ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΚΟΣΜΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ του ΣΠΥΡΙΔΩΝΑ Αριθμός Μητρώου: 6774 Θέμα: ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Πάτρα,2016
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΣΜΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Α.Μ.: 6774 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2
Ευχαριστίες: Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κα Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγηση και τις χρήσιμες συμβουλές σχετικά με την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. 3
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΑΠΟ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Φοιτητής: Επιβλέπουσα: Κοσμάς Βασίλειος Ελευθερία Πυργιώτη 4
Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την προστασία του ανθρώπου από πλήγματα κεραυνών σε Συστήματα Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ). Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η εγκατάσταση ενός ΣΑΠ σε ένα μεταλλικό βιομηχανικό κτήριο στο Δήμο Βόλβης, μια περιοχή στην οποία εμφανίζεται έντονα το φαινόμενο του κεραυνού. Στη συνέχεια, κατασκευάζοντας ένα ισοδύναμο μοντέλο για το παρόν ΣΑΠ και το ανθρώπινο σώμα, μελετήθηκαν μέσω του προγράμματος ΕΜTP-ATP, βηματικές τάσεις, τάσεις επαφής και τα αντίστοιχα ρεύματα μέσω του ανθρώπινου σώματος για κεραυνικά πλήγματα, σε διάφορα σημεία. Το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους λαμβάνεται επίσης υπόψη. Η μελέτη έγινε σύμφωνα με τους ισχύοντες διεθνείς κανονισμούς αντικεραυνικής προστασίας και τη σχετική βιβλιογραφική θεωρία. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού, ο μηχανισμός με τον οποίο προκύπτει, τα διάφορα είδη κεραυνών και τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Το δεύτερο κεφάλαιο ασχολείται με τις επιπτώσεις του ηλεκτρικού ρεύματος στον ανθρώπινο οργανισμό και το κυκλωματικό ισοδύναμο του ανθρωπίνου σώματος. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται διάφορες μέθοδοι προστασίας κατασκευών από κεραυνούς ενώ αναλύονται τα διάφορα μέρη ενός ΣΑΠ και γίνεται αναφορά στην διαδικασία της μελέτης με σκοπό την εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο προς μελέτη κτήριο, γίνεται η αντίστοιχη μελέτη για την εγκατάσταση ενός ΣΑΠ και περιγράφονται τα διάφορα μέρη που το απαρτίζουν. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στο πρόγραμμα προσομοίωσης EMTP-ATP που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, στα διάφορα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την περιγραφή των επιμέρους στοιχείων του ισοδύναμου κυκλώματος και στους υπολογισμούς που έγιναν βάσει αυτών. Το έκτο κεφάλαιο περιγράφει την διαδικασία προσομοίωσης, τα αποτελέσματα των μετρήσεων και τα συμπεράσματα που προκύπτουν για την ασφάλεια και προστασία του ανθρώπου. Τέλος, στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ, παρατίθενται οι γραφικές απεικονίσεις όλων των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν, για τις βηματικές τάσεις, τις τάσεις επαφής και τα αντίστοιχα ρεύματα μέσα απ το ανθρώπινο σώμα. 5
Abstract The present thesis deals with the human s protection against lightning strikes in Lightning Protection Systems (LPS). In particular, the installation of an LPS to a metal industrial building at Volvi municipal was studied, a district where the lightning phenomenon occurs often. Subsequently, by constructing an equivalent model for the present LPS and the human body, via the program EMTP-ATP, step voltage, touch voltage and the corresponding currents through the human body where studied for lightning strikes, in various spots. The ground ionization phenomenon was also taken under consideration. The study is made according to the current international lightning strike protection rules and the corresponding literature. In the first chapter the physical phenomenon of lightning, the mechanism that it occurs, the different types of lightning strikes and their physical characteristics are described. The second chapter deals with the electric current s effects on human body and the equivalent electrical circuit of it. In the third chapter, various methods of protection against lightings for buildings are presented, the different parts of an LPS are analyzed and there s reference in the study procedure for installing an LPS. The fourth chapter, refers to the study of the LPS of the metal industrial building and its different parts are described. The fifth chapter, includes information about EMTP-ATP, the various models used in the present study for describing individual parts of the equivalent circuit and the calculus made according to them. The sixth chapter describes the simulation procedure, the results taken by measurements and the conclusions implied. Finally, in the appendix, the plots of all measurements taken for step voltage, touch voltage and the corresponding currents through the human body are depicted. 6
Περιεχόμενα 1. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ... 9 1.1 Ορισμός κεραυνού... 9 1.2 Κατανομή φορτίων... 9 1.3 Ο ρόλος του σύννεφου... 10 1.4 Παράμετροι κεραυνών... 11 1.5 Κατηγορίες κεραυνών[2][5]... 12 1.6 Φάσεις κεραυνικής εκκένωσης... 13 1.7 Ρεύμα κεραυνού και σχετικά χαρακτηριστικά... 14 1.8 Συχνότητα Κεραυνών... 16 2. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ... 19 2.1 Ηλεκτροπληξία... 19 2.1.1 Άμεσα συμπτώματα... 19 2.1.2 Δευτερεύοντα συμπτώματα[13][10]... 22 2.2 Αγώγιμος δρόμος δια του σώματος και αντίσταση αυτού[12][16]... 22 2.3 Κυματομορφή ένταση & χρονική διάρκεια ροής ηλεκτρικού ρεύματος... 25 3. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ (ΣΑΠ)... 31 3.1 εισαγωγή... 31 3.2 Εξωτερική προστασία[12][18][2]... 31 3.2.1 Συλλεκτήριο σύστημα... 31 3.2.2 Αγωγοί καθόδου... 33 3.2.3 Σύστημα γείωσης... 34 3.3 Εσωτερική προστασία... 39 3.4 Στάθμες προστασίας... 39 3.4.1 Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων κτηρίου Νd[2]... 40 3.4.2 Αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων ΝC... 42 3.4.3 Επιλογή στάθμης προστασίας... 43 4. ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΤΗΡΙΟΥ... 45 4.1 περιγραφή μεταλλικού κτηρίου... 45 4.2 Μελέτη ΣΑΠ... 48 4.2.1 Εύρεση Τd, Νg, Nc... 48 4.2.2 Υπολογισμός Αe... 48 4.2.3 Υπολογισμός Νd... 48 7
4.2.4 Επιλογή στάθμης προστασίας... 48 4.3 Σχεδιασμός ΣΑΠ[19][20][21][22]... 48 4.3.1 Συλλεκτήριο σύστημα... 48 4.3.2 Αγωγοί καθόδου... 52 4.3.3 Σύστημα γείωσης... 53 5. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ, ΜΟΝΤΕΛΑ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ... 57 5.1 Πρόγραμμα προσομοίωσης[26]... 57 5.1.1 Το ΑΤP - EMTP... 57 5.1.2 Ιστορικά στοιχεία... 57 5.1.3 Επίλυση στο πεδίο του χρόνου... 57 5.1.4 Χρησιμοποιηθέντα προγράμματα υποστήριξης για το ΑΤP EMTP... 59 5.2 Μοντέλο ιονισμού του εδάφους... 61 5.3 Μοντέλα συστήματος γείωσης... 64 5.4 Ισοδύναμο μοντέλο ανθρώπου... 69 5.5 Υπολογισμοί στοιχείων κυκλωματικής προσέγγισης... 70 5.5.1 Υπολογισμοί συλλεκτήριου συστήματος... 70 5.5.2 Υπολογισμοί αγωγών καθόδου... 70 5.5.3 Υπολογισμοί συστήματος γείωσης... 72 6. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 75 6.1 Διαδικασία προσομοίωσης... 75 6.2 Αρχικό Μοντέλο Προσομοίωσης (χωρίς ιονισμό εδάφους)... 76 6.3 Ενσωμάτωση φαινομένου ιονισμού του εδάφους... 78 6.4 Τελικό μοντέλο προσομοίωσης (με ιονισμό εδάφους)... 81 6.5 Συμπεράσματα... 81 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 85 Γραφικές παραστάσεις μετρήσεων... 85 Βιβλιογραφία... 97 8
1. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ 1.1 Ορισμός κεραυνού Σχ. 1.1 Κεραυνός[3] Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις που παρατηρούνται στην ατμόσφαιρα κατά την διάρκεια ημερών κακοκαιρίας και προκύπτουν με φυσικό τρόπο ονομάζονται κεραυνοί.υπολογίζεται πως σε όλη την γη, σε κάθε δευτερόλεπτο, πέφτουν περίπου εκατό κεραυνοί. Οι κεραυνοί αυτοί παράγουν τεράστια ισχύ που όμως λόγω της πολύ μικρής διάρκειας του φαινομένου είναι πρακτικά αδύνατο να αξιοποιηθεί.[1] 1.2 Κατανομή φορτίων Ποσότητα θετικού φορτίου ίση με 5*10 5 C είναι κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα ενώ με μια αντίθετη (αρνητική) ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη η γη. Η ύπαρξη αυτών των αντίθετων φορτίων προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με ένταση 130V/m και κατεύθυνση από το θετικό φορτίο (ατμόσφαιρα) προς το αρνητικό (γη).η φύση της κατανομής του θετικού φορτίου έχει ως αποτέλεσμα την σταδιακή μείωση του ηλεκτρικού πεδίου της γης με το ύψος, ενώ καθιστά την τελευταία υπό τάση 300kV σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας.[2] Σχ. 1.2 Ηλ. Πεδίο Γης[3] 9
Είναι γνωστό πως η γήινη ραδιενέργεια, η κοσμική ακτινοβολία και άλλοι παράγοντες προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα μέσω τον ιονισμένων σωματιδίων και των δύο προσήμων που παράγουν. Ένεκα του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας και της αγωγιμότητας αυτής του αέρα, ιόντα και των δύο προσήμων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Χωρίς τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και τους κεραυνούς, η μετακίνηση αυτή των ιόντων θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια την εκφόρτιση της γης. 1.3 Ο ρόλος του σύννεφου Χωρίς να αποτελεί γενικό κανόνα, η πιο συνηθισμένη εικόνα ενός φορτισμένου σύννεφου είναι αυτή ενός ηλεκτρικού διπόλου με περίσσεια θετικού φορτίου στην κορυφή του και αρνητικού προς το μέρος της γης. Για τον μηχανισμό δημιουργίας αυτού του διπόλου έχουν αναπτυχθεί διάφορες θεωρίες που μπορούμε να χωρίσουμε σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία γίνεται λόγος για φόρτιση των σταγονιδίων νέφους που συμβαίνει κατά την καθοδική τους πορεία προς την γη ενώ στην δεύτερη για μεταφορά φορτίων στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα οφειλόμενα σε θερμοκρασιακές διαφορές. Σχ. 1.3 Κατανομή Φορτίων Σύννεφου [4] Το σύννεφο έχοντας την εικόνα αυτή του διπόλου που περιγράφηκε διαταράσσει και αναστρέφει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας, αναστρέφοντας έτσι και τη φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς την γη. Για να συμβεί κάτι τέτοιο, δηλαδή για να περάσει το σύννεφο από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση απαιτούνται λίγα μόνο λεπτά ενώ η σταθερά αύξησης του πεδίου του σύννεφου είναι περίπου δύο λεπτά. 10
Με την ανάπτυξη λοιπόν του διπόλου το προηγούμενο πεδίο καλοκαιρίας αφού πρώτα αντιστραφεί αποκτά την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (αντίθετη με πριν), με τιμές που φθάνουν τα 10kV/m. Το πεδίο αυτό αν και διαταράσσεται με κάθε εκκένωση κεραυνού (μεταξύ νεφους γης ή εσωτερική του νέφους) στη συνέχεια αποκαθίσταται στην προηγούμενη τιμή του. Όταν το ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια της γης γίνει υπό την παρουσία ενός φορτισμένου σύννεφου μεγαλύτερο από 1,5-2kV/m τότε αρχίζει ο ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους (πχ ψηλά κτήρια, καμινάδες) και θετικά ιόντα μεταφέρονται δια μέσω αυτών στην ατμόσφαιρα. Το προκύπτων ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού προεξοχής (point discharge current) και μαζί με τα φορτία του χώρου που δημιουργούνται παίζει σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού και ιδίως στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. Το ρεύμα αυτό είναι συνάρτηση του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου, του ύψους της αγώγιμης προεξοχής αλλά και του ανέμου, μιας και η ταχύτητα των ιόντων σε σύγκριση με τον άνεμο είναι πολύ μικρότερη, και κυμαίνεται από μερικά μα έως μερικά ma ανάλογα με το υψόμετρο και την πυκνότητα του σύννεφου. Τέλος πρέπει να σημειωθεί πως δεν προκαλούν όλα τα σύννεφα ηλεκτρικές εκκενώσεις έστω και αν παρουσιάζουν συνθήκες φόρτισης.[2] 1.4 Παράμετροι κεραυνών Παρακάτω δίνονται μερικοί βασικοί ορισμοί σχετικοί με τις διάφορες παραμέτρους των κεραυνών κατά τον K. Berger: Πολικότητα κεραυνού: η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός Θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς τη γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: ένας κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης (που συχνά ονομάζεται και οδηγός οχετός ) προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος, ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός σύνδεσης είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ σύννεφου και εδάφους ένα κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας θετικός οχετός προεκκένωσης και αντίθετα. Από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός οχετός προεκκένωσης. Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο ορίζεται σαν αρνητικό και το αντίθετο. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει θετική κατεύθυνση. 11
Σχ. 1.4 Είδη Κεραυνών α ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης, β συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής 1.5 Κατηγορίες κεραυνών[2][5] Οι υψηλές πεδιακές εντάσεις είναι η αιτία γένεσης μιας κεραυνικής εκκένωσης. Τέτοιες εντάσεις προκύπτουν είτε ανάμεσα σε διαφορετικά σύννεφα ετερόσημων φορτίων είτε μέσα στο ίδιο το σύννεφο ή ανάμεσα στο νέφος και την γη, στην περίπτωση συγκέντρωσης φορτίου ενός προσήμου σε μια θέση του νέφους και αντίθετου επαγόμενου φορτίου στην επιφάνεια της γης. Προφανώς στην πρώτη περίπτωση προκύπτει εκκένωση μεταξύ δύο σύννεφων, στη δεύτερη εσωτερικά του σύννεφου και στην τρίτη μεταξύ σύννεφου και εδάφους. Όσο αφορά την περίπτωση της υψηλής πεδιακής έντασης μεταξύ νέφους και γης, αυτή μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές είτε κοντά στο σύννεφο προκαλώντας μια εκκένωση που αρχίζει από το νέφος (με έναν κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) είτε κοντά στο έδαφος αν αυτό παρουσιάζει μια σημαντική προεξοχή προκαλώντας μια εκκένωση που αρχίζει από το έδαφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης).με αυτόν τον τρόπο γένεσης μιας κεραυνικής εκκένωσης μπορούμε να διακρίνουμε τις εξής τέσσερις απλοποιημένες περιπτώσεις έναρξης ενός οχετού προεκκένωσης: - κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. - ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. - κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. - ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. 12
Εάν ένας οχετός προεκκένωσης από τους παραπάνω γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο γης και εδάφους, ακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι προκύπτουν τέσσερις τύποι κεραυνών: - κατερχόμενη αρνητική εκκένωση που πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί το 90% των εκκενώσεων. - ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση που πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. - κατερχόμενη θετική εκκένωση που πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση). - ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση που πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο (ο ισχυρότερος τύπος κεραυνού με τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος). Όπως αναφέρθηκε οι τέσσερις αυτοί τύποι κεραυνών αποτελούν μια απλοποιημένη εικόνα του φαινομένου αφού στην πραγματικότητα πριν ο οχετός προεκκένωσης συναντήσει το έδαφος ή το νέφος, ένας αντίθετος οχετός αναπτύσσεται από την αντίθετη πλευρά που έρχεται να συναντήσει τον κύριο οχετό προεκκένωσης. 1.6 Φάσεις κεραυνικής εκκένωσης -Έναρξη εκκένωσης κεραυνού- Σε ορισμένες περιοχές του νέφους η πεδιακή ένταση μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές εξαιτίας της μεγάλης πυκνότητας του φορτίου. Η χαμηλή πυκνότητα του αέρα σε εκείνα τα σημεία λόγω μεγάλου υψόμετρου τείνει να ενισχύσει το ηλεκτρικό πεδίο και έτσι ενδέχεται να αρχίσει ο ιονισμός των μορίων του αέρα από κρούσεις ηλεκτρονίων. Αυτό είναι και το πρώτο στάδιο για την έναρξη μιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Το επόμενο στάδιο είναι ο οχετός που θα ακολουθεί την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου και θα προκαλέσει ηλεκτρική σύνδεση και εξουδετέρωση των φορτίων. Η εξουδετέρωση αυτή συνοδεύεται από δυνατό θόρυβο (βροντή) και έντονη λάμψη (αστραπή) ενώ οι συνέπειες στο έδαφος περιλαμβάνουν παροδικές διαταραχές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που μπορεί να γίνει αισθητή στις τηλεπικοινωνίες (περίπτωση εκκένωσης ανάμεσα σε νέφη). Αν οι γραμμές μέγιστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος, την ίδια πορεία θα ακολουθήσει και ο οχετός προεκκένωσης που εξελίσσεται προοδευτικά σε διαδοχικά βήματα μερικών δεκάδων μέτρων και μέγιστη ταχύτητα τα 0,15 m/μs. -Ο οχετός επιστροφής και ο συνδετικός οχετός- Η μέση τιμή της πτώσης τάσης κατά μήκος του οχετού (πριν συναντήσει το έδαφος) είναι 0,1 kv/cm κάνοντάς τον να μοιάζει με μια αγώγιμη προεξοχή που επεκτείνεται από το σύννεφο προς το έδαφος. Ο οχετός περιβάλλεται συνεχώς από ένα μανδύα κορόνα που εκτείνεται μερικά 13
μέτρα γύρω από αυτόν και όταν η κεφαλή του φτάσει σε τέτοια απόσταση από το έδαφος που η πεδιακή του ένταση φτάσει τα 5 kv/cm, τότε η απόσταση αυτή γεφυρώνεται ολόκληρη από κορόνα και μετατρέπεται επίσης σε οχετό μέσα σε 20-30μs. Στο στάδιο αυτό το φορτίο του νέφους εκκενώνεται με ένα μεγάλο ρεύμα αφού το φορτίο του οχετού προεκκένωσης βρίσκεται ημιαγώγιμα συνδεδεμένο με το έδαφος. Η ανωτέρα περίπτωση αφορά την περίπτωση επίπεδου εδάφους. Στην περίπτωση αγώγιμης προεξοχής του εδάφους ο οχετός προεκκένωσης αρχίζει από αυτή και έχει κατεύθυνση προς το νέφος δημιουργώντας έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην σημαντική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο της προεξοχής παρουσία ηλεκτρισμένου νέφους από πάνω. Αντίθετα σε χαμηλές προεξοχές του εδάφους, το επαγόμενο πεδίο έχει μικρή σχετικά ένταση για έναρξη του οχετού προεκκένωσης. Στην περίπτωση υψηλής προεξοχής (100-150m)και μεγάλης ενίσχυσης του πεδίου, εκεί θα αρχίσει ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης, ονομαζόμενος συνδετικός οχετός, που κατευθύνεται προς την κεφαλή του κατερχόμενου οχετού. Έτσι η προεξοχή αυτή μπορεί να αποτελέσει σημείο προτίμησης για την ημιαγώγιμη σύνδεση νέφους-γης. Το τελικό σημείο πρόσπτωσης του κεραυνού προκύπτει μόνο την τελευταία στιγμή όταν η απόσταση είναι τέτοια ώστε να ικανοποιούνται οι συνθήκες σύνδεσης κατερχόμενου οχετού-εδάφους. Η απόσταση αυτή ονομάζεται απόσταση διάσπασης (striking distance) και προφανώς είναι ανάλογη του φορτίου του νέφους. Συνήθεις τιμές για την απόσταση διάσπασης (Α.Δ.) είναι μερικές δεκάδες μέχρι 150-200m. Η Α.Δ. συνδέεται με το ρεύμα μέσω των σχέσεων rb=6.71i0 0.8, rb=8i0 0.65 βάσει της μεθόδου της κυλιόμενης σφαίρας (αναλύεται σε επόμενο κεφάλαιο).[2][6] 1.7 Ρεύμα κεραυνού και σχετικά χαρακτηριστικά Από την άποψη προστασίας από κεραυνούς το ρεύμα αποτελεί το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό αυτών. Το κύριο ρεύμα του κεραυνού είναι αυτό του οχετού επιστροφής που με αυτό συμβαίνει η εξουδετέρωση των φορτίων νέφους και γης. Το μέγεθος του ρεύματος εξαρτάται, εκτός από το μέγεθος του φορτίου και από την ταχύτητα με την οποία προχωρεί ο οχετός επιστροφής από τον είδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. Επιπρόσθετα, είναι γνωστό πως κάθε κεραυνός αποτελείται από πολλές διαδοχικές εκκενώσεις όπου η κάθε μία έχει διαφορετικό εύρος και μορφή. Έχει παρατηρηθεί πως θετικοί κεραυνοί παρουσιάζουν σπάνια περισσότερες από μία εκκενώσεις ενώ αρνητικοί κεραυνοί φέρουν πολλαπλές εκκενώσεις. Σημαντικά χαρακτηριστικά ενός κεραυνού αποτελούν οι ακόλουθοι παράμετροι: Μέγιστη τιμή ρεύματος, η οποία προκαλεί υπερπήδηση μονωτήρων και καταστροφή των μονωτικών υλικών, εξαιτίας της ανύψωσης του δυναμικού του σημείου του πλήγματος. Πολικότητα κεραυνού 14
