ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: Μελέτη Δικτύου Γείωσης Υπαίθριου Υποσταθμού Υψηλής Τάσης

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: Μελέτη Δικτύου Γείωσης Υπαίθριου Υποσταθμού Υψηλής Τάσης Δημητριάδου Ζωή Επιβλέπων καθηγητής: Π. Ν. Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη 2012

2

3 Πρόλογος Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του συστήματος γείωσης ενός υπαίθριου υποσταθμού υψηλής τάσης 20/150kV. Για τον υποσταθμό αυτό είναι διαθέσιμες οι πραγματικές μετρήσεις του συστήματος γείωσης που έχουν ληφθεί σε διάφορα σημεία του, οι οποίες συγκρίνονται με τα θεωρητικά αποτελέσματα που προκύπτουν από την προσομοίωση του συστήματος γείωσης με το λογισμικό πακέτο CYMGrd 6.3. Παρακάτω γίνεται μια σύντομη περιγραφή των κεφαλαίων που ακολουθούν. Αρχικά δίνεται ο ορισμός της γείωσης αλλά και κάποιων βασικών εννοιών που κρίνονται απαραίτητες για την κατανόηση της παρούσας διπλωματικής, ενώ στη συνέχεια ορίζεται η ειδική αντίσταση του εδάφους, αναλύονται οι παράγοντες που την επηρεάζουν και περιγράφονται κάποιες μέθοδοι μέτρησής της. Στο τρίτο κεφάλαιο υπολογίζονται τα επιτρεπτά όρια για την τάση επαφής και την βηματική τάση με βάση την αντοχή του ανθρώπινου σώματος στο ηλεκτρικό ρεύμα και με τη χρήση ισοδύναμων κυκλωμάτων Thevenin. Στη συνέχεια, στο τέταρτο κεφάλαιο εξηγείται ο σκοπός του συστήματος γείωσης, περιγράφονται οι βασικές αρχές για τη σχεδίαση του και αναφέρονται κάποιες καταστάσεις που μπορούν να εκθέσουν ένα άτομο σε κίνδυνο. Τέλος επισημαίνονται οι σπουδαιότερες παράμετροι για την σχεδίαση ενός συστήματος γείωσης. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται προσομοίωση του συστήματος γείωσης μέσω του CYMGrd και μελετώνται οι βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής στο γήπεδο του Υ/Σ καθώς και η ανύψωση δυναμικού του εδάφους έξω αυτόν. Η προσομοίωση γίνεται για τρείς διαφορετικές τιμές της ειδικής αντίστασης και σε κάθε περίπτωση τα αποτελέσματα της συγκρίνονται με τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο εγκατεστημένο σύστημα γείωσης στις αντίστοιχες θέσεις. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο δίνεται μια σύνοψη της διπλωματικής εργασίας και εξάγονται κάποια συμπεράσματα. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Παντελή Ν. Μικρόπουλο, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος, για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας, την άψογη συνεργασία του και την βοήθεια του στην επίλυση οποιουδήποτε προβλήματος παρουσιάστηκε. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Ζαχαρία Δάτσιο, υποψήφιο διδάκτορα του Eργαστηρίου Yψηλών Tάσεων, για τις πολύτιμες συμβουλές του και το χρόνο που μου αφιέρωσε. Τέλος, ευχαριστώ

4 ιδιαίτερα τη Διεύθυνση Νέων Έργων Μεταφοράς της Δ.Ε.Η. για την παραχώρηση όλων των απαραίτητων πληροφοριών, καθώς χωρίς αυτές δεν θα ήταν δυνατή η εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας. Δημητριάδου Ζωή Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2012

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Ορολογία Ορισμοί βασικών εννοιών Γείωση Ηλεκτρόδιο γείωσης Πλέγμα γείωσης Βηματική τάση Τάση επαφής Τάση βρόγχου Τάση επαφής μεταλλικών στοιχείων Ανύψωση δυναμικού γης( Ground Potential Rise, GPR) Υλικό επιφάνειας Dc συνιστώσα Συντελεστής εξασθένισης D f Ενεργό μη συμμετρικό ρεύμα σφάλματος I f Μέγιστο ρεύμα πλέγματος I... 3 G Συντελεστής καταμερισμού ρεύματος S f Συμμετρικό ρεύμα πλέγματος I g Συμμετρικό ρεύμα σφάλματος γείωσης I f Λόγος X/R Ειδική αντίσταση εδάφους Ορισμός ειδικής αντίστασης Παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους Είδος του εδάφους Υγρασία Θερμοκρασία Επίδραση των διαλυμένων στο νερό αλάτων Προσμίξεις Μέγεθος κόκκων Μορφή της τάσης Ηλεκτρικό ρεύμα Μέτρηση ειδικής αντίστασης εδάφους Μέθοδος Wenner Μέθοδος των τριών ηλεκτροδίων ή πτώσης δυναμικού (fall of potential) Σύγκριση των δύο μεθόδων... 12

6 3. Υπολογισμός επιτρεπτών ορίων τάσης Ανεκτό όριο ρεύματος από το ανθρώπινο σώμα Τάση επαφής Βηματική τάση Υλικό επιφάνειας Επιτρεπτά όρια τάσης με υλικό επιφάνειας Γείωση Σκοπός της γείωσης Καταστάσεις κινδύνου Βασικές αρχές σχεδίασης του πλέγματος γείωσης Σύνοψη Μελέτη δικτύου γείωσης ενός υποσταθμού Παρουσίαση του συστήματος γείωσης του υποσταθμού Προσομοίωση του συστήματος γείωσης Μορφή πλέγματος γείωσης Εισαγωγή παραμέτρων Αποτελέσματα προσομοίωσης Έλεγχος βηματικών τάσεων Έλεγχος τάσεων επαφής Μετρήσεις στο εγκατεστημένο δίκτυο γείωσης Παρουσίαση μετρήσεων Σύγκριση πραγματικών μετρήσεων με αποτελέσματα προσομοίωσης Ειδική αντίσταση εδάφους ρ=87.1 Ωm και ισοδύναμη αντίσταση γείωσης R g =0.39 Ω Ειδική αντίσταση εδάφους ρ=131.5 Ωm και ισοδύναμη αντίσταση γείωσης R g =0.59 Ω Ειδική αντίσταση εδάφους ρ=30 Ωm και ισοδύναμη αντίσταση γείωσης R g =0.134 Ω Σχόλια Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 67

7

8 1. Ορολογία Στο κεφάλαιο αυτό δίνεται μια σύντομη επεξήγηση των όρων που χρησιμοποιούνται σε όλη την έκταση της παρούσας διπλωματικής. Η επεξήγηση των όρων που ακολουθεί γίνεται σύμφωνα με το πρότυπο ANSI/IEEE Std [1] το οποίο αποτελεί την αναθεωρημένη έκδοση του προτύπου IEEE Std [2]. 1.1 Ορισμοί βασικών εννοιών Γείωση: Μια αγώγιμη σύνδεση, σκόπιμη ή τυχαία, με την οποία ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ή συσκευή συνδέεται με τη γη ή σε κάποιο αγώγιμο σώμα τέτοιου μεγέθους που να θεωρείται γη Ηλεκτρόδιο γείωσης: Αγωγός τοποθετημένος μέσα στη γη μέσω του οποίου γίνεται η συλλογή και διάχυση των ηλεκτρικών ρευμάτων σφάλματος στη γη Πλέγμα γείωσης: Σύστημα οριζόντιων ηλεκτροδίων γείωσης που αποτελούνται από έναν αριθμό διασυνδεδεμένων, γυμνών αγωγών θαμμένων στο έδαφος, συνιστώντας γείωση για ηλεκτρικές συσκευές ή μεταλλικές κατασκευές, συνήθως σε μια ορισμένη περιοχή Βηματική τάση: Η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται ανάμεσα στα πόδια ενός ανθρώπου θεωρώντας άνοιγμα βήματος 1m και ότι ο άνθρωπος δεν ακουμπάει κάποιο γειωμένο αντικείμενο Τάση επαφής: Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην ανύψωση δυναμικού γης (GPR) και στο δυναμικό επιφάνειας στο σημείο όπου ένα άτομο στέκεται ενώ παράλληλα το ένα του χέρι βρίσκεται σε επαφή με μια γειωμένη δομή Τάση βρόχου: Η μέγιστη τάση επαφής μέσα σε ένα βρόχο πλέγματος γείωσης που εμφανίζεται στο κέντρο του γωνιακού βρόχου σε περίπτωση συμμετρικού πλέγματος Τάση επαφής μεταξύ μεταλλικών στοιχείων: Η διαφορά δυναμικού μεταξύ μεταλλικών αντικειμένων ή κατασκευών μέσα στο γήπεδο ενός υποσταθμού σε περίπτωση έμμεσης σύνδεσής τους μέσω των μελών ενός ανθρώπου (χέρια, πόδια) Ανύψωση δυναμικού γης (Ground Potential Rise, GPR): Το μέγιστο ηλεκτρικό δυναμικό που αποκτά το σύστημα γείωσης ενός υποσταθμού σε σχέση με ένα απομακρυσμένο σημείο το οποίο θεωρείται ότι έχει το δυναμικό της άπειρης γης. Το δυναμικό του συστήματος γείωσης ισοδυναμεί με το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει τη γείωση πολλαπλασιασμένο με την αντίσταση γείωσης και υπό κανονικές συνθήκες 1

