IMPROVEMENT OF LIGHTNING PROTECTION IN LOW VOLTAGE DISTRIBUTION SYSTEMS IN AREAS WITH HIGH ISOKERAUNIC LEVELS A Dissertation Submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Engineering by PALITHA WEERAMAN HENDAHEWA Supervised by: Prof. J.R. Lucas Dr. H.J.C.Peiris Department of Electrical Engineering University of Moratuwa, Sri Lanka 2007 89463 Abstract This dissertation presents a study meant for improvement of lightning protection in low voltage distribution systems in the areas with high isokeraunic levels. The electricity consumers in Sri Lanka, especially those who live in areas with high isokeraunic levels, suffer considerable damages to their electrical appliances due to lightning. The objective of this project is to assist the electricity distribution authorities in finding remedial measures to overcome the difficulties faced by the consumers. Beregala in Avissawella, an area severely affected by consequences of lightning, was selected for the study. Two low voltage distribution lines that run across a rural mountainous area were identified for the modeling purpose. The type of conductor, average span of the line and typical electrical loads connected to the line were taken into consideration in modeling the line. The model of the line as well as the lightning strike was simulated using software PSCAD / EMTDC. The effectiveness of Lightning Surge Arrestors when connected at various points along the distribution line was analyzed. A field study too, was carried out using two distribution lines running across similar ground conditions to gauge the effectiveness of using a shielding conductor in a low voltage overhead distribution line. Based on the theoretical and the field studies, the report finally presents its findings that might be useful in finding solutions to minimize the damages caused to household electrical appliances due to lightning. 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 b e e n y e t 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 . ' \ ' ' 1 . i '~ P . W . H e n d a h e w a 1 o t h S e p t e m b e r , 2 0 0 7 ~II 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 . ~.u:·) . _ . · - \ : ' _ _ c k _ · - ' ! , W . D . A . S . W i j a y a p a l a S e n i o r L e c t u r e r ( G r . l ) , 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 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 L i s t o f T a b l e s 1 . I n t r o d u c t i o n 1 . 1 W h a t i s L i g h t n i n g C O N T E N T S 1 . 2 B a c k g r o u n d o f t h e s t u d y 1 . 3 O b j e c t i v e s 1 1 1 I V v V I 1 1 3 3 2 . M e t h o d o l o g y 5 2 . 1 T h e o r e t i c a l S t u d y 5 2 . 2 F i e l d S t u d y 5 3 . T h e o r e t i c a l S t u d y 7 3 . 1 M o d e l i n g o f t h e d i s t r i b u t i o n l i n e 7 3 . 2 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h o u t s u r g e a r r e s t e r s 9 3 . 3 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a r r e s t e r a t n o d e 1 5 1 0 3 . 4 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a r r e s t e r a t n o d e 2 6 1 1 3 . 5 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a r r e s t e r a t n o d e 1 5 & 2 6 1 2 3 . 6 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a r r e s t e r a t n o d e 4 , 1 5 & 2 6 1 3 3 . 7 O b s e r v a t i o n s o f t h e t h e o r e t i c a l S t u d y 1 5 4 . F i e l d S t u d y 1 6 4 . 1 P r o c e d u r e a d o p t e d 1 6 4 . 2 R e s u l t s o f t h e c o n s u m e r s u r v e y 1 7 5 . D i s c u s s i o n 1 9 5 . 1 M o r e D a m a g e s o c c u r t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e ? 1 9 5 . 2 S h i e l d w i r e p r o t e c t i o n 1 9 5 . 3 A r r e s t o r p r o t e c t i o n 2 0 5 . 3 . 1 O p e r a t i o n o f a s u r g e a r r e s t o r 2 0 5 . 3 . 2 A r r e s t o r s p a c i n g 2 1 5 . 3 . 3 T o p p h a s e a r r e s t o r u s a g e 2 1 5 . 3 . 4 E n e r g y C o n c e r n s 2 2 5 . 3 . 5 A s p e c t o f a r r e s t o r f a i l u r e s 2 2 5 . 3 . 6 A r r e s t o r d u t y 2 2 6 . C o n c l u s i o n s 2 3 7 . R e f e r e n c e s 2 4 l l A c k n o w l e d g e m e n t T h e i d e a o f t h i s r e s e a r c h w a s b r o u g h t f o r w a r d b y D r . H . J . C . P c i r i s w i t h a v i e w t o f i n d i n g s o l u t i o n s t o t h e d i f f i c u l t i e s f a c e d d u e t o l i g h t n i n g b y t h e p e o p l e l i v i n g i n a r e a s w i t h h i g h i s o k e r a u n i c l e v e l s . F i r s t l y , I s h o u l d e x p r e s s m y g r a t i t u d e t o D r . H . J . C . P e i r i s f o r h i s e x c e l l e n t g u i d i n g a n d s u p p o r t e x t e n d e d t o m a k e t h i s p r o j e c t a s u c c e s s . T h e n I m u s t g i v e s p e c i a l t h a n k s t o P r o f e s s o r J . R . L u c a s , T h e H e a d o f t h e 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 v a l u a b l e s u p p o r t e x t e n d e d . F u r t h e r , I m u s t t h a n k a l l t h e l e c t u r e r s e n g a g e d i n t h e M . E n g . c o u r s e s e s s i o n s w h o m a d e o u r v i s i o n b r o a d a n d t r i e d t o e n h a n c e o u r k n o w l e d g e i n t h e f i e l d o f e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g . I m u s t s p e c i a l l y t h a n k P r o f e s s o r R a n j i t h P e r e r a f o r h i s e n c o u r a g e m e n t a n d s u p p o r t e x t e n d e d t h r o u g h o u t t h e M E n g p r o g r a m m e . I m u s t a l s o t h a n k M r . S i s i r a W e e r a t u n g e , t h e f o m 1 e r A r e a E n g i n e e r o f t h e C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d , A v i s s a w e l l a f o r h i s s u p p o r t e x t e n d e d b y a r r a n g i n g f i e l d r e q u i r e m e n t s f o r t h e p r o j e c t . M y t h a n k s a l s o g o t o m y w i f e a n d t w o s o n s f o r p r o v i d i n g m e w i t h t i m e a n d c o u r a g e i n c o m p l e t i n g t h i s d i s s e r t a t i o n . P . W . H e n d a h e w a I V L i s t o f F i g u r e s F i g u r e P a g e 3 . 1 M o d e l o f t h e l i n e f o r a l e n g t h o f o n e s p a n 9 3 . 2 ( f ) S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . N o a r r e s t e r i s c o n n e c t e d 1 0 3 . 3 ( f ) S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . T h e a r r e s t e r i s l o c a t e d a t n o d e 1 5 1 1 3 . 4 ( f ) S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . T h e a r r e s t e r i s l o c a t e d a t n o d e 2 6 1 2 3 . 5 ( f ) S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . T h e a r r e s t e r s a r e l o c a t e d a t n o d e s 1 5 a n d 2 6 1 3 3 . 6 ( f ) S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . T h e a r r e s t e r s a r e l o c a t e d a t n o d e s 4 , 1 5 a n d 2 6 1 4 3 . 7 C o m p a r i s o n o n P e a k s u r g e V o l t a g e s a l o n g t h e 2 6 - p o l 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 b y p l a c i n g a r r e s t o r s a t d i f f e r e n t l o c a t i o n s 1 5 5 . 3 . 2 D i r e c t S t r o k e F l a s h o v e r s v s . A r r e s t o r S p a c i n g 2 1 v L i s t o f T a b l e s T a b l e ~ . 1 L i n e C h a r a c t e r i s t i c s ~.2 R e s u l t s o f t h e C o n s u m e r S u r v e y P a g e 8 1 7 V l C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n A s a r e s u l t o f i n c r e a s i n g a p p l i c a t i o n o f h o u s e h o l d e l e c t r i c a l a p p l i a n c e s a n d e l e c t r o n i c d e v i c e s i n d o m e s t i c a n d i n d u s t r i a l f i e l d s , t h e e l e c t r i c u t i l i t i e s a n d e n d u s e r s a r e i n c r e a s i n g l y c o n c e r n e d a b o u t t h e e q u i p m e n t d a m a g e d u e t o o v e r v o l t a g e c a u s e d b y l i g h t n i n g . U n l i k e i n t h e p a s t , t h e l o a d e q u i p m e n t i s m o r e s e n s i t i v e t o v o l t a g e s u r g e s . M a n y n e w l o a d d e v i c e s c o n t a i n p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s a n d m i c r o - p r o c e s s o r b a s e d c o n t r o l s t h a t a r e s e n s i t i v e t o o v e r v o l t a g e s . T h e u t i l i t y c o n s u m e r s a r e b e t t e r i n f o r m e d a b o u t i m p u l s i v e t r a n s i e n t s a n d a r e c h a l l e n g i n g t h e u t i l i t i e s t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f s u p p l y . P o w e r q u a l i t y c o n c e r n s h a v e c r e a t e d m o r e i n t e r e s t i n l i g h t n i n g . I m p r o v e d 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 d i s t r i b u t i o n l i n e s i s b e i n g c o n s i d e r e d a s a w a y o f r e d u c i n g t h e n u m b e r o f i n t e r r u p t i o n s . 1 . 1 W h a t i s L i g h t n i n g ? B e n j a m i n F r a n k l i n p e r f o r m e d t h e f i r s t s y s t e m a t i c , s c i e n t i f i c s t u d y o f l i g h t n i n g d u r i n g t h e s e c o n d h a l f o f t h e 1 8 t h c e n t u r y [ 1 ] . P r i o r t o t h a t t i m e , e l e c t r i c a l s c i e n c e h a d d e v e l o p e d t o t h e p o i n t w h e r e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e c h a r g e s c o u l d b e s e p a r a t e d . E l e c t r i c a l m a c h i n e s c o u l d , b y r u b b i n g t o g e t h e r t w o d i f f e r e n t m a t e r i a l s , s t o r e t h e c h a r g e s i n p r i m i t i v e c a p a c i t o r s c a l l e d L e y d e n J a r s f r o m w h i c h s p a r k s c o u l d b e g e n e r a t e d a n d o b s e r v e d . W h i l e o t h e r s h a d p r e v i o u s l y n o t e d t h e s i m i l a r i t y b e t w e e n l a b o r a t o r y s p a r k s a n d l i g h t n i n g , F r a n k l i n w a s t h e f i r s t t o d e s i g n a n e x p e r i m e n t w h i c h c o n c l u s i v e l y p r o v e d t h e e l e c t r i c a l n a t u r e o f l i g h t n i n g . I n h i s e x p e r i m e n t , h e t h e o r i z e d t h a t c l o u d s a r e e l e c t r i c a l l y c h a r g e d , f r o m w h i c h i t f o l l o w s t h a t l i g h t n i n g m u s t a l s o b e e l e c t r i c a l . T h e e x p e r i m e n t i n v o l v e d F r a n k l i n s t a n d i n g o n a n e l e c t r i c a l s t a n d , h o l d i n g a n i r o n r o d w i t h o n e h a n d t o o b t a i n a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e b e t w e e n t h e o t h e r h a n d a n d t h e g r o u n d . I f t h e c l o u d s w e r e e l e c t r i c a l l y c h a r g e d t h e n s p a r k s w o u l d j u m p b e t w e e n t h e i r o n r o d a n d a g r o u n d e d w i r e , i n t h i s c a s e , h e l d b y a n i n s u l a t i n g w a x c a n d l e . . . . T h i s e x p e r i m e n t w a s s u c c e s s f u l l y p e r f o r m e d b y T h o m a s F r a n c o i s D ' A l i b a r d o f F r a n c e i n M a y 1 7 5 2 w h e n s p a r k s w e r e o b s e r v e d t o j u m p f r o m t h e i r o n r o d d u r i n g a t h u n d e r s t o m 1 . G . W . R i c h m a n n , a S w e d i s h p h y s i c i s t w o r k i n g i n R u s s i a d u r i n g J u l y 1 7 5 3 , p r o v e d t h a t t h u n d e r c l o u d s c o n t a i n e l e c t r i c a l c h a r g e , a n d w a s k i l l e d w h e n l i g h t n i n g s t r u c k h i m . B e f o r e F r a n k l i n a c c o m p l i s h e d h i s o r i g i n a l e x p e r i m e n t , h e t h o u g h t o f a b e t t e r w a y t o p r o v e h i s h y p o t h e s i s t h r o u g h t h e u s e o f a k i t e . T h e k i t e t o o k t h e p l a c e o f t h e i r o n r o d , s i n c e i t c o u l d r e a c h a g r e a t e r e l e v a t i o n a n d c o u l d b e f l o w n a n y w h e r e . D u r i n g a P e n n s y l v a n i a t h u n d e r s t o r m i n 1 7 5 2 t h e m o s t f a m o u s k i t e i n h i s t o r y f l e w w i t h s p a r k s j u m p i n g f r o m a k e y t i e d t o t h e b o t t o m o f d a m p k i t e s t r i n g t o a n i n s u l a t i n g s i l k r i b b o n t i e d t o t h e k n u c k l e s o f F r a n k l i n ' s h a n d . F r a n k l i n ' s g r o u n d e d b o d y p r o v i d e d a c o n d u c t i n g p a t h f o r t h e e l e c t r i c a l c u r r e n t s r e s p o n d i n g t o t h e s t r o n g e l e c t r i c f i e l d b u i l d u p i n t h e s t o r m c l o u d s . I n a d d i t i o n t o s h o w i n g t h a t t h u n d e r s t o n n s c o n t a i n e l e c t r i c i t y , b y m e a s u r i n g t h e s i g n o f t h e c h a r g e d e l i v e r e d t h r o u g h t h e k i t e a p p a r a t u s , F r a n k l i n w a s a b l e t o i n f e r t h a t w h i l e t h e c l o u d s w e r e o v e r h e a d , t h e l o w e r p a r t o f t h e t h u n d e r s t o r m w a s g e n e r a l l y n e g a t i v e l y c h a r g e d . L i t t l e s i g n i f i c a n t p r o g r e s s w a s m a d e i n u n d e r s t a n d i n g t h e p r o p e r t i e s o f l i g h t n i n g u n t i l t h e l a t e 1 9 t h c e n t u r y w h e n p h o t o g r a p h y a n d s p e c t r o s c o p i c t o o l s b e c a m e a v a i l a b l e f o r l i g h t n i n g r e s e a r c h . L i g h t n i n g c u r r e n t m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e i n G e r m a n y b y P o c k e l s ( 1 8 9 7 - 1 9 0 0 ) w h o a n a l y z e d t h e m a g n e t i c f i e l d i n d u c e d b y l i g h t n i n g c u r r e n t s t o e s t i m a t e t h e c u r r e n t v a l u e s . T i m e - r e s o l v e d p h o t o g r a p h y w a s u s e d b y m a n y e x p e r i m e n t e r s d u r i n g t h e l a t e 1 9 t h c e n t u r y t o i d e n t i f y i n d i v i d u a l l i g h t n i n g s t r o k e s t h a t m a k e u p a l i g h t n i ! 1 g d i s c h a r g e t o t h e g r o u n d . L i g h t n i n g r e s e a r c h i n m o d e m t i m e s d a t e s f r o m t h e w o r k o f C . T . R . W i l s o n w h o w a s t h e f i r s t t o u s e e l e c t r i c f i e l d m e a s u r e m e n t s t o e s t i m a t e t h e s t r u c t u r e o f t h u n d e r s t o n n c h a r g e s i n v o l v e d i n l i g h t n i n g d i s c h a r g e s . W i l s o n , w h o w o n t h e N o b e l P r i z e f o r t h e i n v e n t i o n o f t h e C l o u d C h a m b e r , m a d e m a j o r c o n t r i b u t i o n s t o o u r p r e s e n t u n d e r s t a n d i n g o f l i g h t n i n g . R e s e a r c h c o n t i n u e d a t a s t e a d y p a c e u n t i l t h e l a t e 1 9 6 0 ' s w h e n l i g h t n i n g r e s e a r c h b e c a m e p a r t i c u l a r l y a c t i v e . T h i s i n c r e a s e d i n t e r e s t w a s m o t i v a t e d b o t h b y t h e d a n g e r o f l i g h t n i n g t o a e r o s p a c e v e h i c l e s a n d s o l i d s t a t e e l e c t r o n i c s u s e d i n c o m p u t e r s a n d o t h e r d e v i c e s a s w e l l a s b y t h e i m p r o v e d m e a s u r e m e n t a n d o b s e r v a t i o n a l c a p a b i l i t i e s w h i c h w e r e m a d e p o s s i b l e b y a d v a n c i n g t e c h n o l o g y . T h e s e s t u d i e s h a v e r e v e a l e d t h a t t h e l i g h t n i n g i s a v i s i b l e d i s c h a r g e o f s t a t i c c h a r g e s t h a t c a n o c c u r w i t h i n a 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 a c l o u d a n d t h e e a r t h . A b u i l d u p o f o p p o s i t e c h a r g e s ( o n e n e g a t i v e a n d o n e p o s i t i v e ) s e p a r a t e d b y a n i n s u l a t i n g a i r g a p c a n c a u s e t h e c h a r g e s t o r u s h t o w a r d e a c h o t h e r , p r o d u c i n g a 2 . . . . s u d d e n r e l e a s e o f e n e r g y . A l i g h t n i n g d i s c h a r g e w i l l h a v e 1 0 , 0 0 0 , 0 0 0 - 1 0 0 , 0 0 0 , 0 0 0 [ V ] a n d 1 , 0 0 0 - 3 0 0 , 0 0 0 [ A ] . L i g h t n i n g s t r i k e s b u i l d i n g s o r o t h e r o b j e c t s b e c a u s e t h e m a t e r i a l s i n t h e m p r o v i d e e a s i e r p a t h s t o g r o u n d t h a n t h e a i r . L i g h t n i n g i s m o r e l i k e l y t o s t r i k e o n p r o j e c t i n g o b j e c t s s u c h a s p o l e s , w i r e s , t r e e s o r b u i l d i n g s t e e p l e s t h a n o n l a r g e r , f l a t t e r s u r f a c e s p r o j e c t i n g t o t h e s a m e h e i g h t o r l o w e r . 1 . 2 B a c k g r o u n d o f t h e s t u d y D a m a g e s t o h o u s e h o l d e l e c t r i c a l a p p l i a n c e s d u e t o l i g h t n i n g h a v e b e c o m e a n a c u t e p r o b l e m t o e l e c t r i c i t y c o n s u m e r s i n c e r t a i n a r e a s . _ E s p e c i a l l y , t h e n u m b e r o f c o m p l a i n t s i s s i g n i f i c a n t l y h i g h i n t h e a r e a s w i t h h i g h i s o k e r a u n i c l e v e l s . E a r l i e r , t h e r e h a d b e e n a p r a c t i c e t o e m p l o y a s h i e l d i n g c o n d u c t o r i n l o w v o l t a g 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 s o n t o p o f t h e o t h e r c o n d u c t o r s t o s h i e l d a g a i n s t d i r e c t l i g h t n i n g s t r o k e s . A n d s u r g e a r r e s t o r s t o o h a d b e e n u s e d i n l o w v o l t a g e l i n e s a t l o a d c o n n e c t e d p o l e s e s p e c i a l l y i n a r e a s w i t h h i g h i s o k e r a u n i c l e v e l s t o p r o t e c t t h e c o n s u m e r s a g a i n s t s u r g e s . H o w e v e r , t h e p r a c t i c e o f u s i n g a s h i e l d c o n d u c t o r a n d a r r e s t o r s h a d b e e n a b a n d o n e d b y t h e e l e c t r i c i t y u t i l i t i e s l a t e r . T h e e l e c t r i c i t y c o n s u m e r s i n s u c h a r e a s d e s p e r a t e l y c o m p l a i n a b o u t t h e i r d a m a g e s s e e k i n g s o m e r e m e d i a l m e a s u r e s f r o m t h e e l e c t r i c i t y u t i l i t y t o p r o t e c t t h e i r v a l u a b l e e l e c t r i c a l a p p l i a n c e s . U n d e r s t a n d i n g t h e i m p o r t a n c e o f a p r o p e r s t u d y , t h e e l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n u t i l i t y h a d s o u g h t t h e a s s i s t a n c e o f t h e 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 U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a t o c o n d u c t a p r o j e c t . 1 . 3 O b j e c t i v e s 1 . T o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f u s i n g l o w v o l t a g e s u r g e a r r e s t o r s t o r e d u c e t h e d a m a g e s c a u s e d b y l i g h t n i n g . I n t h e e a r l y y e a r s , t h e r e h a d b e e n a p r a c t i c e t o i n s t a l l s u r g e a r r e s t o r s a t t h e b e g i n n i n g o f a s e r v i c e w i r e i n l o w v o l t a g 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 s . B u t , l a t e r t h e u s e o f a r r e s t o r s a t c o n s u m e r l o a d p o i n t s w a s a b a n d o n e d b y t h e e l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n u t i l i t i e s , m a i n l y d u e t o t h e h i g h c o s t s i n v o l v e d . O n e o f t h e o b j e c t i v e s o f t h i s s t u d y i s t o m e a s u r e t h e e f f e c t i v e n e s s o f s u r g e a r r e s t o r s i n m i n i m i z i n g d a m a g e s . 2 . T o v e r i f y w h e t h e r t h e d a m a g e s i n c r e a s e t o w a r d s t h e e n d o f a l i n e T h e e l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n u t i l i t i e s h a d o b s e r v e d t h a t t h e c o m p l a i n t s a b o u t d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g w a s m o r e f r e q u e n t f r o m t h e c o n s u m e r s l i v i n g n e a r e r t h e e n d o f a l o w v o l t a g 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 . T h e t h e o r e t i c a l p a r t o f t h i s s t u d y w o u l d h e l p t o v e r i f y t h e c l a i m t h r o u g h m o d e l i n g t h e l i n e . 3 3 . T o l o c a t e b e s t p o s i t i o n / p o s i t i o n s a l o n g a l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e t o i n s t a l l l i g h t n i n g a r r e s t o r s t o g i v e t h e m a x i m u m p r o t e c t i o n T h e h i g h c o s t o f s u r g e a r r e s t o r s i s o n e o f t h e m a i n r e a s o n s f o r t h e e l e c t r i c i t y u t i l i t i e s f o r n o t i n s t a l l i n g s u r g e a r r e s t o r s i n l o w v o l t a g 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 s . T h e c o s t c o u l d b e m i n i m i z e d b y l o c a t i n g a r r e s t o r s o n l y a t l o c a t i o n s t h a t g i v e o p t i m u m s o l u t i o n . 4 . T o c o n d u c t a s u r v e y t o a s c e r t a i n w h e t h e r a s h i e l d i n g c o n d u c t o r c a n r e d u c e t h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g 4 . . C h a p t e r 2 M e t h o d o l o g y T h e m e t h o d o l o g y a d o p t e d t o a c h i e v e t h e o b j e c t i v e s c o u l d b e b r o a d l y d i v i d e d i n t o a t h e o r e t i c a l s t u d y a n d a f i e l d s t u d y . 2 . 1 T h e o r e t i c a l S t u d y A t h e o r e t i c a l s t u d y w a s c a r r i e d o u t t o a c h i e v e t h e f i r s t t h r e e o f t h e o b j e c t i v e s m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r , i . e . , t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f u s i n g l o w v o l t a g e s u r g e a r r e s t o r s a g a i n s t l i g h t n i n g , t o v e r i f y w h e t h e r t h e d a m a g e s i n c r e a s e t o w a r d s t h e e n d o f a l i n e , a n d t o l o c a t e t h e b e s t p o s i t i o n a l o n g t h e l i n e t o i n s t a l l l i g h t n i n g a r r e s t o r s i n o r d e r t o o b t a i n t h e o p t i m u m r e s u l t s . U n d e r t h e t h e o r e t i c a l s t u d y , t h e e f f e c t s o f a l i g h t n i n g s t r o k e o n t o a l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e w a s s t u d i e d b y m o d e l i n g t h e s e l e c t e d l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e u s i n g P S C A D / E M T D C . P S C A D / E M T D C i s a s i m u l a t i o n t o o l f o r a n a l y z i n g p o w e r s y s t e m s . P S C A D i s t h e g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e a n d E M T D C i s t h e s i m u l a t i o n e n g i n e . P S C A D / E M T D C i s m o s t s u i t a b l e f o r s i m u l a t i n g t h e t i m e d o m a i n i n s t a n t a n e o u s r e s p o n s e s o f e l e c t r i c a l s y s t e m s . P r e v i o u s s t u d i e s [ 2 , 3 , 4 ] h a v e c o n c l u d e d t h a t a r r e s t o r s i n s t a l l e d o n j u s t t h e t o p p h a s e o f a l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e c o u l d b e e f f e c t i v e . A s s u c h o n l y t h e t o p p h a s e w a s m o d e l e d i n t h e s t u d y u s i n g P S C A D / E M T D C . 2 . 2 F i e l d S t u d y T h e f i e l d s t u d y w a s a s u r v e y c o n d u c t e d t o a s c e r t a i n w h e t h e r a s h i e l d i n g c o n d u c t o r c a n r e d u c e t h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g . I n t h e p a s t , L o w V o l t a g 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 s h a d b e e n c o n s t r u c t e d w i t h a s h i e l d i n g w i r e o n t o p o f t h e o t h e r c o n d u c t o r s . 5 H o w e v e r , t h e s h i e l d i n g w i r e h a d b e e n l a t e r r e m o v e d m a i n l y , d u e t o f o l l o w i n g r e a s o n s . 1 . G a l v a n i z e d I r i o n ( G I ) w i r e w h i c h h a d b e e n u s e d f o r t h e s h i e l d i n g p u r p o s e w a s v e r y p r o n e t o f a i l u r e . A s i g n i f i c a n t n u m b e r o f L T b r e a k d o w n s h a d o c c u r r e d d u e t o t h e f a l l i n g d o w n o f s h i e l d i n g c o n d u c t o r o n t o t h e l i v e c o n d u c t o r s . 2 . T h e r e w a s n o s i g n i f i c a n t g a i n a g a i n s t l i g h t n i n g d a m a g e s e v e n w i t h t h e u s e o f s h i e l d i n g c o n d u c t o r . H o w e v e r , s o m e e l e c t r i c i t y c o n s u m e r s w e r e o f t h e v i e w t h a t , t h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g h a d i n c r e a s e d w i t h t h e r e m o v a l o f t h e s h i e l d i n g c o n d u c t o r . A s s u c h , a f i e l d s t u d y w a s c a r r i e d o u t t o a s c e r t a i n t h i s c l a i m . 6 C h a p t e r 3 T h e o r e t i c a l S t u d y 3 . 1 M o d e l i n g o f t h e D i s t r i b u t i o n L i n e A l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e w a s m o d e l e d u s i n g P S C A D / E M T D C s o f t w a r e . O n e o f t h e t w o 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 u s e d f o r t h e f i e l d s t u d y w a s s e l e c t e d f o r t h e m o d e l i n g . T h e l o w v o l t a g 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 n m s t h r o u g h a h i l l y t e r r a i n . T h e l i n e s p a n v a r i e s b e t w e e n 4 5 m e t e r a n d 5 5 m e t e r l e n g t h s d u e t o p r a c t i c a l d i f f i c u l t i e s i n l o c a t i n g p o l e s a t r e g u l a r i n t e r v a l s . A s s u c h , t h e l i n e s p a n w a s a s s u m e d a s 5 0 m e t e r s i n t h e m o d e l . T y p i c a l l y , t w o c o n s u m e r s a r e c o n n e c t e d t o t h e l i n e a t e a c h p o l e . T h e l o a d o f a c o n s u m e r w a s a v e r a g e d a t 5 . 7 5 A m p e r e s s o t h a t t h e a v e r a g e l o a d c o n n e c t e d a t a p o l e b e c o m e s 1 1 . 