκευασμένες από χάλυβα υψηλής αντοχής (όριο διαρροής 750Ν/mm 2 ) γαλβανισμένο εν θερμώ και επομένως παρουσιάζουν υψηλή αντοχή σε αντίξοες καιρικές συνθήκες. Επιπλέον χρησιμοποιείται ψευδάργυρος ώστε να διαθέτουν υψηλή αντιδιαβρωτική προστασία με χαμηλό παράλληλα κόστος. Η βάση του επόμενου σχήματος αντέχει φορτίο ανέμου 1.10 kn/m, δηλαδή 33m/s και φορτίο χιονιού 0.8kN/m. Επιπλέον το βάρος της είναι ίσο με 0.073kg/W και το κάθε πλαίσιο φέρει δύο σηµεία πάκτωσης για ευκολία στην εγκατάσταση. Αυτή η κατηγορία διατίθεται σε δύο μορφές: με δυνατότητα δηλαδή τοποθέτησης δύο σειρών πλαισίων σε κάθετη διάταξη και τριών σειρών πλαισίων οριζόντιας διάταξης. Ένας τρόπος θεμελίωσής της είναι με έμπηξη στο έδαφος μεταλλικού εδαφοπασσάλου. 52

53 . Εικόνα 3.6 Βάση με δύο σημεία πάκτωσης [31] Η βάση του σχήματος που ακολουθεί, αποτελεί ένα μονοπάσσαλο σύστημα στήριξης (ένα σημείο πάκτωσης ανά στατικό φορέα). Αντέχει σε φορτία χιονιού μέχρι 0.5kN/m και ανέμου 1.3 kn/m, δηλαδή για ταχύτητες μεγαλύτερες των 40m/s ενώ το βάρος είναι ίσο με 0.08kg/W. Αυτή η κατηγορία υποστηρίζει μία σειρά πάνελ κάθετης διάταξης και δύο σειρών πάνελ οριζόντιας διάταξης. Εικόνα 3.7 Μονοπάσσαλο σύστημα στήριξης [31] Η επόμενη βάση που διατίθεται στο εμπόριο ([32]),κατασκευάζεται αποκλειστικά από αλουμίνιο που το καθιστά αδιάβρωτο σε κάθε είδους συνθήκες περιβάλλοντος, ακόμη και σε παραθαλάσσιες περιοχές ή περιοχές με μεγάλη βιομηχανική ρύπανση. Ειδικά για αυτές τις περιοχές χρησιμοποιείται ανοδίωση στα προφίλ του αλουμινίου. 53

54 Εικόνα 3.8 Θεμελίωση πλαισίου με πάσσαλο [32] Ένα ακόμη είδος βάσεων που κυκλοφορεί στο εμπόριο ([33]) κατασκευάζεται από αλουμίνιο. Οι βάσεις αυτές υποστηρίζουν οριζόντια και κάθετη διάταξη πάνελ όπως φαίνεται στα σχήματα που ακολουθούν. Εικόνα 3.9α Βάση στήριξης οριζόντιας τοποθέτησης πάνελ [33] Εικόνα 3.9β Βάση στήριξης εγκάρσιας τοποθέτησης πάνελ [33] Για τη μέθοδο της πασσαλόμπηξης χρησιμοποιείται το προφίλ που φαίνεται στις εικόνες Κατασκευάζεται από χάλυβα γαλβανισμένο εν θερμώ για μέγιστη αντίσταση στη διάβρωση, υπάρχει σε μήκη mm και διαθέτει αυλακώσεις για ρύθμιση του ύψους. 54

55 Εικόνα 3.10α Προφίλ που χρησιμοποιείται για τη μέθοδο πασαλλόμπηξης [33] Εικόνα 3.10β Προφίλ που χρησιμοποιείται για τη μέθοδο πασαλλόμπηξης [33] Στην συνέχεια, παρουσιάζεται μία ομάδα βάσεων από αλουμίνιο με πασσάλους που κατασκευάζονται από χάλυβα γαλβανισμένο εν θερμώ. Το σχήμα των πασσάλων είναι τραπεζοειδές, χωρίς εγκοπές κοντά στο έδαφος. Η πρώτη μορφή που λέγεται FS Vario, υποστηρίζει οποιοδήποτε τύπο πάνελ και υπάρχει δυνατότητα ρύθμισης της κλίσης των πάνελ ανάλογα με την εποχή. Συνήθως χρησιμοποιούνται για ένα πλαίσιο κάθετης διάταξης. Εικόνα 3.11 Βάση μορφής FS Vario, με ένα πλαίσιο κάθετης διάταξης [30] Η κατηγορία FS system G6, συγκριτικά με την προηγούμενη, χρησιμοποιεί λιγότερα θεμέλια, παρέχει καλύτερη προσαρμογή των επιμέρους τμημάτων της καθώς και καλύτερο βαθμό χρησιμοποίησης των υλικών. Μπορεί να υποστηρίξει κάθετη και οριζόντια διάταξη πάνελ. Ειδικά η χρήση έξι πάνελ σε οριζόντια διάταξη είναι κατάλληλη για περιοχές μικρού φορτίου ανέμου. 55

56 Εικόνα 3.12 Βάση μορφής FS system G6, με έξι πάνελ σε οριζόντια διάταξη [30] Στην συνέχεια παρουσιάζονται βάσεις που ανήκουν στην ίδια κατασκευαστική εταιρία ([34]) με διάφορες παραλλαγές η κάθε μία. Όλες οι βάσεις είναι κατασκευασμένες από γαλβανισμένο χάλυβα και οι πάσσαλοι θεμελίωσης από χάλυβα γαλβανισμένο βαθμού 8.8 ή από ανοξείδωτο χάλυβα. Επιπλέον περιέχουν ελαστικό κόμμι για προστασία από ηλεκτρολυτική διάβρωση. Οι πάσσαλοι που χρησιμοποιούνται όταν θεμελιώνονται με πασσαλόμπηξη, τοποθετούνται σε βάθος μέχρι δύο μέτρα, εφόσον προηγηθεί έλεγχος καταλληλότητας του εδάφους. Οι θεμελιώσεις μονού πασσάλου χρησιμοποιούνται για κλάσεις εδάφους 3-5 και 5-7 (με γεώτρηση) και οι διπλού πασσάλου για κλάσεις εδάφους 1-7. Μία ομάδα βάσεων που λέγεται CR διαθέτει τρεις παραλλαγές. Διατίθεται ένα είδος που θεμελιώνεται με μονό πάσσαλο καθώς και ένα άλλο που χρησιμοποιεί διπλό πάσσαλο τύπου C, RHS και sigma (το επόμενο είδος αναλύεται στο κεφάλαιο 3.2.3). Η βάση με μονό πάσσαλο μπορεί να στηρίξει 3-4 σειρές οριζόντιας διάταξης και 1-2 σειρές κάθετης. Οι βάσεις με τους διπλούς πασσάλους υποστηρίζουν 3-4 ή και περισσότερες σειρές οριζόντιας διάταξης καθώς και μέχρι τρεις σειρές κάθετης. Τέλος όλες οι βάσεις υποστηρίζουν πλαισιωμένα πάνελ. Εικόνα 3.13 Βάση με διπλό πάσσαλο που τοποθετείται με πασσαλοέμπηξη στο έδαφος [34] 56

57 Εικόνα 3.14 Βάση με μονό πάσσαλο που τοποθετείται με πασσαλοέμπηξη στο έδαφος [34] Η επόμενη ομάδα της ίδιας εταιρίας λέγεται FS και περιλαμβάνει επίσης διαφορετικές παραλλαγές βάσεων. Η πρώτη παραλλαγή θεμελιώνεται με μονούς πασσάλους γείωσης μορφής IPE, C, RHS και sigma και υποστηρίζει διάταξη πάνελ 2-4 σειρές οριζόντιας διάταξης. Η κατηγορία FS διπλού πασσάλου που χρησιμοποιεί θεμέλια τύπου C, RHS και sigma, υποστηρίζει τοποθέτηση πάνελ 2-5 σειρών οριζόντιας διάταξης. Τα πάνελ που χρησιμοποιούνται σε αυτή την ομάδα είναι τύπου first solar. Εικόνα 3.15 Βάση με μονό πάσσαλο που τοποθετείται με πασσαλοέμπηξη στο έδαφος [34] Βιδωτά θεμέλια Ένας ακόμη τρόπος θεμελίωσης βάσεων, είναι με τη χρήση βιδωτών θεμελίων (εδαφοκοχλίες) όπως είναι οι γαιοβίδες και οι αγκυρόβιδες. Το υλικό κατασκευής τους είναι συνήθως χάλυβας γαλβανισμένος εν θερμώ. Τα θεμέλια αυτά έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, αντέχουν σε αντίξοες καιρικές συνθήκες και μπορούν άμεσα να στηρίξουν φορτίο. Επιπλέον, είναι ανθεκτικά και στιβαρά χάρη στην συμπύκνωση του χώματος κατά την τοποθέτηση. Ειδικά οι βίδες κωνικής μορφής συμβάλλουν στην συμπύκνωση του χώματος προσφέροντας σταθερότητα και ασφάλεια. Επίσης, μπορούν να τοποθετηθούν υπό όλες τις 57

58 καιρικές συνθήκες και χρησιμοποιούνται για όλα τα είδη του εδάφους, ακόμη και για επικλινή και βραχώδη. Εικόνα 3.16 Θεμελίωση βάσεων στήριξης με βιδωτά θεμέλια [35] Οι μορφές βιδωτών θεμελίων που χρησιμοποιούνται για φωτοβολταΐκές εγκαταστάσεις ποικίλουν ως το μήκος τους, τα σπειρώματά τους, το βάθος τοποθέτησης κτλ. Μία μορφή της σειράς G series ([36]) χρησιμοποιεί τρία ή τέσσερα σπειρώματα σύνδεσης. Η συγκεκριμένη κατηγορία μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για μαλακό έδαφος, χρησιμοποιώντας χειροκίνητα συστήματα οδήγησης. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται με λεπτομέρειες τα επιμέρους τμήματά τους και στον πίνακα που ακολουθεί αναγράφονται οι διαστάσεις του. a: μήκος b: εξωτερική διάμετρος κυλίνδρου c: εσωτερική διάμετρος κυλίνδρου d: διάμετρος τοποθέτησης κυλίνδρου στήριξης e: ρύθμιση βάθους Εικόνα 3.17α Μήκος1300, 1000mm, 4 σπειρώματα [36] Εικόνα 3.17β Μήκος 1300, 1000, 800mm, 4 σπειρώματα [36] Εικόνα 3.17γ Μήκος 2100, 1600, 1300mm, 3 σπειρωμάτων [36] 58

59 Πίνακας 3.1 Χαρακτηριστικά μεγέθη βιδωτών θεμελίων σειράς G [36] Μήκος σε mm (a) Εξωτερική διάμετρος κυλίνδρου σε mm (b) Σπειρώματα Ρύθμιση βάθους (e), σε mm (±25) Εσωτερική διάμετρος κυλίνδρου σε mm (c) Διάμετρος τοποθέτησης κυλίνδρου στήριξης σε mm (d) , 400, 440, , 90, 80, , 540, 570, , 90, 80, , 1020, 1055, , 60, , 830, 855, , 60, , 570, 600, , 60, Εικόνα 3.18α Βιδωτό θεμέλιο 1300mm και διαμέτρου κυλίνδρου 114.3mm [36] Εικόνα 3.18β Βιδωτό θεμέλιο 1300mm και διαμέτρου κυλίνδρου 89mm [36] Εικόνα 3.18γ Βιδωτό θεμέλιο 1300mm και διαμέτρου κυλίνδρου 76.1mm [36] Η σειρά βιδωτών θεμελίων Μ series ([36]) διαθέτουν ένα κεντρικό σπείρωμα το οποίο επιτρέπει στο υποστηριζόμενο αντικείμενο να οδηγηθεί απευθείας στην θεμελίωση. Η μορφή τους καθώς και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. 59

60 a: μήκος b: εξωτερική διάμετρος κυλίνδρου c: εσωτερική διάμετρος d: σπείρωμα e: διάμετρος οπής f: διάμετρος οπών g: μέγεθος κλειδιού φλάντζας h: εξωτερική διάμετρος φλάντζας i: πάχος φλάντζας Εικόνα 3.19α Μήκος 1300, 1600, 2100mm [36] Εικόνα 3.19β Μήκος 1300, 1600, 2100mm [36] Εικόνα 3.19γ Μήκος 1300, 1600, 2100mm [36] Πίνακας 3.2 Χαρακτηριστικά μεγέθη βιδωτών θεμελίων σειράς M [36] Μήκος σε mm (±25) (a) Διάμετρος κυλίνδρου σε mm (b) Εσωτερική διάμετρος σε mm (c) Σπείρωμα (d) Μ Μ Μ Μ Μ Μ Μ Μ Μ Μ16 60

61 Εικόνα 3.20α Βιδωτό θεμέλιο μήκους 2100mm και διαμέτρου κυλίνδρου 140mm [36] Εικόνα 3.20β Βιδωτό θεμέλιο μήκους 1600mm και διαμέτρου κυλίνδρου 89.1mm [36] Εικόνα 3.20γ Βιδωτό θεμέλιο μήκους 1300mm και διαμέτρου κυλίνδρου 76.1mm [36] Τα βιδωτά θεμέλια τοποθετούνται στο έδαφος με ειδικά μηχανήματα που ποικίλουν ανάλογα με το μέγεθος του θεμελίου και το είδος του εδάφους στο οποίο θα εγκατασταθούν. Τα θεμέλια οδηγούνται στο έδαφος με περιστροφική κεφαλή, χωρίς δονήσεις, ενώ ταυτόχρονα ασκείται πίεση προς τα κάτω. Mέσω της περιστροφής του βιδωτού θεμελίου, το έδαφος συμπιέζεται και συμπυκνώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ασκείται πλευρική πίεση, που δεν επιτρέπει τη μετακίνηση του θεμελίου προς τα πάνω ή προς τα κάτω, προς τα δεξιά ή αριστερά. Προκειμένου να τοποθετούνται με ακρίβεια και κάθετα τα θεμέλια, χρησιμοποιείται εξοπλισμός για προγεώτρηση του εδάφους, ιδιαίτερα σε βραχώδη εδάφη. Στις επόμενες εικόνες παρουσιάζονται μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση βιδωτών θεμελίων. Εικόνα 3.21α Μηχάνημα τοποθέτησης θεμελίων μέχρι δύο μέτρων ύψους [36] Εικόνα 3.21β Μηχάνημα τοποθέτησης βιδωτών θεμελίων [36] Εικόνα 3.21γ Μηχάνημα τοποθέτησης βιδωτών θεμελίων [36] Ένα ακόμη είδος βιδωτού θεμελίου που διατίθεται στην αγορά είναι αυτό που φαίνεται στην επόμενη εικόνα ([37]). Κατασκευάζεται από χάλυβα γαλβανισμένο εν θερμώ και 61

62 μπορεί να προσαρμοστεί σε οποιοδήποτε τύπο και ορογραφία εδάφους. Διατίθεται σε μήκη 1.250mm-1.750mm και μπορεί να διαθέτει μέχρι ένα σπείρωμα. Η διάμετρος της κεφαλής είναι 200mm και μπορεί να προσαρμοστεί σε οποιονδήποτε τύπο σταθερής βάσης. Εικόνα 3.22 Βιδωτό θεμέλιο [37] Στην συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά τα βήματα που ακολουθούνται για την θεμελίωση με εδαφοκοχλίες. Εικόνα 3.23 Θεμελίωση βάσεων στήριξης με βιδωτά θεμέλια [35] Παρακάτω παρουσιάζονται βάσεις που θεμελιώνονται με βιδωτά θεμέλια, όπως η βάση που ακολουθεί ([32]). Το υλικό κατασκευής είναι αλουμίνιο για αντιδιαβρωτική προστασία και θεμελιώνεται με γαιοβίδα. 62

63 Εικόνα 3.24 Θεμελίωση πλαισίου με γαιοβίδα [32] Η επόμενη κατηγορία βάσεων ([30]) που φαίνεται στο επόμενο σχήμα, κατασκευάζονται από γαλβανισμένο χάλυβα τύπου S355, αντέχουν σε σεισμούς, σε ταχύτητα ανέμου 33m/s σε βάρος χιονιού 800Ν/m 2 και υποστηρίζουν διάταξη πάνελ landscape και portrait μονής ή διπλής σειράς. H θεμελίωση των βάσεων αυτών, γίνεται με εδαφοκοχλίες, όπου χρησιμοποιείται ένας εδαφοκοχλίας για κάθε ορθοστάτη. Το υλικό κατασκευής των βιδωτών θεμελίων είναι χάλυβας γαλβανισμένος εν θερμώ. Εικόνα 3.25 Βάσεις στήριξης [35] Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζονται τρεις τύποι ([36]) βάσεων που θεμελιώνονται με βιδωτά θεμέλια. Η πρώτη βάση υποστηρίζει μορφές πλαισίων first solar 5-6 σειρών οριζόντιας διάταξης, διάφορα είδη πλαισίων λεπτού στρώματος με 2-3 σειρές κάθετης διάταξης και κρυσταλλικά πλαίσια 3-4 σειρών οριζόντιας διάταξης. Οι επόμενες δύο βάσεις υποστηρίζουν κρυσταλλικά πάνελ δύο σειρών κάθετης διάταξης αλλά η τρίτη υποστηρίζει και τρεις σειρές οριζόντιας διάταξης. 63

64 Εικόνα 3.26 Βάσεις που θεμελιώνονται με βιδωτά θεμέλια [36] Οι μέθοδοι της πασσαλόμπηξης και βιδωτών θεμελίων που προαναφέρθηκαν, παρουσιάζουν ορισμένα πλεονεκτήματα συγκριτικά με την χρήση μπετού. Αρχικά, είναι φιλικές προς το περιβάλλον γιατί δεν χρησιμοποιείται μπετόν και έτσι το έδαφος δεν επισφραγίζεται και δεν αλλοιώνεται η εικόνα του τοπίου. Επιπλέον, καταργούνται τα έξοδα απομάκρυνσης και ανακύκλωσης του σκυροδέματος μετά από χρόνια. Τέλος, αποτελούν μια φθηνή και ταχεία ως προς την κατασκευή λύση, καθώς δεν υπάρχουν κόστη και χρόνος αναμονής για εκσκαφές, μπαζώματα, ισοπεδώσεις του εδάφους και σκυροδετήσεις Θεμελίωση με μπετόν Ένας ακόμη διαδεδομένος τρόπος θεμελίωσης των βάσεων, είναι η σκυροδέτηση. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτού του είδους η θεμελίωση, είναι να χρησιμοποιηθεί ένα ενιαίο δοκάρι από οπλισµένο σκυρόδεµα το οποίο τοποθετείται κατά μήκος όλης της σειράς των βάσεων (εικόνα 3.27). Ακόμη, μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση πελµάτων από σκυρόδεμα τα οποία τοποθετούνται είτε επιφανειακά σε προκατασκευασμένα μπλοκ, είτε επί τόπου του έργου σε ήδη σκαμμένες οπές (εικόνα 3.28). Η χρήση αυτής της μεθόδου προσφέρει ευελιξία καθώς το μπετόν προσαρμόζεται σε όλα τα είδη εδάφους, παρουσιάζει μεγάλη ανθεκτικότητα σε θλίψη και σε εφελκυσμό, δεν είναι εύφλεκτο, δεν διαβρώνεται εύκολα και απαιτεί ελάχιστη συντήρηση. Επιπρόσθετα η μέθοδος αυτή, χρησιμοποιείται όταν το έδαφος είναι μαλακό και επομένως η χρήση των προηγούμενων θεμελιώσεων είναι οικονομικά ασύμφορη. Επίσης είναι κατάλληλη για περιπτώσεις εγκαταστάσεων Χ.Υ.Τ.Α., όπου τα εμπηγόμενα θεμέλια δεν χρησιμοποιούνται λόγω μονωτικών στρωμάτων και εξαιτίας του ότι η μεμβράνη στεγανοποίησης είναι τοποθετημένη αρκετά ψηλά. Εικόνα 3.27 Σκυροδέτηση σταθερών βάσεων σε δοκάρι από μπετόν [26] 64

65 Εικόνα 3.28 Σκυροδέτηση σταθερών βάσεων σε πέλµα από µπετόν [26] Στην συνέχεια παρουσιάζονται βάσεις ([28]) που επιτρέπουν την τοποθέτηση Φ/Β σε εκτάσεις με ιδιαίτερα εδαφολογικά χαρακτηριστικά. Παρουσιάζουν υψηλή αντοχή σε μόνιμα φορτία ανέμου και χιονιού, σε θερμοκρασιακές μεταβολές και αντέχουν σε δυναμικά φορτία όπως σεισμούς. Διατίθενται σε διάφορες διαστάσεις και υποστηρίζουν τοποθέτηση πάνελ 2-3 σειρές κάθετης διάταξης και 4-5 σειρές οριζόντιας διάταξης. Στις επόμενες εικόνες, παρατίθενται βάσεις αυτής της κατηγορίας με τις αντίστοιχες διαστάσεις τους. Στην περίπτωση κάθετης διάταξης, ανάλογα με τα στηρίγματα της βάσης χρησιμοποιείται διαφορετική ποσότητα μπετού. Εικόνα 3.29 Σύστημα στήριξης Φ/Β πλαισίου, 5 πλαισίων οριζόντιας διάταξης [28] 65

66 Εικόνα 3.30 Σύστημα στήριξης Φ/Β πλαισίου με 2 πάνελ κάθετης διάταξης [28] Εικόνα 3.31 Σύστημα στήριξης Φ/Β πλαισίου με 2 πάνελ κάθετης διάταξης [28] Οι βάσεις που ακολουθούν είναι κατασκευασμένες από αλουμίνιο και μπορούν να θεμελιωθούν με μπετόν και μπετόν και εκτονούμενα αγκύρια ([33]). Για θεμελίωση σε πέλματα σκυροδέματος, χρησιμοποιείται πάσσαλος κατασκευασμένος από αλουμίνιο (εικόνες 3.32). Διατίθεται σε μήκη mm, περιέχει αυλακώσεις για ρύθμιση του ύψους και η επιφάνειά του είναι ειδικά διαμορφωμένη στα σημεία σύνδεσης ώστε να αντέχει σε μεταβαλλόμενο φορτίο. Εικόνα 3.32α Θεμελιακή γείωση από μπετό [33] Εικόνα 3.32β Πάσσαλος αλουμινίου για θεμελιακή γείωση από μπετό [33] 66

67 Το προφίλ που χρησιμοποιείται για τη μέθοδο της μπετόπηξης στο σχήμα που ακολουθεί, κατασκευάζεται από χάλυβα γαλβανισμένο εν θερμώ και υπάρχει σε μήκη mm. Εικόνα 3.33α Μέθοδος μπετόπηξης [33] Εικόνα 3.33β Προφίλ που χρησιμοποιείται για τη μέθοδο μπετόπηξης [33] Ακολουθεί μία ομάδα βάσεων οι οποίες κατασκευάζονται από ατσάλι γαλβανισμένο εν θερμώ. Οι βάσεις θεμελιώνονται με μπετόν και το σχήμα των πασσάλων που χρησιμοποιείται είναι τραπεζοειδές χωρίς εγκοπές κοντά στο έδαφος. Η μορφή PV max3 χρησιμοποιείται για μικρές υπαίθριες εγκαταστάσεις και θεμελιώνεται με πέλματα μπετού. Χρησιμοποιείται κυρίως, όταν δεν είναι κατάλληλη η απευθείας πασσαλοέμπηξη. Αυτό μπορεί να συμβαίνει γιατί το έδαφος μπορεί να είναι πολύ μαλακό ή πολύ πετρώδες, η περιοχή εγκατάστασης να μην επιτρέπει την διέλευση μηχανημάτων οδήγησης πασσάλων και όταν δεν διατίθενται κεφάλαια για γεωτεχνικό έλεγχο και επομένως εξακρίβωση της καταλληλότητας της πασσαλοέμπηξης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με 2-4 σειρές πάνελ κάθετης διάταξης και 3-6 οριζόντιας διάταξης. Εικόνα 3.34 Βάση μορφής PV max3 [30] Η επόμενη βάση, PV Combi, χρησιμοποιείται ιδιαίτερα σε περιπτώσεις χώρων υγειονομικής ταφής (Χ.Υ.Τ.Α.). Η βάση θεμελιώνεται με έτοιμα στοιχεία μπετόν ή στιγμιαίο μπετόν. Σε περιοχές Χ.Υ.Τ.Α., το απαιτούμενο βάρος μπετόν μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα λόγω 67

68 μεγάλης πίεσης που ασκεί στο έδαφος. Για την αποφυγή αυτού του προβλήματος πραγματοποιείται σύζευξη των σειρών του μπετού ώστε να ελαχιστοποιείται το απαιτούμενο βάρος των θεμελίων και οι εδαφικές πιέσεις που ασκούνται να είναι μικρότερες. Τέλος η επιμηκυμένη βάση στήριξης οδηγεί σε μειωμένη ροπή ολίσθησης. Εικόνα 3.35 Βάση μορφής PV Combi [30] Μία κατηγορία βάσεων που ανήκει στο είδος CR ([34]) που παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 3.2.1, χρησιμοποιεί για τη θεμελίωση γεώτρηση και σφράγισμα στην συνέχεια με μπετόν. Η θεμελίωση των βάσεων αυτών με μπετόν γίνεται στα ιδιαίτερα διαβρωτικά εδάφη. Μπορούν να υποστηρίξουν 3-4 ή και περισσότερες σειρές οριζόντιας διάταξης και μέχρι τρεις κάθετης. Συνήθως χρησιμοποιούνται προκατασκευασμένα μπλοκ μπετόν, προσανατολισμένα από ανατολικά προς τα δυτικά και νότια προς βόρεια. Εικόνα 3.36 Βάση με προκατασκευασμένα μπλοκ με κατεύθυνση από βόρεια προς τα νότια [34] Εικόνα 3.37 Προκατασκευασμένα μπλοκ μπετού με κατεύθυνση ανατολικά προς τα δυτικά [34] 68

69 Αναφέρεται ότι και οι υπόλοιπες κατηγορίες βάσεων που ανήκουν στο είδος CR και παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο μπορούν επίσης να θεμελιωθούν με μπετόν όπως η περίπτωση χρήσης μονού πασσάλου που παρουσιάζεται στη συνέχεια. Εικόνα 3.38 Βάση με μονό πάσσαλο που τοποθετείται με γεώτρηση και σφράγιση από μπετόν [34] Τέλος, παρουσιάζεται μία ακόμη βάση από αλουμίνιο που θεμελιώνεται με μπετόν. Εικόνα 3.39 Θεμελίωση βάσης με μπετόν [32] Θεμελίωση με μεταλλικούς ορθοστάτες Ένας ακόμη τρόπος θεμελίωσης σταθερών βάσεων, είναι με εκσκαφή οπής, τοποθέτηση μεταλλικού ορθοστάτη με πέλμα και επανεπίχωση με κατάλληλα συμπυκνωμένα υλικά. Ο μεταλλικός ορθοστάτης μπορεί να τοποθετηθεί με κρουστικά γεωτρύπανα με άκαμπτη στήλη όπως είναι τα Wagon-Drill (εικόνα 3.40). 69

70 Εικόνα 3.40 Έµπηξη µε χρήση Wagon-Drill για θεμελίωση βάσεων [38] Εικόνα 3.41α Τοποθέτηση μεταλλικού ορθοστάτη [31] Εικόνα 3.41β Μεταλλικός ορθοστάτης [31] Μία βάση που θεμελιώνεται με αυτόν τον τρόπο, κατασκευάζεται από χάλυβα υψηλής αντοχής (όριο διαρροής 750Ν/mm 2 ) γαλβανισμένο εν θερμώ σε συνδυασμό με ψευδάργυρο για αντιδιαβρωτική προστασία. Όπως φαίνεται από το επόμενο σχήμα περιλαμβάνει ένα ισχυρό τριγωνικό πλαίσιο. Διαθέτει τρία σηµεία πάκτωσης ανά στατικό φορέα, για αντοχή σε αξονικές και εγκάρσιες φορτίσεις. Η βάση αντέχει σε φορτία χιονιού ως 0.80 kn/m και φορτία ανέµου 1.20 kn/m, δηλαδή 39m/s, ενώ το βάρος είναι ίσο με 0.11k/W. Όσον αφορά τη βάση στήριξης τεγίδων, αυτή είναι κατασκευασμένη µε δικτύωµα για αυξηµένη αντοχή σε φορτίσεις. Το σχήµα τόξου βοηθά στην εύκολη ρύθµιση της γωνίας κλίσης των πλαισίων, γεγονός που επιτρέπει την τοποθέτηση σε μεγάλο εύρος περιοχών. Τέλος, λόγω της μορφής των τεγίδων, μπορεί να στηρίζει όλους τους τύπους των πλαισίων τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν οριζόντια ή κάθετα. 70

71 Εικόνα 3.42 Συναρμολογούμενα μέρη βάσης σχήματος τόξου, με τρία σημεία πάκτωσης [31] Εικόνα 3.43 Βάση στήριξης σχήματος τόξου [31] Τέλος, μία ακόμη βάση που μπορεί να θεμελιωθεί με έμπηξη με Wagon-Drill και τσιμεντένεμα είναι το μονοπάσσαλο σύστημα στήριξης που παρουσιάστηκε στην εικόνα Βάσεις τοποθετημένες σε συστήματα παρακολούθησης της πορείας ήλιου (solar trackers) Η χρήση βάσεων που παρακολουθούν την πορεία του ήλιου, είναι μία μέθοδος που αυξάνει την παραγόμενη ηλιακή ενέργεια. Οι βάσεις που χρησιμοποιούνται, κινούνται κατά τη διάρκεια της ημέρας με τέτοιο τρόπο ώστε η ηλιακή ακτινοβολία να προσπίπτει κάθετα στα πάνελ, αξιοποιώντας τελικά μεγαλύτερο μέρος της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας από τις σταθερού τύπου βάσεις. 71

72 Οι ηλιοπαρακολουθητές διακρίνονται ανάλογα με τον αριθμό και τον προσανατολισμό των αξόνων τους στις παρακάτω κατηγορίες [39]: 1. Συστήµατα µονού άξονα (single axis): είναι συστήµατα στα οποία τα πάνελ κινούνται σε έναν άξονα, αυτόν της Ανατολής- ύσης κατά τη διάρκεια µίας µέρας. Τα συστήµατα αυτά αυξάνουν την παραγωγή κατά 20-25% σε σχέση µε τα συστήµατα σταθερών βάσεων. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι επόμενοι ηλιοπαρακολουθητές που διαφέρουν ως προς την κατεύθυνση κίνησης του άξονα σε σχέση με το έδαφος : οριζόντιου άξονα (Horizontal single axis tracker, HSAT).Οι συγκεκριμένοι παρουσιάζουν ευελιξία ως προς την τοποθέτηση και προσφέρουν δυνατότητα πύκνωσης των σειρών χωρίς σκιάσεις οι κατακόρυφοι (Vertical single axis tracker, VSAT). Τα συστήματα αυτά κινούνται από την Ανατολή προς τη Δύση κατά τη διάρκεια μια μέρας και είναι πιο αποτελεσματικά σε περιοχές με μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Η πύκνωση σε αυτή την περίπτωση είναι πιο περιορισμένη υπό γωνία (Tilted single axis tracker, TSAT). Όλοι οι ηλιοστάτες των οποίων ο άξονας περιστροφής κινείται υπό γωνία μεταξύ της κατακόρυφης και οριζόντιας διεύθυνσης, ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε περιοχές με μεγάλα φορτία ανέμου και για να περιορίσουν το ύψος της κατασκευής. Η σκίαση και σε αυτή την περίπτωση λαμβάνεται υπόψη 2. Συστήµατα διπλού άξονα (dual axis): Οι ηλιοστάτες διπλού άξονα έχουν έναν πρωτεύον άξονα που έχει σαν αναφορά το έδαφος ενώ ο άλλος έχει σαν αναφορά τον πρωτεύον άξονα και ονομάζεται δευτερεύον άξονας. Η απόδοσή τους είναι αυξημένη κατά 25-40% περίπου, σε σύγκριση µε τα συστήµατα σταθερών βάσεων. Διακρίνονται σε κατηγορίες ανάλογα με την κατεύθυνση του πρωτεύοντος άξονα σε σχέση με το έδαφος. Μία εφαρμογή τους είναι οι tip-tilt dual axis trackers (TTDAT) και οι azimuth-altitude dual axis trackers (AADAT). Οι ηλιοστάτες TTDAT έχουν τον πρωτεύοντα άξονα οριζόντια ως προς το έδαφος ενώ οι AADAT κάθετα. Η επιλογή του κατάλληλου συστήματος εξαρτάται από παράγοντες όπως το μέγεθος της κατασκευής, το επιτρεπτό ύψος, τις καιρικές συνθήκες, τη νομοθεσία, τις συντεταγμένες τις περιοχής κτλ. Οι ηλιοστάτες ενός άξονα συνήθως χρησιμοποιούνται για μεγάλες εγκαταστάσεις και είναι πιο απλοί στην κατασκευή και στην λειτουργία τους. Οι ηλιοστάτες δύο αξόνων χρησιμοποιούνται κυρίως σε μικρότερες εφαρμογές και σε μέρη που οι κρατικές επιχορηγήσεις είναι μεγάλες για μέγιστες αποδόσεις. Η συντήρησή τους όμως, αυξάνει αρκετά το κόστος λειτουργίας. Η κίνηση στα συστήµατα παρακολούθησης του ήλιου, επιτυγχάνεται µε ηλεκτροµηχανικά ή ηλεκτρουδραυλικά µέσα. Η κίνηση που πραγματοποιούν δεν είναι συνεχής αλλά περιοδική, συνήθως µία κίνηση σε κάθε 10 λεπτά [26]. Η ανίχνευση της πορείας του ήλιου γίνεται συνήθως µε δύο τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι µε τη χρήση ηλιακών αισθητήρων που εντοπίζουν τη θέση του ήλιου. Ο δεύτερος τρόπος είναι µέσω ειδικού λογισµικού, που χρησιμοποιεί αστρονομικά δεδομένα, με βάση τα οποία υπολογίζει τη θέση και την πορεία του ήλιου για κάθε µέρα του έτους, σύμφωνα µε τις γεωγραφικές συντεταγµένες της περιοχής. 72

73 Εικόνα 3.44α Βάση μονού άξονα οριζόντιας κατεύθυνσης ως προς το έδαφος HSAT [39] Εικόνα 3.44β Σύστημα ιχνηλάτησης ήλιου διπλού άξονα [26] Θεμελίωση βάσεων ηλιοπαρακολουθητών με βιδωτά θεμέλια και μπετόν Τα συστήματα παρακολούθησης του ήλιου, λόγω του ότι κινούν μεγάλο πλήθος πάνελ, αποτελούνται από επίπεδες επιφάνειες, οι οποίες τοποθετούνται σε μία βάση στήριξης κάθετη ως προς το έδαφος. Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργούνται τελικά κατασκευές ύψους m. Το μεγάλο αυτό ύψος έχει σαν αποτέλεσμα την πολυπλοκότερη έδραση των βάσεων. Οι βάσεις στήριξης συνήθως εδράζονται σε οπλισµένο σκυρόδεµα μεγάλου όγκου (τυπικές τιμές: 2-3 m 3 και m 3 ) ώστε να εξασφαλίζεται η στατική τους σταθερότητα. Τα ιδιαίτερα αυτά χαρακτηριστικά, οδηγούν σε μεγαλύτερα κόστη εγκατάστασης σε σχέση µε αυτά των σταθερών βάσεων. Ωστόσο, υπάρχουν και περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται και βιδωτά θεμέλια. Στην επόμενη εικόνα παρουσιάζεται ένα είδος βάσης ηλιοπαρακολουθητή δύο αξόνων, με ύψος 6.3m και μέγιστη αντοχή σε άνεμο ως 40m/s. Τα δομικά στοιχεία είναι κατασκευασμένα από θερμά γαλβανισμένο χάλυβα και η βάση αποτελείται από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η παρακολούθηση του ήλιου γίνεται με αστρονομικό αλγόριθμο. 73

74 Εικόνα 3.45 Βάση από μπετόν ηλιοπαρακολουθητή [40] Στην συνέχεια παρουσιάζεται μία βάση ηλιοπαρακολουθητή ενός άξονα, που παράγει 11 kwp. Είναι κατασκευασμένη από γαλβανισμένο χάλυβα, αντέχει σε ισχυρούς ανέμους και έχει μέγιστο ύψος 1.5m. Για την κατασκευή της βάσης απαιτείται οπλισμένο σκυρόδεμα 2m 3 και τοποθετείται σε οριζόντιο έδαφος. Εικόνα 3.46 Βάση από μπετόν ηλιοπαρακολουθητή [40] Παρακάτω παρουσιάζεται ένας ιχνηλάτης ήλιου διπλού άξονα ο οποίος μπορεί να τοποθετηθεί με ή χωρίς μπετόν σε βραχώδες έδαφος. Όλη η κατασκευή είναι από χάλυβα St37-2 και όλα τα μέρη του συστήματος γαλβανισμένα. 74

75 Εικόνα 3.47 Θεμελίωση βάσης ηλιοπαρακολουθητή στην οποία δεν είναι απαραίτητο το μπετόν [41] Τέλος, παρουσιάζεται ένας ιχνηλάτης μονού άξονα ο οποίος είναι κατασκευασμένος από χάλυβα γαλβανισμένο εν θερμώ και χρησιμοποιεί αστρονομικό αλγόριθμο παρακολούθησης. Το μέγιστο ύψος που μπορεί να παρουσιάσει είναι 4.7m υπό γωνία 35 0 και η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αντέξει είναι 140 km/h. H θεμελίωση αποτελείται από σκυρόδεμα με πλέγμα. Τοποθετείται επιφανειακά και επομένως δεν είναι απαραίτητη η εκσκαφή παρά μόνο η απομάκρυνση της βλάστησης και η ισοπέδωση του εδάφους. Επίσης το σχήμα της είναι κυκλικό και καταλαμβάνει 10m 3. Η στερέωση πραγματοποιείται απευθείας με πάκτωση ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν και προαιρετικά αγκύρια στερέωσης. Εικόνα 3.48α Βάση από μπετό ηλιοπαρακολουθητή [37] Εικόνα 3.48β Βάση από μπετό ηλιοπαρακολουθητή [37] 75

76 4. Επίδραση τρόπου θεμελίωσης Φ/Β βάσεων στην αντίσταση γείωσης 4.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό μελετάται για ένα φωτοβολταϊκό πάρκο 1.5MW καθώς και για ένα τμήμα του, η επίδραση του τρόπου θεμελίωσης των βάσεων στην αντίσταση γείωσης, καθώς οι ράβδοι στήριξης των πάνελ χρησιμοποιούνται και ως ηλεκτρόδια γείωσης. Αναλυτικότερα, διερευνάται η επίδραση στην αντίσταση γείωσης η περίπτωση απευθείας έμπηξης στο έδαφος ράβδων διαφορετικής διατομής καθώς και η περίπτωση βάσεων που θεμελιώνονται με μπετόν διαφορετικής ειδικής αντίστασης και διαμέτρου. Η μελέτη έγινε με τη βοήθεια του υπολογιστικού πακέτου CYMGRD 6.3 version 7 της εταιρείας CYME International T&D inc και του προγράμματος Excel. 4.2 Μελέτη φωτοβολταϊκού πάρκου Για την εισαγωγή των δεδομένων του συστήματος γείωσης του φωτοβολταϊκού πάρκου στο πρόγραμμα CYMGRD, επιλέγεται αρχικά File, στη συνέχεια New και δίνονται οι επιθυμητές ονομασίες στο πεδίο Project και στο Study. Στο Data Entry του προγράμματος, επιλέγεται η καρτέλα Buses και αναγράφονται οι επιθυμητές τιμές. Το πάρκο αποτελείται συνολικά από 1890 ράβδους γείωσης για την στήριξη των πλαισίων, μήκους 1.1m και διαμέτρου 150mm, έναν υποσταθμό και οριζόντιους αγωγούς όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Εικόνα 4.1 Σύστημα γείωσης φωτοβολταϊκού πάρκου Για να τοποθετηθούν οι ράβδοι των πάνελ στο CYMGRD, στο Data Entry και στην καρτέλα symmetrical rods, τοποθετούνται οι συντεταγμένες των ράβδων γείωσης και επιλέγεται ως είδος των ηλεκτροδίων primary που είναι αυτά που διαχέουν το ρεύμα σφάλματος στη γη. Στην επόμενη εικόνα φαίνονται τα στοιχεία των ράβδων γείωσης. 76

77 Εικόνα 4.2 Συντεταγμένες τοποθέτησης ράβδων του φωτοβολταΐκού πάρκου Τα δεδομένα τοποθέτησης των οριζόντιων ράβδων τοποθετούνται στην καρτέλα Asymmetrical conductors και φαίνονται στην εικόνα που ακολουθεί. Εικόνα 4.3 Συντεταγμένες τοποθέτησης οριζόντιων αγωγών φωτοβολταϊκού πάρκου Τα δεδομένα τοποθέτησης των οριζόντιων αγωγών του υποσταθμού που τοποθετούνται στην καρτέλα symmetrical conductors, παρουσιάζονται στην συνέχεια. 77

78 Εικόνα 4.4 Δεδομένα οριζόντιων αγωγών υποσταθμού Παράλληλα με την μελέτη ολόκληρου του φωτοβολταϊκού πάρκου μελετήθηκαν οι αλλαγές στην αντίσταση γείωσης και για ένα τμήμα του, όπως αυτό που παρουσιάζεται στην εικόνα 5.5. Το πάρκο αποτελείται από 336 ράβδους και έχει συνολικό μήκος ηλεκτροδίων 369.9m. Tα δεδομένα των ράβδων και των αγωγών φαίνονται στα επόμενα σχήματα. Εικόνα 4.5 Σύστημα γείωσης τμήματος του φωτοβολταΐκού πάρκου Εικόνα 4.6 Συντεταγμένες τοποθέτησης ράβδων Εικόνα 4.7 Συντεταγμένες τοποθέτησης οριζόντιων αγωγών 78

79 Αντίσταση γείωσης, Ω Γείωση φωτοβολταϊκού πάρκου με βάσεις που θεμελιώνονται με ράβδους διαφορετικών διατομών Αρχικά μελετήθηκε η περίπτωση όπου οι βάσεις γειώνονται απευθείας στο έδαφος με ράβδους και το έδαφος προσομοιώθηκε ως ομοιογενές. Εξετάστηκε η επίδραση στην αντίσταση γείωσης του φωτοβολταϊκού πάρκου των διατομών των ράβδων (25-200mm με βήματα των 25) για κάθε τιμή ειδικής αντίστασης εδάφους (με εύρος 50, 100, 200, 1000, 1500, 10000Ωm). Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για ολόκληρο το πάρκο όπως και για ένα τμήμα μόνο του πάρκου. Στις εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζονται οι τιμές της αντίστασης γείωσης για την περίπτωση που το έδαφος είναι ομοιογενές με ειδική αντίσταση 100Ωm, συναρτήσει των διαμέτρων των ράβδων για δύο περιπτώσεις. 0,272 0,27 0,268 0,266 0,264 0,262 0,26 0, Διάμετρος ράβδων, mm Εικόνα 4.8 Αντίσταση γείωσης συναρτήσει των διαμέτρων των ράβδων για ειδική αντίστασης εδάφους 100Ωm (περίπτωση ολόκληρου Φ/Β πάρκου) 79

80 Αντίσταση γείωσης, Ω 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,7 0, Διάμετρος ράβδων, mm Εικόνα 4.9 Αντίσταση γείωσης συναρτήσει της διαμέτρου των ράβδων για ειδική αντίσταση εδάφους 100Ωm (περίπτωση τμήματος Φ/Β πάρκου) Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων και τις παραπάνω εικόνες, διαπιστώθηκε ότι η αντίσταση γείωσης είναι μικρότερη στην περίπτωση ολόκληρου του πάρκου για κάθε διάμετρο ράβδου, γεγονός που δικαιολογείται εύκολα από την ύπαρξη περισσοτέρων ηλεκτροδίων στο σύστημα γείωσης, όπως φαίνεται και από τη σχέση Για την περίπτωση που λαμβάνεται υπόψη το σύστημα γείωσης όλου του πάρκου, για κάθε τιμή ειδικής αντίστασης εδάφους, η μεταβολή της αντίστασης γείωσης παραμένει στο 4% για τις ακραίες τιμές της διαμέτρου. Για παράδειγμα για την τιμή της ειδικής αντίστασης εδάφους ρ=100ωm, μετρώντας την αντίσταση γείωσης για τιμές διαμέτρου ράβδων mm με βήματα των 25, παρατηρείται ότι η αντίσταση γείωσης μεταβάλλεται κατά 4%. Αυτή η μεταβολή παρατηρείται και για όλες τις τιμές της ειδικής αντίστασης. Για την περίπτωση που λαμβάνεται υπόψη ένα τμήμα του πάρκου, προκύπτει ότι για κάθε τιμή ειδικής αντίστασης εδάφους, η μεταβολή της αντίστασης γείωσης είναι 7.4% για τις ακραίες τιμές της διαμέτρου. Επομένως και σε αυτήν την περίπτωση, η μεταβολή της διαμέτρου των ράβδων είναι ίδια ανεξάρτητα από την ειδική αντίσταση του εδάφους, παρά το ότι τα ηλεκτρόδια γείωσης σε αυτήν την περίπτωση είναι σημαντικά λιγότερα. Ωστόσο, όταν έχουμε λιγότερα ηλεκτρόδια γείωσης, για μια συγκεκριμένη τιμή της ειδικής αντίστασης εδάφους, παρατηρείται μεγαλύτερη μεταβολή στην αντίσταση γείωσης (7.4%) καθώς η διατομή της ράβδου αυξάνεται. Επομένως, όταν υπάρχουν λιγότερα ηλεκτρόδια, η διατομή των ράβδων παίζει σημαντικότερο ρόλο στην αντίσταση γείωσης. Για κάθε τιμή ειδικής αντίστασης εδάφους, η μέση τιμή της αντίστασης γείωσης που προκύπτει για διατομές ράβδων mm με βήματα των 25, παρουσιάζονται στα σχήματα που ακολουθούν. 80

81 Αντίσταση γείωσης, Ω Αντίσταση γείωσης, Ω Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.10 Μέσες τιμές αντίστασης γείωσης για όλες τις διατομές των ράβδων συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους (περίπτωση ολόκληρου Φ/Β πάρκου) Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.11 Μέσες τιμές αντίστασης γείωσης για όλες τις διατομές των ράβδων συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους (περίπτωση τμήματος Φ/Β πάρκου) Από τα παραπάνω, γίνεται φανερό ότι υπάρχει γραμμική σχέση ανάμεσα στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους και στην αντίσταση γείωσης του συστήματος. Έτσι όσο 81

82 Αντίσταση γείωσης, Ω μεγαλώνει η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους παρατηρείται αντίστοιχη αύξηση στην αντίσταση γείωσης. Τέλος, στο διάγραμμα 4.12 φαίνονται οι μέσες τιμές αντίστασης γείωσης συγκριτικά, για την περίπτωση που έχουμε 1890 και 336 ράβδους, όπου επιβεβαιώνεται ότι όταν έχουμε μεγαλύτερο αριθμό ράβδων σε μεγαλύτερη έκταση, η αντίσταση γείωσης είναι μικρότερη αντίσταση γείωσης για 336 ράβδους αντίσταση γείωσης για 1890 ράβδους Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.12 Μέσες τιμές αντίστασης γείωσης για όλες τις διατομές των ράβδων συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους για την περίπτωση των 1890 ράβδων και Γείωση φωτοβολταϊκού πάρκου με βάσεις που θεμελιώνονται με μπετόν Στην συνέχεια μελετήθηκε η περίπτωση όπου οι βάσεις των φωτοβολταϊκών πλαισίων θεμελιώνονται με την χρήση μπετόν. Οι ράβδοι δηλαδή στηρίζονται με οπλισμένο σκυρόδεμα. Για τον σκοπό αυτό στο πρόγραμμα CYMGRD στην καρτέλα symmetrical rods, τοποθετείται η διάμετρος των ράβδων 150mm και θεωρούνται ενσωματωμένες σε υλικό διαμέτρου 230mm (material thickness). Στην συνέχεια για κάθε τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους, στο παράθυρο grid και στην καρτέλα grid parameters επιλέγεται κάθε φορά η επιθυμητή τιμή της ειδικής αντίστασης του τσιμέντου rod encasement resistivity. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης του τσιμέντου που ελέγχθηκαν είναι 30, 100, 200,.500 Ωm. Στα επόμενα διαγράμματα, φαίνονται οι τιμές της αντίστασης γείωσης που προέκυψαν για τις δύο περιπτώσεις, για ράβδους ενσωματωμένες σε μπετόν ειδικής αντίστασης 100Ωm. Όπως παρατηρείται από την εικόνες και σε αυτήν την περίπτωση υπάρχει γραμμικότητα ανάμεσα στην αντίσταση γείωσης του συστήματος και της ειδικής αντίστασης του εδάφους. 82

83 Αντίσταση γείωσης, Ω Aντίσταση γείωσης, Ω Ειδική αντίσταση εδάφους Ωm Εικόνα 4.13 Αντίσταση γείωσης συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους για ειδική αντίσταση μπετόν 100Ωm (περίπτωση ολόκληρου Φ/Β πάρκου) Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.14 Αντίσταση γείωσης συναρτήσει της ειδικής αντίστασης του εδάφους για ειδική αντίσταση μπετόν 100Ωm (περίπτωση τμήματος Φ/Β πάρκου) Στα διαγράμματα που ακολουθούν, απεικονίζεται ο λόγος της αντίστασης γείωσης του φωτοβολταΐκού πάρκου στην περίπτωση που οι ράβδοι είναι ενσωματωμένοι σε μπετόν, 83

84 p.u p.u προς την αντίσταση γείωσης για την περίπτωση που οι ράβδοι τοποθετούνται απευθείας στο έδαφος, συναρτήσει της ειδικής αντίστασης του εδάφους. 1,20 1,15 1,10 1,05 ρ μπετόν=100ωm ρ μπετόν=300ωm ρ μπετόν=500ωm ρ μπετόν=200ωm ρ μπετόν=400ωm ρ μπετόν=30ωm 1,00 0,95 0,90 0,85 0, Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.15 Λόγος αντίστασης γείωσης όταν οι ράβδοι είναι ενσωματωμένοι σε μπετόν προς την περίπτωση που τοποθετούνται απευθείας στο έδαφος, συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους (περίπτωση ολόκληρου Φ/Β πάρκου) 1,40 1,30 1,20 ρ μπετόν=30ωm ρ μπετόν=100ωm ρ μπετόν=200ωm ρ μπετόν=300ωm 1,10 ρ μπετόν=400ωm ρ μπετόν=500ωm 1,00 0,90 0, Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.16 Λόγος αντίστασης γείωσης όταν οι ράβδοι είναι ενσωματωμένοι σε μπετόν προς την περίπτωση που τοποθετούνται απευθείας στο έδαφος, συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους (περίπτωση τμήματος Φ/Β πάρκου) 84

