Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μαστορακάκη Κωνσταντίνου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου:7056 Θέμα «Συμπεριφορά Γραμμών Υψηλής Τάσης σε Πλήγματα Κεραυνών» Επιβλέπων ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Δεκέμβριος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Συμπεριφορά Γραμμών Υψηλής Τάσης σε Πλήγματα Κεραυνών» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μαστορακάκη Κωνσταντίνου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου:7056 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη καθηγήτρια ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΚΟΥΣΟΥΛΑΣ Καθηγητής 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Για την εκπόνηση αυτής της εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτρια μου Ελευθερία Πυργιώτη, που μου έδωσε τα βασικά θεμέλια για την κατανόηση της συμπεριφοράς των γραμμών υψηλής τάσης και την πολύτιμη καθοδήγηση της. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, που με υποστήριξε και μου συμπαραστάθηκε όλα αυτά τα χρόνια των σπουδών μου. 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Συμπεριφορά Γραμμών Υψηλής Τάσης σε Πλήγματα Κεραυνών» Φοιτητής: Μαστορακάκης Κωνστανίνος Επιβλέπουσα: Πυργιώτη Ελευθερία ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία εξετάζουμε τη συμπεριφορά των γραμμών υψηλής τάσης σε πλήγματα κεραυνών. Σε πρώτη φάση,κάνουμε μια ιστορική αναδρομή για τους κεραυνούς. Μετέπειτα, παρουσιάζουμε τα είδη των κεραυνικών και ατμοσφαιρικών εκκενώσεων, αναφέρουμε τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους, πως δημιουργούνται και τι επιπτώσεις προκαλούν. Στη συνέχεια, περιγράφουμε λεπτομερώς τις γραμμές μεταφοράς και τις κατηγορίες στις οποίες ανήκουν. Βασικά κριτήρια κατηγοριοποίησης είναι η ονομαστική τάση λειτουργίας, το μήκος της γραμμής αλλά και η ικανότητα τους στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται τα αίτια και τα είδη σφαλμάτων στις εναέριες γραμμές μεταφοράς. Στο επόμενο κεφάλαιο, ασχολούμαστε με τις μονώσεις των γραμμών, τα πλήγματα από κεραυνούς και τους μηχανισμούς δημιουργίας υπερτάσεων σε μια γραμμή. Έπειτα, για να προσδιοριστεί η θέση των αγωγών προστασίας της γραμμής χρησιμοποιείται η μέθοδος της μέγιστης γωνίας και η ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος. Στη συνέχεια, υπάρχει μια ενκτενής παρουσίαση του προγράμματος ATP-EMTP. Εν τέλει, παρουσιάζουμε μια εξομοίωση της γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης μέσω του ATP-EMTP και συγκεκριμένα του ATPdraw (γραφικός προεπεξεργαστής). Στη συγκεκριμένη πειραματική διάταξη χρησιμοποιήσαμε διαφορετικές εντάσεις του ρεύματος των κεραυνών που χτυπούν τους αγωγούς 4

5 προστασίας της γραμμής. Βλέπουμε τις υπερτάσεις που δημιουργούνται στη γραμμή και ανακαλύπτουμε για ποιο κεραυνικό πλήγμα θα υπάρξουν καταστροφικές συνέπειες γι αυτή. ABSTRACT In this diploma thesis is examined the behavior of high voltage transmission lines against lightning. Initially, there is a historical reference to the lightning. Afterwards, there is a study about lightning and a presentation of the types of lightning and atmospheric discharges, moving afterwards to the reference of the main lightning features, the results that they cause, as well as the parameters that they depend on and described from. Next, a more detailed description of the transmission lines, showing the classifications in which they are subject to, with main criteria, the nominal voltage in which they are charged, the length, but also their ability of electricity transmission. Next, we can see what the main types of outages in air transmission lines are, and which are the causes that generate them. The next chapter deals with the isolation of lines, as well as with lightning strokes and described the mechanisms which cause the overvoltages on transmission lines. Then, to determine the position of the line protection conductor, the maximum angle method as well as the electro geometrical method are used. The fifth chapter contains an extended reference to the ATP-EMTP program. Finally, we have the simulation of a high voltage transmission line, with the use of this program and mainly its graphic preprocessor ATPDraw. This simulation has been done for different intensities of lightning currents, which strike at the protection conductor of the line and it is also studying overvoltages at four different points and the risk rate. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ 1.1. Ιστορική αναδρομή Πώς δημιουργούνται οι κεραυνοί Κατηγορίες κεραυνικών εκκενώσεων Χαρακτηριστικά κεραυνών Παράμετροι κεραυνών Επιπτώσεις κεραυνών Θερµικές συνέπειες πλήγματος κεραυνού Μηχανικές συνέπειες πλήγματος κεραυνού Ηλεκτρικές συνέπειες πλήγματος κεραυνού...24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 2.1 Εισαγωγή στις γραμμές μεταφοράς Γραμμές μεταφοράς στην Ελλάδα Κατηγοριοποίηση γραμμών μεταφοράς Ηλεκτρικά μεγέθη γραμμών μεταφοράς Ωμική αντίσταση R Αυτεπαγωγή L Εγκάρσια χωρητικότητα C Εγκάρσια αγωγιμότητα G Μηχανικά χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς...36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3-ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΙΣ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 3.1 Είδη σφαλμάτων Αίτια δημιουργίας σφαλμάτων Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις..42 6

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4- ΜΟΝΩΣΗ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ 4.1 Γενικά Μηχανισμοί παραγωγής υπερτάσεων από κεραυνούς Υπερτάσεις από επαγωγή Υπερτάσεις από άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε αγωγό φάσης Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας και ανάστροφη διάσπαση Προστασία των γραμμών μεταφοράς από άμεσα πλήγματα κεραυνών και σφάλμα θωράκισης Μέθοδος της μέγιστης γωνίας Ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος καθορισμού της θέσης των αγωγών προστασίας..58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5-ATP-EMTP 5.1 Εισαγωγή Οι δυνατότητες του προγράµµατος ATP-EMTP MODELS TACS Υποστηρικτικές ρουτίνες Το ATP Draw To ATP Control Center Το PCPlot Το PlotXY 78 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6-ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 6.1 Εισαγωγή Εξομοίωση γραμμών υψηλής τάσης με οριζόντιας διάταξης πυλώνες Εξομοίωση κεραυνικών υπερτάσεων-συμπεράσματα.91 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Ατμοσφαιρικά φαινόμενα όπως ο κεραυνός προκαλούσαν από τα αρχαία χρόνια δέος και θαυμασμό του ανθρώπου απέναντι στη φύση. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, ο άνθρωπος αδυνατώντας να τα εξηγήσει τα θεωρούσε θεϊκά σημάδια και οιωνούς με τα οποία η εκάστοτε θεότητα φανέρωνε είτε την αγανάκτηση είτε την ικανοποίησή της για τις ανθρώπινες ενέργειες. Ένας Αμερικάνος φυσικός όμως, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος (Benjamin Franklin ) κατάφερε να αποδείξει ότι ο κεραυνός δεν είναι τίποτα περισσότερο από μία ηλεκτρική εκκένωση. Με την απόδειξή του αυτή κατάφερε να εξαλείψει κάθε ίχνος θεοκεντρισμού από την εξήγηση του κεραυνού. Εικ.1.1: Βενιαμίν Φραγκλίνος. 9

10 1.2 ΠΩΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥΝΤΑΙ ΟΙ ΚΕΡΑΥΝΟΙ Στους καιρούς μας, έχει σχεδόν αποσαφηνιστεί πως δημιουργούνται οι κεραυνοί.ένας κεραυνός συνδυάζεται με ηχητικά φαινόμενα(βροντές) και με φωτεινά (αστραπές). Κατά τη διάρκεια καταιγίδας συμβαίνει διαχωρισμός φορτίου σε ένα νέφος με τους μηχανισμούς διαχωρισμού των ηλεκτρικών φορτίων να προκύπτουν από σύνθετες διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των νεφών. Ένα ηλεκτρισμένο νέφος περιέχει ηλεκτρικά φορτία και των δύο προσήμων σε ίσες ποσότητες. Φορτία του κάθε πρόσημου καταλαμβάνουν διακεκριμένες περιοχές του σύννεφου. Η φόρτιση ενός νέφους δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας διαχωρισμός φορτίων. Τα σύννεφα παρουσιάζουν κατά κανόνα, στο κάτω μέρος τους ένα σημαντικό φορτίο αρνητικής πολικότητας και ένα φορτίο θετικής πολικότητας στο πάνω μέρος τους. Έτσι στο χώρο μεταξύ σύννεφου και γης αναπτύσσεται ένα ηλεκτρικό πεδίο του οποίου οι δυναμικές γραμμές καταλήγουν στη γη πάνω σε επαγόμενα φορτία αντίθετης πολικότητας από αυτή που έχουν τα φορτία του σύννεφου. Το 80% των κεραυνών προέρχονται από σύννεφα αρνητικά φορτισμένα στο κάτω μέρος τους και γι αυτό καλούνται κεραυνοί αρνητικής πολικότητας. Ο κεραυνός δεν είναι τίποτα άλλο παρά μια ηλεκτρική εκφόρτιση ανάμεσα σε θετικές και αρνητικές περιοχές κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Η εκτόνωση είναι βίαιη, επειδή έχουμε τεράστια συγκέντρωση ενέργειας σε μικρό χώρο. Εικ. 1.2: Κατανομή του φορτίου εντός του νέφους. Ηλεκτρικό πεδίο νέφους-γής.[3] 10

11 Εικ. 1.3 : Κατανομή φορτίων στο σύννεφο.[3] 11

12 1.3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ Εντός του ίδιου σύννεφου. Γενικά στην περίπτωση αυτή η εκκένωση λαμβάνει χώρα ανάμεσα στο ανώτερο θετικό και στο κατώτερο αρνητικό κέντρο του χωρικού φορτίου. Η διάρκεια της εκκένωσης είναι μεγάλη και το ρεύμα της έχει τιμές μερικές εκατοντάδες Α έως 1kΑ. Μεταξύ δυο σύννεφων. Οι κεραυνοί αυτοί εμφανίζονται σε ύψος μεγαλύτερο του 1km και μικρότερο των 10km. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι ότι έχουν μεγάλο μήκος κεραυνικού τόξου, μέχρι και 40km. Μεταξύ σύννεφου-γης Οι κεραυνοί της κατηγορίας αυτής παρατηρούνται όταν το ηλεκτρικό πεδίο πάρει την κρίσιμη τιμή πλησίον του νέφους (εκκένωση κατερχόμενη), ή πλησίον της γης (εκκένωση ανερχόμενη). Σαν πολικότητα της εκκένωσης λαμβάνεται εκείνη του φορτίου του κάτω μέρους του σύννεφου που την προκάλεσε. Το 80% των κεραυνών που κατευθύνονται στη γη προέρχονται από σύννεφα αρνητικά φορτισμένα στην κάτω περιοχή τους και γι αυτό είναι κεραυνοί αρνητικής πολικότητας. 12

13 Οι τρείς φάσεις της κεραυνικής εκκένωσης είναι : 1) Προεκκένωση 2) Εκκένωση αντίθετης φοράς 3) Κύρια εκκένωση Εικ. 1.4:Οι 3 φάσεις μιας κεραυνικής εκκένωσης.[3] Ανάλογα με την πορεία της προεκκένωσης, οι ατμοσφαιρικές εκκενώσεις χωρίζονται σε: α)ανερχόμενες,όπου η προεκκένωση αρχίζει από το έδαφος και καταλήγει στο σύννεφο. β)κατερχόμενες,όπου η προεκκένωση ξεκινάει από το σύννεφο και καταλήγει στο έδαφος. 13

14 Ανερχόμενες εκκενώσεις έχουμε όταν υπάρχουν υψηλά αιχμηρά αντικείμενα(ουρανοξύστες, πυλώνες κ.λπ.). Ενώ, κατερχόμενες έχουμε συνήθως σε επίπεδα μέρη χωρίς προεξοχές. 1.4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Γενικά, θεωρούμε πως το 80% των κεραυνών είναι αρνητικοί και το 20% θετικοί. Βάσει του άρθρου του BERGER, παρουσιάζουμε γραφικά στη συνέχεια τα χαρακτηριστικά μεγέθη των κεραυνών. Εικ. 1.5:Η μέγιστη τιμή κεραυνικού ρεύματος (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] 14

15 Εικ. 1.6:Φορτίο κεραυνού (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] Εικ. 1.7:Φορτίο αστραπής (1)αρνητικής και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] 15

16 Εικ.1.8:Κρουστικό φορτίο (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] Εικ.1.9:Διάρκεια μετώπου (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] 16

17 Εικ.1.10:Η κλίση του κεραυνικού ρεύματος (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] Εικ.1.11:Διάρκεια κεραυνού (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] 17

18 Εικ.1.12:Διάρκεια αστραπής (1) αρνητικών αστραπών συμπεριλαμβανομένων μεμονομένων κεραυνοπλήξεων, (2) αρνητικών αστραπών μη συμπεριλαμβανομένων μεμονομένων κεραυνοπλήξεων και (3)θετικών αστραπών.[3] Εικ. 1.13:Η αναμενόμενη ενέργεια i 2 dt (1)αρνητικής πρώτης,(2) αρνητικής επόμενης και (3)θετικής κεραυνοπληξίας.[3] 18

19 Η μέγιστη τιμή του κεραυνικού ρεύματος και η κλίση του ακολουθούν κανονική κατανομή και δεν έχουν σχέση μεταξύ τους. Εικ.1.14:Μέση τιμή και διασπορα κεραυνικών παραμέτρων. [20] 19

20 1.5 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Οι βασικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν τον κεραυνό σαν ηλεκτρικό φαινόμενο είναι : Η μέγιστη τιμή ρεύματος, imax.μπορεί να προκαλέσει υπερπήδηση μονωτήρων και καταστροφή των μονωτικών υλικών. Ανυψώνεται το δυναμικό του σημείου που έπεσε ο κεραυνός. Η μέγιστη κλίση μετώπου του ρεύματος, di/dt(max). Προσδιορίζει τις τάσεις λογικών κυκλωμάτων και γενικώς όλα τα είδη επαγωγικών πτώσεων τάσης. Το μεταφερόμενο φορτίο, i dt. Είναι το μέτρο της ενέργειας του κεραυνού προς τις μεταλλικές επιφάνειες και το μέτρο διάχυσης του μεταβατικού ηλεκτρικού πεδίου μέσω των μεταλλικών κλωβών. Το ολοκλήρωμα του τετραγώνου του ρεύματος, ποσότητα ανάλογη της εκλυόμενης από το κεραυνικό πλήγμα ενέργειας, i 2 dt.είναι ποσό ανάλογο της ενέργειας της κεραυνικής εκκένωσης και μπορεί να προκαλέσει θερμικά φαινόμενα. 20

