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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ζαχαράκη Δημοσθένη του Αργυρίου Αριθμός Μητρώου: 6988 Θέμα: «Αντικεραυνική προστασία πύργων ελέγχου αεροδρομίων» Επιβλέπων Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, 1

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Αντικεραυνική προστασία πύργων ελέγχου αεροδρομίων» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ζαχαράκη Δημοσθένη του Αργυρίου Αριθμός Μητρώου:6988 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτρια μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγηση και τις συμβουλές σε ότι αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου τόσο για την υλική, όσο και για την ψυχολογική στήριξη που μου παρείχαν κατά τη διάρκεια της μαθητικής και φοιτητικής μου σταδιοδρομίας. 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Αντικεραυνική προστασία πύργων ελέγχου αεροδρομίων» Φοιτητής: Ζαχαράκης Δημοσθένης Επιβλέπουσα: Πυργιώτη Ελευθερία 4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι πύργοι ελέγχου αεροδρομίων αποτελούν βασικό συστατικό για την ομαλή και συνεχή εξυπηρέτηση των πτήσεων πολιτικών και στρατιωτικών αεροσκαφών. Βρίσκονται εγκατεστημένοι σε κάθε αεροδρόμιο και αποτελούν το υψηλότερο κτίριο στο περιβάλλοντα χώρο, πράγμα που δικαιολογεί και τον μεγάλο αριθμό κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να δεχτούν. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας που βρίσκεται εγκατεστημένο σε έναν πύργο ελέγχου αεροδρομίου. Η απόδοση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματική λειτουργία του πύργου ελέγχου και στη γενικότερη αποτελεσματική λειτουργία του αερολιμένα. Με τη χρήση του προγράμματος εξομοίωσης αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων Orcad- Pspice, προσομοιώνεται το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, με βάση τον πύργο ελέγχου που του διεθνούς αερολιμένα Ελ. Βενιζέλος, μετράται το δυναμικό στη βάση του πύργου ελέγχου και τα ρεύματα στους αγωγούς καθόδου, όταν κεραυνός πλήττει το σύστημα συλλεκτήριων αγωγών. Πιο αναλυτικά σε αυτήν την εργασία περιλαμβάνονται τα εξής: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια προσπάθεια εξοικείωσης του αναγνώστη με βασικούς ορισμούς ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας όπως προκύπτουν από τους διεθνής κανονισμούς. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του κεραυνού και ο μηχανισμός δημιουργίας του ενώ αναλύονται τα είδη των υπερτάσεων που προκαλούνται από τα κεραυνικά πλήγματα. Επίσης μελετώνται οι διάφορες επιπτώσεις των κεραυνικών πληγμάτων. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά μεγέθη που σχετίζονται με την απόκριση ενός συστήματος γείωσης, την ειδική αντίσταση του εδάφους, την κρουστική σύνθετη αντίσταση και την κρίσιμη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια εκτενής αναφορά στο φαινόμενο ιονισμού του εδάφους, αναλύοντας τους μηχανισμούς διάσπασης καθώς και τα μοντέλα βάσει των οποίων μοντελοποιείται το φαινόμενο. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα μοντέλα στα οποία βασιζόταν αρχικά η προσομοίωση των ηλεκτροδίων γείωσης και στην συνέχεια γίνεται ανασκόπηση στη βιβλιογραφία και σε δημοσιεύσεις διαφόρων ερευνητών. Έπειτα αναφέρονται τα επικρατέστερα μοντέλα και οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα στην προσομοίωση των συστημάτων γείωσης. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του προγράμματος εξομοίωσης Orcad-Pspice, δίνοντας ιδιαίτερη σημασία στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία. Στο κεφάλαιο 7 λαμβάνονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης υπό μορφή γραφημάτων, σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος στο συλλεκτήριο σύστημα. Εν συνεχεία σχολιάζονται τα αποτελέσματα και παρατίθενται οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προκύπτουν, εξάγεται το συμπέρασμα ότι το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας του πύργου ελέγχου που βρίσκεται στον αερολιμένα Ελευθέριος Βενιζέλος μπορεί να εγγυηθεί ασφαλή και συνεχή και αξιόπιστη λειτουργία του πύργου, εφόσον γίνουν οι κατάλληλες επιλογές στο σχεδιασμό του. 1

6 Αναφορικά με το σχεδιασμό του συστήματος, γίνεται σαφές ότι όσο περισσότεροι είναι οι εγκατεστημένοι αγωγοί καθόδου, τόσο περισσότερο περιορίζεται η ανύψωση δυναμικού μεταξύ της κορυφής και της βάσης του πύργου. Ακόμη, όσο πιο πυκνό είναι το σύστημα γείωσης τόσο περισσότερο περιορίζεται η ανύψωση στην βάση του πύργου ελέγχου (Σχήμα Α1-Α3). Αξιοσημείωτος είναι και ο ρόλος των ισοδυναμικών δαχτυλιδιών που εγκαθίστανται ανά 20 μέτρα. Συγκεκριμένα, εφόσον ο κεραυνός μπορεί να πλήξει το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας σε τυχαίο σημείο, η εμπέδηση που συναντά το ρεύμα κεραυνού ως προς τη γη είναι διαφορετική μέσα από κάθε αγωγό καθόδου, άρα και το ρεύμα που διαρρέει τον κάθε αγωγό καθόδου θα είναι διαφορετικό. Τα ισοδυναμικά δαχτυλίδια καταφέρνουν και απαλείφουν τις διαφορές που παρουσιάζονται στα ρεύματα των αγωγών καθόδου. Σχήμα Α1 Σχήμα Α2 Σχήμα Α3 ABSTRACT The airport traffic control towers are a key component for the smooth and continuous service flights for both political and military aircraft. They are located at each airport and are the highest building in the surroundings, which justifies the number of lightning strikes that accepts. The purpose of this thesis is the study of a lightning protection system which is installed in an airport control tower. The efficiency of the lightning protection system constitute an important role in the effective operation of the control tower and the overall efficient operation of the airport. 2

7 Using the analog and digital circuits simulation program Orcad-Pspice, the lightning protection system simulated, based on the control tower to the International airport Eleftherios Venizelos, the measured potential at the base of the control tower and the currents in the downconductors, when lightning strikes the collectors system. Specifically in this work include: Chapter 1 gives an effort familiarizing the reader with the basic definitions of a lightning protection system as arising from international regulations. Chapter 2 describes the characteristics of lightning and the mechanism of creating and analyzing the kinds of surges caused by lightning strikes. Also studied the various effects of lightning strikes. Chapter 3 presents the main features sizes, associated with the response of a grounding system, the soil resistivity, the impulse impedance and the critical electric field strength. Chapter 4 is a comprehensive reference to soil ionization phenomenon, analyzing their decay mechanisms and models on which the modeled phenomenon. Chapter 5 presents the models which was originally based simulation of ground electrodes and then reviewing the literature and in publications of various researchers. After indicating the predominant models and analytical methods currently used in the simulation of grounding systems. Chapter 6 provides a brief presentation of the simulation program Orcad-Pspice, with emphasis on applications used in the present work. In Chapter 7 the results obtained from the simulation graphs, where lightning strike in collector system. Then discussed the results and presents the observations and conclusions. According to the results obtained, it is concluded that the lightning protection system of the control tower located on airport Eleftherios Venizelos can guarantee safe, continuous and reliable operation of the tower, if there is the appropriate options in design. Regarding the design of the system, it becomes clear that the larger number of installed downconductors, the more limited the lifting force between the tip and the base of the tower. Still, the more dense the grounding system, the more limited the elevation at the base of the control tower (Figure A1 - A3). Significant is the role of equipotential rings installed every 20 meters. Specifically, if the lightning may strike the lightning protection system at a random point, the impedance experienced by the lightning current to earth is different through each downconductor, and thus the current flowing through each downconductor will be different. The equipotential rings manage to eliminate the differences presented in the currents of downconductors. 3

8 Figure Α1 Figure Α2 Figure Α3 4

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ. 1 ABSRTACT. 2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 5 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή...7 Κεφάλαιο 2 ο : Κεραυνός Ηλεκτρικά Ατμοσφαιρικά φαινόμενα Ηλεκτρική Κατάσταση της γης Ηλεκτρική συμπεριφορά ενός νέφους Κατανομή φορτίων και πεδιακών εντάσεων μέσα σε ένα ηλεκτρισμένο νέφος Συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου στα νέφη Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Επιπτώσεις από τα κεραυνικά πλήγματα Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Συνέπειες πληγμάτων σε κατασκευές Θερμικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Ηλεκτρικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού.17 Κεφάλαιο 3 ο : Γείωση Μοντέλα Γείωσης Γείωση-Εισαγωγικά Είδη Γείωσης Μέθοδοι Γείωσης Τύποι ηλεκτροδίων Γείωσης Γενικές διατάξεις γείωσης Διάταξη τύπου Α Διάταξη τύπου Β Χαρακτηριστικά μεγέθη γείωσης Αντίσταση γείωσης Ειδική αντίσταση του εδάφους Κρουστική σύνθετη αντίσταση Κρίσιμη ένταση του πεδίου.29 Κεφάλαιο 4 ο : Φαινόμενο Ιονισμού Εδάφους Μοντέλα Γείωσης Μηχανισμοί διάσπασης του εδάφους Θερμικός μηχανισμός διάσπασης Μηχανισμός ιονισμού τους εδάφους Μοντέλα ιονισμού του εδάφους Μοντέλο ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων Μοντέλο μεταβλητής ειδικής αντίστασης Μοντέλα συστημάτων γείωσης Πρωταρχικά μοντέλα συστημάτων γείωσης Εξέλιξη μοντέλων συστημάτων γείωσης Κυκλωματική προσέγγιση Κεφάλαιο 5 ο : Αντικεραυνική προστασία πύργου ελέγχου αεροδρομίου και ισοδυναμικές συνδέσεις Ιστορικό Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Προτεινόμενη αντικεραυνική προστασία Συλλεκτήριο σύστημα Αγωγοί καθόδου Σύστημα γείωσης Ισοδυναμικές συνδέσεις στα όρια των ζωνών αντικεραυνικής προστασίας 50 5

10 5.3.1 Ισοδυναμικές συνδέσεις πληροφοριακών συστημάτων Αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των μέτρων θωράκισης κατά Lemp για κατασκευές με ηλεκτρονικά συστήματα σε περίπτωση άμεσου ή κοντινού πλήγματος κεραυνού Εξασθένιση πεδίου για θωράκιση που διαρρέεται από ρεύμα Επαγόμενες τάσεις στους εσωτερικούς βρόχους..54 Κεφάλαιο 6 ο : Το πρόγραμμα προσομοίωσης Orcad Pspice Γενικά για το Orcad Pspice Τo περιβάλλον Capture CIS Περιβάλλον Pspice Simulation Manager.56 Κεφάλαιο 7 ο : Επιλογή μοντέλου στοιχείων αντικεραυνικής προστασίας Προσομοίωση Επιλογή μοντέλου Επιλογή μοντέλου γείωσης Στοιχεία συστήματος γείωσης Επιλογή στοιχείων συλλεκτήριων αγωγών Επιλογή αγωγών καθόδου Προσομοίωση Κρουστικό ρεύμα κεραυνού.61 Κεφάλαιο 8 ο : Αποτελέσματα εξομοίωσης Συμπεράσματα Αποτελέσματα εξομοίωσης Περίπτωση κάθετων ράβδων ως σύστημα γείωσης Περίπτωση θεμελιακής γείωσης ως σύστημα γείωσης Περίπτωση θεμελιακής γείωσης μαζί με κάθετες ράβδους ως σύστημα γείωσης Μελέτη ρευμάτων που διαρρέουν του αγωγούς καθόδου Σύγκριση FAA-STD-019e και IEC Συμπεράσματα..80 Βιβλιογραφία..82 6

11 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή 1.1Ορολογία Βασικές έννοιες Αρχικά κρίνεται σκόπιμη η παράθεση κάποιων βασικών εννοιών που χρησιμοποιούνται κατά την ανάπτυξη της διπλωματικής εργασίας, προς εξοικείωση του αναγνώστη. Ως γνώμονας για την ορολογία, χρησιμοποιήθηκαν το πρότυπο ANSI/IEE Std και IEC 61024, ο οποία είναι οδηγοί για ασφαλή γείωση και ασφαλή αντικεραυνική προστασία αντίστοιχα. Γείωση Η αγώγιμη σύνδεση, σκόπιμη ή τυχαία, μέσω της οποίας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ή μια συσκευή συνδέεται με τη γη ή με αγώγιμο σώμα τέτοιας έκτασης που να θεωρείται γη. Ηλεκτρόδιο γείωσης Ένας αγωγός τοποθετημένος στη γη, που χρησιμοποιείται για συλλογή, καθώς και για διάχυση των ρευμάτων σφάλματος στη γη. Ράβδοι γείωσης Αγώγιμες ράβδοι, θαμμένες κατακόρυφα στο έδαφος, που συνδέονται σε περιμετρικά συνήθως σημεία του πλέγματος αλλά και σε επιλεγμένα σημεία στο εσωτερικό ανάλογα με τη μελέτη και έχουν σκοπό τη μείωση της αντίστασης γείωσης. Άπειρη γη Είναι ένα σημείο στην επιφάνεια του εδάφους σε άπειρη απόσταση από το γειωτή. Λαμβάνεται σαν σημείο αναφοράς των δυναμικών. Η τάση της άπειρης γης θεωρείται μηδενική. Για πρακτικούς σκοπούς η «άπειρη απόσταση» είναι 5-10 φορές επί την μεγαλύτερη διάσταση του γειωτή. Αποτελεσματική γείωση Είναι η γείωση που δεν επιτρέπει την εμφάνιση βηματικών τάσεων ή τάσεων επαφής, στον τόπο που είναι εγκατεστημένη. Ουδετέρωση Είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με τον ουδέτερο αγωγό του δικτύου. Αντίσταση γείωσης Είναι η αντίσταση προς την άπειρη γη, ενός ηλεκτροδίου ή ενός συστήματος γείωσης. 7

12 Ανύψωση δυναμικού γης (GPR) Είναι το μέγιστο ηλεκτρικό δυναμικό που αποκτά το σύστημα γείωσης ως προς ένα απομακρυσμένο σημείο που θεωρείται άπειρη γη και προκύπτει από το γινόμενο του μέγιστου ρεύματος επί την αντίσταση γείωσης. Σε κανονικές συνθήκες, η τιμή του δυναμικού είναι κοντά στο μηδέν. Σε περίπτωση σφάλματος όμως προς τη γη, το τμήμα του ρεύματος που άγει το πλέγμα της γείωσης, προκαλεί την ανύψωση του δυναμικού αυτού. Κεραυνός Ηλεκτρική εκκένωση ατμοσφαιρικής προέλευσης απλή ή πολλαπλή μεταξύ νέφους και γης. Πλήγμα κεραυνού Κάθε ηλεκτρική εκκένωση που προέρχεται από την πτώση ενός κεραυνού. Σημείο πλήγματος Το σημείο όπου ένα πλήγμα κεραυνού έρχεται σε επαφή με τη γη, με μια κατασκευή ή με ένα ΣΑΠ. Ρεύμα κεραυνού Το ρεύμα που ρέει στο σημείο του πλήγματος. Μέγιστη τιμή Η μέγιστη τιμή του ρεύματος κεραυνού Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ) Το πλήρες σύστημα που χρησιμοποιείται για να προστατεύσει ένα χώρο από τις επιπτώσεις ενός κεραυνού. Αυτό αποτελείται τόσο από εξωτερικές όσο και από εσωτερικές εγκαταστάσεις αντικεραυνικής προστασίας. Συλλεκτήριο σύστημα Το τμήμα της εξωτερικής προστασίας που προορίζεται να δέχεται τους κεραυνούς. 8

13 Αγωγοί καθόδου Το τμήμα της εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας που χρησιμεύει για να διοχετεύει το ρεύμα κεραυνού από το συλλεκτήριο σύστημα στο σύστημα γείωσης. Κεφάλαιο 2 : Κεραυνός 2.1 Ηλεκτρικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα Ηλεκτρική κατάσταση της γης Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5.Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με την κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0, 13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει ως αποτέλεσμα τη προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σχέση με τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. [1] Ιονισμένα σωματίδια και των δύο πρόσημων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες, προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα που εξαρτάται, μάλιστα, από το ύψος από την επιφάνεια του εδάφους. Εξαιτίας της αγωγιμότητα αυτής και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα των δύο πρόσημων κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Υπό συνθήκες καλοκαιρίας ρεύμα θετικών ιόντων ρέει προς τη γη με πυκνότητα 2pA/m 2.Η εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια η εκφόρτιση της γης θα έπρεπε να συμβαίνει με μια σταθερά χρόνου τ που η τιμή της είναι γύρω στα 600s, έτσι που μέσα σε διάστημα μερικών δεκάδων λεπτών η γη να εκφορτιζόταν σχεδόν τελείως. Το γεγονός πως αυτό δεν συμβαίνει,αποτελεί ένδειξη πως η γη τροφοδοτείται ταυτόχρονα με αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό που δέχεται από το ρεύμα των θετικών ιόντων, Πιστεύεται πως η κύρια πηγή που τροφοδοτεί τη γη αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα νέφη και οι κεραυνοί. 9

14 2.1.2 Ηλεκτρική συμπεριφορά ενός νέφους Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός νέφους είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό φορτίο στην κορυφή του και αρνητικό στην προς τη γη πλευρά του,χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Το ηλεκτρικό φορτίο ενός νέφους με την πιο πάνω ηλεκτρική μορφή διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με συνέπεια να προκαλεί αναστροφή του, οπότε αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αυξήσεως του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ενός νέφους είναι περί τα δύο λεπτά, που σημαίνει πως το νέφος περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση μέσα σε λίγα μόνο λεπτά. Με το σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους, το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, αφού πρώτα αναστραφεί, αποκτά με την κατεύθυνση κακοκαιρίας τιμές που μπορούν να φτάσουν και τα 10kV/m. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού η εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται και πάλι, με εκθετική καθυστέρηση, στην πρότερη περίπου τιμή του. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου νέφους υπερβεί 1.5 έως 2 kv/m, αρχίζει ιονισμός από αιχμηρές προεξοχές του εδάφους με τον οποίο ελευθερώνονται θετικά κυρίως ιόντα. Αν κατά την ίδια περίοδο πέφτει ελαφριά βροχή, οι σταγόνες της κατεβάζουν συχνά στη γη θετικά φορτία. Με την πάροδο της καταιγίδας, μετά πάροδο 8 περίπου λεπτών από την έναρξη φορτίσεως του νέφους, η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια της γης αποκτά τιμές της τάξεως των 3kV/m. Από την τιμή αυτή και πέρα αρχίζουν να παρατηρούνται ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα στο νέφος και προς τη γη. Με κάθε ηλεκτρική εκκένωση, το πεδίο στην επιφάνεια του εδάφους αλλάζει απότομα, από την κατεύθυνση κακοκαιρίας στην κατεύθυνση καλοκαιρίας, σαν μέρος του αρνητικού φορτίου του νέφους να εξαφανίζεται. Λίγα λεπτά μετά από κάθε κεραυνό ακολουθεί ολιγόλεπτη πτώση ορμητικής βροχής ή χαλαζιού. Δεν είναι εξακριβωμένο αν είναι ο κεραυνός που προκαλεί την ορμητική βροχή ή η βροχή που προκαλεί τον κεραυνό. Καθώς η ορμητική βροχή πλησιάζει το έδαφος, η κατεύθυνση του πεδίου εδάφους συχνά αναστρέφεται από κακοκαιρίας σε καλοκαιρίας και μπορεί να φτάσει, με την πολικότητα καλοκαιρίας σε τιμές μέχρι 10 kv/m. Το πρόσημο του φορτίου επίσης που μεταφέρεται προς τη γη με τις σταγόνες ορμητικής βροχής αναστρέφεται από θετικό σε αρνητικό, καθώς αυτές πλησιάζουν στο έδαφος. Η ανίχνευση αρνητικού φορτίου στις σταγόνες της ορμητικής βροχής και η κατά την ίδια περίοδο κατεύθυνση καλοκαιρίας του πεδίου παρουσιάζουν δυσεξήγητη 10

15 αντίφαση. Η αντίφαση αυτή οδηγεί στην υπόθεση πως, ταυτόχρονα με την πτώση της ορμητικής βροχής, ένα ισχυρό θετικό φορτίο εμφανίζεται στα χαμηλότερα στρώματα του νέφους και είναι αυτό που επάγει την κύρια συνιστώσα του πεδίου εδάφους. Όπως αναφέρθηκε, όταν εξ αιτίας της παρουσίας ηλεκτρισμένων νεφών το πεδίο στην επιφάνεια της γης υπερβεί με την διεύθυνση κακοκαιρίας τα 2 kvm -1 αρχίζει ιονισμός του αέρα από προεξοχές του εδάφους όπως είναι τα δέντρα, υψηλά κτίρια κ.λπ. Από γενικότερες μετρήσεις έχει προκύψει πως για τη συνήθη ποικιλία διαμορφώσεως του εδάφους, το μέσο ρεύμα που ρέει κατά την διάρκεια καταιγίδων είναι περί τα 1.2nA/m Κατανομή φορτίων και πεδιακών εντάσεων μέσα σε ένα ηλεκτρισμένο νέφος Ένα ηλεκτρισμένο νέφος περιέχει ίσες περίπου ποσότητες φορτίων και των δύο προσήμων. Η δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου μέσα και γύρω από ένα ηλεκτρισμένο νέφος, καθώς και στην επιφάνεια του εδάφους, οφείλεται στο διαχωρισμό των φορτίων αυτών με συγκέντρωση φορτίων ορισμένου πρόσημου σε διακεκριμένες περιοχές του νέφους. Έχει επικρατήσει για το ηλεκτρισμένο νέφος η εικόνα ενός ηλεκτρικού διπόλου με αρνητικό φορτίο στο κατώτερο μέρος του και θετικό στο ανώτερο. Στην πραγματικότητα, η κατανομή των φορτίων μέσα στο νέφος πιο πολύπλοκη. Μετά από ένα κεραυνό η εντατική πτώση βροχής, το πεδίο του εδάφους αναστρέφεται παροδικά πράγμα που προδίδει την παροδική παρουσία, θετικού φορτίου πάνω από το έδαφος. Μετρήσεις πεδίου όμως μέσα στο ίδιο το σύννεφο δεν δείχνουν τις ίδιες απότομες αλλαγές στην κατεύθυνση του πεδίου μετά από κεραυνό ή βροχή. Η τελευταία αυτή παρατήρηση οδηγεί στην υπόθεση πως η παρουσία θετικού φορτίου στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, κάτω από το νέφος, μπορεί να οφείλεται στη ροή φορτίων, από προεξοχές του εδάφους, υπό την επίδραση του αρνητικού φορτίου του νέφους και εξ αυτού επαγόμενου πεδίου. 2.2 Συσσώρευση ηλεκτρισμένου φορτίου στα νέφη Για το μηχανισμό συγκεντρώσεως ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα, έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς διάφορες θεωρίες αλλά δεν έχει δοθεί, μέχρι στιγμής, γενικά παραδεκτή ερμηνεία. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες : η μία βασίζεται στη φόρτιση των σταγονιδίων του νέφους, που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη, ενώ η άλλη βασίζεται στην μεταφορά φορτίων προς υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας με ανοδικά 11

16 ρεύματα αέρος που δημιουργούνται εξ αιτίας θερμοκρασιακών διαφορών. 2.3 Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Παρακάτω δίνονται μερικοί ορισμοί για τις διάφορες παραμέτρους του κεραυνού που συμφωνούν μ αυτούς που έχουν υιοθετηθεί από τον K.Berger. Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς τη γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: Ένας κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρά από το σύννεφο προς το έδαφος, ενώ ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρά από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός συνδέσεως είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μια ενδιάμεση θέση ανάμεσα στο σύννεφο και το έδαφος, ένα κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: Η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσεως από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένα θετικός οχετός προεκκένωσης και αντίθετα. Από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός οχετός προεκκένωσης. Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο ορίζεται σαν αρνητικό και το αντίθετο. Σύμφωνα μ αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει θετική κατεύθυνση. [3] 2.4 Είδη κεραυνών Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις, που μπορούν να προκαλέσουν μια εκκένωση εσωτερική του νέφους, η ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός προσήμου σε μια θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου προσήμου, που επάγεται εξ αιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μια ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε, σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μια σημαντική προεξοχή, στην πλευρά του εδάφους. Στην 12

17 πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού. o Κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. o Ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. o Κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο o Ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Αν ο οχετός προεκκένωσης, που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους, γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο Σχήμα 2.1 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί. Κατερχόμενη αρνητική εκκένωση,η οποία πηγάζει ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στο 90% περίπου των περιπτώσεων. Ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση, η οποία πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Κατερχόμενη θετική εκκένωση,η οποία πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο. Ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση, η οποία πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο.[1] Σχήμα 2.1: Οι 4 τύποι κεραυνών [2] 13

18 2.5 Επιπτώσεις από πλήγματα κεραυνών Πολλές φορές παρατηρούνται επικίνδυνες επιπτώσεις σε μια κατασκευή και στο περιεχόμενο της, ως αποτέλεσμα άμεσου η έμμεσου πλήγματος κεραυνού. Ως άμεσο πλήγμα θεωρείται η περίπτωση κατά την οποία ο κεραυνός πλήττει κατευθείαν την κατασκευή ή το συλλεκτήριο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της. Το έμμεσο πλήγμα κεραυνού σε μια κατασκευή αναφέρεται στην περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει τη κοντινή περιοχή της ή τις εισερχόμενες παροχές υπηρεσιών κοινής ωφελείας Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Οι κεραυνοί μπορούν να προκαλέσουν σημαντική βλάβη ή απώλεια της ανθρώπινης ζωής: Άμεσο πλήγμα: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα δέχεται απευθείας το κεραυνό αποτελώντας την άμεση διαδρομή όδευσης της εκκένωσης προς τη γη. Αν και έχει παρατηρηθεί, θεωρείται ιδιαίτερα σπάνια περίπτωση, εφόσον η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε έναν άνθρωπο εκτεθειμένο συνεχώς σε επίπεδη περιοχή μπορεί να υπολογιστεί περίπου ως ένα άμεσο πλήγμα κεραυνού ανά δύο χιλιάδες χρόνια. Άμεση επαφή: Εδώ το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται σε επαφή με κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό. Υπερπήδηση: Το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά σε κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό παροχετεύεται τμήμα της εκκένωσης προς τη γη ως αποτέλεσμα της ηλεκτρικής διάσπασης του διακένου αέρα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους. Βηματική τάση: Σ αυτή την περίπτωση το ανθρώπινο σώμα υπόκειται σε υψηλή τάση λόγω της εμφάνισης διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα πόδια η οποία οφείλεται στην ακτινική διάχυση του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος. Επιφανειακή διάσπαση του εδάφους: Σ αυτή την περίπτωση το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο κοντά στο σημείο πλήγματος του κεραυνού αποτελεί τμήμα της διαδρομής του ηλεκτρικού τόξου της επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Η επιφανειακή διάσπαση του εδάφους δεν παρατηρείται σε κάθε περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει ένα αντικείμενο ή το έδαφος. Το φαινόμενο είναι συνάρτηση των παραμέτρων του κεραυνού καθώς και της κατάστασης της επιφάνειας του εδάφους όπως η μορφολογία, η φύση, το ποσοστό υγρασίας κ.α. Τυφλό τραύμα: Το ανθρώπινο σώμα εκτινάσσεται σε απόσταση είτε λόγω των έντονων μυϊκών συσπάσεων που προκαλούνται από τη ροή ρεύματος διαμέσου του είτε λόγω του 14

19 κρουστικού κύματος πίεσης που συνοδεύει την εκκένωση του κεραυνού Συνέπειες πληγμάτων κεραυνών σε κατασκευές Οι επιπτώσεις του πλήγματος του κεραυνού σε μια κατασκευή οφείλεται είτε στο ίδιο το ηλεκτρικό τόξο της εκκένωσης, είτε σε δευτερογενή φαινόμενα που παρατηρούνται κατά την διάρκεια της εκκένωσης. Ανάλογα με τα φαινόμενα και τις επιπτώσεις που παρατηρούνται οι επιδράσεις του κεραυνού σε μια κατασκευή μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες Θερμικές συνέπειες του πλήγματος του κεραυνού Το ρεύμα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο, κατά το μεγαλύτερο μέρος στον πυρήνα του οχετού αυτού, ο οποίος έχει διάμετρο ένα ή δύο εκατοστά και η θερμοκρασία του προκαλεί ατμοποίηση των υδρατμών που υπάρχουν, δημιουργώντας έτσι τοπικά αραιώματα και πυκνώματα του αέρα, δηλαδή ένα ηχητικό κύμα, που στην αρχή βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων, μετά όμως καταλήγει στη βροντή. Στην μελέτη του συστήματος προστασίας, πρέπει να εξεταστούν οι συνέπειες ενός πλήγματος στην αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών του συστήματος, στον κίνδυνο να τρυπηθεί ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο, στην συμπεριφορά των μονωτικών υλικών κ.λπ. Τα θερμικά αποτελέσματα του πλήγματος εξαρτώνται όχι μόνο από το εύρος του ρεύματος, αλλά και από τη διάρκεια ροής του.[1] Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω ωμικής συμπεριφοράς κατά την διέλευση του ρεύματος θα πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη για τη σωστή διαστασιολόγηση των αγωγών, η ελάχιστη διατομή των οποίων θα πρέπει να αποτρέπει την υπερθέρμανση από ένα επίπεδο τα οποίο μπορεί να προκαλέσει κίνδυνο φωτιάς στον παρακείμενο τοίχο.[4] Η θερμική ενέργεια που παράγεται από τον πλήρη κεραυνικό παλμό οφείλεται στην ωμική αντίσταση της διαδρομής που ακολουθεί δια μέσου του ΣΑΠ, επί την ειδική ενέργεια του κρουστικού παλμού. Η ενέργεια αυτή εκφρασμένη σε Joulesείναι: W = Rx i 2 dt (Εξίσωση 2.1).Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών σε σχέση με τη φύση του αγωγού, τη διατομή και την ειδική ενέργεια του κεραυνού. 15

20 Πίνακας 2.1:Αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών για διαφορετικές σε σχέση με την ειδική ενέργεια W/R[4]. Κελιά στα οποία υπάρχει παύλα υποδηλώνουν ότι για τη δεδομένη διατομή και ειδική ενέργεια υπερβάλλεται το σημείο τήξης του αγωγού Μηχανικές συνέπειες του πλήγματος του κεραυνού Οι μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: a)αυτές που αφορούν στο κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής b)αυτές που αφορούν στις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από τα ρεύμα του κεραυνού. Όπως αναφέρθηκε η θερμοκρασία του οχετού προεκκένωσης μπορεί να ανέβει στους ο Κ ή περισσότερο μέσα σε λίγα μs. Αποτέλεσμα αυτού είναι ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό να εξαπλώνεται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, παράγοντας έτσι ένα κύμα πίεσης το οποίο είναι αρχικά στην περιοχή των υπερήχων και εξελίσσεται στην γνωστή βροντή. Αυτό το κύμα είναι επίσης υπεύθυνο για το κύμα αέρα που σηκώνει κεραμίδια ορόφων, φαινόμενο που παρατηρείται μετά από άμεσο πλήγμα και είναι υπεύθυνο για τον τραυματισμό ανθρώπων. Όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία συνεπειών, αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές 16

21 δυνάμεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου της του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης. Τα στοιχεία ενός συστήματος προστασίας δεν τοποθετούνται τόσο κοντά ώστε να υπάρχει σημαντική επίδραση των δυνάμεων αυτών. Όμως αυτές είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών.[1] Δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές δυνάμεις. Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που αναπτύσσονται από το κεραυνικό ρεύμα I, που διαρρέει ένα αγωγό με μακριά παράλληλα τμήματα μήκους l και απόστασης dμεταξύ τους, μπορούν να υπολογιστούν από την πιο κάτω σχέση (Εξίσωση 4.2) : όπου Ηλεκτρικές συνέπειες του πλήγματος του κεραυνού Ο επικίνδυνος σπινθήρας ή sideflash είναι μια συνέπεια ενός πλήγματος κεραυνού και αποτελεί εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί μεταξύ των αγωγών του συστήματος προστασίας και εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων της κατασκευής. Μια δεύτερη συνέπεια των κεραυνικών πληγμάτων αποτελούν οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις που σχετίζονται με το μέγιστο εύρος και τη κλίση του μετώπου του ρεύματος κεραυνού. Παρατηρούνται επικίνδυνες υπερτάσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν στην ηλεκτρική διάσπαση μονώσεων ως προς τη γη ή μεταξύ κυκλωμάτων διαφορετικής τάσης, δευτερογενείς υπερπηδήσεις με άμεσο κίνδυνο σημαντικής βλάβης ή απώλειας ανθρώπινης ζωής, πυρκαγιάς ή έκρηξης καθώς και διαταραχής ή διακοπής της κανονικής λειτουργίας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Ακόμη αναπτύσσονται ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία με επιζήμιες συνέπειες υπό μορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστημάτων σε εγκαταστάσεις. 17

22 Κεφάλαιο 3: Γείωση Μοντέλα γείωσης 3.1 Γείωση Εισαγωγικά Γείωση είναι η αγώγιμη σύνδεση ενός σημείου κάποιου κυκλώματος ή ενός μη ρευματοφόρου μεταλλικού αντικειμένου μιας εγκατάστασης με το έδαφος, με σκοπό να αποκτήσουν το ίδιο δυναμικό με τη γη, το οποίο θεωρείται κατά σύμβαση- ίσο με το μηδέν. Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση του κεραυνικού ρεύματος ή ρεμάτων βραχυκύκλωσης μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο, που δύνανται να πλήξουν τον άνθρωπο, καθώς και να προκαλέσουν ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Έτσι λοιπόν, ο ρόλος ενός συστήματος γείωσης συνοψίζεται ως ακολούθως : i.προστασία του ανθρώπου από τις βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής που αναπτύσσονται ii.προστασία της κατασκευής και του εξοπλισμού από τα κεραυνικά ρεύματα ή ρεύματα σφαλμάτων. iii.μείωση του ηλεκτρικού θορύβου, εξασφάλιση ελάχιστης διαφοράς δυναμικού μεταξύ των διασυνδεδεμένων συσκευών και περιορισμό των ηλεκτρικών και μαγνητικών ζεύξεων. Ένα σύστημα γείωσης αποτελείται από γειωτές ιδίου ή και διαφορετικού τύπου που συνδέονται με τον αγωγό γείωσης, καθώς και από το σύνολο του εξοπλισμού που απαιτείται για τη σύνδεση και την στήριξη των. Είναι σαφές ότι το σύστημα γείωσης αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι μια ηλεκτρικής εγκατάστασης, και δη του συστήματος προστασίας από κεραυνικά πλήγματα ή εσωτερικά σφάλματα, σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας όπως σταθμούς παραγωγής, υποσταθμούς, γραμμές μεταφοράς κ.ά. Βασικές προϋποθέσεις για αποφυγή οποιονδήποτε ολέθριων τόσο στο ανθρώπινο δυναμικό, όσο και στην προς γείωση εγκατάσταση, είναι ο σωστός σχεδιασμός, καθώς και η ορθή κατασκευή και εγκατάσταση του συστήματος γείωσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την μεταβατική συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης είναι : i.οι διαστάσεις και το σχήμα του συστήματος γείωσης ii.η ειδική αντίσταση του εδάφους στο οποίο είναι τοποθετημένο το πλέγμα γείωσης iii.η ανάπτυξη ή όχι ιονισμού του εδάφους iv.η κυματομορφή του εγχεόμενου ρεύματος v.το σημείο έγχυσης του ρεύματος 3.2Είδη γείωσης Υπάρχουν 5 κατηγορίες γειώσεων ανάλογα με την χρήση τους: I.Γείωση λειτουργίας : Είναι η γείωση ενός σημείου ενός ενεργού κυκλώματος όπως η γείωση του ουδετέρου ενός μετασχηματιστή και η γείωση του ουδετέρου αγωγού του συστήματος. Όταν η γείωση λειτουργίας έχει επιπλέον ωμικές αντιστάσεις, 18

