Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση της προστασίας του δικτύου Υψηλής Τάσης της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου, ΑΗΚ, ενάντια στα πλήγματα κεραυνών. Γίνεται μια παρουσίαση των διαφόρων τύπων κεραυνικών υπερτάσεων που μπορούν να εμφανιστούν σε ένα εναέριο δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, των σφαλμάτων που αυτά μπορεί να προκαλέσουν και εξετάζεται η αντοχή του δικτύου έναντι αυτών. Αρχικά γίνεται μία ιστορική αναδρομή της πορείας της ηλεκτρικής ενέργειας στην Κύπρο και του κεντρικού φορέα διαχείρισης του ηλεκτρικού ρεύματος στο νησί, της ΑΗΚ. Εν συνεχεία παρατίθενται λεπτομερώς τα στοιχεία που συνθέτουν σήμερα το δίκτυο της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου, το σύστημα παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης γίνεται σύντομη αναφορά στα σημαντικότερα στοιχεία που χαρακτηρίζουν το κλίμα της Κύπρου με ιδιαίτερη αναφορά στις καταιγίδες. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι καταπονήσεις τις οποίες υφίστανται οι γραμμές μεταφοράς ενός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας με ιδιαίτερη έμφαση στις Ατμοσφαιρικές Υπερτάσεις. Γίνεται μια ενδελεχής παρουσίαση της βασικής αιτίας πρόκλησης αυτών, του Κεραυνού, και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων στις γραμμές από κεραυνούς. Το επόμενο κεφάλαιο πραγματεύεται την παρουσίαση και επεξεργασία του συνόλου των σφαλμάτων που εμφανίστηκαν στο δίκτυο της ΑΗΚ σε μια περίοδο επτά ετών. Διαχωρίζονται σε κατηγορίες, παρουσιάζονται οι διάφορες αιτίες σφαλμάτων και αποτιμάται η βαρύτητα που έχουν τα πλήγματα από κεραυνούς στη πρόκληση σφαλμάτων στο δίκτυο. Τέλος, επιχειρείται να εκτιμηθεί ο πιθανός αριθμός σφαλμάτων από ανάστροφα βραχυκυκλώματα του δικτύου Υψηλής Τάσης της ΑΗΚ. Για το σκοπό αυτό, παρατίθενται δύο μεθόδοι, η αρχική και βελτιωμένη μέθοδος ANACOM. Εν κατακλείδι, γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων μας και διατυπώνονται τα συμπεράσματα μας αναφορικά με τα πραγματικά και αναμενόμενα σφάλματα στο δίκτυο Υ.Τ. της ΑΗΚ. / The aim of this degree paper is to evaluate the level of protection of the H.V. network of the EAC against lightning strokes. The various types of lightning overvoltages which could appear in an overhead electrical network are presented, as well as the faults that these could cause and finally the endurance of the network against them. Initially, a historical reference of electricity in Cyprus and of the EAC, which is the sole authority of electricity on the island, is given. Next, all the elements concerning the network of the EAC are presented in detail, namely the production, transmission and distribution systems. There is also a brief reference to the climatic conditions prevailing in Cyprus with a special reference to storms. In the next chapter the stresses of the lines are referred to with a special reference to the atmospheric overvoltages. A thorough presentation of the main cause of these overvoltage stresses is made, i.e. lightning, and their creation mechanisms is presented in detail. The following chapter deals with the presentation and processing of the total number of faults which appeared in EAC’s network over a period of seven years. These are then divided into categories, their causes are listed and an evaluation is made concerning the role of lightning strokes in the creation of faults in the network. Finally, an effort is made to estimate the number of faults caused by back-flashovers in the H.V. network of the EAC. In order to do this, two methods are presented, the basic and improved ANACOM methods. In the end the results are given and our conclusions are presented relating to the real and expected faults due to lightning strokes in the EAC’s H.V. network.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ϑα µελετηθεί η συµπεριφορά των γραµµών διανομής μέσης τάσης, 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 γίνεται παρουσίαση της µορφής των συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας µε ιδιαίτερη έµφαση στο σύστηµα διανοµής. Παρουσιάζεται η δοµή του συστήµατος διανοµής, τα επιµέρους τμήματα και εξαρτήµατα από τα οποία αποτελείται, καθώς και τα χαρακτηριστικά τους. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται δεδοµένα και στατιστικά του ελληνικού συστήµατος διανοµής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται µια σύντοµη παρουσίαση των σϕαλµάτων και υπερτάσεων που παρουσιάζονται στο σύστηµα διανοµής, καθώς και των µέσων προστασίας που χρησιµοποιούµε προκειµένου να εξασϕαλίσουµε την αδιάλειπτη λειτουργία και ακεραιότητα του συστήµατος µας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το ϕυσικό ϕαινόµενο του κεραυνού, καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού. Εξετάζονται τα είδη των κεραυνών και η εξοµοίωσή τους σε εργαστηριακές συνθήκες µέσω κρουστικής τάσης για δοκιµές της αντοχής των µονώσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η οδηγία της IEEE για τη συµπεριφορά των εναέριων γραµµών διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών. Σκοπός του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση εναλλακτικών λύσεων για τη µείωση των βραχυκυκλωµάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες 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. Στο πέµπτο κεφάλαιο της εργασίας, γίνεται επεξεργασία και μελέτη των καταγρεγραμένων σφαλµάτων και βλαβών λόγω πτώσεως κεραυνών στο δίκτυο μέσης τάσης, σε µετασχηµατιστές και σε γραµµές διανοµής Μ.Τ., κατά την διάρκεια της επταετίας 2005-2011 στο νομό Αιτωλοακαρνανίας. Υπολογίζεται αναλυτικά ο ϑεωρητικός αριθµός σφαλµάτων σύµϕωνα µε την οδηγία της IEEE, και στη συνέχεια γίνεται σύγκριση µε τα πραγµατικά σφάλµατα που έχουν καταγραφεί από τις υπηρεσίες της ∆.Ε.Η. στην πόλη του Αγρινίου, µε σκοπό την εξαγωγή χρήσιμων συµπερασµάτων. Γενικά, προκύπτουν αποκλίσεις της θεωρητικής εκτίμησης από τα πραγματικά δεδομένα των καταγραφών, γεγονός που οφείλεται τόσο στον προσεγγιστικό χαρακτήρα της θεωρητικής εκτίμησης, όσο και σε πιθανά λάθη, εξ’ αιτίας της εμπλοκής του ανθρώπινου παράγοντα, στην καταγραφή των πραγματικών σφαλμάτων. Παρ’ όλα αυτά, η απόκλιση αυτή είναι θετική (τα θεωρητικά υπολογισμένα σφάλματα είναι, δηλαδή, περισσότερα από τα καταγεγραμμένα), γεγονός που δεν μειώνει την αξία της εκτίμησης που μας προσφέρει το χρησιμοποιούμενο μοντέλο. / This thesis studies the behavior of medium voltage distribution lines, after being stroked by lightning – directly or indirectly. The lightning is a natural phenomenon, with dangerous impacts on human safety, buildings or electricity premises. The electricity network lines (either of high, medium or low voltage) are prone to lightning strikes. When a lightning strikes a distribution line (or the ground nearby), then faults occur at the distribution network, in the form of dangerous overvoltage. Such overvoltage may in many cases exceed the shock impulse of network’s insulation resistance. As a result, in case no safety arrangements exist, this could lead to gap breakdown, causing irreparable damage to our equipment. The study of the behavior of air distribution lines encompasses several approaches: Some of them have to do with basic parameters, such as the ground flash density (GFD) and the number of direct lightning strikes on distribution lines. In order to export safe data, we use the corresponding meteorological tables/maps (e.g. lightning maps). The first section of this paper 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, its 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 second 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 uninterrupted operation and integrity, regarding to our system. The third section presents the natural phenomenon of the lightning and its main features. The types of lightning are reviewed here, and its simulation under laboratory conditions through shock impulses, in order to test the insulation resistance. The fourth section 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. The fifth section of this paper is an elaboration of the faults recorded and the damages caused due to lightning strikes on the medium voltage network, as well as on transformers and on M.V. distribution lines over a 7-year period (from 2005 to 2011) about the Aitoloakarnania state. 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 D.E.I. in the city of Agrinio (Greek Public Power Corporation), in order to reach our conclusions. In conclusion, a deviation between the theoretical number and the real number of faults is noted: this observation has to do with the approximate character of the model we used, probably as well as the involvement of the human factor in recording the real number of thoughts. However, this deviation is “positive” (meaning that the number of theoretical faults is bigger than the number of the real ones), a fact that does not reduce the value of the number suggested by using the theoretical model provided

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της λειτουργίας των καθοδικών αλεξικεραύνων κατά την προστασία γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης. Ειδικότερα, λόγω της ιδιαίτερης φύσης των κεραυνών και των πληγμάτων που αυτοί επιφέρουν, γίνεται μελέτη μοντέλων που έχουν προταθεί για την προσομείωση των αλεξικεραύνων κατά την λειτουργία τους. / The purpose of this paper is to study the function of surge arresters protecting high voltage transmission lines. Specifically, given the particular nature of lightning strikes and the blows they bring, models that have been proposed for the simulation of surge arrestes during operation are being studied.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η στατιστική ανάλυση των πληγμάτων των κεραυνών στην Ελλάδα κατά τα τελευταία τέσσερα χρόνια (2011-2014). Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο του κεραυνού, τα είδη των κεραυνών και τα φυσικά χαρακτηριστικά του, ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι επιπτώσεις των κεραυνών. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον ηλεκτρονικό κυρίως τύπο της χώρας, και τα οποία σχετίζονται με τους θανάτους και τους τραυματισμούς ανθρώπων, τους θανάτους ζώων, τις πυρκαγιές και τα πλήγματα σε εγκαταστάσεις, κτήρια και αεροπλάνα που οφείλονται σε πτώσεις κεραυνών για την χρονική περίοδο που εξετάστηκε. Τα στοιχεία έχουν κατανεμηθεί σε έτη, μήνες και ημέρες των συμβάντων. Επιπλέον, εισάγεται ο σχετικός συντελεστής θανάτων από κεραυνούς Dr, ο οποίος εκφράζει το σχετικό αριθμό θανάτων εξαιτίας κεραυνού σε μια χώρα ή περιοχή λαμβάνοντας υπ’ όψιν τον πληθυσμό, την έκταση και την δραστηριότητα των κεραυνών (Ng). Αυτός ο συντελεστής θα μπορούσε να είναι ένα κριτήριο για την αποτελεσματικότητα των μέτρων προστασίας από κεραυνούς, καθώς και για τα αποτελέσματα των εκπαιδευτικών και ενημερωτικών εκστρατειών για την προστασία από τους κεραυνούς. Από την ανάλυση των δεδομένων για τους θανάτους ανθρώπων εξαιτίας κεραυνού συμπεράναμε ότι έχουμε ένα μέσο όρο των 2,25 απωλειών ανά έτος (9 απώλειες συνολικά) και ότι το 77,8% των συμβάντων σημειώθηκαν κατά τους μήνες του μεσοκαλόκαιρου (Μάιος-Σεπτέμβριος), με τον Σεπτέμβριο να είναι ο μήνας με τα περισσότερα συμβάντα. Όσον αφορά τους τραυματισμούς από κεραυνικά πλήγματα, έχουμε ένα μέσο όρο των 3,75 τραυματιών ανά έτος, με το 40% των συμβάντων να τοποθετείται χρονικά κατά τη διάρκεια των μηνών του μεσοκαλόκαιρου, και με τον Νοέμβριο να είναι ο «χειρότερος», σε πλήθος περιστατικών, από τους δώδεκα μήνες. Κατά την τετραετή περίοδο καταγράφηκαν 979 θάνατοι ζώων σε μόλις 9 περιστατικά κεραυνικών πληγμάτων, με τον μέσο όρο να ανέρχεται σε 244,75 θανάτους ζώων ανά έτος. Το 60,2% των θανάτων αυτών σημειώθηκε τον Αύγουστο, ενώ συνολικά τους μήνες του μεσοκαλόκαιρου σημειώθηκε το 96,2% των θανάτων ζώων. Οι πυρκαγιές που σημειώθηκαν ήταν 45, αριθμός που αντιστοιχεί σε έναν μέσο όρο 11,25 πυρκαγιών ανά έτος, με το 62,2% αυτών να είναι δασικές. Το μεγαλύτερο ποσοστό των πυρκαγιών σημειώθηκαν κατά τους μήνες του μεσοκαλόκαιρου (73,4%). Ο μέσος όρος των πληγέντων εγκαταστάσεων από κεραυνό ανήλθε σε 9,5 ανά έτος (38 συμβάντα συνολικά), με τα περισσότερα περιστατικά να έχουν καταγραφεί τον Οκτώβριο. Τα κτήρια τα οποία επλήγησαν από κεραυνό ανήλθαν σε 23 με μέσο όρο 5,75 ανά έτος. Επιπλέον, καταγράφηκαν 5 κεραυνικά πλήγματα σε αεροσκάφη κατά την τετραετία που εξετάσθηκε, με το 80% των πληγμάτων να έχουν καταγραφεί κατά τους μήνες που έχουμε τις περισσότερες καταιγίδες στην Ελλάδα. Επίσης, έγινε η κατανομή των συμβάντων όλων των κατηγοριών στις ημέρες της εβδομάδος, χωρίς όμως να βγει κάποιο ενδιαφέρον συμπέρασμα. Τέλος, στο παράρτημα παρουσιάζονται λεπτομερώς τα συμβάντα, όπως καταγράφηκαν από την εκάστοτε πηγή. / This project presents the statistical analysis of lightning strikes in Greece over the last four years (2011-2014). The first chapter describes the phenomenon of lightning, types of lightning and its natural features, while the second chapter outlines the implications of lightning. The third chapter analyses the data, that were collected mainly from the country’s electronic media, concerning deaths, injuries, animal deaths, fires, strokes at facilities, structures and airplanes due to lightning for the time period examined. The data are based on distribution in years, months and days of occurrence. Furthermore, the relative lightning death indicator Dr is introduced, that expresses the relative number of lightning deaths in a country or region taking into account its population, its area and the lightning activity Ng. This indicator could be a criterion for the effectiveness of lightning protection, and for the outcomes of education and information campaigns for the protection from lightning. From the data analysis on lightning deaths we have concluded an average of 2.25 casualties per year (9 total loss) and that 77.8% of the incidents occurred during the months of Midsummer (May-September), with September being the month with most deaths. Regarding injuries from lightning strikes, we have an average of 3.75 injuries per year, while 40% of incidents have taken place during the months of Midsummer, and November being the "worst" of the twelve months in number of incidents. During the four-year period, 979 animal deaths were recorded in just 9 incidents of lightning strikes, with the average standing at 244.75 animal deaths per year. 60.2% of these deaths occurred in August, while during the months of Midsummer occurred 96.2% of total animal deaths. The fires that occurred were 45, corresponding to an average of 11.25 fires per year, with 62.2% of them being forest fires. The majority of fires occurred during the months of Midsummer (73.4%). The average of affected facilities from lightning reached 9.5 per year (38 incidents in total). The most incidents have been recorded on October. The structures which were hit by lightning amounted to 23 with an average of 5.75 per year. Moreover, 5 lightning strikes to aircraft were recorded over the four years examined, with 80% of these strikes occurring during the months that we have the most storms in Greece. The distribution of events of all categories in the days of the week is also presented, but we did not get to an interesting conclusion. Finally, in the annex the events are presented in details, as recorded by each source.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη των αναπτυσσόμενων υπερτάσεων στις γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης (132kV) του δικτύου της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου. Γίνεται μια παρουσίαση του κάθε στοιχείου του δικτύου ξεχωριστά, με ποιο τρόπο μπορεί να μοντελοποιηθεί και πως συμπεριφέρεται σε κεραυνικό πλήγμα εύρους 100kA με τρία διαφορετικά σήματα. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης στο λογισμικό ATP-EMTP και εξάγονται παρατηρήσεις και συμπεράσματα. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγική παρουσίαση της διπλωματικής εργασίας, μια ιστορική αναδρομή για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και την επανάσταση που έφερε η ανάπτυξη τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η πορεία του ηλεκτρισμού στη Κύπρο κάτω από το φορέα διαχείρισης του, την Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται λεπτομερώς τα στοιχεία που συνθέτουν σήμερα το δίκτυο της Α.Η.Κ από την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στο νησί. Ακόμη γίνεται μία σύντομη αναφορά στο κλίμα της Κύπρου και πως αυτό ευνοεί τη δημιουργία κεραυνών. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται και περιγράφεται αναλυτικά η αιτία της δημιουργίας των εξωτερικών υπερτάσεων, δηλαδή ο κεραυνός και πως λειτουργεί αυτός ως φυσικό φαινόμενο. Επίσης περιγράφονται οι διάφοροι μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων από τους κεραυνούς. Στα επόμενα τρία κεφάλαια παρουσιάζονται ενδελεχώς τα τρία βασικά στοιχεία του δικτύου το οποίο τυγχάνει προσομοίωσης, δηλαδή οι γραμμές μεταφοράς, οι πυλώνες και οι αλυσοειδείς μονωτήρες ανάρτησης. Συγκεκριμένα, για τις μεταφοράς γίνεται αναφορά στα γενικά τους στοιχεία, στα χαρακτηριστικά τους αλλά και στις καταπονήσεις που υφίστανται. Στους πυλώνες παρουσιάζεται η καταπόνηση τους από κεραυνούς με απότομο μέτωπο, το πως εκτιμάται η αντίσταση γείωσης τους και τι ρόλο παίζει η ειδική αντίσταση εδάφους. Όσο αφορά τους μονωτήρες ανάρτησης προβάλλονται γενικά κατασκευαστικά τους στοιχεία, οι συνθήκες στις οποίες λαμβάνει χώρα η υπερπήδηση(διάσπαση) τους και οι μέθοδοι υπολογισμού του χρόνου επιφανειακής διάσπασης των. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται το λογισμικό ATP- EMTP μέσω του οποίου γίνεται η μοντελοποίηση των στοιχείων του δικτύου και η προσομοίωση τους. Γίνεται αναφορά στη δομή του προγράμματος, τα ιστορικά του στοιχεία, τις διάφορες βιβλιοθήκες μοντέλων που εμπεριέχονται σε αυτό, τα διάφορα προγράμματα υποστήριξης του και περισσότερο το ATP – Draw όπου παρέχεται η δυνατότητα για σχεδίαση των στοιχείων και εισαγωγή των παραμέτρων τους. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των προαναφερθέντων στοιχείων της διάταξης και ενσωμάτωση τους στο ATP – EMTP. Τέλος, στο ένατο και τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, η εξαγωγή των αποτελεσμάτων, οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα. / The aim of the work described in this thesis is the study of the induced overvoltages on high voltage transmission lines (132kV) of the network of the Electricity Authority of Cyprus. Every network element is separately described, ways for the modeling of each element are explored and the behavior of each element during a 100kA lightning strike using three different signals is observed. Lastly, the results of the simulation are presented by using ATP/EMTP software, observations are made and findings are determined. The first chapter introduces the thesis and consists of a historical overview of electrical power systems and an overview of the revolution brought through their development. Thereafter the development of electricity in Cyprus as part of the electricity supplier “Electricity Authority of Cyprus” is analyzed. A detailed review of the system used by the “Electricity Authority of Cyprus” (Generation, Transmission, Distribution, Supply) constitutes the second chapter. Further, a brief reference to the climate of Cyprus is made and on how it favors the formation of lightning. The third chapter presents and describes in detail what might cause extraneous voltages, i.e. lightning and how it works as a natural phenomenon. Plus the different generation mechanisms of lightning overvoltages are described. In the next three chapters the main three elements of the network being simulated are presented in detail, i.e. transmission lines, pylons and catenary suspension insulators. Namely, with regard to transmission lines general information is given, their characteristics are described along with the stresses they face. As long as the pylons are concerned, the stresses they face by steep-front lightning are described, information on how to assess their grounding system resistance is given and it is also discussed whether Soil Resistivity plays a dominant role. Regarding suspension insulators their parts are described, the circumstances under which their disruptive discharge takes place and the methods of calculating surface discharges. In the seventh chapter the ATP/EMTP software used for network modeling and simulation is presented. Reference is made to the program structure, the historical data, the various model- libraries included in it, the various supporting programs and more specifically ATPDraw which creates/draws the elements and which does the parameter fitting. The eighth chapter contains the analysis of the modeling of the aforementioned parts of the assembly and their integration in the ATP/EMTP. Lastly, in the ninth and final chapter the results of the simulation are presented, observations are made and findings are determined.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς εναέριων γραμμών και υπόγειων καλωδίων μεταφοράς υψηλής τάσης έναντι κεραυνών. Για την εξυπηρέτηση του σκοπού αυτού, γίνεται προσομοίωση ενός υβριδικού δικτύου, αποτελούμενου τόσο από εναέριες γραμμές μεταφοράς όσο και από υπόγεια καλώδια, και μελέτη των μεταβατικών υπερτάσεων που εμφανίζονται σε αυτό λόγω κεραυνικών πληγμάτων σε έναν από τους αγωγούς προστασίας του τερματικού πυλώνα, όπου πραγματοποιείται η διασύνδεση εναέριας γραμμής-υπόγειου καλωδίου. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται κάποια θεωρητικά στοιχεία σχετικά με τις ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Αναλύονται τα είδη των κεραυνών, οι βασικές παράμετροι και τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Επιπλέον, περιγράφονται οι επιπτώσεις από κεραυνικά πλήγματα και ο τρόπος εύρεσης της συχνότητας με την οποία συμβαίνουν κεραυνοί ανά περιοχή. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας και αναπτύσσονται τα βασικά στοιχεία των εναέριων γραμμών και των υπόγειων καλωδίων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, πραγματοποιείται μία σύγκριση αυτών των δύο τρόπων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, παρουσιάζοντας τα θετικά και αρνητικά στοιχεία καθενός από αυτούς. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται τα είδη σφαλμάτων και τα αίτια δημιουργίας αυτών στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται κάποια βασικά χαρακτηριστικά για την κυματομορφή του κεραυνικού ρεύματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται η μόνωση και η προστασία τόσο των εναέριων γραμμών όσο και των υπόγειων καλωδίων έναντι κεραυνικών πληγμάτων. Εξετάζονται ακόμα οι μηχανισμοί που εγείρουν υπερτάσεις στη γραμμή μεταφοράς. Έπειτα, για τον καθορισμό της θέσης των αγωγών προστασίας της γραμμής, περιγράφονται οι μέθοδοι της μέγιστης γωνίας αλλά και η ηλεκτρογεωμετρική μέθοδος. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναπτύσσονται τα επιμέρους στοιχεία του υπολογιστικού προγράμματος ATP-EMTP, το οποίο θα αποτελέσει το μέσο εξομοίωσης για την παρούσα εργασία. Αναφέρονται τα σημεία υπεροχής και η καταλληλότητά του για τέτοιου είδους αναλύσεις και παρουσιάζονται τα επιμέρους υποπρογράμματα από τα οποία αποτελείται. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο ATPDraw, το οποίο είναι το κύριο όργανο της εξομοίωσης. Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά το υβριδικό δίκτυο μεταφοράς υψηλής τάσης που χρησιμοποιείται στην εξομοίωση και αναλύονται τα στοιχεία που το αποτελούν, δηλαδή οι εναέριες γραμμές και τα υπόγεια καλώδια. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων και οι γραφικές παραστάσεις των υπερτάσεων στα διάφορα σημεία του κυκλώματος, εξαιτίας κεραυνικών πληγμάτων, των οποίων το εύρος αυξάνει σε κάθε εξομοίωση. Στη συνέχεια ελέγχεται η επικινδυνότητα των υπερτάσεων που εγείρονται για τα διάφορα μεγέθη κεραυνικού ρεύματος και εάν ο εξοπλισμός σε διαφορετικά σημεία του δικτύου αντέχει τις υπερτάσεις αυτές ή καταστρέφεται. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι επικίνδυνες υπερτάσεις παρατηρούνται σε τμήματα της εναέριας γραμμής μεταφοράς πλησίον του σημείου κεραυνικού πλήγματος. Αντίθετα, το υπόγειο τμήμα του δικτύου αποδεικνύεται πιο ανθεκτικό, καθώς δεν εγείρονται επικίνδυνες υπερτάσεις ακόμα και για πολύ υψηλό κεραυνικό ρεύμα. / The purpose of this diploma thesis is the study of the behavior of overhead transmission lines and underground transmission cables against lightning. In favor of this purpose, a simulation of a hybrid transmission network takes place, which is composed of both overhead lines and underground cables, in order to examine transient overvoltages. These overvoltages are raised due to a lightning that strikes the shield wire of the terminal tower, where the interconnection of overhead line to underground cable takes place. Chapter one presents the basic theory concerning atmospheric discharges. It describes the different types of lightning strikes, their parameters and basic characteristics. Furthermore, it analyzes the consequences of lightning and how to find the frequency that a lightning takes place in an area. At the second chapter there is an introduction in the systems of electric energy and a presentation of the basic characteristics of overhead lines and underground cables. In addition, there is a comparison between those two means of electricity transmission. Chapter three examines the types of errors and the causes of them at the electricity transmission lines. Moreover, it gives the basic parameters of the lightning current waveform. Chapter four analyzes the insulation and protection of both overhead lines and underground cables against lightning. It also examines the mechanisms that raise overvoltages at the transmission lines. Afterwards, there are described two methods on how to define the place of shield wires at a transmission line. Chapter five describes the ATP-EMTP simulation program, which is a specific software to simulate power systems. Its superiority for research like the present one is high lined and special emphasis is given to ATPDraw which is the main tool for the simulation. At chapter six there is a detailed analysis