ANALYSIS OF TRANSIENT OVERVOLTAGE IN MEDIUM VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORK OF CEYLON ELECTRICITY BOARD A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science by W.A.V Weerawardena 07/8419 Supervised By: Prof. J.R. Lucas Dr. H.M. Wijekoon Banda (External) Department of Electrical Engineering University of Moratuwa, Sri Lanka 2010 94847 Abstract This thesis presents the analysis of transient overvoltages in medium voltage (33kV) network and the research is based on feeder lines in the Uva province. Parameters which influence lightning performance of overhead distribution lines such as line height, line length, type of structure, availability of shield wire and flash density in the area are discussed in details. More over, failures due to transient overvoltages and its impact on the reliability of the network are analyzed in this study. Lightning may cause flashovers from direct strokes or induced voltage from nearby strokes. Direct lightning to power distribution lines causes insulation flashovers in great majority of the cases. Therefore the goal of this research is to estimate the lightning performance level of feeder lines and investigate improvements. Shielding effect from nearby trees, critical flashover voltages for different flashover paths and deterioration of insulation with aging are also discussed. Thus the analysis of lightning related incidents such as transformer failures, arrester failures and nuisance fuse blows are presented. The study of transformer installation reveals that arrester lead length becomes critical during a lightning discharge since it generates high voltage stress in the winding which may fail the distribution transformer. Earth rod impulse resistance is also an important parameter which increases the voltage stress. It is necessary to develop models, using, electrical parameters for simulation of transient overvoltages. The PSCAD software is especially developed to study transient simulations of power systems. Variation of transient overvoltages due to strikes to phase wires, strikes to earth wire, and variation due to striking distance are discussed in this study. Further, simulation of surge arrester performance and nuisance fuse blows are also presented. Finally, the study presents applications to achieve zero lead length in substation, introduction of surge durable fuses and procedures which can be implemented to improve lightning performance in the MV network. V V I ( l ~, D E C L A R A T I O N T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u l t o f m y o w n i n v e s t i g a t i o n , e x c e p t w h e r e o t h e r w i s e s t a t e d . I t h a s n o t a l r e a d y b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e , a n d i s a l s o n o t b e i n g c o n c u r r e n t l y s u b m i t t e d f o r a n y o t h e r d e g r e e . (·,~{I·, ' , ~~ '_A/~'v-I~V~ W . A . V W e e r a w a r d e n a 2 1 • 0 l · : W t 0 D a t e W e / Y e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n b y t h e c a n d i d a t e . r \ ( ' I . ' \ / ' ~e_ . . , . , P r o f . J . R . L u c a s ~.' D r . H . M . W i j e k o o n B a n d a W \ , < ; c C O N T E N T S D e c l a r a t i o n A b s t r a c t A c k n o w l e d g e m e n t L i s t o f F i g u r e s I V v V I L i s t o f T a b l e s L i s t o f P r i n c i p a l S y m b o l s 1 . I n t r o d u c t i o n 1 . 1 S c o p e o f S t u d y 1 . 2 L i t e r a t u r e R e v i e w 2 . S t a t e m e n t o f P r o b l e m 2 . 1 I d e n t i f i c a t i o n o f t h e P r o b l e m 2 . 2 S t u d y o f M V N e t w o r k C o n f i g u r a t i o n s i n t h e U v a P r o v i n c e 2 . 3 B a d W e a t h e r a n d P a t t e r n o f M V F e e d e r F a i l u r e s 2 . 4 T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e s R e l a t e d F a i l u r e s J . L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e o f D i s t r i b u t i o n F e e d e r L i n e s 3 . 1 D i r e c t L i g h t n i n g S t r i k e s o n P h a s e C o n d u c t o r s 3 . 2 I n d u c e d V o l t a g e F l a s h o v e r s 3 . 3 T o t a l N u m b e r o f F l a s h o v e r s 3 . 4 S t u d y o f S h i e l d i n g E f f e c t f r o m N e a r b y T r e e s 3 . 5 D e t e r m i n a t i o n o f C r i t i c a l F l a s h o v e r V o l t a g e ( C F O ) f o r P o s s i b l e V l l l I X 1 3 4 6 6 6 1 2 1 4 1 8 2 2 2 5 2 9 3 0 F l a s h o v e r P a t h s . 3 3 3 . 6 T e s t i n g o f l n s u l a t o r s t o C h e c k D e t e r i o r a t i o n o f l n s u l a t i o n w i t h A g i n g . 3 4 4 . T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e S t r e s s i n D i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n s 3 6 4 . 1 C a l c u l a t i o n o f I m p u l s e R e s i s t a n c e 3 6 4 . 2 C a l c u l a t i o n o f A r r e s t e r L e a d L e n g t h 3 8 1 1 I A / 1 ( ) " 5 . S e n s i t i v i t y S t u d y o f T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e s u s i n g P S C A D M o d e l s 4 1 5 . 1 M o d e l f o r L i g h t n i n g S u r g e ( W a v e F o r m ) 4 1 5 . 2 M o d e l s t o S t u d y T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e s i n T o w e r l i n e a n d P o l e l i n e 4 2 5 . 3 S e n s i t i v i t y S t u d y t o A n a l y z e S u r g e a n d L i n e P a r a m e t e r s 4 3 5 . 4 A n a l y s i s o f P e r f o r m a n c e o f S u r g e A r r e s t o r s 4 7 5 . 5 A n a l y s i s o f N u i s a n c e F u s e B l o w s 5 0 5 . 6 S u r g e D u r a b i l i t y i n S u r g e A r r e s t e r a n d D D L O F u s e C o n n e c t i o n 5 0 6 . P r o p o s a l s f o r I m p r o v e m e n t o f S u r g e P e r f o r m a n c e s 5 2 6 . 1 Z e r o L e a d L e n g t h A p p l i c a t i o n i n D i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n 5 2 6 . 2 U s e o f S u r g e D u r a b l e F u s e L i n k s 5 3 6 . 3 I n t r o d u c t i o n o f L i g h t n i n g P r o o f F u s e s 5 4 6 . 4 U s e o f S u r g e A r r e s t e r i n C o n n e c t i o n b e t w e e n P o l e L i n e a n d T o w e r L i n e 6 . 5 O t h e r I m p r o v e m e n t s 7 . C o n c l u s i o n s R e f e r e n c e s A p p e n d i x A D e f i n i t i o n s A p p e n d i x B P S C A D M o d e l s & M e a s u r e d D a t a B . l M o d e l 1 - P S C A D M o d e l f o r T o w e r L i n e B . 2 M o d e l 2 - P S C A D M o d e l f o r T o w e r L i n e B . 3 M o d e l 3 - P S C A D M o d e l f o r T o w e r L i n e B . 4 M e a s u r e d D a t a B . 5 T e s t v a l u e s o f f l a s h o v e r v o l t a g e s 5 4 5 5 5 6 5 9 6 1 6 2 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 1 1 1 A c k n o w l e d g e m e n t I w o u l d l i k e t o e x p r e s s m y s i n c e r e a p p r e c i a t i o n a n d s p e c i a l t h a n k s t o m y p r o j e c t s u p e r v i s o r , P r o f e s s o r J . R . L u c a s f o r h i s g r e a t i n s i g h t s , p e r s p e c t i v e s , g u i d a n c e a n d s e n s e o f h u m o r . A l s o t h a n k s a r e d u e t o m y p r o j e c t s u p e r v i s o r ( e x t e r n a l ) , D r . H . M . W i j e k o o n B a n d a , f o r h i s s u p p o r t , a d v i c e , e n c o u r a g e m e n t , g u i d a n c e a n d f r i e n d s h i p . I a l s o w o u l d l i k e t o t h a n k D r . J . P . K a r u n a d a s a , H e a d o f D e p a r t m e n t , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a f o r h i s a s s i s t a n c e t o w a r d s t h e s u c c e s s f u l c o m p l e t i o n o f t h i s p r o j e c t . M y s i n c e r e t h a n k s g o t o t h e o f f i c e r s i n P o s t G r a d u a t e O f f i c e , F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , S r i L a n k a f o r h e l p i n g i n v a r i o u s w a y s t o c l a r i f y t h e t h i n g s r e l a t e d t o m y a c a d e m i c w o r k i n t i m e w i t h e x c e l l e n t c o o p e r a t i o n a n d g u i d a n c e . S i n c e r e g r a t i t u d e i s a l s o e x t e n d e d t o t h e p e o p l e w h o s e r v e i n t h e H i g h V o l t a g e L a b o r a t o r y a n d D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o f f i c e . I a l s o w i s h t o t h a n k M r . E . G A b e y s e k a r a , A d d i t i o n a l G e n e r a l M a n a g e r ( R e g i o n 3 ) a n d M r . D . W i t h a n a g e , D e p u t y G e n e r a l M a n a g e r ( U v a P r o v i n c e ) o f C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d f o r t h e i r a s s i s t a n c e t o w a r d s t h e s u c c e s s f u l c o m p l e t i o n o f t h i s p r o j e c t . L a s t b u t n o t l e a s t , I w i s h t o t h a n k m y b e l o v e d f a m i l y , f r i e n d s a n d c o l l e a g u e s w h o h a v e n o t b e e n m e n t i o n e d h e r e p e r s o n a l l y i n m a k i n g t h i s e d u c a t i o n a l p r o c e s s a s u c c e s s . I m a y h a v e n o t m a d e i t w i t h o u t y o u r s u p p o r t . v L i s t o f F i g u r e s F i g u r e P a g e 2 . 1 G e o g r a p h i c a l i l l u s t r a t i o n o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r 9 2 . 2 V a r i a t i o n o f s o i l r e s i s t i v i t y w i t h t h e f e e d e r e l e v a t i o n 9 2 . 3 T o w e r a n d p o l e l i n e l e n g t h s o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r 1 0 2 . 4 S p u r l i n e l e n g t h s o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r 1 0 2 . 5 T o w e r a n d p o l e l i n e c o n n e c t i o n 1 1 2 . 6 R a i n f a l l d a t a i n B a n d a r a w e l a a r e a , Y e a r 2 0 0 8 1 2 2 . 7 E a r t h F a u l t a n d O v e r C u r r e n t t r i p p i n g s 1 3 2 . 8 M o n t h l y M V f a i l u r e s i n t h e U v a p r o v i n c e 1 4 2 . 9 A n a l y s i s o f M V f a i l u r e s i n t h e U v a p r o v i n c e 1 5 2 . 1 0 D a m a g e d i n s u l a t o r s b y f l a s h o v e r s o r b y u n k n o w n r e a s o n s 1 5 2 . 1 1 H T f u s e u s a g e f o r s u b s t a t i o n s a n d s p u r l i n e s 1 6 2 . 1 2 H T f u s e u s a g e a n d n u m b e r o f s u b s t a t i o n s 1 7 2 . 1 3 L i g h t n i n g r e l a t e d f a i l u r e s i n t h e U v a p r o v i n c e 1 7 ~.1 G e o m e t r y o f l i g h t n i n g l e a d e r a n d t r a n s m i s s i o n l i n e 1 9 3 . 2 E f f e c t o f g r o u n d i n g r e s i s t a n c e o n s h i e l d w i r e p e r f o r m a n c e 2 3 3 . 3 C o m p a r i s i o n o f d i r e c t f l a s h o v e r r a t e f o r t o w e r a n d p o l e l i n e 2 4 3 . 4 N u m b e r o f i n d u c e d f l a s h o v e r s v e r s u s d i s t r i b u t i o n l i n e i n s u l a t i o n l e v e l 2 5 3 . 5 T o t a l f l a s h o v e r s ( L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e ) o f f e e d e r s 2 9 3 . 6 N u m b e r o f d a m a g e d i n s u l a t o r s e t s c h a n g e d i n t h e y e a r 2 0 0 8 3 0 3 . 7 S h i e l d i n g e f f e c t f r o m n e a r b y t r e e s 3 1 3 . 8 S h i e l d i n g f a c t o r s d u e t o n e a r b y o b j e c t s 3 1 3 . 9 A g e a n a l y s i s o f f e e d e r l i n e s 3 5 3 . 1 0 I n s u l a t o r c o v e r e d w i t h m o s s 3 5 4 . 1 C o m m o n p r a c t i c e s i n s u b s t a t i o n c o n s t r u c t i o n 3 9 V l 4 . 2 V a r i a t i o n o f t r a n s f o r m e r s u r g e v o l t a g e s t r e s s w i t h s u r g e c u r r e n t 4 0 5 . 1 T O V v a r i a t i o n w i t h m a g n i t u d e o f p e a k c u r r e n t 4 4 ( S t r i k e o n p h a s e w i r e ) 5 . 2 T O V v a r i a t i o n w i t h m a g n i t u d e o f p e a k c u r r e n t 4 5 ( S t r i k e o n e a r t h w i r e ) 5 . 3 T O V v a r i a t i o n w i t h E W g r o u n d i n g r e s i s t a n c e 4 6 5 . 4 T O V v a r i a t i o n w i t h i n c r e a s e o f s o i l r e s i s t i v i t y 4 6 5 . 5 T O V v a r i a t i o n w i t h s t r i k i n g d i s t a n c e 4 7 5 . 6 I E E E s u r g e a r r e s t e r m o d e l 4 8 5 . 7 A r r e s t e r p e r f o r m a n c e w i t h t h e m a g n i t u d e o f s u r g e c u r r e n t 4 9 5 . 8 A r r e s t e r p e r f o r m a n c e w i t h e a r t h r o d r e s i s t a n c e 4 9 5 . 9 W a v e f o r m s o b t a i n e d f r o m s i m u l a t i o n o f f u s e b l o w i n g 5 1 6 . 1 T r a n s f o r m e r C o m b i U n i t o f L i v e L i n e T e c h n o l o g y 5 3 6 . 2 T i m e C u r r e n t C h a r a c t e r i s t i c ( T C C ) c u r v e s a n d e t v a l u e s o f f u s e s 5 3 6 . 3 L i g h t n i n g P r o o f F u s e 5 5 V l l L i s t o f T a b l e s T a b l e 2 . 1 2 . 2 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3 . 4 3 . 5 3 . 6 3 . 7 3 . 8 4 . 1 4 . 2 5 . 1 B r e a k u p o f e x i s t i n g d i s t r i b u t i o n n e t w o r k o f t h e U v a p r o v i n c e D e t a i l s o f 3 3 k V f e e d e r l i n e s T h u n d e r D a y s a n d G F D i n U v a p r o v i n c e P r o b a b i l i s t i c d i s t r i b u t i o n o f c u r r e n t p e a k v a l u e s N u m b e r o f d i r e c t f l a s h e s p e r 1 0 0 k m l e n g t h N u m b e r o f d i r e c t s t o k e s p e r y e a r I n d u c e d f l a s h o v e r s p e r 1 0 0 k m N u m b e r o f I n d u c e d f l a s h e s p e r y e a r D i s t a n c e s f o r n e a r b y t r e e s E s t i m a t e d v a l u e s o f C F O f o r p o s s i b l e f l a s h o v e r p a t h s I m p u l s e r e s i s t a n c e v a r i a t i o n w i t h l i g h t n i n g c u r r e n t V o l t a g e s t r e s s a t t r a n s f o r m e r H T b u s h i n g D a t a o b t a i n e d f r o m s i m u l a t i o n o f f u s e b l o w i n g P a g e 7 8 2 0 2 1 2 3 2 4 2 6 2 6 3 2 3 3 3 8 4 0 5 1 V l l l L i s t o f p r i n c i p a l s y m b o l s C E B : e s c : C F O : D D L O : E l F : G F D : H T : H V : L A : L T : L V : M V : M S L : 0 / C : P Q : P S C A D : T i l : , : r o v : C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d C o n s u m e r S e r v i c e C e n t e r C r i t i c a l F l a s h o v e r H T f u s e l i n k E a r t h F a u l t G r o u n d F l a s h D e n s i t y H i g h t e n s i o n H i g h V o l t a g e L i g h t n i n g A r r e s t e r L o w T e n s i o n L o w V o l t a g e M e d i u m V o l t a g e M e a n S e a L e v e l O v e r C u r r e n t P o w e r Q u a l i t y P o w e r S y s t e m C o m p u t e r A i d e d D e s i g n T r a n s f o r m e r T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e I X C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n D u r i n g r e c e n t y e a r s , e l e c t r i c i t y c u s t o m e r s e x p e c t a b e t t e r q u a l i t y o f e l e c t r i c i t y s u p p l y . T h e a d v e n t o f a n i n f o r m a t i o n a g e h e a v i l y d e p e n d e n t o n d i g i t a l e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y h a s b r o u g h t w i t h i t r e c o g n i t i o n t h a t p o w e r q u a l i t y ( P Q ) h a s b e c o m e a n i m p o r t a n t t e c h n i c a l - e c o n o m i c i s s u e f o r b o t h e l e c t r i c i t y s u p p l i e r s a n d m a n y o f t h e i r c u s t o m e r s . T h e r e a r e t h r e e m a i n c l a s s e s o f p o w e r q u a l i t y d i s t u r b a n c e s : - V o l t a g e d i s t u r b a n c e s , w a v e f o r m d i s t o r t i o n a n d t r a n s i e n t s . T r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i n e l e c t r i c a l t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s r e s u l t f r o m t h e u n a v o i d a b l e e f f e c t s o f l i g h t n i n g s t r i k e s a n d n e t w o r k s w i t c h i n g o p e r a t i o n s . T h e s e o v e r v o l t a g e s h a v e t h e p o t e n t i a l t o r e s u l t i n l a r g e f i n a n c i a l l o s s e s e a c h y e a r d u e t o d a m a g e d e q u i p m e n t a n d l o s t p r o d u c t i o n . T r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s c a n b e d e f i n e d a s o n e o f t h e p o w e r q u a l i t y p r o b l e m a n d c a n b e c l a s s i f i e d a s b e i n g e i t h e r i m p u l s i v e ( t r a n s i e n t s r e s u l t i n g f r o m l i g h t n i n g s t r i k e s ) o r o s c i l l a t o r y ( t r a n s i e n t s r e s u l t i n g f r o m n e t w o r k s w i t c h i n g ) . T h e s e t r a n s i e n t s m o v e t h r o u g h t h e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k i n d i f f e r e n t w a y s d e p e n d i n g o n t h e i r f r e q u e n c y c o n t e n t . T h e l o w e r f r e q u e n c y o s c i l l a t o r y t r a n s i e n t s p r o p a g a t e i n e s s e n t i a l l y t h e s a m e w a y a s t h e 5 0 H z f u n d a m e n t a l v o l t a g e . H o w e v e r , i m p u l s i v e t r a n s i e n t s t e n d t o m o v e i n a v e r y d i f f e r e n t w a y w h i c h c a n g i v e u n e x p e c t e d c o n s e q u e n c e s . A f u l l s t u d y o f t h e i r e f f e c t s r e q u i r e s t r a v e l l i n g w a v e a n a l y s i s . L i g h t n i n g i s a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e i n t h e a i r b e t w e e n c l o u d s , b e t w e e n d i f f e r e n t c h a r g e c e n t e r s w i t h i n t h e s a m e c l o u d , o r b e t w e e n c l o u d a n d e a r t h ( o r e a r t h e d o b j e c t ) . E v e n t h o u g h m o r e d i s c h a r g e s o c c u r b e t w e e n o r w i t h i n c l o u d s , t h e r e a r e e n o u g h s t r o k e s t h a t t e r m i n a t e o n t h e e a r t h a n d c a u s e p r o b l e m s t o p o w e r s y s t e m s . W h e n l i g h t n i n g s t r i k e s o c c u r i n o r n e a r a n e l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n s y s t e m , l i g h t n i n g c u r r e n t s a r e g e n e r a t e d a n d c o n d u c t e d t h r o u g h t h e p o w e r s y s t e m i n t o c o n n e c t e d e q u i p m e n t . L a r g e i m p u l s i v e t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s a r e p r o d u c e d a s a r e s u l t o f t h i s c u r r e n t f l o w . L i g h t n i n g c a n s t r i k e d i r e c t l y t o t h e p h a s e c o n d u c t o r s o f o v e r h e a d p o w e r l i n e s p r o d u c i n g v e r y h i g h m a g n i t u d e t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s . P e a k c u r r e n t c a n b e u p t o 2 0 0 k A w i t h v o l t a g e s o v e r 1 M V . 1 T h i s s i t u a t i o n u s u a l l y c a u s e s p o w e r s y s t e m f a u l t s t h a t e v e n t u a t e i n t o s u p p l y i n t e r r u p t i o n s a n d v o l t a g e s a g s t h r o u g h o u t t h e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k . L i g h t n i n g c a n a l s o s t r i k e t h e o v e r h e a d e a r t h w i r e ( s h i e l d w i r e ) t h a t i s s o m e t i m e s i n s t a l l e d a b o v e t h e p h a s e c o n d u c t o r s t o p r o t e c t t h e m f r o m a d i r e c t l i g h t n i n g s t r i k e , o r t h e t o w e r o r p o w e r p o l e i t s e l f . T h i s c a n l e a d t o w h a t i s k n o w n a s a b a c k - f l a s h o v e r t o t h e p h a s e c o n d u c t o r s a s t h e v o l t a g e o n t h e e a r t h w i r e o r t o w e r r i s e s t o b e c o m e m u c h g r e a t e r t h a n t h e v o l t a g e o n t h e p h a s e c o n d u c t o r s . I n a d d i t i o n t o d i r e c t s t r i k e s , l i g h t n i n g c a n i n d u c e c u r r e n t s a n d v o l t a g e s o n p o w e r l i n e s w i t h o u t t o u c h i n g t h e m ( k n o w n a s a n i n d i r e c t s t r i k e ) . T h e l a r g e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s p r o d u c e d b y l i g h t n i n g d i s c h a r g e s c a n c o u p l e i n t o t h e p o w e r n e t w o r k a n d p r o d u c e i n d u c e d t r a n s i e n t s . L i g h t n i n g s u r g e s o r i g i n a t e b e y o n d h u m a n c o n t r o l , a n d t h e i r s e v e r i t y d e p e n d s o n m a n y p a r a m e t e r s d e t e r m i n e d b y t h e p o i n t o f i m p a c t o f t h e l i g h t n i n g s t r o k e a n d b y t h e s t r u c t u r e o f t h e p o w e r s y s t e m . H o w e v e r , w h i l e t h e s t r u c t u r e o f t h e p o w e r s y s t e m i s u n d e r h u m a n c o n t r o l , i t s p a r a m e t e r s a r e g e n e r a l l y d e t e r m i n e d b y c o n s i d e r a t i o n s o t h e r t h a n l i g h t n i n g p r o t e c t i o n . M e d i u m v o l t a g e ( M V ) d i s t r i b u t i o n n e t w o r k o f C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d ( C E B ) c o n s i s t s o f 3 3 k V a n d 1 1 k V l i n e s . T h e e n t i r e o p e r a t i o n o f C E B d i s t r i b u t i o n i s d i v i d e d i n t o f o u r r e g i o n s a n d e a c h r e g i o n c o m p r i s e s o f t w o t o t h r e e p r o v i n c e s . T h e R e g i o n 3 o f C E B c o n s i s t s o f t h r e e p r o v i n c e s n a m e l y , W e s t e r n P r o v i n c e S o u t h 2 , S a b a r a g a m u w a a n d U v a . U v a p r o v i n c e l i e s i n t h e c e n t r a l p a r t o f t h e c o u n t r y . A l a r g e g e o g r a p h i c a l v a r i a t i o n c a n b e s e e n t h r o u g h o u t t h e p r o v i n c e . M a n y w a t e r f a l l s , m o u n t a i n s a n d d i f f i c u l t t e r r a i n s a r e l o c a t e d w i t h i n t h e p r o v i n c e . T e a p l a n t a t i o n i s t h e m a i n i n d u s t r y p r e v a i l i n g i n t h e p r o v i n c e w h i l e t h e r e a r e f e w o t h e r i n d u s t r i e s s u c h a s a g r i c u l t u r e , m a n u f a c t u r i n g o f s u g a r , g a r m e n t s e t c . T o u r i s m i s a l s o a n o t h e r i m p o r t a n t i n d u s t r y o f t h e p r o v i n c e e s p e c i a l l y i n N u w a r a E l i y a a n d B a d u l l a d i s t r i c t s . M V n e t w o r k o f U v a p r o v i n c e c o n s i s t s w i t h a b o u t 2 4 4 4 k m l e n g t h o f 3 3 k V f e e d e r l i n e s w h i c h s p r e a d o v e r t h r e e d i s t r i c t s , n a m e l y B a d u l l a , M o n a r a g a l a & N u w a r a e l i y a . A s t h e c o n s u m e r s a r e d i s p e r s e d o v e r t h e e n t i r e p r o v i n c e w i t h l a r g e r g e o g r a p h i c a r e a , t h e o v e r h e a d f e e d e r s a r e r u n n i n g l o n g d i s t a n c e s t h r o u g h j u n g l e , s e m i j u n g l e , f o r e s t r e s e r v e , p a d d y f i e l d , a n d u r b a n a n d r u r a l v i l l a g e a r e a s . T h u s t h e l i n e s a r e f r e q u e n t l y e x p o s e d t o n a t u r a l d i s t u r b a n c e s l i k e l i g h t n i n g . M e d i u m v o l t a g e f e e d e r t r i p p i n g a n a l y s i s s h o w s t h a t b r e a k e r t r i p p i n g s d u e t o e a r t h f a u l t a n d o v e r c u r r e n t a r e m o r e t h a n h u n d r e d p e r m o n t h , e s p e c i a l l y i n t h e b a d w h e t h e r c o n d i t i o n s l i k e 2 h e a v y r a i n . A l t h o u g h , i t i s a s s u m e d t h a t t h e m a i n r e a s o n f o r t h e s e t r i p p i n g s i s t o u c h i n g o f w a y l e a v e s c a u s i n g e a r t h f a u l t s , t h e a s s u m p t i o n i s n o t v a l i d d u e t o t h e f a c t t h a t t h e n u m b e r o f i n s u l a t o r s t o b e r e p l a c e d a f t e r t h e b a d w e a t h e r s e a s o n i s h i g h . F u r t h e r i t i s o b s e r v e d t h a t a l a r g e n u m b e r o f d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s a r e d a m a g e d d u r i n g t h i s p e r i o d c a u s i n g h e a v y f i n a n c i a l l o s s e s t o C E B . T h u s t h e m a j o r c o n t r i b u t i o n f o r l i n e t r i p p i n g c o u l d b e f l a s h o v e r s o f i n s u l a t o r s d u e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i n t h e M V n e t w o r k c a u s e d b y l i g h t n i n g . T h e l a r g e r n u m b e r o f t r i p p i n g s d e g r a d e s t h e q u a l i t y o f p o w e r s u p p l y t o c o n s u m e r s a n d t h a t w i l l a f f e c t t h e i m a g e o f t h e C E B . F u r t h e r q u a l i t y o f s u p p l y c a u s e s h e a v y f i n a n c i a l l o s s e s t o C E B a s w e l l a s t o t h e c o n s u m e r s . S i n c e a d e t a i l s t u d y o f f a i l u r e a n a l y s i s o f M V n e t w o r k r e l a t e d t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s h a s n o t b e e n d o n e f o r t h e U v a p r o v i n c e , a n a n a l y s i s o n t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e o f M V n e t w o r k a n d p r o p o s i n g a n y m i t i g a t o r y m e t h o d s w i l l b e a g o o d c o n t r i b u t i o n f o r t h e i m p r o v e m e n t o f r e l i a b i l i t y . T h u s t h i s r e s e a r c h a r e a h a s g r e a t l y m o t i v a t e d m e t o c a r r y o u t a s t u d y o n t h e a b o v e t o p i c . F u r t h e r I h o p e t h i s i s a p a r t o f m y r e s p o n s i b i l i t y a s C h i e f E n g i n e e r ( D i s t r i b u t i o n M a i n t e n a n c e ) o f U v a p r o v i n c e , w h o ' s r e s p o n s i b l e t o c a r r y o u t m a i n t e n a n c e w o r k i n t h e M V n e t w o r k a n d t o m a i n t a i n t h e r e l i a b i l i t y a n d q u a l i t y o f t h e m e d i u m v o l t a g e s u p p l y . 