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

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε και προσομοιώθηκε η επίδραση των μεταβατικών φαινομένων σε μεταλλικές κατασκευές. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της πτώσης ενός κεραυνού σε ένα πλοίο. Για την πραγματοποίηση αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα προσομοίωσης emp3 , το οποίο έχει κατασκευασθεί από την εταιρία field precision και είναι κατάλληλο για τη μελέτη τέτοιων φαινομένων. Το emp3 στηρίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων στο πεδίο του χρόνου (FETD-FINITE-ELEMENT-TIME-DOMAIN) και καταλήγει σε συμπεράσματα με πλήρη επίλυση των εξισώσεων του Maxwell χρησιμοποιώντας μια ψευδογλώσσα επιπέδου assembly .Στο υποπρόγραμμα mesh.exe σχεδιάστηκε ένα πλοίο και το περιβάλλον του και στη συνέχεια δημιουργήθηκε το αρχείο .ein στο οποίο χωρίστηκε η διάταξη σε διάφορες περιοχές ανάλογα με τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες της καθεμίας, με σκοπό να παρατηρήσουμε τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που δημιουργεί το μεταβατικό φαινόμενο (κεραυνικό πλήγμα) στις τρείς διαστάσεις. Τέλος, τρέξαμε το αρχείο .ein στο emp3.exe και παραθέσαμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που προέκυψαν τόσο από το υποπρόγραμμα vemp3.exe όσο από το υποπρόγραμμα probe.exe και εξαγάγαμε κάποια συνολικά συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στο φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και συγκεκριμένα στους τρόπους δημιουργίας του,στις παραμέτρους του καθώς και στους παράγοντες που τον επηρεάζουν. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει ανάλυση των διεργασιών που ακολουθούν την πτώση ενός κεραυνού σε ένα πλοίο και συγκεκριμένα στις επαγόμενες τάσεις και στα παραγόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία καθώς και στις βλάβες που προκαλούνται τόσο στο πλοίο όσο και στα εξαρτήματα του. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει ανάλυση του προγράμματος προσομοίωσης emp3 ,της μεθόδου στην οποία στηρίζεται ,της ψευδογλώσσας που χρησιμοποιεί και του έτοιμου παραδείγματος bdeflect με σκοπό την κατανόηση της διαδικασίας προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων. Στο τέταρτο Κεφάλαιο θα γίνει η παρουσίαση της διαδικασίας προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα παρατείθεται η κατασκευή της γεωμετρίας του πλοίου και του περιβάλλοντος του,ο χωρισμός της συνολικής διάταξης σε περιοχές με διαφορετικά ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά, η εισαγωγή του κώδικα στο emp3.exe τα αποτελέσματα που εξήχθησαν στα vemp3.exe και probe.exe καθώς και ορισμένα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διεξαγωγή της παρούσας διπλωματικής εργασίας. / In this dissertation the effect of the transient phenomena in metallic structures was studied and simulated.Specifically. were studied the effects of a lighting stroke on a ship. In order to carry out this study,was used the simulation program emp3, which is manufactured by the company field precision and is suitable for the study of such phenomena. The emp3 program is based on the method FETD-FINITE-ELEMENT-TIME-DOMAIN and concludes with complete resolution of Maxwell's equations using a pseudocode level assembly.In the subprogram mesh.exe was designed the ship and its environment and then was created the .ein file, in which the construction was divided in different regions depending on the electromagnetic characteristics of each area, in order to observe the fields that were created by the transient phenomenon (lighting stroke), in three dimensions. Finally, we ran the file .ein in emp3.exe and presented the simulation results, which were obtained from both the subprogram vemp3.exe and the subprogram probe.exe and drew some overall conclusions. In the first chapter there will be a reference to the natural phenomenon of lightning strike and specifically to the ways of it's creation, its parameters and the factors that influence it.