Συστήματα γείωσης στο δίκτυο διανομής

Abstract

Η γείωση είναι αναπόσπαστο στοιχείο κάθε ηλεκτρικής εγκατάστασης, καθώς διασφαλίζει την ακεραιότητα του εξοπλισμού και του ανθρώπινου δυναμικού, παρέχοντας αγώγιμη διαδρομή κεραυνικών ρευμάτων και ρευμάτων σφάλματος προς τη γη. Για να υπηρετήσει τον σκοπό αυτό, ο γειωτής θα πρέπει να έχει χαμηλή αντίσταση γείωσης. Η αντίσταση γείωσης εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους, όπως το βάθος έμπηξης και η ειδική αντίσταση του εδάφους, που με τη σειρά της εξαρτάται από τον τύπο και το μέγεθος των κόκκων του εδάφους, την υγρασία και την περιεκτικότητα σε άλατα και μέταλλα, τη θερμοκρασία, το χρησιμοποιούμενο μοντέλο εδάφους (ομογενές, διστρωματικό ή πολυστρωματικό) και τον ιονισμό. Για τον σχεδιασμό αξιόπιστου συστήματος γείωσης, καθίσταται απαραίτητη η μελέτη των αναπτυσσόμενων βηματικών τάσεων και τάσεων επαφής και η αξιολόγηση της επικινδυνότητάς. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι συστημάτων γείωσης: το ΤΤ, το ΙΤ και το ΤΝ. Λόγω του ενταφιασμού του στη γη, ο γειωτής αλληλεπιδρά με τον έμβιο και μη, περιβάλλοντα χώρο και διαβρώνεται. Η διάβρωση ταξινομείται σε οκτώ κατηγορίες: την ομοιόμορφη, την τοπική, τη γαλβανική, τη διάβρωση με σχισμές, τη βελονοειδή, την περικρυσταλλική, την εκλεκτική και τη μηχανική. Οι πιο ύπουλοι και επιβλαβείς τύποι είναι η βελονοειδής και η διάβρωση κόπωσης, που παρά τον μεγάλο χρόνο επώασης, δημιουργούν οπές, σπήλαια και τελικά κατάγματα σε ανύποπτο χρόνο. Η διάβρωση των γειωτών είναι κατά βάση ηλεκτροχημική και περιλαμβάνει δύο ταυτόχρονες διαδικασίες: μία οξειδωτική αντίδραση ανόδου και μία αναγωγική αντίδραση καθόδου, οι οποίες οδηγούν στη διάλυση του μετάλλου και την παραγωγή αδιάλυτων στερεών ενώσεων που εναποτίθενται σαν σκουριά στην εναπομείνασα μεταλλική μάζα και τον περιβάλλοντα χώρο. Υπό συγκεκριμένες συνθήκες, τα διαβρωτικά προϊόντα δημιουργούν ένα παθητικό φιλμ αυτοΐασης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό διάβρωσης είναι η υγρασία, το pH, η ειδική αντίσταση και η αλατότητα του εδάφους, η θερμοκρασία, η διάχυση του οξυγόνου, η συσσώρευση στο περιβάλλον μέσο αναερόβιων θειοαναγωγικών και σιδηροοξειδωτικών βακτηριδίων και τα παρασιτικά ρεύματα. Η αυξημένη περιεκτικότητα σε χλωρίδια και τα dc παρασιτικά ρεύματα διαβρώνουν όλους τους γειωτές και προξενούν πολυάριθμες ρωγμές ή/και κάταγμα. Στην παρούσα διπλωματική, εφαρμόστηκε το λογισμικό Ansys Electronics Desktop 2024 R2, που χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, βάσει της οποίας η γεωμετρία του μοντέλου διαιρείται σε επιμέρους στοιχεία, σχηματίζοντας ένα πλέγμα από τετράεδρα/εξάεδρα. Όσο πυκνότερο είναι το πλέγμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια της λύσης που παρέχει το πρόγραμμα. Προσομοιώθηκε ακέραιο και διαβρωμένο ηλεκτρόδιο σε διστρωματικό μοντέλο εδάφους και: α) διατηρώντας σταθερές τις ειδικές αντιστάσεις ανωτέρου και κατωτέρου στρώματος εδάφους, υπολογίστηκε η αντίσταση γείωσης τόσο για την περίπτωση ακέραιου ηλεκτροδίου, όσο και για την περίπτωση ήπιας, μέτριας και σοβαρής διάβρωσης (dc-προσομοίωση), β) μεταβάλλοντας τις ειδικές αντιστάσεις των δύο στρωμάτων του εδάφους, υπολογίστηκε η αντίσταση γείωσης για ακέραιο και ήπια διαβρωμένο ηλεκτρόδιο (dc-προσομοίωση), γ) διατηρώντας σταθερές τις ειδικές αντιστάσεις ανωτέρου και κατωτέρου στρώματος εδάφους, μελετήθηκε η συμπεριφορά του ακέραιου και του ήπια διαβρωμένου ηλεκτροδίου σε συμμετρικό και ασύμμετρο βραχυκύκλωμα και κεραυνικό ρεύμα. Επιπλέον, μελετήθηκαν οι βηματικές τάσεις, η τάση επαφής και η αναπτυσσόμενη θερμοκρασία σε ακέραιο και ήπια διαβρωμένο ηλεκτρόδιο σε συνθήκες κεραυνικού πλήγματος, προκειμένου να εκτιμηθεί η επίδραση της διάβρωσης στην αποτελεσματικότητα της λειτουργίας του ηλεκτροδίου.