عملکرد حفاظتی سیم گارد و برقگیر اکسید روی در برابر ضربات صاعقه در شبکه توزیع با در نظر گرفتن مدل فرکانسی سیستم زمین

غلامی, آیدا; خودسوز, معصومه

عملکرد حفاظتی سیم گارد و برقگیر اکسید روی در برابر ضربات صاعقه در شبکه توزیع با در نظر گرفتن مدل فرکانسی سیستم زمین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ کارشناسی ارشد ،دانشگاه علم و فناوری مازندران، بهشهر، ایران

² دانشیار ،دانشگاه علم و فناوری مازندران ، تهران ، ایران

چکیده

حفاظت از تجهیزات شبکه قدرت در برابر اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه، یکی از الزامات اساسی جهت حفظ پایداری و قابلیت اطمینان شبکه‌های الکتریکی محسوب می‌شود. قطعی‌های ناشی از برخورد مستقیم یا غیرمستقیم صاعقه، به‌عنوان یکی از چالش‌های جدی در بهره‌برداری از شبکه‌های قدرت مطرح است. ازاین‌رو، طراحی و پیاده‌سازی راهکارهای مؤثر برای حفاظت در برابر صاعقه، به‌ویژه در سطح شبکه‌های توزیع، نقشی کلیدی در ارتقا شاخص‌های قابلیت اطمینان و کاهش ریسک‌های ناشی از وقایع طبیعی ایفا می‌نماید. در این پژوهش، تأثیر اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه بر شبکه توزیع بررسی شده و عملکرد تجهیزات حفاظتی از جمله برقگیر اکسید روی، سیم گارد و سیستم زمین در کاهش این اضافه ‌ولتاژها مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای این منظور، مدل‌سازی دقیق اجزای شبکه، از جمله برقگیرها، سیم گارد، زنجیره مقره‌ها و سیستم زمین، در نرم‌افزار EMTP-RV انجام شده است. یکی از مهم‌ترین بخش‌های این تحقیق، بررسی مدل فرکانسی سیستم زمین در مقایسه با مدل مقاومتی ساده است. نتایج نشان می‌دهد که مدل فرکانسی سیستم زمین، رفتار واقعی‌تر و دقیق‌تری نسبت به مدل مقاومتی دارد، زیرا مقدار مقاومت سیستم زمین در این مدل متناسب با فرکانس تغییر کرده و در فرکانس‌های بالا کاهش می‌یابد. این کاهش مقاومت باعث می‌شود که جریان صاعقه به‌راحتی تخلیه شده و اضافه ‌ولتاژهای القایی کاهش پیدا کند. در نتیجه، احتمال شکست عایقی تجهیزات کاهش یافته و عملکرد حفاظتی شبکه بهبود می‌یابد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که وجود سیم گارد از برخورد مستقیم صاعقه با هادی فاز جلوگیری کرده و با انتقال جریان صاعقه به سیستم زمین، موجب کاهش اضافه ‌ولتاژهای القایی و کاهش شکست عایقی تجهیزات شبکه می‌شود. همچنین استفاده از برقگیرهای اکسید روی، در کنار نصب سیم گارد و مدل‌سازی دقیق سیستم زمین، نقش کلیدی در کاهش اضافه‌ ولتاژهای ناشی از صاعقه دارد. همچنین، مشخص شد که در صورت عدم استفاده از برقگیر، اضافه ‌ولتاژهای القایی ناشی از برخورد صاعقه می‌توانند به‌راحتی باعث شکست عایقی زنجیره مقره‌ها شوند. اما با نصب برقگیرهای اکسید روی در محل‌های مناسب، مسیر تخلیه‌ای برای جریان صاعقه فراهم شده و از افزایش ولتاژ جلوگیری می‌شود. علاوه بر این، استفاده از مدل فرکانسی سیستم زمین منجر به دفع مؤثرتر جریان صاعقه و کاهش ولتاژهای القایی شده و در نهایت، ایمنی و قابلیت اطمینان شبکه را افزایش می‌دهد. به‌طورکلی، نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که ترکیب تجهیزات حفاظتی شامل برقگیر، سیم گارد و سیستم زمین با مدل فرکانسی، یک راهکار مؤثر برای کاهش اثرات مخرب صاعقه در شبکه‌های توزیع است.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455153.1404.13.1.12.7

عنوان مقاله [English]

Protective Performance of Shield Wire and Surge Arrester Against Lightning Strikes in Distribution Networks Considering the Frequency Model of the Grounding System

نویسندگان [English]

Aida gholami ¹
Masume Khodsuz ²

¹ Master's degree, Mazandaran University of Science and Technology, Behshahr, Iran

² Associate Professor, Mazandaran University of Science and Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Protection of power network equipment against lightning-induced overvoltages is essential for ensuring the stability and reliability of electrical systems. Interruptions caused by both direct and indirect lightning strikes present significant operational challenges. Therefore, designing and implementing effective lightning protection strategies, particularly at the distribution network level, is crucial to enhancing reliability and mitigating risks associated with natural lightning events.

