Σε αυτή την διπλωματική εργασία θα γίνει μελέτη της συμπεριφοράς γραμμών διανομής σε καταπονήσεις από κεραυνούς. Η πτώση ενός κεραυνού είτε απευθείας πάνω στο δίκτυο είτε κοντά σε αυτό προκαλεί βίαιες μετακινήσεις φορτίων μέσα στο δίκτυο υπό την μορφή ρεύματος Ι, πολλών (kA). Τα φορτία οδεύουν κατά μήκος των γραμμών και κατά τις δυο διευθύνσεις με τη μορφή οδεύοντων κυμάτων τάσεως και αντίστοιχου ρεύματος, μέχρις ότου εξαφανισθούν λόγω απόσβεσης ή διαρροής ή διάσπασης της μονωτικής ικανότητας των γραμμών. Η τάση που επάγεται (V=I*Z) συνήθως υπερβαίνει την κρουστική τάση αντοχής των μονώσεων του δικτύου και, αν δεν υπάρχει κατάλληλη προστασία της γραμμής προκαλεί διάσπαση της μόνωσης. Έτσι η στάθμη αντοχής της μόνωσης π.χ. των μετασχηματιστών, των διακοπτών κτλ. του δικτύου, πρέπει να είναι σημαντικά ανώτερη από την στάθμη της τάσεως, που μπορεί να εγγυηθεί η προστασία, που παρέχουν τα μέσα προστασίας. Η ηλεκτρική μόνωση στα περισσότερα συστήματα διανομής δεν είναι ομογενής. Η στάθμη μόνωσης (BIL) σε ένα δοσμένο τμήμα γραμμής μεταβάλλεται ευρέως. Επιπλέον οι γραμμές διανομής είναι σύνθετα ηλεκτρικά κυκλώματα τα οποία δεν είναι εύκολο να προσαρμοστούν σε κάποιο συγκεκριμένο μαθηματικό μοντέλο και να αναλυθούν για να προσδιορίσουμε τη στάθμη μόνωσης. Όμως οι μέθοδοι που προτείνονται σε αυτή τη διπλωματική εργασία είναι μαθηματικά απλές και αποδεικνύουν μόνο κατάλληλες προσεγγίσεις για τον σχεδιασμό των πιο συνήθων γραμμών διανομής. Ο σχεδιασμός της προστασίας από κεραυνούς σε γραμμές διανομής γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τα εξής αποτελέσματα. 1. Τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που θα συμβούν σε μια γραμμή διανομής όταν αυτή πλήττεται άμεσα από κεραυνούς. 2. Τον αριθμό των βραχυκυκλωμάτων που θα συμβούν εξαιτίας των πληγμάτων κεραυνών σε γειτονικό έδαφος. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αναφέρεται η ΙΕΕΕ οδηγία για τη συμπεριφορά έναντι κεραυνών των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός της είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές. Συγκεκριμένα θα προσδιοριστεί η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση πτώσης κεραυνού (πλήγματα κεραυνών και βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση), το επίπεδο μόνωσης των γραμμών διανομής, η προστασία των γραμμών διανομής με προστατευτικό αγωγό καθώς επίσης και η προστασία των γραμμών με αλεξικέραυνα. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, θα αναπτυχθεί η καταγραφή σφαλμάτων και βλαβών λόγω πτώσεως κεραυνών στο δίκτυο της Μ.Τ. σε μετασχηματιστές καθώς και στις γραμμές διανομής Μ.Τ. κατά το έτος 2008 στην περιοχή της Πάτρας και γίνεται η συσχέτισή τους με τα θεωρητικά αποτελέσματα. / In the present "Diploma thesis", the behavior of the electric distribution lines under lightning strikes will be studied. A lightning strike,directly on an electric distribution line or indirectly nearby the line, will cause a violent charge movement.Which is actually current (many kA) propagating on the distribution line.The charges are traveling along the distribution line on both directions as traveling waves of voltage and current, until they disappear because of dumping,leakage or breakdown of the insulation ability of the line. The induced voltage (V=I*Z) exceeds the maximum impulse voltage that an insulation can afford, and if a protection is not present an insulation breakdown could be caused. Thus, B.I.L of transformers, switchers e.t.c of a distribution system has to be greater than the voltage level, which the protection can warrantee,and the protection utilities can provide. In most electrical distribution systems the electrical insulation is not homogeneous. B.I.L differentiates for a specific electrical transmission line. Furthermore,distribution lines are complex electrical circuits for which is difficult to be described and analyzed by a mathematical model in order to determine the insulation level. But in this diploma thesis, the mathematical models which are used are simple and proofing only the proper approximations for the design of the most common transmission lines. The design of lightning protection for transmission lines take care the following results. 1.The number of short-circuits that will occur in a transmission line if stroked direct by lightning. 2.The number of short-circuits that will occur in a transmission line if stroked indirect (in the nearby ground) by lightning. In the first part of this thesis is dedicated to the IEEE standard for the behavior of the overheaded electrical transmission lines. The purpose is to present alternative solutions in order to reduce short-circuits caused by lightning strokes. Specifically, the behavior of the overheaded electrical distribution lines when a lighting stroke (lightning stroke and induced voltage),the insulation level of the lines, the protection of the distribution lines with an over-running earth wire and the protection of the lines with surge diverters will be specified. In the second part of this thesis ,the faults and breakdowns caused by lightning strikes on the middle voltage (M.V) transformers and distribution lines,in 2008,at the Patras area will be presented and associated with theoretical results.