Μελέτη και εξομοίωση διαφόρων τύπων ηλεκτροδίων γείωσης με το Οpera-2d / Simulation of several grounding electrode types with Opera-2d

Γείωση είναι η αγώγιμος σύνδεση ενός σημείου κάποιου κυκλώματος ή ενός μεταλλικού αντικειμένου με το έδαφος, προκειμένου να αποκτήσουν το ίδιο δυναμικό με τη γη, πού ως γνωστό κατά σύμβαση, το δυναμικό της γης θεωρείται μηδέν. Η γείωση εξασφαλίζει την ακεραιότητα του εξοπλισμού και τη σωστή λειτουργία του, όταν συμβεί κάποιο σφάλμα. Παρέχει δε μια διαδρομή απαγωγής του ρεύματος προς τη γη. Το σύστημα γείωσης είναι ένα βασικό κομμάτι του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας οποιουδήποτε τμήματος ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα σωστά κατασκευασμένο σύστημα γείωσης προστατεύει το προσωπικό, που βρίσκεται στο υπό προστασία κτήριο και αποτρέπει καταστροφές τόσο στον άψυχο όσο και στο έμψυχο υλικό. Για να μπορέσουμε να σχεδιάσουμε σωστά ένα σύστημα γείωσης πρέπει να έχουμε καλή γνώση της δομής του εδάφους στην περιοχή που θα τοποθετηθεί. Πρέπει να μετρήσουμε την ειδική αντίσταση για να δούμε αν το έδαφος μπορεί να αποτελείται από διαφορετικά στρώματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η ειδική αντίσταση του εδάφους εξαρτάται από την υγρασία, τη θερμοκρασία, την περιεκτικότητα σε προσμίξεις, τη μορφή της τάσης και το ηλεκτρικό ρεύμα. Ανάλογα με την τιμή της καθορίζεται το είδος, το εμβαδόν της επιφάνειας και το βάθος του συστήματος γείωσης, ώστε να έχουμε την επιδιωκόμενη τιμή της αντίστασης γείωσης. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου για την εξομοίωση του πλέγματος γείωσης του Υ/Σ της Δόριζας, χωρίς να λάβουμε υπόψη μας το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. / Grounding is a conductive connection point of a circuit or a metal object to the ground in order to obtain the same potential as the earth, known to contract, the potential of earth is zero. Grounding ensures the integrity of equipment and proper operation, when an error occurs. It also provides a route exhaust stream to the earth. The grounding system is an essential part of the lightning protection system for any part of a power electrical system. A properly constructed grounding system protects staff, located in the protected building and prevents damage to both inanimate and animate material. To be able to properly design a grounding system we must have a good knowledge of soil structure in the area that it will be placed. We can measure the resistivity to see if the soil can consist of different layers with different characteristics. The resistivity of soil depends on humidity, temperature, content of impurities in the form of voltage and current. Depending on its value we can specify the type, the surface area and depth of the grounding system in order to have the desired earth resistance value. The purpose of this study is the selection of a suitable model for simulating the grounding grid of substation of Dorizas, without taking into account the phenomenon of ionization of the ground and study the transition behavior.

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η εξομοίωση ενός πλέγματος γείωσης υποσταθμού μέσης τάσης και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. / Grounding, is the connection of metal elements of an installation with the ground, in order that the potential of this, is evened with the potential of the ground. Aim of a grounding system is to provide a street of low resistance in currents from lightning or faults to the ground and to decrease the probabilities of growth of dangerous incremental voltages or voltages of contact, determining a potential of report. The grounding systems are very important and for this reason have been studied their behavior from a lot of researchers and have been proposed various models of simulation. The more important piece than the study of a grounding system is the transient response, because there are presented the most dangerous phenomena and the voltages which appear present largest values as well as more abrupt curves. Aim of this work is to study and simulate the earthing grid of a substation. Θere are presented the results of the simulation of an earthing grid in order for the thunder electricity to be inserted to the node where the “tower" of 150 kV is being earthed and in order for the shift circuit to be inserted to the node where the thansformer of the substation is being earthed.