Χρόνος μετώπου (ο χρόνος που απαιτείται για αύξηση του ρεύματος από το 10% στο 90% εύρους του) Χρόνος ουράς (ο χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί το ρεύμα στο 50% του εύρους του) Μέγιστη κλίση μετώπου η οποία καθορίζει τις επαγόμενες τάσεις σε βρόγχους κυκλωμάτων, τάσεις, που αναπτυσσόμενες για παράδειγμα σε λογικά κυκλώματα ή κυκλώματα που περιλαμβάνουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά στοιχεία του συστήματος πλοήγησης ή τηλεπικοινωνίας αεροσκαφών, μπορούν να έχουν δραματικές συνέπειες. Το μεταφερόμενο φορτίο 0 i() t dt μεταλλικών επιφανειών μικρού πάχους, το οποίο ευθύνεται για την τοπική τήξη και διάτρηση Το ολοκλήρωμα του τετραγώνου του ρεύματος εκλυόμενης ενέργειας από το κεραυνικό πλήγμα 0 2 i () t dt, ποσότητα ανάλογη της Σχ. 1.5 Γραφική αναπαράσταση παραμέτρων κεραυνού[7] Στον πίνακα 1.1 δίνονται οι παράμετροι για την κυματομορφή του Σχ. 1.5 και στον πίνακα 1.2 δίνονται οι τιμές για τέσσερις κεραυνικές παραμέτρους ανάλογα με την στάθμη προστασίας σύμφωνα με τους κανονισμούς 15
First short stroke Subsequent short stroke Παράμετροι LPL LPL I II III-IV I II III-IV I (ka) 200 150 100 50 37.5 25 K 0.93 0.93 0.93 0.993 0.993 0.993 t1 (μs) 19 19 19 0.454 0.454 0.454 t2 (μs) 485 485 485 143 143 143 Πίνακας 1.1[7] Παράμετρος Στάθμη Προστασίας κεραυνού I II III IV Ι [κα] 200 150 100 100 0 i() t dt [Α*s] 100 75 50 50 2 i() t dt [ka 2* s] 10 5.6 2.5 2.5 0 di dt [ka/μs] 200 150 100 100 Πίνακας 1.2[7] 1.8 Συχνότητα Κεραυνών Για την εκτίμηση του μεγέθους του κινδύνου που αποτελεί ένας κεραυνός για μια περιοχή απαιτείται η γνώση του αριθμού των κεραυνών που πλήττουν τη συγκεκριμένη περιοχή κάθε έτος. Βάσει μετρήσεων και καταγραφών έχουν προκύψει οι λεγόμενοι ισοκεραυνικοί χάρτες που μας πληροφορούν σχετικά με τις ημέρες καταιγίδας ή τα κεραυνικά πλήγματα που δέχεται μια περιοχή ανά έτος κατά μέσο όρο. 16
Σχ. 1.6 Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης[3] 17
18
2. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ 2.1 Ηλεκτροπληξία Με τον όρο ηλεκτροπληξία περιγράφεται η παθολογική κατάσταση στην οποία υπεισέρχεται ο άνθρωπός κατά την δίοδο ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το σώμα του. Η συμπτωματολογία της κατάστασης περιλαμβάνει πλήθος συμπτωμάτων που γενικά μπορούμε να τα κατατάξουμε σε δύο κατηγορίες τα άμεσα και τα επακόλουθα.[10] 2.1.1 Άμεσα συμπτώματα Ως αναφορά στα άμεσα συμπτώματα, σε αυτά δηλαδή που εμφανίζονται αμέσως, παρατήθεται ο πίνακας 2.1 που αφορά την επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος στον ανθρώπινο οργανισμό για χρόνο 1 sec, όπως συμπεραίνεται από την δημοσίευση IEC 60479-1. Ρεύμα 50 Hz (ενεργός τιμή σε ma) Τάση επαφής (V) Που προκαλεί το ρεύμα Όριο αίσθησης Όριο αδυναμίας να ελευθερωθεί το χέρι. Ασφυξία Σύσπαση Μυών Πόνος Μαρμαρυγή, με περιόδους Κανονικής λειτουργίας Θανατηφόρα, Επικίνδυνη Μαρμαρυγή Θανατηφόρα, Επικίνδυνα Εγκαύματα 0,5 10 0,5 έως 25 έως 50 25 έως 80 50 έως 100 80 έως 3000 100 έως 3000 >3000 >3000 Αυτή η σκιαγράφηση σημαίνει ότι η αντίδραση μπορεί να επέλθει σε πολύ δυσμενείς συνθήκες. Αυτή η σκιαγράφηση σημαίνει αντίδρασή σε συνηθισμένες συνθήκες. Πίνακας 2.1[11] Επειδή από τον ανωτέρω πίνακα γίνεται εύκολα αντιληπτό πως οι θανατηφόρες περιπτώσεις της κοιλιακής μαρμαρυγής και των εγκαυμάτων είναι οι πιο σοβαρές αλλά και επειδή συναντώνται σε περιπτώσεις κεραυνοπληξίας θα γίνει ξεχωριστή αναφορά σε αυτές. 19
-Κοιλιακή μαρμαρυγή (Ventricular Fibrillation)[12][13]- Η ζημιά που εγκυμονεί τους περισσότερους κινδύνους για την ανθρώπινη ζωή είναι η κοιλιακή μαρμαρυγή (Ventricular Fibrillation) κατά την διάρκεια της οποίας οι καρδιακοί παλμοί γίνονται από περιοδικοί γρήγοροι και άρρυθμοι. Η πιθανότητα θανάτου είναι μεγάλη αφού η κυκλοφορία του αίματος δυσχεραίνεται. Στις συνέπειες περιλαμβάνεται μεταξύ των άλλων και η μειωμένη οξυγόνωση του εγκεφάλου που μπορεί να οδηγήσει σε μερικά λεπτά σε θάνατο η μόνιμη αδυναμία σε μέρος αυτού. Υπάρχουν δηλαδή περιπτώσεις επιζώντων από ηλεκτροπληξία που όμως εμφάνισαν συμπτώματα μερικής παράλυσης λόγω βλάβης του εγκεφάλου. Για να εμφανίσει ένα άτομο μαρμαρυγή, πρέπει το ρεύμα να διαπεράσει την καρδία του. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα ηλεκτροκαρδιογράφημα. Εκεί διακρίνονται διάφορες χρονικές περίοδοι, φάσεις (P,Q,R,S,T). Υπάρχουν οι περίοδοι της διέγερσης και της χαλάρωσης. Κατά την διάρκεια της χαλάρωσης (κρατά περίπου 0,15 sec) το ρεύμα στην καρδιά έχει ιδιαιτέρως επιβλαβή δράση και γι αυτό λέγεται και ευαίσθητη περίοδος. Σε περιπτώσεις διέλευσης του ρεύματος για δέκατα του δευτερολέπτου από την καρδία, είναι καθοριστικής σημασίας για το μέγεθος της ζημίας, αν αυτή συμπέσει με την ευαίσθητη περίοδο. Σχ. 2.1 Ευαίσθητη περίοδος Τ σε έναν καρδιακό κύκλο[12] 20
Παρατίθεται το σχήμα 2.2 που δείχνει τι συμβαίνει στην περίπτωση επικίνδυνης κοιλιακής μαρμαρυγής Σχ. 2.2 Διέγερση κοιλιακής μαρμαρυγής κατά τη φάση Τ[12] -Εγκαύματα[14][15]- Σε περιπτώσεις υψηλών τάσεων, συχνοτήτων αλλά και μεγάλων ρευμάτων το ανθρώπινο σώμα μπορεί να υποστεί εγκαύματα. Όπως θα αναλυθεί και παρακάτω το ανθρώπινο σώμα παρουσιάζει κάποια αντίσταση. Έτσι όταν μεγάλο ρεύμα το διαπεράσει, βάσει του φαινομένου του Joule (Q = I 2 * R * t), η θερμότητα που θα εκλυθεί είναι ικανή να προκαλέσει εγκαύματα στα σημεία εκείνα που το σώμα έρχεται σε επαφή με το ρεύμα. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση υψηλής τάσης ή κεραυνού, όπου η ηλεκτρική σύνδεση του ανθρώπου με μεγάλα φορτία γίνεται μέσω τόξου και όχι εξ επαφής, το έγκαυμα που θα προκληθεί θα είναι σοβαρό. Ο λόγος για αυτό οφείλεται στο ηλεκτρικό τόξο που διασπά τον αέρα έχοντας ως συνέπεια να αυξάνεται το ρεύμα αλλά και να μεγαλώνει η επιφάνεια του δέρματος που καίγεται. Το καμένο δέρμα με την σειρά του παρουσιάζει μικρότερη αντίσταση αγωγής μεγαλώνοντας το ρεύμα περεταίρω. Έτσι προκύπτει έγκαυμα από δύο αιτίες την φλόγα του ηλεκτρικού τόξου αλλά και το μεγάλο ρεύμα. Τα εγκαύματα αυτά μπορεί να είναι εξωτερικά και εσωτερικά ενώ η έκτασή τους μπορεί να αυξηθεί και από την ανάφλεξή έφλεκτου ρουχισμού. Συγκρινόμενα με άλλα είδη εγκαυμάτων, αποτελούν την χειρότερη περίπτωση. Παρουσιάζουν πολλές επιπλοκές για την υγεία, λίγες εκ των οποίων είναι προβλέψιμες. Η ίασή τους απαιτεί εξειδικευμένο ιατρικό προσωπικό. 21
2.1.2 Δευτερεύοντα συμπτώματα[13][10] Δευτερεύοντα είναι τα συμπτώματα της ηλεκτροπληξίας που έπονται των άμεσων, κατά ποικίλα χρονικά διαστήματα μετά από αυτά και εφόσον τα πρώτα δεν είναι θανατηφόρα. Περιλαμβάνουν αποτελέσματα που επηρεάζουν το νευρικό σύστημα, την καρδιά και την ψυχική σφαίρα του ατόμου. Σε αυτά συγκαταλέγονται η βραχυπρόθεσμη απώλεια μνήμης ή πλήρης αμνησία, μαθησιακές δυσκολίες, αλλαγές στην προσωπικότητα, διαταραχές του ύπνου, προσωρινή η μόνιμη παράλυση, καταρράκτης, ηλεκτρική στηθάγχη, παραισθησία. Πρέπει τέλος να αναφερθεί πως και τα δύο είδη συμπτωμάτων προκύπτουν από στατιστικές που όμως παρουσιάζουν μεγάλες διακυμάνσεις. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υποκειμενικοί παράγοντες μπορούν να τα συνπροσδιορίσουν. Η φυσική και ψυχική κατάσταση για παράδειγμα μπορούν να παίξουν ρόλο καθιστώντας κάποια άτομα περισσότερο η λιγότερο ανθεκτικά στο ηλεκτρικό ρεύμα. Σε γενικές γραμμές όμως μπορούμε να αναφέρουμε τέσσερις παράγοντες που διαμορφώνουν την επίδραση του ρεύματος στον άνθρωπο: - Αγώγιμος δρόμος δια του σώματος και αντίσταση αυτού. - Κυματομορφή ηλεκτρικού ρεύματος. - Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος δια του σώματος. - Χρονική διάρκεια ροής ηλεκτρικού ρεύματος. 2.2 Αγώγιμος δρόμος δια του σώματος και αντίσταση αυτού[12][16] Η σύνθετη αντίσταση που εμφανίζει το ανθρώπινο σώμα είναι κυρίως ωμική με ελάχιστη χωρητικότητα. Η τιμή της εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: - Σωματική διάπλαση - Τάση επαφής (Vtouch: διαφορά δυναμικού μεταξύ της ανύψωσης δυναμικού και του δυναμικού της επιφάνειας όπου στέκεται το άτομο, έχοντας συγχρόνως το ένα του χέρι σε επαφή με μια γειωμένη κατασκευή). Η αντίσταση είναι μη γραμμική και μειώνεται με την αύξηση της τάσης επαφής. - Πάχος και υγρασία επιδερμίδας. Το ξηρό δέρμα έχει αντίσταση 10-100kΩ ανάλογα του πάχους. - Ο δρόμος του ρεύματος δια του σώματος. - Επιφάνεια επαφής. Αυξάνεται αυξανόμενης της δύναμης και της μηχανικής πίεσης μειώνοντας την αντίσταση. Το σχήμα 2.3 δείχνει το ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα για την αντίσταση του ανθρώπινου σώματος. Η συνολική σύνθετη αντίσταση ΖΤ είναι ο εν σειρά συνδυασμός της εσωτερικής αντίστασης του σώματος Ζi με τις αντιστάσεις του δέρματος Ζp1 και Ζp2 στις περιοχές εισόδου και εξόδου του ρεύματος αντίστοιχα. 22
