ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΆΝΤΩΝΑ ΓΙΑΝΝΗ Αριθμός Μητρώου: 78 Θέμα: ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΕΙΩΣΕΩΝ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα, Μάιος 2011

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΕΙΩΣΕΩΝ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΆΝΤΩΝΑ ΓΙΑΝΝΗ Α.Μ.: 78 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Ο Διευθυντής του Τομέα: Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές σε ότι αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου τόσο για την υλική, όσο και για την ψυχολογική στήριξη που μου παρείχαν κατά τη διάρκεια της μαθητικής και φοιτητικής μου σταδιοδρομίας, καθώς και την αρραβωνιαστικιά μου που ήταν συνέχεια δίπλα μου κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων.

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΕΙΩΣΕΩΝ Φοιτητής: ΆΝΤΩΝΑΣ ΓΙΑΝΝΗΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Γείωση είναι η αγώγιμη σύνδεση ενός σημείου κάποιου κυκλώματος ή ενός μηρευματοφόρου μεταλλικού αντικειμένου μιας εγκατάστασης με το έδαφος, με σκοπό να αποκτήσουν το ίδιο δυναμικό με τη γη, το οποίο θεωρείται -κατά σύμβαση- ίσο με μηδέν. Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση του κεραυνικού ρεύματος ή ρευμάτων βραχυκύκλωσης μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο, που δύνανται να πλήξουν τον άνθρωπο, καθώς και να προκαλέσουν ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Η απόδοση των συστημάτων γείωσης που υπόκεινται σε κρουστικά ρεύματα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η συμπεριφορά της αντικεραυνικής προστασίας των υποσταθμών, σχετίζεται με τα κρουστικά χαρακτηριστικά των διατάξεων γείωσης. Προκειμένου να επιτευχθεί η ορθή σχεδίαση του ηλεκτρικού συστήματος, σε ότι αφορά την προστασία των εγκαταστάσεων έναντι ανώμαλων γεγονότων, είναι θεμελιώδες και απολύτως απαραίτητο να προβλεφθεί η μεταβατική συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης, υπό την επίδραση κρουστικών κεραυνικών ρευμάτων, ή ρευμάτων σφάλματος. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης υποσταθμού ανύψωσης τάσης 20/150 kv στη Βοιωτία. Σκοπός της είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου που θα προσομοιώσει το πλέγμα λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους, και μέσω του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP, γίνεται η εξομοίωση, απ όπου λαμβάνονται τα αποτελέσματα υπό μορφή γραφημάτων και μελετάται η μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος γείωσης, στις περιπτώσεις πλήγματος κεραυνού, αλλά και σφάλματος στο μετασχηματιστή ισχύος. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη περιγραφή των θεμάτων καθενός κεφαλαίου. Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της γείωσης, η εξοικείωση του αναγνώστη με βασικούς ορισμούς, αναφέρονται τα είδη και οι μέθοδοι γείωσης, καθώς επίσης οι τύποι των ηλεκτροδίων και οι βασικές διατάξεις γείωσης όπως προκύπτουν από τους διεθνείς κανονισμούς και τα ελληνικά πρότυπα. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά μεγέθη που σχετίζονται με την απόκριση ενός συστήματος γείωσης, τα οποία δεν είναι άλλα από την αντίσταση γείωσης, την ειδική αντίσταση του εδάφους, την κρουστική σύνθετη αντίσταση και την κρίσιμη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. i

Στο Τρίτο Κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στο φαινόμενο ιονισμού του εδάφους, αναλύοντας τους μηχανισμούς διάσπασης του εδάφους καθώς και τα μοντέλα βάσει των οποίων μοντελοποιείται το φαινόμενο. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα μοντέλα στα οποία βασιζόταν αρχικά η προσομοίωση των ηλεκτροδίων γείωσης, και στη συνέχεια γίνεται ανασκόπηση στη βιβλιογραφία και σε δημοσιεύσεις διαφόρων ερευνητών. Έπειτα αναφέρονται τα επικρατέστερα μοντέλα και οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα για την προσομοίωση των συστημάτων γείωσης. Επίσης για καθένα από τα μοντέλα αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σε σχέση με τα υπόλοιπα μοντέλα. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP, δίνοντας ιδιαίτερη σημασία στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία. Στο Έκτο Κεφάλαιο επιλέγεται το μοντέλο προσομοίωσης, παρατίθενται τα στοιχεία του πλέγματος γείωσης του Υποσταθμού ανύψωσης τάσης, και ακολουθεί η εξομοίωση του. Στο Έβδομο Κεφάλαιο λαμβάνονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης υπό μορφή γραφημάτων, σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος στον Πυλώνα ή στους Ιστούς αντικεραυνικής προστασίας, αλλά και σε ενδεχόμενο σφάλμα στον μετασχηματιστή ισχύος. Εν συνεχεία σχολιάζονται και στο τέλος παρατίθενται οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προκύπτουν, εξάγεται το συμπέρασμα ότι το πλέγμα του συγκεκριμένου υποσταθμού είναι άρτια σχεδιασμένο και μπορεί να εγγυηθεί μια αξιόπιστη και ασφαλή λειτουργία. Αναφορικά με τον σχεδιασμό του συστήματος, γίνεται σαφές ότι όσο πιο πυκνό είναι το πλέγμα γείωσης, τόσο περισσότερο περιορίζεται η ανύψωση δυναμικού στα σημεία έγχυσης του ρεύματος κεραυνού καθώς και στα γειτονικά σημεία. Αυτό φαίνεται εάν συγκριθεί το γράφημα όπου ο κεραυνός πλήττει τον Πυλώνα (Vp=2,2kV), με το αντίστοιχο γράφημα όπου ο κεραυνός πλήττει τον ιστό 1 ή 3 (Vp=1,45kV) (Σχήμα Α1-Α2). Το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους κάνει αισθητή την παρουσία του κατά τις μεταβατικές καταστάσεις, γι αυτό και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στην εξομοίωση του συστήματος γείωσης, αφού επηρεάζει την τιμή της κάθετης ως προς τη γη χωρητικότητας και αγωγιμότητας. Ως εκ τούτου αυξάνονται νοητά οι διαστάσεις των αγωγών και έτσι μειώνεται η αντίσταση γείωσης και περιορίζεται η ανύψωση δυναμικού. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η μέγιστη τιμή της τάσης ανέρχεται στα 55kV στο σημείο έγχυσης, η οποία τείνει στο μηδέν για απόσταση μεγαλύτερη των 10-12 μέτρων (Σχήμα Β1-Β2). ii

ΠΥΛΩΝΑΣ_1.2 2500 [V] [V] 2000 1200 1500 900 1000 00 500 300 0 0,2 0,4 0, ΙΣΤΟΣ1.2 1500 0,8 0 [ms] 1,0 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:kp2 0,2 0,4 0, 0,8 [ms] 1,0 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:k012 Α1: Τάση στα m από το σημείο έγχυσης του Πυλώνα Α2: Τάση στα m από το σημείο έγχυσης του Ιστού 1 Σχήμα Α ΙΣΤΟΣ1.0 0 3,5 [V] 3,0 [kv] 50 2,5 40 2,0 30 1,5 20 1,0 10 0,5 0 0,2 0,4 0, 0,8 [ms] 1,0 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:k010 Α1: Τάση στο σημείο έγχυσης του Ιστού 1 0,2 0,4 0, 0,8 [ms] 1,0 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:k019 Α2: Τάση στα 12m από το σημείο έγχυσης του Ιστού 1 Σχήμα Β iii

ABSTRACT Grounding is the conductive connection of a circuit s point, or of a non-current carrying metallic object of an installation to the ground, in order to obtain the same potential as the earth, which is, by convention, equal to zero. The purpose of the grounding system is to successfully carry off and diffuse the lightning current or short-circuit currents into the earth, quickly and safely, without causing dangerous overvoltages in the surrounding area, which can affect humans, and cause irreparable damages to the equipment. The performance of grounding systems subjected to impulse currents, play an important role in safe and reliable operation of a power system. The behavior of lightning protection of substations, associated with impact characteristics of grounding arrangements. In order to achieve the proper design of the electrical power system, as regards the protection of installations against anomalous events, it is essential and absolutely necessary to predict the transient behavior of a grounding system under the influence of lightning current surge, or fault currents. The subject of this study is to simulate the transient behavior of the grounding grid of a voltage rise substation 20/150 kv in Viotia. Its aim is the selection of an appropriate model to simulate the grid, taking into account the effect of soil ionization, and simulation takes place using the simulation program ATP-EMTP, whence results are obtained in graphical form, and the transient behavior of the grounding system is studied in the case of a lightning strike, but also of a fault in the power transformer. Afterwards there is a brief description of each chapter topics. In the First Chapter there is an introduction to the meaning of grounding, the reader is acquainted with basic definitions, the types and the methods of grounding are mentioned, as well as the types of electrodes and the basic grounding rules as they derived from international regulations and Greek standards. In the Second Chapter, the main features items related to the response of a grounding system are presented, which are the ground resistance, the soil resistivity, the impulse impedance and the critical electric field strength. In the Third Chapter, a comprehensive reference to the phenomenon of soil ionization takes place, analyzing the mechanisms of soil breakdown, as well as the models on which the phenomenon modeling is based. In the Fourth Chapter, the models which the simulation of grounding electrodes was originally based on are presented, and then there is a review in the literature and in publications of various researchers. Afterwards, the prevailing models and the iv

analytical methods that are currently used to simulate grounding systems are mentioned. Also, for each of the models, advantages and disadvantages are reported in comparison with the rest models. In the Fifth Chapter, a brief presentation of the simulation program ATP-EMTP is carried out, emphasizing on the applications that are used in this study. In the Sixth Chapter, the simulation model is selected, the details of the grounding grid of the voltage rise substation are given, and its simulation follows. In the Seventh Chapter, the results of the simulation are obtained in graphical form, in the case of a lightning strike on the pillar or on the lightning protection tissues, but also in a potential fault in the power transformer. Then results are discussed, and finally observations and conclusions are quoted. According to the results, it is concluded that the grid of this substation is well designed and can guarantee the reliable and safe operation. Regarding the system design, it is become clear that the more concentrated is the grounding grid, the more limited is the potential rise in the lightning current injection point and the surrounding area. This appears if someone compares the graph where the lightning strikes the pillar (Vp =2,2kV), with the corresponding graph that the lighting strikes Tissue 1 or 3 (Vp =1,45kV) (Figure A1-A2). The soil ionization effect is strongly presented during the transients, so it should be taken into account in the simulation of the grounding system, since it affects the value of the shunt capacitance and conductivity. Therefore, dimensions of the conductors are conceivably increased, so the potential rise is limited as result of the reduction of the grounding resistance. It is noteworthy that the peak voltage is 55kV at the injection point, which tends to zero for distances greater than 10-12 meters (Figure B1-B2). PILLAR m away 1500 2500 [V] [V] 2000 1200 1500 900 1000 00 500 300 0 0,2 0,4 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:kp2 0, 0,8 [ms] 1,0 Α1: Voltage m away from the injection point of the pillar 0 0,2 0,4 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:k012 TISSUE 1. m away 0, 0,8 [ms] 1,0 Α2: Voltage m away from the injection point of Tissue 1 Figure Α v

0 [kv] 50 40 30 20 Tissue 1 3,5 [V] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 10 0,5 0 0,2 0,4 0, 0,8 [ms] 1,0 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:k010 0,2 0,4 0, 0,8 [ms] 1,0 (file project-plegma.pl4; x-var t) v:k019 Α1: Voltage in the injection point of Tissue 1 Α2: Voltage 12m away from the injection point of Tissue 1 Figure Β vi

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...i ABSTRACT...iv ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...vii ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΟΡΙΣΜΟΙ-ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ... 1 1.1.ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ... 1 1.2.ΓΕΙΩΣΗ-ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ... 5 1.3.ΕΙΔΗ ΓΕΙΩΣΗΣ... 1.4.ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΕΙΩΣΗΣ... 7 1.5.ΤΥΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ... 8 1.. ΓΕΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΓΕΙΩΣΗΣ... 12 1..1. Διάταξη τύπου Α... 12 1..2. Διάταξη τύπου Β... 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ... 14 2.1.ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΓΕΙΩΣΗΣ... 14 2.2.ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ... 14 2.3.ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΣΥΝΘΕΤΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ... 18 2.4. ΚΡΙΣΙΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ( Ε0 ή Ecr )... 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ... 21 3.1.ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ... 21 3.1.1.ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ... 22 3.1.2.ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ... 22 3.2.ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ... 23 3.2.1.ΜΟΝΤΕΛΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ ΑΥΞΗΜΕΝΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ... 23 3.2.2.ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ... 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ... 31 4.1.ΠΡΩΤΟΕΜΦΑΝΙΖΟΜΕΝΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ [30]... 31 vii

4.2. ΕΞΕΛΙΞΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ-ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ... 33 4.2.1. ΚΥΚΛΩΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ... 34 4.2.2. ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ... 39 4.2.3. ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ... 42 4.2.4. ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ... 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ATP EMTP... 47 5.1. ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ATP EMTP [37]... 47 5.1.1. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ATPDraw... 47 5.1.2 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ PlotXY-PlotXWin... 48 5.2. ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ... 49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ, ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ... 50.1. ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ... 50.2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΥΠΟΣΤΑΘΜΟΥ... 52.3. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ... 54.3.1. ΚΡΟΥΣΤΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΚΕΡΑΥΝΟΥ... 54.3.2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΓΕΙΩΣΗΣ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 59 7.1. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ... 59 7.1.1. ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ... 59 7.1.2. ΣΦΑΛΜΑ ΣΤΟΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ... 73 7.2. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 74 Βιβλιογραφία... 75 viii

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΟΡΙΣΜΟΙ-ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.1.ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Κατ αρχάς, κρίνεται σκόπιμη η παράθεση κάποιων βασικών εννοιών που χρησιμοποιούνται κατά την ανάπτυξη της διπλωματικής εργασίας, προς εξοικείωση του αναγνώστη. Ως γνώμονας για την ορολογία, χρησιμοποιήθηκε το πρότυπο ANSI/IEEE Std 80-2000 [1], το οποίο είναι ένας οδηγός για ασφαλή γείωση υποσταθμών εναλλασσόμενης τάσης. ΓΕΙΩΣΗ Η αγώγιμη σύνδεση, σκόπιμη ή τυχαία, μέσω της οποίας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ή μια συσκευή συνδέεται με τη γη ή με αγώγιμο σώμα τέτοιας έκτασης που να θεωρείται γη.[3] ΠΛΕΓΜΑ ΓΕΙΩΣΗΣ Ένα σύστημα οριζόντιων ηλεκτροδίων τοποθετημένο συνήθως σ ένα συγκεκριμένο χώρο, που αποτελείται από έναν αριθμό διασυνδεδεμένων, γυμνών αγωγών θαμμένων στη γη, παρέχοντας μια κοινή γείωση για τις ηλεκτρικές συσκευές ή τις μεταλλικές κατασκευές. [1] ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ ΓΕΙΩΣΗΣ Ένας αγωγός τοποθετημένος στη γη, που χρησιμοποιείται για συλλογή, καθώς και για διάχυση των ρευμάτων σφάλματος στη γη. [1] ΡΑΒΔΟΙ ΓΕΙΩΣΗΣ Αγώγιμες ράβδοι, θαμμένες κατακόρυφα στο έδαφος, που συνδέονται σε περιμετρικά συνήθως σημεία του πλέγματος, αλλά και σε επιλεγμένα σημεία στο εσωτερικό ανάλογα με τη μελέτη, και έχουν σκοπό τη μείωση της αντίστασης γείωσης. [1] ΑΠΕΙΡΗ ΓΗ Είναι ένα σημείο στην επιφάνεια του εδάφους σε άπειρη απόσταση από το γειωτή. Λαμβάνεται σαν σημείο αναφοράς των δυναμικών. Η τάση της άπειρης γης θεωρείται μηδενική. Για πρακτικούς σκοπούς η «άπειρη απόσταση» είναι 5-10 φορές επί την μεγαλύτερη διάσταση του γειωτή.[4] 1

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΗ ΓΕΙΩΣΗ Είναι η γείωση που δεν επιτρέπει την εμφάνιση βηματικών τάσεων ή τάσεων επαφής, στον τόπο που είναι εγκατεστημένη.[4] ΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με τον ουδέτερο αγωγό του δικτύου.[7] ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΓΕΙΩΣΗΣ (Rg) Είναι η αντίσταση προς την άπειρη γη, ενός ηλεκτροδίου ή ενός συστήματος γείωσης. DC ΣΥΝΙΣΤΩΣΑ Η διαφορά μεταξύ του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος και του συνολικού ρεύματος κατά την μεταβατική κατάσταση. Πρόκειται για έναν παράγοντα σταθερής πολικότητας -θετικής ή αρνητικής-, που ελαττώνεται και τείνει σε μια προκαθορισμένη τελική τιμή. ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ Έδαφος ανομοιογενούς σύστασης που ομογενοποιείται με τουλάχιστον δύο οριζόντια ή κατακόρυφα στρώματα, καθένα από τα οποία έχει διαφορετική ειδική αντίσταση. ΛΟΓΟΣ X/R Είναι ο λόγος της αντίδρασης του συστήματος ως προς την αντίστασή του. Δείχνει επίσης το βαθμό εξασθένησης της dc συνιστώσας, δηλαδή για μεγάλο λόγο X/R, μεγαλώνει η χρονική σταθερά και κατά συνέπεια έχουμε πιο αργή εξασθένηση.[1] ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗΣ (Df) Συντελεστής που προσδιορίζει το ενεργό ισοδύναμο του μη συμμετρικού ρεύματος σφάλματος για μια δεδομένη διάρκεια σφάλματος tf, εκφράζοντας την επίδραση της παρουσίας dc offset στο ρεύμα σφάλματος και τη μείωσή του με την πάροδο του χρόνου. Επίσης είναι απαραίτητος για τον υπολογισμό της μελέτης ασφαλείας ενός συστήματος γείωσης.[4] ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ (If) Είναι η μέγιστη ενεργός τιμή του ρεύματος σφάλματος, την στιγμή ακριβώς που ξεκινά το σφάλμα, και για σφάλμα φάσης-γης συμβολίζεται ως ακολούθως: [1] I f 0 3 I0 2

όπου Ι0 η ενεργός τιμή του ρεύματος μηδενικής ακολουθίας αμέσως μετά την έναρξη του σφάλματος, και συμβολίζεται έτσι διότι στη συγκεκριμένη περίπτωση το αρχικό συμμετρικό ρεύμα σφάλματος αναμένεται να παραμείνει σταθερό. ΕΝΕΡΓ Ο ΜΗ ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΣΦ ΑΛΜΑΤΟΣ (I F) Το γινόμενο της ενεργού τιμής του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος (If) επί τον συντελεστή εξασθένησης (Df).[4] IF D f I f ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ (I g) Είναι εκείνο το τμήμα του συμμετρικού ρεύματος σφάλματος γείωσης, που ρέει μεταξύ του πλέγματος γείωσης και τη γης, και δίνεται από τον τύπο:[1] Ig S f I f Όπου Sf ο παράγοντας διαίρεσης του ρεύματος σφάλματος. ΜΕΓΙΣΤΟ ΡΕΥΜΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ (IG) Ένας κατασκευαστικός όρος για το μέγιστο ρεύμα πλέγματος, που προκύπτει από το γινόμενο του συντελεστή εξασθένησης (Df) επί την ενεργό τιμή του συμμετρικού ρεύματος πλέγματος, όπως φαίνεται παρακάτω:[1] IG D f I g ΑΝΥΨΩΣΗ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΓΗΣ (GRP) Είναι το μέγιστο ηλεκτρικό δυναμικό που αποκτά το πλέγμα γείωσης ενός υποσταθμού ως προς ένα απομακρυσμένο σημείο που θεωρείται άπειρη γη, και προκύπτει από το γινόμενο του μέγιστου ρεύματος πλέγματος επί την αντίσταση γείωσης όπως φαίνεται στη συνέχεια:[1] GPR IG R g Σε κανονικές συνθήκες, η τιμή του δυναμικού είναι κοντά στο μηδέν. Σε περίπτωση σφάλματος όμως προς γη, το τμήμα του ρεύματος που άγει το πλέγμα γείωσης ενός υποσταθμού προς τη γη, προκαλεί την ανύψωση του δυναμικού αυτού.[1] ΤΑΣΗ ΕΠΑΦΗΣ (ETo uch) Είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ της ανύψωσης δυναμικού (GPR) και του δυναμικού της επιφάνειας όπου στέκεται ένα άτομο, έχοντας συγχρόνως το ένα του χέρι σε επαφή με μια γειωμένη κατασκευή. [1] 3

ΒΗΜΑΤΙΚΗ ΤΑΣΗ (E STEP ) Είναι η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των ποδιών ενός ανθρώπου στην επιφάνεια που στέκεται, θεωρώντας ότι έχουν άνοιγμα 1 μέτρο (m), και ο άνθρωπος δεν βρίσκεται σε επαφή με οποιοδήποτε γειωμένο αντικείμενο. ΤΑΣΗ ΒΡΟΧΟΥ (E Mesh ) Είναι η μέγιστη τάση επαφής εντός ενός βρόχου του πλέγματος γείωσης.[1] ΤΑΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ Η ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΠΡΟΣ ΑΠΕΙΡΗ ΓΗ (U F ) Είναι η τάση που εμφανίζεται μεταξύ ενός μεταλλικού αντικειμένου της εγκατάστασης -λόγω σφάλματος-, και ενός σημείου με μηδενικό δυναμικό (δυναμικό προς άπειρη γη).[7] ΤΑΣΗ ΕΠΑΦΗΣ ΜΕΤΑΞΥ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ μεταλλικών αντικειμένων ή συσκευών ενός υποσταθμού, που δύναται να γεφυρωθεί από την άμεση επαφή χεριού-χεριού, ή χεριού-ποδιού με αυτά.[1] ΥΛΙΚΟ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Είναι ένα υλικό που τοποθετείται πάνω στο έδαφος, το οποίο μπορεί να αποτελείται από πέτρα, ή χαλίκια, ή άσφαλτο, ή ακόμα και από τεχνητά υλικά, που ανάλογα με την ειδική του αντίσταση, μπορεί να επιδράσει σημαντικά στο ρεύμα που πρόκειται να διαρρεύσει στο ανθρώπινο σώμα, εξαιτίας τάσεων επαφής ή βηματικών τάσεων.[1] 4

1.2.ΓΕΙΩΣΗ-ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Γείωση είναι η αγώγιμη σύνδεση ενός σημείου κάποιου κυκλώματος ή ενός μηρευματοφόρου μεταλλικού αντικειμένου μιας εγκατάστασης με το έδαφος, με σκοπό να αποκτήσουν το ίδιο δυναμικό με τη γη, το οποίο θεωρείται -κατά σύμβαση- ίσο με μηδέν. Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση του κεραυνικού ρεύματος ή ρευμάτων βραχυκύκλωσης μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο, που δύνανται να πλήξουν τον άνθρωπο, καθώς και να προκαλέσουν ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Έτσι λοιπόν, ο ρόλος ενός συστήματος γείωσης συνοψίζεται ως ακολούθως: [3] i) Προστασία του ανθρώπου από τις βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής που αναπτύσσονται. ii) Προστασία της κατασκευής και του εξοπλισμού από κεραυνικά ρεύματα ή ρεύματα σφαλμάτων. iii) Μείωση του ηλεκτρικού θορύβου, εξασφάλιση ελάχιστης διαφοράς δυναμικού μεταξύ των διασυνδεδεμένων συσκευών και περιορισμό των ηλεκτρικών και μαγνητικών ζεύξεων. Ένα σύστημα γείωσης αποτελείται από γειωτές ιδίου ή και διαφορετικού τύπου που συνδέονται με τον αγωγό γείωσης, καθώς και από το σύνολο του εξοπλισμού που απαιτείται για τη σύνδεση και την στήριξή των. Είναι σαφές ότι το σύστημα γείωσης αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης, και δη του συστήματος προστασίας από κεραυνικά πλήγματα ή εσωτερικά σφάλματα, σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας όπως σταθμούς παραγωγής, υποσταθμούς, γραμμές μεταφοράς κ.ά. Βασικές προϋποθέσεις για αποφυγή οποιωνδήποτε ολέθριων συνεπειών τόσο στο ανθρώπινο δυναμικό, όσο και στην προς γείωση εγκατάσταση, είναι ο σωστός σχεδιασμός, καθώς και η ορθή κατασκευή και εγκατάσταση του συστήματος γείωσης. Παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταβατική συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης είναι: [1] i ii iii iv v Οι διαστάσεις και το σχήμα του συστήματος γείωσης Η ειδική αντίσταση του εδάφους στο οποίο είναι τοποθετημένο το πλέγμα γείωσης. Η ανάπτυξη ή όχι ιονισμού του εδάφους Η κυματομορφή του εγχεόμενου ρεύματος Το σημείο έγχυσης του ρεύματος. 5

1.3.ΕΙΔΗ ΓΕΙΩΣΗΣ Ανάλογα με τη χρήση των γειώσεων, διακρίνονται σε 5 κατηγορίες: I. ΓΕΙΩΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ:: είναι η γείωση ενός σημείου ενός ενεργού κυκλώματος, όπως για παράδειγμα η γείωση του ουδετέρου ενός μετασχηματιστή και η γείωση του ουδέτερου αγωγού του συστήματος. Όταν η γείωση λειτουργίας έχει επιπλέον ωμικές αντιστάσεις, αυτεπαγωγές ή και χωρητικές αντιστάσεις καλείται έμμεση,, ενώ όταν περιλαμβάνει μόνο την αντίσταση γείωσης καλείται άμεση. [7,8] Στις γειώσεις λειτουργίας δεν συμπεριλαμβάνονται οι ανοικτές γειώσεις, δηλαδή αυτές όπου στη γραμμή γείωσης παρεμβάλλεται σπινθηριστής ή ασφάλεια διάσπασης. διάσπασης II. ΓΕΙΩΣΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ: ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ είναι η γείωση ενός αγώγιμου μέρους που δεν είναι στοιχείο ενεργού κυκλώματος, όπως για παράδειγμα η γείωση του περιβλήματος μιας ηλεκτρικής συσκευής (λ.χ. ενός Μ/Σ), που σκοπό έχει να προστατεύσει τον άνθρωπο από τάσεις επαφής. Δεν είναι ποτέ ανοικτές γειώσεις. [7,8] ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ είναι η σύνδεση των III. ΓΕΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ: 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 εγκαταστάσεων στο συγκεκριμένο χώρο.[3,8] Σχήμα 1.1. Τα τρία είδη γειώσεων, λειτουργίας, προστασίας και γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας για απαγωγή των κεραυνών. [8]

IV. ΓΕΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ: Αφορά στις γειώσεις και στις ισοδυναµικές συνδέσεις των εγκαταστάσεων επεξεργασίας πληροφοριών, καθώς και εγκαταστάσεων παρόµοιων προς αυτές, στις οποίες απαιτείται η διασύνδεση των συσκευών που τις αποτελούν για λόγους µετάδοσης δεδοµένων. Τέτοιες εγκαταστάσεις επεξεργασίας πληροφοριών είναι για παράδειγμα (α) συσκευές τηλεπικοινωνίας και µετάδοσης δεδοµένων ηλεκτρονικών υπολογιστών ή άλλων εγκαταστάσεων που χρησιµοποιούν τη µετάδοση σηµάτων µε επιστροφή προς τη γη µέσω εσωτερικών ή εξωτερικών συνδέσεων του κτιρίου, (β) δίκτυα συνεχούς ρεύµατος που εξυπηρετούν τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας πληροφοριών µέσα σ ένα κτίριο, (γ) συστήµατα συναγερµού πυρκαγιάς ή διάρρηξης.[10] V. ΓΕΙΩΣΗ ΥΠΟΣΤΑΘΜΩΝ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ: Είναι η σύνδεση όλων των συσκευών, των πυλώνων, των ουδετέρων κόμβων των μετασχηματιστών, των εγκαταστάσεων, όλων των μεταλλικών περιβλημάτων, καθώς και της περίφραξης με το σύστημα γείωσης του υποσταθμού που συνήθως αποτελείται από πλέγμα θαμμένο στο έδαφος. 1.4.ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΕΙΩΣΗΣ 1) ΑΜΕΣΗ ΓΕΙΩΣΗ Είναι η απευθείας αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με το ηλεκτρόδιο ή το πλέγμα γείωσης. 2) ΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Είναι η αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών περιβλημάτων των συσκευών με τον ουδέτερο αγωγό. 3) ΜΕΣΩ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ ΔΙΑΦΥΓΗΣ Με τους διακόπτες διαφυγής επιτυγχάνεται άμεση απόζευξη του τμήματος της εγκατάστασης που παρουσιάζει τάση επαφής μεγαλύτερη των 50 V σε πολύ μικρό χρόνο, ενώ η αντίσταση γειώσεως είναι πολύ υψηλή και μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί. Διακρίνονται σε διακόπτες διαφυγής τάσης και έντασης.[7] 7

1.5.ΤΥΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΩΝ ΓΕΙΩΣΗΣ Οι γειωτές, όπως συνηθίζεται να ονομάζονται τα ηλεκτρόδια γείωσης, έχουν τις μορφές που απεικονίζονται στα σχήματα του πίνακα 1.2. Επίσης στον ίδιο πίνακα φαίνονται οι τύποι που δίνουν τις αντιστάσεις ενώ στον πίνακα 1.1 δίνονται οι ελάχιστες διατομές των ηλεκτροδίων γείωσης. 1. 2. 3. 4. 5. Ράβδοι γείωσης ή σωλήνες Ταινίες γείωσης ή σύρματα Πλάκες γείωσης Ακτινικός γειωτής Γείωση με πλέγμα Πλέγμα από ταινίες ή αγωγός κυκλικής ή άλλης διατομής οριζόντια σε βάθος 0.5-1.0 m (πίνακας 1.1). Τα ελάχιστα πάχη είναι όπως στους γειωτές ταινίας. Το πλεονέκτημα των γειωτών πλέγματος είναι ότι οι βηματικές τάσεις στο έδαφος, επάνω από το πλέγμα, είναι αμελητέες. Το πλάτος των τετραγωνικών ανοιγμάτων του πλέγματος καθορίζεται από το πού θα τοποθετηθεί το πλέγμα, και από το όριο των βηματικών τάσεων.. Μεταλλικοί σωλήνες νερού (υπό προϋποθέσεις) Οι μεταλλικοί σωλήνες ύδρευσης μπορούν να χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια γείωσης μόνον εφόσον υπάρχει η συγκατάθεση του φορέα που είναι αρμόδιος για την παροχή του νερού και εφόσον υπάρχει κατάλληλη διαδικασία που θα εξασφαλίζει, ότι ο χρήστης της ηλεκτρικής εγκατάστασης θα ειδοποιείται εγκαίρως για κάθε σχεδιαζόμενη αλλαγή στο σύστημα των σωληνώσεων ύδρευσης.[10] 7. Επιφανειακοί και βαθείς γειωτές Γίνεται διάκριση στους γειωτές ανάλογα με το βάθος τους σε: επιφανειακούς γειωτές, π.χ. γειωτές ταινίας, πλέγματος και ακτινικούς γειωτές, βαθείς γειωτές, π.χ. γειωτές ράβδου. Με μηχανική προστασία Με προστασία έναντι διάβρωσης * Χωρίς προστασία έναντι διάβρωσης Υπολογίζεται βάσει του άρθρου 543.1 του [10] Χωρίς μηχανική προστασία 1 mm2 Χαλκός 1 mm2 Γαλβανισμένος χάλυβας 25 mm2 Χαλκός 50 mm2 Γαλβανισμένος χάλυβας * Η προστασία έναντι διάβρωσης μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση ενός μανδύα Πίνακας 1.1 Eλάχιστες διατομές ηλεκτροδίων γείωσης κατά ΕΛΟΤ HD 384 [10]. 8

Τύπος ηλεκτροδίου Πλάγια όψη Κάτοψη Τύπος Σφαίρα στην επιφάνεια R D Σφαίρα θαμμένη στο έδαφος D R 0,5 D 8h Πλάκα στην επιφάνεια Πλάκα θαμμένη στο έδαφος Κατακόρυφο ηλεκτρόδιο στην επιφάνεια Κατακόρυφο ηλεκτρόδιο θαμμένο στο έδαφος Ταινία στην επιφάνεια R 1) 2) 2) 2D D R 0,5 2D 4 h 3) 8L 4) ln 1 = 2 L d 4L = ln 2 L 1,3 d R 4) 4L 2h L ln 2 L 1,3 d 4 h L R= 4) 2L R= ln L 1,3 d 5) Ταινία θαμμένη στο έδαφος L2 R= ln 2 L 1,85 hd Δύο ταινίες στην επιφάνεια R= ) L2 ln L 2 1,85 d Δύο ταινίες θαμμένες στο έδαφος R= 5) L4 ln 2 L 1 3,42 hd A Δακτύλιος στην επιφάνεια Δακτύλιος θαμμένος στο έδαφος A a2 4h2 8D ln = 2 D d 2L = ln L 0,785 d 4) 1D 2 ln = hd 2 2D L2 = ln 2 L 0,17 hd 5) R R 9

Δύο ταινίες (ορθή γωνία) L2 R= ln 2 L 1,27 hd Τρεις ταινίες στο έδαφος L2 R= ln 2 L 0,77 hd Τέσσερις ταινίες στο έδαφος L2 R= ln 2 L 0,217 hd Έξι ταινίες στο έδαφος L2 103 R= ln 2 L 9,42 hd Οκτώ ταινίες στο έδαφος L2 104 R= ln 2 L 2,9 hd Πλέγμα θαμμένο στο έδαφος R 2D L 5) 5) 5) 5) 5) 7) Παρατηρήσεις 1) D<h 2) s D 3) D<2h 4) d L 5) d 4h L / n ) d α L / n 7) h D Πίνακας 1.2: Τύποι για αντιστάσεις ηλεκτροδίων γείωσης. [40] 8. Θεμελιακή γείωση [8,9,10,12] Θεμελιακή γείωση είναι το σύστημα γείωσης που τοποθετείται εντός των εκ σκυροδέματος θεμελίων μίας κατασκευής και χρησιμοποιείται ως γείωση προστασίας, λειτουργίας, ασθενών ρευμάτων, ηλεκτρονική, αλεξικεραύνου κ.ά. Η εφαρμογή της καθίσταται πλέον υποχρεωτική σε κάθε νεοαναγειρόμενη οικοδομή, βάσει του ΦΕΚ 1222/05-09-200 τεύχους Β αριθ. Φ. Α 50/12081/42 άρθρου 2, αφού διαπιστώνεται ότι πλεονεκτεί σε σχέση με τις λοιπές μορφές γειωτών, ως προς τα εξής: Χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης Σταθερή τιμή αντίστασης χειμώνα καλοκαίρι Μηχανική προστασία - Αντοχή σε Διάβρωση Εξάλειψη βηματικών τάσεων Ισοδυναμικές συνδέσεις Ευελιξία για Προστασίας) εγκατάσταση ΣΑΠ (Συστήματος Αντικεραυνικής Χαμηλό κόστος 10

Σχήμα 1.2. Λεπτομέρειες θεμελιακής γείωσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μέρος των γειωτών που βγαίνουν από το έδαφος μονώνεται με πίσσα ή άλλα μονωτικά για αντιμετώπιση του προβλήματος της υγρασίας. Σε εγκαταστάσεις αλεξικέραυνου η ελάχιστη διατομή για χαλκό είναι 50mm 2. Κατά την εγκατάσταση της θεμελιακής γείωσης θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη τοποθέτηση της ταινίας, η οποία πρέπει να τοποθετείται με την μεγάλη επιφάνεια κάθετα στο έδαφος, και να καλύπτεται από σκυρόδεμα Β 225 (300 κιλά ανά κυβικό) για τουλάχιστον 5 cm. Επίσης απαγορεύεται αυστηρά η συγκόλληση της ταινίας, καθώς και η συγκράτησή της επί του οπλισμού με σύρμα. Άλλο ένα σημείο υψίστης σημασίας που διευκρινίζεται ρητά από τους κανονισμούς [10,11], είναι τα σημεία συνδέσεων των αγωγών, τα οποία πρέπει γίνονται με ειδικά εξαρτήματα σύνδεσης και εργαλεία που να μπορούν να μετρούν τη ροπή, ώστε να είναι εντός των επιθυμητών ορίων. Επίσης θα πρέπει κατά καιρούς να ελέγχονται τα σημεία συνδέσεων και να διορθώνονται όταν αυτό κρίνεται απαραίτητο. 11

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. Το πρώτο μέτρο ενός κατακόρυφου ηλεκτροδίου γείωσης συνιστάται να µη θεωρείται ενεργό σε συνθήκες πάγου. Για απογυμνωμένο συμπαγή βράχο συνιστάται µόνο η διάταξη γείωσης τύπου Β. 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.[39] 1.. ΓΕΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΓΕΙΩΣΗΣ Όταν πρόκειται για συστήματα αντικεραυνικής προστασίας ισχύουν βάσει του προτύπου [39] που στηρίζεται στους διεθνείς κανονισμούς της IEC (2305) οι τύποι διατάξεων που αναφέρονται στη συνέχεια. 1..1. Διάταξη τύπου Α Η διάταξη αυτού του τύπου περιλαμβάνει οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης συνδεδεμένα σε κάθε αγωγό καθόδου. Επίσης ως διάταξη γείωσης τύπου Α θεωρείται όταν υπάρχει περιμετρικός δακτύλιος που συνδέει τους αγωγούς καθόδου και έρχεται σε επαφή µε το έδαφος σε μήκος λιγότερο από το 80% του συνολικού του μήκους. Σ αυτή τη διάταξη απαιτούνται τουλάχιστον δύο ηλεκτρόδια γείωσης, όπου το ελάχιστο μήκος καθενός είναι l1 για ακτινικά οριζόντια ηλεκτρόδια, ή 0,5 l1 για κατακόρυφα ή κεκλιμένα ηλεκτρόδια. Όπου l1 είναι το ελάχιστο μήκος ακτινικού ηλεκτροδίου που προκύπτει από το Σχήμα 1.3. 12

Σχήμα 1.3. Ελάχιστο μήκος l1 των ηλεκτροδίων γείωσης ανάλογα με την στάθμη προστασίας[40] Εάν επιτευχθεί αντίσταση γείωσης χαμηλότερη των 10 Ω, τότε τα ελάχιστα μήκη του σχήματος 1.3 μπορούν να παραληφθούν. 1..2. Διάταξη τύπου Β Η διάταξη τύπου Β αποτελείται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης εξωτερικά της κατασκευής το οποίο έχει τουλάχιστον το 80% του συνολικού του μήκους σε επαφή με το έδαφος, ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Για περιμετρική ή θεμελιακή γείωση, η μέση ακτίνα r που περικλείεται από την συγκεκριμένη γείωση πρέπει να υπερβαίνει την τιμή l1, δηλαδή r l1. Όταν η απαιτούµενη τιµή του l1 είναι µεγαλύτερη από την πρόσφορη τιµή του r, πρέπει να προστεθούν επιπλέον ακτινικά (lr) ή κατακόρυφα (ή κεκλιµένα) (lv) ηλεκτρόδια, που τα µήκη τους lr και lv δίνονται από τις σχέσεις (1..1) και (1..2). lr l1 r lv l1 r /2 (1..1) (1..2) Θα πρέπει επίσης ο αριθμός των επιπλέον ηλεκτροδίων να είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των αγωγών καθόδου, με ελάχιστο πλήθος δύο. 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ 2.1.ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΓΕΙΩΣΗΣ 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 γή 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 μια χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης που να διασφαλίζει την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης. 2.2.ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ Η ειδική αντίσταση του εδάφους ορίζεται ως η αντίσταση του υλικού του εδάφους που παρουσιάζει ένας μοναδιαίος κύβος (1 1 1 m3 ), 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 Η πυκνότητα και η σύσταση του εδάφους διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. Η τελευταία ποικίλει ανάλογα με το είδος του εδάφους που μπορεί να είναι χωματώδες, αμμώδες, βραχώδες, υγρό, ξηρό, ανομοιογενές κ.ά. Έτσι λοιπόν, όσο πιο ξηρό και πετρώδες είναι το έδαφος, τόσο μεγαλώνει η ειδική του αντίσταση ρ, που μετριέται συνήθως σε Ωm. Επίσης η ειδική αντίσταση σε ανισότροπα εδάφη, διαφέρει γύρω από το ηλεκτρόδιο γείωσης και είναι μη-γραμμική. 14

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 (NaCl), θειϊκό μαγνήσιο (MgSO4), θειϊκός χαλκός (CuSO4), ή χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2). Για την απόκτηση μιας ενδεικτικής εικόνας για το πόσο 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 ιδίου 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 όπου 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 του 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 [11]. Τύπος Εδάφους Ειδική αντίσταση ρ (Ωm) Ελώδες έδαφος Αργιλώδες, πηλώδες ή αγρού Υγρή άμμος Υγρά χαλίκια Ξηρή άμμος Πετρώδες και ξηρά χαλίκια 5-40 20-200 < 300 300-00 >2000 >2000 Πίνακας 2.1. Ενδεικτικές μέσες τιμές ειδικών αντιστάσεων εδαφών[8,11] 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 μεγαλύτερο του μισού μέτρου (0,5m), είναι το γεγονός ότι το έδαφος ξηραίνεται επιφανειακά, ενώ σε βάθος 0,5m διατηρείται υγρό. Γι αυτό άλλωστε λαμβάνεται ως ενεργό μήκος των πασσάλων το συνολικό μήκος μείον 0,5 m, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο. Επίσης, όσο μικρότερο είναι το βάθος τοποθέτησης των ηλεκτροδίων γείωσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους. 15