21 Εικ. 1.15:Χαρακτηριστικές τιμές παραμέτρων. [20] 21

22 1.6 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Οι κεραυνοί προκαλούν πλήγµατα που οι συνέπειές τους χωρίζονται σε τρεις γενικές κατηγορίες: τις Θερµικές, τις Μηχανικές και τις Ηλεκτρικές συνέπειες ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Ο οχετός προεκκένωσης ενός πλήγµατος έχει ένα στενό κεντρικό πυρήνα περιβαλλόµενο από ένα µεγαλύτερο σχηµατισµό κορόνα. Το ρεύµα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωµένο, κατά το µεγαλύτερo του µέρος, στον πυρήνα του οχετού αυτού, ο οποίος έχει διάµετρο 1 ή 2 (cm) και η θερµοκρασία του φθάνει στους Κ ή και περισσότερο. Αυτή η πολύ υψηλή θερµοκρασία προκαλεί την ατµοποίηση υδρατµών που υπάρχουν στην ατµόσφαιρα, δηµιουργώντας έτσι τοπικά αραιώµατα και πυκνώµατα αέρα, δηλαδή ένα ηχητικό κύµα, που ενώ στην αρχή βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων τελικά καταλήγει στην βροντή. Στην περίπτωση που ένα µη συνεχές ρεύµα εκφορτίζεται διαµέσου ενός µεταλλικού αγωγού, η αύξηση της θερµοκρασίας είναι ανάλογη του i 2 dt. Η ενέργεια που εκλύεται σε ένα µέσο µε αντίσταση R όταν διαρρέεται από ρεύµα i(t) είναι R i 2 dt.για τους αγωγούς χαλκού και αλουµινίου των συστηµάτων προστασίας έχει παρατηρηθεί λοιπόν ότι η επίδραση των θερµικών συνεπειών του πλήγµατος του κεραυνού είναι µικρή, χωρίς να έχει καταστρεπτικές συνέπειες. Όταν όµως το ρεύµα του κεραυνού, ή έστω µέρος αυτού, εκφορτίζεται διαµέσου αγωγού ο οποίος σε κάποια ένωση παρουσιάζει µεγάλη αντίσταση, τότε µπορεί να προκληθεί ισχυρός σπινθήρας που θα οφείλεται στην στιγµιαία υπέρταση που παρουσιάζεται. Άλλη θερµική συνέπεια είναι η ανάφλεξη υλικών όπως ξυλείες, υγρών καυσίµων, εκρηκτικών υλικών αλλά και η διάτρηση υλικών. 22

23 1.6.2 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Οι µηχανικές συνέπειες του πλήγµατος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: α) Αυτές που αφορούν το κρουστικό κύµα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής. β) Αυτές που αφορούν τις δυνάµεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύµα του κεραυνού. Όπως είπαμε πριν, η θερµοκρασία του οχετού προεκκένωσης µπορεί να φθάσει τους Κ και να παράξει ένα κύµα που εξελίσσεται στην βροντή. Αυτό το κύµα όµως ευθύνεται και για τις ζηµιές σε οροφές από κεραµίδια, µετά από ένα άµεσο πλήγµα, αλλά και για τον τραυµατισµό ανθρώπων. Δύο παράλληλοι αγωγοί που µοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύµατος ενός κεραυνού υπόκεινται σε ελκτικές δυνάµεις, που είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών. Ακόµα, ένας αγωγός όταν εκφορτίζει το ρεύµα ενός κεραυνού υπόκειται σε µία δύναµη που τείνει να τον ισιώσει. Γι αυτό πρέπει να αποφεύγονται οι απότοµες αλλαγές κατεύθυνσης του αγωγού. 23

24 1.6.3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Οι ηλεκτρικές συνέπειες ενός πλήγµατος κεραυνού είναι: α) Η εσωτερική διάσπαση που µπορεί να συµβεί µεταξύ των αγωγών του συστήµατος προστασίας και εσωτερικών αγώγιµων στοιχείων της κατασκευής. β) Δηµιουργία διαφοράς δυναµικού στο έδαφος, που ευθύνεται για ρεύµατα που διαρρέουν τα άκρα ανθρώπων και ζώων µε θανατηφόρες συνέπειες. [1] 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Οι γραµµές µεταφοράς, οι υποσταθµοί και το τελικό σύστηµα διανοµής συνθέτουν το σύστηµα µεταφοράς. Αποτελούν βασικό στοιχείο για τη µεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθµούς παραγωγής στους καταναλωτές και ο ρόλος τους είναι καίριας σηµασίας διότι ένα σύστηµα µεταφοράς, θα πρέπει να πληροί κάποιες προϋποθέσεις ούτως ώστε η λειτουργία του να θεωρείται επιτυχής. [5] Οι προϋποθέσεις αυτές είναι οι ακόλουθες: 1) Το σύστηµα µεταφοράς θα πρέπει να παρέχει σταθερή, ή σχεδόν σταθερή, τάση και οι τάσεις των φάσεων να βρίσκονται σε ισορροπία. 2) Το κύµα της τάσεως πρέπει να έχει ηµιτονοειδή µορφή και η συχνότητα να είναι σταθερή. 3) Η αποδοτικότητα θα πρέπει να πλησιάζει την τιµή, η οποία συνεπάγεται ελάχιστο κόστος µεταφοράς. 4) Η επίδραση του συστήµατος µεταφοράς στις εγκαταστάσεις άλλων κοινωφελών επιχειρήσεων, όπως των τηλεφωνικών και ραδιοφωνικών, προκαλούµενη από ηλεκτρικές ή µαγνητικές παρεµβολές, θα πρέπει να περιορίζεται µεταξύ αποδεκτών ορίων. Για να μη δημιουργηθούν προβλήματα και να τηρηθούν οι παραπάνω προδιαγραφές, πρέπει να υπάρξει μελέτη και γνώση των ηλεκτρικών και μηχανικών μεγεθών της γραμμής μεταφοράς. 25

26 2.2 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Σύµφωνα, µε τον Ανεξάρτητο Διαχειριστή Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας(ΑΔΜΗΕ), το μεγαλύτερο μέρος του διασυνδεδεµένου συστήµατος µεταφοράς, αποτελούν οι τρεις γραµµές υπερυψηλής τάσης των 400kV που µεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια, ως επί των πλείστων, από το κυριότερο για τη χώρα µας ενεργειακό κέντρο παραγωγής της Δυτικής Μακεδονίας. Στην περιοχή αυτή παράγεται περίπου το 70% της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής της χώρας η οποία στη συνέχεια µεταφέρεται στα µεγάλα αστικά κέντρα κατανάλωσης της Κεντρικής και Νότιας Ελλάδας, όπου καταναλώνεται περίπου το 65% της ηλεκτρικής ενέργειας. Το διασυνδεδεµένο σύστηµα µεταφοράς διαθέτει επιπλέον γραµµές των 400kV καθώς επίσης εναέριες, υπόγειες γραµµές και υποβρύχια καλώδια υψηλής τάσης των 150kV που συνδέουν την Άνδρο και τα νησιά της Δυτικής Ελλάδας, Κέρκυρα, Λευκάδα, Κεφαλλονιά και Ζάκυνθο µε το διασυνδεδεµένο σύστηµα µεταφοράς, καθώς και µία υποβρύχια διασύνδεση της Κέρκυρας µε την Ηγουµενίτσα στα 66kV. Στις 30 Ιουνίου 2012 το διασυνδεδεµένο σύστηµα µεταφοράς αποτελείτο από χιλιόµετρα γραµµών µεταφοράς. [6] Εικ.2.1:Γραμμές μεταφοράς Ελληνικού δικτύου.[8] 26

27 Στην Ελλάδα μέχρι πριν κάποια χρόνια, αποκλειστικά υπεύθυνη για την παραγωγή, μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας ήταν η Δ.Ε.Η.(Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού).Τα τελευταία χρόνια, έχουν μπεί κάποιες ιδιωτικές και ξένες εταιρίες στην ελληνική αγορά. Οι μονάδες παραγωγής στην Ελλάδα αποτελούνται από: 1. Θερμοηλεκτρικούς σταθμούς (ατμοηλεκτρικούς, αεριοστροβιλικούς και συνδυασμένου κύκλου),που χρησιμοποιούν ως καύσιμο λιγνίτη. 2. Υδροηλεκτρικούς σταθμούς. 3. Ντιζελοηλεκτρικούς σταθμούς, κυρίως στα νησιά. 4. Σταθμούς φυσικού αερίου. 5. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που βρίσκονται ακόμα σε πρώιμο στάδιο. Εικ.2.2:Εγκατεστημένη ισχύς και καθαρή παραγωγή στην Ελλάδα το 2010.[4] 27

28 2.3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Οι γραµµές µεταφοράς μεταφέρουν µεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ισχύος και λειτουργούν υπό υψηλές τάσεις. Αυτό τις κάνει επικίνδυνες για την ανθρώπινη ζωή. Για την αποφυγή ατυχηµάτων, υπάρχουν τρεις λύσεις, οι οποίες αποτελούν παράλληλα κι ένα τρόπο διαχωρισµού των γραµµών µεταφοράς [7]: 1. Χρήση εναέριων γραµµών, δηλαδή διέλευση των αγωγών επάνω από το έδαφος σε ασφαλές ύψος. 2. Χρήση υπόγειων γραµµών, δηλαδή µε τη διαδροµή των αγωγών εντός του εδάφους. 3. Χρήση κατάλληλου περιβλήµατος στους αγωγούς. Σχετικά µε τις εναέριες γραµµές µεταφοράς, οι αγωγοί των εναερίων γραµµών στηρίζονται σε φορείς που ονοµάζονται στύλοι, πύργοι ή πυλώνες. Στις γραµµές διανοµής χαµηλής τάσης, οι φορείς είναι συνήθως ξύλινοι στύλοι µε εγκάρσιους βραχίονες κοντά στην κορυφή για τη στήριξη των αγωγών. Για υψηλότερες τάσεις είναι δυνατό να χρησιµοποιηθεί παρόµοιος τύπος στύλου, αλλά µε µεγαλύτερους βραχίονες για την τήρηση µεγαλύτερων αποστάσεων µεταξύ των αγωγών. Για ακόµα υψηλότερες τάσεις χρησιµοποιούνται περισσότερο σύνθετες κατασκευές, ξύλινες ή χαλύβδινες, όπως οι πυλώνες. Οι υπόγειες γραµµές είναι αρκετά ακριβότερες από τις εναέριες, γι αυτό και χρησιµοποιούνται µόνο εντός πόλεων, για µικρές σχετικά αποστάσεις και χαµηλότερες τάσεις. 28

29 Τέλος, για την κατηγορία χρήσης κατάλληλου περιβλήµατος των αγωγών πρέπει να αναφερθεί ότι η µέθοδος αυτή εφαρµόζεται κατά κανόνα για µικρές αποστάσεις ή µέσα σε κτίρια, όπου οι γραµµές ηλεκτρικής ενέργειας περνούν µέσα από οχετούς ή σήραγγες. Ένας δεύτερος τρόπος διαχωρισµού των γραµµών µεταφοράς µπορεί να γίνει µε βάση το µήκος τους. Η κατάταξή τους ανάλογα µε το µήκος τους εξαρτάται από τις προσεγγίσεις, οι οποίες διακιολογούνται όσον αφορά στη θεώρηση των παραµέτρων της γραµµής. Διαχωρίζονται σε: 1. Οι γραµµές µικρού µήκους, των οποίων το µήκος δεν ξεπερνά τα 40km. 2. Οι γραµµές µεσαίου µήκους, των οποίων το µήκος βρίσκεται ανάµεσα στα 40km και στα 150km. 3. Οι γραµµές µεγάλους µήκους, των οποίων το µήκος ξεπερνά τα 150km. 29

30 2.4 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Μία γραµµή µεταφοράς έχει τέσσερεις παραµέτρους οι οποίες επηρεάζουν αν θα επιτελέσει σωστά το έργο της. Οι παράµετροι αυτές είναι [7]: 1. Η ωµική αντίσταση της γραµµής (R), εκφραζόµενη σε Ohm ανά µέτρο µήκους. 2. Η αυτεπαγωγή της γραµµής (L), εκφραζόµενη σε Henry ανά µέτρο µήκους. 3. Η εγκάρσια χωρητικότητα της γραµµής (C), εκφραζόµενη σε Farad ανά µέτρο µήκους. 4. Η εγκάρσια αγωγιµότητα της γραµµής(g), εκφραζόµενη σε mho ανά µέτρο µήκους. Κατά τη λειτουργία της γραµµής αυτές παράµετροι εκδηλώνονται ως ηλεκτρικές αντιστάσεις και αντιδράσεις. Ονοµάζονται και σταθερές της γραµµής. 30

31 2.4.1 ΩΜΙΚΗ ΑΝΤΙΣΑΤΣΗ R Η ωµική αντίσταση ενός αγωγού στη ροή του συνεχούς ρεύµατος εξαρτάται από την ειδική αντίσταση του υλικού του αγωγού, το µέγεθος, το σχήµα και τη θερµοκρασία αυτού. Για έναν αγωγό γραµµής µεταφοράς µε οµοιογενή διατοµή το ρεύµα ρέει κατά µήκους αυτού και η αντίστασή του R είναι:,σε Ω (2.1) Όπου, ρ: είναι η ειδική αντίσταση του αγωγού στη θεωρούµενη θερµοκρασία l: το µήκος του αγωγού q: το εµβαδόν της διατοµής του αγωγού Η ειδική αντίσταση χαλκού αγωγιµότητας 100%, υπό θερµοκρασία 20 C είναι, σύµφωνα µε τους σχετικούς διεθνείς κανονισµούς, ίση µε 0, µohm-meters ή µohm-centimeters. Οι αγωγοί χαλκού που χρησιµοποιούνται στα υπόγεια καλώδια έχουν αγωγιµότητα περίπου 100%.Οι αγωγοί χαλκού όµως, των εναέριων γραµµών είναι σκληρής ολκήσεως και έχουν κατά 2,5% περίπου µικρότερη αγωγιµότητα, δηλαδή ειδική αντίσταση 0, µohmmeters ή 1,7683 µohm-centimeters στους 20 C. Η ελάχιστη αγωγιµότητα του αλουµινίου των εναέριων γραµµών είναι 61% αλλά το αλουµίνιο που χρησιµοποιείται στις µέρες µας έχει µέση αγωγιµότητα περίπου 62%, δηλαδή ειδική αντίσταση 2,8080 µohmcentimeters στους 20 C. Η ωµική αντίσταση δεν είναι αµετάβλητη στις αλλαγές της θερµοκρασίας, οπότε για θερµοκρασίες διαφορετικές των 20 C, πρέπει να υπολογιστεί η σχετική διόρθωση. Στην περιοχή των 10 C έως 100 C, η µεταβολή της αντιστάσεως του 31