Σχ. 2.3 Ισοδύναμο κύκλωμα ανθρωπίνου σώματος[16] Αναφορικά με την Ζi αυτή μπορεί να ληφθεί ως καθαρά ωμική. Το ίδιο μπορεί να γίνει και με τις Ζp εφόσον η συχνότητα είναι μικρή (π.χ. 50Hz). Σε μεγάλες συχνότητες η Ζp τείνουν να γίνουν καθαρά χωρητικές (π.χ. 500Hz). Στον πίνακα 2.2 δίνονται τιμές για τις RT και ΖΤ για συχνότητα 50/60 Hz που ισχύουν για στεγνό δέρμα και διαδρομή χέρι - πόδι ή χέρι χέρι. Τάση επαφής Vt (V) Μέγιστες τιμές RT και ΖΤ σε Ω Και αντίστοιχα ποσοστά πληθυσμού 5% 50% 95% RT ΖΤ RT ΖΤ RT ΖΤ 25 2200 1750 3875 3250 8800 6100 50 1750 1450 2990 2625 5300 4375 75 1510 1250 2470 2200 4000 3500 100 1340 1200 2070 1875 3400 3200 125 1230 1125 1750 1625 3000 2875 220 1000 1000 1350 1350 2125 2125 700 750 750 1100 1100 1550 1550 1000 700 700 1050 1050 1500 1500 Ασυμπτωτική τιμή 650 650 750 750 850 850 Πίνακας 2.2[16] 23
Σχετικά με τη σύνθεση της συνολικής σύνθετης αντίσταση του ανθρώπινου σώματος από τις επιμέρους αντιστάσεις των ποδιών και των χεριών δίνεται το σχήμα 2.4. Σημειώνεται πως ΖΤΕ = ΖΤ/2. Σχ. 2.4 Σύνθεση της συνολικής σύνθετης αντίστασης του ανθρωπίνου σώματος από τις επιμέρους αντιστάσεις των ποδιών και των χεριών[16] Ο πίνακας 2.3 δίνει προσεγγιστικές τιμές ωμικής αντίστασης ανθρωπίνου σώματος για διάφορες τιμές Διαδρομή ρεύματος Τιμή αντίστασης (Ω) Χέρι χέρι 1000 Πόδι πόδι 1000 Χέρι πόδι 750 Χέρια - πόδια 500 Χέρι στήθος 450 Χέρια στήθος 230 Χέρι γλουτός 550 Χέρια - γλουτός 300 Πίνακας 2.3[17] 24
2.3 Κυματομορφή ένταση & χρονική διάρκεια ροής ηλεκτρικού ρεύματος Το σχήμα 2.5 αναφαίρετε σε εναλλασσόμενο ρεύμα (15 100)Hz και αγώγιμο δρόμο αριστερό χέρι δύο πόδια. Το ρεύμα αυτό λέγεται ρεύμα αναφοράς και για χρόνους κάτω των 200ms το σχήμα ισχύει για την ευαίσθητη περίοδο του καρδιογραφήματος. Σχ. 2.5[12] 25
Οι ζώνες AC-1 έως AC-4 εξηγούνται στον ακόλουθο πίνακα: Ζώνη Όρια Συνέπειες AC-1 AC-2 ΑC-3 Μέχρι 0,5 ma Γραμμή α 0,5 ma Έως τη γραμμή b Γραμμή b Έως καμπύλη c1 Καμία αντίδραση. Συνήθως καμία επιζήμια φυσιοπαθολογική δράση Συνήθως δεν αναμένεται οργανική βλάβη. Υπάρχει πιθανότητα μουδιάσματος και δυσκολία αναπνοής για διάρκειες ρευμάτων άνω των 2 sec. Πιθανολογούνται αναστρέψιμες διαταραχές στην παλμοδοσία της καρδιάς, κολπική μαρμαρυγή και παροδική σταση της καρδίας χωρίς όμως κοιλιακή μαρμαρυγή, η πιθανότητα αυξάνεται με το ρεύμα και τη διάρκεια. AC-4 Πάνω από την καμπύλη c1 Αυξανόμενου του ρεύματος και της διάρκειας του μπορεί να συμβούν επικίνδυνες φυσιοπαθολογικές ενέργειες όπως ανακοπή καρδιάς, ασφυξία, σοβαρά εγκαύματα κ.λπ. επιπλέον αυτών που μπορούν να συμβούν στη ζώνη AC-3. AC- 4.1 AC- 4.2 AC- 4.3 C1-c2 Πιθανότητα κοιλιακής μαρμαρυγής έως 5%. C2-c3 Πιθανότητα κοιλιακής μαρμαρυγής έως περίπου 50%. Πέραν της c3 Πιθανότητα κοιλιακής μαρμαρυγής πάνω από 50%. Πίνακας 2.4[12] 26
Το σχήμα 2.6 αναφέρεται σε συνεχές ρεύμα και δρόμο αριστερό χέρι πόδια Σχ. 2.6[12] 27
Οι ζώνες DC-1 έως DC-4 εξηγούνται στον ακόλουθο πίνακα: Ζώνη Όρια Φυσιολογικές Δράσεις DC-1 Μέχρι 2 ma Έως τη γραμμή α Μέχρι και 2 ma γραμμή α. Συνήθως καμιά αντίδραση, πιθανό ελαφρύ κτύπημα κατά το ανοιγοκλείσιμο του ρεύματος. DC-2 2 ma Έως τη γραμμή b Από 2 ma μέχρι τη γραμμή b. Συνήθως καμιά βλαβερή φυσιοπαθολογική δράση. DC-3 Γραμμή b Έως την καμπύλη C1 Από τη γραμμή B μέχρι καμπύλη c. Συνήθως δεν αναμένονται οργανικές βλάβες. Αυξανόμενου του ρεύματος και του χρόνου μπορεί να συμβούν αναστρέψιμες διαταραχές στην οδήγηση των καρδιακών διεγέρσεων (παλμών). DC-4 Πάνω από την Καμπύλη c1 Αυξανόμενου του ρεύματος και χρόνου, αναμένονται επικίνδυνες φυσιοπαθολογικές δράσεις, π.χ. σοβαρά εγκαύματα επιπροσθέτως των δράσεων της ζώνης. DC- 4.1 C1-c2 Η πιθανότητα κοιλιακής μαρμαρυγής αυξάνεται έως 5%. DC- 4.2 C2-c3 Η πιθανότητα κοιλιακής μαρμαρυγής αυξάνεται έως περίπου 50%. DC- 4.3 Πέραν της c3 Η πιθανότητα κοιλιακής μαρμαρυγής αυξάνεται πάνω από 50%. Πίνακας 2.5[12] 28
Για ρεύματα διάρκειας μικρότερης των 10 ms παραθέτεται το σχήμα 2.7. Ο δρόμος που ακολουθεί το ρεύμα είναι από το ένα χέρι στα δύο πόδια ή από χέρι σε χέρι. Όπου: c1 = όριο μαρμαρυγής, πιθανότητα 0%. c1-c2 = πιθανότητα μαρμαρυγής 5%. c2-c3 = πιθανότητα μαρμαρυγής 50%. Σχ. 2.7[12] 29
30
3. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ (ΣΑΠ) 3.1 εισαγωγή Είναι αυτονόητο πως τα κεραυνικά πλήγματα δεν μπορούν να αποφευχθούν ή να αποτραπούν. Έτσι, το μόνο που απομένει για την προστασία από αυτά είναι να οδηγήσουμε τα ρεύματά τους με μεταλλικούς αγωγούς προς την γη μειώνοντας τις υπερτάσεις που δημιουργούνται με διάφορα μέσα. Με αυτό το σκεπτικό προέκυψαν διάφορα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ). Με τον όρο ΣΑΠ περιγράφουμε το σύνολο των μέτρων που λαμβάνονται προκειμένου να προστατέψουμε μια κατασκευή και την περιοχή που αυτή περιβάλλει κατά των επιζήμιων επιπτώσεων μιας κεραυνοπληξίας. Αποτελούνται από δύο ενότητες, την εξωτερική και την εσωτερική προστασία.[12] 3.2 Εξωτερική προστασία[12][18][2] Σκοπός της εξωτερικής προστασίας είναι να προσελκύσει την κεραυνική εκκένωση μέσω του συλλεκτήριου συστήματος και να την οδηγήσει με ασφαλή τρόπο, με τους αγωγούς καθόδου, προς το σύστημα γείωσης και την γη, μακριά από το υπό προστασία αντικείμενο. Στη συνέχεια αναλύονται τα επιμέρους τμήματα της εξωτερικής προστασίας.[12] 3.2.1 Συλλεκτήριο σύστημα Το συλλεκτήριο σύστημα ή αλλιώς αλεξικέραυνο είναι αυτό που έλκει τον κεραυνό και βρίσκεται γενικά στο πιο πάνω μέρος του υπό προστασία κτηρίου. Μπορεί να αποτελείται από μεταλλικές ράβδους (ράβδος του Franklin), τεταμένα συρματόσχοινα ή μεταλλικούς κλωβούς. Κάθε αλεξικέραυνο μας εξασφαλίζει μια περιοχή προστασίας που μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τα πρότυπα IEC 1024 με τρεις τρόπους: α) την μέθοδο της κεραυνικής ή της κυλιόμενης σφαίρας ακτίνας rb. β) την μέθοδο γωνίας προστασίας φ. γ) την μέθοδο του κλωβού ανοίγματος Wm. α) μέθοδος κυλιόμενης σφαίρας ακτίνας rb Η οδηγός εκκένωση μπορεί να πλησιάσει αντικείμενα γειωμένα προς οποιαδήποτε κατεύθυνση (καθέτως και οριζοντίως). Όταν αυτή τα πλησιάσει σε μια συγκεκριμένη απόσταση, τότε τα γειωμένα αντικείμενα θα δώσουν συνδετικό οχετό αντιθέτου φοράς (δηλαδή ο κεραυνός θα πέσει στο πλησιέστερο γειωμένο σημείο). Αυτή η απόσταση ονομάζεται ακτίνα κυλιόμενης σφαίρας rb. Η rb κυμαίνεται από 60m έως 20m ανάλογα με την στάθμη προστασίας όπως φαίνεται στον πίνακα 3.1. Κατά την νοητή κύλιση της σφαίρας γύρω από το κτήριο αυτή πρέπει να εφάπτεται είτε στο έδαφος ή στο συλλεκτήριο σύστημα του κτηρίου. Αν η ακτίνα της σφαίρας είναι μικρότερη από το ύψος του κτηρίου τότε επιβάλλεται η τοποθέτηση συλλεκτήριου συστήματος και στα πλάγια του κτηρίου. Προστατευμένη είναι η επιφάνεια που δεν καλύπτει η νοητά κυλιόμενη σφαίρα. 31
Στάθμη Προστασίας Σχ. 3.1 Μέθοδος κυλιόμενης σφαίρας[3] rb (m) Άνοιγμα Βρόχου Wm (m) Γωνία προστασίας φ( ο ) για Διάφορα ύψη h της συλλεκτήριας εγκατάστασης h = 20 (m) 30 45 60 I 20 5 25 0 0 0 II 30 10 35 25 0 0 III 45 10 45 35 25 0 ΙV 60 20 55 45 35 25 Πίνακας 3.1[19] β) μέθοδος γωνίας προστασίας φ Σχ. 3.2 Μέθοδος γωνίας προστασίας Φ[3] 32
Με την συγκεκριμένη μέθοδο η περιοχή προστασίας ορίζεται ως ο κώνος που προκύπτει με κορυφή το αλεξικέραυνο τύπου ράβδου και ημιγωνία κορυφής αυτή του πίνακα 3.1, ανάλογα την στάθμη προστασίας. Εφαρμόζεται σε απλές κατασκευές με ύψος h < rb. γ) μέθοδος κλωβού ανοίγματος Wm Με την μέθοδο αυτή και για απλές κατασκευές το εξωτερικό της οροφής του προς προστασία κτηρίου χωρίζεται σε τετράγωνα πλευράς Wm βάσει του πίνακα 3.1. Τα τετράγωνα αυτά αποτελούνται από συλλεκτήριους αγωγούς και προστατεύουν την περιοχή που καλύπτουν. Σχ. 3.3 Μέθοδος κλωβού ανοίγματος Wm[3] Στον πίνακα 3.2 φαίνονται οι ελάχιστες διατομές των συλλεκτήριων αγωγών ανάλογα με το υλικό κατά IEC 1024 Υλικά Διατομή (mm 2 ) Διάμετρος (mm) Ή διαστάσεις Χάλυβας γαλβανισμένος (DIN 48801) 50 8 Φ Χαλκός (DIN 48801) 50 8 Φ Αλουμίνιο (DIN 48801) 78 10 Φ Ανοξείδωτος χάλυβας 78 10 Φ Χαλύβδινο συρματόσχοινο 50 10*1,6 Φ Χάλκινο συρματόσχοινο 35 7*2,5 Φ Σύνθετος αγωγός ACSR (St-Al) (DIN 48204) 50/8 9,6 Φ Πίνακας 3.2[23] 3.2.2 Αγωγοί καθόδου Οι αγωγοί καθόδου αποτελούν το ενδιάμεσο τμήμα μεταξύ συλλεκτήριου συστήματος και γείωσης και μεταφέρουν το ρεύμα προς την κατεύθυνση αυτή. Ομοιάζουν με τους αγωγούς του συλλεκτήριου συστήματος και εμφανίζουν κυρίως επαγωγική αντίσταση. Ο αριθμός τους δεν πρέπει να είναι μικρότερος από δύο ακόμα και σε μικρές κατασκευές ενώ όσοι περισσότεροι αγωγοί καθόδου υπάρχουν τόσο μειώνεται και η αντίσταση αγωγής προς την γη πράγμα που συνεπάγεται μικρότερες υπερτάσεις στα διάφορα σημεία. Η διαδρομή προς την γείωση πρέπει να είναι η συντομότερη (κάθετα προς το έδαφος) ενώ οι αποστάσεις μεταξύ τους πρέπει να 33
ισοκατανέμονται περιμετρικά του κτηρίου. Τυπικές αποστάσεις για τις διάφορες στάθμες προστασίας δίνονται στον πίνακα 3.3: Στάθμη προστασίας Τυπικές αποστάσεις (m) I 10 II 15 III 20 IV 25 Πίνακας 3.3[20] Όπως και οι συλλεκτήριοι αγωγοί πρέπει να στερεώνονται επαρκώς με τον ελάχιστο αριθμό στηρίξεων, όπου κρίνεται αναγκαίο, για την αντοχή στις μηχανικές καταπονήσεις του ρεύματος. Σε περιπτώσεις που πρέπει να διαγράψουν κάποια γωνία είναι αναγκαίο αυτό να γίνει σταδιακά με την μορφή καμπύλης και στήριξη και στις δύο πλευρές για μείωση των μηχανικών καταπονήσεων σε μεγάλα ρεύματα. Τέλος ως φυσικοί αγωγοί καθόδου μπορούν να χρησιμοποιηθούν και μεταλλικά μέρη της κατασκευής, αρκεί αυτά να πληρούν κάποια ελάχιστα μεγέθη διατομής και πάχους (π.χ. λαμαρίνες από χάλυβα 4mm, από χαλκό 5mm και από αλουμίνιο 7mm). Ισοδυναμικές συνδέσεις πρέπει να γίνονται όπου είναι πιθανό να υπάρξει ηλεκτρικό τόξο ανάμεσα στους αγωγούς και σε κάποια αγώγιμη επιφάνεια που βρίσκεται κοντά (π.χ. αγωγοί ύδρευσης που περνούν πίσω από αγωγούς καθόδου). 3.2.3 Σύστημα γείωσης Το σύστημα γείωσης αποτελεί το τελευταίο κομμάτι ενός εξωτερικού Σ.Α.Π.. Με τον όρο γείωση περιγράφεται κάθε αγώγιμη σύνδεση ενός σημείου κάποιου κυκλώματος ή ενός μη ρευματοφόρου αγώγιμου αντικειμένου μιας εγκατάστασης με το έδαφος. Σκοπός της γείωσης είναι η εξίσωση των δυναμικών με αυτό της άπειρης γης, που κατά σύμβαση θεωρούμε μηδενικό και η διάχυση των ρευμάτων κεραυνών και σφαλμάτων σε αυτή με ασφάλεια και ταχύτητα χωρίς να προκύπτουν επικίνδυνες υπερτάσεις που δύναται να προξενήσουν βλάβες. Τα κριτήρια που πρέπει να ικανοποιεί ένα σύστημα γείωσης για να είναι ασφαλές είναι τα εξής: 1. Να έχει χαμηλή σύνθετη αντίσταση για το κεραυνικό ρεύμα ή το ρεύμα σφάλματος. 2. Να ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο κατάρρευσης ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού και συστημάτων. 3. Να ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. 4. Να έχει χαμηλό κόστος. Οι βασικοί κανόνες που πρέπει να ακολουθηθούν για την επίτευξη των ανωτέρω είναι οι εξής: 1. Το μέγεθος του συστήματος γείωσης να είναι επαρκώς μεγάλο ώστε η μέγιστη ανύψωση δυναμικού σε απότομα ρεύματα να είναι μικρή. 2. Το κενό ανάμεσα στα ηλεκτρόδια να είναι μικρό ώστε η προκύπτουσα βηματική τάση να είναι σε αποδεκτά επίπεδα. 3. Οι αγωγοί καθόδου να συνδέονται συμμετρικά με το σύστημα γείωσης για μείωση του δυναμικού του εδάφους. 34
4. Να προτιμώνται στρώματα εδάφους για τα ηλεκτρόδια με χαμηλή ειδική αντίσταση. Η αντίσταση της γείωσης (αντίσταση που εμφανίζεται ως προς την άπειρη γη σε περίπτωση σφάλματος) και κατά συνέπεια η αποτελεσματικότητά της εξαρτάται από: Την κυματομορφή του ρεύματος που δέχεται. Το σημείο έγχυσης του ρεύματος. Την γεωμετρία του συστήματος. Την ειδική αντίσταση του εδάφους και η εμφάνιση ιονισμού του. Ο ιονισμός του εδάφους προκύπτει όταν το ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή για τον ιονισμό του εδάφους οπότε και η αντίσταση γείωσης μειώνεται. Τυπικές τιμές ειδικής αντίστασης εδάφων δίνονται στον πίνακα 3.4. Τύπος εδάφους Ειδική Αντίσταση ρ (Ω*m) Ελώδες έδαφος 5-40 Πηλώδες, αργιλώδες ή αγρού 20-200 Υγρή άμμος <300 Υγρά χαλίκια 300-600 Ξηρή άμμος >2000 Πετρώδες και ξηρά χαλίκια >2000 Πίνακας 3.4[24] 3.2.3.1 είδη γειώσεων[16] Ανάλογα με την χρήση υπάρχουν τρία είδη γειώσεων (Σχ.3.3): Σχ. 3.3 Είδη γειώσεων 35
α) Γείωση λειτουργίας: η γείωση ενός σημείου κάποιου ενεργού κυκλώματος όπως η γείωση του ουδέτερου αγωγού του συστήματος ή η γείωση του ουδετέρου ενός μετασχηματιστή. Χωρίζεται σε άμεση γείωση λειτουργίας (όταν περιλαμβάνει μόνο την αντίσταση γείωσης) και έμμεση (περιλαμβάνει επιπλέον ωμικές αντιστάσεις, χωρητικότητες και αυτεπαγωγές). β) Γείωση προστασίας: η γείωση κάποιου μεταλλικού μέρους που δεν αποτελεί κυκλωματικό στοιχείο (όπως μεταλλικά κελύφη) και σκοπό έχει την μείωση της τάσης επαφής Vt. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.3 είναι συνεχής και δεν παρεμβάλλονται διάκενα και αντιστάσεις. Γ) Γείωση Σ.Α.Π.: το τελευταίο κομμάτι τις αντικεραυνικής προστασίας που προαναφέρθηκε. Μπορεί να είναι ανοιχτή, αν θέλουμε να μειώσουμε τις ηλεκτροχημικές διαβρώσεις, ή συνεχής τις προτιμάται συνήθως. 3.2.3.2 Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης (γειωτών)[12] Τα ηλεκτρόδια γείωσης έχουν τις μορφές που παρουσιάζονται στο σχήμα 3.4: Σχ. 3.4 Είδη γειωτών[12] 36
Οι σχέσεις υπολογισμού των αντιστάσεών τους φαίνονται στον πίνακα 3.5: Πίνακας 3.5[12] 37
Οι ελάχιστες διατομές τους κατά VDE 0141 φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Μορφή γειωτή Ταινία Χάλυβας επιχαλκωμένος 50 mm 2 ελάχ. Πάχος 2 mm Υλικό Χάλυβας γαλβανισμένος (με 70 μm στρώμα) 100 mm 2 Ελάχιστο πάχος 3 mm χαλκός 50 mm 2 ελάχ. πάχος 2 mm Ράβδος στρογγυλή 50 mm 2 χάλυβα 78 mm 2 (10 Φ) Σωλήνας - Ονομ. Διάμετρος 1 (εσωτ. διάμετρος) Ελάχ. Πάχος 2 mm 35 mm 2 Εσωτερική διάμετρος 20 mm, Ελαχ. Πάχος 2 mm Πλάκα - Ελάχ. πάχος 3 mm Ελάχιστο πάχος 2 mm Πίνακας 3.6[12] 3.2.3.3 Θεμελιακή γείωση [25] Σχ. 3.5 Θεμελιακή Γείωση[3] θεμελιακή γείωση είναι το σύστημα γείωσης που τοποθετείται εντός των εκ σκυροδέματος θεμελίων μιας κατασκευής και χρησιμοποιείται ως γείωση προστασίας, λειτουργίας αλλά και αντικεραυνικής προστασίας. Σύμφωνα με τον νέο κανονισμό ηλεκτρικών εγκαταστάσεων ΕΛΟΤ HD 384 η εφαρμογή της ως βασική γείωση προστασίας και λειτουργίας είναι υποχρεωτική σε όλες τις νέες οικοδομές και κτήρια. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει έναντι των άλλων μορφών γείωσης είναι: 38
Χαμηλή αντίσταση γείωσης που παραμένει σταθερή χειμώνα καλοκαίρι Αντοχή στη διάβρωση και μηχανική προστασία Εξάλειψη βηματικών τάσεων Ευκολία για ισοδυναμικές συνδέσεις Ευελιξία για εγκατάσταση Σ.Α.Π. Χαμηλό κόστος Για την εγκατάστασή της απαιτείται χαλύβδινη ταινία ελάχιστων διαστάσεων 30*3,5 mm θερμά επιψευδαργυρωμένης (St/tZn) με πάχος επιψευδαργύρωσης 500gr/m 2 στο σιδερένιο οπλισμό, καταρχάς εντός των περιμετρικών εξωτερικών συνδετήριων δοκαριών των πεδίλων του κτηρίου ή στα στοιχεία των θεμελίων σε μορφή κλειστού βρόγχου. Για την επιλογή των υλικών αλλά και τον σχεδιασμό της εγκατάστασης θεμελιακής γείωσης πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα παρακάτω πρότυπα: 1. ΕΛΟΤ HD 384: Απαιτήσεις για ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. 2. ΕΛΟΤ 1197:2002: Προστασία κατασκευών από κεραυνούς. Μέρος 1 ο : γενικές αρχές. 3. ΕΛΟΤ EN 50164 1: Lightning Protection Components (LPC), Part1: Requirements for connection components. 4. ΕΛΟΤ EN 50164 2: Lightning Protection Components (LPC), Part 2: Requirements for conductors and earth electrodes. 3.3 Εσωτερική προστασία Η εσωτερική προστασία γίνεται για την προστασία του ανθρώπου αλλά και των συσκευών από υπερτάσεις δημιουργούμενες από τα μεγάλα ρεύματα των κεραυνών. Για αυτή μπορούν να παρθούν μια σειρά από μέτρα όπως τήρηση αποστάσεων ασφαλείας από τους αγωγούς καθόδου, εγκατάσταση απαγωγέων τάσης ή αυτεπαγωγών ή πυκνωτών στα κυκλώματα ισχύος η στην τροφοδοσία μεμονωμένων συσκευών ανάλογα την περίπτωση. 3.4 Στάθμες προστασίας Όπως φάνηκε σε παραπάνω πίνακες υπάρχουν τέσσερις στάθμες προστασίας. Η κάθε στάθμη επιλέγεται σύμφωνα με την αξιολόγηση της ζημιάς ενός επικείμενου κεραυνού (στον άνθρωπο, στην κατασκευή, σε συσκευές, στον περιβάλλοντα χώρο κ.α.) και την απαιτούμενη αποτελεσματικότητα του Σ.Α.Π.. Αναφορικά με την αξιολόγηση της ζημιάς, κτίρια τα οποία χρήζουν μελέτης και συστήματος αντικεραυνικής προστασίας είναι: Αρχαία ιστορικά μνημεία Δεξαμενές καυσίμων Βιομηχανίες εκρηκτικών Ψηλά και απομονωμένα κτίσματα Κτίσματα με μεγάλη κοσμοσυρροή Κτήρια σε περιοχές που εμφανίζεται έντονα το φαινόμενο του κεραυνού 39
Η αντιστοιχία στάθμης προστασίας σχετικά με την απαιτούμενη αποτελεσματικότητα φαίνονται στον πίνακα 3.7: Στάθμες προστασίας P Αποτελεσματικότητα Ε I 0.98 II 0.95 III 0.90 IV 0.80 Πίνακας 3.7[20] Στη συνέχεια θα γίνει αναφορά στις διάφορες παραμέτρους που καθορίζουν την απαιτούμενη αποτελεσματικότητα και κατά συνέπεια την στάθμη προστασίας για τις διάφορες περιπτώσεις. 3.4.1 Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων κτηρίου Νd[2] Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων Νd περιγράφει τον μέσο αριθμό κεραυνών που μπορούν να πλήξουν ένα κτίριο άμεσα κάθε έτος και ισχύει η σχέση: Νd = Ng * Ae * C1 * 10-6 Με: Νg τον ετήσιο μέσο όρο κεραυνικών πληγμάτων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο της περιοχής του κτίσματος. Για συγκεκριμένες περιοχές υπάρχουν αντίστοιχοι χάρτες που δίνουν αυτή την πληροφορία. Επειδή όμως οι περιοχές αυτές είναι περιορισμένες, μπορεί να γίνει μια προσεγγιστική εκτίμηση του Νg μέσω των καμπυλών ημερών καταιγίδας (Σχ. 3.6) και του τύπου Νg = 0,04 * Τd 1.25 (κατά IEC), με Td τον αριθμό ημερών καταιγίδας ανά έτος που δίδεται από τις καμπύλες. 40
Σχ. 3.6 Ισοκεραυνικός χάρτης Ελλάδας [3] Ae την ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής σε mm 2. Ορίζεται ως μια επιφάνεια στο επίπεδο του εδάφους που έχει ίση ετήσια συχνότητα Nd με το κτίριο. Για απομονωμένα κτίσματα είναι ίση με το εμβαδό του κτίσματος συν την τομή του επιπέδου του εδάφους με την ευθεία κλίσεως 1/3, η οποία διέρχεται από τα ψηλότερα μέρη της κατασκευής. Για απλές ορθογώνιες κατασκευές από το παραπάνω συλλογισμό 41
προκύπτει ο τύπος: Αe = L * W + 6 * H * (L + W) + 9 * π * H 2, με L το μήκος του κτιρίου, W το πλάτος και Η το ύψος. Σχ. 3.7 Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια[8] C1 τον περιβαλλοντικό συντελεστή, ανάλογα με την θέση του κτιρίου, τιμές του οποίου φαίνονται στον πίνακα 3.8: C1 Τοποθεσία κατασκευής 0,25 Κατασκευή σε περιοχή που περιέχει κατασκευές η δέντρα του ίδιου ύψους ή ψηλότερα 0,5 Κατασκευή περιτριγυριζόμενη από χαμηλότερες κατασκευές 1 Απομονωμένη κατασκευή σε πεδιάδα και μη ύπαρξη άλλων κατασκευών σε απόσταση 3Η 2 Απομονωμένη κατασκευή που δεσπόζει πάνω σε κορυφή λόφου ή κάποιας εξοχής σε πεδιάδα Πίνακας 3.8[8] 3.4.2 Αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων ΝC Η αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων Νc περιγράφει την μέγιστη αποδεκτή ετήσια συχνότητα πληγμάτων κεραυνών που είναι επιζήμια για την κατασκευή. Τυποποιημένα παραδείγματα φαίνονται στον πίνακα 3.9 κατά ΕΛΟΤ 1197: 42