9 είναι σχεδόν μηδενικό. Σε περίπτωση σφάλματος προς τη γη όμως το ρεύμα σφάλματος άγεται μέσω της γείωσης στο έδαφος και προκαλεί την ανύψωση του εν λόγω δυναμικού Υλικό επιφάνειας: Υλικό που τοποθετείται πάνω από το έδαφος και αποτελείται συνήθως από πέτρα ή χαλίκι, άσφαλτο ή τεχνητά υλικά. Τα υλικά αυτά ανάλογα με την ειδική τους αντίστασή μπορούν να επηρεάσουν το ρεύμα που διαρρέει το ανθρώπινο σώμα λόγω της βηματικής τάσης και της τάσης επαφής dc συνιστώσα: Η διαφορά ανάμεσα στο συμμετρικό και στο πραγματικό ρεύμα σφάλματος κατά τη διάρκεια μιας μεταβατικής κατάστασης ενός συστήματος Συντελεστής εξασθένισης D f : Συντελεστής προσαρμογής που προσδιορίζει το ενεργό ισοδύναμο του μη συμμετρικού ρεύματος σφάλματος δεδομένης διάρκειας t f, εκφράζοντας την επίδραση της dc συνιστώσας και την απόσβεση της κατά τη διάρκεια του σφάλματος Ενεργό μη συμμετρικό ρεύμα σφάλματος: Η ενεργός τιμή του μη συμμετρικού ρεύματος σφάλματος, ολοκληρωμένη σε όλη τη διάρκεια του σφάλματος. Προκύπτει από το γινόμενο του συντελεστή εξασθένισης με την ενεργό τιμή του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος. IF Df I f (1.1) 2

10 Σχήμα 1.1: Συμμετρικό ρεύμα σφάλματος - dc συνιστώσα - πραγματικό ρεύμα σφάλματος Μέγιστο ρεύμα πλέγματος: Ορίζεται ως το γινόμενο του συντελεστή εξασθένισης D f επί την ενεργό τιμή του συμμετρικού ρεύματος πλέγματος I g : I D I G f g (1.2) Συντελεστής καταμερισμού ρεύματος: Συντελεστής που αντιπροσωπεύει το αντίστροφο του λόγου του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος προς το μέρος του ρεύματος που ρέει ανάμεσα στο πλέγμα γείωσης και στο περιβάλλον έδαφος. Ορίζεται ως: S f I g 3I 0 (1.3) Όπου I g το ενεργό συμμετρικό ρεύμα πλέγματος σε Α I0 η ομοπολική συνιστώσα του ρεύματος σφάλματος σε Α S f ο συντελεστής καταμερισμού του ρεύματος σφάλματος 3

11 Συμμετρικό ρεύμα πλέγματος: Το μέρος του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος γείωσης το οποίο ρέει ανάμεσα στο πλέγμα της γείωσης και τον περιβάλλοντα χώρο. Ορίζεται ως: I S I g f f (1.4) Όπου I g το ενεργό συμμετρικό ρεύμα πλέγματος σε Α I f το ενεργό συμμετρικό ρεύμα σφάλματος γης σε Α S f ο συντελεστής καταμερισμού του ρεύματος σφάλματος Συμμετρικό ρεύμα σφάλματος γείωσης: Η μέγιστη ενεργός τιμή του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος γείωσης αμέσως μόλις εκδηλωθεί το σφάλμα, δηλαδή τη χρονική στιγμή t=0 +. Για σφάλματα φάσης-γης ορίζεται ως: I f '' 3I (0 ) 0 (1.5) Όπου I το αρχικό ενεργό συμμετρικό ρεύμα σφάλματος γείωσης f (0 ) '' I0 η ενεργός τιμή του ρεύματος του ομοπολικού συστήματος που ρέει αμέσως μετά την εκδήλωση του σφάλματος Λόγος X/R: Ο λόγος της αντίδρασης προς την αντίσταση του συστήματος. Είναι ενδεικτικός του βαθμού εξασθένησης της dc συνιστώσας. Έτσι μεγάλος λόγος X/R αντιστοιχεί σε μεγάλη χρονική σταθερά και αργή εξασθένηση της dc συνιστώσας. 4

12 2. Ειδική αντίσταση εδάφους 2.1 Ορισμός ειδικής αντίστασης Η ειδική αντίσταση του εδάφους ρ ορίζεται ως η αντίσταση του υλικού του εδάφους που παρουσιάζει ένας μοναδιαίος κύβος (1x1x1 m 3 ), όταν τα ηλεκτρόδια τοποθετούνται σε δυο απέναντι πλευρές του μεταξύ των οποίων εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού V (Σχήμα 2.1). Μετριέται συνήθως σε Ωm. Σχήμα 2.1: Ορισμός της ειδικής αντίστασης του εδάφους 2.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους Είδος του εδάφους Ο τύπος του εδάφους αποτελεί καθοριστικό παράγοντα διαμόρφωσης της τιμής της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Στον πίνακα 2.1 φαίνονται ενδεικτικά οι ειδικές αντιστάσεις ορισμένων εδαφών. 5

13 Πίνακας 2.1: Ειδική αντίσταση ρ διαφόρων τύπων εδαφών [3, 4] Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση εδάφους ρ [Ωm] Εύρος τιμών Μέση τιμή Ελώδες έδαφος Αργιλώδες έδαφος Λασπώδες και αμμοπηλώδες έδαφος, χούμος Άμμος και αμμώδες έδαφος (υγρό) Τύρφη Χαλίκι (υγρό) Πετρώδες και βραχώδες έδαφος Υγρασία Η ηλεκτρική αγωγιμότητα στα εδάφη είναι ουσιαστικά ηλεκτρολυτική, εξαρτάται δηλαδή από την ποσότητα του νερού και τις ιδιότητες του. Για το λόγο αυτό η ειδική αντίσταση ρ των περισσότερων εδαφών καθορίζεται από το περιεχόμενό τους σε υγρασία, το οποίο μπορεί να κυμαίνεται μέσα σε ένα ευρύ φάσμα τιμών, ανάλογα με την γεωγραφική τοποθεσία και τις καιρικές συνθήκες, από ένα χαμηλό ποσοστό σε περιοχές της ερήμου μέχρι περίπου 80% σε βαλτώδεις περιοχές. Συγκεκριμένα η αντίσταση του εδάφους μειώνεται απότομα με την αύξηση της υγρασίας όταν το περιεχόμενο της είναι μικρότερο από το 15% του βάρους του. Όπως φαίνεται και παρακάτω στην καμπύλη 2 του Σχήματος 2.3 για ποσοστά μεγαλύτερα από 22% κατά βάρος η υγρασία έχει ελάχιστη επίδραση στην αντίσταση ρ. Αναφέρεται ενδεικτικά, ότι σε ένα αργιλώδες έδαφος με 10% περιεχόμενο υγρασίας (κατά βάρος) η ειδική αντίσταση είναι 30 φορές μεγαλύτερη από ότι στο ίδιο έδαφος με περιεχόμενο υγρασίας 20%. Να σημειωθεί εδώ πως το περιεχόμενο σε υγρασία αυξάνεται όσο αυξάνεται το βάθος από την επιφάνεια του εδάφους στις περισσότερες περιοχές. 6

14 Σχήμα 2.3: Επίδραση άλατος, υγρασίας και θερμοκρασίας στην ειδική αντίσταση εδάφους [1] Θερμοκρασία Η επίδραση της θερμοκρασίας στην αντίσταση του εδάφους μπορεί να αγνοηθεί για θερμοκρασίες πάνω από το σημείο ψύξης. Στους 0 ο C το νερό που περιέχεται στο έδαφος αρχίζει να παγώνει και η αντίσταση αυξάνεται απότομα όπως φαίνεται παρακάτω. Η καμπύλη 3 του Σχήματος 2.3 απεικονίζει την επίδραση της θερμοκρασίας στην ειδική αντίσταση για ένα αμμοπηλώδες έδαφος που περιέχει 15.2% κατά βάρος υγρασία ενώ στον πίνακα 2.2 δίνονται οι τιμές της ειδικής αντίστασης με τη θερμοκρασία να μεταβάλλεται από τους C στους C. Πίνακας 2.2: Μεταβολή της ειδικής αντίστασης εδάφους με τη θερμοκρασία για έδαφος με 15.2% κατά βάρος σε υγρασία. Θερμοκρασία [ o C] Ειδική αντίσταση εδάφους [Ωm] (νερό) (πάγος)

15 Σε περιοχές με ήπιο κλίμα, όπως για παράδειγμα οι ευρωπαϊκές χώρες, η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται ανάλογα με την εποχή του χρόνου λόγω της επίδρασης της θερμοκρασίας. Έτσι κατά τους μήνες Νοέμβριο και Μάιο εμφανίζεται μια μέση τιμή αντίστασης, κατά τον Φεβρουάριο η μέγιστη (περίπου 30% μεγαλύτερη από την μέση) και κατά τον Αύγουστο η ελάχιστη (περίπου 30% μικρότερη από την μέση) [1], [5] Επίδραση των διαλυμένων στο νερό αλάτων Η σύνθεση και η ποσότητα από διαλυμένα άλατα μέσα στο χώμα μπορούν να επηρεάσουν αρκετά την ειδική του αντίσταση. Η καμπύλη 1 του σχήματος 2.3 απεικονίζει την επίδραση της περιεκτικότητας σε αλάτι στην ειδική αντίσταση ενός εδάφους με 30% κατά βάρος περιεκτικότητα σε υγρασία. Όπως παρατηρούμε ένα αρκετά μικρό ποσό διαλυμένων αλάτων είναι ικανό να μειώσει σημαντικά την ειδική αντίσταση του εδάφους Προσμίξεις Σε ορισμένες περιπτώσεις η τεχνητή προσθήκη διαλυτών ουσιών στο νερό, όπως χλωριούχο νάτριο (αλάτι), χλωριούχο ασβέστιο, θειικός χαλκός ή θειικό μαγνήσιο είναι ένας πρακτικός τρόπος μείωσης της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Οι περισσότερες από αυτές τις ουσίες ωστόσο διαλύονται στο νερό και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, με την πάροδο του χρόνου λόγω των βροχών, να παρασύρονται από το νερό και το έδαφος να επιστρέφει στην αρχική του σύσταση. Συνεπώς η προσθήκη αυτών των ουσιών στο έδαφος πρέπει να ανανεώνεται περιοδικά Μέγεθος κόκκων Το μέγεθος των κόκκων, η παρουσία κόκκων διαφορετικών μεγεθών και η κατανομή τους επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο κατακρατείται η υγρασία και συνεπώς την ειδική αντίσταση τους εδάφους. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των κόκκων τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της ειδικής αντίστασης. Στην περίπτωση κόκκων μεγάλου μεγέθους η υγρασία κατακρατείται λόγω της επιφανειακής τάσης. Όταν το μέγεθος των κόκκων ποικίλει, τα κενά που δημιουργούνται μεταξύ των μεγάλων σε μέγεθος κόκκων συμπληρώνονται από τους μικρότερους κόκκους με αποτέλεσμα η ειδική αντίσταση του εδάφους να μειώνεται [12]. 8

16 2.2.7 Μορφή της τάσης Αν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή τότε επηρεάζεται η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η κρίσιμη τιμή διαφέρει για κάθε τύπο εδάφους όμως συνήθως έχει μέγεθος μερικών kv/cm. Σε περίπτωση που η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου υπερβεί την κρίσιμη τιμή, δημιουργούνται ηλεκτρικά τόξα γύρω από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου που αυξάνουν το ενεργό του μέγεθος, μέχρι 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 Ηλεκτρικό ρεύμα Η ειδική αντίσταση στην περιοχή των ηλεκτροδίων γείωσης μπορεί να επηρεαστεί από τη ροή ρεύματος από τα ηλεκτρόδια προς το περιβάλλον έδαφος. Η θερμοκρασία του εδάφους και το περιεχόμενο του σε υγρασία θα καθορίσουν εάν ένα ρεύμα συγκεκριμένης έντασης και διάρκειας θα προκαλέσει ξήρανση του εδάφους και επομένως αύξηση της αντίστασής του. 2.3 Μέτρηση ειδικής αντίστασης εδάφους Μέθοδος Wenner Εκτιμήσεις της ειδικής αντίστασης βάση των χαρακτηριστικών του εδάφους δίνουν προσεγγιστικές τιμές. Πραγματικές μετρήσεις της ειδικής αντίστασης είναι ως εκ τούτου απαραίτητες. Η μέθοδος Wenner που χρησιμοποιήθηκε και στον υποσταθμό αυτό είναι η πιο συχνά εφαρμοζόμενη. Συγκεκριμένα χρησιμοποιεί τέσσερα ηλεκτρόδια σε ευθεία και ίση απόσταση α μεταξύ τους τα οποία είναι θαμμένα σε βάθος b, όπως ακριβώς φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η τάση ανάμεσα στα δύο εσωτερικά ηλεκτρόδια μετριέται και διαιρείται με το ρεύμα που ρέει ανάμεσα στα δύο εξωτερικά ηλεκτρόδια για να δώσει την τιμή της αντίστασης R. 9

17 Σχήμα 2.4: Μέθοδος Wenner τεσσάρων ηλεκτροδίων [1] Έτσι προκύπτει, 1 Όπου ρ α R α b 4 R 2a a a 4b a b η φαινόμενη ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm η μετρούμενη αντίσταση σε Ω η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών ηλεκτροδίων σε m το βάθος που έχουν οδηγηθεί τα ηλεκτρόδια σε m (2.1) Εάν b<<α, όπως στην περίπτωση που τα ηλεκτρόδια είναι θαμμένα σε μικρό βάθος, τότε η ειδική αντίσταση εδάφους δίνεται προσεγγιστικά από την σχέση: 2 R (2.2) Για μικρή απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων το ρεύμα τείνει να ρέει κοντά στην επιφάνεια ενώ για μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων παρουσιάζει μεγαλύτερη συγκέντρωση σε βαθύτερα στρώματα. Για τον λόγο αυτό η μετρούμενη ειδική αντίσταση για μια δεδομένη απόσταση α αντιστοιχεί στην φαινόμενη ειδική αντίσταση του εδάφους σε βάθος α, όταν δεν υπάρχουν μεγάλες διαφορές στην ειδική αντίσταση του εδάφους από στρώμα σε στρώμα [1]. 10

18 2.3.2 Μέθοδος των τριών ηλεκτροδίων ή πτώσης δυναμικού (fall-of-potential) Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί τρία ηλεκτρόδια. Το ένα από αυτά θάβεται σε βάθος Lr το οποίο μεταβάλλεται, ενώ τα άλλα δύο είναι τα ηλεκτρόδια αναφοράς και θάβονται κατακόρυφα σε μικρό βάθος. Η διάταξη μέτρησης παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.5: Μέθοδος τριών ηλεκτροδίων [1] Η ειδική αντίσταση του εδάφους υπολογίζεται ως εξής: 2 LR r 8Lr ln 1 d (2.3) Όπου L r d το βάθος του ηλεκτροδίου Ε σε m η διάμετρος του ηλεκτροδίου σε m 11

