ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ. κής σχολής. Πατρών: ΜΠΟΥ. Θέμα: Επιβλέπουσα:

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Α του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικ κής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΝΙΚΟΛΑΚΟΠΟΥΛΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜ ΜΠΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6590 Θέμα: ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΕΙΩΣΕΩΝ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα, Φεβρουάριος 2013

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΕΙΩΣΕΩΝ του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΝΙΚΟΛΑΚΟΠΟΥΛΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Α.Μ.: 6590 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικων και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο διευθυντής του τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας μου, κ. Ελευθερία Πυργιώτη, για την καθοδήγηση και τις συμβουλές που μου παρείχε για την ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας.

Αριθμός ιπλωματικής Εργασίας: ΤΙΤΛΟΣ: ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΕΙΩΣΕΩΝ. Φοιτητής: Χαράλαμπος Νικολακόπουλος Επιβλέπουσα: Ελευθερία Πυργιώτη

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η αντικεραυνική προστασία των αιολικών πάρκων αποτελεί ένα πρόβλημα με αρκετές ιδιαιτερότητες λόγω της μορφής και της τοποθέτησης αυτών των κατασκευών σε σημεία όπου είναι ευάλωτα σε κεραυνικά πλήγματα. Για αυτό τον λόγο, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την προστασία των ανεμογεννητριών και διεξάγονται έρευνες για την αποτελεσματικότητα αυτών. Μία από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται είναι και η διασύνδεση των πλεγμάτων γείωσης των ανεμογεννητριών. Αντικείμενο, λοιπόν, της παρούσης εργασίας είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς ενός συστήματος γείωσης ενός αιολικού πάρκου το οποίο αποτελείται από τέσσερεις ανεμογεννήτριες. Τα πλέγματα γείωσης των ανεμογεννητριών συνδέονται μέσω αγωγών γείωσης, με σκοπό την καταγραφή της συμπεριφοράς της τάσης σε διάφορα σημεία των πλεγμάτων. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται σύγκριση των κυματομορφών των τάσεων στα διάφορα σημεία καθώς και σύγκριση για διαφορετικές διεγέρσεις και τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους, στο χώρο όπου τοποθετούνται οι γειωμένοι αγωγοί διασύνδεσης. Επίσης γίνεται σύγκριση της συμπεριφοράς του διασυνδεδεμένου μέσω αγωγών γείωσης συστήματος με ένα σύστημα στο οποίο η διασύνδεση των γεννητριών γίνεται μέσω αγωγών οι οποίοι ακουμπάνε στο έδαφος. Για την εξομοίωση των συστημάτων γείωσης, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της κυκλωματικής προσέγγισης σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόδια γείωσης παριστάνονται μέσω κατανεμημένων τμημάτων, τα οποία αποτελούνται από εν σειρά επαγωγές και αντιστάσεις, καθώς και εγκάρσιες αγωγιμότητες και χωρητικότητες. Το ισοδύναμο κύκλωμα δημιουργήθηκε στο πρόγραμμα εξομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων EMTP και οι τιμές των διαφόρων μεγεθών υπολογίστηκαν με τη βοήθεια του Microsoft Excel. Αναλυτικότερα: Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά σε γενικές έννοιες που θα χρησιμοποιηθούν έπειτα στο κείμενο. Μεταξύ αυτών είναι οι ορισμοί των εννοιών της γείωσης, της βηματικής τάσης, της τάσης επαφής κ.α. Συνεχίζοντας αναφέρονται τα είδη των γειώσεων οι μέθοδοι γείωσης, τα κριτήρια αποτελεσματικότητας και τα είδη των ηλεκτροδίων γείωσης. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην ειδική αντίσταση του εδάφους και τους παράγοντες που την επηρεάζουν καθώς και στις έννοιες της κρουστικής σύνθετης αντίστασης και της κρίσιμης έντασης ηλεκτρικού πεδίου. Στο Τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η θεωρία μελέτης του φαινομένου του ιονισμού και τα διάφορα μοντέλα ιονισμού που έχουν κατά καιρούς προταθεί.

Στο Τέταρτο Κεφάλαιο δίνονται τα μοντέλα που χρησιμοποι ιούνται από τους ερευνητές για την εξομοίωση των συστημάτων γείωσης. Αφού πρώτα γίνεται μια μικρή αναφορά στα πρωτοεμφανιζόμεναα μοντέλα,, παρουσιάζονται το μοντέλο της τ κυκλωματικής προσέγγισης, το μοντέλο γραμμής μεταφοράς, το μοντέλο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και τέλος το υβριδικό μοντέλο. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο δίνονται τα στοιχεία του πλέγματος γείωσης, γ υπολογίζονται οι παράμετροί του και δίνονται πληροφορ ρίες για τη διασύνδεσ ση καθώς και τη διάταξη του αιολικού πάρκου. Τέλος, στο Έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματαα της εξομοίωσης για κάθε περίπτωση και παρατίθενται τα συγκριτικά διαγράμματα των κυματομρφών των τάσεων καθώς και οι συνοπτικοί πίνακες των μεγίστων τιμών των τάσεων. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι με χρήση της διασύνδεσης, οι τάσεις που φτάνουν στα σημεία μέτρησης των γεννητριών που διασυνδέονται με τη γεννήτρια η οποία πλήτεται από τον κεραυνό, είναι αμελητέες. Για τα σημεία της γεννήτριας στην οποία έχουμε την πτώση του κεραυνού και τα οποία βρίσκονται εκτός μιας περιμέτρου 3 μέτρων, οι τιμές των τάσεων βρίσκονται σε χαμηλά επίπεδα, κάτι πουυ σημαίνει ι ότι το σύστημα γείωσης κάθε γεννήτριας είναιι αρκετά αποτελεσματικό και από α μόνο του. Όπως φαίνεται και στα σχήματα, η τάση στο σημείο έγχυσης είναι γύρω σταα 55kV, ενώώ για ένα σημείο 6 μέτρα μακρυά από το σημείο έγχυσης είναι γύρω στα 450V και κ για διέγερση 150kA 19/485μs. Τάση στο σημείο έγχυσης του κεραυνού.

Τάση σε σημεία με απόσταση 3 μέτρων (μωβ γραμμή) και 6 μέτρων(μπλε γραμμή)

ABSTRACT. Lightning protection of wind farms is a complex problem because of the shape and the placement of these structures in places where lightning strikes are very common. That's why many different methods for the protection of wind turbines have been developed and researches are done for their effectiveness. One of these methods uses the interconnection of the wind turbine's grounding grids for protection. In this thesis, a transient analysis of a grounding interconnected system of a wind farm, consisting of four wind turbines, is being conducted. The grounding grids of each wind turbine are interconnected through buried conductors for the recording of the voltage behaviour in different nodes of the grounding grids. Additionally, a comparison of the voltage waveforms in different nodes is being conducted, as well as a comparison for different injected currents and values of soil resistivity in the place where the interconnecting conductors are being placed. A comparison of the behaviour of an interconnected system using conductors placed on the ground is also being conducted. For the simulation of the grounding systems, the model of circuit approach was used. According to this, the grounding electrodes are modeled using series resistors and inductors and transverse conductivities and capacitancies. The equivalent circuit was created in the electromagnetic phenomena programm EMTP and the parameter values were calculated with the use of Microsoft Excel. More specifically, In the First Chapter, a reference about general concepts later used in the text is made. Among them are the definitions of the concepts of grounding, step voltage, touch voltage etc. Also, there is a reference of the types, methods and the efficiency criteria of grounding along with the types of grounding electrodes. In the Second Chapter, the concepts of soil resistivity and the factors that influence it, as well as surge impendance and critical tension of electrical field concepts, are being presented. In the Third Chapter, the theory of the ionization phenomenon and the different models of ionization that are suggested is being presented. In the Fourth Chapter, the models, which are used by researchers for the sinulation of grounding grids, are presented. In the beginning a reference is made about the first appeared models and then the models of circuit approach, transmission line, electromagnetic field and hybrid are presented.

