Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των καθοδικών αλεξικέραυνων στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας όταν καταπονούνται από κεραυνούς. Είναι γνωστό πως οι πειραματικές μετρήσεις που μπορούν να γίνουν για την διάγνωση της συμπεριφοράς των αλεξικέραυνων είναι επίπονες, λόγω της ίδιας της φύσης του κεραυνού, και βεβαίως δαπανηρές. Οπότε γεννάται η ανάγκη δημιουργίας κάποιων μοντέλων που προσεγγίζουν όσο πιο ρεαλιστικά γίνεται τις πραγματικές συνθήκες καταπόνησης των αλεξικέραυνων. / The purpose of this paper is to study the behavior of metal oxide surge arresters on power lines when they are strained by lightning. It is known that experimental measurements, which can be performed to diagnose the behavior of surge arresters are difficult, because of the very nature of lightning, and certainly costly. Thus rises the need for some models, which represent as much as possible realistically the real stress condition of surge arresters.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της λειτουργίας των καθοδικών αλεξικεραύνων κατά την προστασία γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης. Ειδικότερα, λόγω της ιδιαίτερης φύσης των κεραυνών και των πληγμάτων που αυτοί επιφέρουν, γίνεται μελέτη μοντέλων που έχουν προταθεί για την προσομείωση των αλεξικεραύνων κατά την λειτουργία τους. / The purpose of this paper is to study the function of surge arresters protecting high voltage transmission lines. Specifically, given the particular nature of lightning strikes and the blows they bring, models that have been proposed for the simulation of surge arrestes during operation are being studied.

Έγινε κατασκευή ενός προγράμματος το οποίο εξετάζει μια κατασκευή και υπολογίζει αναλυτικά τον κίνδυνο που αυτή διατρέχει λόγω κεραυνών. / The subject of this project is protection against lightning, meaning the measures needed to be taken for a building so that a possible lightning strike will not cause human or material damage. The first part consists of an essential theoretical approach on the lightning phenomenon. Both the causes, the consequences and the conditions in which the lightning occurs are being analyzed. Furthermore, the characteristics and the qualifications a Lightning Protection System needs to comply with, are given, according to the Greek standard ΔΛΟΣ 1197 and the European standard IEC 62305-2. The factors one examines to determine the risk, the technical details of the LPS, and the -step by step- calculation of the risk are being mentioned. After this analysis, the criteria whether the building is adequately protected, or not, are given, and in case the answer is negative, the procedure to design a safe LPS is given. Along with writing this essay, a computer program was produced. The program calculates the risk a building faces due to lightning. In the second part of the essay one can read the way this program works and the description of its construction. First, an algorithm approach of the procedure of risk calculation is given in detail. The program runs in Microsoft Excel and includes functions, menus, graphics and other special features. Given that the procedure was so complicated at some point, we had to use Visual Basic nested programming to produce a functional program. In the final part, significant parts of the code and some programming methods are described. The results this program gives, allow an engineer to have a good overview on the protection the lightning building provides, and to choose an effective, cost efficient LPS, if needed.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αντικεραυνική προστασία όσον αφορά τα κυκλώματα γραμμής των ηλεκτρικών σιδηροδρομικών συστημάτων. Προτού όμως αναφερθούν τρόποι και συσκευές προστασίας ή δoθούν κάποια παραδείγματα εφαρμογών στις σιδηροδρομικές γραμμές κάποιων χωρών, πρέπει να γίνει μια εισαγωγική αναφορά γύρω από τον πυρήνα αυτής της εργασίας: τον κεραυνό. Έτσι, στο 1 κεφάλαιο γίνεται περιγραφή κάποιων εισαγωγικών εννοιών σχετικά με τον κεραυνό. Ξεκινώντας από τη φόρτιση των σύννεφων και στο πως αυτή γίνεται, καταλήγουμε στα διάφορα είδη κεραυνών. Ακολουθεί η εξομοίωση στο εργαστήριο με ορισμένα μεγάλα διάκενα εκκένωσης για την εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων της εκκένωσης του κεραυνού. Στη συνέχεια αναλύεται ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων μέσα από τρεις φάσεις: έναρξη οχετού (οχετός προεκκένωσης), φάση του οχετού επιστροφής και ο συνδετικός οχετός. Τέλος γίνεται ανάλυση του ρεύματος κεραυνού και των παραμέτρων του, ενώ δίνονται και κάποιες σχέσεις για τη συχνότητα εμφάνισης των κεραυνών. Στο 2 κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των συνδέσεων ασφαλειών (fuse link), μιας εφαρμογής που χρησιμοποιείται για την αντικεραυνική προστασία των κυκλωμάτων γραμμής. Αρχικά γίνεται περιγραφή των ειδικών παραμέτρων του συστήματος της συγκεκριμένης εφαρμογής που χρησιμοποιείται στα κινητήρια συστήματα. Στη συνέχεια δίνεται μια σύντομη επισκόπηση του πλήρους σχεδίου. Ακολούθως περιγράφονται οι προσομοιώσεις υπολογιστών, στις οποίες καθορίστηκε η κατανομή του ρεύματος κεραυνού σ’ ένα κινητήριο σύστημα. Στην παράγραφο 2.1.3.δ, εξηγείται η εργαστηριακή δοκιμή της συσκευής περιορισμού της τάσης, ειδικά της συμπεριφοράς (με τη χαρακτηριστική) του ρεύματος κεραυνού. Επιπλέον, γίνεται περιγραφή της πρακτικής εφαρμογής των ασφαλειών που είναι ανθεκτικές σε κεραυνούς, παρουσιάζοντας μια πρακτική δοκιμή. Δίνονται επίσης ορισμένες τυποποιημένες εφαρμογές. Τέλος, εξηγείται το σχέδιο των συνδέσεων των ασφαλειών που είναι ανθεκτικές σε κεραυνούς. Στο 3 κεφάλαιο αναλύονται τα αλεξικέραυνα μεταλλικών οξειδίων (ΜΟ). Τα συστήματα ισχύος των ηλεκτρικών σιδηρόδρομων μπορούν να προστατευτούν έναντι υπερτάσεων με τη χρήση αυτών των συσκευών. Στο κεφάλαιο περιγράφεται η αρχή λειτουργίας των αλεξικέραυνων ΜΟ, η οποία βασίζεται στη μη γραμμική χαρακτηριστική τάσης - ρεύματος συγκεκριμένων κεραμικών στοιχείων, αποκαλούμενα MO varistors. Ακολουθούν οι τρεις τύποι αλεξικέραυνων υπέρτασης ΜΟ για τα ηλεκτρικά συστήματα σιδηρόδρομων: με περίβλημα πορσελάνης, με συνθετικό πολυμερές περίβλημα και με άμεσα διαμορφωμένο πολυμερές περίβλημα. Τέλος, γίνεται λόγος για τη χρήση των αλεξικέραυνων ΜΟ στα DC κινητήρια συστήματα σύμφωνα με την Ένωση των Γερμανικών Επιχειρήσεων Μεταφορών (VDV), σε διάφορες σιδηροδρομικές εφαρμογές. Στο 4 κεφάλαιο γίνεται ανάλυση ενός πλάνου αντικεραυνικής προστασίας για τα συνεχούς ρεύματος (DC) σιδηροδρομικά συστήματα. Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στις τάσεις του συστήματος και τις διάφορες μορφές υπερτάσεων, των άμεσων και έμμεσων πληγμάτων κεραυνού. Στη συνέχεια περιγράφονται κάποιες συσκευές προστασίας (καθώς και τα χαρακτηριστικά αυτών), όπως είναι τα αλεξικέραυνα υπερτάσεων ΜΟ (τύπου Α1 και Α2), οι περιοριστές χαμηλής τάσης (LVL), ενώ εισάγεται ένας προσφάτως ανεπτυγμένος υβριδικός περιοριστής τάσης (HVL) ο οποίος συνδυάζει την προστασία από υπερτάσεις και την προστασία έναντι των επικίνδυνων τάσεων επαφής. Τέλος, γίνεται μία περιγραφή διαφόρων μέτρων προστασίας στις γραμμές μεταφοράς, στους υποσταθμούς καθώς επίσης και στα οχήματα κίνησης, ενώ δίνονται και κάποια αποτελέσματα δοκιμών με χρήση LVLs. Το 5 κεφάλαιο αναλύει την πρόβλεψη των σφοδρών εκκενώσεων κεραυνού που μπορούν να προκαλέσουν μια σοβαρή διαταραχή στη λειτουργία της αμαξοστοιχίας, με τη χρησιμοποίηση υπολογιστών βασισμένων στο Ιαπωνικό Δίκτυο Ανίχνευσης Κεραυνού (Japanese Lightning Detection Network - JLDN), προκειμένου να υποστηρίξουν πομπούς για να κάνουν μια αποτελεσματική λήψη απόφασης σχετικά με τη ρύθμιση των μηχανικών συντήρησης, τις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας έκτακτης ανάγκης και τις επιπλέον ηλεκτρικές συσκευές για γρήγορη ανάκτηση. Ένα πραγματικού χρόνου σύστημα υποστήριξης λήψης απόφασης έχει αναπτυχθεί. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δύο κύριες τεχνικές εκτίμησης, που εχουν αποτιμηθεί με την εφαρμογή τους σε πραγματικά δεδομένα κεραυνού, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της τροχιάς της περιοχής που κινείται επικίνδυνα και της διάρκειας της δραστηριότητας του κεραυνού. Στο 6 κεφάλαιο περιγράφονται οι λεπτομέρειες του αισθητήρα υπερτάσεων/υπερρευμάτων κεραυνού για το σιδηρόδρομο. Πρόκειται για ένα νέο σύστημα ελέγχου του σιδηροδρομικού σήματος, το οποίο ελέγχει σιδηροδρομικά σήματα, διακόπτες, κυκλώματα γραμμής βασισμένα στο πρωτόκολλο IP. Σε αυτό το σύστημα, πολλές ηλεκτρονικές συσκευές εγκαθίστανται κατά μήκος του σκληρού