19 Η γραφική απεικόνιση της μετρούμενης ειδικής αντίστασης σε σχέση με το βάθος ταφής του ηλεκτροδίου L r προσφέρει ένα οπτικό βοήθημα σχετικά με τη μεταβολή της ειδικής αντίστασης του εδάφους ανάλογα με το βάθος Σύγκριση των δύο μεθόδων Η μέθοδος Wenner είναι η πιο γνωστή μέθοδος που χρησιμοποιείται καθώς συνδυάζει μια σειρά από πλεονεκτήματα. Συγκεκριμένα μπορεί να παρέχει πληροφορίες για την ειδική αντίσταση του εδάφους σε βαθύτερα στρώματα χωρίς να χρειάζεται τα ηλεκτρόδια να οδηγηθούν σε αυτά τα βάθη. Ακόμη οι μετρήσεις δεν επηρεάζονται σημαντικά από την αντίσταση των ηλεκτροδίων ενώ ο εξοπλισμός που απαιτείται είναι απλός. Με τη μέθοδο των τριών ηλεκτροδίων μπορεί να προσδιοριστεί το βάθος όπου θα οδηγηθούν τα ηλεκτρόδια. Έτσι γνωρίζοντας εάν και πόσο βαθιά μπορούν να εισχωρήσουν τα ηλεκτρόδια καθορίζεται και η δυνατότητα εγκατάστασης πλέγματος γείωσης στο βάθος αυτό. Η μέθοδος μειονεκτεί λόγω της αδυναμίας εφαρμογής της σε σκληρά εδάφη, για παράδειγμα βραχώδη, και εξαιτίας του σφάλματος που παρουσιάζει στις μετρήσεις της ειδικής αντίστασης όταν το ηλεκτρόδιο οδηγείται σε μεγάλο βάθος. Αυτό οφείλεται στην απώλεια επαφής του ηλεκτροδίου με το έδαφος λόγω δονήσεων και μεγαλύτερης διαμέτρου συνδέσεων που οδηγούν σε μετρήσεις μεγαλύτερες του πραγματικού και επακόλουθα σε εγκατάσταση υπερδιαστασιολογημένης γείωσης. 12

20 3. Υπολογισμός επιτρεπτών ορίων τάσης 3.1 Ανεκτό όριο ρεύματος από το ανθρώπινο σώμα Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος στο ανθρώπινο σώμα εξαρτάται από τη διάρκεια, το πλάτος και τη συχνότητά του. Η πιο επικίνδυνη επίπτωση είναι η κοιλιακή μαρμαρυγή καθώς μπορεί να οδηγήσει στο θάνατο. Έτσι εάν ο σχεδιασμός συστημάτων γείωσης λαμβάνει ως όριο για την ένταση του ρεύματος αυτή της κοιλιακής μαρμαρυγής ο θάνατος ίσως μπορεί να αποφευχθεί. Όπως έχει αποδειχτεί από τον Dalziel και κάποιους άλλους [6], [7] το ανεκτό ρεύμα I B για διάρκεια από s σχετίζεται με την ενέργεια που απορροφά το ανθρώπινο σώμα ως εξής: S ( I ) t (3.1) 2 B B s Όπου t s η διάρκεια διαρροής ρεύματος από το ανθρώπινο σώμα σε s I B η ενεργός τιμή του ρεύματος που διαρρέει το ανθρώπινο σώμα σε Α S B εμπειρική σταθερά που σχετίζεται με την ανεκτή ενέργεια ηλεκτροπληξίας από ένα ακριβές ποσοστό ενός δοθέντα πληθυσμού Έτσι το ανεκτό όριο του ρεύματος υπολογίζεται από την σχέση: I B k (3.2) t s Όπου σύμφωνα με τη σχέση (3.1) είναι k S B (3.3) Ο Dalziel υπολόγισε την ενέργεια ηλεκτροπληξίας από την οποία μπορεί να επιβιώσει το 99.5 % των ανθρώπων [8], [9] : S για βάρος σώματος 50 kg και B S για βάρος σώματος 70 kg B 13

21 Άρα η επιτρεπτή ένταση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το ανθρώπινο σώμα προκύπτει: I I B B για βάρος σώματος 50 kg (3.4) t s για βάρος σώματος 70 kg (3.5) t s 3.2 Τάση επαφής Η τάση επαφής αναπτύσσεται μεταξύ χεριού που έρχεται σε επαφή με γειωμένο αντικείμενο και ποδιού στη γη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1: Σχήμα 3.1: Έκθεση σε τάση επαφής [1] Οι αντιστάσεις του κυκλώματος που δημιουργείται φαίνονται στο Σχήμα 3.2: 14

22 Σχήμα 3.2: Αντιστάσεις στο κύκλωμα για την τάση επαφής [1] Όπου: R g η αντίσταση γείωσης σε Ω R f η αντίσταση ως προς τη γη του ενός ποδιού σε Ω (αγνοώντας το σύστημα γείωσης) Στο Σχήμα 3.2 το σημείο Η είναι ένα σημείο του συστήματος που βρίσκεται στο ίδιο δυναμικό με το πλέγμα γείωσης μέσα στο οποίο ρέει το ρεύμα σφάλματος ενώ το σημείο F αντιπροσωπεύει την μικρή περιοχή στην επιφάνεια της γης που έρχεται σε επαφή με τα πόδια του ανθρώπου. Χρησιμοποιώντας το θεώρημα Thevenin παίρνουμε το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 3.3. Η τάση Thevenin V Th είναι η τάση ανάμεσα στα σημεία Η και F όταν το άτομο δεν είναι παρόν και η «φαίνεται» από τα σημεία Η και Z Th είναι η αντίσταση του συστήματος όπως F θεωρώντας όλες τις πηγές τάσης βραχυκυκλωμένες. Έτσι το ρεύμα I b που διαρρέει το άτομο που έρχεται σε επαφή είναι: I b VTh Z R Th B (3.6) Όπου R B η αντίσταση του ανθρώπινου σώματος σε Ω. 15

23 Σχήμα 3.3: Ισοδύναμο Thevenin για την τάση επαφής [1] Η αντίσταση Thevenin για την τάση επαφής ισοδυναμεί με Rf ZTh (3.7) 2 λόγω της παραλληλίας των αντιστάσεων των ποδιών. Θεωρώντας το ανθρώπινο πόδι σαν αγώγιμο μεταλλικό δίσκο ακτίνας b (m) που έρχεται σε επαφή με ομοιογενές έδαφος ειδικής αντίστασης ρ (Ωm) η αντίσταση του ως προς τη γη υπολογίζεται από την σχέση [10]: R f (3.8) 4b Με την παραδοχή ότι το ανθρώπινο πόδι αντιπροσωπεύεται από κυκλικό δίσκο ακτίνας 0.08 m η παραπάνω σχέση δίνει ότι: ZTh 1.5 (3.9) Εφαρμόζοντας τη σχέση (3.9) στην (3.6) και θεωρώντας το ρεύμα ανεκτό I B, καταλήγουμε στην επιτρεπτή τάση επαφής: I b ίσο με το E I ( R 1.5 ) (3.10) touch B B 16

24 3.3 Βηματική τάση Η βηματική τάση αναπτύσσεται μεταξύ των δύο ποδιών ανθρώπου που στέκεται στην επιφάνεια της γης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.4: Σχήμα 3.4: Έκθεση σε βηματική τάση [1] Τα σημεία F 1 και F 2 είναι οι περιοχές στην επιφάνεια της γης που έρχονται σε επαφή με τα δύο πόδια αντίστοιχα. Χρησιμοποιώντας το θεώρημα Thevenin παίρνουμε το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 3.4. Η τάση Thevenin V Th είναι η τάση ανάμεσα στα σημεία F 1 και F 2 όταν το άτομο δεν είναι παρόν και η Z Th είναι η αντίσταση του συστήματος όπως «φαίνεται» από τα σημεία F 1 και F 2 θεωρώντας όλες τις πηγές τάσης βραχυκυκλωμένες. Έτσι το ρεύμα I b που διαρρέει το άτομο που έρχεται σε επαφή είναι και πάλι: I b VTh Z R Th B (3.6) Η αντίσταση Thevenin για την τάση επαφής ισοδυναμεί με Z Th 2R (3.11) f λόγω της εν σειρά σύνδεσης των αντιστάσεων των ποδιών. Όμως λόγω της σχέσης (3.8) έχουμε: ZTh 6.0 (3.12) Εφαρμόζοντας τη σχέση (3.12) στην (3.6) και θεωρώντας το ρεύμα ανεκτό I B, καταλήγουμε στην επιτρεπτή βηματική τάση: I b ίσο με το 17

25 E I ( R 6.0 ) (3.13) step B B Σχήμα 3.4: Ισοδύναμο Thevenin για την βηματική τάση [1] 3.4 Υλικό Επιφάνειας Η σχέση (3.8) που δίνει την αντίσταση ποδιού συναρτήσει της ειδικής αντίστασης εδάφους βασίζεται στην υπόθεση ομοιογενούς εδάφους. Πολλές φορές όμως στην επιφάνεια του εδάφους τοποθετείται ένα υλικό επιφάνειας, όπως χαλίκι, σε στρώμα πάχους m με σκοπό την αύξηση της αντίστασης επαφής. Έτσι, σε περίπτωση που το έδαφος κάτω από το υλικό επιφάνειας έχει μικρότερη ειδική αντίσταση από αυτό, μόνο ένα μικρό μέρος του ρεύματος σφάλματος θα κινηθεί προς τα επάνω και το ρεύμα I b που διέρχεται από το ανθρώπινο σώμα θα μειωθεί. Η μείωση αυτή εξαρτάται τόσο από τη διαφορά των ειδικών αντιστάσεων του υλικού επιφάνειας και του υποκείμενου στρώματος εδάφους όσο και από το πάχος του υλικού επιφάνειας. Η επίδραση των δύο αυτών παραγόντων εκφράζεται από ένα συντελεστή, C s, ο εμπειρικός τύπος του οποίου ακολουθεί: C s s 1 2h 0.09 s (3.14) 18

