Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη μελέτη σφάλματος στο δρομέα τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με τη δημιουργία δισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων και σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με βραχυκυκλωμένο δρομέα, με και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης καθώς και ανίχνευση του σφάλματος. Με εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis» ή «ΜCSA» είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε την ύπαρξη κάποιου σφάλματος στο κινητήρα. Η μέθοδος «ΜCSA» χρησιμοποιεί αισθητήρες οι οποίοι δεν διεισδύον στο εσωτερικό της μηχανής και η λειτουργία της βασίζεται στην ανάλυση του φάσματος του ρεύματος του στάτη (ρεύματος τροφοδοσίας) μίας ασύγχρονης μηχανής, με σκοπό να εντοπιστεί ένα σφάλμα εν τη γένεση του στον κινητήρα. Η ύπαρξη κάποιου σφάλματος προκαλεί την εμφάνιση αρμονικών συνιστωσών χαρακτηριστικών του συγκεκριμένου σφάλματος. Πραγματοποιήθηκε σχεδίαση μοντέλου τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα στις δύο διαστάσεις με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων «Opera – 2d» για να μελετηθεί η λειτουργία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με σφάλμα και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης, καθώς και για εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis». Με εξομοίωση του κινητήρα παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη και της ροπής για εφαρμογή της μεθόδου «MCSA». Στη συνέχεια με υλοποίηση πειραματικής διάταξης πραγματοποιήθηκε μελέτη της συμπεριφοράς τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με βραχυκυκλωμένο δρομέα, με και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Από την πειραματική διάταξη παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη για εφαρμογή της μεθόδου «MCSA». Τέλος έγιναν οι απαραίτητες συγκρίσεις ανάμεσα στα αποτελέσματα του κινητήρα με σφάλμα και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης καθώς και ανάμεσα στα αποτελέσματα της εξομοίωσης και των πειραματικών αποτελεσμάτων. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 6 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια περιληπτική αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν την κατασκευή και την λειτουργία της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Επίσης γίνεται αναφορά στα τυλίγματα των ασύγχρονων μηχανών καθώς και στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την εκκίνηση των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται παρουσίαση της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis» η οποία χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σφαλμάτων καθώς και για την επιτήρηση της λειτουργίας τριφασικών ασύγχρονων μηχανών. Παρουσιάζονται οι λόγοι για τους οποίους είναι χρήσιμο ένα τέτοιο διαγνωστικό σύστημα, η διάταξη υλοποίησης, τι πρέπει να προσέχουμε κατά την εφαρμογή του και πως εφαρμόζεται σε πολύπλοκα συστήματα. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής εργασίας. Γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης που υλοποιείται στο εργαστήριο για εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis». Από δύο όμοιους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες, ένα με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και ένα χωρίς σφάλμα παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη στις οποίες θα γίνει ανάλυση FFΤ έτσι ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Στο κεφάλαιο 4 βλέπουμε τη σχεδίαση και εξομοίωση των δύο κινητήρων που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη, με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων «Opera–2d». Παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδίασης των δύο κινητήρων καθώς και κάποια βήματα τα οποία προηγούνται της ανάλυσης. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε δυναμική ανάλυση στα δύο μοντέλα του κινητήρα με δύο διαφορετικές μεθόδους : i) υπό σταθερό αριθμό στροφών ανά λεπτό του δρομέα και ii) υπό σταθερό φορτίο στο κινητήρα. Επίσης πραγματοποιήθηκε ανάλυση κατά την εκκίνηση των δύο κινητήρων καθώς και υπό φορτίο. Για το κινητήρα με σφάλμα πραγματοποιήσαμε και μη γραμμική ανάλυση υπό φορτίο. Τέλος στο κεφάλαιο 6 πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και των αποτελεσμάτων τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε ανάλυση FFT στις κυματομορφές του ρεύματος στάτη καθώς και της ροπής για τους δύο κινητήρες. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν εξάγαμε σημαντικά συμπεράσματα όσο αφορά τη λειτουργία των δύο κινητήρων. Επίσης έγινε και μια σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός ελεγκτή, ο οποίος δύναται να διατηρήσει τον έλεγχο ενός ιπτάμενου ελικοπτέρου τεσσάρων ελίκων γνωστό και ως quadrotor, σε περίπτωση δυσλειτουργίας κάποιου κινητήρα. Η μοντελοποίηση και η προσομοίωση γίνεται με τη βοήθεια του προγράμματος Μatlab/Simulink. Αναλυτικότερα, στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του quadrotor, αναφέροντας τον τρόπο λειτουργίας του και τους σημαντικότερους σταθμούς της ιστορίας του μέχρι σήμερα. Στη συνέχεια, επισημαίνεται η αναγκαιότητα ενσωμάτωσης συστημάτων αυτομάτου ελέγχου σε συστήματα που επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα την ανθρώπινη ζωή καθώς και η σπουδαιότητα βελτίωσης αυτών, κάνοντάς τα ανεχτικά σε σφάλματα και δυσλειτουργίες. Στο κεφάλαιο 2, μελετώνται οι εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση και τον προσανατολισμό του quadrotor. Έτσι δημιουργείται το μοντέλο του συστήματος, τόσο με σταθερό όσο και με μεταβλητό κέντρο μάζας, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στις προσομοιώσεις για την αξιολόγηση των ελεγκτών. Τονίζεται πως η αντίσταση του αέρα δεν θεωρείται πλέον αμελητέα καθώς επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τη κατάσταση του οχήματος. Στο κεφάλαιο 3, δίνεται το θεωρητικό υπόβαθρο στο όποιο θα στηριχτούν οι ελεγκτές που θα δημιουργηθούν. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται μια παρουσίαση του ελεγκτή PID, καθώς και πως επηρεάζουν οι μεταβλητές του ένα σύστημα. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται σημαντικές πληροφορίες για την μοντελοποίηση των σφαλμάτων και το κεφάλαιο κλείνει με τη παρουσίαση ελεγκτών με ανοχή σε σφάλματα. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα μοντέλα των ελεγκτών που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις. Πιο αναλυτικά, ξεκινώντας από ένα ελεγκτή ικανό υπό προϋποθέσεις, καταλήγουμε σε ένα εύρωστο ελεγκτή αξιοποιώντας τη μετακίνηση του κέντρου μάζας. Για κάθε ελεγκτή δίνονται οι παράμετροι καθώς και η σχηματική του απεικόνιση στο simulink. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζονται και σχολιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Δίνονται γραφήματα που αφορούν τη θέση και τον προσανατολισμό σε όλη τη διάρκεια της πτήσης αλλά και στο κρίσιμο μεταβατικό φαινόμενο. Τέλος, επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα καθενός από τους υλοποιημένους ελεγκτές. Στο κεφάλαιο 6, δίνονται τα συμπεράσματα, αναφέρονται παρόμοιοι ελεγκτές και επιτεύγματα στο τομέα αυτό καθώς και οι διαφορές των ήδη υπαρχόντων λύσεων με τη δική μας προσέγγιση. / In this thesis, a control system, capable of retaining the control of a quadrotor vehicle when one of its actuators fails, is studied and simulated. The software which was used for modeling and simulation is Matlab/Simulink. Specifically, in Chapter 1, there is a brief presentation of quadrotor, stating how it operates and mentioning the most important historical cornerstones. Subsequently, we point to the necessity of integration of automatic control systems to systems that directly or indirectly affect human life and the importance of their improvement by making them tolerant to errors and malfunctions. In Chapter 2, we study the equations that describe the movement and orientation of the quadrotor. Using these equations, the quadrotor model is created, both for fixed and movable center of mass, which will be used in this thesis’ simulations. It is important to mention that the air resistance is no longer considered negligible as it significantly affects the state of the vehicle. In Chapter 3, the theoretical background is given upon which the controllers will be implemented. More specifically, the PID controller is presented, and its influence on the system’s performance. The modeling of quadrotor’s faults is presented and the chapter ends with the presentation of fault tolerant controllers. Chapter 4 presents the controllers’ models which were used in the simulations. Specifically, starting from a controller designed around a nominal operating point, we arrive at a robust controller utilizing the movement of the center of mass. For each controller, its parameters are given as well as its model in Simulink. In Chapter 5, the simulations’ results are presented and discussed in detail. Graphs are used to show the position and the orientation not only throughout the flight but also during the critical transition phenomenon. Finally, advantages and disadvantages of each of the implemented controllers are stated. In Chapter 6, there is the conclusion of the thesis. Similar controllers or achievements are mentioned and how our approximation differs from the other existing solutions.