DC Oriented photovoltaic (pv) interference on underground metallic pipeline systems

Abstract

Η διατριβή πραγματεύεται ένα νέο θέμα που λαμβάνει σταδιακά την προσοχή της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών (ΦΒ) εγκαταστάσεων και των διαχειριστών κρίσιμων υποδομών. Πρώτα από όλα, η διατριβή παραθέτει το θεωρητικό υπόβαθρο που υποστηρίζει την καθιέρωση μιας καινούργιας ιδέας που αφορά στην εμφάνιση διαβρωτικών διαφυγόντων ρευμάτων από ΦΒ συστήματα. Εισάγεται συγκεκριμένα η έννοια των "τυφλών σημείων διάβρωσης από διαφυγόντα συνεχή-ρεύματα (ΣΡ)" τα οποία είναι συνυφασμένα με τα ΦΒ συστήματα γείωσης και τους μηχανισμούς αναγνώρισης σφαλμάτων. Τα τυφλά σημεία προκύπτουν ως συνέπεια των παγιωμένων πρακτικών προστασίας οι οποίες οριοθετούν το μέγεθος των επιτρεπόμενων ρευμάτων διαρροής βάσει κριτηρίων, τα οποία βασίζονται σε θέματα όπως η έκρηξη πυρκαγιάς και ηλεκτροπληξίας. Χρησιμοποιώντας το έδαφος ως αγώγιμο μέσο, τα ρεύματα διαρροής μπορούν να ξεφύγουν από την περιοχή των ΦΒ εγκαταστάσεων και να δημιουργήσουν προβλήματα παρεμβολών σε τρίτες υποδομές κρίσιμης σημασίας. Η ενεργοποίηση της ΦΒ παρεμβολής στις υποδομές αυτές επεξηγείται ηλεκτρικά, παρέχοντας πληροφορίες για το σχηματισμό των διαφυγόντων ΣΡ ρευμάτων. Δεύτερον, επιτυγχάνεται η ανάπτυξη κατάλληλων τεχνικών μοντελοποίησης οι οποίες βασίζονται στη θεωρία που αναδεικνύει τα επικρατούντα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ΦΒ συστημάτων - υπό κανονικές και εσφαλμένες συνθήκες λειτουργίας – τα οποία προξενούν παρεμβολές και προβλήματα διάβρωσης σε υπόγειες κρίσιμες υποδομές. Οι τεχνικές μοντελοποίησης αναλύονται και επαληθεύεται η ικανότητά τους να αναπαράγουν τα αναμενόμενα διαφυγόντα ρεύματα μέσω μιας εμπορικά διαθέσιμης πλατφόρμας λογισμικού. Αναπτύσσονται τοπολογικά-ακριβή μοντέλα προσομοίωσης ρεαλιστικών περιπτώσεων, για την εξέταση της ΦΒ παρεμβολής σε υπόγειους σωληναγωγούς αξιολογώντας τη διαφορά δυναμικού μεταξύ εδάφους και σωλήνας. Οι κρίσιμες παράμετροι επηρεασμού της ΦΒ παρεμβολής αποκαλύπτονται μέσω πολλαπλών αναλύσεων ευαισθησίας και εναλλακτικών σεναρίων. Όπως επισημαίνεται από τα αποτελέσματα προσομοίωσης, η ΦΒ παρεμβολή παρουσιάζει ένα δυναμικό προφίλ, καθώς επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες σε ωριαία-, ημερήσια-, εποχική- βάση. Ιδιαίτερα η παρουσία μη ανιχνευμένων σφαλμάτων ως προς γη, επιδεινώνει δραματικά το πρόβλημα. Επιπλέον, έχουν πραγματοποιηθεί δυναμικές προσομοιώσεις, προκειμένου να επιτευχθεί εις βάθος κατανόηση της ΦΒ παρεμβολής σε σωληναγωγούς κάτω από πραγματικές συνθήκες. Οι δυναμικές προσομοιώσεις παρέχουν πολύ σημαντικά συμπεράσματα καθώς και χρήσιμες πληροφορίες που μπορούν να αξιοποιηθούν κατάλληλα στην αναγνώριση και τη μέτρηση της ΦΒ παρεμβολής σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά της ΦΒ παρεμβολής επισημαίνονται και συγκρίνονται με άλλους τύπους συστημάτων / πηγών παρεμβολής ΣΡ. Έτσι, αναδύεται η ανάγκη ανάπτυξης μιας ειδικής μεθοδολογίας για τη μέτρηση της ΦΒ παρεμβολής. Για το σκοπό αυτό, παρέχονται κατευθυντήριες γραμμές για την αναγνώριση και μέτρηση της ΦΒ παρεμβολής σε τμήματα αγωγών που γειτνιάζουν με ΦΒ εγκαταστάσεις. Τέλος, οι ερευνητικές προσπάθειες αυτής της εργασίας έχουν αναδείξει την ύπαρξη ενός υφέρποντος προβλήματος σχετιζόμενο με την διαβρωτική ΦΒ παρεμβολή που οφείλεται στη λειτουργία των ΦΒ εγκαταστάσεων. Υπό αυτό το πρίσμα, η σύσταση κανονισμών/οδηγιών ή υπηρεσιών για τη διαχείριση των κινδύνων διάβρωσης και πρακτικές μετριασμού της, είναι απαραίτητες για τη αρμονική και μακροχρόνια συνύπαρξη κρίσιμων υποδομών που βρίσκονται κοντά σε ΦΒ εγκαταστάσεις. Ως πρώτη αναγνώριση του συνόλου των ερευνητικών εργασιών, μέρος του περιεχομένου που περιλαμβάνεται σε αυτή τη διατριβή συμπεριλήφθηκε κανονιστικά και ενημερωτικά στο πρότυπο ISO 21857 [FDIS] standard “Petroleum, petrochemical and natural gas industries — Prevention of corrosion on pipeline systems influenced by stray currents”, που θα εκδοθεί το Σεπτέμβριο του 2020.

