ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΑΣ ΚΟΣΜΑΣ ΤΟΥ ΣΠΥΡΙΔΩΝΑ Α.Μ.: ΔΙΑΒΑΘΜΙΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπουσα: Ελευθερία Πυργιώτη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούνιος 2019 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ ΠΑΤΡΑ Τηλ: Fax: Ε-mail: 1

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΔΙΑΒΑΘΜΙΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΔΗΜΑΣ ΚΟΣΜΑΣ ΤΟΥ ΣΠΥΡΙΔΩΝΑ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / /2019 Η Επιβλέπουσα Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια H Διευθύντρια του Τομέα Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΔΙΑΒΑΘΜΙΣΗ ΜΟΝΩΣΗΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Φοιτητής: ΔΗΜΑΣ ΚΟΣΜΑΣ ΤΟΥ ΣΠΥΡΙΔΩΝΑ Επιβλέπων: Ελευθερία Πυργιώτη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Περίληψη Σε αυτή την διπλωματική εργασία θα μελετηθεί η συμπεριφορά απαγωγέων Υπερτάσεων (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςspd), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής εγκατάστασης. Θα αναφερθούν τα συνήθη αίτια κρουστικών υπερτάσεων σε δίκτυα διανομής με ειδικότερη αναφορά στα άμεσα ή έμμεσα κεραυνικά πλήγματα. Θα σχεδιασθεί μοντέλο προσομοίωσης δικτύου χαμηλής τάσης και θα εξετασθεί η βέλτιστη συνδεσμολογία των απαγωγέων ώστε να αποτρέπεται η δημιουργία επικίνδυνων τάσεων και ρευμάτων προς τον άνθρωπο και προς τον εγκατεστημένο οικιακό εξοπλισμό. 3

4 Number of Post Graduate Thesis: Title: «INSULATION COORDINATION IN LOW VOLTAGE SYSTEMS» Student: D), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςimas KOSMAS Supervisor: Eletheuria Purgioti, Substitute Teacher ABSTRACT This is a study of the dynamic performance and operation of surge arresters (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςspd), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής) as a part of a residential lightning and over-voltage protection system. The main causes and effects of over-voltages in low voltage systems and grids are referenced and detailed with a focus on lightning; either as direct or as indirect hit, which is analyzed as a phenomenon extensively. A model of such a system is then analyzed for the optimum configurations of SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής to minimize human and infrastructure exposure to danger from over-voltages and currents. 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Αυτό το σύγγραμμα είναι η διπλωματική εργασία του φοιτητή Δήμα Κοσμά του Σπυρίδωνα για την απόκτηση του τίτλου σπουδών του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και έχει ως (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςαντικείμενο την δυναμική μελέτη της συμπεριφοράς των απαγωγέων υπερτάσεων σε περίπτωση έμμεσου ή άμεσου κεραυνικού πλήγματος είτε οικιακής εγκατάστασης είτε του δικτύου διανομής.) Έπεται μία επιγραμματική περιγραφή των περιεχομένων ανά κεφάλαιο. Κεφάλαιο 1 : Αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων σε δίκτυα χαμηλής τάσης. Γενική συμπεριφορά υπερτάσεων και συχνότητα εμφάνισης. Κεφάλαιο 2 : Θεωρητική εξέταση του φαινομένου του κεραυνού. Μαθηματική προσέγγιση του κεραυνού και αναφορά στο μαθηματικό μοντέλο σύμφωνα με την διεθνή βιβλιογραφία και τα σύγχρονα πρότυπα. Κεφάλαιο 3 : Τυπικά χαρακτηριστικά, μορφές και είδη απαγωγέων υπερτάσεων. Τοπολογίες σύνδεσης με το δίκτυο και συντονισμός των επιμέρους συστημάτων προστασίας. Κεφάλαιο 4 : Μαθηματική περιγραφή και παράμετροι ενός τοπικού δικτύου όπως φαίνεται από μια οικία σαν είσοδος και παράθεση των στοιχείων που το αποτελούν. Κεφάλαιο 5 : Μοντελοποίηση και Συμπεράσματα 5

6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστώ εγκάρδια την επιβλέπουσα καθηγήτρια κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγηση και την υποστήριξη της για την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας Ευχαριστώ επίσης την μητέρα μου και την οικογένεια μου για την ηθική και οικονομική συμπαράσταση στην ομολογουμένως αργή ακαδημαϊκή μου πορεία και για την υπομονή που υπέδειξαν μέχρι να ξαναβρώ τους στόχους μου. 6

7 Πίνακας περιεχομένων 1.1 Αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων [1] Από Κεραυνικά πλήγματα [4] Από διακοπτικούς χειρισμούς [4] Το φυσικό φαινόμενο [2] [5] Επιπτώσεις πλήγματος [3] [5] Σχεδιασμός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Στάθμες προστασίας [6] [7] Εξωτερική εγκατάσταση προστασίας ΕΑΠ [7] Εσωτερική εγκατάσταση του ΕΑΠ [4] Ισοδυναμικές συνδέσεις Θέσεις ισοδυναμικής σύνδεσης Αναπαράσταση κεραυνικών πληγμάτων Μαθηματική έκφραση [8] Μοντελοποίηση κρουστικών ρευμάτων [9] Μοντελοποίηση σε περιβάλλον σχεδίασης [9] Γενικά περί απαγωγέων[8] Τυπικά χαρακτηριστικά απαγωγέων υπερτάσεων [10] Χρήση και τοποθέτηση απαγωγέων SPD σε δίκτυο χαμηλής τάσης Χ. Τ. [8] Επιπρόσθετη προστασία με απαγωγείς και συντονισμός όλων των διατάξεων προστασίας [8] Είδη απαγωγέων τάσης [10] Περιοριστές υπερτάσεων Βαρίστορ οξειδίου μετάλλου (Metal Oxide Varistor MOV)Metal Oxide Varistor MOV) Διακόπτες υπερτάσεων Απαγωγείς τύπου σπινθηριστή

8 4.1 Υπολογισμός παραμέτρων [11],[12],[13] Σύνθετη αντίσταση τυλιγμάτων μετασχηματιστή Τ[11],[12],[13],[14],[15] Σύνθετη αντίσταση γραμμής διανομής χαμηλής τάσης [11],[12],[13],[14],[15] Σύνθετη αντίσταση καλωδίου παροχής και γραμμής πίνακα μετρητή [11],[12],[13],[14],[15] Σύνθετη αντίσταση καλωδίων εσωτερικής εγκατάστασης [11],[12],[13],[14],[15] Γείωση ουδέτερου[11],[12],[13],[14],[15] Πλέγμα γείωσης κτιρίων[11],[12],[13],[14],[15] Για το σύστημα κατοικιών Υλοποίηση Κρουστικού ρεύματος Υλοποίηση κυκλώματος γείωσης Υλοποίηση Αγωγών διανομής Υλοποίηση παροχής και γραμμής πίνακα μετρητή Υλοποίηση καλωδίων εσωτερικής εγκατάστασης Μπλοκ εγκατάστασης με μόνη κατοικία χωρίς προστασία Μπλοκ εγκατάστασης μόνης κατοικίας με προστασία παράλληλα Μπλοκ εγκατάστασης μόνης κατοικίας με προστασία σε σύνδεση V Μπλοκ εγκατάστασης δύο κατοικιών με προστασία σε σύνδεση V

9 Κεφάλαιο 1: Κρουστικές υπερτάσεις Κρουστικές υπερτάσεις θεωρούνται εκείνες οι υπερτάσεις που ικανοποιούν τα παρακάτω κριτήρια: Το πλάτος της κορυφής τους είναι μεγαλύτερο από την διπλάσια τιμή του πλάτους της ονομαστικής τάσης λειτουργίας του συστήματος. Η διάρκειά τους βρίσκεται στο διάστημα (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής1μsec, 1msec). Όταν τα δύο παραπάνω κριτήρια δεν ικανοποιούνται, δηλαδή όταν η διάρκεια της υπέρτασης είναι εκτός των παραπάνω ορίων (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής κριτήριο 2 ) ή το πλάτος της κορυφής είναι μικρότερο από το διπλάσιο της ονομαστικής τάσης λειτουργίας (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής κριτήριο 1 ), τότε χρησιμοποιούνται τεχνικές προστασίας άλλες πέραν των τυπικών απαγωγέων υπερτάσεων που θα μελετηθούν στην συνέχεια. Παρακάτω αναφέρονται τα αίτια δημιουργίας των υπερτάσεων που πληρούν τα παραπάνω κριτήρια, αναφέρεται η συμπεριφορά τους και υπολογίζεται η συχνότητα εμφάνισης τους. 9