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετηθεί η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών μέσης τάσης του νομού Άρτας, όταν αυτές πλήττονται από διάφορα αίτια, τα οποία είναι καταγεγραμμένα μέσω του Συστήματος Αναγγελιών Βλαβών (ΣΑΒ) της ΔΕΗ και βρίσκονται στη διάθεσή μας για το έτος 2011. Τα κυριότερα αυτών είναι τα κεραυνικά πλήγματα και η κακοκαιρία και σε αυτά θα δωθεί βαρύτητα. Σκοπός είναι να εξαχθούν, μέσω θεωρητικών υπολογισμών, κάποια συμπεράσματα για το πως θα συμπεριφέρονται οι γραμμές αυτές ανάλογα με τη τοποθεσία, το ανάγλυφο της περιοχής, το ύψος της γραμμής και διάφορους άλλους παράγοντες που θα αναφερθούν λεπτομερώς στο 3ο κεφάλαιο. Για την καλύτερη κατανόηση όμως των προαναφερθέντων και για να έχουμε μια πιο πλήρη εικόνα επι του αντικειμένου, θα πρέπει αρχικά να γίνει μια συνοπτική παρουσίαση ενός τυπικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, αφού πρώτα αναλυθεί στα επιμέρους τμήματά του. Αναγκαία επίσης είναι και η αναφορά της IEEE οδηγίας για τη συμπεριφορά έναντι κεραυνών των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, μιας και οι επικρατούντες κλιματολογικές – περιβαλλοντολογικές συνθήκες είναι από τις βασικές αιτίες πρόκλησης σφαλμάτων στα εναέρια δίκτυα. / This thesis studies the behavior of medium voltage (distribution) lines of county of Artas, when they are affected by various causes, which are written down from the System Notice Damage of Hellenic Public Power Corporation and are at our disposal for the year 2011. The most important of them are lightning strikes and bad weather, to which extra focus will be given. Our purpose is to conclude through theoretical calculations to the behavior of these lines according to the location, relief area, the line’s height and other factors that will be mentioned in chapter 3. In order to have a complete perception of the subject, a brief presentation of a typical power system will take place after it is analysed in subsections. It is also important to mention the guidelines of Intstitute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) on the behaviour of air power distribution lines against lightning, as the prevailing environmental and climatological conditions are the most essential causes of faults on air lines.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη μελέτη της συμπεριφοράς ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC) στην υγιή του κατάσταση και σε διάφορα σφάλματα με σκοπό την εύρεση διαγνωστικών δεικτών για την αναγνώριση και τη διακριτοποίηση των σφαλμάτων. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Για τους σκοπούς της διπλωματικής εργασίας προσομοιώθηκε ένας κινητήρας τύπου BLDC στην υγιή κατάσταση και στα σφάλματα με σταθερό αριθμό στροφών. Τα σφάλματα που μελετήθηκαν είναι πλήρης απομαγνήτιση ολόκληρου μαγνήτη, πλήρης τοπική απομαγνήτιση των άκρων ενός μαγνήτη, στατική και δυναμική εκκεντρότητα. Οι κινητήρες BLDC κερδίζουν συνεχώς έδαφος στη βιομηχανική παραγωγή και σε άλλες εφαρμογές, εκτοπίζοντας σιγά σιγά τους κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος και τους Επαγωγικούς κινητήρες. Καθώς διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιομηχανική παραγωγή, και όχι μόνο, είναι απαραίτητο να προλαμβάνονται όσο το δυνατόν νωρίτερα διάφορες βλάβες που μπορεί να συμβούν στους κινητήρες και δημιουργηθούν έτσι προβλήματα στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν τα φασικά ρεύματα και η ηλεκτρομαγνητική ροπή του κινητήρα ως τα υπό διερεύνηση μεγέθη, και αφού έγινε FFT ανάλυση στα παραπάνω μεγέθη συγκρίθηκαν τα φάσματά τους για να βρεθούν τυχών διαφορές και να χρησιμοποιηθούν ως διαγνωστικοί δείκτες. Η παραπάνω μέθοδος, δηλαδή η ανάλυση FFT κάποιων μεγεθών της μηχανής, είναι και η πιο ευρέως διαδεδομένη για παρόμοια χρήση, χωρίς αυτό να αποκλείει και άλλες μεθόδους. Ο κινητήρας BLDC που μελετήθηκε είναι ισχύος 660 W, τροφοδοσίας 48 V μέσω ενός αντιστροφέα (inverter), έχει ονομαστική ταχύτητα περιστροφής 3000 rpm και διαθέτει 8 μαγνητικούς πόλους στο δρομέα του. Για την προσομοίωση όλων των καταστάσεων χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Opera-2d της εταιρίας Vector Fields, ένα λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Για την ανάλυση FFT χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Matlab της εταιρίας Mathworks. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία αναφορά στα μαγνητικά υλικά, χρήσιμη διότι έχουμε να κάνουμε με έναν κινητήρα που διαθέτει μόνιμους μαγνήτες στο δρομέα του αντί για τυλίγματα και επίσης, θα μελετηθούν σφάλματα απομαγνήτισης. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται θεωρητικά η δομή, η λειτουργία και η συμπεριφορά των κινητήρων BLDC, καθώς και παραθέτονται μαθηματικά μοντέλα και κυκλωματικά ισοδύναμα για τη δυναμική και για τη μόνιμη κατάσταση της μηχανής. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται παρουσίαση των σφαλμάτων. Μελετούνται οι αιτίες που τα δημιουργούν και τα επιδεινώνουν, καθώς γίνεται και μία παρουσίαση των συμπερασμάτων από διάφορες εργασίες και άρθρα όπου μελετώνται παρόμοια σφάλματα σε σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των διαφόρων καταστάσεων. Αρχικά γίνεται μία παρουσίαση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Έπειτα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, και συγκεκριμένα η συμπεριφορά διαφόρων μεγεθών του κινητήρα. Αυτά τα μεγέθη είναι οι μαγνητικές γραμμές, το μέτρο του μαγνητικού πεδίου στο μέσω του διακένου, τα φασικά ρεύματα και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, από τη μελέτη των οποίων βγαίνουν τα πρώτα συμπεράσματα για τη λειτουργία και την κατάσταση του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται αρχικά η μέθοδος FFT και μετά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης στα φασικά ρεύματα και στη ροπή. Από τη σύγκριση των φασμάτων της υγιούς κατάστασης και των σφαλμάτων βρίσκονται οι διαγνωστικοί δείκτες για την κατάσταση της μηχανής. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε. / In this thesis for diploma a Brushless DC (BLDC) is studying at healthy condition and under different kinds of faults. The purpose of this thesis for diploma is the For the purposes of this thesis for diploma a BLDC motor was simulated for the healthy condition and the faults. The faults under study are the uniform and the partial demagnetization of one permanent magnet, static and dynamic eccentricity. The variables that are studying are the phase currents and the electromagnetic torque of the motor. First, the waveforms of those variables were studying for the finding of the first conclusions and for the study of the behavior of the motor for those conditions. Furthermore, those variables were analyzed with the use of Fast Fourier Transform (FFT). The amplitudes of the harmonics of the phase currents and of the electromagnetic torque for the different faults were compared with the healthy condition for the finding of diagnostic indicators for the different faults.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της μελέτης και διάγνωσης σφαλμάτων στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής. Μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα κλωβού, σε υγιή κατάσταση αλλά και υπό συνθήκες σφάλματος. Πιο συγκεκριμένα, με τη χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων σε δυο διαστάσεις εξομοιώθηκαν πιθανά σφάλματα στο στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες βασικές αρχές λειτουργίας των ασύγχρονων μηχανών, μελετώνται τα κυριότερα σφάλματα που συναντώνται σε αυτές τις μηχανές και παρουσιάζονται οι γνωστότερες διαγνωστικές μέθοδοι σφαλμάτων που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Κυρίως αναλύεται η μέθοδος διάγνωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιεί την ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας του ρεύματος στάτη (MCSA) η οποία και χρησιμοποιείται τελικά για τη διάγνωση των συγκεκριμένων σφαλμάτων. Ειδικότερα, μελετήθηκαν δυο ειδών σφάλματα στάτη, τα οποία είναι πιθανόν να συμβούν σε αυτήν τη μηχανή, το βραχυκύκλωμα κάποιων σπειρών εντός της ίδιας αυλάκωσης μιας φάσης και το βραχυκύκλωμα σπειρών σε δυο γειτονικές αυλακώσεις της ίδιας πάλι φάσης του στάτη τα οποία και μελετώνται αναλυτικά παρακάτω. Στο επόμενο κεφάλαιο εξομοιώθηκαν τα δύο μοντέλα με σφάλμα, όπως προαναφέρθηκε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων κάνοντας όλες τις απαραίτητες τροποποιήσεις στις παραμέτρους των αρχικών μοντέλων ώστε να απεικονιστούν στα μοντέλα τα σφάλματα που επιθυμούμε. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες οι γραφικές παραστάσεις των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών για όλες τις περιπτώσεις όπως αυτές προέκυψαν από την ανάλυση με το πρόγραμμα της Opera -2d. Συγκεκριμένα, τα μοντέλα αναλύθηκαν με έναν επιλυτή που λαμβάνει υπ’ όψιν και την κίνηση του δρομέα (RM solver), όπου ενώ η μηχανή στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών στην ονομαστική κατάσταση βλέπουμε τη συμπεριφορά της με και χωρίς τα σφάλματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο χρησιμοποιούνται οι διαγνωστικές μέθοδοι για την ανίχνευση των σφαλμάτων και παρατίθενται τα αποτελέσματά τους. Πιο συγκεκριμένα, αναλύθηκε το φάσμα συχνοτήτων των κυματομορφών του ρεύματος στάτη και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής (FFΤ), ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος. Επίσης μελετήθηκε η μορφή της χρονικής συνάρτησης του μαγνητικού πεδίου σε ορισμένα χαρακτηριστικά σημεία της μηχανής. Τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα , μαζί με την συνεισφορά της εργασίας καθώς και θέματα για διερεύνηση. / In this paper we dealt with the topic of the study and diagnosis of errors stator asynchronous machine. Modeled and analyzed the function of a three-phase asynchronous motor cage, but in a healthy state and under fault conditions.