5 A m p e r e s . T h i s a s s u m p t i o n s i m p l i f i e d t h e l o a d r e s i s t a n c e v a l u e ( R 1 ) t o 2 0 O h m s c o n s i d e r i n g t h e s u p p l y v o l t a g e a s 2 3 0 V o l t s a . c . 7 L i n e C h a r a c t e r i s t i c s C o n d u c t o r t y p e F l y ( 7 / 3 . 4 0 m m 2 A l l A l u m i n i u m C o n d u c t o r s ) A v e r a g e S p a n 5 0 m H e i g h t o f a p o l e 9 1 1 ) L i n e R e s i s t a n c e 0 . 4 5 2 Q / k m L i n e I n d u c t a n c e 0 . 8 8 6 m H / k m L i n e C a p a c i t a n c e 3 2 . 4 7 6 n F / k m N o . o f S p a n s 2 5 T a b l e 3 . 1 - L i n e C h a r a c t e r i s t i c s A s s u m p t i o n s a ) A l o a d o f 1 1 . 5 A i s c o n n e c t e d a t e v e r y p o l e b ) L i n e S p a n i s 5 0 m 8 0 . 0 2 2 6 Q 0 . 0 4 4 3 m H R L R~. 0 . 0 0 1 6 / I F = 2 0 0 ~~a 0 . 0 4 4 3 m H F i g . 3 . 1 - M o d e l o f t h e l i n e f o r a l e n g t h o f o n e s p a n ( 5 0 m ) 3 . 2 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h o u t s u r g e a r r e s t o r s F i g u r e s 3 . 2 ( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) a n d ( e ) i n d i c a t e t h e v o l t a g e p r o f i l e a l o n g t h e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n a s u r g e i s a p p l i e d t o n o d e 1 0 . I n t h i s c a s e n o t a s i n g l e s u r g e a r r e s t o r i s c o n n e c t e d . 9 . - : - : ,~ i ' . a . c r :~ ~- - - - 1 ~- - - , h i g n I + J 1 w " ' ~ 0 0 ! 1 _11U~ - - - - - l - - - _ _ _ _ _ _ _ _ j v~·c1t a D w r l 0 0 0 I 1 ' C~ I ~ I I 1 , , ' > j ' . I , , (~\_ . , r " : . S u r g e ~-- -~ - - - t , , , L n " t : . ~------~-~ . I - - I C ' ~~ 1 · · _ - , - _ c _ c r - = r - = r ~ " { 2 v 3 ~-~.Vf---,A~W-- - . / \ I l l - ~~~A:'J::T'JL__---.fvV'-- , 1 • S c c 6 4 4 o E J l u s l ~ C " c o 4 O S 0 1 ' a I _ l J 2 2 o 4 o c t s [ I L . 0 ~1 J . 1 ~l l ~JJ r_-~ : T ~ A r r e s j : - ~ ~~ : T ~~~;J ~ I N _ , , L l I L ~J I , t _ ~'"~ ~ ~ 1 ~ J . I -~ r I " ( I , , , 0 . 0 2 2 6 4 4 3 S C O ' ) 0.02~6 4 . 4 3 E - · J 0 5 0 0 2 2 6 4 . 4 3 2 - - 0 0 S 0 . 0 2 2 6 4 . d 1 R - 0 0 C ~L__J V o l t a g e S u r g e N o d e 1 2 +1600~VJ,_ . --~ c o c t r u l Q ( I ) < : i : I , - - +Oo·---~ - - - - l.~e-oos T i m e ( s e c ) ~eak V d l G e 1 . 5 k V V o l t a g e S u r g e L i g h t n i n g S t r o k e ~ + 9 0 0 0 ~VHigh c t P J c o ( I ) < : \ " - - 1 0 0 0 0 - - 1 : 2 e - o o s T i m e ( s e c ) V o l t a g e S u r g e N o d e 2 c - J +2500~ ~ + 2 0 0 0 P J + 1 5 0 0 ' i 5 + 1 0 0 0 + 5 o o 1 \ + 0 - - - 5 0 0 o · - - < : "l_l_=~- 0 0 5 T i m e ( s e c ) ? e a k V a l u e . . . : : 2 4 k \ 1 < : V o l t a g e S u r g e N o d e 3 +3500~ 3 T i m e ( s e c ) P e a k V a l u e l k V V o l t a g e S u r g e N o d e 4 c - J +4000~\!L__ I - - ' ' ' " c t P J l Q ( I ) < : I ! 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T h e m a g n i t u d e o f t h e v o l t a g e s u r g e d e c r e a s · e s t o w a r d s t h e b e g i n n i n g o f t h e l i n e d u e t o t h e e f f e c t o f t h e t r a n s f o r m e r e a r t h . T h e m a g n i t u d e o f t h e s u r g e v o l t a g e r e m a i n s u n c h a n g e d , v i r t u a l l y a t t h e m a x i m u m v a l u e , u p t o t h e e n d o f t h e l i n e s i n c e t h e r e i s n o a r r e s t o r i n s t a l l e d i n t h i s c a s e . 3 . 3 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a n a r r e s t o r a t n o d e 1 5 F i g u r e s 3 . 3 ( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) a n d ( e ) i n d i c a t e t h e v o l t a g e p r o f i l e a l o n g t h e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n a s u r g e i s a p p l i e d t o n o d e 1 0 a s i n t h e e a r l i e r c a s e b u t w i t h a n a r r e s t o r c o n n e c t e d t o n o d e 1 5 . 1 0 ,~ ·::~g~. - T - \'~qh~~ ~ H o g c - _ _ N _ . _ u l l • - 'v'~·...:t r l 0 g T 1 - T - - T - 0 " ' ~ " . o w ~ D 0 ' ----~, T I N E : t , r ~? Ga(~? ] L : S u r g e , u 1 ' u I ! , £ ' " ' '"'-~', _ h , 3 L ? 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T h e m a g n i t u d e h a s r e a c h e d i t s m i n i m u m a t n o d e 1 5 w h e r e t h e a r r e s t e r i s c o n n e c t e d a n d g o n e u p s l i g h t l y a t n o d e 1 6 a n d v i r t u a l l y r e m a i n s a t t h a t v a l u e u p t o t h e e n d o f t h e l i n e . 3 . 4 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a n a r r e s t o r a t n o d e 2 6 F i g u r e s 3 . 4 ( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) a n d ( e ) i n d i c a t e t h e v o l t a g e p r o f i l e a l o n g t h e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n a s u r g e i s a p p l i e d t o n o d e 1 0 a s i n t h e e a r l i e r c a s e s b u t w i t h a n a r r e s t o r c o n n e c t e d a t t h e e n d o f t h e l i n e ( n o d e 2 6 ) . 1 1 ~- l ' - - T r---,::_~~~--------,--------------- 1 H c g h ~~ ! ~---~-----~ ~:1 ~~ r l < 1 > ' I ·.~=r o ~ 1'~ I ~ I ~ ; ' i , I - - - " 1 " ' : _ _ - . I _ _ _ _ I 1 I V * u t l l I I I I J : ~ -[~~ i ~ 1 : 1 I I ' r n 1 E L _ _ _ c : : ' C : J I f : e e , ~Y- ~~ T - - - - - - - - , I - T = ~ . L - : S u r g e I l _ s J ~ I - - - - - , . . , , : _ \r~ · n " ' i / 4 ? 1 . . I I --;\f\/-~=,-'IL----fvV:~~~--~j:----vV:t-~. I ·~ I u 4 4 J c - , ] , , l I L 1 0 . 0 2 " ' 4 . 4 , E - O i c " l iL 2 0.D~"o , . 4 , £ - u / 0 5 1 ~~ 3 0 0~26 4 . 4 h c / 1 0 5 1 1 I L 4 ~~-I 1 I i _ _ _ t _ ' ~~ I ~~ -~ . ~ _ l " . I ~ J~ : : i . · I ~ 1 ~ ~ " I ~ _ l _ _ 1 ~, I S~an2 I · , : T t : _ ] : T a : T I a : T [ r e s j I 1 f H 1 1 ~ 2 I r d 1 1 7 4 1 I ~-N/~-~~l__l_NJ'c--~}_j _ _ l - - N v ' - - _ J j _ _ ~ N~-~ -~ I ~jE 0 0 " C 4 4 _ ) E 0 0 5 0 4 4 3 2 : J \ ) 5 0 0 2 : ' b 4 4 J : E 0 0 5 L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J V o l t a g e S u r g e N o d e 1 a : + 1 2 0 0 . - " 1 - - - - , f - - J + 1 0 0 0 ~ + 8 0 0 ' ' ; ; ; + 6 o o 1 + 4 0 0 [ ~ + 2 ~~0- ~ '=--=->--~i~:ie-005 T i m e ( s e c ) . 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IV 19 ] f- ' I Si I lC i ' ro I - \ < - - - - - so o o 1 .2 e -o o s T im e (s ec ) ~ + 3 5 0 0 .V 2 0 J s; I ; I l , - - SO Oo - 1 .2 e- 0 0 5 T im e (s ec ) < +30 00 •- 'v " '-21 = - - - - - - ~ :;~~~ 'r···, ·· ·· ·· ·\ ·· . . ~ + 15 00 '·, ro + lo oo ., + 50 0 \ < + 0 . ~ - - - - 50 0o f. 2 e- O O S T im e (s ec ) yr P ea k V al u e 4 3 k' / P ea k V al ue 3 8 kV P ea k V al u e 4 kV P ea k V al u e 3 0 kV P ea k V al ue 2 .6 kV F ig u re 3 .4 E ff ec t o f L ig h tn in g S ur ge a t n o o e s 1 7 ,1 8 ,1 9 ,2 0 ,2 1 a n d 22 o f th e 26 -n od e O ve rh ea d D is tr 1 b u ti o n ~, in e w he n th e L ig h tn in g s tr ik e s a t n o de lO . Th ~ a r r e s to r lo c a te d a l n o de 2t l. V o lt ag e S ur ge N od e 22 < u~: ','J, .. T im e (s oc ) P ea k V al u e 2 . 2 kV i' 1- ill 'J . . . :: 4 \i I ~ ~ ~ ~ ~~- \l ':3 V 24 v :s V '6 ' . + -- -v w - ~ ~ "!L_ _ _ 0 N - '-AA J'\'' l'JL ____ YV\1 '--- ---c ~ --- , - - 'IL _- - JI N '- - ~~ -- -'1 L-- l o 4 4J E o[o 5 I J c 3o .o 2c 6 4 43 E Ts o .0 22 b 4 4 Jc oll• os !I c o c c 6 4 43 E- ol os 1 , J. ll r - 1 · · J t£ ~ __ l.S G ~ ~ ~ ~1 ~ ~- - 0 l ~"" 'j : T t · : 1 ir ·· = r ~ 1 r:)-- v'VV' -~~-I Mt- ~AJ ll- -vW --- ~AJ _~~ -~~ 1-1 l 0 02 ::2 6 ~ 43 E 0 0 5 0 02 26 4 4 3 E -0 0 S 0 .0 2 2 G 4 .4 3 E -- C 0 5 0 0~ 26 4 4 )E OO ':i 0 vr V o lt ag e S u rg e V o lt ag e S ur ge V o lt ag e S ur ge V o lt ag e S ur ge A rr e st o r C u rr en t v 23 N od e 23 N od e 24 N od e 25 N od e 26 ~ )":" : ~ + 20 00 ~'{ 2 -3 -· -l ~ + 16 00 . _ , _ 24 · - · - - - , ~ + 12 00 ~- 5 - ~ + 60 0 !IV :l_§ __ 2 + 20 ~ 26 - V -4 ' f- ' ', f- ' lr-, I f- ' + 10 00 f- ' +500 ~1 ., ' ~ ! 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T he a r r e s to r is lo c a te d a t n o c te 26 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~--~-~-~--~~---~--~:------~-~--=----=- 7 . 0 ~ 6 . 0 : : : : - 5 . 0 ~-­ § , 4 . 0 ( 1 ) . : : : 3 0 ~-·- 0 . > 2 . 0 ~ 1 . 0 1:---_-.-,=,-,-,-,.-,-,-r-::-,_.-,-:--r-::~:-~~~;--;;- a . . 0 . 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 N o d e N u m b e r F i g u r e 3 . 4 ( f ) - S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . T h e a r r e s t o r i s l o c a t e d a t n o d e 2 6 T h e c h a n g e s o n t h e v o l t a g e p r o f i l e o f t h e d i s t r i b u t i o n l i n e w i t h t h e c h a n g e i n p o s i t i o n o f t h e l i g h t n i n g a r r e s t o r a r e c l e a r l y d e m o n s t r a t e d i n f i g u r e 3 . 4 ( f ) . I n t h i s c a s e t o o , t h e m a g n i t u d e o f t h e v o l t a g e s u r g e d e c r e a s e s t o w a r d s t h e t r a n s f o r m e r e n d . T h e s u r g e v o l t a g e b e c o m e s i t s m a x i m u m a t n o d e 1 0 w h e r e t h e l i g h t n i n g s t r i k e s t h e l i n e a n d g r a d u a l l y d e c r e a s e s t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e . I t t a k e s t h e m i n i m u m v a l u e a t n o d e 2 6 w h e r e t h e a r r e s t o r i s c o n n e c t e d . 3 . 5 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a r r e s t o r s a t n o d e s 1 5 & 2 6 F i g u r e s 3 . 5 ( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) a n d ( e ) i n d i c a t e t h e v o l t a g e p r o f i l e a l o n g t h e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n a s u r g e i s a p p l i e d t o n o d e 1 0 a s i n t h e e a r l i e r c a s e s b u t w i t h a r r e s t o r s c o n n e c t e d t o n o d e 1 5 & 2 6 . 1 2 I :~:1 H l g h ~Jeut \,'~ut ~ 0 0 0 T I " 0 0 0 ·~ D ~ D 0 0 i . L I --- ~-f. -__ I j _ . + O o 1 .2 e- O O S T im e (s ec ) P ea k V al u e 2 3 V o lt ag e S ur ge N od e 6 2 + 30 00 ~- V-6 ~ ~ :: ;' + 2 5 0 0 [ Pl + 2 00 0, , lQ + 15 00 ~~ (D '·, + 10 00 \ < + 50 0 ; ,~ I V o lt ag e S ur ge N od e 7 2 + 3 5 0 0 r7 _ r- ' + 30 00 !I (I + 25 00 1 ~ + 20 00 ', (D + 15 00 ~\ - + 10 00 \ < + 50 0 >· ·- ~- - · - ! V o lt ag e S ur ge N od e 8 2 + Js o o !l-- 118 -~ ~- - C ' ' 00 00 ~'< C (I + 25 00 ~ + 20 00 ', CD + 15 00 \ + 10 00 \ < + 50 0 " ·- . - :- t - = 1. ..= .!. . V o lt ag e S ur ge V o lt ag e S ur ge N od e 9 N od e 10 < " "" f - < +4 50 0~ Vl O 0 ,. 0 1l ' :: ;' I :=: !1\ Pl Pl I lQ lQ J~, -,. , (D (D - . < 1 ~ - j < + D o 1 . 2 e 00 5 _ . + O o - . 1 . + O o 1 .2 e- O O S - - + O o 1 .2 e 00 5 + 0 1 . T im e (s ec ) P ea k V al u e 2 .6 F ig u re 3 .5 ', b , T im e (s ec ) T im e (s ec ) T im e (s ec ) P ea k V al u e ::. 3 . 1 P ea k V al u e = 3. 4 P ea k V al u e = 3 . 8 E ff e c t o f L ig h tn in g S u rg e a t n o d es 5 ,b ,7 ,8 ,9 a n d 10 o f th ~ 2 ci ·n ad e O v er h ea d D is tr ib u ti o n L ln e w h< on th e L ig h tn in g s tr ik e s a t n o de 1 0 . T he a r r e s to r s a r e lo c a le d a t n o d es ::. s a n c t 26 T im e (s ec ) ' P ea k V al u e .;:;. 4 .3 .. :, , : L _ _ _ - - - - - - - - - - - - - - , - - - - - - - - - - - - - - - - ~ 0 V ll 0 V l2 0 V lJ 0 V 14 0 V 15 0 V l b 0 1! .1 5 - - T- - T- c; v c ~ - • · - ~ - - N I/ '- -- - - - - - - - - - N V '- 0 02 2b 4 4 3 E :t o s ~ 11u 022 6 4 4J E olo os o 02 2o ~ Lrl 0 I ' ]] - T- - T- - - ' !. J2 _- /N -- -' -A -A JT -- -- ,- -- -- "' '- -- -- V V V 0 01 16 4 .4 3 E -0 0 5 0 .0 2 2G - T- , ] N V ' ;I- Jj} 0 22 6 I ~1 L . 5 r r ~ ~ T ~ § T Es l ;-' ~ N l': i l_ I - T- ' J' 6 c_ j ~ - - - - - - - - - - I ~ j r r e s t 1 ]~ l ~ ~ / ; \ _ ~ A J _ _ _ _ _ L_ --- --- --- vV V- ~- - - - - ,_ - ~~-- ---J V\/L - - " . . JJ . _ _ _ _j __ -- -- -- -- vv 'V '- -- ~A FL __ L _ _ - - - - - -~- JvV --- --- --- -'- A l_ l_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . £_ ___ 0 0:: 22 6 4 4 3 E -0 0 ') k-': V o lt ag e S ur ge N od e 11 r-- 2 + 25 00 f- ' + 20 00 l k-': ~ + 15 00 I = "' "' (]) Ci rt ~ ·j_ ~-- -~ + 25 Lr + 20 I i + 15 ['' 1 + 10 , I + 51 I I _ _ _ _ _ L_ __ .J.. __ 1 1 .2 e +D o T im e (s ec ) I- 'i gu re 3 .5 c ' E ff ec t o f L ig h tn in g S ur ge a t n o de s 1 1 ,1 2 ,1 3 ,1 4 ,1 5 a n d 16 o f th e 2b n o de O ve rh ea d D is tr ib u ti o n ~i nc w he n th e L ig h tn in g s tr ik e s a t n o de 10 . T he a r r e s to rs a r e lo ca te d a t n o de s 15 a n d 00 5 V o lt ag e S ur ge N od e 16 2 + 16 00 . _ V l6 _ _ _ f-- ' r t Pl c 0 .0 2 2 6 4 .4 3 E OO S V o lt ag e S ur ge N od e 21 OJ ', ::1 . 0 2 2 6 4 4. 3E 00 5 < 0 f- ' r t OJ ~ 4 . 0 - ~ 3 . 0 1 1 ) : g 2 . 0 > t i i 1 . 0 Q ) a . . 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 N o d e N u m b e r ---~---- --~---------- · - - - - - - -~~---__j F i g u r e 3 . 5 ( f ) - S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e 1 0 . T h e a r r e s t o r s a r e l o c a t e d a t n o d e s 1 5 a n d 2 6 W i t h t h e u s e o f t w o a r r e s t o r s , t h e m a g n i t u d e s o f t h e v o l t a g e p r o f i l e a s a w h o l e h a v e c o m e d o w n a s i l l u s t r a t e d i n f i g u r e 3 . 5 ( f ) . I n t h i s c a s e t o o , t h e m a g n i t u d e o f t h e v o l t a g e s u r g e d e c r e a s e s t o w a r d s t h e t r a n s f o r m e r e n d . T h e m a g n i t u d e s o f t h e v o l t a g e p r o f i l e h a v e b e e n t a k e n d o w n b y t h e a r r e s t o r a t n o d e 1 5 , a n d t h e a r r e s t o r a t t h e e n d o f t h e l i n e h a s d e c r e a s e d t h e p r o f i l e f u r t h e r d o w n . 3 . 6 V o l t a g e D i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l i n e w i t h a r r e s t o r s a t n o d e 4 , 1 5 & 2 6 F i g u r e s 3 . 5 ( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) a n d ( e ) i n d i c a t e t h e v o l t a g e p r o f i l e a l o n g t h e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n a s u r g e i s a p p l i e d t o n o d e 1 0 a s i n t h e e a r l i e r c a s e s b u t w i t h a r r e s t o r s c o n n e c t e d t o n o d e 4 , 1 5 & 2 6 . 1 3 I " ' ~~ - = - - - v V v 8 0 0 8~~64. 4 3 t : ; 0 0 5 T - I 0 , - - - - L 0 2 2 6 . _ , 0 0 0 . 0 2 2 6 4 . 4 3 E - 0 0 5 T - T - 0 . 0 2 2 6 4 . 4 3 2 - 0 0 5 0 . 0 2 2 6 · L - ! 3 E - C C 5 T - V 4 S l A S p a r . 2 L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j V o l t a g e S u r g e V o l t a g e S u r g e V o l t a g e S u r g e V o l t a g e S u r g e A r r e s t o r C u r r e n t N o d e l < . V l 0 :~:: r f - ' c t O J :::~ , ' = ( { ) ( l ) < + 0 1 . 2 e - O O S T i m e ( s e c ) ? C c a k V a h : e 0 . 2 V o l t a g e S u r g e L i g h t n i n g S t r o k e ~ + 4 0 0 0 ! I Y ! J . i g h _ _ _ _ f - ' r ; l J l Q I l l < I N o d e 2 < . 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T h e a r r e s t o r s a r e l o c a t e d a t n o d e s 4 , 1 5 a n d 2 6 . + 2 0 • I J < . 4 - . c > I ~~- I + O o 1 . 2 e · O O S T i m e ( s e c ) I i; X } - · - .. . " - . . . . . . . - · - - 0 ¥:-: : vs 0 ¥:-: : V 6 0 1:: V 7 0 ¥:-: : VS 0 ¥--. ': V 9 0 ¥:-: : V 10 I I - l- · - · - - r· I - T- - T- - T- - T- A ( ~ - ~ V 5 W _ _ _ 0 02 26 4 .4 3 E ~ , n f"':j : n 1"'_ ;J i P t":: 'I : n B_ _ I I l I I _ j- . I ~ I ' ~- -- -- -N v' -- u~ L_ -- -- v\ !\ 1' -- J-~ --- --v \f\ 1'- --" "'- AAJ LL 0 r l -~ ~ 0 . 0: 2. 2o 4 43 E - QQ :, V o lt ag e S ur ge N od e 5 0 0. 2: 26 4 43 E 00 5 V o lt ag e S ur ge N od e 6 0. 0. ::2 26 4 .4 3 E O O S V o lt ag e S ur ge N od e 7 0 02 26 4 .4 3 E - 00 5 V o lt ag e S ur ge N od e 8 - ~ - - - - - - N /' -- · ~ ~J !cso .o22 6 4 J3E-oo os~J-- -~vy;: ;-- ·<}o II b 4 43E -010 'i - - - - ~ .IL ?~ l 0 _ f cl I 1 10 N 8 ~ t le s L G ~ -- J_ L_ _ i_ ~ " I L"" "J ---I W--- ~1 I I flO 0 02 26 4 43 E 00 5 0 02 .2 b 4 4 3 E -0 0 5 V o lt ag e S ur ge V o lt ag e S ur ge N od e 9 N od e 10 ~ + 18 00 ~6 -- - 2 +2 50 0~ 7 E :~ ~~~f ~,:,_ 2 +1 40 0~ - - ~ + 1 2 00 ,. l 2 +300 0,~, -- 1 2 + 3 5 0 0 .v q _ _ _ _ - - - - < ~1 0 + 40 00 - - - 2.-, (', bi + 10 00 I I lf: l + 80 0 : (]) + 60 0 ' + 4 0 0 \ : ~ + 2~~ o-~ ·~J 1 . 2 e- O O S T im e (s ec ) P ea k V al ue 1 .1 (1 !1, Pl lf: l (]) < T im e (s ec ) P ea k V al ue 1 .6 F ig u re 3. 6 , b ; ~ + 25 00 OJ + 20 00 Pi + 25 00 1 r t ',, Pl ', lf: l ' .. (]) + 100 0 \ I 'g + 15 00 lQ + 20 00 I, ~ """"1 lf:l \ . . - . . + 50 0 ' " < + O o- , ' - - - - - - _ - 1: :- D e' 0 05 + 10 00 < + 50 0 \ . . . . . . . . +O o__ ___ j_ :..t ..-= --± 1 . ro + lso o \ + 10 00 \ < + 50 0, _~ -T _ :: := _ _ :_ -i _ j - - + O o 1 . 2 e- 0 0 5 T im e (s ec ) T im e (s ec ) T im e (s ec ) P ea k V al ue 2 .1 P ea k V al u e ~!. 7 P ea k V al u e = 3. 2 E ff e c t o f L ig h tn in g S u rg e a t n o d es 5 ,6 ,7 ,8 ,g a n d 10 o f th e :2 6 r .o de O v er h ea d D is tr ib u ti o n L in e w he n th e L ig h tr u n g s tr ik e s a t, _ n o d e 1 0 . T he a r r e s to r s a r e lo c a te d a t n o d es 4, 1~ a n d 26 (]) ~-- < + oo -- _ !__ __ _ -L ~- - 1...= _-i'. 2e ' o os T im e (s ec ) P ea k V al u e :o - 3. 8 I --~ S pa .n j . . . . :. ' t_ _ _ ~ T ' T ' T ' T ' V Jl y p r· 3 V c4 - ~ - I V 0 - - - - - - - - ~ - - - - - - - - v v v - ~ ~ - - ~ A . . . A J 1 " r O .O C C C O .m 0~ • ' -- vV V' -- -~ ;r -· - llb A .A - ~ _ r c · ~ - - " " - - - ~ ~ o. o ::: 2b 4. 4 JE o ios o o: .::2 tJ 4 . 43 E o1 os ! ~ 1 G (!'+ - 0 0:: 22 6 4 4 3E -C 05 0 j;v : V o lt ag e S ur ge V 11 N od e 11 0 r 2 +3 50 0~ -- V 12 f- ' ]!v : r t 0 p; V 13 lQ ([) 0 r V 14 < 0 ]!v : V 15 T im e (s ec ) 0 k'r V 16 P ea k V al ue ::: 3 .1 u L IA lS - 0. 2: ::b 4 43 E ~ 1 u : ;; 11 ~~ 0 I ' i ~_ ,~ L_ ·· -~ -N \f '· · 0 02 26 4 . 43 E 00 5 V o lt ag e S ur ge N od e 12 2 +30 00~ V_1 2 _ _ _ ~ :;~ ~~.\. ~I ~ + 15 00 ' ,, (D + 10 00 \ - - +5~ ~~- -\\.. ... _ _ _ _ _ - - - :.:: ; - so o6 ··· 1 · 1 .1 2 e- 0 0 5 T im e (s ec ) P ea k V al ue 2 .5 0 02 26 4 43 E 00 5 V o lt ag e S ur ge N od e 13 2 + 20 00 ~ V 13 l f- ' · I• r t ' p; ', co I ([) . I - ' < - 25 o 0- - L -' -- - - 1 ~ 2 e- o o s T im e (s ec ) P ea k V al ue 1 9 0 . 02 2b 4 43 E 00 5 V o lt ag e S ur ge N od e 14 ~ + l40 0~~ V14 _ 1 ~ I I ro ' I - \"-. < j I j - 20 0o " - 1 . 2 e- 0 0 5 T im e (s ec ) P ea k V al u e L 3 43 E L 15 I ~ 1 0 [j " g --~-- :? o 0 02 26 4 43 E 00 5 v o lt ag e S ur ge N od e 15 < ~V1 5 _ .~· ' " " il' - - - i < 00 ; " J - 1 0 1 2 e- 0 0 5 T im e (s ec ) P ea k V al ue 0. 7 N l 5 0 0 2 2 6 4 4 3E -O U 5 A rr es to r C u rr en t n ,::: r; r; ([) ::J rt s; . IA 1 5 + 20 1 r- I! ! +0 ~1 .2 e- 00 5 T im e (s ec ) F ig u re 3 .6 c E ff e c t o f L ig h tn in g S ur ge a t n o de s 1 1 ,1 2 ,1 3 ,1 4 ,1 5 a n d 16 o f th e 26 n o de O ve rh ea d D is tr ib u ti o n I, in e w he n th e L ig h tn in g s tr ik e s a t n o de 1 0 . T he a r r e s to r s a r e lo c a te d a t n o d es 4, 15 a n d 26 . S pa n 4 V o lt ag e S ur ge N od e 16 2 + 8 0 0 [V1 6 f--- -' 1', r t ', p; ', lQ \, ; \\ ._ - - - - - - - 10 0o _ j__ Tie oo s T im e (s ec ) P ea k V al ue 0. 7 ~ S3 <.- > \ ~ / - T- - T- ' ~ - - '" " - - - - - - - - - - /'N -- -- - - - - /I N E V l7 ~ 8 o o m ' ;;,' ff o o " " ' " '- '" " I o o m - T- -~ t5 - T- - T- - T- 0 . 0: 22 6 \f /2 1--T _w _ £ ~ 0 5 1 G ~ 1~ ~ ~ 1~ : 0 1 . ]II c _ ' I (~-- ---- ---v vv-- ---- - vw ' D I d 0 - - 0 0 2 2 6 4 .4 3E -O O S 0 02 2b 4 . 43 E O O S 0 02 26 4 4 3 £ -0 0 5 u 0 0 .0 2 2 6 ~ " gl n e s t ' ; 0 0 - - 0 n ~ > ~ ~J I JW A - _ l_ - - ~~ ~ u 0: ::: :?6 4 4 j£ -0 0J 4 43 E -0 05 0 .0 2 2 b . 4 43 2- C O S 0 ~ V o lt ag e S ur ge V o lt ag e S u rg e V o lt ag e S u rg e V o lt ag e S u rg e V o lt ag e S u rg e V o lt ag e S u rg e v l7 N od e 17 N od e 18 N od e 19 N od e2 0 N od e 21 N od e 22 0 0 \c: ~ +70 0~, Vl7 ._ __ ~ +6 00f~'{ lB- - ~ +6 00~1/1 ]9 ~ +50 0\ ,_! l_ v- 20 - ~ +4 5 0 [, ' ' ' - ~ V lu !-- ' ,11 1 1- -' + 50 0 1 1--- ---' + 50 0 1- -' + 40 0 1\ !-- ' 1- -' 0 k:= pj ',,, : ;; + 40 0 \ pj + 40 0 g + 30 0! 1\ pj ', p; V 19 4 . 0 : : : . 3 . 0 - - Q ) C l . s 2 . 0 0 > 1 0 ~ . I l l Q ) a . 0 . 0 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 N o d e N u m b e r ·~---. - - - - - - - F i g u r e 3 . 6 ( f ) - S u r g e V o l t a g e P r o f i l e a l o n g t h e 2 6 - n o d e d i s t r i b u t i o n l i n e w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s a t n o d e I 0 . T h e a r r e s t o r s a r c l o c a t e d a t n o d e s 4 , 1 5 a n d 2 6 U s e o f t h r e e a r r e s t o r s h a s f u r t h e r d e c r e a s e d t h e m a g n i t u d e s o f v o l t a g e p r o f i l e o f 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 a s d e m o n s t r a t e d i n f i g u r e 3 . 6 ( £ ) . T h e a r r e s t o r s a t l o c a t i o n s 4 , 1 5 a n d 2 6 h a v e a l l c o n t r i b u t e d i n d e c r e a s i n g t h e m a g n i t u d e s o f t h e v o l t a g e p r o f i l e a n d t h e m a g n i t u d e s h a v e r e a c h e d m i n i m u m v a l u e s a t t h e s e n o d e s . 1 4 " " " ' 3 . 7 O b s e r v a t i o n s o f t h e T h e o r e t i c a l S t u d y ~------l ~ ~ ' ~ 9 ~------~- - - - N o a r r e s t o r s A r r e s t o r a t n o d e 1 5 A r r e s t o r a t n o d e 2 6 1 1 ---~---- T - - I - r - - - ~- - - T - - I - - - T , - - ~--- l 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 N o d e N u m b e r - - - - - - - - - - A r r e s t o r s a t n o d e s 1 5 & 2 6 A r r e s t o r s a t n o d e s 4 , 1 5 & 2 6 F i g u r e 3 . 7 - C o m p a r i s o n o f P e a k S u r g e V o l t a g e s a l o n g t h e 2 6 - p o l 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 b y p l a c i n g a r r e s t o r s a t d i f f e r e n t l o c a t i O J l S I n a l l t h e c a s e s t h e P e a k S u r g e V o l t a g e t a k e s t h e m a x i m u m v a l u e a t t h e n o d e w h e r e t h e l i g h t n i n g s t r i k e s . T h e m a g n i t u d e o f t h e s u r g e v o l t a g e d e c r e a s e s g r a d u a l l y t o w a r d s t h e t r a n s f o r m e r e n d w h e r e t h e n e u t r a l c o n d u c t o r i s e a r t h e d t h r o u g h t r a n s f o r m e r n e u t r a l p o i n t . W h e n n o a r r e s t o r s a r e i n s t a l l e d , t h e v o l t a g e s u r g e r e m a i n s u n a b a t e d u p t o t h e e n d o f t h e l i n e . A s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 . 7 , t h e u s e o f a r r e s t o r s d e c r e a s e s t h e s e v e r i t y o f s u r g e v o l t a g e s s i g n i f i c a n t l y . T h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e a g a i n s t l i g h t n i n g i m p r o v e s w i t h t h e i n c r e a s e i n n u m b e r o f a r r e s t o r s c o n n e c t e d 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 . 1 5 . . . . C h a p t e r 4 F i e l d S t u d y B e r e g a l a o f I h a l a K o s g a m a , a n a r e a w i t h a h i g h i n t e n s i t y o f l i g h t n i n g w a s s e l e c t e d f o r t h e s t u d y . T h i s a r e a c o m e s u n d e r t h e p u r v i e w o f A r e a E n g i n e e r , A v i s s a w e l l a a n d s e v e r a l l e t t e r s h a d b e e n s e n t b y t h e e l e c t r i c i t y c o n s u m e r s o f t h i s a r e a t o t h e C E B , c o m p l a i n i n g a b o u t e l e c t r i c a l d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g . S o m e o f t h e c o n s u m e r s a r e o f t h e v i e w t h a t m o r e d a m a g e s h a v e o c c u r r e d s i n c e t h e r e m o v a l o f s h i e l d i n g c o n d u c t o r f r o m d i s t r i b u t i o n l i n e s . A s s u c h , a f i e l d s t u d y w a s c a r r i e d o u t i n o r d e r t o a s c e r t a i n w h e t h e r t h i s c l a i m i s t r u e . 4 . 1 P r o c e d u r e A d o p t e d T w o l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e s f e d t h r o u g h t h e s a m e t r a n s f o r m e r w e r e s e l e c t e d f o r t h e s t u d y . T h e t r a n s f o n n e r i s s i t u a t e d b y t h e s i d e o f t h e C o l o m b o - A v i s s a w e l l a m a i n r o a d a n d t h e l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e r u n s i n t o t h e h i l l y a r e a c r o s s i n g t h e m a i n r o a d . A f t e r a b o u t 1 0 s p a n s t h e l i n e i s d i v i d e d i n t o t w o l i n e s . B o t h t h e s e l i n e s r u n t h r o u g h t w o s i m i l a r t e r r a i n s , i n t h e s e n s e t h e d e g r e e o f v e g e t a t i o n a n d e l e v a t i o n . · · A s h i e l d i n g c o n d u c t o r w a s i n t r o d u c e d i n t o o n e l i n e w h i l e l e a v i n g t h e o t h e r l i n e w i t h o u t a n y . T h e c o n s u m e r s a l o n g t h e t w o l i n e s w e r e i n f o r m e d a b o u t t h i s s t u d y a n d t h e i r h e l p w a s s o u g h t i n w r i t i n g t h r o u g h t h e A r e a E n g i n e e r , A v i s s a w e l l a . A c o n s u m e r s u r v e y w a s c a r r i e d o u t t o c o m p a r e t h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g i n t h e t w o l i n e s a n d t h u s a s c e r t a i n t h e e f f e c t s o f t h e s h i e l d i n g c o n d u c t o r . T h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g w e r e o b s e r v e d o v e r a p e r i o d o f t w o y e a r s s t a r t i n g f r o m J a n u a r y 2 0 0 2 . 1 6 4 . 