10 1.1 Αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων [1] Κρουστικές υπερτάσεις εμφανίζονται στα συστήματα διανομής χαμηλής τάσης με κύριους θύτες τα: Φυσικά φαινόμενα, δηλαδή, κεραυνικά πλήγματα είτε απευθείας στο σύστημα χαμηλής τάσης είτε με επαγωγή από πλήγμα σε κοντινά στο σύστημα αντικείμενα, κτίρια ή εγκαταστάσεις. Χειρισμούς στο σύστημα, δηλαδή, σκόπιμες ενέργειες κάποιου χειριστή ή κάποιου αυτοματισμού πάνω στο δίκτυο διανομής όπως είναι η σύνδεση και η αποσύνδεση μεγάλων φορτίων, μετασχηματιστών, πυκνωτών (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής για μεταβολή εντός ορίων λειτουργίας του συντελεστή ισχύος), διακοπή και επανασύνδεση στο δίκτυο περιοχής χρηστών (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςπχ. ένα ολόκληρο χωριό μετά από εργασίες συντήρησης του τοπικού δικτύου) ή λανθασμένοι χειρισμοί από τερματικούς καταναλωτές. Τυχαίων συμβάντων, δηλαδή, σφάλματα στο δίκτυο, σύζευξη διαφορετικών συστημάτων και άλλα Από Κεραυνικά πλήγματα [4] Ο κεραυνός αποτελεί ένα νομοτελειακά αναπόφευκτο γεγονός που πλήττει ποικιλοτρόπως όλα τα συστήματα διανομής ή και τηλεπικοινωνιών, άρα και αυτά των χαμηλών τάσεων. Παρακάτω αναλύονται οι τρόποι. Με άμεσο πλήγμα, είτε σε κτίριο είτε απευθείας στο σύστημα διανομής είτε στο πρωτεύον τύλιγμα μετασχηματιστή Μεσαίας Τάσης σε Χαμηλή Τάση. Για άμεσο πλήγμα σε γραμμή οι τάσεις V καθορίζονται από την χαρακτηριστική εμπέδηση Z της γραμμής και το προκύπτον κεραυνικό ρεύμα χωρίζεται σε δύο μέρη με τις υπερτάσεις που προκύπτουν να έχουν μέτρο V = Z *Ι2Ι2. Σε ένα τυχαίο τυπικό κρουστικό ρεύμα 10kAkA σε γραμμή με χαρακτηριστική αντίσταση 40kA0kAΩ θα εμφανιστεί κρουστική τάση 20kA0kA0kAkV. Για δίκτυα χαμηλής τάσης για παράδειγμα η χαρακτηριστική τιμή της γείωσης είναι 10kAΩ έτσι και η υπέρταση που θα δημιουργηθεί θα είναι της τάξης των 10kA0kAkV για το ίδιο αντίστοιχο τυπικό κεραυνικό ρεύμα. Ισχύει δηλαδή ότι στα συστήματα χαμηλής τάσης θα εμφανίζονται μικρότερες υπερτάσεις λόγω της μικρότερης χαρακτηριστικής αντίστασης των καλωδίων αφενός και λόγω της χαμηλής χωρητικότητας που εμφανίζεται μεταξύ γης και γραμμών (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής να σημειωθεί ότι η χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής μεταφοράς είναι μέγεθος της ηλεκτρικής γραμμής με διαστάσεις ηλεκτρικής αντίστασης που εξαρτάται από την χωρητικότητα και την επαγωγή ανά μονάδα μήκους της γραμμής.). Με έμμεσο πλήγμα, πλήγμα δηλαδή σε αντικείμενα κοντά στο δίκτυο που προκαλούν υπερτάσεις με επαγωγή είτε με σύζευξη κοινού δρόμου. Αυτού του τύπου οι υπερτάσεις είναι λιγότερο σοβαρές αλλά παρατηρούνται συχνότερα. Η επαγόμενη τάση λόγω κεραυνού βρίσκεται προσεγγιστικά από τον τύπο V = 30*k*h/d*I. Όπου Ι είναι το ρεύμα του κεραυνού, h η απόσταση των αγωγών από το έδαφος, k παράγοντας που εξαρτάται από την ταχύτητα του οχετού επιστροφής με 1.0kA < k < 1.3 και τέλος d η απόσταση των γραμμών από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος. Για παράδειγμα ένας κεραυνός με ρεύμα 30kAkA σε απόσταση 1km από το δίκτυο με καλώδια που βρίσκονται σε απόσταση 5mm από το έδαφος θα επάγει υπέρταση 5mkV. Άμεσα πλήγματα σε σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ή στον εξωτερικό εξοπλισμό κτιρίων που προκαλούν την επαγωγική σύζευξη των κεραυνικών ρευμάτων με τα ημιτονικά ρεύματα των αγωγών της εγκατάστασης και άρα την επαγωγή υπερτάσεων στο σύστημα χαμηλής τάσης. Για τυχαίο κεραυνό το μέτρο της υπέρτασης εξαρτάται από την απόσταση 10

11 από το σημείο του πλήγματος μέσα στο ίδιο το σύστημα, τα χαρακτηριστικά και η κατάσταση του δρόμου σύζευξης, τις μεθόδους γείωσης που έχουν χρησιμοποιηθεί για το σύστημα, την ύπαρξη ισοδυναμικών ζυγών και την ύπαρξη απαγωγέων υπερτάσεων SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής Από διακοπτικούς χειρισμούς [4] Εν γένη, οποιαδήποτε ενέργεια η μεταβολή που συμβαίνει είτε λόγω σφάλματος είτε λόγω απαιτούμενων ενεργειών για την ορθή λειτουργία του δικτύου προκαλεί και ακολουθείται από ένα μεταβατικό και παροδικό φαινόμενο κατά την διάρκεια του οποίου ενδέχεται να εμφανιστούν υπερτάσεις. Για παράδειγμα απότομες μεταβολές στο σύστημα προκαλούν φθίνουσες υψίσυχνες ταλαντώσεις μέχρις ότου το σύστημα να επανέλθει στην κανονική του λειτουργία. Το μέτρο των υπερτάσεων εξαρτάται από τον τύπου του κυκλώματος, το είδος της ενέργειας που επιτελέστηκε στο δίκτυο τα φορτία που είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο και την ασφάλεια η τον διακόπτη πάνω στον οποίο έγινε ο χειρισμός. Αυτού του τύπου οι υπερτάσεις είναι ηπιότερες από ένα κεραυνικό πλήγμα με εξαίρεση σημεία του δικτύου πολύ κοντά στο σημείο που έγινε ο χειρισμός. Η χρονική διάρκεια τον διακοπτικών υπερτάσεων είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των κεραυνικών. 11

12 Κεφάλαιο Το φυσικό φαινόμενο [2] [5] Ο φυσικός Charles Wilson το 1920 διατύπωσε τη θεωρία ότι η γη και η ηλεκτρόσφαιρα είναι οι δύο αντίθετοι πόλοι ενός σφαιρικού πυκνωτή τους οποίους χωρίζει η ατμόσφαιρα. Σε κανονικές συνθήκες (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςαίθριος καιρός) το σύστημα ισορροπεί και δεν υπάρχουν κεραυνικά ρεύματα γιατί η ατμόσφαιρα με την διηλεκτρική της αντοχή λειτουργεί ως μονωτής. Σε συνθήκες ύπαρξης νεφών (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςκαταιγίδα) όμως, στο εσωτερικό των νεφών δημιουργούνται έντονα ρεύματα αέρα, σταγονιδίων νερού και παγοκρυστάλλων τα οποία μεταφέρουν τα φορτισμένα αυτά σωματίδια και σε μικρό χρονικό διάστημα η διαφορά τάσης μεταξύ της βάσης του νέφους και του εδάφους ή και μεταξύ της βάσης του νέφους και της κορυφής του νέφους παίρνει τιμές μερικών εκατομμυρίων βολτ, ξεπερνά την διηλεκτρική αντοχή του αέρα και ξεσπά κεραυνός. Πιο συγκεκριμένα και για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της καταιγίδας στο κάτω μέρος του νέφους συγκεντρώνεται ι σε μία περιοχή του μεγάλο αρνητικό φορτίο ενώ το ανώτερο τμήμα του νέφους φορτίζεται με θετικό φορτίο. Ταυτόχρονα και με επαγωγή ένα θετικό φορτίο συγκεντρώνεται και το επίπεδο του εδάφους κάτω από το νέφος. Από την μορφή του κεραυνού είναι προφανές ότι η μεταφορά του φορτιού γίνεται σε ένα κανάλι με πλάτος πολύ μικρότερο από το μήκος του. Ο αέρας είναι μονωτικό υλικό οπότε για να υπάρξει αγώγιμο κανάλι πρέπει να υπάρξει διάσπαση του και τότε μόνο παρατηρούμε την εκκένωση. Αυτή η διάσπαση δεν γίνεται στιγμιαία και απαιτείται διακριτός χρόνος της τάξης των μsec για κάθε απόσταση 12

13 50m διάσπασης του αέρα. Το αρχικό κανάλι του κεραυνού ονομάζεται βηματικός οχετός προεκκένωσης. Παρά το γεγονός ότι ο οχετός προεκκένωσης προκαλείται από την έλξη μεταξύ του αρνητικού φορτίου του νέφους και του εδάφους, παρατηρείται ότι ο οχετός και κατ επέκταση ο κεραυνός δεν σχηματίζεται κάθετα και στην ελάχιστη απόσταση προς το έδαφος γιατί η αγωγιμότητα του αέρα δεν είναι σταθερή και το κανάλι κατευθύνεται βηματικά προς την περιοχή κάθε φορά που η αγωγιμότητα είναι μεγαλύτερη. Λόγω της τυχαίας κατανομής των περιοχών υψηλής αγωγιμότητας σημείο όπου ο οχετός συναντά το έδαφός μπορεί να είναι σε μεγάλη ορίζονται απόσταση από το σημείο εκκίνησης και το σχήμα του οχετού δεν είναι λείο αλλά οδοντωτό. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον οχετό προεκκένωσης είναι μεγάλη και ξεπερνά την ένταση που απαιτείται για ιονισμό του αέρα από κρούσεις (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής30kakv/cm). Για τον λόγο αυτό τον οχετό περιβάλει ένας μανδύας κορόνα διαμέτρου μερικά μέτρα γύρω από αυτόν. Το πάχος του μανδύα αυτού μεγαλώνει όσο η απόσταση προς το έδαφος μικραίνει και όταν η απόσταση του οχετού από το έδαφος είναι αρκετά μικρή και αποκτήσει πεδιακή ένταση περίπου 5kV/cm τότε ολόκληρο το υπόλοιπο μήκος γεφυρώνεται και είναι το φορτίο στο νέφος ημιαγώγιμα συνδεδεμένο με το έδαφος πλέον. Διάμεσο αυτού του καναλιού εκκενώνεται το φορτίο του νέφους με ένα μεγάλο ρεύμα το οποίο και προκαλεί θέρμανση του οχετού προεκκένωσης ο οποίος αποκτά φωτεινότητα. Η θέρμανση του οχετού προεκκένωσης ξεκινά από το έδαφος και προχωρά προς το νέφος με ταχύτητα της τάξης μερικών δεκάτων της ταχύτητας του φωτός και είναι αρκετές τάξεις μεγέθους πιο γρήγορη από την φάση δημιουργίας του οχετού προεκκένωσης και ονομάζεται οχετός επιστροφής, ενώ η εκκένωση από το νέφος προς τη γη ονομάζεται κεραυνός. Επιπλέον αξίζει να αναφερθεί ότι η εκκένωση του τύπου που περιγράφτηκε πιο πάνω είναι και η πιο συνήθης μορφή κεραυνού με περίπου 90kA% να είναι αυτής της μορφής. Η περιγραφή που έγινε παραπάνω αφορά επίπεδο έδαφος ή επιφάνεια επίπεδου νερού, όταν όμως το νέφος βρεθεί πάνω από κάποια προεξοχή, κτίσμα, κεραία, υψηλό κύμα ή αιχμή ύψους πάνω από 10kA0kAm τότε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο της προεξοχής μπορεί να γίνει αρκετά μεγάλη ώστε να δημιουργηθεί σε αυτήν οχετός προεκκένωσης με κατεύθυνση προς το νέφος. Σε προεξοχές ύψους της τάξης των 10kAm η ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου δεν είναι αρκετά μεγάλη για την δημιουργία ανερχόμενου οχετού. Όμως ο κατερχόμενος οχετός από το νέφος καθώς πλησιάζει το έδαφος επάγει ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο έχει μεγαλύτερη ένταση στις προεξοχές του εδάφους και κατά συνέπεια όταν στις προεξοχές αυτές το πεδίο ενισχυθεί αρκετά λόγω του οχετού προεκκένωσης από το νέφος θα δημιουργηθεί και πάλι ένας ανερχόμενος οχετός ο οποίος θα κατευθύνεται προς την κεφαλή του κατερχόμενου οχετού. Όταν συναντηθούν οι δύο οχετοί πραγματοποιείται και πάλι η ημιαγώγιμη σύνδεση εδάφους νέφους στο σημείο συνάντησης και ακολουθεί ο οχετός επιστροφής και ο κεραυνός. Τέτοιες προεξοχές γενικότερα αποτελούν ένα σημείο προτίμησης, ένα σημείο μεγαλύτερης πιθανότητας για την ολοκλήρωση του οχετού προεκκένωσης και σε αυτήν ακριβώς την μεγαλύτερη πιθανότητα βασίζεται και η προστασία μιας περιοχής με την χρήση αλεξικέραυνου. 13

14 Αξίζει να σημειωθεί ότι η θετικές εκκενώσεις, δηλαδή οι εκκενώσεις με ανερχόμενο αρνητικό οχετό αποτελούν τον ισχυρότερο τύπο κεραυνού που δημιουργεί τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος που έχουμε καταγράψει. Γενικά, την αρχική εκκένωση ακολουθούν και επόμενες διαδοχικές εκκενώσεις σε σύντομα και μικρά χρονικά διαστήματα με τον δικό της συνδετικό οχετό και οχετό επιστροφής η καθεμία. Αυτές οι εκκενώσεις ακολουθούν συνήθως το ίδιο κανάλι με την αρχική εκκένωση. Πολλαπλές εκκενώσεις συμβαίνουν συνήθως σε κατερχόμενους αρνητικούς κεραυνούς ενώ το αντίθετο είναι εξαιρετικά σπάνιο. 2.2 Επιπτώσεις πλήγματος [3] [5] Όταν συμβαίνει ένας κεραυνός παρουσιάζονται υπερθερμάνσεις με θερμοκρασίες έως 34000C, ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, επαγωγικά ρεύματα και υπερτάσεις, ηλεκτροχημικά φαινόμενα και μηχανικές καταπονήσεις. Εικόνα 1: Εικόνα 1: Γυαλί δημιουργημένο από πλήγμα κεραυνού σε αμμώδες έδαφος - τύπου δενδρόφυτη. Πηγή: 14

15 Εικόνα 2: Παγκόσμιος Ισοκεραυνικός Χάρτης. Source : P.R. Field; W.H. Hand; G. Cappelluti; et al. (November 2010). Hail Threat Standardization (PDF). European Aviation Safety Agency. RP EASA Οι κεραυνοί μπορούν να πλήξουν ολόκληρη την επιφάνεια της γης αδιάκριτα οπότε και ατυχήματα που έχουν στο επίκεντρο κεραυνούς είναι αναπόφευκτα. Άτομα ή ζώα που κυκλοφορούν υπαίθρια κατά την διάρκεια καταιγίδας έχουν πληγεί. Για αυτόν τον λόγο συστήνεται να μην κυκλοφορεί κανείς εν μέσω καταιγίδας σε ανοιχτή έκταση ή κάτω από δέντρα ή κάτω από ηλεκτρικές γραμμές. 15

16 Εικόνα 3: Νεκρά ελάφια από παρακείμενο πλήγμα. Ο θάνατος προήλθε από την διαταραχή του αυτόνομου νευρικού συστήματος λόγω της διαφοράς τάσης μεταξύ των ποδιών τους. Sourse: Όσον αφορά τους ανθρώπους και τα ζώα τώρα το άνοιγμα των ποδιών κατά την βάδιση, με την απόσταση των ποδιών μεταξύ τους να παίζει πολύ σημαντικό ρόλο, δημιουργεί διαφορά τάσης και μπορεί να προκαλέσει ηλεκτροπληξία ή και θάνατο. Το ίδιο συμβαίνει και με την χρήση τηλεφώνου σε περίπτωση πλήγματος στις τηλεφωνικές γραμμές. Οι κεραυνοί προκαλούν φωτιές σε δασικές περιοχές και συμβάλουν με αυτόν τον τρόπο στην απελευθέρωση τοξικών ουσιών από την καύση σε υλικά και ζώντες οργανισμούς. Εικόνα 4: Εγκαύματα και παραμόρφωση δέρματος από πλήγμα. Πηγή: 16

17 Όσον αφορά τα ανθρώπινα κτίσματα, ο κεραυνός αποτελεί σημαντικό πρόβλημα ιδιαίτερα σε κτίσματα που περιλαμβάνουν ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και ενοίκους τόσο στο ίδιο το κτίριο όσο και στην γείτονα περιοχή του. Τα οικοδομικά υλικά είναι μέτριοι αγωγοί του ηλεκτρισμού με μικρότερη αντίσταση όμως από τον αέρα. Λειτουργούν λοιπόν τα κτίρια σαν οδηγοί ανερχόμενων οχετών και των φορτίων του εδάφους. Η αντίσταση κατά το πέρασμα του κεραύνιου ρεύματος προκαλεί υπερθερμάνσεις στα υλικά και μπορεί να προκαλέσει πυρκαγιά ή και έκρηξη ή και τα δύο. Εικόνα 5: Ζημιά σε καλωδίωση από πλήγμα στην εγκατάσταση. Πηγή: Στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις όπως είναι γραμμές μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας λόγου του μεγάλου τους μήκους υπάρχει αυξημένη πιθανότητα να πληγούν. Για την απρόσκοπτη λειτουργία του δικτύου και την προστασία των επιμέρους συστημάτων του χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές και μέθοδοι προστασίας σύμφωνα με προδιαγραφές που αναπτύσσονται από διεθνείς οργανισμούς. Οι τηλεπικοινωνιακές εγκαταστάσεις είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στα άμεσα πλήγματα είτε στις γραμμές είτε στις κεραίες αλλά ακόμα και πλήγματα που χτυπούν γειτονικές εγκαταστάσεις καθώς και πλήγματα που χτυπούν παρακείμενες παράλληλες γραμμές τηλεφωνικών δικτύων ή ηλεκτρικών δικτύων. Οι μέθοδοι προστασίας εδώ είναι πολύπλοκες και χρειάζονται ιδιαίτερη έρευνα από το στάδιο της πρώτης μελέτης των εγκαταστάσεων. Τα ηλεκτρονικά συστήματα και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές έχουν παρόμοια και μάλλον αυξημένη ευαισθησία στα φορτία που εμφανίζονται από πλήγματα σε παρακείμενες περιοχές και στα μεταβατικά φαινόμενα από την πτώση κεραυνών σε κοντινούς αγωγούς. Επειδή το επίπεδο διείσδυσης υπολογιστικών συστημάτων είναι σχεδόν καθολικό και σχεδόν όλα τα συστήματα ελέγχονται από υπολογιστές τα προβλήματα που προκαλούνται από κεραυνικά πλήγματα έχουν μελετηθεί διεξοδικά και καταβάλλονται συνεχείς προσπάθειες για την αντιμετώπιση τους. 17

18 Εικόνα 6: Εικόνα 6: Καταστροφή τηλεοπτικού δέκτη λόγω πλήγματος στην εξωτερική κεραία λήψης. Πηγή: Εικόνα 7: Καταστροφή μητρικής κάρτας και κάρτας δικτύου σε υπολογιστή λόγω πλήγματος στην τηλεφωνική γραμμή. Πηγή: Βλέπουμε λοιπόν πως είναι απαραίτητη και μάλλον επιτακτική η ανάγκη για αντικεραυνική προστασία του δικτύου μεταφοράς και διανομής αλλά και κάθε είδους κατασκευής ή συστήματος που μπορεί να πληγεί για την αποφυγή απώλειας τόσο σε ανθρώπινη ζωή αλλά και σε καταστροφή του όποιου ηλεκτρικού, ηλεκτρονικού εξοπλισμού, κτιριακών εγκαταστάσεων αποθηκών πυρομαχικών και άλλα. 2.3 Σχεδιασμός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Στάθμες προστασίας [6] [7] Κάθε σύστημα και κατασκευή απαιτεί και προσαρμοσμένο σύστημα αντικεραυνικής που να μειώνει τον κίνδυνο ζημιάς σε επίπεδο κάτω από μία μέγιστη ανεκτή στάθμη. Η στάθμη αυτή που εξασφαλίζει το ΣΑΠ εξαρτάται από την αναμενόμενη συχνότητα πληγμάτων από άμεσους κεραυνούς Νd και την αποδέκτη συχνότητα ζημιών από κεραυνό Νc. 18

19 Εικόνα 8: Σχέση μεταξύ στάθμης προστασίας και αποτελεσματικότητας ενός ΣΑΠ. Πηγή: IEC :1993,(p.25, table 3) Τα χαρακτηριστικά της κατασκευής που θα προστατευθεί και η στάθμη προστασίας που πρέπει να επιτευχθεί ορίζουν και τα χαρακτηριστικά του απαιτούμενου ΣΑΠ. Υπάρχουν και είναι ορισμένα από το πρότυπο τέσσερα διαφορετικά επίπεδα προστασίας. Η αποτελεσματικότητα του ΣΑΠ μειώνεται όσο μεταβαίνουμε σε χαμηλότερο επίπεδο προστασίας στάθμη Ι > ΙV. Έτσι για να επιλέξουμε την κατάλληλη στάθμη προστασίας πρέπει να υπολογίσουμε τις παρακάτω παραμέτρους: Πυκνότητα κεραυνών Νg: Δηλαδή ο μέσος όρος των κεραυνικών πληγμάτων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά έτος και μπορεί να υπολογισθεί από χάρτες που δίνουν το Ng (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςισοκεραυνικοί χάρτες), χάρτες που δίνουν τον μέσο όρο ημερών καταιγίδας ανά έτος Td μέσω της σχέσης Ng = 0kA.0kA4 Tg1,25m 19

