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 Χαραλάμπου Νικόλαου του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: Θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΝΗΣΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΗΠΕΙΡΩΤΙΚΗ ΧΩΡΑ ΜΕΣΩ ΥΠΟΒΡΥΧΙΟΥ ΚΑΛΩΔΙΟΥ» Επιβλέπουσα Πυργιώτη Ελευθερία Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2021

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Νικόλαος Χαραλάμπου 2021 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Νικόλαο Χαραλάμπου, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από την ίδιο/α, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΝΗΣΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΗΠΕΙΡΩΤΙΚΗ ΧΩΡΑ ΜΕΣΩ ΥΠΟΒΡΥΧΙΟΥ ΚΑΛΩΔΙΟΥ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Χαραλάμπου Νικόλαου του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Πυργιώτη Ελευθερία Καθηγήτρια Η Διευθυντής του Τομέα Τατάκης Εμμανουήλ Καθηγητής 3

4

5 Ευχαριστίες: Θα ήθελα να ευχαριστήσω την καθηγήτρια και επιβλέπουσα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την βοήθεια που μου προσέφερε προς την ολοκλήρωση της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου για τη βοήθεια που μου προσέφεραν με τον δικό τους τρόπο. 2

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΝΗΣΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΗΠΕΙΡΩΤΙΚΗ ΧΩΡΑ ΜΕΣΩ ΥΠΟΒΡΥΧΙΟΥ ΚΑΛΩΔΙΟΥ» Φοιτητής: ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Επιβλέπουσα: ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η περιγραφή των υποβρυχίων καλωδίων όσων αφορά τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους, τον τρόπο εγκατάστασης τους, τις πιθανές βλάβες που μπορούν να εμφανίσουν καθώς επίσης και το ενεργειακό αποτύπωμα τόσο από τη σύσταση των καλωδίων όσο από την εγκατάσταση και τη χρήση τους. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται πληροφορίες σχετικά με την παραγωγική διαδικασία των υποβρυχίων καλωδίων ενέργειας. Ειδικότερα δίνεται η περιγραφή των σταδίων και του μηχανολογικού εξοπλισμού της παραγωγικής διαδικασίας όπως αυτή γίνεται στην βιομηχανία «Ελληνικά Καλώδια». Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία πόντισής τους στο θαλάσσιο πυθμένα. Επίσης, γίνεται αναφορά στις απαιτούμενες διαδικασίες μελέτης της θαλάσσιας περιοχής πριν από την πόντιση ενός καλωδίου. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται ο απαραίτητος εξοπλισμός για την εγκατάσταση, αλλά και οι δοκιμές των καλωδίων μετά την εγκατάσταση τους. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνονται πληροφορίες σχετικά με τις βλάβες που παρουσιάζονται στα υποβρύχια καλώδια, τα αίτια των βλαβών, τη μέθοδο εντοπισμού της θέσης βλάβης και τον τρόπο αντιμετώπισης τους. Επίσης αναφέρονται προτάσεις για την μείωση των βλαβών. 4

8 Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι επιπτώσεις στο περιβάλλον από την φάση εγκατάστασης, λειτουργίας, συντήρησης και παροπλισμού του υποβρύχιου καλωδίου. Οι επιπτώσεις μπορεί να περιλαμβάνουν διαταραχές φυσικών οικοτόπων, επαναιώρηση ιζημάτων, χημική ρύπανση, εκπομπές υποβρύχιου θορύβου, αλλαγές στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, εκπομπές θερμότητας και δημιουργία τεχνητών υφάλων. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται προσομοίωση ενός τριπολικού υποβρυχίου καλωδίου XLPE HVAC και εξάγονται συγκεκριμένα αποτελέσματα και συμπεράσματα των θερμικών επιπτώσεων πάνω σε αυτό. 5

9 Diploma Thesis Number: Title: STUDY OF INTERCONNECTION OF ISLANDS WITH THE CONTINENTAL COUNTRY THROUGH SUBMARINE CABLE Student: CHARALAMPOU NIKOLAOS Supervisor: PYRGIOTI ELEFTHERIA Abstract The purpose of this thesis is to describe the submarine cables in terms of their technical characteristics, how they are installed, the possible damages they may cause as well as the energy footprint both from the composition of the cables, the installation and the operation phase. The first chapter provides information on the production process of submarine power cables. In particular, the description of the stages and the equipment of the production process as given in the "Hellenic Cables" industry. The second chapter describes the laying procedure of them at the bottom of the sea. Also, reference is made to the required study procedures of the marine area before the wiring of a cable. In addition, the necessary equipment for the installation is presented, as well as the testing of the cables after their installation. The third chapter provides information on the faults that occur in submarine cables, the causes of the faults, the method of locating the fault location and how to deal with them. Suggestions for reducing damage are also mentioned. The fourth chapter describes the environmental impacts from the installation, operation, maintenance and decommissioning phase of the submarine cable. The effects may 6

10 include disturbances in natural habitats, sediment resuspension, chemical pollution, underwater noise, changes in electromagnetic fields, heat emissions and the reef effect. The fifth and last chapter describes the simulation of an XLPE HVAC submarine cable and we get specific results and conclusions of the thermal effects on the cable. 7

11 Περιεχόμενα Πρόλογος Εισαγωγή Μεταφορά και Διανομή Ηλεκτρικής Ενέργειας Γραμμές μεταφοράς Κεφάλαιο 1 ο : Παραγωγική Διαδικασία Υποβρυχίου Καλωδίου Παραγωγή Συρμάτων Χαλκού και Αλουμινίου (Συρματουργείο) Μηχανές Συρματουργίας Μηχανές Ανόπτησης Σχηματισμός Αγωγού Μηχανές Στρεπτικές Αγωγών Μόνωση Μηχανές Μονώσεως Αγωγών και Συρμάτων Απαερίωση Φούρνοι Βουλκανισμού Θάλαμοι Απαερίωσης Εφαρμογή Μεταλλικού και Πλαστικού Μανδύα Μηχανές Τοποθέτησης Προστασίας Βραχυκυκλώματος (Screening Machines) Περιέλιξη των Πόλων Μηχανές Στρεπτικές Καλωδίων Μηχανές Μανδυών Ενδιάμεσων και Τελικών Προϊόντων Οπλισμός Μηχανές Οπλισμού Καλωδίων Αποθήκευση Ποιοτικός Έλεγχος Δοκιμές Κεφάλαιο 2 ο : Πόντιση Υποβρυχίου Καλωδίου Ενέργειας Μελέτη για την Επιλογή Σημείων Προσαιγιάλωσης Μελέτη του Βυθού Περιγραφή Εργασιών Τοποθέτησης και Προστασίας Υποβρύχιου Καλωδίου Δοκιμές Καλωδίων μετά την Εγκατάσταση Κεφάλαιο 3 ο : Βλάβες Υποβρυχίων Καλωδίων Αίτια Βλαβών Αλιευτικές Δραστηριότητες

12 2. Ηλεκτρικά Σφάλματα Θερμικά Σφάλματα Περιβαλλοντικοί Παράγοντες Σφάλματα Κατασκευής Γήρανση Σφάλματα κατά την Πόντιση Άγνωστες Αιτίες Εντοπισμός Θέσης Βλάβης TDR (Time Domain Reflctometer) Αντιμετώπιση Βλαβών Διαδικασία Επισκευής Υποβρυχίου Καλωδίου Προτάσεις (τρόποι) Μείωσης Βλαβών Κεφάλαιο 4 ο : Περιβάλλον και Υποβρύχια Καλώδια Επιπτώσεις στο Περιβάλλον από τη Χρήση Υποβρυχίων Καλωδίων Αλλαγές στο Θαλάσσιο Οικοσύστημα (Habitat Reworking) Φυσικές Αλλαγές Βιολογικές Αλλαγές Επαναιώρηση Ιζημάτων (Sediment Resuspension) Χημική Ρύπανση (Chemical Pollution) Υποβρύχιος Θόρυβος (Underwater Noise) Φαινόμενου Ύφαλου (Reef Effect) Αποθεματικό Φαινόμενο (Reserve Effect) Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία (Electromagnetic Fields) Εκπομπή Θερμότητας (Heat Emission) Κεφάλαιο 5 ο : Προσομοίωση ενός τριπολικού υποβρυχίου καλωδίου XLPE HVAC Το μοντέλο Θεωρητικό υπόβαθρο Προσέγγιση Μοντέλου Καθορισμός των ιδιοτήτων των υλικών του καλωδίου Αποτελέσματα και σχόλια Απώλεια ισχύος κατά τη μεταφορά Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

13 Πρόλογος Η αναγκαιότητα της διασύνδεσης των νησιών με την ηπειρωτική χώρα έγκειται στο υψηλό οικονομικό όφελος για τα ελληνικά νοικοκυριά, αφού από τη μείωση των λογαριασμών Υπηρεσιών Κοινής Ωφέλειας (ΥΚΩ) φαίνεται ότι θα εξοικονομηθούν περί τα 400 εκατ. ευρώ ετησίως. Ταυτόχρονα, πέρα από την εξάλειψη των χρεώσεων ΥΚΩ που πληρώνουν οι Έλληνες πολίτες μέσα από τους λογαριασμούς ρεύματος. Η εγκατάσταση υποβρυχίων καλωδίων συμβάλλει στη μείωση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης από τη χρήση ορυκτών καυσίμων ένα φιλόδοξο πρόγραμμα απολιγνιτοποίησης της χώρας, που έχει θέσει το υπουργείο Περιβάλλοντος και Ενέργειας, σε συνδυασμό µε την αύξηση της συμμετοχής της «πράσινης» ενέργειας και κατ επέκταση τη μείωση του ενεργειακού αποτυπώματος. Επιπλέον, εξασφαλίζεται η κάλυψη των αναγκών σε ρεύμα ακόμη και τους καλοκαιρινούς μήνες, όταν αυξάνεται η ζήτηση κατακόρυφα λόγω του τουρισμού. [1] Εικόνα 1 Διασυνδεδεμένο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας του ΑΔΜΗΕ έως το 2030 [19] 10

14 Εισαγωγή Μεταφορά και Διανομή Ηλεκτρικής Ενέργειας Όλα ξεκινούν από τους σταθμούς παραγωγής εκεί όπου παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια. Αρχικά μεταφέρεται σε κοντινούς μετασχηματιστές όπου γίνεται η μετατροπή από χαμηλή σε υψηλή τάση. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται μέσω των γραμμών μεταφοράς σε πολύ μεγάλες αποστάσεις με όσο το δυνατόν λιγότερες απώλειες, καθώς οι σταθμοί παραγωγής είναι συνήθως μακριά από μεγάλα αστικά κέντρα. Το δίκτυο μεταφοράς μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στους υποσταθμούς μέσης και χαμηλής τάσης, στους οποίους μετατρέπεται η τάση από υψηλή σε μέση και χαμηλή τάση, ώστε να διανεμηθεί με τη βοήθεια εναέριων γραμμών σε βιομηχανίες που χρησιμοποιούν μέση τάση και σε σπίτια που χρησιμοποιούν χαμηλή τάση. Ανάλογα με την τάση της ηλεκτρικής ισχύος που διακινείται, υπάρχουν δύο τύποι δικτύου, το δίκτυο Μεταφοράς και το δίκτυο Διανομής. Το δίκτυο Μεταφοράς, μεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τους σταθμούς παραγωγής στους υποσταθμούς μεταφοράς. Η μεταφορά γίνεται σε υψηλή τάση, μέσω του δικτύου υψηλής τάσης (150kV) και υπερυψηλής (400kV) ώστε να μειωθούν οι απώλειες ισχύος, όταν οι αποστάσεις είναι μεγάλες. Οι γραμμές Μεταφοράς δεν μπορούν να τροφοδοτήσουν άμεσα τους καταναλωτές που χρησιμοποιούν χαμηλή τάση (220V/400V) αλλά φθάνουν μέχρι ορισμένα σημεία, τους υποσταθμούς μεταφοράς, όπου γίνεται υποβιβασμός της τάσης στη μέση τάση, δηλαδή στα 21 kv του δικτύου. Οι υποσταθμοί αποτελούν κόμβους στο δίκτυο του ηλεκτρισμού. Από αυτά τα σημεία όπου βρίσκονται οι υποσταθμοί μεταφοράς, αρχίζουν οι γραμμές διανομής, που καταλήγουν στους υποσταθμούς διανομής όπου και γίνεται υποβιβασμός της μέσης σε χαμηλή τάση, που χρησιμοποιούν οι περισσότεροι καταναλωτές.[2] Συνοψίζοντας, τα δίκτυα ανάλογα με την τάση διακρίνονται σε: Δίκτυα υπερυψηλής τάσης είναι αυτά που έχουν πολική τάση από 150 μέχρι 400 kv. Δίκτυα υψηλής τάσης έχουν πολική τάση από 30 μέχρι 150 kv. Δίκτυα μέσης τάσης είναι όσα έχουν πολική τάση από 1 μέχρι 30 kv Δίκτυα χαμηλής τάσης έχουν πολική τάση μέχρι 1 kv. 11

