INVESTIGATION OF LIGHTNING ELECTROMAGNETIC PULSES WITH GROUNDING SOLUTIONS IN HIGH VOLTAGE LINES

Yıl 2025, Cilt: 3 Sayı: 1, 63 - 75

Dr. Turan Çakıl

Öz

This study evaluated the grounding improvement works in power transmission lines in a technical and scientific framework. The aim of the study is to detail the grounding improvement processes to increase the reliability and efficiency of power transmission lines. Lightning and Electromagnetic Pulse (LEMP) intensities and current amplitudes obtained from the General Directorate of Meteorology (MGM) were taken into account in the analyses. The electrical performance of the line and its resilience against LEMP induced faults are evaluated using simulations with Electromagnetic Transients Program (ATP-EMTP) software. As an example, the Isparta (Keciborlu)-Burdur power transmission line is analysed and the reductions in the number of LEMP-induced tripping are investigated as a result of grounding improvement works. Guy Wires (GW) increased the coupling between the phase conductors, enabling more effective transfer of the LEMP current to earth and reducing the equivalent earth resistance. In the study, it is recommended that the use of low-cost and easy-to-install methods such as GW should be widespread due to the high cost of line surge arresters. In addition, GW applications on 154 kV power transmission lines were analysed in detail and it was found that this technique provides a reduction of up to 66% in the jump voltage at the insulator end. The study emphasizes the importance of grounding improvement methods for the creation of a reliable, sustainable and economical infrastructure in power transmission lines. These findings are expected to contribute to the literature for the development of more effective and cost-effective solutions in power systems.

Anahtar Kelimeler

Electromagnetic Fields, Energy Transmission Lines, HV, LEMP, Power Systems

Etik Beyan

I declare that all processes of the study are in accordance with research and publication ethics, and that I comply with ethical rules and scientific citation principles. Title of the study: Investigation of Lightning Electromagnetic Pulses with Grounding Solutions in High Voltage Lines Author's Name and Surname: Turan Cakil Date: 18.01.2025

YÜKSEK GERİLİM HATLARINDA TOPRAKLAMA ÇÖZÜMLERİ İLE YILDIRIM ELEKTROMANYETİK DARBELERİNİN İNCELENMESİ

Öz

Bu çalışma, enerji iletim hatlarındaki topraklama iyileştirme çalışmalarını teknik ve bilimsel bir çerçevede değerlendirmiştir. Çalışmanın amacı, enerji iletim hatlarının güvenilirliğini ve verimliliğini artırmaya yönelik topraklama iyileştirme süreçlerini detaylandırmaktır. Analizlerde, Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden (MGM) alınan Yıldırım ve Elektromanyetik Darbe (YEMD) yoğunlukları ve akım genlikleri dikkate alınmıştır. Hattın elektriksel performansı ve YEMD kaynaklı arızalara karşı dayanıklılığı, Elektromanyetik Transient Program (ATP-EMTP) yazılımı ile yapılan simülasyonlar kullanılarak değerlendirilmiştir. Örnek olarak, Isparta (Keçiborlu)-Burdur enerji iletim hattı analiz edilmiş ve topraklama iyileştirme çalışmaları sonucunda YEMD kaynaklı açma sayılarında meydana gelen azalmalar incelenmiştir. Guy Wires (GW), faz iletkenleri arasındaki kuplajı artırarak YEMD akımının toprağa daha etkili bir şekilde aktarılmasını sağlamış ve eşdeğer toprak direncini düşürmüştür. Çalışmada, hat parafudurlarının yüksek maliyeti nedeniyle GW gibi düşük maliyetli ve kolay kurulabilen yöntemlerin kullanımının yaygınlaştırılması önerilmektedir. Ayrıca 154 kV enerji iletim hatlarında GW uygulamaları, detaylı şekilde incelenmiş ve bu tekniğin izolatör ucundaki atlama geriliminde %66’ya varan bir düşüş sağladığı tespit edilmiştir. Çalışma, enerji iletim hatlarında güvenilir, sürdürülebilir ve ekonomik bir altyapının oluşturulması için topraklama iyileştirme yöntemlerinin önemini vurgulamaktadır. Bu bulgular, güç sistemlerinde daha etkili ve maliyet avantajlı çözümler geliştirilmesi için literatüre katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

Elektromanyetik Alanlar, Enerji İletim Hatları, Güç Sistemleri, YEMD, YG

Etik Beyan

Çalışmanın tüm süreçlerinin araştırma ve yayın etiğine uygun olduğunu, etik kurallara ve bilimsel atıf gösterme ilkelerine uyduğumu beyan ederim. Çalışmanın başlığı: Yüksek Gerilim Hatlarında Topraklama Çözümleri İle Yıldırım Elektromanyetik Darbelerinin İncelenmesi Yazarın Adı ve Soyadı: Turan Çakıl Tarih: 18.01.2025