This study examines the impact of lightning-induced overvoltages on distribution networks and evaluates the effectiveness of protective devices such as zinc oxide surge arresters, overhead shield wires, and grounding systems in controlling these overvoltages. To this end, precise modeling of key network components—including surge arresters, shield wires, insulator strings, and grounding systems—was conducted using EMTP-RV software.

A major focus of the research is the comparison between a frequency-dependent grounding system model and a simple resistive grounding model. Results reveal that the frequency-dependent model provides a more accurate and realistic representation, as grounding resistance varies with frequency, decreasing at higher frequencies. This decrease facilitates the easier discharge of lightning currents, thereby reducing induced overvoltages and lowering the probability of insulation failure. Consequently, the overall protective performance of the network is enhanced.

Simulation results also indicate that overhead shield wires effectively prevent direct lightning strikes on phase conductors. By channeling lightning currents into the grounding system, these wires reduce induced overvoltages and associated insulation failures in network equipment. Furthermore, the combination of zinc oxide surge arresters, shield wires, and accurate grounding system modeling proves vital in mitigating the adverse effects of lightning-induced overvoltages. Without surge arresters, lightning-induced overvoltages can readily cause insulation breakdown in insulator strings. However, strategically installing zinc oxide surge arresters provides a controlled discharge path for lightning currents, preventing excessive voltage rises.

Moreover, employing the frequency-dependent grounding model enhances the dissipation of lightning currents and further reduces induced voltages, thereby improving network safety and reliability. In summary, the findings demonstrate that integrating surge arresters, shield wires, and frequency-dependent grounding systems constitutes an effective approach to minimizing lightning-related damages in distribution networks.

کلیدواژه‌ها [English]

Distribution Network
Frequency-Dependent Grounding System Model
Zinc Oxide Surge Arrester
Shielding Wire
Lightning

مراجع

[1] S. Sundarajoo and D. M. Soomro, “Under voltage load shedding and penetration of renewable energy sources in distribution systems: a review,” International Journal of Modelling and Simulation, vol. 43, no. 6, pp. 1002–1020, 2023.

https://doi.org/10.1080/02286203.2022.2143191

[2] J. O. S. Paulino, C. F. Barbosa, I. J. Lopes, W. C. Boaventura, E. N. Cardoso, and M. F. Guimarães, “Lightning protection of overhead distribution lines installed on high resistivity soil,” Electric Power Systems Research, vol. 209, pp. 107952, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.epsr.2022.107952

[3] J. Cao, Y. Du, Y. Ding, R. Qi, B. Li, M. Chen, and Z. Li, “Comprehensive assessment of lightning protection schemes for 10 kV overhead distribution lines,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 37, no. 3, pp. 2326–2336, 2021.

https://doi.org/10.1109/TPWRD.2021.3110248

[4] D. O. Belko and G. V. Podporkin, “Analysis of current distribution among long-flashover arresters for 10 kV overhead line protection against direct lightning strikes,” in 2016 33rd International Conference on Lightning Protection (ICLP), pp. 1–6, Sept. 2016.

https://doi.org/10.1109/ICLP.2016.7791511

[5] H. Chen, Y. Du, M. Yuan, and Q. H. Liu, “Lightning-induced voltages on a distribution line with surge arresters using a hybrid FDTD–SPICE method,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 33, no. 5, pp. 2354–2363, 2018.

https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2788046

[6] J. Cao et al., “Design consideration of the shielding wire in 10 kV overhead distribution lines against lightning-induced overvoltage,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 36, no. 5, pp. 2354–2363, 2021.

https://doi.org/10.1109/TPWRD.2020.3031682

[7] A. Borghetti, C. A. Nucci, M. Paolone, and F. Rachidi, “Indirect lightning performance of distribution lines: Influence of protection devices,” 2005/2006 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, pp. 455–458, 2006.

https://doi.org/10.1109/TDC.2006.1668536

[8] A. Piantini, “Analysis of the effectiveness of shield wires in mitigating lightning-induced voltages on power distribution lines,” Electric Power Systems Research, vol. 159, pp. 9–16, Jun. 2018.

https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.08.022

[9] V. Mashayekhi, S. H. H. Sadeghi, R. Moini, et al., “An adaptive Chebyshev approach for fast computation of grounding system admittance matrix,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 59, no. 2, pp. 1830–1835, 2017.

https://doi.org/10.1109/TEMC.2016.2611675

[10] S. Seyedbarzegar, “Analysis and evaluation of the performance of surge arrester with external air gap in ungrounded transmission lines under the influence of lightning and ground parameters,” Applied Electromagnetics, vol. 10, no. 2, pp. 13–22, 2022. (in Persian)

https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455153.1401.10.2.2.8

[11] A. F. Andrade, E. G. da Costa, and G. R. S. Lira, “Methods for field measurement of electrical parameters of soil as functions of frequency,” Electric Power Systems Research, vol. 199, pp. 107447, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.epsr.2021.107447

[12] M. Saran et al., “Performance analysis of medium voltage overhead distribution line against lightning,” in CIRED, 19th International Conference on Electricity Distribution, 2007.

[13] S. Zhou et al., “Transient electric field calculation of zinc oxide arrester under lightning impulse voltage,” in Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), pp. 231–234, 2018.

https://doi.org/10.1109/CEIDP.2018.8544771

[14] X. Zhang, L. Dong, G. Zeng, S. Huang, L. Wu, R. Xiong, H. Wang, and Y. Dai, “Optimal location of surge arresters on an overhead distribution network by using binary particle swarm optimization,” in Proceedings of the 2018 Chinese Automation Congress (CAC), Xi’an, China, pp. 1841–1846, 2018.

https://doi.org/10.1109/CAC.2018.8623397

[15] J. Martinez and D. Durbak, “Parameter determination for modeling systems transients-Part V: Surge arresters,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, no. 3, pp. 2073–2078, 2005.

https://doi.org/10.1109/TPWRD.2005.848771

[16] M. Khodsuz, M. H. Teymourian, and S. Seyyedbarzegar, “New criteria for metal oxide surge arrester condition monitoring based on leakage current analysis: Considering nonuniform pollution effect,” IET Generation, Transmission and Distribution, vol. 18, no. 5, pp. 1072–1089, 2024.

https://doi.org/10.1049/gtd2.13123

[17] G. Andersson, P. Donalek, R. Farmer, N. Hatziargyriou, I. Kamwa, P. Kundur, N. Martins, J. Paserba, P. Pourbeik, J. Sanchez-Gasca, R. Schulz, A. Stankovic, C. Taylor, and V. Vittal, “Causes of the 2003 major grid blackouts in North America and Europe, and recommended means to improve system dynamic performance,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 20, no. 4, pp. 1922–1928, 2005.

https://doi.org/10.1109/TPWRS.2005.857942

[18] L. Grcev, “Modeling of grounding electrodes under lightning currents,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 51, no. 3, pp. 559–571, Aug. 2009.

https://doi.org/10.1109/TEMC.2009.2025771

[19] S. Mehrabi and S. Ostadzadeh, “Validation of the RLC equivalent circuit of grounding electrodes combined with the equivalent resistivity of two-layer soils and its application in transient analysis of overhead lines connected to surge arresters under lightning strike,” Applied Electromagnetics, vol. 9, no. 1, pp. 35–42, 2021. (in Persian)

https://dor.isc.ac/dor/DOR:20.1001.1.26455153.1400.9.1.17.4

[20] S. Ostadzadeh, “Transient analysis of transmission lines connected to surge arresters under direct lightning strike considering nonlinear ionization phenomenon and frequency-dependent effect of lossy ground electrical parameters,” Applied Electromagnetics, vol. 9, no. 2, pp. 17–25, 2021. (in Persian)

https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455153.1400.9.2.3.2

[21] M. Khodsuz, “Externally gapped line arrester performance in high voltage transmission line using frequency grounding system absorbed energy and expected life assessment,” IET Science, Measurement and Technology, vol. 16, no. 7, pp. 426–440, 2022.

https://doi.org/10.1049/smt2.12116

[22] M. Khodsouz and R. Haggoo Rostami, “Investigation and simulation of the effect of disc insulator string deviation on its voltage and electric field distribution using the finite element method,” Applied Electromagnetics, vol. 10, no. 1, pp. 91–97, 2022. (in Persian)

https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455153.1401.10.1.9.3

[23] F. Safaei and M. Niasati, “A new method for surge arrester placement in high-voltage substations considering environmental effects,” IET Science, Measurement and Technology, vol. 18, no. 7, pp. 481–494, 2024.

https://doi.org/10.1049/smt2.12208

[24] N. A. Sabiha, I. A. Hend, and L. Matti, “High frequency modeling and experimental verification of distribution transformers using transfer function approach,” Electric Power Systems Research, vol. 204, p. 107671, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.epsr.2021.107671

[25] W. Bassi, “High frequency input impedance modeling of low-voltage residential installations Influence on lightning overvoltage simulations results,” SpringerPlus, vol. 3, no. 1, pp. 1–11, 2014.

https://doi:10.1186/2193-1801-3-690