32 χαλκού και του αλουµινίου, µεταξύ ορισµένων σηµείων επί του αγωγού, όταν το µήκος του είναι ελεύθερο να µεταβληθεί, βρίσκεται ότι είναι γραµµική συνάρτηση της θερµοκρασίας, σύµφωνα µε την σχέση: όπου,,σε Ω (2.2) Rθ1: Η αντίσταση υπό θερµοκρασία θ2. Rθ2: Η αντίσταση υπό θερµοκρασία θ1. αθ: Ο θερµοκρασιακός συντελεστής της αντίστασης υπό θερµοκρασία θ ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΗ L Η αυτεπαγωγή ενός αγωγού ορίζεται ως, ο λόγος της µεταβολής της πεπλεγµένης ροής του µαγνητικού πεδίου του ρεύµατος του αγωγού, προς τη µεταβολή του ρεύµατος. Εκφράζεται από τη σχέση:,σε Henry (2.3) ενώ αν το µαγνητικό κύκλωµα έχει σταθερή µαγνητική διαπερατότητα θα είναι:,σε Henry (2.4) Εφαρµόζοντας τον νόµο του διαρρεύµατος, προκύπτει ότι η πεπλεγµένη ροή στο εσωτερικό κυλινδρικού αγωγού ακτίνας r, ο οποίος διαρρέεται από ρεύµα I, είναι: 32

33 ,σε Wb-t/m (2.5) Εποµένως, η αντίστοιχη αυτεπαγωγή είναι:,σε H/m (2.6) Εφαρµόζοντας και πάλι τον νόµο του διαρρεύµατος στο εξωτερικό του αγωγού, προκύπτει ότι η εξωτερική πεπλεγµένη ροή, η οφειλόµενη στο µαγνητικό πεδίο από την επιφάνεια του αγωγού σε απόσταση D από το κέντρο του, για σχετική µαγνητική διαπεράτοτητα µr=1, δίνεται από τη σχέση: Ενώ η αντίστοιχη αυτεπαγωγή είναι:,σε Wb-t/m (2.7),σε mh/km (2.8) Προσθέτοντας λοιπόν την αυτεπαγωγή στο εσωτερικό του αγωγού µε αυτή στο εξωτερικό, προκύπτει η συνολική αυτεπαγωγή του σε απόσταση D από το κέντρο του, η οποία είναι:, mh/km (2.9) όπου r = 0,7788r, δηλαδή η ακτίνα ενός υποθετικού αγωγού χωρίς εσωτερική ροή(µέση γεωµετρική ακτίνα). 33

34 Στην περίπτωση της µονοφασικής γραµµής δύο αγωγών, η αυτεπαγωγή της γραµµής είναι:,σε mh/km (2.10) Η ωµική αντίσταση και η επαγωγική αντίδραση είναι τα στοιχεία που αποτελούν τη σύνθετη αντίσταση σειράς της γραµµής µεταφοράς ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ C Η χωρητικότητα µαζί µε την αγωγιµότητα συνιστούν την εγκάρσια ή παράλληλη σύνθετη αγωγιµότητα της γραµµής. Τα στοιχεία σειράς, εκ των οποίων σηµαντικότερο είναι η αυτεπαγωγή, θέτουν ένα όριο στο ρεύµα της γραµµής και συνεπώς καθορίζουν φυσικά τη δυνατότητα µεταφοράς ισχύος της. Τα παράλληλα στοιχεία, από τα οποία σηµαντικότερο είναι η χωρητικότητα, αντιπροσωπεύουν µία οδό διαρροής για τα ρεύµατα της γραµµής. Για τάσεις µεταφοράς της τάξης των KV και µήκη γραµµών µεγαλύτερα από 300km, οι επιπτώσεις των παράλληλων αυτών στοιχείων αποτελούν πρόβληµα βασικής σηµασίας για τους µηχανικούς µελετών ή εκµετάλλευσης των συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Σε ένα καλώδιο υψηλής τάσης, όπου οι µικρές αποστάσεις µεταξύ των αγωγών ή µεταξύ των αγωγών και των περιβληµάτων έχουν σαν αποτέλεσµα πολύ µεγάλη χωρητικότητα ανά χιλιόµετρο, γίνεται πρακτικά αδύνατη η µεταφορά µεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, πέρα από km, χωρίς ειδική αντιστάθµιση του καλωδίου. 34

35 Η χωρητικότητα ορίζεται από τη σχέση:,σε Farad (2.11) Στην περίπτωση της µονοφασικής γραµµής δύο αγωγών, η εγκάρσια χωρητικότητα της γραµµής είναι:,σε μf/km προς ουδέτερο (2.12) Όπου, D: η απόσταση από το κέντρο του αγωγού r: η ακτίνα του αγωγού ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ G Αν τα ρεύµατα διαρροής των διαφόρων φάσεων αποτελούν συµµετρικό τριφασικό σύστηµα, η επίδρασή τους είναι δυνατό να αντιπροσωπευθεί είτε από µία οµάδα ίσων εγκάρσιων αγωγιµοτήτων, συνδεδεµένων σε τριγωνική διάταξη µεταξύ των αγωγών των φάσεων, είτε από µία οµάδα ίσων εγκάρσιων αγωγιµοτήτων, συνδεδεµένων κατά αστέρα µεταξύ των αγωγών των φάσεων, τριπλάσιας αριθµητικής τιµής σε σχέση µε τις προηγούµενες. Επειδή οι υπολογισµοί των τριφασικών κυκλωµάτων διευκολύνονται όταν ανάγονται σε βάση φάσεως ουδετέρου και επειδή η χωρητικότητα υπολογίσθηκε επίσης µε τον ίδιο τρόπο, είναι προτιµότερη η διάταξη αστέρα. Το κύκλωµα των αγωγιµοτήτων βρίσκεται στην ουσία παράλληλα για κάθε στοιχείο µήκους του κυκλώµατος της γραµµής µε το αντίστοιχο κύκλωµα των χωρητικοτήτων. 35

36 2.5 ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Η µηχανική σχεδίαση των εναέριων γραµµών µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υπόκειται σε ορισµένους κανόνες, οι οποίοι εξασφαλίζουν το απρόσιτο των αγωγών στο κοινό, αποβλέποντας στην ασφάλειά του. Οι βασικότερες απαιτήσεις της µηχανικής σχεδίασης αφορούν στις ελάχιστες αποστάσεις των αγωγών από το έδαφος και από γειτονικά κτίσµατα, όπως και την µηχανική αντοχή των αγωγών, των µονωτήρων και των φορέων. Οι µηχανικές δυνάµεις που καταπονούν τις γραµµές είναι το βάρος των αγωγών, η δύναµη του ανέµου και το βάρος του πάγου που σχηµατίζεται κάποιες φορές πάνω στις γραµµές από τις καιρικές συνθήκες. Βάσει των δυναµέων αυτών, υπολογίζεται η καταπόνηση και συνεπώς η µηχανική αντοχή αγωγών και στηριγµάτων, όσο και η καµπύλη των αγωγών στο χώρο και οι αποστάσεις τους από το έδαφος. 36

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΙΣ ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 3.1 ΕΙΔΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Μία γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής και υπερύψηλης τάσης, μπορεί να τεθεί εκτός λειτουργίας για διάφορους λόγους. Το χρονικό διάστημα, στο οποίο η γραμμή θα παραμείνει εκτός λειτουργίας, διαχωρίζει τα είδη των σφαλμάτων σε τρεις κατηγορίες. Οι οποίες είναι: το παροδικό, το μόνιμο και το παραμένον σφάλμα. 1) Παροδικό σφάλμα: είναι το σφάλμα μιας γραμμής μεταφοράς, το οποίο τη θέτει εκτός λειτουργίας για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, της τάξης των μερικών δευτερολέπτων. Είναι δυνατόν, για παράδειγμα, να προκληθεί από ένα κλαδί δένδρου που θα ακουμπήσει τον αγωγό για κάποια δευτερόλεπτα σε περίπτωση κατά την οποία επικρατούν ισχυροί άνεμοι στην περιοχή. Μετά το πέρας αυτού του χρονικού διαστήματος, η γραμμή επανατίθεται σε λειτουργία χωρίς να είναι αναγκαία κάποια περαιτέρω επέμβαση από την εταιρία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. 2) Μόνιμο σφάλμα: είναι το σφάλμα μίας γραμμής μεταφοράς, το οποίο τη θέτει εκτός λειτουργίας μόνιμα. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να υπάρξει άμεση επέμβαση της εταιρίας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να εντοπιστεί η βλάβη στη συγκεκριμένη γραμμή, εν συνεχεία να επισκευαστεί και να ξαναμπεί η γραμμή σε λειτουργία. Αυτό το είδος σφάλματος σε μία γραμμή μεταφοράς είναι και το πιο σημαντικό και το πιο επικίνδυνο για την αξιοπιστία της γραμμής μεταφοράς αλλά και γενικότερα της επιχείρησης ηλεκτρισμού. 3) Παραμένον σφάλμα: είναι το είδος του σφάλματος μίας γραμμής μεταφοράς,το οποίο ορίζεται ως κάτι το ενδιάμεσο μεταξύ του 37

38 παροδικού και του μόνιμου σφάλματος μίας γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Εμφανίζεται όταν η γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης είναι εκτός λειτουργίας, γεγονός το οποίο συνάδει με ένα μόνιμο σφάλμα της γραμμής μεταφοράς, όμως μετά από την πάροδο κάποιου χρονικού διαστήματος, χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση της εταιρίας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, η γραμμή μεταφοράς επανατίθεται σε λειτουργία, γεγονός σύμφυτο με τα παροδικά σφάλματα. 3.2 ΑΙΤΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Οι ηλεκτρικές τάσεις που εμφανίζονται στις διάφορες θέσεις ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: Α)Εκείνες οι τάσεις, οι οποίες εμφανίζονται υπό ομαλές συνθήκες λειτουργίας και ονομάζονται τάσεις ομαλής λειτουργίας του συστήματος. Β)Εκείνες που εμφανίζονται σε ειδικές μόνο περιπτώσεις ή ανωμαλίες, οι οποίες δημιουργούνται λόγω διαφόρων αιτίων και λόγω του γεγονότος ότι κατά κανόνα παρουσιάζουν μεγαλύτερα πλάτη από τις τάσεις ομαλής λειτουργίας ονομάζονται υπερτάσεις. Όπως είναι εύκολα κατανοητό, λόγω του γεγονότος ότι οι υπερτάσεις είναι πιο υψηλές από τις τάσεις ομαλής λειτουργίας, έχουν τη δυνατότητα να προκαλέσουν τις πιο σοβαρές διηλεκτρικές καταπονήσεις στις γραμμές μεταφοράς. Ως επακόλουθο, οι μονώσεις του συστήματος μεταφοράς σχεδιάζονται έτσι ώστε να είναι σε θέση να ανταπεξέλθουν σε τέτοιου είδους καταπονήσεις και έτσι είναι, συνήθως, ισχυρότερες από τις μονώσεις εκείνες, οι οποίες απαιτούνται για την αντιμετώπιση των τάσεων ομαλής λειτουργίας. Οι υπερτάσεις δημιουργούνται από βλάβη στο υλικό της γραμμής μεταφοράς, κακές ατμοσφαιρικές συνθήκες, ρύπανση των μονωτήρων της γραμμής, υπερβολική καταπόνηση των διαφόρων μερών του συστήματος, ανθρώπινη ενέργεια, πυρκαγιά, κεραυνό. Όταν παρουσιάζεται κάποιο από αυτά τα αίτια ή συνδυασμός αυτών, 38

39 δημιουργείται σφάλμα στο σύστημα, άρα και στην τάση του, η οποία και αυξάνεται. Επειδή μερικές από τις υπερτάσεις μπορούν να λάβουν εξαιρετικά υψηλές τιμές, όπως αυτές που προέρχονται από κεραυνούς, η μόνωση έναντι αυτών των υπερτάσεων γίνεται πολύ δαπανηρή ή ακόμα και αδύνατη. Για το λόγο αυτό, λαμβάνονται κάποια επιπλέον μέτρα τα οποία αποσκοπούν στη μείωση του μεγέθους των υπερτάσεων και αποκαλούνται έλεγχος των υπερτάσεων. Υπάρχουν, παρ όλα αυτά, κι άλλες αιτίες σφαλμάτων όπως στη περίπτωση ενός μονωτήρα, η επιφάνεια του οποίου παρουσιάζει ένα ορισμένο τύπο ρύπανσης, κατά την οποία, η τάση ομαλής λειτουργίας, εξαιτίας της συνεχούς εφαρμογής της, αποτελεί πιο σοβαρή καταπόνηση από μία παροδική υπέρταση. Ως αποτέλεσμα, ο σχεδιασμός της μόνωσης την οποία θα πρέπει να έχει κάθε θέση και κάθε στοιχείο του συστήματος μεταφοράς γίνεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε αυτή να αντέχει στην πιο κρίσιμη και υπερβολική καταπόνηση στην οποία υπάρχει και η πιθανότητα να εκτεθεί σε κάποια μελλοντική στιγμή της λειτουργίας του. Ο σχεδιασμός λοιπόν της μόνωσης πρέπει να αρχίζει με τον καθορισμό των ηλεκτρικών καταπονήσεων. Το πόσο σημαντική είναι μία καταπόνηση δεν εξαρτάται μόνον από το εύρος της επιβαλλόμενης τάσης αλλά και από τη διάρκεια και τη μορφή της. Η συμπεριφορά μίας μόνωσης,όταν αυτή υποβάλλεται σε κάποιον ορισμένο τύπο τάσης ονομάζεται απόκριση της μόνωσης. Η απόκριση της μόνωσης αποτελεί ένα καθαρά εμπειρικό, ηλεκτρικό μέγεθος, το οποίο καθορίζεται με δοκιμές στα εργαστήρια υψηλών τάσεων. Οι δοκιμές αυτές γίνονται έτσι ώστε να διαμορφωθεί η μόνωση με τα καλύτερα δυνατά υλικά, έτσι ώστε όταν θα υποβληθεί στις τάσεις που θα την καταπονούν να μη υπάρξει ηλεκτρική διάσπαση της μόνωσης είτε καθόλου, είτε με μικρότερη συχνότητα από τη μέγιστη αποδεκτή, η οποία και καθορίζεται από τον κατασκευαστή αλλά και από τις απαιτήσεις οι οποίες υπάρχουν και αφορούν την εύρυθμη και αποτελεσματική λειτουργία του συγκεκριμένου συστήματος αναφοράς. 39

