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

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της Φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗΣ ΠΑΝΟΥΣΗ του ΣΠΥΡΙΔΩΝΟΣ Αριθμός Μητρώου: 5107 Θέμα: ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΠΑΓΩΓΕΩΝ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα, Οκτώβριος 2012

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΠΑΓΩΓΕΩΝ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ» της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗΣ ΠΑΝΟΥΣΗ του ΣΠΥΡΙΔΩΝΟΣ Α.Μ.: 5107 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την στήριξή τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. 3

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: «ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΠΑΓΩΓΕΩΝ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ» Φοιτήτρια: ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΠΑΝΟΥΣΗ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς απαγωγέων υπέρτασης στις γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης όταν αυτές καταπονούνται από κεραυνικά πλήγματα. Γίνεται μοντελοποίηση πραγματικών πυλώνων και γραμμών του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς καθώς και αλεξικέραυνων, προσομοίωσή τους στο πρόγραμμα ATP-EMTP και στη συνέχεια μελέτη των υπερτάσεων που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια κεραυνικών πληγμάτων πανω στους αγωγούς προστασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή της δημιουργίας των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων. Παρουσιάζονται τα είδη κεραυνού, που διακρίνεται σε κεραυνό μεταξύ δύο σύννεφων, κεραυνό μέσα στο ίδιο το σύννεφο και κεραυνό μεταξύ σύννεφου και γης, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του και οι τρόποι έναρξης οχετού προεκκένωσης και δημιουργίας οχετού επιστροφής. Περιγράφεται τέλος η συχνότητα εμφάνισης κεραυνών και η συχνότητα και οι τρόποι που μπορούν να πλήξουν μια εναέρια γραμμή μεταφοράς. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαγωγείς υπέρτασης (αλεξικέραυνα). Περιγράφονται οι βασικές ιδιότητές τους, οι τύποι τους (με ή χωρίς διάκενα), τα χαρακτηριστικά μεγέθη τους για κάθε τύπο και οι τρόποι που τοποθετούνται στους πυλώνες διαφορετικών τύπων. Τέλος, αναφέρονται καποιες συνηθισμένες αστοχίες σε αλεξικέραυνα και των δύο τύπων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το υπολογιστικό πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση των κυκλώματος, το ATP-EMTP, και γίνεται αναφορά στα επιμέρους υποπρογράμματα από τα οποία αποτελείται. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο ATPDraw, το PlotXY και το μοντέλο LCC του ATPDraw, τα οποία είναι και τα βασικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των κυκλωμάτων της εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του κυκλώματος της εναέριας γραμμής μεταφοράς 400 kv του Ελληνικού Δικτύου. Παρουσιάζεται αρχικά ο τύπος πυλώνα που έχει χρησιμοποιηθεί και περιγράφονται οι εξισώσεις και η διαδικασία 4

που ακολουθείται για τη μοντελοποίησή του στο ATPDraw του EMTP. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα στοιχεία της εναέριας γραμμής μεταφοράς και η μοντελοποίησή τους στο LCC του ATPDraw. Μετά περιγράφεται το μοντέλο που χρησιμοποιείται για τα αλεξικέραυνα. Τέλος, παρουσιάζεται το τελικό κύκλωμα και εξετάζονται τρεις τύποι κεραυνικών πληγμάτων (100 ka για 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs) σε δύο πυλώνες του κυκλώματος, πρώτα στον Τ4 και έπειτα στον Τ3. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του κυκλώματος της εναέριας γραμμής μεταφοράς 150 kv του Ελληνικού Δικτύου. Παρουσιάζονται ο τύπος του πυλώνα διπλού κυκλώματος που έχει χρησιμοποιηθεί και περιγράφεται η μοντελοποίησή του στο ATPDraw. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα στοιχεία των αγωγών της γραμμής μεταφοράς που χρησιμοποιούνται και η μοντελοποίησή τους στο LCC του ATPDraw, καθώς και το μοντέλο των αλεξικέραυνων. Τέλος, παρουσιάζεται το τελικό κύκλωμα, γίνονται οι προσομοιώσεις για τα τρία είδη κεραυνικών πληγμάτων (100 ka 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs) και παρατίθενται τα αποτελέσματα αυτών και τα συμπεράσματα που προκύπτουν. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για τους τρεις διαφορετικούς τύπους κεραυνικών πληγμάτων και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη μελέτη των γραφημάτων και για τις δύο γραμμές μεταφοράς, δείχνουν πως το μεγαλύτερο ποσοστό ρεύματος ανεξάρτητα από το σε ποιον πυλώνα θα συμβεί το κεραυνικό πλήγμα, κατευθύνεται στον πυλώνα στον οποίο είναι τοποθετημένα τα αλεξικέραυνα (αν θεωρηθεί ότι οι υπόλοιποι πυλώνες δεν είναι εφοδιασμένοι με αλεξικέραυνα). Τα αλεξικέραυνα που είναι συνδεδεμένα στη φάση η οποία αναρτάται από τον υψηλότερο βραχίονα του πυλώνα (φάση Α για την 400 kv γραμμή μεταφοράς, φάση Β για την 150 kv γραμμή μεταφοράς), απορροφούν το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος, ενώ από τα άλλα που είναι τοποθετημένα στις άλλες δύο φάσεις περνάνε πολύ μικρά ρεύματα. Οι μεγαλύτερες υπερτάσεις εμφανίζονται στην κορυφή του πυλώνα που πλήττεται και όσο απομακρυνόμαστε από το σημείο αυτό μειώνονται σταδιακά. Οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα πλησιάζουν αρκετά τις τιμές του κατασκευαστή για τα πλήγματα 10/350 μs και 8/20 μs, αλλά για πλήγμα 1.2/50 μs είναι αρκετά μεγαλύτερες. Η σύγκριση μεταξύ των τριών κεραυνικών πληγμάτων δείχνει πως το πλήγμα 1.2/50 μs προκαλεί επίσης τις μεγαλύτερες υπερτάσεις στους αγωγούς, και άρα τη μεγαλύτερη καταπόνησή τους. ABSTRACT The purpose of this thesis is the study of the behavior of surge arresters on high voltage transmission lines when they are strained by lightning strikes. Steel towers and transmission lines used in the Greek Transmission System and also surge arresters are simulated and the overvoltages that occur during lightning strikes on the shielding wires are studied. The first chapter is a general description of the creation of atmospheric discharges. The different types of lightning (between two clouds, within the same cloud or between clouds and the ground), their electrical characteristics and the leader formation and return stroke are described. Finally, the frequency of lightning strikes occurrence and the ways they can strike an overhead transmission line are presented. 5

The second chapter presents the surge arresters. Their operating principle, the types (with or without gaps), the characteristics for each type and the different ways of installation on towers of different design are described. Finally, the most common failures of surge arresters are mentioned. The third chapter presents the program used for the system simulation, ATP-EMTP, and the various subprograms included in it are described. Mostly, the ATPDraw, LCC and PlotXY are described, as they are the basic tools used for the system simulation in this project. The fourth chapter presents the simulation of a 400 kv overhead transmission line of the Greek Transmission System. The type of tower that is used and the equations and the procedure followed for its modeling on ATPDraw of EMTP are described. Next, the transmission line characteristics and their modeling on LCC of ATPDraw are presented. Next, the surge arrester modeling is described. Last, the final circuit is presented and three types of lightning strikes (100 ka - 10/350 μs, 8/20 μs and 1.2/50 μs) on two towers of the system, first on T4 and then on T3 are examined. The fifth chapter presents the simulation of a 150 kv overhead transmission line of the Greek Transmission System. The type of tower used and its modeling on ATPDraw are described. Next, the transmission line characteristics, their modeling on LCC of ATPDraw and the surge arresters model are described. Last, the final circuit is presented, simulations are executed for three types of lightning strikes (100 ka 10/350 μs, 8/20 μs and 1.2/50 μs) and the results and conclusions that come of them are described. The results of the simulations for the three different types of lightning strikes and the conclusions that come of the study of the graphs for both the transmission lines show that the higher current value, regardless of which tower the lightning will strike on, is heading towards the tower on which the surge arresters are erected on (assuming the other towers are not equipped with surge arresters). The surge arresters of the phase that is suspended by the higher arm of the tower (phase A for the 400 kv transmission line, phase B for the 150 kv transmission line) have the higher discharge current, while the ones on the other two phases a very small amount. The highest overvoltages occur at the top of the tower that is struck and the higher the distance, the lower the overvoltages become. The residual voltages of the surge arresters are close to the manufacturer s values, although for the 100 ka 1.2/50 μs strike they are quite higher. The comparison between the three lightning strikes indicates that the 1.2/50 μs line are higher. 6

Περιεχόμενα 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ... 9 1.1 Δημιουργία ατμοσφαιρικών υπερτάσεων... 9 1.2 Ηλεκτρικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα... 9 1.2.1 Ηλεκτρική κατάσταση της γης... 9 1.2.2 Ηλεκτρική συμπεριφορά του σύννεφου... 10 1.2.3 Ορισμοί σχετικά με τα μεγέθη του κεραυνού... 11 1.2.4 Είδη κεραυνών... 11 1.3 Συχνότητα με την οποία συμβαίνουν κεραυνοί... 13 1.4 Συχνότητα με την οποία οι κεραυνοί πλήττουν τις ηλεκτρικές γραμμές μεταφοράς 13 1.5 Μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από κεραυνούς... 15 1.5.1 Υπερτάσεις από επαγωγή... 15 1.5.2 Υπερτάσεις από άμεσα πλήγματα κεραυνού σε αγωγό φάσης... 15 1.5.3 Υπερτάσεις από πλήγμα στον αγωγό προστασίας ανάστροφη διάσπαση.. 16 2 ΑΠΑΓΩΓΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ... 17 2.1 Εισαγωγή... 17 2.2 Αλεξικέραυνα με διάκενα... 17 2.3 Αλεξικέραυνα χωρίς διάκενα... 18 2.4 Τρόποι σύνδεσης των αλεξικέραυνων σε πυλώνες... 19 2.5 Αστοχίες αλεξικέραυνων... 21 3 Το πρόγραμμα ATP-EMTP... 22 3.1 Γενικά... 22 3.2 Προγράμματα υποστήριξης για το ATP-EMTP... 22 3.3 Το ATPDraw... 25 3.4 Control Center... 26 3.5 PCPlot... 27 3.6 PlotXY... 27 3.7 GTPPLOT... 28 3.8 Programmer s File Editor (PFE)... 29 3.9 To ATP-LCC... 29 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 400 kv ΔΙΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ... 30 4.1 Μοντελοποίηση του πυλώνα και της γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης... 30 4.2 Προσομοίωση πυλώνα και γραμμής μεταφοράς στο ATPDraw... 33 7

4.3 Μοντέλο αλεξικέραυνων... 35 4.4 Προσομοίωση κεραυνικών πληγμάτων... 39 4.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης και συμπεράσματα... 40 4.5.1 Πλήγμα στον πυλώνα Τ4... 40 4.5.2 Πλήγμα στον πυλώνα Τ3... 56 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150 kv ΔΙΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ... 72 5.1 Μοντελοποίηση του πυλώνα και της γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης... 72 5.2 Προσομοίωση του πυλώνα και της γραμμής μεταφοράς στο ATPDraw... 73 5.3 Μοντέλο αλεξικέραυνων... 75 5.4 Προσομοίωση κεραυνικών πληγμάτων... 77 5.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης και συμπεράσματα... 77 5.5.1 Πλήγμα στον πυλώνα Τ4... 77 5.5.2 Πλήγμα στον πυλώνα Τ3... 91 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 106 8

1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ 1.1 Δημιουργία ατμοσφαιρικών υπερτάσεων Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται στα δίκτυα από τα ηλεκτρικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Παρόλο που οποιαδήποτε μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου στην ατμόσφαιρα μπορεί να επάγει στο δίκτυο μια τάση, οι μόνες επικίνδυνες για δίκτυα υψηλής τάσης ατμοσφαιρικές υπερτάσεις προκαλούνται από τους κεραυνούς [1]. Η πτώση ενός κεραυνού απευθείας πάνω στο δίκτυο είτε κοντά σε αυτό, προκαλεί βίαιες μετακινήσεις φορτίων μέσα στο δίκτυο υπό μορφή ρεύματος Ι, πολλών ka. Σύμφωνα με τους νόμους των οδεύοντων κυμάτων, το ρεύμα κυκλοφορώντας μέσα σε ένα στοιχείο του δικτύου που παρουσιάζει κυματική αντίσταση Ζ, προκαλεί την υπέρταση ΙΖ. Η βασική δηλαδή παράμετρος που αναπτύσσεται στο δίκτυο από τον κεραυνό είναι το ρεύμα, ενώ η υπέρταση είναι ένα δευτερογενές φαινόμενο που εξαρτάται 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 όποιο αυτός θα προσβάλει το δίκτυο. Διαφορετική υπέρταση προκαλείται όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου, διαφορετική όταν πλήττει έναν αγωγό προστασίας ή έναν πύργο γραμμής και διαφορετική όταν πλήττει το γειτονικό προς το δίκτυο έδαφος. Οι σοβαρότερες υπερτάσεις δημιουργούνται όταν ο κεραυνός πλήττει άμεσα ένα ενεργό στοιχείο. Οι υπερτάσεις αυτές είναι τόσο μεγάλες που μπορεί να 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 ανεκτά για τη μόνωση της γραμμής. 1.2 Ηλεκτρικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα 1.2.1 Ηλεκτρική κατάσταση της γης Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με την κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0.13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου, η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας [2]. Είναι γνωστό πως ιονισμένα σωματίδια και των δύο προσήμων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα 9

ορισμένη αγωγιμότητα. Εξαιτίας αυτής της αγωγιμότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα και των δύο προσήμων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δε συμβαίνει οφείλεται στο ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί. 1.2.2 Ηλεκτρική συμπεριφορά του σύννεφου Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό στην κορυφή του και αρνητικό στην προς τη γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Για τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικoύ φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες, χωρίς καμία να είναι γενικά παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που βασίζονται στη φόρτιση σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη και σε αυτές που βασίζονται στη μεταφορά φορτίων στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου με την ηλεκτρική εικόνα που περιγράφτηκε, διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του, έτσι αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός σύννεφου είναι περίπου 2 λεπτά, που σημαίνει πως το σύννεφο περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση σε λίγα μόνο λεπτά. Με το σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, αφού πρώτα αναστραφεί, αποκτά με την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (από τη γη προς την ατμόσφαιρα) τιμές που φτάνουν τα 10 kv/m. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού ή εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται πάλι στην προηγούμενη τιμή του. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο από 1,5 ως 2 kv/m), αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως πολύ ψηλά κτίρια, απαγωγείς κεραυνών κλπ, και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη διαμέσω του αγωγού στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (point-discharge current). Αυτό το ρεύμα όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια της εξέλιξής του. 10

Πρέπει να σημειωθεί πως η ταχύτητα των ιόντων αυτών είναι μικρή συγκρινόμενη με αυτή του ανέμου κατά τη διάρκεια της καταιγίδας και έτσι η κίνησή τους καθορίζεται κυρίως από την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε πολλά από τα ιόντα αυτά να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Επομένως η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου, του ύψους του αγωγού από τον οποίο παράγεται και από την ταχύτητα του ανέμου. Εκκενώσεις στο σύννεφο και προς τη γη μπορούν να παρατηρηθούν όταν η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια αποκτά τιμές της τάξης των 3 kv/m και πάνω. Πρέπει ακόμα να σημειωθεί πως όλα τα σύννεφα δεν προκαλούν ηλεκτρικές εκκενώσεις, έστω κι αν παρουσιάζουν συνθήκες φόρτισης. 1.2.3 Ορισμοί σχετικά με τα μεγέθη του κεραυνού Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς τη γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: ένας κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης (που συχνά ονομάζεται και οδηγός οχετός) προχωρά από το σύννεφο προς το έδαφος και ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρά από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός σύνδεσης είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους έναν κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας θετικός οχετός προεκκένωσης και αντίθετα. Από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός οχετός προεκκένωσης. Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο ορίζεται σαν αρνητικό και το αντίθετο. Σύμφωνα με αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει θετική κατεύθυνση. 1.2.4 Είδη κεραυνών Υπάρχουν τρία είδη κεραυνών: 1: κεραυνός μεταξύ δύο σύννεφων 2: κεραυνός μέσα στο ίδιο το σύννεφο 3: κεραυνός μεταξύ γης-σύννεφου 11

Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο η δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους 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 το φορτίο αντίθετου προσήμου που επάγεται εξαιτίας του στο έδαφος δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μια σημαντική προεξοχή στην πλευρά του εδάφους. Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού: - κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο (σχήμα 1α) - ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο (σχήμα 2α) - κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο (σχήμα 3α) - ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (σχήμα 4α). Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής κι έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που φαίνονται στο κάτω μέρος του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 1.2.1: Είδη κεραυνών: α) ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, β) συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής 12

- κατερχόμενη αρνητική εκκένωση πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στο 90% των περιπτώσεων. - ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο - κατερχόμενη θετική εκκένωση πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση) - ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. 1.3 Συχνότητα με την οποία συμβαίνουν κεραυνοί Για την εκτίμηση του κινδύνου που μπορεί να αποτελεί ο κεραυνός για μια περιοχή είναι αναγκαία η γνώση του αριθμού Ng των κεραυνών που πλήττουν κατά μέσο όρο μια ορισμένη επιφάνεια εδάφους (συνήθως 1km 2 ) κατά τη διάρκεια μιας ορισμένης χρονικής περιόδου ( 1 έτους συνήθως). Επειδή για τον καθορισμό του αριθμού αυτού απαιτείται η εγκατάσταση ειδικών κατασκευών, η πληροφορία αυτή δεν είναι διαθέσιμη παρά για περιορισμένες μόνο περιοχές. Αντίθετα η πληροφορία που είναι συνήθως διαθέσιμη από γενικές μετεωρολογικές παρατηρήσεις είναι αριθμός Τ των ημερών του έτους που συμβαίνουν καταιγίδες με κεραυνούς ανεξάρτητα από τη διάρκεια ή ένταση που παρουσιάζει κάθε μία από τις καταιγίδες αυτές. Ο αριθμός Τ διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Γενικά η συχνότητα καταιγίδων συνοδευόμενων από κεραυνούς είναι μεγαλύτερη προς τον ισημερινό και μικρότερη προς τους πόλους. Για χώρες όμως με το ίδιο γεωγραφικό πλάτος παρουσιάζει ακόμα σημαντικές διαφορές. Είναι δυνατό από τον αριθμό ημερών καταιγίδας κατά έτος Τ να καθοριστεί κατά προσέγγιση ο μέσος αναμενόμενος αριθμός κεραυνών Νg ανά km 2 και έτος. 1.4 Συχνότητα με την οποία οι κεραυνοί πλήττουν τις ηλεκτρικές γραμμές μεταφοράς Η συχνότητα με την οποία κεραυνοί πλήττουν μια γραμμή μεταφοράς εκφράζεται με τον αριθμό Ν των κεραυνών που δέχεται η γραμμή ανά 100km μήκους και έτος. Ο αριθμός αυτός έχει άμεση σχέση με τον αριθμό Ng των κεραυνών που πλήττουν την περιοχή της γραμμής ανά km 2 και έτος. Σε περίπτωση που ο αριθμός Ng δεν είναι διαθέσιμος, μια λιγότερο αξιόπιστη τιμή του Ν μπορεί να υπολογιστεί από τον αριθμό ημερών καταιγίδας κατά έτος, Τ, της περιοχής από την οποία πρόκειται να περάσει η γραμμή. Για το σκοπό αυτό έχουν προταθεί διάφοροι τύπου, κάθε ένας βασιζόμενος σε μια μεγάλη ομάδα 13

πειραματικών παρατηρήσεων που συνδέουν τον αριθμό Ν είτε με το Νg είτε απ ευθείας με το Τ. Μια από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες σχέσεις ανάμεσα στα Ν και Τ που βασίζεται κυρίως σε αμερικάνικα δεδομένα (Anderson) είναι Ν= 0.1(4Hs+W)ΚΤ (ανά 100 km και έτος) όπου Hs το μέσο ύψος των αγωγών και W το εύρος της γραμμής σε m και Κ μια σταθερά με τιμή Κ=0.15±0.05. Μια τροποποιημένη μορφή της σχέσης αυτής δίνεται από τον Anderson στο Transmission Line Reference Book, edition 1982, chapter 12. Ν= 0.04Τ^1.35 (W+4Hs 1.09 ) Μια απλουστευμένη σχέση που προκύπτει αν τα Hs, W και K αντικατασταθούν με τυπικές τιμές που συναντώνται συνήθως στις γραμμές μεταφοράς είναι Ν=62Τ/30 Μια άλλη σχέση που βασίζεται σε ρωσικά δεδομένα είναι Ν=2.7HsΤ/30 με Hs το μήκος της γραμμής σε m. Μια σχέση που συνδέει τα N και Ng κάνοντας χρήση της έννοιας της ακτίνας έλξεως R είναι η ακόλουθη Ν=0.1 (2R+W) Ng Όπου W το εύρoς της γραμμής σε m. Στις πιο πάνω σχέσεις το μέσο ύψος Hs των αγωγών σε περίπτωση γραμμών εφοδιασμένων με αγωγούς προστασίας που τα άκρα τους παρουσιάζουν μέσο ύψος ανάρτησης h gw, δίνεται από τη σχέση H s = h gw -2/3 του βέλους των αγωγών. Τέλος, ο Golde αναλύοντας ένα μεγάλο αριθμό παρατηρήσεων από το βρετανικό δίκτυο 33KV διατύπωσε τη σχέση Ν = 0.332 Τ 1.285 Σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τους πιο πάνω τύπους δείχνει πως αυτά κυμαίνονται σε ευρέα όρια (μέχρι ένα προς δύο σε μερικές περιπτώσεις). Η μεγάλη όμως στατιστική διακύμανση των παραμέτρων του κεραυνού και οι σχετικά περιορισμένες παρατηρήσεις δεν επιτρέπουν, μέχρι στιγμής, καλύτερες προβλέψεις. 14

1.5 Μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από κεραυνούς 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 την ίδια τη γραμμή, β) από άμεσο πλήγμα κεραυνού σε έναν αγωγό φάσης και γ) από πλήγμα στον αγωγό προστασίας με τον οποίο προστατεύονται οι γραμμές μεταφοράς από κεραυνούς. Ενώ αρχικά επικρατούσε η αντίληψη πως η πιθανότητα να πλήξει ένας κεραυνός απευθείας έναν αγωγό φάσης ήταν μικρή, μετέπειτα έρευνες έδειξαν πως ανωμαλίες των γραμμών από κεραυνούς μπορεί να οφείλονται και σε άμεσα πλήγματα. Έτσι αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι για την αντιμετώπιση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνούς στα ηλεκτρικά δίκτυα. Με βάση την πρώτη, 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. Κατά τη δεύτερη, συνδέονται ανάμεσα στα ενεργά στοιχεία του συστήματος και τη γη ειδικές συσκευές με ασθενή μόνωση (αλεξικέραυνα) που επιτρέπουν στιγμιαία τη διοχέτευση του φορτίου του κεραυνού στη γη, διακόπτουν όμως στη συνέχεια τη ροή ρεύματος στη συχνότητα του δικτύου. Τα αλεξικέραυνα, ή απαγωγείς υπερτάσεων, χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία των συσκευών των σταθμών. 1.5.1 Υπερτάσεις από επαγωγή Καθώς ο οδηγός οχετός του κεραυνού κατεβαίνει προς το έδαφος κοντά σε μια γραμμή, φορτίο Φ με πρόσημο αντίθετο από αυτό του οχετού συσσωρεύεται στην 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 της γραμμής, τότε με την απότομη εξουδετέρωση του φορτίου που θα συμβεί, θα πάψει να υπάρχει συσσώρευση του φορτίου Φ και αυτό θα διαχυθεί με τη μορφή δύο αντίθετων κυμάτων ρεύματος Ι, προς τις απομακρυσμένες περιοχές της γραμμής από όπου είχε προηγουμένως προέλθει. Κάθε ένα από τα ρεύματα Ι πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζο της γραμμής δημιουργεί μια υπέρταση V=ΙΖο Επειδή το επαγόμενο φορτίο είναι πάντα σημαντικά μικρότερο από το φορτίο του κεραυνού, εξαρτώμενο και από την απόσταση δ, οι δύο εντάσεις δεν είναι συνήθως αρκετά μεγάλες ώστε η τάση V που δημιουργείται να αποτελεί κίνδυνο για τις μονώσεις γραμμών μεσαίας η υψηλής τάσης, το ίδιο όμως δεν ισχύει για τις γραμμές διανομής. 1.5.2 Υπερτάσεις από άμεσα πλήγματα κεραυνού σε αγωγό φάσης Όταν ένας κεραυνός πλήξει έναν αγωγό φάσης της γραμμής, το συνολικό ρεύμα Ιο του κεραυνού χωρίζεται σε δύο τμήματα που διαρρέουν τη γραμμή από το σημείο του πλήγματος Μ προς αντίθετες κατευθύνσεις. Κάθε ένα από τα ρεύματα αυτά Ιο/2 πολλαπλασιαζόμενο με την κυματική αντίσταση Ζο της γραμμής προκαλεί μια υπέρταση 15

V= ½(ΙοΖο) Η υπέρταση αυτή είναι ικανή να προκαλέσει τη διάσπαση της μόνωσης δικτύων ονομαστικής τάσης μέχρι και 500 kv. Για να αποφευχθούν λοιπόν συχνές διασπάσεις της μόνωσης των γραμμών χρειάζεται κάποιο είδος προστασίας, που επιτυγχάνεται με τους αγωγούς προστασίας. 1.5.3 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 τους μεταλλικούς πύργους. Εφόσον η τοποθέτηση των αγωγών προστασίας γίνει σωστά, το σύνολο σχεδόν των κεραυνών που θα έπλητταν τον αγωγό μιας φάσης συλλέγονται από τον αγωγό προστασίας. Το ρεύμα Ιο του κεραυνού χωρίζεται πάλι σε δύο τμήματα Ιο/2 που ρέουν από το σημείο του πλήγματος πάνω στον αγωγό προστασίας σε αντίθετες κατευθύνσεις με τη μορφή οδεύοντων κυμάτων. Το κύμα τάσης που είναι αλληλένδετο με καθένα από τα κύματα αυτά ρεύματος θα είναι V=1/2(ΙοZg), όπου Ζg η κυματική αντίσταση του αγωγού προστασίας. Εάν θεωρήσουμε ότι ο αγωγός προστασίας περατώνεται σε ένα πύργο, το ρεύμα Ιο/2 θα διοχετευτεί μέσα από τον πύργο και την αντίσταση γείωσής του στη γη. Ανακλάσεις με αντίθετο σημείο που συμβαίνουν στη βάση του πύργου υπερτίθενται στο προσπίπτον κύμα V προκαλώντας έτσι τη μείωσή του. Επειδή όμως το ρεύμα Ιο/2 διαρρέει την αντίσταση γείωσης R του πύργου, ο πύργος αποκτά στιγμιαία την τάση V=2(1/2ΙοR)=ΙοR. Εξαιτίας της αυτεπαγωγής του πύργου προκύπτει μια ακόμη υπερύψωση της τάσης. Έτσι, ανάμεσα στον πύργο και τους αγωγούς φάσεων εμφανίζεται η τάση V=IoR, η οποία αν είναι αρκετά μεγάλη μπορεί να προκαλέσει διάσπαση της μόνωσης. Στην πραγματικότητα η καταπόνηση είναι μικρότερη από την τιμή αυτή εξαιτίας της ζεύξης μεταξύ των αγωγών προστασίας και φάσεων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάστροφη διάσπαση (back flashover). Το μέγεθος της τάσης V=IoR εξαρτάται από το ρεύμα Io του κεραυνού και από την αντίσταση R. Για να μειωθεί λοιπόν ο κίνδυνος ανάστροφων διασπάσεων, πρέπει η αντίσταση γείωσης των πύργων να είναι μικρή. 16

2 ΑΠΑΓΩΓΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ 2.1 Εισαγωγή Οι απαγωγείς υπέρτασης (αλεξικέραυνα) χρησιμοποιούνται για την προστασία των γραμμών μεταφοράς, διανομής και των υποσταθμών από υπερτάσεις. Σκοπός τους είναι να παρέχουν μια ελεγχόμενη αγώγιμη δίοδο προς τη γη μέσα από την οποία θα περάσει η υπέρταση, διοχετεύοντάς τη μακριά από τις προς προστασία συσκευές. Βασικές ιδιότητες ενός καθοδικού αλεξικέραυνου είναι: Να μην άγει κατά την κανονική κατάσταση λειτουργίας Να αρχίσει να άγει άμεσα κατά την εμφάνιση μιας υπέρτασης που ξεπερνά κάποια τιμή Να διακόπτει τη λειτουργία του μόλις παρέλθει η υπέρταση.[3] 2.2 Αλεξικέραυνα με διάκενα Η σχηματική συνδεσμολογία ενός αλεξικέραυνου με διάκενα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.2.1: Αλεξικέραυνο με διάκενα Αποτελείται βασικά από πολλά διάκενα στη σειρά σε σειρά με τα οποία συνδέεται μια μη γραμμική αντίσταση R. Αυτά περικλείονται σε ένα αεροστεγές περίβλημα πορσελάνης. Το ένα άκρο του αλεξικέραυνου συνδέεται προς ένα αγωγό φάσης και το άλλο στη γη. Πρέπει τα διάκενα του αλεξικέραυνου να έχουν όσο το δυνατό ομοιογενές πεδίο ώστε η τάση διάσπασής τους να είναι όσο το δυνατό πιο ανεξάρτητη από την κλίση του μετώπου της κρουστικής τάσης. Γι αυτό καθένα από αυτά κατασκευάζεται από δύο δίσκους μεγάλης σχετικά επιφάνειας σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Για να μη διασπώνται τα διάκενα αυτά 17

κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας, παρά μόνο όταν δημιουργείται μια υπέρταση, συνδέονται πολλά στη σειρά. [1] Στη μη γραμμική αντίσταση, ο λόγος u/i μειώνεται όσο το ρεύμα αυξάνει. Έτσι μέσω αυτής μπορούν να διοχετευτούν μεγάλα ρεύματα χωρίς η τάση στα άκρα της να αυξηθεί πολύ. Η παρουσία της μη γραμμικής αυτής αντίστασης δίνει ένα μεγάλο πλεονέκτημα στο αλεξικέραυνο: όταν μια υπέρταση αρκετά μεγάλη προσβάλει το αλεξικέραυνο, τα διάκενα διασπώνται. Μόλις η υπέρταση παρέλθει, το τόξο δεν μπορεί να συντηρηθεί υπό την κανονική τάση λειτουργίας του δικτύου κι έτσι αποφεύγεται το μόνιμο τόξο. Υπό την κανονική τάση λειτουργίας του δικτύου, ή ακόμα και τις δυναμικές υπερτάσεις που εμφανίζονται στο δίκτυο, το αλεξικέραυνο συμπεριφέρεται σαν τέλεια μόνωση ανάμεσα στη φάση και στη γη. Όταν εμφανιστεί μια υπέρταση εύρους Vm, μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης των διακένων Uδ, αυτά διασπώνται και το ρεύμα της υπέρτασης ρέει προς τη γη και έτσι η υπέρταση μειώνεται. Όταν παρέλθει η υπέρταση το αλεξικέραυνο πρέπει να έχει την ικανότητα να διακόπτει τη ροή του ρεύματος, που λέγεται ακόλουθο ρεύμα, έστω κι αν ακόμα εκείνη τη στιγμή επικρατεί μια δυναμική υπέρταση. Η μέγιστη τάση που μπορεί να επικρατεί στα άκρα του αλεξικέραυνου και υπό την οποία το αλεξικέραυνο είναι ακόμα ικανό να εκτελέσει τον κύκλο λειτουργίας του λέγεται ονομαστική τάση του αλεξικέραυνου. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των αλεξικέραυνων με διάκενα είναι τα εξής [3]: Ονομαστική τάση: είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή της τάσης στη συχνότητα λειτουργίας του αλεξικέραυνου (50 Hz) υπό την οποία το αλεξικέραυνο μπορεί να διακόψει το ακόλουθο ρεύμα μετά από μία διάσπασή του. Παραμένουσα τάση: είναι η μέγιστη τιμή της τάσης η οποία εμφανίζεται στους ακροδέκτες του αλεξικέραυνου όταν αυτό διαρρέεται από κρουστικό ρεύμα. Ακόλουθο ρεύμα: είναι το ρεύμα που διαρρέει το αλεξικέραυνο μετά την πάροδο της υπέρτασης Κρουστική τάση διάσπασης: είναι η μέγιστη τιμή, την οποία αποκτά μια κρουστική τάση, δεδομένης κυματομορφής, που προκαλεί διάσπαση του αλεξικέραυνου, κατά το χρονικό διάστημα που αυτή επιβάλλεται στο αλεξικέραυνο. Ρεύμα εκφόρτισης: το κρουστικό ρεύμα που διέρχεται από το αλεξικέραυνο. 2.3 Αλεξικέραυνα χωρίς διάκενα Τα τελευταία χρόνια, τα αλεξικέραυνα με διάκενα αντικαθίστανται από αλεξικέραυνα χωρίς διάκενα, των οποίων η μη γραμμική αντίσταση παρουσιάζει πιο έντονη μη γραμμικότητα. Σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας το αλεξικέραυνο διαρρέεται από ένα πολύ μικρό ρεύμα της τάξης των ma, και συμπεριφέρεται σαν μονωτής. Όταν συμβαίνει μια υπέρταση, συμπεριφέρεται σαν αγωγός και διοχετεύει το ρεύμα προς τη γη, ενώ η παραμένουσα τάση 18

στα άκρα του είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μην τίθεται σε κίνδυνο ο υπό προστασία εξοπλισμός. Πλεονέκτημα των αλεξικέραυνων χωρίς διάκενα είναι η απλούστερη και μικρότερη σε μέγεθος κατασκευή τους σε σύγκριση με τα αλεξικέραυνα με διάκενα, και η έντονα μη γραμμική σχέση τάσης-ρεύματος. Το κύριο μειονέκτημά τους είναι η συνεχής ροή ρεύματος μικρής τιμής και κατά συνέπεια η απώλειες ισχύος. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των αλεξικέραυνων χωρίς διάκενα είναι τα εξής: Μέγιστη τάση συνεχούς λειτουργίας (continuous operating voltage-uc): είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη rms τιμή τάσης που μπορεί να εφαρμόζεται συνεχώς ανάμεσα στα άκρα του αλεξικέραυνου. Ονομαστική τάση (rated voltage-ur): είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή της τάσης στα άκρα του αλεξικέραυνου για την οποία αυτό συνεχίζει να λειτουργεί σωστά για προσωρινές υπερτάσεις (10-100 s). Παραμένουσα τάση (residual voltage-ures): είναι η τάση στα άκρα του αλεξικέραυνου όταν αυτό διαρρέεται από το ρεύμα εκφόρτισης. Ρεύμα εκφόρτισης (discharge current): είναι το κρουστικό ρεύμα που διέρχεται από το αλεξικέραυνο. Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (nominal discharge current): είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος κεραυνού που χρησιμοποιείται για να κατηγοριοποιήσει τα αλεξικέραυνα. Κεραυνική στάθμη προστασίας (lightning impulse protective level): είναι η παραμένουσα τάση στα άκρα του αλεξικέραυνου όταν διέρχεται μέσα από αυτό το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης. Ενέργεια αντοχής (thermal energy absorption capability): είναι η μέγιστη τιμή ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει το αλεξικέραυνο χωρίς να χάσει τη θερμική του σταθερότητα (την ικανότητά του να επανέρχεται στη θερμοκρασία που έχει υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας). [3, 4] 2.4 Τρόποι σύνδεσης των αλεξικέραυνων σε πυλώνες Οι τρόποι σύνδεσης ενός αλεξικέραυνου σε έναν πυλώνα γραμμής μεταφοράς είναι τέσσερις και φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί: 19

Σχήμα 2.4.1: Τρόποι τοποθέτησης των αλεξικέραυνων σε πυλώνες [3] (α): το αλεξικέραυνο συνδέεται απ ευθείας στη φάση και μέσω αγωγού στον πυλώνα (περίπτωση κατακόρυφων μονωτήρων) (β): το αλεξικέραυνο συνδέεται απ ευθείας στη φάση ακριβώς στη θέση του μονωτήρα και μέσω αγωγού στον πυλώνα (γ): το αλεξικέραυνο συνδέεται απ ευθείας στη φάση και μέσω αγωγού στον πυλώνα (περίπτωση οριζόντιων μονωτήρων) (δ): το αλεξικέραυνο συνδέεται απ ευθείας στον πυλώνα και μέσω αγωγού στη φάση. 20

2.5 Αστοχίες αλεξικέραυνων Οι πιο συνηθισμένες αστοχίες σε αλεξικέραυνα με και χωρίς διάκενα είναι οι παρακάτω: Εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό τους Μερικές εκκενώσεις στο εσωτερικό τους εξαιτίας κακής επαφής μεταξύ των δίσκων και της μη γραμμικής αντίστασης Καταστροφή ή ρύπανση του περιβλήματος Μηχανικές ή θερμικές καταπονήσεις και καταστροφή της χαρακτηριστικής V-I μετά από διέλευση μεγάλου ρεύματος. 21

3 Το πρόγραμμα ATP-EMTP 3.1 Γενικά Το ATP-EMTP (Alternative Transients Program Electromagnetic Transients Program) έχει τις ρίζες του στο Όρεγκον των ΗΠΑ, στην Bonneville Power Administration (BPA) και είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο πρόγραμμα ψηφιακής προσομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων για συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Αναπτύχθηκε με σκοπό την προσομοίωση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και εξοπλισμού. Ο πυρήνας του προγράμματος αποτελείται από ένα μεταφραστή (compiler) που μεταφράζει τα κατάλληλα γραμμένα αρχεία εισόδου σε αρχεία εξόδου-αποτελεσμάτων. Ο μεταφραστής διαθέτει και υποστηρικτικά προγράμματα για την κατασκευή των αρχείων εισόδου ή την επεξεργασία των αρχείων εξόδου. Το πρόγραμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για υπολογισμό μεταβατικών καταστάσεων αλλά και για την ανάλυση κυκλωμάτων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και περιλαμβάνει μεθόδους επίλυσης του ηλεκτρικού δικτύου στο πεδίο του χρόνου (time domain) και στο πεδίο της συχνότητας (frequency domain). [5] 3.2 Προγράμματα υποστήριξης για το ATP-EMTP Το πρόγραμμα αποτελείται από επιμέρους υποσυστήματα, τα οποία εκτός από το βασικό προσομοιωτή περιλαμβάνουν υπορουτίνες που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία των δεδομένων εισόδου, όπως και για την αναπαράσταση και επεξεργασία των δεδομένων εξόδου. Με βάση το διάγραμμα του σχήματος 3.2.1 μπορεί να γίνει επεξήγηση των επιμέρους υποσυστημάτων. MODELS: είναι γενικής χρήσης γλώσσα που υποστηρίζεται από πληθώρα εργαλείων εξομοίωσης για την αναπαράσταση και μελέτη χρονικά μεταβαλλόμενων συστημάτων. Η περιγραφή του κάθε μοντέλου έχει γίνει σε ανοιχτό κώδικα με τεράστια τεκμηρίωση. Επιτρέπουν την περιγραφή εξειδικευμένων στοιχείων ηλεκτρικών κυκλωμάτων παρέχοντας μια απλοποιημένη διεπαφή για τη σύνδεση άλλων προγραμμάτωνμοντέλων στο ATP. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αναλύσεις στο πεδίο της συχνότητας και αναλύσεις στο πεδίο του χρόνου. 22

TACS: χρησιμοποιείται στην ανάλυση ως προς το χρόνο συστημάτων ελέγχου. Αρχικά κατασκευάστηκε για την εξομοίωση των ελεγκτών των συστημάτων HVDC. Γενικά τα TACS μπορούν να αναλύσουν: Ελεγκτές για HVDC Διέγερση σύγχρονων μηχανών Ηλεκτρονικά ισχύος και μηχανές Ηλεκτρικά τόξα (σε διακόπτες και γραμμές) Σχήμα 3.2.1 Τα προγράμματα υποστήριξης του ATP-EMTP και η αλληλεπίδραση μεταξύ τους [6] Η διεπαφή μεταξύ των TACS και του ηλεκτρικού δικτύου επιτυγχάνεται με την ανταλλαγή σημάτων όπως τάση κόμβου, ρεύμα διακόπτη, κατάσταση διακόπτη, μεταβαλλόμενη με το χρόνο αντίσταση, τάση και ρεύματος. 23

LINE CONSTANTS: είναι μια υποστηρικτική ρουτίνα για τον υπολογισμό ηλεκτρικών στοιχείων γραμμών μεταφοράς στο πεδίο της συχνότητας. Το LINE CONSTANTS καλείται εσωτερικά για την παραγωγή δεδομένων για τα μοντέλα SEMLYEN SETUP, JMARTI SETUP και NODA SETUP. CABLE CONSTANTS / CABLE PARAMETERS: είναι ρουτίνες υποστήριξης για τον υπολογισμό παραμέτρων καλωδίων ισχύος. Το CABLE PARAMETERS είναι νεότερο από το CABLE CONSTANTS και έχει περισσότερες δυνατότητες. Το CABLE CONSTANTS είναι συνδεδεμένο με το SEMLYEN SETUP και το JMARTI SETUP, ενώ το CABLE PARAMETERS με το NODA SETUP για τη δημιουργία των εξαρτώμενων από τη συχνότητα ηλεκτρικών παραμέτρων. SEMLYEN SETUP: είναι ρουτίνα που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μοντέλων εξαρτώμενων από τη συχνότητα για γραμμές μεταφοράς και καλώδια. BCTRAN: είναι ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα υποστήριξης για το ATP-EMTP. Χρησιμοποιείται για την εξαγωγή γραμμικών [R], [ωl] πινάκων στοιχείων των μετασχηματιστών που προκύπτουν από δοκιμές ανοιχτοκύκλωσης και βραχυκύκλωσης στην ονομαστική συχνότητα. XFORMER: χρησιμοποιείται παρομοίως με το BCTRAN. Συνιστάται η χρήση του BCTRAN. SATURA: είναι ρουτίνα για την αναπαράσταση φαινομένων κορεσμού σε μη-γραμμικές επαγωγές. ZNO FILTER: χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση οξειδίου του ψευδαργύρου επαγωγών υπερτάσεων, βασιζόμενο στα δεδομένα των κατασκευαστών. DATA BASE MODULE: επιτρέπει στο χρήστη να μοντελοποιήσει μέρη του ηλεκτρικού δικτύου. Κάθε μοντέλο μπορεί να περιέχει πολλά διαφορετικά στοιχεία. Κάποια στοιχεία όπως ονόματα κόμβων και αριθμητικά στοιχεία μπορούν να έχουν τυποποιημένες τιμές και έτσι μπορούν να υπολογιστούν οι παράμετροι με μεγαλύτερη ευκολία. [7] 24

3.3 Το ATPDraw To ATPDraw είναι γραφικός προεπεξεργαστής που δημιουργεί αρχεία *.atp. Με το ATPDraw ο χρήστης κατασκευάζει με χρήση γραφικών το προς προσομοίωση ηλεκτρικό δίκτυο, επιλέγοντας στοιχεία από μια εκτεταμένη παλέτα. Μέσα από το πρόγραμμα αναπαρίσταται με τη μορφή δομικών στοιχείων το κυκλωματικό σχέδιο του κυκλώματος ή ηλεκτρικού δικτύου, ορίζονται οι απαραίτητες παράμετροι με σχετικά εύκολο και απλό τρόπο προκειμένου να προχωρήσει ο μελετητής στην ανάλυση με το ATP-EMTP. Η έξοδος του προγράμματος είναι τα εισαγόμενα στο ATP-EMTP αρχείο, *.atp. Το ATPDraw υποστηρίζει περίπου 70 στοιχεία. Καθώς λειτουργεί με τη λογική των Windows, δίνεται στο χρήστη η δυνατότητα επιλογής στοιχείων από τις παλέτες που διαθέτει, ενώ μπορούν να σχεδιαστούν μονοφασικά αλλά και τριφασικά κυκλώματα. Άλλες δυνατότητες του ATPDraw είναι: ενσωματωμένος editor για ATP-file, υποστήριξη του Windows clipboard για bitmap/metafile αρχεία κ.ά. Σχήμα 3.3.1: Τα στοιχεία που υποστηρίζει το ATPDraw Το ATPDraw υποστηρίζει τους παρακάτω τύπους στοιχείων: Γραμμικοί κλάδοι καθώς και συγκεντρωμένα στοιχεία περιλαμβάνοντας και τα TACS. Μη γραμμικοί κλάδοι στοιχείων 25

