Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αντικεραυνική προστασία όσον αφορά τα κυκλώματα γραμμής των ηλεκτρικών σιδηροδρομικών συστημάτων. Προτού όμως αναφερθούν τρόποι και συσκευές προστασίας ή δoθούν κάποια παραδείγματα εφαρμογών στις σιδηροδρομικές γραμμές κάποιων χωρών, πρέπει να γίνει μια εισαγωγική αναφορά γύρω από τον πυρήνα αυτής της εργασίας: τον κεραυνό. Έτσι, στο 1 κεφάλαιο γίνεται περιγραφή κάποιων εισαγωγικών εννοιών σχετικά με τον κεραυνό. Ξεκινώντας από τη φόρτιση των σύννεφων και στο πως αυτή γίνεται, καταλήγουμε στα διάφορα είδη κεραυνών. Ακολουθεί η εξομοίωση στο εργαστήριο με ορισμένα μεγάλα διάκενα εκκένωσης για την εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων της εκκένωσης του κεραυνού. Στη συνέχεια αναλύεται ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων μέσα από τρεις φάσεις: έναρξη οχετού (οχετός προεκκένωσης), φάση του οχετού επιστροφής και ο συνδετικός οχετός. Τέλος γίνεται ανάλυση του ρεύματος κεραυνού και των παραμέτρων του, ενώ δίνονται και κάποιες σχέσεις για τη συχνότητα εμφάνισης των κεραυνών. Στο 2 κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των συνδέσεων ασφαλειών (fuse link), μιας εφαρμογής που χρησιμοποιείται για την αντικεραυνική προστασία των κυκλωμάτων γραμμής. Αρχικά γίνεται περιγραφή των ειδικών παραμέτρων του συστήματος της συγκεκριμένης εφαρμογής που χρησιμοποιείται στα κινητήρια συστήματα. Στη συνέχεια δίνεται μια σύντομη επισκόπηση του πλήρους σχεδίου. Ακολούθως περιγράφονται οι προσομοιώσεις υπολογιστών, στις οποίες καθορίστηκε η κατανομή του ρεύματος κεραυνού σ’ ένα κινητήριο σύστημα. Στην παράγραφο 2.1.3.δ, εξηγείται η εργαστηριακή δοκιμή της συσκευής περιορισμού της τάσης, ειδικά της συμπεριφοράς (με τη χαρακτηριστική) του ρεύματος κεραυνού. Επιπλέον, γίνεται περιγραφή της πρακτικής εφαρμογής των ασφαλειών που είναι ανθεκτικές σε κεραυνούς, παρουσιάζοντας μια πρακτική δοκιμή. Δίνονται επίσης ορισμένες τυποποιημένες εφαρμογές. Τέλος, εξηγείται το σχέδιο των συνδέσεων των ασφαλειών που είναι ανθεκτικές σε κεραυνούς. Στο 3 κεφάλαιο αναλύονται τα αλεξικέραυνα μεταλλικών οξειδίων (ΜΟ). Τα συστήματα ισχύος των ηλεκτρικών σιδηρόδρομων μπορούν να προστατευτούν έναντι υπερτάσεων με τη χρήση αυτών των συσκευών. Στο κεφάλαιο περιγράφεται η αρχή λειτουργίας των αλεξικέραυνων ΜΟ, η οποία βασίζεται στη μη γραμμική χαρακτηριστική τάσης - ρεύματος συγκεκριμένων κεραμικών στοιχείων, αποκαλούμενα MO varistors. Ακολουθούν οι τρεις τύποι αλεξικέραυνων υπέρτασης ΜΟ για τα ηλεκτρικά συστήματα σιδηρόδρομων: με περίβλημα πορσελάνης, με συνθετικό πολυμερές περίβλημα και με άμεσα διαμορφωμένο πολυμερές περίβλημα. Τέλος, γίνεται λόγος για τη χρήση των αλεξικέραυνων ΜΟ στα DC κινητήρια συστήματα σύμφωνα με την Ένωση των Γερμανικών Επιχειρήσεων Μεταφορών (VDV), σε διάφορες σιδηροδρομικές εφαρμογές. Στο 4 κεφάλαιο γίνεται ανάλυση ενός πλάνου αντικεραυνικής προστασίας για τα συνεχούς ρεύματος (DC) σιδηροδρομικά συστήματα. Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στις τάσεις του συστήματος και τις διάφορες μορφές υπερτάσεων, των άμεσων και έμμεσων πληγμάτων κεραυνού. Στη συνέχεια περιγράφονται κάποιες συσκευές προστασίας (καθώς και τα χαρακτηριστικά αυτών), όπως είναι τα αλεξικέραυνα υπερτάσεων ΜΟ (τύπου Α1 και Α2), οι περιοριστές χαμηλής τάσης (LVL), ενώ εισάγεται ένας προσφάτως ανεπτυγμένος υβριδικός περιοριστής τάσης (HVL) ο οποίος συνδυάζει την προστασία από υπερτάσεις και την προστασία έναντι των επικίνδυνων τάσεων επαφής. Τέλος, γίνεται μία περιγραφή διαφόρων μέτρων προστασίας στις γραμμές μεταφοράς, στους υποσταθμούς καθώς επίσης και στα οχήματα κίνησης, ενώ δίνονται και κάποια αποτελέσματα δοκιμών με χρήση LVLs. Το 5 κεφάλαιο αναλύει την πρόβλεψη των σφοδρών εκκενώσεων κεραυνού που μπορούν να προκαλέσουν μια σοβαρή διαταραχή στη λειτουργία της αμαξοστοιχίας, με τη χρησιμοποίηση υπολογιστών βασισμένων στο Ιαπωνικό Δίκτυο Ανίχνευσης Κεραυνού (Japanese Lightning Detection Network - JLDN), προκειμένου να υποστηρίξουν πομπούς για να κάνουν μια αποτελεσματική λήψη απόφασης σχετικά με τη ρύθμιση των μηχανικών συντήρησης, τις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας έκτακτης ανάγκης και τις επιπλέον ηλεκτρικές συσκευές για γρήγορη ανάκτηση. Ένα πραγματικού χρόνου σύστημα υποστήριξης λήψης απόφασης έχει αναπτυχθεί. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δύο κύριες τεχνικές εκτίμησης, που εχουν αποτιμηθεί με την εφαρμογή τους σε πραγματικά δεδομένα κεραυνού, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της τροχιάς της περιοχής που κινείται επικίνδυνα και της διάρκειας της δραστηριότητας του κεραυνού. Στο 6 κεφάλαιο περιγράφονται οι λεπτομέρειες του αισθητήρα υπερτάσεων/υπερρευμάτων κεραυνού για το σιδηρόδρομο. Πρόκειται για ένα νέο σύστημα ελέγχου του σιδηροδρομικού σήματος, το οποίο ελέγχει σιδηροδρομικά σήματα, διακόπτες, κυκλώματα γραμμής βασισμένα στο πρωτόκολλο IP. Σε αυτό το σύστημα, πολλές ηλεκτρονικές συσκευές εγκαθίστανται κατά μήκος του σκληρού περιβάλλοντος του σιδηροδρόμου. Επομένως, αυτές οι ηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να έχουν αντοχή προς το περιβάλλον για υπέρταση/υπέρρευμα κεραυνού, για θερμοκρασία, για δόνηση, για βροχή και για ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Σαν αντίμετρο για την υπέρταση κεραυνού, χρησιμοποιούμε την προστατευτική συσκευή (το αλεξικέραυνο). Η υποβάθμιση της προστατευτικής συσκευής μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή των ηλεκτρικών συσκευών. Έτσι αναπτύχθηκε ο αισθητήρας υπερτάσεων/υπερρευμάτων για την ανίχνευση της υποβάθμισης της προστατευτικής συσκευής. Στο 7 κεφάλαιο περιγράφονται οι μετρήσεις των υπερτάσεων και των μεταβατικών ρευμάτων κεραυνού που εισέρχονται σε μια εγκατάσταση σιδηροδρόμου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του 2003 στο Tierp της Σουηδίας. Οι μετρήσεις υπερτάσεων έγιναν σε μια τεχνητή βάση που παρέχει έναν αδιάκοπο εφοσδιασμό για τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και τα συστήματα σηματοδότησης. Επίσης παρουσιάζονται και συζητούνται τα παραδείγματα των κυματομορφών των μεταβατικών ρευμάτων. Τέλος, το κεντρικό μήνυμα που περνάνε τα δύο τελευταία κεφάλαια, 8 και 9, είναι ότι πρέπει να ενισχυθούν τα αποτελεσματικά και οικονομικά αντίμετρα για την παρεμπόδιση των ζημιών κεραυνού στο σιδηροδρομικό σύστημα σηματοδότησης. Στο 8 κεφάλαιο μετρήθηκε η κατανομή του δυναμικού του κρασπέδου εδάφους όταν προκλήθηκε μια αύξηση δυναμικού της ράγας με την έγχυση ενός υπερρεύματος κεραυνού σε μια ράγα. Επιπλέον, διοχετεύθηκε ένα υπέρρευμα κεραυνού μέσα στη ράγα ή στο κράσπεδο εδάφους για να αυξηθεί το δυναμικό τους, προκειμένου να μετρηθούν οι υπερτάσεις κεραυνού σε μια ισόπεδη διάβαση έτσι ώστε να μπορέσουν να λάβουν βασικά δεδομένα για το σχεδιασμό της μόνωσης. Τέλος, αποδεικνύεται ότι ένα αποτελεσματικό αντίμετρο είναι να γειώσουμε τις συσκευές αντικεραυνικής προστασίας που συνδέονται με τους ηλεκτρονικούς ανιχνευτές τραίνων σε μια ισόπεδη διάβαση προκειμένου να κατασταλούν οι υπερτάσεις κεραυνού στην ισόπεδη διάβαση. Στο 9 κεφάλαιο μετρήθηκαν οι υπερτάσεις κεραυνού που προκλήθηκαν από την εισβολή των κυμάτων κεραυνού στο σιδηροδρομικό σύστημα ισόπεδης διάβασης, στην περίπτωση ενός πραγματικού πλήγματος κεραυνού, ώστε να μπορούν να κατανοηθούν οι υπερτάσεις αυτές ποσοτικά. Έτσι θα μπορούσαμε να διευκρινίσουμε τη συχνότητα εμφάνισης των υπερτάσεων κεραυνού στο σύστημα της ισόπεδης διάβασης στην κατάσταση του πραγματικού πλήγματος κεραυνού. / The subject of this project is the lightning protection for track circuits of electrical railway systems. But before being reported ways and protection devices or given some examples of applications for rail lines in some countries, should be an introductory reference around the core of this work: the lightning. Thus, chapter 1 contains a description of some import concepts about lightning. Starting from the charge of the clouds and how it is, we arrive at the different types of lightning. Here the simulation in the laboratory with some major gaps evacuation for some of the conclusions of the lightning discharges. Then analyze the mechanism of atmospheric discharges through three phases: entry drain, phase of the return drain and the connecting drain. Finally an analysis of lightning current and his parameters became, while some relationships are given about occurrence frequency of lightning. In the 2nd chapter an analysis of fuse link, an application used for lightning protection on track circuits, is described. First the special system parameters for this specific application, used in traction systems will be described. Then a brief overview of the complete project is given. Following computer simulations will be described, in which the lightning current distribution in a traction system was determined. In the paragraph 2.1.3.δ, the laboratory testing of the voltage limiting device, especially its lightning current behavior is explained. Moreover the practical application of the lightning resistant fuse link both in a field test and following in stand applications is described. Finally the design of this lightning resistant fuse link is explained. In the 3rd chapter Metal-Oxide (MO) surge arresters are described. Power systems of electric railways may be protected against overvoltages by using them. The operating principle of an MO surge arrester is essentially based on the strongly non-linear current-voltage characteristic of specific ceramic elements, so-called MO varistors, is described. Following the three types of (MO) surge arresters for electrical railway systems: with a Porcelain Housing, with a Polymer Composite Housing and with a Directly Moulded Polymer Housing. Finally, talk about use of MO surge arresters in DC traction systems as per Association of German Transport Undertakings (VDV), in various railway applications. In the 4th chapter an overvoltage protection concept for DC railway systems, is analyzed. First, there is a reference about system voltages and on various forms of overvoltages, of direct and indirect lightning strokes. Below, some protection devices (and their characteristics), such as the (MO) lightning surge arresters (A1 and A2 type), the Low Voltage Limiters (LVLs), while a newly developed Hybrid Voltage Limiter (HVL), which combines overvoltage protection and the protection against dangerous touch voltages, is introduced, are quoted. Finally, a description about some protection measures on overhead lines, for substations, and also on traction vehicles, while some test results using LVLs, are given. The 5th chapter investigates the prediction of severe lightning discharges that might cause a serious disturbance in train operation, by using computers based on the Japanese Lightning Detection Network (JLDN), in order to support dispatchers to make an effective decision about arranging maintenance engineers, emergency electrical power generators and extra electrical devices for quick recovery. A real-time decision support system has been developed. Two principal estimation techniques, which are used for estimating the trajectory of moving hazardous area and the lifetime of the lightning activity, have been evaluated by applying them to the real lightning data. In the 6th chapter details of the lightning surge sensor for railway are described. This is a new railway signal control system, which controls railway signals, switches, track circuits based on IP protocol. In this system, much electronic devices are installed along harsh railway environment. Therefore, these electronic devices must have environment resistance for lightning surge, temperature, vibration, waterproof, and electromagnetic noise. As a countermeasure for the lightning surge, we utilize the protective device (cable arrester). The degradation of the protective device may cause the damage of the electric devices. So we develop a lightning surge sensor to detect the degradation of a protective device. In the 7th chapter the measurements of lightning transients entering a railway facility during the summer of 2003, in Tierp, Sweden, are described. The measurements of the transients were made in a technical house that supplies an uninterrupted supply for the telecommunication systems and the signal systems. Examples of transient waveforms are presented and discussed. Finally, the major idea of chapters 8 and 9 is that it’s required to build up effective and economical countermeasures for preventing lightning damages on the railway signalling system. In the 8th chapter the wayside ground potential distribution when a rail potential rise was caused by injecting a lightning surge current into a rail, are measured. Moreover, a lightning surge current into the rail or wayside ground is injected, to raise their potential, in order to measure the lightning overvoltages on a level crossing so that we can obtain basic data for insulation design. It is shown in the paper that an effective countermeasure is to earth lightning protective devices attached to electronic train detectors for a level crossing in order to suppress the lightning overvoltages on the level crossing. In the 9th chapter the lightning overvoltages caused by invading lightning surges into the railway level crossing system in the event of real lightning stroke so that we can grasp the lightning overvoltages quantitatively, are measured. So, we could clarify the occurrence frequency of lightning overvoltages on the level crossing system in the condition of the real lightning stroke.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αντικεραυνική προστασία όσον αφορά ευαίσθητους ηλεκτρονικούς εξοπλισμούς και ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Προτού όμως αναφερθούν τρόποι και συσκευές προστασίας ή δοθούν κάποια παραδείγματα εφαρμογών σε εγκαταστάσεις και εξοπλισμούς κάποιων χωρών, πρέπει να γίνει μια εισαγωγική αναφορά γύρω από τον πυρήνα αυτής της εργασίας: τον κεραυνό. Έτσι, στο 1ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή κάποιων εισαγωγικών εννοιών σχετικά με τον κεραυνό. Ξεκινώντας από τη φόρτιση των σύννεφων και στο πως αυτή γίνεται, καταλήγουμε στα διάφορα είδη κεραυνών. Ακολουθεί η εξομοίωση στο εργαστήριο με ορισμένα μεγάλα διάκενα εκκένωσης του κεραυνού. Στη συνέχεια αναλύεται ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων μέσα από τρείς φάσεις: έναρξη οχετού (οχετός προεκκένωσης), φάση του οχετού επιστροφής και ο συνδετικός