1 . 1 S c o p e o f S t u d y T h e m a i n s c o p e o f t h i s p r o j e c t i s t o s t u d y t h e b e h a v i o u r o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i n t h e m e d i u m v o l t a g e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k a n d i d e n t i f y r e l e v a n t a r e a s t o b e m o d i f i e d t o i m p r o v e t h e l i g h t n i n g a n d t r a n s i e n t p e r f o r m a n c e o f t h e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k w h i c h i n c l u d e s : S t u d y o f M V n e t w o r k c o n f i g u r a t i o n s i n t h e U v a p r o v i n c e S t u d y o f f e e d e r f a i l u r e s a n d c a u s e s o f o u t a g e s I d e n t i f i c a t i o n o f a s a m p l e a n d d a t a c o l l e c t i o n f o r t h e s a m e C a l c u l a t i o n o f l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f d i s t r i b u t i o n f e e d e r l i n e s S t u d y o f s h i e l d i n g e f f e c t f r o m n e a r b y t r e e s S t u d y o f c r i t i c a l f l a s h o v e r ( C F O ) v o l t a g e s f o r d i f f e r e n t f l a s h o v e r p a t h s M e a s u r e m e n t o f f l a s h o v e r v o l t a g e o f c o l l e c t e d s a m p l e s o f i n s u l a t o r s S t u d y o f T O V v a r i a t i o n u s i n g c o m p u t e r m o d e l s P r o p o s a l s f o r i m p r o v e m e n t s a n d m o d i f i c a t i o n s t o t h e s y s t e m 3 1 . 2 L i t e r a t u r e R e v i e w O v e r t h e p a s t 4 0 y e a r s o r m o r e , f u l l y - f l e d g e d s t u d i e s a n d r e s e a r c h h a v e b e e n c o n d u c t e d a l l o v e r t h e w o r l d o n t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e i n M V d i s t r i b u t i o n l i n e s , l i g h t n i n g p h e n o m e n a , s u r g e a r r e s t e r s a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o n . T h e f r u i t s o f s u c h l a b o u r s h a v e m a d e t h e i r w a y i n t o l i g h t n i n g p r o t e c t i o n d e s i g n g u i d e l i n e s a t d i f f e r e n t t i m e s . A s r e s e a r c h a d v a n c e s , t h e n u m b e r o f l i g h t n i n g o u t a g e s h a s b e e n s t e a d i l y f a l l i n g , b u t l i g h t n i n g o u t a g e s s t i l l a c c o u n t f o r a h i g h p e r c e n t a g e o f f a i l u r e s o n h i g h v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e s . T h e R e f e r e n c e [ 1 ] , " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n e v a l u a t i o n a n d m a n a g e m e n t r i s k " , d e s c r i b e s i m p a c t o f l i g h t n i n g f l a s h e s a n d m e t h o d t o e v a l u a t e n u m b e r o f l i g h t n i n g f l a s h e s . D a t a o f t h u n d e r d a y s i n d i f f e r e n t m e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n s i n S r i L a n k a i s g i v e n i n t h i s d o c u m e n t . L i g h t n i n g i n d u c e d o v e r v o l t a g e s o n p o w e r d i s t r i b u t i o n l i n e s , s u r g e a r r e s t e r b e h a v i o r d u e t o l i g h t n i n g i n d u c e d v o l t a g e s a n d m a g n i t u d e o f i n d u c e d o v e r v o l t a g e s h a v e b e e n d i s c u s s e d i n R e f e r e n c e [ 2 ] , " L i g h t n i n g - I n d u c e d O v e r v o l t a g e " . T h e s o u r c e [ 3 ] " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n o f O v e r h e a d P o w e r D i s t r i b u t i o n L i n e s " d i s c u s s e s t h e e f f e c t o f l i g h t n i n g o n d i s t r i b u t i o n l i n e s , t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i n l i n e s a n d b e n e f i t s o f a r r e s t e r i n s t a l l a t i o n . T y p e s o f l i g h t n i n g s t r e s s e s , c a l c u l a t i o n o f n u m b e r o f d i r e c t s t r i k e s t o a n o v e r h e a d l i n e a n d p r o t e c t i o n m e t h o d s a r e d i s c u s s e d i n R e f e r e n c e [ 4 ] " L i g h t n i n g a n d H V e l e c t r i c a l i n s t a l l a t i o n s " . " L i g h t n i n g p h e n o m e n a " , C h a p t e r 3 , R e f e r e n c e [ 5 ] d i s c u s s e s m e c h a n i s m o f l i g h t n i n g , c a l c u l a t i o n o f s h i e l d i n g a n g l e o f f e e d e r l i n e a n d t r a v e l i n g w a v e t h e o r y . I E E E S t a n d a r d 1 4 1 0 , " G u i d e f o r i m p r o v i n g t h e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f e l e c t r i c a l p o w e r o v e r h e a d d i s t r i b u t i o n l i n e s " , R e f e r e n c e [ 6 ] c o n t a i n s i n f o r m a t i o n o n m e t h o d s t o i m p r o v e t h e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f o v e r h e a d d i s t r i b u t i o n l i n e s . T h i s g u i d e i d e n t i f i e s f a c t o r s t h a t c o n t r i b u t e t o l i g h t n i n g c a u s e d f a u l t s o n o v e r h e a d d i s t r i b u t i o n l i n e s a n d s u g g e s t i m p r o v e m e n t s t o e x i s t i n g a n d n e w c o n s t r u c t i o n s . R e f e r e n c e [ 7 ] , " I n t r o d u c t i o n t o P S C A D / E M T D C V e r s i o n 3 " o f M a n i t o b a H V D C R e s e a r c h C e n t e r i s a w o r k b o o k d e s i g n e d t o g u i d e t h e u s e r o f P S C A D / E M T D C s o f t w a r e t h r o u g h t h e u s e a n d a p p l i c a t i o n o f P S C A D . T h i s c o u r s e m a t e r i a l i s p r e p a r e d t o h e l p e l e c t r i c a l p o w e r e n g i n e e r i n t o u s e f u l a n d e s s e n t i a l s t u d i e s o f p o w e r s y s t e m s a n d c o n t r o l s . _ / . . ~ · - : ; ; -~ /,~,..... . . . . . : , ' \ I . c - ~·' ~~ ) " ' u•~ . . " " ' (~ l , > " ' , . r / ' - - - - - 4 P r o p e r t i e s o f i n s u l a t o r s a n d m e c h a n i s m o f s u r f a c e f l a s h o v e r s a r e d i s c u s s e d i n R e f e r e n c e [ 8 ] , " E l e c t r o s t a t i c a n d e l e c t r o d y n a m i c s f i e l d a n a l y s i s o f 3 3 k V l i n e i n s u l a t o r s " . T y p e s o f f u s e s , r e a s o n s f o r n u i s a n c e f u s e b l o w s a n d i m p r o v e m e n t s i n f u s e t e c h n o l o g y a r e c o n t a i n e d i n t h e R e f e r e n c e [ 9 ] , " P r o t e c t i v e e q u i p m e n t u p d a t e " o f C o o p e r p o w e r s y s t e m s . N u i s a n c e f u s e b l o w i n g i s a l s o d i s c u s s e d i n R e f e r e n c e [ 1 0 ] . N e w e q u i p m e n t s i m p r o v e d f o r m i t i g a t i o n o f t r a n s i e n t f a u l t s a r e p r e s e n t s i n R e f e r e n c e [ 1 1 ] , " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n P r o d u c t " o f L i v e L i n e T e c h n o l o g y . R e f e r e n c e [ 1 2 ] , " L i g h t n i n g I n d u c e d O v e r v o l t a g e o n O v e r h e a d D i s t r i b u t i o n L i n e s " d i s c u s s e s t h e r e d u c t i o n o f i n d u c e d v o l t a g e s t r e s s b y a p p l i c a t i o n o f s h i e l d w i r e . D i s t r i b u t i o n s t a n d a r d s a n d s p e c i f i c a t i o n f o r M V p o l e l i n e s a n d g u i d e l i n e f o r d i s t r i b u t i o n s y s t e m e a r t h i n g s a r e d e s c r i b e d i n R e f e r e n c e [ 1 3 ] a n d R e f e r e n c e [ 1 4 ] . R e f e r e n c e [ 1 5 ] . " A c t i v i t y o f C l o u d - t o - G r o u n d L i g h t n i n g O b s e r v e d i n S r i L a n k a " d e s c r i b e s a c t i v i t y o f c l o u d - t o - g r o u n d l i g h t n i n g f l a s h e s o b s e r v e d d u r i n g t h e m o n s o o n t h u n d e r s t o r m s o v e r S r i L a n k a w i t h a l i g h t n i n g l o c a t i n g s y s t e m c o n s i s t i n g o f t w o d i r e c t i o n f i n d e r s ( D F ) . I t a l s o g i v e s d e t a i l s o f p e r c e n t a g e o f p o s i t i v e a n d n e g a t i v e f l a s h e s , a v e r a g e p e a k c u r r e n t a n d f l a s h d e n s i t i e s o b s e r v e d i n d i f f e r e n t l o c a t i o n s . F i n d i n g s f r o m t e s t s a n d i n s p e c t i o n s o f a r r e s t e r s w i t h d r a w n f r o m s e r v i c e , t h e r e s u l t s o f l a b o r a t o r y s t u d i e s w i t h m u l t i p u l s e l i g h t n i n g c u r r e n t s a n d h i g h t e m p o r a r y o v e r - v o l t a g e s , a n d c o m p a r i s o n s o f i n - s e r v i c e a n d l a b o r a t o r y f a i l u r e m o d e s a r e d e s c r i b e d i n R e f e r e n c e [ 1 6 ] , " S t u d i e s o f I n - s e r v i c e a n d L a b o r a t o r y F a i l u r e s o f M e t a l O x i d e D i s t r i b u t i o n S u r g e A r r e s t e r s " . S t u d y o f l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f q u a d r u p l e c i r c u i t t r a n s m i s s i o n l i n e b e h a v i o u r t o w a r d s l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e u s i n g A T P - E M T P s i m u l a t i o n p r o g r a m i s p r e s e n t e d i n t h e R e f e r e n c e [ I 7 ] . M o d e l s u s e f o r s u r g e a r r e s t e r s , o v e r h e a d l i n e s , t o w e r s a n d i n s u l a t o r s a r e a l s o d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . 5 C h a p t e r 2 S t a t e m e n t o f P r o b l e m 2 . 1 I d e n t i f i c a t i o n o f t h e P r o b l e m L a r g e n u m b e r o f f e e d e r t r i p p i n g i n M V n e t w o r k o f U v a p r o v i n c e h a s s u b s t a n t i a l l y d e g r a d e d t h e r e l i a b i l i t y a n d q u a l i t y o f t h e C E B p o w e r s u p p l y . L a c k o f a t t e n t i o n t o i d e n t i f y t h e c a u s e o f t r i p p i n g h a s f u r t h e r a g g r a v a t e d t h e s a i d p r o b l e m a n d l o t o f c o n s u m e r c o m p l a i n t s f r o m v a r i o u s p a r t o f t h e p r o v i n c e a r e d a i l y r e c e i v e d . T h u s , t h e C E B c a n ' t h a v e a b l i n d e y e t o t h e s a i d c o m p l a i n t f u r t h e r a s t h i s w i l l s e v e r e l y a f f e c t t h e d a y t o d a y o p e r a t i o n o f C E B . T h e r e a r e m a n y r e a s o n s w h y t h e c o n s u m e r s a r e n o t t o l e r a t e d a s i n t h e p a s t . T h e n e e d f o r r e l i a b l e e l e c t r i c p o w e r s u p p l y f o r t h o u s a n d s o f c o n s u m e r e l e c t r o n i c p r o d u c t s a n d s e n s i t i v e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s i s g r o w i n g m o r e t o d a y t h a n e v e r b e f o r e . M i n i m i z i n g t h e e f f e c t s o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e t o p o w e r t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n l i n e s i s a m a j o r g o a l f o r e v e r y u t i l i t y . T h i s i s p a r a m o u n t i m p o r t a n c e s i n c e m o m e n t a r y o u t a g e s l a s t i n g e v e n f o r a f e w m i l l i s e c o n d s c a n t r i p m a c h i n e r y o f f l i n e a n d c a u s e f i n a n c i a l a n d l o g i s t i c a l h e a d a c h e s f o r m a n y c u s t o m e r s . B e h a v i o u r a l p a t t e r n a n d p e r f o r m a n c e o f M V n e t w o r k d u r i n g t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e d e p e n d s o n p a r a m e t e r s s u c h a s l i n e c o n f i g u r a t i o n , B a s i c I n s u l a t i o n L e v e l s ( B I L ) o f e q u i p m e n t s , a p p l i c a t i o n o f s u r g e a r r e s t e r s , a v a i l a b i l i t y o f s h i e l d w i r e s , l i g h t n i n g f l a s h d e n s i t y , e a r t h r o d re~1stance a n d s o i l r e s i s t i v i t y , e t c . T h u s t h i s r e s e a r c h i s c a r r i e d o u t t o a s s e s s o p e r a t i o n a l , ; p e c t s o f M V n e t w o r k a n d t o e v a l u a t e c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e o f C E B M V · v e r h e a d l i n e n e t w o r k . F i n a l l y b a s e d o n t h e a n a l y s i s m i t i g a t i n g s o l u t i o n s a r e p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n d t o e n h a n c e p o w e r q u a l i t y . 2 . 2 S t u d y o f M V N e t w o r k C o n f i g u r a t i o n s i n t h e U v a P r o v i n c e U v a p r o v i n c e o f C E B f a l l s u n d e r t h e D i s t r i b u t i o n R e g i o n 3 . I t c o n s i s t s o f f o u r o p e r a t i o n a l a r e a s n a m e l y B a d u l l a , D i y a t a l a w a , M o n a r a g a l a & N u w a r a E l i y a . T h e s e f o u r a r e a s a r e w i t h i n t h e a d m i n i s t r a t i v e d i s t r i c t s B a d u l l a , M o n a r a g a l a & N u w a r a E l i y a . U v a p r o v i n c e l i e s i n t h e c e n t r a l p a r t o f t h e c o u n t r y . A l a r g e g e o g r a p h i c a l v a r i a t i o n c a n b e s e e n t h r o u g h o u t t h e p r o v i n c e . M a n y w a t e r f a l l s , m o u n t a i n s , t e a p l a n t a t i o n s a n d d i f f i c u l t t e r r a i n s a r e l o c a t e d w i t h i n t h e p r o v i n c e . 6 i l I I ( j ( : I ~;I ~~ ~ I , ~ t f T h e e x i s t i n g m e d i u m v o l t a g e n e t w o r k o f t h e p r o v i n c e s o l e l y c o n s i s t s o f 3 3 k V l i n e s . S i x 3 3 k V f e e d e r s a r e o r i g i n a t e d f r o m B a d u l l a 1 3 2 / 3 3 k V G r i d S u b s t a t i o n ( G S S ) a n d s i x 3 3 k V f e e d e r s a r e e m a n a t e d f r o m N u w a r a E l i y a 1 3 2 / 3 3 k V G r i d S u b s t a t i o n . I n a d d i t i o n t o t h i s t h e r e a r e s e v e n f e e d e r s o r i g i n a t i n g f r o m f o u r g r i d s u b s t a t i o n s i n t h e a d j o i n i n g p r o v i n c e s . T a b l e 2 . 1 s u m m a r i z e s t h e d e t a i l s o f e x i s t i n g d i s t r i b u t i o n n e t w o r k o f t h e U v a p r o v i n c e . L T L i n e H T L i n e N u m b e r o f A r e a L e n g t h L e n g t h S u b s t a t i o n s K m K m B a d u l l a 1 8 8 9 5 9 1 3 7 5 D i y a t a l a w a 1 9 9 6 6 2 5 3 3 3 ' N u w a r a e l l i y a 2 0 8 6 6 5 3 4 0 7 M o n a r a g a l a 1 0 8 6 3 3 9 2 6 6 T o t a l 7 0 5 7 2 2 0 8 1 3 8 1 - - - - T a b l e 2 . 1 - B r e a k u p o f e x i s t i n g d i s t r i b u t i o n n e t w o r k o f t h e U v a p r o v i n c e T h e e x i s t i n g M V o v e r h e a d l i n e s m a d e u p o f v a r i o u s l e n g t h s w i t h d i f f e r e n t t o w e r a n d p o l e c o n f i g u r a t i o n s a n d e r e c t e d t h r o u g h d i f f e r e n t t e r r a i n s s e r v i n g t h e i r e l e c t r i c a l l o a d s . S o m e o v e r h e a d l i n e s i n t h e s y s t e m a r e i n s t a l l e d o n h i g h r i d g e s w h i c h a r e p r e d o m i n a n t i n t h e r e g i o n e x p o s i n g a n d m a k i n g t h e m v u l n e r a b l e t o l i g h t n i n g . T o s t u d y t h e b e h a v i o u r a l p a t t e r n o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i n o v e r h e a d l i n e s , f o l l o w i n g d a t a s u c h a s f e e d e r l e n g t h s , t y p e o f s t r u c t u r e ( T o w e r , C o n c r e t e p o l e o r W o o d e n p o l e ) a n d t h e i r h e i g h t s , s p a n l e n g t h s , a v a i l a b i l i t y o f s h i e l d w i r e a n d t h e i r p o s i t i o n , s h i e l d i n g a n g l e , g r o u n d i n g r o d r e s i s t a n c e , s o i l r e s i s t i v i t y , s u r g e a r r e s t e r a v a i l a b i l i t y a n d B I L v a l u e s o f e a c h c o m p o n e n t s w e r e s t u d i e d . T h e 3 3 k V n e t w o r k c o n s i s t s o f 1 9 1 4 k m l e n g t h o f R a c c o o n c o n d u c t o r s , 4 0 k m l e n g t h o f L y n x c o n d u c t o r s , a n d 4 5 0 k m l e n g t h o f W e a s e l c o n d u c t o r s . T h e s h i e l d w i r e o f t h e 3 3 k V p o l e l i n e s i s f i x e d u n d e r t h e p h a s e w i r e . T a b l e 2 . 2 s h o w s t h e b a s i c d a t a o f e x i s t i n g 3 3 k V f e e d e r l i n e s [ 1 3 ] . 7 I i ! : j . . , " ! I ' ~ l ~ T y p e o f A v e r a g e L i n e S h i e l d N u m b e r o f I n s u l a t o r s S t r u c t u r e H e i g h t A r r a n g - W i r e T e n s i o n S u s p e n s i o n / e m e n t A v a i l a b i l i t y P o s t T o w e r 1 4 m D e l t a O v e r b u i l t 3 3 L a t t i c e P o l e 1 1 m D e l t a O v e r b u i l t 3 1 S t e e l P o l e 9 . 2 m F l a t U n d e r b u i l t 3 1 C o n c r e t e P o l e 9 . 2 m F l a t U n d e r b u i l t 3 1 W o o d e n P o l e 9 . 2 m F l a t U n d e r b u i l t 3 1 - - - - T a b l e 2 . 2 - D e t a i l s o f 3 3 k V f e e d e r l i n e s O u t o f s i x f e e d e r s s t a r t i n g f r o m B a d u l l a G r i d S u b s t a t i o n , N a m u n u k u l a f e e d e r w a s s e l e c t e d a s t h e s a m p l e f e e d e r l i n e f o r t h i s r e s e a r c h , w h i c h f e e d s l o a d c e n t e r s i n d i f f e r e n t g e o g r a p h i c a l a r e a s . T h i s f e e d e r l i n e h a s t o t a l l i n e l e n g t h o f 2 7 4 k m a n d c o n s i s t s o f t o w e r , c o n c r e t e a n d w o o d e n p o l e s t r u c t u r e s . A b o u t 8 0 % o f i t s l i n e l e n g t h c o v e r s h i g h a l t i t u d e a r e a s ( 8 0 0 m t o 1 5 0 0 m a b o v e M S L ) s u c h a s B a d u l l a , P a s s a r a , E l l a a n d B a n a d a r w e l a . M e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n s a t B a d u l l a a n d B a n d a r w e l a r e c o r d t h e i r l i g h t n i n g f l a s h d e n s i t i e s a s 9 2 a n d 1 4 4 t h u n d e r d a y s r e s p e c t i v e l y [ 1 ] . R e m a i n i n g p a r t o f t h e f e e d e r l i n e l i e s i n l o w e r e l e v a t i o n a r e a s ( l e s s t h a n 2 0 0 m a b o v e M S L ) s u c h a s W e l l a w a y a , B u t t a l a a n d T h a n a m a l w i l a . T h e d a t a r e c o r d e d a t t h e m e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n i n H a m a n t h o t a ( 5 2 T h u n d e r d a y s ) c a n b e c o n s i d e r e d a s f l a s h d e n s i t y i n t h e s a i d a r e a s . A l i n e l e n g t h o f 8 8 k m f r o m B a d u l l a t o T h a n a m a l w i l a c a n b e c o n s i d e r e d a s t h e m a i n f e e d e r l i n e . R e m a i n i n g l e n g t h o f 1 8 6 k m c o n s i s t s w i t h l a r g e n u m b e r o f s p u r l i n e s w i t h d i f f e r e n t l i n e l e n g t h s c o n n e c t e d t o t h e m a i n f e e d e r l i n e . F i g . 2 . 1 s h o w s t h e g e o g r a p h i c a l i l l u s t r a t i o n o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r a n d i n d i c a t e s v a r i o u s l e n g t h s o f s p u r l i n e s c o n n e c t e d t o t h e m a i n f e e d e r . V a r i a t i o n o f s o i l r e s i s t i v i t y a t d i f f e r e n t e l e v a t i o n i s i l l u s t r a t e d i n t h e F i g . 2 . 2 . T h e m a i n f e e d e r i s p r o t e c t e d f r o m E l F a n d 0 / C f a u l t s b y t h e c i r c u i t b r e a k e r i n s t a l l e d a t B a d u l l a G r i d S u b s t a t i o n . T w o A u t o R e c l o s e r u n i t s a r e f i x e d a t s t r a t e g i c p l a c e s t o p r o t e c t t h e f e e d e r f r o m d o w n s t r e a m f a u l t s . L e n g t h y s p u r l i n e s a r e c o n n e c t e d t h r o u g h a D D L O f u s e w h i c h i s r a t e d f o r e l e c t r i c a l l o a d s i n d o w n s t r e a m . 8 K o s l a n a d a N a m u n u k u l a F i g . 2 . 1 - G e o g r a p h i c a l i l l u s t r a t i o n o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r V a r i a t i o n o f S o i l R e s i s t i v i t y w i t h t h e F e e d e r E l a v a t i o n 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 ~ / 7 9 2 6 0 7 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 9 . 8 1 3 . 6 1 8 . 5 2 6 . 7 8 3 1 . 7 8 3 4 . 2 8 5 2 . 2 8 8 7 . 2 8 c : : : : : : I S o i l R e s i s t i v i t y ( o h m m ) . . . . . . . . . . E l e v a t i o n ( M S L - m ) L i n e L e n g t h k m F i g . 2 . 2 - V a r i a t i o n o f s o i l r e s i s t i v i t y w i t h t h e f e e d e r e l e v a t i o n T h i s f e e d e r i s m a d e u p o f t o w e r a n d p o l e l i n e s . T h e m a i n f e e d e r f r o m B a d u l l a t o W e l l a w a y a c o n s i s t o f t o w e r s t r u c t u r e s a n d t h e r e m a i n i n g p a r t w i t h c o n c r e a t e a n d w o o d e n p o l e s . D u e t o t h e v a r i a t i o n o f l i n e h e i g h t , i n s u l a t i o n l e v e l s a n d a v a i l a b i l i t y o f s h i e l d w i r e , p e r f o r m a n c e a g a i n s t t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s d i f f e r f r o m t o w e r l i n e t o p o l e l i n e . T h e m a j o r p a r t o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r ( 7 2 % o f i t ' s t o t a l l e n g t h ) c o n s i s t o f p o l e l i n e s a n d p r o p o t i o n o f t o w e r l i n e t o p o l e l i n e c a n b e i l l u s t r a t e d a s i n t h e F i g . 2 . 3 . 9 ~ ¢ < ! ! = I 1 · , , I I ' t . I , ~~ ' ' • ~ ~ ~ 7 2 . 3 2 % 1 9 8 . 7 1 k r n P o l e L i n e s _ _ T o w e r & P o l e L i n e l e n g t h s 2 7 . 6 8 % 7 6 . 0 9 k r n T o w e r L i n e s F i g . 2 . 3 - T o w e r a n d p o l e l i n e l e n g t h s o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r A l s o , i t i s i m p o r t a n t t o i d e n t i f y t h e n u m b e r o f s p u r l i n e s a n d t h e i r l e n g t h s t o u n d e r s t a n d t h e b e h a v i o u r o f t r a n s i e n t o v e r v o l t g e s a n d d e t a i l s a r e s h o w n i n t h e F i g . 2 . 4 . 4 5 ~ 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 3 9 P o l e L i n e l e n g t h s 3 3 ~i ~j_J_J _ _[:J_~L 3 ' < 0 . 5 k m > 0 . 5 & < 2 k m > 2 & < : 1 0 k m > 1 0 k r n N u m b e r o f F e e d e r s F i g . 2 . 4 - S p u r l i n e l e n g t h s o f t h e N a m u n u k u l a f e e d e r I h e s e d a t a r e v e a l s t h a t N a m u n u k u l a f e e d e r c o n s i s t s w i t h l a r g e n u m b e r o f s p u r l i n e s h a v i n g , h ( ) r t l e n g t h s , b u t i t c a n b e s e e n t h a t o v e r 1 0 k m l e n g t h s p u r l i n e s a r e a l s o a v a i l a b l e . 1 0 i I ; I , , ' 1 , . t . i I ~.: i l ; ' ! O v e r h e a d s h i e l d w i r e i s a v a i l a b l e i n m o s t o f t o w e r l i n e s . S h i e l d w i r e s a r e g r o u n d e d c o n d u c t o r s t o i n t e r c e p t l i g h t n i n g s t r o k e s s o t h e y c a n n o t d i r e c t l y s t r i k e t h e p h a s e c o n d u c t o r s . T y p i c a l l y t h e l i n e i s c o n s i d e r e d t o b e e f f e c t i v e l y s h i e l d e d w h e n t h e a n g l e b e t w e e n t h e l i n e f r o m t h e o v e r h e a d s h i e l d w i r e t o p r o t e c t e d c o n d u c t o r a n d t h e v e r t i c a l i s l e s s t h a n f o r t y f i v e d e g r e e . [ 4 ] . L i g h t n i n g m a y h a v e a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n a l i n e ' s r e l i a b i l i t y , e s p e c i a l l y i f i t s p o l e s a r e h i g h e r t h a n t h e s u r r o u n d i n g t e r r a i n . M o r e f l a s h e s a r e c o l l e c t e d b y t a l l e r s t r u c t u r e s . S i n c e p o l e l i n e s a r e c o m p a r a t i v e l y l o w e r t h a n t h e t o w e r l i n e s a n d c o n s i d e r e d a s s h i e l d e d b y n e a r b y t a l l e r t r e e s , t h e e a r t h w i r e i s d e s i g n e d t o f i x u n d e r t h e p h a s e w i r e s i n p o l e l i n e s . P h a s e w i r e s o f p o l e l i n e s ( S p u r l i n e s ) a r e d i r e c t l y c o n n e c t e d t o p h a s e w i r e s o f t h e m a i n f e e d e r . D D L O f u s e l i n k s a r e u s e d i n s o m e s p u r l i n e s t o p r o t e c t t h e m f r o m e a r t h f a u l t s . D u e t o i n s t a l l a t i o n d i f f i c u l t i e s , u n d e r b u i l t e a r t h w i r e o f p o l e l i n e i s n o t c o n n e c t e d t o t h e s h i e l d w i r e o f t o w e r l i n e b u t c o n n e c t t o t h e t o w e r s t r u c t u r e . T h e w a y o f c o n n e c t i n g s p u r l i n e ( P o l e l i n e ) t o a t o w e r l i n e i s i l l u s t r a t e d i n t h e F i g . 2 . 5 . E R ~ F i g . 2 . 5 - T o w e r a n d p o l e l i n e c o n n e c t i o n 1 1 I ' : I , I ·~ ' ' · ·~ ~J, 2 . 3 B a d W e a t h e r a n d P a t t e r n o f M V F e e d e r F a i l u r e s S o m e o v e r h e a d l i n e s i n t h e s y s t e m a r e i n s t a l l e d o n h i g h r i d g e s w h i c h a r e p r e d o m i n a n t i n t h i s r e g i o n , e x p o s i n g a n d m a k i n g t h e m v u l n e r a b l e t o l i g h t n i n g . O v e r h e a d l i n e s t h a t a r e m u c h l o n g e r a n d h a v i n g m o r e s p u r l i n e s a r e a l s o s e e m s t o b e l e s s r e l i a b l e . T h u s t h e a n a l y s i s i s f o c u s e d i n t h i s r e s e a r c h o n f o l l o w i n g a r e a s b a s e d o n f a i l u r e r e p o r t s . C a u s e s f o r f a i l u r e s E f f e c t o f w h e t h e r r e l a t e d p h e n o m e n a S p e c i f i c a r e a s v u l n e r a b l e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s a n d S p e c i f i c e q u i p m e n t s v u l n e r a b l e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s F e e d e r t r i p p i n g s d u e t o e a r t h f a u l t a n d o v e r c u r r e n t a r e r e c o r d e d i n t h e G r i d S u b s t a t i o n s a n d o t h e r M V b r e a k d o w n s a r e r e c o r d e d i n t h e r e l e v a n t C o n s u m e r S e r v i c e C e n t e r s . B u t i n s t a n c e s o f t r a n s i e n t d i s t u r b a n c e s r e s u l t i n g i n m o m e n t a r y d e g r a d a t i o n o f p o w e r q u a l i t y ( e x : V o l t a g e s a g s a n d s u r g e s ) w e r e n o t r e c o r d e d i n t h e s y s t e m a n d , a s a r e s u l t , w e r e n o t a n a l y z e d i n t h i s a s s e s s m e n t . M a n y d i s t u r b a n c e s a n d f e e d e r t r i p p i n g s a r e c a u s e d b y w e a t h e r r e l a t e d i n c i d e n t s . R a i n f a l l d a t a i n t h i s r e g i o n w e r e s t u d i e d a n d d e t a i l s a r e s h o w n i n t h e F i g . 2 . 6 ( D a t a o f W e l i m a d a E s t a t e ) . T h e s e d a t a i n d i c a t e s t h a t b a d w e a t h e r c o n d i t i o n s w e r e p r e v a i l e d d u r i n g t h e m o n t h s o f J a n u a r y t o A p r i l a n d i n t h e p e r i o d o f A u g u s t t o D e c e m b e r . R a i n F a l l D a t a { m m ) - B a n d a r a w e l a , Y e a r 2 0 0 8 4 ( o ( o 3 5 C t + - - - 3 ( 1 ( 1 . - - I r~==-- . . . [ J T I · · · · · · · · · · · · · · i l o Y I t ~=~ -=~-~=~= ---~-~ ~- - = ~~ j n _ : ; : [ t - -Ito~n.:: - - s u L 2 5 0 2 0 0 1 5 C • J a n F e b l ' . ' l a r A p r F . l a v J u n J u l A u g S o ; : p 0 c t f ' J • : O V D e . : F i g . 2 . 6 - R a i n f a l l d a t a i n B a n d a r a w e l a a r e a , Y e a r 2 0 0 8 1 2 I I ' : ; , , , ~ I ( ' , ' .~: D e t a i l s o f f e e d e r t r i p p i n g s i n B a d u l l a g r i d s t a t i o n d u e t o e a r t h f a u l t a n d o v e r c u r r e n t f o r t h e y e a r 2 0 0 8 i s s h o w n i n t h e F i g . 2 . 7 . T h e s e d e t a i l s r e v e a l t h a t s o m e f e e d e r s h a v e o v e r f i f t y f e e d e r f a i l u r e s d u r i n g t h e r a i n y p e r i o d s . A l l t h e f e e d e r f a i l u r e s f o l l o w t h e s a m e p a t t e r n i n b a d w e a t h e r . F e e d e r T r i p p i n g - Y e a r 2 0 0 8 m m 1 0 0 4 0 0 . 0 J . 3 5 0 . 0 K b 8 0 • 3 0 0 . 0 c ; : e . ; % ! . t 2 5 0 . 0 · ; : 6 0 f . > " • . . u t \ " * 2 0 0 . 0 ' 0 4 0 & A J / ' * ' " " * l r · 1 \ 1 1 1 5 0 . 0 c l 5 t - . J . . u . . - + . . < 4 1 1 0 0 . 0 ' U : l - 2 0 _ , , ' . . . . - · · 5 0 . 0 0 l - . . ~-·--·-······--·--·-~-------·~·~--·~---. . ----··-·--····---···~·-1.. 0 . 0 J a n F e b M a r A p r M a y J u n J u l A u g S e p O c t N o v D e c R a i n F a l l D a t a . . . . . . . . . . . . . . T a l d e n a N a m u n u k u l a ® t · · P a s s a r a F i g . 2 . 7 - E a r t h F a u l t a n d O v e r C u r r e n t t r i p p i n g s A r e v i e w o f p a s t d a t a s h o w e d e a c h o u t a g e c o u l d b e c a t e g o r i z e d a s b e i n g d u e t o o n e o f s i x d i s t i n c t f a i l u r e i n i t i a t i n g e v e n t s : - W a y L e a v e s P r o b l e m s - C o n d u c t o r P r o b l e m s - I n s u l a t o r & S u r g e A r r e s t e r F a i l u r e s - F u s e F a i l u r e s - T r a n s f o r m e r F a i l u r e s - O t h e r R e a s o n s F i g . 2 . 8 s h o w s t h e a n a l y s i s o f m o n t h l y M V b r e a k d o w n s i n t h e U v a p r o v i n c e f o r t h e y e a r 2 0 0 8 . A k e y f i n d i n g o f t h e f a i l u r e a n a l y s i s i s t h a t t h e n u m b e r o f f u s e f a i l u r e s i s c o n s i d e r a b l y h i g h . A l s o e v e n t s s u c h a s t r a n s f o r m e r f a i l u r e s , i n s u l a t o r f a i l u r e s a n d f u s e f a i l u r e s f o l l o w t h e s a m e w e a t h e r p a t t e r n . 1 3 i ! l : 4 I ' . I ' t ~ M V F a i l u r e s - Y e a r 2 0 0 8 1 2 0 ' 3 5 0 I I " " " ' 1 \ 3 0 0 1 0 0 ~1 I 8 0 1 I \ . I \ 2 5 0 6 0 I I ~ ~ v : 1 . 0 0 E 1 5 0 E 4 0 . j 1 - c 1 0 0 2 0 ~j ' 5 0 0 t - 0 J a n F e b M a r A p r M a y J u n J u l A u g S e p O c t N o v D e c R a i n F a l l I n s u l a t o r F a i i L 1 r e s - F L l s e F a i l u r e s T a n s f o n T e r F a i l u r e s F i g . 2 . 8 - M o n t h l y M V f a i l u r e s i n t h e U v a p r o v i n c e . 2 . 4 T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e s R e l a t e d F a i l u r e s A t r a n s i e n t c a n b e a u n i d i r e c t i o n a l i m p u l s e o f e i t h e r p o l a r i t y o r a d a m p e d o s c i l l a t o r y w a v e w i t h t h e f i r s t p e a k o c c u r r i n g i n e i t h e r p o l a r i t y . A n i m p u l s i v e t r a n s i e n t i s a s u d d e n , n o n - p o w e r f r e q u e n c y c h a n g e i n t h e s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n o f v o l t a g e , w h i c h i s u n i d i r e c t i o n a l i n p o l a r i t y a n d i t i s n o r m a l l y c h a r a c t e r i z e d b y t h e i r r i s e a n d d e c a y t i m e s . T h e m o s t c o m m o n c a u s e o f i m p u l s i v e t r a n s i e n t i s l i g h t n i n g . L i g h t n i n g s t r i k e s c a n c a u s e m o m e n t a r y o u t a g e s a n d p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s [ 2 ] . T h e m e c h a n i s m s w h i c h i n f l u e n c e t h e i n d u c e d v o l t a g e o n o \ c r h e a d l i n e s f r o m n e a r b y l i g h t n i n g s t r o k e s h a v e b e e n r e p o r t e d b y m a n y r e s e a r c h e r s i n t h e l a s t d e c a d e . A n o s c i l l a t o r y t r a n s i e n t i s a s u d d e n , n o n - p o w e r f r e q u e n c y c h a n g e i n t h e s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n o f v o l t a g e , w h i c h i n c l u d e s b o t h p o s i t i v e a n d n e g a t i v e v a l u e s . O s c i l l a t o r y t r a n s i e n t s c a n b e o r i g i n a t e d f r o m s w i t c h i n g a c t i o n s . T h e m o s t i m p o r t a n t t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s m a i n l y o r i g i n a t e d i n a l i g h t n i n g s t r o k e o c c u r r i n g e i t h e r o n t h e M V n e t w o r k s i d e o r n e a r t o L V n e t w o r k . T h e o t h e r c a u s e s o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s a r e L i n e / C a b l e s w i t c h i n g ( d u e t o r e f l e c t i o n o f t r a v e l i n g w a v e ) C a p a c i t o r b a n k s w i t c h i n g ( N o t p r o m i n e n t i n t h i s r e g i o n ) T r a n s f o r m e r e n e r g i z a t i o n . 1 4 1!~," I ' . I ' f " ~ C o n n e c t i o n / D i s c o n n e c t i o n o f l o a d s T r i p p i n g o f f a s t b r e a k e r s / f u s e o p e r a t i o n [ 3 ] F i g . 2 . 9 s h o w s t h e t o t a l n u m b e r o f M V f a i l u r e s d u r i n g t h e y e a r 2 0 0 8 i n U v a p r o v i n c e r e l e v a n t t o e a c h m a j o r e v e n t . I t r e v e a l s t h a t 2 8 n u m b e r s o f t r a n s f o r m e r s w e r e f a i l e d d u r i n g t h e y e a r 2 0 0 8 a n d i t i s 2 % o f t h e t o t a l p o p u l a t i o n o f t r a n s f o r m e r i n t h e p r o v i n c e . T h i s f a i l u r e r a t e i s m u c h h i g h e r v a l u e t h a n t h e g l o b a l l y a c c e p t e d v a l u e o f 0 . 5 % o f t h e p o p u l a t i o n . T h e m a i n s u s p e c t e d r e a s o n f o r t r a n s f o r m e r f a i l u r e s i s n o t e d a s l i g h t n i n g i n f a i l u r e r e p o r t s . A l s o 5 1 n u m b e r s o f l i g h t n i n g a r r e s t e r s a n d M V i n s u l a t o r s w e r e d a m a g e d d u r i n g t h e y e a r 2 0 0 8 a n d l i g h t n i n g i s t h e m a i n c a u s e s f o r d a m a g e s . F i g . 2 . 1 0 s h o w s s o m e s a m p l e s o f d a m a g e d i n s u l a t o r s b y f l a s h o v e r s o r b y a n u n k n o w n r e a s o n . M V F a i l u r e s - Y e a r 2 0 0 8 4 5 1 7 9 8 3 1 % O t h e r R e s o n s _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 2 8 0 . 2 % T / F F a i l u r e s _ 1 7 % - - - - - W a y L e a v e s ~ 3 6 9 1 4 % C o n d u c t o r , ~Failures I 5 1 2 % _ I n s u l a t o r & L / A F a i l u r e s 9 1 9 3 5 % F u s e F a i l u r e s F i g . 2 . 9 - A n a l y s i s o f M V f a i l u r e s i n t h e U v a p r o v i n c e F l a s h o v e r ~·farks F i g . 2 . 1 0 - D a m a g e d i n s u l a t o r s b y f l a s h o v e r s o r b y u n k n o w n r e a s o n s 1 5 ' i : ' . i I f ~ S i n c e f a i l u r e s d u e t o t o u c h i n g o f w a y l e a v e s o r s h o r t c i r c u i t i n g o f c o n d u c t o r s a r e r e p o r t e d s e p a r a t e l y , t h e c a u s e f o r r e c o r d e d f u s e f a i l u r e s c a n b e c o n s i d e r e d a s n u i s a n c e f u s e b l o w s . D a t a r e l e v a n t t o f u s e u s a g e i n f o u r c o n s u m e r s e r v i c e c e n t e r s w e r e a n a l y z e d t o s t u d y a n y d e p e n d e n c y w i t h t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s . E s p e c i a l l y l o w c u r r e n t r a n g e o f H T f u s e s s u c h a s 2 A , 3 A , S A a n d 6 A a r e u s e d t o p r o t e c t d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s a n d h i g h c u r r e n t r a n g e o f f u s e s o v e r 6 A a r e u s e d t o p r o t e c t s p u r l i n e s f r o m i t s e a r t h f a u l t a n d o v e r c u r r e n t f a u l t s . I n t h e d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s i n C E B n e t w o r k , D D L O f u s e s a r e f i x e d a t t h e s o u r c e s i d e a n d l i g h t n i n g a r r e s t e r s a r e i n s t a l l e d a t t h e t r a n s f o r m e r s i d e . L T f u s e s a r e a l s o u s e d t o p r o t e c t t r a n s f o r m e r f r o m i t ' s o v e r c u r r e n t a n d e a r t h f a u l t s a t L T s i d e . T h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e D D L O f u s e l i n k s a n d t h e t r a n s f o r m e r i s v e r y s h o r t ; h e n c e t h e c h a n c e s f o r s h o r t c i r c u i t i n g o r t o u c h i n g o f w a y l e a v e s a r e l i m i t e d . T h e r e f o r e , t h e r e a s o n f o r b l o w i n g o f H T f u s e s i n d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n i s h a r d l y t o t h i n k a s 0 / C o r E l F . R e a s o n f o r t h i s t y p e o f n u i s a n c e f u s e b l o w i n g m a y b e d u e t o l i g h t n i n g . B y a n a l y z i n g t h e n u m b e r o f f u s e u s a g e b y e a c h C S C , i t c a n b e s e e n t h a t a l a r g e n u m b e r o f f u s e s w e r e u s e d d u r i n g t h e y e a r 2 0 0 8 a n d t h i s a m o u n t i s c o n s i d e r a b l y h i g h w h e n c o m p a r e w i t h t h e t o t a l n u m b e r o f s u b s t a t i o n s . F i g . 2 . 1 1 a n d F i g . 2 . 1 2 s h o w s t h e u s a g e o f f u s e s b y t h e s e C S C s . 7 0 0 ~) 5 0 0 0 0 ' 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 H T F u s e U s a g e f o r S u b S t a t i o n s & S p u r L i n e s Y e a r 2 0 0 8 6 3 8 5 6 7 5 1 3 • 4 5 2 : J C C : I I • I I I F u s e s < 6 A 1 4 3 . . . . . . . . . . F u s e s > 8 A S a n d a r a w e l a ' " V e l l a w a y a P a s s a r a D i y a t a l a w a e s c F i g . 2 . 1 1 - H T f u s e u s a g e f o r s u b s t a t i o n s a n d s p u r l i n e s . I d e n t i f i c a t i o n o f f a i l u r e s a n d d a m a g e s d u e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i s n o t a n e a s y t a s k . r h e r e f o r e s o m e o f t h e e v e n t s s u c h a s t r a n s f o r m e r f a i l u r e s , f u s e b l o w i n g ( N o t r e l e v a n t t o e a r t h f a u l t o r o v e r c u r r e n t ) , f a i l u r e o f l i g h t n i n g a r r e s t e r s a n d i n s u l a t o r f a i l u r e s c a n b e 1 6 ' I ! ' ~ c o n s i d e r e d a s l i g h t n i n g r e l a t e d f a i l u r e s . F i g . 2 . 1 3 s h o w s t h a t a b o u t 3 7 % o f l i g h t n i n g r e l a t e d f a i l u r e s c a n b e o b s e r v e d f r o m t h e t o t a l M V f a i l u r e s o f t h e U v a p r o v i n c e . 6 0 0 5 8 : J 4 : J : J 3 0 8 2 0 : J 1 0 0 0 H T F u s e U s a g e f o r S u b S t a t i o n s 2 , 3 , 5 & 6 A - Y e a r 2 0 0 8 5 6 7 9 1 B a n d a r a w e l a \ h ' e l l a - N t P { a P a s s a r a D i y a t a l a w a e s c F i g . 2 . 1 2 - H T f u s e u s a g e a n d n u m b e r o f s u b s t a t i o n s . P r o b a b l e C a u s e o f F a i l u r e s - Y e a r 2 0 0 8 ( L i g h t n i n g R e l a t e d F a i l u r e s ) I E F u s e s S u b S 1 8 0 : J 1 6 0 0 1 4 0 : J 1 2 . 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 : J O 4 0 Q 3 ; % 1 . - o 6 . > . · ' 0 II'~;~ I 2 . 8 0 Q T / F . L A l n s u l a t o r . F u s e F a i l u r s O t h e r F a i l u r e s F i g . 2 . 1 3 - L i g h t n i n g r e l a t e d f a i l u r e s i n t h e U v a p r o v i n c e A k e y f i n d i n g o f t h e f a i l u r e a n a l y s i s i s t h a t t h e w h e t h e r r e l a t e d e v e n t s a c c o u n t f o r o v e r h a l f o f t h e f e e d e r o u t a g e s r e c o r d e d . I n s u l a t i o n b r e a k d o w n d a m a g e d u e t o l i g h t n i n g i s a l s o s u s p e c t e d a t l e a s t a d o z e n o f t h e e q u i p m e n t f a i l u r e s o b s e r v e d . T h e r e f o r e i t i s c l e a r t h a t f a i l u r e s d u e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s p l a y a m a j o r i m p a c t t o t h e r e l i a b i l i t y o f M V n e t w o r k a n d h e n c e s t u d y o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s a n d m i t i g a t i o n m e a s u r e s a r e v e r y i m p o r t a n t t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f p o w e r s u p p l y . 1 7 ~ C h a p t e r 3 L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e o f D i s t r i b u t i o n F e e d e r L i n e s . L i g h t n i n g i s a m a j o r s o u r c e o f d i s t u r b a n c e s f o r a l l e l e c t r i c a l i n s t a l l a t i o n s a n d c a n a f f e c t t h e m i n s e v e r a l m a n n e r s . E v e n i f t h e c u r r e n t i s t r a n s m i t t e d b y t h e h i g h - v o l t a g e l i n e s , i t c a n a f f e c t a n y e l e c t r i c a l c i r c u i t a t a l l v o l t a g e l e v e l s . T h e e f f e c t c a n b e o T h e r m a l ( w e l d i n g o f p a r t s , f i r e , e x p l o s i o n ) o M e c h a n i c a l , d u e t o t h e e l e c t r o d y n a m i c f o r c e s e x e r t e d o n n e a r b y p a r a l l e l c o n d u c t o r s . o D i e l e c t r i c s h o c k , f o l l o w i n g i n c r e a s e s i n p o t e n t i a l d u r i n g w a v e p r o p a g a t i o n t h r o u g h t h e i m p e d a n c e o f t h e c o n d u c t o r s o I n s u l a t i o n b r e a k d o w n f o l l o w i n g f l a s h o v e r o f a p h a s e i n s u l a t o r , r e s u l t i n g i n a f o l l o w - o n - c u r r e n t f l o w i n g t o e a r t h a t p o w e r f r e q u e n c y . o I n c r e a s e i n e a r t h p o t e n t i a l [ 4 ] L i g h t n i n g i s a n e l e c t r i c d i s c h a r g e i n t h e f o r m o f a s p a r k o r f l a s h o r i g i n a t i n g i n a c h a r g e d c l o u d . T h e f o r m a t i o n o f s t o r m c l o u d s , i n e f f e c t o f a e r o s o l s , i s a c c o m p a n i e d b y e l e c t r o s t a t i c p h e n o m e n a i n w h i c h d i f f e r e n t l y c h a r g e d p a r t i c l e s s e p a r a t e . T h e l i g h t , p o s i t i v e l y c h a r g e d p a r t i c l e s a r e d r a w n u p w a r d b y a s c e n d i n g a i r c u r r e n t s a n d h e a v y , n e g a t i v e l y c h a r g e d p a r t i c l e s f a l l u n d e r t h e i r o w n w e i g h t . W h e n t h e l i m i t i n g g r a d i e n t o f t h e b r e a k d o w n v o l t a g e i s r e a c h e d , a d i s c h a r g e t a k e s p l a c e i n t h e c l o u d , b e t w e e n c l o u d s o r b e t w e e n t h e c l o u d a n d t h e e a r t h . T h e l a t t e r c a s e i s c a l l e d l i g h t n i n g . W h a t a p p e a r s a s a s i n g l e f l a s h o f l i g h t n i n g u s u a l l y c o n s i s t s o f n u m b e r o f s u c c e s s i v e s t r o k e s , f o l l o w i n g t h e s a m e t r a c k i n s p a c e , a t i n t e r v a l s o f a f e w h u n d r e d t h o f a s e c o n d . T h e a v e r a g e n u m b e r o f s t r o k e s i n a m u l t i p l e s t r o k e i s f o u r , b u t a s m a n y a s 4 0 h a v e b e e n r e p o r t e d [ 5 ] . A c t i v i t y o f c l o u d - t o - g r o u n d l i g h t n i n g f l a s h e s a r e h i g h e r d u r i n g t h e m o n s o o n t h u n d e r s t o r m s o v e r S r i L a n k a . T h e N o r t h e a s t m o n s o o n p r o d u c e s o v e r 8 8 4 c l o u d - t o - g r o u n d f l a s h e s w i t h a p e a k l i g h t n i n g r a t e o f 9 6 f l a s h e s p e r h o u r w h e r e a s S o u t h w e s t m o n s o o n p r o d u c e s 3 2 9 4 t 1 a s h e s w i t h a p e a k r a t e o f 1 0 4 f l a s h e s p e r h o u r . T h e p e r c e n t a g e o f p o s i t i v e f l a s h e s a n d a v e r a g e p e a k l i g h t n i n g c u r r e n t v a l u e s f o r n e g a t i v e f l a s h e s a r e f o u n d t o b e 6 . 4 % a n d 3 6 k A [ 1 5 ] . G e o m e t r y o f l i g h t n i n g l e a d e r a n d i t s e f f e c t t o t h e d i s t r i b u t i o n l i n e s i s e x p l a i n e d i n t h e F i g . 3 . 1 . 1 8 ~ U t t A A R Y l l l f Y H I S I T Y O f MORATUWA,·~ I W O " A r t J W A l e a d e r c o r e ~ . . : : . t > a r t h w i r e 0 1 s p a c e c h a r g e e n v e l o p e 3 t o w e r - t t o w e r f o o t i n g r e s i s t a n c e - " ' ; ' - , , - w 0 I .~onductor l I I 1 L F i g . 3 . 1 - G e o m e t r y o f l i g h t n i n g l e a d e r a n d t r a n s m i s s i o n l i n e 1 T h e r e a r e t h r e e p o s s i b l e d i s c h a r g e p a t h s t h a t c a n c a u s e s u r g e s o n t h e l i n e . a - I n d u c e d v o l t a g e d u e t o a l i g h t n i n g s t r o k e t o n e a r b y g r o u n d . I n t h e f i r s t d i s c h a r g e p a t h 1 ( F i g 3 . 