Αριθμός Μητρώου: Θέμα:

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗ ΜΑΡΙΟΥ-ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ του ΠΑΥΛΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6603 Θέμα: ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΥΠΕΡΓΕΙΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ-ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΠΑΡΑΚΕΙΜΕΝΗ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα: 1

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΥΠΕΡΓΕΙΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ-ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΠΑΡΑΚΕΙΜΕΝΗ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗ ΜΑΡΙΟΥ-ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Α.Μ.: 6603 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΥΠΕΡΓΕΙΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ-ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΠΑΡΑΚΕΙΜΕΝΗ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Φοιτητής: ΠΑΠΑΓΊΑΝΝΗΣ ΜΑΡΙΟΣ-ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Επιβλέπουσα: ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τις τελευταίες δεκαετίες, παρατηρείται σε παγκόσμιο επίπεδο τεράστια αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων για όλες τις κατηγορίες καταναλωτών. Η γιγάντωση της βιομηχανίας, η ανάπτυξη πρώην αναπτυσσόμενων χωρών με ραγδαίους ρυθμούς όπως η Κίνα, η Ινδία κλπ, η γενικότερη άνοδος του βιοτικού επιπέδου σε παγκόσμια κλίμακα, αλλά και η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, έχουν οδηγήσει σε εκθετική αύξηση των ενεργειακών ανάγκών του. Για την κάλυψη των αναγκών αυτών, μεγάλα έργα έχουν παραγματοποιηθεί με σκοπό την αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση των καυσίμων και λοιπών ενεργειακών πόρων, αλλά και την γρηγορότερη και ασφαλέστερη μεταφορά τους από τα σημεία εξόρυξης και επεξεργασίας, στα κέντρα κατανάλωσης. Στο ευρύτερο αυτό πλαίσιο, η βιομηχανία της κατασκευής σωληναγωγών μεταφοράς υδρογονανθράκων γνωρίζει τεράστια ανάπτυξη τα τελευταία είκοσι χρόνια. Παράλληλα, την ίδια αν όχι μεγαλύτερη ανάπτυξη γνωρίζει και η βιομηχανία παραγωγής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Για πολλούς λόγους η εξέλιξη των δύο αυτών βιομηχανικών τομέων είναι συνδεδεμένη και ακολουθεί κοινούς ενεργειακούς δρόμους. Έτσι, η επιλογή κοινών «οδών» διάβασης των υποδομών της βιομηχανίας ηλεκτρισμού και της πετρελαιοβιομηχανίας αποτελεί σήμερα πολύ συνηθισμένη πρακτική-αν όχι τον κανόνα. Κατά συνέπεια, οι περιπτώσεις παραλλήλισμού, έμμεσης προσέγγισης και διασταύρωσης γραμμών μεταφοράς υψηλής και υπερυψηλής τάσης, με αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου ή πετρελαίου υπέργειους και υπόγειους- είναι συχνή. Στις περιπτώσεις αυτές, η ηλεκτρομαγνητική επίδραση πάνω στον αγωγό μεταφοράς από την γραμμή Υ/Τ (ή ΥΥ/Τ) είναι ιδιαίτερα σημαντική. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη αυτής ακριβώς της επίδρασης μιας γραμμής υψηλής τάσης πάνω σε έναν παρακείμενο υπέργειο αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, κατά την διάρκεια ενός κεραυνικού πλήγματος επί της γραμμής. Αρχικά, στα πρώτα έξι κεφάλαια έγινε μια παράθεση πληροφοριών και θεωρητική προσέγγιση όλων των επιμέρους τμημάτων που συνθέτουν τη συνολική διάταξη της μελέτης. Στο πρώτο κεφάλαιο δόθηκαν γενικές πληροφορίες για τα διάφορα είδη υπερτάσεων και την κατηγοριοποίησή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο διατυπώθηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά του φαινομένου του κεραυνού, αποπειράθηκε η προσέγγιση της συμπεριφοράς του φυσικού αυτού φαινομένου, καθώς και διαπιστώθηκαν οι συνέπειες της ενέργειάς του. Στο τρίτο κεφάλαιο, έγινε μία συμπυκνωμένη παρουσίαση της θεωρητικής προσέγγισης των γραμμών μεταφοράς και δόθηκαν βασικά στοιχεία της θεωρίας για την μοντελόποίησή τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάστηκαν τα βασικά θεωρητικά στοιχεία για την μοντελοποίηση των πυλώνων και την επίδραση των κεραυνικών πληγμάτων σε αυτούς. Στο πέμπτο κεφάλαιο, δόθηκαν γενικές πληροφορίες για την ιστορία, την χρησιμότητα, την κατασκευή και τον έλεγχο των σωληναγωγών μεταφοράς αγαθών, που παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο πρωτίστως στην παγκόσμια βιομηχανία πετρελαίου και ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο, 3

