Este trabalho apresenta alguns aspectos específicos sobre o tema “proteção de estruturas contra descargas atmosféricas”, principalmente no que se refere ao uso de partes estruturais das edificações como integrantes do sistema de proteção. São discutidos neste trabalho diversos pontos polêmicos referentes ao tema, tais como: captores especiais, o sistema dissipativo e o uso das ferragens das colunas de concreto armado como parte dos subsistemas de descida e de aterramento. São abordados, também, os principais danos que podem ocorrer nas edificações devido às descargas atmosféricas, principalmente quando a proteção utilizar partes naturais da estrutura, tais como: os telhados metálicos e as emendas das ferragens das colunas de concreto armado. Após uma verificação do estado da arte no assunto, onde são estudados diversos trabalhos, normas e livros sobre as características das descargas, sobre os danos oriundos das descargas, blindagens, medições de campos eletromagnéticos, distribuição de correntes e sobre a normalização e ensaios referentes à proteção de estruturas contra descargas atmosféricas, o assunto foi estudado em três partes que compõem os subsistemas do SPDA. No subsistema de captação, os danos em telhas metálicas e de concreto protendido foram estudados através de ensaios e verificações teóricas e, principalmente, experimentais. No subsistema de descida, o estudo experimental deu enfoque às emendas das ferragens e ao uso destas como descidas naturais. Finalmente, no subsistema de aterramento, as fundações das edificações foram estudadas através de verificações experimentais como parte do aterramento. Este trabalho acrescenta ao conhecimento atual sobre o assunto, diversas particularidades não contempladas nas normas e nas publicações mais recentes no que tange à proteção de estruturas contra as descargas atmosféricas utilizando partes naturais das edificações. / This work presents some specific aspects on the subject “lightning protection of structures“, mainly when the use of structural parts of the buildings as part of the protection systems is concerned. Several polemical issues are discussed, such as: special air-termination, the dissipation array system and the use of steel-reinforcing rods of the reinforced concrete columns as part of the down-conductor system and of the earth-termination system. Also treated is the main damage that can occur to the buildings due to lightning, mainly when the protection system uses the natural components of the structures, such as: the metallic rooftops and the joints of the steel-reinforcing rods of the reinforced concrete columns. After examining the state-of-the-art in the subject, which analyses several papers, standards and books about lightning characteristics, damage resulting from lightning, shieldings, measurements of electromagnetic fields, distribution of currents and about standardisation and tests related to the protection of structures against lightning, the subject was studied in the three parts that compose the lightning protection systems. In the air-termination system, the damage to metallic rooftops and to pre-stressed concrete rooftop tiles was studied by means of tests and theoretical and mainly experimental analyses. In the down-conductor system, the experimental study focused on the joints of the steel-reinforcing rods and on the use of these as natural down-conductors. Finally, in the earth-termination system, the foundations of the buildings were studied (as part of the grounding) through experimental analyses. This work adds to the current knowledge about the subject several particularities which are not observed in the standards or in the most recent publications concerning the lightning protection systems in buildings that use their natural components for this purpose.

Este trabalho apresenta alguns aspectos específicos sobre o tema “proteção de estruturas contra descargas atmosféricas", principalmente no que se refere ao uso de partes estruturais das edificações como integrantes do sistema de proteção. São discutidos neste trabalho diversos pontos polêmicos referentes ao tema, tais como: captores especiais, o sistema dissipativo e o uso das ferragens das colunas de concreto armado como parte dos subsistemas de descida e de aterramento. São abordados, também, os principais danos que podem ocorrer nas edificações devido às descargas atmosféricas, principalmente quando a proteção utilizar partes naturais da estrutura, tais como: os telhados metálicos e as emendas das ferragens das colunas de concreto armado. Após uma verificação do estado da arte no assunto, onde são estudados diversos trabalhos, normas e livros sobre as características das descargas, sobre os danos oriundos das descargas, blindagens, medições de campos eletromagnéticos, distribuição de correntes e sobre a normalização e ensaios referentes à proteção de estruturas contra descargas atmosféricas, o assunto foi estudado em três partes que compõem os subsistemas do SPDA. No subsistema de captação, os danos em telhas metálicas e de concreto protendido foram estudados através de ensaios e verificações teóricas e, principalmente, experimentais. No subsistema de descida, o estudo experimental deu enfoque às emendas das ferragens e ao uso destas como descidas naturais. Finalmente, no subsistema de aterramento, as fundações das edificações foram estudadas através de verificações experimentais como parte do aterramento. Este trabalho acrescenta ao conhecimento atual sobre o assunto, diversas particularidades não contempladas nas normas e nas publicações mais recentes no que tange à proteção de estruturas contra as descargas atmosféricas utilizando partes naturais das edificações. / This work presents some specific aspects on the subject “lightning protection of structures“, mainly when the use of structural parts of the buildings as part of the protection systems is concerned. Several polemical issues are discussed, such as: special air-termination, the dissipation array system and the use of steel-reinforcing rods of the reinforced concrete columns as part of the down-conductor system and of the earth-termination system. Also treated is the main damage that can occur to the buildings due to lightning, mainly when the protection system uses the natural components of the structures, such as: the metallic rooftops and the joints of the steel-reinforcing rods of the reinforced concrete columns. After examining the state-of-the-art in the subject, which analyses several papers, standards and books about lightning characteristics, damage resulting from lightning, shieldings, measurements of electromagnetic fields, distribution of currents and about standardisation and tests related to the protection of structures against lightning, the subject was studied in the three parts that compose the lightning protection systems. In the air-termination system, the damage to metallic rooftops and to pre-stressed concrete rooftop tiles was studied by means of tests and theoretical and mainly experimental analyses. In the down-conductor system, the experimental study focused on the joints of the steel-reinforcing rods and on the use of these as natural down-conductors. Finally, in the earth-termination system, the foundations of the buildings were studied (as part of the grounding) through experimental analyses. This work adds to the current knowledge about the subject several particularities which are not observed in the standards or in the most recent publications concerning the lightning protection systems in buildings that use their natural components for this purpose.

This thesis deals with the physical modeling of the initiation and propagation of upward positive leader discharges from grounded structures during lightning strikes. It includes the analysis of upward leaders initiated under the influence of the electric field produced by a dominant negative cloud charge and due to the combined action of a negative thundercloud and a descending downward stepped negative leader. Thus, a self-consistent model based on the physics of leader discharges is developed for the evaluation of the attachment of lightning flashes to any kind of grounded structure. The predictions of the model have been found to be in good agreement with the results of laboratory long air gap experiments and with classical and altitude rocket triggered lightning experiments. Due to the high application level and predictive power of the developed model, several contributions to the physical understanding of factors influencing the initiation and propagation of upward positive leaders during thunderstorms have been made. For instance, it has been found that the initiation of upward connecting leaders is strongly affected by the average velocity of the downward stepped leader. Similarly, it is shown that the switching voltage impulses used in the laboratory do not “fairly approximate” the electric fields produced by a descending downward leader, as claimed by supporters of Early Streamer Emission (ESE) devices. Furthermore, it is found that the space charge layer created by corona at ground level significantly increases the thundercloud electric fields required to initiate upward lightning leaders from tall objects. On the other hand, it is also shown that the upward leader velocity depends on the downward leader average velocity, the prospective return stroke current, the lateral distance of the downward leader channel and the ambient electric field. By implementing the model to the analysis of complex structures, it has been observed that the corners of actual buildings struck by lightning coincide rather well with the places characterized by low leader inception electric fields. Besides, it has been found that the leader inception zones of the corners of complex structures do not define symmetrical and circular regions as it is generally assumed.

Στην παρούσα διπλωματική μελετάμε την προστασία μεγάλης δεξαμενής πλωτής οροφής, και συγκεκριμένα της 7-ΤΚ-102 των ΕΛΠΕ Βιομηχανικές Εγκαταστάσεις Ελευσίνας, από κεραυνούς και στατικό ηλεκτρισμό, και αποτελείται από τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζουμε την προστασία από κεραυνούς. Στα δέκα οκτώ πρώτα κεφάλαια παρουσιάζουμε την γενική θεωρία της προστασίας από κεραυνούς, σύμφωνα με τα πρότυπα και άλλες πηγές (που και αυτές βασίζονται στα πρότυπα). Με τη θεωρία αυτή θα μελετήσουμε την προστασία της δεξαμενής, αλλά μπορούμε γενικά να μελετήσουμε και την προστασία μιας οποιασδήποτε άλλης κατασκευής. Έτσι στα πρώτα κεφάλαια κάνουμε εισαγωγή στα γενικά περί κεραυνών, τα ηλεκτρικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα, τη δημιουργία και τα είδη των κεραυνών, τους μηχανισμούς των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων καθώς και τα είδη των κεραυνών μεταξύ σύννεφου - γης με τα οποία και θα ασχοληθούμε. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε το θέμα αντιμετώπισης της αντικεραυνικής προστασίας από το πρότυπο IEC 62305 μέρη 1, 2, 3, 4 που θα αποτελέσει και τη βασική πηγή της μελέτης μας. Ακολούθως δίνουμε τις βασικές παραμέτρους του κεραυνικού ρεύματος, τα Επίπεδα Αντικεραυνικής Προστασίας και τις Κλάσεις του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (I, II, III, IV), και ανά επίπεδο τα μέγιστα ρεύματα βάσει των οποίων γίνεται ο σχεδιασμός του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) από πλευράς αντοχής των υλικών και τα ελάχιστα ρεύματα βάσει των οποίων γίνεται ο σχεδιασμός του ΣΑΠ από πλευράς αναχαίτισης των κεραυνών (ύψος και πυκνότητα στοιχείων συστήματος συλλογής). Κατόπιν, δίνουμε ορισμένα στοιχεία σχετικά με τις προκαλούμενες βλάβες από κεραυνούς σε έμβια όντα, κατασκευές και εσωτερικά συστήματα, τα μέτρα προστασίας αυτών καθώς και τις διαδικασίες επιλογής των μέτρων. Ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση του ΣΑΠ. Τα μέρη αυτού (συστήματα συλλογής, αγωγοί καθόδου και γειώσεις), οι βασικές λειτουργίες και ιδιότητες ενός ΣΑΠ, το εξωτερικό και εσωτερικό ΣΑΠ, το απομονωμένο και μη- 5 απομονωμένο ΣΑΠ, τις απαιτήσεις υλικών του ΣΑΠ, τα φυσικά στοιχεία ως τμήματα του ΣΑΠ και οι απαιτούμενες προδιαγραφές αυτών. Τις μεθόδους σχεδιασμού των συστημάτων συλλογής για αναχαίτιση των κεραυνών (μέθοδος κυλιόμενης σφαίρας, μέθοδος πλέγματος και μέθοδος γωνίας προστασίας). Πληροφορίες για τους αγωγούς καθόδου, απαιτούμενος αριθμός, αποστάσεις και ύψη διασύνδεσης αυτών. Τύποι συστημάτων γείωσης και σύγκριση αυτών. Μέθοδοι και υποδείξεις τοποθέτησης των μερών του ΣΑΠ, ισοδυναμικές συνδέσεις και αποστάσεις ασφαλείας. Διαμοιρασμός ρεύματος, απαιτήσεις περιοριστών κρουστικών τάσεων και εντάσεων και σχεδιασμός του ΣΑΠ. Έλεγχοι, μετρήσεις και επιθεωρήσεις του ΣΑΠ. Έχοντας τελειώσει με τις γενικές πληροφορίες μπαίνουμε στο κύριο μέρος του υπολογισμού των κινδύνων από κεραυνούς (R1 κίνδυνος ανθρώπινης ζωής, R2 κίνδυνος απώλειας υπηρεσίας στο κοινό, R3 κίνδυνος απώλειας πολιτιστικής κληρονομιάς, R4 κίνδυνος οικονομικής απώλειας), αναλύοντας πρώτα τις πηγές των βλαβών, τους τύπους των βλαβών, τους τύπους των απωλειών, τις σχέσεις μεταξύ πηγής βλάβης, τύπου βλάβης και απώλειας. Δίνουμε τα βασικά για τον διαχωρισμό μιας κατασκευής ή υπηρεσίας σε ζώνες για υπολογισμό των συνιστωσών των κινδύνων ανά ζώνη και την οικονομικότερη λήψη μέτρων ανά ζώνη αντί γενικών μέτρων. Ο κάθε κίνδυνος υπολογίζεται σαν άθροισμα των συνιστωσών αυτού ανά ζώνη και η κάθε συνιστώσα προκύπτει από το άθροισμα των όρων της, όλων των ζωνών. Η κάθε συνιστώσα υπολογίζεται από μία βασική εξίσωση. Τα δεδομένα που απαιτούνται για τον υπολογισμό δίνονται στη συνέχεια και είναι πρώτον ο υπολογισμός του μέσου ετησίου αριθμού επικινδύνων περιστατικών λόγω κεραυνικών πληγμάτων που απαιτεί τις ημέρες καταιγίδας ανά έτος από τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδος, τις επιφάνειες συλλογής, κατασκευών διαφόρων σχημάτων απλών και συνθέτων και υπηρεσιών και διαφόρους απαιτούμενους συντελεστές σχετικούς με το περιβάλλον. Δεύτερον ο υπολογισμός των πιθανοτήτων βλάβης για μία κατασκευή ή υπηρεσία που εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά της κατασκευής, των γραμμών υπηρεσιών και περιβάλλοντος. Τρίτον ο υπολογισμός των διαφόρων τύπων απωλειών σε μία κατασκευή (ανθρώπινης ζωής, υπηρεσίας στο κοινό, πολιτιστικής κληρονομιάς και οικονομικής) που εξαρτώνται από την παρουσία ατόμων που δυνητικά κινδυνεύουν, την συνολική παρουσία ατόμων καθώς και από τα χαρακτηριστικά της κατασκευής, τον κίνδυνο φωτιάς, τα κατασταλτικά κατά της φωτιάς μέτρα και τυχόν ειδικούς κινδύνους (για τον R1). Αντίστοιχα για τους άλλους κινδύνους και για τους κινδύνους σε μία υπηρεσία. Τέλος συγκρίνουμε τον κάθε κίνδυνο με ένα επίπεδο ανεκτού κινδύνου, καθορισμένου από επίσημες αρχές ή ελλείψει αυτών από το IEC62305-2, και αν είναι μεγαλύτερος από αυτόν προτείνουμε τα κατάλληλα μέτρα ώστε να μειωθεί στον ανεκτό κίνδυνο ή κάτω από αυτόν και μετά γίνεται υπολογισμός της κοστολογικής αποτελεσματικότητας της προστασίας. Ακολουθούν μερικά χρήσιμα στοιχεία αφ’ ενός μεν για τον σχεδιασμό, αφ’ ετέρου δε για την επιλογή διαφόρων συντελεστών και μέτρων προστασίας σε υπάρχουσες κατασκευές όπως η ελαχίστη διατομή της θωράκισης για αυτοπροστασία ενός εισερχομένου καλωδίου για αποφυγή επικινδύνων σπινθήρων, το κρουστικό ρεύμα κεραυνού που ρέει σε εξωτερικά αγώγιμα τμήματα και σε εισερχόμενες γραμμές στην κατασκευή για τις διάφορες πηγές βλάβης, τους συντελεστές που επηρεάζουν το διαμοιρασμό του κεραυνικού 6 ρεύματος σε γραμμές ισχύος και γενικές πληροφορίες σχετικά με τους περιοριστές κρουστικών φαινομένων. Στο δέκατο ένατο κεφάλαιο μελετάμε την προστασία από κεραυνούς της μεγάλης δεξαμενής πλωτής οροφής 7-ΤΚ-102 των ΕΛΠΕ (Ελληνικών Πετρελαίων στις Βιομηχανικές Εγκαταστάσεις Ελευσίνας). Εφαρμόζοντας τα προηγούμενα κεφάλαια της μελέτης και βάσει των δεδομένων και χαρακτηριστικών της δεξαμενής, των γραμμών υπηρεσιών (ισχύος και ελέγχου) και του περιβάλλοντος αρχικά διαχωρίζουμε τη δεξαμενή σε τρεις ζώνες (εκτός, εντός και επί της δεξαμενής), υπολογίζουμε τις συλλεκτήριες επιφάνειες, τον αναμενόμενο ετήσιο αριθμό των επικινδύνων συμβάντων, τους διάφορους εμπλεκόμενους συντελεστές, τις πιθανότητες βλάβης, τις απώλειες και τέλος τις συνιστώσες κινδύνου και τον