85 Αντίσταση γείωσης, Ω Από τις εικόνες γίνεται αντιληπτό ότι και στις δύο περιπτώσεις, όταν η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι μικρότερη από αυτή του μπετόν, η αντίσταση γείωσης είναι μεγαλύτερη για την περίπτωση ράβδων ενσωματωμένων σε μπετόν, συγκριτικά με την περίπτωση απουσίας μπετόν. Επομένως σε αυτές τις περιπτώσεις είναι συμφέρουσα η χρήση μπετόν μικρότερης ειδικής αντίστασης. Ακόμη, η αντίσταση γείωσης παρουσιάζει πιο απότομη μεταβολή όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική αντίσταση του μπετόν. Από τα σχήματα επίσης προκύπτει ότι για τιμές ειδικής αντίστασης εδάφους μεγαλύτερες του μπετόν, η τιμή της αντίστασης γείωσης όταν υπάρχουν ράβδοι ενσωματωμένες σε μπετόν είναι μικρότερη σε σχέση με αυτή που παρουσιάζεται όταν οι ράβδοι τοποθετούνται απευθείας στο έδαφος. Η μείωση αυτή, είναι της τάξης του 3% για την περίπτωση όλου του πάρκου και 6% για ένα τμήμα του. Έτσι, όταν η ειδική αντίσταση εδάφους είναι μεγαλύτερη από αυτή του μπετόν, δεν παρατηρείται μεγάλη διαφοροποίηση στην τιμή της αντίστασης γείωσης για την περίπτωση που οι ράβδοι θεμελιώνονται απευθείας στο έδαφος ή με μπετόν. Το αποτέλεσμα αυτό, ισχύει για κάθε τιμή ειδικής αντίστασης μπετόν. Παρακάτω, μελετήθηκε η περίπτωση όπου οι βάσεις του φωτοβολταϊκού πάρκου θεμελιώνονται και πάλι με μπετόν. Η διάμετρος των ράβδων θεωρήθηκε σταθερή με τιμή 150mm όπως και η ειδική αντίσταση του μπετόν με τιμή 30Ωm. Με αυτά τα δεδομένα, μελετήθηκε η επίδραση στην αντίσταση γείωσης του πάρκου, της ακτίνας του μπετόν material thickness, για τιμές mm (με βήμα 50), για κάθε τιμή ειδικής αντίστασης εδάφους (με εύρος τιμών 50, 100, 200, 1000, 1500, 10000Ωm). Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζεται η αντίσταση γείωσης συναρτήσει της ακτίνας του μπετόν για ειδική αντίσταση εδάφους 100Ωm. 0,257 0,2565 0,256 0,2555 0,255 0,2545 0,254 0, Ακτίνα μπετόν, mm Εικόνα 4.17 Αντίσταση γείωσης πάρκου συναρτήσει της ακτίνας μπετόν για ειδική αντίσταση εδάφους 100Ωm (περίπτωση ολόκληρου Φ/Β πάρκου) 85

86 Αντίσταση γείωσης,ω 0,68 0,678 0,676 0,674 0,672 0,67 0,668 0,666 0,664 0, Ακτίνα μπετόν, mm Εικόνα 4.18 Αντίσταση γείωσης πάρκου συναρτήσει της ακτίνας μπετόν για ειδική αντίσταση εδάφους 100Ωm (περίπτωση τμήματος Φ/Β πάρκου) Από τις εικόνες 4.17 και 4.18 διαπιστώνεται ότι η αντίσταση γείωσης μεταβάλλεται ελάχιστα με την ακτίνα του μπετόν. Μάλιστα, στο διάστημα μεταβολής της ακτίνας του μπετόν mm και για τιμές ειδικής αντίστασης του εδάφους από 50 έως 10000Ωm η αντίσταση γείωσης μεταβάλλεται 1.6% για την πρώτη περίπτωση και 1.3% για τη δεύτερη. Για το λόγο αυτό, στα διαγράμματα που ακολουθούν, παρουσιάζεται η μέση τιμή της αντίστασης γείωσης που προκύπτει για εύρος τιμών της ακτίνας μπετόν mm με βήμα 50, για κάθε τιμή της ειδικής αντίστασης εδάφους (50, 100, 200, 1000, 1500, Ωm). Παρατηρείται από τα διαγράμματα ότι και εδώ υπάρχει γραμμική σχέση ανάμεσα στην αντίσταση γείωσης και στην ειδική αντίσταση του εδάφους. 86

87 Αντίσταση γείωσης, Ω Αντίσταση γείωσης, Ω Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.19 Μέσες τιμές αντίστασης γείωσης πάρκου συναρτήσει της ειδικής αντίστασης του εδάφους (περίπτωση όλου Φ/Β πάρκου) Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm Εικόνα 4.20 Μέσες τιμές αντίστασης γείωσης πάρκου συναρτήσει της ειδικής αντίστασης του εδάφους (περίπτωση ενός τμήματος Φ/Β πάρκου) 87

88 5.Σχεδίαση συστήματος γείωσης Φ/Β πάρκου 5.1 Σχεδίαση συστήματος γείωσης Σε αυτή την ενότητα πραγματοποιείται η σχεδίαση του συστήματος γείωσης ενός φωτοβολταϊκού πάρκου. Στόχος της μελέτης, είναι η σχεδίαση του συστήματος γείωσης με τρόπο ώστε να είναι ασφαλής η εγκατάσταση και ταυτόχρονα οικονομική. Η ασφαλής σχεδίαση του συστήματος γείωσης εξασφαλίζει την προστασία από κινδύνους ηλεκτροπληξίας και εξασφαλίζει αδιάλειπτη λειτουργία της εγκατάστασης. Με αυτόν τον τρόπο οι υπερτάσεις που προκαλούνται από ρεύματα που ρέουν στη γη σε φυσιολογικές συνθήκες ή σε συνθήκες σφάλματος, δεν υπερβαίνουν τα όρια λειτουργίας του εξοπλισμού της εγκατάστασης. Η ασφαλής σχεδίαση του συστήματος γείωσης περιλαμβάνει τα επόμενα βήματα: την ανάλυση των μετρήσεων της ειδικής αντίστασης του εδάφους, την εκτίμηση των επιτρεπτών ορίων για την τάση επαφής και την βηματική τάση, τον υπολογισμό της κατανομής ρεύματος σφάλματος, τη σχεδίαση του συστήματος γείωσης και τέλος την εκτίμηση της ασφάλειας του συστήματος γείωσης που έχει σχεδιαστεί. Η σχεδίαση του συστήματος έγινε με βάση το πρότυπο IEEE Std [1]. Η προσομοίωση του συστήματος γείωσης και ο έλεγχος της ασφάλειας πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του υπολογιστικού πακέτου CYMGRD 6.3 version 7 της εταιρείας CYME International T&D. Το φωτοβολταΐκό πάρκο που πρόκειται να γειωθεί φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. 88

89 Σχήμα 5.1 Φ/Β πάρκο Στην παραπάνω εικόνα με καφέ χρώμα απεικονίζονται τα πάνελ και στο κέντρο βρίσκεται ο υποσταθμός. 5.2 Μετρήσεις ειδικής αντίστασης Αρχικά, για να σχεδιαστεί σωστά ένα σύστημα γείωσης, είναι απαραίτητο να μετρηθεί με ακρίβεια η ειδική αντίσταση του εδάφους. Οι μετρήσεις χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του μοντέλου που προσεγγίζει ακριβέστερα τη συμπεριφορά του πραγματικού εδάφους Τιμές μετρήσεων φαινόμενης ειδικής αντίστασης Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι μετρήσεις της ειδικής αντίστασης που πραγματοποιηθήκαν, σε έξι άξονες διαφορετικού προσανατολισμού (Β-Ν, Α-Δ) στην περιοχή εγκατάστασης των φωτοβολταΐκών πλαισίων. Όπως φαίνεται από τον πίνακα, η ειδική αντίσταση του εδάφους μεταβάλλεται καθώς αλλάζει η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων. 89

90 Πίνακας 5.1 Ειδική αντίσταση του εδάφους συναρτήσει της απόστασης των ηλεκτροδίων Θέση μέτρησης Απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων α (m) Φαινόμενη ειδική αντίσταση εδάφους (Ωm)

91 Ομοιογενές μοντέλο εδάφους Αρχικά υπολογίζεται η ειδική αντίσταση του εδάφους θεωρώντας ότι το έδαφος είναι ομοιογενές. Αυτό το μοντέλο λαμβάνεται όταν δεν παρατηρούνται μεγάλες διαφορές στις μετρούμενες τιμές της αντίστασης. Η ειδική αντίσταση του ομοιογενούς εδάφους γι αυτό το μοντέλο μπορεί να ληφθεί προσεγγιστικά από την εξίσωση 1.3:... (1) (2) (3) (n) (av1) όπου: n (1), (2), (3)... ( n) είναι οι τιμές της ειδικής αντίστασης που έχουν μετρηθεί όταν τοποθετούνται τα ηλεκτρόδια σε διαφορετικά διαστήματα α, για την περίπτωση που χρησιμοποιείται η μέθοδος Wenner n ο συνολικός αριθμός των μετρήσεων. Η τιμή της ειδικής αντίστασης που προκύπτει είναι: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (av1) m 6 91

92 Ειδική αντίσταση εδάφους, Ωm ή 36 (i) m (av1) i1 (5.1) Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζονται οι μέσοι όροι των ειδικών αντιστάσεων που αντιστοιχούν στην ίδια απόσταση ηλεκτροδίων α Aπόσταση α, m Εικόνα 5.2 Μέσες τιμές μετρήσεων ειδικής αντίστασης εδάφους συναρτήσει της απόστασης α Ένας επιπρόσθετος τρόπος για να υπολογιστεί ένα ομοιογενές μοντέλο, είναι με την χρήση της εξίσωσης 1.4: (max) (min) (av2) όπου: 2 (max) είναι η μέγιστη τιμή της φαινόμενης ειδικής αντίστασης (από τις τιμές της μέτρησης) σε Ωm (min) είναι η ελάχιστη τιμή της φαινόμενης ειδικής αντίστασης (από τις τιμές της μέτρησης) σε Ωm Λαμβάνοντας τη μικρότερη και μεγαλύτερη τιμή της αντίστασης σύμφωνα με τις μετρήσεις προκύπτει: m 2 2 (max) (min) (av2) (5.2) 92

93 5.2.3 Μη ομοιογενές έδαφος, διστρωματικό μοντέλο εδάφους Το πραγματικό έδαφος μπορεί να αναπαρασταθεί ακριβέστερα χρησιμοποιώντας το διστρωματικό μοντέλο εδάφους. Το έδαφος παριστάνεται με ένα ανώτερο στρώμα ειδικής αντίστασης 1 με συγκεκριμένο βάθος και ένα κατώτερο στρώμα με άπειρο βάθος, ειδικής αντίστασης 2. Από το σχήμα 5.2, είναι φανερό ότι καθώς η απόσταση μεταξύ των γειτονικών ηλεκτροδίων αυξάνεται, η φαινόμενη ειδική αντίσταση αυξάνεται γρήγορα και στη συνέχεια τείνει σε μία ασυμπτωτική τιμή για μεγαλύτερες αποστάσεις. Επομένως, το πραγματικό έδαφος στη συγκεκριμένη περίπτωση μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα διστρωματικό μοντέλο, το οποίο θα αποτελείται από ένα άνω στρώμα με μικρή ειδική αντίσταση και ένα κάτω στρώμα με μεγαλύτερη ειδική αντίσταση. Οι αντιστάσεις ρ 1 και ρ 2 μπορούν να υπολογιστούν με κάποια γραφική μέθοδο. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε εδώ είναι αυτή που αναπτύχθηκε από τον Sunde [5]. Έτσι χρησιμοποιείται το διάγραμμα 1.6 με την υπόθεση ότι οι μετρήσεις έγιναν με την μέθοδο Wenner, όπως έγινε και στην συγκεκριμένη μελέτη. Η ειδική αντίσταση του ανώτερου και του κατώτερου στρώματος εδάφους, μπορούν να βρεθούν αντίστοιχα από το σχήμα 5.2 και είναι 1 =200Ωm και 2 =1800Ωm. Επομένως ο λόγος Από το διάγραμμα του Sunde όπως φαίνεται στο σχήμα 5.3, δημιουργείται μία παρεμβολή για το πηλίκο αυτό και επιλέγεται η τιμή του 1 στην περιοχή εντός της κλίσης του διαγράμματος, που αντιστοιχεί στο 2 1. Η τιμή 1 που προέκυψε είναι ίση με 4. Από το διάγραμμα για 1 =4, η τιμή του h προκύπτει ίση με 5. Έτσι η τιμή του είναι m. Για τη συγκεκριμένη τιμή της προκύπτει από το σχήμα 5.2, ότι εμφανίζεται για απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων α=7.2m. Έτσι το βάθος προκύπτει h=1.44m. Οι παραπάνω τιμές χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό του μοντέλου εδάφους στο πρόγραμμα CYMGRD (όπως θα φανεί στην συνέχεια) και απεικονίζονται στο σχήμα που ακολουθεί. Εικόνα 5.3 Διάγραμμα Sunde [5] 93

94 Ειδική αντίσταση, Ωm μέσες τιμές μετρήσεων ρ εδάφους ρ πάνω και κάτω στρώματος διστρωματικού μοντέλου Απόσταση α, m Εικόνα 5.4 Τιμές ειδικής αντίστασης πάνω και κάτω στρώματος εδάφους σε Ωm Ο υπολογισμός του μοντέλου εδάφους ελέγχθηκε στη συνέχεια και μέσω του CYMGRD. Αρχικά στην καρτέλα soil measurements τοποθετήθηκαν οι μέσες τιμές των μετρήσεων για κάθε απόσταση α μεταξύ των ηλεκτροδίων (πίνακας 5.1, εξίσωση 5.1). Το πρόγραμμα υπολογίζει τις αντιστάσεις ρ 1 και ρ 2 καθώς και το βάθος h χρησιμοποιώντας τις παρακάτω εξισώσεις: Pa P1 14 F και n n K K F [ ] όπου (5.3) (1 (2 nh ) (4 (2 nh ) Κ είναι ο συντελεστής ανάκλασης n ακέραιος με εύρος τιμών από 1 έως h το βάθος του άνω στρώματος και α η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων Τα αποτελέσματα των αντιστάσεων που προέκυψαν είναι 1 =219.12Ωm, 2 = Ωm και το βάθος έχει τιμή h=2m. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης εδάφους παρουσιάζονται στα επόμενα σχήματα. 94

95 Εικόνα 5.5 Ανάλυση εδάφους μέσω του CYMGRD Εικόνα 5.6 Γραφική παράσταση ανάλυσης εδάφους μέσω CYMGRD Λαμβάνοντας υπόψη τα προηγούμενα αποτελέσματα, παρατηρείται ότι το μοντέλο που προσεγγίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη πραγματική συμπεριφορά του εδάφους, είναι αυτό που προκύπτει από την γραφική μέθοδο του Sunde [5]. Με αυτή τη μέθοδο, η γραμμή τάσης είναι πιο κοντά στις μετρούμενες τιμές και υπάρχει κορεσμός στη τιμή 2. Έτσι εισάγονται οι τιμές 1 =200Ωm και 2 =1800Ωm στο πρόγραμμα και βάση αυτών γίνεται η ανάλυση του εδάφους και η προσομοίωση του συστήματος γείωσης του φωτοβολταΐκού πάρκου. 95

96 Εικόνα 5.7 Απεικόνιση διστρωματικού μοντέλου εδάφους Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE Std [1], όταν ο χώρος που πρόκειται να γειωθεί δεν είναι προσβάσιμος στο κοινό όπως και στην περίπτωση του πάρκου που προστατεύεται από φράκτη, τα όρια ασφαλείας μπορούν να υπολογιστούν με βάση το βάρος των 70kg. Τα επιτρεπτά όρια βηματικής και τάσης επαφής είναι μεγαλύτερα για άτομα με βάρος 70kg και αυξάνονται περισσότερο σε περίπτωση χρήσης επιφανειακού υλικού ή μειώνοντας την διάρκεια του σφάλματος. Ο υπολογισμός των επιτρεπτών βηματικών και τάσεων επαφής γίνεται με βάση τις επόμενες εξισώσεις [1]: E step70 (1000 6C s s) t E touch70 ( C s s) t όπου: s s (5.4) (5.5) Cs είναι ο συντελεστής μείωσης υλικού επιφάνειας ο οποίος είναι ίσος με ένα στην περίπτωση απουσίας υλικού επιφανείας ts είναι η διάρκεια έκθεσης στο σφάλμα σε s s η ειδική αντίσταση του υλικού επιφάνειας σε Ωm όπου σε περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται επιφανειακό υλικό ισχύει. s Σε περιοχές εκτός του φράκτη μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα όρια βηματικής και τάσης επαφής που αντιστοιχούν σε βάρος 50kg. Η διάρκεια σφάλματος λαμβάνεται ίση με 0.5s και θεωρείται ότι είναι ο χρόνος εκκαθάρισης σφάλματος από τα πρωτογενή μέσα προστασίας. Τα παραπάνω στοιχεία καταχωρούνται στο πρόγραμμα όπως φαίνεται στην εικόνα

97 Εικόνα 5.8 Εισαγωγή δεδομένων εδάφους στο CYMGRD Τα αποτελέσματα της ανάλυσης εδάφους προέκυψαν με την εντολή Soil Analysis και παρουσιάζονται στην επόμενη εικόνα, όπου φαίνεται ότι η μέγιστη τάση επαφής είναι V και η μέγιστη βηματική τάση V. Εικόνα 5.9 Αποτελέσματα ανάλυσης εδάφους του CYMGRD Σε ένα σύστημα γείωσης σε ομοιογενές ή διστρωματικό μοντέλο εδάφους με την ειδική αντίσταση του άνω στρώματος να είναι μικρότερη από την ειδική αντίσταση του κάτω στρώματος όπως στην περίπτωση του εξεταζόμενου πάρκου, η πυκνότητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη στους αγωγούς στα άκρα του συστήματος γείωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερες βηματικές και τάσεις επαφής στις περιοχές αυτές, όπως θα γίνει φανερό στην συνέχεια. 5.3 Περιγραφή συστήματος γείωσης Το σύστημα γείωσης του φωτοβολταϊκού πάρκου πρέπει να περιλαμβάνει αρχικά τις μεταλλικές ράβδους που στηρίζουν τα φωτοβολταϊκού πλαίσια καθώς αποτελούν ηλεκτρόδια διάχυσης του ρεύματος σφάλματος στη γη. Σε κάθε πλευρά των πάνελ 97

98 υπάρχουν 18 ράβδοι, διαμέτρου 20mm και μήκους 1m. Η πάνω σειρά των ράβδων είναι τοποθετημένη κατά μήκος της ακμής του πάνελ ενώ η κάτω, 1m προς το εσωτερικό σε σχέση με την κάτω πλευρά του πάνελ. Επίσης οι ράβδοι θεμελιώνονται με μπετόν. Στις επόμενες εικόνες φαίνονται λεπτομέρειες του σκελετού των φωτοβολταΐκών πλαισίων και των ράβδων και ο τρόπος θεμελίωσής τους. Εικόνα 5.10 Λεπτομέρειες της βάσης των πάνελ Εικόνα 5.11 Θεμελίωση της βάσης των πάνελ Εικόνα 5.12 Τρόπος τοποθέτησης των ράβδων σε δύο πάνελ Επιπλέον εισάγονται οριζόντιοι αγωγοί που τοποθετούνται σε βάθος 0.5m. Οι οριζόντιοι αγωγοί συνδέουν τις ράβδους διαφορετικών πάνελ μεταξύ τους ώστε να υπάρχει ηλεκτρική συνέχεια τους συστήματος γείωσης. Ο υποσταθμός γειώνεται με θεμελιακή γείωση και 98

99 τοποθετείται περιμετρικό ηλεκτρόδιο σε απόσταση περίπου 1m από αυτόν. Ακόμη εισάγονται επιπλέον οριζόντιοι αγωγοί, που συνδέουν τη γείωση του υποσταθμού και των ράβδων στήριξης των πάνελ Εισαγωγή δεδομένων στο CYMGRD Για την εισαγωγή των δεδομένων του συστήματος γείωσης στο πρόγραμμα, επιλέγεται αρχικά File, στη συνέχεια New και δίνονται οι επιθυμητές ονομασίες στο πεδίο Project και στο Study. Στο Data Entry του προγράμματος, επιλέγεται η καρτέλα Buses και αναγράφονται οι επιθυμητές τιμές. Στην μελέτη αυτή, λαμβάνεται ως μέγιστο ρεύμα σφάλματος (LG fault current) ίσο με 1000A, ως το μεγαλύτερο ρεύμα σφάλματος που μπορεί να εμφανιστεί στην πράξη. Επιλέγεται αυτή η τιμή του ρεύματος γιατί δεν υπάρχει διαθέσιμη μελέτη βραχυκλωμάτων. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη ότι σε σφάλματα γης η μεγαλύτερη αντίσταση που συναντά το ρεύμα είναι αυτή της γείωσης του μετασχηματιστή 150/20kV που είναι ίση με 12Ω (για ισχύ 50MVA) [12], επιλέγονται τα 1000Α. Η διάρκεια του ρεύματος σφάλματος στο οποίο μπορεί να εκτεθεί ένας άνθρωπος αντιστοιχεί στον χρόνο εκκαθάρισης του σφάλματος από τα πρωτογενή μέσα προστασίας ή από τα εφεδρικά μέσα και για την μελέτη αυτή επιλέγεται ίσο με 0.5s (fault duration). Επιπλέον το φωτοβολταϊκό πάρκο είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο μέσης τάσης (20kV). Τα δεδομένα αυτά εισάγονται στο πρόγραμμα όπως φαίνεται στην επόμενη εικόνα. Εικόνα 5.13 Εισαγωγή δεδομένων στο CYMGRD Προκειμένου να εισαχθούν οι ράβδοι των πάνελ στο CYMGRD, στην επιλογή Data Entry και στην καρτέλα symmetrical rods, καταχωρήθηκαν οι συντεταγμένες των ράβδων γείωσης. Επισημαίνεται ότι στην καταχώρηση των συντεταγμένων επιλέγεται και το είδος των ηλεκτροδίων κύρια, διακριτά ή επιστροφής. Τα κύρια ηλεκτρόδια, είναι αυτά που απορροφούν το ρεύμα σφάλματος στη γη. Τα δευτερεύοντα ηλεκτρόδια, είναι αγώγιμες κατασκευές όπως σωληνώσεις που βρίσκονται κοντά στην περιοχή του συστήματος γείωσης αλλά δεν είναι συνδεδεμένα με αυτό. Τα ηλεκτρόδια επιστροφής, χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου δύο εγκαταστάσεις γείωσης είναι γειτονικές. Όταν το ρεύμα που οδηγείται στο έδαφος από το ένα ηλεκτρόδιο, επιστρέφει στο σύστημα μέσω του δεύτερου ηλεκτροδίου, τότε η δεύτερη εγκατάσταση γείωσης αποτελεί ηλεκτρόδιο επιστροφής. Στην περίπτωση του εξεταζόμενου πάρκου χρησιμοποιούνται κύρια ηλεκτρόδια. Επίσης οι ράβδοι γείωσης όπως φαίνεται στην εικόνα 5.11, θεωρούνται ενσωματωμένοι σε μπετόν (material encased), πάχους 300mm (material thickness). Επιπλέον η ειδική αντίσταση του μπετόν είναι 90Ωm. Στην επόμενη εικόνα φαίνονται τα στοιχεία των ράβδων γείωσης όπως καταχωρήθηκαν στο πρόγραμμα. 99

100 Εικόνα 5.14 Δεδομένα συμμετρικών ράβδων γείωσης στο CYMGRD Τα δεδομένα καταχώρησης των περιμετρικών αγωγών στο πρόγραμμα, απεικονίζονται στο σχήμα που ακολουθεί. 100

101 101

102 Εικόνα 5.15 Τοποθέτηση δεδομένων οριζόντιων αγωγών στο CYMGRD Μετά την εισαγωγή των ράβδων και των περιμετρικών αγωγών, στο Grid Layout του προγράμματος φαίνεται ο χώρος του φωτοβολταΐκού πάρκου σε δισδιάστατη μορφή. Επιπλέον παρουσιάζονται και κάποιες λεπτομέρειες του χώρου στο σχήμα Εικόνα 5.16 Δισδιάστατη απεικόνιση γείωσης συστήματος φωτοβολταϊκού πάρκου Εικόνα 5.17 Τμήμα γείωσης συστήματος φωτοβολταΐκού πάρκο 102

103 5.4 Προσομοίωση Φ/Β πάρκου με το CYMGRD Εφόσον έχει γίνει η καταχώρηση όλων των δεδομένων όπως οι ράβδοι γείωσης, οι οριζόντιοι αγωγοί, οι παράμετροι του εδάφους, το μέγιστο ρεύμα σφάλματος κτλ, επιλέγεται από την ταμπέλα Grid η εντολή Analyse ώστε να πραγματοποιηθεί η ανάλυση του πλέγματος Grid Analysis. Τα αποτελέσματα του Grid Analysis παρουσιάζονται στην εικόνα που ακολουθεί. Εικόνα 5.18 Αποτελέσματα Grid Analysis Ο συνολικός αριθμός των ράβδων είναι 1906 ενώ όπως προκύπτει από την προσομοίωση, η αντίσταση είναι 4.35Ω και η ανύψωση δυναμικού του εδάφους ίση με V. Για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων πρέπει να δημιουργηθεί ένα Contour plot από την ταμπέλα Grid. Στην οθόνη που εμφανίζεται με τον τίτλο Contour Parameters εισάγονται οι συντεταγμένες την περιοχής που θέλουμε να γίνει η ανάλυση. Έτσι προκύπτουν τα παρακάτω σχήματα για την τάση επαφής αλλά και τα δυναμικά στην επιφάνεια του εδάφους. Εικόνα 5.19 Τάσεις επαφής στο φωτοβολταΐκό πάρκο 103

104 Εικόνα 5.20 Δυναμικά επιφανείας στο φωτοβολταΐκό πάρκου Ένας πιο λεπτομερής έλεγχος των δυναμικών στην επιφάνεια του εδάφους, των τάσεων επαφής καθώς και των βηματικών τάσεων γίνεται επιλέγοντας συγκεκριμένες διαδρομές. Επιλέγοντας από το πρόγραμμα την ρύθμιση profile plot και εισάγοντας τις συντεταγμένες των διαδρομών στο πρόγραμμα, προέκυψαν οι τάσεις στις διαδρομές και τα επιτρεπτά όρια. Η βηματική τάση σε όλο το πάρκο είναι εντός των ορίων όπως θα φανεί και σε επόμενα σχήματα, με αποτέλεσμα ο έλεγχος να επικεντρώνεται στην τάση επαφής. Οι τάσεις επαφής ελέγχθηκαν σε απόσταση 1m από την εξωτερική πλευρά όλων των φωτοβολταΐκών πλαισίων και διαπιστώθηκε ότι το υπάρχον σύστημα γείωσης ήταν ανεπαρκές, καθώς σε πολλά σημεία η τάση επαφής υπερέβαινε την μέγιστη επιτρεπόμενη. Στην συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες διαδρομές στις οποίες η τάση επαφής ήταν μεγαλύτερη της επιτρεπόμενης και τα αντίστοιχα αποτελέσματα της προσομοίωσης. 104

105 Εικόνα 5.21 Σημεία και διαδρομές εντός του πάρκου για τον έλεγχο των τάσεων Εικόνα 5.22 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 1 105

106 Εικόνα 5.23 Τάση επαφής για τη διαδρομή 2 Εικόνα 5.24 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 3 Εικόνα 5.25 Τάση επαφής για τη διαδρομή 4 106

107 Εικόνα 5.26 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 5 Εικόνα 5.27 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 6 Εικόνα 5.28 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 7 107

108 Εικόνα 5.29 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 8 Περιμετρικά του σταθμού υπάρχουν οριζόντιοι αγωγοί σε απόσταση 1m. Οι τάσεις επαφής προκύπτουν εντός ορίων σε απόσταση 1m από τον υποσταθμό. Στην συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες διαδρομές στην περιοχή που περιβάλλει τον υποσταθμό. Εικόνα 5.30 διαδρομές στην περιοχή του υποσταθμού 108

109 Εικόνα 5.31 Τάση επαφής για τη διαδρομή 9 Εικόνα 5.32 Τάση επαφής για τη διαδρομή 10 Στην συνέχεια εισάγονται περιμετρικά του φωτοβολταϊκού πάρκου επιπλέον οριζόντιοι αγωγοί, έτσι ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας από την επαφή με τον μεταλλικό σκελετό των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε περίπτωση σφάλματος. Η βηματική τάση εξακολουθεί να παραμένει εντός ορίων σε όλη την περιοχή. Η νέα μορφή του πάρκου όπως προκύπτει από το Grid Layout και τα νέα δεδομένα φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. 109

110 Εικόνα 5.33 Σύστημα γείωσης πάρκου με επιπλέον αγωγούς γείωσης Τα στοιχεία των νέων αγωγών που εισήχθησαν στην πρώτη, έκτη και στην δέκατη ένατη σειρά πάνελ εισάγονται στην καρτέλα Asymmetrical conductors, όπως φαίνεται στο σχήμα Εικόνα 5.34 Στοιχεία των επιπλέον αγωγών γείωσης που τοποθετήθηκαν στο αριστερό τμήμα του πάρκου Στην συνέχεια πραγματοποιείται ξανά ανάλυση του συστήματος γείωσης επιλέγοντας από την ταμπέλα Grid την εντολή Analyse ώστε να ληφθούν υπόψη στην προσομοίωση οι αγωγοί που προστέθηκαν. Τα νέα αποτελέσματα της ανάλυσης και τα νέα Contour Plot απεικονίζονται στα σχήματα που ακολουθούν. Εικόνα 5.35 Αποτελέσματα προσομοίωσης με επιπρόσθετους περιμετρικούς αγωγούς 110

111 Εικόνα 5.36 Τάσεις επαφής με επιπρόσθετους περιμετρικούς αγωγούς Εικόνα 5.37 Δυναμικά επιφανείας με επιπρόσθετους περιμετρικούς αγωγούς Μετά την εισαγωγή των επιπλέον αγωγών, αλλάζουν οι τάσεις επαφής και είναι εντός ορίων σχεδόν όλα τα σημεία στα οποία υπερέβαιναν τα επιτρεπτά όρια. Για κάποιες από τις διαδρομές που παρουσιάστηκαν στα σχήματα , τα αποτελέσματα απεικονίζονται στην συνέχεια. 111

112 Εικόνα 5.38 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 1 Εικόνα 5.39 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 3 Εικόνα 5.40 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 4 112

113 Εικόνα 5.41 Τάση επαφής και βηματική τάση για τη διαδρομή 5 Εικόνα 5.42 Τάση επαφής για τη διαδρομή 6 Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, στις περισσότερες διαδρομές η τάση επαφής ήταν εκτός ορίων αλλά με την προσθήκη των οριζόντιων αγωγών είναι πλέον μικρότερη από τα επιτρεπτά όρια. Ωστόσο, όπως φαίνεται από τα σχήματα , υπάρχουν σημεία στα οποία η τάση επαφής παραμένει εκτός ορίων ή πλησιάζει αρκετά το επιτρεπτό όριο. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος επεκτάθηκαν οι οριζόντιοι αγωγοί στα 3m εκατέρωθεν (εικόνα 5.43) από το μεταλλικό σκελετό των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Οι νέες μεταβολές της τάσης επαφής φαίνονται στα σχήματα από όπου και προκύπτει ότι η νέα υπολογισθείσα τάση επαφής είναι εντός των επιτρεπτών ορίων. 113

114 Εικόνα 5.43 Τοποθέτηση νέων οριζόντιων αγωγών Εικόνα 5.44 Τάση επαφής για τη διαδρομή 1 Εικόνα 5.45 Τάση επαφής για τη διαδρομή 3 114