Συμβολή στη μελέτη της συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης με προσθήκη βελτιωτικών υλικών

Abstract

The operation and, in general, the behavior of grounding systems is defined by some fundamental parameters: the rate of soil resistivity, the type and the size of grounding systems. The continuous improvement in designing these systems, together with the development of models that will help predict — in time — their precise behavior (both transient and steady state), guarantee the maximum safety of people and electrical facilities. This Ph.D thesis focuses on experimentally studying the effect of local soil, with addition of ground enhancing compounds, on grounding systems and, particularly, on vertical grounding rods. For four consecutive years, experimental measurements have been conducted in regard to soil resistivity (at various depths), as well as to ground resistance of vertical grounding rods, encased in ground enhancing compounds. The variation of rates, depending on time and rainfall, has also been studied. Safe conclusions were reached, regarding the behavior of various ground enhancing compounds and their contribution (or not) to the improvement of ground resistance rate. The experimental results were used for developing models of computational intelligence. The main aim was to estimate / predict the rate of ground resistance and, in general, the behavior of grounding systems on a specific desired day, based on soil resistivity and rainfall rate, of past time periods. As part of the thesis, an Artificial Neural Network, a Wavelet Neural Network, as well as, an Inductive Machine Learning Methodology for constructing decision trees, have been developed. Finally, the transient behavior of vertical grounding rods, encased in ground enhancing compounds, has been studied. Impulse tests have been performed, by injecting impulse currents from an impulse current generator and the impulse impedance variation was investigated with respect to compounds’ type and to time. Moreover, the experimental results were used for the design of a circuit model, simulating the impulse transient behavior of grounding rods encased in ground enhancing compounds.

Η τιμή της ειδικής αντίστασης του εδάφους, ο τύπος και το μέγεθος των συστημάτων γείωσης, αποτελούν τις θεμελιώδεις παραμέτρους που καθορίζουν τη λειτουργία και την εν γένει συμπεριφορά τους. Η συνεχής βελτίωση της σχεδίασης αυτών των συστημάτων και η ανάπτυξη μοντέλων για την ακριβή πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους στον χρόνο, μόνιμης και μεταβατικής, αποτελούν εχέγγυο για τη μέγιστη ασφάλεια των ανθρώπων και των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην πειραματική μελέτη της επίδρασης του μικροεδάφους, με προσθήκη βελτιωτικών υλικών γείωσης, στα συστήματα γείωσης και, δη, στα κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της ειδικής αντίστασης του εδάφους, καθώς και της αντίστασης γείωσης κατακόρυφων ράβδων, εγκιβωτισμένων σε βελτιωτικά υλικά γείωσης, επί τέσσερα (4) συναπτά έτη. Μελετήθηκε η μεταβολή των τιμών των μεγεθών αυτών σε συνάρτηση με τον χρόνο και το ύψος βροχόπτωσης. Διατυπώθηκαν ασφαλή συμπεράσματα για τη συμπεριφορά των διαφόρων βελτιωτικών υλικών γείωσης και τη συμβολή τους ή μη στη βελτίωση της τιμής της αντίστασης γείωσης. Τα πειραματικά δεδομένα αξιοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μοντέλων Υπολογιστικής Νοημοσύνης, με σκοπό την εκτίμηση/πρόβλεψη των τιμών της αντίστασης γείωσης και της, εν γένει, συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης, για συγκεκριμένη, επιθυμητή ημέρα, με βάση τις τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους και του ύψους βροχόπτωσης, παρελθούσας χρονικής περιόδου. Στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκαν Τεχνητό Νευρωνικό Δίκτυο, Wavelet Νευρωνικό Δίκτυο, καθώς και Μεθοδολογία Επαγωγικής Μηχανικής Μάθησης, για κατασκευή Δένδρων Αποφάσεων. Τέλος, μελετήθηκε η μεταβατική συμπεριφορά των, εγκιβωτισμένων σε βελτιωτικά υλικά, κατακόρυφων ηλεκτροδίων γείωσης: πραγματοποιήθηκαν πειράματα κρουστικής καταπόνησης, με έγχυση ρεύματος, από γεννήτρια κρουστικών ρευμάτων, και μελετήθηκε η μεταβολή της σύνθετης κρουστικής αντίστασης των ηλεκτροδίων, συναρτήσει του τύπου των βελτιωτικών υλικών και του χρόνου. Τα πειραματικά αποτελέσματα αξιοποιήθηκαν, επίσης, για την κατασκευή κυκλωματικού μοντέλου προσομοίωσης της κρουστικής μεταβατικής συμπεριφοράς των, εγκιβωτισμένων εντός βελτιωτικών υλικών, ράβδων γείωσης.