In the Fifth Chapter, the values of the grounding system parameters are calculated and a piece of informationn is given about the grounding grid's shape, the wind farm layout and the interconnection. Finally, in the Sixth Chapter, the t results of the simulation aree shown for each case, along with the voltage waveform comparison diagrams and the synoptic indexes of the maximumm voltage values. From the results, we can see that with the use of interconnection, the voltages at the t measurement spots of the wind turbiness that are connected with the wind turbine, which suffers from the strike, are almost zero. For the spots that aree more thann three meters away from the spot, where the lightning strikes, the voltage valuess are low, meaning that the individual grounding system of each wind turbine is very effective as displayed in the following graphs. The voltage at the spot of the lightning strike is approximately 55kV, while for a spot six meters away from the current injection spot is approximately 450V. For a current of 150kA 19/485μS.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΕΙΩΣΗΣ. 1.1.Ορολογία και βασικές έννοιες...1 1.2.Κριτήρια αποτελεσματικότητας γείωσης...2 1.2.1.Παράγοντες επιρροής της μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος γείωσης...3 1.3.Είδη γειώσεων...3 1.4.Μέθοδοι γείωσης...4 1.5.Είδη ηλεκτροδίων γείωσης...4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ. 2.1.Αντίσταση γείωσης...9 2.2.Ειδική αντίσταση του εδάφους...9 2.3.Κρουστική σύνθετη αντίσταση...13 2.4.Κρίσιμη ένταση ηλεκτρικού πεδίου...15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΙΟΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΟΝΙΣΜΟΥ. 3.1. Μηχανισμοί διάσπασης του εδάφους...17 3.1.1. Θερμικός μηχανισμός διάσπασης...17 3.1.2. Ιονισμός του εδάφους...18 3.2.Μοντέλα ιονισμού του εδάφους...18 3.2.1.Μοντέλο μεταβαλλόμενης ειδικής αντίστασης...18 3.2.2.Μοντέλο ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων...23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ. 4.1. Πρωτοεμφανιζόμενα μοντέλα γείωσης-εμπειρικές και αναλυτικές μέθοδοι...28 4.2. Εξέλιξη μοντέλων συστημάτων γείωσης-αριθμητικές μέθοδοι...30 4.2.1. Κυκλωματική προσέγγιση...31 4.2.2.Προσέγγιση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου...38 4.2.3.Προσέγγιση γραμμής μεταφοράς...40 4.2.4.Υβριδική προσέγγιση...43

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ_ΓΕΙΩΣΗ,ΔΙΑΤΑΞΗ,ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ,ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ. 5.1.Ιδιαιτερότητες προστασίας ανεμογεννητριών...45 5.2.Τύποι γείωσης ανεμογεννητριών...46 5.2.1.Διάταξη τύπου Α...46 5.2.2.Διάταξη τύπου Β...46 5.3.Διάταξη γείωσης στην παρούσα εργασία...46 5.4.Διάταξη πάρκου ανεμογεννητριών...48 5.5.Διασύνδεση ανεμογεννητριών...49 5.6.Μοντελοποίηση του συστήματος γείωσης...51 5.7.Εξομοίωση κεραυνού...53 5.8.Υπολογισμοί παραμέτρων...55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6:ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ. 6.1.Σημεία λήψης κυματομορφών...57 6.2.Εξομοίωση για ρ=500 Ωm και είσοδο 150kA 1,2/50μs...59 6.3.Εξομοίωση για ρ=1000ωm και ρεύμα 150kA 1,2/50μs...67 6.4.Εξομοίωση για ρ=500ωm και ρεύμα 150kA 19/485μs...73 6.5. Εξομoίωση για ρ=1000ωm και ρεύμα 150kΑ 19/485μs...83 6.6.Συγκέντρωση και σύγκριση αποτελεσμάτων...86 6.7.Συμπεράσματα...95 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...96

Συστήματα γείωσης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΕΙΩΣΗΣ. 1.1-Ορολογία και βασικές έννοιες. Για την εξοικείωση του αναγνώστη κρίνεται απαραίτητη η επεξήγηση βασικών όρων και εννοιών που θα χρησιμοποιηθούν στα επόμενα κεφάλαια της διπλωματικής εργασίας. Χρησιμοποιήθηκε το πρότυπο ANSI/IEEE Std 80-2000[1] ως γνώμονας για την ορολογία. Γείωση. Είναι η αγώγιμη σύνδεση, σκόπιμη ή τυχαία, μέσω της οποίας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ή μια συσκευή συνδέεται με τη γη ή με αγώγιμο σώμα με μέγεθος που να μπορεί να συγκρίνεται με τη γη. [2] Σκοπός της γείωσης είναι να εξασφαλίζει την προστασία και την απρόσκοπτη λειτουργία του εξοπλισμού όταν εμφανίζονται σφάλματα, παρέχοντας ένα δρόμο διαφυγής και εκτόνωσης, για τα ρεύματα που είναι αποτέλεσμα των σφαλμάτων. Επίσης η γείωση πρέπει να προστατεύει από κινδυνο ηλεκτροπληξίας τα άτομα που βρίσκονται στον χώρο που πλήτεται από το σφάλμα. Πρέπει δηλαδή να μειώνει τις πιθανότητες ανάπτυξης βηματικών τάσεων ή τάσεων επαφής. Πλέγμα γείωσης: Είναι σύστημα οριζόντιων ηλεκτροδίων τοποθετημένο σε ένα συγκεκριμένο χώρο που αποτελείται από ένα σύνολο διασυνδεδεμένων αγωγών θαμένων στη γη και παρέχει κοινή γείωση για τις ηλεκτρικές ή μεταλλικές συσκευές. [1] Ηλεκτρόδιο γείωσης: Ένας αγωγός τοποθετημένος στη γη, χρησιμοποιείται για τη συλλογή και τη διάχυση των σφαλματικών ρευμάτων στη γη. [1] Ράβδοι γείωσης: Αγώγιμες ράβδοι που τοποθετούνται κατακόρυφα στο έδαφος και συνδέονται σε περιμετρικά αλλά και σε εσωτερικά σημεία του πλέγματος γείωσης. Σκοπός τους είναι να μειώνουν την αντίσταση γείωσης.[1] 1

Συστήματα γείωσης. Αντίσταση γείωσης: είναι η αντίσταση προς την άπειρη γη(σημείο με τάση μηδέν ως προς το γειωτή) ενός ηλεκτροδίου ή ενός συστήματος γείωσης. Ανύψωση δυναμικού γης. Έιναι το μέγιστο ηλεκτρικό δυναμικό που αποκτά το πλέγμα γείωσης, ενός υποσταθμού ως προς ένα απομακρυσμένο σημείο που θεωρείται άπειρη γη. Τάση επαφής (Ε touch ). Είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ της ανύψωσης δυναμικού και του δυναμικού της επιφάνειας όπου στέκεται ένα άτομο, έχοντας το χέρι του σε επαφή με μια γειωμένη κατασκευή.[1] Βηματική τάση (Ε step ). Η διαφορά δυναμικού στην επιφάνεια όπου στέκεται ένας άνθρωπος, μεταξύ των ποδιών του για άνοιγμα 1m και χωρίς να βρίσκεται σε επαφή με γειωμένο αντικείμενο. 1.2. Κριτήρια αποτελεσματικότητας γείωσης. Ένα σύστημα γείωσης πρέπει να ικανοποιεί τα παρακάτω κριτήρια : Να παρέχει χαμηλή εμπέδηση για το κύμα του ρεύματος ώστε να είναι αποτελεσματική η λειτουργία του συστήματος προστασίας. Να μειώνει τον κίνδυνο ηλεκτροπληξίας για τους ανθρώπους. Να μειώνει τον κίνδυνο κατάρρευσης σημαντικών ηλεκτρικών συστημάτων ή ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Να ελαχιστοποιεί το κόστος. Προϋπόθεση ικανοποίησης αυτών των κριτηρίων είναι να τηρούνται κάποιοι κανόνες [2], οι οποίοι παρατίθενται στη συνέχεια. Το σύστημα γείωσης πρέπει να έχει τέτοιο μέγεθος ώστε όταν εισέρχονται απότομα ρεύματα να μειώνεται η αντίστοιχη αύξηση δυναμικού. Πρέπει τα ηλεκτρόδια γείωσης να βρίσκονται σε τέτοια απόσταση μεταξύ τους ώστε η βηματική τάση να είναι μέσα στα όρια της τιμής ασφάλειας. Ο αγωγός καθόδου πρέπει να συνδέεται με το σύστημα γείωσης σε συγκεκριμένο σημείο ώστε να επιτυγχάνεται μείωση του δυναμικού του εδάφους. Όταν το έδαφος έχει διαφορετικά στρώματα, το σύστημα γείωσης πρέπει να τοποθετείται με κατάλληλο τρόπο ώστε να εκμεταλλεύεται το τμήμα χαμηλής ειδικής αντίστασης του εδάφους. 2

Συστήματα γείωσης. Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ο λόγος του μήκους προς εμβαδό για την ελαχιστοποίηση του κόστους. 1.2.1 Παράγοντες επιρροής της μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος γείωσης [3]. Το σχήμα και οι διαστάσεις του συστήματος γείωσης, η ειδική αντίσταση του εδάφους που περιβάλλει το σύστημα γείωσης. Η ανάπτυξη ιονισμού του εδάφους ή όχι. Το σημείο έγχυσης του ρεύματος. Η κυματομορφή του ρεύματος που εγχέεται. 1.3 Είδη γειώσεων. Ανάλογα με τη χρήση έχουμε 5 κατηγορίες ειδών γείωσης. 1. Γείωση λειτουργίας: είναι η γείωση ενός σημείου ενός ενεργού κυκλώματος, π.χ. Η γείωση του ουδετέρου ενός μετασχηματιστή και η γείωση του ουδετέρου αγωγού του συστήματος. Όταν η γείωση λειτουργίας έχει επιπλέον ωμικές αντιστάσεις, αυτεπαγωγές ή και χωρητικές αντιστάσεις καλλείται έμμεση, ενώ όταν περιλαμβάνει μόνο την αντίσταση γείωσης καλείται άμεση.[4,5] 2. Γείωση προστασίας: είναι η γείωση ενός αγώγιμου μέρους που δεν είναι στοιχείο ενεργού κυκλώματος, όπως η γείωση του περιβλήματος μιας ηλεκτρικής συσκευής.προστατεύει τον άνθρωπο από τάσεις επαφής. Δεν είναι ποτέ ανοικτές γειώσεις.[4,5] 3. Γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας: είναι η σύνδεση των αντικεραυνικών εγκαταστάσεων προστασίας με τη γη, ούτως ώστε να διοχετεύονται τα κρουστικά κεραυνικά ρεύματα σε αυτή. Δεν συνίσταται να είναι ανοικτή αλλά συνεχής γείωση και έχει απώτερο σκοπό την προστασία των ανθρώπων και των εγκαταστάσεων στο συγκεκριμένο χώρο.[2,5] 4. Γείωση συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών: αφορά στις γειώσεις και στις ισοδυναμικές συνδέσεις των εγκαταστάσεων επεξεργασίας πληροφοριών, καθώς και εγκαταστάσεις παρόμοιες με αυτές, στις οποίες απαιτείται η διασύνδεση των συσκευών που τις αποτελούν για λόγους μετάδοσης δεδομένων[6]. 5. Γείωση υποσταθμών μέσης τάσης: είναι η σύνδεση όλων των συσκευών, των πυλώνων, των ουδέτερων κόμβων των μετασχηματιστών, των εγκαταστάσεων, όλων των μεταλλικών περιβλημάτων καθώς και της περίφραξης με το σύστημα γείωσης του υποσταθμού που συνήθως αποτελείται από πλέγμα θαμένο στο έδαφος. 3