4 πραγματοποιήθηκε μια παρουσίαση των βασικών δομών και δυνατοτήτων του προγράμματος που χρησιμοποιήθηκε για την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας, του ATP-EMTP. Το κεφάλαιο επτά που ακολούθησε, αποτελεί τον πυρήνα αυτής της διπλωματικής εργασίας, καθώς σε αυτό περιγράφηκαν αναλυτικά τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση όλων των συνιστωσών της διάταξης, δόθηκαν αναλυτικές πληροφορίες για τον τρόπο υπολογισμού των μοντέλων αυτών αλλά και για την ενσωμάτωσή τους στο πρόγραμμα ATP-Draw του EMTP. Πιο συγκεκριμένα στο έβδομο κεφάλαιο περιέχονται τα εξής: Πρωταρχικά, δόθηκαν τα χαρακτηριστικά της γεννήτριας Heidler που εξομοίωσε το σήμα του κεραυνού, μαζί με όλες τις παραμέτρους για την ενσωμάτωση του μοντέλου στο πρόγραμμα. Ακολούθως, έγινε αναλυτική παρουσίαση της γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας των 400kV διπλού κυκλώματος, του ελληνικού ΣΗΕ. Υπολογίστηκαν όλα τα χαρακτηριστικά της γραμμής, συμπεριλαμβανομένου των μέσων υψών και των εμπεδήσεων προσαρμογής που της αντιστοιχούν, και παρουσιάστηκε αναλυτικά η ενσωμάτωση όλων των παραμέτρων της γραμμής στο πρόγραμμα της εξομοίωσης. Έπειτα, έγινε πλήρης ανάλυση του χρησιμοποιηθέντος μοντέλου για την εξομοίωση των πυλώνων της γραμμής και παρατέθηκαν τα χαρακτηριστικά που επιβάλλεται αυτό να πληροί. Ακόμη, εξετάστηκαν οι πιθανές προσεγγίσεις για την μοντελοποίηση της γείωσης των πυλώνων και επιλέχθηκε η χρήση της γείωσης ωμικού χαρακτήρα ως πιο γενικής. Τόσο για το μοντέλο του πυλώνα, όσο και για εκείνο της γείωσής του, δόθηκε με λεπτομέρια η εικόνα ενσωμάτωσής τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης. Μετέπειτα, παρουσιάστηκε το μοντέλο εξομοίωσης του υπέργειου αγωγού μεταφοράς υδρογονανθράκων (φυσικού αερίου/πετρελαίου), υπολογίστηκαν οι ηλέκτρικές του παράμετροι και αποτυπώθηκε η ενσωμάτωσή τους στο EMTP. Αμέσως μετά εξετάστηκε ίσως το πιό σημαντικό και δύσκολο κομμάτι της παρούσας διπλωματικής εργασίας, που δεν ήταν άλλο από την εξακρίβωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της γραμμής των 400kV και του παρακείμενου αγωγού μεταφοράς υδρογονανθράκων. Στο κομμάτι αυτό, διαπιστώθηκε η ύπαρξη των εξής τριών συνιστωσών αλληλεπίδρασης: χωρητική, επαγωγική και ωμική. Και για τις τρείς αυτές συνιστώσες της αλληλεπίδρασης του συστήματος γραμμής-αγωγού ακολούθησε εις βάθος ανάλυση του τρόπου υπολογισμού τους, των παραγόμενων αποτελεσμάτων και της ενσωμάτωσής τους στη διάταξη της εξομοίωσης. Επιπρόσθετα, στο σημείο αυτό δόθηκαν και γενικότερες αριθμητικές πληροφορίες που αφορούν το υπο εξομοίωση σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των επιλογών του ερευνητή σχετικά με τις προσεγγίσεις της εξομοίωσης. Κλείνοντας το κεφάλαιο επτά, παρουσιάστηκε με σαφήνεια ο τρόπος ενσωμάτωσης στο πρόγραμμα των τριών συνιστωσών αλληλεπίδρασης του συστήματος γραμμής-αγωγού, μία προς μία, αλλά και συνολικά. Η συνολική αυτή αποτύπωση εμφάνισε και την δομική μονάδα του κυκλωματικού ισοδύναμου της διάταξης, η οποία αποτέλεσε τον θεμέλιο λίθο της όλης εξομοίωσης. Τέλος, η παρούσα διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με το όγδοο κεφάλαιο. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται παράθεση των αποτελεσμάτων της έρευνας για την επαγόμενη τάση πάνω σε έναν αγωγό μεταφοράς φυσικού αερίου/πετρελαίου από παρακείμενη γραμμή μεταφοράς Υψηλής Τάσης, η οποία υφίσταται κεραυνικό πλήγμα. Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων περιλαμβάνει όλα τα αριθμητικά αποτελέσματα αλλά και τις αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις για τις επαγόμενες τάσεις, πάνω στον αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, αλλά και στους πυλώνες και τις φάσεις της γραμμής που δέχεται το κεραυνικό πλήγμα. Κλείνοντας το τελευταίο κεφάλαιο, διατυπώνεται σειρά παρατηρήσεων επί των αποτελεσμάτων και γίνεται απόπειρα εξαγωγής κάποιων συμπερασμάτων από την όλη μελέτη. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε πως ο παραλληλισμός γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Υ/Τ και αγωγών μεταφοράς υδρογονανθράκων δημιουργεί ένα σύστημα με έντονη αλληλεπίδραση κάτω από προϋποθέσεις. Οι τάσεις και τα ρεύματα που υφίστανται επί της γραμμής, ειδικά σε περιπτώσεις έντονων σφαλμάτων και κεραυνικών πληγμάτων, έχουν ως αποτέλεσμα την ηλεκτρομαγνητική και ηλεκτροστατική σύζευξη γραμμής και αγωγού. Προϊόν της σύζευξης αυτής είναι η επαγόμενη τάση στον αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, η οποία σε κατάλληλες συνθήκες μπορεί να καταστεί επικίνδυνη, τόσο για τον άνθρωπο, όσο και για την ασφάλεια του ίδιου του αγωγού. 4

5 ABSTRACT Over the last few decades, a huge growth on energy demands for all consuming categories is observed in a global scale. The giant growth of overall global industry, the development of former developing countries such as China, and India, etc at a rapid pace, the increase of the planet s total population and its overall living standard has led to an exponential growth of the planet s energy needs. To satisfy those energy needs, huge projects have been realised worldwide, in order to maximise the effisient use of fuel and other natural energy resources, as well as their fast and secure transport from their mining and refinery points to the big consumption centres. Within this framework, the gas/petroleum pipeline industry has flourished for the past twenty years. At the same time, the electrical power industry has known similar, if not greater, growth. For a variety of reasons, the development of those two industries is significantly connected and they are following, systematically common energy routes. As a result, the selection of comon right-of-ways for the infrastructure of both the gas/oil pipeline and power industry is a common practise-if not the rule. Therefore, the situations of parallelism, oblique approach and crossing between High Voltage (or even Ultra High Voltage) transmission lines and gas/petroleum pipelines either above or underground have quite frequently happened. In those cases, the electromagnetic influence on the oil/gas pipeline near the transmission line becomes increasingly significant. The purpose of this diploma thesis is the study of the above stated effect of a High Voltage transmission line on a nearby above ground gas/oil pipeline, under lightning conditions affecting the transmission line itself. Initially, during the first six chapters a theoretical approach was attempted and information was displayed concerning each basic part, that the total under study layout consists of. In the first chapter, general information for the various categories of overvoltages were given. In the second chapter, the basic characteristics of lightning were presented, its behaviour as a natural phenomenon was approched and its disastrous effects were established. During the third chapter, a theoretical approach of transmission lines was attempted and basic elements of transmission line modeling theory were given. In chapter four, basic theoretical data concerning the modeling of transmission line towers were presented and the effect of lightning on them was examined. In the fifth chapter, general information about the history, use, construction and control of pipelines were presented. The vital role this infrastructure plays in the global gas/oil and power industry was ascertained. During the sixth chapter, basic structures and key sub-programs of the ATP-EMTP (ElectoMagnetic Transient Program) were presented, along with the capabilities of this powerful software tool, that was used to perform the simulations required for this diploma thesis. Chapter seven that followed next, represents the very core of this thesis. In that chapter, a detailed description of the models used to simulate the transmission line-oil/gas pipeline layout, was presented and specific information concerning the calculations of model parameters and their implementation in ATP-Draw of EMTP was given. More specificly, the seventh chapter of the thesis contains the following: First of all, the characteristics of the Heidler generator -used to simulate the lightning strike- were given, along with all the respective parameters for its implementation in the EMTP. After that, a detailed presentation of the double-circuit 400kV transmission power line of the Greek Power Network was made. All its parameters were calculated, including average heights and matching impdendances, and their implementation in the EMTP was specified. Next, the line s tower model that was used in the simulation was analysed and its specific critiria that needed to be met were indicated. Different possible approaches for the modeling of the tower s footing groung were also examined, resulting in the selection of the resistive grounding electrode as the most general case. 5

6 For both the tower model and the footing resistance, the implementation in the EMTP was made clear. Afterwards, the simulation model of the aboveground gas/oil pipeline was presented, its parameters were calculated and their implementation in the EMTP was depicted. Right after that, the most significant and at the same time difficult part of this study was examined: the verification of the coupling between the 400kV transmission line and the nearby gas/oil pipeline. In this part of the study, the existance of the following three coupling types was identified: capacitive, inductive and resistive coupling. For all three types of coupling between the transmission line and the pipeline, an in-depth calculative analysis was carried out, followed by representation of the produced results and their implementation in the program. Furthermore, general numerical data concerning the simulation was presented at this point, along with the researcher s selected approximations for modeling the transmission line-gas/oil pipeline layout. Closing this chapter, the implementation in the EMTP of all three types of coupling was illustrated, both in overall and one-by-one. This overall illustration of the layout s coupling, revealed the basic structure block of the simulation. This diploma thesis is completed in the eighth and final chapter. In that part of the study, the final simulation results are presented, concerning the induced voltage on the gas/oil pipeline from the nearby transmission power line that suffers a lightning strike. This presentation includes all numerical data and respective graphs (graphic displays) of the induced voltages on the pipeline itself, as well as the towers and the 6 phases of the transmission line. Winding up the last chapter, a series of observations on the results is made, and an attempt to reach some conclusions based on the specific study is carried out. More specifically, it was established that situations of parallelism, oblique approach and crossing between High Voltage (or even Ultra High Voltage) transmission lines and gas/petroleum pipelines either above or underground can create a system prone to intense coupling under certain circumstances. Strong currents and voltages circulating on the transmission line, especially during faulty and lightning conditions, result in the electromagnetic and electrostatic coupling between the line and the nearby gas/oil pipeline. Direct result of this coupling is the induced voltage upon the gas/oil pipeline, which can -under proper conditions- become a hazard for both the human factor and the safety of the pipeline itself. 6

7 Ευχαριστίες: Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κα. Πυργιώτη Ελευθερία, και τον καθηγητή μου και συνεπιβλέποντα κ. Κουλουρίδη Σταύρο για την πολύτιμη καθοδήγησή τους και τις συμβουλές τους κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Είμαι ευγνώμων για τον χρόνο που μου αφιερώσαν και οι δύο, χωρίς την συνδρομή των οποίων η εργασία αυτή δεν θα είχε ολοκληρωθεί. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον διδακτορικό φοιτητή Πέππα Γεώργιο για τη συνδρομή του στην εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ολόψυχα τους γονείς μου για την αμέριστη υλική και ψυχολογική στήριξη που μου παρείχαν κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. 7

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη...3 Abstract...5 Ευχαριστίες...7 Κεφάλαιο 1 ο : Υπερτάσεις 1.1 Γενικά περί Υψηλών Τάσεων - Ορισμός Υπερτάσεις Διηλεκτρικές Καταπονήσεις Μηχανισμοί Δημιουργίας Ατμοσφαιρικά Προερχόμενων Υπερτάσεων Βιβλιογραφία 1 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 2 ο : Περί Κεραυνού 2.1 Το Φαινόμενο του Κεραυνού Εισαγωγή Ηλεκτρική Κατάσταση της Γης Ηλεκτρική Συμπεριφορά ενός Σύννεφου Κεραυνικά Μεγέθη Ορισμοί Είδη Κεραυνών Φυσικά Χαρακτηριστικά Εξομοίωση Κεραυνού στο Εργαστήριο Ο Μηχανισμός των Ατμοσφαιρικών Εκκενώσεων Απόσταση Διάσπασης Ρέυμα και Σχετικές Παράμετροι του Κεραυνού Συχνότητα Κεραυνών Ζημιές οφειλόμενες σε Κεραυνούς Βιβλιογραφία 2 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 3 ο : Γραμμές Μεταφοράς 3.1 Γραμμές Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Γενικά Στοιχεία Χαρακτηριστικά Γραμμών Μεταφοράς Γραμμές Μεταφοράς Μικρού Μήκους Γραμμές Μεταφοράς Μέσου Μήκους

9 3.2.3 Γραμμές Μεταφοράς Μεγάλου Μήκους Μοντελοποίηση Γραμμών Μεταφοράς Συμπεριφορά Γραμμής Μεταφοράς σε Οδεύοντα Κύματα Ανάκλαση και Διάθλαση Κύματος Μετασχηματισμός και Απόσβεση Οδευόντων Κυμάτων Διηλεκτρικές Καταπονήσεις και Μονώσεις Γραμμών Μεταφοράς Βιβλιογραφία 3 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 4 ο : Πυλώνες 4.1 Εισαγωγή Καταπόνηση Υψηλών Πύργων από Κεραυνούς με Απότομο Μέτωπο Εκτίμηση της Αντίστασης Γείωσης των Πύργων Ειδική Αντίσταση Εδάφους Παράγοντες Εξάρτησης Βιβλιογραφία 4 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 5 ο : Σωληναγωγοί Μεταφοράς Αγαθών 5.1 Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Κατηγορίες Σωληναγωγών με βάση τη Μεταφερόμενη Ουσία Κατηγορίες Σωληναγωγών με βάση τον Σκοπό Mεταφοράς Κατασκευή Σωληναγωγών Τεχνολογία Κατασκευής Σωληναγωγών Λειτουργία, Διαχείρηση και Συντήρηση των Σωληναγωγών Σωληναγωγοί και Γεωπολιτικά Zητήματα-Κίνδυνοι Βιβλιογραφία 5 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 6 ο : Το Πρόγραμμα ATP-EMTP Εισαγωγή Ιστορικά Στοιχεία Τρόπος Επίλυσης Ηλεκτρικών Δικτύων με το ATP-EMTP Επίλυση στο Πεδίο του Χρόνου Επίλυση στο Πεδίο της Συχνότητας Βιβλιοθήκες Μοντέλων του ATP-EMTP Μελέτες με το ATP-EMTP TACS MODELS Ρουτίνες Υποστήριξης στο Πρόγραμμα ATP-EMTP

10 6.6 Προγράμματα Υποστήριξης του ATP-EMTP Το Control Centre To PCPlot Το PlotXY Το GTPPLOT Το Programmer's File Editor (PFE) Το ATP-LCC Το ATP-Draw Γενικά για το Περιβάλλον του ATP-Draw Τύποι Στοιχείων οι οποίοι Υποστηρίζονται από το ATP-Draw Τύποι Αρχείων τα οποία Υποστηρίζονται από το ATP-Draw Διαδικασία Εξομοίωσης με Χρήση του ATP-Draw Βιβλιογραφία 6 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 7 ο : Μοντελοποίηση των Στοιχείων της Διάταξης και Ενσωμάτωση στο ATP-EMTP 7.1 Εισαγωγή Γεννήτρια Εξομοίωσης Κεραυνού Γραμμή Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Υψηλής Τάσης 400kV Πυλώνες της Γραμμής Μεταφοράς Υ/Τ και Ηλεκτρόδια Γείωσής τους Υπέργειος Αγωγός Μεταφοράς φυσικού αερίου/πετρελαίου Αλληλεπίδραση μεταξύ της Γραμμής Μεταφοράς Υ/Τ και του Υπέργειου Αγωγού Μεταφοράς φυσικού αερίου/πετρελαίου Βιβλιογραφία 7 ου Κεφαλαίου Κεφάλαιο 8 ο : Παρουσίαση των Αποτελεσμάτων της Εξομοίωσης και Εξαγωγή Συμπερασμάτων 8.1 Εισαγωγή Παρουσίαση Αποτελεσμάτων Παρατηρήσεις-Συμπεράσματα Βιβλιογραφία 8 ου Κεφαλαίου 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Υπερτάσεις 1.1 Γενικά περί Υψηλών Τάσεων - Ορισμός: Σύμφωνα με τους κανονισμούς της «Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής» ή «IEC» ως δίκτυα υψηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος χαρακτηρίζονται αυτά που λειτουργούν με τάση μεγαλύτερη από 1 kv (ενεργός τιμή), ενώ ως δίκτυα χαμηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος αυτά που λειτουργούν υπό τάση χαμηλότερη ή ίση με 1 kv [2]. Για τον εξοπλισμό και τα δίκτυα συνεχούς ρεύματος, ως αντίστοιχο διαχωριστικό όριο για την εφαρμογή υποδείξεων των κανονισμών που αφορούν στη χαμηλή τάση χρησιμοποιείται αυτό των 3kV. Κάθε ένα από τα δίκτυα υψηλής τάσης εναλλασσομένου ρεύματος χαρακτηρίζεται από τρεις χαρακτηριστικές τάσεις: Την ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος U n. Την ύψιστη τάση λειτουργίας του συστήματος U h. Την ύψιστη τάση λειτουργίας για τον εξοπλισμό U m. Ως ονομαστική τάση ενός συστήματος ορίζεται μία κατάλληλα εκτιμημένη τιμή τάσης που χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό ή τον καθορισμό του. Ως ύψιστη τάση λειτουργίας ενός συστήματος ορίζεται η ενεργός τιμή της υψηλότερης τάσης που μπορεί να σημειωθεί οποιαδήποτε χρονική στιγμή και σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου κατά την κανονική λειτουργία του, δηλαδή χωρίς να υπολογίζονται οι υπερτάσεις που μπορεί να αναπτυχθούν σε συνθήκες μη μόνιμης κατάστασης λειτουργίας). Η ύψιστη τάση λειτουργίας για τον εξοπλισμό είναι η ενεργός τιμή της υψηλότερης τάσης που μπορεί να αντέξει ο εξοπλισμός που θα συνδεθεί στο δίκτυο υπό συνθήκες μόνιμης κατάστασης λειτουργίας του δικτύου. Ο εξοπλισμός υψηλής τάσης με ονομαστικές τάσεις 1 kv έως 50 kv χαρακτηρίζεται και ως εξοπλισμός μέσης τάσης και η υψηλή τάση μέχρι το όριο αυτό μέση τάση (MV). Η τάση από 50 kv έως 345 kv χαρακτηρίζεται ως υψηλή τάση (HV), η τάση από 345 kv έως 765 kv χαρακτηρίζεται ως υπερυψηλή τάση (ΕΗV) ενώ άνω των 765 kv ως ιδιαίτερα υψηλή τάση (UHV). Οι παραπάνω τιμές ορίων δεν είναι απόλυτες, αλλά αναφέρονται σε μία τάξη μεγέθους Υπερτάσεις: Διηλεκτρικές Καταπονήσεις: Μια από τις παραμέτρους που καθορίζουν την ικανότητα φορτίσεως μιας συσκευής ενός συστήματος ισχύος είναι το ύψος των διηλεκτρικών καταπονήσεων που μπορεί η συσκευή να αντέξει χωρίς βλάβη ή διατάραξη της ομαλής λειτουργίας της. Οι διηλεκτρικές καταπονήσεις των 11

12 συσκευών προέρχονται από τις τάσεις που αναπτύσσονται κατά την λειτουργία τους ανάμεσα στα διάφορα στοιχεία τους ή ανάμεσα σε στοιχείο της συσκευής αυτής και στοιχεία μιας άλλης συσκευής ή τη γη. Τα μέτρα που λαμβάνονται για να προσδώσουν στην συγκεκριμένη συσκευή την ικανότητα να αντέχει τις διηλεκτρικές αυτές καταπονήσεις αποτελούν τη «μόνωση». Η μόνωση ανάμεσα σε δύο αγωγούς υποκείμενους σε διηλεκτρική καταπόνηση μπορεί να είναι οποιοδήποτε μονωτικό υλικό από τα οποία το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο είναι,προς το παρόν, ο αέρας. Οι τάσεις που αναπτύσσονται ανάμεσα στα διάφορα τμήματα ενός συστήματος ισχύος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: στις τάσεις ομαλής λειτουργίας, οι οποίες αναπτύσσονται υπό ομαλές συνθήκες λειτουργίας, και στις υπερτάσεις, οι οποίες αναπτύσσονται σε εξαιρετικές μόνο περιπτώσεις ή ανωμαλίες που κατά κανόνα είναι υψηλότερες από τις τάσεις ομαλής λειτουργίας. Επειδή οι υπερτάσεις προκαλούν τις σοβαρότερες διηλεκτρικές καταπονήσεις, οι μονώσεις του συστήματος σχεδιάζονται ώστε να αντέχουν σ αυτές με αποτέλεσμα να είναι, κατά κανόνα, ισχυρότερες από εκείνες που απαιτούνται για να αντέχουν την ομαλή τάση λειτουργίας. Εξαιτίας του γεγονότος ότι μερικές από τις υπερτάσεις μπορούν να λάβουν εξαιρετικά υψηλές τιμές, όπως π.χ. αυτές που προέρχονται από κεραυνούς, με αποτέλεσμα η μόνωση έναντι αυτών να καθίσταται πολύ δαπανηρή ή ακόμη και αδύνατη, λαμβάνονται μέτρα μείωσης του μεγέθους των υπερτάσεων, τα οποία καλούνται «έλεγχος υπερτάσεων». Για την ορθή σχεδίαση των μονώσεων ενός συστήματος είναι αναγκαία η γνώση των υπερτάσεων που αναμένεται να αναπτυχθούν σε αυτό. Οι υπερτάσεις, ανάλογα με τις αιτίες που τις προκαλούν, διακρίνονται σε: «ατμοσφαιρικές υπερτάσεις», που έχουν σαν πηγή τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις και πιο συγκεκριμένα τις εκκενώσεις νέφους-γης που ονομάζονται κεραυνοί, και «εσωτερικές υπερτάσεις», που δημιουργούνται από εσωτερικές διαταραχές της ομαλής λειτουργίας του συστήματος. Οι εσωτερικές υπερτάσεις, ανάλογα με τον μηχανισμό γενέσεως τους, την διάρκεια και το μέγεθός τους υποδιαιρούνται ακόμη σε: «δυναμικές υπερτάσεις», και «μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών». Οι δυναμικές υπερτάσεις έχουν σχετικά μικρό εύρος αλλά μεγάλη διάρκεια, από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέχρι και αρκετά λεπτά. Η μορφή μερικών από αυτές μπορεί να είναι η ίδια με την μορφή της τάσεως λειτουργίας αλλά συνήθως έχουν την μορφή μιας αποσβεννυμένης ταλάντωσης με ιδιαίτερη συχνότητα. Οι δυναμικές υπερτάσεις, παρόλο που για δίκτυα υψηλής τάσεως (έως 345kV) και υπερυψηλής τάσεως ( kV) δεν αντιπροσωπεύουν επικίνδυνες καταπονήσεις για τις μονώσεις, παίζουν σημαντικό ρόλο, γιατί βάσει αυτών γίνεται η εκλογή των συσκευών προστασίας και έτσι καθορίζουν έμμεσα τη μόνωση των πιο δαπανηρών τμημάτων του συστήματος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών έχουν διάρκεια πολύ μικρότερη από τις δυναμικές (μερικές εκατοντάδες μs έως μερικά ms), αλλά κατά κανόνα σημαντικά μεγαλύτερο εύρος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών αποτελούν μια κατηγορία καταπονήσεων που απόκτησε σημασία μόνο μετά την εισαγωγή των δικτύων υπερυψηλής τάσης (πάνω από 345kV). Οι υπερτάσεις χειρισμών, όπως και οι δυναμικές, είναι ανάλογες προς την τάση κανονικής λειτουργίας και κατά συνέπεια το εύρος τους αυξάνει με την αύξηση της τάσης κανονικής λειτουργίας. Αντίθετα, οι υπερτάσεις που μπορούν να αναπτυχθούν από ατμοσφαιρικά αίτια είναι σχεδόν ανεξάρτητες από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού συστήματος. Για το λόγο αυτό, στα συστήματα χαμηλότερης τάσης (έως 345kV) οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι πιο κρίσιμες από τις 12

13 μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών και έτσι η σχεδίαση της μονώσεως τους γίνεται βάσει των πρώτων. Καθώς όμως η τάση του δικτύου αυξάνει, υπάρχει ένα όριο όπου οι υπερτάσεις χειρισμών καθίστανται πιο κρίσιμες από τις ατμοσφαιρικές και έτσι η σχεδίαση της μόνωσης θα πρέπει να γίνεται βάσει των υπερτάσεων χειρισμών. Στην αύξηση της σοβαρότητας των καταπονήσεων που προκαλούν οι υπερτάσεις χειρισμών συμβάλει και το γεγονός πως ο αέρας, σαν μονωτικό υλικό, εμφανίζεται πολύ ασθενέστερος έναντι των υπερτάσεων χειρισμών παρά έναντι των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων. Από τις μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών, εκείνες που συνήθως παίρνουν τις μεγαλύτερες τιμές και είναι κατά συνέπεια οι πιο επικίνδυνες για τα δίκτυα, είναι αυτές που γεννώνται κατά το κλείσιμο ενός διακόπτου [1]. Συνεπώς, οι εσωτερικές υπερτάσεις είναι ο επικρατέστερος παράγοντας που επηρεάζει το σχεδιασμό της μόνωσης σε συστήματα ισχύος υψηλής τάσης με μέγιστες τάσεις περί τα 345 kv και άνω. Αν και η κυματομορφή των διακοπτικών υπερτάσεων που λαμβάνουν χώρα σε ένα σύστημα, δύναται να ποικίλει ευρέως, η εμπειρία έδειξε ότι για αποστάσεις υπερπήδησης πρακτικού ενδιαφέροντος, οι κατώτερες τιμές αντοχής λαμβάνονται με κρουστικά κύματα με χρόνους μετώπου μεταξύ 100 και 300 μs. Έτσι η συνιστώμενη διακοπτική κρουστική τάση έχει καθοριστεί να έχει ένα χρόνο μετώπου περίπου 250 μs και χρόνο ημίσεως πλάτους 2500 μs. Οι κεραυνικές υπερτάσεις χαρακτηρίζονται από μέτωπο βραχείας διάρκειας. Η τυποποιημένη κρουστική τάση έχει γίνει αποδεκτή σαν ένας μη περιοδικός κρουστικός παλμός ο οποίος φθάνει την τιμή κορυφής του σε 1.2 μs και μειώνεται στο ήμισυ της τιμής κορυφής του σε 50 μs. Επίσης οι υπερτάσεις μπορούν να διακριθούν ακόμα ανάλογα με τη διάρκεια και το σχήμα της κυματομορφή τους σε τέσσερις κατηγόριες [3]: Διαρκείς Υπερτάσεις Προσωρινές Υπερτάσεις Μεταβατικές Υπερτάσεις Σύνθετες Υπερτάσεις Διαρκής ονομάζεται μία υπέρταση σταθερής τιμής η οποία μπορεί να συμβαίνει διαρκώς. Προσωρινή ονομάζεται μία υπέρταση με σχετικώς μακρά διάρκεια, η οποία μπορεί να αποσβέννυται ασθενώς ή όχι και η συχνότητα της μπορεί να είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη της συχνότητας της τάσης του δικτύου. Μεταβατική ονομάζεται μια μικρής διάρκειας (μερικών ms ή και λιγότερο) υπέρταση με ταλάντωση ή όχι και συνήθως με ισχυρή απόσβεση. Οι μεταβατικές υπερτάσεις διακρίνονται σε τρεις τύπους: 1) Αργού μετώπου με χρόνο ανόδου μέχρι την κορυφή από 20 μs ως 5000 μs και διάρκεια ημίσεως εύρους μικρότερη των 20 ms. 2) Ταχέως μετώπου με χρόνο ανόδου από 0.1 μs ως 20 μs και διάρκεια ημίσεως εύρους μικρότερη των 300 μs. 3) Πολύ ταχέως μετώπου με χρόνο ανόδου μικρότερο των 0.1 μs, συνολική διάρκεια μικρότερη των 3 ms και με επάλληλες ταλαντώσεις σε συχνότητες από 30 khz ως 100 MHz. Μία σύνθετη υπέρταση αποτελείται από τη συνδυασμένη ταυτόχρονη εμφάνιση δύο ή περισσότερων συνιστωσών υπερτάσεων. Τέλος ένα ακόμη κριτήριο για την κατάταξη των υπερτάσεων αποτελεί ο χρόνος μετώπου τους. Σύμφωνα με το σύγγραμμα Υψηλές Τάσεις και Υπερτάσεις στα Δίκτυα Ηλεκτρικής Ενέργειας οι υπερτάσεις κατηγοριοποιούνται με τον ακόλουθο τρόπο: Αργού μετώπου με χρόνο ανόδου από 20 μs έως 5000 μs και χρόνο ημίσεως πλάτους μικρότερο των 20 μs. Ταχέως μετώπου με χρόνο ανόδου από 0.1 μs έως 20 μs και χρόνο ημίσεως πλάτους μικρότερο των 300 μs. 13

14 Πολύ ταχέως μετώπου με χρόνο ανόδου μικρότερο των 0.1 μs, συνολική διάρκεια μικρότερη των 3 ms και με επάλληλες ταλαντώσεις σε συχνότητες από 30 khz έως 100 MHz. Τα παραπάνω στοιχεία παρουσιάζονται συνοπτικά στον ακόλουθο πίνακα: Πίνακας 1.1: Διαχωρισμός υπερτάσεων. [3] Μηχανισμοί Δημιουργίας Ατμοσφαιρικά Προερχόμενων Υπερτάσεων[1]: Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα, οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι κυρίως επικίνδυνες για δίκτυα μέχρι ονομαστικής τάσης 345kV, ενώ για δίκτυα υπερυψηλής τάσης ( kV), τις κρισιμότερες καταπονήσεις αποτελούν οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών παρ όλη την προσπάθεια που καταβάλλεται για την μείωσή τους. Για δίκτυα ονομαστικής τάσης πάνω από 800kV δεν είναι ακόμη γνωστό αν οι υπερτάσεις χειρισμών θα εξακολουθήσουν να αποτελούν το κριτήριο σχεδιάσεως της μόνωσης ή μήπως γίνει τεχνικά δυνατή η μείωσή τους σε τόσο χαμηλά επίπεδα που να παραχωρήσουν τη θέση τους σαν κριτήριο σχεδιάσεως σε υπερτάσεις άλλης προελεύσεως, ο αποτελεσματικός έλεγχος των οποίων δεν θα είναι δυνατός. Υπάρχουν βασικά τρείς μηχανισμοί με τους οποίους ένας κεραυνός μπορεί να δημιουργήσει υπέρταση σε μια γραμμή μεταφοράς: α) από επαγωγή, εξ αιτίας κεραυνού που πλήττει το έδαφος κοντά στη γραμμή όχι όμως την ίδια τη γραμμή, β) από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε ένα αγωγό φάσης, και γ) από πλήγμα στον αγωγό προστασίας με τον οποίο προστατεύονται γενικά οι γραμμές μεταφοράς από κεραυνούς. 14

15 α) Υπερτάσεις από επαγωγή: Καθώς ο οδηγός οχετός του κεραυνού κατέρχεται προς το έδαφος, κοντά σε μια γραμμή, φορτίο Φ με πρόσημο αντίθετο από αυτό του οχετού συσσωρεύεται στην περιοχή της γραμμής που πρόσκειται στον οχετό. Εάν ο οχετός δεν πλήξει τη γραμμή αλλά ένα σημείο Μ του εδάφους σε απόσταση δ από τον άξονα xx της γραμμής, τότε με την απότομη εξουδετέρωση του φορτίου που θα συμβεί, θα πάψει να υπάρχει ο λόγος συσσωρεύσεως του φορτίου Φ και αυτό θα διαχυθεί με τη μορφή δύο αντίθετων κυμάτων ρεύματος Ι προς τις απομακρυσμένες περιοχές της γραμμής από όπου είχε προηγουμένως προέλθει. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι, πολλαπλασιασμένο με την κυματική αντίσταση Ζ 0 της γραμμής γεννάει μια τάση V = I Ζ 0. Επειδή το επαγόμενο φορτίο Φ είναι πάντα σημαντικά μικρότερο από το φορτίο του κεραυνού -εξαρτώμενο και από την απόσταση δ- οι δύο εντάσεις Ι δεν είναι συνήθως αρκετά μεγάλες ώστε η δημιουργούμενη τάση V να αποτελεί κίνδυνο για τις μονώσεις γραμμών μεσαίας ή υψηλής τάσης. Oμως για γραμμές χαμηλής τάσης - γραμμές διανομής κάτω από kv, η υπέρταση του τύπου αυτού μπορεί να καταστεί επικίνδυνη για τη μόνωση. Βλέπε Σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1: Δημιουργία υπερτάσεως εξ επαγωγής από έμμεσο πλήγμα κεραυνού. [1] β) Υπερτάσεις από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε αγωγό φάσεως: Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσεως γραμμής, το συνολικό ρεύμα Ι 0 του κεραυνού διχάζεται σε δύο τμήματα που διαρρέουν τη γραμμή από το σημείο Μ του πλήγματος προς αντίθετες κατευθύνσεις. Γίνεται γενικά δεκτό πως η τιμή Ι 0 του ρεύματος είναι ίδια είτε ο κεραυνός πλήττει την γραμμή είτε απευθείας το έδαφος. Έτσι για τον υπολογισμό της υπέρτασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι τιμές των ρευμάτων κεραυνών που δίνονται στη βιβλιογραφία, που κατά κανόνα προέρχονται από μετρήσεις σε γειωμένες κεραίες. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι 0 2, πολλαπλασσιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζ 0 της γραμμής, δίνει την με τον τρόπο αυτό παραγόμενη υπέρταση: V = 1 2 (Ι 0 Ζ 0 ). Συνεπώς, για να αποφευχθούν συχνές διασπάσεις της μόνωσης των γραμμών χρειάζεται κάποιο είδος προστασίας, το οποίο επιτυγχάνεται με τους αγωγούς προστασίας (ground / shield wires). 15

16 Σχήμα 1.2: Δημιουργία υπερτάσεων από άμεσο κεραυνικό πλήγμα αγωγού φάσεως. [1] γ) Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας Ανάστροφη διάσπαση: Για να προληφθούν άμεσα πλήγματα κεραυνών στους αγωγούς φάσεων τοποθετούνται πάνω από αυτούς ένας ή δύο «αγωγοί προστασίας» που συνδέονται με τους μεταλλικούς πύργους. Εφόσον η τοποθέτηση των αγωγών προστασίας γίνει σωστά, το σύνολο σχεδόν των κεραυνών που θα έπλητταν τον αγωγό μιας φάσης συλλέγονται από τον αγωγό προστασίας. Το ρεύμα Ι 0 του κεραυνού διχάζεται και πάλι σε δύο τμήματα Ι 0 που ρέουν από το σημείο του πλήγματος πάνω στον αγωγό προστασίας 2 σε αντίθετες κατευθύνσεις με τη μορφή οδευόντων κυμάτων. Το κύμα τάσεως που είναι 1 αλληλένδετο με καθένα από τα κύματα αυτά του ρεύματος θα είναι V = (Ι 0 Ζ g ), όπου Ζ g η 2 κυματική αντίσταση του αγωγού προστασίας. Αν υποτεθεί πως ο αγωγός προστασίας περατούται σε ένα πύργο (χωρίς να συνεχίζει από την άλλη μεριά του πύργου) το ρεύμα Ι 0 θα διοχετευθεί μέσα από τον πύργο και την αντίσταση γείωσής του 2 στη γη. Ανακλάσεις με αντίθετο (γενικά) σημείο που συμβαίνουν στη βάση του πύργου υπερτίθενται στο προσπίπτον κύμα V προκαλώντας έτσι την μείωσή του. Επειδή όμως το ρεύμα Ι 0 διαρρέει την 2 αντίσταση γείωσης R του πύργου, ο τελευταίος αποκτά στιγμιαία την τάση V = 2 ( Ι 0 R) = Ι 0 R. Μια 2 πρόσθετη υπερύψωση της τάσης προκύπτει εξαιτίας της αυτεπαγωγής του πύργου (~20μH). Οι αγωγοί φάσεως διατηρούν εξάλλου, εξαιτίας της χωρητικής ζεύξεώς τους με τη γη, περίπου το δυναμικό αυτής (της γης). Έτσι, ανάμεσα στο μεταλλικό πύργο και τους αγωγούς των φάσεων εμφανίζεται η τάση V = Ι 0 R,η οποία αν είναι αρκετά υψηλή μπορεί να προκαλέσει διάσπαση της μόνωσης. Στην πραγματικότητα η καταπόνηση είναι μικρότερη από την τιμή Ι 0 R, λόγω της ζεύξεως μεταξύ των αγωγών προστασίας και φάσεων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται «ανάστροφη διάσπαση» (back-flashover). Το μέγεθος της τάσεως V = Ι 0 R εξαρτάται από το ρεύμα Ι 0 του κεραυνού και την αντίσταση R. Για να μειωθεί λοιπόν ο κίνδυνος ανάστροφων διασπάσεων πρέπει η αντίσταση γειώσεως των πύργων να είναι μικρή. Επίσης είναι φανερό, πως εκτός από την αντίσταση R, η πιθανότητα σφάλματος μιας γραμμής από ανάστροφη διάσπαση εξαρτάται και από την στατιστική διανομή του εύρους του ρεύματος των κεραυνών. 16

17 Σχήμα 1.3: Προστασία γραμμής με αγωγό προστασίας. [1] Για τους ανωτέρω υπολογισμούς έγινε δεκτό πως ο αγωγός προστασίας που πλήττει ο κεραυνός τερματίζεται στον πύργο και δεν συνεχίζεται πέρα από αυτόν, πράγμα που στην πράξη δεν συμβαίνει. Στις περισσότερες επίσης περιπτώσεις οι πύργοι είναι εφοδιασμένοι με δύο αγωγούς προστασίας. Αυτά έχουν σαν συνέπεια το ρεύμα Ι 0 που φθάνει στην κορυφή του πύργου να μην 2 διοχετεύεται ολόκληρο στη γη μέσα από την αντίσταση γείωσης R του πύργου, αλλά ένα μέρος του μόνο διοχετεύεται στη γη ενώ το υπόλοιπο συνεχίζει την πορεία του μέσα στη συνέχεια του αγωγού προστασίας ή και μέσα από τον δεύτερο αγωγό προστασίας εάν υπάρχει. Έτσι για τον υπολογισμό του ρεύματος που τελικά διοχετεύεται στη γη μέσα από την R, απαιτείται πιο προσεκτική ανάλυση των συνθηκών που επικρατούν στην κορυφή του πύργου, κάνοντας χρήση της θεωρίας μεταδόσεως και ανακλάσεως κυμάτων και προσφεύγοντας ακόμα σε μερικές εμπειρικές παραδοχές γιατί πολλές από τις παραμέτρους που αφορούν την κορυφή του πύργου δεν είναι απόλυτα γνωστές. Παρατηρώντας, λοιπόν, τις παραπάνω τρείς περιπτώσεις συμπεραίνουμε πως οι μεγαλύτερες καταπονήσεις της μόνωσης της γραμμής προκύπτουν όταν ένας κεραυνός πλήττει άμεσα έναν αγωγό φάσης. Για τον λόγο αυτόν οι αγωγοί φάσης «θωρακίζονται» με την τοποθέτηση πάνω από αυτούς ενός ή δύο αγωγών προστασίας, σε αντίθεση με την κοινή πρακτική του παρελθόντος (τα πρώτα χρόνια κατασκευής των γραμμών μεταφοράς) όπου ήταν διαδεδομένη η πεποίθηση πως η πιθανότητα ένας κεραυνός να πλήξει άμεσα μια γραμμή ήταν ασήμαντη και πως όταν αυτό σπανιώτατα συνέβενε δεν υπήρχε τρόπος να προληφθεί το βραχυκύκλωμα της γραμμής, με αποτέλεσμα να μην χρησιμοποιούνταν καθόλου αγωγοί προστασίας. Με κατάλληλη τοποθέτηση των αγωγών προστασίας η πιθανότητα ένας κεραυνός να πλήξει έναν αγωγό φάσης περιορίζεται στο ελάχιστο. Σε γραμμές εφοδιασμένες με αγωγούς προστασίας, η μέγιστη πλειοψηφία των σφαλμάτων που προκαλούνται από κεραυνούς οφείλονται σε ανάστροφα βραχυκυκλώματα και μόνο ένα μικρό ποσοστό τους σε κεραυνούς που, παρακάμπτοντας τους αγωγούς προστασίας, πλήττουν μια φάση. Τα σφάλματα αυτά ονομάζονται «σφάλματα θωρακίσεως». 17

18 Βιβλιογραφία 1 ου Κεφαλαίου: [1] Μαινεμενλής, Χρήστος.,2008. Μόνωση Ηλεκτρικών Δικτύων Υψηλής Τάσης. Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών. [2] Πυργιώτη, Ελευθερία., ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ. Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών. [3] Πυργιώτη, Ελευθερία., ΥΨΗΛΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών. 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Περί Κεραυνού 2.1 Το Φαινόμενο του Κεραυνού Εισαγωγή Σχήμα 2.1: Η κατανομή των ηλεκτρικών φορτίων πριν από την εκδήλωση κεραυνού. [6] Η κεραυνική εκκένωση μπορεί να οριστεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Ο κεραυνός εμφανίζεται όταν κάποια περιοχή της ατμόσφαιρας επιτυγχάνει μια ηλεκτρική φόρτιση αρκετά μεγάλη, έτσι ώστε τα ηλεκτρικά πεδία που συνδέονται με τη φόρτιση να προκαλούν την ηλεκτρική διάσπαση του αέρα. Ο κεραυνός αποτελείται από ένα οπτικό φαινόμενο, την αστραπή, που οφείλεται στην πυράκτωση των μορίων του αέρα, και από το καθαρά ηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή τη ροή των ηλεκτρικών φορτίων, που συνοδεύεται από τη βροντή, εξαιτίας της απότομης εκτόνωσης των αερίων της περιοχής Ηλεκτρική Κατάσταση της Γης Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με 19

20 κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς την γη με ένταση περίπου 0.13kV/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατενεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300kV σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. Είναι γνωστό πως ιονισμένα σωματίδια και των δύο προσήμων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξ αιτίας αυτής της αγωγιμότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα και των δύο προσήμων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δεν συμβαίνει οφείλεται στο ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο μ αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί. Ένας κεραυνός μπορεί να οριστεί ως μια μεταβατική ηλεκτρική εκκένωση πολύ μεγάλου ρεύματος, το μήκος της οποίας μετράται σε χιλιόμετρα. Συμβαίνει όταν κάποια περιοχή της ατμόσφαιρας αποκτήσει ηλεκτρική φόρτιση αρκετά μεγάλη ώστε το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται να προκαλέσει ηλεκτρική διάσπαση του αέρα. Η πιο συνήθης αιτία παραγωγής κεραυνών είναι η ύπαρξη φορτισμένων σύννεφων. Διάσπαση μπορεί να συμβεί εντός του σύννεφου, μεταξύ δύο σύννεφων, μεταξύ ενός σύννεφου και της γης ή μεταξύ ενός σύννεφου και του αέρα. Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Επειδή οι θετικοί κεραυνοί είναι λιγότερο συχνοί (10-20%), από εδώ και πέρα θα γίνεται αναφορά μόνο σε αρνητικούς κεραυνούς. Σε μία περιοχή με εύκρατο κλίμα τα χαρακτηριστικά του κεραυνού επηρεάζονται από την χωρογραφική κατάσταση της περιοχής. Στις ορεινές περιοχές η ένταση του ρεύματος του κεραυνού όπως και το σχετικό φορτίο είναι μικρά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μικρή απόσταση γηςνέφους προκαλεί εκκενώσεις στη γη πριν ολοκληρωθεί η διαδικασία φορτίσεως του νέφους και στο ότι το μικρό, σχετικά, μήκος του αγωγού του κεραυνού έχει σαν αποτέλεσμα τη συσσώρευση ενός μικρού μόνον φορτίου κατά μήκος αυτού. Ο αριθμός των εκκενώσεων στις ορεινές περιοχές είναι πάντοτε μεγαλύτερος από εκείνον στις πεδινές. Στις πεδινές περιοχές όπου η απόσταση νέφους-γης είναι μεγαλύτερη σημειώνονται λιγότερες εκκενώσεις αλλά με υψηλή ένταση ρεύματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σπάνια, σχετικά, το ηλεκτρικό πεδίο είναι τέτοιο ώστε να επιτρέπει κεραυνό νέφους-γης. Η μεγάλη ένταση ρεύματος οφείλεται στην παρουσία νεφών πολύ φορτισμένων και οχετών εκκενώσεως μεγάλου μήκους. Επίσης σημαντικό ρόλο στη δημιουργία κεραυνικών εκκενώσεων έχει και η εποχή. Το καλοκαίρι λόγω του σημαντικού ύψους των νεφών από το έδαφός πολλές εκκενώσεις πραγματοποιούνται εντός ενός νέφους ή μεταξύ νεφών. Αυτό έχει σαν συνέπεια μια απότομη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του εδάφους. Εάν υπάρχει κάποια αιχμηρή κατασκευή, το πεδίο πλησίον του εδάφους μπορεί να γίνει τόσο έντονο ώστε να δημιουργήσει μια ανερχόμενη εκκένωση. Ο αριθμός των ανερχόμενων εκκενώσεων κατά την καλοκαιρινή περίοδο είναι πολύ μεγαλύτερος από εκείνον των κατερχόμενων. Στο άλλο διάστημα του χρόνου (άνοιξη, φθινόπωρο), τα νέφη κινούνται χαμηλότερα και αυτό διευκολύνει την εκκένωση προς τη γή πρίν ακόμη η διαδικασία φορτίσεως του νέφους ολοκληρωθεί κάνοντας λιγότερο συχνές τις εκκενώσεις μεταξύ νέφους-γης. 20

21 2.1.3 Ηλεκτρική Συμπεριφορά ενός Σύννεφου Σχήμα 2.2: Τυπική ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου. [7] Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό στην κορυφή του και αρνητικό στην προς την γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Για τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες, χωρίς καμία να είναι γενικά παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που βασίζονται στην φόρτιση σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη και σε αυτές που βασίζονται στη μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου με την ηλεκτρική εικόνα που περιγράφτηκε, διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του, έτσι αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός σύννεφου είναι περίπου 2 λεπτά, που σημαίνει πως το σύννεφο περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση σε λίγα μόνον λεπτά. Με το σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, αφού πρώτα αναστραφεί αποκτά με την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (από τη γη προς την ατμόσφαιρα), τιμές που φθάνουν τα 10kV/m. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού ή εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται πάλι στην προηγούμενη τιμή του. Το Σχήμα 1.1 δείχνει ένα τυπικό παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο από 1,5 εώς 2 kv/m) αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως πολύ ψηλά κτήρια, απαγωγείς κεραυνών κλπ. Και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη διαμέσου αγωγού στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (point-discharge current). Αυτό το ρεύμα, όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. Πάντως πρέπει να σημειωθεί πως η ταχύτητα αυτών των ιόντων είναι μικρή, συγκρινόμενη με αυτή του ανέμου, κατά την διάρκεια της καταιγίδας και έτσι η κίνηση τους καθορίζεται κυρίως από την 21

22 ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε πολλά από τα ιόντα αυτά να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Επομένως η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου, του ύψους του αγώγου (αγωγίμου επιφάνειας, ενός βρεγμένου κτηρίου, δένδρου κλπ.) από το οποίο παράγεται και από την ταχύτητα του ανέμου. Ενδεικτικά αναφέρεται πως για αγωγούς ύψους μερικών δεκάδων μέτρων η τιμή του είναι λίγα ma. Στο σχήμα που ακολουθεί, φαίνεται επίσης πως εκκενώσεις στο σύννεφο και προς τη γη μπορούν να παρατηρηθούν, όταν η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια αποκτά τιμές της τάξης των 3kV/m και πάνω. Σχήμα 2.3: Τυπικό παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια ηλεκτρικής καταιγίδας. Οι θετικές τιμές του πεδίου αντιστοιχούν στην κατεύθυνση του πεδίου καλοκαιρίας. [2],[7] 22

23 2.2 Κεραυνικά Μεγέθη Ορισμοί Ένας κεραυνός από το σύννεφο προς το έδαφος έχει διάρκεια της τάξης των 0.2 sec όμως αποτελείται από ένα ή περισσότερα στάδια (3 ή 4 συνήθως) μεταξύ των οποίων μεσολαβούν διαστήματα των 40 msec περίπου. Δεκάδες Coulomb αρνητικού φορτίου μεταφέρονται με τη διαδικασία αυτή από την αρνητικά φορτισμένη περιοχή του σύννεφου στο έδαφος. Στη συνέχεια δίνονται μερικοί ορισμοί για τις διάφορες παραμέτρους του κεραυνού που συμφωνούν με αυτούς που έχουν υιοθετηθεί από τον K. Berger. Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» προς τη γη γίνεται με ένα «αρνητικό κεραυνό» και ενός θετικού νέφους με ένα «θετικό κεραυνό». Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός «αρνητικού νέφους» ρέει προς τη γη ένα «αρνητικό ρεύμα» και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: Ένας «κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης» (που συχνά ονομάζεται και «οδηγός οχετός») προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος, ένας «ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης» προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας «ανερχόμενος οχετός σύνδεσης» είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ σύννεφου και εδάφους, ένα κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: H πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας «θετικός οχετός προεκκένωσης» και αντίθετα. Από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας «αρνητικός οχετός προεκκένωσης». Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα «αρνητικό σύννεφο» ορίζεται σαν «αρνητικό» και το αντίθετο. Σύμφωνα με αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει «θετική κατεύθυνση». 2.3 Είδη Κεραυνών Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλης πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μία εκκένωση εσωτερική του νέφους, ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός προσήμου σε μία θέση του νέφους και του φορτίου αντίθετου προσήμου, που επάγεται εξαιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μία ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκενωση που θα απακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ στη δεύτερη από το έδαφος (με ένα ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού Σχήμα 2.2(1α-4α). «κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 1α). «ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο (περίπτωση 2α). «κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 3 α). 23

24 «ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (περίπτωση 4α). Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο κατώτερο μέρος του Σχήματος 1.2 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί. Περίπτωση 1β: «κατερχόμενη αρνητική εκκένωση» πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμενο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στα 90% περίπου των περιπτώσεων. Περίπτωση 2β: «ανερχόμενος θετικός οχετός/ αρνητική εκκένωση» πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 3β: «κατερχόμενη θετική εκκένωση» πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση). Περίπτωση 4β: «ανερχόμενος αρνητικός οχετός/ θετική εκκένωση» πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Σχήμα 2.4: Είδη κεραυνών: «α» ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, «β» συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής, 1: οχετός προεκκένωσης, r:οχετός επιστροφής, ν:κατεύθυνση μετάδοσης. [7] 2.4 Φυσικά Χαρακτηριστικά Εξομοίωση Κεραυνού στο Εργαστήριο Η εκκένωση του κεραυνού παρουσιάζει μεγάλη ομοιότητα με την εκκένωση μεγάλων διακένων που παράγονται σήμερα στο εργαστήριο. Το Σχήμα 1.3 προέρχεται από πειραματικά αποτελέσματα (Anderson και Tangen, 1968), και δείχνει τη μεταβολή της τάσης διάσπασης, σε σχέση με το μήκος του διακένου, έχοντας σαν παράμετρο το λόγο H/D του ύψους του γειωμένου ηλεκτροδίου προς το μήκος του διακένου. 24

25 Από το παρακάτω σχήμα, που ακολουθεί εξάγουμε μερικά χρήσιμα συμπεράσματα για την μελέτη των βημάτων τα οποία ακολουθεί η εκκένωση ενός κεραυνού. Η τάση διάσπασης για αρνητική πολικότητα είναι μεγαλύτερη από αύτη για θετική πολικότητα, επομένως οι καταπονήσεις που προέρχονται από θετικές εκκενώσεις (θετικούς κεραυνούς) είναι πιο δυσμενείς. Επίσης για σταθερό μήκος διακένου, η τάση διάσπασης μικραίνει για αρνητική πολικότητα και αυξάνεται για θετική, όσο το γειωμένο ηλεκτρόδιο γίνεται ψηλότερο. Επομένως για εγκαταστάσεις αρκετά μεγάλου ύψους συγκεκριμένου με την απόσταση διάσπασης, η τάση διάσπασης θα είναι μικρότερη και επομένως το διάκενο εγκατάστασης - σύννεφου θα έχει μικρότερη αντοχή. Σχήμα 2.5: Κρουστική τάση διάσπασης χειρισμών για διάκενα ράβδου-πλάκας. (Anderson και Tangen, 1968) [2] Μια τρίτη παρατήρηση είναι ότι η κλίση των καμπυλών φαίνεται να πλησιάζει σε κάποιο ανώτατο όριο όσο το μήκος του διακένου μεγαλώνει. Πάντως η μέση μεταβολή της τάσης, ορίζεται σαν λόγος της τάσης διάσπασης, προς την απόσταση διάσπασης και είναι περίπου 5kV/cm για αρνητική πολικότητα και 3 kv/cm για θετική. Για τον κατερχόμενο αρνητικό οχετό ο μηχανισμός που παρατηρείται στο εργαστήριο μοιάζει με αυτό που παρατηρείται σε διάφορες φωτογραφίες κεραυνών. Η βηματική πρόοδος του οχετού του κεραυνού συμπίπτει με τις αναλαμπές που παρουσιάζει ο οχετός προεκκένωσης κατά το τέλος του μετασχηματισμού κάθε φωτεινού στελέχους, σε ενδοδιάκενο οχετό προεκκένωσης. Στον Ελβετικό σταθμό παρατήρησης κεραυνών του San Salvatore, διαπιστώθηκε πως τα βήματα επιμήκυνσης του κατερχόμενου αρνητικού οχετού προεκκένωσης ποικίλουν αππο 3 μέχρι 50 m. στον ίδιο σταθμό παρατηρήθηκε πως ο θετικός οχετός (κατερχόμενος ή ανερχόμενος) δεν παρουσιάζει ευδιάκριτα βήματα και ότι προχωρεί με ταχύτητα 0.24 m/s. 25