Επίδραση της γης στα κυματικά χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Scope of this dissertation is to investigate the influence of the electromagnetic properties of the earth on the wave propagation characteristics of overhead power lines and underground power cables in transient responses. The fundamental methodology for the calculation of the per unit length circuit parameters of the overhead transmission lines and underground cables is presented, with special emphasis on the influence of the earth on these parameters as expressed through proper correction terms. The earth correction terms are calculated using novel expressions derived from the solution of the EM field equations, using the Herzian Vector approach. Individual earth correction terms are calculated for the self and mutual complex series impedances and the complex shunt admittances and so the proposed model can be also applied to practical multiconductor transmission line and cable configurations. The proposed model both for the overhead power lines and the underground cable arrangements has a generalized form, since it can include cases with arbitrary resistivities, permittivities, and permeabilities of all propagation media, while it takes into account earth stratification. Therefore, it can be used in simulations of the transmission lines, covering a wide range of power engineering operational states, from steady state up to very fast transients and Power Line Communications (PLC). The accuracy of the proposed model is justified, comparing the obtained results with the corresponding from other simplified models. Furthermore a systematic investigation of the influence of the earth electromagnetic properties on the wave propagation characteristics and transient responses in transmission system arrangements is implemented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο τη διερεύνηση της επίδρασης των ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων της γης στα κυματικά χαρακτηριστικά και τις μεταβατικές αποκρίσεις των εναέριων γραμμών μεταφοράς και των υπόγειων καλωδίων. Παρουσιάζεται η βασική μεθοδολογία υπολογισμού των κυκλωματικών παραμέτρων των εναέριων γραμμών και των υπόγειων καλωδίων, με ιδιαίτερη έμφαση στην επίδραση της γης στις παραμέτρους αυτές μέσω κατάλληλων όρων διόρθωσης. Οι όροι διόρθωσης υπολογίζονται χρησιμοποιώντας νέες σχέσεις, οι οποίες προκύπτουν από την επίλυση των πεδιακών εξισώσεων, υιοθετώντας τη χρήση του διανύσματος Hertz, ενώ αφορούν τις ίδιες και αμοιβαίες σύνθετες αντιστάσεις σειράς και τις εγκάρσιες σύνθετες αγωγιμότητες, επιτρέποντας έτσι την εφαρμογή του προτεινόμενου μοντέλου σε πραγματικές διατάξεις πολλαπλών αγωγών. Το προτεινόμενο μοντέλο τόσο για τις εναέριες γραμμές μεταφοράς όσο και για τα υπόγεια καλώδια έχει γενικευμένη μορφή. Μπορεί να συμπεριλάβει όλα τα ΗΜ χαρακτηριστικά των μέσων διάδοσης, ενώ λαμβάνει υπόψη τη στρωμάτωση της γης. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για προσομοιώσεις ΓΜ σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, το οποίο καλύπτει όλες πρακτικά τις λειτουργικές καταστάσεις από τη στάσιμη κατάσταση μέχρι τη δυναμική καταπόνηση από κεραυνικά φαινόμενα και τις εφαρμογές των Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Ενέργειας. Η ακρίβεια του προτεινόμενου μοντέλου επιβεβαιώνεται με συγκρίσεις των αποτελεσμάτων του με τα αντίστοιχα από άλλα απλοποιημένα μοντέλα, ενώ γίνεται συστηματική διερεύνηση της επίδρασης των ιδιοτήτων της γης τόσο στα χαρακτηριστικά της κυματικής διάδοσης όσο και στις μεταβατικές αποκρίσεις των διατάξεων μεταφοράς ισχύος.