οχετός. Τέλος, γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση του ρεύματος κεραυνού και των παραμέτρων του. Οι βλάβες στις μονάδες ισχύος ενός υπαίθριου ηλεκτρονικού εξοπλισμού, απαντώνται συχνά εξαιτίας των κρουστικών ρευμάτων των κεραυνών που επάγονται πάνω στις AC γραμμές τροφοδοσίας. Οι αιτίες για τις βλάβες αυτές είναι ότι τα κρουστικά ρεύματα λόγω κεραυνών, ενεργοποιούν το κύκλωμα ασφαλείας της μονάδας ισχύος. Στο 2ο κεφάλαιο, για να αποσαφηνίσουμε τους μηχανισμούς των βλαβών αυτών, μετρήσαμε τα κρουστικά ρεύματα πάνω στις γραμμές. Οι μετρημένες κυματομορφές ήταν αρκετά μεγαλύτερες από τις τυποποιημένες κυματομορφές, που έχουν οριστεί από το Κ.44 του ITU-T. Επίσης, η πιθανότητα εμφάνισης κρουστικών ρευμάτων πάνω σε AC γραμμές τροφοδοσίας ήταν 20 φορές μεγαλύτερη από ότι να εμφανιστεί σε γραμμές τηλεπικοινωνιών. Όταν ένα κτίριο πλήγεται από κεραυνό, ένα μεγάλο μέρος του κρουστικού ρεύματος ρέει μέσω του συστήματος γείωσης προς το έδαφος και ένα μέρος του διαρρέει μέσω των ηλεκτρικών καλωδιώσεων του κτιρίου, οι οποίες προστατεύονται από SPD (Surge Protective Device). Στο 3ο κεφάλαιο, γίνεται αριθμητική ανάλυση της κατανομής του ρεύματος κεραυνού σε ένα πληγέν κτίριο, μέσω ενός ηλεκτρομαγνητικού και ενός κυκλωματικού μοντέλου. Σύμφωνα με την κατανομή του ρεύματος και για διάφορα συστήματα καλωδίωσης, καταλήξαμε ότι το ποσοστό του ρεύματος στις καλωδιώσεις στα υψηλότερα και στα χαμηλότερα πατώματα είναι τα μεγαλύτερο και συγκλίνει σε μία σταθερή τιμή όσο το κτίριο ψηλώνει. Όσον αφορά τα μεσαία πατώματα, είναι ασήμαντα μικρό. Αυτό το αποτέλεσμα μας είναι πάρα πολύ χρήσιμο στον προσδιορισμό της ενεργειακής κατάταξης του SPD. Συχνά ακούμε για ζημιές σε ηλεκτρικό/ηλεκτρονικό εξοπλισμό ενός κτιρίου που προκαλούνται από ρεύμα κεραυνού, ακόμα και αν η απόσταση της ηλεκτρονικής συσκευής από το σημείο πλήγματος του κεραυνού είναι μερικές εκατοντάδες μέτρα μακριά. Στο 4ο κεφάλαιο, εξετάζουμε τα ποσοστά του ρεύματος που μεταφέρονται μέσω των γραμμών τροφοδοσίας μιας κατοικημένης περιοχής από το πληγέν κτίριο στα γειτονικά του. Στο 5ο κεφάλαιο εξετάζουμε το επακόλουθο της επικίνδυνης υπέρτασης, λόγω πλήγματος κεραυνού στο LPS (Lightning Protection System) ενός κτιρίου, όπως επίσης και τα επιμέρους ρεύματα που ρέουν στις εσωτερικές εγκαταστάσεις που συνδέονται με τη ράβδο ισοδυναμικής σύνδεσης (bonding bar) και το σύστημα τερματισμού γείωσης. Μετρήσαμε τα ρεύματα κεραυνού στις εισερχόμενες γραμμές του κτιρίου για διαφορετικές εισόδους έγχυσης του κρουστικού ρεύματος, έτσι ώστε να καταλήξουμε στην κατάλληλη επιλογή και σύμπλεξη του σετ των SPD, της προστατευόμενης συσκευής χαμηλής τάσης. Επιπλέον, μετρήσαμε την κατανομή του ρεύματος και την πτώση τάσης για διαφορετικά σετ των SPD (switching και limiting) και για διαφορετικούς κατασκευαστές, σε διάφορα σημεία των μοντελοποιημένων κυκλωμάτων του οικοδομήματος. Στο 6ο κεφάλαιο, αναπτύσσονται οι δίσκοι ΖnO με ικανότητα αντοχής σε υψηλή ενέργεια, για χαμηλής τάσης συσκευές προστασίας από υπερφορτίσεις. Αυτό το πετυχαίνουμε βελτιώνοντας την χημική σύνθεση, την κατασκευαστική επεξεργασία και τον σχεδιασμό των ηλεκτροδίων των δίσκων αυτών. Οι μεταβλητές αντιστάσεις (Varistors) είναι από τα πιο κοινά χρησιμοποιούμενα προστατευτικά εξαρτήματα στα συστήματα χαμηλής τάσης. Είναι πολύ σημαντικό να εντοπίσουμε και να αντικαταστήσουμε τις φθαρμένες μεταβλητές αντιστάσεις με σκοπό να αποφύγουμε οποιεσδήποτε ζημιές στη προστατευόμενη συσκευή. Στο 7ο κεφάλαιο, μελετάμε την συμπεριφορά των χαμηλής τάσης μεταβλητών αντιστάσεων λόγω του επαναληπτικού κρουστικού ρεύματος με ρυθμό επανάληψης 10 έως 60 sec. Λεπτομερείς αναλύσεις έγιναν για να έχουμε μια ξεκάθαρη αντίληψη για τις αλλαγές των χαρακτηριστικών της μεταβλητής αντίστασης κάτω από ένα τέτοιο περιβάλλον. Οι περισσότερες από τις φυσικές ζημιές (90%) παρατηρήθηκαν στην επιφανειακή επίστρωση των αντιστάσεων. Οι επιφανειακές ηλεκτρικές εκκενώσεις θα μπορούσε να είναι ο κύριος λόγος για αυτόν τον τύπο ζημιών. Η διηλεκτρική συμπεριφορά της επιφανειακής επίστρωσης της μεταβλητής αντίστασης και του συστήματος του ηλεκτροδίου επαφής, καθώς και οι κατασκευαστικές ατέλειες της επιφανειακής επίστρωσης της μεταβλητής αντίστασης θα μπορούσαν να έχουν σημαντική επίδραση στην χωρητικότητα αντοχής. Έχει παρατηρηθεί ότι ηλεκτρικές εκκενώσεις μπορούν να εμφανιστούν και οι μεταβλητές αντιστάσεις μπορούν να υποστούν φυσική ζημιά πριν αυτό φτάσει στην τάση επιβολής αποτυχημένης λειτουργίας. Συνεπώς καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η τάση επιβολής αποτυχημένης λειτουργίας δεν θα εμφανιστεί κατά την διάρκεια του περιβάλλοντος επαναληπτικού κρουστικού ρεύματος. Τέλος, στόχος του 8ου κεφαλαίου είναι να παρουσιάσει πρακτικές διαδικασίες μετριασμού και βελτιώσεις εφαρμοσμένες σε σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (Σ.Α.Π.) ενός ευαίσθητου εξοπλισμού, ο οποίος αποτελείται από κινητές και σταθερές κάμερες ασφαλείας εγκατεστημένες σε υποσταθμό με πίνακες σταθμών ισχύος. Αυτοί είναι κατασκευασμένοι σε μια γεωγραφική περιοχή μεγάλης πρόσπτωσης κεραυνών και σε μια περιοχή με έδαφος μεγάλης ειδικής αντίστασης. Διαδικασίες και εφαρμογές που αφορούν την θεμελίωση και την γείωση των καμερών ασφαλείας θα εξεταστούν, το ίδιο καλά όπως και η εγκατάσταση των αλεξικέραυνων της γραμμής ισχύος. / The subject of this project is the lightning protection for electrical/electronic equipments with low voltage devices. But before being reported ways and protection devices or given some examples of applications for electrical installations in some countries, should be an introductory reference around the core of this work: the lightning. Thus, chapter 1 contains a description of some import concepts about lightning. Starting from the charge of the clouds and how it is, we arrive at the different types of lightning. Here the simulation in the laboratory with some major gaps evacuation for some of the conclusions of the lightning discharges. Then analyze the mechanism of atmospheric discharges through three phases: entry drain, phase of the return drain and the connecting drain. Finally an analysis and modeling of lightning current and his parameters became. Malfunctions on power units frequently occur due to lightning surge currents induced on ac mains lines of access network equipment installed at outdoor locations. The reasons for malfunctions are that the lightning surge current unnecessarily trips a circuit breaker of a power unit. In chapter 2, to clarify the mechanisms of the malfunctions, we have measured the lightning surge current on ac mains lines of access network equipment. The measured waveforms of the lightning surge current were much longer than those of combination waves defined by K.44 of ITU-T, and the occurrence probability of surge current on ac mains lines was 20 times higher than that on telecommunication lines. When lightning strikes a building, a part of it’s diverted to ground via the external lightning protection system and the grounding system, and another part flows through the electrical wirings of a building, which protected by surge protective devices (SPD). In chapter 3, became a numerical electromagnetic analysis on lightning current distribution inside of directly stricken building, by the