συνολικό κίνδυνο ανθρώπινης ζωής (R1) που μας ενδιαφέρει και τον συγκρίνουμε με τον ανεκτό κίνδυνο RT = 10-5. Λόγω των διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας και δεκαετούς μεγάλης συντήρησης της δεξαμενής ο R1 υπολογίσθηκε και για τις δύο περιπτώσεις. Για την περίοδο λειτουργίας βρέθηκε R1 = 2,968x10-5 > 10-5 = RT και για μείωση του κινδύνου προτείνεται η απαγόρευση της ανόδου επί της δεξαμενής σε ημέρες καταιγίδας οπότε θα έχουμε R1 = 0. Για την περίοδο δεκαετούς συντήρησης βρέθηκε R1 = 2,011x10-6 < 10-5 = RT οπότε δεν απαιτούνται μέτρα προστασίας. Στο δεύτερο μέρος μελετάμε την προστασία της δεξαμενής από στατικό ηλεκτρισμό κάνοντας αρχικά μια εισαγωγή στον στατικό ηλεκτρισμό σε σχέση με τα πετρελαιοειδή δηλαδή την γενική ταξινόμηση των πετρελαιοειδών, τους στατικούς και μη συσσωρευτές, τα εύφλεκτα χαρακτηριστικά των πετρελαιοειδών, την επικίνδυνη ατμόσφαιρα και την αποθήκευση αυτών. Στη συνέχεια αναφέρουμε τους κινδύνους στατικού ηλεκτρισμού από τη δημιουργία και συγκέντρωση αυτού, τη δημιουργία προαγωγών σπινθήρων, τη δημιουργία χώρου εύφλεκτων ατμών και τη δημιουργία σπινθήρων εναύσεως. Κατόπιν προτείνουμε μέτρα αποφυγής ή μείωσης του κινδύνου από στατικό ηλεκτρισμό όπως έλεγχο δημιουργίας και συσσώρευσης ηλεκτροστατικών φορτίων, οδηγίες αποφυγής ηλεκτροστατικής ανάφλεξης για δεξαμενές αποθήκευσης σε διάφορες λειτουργίες όπως γέμισμα, άδειασμα, μείξη, ανάδευση, καθαρισμός, αδρανοποίηση, κ.λπ. Στο τέλος του δευτέρου μέρους δίνουμε συγκεκριμένες οδηγίες επαρκούς γείωσης της δεξαμενής (και γενικότερα παρομοίων δεξαμενών) με εναλλακτικές μεθόδους. Στο τρίτο μέρος προτείνονται συγκεντρωτικά και επιγραμματικά τα μέτρα ασφαλείας από κεραυνό και στατικό ηλεκτρισμό για την 7-ΤΚ-102 σε δύο κατηγορίες. Πρώτον τα βασικά μέτρα σχεδιασμού και τα προληπτικά μέτρα λειτουργίας, επιθεώρησης και συντήρησης και δεύτερον τα κατασταλτικά μέτρα που θα πρέπει να υπάρχουν για καταστολή του οποιουδήποτε κινδύνου, που θα εκδηλωθεί παρά τα προληπτικά μέτρα, και περιορισμού της βλάβης στο ελάχιστο δυνατόν. Στο τέλος παρατίθενται τέσσερα υποβοηθητικά παραρτήματα. / --

Έχει περάσει περισσότερο από ένας αιώνας από τότε, που ο Χαρίλαος Τρικούπης, Πρωθυπουργός της Ελλάδας οραματίστηκε τη κατασκευή μιας γέφυρας, η οποία θα ένωνε την δυτική Πελοπόννησο με την ηπειρωτική Ελλάδα, το Ρίο με το Αντίρριο. Την εποχή εκείνη, τα τρία χιλιόμετρα θάλασσας, που μεσολαβούσαν μεταξύ των δυο πόλεων, φάνταζαν αδύνατο να γεφυρωθούν. Οι δυσκολίες ήταν πάρα πολλές και η τεχνογνωσία δεν είχε ακόμη φτάσει σε τέτοια επίπεδα, έτσι ώστε να δώσει πνοή σ’ αυτό το μεγαλόπνοο όραμα. Τελικά, στα μέσα της δεκαετίας του 90’, μια γαλλοελληνική σύμπραξη, αποτελούμενη από όμιλο εταιριών και από τις δυο χώρες, ανέλαβε τη σχεδίαση και κατασκευή της γέφυρας. Τα έργα ξεκίνησαν τον Ιούλιο του 1998 υπό την επίβλεψη και καθοδήγηση του αρχιτέκτονα Berdj Mikaelian. Η κατασκευή της γέφυρας αναμένετο να ολοκληρωθεί το χρονικό διάστημα μεταξύ Σεπτεμβρίου και Νοεμβρίου του 2004, άλλα οι εργασίες επισπεύτηκαν ένεκα των Ολυμπιακών Αγώνων, που θα λάβαιναν χώρα στην Αθήνα την ίδια χρονιά. Η γέφυρα θεωρήθηκε ως ένα θαύμα της σύγχρονης μηχανικής και όλα τα απαραίτητα μέτρα είχαν ληφθεί για την άρτια λειτουργία της. Παρ’ όλα αυτά στις 27 Ιανουαρίου του 2005, έξι μόλις μήνες μετά τα εγκαίνια, ένας κεραυνός έπληξε ένα από τα καλώδια στήριξης, τα οποία ενώνουν το κατάστρωμα της γέφυρας με τους πυλώνες. Το υψηλής περιεκτικότητας σε πολυαιθυλένιο καλώδιο τυλίχτηκε στις φλόγες με αποτέλεσμα να καταστραφεί ολοσχερώς και να καταρρεύσει στο κατάστρωμα. Όλες οι απαραίτητες ενέργειες έγιναν ταχύτατα, έτσι ώστε να αντικατασταθεί το καλώδιο και να παραδοθεί η γέφυρα και πάλι στη κυκλοφορία το συντομότερο δυνατό. Όμως πλέον ήταν φανερό ότι η αντικεραυνική προστασία της γέφυρας δεν ήταν αρκετή και αποτελεσματική. Στη συνέχεια του κειμένου θα γίνει ανάλυση του παραπάνω συμβάντος, αφού πρώτα γίνει αναφορά σε κάποιες βασικές αρχές γύρω από το φαινόμενο του κεραυνού και των συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. / More than a century has passed, since Charilaos Trikoupis, Prime Minister of Greece had contemplated the construction of a bridge that would connect western Peloponnese with the mainland of Greece, the city of Rion with Antirio. Back then, the three kilometers of sea water