Ομαδοποίηση κατασκευών Τύπος κατασκευών Νc Κατοικίες 5 * 10-3 Αγροκτήματα 1 * 10-3 Κοινές κατασκευές Θέατρο Σχολείο 5 * 10-4 Κατάστημα Γυμναστήριο Τράπεζα Εμπορική εταιρία Ασφαλιστική εταιρία 5 * 10-4 Νοσοκομείο Φυλακές Βιομηχανικά συγκροτήματα Μουσεία 1 * 10-4 Αρχαιολογικοί χώροι Κατασκευές με περιορισμένους κινδύνους Τηλεπικοινωνίες Εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού 5 * 10-5 Κατασκευές με κίνδυνο για το γειτονικό χώρο Κατασκευές με μεγάλο Περιβαλλοντικό κίνδυνο με κίνδυνο πυρκαγιάς Διυλιστήρια Αποθήκες καυσίμων και Πυρομαχικών Χημικά ή πυρηνικά εργοστάσια Βιοχημικά εργαστήρια Πίνακας 3.9 1* 10-6 1 * 10-7 3.4.3 Επιλογή στάθμης προστασίας Αφού βρούμε τα Νd και Νc για το συγκεκριμένο κτήριο και περιοχή ακολουθούμε τα εξής βήματα: Αν Νd <= Νc, το κτήριο δεν χρήζει προστασίας Αν Νd > Νc, το κτήριο χρήζει προστασίας με Σ.Α.Π. αποτελεσματικότητας Ε >= 1 Νc/Nd. Η κατάλληλη στάθμη προστασίας επιλέγεται ως εξής: Ε <= 0 δεν χρειάζεται προστασία 0 < Ε <= 0,80 στάθμη IV 0,80 < Ε <= 0,90 στάθμη ΙΙΙ 0,90 < Ε <= 0,95 στάθμη ΙΙ 0,95 < Ε <= 0,98 στάθμη Ι Ε > 0,98 στάθμη Ι + επιπλέον μέτρα προστασίας [2] 43
44
4. ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΤΗΡΙΟΥ 4.1 περιγραφή μεταλλικού κτηρίου Το προς μελέτη βιομηχανικό κτήριο βρίσκεται στον δήμο Βόλβης και συγκεκριμένα στη δημοτική κοινότητα Νέας Απολλωνίας και αποτελεί μια μεταποιητική μονάδα αγροτικών προϊόντων (ενσιρωμάτων). Είναι μεταλλικό, διαστάσεων (18,15 * 10 * 7.5)m, και δεν περιβάλλεται από άλλα κτήρια σε απόσταση 22,5 μέτρων. Πιο κάτω παρουσιάζονται τα σχέδιά του. Σχ.4.1 3D απεικόνιση ΣΧ.4.2 Πλάγια όψη 45
Σχ. 4.3 Πρόσοψη Σχ. 4.4 Πλάγια όψη 46
Σχ. 4.5 Πίσω όψη Σχ. 4.6 Κάτοψη Ισογείου 47
4.2 Μελέτη ΣΑΠ 4.2.1 Εύρεση Τd, Νg, Nc Με βάση όσα αναπτύχθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, από τις αντίστοιχες καμπύλες ημερών καταιγίδας για τον ελλαδικό χώρο (Σχ. 3.6) βρίσκουμε για την περιοχή της Απολλωνίας και τον δήμο Βόλβης Td = 50 ημέρες καταιγίδας ανά έτος. Βάσει του τύπου Νg = 0,04 * Τd 1.25 προκύπτει Νg = 5,32 κεραυνικά πλήγματα ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο στην συγκεκριμένη περιοχή. Η αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων για βιομηχανικά συγκροτήματα είναι Νc = 1 * 10-4 (Πίνακας 3.9) 4.2.2 Υπολογισμός Αe Ae = L * W + 6 * H * (L + W) + 9 * π * H 2 = 3038,68 m 2 ή Αe = 3,039 * 10-3 Km 2. 4.2.3 Υπολογισμός Νd Nd = Ng * Ae * C1 * 10-6, για C1 = 1 (απομονωμένη κατασκευή σε απόσταση 3Η), Νd = 0,016166 4.2.4 Επιλογή στάθμης προστασίας c Για την αποτελεσματικότητα του ΣΑΠ θα πρέπει να ισχύει 1 0,99. Επομένως, αφού η Nd απαιτούμενη αποτελεσματικότητα προκύπτει μεγαλύτερη από 0,98, επιλέγεται η στάθμη προστασίας I και θα πρέπει να ληφθούν και κάποια επιπλέον μέτρα προστασίας. 4.3 Σχεδιασμός ΣΑΠ[19][20][21][22] Στη συνέχεια αναλύεται η σχεδίαση του εξωτερικού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας δηλαδή του συλλεκτήριου συστήματος, των αγωγών καθόδου και του συστήματος γείωσης. 4.3.1 Συλλεκτήριο σύστημα Η περιοχή προστασίας προσδιορίζεται με την μέθοδο του κλωβού ανοίγματος Wm. Από τον πίνακα 3.1 και για στάθμη προστασίας Ι επιλέγεται άνοιγμα βρόγχου Wm = 5m. Οι βρόγχοι θα αποτελούνται από μονόκλωνους αγωγούς χαλκού (Cu) κυκλικής διατομής Φ-8mm. 48
Σχ. 4.7 Χάλκινος αγωγός Φ-8 Οι αγωγοί αυτοί θα στηρίζονται πάνω στη στέγη με κατάλληλα στηρίγματα τοποθετημένα ανά 2m περίπου και όπου αυτό είναι εφικτό. Σχ. 4.8 Στήριγμα χάλκινου αγωγού Τα σχέδια του συλλεκτήριου συστήματος έγιναν με το πρόγραμμα AutoCad και παρατίθενται πιο κάτω. Σημειώνεται πως το συλλεκτήριο σχεδιάστηκε με κόκκινο χρώμα. 49
Σχ. 4.9 Άνωψη στέγης Σχ. 4.10 Πλάγια όψη 50
Σχ. 4.11 Πρόσοψη Σχ. 4.12 Πλάγια όψη 51
Σχ. 4.13 Πίσω όψη 4.3.2 Αγωγοί καθόδου Εφόσον πρόκειται για μεταλλικό κτήριο με χαλύβδινες κολώνες, αυτές πρόκειται να χρησιμοποιηθούν και ως αγωγοί καθόδου. Σημειώνεται επίσης πως ισοδυναμικές συνδέσεις απαιτούνται με το μεταλλικό περίβλημα του κτηρίου προκειμένου να αποφευχθεί η δημιουργία ηλεκτρικού τόξου σε περίπτωση κεραυνού και η τήξη του μετάλλου σε εκείνο το σημείο. Παρακάτω δίνεται η τομή Β-Β του κτηρίου όπου φαίνονται όλα τα ανωτέρω. Σχ. 4.14 Τομή Β- Β 52
4.3.3 Σύστημα γείωσης Σαν σύστημα γείωσης, βάσει των όσων ειπώθηκαν στην ενότητα 3.2.3.3 αλλά και των προαναφερθέντων προτύπων, επιλέγεται η θεμελιακή γείωση. Η ταινία που συνίσταται προς εγκατάσταση είναι διαστάσεων 40mm * 5mm και αποτελείται από γαλβανισμένο χάλυβα. Παρακάτω φαίνεται ένα παράδειγμα τέτοιας ταινίας καθώς και οι σύνδεσμοι που υπάρχουν διαθέσιμοι στο εμπόριο. Σχ. 4.15 Γαλβανισμένη ταινία και σύνδεσμοι[3] 53
Η σύνδεση του συστήματος γείωσης με τους αγωγούς καθόδου (χαλύβδινες κολώνες) πρέπει να γίνει όπως φαίνεται στο σχήμα 4.16: Σχ. 4.16 Λεπτομέρειες Σύνδεσης αγωγών καθόδου γείωσης[25] 1: ταινία St/tZn 40*5mm 2: αγωγός Φ10mm 3: σύνδεσμος οπλισμού St/tZn 4: ράβδος οπλισμού beton 5: αντιδιαβρωτική ταινία PVC 6: σύνδεσμος μεταλλικής δοκού με αγωγό Βάσει του προτύπου ΕΛΟΤ 1197 η προκύπτουσα αντίσταση γείωσης πρέπει να είναι μικρότερη από 10Ω. Έτσι, ως επόμενο βήμα, υπολογίζεται η αντίσταση της θεμελιακής γείωσης από τους τύπους του πίνακα 3.5. 54
Η αντίσταση του εδάφους (ρ) επιλέγεται στα 70 Ω (μικρότερη από έδαφος πηλώδες, αργιλώδες ή αγρού αφού στα θεμέλια υπάρχει αυξημένη υγρασία- πίνακας 3.4). Έτσι έχουμε: ισοδύναμη διάμετρος : 4 4 D S *18,15*10 15, 20m Αντίσταση: R A 2 2,93 D Τέλος για τη σωστή μέτρηση της αντίστασης γείωσης αλλά και για μελλοντικές συνδέσεις με αυτή πρέπει να εγκατασταθεί ένα ανάλογο φρεάτιο γείωσης. Σχ. 4.17 Φρεάτιο Γείωσης[3] 55
56
5. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ, ΜΟΝΤΕΛΑ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ 5.1 Πρόγραμμα προσομοίωσης[26] 5.1.1 Το ΑΤP - EMTP Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία για την μελέτη του μεταβατικού φαινομένου του κεραυνού είναι το ΑTP EMTP (Alternative Transients Program Electromagnetic Transients Program) που αποτελεί και το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο πρόγραμμα ψηφιακής προσομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων για ΣΗΕ, διαθέτοντας πολλές δυνατότητες μοντελοποίησης. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε με σκοπό την προσομοίωση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και εξοπλισμού. Ο πυρήνας του προγράμματος αποτελείται από έναν μεταφραστή (compiler) που μεταφράζει τα κατάλληλα γραμμένα αρχεία εισόδου σε αρχεία εξόδου αποτελεσμάτων. Ο μεταφραστής υποστηρίζεται από άλλες εφαρμογές (υποστηρικτικά προγράμματα) που χρησιμεύουν στη διαδικασία κατασκευής των αρχείων εισόδου ή στην επεξεργασία αρχείων εξόδου. Το ATP-EMTP αναλύει το σύστημα που θα του δοθεί στο πεδίο του χρόνου επιλύοντας τις διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων που απαρτίζουν το κύκλωμα ή το ηλεκτρικό δίκτυο. Οι διαφορικές εξισώσεις των στοιχείων λύνονται από τον πυρήνα του προγράμματος αριθμητικά. Η ανάλυση του κυκλώματος, με επίλυση διαφορικών εξισώσεων, δίνει στο πρόγραμμα τη δυνατότητα να υπολογίζει όλα τα μεταβατικά φαινόμενα που θα εμφανιστούν σε αυτό. Φυσικά, αυτό δε σημαίνει ότι με το ΑΤΡ ΕΜΤΡ υπολογίζονται μόνο μεταβατικές καταστάσεις αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ανάλυση κυκλωμάτων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αφού περιλαμβάνει μεθόδους επίλυσης του ηλεκτρικού δικτύου στο πεδίο του χρόνου (time domain) αλλά και στο πεδίο της συχνότητας (frequency domain). 5.1.2 Ιστορικά στοιχεία Το πρόγραμμα ανάλυσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων ΕΜΤΡ έχει τις ρίζες του στο Όρεγκον των ΗΠΑ, στην Bonneville Power Administration (BPA), συνεργάτη της Αμερικάνικης Υπηρεσίας Ενέργειας. Το ΕΜΤΡ αναπτύχθηκε με κρατικά χρήματα για περισσότερο από μία δεκαετία με σκοπό την ελεύθερη διανομή του σε κάθε ενδιαφερόμενο. Το 1984 έγινε απόπειρα εμπορικοποίησης του προγράμματος και από την περαιτέρω ανάπτυξη του EMTP αποκλείστηκε η ΒΡΑ. Από εκείνη τη χρονική στιγμή δημιουργήθηκε μία μη εμπορική έκδοση του ΕΜΤΡ, το ΑΤΡ. Το ΑΤΡ διανέμεται χωρίς τέλη αδειών, δωρεάν, για όσους δεν συμμετέχουν στην εμπορικοποίηση του EMTP. 5.1.3 Επίλυση στο πεδίο του χρόνου Μιας και το φαινόμενο του κεραυνού που μελετάται αποτελεί μεταβατικό φαινόμενο, η επίλυσή του θα γίνει με αριθμητικές μεθόδους από το πρόγραμμα στο πεδίο του χρόνου. Ο εξοπλισμός του ηλεκτρικού δικτύου περιγράφεται στο ATP EMTP χρησιμοποιώντας εξισώσεις κόμβων, έχοντας ως άγνωστες μεταβλητές του προβλήματος τις τάσεις στους 57
κόμβους. Τα ρεύματα στους κλάδους του δικτύου υπολογίζονται ως συναρτήσεις των τάσεων των αντίστοιχων κόμβων. Για να επιλυθεί το πρόβλημα στο πεδίο του χρόνου γίνεται διακριτοποίηση των φυσικών μεγεθών. Αυτό σημαίνει ότι το φυσικό μέγεθος χρόνος χωρίζεται σε διακριτά Δt διαστήματα στα οποία γίνονται οι υπολογισμοί. Οι τιμές όλων των μεταβλητών του συστήματος θεωρούνται γνωστές για τη χρονική στιγμή t Δt και το ζητούμενο είναι ο υπολογισμός τους τη χρονική στιγμή t. Το διάστημα διακριτοποίησης Δt θεωρείται τόσο μικρό ώστε οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν τα στοιχεία του εξοπλισμού να προσεγγίζονται καλά χρησιμοποιώντας εξισώσεις διαφορών. Ας θεωρήσουμε τη διαφορική εξίσωση που περιγράφει τον επαγωγό: u L dil L dt (1) Η διαφορική εξίσωση αυτή μπορεί να προσεγγιστεί από την αλγεβρική εξίσωση διαφοράς: ul ( t) u L ( t t) il ( t) il ( t t) L 2 t η οποία γράφεται και: (2) t il ( t) [ ul ( t) ul ( t t)] il ( t t) (3) 2L Εάν θεωρήσουμε την ισοδύναμη αγωγιμότητα, η οποία παραμένει σταθερή κατά το χρονικό Διάστημα Δt, G t και τον γνωστό όρο I, ( t t) i ( t t) u ( t t), η (3) μπορεί 2L t hist L L L να γραφτεί: i ( t) Gu ( t) I ( t t) ή [ G][ u ( t)] [ i ( t)] [ I, ] (4) L L hist Όπου: L L hist L 2L [ G] [ ut ( )] [ it ( )] : πίνακας αγωγιμοτήτων n x n (συμμετρικός) : πίνακας n x 1 τιμών τάσεων : πίνακας n x 1 τιμών ρευμάτων [ I hist ]: πίνακας n x 1 γνωστών τιμών, με μονάδα το Α Κατά την επίλυση του προβλήματος, επειδή σε μερικούς κόμβους είναι γνωστή η τιμή της τάσης, λόγω πηγών τάσεων ή γείωσης, ο πίνακας των τάσεων [u(t)] διασπάται σε [ua(t)], ο οποίος περιέχει το σύνολο Α των κόμβων με άγνωστη την τιμή της τάσης και σε [ub(t)], ο οποίος περιέχει το σύνολο των κόμβων με γνωστή τιμή της τάσης. Έτσι η εξίσωση γίνεται: [ G ][ u ( t)] [ i ( t)] [ I ] [ G ][ u ( t)] (5) AA A A hist, A AB B Οι άγνωστες τάσεις του συνόλου Α υπολογίζονται επιλύοντας την εξίσωση ως προς [ua(t)].η ακριβής διαδικασία επίλυσης που ακολουθείται από το EMTP είναι η εξής: Δημιουργούνται οι πίνακες [GAA] και [GAB]. Ο πίνακας [GAA] διαγωνοποιείται με απαλοιφή. Σε κάθε χρονικό βήμα, ανανεώνονται οι τιμές του δεξιού σκέλους της σχέσης (5) από γνωστές τιμές τάσεων και ρευμάτων. Το σύστημα γραμμικών εξισώσεων που προκύπτει επιλύεται ως προς το διάνυσμα [ua(t)]. Στο τέλος της επίλυσης, ενημερώνεται με τις νέες μεταβλητές που θα προκύψουν ο πίνακας [Ihist], ώστε να χρησιμοποιηθεί στο επόμενο βήμα επίλυσης. Η μεταβατική προσομοίωση μπορεί να ξεκινήσει από: 1. Μηδενικές αρχικές συνθήκες 58
2. Συνθήκες μόνιμης κατάστασης λειτουργίας, σε συγκεκριμένη συχνότητα (δηλαδή 1 πηγή), ή σε υπερτιθέμενες συχνότητες (πολλές πηγές με διαφορετικές συχνότητες). 5.1.4 Χρησιμοποιηθέντα προγράμματα υποστήριξης για το ΑΤP EMTP Το πρόγραμμα αποτελείται από επιμέρους υποσυστήματα, τα οποία εκτός από το βασικό προσομοιωτή περιλαμβάνουν υπορουτίνες που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία των δεδομένων εισόδου, όπως και για την αναπαράσταση και επεξεργασία των δεδομένων εξόδου. Όσον αφορά την προετοιμασία των δεδομένων εισόδου, ενδεικτικά αναφέρονται ότι υπάρχουν ρουτίνες για την κατασκευή των παραμέτρων μιας γραμμής μεταφοράς με βάση τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της, τον υπολογισμό παραμέτρων συνεζευγμένων RL, για την αναπαράσταση πολυφασικών, με πολλά τυλίγματα μετασχηματιστών στο πεδίο του χρόνου κ.ο.κ. Αντίστοιχα, υπάρχουν ρουτίνες για την επεξεργασία των δεδομένων εξόδου, π.χ. για την δημιουργία γραφικών παραστάσεων, κ.ο.κ.. Στη συνέχεια θα γίνει εκτενής αναφορά σε δύο προγράμματα υποστήριξης που χρησιμοποιήθηκαν στο ATPDraw και στο PlotXY. -ΑTPDraw- Το πρόγραμμα ATPDraw είναι ένας γραφικός προεπεξεργαστής για το πρόγραμμα EMTP-ATP σε περιβάλλον Windows. Με το ATPDraw δίδεται η δυνατότητα της γραφικής απεικόνισης στον υπολογιστή του κυκλώματος ή ηλεκτρικού συστήματος προς προσομοίωση. Μέσα από το πρόγραμμα αναπαρίσταται με τη μορφή δομικών στοιχείων το κυκλωματικό σχέδιο του κυκλώματος ή ηλεκτρικού δικτύου, ορίζονται οι απαραίτητες παράμετροι με σχετικά εύκολο και απλό τρόπο, προκειμένου να προχωρήσει ο μελετητής στην ανάλυση με το ATP-EMTP. Η έξοδος του ATPDraw είναι το αρχείο εισόδου (text file) που χρειάζεται το ATP EMTP, ώστε να προσομοιώσει το σύστημα. Στο περιβάλλον του προγράμματος δίνεται η δυνατότητα της σχεδίασης του κυκλώματος με τη βοήθεια του mouse, τοποθετώντας σε αυτό όλα τα ηλεκτρικά στοιχεία, όπως για παράδειγμα γραμμικά στοιχεία, μη γραμμικά στοιχεία, πηγές, μηχανές, γραμμές μεταφοράς κ.ο.κ. Τα περισσότερα από τα στοιχεία υπάρχουν ήδη έτοιμα (μοντελοποιημένα) σε παλέτες στοιχείων, όμως το πρόγραμμα δίνει τη δυνατότητα του ορισμού και νέων στοιχείων. Το ATPDraw υποστηρίζει όλες τις λειτουργίες του περιβάλλοντος Windows, όπως copy/paste, rotate, import/export, group καθώς και πολλαπλά παράθυρα ανοιχτά. Στο σχήμα 5.1, φαίνεται η οθόνη του προγράμματος ATPDraw με τα περισσότερα από τα ήδη υπάρχοντα στοιχεία: 59
Σχ. 5.1 Το ATPDraw υποστηρίζει τους ακόλουθους τύπους στοιχείων: Γραμμικοί κλάδοι - συγκεντρωμένα στοιχεία, περιλαμβάνοντας και τα TACS Μη γραμμικοί κλάδοι Διακόπτες Πηγές Δυνατότητα κατασκευής νέων μοντέλων (MODELS) Δυνατότητα ορισμού στοιχείων από το χρήστη (User Object) Οι βασικοί τύπου αρχείων που υποστηρίζονται από το ATPDraw είναι:.atp atp αρχείο. Αρχείο που παράγεται από το ATPDraw και μεταφράζεται απευθείας με το ATP - ΕΜΤΡ..adp project αρχείο. Αρχείο που περιέχει την περιγραφή του κυκλώματος και όλα τα εξωτερικά οριζόμενα στοιχεία αυτού, όπως model, user specified, line/cable data και lib αρχεία. Μαζί με αυτό το αρχείο ανοίγουν και τα υπόλοιπα εξωτερικά αρχεία που αφορούν το συγκεκριμένο κύκλωμα έτσι ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία του..sup support αρχείο. Περιλαμβάνει πληροφορίες για κάθε στοιχείο ξεχωριστά όπως αριθμό συνδέσεων, εικονίδιο, κείμενο βοήθειας..mod,.lib model, user specified αρχείο. Αρχεία που περιέχουν πληροφορίες για τα MODEL ή τα User specified στοιχεία. 60
Αναφορικά με την διαδικασία της ανάλυσης, με την βοήθεια του ATPDraw, ο μελετητής σχεδιάζει το κύκλωμα, το οποίο μαζί με όλες τις παραμέτρους αποθηκεύεται σε αρχείο με κατάληξη.adp. Κατόπιν, παράγεται το αρχείο κειμένου.atp, το οποίο και θα αποτελέσει την είσοδο του ATP - EMTP. Μετά την προσομοίωση, επιστρέφεται ένα αρχείο κειμένου (text file) με την κατάληξη.lis και ένα αρχείο με κατάληξη.pl4, στην περίπτωση που η προσομοίωση ολοκληρωθεί επιτυχώς. Στην αντίθετη περίπτωση, παράγεται μόνο το 1ο αρχείο, αναφέροντας και το λόγο που παρουσιάστηκε το σφάλμα. Το αρχείο.pl4 περιλαμβάνει τις γραφικές παραστάσεις που έχουν ζητηθεί από το χρήστη. -PotXY- Το PlotXY είναι πρόγραμμα σχεδιασμού κυματομορφών γραφικών παραστάσεων. Το PlotXY επεξεργάζεται τα αρχεία εξόδου ΑΤΡ ΕΜΤΡ *.pl4 και σχεδιάζει αντιστοίχως τις γραφικές παραστάσεις. Τα αρχεία *.pl4 προκύπτουν ως έξοδος από τις εκδόσεις του ATP ΕΜΤΡ: Salford, Watcom και GNU/Mingw32. Το PlotXY δημιουργήθηκε αρχικά για μετά επεξεργασία αρχείων του ΑΤΡ ΕΜΤΡ, υποστηρίζει όμως και αρχεία ASCII data. Κύρια χαρακτηριστικά του είναι: -Εύκολο στη χρήση GUI ( Graphical User Interface) -6 μεταβλητές μέγιστο όριο επεξεργασίας σχεδιασμού -Σχεδιασμός από 3 αρχεία στο ίδιο φύλλο -Σχεδιασμός ως προς χρόνο ή με Χ Υ προεπιλεγμένους άξονες -Δυνατότητα επιλογής χρωμάτων -Επιλογή μεγέθυνσης -Δυνατότητες copy paste, BMP format saving 5.2 Μοντέλο ιονισμού του εδάφους Το μοντέλο ιονισμού που θα χρησιμοποιηθεί είναι αυτό των αυξημένων διαστάσεων του ηλεκτροδίου γείωσης που μελετήθηκε από τους Bellaschi[28] και Πετρόπουλος[27]. Βάσει αυτού, το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους μοντελοποιείται με ένα ηλεκτρόδιο αυξημένων διαστάσεων αφού γίνεται η θεώρηση ότι κατά την διάρκεια του φαινομένου η ειδική αντίσταση του ηλεκτροδίου γείωσης είναι ίση με αυτή της ζώνης ιονισμού του εδάφους. Προκειμένου να υπολογιστεί η χωρική ζώνη εκκενώσεων και η μείωση της αντίστασης, για δεδομένο ρεύμα, ισχύουν οι παρακάτω παραδοχές: Η ζώνη των εκκενώσεων περιβάλλει ομοιόμορφα το ηλεκτρόδιο. Το έδαφος εμφανίζει ομοιογένεια και η ειδική του αντίσταση παραμένει σταθερή. Δεν εμφανίζεται πτώση τάσης κατά την διάσπαση. Η χωρική ζώνη των εκκενώσεων εκτείνεται μέχρι την επιφάνεια στην οποία η κρίσιμη ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε0 ξεπερνιέται και η οποία εξαρτάται από την φύση του εδάφους. 61
Σχ. 5.2 Μοντέλο Bellaschi[29] Η αντίσταση γείωσης εμφανίζει μικρότερες τιμές σε υψηλά κρουστικά ρεύματα απ ότι σε ασθενέστερα εναλλασσόμενα, διαχεόμενων στη γη διαμέσου αυτής. Αυτό αποδίδεται στις ηλεκτρικές εκκενώσεις που βραχυκυκλώνουν την σχετικά μεγάλη αντίσταση μεταξύ των αγώγιμων τμημάτων του εδάφους. Ο χώρος στον οποίο συμβαίνει αυτό το φαινόμενο αποτελεί μια ζώνη χαμηλότερης αντίστασης απ ότι το υπόλοιπο έδαφος και υπό αυτές τις συνθήκες το ηλεκτρόδιο εμφανίζει αυξημένη αγωγιμότητα ως προς τη γη, σαν να είναι μεγαλύτερων διαστάσεων. Ώς αναφορά στη πειραματική διάταξη, χρησιμοποιήθηκε σφαιρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τοποθετημένο στο κέντρο ενός χάλκινου ημισφαιρικού δοχείου γεμάτο χώμα. Για κάθε τιμή τάσης βρέθηκε μια συγκεκριμένη ζώνη εκκενώσεων που διαχωριζόταν από το υπόλοιπο χώμα μέσω μιας ημισφαιρικής επιφάνειας με άξονα συμμετρίας αυτόν του ηλεκτροδίου. Σχ. 5.3 Μοντέλο Πετρόπουλου[24] 62
Κατά το μοντέλο του Πετρόπουλου η αντίσταση μόνιμης κατάστασης περιγράφεται από τον τύπο: R 0 με: soil 2 r 0 R 0 : αντίσταση μόνιμης κατάστασης (Ω) r 0 soil : ακτίνα ηλεκτροδίου (m) : ειδική αντίσταση εδάφους (Ω*m) Η πυκνότητα ρεύματος J(A/m 2 ), σε απόσταση r(m) από το ηλεκτρόδιο όταν εφαρμόζεται κρουστικό ρεύμα μεγάλης τιμής Ι(Α) σε αυτό δίνεται από τον τύπο: J I 2 r 2 Η κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος για εμφάνιση του φαινομένου είναι: E0 J C, με Ε0(V/m) την κρίσιμη ένταση ιονισμού του εδάφους. soil Βάσει των ανωτέρω η ακτίνα της ζώνης ιονισμού περιγράφεται από τον τύπο: r ion soil 2 0 Από τον τελευταίο τύπο είναι εμφανές πως ο προσδιορισμός της αποτελεσματικής ακτίνας του ηλεκτροδίου εξαρτάται από το κρίσιμο πεδίο ιονισμού του εδάφους Ε0. Παρακάτω περιγράφεται το κριτήριο Oettle και Mousa με τα οποία γίνεται ο υπολογισμός του. -Κριτήριο Oettle[31]- Βάσει του κριτηρίου αυτού ο υπολογισμός του πεδίου ιονισμού Ε0 εξαρτάται από την ειδική αντίσταση του εδάφους και περιγράφεται από τον τύπο: Ε0 = 241 * ρ 0,215 Από την παραπάνω σχέση αλλά και την σχέση της ακτίνας της ζώνης ιονισμού, προκύπτει η ισοδύναμη ακτίνα του ηλεκτροδίου αυξημένων διαστάσεων αi και η σχέση: i 0.785 * mi 2 * * l * 241 i I, με I mi :το ρεύμα σε Α και l i το μήκος του αγωγού σε m. 63