20 Εικόνα 9: Ισοδυναμικός Χάρτης Κεραυνών Ελλάδας. Πηγή: ΔΕΗ Συχνότητα απευθείας πληγμάτων Nd: Η αναμενόμενη συχνότητα πληγμάτων Νd σε μία κατασκευή υπολογίζεται από τη σχέση Nd = Ng *Ae *Ce *10kA^-6, με Νd τον μέσο όρο κεραυνικών πληγμάτων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο στην περιοχή που βρίσκεται η κατασκευή. Ισοδύναμη συλλέκτρια επιφάνεια Αd: Είναι η ισοδύναμη συλλέκτρια επιφάνεια της μονωμένης κατασκευής σε τετραγωνικά μέτρα. 20

21 Εικόνα 10: Ισοδύναμη συλλέκτρια επιφάνεια για απομονωμένη κατασκευή σε επίπεδο έδαφος. Εδώ ο συγγραφέας την ονομάζει Ae. Πηγή: Συστήματα Αντικεραυνικής προστασίας, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Παντελής Ν. Μικρόπουλος επίκουρος καθηγητής, Θεσσαλονίκη 2006, σελίδα 26 σχήμα 4.2 Περιβαλλοντικός Συντελεστής Ce: Είναι ο περιβαλλοντικός συντελεστής που δείχνει την επίδραση των γειτονικών κτισμάτων στον υπολογισμό της συνεκτικής επιφάνειας και επιλέγεται με βάση τα διεθνή πρότυπα όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Εικόνα 11: Εικόνα 10: Περιβαλλοντικός συντελεστής για επιλογή ΣΑΠ. Πηγή: Δυναμική Συμπεριφορά απαγωγέων υπερτάσεων, Νασιοπούλου Χρυσούλα, Πάτρα, σελίδα 16, πίνακας Αποδεκτή τιμή απευθείας πληγμάτων Νc: Αυτή τη τιμή τη καθορίζει ο ιδιοκτήτης της κατασκευής ή ο μελετητής του ΣΑΠ όπου οι απώλειες έχουν ιδιωτικό χαραχτήρα και μόνο. Οι τιμές του Νc εκτιμώνται μέσω ανάλυσης κινδύνου ζημιάς και λαμβάνοντας υπόψη του κατάλληλους συντελεστές για τα παρακάτω επιμέρους στοιχεία: Τύπος κατασκευής Παρουσία εύφλεκτων και εκρηκτικών υλικών 21

22 Μέτρα περιορισμού τον επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων που έχουν ήδη ληφθει Αριθμός των ανθρώπων που τίθεται σε κίνδυνο Τύπος και σπουδαιότητα δημόσιας παροχής Χρηματική αξία των αγαθών που τίθενται σε κίνδυνο και άλλα Εικόνα 12: Διάγραμμα ροής επιλογής ΣΑΠ. Πηγή: Πηγή: Δυναμική Συμπεριφορά απαγωγέων υπερτάσεων, Νασιοπούλου Χρυσούλα, Πάτρα, σελίδα 18, σχήμα Όταν έχουμε υπολογίσει τα παραπάνω απαραίτητα μεγέθη μπορούμε να προχωρήσουμε σε επιλογή του κατάλληλου ΣΑΠ με βάση το παρακάτω διάγραμα. 22

23 2.4 Εξωτερική εγκατάσταση προστασίας ΕΑΠ [7] Αυτού του τύπου οι εγκαταστάσεις έχουν σκοπό την απευθείας πρόσληψη του όποιου άμεσου κεραυνικού πλήγματος και να διοχετεύουν το ρεύμα που προκύπτει στο έδαφος χωρίς να προκαλούνται θερμικές ή και μηχανικές ζημιές, αλλά και την πρόληψη δημιουργίας επικίνδυνων για τους ανθρώπους υπερτάσεων. Ως μέρος του ΣΑΠ μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέρη αναπόσπαστα της κατασκευής όπως ο οπλισμός του σκυροδέματος ή αν η κατασκευή είναι μεταλλική ο σκελετός της. Γι σωστή εγκατάσταση ΣΑΠ τα σημεία σύνδεσης και οι υπόλοιπες τεχνικές προδιαγραφές πρέπει να έχουν προβλεφθεί από την την κατασκευή και μελέτη του κτιρίου. Όποια άλλα φυσικά στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο ως βοηθητικά στο ΣΑΠ. Τα υλικά που αποτελούν το ΣΑΠ πρέπει να αντέχουν στις ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές καταπονήσεις του ρεύματος το κεραυνού και σε τυχαίες καταπονήσεις χωρίς να καταστρέφονται. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει το υλικό και οι διαστάσεις του να γίνεται με γνώμονα ότι θα υπάρξει και φυσική φθορά (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςδιάβρωση) τόσο της κατασκευής όσο και του ίδιου του ΕΑΠ ανάλογα με την έκθεσης της κατασκευής και του ΕΑΠ στα στοιχεία της φύσης στον αέρα, στην υγρασία, στο έδαφος ή στο σκυρόδεμα. Κατασκευαστικά, το ΕΑΠ χωρίζεται σε τρία βασικά τμήματα. Το συλλέκτριο σύστημα, το σύστημα καθόδου, και το κύκλωμα γείωσης. 2.4 Εσωτερική εγκατάσταση του ΕΑΠ [4] Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται κατά την κατασκευή ώστε να εξισωθούν δυναμικά όλων τον μεταλλικών εγκαταστάσεων του κτηρίου ώστε να μην δημιουργούνται μεταξύ τους διαφορές δυναμικού και να αποκλείεται έτσι η δημιουργία σπινθήρα μέσα στην κατασκευή λόγω της ροής του ρεύματος του κεραυνού στο εξωτερικό τις κατασκευής μέσω του ΕΑΠ. Τέτοιοι σπινθήρες μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού των εγκαταστάσεων και του χώρου που προστατεύεται καθώς και μεταξύ αγωγών και τμημάτων αγωγών που εισέρχονται στην κατασκευή θεωρούνται και είναι επικίνδυνοι για τον άνθρωπο και για τις εγκαταστάσεις. Οπότε η χρήση ισοδυναμικών συνδέσεων και η μόνωση μεταξύ των τμημάτων βοηθούν και προλαμβάνουν τη δημιουργία σπινθήρα Ισοδυναμικές συνδέσεις Ο ζυγός (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςκοινού σημείου) πάνω στον οποίο συνδέονται όλες οι μεταλλικές εγκαταστάσεις ύδρευση, θέρμανση κτλ, καθώς και οι θωρακίσεις των καλωδίων, τα συστήματα προστασίας και ο μεταλλικός σκελετός της κατασκευής, αποτελεί εργαλείο επίτευξης Ισοδυναμικών συνδέσεων όπου αυτό είναι εφικτό. Η ηλεκτρική εγκατάσταση μπορεί να συνδεθεί με τον ζυγό μέσω περιοριστών/απαγωγέων υπερτάσεων SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής για τη προστασία των ηλεκτρονικών της εγκατάστασης. 23

24 Πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι συνδέσεις και διεπαφές μετάλλων μεταξύ τους γιατί υπάρχει ο κίνδυνος της διάβρωσης Θέσεις ισοδυναμικής σύνδεσης Στο υπόγειο ή περίπου στην στάθμη του εδάφους σε εύκολα προσπελάσιμο ζυγό και ο ζυγός να συνδέεται στο σύστημα της γείωσης. Σε οποιοδήποτε σημείο δεν ικανοποιούνται οι απαιτήσεις της κατασκευής ή Του ΕΑΠ ή μέρους αυτής σύμφωνα με το πρότυπο. Στις ηλεκτρικές και τηλεπικοινωνιακές εγκαταστάσεις οι οποίες είναι ιδιαίτερα επιρρεπείς σε βλάβες λόγο του κεραυνού πρέπει και λαμβάνονται επιπλέον εξειδικευμένα μέτρα. Οι κεραίες τηλεόρασης και ραδιοφώνου ενδέχεται να μεταφέρουν μεγάλες υπερτάσεις στους δέκτες και να προκαλέσουν βλάβες στις συσκευές αλλά και στην καλωδίωση. Έτσι οι κεραίες πρέπει να συνδέονται με το σύστημα προστασίας αλλά και να παρεμβάλλεται απαγωγέας υπέρτασης πριν την σύνδεση με την εγκατάσταση. Με δεδομένο ότι τέτοιες υπερτάσεις είναι συχνές και συνήθης στην διάρκεια των καταιγίδων περιοριστές υπερτάσεων πρέπει αν τοποθετούνται στους τηλεφωνικούς αλλά και ηλεκτρικούς αγωγούς κατά την είσοδο τους στο κτήριο. Διαφορετική μέθοδος προστασίας είναι τα προστατευτικά διάκενα που λειτουργούν ως ανοιχτό κύκλωμα σε κανονικές συνθήκες και βραχυκυκλώνουν με τόξο όταν η τάση αυξηθεί λόγω του πλήγματος του κεραυνού και δημιουργούν δίοδο προς τη γείωση Απομόνωση της ΕΑΠ Για να απομονωθεί η ΕΑΠ χρησιμοποιούνται κατάλληλα διαχωριστικά υλικά ή κατάλληλη διαχωριστική απόσταση μεταξύ των τμημάτων. Η απόσταση αυτή d μεταξύ των μεταλλικών, ηλεκτρικών, τηλεπικοινωνιακών εγκαταστάσεων και των αγωγών καθόδου δεν μπορεί να είναι μικρότερη από την απόσταση ασφαλείας s για την οποία ισχύει: s=ki Kc/ Km lm όπου Ki εξαρτάται από το επιλεγόμενο επίπεδο προστασίας, Kc εξαρτάται από το ρεύμα του κεραυνού που διαρρέει τους αγωγούς καθόδου, Κm εξαρτάται από το διαχωριστικό υλικό και l είναι το μήκος του αγωγού καθόδου από το σημείο που εξετάζεται η γειτνίαση ως το κοντινότερο σημείο ισοδυναμικής σύνδεσης. Όταν είναι απαραίτητο, η απόσταση ασφαλείας μεταξύ των επιμέρους μερών και του συλλεκτήριου συστήματος μπορεί να υπολογισθεί με την χρήση του ίδιου τύπου προσεγγιστικά. 24

25 2.5 Αναπαράσταση κεραυνικών πληγμάτων Μαθηματική έκφραση [8] Εικόνα 13: Μορφή και χαρακτηριστικά κρουστικού ρεύματος. source : IEC , Protection against lightning Part 1: General principles, Annex A, Figure A.1 Σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο, η μορφή της πρώτης εκκένωσης 10/350μsec και ακόλουθης εκκένωσης 0.25/100μsec είναι: 10 I max ( t τ 1) I surge= exp ( t τ 2) K 1+ ( t τ 1 )10 Όπου Ι το μέγιστο ρεύμα, K διορθωτικός συντελεστής για το μέγιστο ρεύμα, τ1,τ2 χρονικές σταθερές που αφορούν το μέτωπο και την ουρά της κυματομορφής του κεραυνικού ρεύματος και t ο χρόνος. Οι τιμές των παραπάνω παραμέτρων εξαρτώνται από το επίπεδο προστασίας και από τον τύπο του κεραυνού Μοντελοποίηση κρουστικών ρευμάτων [9] Απαραίτητο στοιχείο τις μελέτης με υπολογιστή ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας είναι μοντελοποίηση του ρεύματος του κεραυνού με όσο το δυνατόν καλύτερο τρόπο. Στο εργαστήριο μπορούμε να παράγουμε κρουστικές τάσεις μέσω μονοβάθμιων ή πολυβάθμιων κρουστικών γεννητριών. Παρακάτω βρίσκεται το κύκλωμα στο οποίο έχουν προληφθεί οι παρασιτικές χωρητικότητες που είναι σχετικές με την γεωμετρία και το μέγεθος της διάταξης. Στο κύκλωμα υπάρχουν δύο πυκνωτές c1 >> c2 και δύο αντιστάσεις r1 << r2 με τον c1 αρχικά φορτισμένο σε μία αρχική τάση V0kA μέσω μίας DC πηγής τάσης την οποί α αφαιρούμε μετά την φόρτιση. Όταν κλείσει ο διακόπτης και συνδεθεί ο c1 με το υπόλοιπο κύκλωμα, θα φορτίσει τον C2 μέσω της c2 και θα δημιουργήσει το μέτωπο του κύματος της κρουστικής τάσης ενώ κατά την εκφόρτιση των c1, c2 μέσω της r1 θα σχηματιστεί η ούρα της κρουστικής τάσης. Λόγω της κατάλληλης επιλογής των αντιστάσεων και των χωρητικοτήτων το μέτωπο θα είναι πολύ πιο σύντομο από την ουρά σε 25

26 διάρκεια. Αυτή η γεννήτρια για παράδειγμα δίνει 1.2/50μs κρουστική τάση σε ανοιχτό κύκλωμα και 8/20kAμs κρουστικό ρεύμα σε βραχυκύκλωμα. Εικόνα 14: Ισοδύναμο κύκλωμα Schaffner γεννήτριας κρουστικών ρευμάτων (παράμετροι: C1-10 µf, C2-10 pf, R1-13 Ω, R2-200 Ω, L µh, L mh, L mh and L mh [15]) source: Nonlinear Load and RLC Pulse Shaping) source: Nonlinear Load and RLC Pulse Shaping Surge Generator Models in Simulation Environment Mahesh Edirisinghe Department of Physics, University of Colombo, Colombo, Sri Lanka, figure Μοντελοποίηση σε περιβάλλον σχεδίασης [9] Σε σχεδιαστικό περιβάλλον όπως το simulink ή το Openmodelica μπορούμε να προσομοιώσουμε ένα κρουστικό ρεύμα ή μία κρουστική τάση με την μαθηματική τους αναπαράσταση και προσέγγιση. Για παράδειγμα η Αναλυτική εξίσωση για το ρεύμα 8/20μs είναι: t Ι ( t )= A I p t 3 exp τ όπου Ιp το μέγιστο ρεύμα, Α = 0kA,0kA1243μs-3 και τ = 3.911μs. Η αναλυτική εξίσωση για την κρουστική τάση 1.2/5m0kAμs είναι: t t V (t )=V p A 1 exp exp τ1 τ2 ( ) ( ( )) ( ) όπου Vp το η μέγιστη τιμή της κρουστικής τάσης, Α = 1.0kA37, τ1 = 0kA.0kA40kA74μs και τ2 = 68.22μs. Κάποια τέτοια μαθηματική έκφραση θα χρησιμοποιηθεί και αργότερα για την μοντελοποίηση. 26

27 source: Κεφάλαιο 3 Απαγωγείς υπερτάσεων 3.1 Γενικά περί απαγωγέων[8] Μία κατηγορία συσκευών που χρησιμοποιούνται για την προστασία από τις υπερτάσεις είναι οι Απαγωγείς τάσης SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςsurge protection devices). Συνδέουμε του απαγωγείς παράλληλα με τον εξοπλισμό που πρόκειται και θέλουμε να προστατεύσουμε. Παρακάτω θα περιγραφτεί επιγραμματικά ο τρόπος λειτουργίας τους: Όταν δεν υπάρχουν υπερτάσεις η λειτουργία του συστήματος στο οποίο συνδέονται δεν επηρεάζεται με κανέναν τρόπο γιατί είναι σχεδιασμένα να έχουν υψηλή εμπέδηση. Έτσι ο κλάδος στον οποίο βρίσκονται τοποθετημένα δε διαρρέεται από ρεύμα και άρα δεν υπάρχουν απώλειες εξαιτίας τους. Όταν υπάρξει κάποια υπέρταση τότε η εμπέδηση τους μειώνεται και απορροφούν εκείνα μεγάλο μέρος του ρεύματος που φτάνει στο φορτίο και οφείλεται στην υπέρταση μέχρι η τιμή της τάσης στα άκρα τους να φτάσει μία τιμή την οποία έχει καθορίσει ο κατασκευαστής. Όταν η τάση επανέλθει στα κανονικά επίπεδα και το γεγονός της υπέρτασης τελειώσει τότε η συσκευή SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής επανέρχεται και αυτή σε κατάσταση υψηλής εμπέδησης. 27

28 Για την εξασφάλιση της σωστής λειτουργίας τους έχουν οριστεί οι συνθήκες και τα επίπεδα υγρασίας και θερμοκρασίας κάτω από τα οποία θα πρέπει να λειτουργούν ορθά. Συγκεκριμένα: Η συχνότητα του συστήματος θα πρέπει να βρίσκεται εντός των ορίων 48-62Hz. Το υψόμετρο να μην είναι μεγαλύτερο από τα 2000m. Η θερμοκρασία λειτουργίας να βρίσκεται στο (-5m, +40kA)C για κανονικό διάστημα αντοχής και στο (-40kA, +70kA)C για εκτεταμένο διάστημα. Η υγρασία σε εσωτερική εγκατάσταση να είναι στο διάστημα (30kA,90kA)%. Τα παραπάνω όρια ενδέχεται να μεταβληθούν ανάλογα με τα όρια που δίνουν οι κατασκευαστές και όπως είναι λογικό με την υιοθέτηση νέων τεχνολογιών στους απαγωγείς. 3.2 Τυπικά χαρακτηριστικά απαγωγέων υπερτάσεων [10] Όταν πρέπει να επιλέξουμε το κατάλληλο τύπο SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής για μία εγκατάσταση λαμβάνουμε υπόψη τα παρακάτω λειτουργικά χαρακτηριστικά: Vc (continuous Operating Voltage), Ic (Continuous operating Current) τις μέγιστες δηλαδή τιμές ρεύματος και τάσης στις οποίες μπορεί το σύστημα να λειτουργεί κανονικά και για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η τάση Vc έχει μέτρο περίπου το 15m% την ονομαστικής τάσης λειτουργίας του συστήματος, η οποία στην Ελλάδα είναι 230kA/40kA0kAV και επιλέγεται έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα να αλλοιωθούν τα χαρακτηριστικά του SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής λόγω γήρανσης, θερμικής καταπόνησης κλπ σε κανονικές συνθήκες. Το ρεύμα Ic αφορά τη τιμή του ρεύματος που διαρρέει το SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής όταν εφαρμόζεται σε αυτό τάση Vc. Το ρεύμα αυτό το λαμβάνουμε ιδιαίτερα υπόψη όταν υπάρχουν στο σύστημα συσκευές που προκαλούν υπερρεύματα ή άλλες διατάξεις προστασίας, καθώς και όταν πρόκειται να τοποθετηθεί το SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής σε σειρά με το δίκτυο. In (Nominal Discharge Current) είναι το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτησης. Το ρεύμα δηλαδή που μπορεί να περάσει τον απαγωγέα ορισμένο αριθμό φορών χωρίς να του προκαλέσει κάποια βλάβη ή να αλλοιώσει τη λειτουργία του. Πρέπει αυτό το ρεύμα να είναι μικρότερο από μια μέγιστη τιμή Ιmax. Χρησιμοποιείται σε δοκιμές για αν οριστεί και καθοριστεί το επίπεδο τιμών της τάσης εκφόρτισης και επιλέγεται από το παρακάτω σύνολο τιμών {0kA.0kA5m, 0kA.1, 0kA.25m, 0kA.5m, 1.0kA, 1.5m, 2.0kA, 2.5m, 3.0kA, 5m.0kA, 10kA.0kA, 15m.0kA, 20kA.0kA}kA. Ιimp (Maximum Impulse Current), Imax (Maximum Discharge Current) πρόκειται για το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης που μπορεί να περάσει από τον απαγωγέα τουλάχιστον μία φορά χωρίς να τον καταστρέψει και εξαρτάται σε πάρα πολύ μεγάλο βαθμό από την μορφή του κρουστικού κύματος (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςσημειώνεται ότι για παράδειγμα ένας απαγωγέας που υπόκειται σε κρουστικό ρεύμα της μορφής 8/20kAμs έχει ικανότητα Imax = 5mkA ενώ σε κρουστικό ρεύμα 4/20kAμs έχει ικανότητα Ιmax = 65mkA. Vm (Measured Limiting Voltage) είναι η τάση εκφόρτισης και είναι ίση είτε με την παραμένουσα τάση Vres (Residual Voltage) είτε με την τάση διάσπασης (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής Spark Over Voltage) στα άκρα του απαγωγέα όταν αυτός διαρρέεται από ονομαστικό ρεύμα 28