which separated the two cities, seemed impossible to be bridged. The difficulties were many and the know how had not reached that level, where it would make a great vision such as this, possible. Eventually, in the mid 90s, a greek-french collaboration, composed by a group of companies from both countries, took over the design and the building of the bridge. Construction works started in July of 1998 under the supervision and guidance of the architect Berdj Mikaelian. The construction of the bridge was expected to be completed during the period of September to November of 2004, but works were accelerated because of the Olympic games that would take place in Athens, that same year. The bridge was considered to be a miracle of modern mechanics and all the necessary measures were taken for its perfect operation. However, on January 27 of 2005, just six months after the opening of the bridge, a lightning stroke cut down one of the longest stay cables that connected the deck of the bridge to the pylons. The high density polyethylene cable was set on fire, and as a result of that the cable was completely destroyed and fell on the deck. All the necessary means were taken, in order to replace the cable and get traffic back on the bridge as soon as possible. It was obvious at that point that the lightning protection of the bridge was neither sufficient or effective enough. In the following chapters there are an analysis on the lightning incident on the bridge, after mentioning the natural phenomenon of lightning and the definition and the mail principals of the lightning protection system of a structure.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται αναφορά και μελέτη στις επαγώμενες υπερτάσεις σε δίκτυα διανομής Χαμηλής Τάσης, όταν αυτές προκαλούνται από πτώση κεραυνού στις γραμμές μεταφοράς. Παράλληλα, γίνεται μελέτη της συμπεριφοράς ενός τύπου απαγωγέων υπερτάσεων (SPDs), ως μέρος του εσωτερικού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας μιας εγκατάστασης. Όλα τα παραπάνω έγιναν μέσω προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν με χρήση του λογισμικού ATP – EMTP. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της αποτελεσματικότητας των απαγωγέων υπερτάσεων όσον αφορά την προστασία οικιακών καταναλωτών και η εξαγωγή παρατηρήσεων όσον αφορά την επιρροή των διαφόρων χρόνων μετώπου και ουράς ενός κεραυνού στην δημιουργία και εξάπλωση υπερτάσεων. Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο, περιγράφεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού, τα είδη του, ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων και τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Επίσης γίνεται αναφορά στους παράγοντες που τον επηρεάζουν, αλλά και μια σύντομη παρουσίαση των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται μια συνοπτική εικόνα των δικτύων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, και γίνεται εκτενέστερη αναφορά στις γραμμές μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, τα χαρακτηριστικά τους και τον τρόπο μοντελοποίησής τους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις υπερτάσεις και τις αιτίες από τις οποίες προκαλούνται. Στο τέταρτο κεφάλαιο κάνουμε μια εισαγωγή στους απαγωγείς υπερτάσεων και αναφορά στα χαρακτηριστικά τους, την τοποθέτηση, τον συγχρονισμό και τα διαφορετικά είδη τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται το μοντέλο που σχεδιάσαμε ώστε να πραγματοποιηθούν οι προσομοιώσεις, ο υπολογισμός των στοιχείων και των παραμέτρων του και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και οι γραφικές παραστάσεις των μεγεθών που προέκυψαν από τις δοκιμές, καθώς και τα συμπεράσματα που εξήγαμε. Τέλος παρατίθεται ένα παράρτημα όπου περιγράφεται εν συντομία το λογισμικό ATP – EMTP, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις / In this thesis reference and study is made concerning the induced over-voltages in Low - Voltage distribution networks, when such are caused by lightning strikes on the transmission lines. In parallel, there is made study of the behavior of one type of Surge Protection Devices (SPDs), as part of an internal lightning protection system. All of the above came as a result of simulations using the ATP – EMPT software. The main objective of this thesis is to study the effectiveness of surge arresters concerning the protection of home consumers (loads) and the observation of the impact of various lightning types in the emergence and spreading of over-voltages. Chapter 1 describes the natural phenomena of lightning, its categories, the mechanism of atmospheric discharges and natural features. There is also reference to the factors that affect such phenomena and the consequences of lightning strikes. Chapter 2 makes an introduction to the electrical energy distribution networks and a more detailed reference to the transmission lines, their characteristics and the way that can me modeled. Chapter 3 makes a reference to over-voltages and the reasons they are caused. Chapter 4 introduces the various types of surge arresters, their characteristics, installation and synchronization. Chapter 5 describes the model we designed in order to make the simulations and the calculation of its parameters and elements. In addition, the simulation results and graphs are presented along with our conclusions. Finally an appendix is cited, describing the basics of ATP – EMTP, the simulation software we used to study our case.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας, είναι να παραθέσει τους τρόπους με τους οποίους προστατεύουμε ψηλά κτίρια - κατασκευές από κεραυνικά πλήγματα. Η προστασία των ψηλών κατασκευών είναι εντελώς διαφορετική από την προστασία χαμηλότερων κατασκευών αφού παύουν να ισχύουν οι κανόνες και τα επίπεδα προστασίας για κτίρια μέχρι 60m που ισχύουν στους διεθνείς οργανισμούς και τον Ε.Λ.Ο.Τ. Από τα 60m και πάνω οι συνθήκες είναι πολύ διαφορετικές, γι αυτό το λόγο γίνεται επεξήγηση για όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν μια ψηλή κατασκευή όσον αφορά την προστασία της με τη γειωμένη μεταλλική ράβδο του αλεξικέραυνου του Franklin. Επίσης, μέσω της εφαρμοσμένης υπολογιστικής εξομοίωσης γίνεται προσπάθεια να βρεθεί η απόσταση διάσπασης ( stricking distance ) δηλαδή η ακτίνα προστασίας που καλύπτει μια κατασκευή με μέθοδο προστασίας την ακίδα Franklin. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις που έγιναν σε εργαστήριο. Παρακάτω παρατίθενται τα περιεχόμενα του κάθε κεφαλαίου της εν λόγω εργασίας. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται πλήρης ανάλυση για τη φυσική των κεραυνών. Γίνεται κατηγοριοποίηση των φάσεων που εξελίσσονται σε κεραυνό από τη γη μέχρι τα σύννεφα και παρουσιάζεται ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων. Ακόμα, γίνεται εξήγηση για τους ανοδικούς συνδετικούς οχετούς και την απόσταση διάσπασης από τα’ αλεξικέραυνα και τους οχετούς καθόδου. Στο 3ο κεφάλαιο αναπτύσσονται οι βασικοί παράμετροι και εξισώσεις που ισχύουν για ψηλά κτίρια όπως η ελάχιστη ακτίνα προστασίας-απόσταση διάσπασης, η ισοδύναμη επιφάνεια, η πιθανότητα της ελάχιστης ακτίνας διάσπασης και ανοδικών leader από τέτοια ψηλά κτίρια, ο επηρεασμός της ακίδας προστασίας και απόστασης διάσπασης από θετικούς κεραυνούς, τη σχέση που έχουν τα ψηλά κτίρια με την απόσταση διάσπασης και την επίδραση των γειτονικών κατασκευών. Ακολούθως, γίνεται περιγραφή της μεθόδου CVM για το χειρισμό ψηλών κατασκευών με επίπεδα και γωνίες προστασίας και πίνακες ρίσκου βασισμένα σε στατιστικές από κεραυνούς. Μετέπειτα, βλέπουμε πως επηρεάζεται η απόσταση διάσπασης από τη γεωμετρία της κατασκευής, από την γεωμετρία της ακίδας προστασίας Franklin, αλλά και από τη βέλτιστη ακτίνα κορυφής της ακίδας προστασίας Franklin. Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται προσπάθεια να προσδιορίσουμε τη ζώνη προστασίας με τη χρήση υπολογιστικού μοντέλου. Αρχικά, αναφέρουμε κάποια στοχαστικά μοντέλα διάσπασης διηλεκτρικών. Μετά προχωρούμε στην περιγραφή με λεπτομέρεια των υπολογιστικών εξομοιώσεων που πραγματοποιήσαμε και την τακτική επεξεργασίας τους. Ακολούθως, προσδιορίσαμε τη ζώνη προστασίας των εξομοιώσεων για ύψος ακίδας 80cm και 100cm με γραμμικές εξισώσεις από προσαρμογή των μετρήσεων στις γραφικές παραστάσεις που δείχνουμε και αντίστοιχα στοιχεία για τις δυο ακίδες με αύξηση της τάσης 10%. Στο τέλος γίνεται επεξεργασία των δεδομένων και συγκρίνουμε τις μετρήσεις που βρήκαμε μεταξύ τους αλλά και με άλλους μελετητές. Αναφέρουμε τα αποτελέσματα της διεξαγωγής των υπολογιστικών εξομοιώσεων και τα συμπεράσματα. Στο 5ο κεφάλαιο κάνουμε ανακεφαλαίωση των