2 R e s u l t s o f t h e C o n s u m e r S u r v e y A l o n g t h e D i s t r i b u t i o n A l o n g t h e D i s t r i b u t i o n L i n e w i t h t h e s h i e l d L i n e w i t h o u t s h i e l d w i r e w i r e N u m b e r P e r c e n t a g e N u m b e r P e r c e n t a g e - N o . o f c o n s u m e r s 1 0 - 1 0 - s u r v e y e d N o . o f I n c i d e n t s o f 4 4 0 % 5 5 0 % M e t e r d a m a g e s N o . o f l n c i d e n t s o f 4 4 0 % 4 4 0 % T r i p S w i t c h d a m a g e s I l N o . o f l n c i d e n t s o f T V 2 2 0 ° / c l 1 1 0 % d a m a g e s N o . o f I n c i d e n t s o f 1 1 0 % 1 W % R e f r i g e r a t o r d a m a g e s N o . o f I n c i d e n t s o f 1 0 1 0 0 % 1 0 1 0 0 % L a m p d a m a g e s N o e l e c t r i c a l d a m a g e s - 0 % - 0 % d u e t o l i g h t n i n g T a b l e 4 . 2 - R e s u l t s o f t h e C o n s u m e r S u r v e y 1 7 . . . . T h e f i e l d s t u d y c o n f i r m s t h e f a c t t h a t t h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g a r e c o n s i d e r a b l y h i g h i n t h e s e l e c t e d a r e a . T h e r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e s h i e l d i n g c o n d u c t o r h a s l i t t l e o r n o e f f e c t o n t h e p r o t e c t i o n a g a i n s t d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g . F o r i n s t a n c e , p e r c e n t a g e o f d a m a g e s o f E n e r g y M e t e r s i s l o w ( 4 0 % ) i n t h e l i n e w i t h t h e s h i e l d i n g c o n d u c t o r w h i l e t h e f i g u r e i s h i g h e r ( 5 0 % ) i n t h e l i n e w i t h o u t t h e s h i e l d i n g c o n d u c t o r , w h e r e a s p e r c e n t a g e o f T V d a m a g e s i s h i g h e r ( 2 0 % ) i n t h e f i r s t c a s e a n d l o w e r ( 1 0 % ) i n t h e s e c o n d c a s e . P e r c e n t a g e s o f i n c i d e n t s o f d a m a g e o f T r i p S w i t c h e s , R e f r i g e r a t o r s a n d L a m p s a r e s a m e u n d e r b o t h c i r c u m s t a n c e s 1 8 . . C h a p t e r 5 D i s c u s s i o n 5 . 1 M o r e d a m a g e s o c c u r t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e ? T h e r e i s a p o i n t i n t h e c l a i m t h a t m o r e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g o c c u r t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e t h a n t h e b e g i n n i n g . A s e l a b o r a t e d i n t h e P S C A D s i m u l a t i o n r e s u l t s , w h e n a l i g h t n i n g s u r g e s t r i k e s a d i s t r i b u t i o n l i n e , i t t r a v e l s i n b o t h d i r e c t i o n s o f t h e l i n e . I t i s s h o w n i n t h e s i m u l a t i o n t h a t t h e m a g n i t u d e o f t h e s u r g e v o l t a g e d e c a y s t o w a r d s t h e b e g i n n i n g o f t h e l i n e d u e t o t h e t r a n s f o r m e r e a r t h . T h e o t h e r p o r t i o n o f t h e l i n e d o e s n o t e n j o y t h i s a d v a n t a g e a n d a s s u c h t h e m a g n i t u d e r e m a i n s a t t h e s a m e h i g h v a l u e u n t o t h e e n d o f t h e l i n e . T h e r e f o r e t h e c o n s u m e r s c o n n e c t e d t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e a l w a y s e x p e r i e n c e h i g h s u r g e v o l t a g e s i r r e s p e c t i v e o f t h e p o i n t o f l i g h t n i n g s t r i k e . I n t h i s m a n n e r , c o n s u m e r s ' c l a i m t h a t t h e d a m a g e s o c c u r m o r e o f t e n t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e i s e x p l a i n a b l e . 5 . 2 S h i e l d W i r e P r o t e c t i o n S h i e l d w i r e s a r e u s e d t o a v o i d d i r e c t l i g h t n i n g f l a s h e s t o t h e l i n e . B e c a u s e o f t h e i r u s e o n t r a n s m i s s i o n l i n e s , s h i e l d w i r e s a r e t h e f i r s t t h o u g h t t h a t c o m e s i n m i n d f o r l i g h t n i n g p r o t e c t i o n . S h i e l d w i r e s c a n p r o v i d e e f f e c t i v e p r o t e c t i o n w h e n v e r y l o w g r o u n d r e s i s t a n c e s a r e o b t a i n a b l e [ 4 ] . S h i e l d w i r e s a r e p l a c e d s o t h a t v i r t u a l l y e v e r y s t r i k e w i l l h i t t h e s h i e l d w i r e . W h e n l i g h t n i n g h i t s t h e s h i e l d w i r e , c u r r e n t w i l l f l o w t o g r o u n d t h r o u g h t h e g r o u n d i m p e d a n c e , a n d t h e g r o u n d v o l t a g e w i l l r i s e u p . T h i s i n c r e a s e m a y c a u s e a f l a s h o v e r f r o m t h e g r o u n d l e a d t o o n e o f t h e u n p r o t e c t e d p h a s e s , a p h e n o m e n o n c a l l e d a b a c k - f l a s h o v e r . T h e l a r g e r t h e g r o u n d i m p e d a n c e i s , t h e l a r g e r t h e g r o u n d p o t e n t i a l r i s e i s . S e v e r a l p r o b l e m s l i m i t t h e u s e f u l n e s s o f a s h i e l d w i r e a t d i s t r i b u t i o n v o l t a g e l e v e l s a n d t h i s c o u l d b e t h e r e a s o n f o r t h e i n e f f e c t i v e n e s s o f t h e s h i e l d w i r e a s s u r f a c e d i n t h e f i e l d s t u d y . 1 9 1 . L o w B I L : I t i s d i f f i c u l t t o c o n s t r u c t a s h i e d w i r e d e s i g n a n d m a i n t a i n a h i g h B I L b e c a u s e t h e g r o u n d w i r e m u s t b e c a r r i e d f r o m t h e s h i e l d w i r e p a s t t h e p h a s e w i r e s t o g r o u n d . 2 . N o e f f e c t o n I n d u c e d F l a s h o v e r s : T h e s h i e l d w i r e o n l y r e d u c e s t h e d i r e c t h i t f l a s h o v e r s . I t d o e s n o t r e d u c e t h e i n d u c e d f l a s h o v e r s . S i n c e t h e a d d i t i o n o f a s h i e l d w i r e w i l l p r o b a b l y r e d u c e B I L , t h i s m a y l e a d t o e v e n m o r e f l a s h o v e r s . 3 . H a r d t o g e t l o w g r o u n d s : A t d i s t r i b u t i o n v o l t a g e s g r o u n d s w o u l d h a v e t o b e l e s s t h a n 1 0 o h m s t o b e e f f e c t i v e . 4 . F o r d i s t r i b u t i o n l i n e s i n b u i l t - u p o r f o r e s t e d a r e a s , n e a r b y t r e e s a n d b u i l d i n g s c a n i n t e r c e p t a s i g n i f i c a n t n u m b e r o f d i r e c t s t r o k e s . 5 . 3 A r r e s t o r P r o t e c t i o n 5 . 3 . 1 O p e r a t i o n o f a S u r g e A r r e s t o r O r d i n a r y f u s e s a n d c i r c u i t b r e a k e r s a r e n o t c a p a b l e o f d e a l i n g w i t h l i g h t n i n g i n d u c e d t r a n s i e n t s . S u r g e A r r e s t o r s ( S A ) o n l y c o n d u c t u n d e r s u r g e c o n d i t i o n s . N o r m a l l y , a S A w i l l d o a b s o l u t e l y n o t h i n g , m u c h a s a f u s e d o e s n o t h i n g w h e n i t i s u s e d w i t h i n i t s r a t i n g . H o w e v e r , o n c e t h e v o l t a g e i n t h e s y s t e m r i s e s d u e t o t h e e f f e c t o f a l i g h t n i n g s t r i k e , t h e S A s t a r t s t o c o n d u c t a n d d i v e r t s t h e e n e r g y a w a y f r o m t h e l o a d . T h e s u r g e o r o v e r v o l t a g e o n l y l a s t s f o r a s h o r t t i m e , t y p i c a l l y t e n s o f m i c r o s e c o n d s t o a f e w m i l l i s e c o n d s a n d s o t h e t o t a l e n e r g y i s n o t h u g e . U n l i k e a f u s e , h o w e v e r , a s u r g e a r r e s t o r c a n b e u s e d m a n y t i m e s . S u r g e A r r e s t o r s a r e t r i g g e r e d w h e n t h e a p p l i e d v o l t a g e r i s e s a b o v e a g i v e n l e v e l . T h i s i s k n o w n a s t h e c l a m p v o l t a g e . T h e t e c h n o l o g y u s e d t o p e r f o r m t h e c l a m p i n g m e e t s t h e f o l l o w i n g c r i t e r i a . a ) T h e s u r g e h a n d l i n g i s h i g h e n o u g h f o r t h e s y s t e m b ) T h e c l a m p v o l t a g e i s h i g h e n o u g h t o a v o i d t h e S A c l i p p i n g t h e s u p p l y c o n t i n u o u s l y . c ) T h e S A s h o u l d s w i t c h o f f o n c e t h e s u r g e h a s p a s s e d T o h a v e a s u f f i c i e n t l y h i g h s u r g e r a t i n g , t h e d e v i c e s a r e u s u a l l y M e t a l O x i d e V a r i s t o r s ( M O V s ) o r s p a r k g a p s . M O V s h a v e a h i g h s u r g e r a t i n g a n d a r e a v a i l a b l e i n m a n y d i f f e r e n t v o l t a g e r a t i n g s . S p a r k g a p s h a v e v e r y h i g h s u r g e r a t i n g s b u t s u f f e r f r o m p o w e r f o l l o w - t h r o u g h . O n c e a s p a r k g a p o p e r a t e s i t e f f e c t i v e l y s h o r t s t h e s u p p l y . 2 0 5 . 3 . 2 A r r e s t o r S p a c i n g I t i s d i f f i c u l t t o p r o t e c t 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 f r o m d i r e c t s t r o k e s . S i m u l a t i o n s s h o w t h a t a r r e s t o r s m a y n e e d t o b e p u t a t e v e r y p o l e f o r a d e q u a t e p r o t e c t i o n . S a t i s f a c t o r y r e s u l t s m a y b e o b t a i n e d i f a r r e s t o r s a r e u s e d a t e v e r y o t h e r p o l e , b u t t h e B J L a t t h e u n p r o t e c t e d p o l e s w o u l d h a v e t o b e k e p t h i g h ( n o g r o u n d w i r e s o r g u y w i r e s a t t h e p o l e ) . :-------~------------~-·--------··- I I~ - I • E 1 5 I s . 0 I~ 1 0 . I . . ~ 5 0 ~ 0 +-~~----~----------~----------~ c a u : : 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 A r r e s t o r S p a c i n g ( m ) ~ -~~----~· ~~~ - · · - - - - - - · ---··--~ · - - - · - - - F i g . 5 . 3 . 2 - D i r e c t S t r o k e F l a s h o v e r s v s . A r r e s t o r S p a c i n g F o r n e a r b y s t r o k e s , t h e i n d u c e d v o l t a g e s a r e m u c h l e s s t h a n t h e d i r e c t s t r o k e v o l t a g e s a t t h e s a m e s t r o k e c u r r e n t l e v e l . 5 . 3 . 3 T o p P h a s e A r r e s t e r U s a g e T h e m e c h a n i c s o f t o p p h a s e a r r e s t o r a p p l i c a t i o n a r e v e r y s i m i l a r t o s h i e l d w i r e p r o t e c t i o n . W h e n l i g h t n i n g h i t s t h e t o p p h a s e , t h e t o p c o n d u c t o r w i l l b e e f f e c t i v e l y g r o u n d e d a f t e r t h e a r r e s t o r o n t h e t o p p h a s e c o n d u c t s . L i k e s h i e l d w i r e d e s i g n s , p e r f o r m a n c e i s v e r y d e p e n d e n t o n g r o u n d r e s i s t a n c e b e c a u s e o f t h e g r o u n d p o t e n t i a l r i s e . A d r a w b a c k i s t h a t t h e a r r e s t o r s m a y b e e x p o s e d t o e x c e s s e n e r g y . A r r e s t o r s o n t h e t o p p h a s e h a v e t h e s a m e p r o b l e m a s a s h i e l d w i r e d e s i g n i n t h a t i t i s d i f f i c u l t t o m a i n t a i n a h i g h B I L f o r t h e u n p r o t e c t e d p h a s e s . T h e p r e s e n c e o f a n a r r e s t o r o n o n e p h a s e o n l y w i l l b r i n g a n e u t r a l o r g r o u n d w i r e c l o s e r t o t h e u n p r o t e c t e d p h a s e s . 2 1 5 . 3 . 4 E n e r g y C o n c e r n s T h e r e i s a c o n c e r n t h a t i f a r r e s t o r s a r e u s e d t o p r o t e c t a g a i n s t d i r e c t s t r o k e s , f a i l u r e w i l l o c c u r b e c a u s e o f e x c e s s i v e e n e r g y . D i r e c t s t r o k e s c a n d i s c h a r g e s i g n i f i c a n t a m o u n t s o f e n e r g y t h r o u g h a s u r g e a r r e s t e r . 5 . 3 . 5 A s p e c t o f A r r e s t o r F a i l u r e s S u r g e A r r e s t o r s d o f a i l , u s u a l l y a s a r e s u l t o f r e p e a t e d u s e , a v e r y h i g h s u r g e c u r r e n t o r a c o m b i n a t i o n o f b o t h . T h i s m e a n s , t h e y h a v e s o m e f o r m o f l i f e I i m i t s [ 5 ] . W h e n a r r e s t o r s a r e u s e d i n l a r g e n u m b e r s , a c o n s i d e r a t i o n h a s t o b e g i v e n t o t h e a r r e s t o r f a i l u r e s , w h i c h a r e l i k e l y t o o c c u r . H i s t o r i c a l l y , a r r e s t o r s o n d i s t r i b u t i o n s y s t e m s h a v e b e e n f a i l i n g a t a r a t e o f u p t o 1 % o r m o r e [ 2 ] . T h e a r r e s t o r t e c h n o l o g y h a s u n d e r g o n e s i g n i f i c a n t c h a n g e s w i t h t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e M e t a l O x i d e V a r i s t o r s ( M O V s ) . H o w e v e r , t h e c o n s e q u e n c e s o f a r r e s t o r f a i l u r e s w i l l b e m o r e s e r i o u s t h a n o r d i n a r y f l a s h o v e r s o f r e s t o r a b l e l i n e i n s u l a t i o n , s i n c e t h e y w i l l r e q u i r e r e p l a c e m e n t o f t h e a r r e s t o r s a n d t h e l i n e p r o t e c t i o n w i l l b e i n e f f e c t i v e i n l o c a t i o n s w i t h f a i l e d a r r e s t o r s . I n t h e l i g h t o f t h i s a r g u m e n t , t h e p r a c t i c e o f a p p l y i n g a r r e s t o r s e t s o n e v e r y p o l e o f t h e l i n e t h a t i s t o b e p r o t e c t e d a p p e a r s h a r d l y w o r t h r e c o m m e n d i n g . C o n s e q u e n t l y , i f a r r e s t o r s a r e t o b e u s e d f o r l i n e p r o t e c t i o n t h e y m u s t b e m o r e w i d e l y s p a c e d , s o t h a t t h e t o t a l a r r e s t o r p o p u l a t i o n i s n o t i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y . 5 . 3 . 6 A r r e s t o r D u t y T h e s u b j e c t o f a r r e s t o r d u t y c a n n o t b e p r e s e n t e d w i t h o u t c o n s i d e r i n g t h e s t a t i s t i c a l a s p e c t s i n v o l v e d i n d e t e r m i n i n g h o w o f t e n a n a r r e s t o r w i l l b e e x p o s e d t o l i g h t n i n g s t r o k e c u r r e n t s a n d w h a t p e r c e n t a g e o f t h e s t r o k e w a v e f o r m s w i l l b e s e v e r e e n o u g h t o d a m a g e t h e a r r e s t o r . F u r t h e r m o r e , f o r a c c u r a t e p r e d i c t i o n o f a r r e s t o r e n e r g y a b s o r p t i o n , i t i s v e r y i m p o r t a n t t o p r o p e r l y m o d e l n o t o n l y t h e a r r e s t o r s b u t t h e i r i n t e r a c t i o n s w i t h t h e d i s t r i b u t i o n s y s t e m , o t h e r a r r e s t o r s , t h e d i s t r i b u t i o n t r a n s f o n n e r s a n d c u s t o m e r l o a d , s i n c e m u c h o f t h e e n e r g y d u t y i s c a u s e d b y t h e l o n g d u r a t i o n ( l o w f r e q u e n c y ) c o m p o n e n t s o f t h e l i g h t n i n g s t r o k e c u r r e n t w a v e f o r m . 2 2 C h a p t e r 6 C o n c l u s i o n s - B a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n d f i e l d s t u d i e s , t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n b e m a d e . 1 . V o l t a g e r i s e s t o a m a x i m u m v a l u e a t t h e n o d e o f l i g h t n i n g s t r o k e a n d s u r g e v o l t a g e d e c r e a s e s g r a d u a l l y t o w a r d s t h e n o d e w h e r e a l i g h t n i n g a r r e s t o r i s c o n n e c t e d a n d a l s o t o w a r d s t h e t r a n s f o r m e r e n d w h e r e t h e n e u t r a l c o n d u c t o r i s e a r t h e d t h r o u g h t h e t r a n s f o r m e r n e u t r a l p o i n t . 2 . T h e m a g n i t u d e r e m a i n s u n c h a n g e d t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e , i f n o a r r e s t o r s a r e i n s t a l l e d a n d a s s u c h t h e r e i s a p o i n t i n t h e c l a i m t h a t t h e d a m a g e s d u e t o l i g h t n i n g i s m o r e f r e q u e n t t o w a r d s t h e e n d o f t h e l i n e t h a n t h e b e g i n n i n g . 3 . A r r e s t o r s c a n c u r t a i l t h e m a g n i t u d e o f s u r g e v o l t a g e d r a s t i c a l l y a n d f o r e f f e c t i v e p r o t e c t i o n s u r g e a r r e s t o r s a r e r e q u i r e d a t e a c h n o d e . 4 . T h e r e i s n o s i g n i f i c a n t e f f e c t i n u s i n g a n o v e r h e a d s h i e l d w i r e i n l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e s a g a i n s t d a m a g e s t o h o u s e h o l d e l e c t r i c a l i t e m s . 2 3 R e f e r e n c e s : [ 1 ] N A S A w e b s i t e o n l i g h t n i n g ; h t t p : / / a c e s . m s f c . n a s a . g o v ( 2 1 M c D e r m o t t , T . E . ; S h o r t , T . A . ; A n d e r s o n , J . G . , " L i g h t n i n g P r o t e c t i o n o f 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 D t ; l i v e r y , V o l . 9 , n o . 1 , p p . 1 3 8 - \ 5 2 , 3 a n u a r y 1 9 9 4 [ 3 ] T a s k F o r c e R e p o r t ( G E a n d 8 u t i l i t i e s ) , " I n v e s t i g a t i o n a n d E v a l u a t i o n o f L i g h t n i n g P r o t e c t i v e M e t h o d s f o r D i s t r i b u t i o n C i r c u i t s P a r t 1 : M o d e l S t u d y a n d A n a l y s i 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 . 8 8 , n o . 8 , p p . 1 2 3 2 - 1 2 3 8 , A u g u s t 1 9 6 9 [ 4 ] " L i g h t n i n g P r o t e c t i v e M e t h o d s f o r D i s t r i b u t i o n C i r c u i t s P a r t I I : A p p l i c a t i o n a n d E v a l u a t i o n , " 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 . 8 8 , n o . 8 , p p . 1 2 3 9 - 1 2 4 7 , A u g u s t 1 9 6 9 [ 5 ] T h o m a s A S h o r t , " 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 D i s t r i b u t i o n L i n e s , " N o v e m b e r 2 0 0 0 ' , " ' . . ' " ( \ 1 6 ' . < . ' " " ) \ . / \ . , _ ' / '··-~~- 2 4