-Κριτήριο Μοusa[29]- Βάσει του κριτηρίου αυτού δεν υπάρχει άμεση συσχέτιση του πεδίου ιονισμού του εδάφους με την ειδική του αντίσταση. Θεωρείται πως και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά μειώνονται με την αύξηση της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό και επιπλέον πως η ειδική αντίσταση εξαρτάται από την περιεκτικότητα του εδάφους σε άλατα. Λαμβάνοντας από πειραματικές μετρήσεις το Εο = 300 kv/m και αντικαθιστώντας το στον προηγούμενο τύπο προκύπτει η σχέση: * I mi i 2 * * l *300 i 5.3 Μοντέλα συστήματος γείωσης Το πρόγραμμα προσομοίωσης ΑΤP EMTP μας δίνει την δυνατότητα μοντελοποίησης και επίλυσης σύνθετων προβλημάτων όπως αυτό της μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος γείωσης σε κρουστικό ρεύμα κεραυνού. Απαραίτητη προϋπόθεση γι αυτό είναι να ανατρέξουμε στην εύρεση μιας αριθμητικής μεθόδου με την οποία θα μοντελοποιήσουμε το σύστημα γείωσης στο πρόγραμμα. Στην παρούσα εργασία η αριθμητική μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί είναι αυτή της κυκλωματικής προσέγγισης, τα βασικά βήματα της οποίας είναι: - Διαχωρισμός του συστήματος γείωσης σε πεπερασμένα σε αριθμό επιμέρους τμήματα. - Κατασκευή του ισοδύναμου συγκεντρωμένου κυκλώματος κάθε επιμέρους τμήματος και υπολογισμός των επαγωγών, χωρητικοτήτων, αγωγιμοτήτων και εσωτερικών αντιστάσεών του. - Επίλυση των εξισώσεων κόμβων όλου του ισοδύναμου κυκλώματος που περιγράφει ολόκληρο το σύστημα γείωσης, χρησιμοποιώντας τους νόμους του Kirchoff, μέσω του προγράμματος. Πρώτη φορά το 1983 ο Meliopoulos[32], εφάρμοσε την κυκλωματική προσέγγιση για την μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης και προς τούτο χρησιμοποίησε τις ανεξάρτητες από την συχνότητα παραμέτρους κάθε τμήματος. Βασικό χαρακτηριστικό ήταν ότι κάθε τμήμα του συστήματος γείωσης αντικαθιστούσε το ισοδύναμο γραμμής μεταφοράς με μηδενικές απώλειες, έχοντας στο αριστερό και δεξί άκρο αγωγιμότητες διαρροής προς τη γη (σχήμα 5.4) 64
Σχ. 5.4 Ισοδύναμο κύκλωμα για κάθε τμήμα[32] Παρακάτω δίνεται η εξίσωση κόμβων του σχήματος 5.4 [Y] * [ V(t)] = [Is(t)] + [b(t Δt, )] (5.1) Όπου: [Y]: Ο πίνακας αγωγιμοτήτων κόμβων [V(t)]: Το διάνυσμα των τάσεων των κόμβων τη χρονική στιγμή t [Is(t)]: Το διάνυσμα εγχεόμενων ρευμάτων στους κόμβους του κυκλώματος [b(t Δt, )]: Το διάνυσμα για τις προ υπάρχουσες τιμές ρευμάτων Στη συνέχεια ο Meliopoulos, έλαβε υπόψη την εξάρτηση από τη συχνότητα των αρχικών τιμών των ρευμάτων και των παραμέτρων και υπολόγισε την απόκριση κάθε επιμέρους τμήματος του ισοδύναμου κυκλώματος υπό διαφορετικά ρεύματα, εφαρμόζοντας τις εξισώσεις του Maxwell. Αργότερα, το 1989 [32], αναπτύχθηκε μια απλοποιημένη κυκλωματική προσέγγιση για πλέγμα γείωσης. Όλο το σύστημα χωρίστηκε σε n τμήματα, κάθε ένα από τα οποία απαρτιζόταν από ένα συγκεντρωμένο κύκλωμα με αγωγιμότητες διαρροής προς τη γη αλλά και με αμοιβαίες και ίδιες επαγωγές. Αν και αυτό το μοντέλο δεν συμπεριελάμβανε εγκάρσιες χωρητικότητες, κρίνεται αρκετά ακριβές στην ανάλυση μεταβατικών φαινομένων για εδάφη με χαμηλή ειδική αντίσταση ρ. Στο σχήμα 5.5 φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα της προσέγγισης και ακολουθούν οι εξισώσεις που το περιγράφουν: 65
Σχ. 5.5 Ισοδύναμο ενός τετράγωνου πλέγματος dv [ ] dt d [ I ] s dt 1 1 [ G] [ L] [ V ] (5.2) Όπου: [G]: Ο πίνακας αγωγιμοτήτων των κόμβων [V]: Το διάνυσμα τάσεων των κόμβων [Is]: Το διάνυσμα των εγχεόμενων ρευμάτων στους κόμβους [L]: Το διάνυσμα των επαγωγικών αντιστάσεων των κόμβων Το 1999, ο Geri[33] και ο Otero σε εργασίες που δημοσίευσαν, τροποποίησαν το μοντέλο του Meliopoulos συμπεριλαμβάνοντας στα μοντέλα τους και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Ο Geri χρησιμοποίησε μια ισοδύναμη επαγωγή παράλληλα με μια πηγή τάσης ελεγχόμενη από ρεύμα, για την περιγραφή κάθε κλάδου αγωγιμότητας-χωρητικότητας και επαγωγής-αντίστασης του κυκλώματος. Έτσι η επίλυση της 5.1 έγινε ευκολότερη με βάση το νέο ισοδύναμο κύκλωμα που φαίνεται παρακάτω: 66
Σχ. 5.6 Ισοδύναμα κάθε κλάδου αντίστασης επαγωγής και χωρητικότητας αγωγιμότητας του μοντέλου του Geri[33] Ως αναφορά στο μοντέλο του Otero, αποτέλεσε ίσως την πρώτη προσπάθεια για την ανάλυση της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης μέσω της κυκλωματικής προσέγγισης στο πεδίο της συχνότητας. Το 2008, οι Rong Zeng et.al. σε δημοσίευσή τους [34] παρουσίασαν ένα μοντέλο βασισμένο στην κυκλωματική προσέγγιση κατανεμημένων και χρονικά μεταβαλλόμενων παραμέτρων, λαμβάνοντας υπόψη τις αμοιβαίες συζεύξεις μεταξύ των αγωγών αλλά και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Στο σχήμα 5.7 αναπαρίσταται ένα ηλεκτρόδιο γείωσης θαμμένο οριζοντίως στο έδαφος το οποίο διαπερνά μεγάλο κρουστικό ρεύμα και που αποτελείται από δίκτυο κατανεμημένων παραμέτρων. Στοιχειώδες τμήμα του αγωγού αποτελείται από μια αντίσταση ri σε σειρά με μια επαγωγή Li και τις εγκάρσιες αγωγιμότητες Gi εν παραλλήλω με τις χωρητικότητες Ci. 67
Σχ. 5.7 Αναπαράσταση ηλεκτροδίου γείωσης με μη-ομοιόμορφα συγκεντρωμένες παραμέτρους[34] Η αγωγιμότητα με την παράλληλη χωρητικότητα του ηλεκτροδίου του σχήματος συνδέονται με τη διάμετρο του αγωγού και συσχετίζονται με τις ισοδύναμες διαμέτρους κάθε τμήματος του αγωγού καθιστώντας αυτές μεταβαλλόμενες ως προς τον χρόνο. Από την άλλη, η εν σειρά αντίσταση με την επαγωγή είναι ανεξάρτητες της ισοδύναμης διαμέτρου του αγωγού. Αυτό συμβαίνει γιατί οι κατευθύνσεις των ρευμάτων που εγχέονται στο έδαφος είναι κάθετες προς την επιφάνεια τον αγωγών και η μαγνητική σύνδεση, διασυνδεδεμένη με τα ρεύματα, είναι ανεξάρτητη των ισοδύναμων διαμέτρων των αγωγών ενώ ταυτόχρονα το ρεύμα ρέει κυρίως μέσω του μεταλλικού αγωγού. Οι παράμετροι του σχήματος περιγράφονται παρακάτω: 0li 2li Li ln 1 (5.3) 2 a 2 2 2 2 2h a li li a a l 4 2 i li h 2h 2 ri [ ln 1 ( ) ln 1 ( ) ] (5.4) 2 l l a l 2h l C ( a ) G a i i C i i (5.6) i i i i 2 l 2 2 a li li a i i ai ln 1 ( ) l a l i i i i (5.7) 2 l i c i 2 (5.5) Όπου: l: Το ολικό μήκος του ηλεκτροδίου γείωσης (m). Li: Το μήκος του τμήματος i του ηλεκτροδίου γείωσης. Μ0: Η μαγνητική διαπερατότητα του κενού = 4π*10-7 (H/m) ρ: Η ειδική αντίσταση του εδάφους (Ω*m) h: Το βάθος ενταφιασμού του ηλεκτροδίου (m) α: Η διάμετρος του ηλεκτροδίου γείωσης (m) αi: Η ισοδύναμη διάμετρος του ηλεκτροδίου συμπεριλαμβανομένου του ιονισμού (m) ε: Η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους (F/m) Ec: Η ένταση του πεδίου ιονισμού του εδάφους (V/m) Ii: Η ένταση του ρεύματος που οδηγείται στο στοιχείο i (A) 68
Τέλος σύμφωνα με τον Rundenberg [35], οι εξισώσεις που περιγράφουν κάθετα ηλεκτρόδια ράβδων είναι: 1 2l G log 2 l a 2 C 2 l* log l a 0l 2l L log 2 a 5.4 Ισοδύναμο μοντέλο ανθρώπου Ο αγώγιμος δρόμος του ηλεκτρικού ρεύματος δια των διαφόρων σημείων του ανθρώπινου σώματος μελετήθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Στην βιβλιογραφία μπορούμε να βρούμε πληθώρα απλών αλλά και πιο σύνθετων ισοδύναμων κυκλωμάτων του σώματος. Ωστόσο αυτό που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί στην παρούσα προσομοίωση φαίνεται στο σχήμα 5.8: Σχ. 5.8 Ισοδύναμο μοντέλο ανθρώπινου σώματος[36] Τα υποδήματα θεωρείται πως είναι εργασίας μιας και αναφερόμαστε σε βιομηχανική μονάδα και η αντίστασή τους λαμβάνεται ίση με 10kΩ. 69
5.5 Υπολογισμοί στοιχείων κυκλωματικής προσέγγισης 5.5.1 Υπολογισμοί συλλεκτήριου συστήματος Όπως ειπώθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο το συλλεκτήριο σύστημα θα αποτελείται από μονόκλωνους χάλκινους αγωγούς διατομής Φ-8mm. Η αναπαράστασή τους στο πρόγραμμα θα γίνει με ένα R-L ισοδύναμο γραμμής τα στοιχεία του οποίου θα υπολογίσουμε στην συνέχεια. Η αντίσταση ενός αγωγού δίνεται από τον τύπο: l R A, με ρ την ειδική αντίσταση του αγωγού, l το μήκος του και Α την διατομή του. Για τον χαλκό (Cu) και για θερμοκρασία 20 ο C ισχύει ρ = 1,68 * 10-8 Ω*m [37]. Η διατομή του υπολογίζεται από τον τύπο Α = π * r 2, με r την ακτίνα (4mm) και ισούται με 50,24*10-6 m 2. Επιστρέφοντας στον αρχικό τύπο έχουμε: l R R A l 5 33, 44 *10 / m. Η αυτεπαγωγή L ενός αγωγού ορίζεται ως εξής[38]: d L di,με λ την πεπλεγμένη ροή του μαγνητικού πεδίου του ρεύματος του αγωγού και i το ρεύμα. Αν το μαγνητικό κύκλωμα έχει σταθερή μαγνητική διαπερατότητα παίρνουμε: L και εφαρμόζοντας το νόμο του i διαρρεύματος, προκύπτει η πεπλεγμένη ροή στο εσωτερικό του κυλινδρικού αγωγού ακτίνας r που διαρρέεται από ρεύμα Ι:. Η αντίστοιχη αυτεπαγωγή θα είναι: L. Για 8 8 χάλκινο αγωγό ισχύει Lεσ = 5*10-5 mh/m. 5.5.2 Υπολογισμοί αγωγών καθόδου Ως αγωγοί καθόδου θα χρησιμοποιηθούν οι χαλύβδινες κολώνες που φαίνονται στην τομή Α-Ά παρακάτω: Σχ. 5.9 Τομή Α-Ά Παρατηρώντας την τομή αλλά και τα υπόλοιπα σχήματα του κτηρίου βλέπουμε πως υπάρχουν τρία είδη από κολώνες. Τα χαρακτηριστικά τους φαίνονται στο σχήμα 5.10 και στον πίνακα 5.1: 70