1 ) , w h i c h i s f r o m t h e l e a d e r c o r e o f t h e l i g h t n i n g s t r i k e s t o t h e e a r t h , t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e n t h e l e a d e r e a r t h i s d i s c h a r g e d p r o m p t l y , a n d t h e c a p a c i t a n c e s f r o m t h e l e a d e r h e a d t o t h e e a r t h w i r e a n d t h e p h a s e c o n d u c t o r a r e d i s c h a r g e d u l t i m a t e l y b y t r a v e l i n g w a v e a c t i o n , s o t h a t a v o l t a g e i s d e v e l o p e d a c r o s s t h e i n s u l a t o r s t r i n g s . b - B a c k - f l a s h o v e r m o d e o r I n d i r e c t s t r i k e T h e s e c o n d d i s c h a r g e p a t h ( 2 ) i s b e t w e e n l i g h t n i n g l e a d a n d t h e e a r t h c o n d u c t o r . I t J i s c h a r g e s t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e n t h e s e t w o . T h e r e s u l t i n g t r a v e l i n g w a v e c o m e s d o w n t h e t o w e r a n d , a c t i n g t h r o u g h i s e f f e c t i v e i m p e d a n c e , r a i s e t h e p o t e n t i a l o f t h e t o w e r t o p t o a p o i n t w h e r e t h e d i f f e r e n c e i n v o l t a g e a c r o s s t h e i n s u l a t i o n i s s u f f i c i e n t t o c a u s e f l a s h o v e r f r o m t h e t o w e r b a c k t o t h e c o n d u c t o r . c - S h i e l d i n g f a i l u r e o r d i r e c t s t r i k e T h e t h i r d m o d e o f d i s c h a r g e ( 3 ) i s b e t w e e n t h e l e a d e r c o r e a n d t h e p h a s e c o n d u c t o r . T h i s d i s c h a r g e s t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e n t h e s e t w o a n d i n j e c t s t h e m a i n d i s c h a r g e c u r r e n t i n t o t h e p h a s e c o n d u c t o r , s o d e v e l o p i n g a s u r g e i m p e d a n c e v o l t a g e a c r o s s t h e i n s u l a t o r s t r i n g . A t r e l a t i v e l y l o w c u r r e n t , t h e i n s u l a t i o n s t r e n g t h i s e x c e e d e d a n d t h e d i s c h a r g e p a t h i s c o m p l e t e d t o e a r t h v i a t h e t o w e r . [ 5 ] 9 · l 8 ' " 1 ' - , ; ' t I , - : - - - : - - - - . . . ' 1 6 . : · " ' I · - , ' " 1 ' " , , . , , • . . . . . . ~ . F - 1 ' ' - : ; ~,; . . / " ; : , . " \~ U'rP\ 1 >:~f ~\ , ? \ • ' ' ' - . . . . . . _ _ \ . . . . . . _ ~ ~ . . . J " " " " / ' 1 9 ~ K n o w l e d g e o f t h e f r e q u e n c y o f o c c u r r e n c e o f l i g h t n i n g s t r o k e s i s u t m o s t i m p o r t a n c e t o d e c i d e t h e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e i n d i s t r i b u t i o n l i n e s . T h e k e r a u n i c l e v e l i s d e f i n e d a s t h e n u m b e r o f d a y s i n t h e y e a r o n w h i c h t h u n d e r i s h e a r d . I t h a s b e e n f o u n d b y e x p e r i e n c e t h a t t h e k e r a u n i c l e v e l i s l i n e a r l y r e l a t e d t o t h e n u m b e r o f f l a s h e s p e r u n i t a r e a p e r y e a r . I n m o s t a r e a s o f t h e w o r l d , a n i n d i c a t i o n o f l i g h t n i n g a c t i v i t y m a y b e o b t a i n e d f r o m k e r a u n i c d a t a ( T h u n d e r d a y s p e r y e a r ) . T h e k e r a u n i c l e v e l i s a n i n d i c a t i o n o f r e g i o n a l l i g h t n i n g a c t i v i t y b a s e d o n a v e r a g e q u a n t i t i e s d e r i v e d f r o m h i s t o r i c a l l y a v a i l a b l e g r o u n d l e v e l o b s e r v a t i o n . T h e r e l i a b i l i t y o f a d i s t r i b u t i o n l i n e i s d e p e n d e n t o n i t s e x p o s u r e t o l i g h t n i n g . T h e r e f o r e , a k e y l i g h t n i n g i n c i d e n c e p a r a m e t e r i s t h e a v e r a g e n u m b e r o f f l a s h e s t o e a r t h p e r s q u a r e k i l o m e t e r , p e r y e a r a l o n g t h e l i n e c o r r i d o r . T h i s p a r a m e t e r , c a l l e d t h e g r o u n d f l a s h d e n s i t y ( G F D ) , i s d e t e r m i n e d b y a v e r a g i n g y e a r s o f g r o u n d f l a s h c o u n t s r e c o r d e d b y l o c a t i n g s y s t e m s . G r o u n d f l a s h d e n s i t y ( G F D ) m a y b e e s t i m a t e d f r o m t h e i s o k e r a u n i c l e v e l u s i n g e q u a t i o n N g = 0 . 0 4 T / 2 5 [ f l a s h e s / k m 2 / y r ] W h e r e T c t i s t h e n u m b e r o f t h u n d e r d a y s p e r y e a r ( I s o k e r a u n i c l e v e l ) [ 6 ] D a t a o f A v e r a g e T h u n d e r D a y s p e r y e a r a n d G r o u n d F l a s h D e n s i t y i n a r e a s s u c h a s B a d u l l a , B a n d a r a w e l a a n d H a m b a n t h o t a i s g i v e n i n t h e T a b l e 3 . 1 . L i g h t n i n g i n c i d e n c e p a r a m e t e r s i n a r e a s s u c h a s W e l l a w a y a , B u t t a l a a n d T h a n a m a l w i l a a r e c o n s i d e r e d a s s a m e a s i n H a m a b n t h o t a a r e a . M e t e o r o l o g i c a l S t a t i o n A v e r a g e T h u n d e r D a y s G r o u n d F l a s h D e n s i t y T c t N g B a d u l l a 9 1 1 1 . 2 4 B a n d a r a w e l a 1 1 4 1 4 . 9 H a m b a n t h o t a 5 2 5 . 5 9 T a b l e 3 . 1 - T h u n d e r D a y s a n d G F D i n U v a p r o v i n c e 2 0 I ; T h e m a g n i t u d e o f a c u r r e n t i m p u l s e d u e t o a l i g h t n i n g d i s c h a r g e i s a p r o b a b i l i t y f u n c t i o n . F o r t h e s a k e o f h a n d l i n g t h e p r o b a b i l i s t i c d i s t r i b u t i o n o f c u r r e n t p e a k v a l u e s i n a s i m p l e w a y , t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n i s a d o p t e d [ 6 ] . P ( l p > = l p * ) = 1 - - - - - : - - : - 1 + ( l p * / 3 1 i · 6 T h i s e q u a t i o n i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e p r o b a b i l i t y f o r l i g h t n i n g p e a k c u r r e n t I p t o b e e q u a l o r g r e a t e r t h a n a g i v e n v a l u e I p * [ k A ] a n d r e s u l t a n t p r o b a b i l i t y v a l u e s a r e g i v e n i n t h e T a b l e 3 . 2 . L o w d i s c h a r g e l e v e l s u p t o 1 O k A m a y r e s u l t i n a h i g h e r t e n d e n c y f o r t h e l i g h t n i n g s t r i k e t o p a s s b y a n y s h i e l d w i r e . I p [ K A ] P r o b a b i l i t y ( l p > l p * ) 2 0 . 9 9 9 5 0 . 9 9 1 1 0 0 . 7 5 3 1 0 . 5 5 0 0 . 2 2 4 7 0 0 . 1 0 7 1 0 0 0 . 0 4 5 2 0 0 0 . 0 1 4 1 a b l e 3 . 2 - P r o b a b i l i s t i c d i s t r i b u t i o n o f c u r r e n t p e a k v a l u e s L i g h t n i n g c a u s e s a s i g n i f i c a n t p a r t o f t h e d i s t u r b a n c e s , d a m a g e s a n d u n s c h e d u l e d s u p p l y i n t e r r u p t i o n s i n t h e m o d e m p o w e r s y s t e m s . T h i s i s t h e r e a s o n w h y o v e r t h e l a s t y e a r s , m a n y l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e e s t i m a t i o n p r o c e d u r e s h a v e b e e n p r e s e n t e d i n d i f f e r e n t t e c h n i c a l l i t e r a t u r e s . M e t h o d s f o r d e t e r m i n i n g t h e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f h i g h v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e s c o n s i d e r s b o t h , s h i e l d i n g f a i l u r e s ( D i r e c t s t r o k e s ) , w h e r e t h e l i g h t n i n g s t r o k e t e r m i n a t e s d i r e c t l y o n t h e p h a s e c o n d u c t o r s a n d b a c k f l a s h o v e r r a t e s , w h e r e t h e l i g h t n i n g s t r o k e t e r m i n a t e o n s t r u c t u r e o r s h i e l d w i r e . A l s o i n d u c e d v o l t a g e f r o m n e a r b y s t r o k e s m a y a f f e c t t h e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e s o f d i s t r i b u t i o n l i n e s . 2 1 I ! 3 . 1 D i r e c t L i g h t n i n g S t r i k e s o n P h a s e C o n d u c t o r s T h e f l a s h c o l l e c t i o n r a t e N , i n o p e n g r o u n d ( N o s i g n i f i c a n t t r e e s o r b u i l d i n g n e a r b y ) , i s e s t i m a t e d b y E r i k s s o n ' s e q u a t i o n . [ 6 ] N = ~v 1 2 8 h o 6 _ b · , g I 1 0 W h e r e h = p o l e h e i g h t , m b = s t r u c t u r e w i d t h , m N = f l a s h e s / 1 O O k m / y e a r N g = g r o u n d f l a s h d e n s i t y , f l a s h e s / k m 2 / y e a r T h e e x p o s u r e o f t h e d i s t r i b u t i o n l i n e t o l i g h t n i n g d e p e n d s o n h o w m u c h t h e s t r u c t u r e s p r o t r u d e a b o v e t h e s u r r o u n d i n g t e r r a i n . S t r u c t u r e s l o c a t e d a l o n g t h e t o p o f m o u n t a i n s , r i d g e s , o r h i l l s w h i c h a r e m o r e p r e d o m i n a n t i n t h i s p r o v i n c e w i l l b e m o r e l i k e l y t a r g e t s f o r l i g h t n i n g s t r i k e s t h a n t h o s e s h i e l d e d b y n a t u r a l f e a t u r e s . T r e e s a n d b u i l d i n g m a y i n t e r c e p t m a n y l i g h t n i n g f l a s h e s w h i c h o t h e r w i s e w o u l d h a v e h i t a l i n e . T h e s h i e l d i n g f a c t o r , S f i s d e f i n e d a s t h e p e r u n i t p o r t i o n o f t h e d i s t r i b u t i o n l i n e s h i e l d e d b y n e a r b y o b j e c t s . T h e N u m b e r o f s t r i k e s p e r 1 0 0 k m l i n e l e n g t h i s t h e n [ 6 ] ! \ " = N ( 1 - S r ) l i y t a k i n g r e a s o n a b l e v a l u e f o r S f a s 0 . 5 c a l c u l a t e d v a l u e s o f n u m b e r o f s t r i k e s t o a l i n e ( 1 0 0 k m l e n g t h ) i s s h o w n i n t h e T a b l e 3 . 3 . W h e r e p o l e h e i g h t h w a s c o n s i d e r e d a s 9 . 2 m a n d l i n e w i d t h b w a s c o n s i d e r e d a s 2 . 2 m . H e i g h t o f t o w e r l i n e h w a s c o n s i d e r e d a s 1 4 m a n d l i n e w i d t h b w a s c o n s i d e r e d a s 3 m . S h i e l d w i r e i s p l a c e d a b o v e t h e p h a s e w i r e s i n t o w e r l i n e s . T h e r e f o r e a l l f l a s h e s t o t h e d i s t r i b u t i o n l i n e a r e a s s u m e d t o s t r i k e t h e s h i e l d w i r e . T h e n u m b e r o f f l a s h o v e r s r e d u c e d b y t h e s h i e l d w i r e m a y b e d e t e r m i n e d f r o m t h e g r a p h g i v e n b y I E E E g u i d e ( F i g . 3 . 2 ) [ 6 ] . T h e a v e r a g e g r o u n d r e s i s t a n c e c a n b e t a k e n a s 4 0 o h m s ( A p p e n d i x B . 4 ) , B I L c a n b e c o n s i d e r e d a s 3 5 0 k V f o r t o w e r l i n e s . T h e n 3 5 % o f r e d u c t i o n i n d i r e c t h i t s c a n b e a c h i e v e d b y t h e s h i e l d w i r e i n t o w e r l i n e s . 2 2 • • 1 0 ( 5 § . . . . . , . . 8 . . . . . I ! > , ; : E ~ 8 s s . . . ~ ~ ~ . . _ C 3 = > ~4 0 ; : : : ~ . . - ; ~ 0 . . . . . ~? - - - + - - C F O = 1 7 5 k V - o - c F O : : 3 5 0 k V 1 0 0 % 9 0 % 5 Z J . . . 8 0 % ~ u 7 0 % ! ! C . f ' I O , l : ! : " " ! J V , o t ) ~ 50%~~ m 4 0 % 0 w : 1 . 1 3 0 % ~ 2 0 % ~ 1 0 % ~ t : : = = . . ' I I ' I • I 0 % ' I • I I I I 0 I I 1 0 0 0 1 0 t O O G r o u n d R e s i s t a n c e ( o h m s ) F i g . 3 . 2 - E f f e c t o f g r o u n d i n g r e s i s t a n c e o n s h i e l d w i r e p e r f o r m a n c e P o l e L i n e T o w e r L i n e N s T d N g N N s N N s 3 5 % 5 2 5 . 6 6 0 . 4 3 0 . 2 7 7 . 8 3 8 . 9 1 3 . 6 9 1 1 1 . 2 1 2 1 . 6 6 0 . 8 1 5 6 . 5 7 8 . 2 2 7 . 4 1 1 4 1 4 . 9 1 6 1 . 2 8 0 . 6 2 0 7 . 4 1 0 3 . 7 3 6 . 7 T a b l e 3 . 3 - N u m b e r o f d i r e c t f l a s h e s p e r 1 0 0 k m l e n g t h I h e o v e r h e a d s h i e l d w i r e i n t o w e r l i n e s r e d u c e s i t s d i r e c t h i t s b y 3 5 % . T h e r e f o r e , t h e s e d a t a r e Y e a l s t h a t a l t h o u g h p o l e l i n e s a r e l o w e r t h a n t o w e r l i n e s ( B u t n o t c o n s i d e r a b l y ) n u m b e r o f , i J r e c t f l a s h e s a r e h i g h e r . T h i s v a r i a t i o n i s i l l u s t r a t e d i n t h e F i g . 3 . 3 f o r d i f f e r e n t t h u n d e r J a y s . H i g h e r f l a s h o v e r r a t e s c a n b e e x p e r i e n c e d i n a r e a s w i t h h i g h f l a s h o v e r d e n s i t y . S i n c e · h e s e l i n e s a r e s p r e a d o v e r d i f f e r e n t g e o g r a p h i c a l a r e a s h a v i n g d i f f e r e n t g r o u n d f l a s h J e n s i t i e s , f l a s h o v e r r a t e h a s t o b e c a l c u l a t e d c o n s i d e r i n g v a l u e s o f t o w e r a n d p o l e l i n e l e n g t h s a n d t h e i r G F D v a l u e s . P o l e l i n e l e n g t h i s 7 2 % o f i t s t o t a l l e n g t h o f t h e N a m u n u k u l a r c e d e r ; h e n c e t h e c o n t r i b u t i o n f o r f l a s h o v e r s i s h i g h . 2 3 • . . D i r e c t F l a s h o v e r s ( p e r l O O k m ) V s T h u n d e r D a y s 1 5 0 . 0 1 4 0 . 0 1 2 0 . 0 1 0 0 . 0 8 0 . 0 6 0 . 0 4 0 . 0 2 0 . 0 0 . 0 4 0 5 2 8 0 9 1 9 6 1 1 4 1 2 9 1 7 4 _ . _ P o l e L i n e " - + - T o w e r L i n e T h u n d e r D a y s F i g . 3 . 3 - C o m p a r i s i o n o f d i r e c t f l a s h o v e r r a t e f o r t o w e r a n d p o l e l i n e M o s t o f t h e f e e d e r l i n e s a r e c o m b i n e d w i t h t o w e r a n d p o l e l i n e s a n d c o v e r s d i f f e r e n t g e o g r a p h i c a l a r e a s h a v i n g d i f f e r e n t i s o k e r a u n i c l e v e l s . T h u n d e r d a y s r e l a v a n t t o F e e d e r 1 i s c o n s i d e r e d a s s a m e a s i n B a d u l l a a r e a . F e e d e r 2 a n d F e e d e r 3 c a n b e c o n s i d e r e d a s i n t h e i s o k e r a u n i c l e v e l s a t B a n a d a r a w e l a a r e a . B u t i n f e e d e r 5 , i t c a n b e c o n s i d e r e d a s 4 0 % o f i f s l e n g t h i s i n i s o k e r a u n i c l e v e l s o f B a d u l l a , 4 0 % i n B a n d a r a w l a i s o k e r a u n i c l e v e l s o f B a n d a r a w e l a a n d 2 0 % i n H a m b a n t h o t a i s o k e r a u n i c l e v e l s . F e e d e r 5 a l s o c a n b e c o n s i d e r e d a s 7 0 % o f i t ' s l e n g t h i s i n B a d u l l a i s o k e r a u n i c l e v e l s a n d 3 0 % i n i n H a m b a n t h o t a 1 s o k e r a u n i c l e v e l s . T h e r e f o r e , a c c o r d i n g t o a b o v e l i n e p r o p o r t i o n s , n u m b e r o f d i r e c t s t r i k e s p e r y e a r c a n b e c a l c u l a t e d f o r f e e d e r l i n e s a s i n t h e T a b l e 3 . 4 . F e e d e r F e e d e r T o t a l T o w e r P o l e D i r e c t N a r n e L e n g t h L i n e L i n e F l a s h e s / Y e a r k m k m k m F 1 T a l d e n a 2 8 8 7 2 2 1 6 1 5 1 . 0 6 B a n d a r a w e l a F 2 O l d 7 1 1 7 5 4 4 9 . 7 B a n d a r a w e l a F 3 B I B 1 2 9 9 7 3 2 6 1 B a d u l l a F 4 T o w n 1 1 0 1 1 6 . 6 9 1 F 5 N a m u n u k u l a 2 7 4 7 6 1 9 8 1 4 5 . 3 4 F 6 Pas~ara__ _ 4 9 9 _ 1 2 4 _ _ ) 7 ? _ ~2-±_ _ _ 1 T a b l e 3 . 4 - N u m b e r o f d i r e c t s t o k e s p e r y e a r 2 4 • I • 3 . 2 I n d u c e d V o l t a g e F l a s h o v e r s L i g h t n i n g s t r i k e m a y a l s o s t r i k e i n t h e v i c i n i t y o f a n o v e r h e a d l i n e w i t h o u t d i r e c t l y s t r i k i n g t h e l i n e , s h i e l d w i r e o r t h e s t r u c t u r e i t s e l f . I f t h i s c r e a t e s h i g h e n o u g h v o l t a g e s i n t h e p h a s e c o n d u c t o r s , t h i s c o u l d c a u s e a f l a s h o v e r o f t h e i n s u l a t i o n . I n d u c e d v o l t a g e f l a s h o v e r f r e q u e n c y m a y d r a m a t i c a l l y i n c r e a s e f o r l o w l e v e l i n s u l a t i o n . F i g . 3 . 4 i l l u s t r a t e s t h e f r e q u e n c y o f f l a s h o v e r a s a f u n c t i o n o f t h e c r i t i c a l f l a s h o v e r ( C F O ) v o l t a g e o f t h e l i n e [ 6 ] . ' - ( \ ) w > - - . - c . . : l C : 8 . . - - t ) ' ) , _ w > 0 ~ C i l ! ; : : . . . . 0 0 z 1 E + 2 - - = - - - - - - - - - - - - - - , - - - - - - - , Q _ ~, - ~ . . . . . . . . , . . 1 0 - : t - . - _ , - ~~- . I t~~ " · " ' " - . . - . . ' & , : · - - · . - " ' ' ! f l ' : ' ' < u , :··~ " - - " < . . _ - . . ~ } ) ' " 1 - ; ; 0 1 - : : - . . . - . . . " ' - . . . - ' l . . - - - - . . . . . . . . - . & . ' . . . . . . . . _ _ , . . . . . , . . . . . . l - - [ } l 0 . 0 1 I I r r I . I 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 C F O [ k V ] F i g . 3 . 4 - N u m b e r o f i n d u c e d f l a s h o v e r s v e r s u s d i s t r i b u t i o n l i n e i n s u l a t i o n l e v e l T h e v a l u e s a r e n o r m a l i z e d f o r a G F D o f 1 f l a s h / k m 2 / y r a n d a d i s t r i b u t i o n l i n e o f h e i g h t o f ! O m . C o n s i d e r i n g B I L l e v e l i n p o l e l i n e a s 2 0 0 k V a n d 3 0 0 k V i n t o w e r l i n e , n u m b e r o f i n d u c e d t 1 a s h o v e r s i n o p e n g r o u n d m a y b e e s t i m a t e d f r o m F i g u r e 3 . 4 . T h e r e f o r e , e s t i m a t e d v a l u e o f i n d u c e d f l a s h o v e r s p e r 1 0 0 k m l e n g t h i s s h o w n i n t h e T a b l e 3 . 5 . 2 5 . , . F l a s h o v e r s / l O O k m / Y e a r B I L ( k V ) T d 5 2 T d 9 1 T d 1 1 4 2 0 0 2 . 7 9 5 5 . 6 2 7 . 4 5 I 3 0 0 0 . 1 6 8 0 . 3 3 7 0 . 4 4 7 ' - - - - - - - - T a b l e 3 . 5 - I n d u c e d f l a s h o v e r s p e r 1 0 0 k m W i t h t h e s e v a l u e s , n u m b e r o f i n d u c e d f l a s h o v e r s i n f e e d e r l i n e s p e r y e a r c a n b e c a l c u l a t e d a s i n t h e T a b l e 3 . 6 . T o t a l I T o w e r P o l e I n d u c e d F e e d e r F e e d e r N a m e L e n g t h . L e n g t h L e n g t h F l a s h e s / k m k m k m Y e a r F 1 T a l d e n a 2 8 8 7 2 2 1 6 1 6 . 4 1 B a n d a r a w e l a F 2 O l d 7 1 1 7 5 4 3 . 0 9 B a n d a r a w e l a F 3 B a c k B o n e 1 2 9 9 7 3 2 2 . 1 3 F 4 B a d u l l a T o w n 1 1 0 1 1 0 . 6 2 F 5 N a m u n u k u l a 2 7 4 7 6 1 9 8 1 1 . 7 2 I F 6 P a s s a r a 4 9 9 1 2 4 3 7 5 2 2 . 5 2 T a b l e 3 . 6 - N u m b e r o f I n d u c e d f l a s h e s p e r y e a r N u m b e r o f i n d u c e d f l a s h o v e r s p e r y e a r i s v e r y l e s s c o m p a r e d t o t h e n u m b e r o f d i r e c t f l a s h e s o f a f e e d e r l i n e . L e n g t h y l i n e s a r e e x p e r i e n c e d m o r e i n d u c e d f l a s h o v e r s . S i n c e p o l e l i n e s a r e h a v i n g l e s s i n s u l a t i o n l e v e l , m o r e f l a s h o v e r s c a n b e o b s e r v e d i n f e e d e r l i n e w h i c h h a s l e n g t h i e r s p u r l i n e s . T h e s e v a l u e s a r e g i v e n f o r a d i s t r i b u t i o n l i n e i n o p e n g r o u n d w i t h n o n e a r b y t r e e s o r b u i l d i n g s . T h e n u m b e r o f f l a s h o v e r s d e p e n d s o n t h e p r e s e n c e o f n e a r b y o b j e c t s w h i c h m a y s h i e l d t h e l i n e f r o m d i r e c t s t r o k e . T h i s m a y i n c r e a s e t h e i n d u c e d v o l t a g e f l a s h o v e r s b e c a u s e t h e r e a r e m o r e n e a r b y s t r o k e s . G i v e n t h e r a n d o m n a t u r e o f l i g h t n i n g , a n y c a l c u l a t i o n h a s t o b e k e p t w i t h i n p r o b a b i l i s t i c b a s e s . T h e r e f o r e , f o r t h e e v a l u a t i o n o f t h e l i g h t n i n g - i n d u c e d v o l t a g e s , s i m p l i f i e d f o r m u l a d e r i v e d b y R u s c k f o r m u l a c a n b e a d o p t e d . I t g i v e s t h e m a x i m u m v a l u e V m a x ( i n k V ) o f t h e i n d u c e d o v e r v o l t a g e s a t t h e p o i n t o f t h e l i n e n e a r e s t t h e s t r o k e l o c a t i o n . 2 6 ~~· T h e m a x i m u m v o l t a g e t h a t i s i n d u c e d i n a p o w e r l i n e i n t h e p o i n t c l o s e t t o t h e s t r i k e i s g i v e n b y [ 6 ] : W h e r e V m a x = Z o . / p - ! 1 1 + . ; . v . 1 { j ( 1 - 0 . 5 1 - ' 2 ) ] ( 1 ) d Z o = l . , / ' . J . o / € o = 3 0 0 4 1 C I n w h i c h l p i s e x p r e s s e d i n k A , h - h e i g h t o f t h e l i n e i s e x p r e s s e d i n m , d - d i s t a n c e o f t h e s t r o k e l o c a t i o n f r o m t h e l i n e c e n t e r i s e x p r e s s e d i n m , a n d v i s t h e r a t i o b e t w e e n t h e r e t u r n - s t r o k e v e l o c i t y a n d v e l o c i t y o f t h e l i g h t . T h e v a l u e v c a n b e t a k e n a s 0 . 4 I f t h e d i s t a n c e o f t h e s t r o k e l o c a t i o n f r o m t h e l i n e i s b e y o n d t h e s o c a l l e d l a t e r a l d i s t a n c e d~, t h e e v e n t i s c o n s i d e r e d a s a n i n d i r e c t f l a s h a n d m a x i m u m a m p l i t u d e o f t h e i n d u c e d v o l t a g e i s c o m p u t e d , o t h e r w i s e i t i s c o n s i d e r e d a d i r e c t f l a s h . T h e L a t e r a l D i s t a n c e d 1 c a n b e e x p l a i n e d a s d t ( l p ) = ~r/-(0.9. r s _ h / w i t h r s = 1 0 . 1 / 6 5 W h e r e l p i s t h e a m p l i t u d e o f t h e l i g h t n i n g c u r r e n t , r s i s t h e s t r i k i n g d i s t a n c e t o t h e c o n d u c t o r a n d h i s t h e c o n d u c t o r . T h e a m p l i t u d e o f t h e s t r o k e c u r r e n t i s v a r i e d f r o m 1 t o 2 0 0 k A i n i n t e r v a l s o f 1 k A . T h e n u m b e r o f a n n u a l i n s u l a t i o n f l a s h o v e r s p e r k m o f d i s t r i b u t i o n l i n e F p i s o b t a i n e d a s t h e s u m m a t i o n o f t h e c o n t r i b u t i o n s f r o m a l l i n t e r v a l s c o n s i d e r e d F p = 2 .L:f;~(d.max- d . m i n ) . N g o P ; ( 2 ) 2 7 , , , W h e r e P ; i s t h e p r o b a b i l i t y o f c u r r e n t p e a k l p t o b e w i t h i n i n t e r v a l 1 t o 2 0 0 k A , d . m i n ( i . e . l a t e r a l d i s t a n c e ) i s t h e m i n i m u m d i s t a n c e f o r w h i c h l i g h t n i n g w i l l n o t d i v e r t t o t h e l i n e , d . m a x i s t h e m a x i m u m d i s t a n c e a t w h i c h t h e s t r o k e m a y p r o d u c e a n i n s u l a t i o n f l a s h o v e r . T h e m a x i m u m d i s t a n c e d . m a x f o r e v e r y p e a k c u r r e n t i n t e r v a l i s t h e n c a l c u l a t e d . V m a x = l . S * C F O N g = f l a s h e s / k m 2 / y r E x a m p l e C o n s i d e r i n g a 3 3 k v , 9 . 2 h i g h p o l e l i n e h a v i n g 2 0 0 k V B I L , w i t h a f l a s h d e n s i t y o f 1 1 . 4 f l a s h e s / k m 2 . S t r i k i n g d i s t a n c e f o r 1 0 0 k A s u r g e c u r r e n t r , = 1 0 . l p 0 6 5 = 1 9 9 . 5 m T h e n l a t e r a l d i s t a n c e d 1 ( I p ) = ~r 5 2 -(0.9. r 5 _ h ) 2 T h e n V m a x = 1 . 5 x C F O = 3 0 0 k V = ~199.5 2 - ( 0 . 9 x 1 9 9 . 5 - 9 . 2 i = 1 0 3 . 8 m S u b s t i t u t i n g t h e s e v a l u e s i n e q u a t i o n ( 1 ) , m a x i m u m d i s t a n c e d m a x c a n b e c a l c u l a t e d a s d m a x = 3 0 X 1 0 0 X 9 . 2 X ( 1 + 0 . 7 0 7 X 0 . 4 X l/(~(1-0.5x0.4 2 )) / 3 0 0 = 1 2 0 . 2 8 m I n o p e n g r o u n d , t h e t h r e e f o l l o w i n g s c e n a r i o s m a y o c c u r : a ) I f t h e s t r o k e c o m e s d o w n b e t w e e n d = 0 a n d l a t e r a l d i s t a n c e d 1 = 1 0 3 . 8 m , t h e s t r o k e w i l l h i t t h e l i n e . ( i . e . , d i r e c t s t r o k e ) b ) I f t h e s t r o k e c o m e s d o w n b e t w e e n d 1 a n d d m a x = 1 2 0 . 2 8 m , t h e s t r o k e w i l l h i t t h e g r o u n d a n d c a u s e a n i n d u c e d v o l t a g e f l a s h o v e r . c ) B e y o n d d m a x = 1 2 0 . 2 8 m , t h e s t r o k e w i l l h i t t h e g r o u n d a n d n o t c a u s e a f l a s h o v e r . h o m T a b l e 3 . 2 , p r o b a b i l i t y e x c e e d i n g 1 0 0 k A s u r g e c u r r e n t i s 0 . 0 4 5 . l h e r e f o r e s u b s t i t u t i n g t h e s e v a l u e s i n e q u a t i o n ( 2 ) , a n d f o r G F D v a l u e o f 1 1 . 4 f l a s h e s / k m 2 , w e c a n c a l c u l a t e n u m b e r o f i n d u c e d f l a s h e s p e r k m a s ~X 0 . 0 4 5 X 1 1 . 4 X ( 1 2 0 . 2 8 - 1 0 3 . 8 ) / 1 0 0 0 0 . 0 1 4 8 f l a s h e s / k m 2 8 F i n a l l y , t h e n u m b e r o f i n s u l a t i o n f l a s h o v e r s p e r k m o f d i s t r i b u t i o n l i n e a n d p e r y e a r , F p , i s o b t a i n e d a s t h e s u m m a t i o n o f t h e c o n t r i b u t i o n f r o m a l l s u r g e c u r r e n t i n t e r v a l s a s e x p r e s s e d b y e q u a t i o n ( 2 ) . 3 . 3 T o t a l N u m b e r o f F l a s h o v e r s ( L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e ) T h e p e r f o r m a n c e o f a l i n e e x p r e s s e d a s t h e a n n u a l n u m b e r o f l i g h t n i n g f l a s h o v e r s o n a c i r c u i t [ 6 ] . T h e t o t a l n u m b e r o f a n n u a l i n s u l a t i o n f l a s h o v e r s = D i r e c t s t r o k e s + I n d u c e v o l t a g e s f l a s h e s L i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f e a c h f e e d e r l i n e i s s h o w n i n t h e F i g . 3 . 5 . F l a s h o v e r s N u m b e r o f F l a s h o v e r s p e r Y e a r 3 0 0 . 0 0 - r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . 2 4 4 . 9 2 2 5 0 . 0 0 2 0 0 . 0 0 1 6 7 . 4 7 1 5 7 . 0 6 1 5 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0 6 3 . 1 3 5 0 . 0 0 I ' I I I I I r = = = ! I I I I I 0 . 0 0 I I I I I F 1 ( 2 8 8 k m ) F 2 ( 7 1 k m ) F 3 ( 1 2 9 k m ) F 4 ( 1 1 k m ) F 5 ( 2 7 4 k m ) F 6 ( 4 9 9 k m ) F e e d e r s F i g . 3 . 5 - T o t a l f l a s h o v e r s ( L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e ) o f f e e d e r s D a t a r e v e a l s t h a t f e e d e r l i n e s h a v i n g m o r e l i n e l e n g t h , r u n n i n g o v e r h i g h g r o u n d f l a s h J e n s i t y a r e a s a n d h a v i n g m o r e s p u r l i n e s a r e s u b j e c t e d t o m o r e f l a s h o v e r s . F e e d e r 6 ( P a s s a r a F e e d e r ) s h o w s t h e m o s t p o o r p e r f o r m a n c e a n d h a v i n g m o r e f l a s h e s . \ 1 o r e t h a n e i g h t f l a s h o v e r s m a y b e r e q u i r e d t o d a m a g e t h e s u r f a c e o f i n s u l a t o r s [ 3 ] . l n s u l a t o r s e t s w i t h s u r f a c e d a m a g e s w e r e c h a n g e d d u r i n g t h e m a i n t e n a n c e p r o g r a m o f y e a r 2 0 0 8 a n d d e t a i l s o f t h o s e r e p l a c e d i n s u l a t o r s a r e s h o w n i n t h e F i g . 3 . 6 . T h i s f i g u r e s h o w s t h a t n u m b e r s o f d a m a g e d i n s u l a t o r s e t s a r e h i g h i n l e s s p e r f o r m i n g f e e d e r s . 2 9 , , . 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 N u m b e r o f D a m a g e d I n s u l a t o r D i s k S e t s C h a n g e d i n Y e a r 2 0 0 8 2 6 1 2 1 0 3 0 T a l d e n a B a n d a r a w e l a B a n d a r a w e l a 8 a d u l l a N a r r , u n u k u l a P a s s a r a O l d 8 / 8 T o w n F i g . 3 . 6 - N u m b e r o f d a m a g e d i n s u l a t o r s e t s c h a n g e d i n y e a r 2 0 0 8 3 . 4 S t u d y o f S h i e l d i n g E f f e c t f r o m N e a r b y T r e e s T r e e s a n d b u i l d i n g s m a y p l a y a m a j o r r o l e i n t h e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e o f d i s t r i b u t i o n l i n e s . S i n c e p o l e l i n e s a r e l e s s h i g h ( 9 . 2 m ) , i t i s a s s u m e d t h a t n e a r b y t r e e s a n d b u i l d i n g s m a y i n t e r c e p t m a n y l i g h t n i n g f l a s h e s w h i c h w o u l d h a v e h i t o n t h e l i n e . C o n s i d e r i n g p r a c t i c a l d i f f i c u l t i e s a n d e c o n o m i c a l r e a s o n s ( P o l e m u s t b e h i g h e n o u g h t o s u p p o r t t h e s h i e l d w i r e a n d m o r e f a i l u r e s a r e e x p e r i e n c e d d u e t o b r o k e n e a r t h w i r e ) , s h i e l d w i r e i s d e s i g n e d t o f i x u n d e r p h a s e w i r e s i n p o l e l i n e s t o r e d u c e d a m a g e s d u e t o i n d u c e d f l a s h o v e r s . A n e l e c t r o g e o m e t r i c m o d e l m a y b e u s e d t o e s t i m a t e t h e s h i e l d i n g f a c t o r f o r a s p e c i f i c p o r t i o n o f a d i s t r i b u t i o n l i n e . A n e l e c t r o g e o m e t r i c m o d e l i s b a s e d o n t h e i d e a t h a t a d i s t r i b u t i o n l i n e o r o t h e r o b j e c t h a s a c e r t a i n a t t r a c t i v e r a d i u s w h i c h i n c r e a s e s w i t h h e i g h t a n d m a g n i t u d e o f t h e l i g h t n i n g f l a s h . F i g . 3 . 7 i l l u s t r a t e s n a t u r a l s h i e l d i n g e f f e c t f r o m n e a r b y t r e s s . W h e r e , R s i s t h e s t r i k i n g d i s t a n c e r e l e v a n t t o t h a t s u r g e c u r r e n t ( R s = 1 0 . 1 0 ° · 6 5 ) . R g i s t h e s t r i k i n g d i s t a n c e t o t h e g r o u n d a n d c a n b e e x p r e s s e d a s R g = 0 . 9 R s [ 6 ] . I f t h e t r e e i s h i g h e r t h a n t h e p o l e l i n e a n d n e a r b y e n o u g h t h e n t h e s t r i k i n g d i s t a n c e c u r v e o f t h e t r e e c o v e r s t h e p h a s e w i r e s . T h i s f i g u r e s h o w s t h a t r i g h t s i d e p h a s e o f t h e p o l e l i n e i s s h i e l d e d b y t h e n e a r b y t r e e f o r t h a t p a r t i c u l a r l i g h t n i n g c u r r e n t 3 0 . /""~ ~ ~ ~ • . ~ , ~Rs R g I " " ' r - = ' . - · R s ( T r e e ) . . S t r i k e s H i t s G r o u n d S t r i k e s H i t s L i n e S t r i k e s H i t s T r e e F i g . 3 . 7 - S h i e l d i n g e f f e c t f r o m n e a r b y t r e e s ' \ t 1 g . 3 . 8 i l l u s t r a t e s t h e m e a n s f o r a p p r o x i m a t i n g t h e s h i e l d i n g f a c t o r s f o r o b j e c t s o f v a r i o u s t 1 e i g h t s . T h e s e v a l u e s a r e b a s e d o n a 1 0 m t a l l d i s t r i b u t i o n l i n e . T h i s d i a g r a m s h o w s t h a t \ \ e r 1 O m h i g h t r e e m u s t b e t h e r e a t a d i s t a n c e o f 1 O m f r o m t h e d i s t r i b u t i o n l i n e t o h a v e , [ n e l d i n g f a c t o r s o v e r 0 . 5 [ 6 ] . 1 . 0 0 0 8 0 . . . g 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 . 0 0 0 2 0 4 0 6 0 O b j e c t H e i g h t - + - H : : 3 0 m - o - H = 2 0 m - 1 - H = 1 5 m ~H"' 1 0 m _ . _ H = 7 . 5 m - o - H = 5 m 8 0 D i s t a n c e o f O b j e c t f r o m t h e D i s t r i b u t i o n L i n e ( m ) F i g . 3 . 8 - S h i e l d i n g f a c t o r s d u e t o n e a r b y o b j e c t s 1 0 0 3 1 A s h i e l d i n g f a c t o r 0 . 0 m e a n s t h e d i s t r i b u t i o n l i n e i s i n t h e o p e n g r o u n d w i t h n o s h i e l d i n g b y n e a r b y o b j e c t s p r o v i d e d , a n d a f a c t o r o f 1 . 0 m e a n s t h e d i s t r i b u t i o n l i n e i s c o m p l e t e l y s h i e l d e d f r o m d i r e c t s t r i k e s . D i f f e r e n t p o l e l i n e s w e r e e x a m i n e d t o c h e c k t h e s h i e l d i n g e f f e c t f r o m n e a r b y t r e e s b y n o t i n g d o w n d i s t a n c e s f r o m l i n e t o t r e e s w h i c h a r e o v e r 1 O m h i g h . D e t a i l s a r e g i v e n i n t h e T a b l e 3 . 7 . L e f t R i g h t L e f t R i g h t S p u r L i n e S p a n s i d e S i d e S p u r L i n e S p a n s i d e S i d e m m m m K u d a o y a - N e w B u r g D e b a r a w a w a 1 ( 7 0 r n ) 1 4 1 6 S u b 1 ( 7 0 r n ) > 1 0 m > l O r n 2 ( 7 0 r n ) 1 2 1 8 2 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n 3 ( 7 0 r n ) 1 0 2 0 3 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n 4 ( 7 0 r n ) 2 0 1 2 4 ( 7 0 m ) < l O r n < l O r n 5 ( 7 0 r n ) 1 5 1 3 B a l l a k e t u w a 6 ( 7 0 r n ) 1 8 1 5 S u b 1 ( 1 5 0 m ) > l O r n > l O r n I 2 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n 1 K u m b a l w e l a S u b 1 ( 7 0 r n ) < 1 0 m < l O r n 3 ( 7 0 r n ) > l O r n > 1 0 m 2 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n 4 ( 7 0 m ) > 1 0 m > 1 0 m 3 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n N a r n u n u k u l a 4 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n T o w n 1 ( 2 0 0 m ) > l O r n > l O r n 5 ( 7 0 r n ) > 1 0 m > l O r n 2 ( 5 0 r n ) > l O r n > l O r n 6 ( 7 0 r n ) > 1 0 m > l O r n 3 ( 7 0 r n ) > 1 0 m > l O r n 7 ( 7 0 r n ) < l O r n < l O r n 8 ( 7 0 r n ) < l O r n < l O r n P a s s a r a 1 ( 3 0 0 m ) > l O r n > 1 0 m 9 ( 7 0 r n ) > l O r n > l O r n 2 ( 2 0 0 m ) > l O r n > 1 0 m - - T a b l e 3 . 7 - D i s t a n c e s f o r n e a r b y t r e e s D a t a r e v e a l s t h a t o v e r 1 0 m t a l l t r e e s a r e n o t c l o s e e n o u g h t o p r o t e c t l i n e s f r o m d i r e c t s t r i k e s . T h e r e f o r e , t h e s h i e l d i n g f a c t o r c a n b e c o n s i d e r e d a s l e s s t h a n 0 . 5 i n t h e s e p a r t i c u l a r l i n e s . T h e s e t y p e s o f f e e d e r l i n e s w h i c h a r e i n s t a l l e d o n h i g h r i d g e s o r o n t o p o f h i l l s a r e \ e r y c o m m o n i n t h i s p r o v i n c e . I n m o s t c a s e s t h i s t y p e o f s p u r l i n e s a r e u s e d t o c o n n e c t t o w e r l i n e s m a k i n g t h e m v u l n e r a b l e t o l i g h t n i n g . U n l e s s d i s t r i b u t i o n l i n e i s p r o t e c t e d w i t h a s h i e l d w i r e o r a r r e s t e r , a l l d i r e c t l i g h t n i n g f l a s h e s w i l l c a u s e f l a s h o v e r s r e g a r d l e s s o f i n s u l a t i o n l e v e l , c o n d u c t o r s p a c i n g o r g r o u n d i n g [ 6 ] . 3 2 3 . 5 D e t e r m i n a t i o n o f C r i t i c a l F l a s h o v e r V o l t a g e ( C F O ) f o r P o s s i b l e F l a s h o v e r P a t h s . T h e m o r e c o m m o n i n s u l a t i n g c o m p o n e n t s u s e d i n o v e r h e a d d i s t r i b u t i o n l i n e c o n s t r u c t i o n a r c p o r c e l a i n , a i r , w o o d , a n d f i b e r g l a s s . E a c h e l e m e n t h a s i t s o w n i n s u l a t i o n s t r e n g t h . T h e 0 - 0 i s d e f i n e d a s t h e v o l t a g e l e v e l a t w h i c h s t a t i s t i c a l l y t h e r e i s 5 0 % c h a n c e o f f l a s h o v e r a n J a 5 0 % c h a n c e o f w i t h s t a n d . W h e n t h e i n s u l a t i n g m a t e r i a l s a r e u s e d i n s e r i e s , t h e r e s u l t i n g i n s u l a t i o n l e v e l i s n o t t h e s u m m a t i o n o f t h o s e l e v e l s a s s o c i a t e d w i t h t h e i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s , b u t i s s o m e t h i n g l e s s t h a n t h a t v a l u e . T h e e x t e n d e d C F O a d d e d m e t h o d m a y b L ' u s e d t o e s t i m a t e t h e t o t a l C F O o f a d i s t r i b u t i o n s t r u c t u r e b y [ 6 ) : C F O T = C F O i n s + C F O a d d . s e c \ \ h e r e C F O i n s i s t h e C F O o f t h e p r i m a r y c o m p o n e n t C F O a d d . s e c i s t h e C F O a d d e d b y t h e s e c o n d c o m p o n e n t l - . ; u m a t e d v a l u e s o f C F O v o l t a g e s f o r d i f f e r e n t f l a s h o v e r p a t h s a r e s h o w n i n t h e T a b l e 3 . 8 . l v p ! ) \ f ' ( l i \ C f ' , ) \ e '~( ' " ' I r / L a t t i c e ) d e n ) i 0 n c r e t e ) F r o m T o G W P W P W G W P W G W P W G W F l a s h o v e r p a t h I n s u l a t o r s ( 3 D i s c k s ) I n s u l a t o r s ( 3 D i s c k s ) P i n i n s u l a t o r + E a r t h w i r e P i n i n s u l a t o r + P o l e ( w i t h o u t e a r t h i n g ) P i n I n s u l a t o r + S t a y w i r e T e n s i o n I n s u l a t o r s + E a r t h W i r e P h a s e w i r e t o E W t h r o u g h a i r P i n i n s u l a t o r + E a r t h w i r e P i n i n s u l a t o r + P o l e P i n I n s u l a t o r + S t a y A d d e d C F O T o t a l ( k V ) ( k V ) 3 2 0 3 2 0 3 2 0 3 2 0 1 8 0 1 8 0 1 8 0 + 2 3 5 0 2 5 3 0 1 8 0 + 3 0 2 1 0 3 2 0 3 2 0 3 0 0 3 0 0 1 8 0 1 8 0 1 8 0 1 8 0 1 8 0 + 3 0 2 1 0 F a b l e 3 . 8 - C r i t i c a l F l a s h o v e r V o l t a g e v a l u e s f o r p o s s i b l e f l a s h o v e r p a t h s . C F O 3 3 l h e c r o s s a r m a s s e m b l y i s g r o u n d e d i n p o l e l i n e s . T h e r e f o r e t h e l o w e s t C F O l e v e l f o r t 1 a s h o v e r p a t h i s f o u n d f o r f l a s h o v e r s f r o m p h a s e w i r e s t o e a r t h w i r e t h r o u g h p i n i n s u l a t o r s m p o l e l i n e s ( 1 8 0 k V ) . S i n c e t h e s t a y w i r e i n s u l a t o r s a r e h a v i n g l e a s t B I L v a l u e ( 3 0 k V ) , t h e n e x t f l a s h o v e r p a t h h a v i n g l o w e s t C F O v a l u e i s f l a s h o v e r t h r o u g h p i n i n s u l a t o r t o s t a y w i r e . ] . 6 T e s t i n g o f I n s u l a t o r s t o C h e c k D e t e r i o r a t i o n o f I n s u l a t i o n w i t h A g i n g . I h e r e l i a b i l i t y o f s u p p l y p r o v i d e d b y a n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m , a s j u d g e d b y t h e f r e q u e n c y a n d d u r a t i o n o f s u p p l y i n t e r r u p t i o n s t o c u s t o m e r s , d e p e n d s t o a g r e a t e x t e n t o n t h e s u r g e p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m . A l t h o u g h t h e r e a r e m a n y o t h e r c a u s e s f o r i n t e r r u p t i o n s , h r e a k d o w n o f i n s u l a t i o n i s o n e o f t h e m o s t f r e q u e n t . F l a s h o v e r s o f c o n t a m i n a t e d i n s u l a t o r s , n g e n e r a l , o c c u r d u r i n g w e a t h e r c o n d i t i o n s t h a t p e r m i t t h e p o l l u t i o n l a y e r t o b e m o i s t e n e d h y r a i n , f o g o r l i g h t m i s t y r a i n . A l i g h t i n g f l a s h o v e r r e s u l t i n g i n a s u s t a i n e d p o w e r f o l l o w w i l l l e a d t o a n o u t a g e . T h e p o l l u t i o n m a y r e d u c e t h e p o w e r f r e q u e n c y f l a s h o v e r v o l t a g e o f p o r c e l a i n i n s u l a t i o n t o h a l f o r e v e n t o a q u a r t e r . T h e w i t h s t a n d v o l t a g e o f s w i t c h i n g 1 m p u l s e s i s a p p r o x i m a t e l y t w i c e t h e l e v e l o f t h e p o w e r f r e q u e n c y w i t h s t a n d v o l t a g e f o r t h e , ; a r n e p o l l u t i o n l e v e l . T h e m a i n f a c t o r s a f f e c t i n g t h e p o l l u t i o n f l a s h o v e r o f i n s u l a t o r s a r e , n a m e l y , t h e a p p l i e d v o l t a g e , s e v e r i t y o f d e p o s i t e d p o l l u t a n t , t h i c k n e s s o f p o l l u t i o n a n d h u m i d i t y [ 8 ] . S e v e r i t y o f t h e f l a s h o v e r a n d c o n s e q u e n t o f f l a s h o v e r s m a y d a m a g e t h e , ; u r f a c e g l a z i n g o f t h e i n s u l a t o r a n d s o m e t i m e m a y c r a c k t h e i n s u l a t o r . I t i s t h e p r a c t i c e t h a t s i g n i f i c a n t l y d a m a g e d i n s u l a t o r s a r e r e p l a c e d i n m a i n t e n a n c e p r o g r a m m e s . W a s h i n g o f c o n t a m i n a t e d i n s u l a t o r s i s v e r y t i m e c o n s u m i n g a n d c o s t l y , h e n c e i t i s a r a r e p r a c t i c e u s e d 1 n m a i n t e n a n c e . r h e r e f o r e t o i d e n t i f y t h e s e v e r i t y o f d e t e r i o r a t i o n o f i n s u l a t i o n l e v e l s i n i n s u l a t o r s , i m p u l s e t e s t a n d p o w e r f r e q u e n c y f l a s h o v e r t e s t s ( D r y a n d W e t c o n d i t i o n ) w e r e c a r r i e d f o r s a m p l e o f 1 n s u l a t o r s h a v i n g d i f f e r e n t a m o u n t o f s u r f a c e f l a s h o v e r s . I n s u l a t o r s e t c o v e r e d w i t h m o s s a n d d u s t w a s a l s o t e s t e d . A r e a o f s u r f a c e f l a s h o v e r i n d a m a g e d i n s u l a t o r s w a s m e a s u r e d a n d p r e s e n t e d a s a p e r c e n t a g e o f t o t a l s u r f a c e s o f t h e i n s u l a t o r . M o s t s a m p l e s w e r e n o t s h o w n f l a s h o v e r s e v e n f o r m a x i m u m v o l t a g e a p p l i e d . T h e r e f o r e t h e f l a s h o v e r v o l t a g e c a n b e c o n s i d e r e d a b o v e t h e m a x i m u m a p p l i e d v o l t a g e i n t h o s e c a s e s . D e t a i l s o f m e a s u r e d d a t a a r e g i v e n i n t h e A p p e n d i x B . S . 3 4 T ' p i c a l l y o n p o r c e l a i n i n s u l a t o r s t h a t h a v e f l a s h e d o v e r t h e r e i s a l o t o f g l a z e d a m a g e . D a t a r c \ e a l s t h a t m o s t o f t h e s u r f a c e d a m a g e d i n s u l a t o r s a r e w i t h i n t h e d e s i g n e d B I L , b u t i n s u l a t o r s c o v e r e d w i t h m o s s s h o w s l e s s i n s u l a t i o n l e v e l . T h i c k n e s s a n d s e v e r i t y o f d e p o s i t e d p o l l u t a n t m a y i n c r e a s e w i t h t h e a g i n g o f t h e f e e d e r l i n e . F i g . 3 . 9 s h o w s t h a t m o s t o t t h e f e e d e r l i n e s i n B a d u l l a C S C a r e o v e r 1 0 y e a r s o l d . A s t h e a g e o f t h e l i n e i n c r e a s e s , d e p o s i t e d a m o u n t o f m o s s a n d d i r t i n c r e a s e s . H e n c e r e d u c e s t h e i n s u l a t i o n l e v e l . T h e r e f o r e ' ' a s h i n g o f i n s u l a t o r s i n m a i n t e n a n c e p r o g r a m m e s m a y i m p r o v e t h e l i n e p e r f o r m a n c e s ~tgnificantly. F i g 3 . 1 0 s h o w s a s a m p l e o f i n s u l a t o r c o v e r e d w i t h m o s s . 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 . A g e A n a l y s i s o f F e e d e r L i n e s - B a d u l l a C S C 6 0 4 4 -~ - 2 8 . - 2 l - - - · - ~[.---- - - 1 0 - - - ~~ -~---- - - ! ' < 1 0 Y e a r s 1 0 < & < 2 0 Y r s l O < S . < 3 0 ' ' i ' r s > 3 0 Y r s o t h e r F i g . 3 . 9 - A g e a n a l y s i s o f f e e d e r l i n e s F i g . 3 . 1 0 - I n s u l a t o r c o v e r e d w i t h m o s s 3 5 C h a p t e r 4 T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e S t r e s s i n D i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n s r h e M V / L V s u b s t a t i o n t a k e s m a j o r p a r t i n e l e c t r i c p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m . H i g h r e l i a b i l i t y o f s y s t e m r e q u i r e s k n o w l e d g e o f t h e p r o p a g a t i o n o f s u r g e s i n m a j o r p o i n t s o f i t . D i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s m a y f a i l f o r a v a r i e t y o f r e a s o n s . L i g h t n i n g s u r g e s c o n t i n u e t o b e t h e m a j o r c a u s e o f p r e m a t u r e t r a n s f o r m e r f a i l u r e s . F a s t r i s e t i m e s u r g e s t h a t g e n e r a t e e x c e s s i v e v o l t a g e t h r o u g h t h e p r i m a r y a r r e s t e r a n d c o n n e c t i n g l e a d s m a y a f f e c t t h e s u r g e p e r f o r m a n c e o f d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s . 4 . 1 C a l c u l a t i o n o f I m p u l s e R e s i s t a n c e E a r t h r e s i s t a n c e o f s u b s t a t i o n s , e a r t h r o d r e s i s t a n c e o f p o l e l i n e a n d s o i l r e s i s t i v i t y w a s m e a s u r e d i n d i f f e r e n t g e o g r a p h i c a l a r e a s . R e l e v a n t d a t a i s a t t a c h e d i n t h e A p p e n d i x B . 4 . M e a s u r e d v a l u e s o f s o i l r e s i s t i v i t y v a r y f r o m 1 7 o h m - m ( L o w a l t i t u d e a r e a ) t o h i g h v a l u e s s u c h a s 7 9 2 o h m s - m i n h i g h a l t i t u d e a r e a s . A v e r a g e v a l u e o f e a r t h r o d r e s i s t a n c e i n s u b s t a t i o n s w a s f o u n d a s a r o u n d 4 5 o h m s , b u t h i g h v a l u e s a s 9 0 o h m s w e r e a l s o o b s e r v e d . A v e r a g e v a l u e o f e a r t h r o d r e s i s t a n c e i n p o l e l i n e s w a s o b s e r v e d a s 4 0 o h m s a n d h i g h v a l u e s a s 2 6 0 o h m s w e r e a l s o f o u n d . B e c a u s e o f c o n s i d e r a b l e l i g h t n i n g c u r r e n t r i s e ( t o 1 0 0 K A / 1 1 s ) , t h e e f f e c t i v e n e s s o f e a r t h i n g s y s t e m i s o f t e n d e t e r m i n e d b y i n d u c t i v e v o l t a g e d r o p [ 1 4 ] . I m p u l s e r e s i s t a n c e o f a n e a r t h e l e c t r o d e i s m u c h l e s s t h a n t h e n o r m a l p o w e r f r e q u e n c y r e s i s t a n c e ( i . e . M e a s u r e d o r c a l c u l a t e d r e s i s t a n c e ) . T h i s i s d u e t o t h e i o n i z a t i o n a n d p a r t i a l d i s c h a r g e t a k i n g p l a c e a t h i g h c u r r e n t d e n s i t i e s w h e n t h e l i g h t n i n g s u r g e s f l o w t h r o u g h t h e e a r t h e l e c t r o d e t o t h e s u r r o u n d i n g e a r t h . T h e r e f o r e I m p u l s e r e s i s t a n c e i s g i v e n a s R g R T = - - - ; : : : : = . . . _ r 1 ! 1 + - \ 1 l g ( 3 ) W h e r e R T i s t h e I m p u l s e r e s i s t a n c e ( T r a n s i e n t r e s i s t a n c e ) R g i s e a r t h r e s i s t a n c e a t l o w c u r r e n t a n d l o w f r e q u e n c y ( o h m ) I i s s u r g e c u r r e n t i n t o g r o u n d ( k A ) I g i s l i m i t i n g c u r r e n t i n i t i a t i n g s o i l i o n i z a t i o n ( k A ) 3 6 I = ~ • L + l - p - - " l .1.~ ( 4 ) W h e r e p i s s o i l r e s i s t i v i t y ( 0 - m ) E o i s s o i l i o n i z a t i o n g r a d i e n t ( a b o u t 3 0 0 k V / m ) [ 7 ] E x a m p l e C a l c u l a t i o n o f i m p u l s e r e s i s t a n c e f o r m e a s u r e d v a l u e o f e a r t h r o d r e s i s t a n c e = 4 0 o h m s , s o i l r e s i s t i v i t y = 1 0 0 o h m - m a n d f o r 1 0 k A s u r g e c u r r e n t ; F r o m e q u a t i o n ( 4 ) , l g = ( 1 / 2 n ) x ( ( 3 0 0 x 1 0 0 ) / 4 0 2 ) = 2 . 9 8 k A S u b s t i t u t i n g i n e q u a t i o n ( 3 ) , I m p u l s e r e s i s t a n c e c a n b e c a l c u l a t e d a s R T = 4 0 / ~1+(10/2.98) = 1 9 . 1 8 0 C o n s i d e r i n g s o i l r e s i s t i v i t y a s 1 0 0 0 - m , c a l c u l a t e d i m p u l s e r e s i s t a n c e f o r d i f f e r e n t l i g h t n i n g p e a k c u r r e n t i s s h o w n i n t h e T a b l e 4 . 1 . T h e s e d a t a s h o w s t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f s u r g e c u r r e n t , i m p u l s e r e s i s t a n c e d e c r e a s e s . i I m p u l s e R e s i s t a n c e - O h m R g = 1 0 R g = 2 0 R g = 3 0 R g = 4 0 R g = 5 0 R g = 1 0 0 R g = 2 0 0 I [ k A ] o h m o h m o h m o h m o h m o h m o h m 1 9 . 0 2 1 4 . 4 3 1 7 . 1 1 1 8 . 4 8 1 9 . 2 3 2 0 . 4 0 2 0 . 7 2 1 0 9 . 0 9 1 4 . 7 5 1 7 . 6 6 1 9 . 1 8 2 0 . 0 2 2 1 . 3 5 2 1 . 7 2 3 0 7 . 8 4 1 0 . 6 7 1 1 . 6 3 1 2 . 0 3 1 2 . 2 3 1 2 . 5 2 1 2 . 5 9 7 0 6 . 3 7 7 . 6 3 7 . 9 6 8 . 0 9 8 . 1 5 8 . 2 3 8 . 2 5 1 0 0 5 . 6 8 6 . 5 3 6 . 7 3 6 . 8 1 6 . 8 4 6 . 8 9 6 . 9 1 2 0 0 4 . 3 9 4 . 7 5 4 . 8 2 4 . 8 5 4 . 8 6 4 . 8 8 4 . 8 8 T a b l e 4 . 1 - I m p u l s e r e s i s t a n c e v a r i a t i o n w i t h l i g h t n i n g c u r r e n t 3 7 4 . 2 C a l c u l a t i o n o f A r r e s t e r L e a d L e n g t h A r r e s t e r l e a d l e n g t h c a n b e d e f i n e d a s a n y s e c t i o n o f t h e a r r e s t e r l e a d s t h a t a r e e l e c t r i c a l l y i n p a r a l l e l w i t h p r o t e c t e d i n s u l a t i o n a n d c o n d u c t i m p u l s e c u r r e n t d u r i n g t h e l i g h t n i n g s t r i k e . A r r e s t e r l e a d l e n g t h b e c o m e s c r i t i c a l d u r i n g a l i g h t n i n g d i s c h a r g e b e c a u s e t h e a r r e s t e r i m p e d a n c e b e c o m e s e x t r e m e l y l o w . T h e c u r r e n t t h r o u g h t h e l e a d g e n e r a t e s a v o l t a g e d u e t o t h e w i r e i n d u c t a n c e a n d t h e r a t e - o f - r i s e o f t h e c u r r e n t . T h e i n d u c t i v e v o l t a g e d r o p i n l e a d w i r e c a r r y i n g s u r g e c u r r e n t i s a f u n c t i o n o f l e a d w i r e i n d u c t a n c e . L ( T y p i c a l l y 0 . 4 J l H I f t ) T h e n v o l t a g e a c r o s s l e a d l e n g t h d i V I = L - d t T h e l e a d v o l t a g e d r o p V 1 i s i n s e r i e s w i t h t h e a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e ( V a r r ) a n d v o l t a g e a c r o s s t h e e a r t h r o d r e s i s t a n c e [ 1 0 ] . C a s e S t u d y T h r e e c o m m o n c o n s t r u c t i o n p r a c t i c e s w e r e i d e n t i f i e d i n t h e s y s t e m a n d a r e s h o w n i n t h e F i g . 4 . 1 a s C a s e 1 , C a s e 2 a n d C a s e 3 . T w o s e p a r a t e e a r t h i n g c i r c u i t s a r e u s e d i n s u b s t a t i o n c o n s t r u c t i o n . O n e e a r t h e l e c t r o d e i s u s e d t o g r o u n d t h e t r a n s f o r m e r n e u t r a l . A n o t h e r e a r t h e l e c t r o d e i s u s e d t o c o n n e c t s u r g e a r r e s t e r , t r a n s f o r m e r t a n k , c r o s s a r m s a n d l i n e e a r t h w i r e . B u t d i f f e r e n t p r a c t i c e s w e r e o b s e r v e d i n g r o u n d i n g o f t r a n s f o r m e r t a n k . M o s t c o m m o n p r a c t i c e i s c o n n e c t i n g t h e t a n k w i t h a s e p a r a t e e a r t h w i r e t o t h e s e c o n d e a r t h e l e c t r o d e . C o n n e c t i n g o f t a n k e a r t h d i r e c t l y t o t h e l i n e e a r t h l e a d w a s a l s o o b s e r v e d . C a s e 1 T h i s i s t h e m o s t c o m m o n p r a c t i c e a n d a r r e s t e r i s m o u n t e d o n t h e t r a n s f o r m e r t a n k . T r a n s f o r m e r t a n k e a r t h i s c o n n e c t e d p a r a l l e l t o t h e a r r e s t e r e a r t h . S u r g e c u r r e n t p a s s t h r o u g h p o i n t s A , B a n d C t o t h e g r o u n d . I n t h i s s y s t e m , l e a d l e n g t h c a n b e t a k e n a s z e r o . C a s e 2 D u e t o s o m e p r a c t i c a l d i f f i c u l t i e s , H T c a b l e s a r e c o n n e c t e d d i r e c t l y t o t h e t r a n s f o r m e r H T b u s h i n g a n d t h e n t o t h e a r r e s t e r . E a r t h c o n n e c t i o n i s s a m e a s i n c a s e 1 . S u r g e c u r r e n t p a s s e s t h r o u g h A , D , B a n d C t o t h e e a r t h . L e a d l e n g t h c a n b e c o n s i d e r e d a s t h e d i s t a n c e b e t w e e n B a n d 0 a n d a v e r a g e v a l u e i s a b o u t 0 . 5 m . 3 8 ( · a s e 3 I I T c o n n e c t i o n i s s a m e a s i n t h e c a s e 1 . B u t i n t h i s s y s t e m , e a r t h w i r e i s c o n n e c t e d o n l y t o t h e a r r e s t e r b o t t o m a n d t r a n s f o r m e r t a n k i s n o t g r o u n d e d . S u r g e c u r r e n t p a s s e s t h r o u g h A , B a n d C t o t h e g r o u n d . B u t l e a d l e n g t h c a n b e c o n s i d e r e d a s t h e d i s t a n c e b e t w e e n B a n d C . ! ' h i s v a l u e c a n b e c o n s i d e r e d a s 6 m i n t h i s c a s e . A ( : ' · · · \ ( ) D B R c ' c C a s e 1 B c A I t q J ' < ' , . . C a s e 2 D F i g . 4 . 1 - C o m m o n p r a c t i c e s i n s u b s t a t i o n c o n s t r u c t i o n l n t h i s c a s e , f o r 3 K A , 1 . 2 / 5 0 ~s s u r g e c u r r e n t 5 _ ! _ = 3 / 1 . 2 = 2 . 5 k A / l i S c:~ r ! h e n t h e v o l t a g e a c r o s s t h e l e a d l e n g t h , c U L - = 0 . 4 x 1 9 . 7 x 2 . 5 = 1 9 . 7 k V A B c ~~>·, Y : . ; . + ~j ~_: R~ ~~ C a s e 3 D d t I m p u l s e r e s i s t a n c e f o r m e a s u r e d v a l u e o f 2 0 o h m s c a n b e c o n s i d e r e d a s 1 8 o h m s a t 3 k A s u r g e . T h e r e f o r e v o l t a g e a c r o s s t h e e a r t h r o d i s I . R = 3 X 1 8 = 5 4 k V I f w e t a k e t h e v o l t a g e a c r o s s t h e a r r e s t e r Y a r r a s 1 0 4 k V , T h e n t h e t o t a l v o l t a g e s t r e s s a t t h e t r a n s f o r m e r H T B u s h i n g i s d i J R + L - + V a r r = 5 4 + 1 9 . 7 + 1 0 4 = 1 7 7 . 7 k V . d t 3 9 B u t , t r a n s f o r m e r B I L l e v e l i s 2 0 0 k V . T h e r e f o r e , e v e n a t a v e r y l o w r a n g e o f s u r g e c u r r e n t s , d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r i s a t a r i s k f o r i n s u l a t i o n f a i l u r e . f o t a l v o l t a g e s t r e s s a t H T b u s h i n g w a s c a l c u l a t e d f o r e a c h c a s e a n d t h e r e s u l t s a r e g i v e n i n t h e T a b l e 4 . 2 . S u r g e V o l t a g e S t r e s s k V S u r g e k A 3 1 0 3 0 7 0 1 0 0 2 0 0 C a s e 1 ( k V ) 1 0 4 1 1 0 1 1 8 1 2 9 1 3 9 1 7 0 C a s e 2 ( k V ) 1 4 4 . 6 2 4 4 . 5 4 3 5 . 4 6 8 7 . 3 8 4 3 . 7 1 1 9 8 . 3 C a s e 3 ( k V ) 1 7 7 . 7 3 3 7 . 4 7 1 4 . 2 1 3 3 7 . 8 1 7 7 3 . 0 3 0 5 7 . 0 T a b l e 4 . 2 - V o l t a g e s t r e s s a t t r a n s f o r m e r H T b u s h i n g T h i s v a r i a t i o n c a n b e i l l u s t r a t e d a s i n t h e F i g . 4 . 2 B I L l e v e l o f t r a n s f o r m e r i s a l s o p r e s e n t e d i n t h i s f i g u r e . 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 a T / F S u r g e V o l t a g e S t r e s s V s S u r g e C u r r e n t 3 1 0 - - 1 1 - C a s e 1 3 0 7 0 C a s e 2 - c a s e 3 1 0 0 B I L 2 0 0 K A F i g . 4 . 2 - V a r i a t i o n o f t r a n s f o r m e r s u r g e v o l t a g e s t r e s s w i t h s u r g e c u r r e n t T h e s e d a t a r e v e a l s t h a t t r a n s f o r m e r c o n s t r u c t e d a s i n c a s e 1 ( Z e r o l e a d l e n g t h ) i s w e l l p r o t e c t e d u n d e r d e s i g n e d B I L . B u t i n c a s e 2 ( l e a d l e n g t h = 0 . 5 m ) , v o l t a g e s t r e s s e x c e e d s B I L l e v e l o f t r a n s f o r m e r a t a b o u t 1 0 k A o f s u r g e c u r r e n t . T h e r e f o r e , i t i s r e c o m m e n d e d t o c o n s t r u c t s u b s t a t i o n w i t h z e r o l e a d l e n g t h t o m i n i m i z e d a m a g e b y t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s . - - - - . . , . , r~ • • t \ ' - 4 0 , # , ' \ ' I " ' ) , . . . , 4 \ ' );,~ ~. ' " - . ; . . . . , ' i . U I i i . , \ , ' 1 r . . . , . . . , . . , '-......,,~'·~·· :·\'lot~" C h a p t e r 5 S e n s i t i v i t y S t u d y o f T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e s u s i n g P S C A D M o d e l s T h e P S C A D s o f t w a r e i s e s p e c i a l l y d e d i c a t e d t o t r a n s i e n t s i m u l a t i o n s o f p o w e r s y s t e m s . T h e u s e r - f r i e n d l y g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e ( G U I ) , t h e n u m e r o u s c o n t r o l t o o l s , i t s f a s t e x e c u t i o n s p e e d a n d i n t e r a c t i v i t y m a k e P S C A D a c o n v e n i e n t t o o l f o r t h e a n a l y s i s o f b e h a v i o u r o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s i n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k . I t i s u s e d i n p l a n n i n g , d e s i g n , d e v e l o p i n g n e w c o n c e p t s , t e s t i n g i d e a s , u n d e r s t a n d i n g w h a t h a p p e n e d w h e n e q u i p m e n t f a i l e d , c o m m i s s i o n i n g , p r e p a r a t i o n o f s p e c i f i c a t i o n a n d r e s e a r c h . T h e u s e r c a n e n t e r t h e p a r a m e t e r s o f t h e c o n d u c t o r s ( r e s i s t i v i t y , r a d i u s , a n d b u n d l e i n f o r m a t i o n ) a n d g e o m e t r i c a l l a y o u t o f c o n d u c t o r s o n t h e t o w e r ( d i s t a n c e s b e t w e e n c o n d u c t o r s , s a g ) [ 7 ] . 5 . 1 M o d e l f o r L i g h t n i n g S u r g e ( W a v e F o r m ) L i g h t n i n g , a s a p h y s i c a l p h e n o m e n o n , c o r r e s p o n d s t o a n i m p u l s e c u r r e n t s o u r c e t h a t i s a s e r i e s d i s c h a r g e o f a q u a n t i t y o f e l e c t r i c i t y o v e r a s h o r t p e r i o d o f t i m e . T h e a c t u a l w a v e f o r m i s q u i t e v a r i a b l e a n d c o m p r i s e s a s t e e p f r o n t t o t h e m a x i m u m a m p l i t u d e , f o l l o w e d b y a l o n g d e c r e a s i n g t a i l o f s e v e r a l t e n s o f m i c r o s e c o n d s . F o r t h e p u r p o s e o f s u r g e c a l c u l a t i o n s , i t i s o n l y t h e h e a v y c u r r e n t f l o w d u r i n g t h e r e t u r n s t r o k e t h a t i s o f i m p o r t a n c e . D u r i n g t h i s p e r i o d i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e w a v e f o r m c a n b e r e p r e s e n t e d b y a d o u b l e e x p o n e n t i a l o f t h e f o r m [ 5 ] h e s t = I ( e - a t -e-~t) T h e v a l u e s o f I , a a n d P o f t h e a b o v e e q u a t i o n m a y b e d e t e r m i n e d f o r t h e i m p u l s e w a v e i f t h e c r e s t v a l u e a n d t i m e t o c r e s t a n d t i m e t o h a l f s e t t l e o n t h e t a i l a r e k n o w n . T h e s t a n d a r d v o l t a g e w a v e f o r m u s e d i n t h e h i g h v o l t a g e t e s t i n g h a s a 1 . 2 / 5 0 m i c r o s e c w a v e f o r m t o t a k e i n t o a c c o u n t t h e m o s t s e v e r e c o n d i t i o n s . W a v e f o r m o f a s i m p l e l i g h t n i n g s u r g e c a n b e r e p r e s e n t b y [ 7 ] I = 1 . 0 2 * 1 1 * [ E X P ( - 1 3 0 0 0 * t ) - E X P ( - 4 . 4 E 6 * t ) ] 4 1 5 . 2 M o d e l s t o S t u d y T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e s i n T o w e r L i n e a n d P o l e L i n e F o r s i m u l a t i o n o f a t m o s p h e r i c o v e r v o l t a g e s i t i s n e c e s s a r y t o c r e a t e t o w e r m o d e l s , p o l e l i n e m o d e l s a n d t h e i r c o m b i n a t i o n c h a r a c t e r i z e d b y t h e i r e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s . T h e t o w e r a n d c o n d u c t o r g e o m e t r y i s r e q u i r e d t o c a l c u l a t e t h e l i n e c o n s t a n t s f o r t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l s i n P S C A D . F r o m t h e T l i n e s p a g e s i n M a s t e r L i b r a r y , c o n f i g u r a t i o n c l o s e t t o t h e o v e r h e a d d i s t r i b u t i o n l i n e c a n b e s e l e c t e d . T h e d i s t r i b u t e d t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l s o p e r a t e o n t h e p r i n c i p l e o f t r a v e l i n g w a v e s . A v o l t a g e d i s t u r b a n c e w i l l t r a v e l a l o n g a c o n d u c t o r a t i t s p r o p a g a t i o n v e l o c i t y ( n e a r t h e s p e e d o f l i g h t ) u n t i l i t i s r e f l e c t e d a t t h e e n d o f t h e l i n e . T h e r e a r e t h r e e d i s t r i b u t e d t r a n s m i s s i o n l i n e s a v a i l a b l e i n t h e T l i n e s p a g e s o f M a s t e r L i b r a r y . T h e s e a r e i n o r d e r o f i n c r e a s i n g p r e c i s i o n a s B e r g e r o n m o d e l , F r e q u e n c y D e p e n d e n t ( M o d e ) m o d e l a n d F r e q u e n c y D e p e n d e n t ( P h a s e ) m o d e l . F r e q u e n c y d e p e n d a n t ( P h a s e ) m o d e l w a s s e l e c t e d i n t h i s r e s e a r c h b e c a u s e i t r e p r e s e n t s t h e f u l l f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f a l l l i n e p a r a m e t e r s a n d i t i s u s e f u l f o r s t u d i e s w h e r e v e r t h e t r a n s i e n t b e h a v i o u r o f t h e l i n e i s i m p o r t a n t . F o r e a c h d i s t r i b u t i o n l i n e r e p r e s e n t e d i n t h e n e t w o r k d i a g r a m d i m e n s i o n s a n d d a t a r e q u i r e d [ 7 ] . T h e t r a n s m i s s i o n l i n e d a t a r e q u i r e d i n c l u d e s : T r a n s m i s s i o n l i n e c o n d u c t o r d i a m e t e r a n d r e s i s t a n c e p e r u n i t l e n g t h T o t a l l e n g t h o f e a c h t r a n s m i s s i o n l i n e S p a c i n g b e t w e e n p h a s e S h i e l d w i r e d i a m e t e r a n d r e s i s t a n c e p e r u n i t l e n g t h H e i g h t o f e a c h c o n d u c t o r a n d s h i e l d w i r e a t t h e t o w e r a n d s a g t o m i d s p a n T o w e r / p o l e d i m e n s i o n s G r o u n d c o n d u c t i v i t y T h e s i m p l e s t r e p r e s e n t a t i o n i s a l o s s l e s s d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r t r a n s m i s s i o n l i n e , c h a r a c t e r i z e d b y s u r g e i m p e d a n c e a n d a t r a v e l t i m e . T h e s u r g e i m p e d a n c e o f a l i n e c a n b e c a l c u l a t e d a s f o l l o w s . Z , 1 l _ 1' ) . 1 ( lo~(!_!"~ )~ c = 1 -~,i ~., ~ c \ 1 £ a , - . W h e r e r i s t h e r a d i u s o f c o n d u c t o r a n d d i s t h e c o n d u c t o r s p a c i n g . 4 2 B u t 1 \ / l i D f O i s v e l o c i t y o f l i g h t . S u b s t i t u t i n g t h e v e l o c i t y o f l i g h t a s 3 x l 0 / \ 8 m / s a n d s i m p l i f y i n g g i v e s Z o = 6 0 l o g e ( d / r ) 0 T h e r a d i u s o f R a c c o o n c o n d u c t o r r = 0 . 0 0 6 0 6 m a n d c o n d u c t o r s p a c i n g d = l . l m T h e r e f o r e s u r g e i m p e d a n c e o f d i s t r i b u t i o n l i n e c a n b e c a l c u l a t e d a s Z o = 6 0 * l o g e ( 1 . 1 / . 0 0 6 0 6 ) = 3 1 2 n T h e \ l n e t e r m i n a t i o n a t e a c h s i d e o f t h e a b o v e m o d e l n e e d e d t o a v o i d r e f l e c t i o n s t h a t c o u l d a f f e c t t h e s i m u l a t e d o v e r v o l t a g e s a r o u n d t h e p o i n t o f i m p a c t i s r e p r e s e n t e d b y a l o n g e n o u g h s e c t i o n w i t h i t s s u r g e i m p e d a n c e . A l i g h t n i n g s t r o k e i s r e p r e s e n t e d a s a n i d e a l c u r r e n t s o u r c e w h o s e p a r a m e t e r s a r e d e t e r m i n e d b y a m o d e l t o r e p r e s e n t l i g h t n i n g w a v e f o r m a s d e s c r i b e d i n t h e c h a p t e r 5 . 1 . M o d e l s u s e d t o s t u d y t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s d u e t o l i g h t n i n g s u r g e s i n t o w e r l i n e ( M o d e l 1 ) , p o l e l i n e ( M o d e l 2 ) a r e a t t a c h e d i n A p p e n d i x B . l a n d A p p e n d i x B . 2 . 5 . 3 S e n s i t i v i t y S t u d y t o A n a l y z e S u r g e a n d L i n e P a r a m e t e r s . S e n s i t i v i t y s t u d i e s c a n b e v e r y u s e f u l t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f l i n e a n d s t r o k e p a r a m e t e r s , a n d t o d e t e r m i n e w h a t r a n g e o f v a l u e s m i g h t b e c o n c e r n e d . A l t h o u g h t h e n u m b e r o f p a r a m e t e r s i n v o l v e d i n l i g h t n i n g c a l c u l a t i o n s i s h i g h , o n l y s o m e o f t h e m c a n b e s i m u l a t e d f r o m t h e l i n e g e o m e t r y . T h e t o w e r , p o l e a n d c o n d u c t o r g e o m e t r y i s r e q u i r e d t o c a l c u l a t e t h e l i n e c o n s t a n t s f o r a l l d i s t r i b u t i o n l i n e m o d e l s . A v a i l a b i l i t y o f e a r t h w i r e a n d i t s p o s i t i o n c a n b e e d i t e d w i t h t h e s e m o d e l s . S i z e o f t h e c o n d u c t o r s a n d t h e i r e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s , d e t a i l s o f l i n e s a g s a n d d e t a i l s o f g r o u n d p r o p e r t i e s c a n b e e d i t e d a s r e q u i r e d . W h e n t r a n s i e n t s a r e b e i n g s t u d i e d , t h e w h o l e n e t w o r k u s u a l l y d o e s n o t n e e d t o b e m o d e l e d . T o m i n i m i z e r e f l e c t i o n e f f e c t s i f a n o v e r h e a d d i s t r i b u t i o n l i n e i s m o d e l e d f o r f a s t f r o n t s w i t h a s h o r t e r l e n g t h , t h e y c a n b e t e r m i n a t e d b y r e s i s t e r s r e p r e s e n t i n g t h e s u r g e i m p e d a n c e . 4 3 T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e V a r i a t i o n w i t h P e a k C u r r e n t M a g n i t u d e o f S u r g e C u r r e n t L i g h t n i n g s t r i k e o n a p h a s e w i r e w a s s i m u l a t e d u s i n g m o d e l 1 a n d m o d e l 2 i n A p p e n d i x B , s u r g e v o l t a g e o f t h e p h a s e w i r e w a s m e a s u r e d f o r d i f f e r e n t p e a k v a l u e o f l i g h t n i n g c u r r e n t s a n d s h o w n i n t h e F i g . 5 . 1 . I n t h i s c a s e s t r i k i n g d i s t a n c e w a s a d j u s t e d t o 0 . 5 k m . T O V v a r i a t i o n w i t h S u r g e C u r r e n t ( S t r i k e o n P h a s e W i r e ) k V 3 5 0 0 0 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 1 0 3 0 5 1 1 0 2 2 0 0 k A - - T o w e r L i n e - - t s - P o l e L i n e I F i g . 5 . 1 - T O V v a r i a t i o n w i t h m a g n i t u d e o f p e a k c u r r e n t ( S t r i k e o n p h a s e w i r e ) T h i s f i g u r e s h o w s t h a t a s m a g n i t u d e o f s u r g e p e a k c u r r e n t i n c r e a s e s , t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e e x c e e d s u p t o m e g a v o l t r a n g e . A l t h o u g h t h e r e a r e d i f f e r e n c e s i n l i n e p a r a m e t e r s , s a m e p e r f o r m a n c e s a r e s h o w n i n t o w e r a n d p o l e l i n e s . S i n c e t h e d e s i g n e d v a l u e o f B I L i s 2 0 0 k V , i f a d i r e c t s t r i k e h a p p e n s o n a p h a s e w i r e , i n s u l a t o r s m a y g e t d a m a g e d a n d c a u s e e a r t h f a u l t s . D u e t o t h e a v a i l a b i l i t y o f s h i e l d w i r e , t o w e r l i n e s a r e w e l l p r o t e c t e d f r o m d i r e c t l i g h t n i n g s t r o k e s , b u t p o l e l i n e s a r e v u l n e r a b l e f o r t h e m . S t r i k e o n e a r t h w i r e w a s s i m u l a t e d w i t h s a m e m o d e l s a n d m e a s u r e d t h e v o l t a g e i n p h a s e w i r e . R e s u l t s a r e s h o w n i n t h e F i g . 5 . 2 . T h i s f i g u r e a l s o s h o w s t h a t , i n c r e a s e o f s u r g e p e a k c u r r e n t r e s u l t i n i n c r e a s e o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e i n p h a s e w i r e , b u t t h e s e v a l u e s a r e l i m i t e d a t d e s i g n e d B I L l e v e l . H e n c e i t i s r e v e a l e d t h a t t h e i n t r o d u c t i o n o f s h i e l d w i r e r e d u c e s t h e r i s k o f f l a s h o v e r s b e c a u s e t h e g r o u n d e d c o n d u c t o r r e d u c e s t h e v o l t a g e s t r e s s a c r o s s t h e i n s u l a t i o n t h r o u g h c a p a c i t i v e c o u p l i n g . A d d i n g t h e g r o u n d e d w i r e b e l o w t h e p h a s e c o n d u c t o r s r e d u c e s t h e p e r f o r m a n c e t h a n t h e o v e r o v e r b u i l t s h i e l d w i r e . A g r o u n d e d o v e r h e a d s h i e l d w i r e w i l l r e d u c e t h e v o l t a g e a c r o s s t h e i n s u l a t i o n b y a f a c t o r w h i c h d e p e n d s 4 4 o n g r o u n d i n g a n d p r o x i m i t y o f t h e g r o u n d e d c o n d u c t o r t o t h e p h a s e c o n d u c t o r . S i n c e t h e s h i e l d w i r e i s g r o u n d e d , i t w i l l s u p p r e s s t h e v o l t a g e s o n t h e p h a s e c o n d u c t o r s t h r o u g h c a p a c i t i v e c o u p l i n g . T h e c l o s e r t h e p h a s e w i r e , t h e b e t t e r t h e c o u p l i n g , a n d s m a l l e r t h e i n d u c e d v o l t a g e s w i l l b e ( a l t h o u g h t h i s m a y r e d u c e t h e C F O ) . N o t e t h a t a d d i n g a g r o u n d e d w i r e b e l o w t h e p h a s e c o n d u c t o r s w i l l h a v e a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e e f f e c t a s a n o v e r h e a d s h i e l d w i r e . T h i s f a c t o r i s t y p i c a l l y b e t w e e n 0 6 a n d 0 . 9 . T h e g r o u n d e d c i r c u i t h a s f e w e r f l a s h o v e r s f o r g i v e n C F O b e c a u s e t h e g r o u n d e d c o n d u c t o r r e d u c e s t h e v o l t a g e a c r o s s t h e i n s u l a t i o n [ 6 ] . T O V v a r i a t i o n w i t h S u r g e C u r r e n t ( S t r i k e o n E W ) - - T o w e r l i n e - l : r - P o l e L i n e F i g . 5 . 2 - T O V v a r i a t i o n w i t h m a g n i t u d e o f p e a k c u r r e n t ( S t r i k e o n e a r t h w i r e ) T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e V a r i a t i o n w i t h E a r t h R o d R e s i s t a n c e a n d S o i l R e s i s t i v i t y F o r p r o p e r l y d e s i g n e d l i n e s , h a v i n g w e l l l o c a t e d s h i e l d w i r e s , m o s t l i g h t n i n g s t r i k e s t o t h e l i n e w i l l t e r m i n a t e o n t h e s h i e l d w i r e . T h e c u r r e n t s u r g e w i l l t r a v e l a l o n g t h e s h i e l d w i r e u n t i l i t r e a c h e s a s t r u c t u r e w h e r e i t w i l l b e c o n d u c t e d d o w n i n t o t h e g r o u n d . T h e g r o u n d i n g o f s t r u c t u r e s i s n e v e r p e r f e c t a n d c a u s e s a v o l t a g e r i s e o f t h e s t r u c t u r e a b o v e g r o u n d v o l t a g e . A t t h e s a m e t i m e , v o l t a g e i s i n d u c e d o n t h e p h a s e c o n d u c t o r s t h r o u g h c a p a c i t i v e c o u p l i n g . T h e m o d e l 2 ( p o l e l i n e ) w a s c h e c k e d f o r s t r i k e o n e a r t h w i r e b y v a r y i n g e a r t h w i r e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e ( i m p u l s e r e s i s t a n c e ) a n d o b t a i n e d p e a k v a l u e s o f t r a n s i e n t v o l t a g e w a v e f o r m s o n p h a s e w i r e s . D a t a a r e s h o w n i n t h e F i g . 5 . 3 . 4 5 I n d u c e d V o l t a g e V s E W G r o u n d i n g R e s i s t a n c e { I m p u l s e R e s i s t a n c e ) 80~----------------------------~--~ 7 0 6 0 5 0 w 4 0 : t ~ 3 0 2 0 1 0 o+-------~--------~------~------~ 5 1 0 1 5 2 0 O h m s F i g . 5 . 3 - T O V v a r i a t i o n w i t h E W g r o u n d i n g r e s i s t a n c e T h i s g r a p h c l e a r l y s h o w s t h a t v o l t a g e s t r e s s i n c r e a s e s w i t h h i g h r e s i s t a n c e v a l u e s . R e d u c t i o n o f v o l t a g e s t r e s s b y g r o u n d e d w i r e d e p e n d s o n v a l u e o f e a r t h r o d r e s i s t a n c e a n d s o i l r e s i s t i v i t y i n t h e l o c a t i o n . M e a s u r e d v a l u e s o f s o i l r e s i s t i v i t y ( A p p e n d i x B . 4 ) s h o w s t h a t h i g h v a l u e s s u c h a s 7 9 2 0 - r n i s a v a i l a b l e i n h i g h a l t i t u d e a r e a s . V a r i a t i o n o f v o l t a g e s t r e s s w i t h i n c r e a s e o f s o i l r e s i s t i v i t y i s s h o w n i n t h e F i g 5 . 4 . T O V v a r i a t i o n w i t h S o i l R e s i s t a n c e ( S t r i k e o n E W ) 1 6 0 " T " ' " " - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - , 1 5 0 1 4 0 1 3 0 1 2 0 1 1 0 1 0 0 +----T---~~---,---~---~ 8 0 1 0 0 2 0 0 O h m s m 4 0 0 F i g . 5 . 4 - T O V v a r i a t i o n w i t h i n c r e a s e s o i l r e s i s t i v i t y 7 0 0 1 - T O V ( k V ) , 4 6 T r a n s i e n t O v e r v o l t a g e V a r i a t i o n w i t h S t r i k i n g D i s t a n c e . I n t h i s s t u d y f o u r d i f f e r e n t s t r i k i n g p o i n t d i s t a n c e s w e r e s t u d i e d w i t h s u r g e c u r r e n t o f 3 0 k A . A d j u s t i n g t h e l e n g t h o f f e e d e r l i n e i n e a c h m o d e l , w e c a n s i m u l a t e l i g h t n i n g s u r g e a t d i f f e r e n t s t r i k i n g d i s t a n c e s . F o r e a c h d i s t a n c e , c o r r e s p o n d i n g o v e r v o l t a g e w a s m e a s u r e d a n d p e a k v a l u e s o f o b t a i n e d w a v e f o r m s a r e p l o t t e d i n t h e F i g . 5 . 5 . T h e s e r e s u l t s s h o w t h a t t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e i s h i g h e r a s t h e m e a s u r i n g p o i n t i s c l o s e r t o t h e s t r i k i n g p o i n t . T O V v a r i a t i o n w i t h S r i k i n g D i s t a n c e T O V ( k V ) 4 4 0 0 4 2 0 0 4 0 0 0 3 8 0 0 3 6 0 0 3 4 0 0 3 2 0 0 3 0 0 0 0 . 5 2 1 0 3 0 - - - P o l e L i n e - - T o w e r l i n e S t r i k i n g D i s t a n c e ( k m ) F i g . 5 . 5 - T O V v a r i a t i o n w i t h s t r i k i n g d i s t a n c e 5 . 4 A n a l y s i s o f P e r f o r m a n c e o f S u r g e A r r e s t e r s M e t a l o x i d e s u r g e a r r e s t e r s ( M O V S ) a r e u s e d i n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s t o r e d u c e t h e s y s t e m v o l t a g e s t r e s s e s d u e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s . F o r I E E E a r r e s t o r m o d e l ( F i g . 5 . 6 ) , t h e r e i s t w o s e c t i o n s o f n o n l i n e a r r e s i s t a n c e d e s i g n a t e d A O a n d A I e a c h c o m p r i s e d o f t h e s u r g e a r r e s t e r m o d e l u s e d f o r s w i t c h i n g s u r g e t r a n s i e n t s [ 7 ] . I f d i s t h e h e i g h t o f t h e a r r e s t e r ( 0 . 3 8 5 m ) T h e n L 1 = 1 5 d = 1 5 * . 3 8 5 = 5 . 7 7 7 f l H R 1 = 6 5 d = 6 5 * 0 . 3 8 5 = 2 5 n L O = 0 . 2 d = 0 . 2 * 0 . 3 8 5 = 0 . 0 7 7 f l H C = 1 0 0 / d = 1 0 0 / 0 . 3 8 5 = 2 5 9 p F 4 7 L O L l R l c - - - - r - - F i g u r e 5 . 6 - I E E E s u r g e a r r e s t e r m o d e l C E B s p e c i f i c a t i o n f o r s u r g e a r r e s t e r i s a s f o l l o w s R a t e d V o l t a g e - 3 6 k V M a x i m u m c o n t i n u o u s o p e r a t i n g v o l t a g e ( M C O V ) - 2 9 k V M C O V i s d e f i n e d a s t h e m a x i m u m p o w e r f r e q u e n c y v o l t a g e t h a t a n a r r e s t e r i s d e s i g n e d t o w i t h s t a n d c o n t i n u o u s l y . O u r m o d e l i s b a s e d o n a s u r g e a r r e s t e r h a v i n g 1 0 k A d i s c h a r g e v o l t a g e o f 8 9 K V a t 1 . 6 p e r u n i t ( c r e s t v a l u e ) . T h e n t h e a r r e s t e r v o l t a g e r a t i n g w a s c o n s i d e r e d a s 8 9 / 1 . 6 , i . e . 5 5 k V . L i g h t n i n g a r r e s t e r s a r e u s e d i n 3 3 k V n e t w o r k t o p r o t e c t d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s f r o m l i g h t n i n g e f f e c t . T h e M o d e l 3 i n A p p e n d i x B . 3 i s u s e d t o s i m u l a t e a d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r p r o t e c t e d b y l i g h t n i n g a r r e s t e r s a n d D D L O f u s e s . I n f a s t f r o n t s t u d i e s t r a n s f o r m e r s a r e r e p r e s e n t e d b y c a p a c i t a n c e c o u p l i n g . P a r a m e t e r s l i k e a r r e s t e r c u r r e n t , v o l t a g e a n d e n e r g y a b s o r p t i o n w e r e s t u d i e d b y i n j e c t i n g a l i g h t n i n g c u r r e n t t o t h e d i s t r i b u t i o n l i n e a t a d i s t a n c e o f 0 . 5 k m . T h e m a g n i t u d e o f p e a k s u r g e c u r r e n t i n c r e a s e a n d r e s u l t a n t a r r e s t e r p e r f o r m a n c e v a l u e s a r e s h o w n i n t h e F i g . 5 . 7 . T h i s f i g u r e s h o w s t h a t , w i t h t h e i n c r e a s e o f s u r g e c u r r e n t , t h e p e a k v o l t a g e , a r r e s t e r c u r r e n t a n d e n e r g y a b s o r p t i o n i n c r e a s e s s i m u l t a n e o u s l y . T h e a m o u n t o f e n e r g y t h a t a n a r r e s t e r c a n a b s o r b r e l i a b l y i n a l i g h t n i n g f l a s h w i t h o u t s u f f e r i n g i r r e v e r s i b l e d a m a g e o r o v e r h e a t i n g i s s p e c i f i e d b y t h e m a n u f a c t u r e r . T h i s v a l u e i s g e n e r a l l y s p e c i f i e d i n k J p e r k V o f M C O V . A p p r o x i m a t e v a l u e i s 2 . 2 k J / k V . H e n c e e n e r g y a b s o r p t i o n i n 1 0 k A a r r e s t e r i s 6 3 . 8 k J ( 2 . 2 x 2 9 ) . H i g h s u r g e c u r r e n t s ( o v e r 1 0 k A ) c a u s e v e r y h i g h e n e r g y d i s s i p a t i o n a c r o s s t h e a r r e s t e r c a u s i n g a r r e s t e r f a i l u r e . 4 8 E f f e c t o f L i g h t n i n g C u r r e n t ( R g = 4 0 o h m s ) 2 5 o o r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 I r : : : ) e : : ; : I I I I 3 1 0 3 0 7 0 1 0 0 2 0 0 k v k J k A L i g h t n i n g C u r r e n t k A ~V m a x ( k V ) " " " * - A r r . E n e r g y ( k J ) - - A r r . C u r r e n t ( k A ) F i g . 5 . 7 - - A r r e s t e r p e r f o r m a n c e w i t h t h e m a g n i t u d e o f s u r g e c u r r e n t A l l o f t h e s u r g e a r r e s t e r s a r e d e s i g n e d f o r t h e e f f e c t i v e g r o u n d i n g . B u t i t i s f o u n d t h a t e a r t h r e s i s t a n c e i n s u b s t a t i o n s i n v a r i o u s p l a c e s v a r i e s f r o m a b o u t 1 2 0 t o h i g h v a l u e s s u c h a s 9 0 0 ( A p p e n d i x B . 4 ) . T h e r e f o r e , u s i n g t h i s m o d e l s u r g e c u r r e n t ( 1 0 k A ) w a s s i m u l a t e d t o c h e c k t h e a r r e s t e r p e r f o r m a n c e w i t h d i f f e r e n t e a r t h r o d r e s i s t a n c e s a n d r e s u l t s a r e s h o w n i n t h e F i g . 5 . 8 . E f f e c t o f A r r e s t e r E a r t h R o d R s i s t a n c e 4 0 : ] 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 . 1 5 0 1 0 0 s a I • ·---~t·~-~ -~· . . . ---11-···~ . ~ . . . 0 E a r t h r o d r e s i s t a n c e 0 0 1 2 5 0 2 0 0 - 1 1 - - - A r r e s t e r E n e r g y (~J) 1 / F V w a x ( k V ) - - A r r e s t e r C u r r e n t ( k . A ) A r r e s t e r V m a x ( k V ) F i g . 5 . 8 - A r r e s t e r p e r f o r m a n c e w i t h e a r t h r o d r e s i s t a n c e 4 9 V o l t a g e s t r e s s a t t h e t r a n s f o r m e r H T s i d e w a s m e a s u r e d w i t h r e f e r e n c e t o t h e e a r t h p o t e n t i a l . T h i s s i m u l a t i o n s h o w s t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f e a r t h r o d r e s i s t a n c e , c u r r e n t t h r o u g h t h e a r r e s t e r d e c r e a s e a n d s i m u l t a n e o u s l y r e d u c e s t h e e n e r g y a b s o r p t i o n . B u t v o l t a g e a c r o s s t h e a r r e s t e r k e e p s s a m e l e v e l b u t i n c r e a s e s v o l t a g e s t r e s s a t t r a n s f o r m e r ( r e f e r e n c e t o t h e e a r t h p o t e n t i a l ) . T h e s e d a t a r e v e a l s t h a t , f o r e a r t h r e s i s t a n c e o f 1 2 o h m s , v o l t a g e s t r e s s o b t a i n e d a t t r a n s f o r m e r i s 1 9 4 k V . T h e r e f o r e i t i s r e c o m m e n d e d t o m a i n t a i n l o w e a r t h r o d r e s i s t a n c e ( b e l o w 1 2 Q ) t o a c h i e v e e x p e c t e d p r o t e c t i o n f o r d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r . 5 . 5 A n a l y s i s o f N u i s a n c e F u s e B l o w s T h e a m o u n t o f e n e r g y r e q u i r e d t o m e l t h i g h v o l t a g e e x p u l s i o n f u s e s i s a c o n s t a n t f o r a l l c u r r e n t o f s h o r t d u r a t i o n , s u c h a s l i g h t n i n g s u r g e s . W h e t h e r o r n o t a f u s e w i l l b e b l o w n b y a l i g h t n i n g s u r g e c a n b e d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e a m p e r e - s q u a r e s e c o n d ( r 2 t ) o f t h e s u r g e c u r r e n t a n d c o m p a r i n g i t w i t h t h e r 2 t l e v e l r e q u i r e d t o m e l t t h e f u s e [ 9 ] . W i t h t h e u s e o f p r o d u c t b l o c k ( I x l ) a n d i n t e g r a l b l o c k ( t ) i n t h e m o d e l 3 , t h i s r 2 t v a l u e c a n b e c a l c u l a t e d f o r d i f f e r e n t s u r g e c u r r e n t s . F o r a s u r g e c u r r e n t o f 6 k A , o b t a i n e d r 2 t v a l u e i s 1 1 3 6 A 2 s , B u t d e t a i l s g i v e n b y t h e C o o p e r P o w e r S y s t e m s [ 9 ] f o r 6 K f u s e h a s i t s f t v a l u e o f 5 0 0 A 2 s . A n d 6 T f u s e h a s 1 5 0 0 A 2 s . T h e r e f o r e 6 K f u s e m a y b l o w w i t h t h a t s u r g e c u r r e n t a n d 6 T f u s e c a n w i t h s t a n d i t . 5 . 6 S u r g e D u r a b i l i t y i n S u r g e A r r e s t e r a n d D D L O F u s e C o n n e c t i o n I n t h e C E B d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s , D D L O F u s e l i n k i s f i x e d a t t h e s o u r c e s i d e a n d a r r e s t e r i s f i x e d a t t h e t r a n s f o r m e r s i d e ( l o a d s i d e ) . I f t h e a r r e s t e r i s o n s o u r c e s i d e , s u r g e a r r e s t e r f a i l u r e c o u l d c a u s e l o s s o f a l a r g e p a r t o f t h e s y s t e m . T r a d i t i o n a l l y , t h e c o n c e r n f o r f u s e s b e i n g d a m a g e d b y l i g h t n i n g h a s b e e n a d d r e s s e d b y c o n n e c t i n g t h e a r r e s t e r t o t h e s o u r c e s i d e o f t h e c u t o u t . T h i s w a y , t h e b u l k o f t h e s u r g e c u r r e n t i s b y p a s s e d b e f o r e i t r e a c h e s t h e c u t o u t . T h e s e t w o a r r a n g e m e n t s i n c o n n e c t i n g a r r e s t e r s a n d D D L O f u s e s i n d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n c a n b e s i m u l a t e d b y M o d e l 3 . C i r c u i t i n M o d e l 3 r e p r e s e n t s t h e c o n n e c t i o n o f a r r e s t e r a t l o a d s i d e . B y s h i f t i n g t h e p o s i t i o n o f b r e a k e r i n b e t w e e n a r r e s t e r a n d t r a n s f o r m e r t h e s e c o n d a r r a n g e m e n t c a n b e s i m u l a t e d . M o d e l o f t h e D D L O f u s e w a s d e v e l o p e d b y u s i n g a b r e a k e r a n d i t s t i m e c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c . 5 0 T h e s e s i m u l a t i o n s s h o w t h a t , w h e n t h e a r r e s t e r i s c o n n e c t e d a t s o u r c e s i d e , n o f u s e b l o w i n g h a p p e n s . B u t w h e n t h e c o n n e c t i o n o f D D L O i s a t s o u r c e s i d e , f u s e f a i l u r e s c a n b e o b s e r v e d a c c o r d i n g t o t h e r a t i n g a n d s e v e r i t y o f t h e s u r g e c u r r e n t . T a b l e 5 . 1 g i v e s d a t a o b t a i n e d f r o m t h e s i m u l a t i o n . S u r g e c u r r e n t k A F u s e 3 A F u s e S A F u s e S A 1 0 F u s e d N o N o 5 0 F u s e d F u s e d F u s e d 1 0 0 F u s e d F u s e d F u s e d ~- T a b l e 5 . 1 - D a t a o b t a i n e d f r o m s i m u l a t i o n o f f u s e b l o w i n g S i m u l a t i o n s w e r e d o n e f o r t h e f o l l o w i n g c o m b i n a t i o n s a n d o b s e r v e d r e s u l t s a r e : - C o n n e c t i o n w i t h D D L O f u s e o n l y ( W i t h o u t s u r g e a r r e s t e r ) I f f u s e i s n o t b l o w n , T O V a t s o u r c e s i d e i s 4 6 5 9 k V I f f u s e i s b l o w n , T O V a t s o u r c e s i d e i s 1 0 9 9 1 k V - C o n n e c t i o n w i t h D D L O f u s e a t s o u r c e s i d e a n d a r r e s t e r a t l o a d s i d e I f f u s e i s n o t b l o w n , T O V a t s o u r c e s i d e i s 2 6 3 k V I f f u s e i s b l o w n , T O V a t s o u r c e s i d e i s 1 0 3 9 0 k V - C o n n e c t i o n w i t h a r r e s t e r a t s o u r c e s i d e a n d D D L O f u s e a t l o a d s i d e I f f u s e i s n o t b l o w n , T O V a t s o u r c e s i d e i s 2 6 3 k V I f f u s e i s b l o w n , T O V a t s o u r c e s i d e i s 2 6 3 k V F i g . 5 . 9 s h o w s t h e w a v e f o r m s o b t a i n e d f r o m s i m u l a t i o n s f o r t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s a t s o u r c e s i d e a n d l o a d s i d e . T h e s e f i g u r e s s h o w t h a t a s t h e f u s e i s b l o w n , s u r g e s t r e s s i n c r e a s e s a t t h e s o u r c e s i d e . T h e r e s u l t s o f a b o v e s i m u l a t i o n s p r o v e t h a t t h e b e s t m e t h o d o f c o n n e c t i o n i s t o h a v e t h e s u r g e a r r e s t e r a t s t r i k i n g s i d e a n d D D L O f u s e f i x e d a t l o a d s i d e . _ . > . - . r - " ~- . . ~ ·~'), ' ' A < , - '~'tt·;·~ \ S o u r c e S i d e L o a d S i d e F i g . 5 . 9 - W a v e f o r m s o b t a i n e d f r o m s i m u l a t i o n o f f u s e b l o w i n g 5 1 C h a p t e r 6 P r o p o s a l s f o r I m p r o v e m e n t s o f S u r g e P e r f o r m a n c e s 6 . 1 Z e r o L e a d L e n g t h A p p l i c a t i o n i n D i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n f h e p u r p o s e o f a n a r r e s t e r i s t o l i m i t t h e v o l t a g e s t r e s s o n t h e i n s u l a t i o n e l e c t r i c a l l y i n p a r a l l e l w i t h i t , d u r i n g s u r g e e v e n t . T h e v o l t a g e s t r e s s o n t h e i n s u l a t i o n i n p a r a l l e l w i t h t h e a r r e s t e r i s t h e s u m o f t h e a r r e s t e r r e s i d u a l v o l t a g e a n d t h e i n d u c t i v e v o l t a g e o f l e a d s . I t i s p r o v e n i n t h e C h a p t e r 4 . 2 t h a t l o n g e r t h e l e a d s , t h e h i g h e r t h e v o l t a g e c r e a t e d b y t h e l e a d s d u r i n g s u r g e . S u b s t a t i o n s d e s c r i b e d i n C a s e 2 a n d C a s e 3 i n C h a p t e r 4 . 2 c a n b e c h a n g e d i n t o z e r o l e a d l e n g t h c o n f i g u r a t i o n b y M o v i n g t h e l i n e l e a d f r o m t o p o f t h e t r a n s f o r m e r t o t h e t o p o f t h e a r r e s t e r ( C a s e 2 ) A n d a d d i n g e a r t h w i r e b e t w e e n t h e a r r e s t e r b a s e a n d t h e t r a n s f o r m e r t a n k . ( C a s e 3 ) C o n s t r u c t i o n o f d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s i n p r e s e n t s p e c i f i c a t i o n , i . e . D D L O f u s e a t s o u r c e s i d e a n d s u r g e a r r e s t e r a t t r a n s f o r m e r s i d e h a s f o l l o w i n g p r o b l e m s . C o n d u c t i n g a r r e s t o r s b l o w f u s e s ( N u i s a n c e f u s e b l o w s a r e h i g h ) H i g h o u t a g e t i m e A n d t r a n s p o r t c o s t B u t i n t h e c o n f i g u r a t i o n o f a r r e s t e r a t s o u r c e s i d e , a r r e s t e r f a i l u r e m a y c a u s e p o w e r f a i l u r e f o r l a r g e p a r t o f t h e s y s t e m . A l s o t h e r e i s n o w a y o f k n o w i n g w h e n a r r e s t e r i s s p e n t . I f a r r e s t e r a n d D D L O f u s e l i n k c a n b e c o n n e c t e d i n a p a r a l l e l c o m b i n a t i o n t o t h e t r a n s f o r m e r t a n k t h e n t h e a d v a n t a g e s d e s c r i b e d a b o v e c a n b e a c h i e v e d . T h e T r a n s f o r m e r C o m b i U n i t ( F i g . 6 . 1 ) p l a c e d a t p o l e m o u n t e d t r a n s f o r m e r s e n s u r e s t h a t t h e f u s e i s r e m o v e d f r o m t h e l i g h t n i n g p a t h e l i m i n a t i n g n u i s a n c e b l o w s [ 1 1 ] . T h e s u r g e a r r e s t e r i s c r i t i c a l t o t h e o p e r a t i o n o f t h e T r a n s f o r m e r C o m b i U n i t . T h e u n i t a l l o w s t h e a r r e s t e r t o b e d e a l t w i t h t h e l i g h t n i n g t r a n s i e n t b y p r o v i d i n g a n d m a i n t a i n i n g a h e a l t h y p a t h t o e a r t h . O n c e t h e s u r g e a r r e s t e r i s s p e n t , i t a l e r t s t h e o p e r a t o r b y d r o p p i n g o u t . I t h a s a f a c i l i t y o n i t s p o l e c l a m p , f o r t h e s p a r e a r r e s t e r w h i c h t h e n c a n b e r e p l a c e d o n t h e s p o t . T h e c u s t o m e r e x p e r i e n c e s a m u c h b e t t e r q u a l i t y o f s u p p l y , d u e t o t h e s u r g e a r r e s t e r e n h a n c e d p r o t e c t i o n c a p a b i l i t i e s p r o t e c t i n g b o t h t h e t r a n s f o r m e r a n d f u s e s . 5 2 D D L O U n i t S u r g e A r r e s t e r F i g . 6 . 1 - T r a n s f o r m e r C o m b i U n i t o f L i v e L i n e T e c h n o l o g y 6 . 2 U s e o f S u r g e D u r a b l e F u s e L i n k s I n s e l e c t i n g f u s e s f o r t r a n s f o r m e r p r o t e c t i o n , a k e y e l e m e n t t h a t i s u s u a l l y o v e r l o o k e d i s t h a t o f l i g h t n i n g . U s e o f f u s e s w i t h h i g h s u r g e w i t h s t a n d c a p a b i l i t i e s i s t h e o n e a n s w e r f o r n u i s a n c e f u s e b l o w i n g . T t y p e f u s e l i n k s p r o v i d e s l o w e r t i m e c h a r a c t e r i s t i c t h a n t h e K t y p e f u s e . U s e o f s l o w f u s e w i t h h i g h r a t i n g e x p o s e s t h e t r a n s f o r m e r t o f a i l u r e s d u e t o o v e r l o a d s . T h e m u l t i p l e e l e m e n t d e s i g n o f D l i n k c o m b i n e s t h e o v e r l o a d p r o t e c t i o n o f s m a l l a m p l i n k s a n d t h e h i g h s u r g e ( e t ) c a p a b i l i t y o f h i g h a m p l i n k s . T h e m i n i m u m m e l t T i m e C u r r e n t C h a r a c t e r i s t i c ( T C C ) c u r v e s i n F i g . 6 . 2 i l l u s t r a t e t h e d u e l e l e m e n t c h a r a c t e r i s t i c o f t h e D l i n k f u s e a n d i t s h i g h s u r g e c e t ) c a p a b i l i t y [ 9 ] . T 1 m e : n S e c A . 2 S 8 0 0 0 M i n i m u m M e l t I~ 1 0 5 0 5 0 0 0 6 T 0 . 1 6 K 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 5 Q A 5 N 6 K 5 H 6 T 5 8 5 0 C u r r i : n ! i n AP1pere~ F u s e A m p R a t i n g F i g . 6 . 2 - T i m e C u r r e n t C h a r a c t e r i s t i c ( T C C ) c u r v e s a n d i t v a l u e s o f f u s e s 5 3 6 . 3 I n t r o d u c t i o n o f L i g h t n i n g P r o o f F u s e s T h e L i g h t n i n g P r o o f F u s e ( L P F ) i s a c o n v e n i e n t a n d c o s t e f f e c t i v e m e t h o d o f o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n , w i t h t h e a d v a n t a g e o f e l i m i n a t i n g n u i s a n c e f u s e b l o w s . O p e r a t i o n o f t h e L P F i s d e s c r i b e d i n t h e F i g . 6 . 3 . T h e p o w e r f r e q u e n c y f l o w s t h r o u g h t h e i n d u c t a n c e c o i l a n d t h e s t a n d a r d f u s e l i n k . T h e c o i l a l l o w s t h e s y s t e m f r e q u e n c y c u r r e n t t o o p e r a t e t h r o u g h i t , b u t b l o c k s h i g h f r e q u e n c y t r a n s i e n t s , n o t a l l o w i n g t h e s e h i g h t r a n s i e n t s t o f l o w t h r o u g h t h e f u s e . T h e h i g h f r e q u e n c y t r a n s i e n t i s b y - p a s s e d v i a a n a r c h i n g h o m . ! D v e m o a d t ; n e 5 0 H z t " ' " L i g h t n i n g P r o o f F u s e G a p · . . . U g h t n m g l .~ . . ~ I n d u c t o r --~~--·,.----~----' . . y · · ' \ . . . ' , · ' . : J : ' . ' ' - ' ~ Y ' l • ' ~ '"~"-; ; ' ; , . - S , - g e A r r " t " ~ ' , ' , ~~ T m n s f o r m " ' I - ' F i g . 6 . 3 - L i g h t n i n g P r o o f F u s e . / 6 . 4 U s e o f S u r g e A r r e s t e r i n C o n n e c t i o n b e t w e e n P o l e L i n e a n d T o w e r L i n e A s d e s c r i b e d i n C h a p t e r 5 . 7 t h e b e s t m e t h o d o f c o n n e c t i n g a r r e s t e r w h i c h m m 1 m 1 z e s s t r e s s e s i s t h e o n e h a v i n g s u r g e a r r e s t e r a t s t r i k i n g s i d e a n d D D L O f u s e f i x e d a t l o a d s i d e . S i n c e t h e r e a r e m o r e l i g h t n i n g p r o n e p o l e l i n e s i n h i l l y a r e a s , i t i s r e c o m m e n d e d t o f i x s u r g e a r r e s t e r a t s t r a t e g i c p o i n t s i n p o o r p e r f o r m i n g s p u r l i n e s . T h e a r r e s t e r s h o u l d b e f i x e d a t p o l e l i n e s i d e n e x t t o t h e D D L O c u t o u t s . I f a d r o p d o w n t y p e a r r e s t e r ( D e s c r i b e d i n C h a p t e r 6 . 1 ) i s u s e d i n t h i s a p p l i c a t i o n t h e n t o t a l f e e d e r f a i l u r e s d u e t o f a i l o f a r r e s t e r c a n b e e l i m i n a t e d . 5 4 6 . 