θεωρητικών στοιχείων που ισχύουν για τις ψηλές κατασκευές και γενική συζήτηση. Επίσης εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα από τις υπολογιστικές εξομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν τόσο για την απόσταση διάσπασης όσο και για τις εξομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε / The purpose of this project is to set out the possible ways that protect tall structures from lightning strikes. The protection of the tall structures is a completely different task from the protection of the shorter structures. That is because the rules and the protection levels applied by National Organizations (International Committee) and Ε.Λ.Ο.Τ. that concern structures to 60 meters, cease to exist in the case of taller structures. Concerning the structures that are taller than 60 meters the protection circumstances are very different from those of shorter structures. That is why this thesis explain all the factors that affect a tall structure, as far as its protection with the “Franklin Rod” is concerned. Furthermore, through computer simulation the author attempted to determine the striking distance, which is the protection radius that covers a structure, by utilizing as a method of protection the Franklin Rod. The results and conclusions that arose were compared with experimental measurements that took place in the lab. Below, the content of each chapter of this thesis is described. In the second chapter it is attempted a thorough analysis of the nature of lightning. Then there is a categorization of the phases that evolve to a lightning, from the ground to the clouds. The mechanism of atmospheric evacuation is also presented. Moreover, the upward connection leaders, the striking distance from the lightning rods and the downward leaders are described and explained. In the third chapter, the basic parameters and equations that apply to tall buildings are described. Some of these parameters are the attractive radius, the striking distance, the equivalent exposure area, the weighted average attractive area, the upward leaders from such tall buildings, the influence of the Franklin rod, the striking distance from positive flashes, the relation that the tall structures have with the striking distance and finally the influence of the surrounding structures. In addition, the CVM (Collection Volume Method) is described which deals with tall structures by utilizing protection levels and derating angles and risk analysis tables based on lightning’s statistics. Moreover, we see how the striking distance is affected by the structure geometry, by the geometry of the Franklin rod but also by the optimum tip radius of Franklin rod. In the fourth chapter the author attempted to determine the protection zone by using a computer model. Firstly, some stochastic models of dielectric breakdown are described. Furthermore, a detailed description of the computer simulations that we accomplished and the method of processing them are described. Moreover, the author determined the protection zone of the simulations for rod height: 80cm and 100cm with linear equations, by using measurement fitting to graphs where we show the respective elements for the two rods by raising 10 % of the Volts of the measurement. In the end, the data were processed and a comparison of this thesis’ findings and that of other authors were compared. The author also describes the results of the computer simulations and the conclusions that arose. In the fifth chapter the author revised the theoretical elements that apply to the tall structures and makes reflections on the findings. Moreover, useful conclusions arise from computer simulations that took place as far as the striking distance as well as the simulation is concerned.

Στόχος αυτής της εργασίας είναι η περιγραφή ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και η αναφορά στις καταπονήσεις που αυτό υφίσταται. Περιλαμβάνει επίσης τον υπολογισμό της αύξησης της θερμοκρασίας σε ηλεκτρικούς συνδέσμους υπό κρουστικό ρεύμα καταπόνησης / The aim of this diploma is the research in a lightning protection installation. Moreover a mathematical model and approximate equations are proposed, concerning the temprature rise estimation at electric couplings, during lightning discharges.