23 αυτεπαγωγές ή και χωρητικές αντιστάσεις καλείται έμμεση, ενώ όταν περιλαμβάνει μόνο την αντίσταση γείωσης καλείται άμεση. Στις γειώσεις λειτουργίας δεν συμπεριλαμβάνονται οι ανοικτές γειώσεις δηλαδή αυτές όπου στη γραμμή γείωσης παρεμβάλλεται σπινθηριστής ή ασφάλεια διάσπασης. II.Γείωση προστασίας : Είναι η γείωση ενός αγώγιμου μέρους που δεν είναι στοιχείο ενεργού κυκλώματος, όπως η γείωση του περιβλήματος μιας ηλεκτρικής συσκευής (λ.χ. μιας ηλεκτρικής κουζίνας).ο σκοπός της γείωσης προστασίας είναι να προστατεύσει τον άνθρωπο από τάσης επαφής και δεν αποτελούν ποτέ ανοικτές γειώσεις.[5,6] III.Γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας: Είναι η σύνδεση όλων των αντικεραυνικών εγκαταστάσεων προστασίας με τη γη, ούτως ώστε να διοχετεύονται τα κρουστικά ρεύματα σε αυτή. Δεν συνιστάται να είναι ανοιχτή αλλά συνεχής γείωση και έχει απώτερο σκοπό την προστασία των ανθρώπων και εγκαταστάσεων στο συγκεκριμένο χώρο.[6] Σχήμα 3.1:Τα τρία είδη γειώσεων, λειτουργίας, προστασίας και γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας[7]. IV.Γείωση συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών: Αφορά στις γειώσεις και στις ισοδυναμικές συνδέσεις των εγκαταστάσεων επεξεργασίας πληροφοριών καθώς και εγκαταστάσεων παρόμοιων προς αυτές, στις οποίες απαιτείται η διασύνδεση των συσκευών που τις αποτελούν για λόγους μετάδοσης δεδομένων. Τέτοιες εγκαταστάσεις επεξεργασίας πληροφοριών είναι για παράδειγμα: Συσκευές τηλεπικοινωνίας και μετάδοσης δεδομένων ηλεκτρονικών υπολογιστών ή άλλων εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούν τη μετάδοση σημάτων με επιστροφή προς τη γη μέσω εσωτερικών ή εξωτερικών συνδέσεων του κτιρίου 19

24 Δίκτυα συνεχούς ρεύματος που εξυπηρετούν τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας πληροφοριών μέσα σε ένα κτίριο Συστήματα συναγερμού πυρκαγιάς ή διάρρηξης.[7] V.Γείωση υποσταθμών μέσης τάσης: Είναι η σύνδεση όλων των συσκευών των πυλώνων. Των ουδετέρων κόμβων των μετασχηματιστών, των εγκαταστάσεων, όλων των μεταλλικών περιβλημάτων, καθώς και της περίφραξης με το σύστημα γείωσης του υποσταθμού που συνήθως αποτελείται από πλέγμα θαμμένο στο έδαφος. 3.3 Μέθοδοι γείωσης 1) Άμεση γείωση Είναι η απευθείας αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με το ηλεκτρόδιο ή το πλέγμα γείωσης. 2) Ουδετέρωση Είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με τον ουδέτερο αγωγό. 3) Μέσω Διακοπτών Διαφυγής Με τους διακόπτες διαφυγής επιτυγχάνεται άμεση απόζευξη του τμήματος της εγκατάστασης που παρουσιάζει τάση επαφής μεγαλύτερη των 50 Voltπολύ μικρό χρόνο, ενώ η αντίσταση γειώσεως είναι πολύ υψηλή και μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί. Διακρίνονται σε διακόπτες διαφυγής τάσης και έντασης.[5] 3.4 Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης Οι γειωτές, όπως συνηθίζεται να ονομάζονται τα ηλεκτρόδια γείωσης, έχουν τις μορφές που απεικονίζονται στα σχήματα του πίνακα 3.2. Επίσης στον ίδιο πίνακα φαίνονται οι τύποι που δίνουν τις αντιστάσεις ενώ στον πίνακα 3.1 δίνονται οι ελάχιστες διατομές των ηλεκτροδίων γείωσης. 1.Ράβδοι γείωσης 2.Ταινίες γείωσης ή σύρματα 3.Πλάκες γείωσης 4.Ακτινικός γειωτής 5.Γείωση με πλέγμα Πλέγμα από ταινίες ή αγωγός κυκλικής ή άλλης διατομής, οριζόντια σε m(πίνακας 3.1). Τα ελάχιστα πάχη είναι όπως στους γειωτές ταινίας. Το πλεονέκτημα των γειωτών πλέγματος είναι ότι οι βηματικές τάσεις στο έδαφος επάνω από το πλέγμα, είναι αμελητέες. Το πλάτος των τετραγωνικών ανοιγμάτων του πλέγματος καθορίζεται από το που θα τοποθετηθεί το πλέγμα και το όριο των βηματικών τάσεων. 20

25 6.Μεταλλικοί σωλήνες νερού Οι μεταλλικοί σωλήνες ύδρευσης μπορούν να χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια γείωσης μόνον εφόσον υπάρχει η συγκατάθεση του φορέα που είναι αρμόδιος για την παροχή του νερού και εφόσον υπάρχει κατάλληλη διαδικασία που θα εξασφαλίζει, ότι ο χρήστης της ηλεκτρικής εγκατάστασης θα ειδοποιείται εγκαίρως για κάθε σχεδιαζόμενη αλλαγή στο σύστημα των σωληνώσεων ύδρευσης.[7] 7.Επιφανειακοί και βαθείς γειωτές Γίνεται διάκριση στους γειωτές ανάλογα με το βάθος τους σε: Επιφανειακούς γειωτές όπως για παράδειγμα γειωτές ταινίας, πλέγματος και ακτινικούς γειωτές. Βαθείς γειωτές όπως γειωτές ράβδου. Με προστασία έναντι διάβρωσης* Χωρίς προστασία έναντι Με μηχανική προστασία Υπολογίζεται βάση του άρθρου του ΕΛΟΤ HD mm 2 χαλκός 50 mm 2 γαλβανισμένος χάλυβας Χωρίς μηχανική προστασία 16 mm 2 χαλκός 16 mm 2 Γαλβανισμένος χάλυβας διάβρωσης *Η προστασία έναντι διάβρωσης μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση ενός μανδύα Πίνακας 3.1 Ελάχιστες διατομές ηλεκτροδίων γείωσης κατά ΕΛΟΤ HD 384 [7]. 21

26 22

27 Πίνακας 3.2 : Τύποι και αντιστάσεις ηλεκτροδίων γείωσης [1,26] 8.Θεμελιακή γείωση [7,8] Θεμελιακή γείωση είναι το σύστημα γείωσης που τοποθετείται εντός των εκ σκυροδέματος θεμελίων μιας κατασκευής και χρησιμοποιείται ως γείωση προστασίας, λειτουργίας, ασθενών ρευμάτων, ηλεκτρονική, αλεξικέραυνου κ.ά. Η εφαρμογή της καθίσταται πλέον υποχρεωτική σε κάθε νεοαναγειρόμενη οικοδομή, βάση του ΦΕΚ 122/ τεύχους Β αριθ. Φ. Α 50/12081/642 άρθρου 2, αφού διαπιστώνεται ότι πλεονεκτεί σε σχέση με τις λοιπές μορφές γειωτών, ως προς τα εξής: Χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης Σταθερή τιμή αντίστασης χειμώνα καλοκαίρι Μηχανική προστασία Αντοχή σε διάβρωση Εξάλειψη βηματικών τάσεων Ισοδυναμικές συνδέσεις oευελιξία για εγκατάσταση συστήματος αντικεραυνικής προστασίας oχαμηλό κόστος 23

28 Εικόνα 3.1 : Λεπτομέρειες θεμελιακής γείωσης Αξίζει να σημειωθεί ότι το μέρος των γειωτών που βγαίνουν από το έδαφος μονώνεται με πίσσα ή άλλα μονωτικά για αντιμετώπιση του προβλήματος της υγρασίας. Σε εγκαταστάσεις αλεξικέραυνου η ελάχιστη διατομή για χαλκό είναι 50mm 2. Κατά την εγκατάσταση της θεμελιακής γείωσης θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην τοποθέτηση της ταινίας, η οποία πρέπει να τοποθετείται με την μεγάλη επιφάνεια κάθετα στο έδαφος και να καλύπτεται από σκυρόδεμα Β225 (300 κιλά ανά κυβικό) για τουλάχιστον 5 εκατοστά. Επίσης απαγορεύεται αυστηρά η συγκόλλησης της ταινίας, καθώς και η συγκράτησή της επί του οπλισμού με σύρμα. Άλλο ένα σημείο ύψιστης σημασίας που διευκρινίζεται ρητά από τους κανονισμούς είναι τα σημεία συνδέσεων των αγωγών, τα οποία πρέπει να γίνονται με ειδικά εξαρτήματα σύνδεσης και εργαλεία που να μπορούν να μετρούν την ροπή, ώστε να είναι εντός των επιθυμητών ορίων. Επίσης θα πρέπει κατά καιρούς να ελέγχονται τα σημεία συνδέσεων και να διορθώνονται όταν αυτό κρίνεται αναγκαίο. Το βάθος τοποθέτησης και ο τύπος των ηλεκτροδίων γείωσης πρέπει να είναι τέτοια ώστε να ελαχιστοποιούνται οι επιδράσεις από διάβρωση, ξήρανση ή πάγωμα του εδάφους, για να σταθεροποιείται η ισοδύναμη αντίσταση γείωσης. Το πρώτο μέτρο ενός κατακόρυφου ηλεκτροδίου γείωσης συνιστάται να μη θεωρείται ενεργό σε συνθήκες πάγου. Για απογυμνωμένο συμπαγή βράχο συνιστάται μόνο η διάταξη γείωσης τύπου Β. Ηλεκτρόδια γείωσης εγκατεστημένα σε μεγάλο βάθος μπορεί να είναι αποτελεσματικά σε ειδικές περιπτώσεις, όπου η ειδική αντίσταση του εδάφους μειώνεται με το βάθος και όπου υπάρχουν υποστρώματα χαμηλής ειδικής αντίστασης σε βάθη μεγαλύτερα από εκείνα στα οποία εγκαθίστανται συνήθως τα ηλεκτρόδια.[9] 3.5 Γενικές διατάξεις γείωσης Όταν πρόκειται για συστήματα αντικεραυνικής προστασίας ισχύουν βάση του προτύπου ΕΛΟΤ 1197 [9] που στηρίζεται στους διεθνείς κανονισμούς της IEC(62305) οι τύποι διατάξεων που αναφέρονται στην συνέχεια Διάταξη τύπου Α Η διάταξη αυτού του τύπου περιλαμβάνει οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης συνδεδεμένα σε κάθε αγωγό καθόδου. Επίσης ως διάταξη γείωσης τύπου Α θεωρείται όταν υπάρχει περιμετρικός δακτύλιος που συνδέει τους αγωγούς καθόδου και έρχεται σε επαφή με το έδαφος σε μήκος λιγότερο από το 80% του συνολικού μήκους. Σ αυτή την διάταξη απαιτούνται τουλάχιστον δύο ηλεκτρόδια γείωσης, όπου το ελάχιστο μήκος καθενός είναι li για ακτινικά οριζόντια 24

29 ηλεκτρόδια, ή 0,5li για κατακόρυφα ή κεκλιμένα ηλεκτρόδια. Όπου li είναι το ελάχιστο μήκος ακτινικού ηλεκτροδίου που προκύπτει από το σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2: Ελάχιστο μήκος liγείωσης ανάλογα με την στάθμη προστασίας[26] Διάταξη τύπου Β Η διάταξη τύπου Β αποτελείται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης εξωτερικά της κατασκευής το οποίο έχει τουλάχιστον το 80% του συνολικού του μήκους σε επαφή με το έδαφος, ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Για περιμετρική ή θεμελιακή γείωση, η μέση ακτίνα r που περικλείεται από την συγκεκριμένη γείωση πρέπει να υπερβαίνει την τιμή li, δηλαδή r li. Όταν η απαιτούμενη τιμή του liείναι μεγαλύτερη από την πρόσφορη τιμή του r, πρέπει να προστεθούν επιπλέον ακτινικά ή κατακόρυφα ή κεκλιμένα ηλεκτρόδια, που τα μήκη τους lr και lv δίνονται από τις σχέσεις και αντίστοιχα. (3.5.1) Θα πρέπει επίσης ο αριθμός των επιπλέον ηλεκτροδίων να είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των αγωγών καθόδου, με ελάχιστο πλήθος δύο. 3.6 Χαρακτηριστικά μεγέθη Παρακάτω παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά μεγέθη που σχετίζονται με την απόκριση ενός συστήματος γείωσης, τα οποία δε είναι άλλα από την αντίσταση γείωσης, την ειδική αντίσταση του εδάφους, την κρουστική σύνθετη αντίσταση και την κρίσιμη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. 25

30 3.6.1 Αντίσταση γείωσης Αντίσταση γείωσης ονομάζουμε την αντίσταση προς την άπειρη γη, ενός ηλεκτροδίου ή ενός συστήματος γείωσης. Όπου άπειρη γη θεωρείται ένα σημείο της επιφάνειας σε μια θεωρητικά άπειρη απόσταση από τον γειωτή, με μηδενική τάση. Όταν ένα κρουστικό ρεύμα κεραυνού εγχυθεί στη γη μέσω του συστήματος γείωσης, αν η αντίσταση γείωσης είναι πολύ μεγάλη, η ανύψωση δυναμικού γης λαμβάνει πολύ υψηλή τιμή και αυτό αποτελεί απειλή τόσο για το ανθρώπινο δυναμικό, όσο και για τον εξοπλισμό. Γι αυτό λοιπόν απαιτείται μια χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης που να διασφαλίζει την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης Ειδική αντίσταση του εδάφους Η ειδική αντίσταση του εδάφους ορίζεται ως η αντίσταση του υλικού του εδάφους που παρουσιάζει ένας μοναδιαίος κύβος (1x1x1m 3 ), όταν τοποθετηθούν επίπεδα ηλεκτρόδια σε δύο απέναντι πλευρές του, μεταξύ των οποίων εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού U, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3. Σχήμα 3.3:Ορισμός ειδικής αντίστασης του εδάφους Η πυκνότητα και η σύσταση του εδάφους διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η τελευταία ποικίλει ανάλογα με το είδος του εδάφους που μπορεί να είναι χωματώδες, αμμώδες, βραχώδες, υγρό, ξηρό, ανομοιογενές κ.ά. Έτσι λοιπόν, όσο πιο ξηρό και πετρώδες είναι το έδαφος, τόσο μεγαλώνει η ειδική του αντίσταση ρ, που μετριέται σε Ωm. Επίσης η ειδική αντίσταση σε ανισόρροπα εδάφη, διαφέρει γύρω από το ηλεκτρόδιο γείωσης και είναι μη γραμμική. Η υγρασία του εδάφους, εμπλουτισμένη με διάφορα φυσικά συστατικά, μπορεί να αποτελέσει έναν αγώγιμο ηλεκτρολύτη και να συμβάλει έτσι σε σημαντική μείωση της αντίστασης του εδάφους. Τα συστατικά αυτά μπορεί να είναι, χλωριούχο νάτριο(nacl), θειϊκό μαγνήσιο (MgSO4), θειϊκός χαλκός (CuSO4) ή χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2). Για την απόκτηση μιας ενδεικτικής εικόνας για το πόσο επηρεάζει η υγρασία την ειδική αντίσταση του εδάφους, αναφέρεται ότι σε ένα αργιλώδες έδαφος με 10% περιεχόμενο υγρασίας (κατά βάρος), η ειδική αντίσταση βρέθηκε 30 φορές μεγαλύτερη από την περίπτωση όπου το περιεχόμενο του ιδίου εδάφους σε υγρασία ήταν 20%. Ένας άλλος παράγοντας που προκαλεί διακύμανση στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους, είναι οι εποχιακές θερμοκρασιακές μεταβολές και συγκεκριμένα σε περιοχές όπου σημειώνεται παγετός. Γι αυτό συνηθίζεται να θάβονται σε μεγάλο βάθος τα ηλεκτρόδια γείωσης, ούτως ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση των παραπάνω διακυμάνσεων στην αποτελεσματικότητα της γείωσης. Ακολουθούν οι παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους. 26

