Examining the Influence of Tower Grounding Resistance on Lightning Overvoltages for 154 kV Overhead Transmission Line with Fork Pylon Tower using ATP-EMTP

Abstract

Overvoltages by lightning strikes cause significant power outages in electrical power systems and serious damage to

electrical system components. Protective grounding is used in high voltage tower and transformers and it is not applied any special

protection method other than protective grounding. It is observed that lightning strikes in the overhead transmission line are often seen as

the lightning strike on the lightning protection conductor or a tower. When the transmission line is exposed to a lightning strike, the

lightning current flows to the ground via tower grounding. The lightning strike causes high voltages on the tower depending on the tower

grounding resistance. If this voltage occurs above the isolator impulse voltage, the isolators will be damaged. Therefore, the

determination of direct grounding resistance in high voltage transmission lines is very important. In this study, overvoltages due to

lightning strikes on the protection conductor or tower of a transmission line with fork pylon tower widely used in 154 kV transmission

lines in Turkey have been analyzed using the Alternative Transient Program (ATP). In the analysis, the equivalent model of the fork

pylon tower is defined as non-uniform tower model. The lightning current waveform is modelled as a Heidler function with a lightning

pulse of 8/20 μs. The effect of the tower ground resistance on overvoltages occurring in the lightning strikes is evaluated for different

positions and lengths of the tower grounding electrode. The results show that horizontal grounding in the same earth structure tower with

short electrode length below 5 meters reduces excessive voltages on the insulator. When the length of the electrodes is more than 5

meters, vertical grounding can be recommended. Determining the appropriate grounding position by conducting soil analysis in the area

where the tower will be installed prevents the insulators from overvoltages caused by lightning strikes. In the area where 154 kV fork

pylon tower will be installed, the soil structure should be examined in detail and the ground electrode and electrode position should be

selected in accordance with the soil structure.

Keywords

• Overhead Transmission Line,Ligtning Overvoltages,Alternative Transient Program (ATP),Fork Pylon Towers,Earth Resistance

ATP-EMTP Kullanılarak 154 kV Çatal Pilon Direkli Havai İletim Hatları için Direk opraklama Direncinin Yıldırım Aşırı Gerilimine Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Yıldırım çarpmalarının neden olduğu aşırı gerilimler elektrik güç sistemlerinde önemli elektrik kesintilerine ve sistem

elemanlarının ciddi hasar görmesine neden olmaktadır. Yüksek gerilim direklerinde ve transformatörlerinde koruma topraklaması

kullanılmaktadır ve koruma topraklaması haricinde özel bir koruma yöntemi uygulanmamaktadır. Havai iletim hatlarında yıldırım

çarpmaları genellikle yıldırımın koruma iletkenine çarpması veya direğe çarpması şeklinde görülmektedir. İletim hattı yıldırım darbesine

maruz kaldığında yıldırım akımı direk topraklaması üzerinden toprağa akar. Yıldırım darbesi direk topraklama direncine bağlı olarak

direk üzerinde yüksek gerilimlerin oluşmasına neden olur. Oluşan bu gerilim izolatör darbe geriliminin üzerinde oluşursa izolatörlerin

hasar görmesine yol açar. Bu nedenle yüksek gerilim iletim hatlarında direk topraklama direncinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Bu

çalışmada, Türkiye’ de 154 kV enerji nakil hatlarında yaygın olarak kullanılan çatal pilon direkli iletim hattının koruma iletkenine ve

taşıyıcı direğine yıldırım çarpması ile ortaya çıkabilecek aşırı gerilimler Alternative Transient Program (ATP) kullanılarak analiz

edilmiştir. Analizde çatal pilon direğin eşdeğer modeli üniform olmayan direk modeli olarak tanımlanmıştır. Yıldırım akımı dalga formu

ise 8/20 μs’ lik yıldırım darbesine sahip Heidler fonksiyonu olarak modellenmiştir. Direk topraklama elektrotunun farklı pozisyonları ve

uzunlukları için direk toprak direncinin yıldırım çarpmalarında oluşan aşırı gerilimler üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Sonuçlar, aynı

toprak yapısına sahip direklerde, 5 metre altındaki kısa elektrot uzunluğu ile yapılacak topraklamalarda yatay topraklama yapılmasının

izolatör üzerindeki aşırı gerilimleri azalttığını göstermektedir. Eğer elektrot uzunluğu 5 metrenin üzerinde olursa dikey topraklama

yapılması önerilmektedir. 154 kV çatal pilon direklerinin kurulacağı alanda toprak yapısı detaylı olarak incelenmeli ve toprak yapısına

uygun olarak topraklama elektrodu ve elektrot pozisyonu seçilmelidir.

Keywords

• Havai İletim Hatları,Yıldırım Aşırı gerilimler,Alternatif Transient program (ATP),Çatal Pilon Direk,Direk Toprak Direnci

References

1. Ametani A, Kawamura T, 2005. A Method of a Lightning Surge Analysis Recommended in Japan using EMTP, IEEE Transaction on Power Delivery, (20): 867-875.
2. Beaty HW, 2006. Standart Handbook for Electrical Engineers, New York: Mcgraw-Hill Professional, ISBN 978-0071762328.
3. Bewly BV, 1963. Travelling Waves on Transmission Systems, New York Dover,
4. Bourg S, Sacepe B, Debu T, 1995. Deep earth electrodes in highly resistive ground: Frequency behaviour, in Proc. 1995 IEEE International Symposium Electromagn. Compat. 1995, pp:584-589.
5. Chislom WA, Chow YL, Strivastova KD, 1991. Lightning Surge Responce of Transmission Towers, IEEE Transaction, Pas- 102 (8): 3232-3242.
6. Çiftçi A, Altundağ E, Bulut Ö, Uysal HH, 2017. Burdur İli Elektrik Dağıtım Şebekesinde Meydana Gelen Arızalara Genel Bir Bakış ve Çözüm Önerileri, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Özel Sayı 1, s. 44-55.
7. Dwight HB, 1936. Calculation of the resistances to ground, Electr. Eng., (55): 1319–1328.
8. Dommel HW, 1969. Digital Computer Solution of Electromagnetic Transients in Single and Multiphase Networks, IEEE Transaction on Power Apparaturs and Systems, Vol. Pas-88:388-399,

9. Dommel HW, 1995. EMTP Theory Book, Bonneville Power Administration, Conversion into Electronic Format by Canadian/Amerıcan EMTP user Group .
10. Gencer NC, 2015. Yıldırım Aşırı Gerilimlerin Yüksek Gerilim Hatlarına Etkileri-Direklerin Topraklama Direnci ile İzolatör Atlama Gerilimi İlişkisi-Parafudurlar Transformatör Eklatörlerinin Etkinliği, TMMMOB EMO Ankara Şubesi Haber Bülteni (2015/1).
11. Greenwood A, 1991. Electrical Transients in Power Systems, New York: John Willey & Sons, ISBN 978-0471620587.
12. International Electrotechnical Commission (IEC) Standarts 61643-11
13. International Electrotechnical Commission (IEC) Standarts 61000-4-5
14. Kaygusuz A, Mamiş MS, Akin E, 2002. S-Domain Analysis of Lightning Surges on Transmission Tower, First International Conference on Technical and Physical Problems in Power Engineering, Bakü, Azerbaycan.
15. Kaygusuz A, Mamiş MS, Erhan A, 2013. Elektrik Direklerinde Oluşan Aşırı Gerilimlerin Laplace Dönüşümü ile Analizi, SAU Fen Bilimleri Enstitü Dergisi, Cilt 7, (Mart) Sayı 1.
16. Kawai M, 1964. Studies of the Surge Responce on a Transmission Line Tower, IEEE Transaction, PAS-83:30-34.
17. Minnaar UJ, Gaunt CT, Nicolls F, 2012. Characterisation of power system events on South African transmission power lines, Electric Power Systems Research (88): 25-32.
18. Orlando PH, 1999. Alternative Transient Program: Comparison of Transmission Line Models, Revista Latinoamericana del ATP, (1): 1-5.
19. Özkaya M, 1996. Yüksek Gerilim Tekniği Cilt 2– Aşırı Gerilimler ve Aşırı Gerilimlere Karşı Koruma, Yüksek Gerilimlerin Üretilmesi, Yüksek Gerilimlerin Ölçülmesi, s. 34-34, İstanbul.
20. Rudenberg R, 1968. Electrical Shock Waves in Power System, Cambridge, MA: Harward Univ. Press.
21. Shaida N, Jamoshid BT, 2008. Lightning Simulation Study on Line Surge Arresters and Protection Design of Simple Structures, Degree Of Master Of Engineering (Electric – Power) Faculty of Electrical Engineering University Technology, Malaysia.
22. Sunde, E. D.,1968, Earth Conduction Effects in Transmission Systems, 2nd ed. New York: Dover.
23. Şeker, M., Kaygusuz, A., 2011, 154 kV’luk Enerji Nakil Hatlarında Kullanılan Kafes Direklerin Yıldırım Analizi, Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, Elazığ, Türkiye.
24. Ueda , Ito T, Watanabe H, Funabashi T, Ametani A, 2000. A Comparasion between two Tower Model for Lightning Surge Analysis Of 77 kV System, International Conference on Power System Technology (POWERCON 2000), 4-7 December, Australia, Proceedings (CAT NO. 00EX409),
25. Uman MA, 1986. All About Lightning. Toronto: Dower Publication,. Isbn 978-0486252377.
26. Yıldırımdan Koruma Yönetmeliği, 2017. s. 67.