ΜΗΝΙΑΙΟ ΤΕΧΝΙΚΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ - ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΟ ΟΣΟ ΤΟ ΦΩΣ ΣΤΟ ΣΚΟΤΑΔΙ

ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΕΙΩΣΗΣ ΥΠΟΣΤΑΘΜΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΑ ΡΕΥΜΑΤΑ

Η συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης σε κρουστικά ρεύματα (λόγω κεραυνών ή χειρισμών) είναι καθοριστική για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.

* Η αξιοπιστία των συστημάτων προστασίας των υποσταθμών υψηλής τάσης, εξαρτάται από την απόκριση των διατάξεων γείωσης σε κρουστικά ρεύματα. Για την ορθή σχεδίαση ενός ηλεκτρικού συστήματος, είναι απαραίτητο να μεταξύ των άλλων να προβλεφθεί και η μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος γείωσης του, υπό την επίδραση κρουστικών κεραυνικών ρευμάτων, ή ρευμάτων σφάλματος.

Μεταξύ των βασικών σκοπών ενός συστήματος γείωσης, είναι να εξασφαλίζει τη προστασία του ανθρώπου από τις βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής, τη προστασία της εγκατάστασης και του εξοπλισμού από ρεύματα κεραυνού ή ρεύματα σφαλμάτων και τη μείωση του ηλεκτρικού θορύβου, εξασφάλιση ελάχιστης διαφοράς δυναμικού μεταξύ των διασυνδεδεμένων συσκευών και περιορισμό των ηλεκτρικών και μαγνητικών ζεύξεων.

Στους υποσταθμούς υψηλής τάσης η συνήθης μορφή του συστήματος γείωσης, είναι πλέγμα διαστάσεων της τάξης των 10X10m σε βάθος περίπου 1m, στο οποίο γειώνονται όλα τα συστήματα λειτουργίας και προστασίας του υποσταθμού. Ένα πραγματικό πλέγμα γείωσης δεν είναι ποτέ αυστηρά  10X10m, αλλά ακολουθεί τις απαιτήσεις άμεσης γείωσης(σύντομης όδευσης) των διατάξεων και συσκευών του υποσταθμού. Επίσης ενισχύεται με πρόσθετες κατακόρυφες ράβδους, ειδικά στα πιθανά σημεία πλήγματος κεραυνού ή ανάπτυξης ρεύματος σφάλματος.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταβατική συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης είναι:

  • Οι διαστάσεις και  η διάταξη 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 εισόδου του ρεύματος.

 

Όταν σε ένα σύστημα γείωσης διοχετεύονται ρεύματα της τάξεως των kA, αναπτύσσονται μεγάλα ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο έδαφος γύρω από τους αγωγούς γείωσης. Η αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου, ενδέχεται  ξεπερνά την διηλεκτρική αντοχή του περιβάλλοντος εδάφους με αποτέλεσμα τον ιονισμό του. Τότε ο αγωγός γείωσης συμπεριφέρεται σαν ένα ηλεκτρόδιο αυξημένων διαστάσεων (Σχ.1). Έτσι όταν το αίτιο (ρεύμα) αυξάνεται, με την εμφάνιση του ιονισμού, αυξάνονται οι διαστάσεις του ηλεκτροδίου και μειώνεται η αντίσταση γείωσης του. Για το λόγο αυτό οι πραγματικές αναπτυσσόμενες υπερτάσεις είναι μικρότερες από τις  αναμενόμενες σε περίπτωση που δε ληφθεί υπ’ όψη ο ιονισμός..

Στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών έχει μελετηθεί, με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού, η μεταβατική απόκριση διαφόρων διατάξεων γείωσης. Ακολουθούν χάριν παραδείγματος κάποια στοιχεία από τη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης υποσταθμού υψηλής τάσης 150/20kV.

Στοιχεία Πλέγματος γείωσης

  • Αγωγοί από επικασσιτερωμένο χαλκό διατομής 100 mm2 και 160 mm2
  • Συνολικό μήκος πλέγματος γείωσης Lg=4040m
  • Συνολική έκταση Α=13640m2
  • Ειδική αντίσταση του εδάφους ρ=200Ωm
  • Βάθος τοποθέτησης πλέγματος h=0,60m
  • Πλήθος κάθετων ράβδων(Φ 19mm) n=50
  • Μήκος κάθετης ράβδου L=3m
  • Διάμετρος του ηλεκτροδίου γείωσης d=0.019m

 

Για το συγκεκριμένο υποσταθμό, μελετήθηκε η περίπτωση πλήγματος κεραυνού 50kA 1,2/50μs  σε διάφορες θέσεις. Ενδεικτικά αναφέρονται οι περιπτώσεις, α) απευθείας πλήγμα σε τερματικό πυλώνα της γραμμής των 150kV, β) πλήγμα στη περιμετρική περίφραξη (σε περίπτωση που γειώνεται μέσω του ιδίου πλέγματος γείωσης) και γ) σφάλμα στον μετασχηματιστή ισχύος,  με ρεύμα σφάλματος Ιf=5kA, 50 Ηz, tf=0.1s.

α) απευθείας πλήγμα σε τερματικό πυλώνα της γραμμής των 150kV

Η μέγιστη τιμή δυναμικού που ενδέχεται να εμφανιστεί σε σημείο εισόδου του κεραυνικού ρεύματος είναι 120kV περίπου, όταν ο κεραυνός 50kA 1,2/50 μs πλήξει κόμβο του πλέγματος  με κάθετο ηλεκτρόδιο γείωσης (τερματικός πυλώνας της γραμμής των 150kV). Σε γειτονικούς κόμβους (απόσταση 8-10m), η τάση πέφτει στα 11kV,  και σε απομακρυσμένους κόμβους, σε απόσταση μεγαλύτερη των 20 m μέτρων, το δυναμικό είναι αμελητέο (200V).

 

β) πλήγμα στη περιμετρική περίφραξη

Η μέγιστη τιμή δυναμικού που ενδέχεται να εμφανιστεί σε σημείο εισόδου του ρεύματος κεραυνού είναι 70kV περίπου, όταν ο κεραυνός 50kA 1,2/50 μs πλήξει στοιχείο της περιμετρικής περίφραξης, που είναι μεταλλική. Σε γειτονικές θέσεις της περίφραξης, σε απόσταση μεγαλύτερη των 5 m η τάση πέφτει στα 100V.

 

γ) σφάλμα στον μετασχηματιστή ισχύος,  με ρεύμα σφάλματος Ιf=5kA, 50 Ηz, tf=0.1s.

Η μέγιστη τιμή δυναμικού που ενδέχεται να εμφανιστεί στο σημείο εισόδου του ρεύματος σφάλματος είναι 17kV περίπου. Σε γειτονικούς κόμβους (6m), η τάση πέφτει στα 2.5kV και σε απομακρυσμένους κόμβους, σε απόσταση μεγαλύτερη των 20 m μέτρων, το δυναμικό είναι αμελητέο (200V).

 

Θα πρέπει να τονισθεί ότι οι τάσεις αυτές αναπτύσσονται στις αντίστοιχες θέσεις του πλέγματος και άρα σε οτιδήποτε είναι απευθείας συνδεδεμένο σε αυτές. Θεωρώντας μία επίστρωση χαλικιού πάχους 20cm, έγινε και έλεγχος για τις βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής για ανθρώπους που τυχόν βρίσκονται σε τέτοιο χώρο, για τις περιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος. Οι τάσεις επαφής για τίς θέσεις εισόδου του ρεύματος κεραυνού είναι επικίνδυνες. Σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάσθηκαν, οι βηματικές τάσεις στο εσωτερικό του υποσταθμού και σε απόσταση  μεγαλύτερη των 5 m μέτρων από το σημείο εισόδου του ρεύματος, ήταν σε ασφαλή επίπεδα για τον άνθρωπο.  Στη περιοχή του μετασχηματιστή, λόγω της αυξημένης πυκνότητας του πλέγματος,  τα επίπεδα των βηματικών τάσεων ήταν αμελητέα. Στη  περιμετρική περίφραξη,  τα επίπεδα των βηματικών τάσεων ήταν αμελητέα σε απόσταση μεγαλύτερη των 10 m, από τη θέση εισόδου του ρεύματος του κεραυνού. Στον IEEE Std 80 (Guide for Safety in AC Substation Grounding), προτείνεται ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ της περίφραξης και του πλέγματος γείωσης. Αυτό επιτυγχάνεται εξασφαλίζοντας κατάλληλη απόσταση, μία χονδρική εκτίμηση είναι περί τα 5m.

Η συμβολή των κατακόρυφων ηλεκτροδίων στη μείωση των αναπτυσσόμενων υπερτάσεων είναι αποτελεσματικότερη όταν τοποθετούνται στις πιθανές θέσεις εισόδου των κρουστικών ρευμάτων και του ρεύματος σφάλματος, καθώς και στα σημεία σύνδεσης του πλέγματος με τη περιμετρική περίφραξη Συμπερασματικά, το σύστημα γείωσης του υποσταθμού μπορεί να  είναι αξιόπιστο και αποτελεσματικό, με κατάλληλο σχεδιασμό.

Η κ. Ελευθερία Πυργιώτη, είναι  Αναπληρώτρια Καθηγήτρια

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ    

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ

*Το άρθρο είναι δημοσιευμένο στο τεύχος Iουνίου (327) του περιοδικού ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ

 

 

 

 

 

 

 

ΤΕΧΝΙΚΑ

ΕΠΙΒΕΒΛΗΜΕΝΗ Η ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗΤΗ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΤΟΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ;

Η μελέτη φωτισμού ορίζεται σαν άρτιος χειρισμός του φωτός αισθητικά και τεχνικά. Ο μελετητής φωτισμού εργάζεται σαν συνδετικός κρίκος ανάμεσα στον αρχιτέκτονα, στον ηλεκτρολόγο μηχανικό και στον κύρι...

ΔΟΚΙΜEΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡHΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚHΣ ΣΥΜΒΑΤOΤΗΤΑΣ

Στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων και Ηλεκτρικών Μετρήσεων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου διεξάγονται δοκιμές και μετρήσεις ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, που συμβάλλουν καθοριστικά στη σχεδίαση και ...

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

‘Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα στην ανάπτυξη των ηλεκτροκίνητων οχημάτων (EVs) είναι η έλλειψη υποδομών φόρτισής τους. Μπορεί να αντιμετωπιστεί και πώς....

Κλείσιμο [X]