ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Ανάπτυξη λογισμικού για την επιλογή εκτροπέων υπέρτασης Διπλωματική εργασία των: Ιερωνυμάκης Παντελεήμων Κουφατζής Αλέξανδρος Επιβλέπων καθηγητής: Μικρόπουλος Παντελεήμων ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Ανάπτυξη λογισμικού για την επιλογή εκτροπέων υπέρτασης Διπλωματική εργασία των: Ιερωνυμάκης Παντελεήμων Κουφατζής Αλέξανδρος Επιβλέπων καθηγητής: Μικρόπουλος Παντελεήμων ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική έχει ως θέμα την << Υλοποίηση λογισμικού για την επιλογή εκτροπέα υπέρτασης στην υψηλή και μέση τάση>>. Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αποτελεί μια θεωρητική παρουσίαση των διαφόρων υπερτάσεων καθώς και των εκτροπέων υπέρτασης, ενώ στην δεύτερη ενότητα παρουσιάζεται το προγραμματιστικό κομμάτι της διπλωματικής αυτής εργασίας, το οποίο περιλαμβάνει το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε μαζί με τις αντίστοιχες γλώσσες προγραμματισμού. Στο πρώτο μέρος γίνεται θεωρητική ανάλυση των υπερτάσεων και των εκτροπέων υπέρτασης, των συσκευών τις οποίες το λογισμικό που αναπτύσσουμε προσπαθεί να επιλέξει, με τον βέλτιστο για κάθε περίπτωση τρόπο. Το δεύτερο τμήμα περιλαμβάνει ανάλυση του προγραμματιστικού περιβάλλοντος που χρησιμοποιήθηκε (Netbeans) και των αντίστοιχων γλωσσών ( Java, SQL) καθώς και του λογισμικού διασύνδεσης της βάσης δεδομένων με το κυρίως πρόγραμμα(jdbc). Τέλος, δίνεται ένα ενδεικτικό σενάριο χρήσης του προγράμματος που αποσκοπεί στην αποσαφήνιση τυχών αποριών και στη γενικότερη περιγραφή της λειτουργίας του. 1

6 2

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική έχει ως θέμα την << Υλοποίηση λογισμικού για την επιλογή εκτροπέα υπέρτασης στην υψηλή και μέση τάση>>. Μετά την ολοκλήρωση της εργασίας αισθανόμαστε την ανάγκη να ευχαριστήσουμε τον κ. Π. Μικρόπουλο, καθηγητή της πολυτεχνικής σχολής του Α.Π.θ., ο οποίος μας εμπιστεύτηκε την εκπόνηση της και βοήθησε τα μέγιστα στην ολοκλήρωση της. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε το οικογενειακό και φιλικό μας περιβάλλον για την συνεχή συμπαράσταση που μας παρείχε καθόλη την διάρκεια της διεκπεραίωσης της διπλωματικής αυτής εργασίας. 3

8 4

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ ΧΤ ΜΤ ΥΤ ΜΣ ΜΟ TOV A.C. D.C. ΣΗΕ SI LI BIL LD Us (kv) Um (kv) Uc (kv) Ur (kv) Ures (kv) Upl (kv) Ups (kv) Up (kv) Urp (kv) Ucw (kv) Χαμηλή Τάση Μέση Τάση Υψηλή Τάση Μετασχηματιστής Εκτροπείς Υπέρτασης Μεταλλικών Οξειδίων Temporary Overvoltage- Προσωρινές Υπερτάσεις στη Βιομηχανική Συχνότητα Εναλλασσόμενη Τάση Συνεχής Τάση Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Εσωτερικές Κρουστικές Υπερτάσεις Εξωτερικές Κρουστικές Υπερτάσεις Βασικό επίπεδο μόνωσης Ενεργειακή κλάση Μέγιστη εναλλασσόμενη τάση που εμφανίζεται συνεχώς σε ένα Σύστημα Ηλεκτρική Ενέργειας Μέγιστη εναλλασσόμενη τάση του εξοπλισμού Τάση συνεχούς λειτουργίας του εκτροπέα υπέρτασης Ονομαστική τάση του εκτροπέα υπέρτασης Παραμένουσα τάση του εκτροπέα υπέρτασης Επίπεδο προστασίας σε LI του εκτροπέα υπέρτασης Επίπεδο προστασίας σε SI του εκτροπέα υπέρτασης Επίπεδο προστασίας Αντιπροσωπευτικές υπερτάσεις Διαβαθμισμένη τάση αντοχής 5

10 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ UTOV (kv) UT (kv) In (ka) Imax (ka) Iimp (ka) Ihc (ka) Ild (ka) P (%) Q (Cb) ρ (Ω m) R (Ω) k (-) Fstat (Ν) Fdyn (Ν) δl (-) Ζ (Ω) L (H) C (F) Προσωρινή υπέρταση στη βιομηχανική συχνότητα Τάση αντοχής εκτροπέα υπέρτασης σε προσωρινές υπερτάσεις βιομηχανικής συχνότητας Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης του εκτροπέα υπέρτασης, 8/20μs Μέγιστο ρεύμα εκκένωσης του εκτροπέα υπέρτασης Κρουστικό ρεύμα του εκτροπέα υπέρτασης Υψηλό κρουστικό ρεύμα, 4/10μs Κρουστικό ρεύμα μεγάλης διάρκειας Πιθανότητα Φορτίο Ειδική αντίσταση γείωσης εδάφους Αντίσταση Συντελεστής σφάλματος γης (σταθερά) Στατικά φορτία Δυναμικά φορτία Συντελεστής απόρριψης φορτίου (σταθερά) Σύνθετη αντίσταση Αυτεπαγωγή Χωρητικότητα 6

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.Υπερτάσεις σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Εισαγωγή Εξωτερικές υπερτάσεις(li) Άμεσο πλήγμα από κεραυνό Έμμεσο πλήγμα από κεραυνό Επιδράσεις από πλήγμα κεραυνού σε μια κατασκευή Εσωτερικές υπερτάσεις(si) Προσωρινές υπερτάσεις στη βιομηχανική συχνότητα Συμπεράσματα Εκτροπείς υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων (Μ.Ο.) για την προστασία από υπερτάσεις σε ηλεκτρικά συστήματα Εισαγωγή Βασική κατασκευή και λειτουργία εκτροπέων υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων (Μ.Ο.) Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται για την επιλογή εκτροπέων υπέρτασης Μ.Ο Τάση συνεχούς λειτουργίας Ονομαστική τάση Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης Παραμένουσα τάση Δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας Ενεργειακή κλάση Χαρακτηριστικά περιβλήματος Κλάση εκτόνωσης Χαρακτηριστικά αντοχής στη ρύπανση Χαρακτηριστικά πλυσίματος υπό τάση Συμπεράσματα 45 7

12 3. Java-Netbeans Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Χαρακτηριστικά της Java ως γλώσσα προγραμματισμού Λογισμικό διασύνδεσης της βάσης δεδομένων με το κυρίως πρόγραμμα(jdbc) Netbeans-IDE 54 4.Υλοποίηση ενδεικτικών παραδειγμάτων Υλοποίηση αναλυτικής μεθόδου υπολογισμού εκτροπέα υπέρτασης Παρουσίαση του Interface χρήσης της βάσης δεδομένων του προγράμματος Βιβλιογραφία 83 8

13 1.1 Εισαγωγή. Κεφάλαιο 1ο Υπερτάσεις σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Οι υπερτάσεις στα ηλεκτρικά συστήματα είναι αποτέλεσμα σφαλμάτων, διακοπτικών ενεργειών και κεραυνικών πληγμάτων στο σύστημα και δεν μπορούν να αποφευχθούν. Αποτελούν κίνδυνο για τον ηλεκτρικό εξοπλισμό επειδή, για οικονομικούς και πρακτικούς λόγους, οι μονώσεις δεν μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να αντέχουν όλες τις πιθανές τάσεις που μπορεί να εμφανιστούν στο σύστημα. Το μέγεθος των υπερτάσεων συνήθως δίνεται ανά μονάδα (p.u.) σε σχέση με το πλάτος της μέγιστης φασικής τάσης που εμφανίζεται συνεχώς κατά την λειτουργία του συστήματος (Us): 1 p. u. = 2 ( Us / 3 ) (1.1) Μέχρι τώρα συνηθιζόταν οι υπερτάσεις να σχετίζονται με την μέγιστη τάση στον εξοπλισμό (Um), όμως κάτι τέτοιο δεν είναι απόλυτα σωστό καθώς οι υπερτάσεις στο σύστημα, όπως αυτές που συμβαίνουν για παράδειγμα λόγω σφαλμάτων γης, δεν εξαρτώνται από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό αλλά από την μέγιστη τάση λειτουργίας του συστήματος. Έτσι οι υπερτάσεις που είναι αποφασιστικός παράγοντας για την επιλογή εκτροπέων υπέρτασης σχετίζονται με την μέγιστη τάση κατά την λειτουργία του συστήματος (Us), ενώ οι τάσεις που είναι σημαντικές για τον συντονισμό μονώσεων και την προστασία της μόνωσης του εξοπλισμού σχετίζονται με την μέγιστη τάση του εξοπλισμού (Um). Τα είδη των υπερτάσεων που μπορεί να εμφανιστούν σε ένα σύστημα ανήκουν σε τέσσερις κατηγορίες: 1.Υπερτάσεις λόγω πλήγματος από κεραυνό (υπερτάσεις γρήγορου μετώπου ή εξωτερικές υπερτάσεις (LI)). 2.Υπερτάσεις λόγω χειρισμών ή σφαλμάτων (υπερτάσεις αργού μετώπου ή εσωτερικές υπερτάσεις (SI)). 3.Προσωρινές υπερτάσεις στην βιομηχανική συχνότητα (TOV). 4.Υπερτάσεις πολύ γρήγορου μετώπου. 9

14 1.2 Εξωτερικές υπερτάσεις(li). Οι εξωτερικές υπερτάσεις οφείλονται σε πλήγματα( άμεσα ή έμμεσα) από κεραυνό σε μία εγκατάσταση ή/ και στο περιεχόμενό της. Έχουν διάρκεια μετώπου τάξεως μεγέθους μερικών μs και ουρά τάξεως μεγέθους αρκετών δεκάδων μs. Ένας κεραυνός μπορεί να πλήξει μία κατασκευή είτε άμεσα ή έμμεσα. Ως άμεσο πλήγμα θεωρείται η περίπτωση κατά την οποία ο κεραυνός πλήττει απευθείας την κατασκευή ή το Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) της. Το έμμεσο πλήγμα κεραυνού σε μία κατασκευή αναφέρεται στην περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει την κοντινή περιοχή της (έδαφος ή γειτνιάζουσα κατασκευή) ή τις εισερχόμενες παροχές υπηρεσιών κοινής ωφελείας (ηλεκτρισμού, τηλεπικοινωνιών, αερίου, ύδρευσης) Άμεσο πλήγμα από κεραυνό Στην περίπτωση αυτή η ενέργεια είναι σημαντική καθώς το 50% των κεραυνικών πληγμάτων μπορεί να φέρουν ρεύμα που υπερβαίνει τα 30kA (μέγιστη τιμή), ενώ το 5% των περιπτώσεων μπορεί να υπερβεί τα 80kA, όπως φαίνεται στον πίνακα 1.1. Η κλίση του μετώπου αυτών των ρευμάτων μπορεί να υπερβεί τα 100kA/μs και επιπλέον τα υπερρεύματα αυτά δεν είναι συνήθως μεμονωμένα αλλά ανιχνεύονται και αρκετές ακόλουθες κρούσεις (εκφορτίσεις) που απέχουν μεταξύ τους κάποια ms (εικόνα 1.1). 10

15 Πίνακας 1.1 Παράμετροι κατερχόμενου κεραυνού. Εικόνα 1.1. Μορφή αρνητικού (εκκένωση από σύννεφο προς γη) ρεύματος κεραυνού που προέρχεται από άμεσο πλήγμα.πηγή[19] 11

16 Εικόνα 1.1. Μορφή αρνητικού (εκκένωση από σύννεφο προς γη) ρεύματος κεραυνού που προέρχεται από άμεσο πλήγμα.πηγή[1] Έμμεσο πλήγμα από κεραυνό. Αυτή η περίπτωση περιλαμβάνει τα αποτελέσματα όπως άμεσου κεραυνικού πλήγματος που εμφανίζονται σε μια απόσταση από αυτό. Τα αποτελέσματα όπως τέτοιου πλήγματος είναι: Εμφάνιση υπερτάσεων. Αύξηση του δυναμικού όπως γης. Ηλεκτρομαγνητική σύζευξη. Η αύξηση του δυναμικού όπως γης συμβαίνει όταν το κεραυνικό ρεύμα ρέει στο έδαφος. Αυτή η μεταβολή του δυναμικού όπως γης επηρεάζει μια εγκατάσταση όταν ο κεραυνός χτυπήσει το έδαφος κοντά όπως συνδέσεις γείωσής όπως (όπως φαίνεται στην 1.2). 12

17 Εικόνα 1.2. Διάγραμμα που δείχνει όπως αυξήσεις και όπως διαφορές στο δυναμικό όπως γης μια ηλεκτρικής εγκατάστασης.πηγή[1] Το δυναμικό στην περιοχή πτώσης του κεραυνού φθίνει με την απόσταση από το σημείο πλήγματος, όπως φαίνεται στην εικόνα 1.3. Εικόνα 1.3. Δυναμικό εδάφους στην περιοχή πτώσης κεραυνού σε σχέση από την απόσταση από το πλήγμα και βηματική τάση. Πηγή[3] 13

18 Η διαφορά δυναμικού στην επιφάνεια του εδάφους ανάμεσα σε δύο σημεία που απέχουν απόσταση D και D+d αντίστοιχα από το σημείο του πλήγματος δίνεται από την σχέση: ΔV = Ι ( p / 2π ) * ( d / D * (D+d) ), όπου : Ι(Α), το εύρος του ρεύματος κεραυνού. ρ(ωm), ειδική αντίσταση του εδάφους στο σημείο πλήγματος κεραυνού (τυπικές τιμές δίνονται στον πίνακα 1.2). ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2(Πηγή[20]) Ειδικές αντιστάσεις εδαφών-ενδεικτικές μέσες τιμές Η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη προέρχεται από το γεγονός ότι ένα έμμεσο κεραυνικό πλήγμα μπορεί να προκαλέσει μία ταχύτατη μεταβολή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, στην οποία οφείλεται η επαγωγή τάσεων μέσα σε βρόχους. Συνεπώς, είναι συχνό φαινόμενο να υπάρχουν κοντά στο πλήγμα από τον κεραυνό, επαγόμενες τάσεις μερικών εκατοντάδων Volts ανά τετραγωνικό μέτρο βρόχου. 14

19 1.2.3 Επιδράσεις από πλήγμα κεραυνού σε μία κατασκευή.(πηγή[3]) Οι επιπτώσεις του πλήγματος του κεραυνού σε μια κατασκευή οφείλεται είτε στο ίδιο το ηλεκτρικό τόξο της εκκένωσης είτε σε δευτερογενή φαινόμενα που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της εκκένωσης. Ανάλογα με τα φαινόμενα και τις επιπτώσεις που παρατηρούνται οι επιδράσεις του κεραυνού σε μια κατασκευή μπορεί να χωριστούν σε 3 κατηγορίες : I. Θερμικές επιδράσεις Οι θερμικές επιδράσεις σχετίζονται με την ειδική ενέργεια του κεραυνού σε περίπτωση ωμικής ζεύξης και με το ολικό φορτίο ή το κρουστικό φορτίο του όταν αναπτύσσονται τόξα στην εγκατάσταση. Παρατηρούνται ρήγματα σε δομικά στοιχεία, διάτρηση ή και τήξη των υλικών της κατασκευής ως αποτέλεσμα της μεγάλης απότομης αύξησης της θερμοκρασίας τους λόγω του φαινομένου Joule και της μεταφοράς μεγάλης ποσότητας ενέργειας μεταξύ του ηλεκτρικού τόξου και της περιοχής του σημείου πλήγματος του κεραυνού στη κατασκευή. Το φαινόμενο Joule εκδηλώνεται ιδιαίτερα έντονο στη περιοχή του σημείου πλήγματος καθώς και κατά τη ροή του ρεύματος του κεραυνού σε σημεία μεγάλης ωμικής αντίστασης όπως κακές επαφές ή σε υλικά μεγάλης ειδικής αντίστασης. II. Μηχανικές επιδράσεις Οι μηχανικές επιδράσεις σχετίζονται με τη μέγιστη τιμή του εύρους του ρεύματος του κεραυνού και την ειδική ενέργειά του. Παρατηρούνται μηχανικές καταπονήσεις όπως παραμορφώσεις ή μετακινήσεις των υλικών 16 της κατασκευής ή και αποκόλληση στρωμάτων υλικών ως αποτέλεσμα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που αναπτύσσονται κατά τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού καθώς και της απότομης μεταφοράς ενέργειας μεταξύ του κεραυνού και της κατασκευής. III. Ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις Οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις σχετίζονται με το μέγιστο εύρος και τη κλίση του μετώπου του ρεύματος. Παρατηρούνται επικίνδυνες υπερτάσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν στην ηλεκτρική διάσπαση μονώσεων ως προς γη ή μεταξύ κυκλωμάτων διαφορετικής τάσης, δευτερογενείς υπερπηδήσεις με άμεσο κίνδυνο σημαντικής βλάβης ή απώλειας της ανθρώπινης ζωής, πυρκαγιάς ή έκρηξης καθώς και διαταραχής ή διακοπή της κανονικής λειτουργίας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Ακόμη αναπτύσσονται ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία με επιζήμιες συνέπειες, υπό τη μορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστημάτων σε εγκαταστάσεις. 15

20 Συνοπτικά παρουσιάζονται παρακάτω οι διάφορες επιπτώσεις σε σχέση με τις παραμέτρους του κεραυνού: ΠΙΝΑΚΑΣ 1.3 Επιδράσεις κεραυνού σε κατασκευή. Οι κεραυνικές υπερτάσεις αποτελούν τον μεγαλύτερο κίνδυνο για συστήματα ΜΤ και ΧΤ και το μέγεθός τους σε συστήματα ΜΤ μπορεί να φτάσει τα 10 p.u. Στατιστική μελέτη των κεραυνικών παλμών οδήγησε στην τυποποίησή τους ([2] n.d.) όπως φαίνεται στην εικόνα 1.4. Εικόνα 1.4. Τυποποιημένες κυματομορφές κεραυνικών παλμών a)ρεύμα, b) τάση. Πηγή [1]. Ο χαρακτηρισμός ενός εξοπλισμού σύμφωνα με αυτές τις κυματομορφές είναι μια αναφορά στην αντοχή του σε κεραυνικές κρουστικές τάσεις ή ρεύματα. 16

21 1.3 Εσωτερικές υπερτάσεις(si). Οι υπερτάσεις αυτές παράγονται λόγω διακοπτικών ενεργειών, χειρισμών στο σύστημα (άνοιγμα και κλείσιμο συσκευών προστασίας ή άνοιγμα και κλείσιμο συσκευών ελέγχου) και σφάλματα. Έχουν την μορφή αποσβεννύμενων ταλαντώσεων με επικίνδυνο μέρος την πρώτη θετική ημιπερίοδο και η συχνότητά τους μπορεί να φτάσει αρκετά khz με μέγεθος μέχρι και 3 p.u. Πιο απότομοι παλμοί και μεγαλύτερα πλάτη μπορεί να εμφανιστούν κατά κύριο λόγο με επαγωγικά κυκλώματα (επαγωγικοί κινητήρες, μετασχηματιστές, αγωγοί ή ακόμα και απλά ρελαί). Εκεί η υπέρταση μπορεί να φτάσει τα 4 p.u. Επιπλέον, εκεί όπου τα κυκλώματα είναι κυρίως επαγωγικά, η παρουσία χωρητικοτήτων (συστοιχίες πυκνωτών ή απλές αφόρτιστες γραμμές), έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία κυκλώματος LC. Η διακοπή ενός τέτοιου κυκλώματος οδηγεί σε παλμούς με αποσβεννύμενες ταλαντώσεις (όπως η κυματομορφή (c) της εικόνας 1.5). Η ζεύξη και η απόζευξη εναέριων γραμμών ή καλωδίων προκαλούν επίσης εσωτερικές υπερτάσεις. Το μέγεθος αυτών των υπερτάσεων μπορεί να φτάσει τα 2.2 p.u. και έτσι δεν αποτελούν μεγάλο κίνδυνο για δίκτυα ΜΤ και ΧΤ. Παρόλα αυτά μπορούν να πάρουν κρίσιμες τιμές, της τάξης 7 p.u., στην περίπτωση αργών αποζευκτών όπου υπάρχει κίνδυνος επανέναυσης του τόξου. Με την ευρύτερη έννοια, οι εσωτερικές υπερτάσεις περιλαμβάνουν και τις παροδικές υπερτάσεις που συμβαίνουν κατά την έναρξη σφαλμάτων γης και βραχυκυκλωμάτων. Γενικά, το μέγεθός τους είναι συνήθως μικρό, αλλά αν εμφανιστούν με γρήγορη διαδοχή (διακοπτόμενα σφάλματα γης), οι συχνές και 18 επαναλαμβανόμενες κρούσεις οδηγούν σε υπερφόρτιση των εκτροπέων υπέρτασης που συνδέονται στην εγκατάσταση. Οι εσωτερικές υπερτάσεις αποτελούν μεγάλο κίνδυνο κυρίως για συστήματα ΥΤ και πολύ ΥΤ. Στατιστικές μελέτες οδήγησαν σε τυποποίηση των εσωτερικών υπερτάσεων, όπως φαίνεται στην εικόνα

22 18

23 Εικόνα 1.5. Τυποποιημένες κυματομορφές που απεικονίζουν εσωτερικές υπερτάσεις. Πηγή[1]. Ο χαρακτηρισμός ενός εξοπλισμού σύμφωνα με αυτές τις κυματομορφές είναι μια αναφορά στην αντοχή του σε κρουστικές τάσεις ή ρεύματα λόγω χειρισμών και σφαλμάτων. 19

24 1.4 Προσωρινές υπερτάσεις στην βιομηχανική συχνότητα (Temporary Overvoltages-TOV). Οι προσωρινές υπερτάσεις με συχνότητα ίδια με την συχνότητα λειτουργίας του συστήματος προκύπτουν από σφάλματα που μπορεί να εμφανιστούν στο δίκτυο και παραμένουν αρκετό χρονικό διάστημα, για παράδειγμα μέχρι να ενεργήσουν τα διακοπτικά στοιχεία. Τέτοιες υπερτάσεις συμβαίνουν στις παρακάτω περιπτώσεις: απόρριψη φορτίου. σφάλματα γης. ενεργοποίηση αφόρτιστων γραμμών. από μη γραμμικές καταστάσεις όπως συντονισμούς και ύπαρξη αρμονικών. Επίσης προσωρινές υπερτάσεις τέτοιου είδους συμβαίνουν στην ΧΤ ενός ΜΣ σε περιπτώσεις σφάλματος όπως: Καταστροφή της μόνωσης του ΜΣ μεταξύ ΧΤ και ΥΤ ως αποτέλεσμα απότομης αύξησης του δυναμικού των εκτεθειμένων αγώγιμων μερών ΥΤ. Απευθείας επαφή ΧΤ και ΥΤ προερχόμενη από εσωτερικό σφάλμα στον ΜΣ ή πτώση αγωγού ΥΤ σε γραμμές της ΧΤ. Σύζευξη συνδέσεων γης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα υπέρταση στον ουδέτερο ΧΤ και κατά συνέπεια στους αγωγούς της ΧΤ, στην γείωση του καταναλωτή ακόμα και σε γειτονικά συστήματα τηλεπικοινωνιών. Η διάρκεια αυτών των υπερτάσεων λόγω σφαλμάτων γης κυμαίνεται από 0.1 sec μέχρι και αρκετές ώρες και εξαρτάται από τον τρόπο γείωσης του συστήματος5.γενικά, το μέγεθός τους δεν ξεπερνά τα 3 p.u. και έτσι συνήθως δεν είναι επικίνδυνες για την λειτουργία του συστήματος και την μόνωση του εξοπλισμού. Είναι, όμως, αποφασιστικής σημασίας για την επιλογή των εκτροπέων υπέρτασης, όπως θα αναλυθεί παρακάτω. Οι υπερτάσεις λόγω απόρριψης φορτίου εξαρτώνται από το φορτίο που απορρίφθηκε και την ισχύ βραχυκύκλωσης του δικτύου τροφοδοσίας. Το ύψος της υπέρτασης δεν είναι συνήθως σταθερό κατά την διάρκειά της και πρέπει να γίνουν ακριβείς μετρήσεις για τον προσδιορισμό τους. Σαν γενικός οδηγός μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα παρακάτω: Σε συστήματα μέτριας έκτασης, μία απόρριψη πλήρους φορτίου μπορεί να οδηγήσει σε μια υπέρταση φάσης-γης ύψους 1.2 p.u. Η διάρκειά της εξαρτάται από την λειτουργία του συστήματος ελέγχου της τάσης και μπορεί να είναι αρκετά min. Σε συστήματα μεγάλης έκτασης, μετά την απόρριψη πλήρους φορτίου η υπέρταση φάσης-γης μπορεί να φτάσει 1.5 p.u. ή ακόμα μεγαλύτερη, όταν έχουμε φαινόμενα Ferranti ή φαινόμενα συντονισμού. Η διάρκειά τους μπορεί να είναι μερικά sec. Για απορρίψεις φορτίων σε μετασχηματιστές (ΜΣ) γεννητριών οι φασικές υπερτάσεις μπορεί να ξεπεράσουν τα 1.4 p.u. σε γεννήτριες που κινούνται με ατμοστρόβιλο και τα 1.5 p.u. σε αυτές που κινούνται με υδροστρόβιλο. Η διάρκειά τους είναι περίπου 3 s. 20

25 Οι υπερτάσεις λόγω συντονισμών δεν αποτελούν βάση για την επιλογή των εκτροπέων και πρέπει να εξαλειφθούν σύμφωνα με την [11]. Επειδή οι διάφορες προσωρινές υπερτάσεις μπορεί να εμφανιστούν σε ένα σύστημα είτε ξεχωριστά, είτε διαδοχικά ή ακόμα σε ορισμένες περιπτώσεις και ταυτόχρονα πρέπει επίσης, για τον προσδιορισμό τους, να εξεταστεί και ο συνδυασμός των πηγών τους και η διάταξη του συστήματος. 1.5 Συμπεράσματα. Παρακάτω βλέπουμε ένα σχηματικό διάγραμμα των υπερτάσεων που μπορεί να εμφανιστούν σε ένα σύστημα σε σχέση με την χρονική τους διάρκεια (εικόνα 1.6). Εικόνα 1.6. Σχηματική αναπαράσταση πιθανών υπερτάσεων που μπορεί να εμφανιστούν σε ένα σύστημα. Πηγή [5] Βλέπουμε ότι κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να εμφανιστούν υπερτάσεις που ενδέχεται να προκαλέσουν ακόμα και καταστροφή των μονώσεων. Χρειαζόμαστε λοιπόν ένα οικονομικό και αξιόπιστο σύστημα που να προστατεύει τον ηλεκτρικό εξοπλισμό από τις υπερτάσεις αυτές και να μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα επίπεδα τάσης. Η πιο αξιόπιστη μέθοδος για τον σκοπό αυτό είναι η χρήση εκτροπέων υπέρτασης κοντά στον ηλεκτρικό εξοπλισμό. Στο επόμενο κεφάλαιο θα αναλυθεί ο τρόπος λειτουργίας ενός εκτροπέα υπέρτασης σε ένα σύστημα καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά του, που είναι απαραίτητα στην διαδικασία επιλογής του. 21

26 22

27 Κεφάλαιο 2 ο Εκτροπείς Υπέρτασης Μεταλλικών Οξειδίων (ΜΟ) για την προστασία από υπερτάσεις σε ηλεκτρικά συστήματα 2.1 Εισαγωγή. Μια ιδανική διάταξη προστασίας έναντι υπερτάσεων πρέπει να συμπεριφέρεται ως ανοικτό κύκλωμα υπό κανονική λειτουργία της εγκατάστασης, σε περίπτωση υπέρτασης να άγει χωρίς καθυστέρηση μην επιτρέποντας η τάση να ξεπεράσει τη διηλεκτρική αντοχή της μόνωσης, να περιορίζει το ρεύμα σφάλματος και να απορροφά την ενέργεια που το συνοδεύει, να επιστρέφει στην κανονική κατάσταση λειτουργίας της μετά την παρέλευση της υπέρτασης και να μη καταστρέφεται ποτέ. Οι εκτροπείς υπέρτασης αποτελούν βασικές διατάξεις προστασίας εγκαταστάσεων έναντι υπερτάσεων, όπως αυτές που αναλύθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Η προστασία που παρέχουν συνίσταται, γενικότερα, στον περιορισμό των υπερτάσεων, την αποκοπή τους ή ακόμα και στον συνδυασμό τους. Οι εκτροπείς μεταλλικών οξειδίων (Metal-Oxide surge arresters-mo), λόγω των εξαιρετικών μη γραμμικών χαρακτηριστικών τους, είναι κατάλληλοι για την προστασία έναντι υπερτάσεων και αρχίζουν να εκτοπίζουν παλιότερα είδη εκτροπέων (όπως εκτροπείς με προστατευτικά διάκενα). Σ αυτό το κεφάλαιο θα αναφερθούμε στα βασικά χαρακτηριστικά κατασκευής και λειτουργίας εκτροπέων υπέρτασης ΜΟ καθώς και τα χαρακτηριστικά τους που πρέπει να λάβουμε υπόψη κατά την διαδικασία επιλογής τους. 2.2 Βασική κατασκευή και λειτουργία εκτροπέων υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων (ΜΟ). Οι εκτροπείς υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων είναι εκτροπείς ευρείας εφαρμογής, γρήγορης απόκρισης που περιορίζουν την υπέρταση σε αποδεκτή τιμή. Αποτελούνται κυρίως από δύο μέρη: από το ενεργό μέρος και το μονωτικό περίβλημα για μόνωση και μηχανική αντοχή. Το ενεργό μέρος αποτελείται από στοιβαγμένες μη γραμμικές αντιστάσεις, κατά κανόνα βαρύστορες μεταλλικών οξειδίων (συνήθως ZnO), των οποίων η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος είναι ισχυρά μη γραμμική. 23

28 Ο βαρύστορας είναι ένα ηλεκτρονικό δομικό στοιχείο. Περιγράφεται ως μία μη γραμμική αντίσταση η οποία είναι εξαρτώμενη από την τάση. Πάνω από μία συγκεκριμένη τιμή τάσης, η οποία διαφέρει ανάλογα με τον εκάστοτε βαρύστορα, η αντίσταση του απότομα μειώνεται. Οι βαρύστορες παράγονται από μεταλλικά οξείδια (κυρίως ZnO) και κράματα μεταλλικών οξειδίων. Η συνήθης μορφή τους είναι σε δισκία όπως φαίνεται στην εικόνα 2.1. Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας η αντίσταση των βαρυστόρων είναι πολύ μεγάλη, και κατά συνθήκες υπέρτασης η αντίσταση γίνεται πολύ μικρή, ενώ μπορούν να απορροφήσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας χωρίς να καταστραφούν. Η εξαιρετικά μη γραμμική V-I χαρακτηριστική τους μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση: I = k V^α (2.1) Όπου το α παίρνει τιμές από α 5 ως α 50. Μια ακριβή τιμή για το α μπορούμε να έχουμε μόνο για μία περιορισμένη περιοχή ρεύματος στην χαρακτηριστική V-I (περιοχή c στην εικόνα 2.2). Μία τυπική χαρακτηριστική V-I ενός αντιστάτη μεταλλικού οξειδίου φαίνεται στην εικόνα 2.2, όπου φαίνονται και οι περιοχές ρεύματος στην οποία μπορούμε να την χωρίσουμε. 24

29 Η διάμετρος των δισκίων μπορεί να φτάσει 100mm και είναι αποφασιστικής σημασίας για την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και την ικανότητα εκφόρτισης ρεύματος του εκτροπέα(6). Για αυξημένες απαιτήσεις το ενεργό μέρος μπορεί να αποτελείται από περισσότερες στήλες βαρυστόρων παράλληλα. Το ύψος των βαριστόρων κυμαίνεται από 20 ως 45mm,σχετίζεται με τις ικανότητες της παραγωγής και εξαρτάται από τα εργαλεία και τις εγκαταστάσεις του κατασκευαστή. Παρ όλα αυτά πολύ μεγάλα ύψη (όπως και πολύ μεγάλες διάμετροι) δεν κατασκευάζονται, γιατί είναι πιο δύσκολο σε αυτήν την περίπτωση να επιτευχθεί ικανοποιητική ομοιογένεια του υλικού των βαριστόρων κατά την κατασκευή. Η ομοιογένεια δε του υλικού είναι μεγάλης σημασίας για να επιτύχουμε υψηλή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας για τον εκτροπέα. Το ενεργό μέρος του εκτροπέα (αποτελούμενο από τους βαρίστορες στοιβαγμένους τον έναν πάνω στον άλλον) για εκτροπείς ΜΤ και ΥΤ περιβάλλεται από το μονωτικό περίβλημα με την βοήθεια μεταλλικών διαχωριστικών. Το περίβλημα πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε να παρέχει προστασία του ενεργού μέρους από το εξωτερικό περιβάλλον και αντοχή σε κάθε μηχανικό φορτίο που μπορεί να εφαρμοστεί στον εκτροπέα στο σημείο σύνδεσής του. Τέλος, 25

30 πρέπει να σχεδιαστεί και να εφαρμοστεί έτσι ώστε να μην επιτρέπει την ανάπτυξη εσωτερικών μερικών εκκενώσεων στον εκτροπέα σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή του περιβλήματος είναι η πορσελάνη και πολυμερή (κυρίως σιλικόνη) με τα δεύτερα να κερδίζουν συνεχώς έδαφος λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Η σιλικόνη, συγκεκριμένα, παρουσιάζει την ιδιότητα της υδροφοβικότητας και έτσι η επιφάνεια αυτών των μονώσεων δεν εμφανίζει μεγάλα ρεύματα διαρροής. Επιπλέον, η υδροφοβικότητα στην σιλικόνη μειώνεται σε μικρότερο βαθμό απ ότι σε άλλα μονωτικά, όταν συμβαίνουν μερικές εκκενώσεις ή εκτεταμένη έκθεση σε νερό. Τα μονωτικά από σιλικόνη έχουν την ιδιότητα να επαναφέρουν την υδροφοβικότητά τους στην αρχική της κατάσταση αν ξηρανθούν για αρκετές ώρες. Εκτός από το ενεργό μέρος και το περίβλημα ένας εκτροπέας ΜΤ ή ΥΤ ανάλογα με την κατασκευή του περιλαμβάνει στοιχεία σύνδεσης, στήριξης, εκτόνωσης της πίεσης και στεγανοποίησης. Επιπλέον, σε περιπτώσεις πολύ υψηλής τάσης, ή όταν απαιτούνται μεγάλες αποστάσεις ερπυσμού, ο εκτροπέας μπορεί να κατασκευαστεί από δύο ή περισσότερες στήλες βαριστόρων η μία πάνω στην άλλη. Στην περίπτωση αυτή, ακόμα και αν οι στήλες είναι όμοιες μεταξύ τους, λόγω παράσιτων χωρητικοτήτων που παρουσιάζουν οι ξεχωριστές στήλες ως προς την γη, το ΥΤ άκρο του εκτροπέα δέχεται πολύ μεγαλύτερο ποσοστό της τάσης από το γειωμένο άκρο με αποτέλεσμα να καταπονείται περισσότερο. Για να αποφύγουμε την άνιση κατανομή της τάσης κατά μήκος του εκτροπέα για ύψη μεγαλύτερα από 1.5m χρησιμοποιείται δακτύλιος διαβάθμισης (τοροειδές) γύρω από την πλησιέστερη μονάδα προς τον αγωγό της γραμμής (άκρο ΥΤ) και αγώγιμα συνδεμένο με τον τελευταίο, όπως αυτό που φαίνεται στην εικόνα 2.5. Ο δακτύλιος αυτός τροποποιεί την παράσιτη χωρητικότητα ως προς τον αγωγό και μειώνει σχετικά την καταπόνηση του μονωτήρα. Παρακάτω φαίνονται τα βασικά μέρη της κατασκευής δύο εκτροπέων μεταλλικών οξειδίων (ΥΤ ή ΜΤ). Ο πρώτος έχει περίβλημα από πορσελάνη και ο δεύτερος περίβλημα σιλικόνης. 26

31 Εικόνα 2.3. Εκτροπέας Μ.Ο. με περίβλημα από πορσελάνη.πηγή[5] Εικόνα 2.4. Εκτροπέας Μ.Ο. με περίβλημα από σιλικόνη. Πηγή[5] 27

32 Εικόνα 2.5. Εκτροπέας Μ.Ο. Υψηλής Τάσης με δύο μονάδες και δακτύλιο διαβάθμισης.πηγή[5] Εξοπλισμός που συνοδεύει συνήθως τους εκτροπείς υπέρτασης είναι ο μετρητής υπερτάσεων, η συσκευή αποσύνδεσης και ο μετρητής του ρεύματος διαρροής. Οι μετρητές υπερτάσεων (εικόνα 2.6) συνδέονται εν σειρά με τον εκτροπέα και καταγράφουν με ηλεκτρομηχανικό ή ηλεκτρονικό τρόπο πόσες φορές λειτούργησε. 28

33 Ο μετρητής του ρεύματος διαρροής (Εικόνα 2.7) συνδέεται σε σειρά με τον εκτροπέα και μετράει το ολικό ρεύμα διαρροής, όταν αυτός δεν άγει. Εικόνα 2.7. Μετρητής ρεύματος διαρροής. Πηγή[6] Η συσκευή αποσύνδεσης (Εικόνα 2.8) αποσυνδέει τον εκτροπέα από το σύστημα σε περίπτωση υπερφόρτισης ή πιθανής καταστροφής του. Στην περίπτωση αυτή η γραμμή μένει απροστάτευτη από υπερτάσεις. Τυπική αρχή λειτουργίας της συσκευής αποσύνδεσης είναι 29

34 ένας εκρηκτικός μηχανισμός ενεργοποιούμενος από το ρεύμα διαρροής. Πολλές φορές η συσκευή αποσύνδεσης είναι ενσωματωμένη στον εκτροπέα. Εικόνα 2.8. Συσκευή αποσύνδεσης.πηγή[5] 30

35 2.3 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται για την επιλογή των εκτροπέων υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων. Η διαδικασία επιλογής του εκτροπέα υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων προϋποθέτει την πλήρη γνώση τόσο των χαρακτηριστικών του εκτροπέα όσο και του συστήματος που θέλουμε να προστατεύσουμε, αλλά και της περιοχής εγκατάστασης. Παρακάτω θα αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά των εκτροπέων υπέρτασης ΜΟ που πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη και να επιλέξουμε τις τιμές τους από τα φυλλάδια των κατασκευαστών ανάλογα με την προστασία που απαιτείται Τάση συνεχούς λειτουργίας(uc). Η τάση συνεχούς λειτουργίας είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση, εναλλασσόμενη (rms) ή συνεχής, που μπορεί να υπάρχει συνεχώς μεταξύ των ακροδεκτών του εκτροπέα χωρίς αυτός να υπερθερμαίνεται ή να καταστρέφεται. Όσο ο εκτροπέας βρίσκεται uπό αυτή την τάση το ρεύμα διαρροής του είναι πού μικρό < 1mA και ο εκτροπέας συμπεριφέρεται καθαρά χωρητικά (το μικρό ρεύμα διαρροής είναι μετατοπισμένο σχεδόν 90 ηλεκτρικές από την τάση). Σ αυτή την περιοχή λειτουργίας του εκτροπέα οι ενεργειακές απώλειες μπορούν να αμεληθούν γιατί το ρεύμα είναι πολύ μικρό. Για τον προσδιορισμό της τάσης συνεχούς λειτουργίας χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τρόποι (με διαφορετικές διαδικασίες δοκιμής) κατά IEC και ANSI. IEC (Uc): Η IEC δίνει την ελευθερία στον κατασκευαστή να αποφασίσει την τάση συνεχούς λειτουργίας. Η τιμή επαληθεύεται με το τεστ λειτουργίας (operating duty test). Οποιαδήποτε άνιση κατανομή της τάσης κατά μήκος του εκτροπέα πρέπει να ληφθεί υπόψη. ANSI (MCOV): Το πρότυπο ANSI παραθέτει την τάση συνεχούς λειτουργίας (Maximum Continuous Operating Voltage- MCOV) για όλους τους τυποποιημένους εκτροπείς σε πίνακες. Αυτή η τιμή χρησιμοποιείται σε όλα τα τεστ που προσδιορίζονται από το πρότυπο αυτό. Εδώ δεν τίθενται αυστηρά όρια όσον αφορά την διανομή της τάσης κατά μήκος του εκτροπέα. Σ αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν αποκλειστικά απαιτήσεις κανονισμών της IEC Ονομαστική τάση (Ur). Η ονομαστική τάση ενός εκτροπέα μεταλλικών οξειδίων δεν είναι, όπως θα μπορούσε κάποιος να υποθέσει, μία τάση που μπορεί οριακά να εφαρμόζεται συνεχώς στον εκτροπέα (αυτή άλλωστε είναι η τάση συνεχούς λειτουργίας, όπως αναφέρθηκε παραπάνω). Η ονομαστική τάση, με συχνότητα ίση με την βιομηχανική, προσδιορίζει την ικανότητα του εκτροπέα να διαχειρίζεται τις προσωρινές υπερτάσεις (TOV s) που εμφανίζονται στο σύστημα. Μπορεί να εφαρμοστεί μόνο προσωρινά, για περίοδο 10 s(9). Η χαρακτηριστική του εκτροπέα (Εικόνα 2.10)δείχνει ότι κατά την εφαρμογή της ονομαστικής τάσης στον εκτροπέα το ρεύμα 31

