Διπλωματική Εργασία ΚΟΥΡΑΚΛΗ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΚΟΥΡΑΚΛΗ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Αριθμός Μητρώου: 7533 Θέμα: ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Πάτρα: 2018

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΥΡΑΚΛΗ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Α.Μ.: 7533 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα : Η Διευθύντρια του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια 3

4 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κουράκλης Χαράλαμπος 2018 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Κουράκλη Χαράλαμπο και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. 4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω την επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας μου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια κα. Ελευθερία Πυργιώτη, για την άψογη συνεργασία, την καθοδήγησή της και την συμβολή της στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας. Πάνω απ όλα όμως θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, για την στήριξη και την εμπιστοσύνη τους καθ όλη τη διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. 5

6 6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΜΕΛΕΤΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Φοιτητής: ΚΟΥΡΑΚΛΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ Επιβλέπουσα: ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό την ανάλυση και εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσω γραμμών μέσης τάσης στην Βιομηχανική περιοχή της Πάτρας. Γίνεται αναλυτικός υπολογισμός των θεωρητικών σφαλμάτων που προκύπτουν από κεραυνικές εκκενώσεις και συγκρίνονται με τα πραγματικά καταγεγραμμένα σφάλματα. Τα σφάλματα αυτά έχουν καταγραφεί από την υπηρεσία του Διαχειριστή Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ). Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά του δικτύου διανομής, των αγωγών, των πυλώνων στήριξης και των μονωτήρων που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των σφαλμάτων που έχουμε σε γραμμές μεταφοράς λόγω κεραυνικών πληγμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά και η αρχή λειτουργίας του μετρητή κεραυνών του τμήματος, καθώς μέσω αυτού έγινε ο ανά έτος υπολογισμός της κεραυνικής πυκνότητας, ενός μεγέθους πολύ σημαντικού όπως θα δούμε. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η οδηγία ΙΕΕΕ η οποία αναφέρεται στην συμπεριφορά των εναέριων γραμμών σε κεραυνικά πλήγματα και βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση. Στα τελευταία δυο κεφάλαια γίνεται η παρουσίαση της μεθοδολογίας που ακολουθήσαμε για τον θεωρητικό υπολογισμό των πληγμάτων στη γραμμή R-BT 7

8 στην Βιομηχανική περιοχή της Πάτρας ανά έτος και η σύγκριση τους με τα πραγματικά, με χρήση διαγραμμάτων, καθώς και τα συμπεράσματα της μελέτης. 8

9 ABSTRACT This diploma thesis focuses on the lightning performance of electric power overhead distribution lines located at the industrial area of Patras. Full analysis of lighting faults to the distribution network takes place, while the number of lightning faults that are estimated, is compared to the real one, by using recorded data. Lightning faults to the distribution lines have been recorded by the Greek electricity company Διαχειριστή Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ). At the first chapter, takes place an in-depth presentation of the distribution network in Greece. At the second chapter, takes place a full analysis of the lightning performance of electric power overhead distribution lines. At the third chapter, the flash lighting counter and its working principle is described. Flash lightning counter is crucial at estimating the lighting consistency per year. The fourth chapter of the thesis describes the IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines. The main purpose is to present alternative solutions to reduce the number of flashovers caused by the lightning strike on overhead distribution lines. Specifically, we deal with the lightning performance of the overhead distribution lines during lightning (either direct strike or induced flashover), the insulation level of distribution lines, the protection of the distribution lines with a shield wire or arresters. The last two chapters, are based on analyzing the full progress of estimating the number of lightning faults per year and comparing them to the real, recorded ones as well as having a full diagram presentation and the conclusion of this diploma thesis. 9

10 10

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ (9,10) Βασικές απαιτήσεις μιας γραμμής μεταφοράς Δίκτυα μεταφοράς Χαρακτηριστικά μεγέθη μεταφερόμενης ενέργειας Βασικά στοιχεία των γραμμών μεταφοράς (9,10) Οι γραμμές μεταφοράς ενέργειας στην Ελλάδα (9,10) ΚΑΤΗΓΟΡΕΙΕΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΑΓΩΓΟΙ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [9,10] Αγωγοί από χαλκό Αγωγοί αλουμινίου Αγωγοί από αλουμίνιο-χάλυβα (ACSR) ΠΥΛΩΝΕΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ [9,10] ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ [9,10] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ [2,6,7,8] ΟΡΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ Εσωτερικές υπερτάσεις και υποκατηγορίες Εξωτερικές υπερτάσεις και υποκατηγορίες Διάγραμμα κατηγοριών των υπερτάσεων Χαρακτηριστικά και μοντελοποίηση κεραυνών ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ Ακίδες Αγωγός γης Απαγωγέας υπερτάσεων (αλεξικέραυνο) ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ -ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΡΟΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Ισοκεραυνικοί χάρτες [2]

12 3.2.2 Σχέση μεταξύ Τ και N g[2][3] ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Μετρητές κεραυνών (LFC) ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10 kηz Ενεργός ακτίνα δράσης [4][5] Εκτίμηση κεραυνικής πυκνότητας [4] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΕΥΡΩΠΑΙΚΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΟΔΗΓΙΑ Εισαγωγή Σκοπός και αναφορές Ορισμοί Παράμετροι κεραυνών Πτώση κεραυνών Κατανομές μέγιστου ρεύματος κεραυνών Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Πλήγματα κεραυνών σε εναέριες γραμμές Βραχυκύκλωμα από επαγόμενη τάση Επίπεδο μόνωσης γραμμών διανομής CFO τάση της συνδυασμένης μόνωσης Προσδιορισμός της CFO τάσης για κατασκευές με μονώσεις σειράς Τεχνικά ζητήματα Ικανότητα ξύλου για διακοπή του τόξου Προστασία γραμμών διανομής με προστατευτικούς αγωγούς Γωνία προστασίας Απαιτήσεις μόνωσης Αποτελεσματικότητα της γείωσης και επίπεδο μόνωσης Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Μήκος αγωγών σύνδεσης αλεξικέραυνων Βραχυκύκλωμα από άμεσα πλήγματα Υποδείγματα χρήσης οδηγού Υπόδειγμα 1 ο -Σχέδιο ξύλινου πυλώνα 15kV Υπόδειγμα 2 ο -Γραμμή διανομής 35kV με αγωγό προστασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ

13 5.2 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΤΕΤΡΑΕΤΙΑ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

14 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (9,10) Οι γραμμές μεταφοράς, οι υποσταθμοί και το τελικό σύστημα διανομής απαρτίζουν το βασικότερο στοιχείο για την μεταφορά της ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής της ενέργειάς στους καταναλωτές της, συνεπώς ο ρόλος τους είναι βασικός. Το σύστημα μεταφοράς της ενέργειας πληροί ορισμένες απαιτήσεις. Οι απαιτήσεις αυτές είναι: Συνεχές ισοζύγιο παραγωγής και ζήτησης ενεργού ισχύος, Συνεχές ισοζύγιο παραγωγής και ζήτησης άεργου ισχύος έτσι ώστε να διατηρούνται τα μέτρα τάσεως, Επίβλεψη των ροών ισχύος μέσω γραμμών και μετασχηματιστών έτσι ώστε να μην ξεπερνούν τα θερμικά όρια κάθε στοιχείου, Διατήρηση ευστάθειας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας ακόμη και όταν αφαιρεθεί κάποιο στοιχείο του, Σχεδιασμός και μελέτες για τη λειτουργία και ανάπτυξη του συστήματος Βασικές απαιτήσεις μιας γραμμής μεταφοράς Η ενέργεια, κατά τη μεταφορά και διανομή της οφείλει να διατηρεί σταθερή τάση και συχνότητα παρουσιάζοντας παράλληλα τις ελάχιστες δυνατές απώλειες. Κατά τη μεταφορά ενέργειας σε αποστάσεις μεγάλου μήκους, έχουμε πάνω στη γραμμή εμφάνιση πτώση τάσης που λόγω της σύνθετης αντίστασης της (ωµική, επαγωγική, χωρητική) και είναι ανάλογη της έντασης του ρεύματος, δηλαδή την μεταφερόμενη ισχύ. Η σύνθετη αυτή αντίσταση της γραμμής εξαρτάται από τον τρόπο που είναι κατασκευασμένη η γραμμή. 15

16 1.1.2 Δίκτυα μεταφοράς Το δίκτυο μεταφοράς αποτελείται από: το δίκτυο διανομής μέσης τάσης (20kV) το οποίο μεταφέρει την ενέργεια από τους υποσταθμούς μεταφοράς σε αυτούς της διανομής, το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης (220/380V) το οποίο μεταφέρει την ενέργεια από τους υποσταθμούς διανομής στους καταναλωτές Χαρακτηριστικά μεγέθη μεταφερόμενης ενέργειας Η ενέργεια που μεταφέρεται μπορεί να χαρακτηριστεί από την τάση και α π ό τη συχνότητα και η ισχύς καθορίζει την ένταση του ρεύματος που περνά από τη γραµµή. Μεταφέροντας της ενέργεια υπό χαμηλή ένταση, έχουμε οικονομικά οφέλη, καθώς χρησιμοποιούνται αγωγοί µμικρότερης διατομής, συνεπώς έχουμε οικονομία υλικού και χαμηλότερες απώλειες ισχύος λόγω του µμικρότερου ρεύματος. Οι τάσεις µμεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι τυποποιημένες. Η ΕΗ χρησιμοποιεί γραµµές 400 kv, 150 kv και σε πυκνοκατοικημένες περιοχές 66 kv. Στη διανομή έχουμε την τιμή των 20KV. Η συχνότητα είναι 50 ή 60 Hz Βασικά στοιχεία των γραμμών μεταφοράς (9,10) Πυλώνες ή πύργοι, στους οποίους στηρίζονται οι αγωγοί των γραμμών, Μονωτήρες, μέσω των οποίων αναρτώνται στους πυλώνες οι αγωγοί γραμμών και εξασφαλίζεται έτσι η μόνωσή τους με τη γη, Αγωγοί, οι οποίοι μεταφέρουν την ηλεκτρική ενέργεια και αποτελούνται κατά κύριο λόγο από χαλκό και αλουμίνιο, Οι μετασχηματιστές οι οποίοι μετασχηματίζουν την τάση στους 16

17 υποσταθμούς μεταφοράς και διανομής, Τα συστήματα ελέγχου, που παρακολουθούν τις τιμές των χαρακτηριστικών μεγεθών στις γραμμές και τις προστατεύουν από βλάβες λόγω προβλημάτων στην λειτουργία τους. Μια άλλη διαφοροποίηση στις γραμμές μεταφοράς γίνεται ανάλογα τη θέση τους (εναέριες, υπόγειες) Οι γραμμές μεταφοράς ενέργειας στην Ελλάδα (9,10) Τo σύστημα γραμμών μεταφοράς της ενέργειας συντίθεται τόσο από γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης, 150kV και 66kV, όσο και υπερύψηλής τάσης 400kV σύμφωνα με το Ελληνικό Σύστημα Παραγωγής-Μεταφοράς-Διανομής. ΟΙ γραμμές αυτές διαχωρίζονται σε ελαφρύ και βαρύ τύπου και σε μονού ή διπλού κυκλώματος. Σε περιοχές όπου η πρόσβαση είναι δύσκολη, όπως ορεινές τοποθεσίες για λόγους μικρότερου κόστους μεταφοράς, χρησιμοποιούνται γραμμές μεταφοράς διπλού κυκλώματος, στις οποίες δύο διαφορετικά κυκλώματα περνούν από κοινούς πυλώνες. Επίσης, οι γραμμές διανομής, τροφοδοτούν καταναλωτές μέσης τάσης, 20kV, και τους καταναλωτές χαμηλής τάσης 220/330V. Οι εναέριες γραμμές περνούν από μονωτήρες οι οποίοι βρίσκονται σε πυλώνες που αποτελούνται από χαλύβδινα στατικά δικτυώματα. Η απόσταση μεταξύ δύο πύργων σε σειρά, εξαρτάται από το κατακόρυφο βέλος του τόξου του αγωγού και μπορεί να κυμαίνεται από m. Οι γραμμές μεταφοράς των 150kV έχουν τάση αντοχής ίση με 750kV, ενώ η μέγιστη τάση αντοχής για τις γραμμές μεταφοράς των 400kV είναι τα 1425kV. 17

18 ΟΙ γραμμές αυτές μεταφέρουν μεγάλα ποσά ενέργειας. Για την αποφυγή λοιπόν ατυχημάτων, υπάρχουν οι εξής λύσεις: Χρήση εναέριων γραμμών, όπου δηλαδή οι γραμμές βρίσκονται σε ασφαλές ύψος Χρήση υπόγειων γραμμών, οι γραμμές βρίσκονται εντός του εδάφους Χρήση κατάλληλου περιβλήματος στους αγωγούς. 1.2 ΚΑΤΗΓΟΡΕΙΕΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΝΑΕΡΙΑ ΔΙΚΤΥΑ Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής είναι κυρίως εναέρια. Τα δίκτυα αυτά έχουν το εξής πλεονέκτημα. Σε περίπτωση βλάβης, ο εντοπισμός της γίνεται εύκολα και γρήγορα, αλλά μειονεκτούν καθώς είναι εκτεθειμένα σε καιρικά φαινόμενα. Οι μελλοντικοί καταναλωτές που θα μπορούν να διασυνδεθούν με ασφάλεια στο δίκτυο χωρίς να διαταράξουν την ισορροπία του καθιστούν τη μελέτη του δικτύου ακόμα πιο δύσκολη. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η όδευση, καθώς είναι απαραίτητη η εύκολη πρόσβαση στο δίκτυο σε περίπτωση βλάβης, αλλά και να μην εμπλέκεται με το δίκτυο μεταφοράς ή με πυκνοκατοικημένες περιοχές. Το πρόβλημα αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη υπόγειων δικτύων. ΥΠΟΓΕΙΑ ΔΙΚΤΥΑ Ενώ τα εναέρια δίκτυα θεωρούνται, κατά κανόνα, φθηνότερα και ευκολότερα στη συντήρηση, η εξέλιξη των υπόγειων καλωδίων και των κατασκευαστικών μεθόδων έχουν κάνει τα υπόγεια δίκτυα ανταγωνιστικά. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι το πολύ υψηλό κόστος τους, αλλά το αντισταθμίζει η ελάττωση των βλαβών, λόγω της προστασίας από εξωτερικούς παράγοντες. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι η ελαττωμένη δυνατότητα φόρτισής τους. Τα υπόγεια δίκτυα δημιουργούνται πάντοτε με μορφή βρόχου ώστε στην κατάσταση βλάβης, να έχει τροφοδοσία από άλλου, και ως εκ τούτου απομόνωση 18

19 του μικρότερου δυνατού μέρους. Έτσι λύνουμε άλλο ένα πρόβλημα των εναέριων δικτύων τα οποία είναι στην πλειοψηφία τους ακτινικά. Ένας άλλος τρόπος διαχωρισμού των γραμμών είναι σύμφωνα με το μήκους τους. Έτσι έχουμε: Οι γραμμές μικρού μήκους, κάτω των 40km. Οι γραμμές μεσαίου μήκους, μεταξύ των 40km και 150km. Οι γραμμές μεγάλου μήκους, άνω των 150km. 1.3 ΑΓΩΓΟΙ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [9,10] Οι αγωγοί διακρίνονται, ανάλογα µε την κατασκευή τους, σε µμονόκλωνους και σε πολύκλωνους. Οι πολύκλωνοι αγωγοί είναι ακριβότεροι αλλά χρησιμοποιούνται λόγω της µμεγαλύτερης λειτουργικότητας και της µμεγαλύτερης αντοχής τους. Οι πρώτοι αγωγοί σε εναερία συστήματα μεταφοράς, ήταν από χαλκό. Οι γραμμές αυτές αν και είχαν μεγάλο συντελεστή αγωγιμότητας, δεν ήταν αποτελεσματικές σε δίκτυα τα οποία είχαν μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των πυλώνων τους, λόγω της μεγάλης αναλογίας του βάρους ως προς την αντοχή. Ένα ακόμα μειονέκτημα ήταν η ακρίβεια τους όποτε τελικά αποσύρθηκαν. Αργότερα άρχισαν να χρησιμοποιούνται οι αγωγοί αλουμινίου οι οποίοι ήταν μικρότερης αγωγιμότητας, όμως και μικρότερου κόστους. Λόγω όμως της χαμηλής αντοχής του αλουμινίου κρίθηκε μη κατάλληλο για εγκαταστάσεις δικτύων με πυλώνες σε σχετική μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Η ιδέα της προσθήκης όμως χάλυβα μαζί με το αλουμίνιο παρουσιάστηκε περίπου στα μέσα του ίδιου αιώνα και επικρατεί έως και σήμερα. Οι αγωγοί ACSR, όπως λέγονται, έχουν τις ικανοποιητικές ηλεκτρικές ιδιότητες του αλουμινίου και παράλληλα την υψηλή αντοχή του χάλυβα ενώ το κόστος κατασκευής διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. Ακόμα, τα τελευταία χρόνια έχουν δημιουργηθεί αγωγοί κραμάτων αλουμινίου που έχουν παρόμοια συμπεριφορά με τους ACSR χωρίς βέβαια προβλήματα διάβρωσης, όπως συμβαίνει πολλές φορές με τον πυρήνα των αγωγών. 19

20 1.3.1 Αγωγοί από χαλκό Ο χαλκός (εικόνα 1.1) έχει μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα και καλή μηχανική αντοχή. Η αγωγιμότητα του ελαττώνεται όταν γίνονται προσμίξεις καθώς επίσης και όταν κατεργαστεί εν ψυχρώ. Αυτό όμως προσφέρει μεγαλύτερη μηχανική αντοχή. Ένα άλλο πλεονέκτημα του είναι ότι δεν διαβρώνεται εύκολα και γι' αυτό χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά σε δίκτυα που είναι κοντά στη θάλασσα. Σήμερα, επειδή το αλουμίνιο έχει μικρότερο κόστος αντικαθιστά το χαλκό κυρίως στους αγωγούς των εναέριων δικτύων. Εικόνα 1.1: Αγωγός από χαλκό [13] Αγωγοί αλουμινίου Το αλουμίνιο (εικόνα 1.2) είναι πιο ελαφρύ και πιο φθηνό συγκριτικά με τον χαλκό. Έχει όμως μικρότερη μηχανική αντοχή και μικρότερη αγωγιμότητα του χαλκού. Τα παραπάνω μας δείχνουν ότι ο αγωγός από αλουμίνιο δέχεται μεγαλύτερη καταπόνηση από τα καιρικά φαινόμενα αλλά περιορίζονται σ' αυτόν οι απώλειες. Το αλουμίνιο σε συνθήκες περιβάλλοντος οξειδώνεται επιφανειακά. Το στρώμα της οξείδωσης όμως είναι πολύ λεπτό και προστατεύει τον αγωγό από την περεταίρω οξείδωση. Στις γραμμές υψηλής και υπερύψηλης τάσης δεν χρησιμοποιούνται γιατί έχουν μικρή μηχανική αντοχή. 20

21 Εικόνα 1.2: Αγωγος αλουμινίου [15] Αγωγοί από αλουμίνιο-χάλυβα (ACSR) Η αντιμετώπιση του μειονεκτήματος των αγωγών αλουμινίου έγινε με τους αγωγούς ΑCSR. Αυτοί έχουν αποτελούνται από κλώνους με γαλβανισμένο χάλυβα. Ο χάλυβας προσφέρει μηχανική αντοχή και το αλουμίνιο δίοδο για να περάσει μεγαλύτερο μέρος της έντασης του ρεύματος. Οι αγωγοί ΑCSR (εικόνα 1.3) έχουν περίπου πενήντα τις εκατό μεγαλύτερη αντοχή από τους αγωγούς χαλκού και είναι είκοσι τις εκατό ελαφρύτεροι για ισοδύναμη διατομή με το χαλκό. Γίνεται χρήση τους στις γραμμές υψηλής τάσης γιατί επιτρέπουν μεγαλύτερο άνοιγμα των πυλώνων. Επίσης, είναι φθηνότεροι και έχουν μικρότερες απώλειες. 21

22 Εικόνα 1.3: Αγωγός από αλουμίνιο-χάλυβα (ACSR) [14] 1.4 ΠΥΛΩΝΕΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ [9,10] Στηρίζουν, τεντώνουν και οδηγούν τους αγωγούς στην κατάλληλη πορεία. Η στήριξη τυπικά γίνεται σε ανοίγματα 150 m έως 500 m. Με την αύξηση του ανοίγματος, πρέπει: Οι πύργοι να είναι υψηλότεροι, και με μεγαλύτερες εγκάρσιες αποστάσεις μεταξύ των αγωγών και οι αγωγοί να είναι πιο ανθεκτικοί. Μπορούμε να έχουμε είτε πολλούς φθηνούς πύργους, είτε λίγους και ακριβούς. Οικονομοτεχνικά προκύπτουν οι παραπάνω αποστάσεις των 150 m 500 m. Είναι ξύλινοι, τσιμεντένιοι ή χαλύβδινοι. 1.5 ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ [9,10] Μονωτήρες είναι τα όργανα που χρησιμεύουν για την στήριξη των αγωγών των εναέριων γραµµών στους στύλους. Οι μονωτήρες έχουν υψηλή ηλεκτρική αντοχή ώστε να εξασφαλίζουν τέλεια μόνωση µμεταξύ αγωγού και στύλου και μεγάλη µμηχανική αντοχή ώστε να αντέχουν το βάρος του αγωγού μαζί µε όλες τις καταπονήσεις των ακραίων καιρικών φαινομένων. Οι μονωτήρες είναι κατασκευασμένοι από πορσελάνη σε µμέγεθος που σχετίζεται µε την τάση της γραµµής και σχήμα που δεν επιτρέπει την υγρασία και σκόνη. Ηλεκτρική αντοχή του µμονωτήρα είναι η ελάχιστη τάση που είναι απαραίτητη για 22

23 να έχουμε ηλεκτρικό σπινθήρα µμεταξύ των άκρων του όπου στην περίπτωση αυτή προκαλείται υπερπήδηση και τοπικό βραχυκύκλωμά γραµµής. Γενικά, οι καταπονήσεις που δέχεται ο μονωτήρας μιας γραμμής μεταφοράς, διαχωρίζονται σε εξωτερικές και εσωτερικές: οι εξωτερικές καταπονήσεις, οι οποίες προερχόμενες από κεραυνικά πλήγματα της ηλεκτρικής γραμμής και διαδιδόμενες μέσω αυτής, καταπονούν τον εξοπλισμό του δικτύου. οι εσωτερικές καταπονήσεις οφείλονται στο γεγονός ακριβώς της λειτουργίας της ηλεκτρικής γραμμής και διαχωρίζονται: 1. στην τάση βιομηχανικής συχνότητας 2. στις παροδικές υπερτάσεις αυτής της συχνότητας 3. στις υπερτάσεις χειρισμών [11] Εικόνα 1.4 : Μονωτήρες γραμμών μεταφοράς πάνω σε στύλο [12] Ο αριθμός των μονωτήρων εξαρτάται από τη τάση της γραμμής (πχ 10 για γραµµές 150 KV). 23

24 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ [2,6,7,8] 2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ Κατά τη λειτουργία μιας γραμμής μεταφοράς, αιτίες, όπως βλάβες στο υλικό, καταπόνηση του υλικού, ανθρώπινη ενέργεια, πυρκαγιά, δυσμενή καιρικά φαινόμενα, προκαλούν σφάλματα σε αυτή, που καταλήγουν σε διαταραχές όπως η υπέρταση. Ορίζουμε ως υπέρταση την τάση (ανώμαλης μορφής) που εμφανίζεται μεταξύ δυο σημείων του συστήματος η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη από την ανώτερη τιμή της τάσης μεταξύ αυτών των δυο σημείων σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας (μόνιμη κατάσταση). 2.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ Χωρίζουμε τις υπερτάσεις σε δύο κύριες βασικές κατηγορίες ανάλογα με τις αιτίες τις προκάλεσαν: α) εσωτερικές υπερτάσεις β) εξωτερικές υπερτάσεις Εσωτερικές υπερτάσεις και υποκατηγορίες Οι εσωτερικές υπερτάσεις αναπτύσσονται στο ηλεκτρικό δίκτυο, δημιουργώντας εσωτερικά σφάλματα ή εκκενώσεις κατά περίπτωση στις γραμμές μεταφοράς και στον εξοπλισμό. Παρακάτω ακολουθεί περαιτέρω κατηγοριοποίηση των εσωτερικών υπερτάσεων. Επίσης γίνεται επιγραμματική αναφορά στις βασικότερες μεθόδους αντιμετώπισής τους Υπερτάσεις χειρισμών - Μέθοδοι αντιμετώπισης Στις εσωτερικές υπερτάσεις υπάγονται οι υπερτάσεις χειρισμών. Τις υπερτάσεις αυτές, οι οποίες προκαλούνται ύστερα από πάσης φύσεως αλλαγή κατάστασης του ηλεκτρικού δικτύου και διαδίδονται σε αυτό ως οδεύοντα κύματα, μπορούμε να τις κατηγοριοποιήσουμε στις εξής περιπτώσεις: 25

26 διακοπή ρευμάτων βραχυκυκλώματος διακοπή μικρών επαγωγικών ρευμάτων διακοπή χωρητικών ρευμάτων ζεύξη και απόζευξη ανοιχτών γραμμών μεταφοράς ετεροχρονισμός φάσεων κατά τη ζεύξη επαγωγικών φορτίων. Για να αντιμετωπιστούν οι υπερτάσεις χειρισμών είναι αναγκαία η ζεύξη της γραμμής με χαμηλότερη τάση λειτουργίας, παρεμβολή αντιστάσεων ώστε να μειωθούν τα οδεύοντα κύματα στη γραμμή, ζεύξη σε προκαθορισμένες στιγμές, πιθανή κατάργηση της τριφασικής επαναζεύξεως εάν δημιουργεί τις μεγαλύτερες υπερτάσεις και φυσικά χρήση της κατάλληλης αλεξικεραυνικής προστασίας (απαγωγέων υπερτάσεων) Δυναμικές υπερτάσεις - Μέθοδοι αντιμετώπισης Οι δυναμικές υπερτάσεις, οι οποίες οφείλονται κυρίως στην απόρριψη φορτίου, τη αποσύνδεση επαγωγικού φορτίου, το βραχυκύκλωμα μιας φάσεως προς τη γη, καθώς και το φαινόμενο Ferranti (σύμφωνα με το οποίο σε μια αφόρτιστη γραμμή η τάση αφίξεως είναι υψηλότερη της τάσεως αναχώρησης). Για την αντιμετώπιση τους, χρησιμοποιούνται αυτεπαγωγές αντισταθμίσεως συνδεόμενες προς τη γη οι οποίες παράλληλα απορροφούν άεργο ισχύ από τις αφόρτιστες γραμμές Εξωτερικές υπερτάσεις και υποκατηγορίες Πρόκειται για τις ηλεκτρικές εκκενώσεις της ατμόσφαιρας, η φόρτιση των νεφών δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού μεταξύ συγκεντρωμένων φορτίων. Η ύπαρξη ενός στρώματος της ιονόσφαιρας με θετικά ηλεκτρικά φορτία, 100 χλμ πάνω από την επιφάνεια του εδάφους, εμφανίζεται ηλεκτρικό πεδίο στην ατμόσφαιρα έντασης 100 έως 400 V/m, το οποίο ελαττώνεται όσο μεγαλώνει απόσταση από το έδαφος. Οπότε, σε συνθήκες καλοκαιρίας υπάρχει το πεδίο αυτό, το οποίο τροφοδοτείται συνεχώς και διατηρείται με φορείς ηλεκτρικού φορτίου μέσω των καταιγίδων που λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα της γης, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται σφαιρικός πυκνωτής με χωρητικότητα 0.05 F και αρνητικού φορτίο C, ενώ η αντίστοιχη ποσότητα του θετικού φορτίου βρίσκεται κατανεμημένη 26

27 στην ατμόσφαιρα. Το παραπάνω φαινόμενο γίνεται πιο κατανοητό μέσω του σχήματος που ακολουθεί και παρουσιάζει την άποψη της υδρογείου περικλειόμενη από την ιονόσφαιρα: Εικόνα 2.1: Παρουσίαση της υδρογείου ως πυκνωτής [16] Δημιουργία Ηλεκτρικών Εκκενώσεων Βασικότερη πηγή του ανωτέρω αρνητικού φορτίου είναι τα ηλεκτρικά νέφη και οι κεραυνοί. Ένα ηλεκτρικό νέφος περιέχει ηλεκτρικά φορτία ίδιων ποσοτήτων, και καταλαμβάνουν διαφορετικές περιοχές εντός αυτού. Βάση αυτού, φορτίζεται το νέφος. Ο διαχωρισμός των ηλεκτρικών φορτίων των νεφών οφείλεται σε φαινόμενα διασποράς, ισχυρής ψύξεως και διαρρήξεως, καθώς επίσης στα νέφη κόνεως και ηφαιστείων. 27

28 Διάκριση εκκενώσεων και φάσεις εκκένωσης Λόγω του παραπάνω διαχωρισμού προκαλούνται κεραυνικές εκκενώσεις. Οι εκκενώσεις αυτές διακρίνονται σε εκκενώσεις μεταξύ νεφών, μεταξύ γης και νέφους και τέλος σε εκκενώσεις εντός του ιδίου νέφους. Οι φάσεις της κεραυνικής εκκένωσης είναι οι: η προεκκένωση: όπου το ηλεκτρισμένο νέφος εμφανίζεται μακροσκοπικά ως ηλεκτρικό δίπολο και δημιουργείται ένας αγώγιμος δρόμος, ο λεγόμενος οχετός που τροφοδοτείται συνέχεια με φορείς ηλεκτρικού φορτίου από το σύννεφο. η φάση εκκενώσεως αντιθέτου φοράς: κατά την οποία ο οχετός κατέρχεται στη γη ενώ ταυτόχρονα δημιουργείται φαινόμενο κορόνα το οποίο καταλήγει σε μια ανερχόμενη εκκένωση. Τέλος, η κύρια εκκένωση: όπου πραγματοποιείται η γεφύρωση της αποστάσεως μεταξύ νέφους και γης με ιδιαίτερα μεγάλη ταχύτητα. Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφερθεί ο ορισμός του κεραυνού κατά ΕΛΟΤ 1197 : είναι η ηλεκτρική εκκένωση ατμοσφαιρικής προέλευσης, απλή ή πολλαπλή μεταξύ νέφους και γης. 28

29 Παρακάτω, ακολουθούν σχήματα, τα οποία παρουσιάζουν τα παραπάνω φαινόμενα : Σχήμα 2.1:Κατηγορίες κεραυνικών εκκενώσεων [17] Σχήματα 2.2 :Φάσεις κεραυνικής εκκένωσης[18] 29

30 2.2.3 Διάγραμμα κατηγοριών των υπερτάσεων Παρακάτω παρουσιάζεται διάγραμμα το οποίο συνοψίζει όλα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω που σχετίζονται με αυτές. ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΧΕΙΡΙΣΜΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ Σχήμα 2.3: Συνοπτικό Διάγραμμα Υπερτάσεων Χαρακτηριστικά και μοντελοποίηση κεραυνών Τα ηλεκτρικά φορτία των νεφών, παρόλο που διοχετεύονται στη γη μέσω των καναλιών, προκαλούν και την εξ επαγωγής δημιουργία φορτίων στις ηλεκτρικές γραμμές. Το μέγεθος αυτών, είναι από του δυναμικού του νέφους και της θέσης του ως προς τις γραμμές. Αυτά λοιπόν τα φορτία που έχουν παγιδευτεί στις γραμμές, κατευθύνονται και προς τις δυο κατευθύνσεις έως ότου εξαφανιστούν λόγω απόσβεσης, ή λειτουργίας μέσων προστασίας έναντι υπερτάσεων, όπως αυτά θα δούμε στη συνέχεια. 30

31 Η τάση των φορτίων που αναφέρθηκαν, συνήθως υπερβαίνει την κρουστική τάση αντοχής των μονώσεων του δικτύου και εάν δεν υπάρχει κατάλληλη προστασία της γραμμής που επλήγη, έχουμε διάσπαση της μόνωσης. Οι μονώσεις ελέγχονται ως προς τη τάση κρουστικού ρεύματος βάσει του τύπου κρουστικού κύματος τάσεως 1.2/50 μsec όπου το μέγεθος 1.2 ορίζει τον χρόνο που χρειάζεται η τάση να φτάσει από το μηδέν στο μέγιστο(τ1), δηλαδή στο μέτωπο κύματος, ενώ το μέγεθος 50 ορίζει το χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει από το μηδέν μέχρι το μισό του μεγίστου της(τ2), αφού εννοείται ότι έχει περάσει τη μέγιστη τιμή της. Αυτά γίνονται κατανοητά και μέσω του Σχήματος 2.4. Επιπρόσθετα, παρακάτω βλέπουμε ορισμένα χαρακτηριστικά και παραμέτρους των κεραυνών που δημιουργούν στις ανθρώπινες κατασκευές. Σύμφωνα με τα παραπάνω, για τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις (κεραυνών) έχει ορισθεί σαν τάση δοκιμής, η κρουστική 1.2/50 μsec και έχει την παρακάτω μορφή: Σχήμα 2.4: Τάση Δοκιμής 1.2/50 μsec [19] Τα χαρακτηριστικά της κρουστικής τάσης κεραυνών 1.2/50 μsec είναι τα εξής: α) εύρος U±3%, όπου η τάση U ορίζεται ανάλογα με την ονομαστική τάση του εξοπλισμού, β) μέτωπο t1±30%, όπου t1~1.7 (t30% t90%) και γ) ουρά t2±20%. Αυτά τα χαρακτηριστικά αναφέρονται καθώς ο καθορισμός της τάσης διάσπασης ελέγχεται 31

32 μέσω αυτής της κρουστικής ως τάση δοκιμής για τον καθορισμό των χαρακτηριστικών κατασκευής των αλεξικέραυνων. Ακόμα, παρουσιάζονται υπό μορφή πίνακα οι τιμές των παραμέτρων κεραυνού, οι οποίες αναλυτικά είναι οι εξής : Μέγιστη τιμή ρεύματος, η οποία προκαλεί προβλήματα στους πυλώνες υψηλής τάσης, σε δεξαμενές καυσίμων και οδηγεί σε φαινόμενα μαγνητίσεως κλίση μετώπου ρεύματος, η οποία επιδρά σε ηλεκτρικά και λογικά κυκλώματα, σε συστήματα πλοηγήσεως αεροσκαφών και άλλα η ενέργεια, στην οποία οφείλονται θερμικά φαινόμενα (τήξη μετάλλων), σπάσιμο δένδρων, καταστροφή τοίχων, ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και άλλα το φορτίο που συμβάλλει στην τήξη μεταλλικών επιφανειών ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΥΝΟΥ +5% +50% -5% -50% ±5% ΜΕΓΙΣΤΗ ΜΕΤΡΗΘΕΙΣΑ ΤΙΜΗ Μέγιστη ρεύματος τιμή Κλίση μετώπου , Ενέργεια 0,55 0, ,65 3,5 19 φορτίο 40 7, Σχήμα 2.5: Τιμές παραμέτρων κεραυνού [8] 32

33 2.3 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ Για να αποφύγουμε όσο είναι δυνατόν τις αρνητικές και συχνά καταστροφικές τους συνέπειες, θέτουμε συγκεκριμένα μέτρα προστασίας. Σκοπός είναι ο περιορισμός της κυματικής τάσης που θα εμφανιστεί σε κάποιο σημείο του συστήματος, γειώνοντας τη. Τα πιο γνωστά μέσα προστασίας αποτελούν οι ακίδες, ο αγωγός γης και τα αλεξικέραυνα ή απαγωγείς υπερτάσεων Ακίδες Απλές και χαμηλού κόστους, μειονεκτούν όμως καθώς σε περίπτωση υπερπήδησης από κρουστικό κύμα, συνεχίζεται η υπερπήδησή τους έως ότου να διακοπεί η τροφοδότηση του δικτύου Αγωγός γης Η τοποθέτηση του γίνεται πάνω από τις εγκαταστάσεις που θέλουμε να προστατεύσει με στόχο την συγκέντρωση και την απαγωγή των ηλεκτρικών εκκενώσεων προς τη γη. Εάν χρησιμοποιηθούν και επιπρόσθετα, ενας με δύο ακόμα λεπτότεροι αγωγοί, η αποτελεσματικότητά τους αγγίζει το 99% Απαγωγέας υπερτάσεων (αλεξικέραυνο) Πρόκειται για την πιο αξιόπιστη συσκευή προστασία, που σκοπό έχει την προστασία κτιρίων και εγκαταστάσεων και φυσικά των ανθρώπων που βρίσκονται εντός τους. Εξασφαλίζεται έτσι η ηλεκτρική ασφάλεια, μηχανική αντοχή, αντισκωριακή προστασία και η αποφυγή υπερθερμάνσεως αγωγών. Έτσι λοιπόν, προστατεύονται ψηλά κτίρια, καθώς σε αυτά ο κεραυνός θα μπορούσε να κάνει τη σοβαρότερη ζημιά. 33

34 Το αλεξικέραυνο συντίθεται από σειρά διακένων που διασπώνται κατά τις υπερτάσεις (στοιχείο κενού) και σειρά μη γραμμικών αντιστάσεων που χαρακτηρίζονται από μικρή αντίσταση κατά τη χρονική διάρκεια των υπερτάσεων. 2.4 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Μια διαδεδομένη κατηγοριοποίηση των σφαλμάτων, ανάγεται στην χρονική διάρκεια που η γραμμή μεταφοράς βρίσκεται εκτός λειτουργίας. Συγκεκριμένα, έχουμε: παροδικά σφάλματα: όπου η γραμμή μεταφοράς δεν λειτουργεί για λίγα δευτερόλεπτα και η βλάβη αποκαθίσταται συνήθως χωρίς ανθρώπινη επέμβαση, μόνιμα σφάλματα: κατά την εμφάνιση των οποίων η γραμμή τίθεται εκτός λειτουργίας μόνιμα και για την επαναλειτουργία της απαιτείται η ανθρώπινη παρέμβαση τα παραμένοντα σφάλματα: αποτελούν την ενδιάμεση κατάσταση των δύο παραπάνω κατηγοριών, δηλαδή η γραμμή μεταφοράς δεν λειτουργεί και το σφάλμα εξαλείφεται χωρίς ανθρώπινη επέμβαση. 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ 3.1 ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ -ΟΡΙΣΜΟΣ Το μέγεθος μέτρησης της πυκνότητας των κεραυνών ονομάζεται κεραυνική πυκνότητα μίας περιοχής και προφανώς διαφέρει από τόπο σε τόπο. Πρόκειται ουσιαστικά για τον αριθμό των εκκενώσεων νέφους-γης που πλήττουν μία περιοχή ανά τετραγωνικό της χιλιόμετρο, στην διάρκεια ενός χρόνου, αφού η τιμή της θα διαφέρει ανά τα έτη. Ως εκ τούτου, για να βγει κάποιο ασφαλές συμπέρασμα για την κεραυνική πυκνότητα, δεν αρκεί μόνο κάποια ετήσια μέτρηση αλλά παρακολούθηση πολλών ετών. 3.2 ΤΡΟΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Ισοκεραυνικοί χάρτες [2] Ο αριθμός των ημερών καταιγίδας, Τ, διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Έχει παρατηρηθεί ότι η συχνότητα καταιγίδων συνοδευόμενη από κεραυνούς είναι υψηλότερη σε περιοχές κοντά στον ισημερινό και μικραίνει όσο προσεγγίζουμε τους πόλους. Για την αποτύπωση αυτών των πληροφοριών, έχουν σχεδιαστεί χάρτες στους οποίους υπάρχουν καμπύλες που περνούν από περιοχές που έχουν ίδιο Τ. Πρόκειται για τις ισοκεραυνικές καμπύλες. Παρακάτω δίνονται ο ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας καθώς και ο παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης. Εύκολα παρατηρούμε ότι ο αριθμός των ημερών καταιγίδας στον ελλαδικό χώρο κυμαίνεται από 15 έως 90, ενώ για την ευρύτερη περιοχή Πατρών από τον χάρτη φαίνεται να είναι 25. Αυτό από μόνο του όμως δεν μας δίνει κάποια πληροφορία σχετικά με το ακριβές πλήθος των εκκενώσεων αλλά και αν οι κεραυνοί ήταν αποτέλεσμα εκκενώσεων νέφους-νέφους ή νέφους-γης. Αυτό το θέμα αναλύεται παρακάτω. 35

36 Σχήμα 3.1: Ισοκεραυνικός χάρτης Ελλαδικού χώρου [19] 36

37 Σχήμα 3.2: Παγκόσμιος Ισοκεραυνικός Χάρτης [19] 37

38 3.2.2 Σχέση μεταξύ Τ και N g[2][3] Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες υπολογισμού της σχέσης που να συνδέει τον αριθμό εκκενώσεων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο με τον αριθμό των ημερών καταιγίδας και έχουν διατυπωθεί, διάφορες σχέσεις και πίνακες υπολογισμού. Η επικρατέστερη προσεγγιστική σχέση κεραυνικής πυκνότητας και ημερών εκκενώσεων είναι η: Ng=0,04 * T 1,25 Βέβαια, ο εμπειρικός αυτός τύπος έχει ακολουθήσει στατιστικές προσεγγίσεις και συνεπώς δεν είναι αρκετά ακριβής. Γι αυτό το λόγο γίνεται μεγάλη προσπάθεια, που να στοχεύει στην απευθείας μέτρηση της κεραυνικής πυκνότητας Ng μίας περιοχής με χρήση κατάλληλα σχεδιασμένων συσκευών. Οι συσκευές αυτές παρουσιάζονται αναλυτικότερα στη συνέχεια. 3.3 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Για τον άμεσο καθορισμό της κεραυνικής πυκνότητας θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν όργανα, τα οποία έχουν κατασκευαστεί για το σκοπό αυτό. Οι συσκευές αυτές είτε υπολογίζουν τον αριθμό των κεραυνών που συμβαίνουν σε μία απόσταση γύρω τους και oονομάζονται «μετρητές κεραυνών» (LFC: Lightning Flash Counters), είτε δίνουν την δυνατότητα καταγραφής της πυκνότητας και εντοπισμού των κεραυνικών πληγμάτων και ονομάζονται «συστήματα εντοπισμού κεραυνικής δραστηριότητας» (LLS: LightningLocation Systems). Οι συσκευές της πρώτης κατηγορίας (LFC) είναι ουσιαστικά ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο συνδέεται μεταξύ μιας κεραίας και της γης. Η συσκευή ενεργοποιείται με τις ξαφνικές αλλαγές του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργούνται από ένα κεραυνικό πλήγμα και ο μετρητής της αυξάνει κατά ένα. Παρακάτω θα αναλύσουμε τους διαφορετικούς τύπους αυτού του είδους μετρητών. 38

39 Τα συστήματα της δεύτερης κατηγορίας (LLS) αποτελούνται από τρία συστήματα. Το σύστημα εντοπισμού της κατεύθυνσης προς την οποία «βλέπει» τον κεραυνό, το σύστημα ανάλυσης της θέσης όπου είχαμε το πλήγμα και το σύστημα αποθήκευσης των δεδομένων που συλλέγονται, μαζί με την μονάδα καταγραφής. Τα συστήματα αυτής της κατηγορίας δεν θα παρουσιαστούν αναλυτικά περαιτέρω καθώς δεν ανήκουν στο ερευνητικό πεδίο της παρούσας εργασίας Μετρητές κεραυνών (LFC) Μετρητής CIGRE 10kHz Ο μετρητής αυτός αποτελείται όπως φαίνεται στα σχήματα από ένα αναλογικό κύκλωμα και από τη κεραία. Το όριο της κατώτερης τιμής της αλλαγής του πεδίου για την οποία ο μετρητής καταγράφει είναι προκαθορισμένο στα 20 V/m και η κεντρική συχνότητα απόκρισης του κυκλώματος είναι τα 10 khz. Το κύκλωμα του μετρητή και ο τρόπος σύνδεσής του με την κεραία παρουσιάζονται κυκλωματικά παρακάτω: 39

40 Σχήμα 3.3: Κύκλωμα CIGRE 10KHz [4] 40

41 Σχήμα 3.4: Κατασκευαστικά Χαρακτηριστικά Κεραίας CIGRE 10KHz [4] Αρχή λειτουργίας κυκλώματος Τα τρία τρανζίστορ Τ1, Τ2, Τ3 μαζί με τις αντιστάσεις R12, R13, R14 τις διόδους D6, D7, D8, D9, D10, D11 και τον πυκνωτή C5, τα οποία απαρτίζουν στην ουσία τα βοηθητικά στοιχεία του κυκλώματος, αποτελούν ένα μονοσταθή πολυδονητή. Όταν το κύκλωμα δεν είναι σε λειτουργία ο ταλαντωτής τραβάει ένα μικρό μόνο ρεύμα διαρροής.. Όταν στην βάση τού Τ1 η τάση υπερβεί την τιμή των 1,95 V, τότε T1 βρίσκεται σε κατάσταση αγωγής. Κατά συνέπεια και τα τρανζίστορ Τ2 και Τ3 θα περάσουν και αυτά στην κατάσταση αγωγής. Όταν και τα τρία τρανζίστορ άγουν, τότε το πηνίο RL ενεργοποιείται κλείνοντας έτσι τις επαφές RL. Επομένως ρεύμα θα 41

42 περάσει από το πηνίο του μηχανικού μετρητή ο οποίος θα αυξηθεί κατά μία μονάδα, όταν σταματήσει η αγωγή. Η πτώση ενός κεραυνού τις περισσότερες φορές προκαλεί εκκενώσεις μέσα από τον δρόμο που δημιούργησε η αρχική εκκένωση. Για να μην έχουμε λοιπόν, καταγραφή πλεοναζουσών εκκενώσεων από το μετρητή, υπάρχουν στοιχεία τα οποία κρατάνε» το κύκλωμα σε λειτουργία για συγκεκριμένο χρόνο. Τα τρανζίστορ Τ2 και Τ3 βρίσκονται σε κατάσταση αγωγής μέχρι ο πυκνωτής C3 να φορτιστεί μέσω της αντίστασης R8, οπότε και το τρανζίστορ Τ2 περνάει στην αποκοπή. Ο «χρόνος κρατήματος» διαρκεί περίπου 1 δευτερόλεπτο. Κατά τη διάρκεια του η βάση του τρανζίστορ Τ1 βραχυκυκλώνεται, μέσω της διόδου D1, με το συλλέκτη του τρανζίστορ Τ3, οπότε καμία είσοδος δεν μπορεί να επηρεάσει την λειτουργία του κυκλώματος. Όταν το κύκλωμα βρεθεί και πάλι σε κατάσταση χαλάρωσης ο πυκνωτής εκφορτίζεται δια της αντίστασης R9 και ο μετρητής είναι και πάλι έτοιμος να καταγράψει. Όταν ο διακόπτης TS κλείσει, ο μετρητής θα πρέπει να καταγράψει μία μονάδα, εφόσον βέβαια η τάση της μπαταρίας υπερβεί τα 9 V. Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Όλα τα εξαρτήματα να είναι τοποθετημένα μέσα σ ένα μεταλλικό κουτί. Το κουτί του μετρητή θα πρέπει να αερίζεται ικανοποιητικά έτσι ώστε η συγκέντρωση υγρασίας να είναι η ελάχιστη και να είναι κατάλληλα βαμμένο ώστε να αποφεύγεται η διάβρωση. Τα ορατά εξαρτήματα του κουτιού, είναι μία κεραία και μία υποδοχή γείωσης, δύο υποδοχές για τα βύσματα, ένας διακόπτης δοκιμής καθώς και ένας μηχανικός καταμετρητής που δείχνει τον αριθμό των εκκενώσεων που έχουν καταγραφεί από το μετρητή. Όλα τα εξαρτήματα του κυκλώματος πρέπει να τοποθετηθούν σε μία πλακέτα πυριτίου. Ειδικό βερνίκι τοποθετείται και στις δύο πλευρές της πλακέτας με σκοπό να απωθεί το νερό, με ιδιαίτερα καλή κάλυψη στην είσοδο του κυκλώματος, για να διατηρηθεί μια υψηλή επιφανειακή αντίσταση της πλακέτας. Οι μπαταρίες τυπικά, αλλάζονται μια φορά ανά έτος, συνεπώς για την εύκολη τοποθέτηση της μπαταρίας, οι σφιγκτήρες που την κρατούν σταθερή πρέπει να 42

43 είναι τέτοιοι ώστε η αλλαγή της μπαταρίας να μην είναι δύσκολη. Οι αγωγοί γείωσης, η μπαταρία και η πλακέτα πρέπει να «συναντιούνται» μόνο στον μαύρο ακροδέκτη, όπου και γειώνεται. Το αλεξικέραυνο πρέπει να τοποθετείται ανάμεσα στην κεραία και στους ακροδέκτες της γης και όχι στην πλακέτα. Η κεραία αποτελείται από τρία τμήματα τα οποία πρέπει να είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να μανδαλώνουν μαζί. Οι διαστάσεις πρέπει να είναι όπως αυτές που φαίνονται στο σχήμα. Μία μεταλλική σφαίρα είναι τοποθετημένη στην κορυφή της λεπτότερης ράβδου.(σε συνθήκες υψηλού πεδίου οι εκφορτίσεις από την κεραία εμποδίζονται).υπό την προϋπόθεση ότι το μήκος στο σύνολό του θα πρέπει να είναι 4.οοοmm(±50mm),μικρές αποκλίσεις είναι δυνατές στα επιμέρους τμήματα. Το μήκος στο άθροισμα του οφείλει να είναι όμοιο με αυτό που ζητείται γι αυτό πρέπει να αναζητηθούν τα σωστά στηρίγματα καθώς επίσης και τα κατάλληλα κωνοειδή άκρα. Στη συνέχεια θα αναφερθούμε στον τρόπο που πρέπει να γίνει η τοποθέτηση της κεραίας. Ένα μάνδαλο πρέπει να στηριχτεί στο πιο κάτω άκρο του χοντρού μέρους. Αναγκαία είναι η συμβατότητα των υπό χρησιμοποίηση μετάλλων όσων αφορά τη διάβρωση. Για να κατασκευαστεί χρησιμοποιήθηκαν κομμάτια Αλουμινίου συνδυασμένα με σφαίρα από χαλκό στην κορυφή. Μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί στις συνδέσεις της διεπαφής ώστε πριν γίνει η συγκόλληση να είναι καλά γανωμένες. Είναι απαραίτητη η τοποθέτηση ενός σωλήνα PVC τέτοιας διαμέτρου ώστε να γλιστράει πάνω στο παχύτερο τμήμα της κεραίας, οπότε τοποθετείται αντικριστά από το σημείο που βρίσκεται η βίδα σύνδεσης της κεραίας. Η σωλήνα που οδηγείται στη γη είναι είτε ατσάλινη σωλήνα νερού διαμέτρου 48 mm είτε ατσάλινη σωλήνα διατομής μήκους 2,250mm.Η εν λόγω σωλήνα δεν πρέπει να είναι βαμμένη αλλά γαλβανισμένη. Επίσης θα πρέπει να έχει αντίσταση προς τη γη ίση ή μικρότερη από 1 kω. Τα μονωτικά φύλλα που προβλέπονται για την κεραία αποτελούνται από βακελίτη ή από άλλα κατάλληλα υλικά. Η κεραία μανδαλώνεται με τα φύλλα βακελίτη (ή άλλο υλικό) και με το σωλήνα που πάει προς τη γη από μάνδαλα σχήματος U. 43

44 Όλα τα μάνδαλα είναι ατσάλινα όπως επίσης και τα παξιμάδια που χρησιμοποιούνται στην εν λόγω ένωση. Το κουτί μετρητή που έχουμε στη διάθεσή μας είναι επίσης από ατσάλι ίδιο με αυτά που έχουν οι πάροχοι ηλεκτρικής ενέργειας. Η κατασκευή του θαλάμου αυτού είναι τέτοια ώστε να είναι ανθεκτική στη διάβρωση και στη βροχή ανά τα έτη χρήσης του μετρητή. Για την αποτελεσματική αντιμετώπιση βροχής και υγρασίας ο θάλαμος διαθέτει μικρές τρύπες διαμέτρου 15mm ή παραπάνω έτσι ώστε να στραγγίζεται το νερό που τυχόν έχει εισχωρήσει στο θάλαμο. Για τη σύνδεση του θαλάμου με την κεραία χρησιμοποιούνται μονωμένα PVC καλώδια διατομής 4mm και προσαρμόζονται σε βύσματα τύπου «μπανάνα». Τέλος για την ασφάλεια του μετρητή, ο θάλαμος θα πρέπει να έχει στο μπροστινό του μέρος καπάκι με δυνατότητα προσθήκης κλειδαριάς. Η τοποθέτηση του μετρητή γίνεται σε θέση που δεν υπάρχουν σε μικρή απόσταση κατασκευές οι οποίες πιθανόν να αλλοιώσουν τις μετρήσεις. Ιδανικά θέλουμε να τοποθετήσουμε τον μετρητή σε τέτοιο σημείο ώστε κτήρια, γραμμές μεταφοράς ενέργειας, δένδρα, φυσικά εμπόδια και οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο να είναι σε απόσταση μεγαλύτερη από τρεις φορές το ύψος του αντικειμένου από το μετρητή. Η επιλογή της τοποθεσίας θα πρέπει να γίνει με κριτήρια τόσο όσο αυτά που προαναφέρθηκαν όσο και τα εξής: την επίπεδη σε ακτίνα τριών μέτρων τοποθεσία καθώς και καλλιέργειες που να μην υπερβαίνουν τα 0,3 m κοντά στο μετρητή. Σχετικά με την καταγραφή των μετρήσεων,αυτή θα πρέπει να γίνεται σε καθημερινή βάση έτσι ώστε να έχουμε ακριβή πληροφορία για τις ημέρες καταιγίδας. Διαφορετικά το αργότερο αποδεκτό όριο ελέγχου του μετρητή είναι μια φορά το μήνα, και αυτό στη περίπτωση που η πρόσβαση στο μετρητή είναι δύσκολη, λόγω της τοποθεσίας του. Προφανώς βέβαια, σε αυτή τη περίπτωση, θα πρέπει να γίνεται καταγραφή των φορών και των ημερομηνιών που εξετάστηκε ο θάλαμος. Αυτό είναι επίσης απαραίτητο, ώστε να γίνεται μια παγκόσμια σύγκριση των αποτελεσμάτων. 44

45 Μετρητής CCGR4 Ο μετρητής CIGRE που έχει χρησιμοποιηθεί έως πρόσφατα αντικαταστάθηκε από τους μετρητές CCGR4 κατόπιν αιτήσεως της Μετεωρολογικής Υπηρεσίας της Αυστραλίας. Ο μετρητής συντίθεται από σωλήνα εξωτερικού πλάτους 50 mm μονωμένο με PVC. Τα χαρακτηριστικά του σωλήνα είναι ο αλουμινένιος σωλήνας των 3150mm και το κατώτερο άκρο να είναι 1620 mm από τη γη, ενώ το ύψος του σωλήνα να είναι 5m. Με δεδομένο ότι έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά και ότι μπορεί να διατεθεί, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε σωλήνα από μετρητή CIGRE. Εάν το ηλεκτρικό πεδίο υποστεί μεταβολή το σήμα θα περάσει αρχικά στο αναλογικό κύκλωμα του μετρητή και κατόπιν στο ψηφιακό. Σχεδιάγραμμα λειτουργίας μετρητή Μπορεί να γίνει μέτρηση τριών ειδών εκκενώσεων από ένα μετρητή κεραυνών και σ αυτό είναι βασισμένη η λειτουργία του σένσορα. Αρνητικός κατερχόμενος Θετικός κατερχόμενος Εσωτερικές νέφους ή μεταξύ νεφών Το σχήμα 3.5 δείχνει τα χαρακτηριστικά του υλικού του αισθητήρα. Δίκτυο παρέχει την ενέργεια αλλά υπάρχει και επιπλέον μπαταρία. Το σχήμα 3.5 απεικονίζει ότι ο μικροεπεξεργαστής ελέγχει τις διεργασίες του υλικού. Με τη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου το σήμα υφίσταται επεξεργασία,γίνεται καταγραφή στον τύπο της εκκένωσης και κλείνει μια ή και άλλες επαφές των ρελέ σταθερής κατάστασης και ύστερα μεταφέρεται η πληροφορία σε αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό (AWS) σε πραγματικό χρόνο. Ο αισθητήρας καταγράφει επίσης σε καταχωρητές τον πλήθος και τον είδος των εκκενώσεων, και τα παρουσιάζει σε οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD). 45

46 Σχήμα 3.5: Κυκλωματική διάταξη αισθητήρα [20] 46

47 Σχήμα 3.6: Διάγραμμα ροής βασικής λειτουργίας του αισθητήρα [20] Όπως είναι φανερό στην εικόνα 3.5, όταν ο αισθητήρας είναι σε λειτουργία ή είναι μηδενισμένος πολλές διεργασίες εκκίνησης παίρνουν μέρος με αποτέλεσμα ο αισθητήρας να προετοιμάζεται κατάλληλα και να δεχτεί σήμα αλλαγής ηλεκτρικού πεδίου από την κεραία. Το πρόγραμμα μπαίνει στο βρόχο 1, τον «wait-forevent» 47

48 βρόχο εάν και εφόσον εάν η τάση της δωδεκάβολτης μπαταρίας είναι επαρκώς υψηλή. Στη διάρκεια του βρόχου 1 διαβάζονται από το χειριστή τα καταχωρημένα περιεχόμενα, ενώ περιοδικά ελέγχει και τ η δωδεκάβολτη μπαταρία. Ώσπου, να ανιχνευτεί κάποια πιθανή έναρξη εκκένωσης από ριπή θορύβου ραδιοσυχνότητας ή από τη συνολική μεταβολή ηλεκτρικού πεδίου μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου, ο βρόχος 1 πραγματοποιείται χωρίς διακοπή. Στη συνέχεια ο έλεγχος του προγράμματος πάει στο βρόχο2 ο οποίος χαρακτηρίζεται ως «inevent» βρόχος με διάρκεια 0,7-1,2 sec που τα μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά πάνε στον μικροεπεξεργαστή, όπου διενεργούνται μερικές διεργασίες χρονισμού και ελέγχου. Με την ολοκλήρωση του βρόχου 2, ο έλεγχος μεταβιβάζεται στο βρόχο 3, τον «post event» βρόχο, που έχει διάρκεια 0,1-0,15 sec. Στο μεταξύ η ταυτότητα του κεραυνικού πλήγματος έχει βρεθεί, και τα αποτελέσματα δίνονται στον αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό. Από το βρόχο 1 περνά και πάλι το πρόγραμμα ελέγχου. Οι κινήσεις των φορτίων προκαλούν χρονικές παραλλαγές στο ηλεκτρικό πεδίο ως εκ τούτου υπάρχει μια ηλεκτροστατική συνιστώσα εξαρτώμενη από την κίνηση των φορτίων, καθώς και μια επαγωγική εξαρτώμενη από τα ρεύματα, και μια ακτινοβολιακή εξαρτώμενη από το ρυθμό εκφόρτισης του ρεύματος. Το φάσμα των παραμέτρων αυτών έχει κυβική, τετραγωνική και απλή αντίστροφη εξάρτηση της απόστασης (Uman 1987). Παρέχονται πληροφορίες για το είδος της αστραπής και για την απόσταση εκφόρτισής της από το τμήμα των μεταβολών του ηλεκτρικού πεδίου με χαμηλή συχνότητα από 1Hz έως 10 khz. Η ηλεκτροστατική συνιστώσα κυριαρχεί τη συνιστώσα η οποία έχει χαμηλή συχνότητα για κοντινές εκκενώσεις,έως σχεδόν τα 20 km μακριά από το μετρητή. Σε κοντινές αποστάσεις αυτή η παράμετρος είναι μεγάλη έως γύρω τα 15 Km και πέφτει σε λίγο χρόνο όσο μεγαλώνει στη συνέχεια η απόσταση, δημιουργώντας έτσι δυσκολία να καθοριστεί το εύρος του αισθητήρα. Βέβαια οι κυματογραφές των μεταβολών του ηλεκτρικού πεδίου επειδή είναι διακριτές διαχωρίζονται από τον αισθητήρα πολύ εύκολα. Σε κάποιες καταγραφές οι μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου βρίσκονται στο όριο μεταξύ δυο τύπων με αποτέλεσμα ένα μικρό ποσοστό σφάλματος. Το υλικό του 48

49 αισθητήρα δέχεται μεταβολές ηλεκτρικού πεδίου σερ φάσμα συχνότητας 1ως 10 khz.. Οι πληροφορίες αυτών των συχνοτήτων αφορούν κυρίως την ακτινοβολιακή συνιστώσα και από τις εκκενώσεις νεφών καθώς και από τις εκκενώσεις εδάφους (Jonesetal. 1967; Shaoetal. 1999) και αποδεικνύεται, από μελέτες που έγιναν στο Brisbane, για επαρκή ακτινοβολία στα 150 khz από όλους τους τύπους εκκενώσεων για πρόκληση ανίχνευσης ραδιοσυχνότητων από τον αισθητήρα. Πρόκειται για αρκετά χαμηλότερη συχνότητα σε σχέση με αυτή των των εμπορικών εκπομπών οι οποίοι διαμορφώνονται κατά πλάτος. Η συνιστώσα της ραδιοσυχνότητας αποτελείται από τη συνιστώσα χαμηλών συχνοτήτων κάνοντας χρήση ενός μετασχηματιστή ραδιοσυχνοτήτων, και παρουσιάζεται σαν δευτερεύουσα τάση. Η έναρξη μιας εκκένωσης χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει την έναρξη μιας εκκένωσης το peak της τιμής της συνιστώσας των 150 khz. Η ευαισθησία έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε η ριπή θορύβου των 150 khz και τάσης 300 mvpeak-to-peak,χρόνου 100ms, να αρκει ώστε να εξέλθει το σύστημα από τον wait forevent βρόχο. Έτσι ορίζεται το κατώφλι ανίχνευσης ριπών θορύβου και επαρκεί σε νέφη εως το λιγότερο 18 χλμ. Οι εκκενώσεις εδάφους εκπέμπονται πιο έντονα από εκκενώσεις νέφους και ως εκ τούτου υπάρχει θόρυβος ραδιοσυχνοτήτων για να ξεφύγει το σύστημα από το βρόχο wait-for-event ο οποίος είναι αρκετός. Μακρινή εκκένωση γίνεται για εκκενώσεις που συμβαίνουν πέρα της εμβέλειας λειτουργίας του μετρητή κεραυνών. για ανίχνευση των τριών τύπων εκκενώσεων (DF: DistantFlash). Ο αισθητήρας μπορεί να έχει ακτίνα δράσης 30 με 40 km, με μέγιστο φάσμα λειτουργίας περίπου 100 km. Η έξοδος μακρινής εκκένωσης, λοιπόν, είναι ένας ποιοτικός δείκτης. Το γνωστό φαινόμενο με ονομασία «ταλαντώσεις μετά το τέλος της καταιγίδας»(eoso: End Of StormOscillations) το ουσιαστικά είναι μια χαμηλής συχνότητας ημιτονοειδής ταλάντωση, μπορεί να αντιγράφει συγκεκριμένες μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου που οφείλονται σε κεραυνό. Οι εγγραφές που δεν οφείλονται σε κεραυνούς, διορθώνονται με χρήση ενός συνόλου κανόνων: - οι ριπές θορύβου σε ραδιοσυχνότητες (3 khz to 300 GHz) να ξεπερνάνε μια ορισμένη τιμή. 49

50 - ο ρυθμός μεταβολής του πεδίου να ξεπερνά τα 2,5(kV/m)/s - η συνολική μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου να είναι τουλάχιστον 280 V/m - να τηρούνται οι όροι για εκκένωση που να ανήκει σε μία από τις τρεις ομάδες κεραυνών. Οι κανόνες που διαφοροποιούν τους τύπων κεραυνών, που εφαρμόζονται από το πρόγραμμα λειτουργίας, και έχουν προκύψει από δοκιμές για να μειωθούν τα σφάλματα ταξινόμησης, είναι οι παρακάτω. Εκτελούνται με την σειρά, και μόλις ο τύπος μιας εκκένωσης ανιχνευθεί ο μετρητής αριθμού πληγμάτων αυξάνεται κατά μια μονάδα. Τα δεδομένα που δημιουργούνται στέλνονται σε ένα σύστημα αυτόματης εκτίμησης καιρικών φαινομένων (AWS: AutomaticWeatherStation). 1) Παρατήρηση για ριπή θορύβου, 2) Παρατήρηση για μεταβολή του πεδίου πάνω από 280 V/m. Εάν πληρείται, οι έλεγχοι για την ανίχνευση του τύπου της εκκένωσης (NGF,PGF,CF) μπορούν να εκτελεστούν, 3) Παρατήρηση αρνητικής εκκένωση νέφους-γης, 4) Παρατήρηση εκκένωσης νέφους, 5) Παρατήρηση θετικής εκκένωση νέφους-γης, 6) Αν τα 3, 4, 5 δε δώσουν αποτέλεσμα, Παρατήρηση μέσης απόστασης του πλήθους των εκκενώσεων (καταχώρηση DF) 7) Παρατήρηση υπερφόρτωσης καταχωρητών, 8) Παρατήρηση συνόλου εκκενώσεων και αύξηση κατά ένα του ανάλογου καταχωρητή. 50

51 Σχήμα 3.7: Διάγραμμα ροής ελέγχου διακριτοποίησης. [20] 51

52 Λανθασμένη εκχώρηση μπορεί να δημιουργηθεί από το αποτέλεσμα των περιορισμών στην μέθοδο κατηγοριοποίησης των εκκενώσεων. Τα είδη λανθασμένης εκτίμησης που είναι πιθανό να συμβούν φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 3.1: Είδη λανθασμένης εκτίμησης και πιθανότητα να συμβεί η κάθε μια Η ακτίνα του μετρητή για κάθε τύπο εκκένωσης είναι 12, 14 και 16 km για εκκενώσεις νέφους, αρνητικές νέφους-γης και θετικές νέφους-γης, αντίστοιχα, όταν το κάτω όριο της μεταβολής του πεδίου είναι τα 400V/m. 52

53 3.4 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10 kηz Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξηγηθεί η μέθοδος με την οποία μπορεί κάποιος να εκτιμήσει την τιμή της κεραυνικής πυκνότητας με χρήση των μετρητών τύπου CIGRE 10 khz. Έχει αποδειχθεί ότι το φάσμα συχνοτήτων που παράγεται από μια εκκένωση νέφους-γης είναι διαφορετικό από αυτό που παράγεται από μια εκκένωση νέφους-νέφους. Στην πρώτη η μέση τυπική συχνότητα του φάσματος είναι περίπου στα 20 khz, ενώ στη δεύτερη είναι περίπου τα 700 Hz. Συνεπώς ο μετρητής CIGRE 10 khz ο οποίος περιέχει φίλτρο εισόδου στα 10 khz μετράει με πολύ μικρή απόκλιση μόνο εκκενώσεις νέφους-γης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι μετρητές κεραυνών τύπου CIGRE δε μας δίνουν καμία πληροφορία για την ένταση του ρεύματος του κεραυνού. Το ρεύμα ενός κεραυνού μπορεί να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες Ampère μέχρι μερικές εκατοντάδες χιλιάδες Ampère. Επιπλέον δεν παίρνουμε καμία πληροφορία για την απόσταση την οποία συνέβη το κεραυνικό πλήγμα από το σημείο που είναι τοποθετημένος ο μετρητής. Είναι σημαντικό όμως να ορίσουμε μία μέση απόσταση στην οποία ο μετρητής θα καταγράψει μία εκκένωση, θεωρώντας σαν ρεύμα αναφοράς του κεραυνού τη μέση τιμή της κατανομής του ρεύματος μίας εκκένωσης νέφους-γης. Τέλος καμία πληροφορία δεν μας δίνεται για τo είδος της πολικότητας του νέφους, το οποίο χαρακτηρίζει και την πολικότητα της εκκένωσης, αν είναι δηλαδή αρνητικής ή θετικής πολικότητας. Γνωρίζουμε ωστόσο πως το μεγαλύτερο ποσοστό των εκκενώσεων νέφους-γης είναι αρνητικής πολικότητας, όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο Ενεργός ακτίνα δράσης [4][5] Όπως τονίστηκε και νωρίτερα είναι ιδιαίτερα σημαντικό να υπολογιστεί η ενεργός ακτίνα δράσης Rg του μετρητή, δηλαδή η απόσταση από το μετρητή όπου μία εκκένωση νέφους-γης θα γίνει αντιληπτή. Η απόσταση αυτή θα 53

54 εξαρτάται από τη σφοδρότητα του κεραυνού, δηλαδή από την ένταση του ρεύματος του κεραυνού. Είναι πιθανό ένας κεραυνός που πέφτει σε μεγάλη απόσταση από το μετρητή και έχει μεγάλη ένταση ρεύματος να καταγραφεί από το μετρητή, ενώ μία άλλη εκκένωση σε μικρότερη απόσταση, η οποία θα έχει μικρότερη ένταση ρεύματος, να μην καταγραφεί. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η κατανομή του ρεύματος κεραυνού κατά Berger. Έχει υπολογιστεί ότι το μέσο εύρος της πρώτης εκκένωσης των αρνητικών εκκενώσεων νέφους-γης είναι τα 25 ka. Σχήμα 3.8: Κατανομή ρεύματος κεραυνών κατά Berger. 1)Πρώτη εκκένωση αρνητικών κεραυνών, 2)επόμενες εκκενώσεις αρνητικών κεραυνών, 3)θετικοί κεραυνοί [5] 54

55 Η ενεργός ακτίνα δράσης γύρω από το μετρητή δίνεται από τη σχέση: P(r):η πιθανότητα λειτουργίας του μετρητή όταν μία εκκένωση συμβαίνει σε απόσταση r (km) από αυτόν. Πρακτικά η P(r) μπορεί να υπολογιστεί από παρατήρηση. Θα πρέπει δηλαδή, για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα και για μία ορισμένη ακτίνα, να παρατηρηθούν και να καταγράφουν οι εκκενώσεις που έλαβαν χώρα και αν αυτές καταγράφηκαν από το συγκεκριμένο μετρητή. Η απόσταση στην οποία ο μετρητής μπορεί να καταγράψει το 40% των εκκενώσεων, μπορεί να θεωρηθεί αποτελεσματική ακτίνα. Γενικά η πιθανότητα P(r) λειτουργίας του μετρητή είναι γνωστή για κάθε μετρητή μετά από χρόνιες μελέτες. Η πιθανότητα P(r) είναι συνάρτηση της στατιστικής κατανομής του εύρους του ρεύματος του κεραυνού. Συνεπώς και η ενεργός ακτίνα δράσης Rg θα είναι συνάρτηση της ίδιας παραμέτρου. Μετά λοιπόν από εκτεταμένες παρατηρήσεις και καταγραφές και για την κατανομή ρεύματος κεραυνού κατά Berger έχει αποφασιστεί ότι η ενεργός ακτίνα δράσης για τον μετρητή CIGRE 10kHz (για το τυποποιημένο κύκλωμα και τρόπο κατασκευής του συστήματος) είναι 20 Km. Δηλαδή ο μετρητής καταγράφει εκκενώσεις νέφους-γης σε κυκλική επιφάνεια τετραγωνικών χιλιομέτρων με κέντρο το σημείο τοποθέτησης του μετρητή Εκτίμηση κεραυνικής πυκνότητας [4] Στις ενότητες 3.1 και 3.2 ορίστηκε η κεραυνική πυκνότητα και παρουσιάστηκαν διάφοροι μέθοδοι για να υπολογιστεί θεωρητικά με εμπειρικούς τύπους. Το ζητούμενο σε αυτή την ενότητα είναι να δειχθεί πως μπορεί να εξαχθεί η τιμή της κεραυνικής πυκνότητας με χρήση των καταγραφών που έχουμε στην διάθεσή μας από τον μετρητή CIGRE 10 khz. Το ζητούμενο από το μετρητή είναι η καταγραφή των εκκενώσεων που συμβαίνουν μεταξύ νέφους και γης. Παρά το γεγονός ότι στο σχεδιασμό του 55

56 μετρητή έχει ληφθεί ιδιαίτερη πρόνοια για την αποφυγή καταγραφής εκκενώσεων μεταξύ νεφών (ή και εσωτερικές νέφους εκκενώσεις), ο μετρητής καταγράφει και ένα μικρό ποσοστό αυτών των εκκενώσεων. Υπάρχει λοιπόν ανάγκη για γνώση του ποσοστού αυτού ή αλλιώς ο ορισμός κάποιου συντελεστή διόρθωσης που θα πολλαπλασιάζονται οι καταγραφές του μετρητή. Ορίζεται λοιπόν ο συντελεστής διόρθωσης Yg ως ο λόγος του αριθμού των εκκενώσεων νέφους-γης προς το συνολικό αριθμό όλων των τύπων εκκενώσεων ο οποίος καταγράφηκε από το μετρητή. Αν ο συντελεστής διόρθωσης είναι γνωστός τότε ο αριθμός των εκκενώσεων νέφους-γης Kg δίνεται από τον τύπο: όπου: Kg = Yg.K Κ: συνολικός αριθμός εκκενώσεων που καταγράφηκαν από το μετρητή. Αφού η κεραυνική πυκνότητα, όπως έχει ορισθεί και νωρίτερα είναι ο αριθμός εκκενώσεων νέφους-γης ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο. Με την χρήση του παραπάνω τύπου μπορούμε να ορίσουμε την κεραυνική πυκνότητα Νg για κάθε μετρητή κεραυνών από τον τύπο: Ng = Yg.K π.r 2 g (κεραυνοί/km2 ) Προφανώς για τον υπολογισμό της θα πρέπει να είναι γνωστή η ενεργός ακτίνα δράσης και ο συντελεστής διόρθωσης για κάθε τύπο μετρητή. Για το μετρητή CIGRE 10 khz αναφέρθηκε νωρίτερα ότι η ενεργός ακτίνα δράσης Rg είναι 20 km. Όσον αφορά τον συντελεστή διόρθωσης έχει υπολογιστεί έπειτα από πειράματα και παρατηρήσεις ότι είναι 0,95. Και ο τύπος για την κεραυνική πυκνότητα όταν χρησιμοποιείται ο μετρητής CIGRE 10kHz γίνεται: Ng = K 1320 (κεραυνοί/km2 ) 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΕΥΡΩΠΑΙΚΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΟΔΗΓΙΑ IEEE-ΟΔΗΓΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΕΝΑΝΤΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΤΩΝ ΕΝΑΕΡΙΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [1] 4.1 Εισαγωγή Αυτή η οδηγία μας παρέχει πληροφορίες για τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στη βελτίωση της συμπεριφοράς μιας εναέριας γραμμής μεταφοράς σε πτώση κεραυνού, και απευθύνεται στον σχεδιαστή/μελετητή των γραμμών διανομής. Σύμφωνα με την οδηγία αυτή, δεν είναι δυνατόν να υπάρξει σχεδιασμός της τέλειας γραμμής διανομής. Για αυτόν τον λόγο μια σειρά από συμβιβασμούς πρέπει να ληφθούν από τους σχεδιαστές των γραμμών. Ενώ κάποιες παράμετροι όπως η τάση, η όδευση και η χωρητικότητα μπορούν να προκαθοριστούν, άλλες αποφάσεις λαμβάνονται κατά το δοκούν του μελετητή. Μπορεί δηλαδή να εξετάσει την δομή/γεωμετρία των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν, την τυχόν προστασία της γραμμής από παράπλευρες κατασκευές, το επίπεδο της μόνωσης, την γείωση, και την τοποθέτηση των αλεξικέραυνων. Αυτή η οδηγία θα βοηθήσει τον σχεδιαστή γραμμών διανομής να βελτιστοποιήσει τον σχεδιασμό των γραμμών και οικονομοτεχνικά. 4.2 Σκοπός και αναφορές Σκοπός: Η παρούσα οδηγία θα προσδιορίσει τους παράγοντες που συνεισφέρουν στις βλάβες από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής, και θα προτείνει βελτιώσεις για τις υπάρχουσες αλλά και τις νέες κατασκευές. Η οδηγία προορίζεται για την προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής συστημάτων με τάση κάτω από 69kV. Θέματα προστασίας του εξοπλισμού αναφέρονται στο IEEEStd C Σε αυτά τα πλαίσια, βασικός σκοπός αυτής της οδηγίας είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής Μέσης Τάσης. Αναφορές: Αυτή η οδηγία θα πρέπει να χρησιμοποιείται σε συνάρτηση με τους ακόλουθους κανονισμούς. Όταν οι ακόλουθοι κανονισμοί έχουν δεχτεί κάποιες εγκεκριμένες αναθεωρήσεις, τότε θα ισχύουν αυτές. IEEE Std C , IEEE 57

58 Οδηγία για την Εφαρμογή Αλεξικέραυνων από Μεταλλικά Οξείδια για τα Συστήματα Εναλλασσόμενου Ρεύματος (ANSI). 4.3 Ορισμοί Παρακάτω παρατίθενται οι βασικοί ορισμοί των εννοιών και των μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν για την πλήρη κατανόηση του αντικειμένου. Ανάστροφο βραχυκύκλωμα κεραυνού (backflashoverlightning): Ορίζεται ως το βραχυκύκλωμα στη μόνωση λόγω πλήγματος από κεραυνό σε κάποιο μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης που συνήθως βρίσκεται στο δυναμικό του εδάφους. Βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (basicimpulseinsulationlevel, BIL ή bil)(ratedimpulsewithstandvoltage) (surgearresters): Αντοχή σε κρουστική τάση κεραυνού. Κρίσιμη κρουστική τάση κεραυνών, μονωτές (criticalimpulseflashovervoltage,cfo) (insulators): Η μέγιστη τιμή της κρουστικής τάσης που, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, προκαλεί βραχυκύκλωμα στο μέσο που την περιβάλει, στο 50% των περιπτώσεων. Άμεσο πλήγμα (directstroke): Ένα απευθείας χτύπημα κεραυνού σε οποιοδήποτε μέρος ενός δικτύου ή μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης. Γραμμή διανομής (distributionline): Γραμμές ηλεκτρικής ισχύος που διανέμουν ισχύ από έναν κύριο υποσταθμό στους καταναλωτές, συνήθως με τάση 34.5 kv ή λιγότερο. Τονίζεται ότι αυτή η οδηγία αφορά τάσεις εώς και 69 kv. Βραχυκύκλωμα (γενικά) (flashover): Μια ανεπιθύμητη εκκένωση μέσω του αέρα ή στην επιφάνεια μιας στερεής ή υγρής μόνωσης που οδηγεί σε διάσπαση, ανάμεσα σε μέρη διαφορετικού δυναμικού ή πολικότητας. Παράγεται από εφαρμογή μιας τάσης που το μονοπάτι της διάσπασης έχει ιονιστεί επαρκώς ώστε να διατηρεί ένα ηλεκτρικό τόξο. Ηλεκτρόδιο γείωσης (groundelectrode): Ένας αγωγός ή μια ομάδα αγωγών, σε στενή επαφή με το έδαφος με σκοπό να παρέχουν συνεχή σύνδεση με το έδαφος. 58

59 Πυκνότητα κεραυνών (ground flash density, GFD, Ng): Ο μέσος αριθμός των πληγμάτων από κεραυνό ανά μονάδα χώρου και ανά μονάδα χρόνου σε μια συγκεκριμένη περιοχή (κεραυνοί/ km 2 / έτος). Μονωτήρας επιτόνων (guyinsulator): Ένα μονωτικό στοιχείο, συνήθως επιμηκυμένης μορφής με εγκάρσιες τρύπες ή σχισμές, με σκοπό την μόνωση δύο μερών ενός επιτόνου ή την παροχή μόνωσης ανάμεσα στην κατασκευή και το στήριγμα. Επίσης παρέχει προστασία σε περίπτωση σπασμένων καλωδίων. Οι πορσελάνινοι μονωτήρες καλωδίων γενικά, είναι σχεδιασμένοι να αντέχουν στην πίεση αλλά συνήθως χρησιμοποιούνται ξύλινοι μονωτήρες κατάλληλα εξοπλισμένοι γι' αυτό το σκοπό. Επίτονο (guywire): Ένα απομονωμένο καλώδιο που χρησιμοποιείται για υποστήριξη έντασης ημιελαστικού χαρακτήρα ανάμεσα στον πόλο ή την κατασκευή και την ράβδο στήριξης, ή ανάμεσα στις κατασκευές. Έμμεσο πλήγμα (indirectstroke): Ένα χτύπημα κεραυνού που δεν χτυπά απευθείας κάποιο μέρος ενός δικτύου, αλλά μπορεί να προκαλέσει υπέρταση σε αυτό. Επαγόμενη τάση, πλήγματα κεραυνού (inducedvoltage, lightningstroke): Η τάση που επάγεται σε ένα δίκτυο ή μια ηλεκτρική εγκατάσταση από ένα έμμεσο πλήγμα. Πρώτο πλήγμα κεραυνού (lightningfirststroke): Η ηλεκτρική εκκένωση στο έδαφος που συμβαίνει όταν η άκρη ενός κατερχόμενου οχετού συναντηθεί με έναν ανερχόμενο από το έδαφος. Ακόλουθο πλήγμα κεραυνού (lightningsubsequentstroke): Μία εκκένωση κεραυνού που μπορεί να ακολουθήσει μία πορεία που έχει ήδη προδιαγράψει το πρώτο πλήγμα. Κεραυνός (lightning flash): Η πλήρης εκκένωση κεραυνού, που συνήθως δημιουργείται από αγωγούς ενός σύννεφου ακολουθούμενοι από ένα ή περισσότερα πλήγματα επιστροφής. Σφάλμα λόγω κεραυνού (lightningoutage): Είναι η διακοπή ρεύματος, που οφείλεται σε πτώση κεραυνού και προκαλεί ένα ρεύμα σφάλματος στο σύστημα, 59

60 απαιτώντας την λειτουργία μιας συσκευής διακοπής για τον καθαρισμό του σφάλματος. Συμπεριφορά γραμμών σε κεραυνούς (linelightningperformance): Η απόδοση μιας γραμμής που εκφράζεται ως ο ετήσιος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από κεραυνούς σε βάση ενός μιλίου του κυκλώματος ή πύργου γραμμών μιλίου. Αλεξικέραυνο μεταλλικών οξειδίων (ή απαγωγέας υπερτάσεων) (metaloxidesurgearrester, MOSA): Ένα αλεξικέραυνο που χρησιμοποιεί βαλβίδες κατασκευασμένες από υλικά μεταλλικών οξειδίων μη γραμμικής αντίστασης. Εναέριος αγωγός προστασίας (overheadgroundwire, OHGW): Είναι το τοποθετημένο καλώδιο (ένα ή περισσότερα) πάνω από τους αγωγούς με σκοπό να διακόπτουν τα άμεσα πλήγματα από κεραυνούς. Μπορεί να συνδέονται στο σύστημα γείωσης άμεσα ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. Γωνία προστασίας (shieldingangle): Η γωνία ανάμεσα στην κατακόρυφη γραμμή μέσω του εναέριου αγωγού γείωσης και στη γραμμή που συνδέει τον εναέριο αγωγό γείωσης με τον προστατευτικό αγωγό. Αγωγός προστασίας (shieldwire): Είναι αγωγοί τοποθετημένοι κοντά στους αγωγούς φάσεων και εξυπηρετούν τους σκοπούς: 1. Προστασία των αγωγών φάσης από άμεσα πλήγματα κεραυνών. 2. Μείωση των επαγόμενων τάσεων που προκαλούνται από εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. 3. Μείωση της κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW. 4. Αύξηση της αμοιβαίας κυματικής αντίστασης ενός συστήματος OHGW στους προστατευμένους αγωγούς φάσης. Μπορούν να είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένοι απευθείας στην κατασκευή ή έμμεσα μέσω μικρών διακένων. Προστατευτικό διάκενο (sparkgap): Οποιοδήποτε διάστημα αέρα ανάμεσα σε δύο αγωγούς που είναι ηλεκτρικά μονωμένοι μεταξύ τους ή συνδέονται ηλεκτρικά σε κάποια απόσταση. 60

61 Αλεξικέραυνο (surgearrester): Μία προστατευτική συσκευή που περιορίζει τις υπερτάσεις στον εξοπλισμό παρεκκλίνοντας το ρεύμα και διατηρώντας έτσι την συσκευή στην αρχική της κατάσταση. 4.4 Παράμετροι κεραυνών Τα γενικά χαρακτηριστικά των κεραυνών δόθηκαν στο Κεφάλαιο 2. Εδώ θα παρατεθούν αυτά που αφορούν την παρούσα οδηγία και τις γραμμές διανομής Πτώση κεραυνών Η πιο συχνά εμφανιζόμενη μορφή είναι ο κεραυνός μέσα σε ένα σύννεφο, αλλά αυτή που επηρεάζει περισσότερο τις εναέριες γραμμές διανομής είναι ο κεραυνός μεταξύ σύννεφου και Γης. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, είναι πιθανόν να συμβούν διακοπές ρεύματος, λόγω των κεραυνών και των ανέμων. Έτσι κάποιες διακοπές που συμβαίνουν λόγω ανέμου, πτώσεις δέντρων ή ελαττωματικού εξοπλισμού είναι πιθανόν να θεωρηθεί ότι συνέβησαν από κεραυνό, κάτι που θα έκανε τον αριθμό των σφαλμάτων λόγο κεραυνού να φαίνεται πλαστά υψηλός. Στις περισσότερες περιοχές του κόσμου, μια ένδειξη της κεραυνικής δραστηριότητας μπορεί να αποκτηθεί από τα κεραυνικά δεδομένα της περιοχής(ημέρες καταιγίδας ανά έτος). Στο Σχήμα 4.1, φαίνεται ο παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης. Το κεραυνικό επίπεδο είναι μια ένδειξη της κατά τόπους κεραυνικής δραστηριότητας που βασίζεται σε μέσες τιμές των ποσοτήτων και προκύπτουν από ιστορικά διαθέσιμες παρατηρήσεις. Ωστόσο, για συγκεκριμένες περιοχές είναι διαθέσιμα και περισσότερο λεπτομερή κεραυνικά δεδομένα. Έτσι μια λεπτομερέστερη απεικόνιση της κεραυνικής δραστηριότητας μπορεί να αποκτηθεί από χάρτες που απεικονίζουν την πυκνότητα κεραυνών στο έδαφος (GFD maps), οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από τις πληροφορίες που μας παρέχουν τα δίκτυα εντοπισμού κεραυνών. Στο Σχήμα 4.2 απεικονίζεται ένα δείγμα ενός τέτοιου χάρτη για τις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. 61

62 Σχήμα 4.1: Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης [19] Σχήμα 4.2: Χάρτης GFD (Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής) [19] Συστήματα εντοπισμού κεραυνών, καθώς και δίκτυα μέτρησης κεραυνών έχουν τοποθετηθεί στη βόρεια Αμερική και σε άλλα μέρη του πλανήτη. Έχοντας αρκετή εμπειρία, αυτά τα δίκτυα μπορούν να παρέχουν λεπτομερείς GFD χάρτες. Οι χάρτες GFD είναι πολύ πιο λεπτομερείς και ακριβείς απ' ότι τα κεραυνικά δεδομένα. Τα συστήματα θέσης παρέχουν επίσης κάποιες χρήσιμες και λεπτομερείς μετρήσεις. 62

63 Εκτός του ότι παρέχουν την συχνότητα των κεραυνών, τα δίκτυα μπορούν επίσης να μας πληροφορήσουν για την ώρα, την ημερομηνία, την τοποθεσία, τον αριθμό των κεραυνών, το εκτιμώμενο ρεύμα του μεγίστου πλήγματος και την πολικότητα. Σε ορισμένες περιοχές του πλανήτη, αυτά τα συστήματα έχουν ή είναι κοντά στο να έχουν επαρκή στοιχεία (το λιγότερο επτά χρόνων) για να χρησιμοποιηθούν σε σχεδιαστικούς σκοπούς. Αυτή τη στιγμή, οι χάρτες GFD χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό γραμμών διανομής, εκτιμώντας τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνού, καθώς επίσης και σε πολλούς άλλους τύπους ανάλυσης λόγω κεραυνών. Η αξιοπιστία μιας γραμμής διανομής εξαρτάται από την έκθεσή της η όχι σε περιπτώσεις κεραυνών. Για να προσδιορισθεί αυτό ο σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει τον ετήσιο αριθμό κεραυνών ανά μονάδα περιοχής και ανά μονάδα χρόνου (GFD). ΤοGFD μπορεί να υπολογιστεί με διάφορους τρόπους. Ένας πρώτος τρόπος να προσδιοριστεί είναι από το κεραυνικό επίπεδο της περιοχής, σύμφωνα με την εξίσωση: N g = 0.04T 1.25 [κεραυνοί/km/έτος] Όπου : Td: ο αριθμός των ημερών καταιγίδας ανά χρόνο (το κεραυνικό επίπεδο). Ένας άλλος τρόπος υπολογισμού για το GFD μπορεί να προκύψει από τα αρχεία των ωρών καταιγίδας ως εξής: 1.1 N g = 0.04T h Εκτιμήσεις για μια μέση τιμή του GFD μπορούν επίσης να γίνουν από τα δίκτυα εντοπισμού κεραυνών ή από τους μετρητές/καταγραφείς των κεραυνών. Αν έχουμε δεδομένα αρκετών ετών, έχουμε το πλεονέκτημα του εντοπισμού των διαφοροποιήσεων σε μια περιοχή. Τα ποσοστά των κεραυνών καθώς και οι διακοπές που προκαλούνται λόγω κεραυνού έχουν σημαντικές διακυμάνσεις χρόνο με το χρόνο. Συνήθως, αυτές οι 63

64 ετήσιες διακυμάνσεις της κεραυνικής δραστηριότητας έχουν μια απόκλιση της τάξης του 20% με 50% από την μέση τιμή τους. Αν περιοριστούμε σε μια μικρή περιοχή, π.χ. 10 km 2, τότε εκτιμάται ότι αυξάνεται αυτή η απόκλιση 30% με 50% από το μέσο όρο. Αντιθέτως, σε μια περιοχή μεγαλύτερης έκτασης, π.χ. 500 km 2 η απόκλιση είναι μικρότερη, της τάξης του 20% με 25% από το μέσο όρο. Σε περιοχές με χαμηλά επίπεδα κεραυνικής δραστηριότητας, η σχετικά σταθερή απόκλιση είναι μεγαλύτερη. Έτσι λοιπόν, με τέτοιες μεγάλες διακυμάνσεις, χρειαζόμαστε δεδομένα πολλών ετών για να υπολογίσουμε με ακρίβεια το μέσο όρο. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό σε δύο περιπτώσεις : Όταν γίνεται χρήση εδαφικών κεραυνικών δεδομένων μια περιοχής Όταν γίνεται εκτίμηση του ποσοστού διακοπών από κεραυνούς από τα στοιχεία διακοπής λειτουργίας Κατανομές μέγιστου ρεύματος κεραυνών Στον Πίνακα 4.1(CIGRE WorkingGroup 33.01) παρουσιάζονται οι παράμετροι των κεραυνών, σύμφωνα με τον οποίο η διακύμανση που εμφανίζεται στο μέγιστο ρεύμα κεραυνού Iο μπορεί να προσεγγισθεί με μια λογαριθμική/κανονική κατανομή. Προκειμένου να διαχειριστούμε την πιθανολογική κατανομή των κορυφαίων τιμών ρεύματος με έναν πιο απλό τρόπο, υιοθετείται η ακόλουθη έκφραση. 1 P(I O i o ) = (i o 31) Η παραπάνω εξίσωση μας δίνει την πιθανότητα το μέγιστο ρεύμα του κεραυνού Ιο να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μια συγκεκριμένη τιμή io [ka]. 64

65 Πίνακας 4.1: CIGRE παράμετροι του ρεύματος κεραυνού [1] 65

66 4.5 Συμπεριφορά εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση κεραυνού Εδώ περιγράφεται μια μέθοδος θεωρητικού υπολογισμού των άμεσων και έμμεσων πληγμάτων από κεραυνό στα δίκτυα διανομής. Οι κεραυνοί είναι υπεύθυνοι για έναν μεγάλο αριθμό διακοπών ρεύματος στις γραμμές διανομής. Οι κεραυνοί μπορεί να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα από: 1. Άμεσα πλήγματα 2. Επαγόμενες τάσεις από κοντινά πλήγματα Απευθείας πλήγμα σε γραμμές διανομής προκαλεί βραχυκυκλώματα στις μονώσεις στην πλειοψηφία των περιπτώσεων. Για παράδειγμα, ένα πλήγμα 10 kaθα μπορούσε να παράγει μια υπέρταση περίπου 2000 kv, πέρα από τα επίπεδα μόνωσης των εναέριων γραμμών διανομής ονομαστικής τάσης 69 kv. Παρόλα αυτά, η εμπειρία και οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι πολλές από τις διακοπές λειτουργίας, που σχετίζονται με κεραυνούς, σε γραμμές με μικρή μόνωση οφείλονται σε κεραυνούς που πέφτουν στο έδαφος κοντά στην γραμμή. Οι περισσότερες τάσεις που επάγονται σε μια γραμμή διανομής από εκκενώσεις κεραυνών που καταλήγουν κοντά στην γραμμή είναι μικρότερες από 300 kv. Οι κεραυνοί μπορούν να συλλεχθούν από ψηλότερα αντικείμενα, και επομένως το ύψος και η απόσταση των προστατευτικών αντικειμένων από τη γραμμή διανομής, όπως τα δέντρα και τα κτίρια, επηρεάζουν την συμπεριφορά της γραμμής σε περίπτωση κεραυνού. 66

67 Σχήμα 4.3: Περιγραφή των παραμέτρων των κεραυνών [19] Πλήγματα κεραυνών σε εναέριες γραμμές Ύψος κατασκευής Οι κεραυνοί μπορεί να έχουν πολύ σημαντική επίδραση στην αξιοπιστία μιας γραμμής, ειδικότερα αν οι πόλοι της βρίσκονται σε ψηλότερο επίπεδο από τον περιβάλλοντα χώρο. Οι περισσότεροι κεραυνοί απορροφόνται από υψηλότερες κατασκευές. Ο ρυθμός απορρόφησης κεραυνών Ν, σε ανοιχτό έδαφος (μη ύπαρξη δέντρων ή κτιρίων), προσδιορίζεται από την εξίσωση του Eriksson. N = N g ( 28h0.6 + b ) 10 Όπου: h: είναι το ύψος του στύλου (m) b: το πλάτος της κατασκευής (m) Ng: η πυκνότητα των κεραυνών (κεραυνοί/km2/έτος) N:ο αριθμός των κεραυνών/100 km/ έτος 67

68 Για τις περισσότερες γραμμές διανομής, ο κατασκευαστικός παράγοντας πλάτος (b) είναι σχεδόν αμελητέος. Από την παραπάνω εξίσωση, εάν το ύψος του πόλου αυξηθεί κατά 20%, ο ρυθμός απορρόφησης των κεραυνών σε μια εναέρια γραμμή διανομής θα αυξηθεί κατά 12%. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι μια γραμμή μπορεί να απορροφήσει πολύ περισσότερους κεραυνούς απ' ότι προβλεπόταν αρχικά από το μοντέλο 4 H, που χρησιμοποιείτο για χρόνια. Σύμφωνα με το μοντέλο 4 H ο αριθμός των κεραυνών στην γραμμή διανομής υπολογιζόταν για ένα πλάτος διπλάσιο του ύψους της γραμμής και στις δύο πλευρές της γραμμής. Η έκθεση της γραμμής διανομής στον κεραυνό εξαρτάται από το πόσο προεξέχουν οι κατασκευές πάνω από την γύρω περιοχή. Οι κατασκευές που βρίσκονται σε κορυφές βουνών, οροσειρών, ή λόφων είναι πιο πιθανοί στόχοι κεραυνών από αυτές που είναι προστατευμένες από φυσικά στοιχεία Προστασία από παραπλήσιες κατασκευές και δέντρα Δέντρα και κτίρια που βρίσκονται παράπλευρα των γραμμών διανομής παίζουν σημαντικό ρόλο στην συμπεριφορά τους σε περίπτωση κεραυνού. Έτσι οι παράπλευρες κατασκευές μπορούν να τραβήξουν πολλούς κεραυνούς που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν την γραμμή. Εδώ εισέρχεται ο παράγοντας σκίασης, Sf, και ορίζεται το τμήμα ανά μονάδα γραμμών διανομής που προστατεύεται από κοντινά αντικείμενα. Ο αριθμός των πληγμάτων στη γραμμή τότε γίνεται: N s = N(1 S f ) Ένας μηδενικός παράγοντας σκίασης (0.0) σημαίνει ότι η γραμμή βρίσκεται σε ανοιχτό έδαφος χωρίς προστασία από παράπλευρες κατασκευές, ενώ ο παράγοντας σκίασης ένα (1.0) σημαίνει ότι η γραμμή είναι πλήρως καλυμμένη από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Το Σχήμα 4.4 δείχνει έναν τρόπο υπολογισμού του παράγοντα σκίασης (προστασίας) για μια γραμμή διανομής ύψους 10m, με παράπλευρες κατασκευές 68

69 διαφόρων υψών. Τα αντικείμενα υποτίθεται ότι είναι τοποθετημένα σε μια ευθεία γραμμή παράλληλα στην γραμμή διανομής. Αυτό μπορεί να αντιπροσωπεύει μια σειρά δέντρων ή σπιτιών. Σχήμα 4.4: Παράγοντες προστασίας λόγω κοντινών αντικειμένων σε διαφορετικά ύψη για μια γραμμή διανομής ύψους 10m [1] Το Σχήμα 4.4 μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και για τις δύο πλευρές της γραμμής διανομής, αν απλά προστεθούν οι παράγοντες προστασίας της δεξιάς και της αριστερής πλευράς (αν το άθροισμα ξεπερνά το 1, τότε ο ολικός παράγοντας προστασίας ισούται με 1). Για παράδειγμα, θεωρούμε ένα μια εναέρια γραμμή διανομής ύψους 10m με τις ακόλουθες σειρές κτιρίων σε κάθε πλευρά: 1. Μια σειρά από κτίρια ύψους 7.5m, 30m από την αριστερή πλευρά της γραμμής διανομής (Sfleft = 0.23). 2. Μια σειρά ύψους 15m, 40m από την δεξιά πλευρά της γραμμής διανομής (Sfright = 0.4). Εάν ο GFD μιας περιοχής είναι 1 κεραυνός/km 2 /έτος, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε μία εναέρια γραμμή σε ανοιχτό έδαφος θα είναι κεραυνοί/100 km/έτος. Όταν η γραμμή περνάει δίπλα από σειρά κτιρίων, ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων μειώνεται σε: 69

70 NS=N[1-(Sfleft+Sfright)] =(11.15 κεραυνοί/100km/έτος)[1-( )] =4.12 κεραυνοί/100 km/έτος Όλα τα άμεσα πλήγματα κεραυνών θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα ανεξάρτητα από το επίπεδο μόνωσης, τα διαστήματα των αγωγών, ή της γείωσης άμα η μόνωση της γραμμής διανομής δεν προστατεύεται από αγωγό προστασίας ή αλεξικέραυνα. Γι' αυτό για να εκτιμήσουμε τον αριθμό των άμεσων πληγμάτων χρησιμοποιούμε την εξίσωση (3:4) για ανοιχτό έδαφος ή την (3:4) και (3:5) για μερικώς προστατευμένη γραμμή. Στη θεωρητική ανάλυση, θεωρούμε ότι κάθε πλήγμα θα προκαλέσει βραχυκύκλωμα στο δίκτυο διανομής Βραχυκύκλωμα από επαγόμενη τάση Σύμφωνα με τη θεωρία του Rusck, η μέγιστη τάση που επάγεται στο κοντινότερο, στο πλήγμα, σημείο μιας γραμμής μεταφοράς δίνεται από: V max = 38.8 I oh a y Όπου : Ιο: είναι η μέγιστη τιμή ρεύματος του κεραυνού ha: είναι το μέσο ύψος της γραμμής πάνω από το επίπεδο του εδάφους y: είναι η πλησιέστερη απόσταση ανάμεσα στη γραμμή και το πλήγμα του κεραυνού Η εξίσωση αυτή χρησιμοποιείται για έναν απείρως μακρύ αγωγό, μίας φάσης, πάνω από ένα τέλεια αγώγιμο έδαφος. Ένας γειωμένος ουδέτερος αγωγός ή ένας εναέριος αγωγός προστασίας θα μείωνε την τάση κατά μήκος της μόνωσης κατά έναν παράγοντα ο οποίος εξαρτάται από τη γείωση και την απόσταση του γειωμένου αγωγού από τους αγωγούς φάσης. Αυτός ο παράγοντας κυμαίνεται μεταξύ 0.6 και

71 Η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση μπορεί να αυξηθεί δραματικά για γραμμές με μικρά επίπεδα μόνωσης. Στο Σχήμα 4.5 φαίνεται η συχνότητα των βραχυκυκλωμάτων ως συνάρτηση της κρίσιμης τιμής τάσης διάσπασης (CFO) στη γραμμή. Τα αποτελέσματα φαίνονται για δύο διαφορετικές διατάξεις γείωσης. Το μη-γειωμένο κύκλωμα δεν έχει ούτε ουδέτερο ούτε αγωγό προστασίας, όπως είναι ένα κύκλωμα με τρεις αγωγούς μη γειωμένους ή ένα κύκλωμα με τέσσερις αγωγούς με κοινή γείωση. Τα αποτελέσματα για ένα γειωμένο κύκλωμα αναφέρονται σε ένα κύκλωμα με γειωμένο ουδέτερο αγωγό ή εναέριο αγωγό προστασίας. Ένα γειωμένο κύκλωμα εμφανίζει λιγότερα βραχυκυκλώματα, για μια δεδομένη τιμή CFO, γιατί ο γειωμένος αγωγός μειώνει την τάση που εμφανίζεται πάνω στη μόνωση. Ωστόσο οι μη γειωμένες και οι κοινής γείωσης κατασκευές, έχουν συνήθως μεγαλύτερη CFO από τη φάση στη γείωση, από μία αντίστοιχη κατασκευή κυκλώματος πολλαπλής γείωσης, λόγω της απουσίας του γειωμένου ουδέτερου αγωγού. Οι τιμές είναι κανονικοποιημένες για GFD 1 κεραυνό/km 2 /έτος και ύψος γραμμής 10m. Τα αποτελέσματα μπορούν να θεωρηθούν γραμμικά ανάλογα με το μήκος της γραμμής και τον GFD. 71

72 Σχήμα 4.5: Αριθμός βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση έναντι του επιπέδου μόνωσης της γραμμής διανομής [1] Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο παραπάνω σχήμα αναφέρονται σε γραμμή σε ανοιχτό έδαφος χωρίς να υπάρχουν κοντά σε αυτήν δέντρα ή κτίρια. Ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων εξαρτάται από την παρουσία ή όχι γειτονικών αντικειμένων στη γραμμή, που όμως μπορεί να προστατεύουν τη γραμμή από άμεσα πλήγματα κεραυνών. Αυτό μπορεί να αυξήσει την επαγόμενη τάση, επειδή αυξάνεται ο αριθμός των πληγμάτων κοντά στη γραμμή. Ως σημείο αναφοράς, μια γραμμή διανομής ύψους 10m σε ανοιχτό έδαφος με GFD=1 κεραυνό/km 2 /έτος θα έχει κατά προσέγγιση 11 κεραυνούς/100km/έτος λόγω 72

73 των άμεσων πληγμάτων. Σε ανοιχτό έδαφος, οι επαγόμενες τάσεις θα είναι πρόβλημα μόνο για τις γραμμές με χαμηλά επίπεδα μόνωσης. Για παράδειγμα, σε ένα μη γειωμένο δίκτυο, ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων θα ξεπερνά τον αριθμό των άμεσων βραχυκυκλωμάτων μόνο αν η CFO είναι λιγότερο από 75 kv (όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.5). Σε προστατευμένες περιοχές, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα είναι μεγαλύτερου ενδιαφέροντος. Γενικά, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αν η κρίσιμη τάση διάσπασης(cfo) είναι μεγαλύτερη των 300kV, τα επαγόμενα βραχυκυκλώματα θα είναι σχεδόν μηδενικά. Σχεδόν όλες οι μετρήσεις που αφορούν επαγόμενες τάσεις από κεραυνούς είναι λιγότερες από 300kV, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 4.5. Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να λάβουμε υπ' όψιν είναι ότι οι περισσότερες γραμμές διανομής έχουν αλεξικέραυνα στους μετασχηματιστές, τα οποία παρέχουν ως ένα βαθμό μείωση της επαγόμενης τάσης από κεραυνό. Ωστόσο αυτή η μείωση μπορεί να είναι μικρή σε αγροτικά και προαστιακά κέντρα. 4.6 Επίπεδο μόνωσης γραμμών διανομής Η παρούσα οδηγία, είναι μια προσπάθεια βοηθείας του σχεδιαστή/μελετητή γραμμών διανομής ώστε να βελτιωθούν οι δυνατότητες μόνωσης των εναέριων γραμμών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, εναέριων γραμμών διανομής, χρησιμοποιούνται περισσότεροι του ενός τύποι μονωτικών υλικών για προστασία έναντι των κεραυνών. Τα πιο διαδεδομένα συστατικά που χρησιμοποιούνται γι αυτό το σκοπό είναι η πορσελάνη, ο αέρας, το ξύλο, τα πολυμερή και το fiberglass (υαλονήματα). Καθένα απ' αυτά έχει και τη δική του μονωτική ισχύ. Όταν τα μονωτικά υλικά χρησιμοποιούνται σε σειρά, το συνολικό αποτέλεσμα δεν είναι το άθροισμά τους, αλλά μια λίγο χαμηλότερη τιμή. Οι ακόλουθοι παράγοντες επηρεάζουν τα επίπεδα των βραχυκυκλωμάτων λόγω κεραυνών στις γραμμές διανομής και κάνουν δύσκολο τον υπολογισμό τις ολικής στάθμης μόνωσης: 1. Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η πυκνότητα του αέρα, η υγρασία, οι βροχοπτώσεις και ατμοσφαιρική μόλυνση. 73

74 2. Η πολικότητα και ο ρυθμός αύξησης της τάσης. 3. Κάποιοι φυσικοί παράγοντες όπως το σχήμα των μονωτήρων, το σχήμα του μεταλλικού υλικού, και η διάταξη του μονωτήρα (που τοποθετείται κάθετα, οριζόντια ή με κάποια γωνία). Εάν το ξύλο παρεμβάλλεται στην πορεία εκφόρτισης του κεραυνικούπλήγματος, τότε το αποτέλεσμα του κεραυνού μπορεί να ποικίλει, εξαρτώμενο κυρίως από την υγρασία στην επιφάνια του ξύλου. Παρόλο που ο σχεδιαστής μηχανικός μπορεί να είναι περισσότερο εξοικειωμένος με το βασικό επίπεδο μόνωσης έναντι κεραυνών (BIL) ενός δεδομένου συνδυασμού μονωτικών υλικών, τα αποτελέσματα της οδηγίας αυτής δίνονται με βάση την CFO των συνδυασμών αυτών. Η CFO προσδιορίζεται ως εκείνο το επίπεδο της τάσης στο οποίο υπάρχει 50% πιθανότητα να συμβεί βραχυκύκλωμα και 50%πιθανότητα να αντέξει η μόνωση. Αυτή η τιμή είναι πειραματική και λαμβάνεται μόνο στο εργαστήριο. Αν υποτεθεί ότι τα δεδομένα από τα βραχυκυκλώματα ακολουθούν μια Γκαουσιανή κατανομή, τότε κάθε συγκεκριμένη πιθανότητα να αντέξει η μόνωση μπορεί να υπολογιστεί στατιστικά από την τιμή της CFO και την κανονική κατανομή. Καθώς τα εργαστηριακά δεδομένα είναι πλέον διαθέσιμα, μελετώνται διάφοροι τρόποι σε μια προσπάθεια να καθοριστεί η εκτιμώμενη CFO για έναν δεδομένο συνδυασμό μονωτικών υλικών. Η προσέγγιση της «επιπρόσθετης αντοχής μόνωσης» μπορεί να είναι η πιο πρακτική. Αυτή η μέθοδος υιοθετήθηκε από μια παρόμοια διαδικασία που χρησιμοποιούταν και νωρίτερα στο σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς, αλλά επέκτεινε την εφαρμογή της σε πολλά μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή γραμμών διανομής. Αυτή χρησιμοποιεί την CFO ως πρωταρχικό μονωτικό στοιχείο και προσθέτει σ' αυτήν την τιμή, την αύξηση της CFO που προσφέρεται από ένα επιπλέον υλικό (έχοντας πάντα υπόψη ότι η επιπλέον μονωτική ισχύς είναι πάντα μικρότερη από αυτή που έχει μόνο του το στοιχείο που προστίθεται). 74

75 4.7 CFO τάση της συνδυασμένης μόνωσης Από τις απαρχές του σχεδιασμού και της κατασκευής των ηλεκτρικών δικτύων, οι μηχανικοί κατασκεύαζαν τις γραμμές διανομής από ξύλινους βραχίονες και συνέδεαν τους στύλους σε σειρά με τους βασικούς μονωτήρες για να αυξήσουν την αντοχή της γραμμής έναντι των κρουστικών πληγμάτων από κεραυνούς. Στις αρχές του 1930, σε μια σειρά δημοσιεύσεων παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα που προέκυψαν όταν μονωτήρες δοκιμάστηκαν σε συνδυασμό με ξύλο. Μια ερώτηση που γεννάται είναι το κατά πόσο αυξήθηκε η αντοχή της μόνωσης, σε περίπτωση κεραυνού, της ήδη υπάρχουσας μόνωσης. Μια μερική απάντηση δόθηκε μετά από χρόνια ερευνών σε πολλά εργαστήρια, και τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν την δεκαετία του 40' και του 50'. Μια γενική περίληψη προηγούμενων εργασιών πάνω στην CFO παρουσιάστηκε στην AIEE CommitteReport του 1950, και μια εκτενής αναφορά το Όμως, αυτά τα αποτελέσματα εφαρμόζονταν κυρίως στην κατασκευή γραμμών μεταφοράς και όχι σε γραμμές διανομής. Στις εναέριες γραμμές διανομής, το σημείο με την πιο ασθενή μόνωση είναι συνήθως σε στύλο παρά μεταξύ των αγωγών στον αέρα. Πιο πρόσφατα, η έρευνα στράφηκε σε πολυδιηλεκτρικούς συνδυασμούς που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι έρευνες αφορούσαν στις γραμμές διανομής και μεταφοράς και στο βαθμό αντοχής τουξύλου, όταν αυτό εκτίθεται σε κεραυνό, σε κρουστικές τάσεις χειρισμών και σε κρουστικές τάσεις με απότομο μέτωπο. Πρόσφατα, στις γραμμές διανομής χρησιμοποιούνται μονωτήρες πολυμερών και οι βραχίονες από υαλονήματα (fiberglass). 4.8 Προσδιορισμός της CFO τάσης για κατασκευές με μονώσεις σειράς Οι μελέτες έχουν δείξει ότι ένα μέτρο ξύλου ή ένα μέτρο υαλονήματος (fiberglass) προσδίδουν περίπου kv στην ήδη υπάρχουσα μόνωση έναντι των κεραυνών. Για μεγαλύτερα μήκη, η αντοχή της μόνωσης από κεραυνό για έναν ξύλινο ή από fiberglass βραχίονα, σε συνδυασμό με τους μονωτές καθορίζεται 75

76 κυρίως μόνο από τον εκάστοτε βραχίονα. Έτσι η μόνωση έναντι της εναλλασσόμενης τάσης λαμβάνεται μόνο από το μονωτήρα, ενώ ο ξύλινος ή από υαλονήματα μονωτήρας θεωρείται ως μια επιπλέον μόνωση σε κρουστική τάση κεραυνών. Όταν η πορεία του κεραυνού δεν εμπεριέχει κάποιο ξύλινο βραχίονα ή fiberglass βραχίονα, αλλά δύο ή περισσότερους τύπους μονωτήρων συνδεδεμένων σε σειρά, τότε η κρίσιμη τιμή τάσης βραχυκύκλωσης (CFO) δεν προσδιορίζεται απλώς προσθέτοντας τις τιμές των CFO των ξεχωριστών συστατικών. Η κρίσιμη τιμή της τάσης βραχυκύκλωσης αυτών των συνδυασμένων μονωτήρων λαμβάνεται ως συνάρτηση ενός μεγάλου αριθμού διαφορετικών παραγόντων, ο καθένας από τους οποίους απαιτεί ξεχωριστή ανάλυση. Στις μέρες μας, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί συνδυασμοί και σχηματισμοί που χρησιμοποιούνται από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού. Η εκτεταμένη μέθοδος πρόσθετων-cfo μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η συνολική CFO μιας κατασκευής διανομής με το να: 1. Προσδιοριστεί η συμβολή του κάθε ξεχωριστού συστατικού μόνωσης στην συνολική CFO του συνδυασμού. 2. Υπολογιστεί η CFO του ολικού συνδυασμού γνωρίζοντας την CFO των συστατικών μόνωσης. Αυτό μπορεί να γίνει, είτε χρησιμοποιώντας κάποιους πίνακες είτε γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν τα ήδη υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα, και χρησιμοποιώντας αυτά να συσχετισθεί η επίδραση ενός μονωτικού υλικού προστιθέμενο στο άλλο. Αυτή η διαδικασία στηρίζεται στα χαρακτηριστικά δεδομένα της CFO της βασικής μόνωσης και σε ένα επιπρόσθετο σύνολο σύνθετων δεδομένων που είναι γνωστό ως η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης (CFO voltage) που προστίθεται από ένα συγκεκριμένο συστατικό. Στους υπολογισμούς όπου εμπλέκονται δύο συστατικά, η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης (CFO) του συνδυασμού τους είναι πολύ χαμηλότερη απ' ότι το άθροισμα των δύο ξεχωριστών CFO τιμών τους. Ο μονωτήρας θεωρείται ως η βασική-πρωταρχική μόνωση. Η CFO που αποκτάται για σχηματισμούς που 76

77 αποτελούνται από δύο συστατικά υπολογίζεται ως η CFO του βασικού συστατικού συν την CFO του δεύτερου συστατικού. Η συνολική CFO τάση για δύο συστατικά είναι: CFO T = CFO ins + CFO add.sec Όπου: CFOins: είναι η CFO του κύριου συστατικού CFOadd.sec: είναι η CFO που προστίθεται από το δεύτερο συστατικό Η συνολική CFO τάση τριών και πλέον συστατικών είναι: CFO T = CFO ins + CFO add.sec + CFO add.third + + CFO add.nth Όπου: CFOadd.third: είναι η CFO που προστίθεται από το τρίτο συστατικό CFOadd.nth: είναι η CFO που προστίθεται από το νιοστό στοιχείο Η ευρέως χρησιμοποιούμενη τιμή κρίσιμης τάσης βραχυκύκλωσης (CFO), καθώς επίσης και η CFO των προστιθέμενων υλικών δίδεται στους Πίνακες 4.2, 4.3,

78 Πίνακας 4.2 Κύρια μόνωση (CFOins) [1] Πίνακας 4.3: Επιπρόσθετη CFO δευτερευόντων συστατικών (CFOadd.sec) [1] Πίνακας 4.4: Τρίτα συστατικά επιπρόσθετης CFO (CFOadd.third) [1] ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ για τους παραπάνω πίνακες: 78

79 1. Όλες οι τιμές αναφέρονται σε επίπεδα υγρής CFO. 2. Οι τιμές αναφέρονται στο ελάχιστο των τιμών θετικής και αρνητικής πολικότητας. 3. Οι μονωτήρες αναφέρονται μόνο ως παράδειγμα. Για πιο ακριβείς τιμές ανατρέξτε στις επίσημες τιμές των κατασκευαστών. Οι τιμές που δίνονται παραπάνω αναφέρονται σε υγρές συνθήκες, κάτι το οποίο συνιστάται για τον υπολογισμό της CFO, καθώς είναι προφανές ότι αναφερόμαστε σε περιπτώσεις καταιγίδων. Αν έχουμε την CFO υπό ξηρές συνθήκες (συνήθως δίνεται απ' τον κατασκευαστή, ή από εργαστηριακές μετρήσεις) και θέλουμε την CFO υπό υγρές συνθήκες τότε πολλαπλασιάζουμε την CFO υπό ξηρές συνθήκες με ένα συντελεστή 0.8. Γενικά η υγρή τιμή είναι περίπου το της ξηρής. Για συστατικά που δεν αναφέρονται στους παραπάνω πίνακες, η συνολική CFO μπορεί να υπολογιστεί με μειώσεις για το δεύτερο και τρίτο συστατικό, όπως: CFO add.sec = 0.45CFO ins CFO add.third = 0.20CFO ins Η χρήση της εκτεταμένης μεθόδου πρόσθετων-cfo και των πινάκων που δίνονται σε αυτήν την οδηγία συνήθως δίνει αποτελέσματα με σφάλμα ±20%. Περισσότερο ακριβή αποτελέσματα είναι διαθέσιμα με τις ακόλουθες μεθόδους: a. Εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών έναντι κεραυνών στην κατασκευή σε υγρές συνθήκες. Αυτή η μέθοδος θα δώσει και τα πιο ακριβή αποτελέσματα. b. Εκτέλεση δοκιμών έναντι κεραυνών υπό ξηρές συνθήκες, και πολλαπλασιασμός των τιμών με 0.8 για τον υπολογισμό του CFO σε υγρές συνθήκες. c. Χρήση λεπτομερέστερων τιμών κρίσιμης τάσης βραχυκύκλωσης CFO. 79

80 4.9 Τεχνικά ζητήματα Ο εξοπλισμός και τα υλικά υποστήριξης, είναι δυνατόν να μειώσουν την κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης στις δομές διανομής. Αυτοί οι "αδύναμοι σύνδεσμοι" μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλη αύξηση των υπερπηδήσεων από επαγόμενες τάσεις. Μερικές απ' αυτές τις περιπτώσεις περιγράφονται παρακάτω. Επίτονα: τα επίτονα μπορεί να είναι ένας απ' τους κύριους παράγοντες μείωσης της CFO μιας γραμμής. Αυτό γίνεται γιατί, για να έχουν μηχανικό πλεονέκτημα, τα επίτονα γενικά προσκολλώνται ψηλά στον πόλο σε άμεση γειτονία με τα κύρια μονωτικά υλικά. Επειδή τα επίτονα παρέχουν διαδρομή προς τη γη, η παρουσία τους μειώνει την CFO του ολικού σχηματισμού. Οι μικροί πορσελάνινοι μονωτές επιτόνων που χρησιμοποιούνται συνήθως, δεν παρέχουν σχεδόν καθόλου επιπλέον μόνωση (γενικά λιγότερο από 30kV της CFO). Έτσι για να αποκτήσουμε αξιοσημείωτη αντοχή μόνωσης χρησιμοποιούμε μονωτήρες από fiberglass. Ένας μονωτήρας 50cm από fiberglass παρέχει CFO περίπου 250kV. Διακόπτες ασφαλείας: η τοποθέτηση διακοπτών ασφαλείας είναι ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα απροστάτευτων εξοπλισμών που μπορεί να μειώσει την CFO ενός πόλου. Για τα δίκτυα των 15 kv, ένας διακόπτης ασφαλείας μπορεί να έχει 95kV BIL. Ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασης του διακόπτη, μπορεί το CFO ολόκληρης της κατασκευής να μειωθεί περίπου στα 95kV (περίπου, επειδή το BIL κάθε μονωτικού συστήματος είναι πάντα μικρότερο από το CFO αυτού του συστήματος). Σε ξύλινους πόλους, το πρόβλημα των διακοπτών ασφαλείας μπορεί να βελτιωθεί με την διευθέτηση της διακοπής έτσι ώστε το υποστήριγμα της σύνδεσης να τοποθετείται στον πόλο μακριά από τους γειωμένους αγωγούς (επίτονα, γειωμένοι αγωγοί, και ουδέτεροι αγωγοί). Τα ίδια ισχύουν και για άλλους διακόπτες και άλλα μέρη του εξοπλισμού που δεν προστατεύονται από αλεξικέραυνα. Ύψος ουδέτερου αγωγού: το ύψος του ουδέτερου αγωγού μπορεί να διαφέρει από γραμμή σε γραμμή, καθότι εξαρτώμενο από το μηχανισμό στήριξης. Στους ξύλινους πόλους, όσο πιο κοντά ο ουδέτερος αγωγός είναι στους αγωγούς φάσης, τόσο πιο χαμηλή είναι η κρίσιμη τάση βραχυκύκλωσης. 80

81 Αγώγιμα υποστηρίγματα και αγώγιμες κατασκευές: η χρήση τσιμεντένιων και ατσάλινων κατασκευών σε εναέριες γραμμές διανομής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που μειώνει σημαντικά την CFO. Μεταλλικοί βραχίονες και μεταλλικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε ξύλινες πολικές κατασκευές. Εάν ένα από αυτά τα υλικά είναι γειωμένο, το αποτέλεσμα είναι το ίδιο με αυτό μιας κατασκευής εξ ολοκλήρου από μέταλλο. Σε τέτοιες κατασκευές, η συνολική CFO παρέχεται από τον μονωτήρα, και μονωτήρες με μεγαλύτερη CFO θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για να αντισταθμίζουν την απώλεια της μόνωσης του ξύλου. Προφανώς, θα πρέπει να υπάρχει ένα ισοζύγιο ανάμεσα στην συμπεριφορά έναντι του κεραυνού και άλλα ζητήματα, όπως ο μηχανικός σχεδιασμός ή η τιμή. Και όντως αυτό το ισοζύγιο υπάρχει και είναι ιδιαίτερα μεγάλης σημασίας. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να γνωρίζει τα αρνητικά αποτελέσματα που μπορεί να έχει το μεταλλικό υλικό στην συμπεριφορά της γραμμής έναντι κεραυνού και θα πρέπει να προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει αυτά τα αποτελέσματα. Σε ξύλινους πόλους και βραχίονες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υποστηρίγματα από ξύλο ή fiberglass για να διατηρηθούν καλά επίπεδα μόνωσης. Πολλαπλά κυκλώματα: όταν αυτά εμφανίζονται σε έναν πόλο συνήθως προκαλούν εξασθένιση της μόνωσης. Οι αυστηρά καθορισμένες αποστάσεις των φάσεων και λιγότερο ξύλο εν σειρά συνήθως μειώνουν τα επίπεδα μόνωσης. Αυτό πραγματοποιείται κυρίως σε γραμμές διανομής που βρίσκονται κάτω από γραμμές μεταφοράς, σε ξύλινους πόλους. Τα κυκλώματα μεταφοράς έχουν συνήθως αγωγό προστασίας που είναι συνδεδεμένος με τη γείωση σε κάθε πόλο. Ο αγωγός γείωσης μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της μόνωσης. Αυτό μπορεί να βελτιωθεί απομακρύνοντας τον αγωγό γείωσης από τους πόλους με διαχωριστήρες από fiberglass. Γραμμές με διαχωριστήρες αγωγών: Οι γραμμές αυτές είναι εναέριες γραμμές διανομής με πολύ κοντινά διαστήματα διαχωρισμού. Επικαλυμμένοι αγωγοί και διαχωριστήρες (15-40 cm) που κρέμονται από έναν μεταβιβαστικό αγωγό(messengerwire), παρέχουν στήριξη και ικανότητα μόνωσης. Μια κατασκευή από διαχωρισμένους αγωγούς θα έχει σταθερό CFO, που είναι συνήθως της τάξης των kv. Λόγω του σχετικά χαμηλού επιπέδου μόνωσης, η συμπεριφορά των 81