31 Τύπος του εδάφους Στον πίνακα 3.3 φαίνονται κάποιες ενδεικτικές τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους σε σχέση με τον τύπο του εδάφους, σύμφωνα με τους κανονισμούς εσωτερικών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων (Κ.Ε.Η.Ε). Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση ρ (Ωm) Ελώδες έδαφος 5-40 Αργιλώδες, πηλώδες ή έδαφος αγρού Υγρή άμμος < 300 Υγρά χαλίκια Ξηρή άμμος >2000 Πετρώδες και ξηρά χαλίκια >2000 Πίνακας 3.3: Ενδεικτικές μέσες τιμές ειδικών αντιστάσεων [9] Υγρασία Η αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της υγρασίας του εδάφους. Ο λόγος που οι γειωτές ταινίας, τα πλέγματα γείωσης και οι κάθετες ράβδοι τοποθετούνται σε βάθος μεγαλύτερο του μισού μέτρου, είναι το γεγονός ότι το έδαφος ξηραίνεται επιφανειακά, ενώ σε βάθος μισού μέτρου διατηρείται υγρό. Γι αυτό άλλωστε λαμβάνεται ως ενεργό μήκος των πασσάλων, το συνολικό μήκος μείον 0,5m. Επίσης, όσο μικρότερο είναι το βάθος τοποθέτησης των ηλεκτροδίων γείωσης, τόσο μικρότερη είναι η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Μια τεχνική για τη μείωση της ειδικής αντίστασης του εδάφους, είναι η δημιουργία ενός τεχνητού πηγαδιού σε μεγάλο βάθος, με σκοπό την αλλαγή της φοράς των υπόγειων υδάτων λόγω της διαφοράς της ατμοσφαιρικής πίεσης- στο έδαφος που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια γείωσης, καθώς και τη χρήση του τριχοειδούς νερού, του νερού βαρύτητας και του ατμώδους νερού για αύξηση της υγρασίας του εδάφους γύρω από τα ηλεκτρόδια γείωσης. Θερμοκρασία Από το σχήμα 3.4 και συγκεκριμένα από την καμπύλη 3, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στην ειδική αντίσταση αμμώδους και πηλώδους εδάφους με περιεχόμενο υγρασίας 15,2% κατά βάρος[4]. Χαρακτηριστικά, μπορεί να λεχθεί ότι για θερμοκρασίες μεγαλύτερες του μηδενός, η επίδραση είναι σχεδόν αμελητέα, ενώ για υπό του μηδενός θερμοκρασίες παρουσιάζεται ραγδαία αύξηση της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Γενικά η μεταβολή της αντίστασης του εδάφους με τη θερμοκρασία φτάνει το 30% κατά τη διάρκεια του έτους. Κατά τους μήνες Ιανουάριο και Φεβρουάριο έχουμε την υψηλότερη ειδική αντίσταση και κατά τους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο, τη χαμηλότερη. 27

32 Σχήμα 3.4:Επίδραση υγρασίας, θερμοκρασίας και άλατος στην ειδική αντίσταση του εδάφους[27] Μέγεθος των κόκκων Το μέγεθος των κόκκων είναι μια παράμετρος που θα μπορούσε να περιληφθεί στον τύπο του εδάφους, αλλά αναφέρεται ξεχωριστά λόγω της σημαντικότητας της επίδρασης της στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η τελευταία αυξάνεται, αυξανόμενου του μεγέθους των κόκκων. Επιπλέον, η κατανομή των κόκκων μέσα στο έδαφος καθώς και το μέγεθος αυτών, επιδρούν στον τρόπο κατακράτησης της υγρασίας, όπου όταν οι κόκκοι παρουσιάζουν μεγάλο μέγεθος, η υγρασία κατακρατείται λόγω της επιφανειακής τάσης. Σε περίπτωση ανομοιομορφίας του μεγέθους των κόκκων, οι μικροί σε μέγεθος κόκκοι συμπληρώνουν τους θύλακες αέρα που δημιουργούνται από την παρουσία των μεγάλων κόκκων, με αποτέλεσμα το έδαφος να γίνεται πιο συμπαγές και να μειώνεται η ειδική του αντίσταση. Ένταση πεδίου (Voltage gradient)[1] Αν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή, η οποία ονομάζεται διηλεκτρική αντοχή, τότε επηρεάζεται η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η διηλεκτρική αντοχή διαφέρει για κάθε τύπο εδάφους και είναι της τάξης των μερικών kv/cm. Σε περίπτωση που το ηλεκτρικό πεδίο υπερβεί την κρίσιμη τιμή, ξεκινούν διασπάσεις γύρω από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου, που αυξάνουν το ενεργό του μέγεθος έως ότου η τιμή του πεδίου να πέσει κάτω από την κρίσιμη. Λόγω του ότι συνήθως τα συστήματα γείωσης ειδικά σε υποσταθμούς σχεδιάζονται ώστε να υπακούν σε πολύ αυστηρότερα κριτήρια, το πεδίο μπορεί πάντα να θεωρείται κάτω από την κρίσιμη τιμή. Επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος Η ειδική αντίσταση του εδάφους στην περιοχή των ηλεκτροδίων γείωσης μπορεί να επηρεαστεί από το ρεύμα που διαρρέει τα ηλεκτρόδια προς το γύρω έδαφος. Τα θερμικά χαρακτηριστικά και το ποσοστό υγρασίας του εδάφους θα καθορίσει αν ένα ρεύμα, συγκεκριμένου μεγέθους και διάρκειας, θα προκαλέσει σημαντική ξήρανση και επομένως, αύξηση της πραγματικής ειδικής 28

33 αντίστασης του εδάφους. Μια συντηρητική υπερβαίνει τα 200 Α /m 2 για 1 δευτερόλεπτο (s). τιμή της πυκνότητας ρεύματος, είναι να μην Κρουστική σύνθετη αντίσταση Κατά τη μεταβατική κατάσταση, η εμπέδηση του συστήματος γείωσης είναι πολύ μεγαλύτερη απ ότι στην μόνιμη κατάσταση. Αυτό συμβαίνει διότι : i.η αντίδραση των αγωγών και των ακροδεκτών γίνεται μεγαλύτερη λόγω της μικρής διάρκειας του φαινομένου. Ως αποτέλεσμα αυτής της μικρής διάρκειας, είναι η ανάπτυξη υψηλών συχνοτήτων, που συνεπάγεται αύξηση της εμπέδησης γείωσης. ii.η ελάττωση του χρόνου μετώπου του εγχεόμενου κρουστικού ρεύματος οδηγεί στην μείωση του ενεργού μήκους των μακριών αγωγών γείωσης. iii.η επίδραση του επιδερμικού φαινομένου, αυξάνει την εμπέδηση των αγωγών γείωσης, λόγω της υψηλής συχνότητας που κυριαρχεί κατά το μεταβατικό φαινόμενο. iv.η μεγάλη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος, ενδέχεται να ξηράνει το έδαφος και έτσι να αυξηθεί η ειδική αντίσταση του εδάφους. Η κρουστική σύνθετη αντίσταση ενός συστήματος γείωσης ορίζεται ως ο λόγος της μεταβολής του δυναμικού του σημείου έγχυσης του ρεύματος ως προς την άπειρη γη προς το εγχεόμενο ρεύμα, όπως φαίνεται στον τύπο Έχει παρατηρηθεί πως η μέγιστη τιμή της κρουστικής σύνθετης αντίστασης είναι μεγαλύτερη από την τιμή της αντίστασης στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Επομένως το ζητούμενο για ένα κατασκευαστή συστημάτων γείωσης δεν είναι η τιμή της αντίστασης στη μόνιμη κατάσταση, αλλά η χρονική μεταβολή της κρουστικής σύνθετης αντίστασης έως ότου καταλήξει, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, στην τιμή της μόνιμης κατάστασης. Η αύξηση της αντίστασης του συστήματος γείωσης κατά την μεταβατική κατάσταση χρήζει ιδιαίτερης προσοχής, δεδομένου ότι μια μεγάλη τιμή της αντίστασης γείωσης κατά το μεταβατικό στάδιο (π.χ. κεραυνικές εκκενώσεις) μπορεί να προκαλέσει βλάβη ή και καταστροφή στην υπό προστασία εγκατάσταση.[10] Κρίσιμη ένταση ηλεκτρικού πεδίου (Ε 0 ή Ε cr ) Η γνώση της κρίσιμης έντασης του πεδίου ιονισμού του εδάφους, είναι απαραίτητη για τον προσδιορισμό της ενεργούς ακτίνας των ηλεκτροδίων γείωσης. Πλήθος ερευνητών ασχολήθηκαν με τον προσδιορισμό της κρίσιμης έντασης του πεδίου ιονισμού σε βάθος χρόνου, γι αυτό άλλωστε υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις σχετικά με αυτό το θέμα, καθώς και διαφορετικές εκτιμήσεις για την τιμή αυτού του μεγέθους. Για παράδειγμα η CIGREπρότεινε την τιμή των 400kV/mχωρίς ιδιαίτερη αιτιολόγηση, η Oettle πραγματοποιώντας πειράματα πρότεινε την τιμή των 800kV/m, ενώ ο Α. Mousa πρότεινε την τιμή των 300kV/m κατόπιν μετρήσεων [10]. Επίσης, είναι αρκετοί εκείνοι που εξήγαγαν αναλυτικές σχέσεις για τον υπολογισμό του Ε0 σε σχέση με την ειδική αντίσταση του εδάφους. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η τιμή των 300kV/m, όπου απαιτείται. 29

34 Κεφάλαιο 4: Φαινόμενο Ιονισμού του εδάφους Μοντέλα γείωσης 4.1 Μηχανισμοί διάσπασης του εδάφους Το έδαφος, σε μικροδομικό επίπεδο, αποτελείται κατά βάση από μη-ομοιόμορφα αγώγιμα σωματίδια που επικαλύπτονται από νερό, στο οποίο υπάρχουν διαλυμένα άλατα καθώς και από αέρα μεταξύ των κενών ανάμεσα στα σωματίδια (σχήμα 4.1). Η αγωγιμότητα, ως εκ τούτου η ειδική αντίσταση του εδάφους διαφέρουν κατά πολύ μεγάλη κλίμακα, με αποτέλεσμα τα διάκενα που δημιουργούνται μεταξύ αυτών να ποικίλουν και να επηρεάζουν την τιμή του ηλεκτρικού πεδίου που αναπτύσσεται σ αυτά, εξαιτίας της επιβαλλόμενης τάσης. Έτσι, η ενίσχυση του πεδίου στα διάκενα που βρίσκονται στο εσωτερικό του εδάφους, μπορεί εύλογα να θεωρηθεί ως η αιτία για την έναρξη της διαδικασίας ιονισμού στο έδαφος. Είναι φανερό, όπως έχει αποδειχθεί από πολλούς ερευνητές, ότι η συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης υπό κρουστικά ρεύματα, διαφέρει εξαιρετικά από την αντίστοιχη υπό χαμηλές συχνότητες. Έτσι, η επαγωγική συμπεριφορά μπορεί να γίνει σημαντικότερη σε σχέση με την ωμική, και κατά συνέπεια τα μεγάλα αυτά ρεύματα μπορούν να δημιουργήσουν ιονισμό του εδάφους, ο οποίος καθιστά την κρουστική απόκριση μη γραμμική. Σχήμα 4.1: Σύνθεση του εδάφους[16] Η μη γραμμικότητα στην κρουστική απόκριση του συστήματος γείωσης, είναι η αιτία που πολλές το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους παραλείπεται, αφού παρουσιάζει μεγάλο βαθμό δυσκολίας και πολυπλοκότητας στη μοντελοποίηση του. Παρόλα αυτά,αποτελεί φαινόμενο που επιδρά σημαντικά στη μεταβατική συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης και δη των πλεγμάτων γείωσης και για αυτό το λόγο θα πρέπει να αποτελεί βασικό παράγοντα κατά τη μελέτη της συμπεριφοράς και να λαμβάνεται υπόψη. Όπως έχει προταθεί μέχρι τώρα στην διεθνή βιβλιογραφία, αυτή η μη-γραμμική διαδικασία της διάσπασης του εδάφους οφείλεται κυρίως σε δύο μηχανισμούς ηλεκτρικής αγωγιμότητας: i.θερμικές επιδράσεις λόγω ρευμάτων υψηλής τιμής 30

35 ii.ιονισμός του εδάφους λόγω ενίσχυσης του ηλεκτρικού πεδίου στα διάκενα παγιδευμένου αέρα στο έδαφος Θερμικός μηχανισμός διάσπασης Με την εφαρμογή της τάσης, το ρεύμα ξεκινά να ρέει στο έδαφος, μέσω του νερού που επικαλύπτει τα σωματίδια του εδάφους. Καθώς η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται λόγω του φαινόμενου Joule(i 2 (t)*r), η ειδική του αντίσταση μειώνεται ελαφρά. Τότε, αφού το ρεύμα επιλέγει τον δρόμο με την μικρότερη αντίσταση, διοχετεύεται μέσω των περιοχών με την υψηλότερη θερμοκρασία και καταλήγει σε πολλά μικρά κανάλια προκαλώντας την εξάτμιση του νερού. Τελικά, στα σημεία όπου το ηλεκτρικό πεδίο στα διάκενα μεταξύ των κόκκων του εδάφους είναι μεγαλύτερο από μια κρίσιμη τιμή EG, γίνεται διάσπαση του εδάφους. Έτσι λοιπόν, η αγωγιμότητα και η θερμοχωρητικότητα του νερού, καθώς το μήκος των καναλιών όπου έχει εκδηλωθεί διάσπαση και οι θερμικές ιδιότητες του εδάφους, είναι οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται ο χρόνος που χρειάζεται για να θερμανθεί και να εξατμιστεί το νερό και κατά συνέπεια για την έναρξη της διάσπασης Μηχανισμός ιονισμού του εδάφους Ο μηχανισμός διάσπασης του εδάφους αντιπροσωπεύει μια ηλεκτρική διαδικασία, κατά την οποία επιδρά το φαινόμενο της χιονοστιβάδας στα διάκενα αέρα μεταξύ των κόκκων του εδάφους. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν αυξηθεί αρκετά το ηλεκτρικό πεδίο στα διάκενα, σε σημείο που να ιονίζει τον παγιδευμένο αέρα, ο οποίος εμπλουτίζεται όλο και περισσότερο με αρνητικούς φορείς. Τότε, ως αποτέλεσμα του ισχυρού πεδίου, δημιουργούνται μικρές εκκενώσεις (τόξα) που μειώνουν την ειδική αντίσταση του εδάφους. Έχει αποδειχθεί πειραματικά, ότι η διηλεκτρική αντοχή του εδάφους είναι περίπου kv/cm[11], δηλαδή μικρότερη από την διηλεκτρική αντοχή του αέρα που είναι kv/cm για διάκενο αντίστοιχων διαστάσεων. Κατά κύριο λόγο ο μηχανισμός ιονισμού του εδάφους είναι υπεύθυνος για την διάσπαση του εδάφους, καθώς ο θερμικός μηχανισμός διάσπασης βασίζεται σε απλουστευμένες θεωρήσεις.[12][13] 4.2 Μοντέλα ιονισμού του εδάφους Για την μελέτη και την ανάλυση του φαινομένου ιονισμού του εδάφους, έχουν προταθεί κατά καιρούς από διαφόρους ερευνητές κάποια μοντέλα. Δύο συγκεκριμένα μοντέλα χρήζουν ιδιαίτερης σημασίας. Πρόκειται για : i.το μοντέλο ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων ii.το μοντέλο μεταβαλλόμενης ειδικής αντίστασης Μοντέλο ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων Στην περίπτωση αυτή, εξετάζεται ένα ηλεκτρόδιο τοποθετημένο σε ιονισμένο έδαφος, σαν να ήταν ηλεκτρόδιο τροποποιημένων εγκάρσιων διαμέτρων σε έδαφος μη-ιονισμένο, όπως φαίνεται στο Σχήμα

36 Σχήμα 4.2 : Μοντελοποίηση διακύμανσης διαμέτρου για κάθε στοιχειώδες κομμάτι του καλωδίου γείωσης κατά τον ιονισμό του εδάφους [14] Σύμφωνα με τον Πετρόπουλο[15], όταν ξεκινά η διαδικασία ιονισμού, η αγωγιμότητα του εδάφους στην ζώνη ιονισμού, που υποτίθεται ότι είναι ομοιόμορφη γύρω από τα ηλεκτρόδια, αποκτά αμέσως την ίδια τιμή με την αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου. Με άλλα λόγια, εξισώνεται η ειδική αντίσταση της ζώνης ιονισμού με αυτή του ηλεκτροδίου, με αποτέλεσμα το φαινόμενο να προσομοιώνεται με ηλεκτρόδιο αυξημένων διαστάσεων. Επίσης, η τιμή της αντίστασης του ηλεκτροδίου γείωσης παραμένει σταθερή, αυξανόμενης της επιβαλλόμενης τάσης και μέχρι την στιγμή που η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή. Τότε δημιουργούνται τόξα εκκένωσης, μειώνοντας την αντίσταση. Άλλη μια πεποίθηση των ερευνητών, είναι ότι υπό σταθερό ρεύμα, η ζώνη ιονισμού εκτείνεται μέχρι μια συγκεκριμένη επιφάνεια, όπου το ηλεκτρικό πεδίο υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της διηλεκτρικής αντοχής του εδάφους, η οποία ορίζεται μονοσήμαντα για κάθε τύπο εδάφους. Η αντίσταση των συστημάτων γείωσης αποκτά πολύ χαμηλότερες τιμές, στην περίπτωση που δέχεται ρεύματα με υψηλό συχνοτικό περιεχόμενο, σε σχέση με την περίπτωση που τα συστήματα γείωσης διαρρέονται από χαμηλόσυχνα ρεύματα. Η τιμή της αντίστασης γείωσης μπορεί να μειωθεί ακόμα περισσότερο, όταν τα ηλεκτρόδια ή γενικότερα ότι αποτελεί το σύστημα γείωσης(πλέγμα, σφαίρα κ.α.), γειτνιάζει άλλα αγώγιμα αντικείμενα. Αυτό οφείλεται στις ηλεκτρικές εκκενώσεις που λαμβάνουν χώρα και εκμηδενίζουν την υψηλή αντίσταση μεταξύ των αγώγιμων τμημάτων του εδάφους, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται χώροι στους οποίους η αγωγιμότητα να παρουσιάζει υψηλές τιμές σε σχέση με το υπόλοιπο έδαφος. Για τον παραπάνω λόγο το ηλεκτρόδιο δείχνει να είναι αυξημένων διαστάσεων, με μειωμένη αντίσταση ως προς τη γη. Ο Πετρόπουλος [15], μετά από πειράματα που πραγματοποίησε χρησιμοποιώντας ημισφαιρικό δοχείο άνθρακα πεπληρωμένο με χώμα, πρότεινε το μοντέλο που φαίνεται στο Σχήμα 4.3. Βάση στο παραπάνω μοντέλο υποστήριξε πως οι εκκενώσεις κατανέμονται ομοιόμορφα στο χώρο που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο. Ο εκάστοτε χώρος εξαρτάται από την εκάστοτε τάση και διαχωρίζεται από το υπόλοιπο χώμα με μια ημισφαιρική επιφάνεια, της οποίας η ακτίνα εξαρτάται πάλι από την τάση. Τα μεγέθη που φαίνονται στο σχήμα 4.3 υπολογίζονται από τους εξής τύπους[16]: 32