Ιn the second chapter there is the analysis of the processes, which follow the fall of a lightning stroke on a ship and specifically the induced voltages generated electromagnetic fields and also the harms caused both to the ship and it's components. In the third chapter there is the analysis of the simulation program emp3, the method which it is based on, the pseudocode which is used and the already existed example bdeflect in order to understande the process simulation and results.In the fourth chapter the simulation process and the results are given. Specifically, the construction of the geometry of the ship and its environment, the separation of the total provision in areas with different magnetic characteristics, the insertion of the code in emp3.exe,the results exported to vemp3.exe and probe.exe and some conclusions drawn during this thesis are presented.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς απαγωγέων υπερτάσεων (SPD), όταν αυτοί αποτελούν μέρος του εσωτερικού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας για μια οικιακή εγκατάσταση. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στα αίτια δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων στο δίκτυο διανομής, ενώ στη συνέχεια δίνεται έμφαση στις υπερτάσεις που προκαλούνται από άμεσα ή έμμεσα κεραυνικά πλήγματα στο σύστημα. Στα πλαίσια της μελέτης δημιουργήθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης που αναπαριστά ένα δίκτυο χαμηλής τάσης TN-C-S με δύο πανομοιότυπους οικιακούς καταναλωτές, όσον αφορά τη δομή της εσωτερικής ηλεκτρικής εγκατάστασής τους παρουσία ή μη διατάξεων αντικεραυνικής προστασίας. Σκοπός της προκειμένης μελέτης είναι να δειχθεί η βέλτιστη συνδεσμολογία των διατάξεων προστασίας μέσα σε εσωτερικές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις έτσι ώστε να αποτρέπεται η ανάπτυξη επικίνδυνων τάσεων και ρευμάτων για τον άνθρωπο και τον εξοπλισμό της οικιακής εγκατάστασης. / The subject of this project is a study upon the dynamic performance of surge arresters as a part of the internal lightning protection system for a residential electrical installation. At first, a reference about the actions or the natural phenomena that cause surge overvoltages in low voltage systems is given in detail and is followed by an essential theoretical approach on the lighning phenomenon. Both the causes, the consequences and the conditions in which a lightning occurs are being analysed. Furthermore, the characteristics and the qualifications a Lightning Protection System needs to comply with, are given, according to the Greek Standard ΕΛΟΤ-1197 and the European Standards IEC 62305-2, IEC 61643-12. Along with writing this essay, a simulation model using Simulink-Matlab was produced. The model represents a LV TN-C-S system that distributes power to two households with identical internal electrical installation. The aim of the present study is to indicate the optimal connection of the surge protective devices (SPDs) in the domestic electrical installation in order to prevent the appearance of potentially dangerous overvoltages to the humans or to the household equipment.