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 του συστήματος γείωσης είναι να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση του κεραυνικού ρεύματος ή ρευμάτων βραχυκύκλωσης μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο, που δύνανται να πλήξουν τον άνθρωπο, καθώς και να προκαλέσουν ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Η απόδοση των συστημάτων γείωσης που υπόκεινται σε κρουστικά ρεύματα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η συμπεριφορά της αντικεραυνικής προστασίας των κτιρίων, σχετίζεται με τα κρουστικά χαρακτηριστικά των διατάξεων γείωσης. Αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής εργασίας αφορά τον έλεγχο και μέτρηση γειώσεων συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας των προκατασκευασμένων κτιρίων , του μουσείου και άλλων επιλεγμένων κτιρίων του πανεπιστήμιου Πατρών. Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται περιγραφή κάποιων εισαγωγικών εννοιών σχετικά με τα μεγέθη του κεραυνού, τα είδη των κεραυνών, τον υπολογισμό της συχνότητας κεραυνικών πληγμάτων αλλά και τις επιπτώσεις που έχουν στις κατασκευές και στην ανθρώπινη ζωή. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της γείωσης, η εξοικείωση του αναγνώστη με βασικούς ορισμούς, αναφέρονται οι μέθοδοι γείωσης, οι τύποι των ηλεκτροδίων ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά μεγέθη που σχετίζονται με την απόκριση ενός συστήματος γείωσης. Στο Τρίτο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στην θεμελιακή γείωση η οποία παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους τύπους γείωσης όπως είναι το χαμηλό κόστος, η χαμηλή τιμή αντίστασης αλλά και η ευελιξία που παρέχει αφού μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για γείωση ΣΑΠ λαμβάνοντας υπόψη τις πρόσθετες ειδικές απαιτήσεις σύμφωνα με τα προτυπο ΕΛΟΤ EN 62305-3:2006 και το διεθνές IEC 62305-3:2006. Στο Τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ). Αρχικά γίνεται μια περιγραφή τον ενεργών διατάξεων σύλληψης κεραυνών ενώ στη συνέχεια αναφέρονται αναλυτικά όλα τα στάδια που απαιτούνται για την εγκατάσταση ενός ΣΑΠ . Στο Πέμπτο Κεφάλαιο παραθέτονται οι πίνακες με τις μετρήσεις και τις συνθήκες που επικρατούσαν κατά την διάρκεια των μετρήσεων καθώς και τα σημεία που μετρηθήκαν πάνω στην κάτοψη των κτιρίων . Η εργασία περατώνεται με την αναφορά συμπερασμάτων και τις βιβλιογραφικές αναφορές από όπου άντλησα το υλικό μου . / 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 purpose of the grounding system is to successfully carry off and diffuse the lightning current or short-circuit currents into the earth, quickly and safely, without causing dangerous overvoltages in the surrounding area, which can affect humans, and cause irreparable damages to the equipment . The performance of grounding systems subjected to impulse currents, play an important role in safe and reliable operation of a power system. The behavior of lightning protection of buildings, associated with impact characteristics of grounding arrangements. The subject of this study is the control and measurement of earthing systems, lightning protection of prefabricated buildings, the museum and other selected buildings in the University of Patras. The first chapter contains a description of some import concepts on sizes of lightning, types of lightning, calculating the frequency of lightning shocks and their effects on structures and human life. The second chapter is an introduction to the concept of grounding, to familiarize the reader with basic definitions, referred to the grounding methods, types of electrodes and then present the main featured items associated with the response of a grounding system. The third chapter is extensively referred to the foundational ground which presents several advantages over other types of ground such as low cost, low resistance value and the flexibility provided, that can be used for grounding LPS with the additional specific requirements in accordance with the standard ELOT EN 62305-3:2006 and international IEC 62305-3:2006. The fourth chapter presents the design of a lightning protection system (LPS). At the start there is a description of the active devices capture lightning and then details all the steps required to install an LPS. In the fifth chapter are given the tables of measurements and conditions prevailed during the measurements and the points measured on the layout of buildings. The work ends with the report conclusions and bibliographical references from which I draw my material.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της έννοιας «ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος» σε ότι έχει να κάνει με τον ορισμό της έννοιας, παραδείγματα προβλημάτων ποιότητας ισχύος στο δίκτυο και σε ηλεκτρικά συστήματα καθώς και ανάλυση των αιτιών και των επιπτώσεων των προβλημάτων αυτών. Επίσης γίνεται μελέτη των απαιτήσεων γείωσης, ώστε να εξασφαλίζεται η αξιοπιστία του συστήματος και κατ΄επέκταση η ποιότητα ισχύος σε ηλεκτρικά συστήματα. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην έννοια της αξιοπιστίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, των κριτηρίων που την εξασφαλίζουν, καθώς και τη σημασία που αυτή έχει για το σχεδιασμό των σύγχρονων συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο ορίζεται η έννοια της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος, ενώ αναφέρονται και χαρακτηριστικά παραδείγματα μέσα από τα οποία εμφανίζεται. Επιπλέον παρουσιάζονται τα αίτια πρόκλησης του κάθε προβλήματος και των επιπτώσεων που φέρουν αυτά στα φορτία του συστήματος. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των αιτιών προβλημάτων αξιοπιστίας των συστημάτων, τα οποία επηρεάζουν την ποιότητα ισχύος και οδηγούν σε διακοπές τροφοδοσίας. Τα προβλήματα αυτά οφείλονται σε σφάλματα του εξοπλισμού των συστημάτων διανομής αλλά και σε εξωτερικούς παράγοντες όπως είναι η ίδια η φύση, οι καιρικές συνθήκες και η ανθρώπινη αμέλεια. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η έννοια της ποιότητας ισχύος στο σύστημα διανομής του εξηλεκτρισμένου πλοίου καθώς και σε αιολικά πάρκα κατά την ενσωμάτωση ανεμογεννητριών στο δίκτυο. Παρουσιάζονται προβλήματα ποιότητας ισχύος, καθώς και οι αιτίες πρόκλησής τους με τις αντίστοιχες επιπτώσεις. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικές έννοιες για τις γειώσεις, τρόποι γείωσης σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις χαμηλής και μέσης τάσης, κατηγορίες ηλεκτροδίων γείωσης και τέλος μελέτη της αντίστασης γείωσης και των παραγόντων εξάρτησής της. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες γενικές απαιτήσεις γειώσεων του εξοπλισμού ηλεκτρικών εγκαταστάσεων σχετικά με την επιλογή των αγωγών και τις καλύτερες δυνατές συνδεσμολογίες. Επίσης αναφέρονται προβλήματα λόγω μη αξιόπιστης γείωσης και τέλος γίνεται μελέτη του συστήματος γείωσης ενός αιολικού πάρκου για διάφορους τρόπους σχεδιασμού αυτού του συστήματος. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται απαιτήσεις γείωσης και διασυνδέσεων στον εξοπλισμό του συστήματος διανομής ενός εξηλεκτρισμένου πλοίου. Στο όγδοο κεφάλαιο παραθέτονται τα συμπεράσματα της παραπάνω μελέτης σε σχέση με την απαιτούμενη ποιότητα ισχύος και την αποτελεσματική γείωση των συστημάτων. / The purpose of the paper is to study the concept of “power quality” as regards its definition, examples of power quality problems in grid and electrical systems as well as the analysis at the causes and impacts of these problems. Besides, we are going to study grounding requirements to ensure the system’s reliability and, thus, the power quality in electrical systems. The first chapter refers to the concept of reliability of power systems, the criteria to ensure it and its importance in designing modern power systems. The second chapter defines the concept of power quality and mentions examples through which it appears. Besides, there is a presentation of the causes of each problem and its impacts on the loads of electrical systems. The third chapter analyzes the system’s reliability problems which affect the power quality and lead to power outage. These problems are due to the faults in the equipment of distribution systems and other factors such as the nature itself, the weather and human negligence. The fourth chapter examines the concept of power quality in the distribution system of an all-electric ship and in wind farms in integrating wind turbines into the grid. There is also a presentation of power quality problems, their causes and effects. The fifth chapter presents general concepts of grounding, ground methods in low and middle voltage electrical installations, categories of ground electrodes and, finally, the study of grounding resistance and the factors on which it depends. The sixth chapter presents some general requirements for the grounding of the equipment of electrical installations regarding the selection of conductors and the best possible connections. It also mentions problems due to unreliable grounding and, finally, it studies the grounding system of a wind farm for different ways of the design of this system. The seventh chapter presents grounding and connection requirements in the equipment of the distribution system of an all-electric ship. The eighth chapter presents the conclusions of the study above in correlation with the required power quality and the effective grounding of the systems.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τον έλεγχο και τη μέτρηση των γειώσεων από τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας των κτιρίων του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι να υλοποιεί την απαγωγή και διάχυση του ρεύματος από τον κεραυνό μέσα στη γη, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις που μπορεί να πλήξουν τον άνθρωπο ή τον εξοπλισμό. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή βασικών εννοιών σχετικά με τα ηλεκτρικά φαινόμενα που εμφανίζονται στην ατμόσφαιρα. Συγκεκριμένα αναλύεται πως δημιουργούνται οι κεραυνοί και ποια είναι τα είδη τους, η συχνότητα των κεραυνικών πληγμάτων, οι συνέπειές τους και η αρχή λειτουργίας των αλεξικεραύνων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται βασικές έννοιες για το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, πως γίνεται η σχεδίασή του, τα υλικά που απαιτούνται και πως καθορίζεται η στάθμη προστασίας για την εκάστοτε κατασκευή και τον εκάστοτε τόπο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι συνθήκες και η επίδρασή τους στο αποτέλεσμα των μετρήσεων όπως οι καιρικές συνθήκες και οι διάφοροι μέθοδοι μέτρησης των γειώσεων. Τέλος παρουσιάζονται οι μετρήσεις των γειώσεων από όλα τα κτίρια του Πανεπιστημίου Πατρών. Ακολουθούν τα συμπεράσματα αυτής της μελέτης και το παράρτημα με τις εικόνες που επισημαίνουν διάφορα σημεία του Πανεπιστημίου Πατρών. Τέλος παρουσιάζεται η βιβλιογραφική αναφορά των πηγών για αυτή την εργασία. / The subject of this study deals with the control and measurement of earthing systems of lightning protection of buildings in the University of Patras. The purpose of the grounding system is to implement the kidnapping and diffusion current from the lightning into the earth without creating dangerous power surges that can harm humans or equipment. The first chapter is a description of basic concepts relating to electrical phenomena that occur in the atmosphere. It is analyzed that generated lightning and what are their types, the frequency of lightning strikes, their consequences and the operating principle of lightning conductors. The second chapter describes basic concepts for the lightning protection system, the way that this system can be designed, the materials needed and how the level of protection can be determined for each building and each site. The third chapter presents the conditions and their effect on outcome measurements such as weather conditions and the various methods of earthing measurement. Finally measurements of the ground are presented from all the buildings in the University of Patras. Following the conclusions of this study, is included the appendix with images that highlight various points. At the end, is the bibliographic reference sources for this work.

Το σημαντικότερο στοιχείο σε μία ηλεκτρολογική εγκατάσταση είναι η γείωση. Με τον όρο γείωση εννοούμε τη διαδρομή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα σε καθοδηγούμενα πλαίσια προς τη γη.Με τη μέθοδο αυτή αποφεύγεται η πρόκληση τυχόν βλαβών στους χρήστες σε περιπτώσεις διαρροής, λόγω του ότι το ρεύμα καθοδηγείται μέσα από τα μεταλλικά μέρη του κτιρίου ή μέσω του αγωγού γειώσεως, χωρίς να διαπεράσει το ανθρώπινο σώμα. Η απόδοση των συστημάτων γείωσης που υπόκεινται σε κρουστικά ρεύματα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η συμπεριφορά της αντικεραυνικής προστασίας των υποσταθμών, σχετίζεται με τα κρουστικά χαρακτηριστικά των διατάξεων γείωσης. Προκειμένου να επιτευχθεί η ορθή σχεδίαση του ηλεκτρικού συστήματος, σε ότι αφορά την προστασία των εγκαταστάσεων έναντι ανώμαλων γεγονότων, είναι θεμελιώδες και απολύτως απαραίτητο να προβλεφθεί η μεταβατική συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης, υπό την επίδραση κρουστικών κεραυνικών ρευμάτων, ή ρευμάτων σφάλματος. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε με σκοπό τη μελέτη και την προσομοίωση της μεταβατικής κυρίως συμπεριφοράς του συστήματος γείωσης Υ/Σ υψηλής τάσης της ΔΕΗ,καθώς σε αυτό το στάδιο εμφανίζονται τα πιο επικίνδυνα από ηλεκτρικής απόψεως φαινόμενα.Συγκεκριμένα εξετάστηκε το πλέγμα γείωσης του Υ/Σ ανύψωσης 20/150kV, για σύνδεση αιολικού πάρκου στο Περδικοβούνι,του δήμου Κορώνιας στη Βοιωτία. Για την μεταβατική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα προσομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων για συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας ATP- EMTP, απ’ όπου λαμβάνονται τα αποτελέσματα υπό μορφή γραφημάτων στις περιπτώσεις πλήγματος κεραυνού, αλλά και σφάλματος στο μετασχηματιστή ισχύος. Για την μελέτη του συγκεκριμένου πλέγματος λάβαμε υπόψη το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και κάναμε χρήση του μοντέλου του κυκλώματος με κατανεμημένες και χρονικά μεταβαλλόμενες παραμέτρους. Η επιλογή του μοντέλου αυτού έγινε με γνώμονα την απλότητα εφαρμογής του μοντέλου, καθώς επίσης δύναται και με ιδιαίτερη ευκολία να λάβει υπόψη το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους και των αμοιβαίων συζεύξεων. / The most important element in an electrical installation is the grounding.By the term grounding we mean the path of the electrical current through guided context to earth. This method avoids causing any harm to the users in case of leakage, because the current is driven through the metal parts of the building or through the grounding conductor, without penetrating the human body. The performance of grounding systems that are subject to impulse currents play a significant role in the safe and reliable operation of a power system. The behavior of the lightning protection of substations, is related to impulse characteristics of grounding provisions. In order to achieve the proper design of the electrical system, as regards the protection of installations against abnormal events is fundamental and absolutely necessary to predict the transient behavior of grounding systems under the influence of lightning percussive currents or