Διακόπτες Πηγές τάσης και έντασης Δυνατότητα κατασκευής νέων μοντέλων από το χρήστη (MODELS) Δυνατότητα ορισμού στοιχείων από το χρήστη (User Object) Οι βασικοί τύποι αρχείων που υποστηρίζονται από το ATPDraw είναι:.atp atp αρχείο. Αρχείο που παράγεται από το ATPDraw και μεταφράζεται απευθείας με το ATP-EMTP..adp project αρχείο. Αρχείο που περιέχει την περιγραφή του κυκλώματος και όλα τα εξωτερικά οριζόμενα στοιχεία αυτού, όπως model, user specified, line/cable data και lib αρχεία. Μαζί με αυτό το αρχείο ανοίγουν και τα υπόλοιπα εξωτερικά αρχεία που αφορούν το συγκεκριμένο κύκλωμα έτσι ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία του..sup support αρχείο. Περιλαμβάνει πληροφορίες για κάθε στοιχείο ξεχωριστά όπως αριθμό συνδέσεων, εικονίδιο, κείμενο βοήθειας..mob,.lib model, user specified αρχείο. Αρχεία που περιέχουν πληροφορίες για τα MODEL ή τα User Specified στοιχεία. Η διαδικασία ανάλυσης γίνεται ως εξής: Με τη βοήθεια του ATPDraw ο χρήστης σχεδιάζει το κύκλωμα, το οποίο μαζί με όλες τις παραμέτρους αποθηκεύεται στο αρχείο με κατάληξη.adp. Κατόπιν παράγεται το αρχείο κειμένου.atp, το οποίο θα αποτελέσει την είσοδο του ATP-EMTP. Μετά την προσομοίωση επιστρέφεται ένα αρχείο κειμένου με την κατάληξη.lis και ένα αρχείο με κατάληξη.pl4, στην περίπτωση που η προσομοίωση ολοκληρωθεί επιτυχώς. Σε αντίθετη περίπτωση παράγεται μόνο το πρώτο αρχείο, αναφέροντας και το λόγο που παρουσιάστηκε το σφάλμα. Το αρχείο.pl4 περιλαμβάνει τις γραφικές παραστάσεις που έχουν ζητηθεί από το χρήστη. 3.4 Control Center Το ATP Control Center (ATPCC) είναι ένα εύχρηστο εργαλείο για τη διαχείριση των διάφορων προγραμμάτων για το ATP-EMTP. Το ATPCC υποστηρίζει τα προγράμματα ATPDraw, PCPlot και οποιοδήποτε πρόγραμμα σχετικό με το ATP-EMTP το οποίο τρέχει σε Windows. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι τα εξής: Δυνατότητα χρήσης δύο διαφορετικών εκδόσεων ATP συγχρόνως Δυνατότητα χρήσης του επιθυμητού από το χρήστη editor Πάνω από 10 εξωτερικά προγράμματα μπορούν να συνδεθούν με το ATPCC Event window που απεικονίζει τις ήδη εκτελεσμένες εντολές 26

Επανεκτέλεση των εντολών από το event window. Σχήμα 3.4.1: επικοινωνία του ATPCC με τις υπόλοιπες εφαρμογές 3.5 PCPlot Το PCPlot είναι πρόγραμμα σχεδιασμού κυματομορφών-γραφικών παραστάσεων. Επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου ATP-EMTP *.pl4 και σχεδιάζει αντίστοιχα τις γραφικές παραστάσεις. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι τα εξής: 6 μεταβλητές μέγιστο όριο επεξεργασίας- σχεδιασμού Δυνατότητα επιλογής χρωμάτων Επιλογή μεγέθυνσης Δυνατότητες copy-paste, BMP format saving 3.6 PlotXY Το PlotXY είναι πρόγραμμα σχεδιασμού κυματομορφών-γραφικών παραστάσεων. Επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου ATP-EMTP *.pl4 και σχεδιάζει αντίστοιχα τις γραφικές παραστάσεις. Δημιουργήθηκε αρχικά για μετά-επεξεργασία αρχείων του ATP-EMTP, υποστηρίζει όμως και αρχεία ASCII data. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι τα εξής: Εύκολο στη χρήση GUI (Graphical User Interface) 6 μεταβλητές μέγιστο όριο επεξεργασίας- σχεδιασμού Σχεδιασμός από τρία αρχεία στο ίδιο φύλλο Σχεδιασμός ως προς το χρόνο ή με Χ-Υ προεπιλεγμένους άξονες 27

Δυνατότητα επιλογής χρωμάτων Επιλογή μεγέθυνσης Δυνατότητες copy-paste, BMP format saving Το κεντρικό παράθυρο του προγράμματος φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.6.1: Το κεντρικό παράθυρο του PlotXY 3.7 GTPPLOT Το GTPPLOT είναι πρόγραμμα σχεδιασμού των εξόδων του ATP-EMTP όπως και τα δύο προηγούμενα, και επίσης τρέχει και σε Linux. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι: Εύκολο στη χρήση GUI (Graphical User Interface) 100000 σημεία και 1000 μεταβλητές μέγιστο όριο επεξεργασίας-σχεδιασμού Σχεδιασμός ανάλυσης Fourier Δεν ελέγχεται από το ποντίκι Δυνατότητα επιλογής χρωμάτων Επιλογή μεγέθυνσης Δυνατότητες copy-paste, BMP format saving 28

3.8 Programmer s File Editor (PFE) Το PFE είναι text editor που τρέχει σε Windows. Με τον PFE χρήστης ελέγχει τα αρχεία εισόδου και εξόδου του EMTP. Καθώς το PFE εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες με το notepad, έχει εγκαταλειφθεί η ανάπτυξή του. 3.9 To ATP-LCC Στο ATP-LCC ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να διαλέξει τα στοιχεία και τα δεδομένα για τη διατομή και το υλικό μιας εναέριας γραμμής μεταφοράς καθώς και ενός συστήματος εναέριων καλωδίων. Με βάση τα τοποθετούμενα από το χρήστη δεδομένα το πρόγραμμα ATP-LCC δημιουργεί ένα ATP αρχείο το οποίο είναι έτοιμο να διαβαστεί και να επεξεργαστεί από το ATP, έτσι ώστε το τελευταίο να είναι σε θέση να δημιουργήσει ένα αρχείο εξόδου ή ένα αρχείο εξόδου πινάκων (LIS αρχείο). Το πρόγραμμα ATP-LCC αποτελείται από δύο μέρη, ένα το οποίο αφορά τα στοιχεία για τις σταθερές των γραμμών και ένα άλλο το οποίο αφορά τα αντίστοιχα δεδομένα για τα καλώδια. Αυτά τα δύο στελέχη του προγράμματος χρησιμοποιούνται από το πρόγραμμα και από το χρήστη ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και σε ξεχωριστά παραθυρικά περιβάλλοντα. Πιο αναλυτικά, το πρόγραμμα υποστηρίζει: 1. Σταθερές γραμμών: συνεχείς παράμετροι Π-ισοδύναμα γραμμών μεταφοράς Έξοδοι μοναδικής απόκρισης Έξοδοι αμοιβαίας σύζευξης Έξοδοι λογαριθμικής συχνότητας 2. Σταθερές καλωδίων: εναέριες γραμμές Μονοπολικά καλώδια Καλώδια εσωκλειόμενου σωλήνα Υποστηρίζονται Π-ισοδύναμα καθώς και γραμμές και καλώδια τύπου JMarti. 29

4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 400 kv ΔΙΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 4.1 Μοντελοποίηση του πυλώνα και της γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης Ο πυλώνας που έχει χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση είναι ο πυλώνας S15 που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.1.1 Πύργος S15 γραμμής διπλού κυκλώματος του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς. [8] Για τη μοντελοποίηση του πυλώνα ξεκινάμε με την παραδοχή ότι ο κάθε βραχίονας μπορεί να αναπαρασταθεί από μια ωμική αντίσταση σε σειρά με έναν παράλληλο κλάδο που αποτελείται από μία ωμική αντίσταση και μια αυτεπαγωγή, και η διάταξη επαναλαμβάνεται 3 φορές για τους τρεις βραχίονες από τους οποίους αναρτώνται οι αγωγοί φάσης και άλλη μία για τον αγωγό προστασίας. Στο κάτω μέρος της διάταξης προστίθεται μία αντίσταση η οποία είναι η αντίσταση γείωσης του πυλώνα (footing resistance). Η διάταξη παρουσιάζεται στο επόμενο σχήμα. 30

Σχήμα 4.1.2: Κυκλωματικό μοντέλο πύργου. [9] Το κυκλωματικό ισοδύναμο του πύργου στο ATPDraw φαίνεται παρακάτω. Σχήμα 4.1.3: Διάταξη πυλώνα στο ATPDraw 31

Οι τιμές των R και L ορίζονται από τις παρακάτω εξισώσεις [9]: R i =ΔR i x i, L i =2τR i ΔR 1 =ΔR 2 =ΔR 3 =2Ζ 1 ln(1/α 1 )/(h-x 4 ) ΔR 4 =2Z 4 ln(1/α 4 )/h όπου τ=h/c 0: χρόνος διάδοσης κατά μήκος του πύργου α 1 =α 4 =0.89: απόσβεση κατά μήκος του πύργου h: το ύψος του πύργου και οι προτεινόμενες τιμές για τα Ζ 1 και Ζ 4 για γραμμή μεταφοράς 400 kv είναι 220 Ω και 150 Ω αντίστοιχα. Με βάση τα παραπάνω, οι τιμές των παραμέτρων που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι οι εξής: Ζ 1 =Ζ 2 =Ζ 3 =220 Ω Ζ 4 =150 Ω R 1 =17.763 Ω R 2 =17.233 Ω R 3 =16.24 Ω R 4 =15.327 Ω L 1 =0.005323 mh L 2 =0.00517 mh L 3 =0.004866 mh L 4 =0.004592 mh R f = 10 Ω Η εμπέδηση βάσης του πυλώνα τείνει να είναι χωρητική σε περίπτωση εδάφους με υψηλή αντίσταση και επαγωγική στην περίπτωση εδάφους με χαμηλή αντίσταση. Το πρόβλημα στην παράστασή της είναι το εξής: η εμπέδηση βάσης μπορεί να είναι ωμική, επαγωγική ή χωρητική ανάλογα με την εποχή και τις καιρικές συνθήκες όταν γίνεται μία μέτρηση, καθώς η εμπέδηση εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την υγρασία του εδάφους. Έτσι, δεν είναι εύκολο να επιλεχθεί ένα μοντέλο για την αντίσταση βάσης R f. Η R f θεωρείται εδώ σαν μια γραμμική αντίσταση, αν και μια εξαρτώμενη από ρεύμα μη γραμμική αντίσταση προτείνεται από την IEEE και την CIGRE με τα επαγωγικά και χωρητικά χαρακτηριστικά της γνωστά. [9] Ο πυλώνας αυτός είναι πυλώνας διπλού κυκλώματος, ο οποίος φέρει δύο τριφασικά κυκλώματα συμμετρικά ως προς τον κατακόρυφο άξονά του. Κάθε τριφασικό κύκλωμα έχει τρία ζεύγη κατακόρυφα τοποθετημένων αγωγών, δηλαδή δύο αγωγούς ανά φάση. Ο πυλώνας έχει στην κορυφή του δύο αγωγούς προστασίας. 32

Οι αγωγοί φάσεων που αναρτώνται από τον πυλώνα έχουν εξωτερική διάμετρο 3.15 cm και αντίσταση 0.033 Ω/km DC. Οι διπλοί αγωγοί της κάθε φάσης απέχουν μεταξύ τους 40 cm. Κάθε ζεύγος αγωγών αναρτάται από μονωτήρες μήκους 3.75 m. Είναι, επίσης, απαραίτητο να θεωρήσουμε μια πολύ μικρή εσωτερική ακτίνα στους αγωγούς φάσης που θα παίξει ρόλο στη συμπεριφορά του αγωγού στο επιδερμικό φαινόμενο (ανομοιομορφία ρευματικής κατανομής στη διατομή των αγωγών). Οι αγωγοί προστασίας που αναρτώνται στον πάνω βραχίονα του πυλώνα έχουν εξωτερική διάμετρο 9.53 mm και αντίσταση 1.63 Ω/km DC. Στο ένα άκρο της γραμμής έχουμε τρεις εμπεδήσεις προσαρμογής, η κάθε μια συνδεδεμένη στη φάση στην οποία αντιστοιχεί. Οι τιμές των εμπεδήσεων αυτών έχουν προκύψει χρησιμοποιώντας την παρακάτω έκφραση: Ζ=60ln(2h/r) όπου: h: το μέσο ύψος του αγωγού r: η εξωτερική ακτίνα του αγωγού Καθώς η γραμμή μεταφοράς τερματίζεται με αυτές τις εμπεδήσεις προσαρμογής, δεν δημιουργείται ανακλώμενο οδεύον κύμα από το άκρο της γραμμής, και συνεπώς η γραμμή μεταφοράς αντιμετωπίζεται σαν άπειρος ζυγός. [10] 4.2 Προσομοίωση πυλώνα και γραμμής μεταφοράς στο ATPDraw Για την προσομοίωση του κυκλώματος χρησιμοποιούμε τις παραμέτρους που αναφέρθηκαν παραπάνω για τους πυλώνες και τις γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης στο LCC μοντέλο του ATPDraw. Χρησιμοποιούμε το μοντέλο J.Marti [6] που εξαρτάται από τη συχνότητα, λαμβάνοντας υπόψη τη γεωμετρία της γραμμής. Παρακάτω παρουσιάζονται σε εικόνες τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν και η γεωμετρία της γραμμής μεταφοράς. 33

Σχήμα 4.2.1: Μοντέλο γραμμής μεταφοράς Σχήμα 4.2.2: Χαρακτηριστικά γραμμής μεταφοράς και πυλώνων 34

Σχήμα 4.2.3: Γεωμετρική απεικόνιση της θέσης των αγωγών φάσεων και προστασίας 4.3 Μοντέλο αλεξικέραυνων Τα αλεξικέραυνα που θα χρησιμοποιηθούν στο κύκλωμα είναι το μοντέλο που προτείνεται από την IEEE [11]. Το κυκλωματικό μοντέλο φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 4.3.1: Μοντέλο καθοδικού αλεξικέραυνου της IEEE [11] Στο μοντέλο αυτό, η μη-γραμμική χαρακτηριστική ενός αλεξικέραυνου παρουσιάζεται από δύο μη-γραμμικές αντιστάσεις Α 0 και Α 1, οι οποίες χωρίζονται από ένα φίλτρο R-L. Αυτό το φίλτρο για ρεύματα αργού μετώπου έχει πολύ μικρή εμπέδηση και ουσιαστικά οι δύο μη- 35

γραμμικές αντιστάσεις συνδέονται παράλληλα. Για ρεύματα γρήγορου μετώπου η εμπέδηση του φίλτρου R-L γίνεται μεγαλύτερη κι αυτό έχει σαν αποτέλεσμα περισσότερο ρεύμα να περνά μέσα από την Α 0 παρά από την Α 1. Εφόσον η Α 0 έχει μεγαλύτερη τάση από την Α 1 για ένα δεδομένο ρεύμα, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το μοντέλο να δημιουργεί μεγαλύτερη τάση, κάτι που συμπίπτει με τη δυναμική συμπεριφορά ενός αλεξικέραυνου. Οι παράμετροι των στοιχείων υπολογίζονται ως εξής: L 0 =0.2d/n μh R 0 =100d/n Ω C=100n/d pf L 1 =15d/n μh R 1 =65d/n Ω όπου d: το μήκος του αλεξικέραυνου σε m (από τους καταλόγους του κατασκευαστή) n: ο αριθμός παράλληλων στηλών του οξειδίου του μετάλλου του αλεξικέραυνου. Οι V-I χαρακτηριστικές για τις μη-γραμμικές αντιστάσεις Α 0 και Α 1 μπορούν να υπολογιστούν από το παρακάτω διάγραμμα ή τον πίνακα που ακολουθεί. Σχήμα 4.3.2: V-I χαρακτηριστική για τις μη-γραμμικές αντιστάσεις [12] 36

I (A) V (pu) I (A) V (pu) 10 1,4 100 1,23 100 1,54 1000 1,36 1000 1,68 2000 1,43 2000 1,74 4000 1,48 4000 1,8 6000 1,5 6000 1,82 8000 1,53 8000 1,87 10000 1,55 10000 1,9 12000 1,56 12000 1,93 14000 1,58 14000 1,97 16000 1,59 16000 2 18000 1,6 18000 2,05 20000 1,61 20000 2,1 (α) (β) Πίνακας 4.1 (α): Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος για τη μη γραμμική αντίσταση Α 0 (β): Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος για τη μη γραμμική αντίσταση Α 1 Ο τύπος των αλεξικέραυνων που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων είναι PEXLIM Q της ABB με ονομαστική τάση (rated voltage) 330 kvrms. [4] Στο κύκλωμά μας έχουμε χρησιμοποιήσει 7 πυλώνες οι οποίοι απέχουν μεταξύ τους 500 m. Τα αλεξικέραυνα τοποθετούνται στον κεντρικό πυλώνα, και στα δύο τριφασικά κυκλώματα, ένα σε κάθε φάση, με τον ένα ακροδέκτη στη φάση και τον άλλο επάνω στον πύργο. Το κύκλωμα που προκύπτει στο ATPDraw φαίνεται στο επόμενο σχήμα. 37

Σχήμα 4.3.3: Κύκλωμα εναέριας γραμμής μεταφοράς 400 kv στο ATPDraw 38

4.4 Προσομοίωση κεραυνικών πληγμάτων Οι κεραυνικές υπερτάσεις μπορούν να προσομοιωθούν στο ATPDraw με μία γεννήτρια κρουστικού ρεύματος HEIDLER. Η γεννήτρια παράγει ένα κρουστικό ρεύμα πάνω στη γραμμή, το οποίο θα δημιουργήσει μια υπέρταση η οποία θα διαδοθεί πάνω στη γραμμή με τη μορφή κρουστικού κύματος. Η καρτέλα δεδομένων της κρουστικής γεννήτριας HEIDLER φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 4.4.1: Η κρουστική γεννήτρια Heidler για κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs Θα εξεταστούν δύο περιπτώσεις: Κεραυνικό πλήγμα στον μεσαίο πυλώνα (πυλώνας Τ4) Κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ3 Για την κάθε περίπτωση θα εξεταστούν τρεις τύποι κεραυνικών πληγμάτων με εύρος και χρόνους μετώπου/ουράς αντίστοιχα : - 100 ka, 10/350 μs - 100 ka, 8/20 μs - 100 ka, 1.2/50 μs 39

4.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης και συμπεράσματα 4.5.1 Πλήγμα στον πυλώνα Τ4 Θα ξεκινήσουμε την πρώτη εξομοίωση με κεραυνό να πέφτει πάνω στον αγωγό προστασίας του πυλώνατ4 και θα πάρουμε μετρήσεις για τα τρία κεραυνικά πλήγματα με εύρος 100 ka και χρόνους μετώπου/ουράς 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs. 4.5.1.1 Κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka, 10/350 μs To κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka και χρόνων μετώπου και ουράς 10/350 μs που πλήττει τη γραμμή μεταφοράς έχει τη μορφή του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 4.5.1: Μορφή κρουστικού ρεύματος 100 ka 10/350 μs στο σημείο του πλήγματος Το ρεύμα αυτό θα προκαλέσει στη γραμμή μεταφοράς μια υπέρταση η οποία έχει τη μορφή κρουστικού κύματος και θα αρχίσει να οδεύει πάνω στη γραμμή και μέσω των αλεξικέραυνων και των γειώσεων των πυλώνων θα κατευθυνθεί προς τη γη. Στα παρακάτω σχήματα φαίνονται τα ρεύματα που μπαίνουν στις κορυφές των 7 πυλώνων του συστήματος, τα ρεύματα εκφόρτισης στα αλεξικέραυνα που είναι συνδεδεμένα στις φάσεις που αναρτώνται από τον πυλώνα Τ4 και τα ρεύματα που περνάνε τελικά από τις γειώσεις των πυλώνων. 40

Σχήμα 4.5.2: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Παρατηρούμε πως τα αλεξικέραυνα που είναι τοποθετημένα στον πυλώνα Τ4 όπου και συμβαίνει το κεραυνικό πλήγμα «τραβάνε» το μεγαλύτερο ρεύμα κι έτσι στον πυλώνα Τ4 περνάει ρεύμα 33,65 ka, ενώ στους άλλους πυλώνες κατευθύνεται πολύ μικρότερο ρεύμα. Σχήμα 4.5.3: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύμα εκφόρτισης στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β 41

Το αλεξικέραυνο που είναι συνδεδεμένο στη φάση Α, η οποία αναρτάται από τον ψηλότερο βραχίονα του πυλώνα απορροφά το μεγαλύτερο ποσοστό ρεύματος που περνάει από τον πυλώνα αυτό, ενώ τα επόμενα δύο αλεξικέραυνα πολύ μικρά ποσοστά αυτού. Τελικά τα ρεύματα που περνάνε μέσω των πύργων στη γη φαίνονται παρακάτω. Σχήμα 4.5.4: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα στις γειώσεις των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Τα ρεύματα στις γειώσεις των πύργων Τ1, Τ2, Τ3, Τ5, Τ6, Τ7 είναι προφανώς ίδια με αυτά που μπαίνουν στις κορυφές, με διαφορά στον πυλώνα 4 όπου έχουμε τα αλεξικέραυνα, από τα οποία περνάει περίπου το 70% του ρεύματος του πυλώνα. Τα αποτελέσματα των παραπάνω μετρήσεων, καθώς και τα ρεύματα που οδεύουν πάνω στους αγωγούς προστασίας παρουσιάζονται αναλυτικά παρακάτω. Ρεύμα στους πυλώνες IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 11.50kA 11.44kA 12.97kA 33.65kA 12.97kA 12.50kA 12.49kA Ρεύμα στις γειώσεις IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 11.50kA 11.44kA 12.97kA 10.71kA 12.97kA 12.50kA 12.49kA ρεύμα στους αγωγούς προστασίας IT2->T1 IT3->T2 IT4->T3 IT4->T5 IT5->T6 IT6->T7 10.13kA 15.98kA 20.90kA 20.90kA 15.98kA 10.13kA 42

Ρεύμα Αλεξικέραυνου φάση Α 14.68kA φάση C φάση Β 2.80kA 0.20kA Παρακάτω φαίνονται οι τάσεις που αναπτύσσονται στα σημεία όπου αναρτώνται οι αγωγοί προστασίας επάνω στον πυλώνα και οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα των τριών φάσεων. Σχήμα 4.5.5: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ4, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στους πυλώνες Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Η μεγαλύτερη υπέρταση εμφανίζεται στην κορυφή του πυλώνα Τ4 όπου πέφτει ο κεραυνός και φτάνει στα 13,21 MV. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται αναλυτικά οι τάσεις στους βραχίονες όλων των πυλώνων. Τάσεις στους βραχίονες των πυλώνων T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 VN 9.43MV 9.38MV 10.65MV 13.21MV 10.66MV 10.25MV 10.26MV VA 6.88MV 6.86MV 7.79MV 7.18MV 7.79MV 7.50MV 7.50MV VC 4.37MV 4.35MV 4.94MV 4.04MV 4.94MV 4.75MV 7.50MV VB 1.84MV 1.83MV 2.07MV 1.71MV 2.08MV 2.00MV 2.00MV 43

Σχήμα 4.5.6: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α, C, Β (α) Σχήμα 4.5.7: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α, C, Β (β) Οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα έχουν τιμές: Φάση Α: 868 kv Φάση C: 717 kv Φάση B: 605 kv 44

Οι τιμές αυτές πλησιάζουν αρκετά τις τιμές του κατασκευαστή που δίνει 854 kv, 737 kv και 634 kv για τις αντίστοιχες φάσεις. 4.5.1.2 Κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka, 8/20 μs To κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka και χρόνων μετώπου και ουράς 8/20 μs που πλήττει τον αγωγό προστασίας έχει τη μορφή του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 4.5.8: Μορφή κρουστικού ρεύματος 100 ka 8/20 μs Τα ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων, τα ρεύματα εκφόρτισης των αλεξικέραυνων και τα ρεύματα στις γειώσεις των πυλώνων φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 4.5.9: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 45

Σχήμα 4.5.10: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα εκφόρτισης στα αλεξικέραυνα της φάσης Α, C, Β Σχήμα 4.5.11: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα στις γειώσεις των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Η μεγαλύτερη ποσότητα ρεύματος περνάει πάλι από τον πυλώνα Τ4 όπου γίνεται και το πλήγμα, και είναι 27,31 ka. Τα αλεξικέραυνα της φάσης Α απορροφούν το μεγαλύτερο ποσό από το ρεύμα που περνάει στον πυλώνα. Αναλυτικά τα ρεύματα που περνάνε από 46

τους πυλώνες, τα αλεξικέραυνα και τους αγωγούς προστασίας παρουσιάζονται στους παρακάτω πίνακες. Ρεύμα στους πυλώνες IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 11.52kA 11.51kA 11.86kA 27.31kA 11.86kA 12.37kA 12.60kA Ρεύμα στις γειώσεις IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 11.52kA 11.51kA 11.86kA 9.79kA 11.86kA 12.37kA 12.60kA ρεύμα πάνω στους αγωγούς προστασίας IT2->T1 IT3->T2 IT4->T3 IT4->T5 IT5->T6 IT6->T7 8.32kA 15.38kA 20kA 20kA 15.38kA 8.36kA Ρεύμα Αλεξικέραυνου Φάση Α 12.10kA Φάση C 2.28kA Φάση B 0.77kA Ακολουθούν οι τάσεις που αναπτύσσονται στα σημεία όπου συνδέονται οι αγωγοί προστασίας στους πυλώνες και οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα των τριών φάσεων. 47

Σχήμα 4.5.12: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ4, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στους πυλώνες Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Η μεγαλύτερη υπέρταση εμφανίζεται στην κορυφή του πυλώνα Τ4 όπου συμβαίνει το πλήγμα και φτάνει τα 11,85 MV. Σχήμα 4.5.13: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (α) 48

Σχήμα 4.5.14: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (β) Οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα έχουν τιμές: Φάση Α: 831 kv Φάση C: 705 kv Φάση B: 644 kv Ο κατασκευαστής δίνει τιμές αντίστοιχα 854 kv, 737 kv και 654 kv. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται αναλυτικά οι τιμές των τάσεων που εμφανίζονται στους βραχίονες που αναρτώνται οι φάσεις και οι αγωγοί προστασίας και των 7 πυλώνων. Τάσεις στους βραχίονες των πυλώνων T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 VN 9.45MV 9.44MV 9.73MV 11.85MV 9.73MV 10.14MV 10.34MV VA 6.92MV 6.91MV 7.12MV 6.52MV 7.12MV 7.42MV 7.56MV VC 4.38MV 4.37MV 4.51MV 3.69MV 4.51MV 4.70MV 4.79MV VB 1.84MV 1.84MV 1.89MV 1.56MV 1.90MV 1.98MV 2.01MV 4.5.1.3 Κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka, 1.2/50 μs To κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka και χρόνων μετώπου και ουράς 1.2/50 μs που πλήττει τον αγωγό προστασίας έχει τη μορφή του παρακάτω σχήματος. 49

Σχήμα 4.5.15: Μορφή κρουστικού ρεύματος 100 ka 1.2/50 μs Ακολουθούν τα ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων, τα ρεύματα εκφόρτισης στα αλεξικέραυνα και τα ρεύματα στις γειώσεις. Σχήμα 4.5.16: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 50

Σχήμα 4.5.17: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα εκφόρτισης στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β Σχήμα 4.5.18: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ4, ρεύματα στις γειώσεις των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Το μεγαλύτερο ρεύμα περνάει από τον πυλώνα Τ4 και φτάνει τα 29,78 ka. Όπως και στα προηγούμενα πλήγματα, το μεγαλύτερο ποσοστό αυτού περνάει μέσα από τα αλεξικέραυνα, και ιδιαίτερα από το αλεξικέραυνο της φάσης Α, που είναι αναρτημένη στην κορυφή του πυλώνα, πιο κοντά στο κεραυνικό πλήγμα. Αναλυτικά τα ρεύματα που περνάνε από τους πυλώνες, τα αλεξικέραυνα και τους αγωγούς προστασίας παρουσιάζονται παρακάτω. 51

Ρεύμα στους πυλώνες IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 11.97kA 11.85kA 14kA 29.78kA 14kA 12.47kA 13.42kA Ρεύμα Αλεξικέραυνου φάση Α 13.19kA Φάση C Φάση Β 2.45kA 0.605kA Ρεύμα στις γειώσεις IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 11.97kA 11.85kA 14kA 11.46kA 14kA 12.47kA 13.42kA Ρεύμα πάνω στους αγωγούς προστασίας IT2->T1 IT3->T2 IT4->T3 IT4->T5 IT5->T6 IT6->T7 11.06kA 15.56kA 19.06kA 19.06kA 15.57kA 11.06kA Οι τάσεις που εμφανίζονται στις κορυφές των πυλώνων στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας φαίνονται παρακάτω. Σχήμα 4.5.19: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ4, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στους πυλώνες Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 52

Η μεγαλύτερη υπέρταση και πάλι εμφανίζεται στην κορυφή του πυλώνα Τ4 και φτάνει τα 14,29 MV. Οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα φαίνονται στα παρακάτω σχήματα και έχουν τιμές: Φάση Α: 907 kv Φάση C: 787 kv Φάση Β: 555 kv, με τιμές κατασκευαστή αντίστοιχα 854 kv, 737 kv και 634 kv Σχήμα 4.5.20: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (α) 53

Σχήμα 4.5.21: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (β) Αναλυτικά οι τιμές των τάσεων που εμφανίζονται στους βραχίονες και των 7 πυλώνων παρουσιάζονται παρακάτω. Τάσεις στους βραχίονες των πυλώνων T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 VN 9.85MV 9.75MV 11.50MV 14.29MV 11.50MV 10.27MV 11.03MV VA 7.21MV 7.13MV 8.42MV 7.73MV 8.42MV 7.52MV 8.07MV VC 4.56MV 4.52MV 5.33MV 4.32MV 5.33MV 4.76MV 5.11MV VB 1.92MV 1.9MV 2.24MV 1.84MV 2.25MV 2.00MV 2.15MV 4.5.1.4 Συγκριτικά αποτελέσματα για κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ4 Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζονται οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α, που βρίσκεται στον πάνω βραχίονα του πυλώνα, και άρα πιο κοντά στο πλήγμα, για τα τρία κεραυνικά πλήγματα στον πυλώνα Τ4. 54

Σχήμα 4.5.22: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α για τα πλήγματα 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs (α) Σχήμα 4.5.23: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ4, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α για τα πλήγματα 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs (β) Παρατηρούμε πως για δεδομένο κεραυνικό ρεύμα η παραμένουσα τάση στα άκρα ενός αλεξικέραυνου αυξάνεται καθώς ο χρόνος μετώπου του ρεύματος μειώνεται. Έτσι, η παραμένουσα τάση στα αλεξικέραυνα της φάσης Α για πλήγμα με χρόνους μετώπου και 55

ουράς 1.2/50 μs είναι μεγαλύτερη από ότι στα άλλα δύο πλήγματα. Ακόμη, ο χρόνος σβέσης της παραμένουσας τάσης στα άκρα του αλεξικέραυνου είναι ο μικρότερος για το πλήγμα με χρόνους μετώπου και ουράς 8/20 μs. Αυτός ο χρόνος θέλουμε να είναι όσο το δυνατό μικρότερος, που σημαίνει ότι το αλεξικέραυνο μπορεί να αποβάλει άμεσα την υπέρταση. Οπότε για κεραυνικά πλήγματα με αυτούς τους χρόνους μετώπου και ουράς, τα αλεξικέραυνα έχουν τη μικρότερη απορρόφηση ενέργειας, και λειτουργούν πιο αξιόπιστα. Σχήμα 4.5.24: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ4, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στον πυλώνα T4 για τα πλήγματα 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs Τις χειρότερες συνέπειες στο σύστημα προκαλεί το κεραυνικό πλήγμα με χρόνους μετώπου-ουράς 1.2/50 μs γιατί προκαλεί τις μεγαλύτερες υπερτάσεις πάνω στους αγωγούς σε σχέση με τα άλλα πλήγματα, και άρα και μεγαλύτερες καταπονήσεις. 4.5.2 Πλήγμα στον πυλώνα Τ3 Στη δεύτερη εξομοίωση ο κεραυνός πέφτει πάνω στον αγωγό προστασίας του πυλώνα Τ3, ενώ τα αλεξικέραυνα είναι τοποθετημένα πάλι στις τρεις φάσεις του πυλώνα Τ4. Θα πάρουμε μετρήσεις για τα τρία κεραυνικά πλήγματα με εύρος 100 ka και χρόνους μετώπου/ουράς 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs. 4.5.2.1 Κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka, 10/350 μs Τα ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. 56

Σχήμα 4.5.25: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Αν και ο κεραυνός πέφτει στον πυλώνα Τ3, το μεγαλύτερο ρεύμα κατευθύνεται και πάλι στον πυλώνα 4, 500 m μακριά, όπου και βρίσκονται τα αλεξικέραυνα. Στον πυλώνα Τ7, 2 km μακριά από το πλήγμα, το ρεύμα που περνάει στην κορυφή του πυλώνα πέφτει στην τιμή των 12,84 ka. Σχήμα 4.5.26: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύμα στα αλεξικέραυνα του πυλώνα Τ4 στη φάση Α, C, Β 57

Σχήμα 4.5.27: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύμα στις γειώσεις των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Αναλυτικά οι μετρήσεις παρουσιάζονται στους πίνακες που ακολουθούν. Ρεύμα στους πυλώνες IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 16.5kA 15.15kA 17.22kA 34.92kA 11.84kA 11.95kA 12.84kA Ρεύμα στις γειώσεις IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 16.5kA 15.15kA 17.22kA 8.71kA 11.84kA 11.95kA 12,84kA ρεύμα στους αγωγούς προστασίας IT2->T1 IT3->T2 IT4->T3 IT4->T5 IT5->T6 IT6->T7 15.09kA 19.64kA 36.2kA 21.8kA 13.93kA 8.35kA Ρεύμα Αλεξικέραυνου φάση Α 15.5kA φάση C 2.83kA φάση Β 0.3kA Οι τάσεις που εμφανίζονται στις κορυφές των πυλώνων στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας φαίνονται παρακάτω. 58

Σχήμα 4.5.28: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ3, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στους πυλώνες Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Η μεγαλύτερη υπέρταση εμφανίζεται στο σημείο του πλήγματος και φτάνει τα 14,14 MV και στα 2 km μακριά, στον πυλώνα Τ7, έχει πέσει στα 10,53 MV. Συνολικά οι τιμές όλων των τάσεων στους βραχίονες των πυλώνων παρουσιάζονται παρακάτω. Τάσεις στους βραχίονες των πυλώνων T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 VN 13.55MV 12.42MV 14.14MV 10.69MV 9.71MV 9.79MV 10.53MV VA 9.91MV 9.09MV 10.35MV 5.91MV 7.1MV 7.17MV 7.71MV VC 6.28MV 5.75MV 6.56MV 3.29MV 4.5MV 4.53MV 4.88MV VB 2.64MV 2.42MV 2.76MV 1.4MV 1.89MV 1.91MV 2.06MV Οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα φαίνονται στο επόμενο σχήμα. 59

Σχήμα 4.5.29: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (α) Σχήμα 4.5.30: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 10/350 μs στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (β) Οι παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα είναι: Φάση Α: 846 kv Φάση C: 721 kv Φάση Β: 614 kv 60

Οι τιμές των τάσεων αυτών πλησιάζουν τις τιμές που δίνει ο κατασκευαστής οι οποίες είναι αντίστοιχα 854 kv, 737 kv και 634 kv. 4.5.2.2 Κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka, 8/20 μs Παίρνουμε τις ίδιες μετρήσεις όπως και στα προηγούμενα πλήγματα και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται παρακάτω. Σχήμα 4.5.31: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Ρεύμα στους πυλώνες IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 15.15kA 15.18kA 15.21kA 29.58kA 10.64kA 10.85kA 11.97kA Το μεγαλύτερο ρεύμα περνάει από τον πυλώνα Τ4 όπου βρίσκονται τα αλεξικέραυνα και φτάνει την τιμή 29,58 ka. Τα ρεύματα εκφόρτισης στα αλεξικέραυνα είναι 12,64 ka, 2,46 ka και 0,62 ka στις φάσεις Α, C και Β αντίστοιχα και φαίνονται στο επόμενο σχήμα. 61

Σχήμα 4.5.32: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύμα εκφόρτισης των αλεξικέραυνων στη φάση Α, C, Β Τα ρεύματα στις γειώσεις των πυλώνων και οι τιμές τους καθώς και οι τιμές των ρευμάτων που ρέουν πάνω στους αγωγούς προστασίας παρουσιάζονται παρακάτω. Σχήμα 4.5.33: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύμα στις γειώσεις των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 62

Ρεύμα στις γειώσεις IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 15.15kA 15.18kA 15.21kA 8.12kA 10.64kA 10.85kA 11.97kA ρεύμα στους αγωγούς προστασίας IT2->T1 IT3->T2 IT3->T4 IT4->T5 IT5->T6 IT6->T7 12.26kA 19.78kA 33.4kA 20.15kA 13.43kA 7.32kA Ακολουθούν οι τάσεις που εμφανίζονται στις κορυφές των πυλώνων στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας. Σχήμα 4.5.34: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ3, τάση στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στους πυλώνες Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Η μεγαλύτερη υπέρταση εμφανίζεται στο σημείο που συμβαίνει το πλήγμα, δηλαδή στην κορυφή του πυλώνα Τ3, και έχει εξίσου υψηλές τιμές στους πυλώνες Τ2 και Τ1, ενώ στον Τ4 που έχουμε τα αλεξικέραυνα και συνεχίζοντας από την άλλη πλευρά της γραμμής πέφτει στα 9,75 kv και κάτω. Οι τιμές για τις παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα των τριών φάσεων φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα φάση Α φάση C φάση Β 813kV 708kV 635kV 63

Σχήμα 4.5.35: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα του πυλώνα Τ4 στη φάση Α, C, Β (α) Σχήμα 4.5.36: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 8/20 μs στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα του πυλώνα Τ4 στη φάση Α, C, Β (β) Οι τιμές των τάσεων που αναπτύσσονται σε όλους τους βραχίονες από τους οποίους αναρτώνται οι αγωγοί φάσεων και προστασίας σε όλους τους πύργους παρουσιάζονται παρακάτω. 64

Τάσεις στους βραχίονες των πυλώνων T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 VN 12.43MV 12.45MV 12.48MV 9.75MV 8.73MV 8.89MV 9.81MV VA 9.09MV 9.11MV 9.13MV 5.45MV 6.38MV 6.51MV 7.18MV VC 5.76MV 5.77MV 5.78MV 3.07MV 4.04MV 4.12MV 4.55MV VB 2.43MV 2.43MV 2.44MV 1.3MV 1.7MV 1.73MV 1.91MV 4.5.2.3 Κεραυνικό πλήγμα εύρους 100 ka, 1.2/50 μs Όπως στα προηγούμενα κεραυνικά πλήγματα, παρουσιάζονται αντίστοιχες μετρήσεις και για χρόνους 1.2/50 μs. Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω. Σχήμα 4.5.37: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύματα στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 65

Σχήμα 4.5.38: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύματα εκφόρτισης των αλεξικέραυνων στη φάση Α, C, Β Σχήμα 4.5.39: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ3, ρεύματα στις γειώσεις των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 Συνολικά τα αποτελέσματα των μετρήσεων των ρευμάτων: Ρεύμα στους πυλώνες IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 17.87kA 15.36kA 18.65kA 29.77kA 11.32kA 10.49kA 11.96kA 66

Ρεύμα στις γειώσεις IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 17.87kA 15.36kA 18.65kA 9.28kA 11.32kA 10.49kA 11.96kA ρεύμα στους αγωγούς προστασίας IT2->T1 IT3->T2 IT3->T4 IT4->T5 IT5->T6 IT6->T7 16.48kA 20.35kA 34.07kA 20.7kA 18.04kA 9.07kA Ρεύμα Αλεξικέραυνου φάση Α 12.7kA φάση C 2.54kA φάση Β 0.66kA Σχήμα 4.5.40: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ3, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στις κορυφές των πυλώνων Τ1, Τ2, Τ3, Τ4, Τ5, Τ6, Τ7 67

Σχήμα 4.5.41: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β (α) Σχήμα 4.5.42: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα 100 ka 1.2/50 μs στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα στη φάση Α, C, Β Τάσεις στους βραχίονες των πυλώνων T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 VN 14.69MV 12.62MV 15.33MV 11.55MV 9.29MV 8.62MV 9.84MV VA 10.75MV 9.23MV 11.21MV 6.33MV 6.8MV 6.31MV 7.2MV VC 6.81MV 5.85MV 7.1MV 3.51MV 4.31MV 3.99MV 4.56MV VB 2.87MV 2.46MV 2.99MV 1.48MV 1.81MV 1.68MV 1.92MV 68

παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα φάση Α φάση C φάση Β 885kV 788kV 657kV Οι τάσεις αυτές είναι λίγο υψηλότερες από τις αντίστοιχες παραμένουσες τάσεις που δίνει ο κατασκευαστής, οι οποίες είναι 854 kv, 737 kv και 634 kv. 4.5.2.4 Συγκριτικά αποτελέσματα για κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ3 Σχήμα 4.5.43: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ3, τάσεις στα σημεία ανάρτησης των αγωγών προστασίας στον πυλώνα Τ3 για τα πλήγματα 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs Η μεγαλύτερη καταπόνηση της γραμμής συμβαίνει για κεραυνικό πλήγμα 1.2/50 μs καθώς αναπτύσσεται η μεγαλύτερη υπέρταση στο σημείο του πλήγματος που φτάνει τα 15,33 MV, κάτι το οποίο είναι και αναμενόμενο καθώς έχει το πιο απότομο μέτωπο από τα πλήγματα. Το πιο ήπιο για το σύστημα πλήγμα είναι αυτό με χρόνους 8/20 μs γιατί δημιουργεί τις μικρότερες υπερτάσεις (12,48 MV). Η σύγκριση των παραμένουσων τάσεων στα αλεξικέραυνα για τα τρία πλήγματα θα γίνει για τα αλεξικέραυνα της φάσης Α, και φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 69

Σχήμα 4.5.44: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α για τα πλήγματα 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs (α) Σχήμα 4.5.45: 400 kv γραμμή μεταφοράς, κεραυνικό πλήγμα στον πυλώνα Τ3, παραμένουσες τάσεις στα αλεξικέραυνα της φάσης Α για τα πλήγματα 10/350 μs, 8/20 μs και 1.2/50 μs (β) Όπως και στην περίπτωση του πλήγματος στον πυλώνα Τ4, έτσι και εδώ το κεραυνικό πλήγμα με χρόνους μετώπου και ουράς 8/20 μs προκαλεί τη χαμηλότερη παραμένουσα 70

τάση στα αλεξικέραυνα της φάσης Α (813 kv) και επίσης έχει και πάλι το μικρότερο χρόνο σβέσης και άρα τη μικρότερη θερμική καταπόνηση. Το πλήγμα με χρόνους 1.2/50 μs προκαλεί την υψηλότερη παραμένουσα τάση στα άκρα του αλεξικέραυνου, 885 kv, κάτι που είναι αναμενόμενο καθώς ο χρόνος μετώπου του ρεύματος είναι μικρότερος από ότι στα άλλα δύο πλήγματα. 71

5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150 kv ΔΙΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 5.1 Μοντελοποίηση του πυλώνα και της γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης Ο πυλώνας που έχει χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της γραμμής μεταφοράς 150 kv είναι ο πύργος S4 που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.1.1: Πύργος S4 γραμμής διπλού κυκλώματος του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς [8] Πρόκειται για πυλώνα διπλού κυκλώματος, ο οποίος φέρει δύο τριφασικά κυκλώματα συμμετρικά ως προς τον άξονά του, με έναν αγωγό ανά φάση. Ο πύργος έχει στην κορυφή του έναν αγωγό προστασίας. Το ύψος πρόσδεσης των αγωγών φάσεως από το έδαφος είναι 19.95 m και το συνολικό ύψος του πυλώνα είναι 33 m. 72

Οι αγωγοί φάσεων που αναρτώνται από τον πυλώνα έχουν εξωτερική διάμετρο 2.52 cm και αντίσταση 0.097 Ω/km DC. Ο αγωγός προστασίας που αναρτάται στο πάνω μέρος του πύργου έχει εξωτερική διάμετρο 0.953 cm και αντίσταση 1.63 Ω/km DC. Η μοντελοποίηση του πυλώνα γίνεται με την ίδια διαδικασία που περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο για τη γραμμή μεταφοράς 400 kv [9]. Οι τιμές που έχουν προκύψει για το μοντέλο είναι οι εξής: Ζ 1 =Ζ 2 =Ζ 3 =220 Ω, R 1 = 15.5652 Ω, R 2 = 17.854 Ω R 3 = 17.854 Ω R 4 = 23.0862 Ω Ζ 4 =150 Ω L 1 = 0.003424 mh L 2 = 0.003927 mh L 3 = 0.003927 mh L 4 = 0.005078 mh R f = 10 Ω 5.2 Προσομοίωση του πυλώνα και της γραμμής μεταφοράς στο ATPDraw Για την προσομοίωση του κυκλώματος 150 kv χρησιμοποιούμε τις παραπάνω παραμέτρους στο LCC του ATPDraw, και πάλι με το μοντέλο J.Marti όπως και για τη γραμμή 400 kv. Παρακάτω παρουσιάζονται σε εικόνες τα στοιχεία και η γεωμετρία της γραμμής. Σχήμα 5.2.1: Μοντέλο γραμμής μεταφοράς 73

Σχήμα 5.2.2: Χαρακτηριστικά γραμμής μεταφοράς και πυλώνων Σχήμα 5.2.3: Γεωμετρική απεικόνιση θέσης αγωγών φάσεων και προστασίας 74