ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΟΥΝΝΑΠΗ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 7177 Θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ» Επιβλέπουσα ΕΠΙΚΟΥΡΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2015

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΥΝΝΑΠΗ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 7177 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα Επίκουρη Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Καθηγητής Αντώνης Αλεξανδρίδης 2

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ» Φοιτητής: Επιβλέπουσα: Κουνναπής Στυλιανός του Γεωργίου Επίκουρη Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη των αναπτυσσόμενων υπερτάσεων στις γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης (132kV) του δικτύου της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου. Γίνεται μια παρουσίαση του κάθε στοιχείου του δικτύου ξεχωριστά, με ποιό τρόπο μπορεί να μοντελοποιηθεί και πως συμπεριφέρεται σε κεραυνικό πλήγμα εύρους 100kA με τρία διαφορετικά σήματα. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης στο λογισμικό ATP-EMTP και εξάγονται παρατηρήσεις και συμπεράσματα. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγική παρουσίαση της διπλωματικής εργασίας, μια ιστορική αναδρομή για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και την επανάσταση που έφερε η ανάπτυξη τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η πορεία του ηλεκτρισμού στη Κύπρο κάτω από το φορέα διαχείρισης του, την Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται λεπτομερώς τα στοιχεία που συνθέτουν σήμερα το δίκτυο της Α.Η.Κ από την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στο νησί. Ακόμη γίνεται μία σύντομη αναφορά στο κλίμα της Κύπρου και πως αυτό ευνοεί τη δημιουργία κεραυνών. 3

Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται και περιγράφεται αναλυτικά η αιτία της δημιουργίας των εξωτερικών υπερτάσεων, δηλαδή ο κεραυνός και πως λειτουργεί αυτός ως φυσικό φαινόμενο. Επίσης περιγράφονται οι διάφοροι μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων απο τους κεραυνούς. Στα επόμενα τρία κεφάλαια παρουσιάζονται ενδελεχώς τα τρία βασικά στοιχεία του δικτύου το οποίο τυγχάνει προσομοίωσης, δηλαδή οι γραμμές μεταφοράς, οι πυλώνες και οι αλυσοειδείς μονωτήρες ανάρτησης. Συγκεκριμένα, για τις μεταφοράς γίνεται αναφορά στα γενικά τους στοιχεία, στα χαρακτηριστικά τους αλλά και στις καταπονήσεις που υφίστανται. Στους πυλώνες παρουσιάζεται η καταπόνηση τους από κεραυνούς με απότομο μέτωπο, το πως εκτιμάται η αντίσταση γείωσης τους και τι ρόλο παίζει η ειδική αντίσταση εδάφους. Όσο αφορά τους μονωτήρες ανάρτησης προβάλλονται γενικά κατασκευαστικά τους στοιχεία, οι συνθήκες στις οποίες λαμβάνει χώρα η υπερπήδηση(διάσπαση) τους και οι μεθόδοι υπολογισμού του χρόνου επιφανειακής διάσπασης των. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται το λογισμικό ATP- EMTP μέσω του οποίου γίνεται η μοντελοποίηση των στοιχείων του δικτύου και η προσομοίωση τους. Γίνεται αναφορά στη δομή του προγράμματος, τα ιστορικά του στοιχεία, τις διάφορες βιβλιοθήκες μοντέλων που εμπεριέχονται σε αυτό, τα διάφορα προγράμματα υποστήριξης του και περισσότερο το ATP Draw όπου παρέχεται η δυνατότητα για σχεδίαση των στοιχείων και εισαγωγή των παραμέτρων τους. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των προαναφερθέντων στοιχείων της διάταξης και ενσωμάτωση τους στο ATP EMTP. Τέλος, στο έννατο και τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, η εξαγωγή των αποτελεσμάτων, οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα. 4

Overvoltages due to lightning strikes on high voltage transmission lines for the Cyprus power system. Abstract The aim of the work described in this thesis is the study of the induced overvoltages on high voltage transmission lines (132kV) of the network of the Electricity Authority of Cyprus. Every network element is separately described, ways for the modeling of each element are explored and the behavior of each element during a 100kA lightning strike using three different signals is observed. Lastly, the results of the simulation are presented by using ATP/EMTP software, observations are made and findings are determined. The first chapter introduces the thesis and consists of a historical overview of electrical power systems and an overview of the revolution brought through their development. Thereafter the development of electricity in Cyprus as part of the electricity supplier Electricity Authority of Cyprus is analyzed. A detailed review of the system used by the Electricity Authority of Cyprus (Generation, Transmission, Distribution, Supply) constitutes the second chapter. Further, a brief reference to the climate of Cyprus is made and on how it favors the formation of lightning. The third chapter presents and describes in detail what might cause extraneous voltages, i.e. lightning and how it works as a natural phenomenon. Plus the different generation mechanisms of lightning overvoltages are described. In the next three chapters the main three elements of the network being simulated are presented in detail, i.e. transmission lines, pylons and catenary suspension insulators. Namely, with regard to transmission lines general information is given, their characteristics are described along with the stresses they face. As long as the pylons are concerned, the stresses they face by steep-front lightning are described, information on how to assess their grounding system resistance is given and it is also discussed whether Soil Resistivity plays a dominant role. Regarding suspension insulators their parts are described, the circumstances under which their disruptive discharge takes place and the methods of calculating surface discharges. In the seventh chapter the ATP/EMTP software used for network modeling and simulation is presented. Reference is made to the program structure, 5

the historical data, the various model- libraries included in it, the various supporting programs and more specifically ATPDraw which creates/draws the elements and which does the parameter fitting. The eighth chapter contains the analysis of the modeling of the aforementioned parts of the assembly and their integration in the ATP/EMTP. Lastly, in the ninth and final chapter the results of the simulation are presented, observations are made and findings are determined. 6

Ευχαριστίες Θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στην επιβλέπουσα καθηγήτρια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την πολύτιμη καθοδήγηση και επίβλεψη. Χωρίς την άμεση και συνεχή βοήθεια της η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής θα ήταν αδύνατη. Η άψογη συνεργασία που είχαμε όλο αυτό το διάστημα και η καθολική συνεισφορά της ήταν πραγματικά ανεκτίμητη. Επίσης ευχαριστώ το διδακτορικό φοιτητή Πέππα Γιώργο για τη βοήθεια που μου παρείχε. Ακόμη, δεν θα μπορούσα να μην ευχαριστήσω το προσωπικό της Α.Η.Κ και τους συμφοιτητές μου που συνέβαλαν σε μεγάλο βαθμό με τις πληροφορίες και τα δεδομένα που μου παρείχαν για την ολοκήρωση της εργασίας. Επίσης, εκφράζω την ευγνωμοσύνη μου στους φίλους μου για τη βοήθεια και στήριξη τους καθ όλη τη διάρκεια ολοκλήρωσης της εργασίας αυτής και των φοιτητικών μου χρόνων. Τέλος, χρωστώ ολόψυχα ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου, Γιώργο και Μαργαρίτα, αλλά και στις αδερφές μου Κλειώ, Μαριλένα και Ευγενία για την αμέριστη συμπαράσταση τους καθόλη τη διάρκεια των σπουδών μου, τη συνεχή κατανόηση όλων των δυσκολιών που αντιμετώπισα και τη συμπαράσταση τους στη φοιτητική μου σταδιοδρομία. 7

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία...10 1.1 Ιστορική ανασκόπηση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας... 1.2 Ηλεκτρισμός στην Κύπρο Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου... Κεφάλαιο 2 : Το δίκτυο της Κύπρου...17 2.1 Εγκαταστάσεις παραγωγής, μεταφοράς & διανομής... 2.2 Το κλίμα της Κύπρου... Κεφάλαιο 3 : Κεραυνοί και μηχανισμοί δημιουργίας...30 υπερτάσεων... 3.1 Ο κεραυνός σαν φυσικό φαινόμενο... 3.1.1 Ατμοσφαιρικές εκκενώσεις... 3.1.2 Ρεύμα του κεραυνού και σχετικές παραμέτροι... 3.1.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τον κεραυνό... 3.1.4 Συχνότητα κεραυνών Ισοκεραυνικές καμπύλες... 3.2 Μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από κεραυνούς... 3.2.1 Υπερτάσεις από επαγωγή... 3.2.2 Υπερτάσεις από άμεσο πλήγμα σε αγωγό φάσης... 3.2.3 Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας Ανάστροφη... διάσπαση... Κεφάλαιο 4 : Γραμμές μεταφοράς και οι καταπονήσεις τους...46 4.1 Γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας... 4.1.1 Γενικά στοιχεία... 4.1.2 Χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς... 4.1.2.1 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς... 4.1.2.2 Αυτεπαγωγή γραμμής μεταφοράς... 4.1.2.3 Εγκάρσια αγωγιμότητα γραμμής μεταφοράς... 4.1.2.4 Ωμική αντίσταση γραμμής μεταφοράς... 4.1.2.5 Μηχανικά χαρακτηριστικά των γραμμών Μεταφοράς... 4.2 Καταπονήσεις γραμμών μεταφοράς... 4.2.1 Εσωτερικές υπερτάσεις... 4.2.2 Εξωτερικές Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις... 8