fault currents. The present thesis was undertaken in order to study and simulate the transient mainly behavior of the grounding system of a voltage rise substation as this is the stage where the most dangerous,in terms of electricity,phenomena appear.Specifically,what was examined is the grounding grid of the voltage rise substation 20/150 kV to Perdikovouni,in Viotia for connection with a wind farm.For the transient analysis we used the program ATP-EMTP which is a software designed for simulating electromagnetic phenomena for electrical power systems and from where the results are received in graphical form in the case of a lighting strike as well as during a power transformer fault. For the study of this particular grid we took into consideration the effect of ionization of the ground and we used the model of the circuit with distributed and time-varying parameters. The choice of this model was based on the simplicity of applicating the model, as well as on the fact that it can take into account with particular ease the phenomenon of soil ionization and mutual couplings.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η εξέταση των προτεινόμενων συστημάτων γείωσης για ανεμογεννήτριες σύμφωνα με την IEC και η προσομοίωση με Matlab της συμπεριφοράς τους σε πλήγμα κεραυνού στην κατασκευή μέσω της μεθόδου FDTD. Στο πρώτο κεφάλαιο αναπτύσσεται σύντομα το φαινόμενο του κεραυνού και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια δίνονται στοιχεία για την αιολική ενέργεια και την εκμετάλλευσή της στον κόσμο και στην Ελλάδα. Επίσης αναλύονται τα βασικά μέρη και η λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών όπως προτείνεται στο διεθνές πρότυπο IEC-61024 και η διαδικασία αξιολόγησης της επικινδυνότητας μιας τέτοιας κατασκευής. Δίνονται οι βασικοί ορισμοί για συστήματα γείωσης. Διεξοδικότερα εξετάζονται οι δύο τύποι συστημάτων γείωσης για ανεμογεννήτριες, σύμφωνα πάντα με την IEC. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η μέθοδος FDTD (Finite Difference Time Domain ) και ο αλγόριθμος του Yee. Η καινοτομία του αλγορίθμου αυτού ήταν η γεωμετρική απεικόνιση για τη δειγματοληψία των τιμών του ηλεκτρικού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου η οποία αντιπροσωπεύει τις ολοκληρωτικές και τις διαφορικές μορφές των εξισώσεων του Maxwell. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε επίσης η μέθοδος λεπτού αγωγού (thin wire) η οποία επιτρέπει την ακριβή μοντελοποίηση ενός λεπτού αγωγού(όπου λεπτός αγωγός ορίζεται ως αγώγιμο καλώδιο η ακτίνα του οποίου είναι μικρότερη από το μέγεθος του κελιού που χρησιμοποιεί η FDTD) και περιγράφεται στη συνέχεια του κεφαλαίου. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζουμε δυο προτεινόμενες διατάξεις γείωσης σύμφωνα με το πρότυπο της IEC. Εξηγείται αναλυτικά πως υλοποιήθηκε ο αλγόριθμος FDTD στο Matlab και αναφέρονται οι παραδοχές που έγιναν για τη σύγκλιση της μεθόδου .Παρουσιάζεται με γραφική απεικόνιση από το MAtlab η μοντελοποίηση του χώρου για τις 2 διατάξεις. Μελετάμε την αύξηση δυναμικού ,την βηματική τάση και την μεταβατική αντίσταση για τη διάταξη τύπου Α με ένα κάθετο ηλεκτρόδιο . Εξετάζουμε πως επηρεάζει τα παραπάνω μεγέθη η μεταβολή του βάθους του ηλεκτροδίου και πως μεταβάλλονται σε διαφορετικούς τύπους εδαφών. Ακόμα εξετάζουμε την συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης για τη διάταξη τύπου Β με ένα οριζόντιο δακτύλιο και τέσσερα κάθετα ηλεκτρόδια συγκριτικά με τη διάταξη Α. Στο τελευταίο κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και γίνεται σύγκριση των δύο προτεινόμενων διατάξεων γείωσης από την IEC. Συνοψίζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθόδου FDTD για προσομοίωση συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης σε πλήγμα κεραυνού. Επίσης προτείνονται διαφορετικές προσεγγίσεις στην υλοποίηση της μεθόδου για την αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων. / The subject of this essay is the analysis of the suggested by IEC grounding systems for wind turbines and the simulation of these systems using the FDTD method .The software used for the simulations was MATLAB. First chapter is a brief but essential theoretical approach on the lightning phenomenon. Moreover facts and figures are given for renewable energy and particularly wind power in Greece and worldwide. Furthermore the components and the function of a wind turbine are analyzed. The second chapter is a thorough study of the lightning protection systems for wind turbines as suggested by the international standard IEC-61204.The standard defines the risk assessment process of a wind turbine. The components of grounding systems are introduced and the two types of grounding systems for wind turbines according to IEC are analyzed. FDTD (Finite Difference Time Domain) method is analyzed in the third chapter along with Yee’s algorithm. The novelty of this method is the geometrical representation of the electrical and magnetic fields and the equations of Maxwell. The thin wire method was also used for the simulation in order to model precisely the conductors (as thin wire we define a wire with radius