Γείωση είναι η αγώγιμη σύνδεση ενός σημείου κάποιου κυκλώματος ή ενός μη-ρευματοφόρου μεταλλικού αντικειμένου μιας εγκατάστασης με το έδαφος, με σκοπό να αποκτήσουν το ίδιο δυναμικό με τη γη, το οποίο θεωρείται –κατά σύμβαση- ίσο με μηδέν. Σκοπός ενός συστήματος γείωσης είναι να μεταφέρει και να διαχέει το ρεύμα σφάλματος στη γη, εμφανίζοντας τη μικρότερη δυνατή αντίσταση στη διέλευση του ρεύματος στον ελάχιστο δυνατό χρόνο. Με αυτόν τον τρόπο ελαττώνεται ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας και παρέχεται ασφάλεια κατά την εκδήλωση σφάλματος ή σε περίπτωση κεραυνού, τόσο για τους χρήστες όσο και για τον εξοπλισμό της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης. Αποτελεί απαραίτητο τμήμα των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων για να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργία τους αλλά και η ποιότητα της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Τέλος παρέχει ένα δυναμικό αναφοράς για τα ηλεκτρικά σήματα στον τομέα των τηλεπικοινωνιών. Για να επιτευχθούν οι παραπάνω στόχοι πρέπει η αντίσταση γείωσης να έχει πολύ χαμηλή τιμή. Υπάρχουν περιπτώσεις που είναι αδύνατη η τοποθέτηση περισσοτέρων του ενός ηλεκτροδίου διότι η εργασία είναι αρκετά δαπανηρή , είτε λόγω της δομής του εδάφους, είτε λόγω του ανεπαρκή χώρου. Μια εναλλακτική μέθοδος που έχει αναπτυχθεί είναι η χρήση βελτιωτικών υλικών γείωσης γύρω από τα ηλεκτρόδια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία τοποθετήθηκαν ηλεκτρόδια γείωσης στο χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών και έγινε μέτρηση των αντιστάσεων τους, με σκοπό τη μελέτη της συμπεριφοράς διαφόρων βελτιωτικών υλικών γείωσης σε συνάρτηση με το χρόνο και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Ειδικότερα η διπλωματική αυτή εργασία αποτελείται από τα εξής κεφάλαια: Στο κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται μια αναφορά στην ορολογία και στις βασικές αρχές που διέπουν τα συστήματα γείωσης. Ακόμη γίνεται αναφορά στα είδη των ηλεκτροδίων γείωσης και στις διατάξεις που υπάρχουν. Δίνεται επίσης ο ορισμός της αντίστασης γείωσης και παρουσιάζονται οι μέθοδοι μέτρησης της τιμής της.Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η έννοια και ο ορισμός της ειδικής αντίστασης εδάφους. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι παράγοντες που την ειδική αντίσταση επηρεάζουν και γίνεται αναφορά στους τρόπους μέτρησης της. Τέλος αναφέρονται τρόποι διόρθωσης της αντίστασης γείωσης σε περίπτωση που οι τιμές τις είναι εκτός των επιτρεπτών ορίων. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στα βελτιωτικά υλικά γειώσεων και στις βασικές αρχές που τα διέπουν. Επίσης παρουσιάζεται το βελτιωτικό που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 4 αναφερόμαστε στα όρια ασφάλειας που πρέπει να πληροί ένα σύστημα γείωσης. Περιγράφεται η αντίσταση του ανθρώπινου σώματος καθώς και οι παράγοντες που επιδρούν στην περίπτωση ηλεκτροπληξίας. Τέλος, με την βοήθεια των ισοδύναμων κυκλωμάτων κατά την διάρκεια του βραχυκυκλώματος δίνονται τα επιτρεπτά όρια τάσης επαφής και βηματικής τάσης. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται η διεξαγωγή του πειράματος με αναφορά στην εγκατάσταση και στην διαδικασία μέτρησης των ηλεκτροδίων. Στην συνέχεια γίνεται επεξεργασία των μετρήσεων με χρήση διαγραμμάτων. Τελικά καταλήγουμε σε χρήσιμα συμπεράσματα και γίνονται κάποιες προτάσεις για προέκταση της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Τέλος, η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με το Παράρτημα, στο οποίο δίνονται αναλυτικά οι πίνακες με τα μετεωρολογικά δεδομένα την περίοδο που πάρθηκαν οι μετρήσεις. / Grounding is the conductive connection of a circuit’s point, or of a non-current carrying metallic object of an installation to the ground, in order to obtain the same potential as the earth, which is, by convention, equal to zero. The objective of a grounding system is to transfer and dissipate the fault current to earth, showing the least possible resistance to the passage of current to the minimum possible time. Thereby decreasing the risk of electric shock and provide security in the event of error or in case of lightning, both for users and for the installation of electrical equipment. Finally, provides a reference potential for the electrical signals in the telecommunications sector. To achieve these objectives, the grounding resistance should have very low value. There are cases where it is impossible to insert more than one electrode because the process is quite expensive, either because of the structure of the soil, either because of insufficient space. An alternative method that has been developed is the use of ground enhancing compounds around the ground electrodes. In this diploma thesis grounding electrodes placed in the university of Patras and their resistance was measured, with the aim of studding the behavior of various materials ground improvement in relation to time and environmental conditions. The earthing system is an essential part of power networks, is required for correct operation of the electricity supply network and to ensure good power quality. Specifically this thesis consists of the following chapters: Chapter 1 includes a reference to the terminology and basic principles of grounding systems. Also is referring to the existing types of grounding electrodes and their arrangements. It also gives the definition of ground resistance and presents methods of measuring its value. Chapter 2 describes the concept and definition of soil resistivity. Then follow the factors that affect resistivity and are mentioned ways of measurement. Finally it is mentioned the way of improving the ground resistance if the measured values are unacceptable. Chapter 3 refers to the ground improvement materials and their principles. Also it is presented the ground enhancing compound which was used in this diploma thesis. Chapter 4 is referring to the safety limits of a grounding system. Therefore is described the resistance of the human body and the affecting in case of electric shock. Finally, with the help of equivalent circuits during short circuit the permissible values of touch and step voltages. Chapter 5 describes to the experiment procedure referring to the installation and the process of the measurements. Then follows the processing of the measurements with diagrams. Eventually we arrive at useful conclusions and made some suggestions for extension of this thesis.Finally, in the Appendix there are the meteorological data for the months during which the experiment took place.

Οι γειώσεις διαδραματίζουν πρωτεύοντα ρόλο στην προστασία οποιασδήποτε εγκατάστασης, είτε πρόκειται για ηλεκτρικές εγκαταστάσεις ισχύος, είτε για τηλεπικοινωνίες, είτε για αντικεραυνική προστασία. Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι η ταχεία διάχυση του κεραυνικού ρεύματος ή γενικότερα του ρεύματος σφάλματος μέσα στη γη, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο, τόσο για τους ανθρώπους όσο και για τον ηλεκτρολογικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Για να είναι ένα σύστημα γείωσης αποδοτικό, θα πρέπει η αντίσταση γείωσής του να έχει πολύ χαμηλή τιμή ούτως ώστε να διασφαλίζεται η απρόσκοπτη διέλευση του ρεύματος προς τη γη. Για να επιτευχθεί μια τέτοια χαμηλή τιμή, λαμβάνοντας υπόψη ότι δεν είναι δυνατόν να επιλέγουμε πάντα το μέρος όπου θα εγκατασταθεί το σύστημα γείωσης με γνώμονα τη χαμηλή ειδική αντίστασή του, μπορούμε να προβούμε σε αύξηση των διαστάσεων του ηλεκτροδίου γείωσης (μήκος και διάμετρος), σε εγκατάσταση περισσοτέρων του ενός ηλεκτροδίων και τέλος σε προσθήκη βελτιωτικού υλικού (μη συμβατική γείωση) το οποίο μειώνει την ειδική αντίσταση του εδάφους γύρω απ’ το ηλεκτρόδιο. Η τελευταία επιλογή είναι ιδιαίτερα δημοφιλής σε εδάφη με πολύ υψηλές τιμές ειδικής αντίστασης ή και με αυξημένο κίνδυνο διάβρωσης του ηλεκτροδίου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, προσομοιώθηκαν διάφορα συστήματα γείωσης, συμβατικά και μη, με διαφορετικά μήκη και αριθμούς ηλεκτροδίων, σε ομοιογενή και πολυστρωματικά εδάφη με διαφορετικές ειδικές αντιστάσεις, διαφορετικές εγχύσεις ρεύματος και με ή χωρίς χρήση βελτιωτικού, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης κάθε παράγοντα στην τελική διαμόρφωση της αντίστασης γείωσης και των αναπτυσσόμενων τάσεων/ηλεκτρικών πεδίων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα μη συμβατικά συστήματα και στη σύγκριση της απόδοσής τους με την απόδοση των αντίστοιχων συμβατικών. Όλες οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν στο πρόγραμμα Opera-3d που χρησιμοποιεί τη Μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων για τον υπολογισμό των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και ακολούθως, των λοιπών σχετικών μεγεθών. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των θεμάτων που πραγματεύεται το κάθε κεφάλαιο. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται εισαγωγή στην έννοια των γειώσεων, αναφέρονται τα είδη και οι μέθοδοι γείωσης καθώς επίσης και οι διάφοροι τύποι των ηλεκτροδίων γείωσης και οι διατάξεις τοποθέτησής των. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται ορισμένα χαρακτηριστικά μεγέθη των συστημάτων γείωσης: η αντίσταση γείωσης, που αποτελεί μέτρο της απόδοσής τους και η ειδική αντίσταση του εδάφους που τα περιβάλλει. Γίνεται αναφορά τόσο στο θεωρητικό υπολογισμό όσο και στην πειραματική τους μέτρηση. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στα βελτιωτικά υλικά γειώσεων και στα διάφορα υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς γι’ αυτό το σκοπό. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στις διάφορες μεθόδους υπολογισμού πεδιακών μεγεθών. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων μιας και αυτή χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται το πρόγραμμα Opera-3d, στο οποίο πραγματοποιήθηκαν οι προσομοιώσεις, καθώς και τα ποικίλα πακέτα ανάλυσης που χρησιμοποιεί. Γίνεται επίσης αναφορά στις εξισώσεις και τον αλγόριθμο που χρησιμοποιεί για τον υπολογισμό των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών του εκάστοτε προβλήματος. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφονται αναλυτικά οι διατάξεις των συστημάτων γείωσης που προσομοιώθηκαν και τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων που δημιουργήθηκαν. Παράλληλα, παρουσιάζονται τα γραφήματα και τα αποτελέσματα που προέκυψαν σε κάθε περίπτωση. Τέλος, γίνεται αναφορά στη μετεπεξεργασία των αποτελεσμάτων, με σκοπό τον υπολογισμό της αντίστασης γείωσης, αλλά και στο θεωρητικό υπολογισμό της τελευταίας. Δίνεται μάλιστα και μία επέκταση του τύπου του Fagan [16] για την περίπτωση διστρωματικού εδάφους στο οποίο έχει γίνει προσθήκη βελτιωτικού. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων και καταγραφή διαφόρων χρήσιμων συμπερασμάτων. Τα αποτελέσματα επιδεικνύουν αφενός την τεράστια επίδραση που ασκεί το περιβάλλον έδαφος στην αντίσταση γείωσης ενός συστήματος και αφετέρου τη βελτίωση που επιτυγχάνεται απ’ το διπλασιασμό του μήκους του ηλεκτροδίου (μείωση αντίστασης γείωσης έως και 36,7%), την τοποθέτηση βελτιωτικού γύρω απ’ αυτό (μείωση έως και 68,3%) καθώς και την προσθήκη πλέον του ενός ηλεκτροδίων σε κατάλληλη μεταξύ τους απόσταση (μείωση 29,2% για δύο ηλεκτρόδια σε απόσταση τετραπλάσια του μήκους τους). Επίσης, προκύπτει ότι οι μη συμβατικές γειώσεις με βελτιωτικά προκαλούν πιο ομαλή μείωση του δυναμικού, περιορίζοντας έτσι τις αναπτυσσόμενες βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής. Τέλος, προτείνεται ένας θεωρητικός τρόπος υπολογισμού της αντίστασης γείωσης σε περιπτώσεις μη συμβατικών συστημάτων με βελτιωτικά ειδικής αντίστασης ≤1Ωm. / Grounding systems contribute considerably to the protection of constructions (electrical power installations, telecommunications or even lightning protection). The main objective of a