Eskom (Electricity Supply Commission of South Africa) is the national electrical utility that provides the generation, transmission and distribution of electricity in South Africa. The majority of Eskom's electricity distribution is done with either 11 kV or 22kV electrical overhead networks. An unacceptable number of Eskom's pole mounted power transformers on these networks have been failing over the past six years in the Kwa-Zulu Natal region. The average transformer failure rate for the Distribution Eastern Region was calculated to be 2.4% per annum. International norms seem to indicate a transformer failure rate of between 0.5% and 1.0% per annum as acceptable. The estimated cost of these transformer failures was between R9 million and R13 million per annum for the Eastern Region. Eskom Distribution has seven regions and the total cost of these failures was considerable to the business. These transformer failures contributed an average of 5.3% per month of the Supply Loss Index (SLI) for the Eastern Region, with a maximum contribution of 14.5% per month of the SLI for the region. The SLI is an Eskom performance measure of the unavailability of supply of the networks. The Eskom plant performance database (NAPI) was statistically analysed in detail and a number of field investigations conducted at transformer installations that had failed in the past. Transformer earth electrode resistance measurements were taken in an attempt to identify the cause of these transformer failures. Local transformer manufacturers were consulted and a national transformer refurbishment company's database was analysed during the investigation as part of a holistic approach to the industry related dissertation. The main finding of the NAPI data analysis was that the majority of the transformers failed during lightning storm periods. Another similar Eskom investigation had a sample of failed transformers opened for internal inspection. Signs of lightning damage to either the primary side winding or the primary lead were found. The proposed failure hypothesis was that the transformers required additional lightning protection of the primary side to protect the transformer against lightning. It seemed that the current specification of the Eskom distribution class surge arresters was inadequate to offer sufficient lightning protection of the pole mounted transformers. Practical measures were implemented on existing Eskom 11 kV networks in the Glencoe area as part of an Eskom research project to reduce the high failure rates of transformers. Two experimental networks were established and one control network was used as a reference line. The project implementation was completed at the end of October 1999. The experimental project looked at applying additional primary side lightning protection of the transformers. The main emphasis of the lightning protection on the first network was the use of two distribution class arresters in parallel (double arrester configuration) for each transformer and an understrung conductor connected to the prior structure back from the transformer installation. The second network had the standard single arresters installed on the transformers. A 600mm wood path was placed in series with an earthed down conductor installed on each intermediate woodpole structure to ensure a basic insulation level of 300kV for the network. The control network also had single arresters installed and was a fully insulated network (no earthed down conductor on the woodpoles). Each network was carefully monitored in terms of equipment failures and the performance levels of each network was measured with installed voltage dip recorders near the individual network circuit breakers. The Eskom Lightning Position and Tracking System (LPATS) data was collected and analysed to quantify the lightning activity before the project implementation to that of after project implementation. For the period November 1999 to March 2002 not a single transformer or surge arrester had failed ,due to lightning on the double arrester and understrung conductor configuration experimental network. There were recorded transformer and surge arrester failures on the second experimental network and on the control network. It was found that the practical methods implemented on the networks did not have a negative impact on the performance levels of the networks. Laboratory work was conducted in the high voltage laboratory at the University of Natal, on various metal oxide varistor (MOV) blocks of opened up new and failed surge arresters. This was to determine the effect of MOV blocks in parallel under power frequency and current impulse conditions. In particular, to determine what the effect of parallel MOV blocks with different voltage-current (V-I) characteristics would have on the current sharing and energy absorption capabilities of the individual blocks. The work was performed to simulate the behaviour of two surge arresters in parallel as in the experimental project. The experimental project lines were modeled using the Alternative Transients Program (ATP) simulation package and various parametric studies performed in the single phase conductor simulations. Each network component (such as the line, transformer and surge arrester) and phenomena (such as the effect of corona, the transient earth electrode resistance and voltage flashover) were modeled. The effect of surge arresters in parallel and the use of an understrung conductor arrangement were quantified. A current sharing factor (k-factor) was introduced to quantify the sharing of currents through surge arresters in parallel with different V-I curves. The main finding from the impulse laboratory work was that current sharing between parallel MOV blocks became better at higher currents. This finding was supported by other research work findings, particularly in the field of nuclear fusion research with parallel arresters. The results of the ATP simulations showed that the experimental network with the parallel arresters and understrung conductor arrangement considerably reduced the energy absorbed by the individual arresters. The effect of the double arrester configuration was to reduce the energy absorbed by the individual arresters even with arresters with different V-I characteristics and different manufacturers. The understrung conductor arrangement was found to be the major contributor towards the reduction of the energy absorbed by the arresters. The equivalent circuit of a MOV block for transient studies was proposed and then simulated in ATP. The simulated results were compared to the measured waveforms obtained from the impulse laboratory work. A good agreement between the simulated and measured waveforms was obtained. For existing Eskom networks with high arrester and transformer failure rates, the double arrester (distribution class) configuration would be the most time and cost effective solution. The alternative of using a single station class arrester is not proposed due to the costs involved and the availability of stock. The understrung conductor arrangement did significantly reduce the energy absorbed by the arresters but due to high labour costs and time requirements this would not be recommended for existing networks. It is suggested that Eskom investigate this practical method for new lines to be built in high lightning areas. Even with arresters from different manufacturers, the use of the double arrester configuration would decrease the energy absorbed and hence reduce the risk of failure of the individual arresters protecting the transformer. This means that Eskom field staff can use different manufacturer arresters in parallel. This would be especially for times when replacing failed arresters or a faulty transformer under breakdown conditions and electrical supply has to be restored to the customer as soon as possible. It was proposed to perform arrester matching by ensuring that the both arresters were from the same manufacturer. / Thesis (M.Sc.Eng)-University of Natal, Durban, 2002.

This thesis analyses the lightning protection concept. After a brief introduction to lightning, lightning discharge process and the consequences of a lightning stroke, the worldwide standards for the protection of structures against lightning are analysed and compared in the scope of requirement for the lightning protection. The lightning protection systems since Franklin are traced and the protection methods are re-arranged in the basis of rolling sphere method. after discussing the changing philosophy in lightning protection, cage method is examined and applications of cage method are done according to different protection levels. This thesis seek an answer to the question such that which the safest method for the protection of structures against lightning according to new requirements would be.