Η μόνωση του εξοπλισμού και των εγκαταστάσεων υψηλής τάσης είναι αναγκαία για τη διατήρηση της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των υπό υψηλή τάση αγώγιμων μερών. Οι μονωτήρες είναι οι διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά δίκτυα και στηρίζουν, διαχωρίζουν και περιέχουν αγωγούς υψηλής τάσης. Όλοι οι μονωτήρες έχουν διπλή λειτουργικότητα, μηχανική και ηλεκτρική, κάτι που δημιουργεί αντικρουόμενες απαιτήσεις στο σχεδιασμό τους. Επιπλέον, αποτελούν βασικά δομικά στοιχεία ενός συστήματος μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τις ηλεκτρικές διασπάσεις διηλεκτρικών. Είναι γνωστό ότι η ηλεκτρική διάσπαση των διηλεκτρικών επέρχεται μέσω της ανάπτυξης λεπτών καναλιών πλάσματος(streamers – leaders). Η πειραματική μελέτη των μηχανισμών διάσπασης και κυρίως η οπτική παρατήρηση των διαδοχικών φάσεων της εκκένωσης οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η διάδοση στο χώρο τόσο των streamers όσο και των leaders παρουσιάζει έντονα στοχαστικά και fractal χαρακτηριστικά. Η διαπίστωση αυτή οδήγησε την κοινότητα των επιστημόνων στη ανάπτυξη των λεγόμενων στοχαστικών μοντέλων διάσπασης διηλεκτρικών τα οποία παρουσιάζουν πλεονεκτήματα σε σχέση με τα φυσικά μοντέλα που είχαν αναπτυχθεί μέχρι τότε. Στα πλαίσια της εργασίας παρουσιάζονται τα κυριότερα στοχαστικά μοντέλα όπως το NPW από τα αρχικά των Niemeyer , Pietronero και Wiesmann, το μοντέλο FFC, το μοντέλο Δανίκα καθώς και το μοντέλο biller το οποίο μάλιστα χρησιμοποιήθηκε έπειτα στην υλοποίηση του προγράμματος. Επίσης γίνονται αναφορές στον τρόπο που διαδίδονται οι streamers στο χώρο καθώς και στον τρόπο δημιουργίας ηλεκτρονικών στοιβάδων σε ομογενές Η.Π κάτι το οποίο είναι απαραίτητο για την καλύτερη κατανόηση του θέματος Όπως αναφέρθηκε οι δενδρίτες αποτελούν ουσιαστικά fractal σχήματα. Η έννοια του fractal μας είναι γνωστή από το χώρο των μαθηματικών ωστόσο στη παρούσα εργασία γίνεται μια σχετικά λεπτομερής αναφορά στα fractal, σε ιδιότητες που τα χαρακτηρίζουν όπως η αυτό-ομοιότητα και η μη ακέραια διάσταση για παράδειγμα. Ωστόσο κύριος στόχος της διπλωματικής αποτελεί όπως αναφέρει και ο τίτλος της άλλωστε η ανάπτυξη προγράμματος μέσω του οποίου θα μπορεί να υπολογίζεται η fractal διάσταση ενός δενδρίτη. Η fractal διάσταση ενός fractal ουσιαστικά είναι το μέγεθος που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα fractals και δηλώνει το βαθμό της πολυπλοκότητας του. Όσο πιο μεγάλη είναι αυτή η μη ακέραια διάσταση τόσο μεγαλύτερη πολυπλοκότητα υπάρχει. Το πρόγραμμα γράφτηκε σε c++ και ουσιαστικά είναι σε θέση να διαβάζει μια fractal εικόνα και να μπορεί να υπολογίζει την fractal διάστασή της μέσω της box counting μεθόδου. Η προαναφερθείσα μέθοδος δεν είναι η μόνη αλλά αυτή αποφασίστηκε από κοινού με τον Δρ Χαραλαμπάκο Βασίλειο λόγω της σχετικής ευκολίας της εφαρμογής της αλλά και της ευρύτερης αποδοχής που λαμβάνει. Κάποιες άλλες μέθοδοι υπολογισμού παρουσιάζονται στα πλαίσια της εργασίας στις οποίες γίνεται και η κατηγοριοποίηση αν μιλούμε για διδιάστατη fractal εικόνα ή τρισδιάστατη(πραγματικού δενδρίτη). Το γεγονός ότι συναντούμε αρκετά διαφορετικά αποτελέσματα στον υπολογισμό της fractal διάστασης ανάλογα με το ποια μέθοδο χρησιμοποιούμε γεννά το ερώτημα ποια μέθοδος είναι η κατάλληλη σε κάθε εφαρμογή κάτι το οποίο δεν βρίσκει απάντηση στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας. / The current graduate thesis is about the electrical break of dielectrics. It is well known that electrical breaks are followed by thin channels of plasma (streamers-leaders). Experimental analysis of the electrical break process and mainly the observation of the sequential phases of the electrical discharge lead to the conclusion that the propagation of streamers and leaders contains stochastic and fractal characteristics. Main scope of this thesis is to find analytical methods on the calculation of the fractal dimension of the electrical break dendrites.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των εξελίξεων και των μελλοντικών προοπτικών με βάση ερευνητικά δεδομένα στη χρήση των δικτύων υψηλής τάσης για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς. / Purpose of this paper is the analysis of the development and the future perspectives based on research information and papers on the use of high voltage network for telecommunication reasons.

Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης υποσταθμού υποβάθμισης τάσης 150/20kV. 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. Επίσης παρουσιάζονται και οι αναπτυσσόμενες βηματικές τάσεις. / The subject of this study is to simulate the transient behavior of the grounding grid of a voltage drop substation 150/20 kV. It’s 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.The developed step voltages are also presented.

Η μόνωση αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για κάθε σύστημα και εξοπλισμό Υψηλής Τάσης που χρησιμοποιείται σε τεχνικές κατασκευές και βιομηχανικές εφαρμογές, αφού με την αντοχή της εξασφαλίζεται η εύρυθμη λειτουργία τους. Στο σύγχρονο εξοπλισμό Υ.Τ. επιβάλλεται αύξηση της αποτελεσματικότητας της μόνωσης και ταυτόχρονη μείωση στις διαστάσεις του εξοπλισμού, λαμβάνοντας υπόψη τις αυξημένες περιβαλλοντικές απαιτήσεις της εποχής μας. Οι ιδιότητες των διαθέσιμων ηλεκτρομονωτικών υλικών προδιαγράφουν τα όρια των εφαρμογών και τις δυνατότητες για την περαιτέρω πρόοδο της τεχνολογίας. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση και γραφική αναπαράσταση των ηλεκτροστατικών πεδίων μέσα σε διάφορα ηλεκτρομονωτικά στερεά και υγρά υλικά, που χρησιμοποιούνται στον εξοπλισμό Υ.Τ. Επίσης επιδιώκεται ο προσδιορισμός της μέγιστης εφαρμοζόμενης τάσης (DC) για την οποία δεν έχουμε έναυση φαινομένου διάσπασης. Οι εξομοιώσεις πραγματοποιούνται για μη ομογενές και ομογενές πεδίο, και γι αυτό σχεδιάσαμε και χρησιμοποιήσαμε 2 είδη διατάξεων, ακίδας – πλάκας και ηλεκτροδίων Rogowski αντίστοιχα. Για τις εξομοιώσεις έγινε χρήση του προγράμματος Vector Fields Opera 13.0 της Cobham. Στο 1ο κεφάλαιο, ερχόμαστε σε επαφή με τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρομονωτικών υλικών και τις συσχέτισή τους με τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών πεδίων. Οι ιδιότητές τους μας δίνουν τη δυνατότητα να κρίνουμε την ποιότητα των μονωτικών και τους παράγοντες που την επηρεάζουν. Επίσης, παρουσιάζονται τα θεωρητικά μοντέλα των διατάξεων που χρησιμοποιήσαμε στις εξομοιώσεις. Στο 2ο κεφάλαιο, γίνεται μια σύντομη αναφορά στις μεθόδους υπολογισμού ηλεκτροστατικών πεδίων, με χρήση Η/Υ και μη, ενώ παρουσιάζεται αναλυτικά η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων, καθώς σε αυτή βασίζεται το πρόγραμμα Opera, που χρησιμοποιήσαμε για τις εξομοιώσεις. Στο 3ο κεφάλαιο, γίνεται μια γενική προσέγγιση στα μονωτικά υλικά και τα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή τους. Στο 4ο κεφάλαιο, στην ενότητα Α, περιγράφονται εκτενώς τα στερεά μονωτικά σε θεωρητική βάση, παρουσιάζονται οι διάφοροι μηχανισμοί διάσπασης τους και αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διηλεκτρική αντοχή τους, ενώ γίνονται και κάποια σχόλια πάνω στο συνδυασμό τους με τα υγρά μονωτικά. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στα πολυμερή υλικά και τη χρήση τους στον εξοπλισμό Υ.Τ. Στην ενότητα Β, δίνεται μια σύντομη περιγραφή των υλικών που χρησιμοποιήσαμε (PE, BA, PVC, PMMA) και παραθέτονται οι γραφικές αναπαραστάσεις των ηλεκτροστατικών πεδίων που εξομοιώσαμε, καθώς και τα αποτελέσματα των μετρήσεων και παρατηρήσεων μας. Στο 5ο κεφάλαιο, στην ενότητα Α, γίνεται εκτενής περιγραφή των υγρών μονωτικών υλικών και των μηχανισμών διάσπασής τους. Επίσης, αναλύεται η επίδραση διαφόρων παραγόντων στη διηλεκτρική αντοχή των υγρών μονωτικών, ενώ γίνεται αναφορά στα έλαια μετασχηματιστή και τα συνθετικά έλαια. Στην ενότητα Β, δίνονται εν τάχει κάποια χαρακτηριστικά του μονωτικού ελαίου που χρησιμοποιήσαμε στην εξομοίωση. Έπειτα, παραθέτονται αναλυτικά οι γραφικές αναπαραστάσεις των ηλεκτροστατικών πεδίων που εξομοιώσαμε, και για τις διάφορες τιμές εφαρμοζόμενης τάσης παρατηρήσαμε αν συμβαίνει έναυση διάσπασης, ενώ εξάγαμε αποτελέσματα και για άλλες παραμέτρους. Στο 6ο κεφάλαιο, δίδονται κάποια γενικά σχόλια και παρατηρήσεις πάνω στις εξομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε. Τέλος, στο Παράρτημα παραθέτονται αναλυτικά οι πιο εύστοχες εξομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν και οδήγησαν στην εξαγωγή των αποτελεσμάτων. / Insulation is the cornerstone of every system and High Voltage equipment used in technical constructions and industrial applications, since its resistance ensures the proper operation of the equipment. In modern High Voltage equipment, improvement of the efficiency of the insulation is imposed, along with the reduction of the equipment’s volume, considering the high environmental demands of our times. The properties of the available nonconductive materials prescribe the limitations of applications and the possibilities for further technological progress. The purpose of this thesis is to simulates and graphically represent electrostatic fields in various nonconductive solid and liquid materials used in High Voltage equipment. We also made an effort to define the maximum applied voltage (DC) for which a breakdown phenomena does not occur. Simulations are realized for non homogenous and homogenous fields, therefore we designed and used two types of structures, point – to – plane and Rogowski electrodes, respectively. The simulations are done using the Cobham Vector Fields Opera 13.0 modeling software. In chapter 1, we have a first contact with the principle characteristics of nonconductive materials and their relation with the properties of electric fields. These characteristics provide the ability to measure the quality of the insulators and the factors that affect them. In addition, the theoretical models used for the simulation are presented. In chapter 2, there is a short reference to the methods used for the calculation of electrostatic fields (PC based and not), while the finite element method is thoroughly described, since it is used by the Opera simulation program. In chapter 3, there is a general approach on nonconductive materials and the criteria considered for their selection. In chapter 4, section A, solid nonconductive materials are extensively described on a theoretical basis, different breakdown mechanisms are presented and factors that affect their dielectric strength are referred, while some comments on their combination with liquid materials are made. Furthermore, polymers and their use in High Voltage equipment are discussed in a few words. In section B, the materials we used (PE, BA, PVC, PMMA) are shortly described and the graphic representations of the field simulated are shown, along with the results of measurement and observations. In chapter 5, section A, liquid nonconductive materials and their breakdown mechanisms are extensively described. The effect of several factors on the dielectric strength of liquid nonconductive materials is also presented, while a reference on transformer and synthetic oils is made. In section B, the characteristics of the nonconductive oil used for the simulation are referred. Then, the graphic representations of the electrostatic fields simulated are shown and for the different levels of applied voltage, we observed if any breakdown phenomena occurred, while results for other parameters are extracted. In chapter 6, some general commentaries, notes and conclusions are made for the simulations realized. Finally, in the Index chapter, are listed the most accurate simulations, that led us to the extraction of the results.

Σκοπόςτης παρούσας εργασίαςείναι αρχικά η δημιουργία ενός μοντέλου με τα χαρακτηριστικά ενός μονωτήρα υψηλής τάσης.Το μοντέλο αυτό θα ενσωματωθεί στο μοντέλο μιας γραμμής υψηλής τάσης διπλού κυκλώματος των 400kV, για να υπολογιστούν οι επαγόμενες υπερτάσεις σε παρακείμενο υπέργειο αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων. Τα παραπάνω επιτυγχάνονταιμε τη μοντελοποίηση πραγματικών πυλώνων και γραμμών του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς καθώς και υπέργειου αγωγού υδρογονανθράκων.Η εξομοίωση υλοποιείται μέσω του προγράμματος ATP-EMTP. Για τον σχεδιασμό του μοντέλου του μονωτήρα χρησιμοποιήθηκε το μοντέλοVolt-TimeCurve. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι κεραυνού για τις προσομοιώσεις, για γρήγορο και αργό σήμα, με τιμές ρεύματος 100kA. Για το γρήγορο, οι τιμές χρόνων μετώπου και ουράς 1.2/50μs και για το αργό σήμα 10/350μs. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία υπάρχουν 8 κεφάλαια. Στα πρώτα 5 κεφάλαια έγινε μια παράθεση πληροφοριών και θεωρητική προσέγγιση όλων των επιμέρους τμημάτων που συνθέτουν τη συνολική διάταξη της μελέτης. Στο 5ο κεφάλαιο γίνεται λεπτομερής αναφοράστο πρόγραμμα ATP-EMTP στο οποίο πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση.Στο 6o κεφάλαιο γίνεται η μοντελοποίηση όλων των στοιχείων της διάταξης και η ενσωμάτωσή τους στοATP-EMTP. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του μοντέλου του μονωτήρα που αναπτύχθηκε και στο 8ο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και εξάγονται κάποια συμπεράσματα σχετικά με τη διάταξη. / The purpose of this paper is , at first, to create a model with the features of a high voltage insulator. This model will be incorporated into the model of a high-voltage line double circuit 400kV, to calculate the induced transients in adjacent aboveground pipeline hydrocarbons. These goals are achieved by modeling real pillars and lines of Greek transport system and overground pipeline hydrocarbons. The simulation is implemented through the ATP-EMTP. The model Volt-Time Curve is used for the modeling of the insulator. Also, two types of lightning are used for the simulations, for fast and slow signal, with current values 100kA. For fast signal, the prices of front and tail time are 1.2 / 50ms and for slow signal 10 / 350ms. In this thesis there are 8 chapters. In the first five chapters was a quote and information theoretical approach to all individual parts that make up the overall layout of the study. The 5 chapter is a detailed reference to the ATP-EMTP program which performed the simulation. The 6 chapter is the modeling of all elements of the layout and the incorporation into the ATP-EMTP. In chapter 7 we present the model of the insulator developed and in chapter 8 we present the simulation results and draw inferences about the layout.

Η παρακολούθηση του ρεύματος διαρροής, και ειδικά της κυματομορφής του, είναι μια ευρύτατα διαδεδομένη τεχνική για την παρακολούθηση της επιφανειακής δραστηριότητας και κατάστασης των μονωτήρων υψηλής τάσης. Η παρακολούθηση στο πεδίο είναι απαραίτητη για να υπάρξει μια πιστή καταγραφή της δραστηριότητας και συμπεριφοράς σε πραγματικές συνθήκες, παρουσιάζει όμως σημαντικές δυσκολίες. Το πρόβλημα συνήθως παρακάμπτεται με την καταγραφή και μελέτη εξαγόμενων μεγεθών όπως η τιμή κορυφής και το φορτίο, μία προσέγγιση που οδηγεί όμως σε αμφίβολα αποτελέσματα. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην διερεύνηση και ταξινόμηση κυματομορφών ρεύματος διαρροής καταγεγραμμένων στο πεδίο. Αρχικά, παρατίθεται μια λεπτομερής ανασκόπηση της καταγραφής και ανάλυσης ρεύματος διαρροής σε εργαστηριακές και πραγματικές συνθήκες. Στην συνέχεια, περιγράφεται το πεδίο μετρήσεων, δύο Υποσταθμοί Υψηλής Τάσης 150kV, το αναπτυχθέν λογισμικό αλλά και ο Υπαίθριος Σταθμός Δοκιμών όπου πρόκειται να αξιοποιηθούν τα αποτελέσματα. Μελετώνται περισσότερες από 100.000 κυματομορφές, που έχουν καταγραφεί σε μια περίοδο που ξεπερνάει τα δέκα έτη. Εξετάζεται και αξιολογείται το πρόβλημα του θορύβου και ταυτοποιούνται τρεις διαφορετικοί τύποι θορύβου. Εξετάζεται η επίδρασή τους στο πρόβλημα συσσώρευσης δεδομένων αλλά και στην ποιότητα της εξαγόμενης πληροφορίας. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος εφαρμόζονται και αξιολογούνται τρεις διαφορετικές τεχνικές. Για την περαιτέρω ταξινόμησή των κυματομορφών που απεικονίζουν δραστηριότητα, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές επεξεργασίας σήματος, εξαγωγής και επιλογής χαρακτηριστικών καθώς και αναγνώρισης προτύπων όπως η Wavelet Multi-Resolution Ανάλυση, η Ανάλυση Fourier, τα Νευρωνικά Δίκτυα, το t-test, ο αλγόριθμος mRMR, ο αλγόριθμος κ-πλησιέστερων γειτόνων, ο απλός Μπεϋζιανός ταξινομητής και οι Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης. Συγκεντρωτικά, δίνεται μια συνολική εικόνα των διαφορετικών ζητημάτων που σχετίζονται με την παρακολούθηση του ρεύματος διαρροής. Παρατίθεται μια πλήρης εικόνα των κυματομορφών όπως αυτές καταγράφονται σε πραγματικές συνθήκες, υπογραμμίζοντας ιδιαιτερότητες που σχετίζονται με την φύση της εφαρμογής. Εφαρμόζονται και αξιολογούνται νέες προσεγγίσεις για την ταξινόμηση των κυματομορφών. Τα συνολικά αποτελέσματα προσφέρουν σημαντική ενίσχυση στην αποτελεσματικότητα της τεχνικής της παρακολούθησης του ρεύματος διαρροής, συμβάλλοντας σημαντικά στην μελέτη της επιφανειακής δραστηριότητας και συμπεριφοράς των μονωτήρων υψηλής τάσης. / Leakage current monitoring is a widely applied technique for monitoring surface activity and condition of high voltage insulators. Field monitoring is necessary to acquire an exact image of activity and performance in the field. However, recording, managing and interpreting leakage current waveforms, the shape of which is correlated to surface activity, is a major task. The problem is commonly by-passed with the extraction, recording and investigation of values related to peak and charge, an approach reported to produce questionable results. The present thesis focuses on the investigation and classification of field leakage current waveforms. At first, a detailed background of measuring and analyzing leakage current both in lab and field conditions is provided. Then, the monitoring sites, two 150kV Substations, as well as the developed custom-made software and the newly constructed High Voltage Test Station where the results of this thesis are to be implemented, is briefly described. More than 100.000 waveforms are investigated, recorded through a period exceeding ten years. Field related noise is thoroughly described and evaluated. Three different types of noise are identified and their impact on the size of accumulated data and on data interpretation is investigated. Three different techniques to overcome the problem are applied and evaluated. Activity portraying waveforms are further investigated. Further classification of activity portraying waveforms is performed employing signal processing, feature extraction and selection algorithms as well as pattern recognition techniques such as Wavelet Multi-Resolution Analysis, Fourier Analysis, Neural Networks (NNs), student’s t-test, minimum Redundancy Maximum Relevance (mRMR), k-Nearest Neighbors (kNN), Naive Bayesian Classifier and Support Vector Machines (SVMs). Overall results provide a full image of the various aspects of field leakage current monitoring. A detailed image of field waveforms, revealing several new attributes, is documented. New approaches for the classification of leakage current waveforms are introduced, applied on field waveforms and evaluated. Results described in this thesis significantly enhance the effectiveness of the leakage current monitoring technique, providing a powerful tool for the investigation of surface activity and performance of high voltage insulators.