Γείωση ονομάζουμε την αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών εξαρτημάτων μιας εγκατάστασης ως προς τη γη, ώστε το δυναμικό αυτής να εξισωθεί με το δυναμικό της γης. Σκοπός ενός συστήματος γείωσης είναι να παρέχει ένα δρόμο χαμηλής αντίστασης σε ρεύματα από κεραυνούς ή σφαλμάτων προς τη γη και να μειώνει τις πιθανότητες ανάπτυξης επικίνδυνων βηματικών τάσεων ή τάσεων επαφής, καθορίζοντας ένα δυναμικό αναφοράς. Τα συστήματα γείωσης είναι πολύ σημαντικά και για αυτό το λόγο έχει μελετηθεί η συμπεριφορά τους από πολλούς ερευνητές και έχουν προταθεί διάφορα μοντέλα εξομοίωσης τους. Το σημαντικότερο κομμάτι από την μελέτη ενός συστήματος γείωσης είναι η μεταβατική κατάσταση, γιατί εκεί εμφανίζονται τα πιο επικίνδυνα φαινόμενα και οι τάσεις που εμφανίζονται παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές καθώς και πιο απότομες κυματομορφές. Ένα φαινόμενο που εμφανίζεται όταν ένας κεραυνός πλήξει ένα πλέγμα γείωσης είναι ο ιονισμός του εδάφους. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται όταν το ηλεκτρικό πεδίο στις πλευρικές επιφάνειες των ηλεκτροδίων του πλέγματος ξεπεράσει το πεδίο ιονισμού του εδάφους. Αυτό δημιουργεί μη γραμμική συμπεριφορά στα συστήματα γείωσης, η οποία δεν είναι πλήρως κατανοητή ίσως εξαιτίας της εξαιρετικά σύνθετης διεργασίας, παρόλα αυτά μερικές προσεγγίσεις συνήθως υιοθετούνται όταν το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους συμπεριλαμβάνεται. Το φαινόμενο αυτό επηρεάζει την απόκριση των συστημάτων γείωσης. Έτσι, όταν υψηλά ρεύματα οδηγούνται στη γη, η προσομοίωση του ιονισμού του εδάφους πρέπει να είναι ένα θεμελιώδες τμήμα σε κάθε μοντέλο που έχει το χαρακτηρισμό του συστήματος γείωσης σε μεταβατικές συνθήκες. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου για την εξομοίωση ενός πλέγματος γείωσης, συμπεριλαμβάνοντας το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τις εξομοίωσης ενός πλέγματος για είσοδο του ρεύματος κεραυνού σε διάφορους κόμβους του πλέγματος και συγκρίνονται μεταξύ τους. Στη συνέχεια γίνεται εξομοίωση δύο επιπλέον πλεγμάτων, μελετάται η συμπεριφορά τους για είσοδο του ρεύματος κεραυνού σε διάφορους κόμβους των πλεγμάτων και γίνεται σύγκριση μεταξύ τους. Η εργασία ολοκληρώθηκε με παρατηρήσεις επάνω στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων και σύγκριση μεταξύ αυτών, σε ότι αφορά το σημείο εισόδου του ρεύματος κεραυνού καθώς και την επιλογή της μορφής του πλέγματος γείωσης. / Grounding, we call the conductive connection of metal elements of an installation as for 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. A phenomenon that is presented when a lightning affects a grounding grid is the soil ionization. This phenomenon could be happen when the electric field, in correspondence with the lateral surface of ground electrodes, overcomes the soil ionization gradient. This creates a no linear behavior in the grounding systems, which is not completely comprehensible perhaps because of the exceptionally complex process, nevertheless certain approaches usually is adopted when the phenomenon of ionization of ground is included. This phenomenon influences the impulse response of grounding systems. Thus, when high impulse currents are drained to earth, the simulation of soil breakdown must be a fundamental part of each model which has the characterization of grounding systems in transient conditions as the main goal. Aim of this work is the selection of a suitable model for the simulation of a grounding grid including the phenomenon of the soil ionization, and the study of its transient behavior. There are presented the results of the simulation of a grid for entry of current of lightning in various nodes of the grid and are compared from each other. Afterwards the simulation of two more grids is presented. We study their behavior for entry of current of lightning in various nodes of the grid and compare each other. The work was completed with observations on the results of the simulations and comparison between these, regarding the point of entry of current of lightning as well as the selection of the form of the grid.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι σε πρώτη φάση η βιβλιογραφική ανασκόπηση των μοντέλων πυλώνων, των συστημάτων γείωσης τους και των αλυσοειδών μονωτήρων ανάρτησής τους. Εν συνεχεία γίνεται προσομοίωση πραγματικών πυλώνων του ελληνικού συστήματος μεταφοράς και μελέτη των υπερτάσεων που εμφανίζονται σε αυτούς λόγω κεραυνικών πληγμάτων είτε απευθείας στον πυλώνα είτε σε έναν από τους αγωγούς προστασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται κάποια στοιχεία θεωρίας σχετικά με τις ατμοσφαιρικές εκκενώσεις. Περιγράφονται τα διάφορα είδη κεραυνού, οι βασικές παράμετροι και τα χαρακτηριστικά τους και δίνονται κάποια βασικά χαρακτηριστικά για την κυματομορφή του κεραυνικού ρεύματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τρόποι μελέτης της συμπεριφοράς του πυλώνα σε πλήγμα κεραυνού και γίνεται μια ανασκόπηση των μοντέλων πυλώνων που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το σύστημα γείωσης του πυλώνα και γίνεται αναφορά στο φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και περιγράφεται το μοντέλο προσομοίωσης που λαμβάνει υπόψη το φαινόμενο αυτό. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια γενικά στοιχεία για τους μονωτήρες ανάρτησης και τα μοντέλα που υπολογίζουν το χρόνο διάσπασής τους υπό κρουστική τάση. Στο πέμπτο κεφάλαιο δίδονται τα επιμέρους στοιχεία του υπολογιστικού προγράμματος που θα αποτελέσει το μέσο της εξομοίωσης, του ΕΜΤΡ. Αναφέρονται τα σημεία υπεροχής και η ευελιξία του για τέτοιου είδους αναλύσεις, ενώ παρουσιάζονται και τα επιμέρους υποπρογράμματα από τα οποία αποτελείται. Έμφαση δίνεται στο ΑΤΡ – DRAW που είναι το κυρίως όργανο της εξομοίωσης και στα προγράμματα επεξεργασίας δεδομένων για τη παρουσίαση γραφικών αποτελεσμάτων, όπως το Pcplot. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων στο λογισμικό ΕΜΤΡ. Περιγράφονται αναλυτικά τα κυκλώματα που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση πυλώνων μονού και διπλού κυκλώματος καθώς και τα επιμέρους στοιχεία τους και αναλύεται ο τρόπος εξομοίωσης των γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης. Σε πρώτη φάση εξετάζεται αν θα συμβεί επιφανειακή διάσπαση στο μονωτήρα ανάρτησης για πλήγματα κεραυνού διαφορετικού χρόνου μετώπου και ουράς και καταγράφονται οι χρόνοι και οι τάσεις διάσπασης. Από τα διαγράμματα που προέκυψαν φαίνεται καθαρά ότι οι μονωτήρες στους πυλώνες διπλού κυκλώματος διασπόνται πιο γρήγορα σε σχέση με τους μονού κυκλώματος. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι οι πυλώνες διπλού κυκλώματος εμφανίζουν γενικά μεγαλύτερη κυματική αντίσταση και συνεπώς η υπέρταση που αναπτύσσεται κατά μήκος του μονωτήρα να είναι μεγαλύτερη και έτσι να διασπόνται νωρίτερα. Στη συνέχεια εξετάζεται η επίδραση της ειδικής αντίστασης του εδάφους στο χρόνο και στην τάση διάσπασης του μονωτήρα με μοντέλα συστημάτων γείωσης που λαμβάνουν υπόψη το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους αλλά και με μοντέλα με σταθερή αντίσταση γείωσης. Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προκύπτει ότι αύξηση της αντίστασης γείωσης του πυλώνα οδηγεί σε μικρότερους χρόνους διάσπασης του μονωτήρα και αύξηση της τάσης διάσπασης του. Τέλος, η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με τα Παραρτήματα Α,Β στα οποία δίνονται τα σχέδια των πραγματικών πυλώνων του συστήματος μεταφοράς που προσομοιώθηκαν και ο κώδικας σε γλώσσα MODELS (MODELS language) που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της διάσπασης των αλυσοειδών μονωτήρων ανάρτησης. / The purpose of this thesis is initially a review of the models for steel towers, their grounding system and suspension string insulators and then the simulation analysis of towers of the Greek transmission system and the study of overvoltages arising across them due to lightning strikes. Chapter one gives the basic theory concerning atmospheric discharges. It describes the different types of lightning strikes, its parameters and characteristics and provides the basic characteristics of the lightning current waveform. The following chapters give a review of the different models of towers, grounding system and insulators we can find in literature. In the third chapter there is a description of the soil ionization effect and a description of the grounding model that takes into consideration that effect. Chapter five describes the ATP-EMTP simulation tool which is a specific software to simulate power system transient problems. Special emphasis is given to the ATP - DRAW which is the main body of the simulation and to the data processing programs for the graphical presentation of the results, such as Pcplot. The final chapter presents the simulation results in ATP-EMTP. The simulation circuit is fully described that includes the basic components of overhead transmission lines, that is, the towers and their grounding system and flashover of the string insulators for both