of the hybrid network used in this simulation and of its basic components, which are the overhead lines and the underground cables. Furthermore, there is a presentation of the results of the simulation and the graphs of the overvoltages at different spots of the network, due to lightning strikes. Afterwards, there is an evaluation of the risk of overvoltages that are raised for different lightning current sizes and if the equipment at different spots of the network sustains these overvoltages or it is destroyed. From the results, it is concluded that dangerous overvoltages are raised at sections of the overhead line near the lightning strike. On the contrary, the underground section of the network appears to be more resistant, as there are not raised dangerous overvoltages, even when the lightning current was too high.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αναφορά των επιπτώσεων που προκαλούν οι κεραυνοί σε διατάξεις χαμηλής τάσης και o τρόπος, με τον οποίο ο άνθρωπος μπορεί να προστατέψει μια κατασκευή. Ώς μοντέλο, για να διαπιστωθεί αν η θεωρία μπορεί να γίνει πράξη, χρησιμοποιήθηκε ένα υπάρχον κτιριακό συγκρότημα που βρίσκεται σε περιοχή της Κύπρου, όπου κατά τη διάρκεια κεραυνικών πληγμάτων σημειώνονταν ηλεκτρολογικές ζημιές. Η μελέτη έγινε σύμφωνα με τους ισχύοντες διεθνείς κανονισμούς αντικεραυνικής προστασίας και τη σχετική βιβλιογραφική θεωρία. Μετά τη μελέτη και τον υπολογισμό όλων των υπολοίπων τμημάτων που απαρτίζουν το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ακολουθεί η σχεδίαση του στο πρόγραμμα σχεδίασης AutoCAD. Τέλος, με εξομοίωση του ισοδύναμου κυκλώματος, του ΣΑΠ, στο λογισμικό πρόγραμμα EMTP-ATP, μελετάται η μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος γείωσης για να κριθεί αν το σύστημα που σχεδιάστηκε είναι αποτελεσματικό ή όχι. Το προτεινόμενο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας όπως παρουσιάζεται στην πιο κάτω διπλωματική εργασία σύμφωνα με τα αποτελέσματα, μπορεί να παρέχει μια αξιόπιστη και ασφαλή λειτουργία του κτιριακού συγκροτήματος χωρίς περαιτέρω ζημιές. / The main subject of this thesis is the study and designing of a lighting strike protection system in an existing building complex. In addition, the consequences of lighting strikes in buildings are studied and what someone can do to protect buildings. In order to apply the theory in practice, an existing building complex located in Cyprus, is used as a model in order to design the lighting protection system, since damages were observed during several lighting strikes the last few years. The study and the design of the protection system is made by following the national lighting strike protection rules and theory presented in existing literature. The study and calculations of the other parts that belong to the complete lighting strike protection system are followed by the designing of the complete system in Autocad. Moreover, a study of the transient behaviour of the Earth-termination system is done via the simulation of the building complex by using the EMTP-ATP software. It is important to mention that the phenomenon of ionization is consider as well in this step. The proposed lighting protection system as it is presented in this thesis and according to the results, can provide a reliable and safe operation of the building complex without any further damages.

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

Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς απαγωγέων υπέρτασης στις γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης όταν αυτές καταπονούνται από κεραυνικά πλήγματα. Γίνεται μοντελοποίηση πραγματικών πυλώνων και γραμμών του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς, καθώς και αλεξικέραυνων, προσομοίωσή τους στο πρόγραμμα ATP/EMTP και στη συνέχεια μελέτη των υπερτάσεων που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια κεραυνικών πληγμάτων πάνω στους αγωγούς προστασίας. / The purpose of this thesis is the study of the behavior of surge arresters on high voltage transmission lines when they are strained by lightning strikes. Steel towers and transmission lines used in the Greek Transmission System and also surge arresters are simulated with ATP/EMTP and the overvoltages that occur during lightning strikes on the shielding wires are studied.

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.