40 Ως επακόλουθο, για τη σωστή σχεδίαση των μονώσεων ενός συστήματος, είναι αναγκαία η γνώση των υπερτάσεων που αναμένεται να επιβληθούν σε αυτό. Οι υπερτάσεις, ανάλογα με τις αιτίες που τις προκαλούν, χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις αυτές, έχουν σαν πηγή τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις και πιο συγκεκριμένα τις εκκενώσεις νέφους-γης, δηλαδή τους κεραυνούς. Εσωτερικές υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις αυτές δημιουργούνται συνήθως από εσωτερικές διαταραχές της ομαλής λειτουργίας του συστήματος. Οι εσωτερικές υπερτάσεις υποδιαιρούνται σε δύο ακόμα κατηγορίες, ανάλογα με το μηχανισμό από τον οποίο δημιουργούνται, αλλά και με βάση άλλα χαρακτηριστικά τους όπως είναι η διάρκεια και το μέγεθός τους. Αυτές οι κατηγορίες είναι οι εξής: 1)Δυναμικές υπερτάσεις 2)Μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών. Οι δυναμικές υπερτάσεις έχουν σχετικά μικρό εύρος αλλά μεγάλη διάρκεια, η οποία κυμαίνεται από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέχρι αρκετά λεπτά. Η μορφή κάποιων από αυτές μπορεί να είναι παρόμοια με τη μορφή της τάσεως λειτουργίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις όμως, έχουν τη μορφή μιας αποσβενόμενης ταλάντωσης με ιδιαίτερη συχνότητα. Οι δυναμικές υπερτάσεις, παρόλο που για δίκτυα υψηλής τάσεως μέχρι 300kV και υπερύψηλης τάσης kV δεν αντιπροσωπεύουν επικίνδυνες καταπονήσεις για τις 40

41 μονώσεις, παίζουν σημαντικό ρόλο ωστόσο στην επιλογή των συσκευών προστασίας και έτσι καθορίζουν έμμεσα τη μόνωση των πιο δαπανηρών τμημάτων του συστήματος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών προκαλούνται κυρίως από διακοπτικά φαινόμενα. Έχουν διάρκεια πολύ μικρότερη από τις δυναμικές υπερτάσεις(μερικές εκατοντάδες μs μέχρι μερικά ms) αλλά κατά κανόνα σημαντικά μεγαλύτερο εύρος. Εντούτοις, τα πλάτη τους σχετίζονται πάντα με την τάση λειτουργίας και η μορφή τους επηρεάζεται από τις εκάστοτε εμπεδήσεις του συστήματος όπως επίσης και από τις διακοπτκές συνθήκες. Η κυματομορφή αυτού του είδους υπέρτασης μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνη στα διάφορα συστήματα μόνωσης, ειδικά στη μόνωση ατμοσφαιρικού αέρα σε συστήματα μεταφοράς με επίπεδα τάσης υψηλότερα από 245 kv. Αντιθέτως, οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι σχεδόν ανεξάρτητες από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού συστήματος. Για το λόγο αυτό, στα συστήματα χαμηλότερης τάσης (μέχρι 300kV), οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις είναι πιο κρίσιμες από τις μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών και έτσι η σχεδίαση της μόνωσης γίνεται με βάση τα χαρακτηριστικά τα οποία προκύπτουν από τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Καθώς όμως η τάση του δικτύου αυξάνει, υπάρχει ένα όριο πέρα από το οποίο οι υπερτάσεις χειρισμών είναι περισσότερο κρίσιμες από τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις και έτσι η σχεδίαση της μόνωσης θα πρέπει να γίνεται βάσει των υπερτάσεων χειρισμών. Το γεγονός ότι ο αέρας, σαν μονωτικό υλικό εμφανίζεται πολύ ασθενέστερος έναντι των υπερτάσεων χειρισμών παρά των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων, συμβάλλει στην αύξηση της κρισιμότητας των καταπονήσεων που προκαλούν οι υπερτάσεις χειρισμών. 41

42 3.3 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται στα δίκτυα από τα ηλεκτρικά φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια των καταιγίδων. Παρόλο που οποιαδήποτε μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου στην ατμόσφαιρα, όπως για παράδειγμα είναι η εξουδετέρωση δύο ετερόσημων φορτίων με μια εκκένωση εσωτερική του νέφους ή δύο γειτονικών νεφών, έχει τη δυνατότητα να επάγει μία τάση στο ηλεκτρικό δίκτυο, οι μόνες επικίνδυνες για τη μόνωση και άρα για την ομαλή και αξιόπιστη λειτουργία των δικτύων υψηλής και υπερύψηλης τάσης είναι οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις που προκαλούνται από κεραυνικά φαινόμενα. Η υπέρταση που προκαλείται σε ένα δίκτυο από έναν κεραυνό, εξαρτάται, όπως είναι κατανοητό, από τον τρόπο με τον οποίο αυτός θα προσβάλλει το δίκτυο. Επομένως, διαφορετική είναι η υπέρταση, η οποία προκαλείται όταν ένας κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου, όπως είναι για παράδειγμα ένας αγωγός φάσης και διαφορετική όταν πλήττεται από τον κεραυνό ένας αγωγός προστασίας των φάσεων της γραμμής ή ένας πύργος της γραμμής και ακόμα διαφορετική όταν πλήττεται το έδαφος γειτονικά προς το δίκτυο, με τη σημαντικότητα των πληγμάτων να φθίνει όσο απομακρυνόμαστε από τις φάσεις των γραμμών μεταφοράς. Οι πιο σοβαρές και επικίνδυνες υπερτάσεις συμβαίνουν σε ένα δίκτυο, όταν πλήγματα ενός κεραυνού βάλλουν τους αγωγούς φάσης ή τους ζυγούς των υπαίθριων υποσταθμών. Τα πλάτη είναι πολύ υψηλά, συνήθως της τάξης των 1000 kv ή περισσότερο, καθώς κάθε πλήγμα μπορεί να εισάγει μέσα στη γραμμή μεταφοράς κεραυνικά ρεύματα μέχρι περίπου 100kA κι ακόμα περισσότερο. Κάθε πλήγμα ακολουθείται τότε από οδεύοντα κύματα, των οποίων το πλάτος περιορίζεται συχνά από τη μέγιστη αντοχή της μόνωσης της εναέριας γραμμής. Ο ρυθμός ανόδου της τάσης ενός τέτοιου οδεύοντος κύματος 42

43 είναι στην εκκίνησή του απευθείας ανάλογος της κλίσης του κεραυνικού ρεύματος, η οποία μπορεί να υπερβαίνει τα 100 ka/μs και τα επίπεδα τάσης μπορούν απλά να υπολογιστούν από το ρεύμα πολλαπλασιαζόμενο με την ενεργό κυματική εμπέδηση της γραμμής. Οδεύοντα κύματα με απότομα μέτωπα και ενίοτε πιο απότομα ουραία τμήματα μπορούν να καταπονήσουν σφοδρά τη μόνωση των μετασχηματιστών ισχύος ή άλλου εξοπλισμού υψηλής τάσης. Συστήματα κεραυνικής προστασίας, απαγωγείς υπερτάσεων και διαφόρων ειδών απώλειες θα αποσβέσουν και θα παραμορφώσουν τα οδεύοντα κύματα άρα, μέσα στο σύστημα μεταφοράς θα είναι παρούσες κεραυνικές υπερτάσεις με πολύ διαφορετικές κυματομορφές.[11] 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΟΝΩΣΗ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Ένα από τα πιο σημαντικά και κρίσιμα θέματα για έναν ηλεκτρολόγο μηχανικό κατά τη σχεδίαση μιας γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι η πρόβλεψη και η σχεδίαση μιας αξιόπιστης μόνωσης της γραμμής από κεραυνικά πλήγματα. Ο γνώμονας για την επιλογή της μόνωσης πρέπει να είναι η ελαχιστοποίηση του κόστους. Εργαζόμενοι προς αυτή την κατεύθυνση, η σχεδίαση της μόνωσης μιας γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, πραγματοποιείται ούτως ώστε να παρουσιάζεται στην γραμμή ένας προκαθορισμένος αριθμός σφαλμάτων ανά έτος. Όσον αφορά αστοχίες από κεραυνικά πλήγματα, ένα ή δύο σφάλματα από κεραυνούς το έτος ανά 100km γραμμής μεταφοράς θα ήταν ένας ικανοποιητικός αριθμός. Επίσης, μία ανάλογη συχνότητα, όσον αφορά αστοχίες της μόνωσης οι οποίες προέρχονται από υπερτάσεις χειρισμών, θα μπορούσε να γίνει αποδεκτή. Οι ατμοσφαιρικές υπερτάσεις εγείρουν τους περισσότερους κινδύνους για ηλεκτρικά δίκτυα μεταφοράς φορτισμένα με τάση έως τα επίπεδα των 300kV, ενώ για τα αντίστοιχα δίκτυα της υπερύψηλης τάσης, τις υψηλότερες και κρισιμότερες καταπονήσεις τις αποτελούν οι μεταβατικές υπερτάσεις χειρισμών. Επομένως, τα κεραυνικά πλήγματα είναι μία από τις κυριότερες αιτίες ύπαρξης μεγάλων προβλημάτων στα σύγχρονα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, προκαλώντας διαταραχές και διακοπές στην ηλεκτροδότηση. 44

45 Παρ όλα αυτά, λόγω του τυχαίου χαρακτήρα των κεραυνικών πληγμάτων, είναι δύσκολο να δοθεί και να μελετηθεί ένα συγκεκριμένο μοντέλο για την αντικεραυνική προστασία των γραμμών μεταφοράς. Συνεπώς, η προσέγγιση του προβλήματος θα γίνει από στατιστικής σκοπιάς. 4.2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ Υπάρχουν τρεις τρόποι, με τους οποίους ένας κεραυνός μπορεί να προκαλέσει υπέρταση και κατά συνέπεια προβλήματα σε μία γραμμή μεταφοράς: Από επαγωγή, εξ αιτίας κάποιου κεραυνού που πλήττει το έδαφος κοντά στη γραμμή, αλλά όχι την ίδια τη γραμμή. Με άμεσο πλήγμα του κεραυνού σε έναν αγωγό φάσης της γραμμής μεταφοράς. Με πλήγμα στον αγωγό προστασίας. Για να αντιμετωπιστούν τα βραχυκυκλώματα τα οποία προκαλούν οι κεραυνοί στα ηλεκτρικά δίκτυα μεταφοράς ενέργειας αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι. Σύμφωνα με την πρώτη μέθοδο, τοποθετούνται αγωγοί προστασίας σε κατάλληλες θέσεις πάνω από τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, οι οποίοι συλλέγουν τα άμεσα κεραυνικά πλήγματα, παρέχοντας έτσι προστασία στα ενεργά στοιχεία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά τη δεύτερη μέθοδο, αλεξικέραυνα συνδέονται ανάμεσα στα ενεργά στοιχεία του συστήματος και τη γη 45

46 και επιτρέπουν στιγμιαία τη διοχέτευση του φορτίου του κεραυνού στη γη, όμως στη συνέχεια διακόπτουν τη ροή του ρεύματος στη συχνότητα του δικτύου. Αλεξικέραυνα ή απαγωγείς υπερτάσεων χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία των συσκευών των σταθμών ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΕΠΑΓΩΓΗ Καθώς το κεραυνικό ρεύμα κατέρχεται προς το έδαφος που βρίσκεται κοντά σε κάποια γραμμή μεταφοράς, ένα ηλεκτρικό φορτίο αντίθετο με αυτό του κεραυνικού ρεύματος συγκεντρώνεται στην περιοχή της γραμμής, η οποία πρόσκειται στο κεραυνό. Εάν αυτός ο κεραυνός δεν πλήξει τη γραμμή μεταφοράς, αλλά κάποιο σημείο το οποίο βρίσκεται εκτός της γραμμής αλλά κοντά σε αυτή, θα σταματήσει να υπάρχει η αιτία της συσσώρευσης του προαναφερθέντος φορτίου και ως εκ τούτου αυτό το φορτίο θα διαχυθεί με τη μορφή δύο ίσων και αντίθετων κυμάτων ηλεκτρικού ρεύματος I προς τις απομακρυσμένες περιοχές της γραμμής από τις οποίες είχε προηγουμένως προέλθει. Καθένα από αυτά τα ρεύματα I, όταν πολλαπλασιαστεί με την κυματική αντίσταση Z0 της γραμμής μεταφοράς, μας δίνει μία δημιουργούμενη τάση: V=I Z0 Επειδή το επαγόμενο φορτίο της γραμμής είναι πάντα αρκετά μικρότερο από το αντίστοιχο φορτίο του κεραυνού, εξαρτάται βεβαίως και από την απόσταση που υπάρχει μεταξύ της γραμμής και του σημείου στο οποίο πέφτει ο κεραυνός, οι δύο εντάσεις ρεύματος I δεν είναι αρκετά μεγάλες ώστε η επαγόμενη τάση V να προκαλέσει κίνδυνο στις γραμμές μεταφοράς μέσης και υψηλής τάσης. Αντιθέτως, για γραμμές χαμηλής τάσης, η υπέρταση αυτού του τύπου είναι ικανή να προκαλέσει σημαντικές φθορές στη μόνωση της γραμμής. 46

47 Εικ.4.1:Δημιουργία υπερτάσεως εξ επαγωγής από έμμεσο πλήγμα κεραυνού.[10] ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΑΜΕΣΟ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΑΓΩΓΟ ΦΑΣΗΣ Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσης της γραμμής μεταφοράς, το συνολικό ρεύμα I0 του κεραυνού χωρίζεται σε δύο ίσα ρεύματα τα οποία διαρρέουν τη γραμμή, με αφετηρία το σημείο στο οποίο έχει πληγεί η γραμμή από τον κεραυνό, προς αντίθετες κατευθύνσεις. Γενικά γίνεται αποδεκτό, ότι η τιμή του ρεύματος I0 είναι η ίδια είτε ο κεραυνός πλήττει απευθείας τη γραμμή, είτε πλήττει το έδαφος. Ως εκ τούτου, καθένα από αυτά τα δύο ρεύματα έντασης ½ I0 πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Z0 της γραμμής μεταφοράς θα δώσει μία παραγόμενη υπέρταση, η οποία βρίσκεται από την εξής σχέση: V=1/2(I0 Z0) 47

48 Η παραγόμενη αυτή υπέρταση έχει τη δυνατότητα να διασπάσει τη μόνωση δικτύων υψηλής και υπερύψηλης τάσης. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την ανάγκη κάποιου είδους προστασίας των γραμμών και μία καλή λύση είναι η χρησιμοποίηση αγωγών προστασίας ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΤΟΝ ΑΓΩΓΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ Ένας αποτελεσματικός τρόπος ώστε να προληφθούν τα άμεσα πλήγματα των κεραυνών στους αγωγούς φάσης είναι η τοποθέτηση ενός ή δύο αγωγών προστασίας, οι οποίοι συνδέονται με τους μεταλλικούς πύργους. Αν τηρηθούν όλες οι προδιαγραφές και τοποθετηθούν σωστά οι αγωγοί προστασίας, το σύνολο των κεραυνών οι οποίοι θα έπλητταν τον αγωγό μίας φάσης συλλέγονται από τους αγωγούς προστασίας. Η ένταση I0 του ρεύματος του κεραυνού, χωρίζεται όπως και προηγουμένως σε δύο ίσα τμήματα έντασης ½ I0, τα οποία κατά τον ίδιο τρόπο ρέουν, από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος στον αγωγό προστασίας σε αντίθετες μεταξύ τους κατευθύνσεις, έχοντας τη μορφή οδευόντων κυμάτων. Το αντίστοιχο κύμα της τάσης που προκαλείται από το κάθε ένα από αυτά τα κύματα ρεύματος θα είναι: V=1/2(Io*Zg), με Zg να είναι η κυματική αντίσταση του αγωγού προστασίας. Εάν υποθέσουμε πως ο αγωγός προστασίας τερματίζει σε έναν μεταλλικό πύργο, χωρίς να συνεχίζεται από την άλλη μεριά του πύργου, τότε το ρεύμα έντασης ½ I0 θα περάσει διαμέσου του πύργου και της αντίστασης γείωσής του στη γη. Γενικά, ανακλάσεις με αντίθετο πρόσημο, οι οποίες λαμβάνουν χώρα στη βάση του πύργου υπερτίθενται στο προσπίπτων οδεύον κύμα της τάσης V προκαλώντας 48

49 έτσι τη μείωσή του. Επειδή όμως αυτό το ρεύμα έντασης ½ I0 διαρρέει την αντίσταση γείωσης R του μεταλλικού πύργου, αυτός αποκτά στιγμιαία την τάση: V= 2*1/2(IoR)= IoR Μία επιπρόσθετη υπερύψωση της τάσης V προκύπτει εξαιτίας της αυτεπαγωγής, την οποία έχει ο μεταλλικός πύργος και κυμαίνεται περίπου στα 20μΗ.Εξ άλλου, οι αγωγοί φάσης διατηρούν περίπου το δυναμικό της γης λόγω της χωρητικής τους ζεύξης με αυτήν. Ως εκ τούτου, άμα λάβουμε υπόψιν όλα τα παραπάνω, βλέπουμε ότι ανάμεσα στον μεταλλικό πύργο και στους αγωγούς των φάσεων εμφανίζεται η τάση V=I0R, η οποία αν είναι αρκετά υψηλή έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει διάσπαση της μόνωσης. Στην πραγματικότητα, η καταπόνηση αυτή είναι μικρότερη από την τιμή V=I0R εξαιτίας της ζεύξης μεταξύ των αγωγών προστασίας και των αγωγών φάσης. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάστροφη διάσπαση. Το μέγεθος της τάσης V=I0R εξαρτάται από το ρεύμα I0 του κεραυνού καθώς και από την αντίσταση γείωσης R του μεταλλικού πύργου. Επομένως, για να μειωθεί ο κίνδυνος της εμφάνισης ανάστροφων διασπάσεων πρέπει η αντίσταση γείωσης των πύργων να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Η μόνωση του πύργου θα είναι στις περισσότερες περιπτώσεις σε θέση να ανταπεξέλθει στην τάση που θα εμφανιστεί ανάμεσα στο μεταλλικό πύργο και στους αγωγούς των φάσεων, για ρεύματα 30-40kΑ. Άρα, εκτός από την αντίσταση γείωσης του μεταλλικού πύργου, η πιθανότητα σφάλματος μιας γραμμής μεταφοράς από ανάστροφη διάσπαση εξαρτάται και από το εύρος των ρευμάτων των κεραυνών. 49

50 Στην προηγούμενη ανάλυση, θεωρήσαμε ότι ο αγωγός προστασίας τον οποίο πλήττει ο κεραυνός τερματίζεται στον μεταλλικό πύργο και δεν συνεχίζεται μετά από αυτόν. Στην πραγματικότητα, όμως, κάτι τέτοιο δε συμβαίνει. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα έντασης ½ I0 το οποίο φτάνει στην κορυφή του πύργου να μη διοχετεύεται εξολοκλήρου στη γη μέσα από την αντίσταση γείωσης R του πύργου, αλλά μόνο ένα μέρος αυτού του ρεύματος να διοχετεύεται στη γη, ενώ το υπόλοιπο μέρος να συνεχίζει την πορεία του διαμέσου του αγωγού προστασίας ή και μέσα από το δεύτερο αγωγό προστασίας, εφόσον αυτός υπάρχει. Για όλα τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι, για το σωστό και ακριβή υπολογισμό της έντασης του ρεύματος, το οποίο τελικά θα διοχετευθεί στη γη μέσα από την αντίσταση γείωσης R του πύργου, απαιτείται μία περισσότερο προσεκτική ανάλυση των δεδομένων συνθηκών, οι οποίες επικρατούν στην κορυφή του πύργου. Υπάρχει πιθανότητα, να κριθεί απαραίτητη επιπλέον χρήση της θεωρίας μετάδοσης και ανάκλασης οδευόντων κυμάτων και η προσφυγή ακόμα και σε εμπειρικές παραδοχές, αφού πολλές από τις παραμέτρους, οι οποίες αφορούν την κατάσταση στην κορυφή του πύργου δεν είναι απόλυτα γνωστές. 50

51 Εικ. 4.2: Προστασία γραμμής μεταφοράς με αγωγό προστασίας. [10] 51

52 4.3 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΑΠΟ ΑΜΕΣΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑ ΘΩΡΑΚΙΣΗΣ Οι αγωγοί προστασίας, χρησιμοποιούνται ώστε να έχουμε μεγαλύτερη θωράκιση των αγωγών φάσης και του συστήματος γενικότερα. Με την κατάλληλη τοποθέτηση των αγωγών προστασίας πάνω από τους αγωγούς φάσης επιτυγχάνουμε την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας P της άμεσης πλήξης ενός αγωγού φάσης. Προκύπτει λοιπόν ότι σε γραμμές μεταφοράς, οι οποίες είναι εφοδιασμένες με τους κατάλληλους αγωγούς προστασίας, η πλειοψηφία των αστοχιών και των σφαλμάτων που δημιουργούνται από κεραυνούς οφείλονται στο φαινόμενο των ανάστροφων βραχυκυκλωμάτων. Αντιθέτως, μόνο ένα μικρό ποσοστό αστοχιών οφείλεται σε κεραυνούς, οι οποίοι παρακάμπτοντας το σύστημα αγωγών προστασίας, κατάφεραν ένα άμεσο πλήγμα σε κάποιον αγωγό φάσης. Αυτά ακριβώς τα σφάλματα, δηλαδή όταν πλήττονται οι αγωγοί φάσης, ονομάζονται σφάλματα θωράκισης. Η πιθανότητα P ενός σφάλματος θωράκισης, η οποία ορίζεται σαν ο λόγος του αριθμού των κεραυνών οι οποίοι τελικά πλήττουν έναν αγωγό φάσης παρακάμπτοντας τους αγωγούς προστασίας προς το συνολικό αριθμό των κεραυνών οι οποίοι πλήττουν τη γραμμή μεταφοράς, εξαρτάται από την κατάλληλη τοποθέτηση των αγωγών προστασίας. Έχουν αναπτυχθεί δύο μέθοδοι για τον καθορισμό των θέσεων των αγωγών προστασίας, έτσι ώστε να υπάρχει το βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα: Α. Η μέθοδος της μέγιστης γωνίας Β. Η ηλεκτρογεωμετρική μέθοδο 52

53 4.3.1 ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΗΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΓΩΝΙΑΣ Ένα εμπειρικό κριτήριο για τον καθορισμό της θέσης που πρέπει να τοποθετηθούν οι αγωγοί προστασίας αποτελεί η γωνία θ, η οποία σχηματίζεται μεταξύ του επιπέδου του αγωγού φάσεως και του κατακόρυφου επιπέδου, το οποίο περιέχει τον αγωγό προστασίας. Εικ. 4.3: Καθορισμός θέσης αγωγών προστασίας και γωνία θ. [10] 53

54 Το απαιτούμενο μέγεθος της γωνίας θ δεν είναι απολύτως προκαθορισμένο. Εντούτοις, έχει παρατηρηθεί από την εμπειρία ότι σε γραμμές με όχι και τόσο ψηλούς πύργους και γωνίας θ<30,το μεγαλύτερο μέρος των κεραυνών συλλαμβάνεται από τους αγωγούς προστασίας. Σήμερα όμως οι συνθήκες έχουν αλλάξει. Όταν λοιπόν κατασκευάστηκαν γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, φορτισμένες με υψηλότερες τάσεις (πάνω από 220kV) και με ψηλότερους πύργους, παρατηρήθηκε πως σε αυτές τις γραμμές μεταφοράς παρουσιάζονταν περισσότερα σφάλματα θωράκισης σε σχέση με τις γραμμές με χαμηλότερους πύργους, παρόλο που και στις δύο περιπτώσεις η γωνία θ ήταν η ίδια. Συνεπώς, κατέστη σαφές ότι εκτός από τη γωνία θ, ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει επίσης την πιθανότητα P εμφάνισης ενός σφάλματος θωράκισης σε μια γραμμή μεταφοράς είναι το ύψος των πύργων. Επιπλέον, εκτός από τους προαναφερθέντες παράγοντες, η πιθανότητα P εξαρτάται και από την ένταση του ρεύματος του κεραυνού, ο οποίος θα πλήξει τη γραμμή. Έχοντας όμως θεωρήσει το σύνολο των κεραυνών, ο οποίοι θα πλήξουν μια γραμμή μεταφοράς σε μία αρκετά μεγάλη χρονική περίοδο και όχι ένα μεμονωμένο κεραυνικό πλήγμα και δεχόμενοι ότι η στατιστική κατανομή των ρευμάτων των κεραυνών, οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε αυτήν την προκαθορισμένη υπό μελέτη χρονική περίοδο, είναι ορισμένη και γνωστή, τότε η πιθανότητα P της εμφάνισης σφάλματος θωράκισης εξαρτάται μόνο από τη γεωμετρία και τις διαστάσεις του πύργου, δηλαδή μόνο από τη γωνία θ και το ύψος του. Επομένως, σκεπτόμενοι προς αυτή την κατεύθυνση δύο ερευνητές, ο Kostenko και ο Burgesdorf, στηριζόμενοι σε μεγάλο αριθμό παρατηρήσεων διατύπωσαν μία εμπειρική σχέση η οποία συνδέει την πιθανότητα P με τη γωνία θ και με το μέσο ύψος h των αγωγών προστασίας. Η σχέση αυτή είναι: logp=(θh/90) 2 54

55 Με την πιθανότητα P να είναι εκφρασμένη επί τοις εκατό, τη γωνία θ σε μοίρες και το ύψος h σε μέτρα. Ως μέσο ύψος των αγωγών προστασίας έχει οριστεί το μέσο ύψος ανάρτησης μειωμένο κατά τα 2/3 του βέλους. Αν για παράδειγμα η γωνία θ=30 και το ύψος h=25m, η παραπάνω σχέση δίνει P=0.46%. Εφόσον θέλουμε να βρούμε τον αριθμό των κεραυνικών πληγμάτων ανά 100km της γραμμής και ανά έτος, τα οποία πλήττουν τους αγωγούς φάσης έχοντας προηγουμένως παρακάμψει τους αντίστοιχους αγωγούς προστασίας θα πρέπει να πολλαπλασιάσουμε τα P/100 της υπολογισμένης πιθανότητας που προέκυψε, με τον αριθμό Ν των αναμενόμενων πληγμάτων κεραυνού ανά 100km της γραμμής και ανά έτος. Παρ όλα αυτά, επειδή σφάλματα θωράκισης μπορούν να συμβούν και με κεραυνούς, οι οποίοι έχουν ασθενή ένταση ρεύματος, είναι πιθανό ένα σφάλμα θωράκισης να μην προκαλέσει κάποιο σφάλμα στη μόνωση της γραμμής μεταφοράς. Εάν Vμ είναι η τάση την οποία αντέχει η γραμμή μεταφοράς και Vκ είναι η αντίστοιχη τάση, η οποία αναπτύσσεται από ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε έναν αγωγό φάσης, βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν ισχύει: Vκ> Vμ, δηλαδή μόνο αν η αναπτυσσόμενη από τον κεραυνό τάση ξεπεράσει την αντοχή της γραμμής ως προς τη φόρτισή της σε τάση. Η τάση Vκ δίνεται από την παρακάτω σχέση: Vκ=1/2(Ι0Ζ0) Βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν η ένταση του ρεύματος του κεραυνού είναι μεγαλύτερη από μία κρίσιμη τιμή εντάσεως ρεύματος, την οποία είναι σε θέση να αντέξει η γραμμή μεταφοράς και αντιστοιχεί στην κρίσιμη τάση Vμ. Αν αυτή η τιμή ονομαστεί Iμ, τότε βραχυκύκλωμα θα εμφανιστεί εάν: Ι0>Ιμ =2*Vμ/Ζ0 55

56 Έτσι λοιπόν, αν έχουμε μια γραμμή μεταφοράς η οποία είναι φορτισμένη υπό ονομαστική τάση 150kV και η οποία έχει μία τάση μόνωσης εναντίον των κεραυνών BIL=750kV, και κυματική αντίσταση Z0=500Ω, βραχυκύκλωμα λόγω άμεσου πλήγματος θα συμβεί μόνο εάν: Ι0> 2*Vμ/Ζ0, δηλαδή αν Ι0>2*750/ 500 Άρα βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν ισχύει: Ι0>3kΑ Εάν όμως η γραμμή μεταφοράς είναι φορτισμένη υπό ονομαστική τάση 420kV, τότε θα έχει τάση μόνωσης εναντίον κεραυνών BIL=1425kV και η κυματική αντίσταση της γραμμής μεταφοράς είναι Z0=200Ω αντίστοιχα, το ρεύμα του κεραυνού που απαιτείται για να έχουμε βραχυκύκλωμα είναι: Ι0>2*1425/ 200 Άρα βραχυκύκλωμα θα συμβεί μόνο αν ισχύει: Ι0>14.25kΑ Ο Burgesdorf πρότεινε για την πιθανότητα P1, δηλαδή την πιθανότητα με την οποία η ένταση του ρεύματος κάποιου κεραυνού μπορεί να υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της έντασης του ρεύματος το οποίο αντέχει η γραμμή μεταφοράς, τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο: logp1=2- I1/60 όπου η πιθανότητα P1 είναι εκφρασμένη επί τοις εκατό και η ένταση I1 σε ka. 56

57 Ο αναμενόμενος αριθμός σφαλμάτων θωράκισης Ν1 ανά έτος και ανά 100km της γραμμής μεταφοράς, η οποία αντέχει σε ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα, του οποίου η ένταση έχει την τιμή I1=Iμ, θα δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Ν1=Ν*Ρ*Ρ1*10-4 με Ν να είναι ο αναμενόμενος αριθμός πληγμάτων κεραυνού ανά 100km της γραμμής και ανά έτος, P η πιθανότητα της εμφάνισης σφάλματος θωράκισης στη γραμμή μεταφοράς και P1 η πιθανότητα με την οποία η ένταση του ρεύματος κάποιου κεραυνού μπορεί να υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της έντασης του ρεύματος, το οποίο αντέχει η γραμμή μεταφοράς. Για παράδειγμα, υποθέτουμε για μια γραμμή μεταφοράς και έναν πύργο τα στοιχεία: θ=30 και h=25m. Με βάση αυτά ισχύει: logp=-0.33 άρα Ρ=0.46 Θεωρώντας σαν I1 την κρίσιμη τιμή της έντασης του ρεύματος Iμ=3kA, όπως υπολογίστηκε παραπάνω θα έχουμε: logp1=1.95 άρα Ρ1=89.13% Υποθέτοντας ότι η συγκεκριμένη γραμμή μεταφοράς, δέχεται 200 πλήγματα κεραυνού ανά 100km της γραμμής και ανά έτος, τότε τα πιθανά σφάλματα θωράκισης θα δοθούν από: Ν1=Ν*Ρ*Ρ1*10-4 =200*0.46*89.13*10-4 =

58 Άρα Ν1=0.82 σφάλματα θωράκισης ανά 100km της γραμμής και ανά έτος ΗΛΕΚΤΡΟΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Η ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος καθορισμού της θέσης των αγωγών προστασίας έχει τις βάσεις της στην έννοια της απόστασης διάσπασης. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στο γεγονός ότι η θέση την οποία θα πλήξει ο κεραυνός αποφασίζεται μόνο τη στιγμή κατά την οποία η κεφαλή του κατερχόμενου κεραυνικού ρεύματος πλησιάσει την επιφάνεια της γης σε απόσταση διάσπασης. Ως απόσταση διάσπασης έχει οριστεί το μήκος του διακένου, το οποίο διασπάται υπό την τάση της κεφαλής του κεραυνικού ρεύματος (ως προς τη γη). Εξαιτίας του γεγονότος ότι η τάση αυτή εξαρτάται από το φορτίο του κεραυνικού ρεύματος, είναι φανερό πως η απόσταση διάσπασης είναι μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι και το κεραυνικό φορτίο. Ούτως ώστε να μπορεί να γίνει μια κάποια εκτίμηση για το μέγεθος της απόστασης διάσπασης, γίνεται αποδεκτό πως η μέση απαιτούμενη τάση διάσπασης είναι 3 έως 6 kv/cm. Σχεδιάζοντας το περίγραμμα της απόστασης διάσπασης rs γύρω από τους αγωγούς προστασίας, τους αγωγούς των φάσεων αλλά και τη γη, όπως αυτό φαίνεται και στην Εικ. 4.4, είναι εμφανές ότι μόνο κάποιος κεραυνός, η κεφαλή ρεύματος του οποίου θα διέλθει μέσω του τόξου ΒΓ θα είναι σε θέση να πλήξει τον αγωγό φάσης της γραμμής μεταφοράς. Αντιθέτως, εάν διέλθει από τα τόξα ΑΒ και ΓΔ θα πλήξει τον αγωγό προστασίας της γραμμής μεταφοράς και τη γή αντίστοιχα. 58

59 Εντούτοις, επειδή η απόσταση διάσπασης υπό αυτή την τάση εξαρτάται από τη γεωμετρία του διακένου, η απόσταση διάσπασης ως προς τη γη rsg είναι αναγκαίο να λαμβάνεται διαφορετική από την απόσταση διάσπασης ως προς τους αγωγούς φάσεων και τους αγωγούς προστασίας rs. Οι δύο αυτές αποστάσεις διάσπασης συνδέονται μεταξύ τους με την εξής σχέση: όπου το κsg είναι μία σταθερά, η οποία κυμαίνεται από 0.65 για γραμμές υπερύψηλης τάσης μέχρι 1 για γραμμές χαμηλής τάσης. Η παραπάνω σχέση μπορεί να θεωρηθεί ανάλογη με τη σχέση καθορισμού του συντελεστή διακένου. Στην εικόνα που ακολουθεί έχει σχεδιαστεί για κsg=1. 59

60 Εικ.4.4:Τοποθέτηση του αγωγού προστασίας με βάση την απόσταση διάσπασης.[10] Από το παραπάνω σχεδιάγραμμα είναι δυνατό να συμπεράνουμε πως όσο η απόσταση διάσπασης rs αυξάνεται, τόσο μειώνεται το εκτεθειμένο περίγραμμα ΒΓ, μέσω του οποίου ένας κεραυνός είναι σε θέση να πλήξει τον αγωγό φάσης της γραμμής, για κάποια συγκεκριμένη θέση του αγωγού προστασίας. Τελικά, πέραν μίας ορισμένης τιμής της rs, η οποία συμβαίνει για κεραυνούς με φορτία μεγαλύτερα από μία ορισμένη τιμή, το περίγραμμα ΒΓ μηδενίζεται. Εξαιτίας του γεγονότος ότι το φορτίο του κεραυνού σχετίζεται άμεσα με την ένταση του ρεύματος I0, θα πρέπει αυτά τα δύο μεγέθη να ορίζουν μία μαθηματική σχέση. Η σχέση αυτή είναι η ακόλουθη: rs=6.7*io

61 όπου η απόσταση διάσπασης rs μετριέται σε μέτρα και η ένταση του ρεύματος του κεραυνού I0 σε ka. Μία άλλη μαθηματική σχέση που έχει διατυπωθεί για τα δύο αυτά μεγέθη είναι η εξής: rs=8*io 0.65 Στην Εικ. 4.5 παρουσιάζονται κάποιες καμπύλες με διάφορες εκτιμήσεις της απόστασης διάσπασης για αρνητικό κατερχόμενο κεραυνό. Η πιο έγκυρη καμπύλη από αυτές θεωρείται η καμπύλη 3. Εικ. 4.5: Εξάρτηση της απόστασης διάσπασης από το εύρος ρεύματος αρνητικών κεραυνών. [10] 61

62 Χρησιμοποιώντας σαν παράδειγμα έναν κεραυνό έντασης ρεύματος I0=20kA, η καμπύλη νούμερο 3 μας δίνει μία απόσταση διάσπασης rs περίπου 68m, ενώ η πρώτη σχέση δίνει rs=73.6m και η δεύτερη rs=56m αντίστοιχα. Με βάση την παραπάνω θεωρία, κεραυνοί οι οποίοι έχουν ένταση ρεύματος I0 μεγαλύτερη από την τιμή για την οποία μηδενίζεται το εκτιθέμενο σε κεραυνικό πλήγμα περίγραμμα ΒΓ, δεν έχουν τη δυνατότητα να πλήξουν τους αγωγούς των φάσεων. Κεραυνοί, ωστόσο, με Ι0=Iμ, τέτοιοι ώστε: ½(Ι0*Ζ0)<Vμ όπου Vμ είναι η τάση μόνωσης της γραμμής μεταφοράς και Z0 η κυματική της αντίσταση, είναι ακίνδυνοι για την γραμμή μεταφοράς ακόμα και αν πλήξουν τον αγωγό μιας φάσης της γραμμής. Η απόσταση διάσπασης rsc, η οποία αντιστοιχεί στο Ιμ καλείται κρίσιμη απόσταση διάσπασης. Βραχυκυκλώματα από κεραυνούς, τα οποία οφείλονται σε ατελή θωράκιση της γραμμής μεταφοράς, μπορούν να συμβούν σε μία γραμμή μόνο για τιμές της έντασης του ρεύματος Ι0 του κεραυνού, οι οποίες βρίσκονται μεταξύ δύο ορίων τα οποία ορίζονται με τους παραπάνω συλλογισμούς. Μελετώντας το παραπάνω σχεδιάγραμμα, φαίνεται πως η μέγιστη γωνία θ, την οποία πρέπει να σχηματίζει ο αγωγός προστασίας με τον αγωγό φάσης, μικραίνει όσο αυξάνεται το ύψος του πύργου. Βασιζόμενοι σε αυτή τη θεωρία, δεν είναι σωστό να καθορίζεται η θέση τοποθέτησης του αγωγού προστασίας με βάση τη γωνία θs και η επικρατούσα πεποίθηση ότι μία γωνία θs=30 εξασφαλίζει αποτελεσματική προστασία από κεραυνούς, δεν είναι πλήρως αποδεκτή. 62

63 Στην Εικ. 4.6 γίνεται φανερή η γεωμετρική σχέση, η οποία ισχύει ανάμεσα στη γωνία προστασίας θs και στα υπόλοιπα χαρακτηριστικά της γραμμής. Εικ.4.6: Γεωμετρικές σχέσεις για την έκφραση της γωνίας προστασίας θs. [10] Τα H και Υ, αναπαριστούν αντίστοιχα τα μέσα ύψη των αγωγών προστασίας και των αγωγών φάσεων, το C τη μέση απόσταση ανάμεσα σε έναν αγωγό προστασίας και τον αγωγό της φάσης, τον οποίο υποτίθεται πως προστατεύει από τα κεραυνικά πλήγματα. Τα rs και rsg αντιπροσωπεύουν την απόσταση διάσπασης προς τους αγωγούς προστασίας και φάσεων της γραμμής μεταφοράς και τη γή αντίστοιχα. Ανάμεσα στο εκτιθέμενο τόξο θ και στα υπόλοιπα στοιχεία που παρατίθενται στο παραπάνω σχήμα, ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις: 63

64 θ=θ1-θ2 θ1=θs+β=θs+arcsin(c /2rs) θ2=arcsin[(rsg-y )/rs] και με αντικατάσταση έχουμε: θ=θs + arcsin(c /2rs) arcsin[ (rsg y )/rs ] Η γραμμή μεταφοράς είναι τέλεια προστατευμένη αν ισχύει ότι θ=0, κάτι το οποίο συμβαίνει για την κρίσιμη τιμή της απόστασης διάσπασης rsc. Έτσι ισχύει: θsc=arcsin[(rsg -y )/rsc] arcsin(c /2rsc ) και εάν υποθέσουμε ότι οι αποστάσεις διάσπασης rs και rsg είναι μεταξύ τους ίσες, έχουμε: θsc=arcsin(1 - y /rsc) arcsin(c /2rsc ) Με βάση την τελευταία εξίσωση χαράζονται οι καμπύλες, οι οποίες παρουσιάζονται στην Εικ. 4.7 και δίνουν την κρίσιμη γωνία θsc συναρτήσει του λόγου του μέσου ύψους y του αγωγού φάσεως προς την κρίσιμη απόσταση διάσπασης rsc, η οποία αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ένταση ρεύματος του κεραυνού. 64

65 Εικ.4.7: Η κρίσιμη γωνία θsc συναρτήσει του λόγου y /rsc. Για την περάτωση του σχεδιασμού των καμπυλών αυτών, έγινε η παραδοχή ότι η απόσταση διάσπασης για τους αγωγούς φάσης και τους αγωγούς προστασίας rs έχει το ίδιο μέγεθος με την απόσταση διάσπασης για το έδαφος rsg. Θα εξετάσουμε το ακόλουθο παράδειγμα, ώστε να γίνει πιο κατανοητή η κατάσταση η οποία περιγράψαμε. Έστω ότι έχουμε μία γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία έχει τα εξής χαρακτηριστικά: 65

66 y =25m c =15m Έχουμε επιπλέον έναν κεραυνό, ο οποίος με τη σειρά του θα έχει ως κρίσιμη απόσταση διάσπασης rsc=100m. Ισχύει λοιπόν: y / rsc =0.25m c / rsc =0.15m Αναζητώντας την κρίσιμη γωνία στις καμπύλες που έχουν παρατεθεί, θα βρούμε ότι: θsc=46 Εάν τώρα θεωρήσουμε έναν πιο ασθενή κεραυνό, για τον οποίο η κρίσιμη απόσταση διάσπασης θα είναι rsc=50m, τότε αντίστοιχα με τα προηγούμενα θα ισχύει: y / rsc =0.5m c / rsc =0.3m Αναζητώντας αντίστοιχα την κρίσιμη γωνία στις καμπύλες της εικόνας 4.7, θα βρούμε ότι: θsc=28 66