Συστήματα γείωσης. Σχήμα 1.1: Γείωση λειτουργίας-γείωση προστασίας-γείωση ΣΑΠ,[5] 1.4.Μέθοδοι γείωσης. Άμεση γείωση: είναι η απευθείας αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με το ηλεκτρόδιο ή το πλέγμα γείωσης. Ουδετέρωση: είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με τον ουδέτερο αγωγό. Μέσω διακοπτών διαφυγής: με τους διακόπτες διαφυγής επιτυγχάνεται άμεση απόζευξη του τμήματος της εγκατάστασης που παρουσιάζει τάση επαφής μεγαλύτερη των 50V σε πολύ μικρό χρόνο, ενώ η αντίσταση γειώσεως είναι πολύ υψηλή και μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί. Διακρίνονται σε διακόπτες διαφυγής τάσης και έντασης [4]. 1.5.Είδη ηλεκτροδίων γείωσης. Τα είδη των ηλεκτροδίων γείωσης είναι τα εξής: Ράβδοι γείωσης ή σωλήνες. Ταινίες γείωσης ή σύρματα. Πλάκες γείωσης. Ακτινικός γειωτής. 4

Συστήματα γείωσης. Γείωση με πλέγμα. Μεταλλικοί σωλήνες νερού. Επιφανειακοί και βαθείς γειωτές. Οι μορφές των κυριότερων ηλεκτροδίων γείωσης φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.2: Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης[7] 5

Συστήματα γείωσης. Στους επόμενους πίνακες σημειώνονται οι σχέσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της αντίστασης γείωσης του εκάστοτε γειωτή. Πίνακας 1.1: Σχέσεις υπολογισμού αντιστάσεων γειωτών[7] 6

Συστήματα γείωσης. Λόγω του ότι η εξομοίωση που θα γίνει σε αυτήν την εργασία, πραγματοποιείται σε γείωση θεμελιακού τύπου, κρίνεται σκόπιμο να γίνει ιδιαίτερη αναφορά σε αυτόν τον τύπο γείωσης. Θεμελιακή γείωση είναι το σύστημα γείωσης που τοποθετείται εντός των θεμελίων(τα οποία είναι φτιαγμένα από σκυρόδεμα) μιας κατασκευής. Η θεμελιακή γείωση χρησιμοποιείται ως γείωση προστασίας,λειτουργίας, ασθενών ρευμάτων, ηλεκτρονική, αλεξικέραυνου κ.α. Πλεον είναι υποχρεωτική η εφαρμογή της σε καθε νέα οικοδομή (ΦΕΚ 1222/05-09-2006, τεύχος Β' αριθ. Φ.Α' 50/12081/642 άρθρο 2) επειδή έχει διαπιστωθεί ότι πλεονεκτεί ως προς τις άλλες μορφές γειώσεων. Τα πλεονεκτήματά της είναι: Χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης. Σταθερή τιμή αντίστασης χειμώνα-καλοκαίρι. Μηχανική προστασία- αντοχή σε διάβρωση. Εξάλλειψη βηματικών τάσεων. Ισοδυναμικές συνδέσεις. Ευελιξία εγκατάστασης συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Χαμηλό κόστος. Σχήμα 1.3: Διάταξη ηλεκτροδίου θεμελιακής γείωσης σε οπλισμένο σκυρόδεμα [8] Ιδιαίτερη προσοχή κατά την εγκατάσταση της θεμελιακής γείωσης πρέπει να δοθεί στην εγκατάσταση της ταινίας η οποία πρέπει να τοποθετείται με την μεγάλη επιφάνεια κάθετα στο έδαφος και να καλύπτεται από σκυρόδεμα Β225 για τουλάχιστον 5cm. Επίσης απαγορεύεται αυστηρά η συγκόλληση της ταινίας καθώς και η συγκράτησή της επί του οπλισμού με σύρμα. 7

Συστήματα γείωσης. Άλλο σημείο ύψιστης σημασίας είναι τα σημεία συνδέσεων των αγωγών, τα οποία πρέπει να γίνονται με ειδικά εξαρτήματα σύνδεσης και εργαλεία που να μπορούν να μετρούν τη ροπή ώστε να είναι εντός των επιθυμητών ορίων[6,9]. Επίσης θα πρέπει κατά καιρούς να ελέγχονται τα σημεία συνδέσεων και να διορθώνονται όταν αυτό κρίνεται απαραίτητο. Το βάθος τοποθέτησης και ο τύπος των ηλεκτροδίων γείωσης πρέπει να είναι τέτοια ώστε να ελαχιστοποιούνται οι επιδράσεις από διάβρωση, ξήρανση ή πάγωμα του εδάφους για να σταθεροποιείται η ισοδύναμη αντίσταση γείωσης. Ηλεκτρόδια γείωσης εγκατεστημένα σε μεγάλο βάθος μπορεί να είναι αποτελεσματικά σε ειδικές περιπτώσεις, όπου η ειδική αντίσταση του εδάφους μειώνεται με το βάθος και όπου υπάρχουν υποστρώματα χαμηλής ειδικής αντίστασης σε βάθη μεγαλύτερα από εκείνα στα οποία εγκαθίστανται συνήθως τα ηλεκτρόδια.[10] 8

Χαρακτηριστικά μεγέθη. Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ. 2.1. Αντίσταση γείωσης. Όπως αναφέρθηκε στην ορολογία, αντίσταση γείωσης ονομάζουμε την αντίσταση προς την άπειρη γη, ενός ηλεκτροδίου ή ενός συστήματος γείωσης. Όπου άπειρη γη θεωρείται ένα σημείο της επιφάνειας σε μια θεωρητικά άπειρη απόσταση από τον γειωτή, με μηδενική τάση. Όταν ένα κρουστικό ρεύμα κεραυνού εγχυθεί στη γη μέσω του συστήματος γείωσης, αν η αντίσταση γείωσης είναι πολύ μεγάλη, η ανύψωση δυναμικού γης (GPR) λαμβάνει πολύ υψηλή τιμή και αυτό αποτελεί απειλή τόσο για το ανθρώπινο δυναμικό, όσο και για τον εξοπλισμό. Γι' αυτό λοιπόν απαιτείται μία χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης που να διασφαλίζει την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης. 2.2. Ειδική αντίσταση του εδάφους. Η ειδική αντίσταση του εδάφους ορίζεται ως η αντίσταση του υλικού του εδάφους που παρουσιάζει ένας μοναδιαίος κύβος (1m*1m*1m), όταν τοποθετηθούν επίπεδα ηλεκτρόδια σε δύο απέναντι πλευρές του, μεταξύ των οποίων εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού U, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1: Ορισμός ειδικής αντίστασης του εδάφους[2]. Η πυκνότητα και η σύσταση του εδάφους διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην τιμή της 9

Χαρακτηριστικά μεγέθη. ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η τελευταία ποικίλει ανάλογα με το είδος του εδάφους που μπορεί να είναι χωματώδες, αμμώδες, βραχώδες, υγρό, ξηρό, ανομοιογενές κ.α.. Έτσι λοιπόν όσο πιο ξηρό και πετρώδες είναι το έδαφος τόσο μεγαλώνει η ειδική του αντίσταση ρ (σε Ωm). Επίσης η ειδική αντίσταση σε ανισότροπα εδάφη διαφέρει γύρω από το ηλεκτρόδιο γείωσης και είναι μη γραμμική. Η υγρασία του εδάφους, εμπλουτισμένη με διάφορα φυσικά συστατικά, μπορεί να αποτελέσει έναν αγώγιμο ηλεκτρολύτη και να συμβάλει έτσι σε σημαντική μείωση της αντίστασης του εδάφους. Τα συστατικά αυτά μπορεί να είναι χλωριούχο νάτριο, θειικό μαγνήσιο, θειικός χαλκός ή χλωριούχο ασβέστιο. Για την απόκτηση μιας ενδεικτικής εικόνας για το πως επηρεάζει η υγρασία την ειδική αντίσταση, αναφέρεται ότι σε ένα αργιλώδες έδαφος με 10% περιεχόμενο υγρασίας (κατά βάρος) η ειδική αντίσταση βρέθηκε 30 φορές μεγαλύτερη από την περίπτωση όπου το περιεχόμενο του ίδιου εδάφους σε υγρασία ήταν 20%. Ένας άλλος παράγοντας που προκαλεί διακύμανση στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους είναι οι εποχιακές θερμοκρασιακές μεταβολές και συγκεκριμένα σε περιοχές που σημειώνεται παγετός. Γι' αυτό συνηθίζεται να θάβονται σε μεγάλο βάθος τα ηλεκτρόδια γείωσης ούτως ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση των παραπάνω διακυμάνσεων στην αποτελεσματικότητα της γείωσης. Ακολουθούν οι παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους. Τύπος εδάφους. Στον Πίνακα 2.1 φαίνονται κάποιες ενδεικτικές τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους σε σχέση με τον τύπο του εδάφους σύμφωνα με τον κανονισμό [9]. Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση ρ(ωm) Ελώδες έδαφος 5 εως 40 Αργιλώδες, πηλώδες ή αγρού 20 εως 200 Υγρή άμμος Μικρότερη από 300 Υγρά χαλίκια 300 εως 600 Ξηρή άμμος Μεγαλύτερη από 2000 Πετρώδες και ξηρά χαλίκια Μεγαλύτερη από 2000 Πίνακας 2.1: Ενδεικτικές μέσες τιμές ειδικών αντιστάσεων εδαφών [5,9] 10

Χαρακτηριστικά μεγέθη. Υγρασία. Η αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της υγρασίας του εδάφους. Ο λόγος που οι γειωτές ταινίας, τα πλέγματα γείωσης και οι κάθετες ράβδοι τοποθετούνται σε βάθος μεγαλύτερου του μισού μέτρου, είναι το γεγονός ότι το έδαφος ξηραίνεται επιφανειακά ενώ σε βάθος μισού μέτρου διατηρείται υγρό. Γι' αυτό άλλωστε λαμβάνεται ως ενεργό μήκος των πασσάλων το συνολικό μήκος 0.5m. Επίσης, όσο μικρότερο είναι το βάθος τοποθέτησης των ηλεκτροδίων γείωσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Μια τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στην Κίνα για τη μείωση της ειδικής αντίστασης του εδάφους σε ένα υποσταθμό σύμφωνα με την αναφορά [11] είναι η δημιουργία ενός πηγαδιού με μεγάλο βάθος με σκοπό την αλλαγή της φοράς των υπογείων υδάτων- λόγω της διαφοράς ατμοσφαιρικής πίεσης- στο έδαφος που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια γείωσης, καθώς και τη χρήση του τριχοειδούς νερού, του νερού βαρύτητας και του ατμώδους νερού για αύξηση της υγρασίας του εδάφους γύρω από τα ηλεκτρόδια γείωσης. Σχήμα 2.2: Διάγραμμα της κίνησης των υπογείων υδάτων[11] Θερμοκρασία. Από το σχήμα 2.3 και συγκεκριμένα από την καμπύλη 3 (curve 3) φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στην ειδική αντίσταση αμμώδους και πηλώδους εδάφους με περιεχόμενο υγρασίας 15.2% κατά βάρος [1]. Χαρακτηριστικά μπορεί να λεχθεί ότι για θερμοκρασίες μεγαλύτερες του μηδενός, η επίδραση είναι σχεδόν αμελητέα, ενώ για υπό του μηδενός θερμοκρασίες παρουσιάζεται ραγδαία αύξηση της ειδικής αντίστασης. Γενικά η μεταβολή της αντίστασης του εδάφους με τη θερμοκρασία φτάνει περίπου το 30% κατά τη διάρκεια του έτους. Ιανουάριο με Φεβρουάριο είναι υψηλότερη, ενώ Ιούλιο με Αύγουστο χαμηλότερη. 11

Χαρακτηριστικά μεγέθη. Μορφή της τάσης. Για γειωτές μήκους 10 μέτρων ή μεγαλύτερων υπό κρουστικές τάσεις έχει παρατηρηθεί αύξηση της τιμής της αντίστασης. Σε αρνητικές κρουστικές τάσεις 0.3/30 μs (χρόνος μετώπου/χρόνος ουράς) η μεταβατική αντίσταση θεμελιακού γειωτή κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 3-26 Ω. Η αύξηση της τιμής της αντίστασης γίνεται στο μέτωπο της τάσης. Η αντίσταση σε κρουστικές τάσεις χαρακτηρίζεται και σαν κρουστική αντίσταση[5]. Σχήμα 2.3: Επίδραση υγρασίας, θερμοκρασίας και άλατος στην ειδική αντίσταση του εδάφους [1]. Μέγεθος των κόκκων. Το μέγεθος των κόκκων είναι μία παράμετρος που θα μπορούσε να περιληφθεί στον τύπο του εδάφους, αλλά αναφέρεται ξεχωριστά λόγω της σημαντικότητας της επίδρασής της στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η τελευταία αυξάνεται αυξανομένου του μεγέθους των κόκκων. Επιπλέον, η κατανομή των κόκκων μέσα στο έδαφος, καθώς και το μέγεθος αυτών, επιδρούν στον τρόπο κατακράτησης της υγρασίας, όπου όταν οι κόκκοι παρουσιάζουν μεγάλο μέγεθος, η υγρασία κατακρατείται λόγω της επιφανειακής τάσης. Σε περίπτωση ανομοιομορφίας του μεγέθους των κόκκων, οι μικροί σε μέγεθος κόκκοι συμπληρώνουν τους θύλακες αέρα που δημιουργούνται από την παρουσία των μεγάλων κόκκων με αποτέλεσμα το έδαφος να γίνεται πιο συμπαγές και να μειώνεται η ειδική του αντίσταση. 12

Χαρακτηριστικά μεγέθη. Ένταση πεδίου (voltage gradient) [1]. Αν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή, η οποία ονομάζεται διηλεκτρική αντοχή, τότε επηρεάζεται η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η τελευταία διαφέρει για κάθε τύπο εδάφους και είναι της τάξης μερικών kv/cm. Σε περίπτωση που το ηλεκτρικό πεδίο υπερβεί την κρίσιμη τιμή ξεκινούν διασπάσεις γύρω από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου που αυξάνουν το ενεργό του μέγεθος εως ότου η τιμή του πεδίου να πέσει κάτω από την κρίσιμη. Λόγω του ότι συνήθως τα συστήματα γείωσης ειδικά σε υποσταθμούς σχεδιάζονται ώστε να υπακούν σε πολύ αυστηρότερα κριτήρια, το πεδίο μπορεί πάντα να θεωρείται κάτω από την κρίσιμη τιμή. Επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος. Η ειδική αντίσταση του εδάφους στην περιοχή των ηλεκτροδίων γείωσης μπορεί να επηρεαστεί από το ρεύμα των ηλεκτροδίων προς το γύρω έδαφος. Τα θερμικά χαρακτηριστικά για το ποσοστό υγρασίας του εδάφους θα καθορίσουν αν ένα ρεύμα, συγκεκριμένου μεγέθους και διάρκειας, θα προκαλέσει σημαντική ξήρανση και επομένως αύξηση της πραγματικής αντίστασης του εδάφους. Μια συντηρητική τιμή της πυκνότητας ρεύματος είναι να μην υπερβαίνει τα 200 Α/m 2 για ένα δευτερόλεπτο. 2.3. Κρουστική σύνθετη αντίσταση. Κατά τη μεταβατική κατάσταση η εμπέδηση του συστήματος γείωσης είναι κατά πολύ μεγαλύτερη απ' ότι στη μόνιμη κατάσταση. Αυτό συμβαίνει διότι [12]: Η αντίδραση των αγωγών και των ακροδεκτών γίνεται μεγαλύτερη λόγω της μικρής διάρκειας του φαινομένου. Αποτέλεσμα αυτής της μικρής διάρκειας είναι η ανάπτυξη υψηλών συχνοτήτων που συνεπάγεται αύξηση της εμπέδησης γείωσης. Η ελλάτωση του χρόνου μετώπου του εγχεόμενου κρουστικού ρεύματος οδηγεί στη μείωση του ενεργού μήκους των αγωγών γείωσης. Η επίδραση του επιδερμικού φαινομένου (όπου το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει κυρίως στο δέρμα του αγωγού) αυξάνει την εμπέδηση των αγωγών γείωσης λόγω της υψηλής συχνότητας που κυριαρχεί κατά το μεταβατικό φαινόμενο. Η μεγάλη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος ενδέχεται να ξηράνει το έδαφος και έτσι να αυξηθεί η ειδική αντίσταση του εδάφους. Η κρουστική (μεταβατική) σύνθετη αντίσταση ενός συστήματος γείωσης ορίζεται ως ο λόγος της μεταβολής του δυναμικού του σημείου έγχυσης του ρεύματος ως προς την άπειρη γη προς το εγχεόμενο ρεύμα, όπως φαίνεται στον τύπο 2.1. z(t)= u(t) i (t) (2.1) 13