single and double circuit lines. The overvoltages arising across string insulators and whether there will be a flashover or not were investigated for various current waveshapes with different front and tail times. The time and voltage for flashover is recorded. From the simulation results we can see that flashover in double circuit line happens faster than flashover in single circuit lines. This is due to the fact that double circuit towers have bigger surge impedance and thus the overvoltage arising across their string insulators is bigger. Furthermore the effect of soil resistivity in time and voltage for flashover is studied for constant and current dependant tower grounding resistance. The current dependant resistance that takes into consideration the soil ionization effect was modeled using the MODELS language. From the simulation results we can see that rise in the tower resistance results in smaller flashover computed times.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη των βηματικών τάσεων σε ένα σύστημα γείωσης, με το ισοδύναμο ανθρώπινο κύκλωμα, μέσω της εξομοίωσής του με το λογισμικό EMTP-ATP, έχοντας συμπεριλάβει στους υπολογισμούς και το φαινόμενο του ιονισμού. Αρχικά, στα δύο πρώτα κεφάλαιο δίνονται ορισμοί και βασικές έννοιες για τις γειώσεις, τις μεθόδους γείωσης που υπάρχουν καθώς και για την επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος στον ανθρώπινο οργανισμό και την ηλεκτροπληξία. Έπειτα, στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά το φαινόμενο του ιονισμού και η προσέγγιση του μέσα από τα αντίστοιχα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί και των κριτηρίων υπολογισμού ακτίνας του ηλεκτροδίου του αγωγού γείωσης σε σχέση με το πεδίο ιονισμού του εδάφους E0. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται εκτενής ανάλυση των μοντέλων των συστημάτων γείωσης που έχουν αναπτυχθεί, παραθέτοντας και αυτά που χρησιμοποιούνταν κατά το παρελθόν, αλλά και τα επικρατέστερα σύγχρονα. Τέλος , επιλέγοντας το μοντέλο της εξομοίωσης, χρησιμοποιώντας το λογισμικό EMTP-ATP, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων των βηματικών τάσεων με θεωρητικές επιτρεπτές βηματικές τάσεις και παρατίθενται τα συμπεράσματα και οι επιπτώσεις που έχουν τα αποτελέσματα στον άνθρωπο. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των κεφαλαίων Στο Κεφάλαιο 1 αναφέρεται η έννοια και ο ρόλος της γείωσης, καθώς και σε διάφορα είδη γειωτών και υπολογισμό των παραμέτρων τους. Στο Κεφάλαιο 2 δίνονται οι ορισμοί των βηματικών τάσεων και τάσεων επαφής και αναλύονται οι διάφορες επιπτώσεις του ηλεκτρικού ρεύματος στον ανθρώπινο οργανισμό. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, οι μηχανισμοί διάσπασης του και τα διάφορα μοντέλα που προτείνονται για την περιγραφή του. Στο Κεφάλαιο 4 παρατίθεται μια ανασκόπηση των διάφορων μοντέλων εξομοίωσης ενός συστήματος γείωσης. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται αρχικά η επιλογή του μοντέλου προσομοίωσης, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και συγκρινόμενα με θεωρητικές και πρακτικές τιμές στο τέλος παρουσιάζονται και τα συμπεράσματα. / The subject of the present diploma thesis is the study of step voltages in a grounding system, with the aid of a human equivalent circuit, by means of simulation using the EMTP-ATP software, considering in the calculations the phenomenon of soil ionization. In the two first chapters basic terms and concepts are defined regarding grounding systems, available grounding methods and the effects of electrical current and electrocution on the human body. In the third chapter the ionization phenomenon is analytically described and its approach through the corresponding models, which have been developed and the criteria for the calculation of the radius of the grounding conductor in accordance to the soil ionization field Eo. In chapter four there is an extended analysis of grounding systems models which have been developed, quoting those which have been used in the past but also the most dominate modern models. Finally, choosing a simulation model by utilizing EMTP-ATP software, there is a comparison of the results regarding step voltages and considering the allowable theoretical step voltage thresholds and introducing the conclusions and the effects on the human body. A brief description of the thesis chapters: Chapter 1: The concept and the role of grounding are presented, also including the different grounding systems and their parameter calculations. Chapter 2: The definitions of step voltages and contact voltages are presented while the effects of electric current on the human body are analyzed. Chapter 3: The soil ionization phenomenon is presented, including soil rupture mechanisms and the various models which are proposed to describe the phenomenon. Chapter 4: A review of the various simulation models of grounding systems is presented. Chapter 5: Initially a simulation model choice is described. The calculated results are presented and are compared with theoretical and experimental values. Finally conclusions 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.