26 Όπου s η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm η ειδική αντίσταση του υλικού επιφάνειας σε Ωm h s το πάχος του υλικού επιφάνειας σε m Η αντίσταση του ποδιού δίνεται από την σχέση [11]: R f s C 4b s (3.15) Με την αντικατάσταση του εμπειρικού τύπου (18) στην παραπάνω σχέση προκύπτει: R f ( s ) s 4b 2hs 0.09 (3.16) Εάν στην παραπάνω σχέση θεωρήσουμε δεδομένο το πάχος του υλικού επιφάνειας και την ειδική αντίσταση του εδάφους παρατηρούμε ότι με την αύξηση της ειδικής αντίστασης του υλικού επιφάνειας αυξάνεται και η αντίσταση του ποδιού R f με αποτέλεσμα τη μείωση του ρεύματος I b που διέρχεται από το ανθρώπινο σώμα. 3.5 Επιτρεπτά όρια τάσης με υλικό επιφάνειας Για την βηματική τάση το όριο είναι: E ( R 2 R ) I (3.17) step B f B Και συγκεκριμένα για βάρος σώματος 50 kg E ( C ) (3.18) t step50 s s s Και για βάρος σώματος 70 kg E ( C ) (3.19) t step70 s s s 19

27 Παρόμοια, για την τάση επαφής το όριο είναι: Rf Etouch ( RB ) IB (3.20) 2 Και συγκεκριμένα για βάρος σώματος 50 kg E ( C ) (3.21) t touch50 s s s Και για βάρος σώματος 70 kg E ( C ) (3.22) t touch70 s s s Αν δε χρησιμοποιείται υλικό επιφάνειας τότε λαμβάνεται συντελεστής Cs 1και. s Τέλος η τάση επαφής μεταξύ μεταλλικών γειωμένων στοιχείων δίνεται από τις (3.22) και (3.23) με s 0. Έτσι: E E 116 για βάρος σώματος 50 kg και, (3.24) t mm touch50 mm touch70 s 157 για βάρος σώματος 70 kg (3.25) t s Η αντίσταση του ανθρώπινου σώματος λαμβάνεται σε όλη την έκταση της μελέτης ίση με R 1000 Ω. B 20

28 4. Γείωση 4.1 Σκοπός της γείωσης [1] Ένας ασφαλής σχεδιασμός συστήματος γείωσης έχει δύο βασικούς σκοπούς: Να παρέχει δίοδο στο ηλεκτρικό ρεύμα προς τη γη υπό κανονικές συνθήκες και συνθήκες σφάλματος χωρίς να υπερβαίνει οποιαδήποτε όρια λειτουργίας και εξοπλισμού του υποσταθμού ή να επηρεάζει δυσμενώς τη συνέχεια της λειτουργίας του. Να εξασφαλίσει ότι ένας άνθρωπος που βρίσκεται στη γειτονιά της γειωμένης εγκατάστασης δεν εκτίθεται στον κίνδυνο της ηλεκτροπληξίας. 4.2 Καταστάσεις κινδύνου [1] Κατά τη διάρκεια ενός τυπικού σφάλματος προς γη, η ροή του ρεύματος από το σύστημα γείωσης στη γη θα παράγει ανυψώσεις δυναμικού μέσα στον υποσταθμό και γύρω από αυτόν. Εάν δεν ληφθούν προφυλάξεις στο σχεδιασμό της γείωσης, οι μέγιστες κλίσεις δυναμικού στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια σφάλματος προς τη γη μπορεί να έχουν αρκετά μεγάλη τιμή, ώστε να τεθεί σε κίνδυνο το άτομο που βρίσκεται στην περιοχή. Ακόμη, επικίνδυνες τάσεις μπορεί να αναπτυχθούν ανάμεσα σε γειωμένες κατασκευές ή περιβλήματα εξοπλισμoύ και της κοντινής γης. Οι περιστάσεις που κάνουν πιθανό ένα ατύχημα ηλεκτροπληξίας είναι οι εξής: Σχετικά μεγάλο ρεύμα σφάλματος προς τη γη σε σχέση με την περιοχή που καταλαμβάνει το σύστημα γείωσης και την αντίστασή του ως προς την άπειρη γη. Η ειδική αντίσταση του εδάφους και η κατανομή των ρευμάτων γης μπορούν να προκαλέσουν υψηλές κλίσεις δυναμικού σε σημεία της επιφάνειας του εδάφους. Η παρουσία ενός ατόμου σε τέτοιο σημείο, στιγμή και στάση ώστε το σώμα του γεφυρώνει δυο σημεία μεγάλης διαφοράς δυναμικού. Η απουσία επαρκούς αντίστασης επαφής ή άλλης αντίστασης σε σειρά, για να περιορίσει το ρεύμα που διαρρέει το σώμα σε μια ασφαλή τιμή υπό τις περιστάσεις 1 έως 3. 21

29 Η διάρκεια του σφάλματος και της επαφής με το σώμα, και ως εκ τούτου της ροής του ρεύματος μέσα στο σώμα, για επαρκή χρόνο ώστε να προκαλέσει τραυματισμό του ατόμου, για τη συγκεκριμένη ένταση ρεύματος. Η πιθανότητα ταυτόχρονης εμφάνισης όλων των παραπάνω συνθηκών είναι πολύ μικρή γι αυτό και τέτοια ατυχήματα δεν συμβαίνουν συχνά. 4.3 Βασικές αρχές σχεδίασης του πλέγματος γείωσης [1] Ένας συνεχόμενος αγώγιμος βρόχος πρέπει να περιβάλλει όσο δυνατόν μεγαλύτερη επιφάνεια στην περιοχή του υποσταθμού. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η συγκέντρωση υψηλών ρευμάτων και άρα η εμφάνιση υψηλών δυναμικών μέσα στην περιοχή του πλέγματος ενώ παράλληλα μειώνεται και η συνολική αντίσταση γείωσης. Μέσα στο βρόχο οι αγωγοί γείωσης είναι τοποθετημένοι παράλληλα ή κάθετα κατά μήκος του εξοπλισμού για την καλύτερη αντιμετώπιση βραχυκυκλωμάτων. Ένα σύνηθες πλέγμα γείωσης περιλαμβάνει γυμνούς αγωγούς χαλκού θαμμένους σε βάθος m από την επιφάνεια, σε απόσταση 3-7 m μεταξύ τους. Οι συνδέσεις μεταξύ των αγωγών στους κόμβους του πλέγματος πρέπει να είναι σταθερές. Οι ράβδοι γείωσης τοποθετούνται στις γωνίες του πλέγματος και στους κόμβους κατά μήκος της περιμέτρου του ή μπορούν να εγκατασταθούν και στο βασικό εξοπλισμό, κυρίως κοντά σε αλεξικέραυνα. Σε πολυστρωματικά εδάφη ή σε εδάφη μεγάλης ειδικής αντίστασης χρησιμοποιούνται ράβδοι μεγαλύτερου μήκους ώστε να εισχωρούν σε στρώματα μικρότερης αντίστασης ή εγκαθίστανται περισσότερα σε κομβικά σημεία. Στις περιπτώσεις όπου εμφανίζονται υψηλές συγκεντρώσεις ρευμάτων, όπως για παράδειγμα στη σύνδεση ουδετέρου-γης των γεννητριών, σε συστοιχίες πυκνωτών ή σε μετασχηματιστές, απαιτείται αύξηση των διαστάσεων των αγωγών γείωσης, πολλαπλοί αγωγοί γείωσης, καθώς και επέκταση του συστήματος γείωσης ακόμη και εκτός του φράχτη γύρω από τον υποσταθμό. Η αναλογία των διαστάσεων των πλευρών των βρόχων του πλέγματος γείωσης κυμαίνεται συνήθως από 1:1 έως 1:3. 22

30 4.4 Σύνοψη Συνοψίζοντας την περιγραφή σχεδίασης ενός συστήματος γείωσης επισημαίνουμε τη σπουδαιότητα ορισμένων παραμέτρων: Μέγιστο ρεύμα πλέγματος ( I G ) Για τον προσδιορισμό του μέγιστου ρεύματος που ρέει μέσω του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού στη γη λαμβάνονται υπόψη η αντίσταση γείωσης, ο συντελεστής καταμερισμού του ρεύματος σφάλματος καθώς και ο συντελεστής εξασθένισης. Διάρκεια σφάλματος ( t f ) και διάρκεια έκθεσης στο σφάλμα ( t s ) Οι δύο αυτοί χρόνοι συνήθως λαμβάνονται ίσοι. Η επιλογή τους πρέπει να εκφράζει τη χειρότερη περίπτωση σε σχέση με το συντελεστή εξασθένησης και τη μέγιστη τιμή του ανεκτού από το ανθρώπινο σώμα ρεύματος. Ειδική αντίσταση εδάφους ( ) Η αντίσταση γείωσης και η κλίση της τάσης εξαρτώνται άμεσα από την ειδική αντίσταση εδάφους. Καθώς η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται τόσο οριζόντια όσο και κάθετα θα πρέπει να γίνουν μετρήσεις στην αυλή του υποσταθμού. Η μέθοδος Wenner είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη. Ειδική αντίσταση υλικού επιφανείας ( ) s Το πρόσθετο υλικό επιφάνειας μειώνει το ρεύμα που ρέει μέσα από το ανθρώπινο σώμα αυξάνοντας την αντίστασή του. Γεωμετρία πλέγματος Γενικά η γεωμετρία του πλέγματος γείωσης εξαρτάται από τον προϋπολογισμό της κατασκευής και το χώρο όπου γίνεται η εγκατάσταση. Οι παράγοντες που σχετίζονται με τη γεωμετρία του πλέγματος και επηρεάζουν την τιμή της τάσης επαφής είναι το εμβαδό της περιοχής που καλύπτει το πλέγμα, η απόσταση μεταξύ των αγωγών καθώς και το βάθος στο οποίο τοποθετείται το πλέγμα. Παράγοντες όπως η διάμετρος των αγωγών γείωσης είναι λιγότερο σημαντικοί. Όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή εγκατάστασης του πλέγματος τόσο μικρότερη είναι η συνολική αντίσταση γείωσης και συνεπώς και η τιμή της ανύψωσης δυναμικού γης. 23

31 5. Μελέτη του δικτύου γείωσης ενός Υ/Σ 5.1 Παρουσίαση του συστήματος γείωσης του υποσταθμού Το σύστημα γείωσης που θα μελετηθεί έχει εγκατασταθεί στον υποσταθμό ανύψωσης 20/150kV του Ζάρακα Λακωνίας. Συγκεκριμένα έχει επιλεχθεί πλέγμα γείωσης ορθογωνικού σχήματος, μήκους πλευράς 6 m ως επί το πλείστον το οποίο απέχει κατάλληλη απόσταση από την περίφραξη του υποσταθμού, για λόγους ασφαλών βηματικών τάσεων εκτός του υποσταθμού. Στο σύστημα γείωσης εκτός από τους αγωγούς του πλέγματος έχουν προστεθεί και κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης μήκους 3 m ώστε η συνολική αντίσταση του συστήματος να είναι χαμηλότερη. Η κάτοψη του υποσταθμού με το εγκατεστημένο σύστημα γείωσης απεικονίζεται στην εικόνα

32 Εικόνα 5.1: Κάτοψη του υποσταθμού με το εγκατεστημένο πλέγμα γείωσης 25

33 5.2 Προσομοίωση του συστήματος γείωσης Μορφή πλέγματος γείωσης Για τον έλεγχο των βηματικών τάσεων και των τάσεων επαφής στο γήπεδο του υποσταθμού το σύστημα γείωσης προσομοιώνεται μέσω του πακέτου λογισμικού CYMGrd 6.3 Revision 7 της εταιρίας CYME International T&D inc. Αρχικά γίνεται εισαγωγή των συντεταγμένων όλων των αγωγών του πλέγματος και των ράβδων γείωσης, έτσι το CYMGrd εμφανίζει στο Grid Layout το σύστημα γείωσης σε δισδιάστατη ή τρισδιάστατη μορφή. Σημειώνεται ότι όλα τα ηλεκτρόδια και οι αγωγοί επιλέγονται ως primary, απορροφούν δηλαδή το ρεύμα σφάλματος. Εικόνα 5.2 : Δισδιάστατη απεικόνιση του συστήματος γείωσης μέσω CYMGrd 26

34 Εικόνα 5.3: Τρισδιάστατη απεικόνιση του συστήματος γείωσης μέσω CYMGrd Εισαγωγή παραμέτρων Για την εκτέλεση της προσομοίωσης είναι απαραίτητη η εισαγωγή μιας σειράς δεδομένων. Συγκεκριμένα έχουν ληφθεί τα εξής: Μέγιστο ρεύμα σφάλματος ως προς γη ίσο με 30 ka και διάρκεια σφάλματος 0.5 sec. Συντελεστής διαίρεσης ρεύματος σφάλματος S f σύμφωνα με την προδιαγραφή του έργου για δύο πύλες γραμμών μεταφοράς, ίσος με 0.8. Συχνότητα ρεύματος 50 Ηz. Επιλογή υλικών για αγωγούς-ηλεκτρόδια γείωσης όπως παρουσιάζονται στον πίνακα

35 Πίνακας 5.1 : Σταθερές υλικών [1] Τύπος Υλικό Αγωγιμότητα υλικού (%) Συντελεστής α r στους 20 o C (1/ o C) ρ r (μωcm) Θερμοχωρητι κότητα [J/(cm 3 o C)] Θερμοκρασία τήξης Tm ( o C) Αγωγός Copper commercial hard-drawn Ηλεκτρόδιο Copper clad steel 20% Τέλος, καθοριστικής σημασίας είναι ο προσδιορισμός της ειδικής αντίστασης του εδάφους καθώς επηρεάζει άμεσα την τιμή της συνολικής αντίστασης γείωσης. Η μέτρηση της έγινε με την μέθοδο Wenner. Στον πίνακα 5.2 δίνονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο γήπεδο του υποσταθμού σε δέκα θέσεις και για απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων σε κάθε θέση 4, 8 και 16 m. Οι θέσεις των μετρήσεων δίνονται στο παράρτημα. Οι συνθήκες των μετρήσεων είναι: Καιρός: Αίθριος με ηλιοφάνεια, άνεμοι Ν Ν/Δ 3-4 Θερμοκρασία: 31 ο C, 50 % σχετική υγρασία Έδαφος: Σχετικά ξηρό Συσκευή μέτρησης: NORMA UNILAP GEO Θέσεις μέτρησης: Χωράφι με ελιές Μέσω της σχέσης 2 R (2.2) υπολογίζεται η ειδική αντίσταση εδάφους για κάθε μέτρηση και από τον μέσο όρο όλων των μετρήσεων προκύπτει ότι η ειδική αντίσταση του εδάφους ρ είναι ίση με 87.1 Ωm. 28

36 Πίνακας 5.2: Μετρήσεις ειδικής αντίστασης εδάφους Θέση μέτρησης Απόσταση ηλεκτροδίων α (m) Μετρούμενη αντίσταση R (Ω) Ειδική αντίσταση εδάφους ρ (Ωm)

37 5.2.3 Αποτελέσματα προσομοίωσης Τα αποτελέσματα προκύπτουν ως έξοδος του CYMGrd. Μοντέλο εδάφους και επιτρεπτά όρια βηματικής τάσης και τάσης επαφής Ρεύμα σφάλματος και διαστασιολόγηση αγωγών και ηλεκτροδίων γείωσης 30

38 Ανάλυση πλέγματος γείωσης 31

39 5.2.4 Έλεγχος βηματικών τάσεων Για να διαπιστωθεί η ασφάλεια του συστήματος γείωσης εξετάζονται αρχικά οι βηματικές τάσεις σε όλη την έκταση του υποσταθμού. Οι άξονες ελέγχου είναι οι Α1, Α2, Α3, Α4, Α5, Α6, Α7 και Α8 και παρουσιάζονται στην εικόνα 5.5. Εικόνα 5.4 : Άξονες για τον έλεγχο των βηματικών τάσεων κατά μήκος του Υ/Σ Ακολουθούν τα διαγράμματα μεταβολής δυναμικού κατά μήκος των παραπάνω αξόνων. Εικόνα 5.5: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α1 (Χ1=-4.26,Υ1=83.87 έως Χ2=98.55 Υ2=84.41) 32

40 Εικόνα 5.6: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α2 (Χ1=-3.54, Υ1=53.34 έως Χ2=96.61, Υ2=53.34) Εικόνα 5.7: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α3 (Χ1=2.26, Υ1=17.36 έως Χ2=109.35, Υ2=19.54) 33

