Αξιολόγηση συμπεριφοράς γραμμής ηλεκτρικής ενέργειας σε περιβάλλον πυρκαγιάς

Abstract

This thesis investigates the behavior of power lines in case of wildfires.The first chapter includes a short review of the quality tests generally conducted in electrotechnical constructions, focusing especially on thermal stress, dielectric, mechanical, short-circuit and special tests.Chapter 1.2 refers to the phenomena before and after the breakdown of insulating materials (air, oil, solids) and shortly presents the phenomena of macroscopic and quantum theory of ageing and breakdown of solid insulating materials. Moreover, an equivalent circuit that combines the above theories of solid insulating materials of practical applications is also introduced.In chapter 1.3 the thermal stress of conductors due either to their maximum operating current or to a short circuit, is introduced. Additionally, the calculation of temperature rise in power lines due to a short circuit and the conductors’ thermal stress due to a wildfire, are also presented.Referring to low voltage network, the necessity of neutralization condition is introduced, and experiments concerning the aspects of wildfire forensics, are shown as well. Furthermore, the calculation of temperature of hypothetical molten aluminium particles when they hit the ground, is also examinedThere is also a short reference on the dielectric phenomena that can occur on conductors, insulators and electric conducts in a distribution network, relevant to a fire investigation, as well as on the mechanical behavior of overhead conductors.In chapter 1.4 the abruption of neutral conductor in low voltage power lines is shortly introduced and possible consequences for the people and the environment, due to the abruption of low voltage conductors, are shown.The aim of this thesis is presented in chapter 2 referring to the following: the investigation of dielectric behavior of hydrophobic silicon rubber coating on insulators, the reduction of dielectric behaviour of porcelain insulators during a wildfire and the experimental investigation of temperature measurements of hypothetical molten aluminum particles at the moment they hit the ground after having been released from a 5 m height.

Η διατριβή αυτή ερευνά την αξιολόγηση της συμπεριφοράς γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας σε περιβάλλον πυρκαγιών.Στο κεφάλαιο 1.1 της εισαγωγής γίνεται αρχικά μια σύντομη αναφορά στο σκεπτικό των δοκιμών ποιοτικού ελέγχου σε ηλεκτροτεχνικές κατασκευές εστιάζοντας στη δοκιμή υπερθέρμανσης, στις διηλεκτρικές δοκιμές, στη δοκιμή μηχανικής αντοχής, στη δοκιμή υπό βραχυκύκλωμα και στις ειδικές δοκιμές.Στο κεφάλαιο 1.2 γίνεται μία περιληπτική παρουσίαση των φαινομένων προ και κατά τη διάσπαση των ηλεκτρομονωτικών υλικών (αέρα, λαδιού, στερεών) καθώς και της μακροσκοπικής και της κβαντομηχανικής θεωρίας των φαινομένων της γήρανσης και της διάσπασης των στερεών ηλεκτρομονωτικών υλικών. Επίσης, παρατίθεται ένα ισοδύναμο κύκλωμα που συνδυάζει τις δύο προαναφερόμενες θεωρίες αναφορικά με τη γήρανση και τη διάσπαση των στερεών ηλετρομονωτικών υλικών των πρακτικών εφαρμογών.Στο κεφάλαιο 1.3 εξετάζεται η θερμική συμπεριφορά των αγωγών ηλεκτρικής ενέργειας τόσο υπό το μέγιστο ρεύμα λειτουργίας όσο και κατά το βραχυκύκλωμα. Αναφορικά με τη θερμική καταπόνηση των αγωγών κατά το βραχυκύκλωμα, παρουσιάζεται ο υπολογισμός της αύξησης της θερμοκρασίας σε γραμμές της ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, εξετάζεται η θερμική καταπόνηση των γραμμών διανομής σε περιβάλλον πυρκαγιάς. Επιπλέον, αναφορικά με το δίκτυο χαμηλής τάσης, παρουσιάζεται η συνθήκη βραχυκύκλωσης, επισημαίνεται η αναγκαιότητα της εφαρμογής της και παρατίθενται πειραματικές διερευνήσεις, που αφορούν την επαφή γυμνών αγωγών του δικτύου τόσο με δένδρα όσο και με τον αγωγό δημοτικού φωτισμού. Επιπρόσθετα, για τους γυμνούς αγωγούς των γραμμών διανομής δίνεται υπολογισμός της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων αλουμινίου κατά την πρόσκρουσή τους στο έδαφος. Στη συνέχεια αναφορικά με τη διηλεκτρική συμπεριφορά των εναερίων γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας, εξετάζεται το θέμα των αποστάσεων μόνωσης και προστασίας, η εκδήλωση σπινθηρισμών σε γυμνούς αγωγούς, σε μονωτήρες και σε λυόμενους ηλεκτρικούς συνδέσμους του δικτύου. Τέλος, γίνεται σύντομη αναφορά σχετικά με τη μηχανική συμπεριφορά των εναερίων γραμμών της ηλεκτρικής ενέργειας.Στο κεφάλαιο 1.4 γίνεται σύντομη αναφορά για την αποκοπή του ουδετέρου σε γραμμές χαμηλής τάσης καθώς και με τις πιθανές συνέπειες για τον άνθρωπο και το περιβάλλον από την αποκοπή αγωγού του δικτύου διανομής χαμηλής τάσης.Στο κεφάλαιο 2 παρατίθεται ο σκοπός της διατριβής, σε ό,τι αφορά τις μετρήσεις που έγιναν αφενός για τη διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς της υδρόφοβου σιλικονούχου επάλειψης μονωτήρων και αφετέρου για τη μείωση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς μονωτήρων πορσελάνης σε περιβάλλον πυρκαγιάς καθώς και για την πειραματική διερεύνηση της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων κατά την άφιξή τους στο έδαφος.Το κεφάλαιο 3 περιλαμβάνει τις μετρήσεις που έγιναν. Πιο συγκεκριμένα, πρώτα παρατίθεται η διαδικασία και τα αποτελέσματα των μετρήσεων των μερικών εκκενώσεων σε δοκίμια στερεών ηλεκτρομονωτικών υλικών, από πρεσπάν και πέρτιναξ, με ή χωρίς υδρόφοβo σιλικονούχο επάλειψη, υπό κρουστικές τάσεις της μορφής 1,2/50 μs, σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία και τα αποτελέσματα των μετρήσεων της αντίστασης μόνωσης δοκιμίων εκ μονωτήρων πορσελάνης (από εξοπλισμό του δικτύου διανομής μέσης τάσης) κατά τη θερμική καταπόνησή τους. Στο τρίτο μέρος του κεφαλαίου παρουσιάζεται η διαδικασία και τα αποτελέσματα των μετρήσεων της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων αλουμινίου κατά την αφιξή τους στο έδαφος κατόπιν ελεύθερης πτώσης από ύψος 5 m.Στο κεφάλαιο 4 δίνονται δύο τυπικά παραδείγματα θερμικής, διηλεκτρικής και μηχανικής συμπεριφοράς γραμμών διανομής μέσης τάσης ηλεκτρικής ενέργειας σε περιβάλλον πυρκαγιάς.Τα σχόλια επί των αποτελεσμάτων των προαναφερομένων μετρήσεων περιλαμβάνονται στο κεφάλαιο 5. Συγκεκριμένα, η υδρόφοβος σιλικονούχος επάλειψη των στερεών μονωτικών πρεσπάν και πέρτιναξ φαίνεται ότι περιορίζει την εκδήλωση των μερικών εκκενώσεων. Η μείωση της ειδικής αντίστασης της πορσελάνης με την αύξηση της θερμοκρασίας, μπορεί να οδηγήσει σε αναίρεση της μονωτικής της ικανότητας. Από τη μέτρηση της θερμοκρασίας υποθετικών τηγμάτων αλουμινίου κατά την άφιξή τους στο έδαφος, ύστερα από την ελεύθερη πτώση τους από ύψος 5 m, προέκυψε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ήταν 29 οC πάνω από εκείνη του περιβάλλοντος και δεν παρατηρήθηκαν ίχνη καψίματος ή μαυρίσματος. Στο έκτο κεφάλαιο δίνεται περιληπτικά η συνεισφορά της εργασίας στην έρευνα και τις πρακτικές εφαρμογές.