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης μιας ανεμογεννήτριας μέσω της εξομοίωσης του με το λογισμικό EMTP-ATP λαμβάνοντας υπόψη και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στο φαινόμενο του κεραυνού καθώς και στα διάφορα είδη συστημάτων γείωσης και στις μεθόδους υπολογισμού των παραμέτρων τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και οι συνέπειές του στη συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα εξομοίωσης ενός συστήματος γείωσης και γίνεται η επιλογή του ποιο κατάλληλου για τις ανάγκες της εξομοίωσης. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις των εξομοιώσεων. / The subject of the following diploma thesis is the study of the transient response of a grounding grid which is part of a wind turbine 's grounding system, by means of simulation using the EMTP-ATP software, considering the effects of soil ionization. Initially the physical phenomena of lightning is presented followed by a presentation of various grounding systems and calculation methods of their parameters. In the following chapters the soil ionization phenomenon and its effects on the behavior of grounding systems is studied and a reference is made to simulation models, which have been proposed by various researchers. Finally the appropriate model is selected and the results and the observations of the simulation are been presented.

Γείωση είναι η ένωση ενός σημείου ενός κυκλώματος ή ενός ξένου προς το κύκλωμα μεταλλικού αντικειμένου με μια εγκατάσταση γείωσης. Εγκατάσταση γείωσης είναι ένα ή περισσότερα συνδεδεμένα ηλεκτρόδια γείωσης, τα οποία εξασφαλίζουν την απευθείας σύνδεση με την γη. Σκοπός της γείωσης είναι να κάνει δυνατή την εκφόρτιση ρευμάτων προερχόμενων από σφάλμα ή από πλήγμα κεραυνού διαμέσου των ηλεκτροδίων γείωσης, τα οποία βρίσκονται θαμμένα στην γη, προστατεύοντας έτσι τον εξοπλισμό αλλά και τα άτομα που βρίσκονται εκείνη την στιγμή στην περιοχή. Τα συστήματα γείωσης είναι πολύ σημαντικά και για αυτό το λόγο έχει μελετηθεί η συμπεριφορά τους από πολλούς ερευνητές και έχουν προταθεί διάφορα μοντέλα εξομοίωσης τους. Το σημαντικότερο κομμάτι από την μελέτη ενός συστήματος γείωσης είναι η μεταβατική κατάσταση, γιατί εκεί εμφανίζονται τα πιο επικίνδυνα φαινόμενα και οι τάσεις που εμφανίζονται παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές καθώς και πιο απότομες κυματομορφές. Η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την απόκριση του συστήματος γείωσης. Κατά την μεταβατική συμπεριφορά, το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, που εμφανίζεται, δημιουργεί μη γραμμική συμπεριφορά στα συστήματα γείωσης και επηρεάζει με την σειρά του την απόκριση τους. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η προσομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης υποσταθμού ανύψωσης τάσης 20/150 kV στην Αρκαδία. Σκοπός της είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου για την προσομοίωση, συμπεριλαμβάνοντας το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, και με την χρήση του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP, λαμβάνονται τα αποτελέσματα υπό μορφή γραφημάτων και μελετάται η μεταβατική συμπεριφορά του πλέγματος γείωσης στην περίπτωση πλήγματος κεραυνού. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των θεμάτων που καλύπτονται σε κάθε κεφάλαιο. Στο Κεφάλαιο 1 της παρούσας εργασίας γίνεται εισαγωγή στην έννοια της γείωσης, αναφέρονται τα είδη και οι μέθοδοι γείωσης, καθώς επίσης και οι τύποι των ηλεκτροδίων και οι βασικές διατάξεις γείωσης όπως προκύπτουν από τους διεθνείς κανονισμούς και τα ελληνικά πρότυπα. Το Κεφάλαιο 2 αναφέρεται στην αντίσταση γείωσης και αναλύεται ο κυριότερος παράγοντας που την επηρεάζει, η ειδική αντίσταση του εδάφους. Στην συνέχεια αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους και τέλος, μερικοί τρόποι μέτρησης της. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία εκτενής αναφορά στο φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, στις μεθόδους με τις οποίες μοντελοποιείται το φαινόμενο και τέλος γίνεται καθορισμός του πεδίου ιονισμού του εδάφους. Το φαινόμενο του ιονισμού λήφθηκε υπόψη στην προσομοίωση του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 4, μετά από μία σύντομη επεξήγηση της κρουστικής σύνθετης αντίστασης, ακολουθεί μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των προγενέστερων αλλά και των μεταγενέστερων μοντέλων προσομοίωσης της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP που χρησιμοποιήθηκε στην εργασία, δίνοντας περισσότερη σημασία στα δύο υποπρογράμματα ATPDraw και PlotXY μέσω των οποίων βγήκαν τα αποτελέσματα. Στο Κεφάλαιο 6 αναφέρονται τα στοιχεία του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού υψηλής τάσης και του περιβάλλοντός του, επιλέγεται το μοντέλο που θα χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή της μεταβατικής συμπεριφοράς του, καθώς επίσης παρουσιάζονται και οι παράμετροι των διαφόρων προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Δίνονται αναλυτικά όλα τα γραφήματα των δυναμικών που μετρήθηκαν καθώς και συγκεντρωτικά γραφήματα και τέλος παρατίθενται και τα συμπεράσματα της προσομοίωσης. / Grounding is the union of one point of a circuit or of a foreign metal object with a grounding installation. A grounding installation is one or more connected grounding electrodes, which ensure a direct connection to the earth. The purpose of grounding is to make the discharge of the currents that arise from fault or lightning strike possible, through the grounding electrodes, which are buried in the earth, thus protecting the equipment as well as the people who are in the region at that moment. Grounding systems are very important and for this reason, their behavior has been studied by many researchers and various models for their simulation have been proposed. The most important part of the study of a grounding system is the transient response, because it is then when the most dangerous phenomena appear and the voltages are showing higher rates as well as steeper waveforms. The resistivity of the soil is a factor that affects the response of the grounding system. During the transient behavior the phenomenon known as soil ionization appears and creates non-linear behavior and affects the response of the grounding system. The subject of this study is to simulate the transient behavior of the grounding grid of an electric substation 20/150 kV in Arcadia. Its purpose is the selection of the appropriate model for the simulation of the grounding grid, taking into account the phenomenon of soil ionization, and by using the simulation program ATP-EMTP to obtain the results in graphical form and study the transient behavior of the grounding grid in case of a lightning strike Afterwards there is a brief description of the topics covered in each chapter. In Chapter 1 of this paper there is an introduction to the meaning of grounding, listed types and grounding methods, as well as types of electrodes and the basic grounding rules as they are derived from the international regulations and the Greek standards. Chapter 2 refers to the ground resistance and analyzes the main factor that influences the ground resistance, the soil resistivity. Then the factors affecting the resistivity of the soil are listed and finally, some ways of measuring are proposed. Chapter 3 elaborates on the phenomenon of soil ionization, the methods with which the phenomenon is modeled and finally the soil ionization gradient determination. The phenomenon of soil ionization has been taken into account during the simulation of the substation’s grounding grid that was studied in this paper. In Chapter 4, after a brief explanation of the impulse impedance follows a literature review of previous and modern mathematical modeling of the transient behavior of grounding systems. Chapter 5 includes a brief presentation of the simulation program ATP-EMTP that was used for this study, emphasizing on the two subprograms ATPDraw and PlotXY, through which the results were drawn. In Chapter 6 the data of the grounding grid of the high voltage substation 20/150 kV and its environment are presented, the simulation model is selected and its different simulations follow. Chapter 7 presents the simulation results. All the graphs of measured potential are given in detail and finally the results are discussed and observations and conclusions are quoted.