41 Εικόνα 5.8: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α4 (Χ1=1.83, Υ1=8.64 έως Χ2=95.61, Υ2=106.22) Εικόνα 5.9: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α5 (Χ1=7.94, Υ1= έως Χ2=108.45, Υ2=9.3) 34

42 Εικόνα 5.10: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α6 (Χ1=44.26, Υ1= έως Χ2=45.5, Υ2=-5.49) Εικόνα 5.11: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α7 (Χ1=40.9, Υ1=-18.3 έως Χ2=98.59, Υ2=-18.3) 35

43 Εικόνα 5.12: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α8 (Χ1=59.95, Υ1=3.39 έως Χ2=59.95, Υ2=-42.46) Όπως διαπιστώνεται από τα παραπάνω διαγράμματα οι βηματικές τάσεις είναι ασφαλείς κατά μήκος των διαδρομών αυτών, με εξαίρεση τα σημεία που οι άξονες συναντούν την περίφραξη του υποσταθμού. Συνηθίζεται από τη Δ.Ε.Η. η επίστρωση υλικού επιφανείας πάχους μερικών εκατοστών με σκοπό την αύξηση του μέγιστου επιτρεπτού ορίου τάσης. Έτσι επιλέγεται ως υλικό επιφάνειας χαλίκι ειδικής αντίστασης ρ=2500 Ωm και η προσομοίωση εκτελείται ξανά λαμβάνοντας υπόψη την προσθήκη αυτή. Από το CYMGrd λαμβάνουμε ως έξοδο: 36

44 Μοντέλο εδάφους και επιτρεπτά όρια βηματικής τάσης και τάσης επαφής Επαναλαμβάνονται τα διαγράμματα μεταβολής δυναμικού κατά μήκος των ίδιων αξόνων. Εικόνα 5.13: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α1 (Χ1=-4.26,Υ1=83.87 έως Χ2=98.55 Υ2=84.41) 37

45 Εικόνα 5.14: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α2 (Χ1=-3.54, Υ1=53.34 έως Χ2=96.61, Υ2=53.34) Εικόνα 5.15: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α3 (Χ1=2.26, Υ1=17.36 έως Χ2=109.35, Υ2=19.54) 38

46 Εικόνα 5.16: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α4 (Χ1=1.83, Υ1=8.64 έως Χ2=95.61, Υ2=106.22) Εικόνα 5.17: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α5 (Χ1=7.94, Υ1= έως Χ2=108.45, Υ2=9.3) 39

47 Εικόνα 5.18: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α6 (Χ1=44.26, Υ1= έως Χ2=45.5, Υ2=-5.49) Εικόνα 5.19: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α7 (Χ1=40.9, Υ1=-18.3 έως Χ2=98.59, Υ2=-18.3) 40

48 Εικόνα 5.20: Βηματική τάση κατά τον άξονα Α8 (Χ1=59.95, Υ1=3.39 έως Χ2=59.95, Υ2=-42.46) Η προσθήκη του υλικού επιφανείας αύξησε το επιτρεπτό όριο βηματικών τάσεων με αποτέλεσμα αυτές να είναι ασφαλείς σε κάθε σημείο του υποσταθμού. Συγκεκριμένα η μέγιστη βηματική τάση εμφανίζεται στον άξονα Α4 και είναι ίση με V. Η τάση αυτή ωστόσο είναι μικρότερη από την μέγιστη επιτρεπόμενη των V που προκύπτει από την χρήση επιφανειακού στρώματος με χαλίκι Έλεγχος τάσεων επαφής Καθώς οι τάσεις επαφής είναι από τη φύση τους πιο επικίνδυνες από τις βηματικές τάσεις ο έλεγχος τους κρίνεται απαραίτητος. Οι τάσεις επαφής θα ελεγχθούν στα σημεία που υπάρχει η πιθανότητα εμφάνισης τους. Οι περιοχές 1 (AREA 1) και 2 (AREA 2) περιλαμβάνουν το χώρο ανάπτυξης των ικριωμάτων στήριξης του εξοπλισμού. Η περιοχή 3 (AREA 3) περιλαμβάνει το χώρο των ικριωμάτων των πυκνωτών και των διακοπτικών μέσων ενώ η περιοχή 4 (AREA 4) περιλαμβάνει τον ιστό αντικεραυνικής προστασίας. 41

49 Εικόνα 5.21: Περιοχές ελέγχου δυναμικού επαφής στο εσωτερικό του Υ/Σ Επιλέγοντας στο CYMGrd Potential Contour και εισάγοντας τις συντεταγμένες της επιφάνειας του γηπέδου του υποσταθμού που θέλουμε να γίνει η ανάλυση εμφανίζεται σαν έξοδος η κατανομή του δυναμικού επαφής στην επιλεγμένη περιοχή. Ανάλογα με τις τιμές των δυναμικών το πρόγραμμα χρησιμοποιεί χρωματικές διαβαθμίσεις για να δείξει εάν στην περιοχή εμφανίζονται δυναμικά πάνω από την μέγιστη επιτρεπτή τιμή, τα οποία θωρούνται επικίνδυνα. Τέλος στο διάγραμμα σημειώνεται και το σημείο με την μέγιστη τάση επαφής. 42

50 Περιοχή 1 Εικόνα 5.22 : Δυναμικό επαφής στην περιοχή 1 (Χ=17.71,Υ=75.77 έως Χ=35.24, Υ=41.44) 43

51 Περιοχή 2 Εικόνα 5.23 : Δυναμικό επαφής στην περιοχή 2 (Χ=36.1,Υ=75.77 έως Χ=78.762, Υ=37.91) 44

52 Περιοχή 3 Εικόνα 5.24: Δυναμικό επαφής στην περιοχή 3 (Χ=41.47,Υ=7.22 έως Χ=57.13, Υ=15.67) 45

53 Περιοχή 4 Εικόνα 5.25 : Δυναμικό επαφής στην περιοχή 4 (Χ=38.33,Υ=15.67έως Χ=45.65, Υ=20.87) Όπως φαίνεται χαρακτηριστικά από τα διαγράμματα και των τεσσάρων περιοχών οι τάσεις επαφής για γυμνό έδαφος υπερβαίνουν τo μέγιστο επιτρεπτό όριο και ως εκ τούτου κρίνονται επικίνδυνες. Έτσι στις περιοχές 1 και 2 θα εγκατασταθεί στρώμα χαλικιού ενώ οι περιοχές 3 και 4 θα καλυφθούν με στρώμα ασφάλτου. Η προσομοίωση εκτελείται αρχικά για επιφανειακό υλικό χαλίκι ειδικής αντίστασης ρ=2500 Ωm και λαμβάνονται τα διαγράμματα κατανομής των δυναμικών επαφής για τις περιοχές 1 και 2 και στη συνέχεια θεωρώντας επίστρωση ασφάλτου με ρ=10000 Ωm και προκύπτουν τα αντίστοιχα διαγράμματα των περιοχών 3 και 4. 46

54 Περιοχή 1 Εικόνα 5.26 : Δυναμικό επαφής στην περιοχή 1 (Χ=17.71,Υ=75.77 έως Χ=35.24, Υ=41.44) 47

55 Περιοχή 2 Εικόνα 5.27 : Δυναμικό επαφής στην περιοχή 2 (Χ=36.1,Υ=75.77 έως Χ=78.762, Υ=37.91) 48

56 Περιοχή 3 Εικόνα 5.28: Δυναμικό επαφής στην περιοχή 3 (Χ=41.47,Υ=7.22 έως Χ=57.13, Υ=15.67) 49

57 Περιοχή 4 Εικόνα 5.29 : Δυναμικό επαφής στην περιοχή 4 (Χ=38.33,Υ=15.67έως Χ=45.65, Υ=20.87) Από την παρατήρηση των δυναμικών επαφής στις παραπάνω περιοχές οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει υπέρβαση του μέγιστου επιτρεπτού ορίου, και άρα έκθεση ενός ατόμου σε κίνδυνο. Σημαντικός παράγοντας που συντελεί στην ικανοποίηση των ορίων είναι το λεπτό στρώμα από υλικό επιφάνειας που χρησιμοποιείται στις εν λόγω περιοχές. 50