82 γραμμών αυτών έναντι κεραυνού, μπορεί να είναι μικρότερη από μια παραδοσιακή ανοιχτή κατασκευή. Δεν μπορούμε να κάνουμε και πολλά για να αυξήσουμε την CFO μιας τέτοιας διάταξης. Αυτές οι κατασκευές έχουν το πλεονέκτημα του μεταβιβαστικού αγωγού, που συνήθως λειτουργεί και ως αγωγός προστασίας. Κάτι το οποίο μπορεί να μειώσει τα άμεσα πλήγματα από κεραυνούς. Ανάστροφα βραχυκυκλώματα έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να συμβούν λόγω του χαμηλού επιπέδου μόνωσης. Βελτιωμένη γείωση θα μπορούσε να βελτιώσει την συμπεριφορά έναντι κεραυνού. Προστατευτικά διάκενα και σύνδεσμοι μονωτήρων: Η σύνδεση των μονωτήρων συνήθως γίνεται για την πρόληψη της βλάβης που προκαλείται από κεραυνό σε ξύλινους πόλους ή βραχίονες, ή για την πρόληψη φωτιάς στην κορυφή των πόλων. Τα προστατευτικά διάκενα χρησιμοποιούνται επίσης για την πρόληψη καταστροφών από κεραυνούς στα ξύλινα υλικά της κατασκευής (αυτό περιλαμβάνει REA κατασκευές με συγκεκριμένη προστασία πόλων). Σε κάποια σημεία του πλανήτη, τα προστατευτικά διάκενα χρησιμοποιούνται επίσης αντί για αλεξικέραυνα για την προστασία εξοπλισμού. Τα προστατευτικά διάκενα και οι σύνδεσμοι μονωτήρων μειώνουν σημαντικά το CFO μιας κατασκευής. Εάν ήταν δυνατό, τα προστατευτικά διάκενα, οι σύνδεσμοι μονωτήρων και οι κατασκευές προστασίας των πόλων δεν θα χρησιμοποιούνταν για την πρόληψη βλάβης σε ξύλινα τμήματα Ικανότητα ξύλου για διακοπή του τόξου Οι ξύλινοι πόλοι και βραχίονες έχουν την ικανότητα της καταστολής του τόξου που προκαλείται από κεραυνό και έτσι προλαμβάνουν την εμφάνιση βλαβών στο δίκτυο. Οι ικανότητες του ξύλου για διακοπή είναι κατά κύριο λόγο μια λειτουργία της στιγμιαίας τάσης στη συχνότητα του ρεύματος την στιγμή που συμβαίνει η υπερπήδηση λόγω του κεραυνού. Εάν η τάση είναι κοντά σε μηδενική τιμή, είναι πολύ πιθανό η διακοπή να μην προκαλέσει βλάβη. Εάν η ονομαστική τάση κατά μήκος του ξύλινου βραχίονα διατηρηθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η πιθανότητα για την πρόκληση βλάβης μπορεί να μειωθεί κατά πολύ. 82

83 Αν έχουμε το φαινόμενο των πολλαπλών υπερπηδήσεων, η ικανότητα διακοπής του τόξου είναι πολύ μικρότερη (όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.6). Οι περισσότερες γραμμές διανομής θα υποστούν πολλαπλές υπερπηδήσεις από ένα άμεσο πλήγμα. Στις δομές διανομής που εμφανίζουν κατά μήκος του ξύλου, RMS τάση μεγαλύτερη από 10kV/m ξύλου, η ικανότητα διακοπής του τόξου δεν επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, μια γραμμή διανομής των 13.2kV με 0.5m ξύλου μεταξύ του μονωτή της φάσης και του ουδέτερου αγωγού έχει μια βάθμωση τάσης RMS κατά μήκος του ξύλου της τάξης των 132kV/3/0.5m =15.2kV/m. Για αυτά τα επίπεδα της τάσης, εάν επιτυγχάνονται κενά 1m ξύλου ανάμεσα σε όλους τους αγωγούς φάσης και όλα τα γειωμένα αντικείμενα στον πόλο, τότε η διακοπή μπορεί να γίνει ένας σημαντικός παράγοντας. Αυτό μπορεί ήδη να επιτευχθεί στα κυκλώματα με υψηλά επίπεδα μόνωσης και μακρινές αποστάσεις ξύλου. Στα παραπάνω θεωρούμε ότι όλοι οι κεραυνοί θα δημιουργήσουν σφάλματα. Σχήμα 4.6: Πιθανότητα σχηματισμού τόξου, λόγω βραχυκυκλώματος από κεραυνό σε υγρό [1] Καταστροφή του ξύλου λόγω κεραυνού Οι μακροχρόνιες εμπειρίες από τους τεχνικούς και την συντήρηση υποδεικνύουν ότι η καταστροφή σε πόλους ή σε βραχίονες είναι εξαιρετικά σπάνια. Παρόλα αυτά, σε περιοχές με υψηλά ποσοστά πληγμάτων κεραυνών μπορεί να αποτελεί παράγοντα ανησυχίας υπό ορισμένες 83

84 συνθήκες. Η πιθανότητα καταστροφής λόγω κεραυνού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, ιδιαίτερα από τα επίπεδα υγρασίας καθώς και την ηλικία του ξύλου. Βλάβες και κατακερματισμός του ξύλου συμβαίνουν μόνο όταν η κατάρρευση είναι στο εσωτερικό τμήμα του τόξου και όχι κατά μήκος της επιφανείας του. Εάν το ξύλο είναι χλωρό, τότε είναι πιο πιθανό να εμφανίσει εσωτερική καταστροφή. Εάν τα ιστορικά δεδομένα αναφέρουν ότι οι καταστροφή του ξύλου είναι πρόβλημα, τότε τα ξύλινα τμήματα πρέπει να προστατεύονται, συνδέοντας τους μονωτήρες. Όμως κάτι τέτοιο οδηγεί σε βραχυκύκλωμα της μόνωσης που προσδίδεται από το ξύλο. Μια καλύτερη λύση θα ήταν να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια επιφανείας τοποθετημένα κοντά στην άκρη του μονωτήρα. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν καλύμματα αγωγών, ταινίες ή άλλες μεταλλικές προεκτάσεις προσαρμοσμένες κοντά στον μονωτήρα στην πιθανή κατεύθυνση του βραχυκυκλώματος. Αυτά οδηγούν σε επιφανειακή βλάβη και όχι σε εσωτερική. Τα προληπτικά μέτρα για την καταστροφή του ξύλου από κεραυνούς μειώνουν επίσης την πιθανότητα για την πρόκληση φωτιάς στην κορυφή των πόλων. Αυτές οι φωτιές είναι αποτέλεσμα της διαρροής του ρεύματος στις συνδέσεις μετάλλων με ξύλο. Οι τοπικοί σύνδεσμοί, ταινίες αγωγών ή καλύμματα, μπορούν να γεφυρώσουν την απόσταση που είναι πολύ πιθανόν να ξεσπάσουν φωτιές, όπως είναι οι ασθενείς μεταλλικές -ξύλινες επαφές. Αυτό είναι προτιμότερο από την ολοκληρωτική σύνδεση των μονωτήρων Προστασία γραμμών διανομής με προστατευτικούς αγωγούς Οι προστατευτικοί αγωγοί, είναι γειωμένοι αγωγοί που τοποθετούνται πάνω από τους αγωγούς φάσης για να διακόπτουν τα πλήγματα των κεραυνών, που σε διαφορετική περίπτωση θα έπλητταν απευθείας στις φάσεις. Το κρουστικό ρεύμα των κεραυνών εκτρέπεται, μ' αυτόν τον τρόπο προς το έδαφος (δια μέσω ενός γειωμένου στύλου). Για να είναι αποτελεσματικό, ο αγωγός προστασίας γειώνεται σε κάθε στύλο. Τα κρουστικά ρεύματα που δημιουργούνται από κεραυνούς, προκαλούν μια αύξηση του δυναμικού διατρέχοντας την αντίσταση από τον στύλο προς το έδαφος, προκαλώντας μία μεγάλη διαφορά δυναμικού μεταξύ του καθοδικού αγωγού 84

85 γείωσης και των αγωγών τάσης. Αυτή η διαφορά δυναμικού μπορεί να προκαλέσει ανάστροφα βραχυκυκλώματα κατά μήκος της μόνωσης από τον αγωγό γείωσης προς έναν από τους αγωγούς φάσης. Το φαινόμενο του ανάστροφου βραχυκυκλώματος είναι ένας ουσιώδης περιορισμός στην αποτελεσματικότητα των αγωγών προστασίας στις γραμμές διανομής. Οι προστατευτικοί αγωγοί μπορούν να παρέχουν αποτελεσματική προστασία παρά μόνο αν: 1. Χρησιμοποιηθεί καλός σχεδιασμός μόνωσης που να παρέχει την κατάλληλη CFO μεταξύ του καθοδικού αγωγού εδάφους και των αγωγών φάσης. 2. Επιτευχθούν χαμηλές αντιστάσεις γείωσης. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε μια κατασκευή με αγωγό προστασίας χρησιμοποιούμε το Σχήμα 3:5. Αν προσθέταμε αγωγό προστασίας σε γραμμές διανομής τριών αγωγών θα μειωνόταν ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Αφού ο αγωγός προστασίας είναι γειωμένος, θα καταστείλει τις τάσεις στους αγωγούς φάσης μέσω της χωρητικής σύζευξης. Όσο πιο κοντά βρίσκονται οι αγωγοί φάσης στον αγωγό προστασίας, τόσο καλύτερη θα είναι η σύζευξη, και τόσο μικρότερος θα είναι ο αριθμός των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων (παρόλο που αυτό μπορεί να μειώσει το CFO). εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι ακόμα και αν τοποθετήσουμε έναν αγωγό γείωσης κάτω από τους αγωγούς φάσης θα έχουμε σχεδόν το ίδιο αποτέλεσμα με έναν εναέριο αγωγό προστασίας. Σε ένα σύστημα τεσσάρων αγωγών με πολλαπλή γείωση, αν αντικαταστήσουμε τον ουδέτερο αγωγό που βρίσκεται από κάτω με έναν εναέριο προστατευτικό αγωγό, τότε δεν έχουμε μείωση στον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων. Περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης μπορούμε να έχουμε αν χρησιμοποιήσουμε και αγωγό προστασίας και ουδέτερο αγωγό. Το κόστος της εγκατάστασης ενός αγωγού προστασίας σε μια γραμμή διανομής είναι ουσιώδες. Επιπροσθέτως του κόστους των αγωγών, της γείωσης των πόλων, της περαιτέρω μόνωσης, το ύψος των στύλων πρέπει να είναι μεγαλύτερο για να 85

86 στηρίζει τον αγωγό προστασίας, τόσο ώστε να είναι επαρκής η γωνία προστασίας ανάμεσα στον προστατευτικό αγωγό και τους εξωτερικούς αγωγούς φάσης. Το ύψος των μεγαλύτερων κατασκευών προσελκύει περισσότερα άμεσα πλήγματα, κάτι που αντισταθμίζει ελάχιστα την μείωση του ποσοστού βραχυκυκλωμάτων που παρέχει η προστασία. Παρά το αυξημένο κόστος και τις δυσκολίες σχεδίασης, οι αγωγοί προστασίας έχουν χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία Γωνία προστασίας Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι όλα τα πλήγματα από κεραυνό καταλήγουν στον προστατευτικό αγωγό και όχι στους αγωγούς φάσης, προτείνεται μια γωνία προστασίας 45 ή λιγότερο. Αυτό ισχύει μόνο για γραμμές με ύψος μικρότερο από 15m με αποστάσεις μεταξύ αγωγών μικρότερες από2m. Ψηλότερες γραμμές απαιτούν μικρότερη γωνία προστασίας. Βλέπε σχετική οδηγία IEEE Std Απαιτήσεις μόνωσης Η αποτελεσματικότητα του αγωγού προστασίας στις γραμμές διανομής εξαρτάται κυρίως από την μόνωση μεταξύ τον καθοδικών αγωγών γείωσης και των αγωγών φάσης. Εάν ο καθοδικός αγωγός γείωσης βρίσκεται σε επαφή με τον στύλο καθ' όλο του το ύψος, είναι δύσκολο να παρασχεθεί επαρκής μόνωση. Σε ξύλινους πυλώνες, είναι συνήθως απαραίτητο να απομονώνουμε τους καθοδικούς αγωγούς γείωσης από τους στύλους στο σημείο άμεσης γειτονίας με τους μονωτήρες των φάσεων και τους βραχίονες. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ράβδους από fiberglass, ή στηρίγματα που τοποθετούνται οριζόντια στον στύλο για να κρατήσουν τον γειωμένο αγωγό cm μακριά από τον στύλο. Η CFO από τον γειωμένο αγωγό προς την κοντινότερη φάση είναι η πιο μικρή τιμή από όλες τις πορείες. Σημαντική μέριμνα θα πρέπει να δοθεί στην μόνωση των επιτόνων προκειμένου να αποκτηθεί η απαραίτητη CFO τιμή. 86

87 Σχήμα 4.7: Προστατευτική γωνία προστατευτικού αγωγού [2] Μία CFO πάνω από kv είναι απαραίτητη για να θεωρηθεί αποτελεσματική η εφαρμογή των προστατευτικών αγωγών. Χρησιμοποιώντας στηρίγματα με γειωμένους πόλους, δεν είναι δύσκολο να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο μόνωσης στις γραμμές διανομής. Αποτελεσματικότητα της γείωσης και επίπεδο μόνωσης Η αποτελεσματικότητα του αγωγού προστασίας είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την γείωση. Για να είναι αποτελεσματική μια κατασκευή που φέρει αγωγό προστασίας, οι αντιστάσεις του εδάφους θα πρέπει να είναι μικρότερες των 10Ω εάν η CFO είναι μικρότερη από 200kV. Εάν δοθεί προσοχή στο επίπεδο μόνωσης και η CFO είναι kV, μία αντίσταση γείωσης 40Ω θα έχει παρόμοια απόδοση. Ο αγωγός προστασίας πρέπει να είναι γειωμένος σε κάθε πόλο για να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το σχήμα 8 δείχνει την συμπεριφορά σε άμεσο πλήγμα και την επίδραση της γείωσης με ένα παράδειγμα προσομοίωσης από υπολογιστή ενός προστατευτικού αγωγού με CFO 175kV και 350kV. 87

88 Γραμμές διανομής εγκατεστημένες κάτω από γραμμές μεταφοράς μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευπαθείς σε ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Μεγαλύτερο ύψος κατασκευής και εγκαταστάσεις μεγαλύτερου πλάτους θα προκαλέσουν περισσότερα άμεσα πλήγματα στις κατασκευές. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην διατήρηση υψηλών επιπέδων μόνωσης, προκειμένου να αποφευχθούν υπερβολικά μεγάλα ποσοστά βραχυκυκλωμάτων 4.14 Αγωγοί προστασίας και αλεξικέραυνα Για να ελαχιστοποιήσουμε τα βραχυκυκλώματα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αλεξικέραυνα σε κάθε στύλο και για κάθε φάση, σε συνδυασμό με έναν προστατευτικό αγωγό. Τα αλεξικέραυνα προστατεύουν την μόνωση από ανάστροφα βραχυκυκλώματα. Ο αγωγός προστασίας διοχετεύει το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος στο έδαφος, έτσι τα αλεξικέραυνα δεν υπόκεινται μεγάλη είσοδο ρεύματος. Τα αλεξικέραυνα καθιστούν τον σχεδιασμό προστατευτικών αγωγών λιγότερο εξαρτημένο από το επίπεδο της μόνωσης και της γείωσης. Σχήμα 4.8: Αποτέλεσμα της αντίστασης γείωσης στην απόδοση του προστατευτικού αγωγού [1] Σημ: Το μήκος του ανοίγματος είναι 75m. 88

89 4.15 Προστασία γραμμών με αλεξικέραυνα Τα αλεξικέραυνα των γραμμών διανομής χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά στην προστασία του εξοπλισμού όπως είναι οι μετασχηματιστές και οι ρυθμιστές. Τα αλεξικέραυνα λειτουργούν ως υψηλές αντιστάσεις σε συνθήκες κανονικών τάσεων ενώ μετατρέπονται σε χαμηλές αντιστάσεις κατά την διάρκεια κρουστικής τάσης κεραυνού. Το αλεξικέραυνο οδηγεί το κρουστικό αυτό ρεύμα στη γη, ενώ παράλληλα περιορίζει την τάση που εμφανίζεται στον εξοπλισμό στο άθροισμα της τάσης εκφόρτισης του αλεξικέραυνου συν το επαγωγικό ρεύμα στις γραμμές του αλεξικέραυνου και των γειωμένων αγωγών. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία της μόνωσης σε γραμμές διανομής και για την πρόληψη βραχυκυκλωμάτων και διακοπών του κυκλώματος. Διάφοροι τύποι αλεξικέραυνων είναι διαθέσιμοι (π.χ. με διάκενο από καρβίδιο σιλικόνης, απαγωγείς υπερτάσεων με διάκενο ή χωρίς διάκενο από οξείδιο μετάλλου). Από την πλευρά της προστασίας της μόνωσης των γραμμών διανομής, όλα συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο. Κάποιες διαφορές που πιθανόν να υπάρχουν στις χαρακτηριστικές τάσης και ρεύματος μπορεί να προκαλέσουν μόνο μικρή διαφορά στην προστασία της μόνωσης, εφόσον υπάρχει σημαντικό περιθώριο. Για την επιλογή του κατάλληλου αλεξικέραυνου μπορούμε να ανατρέξουμε στο IEEE Std C ή στις οδηγίες του κατασκευαστή. Για την προστασία του εξοπλισμού (και ιδιαίτερα μη-γειωμένων γραμμών), είναι συνήθως απαραίτητο να επιλέγουμε αλεξικέραυνο με το χαμηλότερο δυνατό επίπεδο προστασίας. Ωστόσο, για την προστασία της μόνωσης των γραμμών, κάτι τέτοιο δεν είναι απαραίτητο γιατί το επίπεδο προστασίας του αλεξικέραυνου είναι γενικά χαμηλότερο από αυτό της μόνωσης της γραμμής. Όταν εφαρμόζονται αλεξικέραυνα για προστασία, το ποσοστό αποτυχίας των προστιθέμενων αλεξικέραυνων θα πρέπει να ληφθεί υπ' όψη σε σχέση με την βελτίωση της γραμμής που εξασφαλίζεται από την προσθήκη των αλεξικέραυνων. 89

90 Μήκος αγωγών σύνδεσης αλεξικέραυνων Οι αγωγοί αλεξικέραυνων, που συνδέουν την γραμμή διανομής με τα τερματικά σημεία της γείωσης των αλεξικέραυνων στην κατασκευή, περιέχουν ένα μικρό ποσοστό εσωτερικής επαγωγής. Αυτή η επαγωγή μπορεί να προκαλέσει πτώσεις τάσης L(di/dt) κατά μήκος του αγωγού που άγει το κρουστικό ρεύμα του κεραυνού. Κάθε πτώση τάσης κατά μήκος του αγωγού του αλεξικέραυνου προστίθεται στην τάση εκφόρτισης του αλεξικέραυνου. Έτσι αυξάνεται η τάση που εμφανίζεται στα άκρα των συσκευών που προστατεύονται από το αλεξικέραυνο. Το αποτέλεσμα που έχει το μήκος της γραμμής οδήγησης δεν είναι τόσο σημαντικό στη προστασία της μόνωσης των γραμμών διανομής όσο είναι στη προστασία του εξοπλισμού. Γενικά, το περιθώριο για εναέριους εξοπλισμούς είναι αρκετά μεγάλο. Επίσης, η στάθμη της μόνωσης των γραμμών είναι γενικά μεγαλύτερη από αυτή της βασικής στάθμης μόνωσης BIL. Βέβαια, είναι καλό να διατηρούνται οι γραμμές διανομής με αλεξικέραυνο και οι γειωμένοι αγωγοί όσο το δυνατόν πιο κοντοί και ευθείς. Στο IEEE Std C αναφέρονται περισσότερες πληροφορίες για τις θέσεις τοποθέτησης των αλεξικέραυνων. Βραχυκυκλώματα από έμμεσα πλήγματα Τα αλεξικέραυνα μπορούν να μειώσουν κατά πολύ το ποσοστό των επαγόμενων τάσεων από γειτονικά πλήγματα κεραυνών. Στο Σχήμα 3:9 φαίνονται τα αποτελέσματα για επίπεδο μόνωσης των 150 kv ενός κυκλώματος χωρίς γείωση. Αξίζει να σημειωθεί ότι ακόμη και αραιή χρήση αλεξικέραυνων μπορεί να μειώσει σημαντικά τα βραχυκυκλώματα που προκαλούνται από τις επαγόμενες τάσεις(τοποθέτηση αλεξικέραυνων ανά 8 στύλους αποδίδουν τουλάχιστον 25% μείωση στα σφάλματα). Σε πολλά κυκλώματα διανομής με πολλούς μετασχηματιστές, τα αλεξικέραυνα που χρησιμοποιούνται για την προστασία των ίδιων των μετασχηματιστών, παρέχουν σημαντική προστασία έναντι επαγόμενων τάσεων. Τα αλεξικέραυνα μπορούν να προβούν ακόμα πιο αποτελεσματικά στην μείωση των βραχυκυκλωμάτων, εάν χρησιμοποιηθούν για την προστασία των στύλων με μικρά επίπεδα μόνωσης. Αυτά οι «αδύναμοι κρίκοι» του συστήματος μπορεί να είναι 90

91 διακόπτες, τερματικοί στύλοι ή στύλοι διασταυρώσεων. Η τοποθέτηση αλεξικέραυνων σε αυτούς τους στύλους μπορεί να είναι περισσότερο συμφέρουσα από οικονομική άποψη από τη βελτίωση του επιπέδου μόνωσης της γραμμής. Σχήμα 4.9: Αποστάσεις αλεξικέραυνων για βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση [1] Σημ - (CFO=150kV, h=10m, Ng = 1 κεραυνός/km 2 /έτος, μήκος ανοίγματος= 75m) Βραχυκύκλωμα από άμεσα πλήγματα Η προστασία έναντι άμεσων πληγμάτων κεραυνών είναι δύσκολη υπόθεση λόγω των υψηλών κρουστικών ρευμάτων, των απότομων κλίσεων μετώπου και του μεγάλου ενεργειακού περιεχομένου των κεραυνών. Θεωρητικά, τα αλεξικέραυνα προστατεύουν επαρκώς έναντι άμεσων πληγμάτων, αλλά πρέπει να τοποθετούνται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους (ουσιαστικά σε κάθε στύλο). Το Σχήμα 4.10 δείχνει υπολογισμούς των διαστημάτων των αλεξικέραυνων για την προστασία ενάντια σε άμεσα πλήγματα. Η ανάλυση στο σχήμα 10 υποθέτει ότι ο ουδέτερος αγωγός είναι γειωμένος σε κάθε στύλο. Ο υψηλός αριθμός βραχυκυκλωμάτων μπορεί να είναι παραπλανητικός σύμφωνα με το σχήμα 10, όπου ο ουδέτερος αγωγός δεν είναι γειωμένος, με εξαίρεση τους στύλους όπου τα αλεξικέραυνα εφαρμόζονται σε όλες τις φάσεις και το επίπεδο μόνωσης από το ουδέτερο γειωμένο αγωγό είναι υψηλό. 91

92 Σχήμα 4.10: Απόσταση αλεξικέραυνων για προστασία από άμεσα πλήγματα [1] Σημ: Το μήκος του ανοίγματος είναι 75 m Προστασία αλεξικέραυνου άνω φάσης Εάν ο αγωγός της άνω φάσης έχει τοποθετηθεί έτσι ώστε να παρεμποδίζει τα πλήγματα των κεραυνών, τα αλεξικέραυνα μπορούν να εφαρμοστούν στην άνω φάση, κάτι που τα κάνει να λειτουργούν ως αγωγοί προστασίας. Κατά το πλήγμα, το αλεξικέραυνο άνω φάσης θα κατευθύνει το κρουστικό ρεύμα στο έδαφος. Το κύκλωμα θεωρείται προστατευμένο αν η αντίσταση γείωσης είναι αρκετά μικρή και η μόνωση των απροστάτευτων φάσεων είναι αρκετά μεγάλη. Όπως σε ένα αγωγό προστασίας, θα πρέπει να δοθεί προσοχή για την διατήρηση υψηλού επιπέδου μόνωσης στις απροστάτευτες φάσεις. Οι καμπύλες ενός αγωγού προστασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της αποτελεσματικότητας της σχεδίασης αλεξικέραυνου στην άνω φάση. Τα αλεξικέραυνα θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε σχεδόν κάθε στύλο ή πύργο, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη προστασία Ικανότητα αλεξικέραυνου σε άμεσο πλήγμα Σε εφαρμογές με συνήθη έκθεση σε κεραυνούς (π.χ. ανοιχτή γραμμή διανομής, χωρίς αγωγό προστασίας), τα αλεξικέραυνα που ανήκουν στις κατηγορίες διανομής και αυτά των μεταλλικών οξειδίων μπορούν να υποστούν περιστασιακές βλάβες 92

93 λόγω των άμεσων πληγμάτων. Ένα σημαντικό ποσοστό άμεσων πληγμάτων κεραυνών μπορούν να αναγκάσουν τα αλεξικέραυνα να απορροφήσουν ενέργεια πέρα από την ικανότητα που έχει ορίσει ο κατασκευαστής και το 4/10 μs κρουστικό κύμα δοκιμής. Αυτό μετριάζεται από το γεγονός ότι τα αλεξικέραυνα έχουν επιδείξει αρκετά μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας από ότι είναι δημοσιευμένο. Άλλος ένας μηχανισμός αποτυχίας στο σχεδιασμό αλεξικέραυνων από οξείδια του μετάλλου είναι τα περιστατικά βραχυκυκλώματα γύρω από τα εμπόδια, όταν τα αλεξικέραυνα υπόκεινται σε πολλαπλά πλήγματα. Τα επιφανειακά βραχυκυκλώματα λόγω πολλαπλών πληγμάτων είναι λιγότερο πιθανά για αλεξικέραυνα χωρίς διάκενα, όπως αυτά με περίβλημα από πολυμερή Υποδείγματα χρήσης οδηγού Υπόδειγμα 1 ο -Σχέδιο ξύλινου πυλώνα 15kV Πρόβλημα: Μία εταιρία πραγματοποιεί αναθεώρηση του σχεδιασμού της για γραμμή διανομής με τρεις αγωγούς, τάξης 15kV. Η γραμμή βρίσκεται σε μία περιοχή με μέτρια πρόκληση κεραυνών, με κεραυνικό επίπεδο 40 ημερών με θύελλες και κεραυνούς ανά χρόνο. Οι μονωτήρες είναι ANSI-class 55-4, μονωτήρες με πορσελάνινη κορυφή. Υποθέστε ότι οι βραχίονες είναι αγώγιμοι και χρησιμοποιούνται μονωτικές κορυφές από ατσάλι. Τα επίτονα έχουν μονωτήρες με πορσελάνη (ANSI-class 54-4). Το σταθερό μέγεθος στύλου είναι 12.2m με βάθος στερέωσης στη γη 2m. Σκοπός είναι να υπολογιστεί το επίπεδο συμπεριφοράς έναντι κεραυνού με βάση αυτό το σχέδιο και να διερευνηθούν οι βελτιώσεις. 93

94 Σχήμα 4.11: Σχέδιο ξύλινου βραχίονα τάξης 15kV [2] Επίπεδο μόνωσης: Το CFO για διάφορες πιθανές πορείες βραχυκυκλωμάτων παρουσιάζεται στον Πίνακα 3:5. Άμεσα πλήγματα: Το GFD μπορεί να υπολογιστεί από το κεραυνικό επίπεδο ως εξής: N g = 0.04(40) 1.25 =4 κεραυνοί/km 2 /έτος Το ύψος του πάνω αγωγού είναι 10.2 m με πλάτος κατασκευής 2.24 m. Από την εξίσωση (3:6), ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοιχτό έδαφος είναι: N = 4[28(10.2) ]/10 = 46κεραυνοί/100km/έτος 94

95 Πίνακας 4.5: Υπολογισμοί CFO για πιθανές πορείες βραχυκυκλώματος για μελέτη στύλου 15kV [1] Θεωρώντας έναν προστατευτικό παράγοντα 0.75, και ότι όλα τα άμεσα πλήγματα θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα, ο εκτιμώμενος αριθμός των βραχυκυκλωμάτων από άμεσο πλήγμα θα είναι: Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα= 11.5 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Επαγόμενα βραχυκυκλώματα: Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται στην ύπαιθρο μπορεί να υπολογιστεί από το Σχήμα 3:5, χρησιμοποιώντας την μικρότερη CFO πορεία των 152kV και πολλαπλασιάζοντας με το GFD: Επαγόμενα βραχυκυκλώματα(ύπαιθρος) = (4)2κεραυνοί/100km/έτος = 8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Επειδή το μεγαλύτερο μέρος της γραμμής διανομής είναι προστατευμένο (οριοθετείται από ψηλές κατασκευές, π.χ. Sf= 0.75), μεγαλύτερα σε μέγεθος πλήγματα μπορούν να καταλήξουν κοντά στην γραμμή, χωρίς να χτυπήσουν απευθείας στην γραμμή διανομής. Αυτό θα προκαλέσει περισσότερα επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων λόγω τάσης θα πρέπει να βρίσκεται μεταξύ του αριθμού των έμμεσων πληγμάτων στην ύπαιθρο (8κεραυνοί/100km/έτος σε αυτήν την περίπτωση) και του αριθμού των άμεσων πληγμάτων στην ύπαιθρο (46 κεραυνοί/100km/έτος σε αυτήν την περίπτωση). Ως μια εκτίμηση, θα υποθέσουμε ότι τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση είναι δύο φορές τα βραχυκυκλώματα στην ύπαιθρο. 95

96 Προκληθέντα βραχυκυκλώματα = 16 βραχυκυκλώματα/100km/έτος Όλα τα βραχυκυκλώματα θεωρούνται ότι προκαλούν βλάβες. Συνολικές βλάβες=άμεσες + επαγόμενων τάσεων=27.5 σφάλματα/100km/έτος Εκδοχές βελτίωσης προς εξέταση: Έχει αποφασιστεί να εξεταστούν οι αλλαγές που είναι σχετικά οικονομικές και εύκολες στην εφαρμογή. Οι αλλαγές στην μόνωση για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων από τάση είναι η κύρια εκδοχή προς εξέταση, με στόχο 300 kv CFO. 1. Χρήση 50 cm από μονωτήρες τύπου αλυσίδας από fiberglass. Αυτό θα αυξήσει την CFO από την μεσαία φάση στο επίτονο σε 310kV [0.5m μονωτήρας από fiberglass τύπου αλυσίδας (250kV) + μονωτήρας ( kV = 47kV) + 0.2m ξύλινου στύλου (0.2m 65kV/m = 13kV)]. Αυτό κατ' ουσία ελαχιστοποιεί τα βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση. 2. Χρήση ξύλινων βραχιόνων. Αυτό προσθέτει μια σημαντική ποσότητα ξύλου στην πορεία του βραχυκυκλώματος από την μεσαία φάση στο επίτονο. Η CFO σε αυτή την πορεία θα ήταν περίπου 255kV [μονωτήρας (105kV) + ξύλινος βραχίονας (0.52m 250kV/m = 130kV) + ξύλινος στύλος (0.3m 65kV/m= 20kV)]. Αυτό μειώνει τον αριθμό των επαγόμενων βραχυκυκλωμάτων σε λιγότερο από 0.8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος. Άλλα σχέδια κατασκευών, όπως τερματικός στύλος, γωνία και διασταύρωση, μπορούν να εξετασθούν. Οι επιλογές βελτίωσης μπορούν τότε να συγκριθούν από άποψη κόστους με τα υπάρχοντα σχέδια και κατά την αξιόπιστη βελτίωση της επισκευής και της ποιότητας ισχύος Υπόδειγμα 2 ο -Γραμμή διανομής 35kV με αγωγό προστασίας Πρόβλημα: Μία εταιρία σκέφτεται να χρησιμοποιήσει ένα σχέδιο προστατευμένης γραμμής διανομής για το δίκτυο τεσσάρων αγωγών 35kV. Η γραμμή θα τοποθετηθεί σε περιοχή με συντελεστή σκίασης 0.5, που προκύπτει από τα γειτονικά αντικείμενα και κεραυνικό επίπεδο 60 μέρες καταιγίδας ανά έτος. Το σχέδιο ορίζει γωνία προστασίας 24 ο. Οι μονωτήρες των φάσεων είναι ANSI-class 55-5, με πορσελάνινα 96

97 άκρα. Η γραμμή διανομής στηρίζεται σε ξύλινους πυλώνες ύψους 15.24m, κάθε πυλώνας είναι γειωμένος με μια αντίσταση γείωσης 10Ω ή λιγότερο. Σχήμα 4.12: Κατασκευή ξύλινου στύλου 35kV με αγωγό προστασίας [2] Από τους υπολογισμούς της CFO του Πίνακα 3:6 είναι προφανές ότι χρειάζονται στηρίγματα γείωσης-αγωγού από fiberglass. Ο αγωγός γείωσης έχει μία απόσταση 0.46m από τον στύλο, και είναι προσαρτημένος στον στύλο 0.49m κάτω από τον χαμηλότερό αγωγό. Χωρίς τα στήριγμα τα η τιμή της CFO θα ήταν 180kV, πράγμα που θα οδηγούσε σε επαγόμενες υπερτάσεις βραχυκυκλωμάτων. Παρόλο που το χαμηλότερο CFO μονοπάτι είναι 261kV, τα κρισιμότερα μονοπάτια είναι τα βραχυκυκλωμένα μονοπάτια φάσης-γης, λόγω της υπέρτασης από πλήγμα στον αγωγό προστασίας και κατά συνέπεια των επαγόμενων τάσεων προκαλούνται καταπονήσεις στους αγωγούς φάσης. Το χαμηλότερο μονοπάτι βραχυκυκλώματος φάσης-γης είναι 325kV από την φάση C στην γη. 97

98 Πίνακας 4.6: CFO προστατευτικού αγωγού 35kV [1] Άμεσα πλήγματα: Η τιμή του GFD υπολογίζεται από το κεραυνικό επίπεδο ως εξής: Ng = 0.04(60) 1.25 = 6.68 κεραυνοί/km 2 /έτος Το ύψος του αγωγού προστασίας είναι 1.13m το πλάτος του αγωγού της φάσης είναι 1.22 m. Από την εξίσωση 3:6 ο αριθμός των άμεσων πληγμάτων σε ανοικτό έδαφος είναι: Ν = 6.68[(28* )/10] = 87.7 κεραυνοί/100km/έτος Τα εκτιμώμενα πλήγματα με χρήση του συντελεστή σκίασης 0.5 είναι: Άμεσα πλήγματα στην γραμμή διανομής = 43,8 κεραυνοί/100km/έτος Επειδή η γραμμή γειώνεται σε κάθε στύλο και η γωνία προστασίας είναι μικρότερη των 45 ο, όλοι οι κεραυνοί υποθέτουμε ότι χτυπούν τον αγωγό προστασίας. Ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων μπορεί να υπολογιστεί από το Σχήμα 4.8 με μία αντίσταση γείωσης 10Ω χρησιμοποιώντας την καμπύλη για 350kV CFO. Βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα = (43.8 κεραυνοί/100km/έτος)*(4% ποσοστό βραχυκυκλωμάτων) = 1.8 βραχυκυκλώματα/100km/έτος 98

99 Επαγόμενα βραχυκυκλώματα: Με CFO στα 325kV, η διάταξη μπορούμε να παραδεχτούμε ότι είναι απρόσβλητη σε επαγόμενα βραχυκυκλώματα. Επομένως ο συνολικός αριθμός των βραχυκυκλωμάτων οφείλεται σε άμεσα πλήγματα και όλα τα βραχυκυκλώματα υποθέτουμε ότι προκαλούν σφάλματα άρα: Συνολικές βλάβες = άμεσα = 1.8 σφάλματα/100km/έτος Εκδοχές βελτίωσης προς εξέταση: Ο σχεδιασμός που υποδεικνύεται στο Σχήμα 4.12 διαθέτει άριστη αντικεραυνική συμπεριφορά. Μία ανησυχία είναι ο στόχος των 10Ω στην αντίσταση γείωσης που μπορεί να είναι δύσκολος να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Το Σχήμα 4.8 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της υποβάθμισης της αντικεραυνικής συμπεριφοράς λόγω της αντίστασης γείωσης. Για παράδειγμα με μια αντίσταση της τάξης των 50Ω, η αναλογία των βραχυκυκλωμάτων θα αυξηθεί στο 35% των άμεσων πληγμάτων (15 σφάλματα/100 km/έτος). Μια επιλογή βελτίωσης θα ήταν η χρήση fiberglass βραχιόνων μόνωσης αντί των μεταλλικών. Αυτό θα αύξανε σημαντικά την CFO φάσης προς φάση και φάσης προς γη. Κατά την σύγκριση αυτής της διάταξης με την απροστάτευτη, η αύξηση του κόστους της κατασκευής πρέπει να συγκριθεί με την μείωση του κόστους αποκατάστασης των βλαβών. 99

100 100

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Η αντικεραυνική προστασία είναι θεμελιώδες κομμάτι του σχεδιασμού του δικτύου μέσης τάσης. Σκοπός μας σ αυτήν την μελέτη, είναι να διαπιστώσουμε κατά πόσο θεωρούνται προστατευμένες από κεραυνικό πλήγμα οι γραμμές μέσης τάσης. Σύμφωνα επομένως με τα στοιχεία που συγκεντρώσαμε για το δίκτυο διανομής της Πάτρας η τάση είναι 20kV, οι μονωτήρες είναι κατασκευασμένοι κατά κύριο λόγο από πορσελάνη και γυαλί ενώ η στάθμη μόνωσης είναι 125kV. Οι γραμμές διανομής βρίσκονται σε ύψος 12 μέτρων από το έδαφος και η απόσταση μεταξύ των εξωτερικών αγωγών είναι 80 εκατοστά. Επιπλέον οι γραμμές διανομής στη περισσότερη έκτασή τους δεν περιβάλλονται από κτήρια ή δέντρα πέρα από συγκεκριμένες περιπτώσεις. Για την κεραυνική δραστηριότητα στην περιοχή της Πάτρας συλλέξαμε πληροφορίες από το μετρητή κεραυνών του εργαστηρίου υψηλών τάσεων και συσχετίσαμε τα πλήγματα των γραμμών μεταφοράς με τους κεραυνούς ανά έτος. Συγκεκριμένα εξετάσθηκε η γραμμή μεταφοράς R-BT (Βιομηχανική-Τριταία). Ο μετρητής κεραυνών του εργαστηρίου υψηλών τάσεων που χρησιμοποιήθηκε είναι τύπου CIGRE 10 khz, (επισημαίνεται ότι οι μετρητές τέτοιου τύπου χρησιμοποιούνται ευρέως, ώστε τα αποτελέσματα να μπορούν να είναι συγκρίσιμα παγκοσμίως).η θέση του μετρητή καθώς και η εμβέλειά του εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα: 101

102 Ακολουθεί η παρουσίαση του υπολογισμού της τάξης σφαλμάτων και η σύγκρισή με τα πραγματικά καταγεγραμμένα πλήγματα στην περιοχή της Πάτρας. 5.2 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Ο υπολογισμός του ολικού αριθμού σφαλμάτων από κεραυνούς σε γραμμές διανομής γίνεται αν αθροίσουμε τον αριθμό τριών επιμέρους τύπων σφαλμάτων, τους εξής: Τα βραχυκυκλώματα από άμεσα πλήγματα κεραυνών στη γραμμή Τα βραχυκυκλώματα εξαιτίας γειτονικών πληγμάτων Τα σφάλματα από ζημιά του προστατευτικού εξοπλισμού Η μεθοδολογία έχει ως εξής: Βήμα 1 : Εκτίμηση της πυκνότητας των κεραυνών στην περιοχή που εξετάζουμε (Ng). Η πυκνότητα κεραυνών στη γη μπορεί να βρεθεί κατά προσέγγιση από τα δεδομένα του ισοκεραυνικού χάρτη της Ελλάδας. Ο ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας παρέχοντας τις ημέρες εκκενώσεως ανά περιοχή, μας επιτρέπει τον υπολογισμό της κεραυνικής πυκνότητας Ngμέσω του τύπου Ng=0,04 * T 1,25 όπου Τ=ημέρες καταιγίδας ανά έτος 102

103 Σχήμα 5.1 : Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας [19] Επίσης, η πυκνότητα των κεραυνών (Ng), μπορεί να υπολογιστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια μέσω του μετρητή κεραυνών. Όπου Ng=(αριθμός κεραυνών ανά έτος)/(τετραγωνικά χιλιόμετρα). Έχοντας δηλαδή τον ακριβή αριθμό κεραυνών ανά έτος μπορούμε να έχουμε μια καλύτερη προσέγγιση του Ng για κάθε χρόνο ξεχωριστά. Βήμα 2 : Εκτίμηση των πληγμάτων των κεραυνών σε απροστάτευτη γραμμή (N), δηλαδή σε γραμμή χωρίς εξωτερική προστασία (δέντρα, σπίτια, κ.α.) h b N N g

104 Βήμα 3 : Υπολογισμός του συντελεστή θωράκισης (Sf) της γραμμής από γειτονικά αντικείμενα σύμφωνα με το σχήμα 5.2. Γειτονικά δέντρα, ψηλά αντικείμενα ή και άλλες γραμμές ελαττώνουν ουσιαστικά τον αριθμό των πληγμάτων σε μία γραμμή. Σχήμα 5.2 : Απόσταση των αντικειμένων από την γραμμή διανομής (m) [19] Βήμα 4 : Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων (Ns) που οφείλονται σε άμεσα πλήγματα κεραυνών στη γραμμή. N N 1 S s f Βήμα 5 : Υπολογισμός του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων Ni που προκαλείται από έμμεσα πλήγματα. Από το παρακάτω σχήμα (Σχ. 1) βρίσκουμε τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων από επαγόμενη τάση στη γραμμή. Ο αριθμός αυτό ισχύει για Ng=1 κερ/km 2 /έτος και για ύψος γραμμής 10m. Προσαρμόζουμε στη συνέχεια τον 104