37 R0 : ακτίνα μόνιμης κατάστασης σε Ω (4.1) r0 : ακτίνα ηλεκτροδίου σε ρsoil:ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm Η πυκνότητα ρεύματος σε μια συγκεκριμένη ακτίνα από το ηλεκτρόδιο, υπό την επιβολή κρουστικού κεραυνικού ρεύματος προκύπτει από: J: πυκνότητα ρεύματος σε Α/m 2 I : επιβαλλόμενο κρουστικό ρεύμα σε Α r: απόσταση από το ηλεκτρόδιο σε m Όταν η πυκνότητα ρεύματος ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή, τότε εμφανίζεται ο ιονισμός του εδάφους και η τιμή αυτή προκύπτει από: Jcr: κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος σε Α/m 2 (4.3) Εcr: κρίσιμη ένταση(ιονισμού) ηλεκτρικού πεδίου σε V/m ρsoil:ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm Hακτίνα της περιοχής ιονισμού, προκύπτει συνδυάζοντας τις σχέσεις 4.2 και 4.3, λύνοντας ως προς r. Έτσι προκύπτει τελικά: Λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου, το έδαφος θεωρείται ομογενές και ισότροπο στις πειραματικές δοκιμές, πράγμα αδύνατο στην πράξη. Ωστόσο, η μείωση της τιμής της μεταβατικής αντίστασης αποδίδεται και σε άλλους παράγοντες, όπως η αύξηση της θερμοκρασίας που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια, αφού μείωση της αντίστασης γείωσης παρατηρείται και όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι σχετικά μικρή, ώστε να μην συμβαίνουν εκκενώσεις.[10] Μοντέλο μεταβλητής ειδικής αντίστασης Το 1974 προτάθηκε το μοντέλο μεταβλητής αντίστασης του εδάφους[12], υποστηρίζοντας ότι το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους προκαλεί μείωση της ειδικής αντίστασης του εδάφους, γύρω από το ηλεκτρόδιο γείωσης. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την παρατήρηση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς σε εδάφη διαφορετικής σύστασης, αλλά ομογενή και ισότροπα, θεωρώντας δηλαδή την ειδική αντίσταση του κάθε εδάφους όμοια προς όλες τις κατευθύνσεις. Έτσι, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο χώρος που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο γείωσης χωρίζεται νοητά σε τρεις περιοχές, ανάλογα με την τιμή της πυκνότητας του ρεύματος που εγχέεται (J). Στο σχήμα 4.5, φαίνονται οι τρεις περιοχές, που εξηγούνται στην συνέχεια. 33

38 Σχήμα 4.5: Μοντέλο Liew & Darvenzia [16] Όσο το ρεύμα που επιβάλλεται στο ηλεκτρόδιο και διοχετεύεται στο έδαφος αυξάνεται και καθώς η πυκνότητα του υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή, η ειδική αντίσταση του εδάφους παρουσιάζει χαμηλότερη τιμή απ ότι στην μόνιμη κατάσταση. Σε αντίθετη περίπτωση, η ειδική αντίσταση παραμένει σταθερή, όπως φαίνεται στους τύπους 4.5 και 4.6. τ1: χρονική σταθερά ιονισμού κατά την αύξηση του ρεύματος t: μετρούμενος χρόνος από την έναρξη του ιονισμού Ο ιονισμός επεκτείνεται σε μια περιοχή ακτίνας rcm,όπου αντιστοιχεί η μέγιστη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος. Ακολούθως, όταν το ρεύμα ξεκινά να μειώνεται, διαμορφώνονται στο έδαφος οι τρεις περιοχές: oμη-ιονισμένη περιοχή (3) Στην περιοχή αυτή δεν έχει εκδηλωθεί το φαινόμενο του ιονισμού οπότε ισχύει η σχέση 4.5. oπεριοχή απιονισμού (2) Στην περιοχή αυτή, η πυκνότητα ρεύματος δεν ξεπερνά την κρίσιμη τιμή της και έτσι η ειδική αντίσταση τείνει προς την αρχική της τιμή, υπακούοντας στην σχέση: (4.7) χρονική σταθερά απιονισμού oπεριοχή ιονισμού (1) Στην περιοχή αυτή εξελίσσεται η διαδικασία του ιονισμού, όσο η τιμή της πυκνότητας του ρεύματος υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της και η τιμή της ειδικής αντίστασης διαμορφώνεται με τον τύπο 4.6. Όταν η πυκνότητα ρεύματος αποκτήσει τιμές μικρότερες της κρίσιμης τιμής, ισχύουν όσα αναφέρθηκαν για την περιοχή 2. 34

39 Στο σχήμα 4.6 απεικονίζεται γραφικά η σχέση μεταξύ της ειδικής αντίστασης και πυκνότητας ρεύματος. Σχήμα 4.6: Μεταβολή της ειδικής αντίστασης σε σχέση με την πυκνότητα εγχεόμενου ρεύματος Το 2005 το παραπάνω μοντέλο αναβαθμίστηκε σε δημοσίευση των Wang,Liewκαι Darveniza, εισάγοντας και την περιοχή εμφάνισης τόξων. Για περιορισμό της πολυπλοκότητας του μοντέλου, θεώρησαν ημισφαιρικές ισοδυναμικές επιφάνειες και έτσι η συνολική αντίσταση υπολογίζεται αθροίζοντας τα στοιχειώδη ημισφαιρικά κελύφη πλάτους dr.στο σχήμα 4.7 απεικονίζεται το ανανεωμένο μοντέλο Σχήμα 4.7: Αναβαθμισμένο μοντέλο μεταβλητής ειδικής αντίστασης Wang[17] Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους μεταβάλλεται σε σχέση με την πυκνότητα του εγχεόμενου ρεύματος στο έδαφος, ως ακολούθως: Για πυκνότητα ρεύματος μικρότερη από την κρίσιμη της τιμή, ισχύει η σχέση (4.5).Όταν η κρίσιμη αυτή τιμή ξεπεραστεί, τότε θεωρούνται δύο περιοχές. Στην μία περιοχή εκδηλώνεται ο ιονισμός του εδάφους για r cm. και J J c<j s. και η τιμή ης ειδικής αντίστασης του εδάφους δίνεται από την σχέση 4.6, ενώ στην άλλη, η ειδική αντίσταση μηδενίζεται λόγω της εμφάνισης σπινθήρων και ισχύει r<r cm και J J s. Οι περιοχές πλέον στο αναβαθμισμένο μοντέλο είναι τέσσερεις και αναλύονται παρακάτω: oπεριοχή 1 Μη ιονισμένη περιοχή όπου ισχύει r>r cm και J<J c και η ειδική αντίσταση είναι σταθερή ρ=ρ soil. oπεριοχή 2 Εδώ η πυκνότητα ρεύματος είναι μικρότερη από την κρίσιμη τιμή ιονισμού,r<r cm καιj<j c και η τιμή της ειδικής αντίστασης τείνει στην αρχική της τιμή, σύμφωνα με την σχέση 4.7. oπεριοχή 3 Το φαινόμενο του ιονισμού συνεχίζεται,μέχρις ότου J=J c.από εκεί και πέρα ξεκινά η διαδικασία απιονισμού. oπεριοχή 4 Σε αυτή την περιοχή η ειδική αντίσταση μηδενίζεται και έχουμε εκδήλωση τόξων (r<r cm και J J s). Η δυσκολία στο μοντέλο των Wang,Liew και Darveniza έγκειται στο γεγονός πως για να συσχετιστεί η πυκνότητα ρεύματος,js με την πυκνότητα Jc,θα πρέπει να ορίσουμε μια νέα σταθερά(α). 35

40 1η Περίπτωση =, -0.,1, -, -, (4.8) Για α>1 στο εσωτερικό του Εδάφουςκαιόταντο για α>1 στο εσωτερικό του εδάφους και όταν το ρεύμα αυξάνεται α0: αρχική τιμή του α I: τιμή εγχεόμενου ρεύματος β1: περιλαμβάνει την ενεργειακή θεώρηση λ: για έλεγχο της χρονικής στιγμής που το α θα αρχίσει να μειώνεται Για μεγαλύτερη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος, μεγαλώνει η περιοχή εμφάνισης τόξων. Έτσι μπορεί να λεχθεί ότι το πόσο έντονα θα είναι τα τόξα και σε πόσο μεγάλη περιοχή θα εμφανιστούν, εξαρτάται από την τιμή του Js.Καθώς μειώνεται το α εξαιτίας των τόξων και του ιονισμού, εμφανίζονται τόξα στην επιφάνεια του εδάφους. Έτσι το α υπολογίζεται πλέον από: Για αs>1 όπου as είναι η ελάχιστη τιμή που προκύπτει από τον τύπο (4.9 α). 2 η Περίπτωση Αφού το ρεύμα φτάσει στην μέγιστη τιμή του και ξεκινήσει να μειώνεται, το α τείνει να λάβει την αρχική του τιμή. Η σταδιακή προσέγγιση της αρχικής του τιμής προκύπτει από την σχέση 4.10 Ένα τρίτο τροποποιημένο μοντέλο σε σχέση με αυτό των Liew &Darveniza, προτάθηκε από τον Nixonτο 2006[16]. Βάσει αυτού, υποστήριξε ότι η ειδική αντίσταση της ζώνης ιονισμού απιονισμού, μπορεί να θεωρηθεί ίδια σε όλο τον όγκο της ζώνης και δύναται να υπολογιστεί από την τιμή της πυκνότητας ρεύματος στο εξωτερικό όριο της ζώνης. Δηλαδή, απλοποιεί τα στοιχειώδη κελύφη που αποτελούν τις ζώνες ιονισμού - απιονισμού, όπου η πυκνότητα ρεύματος μεταβάλλεται με το χρόνο και για τον υπολογισμό της συνολικής αντίστασης των ζωνών, απαιτείται πρώτα υπολογισμός των επιμέρους αντιστάσεων κάθε κελύφους. Στο σχήμα 4.8 απεικονίζεται το τροποποιημένο μοντέλο όπως το πρότεινε ο Nixon. 36

41 Σχήμα 4.8:Τροποποιημένο μοντέλο Nixon 4.3 Μοντέλα συστημάτων γείωσης Στην σημερινή εποχή, μαθηματικά εξελιγμένα μοντέλα χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης. Τα συγκεκριμένα μοντέλα βασίστηκαν σε προγενέστερα, για τα οποία υπάρχει μια σύντομη ιστορική αναφορά Πρωταρχικά μοντέλα ηλεκτροδίων γείωσης Μια πρώτη προσπάθεια για την μοντελοποίηση της μεταβατικής συμπεριφοράς των ηλεκτροδίων γείωσης έγινε από τον Bewley το Η συνολική του προσπάθεια βασίστηκε πάνω στην θεωρία των γραμμών μεταφοράς. Συγκεκριμένα, υπέθεσε πως κάθε ηλεκτρόδιο αποτελεί μια μεγάλου μήκους γραμμή μεταφοράς, με απώλειες και με σταθερές ανά μονάδα παραμέτρους. Η σύνθετη αντίσταση υπολογίστηκε βάσει της σχέσης 4.8. lc: Το μήκος του καλωδίου G: Αγωγιμότητα ανά μονάδα μήκους L: Επαγωγή ανά μονάδα μήκους C: Χωρητικότητα ανά μονάδα μήκους 37

42 Στην εξίσωση (4.8α) παρουσιάζει την μεταβατική αντίδραση ενός ηλεκτροδίου. Ξεκινά με μια αρχική σύνθετη κυματική αντίσταση και τελειώνει με μια τελική αντίσταση διαρροής. O απαιτούμενος χρόνος μετάβασης από το ένα σημείο στο άλλο εξαρτάται από την ειδική αντίσταση του εδάφους και την κυματική τάση. Αξίζει να αναφερθεί ότι το 1949 ο Sunde, έθεσε τις βάσεις για την επίλυση προβλημάτων για συστήματα γείωσης και το εγχειρίδιο του χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα. Βασιζόμενος στις πλήρεις εξισώσεις του Maxwell, επιχείρησε την περιγραφή των συστημάτων γείωσης. Υπολόγισε όχι μόνο την αντίσταση συνεχούς ρεύματος για διάφορες δομές γείωσης, αλλά επίσης παρουσίασε μια διεξοδική θεωρία για την επαγωγική συμπεριφορά των ηλεκτροδίων γείωσης υπό υψηλές συχνότητες. Στο εγχειρίδιο του Sunde χρησιμοποιήθηκε η έννοια της γραμμής μεταφορά με ανά μονάδα μήκους εξαρτώμενες από την συχνότητα παραμέτρους. Το συγκεκριμένο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την μοντελοποίηση της μεταβατικής συμπεριφοράς οριζοντίου ηλεκτροδίου γείωσης στην επιφάνεια του εδάφους, υπό το πλήγμα κεραυνού, εφαρμόζοντας τις εξισώσεις Ζ: Η διαμήκης και ανά μονάδα μήκους σύνθετη αντίσταση του ηλεκτροδίου Υ: Η εγκάρσια και ανά μονάδα μήκους αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου Από τα παραπάνω μοντέλα παρατηρείται πως η μοντελοποίηση της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης ξεκίνησε με την προσέγγιση της γραμμής μεταφοράς. Το μειονέκτημα σε αυτήν την προσέγγιση έγκειται στο γεγονός πως έγιναν πολλές απλουστεύσεις για να χρησιμοποιηθεί στα συστήματα γείωσης και πως οι υπολογισμοί απαιτούσαν μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Ως εκ τούτου οι μέθοδοι αυτοί περιορίστηκαν σε απλά συστήματα γείωσης, όπως απλές ράβδους γείωσης ή οριζόντιους αγωγούς. Το 1980 οι Guptaetal. επιχείρησαν την ανάλυση πιο σύνθετων συστημάτων γείωσης βασιζόμενοι σε εμπειρικές μεθόδους ανάλυσης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα τους, η απόκριση πλεγμάτων γείωσης σε μοναδιαία βηματική διέγερση θα μπορούσε να αναπαρασταθεί βάσει της σχέσης 4. 38

43 4.3.2 Εξέλιξη μοντέλων συστημάτων γείωσης Στις αρχές δις δεκαετίας του 80, η διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ άρχισε να αποτελεί πλεονέκτημα στην διαδικασία επίλυσης περίπλοκων προβλημάτων όπως η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης υπό το πλήγμα κρουστικών ρευμάτων. Αυτό συνέβη καθώς οι ψηφιακοί πλέον υπολογιστές εξελίχτηκαν δραματικά δίνοντας την δυνατότητα να επιλυθούν ποικίλες αριθμητικές μέθοδοι. Κατά συνέπεια ξεπεράστηκαν οι προσεγγίσεις που απαιτούνταν για την μοντελοποίηση ενός περίπλοκου συστήματος και πλέον μπορούσε εύκολα να προσομοιωθεί ένα περίπλοκο σύστημα γείωσης. Έτσι λοιπόν, από το 1980 μέχρι σήμερα προέκυψαν οι ακόλουθες αριθμητικές μέθοδοι για την προσομοίωση συστημάτων γείωσης: Κυκλωματική προσέγγιση Προσέγγιση Ηλεκτρομαγνητικού πεδίου Μέθοδος των στιγμών (ΜΟΜ) Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων (FEM) Προσέγγιση γραμμής μεταφοράς Υβριδική προσέγγιση Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε η κυκλωματική προσέγγιση στις προσομοιώσεις μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης. Η κυκλωματική προσέγγιση αναλύεται παρακάτω ξεκινώντας από τις πρώτες προσπάθειες έως και τις τελικές βελτιωμένες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται σήμερα Κυκλωματική προσέγγιση Ένα αριθμητικό μοντέλο που χρησιμοποιείται συχνά για την μοντελοποίηση είναι αυτό της κυκλωματικής προσέγγισης. Τα βασικά βήματα της διαδικασίας έχουν ως εξής: i.διαίρεση του συστήματος σε πεπερασμένο αριθμό μικρότερων τμημάτων ii.κατασκευή του ισοδύναμου συγκεντρωμένου κυκλώματος κάθε τμήματος και υπολογισμός των παραμέτρων του, δηλαδή των επαγωγών (ΔL ίδιων και αμοιβαίων), χωρητικοτήτων (ΔC), αγωγιμοτήτων (ΔR) και εσωτερικών αντιστάσεων. iii.επίλυση των εξισώσεων κόμβων του ισοδύναμου κυκλώματος που αναπαριστά το όλο σύστημα γείωσης, χρησιμοποιώντας τους νόμους του Kirchhoff. H κυκλωματική προσέγγιση εισήχθη από τον Meliopoulos, ο οποίος το 1983 χρησιμοποίησε τις ανεξάρτητες από την συχνότητα παραμέτρους κάθε τμήματος. Το βασικό στοιχείο ήταν ότι κάθε τμήμα του συστήματος γείωσης αντικαθιστούσε το ισοδύναμο γραμμής μεταφορά με μηδενικές απώλειες, έχοντας στα άκρα δεξιά και αριστερά αγωγιμότητες διαρροής προς τη γη, όπως φαίνεται στα σχήματα 4.9 και

44 Σχήμα Ισοδυναμικό κύκλωμα για κάθε τμήμα σύμφωνα με την κυκλωματική προσέγγιση του Meliopoulos[18] Η εξίσωση των κόμβων του ισοδύναμου κυκλώματος των σχημάτων είναι : [Y]:Πίνακας αγωγιμοτήτων [V(t)]: Διάνυσμα των τάσεων των κόμβων την χρονική στιγμή t [Ιs(t)]: Διάνυσμα εγχεόμενων ρευμάτων στους κόμβους του κυκλώματος [b(t-δt..)]: Διάνυσμα για τις προυπάρχουσες τιμές των ρευμάτων Μια δεύτερη κυκλωματική προσέγγιση έγινε από τους Ramamoorty et.al,οι οποίοι ανέπτυξαν μια απλοποιημένη κυκλωματική προσέγγιση για τα πλέγματα γείωσης[18]. Συγκεκριμένα, όλο το πλέγμα χωρίστηκε σε nτμήματα, καθένα από τα οποία αποτελούνταν από ένα συγκεντρωμένο κύκλωμα με ιδίες και αμοιβαίες επαγωγές, καθώς και αγωγιμότητες διαρροής προς τη γη. Θα πρέπει να επισημανθεί πως στο συγκεκριμένο μοντέλο δεν συμπεριλαμβάνονται οι εγκάρσιες χωρητικότητες. Παρόλα αυτά το συγκεκριμένο μοντέλο θεωρείται αρκετά ακριβές στην ανάλυση μεταβατικής συμπεριφοράς για εδάφη χαμηλής ειδικής αντίστασης. ΟGeri[14] και ο Otero, σε εργασίες του που δημοσίευσαν το 1999, πραγματοποίησαν τροποποιήσεις στο μοντέλο του Meliopoulos, αφού συμπεριέλαβαν στα μοντέλα τους τα φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Έτσι ο Geri, χρησιμοποίησε μια ισοδύναμη επαγωγή παράλληλη με μια ελεγχόμενη από ρεύμα- πηγή τάσης για την αναπαράσταση κάθε κλάδου χωρητικότηταςαγωγιμότητας και αντίστασης-επαγωγής του κυκλώματος. Ως εκ τούτου, η επίλυση της εξίσωσης κόμβων (4.12) γίνεται ευκολότερα βάσει του νέου ισοδύναμου κυκλώματος. 40

45 Σχήμα 4.11α-4.11β: Ισοδύναμα κυκλώματα κάθε κλάδου αντίστασηςεπαγωγής(α), χωρητικότητας-αγωγιμότητας(β) του μοντέλου του Geri[14] Σε ότι αφορά το μοντέλο του Otero, ίσως ήταν η πρώτη απόπειρα ανάλυσης της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης στο πεδίο της συχνότητας βάσει της κυκλωματικής προσέγγισης. Από διάφορες εργασίες και από την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, είναι ομόφωνο ότι η σύνθετη αντίσταση για διεγέρσεις χαμηλής συχνότητας αναπαρίσταται απλά από μια ωμική αντίσταση, ενώ για υψηλής συχνότητας διεγέρσεις από ένα συγκεντρωμένο R-L-C κύκλωμα [19]. Για τον υπολογισμό των παραμέτρων ενός ηλεκτροδίου γείωσης για το μοντέλο κυκλωματικής συμπεριφοράς χρησιμοποιούνται τρία σύνολα εξισώσεων. Το ένα σύνολο σύμφωνα με τον Rudenberg, χρησιμοποιείται για κάθετη ράβδο [19]: [19]: Το δεύτερο χρησιμοποιείται για οριζόντια ηλεκτρόδια σύμφωνα με τον Sunde και τον Tagg 41

46 Εναλλακτικά, η αντίσταση θα μπορούσε να υπολογιστεί από τη σχέση (4.15), σύμφωνα με τον Dwight, ενώ από τις σχέσεις (4.16α) και (4.16β) η επαγωγή και η χωρητικότητα αντίστοιχα. Όπου s=2h δηλαδή 2 φορές το βάθος τοποθέτησης. Το μειονέκτημα των παραπάνω συνόλων εξισώσεων για υπολογισμό των συγκεντρωμένων παραμέτρων Re, Le,Ce, Ge είναι ότι βασίζονται σε διάφορες προσεγγίσεις που περιορίζουν την εγκυρότητα τους υπό την επίδραση ρευμάτων υψηλής συχνότητας, που προκαλούν μεταβατικά φαινόμενα όπως ιονισμός του εδάφους και αλλαγή στο ενεργό μέγεθος των αγωγών. Οι Rong Zeng et.al, το 2008 σε δημοσίευση τους[20] πρότειναν ένα μοντέλο για την ανάλυση της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης, βασισμένο στην κυκλωματική προσέγγιση κατανεμημένων και χρονικά μεταβαλλόμενων παραμέτρων, το οποίο όμως λαμβάνει υπόψη τα φαινόμενα ιονισμού του εδάφους καθώς και τις αμοιβαίες συζεύξεις μεταξύ των αγωγών. Ένα ηλεκτρόδιο γείωσης θαμμένο οριζόντια στο έδαφος, υπό το πλήγμα κρουστικού κεραυνικού ρεύματος, μπορεί να παρασταθεί με δίκτυο κατανεμημένων παραμέτρων, όπως απεικονίζεται στο σχήμα Ένα στοιχειώδες τμήμα του αγωγού, συνθέτουν οι εν σειρά αντίσταση (ri) και επαγωγή (Li), καθώς και οι εγκάρσιες εν παραλλήλω αγωγιμότητες (Gi) και χωρητικότητες (Ci). Σχήμα 4.3: Αναπαράσταση ηλεκτροδίου γείωσης με μη-ομοιόμορφα συγκεντρωμένες παραμέτρους [20] Η παράλληλη αγωγιμότητα και χωρητικότητα του ηλεκτροδίου του σχήματος 4.3 που συνδέονται με τη διάμετρο του αγωγού, σχετίζονται με τις ισοδύναμες διαμέτρους κάθε τμήματος του αγωγού, με αποτέλεσμα να καθίστανται και αυτές μεταβαλλόμενες ως προς το χρόνο. Από την άλλη, οι εν σειρά αντίσταση και επαγωγή είναι ανεξάρτητες της ισοδύναμης διαμέτρου του αγωγού για τους λόγους που ακολουθούν. Οι κατευθύνσεις των ρευμάτων που εγχέονται στο έδαφος είναι κάθετες προς την επιφάνεια των αγωγών στο σύνορο αγωγού-εδάφους. Η μαγνητική σύνδεση, διασυνδεδεμένη με τα ρεύματα, είναι ανεξάρτητη των ισοδύναμων διαμέτρων των αγωγών. Ταυτόχρονα, το ρεύμα ρέει κυρίως μέσω του μεταλλικού αγωγού. Σύμφωνα με τον φυσικό ορισμό, η αντίσταση και η επαγωγή παραμένουν αμετάβλητες σε σχέση με την περιοχή ιονισμού του εδάφους, οπότε το φαινόμενο ιονισμού επηρεάζει μόνο τις εν παραλλήλω αγωγιμότητες και χωρητικότητες[21]. Οι τύποι για τον υπολογισμό των ανά μονάδα μήκους παραμέτρων δίνονται και επεξηγούνται ακολούθως: 42

47 ρ: η ειδική αντίσταση του εδάφους Θα ήταν πιο ορθό στον υπολογισμό των αντιστοίχων χωρητικοτήτων να χρησιμοποιηθεί η σχέση σύμφωνα με την θεωρία των ειδώλων, λόγω του ότι οι αγωγοί βρίσκονται θαμμένοι σε κάποιο βάθος (h) μέσα στο έδαφος. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, παρατηρείται ότι οι τύποι που δίνουν την εν παραλλήλω χωρητικότητα και την αγωγιμότητα του κάθε τμήματος του αγωγού, εξαρτάται από την ισοδύναμη ακτίνα που προκύπτει λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και δίνεται από τον τύπο Στην αναφορά [20] έχουν υπολογιστεί οι αμοιβαίες συζεύξεις μεταξύ δυο παράλληλων τμημάτων ενός συστήματος γείωσης, για διαφορετικές διατάξεις μεταξύ τους. Σημείωση ως προς τις προσεγγίσεις προσομοίωσης: Οι υπόλοιπες μέθοδοι προσομοίωσης ενός συστήματος γείωσης μπορούν να βρεθούν στην αναφορά[10]. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε πρωτίστως η κυκλωματική προσέγγιση ώστε να εξομοιωθεί το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας στο προγράμματα εξομοίωσης(pspice). 43

48 Κεφάλαιο 5-Αντικεραυνική προστασία πύργου ελέγχου αεροδρομίου Ισοδυναμικές συνδέσεις 5.1 Ιστορικό Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Η μελέτη αντικεραυνικής προστασίας αφορά τον πλέον πιο σύγχρονο πύργο ελέγχου που βρίσκεται στον Ελλαδικό χώρο, ο οποίος είναι ο πύργος ελέγχου του διεθνούς αερολιμένα Ελευθέριος Βενιζέλος. Κατασκευάστηκε από την γερμανική εταιρία Hochtief και η λειτουργία του ξεκίνησε στις 29 Μαρτίου Το ύψος του πύργου ελέγχου είναι 65m και η ακτίνα της βάσης του είναι 8 μέτρα. Το μεγάλο ύψος του και το γεγονός ότι αποτελεί το πλέον υψηλότερο κτίριο στο χώρο του αεροδρομίου, κάνουν τον πύργο ελέγχου ευάλωτο στα κεραυνικά πλήγματα. Έτσι, κρίνεται απαραίτητη η προστασία του μέσω ενός αποτελεσματικού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας που θα προσφέρει σταθερή και ικανοποιητική λειτουργία ακόμα και σε δύσκολες καιρικές συνθήκες. Εικόνα 5.1: Αεροδρόμιο Ελευθέριος Βενιζέλος 5.2 Προτεινόμενη αντικεραυνική προστασία Σύμφωνα με τους κανονισμούς ΕΛΟΤ 1197[9] και IEC [22] διακρίνουμε τέσσερα επίπεδα αντικεραυνικής προστασίας(πίνακας 5.2). Στον πύργο ελέγχου θα πρέπει να εγκατασταθεί αντικεραυνική προστασία αποτελεσματικότητα >99%. Αυτό προκύπτει από τον συνδυασμό της σχέσεις 5.1, 5.2 και τους πίνακες 5.1 και 5.2 και λαμβάνοντας υπόψη τις μέρες καταιγίδας που παρουσιάζει η Αττική μέσα σε ένα χρόνο (Τ 25 μέρες καταιγίδας/χρόνο). 44

49 ND: αναμενόμενη ετήσια συχνότητα προσβολής της κατασκευής από κεραυνό ΝC: μέγιστη τιμή της αποδεκτής ετήσιας συχνότητας πληγμάτων από κεραυνούς τα οποία προκαλούν ζημιά σε μια κατασκευή Ε: αποτελεσματικότητα του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Αe: ισοδύναμη επιφάνεια κτιρίου που θα εγκατασταθεί το ΣΑΠ Ce: συντελεστής περιβάλλοντος ΘΕΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΥΡΙΣΚΟΜΕΝΗ ΣΕ ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ Η ΔΕΝΔΡΑ ΤΟΥ ΙΔΙΟΥ Η ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΟΥ ΥΨΟΥΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΜΕΝΗ ΑΠΟ ΑΛΛΕΣ ΜΙΚΡΟΤΕΡΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ(ΔΕΝ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΑΛΛΑ ΚΤΙΣΜΑΤΑ ΣΕ ΑΠΟΣΤΑΣΗ 3*Η ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ) ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΕΝΟΣ ΛΟΦΟΥ 2 Πίνακας 5.1: Προσδιορισμός συντελεστή περιβάλλοντος C E ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΑΘΜΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Ε>0.98 Ι 0.95<Ε 0.98 Ι 0.90<Ε 0.95 ΙΙ 0.80<Ε 0.90 ΙΙΙ 0<E 0.80 ΙV E 0 ΔΕΝ ΧΡΕΙΑΖΕΤΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Πίνακας 5.2: Οι στάθμες προστασίας όπως ορίζονται στο ΕΛΟΤ 1197 Οι μέρες καταιγίδας που αφορούν τον πύργο ελέγχου που είναι εγκατεστημένος στον αερολιμένα Ελευθέριος Βενιζέλος, φαίνονται στην εικόνα 5.2(Τ 25). 45

50 Εικόνα 5.2: Ισοκεραυνικός χάρτης Ελλάδας[1] Από την εξίσωση 5.1 αν αντικαταστήσουμε τα μεγέθη για τον πύργο ελέγχου της παρούσας εργασίας προκύπτει ότι η αναμενόμενη ετήσια συχνότητα προσβολής είναι 0.14 που είναι πολύ μεγαλύτερο από την αποδεκτή συχνότητα ζημιών Νc. Άρα η αποτελεσματικότητα του εγκατεστημένου ΣΑΠ θα πρέπει να προσεγγίσει το 100% (Ε= %). Παρακάτω βρίσκονται οι υπολογισμοί που απαιτήθηκαν για τον υπολογισμό του επιπέδου προστασίας του πύργου ελέγχου του Ελ. Βενιζέλος. για L=W=8m και Η=65m, προκύπτει: 46

51 5.2.1 Συλλεκτήριο σύστημα Το συλλεκτήριο σύστημα του εγκατεστημένου ΣΑΠ θα αποτελείται από ένα πλέγμα αγωγών προστασίας του οποίου οι διατάσεις του βρόχου υπολογίζονται από τον πίνακα 5.3. ΣΤΑΘΜΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ H(M) R(M) ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΒΡΟΧΟΥ Ι * * * 5 ΙΙ * * 10 ΙΙΙ * 10 ΙV Πίνακας 5.3: Διάταξη των αγωγών ενός συλλεκτήριου συστήματος Σημαντική παρατήρηση όσον αφορά το συλλεκτήριο σύστημα θα πρέπει να υπάρξει στην προστασία των κεραιών που ενδεχομένως βρίσκονται στην κορυφή των πύργων ελέγχου και οι οποίες αποτελούν ζωτικής σημασίας εργαλείο στην ομαλή λειτουργία των πύργων και του αερολιμένα γενικότερα. Συγκεκριμένα οι κεραίες θα πρέπει να προστατευτούν έτσι ώστε σε ενδεχόμενα κεραυνικά πλήγματα να μην υπάρξουν αλλοιώσεις ή ακόμη και ολοκληρωτικές απώλειες των σημάτων που δέχεται η κεραία ή η ίδια εκπέμπει. Σύμφωνα με την παραπάνω παρατήρηση, οι ακίδες προστασίας των κεραιών θα πρέπει να εγκατασταθούν σύμφωνα με το σχήμα 5.1. Δηλαδή ο νοητός κύκλος που δημιουργείται μεταξύ των εγκατεστημένων ακίδων να μην έρχεται σε επαφή με την κεραία. Σχήμα 5.1: Προστασία κεραιών που βρίσκονται στην κορυφή του πύργου ελέγχου[28] 47

52 Ακόμη, ορισμένα σημεία που θα πρέπει να δοθεί προσοχή είναι: Όλες οι συνδέσεις να υλοποιηθούν βάσει των απαιτήσεων των κανονισμών (έλεγχος υλικών και ροπή σύσφιξης των συνδέσεων) Όλες οι διαδρομές των αγωγών καθόδου που βρίσκονται 50 εκατοστά ψηλότερα ως 50 εκατοστά χαμηλότερα από τους λοβούς ακτινοβολίας των κεραιών θα επενδυθούν με ένα στρώμα ταινίας φερρίτη για την αποφυγή ανεπιθύμητων ανακλάσεων. Αν εσωτερικά του πύργου, υπάρχουν θέσεις που δεν πρέπει να έχουν ηλεκτρική επαφή με τους αγωγούς καθόδου, πρέπει να επενδυθούν με ειδική ταινία ώστε να εξασφαλιστεί μόνωση της τάξης των 100kV. Τέλος, αν τα επίτονα στήριξης των ακίδων είναι μεταλλικά, πρέπει η διατομή τους να είναι τουλάχιστον 16mm 2 και οι θέσεις στήριξης τους εσωτερικά να συνδέονται,με τους αγωγούς καθόδου Αγωγοί καθόδου Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν με ασφάλεια το ρεύμα του κεραυνού στο σύστημα γείωσης. σύμφωνα με τον κανονισμό ΙΕC (2010) θα πρέπει να τοποθετηθούν τουλάχιστον σε απόσταση 10m μεταξύ τους (πίνακας 5.4).Εφόσον επιτευχθεί η ελάχιστη απόσταση μεταξύ τους, θα πρέπει να μελετηθεί η όσο το δυνατόν πιο περιμετρικά της κατασκευής και σε συμμετρική διάταξη εγκατάστασή τους. Σε περίπτωση που τα δομικά υλικά του πύργου ελέγχου είναι μεταλλικά και έχουν πολύ μεγαλύτερες διατομές από αυτές που απαιτούνται, τότε θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως αγωγοί καθόδου με την προϋπόθεση ότι έχει επιτευχθεί καλή ηλεκτρική συνέχεια μεταξύ τους. Επειδή οι πύργοι ελέγχου αποτελούν από την κατασκευή του ιδιαίτερα ψηλά κτίρια, οι αγωγοί καθόδου θα πρέπει να συνδέονται με ισοδυναμικές συνδέσεις ανά 20 μέτρα. ΣΤΑΘΜΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΜΕΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ(M) I 10 II 10 III 15 IV 20 Πίνακας 5.4: Μέση απόσταση μεταξύ των αγωγών καθόδου ανάλογα με τη στάθμη προστασίας[4] 48