Τα κεραυνικά πλήγματα αποτελούν σημαντικό κίνδυνο ζημιάς στις ανεμογεννήτριες. Το πρόβλημα γίνεται μεγαλύτερο καθώς ο αριθμός και το ύψος τους συνεχώς αυξάνεται. Έτσι τα κεραυνικά πλήγματα στις ανεμογεννήτριες είναι μια από τις κυριότερες αιτίες βλαβών που προκαλούν απώλειες της προβλεπόμενης παραγωγής ισχύος με σοβαρές οικονομικές συνέπειες. Τα συστήματα γείωσης σχεδιάζονται με σκοπό να παρέχουν την απαραίτητη ασφάλεια τόσο σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας όσο και σφάλματος. Όσον αφορά κεραυνικά ρεύματα ή ρεύματα βραχυκύκλωσης το σύστημα γείωσης θα πρέπει να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση των ρευμάτων αυτών μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούν επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο. Η εμφάνιση των υπερτάσεων αυτών είναι ικανή να πλήξει των άνθρωπο αλλά και να προκαλέσει ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Προκειμένου να ελεγθεί η αξιοπιστία ενός συστήματος γείωσης σε σχέση με την ασφάλεια που παρέχει σε συνθήκες σφάλματος είναι απαραίτητη η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. Έτσι μπορούμε να προβλέψουμε την απόδοση τους σε περιπτώσεις κρουστικών ρευμάτων κεραυνού. Η παρούσα εργασία αναφέρεται στη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης ανεμογεννήτριας μέσω της εξομοίωσης τους με το λογισμικό EMTP-ATP. Οι εξομοιώσεις γίνονται βάσει του μοντέλου κυκλωματικής προσέγγισης για διάφορες τιμές ειδικών αντιστάσεων εδάφους. Σκοπός είναι η σύγκριση των αποτελεσμάτων και η επιλογή του κατάλληλου συστήματος γείωσης. Παρακάτω γίνεται σύντομη περιγραφή των κεφαλαίων Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο φαινόμενο του κεραυνού, στις παραμέτρους των ανερχόμενων και κατερχόμενων κεραυνών και τέλος στις επιπτώσεις των κεραυνικών πληγμάτων. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο ρόλο της γείωσης, στα διάφορα είδη γειωτών καθώς και στις μεθόδους υπολογισμού των παραμέτρων τους. Στο Τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται χαρακτηριστικά μεγέθη που αφορούν την απόκριση των συστημάτων γείωσης όπως είναι η αντίσταση γείωσης, η ειδική αντίσταση εδάφους και η κρουστική σύνθετη αντίσταση. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα διάφορα μοντέλα συστημάτων γείωσης. Παρουσιάζονται τόσο αυτά που χρησιμοποιούνταν κατά το παρελθόν όσο και τα επικρατέστερα σύγχρονα. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο γίνεται αρχικά επιλογή του μοντέλου προσομοίωσης. Στη συνέχεια παρατίθενται τα στοιχεία των συστημάτων γείωσης που εξετάζουμε. Κατόπιν παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων. Τέλος γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων. Από τις συγκρίσεις προκύπτουν οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η μεταβατική συμπεριφορά των εξεταζόμενων συστημάτων γείωσης. Βάσει των αποτελεσμάτων παρατηρούμε αρχικά ότι η ειδική αντίσταση εδάφους έχει μεγάλη επίδραση στην μεταβατική απόκριση των συστημάτων γείωσης έχει. Συγκεκριμένα για μικρότερες τιμές ειδικής αντίστασης εδάφους έχουμε παράλληλη μείωση των τιμών των μέγιστων μεταβατικών υπερτάσεων στους κόμβους τους συστήματος. Επιπλέον παρατηρούμε σημαντική εξάρτηση των τιμών των τάσεων στους κόμβους των συστημάτων από την απόστασή τους από το σημείο εγχύσεως του ρεύματος. Έτσι όσο απομακρυνόμαστε από το σημείο εγχύσεως του κρουστικού ρεύματος μειώνεται το δυναμικό των κόμβων. Τέλος δεδομένων ίδιων τιμών ειδικής αντίστασης εδάφους, οι δύο διατάξεις παρουσίαζουν διαφορετικές μεταβατικές αποκρίσεις, / Lightning strokes consist one of the most important damage risks in wind turbines. The problem grows bigger as the number and height of modern wind turbines continuously increases. So lightning strikes on wind turbines are one of the most important malfunction causes which have serious inflictions on the predicted power production with severe economic consequences . Grounding systems are designed to provide the necessary safety on normal operation conditions as well as on fault conditions. The grounding system must be able to divert fault currents as well as lightning currents to the ground with speed and safety without the development of over voltages on the surrounding space. The appearance of over voltages is extremely dangerous both for