Η παρούσα διπλωματική εργασία συνιστά μια επισκόπηση του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας της νήσου Ικαρίας. Πρόκειται για ένα Αυτόνομο Σύστημα Παραγωγής, που βασίζεται σε έναν Τοπικό Σταθμό Παραγωγής, ισχύος 14 MW, που λειτουργεί με εμβολοφόρες πετρελαιομηχανές. Σκοπός της εργασίας είναι τόσο η μελέτη του συγκεκριμένου συστήματος, αλλά και η γενικότερη προσέγγιση των ΣΗΕ, και ειδικά των ΑΣΠ με τις ιδιαιτερότητες που τα χαρακτηρίζουν. Στην συνέχεια χρησιμοποιείται το λογισμικό προσομοίωσης HOMER Energy, με το οποίο κατασκευάζεται ένα μοντέλο του ΣΗΕ. Το λογισμικό εκτελεί τεχνοοικονομική ανάλυση της λειτουργίας συστημάτων, σε όλο τον κύκλο ζωής τους, και εξάγει συμπεράσματα όσον αφορά την βιωσιμότητα και την βέλτιστη μορφή τους. Με το εργαλείο αυτό διερευνώνται ζητήματα όπως η δυνατότητα διείσδυσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο ΑΣΠ Ικαρίας, καθώς και η μελλοντική λειτουργία του συστήματος, μετά την ένταξη του κατασκευαζόμενου Υβριδικού Ενεργειακού Έργου (αιολικού - υδροηλεκτρικού). Το πρότυπο αυτό έργο, ισχύος μέχρι 6,8 MW, θα επιτρέπει την αποθήκευση ενέργειας, με την μορφή της αντλησιοταμίευσης, σε δεξαμενή νερού. Η μελέτη του ΣΗΕ Ικαρίας συμπληρώνεται με την ανασκόπηση του ζητήματος των κεραυνικών πληγμάτων στις γραμμές μέσης τάσης, όπου γίνεται υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων, σε αντιπαράθεση με καταγεγραμμένα, ενώ προτείνονται λύσεις για την μείωση των προβλημάτων που δημιουργούν οι υπερτάσεις. Η συλλογή των στοιχείων της εργασίας έγινε από επιτόπιες καταγραφές, από δεδομένα που μας διατέθηκαν και από δημοσιευμένες πληροφορίες. Τα στοιχεία αυτά παρουσιάζονται κατά την επισκόπηση, μαζί με απαραίτητες διευκρινήσεις και παραπομπές στην βιβλιογραφία. Στην συνέχεια με τα στοιχεία αυτά κατασκευάζεται το μοντέλο του συστήματος, γίνονται οι υπολογισμοί, και συγκρίνονται τα αποτελέσματα. Αφού στο 1ο Κεφάλαιο δοθούν οι απαραίτητες εισαγωγικές διευκρινήσεις για τα ΣΗΕ και τα ΑΣΠ, και μια αναφορά στις ΑΠΕ, παρουσιάζονται στο 2ο Κεφάλαιο γεωγραφικά στοιχεία για το νησί, και μια σύντομη ιστορική αναδρομή στο ενεργειακό του σύστημα. Η επισκόπηση του ΑΣΠ Ικαρίας ξεκινά στο 3ο Κεφάλαιο με τα στοιχεία της Παραγωγής ενέργειας, περιγράφοντας αναλυτικά τον ΤΣΠ, τις μονάδες και τις εγκαταστάσεις του και αναλύοντας την λειτουργία του. Περιγράφεται έπειτα μία εγκατεστημένη Ανεμογεννήτρια των 600 kW, εξηγείται η λειτουργία της και σημειώνεται η επίδρασή της στην παραγωγή. Παρουσιάζεται το Υβριδικό Ενεργειακό Έργο, οι αρχές λειτουργίας, τα επιμέρους στοιχεία και αναφέρεται η αναμενόμενη συμπεριφορά του. Στην συνέχεια στο 4ο Κεφάλαιο γίνεται η επισκόπηση της Διανομής ενέργειας. Παρουσιάζεται το εναέριο δίκτυο Μέσης Τάσης, ο εξοπλισμός των γραμμών και η γεωγραφική εξάπλωση. Περιγράφονται τα δίκτυα διανομής Χαμηλής Τάσης, από τους Υποσταθμούς μέχρι τους καταναλωτές. Στο 5ο Κεφάλαιο η λειτουργία του ΣΗΕ εξετάζεται σαν σύνολο, με στοιχεία για την παραγόμενη ενέργεια, 28 GWh ετησίως, την εποχιακή και ημερήσια διακύμανση της ισχύος και την μελλοντική αύξηση της κατανάλωσης. Επισημαίνονται έπειτα οι κυριότερες αιτίες σφαλμάτων, οι μηχανισμοί δημιουργίας των συμβάντων κυρίως από καιρικά φαινόμενα, καθώς και η καταγραφή και η αποκατάσταση των βλαβών. Τέλος, στο 6ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελλοντική εξέλιξη του συστήματος, μετά την ένταξη του Υβριδικού Έργου, την αναβάθμιση του ΤΣΠ και του δικτύου ΜΤ, και οι προοπτικές για επιπλέον ΑΠΕ. Εκτός από τα Αιολικά συστήματα, εξετάζονται τα Φωτοβολταϊκά και η Γεωθερμία. Αναφέρεται και η ενδεχόμενη διασύνδεση του νησιού με το ηπειρωτικό δίκτυο της χώρας. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του ΣΗΕ, με το λογισμικό HOMER. Παρουσιάζεται το πρόγραμμα, και οι οικονομικές έννοιες που χρησιμοποιεί για την αξιολόγηση των συστημάτων. Η διαδικασία μοντελοποίησης παρουσιάζεται αναλυτικά. Αρχικά κατασκευάζεται το μοντέλο του παρόντος συστήματος, όπου διαπιστώνεται η ορθότητα του μοντέλου σε σχέση με το πραγματικό σύστημα, και σημειώνεται η θετική οικονομική επίδραση της Α/Γ στο ΑΣΠ. Από την άλλη, διαφαίνεται η αδυναμία του προγράμματος να αντιληφθεί τα όρια διείσδυσης ΑΠΕ. Στην συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψιν το παραπάνω ζήτημα, εμπλουτίζεται το μοντέλο με επιπλέον ΑΠΕ, και προκύπτει το συμπέρασμα ότι συμφέρει πρωτίστως η εγκατάσταση άλλων 2 Α/Γ, και 200 kWp Φ/Β συστημάτων, αλλά δευτερευόντως και άλλων συνδυασμών, μέχρι 7 Α/Γ συνολικά. Έπειτα, κατασκευάζεται το μοντέλο του Υβριδικού, προσεγγιστικά, λόγω έλλειψης υποστήριξης από το HOMER. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης της λειτουργίας του είναι σε συμφωνία με τα αναμενόμενα. Προκύπτουν επίσης τα εξής συμπεράσματα: (α) Το Έργο είναι οικονομικά βιώσιμο. (β) Η οικονομική επίδοση του Έργου βελτιώνεται με δέσμευση επιπλέον νερού στις δεξαμενές για αντλησιοταμίευση. (γ) Το Έργο υποστηρίζει οικονομικώς Ανεμογεννήτριες μέχρι 10 MW και Φ/Β 2,5 MWp. (δ) Το Έργο δεν επαρκεί για την μελλοντική αύξηση της κατανάλωσης, ακόμα και με επιπλέον ΑΠΕ, εκτός και αν αυξηθεί παράλληλα η ισχύς του ΤΣΠ. Η εργασία ολοκληρώνεται στο 8ο Κεφάλαιο, με το ζήτημα της θεωρητικής πρόβλεψης σφαλμάτων από κεραυνούς. Αφού παρουσιαστεί το φαινόμενο και οι επιπτώσεις του στις γραμμές, γίνεται υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων σε όλο το δίκτυο ΜΤ της Ικαρίας, μήκους 120 km, με την χρήση (α) της απλής μεθόδου Ισοδύναμης Συλλεκτήριας Επιφάνειας, και (β) της μεθόδου που προτείνεται από τον κανονισμό IEEE-1410, περί βελτίωσης της αντικεραυνικής συμπεριφοράς ηλεκτρικών γραμμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν πολύ λιγότερα σφάλματα από τα καταγεγραμμένα κάθε χρόνο (90 έναντι 175 μέσο όρο). Εξηγούνται οι βασικότερες αιτίες, όπως η γενικότητα των υπολογισμών, η ασάφεια στις καταγραφές, αλλά και το γεγονός ότι συγκεκριμένα γεωγραφικά σημεία καταπονούνται ιδιαίτερα από κεραυνικά πλήγματα και είναι υπεύθυνα για πολλά σφάλματα. Το τελευταίο, επιδεικνύεται με την μελέτη ενός ορεινού εκτεθειμένου κλάδου των γραμμών, μήκους 2 km, που παρουσιάζει 20,5 ιδιαίτερα καταστροφικά σφάλματα ετησίως, έναντι των 1,5 που αναμένονται. Προτείνονται τέλος κάποιοι οικονομικοί τρόποι προστασίας, με περισσότερους απαγωγείς υπερτάσεων και βελτίωση της γείωσης και της στάθμης μόνωσης της γραμμής. / This diploma thesis is an overview of the Electrical Power System of Ikaria Island. It is an Autonomous Production System, based on a Local Station with diesel engines. The thesis describes the Station, an installed Wind Turbine, and the Hybrid Power Plant under construction. It presents the Distribution System, consisting of overhead medium voltage power lines, as well as the low voltage distribution wiring. It includes information about the power production, the main system faults, and the future development. The study is supplemented by a simulation of the system, using HOMER Energy software, in order to investigate the renewable penetration potential, and to validate the operation of the Hybrid Power Plant. The thesis is concluded with the estimation of lightning faults on the power lines of the island's grid.