Ανάλυση υπερτάσεων από κεραυνούς σε αιολικό πάρκο

• Κύριος συγγραφέας: Μίχος, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Πυργιώτη, Ελευθερία
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Ανεμογεννήτριες; Αιολικά πάρκα; Γείωση ανεμογεννήτριας; Κεραυνός σε ανεμογεννήτρια; Μεταβατική συμπεριφορά συστήματος γείωσης ανεμογεννήτριας; Ανάλυση υπερτάσεων; Εξομοίωση γείωσης ανεμογεννήτριας; Wind turbines; Wind farms; Wind turbine's grounding system; Lightning strike in wind farm; Transient behaviour of wind turbine's earth grounding system; Surge analysis; Wind turbine's earth grounding system simulation; EMTP - ATP; 621.317

Η συνεχώς αυξανόμενη ενεργειακή ζήτηση σε παγκόσμιο επίπεδο, η ελάττωση των αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και η ανάγκη προστασίας του περιβάλλοντος μέσω της στροφής σε πιο καθαρές μορφές παραγωγής, υποδηλώνουν την ανάγκη για ανάπτυξη και μεγαλύτερη αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Ήδη, παγκόσμιες και ευρωπαϊκές συνθήκες υποχρεώνουν τα κράτη να αυξήσουν το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια, μαζί με την ηλιακή, αποτελούν τις δύο ΑΠΕ με το μεγαλύτερο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης. Η ολοένα αυξανόμενη εκμετάλλευση του δυναμικού του ανέμου αποτελεί μεγάλο στοίχημα, ειδικά σε χώρες με υψηλό και σταθερό αιολικό δυναμικό όπως είναι η Ελλάδα. Καθίσταται έτσι αναγκαία η ανάπτυξη των αιολικών πάρκων, χερσαίων και υπεράκτιων. Οι ανεμογεννήτριες, όμως, τοποθετούνται συχνά σε μέρη όπου είναι ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγματα, καθιστώντας απαραίτητη την τοποθέτηση συστήματος γείωσης και τη μελέτη του επιπέδου ασφάλειας που παρέχει στον εξοπλισμό και τον άνθρωπο. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος γείωσης ενός αιολικού πάρκου το οποίο αποτελείται από τρεις ανεμογεννήτριες. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιείται για την εξομοίωση είναι το ATP-EMTP (ElectroMagnetic Transients Program), το οποίο είναι το πιο διαδεδομένο στην ψηφιακή εξομοίωση μεταβατικών ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων. Η προσέγγιση που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση του συστήματος γείωσης είναι η κυκλωματική, σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρόδια γείωσης αναπαρίστανται μέσω ισοδύναμων π-RLC κατανεμημένων τμημάτων. Η επιλογή του μοντέλου της κυκλωματικής προσέγγισης έγινε λόγω της απλότητας στο υπολογισμό των τιμών των στοιχείων, της ακρίβειας των αποτελεσμάτων και της δυνατότητας να συμπεριληφθεί το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους στην εξομοίωση. Αρχικά γίνεται μια παρουσίαση των διαφόρων πηγών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και η κατανομή τους στο παγκόσμιο και ελληνικό ενεργειακό ισοζύγιο. Ιδιαίτερη μνεία γίνεται στην αιολική ενέργεια. Στη συνέχεια παρουσιάζονται περιληπτικά στοιχεία για τα είδη και τη δομή των ανεμογεννητριών, καθώς και για το φαινόμενο του κεραυνού. Ακολουθεί μια σύντομη ανάλυση της γείωσης, που αφορά τα είδη και τον τρόπο γείωσης, τη γείωση των ανεμογεννητριών, τον ορισμό της ειδικής αντίστασης του εδάφους, καθώς και την παράθεση των κυριότερων μαθηματικών μοντέλων που συμβάλλουν στην μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης. Επίσης, παρουσιάζεται το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, το οποίο είναι καίριας σημασίας για τη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης, όταν αυτά υποβάλλονται σε μεγάλα κρουστικά ρεύματα. Αναφέρονται και αναλύονται τα γνωστότερα μοντέλα περιγραφής και μοντελοποίσης του φαινομένου. Τέλος παρουσιάζεται το ATP/EMTP, τo πρόγραμμα στο οποίο εξομοιώθηκε το σύστημα γείωσης, καθώς και το ATPDraw, προεπεξεργαστή του EMTP, στο οποίο σχεδιάστηκε το ισοδύναμο κύκλωμα. Στη συνέχεια ορίζονται οι κατάλληλες τιμές για τις μεταβλητές και τα στοιχεία του συστήματος γείωσης και δημιουργείται το ισοδύναμο προς εξομοίωση κύκλωμα, το οποίο αναπαριστά το σύστημα γείωσης των ανεμογεννητριών και τη διασύνδεση μεταξύ τους. Κατά τη διάρκεια της εξομοίωσης, λαμβάνονται οι κυματομορφές των τάσεων σε διάφορα σημεία του συστήματος γείωσης, όπως πχ. η βηματική τάση στη γείωση της πληγείσας ανεμογεννήτριας, η βηματική τάση στη διασύνδεση μεταξύ των ανεμογεννητριών και η τάση σε τυχαία σημεία του συστήματος γείωσής τους. Λαμβάνονται κυματομορφές για διαφορετικές τιμές του ρεύματος κεραυνού, της ειδικής αντίστασης του εδάφους (ρ), του πεδίου ιονισμού (Ε0) καθώς και για την υπόγεια διασύνδεση των συστημάτων γείωσης των ανεμογεννητριών όσο και για την εναέρια διασύνδεση των ανεμογεννητριών, μέσω των καλωδίων ισχύος. Απ’ τις μετρηθείσες βηματικές τάσεις, αφού υπολογίστηκε θεωρητικά η μέγιστη ανεκτή βηματική τάση για τον άνθρωπο, προκύπτει ότι το σύστημα γείωσης είναι αποτελεσματικό και παρέχει ασφάλεια από ηλεκτροπληξία στον άνθρωπο σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος είτε με υπόγεια είτε με εναέρια σύνδεση των ανεμογεννητριών. Επίσης απ’ τα αποτελέσματα γίνεται εμφανής ο καίριος ρόλος του φαινομένου του ιονισμού του εδάφους στη μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος γείωσης.