περιβάλλοντος του σιδηροδρόμου. Επομένως, αυτές οι ηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να έχουν αντοχή προς το περιβάλλον για υπέρταση/υπέρρευμα κεραυνού, για θερμοκρασία, για δόνηση, για βροχή και για ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Σαν αντίμετρο για την υπέρταση κεραυνού, χρησιμοποιούμε την προστατευτική συσκευή (το αλεξικέραυνο). Η υποβάθμιση της προστατευτικής συσκευής μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή των ηλεκτρικών συσκευών. Έτσι αναπτύχθηκε ο αισθητήρας υπερτάσεων/υπερρευμάτων για την ανίχνευση της υποβάθμισης της προστατευτικής συσκευής. Στο 7 κεφάλαιο περιγράφονται οι μετρήσεις των υπερτάσεων και των μεταβατικών ρευμάτων κεραυνού που εισέρχονται σε μια εγκατάσταση σιδηροδρόμου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του 2003 στο Tierp της Σουηδίας. Οι μετρήσεις υπερτάσεων έγιναν σε μια τεχνητή βάση που παρέχει έναν αδιάκοπο εφοσδιασμό για τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και τα συστήματα σηματοδότησης. Επίσης παρουσιάζονται και συζητούνται τα παραδείγματα των κυματομορφών των μεταβατικών ρευμάτων. Τέλος, το κεντρικό μήνυμα που περνάνε τα δύο τελευταία κεφάλαια, 8 και 9, είναι ότι πρέπει να ενισχυθούν τα αποτελεσματικά και οικονομικά αντίμετρα για την παρεμπόδιση των ζημιών κεραυνού στο σιδηροδρομικό σύστημα σηματοδότησης. Στο 8 κεφάλαιο μετρήθηκε η κατανομή του δυναμικού του κρασπέδου εδάφους όταν προκλήθηκε μια αύξηση δυναμικού της ράγας με την έγχυση ενός υπερρεύματος κεραυνού σε μια ράγα. Επιπλέον, διοχετεύθηκε ένα υπέρρευμα κεραυνού μέσα στη ράγα ή στο κράσπεδο εδάφους για να αυξηθεί το δυναμικό τους, προκειμένου να μετρηθούν οι υπερτάσεις κεραυνού σε μια ισόπεδη διάβαση έτσι ώστε να μπορέσουν να λάβουν βασικά δεδομένα για το σχεδιασμό της μόνωσης. Τέλος, αποδεικνύεται ότι ένα αποτελεσματικό αντίμετρο είναι να γειώσουμε τις συσκευές αντικεραυνικής προστασίας που συνδέονται με τους ηλεκτρονικούς ανιχνευτές τραίνων σε μια ισόπεδη διάβαση προκειμένου να κατασταλούν οι υπερτάσεις κεραυνού στην ισόπεδη διάβαση. Στο 9 κεφάλαιο μετρήθηκαν οι υπερτάσεις κεραυνού που προκλήθηκαν από την εισβολή των κυμάτων κεραυνού στο σιδηροδρομικό σύστημα ισόπεδης διάβασης, στην περίπτωση ενός πραγματικού πλήγματος κεραυνού, ώστε να μπορούν να κατανοηθούν οι υπερτάσεις αυτές ποσοτικά. Έτσι θα μπορούσαμε να διευκρινίσουμε τη συχνότητα εμφάνισης των υπερτάσεων κεραυνού στο σύστημα της ισόπεδης διάβασης στην κατάσταση του πραγματικού πλήγματος κεραυνού. / The subject of this project is the lightning protection for track circuits of electrical railway systems. But before being reported ways and protection devices or given some examples of applications for rail lines in some countries, should be an introductory reference around the core of this work: the lightning. Thus, chapter 1 contains a description of some import concepts about lightning. Starting from the charge of the clouds and how it is, we arrive at the different types of lightning. Here the simulation in the laboratory with some major gaps evacuation for some of the conclusions of the lightning discharges. Then analyze the mechanism of atmospheric discharges through three phases: entry drain, phase of the return drain and the connecting drain. Finally an analysis of lightning current and his parameters became, while some relationships are given about occurrence frequency of lightning. In the 2nd chapter an analysis of fuse link, an application used for lightning protection on track circuits, is described. First the special system parameters for this specific application, used in traction systems will be described. Then a brief overview of the complete project is given. Following computer simulations will be described, in which the lightning current distribution in a traction system was determined. In the paragraph 2.1.3.