The thesis elaborates on a new issue that progressively receives attention by the photovoltaic (PV) installation industry and critical infrastructure’s operators. First of all, the thesis provides the theoretical background that supports the idea of a novel concept regarding the emergence of corrosive stray currents from PV systems. It specifically introduces “DC stray current corrosion blind spots” that are inherent to PV systems’ earthing and associated DC ground fault detection mechanisms. Blind spots arise as the existing protection thresholds for DC leakage currents have been based on other issues, such as fire or personnel safety. Using the soil as a conductive medium, DC leakage currents can stray from the area of PV installations and interfere with nearby third-party critical infrastructure. The PV interference mechanism on third-party infrastructures is electrically explicated, by providing insights for the formation of DC stray currents. Secondly, the formulation of appropriate modelling techniques to further elaborate on the theory that describes the prevailing electrical characteristics of PV systems’ -normal and faulty operation - that lead to interference and corrosion concerns on underground critical infrastructure is accomplished. The modelling techniques are analyzed and their ability to reproduce the expected stray currents in a commercially available software platform is verified. Topologically accurate simulation models of realistic case studies are developed to examine the PV interference on buried pipeline systems in terms of their spatial pipe-to-soil potentials. The critical parameters affecting the PV interference are revealed through multiple sensitivity analysis and what-if scenarios. As highlighted from the simulation results, PV interference has a dynamic profile since it is affected by environmental conditions in hourly-, daily-, seasonal- bases. Particularly, the presence of undetected ground faults dramatically exacerbates the problem. Moreover, to acquire knowledge on realistic PV interference situations on pipeline systems, dynamic simulations have been performed. The dynamic simulations provide very important conclusions as well as useful insights that can be appropriately used in the identification and field-measurement of PV interference on pipeline systems. The unique characteristics of PV interference are highlighted and are compared with other types of DC interference systems/sources. Thus, the need for developing a special methodology for measuring PV interference emerges. To this end, guidelines are provided for the identification and measurement of PV interference on pipeline sections neighboring with PV plants. Finally, the research efforts of this thesis have evidently introduced a hidden problem regarding the corrosive (stray current) PV interference due to the operation of PV plants. To this extent, the development of documentation or services for corrosion risk-management and mitigation practices is necessary for a harmonised and long-term coexistence of critical infrastructures located in proximity to PV plants. As a first recognition of the whole research work, part of the contents described in this thesis has been normatively and informatively included in the ISO 21857 [FDIS] standard “Petroleum, petrochemical and natural gas industries — Prevention of corrosion on pipeline systems influenced by stray currents”, that will be issued in September 2020.