58 5.3 Μετρήσεις στο εγκατεστημένο δίκτυο γείωσης Παρουσίαση μετρήσεων Στο εγκατεστημένο σύστημα γείωσης πραγματοποιήθηκαν από την Διεύθυνση Νέων Έργων Μεταφοράς της Δ.Ε.Η. μετρήσεις της ανύψωσης δυναμικού του εδάφους (GPR) καθώς και των βηματικών τάσεων και των τάσεων επαφής σε διάφορα σημεία μέσα και έξω από τον υποσταθμό. Οι μετρήσεις της ανύψωσης δυναμικού του εδάφους, που δίνονται στον πίνακα 5.3, έγιναν με αφετηρία το μεταλλικό φράχτη του υποσταθμού και εκτείνονται μέχρι την απόσταση των 1050 m έξω από αυτόν. Οι μετρήσεις των βηματικών τάσεων και των τάσεων επαφής έχουν ληφθεί σε απόσταση 1 m από την περίφραξη, με εξαίρεση τα σημεία Κ7, Κ26, Κ31, Κ32, Κ35 και Κ37 που έχουν παρθεί πάνω σε κάποιους άξονες. Οι τιμές των μετρήσεων δίνονται στον πίνακα 5.4 ενώ οι θέσεις των σημείων μέτρησης στην εικόνα Πίνακας 5.3: Μέτρηση ανύψωσης δυναμικού εδάφους Απόσταση (m) Μέτρηση (V)

59 Πίνακας 5.4: Μετρήσεις βηματικών τάσεων και τάσεων επαφής μέσα και έξω από τον Υ/Σ ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΕΞΩΤΕΡΙΚΑ Σημεία step touch step touch Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Κ Η τιμή της συνολικής αντίστασης γείωσης προέκυψε από τις μετρήσεις ίση με R g =0.59 Ω. 52

60 Εικόνα 5.30: Σημεία μετρήσεων βηματικών τάσεων και τάσεων επαφής στο γήπεδο του Υ/Σ 53

61 Σύγκριση πραγματικών μετρήσεων με αποτελέσματα προσομοίωσης Οι μετρήσεις που παρουσιάστηκαν στους πίνακες 5.3 και 5.4 συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης στο CYMGrd στις αντίστοιχες θέσεις και παρουσιάζονται παρακάτω με τη μορφή διαγραμμάτων του Excel 2007 για τρείς διαφορετικές τιμές της ειδικής αντίστασης. Επισημαίνεται ακόμη ότι η περίφραξη συνδέθηκε στο δίκτυο γείωσης του υποσταθμού Ειδική αντίσταση εδάφους ρ=87.1 Ωm και ισοδύναμη αντίσταση γείωσης R g =0.39 Ω Αρχικά θεωρούμε ότι η ειδική αντίσταση του εδάφους ισοδυναμεί με 87.1 Ωm, το μέσο όρο δηλαδή των μετρήσεων, και έτσι η ισοδύναμη αντίσταση γείωσης προκύπτει από την προσομοίωση ίση με R g =0.39 Ω. Βηματικές τάσεις Πραγματικές μετρήσεις Αποτελέσματα CYMGrd Βηματική τάση [V] Κ1 Κ2 Κ3 Κ4 Κ5 Κ6 Κ7 Κ8 Κ9 Κ10 K11 Κ12 Κ13 Κ14 Κ15 Κ16 Κ17 Κ18 Κ19 Κ33 Εσωτερικά σημεία Εικόνα 5.31: Βηματικές τάσεις κατά μήκος της περίφραξης εντός του Υ/Σ 54

62 GPR [ V ] Βηματική τάση [V] Πραγματικές μετρήσεις Αποτελέσματα CYMGrd Κ1 Κ2 Κ4 Κ6 Κ8 Κ9 Κ10 K11 Κ12 Κ13 Κ14 Κ15 Κ25 Κ27 Κ28 Κ29 Κ30 Κ32 Κ34 Κ35 Κ37 Κ38 Κ39 Εξωτερικά σημεία Εικόνα 5.32 : Βηματικές τάσεις κατά μήκος της περίφραξης εκτός του Υ/Σ Από τα παραπάνω διαγράμματα διακρίνουμε κάποια σημεία στα οποία οι δυο τιμές τάσης αποκλίνουν ελάχιστα, όπως τα Κ2 (εσωτερικά), Κ10 (εσωτερικά), Κ19 (εσωτερικά), Κ29 (εξωτερικά) και Κ32 (εξωτερικά), όμως στα περισσότερα σημεία οι τιμές διαφέρουν σημαντικά. Ανύψωση δυναμικού εδάφους Πραγματικές μετρήσεις Αποτελέσματα CYMGrd Απόσταση από την περίφραξη [ m ] Εικόνα 5.33 : Ανύψωση δυναμικού εδάφους σε σχέση με την απόσταση από τον Υ/Σ 55

63 Ειδική αντίσταση εδάφους ρ=131.5 Ωm και ισοδύναμη αντίσταση γείωσης R g =0.59 Ω Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω η ισοδύναμη αντίσταση γείωσης όλου του συστήματος υπολογίστηκε μέσω των μετρήσεων στον υποσταθμό του Ζάρακα ίση με R g =0.59 Ω. Για να πάρουμε αυτή την τιμή αντίστασης στην προσομοίωση, αυξάνουμε την ειδική αντίσταση του εδάφους από 87.1 Ωm σε Ωm και επαναλαμβάνουμε την ανάλυση με το CYMGrd. Από την έξοδο του προγράμματος λαμβάνουμε: Μοντέλο εδάφους και επιτρεπτά όρια βηματικής τάσης και τάσης επαφής Ανάλυση πλέγματος γείωσης 56

64 Βηματική τάση [ V ] Βηματική τάση [ V ] Βηματικές τάσεις Πραγματικές μετρήσεις Αποτελέσματα CYMGrd Κ1 Κ2 Κ3 Κ4 Κ5 Κ6 Κ7 Κ8 Κ9 Κ10 K11 Κ12 Κ13 Κ14 Κ15 Κ16 Κ17 Κ18 Κ19 Κ33 Εσωτερικά σημεία Εικόνα 5.34: Βηματικές τάσεις κατά μήκος της περίφραξης εντός του Υ/Σ Πραγματικές μετρήσεις Μετρήσεις με CYMGrd Κ1 Κ2 Κ4 Κ6 Κ8 Κ9 Κ10 K11 Κ12 Κ13 Κ14 Κ15 Κ25 Κ27 Κ28 Κ29 Κ30 Κ32 Κ34 Κ35 Κ37 Κ38 Κ39 Εξωτερικά σημεία Εικόνα 5.35: Βηματικές τάσεις κατά μήκος της περίφραξης εκτός του Υ/Σ Όπως είναι προφανές από τα παραπάνω διαγράμματα, με την αύξηση της ειδικής αντίστασης του εδάφους οι τιμές τάσης ανάμεσα στις πραγματικές μετρήσεις και στα αποτελέσματα του CYMGrd εμφανίζουν πολύ μεγαλύτερες αποκλίσεις συγκριτικά με την πρώτη περίπτωση. Αυτό είναι άμεση απόρροια της αύξησης της ισοδύναμης αντίστασης του συστήματος γείωσης που οδηγεί με τη σειρά της στην αύξηση των δυναμικών. 57

65 GPR [ V ] Ανύψωση δυναμικού εδάφους Πραγματικές μετρήσεις Αποτελέσματα CYMGrd Απόσταση από την περίφραξη [ m ] 5.36 : Ανύψωση δυναμικού εδάφους σε σχέση με την απόσταση από τον Υ/Σ Πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι και για τις δύο περιπτώσεις που εξετάστηκαν παραπάνω δεν δίνονται τα διαγράμματα της τάσης επαφής καθώς τα δυναμικά επαφής που προκύπτουν στο CYMGrd είναι μια έως και δυο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα από τα πραγματικά και συνεπώς η μεταξύ τους σύγκριση δεν μπορεί να οδηγήσει σε κάποιο συμπέρασμα Ειδική αντίσταση εδάφους ρ=30 Ωm και ισοδύναμη αντίσταση γείωσης R g =0.134 Ω Εκτελούμε ξανά την προσομοίωση θεωρώντας ότι η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι ρ=30 Ωm προσπαθώντας με τον τρόπο αυτό να επιτύχουμε χαμηλότερες τιμές τάσεων και να προσεγγίσουμε τις πραγματικές μετρήσεις. Από την έξοδο του προγράμματος λαμβάνουμε αυτή τη φορά: 58

66 Μοντέλο εδάφους και επιτρεπτά όρια βηματικής τάσης και τάσης επαφής Ανάλυση πλέγματος γείωσης Όπως σημειώνεται παραπάνω η αντίσταση του συστήματος γείωσης μειώθηκε στα Ω, έτσι αναμένουμε τα δυναμικά να είναι χαμηλότερα. 59