δ, the laboratory testing of the voltage limiting device, especially its lightning current behavior is explained. Moreover the practical application of the lightning resistant fuse link both in a field test and following in stand applications is described. Finally the design of this lightning resistant fuse link is explained. In the 3rd chapter Metal-Oxide (MO) surge arresters are described. Power systems of electric railways may be protected against overvoltages by using them. The operating principle of an MO surge arrester is essentially based on the strongly non-linear current-voltage characteristic of specific ceramic elements, so-called MO varistors, is described. Following the three types of (MO) surge arresters for electrical railway systems: with a Porcelain Housing, with a Polymer Composite Housing and with a Directly Moulded Polymer Housing. Finally, talk about use of MO surge arresters in DC traction systems as per Association of German Transport Undertakings (VDV), in various railway applications. In the 4th chapter an overvoltage protection concept for DC railway systems, is analyzed. First, there is a reference about system voltages and on various forms of overvoltages, of direct and indirect lightning strokes. Below, some protection devices (and their characteristics), such as the (MO) lightning surge arresters (A1 and A2 type), the Low Voltage Limiters (LVLs), while a newly developed Hybrid Voltage Limiter (HVL), which combines overvoltage protection and the protection against dangerous touch voltages, is introduced, are quoted. Finally, a description about some protection measures on overhead lines, for substations, and also on traction vehicles, while some test results using LVLs, are given. The 5th chapter investigates the prediction of severe lightning discharges that might cause a serious disturbance in train operation, by using computers based on the Japanese Lightning Detection Network (JLDN), in order to support dispatchers to make an effective decision about arranging maintenance engineers, emergency electrical power generators and extra electrical devices for quick recovery. A real-time decision support system has been developed. Two principal estimation techniques, which are used for estimating the trajectory of moving hazardous area and the lifetime of the lightning activity, have been evaluated by applying them to the real lightning data. In the 6th chapter details of the lightning surge sensor for railway are described. This is a new railway signal control system, which controls railway signals, switches, track circuits based on IP protocol. In this system, much electronic devices are installed along harsh railway environment. Therefore, these electronic devices must have environment resistance for lightning surge, temperature, vibration, waterproof, and electromagnetic noise. As a countermeasure for the lightning surge, we utilize the protective device (cable arrester). The degradation of the protective device may cause the damage of the electric devices. So we develop a lightning surge sensor to detect the degradation of a protective device. In the 7th chapter the measurements of lightning transients entering a railway facility during the summer of 2003, in Tierp, Sweden, are described. The measurements of the transients were made in a technical house that supplies an uninterrupted supply for the telecommunication systems and the signal systems. Examples of transient waveforms are presented and discussed. Finally, the major idea of chapters 8 and 9 is that it’s required to build up effective and economical countermeasures for preventing lightning damages on the railway signalling system. In the 8th chapter the wayside ground potential distribution when a rail potential rise was caused by injecting a lightning surge current into a rail, are measured. Moreover, a lightning surge current into the rail or wayside ground is injected, to raise their potential, in order to measure the lightning overvoltages on a level crossing so that we can obtain basic data for insulation design. It is shown in the paper that an effective countermeasure is to earth lightning protective devices attached to electronic train detectors for a level crossing in order to suppress the lightning overvoltages on the level crossing. In the 9th chapter the lightning overvoltages caused by invading lightning surges into the railway level crossing system in the event of real lightning stroke so that we can grasp the lightning overvoltages quantitatively, are measured. So, we could clarify the occurrence frequency of lightning overvoltages on the level crossing system in the condition of the real lightning stroke.