electromagnetic model and a simple circuit model of the wirings. According to calculated portion of lightning current and for different wiring systems, concluded that the portion of the lightning current into the wiring on the top and on the bottom floors are the largest, and they converge on constant values at a tall building. Those into wirings on the middle floors are negligibly small. This result is useful in determining energy ratings of SPD. We often hear about damages at electrical/electronic equipment caused by a lightning current although the distance between the lightning stroke and the electronic device is often several hundred meters. In chapter 4, we investigate the portion of lightning current that flows from the stricken building to the next buildings via the supply lines. In chapter 5, we investigate the overvoltage hazard resulting from lightning strikes to the LPS and the partial currents entering the internal installations connected with bonding bar and earth termination system. We calculated the lightning current at the incoming lines of the building for different injection points of lightning current, in order to select the co-ordination of SPD sets, of low-voltage protected device. Also, we calculated the measurements of lightning current distribution and voltage drops in different points and elements of two-stages of SPD sets of different types (switching and limiting) and producers. In chapter 6, we investigate the development of ZnO disks with high energy withstand capability for low voltage surge protected devices. We accomplish that by some modifications of chemical composition, by optimization of manufacturing process and by electrode design of those disks. Varistors are one of the most commonly used protective components in the low voltage systems. It is very important to detect and replace the deteriorated varistors to avoid any damages to the protected system. In chapter 7, we investigate the behavior of low voltage varistors due to repetitive current impulses with the rate of 10 sec to 60 sec. Detailed analysis was done to have the clear idea about the changes of varistor characteristic under repetitive current impulse environment. Most of the physical damages (90%) observed are at the surface coating of the varistors. Surface flashovers could be the main reason for this type of damages. Dielectric behavior of the varistor surface coating and the electrode contact system, and manufacturing defects of the varistor surface coating could be a major influence on withstand capability under the repetitive impulses. It was observed that the surface flashovers may occur and varistors may physically damage before it reach to the clamping voltage failure mode. Therefore it can conclude that the clamping voltage failure mode will not occur during the repetitive impulse environment. Finally, the goal of chapter 8 is to present practical mitigation procedures and improvements applied to the lightning protection system of sensitive equipment, which is composed of moving and stationary security cameras installed in power substation switchyards. They were built in a geographic area of large incidents of lightning strokes and in a region with a high resistivity soil. Practical procedures concerning the grounding and earthing of security cameras are discussed, as well as the installation of power line surge arresters.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την υλοποίηση της διάταξης φόρτισης συσσωρευτών ενός μικρού ηλεκτροκίνητου οχήματος. Αυτή η διάταξη έχει ονομαστική ισχύ 1kW και αποτελεί το μέσο που συνδέει τους συσσωρευτές με το δίκτυο παροχής ενέργειας. Η εκπόνηση της εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η υλοποίηση ενός φορτιστή ο οποίος πρέπει να έχει υψηλό βαθμό απόδοσης και ταυτόχρονα να προσφέρει ασφάλεια στο χρήστη. Ωστόσο, βασική επιδίωξη είναι να μην επιβαρύνει το δίκτυο με την έγχυση ανώτερων αρμονικών. Έτσι, στη σχεδίαση συμπεριλαμβάνεται η εφαρμογή τεχνικής Διόρθωσης του Συντελεστή Ισχύος (Power Factor Correction). Χρησιμοποιείται ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος τύπου Flyback (υποβιβασμού-ανύψωσης) με ενεργό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων (Snubber) και μετασχηματιστή απομόνωσης. Αρχικά, παρουσιάζονται τα οφέλη της ηλεκτροκίνησης. Κατόπιν, πραγματοποιείται η θεωρητική ανάλυση και μελέτη της βαθμίδας φόρτισης, για κατανόηση και επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας της διάταξης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδιασμού του φορτιστή. Έτσι, καθορίζονται οι προδιαγραφές και τα χαρακτηριστικά του, ο οποίος πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για τους συσσωρευτές του ηλεκτρικού οχήματος «Buggy» του Εργαστηρίου. Το επόμενο βήμα αποτελεί η προσομοίωση της υπό μελέτη διάταξης στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης που προηγήθηκε. Τέλος, παρουσιάζεται το πρακτικό σκέλος της εργασίας, που εκπονήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος «Πρακτικής Άσκησης Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών», στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις της εταιρίας APTRONIC HELLAS, η οποία εξειδικεύεται στην παροχή προσαρμοσμένων λύσεων στα ηλεκτρονικά ισχύος. Πέρα από την εξοικείωση με το εργασιακό περιβάλλον, πραγματοποιήθηκε το σχηματικό και το τυπωμένο κύκλωμα του φορτιστή στο λογισμικό Zuken Cadstar. / The present diploma thesis deals with the design and implementation of a charger which is used for the batteries of a small electric vehicle. This device has nominal power of 1kW and is the medium that connects the batteries to the power grid. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Science of the Polytechnic School in the University of Patras. The objective is to implement a charger which has high efficiency and simultaneously provides safety to the user. However, it is crucial not to overload the network by injecting higher harmonics. Thus, the design included the application of a Power Factor Correction Technique. The Power Electronic Converter which is used is a Flyback Topology (Buck-Boost Converter). Moreover, it disposes of an active surge suppression circuit (Snubber) and isolation transformer. Initially, the benefits of electrification are analysed. Then, the theoretical analysis of this device is provided so that its proper function is guaranteed. In addition, the design process of the charger is presented in detail. Consequently, all the specifications and features for the charger, which will be used for the batteries of the electric vehicle «Buggy» of the Laboratory, are determined. The next step in this thesis is the simulation of the device with Simulink of Matlab. In this way, the theoretical analysis is confirmed. Finally, the practical part of the work is presented. It was carried out during an Internship in APTRONIC HELLAS (a Phoenix Contact Company). Many projects are conducted at the industrial facilities of this company, which specializes in providing solutions in Power Electronics. Besides work experience, a schematic and a printed circuit for the charger was designed in Zuken Cadstar.

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.