people and equipment. To test the reliability of a grounding system on fault conditions, a study of its transient behavior is necessary in order to predict the performance of the grounding system in the case of an impulse lightning current. The purpose of this diploma thesis is to study the transient response of two grounding systems for wind turbines by means of simulation with the EMTP-ATP software. The equivalent circuits used for the simulation are based on the circuit theory approach for various values of soil resistivity. Finally the two grounding systems are compared regarding their transient response behavior. Bellow follows a brief description of the chapters. In Chapter One the phenomenon of lightning is presented including the parameters that define lightning as well as the effects of lightning strokes on people and equipment. Chapter Two focuses on the role of grounding in electrical installations, the various types of grounding electrodes and the calculation methods of their parameters. Chapter Three presents the effect of figures such as the grounding resistance, soil resistivity and impulse resistance on the response of grounding systems. Chapter Four refers to the various modeling approaches for grounding systems. Modeling approaches such as the circuit theory approach, the electromagnetic field approach etc are presented an analyzed. In Chapter Five the model for the simulation is selected and the values for the grounding system parameters are presented, followed by the results of the simulations. In conclusion the results of the simulations are compared. From comparing the results of the simulations we observe that the soil resistivity has a great effect on the transient response of the simulated grounding systems. Moreover for low values of soil resistivity there is a parallel decrease of the peak voltage values on the system nodes. Furthermore we observe a considerate dependence of the voltage values to the distance to the injection point of the lightning current. So as we move away from the injection point of the impulse current the node potential decreases. Finally, given the same values of soil resistivity, the two grounding systems have different transient responses.

Οι πύργοι ελέγχου αεροδρομίων αποτελούν βασικό συστατικό για την ομαλή και συνεχή εξυπηρέτηση των πτήσεων πολιτικών και στρατιωτικών αεροσκαφών. Βρίσκονται εγκατεστημένοι σε κάθε αεροδρόμιο και αποτελούν το υψηλότερο κτίριο στο περιβάλλοντα χώρο, πράγμα που δικαιολογεί και τον μεγάλο αριθμό κεραυνικών πληγμάτων που μπορούν να δεχτούν. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας που βρίσκεται εγκατεστημένο σε έναν πύργο ελέγχου αεροδρομίου. Η απόδοση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματική λειτουργία του πύργου ελέγχου και στη γενικότερη αποτελεσματική λειτουργία του αερολιμένα. Με τη χρήση του προγράμματος εξομοίωσης αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων Orcad-Pspice, προσομοιώνεται το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, με βάση τον πύργο ελέγχου που του διεθνούς αερολιμένα Ελ. Βενιζέλος, μετράται το δυναμικό στη βάση του πύργου ελέγχου και τα ρεύματα στους αγωγούς καθόδου, όταν κεραυνός πλήττει το σύστημα συλλεκτήριων αγωγών. / The airport traffic control towers are a key component for the smooth and continuous service flights for both political and military aircraft. They are located at each airport and are the highest building in the surroundings, which justifies the number of lightning strikes that accepts. The purpose of this thesis is the study of a lightning protection system which is installed in an airport control tower. The efficiency of the lightning protection system constitute an important role in the effective operation of the control tower and the overall efficient operation of the airport. Using the analog and digital circuits simulation program Orcad-Pspice, the lightning protection system simulated , based on the control tower to the International airport Eleftherios Venizelos , the measured potential at the base of the control tower and the currents in the downconductors , when lightning strikes the collectors system

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.

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