67 Άρα, τα αποτελέσματα του προηγούμενου παραδείγματος συμφωνούν με την παρατήρηση ότι για κάποια ορισμένη γραμμή μεταφοράς, η πιθανότητα να συμβούν σφάλματα θωράκισης είναι μεγαλύτερη για ασθενέστερους κεραυνούς. Άλλωστε, από τις καμπύλες παρατηρούμε πως κάτω από ορισμένες συνθήκες μπορεί να απαιτείται ακόμα και αρνητική γωνία προστασίας για την κατάλληλη προστασία της γραμμής μεταφοράς. Έχοντας ως βάση την παραπάνω μέθοδο και κάποια επιπλέον δεδομένα, ο ερευνητής Whitehead παρήγαγε τις καμπύλες οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω και δίνουν τον αριθμό των αναμενόμενων βραχυκυκλωμάτων n της γραμμής μεταφοράς από σφάλματα θωράκισης ως συναρτήσει της γωνίας θs καθώς και της στάθμης μόνωσης BIL της υπό μελέτης γραμμής μεταφοράς για συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων ως προς τη γη Ng=4 ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά έτος. Επίσης, παρήγαγε τις καμπύλες και για δύο διαφορετικές γραμμές μεταφοράς, οι οποίες δεν έχουν τα ίδια μέσα ύψη και έχουν η μεν πρώτη μέσο ύψος H =23m, η δε δεύτερη έχει μέσο ύψος H =30m. Παρουσιάζεται ένα σχεδιάγραμμα το οποίο και δείχνειι κάποιες καμπύλες για την εκτίμηση των πιθανών βραχυκυκλωμάτων από τα σφάλματα θωράκισης της γραμμής. 67

68 Εικ.4.8: Καμπύλες για την εκτίμηση πιθανών βραχυκυκλωμάτων γραμμής από σφάλματα θωράκισης. [10] 68

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ATP-EMTP 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα διπλωµατική εργασία επιλέχθηκε το ATP-EMTP (Alternative Transients Program ElectroMagnetic Transients Programs). Οι λόγοι για την επιλογή του ήταν οι ακόλουθοι: Αποτελεί το πλέον εξειδικευµένο όργανο µελέτης φαινοµένων πάνω σε εγκαταστάσεις ηλεκτροµηχανικής µετατροπής, µεταφοράς και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Κατασκευάστηκε αποκλειστικά για την συγκεκριµένη χρήση και µπορεί να εξοµοιώσει µε την µέγιστη δυνατή, για τα σύγχρονα δεδοµένα, λεπτοµέρεια πολύπλοκα συστήµατα ενέργειας. Είναι άµεσα διαθέσιµο μέσω του διαδικτύου και προσφέρει ελέυθερα τόσο το εγχειρίδιο λειτουργίας του όσο και άµεση υποστήριξη. 69

70 5.2 ΟΙ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ATP-EMTP Είναι το πιο ευρέως χρησιµοποιούµενο πρόγραµµα ψηφιακής προσοµείωσης ηλεκτροµαγνητικών φαινοµένων για συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας, διαθέτοντας µεγάλες δυνατόττηες µοντελοποίησης. Το πρόγραµµα αναπτύχθηκε µε σκοπό την προσοµείωση ηλεκτρικών κυκλωµάτων, συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας και εξοπλισµού. Ο πυρήνας του προγράµµατος αποτελείται από έναν µεταφραστή (compiler) που µεταφράζει τα κατάλληλα γραµµένα αρχεία εισόδου σε αρχεία εξόδου αποτελεσµάτων. Ο µεταφραστής υποστηρίζεται από άλλες εφαρµογές που χρησιµεύουν στη διαδικασία κατασκευής των αρχείων εισόδου ή στην επεξεργασία των αρχείων εξόδου. Το ATP αναλύει το σύστηµα που θα του δοθεί στο πεδίο του χρόνου, αναλύοντας τις διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων που απαρτίζουν το κύκλωµα ή το ηλεκτρικό δίκτυο. Οι διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων λύνονται αριθµητικά από τον πυρήνα του προγράµµατος. Η ανάλυση του κυκλώµατος µε επίλυση διαφορικών εξισώσεων δίνει στο πρόγραµµα τη δυνατότητα να υπολογίζει όλα τα µεταβατικά φαινόµενα που θα εµφανιστούν σε αυτό. Βέβαια το ATP-EMTP µπορεί να χρησιµοποιηθεί και για την ανάλυση κυκλωµάτων στη µόνιµη κατάσταση λειτουργίας. [13] 70

71 Εικ.5.1 : Εικονική παρουσίαση των επιµέρους συστηµάτων του ATP-EMTP. [12] Με βάση το διάγραµµα του Σχήµατος 5.1 µπορεί να γίνει επεξήγηση των επιµέρους συστηµάτων. 71

72 5.2.1 MODELS Είναι γλώσσα γενικής χρήσης που υποστηρίζεται από πληθώρα εργαλείων εξοµοίωσης για την αναπαράσταση και µελέτη χρονικά µεταβαλλόµενων συστηµάτων. Η περιγραφή του κάθε μοντέλου έχει γίνει σε ανοικτό κώδικα με τεράστια τεκμηρίωση. Επιτρέπουν την περιγραφή εξειδικευµένων στοιχείων ηλεκτρικών κυκλωµάτων παρέχοντας µία απλοποιηµένη διεπαφή για τη σύνδεση άλλων προγραµµάτων µοντέλων στο ATP. Μπορούν να χρησιµοποιηθούν για αναλύσεις, είτε στο πεδίο της συχνότητας, είτε στο πεδίο του χρόνου TACS Χρησιµοποιείται στην ανάλυση συστηµάτων ελέγχου στο χρόνο. Αρχικά κατασκευάστηκε για την εξοµοίωση των ελεγκτών των συστηµάτων HVDC (High Voltage Direct Current). Γενικά τα TACS µπορούν να αναλύσουν: Ελεγκτές για HVDC Διέγερση Σύγχρονων Μηχανών Ηλεκτρονικά Ισχύος και Μηχανές Ηλεκτρικά τόξα σε διακόπτες και γραµµές Η διεπαφή µεταξύ των TACS και του ηλεκτρικού δικτύου επιτυγχάνεται µε την ανταλλαγή σηµάτων όπως τάση κόµβου, ρεύµα διακόπτη, κατάσταση διακόπτη, µεταβαλλόµενη µε το χρόνο αντίσταση, τάση και ρεύµα. 72

73 5.2.3 ΥΠΟΣΤΗΡΙΚΤΙΚΕΣ ΡΟΥΤΙΝΕΣ LINE CONSTANTS: Υποστηρικτική ρουτίνα για τον υπολογισµό ηλεκτρικών στοιχείων γραµµών µεταφοράς στο πεδίο συχνότητας, όπως ο πίνακας των ανά µήκος επαγωγών και χωρητικοτήτων και το π- ισοδύναµο. Η LINE CONSTANTS καλείται εσωτερικά για την παραγωγή δεδοµένων για τα µοντέλα SEMLYEN SETUP, JMARTI SETUP και NODA SETUP. CABLE CONSTANTS/CABLE PARAMETERS: Είναι ρουτίνες υποστήριξης για τον υπολογισµό παραµέτρων καλωδίων ισχύος. Το CABLE PARAMETERS είναι νεότερο από το CABLE CONSTANTS και έχει περισσότερες δυνατότητες. Το CABLE CONSTANTS είναι συνδεδεµένο µε το SEMLYEN SETUP και το JMARTI SETUP, ενώ το CABLE PARAMETERS µε το NODA SETUP για τη δηµιουργία των εξαρτώµενων, από τη συχνότητα, ηλεκτρικών παραµέτρων. SEMLYEN SETUP: Είναι ρουτίνα που χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία µοντέλων εξαρτώµενων από τη συχνότητα για γραµµές µεταφοράς και καλώδια. BCTRAN: Είναι ένα ολοκληρωµένο πρόγραµµα υποστήριξης για το ATP EMTP. Χρησιµοποιείται για την εξαγωγή γραµµικών [R], [ωl] πινάκων στοιχείων των µετασχηµατιστών που προκύπτουν από δοκιµές ανοιχτοκύκλωσης και βραχυκύκλωσης στην ονοµαστική συχνότητα. XFORMER: Έχει παρόµοια χρήσηµε το BCTRAN. Προτείνεται η χρήση του BCTRAN. SATURA: Είναι ρουτίνα για την αναπαράσταση φαινοµένων κορεσµού σε µη γραµµικές επαγωγές. Χρησιµοποιείται π.χ. στο µοντέλο Saturable 3-Phase Transformer. ZNO FILTER: Χρησιµοποιείται για τη µοντελοποίηση οξειδίων ψευδαργύρου επαγωγών υπερτάσεων, βασιζόµενο στα δεδοµένα των κατασκευαστών. 73

74 DATA BASE MODULE: Επιτρέπει στο χρήστη να µοντελοποιήσει µέρη του ηλεκτρικού δικτύου. Κάθε µοντέλο µπορεί να περιέχει πολλά διαφορετικά στοιχεία. Κάποια στοιχεία όπως ονόµατα κόµβων και αριθµητικά στοιχεία µπορούν να έχουν τυποποιηµένες τιµές και µε αυτόν τον τρόπο µπορούν να υπολογιστούν οι παράµετροι µε µεγαλύτερη ευκολία. 5.3 ΤΟ ATP DRAW To ATP Draw είναι µία εφαρµογή που λειτουργεί σε γραφικό περιβάλλον, αποτελεί προ επεξεργαστή της εφαρµογής ATP-EMTP και δηµιουργεί αρχεία της µορφής*.atp. Με το ATP Draw ο χρήστης µπορεί να σχεδιάσει το ψηφιακό µοντέλο του κυκλώµατος/δικτύου που θέλει να προσοµειώσει, χρησιµοποιώντας µία εκτεταµένη παλέτα στοιχείων. Το ATP Draw δηµιουργεί λοιπόν το εισαγόµενο στο ATP- EMTP αρχείο, *.atp. Ως εφαρµογή που βασίζεται στα Windows προσφέρει συνηθισµένες επιλογές που συναντώνται σε αντίστοιχες εφαρµογές: Διάταξη µενού, βοήθεια, ενσωµατωµένο επεξεργαστή για ATP-File, αντιγραφή/επικόλληση, περιστροφή, εισαγωγή/εξαγωγή για τα στοιχεία των κυκλωµάτων, υποστήριξη του Windows clipboard, εξαγωγή metafile, κ.α. 74

75 Εικ.5.2 : Γραφικό περιβάλλον ATP Draw. Το ATP Draw περιλαµβάνει ένα µεγάλο αριθµό από ορισµένα (predefined) στοιχεία. Συνοπτικά οι κατηγορίες είναι: Branch Linear (Γραµµικά Στοιχεία), Branch Non Linear (Μη Γραµµικά Στοιχεία), Line Lumped (Γραµµές Συγκεντρωµένων Παραµέτρων), Line Distibuted (Γραµµές Κατανεµηµένων Παραµέτρων), Switches (Διακόπτες), Sources(Πηγές),Machines (Μηχανές), Transformers (Μετασχηµατιστές). Στα γραµµικά στοιχεία περιλαµβάνονται ο γραµµικός αντιστάτης, ο γραµµικός επαγωγός, ο γραµµικός πυκνωτής καθώς και συνδυασµοί αυτών για µονοφασικά ή τριφασικά κυκλώµατα. Ειδικά για τριφασικά κυκλώµατα υπάρχουν φορτία RLC είτε σε Τρίγωνο Δ, είτε σε Αστέρα Υ. Στα µη γραµµικά στοιχεία περιλαµβάνονται ο µη γραµµικός αντιστάτης που εξαρτάται από το ρεύµα R(i), ο µη γραµµικός επαγωγός που εξαρτάται από το ρεύµα L(i) και ο µη γραµµικός αντιστάτης που εξαρτάται από το χρόνο R(t). 75

76 Υπάρχουν αρκετά µοντέλα σε κάθε περίπτωση, που είναι κατάλληλα ανάλογα µε το είδος και τη φύση της ανάλυσης. Για καλύτερη χρήση των µοντέλων µπορεί να συµβουλευτεί κανείς είτε το ATP Manual είτε το Help κάθε µοντέλου µέσα από το ATP Draw. Οι γραµµές συγκεντρωµένων µοντέλων περιλαµβάνουν µοντέλα γραµµών για την ανάλυσή τους ως συγκεντρωµένα κυκλώµατα, π.χ. ισοδύναµο-π µοντέλο, ενώ οι γραµµές κατανεµηµένων παραµέτρων περιλαµβάνουν µοντέλα για ανάλυση των γραµµών ως κατανεµηµένα κυκλώµατα χωρίς κάποιο ισοδύναµο, π.χ. µοντέλο Clarke, KCLee κ.α. Οι διακόπτες περιλαµβάνουν διάφορα είδη, όπως διακόπτη εξαρτώµενο από το χρόνο, δίοδο, στατιστικό ή συστηµατικό διακόπτη κ.α. Οι πηγές περιλαµβάνουν είδη πηγών όπως συνεχείς, εναλλασσόµενες, κρουστικές, ράµπας κλπ για µονοφασικά αλλά και για τριφασικά συστήµατα. Υπάρχουν διάφορα είδη ηλεκτρικών µηχανών και µετασχηµατιστών. Μερικά είδη µετασχηµατιστών είναι ιδανικοί, µη ιδανικοί, µε απώλειες, κλπ. To Probes & 3Phase περιλαµβάνει τα Probe καθώς και στοιχεία για την τριφασική περιγραφή των κυκλωµάτων, όπως δυνατότητα split ή transpose των γραµµών ή δυνατότητα περιγραφής ακολουθίας. Από τα ίδια µενού δίνεται πρόσβαση στα µοντέλα MODELS, στα TACS, στα στοιχεία που ορίζονται από το χρήστη και στα µοντέλα για γραµµές µεταφοράς ή καλώδια(line/cable). To ATP Draw υποστηρίζει τους ακόλουθους τύπους αρχείων:.atp atp αρχείο. Αρχείο που παράγεται από το ATP Draw και µεταφράζεται απευθείας από το ATP EMTP..adp project αρχείο. Αρχείο που περιέχει την περιγραφή του κυκλώµατος και όλα τα εξωτερικά οριζόµενα στοιχεία αυτού, όπως model, user specified, line/cable data και lib αρχεία. Μαζί µε αυτό το αρχείο ανοίγουν και τα υπόλοιπα εξωτερικά αρχεία που αφορούν το συγκεκριµένο κύκλωµα ούτως ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία του..sup support αρχείο. Περιλαµβάνει πληροφορίες για κάθε στοιχείο ξεχωριστά, όπως αριθµό συνδέσεων, εικονίδιο, κείµενο βοήθειας..mod,.lib model, user specified αρχείο. Αρχεία που περιέχουν πληροφορίες για τα MODEL ή τα user specified στοιχεία. 76

77 5.4 ΤΟ ATP-CONTROL CENTER To ATP Control Center (ATPCC) είναι ένα εύχρηστο εργαλείο για τη διαχείριση των διάφορων προγραµµάτων του ATP EMTP. To ATPCC υποστηρίζει τις εφαρµογές ATP Draw, PCPlot και οποιοδήποτε πρόγραµµα σχετικό µε το ATP EMTP που τρέχει σε περιβάλλον Windows. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι: Ταυτόχρονη δυνατότητα χρήσης δύο διαφορετικών εκδόσεων ATP. Δυνατότητα χρήσης του επιθυµητού για τον χρήστη editor. Πάνω από δέκα εξωτερικά προγράµµατα µπορούν να συνδεθούν µε το ATPCC. Παράθυρο γεγονότων (event window) που εµφανίζει τις ήδη εκτελεσµένες εντολές. Επανεκτέλεση των εντολών από το παράθυρο γεγονότων. Εικ.5.3 : Διάγραµµα επικοινωνίας ATPCC µε τις υπόλοιπες εφαρµογές. 77

78 5.5 ΤΟ PCPLOT Το PCPlot είναι πρόγραµµα σχεδιασµού κυµατοµορφών γραφικών παραστάσεων. Επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου του ATP EMTP *.pl4 και σχεδιάζει αντιστοίχως τις γραφικές παραστάσεις. Τα αρχεία τηςµορφής *.pl4 προκύπτουν ως έξοδοι από τις εκδόσεις του ATP EMTP: Salford, Watcom και GNU/Mingw32. [14] Βασικά χαρακτηριστικά του είναι: Διαθέτει µέγιστο όριο επεξεργασίας σχεδιασµού 6 µεταβλητών. Δίνει δυνατότητα επιλογής χρωµάτων από παλέτα. Επιλογή µεγέθυνσης. Δυνατότητες αντιγραφής, επικόλλησης και αποθήκευσης ως.bmp αρχείο εικόνας. 5.6 ΤΟ PLOTXY To PlotXY είναι επίσης πρόγραµµα σχεδιασµού κυµατοµορφώνγραφικών παραστάσεων. Επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου ATP EMTP τηςµορφής*.pl4 και σχεδιάζει αντιστοίχως τις γραφικές παραστάσεις. Η εφαρµογή δηµιουργήθηκε αρχικά για επεξεργασία αρχείων του ATP EMTP, υποστηρίζει όµως και αρχεία ASCII data. Βασικά χαρακτηριστικά του είναι: Εύκολο στη χρήση Graphical User Interface (GUI). Μέγιστο όριο επεξεργασίας σχεδιασµού 6 µεταβλητών. Σχεδιασµός από 3 αρχεία στο ίδιο φύλλο. Σχεδιασµός ως προς χρόνο ή µε Χ Υ προεπιλεγµένους άξονες. Δυνατότητα επιλογής χρωµάτων. Επιλογή µεγέθυνσης. Δυνατότητες αντιγραφής, επικόλλησης και αποθήκευσης ως.bmp αρχείο εικόνας. 78

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ATP-EMTP 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την εξομοίωση εναέριων γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης θα χρησιμοποιηθεί το μοντέλο LCC που είναι ενσωματωμένο στο ATPDraw. Είναι το πλέον κατάλληλο μοντέλο του προγράμματος για εξομοίωση οποιουδήποτε είδους εναέριας γραμμής μεταφοράς. Παρέχει τη δυνατότητα τοποθέτησης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της γραμμής με σημείο αναφοράς το έδαφος, καθώς και των χαρακτηριστικών στοιχείων των καλωδίων, όπως αντίσταση ανά μονάδα μήκους, με αυτόματο υπολογισμό των αντίστοιχων μητρών των διαφορικών συστημάτων των εξισώσεων της γραμμής. Το μοντέλο LCC μας παρέχει τη δυνατότητα να επιλέξουμε ανάμεσα σε διάφορες μεθόδους επίλυσης των εξισώσεων της γραμμής, όπως Bergeron, JMarti, Noda. Στην παρούσα εξομοίωση θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος JMarti.[16] 79

80 Εικ.6.1: Το μοντέλο LCC και η πρώτη καρτέλα δεδομένων. 6.2 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΠΥΛΩΝΕΣ Το δίκτυο που θα μελετήσουμε και παράλληλα θα εξομοιώσουμε, αποτελείται από εναέριες γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης 400kV με οριζόντιους πυλώνες. Οι πυλώνες αυτοί φέρουν ένα τριφασικό κύκλωμα. Επιπλέον, υπάρχουν τρείς αγωγοί ανά φάση. Επίσης, ο πυλώνας φέρει στην κορυφή του δύο αγωγούς προστασίας. 80

81 βέλος 7,1m 8,5m 12,0m 8,5m y x Εικ.6.2:Πύργος S7,400 kv, οριζόντια διάταξη.[9] 81

82 Για τη μοντελοποίηση του πυλώνα ξεκινάμε με την παραδοχή ότι ο πυλώνας μπορεί να αναπαρασταθεί από μία ωμική αντίσταση συνδεδεμένη σε σειρά με μία παράλληλη σύνδεση ωμικής αντίστασης και αυτεπαγωγής. Η διάταξη αυτή επαναλαμβάνεται δύο φορές, μία φορά για τις τρείς φάσεις της γραμμής μεταφοράς και μία φορά ακόμα για τον αγωγούς προστασίας, παράλληλα σε αυτήν τη διάταξη προσθέτουμε και έναν πυκνωτή. Στη βάση του πύργου τοποθετούμε μία αντίσταση που καταλήγει σε γείωση. Το αντίστοιχο μοντέλο του πύργου φαίνεται παρακάτω [17],[18]. Εικ.6.3: Μοντέλο πύργου στο ATP-EMTP. Όσων αφορά τις τιμές των παραμέτρων, ισχύει Zt1 =220Ω και Zt4=150Ω, για γραμμή 400KV. Για τους παράλληλους συνδυασμούς R-L, ισχύει για την πρώτη διάταξη R1=51.269Ω και L1=9.48μH, για τη δεύτερη διάταξη R4=26.01Ω και L4=4.81μH. Τέλος, η τιμή της αντίστασης γείωσης στη βάση του πύργου είναι Rf=10Ω και ο πυκνωτής Cτ1= μF. [18] 82

83 Για τον υπολογισμό των ανωτέρω μεγεθών, χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθοι τύποι: Ri=ΔRi * xi Li=2*τ*Ri ΔR1=2Zt1/(h-x4) * ln(1/α1) ΔR4=2zt4/h * ln(1/α4) όπου: τ=h/c0 είναι ο χρόνος «ταξιδιού» του κύματος κατά μήκος του πυλώνα, α1=α4=0.89 είναι οι συντελεστές εξασθένισης του κύματος κατά την διάδοσή του στον πυλώνα, h=27.75m το ύψος του πυλώνα, x1=7.10m (απόσταση αγωγών φάσης με αγωγούς προστασίας), x4=20.65m (απόσταση αγωγών φάσης από έδαφος) και c0=300m/μs η ταχύτητα του φωτός στον κενό χώρο. Επίσης, για τον υπολογισμό της χωρητικότητας που αποτελεί την χωρητικότητα της κορυφής του πυλώνα, χρησιμοποιούνται οι σχέσεις: CT1=τT/ZT1, όπου ττ=2 hολικό/vt και VT=276 m/μs, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Noda για την φαινόμενη ταχύτητα διάδοσης του κύματος του ρεύματος. [17] Εκτός από τα χαρακτηριστικά των πυλώνων, είναι απαραίτητα τα στοιχεία των αγωγών φάσεως αλλά και προστασίας που θα χρησιμοποιηθούν. 83

84 Εικ 6.4: Χαρακτηριστικά αγωγών φάσεως και προστασίας.[9] Αφού γίνει η εισαγωγή των παραμέτρων στο LCC μοντέλο, παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα τα χαρακτηριστικά της γραμμής μεταφοράς, τα στοιχεία των πυλώνων που χρησιμοποιήθηκαν, όπως επίσης και οι γεωμετρικές εικονικές τοποθετήσεις των αγωγών που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση με το πρόγραμμα ATP- EMTP. 84

85 Εικ. 6.5: Μοντέλο εναέριας γραμμής μεταφοράς. 85

86 Εικ. 6.6: Παράμετροι εναέριας γραμμής μεταφοράς και πυλώνων. 86

87 Εικ. 6.7: Γεωμετρική απεικόνιση αγωγών φάσεως και προστασίας. 87

88 Στην διπλωματική αυτή χρησιμοποιήθηκαν 10 τέτοια αρχεία LCC, μήκους 500m το καθένα, εξομοιώνοντας μια γραμμή μεταφοράς συνολικού μήκους 5km. Το αριστερό άκρο της όλης διάταξης θεωρήθηκε η αρχή της γραμμής μεταφοράς, οπότε εκεί έγινε και η τοποθέτηση της πηγής τάσης που την τροφοδοτεί. Έγινε χρήση μίας τριφασικής πηγής εναλλασσόμενης τάσης των 400kV και 50Hz. Η πηγή αυτή θεωρείται άπειρος ζυγός, οπότε έχει χρόνο έναρξης της λειτουργίας της -1s (θεωρώντας ως χρόνο έναρξης του φαινομένου την στιγμή t=0s, η πηγή τάσης δηλαδή λειτουργεί από πιο πριν, συγκεκριμένα από την στιγμή t=-1s) και λήξης 100s, που είναι κατά πολύ μεγαλύτερος (εκατομμύρια φορές) από τον χρόνο περαίωσης του υπό μελέτη φαινομένου. Επίσης η πηγή έχει αρχική γωνία φάσης 0, και είναι γειωμένη. Το αριστερό άκρο της γραμμής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Εικ.6.8: Πηγή τάσης που τροφοδοτεί την γραμμή μεταφοράς (άπειρος ζυγός). 88

89 Αντίθετα, στο δεξί άκρο της διάταξης βρίσκεται το πέρας της γραμμής μεταφοράς των 5km. Εκεί, κάτω από συνθήκες φόρτισης εναλλασσόμενου ρεύματος, οι αγωγοί φάσης της γραμμής μεταφοράς τερματίζονται σε κατάλληλα υπολογισμένες εμπεδήσεις προσαρμογής οι οποίες υπολογίστηκαν από τον γνωστό τύπο [15]: Z0=60ln(2h/r0) Που αναπαριστά μια ευθεία κυλινδρική γραμμή ακτίνας r0, σε ύψος h πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο επίπεδο γής. Εδώ είναι απαραίτητο να γίνει μια μικρή παρένθεση και να αναφερθεί πως, ως ύψος h θεωρούμε το μέσο ύψος των καλωδίων και όχι το αρχικό ύψος τοποθέτησής τους πάνω στους πυλώνες. Με αυτό τον τρόπο προσεγγίζουμε καλύτερα τη μέση τιμή του ύψους του κάθε καλωδίου, καθώς το μέγεθος αυτό δεν είναι σταθερό κατά μήκος της διάταξης. Στην πραγματικότητα, το ύψος αυτό μεταβάλλεται από την μέγιστη τιμή του στο σημείο στερέωσης πάνω στους πυλώνες έως την ελάχιστη τιμή του στο μέσον της απόστασης μεταξύ δύο πυλώνων (midspan). Μάλιστα το ύψος αυτό δεν είναι πάντοτε το ίδιο, καθώς σε πραγματικές γραμμές μεταφοράς η απόσταση μεταξύ διαδοχικών πυλώνων μπορεί να διαφέρει σε κάποιο βαθμό εξαιτίας κατασκευαστικών δυσκολιών, μορφολογίας του εδάφους, κλπ. Για τον υπολογισμό του μέσου ύψους χρησιμοποιήθηκε ο τύπος: h=ho-2/3* βέλος κάμψης Το βέλος κάμψης είναι 10.8m και r0= cm. Άρα: z1=z2=z3=448,75. 89

90 Έτσι, το δεξιό άκρο της γραμμής μεταφοράς, που θεωρήθηκε και το πέρας της, κατά την ενσωμάτωσή του στο πρόγραμμα ATP-Draw του EMTP είχε την ακόλουθη μορφή: Εικ 6.9: Εμπεδήσεις Προσαρμογής στο δεξί άκρο της γραμμής μεταφοράς (σημείο τερματισμού). 90

91 6.3 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο κεραυνός που προκαλεί υπέρταση σε μια γραμμή μεταφοράς ανήκει σε διαφορετική κατηγορία απ ότι έχουμε δεί. Ο τρόπος δημιουργίας του και το τι συμβαίνει στο σημείο που πλήττει, είναι ξεχωριστή ενότητα μελέτης. Οι κεραυνικές υπερτάσεις διαφέρουν γιατί η αιτία δημιουργίας τους δεν οφείλεται στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Η ένταση και η μορφή που θα έχει εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Επίσης, έχει σημασία αν είναι άμεσο ή έμμεσο το πλήγμα και το εύρος που μόνο πιθανοτικά μπορεί να προβλεφθεί. Αυτό που μπορεί να γίνει για να μελετηθεί το φαινόμενο, είναι να υποτεθεί η μορφή και το εύρος του κρουστικού ρεύματος κεραυνού. Για να υπάρχουν σωστά και χωρίς αποκλίσεις συμπεράσματα, θεωρείται μια τυπική μορφή κρουστικού ρεύματος στην οποία οι χρόνοι μετώπου/ουράς είναι 1,2μsec/50μsec. Το σύστημα έχει τροποποιηθεί κατάλληλα, ώστε να ταιριάζει με τις απαιτήσεις του προγράμματος και της εξομοίωσης. Το διάγραμμα του μοντέλου εξομοίωσης στο ATP-DRAW φαίνεται παρακάτω: 91

92 Εικ.6.10:Κύκλωμα εξομοίωσης κεραυνικών υπερτάσεων 92

93 Για την εξομοίωση του κεραυνικού πλήγματος πάνω στη γραμμή μεταφοράς Υ/Τ, χρησιμοποιήθηκε στο EMTP, μια από τις ήδη υπάρχουσες πηγές του ATP-Draw, που ονομάζεται πηγή Heidler type 15. Εικ.6.11:Γεννήτρια κρουστικού ρεύματος HEIDLER και η καρτέλα δεδομένων της. 93