Διερεύνηση του φαινομένου ιονισμού του εδάφους γύρω από συγκεντρωμένα συστήματα γείωσης: επίδραση στην κεραυνική συμπεριφορά εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

The effects of soil characteristics and conditions on soil electrical properties and ionization are investigated experimentally using remolded soil samples. A new expression is derived on a physical basis to describe DC soil resistivity for degree of saturation values lower than the percolation threshold (pendular state). For degree of saturation higher than the percolation threshold (funicular and saturated states) soil resistivity is well approximated by Archie’s law; parameter values applicable to sandy soil are proposed. A new empirical model is proposed for the estimation of the electrical properties of soil as a function of frequency and the low frequency effective conductivity of soil. Regarding soil ionization, the degradation of the dielectric strength of soil samples due to multiple high impulse voltage applications is investigated; a methodology is introduced for the estimation of this degradation. The salient characteristics of the electrical discharges in soil are determined experimentally as affected by soil properties and characteristics. In addition, the effects of soil ionization on the electrical performance of overhead transmission lines is investigated through detailed simulations. Several tower and insulator string flashover models are evaluated and the most appropriate models are adopted. Typical single- and double-circuit overhead transmission lines with operating voltage in the range of 66 kV up to 765 kV (BIL 325 kV up to 1950 kV) are simulated. Simplified generalized expressions are proposed based on simulation results for the estimation of the critical current causing line insulation flashover due to lightning strokes to phase conductors (shielding failure) and shield wires of overhead transmission lines.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση μέσω εργαστηριακών πειραμάτων κλίμακας της επίδρασης των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων του εδάφους στον ιονισμό και στις ηλεκτρικές ιδιότητές του. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύχθηκε μοντέλο για την εκτίμηση της DC ειδικής αντίστασης αμμωδών εδαφών (μικρή ειδική επιφάνεια) στην εκκρεμοειδή κατάστασή τους συναρτήσει του βαθμού κορεσμού σε υγρασία και επιπρόσθετα προτάθηκαν σταθερές για τον νόμο του Archie (χορδοειδής και κορεσμένη κατάσταση). Επιπλέον, προτάθηκε εμπειρικό μοντέλο για την εκτίμηση της διηλεκτρικής σταθεράς και της ενεργού ειδικής αγωγιμότητας του εδάφους συναρτήσει της συχνότητας διέγερσης και της ενεργού ειδικής αγωγιμότητας χαμηλής συχνότητας. Σχετικά με τον ιονισμό του εδάφους αρχικά διερευνήθηκε η υποβάθμιση της διηλεκτρικής αντοχής δειγμάτων εδάφους λόγω μεγάλου αριθμού επιβολών κρουστικής υψηλής τάσης και προτάθηκε μεθοδολογία εκτίμησης της υποβάθμισης αυτής. Στη συνέχεια διερευνήθηκαν πειραματικά τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών εκκενώσεων που συμβαίνουν μέσα στο έδαφος και συσχετίστηκαν με τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του εδάφους. Στο πλαίσιο της διατριβής διερευνήθηκε επίσης η επίδραση του ιονισμού του εδάφους στην κεραυνική συμπεριφορά εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Για να επιτευχθεί ο στόχος αυτός αρχικά αξιολογήθηκαν και επιλέχθηκαν τα καταλληλότερα μοντέλα προσομοίωσης πυλώνων εναέριων γραμμών μεταφοράς και πρόβλεψης της διάσπασης των μονώσεων των γραμμών υπό υπερτάσεις μικρής διάρκειας μετώπου. Για την εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων προσομοιώθηκαν τυπικές εναέριες γραμμές μεταφοράς μονού και διπλού κυκλώματος επιπέδων τάσης λειτουργίας από 66 kV έως 765 kV (BIL από 325 kV έως 1950 kV) ώστε να καλυφθεί όλο το εύρος της τάσης λειτουργίας των τυπικών γραμμών που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως. Βάσει των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων που διεξήχθησαν προτάθηκαν απλουστευμένες γενικευμένες σχέσεις για την εκτίμηση του κρίσιμου ρεύματος που προκαλεί διάσπαση της μόνωσης των γραμμών λόγω κεραυνικών πληγμάτων στους αγωγούς φάσης (σφάλμα θωράκισης) και προστασίας των εναέριων γραμμών μεταφοράς.