15 Εικόνα 2 Βασική δομή Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας [17] Γραμμές μεταφοράς Εικόνα 3 Γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας [20] Μια εναέρια γραμμή ισχύος χρησιμοποιείται για τη μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Αποτελείται από πυλώνες ή πύργους πάνω στους οποίους, μέσω των μονωτήρων, αναρτώνται οι αγωγοί γραμμών μεταφοράς. Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος της μόνωσης παρέχεται μέσω αέρα, οι εναέριες γραμμές ισχύος είναι γενικά η μέθοδος μεταφοράς χαμηλότερου κόστους για μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να μεταδοθεί με υπόγεια καλώδια αντί για εναέριες γραμμές. Τα υπόγεια καλώδια καταλαμβάνουν λιγότερο «χώρο» από τις εναέριες 12

16 γραμμές, δεν είναι ευδιάκριτα και επηρεάζονται λιγότερο από τις κακές καιρικές συνθήκες. Ωστόσο, το κόστος του μονωμένου καλωδίου και της εκσκαφής είναι πολύ υψηλότερο από την εναέρια κατασκευή. Τα σφάλματα σε θαμμένες γραμμές μετάδοσης χρειάζονται περισσότερο χρόνο για τον εντοπισμό και την επισκευή. Ένα υποβρύχιο καλώδιο τροφοδοσίας χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας κάτω από την επιφάνεια του νερού. Στην αρχή η χρήση των υποβρυχίων καλωδίων περιοριζόταν κατά κύριο λόγο για την ηλεκτροδότηση παράκτιων φάρων και στη συνέχεια η χρήση τους διευρύνθηκε στην ηλεκτροδότηση νησιών. Επίσης, τα υποβρύχια καλώδια μπορούν να χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση υφιστάμενων δικτύων ηλεκτρικού ρεύματος.[3] 13

17 Κεφάλαιο 1 ο : Παραγωγική Διαδικασία Υποβρυχίου Καλωδίου Τα υποβρύχια καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας δεν διαφέρουν με τα υπόγεια καλώδια όσον αφορά τον τρόπο παραγωγής τους. Τα μόνα που αλλάζουν είναι η μόνωση και η θωράκιση των αγωγών. Ο στόχος είναι η παραγωγή καλωδίων με όσο το δυνατόν λιγότερους συνδέσμους για να μειωθεί η πιθανότητα αστοχίας του καλωδίου. Περιορισμό στην κατασκευή μεγάλου μήκους καλωδίων αποτελεί η αποθηκευτική δυνατότητα των πλοίων εναποθέσεως άρα το μέγιστο μήκος παραγωγής ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο και το είδος του καλωδίου αφού παρόμοια ποικίλλει και το βάρος ανά μονάδα μήκους. Υπάρχει μια ποικιλία υποθαλάσσιων καλωδίων ισχύος όσον αφορά τη σύνθεση, το μήκος και τη διάμετρο, αλλά παρά τη διακύμανση, η βασική λειτουργία μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας παραμένει η ίδια. Τα υποθαλάσσια καλώδια μπορούν να κυμαίνονται από διαμέτρους 70mm έως 210mm. Όσον αφορά τη λειτουργία, υπάρχουν βασικά δύο τύποι καλωδίων ισχύος, δηλαδή τα καλώδια εναλλασσόμενου ρεύματος ή εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής τάσης (AC) και τα καλώδια συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (DC). Ο κύριος διαφορικός παράγοντας κατά την επιλογή μεταξύ HVAC και HVDC είναι βασικά η απόσταση που πρέπει να καλυφθεί. Για μήκος διαδρομής μικρότερο από 80 km, το καλώδιο HVAC είναι το πιο κατάλληλο, ενώ αποστάσεις πέραν των 80 km ταιριάζει καλύτερα στα καλώδια HVDC. Ένα τυπικό καλώδιο εναλλασσόμενου ρεύματος αποτελείται από τριφασικά καλώδια και στην κατασκευή του είτε τοποθετείται σε δέσμη τριών πυρήνων είτε μερικές φορές ως τρία ξεχωριστά καλώδια. Με απλά λόγια, τα καλώδια DC αποτελούνται από δύο αγωγούς που είτε τοποθετούνται ξεχωριστά είτε συνδυάζονται μεταξύ τους. Η κατασκευή καλωδίου DC εξαρτάται από το σύστημα DC, μπορεί να είναι είτε διπολικά είτε μονοπολικά. Τα τμήματα που συνθέτουν το καλώδιο είναι ο αγωγός, που είναι το μέσο διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος από την μία άκρη στην άλλη, το μονωτικό μέσο του αγωγού που είναι ένα σύστημα διαδοχικών στοιβάδων με μονωτικά υλικά, που αποτρέπουν την ηλεκτρική επαφή του αγωγού με το περιβάλλον. Εξωτερικά του μονωτικού υλικού υπάρχει περίβλημα υδατοστεγανότητας, που προστατεύει τον αγωγό και τον μονωτή από την εισροή ύδατος. Ακολουθεί ο οπλισμός, που αποτελείται, είτε από χαλύβδινα επιψευδαργυρωμένα σύρματα, είτε από σύρματα από ανοξείδωτο χάλυβα ή ακόμα από σύρματα από κράμα αλουμινίου. Τα σύρματα αυτά καλύπτουν πλήρως την κυλινδρική επιφάνεια του καλωδίου, με κύριο σκοπό την απορρόφηση των αναπτυσσόμενων 14

18 μηχανικών τάσεων και την προστασία από τάσεις, που εμφανίζονται εξωτερικά του καλωδίου. Τέλος υπάρχει ένα εξωτερικό περίβλημα, που δίνει την εξωτερική εικόνα του καλωδίου, ενώ προστατεύει σε ένα επίπεδο τον οπλισμό από τη δημιουργία διάβρωσης.[4] Εικόνα 4 Πέντε τύποι υποβρυχίων καλωδίων [4] 15

19 Τομή υποβρύχιου τριπολικού καλωδίου Εικόνα 5 Τομή υποβρύχιου τριπολικού καλωδίου[6] 1. Στρόγγυλος πολύκλωνος συμπιεσμένος αγωγός με κατά μήκος υδατοστεγανότητα 2. Ημιαγώγιμες ταινίες 3. Εξωθημένο στρώμα ημιαγωγίμου 4. Μόνωση διασταυρωμένου πολυαιθυλενίου XLPE 5. Εξωθημένο στρώμα ημιαγωγίμου 6. Ημιαγώγιμες ταινίες 7. Μανδύας κράματος μολύβδου 8. Ημιαγώγιμος μανδύας πολυαιθυλενίου 9. Παρεμβύσματα στα διάκενα μεταξύ των πόλων 10. Ταινία περιέδεσης 11. Στρώση σχοινιών πολυπροπυλενίου 12. Σύρματα οπλισμού (γαλβανισμένα) 13 & 14. Δυο στρώσεις σχοινιών πολυπροπυλενίου 15,16 & 17. Οπτικά καλώδια ή άλλα καλώδια σηματοδοσίας 16

20 Παρακάτω δίνεται η περιγραφή των σταδίων και του μηχανολογικού εξοπλισμού της παραγωγικής διαδικασίας των υποβρυχίων καλωδίων ενέργειας όπως αυτή γίνεται στην βιομηχανία Ελληνικά Καλώδια. [6] Παραγωγή Συρμάτων Χαλκού και Αλουμινίου (Συρματουργείο) Η παραγωγική διαδικασία του τμήματος παραγωγής συρμάτων, περιλαμβάνει τα εξής στάδια: Τη Μεταφορά και την Αποθήκευση της πρώτης ύλης (σύρμα χαλκού διαμέτρου 8 mm ή σύρμα αλουμινίου διαμέτρου 9.6 mm), [Εικόνα 6] Τον Έλεγχο και τη Φόρτωση της βέργας χαλκού στις συρματουργικές μηχανές. Τον Υποβιβασμό της βέργας, μέσα από μήτρες με τη χρήση γαλακτωμάτων (σαπουνελαίων), στην επιθυμητή διάμετρο. Την Ανόπτηση (ανάλογα με το επιθυμητό προϊόν) για παραγωγή μαλακού σύρματος. Την Τύλιξη του σύρματος σε στροφεία ή σε καλάθια, καθώς τον έλεγχο και τη μεταφορά των στροφείων ή καλαθιών. Εικόνα 6 Καρούλια με σύρμα (πρώτη ύλη) [6] 17

21 Μηχανές Συρματουργίας Οι μηχανές συρματουργίας υποβιβάζουν το σύρμα που παραλαμβάνεται ως πρώτη ύλη, σε μικρότερης διαμέτρου σύρματα. Μηχανές Ανόπτησης Μετά τη διαδικασία συρματουργίας του χαλκού ακολουθεί η ανόπτηση του σύρματος για τη μετατροπή του από σκληρό σε μαλακό, κάνοντας ευκολότερη την επεξεργασία του. Εικόνα 7 Σύρματα διαφορετικών διαμέτρων [5] Σχηματισμός Αγωγού Ο αγωγός μπορεί να είναι από χαλκό ή αλουμίνιο, Επίσης μπορεί να αποτελείται είτε από πολλά συρματίδια (πολύκλωνος) είτε να είναι πλήρης (μονόκλωνος). Μηχανές Στρεπτικές Αγωγών Οι αγωγοί των καλωδίων που αποτελούνται από σύρματα χαλκού ή αλουμινίου κατασκευάζονται από τις στρεπτικές μηχανές των αγωγών. 18

22 Εικόνα 8 Στρεπτική μηχανή αγωγού [5] Μόνωση Στα καλώδια υψηλής και υπερυψηλής τάσης, η μόνωση είναι το δικτυωμένο πολυαιθυλένιο (XLPE). Επιβάλλεται μεγάλη προσοχή στην καθαρότητα των υλών και στην σωστή διαχείριση τους σε κατάλληλα διαμορφωμένους χώρους (clean rooms). Απαραίτητη είναι η ύπαρξη συστημάτων ελέγχου της ποιότητας της παραγωγικής διαδικασίας. Μηχανές Μονώσεως Αγωγών και Συρμάτων Οι αγωγοί και τα σύρματα επενδύονται με μονώσεις στις μονωτικές μηχανές. Το μονωτικό υλικό σε μορφή κόκκων τοποθετείται στη χοάνη της μηχανής, η οποία τροφοδοτεί έναν μεγάλου μήκους κύλινδρο, μέσα στον οποίο περιστρέφεται ένας ατέρμων κοχλίας. Λόγω της θερμότητας του κυλίνδρου καθώς και της επιπλέον θερμότητας που αναπτύσσεται λόγω της τριβής το υλικό γίνεται πιο μαλακό, παίρνοντας παχύρρευστη μορφή. Στο τέλος του κυλίνδρου τοποθετείται μια κεφαλή εξώθησης. 19

23 Εικόνα 9 Μηχανή μονώσεως αγωγών και συρμάτων [5] Απαερίωση Κατά την διάρκεια του βουλκανισμού, δηλαδή της διασταύρωσης του πολυαιθυλενίου, δημιουργούνται παραπροϊόντα μέσα στην μόνωση. Ο μονωμένος αγωγός τοποθετείται σε ειδικούς χώρους όπου με θέρμανση, προκαλείται η απομάκρυνση αυτών των επιβλαβών στοιχείων. Φούρνοι Βουλκανισμού Ορισμένα είδη μόνωσης όπως το δικτυωμένο ΡΕ χρειάζεται να παραμείνουν σε συγκεκριμένη θερμοκρασία για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα ούτως ώστε να γίνει η δικτύωση του υλικού. Η διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται με την παραμονή μέσα στους φούρνους βουλκανισμού. Θάλαμοι Απαερίωσης Κάθε θάλαμος είναι μονωμένος χώρος και μπορεί να δεχθεί ένα στροφείο με μονωμένο αγωγό υψηλής τάσης. 20

24 Εικόνα 10 Θάλαμος απαερίωσης [6] Εφαρμογή Μεταλλικού και Πλαστικού Μανδύα Τα καλώδια υψηλής και υπερυψηλής τάσης σχεδιάζονται ως ξηρού τύπου. Δεν επιτρέπεται να έρθει η μόνωση σε επαφή με το νερό. Στα υποβρύχια υψηλής τάσης, χρησιμοποιείται μανδύας κράματος μόλυβδου που λειτουργεί ως μεταλλική θωράκιση, προσφέροντας ακτινική προστασία στην μόνωση έναντι νερού και υγρασίας. Επίσης ο πλαστικός μανδύας προσφέρει μηχανική προστασία στον πόλο. Εικόνα 11 Εφαρμογή μανδύα [6] 21