Χαρακτηριστικά μεγέθη. Επειδή η κρουστική σύνθετη αντίσταση είναι ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μέγεθος, κρίνεται απαραίτητο να οριστούν κάποιες παράμετροι της. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά σημεία των καμπυλών u(t), i(t) που χρησιμοποιήθηκαν για τον ορισμό των παραμέτρων της κρουστικής σύνθετης αντίστασης. Εικόνα 1: Σχήμα 2.4: Προσδιορισμός παραμέτρων κρουστικής σύνθετης αντίστασης[12,13] Z 1 =max {z(t )} (2.2) Z 2 = u(t ) 1 i (t 1 ) (2.3) Z 3 = u(t ) 1 i(t 2 ) (2.4) Z 4 = u(t ) 2 i(t 2 ) (2.5) Ακολουθεί ο ορισμός των παραμέτρων της κρουστικής σύνθετης αντίστασης Z 1, Z 2,Z 3,Z 4.[13] Z 1 : μέγιστη τιμή του λόγου της τάσης προς το ρεύμα. Ζ 2 : ο λόγος της μέγιστης τιμής της τάσης προς τη στιγμιαία τιμή του ρεύματος Ζ 3 : ο λόγος της μέγιστης τιμής της τάσης προς τη μέγιστη τιμή του ρεύματος Ζ 4 : ο λόγος της τάσης, όταν το ρεύμα γίνεται μέγιστο, προς τη μέγιστη τιμή του ρεύματος. 14

Χαρακτηριστικά μεγέθη. Από τα προηγούμενα εύκολα συμπεραίνει κανείς ότι ισχύει Ζ 1 >Ζ 2 >Ζ 3 >Ζ 4. Ανάλογα με την εφαρμογή επιλέγεται η παράμετρος που θα μετρηθεί. Πολλές φορές προτιμάται η παράμετρος Ζ 3 λόγω της απλότητάς της, ενώ στις περιπτώσεις εκείνες που το ρεύμα λαμβάνει τη μέγιστη τιμή του πριν από το μέγιστο της τάσης, προτιμάται η παράμετρος Ζ 4, σύμφωνα με τον Κ.J. Nixon [15], την οποία θεωρεί πιο κατάλληλη για να περιγράψει τη μεταβατική σύνθετη αντίσταση. Η κρουστική σύνθετη αντίσταση μπορεί να καθοριστεί αν είναι γνωστή η τιμή του εγχεόμενου ρεύματος και η απόλυτη τάση στο σημείο έγχυσης του ρεύματος για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Επίσης κρίνεται απαραίτητο οι μετρήσεις της τάσης και του ρεύματος να είναι συγχρονισμένες, διαφορετικά θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οποιεσδήποτε χρονικές καθυστερήσεις. Εξαιτίας της δυσκολίας στη μέτρηση της κρουστικής σύνθετης αντίστασης, ορίστηκε ο λόγος Z 3 R LF για δεδομένη διάταξη ηλεκτροδίων και έτσι η τιμή της Ζ 3 καθορίζεται από τη μέτρηση της αντίστασης γείωσης R LF. Συνήθως ο λόγος αυτός θεωρείται ίσος ή μεγαλύτερος της μονάδας, αφού ληφθούν υπόψη και οι σχετικά με το έδαφος αβεβαιότητες. Παρόλα αυτά πρόσφατες μελέτες και αποτελέσματα προσομοιώσεων διαφόρων ερευνητών [16] κατέδειξαν ότι η παραπάνω παραδοχή δεν ισχύει κατά κανόνα και ότι ο λόγος αυτός δύναται να προκύψει μικρότερος της μονάδας. Είναι φανερό πως η μέγιστη τιμή της κρουστικής σύνθετης αντίστασης είναι μεγαλύτερη από την τιμή της αντίστασης στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Επομένως, το ζητούμενο για έναν κατασκευαστή συστημάτων γείωσης δεν είναι η τιμή της αντίστασης στη μόνιμη κατάσταση, αλλά η χρονική μεταβολή της κρουστικής σύνθετης αντίστασης εως ότου καταλήξει, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, στην τιμή της μόνιμης κατάστασης. Η αύξηση της αντίστασης του συστήματος γείωσης κατά τη μεταβατική κατάσταση χρήζει ιδιαίτερης προσοχής δεδομένου ότι μια μεγάλη τιμή της αντίστασης γείωσης κατά το μεταβατικό στάδιο (π.χ. κεραυνικές εκκενώσεις) μπορεί να προκαλέσει βλάβη ή και καταστροφή στην υπό προστασία εγκατάσταση [13]. 2.4. Κρίσιμη ένταση ηλεκτρικού πεδίου (Ε 0 ή Ε cr ) Η γνώση της κρίσιμης έντασης του πεδίου ιονισμού του εδάφους είναι απαραίτητη για τον προσδιορισμό της ενεργούς ακτίνας (effective radius) των ηλεκτροδίων γείωσης. Πλήθος ερευνητών ασχολήθηκαν με τον προσδιορισμό της κρίσιμης έντασης του πεδίου ιονισμού σε βάθος χρόνου, για αυτό άλλωστε υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις σχετικά με αυτό το 15

Χαρακτηριστικά μεγέθη. θέμα, καθώς και διαφορετικές εκτιμήσεις για την τιμή αυτού του μεγέθους. Για παράδειγμα η CIGRE πρότεινε την τιμή των 400 kv/m χωρίς ιδιαίτερη αιτιολόγηση, η Οettle πραγματοποιώντας πειράματα πρότεινε την τιμή των 800kV/m, ενώ ο Α.Mousa πρότεινε την τιμή των 300 kv/m κατόπιν μετρήσεων [17]. Επίσης, είναι αρκετοί εκείνοι που εξήγαγαν αναλυτικές σχέσεις για τον υπολογισμό του Ε 0 σε σχέση με την ειδική αντίσταση του εδάφους. Στην εργασία θα χρησιμοποιηθεί η τιμή των 300 kv/m. 16

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΙΟΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΟΝΙΣΜΟΥ. 3.1-Μηχανισμοί διάσπασης του εδάφους. Η δομή του εδάφους συνίσταται από αγώγιμα σωματίδια διαφορετικής μορφής, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται νερό το οποίο περιέχει διαλυμένα άλατα ή αέρα. Η ύπαρξη του νερού και των διηλυμένων αλάτων είναι οι κύριοι λόγοι στους οποίους οφείλεται η αγωγιμότητα του εδάφους. Επίσης, όταν επιβληθεί μια τάση, το μέγεθος μεταξύ των διακένων των κόκκων επηρεάζει την αναπτυσόμενη σε αυτά ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Όταν έχουμε μεταβατικά φαινόμενα σε ένα σύστημα γείωσης, μέσα στο έδαφος και γύρω από τους αγωγούς του συστήματος, έχουμε ανάπτυξη ηλεκτρικών πεδίων τα οποία προκαλούν τη διάσπαση του εδάφους.ο ακριβής μηχανισμός διάσπασης του εδάφους παραμένει άγνωστος μέχρι σήμερα, ωστόσο από τις προσπάθειες των ερευνητών για την περιγραφή του φαινομένου έχουν προταθεί δύο μηχανισμοί. Ο θερμικός μηχανισμός και ο ιονισμός του εδάφους. Σχήμα 3.1: Σύνθεση του εδάφους [15] 3.1.1- Θερμικός μηχανισμός διάσπασης. Ο θερμικός μηχανισμός προτάθηκε από τους Snowden et al. [2]. Όταν το ρεύμα που 17

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. εγχεέται μέσω της γείωσης στο έδαφος προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας του νερού κάτι που προκύπτει από το φαινόμενο Joule. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού μειώνει την ειδική αντίστασή του, οπότε το ρεύμα, το οποίο προτιμά να ρέει μέσω των δρόμων μικρότερης αντίστασης, προκαλεί την εξάτμιση του νερού. Στις περιοχές όπου έχουμε εξάτμιση του νερού,η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ των κόκκων του εδάφους ξεπερνά μια κρίσιμη τιμή και προκαλείται διάσπαση του εδάφους. Ο χρόνος έναρξης της διάσπασης είναι εξαρτώμενος από την αγωγιμότητα και τη θερμοχωρητικότητα του νερού, του μήκους των δρόμων στα οποία εκδηλώνεται διάσπαση καθώς και στις θερμικές ιδιότητες του εδάφους. 3.1.2- Ιονισμός του εδάφους. Οι Leadon et al.[2] πρότειναν έναν άλλο μηχανισμό διάσπασης, τον ιονισμό του εδάφους. Πρόκειται για μια ηλεκτρική διαδικασία η οποία λαμβάνει χώρα όταν το ηλεκτρικό πεδίο διακένου των κόκκων ενισχυθεί, προκαλώντας ιονισμό του αέρα και εμφάνιση τόξου, οπότε και μείωση της αντίστασης του εδάφους. Η διηλεκτρική αντοχή του εδάφους κυμαίνεται από περίπου 0,7-10 kv/cm[17] δηλαδή είναι μικρότερη από τη διηλεκτρική αντοχή του αέρα η οποία είναι μεταξύ των τιμών 25-30 kv/cm για διάκενο αντίστοιχων διαστάσεων. Αποτελέσματα πειραμάτων των Oettle[18], Πετρόπουλου[14] και Liew et al.[19], υποστηρίζουν το μηχανισμό διάσπασης του εδάφους μέσω του ιονισμού. Σύμφωνα με τους Nor και Ramli[20] για να γίνει δυνατή η διάκριση μεταξύ του θερμικού μηχανισμού και του μηχανισμού του ιονισμού του εδάφους πρέπει να εκτιμηθεί η ενέργεια που απορροφάται από το χώμα, για δεδομένη επιβαλλόμενη τάση και περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία. Ο επικρατών μηχανισμός διάσπασης είναι ο ιονισμός του εδάφους, ωστόσο φαινόμενα που σχετίζονται με το θερμικό μηχανισμό παρατηρήθηκαν κάτι που καλεί για περαιτέρω έρευνα των μηχανισμών διάσπασης. Ο μηχανισμός που λαμβάνεται υπόψην σε αυτήν την εργασία είναι ο ιονισμός του εδάφους. 3.2- Μοντέλα ιονισμού του εδάφους. Για την περιγραφή της διαδικασίας του ιονισμού έχουν προταθεί διάφορα μοντέλα από ερευνητές. Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι η προσέγγιση της χρονικά μεταβαλλόμενης ειδικής αντίστασης και η προσέγγιση της μεταβαλλόμενης γεωμετρίας του ηλεκτροδίου. 3.2.1- Μοντέλο μεταβαλλόμενης ειδικής αντίστασης. Το μοντέλο αυτό, το οποίο προτάθηκε το 1974 από τους Liew και Darveniza [19], 18

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. περιλαμβάνει μια χρονικά μεταβαλλόμενη ειδική αντίσταση στην περιοχή γύρω από το ηλεκτρόδιο, η οποία είναι μια γραμμική συνάρτηση του ηλεκτρικού πεδίου. Λόγω του φαινομένου του ιονισμού του εδάφους η ειδική αντίσταση του εδάφους μειώνεται γύρω από το ηλεκτρόδιο γείωσης. Η πραγματοποίηση πειραμάτων για την παρατήρηση της μηγραμμικής συμπεριφοράς σε εδάφη διαφορετικής σύστασης, τα οποία όμως είναι ομογενή και ισότροπα (δηλαδή θεωρώντας την ειδική αντίσταση του εδάφους ίδια προς όλες τισ κατευθύνσεις ), οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο περιβάλλων χώρος του ηλεκτροδίου γείωσης, χωρίζεται νοητά σε τρεις περιοχές ανάλογα με την τιμη του ρεύματος (J) που εγχέεται. Στο σχήμα 3.2 απεικονίζονται οι τρεις περιοχές. Σχήμα 3.2: Μοντέλο Liew και Darveniza [19] Όσο το ρεύμα που διοχετεύεται στο έδαφος αυξάνεται και καθώς η πυκνότητα ρεύματος (J) υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή (J c ), η ειδική αντίσταση του εδάφους παρουσιάζει χαμηλότερη τιμή από τη μόνιμη κατάσταση (ρ soil ). Σε αντίθετη περίπτωση, η ειδική αντίσταση παραμένει σταθερή, όπως δείχνουν οι τύποι 3.1-3.2. ρ= ρ soil για J< J c (3.1) τ 1 : χρονική σταθερά ιονισμού κατά την αύξηση του ρεύματος ρ= ρ soil e -t/τ1 για J< J c (3.2) t: μετρούμενος χρόνος από την έναρξη του ιονισμού Ο ιονισμός επεκτείνεται σε μία περιοχή ακτίνας rcm, όπου αντιστοιχεί η μέγιστη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος. Ακολούθως όταν το ρεύμα ξεκινά να μειώνεται, διαμορφώνονται στο έδαφος οι τρείς περιοχές: Μη ιονισμένη περιοχή (3): Στην περιοχή αυτή δεν έχει εκδηλωθεί το φαινόμενο του ιονισμού οπότε ισχύει: ρ= ρ soil για J< J c,r>r cm 19

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Περιοχή απιονισμού (2): Στην περιοχή αυτή, η πυκνότητα ρεύματος δεν ξεπερνά την κρίσιμη τιμή της και έτσι η ειδική αντίσταση τείνει προς την αρχική της τιμή σύμφωνα με τη σχέση: t 2 r ρ= ρ i +( ρ soil ρ i )(1 e 2 J )(1 ) J c όπου: ρ i,η τιμή της ειδικής αντίστασης όταν J= J c τ 2, η χρονική σταθερά απιονισμού για J <J c, r<r cm (3.3) t, ο μετρούμενος χρόνος από την έναρξη του απιονισμού Περιοχή ιονισμού (1): Στην περιοχή αυτή, όπου ισχύει r<r cm και J J C, εξελίσσεται η διαδικασία ιονισμού, όσο η τιμή της πυκνότητας του ρεύματος υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της και η τιμή της ειδικής αντίστασης διαμορφώνεται με τον τύπο 3.2. Όταν η πυκνότητα ρεύματος αποκτήσει τιμές μικρότερες της κρίσιμης τιμής, ισχύουν όσα αναφέρθηκαν για την περιοχή 2. Στο σχήμα 3.3 απεικονίζεται γραφικά η σχέση μεταξύ της ειδικής αντίστασης και της πυκνότητας ρεύματος. Σχήμα 3.3: Μεταβολή ειδικής αντίστασης συναρτήσει της πυκνότητας ρεύματος [21] Σε νέα δημοσίευσή τους, οι Liew, Wang και Darveniza αναβάθμισαν το προηγούμενο μοντέλο τους εισάγοντας και την περιοχή εμφάνισης τόξων. Για περιορισμό της πολυπλοκότητας του μοντέλου, θεώρησαν ημισφαιρικές ισοδυναμικές επιφάνειες και έτσι η συνολική αντίσταση υπολογίζεται αθροίζοντας τα στοιχειώδη ημισφαιρικά κελύφη πλάτους dr. Στο σχήμα 3.4 απεικονίζεται το ανανεωμένο μοντέλο. 20

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Εικόνα 3.4: Μοντέλο Wang [2] Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους μεταβάλλεται σε σχέση με την πυκνότητα του εγχεόμενου ρεύματος στο έδαφος, ως ακολούθως: Για πυκνότητα ρεύματος μικρότερη από την κρίσιμη τιμή της, ισχύει ο τύπος 3.1. Όταν η κρίσιμη τιμή ξεπεραστεί, θεωρούνται δύο περιοχές. Στην μία περιοχή εκδηλώνεται ο ιονισμός του εδάφους για r<r cm και J J c <J s και η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους δίνεται από τον τύπο 3.2, ενώ στην άλλη, η ειδική αντίσταση μηδενίζεται λόγω της εμφάνισης σπινθήρων και ισχύει r<r cm και J J s. Ο συσχετισμός της J s με την J C επιτυγχάνεται ορίζοντας μια νέα σταθερά, όπως φαίνεται παρακάτω: Περίπτωση 1: a=a 0 (1 λ e I b1) (3.4) για a>1 στο εσωτερικό του εδάφους και όταν το ρεύμα αυξάνεται. a 0 :αρχική τιμήτου a l : τιμή εγχεόμενου ρεύματος β 1 : περιλαμβάνει την ενεργειακήθεώρηση λ : γιαέλεγχο της χρονικής στιγμής που το αθα αρχίσει να μειώνεται Για μεγαλύτερη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος, μεγαλώνει η περιοχή εμφάνισης τόξων. Έτσι μπορούμε να πούμε ότι η ένταση των τόξων καθώς και το μέγεθος της περιοχής στην οποία εμφανίζονται εξαρτάται από την τιμή του J s. 21

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Καθώς μειώνεται το a εξαιτίας των τόξων και του ιονισμού, εμφανίζονται τόξα στην επιφάνεια του εδάφους. Έτσι ο τύπος για το a διαμορφώνεται ως εξής : β 2 l a=(1+e ) (3.5α) β=l (t Δt)ln(a s 1) (3.5b) Για a s >1 όπου a s είναι η ελάχιστη τιμή που προκύπτει από τον τύπο 3.5α. Περίπτωση 2: Αφού το ρεύμα φτάσει στη μέγιστη τιμή του και ξεκινήσει να μειώνεται, το a τείνει στην αρχική του τιμή, σύμφωνα με τον τύπο: a=a p +(a 0 a p )(a I β 3 ) (3.6) I p όπου: I p : η μέγιστη τιμή του ρεύματος a p : είναι η τιμή του a που αντιστοιχεί στο I p β 3 :σταθερά που μεταβάλλεται ώστε η α να ανακτά όσο πιο αργά την αρχική τιμή της,όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του ρεύματος. Ακολούθως με τη μείωση του ρεύματος θεωρούνται τέσσερεις περιοχές όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4. Περιοχή 1: μη ιονισμένη περιοχή όπου και J<J c. η ειδική αντίσταση είναι σταθερή, ρ=ρ soil και r>r cm Περιοχή 2: Εδώ η πυκνότητα ρεύματος είναι μικρότερη από την κρίσιμη τιμή ιονισμού και η τιμή της ειδικής αντίστασης τείνει στην αρχική της τιμή,σύμφωνα με τη σχέση 3.3. Περιοχή 3: Συνεχίζεται το φαινόμενο του ιονισμού, εως ότου J=J c οπότε ξεκινά η διαδικασία απιονισμου (r<r cm και J s > J J c ). Περιοχή 4: Εκδήλωση τόξων και μηδενική ειδική αντίσταση (r<r cm και J J s ). Παρατηρώντας το ανανεωμένο μοντέλο, συμπεραίνει κανείς την πολυπλοκότητα στη χρήση του αφού υπεισέρχονται διάφορες άλλες παράμετροι που πρέπει να προσδιοριστούν. 22

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Ένα τροποποιημένο μοντέλο σε σχέση με αυτό των Liew & Darveniza πρότεινε ο Nixon το 2006 [15]. Βάσει αυτού, υποστήριξε ότι η ειδική αντίσταση της ζώνης ιονισμούαπιονισμού, μπορεί να θεωρηθεί ίδια σε όλο τον όγκο της ζώνης και δύναται να υπολογιστεί από την τιμή της πυκνότητας ρεύματος στο εξωτερικό όριο της ζώνης. Δηλαδή, απλοποιεί τα στοιχειώδη κελύφη που αποτελούν τις ζώνες ιονισμού- απιονισμού, όπου η πυκνότητα ρεύματος μεταβάλλεται με το χρόνο, ενώ για τον υπολογισμό της συνολικής αντίστασης των ζωνών, απαιτείται πρώτα ο υπολογισμός των επί μέρους αντιστάσεων κάθε κελύφους. Στο σχήμα 3.5 απεικονίζονται οι διαφορές μεταξύ των δύο μοντέλων. Σχήμα 3.5: Διαφορές μοντέλων Liew & Darveniza (a) και Nixon(β). 1)Περιοχή ιονισμού,2)περιοχή απιονισμού και 3)μη-ιονισμένη περιοχή [15] Το μοντέλο του Νixon αποδείχθηκε ότι είναι αρκετά ακριβές.[2] 3.2.2-Μοντέλο ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων. Στην περίπτωση αυτήν, εξετάζεται ένα ηλεκτρόδιο τοποθετημένο σε ιονισμένο έδαφος, σαν να ήταν ηλεκτρόδιο τροποποιημένων εγκάρσιων διαμέτρων σε έδαφος μη-ιονισμένο,όπως φαίνεται στο σχήμα 3.6 στην επόμενη σελίδα. 23

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Σχήμα 3.6:Μοντελοποίηση διακύμανσης διαμέτρου για κάθε στοιχειώδες κομμάτι του καλωδίου γείωσης κατά τον ιονισμό του εδάφους. [22] Σύμφωνα με τον Πετρόπουλο [14] και τους Bellaschi et al.[23], υποστηρίζεται ότι όταν ξεκινά η διαδικασία ιονισμού, η αγωγιμότητα του εδάφους στη ζώνη ιονισμού, που υποτίθεται ότι είναι ομοιόμορφη γύρω από τα ηλεκτρόδια, αποκτά αμέσως την ίδια τιμή με την αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου. Με άλλα λόγια, εξισώνεται η ειδική αντίσταση της ζώνης ιονισμού με αυτή του ηλεκτροδίου, με αποτέλεσμα το φαινόμενο να προσομοιώνεται με ηλεκτρόδιο αυξημένων διαστάσεων. Επίσης, η τιμή του ηλεκτροδίου γείωσης παραμένει σταθερή, αυξανόμενης της επιβαλλόμενης τάσης, εως ότου η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή. Τότε δημιουργούνται τόξα εκκένωσης, μειώνοντας την αντίσταση. Άλλη μια πεποίθηση των ερευνητών είναι ότι υπό σταθερό ρεύμα η ζώνη ιονισμού εκτείνεται μέχρι μια συγκεκριμένη επιφάνεια, όπου το ηλεκτρικό πεδίο υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή της διηλεκτρικής αντοχής του εδάφους, η οποία ορίζεται μονοσήμαντα για κάθε τύπο εδάφους. Σχήμα 3.7: Μοντέλο Bellaschi[17] 24

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Όπως είναι κοινά αποδεκτό, η αντίσταση των γειώσεων υπό την επίδραση υψηλών κρουστικών ρευμάτων, αποκτά πολύ χαμηλότερες τιμές σε αντίθεση με την περίπτωση ρευμάτων χαμηλής συχνότητας. Επίσης η τιμή της αντίστασης γειώσης μπορεί να μειωθεί ακόμα περισσότερο, όταν τα ηλεκτρόδια γείωσης γειτνιάζουν με άλλα αγώγιμα αντικείμενα. Αυτό οφείλεται στις ηλεκτρικές εκκενώσεις που λαμβάνουν χώρα και εκμηδενίζουν την υψηλή αντίσταση μεταξύ των αγώγιμων τμημάτων του εδάφους, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός χώρου του οποίου η αγωγιμότητα είναι πολύ μεγαλύτερη απ' ότι στο υπόλοιπο έδαφος. Γι' αυτό το ηλεκτρόδιο δείχνει να είναι αυξημένων διαστάσεων, με μειωμένη αντίσταση ως προς τη γη. Από την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, παρατηρείται ότι ημισφαιρικά κύτταρα δοκιμών χρησιμοποιούνται ευρέως κατά τις εργαστηριακές δοκιμές, για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών των φαινομένων του ιονισμού του εδάφους. Το είδος αυτό, υιοθετήθηκε παλαιότερα μεταξύ άλλων από τον Πετρόπουλο [14], καθώς και από τους Mohamad Nor et al. [20][24]. Ο Πετρόπουλος [14], μετά από πειράματα που πραγματοποίησε χρησιμοποιώντας ημισφαιρικό δοχείο άνθρακα πεπληρωμένο με χώμα, πρότεινε το μοντέλο που φαίνεται στο σχήμα 3.8 Σχήμα 3.8: Μοντέλο Πετρόπουλου[15] Βάσει αυτού, υποστήριξε ότι οι εκκενώσεις κατανέμονται ομοιόμορφα στο χώρο που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο, ο οποίος είναι συγκεκριμένος για κάθε τάση, και διαχωρίζεται από το υπόλοιπο χώμα με μια ημισφαιρική επιφάνεια, της οποίας η ακτίνα εξαρτάται από την τιμή της τάσης. Τα μεγέθη που φαίνονται στο σχήμα 3.8 υπολογίζονται από τους εξής τύπους [15]: R 0 = ρ soil 2πr 0 (3.7) R 0 :αντίσταση μόνιμης κατάστασης σε Ω r 0 : ακτίνα ηλεκτροδίων σε m ρ soil : ειδικήαντίσταση του εδάφους σε Ωm 25

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. Η πυκνότητα ρεύματος σε μια συγκεκριμένη ακτίνα από το ηλεκτρόδιο, υπό την επιβολή κρουστικού κεραυνικού ρεύματος προκύπτει από : J = I (3.8) 2πr 2 J : πυκνότητα ρεύματος σε A/m 2 I : επιβαλλόμενο κρουστικό ρεύμα σε A r :απόσταση απότο ηλεκτρόδιο σε m Όταν η πυκνότητα ρεύματος ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή, τότε εμφανίζεται ο ιονισμός του εδάφους και η τιμή αυτή προκύπτει απο: J cr = E cr ρ soil (3.9) J cr : κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος σε A/ m 2 E cr : κρίσιμη ένταση(ιονισμού)ηλεκτρικού πεδίουσε V / m ρ soil : ειδικήαντίσταση του εδάφους σε Ωm Η ακτίνα της περιοχής του ιονισμού προκύπτει εύκολα συνδυάζοντας τους τύπους (3.8) και (3.9) και λύνοντας ως προς r. έτσι έχουμε : = r ρ I soil i (3.10) 2πE c Λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου, το έδαφος θεωρείται ομογενές και ισότροπο στις πειραματικές δοκιμές, κάτι που δε γίνεται στην πράξη. Ωστόσο, η μείωση της τιμής της μεταβατικής αντίστασης αποδίδεται και σε άλλους παράγοντες, όπως η αύξηση της θερμοκρασίας που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια, αφού μείωση της αντίστασης γείωσης παρατηρείται και όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι σχετικά μικρή, ώστε να μη συμβαίνουν εκκενώσεις. [2] Σχήμα 9: Μοντέλο διάδοσης ιονισμού [24] Σε αντίστοιχα συμπεράσματα κατέληξαν και οι Loboda et al. μετά από έρευνες που 26

Ιονισμός του εδάφους και μοντέλα ιονισμού. διεξήγαγαν. Σύμφωνα με αυτούς, όταν ένα ηλεκτρόδιο γείωσης διαρρέεται από κρουστικό ρεύμα, δημιουργείται γύρω από αυτό μια ζώνη εκκενώσεων, στην οποία αρχικά εμφανλιζονται σπινθήρες που στη συνέχεια μετατρέπονται σε τόξα λόγω ενίσχυσης του ηλεκτρικού πεδίου. Εξαιτίας αυτών των διασπάσεων, δημιουργούνται αγώγιμα μονοπάτια μεταξύ του ηλεκτροδίου και της επιφάνειας της ζώνης εκκενώσεων. Η τελευταία εκτείνεται μέχρι το σημείο όπου η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου δεν ξεπερνά την κρίσιμη τιμή και το ηλεκτρόδιο φαντάζει αυξημένης διαμέτρου. 27

