Υπαίθριες γραμμές διανομής χαμηλής τάσης σε περιβάλλον πυρκαγιών

Abstract

This thesis explores the overhead lines of low voltage distribution network during a fire breakout. The first chapter constitutes an introduction of the overhead networks of distribution and transmission of the electric power. It also presents a short report on the electrical spark phenomena around the overhead distribution lines and the thermal stress of the low voltage distribution lines during a short circuit. The aim of this thesis is outlined in the second chapter as follows: the thermal stress of the distribution network bare conductors by a fire as well as a short circuit. The temperature of hypothetical incandescent particles emitted by the conductors during their collision to the ground as well as the permanent elongation of the stay wires by the firestorm, are also examined. In the third chapter the short circuit condition concerning low voltage distribution lines is being explored on a theoretical as well as an experimental level. And consequently a mathematical model on the calculation of temperature of the hypothetical particles during their collision to the ground is being proposed along with one of its possible applications (see ch. 4). The fifth chapter presents in detail the results of both experimental work and theoretical study pertaining to the behaviour of the stay wires under firestorm conditions. Within the parameters of this thesis, five separate computer programs have been developed in order to facilitate the calculations in case of a fire breakout (see ch. 6): a) a program to calculate the temperature of the hypothetical metal particles, b) a program to measure the height of the flames according to the shape of the surrounding nature, c) a program to measure the height of the flames according to the heat release rate, d) a program to calculate analytically the short circuit current as well as the temperature released within the conductors in case of a short circuit in a low voltage line and e) a program to calculate empirically the short circuit current as well as the temperature released within the conductors in case of a short circuit in a low voltage line. The commentary pertaining to the results of the experiments and the theoretical findings mentioned earlier are given in the seventh chapter. The eight chapter presents the contribution of this thesis to further research as well as practical applications. Towards the end of the thesis a number of appendices are provided pertaining to: a) the calculation of the heat flow through radiation to an aluminium conductor by a flaming tree, b) the calculation of the heat flow through convection to an aluminium conductor by a bush fire and c) an example of how to use the program of measuring the height of the flames in case of a fire outbreak in the countryside under bare aluminium conductors of low voltage network, as well as the bibliography cited.

Η εργασία αυτή αφορά τις υπαίθριες γραμμές διανομής χαμηλής τάσης σε περιβάλλον πυρκαγιάς. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στα εναέρια δίκτυα διανομής και μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Γίνεται μία σύντομη αναφορά στα φαινόμενα των σπινθηρισμών στις εναέριες γραμμές διανομής και στη θερμική καταπόνηση των γραμμών διανομής χαμηλής τάσης κατά το βραχυκύκλωμα. Ο σκοπός της εργασίας που καθορίζεται στο δεύτερο κεφάλαιο είναι: η θερμική καταπόνηση των γυμνών αγωγών του δικτύου διανομής τόσο από την πυρκαγιά όσο και από το βραχυκύκλωμα. Εξετάζονται επίσης: η θερμοκρασία υποθετικών τηγμάτων από τους αγωγούς κατά την πρόσκρουσή τους στο έδαφος καθώς και η παραμένουσα διαστολή των επιτόνων από την πυρκαγιά. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μία πειραματική και θεωρητική διερεύνηση της συνθήκης ουδετέρωσης σε γραμμές διανομής χαμηλής τάσης. Ακολούθως προτείνεται ένα μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων αλουμινίου κατά την πρόσκρουσή τους στο έδαφος, καθώς και μία εφαρμογή του (βλ. κεφάλαιο 4). Στο πέμπτο κεφάλαιο δίνονται τα πειραματικά και τα θεωρητικά αποτελέσματα για τη συμπεριφορά των επιτόνων σε περιβάλλον πυρκαγιάς. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής έγιναν 5 προγράμματα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη διευκόλυνση των υπολογισμών σε περιπτώσεις πυρκαγιών του (βλ. κεφάλαιο 6): α) το πρόγραμμα υπολογισμού της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων μετάλλου, β) το πρόγραμμα υπολογισμού του ύψους της φλόγας σύμφωνα με το σχήμα της βλάστησης, γ) το πρόγραμμα υπολογισμού του ύψους της φλόγας σύμφωνα με το ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας, δ) το πρόγραμμα αναλυτικού υπολογισμού του εναλλασσόμενου ρεύματος βραχυκύκλωσης και της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στους αγωγούς σε περίπτωση τριφασικού βραχυκυκλώματος σε μία γραμμή διανομής χαμηλής τάσης και ε) το πρόγραμμα εμπειρικού υπολογισμού του εναλλασσόμενου ρεύματος βραχυκύκλωσης και της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στους αγωγούς σε περίπτωση τριφασικού βραχυκυκλώματος σε μία γραμμή διανομής χαμηλής τάσης. Τα σχόλια επί των πειραματικών και των θεωρητικών αποτελεσμάτων που προαναφέρθηκαν δίνονται στο έβδομο κεφάλαιο. Μπορεί να υποτεθεί ότι κατά την εκδήλωση του βραχυκυκλώματος σε οποιαδήποτε γραμμή διανομής χαμηλής τάσης για την οποία ισχύει η συνθήκη ουδετέρωσης, δεν δημιουργούνται τήγματα αλουμινίου γιατί η αύξηση των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται είναι αμελητέα. Επίσης το προτεινόμενο μαθηματικό μοντέλο φαίνεται ότι δίνει μία ικανοποιητική προσέγγιση για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων αλουμινίου κατά την πρόσκρουσή τους στο έδαφος. Από τα πειραματικά και θεωρητικά αποτελέσματα φαίνεται ότι η φωτιά προκαλεί παραμένουσα διαστολή στους επιτόνους που έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της ισορροπίας των δυνάμεων στους στύλους, με επακόλουθο να προκαλείται μείωση των αποστάσεων μόνωσης. Στο όγδοο κεφάλαιο δίνεται περιληπτικά η προαναφερθείσα συνεισφορά της εργασίας (του 7ου κεφαλαίου) στην έρευνα και τις πρακτικές εφαρμογές. Στο τέλος της εργασίας υπάρχουν τα παραρτήματα που αφορούν α) τον υπολογισμό της θερμικής ροής από ακτινοβολία σε αγωγό αλουμινίου από καιγόμενο δέντρο, β) τον υπολογισμό της θερμικής ροής από μεταφορά σε αγωγό αλουμινίου από φωτιά χαμηλής βλάστησης και γ) ένα παράδειγμα χρήσης του προγράμματος υπολογισμού του ύψους της φλόγας σε περίπτωση πυρκαγιάς υπαίθρου κάτω από γυμνούς αγωγούς αλουμινίου του δικτύου της χαμηλής τάσης, καθώς και η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε.