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

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

O projeto de malhas de aterramento requer o cálculo da resistência de aterramento e dos potenciais na superfície do solo. Quando o método das imagens é utilizado para este cálculo o modelo típico do solo é uma estratificação horizontal em 2 camadas. A extensão do método das imagens para solos com múltiplas camadas horizontais apresenta problemas numéricos importantes, de forma que a técnica de imagens complexas foi utilizada para permitir este cálculo, porém restringindo a posição dos eletrodos à primeira camada. Este trabalho objetiva a aplicação do método de imagens complexas a eletrodos situados em qualquer camada de solos com estratificação horizontal, deduzindo as funções kernel para posições arbitrárias da fonte e do objeto e determinando os resíduos e pólos das imagens utilizando a decomposição em autovalores e autovetores. Foi desenvolvido um programa que calcula a resistência de aterramento e os potenciais na superfície do solo para solos com até 4 camadas. Foram realizadas comparações com outros trabalhos publicados e os resultados obtidos permitem validar o uso do programa para esta aplicação. / Grounding grid design requires both ground resistance and surface potential. Traditional method of images restricts this calculation to two layer soils. Complex image method allows calculation of both resistance values and potentials at the soil surface, in multilayer soils with horizontal stratification, without grounding grid position limitation. This work presents a complete methodology for calculation of safety aspects of grounding grid design, validating results by comparison with published previous work.

O projeto de malhas de aterramento requer o cálculo da resistência de aterramento e dos potenciais na superfície do solo. Quando o método das imagens é utilizado para este cálculo o modelo típico do solo é uma estratificação horizontal em 2 camadas. A extensão do método das imagens para solos com múltiplas camadas horizontais apresenta problemas numéricos importantes, de forma que a técnica de imagens complexas foi utilizada para permitir este cálculo, porém restringindo a posição dos eletrodos à primeira camada. Este trabalho objetiva a aplicação do método de imagens complexas a eletrodos situados em qualquer camada de solos com estratificação horizontal, deduzindo as funções kernel para posições arbitrárias da fonte e do objeto e determinando os resíduos e pólos das imagens utilizando a decomposição em autovalores e autovetores. Foi desenvolvido um programa que calcula a resistência de aterramento e os potenciais na superfície do solo para solos com até 4 camadas. Foram realizadas comparações com outros trabalhos publicados e os resultados obtidos permitem validar o uso do programa para esta aplicação. / Grounding grid design requires both ground resistance and surface potential. Traditional method of images restricts this calculation to two layer soils. Complex image method allows calculation of both resistance values and potentials at the soil surface, in multilayer soils with horizontal stratification, without grounding grid position limitation. This work presents a complete methodology for calculation of safety aspects of grounding grid design, validating results by comparison with published previous work.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς ενός υποσταθμού υψηλής τάσης. Πιο συγκεκριμένα, με τη χρήση του προγράμματος εξομοίωσης EMTP μετρώνται τα δυναμικά σε ορισμένα σημεία του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού όταν κεραυνός πλήττει τον πυλώνα του υποσταθμού και όταν εμφανίζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης στον μετασχηματιστή. Πιο αναλυτικά, σε αυτή την εργασία περιλαμβάνονται τα εξής: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του κεραυνού και ο μηχανισμός δημιουργίας του ενώ αναλύονται τα είδη των υπερτάσεων που προκαλούνται από τα κεραυνικά πλήγματα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα είδη και οι μορφές των γειώσεων ενώ γίνεται αναφορά και στα συστήματα γειώσεων που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται το φαινόμενο ιονισμού του εδάφους το οποίο λάβαμε υπόψιν στην προσομοίωση του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού. Περιγράφεται ο μηχανισμός διάσπασης του εδάφους και αναλύονται τα διάφορα μοντέλα που έχουν προταθεί για τη περιγραφή της διαδικασίας του ιονισμού. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των διαφόρων μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης. Από τα μοντέλα αυτά επιλέγεται το κατάλληλο που θα χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται το πρόγραμμα ανάλυσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του υποσταθμού. Στο κεφάλαιο 6 δίνονται τα στοιχεία για το πλέγμα γείωσης του υποσταθμού και γίνεται η επιλογή του μοντέλου προσομοίωσης για το πλέγμα ενώ παρουσιάζεται και η μορφή του πλέγματος γείωσης που σχεδιάστηκε στο EMTP. Επίσης, αναλύεται η διαδικασία της εξομοίωσης που περιλαμβάνει μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του υποσταθμού σε πλήγμα κεραυνού στον πύργο των 150 kV και σε ενδεχόμενη εμφάνιση ρεύματος βραχυκύκλωσης στον μετασχηματιστή. Επίσης, μελετάμε και την περίπτωση όπου προσθέτουμε επιπλέον κατακόρυφες ράβδους γείωσης. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Δίνονται αναλυτικά όλα τα γραφήματα των δυναμικών που μετρήθηκαν καθώς και συγκεντρωτικά γραφήματα ενώ παρατίθενται και τα συμπεράσματα της προσομοίωσης. Έτσι, καταλήγουμε στο ότι οι μεγαλύτερες τιμές των δυναμικών εμφανίζονται στους κόμβους που εγχέουμε το ρεύμα κεραυνού και το ρεύμα βραχυκύκλωσης ενώ με την προσθήκη των επιπλέον κατακόρυφων ράβδων οι τιμές των δυναμικών μειώνονται. / The aim of this diploma thesis is the study of the transient behavior of a high voltage substation. First, basic senses such as the grounding and the lightning are analyzed. Sesondly, the bibliography related to the phenomenon of soil ionization of the ground and the transient behavior simulation models is presented while there is an analytical description of the simulation program that is used, EMTP-ATP. Moreover, the appropriate model for the simulation of the grounding grid is selected, including the phenomenon of the soil ionization, and the process of the simulation is explained. Finally, the simulation results are presented as well as the conclusions.

Orientador: Jose Pissolato Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T10:45:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarinMesa_HenryRamon_M.pdf: 775188 bytes, checksum: d44b6096c03070dff5fb491bb2b0d7dd (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Este trabalho apresenta uma análise computacional usando a técnica numérica TLM (Transmission Line Method) do comportamento das tensões transitórias em sistemas de aterramento, quando submetidas a fenômenos impulsivos do tipo descargas atmosféricas. É apresentada uma revisão bibliográfica sobre o tema e os diferentes métodos numéricos usados para modelar sistemas de aterramento. A técnica numérica TLM é apresentada, assim como, as equações para a determinação dos parâmetros usados nas simulações e o fluxograma do programa computacional desenvolvido. O programa foi escrito em Fortran e validado comparando os resultados obtidos com simulações e testes experimentais publicados por outros autores. Com o objetivo de obter o comportamento das tensões transitórias sobre diferentes situações, foi estudada a influência de alguns parâmetros no comportamento transitório das malhas de aterramento / Abstract: This work, by using the TLM (Transmission Line Method) numeric technique, presents a computational analysis of the transitory tensions behavior in grounding systems, when submitted to impulsive phenomena of the atmospheric discharge type. A bibliographical revision on the theme and the different numeric methods used for modelling grounding systems, including the TLM numeric technique, are explained, as well as the equations for the determination of the parameters used in the simulations and the flowchart of the software developed. The program written in Fortran was validated comparing simulations and experimental tests published by other authors. For the purpose of obtaining the transitory tensions behavior in different situations, we studied the influence of some parameters in the transitory behavior of grounding meshes / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica