Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών

ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Παναγιώτη Αγραφιώτη

με θέμα
Μελέτη Μεταβατικής Συμπεριφοράς Αγωγών Καθόδου Συστημάτων Αντικεραυνικής Προστασίας
Transient Impedance of Down Conductors for Lightning Protection Systems

Εξεταστική Επιτροπή
Επίκουρος Καθηγητής Γεώργιος Πέππας (επιβλέπων)
Καθηγητής Κωνσταντίνος Γυφτάκης
Καθηγητής Ευτύχιος Κουτρούλης

Περίληψη

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς αγωγών καθόδου συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας, με στόχο την αξιολόγηση της καταλληλότητας διαφορετικών μοντέλων γραμμών μεταφοράς για την προσομοίωση κεραυνικών φαινομένων. Αρχικά παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο που διέπει τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε αγωγούς καθόδου, καθώς και οι βασικές αρχές της θεωρίας γραμμών μεταφοράς και των συχνοεξαρτώμενων ηλεκτρικών παραμέτρων.
Στο πειραματικό μέρος πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της ταχύτητας διάδοσης του ρεύματος σε γυμνούς χάλκινους αγωγούς διαφορετικών διατομών με χρήση γεννήτριας συχνοτήτων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με χρήση κρουστικής γεννήτριας με στόχο την πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς των αγωγών υπό πρότυπη κεραυνική διέγερση. Αν και δεν κατέστη δυνατός ο άμεσος υπολογισμός της ταχύτητας διάδοσης από τις κρουστικές μετρήσεις λόγω περιορισμών του διαθέσιμου εργαστηριακού εξοπλισμού, οι καταγεγραμμένες κυματομορφές αξιοποιήθηκαν για τη συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των αριθμητικών προσομοιώσεων.
Για την αριθμητική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό FEMM, μέσω του οποίου υπολογίστηκαν οι συχνοεξαρτώμενες ηλεκτρικές παράμετροι των εξεταζόμενων αγωγών. Οι παράμετροι αυτές χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την ανάπτυξη μοντέλων γραμμών μεταφοράς στο περιβάλλον ATP/EMTP. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις πρότυπων κρουστικών παλμών 8/20 μs και συγκρίθηκαν διαφορετικές προσεγγίσεις μοντελοποίησης, με σκοπό την αξιολόγηση της επίδρασης των παραδοχών κάθε μοντέλου στη μεταβατική απόκριση των αγωγών.
Η σύγκριση των πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων επέτρεψε την αξιολόγηση της ακρίβειας των εξεταζόμενων μοντέλων και την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την εφαρμογή τους στη μελέτη συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Η εργασία αναδεικνύει τη σημασία της ορθής μοντελοποίησης των αγωγών καθόδου, καθώς και της πειραματικής επαλήθευσης των αριθμητικών προσομοιώσεων, συμβάλλοντας στην καλύτερη κατανόηση της μεταβατικής συμπεριφοράς τους κατά τη διέλευση κεραυνικών ρευμάτων.
Λέξεις-κλειδιά: αγωγοί καθόδου, ATP/EMTP, FEMM, μεταβατικά ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, συστήματα αντικεραυνικής προστασίας, ταχύτητα διάδοσης.

Abstract 

This diploma thesis investigates the transient behavior of down conductors used in lightning protection systems, aiming to evaluate the suitability of different transmission line models for the simulation of lightning-induced phenomena. Initially, the theoretical background governing the propagation of electromagnetic waves along down conductors is presented, with emphasis on transmission line theory, distributed electrical parameters, and frequency-dependent effects.
The experimental part includes measurements of current propagation velocity on bare copper conductors of different cross-sectional areas using a high-frequency signal generator. In addition, experiments were carried out using an impulse generator to investigate the response of the conductors under a standard lightning current waveform. Although the direct determination of current propagation velocity from the impulse measurements was not feasible due to limitations of the available laboratory equipment, the recorded waveforms were successfully utilized for comparison with the numerical simulation results.
For the numerical analysis, the Finite Element Method Magnetics (FEMM) software was employed to calculate the frequency-dependent electrical parameters of the examined conductors. These parameters were subsequently used to develop transmission line models in the ATP/EMTP environment. Standard 8/20 μs impulse current simulations were performed, and different modeling approaches were comparatively evaluated in order to investigate the influence of each model on the transient response of the conductors.
The comparison between experimental measurements and numerical simulations enabled the assessment of the accuracy of the investigated transmission line models and the identification of the most suitable approach for representing the transient behavior of down conductors. The results highlight the importance of accurate conductor modeling and experimental validation in improving the reliability of lightning transient simulations and contribute to a better understanding of the electromagnetic behavior of lightning protection systems.
Keywords: down conductors, ATP/EMTP, FEMM, transient electromagnetic phenomena, lightning protection systems, current propagation velocity.