36 διαρροής (για την ακρίβεια η ωμική συνιστώσα του ρεύματος) είναι 1mA. Αυτό το ρεύμα μπορεί να προκαλέσει σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του εκτροπέα αλλά όχι αν υπάρχει για χρονική περίοδο μικρότερη από 10 (ή 100)s. Η πραγματική αιτία για τον περιορισμό στον χρόνο που θέτουν οι κατασκευαστές οφείλεται στην απότομη αύξηση της θερμοκρασίας και του ρεύματος διαρροής όταν ο εκτροπέας «πρέπει να δουλέψει», δηλαδή να εκφορτίσει ένα κρουστικό ρεύμα. Στην περίπτωση αυτή, αν μετά την εκφόρτιση εφαρμοστεί η ονομαστική τάση για μεγάλο χρονικό διάστημα ο εκτροπέας μπορεί να μην καταφέρει να επαναψυχθεί. Αντιθέτως, μπορεί να γίνει θερμικά ασταθής, να συνεχίσει να θερμαίνεται μέχρι να καταστραφεί (θερμική διαφυγή). Η συνεχής τάση λειτουργίας και η ονομαστική τάση ενός εκτροπέα υπέρτασης είναι άμεσα συνδεδεμένες μεταξύ τους. Γενικά ισχύει: Ur = 1.25 Uc [11] (2.2) και δεν εξαρτάται από τον κατασκευαστή(10). Η ονομαστική τάση δεν είναι μεγάλης σημασίας για τον χαρακτηρισμό του εκτροπέα, αλλά χρησιμοποιείται για την διαδικασία επιλογής του Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (In). Το ονομαστικό ρεύμα είναι η μέγιστη τιμή ρεύματος κυματομορφής 8/20 μs που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κλάσης του εκτροπέα. Είναι η βασική παράμετρος για τον προσδιορισμό των προστατευτικών χαρακτηριστικών και της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα. Το ονομαστικό ρεύμα αποκαλύπτει ελάχιστα πράγματα για τις ιδιότητες του εκτροπέα, κι έτσι κατά την διαδικασία επιλογής του δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνο του, γιατί δύο εκτροπείς, για παράδειγμα, των 10kA μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες. Στην ΧΤ χρησιμοποιούνται επιπλέον το κρουστικό ρεύμα (Iimp), για εκτροπείς κλάσης Ι και το μέγιστο ρεύμα εκκένωσης (Imax), για εκτροπείς κλάσης ΙΙ, τα οποία προσδιορίζουν την μέγιστη τιμή ρεύματος κυματομορφής 10/350 μs και 8/20 μs αντίστοιχα, που μπορεί να διαρρεύσει τον εκτροπέα χωρίς να καταστραφεί. Τα ρεύματα αυτά χρησιμοποιούνται κατά τις δοκιμές συνεχούς λειτουργίας του εκτροπέα για τον έλεγχο της θερμικής του ευστάθειας. Τυπικές τιμές κατά IEC για το ονομαστικό ρεύμα για εκτροπείς ΜΤ και ΥΤ είναι: 20kA, 10kA, 5kA, 2.5kA, 1.5 ka.πηγή[2]. Για την ΧΤ έχουμε τις τυπικές κατά IEC(Πηγή[7]) τιμές: In: 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 5.0, 10, 15 και 20 ka. Iimp: πλάτος (Ipeak): 1, 2, 5, 10 και 20 ka. 32

37 2.3.4 Παραμένουσα τάση (Ures). Παραμένουσα τάση είναι η τάση που αναπτύσσεται στα άκρα του εκτροπέα κατάτην διέλευση του ρεύματος εκκένωσης και η οποία τελικώς καταπονεί τον εξοπλισμό όσο διαρκεί η εκκένωση. Η παραμένουσα τάση ενός εκτροπέα μετράται από τους κατασκευαστές για παλμούς από διαφορετικές κυματομορφές ρεύματος και προσδιορίζει τα επίπεδα προστασίας του εκτροπέα. Οι μετρήσεις γίνονται στην περιοχή της χαρακτηριστικής όπου η ωμική συνιστώσα είναι κυρίαρχη, και έτσι οι χωρητικότητες μπορούν να αγνοηθούν. Ανάλογα λοιπόν από την κυματομορφή του ρεύματος που εφαρμόζεται στον εκτροπέα μπορούμε να προσδιορίσουμε τα παρακάτω επίπεδα προστασίας: Επίπεδο προστασίας σε εξωτερικές υπερτάσεις (Upl): είναι η μέγιστη παραμένουσα τάση στα άκρα του εκτροπέα όταν εφαρμόζεται το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (8/20 μs). Επίπεδο προστασίας σε εσωτερικές υπερτάσεις (Ups): είναι η μέγιστη παραμένουσα τάση στα άκρα του εκτροπέα κατά την εκφόρτιση ρευμάτων λόγω χειρισμών ή σφαλμάτων. Τυπικές κυματομορφές αυτών των ρευμάτων έχουν διάρκεια μετώπου 30 έως 100 μs και διάρκεια ημίσεως εύρους σχεδόν το διπλάσιο. Το εύρος τους είναι μεταξύ 125 Α ως 2kA. Άλλες τυπικές τιμές κυματομορφών ρεύματος που χρησιμοποιούνται είναι οι παρακάτω: Υψηλό κρουστικό ρεύμα (Ihc): μέγιστη τιμή ενός ρεύματος κυματομορφής 4/10 μs. Αναπαριστά πλήγμα από κεραυνό κοντά στον εκτροπέα και έχει τιμή 100kA. Χρησιμοποιείται σε δοκιμές για να αποδείξει την θερμική ευστάθεια του εκτροπέα. Τόσο ισχυρά ρεύματα, με τόσο απότομη κυματομορφή είναι πολύ σπάνια στην πράξη και μπορούν να παρατηρηθούν μόνο σε ειδικές περιπτώσεις. Κρουστικό ρεύμα πολύ γρήγορου μετώπου: είναι η μέγιστη τιμή ενός ρεύματος κυματομορφής με μέτωπο 1μs και διάρκεια ημίσεως εύρους όχι μεγαλύτερη από 20μs. Η τιμή του δεν ξεπερνά τα 20kA και αναπαριστά παλμούς ρεύματος όπως αυτοί που δημιουργούνται κατά την λειτουργία της συσκευής αποσύνδεσης ή διακοπτών κενού. Κρουστικό ρεύμα μεγάλης διάρκειας (Ild): είναι η μέγιστη τιμή ορθογωνικής ή τετραγωνικής κυματομορφής ρεύματος, η οποία αυξάνεται γρήγορα μέχρι την μέγιστη τιμή, παραμένει για έναν συγκεκριμένο χρόνο και στην συνέχεια μειώνεται απότομα μέχρι το μηδέν. Παίρνει τιμές μέχρι 2kA και χρησιμοποιείται στο εργαστήριο για να αναπαραστήσει το φορτίο του εκτροπέα κατά την εκφόρτιση φορτισμένης γραμμής, στο τεστ λειτουργίας. Τυποποιημένες τιμές για την διάρκεια του παλμού σύμφωνα με την IEC είναι: 500, 1000, 2000, 2400, 2800, 3200 μs. Όλες οι κυματομορφές ρεύματος που αναφέρθηκαν παραπάνω (εκτός από το υψηλό κρουστικό ρεύμα), χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής V-I του εκτροπέα. Αποφασιστικής σημασίας για την παραμένουσα τάση που προκύπτει από κάθε κυματομορφή είναι το πλάτος και η διάρκεια μετώπου της και όχι η διάρκεια ημίσεως εύρους. Παρακάτω φαίνεται η παραμένουσα τάση που προκύπτει από κάθε τυπική κυματομορφή (εικόνα 2.9). 33

38 34

39 35

40 36

41 Τέλος, πρέπει να σημειώσουμε ότι η επίδραση των αγωγών σύνδεσης των εκτροπέων υπέρτασης είναι πολύ σημαντική στον προσδιορισμό της παραμένουσας τάσης τους. Η παραμένουσα τάση ενός εκτροπέα αποτελείται από δύο συνιστώσες, την πτώση τάσης στα άκρα του κατά τη διάρκεια που άγει UA και την πτώση τάσης κατά μήκος των συνδέσεών λόγω της αυτεπαγωγής τους UL (εικόνα 2.11). Οι μέγιστες τιμές των δύο αυτών συνιστωσών δεν παρατηρούνται ταυτόχρονα, ωστόσο, το άθροισμά τους πρέπει να είναι μικρότερο από τη μέγιστη τιμή της επιτρεπόμενης υπέρτασης Umax του εξοπλισμού ή της εγκατάστασης που χρήζει προστασία. Εικόνα Μέγιστη τιμή υπέρτασης σε εγκατάσταση με εκτροπέα υπέρτασης.πηγή[3] Η επίδραση των αγωγών σύνδεσης των εκτροπέων υπέρτασης είναι πολύ σημαντική στον προσδιορισμό της παραμένουσας τάσης τους. 37

42 2.3.5 Δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας. Η δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας ενός εκτροπέα υπέρτασης δίδεται σε μονάδες KJ/KV(Uc) ή KJ/KV(Ur) και αντιστοιχεί στην τιμή της ενέργειας καταπόνησης του εκτροπέα κατά τις δοκιμές συνεχούς λειτουργίας του για τον έλεγχο της θερμικής του ευστάθειας. Η δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα είναι ένα μέτρο της συμπεριφοράς του κατά την διάχυση ρεύματος διαμέσου του. Η ενέργεια που διαχέεται στον εκτροπέα κατά την διάρκεια της εκφόρτισης, μέσα σε ελάχιστα ms ή μs προκαλεί ξαφνική και μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας του ενεργού μέρους που οδηγεί σε εξαιρετικές μηχανικές δυνάμεις στους βαρύστορες. Αυτό μπορεί να προκαλέσει ράγισμα ή ακόμα και διάτρηση των βαρυστόρων. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να επιβαρυνθεί ακόμα περισσότερο από την ύπαρξη σημείων ανομοιογένειας πάνω στην επιφάνεια των μη γραμμικών αντιστάσεων. Ο εκτροπέας πρέπει να αντέχει κάθε αναμενόμενη αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της ενέργειας των ρευμάτων που θα εκφορτίσει κατά την λειτουργία του χωρίς να καταστρέφεται ή να οδηγείται σε θερμική αστάθεια. Θα πρέπει δηλαδή μετά την εκφόρτιση να επανέρχεται σε θερμική ισορροπία. Μπορούμε να χωρίσουμε την ενεργειακή δυνατότητα του εκτροπέα σε δύο κατηγορίες: I. Δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας απλής κρούσης. Αναφέρεται στην ικανότητα του εκτροπέα να εκφορτίσει ένα κρουστικό ρεύμα που θα εμφανιστεί χωρίς να επέλθει ράγισμα ή καταστροφή των μη γραμμικών αντιστάσεων του ενεργού μέρους. Αυτή είναι χαρακτηριστική ιδιότητα του στοιχείου μεταλλικών οξειδίων και ανεξάρτητη από το υπόλοιπο σχέδιο του εκτροπέα. Προσδιορίζεται από τον κατασκευαστή με έναν επαρκή συντελεστή ασφαλείας από τα πραγματικά όρια. II. Θερμική δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας. Προσδιορίζει το μέγιστο ποσό ενέργειας που μπορεί να περάσει μέσα από τον εκτροπέα κατά την λειτουργία του, έτσι ώστε να μπορεί να ψυχθεί ξανά στην θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας. Η εικόνα 2.12 δείχνει αυτό το πρόβλημα: οι ηλεκτρικές απώλειες που προκύπτουν απ την εφαρμογή της τάσης συνεχούς λειτουργίας εξαρτώνται από την θερμοκρασία. Αυξάνονται εκθετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Από την άλλη, λόγω του σχεδιασμού του, ο εκτροπέας μπορεί να απάγει μόνο ένα συγκεκριμένο ποσό ενέργειας στο περιβάλλον, ενώ και η ροή θερμότητας προς το περιβάλλον αυξάνεται επίσης με την θερμοκρασία, αλλά με μικρότερο ρυθμό απ τις ηλεκτρικές απώλειες. Όπως φαίνεται λοιπόν στην εικόνα 2.12 οι δύο καμπύλες έχουν δύο σημεία τομής. Το αριστερό αποτελεί το σημείο κανονικής κατάστασης λειτουργίας και το δεξί το όριο θερμικής σταθερότητας για τον εκτροπέα. Όταν ο εκτροπέας βρίσκεται στο πρώτο σημείο τομής, οποιαδήποτε υπέρταση που θα εμφανιστεί στο δίκτυο και θα τον ενεργοποιήσει, θα αυξήσει την θερμοκρασία του απότομα και το σημείο λειτουργίας θα μετακινηθεί δεξιά πάνω στην καμπύλη ηλεκτρικών απωλειών (όπως φαίνεται με το βέλος στην εικόνα 2.12). Όσο το σημείο λειτουργίας δεν ξεπερνά το δεύτερο σημείο τομής, μετά το περάς της υπέρτασης ο εκτροπέας μπορεί να ψυχθεί και να επανέλθει στην αρχική του θερμική κατάσταση. Αν, όμως, το σημείο λειτουργίας κατά την υπέρταση ξεπεράσει δεύτερο σημείο τομής, ο εκτροπέας δεν μπορεί πια να ψυχθεί, γίνεται θερμικά ασταθής (οι ηλεκτρικές 38

43 απώλειες είναι μεγαλύτερες από την θερμότητα που αποβάλλεται στο περιβάλλον) και καταστρέφεται. Εικόνα Εξήγηση της θερμικής σταθερότητας του εκτροπέα. Φαίνεται με κόκκινο χρώμα η ικανότητα απαγωγής θερμότητας προς το περιβάλλον και με μπλε η καμπύλη ηλεκτρικών απωλειών του εκτροπέα σε σχέση με τη θερμοκρασία. Επίσης βλέπουμε σημειωμένα τα δύο σημεία τομής των καμπυλών.πηγή[5] Η θερμική δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα προσδιορίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε οποιαδήποτε αύξηση της θερμοκρασίας στον εκτροπέα να αφήνει έναν ικανοποιητικό συντελεστή ασφαλείας από το όριο θερμικής σταθερότητας. Η θερμική δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα εξαρτάται από όλο τον σχεδιασμό του. Γενικά, μπορούμε να ορίσουμε την ενεργειακή δυνατότητα του εκτροπέα υπέρτασης ως την ενέργεια που μπορεί να απορροφήσει, σε έναν ή περισσότερους παλμούς, χωρίς να καταστραφεί ή να χάσει την θερμική του σταθερότητα. Η ικανότητα αυτή είναι διαφορετική για διαφορετικές κυματομορφές παλμών ρεύματος που θα εκφορτίσει ο εκτροπέας. Σύμφωνα με τον κανονισμό της IEC :1997 [8], ένας εκτροπέας μεταλλικών οξειδίων πρέπει να αντέχει την ενέργεια που θα απορροφήσει κατά την διάρκεια παροδικών υπερτάσεων στο σύστημα (όχι στην βιομηχανική συχνότητα). Σύμφωνα με τον κανονισμό οι σοβαρότερες αιτίες τέτοιων υπερτάσεων στην ΜΤ και ΥΤ είναι: 39

44 Ζεύξη-απόζευξη μακριών γραμμών. Αποσύνδεση συστοιχιών πυκνωτών ή καλωδίων από αυτόματους διακόπτες επανέναυσης τόξου. Πλήγματα από κεραυνό σε αγωγούς εναέριων γραμμών με υψηλό επίπεδο μόνωσης. Στις περιπτώσεις αυτές η απορροφούμενη ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί, αν γνωρίζουμε τα επίπεδα προστασίας του εκτροπέα, από τις σχέσεις: Ζεύξη-απόζευξη μακριάς γραμμής: W = 2 * Ups * ( Ue Ups) * (T / Z) Όπου: W είναι η απορροφούμενη ενέργεια. Ups είναι το επίπεδο προστασίας του εκτροπέα σε εξωτερικές υπερτάσεις. Ue είναι η αναμενόμενη υπέρταση. Ζ είναι η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής. Z = L / C (όπου L και C η ανά μονάδα μήκους αυτεπαγωγή και χωρητικότητα της γραμμής αντίστοιχα). T είναι ο χρόνος όδευσης της γραμμής: Τ = L / c, L: μήκος γραμμής, c: η ταχύτητα διάδοσης κύματος στην γραμμή ( μπορεί να προσεγγιστεί με την ταχύτητα διάδοσης του φωτός 3*10^8 m/s). Διακοπή συστοιχίας πυκνωτών ή καλωδίων: W = ½ * C * [3 * Uo^2 ( 2 * Ur^2)] Όπου, C είναι η χωρητικότητα της συστοιχίας ή του καλωδίου. Uo είναι η μέγιστη τιμή της φασικής τάσης λειτουργίας. Ur είναι η ονομαστική τάση του εκτροπέα. Πλήγμα από κεραυνό: W = [2 * Uf N * Upl * (1 + ln(2 * Uf/Upl) )] * (Tl * Upl / Z) Όπου, Upl είναι το επίπεδο προστασίας του εκτροπέα σε κεραυνικό παλμό. Uf είναι η τάση διάσπασης της μόνωσης της γραμμής με αρνητική πολικότητα. Ζ είναι η χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής. Ν είναι ο αριθμός των αγωγών που συνδέονται στον εκτροπέα. Tl είναι η ισοδύναμη διάρκεια του ρεύματος του κεραυνού συμπεριλαμβανομένου και των ακόλουθων πληγμάτων. Μία τυπική τιμή είναι 300μs. 40

45 Για λεπτομερέστερο υπολογισμό της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα πρέπει να λάβουμε υπόψη και την ενεργειακή του κλάση, που αναλύεται παρακάτω Ενεργειακή κλάση. Η ενεργειακή κλάση του εκτροπέα είναι τρόπος για να προσδιορίσουμε την ικανότητα απορρόφησης ενέργειάς του. Ο ορισμός της ενεργειακής κλάσης ενός εκτροπέα διαφέρει στην ΧΤ από την ΜΤ και ΥΤ. Για τους εκτροπείς ΜΤ και ΥΤ (τάση συστήματος Us 1kV) οι κανονισμοί [2], [8] ορίζουν 5 κλάσεις. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός της ενεργειακής κλάσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή ικανότητα. Στην ουσία αυτό που αναπαριστά η ενεργειακή κλάση του εκτροπέα εδώ είναι η ενεργειακή δυνατότητά του για την εκφόρτιση μακριάς γραμμής (Πηγή [9]). Γι αυτό το λόγο συχνά στην ΜΤ και ΥΤ αναφερόμαστε σε κλάση εκφόρτισης γραμμής. Η ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί από την κλάση εκφόρτισης γραμμής σε συνδυασμό με την παραμένουσα τάση σε κρουστικό ρεύμα λόγω χειρισμών ή σφαλμάτων, για εκτροπείς ονομαστικού ρεύματος 10 και 20 ka (ενεργειακή κλάση μεγαλύτερη από 2). Σύμφωνα με την IEC :2004+A1: στην περίπτωση αυτή η ενέργεια που μπορεί να απορροφήσει ο εκτροπέας δίνεται από την σχέση: W = Ures/Ur * [UL / Ur - Ures /Ur] * (Ur /z) * T Όπου: Ur είναι η ονομαστική τάση (r.m.s. τιμή). Ures είναι η παραμένουσα τάση σε κρουστικό ρεύμα λόγω χειρισμών ή σφαλμάτων. UL είναι η τάση φόρτισης της γεννήτριας ισχυρών ρευμάτων που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο για να παράγει κυματομορφές ρεύματος μεγάλης διάρκειας (Ild). Z = L / C (όπου L και C η ανά μονάδα μήκους αυτεπαγωγή και χωρητικότητα της γραμμής αντίστοιχα). Τ είναι ο συμβατικός χρόνος μεγίστου του ρεύματος (Ild). W είναι η υπολογιζόμενη ενέργεια διαιρούμενη με την ονομαστική τάση (Ur). Αυτή η ενέργεια θα πρέπει να εγχυθεί στον εκτροπέα με κάθε εκφόρτιση κατά την διάρκεια της δοκιμής στο εργαστήριο (τεστ εκφόρτισης γραμμής). Επίσης κατά την διάρκεια του τεστ λειτουργίας γίνονται δύο τέτοιες εκφορτίσεις αντίστοιχες με παραπάνω για να αποδειχθεί η θερμική σταθερότητα του εκτροπέα. Οι εκτροπείς ονομαστικού ρεύματος 5 και 10kA (κλάση εκφόρτισης γραμμής 1) υπόκεινται σε δοκιμή με ισχυρό κρουστικό ρεύμα και η απορροφούμενη ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση: W = Ua * I * T Όπου, 41

46 Ua, είναι η παραμένουσα τάση του εκτροπέα σε παλμό υψηλού κρουστικού ρεύματος. Αν δεν είναι γνωστή μπορεί να εκτιμηθεί [8] ίση με 1.5 φορές την παραμένουσα τάση σε ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης. I, είναι το μέγεθος του συγκεκριμένου υψηλού κρουστικού ρεύματος. Τ, είναι ο ενεργός χρόνος του υψηλού κρουστικού ρεύματος. Λαμβάνεται ίσος με 6.5μs Πηγή[11]. Παρακάτω φαίνεται η ενέργεια που προσδιορίστηκε παραπάνω σε συνδυασμό με την κλάση εκφόρτισης γραμμής και την παραμένουσα τάση σε διακοπτικό παλμό ρεύματος. Εικόνα Ενέργεια σε kj ανά kv ονομαστικής τάσης ως προς τον λόγο της παραμένουσας τάσης σε εσωτερική υπέρταση προς την ονομαστική τάση, για τις 5 ενεργειακές κλάσεις ΜΤ και ΥΤ. Πηγή[2] 42

47 Από το παραπάνω διάγραμμα βλέπουμε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η παραμένουσα τάση του εκτροπέα σε εσωτερική υπέρταση τόσο μικρότερη ενέργεια απορροφά ο εκτροπέας κατά την δοκιμή εκφόρτισης γραμμής, καθώς η γραμμή θα εκφορτιστεί λιγότερο έντονα σε μικρότερη παραμένουσα τάση. Οι εκτροπείς υπέρτασης ΧΤ κατατάσσονται σε τρεις κλάσεις Ι ως ΙΙΙ αναφορικά με το επίπεδο προστασίας που παρέχουν και διακρίνονται σε κατηγορίες ανάλογα με τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά(πηγή[11]): Κλάση Ι: Συμπεριλαμβάνει εκτροπείς που ενδέχεται να διαρρέονται από τμήμα του ρεύματος κεραυνού. Συνίσταται η εγκατάστασή τους σε σημεία υψηλού κινδύνου από άμεσο πλήγμα κεραυνού όπως στις εναέριες γραμμές μεταφοράς του δικτύου ΧΤ ή στα σημεία εισόδου των παροχών κοινής ωφελείας16 σε κατασκευές προστατευμένες με Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ). Για την κλάση αυτή οι δοκιμές διεξάγονται χρησιμοποιώντας το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (In), το μέγιστο κρουστικό ρεύμα (Imax) και κρουστική τάση κυματομορφής 1.2/50μs, για τον προσδιορισμό της δυνατότητας απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα. Κλάση ΙΙ: Συμπεριλαμβάνει εκτροπείς που χρησιμοποιούνται ως μέσα προστασίας έναντι υπερτάσεων από έμμεσα πλήγματα κεραυνών ή χειρισμούς. Συνίσταται η εγκατάστασή τους σε σημεία μικρότερης απαίτησης προστασίας έναντι υπερτάσεων, όπως στον γενικό πίνακα ΧΤ του καταναλωτή. Για την κλάση αυτή οι δοκιμές διεξάγονται χρησιμοποιώντας το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (In), το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης (Imax) και κρουστική τάση κυματομορφής 1.2/50μs, για τον προσδιορισμό της δυνατότητας απορρόφησης ενέργειας του εκτροπέα. Κλάση ΙΙΙ: Συμπεριλαμβάνει εκτροπείς που χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις μειωμένης απαίτησης προστασίας από υπερτάσεις, π.χ. προστασία συσκευών εντός της κατασκευής. Για την κλάση αυτή οι δοκιμές διεξάγονται με συνδυασμένο κύμα (1.2/50, 8/20 μs).πηγή[17] 43

48 2.3.7 Χαρακτηριστικά περιβλήματος. Τελευταίο στάδιο για την ολοκλήρωση της διαδικασίας επιλογής ενός εκτροπέα υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων ΜΤ και ΥΤ είναι η επιλογή των χαρακτηριστικών του περιβλήματός του, ώστε το ενεργό μέρος να είναι προστατευμένο επαρκώς, για τις συνθήκες ρύπανσης στο σημείο εγκατάστασης του εκτροπέα και τις συνθήκες λειτουργίας. Για τον λόγο αυτό θα πρέπει να εξετάσουμε τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Κλάση εκτόνωσης. Η κλάση εκτόνωσης του εκτροπέα είναι ένας αριθμός που σχετίζεται με την αντοχή του σε εσωτερικά ρεύματα σφάλματος (εσωτερικά βραχυκυκλώματα), χωρίς το βίαιο σκάσιμο του περιβλήματος του, που μπορεί να καταστρέψει γειτονικό εξοπλισμό ή να τραυματίσει ανθρώπους. Η κλάση εκτόνωσης του εκτροπέα, που μπορούμε να την ορίσουμε και ως «ικανότητα σε βραχυκυκλώματα», πρέπει να αξιολογηθεί σε διάφορα επίπεδα ρευμάτων Χαρακτηριστικά αντοχής στην ρύπανση. Η αντοχή του εκτροπέα στην ρύπανση περιλαμβάνει τρείς πτυχές(πηγή[11]): 1) Το περίβλημα του εκτροπέα πρέπει να αντέχει την ρύπανση χωρίς να επέρχεται επιφανειακή διάσπαση. Σε σχέση με τον βαθμό ρύπανσης, το πρότυπο IEC 60815(Πηγή[1]) διακρίνει ποιοτικά ανάλογα με το περιβάλλον τέσσερα επίπεδα ρύπανσης: ελαφριά, μέση,βαριά και πολύ βαριά, τα οποία αντιστοιχούν σε συγκεκριμένο μήκος ερπυσμού του μονωτικού υλικού του περιβλήματος υπό AC τάση. Ως μήκος ερπυσμού ενός μονωτήρα ορίζεται η ελάχιστη διαδρομή κατά μήκος της μονωτικής επιφάνειας που παρεμβάλλεται μεταξύ δύο αγώγιμων τμημάτων του. Συγκεκριμένα τα ελάχιστα μήκη ερπυσμού που προδιαγράφονται στο IEC 60815, ανάλογα με το επίπεδο ρύπανσης και σε σχέση με την μέγιστη τάση λειτουργίας του συστήματος (πολική τιμή) είναι: 16mm/kV(ελαφριά ρύπανση), 20mm/kV(μέση ρύπανση), 25mm/kV(βαριά ρύπανση), 31mm/kV(πολύ βαριά ρύπανση). 2)Ο εκτροπέας πρέπει να αντέχει πιθανές αυξήσεις στην θερμοκρασία εξαιτίας αλλαγών στην κατανομή της τάσης κατά μήκος του προερχόμενες από την ρύπανση της επιφάνειας του περιβλήματος. Πρέπει να δοθεί προσοχή στο επίπεδο ρύπανσης, την συχνότητα και το μέγεθος της υπέρτασης που προέρχεται από σφάλματα καθώς και επαναζεύξεις κατά την διάρκεια καταστάσεων ρύπανσης. 3)Ο εκτροπέας πρέπει να αντέχει εσωτερικές μερικές εκκενώσεις που μπορεί να προκληθούν λόγω άνισης κατανομής της τάσης κατά μήκος του, από ρύπανση στην επιφάνεια του περιβλήματός του, χωρίς την καταστροφή των βαριστόρων ή άλλων εσωτερικών στοιχείων στήριξης. 44

49 Χαρακτηριστικά πλυσίματος υπό τάση. Όταν προβλέπεται πλύσιμο του περιβλήματος υπό τάση πρέπει να εξασφαλιστεί ότι δεν θα εμφανιστεί επιφανειακή διάσπαση του περιβλήματος και ότι η θερμοκρασία των βαριστόρων θα παραμείνει μέσα στα επιτρεπτά όρια. 2.4 Συμπεράσματα. Η σωστή επιλογή ενός εκτροπέα υπέρτασης πρέπει να γίνει προσεκτικά ώστε όλα τα χαρακτηριστικά του να επιλεχθούν με βάση τις απαιτήσεις του συστήματος που θα προστατευτεί και να εξασφαλίζεται αξιόπιστη λειτουργία σε κάθε κατάσταση που μπορεί να εμφανιστεί. Στην ΧΤ πλήρης και αποτελεσματική προστασία έναντι υπερτάσεων μίας κατασκευής δεν μπορεί να εξασφαλιστεί με την χρησιμοποίηση ενός και μόνο εκτροπέα υπέρτασης είτε διότι τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δεν είναι στο σύνολο τους αυτά της ιδανικής διάταξης προστασίας είτε διότι η αιτία της υπέρτασης μπορεί να ποικίλει ιδιαίτερα. Ακόμη, στα διάφορα σημεία μίας εγκατάστασης μπορεί να απαιτείται διαφορετικό επίπεδο προστασίας εφόσον τόσο η τάση λειτουργίας όσο και οι πιθανές υπερτάσεις μπορεί να διαφέρουν σημαντικά σε τιμή. Στην πράξη χρησιμοποιούνται διάφορες διατάξεις προστασίας, ένας εκτροπέας υπέρτασης ή συνδυαστικά πολλοί με επιπλέον στοιχεία για το συντονισμό τους, ανάλογα με την ανάγκη προστασίας κατά περίπτωση. Η επιλογή των κατάλληλων διατάξεων προστασίας προϋποθέτει τη μελέτη συντονισμού των μονώσεων της εγκατάστασης. Εκτός από τα χαρακτηριστικά των εκτροπέων, όπως αναφέραμε, για την επιλογή ενός εκτροπέα υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων πρέπει να εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού συστήματος που θα προστατευτεί, όπως και την κεραυνική δραστηριότητα της περιοχής που θα γίνει η εγκατάσταση. Στο επόμενο κεφάλαιο αναφέρονται οι παράμετροι του συστήματος και του περιβάλλοντος τοποθέτησης που χρησιμοποιούνται στην διαδικασία επιλογής. 45

50 46

51 Κεφάλαιο 3 ο Java-Netbeans 3.1 Εισαγωγή. Η Java ( είναι δύο πράγματα: (α) γλώσσα προγραμματισμού και (β) πλατφόρμα.η γλώσσα προγραμματισμού Java είναι ένα πρόσφατο προϊόν της Sun Microsystems Inc.. Ξεκίνησε σαν μέρος ενός μεγαλύτερου σχεδίου που αφορούσε την ανάπτυξη λογισμικού για καταναλωτικά ηλεκτρονικά. Πρόκειται για μικρές, αξιόπιστες, φορητές, πραγματικού χρόνου συσκευές που στην αρχή βασιζόντουσαν στην C++. Αρκετά προβλήματα όμως παρουσιάστηκαν και η γλώσσα C++ δεν μπόρεσε να εφαρμοστεί τελικά. Χρειάστηκε να αναπτυχθεί μία νέα γλώσσα: η Java. Η Java, στην τελική της μορφή, βρήκε περαιτέρω εφαρμογή στην επίλυση μερικών προβλημάτων του σημερινού προγραμματισμού, όπως animation, την αλληλεπίδραση πραγματικού χρόνου (real-time interaction) και την εξερεύνηση του Web (Web browsing). Ας πάρουμε το World Wide Web για παράδειγμα. Οι Web browsers περιορίζονται σε ότι μπορεί να προσφέρει η HTML γλώσσα: σελίδες δυο διαστάσεων με κείμενο, φωτογραφίες ή γραφικά και συνδέσμους (links). Κάποια μορφή επεκτασιμότητας προσέφερε η JavaScript από την Netscape Corporation, αλλά οι σελίδες παραμένουν βαρετές, στατικές και χαζές σε περιεχόμενο. Οι Web browsers δεν διαθέτουν ακόμα την ιδιότητα της αλληλεπίδρασης πραγματικού χρόνου. Χρησιμοποιώντας την Java γλώσσα, η Sun κατασκεύασε τον νέο World Wide Web browser, τον HotJava. Πλέον, η σχέση μεταξύ server και client αλλάζει. Ο νέος browser εκμεταλλεύεται την υπολογιστική δύναμη του client και αντί να κατεβάζει απλές στατικές σελίδες κειμένου και εικόνων, ο HotJava κατεβάζει μικρά προγράμματα σε Java που τρέχουν στον client. Ο browser είναι γρήγορος, ευέλικτος, πολύπλευρος και εύκολα προσαρμόσιμος. Από την ημέρα της δημοσιοποίηση της τον Μάιο του 1995, η Java έχει εξαπλωθεί σε όλο το Internet. Η Java έχει κιόλας λύσει τα περισσότερα προβλήματα στο μοντέλο client/server και έχει προάγει την χρήση του World Wide Web. Παρ' όλα αυτά, επειδή η Java έχει σχεδιαστεί για να χρησιμοποιείται σε ανοικτά, δικτυωμένα περιβάλλοντα, έχει βαθιές συνέπειες στην ασφάλεια ενός συστήματος υπολογιστών. Επίσης, η δυνατότητα της να διανέμει αυτόματα εκτελέσιμα αρχεία μέσω του Internet επηρεάζει, με την σειρά της, την 47

52 ασφάλεια των δικτύων. Τα εκτελέσιμα αρχεία από το Internet συχνά κρύβουν παγίδες και δύσκολα μπορεί να είναι κανείς σίγουρος ότι ο κώδικας είναι ελεύθερος από ιούς. 3.2 Ιστορική αναδρομή. Στις αρχές του 1991(Πηγή [12]), η Sun αναζητούσε το κατάλληλο εργαλείο για να αποτελέσει την πλατφόρμα ανάπτυξης λογισμικού σε μικρο-συσκευές (έξυπνες οικιακές συσκευές έως πολύπλοκα συστήματα παραγωγής γραφικών). Τα εργαλεία της εποχής ήταν γλώσσες όπως η C++ και η C. Μετά από διάφορους πειραματισμούς προέκυψε το συμπέρασμα ότι οι υπάρχουσες γλώσσες δεν μπορούσαν να καλύψουν τις ανάγκες τους. Ο "πατέρας" της Java, James Gosling, που εργαζόταν εκείνη την εποχή για την Sun, έκανε ήδη πειραματισμούς πάνω στη C++ και είχε παρουσιάσει κατά καιρούς κάποιες πειραματικές γλώσσες (C++ ++) ως πρότυπα για το νέο εργαλείο που αναζητούσαν στην Sun. Τελικά μετά από λίγο καιρό κατέληξαν με μια πρόταση για το επιτελείο της εταιρίας, η οποία ήταν η γλωσσα Oak. Το όνομά της το πήρε από το ομώνυμο δένδρο (βελανιδιά) το οποίο ο Gosling είχε έξω από το γραφείο του και έβλεπε κάθε μέρα. H Oak ήταν μία γλώσσα που διατηρούσε μεγάλη συγγένεια με την C++. Παρόλα αυτά είχε πολύ πιο έντονο αντικειμενοστρεφή (object oriented) χαρακτήρα σε σχέση με την C++ και χαρακτηριζόταν για την απλότητα της. Σύντομα οι υπεύθυνοι ανάπτυξης της νέας γλώσσας ανακάλυψαν ότι το όνομα Oak ήταν ήδη κατοχυρωμένο οπότε κατά την διάρκεια μιας εκ των πολλών συναντήσεων σε κάποιο τοπικό καφέ αποφάσισαν να μετονομάσουν το νέο τους δημιούργημα σε Java που εκτός των άλλων ήταν το όνομα της αγαπημενης ποικιλιας καφέ για τους δημιουργούς της. Η επίσημη εμφάνιση της Java αλλα και του HotJava (πλοηγός με υποστήριξη Java) στη βιομηχανία της πληροφορικής έγινε το Μάρτιο του 1995 όταν η Sun την ανακοίνωσε στο συνέδριο Sun World O πρώτος μεταγλωττιστής (compiler) της ήταν γραμμένος στη γλώσσα C από τον James Gosling. Το1994, ο A.Van Hoff ξαναγράφει τον μεταγλωττιστή της γλώσσας σε Java, ενώ το Δεκέμβριο του 1995 πρώτες οι IBM, Borland, Mitsubishi Electronics, Sybase και Symantec ανακοινώνουν σχέδια να χρησιμοποιήσουν τη Java για την δημιουργία λογισμικού. Από εκεί και πέρα η Java ακολουθεί μία ανοδική πορεία και είναι πλέον μία από τις πιο δημοφιλείς γλώσσες στον χώρο της πληροφορικής. Στις 13 Νοεμβρίου του 2006 η Java έγινε πλέον μια γλώσσα ανοιχτού κώδικα (GPL) όσον αφορά το μεταγλωττιστή (javac) και το πακέτο ανάπτυξης (JDK, Java Development Kit). [12 ] 48

53 3.3 Χαρακτηριστικά της Java ως γλώσσα προγραμματισμού. Απλή: Στόχος της ομάδας της Sun(Πηγή[13]) που ανέπτυξε την Java, ήταν μια γλώσσα εύκολη στην χρήση, που δεν απαιτεί πολλή εξάσκηση και εκπαίδευση. Οι περισσότεροι προγραμματιστές στις μέρες μας δουλεύουν είτε με την C είτε με την C++. Έτσι, μολονότι η C++ δεν ήταν η κατάλληλη για το αρχικό σχέδιο, η Java σχεδιάστηκε βάσει της C++, με σκοπό να γίνει όσο το δυνατόν περισσότερο κατανοητή. Η Java παραλείπει πολλά από τα σπανίως χρησιμοποιούμενα και δυσκολονόητα χαρακτηριστικά της C++, που δεν ωφελούν και πολύ την ευελιξία της γλώσσας. Προστέθηκαν διεργασίες, όπως η αυτόματη συλλογή των "σκουπιδιών" (automatic garbage collection), διευκολύνοντας τον προγραμματισμό σε Java. Μια κοινή πηγή πολυπλοκότητας της C++ και της C είναι η διαχείριση της μνήμης. Με την καινούργια διεργασία της αυτόματης συλλογής "σκουπιδιών", που συνιστάται από την περιοδική αποδέσμευση της μνήμης που δεν χρησιμοποιείται, μεγάλο μέρος από την δουλεία των προγραμματιστών αυτοματοποιείται και μειώνονται τα bugs. Ένα πλεονέκτημα της Java που οφείλεται στην απλότητα της είναι ότι το μέγεθος των απαραίτητων εργαλείων. Ο Java interpreter και οι βασικές βιβλιοθήκες είναι μικρές και ο κώδικάς της Java είναι τόσο περιορισμένος σε μέγεθος που μπορεί άνετα να τρέξει σε οποιαδήποτε μικρή μηχανή και να κατέβει από το δίκτυο. Αντικειμενοστραφής: Λέγοντας ότι μία γλώσσα προγραμματισμού είναι αντικειμενοστραφής, εννοούμε η τεχνική σχεδιασμού ενός προγράμματος συγκεντρώνεται σε αντικείμενα. Ένα αντικείμενο είναι ο συνδυασμός δεδομένων, διαδικασιών και λειτουργιών με βασική ιδιότητα την απόκρυψη του συνδυασμού αυτού. Το κάθε αντικείμενο, δηλαδή, αντιμετωπίζεται σαν ένα "μαύρο κουτί". Τα αντικείμενα δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, αλλά βρίσκονται σε σχέση αλληλεξάρτησης με τα υπόλοιπα. Υπάρχει η έννοια της κληρονομικότητας μεταξύ των αντικειμένων, δηλαδή ένα αντικείμενο μπορεί να κληρονομήσει δεδομένα από άλλα αντικείμενα. [13 ] 49

54 Οι γλώσσες αντικειμενοστραφή προγραμματισμού είναι γλώσσες υψηλού επιπέδου, αφαιρετικές, αποτελεσματικές, γρήγορες και χρησιμοποιούνται για την δημιουργία μεγάλων και σημαντικών εφαρμογών. Οι αντικειμενοστραφής ευκολίες της Java είναι ίδιες με αυτές της C++. Συμβατή με δίκτυα: Η Java έχει μια μεγάλη βιβλιοθήκη από ρουτίνες για την επιτυχημένη συνεργασία με τα πρωτόκολλα HTTP και FTP. Κατ 'αυτόν τον τρόπο, οι δικτυακές συνδέσεις δημιουργούνται ευκολότερα από ότι με την C ή την C++. Τα προγράμματα σε Java μπορούν να έχουν πρόσβαση μέσω δικτύου σε αντικείμενα, με την ίδια άνεση που ένας χρήστης προσπελάζει ένα τοπικό σύστημα αρχείων. Σταθερή: Η Java προορίζεται για την σύνταξη προγραμμάτων που θα είναι αξιόπιστα από όλες τις πλευρές. Δίνεται έμφαση στον από νωρίς έλεγχο για πιθανά προβλήματα και στον έλεγχο σε πραγματικό χρόνο και στην εξάλειψη καταστάσεων που προκαλούν λάθη. Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ Java και C/C++ είναι το γεγονός ότι η Java έχει ένα μοντέλο δεικτών που εξαφανίζει την πιθανότητα της επαναχρησιμοποίησης της μνήμης και την καταστροφή των δεδομένων. Αντί για αριθμητικούς δείκτες (pointer arithmetic), η Java έχει πραγματικούς πίνακες(true arrays). Οι προγραμματιστές της Java δεν έχουν να φοβηθούν την ακούσια (ή μη) τροποποίηση της μνήμης, γιατί δεν υπάρχουν δείκτες (pointers). Εξάλλου, τα προγράμματα σε Java δεν μπορούν να αποκοτήσουν μη εγκεκριμένη πρόσβαση στην μνήμη Ασφαλής: Η Java προορίζεται για χρήση σε ανοικτά, δικτυωμένα περιβάλλοντα. Γι' αυτό το λόγο, ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στην ασφάλεια που παρέχει η γλώσσα. Η Java επιτρέπει την κατασκευή προγραμμάτων ελεύθερων από ιούς και η τροποποίηση τους είναι αδύνατη. Οι τεχνικές πιστοποίησης ταυτότητας βασίζονται στην ασύμμετρη κρυπτογραφία. Υπάρχει μεγάλη σχέση μεταξύ του τρόπου διαχείρισης της μνήμης και της παρεχόμενης ασφάλειας. Αλλαγές στην σημασιολογία των δεικτών της μνήμης κάνουν αδύνατη την μη έγκυρη πρόσβαση στα δεδομένα της μνήμης ή της πρόσβασης των δεδομένων των αντικειμένων. Με αυτόν τον τρόπο καταπολεμούνται οι περισσότεροι ιοί. 50

55 Ουδέτερη της Υποκείμενης Αρχιτεκτονικής: Η Java έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει δικτυακές εφαρμογές. Ένα δίκτυο, όμως, αποτελείται από ποικιλία διαφορετικών συστημάτων, με διαφορετικές CPU και λειτουργικά συστήματα. Για να μπορούν οι Java εφαρμογές να εκτελούνται παντού στο δίκτυο, το πρόγραμμα Java πρέπει να περάσει από δύο διαδικασίες ώστε να καταλήξει σε εκτελέσιμη μορφή. Πρώτα ο μεταγλωττιστής, μετατρέπει τον πηγαίο κώδικα του προγράμματος σε μία ενδιάμεση γλώσσα που καλείται Java bytecodes. Τα Java bytecodes είναι ανεξάρτητα της πλατφόρμας και με χρήση του ερμηνευτή(interpreter) κάθε bytecode εντολή μετατρέπεται σε κατάλληλη δυαδική μορφή για να τρέξει στον εκάστοτε υπολογιστή. Η μεταγλώττιση (compilation) συμβαίνει μόνο μια φορά για κάθε Java πρόγραμμα, η ερμηνεία (interpretation) γίνεται κάθε φορά που το πρόγραμμα εκτελείται. Το παρακάτω σχήμα επιδεικνύει πως λειτουργεί αυτή η φιλοσοφία. Τα Java bytecodes μπορούμε να τα φανταστούμε σαν την γλώσσα μηχανής για την Java Virtual Machine (JVM). Κάθε Java ερμηνευτής (π.χ. ένας Web browser που μπορεί να τρέχει applets) είναι μια λογισμική εφαρμογή του της Java Virtual Machine. Η JVM αναλαμβάνει να μετατρέψει ταbytecodes σε κατάλληλη εκτελέσιμη μορφή, ανάλογα με το υποκείμενο software και hardware. Η τεχνική που περιγράφηκε παραπάνω καλείται "write once, run anywhere". Το Java πρόγραμμα μεταγλωττίζεται μία φορά σε Java bytecodes με τον μεταγλωττιστή της Java. Έπειτα, τα bytecodes μπορούν να τρέξουν σε οποιαδήποτε μηχανή που έχει μία εφηρμοσμένη JVM (ο ερμηνευτής). Φορητή: Το γεγονός ότι είναι ανεξάρτητη της υποκείμενης πλατφόρμας αποτελεί μεγάλο μέρος του ότι είναι φορητή, άλλα υπάρχουν και άλλα σημεία που χαρακτηρίζουν την φορητότητα της. Σε αντίθεση με την C/C++ δεν υπάρχουν καθόλου χαρακτηριστικά που εξαρτούνται από την CPU του υπολογιστή. Έτσι, τα μεγέθη των πρωταρχικών τύπων δεδομένων είναι καθορισμένα και η συμπεριφορά τους είναι παντού η ίδια. Για παράδειγμα, "int" σημαίνει πάντα έναν 32 bit ακέραιο και"float" πάντα αντιπροσωπεύει έναν 32 bit floating αριθμό. 51

56 Interpreted: Τα Java bytecodes μεταφράζονται σε πραγματικό χρόνο σε εντολές μηχανής που εξαρτώνται από την εκάστοτε πλατφόρμα, και δεν αποθηκεύονται πουθενά. Η διαδικασία είναι γρήγορη και πιο αποτελεσματική. Μαζί με τα bytecodes μεταφέρονται πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά την εκτέλεση και παρέχουν την βάση για τους ελέγχους που πραγματοποιεί ο συνδετής (linker). Επίσης τα προγράμματα γίνονται πιο επιδεκτικά σε debugging διαδικασίες. Υψηλής απόδοσης: Η διαδικασία παραγωγής των εντολών μηχανής είναι απλή και γρήγορη. Ο κώδικας που προκύπτει είναι αποτελεσματικός. Ο μεταγλωττιστής από την μεριά του εφαρμόζει αυτόματη κατανομή των καταχωρητών (automatic register allocation) όταν παράγει τα bytecodes. Η τελική μορφή του κώδικα (εκτελέσιμη δυαδική μορφή) είναι μικρή σε μέγεθος και ταχύτατη στην εκτέλεση. Multithreaded: Τα προγράμματα σε Java έχουν την δυνατότητα να αντιμετωπίζουν πολλές καταστάσεις διαδικασίες ταυτόχρονα. Σε αντίθεση, η C και C++ είναι single-threaded γλώσσες. Τα πλεονεκτήματα του multithreading είναι η καλύτερη πραγματικού χρόνου συμπεριφορά και η καλύτερη αλληλεπιδραστική ανταπόκριση. Δυναμική: Η Java είναι πιο δυναμική γλώσσα από την C ή C++. Έχει αναπτυχθεί για να προσαρμοστεί σε ένα εξελισσόμενο περιβάλλον. Οι βιβλιοθήκες εργαλείων αναπτύσσονται ελεύθερα με την πρόσθεση νέων μεθόδων και μεταβλητών, χωρίς να επηρεάζονται οι ήδη υπάρχουσες εφαρμογές 52

57 Applets και Applications Υπάρχουν δύο είδη προγραμμάτων στην Java: τα applets και οι applications. Applets είναι μικρά κομμάτια εκτελέσιμου κώδικα που απαιτούν ένα Web browser για να τρέξουν. Υποδηλώνεται στην HTML σελίδα με ένα <applet> tag. Όταν ο Web browser ενός χρήστη επεξεργαστεί μία ηλεκτρονική σελίδα που περιέχει ένα τέτοιο tag, αυτόματα κατεβάζει το applet και το τρέχει στην μηχανή του client. Λόγω του ότι διακινούνται στο δίκτυο, τα applets είναι μικρά. Τα applets επιτρέπουν τον εμπλουτισμό των σελίδων με αλληλεπιδραστικές εφαρμογές. Applications είναι προγράμματα που δεν απαιτούν Web browser για να τρέξουν και δεν διαθέτουν ενσωματωμένο μηχανισμό για μεταφορά στο δίκτυο. Βρίσκονται τοπικά αποθηκευμένες. Δεν διαφέρουν, δηλαδή, από τα προγράμματα σε άλλες γλώσσες. Μπορούν να πραγματοποιήσουν εργασίες όπως επεξεργασία κειμένου και επεξεργασία γραφικών. Όπως και τα applets, οι applications απαιτούν μία Java Virtual Machine για να τρέξουν. Η JVM μπορεί να είναι διαθέσιμη σαν ξεχωριστό πρόγραμμα, μπορεί να είναι ενσωματωμένη στο λειτουργικό σύστημα ή να είναι ενσωματωμένη στην ίδια την application. Τα δύο είδη έχουν πολλές κοινές δυνατότητες, όπως πρόσβαση σε απομακρυσμένη βάση δεδομένων, απόκτηση των ζητούμενων δεδομένων, τοπική επεξεργασία των δεδομένων και αποθήκευση των αποτελεσμάτων στον απομακρυσμένο υπολογιστή. Παρ' όλα αυτά, οι applications έχουν μεγαλύτερη ελευθερία όσον αναφορά τις υπηρεσίες του συστήματος. Για παράδειγμα, μια application, σε αντίθεση με ένα applet, έχει πρόσβαση γραφής και ανάγνωσης στα αρχεία οποιουδήποτε δίσκου. Ένα applet έχει πλήρη πρόσβαση μόνο στον σύστημα αρχείων του server από τον οποίο προήλθε. Επίσης, μια ακόμα αξιοσημείωτη διαφορά είναι ότι το applet χρειάζεται δίκτυο για να τρέξει, ενώ μια application όχι. 3.4 Λογισμικό διασύνδεσης της βάσης δεδομένων με το κυρίως πρόγραμμα(jdbc). Η Συνδετικότητα Βάσης Δεδομένων JAVA (Java Database Connectivity, συντ.:jdbc)(πηγή [14]) είναι μία διεπαφή προγραμματισμού εφαρμογών (API) για την γλώσσα προγραμματισμού Java η οποία ορίζει πώς ένας χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση σε μια βάση δεδομένων. Παρέχει συναρτήσεις για εξαγωγή, πρόσθεση, ανανέωση ή διαγραφή δεδομένων σε μια βάση. [14] 53

58 H πλατφόρμα 2 της Java, Standard έκδοση 1.4 (J2SE) εμπεριέχει την Συνδετικότητα Βάσης Δεδομένων (JDBC) 3.0 API μαζί με την υλοποίηση αναφοράς της γέφυρας JDBC-to- ODBC, επιτρέποντας συνδέσεις σε ODBC προσβάσιμες πηγές δεδομένων στο περιβάλλον της JVM. Αυτή η γέφυρα είναι πρωτογενής κλειστός κώδικας (όχι Java), και μόνο κατάλληλος για πειραματισμό και για συνθήκες στις οποίες κανένας άλλος οδηγός δεν είναι διαθέσιμος. Η υλοποίηση της διεπαφής JDBC έγινε με το Apache Derby το οποίο αποτελεί ένα σύστημα διαχείρισης σχεσιακών βάσεων δεδομένων(rdbms) που αναπτύχθηκε από την pache Software Foundation και μπορεί να ενσωματωθεί (embedded) σε προγράμματα Java. 3.5 Netbeans IDE. Το NetBeans(Πηγή [15]) είναι ένα επιτυχημένο ερευνητικό έργο ανοιχτής πηγής (open source) με μεγάλο αριθμό χρηστών, μια αναπτυσσόμενη κοινωνία, κοντά στους 100 (και πλέον!) συνεργάτες παγκοσμίως. Η Sun Microsystems ίδρυσε το ερευνητικό έργο ανοιχτής πηγής NetBeans τον Ιούνιο του 2000 και συνεχίζει να είναι ο κύριος ανάδοχος. Σήμερα δύο ερευνητικά έργα υπάρχουν: Το NetBeans IDE και το NetBeans Platform. Tο NetBeans IDE είναι ένα περιβαλλοντικό ανάπτυγμα IDE - ένα εργαλείο στους προγραμματιστές για να γράψουν, να κάνουν compile, debug και να αναπτύξουν προγράμματα. Είναι γραμμένο σε Java - αλλά μπορεί να υποστηρίξει όλες τις γλώσσες προγραμματισμού. Υπάρχει επίσης ένας μεγάλος αριθμός υπομονάδων (modules) που βοηθάνε στην επέκταση της λειτουργικότητας του NetBeans IDE. To NetBeans IDE είναι ένα ελεύθερο προιόν δίχως περιορισμούς στον τρόπο χρησιμοποίησής του. Διαθέσιμο επίσης είναι το NetBeans Platform; ένα εκτατό θεμέλιο αποτελούμενο από υπομονάδες (modular) που χρησιμοποιείται σαν βάση λογισμικού για τη δημιουργία μεγάλων επιτραπέζιων (desktop) εφαρμογών. Οι ISV συνεργάτες διαθέτουν προσθήκες, επιπρόσθετα προγράμματα (plug-ins) που εύκολα συνενώνονται στο Platform και μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη άλλων εργαλίων και λύσεων. Και τα δύο τα προιόντα είναι ανοιχτής πηγής (open source) και ελεύθερα για εμπορική ή μη χρήση. Ο κώδικας πηγής (source code) είναι διαθέσιμος για επαναχρησιμοποίηση κάτω από το Common Development and Distribution License (CDDL). [15 ] 54

59 Απεικόνιση γραφικής μεθόδου υλοποίησης λογισμικού με το πρόγραμμα Netbeans-IDE. 55

60 Απεικόνιση προγραμματιστικής μεθόδου υλοποίησης λογισμικού με το πρόγραμμα Netbeans- IDE. 56

61 Κεφάλαιο 4 ο Υλοποίηση ενδεικτικών παραδειγμάτων 4.1 Υλοποίηση αναλυτικής μεθόδου υπολογισμού εκτροπέα υπέρτασης. Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν η δημιουργία προγράμματος για την επιλογή του κατάλληλου εκτροπέα υπέρτασης οποιασδήποτε εγκατάστασης στην υψηλή και μέση τάση. Η εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μηχανικούς αλλά και για εκπαιδευτικούς σκοπούς στο πλαίσιο της διδασκαλίας των μαθημάτων Υψηλών Τάσεων και επομένως δημιουργήθηκε με βασικές αρχές σχεδίασης τη φιλικότητα προς το χρήστη και την αποφυγή σφαλμάτων κατά την εισαγωγή των δεδομένων. Ακολουθεί η παρουσίαση ενδεικτικού παραδείγματος: Στο συγκεκριμένο παράδειγμα θα επιλέξουμε κατάλληλο εκτροπέα υπέρτασης για ηλεκτρική εγκατάσταση σε σύστημα 380 kv αποτελεσματικής γείωσης με υφιστάμενη βιομηχανική ρύπανση( επιπέδου ΙΙΙ). Τα στοιχεία της εφαρμογής είναι τα παρακάτω: Um=420kV BIL = 1425kV Συντελεστής σφάλματος γης = 1.4 Μέγιστη διάρκεια προσωρινής υπέρτασης = 10s In = 10kA Απαιτούμενη ενεργειακή κλάση : 3 57

62 Εισαγωγικό παράθυρο υποδοχής. Το πάραπανω παράθυρο καλοσωρίσματος και πληροφόρησης είναι το δευτέρο παράθυρο που αντικρίζει ο χρήστης όταν εκκινήσει το πρόγραμμα μετά το παράθυρο Splashscreen, που εμφανίζεται πρώτο και ενημερώνει το χρήστη για τη διαδικασία φόρτωσης και εκκίνησης της εφαρμογής. 58

63 Στο πρώτο παράθυρο ο χρήστης έχει τη δυνατότητα είτε να μεταβεί απευθείας στην βάση δεδομένων των εκτροπέων υπέρτασης για αναζήτηση, εισαγωγή ή και διαγραφή στοιχείων από τη βάση, είτε να επιλέξει την αναλυτική διαδικασία εκλογής εκτροπέα υπέρτασης η οποία ακολουθεί το πρότυπο IEC

64 Στο παράδειγμα μας ο χρήστης επιλέγει το κουμπί Analysis. Σε αυτό το σημείο εμφανίζεται παράθυρο διάλογου και καλείται ο χρήστης να προσδιορίσει την μέγιστη τάση του εξοπλισμού Um. Αφου προσδιόρισει κατάλληλη τιμή με την επιλογή OK συνεχίζεται η ροή του προγράμματος. 60

65 Στο εικονιζόμενο παράθυρο φαίνονται οι επιλογές πεδίου εφαρμογής για τις οποίες ο χρήστης μπορεί να εκλέξει εκτροπέα υπέρτασης: Phase to earth Μεταξύ φάσης και γης Phase to phase Μεταξύ φάσεων Transformer Neutral Ουδέτερος μετασχηματιστής Rotating machine protection Προστασία περιστρεφόμενων μηχανών Στο παράδειγμα μας επιλέγεται η επιλογή Phase to earth και εισάγεται η τιμή Um=420kV. 61

66 Όταν ο χρήστης έχει προσδιορίσει τo πεδίο εφαρμογής εμφανίζεται το παράθυρο διαλόγου Ground Method στο οποίο ο χρήστης καλείται να επιλέξει την μέθοδο γείωσης του συστήματος. Υπάρχουν τρεις επιλογές : Effective Ground Άμεση γείωση Insulated Neutral Μονωμένος ουδέτερος Resonant Earthed Γείωση αντιστάθμισης Στο παράδειγμα μας επιλέγεται μέθοδος γείωσης Effective Ground και ταυτόχρονα υπολογίζεται η τιμή της Ur1 σύμφωνα με το πρότυπο IEC

67 Στο εικονιζόμενο παράθυρο εμφανίζεται το παράθυρο διαλόγου Basic Insulation Level στο οποίο ο χρήστης έχει τη δυνατότητα είτε να επιλέξει την εισαγωγή της τιμής του BIL είτε την επιλογή της μέσα από ένα εύρος προτεινόμενων τιμών σύμφωνα με το πρότυπο IEC (Πηγή[16]). Στο παράδειγμα μας επιλέγεται BIL = 1425kV το οποίο υπάρχει ως επιλογή από τις προτεινόμενες τιμές του προτύπου. 63

68 Το παράθυρο που ακολουθεί τον προσδιορισμό του τρόπου γείωσης εμφανίζει στον χρήστη τις δυνατότητες προσδιορισμού των τιμών των προσωρινών υπερτάσεων είτε μέσα από τον άμεσο καθορισμό της μέγιστης τάσης και της μέγιστης χρονικής διάρκειας της προσωρινής υπέρτασης TOV είτε τον υπολογισμό της σύμφωνα με την μελέτη Elovaara J.,Foreman K.,Schei A., Volcker O.: Temporary Overvoltages and their stresses on metal oxid surge arresters Electra No128,1990 pp Στο παράδειγμα μας θα επιλέξουμε την αναλυτική μέθοδο προσδιορισμού ( Calculate ). 64

69 Στο σημείο αυτό το πρόγραμμα μεταβαίνει στην καρτέλα Temporary Overvoltages και εμφανίζεται το παράθυρο διαλόγου με τους τρόπους προσδιορισμού της TOV που οφείλεται σε απόρριψη φορτίου. Οι διαθέσιμες επιλογές είναι οι παρακάτω: Enter the value Εισαγωγή τιμής Calculate the value Υπολογισμός τιμής Ignore the TOV due to load rejection and continue- Παράβλεψη και συνέχεια στο επόμενο βήμα. Στο παράδειγμα μας επιλέγεται η παράβλεψη προσδιορισμού της TOV που οφείλεται σε απόρριψη φορτίου. 65

70 Το επόμενο παράθυρο διαλόγου περιλαμβάνει τον προσδιορισμό της TOV που οφείλεται σε ενεργοποίηση αφόρτιστων γραμμών. Οι διαθέσιμες επιλογές είναι ίδιες με το προηγούμενο βήμα όπως και η επιλογή στο τρέχων παράδειγμα. 66

71 Στο συγκεκριμένο παράθυρο καλείται ο χρήστης να επιλέξει τον τρόπο προσδιορισμού της TOV που οφείλεται σε σφάλμα γης. Στο παράδειγμα μας θα επιλέξουμε Enter the value. 67

72 Εφόσον στο προηγούμενο βήμα επιλέξαμε την Εισαγωγή τιμής το πρόγραμμα αποκρίνεται εμφανίζοντας παράθυρο διαλόγου στο οποίο ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να εισάγει είτε το συντελεστή υπέρτασης σφάλματος γης K3 είτε τον καθορισμό της αντιπροσωπευτικής υπέρτασης Urp. Στο παράδειγμα μας θα καθορίσουμε τον συντελεστή σφάλματος γης K3 Enter Factor K3. 68

73 Προτού το πρόγραμμα μας δώσει τη δυνατότητα προσδιορισμού του συντελεστή σφάλματος γης K3 εμφανίζει μήνυμα διαλόγου το οποίο ρωτάει τον χρήστη εάν επιθυμεί να δώσει ρητή τιμή αναμενόμενης χρονικής διάρκειας της υπέρτασης. Εάν ο χρήστης δεν επιθυμεί να προσδιορίσει την τιμή της χρονικής διάρκειας τότε το πρόγραμμα καθορίζει την τιμή ίση με 100sec η οποία θεωρείται τιμή ασφαλείας Safe side. Στο παράδειγμα μας θα εισαχθεί τιμή ίση με 10sec. 69

74 Αφότου έχουμε καθορίσει άμεσα ή έμμεσα την χρονική διάρκεια της υπέρτασης πλέον είμαστε σε θέση να εισάγουμε την τιμή του συντελεστή σφάλματος γης K3. Η τιμή που εισάγεται στο παράδειγμα μας είναι

75 Στο συγκεκριμένο παράθυρο πραγματοποιείται ο καθορισμός της TOV που οφείλεται σε φαινόμενα συντονισμού. Στο παράδειγμα μας επιλέγεται Ignore the TOV due to resonance effects and continue. 71

76 Στην τελευταία υπο-καρτέλα των Temporary Overvoltages εμφανίζεται μήνυμα που ενημερώνει το χρήστη ότι δεν είναι δυνατός ο καθορισμός TOV που οφείλεται στο συνδυασμό απόρριψης φορτίου και σφάλματος γης καθότι στο παράδειγμα μας αγνοήσαμε την TOV λόγω απόρριψης φορτίου. Στο σημείο αυτό έχει ολοκληρωθεί ο υπολογισμός των TOV και επομένως το πρόγραμμα είναι σε θέση να καθορίσει την Ur2 η οποία προκύπτει ως η μεγαλύτερη από τις Utov που έχουν υπολογιστεί στα προηγούμενα πέντε βήματα. Στη συνέχεια το πρόγραμμα συγκρίνει την Ur2 με την Ur1 και επιλέγει ως ονομαστική τάση του εκτροπέα Ur την μεγαλύτερη από τις δύο και η οποία διαιρείται με το τρία. 72

77 Αφού έχει ολοκληρωθεί ο καθορισμός της Ur εμφανίζεται παράθυρο διαλόγου στο οποίο ο χρήστης επιλέγει το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης. Διαθέσιμες επιλογές είναι: 5κΑ Low Thunder Activity 10kA 20kA Let the app choose for low thunder activity area Let the app choose for high thunder activity area Στο παράδειγμα μας η επιλογή 5κΑ Low Thunder Activity δεν θα εμφανιστεί στον χρήστη καθώς σύμφωνα με το πρότυπο IEC για τάσεις συστήματος μεγαλύτερες από 72.5kV η τιμή του ονομαστικού ρεύματος 5kA δεν είναι κατάλληλη. 73

78 Μετά την επιλογή ονομαστικού ρεύματος εκφόρτισης εμφανίζεται παράθυρο διαλόγου Creepage distance(mm) για την επιλογή του μήκους ερπυσμού είτε με απευθείας εισαγωγή τιμής είτε έμμεσα μέσω του καθορισμού του επιπέδου ρύπανσης ανάμεσα σε τέσσερα καθορισμένα επίπεδα: Low polluted environment Medium polluted environment High polluted environment Very high polluted environment 74

79 Στο σημείο αυτό έχουν ολοκληρωθεί οι υπολογισμοί για το ενεργό μέρος του εκτροπέα υπέρτασης και ο χρήστης επιλέγει έναν από τους διαθέσιμους οι οποίοι ικανοποιούν τα κριτήρια που έχει ο ίδιος προσδιορίσει στα προηγούμενα βήματα. Οι εκτροπείς υπέρτασης παρουσιάζονται με τη μορφή πίνακα ο οποίος περιέχει αναλυτικά στοιχεία όπως την ονομασία του κατασκευαστή, τον τύπο του εκτροπέα, την παραμένουσα τάση 8/20us στο ονομαστικό ρεύμα που έχει καθορίσει ο χρήστης. Στο παράδειγμα μας όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα εμφανίζεται η 8/20us 10kΑ. 75

80 Μετά την επιλογή του εκτροπέα εμφανίζονται ένα η περισσότερα διαθέσιμα περιβλήματα υπό τη μορφή πίνακα όπου παρουσιάζονται μεταξύ άλλων το βάρος, δυνάμεις αντοχής, το μήκος ερπυσμού κ.τ.λ.. 76

81 Στο τελικό παράθυρο του προγράμματος παρουσιάζονται τα πλήρη χαρακτηριστικά( ενεργό μέρος + περίβλημα) του εκτροπέα που επιλέχθηκε καθώς και οι τιμές που εισήγαγε ο χρήστης στα προηγούμενα βήματα παράλληλα με την εικόνα του εκτροπέα( εάν αυτή είναι διαθέσιμη). 77

82 4.2 Παρουσίαση του interface χρήσης της βάσης δεδομένων του προγράμματος. Εάν ο χρήστης επιλέξει να μεταβεί στην βάση δεδομένων τότε εμφανίζεται το παραπάνω παράθυρο που παρουσιάζει υπό τη μορφή πίνακα τα πλήρη χαρακτηριστικά όλων των εκτροπέων που είναι διαθέσιμοι στη βάση δεδομένων της εφαρμογής. Οι δυνατότητες που έχει ο χρήστης είναι οι εξής: Back, Reset, Search,Insert και Delete. Με την επιλογή Reset το πρόγραμμα εμφανίζει όλα τα περιεχόμενα της βάσης δεδομένων. Αυτό είναι χρήσιμο σε περίπτωση που ο χρήστης επιθυμεί να έχει πλήρη εποπτεία της βάσης δεδομένων μετά από περιορισμό των εμφανιζόμενων εκτροπέων υπέρτασης ύστερα από διαδικασία αναζήτησης ( Search ). 78

83 Με την επιλογή Insert δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να εμπλουτίσει τη βάση δεδομένων με επιπρόσθετους εκτροπείς υπέρτασης καθορίζοντας τα χαρακτηριστικά που απαιτεί η διαρρύθμιση της βάσης δεδομένων. Με την επιλογή Delete η οποία είναι απενεργοποιημένη όσο ο χρήστης δεν έχει επιλέξει με το ποντίκι κάποια καταχώρηση του πίνακα, ο χρήστης μπορεί να διαγράψει οποιαδήποτε καταχώρηση εκτροπέα υπέρτασης από τη βάση δεδομένων. Τέλος, η επιλογή Search επιτρέπει στο χρήστη να αναζητήσει εκτροπείς υπέρτασης με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά περιορίζοντας τα αποτελέσματα που εμφανίζονται στο πίνακα για καλύτερη εποπτεία. Παρακάτω θα αναπτυχθεί ένα παράδειγμα αναζήτησης. Επιλέγοντας το κουμπί Search θα εμφανιστούν στο χρήστη διαδοχικά τα παράθυρα της επόμενης σελίδας ώστε να καθορίσει τα χαρακτηριστικά που επιθυμεί να πληρεί ο εκτροπέας που αναζητεί. Στο παράδειγμα μας θα αναζητηθούν εκτροπείς υπέρτασης με τάση Um = 7.2kV. Οι υπόλοιπες επιλογές θα αφεθούν κενές πατώντας το πλήκτρο Cancel. 79

84 Τα πάραπανω παράθυρα διάλογου( dialogs) είναι αυτα που εμφάνιζονται διαδοχικά στο χρήστη για την λειτουργία Search. 80

85 Το αποτέλεσμα της αναζήτησης παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα: 81