5 O t h e r I m p r o v e m e n t s O t h e r p r o p o s a l s f o r i m p r o v e m e n t s a r e : • R e d u c t i o n o f s p a n l e n g t h o f g r o u n d i n g p o i n t s o f o v e r h e a d e a r t h w i r e T h e c u r r e n t f l o w i n g i n t o t h e g r o u n d w i r e r e d u c e s t h e i n d u c e d v o l t a g e d u e t o e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g b e t w e e n a n o v e r h e a d g r o u n d w i r e a n d p h a s e c o n d u c t o r . E a r t h w i r e o f p o l e l i n e s a r e g r o u n d e d a t t e n s i o n p o i n t s o n l y . S o m e t i m e s t h e s e s p a n l e n g t h s e x c e e d o v e r 2 0 0 m . S h o r t e n i n g t h e g r o u n d i n g i n t e r v a l f o r o v e r h e a d e a r t h w i r e r e d u c e s t h e v o l t a g e s t r e s s l i n e a r l y , b u t i t i s n o t p o s s i b l e t o l i m i t f a i l u r e s d r a s t i c a l l y [ 1 2 ] . • A v o i d c o n n e c t i n g s t a y w i r e t o t h e c r o s s a r m a s s e m b l y o f p o l e s t r u c t u r e S i n c e t h e s t a y i n s u l a t o r s a r e h a v i n g l e s s B I L l e v e l ( 3 0 k V ) , s t r i k e s m a y f l a s h o v e r t h r o u g h s t a y w i r e t o t h e g r o u n d . • A v o i d o f f i x i n g p i n i n s u l a t o r t o t o w e r s S o m e t i m e s p i n i n s u l a t o r s a r e u s e d i n t a p p i n g p o i n t s . S i n c e t o w e r l i n e s c o n s i s t o f s u s p e n s i o n i n s u l a t o r s t r i n g s , i n s u l a t i o n l e v e l s i s o v e r 3 2 0 k V . B u t w i t h t h e i n t r o d u c t i o n o f p i n i n s u l a t o r s , i n s u l a t i o n l e v e l m a y r e d u c e s u p t o 1 8 0 k V . • M a i n t a i n s p e c i f i e d c l e a r a n c e s b e t w e e n p h a s e s a n d e a r t h w i r e s A i r i n s u l a t i o n l e v e l i s 6 0 0 k V / m . D u e t o t h e v a r i a t i o n o f s a g s a n d o t h e r r e a s o n s , a i r g a p b e t w e e n p h a s e a n d e a r t h w i r e s s h o r t e n s a n d r e d u c e s t h e i n s u l a t i o n l e v e l . • P r o p e r l y f i x i n g o f D D L O c u t o u t s a n d o t h e r e q u i p m e n t M o s t o f t h e s e e q u i p m e n t s p o s s e s s l e s s B I L . T h e r e f o r e p r o p e r i n s t a l l a t i o n I S r e q u i r e d t o m a i n t a i n c l e a r a n c e b e t w e e n g r o u n d e d p a r t s . • C l e a n i n g o f i n s u l a t o r s , b u s h i n g s e t c . D e p o s i t s o f p o l l u t a n t s m a y i n c r e a s e w i t h a g i n g . T h e r e f o r e p r o p e r m a i n t e n a n c e p r o g r a m m e s m u s t b e a d o p t e d t o c l e a n a n d w a s h t h e s e i n s u l a t o r s . • M a i n t a i n t h e w a y l e a v e c l e a r a n c e s P r o p e r w a y l e a v e s c l e a r a n c e p r o g r a m m a y i n c r e a s e t h e l i n e i n s u l a t i o n l e v e l s i g n i f i c a n t l y ( I n c r e a s e o f a i r g a p ) . 5 5 C h a p t e r 7 C o n c l u s i o n s R e a s o n s f o r o v e r h a l f o f t h e f e e d e r f a i l u r e s a n d M V b r e a k d o w n s a r e c a u s e d b y w e a t h e r r e l a t e d i n c i d e n t s . D u r i n g t h e y e a r 2 0 0 8 , t r a n s f o r m e r f a i l u r e r a t e w a s 2 % o f i t s t o t a l p o p u l a t i o n a n d m u c h h i g h e r t h a n t h e a c c e p t a b l e l e v e l ( 0 . 5 % ) . T h e m a i n r e a s o n s w e r e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g . S i n c e n o s p e c i f i c r e a s o n i s r e p o r t e d f o r H T f u s e f a i l u r e s i n s u b s t a t i o n s , a l a r g e n u m b e r o f H T f u s e f a i l u r e s c a n b e c o n s i d e r e d a s n u i s a n c e f u s e b l o w i n g . A b o u t 3 7 % o f l i g h t n i n g r e l a t e d f a i l u r e s c a n b e o b s e r v e d f r o m t h e t o t a l M V f a i l u r e s o f t h e U v a p r o v i n c e . T h e r e f o r e i t i s c l e a r t h a t f a i l u r e s d u e t o t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s p l a y m a j o r i m p a c t t o t h e r e l i a b i l i t y o f M V n e t w o r k a n d h e n c e s t u d y o f t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s a n d m i t i g a t i o n m e a s u r e s a r e v e r y i m p o r t a n t t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f t h e s u p p l y . M o s t o f t h e 3 3 k V f e e d e r l i n e s i n t h e U v a p r o v i n c e a r e v e r y l e n g t h y ( o v e r 2 5 0 k m ) a n d c o v e r d i f f e r e n t g e o g r a p h i c a l a r e a s . T h e s e l i n e s c o n s i s t o f b o t h t o w e r a n d p o l e l i n e c o m b i n a t i o n a n d m o s t o f t h e s p u r l i n e s a r e h a v i n g s h o r t d i s t a n c e s , b u t o v e r 1 0 k m l e n g t h o f s p u r l i n e s a r e a l s o a v a i l a b l e . D u e t o t h e v a r i a t i o n o f l i n e h e i g h t , i n s u l a t i o n l e v e l s a n d a v a i l a b i l i t y o f s h i e l d w i r e , p e r f o r m a n c e a g a i n s t t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s d i f f e r f r o m t o w e r l i n e t o p o l e l i n e . S o m e o v e r h e a d l i n e s i n t h e s y s t e m a r e i n s t a l l e d o n h i g h r i d g e s w h i c h a r e p r e d o m i n a n t i n t h i s r e g i o n , e x p o s i n g a n d m a k i n g t h e m v u l n e r a b l e t o l i g h t n i n g . S t u d y o f s h i e l d i n g e f f e c t r e v e a l s t h a t i n s o m e o f t h e s p u r l i n e s , n e a r b y t r e e s a r e n o t h i g h e n o u g h t o p r o t e c t t h e l i n e s t ' r o m d i r e c t s t r o k e s . T h e r e f o r e , t h e s h i e l d i n g f a c t o r c a n b e c o n s i d e r e d a s l e s s t h a n 0 . 5 f o r t h i s t y p e o f l i n e s . T h e r e f o r e , d i r e c t c o n n e c t i o n o f s p u r l i n e s ( P o l e L i n e s ) t o t o w e r l i n e a f f e c t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e m a i n f e e d e r . I t i s r e c o m m e n d e d t o f i x s u r g e a r r e s t e r a t s t r a t e g i c p o i n t s i n p o o r p e r f o r m i n g p o l e l i n e s t o i m p r o v e l i n e p e r f o r m a n c e . L i n e p e r f o r m a n c e i n p o l e l i n e s w h i c h a r e n o t s h i e l d e d b y n e a r b y t r e e s c a n b e i m p r o v e d b y a d d i n g o v e r b u i l t e a r t h w i r e a n d r e d u c i n g t h e s p a n l e n g t h o f g r o u n d i n g p o i n t s . 5 6 E s t i m a t e d f l a s h o v e r r a t e s ( D i r e c t a n d I n d u c e d ) o f f e e d e r l i n e s r e v e a l t h a t f e e d e r l i n e s w h i c h a r e h a v i n g m o r e l i n e l e n g t h , r u n n i n g o v e r h i g h g r o u n d f l a s h d e n s i t y a r e a s a n d h a v i n g m o r e s p u r l i n e s a r e s u b j e c t e d t o m o r e f l a s h o v e r s . F e e d e r 6 ( P a s s a r a f e e d e r ) s h o w s t h e m o s t p o o r l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e ( 2 9 1 f l s a h e s / y e a r ) . S i n c e t h e c r o s s a r m a s s e m b l y i s e a r t h e d i n p o l e l i n e s , t h e l o w e s t C F O l e v e l i s f o u n d f o r f l a s h o v e r p a t h f r o m p h a s e w i r e s t o e a r t h w i r e t h r o u g h p i n i n s u l a t o r ( 1 8 0 k V ) . T h e B I L v a l u e o f t h e s t a y i n s u l a t o r i s 3 0 k V , t h e r e f o r e t h e n e x t f l a s h o v e r p a t h h a v i n g l o w e s t C F O v a l u e i s f l a s h o v e r t h r o u g h p i n i n s u l a t o r t o s t a y w i r e . T e s t v a l u e s s h o w t h a t m o s t o f t h e s u r f a c e d a m a g e d i n s u l a t o r s s a t i s f y t h e d e s i g n e d i n s u l a t i o n l e v e l s , b u t i n s u l a t o r s c o v e r e d w i t h m o s s a r e h a v i n g l e s s i n s u l a t i o n l e v e l . T h i c k n e s s a n d s e v e r i t y o f d e p o s i t e d p o l l u t a n t m a y i n c r e a s e w i t h t h e a g i n g o f t h e f e e d e r l i n e a n d f o u n d t h a t a g e o f m o s t o f t h e f e e d e r l i n e s a r e o v e r 1 0 y e a r s . L i g h t n i n g s u r g e s c o n t i n u e t o b e t h e m a j o r c a u s e o f p r e m a t u r e t r a n s f o r m e r f a i l u r e s . F a s t r i s e t i m e s u r g e s t h a t g e n e r a t e e x c e s s i v e v o l t a g e t h r o u g h t h e p r i m a r y a r r e s t e r a n d c o n n e c t i n g l e a d s m a y a f f e c t t h e s u r g e p e r f o r m a n c e o f d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s . A r r e s t e r l e a d l e n g t h b e c o m e s c r i t i c a l d u r i n g a l i g h t n i n g d i s c h a r g e b e c a u s e i t g e n e r a t e s h i g h v o l t a g e s t r e s s w h i c h m a y f a i l d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r . H e n c e , i t i s r e c o m m e n d e d t o c o n s t r u c t s u b s t a t i o n w i t h z e r o l e a d l e n g t h t o m i n i m i z e d a m a g e b y t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e s . T h e r e f o r e i t i s r e c o m m e n d e d t o r e v i s e t h e s p e c i f i c a t i o n s a n d d r a w i n g s i n C E B c o n s t r u c t i o n m a n u a l s . I f a r r e s t e r a n d D D L O f u s e l i n k c a n b e c o n n e c t e d i n a p a r a l l e l c o m b i n a t i o n t o t h e t r a n s f o r m e r t a n k t h e n t h e a d v a n t a g e s d e s c r i b e d a b o v e c a n b e a c h i e v e d . A l s o , l a b o r a t o r y t e s t s h o u l d b e d o n e t o i d e n t i f y t h e c a u s e f o r f a i l e d t r a n s f o r m e r s a n d t h e n t o r e v i s e s p e c i f i c a t i o n s f o r B I L v a l u e s a n d t h e i r p r o t e c t i o n s . S e n s i t i v i t y s t u d i e s u s i n g P S C A D m o d e l s r e v e a l t h a t i n c a s e o f s t r i k e s t o p h a s e w 1 r e , t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e e x c e e d s u p t o m e g a v o l t r a n g e . B u t , i n t r o d u c t i o n o f s h i e l d w i r e r e d u c e s t h e r i s k o f f l a s h o v e r s f r o m d i r e c t a n d i n d u c e d s t o k e s . T r a n s i e n t o v e r v o l t a g e i s h i g h e r i n p l a c e s c l o s e t o t h e s t r i k i n g p o i n t . A l s o , v o l t a g e s t r e s s i n c r e a s e s w i t h h i g h e a r t h r o d r e s i s t a n c e v a l u e s . T h i s i s s a m e f o r h i g h s o i l r e s i s t i v i t y v a l u e s , e s p e c i a l l y i n h i g h a l t i t u d e a r e a s . 5 7 - - - - - - S i m u l a t i o n o f s u r g e a r r e s t e r p e r f o r m a n c e s h o w s t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f s u r g e c u r r e n t , t h e p e a k v o l t a g e , a r r e s t e r c u r r e n t a n d e n e r g y a b s o r p t i o n i n c r e a s e s s i m u l t a n e o u s l y . H i g h s u r g e c u r r e n t s ( o v e r 1 0 k A ) c a u s e v e r y h i g h e n e r g y d i s s i p a t i o n a c r o s s t h e a r r e s t e r c a u s i n g a r r e s t e r f a i l u r e . T h e r e f o r e i t i s r e c o m m e n d e d t o m a i n t a i n l o w e a r t h r o d r e s i s t a n c e ( b e l o w 1 2 Q ) t o a c h i e v e e x p e c t e d p r o t e c t i o n f o r d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r . T e s t i n g a n d e a r l y i d e n t i f i c a t i o n o f a r r e s t e r p e r f o r m a n c e i s a k e y s t e p t o b e t a k e n t o m i n i m i z e t r a n s f o r m e r f a i l u r e s . C o n n e c t i n g l i g h t n i n g a r r e s t e r a t s o u r c e s i d e r e d u c e s n u i s a n c e f u s e b l o w s . W h e t h e r o r n o t a f u s e w i l l b e b l o w n b y a l i g h t n i n g s u r g e c a n b e d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e a m p e r e - s q u a r e s e c o n d ( I 2 t ) o f t h e s u r g e c u r r e n t a n d c o m p a r i n g i t w i t h t h e I 2 t l e v e l r e q u i r e d t o m e l t t h e f u s e . U s e o f m u l t i p l e e l e m e n t d e s i g n f u s e l i n k s ( D l i n k ) w i t h h i g h s u r g e ( e t ) c a p a b i l i t y i s a s o l u t i o n f o r n u i s a n c e f u s e b l o w s . U s e o f l i g h t n i n g p r o o f f u s e i s a n o t h e r a p p l i c a t i o n t o r e d u c e i t . H i g h r a t e o f H T f u s e b l o w i n g c a n b e m i n i m i z e d b y h a v i n g a p r o p e r c o o r d i n a t i o n b e t w e e n H T a n d L T f u s e s . 5 8 R e f e r e n c e s [ 1 ] J . R . L u c a s , " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n E v a l u a t i o n a n d M a n a g e m e n t R i s k " , S e m i n a r o n L i g h t n i n g P r o t e c t i o n , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , 2 0 0 1 . [ 2 ] C . A N u c c i , " L i g h t n i n g - I n d u c e d O v e r v o l t a g e " , I E E E T r a n s m i s s i o n a n d D i s t r i b u t i o n C o n f e r e n c e , P a n e l S e s s i o n , A p r i l 1 9 9 9 . [ 3 ] S . Y o k o y a m a , " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n o f O v e r h e a d P o w e r D i s t r i b u t i o n L i n e s " , P r o c e e d i n g s o f t h e X I V I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n H i g h V o l t a g e E n g i n e e r i n g , T s i n g h u a U n i v e r s i t y , C h i n a , A u g 2 0 0 5 . [ 4 ] B e n o i t d e M e t z - N o b l a t , " L i g h t n i n g a n d H V E l e c t r i c a l I n s t a l l a t i o n s " , C a s h i e r T e c h n i q u e M e r l i n G e r i n , n 1 6 8 , 1 9 9 4 [ 5 ] J . R . L u c a s " L i g h t n i n g P h e n o m e n a " , C h a p t e r 3 , H i g h V o l t a g e E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a [ 6 ] " G u i d e f o r I m p r o v i n g t h e L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e o f E l e c t r i c a l P o w e r O v e r h e a d D i s t r i b u t i o n L i n e s " , I E E E S t a n d a r d 1 4 1 0 , 2 0 0 2 [ 7 ] " I n t r o d u c t i o n t o P S A C D / E M T D C V e r s i o n 3 " , M a n i t o b a H V D C R e s e a r c h C e n t e r I n c , 2 0 0 1 [ 8 ] I . A . M e t w a l l y , " E l e c t r o s t a t i c a n d E l e c t r o d y n a m i c s F i e l d A n a l y s i s o f 3 3 k V l i n e I n s u l a t o r s " , V o l u m e 7 , I s s u e 3 , 2 0 0 6 [ 9 ] P . W i s c o n s i n , " P r o t e c t i v e E q u i p m e n t U p d a t e " , C o o p e r p o w e r s y s t e m s , A p r i l 1 9 9 2 [ 1 0 ] D . A . Z a l a r , " A r r e s t e r C o n n e c t i o n s w h e n u s i n g A d d - o n C u r r e n t L i m i t i n g F u s e s o n O v e r h e a d D i s t r i b u t i o n S y s t e m s " , E n g i n e e r i n g a n d O p e r a t i n g C o n f e r e n c e , P a c i f i c C o a s t E l e c t r i c a l A s s o c i a t i o n , M a r c h 1 9 7 8 [ 1 1 ] " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n P r o d u c t " , L i v e L i n e T e c h n o l o g y , S o u t h A f r i c a , w w w . l i v e l i n e . c o . z a [ 1 2 ] A . J . E r i c k s s o n , M . F . S r i n g f i l l e w , a n d D . V M e a l , " L i g h t n i n g I n d u c e d O v e r v o l t a g e o n O v e r h e a d D i s t r i b u t i o n L i n e s " , I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r A p p a r a t u s a n d S y s t e m s , V o l . P A S - 1 0 1 , N o 4 , A p r i l 1 9 8 2 . [ 1 3 ] " C E B D i s t r i b u t i o n C o n s t r u c t i o n S t a n d a r d " , D i s t r i b u t i o n D e v e l o p m e n t B r a n c h , C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d , 1 9 9 7 . 5 9 [ 1 4 ] " G u i d e l i n e s f o r D i s t r i b u t i o n S y s t e m E a r t h i n g " , D i s t r i b u t i o n P l a n n i n g B r a n c h , C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d , O c t 1 9 9 8 [ 1 5 ] A . B W e e r a s e k a r a , " A c t i v i t y o f C l o u d - t o - G r o u n d L i g h t n i n g O b s e r v e d i n S r i L a n k a " , S r i L a n k a n J o u r n a l o f P h y s i c s , V o l . 2 , 2 0 0 1 . [ 1 6 ] M . D a r v e n i z a , T . K . S a h a a n d S . W r i g h t , " S t u d i e s o f I n - s e r v i c e a n d L a b o r a t o r y F a i l u r e s o f M e t a l O x i d e D i s t r i b u t i o n S u r g e A r r e s t e r s " , J o u r n a l o f E l e c t r i c a l & E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g , T h e U n i v e r s i t y o f Q u e e n s l a n d , A u s t r a l i a , V o l . 2 2 , N o 2 , 2 0 0 3 . [ 1 7 ] S . R . D u g e l , " I n s u l a t i o n C o o r d i n a t i o n o f Q u a d r u p l e C i r c u i t H i g h V o l t a g e T r a n s m i s s i o n L i n e s U s i n g A T P - E M T P " , T h e s i s f o r M a s t e r o f E n g i n e e r i n g , F a c u l t y o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , M a l a y s i a , M a y 2 0 0 7 . 6 0 A p p e n d i x A D e f i n i t i o n s B a c k f l a s h o v e r ( l i g h t n i n g ) : A f l a s h o v e r o f i n s u l a t i o n r e s u l t i n g f r o m a l i g h t n i n g s t r o k e t o a p a r t o f a n e t w o r k o r e l e c t r i c i n s t a l l a t i o n t h a t i s n o r m a l l y a t g r o u n d p o t e n t i a l . B a s i c i m p u l s e i n s u l a t i o n l e v e l ( B I L ) : A r e f e r e n c e i m p u l s e i n s u l a t i o n s t r e n g t h e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e c r e s t v a l u e o f w i t h s t a n d s v o l t a g e o f a s t a n d a r d f u l l i m p u l s e v o l t a g e w a v e . C r i t i c a l i m p u l s e v o l t a g e ( C F O ) : T h e c r e s t v a l u e o f t h e i m p u l s e w a v e t h a t , u n d e r s p e c i f i e d c o n d i t i o n s , c a u s e s f l a s h o v e r t h r o u g h t h e s u r r o u n d i n g m e d i u m o n 5 0 % o f t h e a p p l i c a t i o n . D i r e c t s t r o k e : A l i g h t n i n g s t r o k e d i r e c t t o a n y p a r t o f a n e t w o r k . G r o u n d e l e c t r o d e : A c o n d u c t o r o r g r o u p o f c o n d u c t o r s i n i n t i m a t e c o n t a c t w i t h t h e g r o u n d f o r t h e p u r p o s e o f p r o v i d i n g a c o n n e c t i o n w i t h t h e g r o u n d . G r o u n d f l a s h d e n s i t y ( G F D ) : T h e a v e r a g e n u m b e r o f l i g h t n i n g s t r o k e s p e r u n i t a r e a p e r u n i t t i m e a t a p a r t i c u l a r l o c a t i o n . I n d i r e c t s t r o k e : A l i g h t n i n g s t r o k e t h a t h a s n o t d i r e c t l y s t r i k e s a n y p a r t o f a n e t w o r k b u t i n d u c e s a n o v e r v o l t a g e i n i t . I n d u c e d v o l t a g e : T h e v o l t a g e i n d u c e d o n a n e t w o r k o r e l e c t r i c i n s t a l l a t i o n b y a n i n d i r e c t s t r o k e . L i n e l i g h t n i n g p e r f o r m a n c e : T h e p e r f o r m a n c e o f a l i n e e x p r e s s e d a s t h e a n n u a l n u m b e r o f l i g h t n i n g f l a s h o v e r s o n a c i r c u i t m i l e . O v e r h e a d g r o u n d w i r e ( O H G W ) : G r o u n d e d w i r e p l a c e d a b o v e p h a s e c o n d u c t o r s f o r t h e p u r p o s e o f i n t e r c e p t i n g d i r e c t s t r o k e s . S h i e l d i n g a n g l e : T h e a n g l e b e t w e e n t h e v e r t i c a l l i n e t h r o u g h t h e o v e r h e a d g r o u n d w i r e a n d a l i n e c o n n e c t i n g t h e o v e r h e a d g r o u n d w i r e w i t h t h e s h i e l d e d c o n d u c t o r . S h i e l d w i r e : g r o u n d e d w i r e p l a c e d n e a r t h e p h a s e c o n d u c t o r s f o r t h e p u r p o s e o f p r o t e c t i n g p h a s e c o n d u c t o r s f r o m d i r e c t l i g h t n i n g s t r o k e a n d r e d u c i n g i n d u c e d v o l t a g e s f r o m e x t e r n a l e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s . S u r g e a r r e s t e r : A p r o t e c t i v e d e v i c e f o r l i m i t i n g s u r g e v o l t a g e s o n e q u i p m e n t s b y d i v e r t i n g s u r g e c u r r e n t a n d r e t u r n i n g t h e d e v i c e t o i t ' s o r i g i n a l s t a t u s . 6 1 A p p e n d i x B A p p e n d i x B . l M o d e l l - P S C A D m o d e l f o r T o w e r L i n e 1 4 m T o w e r L r n e ( D e l t a ) r 1 U n d e r bui~ E W I 3~ < I TL~ne--1>lfit-----------\-~~=== ~.( I~ T l i n e _ I o ; > - ; . - T l l n e - - - - 1 r I t 1 J ~~ ~ t 5 I " I ' ~ ~ r - ; , ; l - ! 1 1 1 } 1 } ; ; ~:>~s ~ 1_~ ~ _ - _ - - j _ 1 1 1 < _ : 1 ; , -~ T I M E (-\~ - - -~ - j _ - M a L . . ' + 1 1 0 2 • • . 1 : : : : L i g h t n i n g ~ ) : S u r g e ~~ -~- S u r g e l m p e d e n c e f a L : : : · ; o d d = > : . _ , 2 9 . 4 2 8 6 S i m p l e L i g h t n i n g S u r g e 1 . 2 ' 5 0 U s e e : I = 1 . 0 2 ' 1 1 ' [ E X P ( - 1 3 0 0 0 • t ) - F r e q u e n c y D e p e n d e n t ( P h a s e ) M o d e l O p t i o n s T r a v e l T i m e I n t e r p o l a t i o n · O n C u r v e F i t t i n g S t a r t i n g F r e q u e n c y · 0 5 [ H z ] C u r v e F i t t i n g E n d F r e q u e n c y 1 . 0 E 6 [ H z ] T o t a l N u m b e r o f F r e q u e n c y I n c r e m e n t s : 1 0 0 M a x 1 m u m O r d e r o f F i t t i n g f o r Y S u r g e : 2 0 M a x i m u m O r d e r o f F i t t i n g f o r P r o p . F u n c 2 0 M a x i m u m F i t t i n g E r r o r f o r Y S u r g e 2 [ 0 ! . . 1 ] M a x i m u m F i t t i n g E r r o r f o r P r o p . F u n c . 2 { % ] e c 1 C 3 4 [ m ] ' C 2 ' 1 0 [ m ] v 2 [ m ] " " ( - c . 1 . 5 [ m ] T o w e r : 3 H 5 C o n d u c t o r s · R a c c o n G r o u n d _ W i r e s : : : s m m H i g h S t r e n g t h S t e e l O [ m ] - ) G r o u n d R e s i s t i v i t y : 1 0 0 . 0 [ o h m ' m ] R e l a t i v e G r o u n d P e r m e a b i l i t y : 1 0 E a r t h R e t u m F o r m u l a · A n a l y t i c a l A p p r o x i m a t i o n 6 2 A p p e n d i x B . 2 M o d e l 2 - P S C A D m o d e l f o r p o l e l i n e g : ~ 2 1 1 m P o l e L i n e ( 9 . 2 m ) U n d e r f i x e d E W , - - - - - - - t ' ) < l r - - - - - E . g T l i n e V o l t a g e w w N i i S u r g e l m p e d e n c e M a l . L i g h t n i n g ,~200 T I M E l l ! I l T i n e - L a - l J w i · w 1 w w N ~<.N>~ o o : ? o > g . i~ilil2-l- E S u r g e s t (-')--~ " ' - . _ + _ / ~ T I F - L a - : . , ~00 S i m p l e L i g h t n m g S u r g e 1 . 2 • 5 0 U s e e . f a ] c . : {~::-:~"lt: - · T I E 0 h ~T . § ' l f - - / V ' l ' - 3 1 2 . 0 [ o h m ) T h n e T N n e B R K - " ' ' - ' - - E - - - - E o t = E b M a l . . • g h t n i n g : : - 2 0 0 . ~ : . o 3 1 . 7 4 6 L - C B Tl~l; - G - . ~ t J '~~-fi ' i : / T , , M e a s u r e m e n t s o f a r r e s t e r c u r r e n t a n d e n e r g y o - l a r r 1 o Q - i F 1 a ? r 2 l c : l a r r E a ' i r 1 - - - - ~- - 0 E a r r 2 M e a s u r e m e n t s o f 1 2 t v a l u e ( ) I a - - y - - 0 I a 1 9 - . L : . c l ' l c : E a r r v V J - - - - j l ' 3 1 2 . 0 [ o h m ] - I f - - - - - - 1 1 ' 0 0 0 0 9 0 4 [ u F ) - I f - - - - - - 1 1 , o . 0 0 0 4 1 2 [ u F ] I • ~ . ' : ; ' : ! 1 j _ I " ' " £ v \ ! 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X · . f ' · " ' . . , . , .~ . , t . . . . . . ' , l 6 5 A p p e n d i x B . S T e s t V a l u e s o f F l a s h o v e r V o l t a g e s I n s u l a t o r S u r f a c e D r y W e t D r y W e t f l a s h o v e r F l a s h o v e r F l a s h o v e r I m p u l s e I m p u l s e o / o V o l t a g e V o l t a g e V o l t a g e V o l t a g e A A l - 4 . 6 % , > 8 5 k V > 8 5 k V > 3 0 0 k V > 3 0 0 k V 3 D i s k S e t A 2 - 1 . 3 % , A 3 - 9 . 0 5 % B B l - 1 . 3 % , > 8 5 k V > 8 5 k V > 3 0 0 k V > 3 0 0 k V 3 D i s k S e t B 2 - 1 . 0 % , B 3 - 4 . 9 % ' C C l - 4 . 2 % , > 8 5 k V 7 0 k V > 3 0 0 k V 2 8 4 k V 1 3 D i s k S e t C 2 - 0 . 5 % , F l a s h o v e r F l a s h o v e r 1 C 3 - 0 . 4 % I D D l - 4 . 8 % , > 8 5 k V > 8 5 k V > 3 0 0 k V > 3 0 0 k V 3 D i s k S e t D 2 - 0 % , D 3 - 0 . 9 % E 0 % , B u t > 8 5 k V 7 7 k V 2 9 0 k V 2 8 2 k V 3 D i s k S e t t o t a l l y F l a s h o v e r F l a s h o v e r c o v e r e d w i t h M o s s B l 1 . 3 % 7 7 k V 4 3 k V 2 5 8 k V S i n g l e d i s k F l a s h o v e r F l a s h o v e r C 3 0 . 4 % 7 6 k V 4 3 k V - S i n g l e D i s k F l a s h o v e r F l 0 % 8 2 k V 4 3 k V > 3 0 0 k V S i n g l e d i s k F l a s h o v e r - n e w F 2 0 % 8 3 k V 4 3 k V > 3 0 0 k V S i n g l e d i s k F l a s h o v e r - n e w F 3 0 % 8 1 k V 4 3 k V > 3 0 0 k V S i n g l e d i s k F l a s h o v e r - n e w 6 6