Ένα μεγάλο ποσοστό των σφαλμάτων στα δίκτυα διανομής μέσης τάσης οφείλεται σε πλήγματα από κεραυνούς. Οι κεραυνοί μπορεί να προκαλέσουν στις γραμμές είτε απλές υπερτάσεις ή και καταστροφή των μονώσεων και του εξοπλισμού. Σαν αποτέλεσμα, τα σφάλματα μπορεί να είναι στιγμιαία (τα οποία αποτελούν και πλειοψηφία) ή μόνιμα που είναι και τα πιο σοβαρά και συνοδεύονται από οικονομικές επιπτώσεις. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των γραμμών σε καταπονήσεις από κεραυνούς. Αναλύονται οι βασικοί παράγοντες που σχετίζονται με τα σφάλματα από κεραυνούς όπως, η πυκνότητα των κεραυνών στο έδαφος (GFD), ο αριθμός των σφαλμάτων από άμεσα πλήγματα και από πλήγματα σε παραπλήσια αντικείμενα και η σχέση αυτών με το σύνολο των πραγματικών σφαλμάτων που έχουν καταγραφεί. Επίσης παρουσιάζονται κάποια διαγράμματα όπου συγκρίνεται το ποσοστό των σφαλμάτων από κεραυνούς με τα υπόλοιπα είδη σφαλμάτων και η συχνότητα των σφαλμάτων από κεραυνούς ανά εποχή του έτους. Στόχος της μελέτης είναι η εφαρμογή της μεθόδου, που θα χρησιμοποιήσουμε για τη θεωρητική εκτίμηση σφαλμάτων, σε ένα πραγματικό σύστημα και οι αποκλίσεις που παρουσιάζει από τα πραγματικά δεδομένα, η πρόβλεψη των σφαλμάτων από κεραυνούς στις γραμμές διανομής και ο εντοπισμός των «ευάλωτων» τμημάτων του δικτύου μέσης τάσης. Τα αποτελέσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της συμπεριφοράς των γραμμών σε πλήγματα από κεραυνούς και την ελάττωση των σφαλμάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια γενική περιγραφή των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ). Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η δομή των ΣΗΕ, οι βασικές τους λειτουργίες και τα είδη των σφαλμάτων που επηρεάζουν την λειτουργία τους και διαταράζουν την ευστάθειά τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύεται το φαινόμενο του κεραυνού και οι βασικές έννοιες που τον διέπουν. Περιγράφεται ο τρόπος δημιουργίας των εκκενώσεων, τα είδη των κεραυνών και γίνεται μια αναφορά στη γενική αρχή λειτουργίας των αλεξικέραυνων. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο οδηγός του IEEE για την βελτίωση της συμπεριφοράς των γραμμών διανομής έναντι κεραυνών, πάνω στην οποία βασίστηκε και η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία. Σκοπός του οδηγού αυτού είναι να προσδιορίσει τους παράγοντες που συνεισφέρουν στις βλάβες από κεραυνό στις εναέριες γραμμές διανομής και να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για την μείωση των βραχυκυκλωμάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται η μελέτη των γραμμών διανομής της περιοχής των Τρικάλων. Αρχικά περιγράφεται το κλίμα και η μορφολογία της περιοχής που θα μελετηθεί. Στη συνέχεια, δίνεται η μεθοδολογία της μελέτης των γραμμών όπως συγκεντρώθηκε από τον οδηγό του προηγούμενου κεφαλαίου και στη συνέχεια γίνεται εφαρμογή της μεθοδολογίας αυτής στις γραμμές διανομής που τροφοδοτούν με ενέργεια τους οικισμούς και την πόλη των Τρικάλων. Τέλος, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για το δίκτυο μέσης τάσης για να δοθεί μια συνολική εικόνα και δίνονται κάποια στατιστικά σε σχέση με τις βλάβες από τα οποία θα εξάγουμε σημαντικά συμπεράσματα. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από τα αποτελέσματα της μελέτης. Σχολιάζονται τα αποτελέσματα της θεωρητικής εκτίμησης των σφαλμάτων και της σχέσης τους με τα πραγματικά δεδομένα. Επίσης, αναλύονται τα διαγράμματα της μελέτης που δείχνουν τον αριθμό των πραγματικών σφαλμάτων από κεραυνούς σε κάθε γραμμή, το πλήθος αυτών ανά εποχή του έτους και η σχέση των σφαλμάτων από κεραυνούς με τα υπόλοιπα καταγεγραμμένα σφάλματα του δικτύου. / A significant share of faults on overhead distribution lines is caused by lightning. Lightning strikes may cause overvoltage or total destruction of insulation and equipment. As a result, faults are considered temporary (the majority of them) or permanent which are the most severe and are followed by economic consequences. This diploma thesis studies the lightning performance of electric power overhead distribution lines. Some of the basic factors such as lightning intensity measured by ground flash density (GFD), the number of direct strokes, the number of induced voltages from nearby strokes and their relation with the actual faults on overhead lines, are thoroughly studied. Moreover, diagrams comparing the faults caused by lightning with the rest of the faults that occur on overhead distribution lines are presented and finally the density of lightning strikes on each season is analyzed. The purpose of this diploma thesis is the application of the guide (that will be used for the estimation of the number of faults by lightning) on a real distribution system, the divergence between the guide’s estimations and the actual faults that occurred on the lines, the provision of faults caused by lightning on overhead distribution lines and the detection of the “weak” parts on the distribution system. The results can be used for the improvement of the lightning performance of overhead distribution lines and the reduction of faults caused by lightning. The first chapter provides general information about the electrical power systems. The general structure, their basic functions and the faults that occasionally occur and disrupt their stability are presented. The second chapter analyzes the incidence of lightning and its basic characteristics. The production of lightning discharges, the types of lighting and the general function of the arresters is described. The third chapter presents the IEEE guide for the improvement of the lightning performance of electric power overhead distribution lines which is used on this diploma thesis. The purpose of the guide is to define the parameters that contribute to faults by lightning and to present alternatives for reducing lightning-caused flashovers on overhead distribution lines. The fourth chapter contains the application of the guide on the distribution lines in the area of Trikala-Greece. In the beginning, the climate and the morphology of the area is described. Also, the methodology of the calculations which was extracted from the IEEE guide is given in specific steps and it is applied on the distribution lines that provide with energy the villages and the city of Trikala-Greece. Additionally, the final results are organized and presented in order to provide an overview of the area’s distribution system and important statistics and diagrams are provided that lead to significant conclusions. The fifth chapter contains the conclusions that were extracted from the fourth chapter’s calculations. The results of the theoretical fault estimation and their relation with the actual faults that were detected on the distribution system are analyzed. Furthermore, the diagrams that present the number of the actual lightning-faults that were detected on each distribution line, the number of faults by lightning that occur on every season and the number of faults by lightning in comparison with the rest of the faults that were detected on the distribution system are also explained and analyzed.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως γενικό σκοπό την ανάλυση, μελέτη και εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη διαδικασία μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, που πραγματοποιείται μέσω των γραμμών μεταφοράς που έχουν οδευτεί στην πόλη της Χαλκίδας, καθώς και στην ευρύτερη ημιαστική περιοχή. Επίσης, παρατίθενται και επεξεργάζονται τα σφάλματα που έχουν καταγραφεί από την αρμόδια υπηρεσία του Διαχειριστή Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΗΕ). Επιπροσθέτως, για την εξαγωγή συμπερασμάτων, τα εν λόγω σφάλματα αντιπαραβάλλονται στα μετεωρολογικά δεδομένα που έχουν αντληθεί για την περιοχή ενδιαφέροντος. Τέλος, ακολουθεί αναλυτικός υπολογισμός των θεωρητικών σφαλμάτων που προκύπτουν από κεραυνικές εκκενώσεις στις γραμμές μεταφοράς, με σκοπό την ανάλυση και των συσχετισμό των αποτελεσμάτων που προέκυψαν, με τα σφάλματα που παρατηρήθηκαν σε πραγματικό χρόνο. Αναλυτικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή και σύγκριση μεταξύ της κατάστασης που επικρατούσε στο παρελθόν και την σημερινή εποχή, όσον αφορά στον τρόπο που αντιμετωπίζεται η εμφάνιση των σφαλμάτων στις γραμμές μεταφοράς σε ένα σύστημα διανομής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο που σχετίζεται με τα είδη των υπερτάσεων, τις συνέπειές τους στις γραμμές μεταφοράς και κάποιοι στοιχειώδεις τρόποι αντιμετώπισης. Επίσης, αναλύονται συνοπτικά οι μηχανισμοί που οδηγούν στην εμφάνιση των εξωτερικών υπερτάσεων, δηλαδή των κεραυνικών εκκενώσεων, καθώς επίσης γίνεται αναφορά στη μοντελοποίησή τους για την περαιτέρω κατανόηση του φαινομένου του κεραυνού. Τέλος, παρατίθενται οι κατηγορίες των σφαλμάτων που προκαλούνται από τις προαναφερθέντες υπερτάσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο, ακολουθεί ο ορισμός, η περιγραφή και η δομή ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ), με σκοπό την καλύτερη εποπτεία και κατανόηση της λειτουργίας του συστήματος υπομεταφοράς της Χαλκίδας. Το τέταρτο κεφάλαιο αφιερώνεται στην περιγραφή και ανάλυση των δύο υποσταθμών της Χαλκίδας με τις κωδικές ονομασίες ΧΑΛΚΙΔΑ 1 και ΧΑΛΚΙΔΑ 2 αντίστοιχα, καθώς επίσης στην παράθεση των κυκλωματικών διαγραμμάτων των γραμμών μεταφοράς που υπάγονται στην εποπτεία και στον έλεγχο των ανωτέρω υποσταθμών. Στο κεφάλαιο 5, καταγράφονται και κατηγοριοποιούνται τα δεδομένα που πάρθηκαν από τους υποσταθμούς, σε μορφή πινάκων, ανά μήνα και ανά ημερολογιακό έτος για κάθε γραμμή μεταφοράς ξεχωριστά. Επιπρόσθετα, παρατίθενται τα μετεωρολογικά δεδομένα των ετών 2008 έως 2013, όπως αυτά αντλήθηκαν από το μετεωρολογικό σταθμό Χαλκίδας, με σκοπό την σύγκρισή τους με τα σφάλματα των γραμμών και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Στο κεφάλαιο 6, πραγματοποιείται ο θεωρητικός υπολογισμός των σφαλμάτων από κεραυνό στις γραμμές μεταφοράς των δυο υποσταθμών, καθώς επίσης και ο συγκριτικός σχολιασμός των αποτελεσμάτων που προέκυψαν σε συνδυασμό με τα σφάλματα που καταγράφηκαν σε πραγματικό χρόνο. Τέλος, το έβδομο κεφάλαιο αφιερώνεται στην περιγραφή των γενικών συμπερασμάτων από την σύγκριση των μετεωρολογικών δεδομένων με τα καταγραφέντα σφάλματα των γραμμών μεταφοράς, καθώς επίσης και με τα θεωρητικά σφάλματα όπως αυτά υπολογίστηκαν στο κεφάλαιο 6. Η εργασία αυτή καταλήγει στην περιγραφή των λύσεων που προτείνονται με σκοπό τη μείωση των εμφανιζόμενων σφαλμάτων και στην ασφαλέστερη, αποδοτικότερη και ορθότερη γενικά λειτουργία του συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας της Χαλκίδας και της ημιαστικής περιοχής