2 8

2 9

3 0

3 1

3 2

3 3

3 4

3 5

3 6

3 7

3 8

3 9

4 0

4 1

4 2

4 3

44

Ανεμογεννήτριες, γείωση, διάταξη, διασύνδεση, εξομοίωση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ_ΓΕΙΩΣΗ,ΔΙΑΤΑΞΗ,ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ, ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ 5.1. Ιδιαιτερότητες προστασίας ανεμογεννητριών.[32] Η προστασία των μοντέρνων ανεμογεννητριών από κεραυνικά πλήγματα παρουσιάζει προβλήματα τα οποία δε συναντώνται συχνά σε άλλες συσκευές. Τα προβλήματα αυτά είναι αποτέλεσμα των παρακάτω λόγων: i. το ύψος των ανεμογεννητριών, οι οποίες ξεπερνούν κάποιες φορές τα 150m. ii. Η τοποθέτησή τους σε τοποθεσίες οι οποίες εκτίθενται συχνά σε κεραυνούς. iii. Τα εκτεθειμένα εξαρτήματα των ανεμογεννητρίων, όπως τα πτερύγια, φτιάχνονται από υλικά τα οποία δε μπορούν να περιορίσουν τα κεραυνικά πλήγματα ή να κατευθύνουν τα ρεύματα κεραυνών. iv. Τα πτερύγια και η άτρακτος περιστρέφονται. v. Το κεραυνικό ρεύμα πρέπει να οδηγηθεί δια μέσω της ανεμογεννήτριας στο έδαφος, διαρρέοντας σχεδόν όλα τα εξαρτήματά της. vi. Η τοποθέτηση και διασύνδεση των ανεμογεννητριών σε εδάφη με πολύ άσχημες συνθήκες γείωσης. Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων και την αποτελεσματικότερη προστασία των ανεμογεννητριών, έχουν αναπτυχθεί τεχνικές προστασίας οι οποίες αναλύονται στο πρότυπο IEC 61400-24. 45

Ανεμογεννήτριες, γείωση, διάταξη, διασύνδεση, εξομοίωση 5.2. Τύποι γείωσης ανεμογεννητριών. Το πρότυπο IEC 61024-1 προτείνει δύο διατάξεις ηλεκτροδίων για τη γείωση μιας ανεμογεννήτριας. 5.2.1. Διάταξη τύπου Α. Αυτή η διάταξη αποτελείται από οριζόντια ή κάθετα ηλεκτρόδια που συνδέονται σε κάθε αγωγό καθόδου. Στην περίπτωση μιας ανεμογεννήτριας, αγωγός καθόδου είναι ο πύργος της. 5.2.2 Διάταξη τύπου Β. Αυτή η διάταξη αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο σε σχήμα δακτυλίου γύρω από την κατασκευή, το οποίο βρίσκεται κατά 80% του συνολικού μήκους του σε επαφή με το χώμα, ή από ένα ηλεκτρόδιο το οποίο βρίσκεται στα θεμέλια της κατασκευής. Είναι δυνατόν κάθετα και οριζόντια ηλεκτρόδια να συνδυαστούν με το παραπάνω ηλεκτρόδιο. Το βάθος τοποθέτησης της διάταξης πρέπει να είναι τουλάχιστον 0.5m. Σε κατασκευές ανεμογεννητριών χρησιμοποείται κυρίως η διάταξη Β, με το δακτυλιδοειδές ηλεκτρόδιο να τοποθετείται περιμετρικά των θεμελίων και να ενώνεται με τα θεμέλια μέσω του τσιμέντου όπως δείχνεται στο σχήμα 5.1. Σχήμα 5.1: Σύνηθης διάταξη γείωσης ανεμογεννήτριας.[32] 5.3. Διάταξη γείωσης στην παρούσα εργασία. Στην παρούσα εργασία το πλέγμα γείωσης μίας ανεμογεννήτριας που θα εξομοιωθεί 46

Ανεμογεννήτριες, γείωση, διάταξη, διασύνδεση, εξομοίωση δείχνεται στο σχήμα 5.2. Σχήμα 5.2: Πλέγμα γείωσης της ανεμογεννήτριας και τοποθέτηση του στα θεμέλια. 47

Ανεμογεννήτριες, γείωση, διάταξη, διασύνδεση, εξομοίωση Η διάμετρος των οριζόντιων ηλεκτροδίων επιλέχθηκε να είναι Φ οριζ =17mm, ενώ για τα κάθετα ηλεκτρόδια η διάμετρος είναι Φ καθ =20mm. Το βάθος που τοποθετείται το πλέγμα ορίστηκε στα h=2m. Η ειδική αντίσταση των θεμελίων επιλέχθηκε να είναι ρ θεμ =50 Ωm, ενώ η ειδική αντίσταση του εδάφους στο χώρο μεταξύ των γεννητριώνεπιλέχθηκε να είναι ρ εδαφ =500 Ωm και ρ εδαφ =1000Ωm. 5.4. Διάταξη πάρκου ανεμογεννητριών. Η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς της γείωσης των ανεμογεννητριών θα γίνει για ένα πάρκο που αποτελείται από τέσσερεις ανεμογεννήτριες, η διάταξη και οι αποστάσεις των οποίων φαίνονται στο σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3: Διασύνδεση ανεμογεννητριών στο αιολικό πάρκο. 48

Ανεμογεννήτριες, γείωση, διάταξη, διασύνδεση, εξομοίωση 5.5. Διασύνδεση ανεμογεννητριών. Σύμφωνα με το πρότυπο IEC 61400-24 [32] σε πάρκα ανεμογεννητριών είναι επιθυμητή η διασύνδεση μεταξύ των ανεμογεννητριών μέσω αγωγών οι οποίοι τοποθετούνται μαζί με τα καλώδια του συστήματος ισχύος ή/και με τα καλώδια του συστήματος SCADA. Ο λόγος είναι ότι αποτρέπουν τα καλώδια ισχύος και τα καλώδια SCADA από το να άγουν σημαντικό ποσοστό του ρεύματος κεραυνού, αλλα και να μειώνουν την επαγώμενη τάση σε απομονωμένες γεννήτριες. Σύμφωνα με έρευνες, η αποτελεσματικότητα της διασύνδεσης των γεννητριών είναι εξαρτημένη τόσο από την ειδική αντίσταση του εδάφους, όσο και από τη μορφή του κεραυνικού ρεύματος και πιο συγκεκριμένα από τον χρόνο μετώπου. Συγκεκριμένα οι R. Ahmed και M.Ishii [33] σε εργασία τους, στην οποία χρησιμοποίησαν τη μέθοδο FTDT, ερεύνησαν την αποτελεσματικότητα της διασύνδεσης και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπάρχει ένα συγκεκριμένο μήκος μέχρι το οποίο παρατηρείται μείωση της μέγιστης τάσης στο σημείο έγχυσης του ρεύματος. Στο σχήμα 5.4 φαίνεται η ποσοστιαία μείωση της μέγιστης τάσης σε εξάρτηση με την απόσταση μεταξύ των γεννητριών για ειδική αντίσταση εδάφους 500Ωm. Στο σχήμα 5.5 φαίνεται η αντίστοιχη συσχέτιση για ειδική αντίσταση εδάφους 2000 Ωm. Με λεπτή γραμμή απεικονίζεται η συμπεριφορά για αγωγό διασύνδεσης χωρίς μόνωση και θαμένο στο έδαφος, με την πιο έντονη γραμμή απεικονίζεται η συμπεριφορά για μονωμένο αγωγό διασύνδεσης θαμένο στο έδαφος ενώ με διακεκομένη απεικονίζεται η συμπεριφορά για εναέριο καλώδιο. Σχήμα 5.4: Ποσοστιαία μείωση μέγιστης τάσης συναρτήσει τις απόστασης της διασύνδεσης.ειδική αντίσταση εδάφους 500 Ωm.[33] 49

Ανεμογεννήτριες, γείωση, διάταξη, διασύνδεση, εξομοίωση Σχήμα 5.5:Ποσοστιαία μείωση της μέγιστης τάσης συναρτήσει της απόστασης διασύνδεσης.ειδική αντίσταση του εδάφους 2000 Ωm.[33] Δηλαδή από τα σχήματα παρατηρείται ότι για γυμνό καλώδιο θαμένο στο έδαφος η ποσοστιαία μείωση της τάσης είναι στην ουσία σταθερή και ανεξάρτητη του μήκους της διασύνδεσης, ενώ για εναέριο καλώδιο και για μονωμένο καλώδιο θαμένο στο έδαφος, μετά από ένα συγκεκριμένο μήκος παρατηρείται μείωση της ικανότητας ελάττωσης της τάσης. Σύμφωνα με αυτήν την παρατήρηση, ορίστηκε ένα ενεργό μήκος για την διασύνδεση μεταξύ των γεννητριών το οποίο εξαρτάται από την κυματομορφή του ρεύματος και από την ειδική αντίσταση του εδάφους.στο σχήμα 5.6 απεικονίζεται το ενεργό μήκος της διασύνδεσης, δηλαδή μέχρι ποιο μήκος η διασύνδεση έχει επίδραση στην μείωση της τάσης, συναρτήσει του χρόνου μετώπου της κυματομορφής του ρεύματος. Παρατηρούμε ότι όσο μικραίνει ο χρόνος μετώπου και η ειδική αντίσταση του εδάφους, το ενεργό μήκος των καλωδίων διασύνδεσης μικραίνει. Σχήμα 5.6: Ενεργό μήκος διασύνδεσης συναρτήσει του χρόνου μετώπου της κυματομορφής του ρεύματος.[33] 50