53 5.2.3 Σύστημα γείωσης [9] Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι: Να διαχέεται το ρεύμα του κεραυνού στο έδαφος, μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης, χωρίς να αναπτύσσονται επικίνδυνες υπερτάσεις. Να συνδέει ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου, όπου αυτό είναι εφικτό. Να περιορίσει την ανύψωση του δυναμικού του εδάφους στην γύρω περιοχή. Να αναχαιτίζει τον κεραυνό στην περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Σύμφωνα με το ελληνικό πρότυπο του ΕΛΟΤ η αντίσταση γείωσης μπορεί να είναι μικρότερη ή ίση με 10Ω. Το σύστημα γείωσης εξαρτάται από την τοπογραφία του εδάφους. Επιπλέον το σύστημα γείωσης θα πρέπει να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού και να προστατεύει το προσωπικό από πτώσεις τάσης, τάσεις επαφής και βηματικές τάσεις. Το έδαφος γύρω από τη βάση στήριξης του πύργου ελέγχου αεροδρομίου είναι ιδανικό για την κατασκευή μιας αποτελεσματικής γείωσης. Τα συστήματα γείωσης που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν είναι διάφορα. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν εκτενέστερα 3 συστήματα γείωσης: 1.Κάθετες ράβδοι στο σημείο που οι αγωγοί καθόδου έρχονται σε επαφή με τη βάση του πύργου ελέγχου. Οι κάθετες ράβδοι έχουν ύψος 6 μέτρων. 2.Θεμελιακή γείωση στην βάση του πύργου. Η θεμελιακή γείωση πρέπει να εγκατασταθεί κατά την διάρκεια κατασκευής των θεμελίων, ειδάλλως μια περιμετρική ταινία θα μπορούσε να αντικαταστήσει την θεμελιακή γείωση. 3.Θεμελιακή γείωση μαζί με κάθετες ράβδους Σε περίπτωση που η αντίσταση του εδάφους δεν είναι επαρκώς χαμηλή, το σύστημα γείωσης μπορεί να βελτιωθεί. Οι 3 ράβδοι γείωσης μπορούν να επεκταθούν στα 10 μέτρα ή τρεις επιπλέον ράβδοι να εγκατασταθούν. Είναι πολύ σημαντικό η αντίσταση γείωσης να εμφανίζει όσο το δυνατόν μικρότερη τιμή, καθώς έτσι μειώνονται δραστικά οι τάσεις επαφής και οι βηματικές τάσεις. Ακόμη περιορίζονται οι μέγιστες τάσεις κατά μήκος του πύργου συμβάλλοντας έτσι στην προστασία των ηλεκτρονικών συσκευών αλλά και άλλων ευάλωτων στοιχείων της ανεμογεννήτριας. Η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος γείωσης εξαρτάται πάρα πολύ από την ειδική αντίσταση του εδάφους. Επειδή οι τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους ποικίλουν (πίνακας 5.5), ο μόνος ικανοποιητικός τρόπος για την εύρεση της τιμής της είναι να μετριέται κάθε φορά απευθείας η ειδική αντίσταση γείωσης. 49

54 5.3 Ισοδυναμικές συνδέσεις στα όρια των ζωνών αντικεραυνικής προστασίας Η ισοδυναμική σύνδεση πρέπει να πραγματοποιείται για όλα τα εξωτερικά αγώγιμα στοιχεία που εισέρχονται στην κατασκευή. Όταν τα εξωτερικά αγώγιμα στοιχεία και οι γραμμές, ηλεκτρικές και τηλεπικοινωνιακές, εισέρχονται στην κατασκευή σε διαφορετικά σημεία και απαιτούνται αρκετοί ζυγοί ισοδυναμικής σύνδεσης, αυτοί πρέπει να συνδέονται όσο το δυνατόν πλησιέστερα σε ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης, καθώς επίσης και στους οπλισμούς και στις μεταλλικές προσόψεις. Εάν δεν έχει προβλεφθεί περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης, αυτοί οι ζυγοί ισοδυναμικής σύνδεσης πρέπει να συνδέονται σε ξεχωριστά ηλεκτρόδια γείωσης και να διασυνδέονται με ένα εσωτερικό περιμετρικό αγωγό. Στην περίπτωση εισόδου εξωτερικών αγώγιμων στοιχείων πάνω από το έδαφος, οι ζυγοί ισοδυναμικής σύνδεσης πρέπει να είναι συνδεδεμένοι σε ένα οριζόντιο περιμετρικό αγωγό στο εσωτερικό ή το εξωτερικό του τοίχου, ο οποίος συνδέεται στους αγωγούς καθόδου καθώς και στον οπλισμό, κατά περίπτωση. Συνιστάται τα εξωτερικά αγώγιμα μέρη καθώς και οι γραμμές, ηλεκτρικές και τηλεπικοινωνιακές, που εισέρχονται στην κατασκευή στο επίπεδο του εδάφους να εισέρχονται στην ίδια θέση. Αυτό είναι πολύ σημαντικό όπου η κατασκευή του κτιρίου παρέχει μειωμένη θωράκιση. Ο ζυγός ισοδυναμικής σύνδεσης στο σημείο εισόδου μέσα στην κατασκευή πρέπει να είναι συνδεδεμένος όσο το δυνατόν πλησιέστερα στο ηλεκτρόδιο γείωσης, καθώς και στον οπλισμό. Ο περιμετρικός αγωγός πρέπει να είναι συνδεδεμένος με τον οπλισμό ή αλλά μέτρα θωράκισης ανά 5m. Η ελάχιστη διατομή των ζυγών ισοδυναμικής σύνδεσης για χαλκό ή γαλβανισμένο χάλυβα πρέπει να είναι 50 mm 2. Οι ζυγοί ισοδυναμικής σύνδεσης που προορίζονται για κατασκευές που περιλαμβάνουν πληροφοριακά συστήματα όπου οι επιδράσεις του κεραυνικού πλήγματος πρέπει να είναι ελαχιστοποιημένες, είναι προτιμότερο να έχουν τη μορφή μεταλλικής πλάκας με πολλαπλά σημεία συνδέσεων με τον οπλισμό ή με άλλα στοιχεία θωράκισης Ισοδυναμικές συνδέσεις πληροφοριακών συστημάτων Το κοινό σύστημα γείωσης της κατασκευής περιλαμβάνει το εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, στο οποίο προστίθεται η σύνδεση των μεταλλικών εγκαταστάσεων, προκειμένου να επιτευχθεί ένα σύστημα γείωσης πλέγματος χαμηλής επαγωγής. Για τα εκτεθειμένα αγώγιμα μέρη των πληροφοριακών συστημάτων, τα δίκτυα ισοδυναμικής σύνδεσης πρέπει να είναι τοποθετημένα. Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι για τη σύνδεση των μεταλλικών στοιχείων των πληροφοριακών συστημάτων με την κοινή γείωση της κατασκευής, όπως θάλαμοι, περιβλήματα ή σχάρες. Μια από τις δύο βασικές διαμορφώσεις των ισοδυναμικών δικτύων πρέπει να χρησιμοποιείται: Διαμόρφωση αστέρα τύπου S Διαμόρφωση πλέγματος τύπου Μ Εάν χρησιμοποιείται δίκτυο ισοδυναμικής σύνδεσης τύπου S, όλα τα μεταλλικά εξαρτήματα του συστήματος πρέπει να είναι επαρκώς μονωμένα από τα εξαρτήματα του κοινού συστήματος γείωσης, με εξαίρεση το σημείο σύνδεσης. Γενικά το δίκτυο ισοδυναμικής σύνδεσης τύπου S χρησιμοποιείται για σχετικά μικρές, τοπικά περιορισμένες εγκαταστάσεις, όπου όλες οι υπηρεσίες και τα καλώδια εισέρχονται στο πληροφοριακό σύστημα σε ένα μόνο σημείο. 50

55 Το δίκτυο ισοδυναμικής σύνδεσης S πρέπει να είναι ενσωματωμένο στο κοινό σύστημα γείωσης σε ένα μόνο σημείο, το οποίο ονομάζεται σημείο αναφοράς της γείωσης. Επίσης, σε αυτήν την περίπτωση, όλες οι γραμμές και τα καλώδια του εξοπλισμού πρέπει να είναι παράλληλα με τις ισοδυναμικές γραμμές, οι οποίες έχουν διαμόρφωση αστέρα ώστε να αποφεύγονται οι επαγωγικοί βρόχοι. Λόγω του μοναδικού σημείου σύνδεσης, κανένα ρεύμα χαμηλής συχνότητας που σχετίζεται με τον κεραυνό, δεν μπορεί να εισέλθει στο πληροφοριακό σύστημα και, επιπλέον, οι πηγές παρεμβολών χαμηλής συχνότητας που βρίσκονται μέσα στο πληροφοριακό σύστημα δεν μπορούν να παράγουν ρεύματα γης. Αυτό το μοναδικό σημείο σύνδεσης είναι επίσης το ιδανικό σημείο για την σύνδεση των περιοριστών υπερτάσεων προκειμένου να περιορίζονται οι επαγόμενες υπερτάσεις. Εάν χρησιμοποιείται δίκτυο ισοδυναμικής σύνδεσης τύπου Μ, τα μεταλλικά εξαρτήματα του συστήματος δεν πρέπει να είναι μονωμένα από τα εξαρτήματα του κοινού συστήματος γείωσης. Το δίκτυο ισοδυναμικής σύνδεσης τύπου Μ πρέπει να είναι ενσωματωμένο στην κοινή γείωση σε πολλά σημεία. Γενικά, το δίκτυο ισοδυναμικής σύνδεσης τύπου Μ χρησιμοποιείται για σχετικά εκτεταμένες και ανοικτές εγκαταστάσεις, όπου πολλές γραμμές και καλώδια περνούν ανάμεσα στα στοιχεία του εξοπλισμού και όπου οι υπηρεσίες και τα καλώδια εισέρχονται στο πληροφοριακό σύστημα σε αρκετά σημεία. Οι δύο τύποι ισοδυναμικής σύνδεσης φαίνονται στο σχήμα 5.1 Σχήμα 5.1: Οι δύο τύποι ισοδυναμικής σύνδεσης S και Μ[28] 51

56 5.4 Αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των μέτρων θωράκισης κατά Lemp για κατασκευές με ηλεκτρονικά συστήματα σε περίπτωση άμεσου ή κοντινού πλήγματος κεραυνού Η κύρια πηγή παρεμβολών στα ηλεκτρονικά συστήματα είναι το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τα ρεύματα όλων των διαφορετικών φάσεων του κεραυνού. Αν τα κτίρια ή τα δωμάτια μέσα στα οποία βρίσκονται τα ηλεκτρονικά συστήματα είναι κατάλληλα θωρακισμένα, το ηλεκτρικό πεδίο μειώνεται σε ικανοποιητικά χαμηλό επίπεδο. Στην πράξη θωρακίσεις μεγάλου όγκου δωματίων ή κατασκευών σχηματίζονται από φυσικά εξαρτήματα όπως μεταλλικά στηρίγματα, μεταλλικά ανοίγματα ή μεταλλικές μπάρες ( οπλισμένου σκυροδέματος) που υπάρχουν μέσα στον τοίχο. Σχήμα 5.2: Μεταλλική θωράκιση μεγάλου όγκου κατασκευής[28] Αυτά τα εξαρτήματα σχηματίζουν μια θωράκιση, το σχήμα της οποίας θεωρείται για λόγους απλότητας ότι μοιάζει με κυλινδρικό κλουβί. Για να γίνει ο υπολογισμός του μαγνητικού πεδίου και της επαγόμενης τάσης γίνεται η υπόθεση πως στο επάνω και στο κάτω μέρος των αγωγών καθόδου είναι τοποθετημένες μεταλλικές αγώγιμες επιφάνειες τις οποίες πλήττει άμεσα ο κεραυνός. Το ρεύμα μοιράζεται σε όλους τους αγωγούς καθόδου. 52

57 Σχήμα 5.3: Μεταλλική θωράκιση τύπου κυλινδρικού κλωβού[28] Σχήμα 5.4: Εξασθένηση μαγνητικού πεδίου[28] Η εξασθένηση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο ενός κτιρίου με θωράκιση όπως φαίνεται στο σχήμα είναι Sf. Εκτιμάται το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό μιας τέτοιας θωράκισης ως εξής: Για κάθε συχνότητα το πλάτος ρεύματος ΑDi(f) διαιρείται με το συντελεστή εξασθένισης Sf. H πυκνότητα εύρους του μαγνητικού πεδίου εντός της θωράκισης είναι: sa: μέση απόσταση μεταξύ του σημείου χτυπήματος του κεραυνού και τη θωράκισης f : συνήθεις τιμές συχνοτήτων είναι τα 100 Hz έως 1 ΜΗz. Δηλαδή η πυκνότητα εύρους του μαγνητικού πεδίου της θωράκισης όπως ήταν αναμενόμενο μειώνεται όσο απομακρύνεται κανείς από το σημείο χτυπήματος του κεραυνού. 53

58 5.4.1 Εξασθένηση πεδίου για θωράκιση που διαρρέεται από ρεύμα Η θωράκιση ενός κτιρίου μπορεί να είναι τμήμα του ΣΑΠ και να διαρρέεται από ρεύμα κεραυνού. Για αυτού του είδους τη θωράκιση δεν έχει υπολογιστεί η εξασθένιση του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της. Για το σκοπό της αντικεραυνικής προστασίας γίνεται μια εξιδανικευμένη προσέγγιση της τιμής της εξασθένισης. Το μαγνητικό πεδίο μέσα από τη θωράκιση μετράται από την μαγνητική επαγωγή Μ και θα συγκριθεί με την τιμή του μαγνητικού πεδίου που θα προέκυπτε στην περίπτωση ενός κοινού ΣΑΠ ( χωρίς θωράκιση) σε απόσταση μεταξύ των αγωγών καθόδου 10 m (Στάθμη προστασίας Ι). Στο σχήμα 5.3 υποτίθεται ότι ένα χτύπημα κεραυνού στο επάνω μέρος προκαλεί συμμετρική ροή ρεύματος στα κατακόρυφα μεταλλικά στηρίγματα, ενώ τα οριζόντια δεν διαρρέονται από ρεύμα και για αυτό το λόγο μπορούν να παραλειφθούν. Ένας βρόχος όπως φαίνεται στο σχήμα, στην πράξη σχηματίζεται στο εσωτερικό των εγκαταστάσεων από γραμμές ισχύος και τηλεπικοινωνιών. Η χειρότερη περίπτωση της θέσης του βρόχου που προκαλεί και την μεγαλύτερη υπέρταση είναι όταν αυτός έχει το ένα άκρο του στον εξωτερικό αγωγό και το άλλο στο κέντρο της θωράκισης. Η αμοιβαία μαγνητική επαγωγή Μ ενός τέτοιου βρόχου είναι : d: διάμετρος μιας κατακόρυφης μπάρας l: μήκος του βρόχου επαγωγής r: ακτίνα της θωράκισης w: απόσταση ανάμεσα στις μπάρες Η αμοιβαία μαγνητική επαγωγή στο κέντρο ενός ΣΑΠ στάθμης Ι, δηλαδή μιας κυλινδρικής θωράκισης με w=10m και d=8mm είναι: H εξασθένιση S ορίζεται: 5.5 Επαγόμενες τάσεις στους εσωτερικούς βρόχους Η μέση τιμή της επαγόμενης τάσης κατά τη διάρκεια μετώπου του ρεύματος Τ1 είναι : 54

59 M: μαγνητική επαγωγή που υπολογίζεται από τη σχέση 1 I: η μέγιστη τιμή του συνολικού ρεύματος του κεραυνού T1: η διάρκεια μετώπου του ρεύματος Το ρεύμα που αναπτύσσεται μέσα στο βρόχο λόγω της επαγόμενης τάσης V1 έχει την ίδια μορφή με αυτή του κεραυνικού ρεύματος αν αγνοηθεί η ωμική αντίσταση του βρόχου (δηλαδή εξετάζεται η χειρότερη περίπτωση). Το ρεύμα αυτό μπορεί να υπολογισθεί: και η μέγιστη τιμή του : I : μέγιστη τιμή του συνολικού ρεύματος του κεραυνού Μ : μαγνητική επαγωγή του βρόχου i: συνάρτηση του συνολικού ρεύματος του κεραυνού L: αυτεπαγωγή του βρόχου Στην πράξη, η κατανομή του ρεύματος δεν είναι πάντα το ίδιο ομοιόμορφη, ειδικά στην περίπτωση κάποιου χτυπήματος στην γωνία ενός χαμηλού κτιρίου θα υπάρχουν ρεύματα που θα διαρρέουν και τους οριζόντιους αγωγούς. Για αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται συντελεστές διόρθωσης για τον υπολογισμό των επαγόμενων τάσεων και των επαγόμενων ρευμάτων. Κεφάλαιο 6 : Το πρόγραμμα προσομοίωσης Orcad-Pspice 6.1: Γενικά για το Orcad Spice Το πρόγραμμα Pspice είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο πρόγραμμα για αναλογικές και ψηφιακές προσομοιώσεις κυκλωμάτων που λειτουργεί σε περιβάλλον Microsoft Windows.Αναπτύχθηκε από την εταιρεία Orcad και συνεχίζει να αναπτύσσεται με νέες εκδόσεις κάθε χρόνο λόγω της ευρείας χρησιμοποίησης του. Το όνομα του είναι ένα ακρωνύμιο του Personal Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε αρχικά με σκοπό την προσομοίωση κυκλωμάτων αυτοματισμού και στην συνέχεια εξελίχθηκε στην προσομοίωση αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων. Ο πυρήνας του προγράμματος αποτελείται από ένα μεταφραστή (compiler) που μεταφράζει τα κατάλληλα γραμμένα αρχεία εισόδου σε αρχεία εξόδου αποτελεσμάτων. Ο μεταφραστής υποστηρίζεται από πολλές άλλες εφαρμογές που χρησιμεύουν στην διαδικασία κατασκευής των αρχείων εισόδου ή στην επεξεργασία αρχείων εξόδου. Το Pspice αναλύει το κύκλωμα που θα του δοθεί στο πεδίο του χρόνου επιλύοντας τις διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων που το απαρτίζουν. Οι διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων λύνονται από 55

60 τον πυρήνα του προγράμματος αριθμητικά. Η ανάλυση του κυκλώματος, με επίλυση διαφορικών εξισώσεων, δίνει στο πρόγραμμα τη δυνατότητα να υπολογίζει όλα τα μεταβατικά φαινόμενα που θα εμφανιστούν σε αυτό. Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι με το Pspice υπολογίζονται μόνο μεταβατικές καταστάσεις αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για ανάλυση κυκλωμάτων στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Το περιβάλλον Capture CIS Toπρόγραμμα Capture CIS είναι ένας γραφικός προεπεξεργαστής για το πρόγραμμα PSICEσε περιβάλλον Windowsπου δημιουργεί αρχεία.dat. Με το Capture CISδίνεται η δυνατότητα της γραφικής απεικόνισης στον υπολογιστή του κυκλώματος ή ηλεκτρικού συστήματος προς προσομοίωση, επιλέγοντας στοιχεία από μια εκτεταμένη παλέτα. Μέσα από το πρόγραμμα αναπαρίσταται με τη μορφή δομικών στοιχείων το κυκλωματικό σχέδιο του κυκλώματος ή ηλεκτρικού δικτύου, ορίζονται οι απαραίτητες παράμετροι με σχετικά εύκολο και απλό,προκειμένου να προχωρήσει ο μελετητής στην ανάλυση με το PSICE. Η έξοδος του PSPICEείναι το αρχείο εισόδου ( textfile ) που χρειάζεται το PSPICE, ώστε να προσομοιώσει το σύστημα. Υπάρχει και η δυνατότητα απευθείας συγγραφής του αρχείου κειμένου που χρειάζεται το Pspice, αλλά η συγγραφή του χωρίς την οπτική απεικόνιση του κυκλώματος αποτελεί δύσκολη διαδικασία και εμπειρία χρήσης του προγράμματος. Στο περιβάλλον του προγράμματος δίνεται η δυνατότητα της σχεδίασης του κυκλώματος με τη βοήθεια του ποντικιού του χρήστη, τοποθετώντας σε αυτό τα ηλεκτρικά στοιχεία, όπως για παράδειγμα γραμμικά στοιχεία, μη γραμμικά στοιχεία, πηγές, μηχανές, γραμμές μεταφοράς κ.ο.κ. Τα περισσότερα από τα στοιχεία υπάρχουν ήδη έτοιμα (μοντελοποιημένα) σε παλέτες στοιχείων. Το Capture-CISυποστηρίζει όλες τις λειτουργίες του περιβάλλοντος Microsoft Windows, όπως copy/paste, rotate, import/export, groupκαθώς και πολλαπλά παράθυρα ανοιχτά. Στην εικόνα 6.1 φαίνεται η οθόνη του προγράμματος Capture-CISμε μερικά από τα ήδη υπάρχοντα στοιχεία. Σχήμα 6.1: Περιβάλλον Capture CIS Αξίζει να σημειωθεί πως το μεγάλο πλεονέκτημα του Orcad-PSICE αποτελεί η όλο και μεγαλύτερη βάση βιβλιοθηκών που συμπεριλαμβάνουν όλο και μεγαλύτερο αριθμό στοιχείων. Με αυτόν τον τρόπο στο Pspice δύναται να προσομοιωθούν περισσότερα αλλά και πιο εξειδικευμένα 56

61 κυκλώματα. Ακόμη, όλες οι παγκόσμιες μεγάλες εταιρείες παραγωγής ηλεκτρονικών στοιχείων, εκδίδουν συνεχώς βιβλιοθήκες για την προσομοίωση των νέων τους ηλεκτρονικών στοιχείων στο Pspice. Τέλος, αν οποιοδήποτε στοιχείο δεν συμπεριλαμβάνεται σε καμία από τις υπάρχουσες βιβλιοθήκες, τότε ο καθένας θα μπορούσε μέσω προγραμματισμού να προσομοιώσει το στοιχείο και τη λειτουργία του Περιβάλλον Pspice Simulation Manager Το περιβάλλον Simulation Manager του Pspice είναι ένα εργαλείο σχεδιασμού κυματομορφών γραφικών παραστάσεων αλλά και διαχείρισης της προσομοίωσης, το οποίο επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου του Capture CIS και σχεδιάζει αντίστοιχα τις γραφικές παραστάσεις. Ως γραφικές παραστάσεις μπορούν να παρουσιαστούν οι διάφορες τάσεις, ρεύματα και ισχύεις στα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος. Για να μπορέσει ο Simulation Manager να παρουσιάσει τις διάφορες γραφικές που θα ζητηθούν, πρέπει αρχικά να δημιουργηθεί ένα προφίλ προσομοίωσης που θα περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα δεδομένα. Αυτό γίνεται μέσω του παραθύρου Simulation Settings (σχήμα 6.2). Σχήμα 6.2 : Το παράθυρο Simulation Settings Αφού οριστούν τα κατάλληλα στοιχεία της προσομοίωσης όπως ο χρόνος προσομοίωσης, η ακρίβεια που επιζητούμε στα μετρούμενα μεγέθη, η θεωρητική θερμοκρασία λειτουργίας, τα σημεία που θα γίνουν μετρήσεις δεδομένων κ.α., η προσομοίωση είναι έτοιμη να προχωρήσει. Πατώντας την επιλογή play στο κεντρικό περιβάλλον του Pspice η προσομοίωση τρέχει και ταυτόχρονα οι διάφορες γραφικές παραστάσεις που ζητήθηκαν παρουσιάζονται στο περιβάλλον Simulation Manger. 57

62 Τα κύρια χαρακτηριστικά του Simulation Manager είναι: Εύκολο στη χρήση GUI (Graphical User Interface) Σχεδιασμός ως προς το χρόνο Δυνατότητα επιλογής χρωμάτων Επιλογή μεγέθυνσης Δυνατότητα χρήσης κέρσορα για επακριβή υπολογισμό τιμών και χρονικών στιγμών Δυνατότητες copy-paste, BMP format saving. Εφόσον η προσομοίωση λειτουργεί, οποιαδήποτε τάση ή ρεύμα σε οποιοδήποτε στοιχείο του κυκλώματος μπορεί να προσομοιωθεί μέσω της εντολής add trace που βρίσκεται στην καρτέλα trace του Simulation Manager. Σχήμα 6.3: Περιβάλλον Simulation Manager του Pspice Κεφάλαιο 7 : Επιλογή μοντέλου στοιχείων αντικεραυνικής προστασίας Προσομοίωση 7.1 Επιλογή Μοντέλου Επιλογή μοντέλου γείωσης 58

63 Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιo 4, η προσέγγιση του συστήματος γείωσης θα πραγματοποιηθεί στο πεδίο του χρόνου καθώς είναι πιο κατανοητή και πιο απλή, ειδικά σε αυτήν την εργασία που χρησιμοποιείται το ORCAD Pspice ως πρόγραμμα προσομοίωσης. Έτσι λοιπόν επιλέγεται η κυκλωματική προσέγγιση για να προσομοιωθεί το σύστημα γείωσης, που εύκολα μπορεί να συμπεριλάβει το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους καθώς και τις αμοιβαίες συζεύξεις μεταξύ των αγωγών. Εάν επρόκειτο να μελετηθεί η συμπεριφορά του συστήματος γείωσης σε ρεύματα χαμηλής συχνότητας θα μπορούσε να προσομοιωθεί μόνο από ωμικές αντιστάσεις, ενώ στην περίπτωση διεγέρσεων υψηλής συχνότητας, το πλέγμα προσομοιώνεται από ένα συγκεντρωμένο R-L-Cκύκλωμα. Όπως αναφέρθηκε στην ενότητα , το μοντέλο κυκλωματικής προσέγγισης που πρότειναν οι Rong Zeng et.al[20], είναι μοντέλο κατανεμημένων και χρονικά μεταβαλλόμενων παραμέτρων που λαμβάνει υπόψη τα προαναφερθέντα φαινόμενα και υπό το πλήγμα κρουστικών ρευμάτων μπορεί να αναπαρασταθεί ως υπέρθεση π-ισοδύναμων κυκλωμάτων όπως φαίνεται στο σχήμα 7.1. Για την συγκεκριμένη προσομοίωση γίνονται οι εξής θεωρήσεις: Το έδαφος θεωρείται ομογενές και ισότροπο, όπου η ειδική του αντίσταση, η διηλεκτρική σταθερά και η μαγνητική διαπερατότητα είναι σταθερές Λαμβάνεται υπόψη το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους σύμφωνα με το μοντέλο αυξημένων διαστάσεων Οι μεταβλητές R και L που χρησιμοποιούνται, αναπαριστούν τις ωμικές απώλειες και την αυτεπαγωγή των αγωγών αντίστοιχα, ενώ οι εγκάρσιες Gκαι Cαναπαριστούν την αγωγιμότητα διαρροής και τη χωρητικότητα ως προς το έδαφος αντίστοιχα. Δεν συμπεριλαμβάνονται οι αμοιβαίες συζεύξεις μεταξύ των αγωγών, αφού είναι αμελητέα η διαφορά στην τιμή των παραμέτρων. Οι σχέσεις που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία για υπολογισμό των παραμέτρων των ισοδυνάμων R-L-Cκυκλωμάτων, είναι οι σχέσεις ( ) που επαναλαμβάνονται εδώ για λόγους πληρότητας. ρ: η ειδική αντίσταση του εδάφους 59

64 7.1.2 Στοιχεία συστήματος γείωσης Στην παρούσα εργασία βάσει της οδηγίας ANSI/IEEE Standard , επιλέχθηκε να μελετηθούν 3 είδη γειώσεων. Το πρώτο είδος είναι μόνο κάθετες ράβδοι στην βάση του πύργου ελέγχου. Το δεύτερο σύστημα γείωσης είναι η θεμελιακή γείωση και το σχήμα της είναι κυκλικό με ακτίνα τεσσάρων μέτρων. Το τρίτο σύστημα γείωσης συνδυάζει τα 2 παραπάνω, δηλαδή μια θεμελιακή γείωση και σε επιλεγμένα σημεία τοποθετημένες κάθετες ράβδοι. Τα συστήματα γείωσης είναι κατασκευασμένα από χάλκινους επικασσιτερωμένους αγωγούς διατομής 120mm 2 και από χαλύβδινες επιχαλκωμένες ράβδους με Φ 19x300 mm. Οι διάφορες συγκολλήσεις της θεμελιακής γείωσης και των κάθετων ράβδων θα πρέπει να γίνει με εξωθερμική συγκόλληση. Η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους θα θεωρηθεί 50Ωm. Επίσης η σχετική διηλεκτρική σταθερά ισούται με εr=5, η διηλεκτρική διαπερατότητα του κενού ε0=8,854x10-12 [F/m] και η μαγνητική διαπερατότητα του κενού είναι μ0=4*π*10-7 [H/m] Επιλογή στοιχείων συλλεκτήριων αγωγών αγωγών καθόδου. Για το συλλεκτήριο σύστημα που θα εγκατασταθεί στην κορυφή του πύργου ελέγχου αεροδρομίου επιλέχθηκε μόνο ένας αγωγός περιμετρικά του κτιρίου. Ο αγωγός επιλέχθηκε να είναι χάλκινος και να έχει διατομή 8mm. Η ιδανική περίπτωση θα ήταν να υπάρχει και ένας συλλεκτήριος αγωγός διαμετρικά στο συλλεκτήριο σύστημα που θα χωρίσει το συλλεκτήριο σύστημα σε δύο ημικύκλια, αλλά στην περίπτωση του πύργου ελέγχου αεροδρομίου αυτό κρίνεται αδύνατο καθώς η κορυφή του κτιρίου είναι καλυμμένη από κεραίες και συστήματα τηλεπικοινωνιών. Μια πιθανή ύπαρξη ενός συλλεκτήριου αγωγού θα δημιουργούσε προβλήματα παρασίτων και ανεπιθύμητων ανακλάσεων. Για να προστατευτούν όμως με τη σειρά τους οι διάφορες κεραίες εκπομπής και λήψης είναι απαραίτητο να εγκατασταθούν ακίδες, οι οποίες δεν θα πρέπει να παρεμβάλλονται μεταξύ πομπού και δέκτη Επιλογή αγωγών καθόδου Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 5 οι αγωγοί καθόδου του πύργου ελέγχου αεροδρομίου θα είναι τρεις και θα εγκατασταθούν σε ισαπέχουσες αποστάσεις μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, επειδή ο πύργος μας έχει ακτίνα τεσσάρων μέτρων, η περίμετρος του θα είναι : Άρα οι αγωγοί θα το τοποθετηθούν σε απόσταση περίπου 8.4 μέτρων μεταξύ τους. Οι αγωγοί καθόδου ανά 20 μέτρα θα ενώνονται ισοδυναμικά με ένα δαχτυλίδι που θα έχει ακτίνα ίση με τέσσερα μέτρα, παρόμοιο με αυτό που βρίσκεται στην κορυφή του πύργου. Τα ισοδυναμικά δαχτυλίδια αλλά και οι αγωγοί καθόδου, στην παρούσα διπλωματική εργασία, επιλέγονται να είναι κατασκευασμένα από χαλκό ώστε να δύναται ο υπολογισμός και η αναπαράσταση των χαρακτηριστικών R, L στο πρόγραμμα προσομοίωσης. Συγκεκριμένα υποθέτουμε αγωγούς χαλκού 8mm. Για τον υπολογισμό της ανά μέτρο αντίστασης του εκάστοτε αγωγού χρησιμοποιούνται οι παρακάτω τύποι[23]: 60

65 A: διατομή του αγωγού σε mm 2 l: το μήκος του αγωγού ρ: η ειδική αντίσταση του υλικού σε Ωmm 2 /m Αντίστοιχα για τον υπολογισμό της αυτεπαγωγής του κάθε αγωγού χρησιμοποιήθηκε: D: απόσταση μεταξύ των αγωγών R: διατομή των αγωγών 7.2 Προσομοίωση Η προσομοίωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και η ανάλυση της μεταβατικής συμπεριφοράς θα γίνει με τη χρήση του Orcad-Pspice που αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Το μόνο μειονέκτημα της χρησιμοποίησης του Pspice είναι ότι υπάρχει όριο στην προσομοίωση καθώς δεν συμπεριλαμβάνει φαινόμενα όπως το επιδερμικό, φαινόμενα corona και άλλα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα στη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων. Από την άλλη μεριά το Pspice αποτελεί ένα πολύ εύχρηστο πρόγραμμα προσομοίωσης και στην παρούσα διπλωματική εργασία το μοντέλο που αναλύεται είναι απλοποιημένο και θα μπορούσαμε να παραλείψουμε ορισμένα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Ως αποτέλεσμα, τα στοιχεία που προκύπτουν από την προσομοίωση μπορούν να θεωρηθούν πολύ αξιόπιστα Κρουστικό ρεύμα κεραυνού Για αναλυτικούς σκοπούς όπως στη συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιείται ως ρεύμα κεραυνού αυτό που πρότεινε αρχικά ο Heidler και είναι σύμφωνο με τον διεθνή κανονισμό της IEC [4]. Ι: ρεύμα κορυφής k: Διορθωτικός συντελεστής ρεύματος κορυφής t: Χρόνος τ1: Χρόνος μετώπου τ2: Χρόνος ουράς ή χρόνος ημίσεος εύρους Οι παράμετροι για το πρώτο και το επακόλουθο πλήγμα της κυματομορφής (7.3) δίνονται στον πίνακα 7.1. Παράμετροι First short stroke Subsequent short stroke LPL LPL I II III-IV I II III-IV I[kA] K 0,93 0,93 0,93 0,993 0,993 0,993 τ1[μs] ,454 0,454 0,454 τ2[μs] Πίνακας 7.1: Παράμετροι για την κυματομορφή (7.1)[24] Έτσι λοιπόν, αν το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας υποβάλλεται σε κρουστικό ρεύμα κεραυνού, βάσει των πιο πάνω με ρεύμα κορυφής Ι=150kA, χρόνο μετώπου τ1=19μs και χρόνο ουράς τ2=485μs. 61

66 Στα σχήματα φαίνονται οι κυματομορφές του χρόνου ανόδου και χρόνου ουράς αντίστοιχα βάσει του κανονισμού[25]. Σχήμα 7.1: Κυματομορφή ρεύματος ανόδου [4] Σχήμα 7.2: Κυματομορφή ρεύματος ουράς [4] Με τη βοήθεια του Microsoft Excel, υπολογίστηκαν οι τιμές των στοιχείων του συστήματος γείωσης, χρησιμοποιώντας του τύπους και παρατίθενται στον πίνακα

67 Πίνακας 7.2: Τιμές στοιχείων συστήματος γείωσης και σταθερές Επιπλέον oι τιμές των στοιχείων που απαρτίζουν το συλλεκτήριο σύστημα και του αγωγούς καθόδου μπορούν να υπολογιστούν εύκολα αν πρώτα υπολογίζουμε τις ανά μέτρο τιμές. Για το συλλεκτήριο σύστημα και τους αγωγούς καθόδου που μελετήθηκαν οι ανά μέτρο τιμές της αντίστασης και της αυτεπαγωγής των αγωγών είναι: R= Ω/m L= μη/m Αφού υπολογίστηκαν οι παραπάνω τιμές, μπορεί να σχεδιαστεί το ισοδύναμο κύκλωμα για το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας στο περιβάλλον Capture-Cis. Προκύπτουν τα κυκλώματα που ακολουθούν : 63