grounding system is to quickly dissipate fault current into the ground, without causing dangerous overvoltages in the surrounding area, both for people and electrical or electronic equipment. For a grounding system to be effective, its grounding resistance should be low enough so as to make sure that the fault current is dissipated into the earth without any hindrances. To achieve such a low value, taking into account that it is not always possible to install a grounding system in a low resistivity soil, one could increase the electrode dimensions (its length and diameter), add more electrodes and finally enhance the surrounding ground by using various ground enhancing compounds (conductive backfills – nonconventional grounding). In this way, the surrounding soil resistivity decreases and that’s why this option is commonly used in sites where resistivity is very high or where corrosion constitutes a common threat to the electrode life span. In the context of the present diploma thesis, various grounding systems were simulated, both conventional and nonconventional. The parameters that were modified were: numbers and lengths of electrodes, current injections and homogenous or multilayered soil with different resistivity values and either with or without conductive backfills. The objective was to study the effect of each of the aforementioned parameters on the grounding resistance and the potential/electric field. Special emphasis was given on nonconventional grounding systems and their effectiveness comparing to conventional ones. The simulations were conducted in Opera-3d, a program that calculates electromagnetic fields through the Finite Element Method. A brief description of the issues that are analyzed in each chapter can be found next. Chapter 1 constitutes an introduction to the meaning and role of “grounding”. The reader is then acquainted with the grounding types and methods as well as the various types of electrodes and their set-ups. Chapter 2 focuses on certain typical quantities of grounding systems: namely, the grounding resistance and the surrounding soil resistivity. Chapter 3 provides information on the various ground enhancing compounds. Chapter 4 focuses on the various methods used for the calculation of electromagnetic fields. A more detailed reference to the Finite Element Method is given. Chapter 5 provides information on the Opera-3d program, which was used for the simulations, as well as the various analysis programs that are included. Information are also provided on the equations and the algorithm used by the program in order to calculate the electromagnetic fields. Chapter 6 provides an illustration of the various grounding set-ups which were simulated as well as the corresponding finite element models that were designed. Furthermore, the simulation results and graphs are presented. Last but not least, post-processing takes place in order to calculate the grounding resistance. The latter one is also calculated using theoretical formulas. An expansion of Fagan’s formula [16] is also given in the case of two-layered soil which has been enriched by a conductive backfill. In Chapter 7 the results are discussed and several observations are made. The results demonstrate the great impact the surrounding soil has on the grounding resistance. They also show the improvement which is achieved by doubling the electrode length (decrease of grounding resistance up to 36,7%), adding conductive backfills (decrease up to 68,3%) and installing more than one electrodes at appropriate distances (29,2% decrease in the case of two electrodes at a distance four times their length). Nonconventional grounding systems with conductive backfills are found to cause a smoother potential reduction, thus minimizing the step and touch voltages. Finally, a theoretical way of calculating the grounding resistance in nonconventional grounding systems with backfill resistivity ≤1Ωm is proposed.