29 εκφόρτισης In. Τότε η μέγιστη τιμή της τάσης εκφόρτισης αντιστοιχεί στο μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης Iimp, Imax. Vp είναι η τάση προστασίας του απαγωγέα και είναι αυτή που χαρακτηρίζει την συμπεριφορά του σε συνθήκες λειτουργίας και είναι κατά κανόνα μεγαλύτερη από την υπολογισμένη από τις δοκιμές για τα δίαφορα In.Vtov (Temporary Over-voltage). Πρόκειται για την υπέρταση που διαρκεί 0kA.0kA5m 10kAs. Λόγω της μεγάλης διάρκειάς της δεν έχει μορφή κρουστική και όταν ο απαγωγέας λειτουργήσει για να την περιορίσει υπάρχει το ενδεχόμενο να καταστραφεί λόγω της εκτεταμένης χρονικά καταπόνησης από μεγάλο ρεύμα. Είμαστε υποχρεωμένοι λοιπόν όταν επιλέγουμε απαγωγέα για κάποια εγκατάσταση να επιλέγουμε Vp > Vtov (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςκαταστροφή απαγωγέων είναι συχνότερη σε απομονωμένα δίκτυα από υπερτάσεις μεγάλης διάρκεια από ότι σε σχέση με κεραυνικά πλήγματα. ) Τέτοιες υπερτάσεις δημιουργούνται από σφάλματα στο δίκτυο χαμηλής τάσης και δίνονται γενικά από τη σχέση Vtov = k1* k2*vn = k2 *Vcs, όπου Vn η ονομαστική τάση και Vcs = k1 * Vn η μέγιστη τάση του συστήματος που βρίσκεται εντός των επιτρεπτών ορίων κανονικής λειτουργίας, 1.0kA5m < k1 < 1.1 και k2 συντελεστής που δηλώνει πόσο μεγαλύτερη από την Vsc είναι μία αποδεκτή υπέρταση του συστήματος με 1.25m < k2< 2. Τέλος από το πρότυπο IEC 60kA οι υπερτάσεις μεγάλης διάρκειας με αιτία σφάλμα σε δίκτυο υψηλής τάσης δεν πρέπει να ξεπερνούν σε μέτρο το 1.5m*Vn + 75m0kA Volt για χρονική διάρκεια το διάστημα (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής0ka.0ka5m <t<5m)s. Δεν πρέπει να ξεπερνούν σε μέτρο την 1.5m*Vn V για διάστημα (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής5m < t < 10kA)s Vt (temporary Over-voltages) πρόκειται για μία καμπύλη που καθορίζει τη συμπεριφορά του απαγωγέα σε υπερτάσεις μεγάλης διάρκειας του συστήματος διανομής και με μερικά ζεύγη τιμών Vt συνάρτηση του χρόνου βρίσκουμε την μορφή της. Υπερτάσεις μεγαλύτερης διάρκεια από τα 5ms ο απαγωγέας τις αντιλαμβάνεται σαν μόνιμη κατάσταση και η χαρακτηριστική Vt τείνει στην τιμή Vc. tr (Time Response) Χρόνος απόκρισης του απαγωγέα είναι το χρονικό διάστημα από την στιγμή εμφάνισης του φαινομένου υπέρτασης μέχρι την στιγμή που ενεργοποιείται και ο απαγωγέας και ξεκινά η λειτουργία του. Γενικά είναι πολύ σημαντική παράμετρος γιατί ο απαγωγέας πρέπει να ενεργοποιηθεί πριν περάσει το κρουστικό κύμα και προκαλέσει την όποια αστοχία. Πρέπει δηλαδή ο χρόνος αυτός να είναι μικρότερος από 25mns. (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςοι συσκευές σταθεροποίησης τάσης UPS δεν είναι κατασκευασμένες για αντικεραυνική λειτουργία και προστασία γιατί ο χρόνος απόκρισης τους είναι πολύ μεγάλος και είναι της τάξης των ms κατά συνέπεια χρήζουν και αυτοί προστασίας από υπερτάσεις.) 3.3 Χρήση και τοποθέτηση απαγωγέων SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής σε δίκτυο χαμηλής τάσης Χ. Τ.[8] Πριν γίνει η οποιαδήποτε τοποθέτηση ενός συστήματος απαγωγέα τάσης σε ένα σύστημα γίνονται απαραίτητα μελέτες υπολογισμού της πιθανότητας κεραυνικού πλήγματος και υπερτάσεων λόγω σφαλμάτων του δικτύου ή διακοπτικών χειρισμών. Καθώς και μελέτη για την καταπόνηση ενός τέτοιου συστήματος και τα τεχνικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει. 29

30 Στην περίπτωση που ο εξοπλισμός που πρόκειται να προστατευθεί έχει ίδιες αντοχές σε υπερτάσεις ή και βρίσκεται κοντά στον πίνακα διανομής, τότε μπορεί να εγκατασταθεί ένας μόνο απαγωγέας στην κοντινότερη δυνατή από τον πίνακα της εγκατάστασης απόσταση και αυτός θα είναι αρκετός για να προστατευθεί το σύστημα. Στην περίπτωση που χρειαστούν παραπάνω από ένας απαγωγέα, τότε είναι απαραίτητο να συντονιστούν. Η επιλογή του αριθμού των απαγωγέων εξαρτάται από το είδος το εξοπλισμού, την αντοχή του στις υπερτάσεις, τη μορφή του ηλεκτρικού συστήματος και της γείωσης, όπως και τα χαρακτηριστικά της υπέρτασης. Εικόνα 15: Εικόνα 15:Τύποι Προστασίας Πηγή: Επαγόμενες υπερτάσεις από κεραυνούς σε δίκτυα χαμηλής τάσης, Μουστακάτος Σπυρίδωνας Εικόνα 16: Συνδεσμολογία των SPD για σύστημα διανομής Χαμηλής τάσης TN-C-S. πηγή: Δυναμική Συμπεριφορά απαγωγέων υπερτάσεων, Νασιοπούλου Χρυσούλα, Πάτρα Για βέλτιστη αντιμετώπιση των υπερτάσεων θα πρέπει οι αγωγοί στους οποίους συνδέουμε τον απαγωγέα να έχουν το μικρότερο δυνατό μήκος. Όταν αυτό δεν είναι δυνατό επιλέγουμε SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής με μικρότερη Vp επειδή το μήκος των αγωγών μειώνει την ικανότητα του απαγωγέα για προστασία του συστήματος. 30

31 Υπάρχουν τρεις τρόποι σύνδεσης του απαγωγέα με τους αγωγούς διανομής του ηλεκτρικού ρεύματος: Εικόνα 17: Σύνδεση απαγωγέα σε σειρά. Σε σειρά με το φορτίο που προστατεύει, συμβατικός τρόπος σύνδεσης. Όπου η τάση μεταξύ φάσης και ουδέτερου Vab = Vspd +VL1,L2. Τότε με δεδομένο ότι οι αγωγοί έχουν τυπικές επαγωγές με μέτρο 1μH/m και ότι η επαγωγική πτώση τάσης πάνω στον αγωγό θα είναι για ένα κρουστικό ρεύμα 1kA/μsec, 1kV/m. Είναι λοιπόν εμφανές ότι η ύπαρξη της πτώσης τάσης Vl1,l2 οδηγεί σε μεγάλη αύξηση της τάσης στο φορτίο. Εικόνα 18: Σύνδεση απαγωγέα τύπου V. Ο τρόπος σύνδεσης τύπου V, είναι και αυτός που προτιμάται όπου είναι δυνατό γιατί στην περίπτωση υπέρτασης Vab = Vspd. Όταν ο τρόπος σύνδεσης 31

32 τύπου V δεν είναι δυνατός επιλέγουμε τον εναλλακτικό τρόπο σύνδεσης στον οποίο οι αγωγοί σύνδεσης είναι μεταξύ τους μαγνητικά συζευγμένοι και πολύ κοντά μεταξύ τους όπου λόγω της αυτεπαγωγής Vl1,l2 προκύπτει τάση μικρότερη από αυτήν της συμβατικής συνδεσμολογίας. Εικόνα 19: Εναλλακτικός Τρόπος σύνδεσης Επιπλέον, σημαντικό θέμα για την για την ορθή τοποθέτηση των απαγωγέων είναι η απόσταση από τον εξοπλισμό που θέλουμε να προστατεύσουμε. Οι υπερτάσεις ταξιδεύουν περίπου με την ταχύτητα του φωτός στου αγωγούς και είναι γενικά πολύ σύντομης διάρκειας και λόγω της κυματικής φύσης του τρόπου μετάδοσης τους ως οδεύοντα κύματα, όταν συναντούν απότομες μεταβολές στην χαρακτηριστική αντίσταση του αγωγού τότε δημιουργούνται αντανακλάσεις του αρχικού κύματος. Τότε όταν το αρχικό κύμα συναντιέται με το αρχικό λόγω υπέρθεσης η τάση προστίθεται και μπορεί να φτάσει τιμές διπλάσιες από αυτές τις αρχικής. 32

33 Εικόνα 20: Σύνδεση SPD ανάλογα με την απόσταση του υπό προστασία εξοπλισμού από τον κύριο SPD. πηγή: lsp.international.com Υποθέτουμε έναν απαγωγέα σε συνδεσμολογία V φορτίο τότε Vload = Vspd, όταν υπάρξει υπέρταση και λόγω αυτού του φαινομένου που περιγράφτηκε πιο πάνω και ενώ σαφώς η υπέρταση μετά το στάδιο του απαγωγέα θα έχει μειωμένη μορφή, οπότε μετά τον απαγωγέα και μετά το φορτίο στο τέλος του αγωγού, το κύμα θα u x με x το μήκος του ανακλαστεί και η τάση του φορτίου θα γίνει V load =V spd +2 x c αγωγού και C τη ταχύτητα του φωτός. Αυτό το φαινόμενο κρίνεται αμελητέο σε αποστάσεις μικρότερες των 10kAm. Κάποιες φορές και για μεγαλύτερες αποστάσεις υπάρχει προστασία ενσωματωμένη στον εξοπλισμό που μειώνει τις επιδράσεις του φαινομένου. Όποια τέτοια προστασία όμως θα πρέπει να είναι συντονισμένη με τον κεντρικό απαγωγέα του πίνακα. 3.4 Επιπρόσθετη προστασία με απαγωγείς και συντονισμός όλων των διατάξεων προστασίας [8] Σε κάποιες περιπτώσεις ένας SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής αρκεί για την προστασία, όταν το πλήγμα στην είσοδο της εγκατάστασης όπου και τοποθετείται είναι μικρό. Όταν όμως: Υπάρχει ευαίσθητος σε μεταβολές της τάσης εξοπλισμός Η απόσταση του SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής από την είσοδο της εγκατάστασης και του εξοπλισμού είναι μεγάλη Υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο εσωτερικό της εγκατάστασης λόγω εκφορτίσεων από κεραυνούς ή λόγω εσωτερικών πηγών ρεύματος 33