Kaynakça

• [1] B. Raphael, Louro P., And Paulino J., Lightning Performance of a Critical Path from A 230-Kv Transmission Line with Grounding Composed by Deep Vertical Electrodes, Electric Power Systems Research, Vol. 195, 2021.
• [2] G. Leonıd, Markovskı B. And Todorovskı M., Lightning Performance of Multiple Horizontal, Vertical and Inclined Grounding Electrodes, İn IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 37, No. 5, Pp. 3782-3791, Oct. 2022.
• [3] J.C. Maxwell, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 155, pp. 459-512, 1865.
• [4] M.A. Uman, D.K. Mclaın, Magnetic Field of Lightning Return Stroke, Journal of Geophysics Research, Vol. 74, 1969.
• [5] R. Lundholm, Induced Over voltages on Transmission lines and their bearing on the lightning performance of medium voltage networks, Duplic Goteborg, 1955.
• [6] F. Heidler, Travelling current source model for LEMP calculation, Proc of the 6th Symposium and Technical Exhibition on Electromagnetic Compatibility, Zurich, March 5-7, 1985.
• [7] H.K. Hoidalen, Analytical Formulation of Lightning-Induced Voltages on Multiconductor Overhead Lines Above Lossy Ground, IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol.45, no.1, pp.92-100, Feb. 2003.
• [8] IEEE Standards 1410 “IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines”, 2004.
• [9] K. Ishimoto, F. Tossani, F. Napolitano, A. Borghetti, C.A. Nucci, LEMP and ground conductivity impact on the direct lightning performance of a medium-voltage line. Electr. Power Syst. Res. 2023.
• [10] T. Cakil, H.F. Carlak, S. Ozen, Protection Analysis of Surge Arresters and Isolators Against Over Voltages Caused by Lightning Electromagnetic Pulses, International Conference on Advances and Innovations in Engineering, Elazig, Turkey, 10-13 May 2017.
• [11] C. Jinxin et al., Comprehensive Assessment of Lightning Protection Schemes for 10 kV Overhead Distribution Lines, in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 37, no. 3, pp. 2326-2336, June 2022.
• [12] T. Cakil, H.F. Carlak, S. Ozen, The Analysis of Transient Phenomena on Power Transmission Lines Due to Lightning Electromagnetic Pulses, Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS) 2017, St. Petersburg, Russia, 22,25 May 2017.
• [13] G. Jun, W.C. Xie, Y. Xie and Tkachenko S., An Efficient Model of High-Frequency Electromagnetic Field Coupling to Multiconductor Transmission Lines with the Presence of the Lossy Ground, in IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, no. 6, pp. 2261-2272, 2022.
• [14] T. Cakil, H.F. Carlak, S. Ozen, The Indirect Effect of Lightning Electromagnetic Pulses on Electrostatic, Electromagnetic Fields and Induced Voltages in Overhead Energy Transmission Lines. Appl. Sci., 14, 3090, 2024.
• [15] S. Kauche and B. Nekhoul, Modelling of Lightning Surges on A Grounding System of a Tower Cascade. Electrical Engineering. 2023.
• [16] C. Li, et al., Electromagnetic Fields of Lightning Return Stroke to Wind Turbines with Discontinuous Impedance Model, Electric Power Systems Research, Volume 233, 2024.
• [17] G. Leonid, Markovski B. And Todorovski M., Lightning Performance of Multiple Horizontal, Vertical and Inclined Grounding Electrodes, in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 37, no. 5, pp. 3782-3791, Oct. 2022.
• [18] L. Prikler and H. K. Hoidalen ATPDraw version 6.1 for Windows XP/7/8, 2024, http://www.atpdraw.net/index.php [Son erişim tarihi: 22.06.2024]
• [19] B. Raphael, Louro P., And Paulino J., Lightning performance of a critical path from a 230-kV transmission line with grounding composed by deep vertical electrodes, Electric Power Systems Research, Vol. 195, 2021.
• [20] N. Arı, Ş. Özen, Elektromanyetik Uyumluluk, ISBN 978-9944-341-72-1, Palme Yayıncılık, 2008.
• [21] TEİAŞ, Türkiye Ulusal Elektrik Ağındaki Havai Hatların Trafoların ve Jeneratörlerin Elektrik’i Karakteristiği, Sistem Araştırma ve Kontrol Müdürlüğü, 2024.
• [22] Meteoroloji Genel Müdürlüğü, Tahminler Daire Başkanlığı, Analiz ve Tahminler Şube Müdürlüğü, https://www.mgm.gov.tr/sondurum/yildirim-takip.aspx [Son erişim tarihi: 18.06.2024]
• [23] B. Zhang, Li C., Liu Z. And He J., Analysis of Transient in Secondary Cable Due to a Direct Lightning Strike on Grounding Grid, in IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 65, no. 4, pp. 1183-1190, Aug. 2023.
• [24] T. Çakıl, H. F. Carlak, and Ş. Özen, “Modeling of Power Network System of The High Voltage Substation: a simulation study”, IJEAS, vol. 7, no. 3, pp. 39–57, 2015.
• [25] Y. Eroğlu, S. Çakıl, Türkiye’deki Yıldırım Ve Şimşeklerin Akım Düzeyleri Ve Sayıları Hakkında İnceleme, Uluslararası Katılımlı V. Meteorolojik Uzaktan Algılama Sempozyumu (UZAKTEM), pp. 708-727, Antalya, Türkiye, 14-17 Kasım 2023.
• [26] T. Cakil, H. F. Carlak and S. Ozen, "Protection against Lightning Electromagnetic Pulses Using Surge Arresters: A Simulation Study for the Realistic High-voltage Power Line Region," 2021 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), pp. 2465-2473 Hangzhou, China, 2021.