25 Μηχανές Τοποθέτησης Προστασίας Βραχυκυκλώματος (Screening Machines) Τα καλώδια από 6 KV και άνω χρειάζονται προστασία έναντι βραχυκυκλώματος και για τον σκοπό αυτό τοποθετούνται στις μηχανές αυτές. Περιέλιξη των Πόλων Τα υποβρύχια καλώδια συνήθως είναι τριπολικά. Οι πόλοι τοποθετούνται σε ειδικά ταψιά. Η περιέλιξη τους γίνεται σε κάθετες γραμμές παραγωγής. Η συστροφή των πόλων μπορεί να περιλαμβάνει και οπτικά καλώδια ή άλλα καλώδια σηματοδοσίας. Για να αυξηθεί το συνεχόμενο μήκος, πραγματοποιούνται εργοστασιακοί σύνδεσμοι των πόλων. Στρεπτικές Μηχανές Καλωδίων Όταν τα καλώδια έχουν τουλάχιστον δύο ή περισσότερους μονωμένους αγωγούς αυτοί συστρέφονται μεταξύ τους στις στρεπτικές μηχανές για τον σχηματισμό του καλωδίου και πάνω από το καλώδιο τοποθετούνται διάφορες ταινίες όπως ταινίες συγκρατήσεως της στρέψης, ταινίες για την παρεμπόδιση της υγρασίας (waterblocking), ημιαγώγιμες κλπ. Εικόνα 12 Κάθετη στρεπτική μηχανή για το σχηματισμό μεταφοράς ενέργειας και δεδομένων [4] 22

26 Μηχανές Μανδυών Ενδιάμεσων και Τελικών Προϊόντων Πάνω από το στριμμένο καλώδιο με τις ταινίες τοποθετείται πλαστικός μανδύας. Ακολουθεί ψύξη και τύλιξη πάνω σε στροφεία. Οπλισμός Για την μηχανική προστασία του υποβρύχιου καλωδίου, εφαρμόζεται συνήθως οπλισμός από σύρματα γαλβανισμένο σιδήρου. Ο οπλισμός σχεδιάζεται έτσι ώστε να παραλαμβάνει τις μεγαλύτερες μηχανικές καταπονήσεις κατά την πόντιση και κατά την διάρκεια της ζωής του καλωδίου. Μηχανές Οπλισμού Καλωδίων Πάνω από τον μανδύα του καλωδίου, αν το απαιτεί η προδιαγραφή, το καλώδιο ενισχύεται και στην μηχανική του καταπόνηση με τοποθέτηση οπλισμού. Εικόνα 13 Μηχανή οπλισμού καλωδίων [6] 23

27 Αποθήκευση Τα μεγάλα συνεχόμενα μήκη στις ενδιάμεσες και στις τελικές φάσεις τοποθετούνται σε ειδικά περιστρεφόμενα ταψιά. Εικόνα 14 Περιστρεφόμενα ταψιά αποθήκευσης [6] Ποιοτικός Έλεγχος Δοκιμές Τα καλώδια δοκιμάζονται για την ποιότητα τους σύμφωνα με τις διεθνής προδιαγραφές και τις ειδικές απαιτήσεις των πελατών. Πραγματοποιούνται δοκιμές ρουτίνας και δειγματοληψίας πριν από κάθε παράδοση. 24

28 Κεφάλαιο 2 ο : Πόντιση Υποβρυχίου Καλωδίου Ενέργειας Εικόνα 15 Δύτης κατά την πόντιση υποβρυχίου καλωδίου [23] Η διαδικασία πόντισης των υποβρυχίων καλωδίων ισχύος μπορεί να χωριστεί σε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση αποτελείται από την εκπόνηση μελέτης της θαλάσσιας περιοχής ώστε να ληφθούν στοιχεία, για την επιλογή της βέλτιστης διαδρομής που θα ακολουθήσει το καλώδιο, το σχεδιασμό του καλωδίου, καθώς και το σχεδιασμό της διαδικασίας εγκατάστασης του καλωδίου. Η δεύτερη φάση αποτελείται από τις εργασίες πόντισης του υποβρύχιου καλωδίου [4] Μελέτη για την Επιλογή Σημείων Προσαιγιάλωσης Η μελέτη αυτή δίνει στοιχεία για την επιλογή των σημείων προσαιγιάλωσης, έτσι ώστε να παρουσιάζουν την μικρότερη περιβαλλοντική όχληση και να μην είναι σημεία ενδιαφέροντος, όπως για παράδειγμα παραλίες ή κατοικημένες περιοχές. Τα τεχνικά κριτήρια ώστε να επιλεγούν ως σημεία προσαιγιάλωσης είναι ο ομαλός πυθμένας από την πλευρά της θάλασσας και ο επαρκής χώρος από την πλευρά της ξηράς για την τοποθέτηση των μηχανισμών έλξης και τοποθέτησης των καλωδίων. [11] 25

29 Εικόνα 16 Προσαιγιάλωση υποβρυχίου καλωδίου [7] Μελέτη του Βυθού Τα στοιχεία που προκύπτουν από την μελέτη του βυθού μεταξύ των σημείων προσαιγιάλωσης βοηθούν στην εύρεση της βέλτιστης διαδρομής του καλωδίου αποφεύγοντας υποθαλάσσια εμπόδια και κίνδυνους. Όπως είναι, τα υφιστάμενα καλώδια και οι αγωγοί, οι οδοί ναυσιπλοΐας, οι είσοδοι λιμανιών και τα σημεία αλιείας, τα ναυάγια πλοίων και άλλα θαμμένα αντικείμενα, τα κοιτάσματα πετρελαίου και αερίου, οι περιοχές εξόρυξης άμμου ή αμμοχάλικου, οι στρατιωτικές δραστηριότητες και η ρύπανση του βυθού. Η επιλογή της καταλληλότερης διαδρομής του καλωδίου εξαρτάται και από τη γνώση των υποθαλάσσιων συνθηκών και ιδιοτήτων. Συνεπώς είναι απαραίτητη η γνώση στοιχείων όπως το βάθος σε οποιοδήποτε σημείο της διαδρομής του καλωδίου και η μορφολογία του θαλάσσιου βυθού. Επίσης, η δομή του βυθού όπως η παρουσία βραχωδών σημείων, ρωγμές, υποθαλάσσιων φαραγγιών. Τέλος, την ύπαρξη ρηγμάτων και τις περιοχές με κίνδυνο κατολισθήσεων λόγω μεγάλων κλίσεων. 26

30 Εικόνα 17 Ερευνητικό σκάφος χαρτογραφεί τη βαθυμετρία με σόναρ [8] Η γνώση των επικρατουσών κλιματολογικών συνθηκών της περιοχής όπως είναι η θερμοκρασία του νερού τόσο στην επιφάνεια όσο και στον πυθμένα του, τα κύματα, τα ρεύματα, οι παλίρροιες, καθώς και η ένταση των ανέμων κατά τη διάρκεια του έτους παίζουν σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες σχεδιασμού και εγκατάστασης του καλωδίου. Οι προβληματικές περιοχές θα πρέπει να αποφεύγονται, διότι κάθε σημαντικό εμπόδιο που θα εμποδίζει στην ομαλή λειτουργία των εργασιών πόντισης μπορεί να δημιουργήσει μεγάλες δαπάνες και καθυστερήσεις. Αποφεύγοντας αυτές τις περιοχές μπορεί να είναι ένα σημαντικό κομμάτι στο πλαίσιο της προστασίας για το έργο του καλωδίου. Περιγραφή Εργασιών Τοποθέτησης και Προστασίας Υποβρύχιου Καλωδίου Για την προσαιγιάλωση των άκρων του καλωδίου σε κάθε ακτή είναι απαραίτητες συγκεκριμένες εργασίες. Αρχικά, η σήμανση µε πλωτήρες του τέλους της παράκτιας τάφρου στην ισοβαθή που έχει καθοριστεί για κάθε περιοχή προσαιγιάλωσης, καθώς και 27

31 κάθε άλλου αντικειμένου το οποίο θα κριθεί απαραίτητο στην παράκτια περιοχή για τη σωστή και ασφαλή προσαιγιάλωση του καλωδίου. Στη συνέχεια, η έλξη της κεφαλής του υποβρυχίου καλωδίου από το πλωτό μέσο μέχρι την ακτή γίνεται µε χρήση μικρού σκάφους ικανής ιπποδύναμης (το καλώδιο επιπλέει με κατάλληλους πλωτήρες σε μορφή ζευγών). Εικόνα 18 Εργασίες προσαιγιάλωσης [12] Ακολουθεί η έλξη µε μηχανικό ελκυστήρα από την ακτή μέχρι τη θέση του συνδέσμου μετάβασης. Γίνεται η ευθυγράμμιση του υποβρυχίου καλωδίου σύμφωνα με τη μελέτη πριν την αφαίρεση των πλωτήρων, έτσι ώστε να τοποθετηθεί στην προβλεπόμενη θέση. Ακολουθεί η αφαίρεση των πλωτήρων επίπλευσης του καλωδίου και η βύθισή του στην προβλεπόμενη θέση, ανάλογα µε τον προγραμματισμό των εργασιών της εκσκαφής της υποβρύχιας τάφρου. Για την υποστήριξη των εργασιών προσαιγιάλωσης υπάρχει διαθέσιμο συνεργείο από δύτες µε πλήρη καταδυτικό εξοπλισμό, το απαραίτητο σκάφος υποστήριξης καταδυτικών εργασιών ανοικτής θαλάσσης, ικανό να φέρει τον εξοπλισμό (σχοινιά, τροχαλίες, ρουλά, αλεξίπτωτα θαλάσσης, πλωτήρες επισήμανσης), καθώς και οι αναγκαίες φουσκωτές βάρκες µε το πλήρωμά τους για τους χειρισμούς της διευθέτησης του καλωδίου κατά την διάρκεια της προσαιγιάλωσης. Επιπλέον απαιτείται η εγκατάσταση σημείων αγκύρωσης στο βυθό και στην ακτή σε κατάλληλες θέσεις, ώστε το καλώδιο να µην τραβηχτεί έξω από τη θέση εγκατάστασής του, στο στάδιο εκκίνησης του πλωτού μέσου. [12] 28

32 Εικόνα 19 Εκσκαφέας τάφρου σε σημείο προσαιγιάλωσης [9] Για να προστατευτεί το καλώδιο από ζημιές που προκαλούνται από το ψάρεμα ή από άγκυρες και γενικότερα από εξωγενείς παράγοντες, πρέπει να ληφθούν μέτρα προστασίας κατά την εγκατάσταση. Συνήθως από τον αιγιαλό και σε απόσταση μέχρι το σημείο όπου το βάθος της θάλασσας είναι 15 m, το καλώδιο τοποθετείται σε όρυγμα 2 m. Στη συνέχεια, από το σημείο βάθους 15 m και μέχρι βάθος 30 m, το καλώδιο τοποθετείται σε όρυγμα βάθους 1 m. Για ενημέρωση των παραπλεόντων σκαφών, στα σημεία προσαιγιάλωσης τοποθετούνται φωτιζόμενες ενημερωτικές πινακίδες. Το καλώδιο θα τοποθετηθεί σε όλο το υπόλοιπο μήκος σε όρυγμα βάθους από 0.5 m έως 1 m, ανάλογα με το υλικό του πυθμένα. Εάν κριθεί απαραίτητο, τηλεπικοινωνιακό καλώδιο οπτικών ινών θα προσδεθεί με κατάλληλο τρόπο ή θα περιέχεται στο καλώδιο ισχύος. Το καλώδιο μπορεί να εγκατασταθεί σε όλα τα είδη του βυθού, συμπεριλαμβανομένου της άμμου, ίζημα, βράχια ή ύφαλου. Για προστασία από τις άγκυρες και από τα αλιευτικά εργαλεία, το καλώδιο μπορεί να θαφτεί με διάφορες μεθόδους ή να προστατευτεί με καλύμματα. [12] 29

33 Εικόνα 20 Σύστημα προστασίας μη θαμμένου καλωδίου με σάκους από οπλισμένο σκυρόδεμα [23] Η εγκατάσταση τους γίνεται χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα καλωδιακά πλοία πόντισης υποβρύχιων καλωδίων, τα οποία διαθέτουν υψηλής ακρίβειας συστήματα ναυσιπλοΐας και πόντισης προκειμένου να εξασφαλίζεται η τοποθέτηση του καλωδίου επί της επιφανείας του βυθού με απόλυτη ακρίβεια, σύμφωνα με την σχετική μελέτη. Εικόνα 21 Καλωδιακό πλοίο πόντισης Atalanti [9] Η ακρίβεια της ορθής εγκατάστασης των υποβρύχιων καλωδίων πιστοποιείται από τις σχετικές συσκευές πλοήγησης σε πραγματικό χρόνο. Πρόκειται για εξειδικευμένα υποβρύχια οχήματα jetting ROVs (Remotely Operated Vehicles) τα οποία εργάζονται τοπικά σε αυστηρά ελεγχόμενη θέση κατευθυνόμενο από σκάφος επιφανείας. Τα εν λόγω οχήματα φέρουν τις κατάλληλες συσκευές πιστοποίησης του βάθους ταφής, με ειδικές 30

34 μετρητικές διατάξεις αλλά και βιντεοσκόπηση, ορατά στον καθένα επίσης σε πραγματικό χρόνο. Εικόνα 22 Υποβρύχιο όχημα ROV [9] Η προτεινόμενη μεθοδολογία για την εγκατάσταση των υποβρύχιων καλωδίων είναι η υπογειοποίηση τους με σύστημα υδροβολής το οποίο διαθέτουν τα εξειδικευμένα υποβρύχια οχήματα. Το σύστημα αυτό προσβάλλει υπό ελεγχόμενη γωνία και απομακρύνει το εδαφικό υπόστρωμα ακριβώς στο επιθυμητό βάθος σχεδιασμού κάτω από το καλώδιο, δημιουργώντας όρυγμα εντός του οποίου τοποθετείται το καλώδιο, με την ελάχιστη διαταραχή του πυθμένα. Το επίμηκες όρυγμα πλάτους περίπου τριάντα εκατοστών που θα διανοιχθεί με το σύστημα της υδροβολής για την εγκατάσταση του καλωδίου, θα κλείσει αμέσως μετά την τοποθέτηση του καθώς τα πρανή του θα καταρρεύσουν, όπως προκύπτει από τις γεωτεχνικές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τα επιφανειακά ιζήματα. 31

35 Εικόνα 23 Όχημα με άροτρο και υδροβολή σε συνδυασμό με ένα δοχείο στήριξης καλωδίου για ταυτόχρονες εργασίες τοποθέτησης και ταφής [10] Η ζώνη εργασίας του οχήματος είναι κατά μέγιστο πλάτος 2 m, η δε ζώνη επέμβασης κυμαίνεται περί το 0.5 m το μέγιστο. Το βάθος του σκάμματος είναι 1 m από την επιφάνεια του πυθμένα και επιβεβαιώνεται με την χρήση ηχοβολιστικών συσκευών κατευθυνόμενης δέσμης ή και μαγνητόμετρο που διαθέτει το όχημα ταφής. Ο χρόνος παραμονής του οχήματος στην εκάστοτε θέση εργασίας είναι ιδιαίτερα περιορισμένος δεδομένου ότι η μέση 24ωρη απόδοση του είναι τουλάχιστον 1000 m. Μετά την πόντιση του καλωδίου και την απομάκρυνση του οχήματος από την θέση εργασίας, επέρχεται ταχύτατη φυσική επανεπίχωση / αποκατάσταση του πυθμένα με παρακείμενα υλικά της αυτής σύστασης. 32

36 Εικόνα 24 Μηχάνημα Hydroplow [10] Οι εκσκαφές για την τοποθέτηση των υποβρύχιων καλωδίων πλέον γίνονται με τη χρήση ειδικού εκσκαφικού μηχανήματος το οποίο ονομάζεται Hydroplow. Κύριο χαρακτηριστικό του εν λόγω μηχανήματος είναι ότι πραγματοποιεί παράλληλα τις εργασίες εκσκαφής των καναλιών, εναπόθεσης των καλωδίων και επιχωμάτωσης των καναλιών. Ελαχιστοποιούνται με αυτόν τον τρόπο τόσο τα υλικά εκσκαφής όσο και ο χρόνος εγκατάστασης των υπόγειων καλωδίων [11] Δοκιμές Καλωδίων μετά την Εγκατάσταση Μετά την εγκατάσταση των υποβρύχιων καλωδίων και τη σύνδεση με το σύστημα μεταφοράς του νησιού, γίνονται οι παρακάτω δοκιμές σε κάθε καλώδιο της διασύνδεσης: Διαπίστωση της συνέχειας και αντιστοιχίας των αγωγών. Δοκιμή διηλεκτρικής αντοχής. Δοκιμή κάθε φάσης ως προς γη, στην πολική τάση. Δοκιμή υπό ονομαστική τάση λειτουργίας δικτύου για 24 ώρες Οι παραπάνω δοκιμές γίνονται με βάση τους διεθνής κανονισμούς και προδιαγραφές. [12] 33

37 Κεφάλαιο 3 ο : Βλάβες Υποβρυχίων Καλωδίων Οι βλάβες στο υποβρύχιο δίκτυο δεν είναι σπάνιο φαινόμενο, αν και τα υποβρύχια καλώδια συνήθως είναι καλυμμένα με ειδικά κελύφη προστασίας ή ενταφιασμένα μπορούν να πάθουν ζημιά από διάφορες αιτίες. Ένας σημαντικός περιορισμός στη διαχείριση των βλαβών που προκύπτουν στα υποβρύχια καλώδια είναι τα ανεπαρκή δεδομένα σχετικά με τις αιτίες της αστοχίας. Αίτια Βλαβών 1. Αλιευτικές Δραστηριότητες Μία από κύριες αιτίες βλαβών των υποβρυχίων καλωδίων τροφοδοσίας είναι οι αλιευτικές δραστηριότητες. Συγκεκριμένα προκαλούνται από τα σύγχρονα αλιευτικά σκάφη, το ψάρεμα με εκρηκτικά και την αγκυροβόληση πάνω σε καλώδια. Σύμφωνα με πολλές μελέτες οι αλιευτικές δραστηριότητες ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος των βλαβών των υποθαλάσσιων καλωδίων. Εικόνα 25 Κατεστραμμένο υποβρύχιο καλώδιο λόγω χτυπήματος από άγκυρα [23] 34

38 2. Ηλεκτρικά Σφάλματα Οι ηλεκτρικές βλάβες λέγεται ότι είναι το νούμερο ένα σφάλμα που συμβαίνει στο υποβρύχιο δίκτυο και μπορεί να συμβεί εντός των τριών πρώτων ετών μετά την εγκατάσταση του καλωδίου. Οι ηλεκτρικές βλάβες που εντοπίζονται στις περισσότερες περιπτώσεις έχουν ως αποτέλεσμα την πρόωρη γήρανση και στη συνέχεια την καταστροφή της μόνωσης του καλωδίου μέχρις ότου την ολική καταστροφή του καλωδίου. 3. Θερμικά Σφάλματα Η εκπομπή θερμότητας που σχετίζεται με την υπερβολική θέρμανση των καλωδίων μπορεί να προκύψει είτε από την κακή σχεδίαση τους είτε από την ακατάλληλη εγκατάσταση που συμβαίνει όταν οι δεσμοί διασταύρωσης ή γείωσης δεν έχουν εγκατασταθεί σωστά. 4. Περιβαλλοντικοί Παράγοντες Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το περιβάλλον επηρεάζει τη μακροζωία των υποβρύχιων καλωδίων το αλατούχο περιβάλλον έχει μεγάλη επίδραση στην ακεραιότητα του υλικού και της κατασκευής του καλωδίου με την πάροδο του χρόνου. Πολλές φορές κατά την επιλογή κατάλληλης διαδρομής του υποβρυχίου καλωδίου δεν μπορούν να αποφευχθούν βραχώδη σημεία με μεγάλες προεξοχές. Ακόμη και με τις πιο εξελιγμένες μεθόδους εγκατάστασης και προστασίας που χρησιμοποιούνται, το καλώδιο μπορεί να καταλήξει εκτεθειμένο και η τριβή σε βράχια να είναι αναπόφευκτη. Η φθορά του υποθαλάσσιου καλωδίου μπορεί να προκληθεί από την κίνηση του λόγω των παλιρροιακών κυμάτων και ρευμάτων της θάλασσα. Συχνά, τα υποθαλάσσια καλώδια τροφοδοσίας που είναι θαμμένα στη θάλασσα μπορούν να αποκαλυφθούν με αποτέλεσμα να εκτεθούν στις ακραίες συνθήκες της θάλασσας. Σε αυτή την κατηγορία βλαβών μπορεί να ενταχθεί η καταστροφή του καλωδίου από την θαλάσσια πανίδα όπως για παράδειγμα το δάγκωμα από καρχαρία. 35

39 Εικόνα 26 Επίθεση καρχαρία σε υποβρύχιο καλώδιο [23] 5. Σφάλματα Κατασκευής Εικόνα 27 Καλώδιο που αποκαλύφθηκε λόγω των παλιρροιακών κυμάτων [23] Ένα μεγάλο ποσοστό βλαβών που εντοπίστηκαν στα υποθαλάσσια καλώδια τροφοδοσίας οφείλονται σε σφάλματα κατασκευής. Αυτές οι βλάβες συνήθως οφείλονται στην μη τήρηση των καθορισμένων προτύπων παραγωγής καλωδίων με αποτέλεσμα να αποδίδουν κάτω από τις προσδοκίες και τελικά να καταστρέφονται. 36

40 6. Γήρανση Καθώς το καλώδιο «μεγαλώνει», η αποδοτικότητα των υλικών του καλωδίου αρχίζει να εξασθενεί, το οποίο έχει ως συνέπεια την κακή απόδοση του και τελικά να χρειάζεται αντικατάσταση. Μερικές φορές αυτά τα παλιά και πιθανόν ελαττωματικά καλώδια μένουν χωρίς επίβλεψη, με αποτέλεσμα τη βλάβη στο υποβρύχιο δίκτυο. 7. Σφάλματα κατά την Πόντιση Ο ακατάλληλος εξοπλισμός και οι ακατάλληλές μέθοδοι κατά την διαδικασία της πόντισης των καλωδίων είναι ικανά να τα βλάψουν πριν προλάβουν να λειτουργήσουν. 8. Άγνωστες Αιτίες Υπάρχουν περιπτώσεις όπου οι αιτίες βλάβης του υποθαλάσσιου καλωδίου τροφοδοσίας δεν ήταν δυνατό να προσδιοριστούν. Το 12,5% των βλαβών που συνέβησαν σε υποβρύχια καλώδια μεταξύ 1991 και 2006 δεν συγκαταλέγονται στις μέχρι τώρα γνωστές αιτίες, σύμφωνα με την έρευνα της της εταιρίας SSE Plc που ασχολείται με την παραγωγή και την πώληση ενέργειας με έδρα στο Περθ της Σκωτίας. [14] Εντοπισμός Θέσης Βλάβης Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τον εντοπισμό του σημείου που έχει υποστεί βλάβη σε ένα υποβρύχιο καλώδιο, καθεμία από τις οποίες έχει τις δικές της δυνατότητες και περιορισμούς. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του σφάλματος αλλά και τον σχεδιασμό και τη διαμόρφωση του καλωδίου, χρησιμοποιούνται διαφορετικές μέθοδοι εντοπισμού του σφάλματος. Μια αρκετά δημοφιλής μέθοδος εύρεσης του σημείου βλάβης ενός υποβρυχίου καλωδίου είναι με τη χρήση ενός TDR. 37

41 Εικόνα 28 TDR (Time Domain Reflctometer) [23] TDR (Time Domain Reflctometer) Η λειτουργία ενός TDR βασίζεται σε ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο στέλνεται μέσα στον αγωγό του χαλασμένου ηλεκτρικού καλωδίου. Η μέθοδος αυτή εντοπίζει με ευκολία το σημείο που έχει υποστεί βλάβη το καλωδίου. Ο παλμός κινείται κατά μήκος του αγωγού και σταματάει ακριβώς εκεί που θα συναντήσει το σπάσιμο του καλωδίου. Το μεγαλύτερο ποσοστό της παλμικής ενέργειας διαχέεται στο νερό, όμως ένα μικρό ποσοστό της ποσότητας θα ανακλαστεί έχοντας μάλιστα και αντίθετη πολικότητα από πριν. Ο ανακλώμενος παλμός επιστρέφει πίσω, όπου το όργανο καταγράφει τον παλμό και αποδίδει μια γραφική απεικόνιση του στην οθόνη. Επομένως γνωρίζοντας από το διάγραμμα αυτό και σε σύγκριση με το διάγραμμα του συστήματος κατά την σωστή λειτουργία του, την ταχύτητα διάδοσης, μπορεί να υπολογισθεί ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει το ηλεκτρικό σήμα από το σημείο βλάβης στην ακτή, αλλά και την απόσταση του σημείου βλάβης από την ακτή. Στο παρακάτω σχήμα δείχνει μια τυπική καταγραφή της μεθόδου TDR. [4] 38

42 Εικόνα 29 Καταγραφή της μεθόδου TDR 39

43 Αντιμετώπιση Βλαβών Εικόνα 30 Επισκευή υποβρυχίου καλωδίου επάνω στο πλοίο [23] Η επισκευή των υποβρυχίων καλωδίων είναι μία αρκετά απαιτητική διαδικασία. Αρχικά, εντοπίζεται η βλάβη κατά μήκος της εγκατάστασης του καλωδίου. Και ακολουθεί η ανέλκυση του από το βυθό πάνω στο σκάφος, όταν τα βάθη των νερών είναι απρόσιτα ακόμα και για τους εξειδικευμένους δύτες, ώστε να επιδιορθωθεί. Το σκάφος πρέπει να είναι επανδρωμένο με εξιδεικευμένο προσωπικό που να γνωρίζει τακτικές και εφαρμογές προσέγγισης του σημείου που είναι τοποθετημένο το καλώδιο που έχει υποστεί τη βλάβη. Ο αρχικός στόχος του σκάφους είναι να γίνει το καλώδιο προσιτό για τους δύτες και έπειτα να υλοποιηθεί η επισκευή του είτε κάτω από το νερό από αυτούς, είτε να μεταφερθεί εκτός του νερού και να επισκευαστεί στο σκάφος. Έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες ώστε να γίνονται οι επισκευές μέσα στο νερό στο σημείο που βρίσκεται το καλώδιο, αλλά υπάρχουν αρκετές δυσκολίες. Συνεπώς προσπαθούν να επισκευάσουν το καλώδιο είτε σε μικρότερο βάθος από τους δύτες είτε εκτός της θάλασσας. [4] 40

44 Εικόνα 31 Δύτες κατά την επισκευή τριπολικού AC καλωδίου [15] Διαδικασία Επισκευής Υποβρυχίου Καλωδίου Όσον αφορά τον τρόπο επισκευής των υποβρυχίων καλωδίων, δεν υπάρχει κάποια συγκεκριμένη διαδικασία που ακολουθείται. Εξαιρέσεις είναι οι περιπτώσεις επαναλαμβανόμενων εμφανίσεων συγκεκριμένων βλαβών στα ίδια καλώδια, όπου και ακολουθείται η ίδια διαδικασίας επισκευής. Ωστόσο, υπάρχει μία ενδεικτική σειρά διαδικασιών η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για την οργάνωση του πλάνου επισκευής. Αυτές οι διαδικασίες είναι: [4] 41

45 Η κοπή του καλωδίου στο σημείο της βλάβης Εικόνα 32 Kοπή του καλωδίου με ειδική άγκυρα [16] Η ανέλκυση της μίας άκρης του κομμένου καλωδίου Εικόνα 33 Ανέλκυση της μίας άκρης του κομμένου καλωδίου [16] 42

46 Η άφεση της μίας άκρης του καλωδίου με σημαδούρα στην επιφάνεια της θάλασσας Εικόνα 34 Άφεση άκρου καλωδίου με σημαδούρα στην επιφάνεια της θάλασσας [16] Η ανέλκυση της δεύτερης άκρης του κομμένου καλωδίου και η σύνδεση της με το εφεδρικό καλώδιο με τη την μέθοδο της μούφας Εικόνα 35 Σύνδεση του δευτέρου άκρου με το εφεδρικό καλώδιο με τη την μέθοδο της μούφας [16] 43

47 Η ανέλκυση της σημαδούρας με το άκρο του κομμένου καλωδίου και η σύνδεση του με το εφεδρικό καλώδιο επάνω στο σκάφος Εικόνα 36 Ανέλκυση της σημαδούρας με το άκρο του κομμένου καλωδίου [16] Επανατοποθέτηση του καλωδίου στον πυθμένα της θάλασσας Εικόνα 37 Επανατοποθέτηση του καλωδίου [16] 44

48 Προτάσεις (τρόποι) Μείωσης Βλαβών 1. Παρακολούθηση και έγκαιρη αναφορά Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει ο κλάδος είναι η έλλειψη επαρκών δεδομένων και πληροφοριών. Το πρώτο βήμα για τη μείωση των βλαβών των καλωδίων τροφοδοσίας είναι η ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού συστήματος παρακολούθησης και αναφοράς. Αυτό θα βοηθήσει στον γρήγορο εντοπισμό της βλάβης. 2. Γρήγορες επισκευές Οι συχνές επιθεωρήσεις και η έγκαιρη ανίχνευση έχουν ως στόχο την γρήγορη επισκευή για την αποφυγή ενδεχόμενων διακοπών λειτουργίας. 3. Αύξηση μήκους καλωδίου Μία από τις κύριες αιτίες αστοχίας του υποθαλάσσιου καλωδίου είναι ο μεγάλος αριθμός συνδέσμων. Η αύξηση του μήκους των παραγόμενων καλωδίων είναι ανάλογη τον αριθμό των απαιτούμενων συνδέσμων στο τελικό καλώδιο. Αυξάνοντας τα μήκη των καλωδίων, μειώνεται η ανάγκη πολλών συνδέσμων έτσι μειώνονται και τα λάθη που προκύπτουν από την πιθανή λανθασμένη σύνδεση. [14] 45

49 Κεφάλαιο 4 ο : Περιβάλλον και Υποβρύχια Καλώδια Επιπτώσεις στο Περιβάλλον από τη Χρήση Υποβρυχίων Καλωδίων Τα υποβρύχια καλώδια ισχύος ενώ χρησιμοποιούνται από τα μέσα του 19ου αιώνα, οι ανησυχίες για τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα. Η τοποθέτηση υποβρυχίων καλωδίων ενδέχεται να επηρεάσει προσωρινά ή μόνιμα το θαλάσσιο περιβάλλον. Κατά την φάση εγκατάστασης, συντήρησης και παροπλισμού του υποβρύχιου καλωδίου, οι επιπτώσεις μπορεί να περιλαμβάνουν διαταραχές φυσικών οικοτόπων, επαναιώρηση ιζημάτων, χημική ρύπανση και εκπομπές υποβρύχιου θορύβου. Πιο μακροπρόθεσμα αποτελέσματα μπορεί να προκύψουν κατά τη διάρκεια της φάσης λειτουργίας, με αλλαγές στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, εκπομπές θερμότητας, κίνδυνος εμπλοκής, χημική ρύπανση και δημιουργία τεχνητών υφάλων. Εικόνα 38 Πιθανές επιπτώσεις που προκαλούνται από διαφορετικούς τρόπους πόντισης καλωδίων (ενταφιασμένο και μη) κατά τη διάρκεια των φάσεων λειτουργίας και εγκατάστασης ή παροπλισμού. [13] 46

50 Αλλαγές στο Θαλάσσιο Οικοσύστημα (Habitat Reworking) Φυσικές Αλλαγές Οι φυσικές αλλαγές στο υπόστρωμα της θάλασσας δημιουργούνται κυρίως από τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται για την προετοιμασία της καλωδιακής διαδρομής και της εγκατάστασης του καλωδίου. Το μέγεθος της διαταραχής διευρύνεται όταν απαιτούνται μεγάλα πλοία πόντισης με αρκετούς σταθεροποιητές αγκύρωσης. Οι μέθοδοι επεξεργασίας του βυθού μπορεί να οδηγήσουν σε άμεση καταστροφή των βενθικών οικοτόπων, της χλωρίδας και της πανίδας. Συνήθως οι επιπτώσεις περιορίζονται σε συγκεκριμένη περιοχή, το πλάτος και η ένταση της διαταραχής, είναι ανάλογα με τη μέθοδο εγκατάστασης. Για παράδειγμα, το ίχνος ενός άροτρου χάραξης μπορεί να κυμαίνεται από 2 m έως 8 m ανάλογα με το μέγεθος του. Σύμφωνα με μελέτες οι μέθοδοι οργώματος φαίνεται να προκαλούν τη μικρότερη διαταραχή στο βυθό από άλλες μεθόδους. Αυτές οι διαταραχές συνήθως περιορίζονται στο χρόνο, καθώς οι εργασίες εγκατάστασης διαρκούν μερικές ώρες ή ημέρες ανά χιλιόμετρο καλωδίου. Το όργωμα σε συνδυασμό με υδροβολή ευνοούν την ταχύτερη ανάκτηση της τοπογραφίας του πυθμένα, καθώς η τάφρος γεμίζει με το εκτοπισμένο και το αιωρούμενο υλικό αμέσως μετά το σκάψιμο και την τοποθέτηση των καλωδίων. Σε παλιρροιακές περιοχές, οι φυσικές επιπτώσεις στο υπόστρωμα εμφανίζονται συνήθως σε μεγαλύτερη επιφάνεια, της τάξης των δεκάδων μέτρων, λόγω της χρήσης οχημάτων όπως μηχανικών εκσκαφέων. Στην περίπτωση όμως που επιλεγεί υπόγεια οριζόντια κατευθυνόμενη διάτρηση, 10 m κάτω από την επιφάνεια του ιζήματος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε παλιρροιακές περιοχές έως αποστάσεις m. Αυτή η τεχνική εγκατάστασης διαταράσσει μόνο το υπόστρωμα και λίγα τετραγωνικά μέτρα στα σημεία εισόδου της ξηράς και της θάλασσας. Τα μη θαμμένα καλώδια μπορούν να προκαλέσουν απώλεια ενδιαιτημάτων, αλλά σε μικρότερο βαθμό από εκείνων των θαμμένων καλωδίων. Η διαταραχή περιορίζεται στο πλάτος του καλωδίου ή στις διαστάσεις των υλικών που χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση και την προστασία του. Σε ορισμένα τμήματα όπου το καλώδιο τοποθετείται μη σταθεροποιημένο και μη θαμμένο, μπορεί κατά τη φάση λειτουργίας του να προκληθούν μικρές μετατοπίσεις με αποτέλεσμα την διαταραχή των ιζημάτων. Επίσης λόγω των κυμάτων μπορεί να υπάρξουν μετατοπίσεις του καλωδίου και η αλληλεπίδραση με τον σκληρό πυθμένα μπορεί να οδηγήσει σε γδάρσιμο του και τομές σε πετρώματα. 47

51 Κατά τη διαδικασία συντήρησης και τη φάση παροπλισμού των καλωδίων παρατηρούνται παρόμοια αποτελέσματα με αυτά της εγκατάστασης, αλλά το μέγεθος τους εξαρτάται από τη διάρκεια και την κλίμακα των εργασιών. Αναφορικά με τις άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες στη θάλασσα, οι φυσικές διαταραχές στο βυθό οι οποίες προκαλούνται από τα καλώδια περιορίζονται χωρικά. Για παράδειγμα, το αποτύπωμα των υποβρυχίων καλωδίων στην παράκτια περιοχή του Ηνωμένου Βασίλειου είναι περίπου 0,3 km 2, που αντιπροσωπεύουν λιγότερο από 0,01% του παράκτιου βυθού, ενώ στην παράκτια ζώνη της Χώρας των Βάσκων (Βόρεια Ισπανία), το αποτύπωμα των καλωδίων και των αγωγών είναι περίπου 2,3 km 2, ή 0,02% της περιοχής μεταξύ της ακτογραμμής και της αποκλειστικής οικονομικής ζώνης (ΑΟΖ). Βιολογικές Αλλαγές Οι αλλαγές στο υπόστρωμα μπορεί να έχουν άμεσες επιπτώσεις στις βενθικές κοινότητες που σχετίζονται με αυτό όπως μετατόπιση, βλάβη ή σύνθλιψη οργανισμών. Ερευνητές μελέτησαν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της εγκατάστασης ενός θαμμένου υποβρυχίου καλωδίου τροφοδοσίας στο μαλακό πυθμένα της Βαλτικής θάλασσας και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένα χρόνο μετά την εγκατάσταση του καλωδίου δεν υπήρξαν σημαντικές αλλαγές στη βενθική ποικιλομορφία ή στην πληθώρα της βιομάζας τόσο στην καλωδιακή διαδρομή όσο και σε μικρή απόσταση από αυτήν. Το μέγεθος και η σημασία των βιολογικών αλλαγών εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες που συνδέονται με την ευαισθησία και την ανθεκτικότητα των ειδών ή των κοινοτήτων που επηρεάζονται από αυτές. Η αντοχή του οικοτόπου ή της κοινότητας χαρακτηρίζεται από την ικανότητα τους να επιστρέψουν στην αρχική τους οικολογική κατάσταση μετά την διαταραχή και τη διάρκεια αυτής της απόκρισης. Όσο ασθενέστερη είναι η ανθεκτικότητα, τόσο πιο ευαίσθητος είναι ο βιότοπος ή κοινότητα. Έτσι, η ανθεκτικότητα εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως τη φύση και τη σταθερότητα του υποστρώματος, το βάθος των ενδιαιτημάτων και τον κύκλο ζωής των διαταραγμένων ειδών (για παράδειγμα, λιβάδια της θάλασσας που αναπτύσσονται πολύ αργά, μπορεί να χρειαστούν αρκετά χρόνια για να γίνει επαναποικισμός τους στη διαταραγμένη περιοχή). Το μέγεθος των βιολογικών αλλαγών εξαρτάται επίσης από τη σύνθεση της ίδιας της κοινότητας, δηλαδή την εμφάνιση της βενθικής ποικιλομορφίας, πληθώρας ή βιομάζας κατά μήκος της καλωδιακής διαδρομής, σε σύγκριση με την εμφάνισή τους στην περιοχή γύρω από αυτή. Λόγω του μικρού χωρικού αποτυπώματος της καλωδίωσης, η συνολική 48