που αυτό τροφοδοτεί. / This diploma thesis has as general aim to study, analyze, and extract conclusions referring to the procedure of electric power distribution, which is accomplished with the distribution lines that have been placed in the city of Chalkida and in the wider suburban region around it. Also, the faults that have been recorded from the qualified service of the Administrator of the Greek Network’s Distribution of Electric Power, are going to be opposed and processed. Furthermore, for the extraction of conclusions, these faults are going to be collated with the meteorological data that have been taken from the region of interest. Finally, it has been analytically calculated the theoretical faults due to lightning strikes at the distribution lines, in order to analyze and correlate the results that have been extracted, with the real time faults that occurred. To begin with, in the first chapter a description and comparison takes place between the situation of the past and nowadays, about the way the faults of the distribution lines in an electric power system are being exerted. In the second chapter, there is an analysis of the theoretical knowledge background about the categories of the electrical surges, their consequences on the distribution lines and some ways of settlement. In addition, the mechanisms that lead to lightning strikes are being analyzed and there is a description of their modeling for further understanding. Last but not least, the categories of faults that occur because of the above electrical surges, are being opposed and described. The third chapter presents the definition, description and general structure of an electrical power system, in order to better supervise and understand the function of the sub-transferring electric power system of Chalkida. The fourth chapter refers to the description and analysis of the two electric substations of Chalkida with the code names CHALKIDA 1 and CHALKIDA 2, and also includes the circuits of function of the distribution lines that are under the control and supervision of these two electric power substations. In the fifth chapter, the data that has been taken from the electric power substations, is being recorded and categorized. In the sixth chapter, the theoretical faults due to lightning strikes are being calculated and also annotated in comparison with the real time faults. Finally, the seventh chapter focuses on the apposition and description of the general conclusions of the meteorological data that has been combined with the recorded data that refers to the distribution lines, and also with the theoretical faults as they have been calculated on the previous chapter. This diploma thesis ends with the description of the solutions that are being recommended in order to minimize the real time faults and also turn the electric power system of Chalkida and the wider region around it, safer, more efficient and fully functional, as far as the distribution of electric power is concerned.

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η συμβολή στην διαδικασία εκτίμησης του αριθμού των αναμενόμενων σφαλμάτων των γραμμών μεταφοράς στο Ελληνικό Δίκτυο με στόχο τον καλύτερο σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς. Λαμβάνοντας τα στοιχεία του αριθμού των σφαλμάτων για τα έτη 2007 και 2008, στο παρόν έργο, συγκρίνονται τα πραγματικά σφάλματα με τα αναμενόμενα (εκτιμηθέντα με τη βελτιωμένη μέθοδο ANACOM) και εξάγονται συμπεράσματα για την ικανότητα της μεθόδου να συμβάλλει στον επαρκή σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς στον Ελλαδικό χώρο. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν δεκαπέντε (15) γραμμές μεταφοράς 150kV και 400kV αρχικά υπολογίζοντας τα αναμενόμενα σφάλματα με την προαναφερθείσα μέθοδο και στη συνέχεια συγκρίνοντας τα σφάλματα αυτά με τα πραγματικά. Παρατηρήθηκε ότι, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις ο αριθμός των πραγματικών σφαλμάτων ήταν σημαντικά μικρότερος από τον αριθμό των αναμενόμενων, υπήρξαν τέσσερις (4) γραμμές για τις οποίες η μέθοδος ANACOM είχε ως αποτέλεσμα σοβαρή υποεκτίμηση. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης συγκρίθηκαν με αποτελέσματα προγενέστερων σχετικών μελετών και συμπεράσματα εξήχθησαν με στόχο την αξιολόγηση της επάρκειας της μεθόδου ως μοναδικό κριτήριο για τον σχεδιασμό των γραμμών μεταφοράς. / The aim of this paper is to contribute to the process of estimating the number of expected errors of transmission lines in Greek Network in order to better design of transmission lines. Taking the figures of the number of errors for the years 2007 and 2008, in this work, comparing actual to expected errors (evaluated with the improved method ANACOM) and draws conclusions about the ability of the process to assist in the design of adequate transmission lines to Greece. Specifically studied fifteen (15) transmission lines 150kV and 400kV initially calculating the expected errors to the aforementioned method and then comparing these errors with the actual. Observed that, while in most cases the number of factual errors were significantly smaller than the number expected, there were four (4) lines for which the method ANACOM resulted serious understatement. The results of this study were compared with results of previous related studies and conclusions were reached in order to assess the adequacy of the method as the sole criterion for the design of transmission lines.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε με στόχο την μελέτη και την καταγραφή των σφαλμάτων που έχουν προκληθεί από κεραυνικά πλήγματα στο εναέριο δίκτυο μέσης τάσης της ΔΕΔΔΗΕ στη νήσο της Λευκάδας. Γι' αυτό το λόγο γίνεται αναλυτικός υπολογισμός των θεωρητικών σφαλμάτων από κεραυνούς σε κάθε μία από τις πέντε γραμμές διανομής ξεχωριστά. Επίσης παρατίθενται και επεξεργάζονται τα πραγματικά σφάλματα που έχουν καταγραφεί στη βάση δεδομένων της ΔΕΔΔΗΕ με σκοπό την ανάλυση και το συσχετισμό τους με τα αντίστοιχα θεωρητικά. Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται η δομή ενός τυπικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας με ιδιαίτερη έμφαση στα τμήματα από τα οποία αποτελείται και τα χαρακτηριστικά τους. Επίσης γίνεται αναφορά και στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Ελλάδας ενώ παρουσιάζονται κάποιοι πίνακες με χαρακτηριστικά μεγέθη του. Κατόπιν, στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται το φυσικό φαινόμενου του κεραυνού και τα βασικά χαρακτηριστικά του. Εξετάζονται τα είδη των κεραυνών και ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η οδηγία της IEEE η οποία αναλύει την συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι των κεραυνών. Αντικείμενο της είναι η εύρεση λύσεων για την μείωση των προκληθέντων βραχυκυκλωμάτων στις γραμμές. Συγκεκριμένα, προσδιορίζεται 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. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ο αναλυτικός υπολογισμός των θεωρητικών σφαλμάτων από κεραυνούς για κάθε μία γραμμή. Επιπρόσθετα, σε μορφή πινάκων γίνεται η καταγραφή των πραγματικών σφαλμάτων για τα έτη 2004 - 2013 και η σύγκριση με τα αντίστοιχα θεωρητικά με σκοπό την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. / This diploma thesis has been prepared with a view to study and analyze faults caused by lightning strikes in medium voltage overhead network of Lefkada. For this reason, an analytical calculation of theoretical faults has been made in each one of the five distribution lines separately. In addition, the actual faults, that are recorded in the database of HEDNO (Hellenic Electricity Distribution Network Operator), are listed in order to analyze and compare them with the corresponding theory. To begin with, the first chapter of this paper describes the form of a typical electric power system with particular attention to its parts and their characteristics. Reference is also made in the power system of Greece while presented some tables with typical sizes. The second chapter presents the natural phenomenon of the lightning and its main features. The types of lightning are reviewed here as well as the mechanism of atmospheric discharges. The third chapter is a reference to the directive of the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), regarding to the behavior of air distribution lines in case of lightning. The purpose here is to present alternative solutions for the decrease of short-circuit occurrences caused by lightning on overhead lines. Specifically, the behavior of the overhead distribution lines in the event of lightning strikes is determined (meaning both direct lightning strikes and short-circuits arising from the induced voltage), as well as the level of insulation of distribution lines, the protection of distribution lines by employing a protective tube, and the protection of the lines using lightning rods. Finally, the fourth chapter contains the detailed calculation of the theoretical faults of lightning strikes on each line. Furthermore the recording of factual errors during years 2004 – 2013 and the comparison with the corresponding theoretically has been made, so as to deduce useful conclusions.

Η δειγματοληπτική έρευνα είναι η έρευνα η οποία βασίζεται στο δείγμα για να εξάγει συμπεράσματα για τον πληθυσμό. Στη δειγματοληπτική έρευνα υπάρχουν σφάλματα. Τα σφάλματα είναι οι αποκλίσεις των αποτελεσμάτων της δειγματοληπτικής έρευνας από τις αντίστοιχες πραγματικές τους τιμές. Στην έρευνα αυτή προσπαθούμε να τα ελαχιστοποιήσουμε. Προσπαθούμε να παρέμβουμε επί της διαδικασίας δειγματοληπτικής έρευνας στην οποία υπάρχουν με τέτοιον τρόπο έτσι ώστε τα εξαγόμενα αποτελέσματά της να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στα αντίστοιχα πραγματικά. / In sample survey there are errors. The errors are the declinations between the estimated values and the real ones. In this thesis we try to find ways in order to minimize them.