Κεφάλαιο 5 : Πυλώνες...56 5.1 Εισαγωγή... 5.2 Καταπόνηση υψηλών πύργων από κεραυνούς με απότομο μέτωπο... 5.3 Εκτίμηση της αντίστασης γείωσης των πύργων. 5.4 Ειδική αντίσταση εδάφους Παράγοντες εξάρτησης... Κεφάλαιο 6 : Μονωτήρες ανάρτησης...64 6.1 Εισαγωγή... 6.1.1 Γενικά για τους μονωτήρες... 6.1.2 Επιφανειακή υπερπήδηση (διάσπαση) μονωτήρων... 6.2 Ηλεκτρική συμπεριφορά -Επιφανειακή υπερπήδηση (διάσπαση) Διάτρηση μονωτήρων... 6.2.1 Καμπύλες τάσης-χρόνου (V-t) διάσπασης.. 6.2.1.1 Μειονεκτήματα καμπύλων τάσης-χρόνου (V-t) διάσπασης και αντιρρήσεις...... Κεφάλαιο 7 : Το πρόγραμμα ATP EMTP......70 7.1 Εισαγωγή... 7.2 Ιστορικά στοιχεία... 7.3 Τρόπος επίλυσης ηλεκτρικών δικτύων με το ATP EMTP... 7.3.1 Επίλυση στο πεδίο του χρόνου... 7.3.2 Επίλυση στο πεδίο της συχνότητας... 7.4 Βιβλιοθήκες Μοντέλων του ATP-EMTP... 7.5 Μελέτες με το ATP-EMTP... 7.4.1 TACS... 7.4.2 MODELS... 7.6 Ρουτίνες Υποστήριξης στο Πρόγραμμα ATP-EMTP... 7.7 Προγράμματα Υποστήριξης του ATP-EMTP... 7.7.1 Το Control centre... 7.7.2 Το PC PLOT... 7.7.3 Το PLOT XY... 7.7.4 Το GTP-PLOT... 7.7.5 Το Programmer's File Editor (PFE)... 7.7.6 Το ATP-LCC... 9

7.8 Το ATP-Draw... 7.8.1 Γενικά για το περιβάλλον του ATP-Draw... 7.8.2 Τύποι στοιχείων οι οποίοι υποστηρίζονται από το ATP-Draw... 7.8.3 Τύποι αρχείων τα οποία υποστηρίζονται από το ATP-Draw... 7.8.4 Διαδικασία προσομοίωσης με χρήση του ATP-Draw... Κεφάλαιο 8 : Μοντελοποίηση των στοιχείων της διάταξης και ενσωμάτωση τους στο ATP EMTP...94 8.1 Εισαγωγή... 8.2 Γεννήτρια εξομοίωσης κεραυνού... 8.3 Γραμμή μεταφοράς ηλ. Ενέργειας υψηλής τάσης 132 kv... 8.4 Οι πυλώνες της γραμμής μεταφοράς και τα ηλεκτρόδια γείωσης τους... 8.5 Αλυσοειδείς μονωτήρες ανάρτησης... Κεφάλαιο 9 : Παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης & εξαγωγή αποτελεσμάτων...115 9.1 Εισαγωγή... 9.2 Παρουσίαση αποτελεσμάτων... 9.3 Παρατηρήσεις Συμπεράσματα... 10

Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας, της βιομηχανίας, αλλά και η αυξανόμενη απαίτηση των καταναλωτών για σταθερότητα στη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, έχουν μετατρέψει σε πολύ σημαντική την ανάγκη για βελτίωση της αξιοπιστίας και της ποιότητας της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η μελέτη και η αξιολόγηση του ηλεκτρομαγνητικού περιβάλλοντος των κεραυνών, οι οποίοι αποτελούν μία κύρια πηγή σφαλμάτων, που με τη σειρά τους προκαλούν βλάβες στις υπέργειες γραμμές μεταφοράς και συνεπώς σε ευαίσθητο ηλεκτρολογικό εξοπλισμό. Συνεπώς είναι ανάγκη να κατανοήσουμε πως οι κεραυνοί επηρεάζουν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και συγκεκριμένα τα δίκτυα και τα ενεργά τους στοιχεία με στόχο την εξεύρεση τρόπων αντιμετώπισης και προστασίας των συστημάτων αυτών ενάντια στα πλήγματα από κεραυνούς, ούτως ώστε να βελτιώσουμε την ποιότητα στη παροχή του ηλεκτρικού ρεύματος. 1.1) Ιστορική ανασκόπηση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Πριν το 1800, η γνώση γύρω από τον ηλεκτρισμό περιοριζόταν κυρίως στις μελέτες των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων που είχαν γίνει από τους πρωτοπόρους ερευνητές. Αν και σημαντικές νέες ανακαλύψεις, που έγιναν τα επόμενα χρόνια, πρόσθεταν συνεχώς και νέα γνώση στο αντικείμενο του ηλεκτρισμού, εφαρμογές που να οδηγούν σε εκμετάλλευση αυτών των ανακαλύψεων εμφανίστηκαν αρκετά αργότερα. Η πρώτη εμπορική χρήση του ηλεκτρισμού άρχισε γύρω στο 1870, όταν χρησιμοποιήθηκαν οι λαμπτήρες τόξου για φωτισμό οικιών και οδών. Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα, αποτελούμενο από γεννήτρια, καλώδιο, ασφάλεια, μετρητή και φορτία, ήταν αυτό που εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στη πόλη της Νέας Υόρκης, ο ιστορικός σταθμός της Pearl Street που τέθηκε σε λειτουργία το 1882. Αυτό ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (DC) που αποτελείτο από μια ατμομηχανή που κινούσε μια γεννήτρια και τροφοδοτούσε με ηλεκτρική ενέργεια 59 καταναλωτές σε μια περιοχή ακτίνας 1.5km. Τα φορτία, που ήταν αποκλειστικά λαμπτήρες πυρακτώσεως, τροφοδοτούνταν σε μία τάση 110V μέσω υπόγειου καλωδίου. Πολύ σύντομα αντίστοιχα συστήματα λειτούργησαν στις περισσότερες μεγαλουπόλεις του κόσμου. Το τεχνικό πρόβλημα που αντιμετώπιζαν αυτά τα πρώτα ηλεκτρικά συστήματα, ήταν ότι παρέμεναν ανενεργά, ή τουλάχιστον 11

υπολειτουργούσαν κατά το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου, καθόσον υπήρχε έλλειψη ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό κατά την διάρκεια της ημέρας. Θα έπρεπε, συνεπώς, να έρθει μια άλλη εφαρμογή για να καλύψει αυτή την έλλειψη ζήτησης. Με την ανάπτυξη των κινητήρων, η ηλεκτρική κινητήρια ισχύς κατέστη γρήγορα πολύ δημοφιλής και χρησιμοποιήθηκε σε πολλές εφαρμογές, λύνοντας ταυτόχρονα το τεχνικό πρόβλημα της έλλειψης ζήτησης. Με τα πρώτα αυτά συστήματα ξεκίνησε αυτό που έμελλε να εξελιχθεί σε μια από τις μεγαλύτερες βιομηχανίες στον κόσμο. Παρά την αρχική ευρεία χρήση των συστημάτων συνεχούς ρεύματος, αυτά πολύ γρήγορα αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Ο λόγος ήταν προφανής. Τα συστήματα συνεχούς δεν είχαν την δυνατότητα να μεταφέρουν ισχύ σε μεγάλες αποστάσεις, διότι για να γίνει κάτι τέτοιο και συγχρόνως να κρατηθούν οι απώλειες μεταφοράς και η πτώση τάσης σε αποδεκτά επίπεδα έπρεπε τα επίπεδα τάσης να είναι υψηλά. Υψηλές όμως τάσεις δεν ήταν αποδεκτές ούτε για την παραγωγή, ούτε για την κατανάλωση επειδή δεν το επέτρεπε η τεχνολογία της εποχής αλλά και η ασφάλεια των καταναλωτών. Η λύση συνεπώς θα ήταν να μεταφερόταν η ισχύς σε μεγάλες αποστάσεις υπό υψηλότερη τάση, η οποία στη συνέχεια θα μειωνόταν σε χαμηλότερες τιμές στις θέσεις όπου υπήρχαν τα φορτία. Η σχεδίαση και η ανάπτυξη μιας συσκευής που θα μετασχημάτιζε στα επιθυμητά επίπεδα τάση και ρεύμα ήταν επιτακτική ανάγκη. Η ανάπτυξη του μετασχηματιστή οδήγησε στην ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων εναλλασσόμενου ρεύματος, τα οποία έγιναν ακόμη πιο ελκυστικά με την ανάπτυξη των πολυφασικών συστημάτων από τον Nicola Tesla. Οι πρωτοποριακές για την εποχή εφευρέσεις του αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη των σημερινών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Με την επικράτηση του εναλλασσόμενου ρεύματος άρχισε η ανάπτυξη των τοπικών ηλεκτροπαραγωγικών σταθμών οι οποίοι με συστήματα μεταφοράς και διανομής που εκτείνονταν μέχρι τα όρια δράσης τους, εξυπηρετούσαν το φορτίο στενών γεωγραφικών περιοχών. Πολύ σύντομα τέτοια γειτονικά συστήματα άρχισαν να διασυνδέονται ώστε να μπορούν να ανταλλάσσουν ενέργεια και να ικανοποιούν στη βάση της αμοιβαιότητας φορτία αιχμής που μόνα τους θα ήταν αδύνατο να ικανοποιηθούν. Για να μπορέσουν βέβαια να συνδεθούν μεταξύ τους έπρεπε προηγουμένως να λυθεί το τεχνικό πρόβλημα της τυποποίησης της συχνότητας, επειδή υπήρχαν συστήματα που λειτουργούσαν σε διαφορετικές συχνότητες. Στην Ευρώπη η συχνότητα 12

τυποποιήθηκε στα 50 Hz, ενώ στην Αμερική και σε μέρος της Ιαπωνίας η τυποποίηση έγινε στα 60 Hz. Η αυξανόμενη ανάγκη για μεταφορά όλο και μεγαλύτερων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις έδρασε σαν κίνητρο για τη χρήση, προοδευτικά, όλο και υψηλότερων επιπέδων τάσεων. Ενώ στα πρώτα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος τα επίπεδα τάσης ήταν 12, 44 και 60 kv, ανήλθαν στα 165kV το 1922, στα 220kV το 1923, στα 287kV το 1935, στα 350kV το 1953, στα 500kV το 1965 και στα 765kV το 1966. Για να αποφευχθεί η εξάπλωση ενός απεριόριστου αριθμού από επίπεδα τάσης, γεγονός που θα προκαλούσε σημαντικά προβλήματα στην τυποποίηση του εξοπλισμού, η βιομηχανία επέλεξε κάποια επίπεδα τάσης ως στάνταρ. Αυτά είναι 115, 132, 138, 150, 161, 220, 230 και 275kV για τις Υψηλές Τάσεις (ΥΤ) και 345,400,500 και 765 για τις Υπερυψηλές Τάσεις (ΥΥΤ). Με την πάροδο των ετών η βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας εξαπλωνόταν ραγδαία. Οι τεχνολογικές πρόοδοι που επιτυγχάνονταν στη σχεδίαση των διαφόρων συνιστωσών των ενεργειακών συστημάτων ενσωματώνονταν σε κάθε νέα συνιστώσα που εγκαθίστατο, με αποτέλεσμα τη γρήγορη αναβάθμιση του εξοπλισμού. Σήμερα η βιομηχανία ηλεκτρικής ισχύος, σε συνδυασμό με τις άμεσα σχετιζόμενες εταιρείες που κατασκευάζουν πάσης φύσεως ηλεκτρολογικό εξοπλισμό αλλά και ηλεκτρικές συσκευές, κατέστη μια από τις μεγαλύτερες στον κόσμο. Το μέλλον θα απαιτεί συνεχείς επίπονες επιδόσεις των ενεργειακών μηχανικών για βελτίωση των ήδη υπαρχόντων τεχνολογιών και ανάπτυξη νέων καινοτόμων τεχνολογιών ώστε να καλύπτονται χωρίς σημαντικές καθυστερήσεις οι ραγδαία αυξανόμενες ανάγκες της κοινωνίας μας σε ηλεκτρική ενέργεια. 1.2) Ο ηλεκτρισμός στη Κύπρο Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (Α.Η.Κ) Ο ηλεκτρισμός στην Κύπρο έχει μια ιστορία πέραν των 100 χρόνων. Πρωτοεμφανίστηκε το 1903 με την εγκατάσταση από την αποικιακή κυβέρνηση ηλεκτρογεννήτριας για τις ανάγκες του Αρμοστίου στην Λευκωσία και λίγο αργότερα για την ηλεκτροδότηση του νοσοκομείου της Λευκωσίας με ξεχωριστή δική του ηλεκτρογεννήτρια. Όμως η παραγωγή και, κατά κάποιο τρόπο, η δημόσια διάθεση ηλεκτρισμού άρχισε το 1912 στη Λεμεσό και το 1913 στη Λευκωσία με ιδιωτικές ηλεκτρικές εταιρείες. Με την πάροδο του χρόνου ιδρύθηκαν παρόμοιες εταιρείες σε όλες τις πόλεις και αγροτικά κέντρα. 13

Μέχρι το 1952, η παραγωγή και διανομή του ηλεκτρισμού γινόταν από 28 ηλεκτρικές επιχειρήσεις που εξυπηρετούσαν ισάριθμες πόλεις και χωριά. Ο τρόπος αυτός της παραγωγής και διανομής του ηλεκτρισμού, εκτός του ότι ήταν αντιοικονομικός, δεν μπορούσε να επιτρέψει και τη γρήγορη εξάπλωση του, στοιχείο απαραίτητο για την ανάπτυξη και την πρόοδο γενικά του τόπου. Η ανάγκη για ανάληψη κατ αποκλειστικότητα της παραγωγής, μεταφοράς και διανομής του ηλεκτρισμού από ένα κεντρικό εθνικό φορέα καλύφθηκε με την ίδρυση το 1952 της Α.Η.Κ. ως ημικρατικού οργανισμού με την ταυτόχρονη εγκαθίδρυση του πρώτου ατμοθερμοηλεκτρικού σταθμού παραγωγής στη Δεκέλεια. Το Νοέμβριο του 1952 η Α.Η.Κ. απαλλοτρίωσε τις δύο μεγαλύτερες ιδιωτικές ηλεκτρικές επιχειρήσεις(λευκωσίας-λεμεσού) και σταδιακά προχώρησε στη απαλλοτρίωση και των υπόλοιπων επιχειρήσεων. Ιδιαίτερα ραγδαία ήταν η ανάπτυξη που πήρε ο εξηλεκτρισμός της υπαίθρου μετά την ανεξαρτησία της Κύπρου το 1960. Χαρακτηριστικά, ενώ το 1953 μόνο 5% του πληθυσμού της Κυπριακής υπαίθρου απολάμβανε τα αγαθά του ηλεκτρισμού και το 1959 μόνο το 14%, κατά την περίοδο 1960-1979 συμπληρώθηκε ο εξηλεκτρισμός ολόκληρης της υπαίθρου. Σήμερα γενικά όλες οι πόλεις και τα χωριά έχουν ηλεκτροδοτηθεί. Η Α.Η.Κ. μέσα σε 12 χρόνια από την ίδρυση της κατάφερε να διαδώσει τον ηλεκτρισμό σε ολόκληρη την Κύπρο και να συμβάλει έτσι στην ανύψωση της ποιοτικής στάθμης της ζωής των Κυπρίων. Πολύ σύντομα ο ένας και μοναδικός ηλεκτροπαραγωγός σταθμός δεν αρκούσε. Έτσι προχώρησε στην κατασκευή δεύτερου σταθμού στη Μονή (1966) και τρίτου σταθμού στη περιοχή Βασιλικού (1997).Μέχρι σήμερα στη Κύπρο λειτουργούν οι τρεις παραπάνω ηλεκτροπαραγωγοί σταθμοί. 14

Σχήμα 1.2.1: Ηλεκτροπαραγωγός σταθμός Mονής(Κατασκευή 1966- Σε εφεδρεία, ώρες αιχμής- περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης, από το 2012) Σχήμα 1.2.2: Ηλεκτροπαραγωγός σταθμός Δεκέλειας (κατασκευή 1982). 15

Σχήμα 1.2.3: Ο ηλεκτροπαραγωγός σταθμός Βασιλικού μετά την έκρηξη στη διπλανή ναυτική βάση το 2011. Σήμερα οι ζημιές έχουν αποκατασταθεί πλήρως. Σχήμα 1.2.4: Hλεκτροπαραγωγός σταθμός Βασιλικού. 16

Βιβλιογραφία 1 ου κεφαλαίου: [1] Γ. Β. Γιαννακόπουλου, Ν. Α. Βοβού, Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, Πάτρα 2006, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. [2] www.eac.com.cy 17

Κεφάλαιο 2 : Το δίκτυο της Κύπρου 2.1) Εγκαταστάσεις Παραγωγής, Μεταφοράς και Διανομής Εγκαταστάσεις παραγωγής Η Κύπρος δεν διαθέτει πρωτογενείς πηγές ενέργειας, για αυτό η Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (ΑΗΚ) βασίζεται για την παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας αποκλειστικά σε εισαγόμενα καύσιμα, κυρίως μαζούτ. Επί του παρόντος, η ΑΗΚ διαθέτει τρεις Ηλεκτροπαραγωγούς Σταθμούς, με συνολική εγκαταστημένη ισχύ περίπου 1743 MW όπως φαίνεται πιο κάτω(δεν λαμβάνονται υπόψη μικρά ιδιωτικά Φ/Β πάρκα που συνεισφέρουν στο δίκτυο): Σταθμός Βασιλικού Σταθμός Δεκέλειας Σταθμός Μονής 1 x 130 MW Ατμοηλεκτρική 130 Μονάδα Αρ.1 MW 1 x 130 MW Ατμοηλεκτρική 130 Μονάδα Αρ.2 MW 1 x 130 MW Ατμοηλεκτρική 130 Μονάδα Αρ.3 MW 1 x 38 MW Αεριοστρόβιλος 38 MW 1 x 220 MW Μονάδα Συνδυασμένου Κύκλου Μονάδα Αρ.4 1 x 220 MW Μονάδα Συνδυασμένου Κύκλου Αρ.5 6 x 60 MW Ατμοηλεκτρικές Μονάδες 2 x 50 MW Μηχανές Εσωτερικής Καύσης 4 x 30 MW Ατμοηλεκτρικές Μονάδες (εφεδρεία) 4 x 37,5 MW Αεριοστρόβιλοι 440 MW 360 MW 100 MW 120 MW 150 MW 18

Αιολικά πάρκα Ορίτες 82MW Αγία Άννα 20 MW Αλέξιγρος 31,5 MW Κόση 10,8 MW Διαθέσιμη ισχύς 1478 MW Συνολική εγκατεστημένη ισχύς 1743 ΜW Πίνακας 2.1.1: Παραγωγή Ηλεκτρική Ενέργειας της ΑΗΚ. [1] Σχήμα 2.1.1: Αιολικό Πάρκο Ορίτες στη Πάφο.[1] Εγκαταστάσεις μεταφοράς και παραγωγής Πιο κάτω στον πίνακα μπορούμε να δούμε τα στοιχεία μεταφοράς και διανομής του κυπριακού Σ.Η.Ε. Αξίζει να σημειωθεί ότι σήμερα όλα τα στοιχεία είναι σε πλήρη λειτουργία αφού οι ζημιές από την έκρηξη του 2011 έχουν αποκατασταθεί πλήρως. Δέν υπάρχει δίκτυο Υ.Υ.Τ.(Υπερυψηλών τάσεων). 19

20

Πίνακες 2.1.2, 2.1.3: Εγκαταστάσεις παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας της ΑΗΚ. [1] 21

Πίνακας 2.1.4: Συνοπτικά στοιχεία της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της ΑΗΚ. [1] Στο δίκτυο μεταφοράς συνδέονται και τα αιολικά πάρκα. Για το λόγο αυτό δημιουργήθηκαν το 2011 και ενεργοποιήθηκαν 6 νέοι υποσταθμοί μεταφοράς στα πλαίσια της ανάπτυξης του συστήματος μεταφοράς και της σύνδεσης των αιολικών πάρκων. Ο χάρτης που επισυνάπτεται πιο κάτω αποτελεί το χάρτη του συστήματος της Α.Η.Κ. Στον χάρτη εμφανίζονται στοιχεία όπως ηλεκτροπαραγωγοί σταθμοί, υποσταθμοί μέσης και χαμηλής τάσης, εναέριες γραμμές καθώς και υπόγεια καλώδια, ανάλογα με την τάση που μεταφέρουν την ηλεκτρική ισχύ. Σχήμα 2.1.2: Χάρτης δικτύου Κυπριακού Σ.Η.Ε.[1] 22

Παρακάτω παρουσιάζονται οι βασικοί τύποι πυλώνων που χρησιμοποιούνται κατά κανόνα στο δίκτυο Υ.Τ. της ΑΗΚ. Σχήματα 2.1.3, 2.1.4, 2.1.5, 2.1.6: Πυλώνες 132kV του δικτύου της ΑΗΚ. [2]. 23

Σχήματα 2.1.7, 2.1.8,.2.1.9: Πυλώνες 66kV του δικτύου της ΑΗΚ. [2]. 24

Σχήματα 2.1.10, 2.1.11, : Φωτογραφίες από πυλώνες Υ.Τ. του δικτύου της ΑΗΚ στη Κύπρο. [3] 25

Σχήμα 2.1.12: Φωτογραφία πυλώνα Υ.Τ. του δικτύου της ΑΗΚ στη Κύπρο. [3] 26

2.2) Το κλίμα της Κύπρου Η Κύπρος βρίσκεται κατά μέσο όρο σε βόρειο γεωγραφικό πλάτος 35ο και ανατολικό 33ο και περιβάλλεται από την ανατολική μεσόγειο θάλασσα. Στην επίδραση της θάλασσας αυτής οφείλει η Κύπρος το κλίμα της. Τα κύρια χαρακτηριστικά του μεσογειακού κλίματος της Κύπρου είναι το ζεστό και ξηρό καλοκαίρι από τα μέσα του Μάη μέχρι τα μέσα του Σεπτέμβρη, ο βροχερός αλλά ήπιος χειμώνας από τα μέσα του Νιόβρη μέχρι τα μέσα του Μάρτη και οι δύο ενδιάμεσες μεταβατικές εποχές, το φθινόπωρο και η Άνοιξη. Στη διάρκεια του καλοκαιριού η Κύπρος βρίσκεται κάτω από την επίδραση του εποχιακού βαρομετρικού χαμηλού που έχει το κέντρο του στην νοτιοδυτική Ασία. Αποτέλεσμα της επίδρασης αυτής είναι οι υψηλές θερμοκρασίες, ο καθαρός ουρανός και η πολύ χαμηλή βροχόπτωση. Στην Κύπρο οι πιο ψυχροί μήνες είναι ο Γενάρης και ο Φλεβάρης με πιο θερμούς τους Ιούλιο και Αύγουστο. Στη διάρκεια του χειμώνα η Κύπρος επηρεάζεται από το συχνό πέρασμα μικρών υφέσεων και μετώπων που κινούνται στη Μεσόγειο με κατεύθυνση από τα δυτικά προς τα ανατολικά. Οι καιρικές αυτές διαταραχές διαρκούν συνήθως από μια μέχρι τρεις μέρες κάθε φορά και δίνουν τις μεγαλύτερες ποσότητες βροχής. Υγρασία Το υψόμετρο και η απόσταση από την παραλία παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των τιμών της σχετικής υγρασίας του αέρα. Στη διάρκεια της μέρας κατά το χειμώνα και σε όλες τις νύχτες του χρόνου η σχετική υγρασία κυμαίνεται κυρίως μεταξύ 65% και 95%. Στη κεντρική πεδιάδα κυμαίνεται κοντά στο 30%. Άνεμοι Οι γενικοί άνεμοι είναι κυρίως ελαφροί ως μέτριοι δυτικοί ή νοτιοδυτικοί το χειμώνα και βόρειοι ή βορειοδυτικοί το καλοκαίρι. Οι πολύ ισχυροί άνεμοι είναι σπάνιοι. Οι ισχυροί άνεμοι με ταχύτητα 24 κόμβων και πάνω είναι μικρής διάρκειας και συμβαίνουν σε περιπτώσεις μεγάλης κακοκαιρίας. Πολύ σπάνια επίσης συμβαίνουν ανεμοστρόβιλοι πάνω από τη θάλασσα ή τη ξηρά με διάμετρο περίπου εκατό μέτρα. 27

Βροχόπτωση Η μέση βροχόπτωση πάνω από ολόκληρη την Κύπρο για τον χρόνο ως σύνολο είναι περίπου 480 χιλιοστόμετρα. Από τα στοιχεία που υπάρχουν η πιο χαμηλή βροχόπτωση ήταν 182 χιλιοστόμετρα και η ψηλότερη 751 χιλιοστόμετρα. Η πιο έντονη περίοδος βροχόπτωσης είναι από το Νοέμβριο μέχρι το Μάρτιο. Την άνοιξη και το φθινόπωρο οι βροχές είναι κυρίως τοπικές ενώ η βροχόπτωση κατά την καλοκαιρινή περίοδο είναι πολύ χαμηλή. Χιονόπτωση συμβαίνει σπάνια στις πεδινές περιοχές και στην οροσειρά του Πενταδακτύλου, συμβαίνει όμως συχνά την χειμερινή περίοδο σε περιοχές της οροσειράς του Τροόδους με υψόμετρο πάνω από χίλια μέτρα. Η πρώτη χιονόπτωση συνήθως παρατηρείται μέσα στη πρώτη εβδομάδα του Δεκέμβρη και η τελευταία στα μέσα του Απρίλη. Χαλάζι και Καταιγίδες Χαλάζι πέφτει κατά μέσο όρο με αριθμό δύο ως τρείς φορές το χρόνο στις πεδινές περιοχές και μέχρι δέκα φορές το χρόνο στις ορεινές. Η πιο πιθανή περίοδος να συμβεί σοβαρή χαλαζόπτωση είναι κατά τους μήνες Δεκέμβριο μέχρι Απρίλη, το χαλάζι όμως που πέφτει νωρίς το καλοκαίρι και το φθινόπωρο είναι πιο επικίνδυνο γιατί προκαλεί σοβαρές ζημιές στις καλλιέργειες. Οι καταιγίδες είναι σπάνιες από τον Ιούνη μέχρι το Σεπτέμβρη, συμβαίνουν όμως κατά μέσο όρο σε 4 μέχρι πέντε μέρες σε κάθε μήνα από τον Οκτώβρη μέχρι το Γενάρη, και σε 2 μέχρι 3 μέρες σε κάθε μήνα από το Φλεβάρη μέχρι το Μάη. Οι καταιγίδες είναι αποτέλεσμα της δραστηριότητας των υφέσεων και των ψυχρών μετώπων και είναι πιο σφοδρές κατά την περίοδο Οκτωβρίου Δεκεμβρίου ή των ανοδικών κινήσεων στην ατμόσφαιρα κυρίως τον Μάη. 28

Πίνακας 2.2.1: Μέσος αριθμός ημερών με καταιγίδες ανά μήνα στη Κύπρο.[4] Ο μέσος αριθμός ημερών με καταιγίδες σε κάθε μήνα δίνεται πιο κάτω: Μήνας Ημέρες Καταιγίδας Ιανουάριος 3 Φεβρουάριος 2 Μάρτιος 3 Απρίλιος 2 Μάιος 4 Ιούνιος 1 Ιούλιος 1 Αύγουστος 1 Σεπτέμβριος 2 Οκτώβριος 5 Νοέμβριος 3 Δεκέμβριος 4 Σύνολο έτους 31 29

Βιβλιογραφία 2 ου κεφαλαίου: [1] www.eac.com.cy [2] Αρχείο Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου. [3] Κ. Παπαδημητρίου «Καταγραφή Επεξεργασία πληγμάτων κεραυνού στο δίκτυο υψηλής τάσης της Κύπρου στο διάστημα 2000-2010», διπλωματική εργασία, Πάτρα 2013. [4] Υπουργείου Γεωργίας και Φυσικών Πόρων Μετεωρολογική Υπηρεσία, Κλίμα της Κύπρου, Δεύτερη Έκδοση, Λευκωσία Οκτώβρης 1986. 30

Κεφάλαιο 3 : Κεραυνοί και μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων. 3.1)Ο κεραυνός σαν φυσικό φαινόμενο. 3.1.1) Ατμοσφαιρικές εκκενώσεις. Η κεραυνική εκκένωση είναι μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης η οποία όμως συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Κατά τη διάρκεια καταιγίδας συμβαίνει διαχωρισμός φορτίου σε ένα νέφος με τους μηχανισμούς διαχωρισμού των ηλεκτρικών φορτίων να προκύπτουν από πολύπλοκές και σύνθετες διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των νεφών. Ένα ηλεκτρισμένο νέφος περιέχει ηλεκτρικά φορτία και των δύο προσήμων σε ίσες ποσότητες. Φορτία του κάθε προσήμου καταλαμβάνουν διακεκριμένες περιοχές του συννέφου. Η φόρτιση ενός νέφους δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας διαχωρισμός φορτίων. Τα σύννεφα παρουσιάζουν κατά κανόνα, στο κάτω μέρος τους ένα σημαντικό φορτίο αρνητικής πολικότητας και ένα φορτίο θετικής πολικότητας στο πάνω μέρος τους. Έτσι στο χώρο μεταξύ σύννεφου και γης αναπτύσσεται ένα ηλεκτρικό πεδίο του οποίου οι δυναμικές γραμμές καταλήγουν στη γη πάνω σε επαγόμενα φορτία αντίθετης πολικότητας από αυτή που έχουν τα φορτία του συννέφου. Το 80% των κεραυνών προέρχονται από σύννεφα αρνητικά φορτισμένα στο κάτω μέρος τους και γι αυτό καλούνται κεραυνοί αρνητικής πολικότητας. Σχήμα 3.1: Κατανομή του φορτίου εντός του νέφους. Ηλεκτρικό πεδίο νέφους-γής.[1] 31

Σχήμα 3.2: Κατανομή φορτίων στο σύννεφο.[1] Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μια εκκένωση εσωτερική του νέφους ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός προσήμου σε μία θέση του νέφους και του φορτίου αντίθετου προσήμου, που επάγεται εξαιτίας του στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και στο έδαφος μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Διακρίνονται 3 είδη ατμοσφαιρικών εκκενώσεων : Εντός του ίδιου συννέφου Οι υπάρχουσες πληροφορίες για τους κεραυνούς αυτού του τύπου είναι λίγες και επιπλέον συχνά αντιφάσκουν μεταξύ τους. Γενικά στην περίπτωση αυτή η εκκένωση λαμβάνει χώρα ανάμεσα στο ανώτερο θετικό και στο κατώτερο αρνητικό κέντρο του χωρικού φορτίου. Η διάρκεια της εκκένωσης είναι μεγάλη και το ρεύμα της έχει τιμές μερικές εκατοντάδες Α ώς 1κΑ. Μεταξύ δυο συννέφων Οι κεραυνοί αυτοί εμφανίζονται σε ύψος μεγαλύτερο του 1km και μικρότερο των 10km. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι ότι έχουν μεγάλο μήκος κεραυνικού τόξου, μέχρι και 40km. 32

Μεταξύ συννέφου-γης Οι κεραυνοί της κατηγορίας αυτής παρατηρούνται όταν το ηλεκτρικό πεδίο πάρει την κρίσιμη τιμή πλησίον του νέφους (εκκένωση κατερχόμενη), ή πλησίον της γης (εκκένωση ανερχόμενη). Σαν πολικότητα της εκκένωσης λαμβάνεται εκείνη του φορτίου του κάτω μέρους του συννέφου που την προκάλεσε. Το 80% των κεραυνών που κατευθύνονται στη γη προέρχονται από σύννεφα αρνητικά φορτισμένα στην κάτω περιοχή τους και γι αυτό είναι κεραυνοί αρνητικής πολικότητας. Σχήμα 3.3:Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου κατά την καταιγίδα και τα είδη των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων.[2] 33

Σχήματα 3.4&3.5: Φωτογραφίες με κεραυνούς από εκκενώσεις μεταξύ συννέφουσυννέφου και συννέφου-γης.[3] Οι τρείς φάσεις της κεραυνικής εκκένωσης είναι : 1) Προεκκένωση 2)Εκκένωση αντίθετης φοράς 3)Κύρια εκκένωση Σχήμα 3.6: Οι τρεις φάσεις της κεραυνικής εκκένωσης.[1] Οι υψηλότερες εντάσεις, μέσα στη ζώνη νέφους γης, αναπτύσσονται είτε κοντά στο έδαφος, είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μια σημαντική προεξοχή, στη πλευρά του εδάφους. Στη πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα ακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ τη δεύτερη από το έδαφος (με 34

ένα ανερχόμενο οχετό προεκκέωνσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού : Κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. (Περίπτωση 1α) Ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. (Περίπτωση 2α) Κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. (Περίπτωση 3α) Ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. (Περίπτωση 4α) Σχήμα 3.6: Είδη Κεραυνών.[4] 3.1.2) Ρεύμα του κεραυνού και σχετικές παραμέτροι Όταν ένα αντικείμενο, όπως ένα κτίριο, μια γραμμή μεταφοράς ή ένα αεροπλάνο κτυπηθεί από ένα κεραυνό το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Έτσι από την άποψη της προστασίας από τους κεραυνούς, το ρεύμα αυτό αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική παράμετρο της κεραυνικής εκκένωσης. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά την ροή του φορτίου εξαρτάται από το μέγεθος του φορτίου του νέφους και από το μήκος του οχετού εκκενώσεως. Οι μέγιστες εντάσεις των κεραυνικών ρευμάτων φθάνουν πολλές δεκάδες ka και η μέση τιμή είναι μικρότερη της τάξεως των 2kA. Το ρεύμα της πρώτης εκκένωσης αυξάνει γρήγορα και φθάνει στη μέγιστη τιμή κορυφής σε 10-15 μs. Κατόπιν αρχίζει να μειώνεται είτε αμέσως είτε μετά από μια πλατιά κορυφή. Η διάρκεια της ουράς του ρεύματος,όπου και το ρεύμα μειώνεται, είναι τέτοια ώστε το ρεύμα να 35

φθάσει το 20% της τιμής κορυφής σε 200-300 μs. Το εύρος της πρώτης μερικής εκκένωσης είναι μεγαλύτερο από τις τυχόν επόμενες εκκενώσεις. Σχήμα 3.7: Γενικευμένη κυματομορφή κερυανικού ρεύματος.[1] Μια ενδιαφέρουσα παράμετρος,εκτός από τη μέγιστη τιμή του ρεύματος, είναι και η διάρκεια ροής μιας ορισμένης έντασης ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάρκεια τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στην αντίσταση που διαρρέει, και κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερη η ελκυόμενη θερμότητα, αφού είναι ανάλογη του 2 i dt.για το λόγο αυτό κεραυνοί με μεγάλη διάρκεια ρεύματος, έστω και αν η μέγιστη τιμή του ρεύματος δεν είναι πολύ ψηλή ονομάζονται θερμοί σε αντίθεση με άλλους που μπορεί να αναπτύσσουν μεγάλα ρεύματα μικρής διάρκειας. Οι θερμοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι μόνο όταν προκύπτει θέμα πυρκαγιάς ή έκρηξης ενώ για ηλεκτρικά συστήματα πιο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί με μεγάλες εντάσεις και μικρή διάρκεια. Οι βασικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν τον κεραυνό σαν ηλεκτρικό φαινόμενο είναι : Η μέγιστη τιμή ρεύματος, i. Η μέγιστη κλίση μετώπου του ρεύματος, di dt. 2 Το μεταφερόμενο φορτίο, i dt. Το ολοκλήρωμα του τετραγώνου του ρεύματος, ποσότητα ανάλογη της εκλυόμενης από το κεραυνικό πλήγμα ενέργειας, idt. 36

Ο πίνακας 5 συνοψίζει τις χαρακτηριστικές τιμές των παραμέτρων του κεραυνικού ρεύματος, όπως αυτές διατυπώθηκαν από το IEC 62305-1 Ed.1.0, International standard: Protection against lightning Part 1: General principles. Πίνακας 3.1: Χαρακτηριστικές τιμές των παραμέτρων του κεραυνικού πλήγματος.[5] Η καθεμιά από τις παραμέτρους αυτές έχει ενοχλητικές, μέχρι καταστροφικές συνέπειες, για ανθρώπινες ζωές και τεχνικές εγκαταστάσεις. Οι συνέπειες ενός πλήγματος κεραυνού μπορεί να είναι θερμικές, μηχανικές ή ηλεκτρικές. Σαν συνέπεια της μέγιστης τιμής έχουμε υπερπήδηση μονωτήρων. Η μέγιστη κλίση μετώπου του κεραυνικού ρεύματος καθορίζει τις επαγώμενες τάσεις σε βρόγχους κυκλωμάτων, 37

τάσεις, που αναπτυσσόμενες για παράδειγμα σε λογικά κυκλώματα ή κυκλώματα που περιλαμβάνουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά στοιχεία του συστήματος πλοήγησης ή τηλεπικοινωνίας αεροσκαφών μπορούν να έχουν δραματικές συνέπειες. Το ολοκλήρωμα, δηλαδή το μεταφερόμενο φορτίο, προκαλεί τοπική τήξη και διάτρηση μεταλλικών επιφανειών μικρού πάχους και ακόμη είναι ανάλογο της εκλυόμενης ενέργειας η οποία προκαλεί θερμικά φαινόμενα (τήξη μετάλλων, έναυση εύφλεκτων ατμών ή αερίων). 3.1.3) Παράγοντες που επηρεάζουν τον κεραυνό Ορογραφική κατάσταση της περιοχής : Στις ορεινές περιοχές ο αριθμός εκκενώσεων είναι πάντοτε μεγαλύτερος από εκείνον στις πεδινές. Στις πεδινές περιοχές όμως οι εκκενώσεις είναι υψηλής έντασης ρεύματος λόγω της μεγαλύτερης απόστασης νέφους-γης. Εποχή : Κατά την καλοκαιρινή περίοδο ο αριθμός των ανερχόμενων εκκενώσεων είναι πολύ μεγαλύτερος από εκείνον τον κατερχόμενων. Στο υπόλοιπο διάστημα του χρόνου τα νέφη κινούνται χαμηλότερα διευκολύνοντας έτσι την εκκένωση προς τη γη πριν ακόμα ολοκληρωθεί η διαδικασία φόρτισης του νέφους. Κάνοντας έτσι λιγότερο συχνές τις εκκενώσεις μεταξύ των νεφών και περισσότερο συχνές τις εκκενώσεις νέφους-γης. 3.1.4) Συχνότητα κεραυνών Ισοκεραυνικές καμπύλες Για την εκτίμηση του κινδύνου που μπορεί να αποτελεί ο κεραυνός για μια περιοχή είναι αναγκαία η γνώση του αριθμού, Νg, των κεραυνών που πλήττουν κατά μέσο όρο μια ορισμένη επιφάνεια εδάφους (συνήθως 1km2) κατά τη διάρκεια μιας ορισμένης χρονικής περιόδου, συνήθως ένα έτος. Η πληροφορία αυτή δεν είναι διαθέσιμη παρά για περιορισμένες μόνο περιοχές. 38

Σχήμα 3.8: Μέσος αριθμός κεραυνικών πληγμάτων ανα τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανα έτος.[3] Σχήμα 3.9: Ισοκεραυνικός χάρτης του Ελλαδικού χώρου.[6] 39

Αντίθετα, η πληροφορία που είναι συνήθως διαθέσιμη είναι η κεραυνική στάθμη ενός τόπου, ο αριθμός Τ, των ημερών του έτους που συμβαίνουν καταιγίδες με κεραυνούς, ανεξάρτητα από τη διάρκεια ή την ένταση τους. Ο αριθμός Τ, διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Πολλές χώρες έχουν συντάξει χάρτες με ισοκεραυνικές καμπύλες, δηλαδή περιοχές με το ίδιο Τ. Ένας λιγότερο λεπτομερής χάρτης για ολόκληρο τον κόσμο δείχνει πως το ισοκεραυνικό επίπεδο της Ευρώπης είναι μεταξύ 20-30 μέρες καταιγίδας ανά έτος. Χαρακτηριστικά αναφέρονται οι κεραυνικές στάθμες της Αθήνας (17), Θεσσαλονίκης (21), Ιωαννίνων (33) και Καλαμάτας (10). Στο δυτικόευρωπαικό χώρο πιο αντίστοιχες τιμές είναι μεταξύ 10 και 30 ενώ μέγιστη παγκοσμίως θεωρείται η κεραυνική στάθμη στην πόλη Kampala της Uganda (240). Για την Κύπρο, δυστυχώς, δεν έχει καταρτιστεί ένας τέτοιος χάρτης. Από τα στοιχεία της μετεωρολογικής υπηρεσίας Κύπρου, όπως αυτά έχουν παρουσιαστεί στο Κεφάλαιο 2.2 αλλά και από δεδομένα της ΑΗΚ το ισοκεραυνικό επίπεδο της Κύπρου είναι 30 ημέρες καταιγίδας ανά έτος. Σχήμα 3.10:Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης.[6] 40

3.2) Μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από κεραυνούς Η πτώση ενός κεραυνού, είτε απευθείας πάνω στο δίκτυο είτε κοντά σε αυτό, προκαλεί βίαιες μετακινήσεις φορτίων μέσα στο δίκτυο υπό μορφή ρεύματος, I, πολλών ka. Η βασική παράμετρος που αναπτύσσεται στο δίκτυο από τον κεραυνό είναι το ρεύμα, ενώ η υπέρταση είναι ένα δευτερογενές φαινόμενο που εξαρτάται μεν από το ρεύμα του κεραυνού, αλλά και από τα χαρακτηριστικά του δικτύου όπως είναι η κυματική αντίσταση Ζ. Η υπέρταση που προκαλεί στο δίκτυο ένας κεραυνός εξαρτάται επίσης από τον τρόπο με τον οποίο αυτός θα προσβάλει το δίκτυο. Διαφορετική υπέρταση προκαλείται όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου, διαφορετική όταν πλήττει ένα αγωγό προστασίας ή ένα πύργο της γραμμής και διαφορετική όταν πλήττει το γειτονικό προς το δίκτυο έδαφος. Οι σοβαρότερες υπερτάσεις δημιουργούνται στο δίκτυο όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο. Οι υπερτάσεις αυτές είναι τόσο μεγάλες που είναι πρακτικά αδύνατο να κατασκευαστεί δίκτυο με μόνωση τόσο ισχυρή που να μπορεί να τις αντέχει. Για το λόγο αυτό, λαμβάνονται διάφορα μέτρα προστασίας με τα οποία μειώνονται οι υπερτάσεις αυτές σε όρια ανεχτά για τη μόνωση. Οι αναπτυσσόμενες υπερτάσεις από έμμεσα πλήγματα μόνο για γραμμές χαμηλής σχετικά τάσης μπορούν να είναι επικίνδυνες. Υπάρχουν τρεις μηχανισμοί με τους οποίους ένας κεραυνός μπορεί να δημιουργήσει υπέρταση σε μια γραμμή μεταφοράς: α) από επαγωγή, εξαιτίας κεραυνού που πλήττει το έδαφος κοντά στη γραμμή όχι όμως τη γραμμή την ίδια, β) από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε ένα αγωγό φάσεως, γ) από πλήγμα στον αγωγό προστασίας με τον οποίο προστατεύονται γενικά οι γραμμές μεταφοράς από κεραυνούς. Στα πρώτα χρόνια που άρχισαν να κατασκευάζονται γραμμές μεταφοράς, επικρατούσε η αντίληψη πως η πιθανότητα ένας κεραυνός να πλήξει άμεσα μια γραμμή μεταφοράς ήταν ασήμαντη και πως όταν αυτό, σπανιότατα, συνέβαινε δεν υπήρχε τρόπος να προληφθεί το βραχυκύκλωμα της γραμμής. Ήταν έτσι γενικά πιστευτό πως το σύνολο σχεδόν των ανωμαλιών που προκαλούσαν οι κεραυνοί οφειλόταν στη επαγωγή. Αποδείχθηκε όμως κατόπιν παρατηρήσεων κα μελετών πως οι ανωμαλίες των γραμμών από κεραυνούς μπορούσαν να οφείλονται και από άμεσα πλήγματα. Για να αντιμετωπιστούν τα βραχυκυκλώματα που προκαλούν οι κεραυνοί στα ηλεκτρικά δίκτυα αναγνωρίστηκαν στη συνέχεια δύο μέθοδοι. 41

Κατά την πρώτη μέθοδο τοποθετούνται σε κατάλληλες θέσεις πάνω από τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις γειωμένοι αγωγοί (αγωγοί προστασίας) που συλλέγουν τα άμεσα πλήγματα προστατεύοντας έτσι τα ενεργά στοιχεία του συστήματος. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Κατά τη δεύτερη μέθοδο συνδέονται ανάμεσα στα ενεργά στοιχεία του συστήματος και τη γη ειδικές συσκευές με ασθενή μόνωση (αλεξικέραυνα) που επιτρέπουν μεν στιγμιαία τη διοχέτευση του φορτίου του κεραυνού στη γη, διακόπτουν όμως στη συνέχεια τη ροή ρεύματος στη συχνότητα του δικτύου. Αλεξικέραυνα ή όπως ορθότερα ονομάζονται, απαγωγείς υπερτάσεων, χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία των συσκευών των σταθμών. Σχήμα 3.11: Άμεσο & έμμεσο πλήγμα σε πυλώνες μεταφοράς ηλ. ενέργειας.[7] 3.2.1) Υπερτάσεις από επαγωγή Καθώς ο οδηγός οχετός του κεραυνού κατέρχεται προς το έδαφος, κοντά σε μια γραμμή, φορτίο Φ με πρόσημο αντίθετο από αυτό του οχετού, συσσωρεύεται στη περιοχή της γραμμής που πρόσκειται στον οχετό. Εάν ο οχετός δεν πλήξει τη γραμμή αλλά ένα σημείο, Μ, του εδάφους σε απόσταση δ από τον άξονα χχ της γραμμής, τότε, με την απότομη εξουδετέρωση του φορτίου του θα συμβεί, θα πάψει να υπάρχει ο λόγος συσσώρευσης του φορτίου Φ και αυτό θα διαχυθεί με τη μορφή δύο αντίθετων κυμάτων ρεύματος Ι προς τις απομακρυσμένες περιοχές της γραμμής απ όπου είχε προηγούμενα προέλθει. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζο της γραμμής, δίνει γένεση σε μια τάση V=Ι*Ζο.Επειδή το επαγόμενο φορτίο Φ είναι πάντα σημαντικά μικρότερο από το φορτίο του κεραυνού εξαρτώμενο και από την απόσταση δ οι δύο εντάσεις Ι δεν είναι συνήθως αρκετά μεγάλες ώστε η δημιουργημένη τάση V να αποτελεί κίνδυνο για τις μονώσεις γραμμών Μέσης ή Υψηλής Τάσης. Για γραμμές Χαμηλής Τάσης 42

όμως γραμμές διανομής κάτω από 40-50 kv η υπέρταση του τύπου αυτού μπορεί να είναι επικίνδυνη για τη μόνωση. Σχήμα 3.12:Δημιουργία υπέρτασης από επαγωγή από έμμεσο πλήγμα κεραυνού.[8] 3.2.2) Υπερτάσεις από άμεσο πλήγμα σε αγωγό φάσης Όταν ένας κεραυνός πλήττει τον αγωγό φάσης γραμμής το συνολικό ρεύμα Ιο του κεραυνού διχάζεται σε δύο τμήματα που διαρρέουν τη γραμμή από το σημείο του πλήγματος Μ προς αντίθετες κατευθύνσεις. Γίνεται γενικά δεκτό πως η τιμή Ιο του ρεύματος είναι η ίδια είτε ο κεραυνός πλήττει τη γραμμή είτε απευθείας το έδαφος. Έτσι για τον υπολογισμό της υπέρτασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι τιμές ρευμάτων κεραυνών που δίνονται στη βιβλιογραφία που κατά κανόνα προέρχονται από μετρήσεις σε γειωμένες κεραίες. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ιο/2 πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζο της γραμμής δίνει την παραγόμενη υπέρταση V = ½ Io*Zo. Η υπέρταση αυτή είναι ικανή να διασπάσει τη μόνωση δικτύων ονομαστικής τάσης μέχρι και 500kV. Αυτό δείχνει πως για να αποφευχθούν συχνές διασπάσεις της μόνωσης των γραμμών χρειάζεται κάποιο είδος προστασίας που επιτυγχάνεται με τους αγωγούς προστασίας. 43

Σχήμα 3.13:Δημιουργία υπέρτασης από άμεσο πλήγμα αγωγού φάσης λόγω κεραυνού.[8] 3.2.3) Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας Ανάστροφη διάσπαση Για να προληφθούν άμεσα πλήγματα κεραυνών στους αγωγούς φάσεων τοποθετούνται πάνω από αυτούς ένας ή δύο αγωγοί προστασίας που συνδέονται με του μεταλλικούς πύργους. Εφόσον η τοποθέτηση των αγωγών προστασίας γίνει σωστά, όπως υποδεικνύεται πιο κάτω, το σύνολο σχεδόν των κεραυνών που θα έπλητταν τον αγωγό μιας φάσης συλλέγεται από τον αγωγό προστασίας. Σχήμα 3.14: Προστασία γραμμής με αγωγό προστασίας.[8] 44

Το ρεύμα Ιο του κεραυνού διχάζεται και πάλι σε δύο τμήματα Ιο/2 που ρέουν από το σημείο του πλήγματος πάνω στον αγωγό προστασίας σε αντίθετες κατευθύνσεις με τη μορφή οδευόντων κυμάτων. Το κύμα τάσης που είναι αλληλένδετο με καθένα από τα κύματα αυτά ρεύματος θα είναι V= ½ Io*Zg όπου Zg είναι η κυματική αντίσταση του αγωγού προστασίας. Αν υποτεθεί πως ο αγωγός προστασίας περατούται σε ένα πύργο (χωρίς να συνεχίζεται από την άλλη πλευρά του πύργου) το ρεύμα Io/2 θα διοχετευθεί μέσα από τον πύργο και την αντίσταση γείωσης του στην γη. Ανακλάσεις με αντίθετο σημείο που συμβαίνουν στη βάση του πύργου υπερτίθενται στο προσπίπτον κύμα V προκαλώντας έτσι την μείωση του. Επειδή όμως το ρεύμα Ιο/2 διαρρέει την αντίσταση γείωσης R του πύργου ο τελευταίος αποκτά στιγμιαία την τάση V 2(1/2 Io*R) = Io*R. Μια πρόσθετη υπερύψωση της τάσης προκύπτει εξαιτίας της αυτεπαγωγής του πύργου ( 20μΗ ). Οι αγωγοί φάσης διατηρούν εξάλλου εξαιτίας της χωρητικής ζεύξης τους με τη γη περίπου το δυναμικό της γης. Έτσι, ανάμεσα στο μεταλλικό πύργο και τους αγωγούς των φάσεων εμφανίζεται η τάση V= Io*R η οποία, αν είναι αρκετά ψηλή, μπορεί να προκαλέσει διάσπαση της μόνωσης. Στη πραγματικότητα η καταπόνηση είναι μικρότερη από τη τιμή V= Io*R εξαιτίας της ζεύξης μεταξύ των αγωγών προστασίας και των φάσεων. Το φαινόμενο αυτό καλείται «ανάστροφη διάσπαση» (back-flashover). Το μέγεθος της τάσης V= Io*R εξαρτάται από το ρεύμα Ιο του κεραυνού και από την αντίσταση R. Για να μειωθεί λοιπόν ο κίνδυνος ανάστροφων διασπάσεων, πρέπει η αντίσταση γείωσης να γίνεται μικρή. Η πιθανότητα σφάλματος μιας γραμμής από ανάστροφη διάσπαση εξαρτάται και από τη στατιστική διανομή του εύρους του ρεύματος των κεραυνών. Για τα πιο πάνω έγινε δεκτό πως ο αγωγός προστασίας που πλήττει ο κεραυνός τερματίζεται στον πύργο και δεν συνεχίζεται πέρα από αυτόν. Στην πράξη αυτό δε συμβαίνει. Στις περισσότερες επίσης περιπτώσεις οι πύργοι είναι εφοδιασμένοι με δύο αγωγούς προστασίας. Αυτά έχουν σαν συνέπεια το ρεύμα Ιο/2 που φθάνει στην κορυφή του πύργου να μη διοχετεύεται ολόκληρο στη γη μέσα από την αντίσταση γείωσης του πύργου, R, αλλά ένα μέρος του μόνο διοχετεύεται στη γη, ενώ το υπόλοιπο συνεχίζει την πορεία του μέσα στη συνέχεια του αγωγού προστασίας ή και μέσα από τον δεύτερο αγωγό προστασίας αν υπάρχει. 45

Βιβλιογραφία 3 ου κεφαλαίου: [1] Ι.Α. Σταθόπουλου, Προστασία Τεχνικών Εγκαταστάσεων Έναντι Υπερτάσεων, Αθήνα 1989, Εκδόσεις ΣΥΜΕΩΝ. [2] http://www.britannica.com/ebchecked/topic/340767/lightning [3] www.wikipedia.org [4] Ε. Πυργιώτη, Υψηλές Τάσεις & Υπερτάσεις στα Δίκτυα Ηλεκτρικής Ενέργειας, Πάτρα 2008, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. [5] IEC 62305-1:2005, Ed.1.0, International standard: Protection against lightning Part 1: General principles [6] Ε. Πυργιώτη, Προστασία Κατασκευών από Κεραυνούς, Πάτρα 2010, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. [7] http://electrical-engineering-portal.com/overvoltages-caused-bylightning [8] Χ. Μαινεμενλή, Μόνωση Ηλεκτρικών Δικτύων Υψηλής Τάσης, Πάτρα 2008, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. 46

Κεφάλαιο 4 : Γραμμές μεταφοράς και οι καταπονήσεις τους 4.1) Γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας 4.1.1) Γενικά στοιχεία Οι γραμμές μεταφοράς παίζουν σημαντικότατο ρόλο στην αποτελεσματικότητα των σύγχρονων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, αποτελώντας ένα από τα σημαντικότερα μέρη που τα αποτελούν. Μάλιστα αυτή τους η σημασία αναδεικνύεται και συνάμα αυξάνεται από το γεγονός της ολοένα και μεγαλύτερης ποσότητας της μεταφερόμενης ενέργειας την οποία επιβάλλει τόσο ο σύγχρονος τρόπος ζωής όσο και η γιγάντωση της τεχνολογίας, η οποία έχει επιφέρει μεγάλη αύξηση στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί το μέσο παραλαβής της ενέργειας από το σταθμό παραγωγής της και απόδοσής της μέχρι και τον τελευταίο καταναλωτή. Το μέσο εκείνο του συστήματος το οποίο περιλαμβάνει τη μεταφορά της ενέργειας ως τους υποσταθμούς και το τελικό δίκτυο διανομής είναι οι γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος. Οποιοδήποτε σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είτε πρόκειται για σύστημα μεταφοράς - δηλαδή οι γραμμές μεταφοράς είναι φορτισμένες υπό ονομαστική τάση 150 με 400 kv- είτε για σύστημα διανομής-δηλαδή γραμμές φορτισμένες με λιγότερη ονομαστική τάση της τάξης των 20 kvπρέπει να ικανοποιεί ορισμένες γενικές απαιτήσεις, οι οποίες παρατίθενται παρακάτω και είναι οι εξής: Το σύστημα μεταφοράς θα πρέπει να παρέχει σταθερή, ή τουλάχιστον σχεδόν σταθερή, τάση και οι τάσεις των φάσεων είναι απαραίτητο να βρίσκονται σε ισορροπία. Το κύμα της τάσης πρέπει να έχει ημιτονοειδή μορφή και η συχνότητα να είναι σταθερή. Η αποδοτικότητα θα πρέπει να πλησιάζει την τιμή εκείνη, η οποία συνεπάγεται το ελάχιστο ετήσιο κόστος μεταφοράς αλλά και συντήρησης του συστήματος. Η επίδραση του συστήματος μεταφοράς στις εγκαταστάσεις άλλων επιχειρήσεων, όπως είναι αυτές των τηλεφωνικών ή ακόμα και ραδιοφωνικών, που προκαλείται από ηλεκτρικές ή μαγνητικές παρεμβολές, θα πρέπει να περιορίζεται εντός παραδεκτών από το νόμο ορίων. 47

Με τον όρο γραμμές μεταφοράς, αναφερόμαστε κύρια στις εναέριες γραμμές, διότι αυτές είναι που συμμετέχουν στα δίκτυα μεταφοράς και διασύνδεσης ηλεκτρικής ενέργειας. Βέβαια όπως προαναφέρθηκε υπάρχει και χρησιμοποίηση υπόγειων γραμμών μεταφοράς υψηλής αλλά και υπερυψηλής τάσης, όμως αυτή η χρήση είναι πολύ περιορισμένη και απαντάται κυρίως στη μεταφορά ή υπομεταφορά μέσα στα αστικά κέντρα αλλά και στις διασυνδέσεις των νησιωτικών περιοχών με την ηπειρωτική χώρα στην Ελλάδα και στον υπόλοιπο κόσμο. Οι γραμμές μεταφοράς μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με τέσσερις κύριους τρόπους. Καταρχάς από το επίπεδο της τάσης με το οποίο είναι φορτισμένες, από το μήκος τους, από τον αριθμό των κυκλωμάτων τους, και τέλος από την ικανότητά τους στην μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Στη Κύπρο τα επίπεδα της τάσης τα οποία συναντούμε στις γραμμές μεταφοράς είναι τα 66kV, τα 132kV και τα 220kV, με τάση παραγωγής τα 11-15,75kV. Στην δεύτερη κατηγοριοποίηση οι γραμμές διαχωρίζονται με βάση το μήκος τους και ανάλογα με αυτό έχουν και διαφορετικά αντίστοιχα ισοδύναμα κυκλώματα. Αναλυτικά: I. Γραμμές μεταφοράς μικρού μήκους με συνολικό ονομαστικό μήκος γραμμής να μην ξεπερνά τα 80 km. II. Γραμμές μεταφοράς μέσου μήκους. Ως τέτοιες θεωρούνται αυτές οι γραμμές οι οποίες το ονομαστικό τους μήκος είναι πάνω από 80 αλλά και ταυτόχρονα δεν ξεπερνά τα 250 km. III. Γραμμές μεταφοράς μεγάλου μήκους στις οποίες συγκαταλέγονται όλες αυτές οι γραμμές των οποίων το ονομαστικό μήκος είναι πάνω από 250 km. Στον επόμενο διαχωρισμό οι γραμμές διακρίνονται με βάση τον αριθμό των κυκλωμάτων τους ως εξής: Γραμμές μεταφοράς απλού κυκλώματος στις οποίες έχουμε ένα ισοδύναμο τριφασικό κύκλωμα. Γραμμές μεταφοράς διπλού κυκλώματος στις οποίες έχουμε δύο ισοδύναμα τριφασικά κυκλώματα. Στην τελευταία κατηγοριοποίηση κατά την οποία οι γραμμές διαχωρίζονται με βάση την ικανότητα που έχουν ως προς την μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας έχουμε τις εξής περιπτώσεις: Γραμμές μεταφοράς Ελαφρού τύπου. 48

Γραμμές μεταφοράς Βαρέως τύπου. Γραμμές μεταφοράς Υπερβαρέως τύπου με δίδυμο και τρίδυμο αγωγό ανά φάση. 4.1.2) Χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς 4.1.2.1) Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς Μια γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας έχει, όπως έχει αναφερθεί και πιο πριν, τέσσερις παραμέτρους, οι οποίες επηρεάζουν την εκπλήρωση της αποστολής της ως μέρος ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Οι παράμετροι αυτές κατά φθίνουσα σειρά σπουδαιότητας είναι οι ακόλουθοι: Αυτεπαγωγή της γραμμής, εκφραζόμενη σε Henry ανά μέτρο μήκους (H/m). Εγκάρσια χωρητικότητα, εκφραζόμενη σε Farad ανά μέτρο μήκους (F/m). Ωμική αντίσταση της γραμμής, εκφραζόμενη σε ohm ανά μέτρο μήκους (Ω/m). Εγκάρσια αγωγιμότητα της γραμμής, εκφραζόμενη σε ohm ανά μέτρο μήκους (Ω/m). Οι παράμετροι αυτές συμβολίζονται με σύμβολα L, C, R και G αντίστοιχα και στις περισσότερες περιπτώσεις στην πράξη εκφράζονται ανά μονάδα μήκους(μέτρο ή συνηθέστερα χιλιόμετρο,αφού οι αποστάσεις στις οποίες εκτείνονται οι γραμμές μεταφοράς είναι αρκετά μεγάλες) και ανά φάση της γραμμής μεταφοράς. Κατά τη λειτουργία της γραμμής μεταφοράς, αυτές οι παράμετροι εκδηλώνονται ως ηλεκτρικές αντιστάσεις και αντιδράσεις,ενώ ταυτόχρονα ονομάζονται και σταθερές της γραμμής μεταφοράς χαρακτηρίζοντας την. 4.1.2.2) Αυτεπαγωγή γραμμής μεταφοράς Η αυτεπαγωγή ενός αγωγού του ηλεκτρισμού εκφράζεται από την dφ παρακάτω σχέση: L =, μετράται σε Henry και ορίζεται σαν το λόγο di της μεταβολής της πεπλεγμένης ροής του μαγνητικού πεδίου του ρεύματος του αγωγού προς τη μεταβολή του ρεύματος. Εάν το μαγνητικό κύκλωμα έχει σταθερή μαγνητική διαπερατότητα θα έχουμε: 49