52 επίδραση στις βενθικές κοινότητες είναι αμελητέες εάν η χωρική κατανομή της είναι ομοιογενής. Επαναιώρηση Ιζημάτων (Sediment Resuspension) Ανάλογα με τη φύση του θαλάσσιου πυθμένα, κατά την εγκατάσταση, την συντήρηση ή τον παροπλισμό του καλωδίου, η απόθεση του αιωρούμενου υλικού (ίζημα) μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή του ανάγλυφου για αρκετά τετραγωνικά μέτρα. Εκτός από τον τύπο ιζήματος, η έκταση και οι ιδιότητες των αλλαγών που σχηματίστηκαν στον πυθμένα εξαρτώνται από παράγοντες όπως η τεχνική εγκατάστασης, η υδροδυναμική και οι κλίμακες τοποθέτησης καλωδίων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας υδροβολής η θολότητα μπορεί να παραμείνει για αρκετές ημέρες ανάλογα με το χρόνο ολοκλήρωσης της διαδικασίας τοποθέτησης καλωδίων. Συνήθως για οποιαδήποτε θέση σε μια καλωδιακή διαδρομή, η διαταραχή διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές ημέρες. Η μείωση της διαφάνειας του νερού και η απόθεση του επαναιωρημένου υλικού μπορεί να περιορίσει το φως για τους θαλάσσιους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς και να επηρεάσει τη σίτιση των ψαριών που ανιχνεύουν οπτικά το θήραμά τους. Επίσης η επαναιώρηση ή η εναπόθεση του αιωρούμενου υλικού μπορεί να θάψουν τα αυγά ορισμένων ειδών ωοτοκίας. Ακόμη μπορεί να οδηγήσει σε βλάβη των βραγχίων των νεαρών ψαριών. Ωστόσο, η αύξηση της θολότητας λόγω της εγκατάστασης και του παροπλισμού καλωδίων έχουν τοπικά και μικρής διάρκειας αποτελέσματα. Αν και καμία μελέτη δεν έχει επικεντρωθεί στην επίδραση της επαναιώρησης σωματιδίων, στις θαλάσσιες κοινότητες, που προκαλείται από την εγκατάσταση καλωδίων φαίνεται να έχει αμελητέες επιπτώσεις στα θαλάσσια οικοσυστήματα. Χημική Ρύπανση (Chemical Pollution) Ο κύριος χημικός κίνδυνος είναι η πιθανή απελευθέρωση ρύπων, όπως είναι τα βαρέα μέταλλα και οι υδρογονάνθρακες, κατά τις εργασίες ταφής, παροπλισμού ή επισκευής καλωδίων. 49

53 Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις ρύπων εντοπίζονται γενικά στις παράκτιες περιοχές λόγω των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Μια προκαταρκτική ανάλυση για την αξιολόγηση του επιπέδου της τοξικότητας των ιζημάτων πρέπει να εκτελείται σε πιθανόν μολυσμένες περιοχές ώστε να επιλεχθεί μια καλωδιακή διαδρομή ώστε να αποφευχθεί η διασπορά των ρύπων. Μπορεί επίσης να προκληθεί ρύπανση κατά τη φάση λειτουργίας ενός υποβρύχιου καλωδίου. Ειδικά, για μονοπολικά καλώδια DC που χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια θάλασσας για τη διαδρομή του ρεύματος επιστροφής (return current path) και αντιπροσωπεύουν περίπου το 30% του HVDC που χρησιμοποιούνται σήμερα. Η κάθοδος και η άνοδος των θαλάσσιων ηλεκτροδίων απελευθερώνουν τοξικά προϊόντα ηλεκτρόλυσης όπως το χλώριο και το βρώμιο που μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα του νερού. Σε μικρότερο βαθμό, ορισμένα παλαιότερα καλώδια που έχουν μόνωση υγρού υδρογονάνθρακα ενδέχεται να διαρρεύσουν μολυσματικές ουσίες στο θαλάσσιο περιβάλλον όταν καταστραφεί. Η ποσότητα του υγρού που διαρρέεται, ποικίλει ανάλογα με τον απαιτούμενο χρόνο για τον εντοπισμό και την επιδιόρθωση της διαρροής, τη θέση και την έκταση της ζημιάς. Η χειρότερη περίπτωση είναι η διαρροή δεκάδων λίτρων ανά ώρα. Πρέπει να σημειωθεί ότι η εγκατάσταση καλωδίων με μόνωση λαδιού σταμάτησε τη δεκαετία του Επιπλέον, τα πλοία και ο υδραυλικός εξοπλισμός ενέχουν μεγαλύτερο δυνητικό κίνδυνο τυχαίας διαρροής λαδιού κατά τη λειτουργία τους. Μεταξύ των υλικών των καλωδίων, υπάρχουν στοιχεία όπως είναι ο χαλκός, ο μόλυβδος και άλλα βαρέα μέταλλα που είναι πιθανές πηγές μόλυνσης. Βαρέα μέταλλα μπορούν ενδεχομένως να διασκορπιστούν στο ίζημα από κατεστραμμένα ή εγκαταλειμμένα καλώδια, αλλά οι ποσότητες που απελευθερώνονται θεωρούνται αμελητέες χωρίς σημαντικές επιπτώσεις. Επιπλέον, μια τέτοια ρύπανση είναι σπάνια καθώς τα καλώδια αφαιρούνται συνήθως όταν δεν λειτουργούν πλέον. Παρόλα αυτά καμία μελέτη δεν επικεντρώνεται ειδικά σε ρύπους που σχετίζονται με τα υποβρύχια καλώδια. Η πηγή διαταραχής θεωρείται σπάνια, χωρικά εντοπισμένη και θεωρείται απίθανο να έχει σημαντικές επιπτώσεις στις βενθικές κοινότητες. 50

54 Υποβρύχιος Θόρυβος (Underwater Noise) Ο ανθρωπογενής θόρυβος μπορεί να παραχθεί κατά την εκκαθάριση της διαδρομής των καλωδίων, την τοποθέτηση και την ταφή των καλωδίων από τα σκάφη και τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια αυτών των εργασιών. Η ένταση και διάδοση του υποβρύχιου θορύβου ποικίλει ανάλογα με τη βαθυμετρία και τα χαρακτηριστικά του πυθμένα της θάλασσας, όπως ο τύπος ιζήματος και η τοπογραφία. Λόγω του ότι δεν υπάρχουν επιτόπια δεδομένα για την μέτρηση θορύβου κατά την διάρκεια τέτοιων διεργασιών, έχουν χρησιμοποιηθεί προσεγγιστικά μοντέλα για την εκτίμηση της στάθμης ηχητικής πίεσης (SPL). Μια ακόμη πηγή θορύβου, αν και μικρή, προέρχεται από δονήσεις κατά τη λειτουργία διαφόρων ειδών HVAC καλωδίων, λόγω της δύναμης Coulomb που ασκείται μεταξύ των αγωγών. Δεν υπάρχουν σαφείς ενδείξεις ότι οι υποβρύχιοι θόρυβοι που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της εγκατάστασης καλωδίων επηρεάζουν τα θαλάσσια θηλαστικά ή οποιοδήποτε άλλο θαλάσσιο ζώο. Βέβαια είναι κοινά αποδεκτό ότι πολλά θαλάσσια ζώα και κυρίως θηλαστικά και ψάρια ανιχνεύουν και εκπέμπουν ήχους για διαφορετικούς σκοπούς όπως επικοινωνία, προσανατολισμό ή σίτιση. Τα θαλάσσια θηλαστικά έχουν τη δυνατότητα να ακούνε σε υψηλές συχνότητες που κυμαίνονται από 10 Hz έως 200 khz, ενώ τα ψάρια ακούνε συνήθως σε πολύ χαμηλότερες συχνότητες, από 15 Hz έως 1 khz. Άλλοι οργανισμοί όπως θαλάσσιες χελώνες, πολλά ασπόνδυλα όπως δεκάποδα (καβούρια, αστακούς, γαρίδες, καραβίδες), κεφαλόποδα ή κνιδόζωα έχουν επίσης αποδειχθεί ότι είναι ευαίσθητα στον ήχο. Πολλές μελέτες τονίζουν ότι τα θαλάσσια κητοειδή αντιδρούν σε ανθρωπογενείς ήχους διαφορετικών εντάσεων. Οι ήχοι που δημιουργούνται από τη δραστηριότητα των πλοίων μπορούν να επηρεάσουν τη συμπεριφορά διαφόρων ειδών ψαριών. Ανθρωπογενής υποβρύχιος θόρυβος μπορεί επίσης να επηρεάσει τη θαλάσσια ζωή με διαφορετικούς τρόπους, αναγκάζοντας θαλάσσια είδη να αποφεύγουν περιοχές, διαταράσσοντας τις διατροφικές συνήθειες, την αναπαραγωγή ή αποδημητική συμπεριφορά, ακόμη και πρόκληση θανάτου σε ζώα. Μέχρι τώρα, χαρακτηρισμός ακουστικών ορίων που προκαλούν προσωρινή ή μόνιμη βλάβη περιγράφεται πολύ καλύτερα για τα θαλάσσια θηλαστικά, παρά για τα ψάρια και παραμένουν άγνωστα για τα θαλάσσια ασπόνδυλα και θαλάσσιες χελώνες. Σε σύγκριση με άλλες ανθρωπογενείς πηγές θορύβου, όπως το σόναρ ή τις υποθαλάσσιες εκρήξεις, ο υποβρύχιος θόρυβος που συνδέεται με τα υποθαλάσσια καλώδια παραμένει χαμηλότερος. Η εγκατάσταση καλωδίων είναι ένα χωρικά τοπικό προσωρινό συμβάν, έτσι 51

55 ο αντίκτυπος του θορύβου στις θαλάσσιες κοινότητες αναμένεται να είναι μικρός και σύντομος. Η δόνηση που προέρχεται από καλώδια HVAC, αν και σημαντικά χαμηλότερη από τη στάθμη ηχητικής πίεσης κατά τη διάρκεια της φάσης εγκατάστασης του καλωδίου, απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή καθώς οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της παραμένουν άγνωστες. Φαινόμενου Ύφαλου (Reef Effect) Όπως και άλλα βυθισμένα αντικείμενα όπως είναι τα ναυάγια, οι πλατφόρμες πετρελαίου ή φυσικού αερίου και οι συσκευές MRE, έτσι και τα μη ενταφιασμένα υποθαλάσσια καλώδια και τα συστήματα προστασίας και σταθεροποίησης τους μπορούν να δημιουργήσουν τεχνητούς υφάλους, το λεγόμενο «φαινόμενο υφάλου». Οι τεχνητοί ύφαλοι χρησιμοποιούνταν συνήθως για ενίσχυση της αλιείας και πιο πρόσφατα για αποκατάσταση ενδιαιτημάτων ή παράκτια προστασία. Αυτές οι δομές αποικίζονται από βενθικά είδη που έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν ανθρακικό ασβέστιο, συμπεριλαμβανομένης της επιφάνειας και της κινητής πανίδας. Επίσης μπορεί να προσελκύσει μεγάλη κινητή πανίδα, όπως δεκάποδα (καβούρια, αστακούς, γαρίδες, καραβίδες) ή ψάρια. Η έκταση του υφάλου εξαρτάται από το μέγεθος και τη φύση της δομής προστασίας των καλωδίων, αλλά και από τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος χώρου και τους γηγενείς πληθυσμούς. Όταν οι τεχνητές δομές βρίσκονται σε ένα φυσικό σκληρό περιβάλλον υποστρώματος τότε με την πάροδο του χρόνου ο τεχνητός ύφαλος αρχίζει να μοιάζει με τη περιοχή γύρω του. 52

56 Εικόνα 39 Μη ενταφιασμένο καλώδιο σε αμμώδη περιοχή και πάνω σε αυτό υπάρχουν 3 θαλάσσιες ανεμώνες [13] Αντίθετα, σε ένα φυσικό μαλακό περιβάλλον υποστρώματος, τα μη ενταφιασμένα καλώδια δημιουργούν ένα ισχυρότερο αποτέλεσμα υφάλου και φιλοξενούν μια νέα κοινότητα βενθικών ειδών. Όπως φαίνεται οι θαλάσσιες ανεμώνες έγιναν πιο άφθονες στο καλώδιο παρά στο γύρω περιβάλλον 8 χρόνια μετά την εγκατάσταση του καλωδίου. Εικόνα 40 Βαριά σκουριά, φύκια και ασπόνδυλα είδη πάνω στην επιφάνεια του καλωδίου [13] 53

57 Το «φαινόμενο ύφαλου» θεωρείται ότι έχει θετικό αντίκτυπο, καθώς κοντά στους τεχνητούς ύφαλους παρατηρείται αφθονία διαφόρων ειδών ψαριών και άλλων βενθικών ειδών. Επίσης, όταν συνδέεται με μια περιοχή αποκλεισμού της αλιείας οι τεχνητοί ύφαλοι μπορεί να λειτουργούν ως καταφύγια για αυτούς τους πληθυσμούς, με δυνητικά οφέλη για τα παρακείμενα αποθέματα και την αλιεία. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο τεχνητός ύφαλος θεωρείται αντισταθμιστικό μέτρο στις καταστροφές των οικοτόπων κατά την εγκατάσταση καλωδίου. Από την άλλη πλευρά, το φαινόμενο του υφάλου μπορεί δυνητικά να οδηγήσει σε μακροπρόθεσμα αρνητικές επιπτώσεις εάν οι δομές διευκολύνουν την εισαγωγή μη ιθαγενών ειδών. Η παρουσία ενός νέου σκληρού τεχνητού υποστρώματος μπορεί να είναι 2,5 φορές υψηλότερο από το φυσικό υπόστρωμα. Έτσι, η παρουσία ενός νέου σκληρού υποστρώματος, όπως ένα καλώδιο και οι δομές προστασίας του, σε μαλακό ίζημα μπορεί δυνητικά να ανοίξει έναν δρόμο στην εισαγωγή νέων βενθικών ειδών. Εικόνα 41 Σύστημα για τη σταθεροποίηση του καλωδίου με έντονο αποικισμό [13] 54

58 Αποθεματικό Φαινόμενο (Reserve Effect) Το πιθανό αποθεματικό αποτέλεσμα της χρήσης των υποβρυχίων καλωδίων συνδέεται με τον περιορισμό δραστηριοτήτων που βλάπτουν το περιβάλλον γύρω από το καλώδιο όπως είναι το ψάρεμα με τράτα, η αγκυροβόληση, η βυθοκόρηση, το οποίο θεωρείται θετικό αποτέλεσμα για τα οικοσυστήματα. Το μέγεθος της προστατευόμενης ζώνης και το επίπεδο περιορισμού εξαρτώνται από τη μέθοδο εγκατάστασης του καλωδίου (ενταφιασμένο ή μη), τον αριθμό των καλωδίων που υπάρχουν στην περιοχή καθώς και το μέγεθος των ηλεκτρικών συνδέσεων. Με περιορισμό στις περιοχές αλιείας, είδη όπως είναι τα χτένια ή τα μύδια θα παραμείνουν προστατευμένα καθ όλη τη διάρκεια της ζωής του, αντίθετα η προστασία των κινητών ειδών όπως είναι τα ψάρια θα είναι αποτελεσματική μόνο κατά τη διάρκεια του χρόνου που ζουν ή διέρχονται από την περιοχή που βρίσκονται τα καλώδια. Πάντως μελέτη έδειξε ότι δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές στον πλούτο διαφόρων ειδών ψαριών εντός και εκτός ζώνης προστασίας. Εικόνα 42 Ζώνη προστασίας τριών υποβρυχίων καλωδίων ισχύος και ενός καλωδίου οπτικών ινών που βρίσκονται απέναντι από το Cook Strait της Νέας Ζηλανδίας. Η συνολική προστατευόμενη περιοχή καλύπτει περίπου 236 km 2 [13] 55

59 Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία (Electromagnetic Fields) Οι πιθανές οικολογικές επιπτώσεις των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία δημιουργούνται κατά την λειτουργία των υποβρυχίων καλωδίων τροφοδοσίας και μπορούν να χωριστούν σε ηλεκτρικά πεδία (μετρούμενα σε Vm -1 ) και μαγνητικά πεδία (μετρούμενα σε μt). Τα ηλεκτρικά πεδία αυξάνονται καθώς η τάση αυξάνεται και μπορούν να φτάσουν τα 1000 μvm -1 για ένα καλώδιο, αλλά γενικά περιορίζονται αποτελεσματικά εξαιτίας της θωράκισης του καλωδίου. Τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται όταν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα, όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα, τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο. Τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων εξαρτώνται από τον τύπο του καλωδίου (δομή καλωδίου), την ένταση, τον τύπο ρεύματος (συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα) και αν είναι θαμμένο ή όχι. Το εναλλασσόμενο ρεύμα παράγει ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο το οποίο δημιουργεί ένα αδύναμο επαγόμενο ηλεκτρικό πεδίο μερικών μvm-1, που ονομάζεται πεδίογια ie, κοντά στο καλώδιο. Επίσης όταν το καλώδιο είναι θαμμένο, το στρώμα ιζημάτων δεν εξαλείφει πλήρως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, αλλά μειώνει την έκθεση σε ισχυρότερα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που μπορούν να υπάρχουν όταν αυτό δεν είναι θαμμένο. Στα υποβρύχια καλώδια, ρεύματα εντάσεως 1600 A είναι κάτι σύνηθες και τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται σε αυτά είναι της τάξης των 3200 μt, που μειώνονται σε 320 μt σε απόσταση 1m, σε 110 μt σε απόσταση 4m και σε 50 μt για απόσταση πέραν των 6m (παρόμοιες τιμές με αυτές των μαγνητικών πεδίων εκτός νερού). Σύμφωνα με έρευνες ένα υποβρύχιο καλώδιο 132 kv εναλλασσόμενου ρεύματος δημιουργεί μαγνητικό πεδίο 1,6 μt στην επιφάνεια του καλωδίου (δηλαδή εντός λίγων χιλιοστών), ενώ καλώδιο kv συνεχούς ρεύματος δεν θα παράγει σημαντικό μαγνητικό πεδίο, πέρα από μερικά εκατοστά από την επιφάνεια του καλωδίου. Το μαγνητικό πεδίο διαφέρει σημαντικά συναρτήσει του τύπου καλωδίου. 56

60 Εικόνα 43 Μαγνητικά πεδία που προέρχονται από διαφορετικούς τύπους θαμμένων υποβρυχίων καλωδίων κατά τη λειτουργία Α: Δεδομένα από 9 καλώδια DC. Β: Δεδομένα από 10 καλωδίων AC. [13] Αν και η μοντελοποίηση παρουσιάζει σοβαρούς περιορισμούς στην κατανόηση της κλίμακας των αντιδράσεων του οικοσυστήματος σε τέτοιες διαταραχές, κάποιες μελέτες έδωσαν τιμές ηλεκτρομαγνητικού πεδίου συγκρίσιμες με εκείνες που υπολογίστηκαν από κάποιο μοντέλο. Πολλά θαλάσσια είδη είναι γνωστό ότι είναι ευαίσθητα στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, όπως ελασμοβράγχια (καρχαρίες και σαλάχια), ψάρια, θηλαστικά, χελώνες και μαλάκια. Η πλειοψηφία τέτοιων ειδών ανιχνεύουν και χρησιμοποιούν το γεωμαγνητικό πεδίο της Γης για τον προσανατολισμό και την μετανάστευσή τους. Κάποια είδη είναι ηλεκτροευαίσθητα, όπως τα ελασμοβράγχια, και μπορούν να ανιχνεύσουν ηλεκτρικά πεδία με ειδικά όργανα ανίχνευσης, που ονομάζονται ηλεκτροϋποδοχείς. Αυτή η αίσθηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ηλεκτρικών πεδίων που εκπέμπονται από θηράματα, καθώς και για προσανατολισμό. Μερικά περιστατικά δαγκωμένων μη ενταφιασμένων υποβρυχίων καλωδίων πιθανόν να οφείλονται με το ηλεκτρικό πεδίο που εκπέμπεται από τα καλώδια. Έτσι, τα υποβρύχια καλώδια πιθανόν να επιδρούν με αρνητικό τρόπο σε ευαίσθητα θαλάσσια είδη και ιδίως σε βενθικούς οργανισμούς. Η πρόκληση ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου από καλώδια τροφοδοσίας μπορεί να αποτρέψει την κίνηση πολλών ειδών ελασμοβράγχων σε σημαντικές περιοχές, όπως περιοχές σίτισης, ζευγαρώματος και γέννας. Βέβαια δεν έχουν αποδειχθεί σημαντικές επιπτώσεις στη φυσιολογία ή την επιβίωση αυτών των ειδών. Όσον αφορά τα ασπόνδυλα, τα δεδομένα είναι λιγοστά εκτός από μερικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί σχετικά με δευτερεύουσες ή μη σημαντικές επιπτώσεις του ανθρωπογενούς ηλεκτρομαγνητικού πεδία σε βενθικά ασπόνδυλα. 57

61 Υπάρχουν σημαντικά κενά δεδομένων, για την αλληλεπίδραση μεταξύ των θαλάσσιων ειδών και των υποβρύχιων καλωδίων. Αυτά τα κενά παραμένουν, λόγω των δυσκολιών αξιολόγησης των επιπτώσεων στην πληθυσμιακή κλίμακα των θαλάσσιων ειδών γύρω από τις καλωδιακές γραμμές. Εκπομπή Θερμότητας (Heat Emission) Όταν μεταφέρεται ηλεκτρική ενέργεια, μια συγκεκριμένη ποσότητα χάνεται ως θερμότητα λόγω του φαινόμενου Joule, οδηγώντας έτσι σε αύξηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του καλωδίου και συνεπώς τη θέρμανση του περιβάλλοντος πέριξ του καλωδίου. H συνεχής ροή νερού γύρω από ένα μη ενταφιασμένο καλώδιο, διαχέει τη θερμική ενέργεια και την περιορίζει στην επιφάνεια του καλωδίου. Ωστόσο, για τα θαμμένα καλώδια, η θερμική ακτινοβολία μπορεί να θερμάνει σημαντικά το περιβάλλον ίζημα που έρχεται σε άμεση επαφή με το καλώδιο, ακόμη και δεκάδες εκατοστά μακριά από αυτό, και ειδικά σε η περίπτωση συνεκτικών ιζημάτων. Η εκπομπή θερμότητας είναι υψηλότερη σε καλώδια εναλλασσόμενου ρεύματος σε σχέση με καλώδια συνεχούς ρεύματος για ίδιους ρυθμούς μεταφοράς και μπορεί να ρυθμιστεί από τα φυσικά χαρακτηριστικά και την ηλεκτρική τάση του καλωδίου, το βάθος ταφής, τον τύπο του πυθμένα (θερμική αγωγιμότητα, θερμική αντίσταση κ.λπ.) καθώς και τα φυσικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος. Παρά τα στοιχεία για θερμική ακτινοβολία από υποθαλάσσια καλώδια, πολύ λίγες μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί και οι περισσότερες αποτελούνται από αριθμητικά μοντέλα. Η αύξηση της θερμοκρασίας κοντά στο καλώδιο μπορεί να τροποποιήσει τις χημικές και φυσικές ιδιότητες του υποστρώματος, όπως το προφίλ συγκέντρωσης οξυγόνου και τις δραστηριότητες των μικροοργανισμών του υποστρώματος. Επίσης μπορούν να εμφανιστούν αλλαγές στην φυσιολογία των βενθικών οργανισμών που ζουν στα υποστρώματα ή τα ανώτερα στρώματα ιζημάτων. Η εκπομπή θερμότητας μπορεί επίσης να προκαλέσει δυνητικά, μικρές χωρικές αλλαγές στη δομή της βενθικής κοινότητας λόγω της μη αντοχής διαφόρων ειδών, όπως για παράδειγμα των ψυχρόφιλων έναντι πιο ανεκτικών ειδών στην αλλαγή της θερμοκρασίας. Οι επιπτώσεις από την αύξηση της θερμοκρασίας από τα ηλεκτρικά καλώδια σε βενθικές κοινότητες,δεν έχουν εξεταστεί επαρκώς και οι έρευνες είναι ελλιπείς. Επιπλέον, μελέτες που χρησιμοποιούν ελεγχόμενες αυξήσεις της θερμοκρασίας είναι συχνά μη ρεαλιστικές. Αυτό το κενό γνώσης εμποδίζει στην εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων σχετικά με τις 58

62 οικολογικές επιπτώσεις της μακροχρόνιας θερμικής ακτινοβολίας στα θαλάσσια οικοσυστήματα. Όμως, λαμβάνοντας υπόψη την έκταση της καλωδιακής γραμμής σε σχέση με το θαλάσσιο περιβάλλον οι επιπτώσεις θωρούνται αμελητέες. Παρ 'όλα αυτά, νέες μετρήσεις και πειράματα είναι απαραίτητα να υλοποιηθούν, ώστε να κατανοηθεί πλήρως αυτό το φαινόμενο και να εκτιμηθούν οι επιπτώσεις του στους δυνητικά εκτεθειμένους οργανισμούς. [13] Εικόνα 44 Γράφημα της θερμοκρασίας του βυθού ανάλογα την απόσταση από ένα AC υποβρύχιο καλώδιο [13] 59

63 Κεφάλαιο 5 ο : Προσομοίωση ενός τριπολικού υποβρυχίου καλωδίου XLPE HVAC Η προσομοίωση έγινε στο πρόγραμμα COMSOL [22] Η προσομοίωση αυτή έχει σκοπό να αναδείξει τις απώλειες ισχύος ανά χιλιόμετρο καλωδίου κατά τη μεταφορά, οι οποίες παρατηρούνται στις φάσεις στους οπλισμούς και τον μανδύα και προκαλούνται από τη θερμοκρασία του καλωδίου. Επίσης μέσω 3D μοντέλων παρατηρείται και πως κατανέμεται η θερμοκρασία του καλωδίου καθώς και τις μέγιστες και ελάχιστές τιμές της. Το μοντέλο Στην προσομοίωση αυτή γίνεται λόγος για ένα τριπολικό υποβρύχιο καλώδιο με μόνωση διασταυρωμένου πολυαιθυλενίου (XLPE) εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής τάσης (HVAC) με διατομή 500 mm 2 και ονομαστική τάση 220 kv. Η γεωμετρία του καλωδίου φαίνεται στην εικόνα 45. Εικόνα 45 Η διατομή του καλωδίου περιλαμβάνει τις τρεις φάσεις (κίτρινο), τον μανδύα (κόκκινο), τη μόνωση XLPE (λευκό), τον οπλισμό (μπλε) και την ίνα (πράσινο). [22] 60

64 Θεωρητικό υπόβαθρο Σε συνδυασμό με τον Νόμο του Maxwell-Ampere, αυτό το μοντέλο λύνει το κλασσικό στατικό πρόβλημα της μεταφοράς θερμότητας. Η παρακάτω παραγωγή χρησιμοποιεί την διαφορική μορφή σε συνδυασμό με το SI σύστημα μονάδων. Η παραγωγή του Νόμου του Fourier ξεκινάει με την ιδέα ότι το ανάδελτα της θερμοκρασίας σε έναν θερμικό αγωγό οδηγεί στην παρακάτω ροή θερμικής ενέργειας: q = k T (1) Όπου q και k αναφέρονται στην πυκνότητα της τοπικής ροής θερμότητας και στην θερμική αγωγιμότητα, αντίστοιχα. Δεύτερον, το κριτήριο απόκλισης αναφέρει ότι η ροή της θερμότητας πρέπει να διατηρείται. q = 0 Αν η μέση απόκλιση της q δεν είναι μηδέν για σταθερό όγκο, σημαίνει ότι το άθροισμα όλης της ροής που εισέρχεται ή εξέρχεται τον όγκο αυτόν δεν είναι μηδέν. Οπότε, υπάρχει κάποια πηγή θερμότητας ή απαγωγός θερμότητας. Σε αυτό το μοντέλο η θερμότητα προκύπτει από τις ηλεκτρομαγνητικές απώλειες. Συγκεκριμένα, εφόσον οι μαγνητικές και οι διηλεκτρικές απώλειές υστέρησης αγνοούνται, ότι υπάρχει στην εξίσωση θερμότητας είναι μόνο οι απώλειες αντιστάτη (γνωστό και ως Joule heating) : Q rh = J 2 = Re(J Ε ) (2) 2σ 2 Όπου το J αναφέρεται στην πυκνότητα του ρεύματος αγωγιμότητας (αποκλείοντας τα ρεύματα μετατόπισης), και το Ε* αναφέρεται στο μιγαδικό συζυγή του Ε. Αφού το Q rh αντιπροσωπεύει τις RMS απώλειες (για αυτό και η διαίρεση με το δυο). Συνεπώς, μπορούμε να υποθέσουμε ότι ο θερμικός χρόνος απόκρισης είναι πολύ μεγαλύτερος από την περίοδο που χρησιμοποιείται για τα ηλεκτρικά ρεύματα και πεδία: 61

65 τ ht 1 f 0 = T 0 Όταν αντικαθιστάς αυτό μαζί με τον ορισμό της θερμικής ροής στον νόμο διατήρησης ροής q = 0 προκύπτει η παρακάτω μερική διαφορική εξίσωση για την εξαρτημένη μεταβλητή Τ: (k T) = Q rh (3) Η διεπαφή Heat Transfer in Solids στο πρόγραμμα χρησιμοποιεί αυτόν τον νόμο διατήρησης για να καθορίσει την τιμή του Τ εντός του πεδίου ορισμού. Εφόσον υποθέτουμε στατικές συνθήκες, έχουμε θερμική ισορροπία. Η θερμότητα που δημιουργείται στο καλώδιο θα πρέπει να φύγει μέσω των εξωτερικών ορίων. Η επιλεγμένη συνθήκη εξωτερικών ορίων είναι τύπου Diricklet, η οποία είναι μια σταθερά θερμοκρασίας Τ ext. Τέλος, η θερμοκρασία που προκύπτει τροφοδοτείται πίσω στην διεπαφή Magnetic Fields μέσω μιας θερμοκρασίας που εξαρτάται από την αγωγιμότητα. Πάλι, ο χρόνος θερμικής απόκρισης θεωρείται μεγάλος. Η θερμοκρασία θεωρείται σταθερή κατά τον χρονικάαρμονικό κύκλο (μία περίοδο). (σ(τ) + jωε)ε + (μ 1 B) = 0 (4) Μαζί με τον νόμο του Fourier (εξίσωση 3), αυτό δίνει ένα πλήρες αμφίδρομο συζευγμένο σύστημα με μοναδική λύση για τις εξαρτημένες μεταβλητές Τ και Α. *με τον όρο διεπαφή ονομάζουμε την επικοινωνία δυο διαφορετικών διεργασιών 62

66 Προσέγγιση Μοντέλου Αρχικά η διεπαφή Electromagnetic Heat Source προστίθεται για να συνδέσει το πρόβλημα θερμότητας με το ηλεκτρομαγνητικό πρόβλημα. Και αντίστροφα, η διεπαφή Temperature Coupling χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει την θερμοκρασία πίσω στο ηλεκτρομαγνητικό πρόβλημα. Αν και η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται πιθανή, οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες πρακτικά δεν αλλάζουν. Αυτό συμβαίνει διότι αρχικά, η αγωγιμότητα των πιο σημαντικών υλικών (μετάλλων) δεν εξαρτάται από την θερμοκρασία. Οπότε, το μοντέλο συμπεριφέρεται αποτελεσματικά σαν ένα μονόδρομο συζευγμένο σύστημα. Σε ένα δεύτερο βήμα, ξεκινώντας από τους κεντρικούς αγωγούς, αυτή η εξάρτηση θερμοκρασίας περιλαμβάνεται μέσω της γραμμικοποιημένης αντίστασης: σ(τ) = 1 ρ 0 (1+α(T T ref )) (5) Όπου ρ 0 αναφέρεται στην ειδική αντίσταση αναφοράς σε θερμοκρασία T ref,και α είναι η σταθερά ειδικής αντίστασης σε 1/Κ. Συμπεριλαμβάνοντας την γραμμικοποιημένη ειδική αντίσταση, οι απώλειες και οι θερμοκρασίες αναλύονται για ακόμα μια φορά. Σε ένα τρίτο βήμα, η αγωγιμότητα του μανδύα δημιουργείται ώστε να εξαρτάται επίσης από την θερμοκρασία. Τέλος, για κάθε φάση, βρίσκεται μια τιμή αγωγιμότητας σ coil, τέτοια ώστε η συνολική ΑC αντίσταση (effective resistance) της φάσης να ταιριάζει με μια συγκεκριμένη καθορισμένη ποσότητα R ac. Η εύρεση αυτών των τιμών πραγματοποιείται μέσω μιας σειράς από συνήθεις διαφορικές εξισώσεις. Η παράσταση για το R ac που επιλέχθηκε στην συγκεκριμένη περίπτωση, εξάγεται από την εξίσωση 5: R ac (T) = ηr dc = η = ηρ 0(1+α(T T ref )) (6) σ(τ)α Α Όπου R dc = 1 σ(τ)α αναφέρεται στην DC αντίσταση και το η αναφέρεται στην αναλογία μεταξύ της AC και DC αντίστασης. Πρακτικά, όμως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί 63

67 οποιαδήποτε συνεχής, μονότονη παράσταση για το R ac(t), συμπεριλαμβανομένων εκείνων που βασίζονται σε μετρημένα δεδομένα ή σταθερές που προκύπτουν από την IEC σειρά προτύπων. Καθορισμός των ιδιοτήτων των υλικών του καλωδίου Θερμική αγωγιμότητα (συμβολίζεται με k) ορίζεται η χαρακτηριστική ιδιότητα της ύλης που προσδιορίζει την ευκολία ή δυσκολία διάδοσης της θερμότητας στο εσωτερικό ενός υλικού. Η Θερμική αγωγιμότητα μετριέται με τον "συντελεστή αγωγιμότητας" ο οποίος διαφέρει από σώμα σε σώμα. Η μονάδα SI είναι W/(m*K) Πυκνότητα (συμβολίζεται με rho) εκφράζει τη μάζα του υλικού που περιέχεται σε μία μονάδα όγκου. Η μονάδα SI είναι kg/m 3 Eιδική θερμική ικανότητα (συμβολίζεται Cp) μιας ουσίας είναι η θερμική ικανότητα ενός δείγματος της ουσίας διαιρούμενη με τη μάζα του δείγματος. Είναι η ποσότητα ενέργειας που πρέπει να προστεθεί, με τη μορφή θερμότητας, σε μια μονάδα μάζας της ουσίας για να προκαλέσει αύξηση κατά μία μονάδα στη θερμοκρασία. Η μονάδα SI είναι J/(K*kg) [24] 64

68 Αποτελέσματα και σχόλια Όλα τα αποτελέσματα βασίζονται σε μια θερμοκρασία αναφοράς 20 C Αρχικά, η αμφίδρομη σύζευξη μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και της μεταφοράς θερμότητας είναι μόνο εν μέρη ενεργή (οι κυρίαρχες ιδιότητες των υλικών εξακολουθούν να είναι ανεξάρτητες της θερμοκρασίας). Με αποτέλεσμα, το καλώδιο να θερμαίνεται, αλλά οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες να παραμένουν ιδίες. Οι απώλειες στον οπλισμό, οι απώλειες στο μανδύα, και οι απώλειες στους αγωγούς φάσης ανά χιλιόμετρο είναι 9.1 kw/km, 12 kw/km, and 43 kw/km αντίστοιχα. Απώλεια ισχύος κατά τη μεταφορά Απώλειες στον οπλισμό περίπου 9.1 kw/km Εικόνα 46 Τομή καλωδίου με μπλε χρώμα ο οπλισμός 65

69 Απώλειες στον μανδύα περίπου 12 kw/km Εικόνα 47 Τομή καλωδίου με μπλε χρώμα ο μανδύας Απώλειες στους αγωγούς φάσης περίπου 43 kw/km Εικόνα 48 Τομή καλωδίου με μπλε χρώμα οι αγωγοί φάσης 66

70 Η αρχική θερμοκρασία στους αγωγούς φάσης είναι περίπου 72 C, μια αύξηση 52 C βαθμών σε σχέση με το Τ ref(20 C). Mε βάση τον τύπο 1 + α(t T ref ) και την εξισωση 2, είναι πιθανό να καταλήξουμε στο ότι αν περιλαμβάνεται μια γραμμικοποιημένη ειδική αντίσταση στις φάσεις, μπορούμε να περιμένουμε μια αύξηση στις απώλειες κατά τουλάχιστον 20%. Όταν εφαρμόζεται η γραμμικοποιημένη ειδική αντίσταση, οι απώλειες βασικά αυξάνονται κατά περίπου 26%. Η θερμοκρασία στους αγωγούς φάσης φτάνει σε μια καινούργια ισορροπία στους 82 C (εικόνα 49). Οι απώλειες στους αγωγούς φάσης αυξάνονται στα 54 W/km, όσο οι απώλειες στον οπλισμό και οι απώλειες στο μανδύα παραμένουν περίπου ιδίες. Εικόνα 49 Κατανομή θερμοκρασίας στο καλώδιο εφαρμόζοντας γραμμικοποιημένη ειδική αντίσταση στους αγωγούς φάσης 67