Μια τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στη Κίνα για τη μείωση της ειδικής αντίστασης του εδάφους σε ένα υποσταθμό σύμφωνα με την αναφορά [15], 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 υπόγειων υδάτων[15] 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 φθάνει περίπου το 30% κατά τη διάρκεια του έτους. Ιανουάριο με Φεβρουάριο είναι υψηλότερη, ενώ Ιούλιο με Αύγουστο χαμηλότερη. Μορφή της τάσης Για γειωτές μήκους 10m ή μεγαλύτερο, υπό κρουστικές τάσεις έχει παρατηρηθεί αύξηση της τιμής της αντίστασης. Σε αρνητικές κρουστικές τάσεις 0,3/30μs (χρόνος μετώπου/χρόνος ουράς), η μεταβατική αντίσταση θεμελιακού γειωτή κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 3Ω και 2Ω. Η αύξηση της τιμής της αντίστασης γίνεται στο μέτωπο της τάσης. Η αντίσταση σε κρουστικές τάσεις χαρακτηρίζεται και σαν κρουστική αντίσταση.[8] 1

Σχήμα 2.3. Επίδραση υγρασίας, θερμοκρασίας και άλατος στην ειδική αντίσταση του εδάφους [1] Μέγεθος των κόκκων Το μέγεθος των κόκκων είναι μια παράμετρος που θα μπορούσε να περιληφθεί στον τύπο του εδάφους, αλλά αναφέρεται ξεχωριστά λόγω της σημαντικότητας της επίδρασης 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. 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 έως 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. 17

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 και το ποσοστό υγρασίας του εδάφους θα καθορίσει αν ένα ρεύμα, συγκεκριμένου μεγέθους και διάρκειας, θα προκαλέσει σημαντική ξήρανση και επομένως, αύξηση της πραγματικής ειδικής αντίστασης του εδάφους. Μια συντηρητική τιμή της πυκνότητας ρεύματος, είναι να μην υπερβαίνει τα 200 A/m2 για 1 δευτερόλεπτο (s). 2.3.ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΣΥΝΘΕΤΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ Κατά τη μεταβατική κατάσταση, η εμπέδηση* του συστήματος γείωσης είναι κατά πολύ μεγαλύτερη απ ότι στην μόνιμη κατάσταση. Αυτό συμβαίνει διότι: [] i. ii. iii. iv. Η αντίδραση των αγωγών και των ακροδεκτών γίνεται μεγαλύτερη λόγω της μικρής διάρκειας του φαινομένου. Ως αποτέλεσμα αυτής της μικρής διάρκειας, είναι η ανάπτυξη υψηλών συχνοτήτων, που συνεπάγεται αύξηση της εμπέδησης γείωσης. Η ελάττωση του χρόνου μετώπου του εγχεόμενου κρουστικού ρεύματος οδηγεί στη μείωση του ενεργού μήκους των μακριών 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) 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) και i(t), που χρησιμοποιήθηκαν για τον ορισμό των παραμέτρων της κρουστικής σύνθετης αντίστασης: 18

Σχήμα 2.4. Προσδιορισμός παραμέτρων κρουστικής σύνθετης αντίστασης[,28] Ακολουθεί ο ορισμός των παραμέτρων της κρουστικής σύνθετης αντίστασης Z1, Z2, Z3, Z4. [28] Z1 max z t Z2 Z3 Z4 u t1 (2.2) Z1: μέγιστη τιμή του λόγου της τάσης προς το ρεύμα i t1 (2.3) Z2: ο λόγος της μέγιστης τιμής της τάσης προς τη στιγμιαία τιμή του ρεύματος i t2 (2.4) Z3: ο λόγος της μέγιστης τιμής της τάσης προς τη μέγιστη τιμή του ρεύματος i t2 (2.5) Z4: ο λόγος της τάσης όταν το ρεύμα γίνεται μέγιστο, προς τη μέγιστη τιμή του ρεύματος u t1 u t2 Από τα προηγούμενα, εύκολα συμπεραίνει κανείς ότι ισχύει: Z1 > Z2 > Z3 > Z4. Ανάλογα με την εφαρμογή επιλέγεται η παράμετρος που θα μετρηθεί. Πολλές φορές προτιμάται η παράμετρος Ζ3 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 Ζ4, σύμφωνα με τον K. J. Nixon [24], 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. 19

Εξαιτίας της δυσκολίας στη μέτρηση της κρουστικής σύνθετης αντίστασης, ορίστηκε ο λόγος Ζ3/RLF για δεδομένη διάταξη ηλεκτροδίων, και έτσι η τιμή της Ζ3 καθορίζεται από τη μέτρηση της αντίστασης γείωσης RLF. Συνήθως ο λόγος αυτός θεωρείται ίσος ή μεγαλύτερος της μονάδος, αφού ληφθούν υπόψη και οι σχετικά με το έδαφος αβεβαιότητες. Παρόλα αυτά, πρόσφατες μελέτες και αποτελέσματα προσομοιώσεων διαφόρων ερευνητών[29], κατέδειξαν ότι η παραπάνω παραδοχή δεν ισχύει κατά κανόνα, και ότι λόγος αυτός δύναται να προκύπτει μικρότερος της μονάδος. 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 ένα κατασκευαστή συστημάτων γείωσης δεν είναι η τιμή της αντίστασης στη μόνιμη κατάσταση, αλλά η χρονική μεταβολή της κρουστικής σύνθετης αντίστασης έως 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[28]. *όπου εμπέδηση εννοείται η κρουστική σύνθετη αντίσταση. 2.4. ΚΡΙΣΙΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ( Ε0 ή Ecr ) 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, γι αυτό άλλωστε υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις σχετικά με αυτό το 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 Oettle πραγματοποιώντας πειράματα πρότεινε την τιμή των 800 kv/m, ενώ ο A. Mousa πρότεινε την τιμή των 300 kv/m κατόπιν μετρήσεων [13]. Επίσης, είναι αρκετοί εκείνοι που εξήγαγαν αναλυτικές σχέσεις για υπολογισμό του Ε0 σε σχέση με την ειδική αντίσταση του εδάφους. Στην παρούσα εργασία θα χρησιμοποιηθεί η τιμή των 300 kv/m όπως πρότεινε ο Mousa [13], όπου απαιτείται. 20

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ 3.1.ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ Το έδαφος, σε μικροδομικό επίπεδο, αποτελείται κατά βάση από μη-ομοιόμορφα αγώγιμα σωματίδια που επικαλύπτονται από νερό, στο οποίο υπάρχουν διαλυμένα άλατα, καθώς και από αέρα μεταξύ των κενών ανάμεσα στα σωματίδια( Σχημα 3.1). Η αγωγιμότητα, και ως εκ τούτου η ειδική αντίσταση του εδάφους, εξαρτώνται τόσο από το νερό, όσο και από την περιεκτικότητα διαλυμένων αλάτων σε αυτό. Επίσης, το μέγεθος και το σχήμα των κόκκων του εδάφους διαφέρουν κατά πολύ μεγάλη κλίμακα, με αποτέλεσμα τα διάκενα που δημιουργούνται μεταξύ αυτών να ποικίλουν, και να επηρεάζουν την τιμή του ηλεκτρικού πεδίου που αναπτύσσεται σ αυτά, εξαιτίας της επιβαλλόμενης τάσης. Έτσι, η ενίσχυση του πεδίου στα διάκενα στο εσωτερικό του εδάφους, μπορεί εύλογα να θεωρηθεί ως η αιτία για την έναρξη της διαδικασίας ιονισμού στο έδαφος. Είναι φανερό, όπως έχει αποδειχθεί από πολλούς ερευνητές [13][18][19], ότι η συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης υπό κρουστικά ρεύματα, διαφέρει εξαιρετικά από την αντίστοιχη υπό συνθήκες χαμηλής συχνότητας. Έτσι, η επαγωγική συμπεριφορά μπορεί να γίνει σημαντικότερη σε σχέση με την ωμική, και κατά συνέπεια τα μεγάλα αυτά ρεύματα μπορούν να δημιουργήσουν ιονισμό του εδάφους, ο οποίος καθιστά την κρουστική απόκριση μη γραμμική. Σχήμα 3.1. Σύνθεση του εδάφους [24]. Η μη-γραμμικότητα στην κρουστική απόκριση του συστήματος γείωσης, είναι η αιτία που πολλές φορές το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους παραλείπεται, αφού παρουσιάζει μεγάλο βαθμό δυσκολίας και πολυπλοκότητας στη μοντελοποίηση του. Εντούτοις, λόγω του ότι είναι ένα φαινόμενο που επιδρά 21

σημαντικά στη μεταβατική συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης, και δη των πλεγμάτων γείωσης, θα πρέπει να αποτελεί βασικό παράγοντα κατά τη μελέτη της συμπεριφοράς αυτής, και να λαμβάνεται υπόψη. Όπως έχει προταθεί μέχρι τώρα στη διεθνή βιβλιογραφία, αυτή η μη-γραμμική διαδικασία της διάσπασης του εδάφους οφείλεται κυρίως σε δύο μηχανισμούς ηλεκτρικής αγωγιμότητας: i. ii. Θερμικές επιδράσεις λόγω ρευμάτων υψηλής τιμής. Ιονισμός του εδάφους λόγω ενίσχυσης του ηλεκτρικού πεδίου στα διάκενα παγιδευμένου αέρα μέσα στο έδαφος. 3.1.1.ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ Με την εφαρμογή της τάσης, το ρεύμα ξεκινά να ρέει στο έδαφος, μέσω του νερού που επικαλύπτει τα σωματίδια του εδάφους. Καθώς η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται λόγω του φαινομένου Joule (I2R), η ειδική του αντίσταση μειώνεται ελαφρά. Τότε, αφού το ρεύμα επιλέγει τον δρόμο με την μικρότερη αντίσταση, διοχετεύεται μέσω των περιοχών με την υψηλότερη θερμοκρασία, και καταλήγει σε πολλά μικρά κανάλια προκαλώντας την εξάτμιση του νερού. Τελικά, στα σημεία όπου το ηλεκτρικό πεδίο στα διάκενα μεταξύ των κόκκων του εδάφους είναι μεγαλύτερο από μια κρίσιμη τιμή Ec, γίνεται διάσπαση του εδάφους. Έτσι λοιπόν, η αγωγιμότητα και η θερμοχωρητικότητα του νερού, καθώς το μήκος των καναλιών όπου έχει εκδηλωθεί διάσπαση και οι θερμικές ιδιότητες του εδάφους, είναι οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται ο χρόνος που χρειάζεται για να θερμανθεί και να εξατμιστεί το νερό, και κατά συνέπεια για την έναρξη της διάσπασης. 3.1.2.ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ Σύμφωνα με τους Leadon, Flanagal et al.[21], τον μηχανισμό αυτό αντιπροσωπεύει μια ηλεκτρική διαδικασία, κατά την οποία επιδρά το φαινόμενο της στιβάδας στα διάκενα αέρα μεταξύ των κόκκων του εδάφους. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν αυξηθεί αρκετά το ηλεκτρικό πεδίο στα διάκενα, σε σημείο που να ιονίζει τον παγιδευμένο αέρα, ο οποίος εμπλουτίζεται όλο και περισσότερο με αρνητικούς φορείς. Τότε, ως αποτέλεσμα του ισχυρού πλέον πεδίου, λόγω της ανομοιογένειας των κόκκων, δημιουργούνται μικρές εκκενώσεις (τόξα) που μειώνουν την ειδική αντίσταση του εδάφους. Έχει αποδειχθεί πειραματικά, ότι η διηλεκτρική αντοχή του εδάφους κυμαίνεται περίπου από 0,7-10kV/cm[13] (για διαφορετικό τύπο εδάφους και ποικιλία στην τιμή της ειδικής αντίστασης), δηλαδή μικρότερη από την 22

διηλεκτρική αντοχή του αέρα που είναι 25-30 kv/cm για διάκενο αντίστοιχων διαστάσεων. Πλήθος δημοσιεύσεων και ερευνών [18][22][23] αποδεικνύουν ότι η διάσπαση του εδάφους οφείλεται κυρίως στο μηχανισμό ιονισμού του εδάφους, καθώς ο θερμικός μηχανισμός διάσπασης βασίζεται σε απλουστευμένες θεωρήσεις. Σύμφωνα με τους Nor και Ramli για να καταστεί δυνατή η διάκριση μεταξύ των δύο μηχανισμών είναι απαραίτητη η εκτίμηση της ενέργειας, που απορροφάται από το χώμα, για δεδομένη επιβαλλόμενη τάση και περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία. Οι δυσκολίες, που σχετίζονται με τον υπολογισμό της απορροφούμενης ενέργειας από το υγρό έδαφος, τους οδήγησαν στη μελέτη ξηρών εδαφών. Όπως ήταν αναμενόμενο ο επικρατών μηχανισμός είναι ο ιονισμός του εδάφους, παραδόξως, όμως, παρατηρήθηκαν και φαινόμενα που σχετίζονται με το θερμικό μηχανισμό διάσπασης.[3] 3.2.ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ Για τη μελέτη και την ανάλυση του φαινομένου ιονισμού του εδάφους, έχουν προταθεί κατά καιρούς από διάφορους ερευνητές κάποια μοντέλα, δύο εκ των οποίων χρήζουν ιδιαίτερης σημασίας. Πρόκειται για i. ii. το μοντέλο ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων, και το μοντέλο μεταβαλλόμενης ειδικής αντίστασης. 3.2.1.ΜΟΝΤΕΛΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ ΑΥΞΗΜΕΝΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Στην περίπτωση αυτή, εξετάζεται ένα ηλεκτρόδιο τοποθετημένο σε ιονισμένο έδαφος, οσάν να ήταν ηλεκτρόδιο τροποποιημένων εγκάρσιων διαμέτρων σε έδαφος μη-ιονισμένο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2. Μοντελοποίηση διακύμανσης διαμέτρου για κάθε στοιχειώδες κομμάτι του καλωδίου γείωσης κατά τον ιονισμό του εδάφους.[2] 23

Σύμφωνα με τον Πετρόπουλο[23] και τους Bellaschi et al.[25], 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 της αντίστασης του ηλεκτροδίου γείωσης παραμένει σταθερή, αυξανόμενης της επιβαλλόμενης τάσης, εώς 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 3.3. Μοντέλο Bellaschi [13] 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 γείωσης 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 να δημιουργείται ένας χώρος του οποίου η αγωγιμότητα γίνεται πολύ μεγαλύτερη απ ότι στο υπόλοιπο έδαφος. Γι αυτό λοιπόν 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 ιονισμού του εδάφους. Το είδος αυτό, υιοθετήθηκε παλαιότερα μεταξύ άλλων από τον Πετρόπουλο [23], καθώς και μεταγενέστερα από τους Mohamad Nor et al. [1][17]. 24

Ο Πετρόπουλος [23], μετά από πειράματα που πραγματοποίησε χρησιμοποιώντας ημισφαιρικό δοχείο άνθρακα πεπληρωμένο με χώμα, πρότεινε το μοντέλο που φαίνεται στο Σχήμα 3.4. Σχήμα 3.4. Μοντέλο Πετρόπουλου[24] 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 3.4 υπολογίζονται από τους εξής τύπους[24]: ρ R0 soil 2π r0 (3.1) R0: ακτίνα μόνιμης κατάστασης σε Ω r0: ακτίνα ηλεκτροδίου σε m ρsoil: ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm Η πυκνότητα ρεύματος σε μια συγκεκριμένη ακτίνα από το ηλεκτρόδιο, υπό την επιβολή κρουστικού κεραυνικού ρεύματος προκύπτει από: I J 2π r 2 (3.2) J: πυκνότητα ρεύματος σε Α/m2 I: επιβαλλόμενο κρουστικό ρεύμα σε Α r: απόσταση από το ηλεκτρόδιο σε m Όταν η πυκνότητα ρεύματος ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή, τότε εμφανίζεται ο ιονισμός του εδάφους, και η τιμή αυτή προκύπτει από: E Jcr cr ρ soil (3.3) Jcr: κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος σε Α/m2 Ecr: κρίσιμη ένταση (ιονισμού) ηλεκτρικού πεδίου σε V/m ρsoil: ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm Η ακτίνα της περιοχής ιονισμού, προκύπτει εύκολα συνδυάζοντας τους τύπους (3.2) και (3.3), και λύνοντας ως προς r. Έτσι προκύπτει τελικά: ri ρ soil I 2π Ec (3.4) 25

Λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου, το έδαφος θεωρείται ομογενές και ισότροπο στις πειραματικές δοκιμές, πράγμα αδύνατο στη 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.[3] Σχήμα 3.5. Μοντέλο διάδοσης ιονισμού [17] Σε αντίστοιχα συμπεράσματα με όλα τα προαναφερθέντα, κατέληξαν και οι Lodoba et al μετά από έρευνες που διεξήγαγαν. Σύμφωνα με αυτούς, όταν ένα ηλεκτρόδιο γείωσης διαρρέεται από κρουστικό ρεύμα, δημιουργείται γύρω από αυτό μια ζώνη εκκενώσεων, στην οποία αρχικά εμφανίζονται σπινθήρες, που στη συνέχεια εξελίσσονται 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. 3.2.2.ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Το μοντέλο αυτό προτάθηκε αρχικά το 1974 [18], υποστηρίζοντας ότι το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους προκαλεί μείωση της ειδικής αντίστασης του εδάφους, γύρω από το ηλεκτρόδιο γείωσης. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τη παρατήρηση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς σε εδάφη διαφορετικής σύστασης, αλλά ομογενή και ισότροπα, θεωρώντας δηλαδή την ειδική αντίσταση του κάθε εδάφους όμοια προς όλες τις κατευθύνσεις. Έτσι, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο χώρος που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο γείωσης χωρίζεται νοητά σε τρεις περιοχές, ανάλογα με την τιμή της πυκνότητας του ρεύματος που εγχέεται (J). Στο Σχήμα 3. που ακολουθεί, φαίνονται οι τρεις περιοχές, που εξηγούνται στη συνέχεια. 2

Σχήμα 3.. Μοντέλο Liew & Darveniza [24] Όσο αυξάνεται το ρεύμα που επιβάλλεται στο ηλεκτρόδιο και διοχετεύεται στο έδαφος, και καθώς η πυκνότητα ρεύματος (J) υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή (JC), η ειδική αντίσταση του εδάφους παρουσιάζει χαμηλότερη τιμή απ ότι στη μόνιμη κατάσταση (ρsoil). Σε αντίθετη περίπτωση, η ειδική αντίσταση παραμένει σταθερή, όπως φαίνεται στους τύπους (3.5-3.). (3.5) τ1: χρονική σταθερά ιονισμού κατά την αύξηση του ρεύματος για J JC (3.) t: μετρούμενος χρόνος από την έναρξη του ιονισμού ρ ρ soil για J JC ρ ρ soil e-t/τ 1 Ο ιονισμός επεκτείνεται σε μια περιοχή ακτίνας rcm, όπου αντιστοιχεί η μέγιστη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος. Ακολούθως, όταν το ρεύμα ξεκινά να μειώνεται, διαμορφώνονται στο έδαφος οι τρεις περιοχές. ΜΗ-ΙΟΝΙΣΜΕΝΗ ΠΕΡΙΟΧΗ (3) Στην περιοχή αυτή δεν έχει εκδηλωθεί το φαινόμενο του ιονισμού οπότε ισχύει: ρ ρ soil για J JC, r rcm ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΠΙΟΝΙΣΜΟΥ (2) Στην περιοχή αυτή, η πυκνότητα ρεύματος δεν ξεπερνά την κρίσιμη τιμή της, και έτσι η ειδική αντίσταση τείνει προς την αρχική της τιμή, υπακούοντας στη σχέση: 2 t J τ2 ρ ρ i + ρ soil ρ i 1 e 1 για J JC, r rcm (3.7) JC ρi: η τιμή της ειδική αντίστασης όταν J=JC τ2: χρονική σταθερά απιονισμού t: μετρούμενος χρόνος από την έναρξη του απιονισμού 27

ΠΕΡΙΟΧΗ ΙΟΝΙΣΜΟΥ (1) Στην περιοχή αυτή, όπου ισχύει r<rcm και J JC, 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.. Όταν η πυκνότητα ρεύματος αποκτήσει τιμές μικρότερες της κρίσιμης τιμής, ισχύουν όσα αναφέρθηκαν για την περιοχή 2. Στο Σχήμα 3.7 απεικονίζεται γραφικά η σχέση μεταξύ της ειδικής αντίσταση και της πυκνότητας ρεύματος. Σχήμα 3.7. Πως μεταβάλλεται η ειδική αντίσταση του εδάφους σε σχέση με την πυκνότητα του εγχεόμενου ρεύματος. Το 2005 οι Wang, Liew και Darveniza, σε νέα δημοσίευση 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 3.8 απεικονίζεται το ανανεωμένο μοντέλο. Σχήμα 3.8. Μοντέλο Wang[3] 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: 28

Για πυκνότητα ρεύματος μικρότερη από την κρίσιμη της τιμή, ισχύει ο τύπος (3.5). Όταν η κρίσιμη αυτή τιμή ξεπεραστεί, τότε θεωρούνται δύο περιοχές. Στην μία περιοχή εκδηλώνεται ο ιονισμός του εδάφους για r<rcm και J JC < JS, και η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους δίνεται από τον τύπο (3.), ενώ στην άλλη, η ειδική αντίσταση μηδενίζεται λόγω της εμφάνισης σπινθήρων και ισχύει r<rcm και J JS. Ο συσχετισμός της JS με την JC, επιτυγχάνεται ορίζοντας μια νέα σταθερά, όπως φαίνεται στη συνέχεια: 1η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ α α 0 1 λe I β1 α0: αρχική τιμή του α (3.8) για α>1 στο εσωτερικό του εδάφους, και όταν το ρεύμα αυξάνεται I: τιμή εγχεόμενου ρεύματος β1: περιλαμβάνει την ενεργειακή θεώρηση λ: για έλεγχο της χρονικής στιγμής που το α θα αρχίσει να μειώνεται Για μεγαλύτερη τιμή του εγχεόμενου ρεύματος, μεγαλώνει η περιοχή εμφάνισης τόξων. Έτσι μπορεί να λεχθεί ότι το πόσο έντονα θα είναι τα τόξα και σε πόσο μεγάλη περιοχή θα εμφανιστούν, εξαρτάται από την τιμή του JS. Καθώς μειώνεται το α εξαιτίας των τόξων και του ιονισμού, εμφανίζονται τόξα στην επιφάνεια του εδάφους. Έτσι ο τύπος για το α διαμορφώνεται ως εξής: α 1 e ( β2 ) Ι (3.9α) β I t Δt ln as 1 (3.9β) για α s >1 as: είναι η ελάχιστη τιμή που προκύπτει από τον τύπο (3.9α) 2η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ Αφού το ρεύμα φτάσει στη μέγιστη τιμή του και ξεκινήσει να μειώνεται, το α τείνει στην αρχική του τιμή, σύμφωνα με τον τύπο: Ip: μέγιστη τιμή του ρεύματος αp: είναι η τιμή του α που αντιστοιχεί στο Ip β3 I a ap a0 ap 1 I p (3.10) β3: σταθερά που μεταβάλλεται ώστε η α να ανακτά όσο πιο αργά την αρχική της τιμή, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του ρεύματος 29

Ακολούθως, με τη μείωση του ρεύματος θεωρούνται τέσσερις περιοχές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.8. Περιοχή 1: Μη-ιονισμένη περιοχή όπου ισχύει r>rcm και J<JC, και η ειδική αντίσταση είναι σταθερή ρ=ρsoil. Περιοχή 2: Εδώ η πυκνότητα ρεύματος είναι μικρότερη από την κρίσιμη τιμή ιονισμού (r<rcm και J<JC), και η τιμή της ειδικής αντίσταση τείνει στην αρχική της τιμή, σύμφωνα με τον τύπο (3.7). Περιοχή 3: Συνεχίζεται το φαινόμενο του ιονισμού, έως ότου J=JC οπόταν ξεκινά η διαδικασία απιονισμού (r<rcm και Js>J Jc). Περιοχή 4: Εκδήλωση τόξων και μηδενική ειδική αντίσταση (r<rcm και J JS). Παρατηρώντας το ανανεωμένο μοντέλο, συμπεραίνει κανείς την πολυπλοκότητα στη χρήση του αφού υπεισέρχονται διάφορες άλλοι παράμετροι που πρέπει να προσδιοριστούν. Ένα τροποποιημένο μοντέλο σε σχέση με αυτό των Liew & Darveniza, ήρθε να προτείνει ο Nixon το 200 [24]. Βάσει αυτού, υποστήριξε ότι η ειδική αντίσταση της ζώνης ιονισμού απιονισμού, 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, και για τον υπολογισμό της συνολικής αντίστασης των ζωνών, απαιτείται πρώτα ο υπολογισμός των επι μέρους αντιστάσεων κάθε κελύφους. Στο Σχήμα 3.9 απεικονίζονται οι διαφορές που προαναφέρθηκαν, μεταξύ των δύο μοντέλων. Σχήμα 3.9. Διαφορές μεταξύ των μοντέλων Liew &Darveniza (α) και Nixon (β). (1) Περιοχή ιονισμού. (2) Περιοχή απιονισμού. (3) Μη-ιονισμένη περιοχή. [24] Μετά από συγκρίσεις και πειραματικά αποτελέσματα του Nixon, απεδείχθη ότι το μοντέλο του είναι αρκετά ακριβές.[3] 30