smaller than the cell used in the FDTD) and is described in this chapter. Along with writing this essay various grounding systems were simulated with MATLAB. In the forth chapter some brief comments about the development of the simulation are stated along with the description of the FTDT algorithm implementation. We study the potential rise, the step voltage and the transient resistance for the two types of grounding systems suggested by IEC and we observe how the depth of the rods and the resistivity of the soil affect them. In addition to that we also examine some variations of the two types of grounding systems in order to conclude to the optimal grounding system for a wind turbine. In the last chapter results are examined and conclusion are extracted and presented. The suggested by the IEC grounding systems are compared. Further optimizations of the simulation process are discussed leading to possible, future improvement. The advantages and disadvantages of the FTDT method for simulation of grounding systems after a lightning are presented.

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 του συστήματος γείωσης είναι να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση του κεραυνικού ρεύματος ή ρευμάτων βραχυκύκλωσης μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούνται επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο, που δύνανται να πλήξουν τον άνθρωπο, καθώς και να προκαλέσουν ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Η απόδοση των συστημάτων γείωσης που υπόκεινται σε κρουστικά ρεύματα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η συμπεριφορά της αντικεραυνικής προστασίας των υποσταθμών, σχετίζεται με τα κρουστικά χαρακτηριστικά των διατάξεων γείωσης. Προκειμένου να επιτευχθεί η ορθή σχεδίαση του ηλεκτρικού συστήματος, σε ότι αφορά την προστασία των εγκαταστάσεων έναντι ανώμαλων γεγονότων, είναι θεμελιώδες και απολύτως απαραίτητο να προβλεφθεί η μεταβατική συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης, υπό την επίδραση κρουστικών κεραυνικών ρευμάτων, ή ρευμάτων σφάλματος. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης υποσταθμού ανύψωσης τάσης 20/150 kV στη Βοιωτία. Σκοπός της είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου που θα προσομοιώσει το πλέγμα λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους, και μέσω του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP, γίνεται η εξομοίωση, απ’ όπου λαμβάνονται τα αποτελέσματα υπό μορφή γραφημάτων και μελετάται η μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος γείωσης, στις περιπτώσεις πλήγματος κεραυνού, αλλά και σφάλματος στο μετασχηματιστή ισχύος. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη περιγραφή των θεμάτων καθενός κεφαλαίου. Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της γείωσης, η εξοικείωση του αναγνώστη με βασικούς ορισμούς, αναφέρονται τα είδη και οι μέθοδοι γείωσης, καθώς επίσης οι τύποι των ηλεκτροδίων και οι βασικές διατάξεις γείωσης όπως προκύπτουν από τους διεθνείς κανονισμούς και τα ελληνικά πρότυπα. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά μεγέθη που σχετίζονται με την απόκριση ενός συστήματος γείωσης, τα οποία δεν είναι άλλα από την αντίσταση γείωσης, την ειδική αντίσταση του εδάφους, την κρουστική σύνθετη αντίσταση και την κρίσιμη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Στο Τρίτο Κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στο φαινόμενο ιονισμού του εδάφους, αναλύοντας τους μηχανισμούς διάσπασης του εδάφους καθώς και τα μοντέλα βάσει των οποίων μοντελοποιείται το φαινόμενο. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα μοντέλα στα οποία βασιζόταν αρχικά η προσομοίωση των ηλεκτροδίων γείωσης, και στη συνέχεια γίνεται ανασκόπηση στη βιβλιογραφία και σε δημοσιεύσεις διαφόρων ερευνητών. Έπειτα αναφέρονται τα επικρατέστερα μοντέλα και οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα για την προσομοίωση των συστημάτων γείωσης. Επίσης για καθένα από τα μοντέλα αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σε σχέση με τα υπόλοιπα μοντέλα. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP, δίνοντας ιδιαίτερη σημασία στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία. Στο Έκτο Κεφάλαιο επιλέγεται το μοντέλο προσομοίωσης, παρατίθενται τα στοιχεία του πλέγματος γείωσης του Υποσταθμού ανύψωσης τάσης, και ακολουθεί η εξομοίωση του. Στο Έβδομο Κεφάλαιο λαμβάνονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης υπό μορφή γραφημάτων, σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος στον Πυλώνα ή στους Ιστούς αντικεραυνικής προστασίας, αλλά και σε ενδεχόμενο σφάλμα στον μετασχηματιστή ισχύος. Εν συνεχεία σχολιάζονται και στο τέλος παρατίθενται οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προκύπτουν, εξάγεται το συμπέρασμα ότι το πλέγμα του συγκεκριμένου υποσταθμού είναι άρτια σχεδιασμένο και μπορεί να εγγυηθεί μια αξιόπιστη και ασφαλή λειτουργία. Αναφορικά με τον σχεδιασμό του συστήματος, γίνεται σαφές ότι όσο πιο πυκνό είναι το πλέγμα γείωσης, τόσο περισσότερο περιορίζεται η ανύψωση δυναμικού στα σημεία έγχυσης του ρεύματος κεραυνού καθώς και στα γειτονικά σημεία. Αυτό φαίνεται εάν συγκριθεί το γράφημα όπου ο κεραυνός πλήττει τον Πυλώνα (Vp=2,2kV), με το αντίστοιχο γράφημα όπου ο κεραυνός πλήττει τον ιστό 1 ή 3 (Vp=1,45kV). Το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους κάνει αισθητή την παρουσία του κατά τις μεταβατικές καταστάσεις, γι’ αυτό και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στην εξομοίωση του συστήματος γείωσης, αφού επηρεάζει την τιμή της κάθετης ως προς τη γη χωρητικότητας και αγωγιμότητας. Ως εκ τούτου αυξάνονται νοητά οι διαστάσεις των αγωγών και έτσι μειώνεται η αντίσταση γείωσης και περιορίζεται η ανύψωση δυναμικού. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η μέγιστη τιμή της τάσης ανέρχεται στα 55kV στο σημείο έγχυσης, η οποία τείνει στο μηδέν για απόσταση μεγαλύτερη των 10-12 μέτρων. / 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 purpose of the grounding system is to successfully carry off and diffuse the lightning current or short-circuit currents into the earth, quickly and safely, without causing dangerous overvoltages in the surrounding area, which can affect humans, and cause irreparable damages to the equipment . The performance of grounding systems subjected to impulse currents, play an important role in safe and reliable operation of a power system. The behavior of lightning protection of substations, associated with impact characteristics of grounding arrangements. In order to achieve the proper design of the electrical power system, as regards the protection of installations against anomalous events, it is essential and absolutely necessary to predict the transient behavior of a grounding system under the influence of lightning current surge, or fault currents. The subject of this study is to simulate the transient behavior of the grounding grid of a voltage rise substation 20/150 kV in Viotia. Its aim is the selection of an appropriate model to simulate the grid, taking into account the effect of soil ionization, and simulation takes place using the simulation program ATP-EMTP, whence results are obtained in graphical form, and the transient behavior of the grounding system is studied in the case of a lightning strike, but also of a fault in the power transformer. Afterwards there is a brief description of each chapter topics. In the First Chapter there is an introduction to the meaning of grounding, the reader is acquainted with basic definitions, the types and the methods of grounding are mentioned, as well as the types of electrodes and the basic grounding rules as they derived from international regulations and Greek standards. In the Second Chapter, the main features items related to the response of a grounding system are presented, which are the ground resistance, the soil resistivity, the impulse impedance and the critical electric field strength. In the Third Chapter, a comprehensive reference to the phenomenon of soil ionization takes place, analyzing the mechanisms of soil breakdown, as well as the models on which the phenomenon modeling is based. In the Fourth Chapter, the models which the simulation of grounding electrodes was originally based on are presented, and then there is a review in the literature and in publications of various researchers. Afterwards, the prevailing models and the analytical methods that are currently used to simulate grounding systems are mentioned. Also, for each of the models, advantages and disadvantages are reported in comparison with the rest models. In the Fifth Chapter, a brief presentation of the simulation program ATP-EMTP is carried out, emphasizing on the applications that are used in this study. In the Sixth Chapter, the simulation model is selected, the details of the grounding grid of the voltage rise substation are given, and its simulation follows. In the Seventh Chapter, the results of the simulation are obtained in graphical form, in the case of a lightning strike on the pillar or on the lightning protection tissues, but also in a potential fault in the power transformer. Then results are discussed, and finally observations and conclusions are quoted. According to the results, it is concluded that the grid of this substation is well designed and can guarantee the reliable and safe operation. Regarding the system design, it is become clear that the more concentrated is the grounding grid, the more limited is the potential rise in the lightning current injection point and the surrounding area. This appears if someone compares the graph where the lightning strikes the pillar (Vp =2,2kV), with the corresponding graph that the lighting strikes Tissue 1 or 3 (Vp =1,45kV). The soil ionization effect is strongly presented during the transients, so it should be taken into account in the simulation of the grounding system, since it affects the value of the shunt capacitance and conductivity. Therefore, dimensions of the conductors are conceivably increased, so the potential rise is limited as result of the reduction of the grounding resistance. It is noteworthy that the peak voltage is 55kV at the injection point, which tends to zero for distances greater than 10-12 meters.

Η αντικεραυνική προστασία των αιολικών πάρκων αποτελεί ένα πρόβλημα με αρκετές ιδιαιτερότητες λόγω της μορφής και της τοποθέτησης αυτών των κατασκευών σε σημεία όπου είναι ευάλωτα σε κεραυνικά πλήγματα. Για αυτό τον λόγο, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την προστασία των ανεμογεννητριών και διεξάγονται έρευνες για την αποτελεσματικότητα αυτών. Μία από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται είναι και η διασύνδεση των πλεγμάτων γείωσης των ανεμογεννητριών. Αντικείμενο, λοιπόν, της παρούσης εργασίας είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς ενός συστήματος γείωσης ενός αιολικού πάρκου το οποίο αποτελείται από τέσσερεις ανεμογεννήτριες. Τα πλέγματα γείωσης των ανεμογεννητριών συνδέονται μέσω αγωγών γείωσης, με σκοπό την καταγραφή της συμπεριφοράς της τάσης σε διάφορα σημεία των πλεγμάτων. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται σύγκριση των κυματομορφών των τάσεων στα διάφορα σημεία καθώς και σύγκριση για διαφορετικές διεγέρσεις και τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους, στο χώρο όπου τοποθετούνται οι γειωμένοι αγωγοί διασύνδεσης. Επίσης γίνεται σύγκριση της συμπεριφοράς του διασυνδεδεμένου μέσω αγωγών γείωσης συστήματος με ένα σύστημα στο οποίο η διασύνδεση των γεννητριών γίνεται μέσω αγωγών οι οποίοι ακουμπάνε στο έδαφος. Για την εξομοίωση των συστημάτων γείωσης, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της κυκλωματικής προσέγγισης σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόδια γείωσης παριστάνονται μέσω κατανεμημένων τμημάτων, τα οποία αποτελούνται από εν σειρά επαγωγές και αντιστάσεις, καθώς και εγκάρσιες αγωγιμότητες και χωρητικότητες. Το ισοδύναμο κύκλωμα δημιουργήθηκε στο πρόγραμμα εξομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων EMTP και οι τιμές των διαφόρων μεγεθών υπολογίστηκαν με τη βοήθεια του Microsoft Excel. / Lightning protection of wind farms is a complex problem because of the shape and the placement of these structures in places where lightning strikes are very common. That's why many different methods for the protection of wind turbines have been developed and researches are done for their effectiveness. One of these methods uses the interconnection of the wind turbine's grounding grids for protection. In this thesis, a transient analysis of a grounding interconnected system of a wind farm, consisting of four wind turbines, is being conducted. The grounding grids of each wind turbine are interconnected through buried conductors for the recording of the voltage behaviour in different nodes of the grounding grids. Additionally, a comparison of the voltage waveforms in different nodes is being conducted, as well as a comparison for different injected currents and values of soil resistivity in the place where the interconnecting conductors are being placed. A comparison of the behaviour of an interconnected system using conductors placed on the ground is also being conducted. For the simulation of the grounding systems, the model of circuit approach was used. According to this, the grounding electrodes are modeled using series resistors and inductors and transverse conductivities and capacitancies. The equivalent circuit was created in the electromagnetic phenomena programm EMTP and the parameter values were calculated with the use of Microsoft Excel.