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς ενός υποσταθμού υψηλής τάσης. Πιο συγκεκριμένα, με τη χρήση του προγράμματος εξομοίωσης EMTP μετρώνται τα δυναμικά σε ορισμένα σημεία του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού όταν κεραυνός πλήττει τον πυλώνα του υποσταθμού και όταν εμφανίζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης στον μετασχηματιστή. Πιο αναλυτικά, σε αυτή την εργασία περιλαμβάνονται τα εξής: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του κεραυνού και ο μηχανισμός δημιουργίας του ενώ αναλύονται τα είδη των υπερτάσεων που προκαλούνται από τα κεραυνικά πλήγματα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα είδη και οι μορφές των γειώσεων ενώ γίνεται αναφορά και στα συστήματα γειώσεων που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους το οποίο λάβαμε υπόψιν στην προσομοίωση του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού. Περιγράφεται ο μηχανισμός διάσπασης του εδάφους και αναλύονται τα διάφορα μοντέλα που έχουν προταθεί για τη περιγραφή της διαδικασίας του ιονισμού. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των διαφόρων μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης. Από τα μοντέλα αυτά επιλέγεται το κατάλληλο που θα χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται το πρόγραμμα ανάλυσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του υποσταθμού. Στο κεφάλαιο 6 δίνονται τα στοιχεία για το πλέγμα γείωσης του υποσταθμού και γίνεται η επιλογή του μοντέλου προσομοίωσης για το πλέγμα ενώ παρουσιάζεται και η μορφή του πλέγματος γείωσης που σχεδιάστηκε στο EMTP. Επίσης, αναλύεται η διαδικασία της εξομοίωσης που περιλαμβάνει μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του υποσταθμού σε πλήγμα κεραυνού στον πύργο των 150 kV και σε ενδεχόμενη εμφάνιση ρεύματος βραχυκύκλωσης στον μετασχηματιστή. Επίσης, μελετάμε και την περίπτωση όπου προσθέτουμε επιπλέον κατακόρυφες ράβδους γείωσης. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Δίνονται αναλυτικά όλα τα γραφήματα των δυναμικών που μετρήθηκαν καθώς και συγκεντρωτικά γραφήματα ενώ παρατίθενται και τα συμπεράσματα της προσομοίωσης. Έτσι, καταλήγουμε στο ότι οι μεγαλύτερες τιμές των δυναμικών εμφανίζονται στους κόμβους που εγχέουμε το ρεύμα κεραυνού και το ρεύμα βραχυκύκλωσης ενώ με την προσθήκη των επιπλέον κατακόρυφων ράβδων οι τιμές των δυναμικών μειώνονται. / The aim of this diploma thesis is the study of the transient behavior of a high voltage substation. First, basic senses such as the grounding and the lightning are analyzed. Sesondly, the bibliography related to the phenomenon of soil ionization of the ground and the transient behavior simulation models is presented while there is an analytical description of the simulation program that is used, EMTP-ATP. Moreover, the appropriate model for the simulation of the grounding grid is selected, including the phenomenon of the soil ionization, and the process of the simulation is explained. Finally, the simulation results are presented as well as the conclusions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετηθεί η συμπεριφορά των γραμμών Μέσης Τάσης (Διανομής), όταν αυτές πλήττονται από κεραυνούς είτε άμεσα είτε έμμεσα. Οι κεραυνοί είναι ένα φυσικό φαινόμενο με επικίνδυνες συνέπειες για την ασφάλεια των ανθρώπων, κτιρίων και ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Οι γραμμές του ηλεκτρικού δικτύου (είτε Υψηλής είτε Μέσης είτε Χαμηλής Τάσης) είναι ευάλωτες σε πλήγματα κεραυνών. Όταν ένας κεραυνός πλήξει άμεσα μια γραμμή ή το γειτονικό της έδαφος, τότε θα εμφανισθούν σφάλματα στο ηλεκτρικό δίκτυο υπό μορφή επικίνδυνων υπερτάσεων. Οι υπερτάσεις αυτές σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να υπερβαίνουν την κρουστική τάση αντοχής της μόνωσης του δικτύου με αποτέλεσμα,αν δεν υπάρχουν διατάξεις προστασίας, να διασπαστεί το διάκενο προκαλώντας ανεπανόρθωτη ζημιά στον εξοπλισμό μας. Η μελέτη για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής εμπεριέχει αρκετές προσεγγίσεις. Μερικές από αυτές αφορούν κάποιες βασικές παραμέτρους όπως, η πυκνότητα των κεραυνών στο έδαφος (GFD) και το πλήθος των άμεσων πληγμάτων στη γραμμή. Προκειμένου να εξάγουμε ασφαλή δεδομένα συμβουλευόμαστε τους αντίστοιχους μετεωρολογικούς πίνακες-χάρτες ( π.χ Ισοκεραυνικοί χάρτες). Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού. Εξετάζονται τα είδη των κεραυνών και η εξομοίωση του σε εργαστηριακές συνθήκες μέσω κρουστικής τάσης για δοκιμές της αντοχής των μονώσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της μορφής των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας με ιδιαίτερη έμφαση στο σύστημα διανομής. Παρουσιάζεται η δομή του συστήματος διανομής , τα επιμέρους μέρη και εξαρτήματα από τα οποία αποτελείται καθώς και τα χαρακτηριστικά τους. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται δεδομένα και στατιστικά του ελληνικού συστήματος διανομής. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται μια σντομη παρουσίαση των σφαλμάτων και υπερτάσεων που παρουσιάζονται στο σύστημα διανομής καθώς και των μέσω προστασίας που χρησιμοποιούμε προκειμένου να εξασφαλίσουμε την αδιάλειπτη λειτουργία και ακεραιότητα του συστήματος μας. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφέρεται η οδηγία της IEEE για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών. Σκοπός είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές. Συγκεκριμένα θα προσδιορισθεί η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση πτώσης κεραυνού (πλήγματα κεραυνών και βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση), το επίπεδο μόνωσης των γραμμών διανομής, η προστασία των γραμμών διανομής με προστατευτικό αγωγό καθώς και η προστασία των γραμμών με αλεξικέραυνα. Στο πέμπτο κεφάλαιο της εργασίας, θα αναπτυχθεί η καταγραφή σφαλμάτων και βλαβών λόγω πτώσεως κεραυνών στο δίκτυο Μέσης Τάσης, σε μετασχηματιστές καθώς και στις γραμμές διανομής Μ.Τ. τα τελευταία 6 χρόνια τουλάχιστον (2007-2012) στο νησί της Ρόδου. Θα υπολογισθεί αναλυτικά ο θεωρητικός αριθμός σφαλμάτων σύμφωνα με την οδηγία της IEEE και έπειτα θα συγκριθούν με τα πραγματικά σφάλματα που έχουμε προμηθευτεί από τη ΔΕΗ της Ρόδου με σκοπό την εξαγωγή των συμπερασμάτων μας. / This thesis studies the behavior of Medium Voltage (Distribution) lines, after direct or indirect lightning strokes. Lightning is a natural phenomenon with dangerous impacts for the safety of humans, buildings and electricity premises. The electricity network lines (either High, Medium or Low Voltage) are prone to lightning strikes. When a lightning directly strikes a line or its nearby ground, then faults occur at the power network in the form of risky overvoltage. Such overvoltage in many cases may exceed the shock impulse of the network's insulation resistance. In the event no safety arrangements are in place, this could lead to the gap breakdown, causing irreparable damage to our equipment. The study of the behavior of air distribution lines encompasses several approaches. Some concern the basic parameters, such as the ground flash density (GFD) and the number of direct strikes on the line. In order to reach safe data, we refer to the corresponding meteorological tables-maps (e.g. Lightning maps). The first section of the paper presents the natural phenomenon of the lightning and its main features. The types of lightning are reviewed and its simulation under laboratory conditions through shock impulse for the testing of the insulation resistance. The second section contains the presentation of the form of electric power systems, with special emphasis on the distribution system. It is a presentation of the distribution system structure, the individual parts and devices as well as their features. Data and statistics of the Greek distribution system are presented at the end of the section. The third section is a brief presentation of the faults and overvoltage occurring at the distribution system as well as of the protection measures we use in order to ensure the uninterrupted operation and the integrity of our system. The fourth section is a reference to the directive of the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) on the behaviour of air power distribution lines against lightning. The purpose is to present alternative solutions for the decrease of short-circuit occurrences caused by lightning on overhead lines. More specifically, the behaviour of the overhead distribution lines is determined in the event of lightning strike (lightning strikes and short-circuits arising from the induced voltage), the level of insulation of the distribution lines, the protection of the distribution lines by employing a protective tube, as well as the protection of the lines using lightning rods. The fifth chapter of the paper is an elaboration of the faults recorded and the damages caused due to lightning strikes on the Medium Voltage network, on transformers as well as on M.V. distribution lines over the past 6 years at least (2007-2012) on Rhodes Island. The theoretical number of faults will be calculated in detail, based on the IEEE directive and then these faults will be compared to the real faults provided by Rhodes' DEI [Greek Public Power Corporation], in order to reach our conclusions.