34 Εικόνα 21: Ολοκληρωμένο Σύστημα αποσύζευξης με χρήση πηνίων. Πηγή: Τότε ίσως και να χρειαστούν επιπλέον διατάξεις προστασίας. Για την ορθή τοποθέτηση τους δίνουμε προσοχή πρώτα στην τάση αντοχής Vw της πιο ευαίσθητης συσκευής του συστήματος. Τότε ο SPD επιλέγεται να έχει τάση προστασίας Vp2 η οποία είναι τουλάχιστον κατώτερη της τάσης αντοχής της συγκεκριμένης συσκευής. Στην περίπτωση που ο SPD στην είσοδο του συστήματος έχει επίπεδο προστασίας Vp1 δίνει τάση 0kA.8 Vw (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςτάση αντοχής) στα άκρα της ευαίσθητης συσκευής, τότε οποιαδήποτε επιπλέον συσκευή προστασίας είναι περιττή. Θα πρέπει να έχουμε συνυπολογίσει όμως και τις όποιες ταλαντώσεις λόγω του μεγάλου μήκους της γραμμής (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής > 10kAm ). Στην περίπτωση που είναι αναγκαία η εγκατάσταση δύο ή περισσότερων SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής θα πρέπει να προβλέψουμε και υπολογίσουμε και τον συντονισμό τους κατά τη διάρκεια των υπερτάσεων. Γενικά, οι τάσεις προστασίας Vp και τα επιτρεπόμενα ρεύματα Ip πρέπει να είναι μικρότερα από τα αντίστοιχα μεγέθη εισόδου Vin, Iin του κάθε SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής ξεχωριστά. Σε διαφορετική περίπτωση τοποθετούμε μεταξύ των SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής κάποιο στοιχείο αποσύζευξης για παράδειγμα ένα πηνίο. Είναι κοινή πρακτική ο κατασκευαστής να παρέχει μία τυποποιημένη διάταξη προστασίας η οποία και περιλαμβάνει και το κατάλληλο στοιχείο αποσύζευξης. 34

35 3.5 Είδη απαγωγέων τάσης [10] Περιοριστές υπερτάσεων Voltage clamping devices, είναι μη γραμμικά στοιχεία τα οποία περιορίζουν τις όποιες υπερτάσεις που ξεπερνούν κάποιες ορισμένες τιμές τάσης, με τη δημιουργία ενός δρόμου χαμηλής εμπέδησης, από τον οποίο και θα περάσει το μεγαλύτερο μέρος του κρουστικού ρεύματος. Όταν συμβεί μία κρουστική υπέρταση η τάση στα άκρα του SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής είναι όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Υπάρχουν δύο είδη τέτοιων SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής, τα Βαρίστορ από οξείδια μετάλλων και οι πυριτιούχοι ημιαγωγοί Βαρίστορ οξειδίου μετάλλου (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςmetal Oxide Varistor MOV) Είναι SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής που κατασκευάζονται από διάφορα οξείδια μετάλλου σε μορφή σκόνης. Η σκόνη αυτή συμπιέζεται, μπαίνει σε καλούπια σχήματος κυκλικού δίσκου. Η διάμετρος του δίσκου καθορίζει το ρεύμα που τους διαρρέει, το ύψος των δίσκων καθορίζει τη τάση κανονικής λειτουργίας και ο συνολικός όγκος τους καθορίζει την ικανότητα ενεργειακής φόρτισης. Εικόνα 22: Λειτουργία ενός απαγωγέα οξειδίου μετάλλου στην εισερχόμενη υπέρταση (αριστερά) με αποτέλεσμα τον περιορισμό της (δεξιά). Πηγή: Σε κάθε MOV arrester SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής δίνεται από τον κατασκευαστή η I-V χαρακτηριστική του. Η χαρακτηριστική είναι κατά κανόνα μη γραμμική και περιγράφεται από τη σχέση I = k * V^a με α<=5m ή περίπου ίσο με 5m0kA. Η διάρκεια ζωής των MOV είναι περιορισμένη και φθείρονται έπειτα από περιορισμένο αριθμό υπερτάσεων. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα τοποθετούμε 2 η περισσότερα Βαρίστορ παράλληλα μεταξύ τους με τη προϋπόθεση ότι έχουμε συντονίσει τη δράση τους. 35

36 3.5.2 Διακόπτες υπερτάσεων Οι διακόπτες υπερτάσεων (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςvoltage switching devices) είναι μη γραμμικά στοιχεία τα οποία και κόβουν τυχόν υπερτάσεις που ξεπερνούν μία ορισμένη τιμή τάσης προστασίας παρέχοντας έναν δρόμο χαμηλής εμπέδησης από τον οποίο και θα περάσεις το μεγαλύτερο μέρος του εισερχόμενου κρουστικού ρεύματος. Στην περίπτωση υπέρτασης, η τάση στα άκρα τους είναι όπως στην παρακάτω εικόνα. Τέτοιοι διακόπτες είναι οι απαγωγείς τύπου σπινθηριστή (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής spark gap type). Εικόνα 23: Αποτέλεσμα της λειτουργίας απαγωγέα τύπου σπινθηριστή σε εισερχόμενη υπέρταση (αριστερά) με την υπέρταση να διοχετεύεται μέσω αυτού στη γείωση (δεξιά). Πηγή: Απαγωγείς τύπου σπινθηριστή Οι Spark gap type arresters απομονώνουν γαλβανικά γειώσεις ή μεταλλικές εγκαταστάσεις που οι λειτουργικές ανάγκες του συστήματος δεν επιτρέπουν την ισοδυναμική σύνδεση τους όπως και απαιτεί μία ολοκληρωμένη εγκατάσταση ΣΑΠ. Παρεμβάλουμε τους Spark gap arresters μεταξύ εγκαταστάσεων ή γειώσεων. Όταν η τάση μεταξύ τους υπερβεί τη τιμή διάσπασης του σπινθηριστή, τότε αυτός ενεργοποιείται και εξισώνει το δυναμικό στιγμιαία, αποτρέποντας την ανάπτυξη επικίνδυνων σπινθήρων σε τυχαίες θέσεις της εγκατάστασης καθώς επίσης και επικίνδυνων τάσεων επαφής. Όταν το φαινόμενο περάσει ο σπινθηριστής επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Χρησιμοποιούμε τους Spark gap arresters σε: Γειώσεις τηλεπικοινωνιών Βοηθητικά ηλεκτρόδια γείωσης διατάξεων λειτουργίας τάσεως 36

37 Γειώσεις ηλεκτροκίνησης σιδηροδρόμων AC, D), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςc Γειώσεις εργαστηρίων που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις Μεταλλικοί σωλήνες με καθοδική προστασία Γεφύρωση μεταλλικών τμημάτων σωλήνων με μονωτική φλάντζα 37

38 source: Κεφάλαιο 4 Μοντέλο προσομοίωσης Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν οι βασικές μεταβλητές που θα χρησιμοποιηθούν σε διάφορες προσομοιώσεις. 38

39 4.1 Υπολογισμός παραμέτρων [11],[12],[13] Στα διεθνή πρότυπα, σε υπάρχουσες διπλωματικές εργασίες, διατριβές και συγγράμματα έχει γίνει προσέγγιση των στοιχείων των συστημάτων προστασίας με τιμές που να ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Στις παρακάτω παραγράφους παρουσιάζονται τα μεγέθη που θα χρησιμοποιηθούν στην προσομοίωση κεραυνικών πληγμάτων σε κατοικίες Σύνθετη αντίσταση τυλιγμάτων μετασχηματιστή Τ [11],[12],[13],[14], [15] Για μετασχηματιστή 20kAkV / 0kA.4kV που τροφοδοτείται από δίκτυο 20kAkV με τα μεγέθη του ανηγμένα στο δευτερεύον τύλιγμα έχουμε τυπικά μεγέθη όπως φαίνονται παρακάτω: Ονομαστική πολική τάση δευτερεύοντος: Ονομαστική ισχύς: Τάση βραχυκύκλωσης: Απώλειες χαλκού: Εμπέδηση ανηγμένη στην Vn : Ωμική αντίσταση: Επαγωγική αντίδραση: Επαγωγή: Vn = 0kA.4kV Sn = 40kA0kAkVA uκ = 4% Pcu = 460kA0kAW V 2n ΖΤ =uκ Z T =16 mω Sn V 2n Pcu V 2n RT =ur = RT =4.6 mω S n S n Sn n Χ τ = Ζ 2Τ R 2T X T =15.3 mω { Χ Τ =ω LT ω=2 πff LT =48.7 μhh f =50 Hz 39

40 4.1.2 Σύνθετη αντίσταση γραμμής διανομής χαμηλής τάσης [11],[12], [13],[14],[15] Για τις εναέριες γραμμές μεταφοράς χαμηλής τάσης με αγωγούς αλουμινίου 4 x 50 mm2 έχουμε: Rl=0.353 Ω/km Ωμική αντίσταση: X l =0.277 Ω/km Επαγωγική αντίδραση: Ll= mh /km Επαγωγή : Σύνθετη αντίσταση καλωδίου παροχής και γραμμής πίνακα μετρητή[11],[12],[13],[14],[15] Σε οικιακή τριφασική εγκατάσταση διαλέγουμε τη παροχή No3 από τις τυποποιημένες παροχές της ΔΕΗ που δίνει διατομή 16 mm 2 κατάλληλη για προστασία από υπερφόρτιση. Για τα τυπικά καλώδια ΝΥΜ 4 x 16 mm2 έχουμε: r =1.36 Ω/km Ωμική αντίσταση: x=0.09 Ω/km Επαγωγική αντίδραση: L= mh /km Επαγωγή : Σύνθετη αντίσταση εγκατάστασης[11],[12],[13],[14],[15] καλωδίων εσωτερικής Οι διατομές των καλωδίων της εσωτερικής εγκατάστασης είναι ανάλογες του φορτίου της γραμμής που υποστηρίζουν και είναι μικρότερες από τη διατομή του καλωδίου παροχής. Για τυπικό καλώδιο ΝΥΥ 4 x 4 mm2: R Ι =4.56 Ω/km Ωμική αντίσταση: x Ι = Ω/km Επαγωγική αντίδραση: LΙ = mh /km Επαγωγή : Γείωση ουδέτερου[11],[12],[13],[14],[15] Αν το δίκτυο είναι εναέριο, ο ουδέτερος γειώνεται στα τέρματα των διακλαδώσεων και των κύριων γραμμών, σε κάθε παροχέτευση και οπωσδήποτε ανά 300m. Η συνολική αντίσταση της γείωσης του ουδέτερου δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10Ω και καθορίζεται από μέτρηση στον υποσταθμό διανομής. Για ξύλινους στύλους η αντίσταση γείωσης είναι 2Ω και για τσιμεντένιους 1Ω. 40

41 4.1.6 Πλέγμα γείωσης κτιρίων[11],[12],[13],[14],[15] Ο υπολογισμός του γίνεται με βάση τα δεδομένα του παρακάτω σχήματος με μοντελοποίηση του με κατανεμημένες και χρονικά μεταβαλλόμενες παραμέτρους όπως αυτές παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία. Για τα οριζόντια ηλεκτρόδια RGLΗ =11,6 Ω Ωμική αντίσταση: LGLΗ =1,1 μhη Επαγωγή : Για τα κάθετα ηλεκτρόδια RGLV =38.94 Ω Ωμική αντίσταση: C GLV =631 μhf Χωρητικότητα : Εικόνα 24: Ισοδύναμο κύκλωμα γείωσης κτιρίου. 41

42 source: Isaiah van Hunen/Flickr Κεφάλαιο 5 : Προσομοίωση Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστεί το μοντέλο προσομοίωσης στο περιβάλλον Openmodelica, το οποίο αποτελεί εργαλείο προσομοίωσης παρόμοιας λειτουργικότητας με το simulink με το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτούνται ούτε σύνδεση στο ίντερνετ για την ορθή λειτουργία του, ούτε κάποια συνδρομή, αφού διατίθεται δωρεάν. 42

43 5.1 Για το σύστημα κατοικιών Στο μοντέλο θα μελετηθούν τα στοιχεία ρεύματος τάσης σε επιλεγμένα ευαίσθητα φορτία σε σύστημα δύο κατοικιών με τριφασική παροχή ρεύματος σε διάφορες περιπτώσεις. Η απόσταση μεταξύ των κτιρίων θα είναι 30m. Η απόσταση το ενός κτηρίου από τον μετασχηματιστή παροχής θα είναι 50m και του άλλου 80m. Τα δύο κτίρια θα είναι κατά τα άλλα όμοια και ως προς το φορτίο και ως προς τις διαστάσεις και το ισοδύναμο κύκλωμα γείωσης. Θα μελετηθούν ξεχωριστά οι περιπτώσεις μίας μόνης κατοικίας χωρίς προστασία και πλήγματα στην φάση τροφοδοσίας κοντά στην κατοικία, στην γείωση και τέλος στην γραμμή μεταφοράς στην μέγιστη απόσταση. Όμοια για μία μόνη κατοικία με σύστημα προστασίας spark gap arrester και πλήγματα στα ίδια σημεία. Και το αυτό με MOV arrester σε συνδεσμολογία τύπου V, την οποία και θα κρατήσουμε σταθερή στις επόμενες περιπτώσεις. Τέλος, για το σύστημα και με τις δύο κατοικίες να προστατεύονται από σύστημα προστασίας για πλήγματα στα ίσια σημεία. Όλα τα πλήγματα θα είναι ίδιας μορφής 1.2/50μs και θα έχουν μέγιστο ρεύμα πλάτους 25kA. 5.2 Υλοποίηση Κρουστικού ρεύματος Σε προηγούμενο κεφάλαιο παρουσιάστηκε μία γεννήτρια κρουστικών ρευμάτων όπως θα την δημιουργούσε κανείς από τα επιμέρους στοιχεία της στο εργαστήριο. Παρουσιάστηκαν και οι μαθηματικές εξισώσεις τις οποίες η γεννήτρια θα προσπαθούσε να προσεγγίσει. Στην περίπτωσή μας θα χρησιμοποιηθούν απευθείας οι μαθηματικές εξισώσεις σαν ένα module (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςμπλοκ), αφού υπάρχει η δυνατότητα και το σύστημα προς προσομοίωση υλοποιείται απλούστερα. Θα χρησιμοποιήσουμε για την προσομοίωση κρουστικού ρεύματος την παρακάτω εξίσωση: t t Ι ( t )=Ι p A 1 exp exp τ1 τ2 ( ( )) ( ) με Α = 1.0kA37, τ1 = 0kA.0kA40kA74 μs και τ2 = 68.22μs και Ιρ = 25mkA που προσομοιώνει κρουστικό ρεύμα 1.2/5m0kAμs. Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2. Στο περιβάλλον Openmodelica θέτουμε την κατάλληλη εξίσωση και την δίνουμε σαν είσοδο σε πηγή ρεύματος που ακολουθεί ακριβώς κάθε χρονική στιγμή την είσοδο αυτή. 43

44 Εικόνα 26: Το μπλοκ σήματος (πάνω δεξιά) δίνει τη μαθηματική σχέση που οδηγεί την ιδανική πηγή ρεύματος (αριστερά) Εικόνα 25: ο μπλοκ σήματος (πάνω δεξιά) δίνει τη μαθηματική σχέση που οδηγεί την ιδανική πηγή ρεύματος (αριστερά) 5.3 Υλοποίηση κυκλώματος γείωσης Στο προηγούμενο κεφάλαιο παρουσιάστηκε ένα ισοδύναμο κύκλωμα γείωσης. Θα γίνει εισαγωγή του στο Openmodelica και σύνδεσή του με τα υπόλοιπα στοιχεία της εγκατάστασης. Το κύκλωμα του πλέγματος δημιουργήθηκε Σύμφωνα με την Εικόνα 24. Στο περιβάλλον προσομοίωσης θα φαίνεται ως ένα μπλοκ με ένα πιν (SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακήςσημείο ένωσης) εισόδου και ένα πιν εξόδου το οποίο και ενώνεται με την κυκλωματική γείωση. 5.4 Υλοποίηση Αγωγών διανομής Παρακάτω φαίνεται η υλοποίηση του μπλοκ διανομής με κυκλωματικά στοιχεία ανάλογα με το μήκος τους σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 4 και ακολουθώντας για τις παραμέτρους των στοιχείων του μπλοκ τον παρακάτω πίνακα. Lenght (m) Resistance (Ω)) Inductance (H) ,353 0, , , E , , E-08 Εικόνα 26: Πίνακας αντιστοίχησης αντιστάσεων και επαγωγών ανά μήκος αγωγού. 44

45 Εικόνα 27: Μπλοκ ισοδύναμου γραμμής με μήκος 30m. 5.5 Υλοποίηση παροχής και γραμμής πίνακα μετρητή Όμοια με την γραμμή μεταφοράς υλοποιούμε στο περιβάλλον προσομοίωσης και την γραμμή παροχής και πίνακα μετρητή όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα ανάλογα με το μήκος της και σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 4. 45

46 Lenght (m) Resistance (Ω)) Inductance (H) ,36 0,0408 0,068 0, ,168838E-08 1,948064E-08 Εικόνα 28: Στοιχεία γραμμής πίνακα - μετρητή 5.6 Υλοποίηση καλωδίων εσωτερικής εγκατάστασης Όμοια με τα παραπάνω υπολογίζουμε τα στοιχεία για τους αγωγούς της εσωτερικής εγκατάστασης σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα. Lenght (m) Resistance (Ω)) Inductance (H) ,56 0,0456 0,0912 3,4059E-05 1,55309E-09 3,106181E-09 Εικόνα 29: Στοιχεία εσωτερικών καλωδίων κατοικίας Στην εγκατάσταση μας Θεωρούμε συνδεδεμένο φορτίο με 10kAΩ και συνδέουμε το ένα άκρο του φορτίου στη γείωση, όπως φαίνεται παρακάτω. Θεωρούμε ότι τα καλώδια της εσωτερικής εγκατάστασης είναι 20kAm. Εικόνα 30: Εσωτερική εγκατάσταση κατοικίας χωρίς προστασία. Τρεις φάσεις ουδέτερος και γείωση στο πιν4. 46

47 5.7 Μπλοκ εγκατάστασης με μόνη κατοικία χωρίς προστασία Σε αυτό το μπλοκ θα εφαρμόσουμε και τα κρουστικά ρεύματα στα τρία σημεία που αναφέρθηκαν στην πρώτη παράγραφο του κεφαλαίου. Εδώ θεωρούμε ότι η απόσταση της γείωσης από την κατοικία ως την γείωση στον στήλο του πάροχου ενέργειας είναι 80m και θεωρούμε ότι έχει πολύ μεγάλη τιμή έστω 107 Ω. Όπως φαίνεται παρακάτω. Εικόνα 31: Υλοποίηση για το πλήγμα στην φάση του φορτίου κοντά στην κατοικία (σημείο Α), στη γείωση του κτιρίου(σημείο Β) και σε απόσταση 80m κοντά στον μετασχηματιστή τροφοδοσίας (σημείο C). Αντίστοιχη υλοποίηση θα γίνει και για τα άλλα πλήγματα. Μετά από την προσομοίωση και για τα τρία πλήγματα εξάγουμε γράφημα με την τάση στα άκρα του ευαίσθητου φορτίου και με το ρεύμα καθώς και πινάκα με τις μέγιστες τιμές τους. 47

48 Εικόνα 32: Τάση στο φορτίο χωρίς προστασία για πλήγμα στην φάση (πράσινο), σε απόσταση 80m (μπλε) και στη γείωση (ματζέντα) Εικόνα 33: Ένταση του ρεύματος στα άκρα του φορτίου για μόνη κατοικία χωρίς προστασία για πλήγμα στη φάση του φορτίου (κίτρινο), στη γραμμή μεταφοράς (ροζ) και στη γείωση του κτιρίου (καφέ) 48

49 Strike position Load V Load Current Line Ground Distance 80m Εικόνα 34: Μέγιστες τιμές ρεύματος - τάσης στο φορτίο χωρίς προστασία 5.8 Μπλοκ εγκατάστασης μόνης κατοικίας με προστασία παράλληλα Σε αυτή τη προσομοίωση θα προστατεύσουμε το ευαίσθητο φορτίο των 10Ω με SPD), ως μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οικιακής τύπου Spark gap arrester. Εικόνα 35: Κλάδος προστασία με ελεγχόμενο διακόπτη που προσομοιώνει Spark gap Arrester. Συνδέεται με το πιν 3 με τον ουδέτερο και είναι άρα σε κανονική συνδεσμολογία 49